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关键词： 直拉硅单晶生长   CCD图像直径检测   分数阶麻雀搜索算法   分数阶微分算子   平行弦中线定理   参数降维  

摘要： 单晶硅作为集成电路制造(Integrated Circuit,IC)的重要原材料,其质量和性能直接影响集成电路的可靠性和稳定性。在晶体生长过程中,剧烈的直径波动会导致晶体生长出现位错缺陷从而影响单晶硅棒的品质。因此需要及时、准确地测量单晶硅晶体直径,以便实现对晶体直径的精确控制,生产出高质量的单晶硅。随着单晶硅生产朝向大尺寸硅片方向发展,现有的直径检测方法面临检测精度不足、检测速度低等问题。为了解决上述问题,本文研究CCD图像直径检测中的图像分割、边缘检测以及椭圆拟合算法,主要展开了以下的研究内容: (1)针对CCD图像直径检测中高亮光环区域分割不完整的问题,提出基于分数阶麻雀搜索优化的Otsu多阈值分割算法。利用分数阶微分改进麻雀搜索算法,通过基准测评函数集验证其有效性,将其应用到Otsu多阈值分割算法中。设置多个灰度值阈值将图像分割成多个区域,利用分数阶麻雀搜索算法在阈值空间搜索最大类间方差函数对应的最优分割阈值。通过硅单晶生长过程CCD图像直径检测高亮光环区域分割实验验证了所提算法的有效性,实验结果表明,所提算法从硅单晶生长过程CCD图像中完整分割出了高亮光环区域。 (2)针对CCD图像直径检测中高亮光环区域边缘细节丢失的问题,提出基于四方向分数阶微分算子的Canny边缘检测算法。整数阶边缘检测算子容易受噪声影响,且对边缘细节不敏感。利用分数阶微分对噪声的抑制能力和对边缘细节的保留能力,将整数阶微分算子改进为分数阶微分算子,并增加45°和135°方向上的边缘检测模板,推导出0°、45°、90°和135°四方向分数阶微分算子。通过硅单晶生长过程CCD图像直径检测高亮光环区域边缘检测实验验证了所提算法的有效性,实验结果表明,四方向分数阶微分算子可以保留更多的图像边缘细节,降低边缘检测结果的漏检率和误检率。 (3)针对CCD图像直径检测中高亮光环区域边缘点椭圆拟合精度和速度不足的问题,提出基于参数降维和分数阶麻雀搜索优化的霍夫椭圆拟合算法。通过改进平行弦中线定理求解椭圆中心,将中心点坐标代入椭圆方程中,减少霍夫椭圆拟合的参数,利用分数阶麻雀搜索算法优化霍夫椭圆拟合的精度和速度。实验结果表明,所提算法有效提高了霍夫椭圆拟合的速度和精度。 (4)将所提的三种算法应用到直拉硅单晶生长过程CCD图像晶体直径检测中进行验证。根据算法拟合出的椭圆长轴参数求得直径测量值为299.9369mm,与直径标定值的误差在0.1mm以内,检测时间在10s以内,符合单晶硅直径测量系统的精度和速度要求。

关键词： 渗透能   氧化石墨烯   大面积制备   离子选择性膜  

摘要： 随着全球环境恶化的问题日益凸显,开发更安全、高效的绿色新能源变得尤为重要。渗透能是存在不同盐度溶液之间的可再生“蓝色能源”,具有储量丰富,清洁和可再生等特点。在各类渗透能收集技术中,反向电渗析技术（Reverse Electrodialysis,RED）通过选择性膜实现正负离子的定向运输,进而将渗透能转换为电能,具有操作简单、应用场景多样化的特点。离子选择性膜是RED技术的核心部件,大面积、低成本制备低内阻、高离子选择性的离子选择性膜是该领域的一大挑战。 氧化石墨烯（GO）膜具有独特的层状结构和丰富的含氧官能团,可以通过自组装形成具有纳米孔道的膜,在离子筛分、选择性运输等方面展现出巨大的潜力。然而,GO膜在实际应用中仍然面临一些挑战。首先,GO膜层状结构中的纳米通道与离子跨膜运输的方向垂直,这导致离子传输路径蜿蜒曲折,膜内阻较高;其次,GO膜富含亲水基团,当其暴露于水溶液中时,容易发生溶胀现象,这种溶胀增大了GO的层间距从而降低膜的选择性和稳定性,导致GO膜在渗透能收集方面性能下降。针对以上问题本文提出了一种以GO为基底可以大面积制备的离子选择性膜用于收集渗透能的策略,同时对其离子选择性和膜通量进行了优化。主要内容如下: （1）本文用改良的Hummers法制备厚度为2.5 nm的GO纳米片,通过调节GO/PAAS（聚丙烯酸钠）混合溶液的p H产生絮凝制备可刮涂浆料,通过在纤维素基底膜上刮涂GO/PAAS浆料获得了具有介孔结构的GP-F膜,并进一步将PVA（聚乙烯醇）/SA（海藻酸钠）凝胶刮涂在GP-F膜上制备GPPS膜。通过形貌表征以及孔径分析等证明凝胶可以以渗透进入GP-F膜的介孔结构中,进而增强膜的机械强度、抗溶胀性能以及防污染的潜能。 （2）结合COMSOL模拟,证明了介孔结构可以缩短离子跨膜运输路径从而降低膜电阻。PVA/SA混合凝胶渗透进入介孔结构后,由于离子聚合物SA（海藻酸钠）的存在进一步增加了GPPS膜的表面电荷密度,同时提高了膜的离子选择性和通量。在人工模拟海河交界环境下该膜最大输出功率为8.65 W m-2,在真实海水与河水条件下,GPPS膜最大输出功率密度为13.44 W m-2。 本文提出了具有微介孔结构的可大面积制备的氧化石墨烯基离子选择性膜的策略,为商业化推广石墨烯基离子选择性膜提供新了思路,这种低成本、高性能的离子选择性膜有望在能源和环境领域发挥更大的作用。

关键词： 盾构始发   超大直径盾构   承压水层   风险控制   止水箱体  

摘要： 在城市快速路网建设过程中，因受规划、工程地质和水文地质、建构筑物分布等因素的制约，局部地段隧道线路采用特殊形态设计，相应盾构施工需采取针对性措施。以珠海十字门隧道盾构始发为案例，主要介绍超大直径泥水盾构机在特殊地段及复杂地层的始发技术。通过对其重难点的深度剖析，在各种不利工况条件下，优化盾构始发掘进线形、地基加固及渐变型止水钢箱体等措施，最终在始发过程中成功控制风险，顺利完成超大直径盾构始发，规避了相关工程风险的发生。本次超大直径泥水盾构成功始发经验，可为后续类似工程提供参考。

关键词： 第一性原理   分子动力学   二维体系   碱金属离子电池   电化学性能  

摘要： 锂离子电池因其出色的安全特性和高存储能力在电池行业得到了广泛应用,但锂资源的不足制约了它更为深远的进展。其他如钠、钾、钙、镁等碱金属与锂离子在性质上具有相似性,并且它们的储量也相当丰富,因此被视为锂的最佳替代品。为了进一步满足储能市场快速发展的需求,寻找性能更好的锂离子电池的同时也开始关注非锂离子电池阳极材料的理论研究。本项工作首先研究了双石墨烯单层二维体系,其单层结构为高锂存储容量和倍率性能提供了理论基础。随后,探索了硼掺杂对联苯烯C468单层及多层二维体系作为碱金属电池的电化学影响。最后,探讨了半导体光电材料B2S3单层二维体系作为电池阳极中的锂/钠化特性的理论研究,在多孔B2S3单层表面形成平面结构在保持热稳定性的同时,提高了倍率性能。主要研究内容如下:（1）双石墨烯单层二维体系对锂离子表现出强的吸附特性,有效提升理论存储容量。具有3916 m Ah/g的超高理论容量,约为石墨烯（744 m Ah/g）的5倍。较低的扩散势垒（-0.42 e V）,有利于在实际应用中的快速充电和放电。此外,具有合适的平均开路电压（0.32 V）,有利于电池工作的安全性。理论预测表明,双石墨烯单层二维体系有望作为锂离子电池的高容量和快速充放电性能的阳极材料。 （2）在联苯烯C468的基础上构建了硼掺杂联苯烯C468结构,以期进一步提升本征联苯烯C468理论容量并改善电池倍率性能。以本征联苯烯C468和硼掺杂体系作为对比,通过吸附能计算、迁移能垒计算、电子性质分析、理论容量计算和稳定性分析,发现了硼掺杂联苯烯C468结有更高的吸附能和更低的扩散特性。更低的扩散势垒（Li:0.23 e V、K:0.21e V和Ca:0.66 e V）决定了其高循环率,同时还具有联苯烯C468:Li-1501.7 m Ah/g、K-938.5 m Ah/g和Ca-938.5 m Ah/g的较高理论容量。此外,在硼掺杂联苯烯C468单层基础上,为解决更准确地预测硼掺杂联苯烯C468的电化学性能,进一步构建了多层结构。确定了更准确的理论预测容量和倍率性能,是成为碱金属离子电池阳极材料的有力候选材料。 （3）深入研究了具有动态、机械和热稳定性B2S3半导体光电材料的电化学性能及其潜在应用。作为阳极材料,B2S3单层具有合适的存储容量（Li/Na:227.2/340.8 m Ah/g）、超低扩散势垒（Li/Na:0.23/0.14 e V）和低平均开路电压（Li/Na:0.515/0.162 e V）,B2S3单层在充放电过程中具有相对较小的晶格变化（Li/Na:2.5/2.1%）。在不同浓度的锂和钠离子吸附下,B2S3单层的金属特性保持不变,具有良好的导电性和电池运行稳定性。结果表明B2S3半导体光电材料是一种有吸引力的锂和钠离子电池阳极候选材料。

关键词： 眼干燥症   异物感   泪液分泌   眼科疾病   干眼   视物模糊   角结膜干燥症   障碍性  

摘要： 眼干燥症，又称角结膜干燥症，是一种常见的眼科疾病，属于泪液分泌障碍性的眼病。患者常常感到双眼痒、有异物感、烧灼感，或者出现畏光、视物模糊、视力波动等症状。如果长时间不治疗，可能会导致角结膜病变，进而影响视力。接下来，我们将一起探讨如何护理眼干燥症。眼干燥症的分类及严重程度临床上常根据病因将眼干燥症分为以下五类：1.水样液缺乏型干眼：泪腺分泌泪液功能低下导致，如先天性无泪腺症等。

关键词： 第一性原理计算   碱金属离子电池负极材料   碱土金属离子电池负极材料   联苯烯基材料   密度泛函理论  

摘要： 锂离子电池的推广加速了移动通信、电动汽车和能源储存等行业的进步。碳基材料因其多样的结构、丰富的资源、出色的电化学稳定和良好导电性成为多种金属离子负极材料的候选。目前,商用的锂离子负极材料主要为石墨,它具有较大的比容量(372 m Ah·g-1)、较低的放电电压（0.04-0.20 V）和良好的循环稳定性,能较好满足人们的需求。此外,它也能用作钾离子电池负极材料,不过性能相对一般。然而随着离子电池和储能行业的快速发展,传统石墨负极材料性能的局限性和锂资源的稀缺性问题日益凸显,探索新的负极材料和可以替代锂离子电池的新型储能设备成为当前研究的热点。因此,除锂离子以外的其它碱金属离子和碱土金属离子电池引起了研究人员的兴趣。2021年,实验上成功合成了一种新型的二维碳单质材料——联苯烯网络（二维联苯烯）。由于其独特的结构和性质,研究预测它具有包括作为离子负极材料在内许多应用潜力。然而,二维材料在充放电循环中的巨大体积变化和不稳定的固体电解质界面（SEI）使其在应用中具有极大挑战。寻找类似石墨的新型范德瓦尔斯层状结构从而实现对石墨局限性的突破也许是更为现实和更有作为的技术路线。 本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算设计了由单层二维联苯烯通过范德瓦尔斯（vdW）堆叠得到的vdW层状体相联苯烯石（biphenylite）。计算了该材料作为碱金属和碱土金属离子电池负极材料的离子传输速率、理论比容量以及平均开路电压等电化学性能。此外,还深入探讨了离子嵌入过程中该材料框架出现褶皱的原因。本文主要研究内容与结果如下: （1）系统研究了Li、Na和K离子在联苯烯石的各种堆叠模式中的嵌入情况,确定了最稳定的AA堆叠结构,并计算了它的电子性质以及作为碱金属离子电池负极材料的电化学性能。vdW层状体相联苯烯石呈现金属性,从而具有优异的导电性。电化学性能的计算结果表明,该材料内有四个稳定的Li/Na/K离子嵌入位点,并且Li/Na/K在vdW层状体相联苯烯石中具有优良的离子传输性能,其迁移能垒仅有0.30 e V、0.28e V和0.17 e V。vdW层状体相联苯烯石作为锂离子电池（LIBs）/钠离子电池（SIBs）/钾离子电池（PIBs）电极材料的理论比容量分别为744 m Ah·g-1、372 m Ah·g-1和372m Ah·g-1,相应的开路电压为0.90-0.36 V、0.681-0.681 V和1.099-0.822 V。并且嵌入前后的体积膨胀较石墨负极而言较小,分别为10%、22%和46%。此外,对大量锂离子嵌入时引起二维联苯烯骨架结构的褶皱化畸变进行了探究,即高浓度的Li嵌入通过化学激活的褶皱变形和BPN碳骨架的滑动,增强了其自身包括结合强度和容量等方面的储能效果。结果表明vdW层状体相联苯烯石具有作为通用型高性能碱金属离子电池负极材料的潜力,全面超越了目前商用的代表石墨。 （2）计算了vdW层状体相联苯烯石作为碱土金属离子电池负极材料的电化学性能。计算结果表明,该材料内有三个稳定的Ca/Sr/Ba离子嵌入位点,并具有0.47 e V、0.26 e V和0.37 e V的迁移能垒。vdW层状体相联苯烯石作为钙离子电池、锶离子电池和钡离子电池的理论比容量都为744 m Ah·g-1,显著高于商业锂离子电池中的石墨负极(372 m Ah·g-1),对应的低开路电压分别为0.740-0.683 V、0.977-0.556 V和0.806-0.655V。嵌入前后也未发生严重的体积膨胀,分别为25%、36%和48%。除此之外,我们也讨论了Ca/Sr/Ba嵌入vdW层状体相联苯烯石时引起的碳骨架结构的褶皱化畸变,随着碱土金属离子的嵌入通过化学激活的褶皱变形增强了其自身的离子结合能力。结果表明,vdW层状体相联苯烯石同样具有作为高性能碱土金属离子电池负极材料的潜力。 综上,由于具有良好的导电性、出色的结构稳定性、新颖碳骨架结构和特殊的离子存储机制带来的优异电池性能指标,联苯烯石是一种可广泛应用于包括碱金属和碱土金属等常见金属离子电池的通用型负极材料,具有广阔的应用前景。

关键词： 低共熔溶剂   多元醇   离子凝胶   柔性传感器  

摘要： 柔性可穿戴电子材料因具有良好的柔韧性,已在人工智能、运动监测、医疗检测、电池储能等领域展示出良好的性能,从而受到了广泛关注。离子凝胶是一类具有优异环境稳定性、良好机械性能、出色离子导电性以及多功能性的凝胶材料,已被广泛用于柔性可穿戴传感器的开发中。但目前已被开发出来的大部分离子凝胶仍然面临着原料制备条件苛刻、漏液现象普遍、力学性能不足、功能单一等问题,限制了其在柔性可穿戴传感器领域的应用。因此,开发具有良好环境稳定性、优异力学性能、功能丰富的离子凝胶成为主要趋势和需求。本论文利用具有成本低廉、导电性好、环境稳定、绿色环保等优势的低共熔溶剂（Deep eutectic solvents,DES）,设计并制备了两种具有优异性能的离子凝胶,并将其组装成柔性应变传感器进行应用。主要研究内容如下: 利用氯化胆碱（ChCl）和乙二醇（EG）形成的DES作为溶剂,将其引入到N-丙烯酰基甘氨酰胺（NAGA）单体中,聚合形成具有高氢键密度的聚丙烯酰基甘氨酰胺（PNAGA）离子凝胶。对其进行结构表征,探讨了在不同NAGA含量下离子凝胶的性能变化,并选出最佳性能的离子凝胶应用于传感测试。其中,DES起到了氢键密度调节剂和导电填料的双重作用,在明显改善离子凝胶溶剂保留能力的同时也为其提供了良好导电性,赋予其稳定的传感能力。该离子凝胶具有光学透过率高、导电性良好、机械性能稳定、使用温度范围宽等优异性能。由其组装的柔性压力传感器展示出了出色的传感性能（应力响应时间t=200 ms）,可用于区域物体应力识别和复杂信息表达。 利用氯化锌（ZnCl2）和聚乙二醇单甲醚200（MPEG 200）形成的DES作为溶剂,将其与硬单体甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）结合,聚合得到了聚甲基丙烯酸羟乙酯离子凝胶。该离子凝胶中含有丰富的金属配位键和氢键。对其进行结构表征,探讨了在不同HEMA含量下离子凝胶的性能变化,并对性能最佳的离子凝胶进行传感测试。该离子凝胶表现出良好的光学透过性、机械性能和环境稳定性。将其用于柔性压力传感器,具有快速应力响应行为（响应时间t=300 ms）,可实现对人体生理活动的实时检测。

关键词： 离子导体   弹性体   动态键   环境稳定性   柔性传感器  

摘要： 随着柔性电子设备的快速发展,对导电材料的要求也越来越高。通过将导电离子引入柔性聚合物基质构建的离子导体由于其高透明性、仿生的离子传导和良好机械柔韧性,是用于制备柔性电子传感器的理想材料。离子导体主要包括离子导电水凝胶、离子凝胶和离子导电弹性体。其中,离子导电弹性体具有高离子导电性、热稳定性以及非挥发性,在构建高稳定柔性离子传感器件方面展现出独特的优势。然而,作为聚合物基质的传统弹性体通常力学性能较差且缺乏功能性,限制了离子导电弹性体在柔性传感方面的应用。本论文通过调控弹性体内聚合物间的动态交联作用,制备了高强度聚合物弹性体,对其理化、力学及相关增强增韧机制进行了详细研究,进一步引入离子液体,构建了多功能高柔韧离子导电弹性体,在评价其力学和导电性能的基础上,详细研究了其作为柔性应变传感器和电极的实际应用。 首先,利用自由基共聚甲基丙烯酸甲酯（MMA）和2-[[（丁基氨基）羰基]氧代]丙烯酸乙酯（BCOMA）制备了共聚物弹性体,通过调控两种单体比例结合力学性能测试,选出具有优异力学性能的聚合物弹性体。进一步将疏水性离子液体1-乙基-3-甲基咪唑啉双（三氟甲基磺酰基）亚胺（[EMIM][TFSI]）引入上述弹性体,制备得到离子导电弹性体。通过理化测试和力学评价,结果表明由于离子液体的加入可与聚合物链间形成非共价作用,有效地调节离子导电弹性体的柔韧性。在最佳条件下,该离子导电弹性体展现出良好的拉伸强度（0.22 MPa）,优异的弹性（0.16 MPa）和高拉伸性（640%）。进一步研究发现,该离子导电弹性体还有良好的粘附性、低温稳定性以及长期环境稳定性等多种功能性。传感测试表明,离子导电弹性体具有应变传感特性并可实时监测运动信号。 其次研究了缩聚弹性体,以聚己内酯二醇（PCL）为软段,异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）为硬段,含有动态二硫键的2-羟乙基二硫化物（HEDS）为扩链剂制备了聚氨酯弹性体。通过调控PCL与HEDS的比例,选出具有优异力学性能的聚氨酯弹性体,通过力学性能测试以及红外、流变学测试等理化分析,结果表明动态二硫键的引入提高了交联网络的动态性,增强了弹性体的柔韧性。在最优配比下,聚氨酯弹性体的韧性可达84.26 MJ/m3,最大拉伸强度为7.61 MPa,断裂伸长率为2013%。此外,弹性体还具有优异的恢复性能和抗撕裂性能。在聚氨酯弹性体中进一步掺杂离子液体[EMIM][TFSI]制得PCL-HEDS离子导电弹性体,传感测试表明,离子导电弹性体具有快速响应能力（响应时间低至0.173 s）、良好的循环稳定性及耐久性（500次循环）等良好的应变传感特性,可用于柔性可穿戴式离子传感器。