DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
system: [SYSTEM]

user: 3. 研究结果 3.1. 反应时 参照以往研究(Lassalle & Itier， 2013)，剔除错误试次，小于100 ms或者大于1200 ms的试次，大于或者小于平均数3个标准差的试次。2 (熟悉度：高熟悉度；低熟悉度) × 2 (一致性：一致；不一致) × 2 (SOA: 200 ms; 800 ms)的重复测量方差分析显示：一致性主效应显著，F(1，24) = 6.025，p = 0.022， η p 2 = 0.201，一致条件下的反应时显著小于不一致条件的反应时(M 一致 = 960 ms，M 不一致 = 975 ms)；SOA的主效应显著，F(1，24) = 15.560，p = 0.001， η p 2 = 0.393，800 ms SOA下的反应时显著小于200 ms SOA下的反应时(M 800 ms SOA = 957 ms，M 200 ms SOA = 978 ms)；一致性和熟悉度的交互作用显著，F(1，24) = 4.417，p = 0.046， η p 2 = 0.155，其他主效应及交互作用均不显著。 对200 ms SOA条件下的反应时进行2 (熟悉度：高熟悉度；低熟悉度) × 2 (一致性：一致；不一致)重复测量方差分析，结果显示：一致性主效应显著，F(1，24) = 5.506，p = 0.028， η p 2 = 0.187；一致性和熟悉度的交互作用显著，F(1，24) = 5.096，p = 0.033， η p 2 = 0.175；熟悉度主效应不显著，F(1，24) = 0.807，p = 0.378， η p 2 = 0.033。进一步简单效应分析结果显示，200 ms时被试追随了自己班老师的眼睛注视(p = 0.001)，没有追随其他老师的眼睛注视(p = 0.988) (见图1)。 对800 ms SOA条件下的反应时进行2 (熟悉度：高熟悉度；低熟悉度) × 2 (一致性：一致；不一致)重复测量方差分析，结果显示：一致性主效应不显著，F(1，24) = 1.655，p = 0.211， η p 2 = 1.655；熟悉度主效应不显著，F(1，24) = 0.056，p = 0.814， η p 2 = 0.056；一致性和熟悉度的交互作用不显著，F(1，24) = 0.666，p = 0.422， η p 2 = 0.027。 结果表明，当SOA为200 ms时，幼儿追随了高熟悉度面孔的注视，但没有追随低熟悉度面孔的注视；SOA为800 ms时，幼儿既没有追随高熟悉度面孔的注视，也没有追随低熟悉度面孔的注视。这与先前的研究一致，幼儿会对其照料者投入更多的注意(Dawson et al.， 2002)。 3.2. 正确率 对正确率进行2 (熟悉度：高熟悉度；低熟悉度) × 2 (一致性：一致；不一致) × 2 (SOA: 200 ms; 800 ms)的重复测量方差分析，未发现显著的主效应和交互作用(ps > 0.493)。不同条件下的正确率如表1所示。 图1. 200 ms SOA时4~5岁幼儿在不同面孔条件下的反应时 Table 1 The accuracy and standard deviation of 4 - 5-year-old children on different facial condition 熟悉度 SOA 一致 不一致 高熟悉度面孔 200 ms 87.24% (11.32%) 87.96% (8.44%) 800 ms 87.68% (10.26%) 87.36% (8.02%) 低熟悉度面孔 200 ms 87.56% (10.85%) 87.80% (8.99%) 800 ms 88.88% (7.65%) 88.48% (9.01%) 表1. 不同面孔条件下4~5岁幼儿的正确率和标准差
system: [SYSTEM]

user: 4. 讨论 本研究首次利用注视线索范式来考察面孔熟悉度对4~5岁幼儿注视追随的影响。当SOA为200 ms时，幼儿追随了高熟悉度面孔的注视，但没有追随低熟悉度面孔的注视；SOA为800 ms时，幼儿既没有追随高熟悉度面孔的注视，也没有追随低熟悉度面孔的注视。说明在短时SOA中，熟悉度仍然对注视追随产生影响。关于不同SOA下的注视追随差异，有研究认为注视追随是自动化的过程(Kuhn & Kingstone， 2009)，本研究与前人研究一致，短时SOA中，熟悉度对幼儿注视追随的影响是快速且自动的，说明熟悉度调节注视追随的自动化加工成分。除此之外，注视追随的自动化加工或者控制加工可能具有情境特异性(Kuhn & Kingstone， 2009)，不同熟悉度下幼儿的注视追随现象可能包含自动化加工也可能包含控制加工，至于影响注视追随是自动化加工还是控制加工的情境因素究竟是什么将是未来很值得探讨的问题之一。综上，本研究结果表明，面孔熟悉度会调节4~5岁幼儿的注视追随。 那么，面孔熟悉度调节幼儿注视追随的原因是什么呢？通过定向注意模型(Directed Attention Model)，较之陌生面孔，个体在婴儿时期就能更加快速有效地识别出熟悉面孔(Hoehl et al.， 2012)。为了收集和使用社会信息，婴幼儿必须：1) 根据生物特征(如眼睛、动作)探测社会动因；2) 基于人脸的个体特征识别社会动因；3) 探测出行为人对自己的关注焦点；4) 检测看护人对环境中物体的注意焦点；5) 准备反应。当看护人是照料者时，其熟悉程度使定向注意模型的第二步完成得比陌生人更快。在这一进程的第二步中所获得的优势随后可能加快了剩下的三步(Barry-Anwar et al.， 2016)。并且，熟悉的人提供的安全感等事实上也是一种能够保护个体逃避威胁和伤害的资源。统计访谈中的信息显示，相较于其他老师(低熟悉度面孔)，100%的幼儿会听自己老师(高熟悉度面孔)的话。因为听自己老师的话，老师会发小红花，会奖励，会高兴；不听自己老师的话，老师会批评，会不给小红花，会生气。幼儿追随高熟悉度的人一方面可能是为了获得资源和保护，同时也可能是为了回避批评、惩罚等威胁。 另有神经成像研究表明，当有与危险有关的信息出现时，杏仁核、前扣带回等脑结构都有所参与(Davidson & Irwin， 1999)，而且杏仁核的激活在被试对刺激无意识加工时也有报告(Whalen， 2004)。那么，在未来的研究中，我们可以从神经生理机制出发，探讨威胁和资源调节注视追随的真正机制是什么。在个体心理发展的过程中，对不同群体的认知变化过程也是值得探讨的问题之一，我们将继续研究，6~15岁的儿童青少年对不同群体注视追随的发展变化特征。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 共情是一个多重概念，可以指一种心理能力或者一种心理状态，通常来讲，共情指个体感知或想象其他个体的情感，并部分体验到其他个体感受的心理过程。疼痛共情是共情研究的重要部分，因为其拥有较好观测，数量化指标明确的优点，并且疼痛共情在现实生活中也具有重大的意义。而疼痛共情的影响因素则是疼痛共情的研究中的核心。疼痛共情会受到多方面因素的影响，一般来讲包括疼痛者因素、观察者因素以及情境因素。而本文则从另一个角度，社会性因素对疼痛共情的影响来进行讨论。本文主要从性别，社会地位，人际距离以及情绪背景对疼痛共情的影响进行了说明和描述，并且简要介绍了其他社会性因素对疼痛共情的影响。在本文的最后，对社会因素性对疼痛共情的影响的未来研究进行了简短的展望，未来的研究应该更加注重研究内容与理论以及实际的结合。 关键词 :疼痛共情，社会地位，性别，人际距离，情绪背景 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 共情(empathy)是现代人类生活中必不可少的一个组成部分，对人类生活中的人际交往沟通有着重要的作用(de Waal， 2008)。共情可以调节可接受的社会行为的形成和发展，比如助人行为、合作行为，因此共情越来越受到人们的重视(Tania et al.， 2006; Li & Han， 2010)。近些年来，在心理学界对共情的研究越来越多，其中研究的方法包括行为研究，问卷调查研究，事件相关电位研究以及磁共振研究等等，可以说研究的方式方法非常广泛。在所有的共情研究当中，疼痛共情(empathy for pain)的研究是最为广泛的，因为疼痛共情的指标非常明确，并且较容易被引发及测量，目前的疼痛共情研究多为生理疼痛共情(Yan， Duncan， Moritz， & Georg， 2011)。在现实生活当中，疼痛共情具有重要的意义，人们可以通过感知他人的疼痛状态进行相应的助人行为，也可以通过情境中他人的疼痛状态采取适当的行为。已有很多研究证明，人们会对遭受疼痛的人产生一定的疼痛共情(Jackson， Meltzoff， & Decety， 2005; Cheng et al.， 2007; 高雪梅，翁蕾，周群，赵偲，&李芳，2015)，但是这种对疼痛的共情都受什么因素的影响呢？目前已经有很多研究尝试对疼痛共情的影响因素进行探究，这些影响因素可以被大体分为三类，疼痛者因素、观察者因素以及情境因素(程家萍，2017)。而从另外一个角度来看，共情往往是发生在社会环境之中的，因此这三大分类的影响因素中都包含着一定社会性因素，而社会性因素也是疼痛共情影响因素中不可忽视的重要环节。因此，本文尝试描述社会性因素对疼痛共情的影响，并简略提出相关的后续研究方向。
system: [SYSTEM]

user: 2. 共情及疼痛共情 2.1. 共情的含义 在20世纪，共情首次被引入到心理学当中，随着心理学的发展和时代的发展，共情的概念在不断地演化，有很多心理学家为共情下了相关的定义。Decety和Jackson等人认为，共情反映了识别和分享他人情感和感受的能力(Decety & Jackson， 2004)。Singer和Lamm认为，共情指个体感知或想象其他个体的情感， 并部分体验到其他个体感受的心理过程(Singer & Lamm， 2010)。共情的定义种类之多在此不再赘述，但是不能说哪些定义是正确的还是更好的，不同的共情定义有其各自的特点，我们应根据自己的研究内容选择恰当的切入点，使用相应合适的共情定义。 2.2. 共情的成分 如同共情的定义一般，由于角度的不同，共情的成分也会有很多不同的划分方式，但是我们最常使用的就是情绪共情和认知共情，即共情的情绪情感成分及认知成分。情绪共情(emotional empathy)指对他人情绪的情绪性反应，即产生和他人相似的情绪体验。这种反应可以是指向他人的(称为共情关注)，也可以是指向自己的(称为个人悲伤)。个体最早出现的情绪共情是个人悲伤，随着个体的发展，才逐渐发展出共情关注。在情绪共情水平的研究中常见的做法是呈现一些有关他人情绪情感体验的图片或文字材料，要求被试看完以后评定主观的情绪共情水平(自评情绪忧伤或共情关注的水平)，或者记录被试的生理指标和脑活动指标来代表情绪共情的客观。认知共情(cognitive empathy)指理解他人情绪状态产生的原因。认知共情的完成需要一定的认知技能，包括辨认、接受他人的情绪信息并对之进行分析、加工和选择的能力，因此可以说观点采择是认知共情的必备技能之一。另外，认知共情当中还包含一个成分，那就是想象。 用于测量共情的著名量表IRI量表(Interpersonal Reactivity Index)也将共情分为了四个部分，分别是观点采择(Perspective Taking)、想象力(Fantasy)、共情关注(Empathy Concern)与个人悲伤(Personal Distress) 4 个维度(张凤凤，董毅，汪凯，詹志禹，&谢伦芳，2010)。这四个维度就是分别测量我们的情绪共情和认知共情，其中观点采择与想象力为认知成分，而共情关注与个人悲伤为情绪成分。情绪共情和认知共情所包含的成分目前得到了较为一致的认可。 2.3. 疼痛共情的神经机制 疼痛是一种不快的感觉和情绪上的感受，并且有大量的研究证明了疼痛共情所涉及的激活脑区与自身疼痛的激活脑区相一致(Gu & Han， 2007; Jackson et al.， 2005; Jackson， Rainville， & Decety， 2006)，这也更加证明了共情者确实设身处地感受了共情对象的感受。很多研究得出结论，被试在观看疼痛图片时，双侧前脑岛(AI)和前扣带皮层(ACC)，以及躯体感觉皮层都会被激活(Cheng， Chen， Lin， Chou， & Decety， 2010; Decety & Michalska， 2010; Decety & Moriguchi， 2007)，而这些区域也正是自身疼痛时所激活的脑区。还有研究表明，先天对伤害性疼痛不敏感的人对共情性疼痛也反应迟钝(Nicolas， Prkachin， & Jean-Claude， 2006)。近年的元分析研究也进一步表明，疼痛共情的核心网络为双侧前脑导和前扣带回皮层等和自身疼痛相同的脑区，但疼痛共情任务也会激活一些其他脑区，比如额下回(inferior frontal gyri)和缘上回(supramarginal)等(Fallon， Roberts， & Stancak， 2018)。
system: [SYSTEM]

user: 4. 研究展望 如上所述，很多社会因素都会对疼痛共情造成一定的影响，这种影响是具有理论意义和实际意义的，从理论上讲可以进一步丰富共情的相关理论使其更加完善，从实际应用角度上也可以根据社会因素对共情的影响适当利用使人的共情水平增加或者降低。由于篇幅和能力的限制，本文主要介绍了一部分社会因素对疼痛共情的影响，接下来对几个主要因素的未来研究方向进行一个简单的展望。关于性别对疼痛共情的影响，可以分为共情主体的性别以及共情对象的性别，这样就可以研究共情主体的性别与共情对象的性别之间是否存在交互作用。关于社会地位的研究，可以进行更加生态化的社会地位界定，使这种社会地位具有更高的操作意义，进而提升研究的生态效度，并且也可以将其他因素与社会地位因素相结合。人际距离方面的研究，可以将人际距离这个概念进行细化，不仅仅局限于陌生人和朋友之间的限制，可以加入恋人，普通朋友，好朋友，亲人等等很多的人际距离水平，这样也更加符合现实当中的复杂情况。关于情绪背景对共情的调节作用，可以适当的结合共情主体的情绪进行结合研究，以得出更加有意义的结论。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 正确地感知口语中蕴含的情绪对言语交际至关重要。本研究将影响言语交流情绪感知的重要因素——情绪韵律，与语言熟练度结合，探究语言熟练度是否为影响情绪韵律识别的因素。为此，熟练中英双语者与非熟练中英双语者分别被要求在听到了蕴含7种情绪之一的中英文假句后，做出情绪分类判断。基于情绪识别正确率制作的混淆矩阵显示，相同效价各情绪易被混淆。以经反正弦转换的无偏击中率(Hu分数)为因变量的方差分析结果表明，虽然语言熟练度主效应边缘显著，但该因素与其他自变量的交互作用均不显著。由此可推测，语言熟练度不作为影响双语者情绪韵律识别的因素而存在，人们识别第二语言情绪韵律的能力在发展过程中保持稳定趋势，难以受到其他因素影响。 关键词 :语言熟练度，双语，情绪韵律，韵律 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 在交流中能否正确地感知说话者蕴含在言语中的情绪情感，能够直接地影响到交流的质量。例如，假设我们从未学过英语，当我们在街头遇到一名外国人向我们用英语焦急地说些什么时，我们从他的语速、音调、声音的大小中或许就能推断出，他正急着要去某个地方，但却找不到路在哪儿。在这一过程中，听话人对说话人声音中所带情绪的判断扮演着重要的角色。而这一判断，实际上就是对于情绪韵律的识别。 韵律特征又被称为“超音段特征”。韵律特征是语言的一种音系结构，与句法和语篇结构、信息结构等其他语言学结构密切相关。韵律特征可以分为三个主要方面：语调、时域分布和重音，这些韵律特征的方面就通过超音段特征实现。而超音段特征包括声音的音高，强度以及时长。韵律是人类自然语言的一个典型特征，也是语言和情绪表达的重要形式之一。 情绪韵律相比韵律特征，则更加强调了其中的情绪表达功能。在我们的口语表达中，一些诸如声调、重音等的韵律特征也包含了一定的情绪线索(Min & Schirmer， 2011)。在语言理解中，共有三个水平。其中初级水平是对单词的理解，因为单词是组成语言材料的最小意义单位；较高级水平是对短语和句子的理解，从这一层次开始，便涉及了对言语意义、语法关系的理解；第三级水平是对说话人意图或动机的理解，即明了说话人的真正的想法(黄希庭，2011)。借助于情绪韵律提供的情绪线索，语言理解才得以顺利进行，尤其对于第三级水平的语言理解而言。 曾有研究发现，为了与其他个体更方便地进行交流，人们会从带有情绪的语音中感知声学线索，从而提取情绪意义(Bostanov & Kotchoubey， 2004)。由此不难推测，在交流的过程中，听话人会参与到对语音、节奏和情感韵律变化的感知中，并用一定的语言解码方式来识别语言中的情感信息。这种不考虑语言的词汇和语法结构，而只是通过重音和语调的变化来传达说话者情绪的韵律特征，即被称为情绪韵律(姚温青，2014)。 在关于情绪韵律的众多研究中，语料是一个被赋予大量关注的因素。有的实验使用了中性语义句子或词作为实验材料(Min & Schirmer， 2011; Paulmann， Furnes， Bøkenes， & Cozzolino， 2016; 黄贤军&张伟欣， 2014)。然而，考虑到在句子水平上，人们对语义的理解与对情绪韵律的识别存在交互作用。也就是说，语义会制约情绪韵律加工(Kotz & Paulmann， 2007)。出于此原因，有的实验便使用了假词、假句或经过过滤处理的词句声音材料进行研究(Dimoska， Mcdonald， Pell， Tate， & James， 2010; Uskul， Paulmann， & Weick， 2016)。以上语料的选取各有其利弊。使用具有语义的句子更有生态效度，但却避免不了语义对情绪韵律的干扰。去除语义的句子虽能更直观地体现情绪韵律，但也令人不免怀疑其真实性。除了词和句子外，还有实验会直接使用纯粹的情绪发声作为材料，如叹息声、欢呼声、哭泣声(Bostanov & Kotchoubey， 2004; Lima， Castro， & Scott， 2013)。不过使用这一材料的研究相对较少，目前得出的结论与其他使用完整词语、句子的实验结论都基本一致(Hawk， van Kleef， Fischer， & van der Schalk， 2009)。 此外，录制声音材料的录音者使用的是自然的自发声，还是刻意表达情绪的表演声，也会产生一定影响。有研究发现用自发声录制的声音材料其唤醒程度会更高(Bachorowski， 1999)。其内在的原因或许是，自发声由“产出优先”系统主导，这种系统与生理线索的改变有关；而表演声则由“感知优先”的系统主导(Owren， Amoss， & Rendall， 2011)。 跨文化情绪韵律识别则是该领域中的另一个研究热点。目前共有三种实验设计方法用以研究跨文化的情绪韵律识别：非平衡设计，不同文化下的被试识别某一种文化中的情绪韵律表达；反平衡设计，某一种文化下的被试识别不同文化中的情绪韵律表达；平衡设计，不同文化下的被试识别所有这些不同文化中的情绪韵律表达。 Bezooijen，Otto，and Heenan (1983)曾使用荷兰语短句材料对跨文化情绪韵律识别做出了研究。40名来自台湾、荷兰和日本的被试都能高于猜测水平识别情绪韵律，同时实验也发现了群内优势效应：荷兰被试在识别荷兰语的情绪韵律时，显著地比台湾和日本被试正确率更改。此研究便是一个使用了非平衡设计的范例。关于反平衡设计，Thompson and Balkwill (2006)曾做过一个实验，探究英语母语者能在多大程度上识别德语、英语、汉语、日语和他加禄语的情绪韵律。结果发现，尽管被试基本上都能成功识别其他非母语的情绪韵律，但是相比对其他语言情绪韵律的识别，当被试在识别英语的情绪韵律时有显著更高的正确率。使用非平衡设计与反平衡设计的实验得出的结论均具有较高的一致性：人们在识别不同文化中的情绪韵律时，会使用一种普遍性原则进行判断。同时，大部分的研究也发现了群内优势效应。即相比起其他文化，人们更擅长识别本民族文化中的情绪韵律。但长期以来，由于没有完全匹配情绪韵律表达者与感知者所处的文化之间的关系，非平衡设计与反平衡设计常受到“对跨文化情绪韵律识别探究不全面”的批判。因此，一种完全交叉设计，即平衡设计诞生了。Paulmann and Uskul (2013)将中文和英文的情绪韵律材料呈现给中国和英国的被试，要求其对材料中的情绪韵律进行识别。通过对识别的错误率和正确率的分析，实验者得出了与非平衡设计与反平衡设计实验相一致的结论：被试在表现出跨文化情绪韵律识别的普遍性的同时，也表现出了对本文化情绪韵律的识别率显著更高的特殊性。 目前已有研究得出，熟练双语者在识别第二语言情绪词汇时的，表现水平与英语母语者一致(Ponari et al.， 2015)。在口语韵律产出的相关研究方面，Chakraborty (2011)记录了熟练与非熟练孟加拉–英双语者在阅读孟加拉语和英语词汇时的唇部运动变化，发现第二语言的熟练程度不会对被试的第一语言和第二语言的韵律产出产生影响。而关于语言的熟练程度是否也能影响情绪韵律的识别这一问题，却很少有研究涉及。 针对此研究空白，本研究旨在通过对比熟练与非熟练中英双语者在识别情绪韵律准确率上的差别，考察第二语言的熟练程度是否为情绪韵律识别的影响因素。本研究将探讨除目前已知的种种因素外，语言熟练度是否也会影响情绪韵律识别。当前国内对情绪韵律的研究较为滞后，从双语和语言熟练度角度开展的研究更为稀少。因此，本研究应能在深入探索情绪韵律的同时，为这一研究领域带来新的思考。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 本文采用CVD法在泡沫镍基底上生长三维石墨烯，再用水热法制备ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)等表征方法对ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结的形貌和结构进行了分析，结果表明：生长时间为3小时的ZnO纳米棒阵列分布最为密集。紫外–可见光谱(UV-VIS)和光致发光(PL)表征结果表明：与纯ZnO纳米棒阵列相比，石墨烯与ZnO纳米棒阵列的结合可以稍微减小ZnO纳米棒阵列的带隙，降低光致发光强度。光催化实验表明：在氙灯下照射1小时后，ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结降解率达到91%，而ZnO纳米棒阵列的降解率仅为61%。而且，经过4次重复催化实验后，ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结的降解率仍可达到84%。 关键词 :ZnO，三维石墨烯，异质结，光催化 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 随着科技与社会的高速发展，环境污染已经成为人类社会可持续发展中亟待解决的难题。而半导体光催化技术广泛应用于降解有机污染物、废气净化、抗菌除臭等方面，在环境治理方面具有很大的发展前景 [ 1 ] [ 2 ]。在这些半导体光催化剂中，ZnO因其具有室温电子迁移率高、制备容易、无毒、廉价、二次污染少等优点 [ 3 ] [ 4 ]，故在光催化降解方面有着广阔的应用前景。这些年来，人们通过制备ZnO不同的纳米结构来改善光催化性能 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]，但是ZnO产生的光生电子–空穴对的快速复合，使得光催化的效果不佳。而近些年来，有研究表明：ZnO和碳材料所组成的复合材料可以减少光生电子–空穴对的结合，从而增强光催化效果 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]。石墨烯具有较高的比表面积以及优异的电子转移能力，通过将石墨烯和ZnO复合在一起，当ZnO产生光生电子时，可快速转移到石墨烯表面上，从而使电荷进一步分离，减少了光生电子–空穴对的复合，故石墨烯半导体复合材料可以得到更好的催化效果。 本文以泡沫镍为基底，采用CVD法制备出具有高比表面积的三维石墨烯，再用水热法制备ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结。通过探究在三维石墨烯上不同生长时间的ZnO纳米棒阵列的分布状况，得到ZnO纳米棒阵列分布最为密集的ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结。在氙灯下考察了ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结对罗丹明B染剂的降解情况，并分析了石墨烯与ZnO纳米棒阵列复合材料对光催化性能提升的机理。同时，以泡沫镍为基底制备的ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结光催化剂，因泡沫镍具有大的比表面积且光催化剂可以附着在泡沫镍上，故在得到良好的催化效果的同时，还能有效地解决传统光催化剂颗粒回收困难的难题 [ 11 ]。
system: [SYSTEM]

user: 2. 实验 2.1. 实验仪器和材料 管式炉(OTF-1200X)、高压釜、加热台(D15)、超声清洗机(JK-5200DB)、等离子清洗机(PDC-32G)、烘箱(DHG-9010~9245)、电子天平(TX223L)、偏光显微镜(XPV)、场发射扫描电镜(SU8020)、X射线衍射仪(X’ Pert Pro MPD)、紫外可见近红外分光光度计(CARY 5000)。 丙酮、无水乙醇、泡沫镍、罗丹明B、六水合硝酸锌、六次甲基四胺、二水合醋酸锌、氢气、甲烷、十二烷基硫酸钠。 2.2. ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结的制备 将尺寸大小为2 cm × 2 cm的泡沫镍先后浸泡在丙酮和无水乙醇溶液中各5分钟，用氮气吹干后放入管式炉的中间，随后通入流量为50 sccm的H 2 气体并升温至1000℃保温30分钟，再通入流量为10 sccm的甲烷气体持续一段时间，降温至室温，即可得到三维石墨烯样品。 将长有石墨烯的泡沫镍浸泡在10 mL浓度为0.02 mol/L的十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中5分钟，再放入10 mL浓度为0.01 mol/L的醋酸锌–乙醇溶液中浸泡5分钟，浸泡结束后，将样品放在200℃的加热台上加热10分钟使乙醇溶剂挥发。接着，将样品放置在管式炉里，在常压下通入流量为10 sccm H 2 气体和流量为20 sccm的Ar气体并加热至400℃保温80分钟，得到ZnO种子层。 最后，将30 mL浓度为0.05 mol/L的六次甲基四胺和六水合硝酸锌混合溶液倒入50 mL的高压反应釜内，将长有ZnO种子层的三维石墨烯样品在SDS溶液里浸泡5分钟后，竖直放入高压反应釜内，并在烘箱内90℃保温一段时间，即可得到ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结样品。
system: [SYSTEM]

user: 3. 实验结果分析 3.1. SEM表征 图1(a)和图1(b)表示的是在三维石墨烯上生长2小时的ZnO纳米棒，从图中可以看出ZnO纳米棒呈六方棒状，尺寸较为均一，棒长主要集中在650~750 nm内，不过，此时在三维石墨烯上生长的ZnO纳米棒的不够密集，因而光催化产生的光生电子和空穴不够多。图1(c)和图1(d)表示的是在三维石墨烯上生长3小时的ZnO纳米棒，此时的ZnO纳米棒生长均匀且密集，故可以产生更多的光生电荷，从而具有更好的催化效果。图1(e)和图1(f)表示的是在三维石墨烯上生长4小时的ZnO纳米棒，此时可以发现除了在三维石墨烯表面上长有一层密集且分布均匀的ZnO纳米棒外，还有许多非常大的棒状ZnO纳米棒堆积在这层致密的ZnO纳米棒上方，这样不仅阻碍了石墨烯表面上生长的密集ZnO纳米棒阵列对光的吸收。而且，那些体积大的的ZnO纳米棒与石墨烯距离较远，在电荷的传输过程中，会有许大量的光生电子和空穴相互结合，从而减弱光催化效果。为了有更好的催化效果，我们选择了在三维石墨烯上生长3小时的ZnO纳米棒阵列进行光催化实验。 图1. 在三维石墨烯上生长时间为(a，b) 2小时、(c，d) 3小时和(e，f) 4小时的ZnO纳米棒阵列的SEM图 3.2. XRD和Raman表征 从图2可以看出，除了在44.5˚、51.8˚、76.4˚出现了泡沫镍基底的衍射峰外，在31.7˚、34.4˚、36.2˚、47.5˚以及56.6˚等位置有明显的衍射峰，其对应的是六方纤锌矿ZnO的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)等晶面(标准JCPDS卡片36-1451)，这说明在基底上已成功的制备出ZnO。图3(a)是ZnO纳米棒阵列的拉曼光谱，在336 cm −1 、437 cm −1 附近出现了ZnO的特征峰，这说明在泡沫镍基底上成功制备出ZnO。从图3(b)中不仅可以看到ZnO的特征峰，还可以明显的看到石墨烯的特征峰，在1335 cm −1 处的D峰、在1570 cm −1 的G峰以及在2684 cm −1 的2D峰。其中，在1335 cm −1 处的D峰为缺陷峰，D峰很弱说明在泡沫镍上生长的三维石墨烯缺陷较少，质量较高。而G峰和2D峰相对强度的比值约为2:1，说明生长的石墨烯是多层石墨烯。 图2. (a) ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结、(b) ZnO纳米棒阵列和(c) 三维石墨烯的XRD图 图3. (a) ZnO纳米棒阵列和(b) ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结的拉曼图 3.3. 光催化性能表征 在图4(a)和图4(b)中，554 nm处的吸收峰对应于罗丹明B的吸收峰，该峰的强度随着光照时间的增加而不断地减弱。其中，ZnO纳米棒阵列样品在光照1小时后，仍有许多有机染剂没有被降解，而ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结样品在光照一小时后，已径降解的差不多了。根据图4(c)显示的泡沫镍上生长ZnO纳米棒样品与ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结对罗丹明B的降解情况可知：在相同的条件下，ZnO纳米棒阵列样品在氙灯下降解罗丹明B染剂1小时后，其降解率为61%，而ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结样品催化降解率达到了91%，这说明了与石墨烯复合的ZnO纳米棒阵列具有更好的催化效果。在每次做完光催化实验后，我们将样品直接从罗丹明B溶液中取出，依次在去离子水和乙醇中将样品浸泡、清洗，随后用氮气吹干，样品即可再次进行光催化实验。从图4(d)中可以看出：在重复4次光催化实验后，ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结的降解率仍可达到84%，这说明了ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结的光催化效率基本能保持稳定。 图4. (a) ZnO纳米棒阵列和(b)ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结在不同光照时间下的紫外可见光谱，(c) ZnO纳米棒阵列和ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结在氙灯下光催化效果图，(d) ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结4次重复实验的光催化效果图 3.4. 机理分析 由图5(a)可知，ZnO纳米棒阵列和ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结样品在400 nm以下的光谱区间内都有着较高的吸收性能，但相比于ZnO纳米棒阵列，石墨烯和ZnO复合材料的吸收性能有所增强。同时，ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结样品吸收区间进行了一些红移，增强了对可见光的吸收，故而提高了催化效果。 根据带隙的相关公式 [ 12 ] ： ( a h v ) 2 = A ( h v − E g ) 其中，α为吸光系数，hv表示光子能量，Eg表示禁带宽度，A为常数，通过(αhv) 2 和hv的关系，如图5(b)所示，我们可以得到ZnO纳米棒阵列和ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结的禁带宽度分别为3.13 eV和3.09 eV，这可能归结于石墨烯与ZnO之间的界面相互作用使得复合材料的禁带宽度变窄 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]，在TiO 2 [ 17 ] [ 18 ]、CdS [ 19 ] 等半导体与石墨烯复合材料中都有类似情况。图5(c)是ZnO纳米棒阵列与ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结的PL光谱图，从图中可以看出石墨烯和ZnO结合以后，其发光强度明显减弱，而PL荧光是电子与空穴进行复合的结果，PL强度的降低则说明电子与空穴的结合变少了。 图5(d)介绍了ZnO纳米棒阵列/石墨烯的主要机制：当ZnO纳米棒吸收大于或者等于其禁带宽度的光子能量时，其价带上的电子会跃迁到导带上生成光生电子，而在价带上则留有空穴。而空穴具有非常强的氧化性，可以和ZnO纳米棒表面的OH − 发生氧化还原反应，产生具有高催化活性的羟基自由基( ⋅ OH )。同时，光生电子可以与ZnO纳米棒表面的氧气发生反应生成具有强氧化性的超氧负离子( ⋅ O 2 − )。羟基自由基( ⋅ OH )和超氧负离子( ⋅ O 2 − )以及空穴最终可以把有机污染物降解成CO 2 和H 2 O。而通过石墨烯与ZnO的结合，一方面可以降低复合材料的禁带宽度，增大光吸收区间；另一方面，由于石墨烯的功函数低于ZnO的导带，故ZnO纳米棒的光生电子可以很快的转移到石墨烯上，从而使电荷进行分离，大大减少了ZnO表面上的光生电子–空穴对的结合，从而增强了光催化性能。 图5. ZnO纳米棒阵列和ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结的(a)紫外光吸收图谱、(b) (αhv) 2 -hv曲线、(c) PL光谱以及(d) ZnO纳米棒阵列/石墨烯的光催化机理图
system: [SYSTEM]

user: 4. 结论 本文通过在泡沫镍基底上用CVD法生长三维石墨烯，再采用水热法制备了ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结。通过SEM等表征手段发现：在三维石墨烯上生长3小时的ZnO纳米棒阵列排列密集且分布均匀，其光催化性能也非常良好。在氙灯下照射1小时后，ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结的降解率可达到91%，而ZnO纳米棒阵列的降解率仅为61%。这是因为石墨烯和ZnO纳米棒阵列相结合，一方面增大了光吸收区间，另一方面石墨烯可以转移ZnO纳米棒表面的光生电子，从而使电荷分离，增强了催化效果。此外，在重复4次光催化实验后，ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结的降解率仍可达到84%，这说明用泡沫镍作为光催化剂的载体，其负载的ZnO纳米棒阵列/三维石墨烯异质结光催化剂具有良好的光催化效果的同时，还能有效地解决传统光催化剂颗粒回收困难的难题。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 本文采用时域有限差分方法仿真研究了金粒子在金属(金)，半导体(硅)和电介质(二氧化硅)基底表面经飞秒激光激发后的近场(电场)特性。仿真结果表明，在三种基底条件下，基底表面的电场均被增强，但电场的强度、空间分布以及尺寸大小均取决于基底材料。在金属基底和半导体基底条件下，电场被局限在粒子与基底的接触点周围。由于基底材料的不同，导致能够产生最大增强因子的共振波长发生偏移。该研究对于调控增强因子，实现超衍射极限纳米结构的精细加工具有重要意义。 关键词 :飞秒激光，金纳米粒子，近场增强，超衍射极限 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 飞秒激光由于其超快超强的特性，在加工中具有精度高、无污染、控制灵活等优势，因此被广泛应用于国防、生物、医疗等领域。但随着器件的微小型化成为发展趋势，由于光学衍射极限的制约，低于衍射极限尺度的激光加工成为技术难题。近年来研究发现，飞秒激光辐照基底表面的纳米粒子时，能够在粒子和基底的接触点附近获得一个远小于光学衍射极限分辨率的增强的近场，并且可以利用近场在低于基底本身的烧蚀阈值的条件下，在接触点实现纳米尺度的表面加工 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]。这为飞秒激光纳米加工指出了一个新的方向。 Takada H.等人 [ 4 ] 采用时域有限差分方法(FDTD)分别仿真模拟了波长800 nm的飞秒激光激发直径200 nm、450 nm和820 nm的聚苯乙烯(PS)纳米粒子在有机玻璃(PMMA)基底上的近场增强效应。结果表明基底内部的电场强度随着纳米粒子直径的增加而增大；S. M. Huang等人 [ 5 ] [ 6 ] 同时运用仿真模拟和实验两种方法研究了低折射率介电纳米粒子(二氧化硅纳米粒子)在金属基底表面的近场增强效应。实验使用单发飞秒激光脉冲辐照金属表面的二氧化硅纳米粒子，并通过扫描电子显微镜和原子力显微镜对金属基底表面的烧蚀形貌进行表征。在相同的脉冲通量条件下，烧蚀孔的直径和深度随着纳米粒子直径的增加而增大；当纳米粒子直径不变时，随着入射激光通量的升高，烧蚀孔的直径和深度也随之增大。实验结果与仿真模拟相吻合，并得出结论：对于非吸收性纳米粒子，入射光可以激发粒子内部的一些共振模式，并在接触区域产生增强的电场。Afanasiev和Bityurin [ 7 ] [ 8 ] 等人仿真研究了不同波长的飞秒激光(400 nm和800 nm)激发PMMA基底表面直径为450 nm的聚苯乙烯纳米粒子阵列的近场增强效果，发现粒子对400 nm波长激光的汇聚效果要远优于800 nm波长的激光。目前大部分的纳米粒子辅助飞秒激光加工的研究均采用时域有限差分方法进行仿真研究，该方法是电磁场数值计算的重要方法之一，通过该方法可以直接获得基底表面电场的空间分布以及强度数值，通过电场强度及其分布就可以预测现实加工中获得的烧蚀形貌，对实验具有指导意义。 随着对纳米粒子近场增强效应的研究，金纳米粒子由于优秀的近场增强特性和只需要简单的设置就可以实现快速的大面积加工的优势，而受到广泛的关注 [ 9 ] [ 10 ]。但对于基底材料和入射激光波长对金纳米粒子近场增强能力的影响还未有较全面的研究。因此，本文采用FDTD数值仿真方法，研究了不同波长的飞秒激光激发直径为200 nm的孤立金纳米粒子在金基底，硅基底以及二氧化硅基底表面的近场特性(电场分布和增强因子)，为日后的实验研究起到指导作用。仿真结果表明基底的改变使得激发金粒子最佳近场增强因子的共振波长发生了偏移，因此对于不同基底选择不同的入射激光波长来控制近场增强效果是一种有效的途径。
system: [SYSTEM]

user: 2. 仿真模型 本文采用FDTD Solutions软件对飞秒激光激发的金纳米粒子的近场增强效应进行了仿真研究，仿真模型如图1所示。直径为200 nm的金纳米粒子孤立置于基底表面，纳米粒子周围为真空环境。仿真区域以粒子心为中心，尺寸为300 × 300 × 400 nm 3 ，网格精度为1 × 1 × 1 nm 3 。所用入射光源为全场散射场(total field scattered-field， TFSF)光源，沿z轴负方向垂直入射于纳米粒子和基底表面，偏振方向与x轴平行。周围为完全吸收边界，监视器位于y = 0的xz平面和z = 0的xy平面。在仿真过程中设置的模拟时间是1000fs(保证有足够时间使结果收敛)，设置使得仿真在满足auto shut off level (默认设置是10-6)后自动结束，这样保证了仿真精度和结果的可靠性。 图1. FDTD仿真模拟示意图。直径为200 nm的金粒子孤立置于基底表面。全场散射场光源沿z轴反向入射，偏振方向与x轴平行，入射电场强度为1 V/m。周围为完全吸收边界
system: [SYSTEM]

user: 3. 结果与讨论 在仿真模拟中经常采用增强因子 Q = | E 2 | / | E 0 2 | 来评估近场的增强效果，其中E 2 为有粒子时基底表面的光强， E 0 2 为入射光强，Q值越大表示粒子在基底表面增强近场的能力越强。当入射激光波长为800 nm时，置于金、硅和二氧化硅基底表面的金粒子周围的电场强度分布如图2所示。粒子表面的电荷振荡引起了粒子附近的一个增强场，由于基底表面镜像电荷的感应和近场的倏逝特性，场增强的区域被局限于粒子与基底的接触点附近 [ 11 ]。结果表明，在金基底条件下获得的近场强度最大，硅基底次之，二氧化硅基底则是最小的。在金属(Au)和半导体(Si)基底的条件下，最大的场增强区域紧紧聚集在粒子和基底的接触点附近，而在二氧化硅基底上则没有明显的表现出局域的特性。 图2. 置于不同基底(a) 金、(b) 硅、(c) 二氧化硅表面的单一的金粒子在x-z平面的电场分布，平面穿过粒子与基底的接触点 基底表面的电场分布如图3所示。在激光偏振方向，粒子和金基底表面的接触点两侧出现两个极强的近场区域，如图3(a)所示；在硅基底表面以接触点为中心形成了向外扩散的波纹结构的电场分布，电场强度随着波纹结构的扩散而逐渐减弱，并且在硅基底表面的电场相比于在金基底表面更加集中，特征尺寸更小如图3(b)所示；在二氧化硅基底的表面形成了了两个尺寸较大，近似扇形的场增强区域，强度远也小于金基底和硅基底表面获得的电场强度，如图3(c)所示。 图3. 标准试验系统结果曲线 对于近场增强因子的大小，近电磁场与基底的耦合是主要影响因素。当粒子置于非金属材料表面时，金粒子表面的强场将会在基底表面诱导产生镜像电荷 [ 12 ] [ 13 ]，由于衬底表面的镜像电荷及其反射系数是衬底介电性能的函数，因此不同的衬底材料具有不同的场特性。由于各自的镜像电荷效应，在不同的衬底上电耦合的大小表现不同。衬底中的镜像电荷表示为： q ′ = ε s − ε a ε s + ε a q (1) 其中 q ′ 为镜像电荷，q为诱导镜像电荷的初始电荷， ε s 为基底的介电常数， ε a 为空气的介电常数。由公式(1)可知，随着衬底介电常数的增加，衬底上的镜像电荷增加，因此硅基底相比于二氧化硅基底产生了更强的电磁耦合，导致了更大的增强因子。而金属材料本身含有大量的自由电子，其电偶极共振模式产生的近场增强则远高于非金属材料。 为了研究入射激光波长对近场增强因子的影响，在波长范围300~1000 nm内改变入射激光波长对结构进行仿真模拟，并对基底表面的近场增强因子进行统计，绘制出增强因子随入射激光波长的变化曲线，如图4所示。当粒子在金基底表面时，在波长小于500 nm的条件下，基底表面的增强因子较低且几乎保持不变，随着入射激光波长的增加，增强因子先呈指数升高，在入射波长700 nm时达到最大值88354.6，随后又迅速降低。金粒子在硅基底表面的增强因子在入射波长大于400 nm后增强因子开始出现较明显的升高，并且在入射波长600 nm和750 nm处出现了两个峰值，产生最大增强因子的共振波长相比于在金基底表面发生了偏移，在波长600 nm处达到增强因子的最大值2976.4，这一数值远低于在金基底表面所产生的增强因子最大值。金粒子在二氧化硅基底表面产生的最大增强因子的共振波长相对于前两种基底材料继续偏移，在波长550 nm时增强因子达到最大值且仅为24.8966，远低于前两种基底材料。 图4. 基底表面增强因子随入射激光波长的变化曲线 由于近电场是由电荷振荡所激发的，因此对于粒子在不同基底表面的共振波长发生偏移的情况，可以用粒子的近场散射效率来解释 [ 14 ] [ 15 ]。近场散射效率与粒子将入射电磁场强度转化为近场强度的能力有关，与场增强因子成正比，散射效率的公式描述如下 [ 16 ] [ 17 ] ： Q n f = 2 ∑ n = 1 ∞ { | a n | 2 [ ( n + 1 ) | h n − 1 ( 2 ) ( k 0 R ) | 2 + n | h n + 1 ( 2 ) ( k 0 R ) | 2 + ( 2 n + 1 ) | h n ( 2 ) ( k 0 R ) | 2 ] } (2) 其中 a n 和 b n 为米散射系数；n为振荡模式数；介质波数 k 0 = 2 π n ′ / λ ， 和 λ 分别为周围介质的折射率和入射激光波长；R为纳米粒子的半径， h ( 2 ) ( x ) 为第二类球形汉克尔函数。从上式可以看出，基底的折射率和入射激光波长同时影响到粒子的近场散射效率，基底和入射激光波长特定的组合才能够实现当前基底条件下最大的近场增强效应。
system: [SYSTEM]

user: 4. 结论 本文主要研究了直径200 nm的金纳米粒子在三种不同的基底表面的近场特性，仿真结果表明三种基底表面的电场均有增强，但电场的强度、空间分布和尺寸均取决于基底材料。由于基底材料的不同，使得产生最佳增强因子的共振波长发生偏移，因此能够通过改变入射激光的波长对基底表面的增强因子进行调控从而实现基底表面加工形貌的调控。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 本文对功能化金属表面沸腾传热进行了实验研究。目前的研究表明微纳结构表面可有效提升沸腾传热性能，金属表面的强化传热对于大规模高热流密度应用非常重要，例如在核电工业中。通过飞秒激光表面处理技术在金属表面制备了周期性波纹结构，以去离子水为工质，采用池沸腾实验装置，研究了换热系数(HTC)和临界热流(CHF)。通过池沸腾实验研究表明，相对于光滑表面飞秒激光制备的微纳结构表面传热性能均在不同程度得到了有效提升。 关键词 :飞秒激光，微纳结构，沸腾传热 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 沸腾是一种有效的传热方式，是科学和工程中研究最多的物理现象之一。沸腾换热效率可由两个参数表征：(a) 换热系数(HTC)或导热系数，定义为热流除以壁面过热度，用于表征某一工作条件下的传热效率；(b) 临界热流密度(CHF)，即表面允许通过的最大热流密度，是沸腾传热的极限。改进沸腾过程可以提高多个行业的能源效率和性能。沸腾换热机理复杂，影响因素众多，近年来，微纳结构表面 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 和各种工作流体的物理和化学功能化 [ 5 ] [ 6 ] 是两相传热增强研究的重点。这些类型的表面是通过各种各样的制造技术实现的。利用传统的微加工技术，可以制作出非常有组织的结构，如微柱阵列和微通道阵列 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]。已经证明，这样的结构使得CHF和HTC都得到了很好的增强。表面润湿性也已经被证明会影响沸腾传热的许多方面，包括起始所需的过热、气泡偏离特性和临界热流 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]。一般情况下，由于初始过热降低和气泡成核密度增大，润湿面越小，成核沸腾时的传热系数越高；相反，由于表面的有效再润湿，更多的润湿表面导致临界热流密度更高。 除了流体本身性质影响之外，科学家们认为影响对流传热的主要因素在于流体换热处固体表面的特性，其中表面粗糙度 [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] 与润湿特性 [ 14 ] [ 15 ] 被认为是两个最主要的原因。微米级与纳米级结构有着各自主导池沸腾过程的方式，不同尺度形貌的表面池沸腾传热机制与性能有着区分性 [ 16 ]。在微尺度结构中加入纳米尺度特性，可以进一步提高其沸腾性能 [ 16 ]。典型的纳米尺寸特征包括纳米棒、纳米线、纳米材料沉积和纳米粒子薄膜涂层 [ 17 ] [ 18 ]。这些纳米结构的加入增加了表面的润湿性，增加了核密度，增加了有效传热的表面积，并促进毛细力作用。另一方面，除了表面微观结构外，还有研究表明，表面化学变化，如表面亲水和疏水区域的组合，也能显著提高传热性能。疏水表面容易活性成核位点，降低了成核沸腾的起始时间，并可能增加传热系数，但导致临界热通量低得多。与此同时，亲水表面推迟了稳定蒸汽层的形成，从而推迟了临界热流。Hsu和Chen [ 15 ] 研究了表面润湿性对池沸腾传热的影响。通过改变表面形貌和化学性质，利用纳米二氧化硅粒子涂层改变铜表面的润湿性，使其由超亲水性变为超疏水性。实验结果表明，在亲水性区域，临界热流量值较高。相反，疏水性区域的CHF值较低。 目前国外有研究利用飞秒激光表面处理(FLSP)技术，制备了具有层次结构的微/纳米功能化表面。Kruse [ 19 ] 等研究了采用飞秒激光表面处理(FLSP)制备的304不锈钢多尺度微/纳米结构自组织的堆积状微结构阵列的池沸腾传热性能。结果表明，采用激光处理的不锈钢表面，临界热流从9.1 ´ 10 5 W/m 2 增加到1.42 ´ 10 6 W/m 2 ，同时最大传热系数从2.3 ´ 10 4 W/m 2 K增加到6.7 ´ 10 4 W/m 2 K。研究发现，临界热流的增强与表面的润湿和毛细力直接相关，表面的润湿和毛细力是补充蒸发液体和延迟临界热流的重要因素。随着表面积比的增大以及结构峰谷高度的增大，传热系数增大。核沸腾增强是传热的主要机制，其原因是表面积和核点密度的增加。综上所述功能化表面的发展对改善传热系统具有重要意义。而本文主要通过飞秒激光制备的微纳结构表面的实验方法研究金属镍的结构表面池沸腾换热特性。激光加工是一种高效的加工方式，激光的功率大，加工速度快，覆盖面广，进行加工时可以直接作用于材料表面实现精确控制，产生的废料少，污染小。较其他复杂加工工艺而言，可直接在材料表面制备多尺度微纳结构，并可实现表面润湿功能的优化和调控。通过飞秒激光加工出不同形貌的表面，与核工业散热应用相结合，具有一定的必要性和创新性。核电站利用镍金属强韧性和抗腐蚀性，一般会用到约20种不同的镍合金部件，例如反应堆的内部组件、蒸汽发生器的导管以及制冷剂和热水管道等。因此将这种先进制造技术与沸腾换热应用相结合，在沸腾换热性能增强以及工业应用上都具有重要的意义。
system: [SYSTEM]

user: 2. 实验装置与步骤 本实验选用了牌号为N4的镍片作为金属样品，首先将镍片表面用自动精密研磨抛光机研磨至光滑，然后进行实验，依次摸索激光聚焦位置，扫描间距，激光扫描速度，激光能量等参数优化微纳结构。飞秒激光制备微纳结构表面实验光路示意图如图1所示。 图1. 飞秒激光制备微纳结构示意图 如图2所示，(a-c)分别是激光扫描间距0.04 mm，扫描速度4 mm/s，激光能量分别为0.02 mJ，0.05 mJ，0.1 mJ时制备的亚微米波纹结构表面在不同放大倍数下的SEM图片，右侧为样品实际拍摄图。我们可以看到随着激光能量的增加，槽的宽度逐渐增加，槽深度也越来越深。由于金属镍表面形成了大面积分布的亚波长类光栅的纳米结构，相当于一种金属反射光栅，具有光栅的衍射效应，因此使不同颜色的光波在各级衍射谱线出现在不同的观测方向上，所以我们会在不同角度看到不同颜色。 池沸腾装置的主体是沸腾池体系统，其连接于加热系统之上，沸腾池体系统包括最上部固定于密封盖的冷凝系统与辅助加热器，中部的沸腾池体以及底部传热绝热材料构成的样品槽。图3为我们的池沸腾实验装置示意图，设计制造了一种沸腾过程中加热试样并测量沸腾曲线的测试装置。实验前，用导热硅脂将试样粘接在底部传热铜块上。在沸腾实验过程中，为了减少热损失，在试样边缘涂上环氧树脂。然后，将去离子水(DI)注入沸腾池，加热至饱和温度(100℃)，实验前脱气30 min。在沸腾池一侧设置高速摄像机记录沸腾过程，并使用高强度LED光源照亮视野，达到膜态沸腾后实验结束，将记录的数据传至PC端进行数据处理得到结果。 图2. (a~c)分别是激光扫描间距0.04 mm，扫描速度4 mm/s，激光能量分别为0.02 mJ，0.05 mJ，0.1 mJ时制备的样品在不同放大倍数下的SEM图片(其对应右边图片是左边中间区域的放大图)，右侧为样品实图 图3. 池沸腾装置示意图 图4为测试装置的零件图。铜块嵌入在重聚四氟乙烯块中，用于保温。铜块的上半部有一个3 cm * 3 cm的正方形横截面，与我们的沸腾样品的大小相同。沿着铜块的垂直中心线安装了3根热电偶来测量温度。测试装置的所有间隙均采用防水硅胶密封。热电偶连接到一个数据记录器来记录温度读数。温度控制系统的加热平台是由铜柱内用星型接法镶嵌七个陶瓷加热棒供给加热的，可控调压器与PID控制器通过导线与380 V电源连接，控制加热温度。在沸腾实验中，直流功率逐渐增大，直到CHF发生。 图4. 池沸腾装置细节图
system: [SYSTEM]

user: 3. 结果与讨论 图5为沸腾传热CHF曲线。在本文研究的金属样品中，不同飞秒激光能量下制备的微纳表面形貌有着很大不同，从而对沸腾传热的效率影响也不同。从图中可以明显的观察到能量0.02 mJ的样品CHF值最大，达到2.2 ´ 10 6 W/m 2 ，与普通镍表面CHF相比，增强率为108%，而能量0.05 mJ的样品CHF为2.01 ´ 10 6 W/m 2 ，较普通表面增加91%，能量0.1 mJ型试样CHF为1.49 ´ 10 6 W/m 2 ，增加幅度为42%。实验中的CHF现象随着壁面温度的升高，活性核密度逐渐增大，直到在受热面附近形成大团簇和水平的蒸汽聚集。在这个峰值之后，传热系数开始衰减。这种衰减行为是由结构腔内的干燥和覆盖加热表面的蒸汽膜两种液体/蒸汽交换机制引起的。形成热干点的现象是由于腔体结构的流动阻力引起的，腔体内的蒸汽滞留阻碍了再润湿流体进入腔体。此外，相邻空腔之间的蒸汽凝聚形成覆盖受热面的蒸汽膜，由于蒸汽的导热系数较低，导致传热效率较低。 图5. 沸腾曲线CHF 图6. 沸腾曲线HTC 其传热系数(HTC)如图6所示，0.02型样品最大，增加近六倍达到306 W/cm 2 K，0.05型样品也有一些增加但整体趋势不如0.02型样品明显，HTC为134 W/cm 2 K。但在样品0.1型样品上我们没有观察到HTC和CHF同时增强，其可能原因为结构过深，对于深空腔，整体传热系数过早快速下降。 图7. 气泡生长分析图 核态沸腾和临界热流(CHF)是一种复杂的物理现象，涉及瞬态传导、蒸发、两相流动等多种热效应和水动力效应。我们对几种不同结构的样品进行了沸腾实验，并用高速摄像机记录了沸腾过程。其气泡经历了这样一个生长融合的过程如图7所示。对于金属镍样品，气泡容易在试样边缘成核。开始时由于过热度仍然低于相应样品的起始过热度，所以在沸腾表面没有观察到气泡。随着温度增加，表面开始出现小气泡，气泡生长到一定程度后开始脱离表面。还有一部分气泡经过多次融合，生长，再到脱离。Hetsroni [ 20 ] 等人经验研究没有发现在低热流条件下气泡的生长动力学有任何变化，但是在高热流条件下，气泡的脱落体积增大，气泡存在时间缩短。 在核沸腾区，空腔深度对汽液交换机制的水动力相互作用有影响。深空腔拉离气泡，降低了气泡脱离频率。Yu [ 5 ] 等人研究在硅基底制备微米级孔腔，结果表明，水动力相互作用产生的气泡和残余蒸汽将滞留在腔内。这将产生流动阻力，以阻止重新润湿的液体进入腔内。Demir [ 21 ] 等人从可视化研究中发现，纳米棒长度的变化会影响其他由于使用纳米结构表面而产生的传热增强机制的效率，如气泡释放频率、气泡偏离直径等，这些都与增强的核沸腾有关。结构的高低使得气泡生长和释放机制不同，延迟了气泡从表面的释放。当气泡发生横向合并的情况，并停留在表面较长时间，就会成为一个绝缘层，导致传热缓慢。因而我们可以将结构的高度、长度、间距和排列等进行优化，从而进一步提高沸腾传热性能。
system: [SYSTEM]

user: 4. 结论 通过以上的实验，我们可以得出以下结论： 1) 综上所述，我们通过检测一系列具有可控粗糙度的样品，研究了飞秒激光制备微纳结构在池沸腾中的作用。结果表明，微纳结构表面较光滑表面对沸腾传热有着明显的提高。抛光后的样品没有这种纳米和微尺度的粗糙度，因此在高热流通量下没有额外的成核位点可以激活，因此曲线几乎保持线性。 2) 对于微纳米结构，当低热通量范围内时，微纳米结构增加了有效传热面积与活性核化点密度，随着热通量增加，微纳结构可以通过毛细传输效应减小气泡脱离表面时的尺寸，并且有着更快的脱离频率，气泡不容易合并在一起，抑制表面在高热通量时形成气膜层，有助于表面沸腾危机的推迟。 3) 良好的CHF只能在润湿性好但不容易激活成核位点的表面上实现。易于激活的成核位点不断产生气泡，对液体湿润热表面造成较大的流动阻力，从而导致早期干燥。增大结构深度会导致整体传热系数过早快速下降，这是由于较深空腔的流动阻力较大，阻碍了再润湿液进入这些空腔。