湖北师范大学 物理与电子科学学院, 湖北 黄石 435002
该文设计并制作了一款简易的拉锥空心光纤的高灵敏度传感器, 通过实验测量了其温度与应力特性。首先利用光纤熔接机在两段标准单模光纤之间熔接一段空心光纤, 再对准空心光纤中间位置进行放电, 同时运用两个步进电机在单模光纤两端施加一定的拉力, 这导致法布里-珀罗干涉仪转换为马赫-曾德尔干涉仪。实验结果表明, 此拉锥过程使光纤传感器的温度灵敏度从理论值0.85 pm/℃提升到69.1 pm/℃, 约提升了81.3倍, 轴向应变灵敏度最高可达3.6 pm/με。该器件具有体积小、结构简单和灵敏度高等特点, 在航空航天、医疗监测等领域具有广阔的应用前景。
温度传感器 应力传感器 空心光纤 拉锥 干涉仪 光纤熔接 temperature sensor strain sensor hollow fiber tapered interferometer optical fiber splicing
1 山东理工大学化学化工学院，山东 淄博 255000
2 北京化工大学化工学院，北京 100029
采用溶胶-凝胶法制备Ba0.95Ce0.8Y0.2O3-δF0.10(BCYF0.10)和Ce0.8Y0.2O2-δ(YDC)陶瓷粉体。通过调节内、外层纺丝液中陶瓷粉体含量，调控中空纤维膜的致密层厚度、2层之间的结合状态及抗折强度，进而实现BCYF0.10-YDC/BCYF0.10-Ni双层非对称致密中空纤维陶瓷膜的共纺丝-共烧结可控合成。当内、外层纺丝液中陶瓷粉体的含量分别为65.7%(质量分数)和44.4%条件下并于1 600 ℃烧结5 h，中空纤维膜致密外层厚度仅为14.5 μm，且层间结合紧密，抗折强度达到168.5 MPa。在900 ℃、管程进料气为100 mL·min-1的50%(体积分数) H2/He、吹扫气速率为100 mL·min-1N2时，中空纤维膜的氢渗透速率达0.54 mL·min-1·cm-2。
双层中空纤维膜 钙钛矿型氧化物 氧化铈 共纺丝-共烧结 double-layer hollow fiber membrane perovskite-type oxide cerium oxide co-spinning and co-sintering
1 1. 国防科技大学 空天科学学院 新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室, 长沙 410073
2 2. 国防科技大学 空天科学学院 材料科学与工程系, 长沙 410073
陶瓷纤维具有密度低、强度高、耐高温、抗氧化和耐机械震动性能好等优点, 是空天飞行器、核能发电和化工冶金等热防护领域所需的关键高温隔热材料。传统陶瓷纤维直径粗(ϕ>5 μm)、脆性大、热导率高, 在实际隔热领域应用中受到了极大限制。减小纤维直径, 制备微纳陶瓷纤维, 不仅有利于提高纤维力学性能, 还有望改善其高温隔热性能, 近年来引起了研究者的广泛关注。从微纳陶瓷纤维中影响热传输(气体热传导、固体热传导和辐射传热)的本征因素出发, 有针对地进行组成和结构优化, 进而改善其高温隔热性能, 是当前微纳陶瓷隔热纤维研究的重点方向。本文结合国内外研究现状, 在介绍微纳陶瓷纤维隔热机理的基础上, 按照纤维的组成和结构特点将目前微纳陶瓷隔热纤维分为三类, 即微纳陶瓷纤维气凝胶、中空/多孔微纳陶瓷纤维和复合微纳陶瓷纤维。对这三类不同特点的微纳陶瓷隔热纤维最新研究进展进行综述, 并展望了微纳陶瓷隔热纤维的未来发展方向。
微纳陶瓷纤维 高温隔热 结构优化 纤维气凝胶 中空纤维 复合纤维 综述 micro-nano ceramic fiber high temperature thermal insulation structural optimization fiber aerogel hollow fiber composite fiber review
1 东北大学 信息科学与工程学院，辽宁沈阳089
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室，吉林长春130033
3 河北省微纳精密光学传感与测量技术重点实验室，河北秦皇岛066004
为了研制结构紧凑、低功耗和本质安全的激光吸收光谱气体检测系统，光子晶体光纤气体检测技术受到广泛关注。通过对光子晶体光纤结构参数的优化，可将90%以上的光场模式束缚在纤芯附近，从而将气体检测的相对灵敏度提升到60%以上，限制损耗降低到10-8 dB/m。对光学模式的调控依赖于纤芯微结构参数和包层光子晶体空气孔的阵列排布的优化，以期获得更高的相对检测灵敏度和更低的光学损耗；接着，针对端头反射式、光纤光栅波长调制型和不同光纤复合型的气体检测技术进行了分析。端头反射式结构最为简单，然而难以保证气体分子的高效交换。结合Bragg光栅和长周期光栅等特种光纤结构可以构建光学谐振腔，有效增强光信号与气体分子的吸收光程。结合不同类型光纤和气体敏感材料的复合光纤结构气体探头的设计，极大地优化了气体传感的选择性和灵敏度等特性。延长光纤至1 m以上，或采用环形嵌入方式可有效增加光程，获得10-12量级的检测限。掺铒光纤的引入可有效补偿光纤环内的光学损耗。最后，分析了多孔环形和柚子型等大空芯直径光子晶体光纤的气体检测性能和未来研究方向。针对光子晶体光纤气体激光光谱吸收检测技术，未来需要在性能优化、系统集成和环境适应性方面开展研究，从而为冶金化工等行业中危险气体实时监测仪器的研制提供技术保障。
光子晶体光纤 气体检测 激光光谱吸收 光纤传感 空芯光纤 photonic crystal fiber gas detection laser spectrum absorption fiber sensing hollow fiber 光学 精密工程
2021, 29(10): 2316
南京工业大学 化工学院, 材料化学工程国家重点实验室, 南京 210009
中空纤维陶瓷膜具有装填密度高, 传质阻力低, 使用寿命长等优点, 被广泛用于膜分离领域。高度非对称结构的中空纤维膜有利于同时实现高通量与高截留率, 本研究采用共挤出法制备双层中空纤维陶瓷复合膜, 内外层纺丝液分别掺杂平均粒径为1 μm和300 nm的α-Al2O3粉体。系统考察了内层纺丝液TiO2掺杂量、外层纺丝液Al2O3/聚醚砜(PESf)质量比和煅烧温度对膜的结构与性能的影响。结果表明, 在内层纺丝液TiO2掺杂量为2wt%, 外层纺丝液Al2O3/PESf质量比为5.60, 烧结温度为1350 ℃的最优条件下, 中空纤维膜断裂负荷为24 N、平均孔径为0.15 μm、去油率为97.5%。
双层中空纤维 共挤出法 TiO2 Al2O3/PESf dual-layer hollow fiber co-extrusion TiO2 Al2O3/PESf
1 分离膜与膜过程省部共建国家重点实验室, 天津 300387
2 天津工业大学环境科学与工程学院, 天津 300387
3 天津市水质安全评价与保障技术工程中心, 天津 300387
膜生物反应器（MBR）具有出水水质好, 占地面积小, 污泥产率低等优点, 但在系统运行过程中膜组件一旦破损将会直接影响系统的出水水质。 以荧光发射光谱响应作为技术手段, 研究了中空纤维膜生物反应器（HMBR）工艺中膜丝纤维破损率、 污泥浓度、 膜组件破损响应时间等指标对于膜完整性监测方法的影响。 结果表明, 采用中空纤维微滤膜组件的MBR处理能有效截留污水中的类蛋白质物质（C1）, 而对类富里酸物质（C2）, 类腐殖酸物质（C3）截留性能较差。 基于此, 提出主要以Ex/Em为230/335 nm的紫外区类色氨酸物质荧光峰作为检测指标, 以荧光截留变化指数（fi）作为膜组件完整性的判定方法； 以Ex/Em为330/415 nm的类腐殖酸荧光峰与紫外区类色氨酸物质荧光峰比值变化作为参比指示因子（Ri）, 用以指示系统检测结果的准确性。 针对最低检测精度θ, 发现MBR内污泥浓度对于膜组件破损的基准判定存在影响。 不同污泥浓度的MBR-1池至MBR-5池荧光截留变化指数fi分别为12.4%, 3.7%, 13.9%, 15.9%和15.8%, 参比指示因子Ri分别为1.87, 1.92, 1.35, 2.19和2.69均大于最低检测精度下的指示因子Rθ, 可有效反映膜组件破损情况。 随着膜组件中膜纤维破损根数的增加, 荧光截留变化指数fi随之增加, 并且在膜组件运行时可快速识别破损信息, 响应速度快。 同时发现随着MBR运行时间的延长, 污泥会通过膜组件破损处进入膜丝形成堵塞, 出现自修复现象。 破损后运行约80 min, 除紫外区类色氨酸的泄漏的信号响应外, 荧光强度趋于稳定。 对比实验发现荧光截留变化指数fi与颗粒计数器检测结果基本一致。 因此, 基于荧光光谱响应的发射光谱扫描技术检测MBR中膜组件的完整性在响应时间、 反馈精度上表现出良好的性能, 且操作方便快捷, 对于检测水样的预处理要求低, 能够实现对大型MBR系统众多组件的分散式检测, 具有良好的实用性。
荧光发射光谱 膜生物反应器 中空纤维膜组件 膜完整性检测 Fluorescence emission spectroscopy Membrane bioreactor Hollow fiber membrane Membrane integrity test
1 南京理工大学 化工学院, 江苏 南京 210094
2 上海航天动力技术研究所, 上海 201109
高功率密度脉冲激光的光纤耦合性能一直制约着激光飞片起爆技术的工程化应用。针对106 W/cm2级功率密度脉冲激光在光纤中的耦合特性, 设计了一套光纤对准夹具, 用于开放光路下脉冲激光的光纤耦合。使用波长为1 064 nm, 脉宽6 ns的调Q脉冲Nd:YAG激光, 研究了其在大功率石英光纤和AgI/Ag空芯光纤中的能量传输效率和损伤阈值。结果显示: 在焦点前后10 mm范围内, 石英光纤的传输效率平均值为76.2%, AgI/Ag空芯光纤的传输效率平均值为61.8%; 在焦点前2 mm处, 测得石英光纤损伤阈值为22.3 mJ, AgI/Ag空芯光纤损伤阈值为29.4 mJ。通过对比结果可知, AgI/Ag空芯光纤拥有较高的损伤阈值, 然而AgI/Ag空芯光纤的传输效率比石英光纤低约15%, 其工程化应用潜力还有待进一步开发。
光纤传能 高功率激光 空芯光纤 石英光纤 fiber optic transmission high power laser hollow fiber silica fiber 红外与激光工程
2016, 45(12): 1221002
设计了一种基于介质膜结构的空芯光纤化学发光传感器。建立了多层膜空芯光纤非子午线几何光学传输模型，对其损耗谱和发光特性进行了仿真分析，并考虑了介质膜界面粗糙度、介质膜厚度等相关参数对化学发光及传输特性的影响。改进了溶胶 -凝胶酶基敏感膜的制作工艺，提出了分离镀膜法，并对敏感膜厚度进行了实测分析。搭建了基于介质膜空芯光纤化学发光传感器的检测系统，对过氧化氢浓度进行了实际测量。结果表明，基于本传感器的系统，得到了 22.8 nW/(mmol·L-1)的灵敏度以及 3 μmol/L的检测极限。实现了近 200 h的使用寿命。且操作简单，反应快速，可小型化，可应用于环境监测，生物分析等领域。
生物传感器 多层膜空芯光纤 化学发光 酶 溶胶 -凝胶法 biosensors multi-layer hollow fiber chemiluminescence enzyme sol-gel
基于食用油质量检测背景,使用内表面镀银空芯光纤作为传感腔,设计和搭建了食用油和煎炸油拉曼光谱检测系统.对系统的拉曼散射光强进行了理论建模,通过理论仿真与实验数据讨论了空芯光纤长度的优化.使用系统对常见食用油和小吃摊油进行了拉曼光谱采集与分析,引入了衡量油脂不饱和度的参数I3005/I2897.对某品牌大豆油的不饱和度参数采集实验发现,该油样不饱和度参数随煎炸时长增加明显降低.提供了一种灵敏高效的检测系统,可实现食用油和煎炸油结构分析及油脂不饱和度评估,拉曼光谱特征峰清晰尖锐,为样品的结构分析提供了有效手段,可应用于食品安全检测领域.
光纤光学 空芯光纤 拉曼光谱 油脂不饱和度 特征峰
1 天津工业大学环境与化学工程学院, 天津 300387
2 天津工业大学膜材料与膜过程教育部重点实验室, 天津 300387
聚砜中空纤维膜由于其独特的性质成为广泛使用的基膜之一, 微生物污染是其使用过程中常见的一个严峻问题, 量子点具有粒径小, 生物毒性强等特点, 在抑制微生物的生长方面有重要作用.本文主要研究量子点修饰的聚砜中空纤维膜表面的抗菌性能, 通过在水相中合成了稳定的具有窄而对称荧光发射带的量子点CdTe, 以巯基丙酸作为表面修饰剂, 对其进行了荧光光谱、透射电镜表征, 得到了粒径约为3 nm的CdTe半导体纳米粒子；以二苯甲酮为光敏剂, 通过连续化紫外辐照的方法将亲水性单体甲基丙烯酸β羟乙酯接枝到中空纤维膜的表面, 利用羟基和羧基的反应成功地在其表面组装上量子点, 通过红外光谱进行表征；从野外环境中分离培养了棒状细菌B1, 其形态通过偏光显微镜和扫描电镜表征, 利用紫外分光光度计测量光学密度, 分析中空纤维膜上量子点的抗菌性能.结果表明, 经过改性, 细菌的光学密度由原膜的0.88降低到量子点改性膜的0.27.表明中空纤维膜的抗菌性有了较显著的改善.进而表明, 连续化紫外辐照改性的方法切实可行, 并展现了在工业应用领域的潜力.
纳米生物技术 生物学 接枝 量子点 中空纤维膜 微生物 Nanobiotechnology Biology Grafting Quantum dots Hollow fiber membranes Microorganisms
