中性分子的激光聚焦与静电导引
【摘要】：由于冷分子具有非常丰富的内态结构，可以应用到分子的精密光谱测量、冷分子碰撞、量子信息处理等方面，冷分子的产生和应用的研究得到了快速的发展。本文首先综述了中性分子的冷却、囚禁及其操控的原理、实验及其最新进展；其次，我们提出了产生聚焦空心光束的实验方案，讨论了它在原子分子光学中的应用。再次，就“极性冷分子静电导引”进行了系统的理论和实验研究；最后，就本文的研究工作进行了总结，并就本课题的未来研究进行了展望。本文研究了一种产生聚焦空心光束的实验方案，讨论了它在原子分子光学中的应用。因为这种聚焦的中空光束在它的焦平面上有很小的DSS(暗斑尺寸)，它能够用来聚焦原子束(或分子束)以形成原子(或分子)透镜，由于在焦点附近具有绝对高的强度梯度，通过Sisyphus强度梯度冷却来冷却和囚禁中性原子，还可以用来研究冷原子在聚焦中空光束中的绝热压缩和绝热膨胀的过程。同时研究发现，在焦平面上，聚焦中空光束的DSS越小，光学势越大，对应的最佳失谐量δ越大，越有利于形成原子透镜。因为这不仅容易得到较高分辨率的原子透镜，而且还可以减少在聚焦中空光束中原子的自发辐射和光子散射效应。本文提出了一种在芯片表面实现极性冷分子静电导引的新方案。我们计算了芯片表面的空间电场强度的分布，分析了静电导引系统的不同的几何参数和电场强度(最大有效囚禁势、梯度力)之间的关系。我们的研究表明，在绝缘介质表面产生的空心静电导管可以沿着z方向导
引弱场搜寻态的极性分子，可以得到较高的导引效率。当导体棒之间的半宽度a较小，半径r_0较大，与接地平板之间的距离b较小时，导引电压越大，最大横向有效囚禁势越大，对极性冷分子的横向约束就会越紧，在空心静电导管中导引冷分子的平均直径(也即平均横向运动范围)越小。在一定条件下，特别当平均直径接近丁冷分子的德布罗意波长时，有可能实现冷分子的单模波导。甚至可以采用弯曲静电导引来产生一束连续的冷的极性分子束。而且我们研究的静电导引方案同样也可以用来构建各种不同的分子光学器件：如分子漏斗，分子分束器和分子干涉仪等。本文在实验上测量了丙酮、氰气和重水超声分子束纵向和横向的速度分布。研究发现超声分子束的纵向平动温度随着脉冲阀宽度的减小而减小。我们实验研【关键词】：分子光学聚焦中空光束分子静电导引分子芯片导引效率超声分子束纵向温度横向温度
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：O561
【目录】：论文摘要5-7英文摘要7-13第一章中性分子的冷却、囚禁与操控13-571.1引言13-141.2中性分子的静电、静磁和光操控原理
14-161.3中性分子的冷却16-301.4中性分子的囚禁30-371.5中性分子的操控(包括导引，反射，聚焦，衍射与干涉)37-54参考文献54-57第二章聚集空心光束的产生及其在原子分子光学中的应用57-802.1引言57-582.2聚焦空心光束的产生方案58-602.3聚焦空心光束在自由空间的传播特性60-642.4聚焦空心光束在焦平面上的聚焦特性64-672.5聚焦空心光束在原子分子光学中的潜在应用67-772.6本章小结77-79参考文献79-80第三章超声分子束的理论及其实验研究80-1103.1引言803.2超声分子束形成的基本原理及其相关理论80-883.3超声分子束的实验研究(包括实验装置、测量方法与实验结果)88-1073.4超声分子束纵向平动温度与脉冲宽度的关系1073.5本章小结107-109参考文献109-110第四章极性分子的选态和聚焦110-1284.1引言1104.2中极性分子在静电场中的STARK效应110-1194.3六极杆(静电六极透镜)的选态和聚焦作用119-1264.4本章小结126-127参考文献127-128第五章极性冷分子的静电表面导引及其应用128-1485.1引言1285.2原理性方案与公式推导128-1315.3理论计算与分析131-1405.4潜在应用:分子光学器件140-1455.5本章小结145-147参考文献147-148第六章D_2O冷分子静电导引的实验研究148-1616.1引言148-1496.2静电导引的实验装置与静电导管的空间电场分布149-1566.3实验结果与分析讨论156-1596.4本章小结159-160参考文献160-161第七章D_2O/CH_3Br冷分子在芯片表面静电导引的理论与实验研究161-1787.1引言161-1637.2分子导引效率的理论计算及其Monte-Carlo模拟163-1697.3分子导引效率的理论计
算169-1727.4实验研究与结果分析172-1767.5本章小结176-177参考文献177-178第八章总结与展望178-1828.1工作总结178-1808.2本文的创新之处和今后工作的展望180-182附录:博士研究生阶段发表与待发表的论文目录182-184致谢184 本论文购买请联系页眉网站。
自由电子激光物理导论 贾启卡 中国科技大学,国家同步辐射实验室
前言 自由电子激光(FEL)这一新型光源自从上世纪70年代诞生以来就以其波长连续可调，时间结构优异可控，光束质量好等突出优点一直受到科学界的广泛关注，尤其是近年来自由电子激光向X波段的迅猛发展，其巨大发展潜力和重大应用前景更是引起国际上的高度重视。 中国科技大学“核科学技术”学科点从2001年开始为研究生开设《自由电子激光物理导论》课，本讲义即是此课程的教材，以供可能从事自由电子激光相关研究、或进行自由电子激光应用工作的研究生入门学习，也可供该领域的研究人员参考阅读。但由于作者工作繁重，时间紧促，本讲义的编著写写停停，一直未整理好，目前这个稿子仍在编写中，仅供上课研究生学习参考。 本课程介绍自由电子激光的基本理论，物理机理，相关技术与实验，以及发展前沿。主要内容为：第一章，介绍自由电子激光的特点，历史及应用；第二章，讲述自由电子激光的运行原理，基本概念；第三章，介绍描述自由电子激光的基本方程及其意义，分析电子束光场相互作用的过程，包括：电子（轨迹; 能量;位相）方程；光场方程；电子分布函数方程；对一维情况求解自由电子激光方程，给出光场的低增益和高增益;分析由电子初始群聚引起的光场发展；自发辐射与相干自发辐射等。第四章，介绍自由电子激光中的物理效应，纵向和横向的三维效应，包括电子beta振荡；电子空间电荷效应的影响；脉冲滑移效应；边带不稳定性；高次谐波；光场模式；光导效应等。第五章，讲自由电子激光实验及技术有关内容，主要为波荡器（包括一般波荡器，光学速调管；变参数波荡器，横向梯度波荡器），非理想电子束影响，及带波导的自由电子激光器等。作为自由电子激光关键技术之一的加速器技术部分内容较多也较独立，详述已超出本课程范围，故在本章中只用一节作简要介绍。第六章，自由电子激光基本运行模式，包括FEL振荡器，自放大自发辐射（SASE），（谐波）放大器。第七章，介绍自由电子激光研究发展前沿：包括:高功率自由电子激光和短波长自由电子激光的发展态势，研究热点，一些新思想，新技术等。 本课程着重讲自由电子激光的基础同时充分反映前沿发展，重点在于介绍有关的基本概念和物理图象；由于同时希望本教材能用于研究参考，因而涉及不少数学公式，但力求简练，一些复杂繁琐的数学推导作为附录供希望进一步深入研究的学生参考；讲述方式尽量深入浅出，着重讲物理并注重联系实验，努力揭示物理参数间的相互关系和影响；尽量采用直接物理量，少引入复合参变量；注意理论的物理内涵，近似条件与适用范围，参数的数量级概念。 要求本课程的对象学过高等数学和普通物理，电动力学，考虑到不同基础的同学，没有采用分析力学哈密顿量的方法。通过学习本课程，希望学生对自由电子激光这一仅有三十多年历史的新型光源总体全貌有一概要的了解，掌握重要的基本概念。 自由电子激光学科交叉性，前沿性强，涉及内容广泛，并仍在继续发展中。一方面本讲义中有相当多部分的内容及处理方法出自作者的研究成果及个人心得，另一方面也并非所有的内容作者都十分熟悉，不足之处在所难免，不当之处也会有之。诚恳地希望读者和自由电子激光物理界同仁批评指正。 贾启卡 2013年9月
静电纺丝技术及其应用 师奇松, 于建香, 顾克壮, 马春宝, 刘太奇 * (北京石油化工学院材料科学与工程系,北京102617) 摘 要:静电纺丝是一种新技术,它可制备出直径为纳米级的丝,最小直径可至1纳米。介绍了电纺丝制备原理、设备、影响纤维性能的主要工艺参数,综述了静电纺丝技术应用的最新进展,如制备长度无限可控的微米 纳米管子、超净纳米过滤材料等。关键词:纳米材料;纳米纤维;静电纺丝;应用中图分类号:TS 102.5 文献标识码:A 文章编号:0367-6358(2005)05-313-04 Electrospinning Technique and Its Application SHI Q-i song, YU Jian -xiang, GU Ke -zhuang, MA Chun -bao, LI U Ta-i qi * (De partment of Mate rial Scie nce and Enginee ring ,Be ijing Inst itute o f Petro -c he mic al Tec hnology ,Bei j ing 102617,China) Abstract :Electrospinning is a new technique,which can be used to prepare nanofibers with a diameter down to 1nm.In this paper,the theory of electrospinning technique,the equipments for preparing a electrospun fiber and the technological parameters affecting the properties of electrospun fibers were introduced.The new development of the applications of electrospinning technique,such as the preparation of micro nano tubes with controlled lengths and super -purification filtering materials,was reviewed. Key words :nanometer material;nanofiber;electrospinning;application 收稿日期:2003-11-14;修回日期:2004-01-12 基金项目:北京市组织部优秀人才启动经费(BZ00172002),北京市人事局留学人员科技活动择优资助项目(BR -016002)作者简介:师奇松(1977~),女,讲师,主要从事纳米纤维、相变材料的研究。E -mail:liutaiqi@https://www.doczj.com/doc/aa10770775.html,. 纳米纤维主要包括两个概念:一是严格意义上的纳米纤维,是指纤维直径小于100nm 的超微细纤维。另一概念是将纳米微粒填充到纤维中,对纤维进行改性,也就是我们通常意义上的纳米纤维。纳米纤维有以下几种制备方法:静电纺丝法、海岛形双组分复合纺丝法、分子喷丝板纺丝法、聚合过程中直接制造直径纳米纤维,以及采用直接纺丝或后整理方法将纳米粉体材料与纤维复合,制备纳米纤维的方法 [1-3] 。 1 静电纺丝技术 由于超细纤维的优良性能,人们对其制造方法进行了广泛的研究,但是用传统的纺丝方法很难纺出直径小于500nm 的纤维。而静电纺丝方法则能够纺出超细的纤维,直径最小可至1nm 。1.1 静电纺丝的成形工艺 静电纺丝技术与传统纺丝技术有着明显的不同,即静电纺丝技术通过静电力作为牵引力来制备超细纤维。图1是静电纺丝装置示意图。如图所示,在静电纺丝工艺过程中,将聚合物熔体或溶液加上几千至几万伏的高压静电,从而在毛细管和接地的接收装置间产生一个强大的电场力。当电场力施加于液体的表面时,将在表面产生电流。相同电荷相斥导致了电场力与液体的表面张力的方向相反。这样,当电场力施加于液体的表面时,将产生一个向外的力,对于一个半球形状的液滴,这个向外的力就与表面张力的方向相反。如果电场力的大小等于高分子溶液或熔体的表面张力时,带电的液滴就悬挂在毛细管的末端并处在平衡状态。随着电场力的增大,在毛细管末端呈半球状的液滴在电场力的作用下将被拉伸成圆锥状,这就是Taylor 锥。当电场力
壳聚糖静电纺丝 1 概述 关于纯壳聚糖溶液体系静电纺丝的报道却不多。可能是在高的静电压下，壳聚糖主链上的离子之间的斥力阻碍了电纺纤维的形成，尤其是在射流中的弯曲不稳定性和鞭动不稳定性出现的时候，这就造成了纯的壳聚糖体系静电纺丝的困难关于壳聚糖静电纺丝更多的报道是关于将壳聚糖与其他聚合物混合电纺成纤维的。选择与其他较为容易电纺成纤的高分子混合纺丝，不仅可以改善壳聚糖本身不易电纺的缺点，还可以赋予壳聚糖纤维一些新的性能。最常见的是壳聚糖与聚乙烯醇混合电纺成纤。通过调节溶液浓度和原料配比，壳聚糖与PVA混合溶液可以通过静电纺丝得到光滑完好的纤维，并作为组织工程支架或伤口敷料在生物医用材料领域有很好的应用前景。壳聚糖还能与其他一些合成高分子混合制备电纺纤维，如壳聚糖和PEO，壳聚糖和PVP等。静电纺丝技术制备出的纤维膜具有纤维直径小、比表面积大的特点，更有利于细胞的粘附和增殖，是理想的组织工程支架材料。近年来，对静电纺丝装置的改进使静电纺丝技术得到了迅速发展，同轴静电纺丝就是其中一种。核壳结构电纺丝可以在内层负载某些药物和生物活性因子，作为药物缓释载体及组织工程支架。壳聚糖是一种具有良好的生物相容性和生物可降解性的天然高分子，而羟基磷灰石是天然骨的主要成分，具有骨传导性和诱导性，两者在组织工程领域应用很广泛。 2 静电纺丝技术 静电纤维制造是目前得到纳米纤维最重要的基本方法之一。这一技术的核心，是使带电荷的高分子溶液或熔体在静电场中流动与变形，经溶剂蒸发或熔体冷却而固化得到纤维状物质，因而这一过程又称为静电纺丝，简称电纺。电纺最早出现于1934年，Fomlllals在一篇专利中首次介绍了利用静电斥力获得聚合物纤丝的方法。20世纪80年代后，尤其是90年代中期以来，随着纳米技术的快速发展，电纺丝技术越来越引起人们的关注，静电纺丝的理论研究才。有了进一步的深入发展。 静电纺丝的基本装置基本上由三部分组成：一个高压静电发生器，一个顶部带有小孔的装有聚合物溶液或熔体的细管及一个金属收集屏。聚合物的熔体或溶液的输送速度可由空气压力、微量注射泵控制，也可通过把装有液体的储液管与水平成一定角度放置从而由聚合物本身的重力来控制。高压电场的两极分别与聚合物液体、收集装置相连。在静电纺丝中，常常通过插入聚合物液体中的金属丝，或通过毛细管出口处与聚合物液体相连的金属夹，使聚合物液体接上高压电；收集装置通常为接地的金属箔、金属网或转鼓。 静电纺丝过程中，在高压电场的作用下，悬于毛细管出口的聚合物溶液或熔体的半球液滴变形为锥形，其锥形的角度为49度。随着电场强度的进一步提高，当
静电纺丝技术研究及纳米纤维的应用前景 引言： 术语“电纺”来源于“静电纺丝”。虽然电纺这一术语是20世纪90年代才开始使用，但是其基本思想可以追述到60年前。1934一1944年间，FomalaS[1]申请了一系列的专利，发明了用静电场力来制备聚合物纤维的实验装置。1952年，vonnegut和NeubauerI53)发明了电场离子化技术，得到了粒径(0.lmm)均匀、带电程度高的线流。1955年，Drozin进行了不同液体在高电压下，形成气溶胶的研究。1966年，Simons发明了一种装置，用静电场纺丝法制备出了很轻超薄的无纺织物，他在研究中发现，低浓度溶液纺出的纤维较短且细;高浓度溶液纺出的纤维长且连续[2]。1971年，Baumgarten采用静电纺丝法制备出了直径在0.05u m一1.1um的丙烯酸纤维。自从80年代，特别是近些年，由于纳米技术的兴起，使得静电纺丝技术再度引起了纳米材料研究人员的高度关注。采用静电纺丝技术可以很容易的制备出直径在几百微米到几百纳米甚至几十纳米的高质量纤维。目前为止，己经有近上百种高分子采用静电纺丝技术被纺成纳/微米纤维。这些纳/微米纤维有些己经广泛应用于纳米复合材料、传感器、薄膜制造、过滤装置，以及生物医用材料的加工和制造上。本文立足于静电纺丝技术的研究现状，分别从材料的化学组成、纤维的分布方式和特殊结构形态三个方面进行了阐述。同时，概括并展望了纳米纤维的应用领域与前景。 1静电纺丝的基本原理 在电纺丝过程中，喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下，受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴，在电场诱导下表面聚集电荷，受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时，喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状，形成所谓的“泰勒锥”(Taylorcone)[3-6]。而当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会液体的表面张力，从“泰勒锥”中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳，产生频率极高的不规则性螺旋运动。
静电纺丝制备MWNTs 高度取向的PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维 刘大伟，李旭，李刚，杨小平 北京化工大学有机/无机复合材料国家重点实验室，北京，100029 CFRP 复合材料在航天航空领域的广泛应用要求其具有良好的强度及韧性[1，2]，然而单向纤维增强树脂基复合材料在垂直于纤维的方向力学性能较差，层间强度低，影响了CFRP 的 整体性能。本课题组采用静电纺丝的方法将MWNTs-Epoxy 预分散在纺丝液中[3]，制备 PSF/MWNTs-Epoxy 杂化的纳米纤维膜，以碳纤维预浸布包覆的辊筒作为静电纺丝的接收器，通过将预浸料按照不同角度铺放于辊筒上以接收纳米纤维,来控制碳纳米管在复合材料中的取向，最终实现复合材料性能的可设计性。我们考察了MWNTs 环氧化改性效果，研究了不同MWNTs-Epoxy 含量对PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维膜微观形貌的影响。研究成果可总结为以下两方面:1)利用纯化、混酸化、环氧化等手段制备了MWNTs-Epoxy 。官能化MWNTs-Epoxy 的环氧基团接枝率为24.87%。MWNTs-Epoxy 在静电纺丝液中分散良好，且静电纺丝液的表面张力和电导率随MWNTs-Epoxy 含量的增加而提高。2)随着MWNTs-Epoxy 含量的升高，通过SEM 、TEM 照片可以看出，PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维的直径逐渐减少，通过取向红外和拉曼谱图研究发现PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维以及嵌于其内部的MWNTs-Epoxy 的取向度逐渐提高。MWNTs-Epoxy 良好的分散于PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维轴向位置。 图 1 5wt% MWNTs-Epoxy 含量的PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维取向表征图 （a ）SEM 照片（b ）TEM 照片（c ）取向红外谱图（d ）偏振拉曼谱图 本研究为江苏省自然科学基金（BK2011227）资助 参考文献： [1] Williams JC, Starke Jr EA. Progress in structural materials for aerospacesystems. Acta Metall 2003;51(10):5775–99. [2] Ahmed K, Noor AK, Venneri SL, Donald B, Paul DB, Hopkins MA. Structurestechnology for future aerospace systems. J Comput Struct 2000;74:507–19. [3] Gang Li , Xiaolong Jia , Zhibin Huang , Bo Zhu , Peng Li , Xiaoping Yang , Wuguo Dai. Prescribed morphology and interface correlation of MWNTs-EP/PSF hybridnanofibers reinforced and toughened epoxy matrix, Materials Chemistry and Physics 134 (2012) 958-965 10μm 10μm (a) (b) (c) (d) 10μm
超疏水静电纺丝纳米纤维 摘要：这篇文章介绍了最先进的静电纺丝纳米纤维的科技发展，以及它在自清洁簿膜、智能响应材料和其他相关领域的应用。超疏水自清洁，也成为“荷叶效应”，就是利用表面化学结构和拓扑学的正确结合，在表面形成了一个非常大的接触角并且通过重力使水带着表面上的污垢、颗粒以及其他污染物离开表面。本文简单介绍了超疏水自清洁的理论和静电纺丝过程中的基本原则，为了生成超疏水自清洁表面还讨论了静电纺丝过程的各种参数，这些参数可以有效的控制疏水实体的多渗透性结构的粗糙度，静电纺丝在纳米尺寸上的主要原则以及在通过静电纺丝合成一维材料时存在的困难也被完全的隐藏。另外，本文还比较了不同的静电纺丝纳米纤维的超疏水性能以及它们的科技应用。 关键字：超疏水静电纺丝纳米纤维性能应用展望
Superhydrophobic electrospun nanofibers Abstract: This review describes state-of-the-art scientific and technological developments of electrospun nanofibers and their use in self-cleaning membranes, responsive smart materials, and other related applications. Superhydrophobic self-cleaning, also called the lotus effect, utilizes the right combinations of surface chemistry and topology to form a very high contact angle on a surface and drive water droplets away from it, carrying with them dirt, particles, and other contaminants by way of gravity. A brief introduction to the theory of superhydrophobic self-cleaning and the basic principles of the electrospinning process is presented. Also discussed is electrospinning for the purpose of creating superhydrophobic self-cleaning surfaces under a wide variety of parameters that allow effective control of roughness of the porous structure with hydrophobic entities. The main principle of electrospinning at the nanoscale and existing difficulties in synthesis of one-dimensional materials by electrospinning are also covered thoroughly. The results of different electrospun nanofibers are compared to each other in terms of their superhydrophobic properties and their scientific and technological applications. Key words: superhydrophobic; electrospinning; nanofibers; properties; applications; outlook
自由电子激光器一种利用自由电子的受激辐射，把相对论电子束的能量转换成相干辐射的激光器件。自由电子受激辐射的设想曾于1951年由Motz提出，并在1953年进行过实验，因受当时条件的限制，未能得到证实。1974年斯坦福大学的Madey等人重新提出了恒定横向周期磁场中的场致受激辐射理论，并首次在毫米波段实现了受激辐射；1976年Madey小组第一次实现了激光放大，1977年4月斯坦福大学Deacon 等人才研制成第一台自由电子激光振荡器。 激光是二十世纪最伟大的发明之一，自由电子激光是激光家族的一个新成员。由于它的工作介质是自由电子，因此称为自由电子激光，这种激光的特点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行设计，并且能够在大范围内连续调节，有着重要的应用前景。 自由电子激光是利用自由电子为工作媒质产生的强相干辐射，它的产生机理不同于原子内束缚电子的受激辐射。自由电子激光的概念是J.Maday于1971年在他的博士论文中首次提出的，并在1976年和他的同事们在斯坦福大学实现了远红外自由电子激光，观察到了10.6μm波长的光放大。自那以后，许多国家都开展了关于自由电子激光的理论与实验研究。 自由电子激光的基本原理是通过自由电子和辐射的相互作用，电子将能量转送给辐射而使辐射强度增大。 自由电子激光具有一系列已有激光光源无法替代的优点。例如，频率连续可调，频谱范围广，峰值功率和平均功率大，且可调，相干性好，偏振强，具有ps量级脉冲的时间结构，且时间结构可控，等等。 自由电子激光的发展背景 使用电子产生相干辐射，是科技领域长期探讨的课题。从二次世界大战时期发展起来的微波管，如磁控管、速调管、行波管等等，都可以产生相干电磁辐射，并且一直在向短波长、高功率的方向推进。但它们受结构尺寸的限制，很难将波长缩短到光波波段。60年代发明的常规激光基于原子、分子的能级越迁的原理，是相干光源的划时代的发展，它推动了人类的科学研究和生产活动，做出了极为重要的贡献。但它一般说来不便调变波长，而且功率受工作物质发热的限制。同步辐射利用电子作圆周运动而产生连续谱的辐射，但广谱辐射经分光后，单色强度却大受限制，而且是非相干光。同步辐射装置几十年中经历了三代的发展，由于它有广泛的应用，世界上兼用和专用的装置已有70余台，总投资估计逾10亿美元。为了更好地满足应用的要求，它正在向更短脉冲、
静电纺丝技术及其应用 师奇松, 于建香, 顾克壮, 马春宝, 刘太奇 3 (北京石油化工学院材料科学与工程系,北京102617) 摘 要:静电纺丝是一种新技术,它可制备出直径为纳米级的丝,最小直径可至1纳米。介绍了电 纺丝制备原理、设备、影响纤维性能的主要工艺参数,综述了静电纺丝技术应用的最新进展,如制备长度无限可控的微米Π纳米管子、超净纳米过滤材料等。关键词:纳米材料;纳米纤维;静电纺丝;应用中图分类号:TS 102.5 文献标识码:A 文章编号:036726358(2005)052313204 Electrospinning T echnique and Its Application SHI Qi 2s ong , Y U Jian 2xiang , G U K e 2zhuang , MA Chun 2bao , LI U T ai 2qi 3 (Department o f Material Science and Engineering ,Beijing Institute o f Petro 2chemical Technology ,Beijing 102617,China ) Abstract :E lectrospinning is a new technique ,which can be used to prepare nanofibers with a diameter down to 1nm.In this paper ,the theory of electrospinning technique ,the equipments for preparing a electrospun fiber and the technological parameters affecting the properties of electrospun fibers were introduced.The new development of the applications of electrospinning technique ,such as the preparation of micro Πnano tubes with controlled lengths and super 2purification filtering materials ,was reviewed. K ey w ords :nanometer material ;nanofiber ;electrospinning ;application 收稿日期:2003211214;修回日期:2004201212 基金项目:北京市组织部优秀人才启动经费(BZ 00172002),北京市人事局留学人员科技活动择优资助项目(BR 2016002)作者简介:师奇松(1977～),女,讲师,主要从事纳米纤维、相变材料的研究。E 2mail :liutaiqi @https://www.doczj.com/doc/aa10770775.html,. 纳米纤维主要包括两个概念:一是严格意义上 的纳米纤维,是指纤维直径小于100nm 的超微细纤维。另一概念是将纳米微粒填充到纤维中,对纤维进行改性,也就是我们通常意义上的纳米纤维。纳米纤维有以下几种制备方法:静电纺丝法、海岛形双组分复合纺丝法、分子喷丝板纺丝法、聚合过程中直接制造直径纳米纤维,以及采用直接纺丝或后整理方法将纳米粉体材料与纤维复合,制备纳米纤维的 方法[1-3] 。1 静电纺丝技术 由于超细纤维的优良性能,人们对其制造方法进行了广泛的研究,但是用传统的纺丝方法很难纺出直径小于500nm 的纤维。而静电纺丝方法则能够纺出超细的纤维,直径最小可至1nm 。1.1 静电纺丝的成形工艺 静电纺丝技术与传统纺丝技术有着明显的不 同,即静电纺丝技术通过静电力作为牵引力来制备超细纤维。图1是静电纺丝装置示意图。如图所示,在静电纺丝工艺过程中,将聚合物熔体或溶液加上几千至几万伏的高压静电,从而在毛细管和接地的接收装置间产生一个强大的电场力。当电场力施加于液体的表面时,将在表面产生电流。相同电荷相斥导致了电场力与液体的表面张力的方向相反。这样,当电场力施加于液体的表面时,将产生一个向外的力,对于一个半球形状的液滴,这个向外的力就与表面张力的方向相反。如果电场力的大小等于高分子溶液或熔体的表面张力时,带电的液滴就悬挂在毛细管的末端并处在平衡状态。随着电场力的增大,在毛细管末端呈半球状的液滴在电场力的作用下将被拉伸成圆锥状,这就是T aylor 锥。当电场力
综述与专论 合成纤维工业,2009,32(4):48CH I NA SYNTHETI C FI BER I NDUSTRY 收稿日期:2008 09 17;修改稿收到日期:2009 05 27。作者简介:董晓英(1956 ),教授。从事纳米材料的教学和科研工作。 静电纺丝纳米纤维的制备工艺及其应用 董晓英1 董 鑫 2 (1.江苏技术师范学院,江苏常州 213001;2.慕尼黑大学,德国慕尼黑 80539)摘 要:简述了静电纺丝制备纳米纤维的原理;探讨了静电纺丝电压、流速、接收距离、溶剂浓度等工艺条 件;介绍了同轴静电纺丝制备皮芯结构的超细纤维及中空纤维技术以及静电纺丝纳米纤维毡在生物医药方面的应用。指出静电纺丝纳米纤维材料在生物医用方面具有广阔的应用前景,进一步实现低压纺丝、开发无毒溶剂,控制同轴静电纺丝纳米纤维的释放性能是今后静电纺丝的研发方向。 关键词:静电纺丝 纳米纤维 工艺 生物 医药 应用 中图分类号:TQ 340.64 文献识别码:A 文章编号:1001 0041(2009)04 0048 04 静电纺丝法是一种高速制备纳米纤维的有效方法,其装置简单,成本低廉,供选择的基体材料和所载药物种类众多,可通过改变电压、流速、接 收距离、溶液浓度配比等纺丝工艺控制纤维形貌,从而控制药物的释放。静电纺丝纳米纤维在生物、医药方面有着广泛的应用。1 静电纺丝及其工艺条件 静电纺丝技术最早报道于1934年的美国专利[1] ,发明人For mhals 用静电斥力的推动成功纺出醋酸纤维素纤维,溶剂为丙酮和乙醇。后来,For mha ls 改进了静电纺丝设备,通过多个针头纺丝或复合纺丝 [2] 。 1969年,英国Taylor [3] 研究了强电场作用下 水/油界面的形成。首先,从理论计算上考虑电场、重力和溶液粘度的影响,建立了锥状物模型,即在高压电场下溶液喷出前的形状称为Tay lor 锥。Tay l o r 还根据其模型计算了喷出时的临界锥角为98.6 。 静电纺丝纤维喷出针头后,在空中弯曲回转,最后落在接收器上,给人多股纤维同时喷出的印 象。阿克隆大学的Dosh i 等[4] 假设带电高分子溶液在喷出后互相排斥,克服表面张力而分裂成若干股纤维,落到接收器上形成无纺纤维毡。但是 麻省理工学院的Shin 等[5]和以色列的Yari n [6] 等通过高速成像,只有1股纤维从喷丝口喷出,然后在电场力作用下快速弯曲旋转,给人以很多股纤维的假象。1971年,杜邦公司的B au m garten [7] 研究了纺丝工艺参数对丙烯酸在N,N 二甲基甲酰(D M F)胺溶液中静电纺丝纤维直径的影响。纺 丝工艺参数主要包括喷射距离、溶液粘度、环境气体、流速和电压等。 1.1 电压 足够的电压是形成连续稳定纤维的先决条件。如果电压过小,则产生静电喷射,形成独立的珠状物。随着电压的增加,逐渐形成串珠结构,电压进一步增大,串珠逐渐减少,直至形成连续稳定 的纤维。Deitzel 等[8] 研究了聚氧化乙烯(PEO )/水体系中电压对喷丝口Tay lor 锥表面的影响。结果表明,当电压较小时,Tay lor 锥形成于针头外悬挂液滴的表面;随电压增加,液滴体积逐渐变小,直至液滴和Tay lor 锥相继消失。同时,纤维上串珠的分布密度也随电压增大而增加。因此,一般适宜电压为10~25kV 。1.2 流速 流速是影响静电纺丝纤维形貌的另一重要参数。M ege lski [9] 等研究了静电纺丝流速对聚苯乙烯/四氢呋喃(THF)体系的影响,随着流速增大,纤维直径增加,纤维表面的孔径也增大。同时,流速增大也促进了更明显的串珠结构,其原因是溶剂在到达接受装置前不能完全挥发。目前所采用的流速为1~3mL /h 。1.3 接收距离 接收距离也会在一定程度上影响静电纺丝的 纤维形貌。Jaeger [10] 等研究了PEO /水溶液的静电纺丝行为,随着接收距离由1c m 增大到3.5c m,纤维直径从19 m 下降到9 m 。根据M egel
1.静电纺丝的定义 静电纺丝又称“电纺”, 是一种使带电荷的聚合物溶液或熔体在静电场中射流来制备聚合物超细纤维的加工方法。在电纺丝过程中,喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下,受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴,在电场诱导下表面聚集电荷, 受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时,喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状,形成所谓的“泰勒锥”，而当电场强度增加至一个临界值时,电场力就会克服液体的表面张力,从“泰勒锥”中喷出。在高速震荡中,喷射流被迅速拉细,溶剂也迅速挥发,最终形成直径在纳米级的纤维,并以随机的方式散落在收集装置上,形成无纺布。 2.静电纺丝的生物材料领域应用可行性 由电纺丝纤维制得的无纺布具有孔隙率高、比表面积大、纤维精细程度与均一性高、长径比大等优点, 这些优点使其具备了现实的和潜在的众多应用价值。由电纺法制备出的无纺布具有良好的生物相容性和结构相容性,可以在生物医学材料中广泛应用。通过对材料加工过程的调控,可以实现电纺丝材料在结构、形貌、组分和功能上满足生物医用材料的要求。 3.用于组织工程支架制备的纺丝工艺 ①溶液浇铸成孔剂滤出法。该法所用的成孔剂含量低,由于采用溶液浇铸于器皿中,从而导 致成孔剂下沉,孔隙分布不均匀以及上下表面形态出现诧异。 ②三维层化法。通过制备多孔膜,然后再通过溶剂把各层粘接起来,从而形成三维的支架。该法工艺复杂,而且在粘接过程中,粘接部分孔被封闭,从而形成界面,使材料内部形态不均匀。③熔融加工法。该法在聚合物的熔点以上,把成孔剂与聚合物共混挤人模具。冷却得到预定形状的多孔支架。该法的缺点是在挤出机里,由于熔体与成孔剂的密度相差较大,因而混合难以均匀。而且部分聚合物,尤其是生物可降解的聚合物在熔融加工时,容易热降解。 ④相分离法。该法采用溶液混合物冷却到溶剂的熔点以下,从而产生相分离。再通过真空干燥,从而得到多孔支架。该法的缺点是所得的孔径一般在10μm 以下,而且控制较为困难。 ⑤高压二氧化碳法。该法采用把已成型的聚合物暴露于高压二氧化碳。再通过减压把溶于聚
静电纺丝技术的工艺原理及应用 静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。这一技术的核心是使带电荷流体在静电场中流动与变形，最终得到纤维状物质，从而为高分子成为纳米功能材料提供了一种新的加工方法。由于纳米纤维具有许多特性，例如纤维纤度细、比表面积大、孔隙率高，因而具有广泛的应用。 1、静电纺技术 静电纺是一项简单方便、廉价而且对环境无污染的纺丝技术。早在20世纪30年代，Formals A就已经在其专利中报道了利用高压静电纺丝，但是直到近些年，由于对纳米科技研究的迅速升温，激起了人们对这种可制备纳米尺寸纤维的纺丝技术进行深入研究的浓厚兴趣。 1.1 静电纺技术的基本原理 静电纺丝技术(Electrospinning fiber technique)是使带电的高分子溶液(或熔体)在静电场中流动变形，经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，从而得到纤维状物质的一种方法。对聚合物纤维电纺过程的图式说明见图1。 静电纺丝机的基本组成主要有3个部分：静电高压电源、液体供给装置、纤维收集装置。静电高压电源根据电流变换方式可以分成DC／DC和AC／DC两种类型，实验中多用IX；／DC电源。液体供给装置是一端带有毛细管的容器(如注射器)，其中盛 有高分子溶液或熔体，将一金属线的一端伸进容器中，使液体与高压电发生器的正极相连。纤维收集装置是在毛细管相对端设置的技术收集板，可以是金属类平面(如锡纸)或者是旋转的滚轮等。收集板用导线接地，作为负极，并与高压电源负极相连。另外随着对实验要求的提高，液体流量控制系统也被渐渐的采用，这样可以将液体的流速控制得更准确。电场的大小与毛细管口聚合物溶液的表面张力有关。由于电场的作用，聚合物溶液表面会产生电荷。电荷相互排斥和相反电荷电极对表面电荷的压缩，均会直接产生一种与表面张力相反的力。当电场强度增加时，毛细管口的流体半球表面会被拉成锥形，称为Taylor锥。进一步增加电场强度，是用来克服表面张力的静电排斥力到达一个临界值，此时带电射流从Taylor锥尖喷射出来。带电后的聚合物射流经过不稳定拉伸过程，
静电粉末喷涂工艺.安全培训教材 第一节粉末喷涂原理及工艺流程 粉末在压缩空气作用下，通过喷枪由高压静电发生器提供负电荷,使之粉末带电飞向接地工件表面并吸附在工件表面,通过加热烘烤，使粉末熔融,流平固化成为涂层。 静电粉末喷涂的工艺流程： 工件上架-工件前处理-静电喷涂-加热固化-下架-检验 第二节设备清单 空气压缩机、储气罐、压缩空气冷冻干燥净化机、静电粉末喷涂装置（喷粉室、粉末回收系统、清理系统、供粉系统、高压静电发生器、静电喷枪等）、车间电器控制箱、固化炉、吸尘器、筛粉机、工件伽装置。 第三节准备及姜求 1、按要求检查工作场所操作人员是否符合规定,不符合规走不准上班开机。 2、由班组长检查粉末是否符合技术姜求（色泽、颗粒均匀、是否 受潮结块等现象）,若未及时检查造成型材批量报废的,对按相关规走处罚。
3、喷涂前班长必须掌握上挂型材的有关技术要求,明确喷涂色号, 并确定装饰 ,选取适当的喷涂角度,若由班长工作没做到 位造成喷涂面错误返喷的,将对班长予以50元/次的处罚。 4、检查整套设备是否正常,换粉前彻底清理喷粉室、输粉管、喷枪、一级回收器、振动筛、储粉筒等。 第四节工艺过程及技术姜求 1、工艺技术要求 1.1按要求记录工艺参数,记录不全或造假者，对责任人按10元/ 次处罚,超过3次处罚车间主任100元/次。 1.2操作者每天对设备操作记录如实记录,如发现造假、漏记等, 如造 成生产事故的,量情节严重情况予以相应程度的处罚,对责任人按10-20元/次处罚,超过3次处罚车间主任100元/次。 13各工序员工对所在工序的工艺要求妾能够全面理解、熟练掌握,发 现问题及时汇报。 1.4粉房操作人员对回收粉的掺兑应做好记录,以便出现表面质量问题 时查阅。 1.5车间班长应对返喷的型材做好详细的工艺记录并按周报工艺技术 部，对隐瞒不报的量情节严重情况予以相应程度的处罚,对责任人按50 元/次处罚,超过3次处罚车间主任100元/次。 1.6发现有员工不按工艺操作规程的行为对当事人以10元/次处罚,屡 教不改的加倍处罚。 1.7若车间发现质量问题,应及时记录并知会工艺部,工艺员及时
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/aa10770775.html, 自由电子激光器的原理与应用 作者：周宇东 来源：《中国新技术新产品》2017年第05期 1.自由电子激光器的原理 1.1 同步辐射 要了解自由电子激光的原理我们首先要明白什么是同步辐射。同步辐射：同步辐射是速度接近光速（v≈c）的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，由于它最初是在同步加速器上观察到的，便又被称为“同步辐射”。由同步辐射产生的光源叫做同步辐射光源，它的优点有：高亮度，宽波段（远红外、可见光、紫外直到X射线范围内的连续光谱，并且能 根据使用者的需要获得特定波长的光），窄脉冲（脉冲宽度在10-11～10-8s之间可以调控，脉冲之间的间隔为几十纳秒至微秒量级），具有高偏振，高准直，高相干性。同步辐射光源的这些特点正好满足了激光器光源的需求。所以自由电子激光器利用的就是同步辐射的原理作为光源的。 1.2 自由电子激光器的原理 自由电子激光装置的原理如图1所示。 该装置由3部分组成：电子束注入器、扭摆磁铁、光学谐振腔。其中电子束注入器就是电子加速器，扭摆磁铁是有多对N-S相间的磁铁组构成，其中相邻两组磁铁的磁场方向是上下交替变化的，磁场变化的空间周期为λw，光学谐振腔主要是由一个反射镜和半透半反镜构成。当经电子加速器（速度接近光速）沿图示的Z方向进入到扭摆磁铁区时，电子在磁场的洛仑兹力作用下会在X-Z平面内左右往复摆动。当带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射（同步辐射）。在一定的条件下在不同位置处向Z方向发射的电磁波可以有相同的相位，并且还能够从电子束中获得能量，使它们的能量得以增加。其中的一部分电磁波可以在由反射镜和半透半反镜构成谐振腔内往返运动，使它们的能量反复放大，最后从半透半反镜输出激光。激光必须满足相干和受激放大的条件。自由电子激光器是怎么实现相干和受激放大的条件的呢？ 1.2.1 相干性 如图2所示，A，B是相距为一个磁场空间周期的两个点，电子在这两处的运动情况完全一样且都会产生电磁辐射，设电磁波波长λ1且电子刚到A，B两处时产生的电磁波共同相位为δ。当A在磁场中运动到B点处时，A点产生的电磁波运动到为A′。A，B两点发的光要相干，就要A′点的电磁波和B点产生的电磁波具有相同的位相δ，即要LA′B′=nλ1（n=1，2，3，…）设电子沿z方向的速度为v，我们可以得到
静电纺丝技术以及静电纺丝纳米纤维在不同领域的应用本文内容主要参考了夏幼南教授的一篇综述文章[1],本人只是自己语言重新组织了一下他的文章内容，并在此基础上加入了一些个人的理解。基于上述原因，在此向夏幼南老师表示特别感谢。 1. 纳米静电纺丝技术发展的历史 静电纺丝技术又简称静电纺丝或者电纺丝，其发展历史最早可以追溯到1600年,William Gilbert 在存在外部电场的情况下观察到了一个锥形水滴[2]。随后在1887年，Charles Boys 利用一种粘弹性的液体通过静电纺丝制备出了纳米纤维[1]。1938年，静电纺丝纳米纤维被用于制造空气过滤装置的过滤网芯，静电纺丝纳米纤维首次得到了应用[1]。从1938年至今，静电纺丝技术不断发展并逐渐走向成熟，如今已经被应用在了各个领域，极大的推动了科学研究和工业生产的进步与发展[3,4]。 2. 纳米静电纺丝技术 2.1. 静电纺丝技术的原理 图1. 静电纺丝装置示意图[5] 静电纺丝技术是指聚合物熔体或者溶液在高压静电场的作用下形成纤维的
过程。静电纺丝技术装置主要由三部分组成，分别是高压电源，喷丝头以及接收板（图1.）。其中电源可以是直流电源，也可以是交流电源，不同类型的电源对纳米纤维的形成有一定的影响，这里不再详细介绍。喷丝头可以使用带有注射器针头的塑料管、金属管及玻璃管等，喷丝嘴一般为0.1~1 mm。接收板用来接收经溶剂挥发或者熔体固化后所形成的聚合物，一般采用导电金属板、硅片及导电玻璃等。具体使用过程中，金属板表面要用锡纸、纺布等包裹起来，方便转移纳米纺丝并防止接收板被污染或者被弄脏[6]。 电源的两极分别接在喷丝头和接收器上，在高压静电纺丝的过程中，溶液或者熔融高分子表面带上了电荷并产生了电场力，溶液的表面张力与电场力方向相反。随着电压的增大，电场力大于表面张力时，带电溶液从喷丝口喷出，从而形成喷流。喷流在空气中运动的过程中，经溶剂挥发，降温冷却等过程逐渐固化，最后被收集于接收器上。 图2. 静电纺丝纳米纤维所受横向力示意图[7] 图3. 纳米纤维弯曲运动示意图[8]
静电喷涂工艺参数
静电喷涂工艺参数
静电喷涂的基本原理及技术参数 工件通过输送链进入喷粉房的喷枪位置准备喷涂作业。静电发生器通过喷枪枪口的电极针向工件方向的空间释放高压静电(负极)，该高压静电使从．喷枪口喷出的粉末和压缩空气的混合物以及电极周围空气电离(带负电荷)。工件经过挂具通过输送链接地(接地极)，这样就在喷枪和工件之间形成一个电场占粉末在电场力和压缩空气压力的双重推动下到达工件表面，依靠静电吸引在工件表面形成一层均匀的涂层。 1.2.2 粉末静电喷涂的基本原料 用室内型环氧聚酯粉末涂料。它的主要成分是环氧树脂、聚酯树脂、固化剂、颜料、填料、各种助剂(例如流平剂、防潮剂、边角改性剂等).粉末加热固化后在工件表面形成所需涂层。辅助材料是压缩空气，要求清洁干燥、无油无水[含水量小于1.3g/m3、含油量小于1.0×10-5％(质量分数)] 1.2.3 粉末静电喷涂的施工工艺
●静电高压60-90kV。电压过高容易造成粉末反弹和边缘麻点；电压过低上粉率低。 ●静电电流10～20μA。电流过高容易产生放电击穿粉末涂层；电流过低上粉率低 ●流速压力0.30-0.55MPa.流速压力越．高则粉末的沉积速度越快，有利于快速获得预定厚度的涂层，但过高就会增加粉末用量和喷枪的磨损速度。 ●雾化压力0.30～0.45MPa。适当增大雾化压力能够保持粉末涂层的厚度均匀，但过高会使送粉部件快速磨损。适当降低雾化压力能够提高粉末的覆盖能力，但过低容易使送粉部件堵塞。 ●清枪压力0.5MPa。清枪压力过高会加速枪头磨损，过低容易造成枪头堵塞。 ●供粉桶流化压力0.04～0.10MPa。供粉桶流化压力过高会降低粉末密度使生产效率下降，过低容易出现供粉不足或者粉末结团。