试样激励下轻敲模式原子力声显微镜的非线性动力学特性

利用Euler-Bernoulli梁理论和DMT针尖-样品作用力模型建立了试样激励下轻敲模式原子力声显微镜(AFAM)系统的动力学方程,并应用非线性动力学分析方法对AFAM微悬臂梁的振动特性进行研究。通过合理改变超声激励幅值、超声激励频率和针尖-样品初始间距等模型参数模拟得到微悬臂梁的超谐波、次谐波、准周期和混沌振动现象,采用时间序列、频谱、相空间、Poincare截面和Lyapunov指数等方法对不同非线性振动特性进行表征。通过分析不同模型参数条件下微悬臂梁针尖-样品作用力特性,探索了微悬臂梁不同非线性振动现象的产生机制。此外,研究了AFAM微悬臂梁运动的分岔特性,发现当超声激励幅值和针尖-样品初始间隙连续变化时,周期、准周期和混沌运动交替出现。研究结果对AFAM系统非线性动力学行为分析和混沌振动控制提供了理论参考。     

带悬臂梁段连接的梁柱节点初始转动刚度研究

对带悬臂梁段拼接连接和栓焊连接的两类节点进行理论计算、试验研究和数值分析,研究节点域和拼接区两部分的受力性能,探讨带悬臂梁段连接的梁柱节点的刚度及其初始转动刚度计算模型。基于相关性对带悬臂梁段连接节点进行不确定性结构灵敏度分析,构建只含几何参数的节点初始转动刚度计算模型。分析表明,两类连接节点和全焊接连接节点具有一定半刚性;在拼接区具有足够连接强度时,带悬臂梁段连接节点与全焊连接节点的弹性阶段初始转动刚度表现出较好的一致性,弹塑性阶段力学性能也相近;从计算模型中可以直接看出各参数对初始转动刚度的敏感程度。通过计算实例表明,对钢框架进行设计时,按半刚性设计比考虑节点域剪切变形的刚性设计偏于安全;依据提出的节点初始转动刚度计算模型进行带悬臂梁段连接的钢框架半刚性设计较为准确。     

嵌入石墨烯三角环的纳米光纤电磁场特性研究

光纤中掺杂不同材料将会对其物理特性产生影响。建立了嵌入不同尺寸三角形石墨烯环的纳米光纤模型,采用有限元法对其电磁特性进行了计算和模拟,分析了光纤中的能量密度均值和电磁场强度分布。通过与基准光纤对比,发现石墨烯环嵌入不改变光纤各物理量的分布情况,只是降低相应的强度。通过改变石墨烯环的尺寸,结果显示石墨烯环尺寸越小对光纤中的光传输产生的影响越大。     

用于OTA检测的氧化石墨烯/适配体传感器的构建

针对氧化石墨烯(graphene oxide,GO)与适配体之间吸附作用力过强、影响生物传感器检测赭曲霉毒素A(ochratoxin A,OTA)灵敏度的问题,提出了用鲑鱼精子DNA修饰氧化石墨烯表面以减弱其对适配体的吸附作用,提高生物传感器对OTA检测灵敏度的方法。该方法确定了淬灭适配体携带荧光信号的氧化石墨烯最适质量浓度及孵育时间;比较了不同鲑鱼精子DNA浓度对荧光淬灭效率及荧光恢复的影响;对不同浓度的OTA进行检测以确定该生物传感器的检测限及线性检测范围;进行了该生物传感器的特异性分析。研究结果表明,经鲑鱼精子DNA修饰的氧化石墨烯构建的生物传感器对OTA的线性检测范围为20～500nmol/L,检测限为16.7nmol/L,R2=0.99,相对于未经鲑鱼精子DNA修饰的氧化石墨烯构建的生物传感器,其检测灵敏度提高了113倍,而且具有良好的特异性与选择性。     

Cu基底双层石墨烯的可控制备

提出采用改进的化学气相沉积(chenmical vaper deposition,CVD)方法,利用甲烷为碳源在展平的Cu箔表面直接制备双层石墨烯薄膜。通过细致研究甲烷气体流量、生长时间等参数对双层石墨烯成核密度的影响,进一步探讨双层石墨烯生长的机理和条件。研究利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、光学显微镜、Raman光谱对石墨烯的表面形貌、结构和堆叠方式进行了表征,提出双层石墨烯的"高效生长时间"为双层石墨烯成核完成后到第1层石墨烯完全覆盖Cu箔之间的时间段。通过优化生长条件,制备出高成核密度(双层与单层石墨烯成核密度比接近0.95)和高覆盖度的双层石墨烯(其中AB堆叠双层石墨烯比例高达82.7%),实现展平Cu薄基底上高覆盖度双层石墨烯的可控制备。     

硫化镉/石墨烯/TiO_2纳米棒阵列的光电化学性能

采用水热法在掺氟导电玻璃(FTO)上生长TiO_2纳米棒阵列。通过电化学伏安法将氧化石墨烯还原并沉积在TiO_2纳米棒阵列上,再经过化学水浴沉积硫化镉,形成Cd S/石墨烯/TiO_2阵列复合材料。用X射线衍射仪、扫描电子显微镜及X射线能量色散仪对样品的晶型、形貌以及成分进行分析。通过电化学工作站表征样品交流阻抗、开路电位、光电流响应及光化学能转换效率。结果表明,复合材料的电荷转移电阻约是未修饰的TiO_2纳米棒阵列的1/17,光电流比未修饰的TiO_2纳米棒阵列提高约2.5倍,在外加电压为-0.6 V时可达到2.2%。     

一种多通道光吸收增强的石墨烯结构

为改善石墨烯的光吸收性能并实现多通道吸收,提出一种含间隔层的光子晶体异质结构。利用4×4传输矩阵法研究了设计波长、外磁场、费米能量和光子晶体周期数等参数对该结构吸收特性的影响。结果表明:由于石墨烯的磁光效应,在外磁场的作用下该结构的吸收特性表现出一定的磁圆二色性,且其多通道吸收特性可通过外磁场和费米能量来实现调节;吸收通道数和位置可通过设计波长、间隔层厚度和光子晶体的周期数等参数来调节。研究结果可为基于石墨烯的多通道光吸收器和磁圆二色性传感器等器件的设计提供参考。     

石墨烯/h-BN异质结中带宽调制的反转整流特性

构建了由扶手椅型石墨烯和六方氮化硼(石墨烯/h-BN)杂化纳米带组成的异质结,利用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法研究了异质结的电流整流特性。计算结果表明,具有较小(大)带宽的异质结出现了新奇的反向(正向)整流行为,而整流方向与异质结的界面类型无关。研究表明,可通过控制石墨烯/h-BN异质结的宽度设计出具有反转整流特性的纳米器件。     

聚乙二醇修饰对抑制纳米颗粒在水中聚集行为影响的分子动力学模拟

为了探究表面聚乙二醇(PEG)修饰对抑制疏水性纳米颗粒在水中的聚集行为影响,应用粗粒度分子动力学计算方法,对PEG修饰的疏水性纳米颗粒的水相聚集行为进行了模拟研究。分别建立刚性颗粒和表面疏水链改造的颗粒两种纳米颗粒模型,重点探讨了不同链长PEG修饰对抑制颗粒聚集的影响。研究发现,PEG修饰可以有效抑制疏水性纳米颗粒在水相中的聚集行为,而且随着PEG修饰长度的增加,抑制聚集作用明显增强。通过对颗粒聚集前、后体系的分子密度分布改变、颗粒的均方位移以及能量变化等参数的分析,进一步阐述了PEG修饰抑制疏水性纳米颗粒在水相中的聚集过程,并对其微观机制进行初步探究。模拟结果表明,通过对纳米颗粒表面进行PEG修饰,可以调控颗粒在水相环境中聚集行为。     

基于微元法的低渗透储层定向射孔转向压裂裂缝动态扩展模型

为明确低渗透非常规油气储层定向射孔转向压裂改造过程中裂缝扩展轨迹及其偏转距离的变化规律,综合考虑水平地应力差、射孔参数、注液参数、地层力学参数等因素对水力裂缝偏转扩展的影响,建立基于微元法的定向射孔转向压裂裂缝动态扩展模型(MEM模型)。该模型通过VisualBasic语言编制的迭代运算程序完成缝尖微小步长增量与偏转角之间的循环迭代计算,实现对转向裂缝动态扩展过程的模拟。通过比较MEM模型计算的裂缝扩展轨迹与现场压裂微地震监测结果、XFEM模型计算结果及室内压裂试验结果之间的差异,验证MEM模型的准确性。以临兴区块石盒子组致密砂岩储层为例,研究各因素对裂缝扩展轨迹及其偏转距离的影响规律与机制。研究结果表明:不同因素下裂缝扩展轨迹的变化趋势基本一致,裂缝从射孔端起裂后逐渐向水平最大地应力方向偏转,偏转幅度先增大后减小;裂缝偏转距离随水平地应力差的增加呈负对数规律减小,随射孔方位角、注液速率及压裂液黏度的增加呈线性规律增大;射孔长度对裂缝偏转距离几乎没有影响。该模型和结论对进一步认识定向射孔转向压裂过程具有重要意义。