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关键词： 石油烃降解菌   硫酸盐还原菌   表面张力   微生物腐蚀   油藏微生物群落  

摘要： 微生物提高采收率技术不仅成本低廉、而且对环境极为友好。本文主要研究石油烃降解菌的驱油性能,以及通过油藏微生物群落结构分析驱油潜力,同时利用石油烃降解菌的营养物质及其他药剂抑制硫酸盐还原菌的生长。为石油烃降解菌与营养物质组成菌剂,改善油田注水系统的腐蚀问题以及提高油田采收率现场实验提供理论基础。首先使用多次分离纯化的方法对地衣芽孢杆菌T6189和KB、苏云金芽孢杆菌N2、枯草芽孢杆菌A和弗氏檬酸杆菌W五株菌进行快速复壮,并以菌浓、表面张力、乳化指数、发酵液稳定性和营养需求等对菌株进行评价。结果显示,5株菌均具有良好的环境适应性,其中W、KB和A菌的乳化指数,分别达到83.3%、70%和56%;各菌发酵液表面张力均能达到30 m N/m,并且保持稳定。W菌株与KB菌株碳源利用范围可以达到32种碳源,并且都会受到溴酸钠和醋竹桃霉素的抑制。其次分析地层水质,建立了腐蚀类菌的含量以及硫酸盐还原菌抑制剂的评价方法,最终确定了硫酸盐还原菌抑制剂配方:硝酸盐浓度为56 g/L,亚硝酸盐浓度为504 g/L,钼酸盐浓度为5 g/L,镍盐浓度为0.020 g/L,投加量为10μL/100 m L。优化后的营养抑制剂,将钢片腐蚀速率由0.0296 mm/a降低到0.0123 mm/a。最后使用高通量测序技术分析油藏环境中具有采油功能与反硝化功能菌的丰度,评估其驱油潜力。结果表明注入水中微生物群落结构与地层水微生物群落结构差异较大,导致差异的主要为海杆菌属、嗜盐厌氧菌属等8个种类。另外地层水含有丰富的采油功能微生物和有益于防治腐蚀的硝酸盐还原性潜势菌种,如盐单胞菌属(Halomonas)、嗜碱盐乳杆菌属(Halolactibacillus)和假单胞菌属(Pseudomonas)等。

关键词： 自动静电涂装设备   水性涂料   安全距离   表面张力  

摘要： 水性涂料在涂装行业的使用越来越多，为适应发展，原静电喷涂设备需要进行升级改造，改造完成后，对使用中出现的设备问题和水性涂料静电喷涂问题进行分析探讨，通过介绍实际使用中常见喷涂缺陷的解决方法，为自动静电喷涂设备在油改水使用中提供借鉴。

关键词： 液-液铺展   铺展标度律   表面活性剂   表面张力   界面操控  

摘要： 液-液界面铺展在许多工程领域和生化过程中具有广泛的应用。浸润性可控的表面可以在刺激下实现浸润状态调节,在纳米流体、医疗领域、材料科学等方面具有重要意义。流体扩散成膜现象非常普遍,例如熔岩流动、发动机燃料输送、农业生产中的施肥施药、涂料流动、液体金属的变形、表面活性剂替代治疗等。利用表面活性剂进行浸润性调控一直是研究热点,通过表面活性剂改变体系的界面状况,从而影响其铺展、润湿和黏附等作用。因此关于活性剂溶液表面浸润现象的研究得到了广泛的关注,一直以来是物理、力学、生物等领域探索的热点。三相接触线的运动具有自相似性,铺展半径与铺展时间呈标度律幂指数关系即R～t,并且通过幂指数n能反映浸润过程中铺展的动力学机制。本文通过实验以及数据拟合的方法,从宏观尺度研究了以表面活性剂溶液为底液的液-液界面浸润问题,并分析了界面单层活性剂分子在液体动态浸润性变化过程中的内在机理。与以往研究的自发驱动铺展体系不同,本文通过拉压驱动液面的方式改变液滴铺展状态,建立了以正十六烷作为受驱动液滴、十二烷基硫酸钠溶液作为基底溶液组成的浸润实验体系,实现了浸润状态的动态响应。将正十六烷液滴稳定地铺展在可运动的挡板之间的液面上,通过挡板的拉-压运动,实现了正十六烷动态浸润响应。通过前期摸索,选择固定浓度的表面活性剂溶液,以此匹配最佳的正十六烷铺展状态。实验发现,当挡板向外拉伸时,正十六烷液滴向外铺展,挡板向内挤压的时,液滴向内收缩。分析表明,挡板的运动改变了液滴周围表面活性剂分子界面分布密度,从而使得铺展系数发生变化,使得液滴铺展状态发生了改变。本文并未局限于单个的液滴,也对多个液滴进行了拉-压的驱动响应实验,实现了双液滴,三液滴的浸润状态的协同。实验还表明,单液滴抑或是多液滴动态浸润响应速度与挡板移动速度呈现正相关。本文的工作在液体界面操控上给出了新的思路和手段,有望在界面组装技术方面得到应用。

关键词： 雾滴结构   表面张力   黏度   剂量传递行为   农药利用率  

摘要： 目前茎叶喷雾法施用农药是一种普遍使用的农田施药方式,药液自喷雾器械喷出进入靶标作物生长的生态环境之后,可能受到外界环境条件、靶标植物冠层和叶片表面结构和性质等因素的影响,雾滴可能通过蒸发、随风飘移、撞击叶面后弹跳飞溅等形式流失,不仅带来环境污染安全问题,还可能导致过度施药,造成药液浪费,降低农药利用率。为推动农业绿色发展,我国提出了农药减量增效行动实施方案,在此背景下,探讨和总结药液剂量传递过程中的流失规律,并采取合理有效的调控手段解决药液脱靶流失的问题是提高农药利用率的关键所在。喷雾助剂（或称为桶混助剂）的添加使用及基于特定的施药场景设计功能化、精细化的农药新制剂是近年来研究者们普遍关注的研究方向。喷雾使用的农药剂型对水稀释后的药液分散体系可分为悬浮液体系、乳状液体系、真溶液体系和悬乳液体系,雾化后雾滴中农药有效成分以不同的结构存在,添加喷雾助剂药液的性质发生改变,雾滴的结构和性质影响其剂量传递行为。本研究基于药液对水稀释后的分散体系和对靶剂量传递过程,从雾滴的结构和性质两个方面,系统研究了植保无人机低容量喷施场景下（稀释10～50倍）,常见的悬浮液体系、乳状液体系和真溶液体系及添加助剂后药液雾滴的剂量传递行为,并使用叶酸和Zn（NO）制备了负载农药有效成分的水凝胶体系,旨在为减少农药脱靶流失,提高药液在靶标界面的沉积效果提供技术和理论指导,主要研究内容如下:（1）制备了吡唑醚菌酯悬浮剂、水分散粒剂和可湿性粉剂,对水稀释后形成悬浮液体系,分别添加矿物油助剂、Silwet-L77和月桂酰肌氨酸钠表面活性剂,使用表面张力仪、激光粒度仪、流变仪等仪器测定了药液的表面张力、黏附力、粒径和黏度等理化性质,使用接触角测量仪、高速摄影仪和超景深显微镜等仪器对雾滴的空间蒸发、界面撞击、润湿铺展和蒸发沉积行为进行模拟测定。三种制剂在对水稀释10倍后,药液表面张力值在36 m N/m左右,添加1g/L Silwet-L77助剂可降低药液表面张力至20 m N/m,药液黏度值均在3～5 m Pa·s。添加助剂在一定程度上使雾滴的蒸发减慢,在疏水小麦叶面雾滴润湿性较差,接触角达135°左右,撞击叶面后易发生弹跳、碎裂,雾滴在叶面蒸发完全后可形成“咖啡环”、“中心沉积”和“均匀沉积”的形态,受悬浮颗粒粒径大小的影响。表面活性剂类助剂添加到悬浮液体系的药液中,可显著改善药液在疏水小麦叶面的润湿和沉积性能,悬浮液体系药液类型的制剂在使用时需添加可增强润湿铺展能力的喷雾助剂。（2）制备了吡唑醚菌酯乳油、水乳剂和微乳剂,对水稀释后形成乳状液体系,分别添加矿物油助剂和羟丙基羧甲基纤维素钠高分子聚合物助剂,同上述悬浮液体系,测定了药液的相关理化性质和剂量传递行为,研究了乳状液体系雾滴结构和性质对剂量传递行为的影响。三种制剂在对水稀释10倍后,药液表面张力值在31 m N/m左右,添加5 g/L的聚合物助剂药液黏度增加至45m Pa·s。雾滴在小麦叶片表面能快速铺展,接触角在2min内可降至20°以下,但是添加5 g/L的聚合物助剂雾滴的初始接触角达80°,且变化较慢,限制了雾滴三相接触线的移动,雾滴撞击叶面后不发生弹跳,但是边缘产生飞溅碎裂的小雾滴,在叶面蒸发完全后可均匀沉积。乳状液体系的制剂由于在加工过程中使用了一定比例的乳化剂和有机溶剂,低倍稀释时润湿沉积效果较好,但是需添加可增加体系黏度的助剂来保持雾滴撞击靶标界面后的完整性。（3）选择草甘膦异丙胺盐水剂对水稀释后形成真溶液体系,分别添加功能高分子助剂G101、G103、G100A和G200A,通过测定药液的微观结构、表面张力和黏度,对雾滴的界面撞击和润湿铺展的行为模拟测定,阐述了真溶液体系雾滴结构和性质对剂量传递行为的影响。四种功能高分子助剂分子量和聚合度不同,G100A和G200A的助剂分子量为500万～2000万,添加到药液中在电镜下可观察到微交联结构。选用的制剂对水稀释50倍,药液表面张力为26 m N/m,四种高分子助剂添加到药液中未显著降低药液表面张力。G101和G103可以增强药液在疏水藜杂草界面的润湿铺展,而G100A和G200A使雾滴接触角增大至80°且变化缓慢,但是四种高分子助剂中仅有G200A添加到药液中可抑制雾滴在藜叶面的碎裂。由于真溶液体系的药液有效成分以分子或离子形式存在,与乳状液体系类似,雾滴撞击叶面也常出现边缘碎裂的现象,尤其防治靶标对象是疏水植物时,需通过调控药液体系的黏度来改善雾滴的对靶沉积效果。（4）基于叶酸和Zn（NO）可形成超分子水凝胶,分别制备了负载除草剂麦草畏的水凝胶和负载杀菌剂噻呋酰胺的水凝胶体系,凝胶内部由叶酸和Zn交联形成三维网络结构,载药凝胶在高剪切速率下稀化,随后在30s内可快速回复至凝胶态,制备工艺简便,原材料来源广,水凝胶具有生物相容性。麦草畏凝胶

关键词： N-Ga-Al半导体   神经网络   原子间势函数   分子动力学   界面热导  

摘要： N-Ga-Al半导体由于优越的力学及热力学性能,在发光二极管、高电子迁移率晶体管等方面得到了许多应用,但对决定其出色性能的微观结构的认识仍然不足。分子动力学中有很多用于研究GaN和AlN性质的原子间作用势函数(分子力场),它们在不同方面取得了一定的成功,但在GaN/AlN异质界面的模拟上却有很多缺陷。为了准确探究GaN/AlN异质界面的性质,本文基于第一性原理计算数据和深度神经网络技术,为N-Ga-Al半导体开发了一个准确的原子间作用力势函数,这个势函数能准确重现晶体结构和无序结构的能量和力,其均方根误差分别小于4me V/原子和0.18me V/?,相较于传统的Stillinger-Weber(SW)势模型在无序结构上的表现,本文开发的神经网络势函数的精度提高了一个数量级。基于神经网络势函数,通过分子动力学模拟计算了部分模型的径向分布函数,表明GaN和AlN有较为相似的晶格模型;计算了纤锌矿结构GaN、AlN,无序结构GaN、AlN的弹性常数及弹性模量,结果表明相较于晶体结构,无序结构的杨氏模量、体积模量、剪切模量均有降低(30%左右)。另外,模拟所得的径向分布函数和弹性常数与实验和第一性原理数据相符合。基于神经网络势函数,结合平衡态分子动力学计算了不同温度下GaN、AlN的晶格热导率,结果表明GaN、AlN的热导率会随着温度的升高而降低,模拟的结果较符合实验和第一性原理数据并远优于经验势模型计算值;另外,结合非平衡态分子动力学,探究了不同界面形态的界面导热系数,发现界面上原子的相互扩散和结构无序会极大的降低界面导热系数。本文的结果显示出构建的神经网络势函数对N-Ga-Al半导体分子动力学模拟的有效性。

关键词： 反问题   抛物型偏微分方程   稳定性   数值重构  

摘要： 抛物型方程作为一类经典的偏微分方程,常用来描述微观世界系统中的热和扩散现象,通过对抛物型方程的研究,人们可以了解对应微观系统的性质,目前已经广泛应用到地球物理、生物化学、工业控制及种群动力学等诸多领域。但在实际中,许多由微观系统导出的方程中某些参数可能未知,它们不能直接进行测量或测量成本太高,需要额外的可观测数据来识别方程中的未知量,进而研究方程的解。因此,如何利用局部可观测量来识别抛物型方程中的参数具有重要的研究意义。本文主要研究同时反演抛物型偏微分方程中的势函数和初始温度,这是一个不适定且非线性的反问题。不同于识别单个参数的研究,同时识别两个参数无论是在稳定性分析还是数值重构上都更具挑战性。由于该问题的不适定性,观测数据的微小误差会导致解的巨大偏差,因此,本文首先给出势函数和初值的先验界,并利用Carleman估计建立了关于势函数的Lipschitz型稳定性和初值的对数型稳定性。数值计算上,本文的优势是基于Tikhonov正则化和最佳摄动量法提出了一种交替迭代优化格式来同时重构两个未知函数,但最佳摄动量法初始迭代值的选择会影响反问题的计算精度,为了避免初始值选择不当带来的巨大误差,本文引入遗传算法来寻找初始值,从而保证了整个数值重构过程的完整度。最后,给出数值算例来验证所提算法的有效性。

关键词： 空间核反应堆   纳米流体   表面张力   比热特性   蒸发速率  

摘要： 空间新能源是人类进行空间探索的必要保障,空间核反应堆因其不受环境影响、寿命长、安全可靠等特点,将成为空间探测的必然选择,在空间堆中,热电转换系统是将反应堆内产生的裂变热能转换成电能,是空间堆能源系统的关键环节,为避免堆芯熔化等事故问题,则需要对传热系统进行优化设计,而换热系统效率及换热设备紧凑高效离不开换热工质优质的传热性能。纳米流体作为一种新型冷却剂工质,是在传统工质中添加一定比例的纳米级非金属氧化物或金属粒子,能够有效增加换热设备在高热工况下的传热性能。本文主要通过对水基纳米流体基础物性进行实验研究,而水基纳米流体相对于基液具有传导率高,表面张力大等优势,若将纳米流体应用于空间核反应堆冷却剂工质,设备换热能力或将增强。因此,有必要对水基纳米流体的基础物性展开研究,重点关注影响其界面特性、相互作用以及伴随的多相流传热传质的参数特性,如表面张力、比热容及蒸发速率等静态和动态特性等。本文通过“两步制取法”制备了不同体积分数的氧化铝纳米流体,通过观察实验,探究了超声和静置时间、体积分数对于水基氧化铝纳米流体稳定性的影响。随着静置时间的累积,纳米流体的稳定性下降;纳米颗粒所占体积分数越大,纳米流体越不稳定。配置好的纳米流体,将在后续实验中使用。采用铂金板法,通过搭建表面张力试验台架研究了不同纳米流体表面张力变化规律:表面张力随着温度的升高,会有很明显的下降趋势,与温度呈现负的线性相关;在一定温度下,加入固态纳米颗粒会增加纳米流体的表面张力,当超过一定温度和浓度的临界值时,加入纳米颗粒会降低纳米流体的表面张力。采用温升计时法,通过搭建比热容试验台架,针对不同温度、不同体积分数的纳米流体进行测量实验,结果表明:当纳米颗粒体积分数增加或纳米流体试液的温度升高时,纳米流体的比热容都会随之增加。通过搭建蒸发速率试验台架,运用热力动态质量法对其进行测量研究。获取了纳米流体在25～275℃的蒸发速率值,并得出随蒸发速率会随着加热温度的升高而变大,同时体积分数大的纳米流体蒸发速率会更高。

关键词： 全局神经网络势函数   GaN   缺陷   辐照损伤   HfO2   结构转变  

摘要： 在半导体材料和器件领域,分子动力学方法可用于研究半导体材料的辐照损伤等过程,但由于经典势函数可能存在较大误差,降低了分子动力学模拟的准确度。近年来迅速发展的神经网络(NN)势函数可使分子动力学模拟获得第一性原理级别的准确度。目前针对硅、二氧化硅等半导体器件中常见材料已有NN势函数的报道,而针对禁带半导体氮化镓(Ga N)和新型铁电材料二氧化铪(Hf O)中缺陷性质模拟的NN势函数还未有报道。因此,为了提升这两类材料的分子动力学模拟准确度、加强对其缺陷性质的理解,本文针对Ga N和Hf O分别构建了用于进行缺陷性质计算模拟的NN势函数。本文使用随机表面行走与神经网络(SSW-NN)相结合的方法,通过加入大量非化学配比结构准确描述缺陷性质,并基于对本征点缺陷及缺陷对能量和形成能进行基准测试,构建了针对Ga N缺陷计算模拟的全局神经网络(G-NN)势函数。利用该G-NN势,本文计算了Ga N中原子沿不同晶体学方向的离位阈能,与第一性原理计算结果符合。本文还模拟了辐照损伤过程中,Ga作为初级碰撞原子的级联碰撞过程,得到了产生的缺陷类型及其相对浓度。这一势函数的发展有助于推动Ga N辐照损伤微观机制的研究,对增强Ga N器件抗辐照性能和优化离子注入工艺具有积极意义。本文还构建了针对Hf O体系的缺陷计算模拟的G-NN势,并通过预测Hf O各种相的能量以及点缺陷的形成能,验证了该势函数具有和第一性原理级别的准确性。利用G-NN势,本文还初步探索了室温下Hf O各主要相之间的结构转变过程,发现了立方相→四方相→正交相和立方相→四方相→单斜相等两个结构转变过程,为进一步研究Hf O体系的相变提供了可行的方案。这项工作可为进一步探索Hf O体系的缺陷性质和结构相变提供理论工具。

关键词： 氧化镓   势函数拟合   分子动力学   声子热输运   机器学习  

摘要： 宽禁带半导体具有禁带宽度大、击穿场强高等显著特点,在未来电力电子领域中具有广阔的应用前景。除超宽禁带和高击穿场强外,新一代半导体氧化镓还具有高热力学稳定性和低成本可大批量制备等优势,被认为是解决未来高功率、高频率器件核心部件组成问题和降低能耗损失的关键材料。此外,由氧化镓和具有优异热光电性能材料组成的复合材料在功率和光电器件中的应用备受关注。然而,电子器件向微小化、集成化、高密度化方向的发展随之带来的显著的热效应问题在很大程度上限制了新一代半导体氧化镓在未来功率器件中的应用和发展,因此,探究氧化镓及其复合材料的热输运特性和声子作用机制是必要且迫切的,这对于充分理解宽禁带半导体氧化镓的热物性和加速半导体氧化镓在未来信息通讯、航空航天和轨道交通等领域的高压、高功率和高频率器件中的应用具有至关重要的作用。针对氧化镓热物性探究不透彻、导热机理不够明确以及基础高效计算模型缺失等问题,本文通过经验拟合方法和第一性原理结合机器学习方法分别建立了氧化镓经典原子间势函数和机器学习原子间势函数,采用分子动力学(MD)等方法,探究了氧化镓本征热输运特性,揭示了不同因素对氧化镓基复合材料界面热输运特性的作用规律,明晰了氧化镓内部声子输运的微观机理和氧化镓与复合材料界面间的声子作用机制。具体研究内容和主要研究成果有:(1)建立了氧化镓经验势模型,拟合了对应的势函数参数,并基于经验势函数探究了氧化镓基本物理特性。计算结果表明,拟合得到的势函数参数可以准确地描述氧化镓的晶格参数、空间群结构并准确预测了其弹性常数、体弹模量、杨氏模量、剪切模量和泊松比等体态参数;同时通过计算发现,拟合得到的经验势函数参数可以很好地预测氧化镓的声子特别是低频声子的色散关系,验证了其应用可靠性。将获得的经验势函数参数应用于经典MD,探究了温度作用下的氧化镓动态特性,发现不同温度下氧化镓中的原子分布特点与实验测量和理论计算相比呈现出很好的一致性。借助平衡态分子动力学方法计算了氧化镓热导率,结果显示其热输运具有显著的各向异性特征。(2)构建了氧化镓/石墨烯异质结界面模型,基于MD方法采用瞬态热脉冲法计算了氧化镓/石墨烯异质结界面的热阻,探究了多种因素对界面热阻的影响规律及潜在的声子作用机制。研究结果表明,由氧化镓、石墨烯组成的异质结结构的界面热阻存在(100)>(010)>(001)的相对大小关系,并通过声子态密度对其潜在机制进行了分析,发现氧化镓/石墨烯(001)界面间声子耦合最强。探究了温度、空位和石墨烯氢化对异质结界面热输运的影响,发现提高温度、增加空位浓度和对石墨烯氢化均能增强界面间声子耦合而有效提高其界面热输运能力。相较于氧化镓中的空位缺陷,石墨烯中的空位更能有效地降低异质结界面热阻。此外,研究结果还表明,石墨烯的氢化可以显著提高二者间的能量输运效率,5%的氢化比可使其与氧化镓间的界面热阻值降低58.77%。(3)开发了氧化镓机器学习势矩张量势(MTP),计算表明其具备可以准确描述氧化镓中原子能量及受力并精准预测氧化镓的声子色散关系的能力。结合玻尔兹曼输运方程,基于MTP计算了氧化镓的晶格热导率并分析了其声子导热机理。研究结果表明,氧化镓中的光学声子对热导率起到了重要贡献,且光学声子对热导率的贡献主要来源于0-6THz的低频光学声子。此外,将获得的MTP应用于经典MD方法进行了氧化镓热导率的大规模体系计算,并对包含所有阶声子散射作用下的氧化镓热输运特性进行了评估。研究发现,受经典理论限制及高阶声子散射作用,基于MD方法计算得到的氧化镓热导率相比于BTE方法计算得到的热导率偏低,但仍表现出显著的各向异性特征且与实验测量值很好地符合。对氧化镓势函数性能的综合评价结果表明,本工作所开发的MTP实现了β-Ga2O3热输运特性的大规模高效计算研究,在计算效率和结果可靠性上表现出了最佳的性能。