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

user: 5. 有效降低中国原木进口依存度的对策 在坚持以习近平生态文明思想为指导，建设我国生态文明的基础上，立足我国环境和发展实际需要，满足我国人民生活日益增长的国内原木需求，且降低我国原木进口依存度，笔者提出以下对策。 首先企业要“以国为主，自我为辅”。拥有更高的格局，站到高层次的角度上发展企业，进行境外采伐与投资时应自觉遵守采伐制度，并尊重当地的自然环境，自觉实践可持续发展战略，自觉维护当地环境、自觉维持生态平衡、自觉保护物种多样性。始终将国家名誉置于利益之上，彰显我国国民良好的素养。 其次国家应建立健全木材交易制度。我国是世界第二大木材进口国，应拥有基本的交易制度，评估交易的合理性，减少木材交易的人为不合理性，合理的交易制度给予木材产销国公平竞争；同时加大出口，为我国提供更多的木材资源，从而完善我国进口结构。 第三，国家应该完善顶层设计。随着我国可持续化发展战略的实施，中国林业资源工程的推进，以及木材进口需求的扩大，我们要充分发挥国际木材的价值。国家完善好顶层设计，研究并制定相应的规划高效利用国际木材的价值，完善相关政策，运用多种渠道获取国际木材资源。 第四，行业协会等相关组织应该加强交流合作。目前国际商业环境处于大变革时期，环境的不确定、市场的多变，使得“独善自我，独霸市场”的组织转变为“合作共生，协同共达” [ 5 ] ，行业协会要鼓励和加强国内外木材方面的交流合作，开展国际木材的投资，发展跨国种植与采购，积极开拓国际木材市场同时减少对个别地区进口的过度依赖；促进我国木材企业上升到一个新的高度，拥有更多的力量走向国际舞台。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 氧化石墨烯(GO)作为新兴材料，随着其在工业、医学、商业等领域的广泛应用，在生产和应用的过程中将不可避免地进入环境，对植物及生态环境产生一系列影响。为明确GO的植物效应及潜在的生态风险与其作用机制，本实验以我国两种主要粮食作物——水稻、小麦为研究对象，观察种子和幼苗在不同浓度(0、100、200、300、400、500 mg∙L −1 ) GO胁迫下的生长生理变化。结果表明，胁迫处理5 d后，低浓度(100、200 mg∙L −1 ) GO胁迫对水稻和小麦发芽无显著影响，高浓度GO胁迫抑制水稻和小麦发芽，且表现出剂量效应关系；在幼苗生长阶段，胁迫处理15 d后，对于水稻，低浓度(100 mg∙L −1 ) GO胁迫促进根茎伸长，高浓度对根茎伸长起到抑制作用，不同浓度GO胁迫则均抑制小麦根茎伸长，但二者电解质泄漏率均随GO浓度提高而增加；经检测抗氧化系统酶(CAT、POD、SOD)和丙二醛(MDA)后发现两种植物均出现了氧化应激现象，推测GO对水稻和小麦的影响可能主要通过调节植物体内水分含量以及氧化应激作用来实现，该结果为GO的植物效应与作用机制提供了实验数据与实践参考。 关键词 :氧化石墨烯，水稻，小麦，植物毒性，生态风险 Copyright © 2019 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 碳纳米材料(CNMs)是当今世界热点材料，一直处于纳米技术领域的研究前沿，其拥有的高比表面积、良好导电导热性、高机械强度等诸多优良特性，吸引了国内外大批学者研究探索 [ 1 ] 。其中，石墨烯是应用广泛、具有代表性的碳纳米材料之一，被认为是石墨形式的基本构件。石墨烯是由紧密堆积的蜂窝状二维碳原子形成的片层 [ 1 ] ，有着“新材料之王”的美誉，因其优良特性在电子能源、光学材料、超导材料、生物医学等领域均有着广泛应用 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 。根据测算，碳纳米材料市场份额呈逐年递增态势，复合增长可率达到20.1%，预计2020年将达到56.4亿美元 [ 5 ] ，我国国务院所颁布的《中国制造2025》行动纲领中亦指出要关注颠覆性新材料对传统材料的影响，做好石墨烯等战略前沿材料提前布局和研制，可见未来石墨烯的生产量和使用量将会达到新的高潮。 GO在生产、使用及回收过程中不可避免的进入环境中，并通过一系列物理化学作用固定在环境中，对植物产生一系列的影响。目前国内外科学家已经在多种环境介质中检测出碳纳米材料，Carboni A等 [ 6 ] 对阿姆斯特丹市土壤进行采样检测后发现，近50%样本中有CNMs检出，且在人口密集区、工业区周边和下风向区域的土样中检出了更高的浓度。Kolosnjaj-Tabi J等 [ 7 ] 检测柴油机排气发现，尾气中含有大量碳纳米材料，且指出CNMs在空气中浓度随柴油车占比升高而提升。目前国内外学者对GO研究主要集中于其生产和应用方面，对于其对植物影响效应研究较少，研究结果较为复杂多样，且尚未得出统一、明确的结论。国内外学者发现，GO及其相关材料可对植物表现出促进作用和抑制作用，在低浓度下会提高种子发芽率 [ 8 ] 、缩短发芽时间 [ 9 ] 、促进植物根茎伸长 [ 10 ] 、促进植物吸水 [ 11 ] 以及提高酶系统活力 [ 12 ] 等；而在高浓度暴露条件下，GO往往对植物产生出抑制作用，表现为抑制植物萌发生长 [ 13 ] 、降低植物生物量 [ 14 ] 及诱发氧化应激 [ 15 ] 等。目前研究得到的GO植物效应作用机制有机械切割 [ 16 ] 、氧化应激 [ 17 ] 、遗传损伤 [ 18 ] 、遮蔽效应 [ 19 ] 等，仍有待进一步的深入探索。 本实验选用我国最为主要的两种粮食作物——水稻和小麦作为研究对象，通过对发芽率、根茎长度、电解质泄漏率、抗氧化系统酶等一系列指标的观测，探究GO对两种粮食作物生长情况、细胞毒性和氧化应激作用的影响，为探究GO对植物影响效应及机制提供实验数据和科学依据。
system: [SYSTEM]

user: 2. 材料与方法 2.1. 实验材料 GO购于苏州碳丰石墨烯科技有限公司，外观为黑褐色粉末状，平均厚度3.4~7 nm；片层直径10~50 μm；层数6~10层；比表面积100~300 m 2 /g；纯度 > 95%；水稻品种为“糯优二号”，购自四川隆平高科种业有限公司；小麦品种为“山农28号”，购自淄博禾丰种子有限公司；抗氧化系统酶SOD、CAT、POD的活性及过氧化产物MDA的测定试剂盒购于南京建成研究所。 2.2. GO的表征 国内外研究表明，不同尺寸、结构的GO所表现出的毒性有很大差别，因此在实验前需要对其进行表征。用扫描电子显微镜(SEM)观察GO的形貌；将GO粉末压实制成试片，用X射线衍射仪(XRD)表征分析GO的晶体结构。 2.3. GO悬浮液的配制 称取一定量GO，加入到Hoagland营养液中，分别配成浓度为0，100，200，300，400，500 mg∙L −1 的GO悬浮液，超声分散(100 W， 40 kHz) 30 min。 2.4. 水稻、小麦种子及幼苗污染暴露实验 2.4.1. 种子发芽实验 挑选颗粒饱满、品相良好的水稻、小麦种子，分别在10%双氧水中浸泡30 min消毒，经去离子水反复冲洗后，浸种催芽2 h。选取露白一致的水稻、小麦种子各15粒，分别置于铺有滤纸的培养皿中，加入不同浓度(0， 100， 200， 300， 400， 500 mg∙L −1 ) GO悬浮液，每种处理设置3个平行，放入培养箱中发芽，温度25℃ ± 1℃，相对空气湿度70%。5 d后观察记录种子发芽数，规定当芽长超过种子长度一半时认为种子完成发芽，发芽率 = 正常发芽种子数/供试种子数 × 100%。 2.4.2. 幼苗暴露培养 挑选颗粒饱满、品相良好的水稻、小麦种子，消毒催芽后置于铺有滤纸的培养皿，加入Hoagland营养液5 mL，放入培养箱中培养5 d，培养条件与发芽实验相同。第6 d开始进行暴露培养实验，选取长势良好且相似的幼苗，将每个培养皿中的幼苗数统一为10株，加入不同浓度(0， 100， 200， 300， 400， 500 mg∙L −1 ) GO悬浮液10 mL，每种处理设置3个平行。培养条件为光照16 h，温度25℃ ± 1℃，湿度70%；黑暗8 h，温度为18℃ ± 1℃，湿度为75%。为保持暴露浓度恒定，每3 d换一次GO悬浮液，继续培养10 d后完成水稻、小麦的幼苗暴露实验。 15 d后幼苗暴露培养结束，取新鲜幼苗用去离子水冲洗，吸水纸吸干后用毫米刻度尺测量幼苗根长、茎长，称量幼苗根鲜重；取幼苗根系组织置于离心管中，加入10 mL去离子水，放入恒温摇床振荡4 h (25℃， 120 r∙min −1 )后取出，用电导计测定溶液的电导率。将溶液倒回，置于高压灭菌锅中，120℃下灭菌20 min。灭菌后再次用电导计测定水溶液的电导率，电导率单位为s∙cm −1 ，离子泄漏率计算公式为：离子泄漏率 = 灭菌前电导率/灭菌后电导率 × 100%；取幼苗新鲜的地上部组织，用去离子水冲洗，吸水纸擦干后，按植物组织质量和生理盐水体积为1:9的比例加入生理盐水，转移至离心管中，冷冻离心10 min (3500 r∙min −1 )，即配成10%的组织匀浆液；将组织匀浆液冷冻离心20 min (4000 r∙min −1 )后，采用南京建成公司试剂盒测定SOD、POD、CAT酶活性及MDA含量，各项生理指标的测定过程严格按照试剂盒说明进行。 2.5. 数据处理 实验结果均通过平均值±标准差的形式来表示。采用spss软件，选取p = 0.05来对GO的植物毒性实验结果进行单因素方差分析并用Duncan法进行显著性检验。实验数据采用Origin软件进行绘图。
system: [SYSTEM]

user: 3. 结果 3.1. GO的表征 通过SEM扫描，我们得到GO形状和尺寸相关信息，如图1所示，GO外表为不规则颗粒状，由一层层氧化石墨烯层片堆叠而成，层数约6~10层，直径约10~50 μm，同时可以观查到GO表面呈现不规则状，具有锋利边缘。 图1. SEM下的GO形态图 通过X射线衍射，我们得到GO的X射线衍射谱图，如图2所示，GO约在2θ = 12˚附近出现明显的特征峰，该特征峰具有高强度、低宽度的特征，峰形较为尖锐，通过布拉格方程2dsinθ = nλ可计算出GO层间距约为d = 0.925 nm，符合GO一般性结构特征。 3.2. GO对水稻和小麦发芽率的影响 如图3所示，种子萌发5 d后，与对照组相比，低浓度GO处理对水稻和小麦发芽率并无显著影响，而高浓度GO处理显著降低水稻和小麦种子的发芽率(p < 0.05)。300~500 mg∙L −1 的GO显著抑制水稻发芽(p < 0.05)，平均抑制率为18.18%。与水稻相比，400和500 mg∙L −1 的GO对小麦发芽的抑制率分别为23.86%和31.58%，不同的是100 mg∙L −1 的GO也显著抑制小麦的萌发(p < 0.05)，抑制率为18.42%。由此可见，小麦比水稻种子的耐受性更强。实验过程中，GO暴露下水稻和小麦的萌发并未出现提前或延迟现象。 图2. GO的X射线衍射谱图 图3. GO对水稻和小麦发芽率的影响 3.3. GO对水稻和小麦根长和茎长的影响 由图4可知，与对照组相比，经15 d处理后，100 mg∙L −1 的GO对水稻幼苗根和茎的伸长起促进作用，其中根的促进效果显著(p < 0.05)，伸长率为29.50%。而随浓度的升高，水稻幼苗的根长和茎长呈明显的降低趋势(p < 0.05)。对于小麦而言，不同浓度的GO对其根和茎的生长均有抑制作用，浓度为300和500 mg∙L −1 时，小麦根长和茎长受到显著抑制，根长分别降低24.69%和36.63%，茎长降低22.41%和30.05%。 图4. GO对水稻和小麦根、茎长度和离子泄漏率的影响 3.4. GO对水稻和小麦根鲜重的影响 由图4可知，与对照组相比，经15 d处理后，低浓度GO处理促进水稻和小麦根鲜重的增加，其中100 mg∙L −1 的GO对水稻促进效果显著(p < 0.05)，促进率为31.03%，对小麦表现出略微促进效果但效果不显著(p > 0.05)，促进率为2.48%。而高浓度处理对二者起到抑制作用，在浓度为500 mg∙L −1 和300 mg∙L −1 时抑制率分别达到29.11%和41.19% (p > 0.05)。 3.5. GO对水稻和小麦根系离子泄漏率的影响 由图4可知，与对照组相比，GO处理使水稻幼苗根离子泄露率均升高，且浓度越高，离子泄漏率越大。300，400和500 mg∙L −1 GO暴露时水稻幼苗根离子泄漏率显著升高，分别为19.83%、24.88%和28.35%；在根离子泄露率这一指标上，100 mg∙L −1 GO暴露时小麦反而略微降低，为7.11%，其他浓度GO暴露时的变化趋势与水稻相一致。在300，400和500 mg∙L −1 GO暴露时小麦幼苗根离子泄漏率显著升高，分别为14.33%、24.10%、32.70%。 3.6. GO对水稻和小麦抗氧化酶活性的影响 由图5可知，总体观之，水稻、小麦抗氧化酶SOD、POD、CAT酶活性随GO浓度的增加整体呈上升趋势，抗氧化酶被激活，且水稻的激活程度更为明显，小麦POD、CAT酶活性与对照组差异不显著。由图5可知，经GO处理15 d后，SOD活性均高于对照组，且随GO浓度的增加呈先升高后降低的趋势，水稻在200 mg∙L −1 GO处理时受到明显激活，为对照组的1.67倍；小麦在300 mg∙L −1 GO处理时受到明显激活，为对照组的1.37倍，且均表现出显著性差异(p < 0.05)。由图5可知，随着GO浓度的增大，水稻和小麦POD酶活性先上升后下降而后上升。当GO浓度为200 mg∙L −1 时，水稻POD酶活性显著升高(p < 0.05)，增长率为70%；随处理浓度的增大，POD酶活性反而下降但仍比对照组高，当处理浓度增大到500 mg∙L −1 时，POD酶活性又显著升高(p < 0.05)。相比之下，小麦POD酶活性的变化趋势虽与水稻一致，但与对照组相比，其酶活性升高或降低并不显著(p < 0.05)，说明水稻POD对GO更为敏感。由图5可知，随着GO浓度的增大，小麦CAT酶活性呈上升趋势，但并不显著。与小麦相比，GO暴露条件下，水稻CAT酶被明显激活(p < 0.05)，GO为400 mg∙L −1 时，酶活性最高达到95.15 U∙g −1 FW，为对照组1.70倍。 图5. GO对水稻和小麦SOD、POD、CAT和MDA的影响 3.7. GO对水稻和小麦MDA含量的影响 由图5可知，与对照组相比，小麦MDA含量略有增加，与其抗氧化酶被激活的现象相一致，但增加幅度并不明显。同样，水稻MDA含量也增加，不同的是水稻MDA含量的变化与GO的暴露呈现明显的浓度依懒性(p < 0.05)，随GO浓度的升高，MDA的含量显著升高，500 mg·L −1 时最高，比对照相比增加23.64%。
system: [SYSTEM]

user: 4. 讨论 4.1. GO对水稻和小麦生长情况的影响 种子萌发是植物生长的最幼嫩阶段，对周围环境的变化较为敏感。本研究表明，在种子萌发期内，低浓度GO对水稻或小麦的发芽均无显著影响，而高浓度GO则显著降低两者的发芽率，发芽时间并未受显著影响。究其原因，种子萌发受内部生理条件和外在环境条件的影响。种皮具有一定的屏障作用，选择性渗透的种皮对种子胚胎的发育具有保护作用。此外，GO具有团聚性，但低浓度GO较为分散，加之种皮的保护作用，低浓度GO对种子的萌发并没有起到明显的作用。另一方面，水分是种子萌发的必要条件，种子萌发必须吸收足够的水分。而GO的团聚程度随浓度的升高而变大，大颗粒GO团聚体黏附在种皮表面，阻碍了种子对水分的吸收，种子萌发受阻，发芽率降低。 植物生长(根、茎长和生物量等)受阻是碳纳米材料植物毒性的最普遍症状。本实验结果表明，随着GO浓度增加，水稻幼苗根和茎的长度变化表现出先促进后抑制的特征，而小麦根、茎的生长始终受到抑制，且均呈现浓度依赖性。这与Zhang等 [ 20 ] 观察到的实验现象并不一致，Zhang等发现低浓度(250 mg∙L −1 )石墨烯促进小麦根的伸长，差异的原因可能是石墨烯与氧化石墨烯表面官能团具有差异导致的。不同植物对GO的耐受性不同，如Chen等 [ 21 ] 将刺五加暴露于0~100 mg·L −1 GO中，经过10天的处理后发现，低浓度GO (<25 mg∙L −1 )对根系长度没有显著影响，但较高浓度(≥25 mg∙L −1 )抑制根系生长，GO的效应浓度整体低于本实验，但其表现出的影响趋势与本实验中水稻的变化趋势相同，均表现出了低浓度促进生长高浓度下抑制生长的特性，同时从本实验结果来看，水稻在较高浓度下根茎长度才表现出受到不利影响，而小麦根茎长度则在低浓度下就表现出受到抑制作用，因此可以发现，水稻对GO耐受性要强于小麦，在GO浓度不高的时候其生长水平能得到良好的保持。 随GO浓度增加，水稻和小麦根部鲜重变化先增加后减少，二者的电解质泄漏率与对照组相比均升高，这与Begum P观察到的结果相一致 [ 14 ] ，在他进行甘蓝、番茄、红菠菜和莴苣的石墨烯暴露实验中，四种植物在500 mg/L −1 石墨烯胁迫下均表现出根和茎长度减少的现象，同时测试电解质泄漏率发现，所有经胁迫处理后的植物电解质泄漏率均大于对照组，石墨烯造成细胞膜损伤，导致细胞死亡。本实验认为这可以说明水稻和小麦的鲜重增加并非是细胞增殖的结果，我们推测GO进入细胞后表现出植物毒性，引起细胞破裂死亡，但同时其可能改变了细胞膜通透性，从而促进水分的吸收，从而表现出鲜重的增加，这种鲜重增加是不正常的、危险的，GO的毒性作用使得植物失去了对水分的调控能力，进一步加剧了植物体受到的毒性作用，Khodakovskaya M等 [ 8 ] 也观测到类似现象，在他进行的番茄碳纳米管暴露培养中，采用热重法测水分发现，暴露组相对于对照组多积累了19.7%的水分，证明了碳纳米材料对种子的水分吸收具有促进作用。 4.2. 水稻和小麦对GO胁迫的生理响应 目前，氧化应激被认为是CNMs植物毒性效应主要的机制之一。活性氧(ROS)对信号传导很重要，正常情况下生物体内的抗氧化系统(包括抗氧化剂和抗氧化酶)能够及时清除细胞内多余ROS，并维持其动态平衡 [ 22 ] ；CNMs能够诱导ROS的产生，当ROS大量累积超过生物体抵御能力时，ROS无法被及时清除，此时生物体内发生氧化应激反应，导致脂质、蛋白质和核酸等生物大分子变性 [ 23 ] [ 24 ] 、线粒体损伤甚至细胞凋亡 [ 17 ] 。 生物经不断进化产生了由SOD、POD和CAT等酶共同构建的抗氧化系统，用以抵御生命活动中遭遇的氧化逆境；MDA是脂质过氧化的主要产物，在植物生理研究中常通过测量MDA反映氧化损伤的程度。因此SOD、POD和CAT酶常作为植物环境胁迫下响应的指标。 本研究显示，GO胁迫下，水稻和小麦的SOD、POD和CAT酶均被激活，且随GO浓度增加，SOD均呈现先上升后下降，POD酶活性表现出先上升后下降而后上升的趋势，CAT呈上升趋势；三种酶产生差异的原因，可能与其各自的作用机制有关。SOD、POD可以将ROS还原为羟基，在催化过程中生成的H 2 O 2 可由CAT分解，避免氧化损伤。本实验结果表明，小麦的激活程度不如水稻显著，CAT的浓度效应并不显著。SOD、POD产生波动变化的原因可能为在中低浓度GO胁迫下，虽然GO进入细胞后通过膜损伤等作用引起ROS升高，但由于GO浓度较低，所表现出的毒性作用并不强烈，SOD、POD可以正常抵御氧化应激，表现出良好的剂量–效应关系，当暴露于高浓度GO下，GO已严重影响细胞，干扰到细胞正常生命活动，进而导致SOD、POD的转录和表达过程受抑制，SOD、POD不足以抵御氧化应激现象，导致细胞大量死亡，Ershova E S等 [ 25 ] 也观察到碳纳米材料对DNA的损伤作用，在进行C60衍生物对人胚肺成纤维细胞的毒性试验时发现，C60可与使转录因子NF-kB的活性增加，并发现细胞DNA出现断裂现象；Ghosh M等 [ 26 ] 在进行洋葱球茎的MWCNTs胁迫培养也发现，经处理后的洋葱细胞内观察到DNA碎片和核间体DNA片段，并通过随机扩增多态性DNA标记法实验测量基因组稳定性后得出45%的被测引物表现出基因组不稳定性，因此我们可以发现，GO在导致植物细胞产生氧化应激的同时，还可能表现出了遗传毒性。 同时本实验中MDA、CAT总体表现出上升趋势，POD、CAT浓度变化这表明两种植物在GO胁迫下均产生了氧化应激现象，并表现出明显的剂量–效应关系。随GO浓度提高，植物细胞内ROS含量持续上升，细胞需要产生更多的CAT分解催化过程中产生的H 2 O 2 ，但随着GO随浓度提高表现出越来越强的毒性作用，细胞受氧化损伤程度不断增加，抗氧化系统不能有效清除过量ROS，脂质过氧化产物MDA得到了不断地积累，含量随浓度增加而升高。Jing Chen等 [ 27 ] 研究碳纳米点对玉米的毒性作用后发现，碳纳米点在高浓度下显著降低玉米根茎鲜重，发现玉米细胞内H 2 O 2 含量和脂质过氧化程度显著提高6.5倍和1.65倍，SOD、CAT活性大幅提高，表现出氧化应激现象；Begum等 [ 18 ] 曾进行过一系列CNMs植物胁迫实验用以探究CNMs的致毒机制，通过拟南芥的石墨烯胁迫培养，发现石墨烯胁迫下拟南芥体内ROS含量较对照组相比增加3.3倍，产生氧化应激；在他红菠菜多壁碳纳米管胁迫实验中发现，15 d内处理组ROS含量上升、生长抑制、细胞死亡等现象，当向处理组加入抗坏血酸后，ROS含量及生长抑制等不利现象得到缓解，从而证明CNMs对植物细胞致毒机理为氧化应激作用 [ 28 ] 。
system: [SYSTEM]

user: 5. 结论 1) 低浓度GO胁迫会对水稻和小麦起到一定的促进作用，具体表现为促进根茎伸长、促进鲜重增加以及促进植物吸水；高浓度GO胁迫对二者表现为抑制作用，且表现出明显剂量–浓度效应，表现为发芽率降低、抑制根茎伸长以及促使细胞死亡等。 2) GO胁迫对于植物的抑制作用体现为氧化应激，随GO浓度升高，GO引起细胞内ROS含量不断上升，并同时破坏细胞内部抗氧化系统，最终在高浓度GO暴露下植物细胞抗氧化系统彻底被破坏，ROS大量积累，最终导致细胞死亡。 3) 不同种类的植物对GO胁迫有着不同的耐受性，在本实验中，水稻在GO胁迫下的表现要强于小麦，其发芽率、电解质泄漏率等指标的变化幅度要小于小麦，水稻细胞在GO胁迫下表现出较好的耐受力，这也为我们在日后探究在GO污染场地种植高耐受作物或利用高耐受植物进行富集提供了新的思路。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 本文是在铁路局集团公司完成公司制改革的基础上，借鉴国内外典型铁路企业及我国可比行业中典型企业的公司治理经验，结合铁路总公司改革要求及铁路局集团公司实际情况，探讨了铁路集团公司现代企业法人治理结构建设中遇到的难点问题，论述了网络型产业特征对铁路集团公司现代企业法人治理结构的建设影响，提出了铁路集团公司现代法人治理结构的建设的若干措施建议。 关键词 :铁路集团公司，公司治理结构，企业法人制度 Copyright © 2019 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 现代企业制度的建设将为铁路企业调整布局结构、优化资源配置、创新管理体制和运行机制带来新的机遇。铁路局集团公司构建现代法人治理结构具有复杂性，其治理结构的改革长期滞后于其他基础性产业既与企业自身因素有关也与行业特色有关。保持铁路路网的完整性、要求运输统一调度指挥、以及采用“总公司–铁路局–基层站段”三级运输管理架构等均对铁路集团公司现代企业制度的构建产生重要影响。现代公司法人治理结构的构建包括组织架构的完善、职能权限的明确、激励约束机制的优化及相关制度的建设等。目前，铁路集团公司建设现代企业制度处于实践推进之中。本文借鉴了国外典型铁路企业及我国基础性产业的治理实践模式，分析了铁路集团公司实际治理难点，提出了完善铁路集团公司经营管理和运行机制的相关建议。
system: [SYSTEM]

user: 2. 铁路集团公司建立现代企业法人治理结构的难点探讨 铁路集团公司在建设现代企业法人治理中存在一些棘手问题，这些问题既要从理论层面进行探讨更要从实践层面加以借鉴。铁路是由关联性很强的各部分构成的复杂体系，铁路网络特性、统一调度指挥属性、运输生产的高度协调性、企业公益性与经营性混合特性等对现代企业法人治理结构的影响，以及铁路集团公司内部的组织架构、权力配置、决策程序，信息沟通、行为规范等均需要进行实践性的研究探讨。 2.1. 铁路网络结构是铁路集团公司构建现代企业法人治理结构的基础 铁路网络的各组成部分之间要密切协作以发挥网络的整体功能。由于铁路技术联系更强，各部分协作要求更高，长期以来采用的是网络一体化模式 [ 1 ] 。但人们发现不同的网络结构对铁路企业的效率产生不同的影响。因此，各国不再基于网运一体的模式，开始尝试采取多种网络结构模式 [ 2 ] 。如日本，铁路客运业务具有区域特征，于是就按区域划分形成区域网络结构并建立了区域客运公司。美国货运业务不具备区域特性，因此继续采用整体网络结构，由此建立了全国性的货运公司。可以看出，如果运输业务是全国性的但采用的却是基于区域网络结构上的运输业务的划分，则因各区域网络独立性不够，负责区域运输的铁路公司还需要由更高一级的机构全面协调，包括统一调度指挥、对统一清算收入，这增加了每个公司的不可控因素，制约了以产权明晰、业务界定清晰为要求的现代企业法人治理结构的建设。 现代企业法人治理结构要求企业明确董事会、监事会、经理层和党组织等各治理主体的权责边界，但铁路网络结构不当会使这一界定较为棘手。公司业务边界不清容易导致公司组织边界、职能不清，会给公司治理带来困难。铁路具有的网络结构特性使得铁路集团公司的现代企业法人治理结构建设具有明显的复杂性。 二十世纪九十年代，在网运合一的网络结构下，德国铁路为改善公司治理结构，先后进行了17次尝试但均未达到改革预期，直至网运分离及业务组织重构后，才形成了权责分明、相互制衡的三会制度，公司治理结构才得以改善。网络结构的改变，使得董事会和监事会的职权得以明确界定 [ 3 ] 。法国铁路公司(SNCF)在网运一体化时，企业长期亏损。1997年网运分离后，法铁公司改制为以铁路运输业务为主业的股份制公司，网运分离后其公司治理结构的建设明显加快，董事会职能权限得到了明确界定与落实，并且形成了一系列详细的制度加以规范。同样，JR东日本公司自采用了以区域为主的网络结构后、形成了客货分离的组织架构，公司治理结构发生了显著改变，独特平行的双会制彻底改变了以往职责不清的治理结构 [ 4 ] 。 2.2. 基于业务建立的组织架构是铁路集团公司构建现代企业法人治理结构的前提 企业法人治理结构建设的一个前提是需要有一个合理的公司组织架构。而组织架构的建立需要依托公司的业务。组织架构的合理性就是指各组织的业务边界要尽可能清晰，交叉重叠部分尽可能少。目前，铁路局集团公司采用的“铁路一张网”下的“总公司–铁路局–基层站段”三级运输管理架构，不足之处是组织架构调整的空间有限，对公司治理结构的建设会产生影响。 1994年至1998年，德国铁路虽然建立了董事会和监事会的公司治理结构，但形同虚设，多次改革也没很好地解决这一问题，鉴于此，1999年至2006年，德国铁路采取了将运输业务与基础设施建设维护业务相互分离的导致的网运分离的改革，网运分离后，形成了负责运输服务的公司以及负责基础设施建设维护的公司，重要的是这两个公司的组织架构都发生了较大的改变，基于业务不同形成了5个完全独立核算的子公司，各公司组织架构的优化，理顺了生产与管理职能，政府也因此减少了干预，原来形同虚设的董事会与监事会的双重治理结构显示出了实效。组织架构调整后，监事会在实行其职权时出现的诸如缺乏足够的信息、董事会和监事会缺乏密切合作以及董事会监事会职能还不够具体明确等一系列公司治理中的常规问题，都逐一得到了解决。可以说，基于业务的组织架构调整，明确了公司的业务与组织边界，政府微观层面上的干预也大幅度减少，公司治理结构因此更加完善 [ 5 ] [ 6 ] 。 2.3. 激励与监督机制是铁路集团公司构建现代企业法人治理结构的关键 明确界定公司治理主体的职能权限是现代企业法人治理结构的建设是一个重要方面，但职能权限的有效执行则是另一个重要问题。有效的激励约束机制是保证职能权限有效贯彻的关键、决定着公司治理的运行质量。依据我国3488家上市公司2018年的数据，经本文统计发现，董事会、监事会与经理层成员合计薪酬平均值是454万，其中前三名的人均酬薪是66万。我国铁路集团公司高管成员还达不到这个平均激励水平，它与我国铁路一体化的网络结构有关，需要统一的清算机制，除此之外，公司内部的绩效指标的设置也有一定的不足。铁路集团公司都在各自区域内经营铁路，因地理位置、客流特征等不同造成彼此之间的绩效指标可比性有一定的局限性，在没有外部市场参考的条件下，增加了企业内部绩效指标设计的难度。铁路绩效指标的先天不足会造成短期激励过度而长期激励不足的问题，无法通过多样化方式实现公司高层分享业绩长期增长的效益。我国铁路现有的网络结构，需要铁路总公司实施统一清算机制，这一清算机制对各铁路集团公司的激励约束机制的构建产生重要的影响。各路局集团公司业务重叠部分越多，清算机制的这种影响力就越大。如果清算机制无法达到准确界定各企业业绩的要求，就会影响各路局集团公司的监督、激励和风险分担行为，间接地弱化了监事会、董事会对经理层的激励与监督，影响了公司治理结构的运行质量。 同属于网络产业的中国电信公司，具有多年公司治理的实践经验，即使这样，到目前为止，还存在着董事和股东之间、董事会授权经理、监事会职能落实等公司治理运行质量问题，完善激励机制是该公司下一阶段明确提出的重点任务 [ 7 ] 。大型国有企业中石化在总结近期公司治理改革经验时特别指出党组与董事会、决策层与执行层的职能落实问题仍是目前最为突出的治理问题，该公司提出的解决方案是完善董事会和董事评价与考核工作机制、建立对经理层的考核制度、推进职业经理人制度，这些都是企图改善公司的激励与约束机制来提高公司治理结构水平 [ 8 ] 。以交通网络为基础进行客货运输服务的东方航空公司和南方航空公司，是多年的上市公司，长期接受证监会规范的公司治理指导。在它们最近公布的公司治理新目标中，将落实监事会等职能看作是头等大事，并认为完善激励约束机制是关键 [ 9 ] [ 10 ] 。
system: [SYSTEM]

user: 3. 铁路集团公司建立现代企业法人治理结构的措施建议 铁路集团公司现代企业法人治理结构的建设原则是：企业法人治理结构应具有全面性、适应性、有效性和连贯性。治理结构建设的目标应是：产权清晰、权责明确、协调运转、有效制衡。治理结构建设的内容应形成完整的公司制度体系。这需要针对实践中的难点问题，在借鉴国内外经验，考虑铁路网络结构特点，对铁路局集团公司的组织架构、企业法人治理结构等方面提出若干建议。 3.1. 铁路网络结构与铁路集团公司组织架构调整方面 网络结构是铁路企业赖以生存的基础，是建设公司治理结构的基础。网络结构是否保持稳定，基于网络结构的业务(基础设施建设维护、运输以及子业务等)是否可以细分是需要首先加以明确的。目前，针对我国网运合一区域划分的特点，在保持铁路三级组织架构的基础上，依据细分业务边界的清晰性，铁路集团公司应研究内部各业务划分是否合理，是否可以基于业务对相关组织进行优化调整等 [ 11 ] 。从激励与组织协调的角度看，组织不宜过细，但如果两个组织的业务关系十分密切则可以考虑组织合并，以减少铁路集团公司交叉业务，使组织间的分工更加明确，业绩评价更为合理，责任更加到位。基于业务的组织架构的调整是提升组织协调性与激励性的重要环节，是建设公司治理结构的前提。 3.2. 铁路集团公司的监事会与董事会治理方面 铁路集团公司的组织架构确定后，需要进行各组织责权利的界定。集团公司公司治理内容很多，但建议优先关注董事会监事会的建设。明确董事会及下属各组织单位的职能并通过一系列制度文件加以规范。公司治理建设应确保董事会对公司的战略指导和对管理层的有效监督。明确董事会的主要职能是负责为股东获取回报、防止公司各方的利益冲突、为员工、债权人、客户、供应商和地方社区等利益相关者谋求最佳利益。董事会成员必须做出客观、独立的判断，平衡各方面对公司的要求。董事会应保证公司遵守环境和社会标准，以公司利益为主但要兼顾社会利益。铁路集团公司是大公司，核心领导层有着很大的行政管理权力，权力需要得到监控，监事会发挥着重要的监控作用。监事会负责对董事会的评价，要做到严肃、公正。为使监事会充分发挥其职责，监事会规模不能太大，人数规模越大效率越低，但人数越小也容易导致成员关系过于密切。监事会成员要保证独立性，防止利益倾向，影响公正判断。监事会报酬应由监事会成员完成的工作量而不是企业的业绩来决定。监事会应做到系统性地跟踪监控，这样公司重要制度才能有效执行。 明确铁路集团公司治理主体的职能边界及权限要求。董事会、监事会职能权限得到明确后，就能更好地推动公司其他治理主体的职能边界的建设。建设中，要注重使各治理主体得到充分尊重、所赋予的权限应得到有效利用，保证履行权力的独立性、权力执行的有效性。避免彼此之间的职能权限的冲突和防止董事会与监事会之间出现监管真空问题。要给与足够的资源，使职权使用保持充分的独立性。要强化执行力与惩罚力，必要时建立专业化组织，如董事会或监事会下属的专门机构。当监管范围扩大，难度与复杂性增加时，应及时补充监管资源，提高监督调查能力。 3.3. 铁路集团公司的激励与监督机制建设方面 企业运行的好坏，是看企业是否有一支有竞争力和持久稳定的团队。目前，国内很多优秀企业尝试在激励机制方面进行创新与突破，比如非常注重经理层的发展空间，建立多样化及长效激励机制，保障董事会或管理层成员在为公司努力奋斗的过程中享受公司长期业绩增长带来的经济效益 [ 12 ] [ 13 ] 。短期激励主要由成员基本薪资、绩效奖励或提成等构成。长期激励则分绩效指标和支付架构两大部分。最终将综合评价结果与成员奖金挂钩，体现出激励与责任及风险的关联性。建议铁路集团公司采取灵活的激励机制，短期激励与长期激励并用，使各治理主体成员能积极利用好自己的权力，忠实履行自己的职能，并因此享受公司业绩增长带来的效益。监事会成员则需要采用与其工作量有关而不是与企业业绩有关的薪酬机制。 铁路集团公司监管机制与信息平台的建设。激励机制与监管机制相辅相成，在激励机制达不到的空间，需要监管机制跟进，及时检查公司的监管机制是否有效，重点完善事后监管和惩罚机制的权威性，防止软约束现象。 通过互联网及信息技术的建设，提升企业管理水平。降低信息不对称性，企业各项业务及运行信息可以通过互联网信息平台共享，使得管理层获取信息的成本显著降低。互联网信息平台建设也能改变资源配置流程。管理层能够更实时更直接地获取业务单位服务信息，评估业绩，监督公司运行情况，有效的监管是离不开信息共享平台的构建。 3.4. 铁路集团公司治理制度框架建设方面 公司治理的制度框架是在给定组织架构和治理结构下，为保证企业治理运行流畅高效而建立的一系列规则制度。公司治理制度建设要做到完整性、全面性，为保证制度的有效贯彻，公司治理制度建设的另一个重要衡量标准是制度应体现激励相容与目标的一致性 [ 14 ] 。有些公司组织架构、治理机制制度都建立起来了，但执行时却打了折扣。因此铁路集团公司治理制度框架的建设，既要保证所建立的制度的全面性，还要防止所建立的制度落实不到位或执行效果差的情况出现。
system: [SYSTEM]

user: 4. 总结 总之，公司治理是企业的根基，公司治理不仅仅是厘清各方职能权限，还有一套运行机制，是结合所处的实际环境和自身特点，而建立的治理模式，企业价值的持续提高，根本上依赖企业正确的治理，特别是市场经济环境不太成熟的企业就更依赖于正确的治理。铁路集团公司构建现代企业公司治理结构不是一步到位的，需要借鉴国内外成熟经验，结合铁路网络特征，在厘清业务边界基础上重建组织架构，重点明确与落实董事会监事会的职能权限，改善激励机制，加强信息平台建设与提升监管水平等方面系统地展开公司治理的建设任务。随着市场机制、国家政策及相关配套制度的完善，铁路集团公司治理结构也应随之调整更趋完善。因此建议成立集团公司制度研究办公室，密切关注影响集团公司各项制度的外部因素的变化趋势，关注国内外及本集团公司治理结构运行中的具体问题与经验，分类总结解决问题的措施，为集团公司建设持续正确的公司治理结构提供保障。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 光子晶体是一种介质随空间周期性变化的新型材料，其光子禁带可以阻断电磁波的传播，在红外隐身技术的应用中作用广泛。本文分别介绍了光子晶体在热红外隐身、宽频隐身、红外多波段兼容隐身、自适应红外隐身中的作用及其发展历程。并通过分析光子晶体红外隐身应用中的研究现状，对其的发展提出一些建议。 关键词 :光子晶体，红外隐身，光子禁带，大气窗口，反射率 Copyright © 2019 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 红外探测技术主要通过目标的红外辐射特征发现和识别目标(其工作波段主要存在于3~5 μm和8~14 μm)。随其发展，红外探测技术对战场上军事目标的威胁越来越严重，迫切需要新型红外隐身材料的出现。红外隐身材料是通过降低或改变目标的红外辐射特性，从而控制目标的红外辐射特征，实现对目标的低可探测性，最终使红外探测器无法探测或识别目标。光子晶体是一种很有前途的红外隐身材料，因为它能在一定的频率范围内阻止电磁波的传播。
system: [SYSTEM]

user: 2. 光子晶体的基本特性 光子晶体是一种介电常数随空间周期性变化的人工结构，它的概念是在1987年由贝尔通讯研究所的Yablonovitch [ 1 ] 和林斯顿大学的John [ 2 ] 分别独立提出的。 光子晶体最根本的特性是光子禁带，当电磁波在光子晶体中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，形成类似于电子的能带结构，即光子能带。在光子能带之间存在使某频率的电磁波完全不能通过的频率区域，即光子禁带或光子带隙。光子禁带的存在可以控制自发辐射，自发辐射的概率与光子此频率态的数目成正比，当光子晶体中光子的自发辐射光频率落在光子禁带中时，由于该频率光子态的数目为零，自发辐射几率为零，自发辐射会被完全抑制 [ 3 ] 。 光子晶体的另一个重要特性是光子局域。1987年，John [ 2 ] 提出在介电材料组成的超晶格(即光子晶体)中，如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，光子禁带中会产生相应的缺陷能级，和缺陷态频率相吻合的光子可能被局限在缺陷区域，一旦其偏离缺陷处光子态数目就会迅速衰减，这个缺陷就称作光子局域。 光子晶体中还存在反常折射现象。美国的Dowling [ 4 ] 在1994年用一维Kronig-Penney模型得到一维光子晶体的色散关系，由此预测在一维光子晶体中存在着反常折射现象。近年来，科学家对光子晶体的反常折射现象展开了研究，实验中光在进入光子晶体发生折射时，折射光不是偏向于法线方向，而是偏向于界面方向，证明了光子晶体中反常折射现象的存在。 由于这些独特性质，使光子晶体可以在高温目标的热红外隐身、红外宽频隐身、红外多波段兼容隐身、自适应红外隐身中起到其他隐身材料难以达到的理想效果。本文将从这几个方面介绍光子晶体在红外隐身应用中的基本原理和研究进展。
system: [SYSTEM]

user: 3. 光子晶体应用于目标的热红外隐身 现代化战场上红外探测器的广泛使用使得红外隐身在隐身技术中愈加关键。红外探测器通过收集目标的红外辐射来发现和识别目标，而目标的红外辐射强度主要取决于目标的热力学温度和表面发射率。目标的热力学温度主要跟其工作状态有关，很难人为改造，所以研究主要是通过降低目标的表面发射率来控制目标的红外辐射。一般红外探测主要针对于3~5 μm和8~14 μm两个波段，这就要求红外隐身材料在3~5 μm和8~14 μm两个红外波段具备高反射率、低透射率的性质。利用禁带位于3~5 μm和8~14 μm两个波段的光子晶体可以有效减少红外探测器可探测到的辐射，并将辐射能量转变为不容易被探测到的波段的能量，由此来实现红外隐身。下文将分类介绍一维和三维光子晶体在热红外隐身中的应用进展。 1) 一维光子晶体在热红外隐身中的应用进展：一维光子晶体是一种层状结构，制备简单且性能优异，对红外辐射有良好的抑制作用。1997年，Djuric等 [ 5 ] 基于详细的理论分析设计了具有供体和受体缺陷的一维硅(Si)/二氧化硅(SiO 2 )光子晶体材料，该结构由6个Si/SiO 2 结构周期性排列构成，在3.5~4.5 μm波段的红外辐射透射率几乎为0。1998年，Fink等 [ 6 ] 实现了一维光子晶体的全反射。这种一维光子晶体是由聚苯乙烯((C 8 H 8 ) n )和碲(Te)交替构成的，而且这种材料可以通过设计改造得到不同波段的禁带，简单利用(C 8 H 8 ) n 和Te交替的结构便可得到在10~15 μm红外波段的全向反射镜。2001年，Temelkuran等 [ 7 ] 利用聚乙烯((C 2 H 4 ) n )和Te制备出全反射一维光子晶体，在4.5~5.5 µm和8~12 µm红外大气窗口波段对任意偏振态实现了全反射，如图1所示。 图1. 一维光子晶体样品的计算(虚线)和测量(实线)反射率(引自文献 [ 7 ] ) 2004年，Drupp等 [ 8 ] 利用铝(Al)和聚酰亚胺基底制备出双波段红外单层金属介质光子晶体，在中远红外波段拥有优异的禁带效果。同年，Yu等 [ 9 ] 使用金属材料银(Ag)和氟化镁(MgF 2 )设计制备的一维金属电介质光子晶体，在可见光和红外波段的吸收性能得到了很大的提高，而且吸收率随着光子晶体的周期数增加而增大。2007年，Wang等 [ 10 ] 将光子晶体结构引入到氧化处理的多孔硅中制备出一种具有良好隔热性能的一维部分氧化多孔硅光子晶体结构，其具有中心波长在3 μm波长处，禁带宽度为1.3 μm的光学带隙。2008年，刘必鎏等 [ 11 ] 利用硒化镉(CdSe)、SiO 2 设计出的一维光子晶体，在3.14~5.57 µm和8.16~13.96 µm的光谱反射率都大于95%。2014年，Zhang等 [ 12 ] 采用锗(Ge)和硫化锌(ZnS)交替沉积成设计的一维异质结构光子晶体，在3~5 μm和8~14 μm两个波段的平均辐射率为0.046和0.190，而在5~8 μm 波段的平均辐射率为0.579，具有明显的红外低发射率特性且具有一定的选择性。可见，一维光子晶体在近十几年发展极其迅速，技术已经非常成熟，在红外隐身上的应用会愈加广泛。 2) 二维光子晶体在热红外隐身中的应用进展：二维光子晶体在制备上虽然比一维光子晶体复杂，但却比三维光子晶体简单很多，而性能上的很多方面可以比拟三维光子晶体，所以二维光子晶体在红外调制性能上比一维光子晶体更加优异，但生产制备上又不会过于复杂。早在1999年，红外探测器还没有在战场上得到广泛使用时，Rowson等 [ 13 ] 就对二维光子晶体中红外波段反射特性的影响因素进行了研究，并利用大孔径硅设计制备出一种二维三角晶格光子晶体(如图2)，并且在中红外波段拥有高反射率。 图2. 二维三角晶格光子晶体示意图(引自文献 [ 13 ] ) 2004年，Kuriki等 [ 14 ] 对聚醚砜树脂(PES)和三硒化二砷(As 2 Se 3 )使用气相沉积法制备出中空多层光子晶体纤维。实验发现单根直径为400 μm的纤维在3~3.7 μm波段的反射率接近100%，而单根直径为200 μm的纤维在1.4~1.7 μm波段的反射率接近100%。 3) 三维光子晶体在热红外隐身中的应用进展：虽然一维、二维光子晶体制备相对简单且在红外隐身应用上技术愈加成熟，但三维光子晶体才是未来光子晶体红外隐身技术的核心材料，其三维结构对任意方向入射的电磁波都能实现理想调制。早在1991年，Yablonovich [ 15 ] 就在实验室中设计制备出一种三维光子晶体。1998年，Lin等 [ 16 ] 先将高折射率多晶硅进行激光刻蚀制成栅栏状，再将其层层堆积制备成木堆结构光子晶体，它在10~14.5 μm波段拥有一条很宽的光子禁带，当光多个角度入射时，其反射率均可以达到90%。2000年，Lin等 [ 17 ] 先在Si基板上放置一片三维光子晶体薄片得到实验所需的样品，然后对样品进行液氮制冷(77K)，再让其升温至410K，最终使用红外光谱仪对样品进行实验测试。结果表明，样本对10~16 μm波段的热辐射有显著抑制，同时加强了5~9 μm波段的热辐射能量，如图3所示。 图3. 不同层数的硅和三维光子晶体的热发射光谱(引自文献 [ 17 ] ) 2002年，Fleming等 [ 18 ] 研究设计出新型宽带隙三维光子晶体，它能够理想的实现对远红外8~20 µm波段的辐射抑制作用。2003年，Lin等 [ 19 ] 设计制备了木堆结构的金属W三维光子晶体。在其禁带波段3~10 μm的热辐射特性会被显著抑制，而能带波段1.5~1.9 μm的热辐射特性被显著增强。2005年，Enoch等 [ 20 ] 先用抛光硒化锌(ZnSe)做基底，利用气相沉积法和激光刻蚀法将金(Au)、ZnSe支撑栅栏片层状，在7~12 μm红外波段表现出良好的热辐射控制性。2010年，Li等 [ 21 ] 先通过溶剂蒸发对流自组装法制备得到SiO 2 胶体晶体，再采用低压化学气相沉积法填充Si，制备得到Si反蛋白石(opal)三维光子晶体。它具有明显的光学反射峰，表现出光子禁带的效应，在3.32 μm处实现了全反射。2013年，Arpin等 [ 22 ] 以SiO 2 为模板，通过原子层沉积W和化学气相沉积硼化铪(HfB 2 )制备出的三维金属光子晶体，可以有效抑制2~5 μm波段的红外辐射。2017年，张连超等 [ 23 ] 通过优化的垂直沉积法，将微米级SiO 2 胶体微球自组装成高质量的蛋白石型光子晶体结构。其光子禁带中心波长分别为3.2 μm和9.0 µm，禁带宽度分别为0.7 μm和1.9 µm，较好的满足了红外隐身的要求。
system: [SYSTEM]

user: 4. 光子晶体应用于红外宽频隐身 对于红外隐身而言，实现红外波段的宽频隐身，可有效降低目标的红外可探测性。因此，拓宽红外禁带宽度是红外隐身的一个重点，也是光子晶体在红外隐身应用中的一个重点。影响光子晶体带宽主要有三个因素：光子晶体的空间结构分布、介电常数比值、光子晶体的几何结构。因此现在拓展带宽的方法主要是在光子晶体中引入新的材料(超导体、等离子体、无序成分等)和改变其周期性结构两种。 2002年，Wang等 [ 24 ] 通过将两个不同禁带的一维光子晶体叠加在一起实现了两个光子晶体禁带的合并拓宽，如图4所示。 图4. 叠加后的光子晶体拓宽光谱图(引自文献 [ 24 ] ) 图5. 双周期异质结构光子晶体反射图谱(引自文献 [ 25 ] ) 2008年，赵大鹏等 [ 25 ] 利用异质结构法将Te和(C 2 H 4 )n材料制备成了中远红外双波段全向反射镜(一维光子晶体)，它在3.4~5.3 μm和7.9~12.2 μm波段实现了对任意偏振态的全反射。并通过改进材料的填充比，将其全向反射的波段拓展为3.4~5.4 μm和8-12.5 μm，如图5所示。 2011年，Kong等 [ 26 ] 通过在一维新型三元光子晶体结构中引入等离子体，实现禁带的拓宽。 2012年，Zhao等 [ 27 ] 先选用碲化铅(PbTe)和MgF 2 分别制备了中心波长为10.6 μm、4.8 μm、2.5 μm和1.06 μm的一维光子晶体，后将四种光子晶体复合制备出了新的光子晶体，它在1~18 μm波段获得了近100%的反射率，很好地满足了全红外波段隐身的要求。 同年，Hung等 [ 28 ] 通过在光子晶体中添加金属层或构建异质结构拓宽了光子晶体的红外禁带，它通过在Si/SiO 2 周期性排列的一维二元光子晶体中掺杂15 nm的Al金属层(其中Si的折射率由Si的掺杂浓度来控制)，或通过层叠两种或更多的普通二元光子晶体结构构建异质结构，从而得到极宽的光子禁带，图6为50个周期的三种不同厚度比的Si/SiO 2 异质结构光子晶体的反射光谱图。 图6. 异质结构光子晶体反射光谱图(引自文献 [ 28 ] ) 2016年，张继魁等 [ 29 ] 设计出一种具有“光谱挖空”特性的一维光子晶体。它基于薄膜的传输矩阵法和异质结构理论，拓展了光子晶体的禁带宽度，使之覆盖近中红外波段；随后，利用掺杂原理，在光子晶体周期结构中引入了两种缺陷。结果显示，在1~5 μm的带隙中出现了波长分别为1.06 μm和1.54 μm的缺陷模，反射率分别为1.21%和1.79%，实现了近中红外与1.06 μm和1.54 μm激光兼容隐身。2018年，Amri等 [ 30 ] 设计出Si/六甲基二甲硅醚(HMDSO)交替层的无机/有机一维光子晶体(如图7所示)。采用射频磁控溅射法制备无机硅，用PECVD技术沉积有机HMDSO。在1.08~1.99 μm红外波段内存在低发射率，禁带宽度可达0.91 μm，如图8所示。 图7. Si/HMDSO交替分布的一维光子晶体结构示意图(引自文献[ 30 ]) 图8. 掺杂不同厚度的Si层后得到的具有双缺陷一维光子晶体结构示意图(引自文献 [ 30 ] ) 同年，Kang等 [ 31 ] 设计了一种含石墨烯基双曲超材料(GHMM)的一维光子晶体，其在中红外波段具有较大的带宽和吸收率。
system: [SYSTEM]

user: 5. 光子晶体应用于红外兼容隐身 现代战场上雷达、激光、红外等先进探测器和精确制导武器的多样化发展，对战场上人和武器的安全是一个严峻挑战，因此战略性隐身不能仅限于单波段，还要满足多波段兼容隐身的要求 [ 32 ] 。兼容隐身即多种功能性隐身之间的相互兼容，它一般包括雷达隐身、红外隐身和激光隐身三种隐身的兼容。而现在的兼容隐身工艺主要是将具备单一隐身功能的传统型隐身材料或涂料相结合，过程繁杂且具有局限性。而光子晶体作为一种光谱可以选择性控制的新型材料，可以为兼容隐身提供一个新的途径。 5.1. 红外与激光兼容隐身 激光探测是一种主动探测，通过探测己方发出的激光的回波来发现和识别目标的，常用的军用激光器工作波长为1.06 μm和10.6 μm。这就要求隐身材料在这两个波段具有高透射率低反射率。而红外隐身要求隐身材料在3~5 μm和8~14 μm两个波段具有高反射率低透射率。这个矛盾使得红外隐身与激光隐身的兼容成为了一个难题，而传统的隐身材料无法解决这一难题。不过光子晶体的出现有望解决这一难题。其光子带隙特性可以实现红外的高反射率，而光子局域特性可以实现激光波长的低反射率，如果在光子晶体红外波段高反射率的基础上进行“光谱挖空”，便能使其在1.06 μm和10.6 μm两个波长处实现低反射率。 2007年，高海潮等 [ 33 ] 通过调控光子晶体的周期数、介质层厚度、掺杂层位置和厚度对一维掺杂光子晶体实现了“光谱挖空”。使光子晶体应用于激光与红外兼容隐身成为了现实。2009年，刘必鎏等 [ 34 ] 设计的掺杂ZnSe的CdSe/SiO 2 光子晶体能够很好的满足热红外与1.06 μm或10.6 μm激光隐身兼容的要求。2010年，高永芳等 [ 35 ] 通过“光谱挖孔”设计的一维掺杂光子晶体，在10.6 μm处反射率几乎为0，在远红外波段反射率接近1，可良好的实现远红外和10.6 μm激光的兼容隐身。2011年，Zhao等 [ 36 ] 将PbTe和六氟铝酸钠(Na 3 AlF 6 )材料交替镀膜制备出的周期双异质结一维光子晶体，在1~5 μm和8~14 μm两个波段的反射率高达99%以上，并且在1.06 μm和10.6 μm激光波长的透过率可达96%以上，如图9所示。 2012年，高永芳等 [ 37 ] 通过“光谱挖空”设计出的一维掺杂光子晶体，可实现远红外和10.6 μm激光的兼容隐身。2016年，Wang等 [ 38 ] 将Si引入交替排布的Ge/ZnSe薄膜中，取代其中某一层Ge作为缺陷层，成功制备出一种基于一维光子晶体的缺陷模式的涂层，在8~14 μm中远红外波段具有高反射率，并在10.6 μm波段具有高透射率，实现了中远红外与CO 2 激光的兼容隐身，如图10所示。 图9. 多周期双异质结构一维光子晶体反射率光谱图(引自文献 [ 36 ] ) 图10. 一维光子晶体的反射光谱(引自文献 [ 38 ] ) 同年，Chao等 [ 39 ] 采用真空镀膜的方法，在硬质Si和柔性塑料基片上制备了光子晶体薄膜。设计了适用于远红外和激光兼容伪装的光子晶体薄膜，并利用薄膜光学理论，采用特征矩阵法计算了它们的反射光谱。其在8~14 μm中远红外波段都能很好地达到红外与激光的兼容隐身。同年，Miao等 [ 40 ] 在硅片上交替沉积Te、ZnSe和Si材料制备出的掺杂光子晶体，在10.6 μm激光波长处反射率为28.0%，而在3~5 μm、5~8 μm、8~14 μm波段的平均自发辐射率分别为8.5%、45.0%、28.1%，在兼容红外和激光隐身应用方面表现出了显著的优势。 5.2. 红外与雷达兼容隐身 雷达探测通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此来发现和识别目标。因此雷达隐身技术的关键就是要求隐身材料对入射的雷达波低反射、强吸收，即需要隐身材料具有低反射率，高透射率。这与需要高反射率的红外隐身材料产生了矛盾。目前实现雷达与红外兼容隐身的主要方法是将两种隐身材料相互叠加，而这种方法有很大的局限性 [ 41 ] 。而光谱可以选择性调控的光子晶体就有望解决这一难题。2014年，Wang等 [ 42 ] 设计了由Ge/ZnS交替组成的4个介质层厚度不同的异质结构的光子晶体，制备出一维双异质结构材料，实现了在3~5 μm和8~14 μm的极高反射率，如图11所示。并且这种材料与微波吸收材料组合时，在雷达波段存在高透射性，可以实现红外-雷达兼容隐身，如图12所示。 图11. 双异质结构的反射光谱图(引自文献 [ 42 ] ) 图12. 光子晶体在雷达波段的透射光谱图(引自文献 [ 42 ] ) 2017年，Zhang等 [ 43 ] 利用Ge、ZnSe和Si制备的一维光子晶体，实现了8~14 μm波段和10.6 μm激光波长的兼容隐身；然后将其与雷达吸波材料(Ram)相结合，制成一种多波段隐身材料，可实现8~14 μm红外波段、10.6 μm激光波长和雷达波段的兼容隐身。