DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 1. 引言 太赫兹(THz)通常指频率为0.1到10 THz的电磁波 [ 1 ] ，在电磁波谱中的位置如图1所示 [ 2 ]。广义上的太赫兹包含从电磁辐射的毫米波波段的高频边缘(300 GHz)到低频率的远红外光谱带边缘(3000 GHz)之间的频率范围，太赫兹波普遍存在于自然界，物质的太赫兹光谱(包括透射谱和反射谱)包含着丰富的物理和化学信息，研究物质在这一波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义 [ 3 ]。太赫兹脉冲具有瞬态性、宽带性、相干性、低能性、指纹性、信噪比高等特性 [ 4 ] ，近年来，太赫兹技术在安检、国防、材料、生物、医学等领域的应用与研究得到了很大的发展，太赫兹的产生也得到了越来越多的关注。 目前用于产生太赫兹波辐射的方法主要有 [ 5 ] [ 6 ] ：利用气体激光器激发太赫兹波；利用半导体量子级联激光器激发太赫兹波；利用飞秒激光照射半导体材料表面产生太赫兹波；通过施加偏置电压，用激光脉冲激发光电导偶极天线产生太赫兹波；利用自由电子激光器激发太赫兹波(目前获得太赫兹最高输出功率的方法)；利用光整流效应激发太赫兹波；利用差频生成法激发太赫兹波等。 光学非线性材料是差频生成法和光整流效应激发太赫兹的关键材料。 当非线性光学材料与激光发生非线性光学效应时，可以将一固定频率的激光通过倍频、和频、差频或光学参量放大等过程转变为不同频率的各种激光。从理论上来说，利用非线性光学材料的非线性光学效应可以获得从红外到紫外、远红外乃至亚毫米波段的特定频率或可调频率的激光 [ 7 ]。 差频生成(Differential frequency generation)法是在非线性晶体中让两束激光发生二阶非线性差频效应，通过调整入射激光的频率就可以辐射出太赫兹波，其原理如图2所示 [ 8 ]。这种方法没有阈值，实验设备简单紧凑，能够实现太赫兹设备的便携式小型化。差频生成法输出的太赫兹辐射线宽较窄，相干性好而且 图1. 太赫兹空隙在电磁波谱中的位置示意图 [ 2 ] 连续可调。但是这种方法的转化效率和输出功率偏低，要求极高的泵浦功率及光源功率。差频生成法产生太赫兹辐射的关键在于寻找高质量的泵浦激光源和高质量的非线性晶体，高质量的非线性晶体需要具有二阶非线性系数大、对太赫兹波吸收小的特性 [ 8 ]。 光整流效应(Optical rectification effect)是一种特殊的非线性光学效应，在本质上也属于差频过程 [ 9 ]。其激发太赫兹波的原理为：脉冲激光入射到非线性光学晶体，激光脉冲中频率相近的部分就会由于非线性光学晶体的非线性效应而产生低频极化场并在晶体表面辐射出太赫兹波，如图3所示 [ 10 ]。光整流效应产生的太赫兹辐射能量来自于入射激光脉冲的能量，其转换效率与非线性介质的光学系数以及相位匹配条件有关。与光电导天线产生太赫兹的方法相比，光整流效应产生太赫兹辐射虽然具有转化效率低、能量低的缺点，但是可以产生频带较宽的太赫兹波，其频谱通常可以达到50 THz [ 11 ]。 因此，要想获得较高转换效率和能量的太赫兹波，非线性晶体应具备以下条件 [ 12 ] ： 1) 具有大的非线性系数； 2) 在太赫兹波段具有小的吸收系数； 3) 具有高的激光损伤阈值； 4) 相位匹配性能优良，具有宽的位相匹配范围。 与无机半导体(如ZnTe，GaP和GaAs)相比，有机非线性光学晶体已经展示出相当高的太赫兹转换效率，而且只需要简单的共线相位匹配条件和较低的泵浦能。应用于太赫兹波产生的有机非线性光学晶体主要有两类：基于吡啶鎓的DAST [(4-(4-(二甲基氨基)苯乙烯基)-1-甲基吡啶鎓4-甲基苯磺酸盐)]和基于喹啉鎓的HMQ-TMS [2-(4-羟基-3-甲氧基苯乙烯基)-1-甲基喹啉-2，4'-二胺-6-三甲基苯磺酸酯]。有机非线性光学晶体除了具有高非线性光学敏感性之外，材料的其他固有性质如折射率、色散、声子模及吸收性质等也显着影响THz的产生及其非线性光学过程。
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user: 3 结论与展望 随着超快激光技术的快速发展，太赫兹技术在生物、医疗、探测、安检等领域得到了蓬勃发展。利用差频生成法产生的太赫兹波没有阈值，线宽较窄，相干性好而且连续可调；利用光整流效应可以产生频带较宽的太赫兹波。但是这两种方法都极其依赖高质量的非线性晶体。有机非线性晶体的非线性系数普遍比无机非线性晶体高1~2个数量级，具有很强的分子可操作性，其基本性质如折射率、色散、声子模、吸收性质等有益于差频生成法与光整流效应产生太赫兹波，高质量的有机非线性晶体可以极大的提高这两种方法的太赫兹转化效率。 本文介绍了DAST、HMQ-TMS及其他有机非线性晶体在激发太赫兹领域的研究，阐述了基于有机非线性晶体的差频生成法和光整流法产生太赫兹波的最新工作进展，随着更高效有机非线性晶体的制备及其相关技术的发展，太赫兹技术将在科学乃至生活上发挥越来越重要的作用。
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user: 摘 要 近年来由于无线电能传输技术的简易、方便、安全等特点，其在电动汽车、电子设备无线充电等方面都取得了快速发展和广泛的应用。本文对国内外关于减少电动汽车耦合线圈能量损耗的相关研究进行了详细的综述，从线圈材质、线圈结构和耦合线圈对准问题等方面对近期研究成果进行了分析。本文还提出了在减少耦合线圈能量方面的未来研究方向，并且针对性的提出了一种减少耦合线圈能量损耗的综合优化模型。 关键词 :电动汽车，无线充电，耦合能量损耗，耦合优化模型 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 为了减少环境污染和电能传输过程中的能源损耗，并且在电力运用过程提高操作人员的安全性，无线电力传输技术得以提出并获得广泛地应用。传统的有线充电技术由于需要手动拔插、人工连接，蓄电池组和充电导线也随之频繁移动，从而导致设备本身容易老化、破裂，不仅造成了能源损失而且也给用户使用过程中带来较大的安全隐患。无线充电技术 [ 1 ] 的应用很好的解决了这几方面的问题。 电动汽车无线充电技术的本质是电能交流–直流之间的转换、电能–磁能的转换、频率选取的转换三个方面 [ 2 ] [ 3 ] ，其基本原理的示意图1如下。 基本的电动汽车无线充电系统包括交流电源、整流滤波模块(原、次级)，升频模块、补偿网络(原、次级)、电磁线圈(原、次级)。整流滤波模的原级模块主要是对电网或电源的能量进行交–直变换并对交流电能进行平整。升频模块主要是将原有的工频升级为KHz~MHz级别，从而减少空隙中的耦合损耗。补偿网络用于解决耦合机构引起的漏感而形成的无功功率，当无功功率较大时，传输的有效功率即会降低，从而降低传输效率 [ 4 ] 。原、次级电磁线圈之间进行了电场能到磁场能再到电场能的转换，电动汽车进行感应式无线耦合时空气间隙一般在10~50 cm之间。为了响应绿色出行的生活方式和实现节约能源的目的，学术界将提高电动汽车无线能量传播的效率作重点研究方向。本文通过线圈材质选择、线圈结构几个方面对当前关于电动汽车无线充电技术提高效率的原理和成果进行了分析和总结，并对该领域未来的研究 图1. 电动汽车无线充电基本结构图 方向进行了展望。
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user: 2. 线圈材质 无线充电电动汽车系统中，对线圈材质的选型要求主要是解决线圈本身趋肤效应和邻近效益而引发的能量损耗，导线的趋肤效应是指当导体中存在交流电或导体处交变电磁场时，导体内部电流分布不均匀，从而使得电流分布于导体表面的现象。导体的邻近效应指的是存在高频电流的两个导体彼此间存在反向电流时，导体内部的电流会集中于导体临近侧流动。趋肤效应在数值上的公式形式可由波导方程具体获得，波导方程 [ 5 ] 具体形式如下(1)： j k = j w μ ε ′ 1 − j σ w ε ′ (1) 式(1)中σ表示电导率，μ为真空磁导率，式中的 σ w ε ′ 为传导电流密度和位移电流密度的比值，由此可得(2)： j k = j ( 1 − j ) w μ σ 2 = ( 1 + j ) π f μ σ (2) 用δ表示透入深度，即趋肤效应，其值如下(3)： δ = 1 π f μ σ (3) 2.1. 超导材料线圈 超导材料具有在绝对温度下小电阻甚至无电阻的特点，是近期研究者关注的热点。通过选择内阻值小的材料，可以使Q因子下降 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] ，由于耦合原、次级线圈频率一致，以共振频率为基础而制成的线圈对于无线传输过程十分必要。而频率的表达式如(4)： f = 1 2 π L C (4) Q = 2 π W stored W cost (5) Q因子的实际意义在此处则表征为能量比率， W stored 表示通过实际线圈耦合所传输的能量， W cost 表示实际线圈中损耗，I. S. Jeong的研究团队 [ 10 ] 通过选取在开式温度93 K条件下能够正常实现超导的材料，在液态氮的条件下建立了实验温度条件，并且在阻抗、电感等特性上与以铜为材质的线圈进行了对比，其结果如表1。 可以明显看出超导材料的阻抗特性和Q因子优于以铜为代表的普通材料，但由于当前学术界研究发现的超导材料都需要在特定温度下才能发挥出超导特性，材料本身在常温条件下不能实现超导状态，因此其不能得到广泛运用。石墨烯是一种二维晶体，呈现蜂窝状，具有良好的导电、导热效应，目前在电池储能方面具有良好的应用前景 [ 11 ] [ 12 ] ，是未来电动汽车无线充电线圈选择的理想材料。 2.2. 利兹线圈 对于诸如线圈、电感器或变压器等电感元件，采用独立绞合线可以用来降低工作频率较高的应用中的传导损耗，同时也可以减少涡流损耗。利兹线内部结构可以描述为多股线圈形成的细导线捆束，这种多线细化的模式，使得磁场中的趋肤效应限制在细线本身的小范围内，从而达到大捆线圈低损耗的效果。同时该模式也使电流密度均匀分布于大截面积导线上，减少了导线本身的内阻抗。如图2所示。 Table 1 Comparison of electrical characteristics of superconducting and copper material 属性 超导线圈 铜制线圈 阻抗(Ω) 0.1 0.4 电感(μH) 22.3 12 电容(pF) 9.22 17.17 Q 1.6 e 4 2.2 e 3 表1. 超导材料和铜材料的电特性对比 图2. (a) 平面板利兹线圈耦合时的电流密度分布模型；(b) 铜质螺线圈在单导线作用下的感应电流密度分布模型 铜线和利兹线的趋肤效应仿真结果有着明显的区别。采用铜作为导线材质时，导线内部电流密度分布会明显偏离导线中心，而在利兹导线的仿真模型中会呈现出较均匀的分布情况。P. Asbeck等研究者 [ 13 ] 对利兹线存在的趋肤效应和邻近效应的数值表达形式进行了细致的推导，由于趋肤效应的正交性和邻近效应的反向性，利兹线束中会产生损耗，该损耗可以分别计算 [ 14 ] 。每束利兹线上的趋肤效应损耗由直流损耗中的附加系数表示。直流损耗和趋肤效应损耗的总和可以表示为式(6)： P d c ， s = R d c × I r m s 2 × Π F i (6) 其中 F i 是捆绑级别i上的趋肤效应因子。线中的趋肤效应损失由 F 0 表示。总的趋肤效应在数值上的一般符号是 F i = ℜ ( j 3 2 ε i × J 0 ( j 3 2 ε i ) 2 J 1 ( j 3 2 ε i ) ) (7) ε i = d i 2 ⋅ δ i (8) δ i = ρ i π ⋅ f ⋅ μ 0 ⋅ μ r (9) 其中 J 0 和 J 1 是第一类贝塞尔函数， δ i 是利兹线束趋肤深度， u 0 是自由空间的渗透率， u r 是相对磁导率，f是频率， ρ i 是束或束的电阻率。直流电阻是 R d c = 4 ⋅ ρ 0 ⋅ l 0 π ⋅ d 0 2 ⋅ N (10) 其中 N = Π n i 是绞合线中的股数。 对邻近效应的数值运算结果为： P p ， i = G i ⋅ ( H i n t 2 + H e x t ， i 2 ) ⋅ l i (11) 其中趋肤效应的因数值G的数值形式为： G i = π ⋅ d i 4 ⋅ ( 2 π f ) 2 ⋅ u 0 2 128 ρ i (12) 但实际上利兹线在布置于耦合线圈的结构中时，会出现线捆的扭曲现象，因而导致实际的趋肤效益和邻近效应与J. A. Ferreira团队 [ 15 ] 构建的双模型仍有偏差。而研究者Budhia M [ 16 ] 等对这一特殊现象进行了数值近似计算，并证明了扭曲现象引起的偏差可以忽略。 2.3. 材料选型的总结与对比 对耦合线圈材料的选择考虑的因数一般较多，除了导体本身电导率这一基本导体因数，各种导线在磁场中的趋肤效应、邻近效应、导体本身的价格、导体自重都是需要考虑的因素，表2列出了各种材质导线的优劣。在实际的电动汽车无线充电过程中耦合线圈中间存在10~50 cm的间隙，此间隙可以为利兹线圈散热提供空间。选取超导体作为耦合线圈材质时需要匹配相应的温度条件，该温度远超于常温范围，因此当前超导材料未能普及使用，而选取利兹结构的线圈可以降低趋肤效应，从而减少导线内阻损耗，具有更加现实的运用前景。
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user: 3. 线圈结构 近年来通过改变耦合线圈的立体结构一直是提升无线电能传输效率的有效方法，也是自无线电能传输兴起以来的研究热点，当前在线圈结构领域存在两种研究思路：改变线圈立体结构、线圈间添加非空气介质材料。 仅从线圈的绕制方式可以将磁耦合结构分为最基本的3种。分别是环形线圈，螺线管线圈和8字形线圈，其中8字形线圈也称为DD线圈(如图3)。这3种线圈各有各的特点。环形线圈是最早采用的磁耦合结构，其绕制方便，分析简单。虽然环形线圈的耦合较差，但是铁损和铜损也很小。研究人员 [ 15 ] [ 16 ] 随后提出了双DD结构，双DD结构相比单D结构具有更好的偏移修正能力。为了解决偏移修正过程中线圈之间耦合而出现的抵消点，该文章研究人员还提出了补充方案，在DD线圈中添加另一个与两个D线圈盘均匀分割且正切的线圈，以弥补实际程中耦合偏移导致传输效率的下降。为了解决原级和次级线圈大小一致而导致的线圈边缘的漏磁现象，韩国科学院的学者提出了大小线圈结构 [ 17 ] ，该结构不仅在满 Table 2 Advantages and disadvantages of coupling field made by different material wire 耦合线圈材质 优点 缺点 铜 材质常见，经济，易获取 有明显趋肤效应，导线重 超导 导电率高，自带内阻小基本无趋肤效应 温度条件苛刻，材料昂贵 利兹 趋肤效应、邻近效应小，耦合效果好 材质脆弱，盘绕繁琐，发热明显 表2. 不同材质的耦合线圈的优劣对比 足充电过程中线圈的抗偏移要求，同时也消除了有效漏磁，避免了电能浪费。 为了进一步减少电动汽车底盘处次级线圈与电源端初级线圈之间的距离从而减少间隙损耗，研究者 [ 18 ] 设计了上下轴动机械臂并在该臂下端贴装次级线圈，使传输效率进一步得到提升(如图4(a))。Z. Luo 团队 [ 19 ] 通过在线圈盘间加装不同结构的铁磁材料从而引导磁场线更多的传穿过次级线圈来实现效率的提高。对次级线圈加装铁磁介质(如图4(b))，增加了线圈的制作成本和自重，虽然能一定程度上提升传输效率但铁磁材料本身也会形成电场和产生热量，造成电能的损耗。
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user: 4. 减小耦合线圈能量损耗的突破点 1) 立体结构的线圈设计问题 [ 20 ] 与普通的平面板线圈结构设计相比，立体结构的线圈设计能够使得能量接收线圈最大程度捕捉捉磁场线，从而在不增加自身内阻损耗的同时实现了电能传输效率的进一步提升，由于受到汽车底盘高度的限制，立体线圈结构的弯曲角度宜设置在0~30度的角度范围，以实现最好的承接耦合。 2) 导体的内阻损耗问题 [ 13 ] [ 14 ] 石墨烯以其良好的导电、导热效应特性为当今此材料学科界的热门话题，石墨烯合成才料做成导体必然是无线充电线圈材质选择的主要聚焦点，通过选取这一材料，电动汽车无线充电效率将得到大幅的提升。 图3. (a) 单D线圈结构；(b) DD线圈结构；(c) DDQ线圈结构；(d) 大小先线圈结构 图4. (a) 机械臂抓接的次级线圈示意图；(b) 次级线圈加装铁磁介质示意图 图5. (a) 契合结构的原级线圈；(b) 优化模型的整体结构 3) 耦合线圈之间对准问题 [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] 原、次级线圈之间严格对准时，能够减少边缘电磁场能量损耗，从而使能量传输效率能够达到最大化，原次线圈之间如何实现对准是提高电动汽车能量传输的有效手段。针对减少线圈能量损耗的突破点，本文提出了一种综合优化模型的概念，具体设计示意图5。 原级耦合线圈结构是立体类阿基米德螺旋结构，线圈内部的四组定位感应线圈用于耦合大线圈之间的横向平面偏差修正，修正方法是通过将小感应线圈中的四组信号传输给控制器，控制器再控制电控位移轴位移从而实现原、次级线圈对齐。机器臂作用是使得垂直方向上两耦合线圈间的距离进一步减少从而使得其耦合效率进一步提高。在原、次级线圈耦合前，低压小线圈需要进行感应对准。该操作能将线圈中的对准率提高到98% [ 20 ] ，通过机械臂的下降作用能将距离减少3~8 cm [ 18 ] 。 通过原次级线圈之间的立体契合结构来减少能量损耗目前还没有团队做出实质的成果，其主要瓶颈在于对立体线圈产生的电磁场的精确仿真与数据分析，但随着提高效率手段的精细化，这一研究点必定会是各个无线电能传输研究团队的重要突破点。
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user: 5. 结论 本文针对国内外关于电动汽车无线充电耦合线圈间减少能量损耗的相关文章进行了综述，特别是对线圈材质选择、线圈结构等方面进行具体分析，得出了在电动汽车无线充电耦合线圈间减少能量损耗方面亟待解决的问题。并在此基础上提出了耦合线圈类阿基米德立体结构，原级线圈贴装四组小感应定位线圈的结构，机械臂控制次级线圈升降的结构。从而组成了线圈耦合的综合优化模型，为以后该行业研究人员提供了整体的前景思路。
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user: 摘 要 随着电动汽车(EV)市场的快速发展，新兴的无线电动车充电技术受到越来越多的关注。作为电动汽车无线充电系统的关键部分，线圈设计对于提高系统性能是不可或缺的。本文概述了电动汽车无线充电的线圈设计，阐述了它们的基本结构，工作原理和不同的特性。线圈的基本拓扑结构有圆形矩形垫(CRP)，圆形垫(CP)，均质垫(HP)，双D垫(DDP)，双D正交垫(DDQP)和双极垫(BP)等。本文对每种拓扑结构的优点和局限性都进行了分析和讨论，并对实际设计不同线圈拓扑结构的关键环节进行了对比。最后，讨论了人体暴露在电磁环境的问题。 关键词 :无线充电，电动汽车，线圈结构 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 近年来，插电式电动汽车(EV)和插电式混合动力电动汽车(HEV)的供需增长非常快 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 。日益增长的电动汽车市场，刺激了对更加便捷和可靠的电动汽车充电方法的需求 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 。现有的导电充电方式要求大功率充电设备或充电站在短时间内对车辆进行充电 [ 7 ] 。此外，不兼容的插头插座也会给不同品牌的电动汽车之间带来充电的不便，这些都限制了电动汽车的快速发展。为了避免物理接触和频繁插拔，研究者们提出了用于电动汽车充电的无线电力传输(WPT)技术。该技术在电力传输方面具有独特性和不可缺少性，因此传统的充电方法所造成的不便和危害，基本上可以通过无线充电的方式来解决 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] 。 在没有电缆和插头在无线充电系统上连接的情况下，磁芯材料和线圈绕组的形状、大小和位置对无线充电性能起着至关重要的作用，也包括充电距离、功率电平和传输效率对无线充电效率的影响。通常情况下，主发射端是固定在静态电动汽车和动态电动汽车(RPEV)所处道路的地下 [ 11 ] [ 12 ] 。初级侧的功率传输单元可以由一个细长的导体(用来沿轨道连续输送功率)或集中的线圈垫(在离散位置为固定的电动汽车充电和RPEV输送电力)构成。另一方面，次级接收端位于电动汽车的底部，它的设计目的是为了捕获传输功率。次级侧的功率接收单元可以在不同的拓扑结构中使用不同的线圈垫 [ 13 ] 。 本文的目的是对图1所示的用于无线电动汽车充电的集总线圈衬垫设计进行概述 [ 14 ] 。从初级发射单元到次级接收单元，不同的衬垫结构包括圆形矩形垫(CRP)、圆形垫(CP)、均质垫(HP)、双D垫(DDP)、双D正交垫(DDQP)、双极垫(BPP)，本文对这些线圈结构进行讨论和分析。同时，对其特点、基本结 图1. 电动汽车无线充电模型 [ 14 ] 构、操作原理、优势和局限性进行了分析和研究。
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user: 2. 不同线圈设计 发射线圈和接收线圈设计的典型线圈拓扑结构，都可用于静态和动态电动汽车充电 [ 1 ] [ 15 ] 。在无线充电的早期发展中，多年前就已经提出了圆形矩形垫 [ 16 ] ，其由四个圆角构成，如图2所示。该拓扑主要可改善通量面积，并且可以减少边缘漏磁。然而，低效率和大量的漏磁是不可避免的。因此，根据具体要求通常被用于发射线圈的设计。 为了促进低磁阻磁通路径和减少磁通泄漏，铁氧体条被提出来并添加在线圈垫的背面，如图3所示 [ 17 ] ，铝板放置在整个线圈的后面以保持磁通量的分布。这种拓扑结构的优点在于该结构在围绕中心轴的对称分布磁通量下容易建立。然而，传输距离，即主磁通高度受到焊盘尺寸的限制。 对于某些电动汽车在指定区域内移动的情况，有必要创建一个均匀磁场来确保所有目标都能成功在任意位置获得足够的能量。基于这一点，提出了一种新的初级线圈结构，如图4所示 [ 18 ] [ 19 ] 。这种绕组方案可以增加平均磁通密度，并使相应的磁场分布不会快速消退。然而，高导电损耗、低功率和制造困难的缺点限制了其应用。 基于CP拓扑结构，提出了一种称为DDP的改进拓扑结构。如图5所示，其中双线圈中的电流方向 图2. 典型的单线圈圆形矩形垫 [ 16 ] 图3. 典型的单线圈圆形非极化垫 [ 17 ] 相反 [ 20 ] 。由于平行场结构，磁通路径可以沿着铁氧体棒变得更窄、更高。因此，可以高效地延长传输距离。但是，当接收器焊盘集中对齐时，此拓扑结构的互操作性较差，在CP拓扑结构中也是一样。为了克服这一互操作性问题，DDQP拓扑结构被设计成能够产生平行和垂直磁场 [ 21 ] 。如图6所示，DDQP拓扑在DDP拓扑中增加了一个额外的线圈。由于DDQP拓扑可以通过调节线圈电流来产生极化和非极化场，因此系统的灵活性比其他拓扑更高。但缺点是线圈数量增加，导致成本增加。 与DDQP拓扑相比，如图7所示引入了另一种被称为BPP的高灵活性拓扑结构来生成平行和垂直磁场 [ 22 ] ，其中两个线圈部分重叠。同时，由于减少了一个线圈使系统的复杂性和成本降低。根据电流方向的不同情形，BPP拓扑可以在CRP模式、单线圈模式和DD模式下工作。因此，BPP拓扑可以有效地适用于多模次级焊盘设计，这对于无线电动车充电具有很大的潜力。 在初级和次级焊盘设计中，可根据具体应用和要求考虑各种类型的拓扑。例如，为了扩大充电区域，发射线圈和接收线圈可采用DDP-DDQP系统，其充电区域比传统的CP-CP系统高5倍 [ 23 ] 。此外，采用DDQP或BPP次级拓扑的系统性能要优于CP和DDP拓扑，比如在电能效率方面前者较高，在充电区域 图4. 多线圈均质垫(HP) [ 18 ] [ 19 ] 图5. 典型的双D极化垫(DDP) [ 20 ] 方面前者较大，在传输距离方面前者较大，其原因就是DDQP或BPP的线圈结构复杂，可以调节线圈结构，系统的灵活性较高。但前者需要更多的材料，而且整流器和控制器的成本较高。因此，为了有效地选择合适的拓扑结构，上述线圈拓扑结构在表1中进行了比较。此外，常用线圈垫的特征也在表2中进行了总结比较。
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user: 3. 电磁环境对人体的影响 一般情况下，无线充电的功率大小和传输距离分别能达到20千瓦和50毫米。根据功率和距离，实际应用的一个明显焦点是电动汽车内部或外部的电磁场(EMF)对人体的安全性问题 [ 24 ] 。根据EMF的频率和强度，会出现对人体健康的不利影响，如图8所示 [ 24 ] 。在实际的无线充电系统中，工作频率一般会低于100 KHz。 在具有多个铁氧体条的CP结构实际系统设计中，在140 kHz工作频率下驱动电流约为100 A，其中EV外的磁场强度分布列于表3中 [ 25 ] 。从该表中可以看出，EV外部的磁通密度低于参考电平，并且沿着远离EV的距离快速消退。在这种情况下，最大电场强度只有人体磁暴露基本安全限制值的3.4% [ 25 ] 。此外，由于车身由钢制成，所以磁通路径可以主要集中在钢上，并且可以使车辆内部的磁通量密度减小。铝制防护罩可用于减少车内更多的漏磁。铝材料的另一个优点是在工作频率为85 kHz和150 kHz的情况下，其磁通密度分布是钢制材料的三分之一 [ 26 ] 。很显然，铝制防护罩具有良好的磁通流量降低效果，并确保车内人体磁暴露的安全。 图6. 多线圈双D正交极化焊盘(DDQP) [ 21 ] 图7. 改进的多线圈双极性极化垫(BPP) [ 22 ] Table 1 Comparison of various coil topologie CRP CP HP DDP DDQP BPP 电能转化 中 中 低 高 高 高 设计尺寸 中 中 大 小 小 小 重量 小 小 大 小 中 中 材料费用 低 低 高 中 高 中 传输距离 小 小 中 中 高 高 表1. 各种线圈拓扑结构的比较 Table 2 Comparison of commonly used coil pads with feature 类型 CRP&CP HP DDP DDQP BPP 特点 1.磁通量对称CP垫的中心 2.互操作性比较差 3.耦合垂直通量 1.生成并耦合沿焊盘长度偏振的平行磁通量 2.常用于初级线圈 3.错位能力强 1.互操作性强 2.常用于初级线圈 3.无反向通量 1.常用于次级线圈 2.具有可变的激励模式 3.中间线圈的设计含有气隙 1.使用比DDQP结构更少的铜 2.常用于次级线圈 表2.常用线圈垫的特点比较 Table 3 Magnetic field strength distribution outside E 0 10 20 30 40 50 60 0 −60.6 −65.7 −71.4 −76.8 −82.3 −87.6 −92.5 20 −66.9 −71.7 −76.6 −81.3 −86.2 −90.3 −95.4 40 −73.4 −77.5 −81.7 −85.4 −89.9 −93.6 −97.7 60 −79.5 −83.1 −86.5 −90.1 −93.7 −97.3 −100.6 80 −86.4 −89.3 −92.2 −95.4 −98.3 −101.2 −103.8 100 −93.6 −95.78 −98.1 −100.2 −102.4 −104.5 −106.7 表3. 电动汽车外部的磁场强度分布 水平线表示与EV门线的水平距离，垂直线表示与地面的垂直距离。磁场可用20 log(H/Hmax)来表示 [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] 。 图8. IEEE针对人体磁暴露问题的参考标准 [ 24 ] 为了推广电动汽车无线充电技术，应进一步开展人体磁暴露问题的研究，以减少线圈垫的磁通泄漏 [ 27 ] 。到目前为止，可以采用许多特殊的磁性设计来引导磁通使漏磁通量最小化，例如： · 在汽车底盘下的不同线圈位置如在后部、中部或前部安装次级线圈垫； · 对铝质屏蔽和线圈垫设计，用不同边缘高度和厚度的叠层薄铝板以最大限度地减少涡流 [ 28 ] ； · 将铁氧体棒放置在不同的位置，以减少漏磁，优化铁氧体棒的厚度、宽度和数量 [ 29 ] ； · 特别是对于DDQP和BPP拓扑，在功率水平、传输距离或水平偏移的不同条件下控制方法的优化 [ 30 ] ； · 其他方式引导车辆外部的磁通量。
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user: 4. 结论 本文介绍了电动汽车无线充电的线圈设计的研究进展，根据其关键特性并从设计的角度考虑，对各种线圈拓扑(包括CRP、CP、HP、DDP、DDQP和BPP)进行了讨论和分析。此外，对它们的性能也进行总结和探讨。文章还回顾和讨论了电磁场中人体磁暴露的问题，为电动汽车无线充电系统的线圈选择提供了指导。可调节化是未来电动汽车无线充电线圈结构的发展方向之一，在不同的充电环境中，使线圈结构可以调节成最佳充电模式。同时在保证性能的条件下尽可能降低线圈的复杂度与成本也是未来电动汽车无线充电线圈结构研究中要解决的问题。
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user: 摘 要 目标识别属于模式识别，是指通过人工或技术手段把一个或一类特殊目标从众多目标中区分出来的过程。舰船目标识别对于一个国家的海洋权益和海洋安全有着重要的意义。本文根据识别过程中是否用到目标图像把舰船目标识别技术分为基于成像与基于非成像两大类，梳理了两类技术的识别流程并针对不同技术的优缺点进行了简要分析。 关键词 :舰船目标识别，图像，信号，流程 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 人类对海洋的开发与争夺贯穿人类文明的发展史。在全球化程度日益加深的今天，海洋更是世界各国经济文化交流的重要纽带。船舶作为人类开发海洋、利用海洋的工具，发挥着不可替代的作用。舰船目标主要包括民用船舶和军用舰艇。舰船目标识别是现代海上智能监控系统的重要组成部分，快速准确地识别各类舰船目标对监视海运交通、维护海洋权益、提高海防预警能力等方面有着重要的意义；在现代化战争中，舰船目标识别技术在预警探测、精确制导、战场指挥和侦察识别等军事领域都有广泛的应用。因此，舰船目标识别一直以来都是各国政府和军队研究的重点，是一个国家海洋装备现代化发展的重要方向之一。 传统的舰船目标识别主要是通过采集分析目标舰船的辐射信号或回波信息，使用信号分析和模式识别的方法进行判别；随着各类传感器的快速发展尤其是成像技术的不断进步，基于目标图像信息的识别逐渐成为了舰船目标识别领域的研究重点。本文旨在总结梳理舰船目标识别的流程与方法，并对其进行简要分析和展望。
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user: 3. 两类技术的比较 上文对基于成像技术和基于非成像技术两类舰船目标识别技术的流程与方法进行了简要介绍，并对其各自的适用范围进行了简单分析。两类方法有着各自的优缺点及适用范围，二者的对比如表3所示。
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user: 4. 结语 本文简要介绍了舰船目标识别的技术方法与实现流程，根据识别过程中是否用到目标图像信息将识别技术分为两大类，并对这些技术方法的原理和研究现状做了阐述，分析了不同技术方法的优缺点。 随着各国政府和国民的海洋意识的不断提高，作为维护国家海洋权益重要手段之一的舰船目标识别技术也会得到更多的关注，其发展前景十分广阔。在信息技术日益发达的二十一世纪，尤其是数据量爆炸式增长的当今社会，传统的舰船目标识别技术面临着前所未有的机遇与挑战。如何把当下炙手可热的大数据分析处理技术和人工智能技术应用到舰船目标识别领域，将会是今后一段时间舰船目标识别技术的研究趋势和发展方向。
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user: 摘 要 超疏水表面具有自清洁、减阻、防尘等多种特性，在生产生活及科研领域备受瞩目。本文综述了超疏水表面制备方法的研究进展及其在不同领域的应用进展。最后简要讨论了超疏水表面存在的不足，并对其发展方向进行了展望。 关键词 :超疏水表面，微纳结构，表面粗糙结构 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 在雨水、日照或风吹等自然外力作用下即可自动清除或降解表面污垢灰尘的自清洁表面自问世以来即受到广泛关注。过去的十几年中，受荷叶效应的启发，拥有超疏水特性的自清洁表面成为了发展的主流 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 。超疏水材料依靠在表面构建微纳结构从而获得稳定的气–液层(Cassie-Baxter体系) [ 5 ] ，使得水滴无法附着。一般来说，超疏水表面通常指水接触角大于150˚，同时滚动角小于10˚的表面 [ 6 ] 。 自二十世纪九十年代中期以来，超疏水一直是一个活跃的科研领域。一般来说，适用于微米结构和纳米结构构造的技术如光刻、化学刻蚀、沉积和自组装等，都已经被广泛应用于超疏水表面粗糙结构的构造(表1)。尤为有趣的是，通过结合荷叶效应与X射线辐射、动态效应、光学效应 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 等方式，超疏水表面可以直接由亲水材质表面改性得到。 获得超疏水表面的两个主要关键因素是低表面能及合适的粗糙度 [ 1 ] 。基于此，超疏水表面的制备方法也分为两种：第一，将原本就疏水的材料通过构造粗糙表面得到超疏水性能；第二，通过降低粗糙的亲水表面的表面能或在其上施加疏水材料来得到超疏水特性 [ 10 ] 。值得注意的是，粗糙度通常比低表面能更为关键，因为适度疏水和超疏水的材料在表面粗糙时都表现出相似的润湿行为。所以本文总结了粗糙度的构造方法，从刻蚀法、沉积法、铸造法等几个大类的最新研究进展进行了综述。 Table 1 Regular method for constructing a rough surfac 刻蚀法 形变法 沉积法 铸造法 光刻/X射线 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] 电化学腐蚀 [ 14 ] 等离子体 [ 15 ] [ 16 ] 化学刻蚀 [ 17 ] [ 18 ] 电子束 [ 19 ] 拉伸延展 [ 20 ] 旋涂 [ 21 ] 提拉浸渍 [ 22 ] 化学气相沉积 [ 23 ] 蒸镀 [ 24 ] 自组装 [ 25 ] [ 26 ] 电镀 [ 27 ] 喷涂 [ 28 ] [ 29 ] 静电纺丝 [ 30 ] 模板法 [ 31 ] [ 32 ] 打印法 [ 33 ] 表1. 构造粗糙表面的一般方法
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user: 2. 刻蚀法制备粗糙结构 在所有刻蚀法中，光刻技术能够构建出最为均匀的粗糙结构，一般用于创建大面积的周期性微/纳米结构。Bhushan和Jung [ 34 ] 利用激光刻蚀在硅表面构建了均匀的微米阵列，使表面达到疏水状态，接着利用气相沉积法将1，1-2，2-全氟十二烷基三氯硅烷(PF3)沉积在样品表面从而获得了一个接触角高达170˚的超疏水表面。Martines及其团队 [ 35 ] 利用电子束光刻技术制备出有序排列的纳米坑和纳米柱阵列，组合成一个尖顶面状结构，再使用十八烷基三氯硅烷(OTS)修饰后获得了静态接触角为164˚、接触角滞后只有1˚的超疏水表面。 Qian和Shen [ 17 ] 通过简单的化学刻蚀法在金属基底构造出超疏水表面(见图1)。首先，对铝等多种金属进行位错选择性化学腐蚀，再利用氟硅烷进行修饰，最终，被蚀刻的金属表面表现出了超疏水特性。
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user: 3. 形变法在制备粗糙结构 拉伸法也被用于制备超疏水表面。Zhang [ 36 ] 及其团队通过拉伸聚四氟乙烯膜使其转变为在表面具有很多空隙的纤维状晶体，从而使其表面粗糙度增大得到超疏水特性(如图2)。
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user: 4. 沉积法制备粗糙结构 Shibuichi [ 37 ] 等人将烷基乙烯酮二聚体(AKD)涂抹于玻璃板上，使其自发在玻璃表面形成分形结构。在没有任何氟化处理的情况下，他们获得了一个接触角大于170˚的超疏水表面。Klein及其团队 [ 38 ] 将基板简单的浸泡入含有纳米二氧化硅微球的浆液中，通过低温加热处理基板让微球自动吸附其上，氟化后的表面便具备了超疏水特性，并且疏水效果随球体面积减小而增大。Ma等人 [ 39 ] 通过静电纺丝法，以四氢呋喃和二甲基甲酰胺溶液制备出直径范围在150~400纳米的纤维嵌段共聚物，其水接触角为163˚。Shiu [ 12 ] 及其团队利用旋涂法将聚苯乙烯微球溶液涂抹于基板表面得到单分散的涂层。Huang及其团队 [ 40 ] 通过化学气相沉积法控制碳纳米管阵列的生长，制备出具有双层粗糙度的表面(如图3所示)。Zhao等人 [ 41 ] 通过化学气相沉积法在硅衬底上由铁和铝作为催化剂合成垂直排列的多壁碳纳米管(CNTs)阵列，氟化修饰后得到超疏水表面。Bormashenko等人 [ 42 ] 采用蒸镀法，将聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等聚合物溶解在二氯甲烷(CH 2 Cl 2 )、氯仿(CHCl 3 )等氯化溶剂，通过结构间的自组装获得粗糙结构，从而制备超疏水表面。 图1. 表面结构的SEM图像：(a-c) 疏水化前的表面结构；(d-f) 疏水化后的表面结构 [ 17 ] 图2. Teflon胶带在不同延伸比下的SEM图像。(1) Ɛ = 5 ± 5%；(2) Ɛ = 35 ± 5%；(3) Ɛ = 90 ± 5%；(4) Ɛ = 140 ± 5%；(5) Ɛ = 190 ± 5% [ 36 ] 图3. SEM图，(a) CNT模板，(b) ZnO涂覆的CNT的形貌，(c) ZnO涂覆的CNT的截面图，以及(d) ZnO涂覆CNT的TEM图像 [ 40 ]
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user: 5. 铸造法制备粗糙结构 Yabu和Shimomura等人 [ 43 ] 在潮湿环境下利用含氟嵌段聚合物溶液，制备出了多孔超疏水性透明薄膜。透明性的实现是因为蜂窝状图案化薄膜的孔径在亚波长范围。Sun及其团队 [ 44 ] 报道了一种纳米模板法构造超疏水PDMS表面的方法。他们首先使用荷叶作为原始模板制作了一个阴面PDMS模板，然后使用阴面模板倒膜获得含有荷叶结构的PDMS模板。Zhao及其团队 [ 45 ] 基于气相诱导相分离和PDMS表面富集的方法，在潮湿环境中浇铸共聚物，形成超疏水表面(如图4所示)。Lee及其团队 [ 46 ] 利用纳米多孔阳极氧化铝作为复制模板，在温度及压力的驱动下，采用纳米压印技术，获得垂直排列的聚苯乙烯纳米纤维。随着聚苯乙烯纳米纤维长径比的增加，纳米纤维不再垂直生长，而是弯曲向下，互相扭曲形成三维粗糙结构，静态水接触角大约为155˚。
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user: 6. 超疏水表面的应用 超疏水表面最基本的应用即来源于其自清洁能力，水滴滚落或滑落的同时带走表面附着的污染物。在液体流动过程中，为了达到自清洁的功能及较低的阻力，除了接触角大之外，超疏水表面还应该具有非常低的水接触角滞后(CAH)。前进角(contact advancing angle)和后退角(contact receding angle)是两个静态值，它们之间的差值便被称为接触角滞后 [ 47 ] 。它是由于表面粗糙度和表面不均匀性而产生的。接触角滞后反映出了润湿/去湿循环的不可逆性，它是液滴沿固体表面流动时能量耗散的一种量度。具有低接触角滞后的表面具有低的水倾斜角度，它表示水滴滚落时表面必须倾斜的最小角度。水倾斜角越小，越有利于颗粒污染物的去除。通常情况下，我们将接触角滞后小于10º的表面称为自清洁表面。自清洁表面在各种应用中都广泛出现，包括自清洁窗户、挡风玻璃、建筑、船舶、外墙涂料用具、屋顶瓦片、纺织品(如图5所示)、太阳能电池板等。并且，在某些需要减小流体阻力的领域，如排水管、微/纳通道等处也有超疏水的应用机会 [ 48 ] 。 图4. SEM图像，(a) 二维PS微球阵列，(b) PDMS阴面模板 [ 45 ] 图5. 液滴在(i) 未处理的棉片，(ii) CNT处理后的棉片，(iii) 聚丙烯酸丁酯-CNT处理后的棉片 [ 48 ] 另外，超疏水表面的最新进展使得其被用于节约能源 [ 49 ] 与能源转换 [ 50 ] [ 51 ] 成为可能。首先，一个表面的疏水/亲水性能会显著影响毛细粘附力，反过来，也会影响固体表面滑动接触过程中摩擦和能量的耗散。选择合适的超疏水表面就可以降低能量的耗散。第二，超疏水和疏油表面，可以降低燃油运输过程中的损耗。第三，最近发现的可逆超疏水表面为新的能量转换提供了潜在可能，如微型毛细管发动机 [ 51 ] 。 湿润可能导致在静态或滑动接触过程中亲水性的固体之间的界面形成的凹形半月板 [ 52 ] 。这些半月板会产生负的压力进而导致一种内部吸引力，从而增加粘附力和摩擦力。在某些情况下，湿摩擦力可大于干摩擦力，而这通常是不利的 [ 53 ] 。另一方面，某些应用中，高黏附力则是有好处的，例如磁带和细胞生物材料表面的粘附。因此，增强润湿性在这些应用中是有利的 [ 54 ] 。在磁存储设备和微/纳机电系统(MEMS/NEMS)中，需要极小的黏附力甚至没有粘附力和摩擦力。随着这些设备的尺寸减小，往往会由表面力来支配体积力，因此，如何减小粘附力和摩擦力成为了这些设备正常运行的一个挑战。以上原因使得非粘性超疏水表面的发展对许多新兴应用起到至关重要的作用 [ 55 ] [ 56 ] 。
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user: 7. 总结及展望 受限于气–液层自身的不稳定性及微纳结构的脆弱性，超疏水材料的实用性大打折扣。在实际应用中，在海洋或输水管道等拥有高压、水流连续冲击或微生物附着的环境下，外界液体很容易渗透进微纳结构中破坏气–液层从而使表面丧失疏液效果。因此，开发出结构强度更高、拥有自修复能力的超疏水表面是接下来研究者的共同目标。例如，通过更合理的结构排列方式来提高材料的整体强度。另一方面，通过加热、紫外辐射等方式来实现聚合物超疏水表面的自修复 [ 57 ] 。另外，如何实现超疏水表面环保、经济的工业化生产也值得进一步研究。
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user: 摘 要 模仿猪笼草结构的液体灌注型多孔超滑表面在自清洁、抗菌、减阻等领域具有广泛的应用前景，是目前仿生自清洁材料方向的研究热点。本文对近年来液体灌注型多孔超滑表面的应用领域进行了总结，并对液体灌注型多孔超滑表面的前景进行了展望。 关键词 :液体灌注型多孔超滑表面，微纳结构，仿生 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 猪笼草的捕虫笼内壁常年润湿，停于其上的昆虫由于无法落脚而滑入其中成为养分。受此启发，哈佛大学的Joanna Aizenberg及其组员在2011年首次提出了液体灌注型多孔超滑表面(slippery liquid infused porous surface， SLIPS) (以下简称为超滑表面)的概念 [ 1 ] 。超滑表面不同于超疏水表面的气–液层，它通过在微纳结构中灌注各类润滑液获得光滑、连续且化学组分均匀的液–液表面 [ 1 ] 。该表面能够不被绝大多数液体所浸润，呈现出了极小的接触角后退角。并且表面的油膜显著降低了基体表面的粗糙度，减少了与外力接触时的摩擦力。同时，该表面的动态液体自修复层使得其使用寿命大大提高。这些优点使其在诸多领域拥有广泛的应用前景。本文简要介绍了超滑表面的构造准则及制备方法，详细综述了近年来超滑表面在各个领域的应用进展，并对其未来的发展进行了展望。
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user: 2. 超滑表面的构造准则 Joanna Aizenberg [ 1 ] 总结了构造超滑表面所需遵循的三大条件： 1) 润滑液必须渗透进基底中并被牢牢锁住； 2) 润滑液能浸润基底材料，且与基底之间的化学亲和力必须大于测试液体与基底之间的化学亲和力； 3) 润滑液与测试液体互不相溶。 满足条件1) 需要基底拥有微米或纳米级的粗糙结构，提高比表面积以增加基底与润滑液之间的化学亲和力；满足条件2) 需要润滑液的稳定性高、表面能低，一般选用全氟聚醚类润滑油，因为其拥有挥发性低、化学惰性强，受环境温度影响小等优点，能够在基底表面形成稳定的润滑油层。 构造超滑表面的方法大致可以分为两类——自上至下型和自下至上型。第一类方法包括自组装 [ 2 ] 或喷涂、刷涂 [ 3 ] [ 4 ] 等，在涂料中混入微米/纳米级TiO 2 、SiO 2 等颗粒以构造微纳结构，之后填充润滑油得到超滑表面，这一类方法的优势是可以无视基底的形状、大小，但存在着结合力较差的缺点；第二类方法则是直接在基底表面通过刻蚀 [ 5 ] 、打印 [ 6 ] 等手段构造微结构，并填充润滑油形成超滑表面，这一类方法得到的超滑表面大多结构稳定性高，耐用性强。
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user: 3. 超滑表面在自清洁领域的应用 自清洁是超滑表面的主要功能，不同于超疏水表面直接与水滴接触的固-气Cassie-Baxter状态，超滑表面由流动的润滑油层作为接触液滴的界面，被疏液体不与固体结构直接接触，形成了特殊的液-液状态，液滴漂浮在润滑油表面，只需要一个很小的角度便能滑动滴落，同时带落附着其上的灰尘沙砾，能够有效防止表面污损粘连。另一方面，由于润滑油不与绝大多数液体相溶，故而可以排斥诸如咖啡、酱油、食用油、红酒等绝大多数污染物，起到了隔绝液体污染物的作用。 传统的超疏水材料由于本身特性的限制，面对低表面能液体时便束手无策，无法进行有效的隔绝。而Nan Wang等 [ 7 ] 以钢为基底构造超滑表面，实验证明，其表面能够有效防止煤油、己烷及咖啡等低表面能液体的浸润，同时还证明了不同液体在超滑表面的滑动速度与运动黏度系数成反比，而与液体的表面能、自重或者接触角无关(如图1)。Yang Wang等 [ 8 ] 利用溶胶-凝胶法在纳米复合材料表面构造出粗糙结构。实验证明不管是氯化铜等可溶物还是灰尘等不溶于水的杂质，都能在超滑表面被滚落的水滴带落。 工业/生活用水中常常含有钙镁离子，长期使用下容易产生水垢堆积从而影响设备的导热，严重时甚至引起生产事故。Charpentier等 [ 9 ] 创造性地利用超滑表面来减少水垢的产生，实验表明与普通的不锈钢相比，灌注了离子液体(BMIm)的超滑表面，碳酸钙水垢的沉积率减少了18倍。超滑表面防止水垢沉积的原因在于，碳酸钙的生成需要一个固定成核点，而超滑表面的流动性抑制了碳酸根离子与钙离子直接与基底的接触，从而延缓了水垢的形成。
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user: 4. 超滑表面在抑菌(微生物)领域的应用 传统的抑菌/防藻方法通过表面释放抗生素等抑菌剂或者在表面复合银离子实现抑菌作用，但释放的抑菌剂浓度会随时间流逝而降低，使得抑菌效果也逐步减弱；而借助化学基团进行抑菌处理的表面则会因为基体表面被细菌分泌物黏附或者周边蛋白质含量过高而逐渐失效；利用二氧化钛、硫化镉等半导体进行的抑菌反应则需要光线的照射，且反应前后会出现损耗，并且大部分对人体有一定的毒性。超滑表面则通过降低表面粗糙度，减小摩擦力的方法让细菌或藻类无处附着，减少了微生物的大规模繁殖。 图1. 50 mL液滴在超滑表面的接触角。(a) 正己烷(γ = 18.6 mNm −1 ， m = 0.032 g)，(b) 煤油(γ = 24.5 mNm −1 ， m = 0.041 g)，(c) 水(γ = 72.0 mNm −1 ， m = 0.050 g)，(d) 咖啡(γ = ~45.0 mNm −1 ， m = 0.051 g)。样品倾斜角5˚时，液滴能自由滑动且不浸润表面，(e) 超滑表面结构示意图，(f) 在25℃时运动粘度与滑动速度的关系 [ 7 ] Epstein及其团队 [ 10 ] 率先研究了超滑表面的抑菌特性。由于润滑油层的存在，超滑表面表现出了持续的动态特性，使得细菌微生物无法黏附其上，从而失去了大量繁殖形成菌落的可能，达到了抑菌效果。Peng Wang等人 [ 11 ] 系统研究了微米结构、纳米结构、微纳复合结构对超滑效果的影响，证明了均匀排布、起伏平缓的微米级结构在铝表面能构建出最稳定的超滑表面，并分别研究了在动静态海水环境下超滑表面的抗藻能力，由于水流剪切力的存在，藻类便无法依附于光滑平整的铝片表面，从而达到了防生物淤积的目的(如图2所示)。
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user: 5. 超滑表面在防冰冻霜冻领域的应用 在自然环境中，水凝固成冰往往以一些微粒(烟尘、微生物、粉尘)作为晶核，而后围绕晶核生长出子晶直至各相连冰粒连接成一块完整的冰。具有荷叶效应的超疏水材料往往由微纳复合结构组成，这些粗糙结构能够降低冰粒的附着；但是，在高湿环境下，大量冰晶形成，这些粗糙结构反而容易引起晶核的堆积 [ 12 ] ，从而影响防冰冻的效果。超滑表面由于其低表面能、低粗糙度及化学均相的特性，一方面能降低过冷水的成核温度，另一方面能够减少各类粉尘及微生物的附着，在本质上减少了冰核的形成。从而降低了冰在高湿度环境下生成的速率，提高了冰冻附着的难度，从防凝核和防附着两方面保证了抗冰霜的效果。 Yong Han Yeong及其团队 [ 12 ] 利用激光打印法在铝片表面构造出粗糙结构，使用倒膜法在PDMS上制备超滑表面。分别研究了灌注不同含量及不同黏度的润滑油对超滑表面防冰冻效果的影响。实验表明，同在微米级的粗糙度下，润滑油含量越高，防结冰性能越好。与不做处理的PDMS薄膜相比，添加了15 wt.%润滑油的超滑表面只需约22%的力便能剥离冰块。相对的，润滑油黏度越高(1000 cps)，防冰冻能力越强，使用寿命越长。 Rykaczewski [ 13 ] 通过模仿南美丛林中的箭毒蛙，借鉴其双层表皮能够同时分泌毒液和黏液的原理，设计出了能够自动释放防冻液的超滑表面。涂层分为上下两层，上层为多孔超疏水薄膜，下层为灯芯状的灌注了丙二醇防冻液的尼龙膜。上层的超疏水薄膜起到了降低冰晶生成附着的作用，使黏附的水滴能够及时滑落；当表面出现液体堆积或者霜冻渗透表面孔隙时，下层结构自动分泌出储存的防冻液，使得冰冻得以融化消散。 图2. 未处理铝板及超滑表面铝板浸泡培养液3天及10天后表面海藻覆盖率，(a) 静态环境，(b) 动态环境 [ 11 ] Philseok Kim等 [ 14 ] 利用电化学沉积法在铝表面制备了超滑表面，并对冰冻形成的原理进行了研究，他们揭示了水蒸气在超滑表面冷凝形成液滴滑落所需的最小半径，公式如下： D C = ( 24 sin 3 θ A γ ( cos θ R − cos θ A ) π ρ ( 1 − cos 2 θ A ) ( 2 + cos θ A ) g sin α ) 2 Δ θ = θ A − θ R 其中 θ A 表示液滴的前进角， θ R 表示液滴的后退角， γ 表示液滴的表面张力， α 表示液滴的滑动角， Δ θ 表示接触角滞后。由此可见接触角滞后越小，液滴的滚动半径就越小。液滴在尚未结冰前就已经从超滑表面滑落，如此便不会形成大面积起雾。而在已经结冰的情况下，相较于普通表面，超滑表面上融化的小液滴会直接滚落脱离，不用等待蒸发(如图3所示)。
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user: 6. 超滑表面在医疗中的应用 导尿管作为不可缺少的医疗器具，在临床治疗中被广泛使用。虽然导尿管经过严格的无菌消毒，但是在导尿过程中仍然有极大的几率滋生细菌进而感染病人。将导尿管超滑处理，将碘伏或抗菌剂与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)结合制作超滑导尿管。实验表明，超滑导尿管对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率高达95%以上，结合抗菌剂的超滑导尿管更能在3个月的使用中保持较高的抑菌率，且生物相容性好，不会刺激黏膜，没有明显的过敏反应。 超滑表面还能应用于血栓的治疗。当不溶性纤维蛋白、沉积的血小板、积聚的白细胞和红细胞在血管内的受损处或者愈合处堆积时便会形成血栓，一般使用抗凝血药、抗血小板聚集药和溶血栓药进行治疗，其中广泛使用的药剂肝素会带来术后出血、血小板减少、酯血症等一系列危害生命健康的并发症。Leslie等 [ 15 ] 开创性的提出将超滑表面应用于血栓的治疗，超滑表面能够避免血液与血管壁之间的直接接触，进而避免不溶性纤维蛋白聚集产生血栓。但是文中所述方法构造的粗糙表面是以涂层的形式黏附于基底表面，在长时间的使用过程中有脱落的风险，一旦脱落超滑性能便会失去，反而成为各类不溶物的堆积之处，并且脱落的涂层参与血液循环会危害生命健康。Shuaishuai Yuan等 [ 16 ] 通过聚合物固化技术构造出超滑表面，在体外实验中，润滑油层牢牢抵御了蛋白液的渗透，血小板及不溶性纤维蛋白的附着率比对照组下降了96% (如图4所示)。 图3. 模拟冰形成和消除的过程（60%湿度，−10℃） [ 14 ] 图4. 环境扫描电镜图(a) SIBS，(b) FTWS，(c) 30分钟PRP繁殖后的FLIWS，(d) 血小板附着数 [ 16 ]
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user: 7. 超滑表面在减少阻力领域的应用 超滑基底由于表面覆盖润滑油，其摩擦阻力非常小，这一特性可以被应用于轴承、各类输水输油管道、微流控芯片以及航运领域。Solomon等提出将石油天然气管道超滑化，相较需要不断持续添加特定高分子聚合物进行减阻并且只能在湍流中方能运用的传统减阻手段，超滑表面不仅可以提供良好的减阻特性，还能减少实际应用中管道易发生的污染及堵塞的可能性。Solomon等系统研究了超滑表面的减阻原理 [ 17 ] ： ( 1 − D R ) − 1 = Δ P 0 Δ p = 1 + 4 δ R ( μ w μ 0 − 1 ) − 2 δ 2 R 2 ( 2 μ w μ 0 − 1 ) 其中， D R 为阻力降低的百分比， Δ P 0 为初始推动压力， Δ P 为经超滑表面改造后的推动压力， δ 为超滑表面浸润的润滑油厚度， μ 0 为所需传输流体的黏度，μ W 为浸润润滑油的黏度，R为管道半径。在润滑油层远小于管道半径的前提下，该式表明超滑表面的减阻抗效果和润滑油黏度与传输流体的黏度比值成正比，黏度比越大，减阻效果越好 [ 12 ] 。