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关键词： 激光微纳加工   界面调控   结构色   润湿性   粘附性   表面张力  

摘要： 界面调控因为在生产生活中有着非常重要的应用价值,越来越受到研究人员的重视,例如结构色可以用于识别码、装饰美化、防伪等领域,超疏水低粘附的表面可以用于防污、抗冰、自清洁等领域,基于表面张力梯度的自驱动可以用于机器人、发电等领域。这些独特的界面现象本质上都是微纳结构对界面物理性质的调控而产生的,因此对微纳结构的可控加工进一步成为研究的热点。目前,虽然各种各样微纳结构已经成功地通过多种微纳加工技术被制备出来,并且已经用于实现对界面物理性质的调控,但是在大面积微纳结构的高效制备、界面调控的应用范围、界面性质的精准调控等方面依旧存在着一些问题。本文的工作主要通过多种激光微纳加工技术来研究上述问题,具体内容如下:1.搭建了一套聚焦激光干涉加工系统,在多种金属表面一步加工出大面积金属微槽阵列结构,单次曝光即可加工1×1 mm2区域,相比现有单点扫描技术效率提高了 2.5倍,解决了在金属表面高效制备大面积结构色的难题。分析了金属微槽阵列的成型机理,通过加工参数对金属微槽阵列形貌进行了调控。定量研究了金属微槽阵列的形貌对结构色的调控规律。此外,探究了不同形貌的金属微槽阵列对各向异性润湿性的调控。2.提出了一种粗糙微纳结构对液态金属粘附性的调控方法,利用飞秒激光烧蚀加工系统在聚合物表面上诱导出粗糙微纳结构,实现了对液态金属这一种特殊液体的粘附性调控,并阐明了其中的调控机理,从而拓展了微纳结构对液体粘附性调控的应用范围。通过加工参数改变粗糙微纳结构的形貌,从而实现了对液态金属粘附性的精准调控。并且进一步通过转印,实现了液态金属的图案化,探究了该方法在柔性电子器件领域的应用前景。3.发展了一种多孔微纳结构对表面张力分布的调控方法,利用激光无掩膜灰度光刻加工系统,实现了水凝胶中非对称多孔微纳结构的可控加工,并建立了低表面张力有机液体释放速率与多孔微纳结构之间的关系模型。基于理论模型和实验,设计加工了水凝胶转子,通过转子不同部位的非对称多孔微纳结构控制有机液体的释放速率,进而精准地调控了转子周围表面张力分布,增强了表面张力梯度,并结合减阻外形设计,实现了转子的高速自驱动,最高转速达到了 5215rpm。水凝胶转子的转动输出和燃料效率比现有报道中基于马兰戈尼效应的转子分别提高了 15倍和34%。最后展示了自驱动水凝胶转子在动能传输、发电、水净化等方面的应用。

关键词： 微量元素   C-O-Sr-S同位素   流体包裹体   流体演化   西山煤田  

摘要： 太原西山石炭-二叠系煤田是中国重要的煤炭生产基地,受燕山期岩浆活动和多期次构造热事件的影响,煤田流体活动广泛发育。本文从流体的物质组成入手,通过显微镜观察、微量元素、C-O-Sr-S同位素和流体包裹体等多种测试手段,对流体矿物组成、微量元素和同位素组成进行分析,查明流体的期次、性质及其演化特征。取得如下研究成果:(1)煤田石炭-二叠系地层存在两类脉体矿物,分别是碳酸盐矿物(白云石、方解石)和黄铁矿。白云石脉主要分布在2煤层,而方解石脉主要发育在8煤层顶板;黄铁矿脉广泛分布于2煤层和8煤层。方解石脉表现为轻稀土和中稀土富集的两种不同的配分模式。第一类为轻稀土富集的方解石脉的Sr/Sr值(0.7093)略低于第二类中稀土富集方解石脉的Sr/Sr值(0.7101);两类方解石脉的C-O同位素组成与围岩灰岩一致。这些方解石的形成,是由于富Sr和含烃类流体与灰岩发生水-岩反应,灰岩溶解和CO去气作用共同所致。白云石脉均表现为轻稀土富集型,2煤层底板的白云石脉存在的明显δEu正异常,反映了存在热液流体活动;2煤层中的白云石脉继承了围岩Eu元素负异常的特征,因此说明成矿流体可能来源于地层水,并与围岩发生水-岩反应,围岩溶解和CO去气作用形成白云石脉。(2)煤田内黄铁矿脉的Co/Ni<1,表明黄铁矿为沉积成因黄铁矿。黄铁矿脉的S同位素值在不同煤层间差异显著,2煤层黄铁矿脉的δS值平均为-20.7‰,主要为生物硫成因,而8煤层黄铁矿脉的δS值平均为-3.71‰。主要为壳源硫,并受到海水硫的影响。2煤层顶板黄铁矿脉的形成温度分布范围为130～160℃,平均145℃,属于低温热液;8煤层底板黄铁矿脉的形成温度分布范围为400～460℃,平均433℃,属于高温热液。(3)方解石脉中盐水包裹体的均一温度有3个范围,分别为70.0～80.0℃、100～110℃和130～140℃;盐度主要分布在16.0%～22.0%Na Cl之间,表现出高盐度特征。三层砂岩(晋祠砂岩、七里沟砂岩、北岔沟砂岩)样品的流体包裹体表现为群状分布和带状分布两种类型,群状分布的流体包裹体的均一温度平均为117℃,带状分布的流体包裹体的均一温度平均为126℃,说明存在着两期不同的流体活动。山西组地层中北岔沟砂岩的流体包裹体的盐度比太原组晋祠砂岩、七里沟砂岩的盐度低;切穿石英颗粒的微裂隙的流体包裹体具有较高的盐度,而切穿石英颗粒及其次生加大边的微裂隙的流体包裹体的盐度普遍偏低,石英加大边内的流体包裹体的盐度普遍偏高。方解石脉的流体包裹体均一温度结合地层埋藏史,得出太原组地层(Ct)在三叠纪有3阶段油气充注:第一阶段为早-中三叠世(235Ma左右),低成熟度液态烃形成并早期注入,但未能成藏;第二阶段为中三叠世(225Ma左右),有机质进入成熟阶段,开始了生烃、排烃过程,局部成藏;第三阶段为晚三叠世(217Ma左右),有机质进入高成熟阶段,大量煤成烃生成并排出,该时期是煤成烃主要成藏期。

关键词： 二维液滴   纳米结构   固液界面张力   表面张力   分子动力学  

摘要： 了解固液界面的性质对许多工艺过程都很重要,固液界面张力是研究固液界面性质的重要物理量,是决定材料微观结构和力学性能的关键因素。随着研究尺度的减小,固液界面张力难以通过实验手段测量,分子动力学模拟成为研究固液界面张力的有效方法。本文采用分子动力学方法模拟了二维液滴在光滑壁面和倒三角形、矩形、梯形纳米结构粗糙壁面下的润湿行为,探讨不同固液势能参数、不同温度和壁面结构对固液界面张力的影响规律;研究不同固液势能参数和温度下液膜在受限壁面和单侧壁面下的界面张力。在液滴体系下的研究表明:固液界面张力随固液势能参数的增大而减小。在疏水时,固液界面张力大于表面张力,纳米结构的存在使固液界面张力增加,粗糙壁面下的固液界面张力高于光滑壁面;在亲水时,粗糙壁面下的固液界面张力高于光滑壁面但固液界面张力值低于表面张力。在粗糙壁面体系下,当固液界面张力随固液势能参数变化速度发生改变时,接触角随固液势能参数变化的斜率也发生相应的转折。在研究温度对固液界面张力的影响时发现,固液界面张力和表面张力均随温度的升高而降低。在疏水时,表面张力随温度变化的斜率小于固液界面张力随温度变化的斜率,光滑壁面和粗糙壁面下的固液界面张力均高于表面张力,接触角随温度升高而增大,同温度时倒三角形纳米结构下的接触角最大,梯形结构下的接触角最小;在亲水时,表面张力下降速度较固液界面张力的下降速度快,在温度较低时,固液界面张力相对较小,在温度较高时,固液界面张力相对较大,接触角随温度升高而降低,同温度下倒三角形纳米结构下的接触角最小,梯形结构下的接触角最大。通过对液膜在受限空间和非受限空间下的密度分布形式和局部界面张力分布形式进行分析发现,固液界面张力和密度均以振荡形式分布,且两者的振荡形式一致,对应的波峰位置和数目也表现出一致性。在疏水时,法向压力在固液界面区出现多个峰值,但仅出现一个谷值;切向压力在固液界面区的值始终为负,仅有一个谷值;在亲水时,法向压力在固液界面区出现多个峰值和谷值,切向压力在固液界面区同样出现多个峰值和谷值。这为揭示固液界面性质提供理论支撑,从而指导不同纳米材料的设计、改善固液界面实现特定功能。

关键词： 查布地热田   富铯硅华   地球化学   地热气体  

摘要： 地热资源作为一种全球性新能源,在未来有着不可替代的作用。查布地热田发现高温地热资源,针对查布地热田热流体成因研究尚不明晰,限制了地热资源后续开发利用。厘清查布地热田地球化学特征,有助于解析青藏高原中南部的构造演化规律。本文整理前人研究发现,对查布地热田地热流体成因机理的研究停留在地球物理方法探讨构造演化,查布地热田热源属性有待研究确定,通过地球化学的手段尚可进行必要限定。因此,本文综合地球物理及地球化学手段,在现有研究基础之上,以热流体作为切入点,构建查布地热流体成因机理模型。本文通过地热水化学、地热水氢氧同位素、地热气体化学和泉华化学研究,探讨了查布地热田热源的归属。结合地球物理成果、地热地质资料和地球化学成果,初步构建了查布地热田地热流体成因机理概念模型,简要阐明了查布地热田深部热流体成因演化机理。主要结论分述如下:1.查布地热流体的成因大致经历了三个主要过程;深部熔融体沿着断裂上侵绝热冷却到母地热流体(350℃);母地热流体在冰雪融水及大气降水沿断层入渗混合形成岩浆水,岩浆水不断的受热体积膨胀上升,不断溶滤围岩矿物和吸收围岩放射性元素生热形成热储(最高220.2℃);热储中地热水在密度差驱使下上升,地热水不经历混合或受到浅层水不同比例的混入,出露于地表的热流体温度存在高低之别(最高86.5℃)。推测地热水循环深度范围为6.53～4.82km,补给来源为大气降水和冰雪融水,补给高度为5880米以上。2.热水水化学类型为HCO·Cl-Na·K型,次为Cl·HCO-Na·K型,属弱碱性水。查布地热水富含偏硼酸、偏硅酸、氟、锂等微量元素,达到热矿水浓度及命名标准,极具医疗开发价值。推算储存在热储固体与流体内的地热能总量可提供86.5MW,查布地热田赋存于水体中的热量可提供73.24MW,存于岩石中的热量可提供13.26MW。对查布泉华组分化学分析,结果显示:查布地热田硅华中铯平均品位0.17%,超过工业品位;通过测试查布地热水中的Cs含量,平均品位为0.537‰。对比发现在硅华中富集铯平均是地热水中的332倍。可以利用胶体富集原理对查布地热田铯矿进行开采。3.运用He/Ne与R/Ra关系判别地热田热源壳幔来源的比例值。查布地热气体中He/Ne值为2784.5,R/Ra值为0.0449;大气中的He/Ne值为0.326;地壳中R/Ra平均值值为0.02,地幔中的R/Ra取8。绘制He/Ne-R/Ra关系图,结果显示:查布地热气体氦气主要来源于地壳中,计算得到幔源最大比为5.6‰的混合;地热气体来源揭示地热田热源属性,据此推断查布地热田热源主要来自地壳,混合5.6‰的幔源热源。根据地热气体同位素分析结果,推定岩浆热源是壳内熔融体,地壳部分熔融体为地热田的主要热源,混合极少数的幔源热源。

关键词： 协同自适应巡航控制   传递误差模型   PID算法   势函数算法   混合势函数控制算法  

摘要： 高级智能辅助驾驶技术是当前汽车发展十分重要的方向之一,协同式自适应巡航控制是基于车用无线通信技术,在自适应巡航控制技术基础之发展的一种车队辅助驾驶系统。在考虑ACC性能的基础上,还要综合考虑车队的队列稳定性问题,因此CACC系统对道路突发状况的响应更加迅速,相比于ACC,可以缩短车辆之间的跟驰距离,并保证车队的行驶安全性,同时提高道路交通的通行效率。本文针对CACC车队控制算法展开理论和试验研究。首先,提出车辆控制模型,首先建立了车辆误差传递函数模型,基于速度加速度车间距的车辆动力性能指标,建立车辆动力学模型,通过误差动力学方程,定义误差状态,推导得到误差传递函数模型。通过单车,计算CACC多车队列模型,并对CACC多车队列模型进行稳定性评价,在无时延的状态下,可以认为本章所建立的CACC模型是严格稳定的。其次,提出基于PID和势函数的CACC车队控制策略。首先,本章针对CACC控制器的PID控制算法和势函数控制算法进行研究,分别对两种算法进行了推导,得到闭环控制系统的控制方程,利用Matlab/Simulink进行仿真验证,为了扩大车队上游的扰动,本文建立了一个20辆车的模型车队作为研究对象,对PID控制算法和势函数控制算法进行仿真验证。设计了平滑工况,低速工况和高速工况三种虚拟车行驶速度工况,在这三种工况下进行仿真,发现PID算法相比于势函数算法的调整时间更短,势函数控制算法的安全性和稳定性远远大于PID控制算法的结论。再次,通过分析PID和势函数两种控制算法的优缺点,提出一种混合控制器,通过设计一种状态指示方程,使车队在不同状态下,使用最适合当前车队状态的控制方法。通过状态指示器,定义车队维持稳定状态和调整状态,当车队处于维持稳定状态时,车队使用势函数控制算法进行车队调整;当车队处于调整状态时,车队使用PID控制算法进行间隙调整。两种控制算法的切换过程是不平滑的,因此建立切换函数,对切换进行过渡处理,使两种算法在切换过程中,平滑过渡,无跳跃。最后,并通过Matlab/Simulink联合仿真,分析混合控制算法的稳定性、安全性和车队效率,发现混合势函数控制器结合了PID控制器和势函数控制器的优点,在保证车队安全性和稳定性的同时,提高了车队的行驶效率。最后,搭建微缩车试验平台,使用应用ROS系统的Nanorobot智能车,搭建微缩车试验平台,对本文提出的控制算法进行试验,验证了混合势函数算法的有效性。

关键词： Ti-Zr-Hf-Si   二元合金   三元合金   四元合金   表面张力   实验测量   Butler方程  

摘要： 通过反应熔渗(Reactive melt infiltration,RMI)将高温合金熔体引入C/C复合材料中,并和预先沉积的基体材料发生反应从而形成超高温陶瓷是提高C/C复合材料耐烧蚀性能的重要方法之一。当前,选取Hf、Zr、Ti等过渡族金属与Si等组成的多元合金,通过RMI工艺对C/C复合材料进行改性已逐渐成为高温复合材料研究领域的新趋势。表面张力作为合金熔体一项基本的热物理参数,对合金熔体向C/C复合材料微孔中的渗透具有重要影响。因此,本工作采用悬滴法测量上述多元合金熔体1773-2173 K的表面张力,并运用Butler理论模型计算合金熔体表面张力。通过实验测量值与计算值的比对,获得了合金熔体表面张力随组分和温度的变化规律,主要结论如下:(1)二元(Ti-Zr、Ti-Hf、Si-Ti、Si-Zr和Si-Hf)和三元(Ti-Zr-Hf、Si-Ti-Zr、Si-Ti-Hf和Si-Zr-Hf)合金熔体表面张力测量值与计算值之间的差异范围仅为0.3%-4.8%,实验测量值与理论计算值具有非常好的契合度,表明Butler模型可适用于高熔点过渡族金属二元和三元体系合金熔体表面张力的计算;(2)Ti-Zr、Ti-Hf二元及Ti-Zr-Hf三元合金熔体的表面张力会随着Zr或Hf含量的增加而呈现类似线性增加的变化趋势;而含Si二元和三元合金熔体的表面张力会随着Ti、Zr或Hf含量的增加而呈现出先增加后减少的规律;(3)TiHfZrSi四元合金熔体在1873 K、1973 K和2073 K的表面张力分别为1538、1511和1496 m N/m;而在同一温度下,Ti-Zr-Hf-Si四元合金熔体表面张力随着Si含量的增加而减少,在2073 K,Ti:Hf:Zr:Si=3:4:12:,当Si的摩尔分数()从0.05增加到0.15时,表面张力从1515 m N/m减少到1486 m N/m;(4)对于可形成无限固溶体的合金体系(Ti,Zr和Hf),当合金熔体中加入高表面张力的Zr或Hf组分时,合金熔体表面张力会随着其含量的增加呈现出类线性增加的趋势;而对于含Si合金体系,由于合金熔体中存在短程有序的Si-Ti、Si-Zr或Si-Hf等金属间化合物的原子团簇从而使表面张力降低,最终导致其合金熔体表面张力随成分的变化呈非线性关系;(5)在高真空度的表面张力测试条件下,低熔点组元(Si或Ti)的挥发会导致合金熔体成分发生变化,即高熔点(高表面张力)组元含量相对增加,从而导致合金熔体表面张力轻微增加;而引入的少量C杂质及其在熔体表面的偏析会降低表面张力;本研究中合金熔体表面张力实验值与计算值的差异主要源于上述两种因素共同作用的结果。图63幅,表17个,参考文献156篇

关键词： 压气机静子   封严泄漏   容腔优化   尺寸效应   流场结构   流动损失  

摘要： 发动机转静子之间的封严泄漏问题是影响发动机性能的重要因素,先进的封严技术成为众多学者的研究热点。以某七级轴流压气机第二级静子为研究对象,采用数值模拟方法开展了基于静子上游容腔优化设计的平面叶栅泄漏特性研究。对比分析了有无肋片结构的流场结构、总压损失及叶片载荷,研究了进气攻角及进气马赫数变化对增加肋片结构后的流动影响。研究发现,增加肋片后,进入上游容腔的通道二次流减少,通道二次流的发展变得复杂,泄漏流流出上游容腔后贴近下壁面流动;出口总压损失下降4.53%,叶根处叶片载荷增大,叶根角区流场恶化得到缓解。随进气攻角增大,泄漏流在通道内的影响范围逐渐增大,发生流动分离的位置也逐渐靠前,正攻角时低能流在叶根处堆积,流场性能恶化。进气马赫数增加时,泄漏流发生分离的位置逐渐提前,25%截面总压损失逐渐下降,100%截面总压损失逐渐增大,马赫数增大到0.7,叶片前缘附近出现局部激波。为了解肋片结构的尺寸效应,采用正交设计方法研究了肋片与上游容腔出口距离d,肋片高度h,肋片底宽w,肋片顶宽t及肋片倾角α五个尺寸参数对封严效果的影响。就总压损失系数而言,各尺寸参数影响主次为:h>α>d>t>w,h影响高度显著,α影响显著,其它参数影响不显著;就泄漏流量而言,各尺寸参数影响主次为:α>t>d>h>w,α影响显著,其它参数影响不显著。肋片尺寸参数最优组合为:d=1.9mm、h=5.5mm、w=0.85mm、t=1.15mm及α=10°,较无肋片结构叶栅出口截面总压损失系数下降4.36%,泄漏流量下降64.28%。随着肋片高度或肋片倾角增加,各S3截面的总压损失系数逐渐下降,泄漏流量占比也逐渐下降。从开槽处理,倒圆处理,堆叠结构三个方向对上游容腔结构进行了改型设计。开槽处理可破坏流动连续性,且开槽位置对流动性能的影响较大,容腔右侧端壁开槽时叶栅出口截面总压损失系数下降0.114%,综合来看,开槽处理方案封严性能提升效果不明显。倒圆处理可改变容腔内的流场结构,容腔右侧端壁拐角处倒圆角的效果较好,可使叶栅出口截面的总压损失系数下降0.395%。堆叠结构中各截面总压损失系数均降低,流场结构发生变化,流动性能得到明显改善,三角形堆叠结构及弧形拐角堆叠结构中叶栅出口截面的总压损失系数下降分别为2.72%和3.11%。

关键词： 五龙口地热区   地热分布   地热成因   地热流体   水文地球化学成因  

摘要： 地热资源作为一种清洁绿色、易于开发、成本低廉、用途广泛的新能源,对优化和调整能源结构、新型工业城镇化建设、乡村全面振兴具有重要的作用,对持续改善生态环境,推动绿色低碳发展,巩固蓝天、碧水、净土保卫战成果,实现碳达峰、碳中和目标具有重要意义。积极推进地热能使用是落实习近平总书记关于“四个革命、一个合作”能源安全新战略,是推进生态文明建设、积极应对气候变化的必然要求。本文以五龙口地热流体为研究对象,以地质学、地球化学、水文地质学、水文地球化学、遥感学、物探学等多学科理论为指导,通过收集资料、野外实际调查、地热井钻探、抽水试验等综合技术手段研究五龙口地热区水文地球化学特征及成因。研究结论有:(1)五龙口地热区是对流型地热区,为断裂带半圈闭型热储。地热资源在平面上沿F17及F25断层呈带状分布,在垂向上地热资源赋存在太古界变质岩地层。(2)区内地热流体热源为深部高温隐伏岩体,水源是大气降水。地热区热储层为太古界变质岩地层,热水赋存在裂隙发育带。盖层为寒武系中下统页岩。使用饱和指数法、地球化学温标法、硅-焓方程法计算热储温度,超过150℃。(3)太古界变质岩地层主要岩性为混合片麻岩、混合花岗岩,主要矿物为长石(钠、钾)、石英、黑云母、金云母、角闪石、绿泥石等,副矿物有黄铁矿、磁铁矿。(4)区内热水、温热水水化学类型主要为Cl·SO-Na型,温水、冷水组水化学类型多为SO·HCO-Na·Ca或HCO·SO-Ca·Mg型。地热流体的矿化度高;F、偏硅酸含量比较高;含有重金属等。(5)五龙口地热区水文地球化学成因为:大气降水或沁河(河口村水库)地表水通过近东西向的盘古寺断裂带垂直入渗至地下深处,经过曲折复杂的远距运移和深循环加热,在高温高压(储层150℃、母地热流体358℃)的环境里,与太古界地层中的铝硅酸盐矿物发生水-围岩溶解,在地热流体运移至F17、F25断层交汇处,沿断层破碎带上涌,发生冷热水混合、阳离子交换吸附等作用,形成随温度变化的独特的水文地球化学特征。

关键词： 流体包裹体   中生代火山岩   挥发分组分   地球化学  

摘要： 张-宣地区中生代火山岩由燕山期中酸性火山喷发形成,广泛分布于华北地区,研究其岩浆源区特征和构造背景有助于揭示研究区燕山期大规模岩浆活动的成因。本文以宣化深井镇晚侏罗世-早白垩世火山岩作为研究对象,通过野外地质调查、野外采样、室内显微观测、分析岩石地球化学特征、利用显微激光拉曼光谱与分段加热气相色谱对流体包裹体挥发分组分特征进行分析,探讨了张-宣火山岩的岩石成因、岩浆源区和构造背景,取得了以下认识:(1)张-宣地区中生代火山岩岩石类型主要为玄武质粗面安山岩、粗面英安岩、粗面岩和流纹岩等一系列中酸性喷出岩,普遍贫镁富铝富钾富碱,属于钙碱性-碱性岩。(2)张-宣地区中生代火山岩均富集K、Rb、Th、U、Pb、La和Ce元素,严重亏损Sr和Ti元素,相对亏损Nb、Ta元素。(3)髫髻山组、后城组和张家口组各层火山岩的基质样品中挥发分组分随加热温度升高释气特征不同。火山岩挥发分在中温度段400℃～1000℃释气量最多,高温度段1000℃次之,低温度段200℃～400℃最少,其中均以CO为主要组分。(4)根据Rb、K元素以及高场强元素Th、La元素与流体挥发分组分CO的含量正相关关系和流体包裹体挥发分组分特征,推测张家口-宣化中生代火山岩岩浆为以地壳影响为主导的壳幔混合作用形成。(5)张-宣地区中生代火山岩岩浆演化过程中经历了不同程度的斜长石、辉石、橄榄石和磷灰石的分离结晶作用以及部分熔融,其中部分熔融起主导作用。张-宣地区中生代火山区发育的构造背景可能为大陆拉张环境。论文研究结果对揭示研究区燕山期大规模岩浆活动的成因有重要意义。