基于仿生学的植物气孔高效扩散效应的研究

摘要

植物是支撑地球生物圈的第一生产者，它有着很多与我们人类和其他生命形态截然不同的生命活动特点，这些特定生命现象的发生场所大多就在植物叶片的气孔中。本文从仿生学的视觉出发，借鉴植物叶片气孔高效扩散效应和选择性通透的一系列特征，将锌空气电池作为工作载体，以实验探索与理论分析两者相结合的手段，通过研究锌空气电池在不同环境下的失水情况和覆盖仿生叶片对其失水和工作的影响，初步探索了氧气和水蒸汽在通过微米级小孔时所表现出来的不同现象及其机理。
　　本文的主要工作包括：第一，改变环境温度、相对湿度和空气流通速度这三种环境因素，探索了环境因素对锌空气电池失水的影响，并进一步证明了“失水”在锌空气电池的工作中的紧要性；第二，制作仿生叶片，并覆盖于锌空气电池之上，通过恒流放电，验证这层仿生叶片能否在电池的工作中起到“保水透气”的作用；第三，从仿生叶片和电池工作的环境状态、水蒸汽和氧气的扩散参数和物理、化学特性等角度综合解释了出现这一现象的原因。得出的主要结论总结如下：
　　（1）在一般情况下，锌空气电池工作过程中的失水量会随着相对湿度的增加而降低，随着环境温度的上升而增大。当环境温度达到70±1℃，相对湿度为30％±5%时，电池因工作失水导致其自身含水量小于50%，此时电池将无法正常工作。
　　（2）在仿生叶片微孔间距小于临界间距时，叶片并不会阻碍氧气的传输，同时，覆盖仿生叶片可使锌空气电池放电的失水量减少40%～80%。失水量随着微孔数目的减少而降低，当微孔间距达到临界点时，电池的失水量达也同时到最小值。随着电池失水的减少，电压衰减变得缓慢，电池工作更加稳定。在微孔数目的临界范围内，这个值越少，电池的放电性能也会越好。
　　（3）在环境温度为20℃，相对湿度为60%，空气流通速度为7.0m/s时，考虑气体浓度差，氧气在仿生叶片上的扩散能力远高于水蒸汽在仿生叶片上的扩散能力。这是因为在分子间相互作用强烈时，水分子的极性会表现出来，在通过微孔时，它的能力会明显低于非极性的氧气分子。在宏观上就表现为水蒸汽分子碰撞扩散时通过微孔时的阻力更大，扩散量也明显低于氧气的扩散量。

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附表清单

第1章 前言

1.1 植物叶片气孔的简要介绍及研究背景

1.2叶片气孔的开闭机理及其高效传输性

1.3 锌空气电池的提出及介绍

1.4 论文研究意义及安排

第2章 不同环境因素对锌-空气电池失水的影响

2.1 锌空气电池的制作

2.2 环境因素对电池失水影响的实验

2.3 实验结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 仿生叶片对锌-空气电池工作的影响

3.1 仿生叶片及锌空气电池制作方法

3.2 实验的制作——仿生叶片对电池工作的影响

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 不同气体的扩散机理及其分析

4.1 不同气体的扩散现象及相关扩散参数

4.2 扩散机理的解释与分析

4.3 本章小结

第5章 工作总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

个人简介

攻读学位期间发表和录用的论文及研究成果