1 光转换材料与技术国家地方联合工程实验室，兰州 730000
2 兰州大学材料与能源学院，兰州 730000
针对光催化剂存在的光吸收效率不足、载流子易复合等关键问题，总结了本实验室从光吸收、载流子分离、表面反应、全天候光催化4个方面对光催化材料进行改性或开发新型光催化材料，探索了光催化材料在有机污染物降解、光催化产氢、产氧、尾气处理等方面的应用，基于能带理论对光催化活性的提升机理进行了解释，并对未来光催化材料的发展方向进行了展望。
光催化材料 光吸收 载流子分离 表面反应 全天候光催化 photocatalytic materials light absorption carrier separation surface reaction all-weather photocatalysis
1 青岛理工大学土木工程学院, 青岛 266520
2 海洋环境混凝土技术教育部工程研究中心, 青岛 266520
3 青岛青新阳光集团有限公司, 青岛 266404
将钢筋混凝土的方形结构箍筋改变为六肋结构、星形结构, 设计制备出拥有负泊松比效应的钢筋混凝土梁。通过三点弯曲试验和落锤冲击试验数值模拟分析混凝土的抗弯性能, 同时通过数字散斑相关方法分析其变形行为以及泊松比。结果表明: 六肋结构和星形结构的箍筋能够提高混凝土的抗弯承载力, 延缓其裂缝开展, 提高其能量吸收率与弯曲韧性, 星形箍筋的钢筋混凝土抗弯承载力和弯曲韧性系数分别可达22.6 kN及3.86 MPa; 随箍筋结构中内凹角数量的增加, 混凝土的抗弯性能增强, 泊松比反而减小, 且星形箍筋的钢筋混凝土甚至出现了负泊松比的现象, 泊松比最小可达－0.03。
异形箍筋 负泊松比 变形行为 抗弯性能 落锤冲击 数字散斑 irregular-shaped stirrup negative Poisson ratio deformation behavior flexural performance drop hammer impact digital speckle
1 北京科技大学碳中和创新研究院，北京 100083
2 郑州大学材料科学与工程学院，郑州 450052
3 辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051
随着氢冶金技术及氢基竖炉的发展与推广，对其关键部位用耐火材料提出更高要求，明晰耐火材料服役环境特点并进行针对性的性能设计尤为关键。利用Ansys软件对氢基竖炉还原段内部及壁面服役过程中的温度、压强以及气相浓度分布进行数值模拟研究，并利用FactSage软件计算传统耐火材料典型组分在服役状态下的热力学稳定性。结果表明，高温高压服役区域集中在进气口附近，H2O集中在炉顶及炉底区域。提高入炉气体温度对炉内温度场有一定影响，对压强场及气相组成基本无影响。传统耐火材料典型组分中Al2O3、ZrO2、镁铝尖晶石、六铝酸钙及TiO2的热力学稳定性较强，可作为炉壁耐火材料组分，AlN或TiC可作为添加剂提高相关性能，同时避免引入SiO2、MgO、CaO、Cr2O3、Fe2O3、SiC、Si3N4、B4C、BN杂质组分。本研究可为氢基竖炉用耐火材料服役环境仿真及材料组分选择提供理论基础和方法支持。
氢基竖炉 耐火材料 数值模拟 热力学计算 hydrogen-based shaft furnace refractory numerical simulation thermodynamic calculation
燕山大学信息科学与工程学院, 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
提出了一种基于银修饰的微腔型光纤表面增强拉曼散射(SERS)探针, 采用湿法检测, 将光纤SERS探针直接放入待测溶液中, 以罗丹明6G(R6G)溶液为探针分子, 对所制备的光纤SERS探针进行远端实验性能研究。 利用氢氟酸化学腐蚀的方法制备了一种微腔型光纤结构, 通过控制氢氟酸的腐蚀时间得到了一系列不同腐蚀时间、 不同微腔长度的光纤结构。 实验研究了光纤结构的微腔长度对光纤SERS探针性能的影响, 以浓度为10-3 mol·L-1的R6G溶液为探针分子, 通过不断地优化纳米银溶胶与R6G溶液的混合顺序及比例, 采用裸光纤微腔结构对混合溶液进行拉曼检测, 发现当混合溶液的混合顺序及比例为先后混合等体积的纳米银溶胶和R6G溶液时, 此时得到的混合溶液的拉曼信号增强性能最佳。 利用得到的混合溶液去寻找拉曼信号增强效果最高时光纤微腔结构的结构参数, 实验结果表明, 在相同的实验条件下, 当光纤放入氢氟酸中腐蚀时间为5 min时, 此时光纤微腔结构的拉曼信号增强效果最佳。 在显微镜下测量的多组腐蚀时间为5 min的光纤, 其微腔长度平均约为81 μm。 对得到的光纤微腔结构, 采用制备过程可控的磁控溅射技术制备了一系列银纳米薄膜/多模光纤(Ag/MMF)的复合材料。 当磁控溅射时间为10 min时, 获得了光纤SERS探针(Ag/MMF-10)。 实验以去离子水配制了不同浓度的R6G溶液, 以不同浓度的R6G溶液为探针分子, Ag/MMF-10探针的远端检测限(LOD)低至10-7 mol·L-1。 该光纤SERS探针拉曼信号的再现性光谱检测中显示各个特征峰的相对标准偏差(RSD)均小于10%。 同时, 该光纤SERS探针对浓度为10-6 mol·L-1的R6G溶液的增强因子(AEF)可高达2.64×106。 实验结果表明所制备的银修饰的光纤SERS基底具有较高的灵敏度和良好的再现性。 因此, 该光纤SERS探针在生物医学检测、 农残化学分析等痕量检测方面有潜在的应用价值。
光纤光学 光纤探针 表面增强拉曼散射 磁控溅射法 罗丹明6G Fiber optics Fiber probes Surface enhanced Raman scattering Magnetron sputtering Rhodamine 6G 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2800
燕山大学信息科学与工程学院, 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
提出了一种基于拉曼光谱和改进人工蜂群算法优化支持向量机回归(IABC-SVR)算法快速定量检测山羊血清蛋白含量的方法。 传统人工蜂群算法在数据区域规模较大时, 收敛速度逐渐减慢, 出现效率低、 精准度下降、 局部最优解概率高等问题。 所提出的算法解决了这些问题, 使算法在进化前期避免陷入局部最优解, 在进化中后期能够保持解的全局搜索能力。 常规测定血清蛋白总量的方法通常采用凯氏定氮法、 双缩脲法等, 但存在时效慢、 污染样本等缺点。 采用拉曼光谱法进行检测, 具有快速、 无损的优点。 以山羊血清为分析对象, 按一定体积比配置35组待测样本, 用拉曼光谱仪采集拉曼光谱, 光谱采集范围为300~1 300 cm-1, 采用基线矫正去除荧光背景, 使用Savitzky-Golay光谱平滑法对原始光谱进行平滑处理, 归一化处理光谱数据, 并对拉曼光谱特征峰进行归属。 实验结果表明, 拉曼光谱能够表征血清中主要化学集团的信息, 且由于官能团浓度差异, 光谱特征峰强度随浓度变化明显, 因此基于特征峰信息可以测定血清蛋白总量。 实验中, 以购买的山羊血清蛋白含量为基准, 通过配置样本的体积比得到各组待测血清样本的蛋白含量, 配置的单个液体样本体积为3 mL, 随机选取8组实验样本作为模型测试集, 剩余27组作为模型训练集。 以经过处理的光谱特征峰强度和对应的血清蛋白含量分别作为模型的输入值及输出值, 建立IABC-SVR, ABC-SVR和BP三种算法的定量模型, 对测试集血清蛋白总量进行预测。 最后通过均方差(MSE), 相关系数(r)与建模时间分别进行对比, 结果表明通过IABC-SVR建立的山羊血清蛋白定量矫正模型效果最佳, 模型的相关系数为0.990 27, 均方误差为0.244 3, 建模时间为1.9 s, 预测值方差均小于0.001 g·mL-1, 预测准确率为99.8%。 实验结果表明, 应用激光拉曼光谱技术结合IABC-SVR算法, 对快速定量检测山羊血清蛋白含量, 具有较高的准确率和稳定性。
激光拉曼光谱 血清蛋白 改进人工蜂群优化 支持向量机回归 定量分析 Laser Raman spectroscopy Serum protein Improved artificial bee colony optimization Support vector machine regression Quantitative analysis
东北大学机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳 110819
基于传统粒子追踪测速(PTV)技术的粒径分析方法只能通过几何成像检测粒径,无法对衍射成像尺寸远远大于几何成像尺寸的粒子图像进行分析。根据衍射成像原理,通过对激光-粒子散射光-CCD信号-图像灰度值物理流程的定量分析,提出确定微纳米级示踪粒子图像灰度值与粒径之间量化关系的模型,弥补了PTV技术在粒径检测方面的不足。基于PTV实验系统,应用数字相机和Micro Vec V3软件完成SiO2粒子图像的拍摄,运用所提模型对拍摄的粒子图像进行粒径分析。实验结果表明,所提方法具有较高的准确性。
成像系统 应用光学 示踪粒子 微纳尺度 图像灰度 光能量 电信号
1 中国科学院光电研究院中国科学院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
2 中国科学院大学, 北京 100049
将非负矩阵分解(NMF)算法应用到空间目标图像识别中,对两种传统NMF算法的迭代规则进行了改进,得到了稀疏NMF算法,并分别在二维(2D)和(2D)
2维度应用了这3种算法。在实验室模拟了空间光学环境,获得了多组空间目标缩比模型图像,图像预处理后建立了训练样本库和测试样本库,运用不同NMF算法对训练样本进行了特征基提取,采用最小距离分类器进行了测试样本的分类,各种NMF算法识别率均在78%以上,最高可达90%。实验结果验证了所提算法的有效性,与其他已有的目标图像识别方法相比,具有准确率较高、速度快、资源开销少的优点。
图像处理 图像识别 非负矩阵分解 空间目标图像 最小距离分类器 激光与光电子学进展
2019, 56(10): 101007
可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室, 云南 昆明 650500
基于硅量子点(Si-QDs) 的全硅叠层太阳电池被认为是最有潜质的高效太阳电池之一。 目前所报道的硅量子点薄膜存在硅量子点数密度低、 缺陷多等问题, 限制了硅量子点太阳电池的光电转换效率。 微波退火(microwave annealing, MWA)被认为是一种有益于制备纳米结构材料的方法。 微波退火的非热效应可以降低形核能, 改善薄膜的微结构和光电性能。 因此, 采用磁控共溅射技术并结合微波退火工艺, 在不同的脉冲功率下制备了含硅量子点SiCx薄膜; 采用掠入射X射线衍射(GIXRD)、 拉曼(Raman)光谱、 紫外-可见-近红外分光光度计和光致发光(PL)光谱表征薄膜的物相结构及光谱特性; 研究不同脉冲功率对硅量子点数密度和性能的影响, 进而改进磁控共溅射工艺, 制备硅量子点数密度较高和性能良好的薄膜。 样品的GIXRD谱和Raman谱均显示其中存在硅量子点, 其强度先增大后减小; 通过谢乐(Scherrer)公式估算出硅量子点尺寸呈现先增大后减小的规律, 脉冲功率为80 W时尺寸达到最大(8.0 nm) 。 在Raman光谱中还观察到中心位于511 cm-1处出现硅量子点Si-Si横向光学振动模式的拉曼峰, 其强度也呈现先增大后减小的趋势; 对拉曼光谱做最佳高斯(Gauss)分峰拟合, 得出薄膜的晶化率均高于62.58%, 脉冲功率为80 W时制备的薄膜具有最高的晶化率(79.29%)。 上述分析表明薄膜中均有硅量子点的形成, 且数量先增加后减小, 脉冲功率为80 W时硅量子点数量最多。 通过测量样品的透射率T、 反射率R等光学参数, 利用Tauc公式估算出薄膜的光学带隙, 发现带隙值随溅射功率的增加先减小后增大, 在脉冲功率为80 W时最小(1.72 eV)。 硅量子点尺寸与光学带隙成反比, 说明薄膜中的硅量子点具有良好的量子尺寸效应。 通过PL光谱分析样品的发光特性, 对其做最佳高斯拟合, 发现样品中均有6个发光峰。 结合Raman光谱的分析结果, 可以得出波长位于463~624 nm的发光峰源于硅量子点的作用; 而波长位于408和430 nm的发光峰则源于薄膜内部的缺陷态, 峰位没有偏移, 但强度有变化。 根据发光峰对应的波长可计算其能带分布, 从而确定缺陷态类型: 408 nm的发光峰归因于≡Si°→Ev电子辐射跃迁, 430 nm的发光峰则归因于≡Si°→≡Si－Si≡的缺陷态发光。 还研究了硅量子点的尺寸对发光峰移动的影响。 结果表明, 随硅量子点尺寸变小(大) , 发光峰蓝移(红移) 。 综上, 溅射功率为80 W时制备的含硅量子点SiCx薄膜性能最佳。 研究结果为硅量子点太阳电池的后续研究奠定了基础。
脉冲功率 微波退火 硅量子点 富硅碳化硅基薄膜 光谱特性 Pulse power MWA Si-QDs Si-rich silicon carbide thin films Spectral properties
1 中国科学院光电研究院, 北京 100094
2 中国科学院大学, 北京 100049
光学观测是空间目标识别的重要手段, 由于探测距离远, 视场中的空间目标多呈现为非分辨的点目标。 相比于传统的定轨测量和光度测量, 光谱探测提供了波长维的可分辨信息, 极大的提升了目标表面材质判别能力, 并为目标状态反演提供了更可靠的依据, 极具应用潜力。 介绍了近年来国内外学者在空间点目标光谱探测及特征识别方面的典型研究进展, 依据主要研究方法, 分为多通道测光探测、 高光谱探测、 实验室光谱特性测量、 目标特性建模仿真四个方向。 其中, 多通道测光获得了低光谱分辨率的测量数据, 是常用的广域空间目标分类判别手段; 高光谱探测研究反射能量在波长维的精细分布, 有助于反演重点目标的材质组成; 实验室光谱特性测量可在受控条件下模拟目标探测的物理过程, 提供材质光谱特性数据库; 目标特性建模仿真则对物理属性抽象特征化, 研究目标光谱变化过程。 通过分析国内外研究成果, 总结当前研究的能力与不足, 提出几点研究思路, 为后续研究开展提供参考。
空间目标 光谱测量 建模仿真 光谱反演 特征识别 Space object Spectral measurement Modeling and simulation Spectral inversion Characteristic recognition
1 可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室, 昆明 650500
2 云南师范大学 太阳能研究所, 昆明 650500
采用射频和脉冲磁控共溅射法并结合快速光热退火法制备了含硅量子点的SiCx薄膜.采用掠入射X射线衍射、喇曼光谱、紫外-可见-近红外分光光度计和透射电子显微镜对薄膜进行表征.研究了脉冲溅射功率对薄膜中硅量子点数量、尺寸、晶化率和薄膜光学带隙的影响.结果表明: 当溅射功率从70 W增至100 W时, 硅量子点数量增多, 尺寸增至5.33 nm, 晶化率增至68.67%, 而光学带隙则减至1.62 eV; 随着溅射功率进一步增至110 W时, 硅量子点数量减少, 尺寸减至5.12 nm, 晶化率降至55.13%, 而光学带隙却增至2.23 eV.在本实验条件下, 最佳溅射功率为100 W.
脉冲溅射功率 硅量子点 SiCx薄膜 磁控溅射 快速光热退火 Pulse sputtering power Silicon quantum dots Silicon carbide thin films Magnetron sputtering Rapid thermal annealing 光子学报
2017, 46(12): 1231002
