关键词： ZnO薄膜   电沉积   微结构   润湿性  

摘要： ZnO是具有3.37eV能隙的宽带隙半导体,由于其在电子、光子和光学及生物等领域的出色表现,可广泛应用于各类高科技领域。为了制备不同尺寸,晶体结构,晶形和颗粒形状的ZnO,开发了多种制造方法。本文使用阴极电沉积法制备ZnO纳米棒阵列,利用X射线衍射仪、扫描电镜、接触角测量仪、拉曼光谱仪等测试仪器,研究两种基底(ITO/Ti片)上改变沉积时间、电解液组成成分比例对其微观结构形貌、润湿性以及光学性能等的影响。首先,通过改变电化学沉积的时间在ITO基底上制备ZnO纳米棒阵列。XRD结果表明ZnO呈六方纤锌矿结构,随着电沉积时间的增长,结晶度以及002方向的择优取向生长都得到增强,同时纳米棒的直径、表面粗糙度和ZnO纳米棒阵列的厚度都变大。所有的样品都展现出疏水性,水接触角在电沉积120min时逐渐上升到120°,经过10min紫外光照,ZnO纳米棒阵列表面润湿性转化为亲水性,光照后水接触角与未经紫外照射前的比例为73.5%、63.5%、48.3%和24.2%,分别对应沉积时间10min、30min、60min和120min的样品。光致发光(PL)光谱结果显示随着电沉积时间的增加,ZnO的紫外发光峰(本征发光峰)的峰强比由2.26%提升到63.84%,同时可见光发光峰(缺陷导致的发光峰)的峰强比降低,说明沉积时间从10min增长至120min,ZnO薄膜的内在缺陷减少。拉曼图谱的分析表明,ZnO纳米棒阵列在这些条件下呈现439cm-1,566cm-1,和1097cm-1三处特征峰,分别对应了ZnO阵列的E2光声子振动模、EIL光声子振动模以及E3单晶振动模。随后,保持其他条件不变,改变电解液浓度组成(Zn2+浓度不变),在Zn(N03)2中掺入ZnCl2溶液,XRD结果表明,所有的峰都归因于六方纤锌矿结构,晶粒尺寸随着ZnCl2浓度的增加而变小,晶核数量增加,同时c轴(002)方向择优取向减弱。SEM结果显示,随着Zn(NO3)2浓度的降低,纳米结构由棒状变为锥状,其中ZnO的直径,除了浓度比为1:1的样品之外,持续减小,且纳米结构的顶端由"吞并"状态改变为远离,间隙得到增加。PL光谱显示Zn(NO3)2电解液制备的样品A紫外发射峰相对较强,随着电解液中ZnCl2浓度比的增加,紫外发射峰比率增强,纯ZnCl2电解液制备的样品E的紫外发射峰比率为最小,缺陷最多,随着氯离子浓度的增大,一个极少见的位于350nm处的发光峰逐渐显现。在紫外照射之前所有的样品均表现为较强的疏水性,且随着ZnC12浓度的增长,水接触角有先增加后减小的趋势,可能与表面粗糙度变大以及结晶度变差的综合结果有关。ZnO纳米棒阵列的可润湿性在15分钟紫外照射后从疏水性改变为亲水性,并且水接触角的光诱导变化从45 8至12.9%,这可能是与润湿模型的变化、ZnO纳米结构的表面粗糙度大小差异以及间隙有关。紫外吸收谱表明,随电解液中氯离子浓度的增加而增加,禁带宽度不断增加至3.34接近标准值3.37eV。最后,改变沉积时间在Ti片上制备ZnO纳米棒阵列。SEM结果显示,所有样品均为棒状六棱锥形貌,随着电沉积时间的增加,纳米棒的直径、棒之间的间隙减小。在PL光谱中所有样品都具有窄的紫外发射峰,在可见光区显示宽的发光区,并且随着电沉积时间增加,缺陷先减小后增加,在45 min时候达到最小。样品的沉积时间由15分钟增长到60分钟,在紫外照射之前的水接触角逐渐变小,这可能与表面粗糙度变小有关。ZnO纳米棒阵列的可润湿性在2小时紫外照射后全部转换为超亲水性,并且水接触角还原率的光诱导变化先变大后变小,在45 min时达到最大,这可能与润湿模型的转变、ZnO纳米棒阵列的表面粗糙度大小差异以及薄膜的缺陷多少有关。禁带宽度曲线与光电流曲线都与PL光谱有相同的规律性,都在45 min时候达到最大值(紫外峰强、禁带宽度与光电流大小)。

关键词： 微结构表面   多波段兼容隐身   双向反射   反向蒙特卡洛   红外成像  

摘要： 本文基于微结构的波长选择控制特性,从周期性金属腔体微结构和多波段兼容隐身微结构设计两方面讨论微结表面对光谱特性的控制,分析材料、结构等因素对微结构光谱特性的影响规律;针对目标可见光、红外、激光的多波段兼容隐身,将膜层与周期性微腔结构复合,设计出较好兼容多波段隐身的微结构表面。基于夫琅禾费衍射理论和衍射光栅方程,建立微结构表面的双向反射模型,分析斜入射时微结构表面的反射分布。针对弹道导弹中段目标,建立微结构表面目标的温度计算模型,对比同一时刻原表面和微结构表面目标的温度分布,研究不同发射日期对微结构表面目标温度场的影响。建立微结构表面中段弹头的红外辐射通量模型,考虑入射角度、入射波长与微结构表面光谱特性的关系,采用反向蒙特卡洛方法模拟目标红外探测成像,对比原表面和微结构表面目标的红外图像,计算不同状态、不同时刻、不同探测方向时微结构表面目标的红外图像和周向探测功率,分析微结构表面对目标红外成像结果的影响,总结微结构表面对目标红外隐身的效果。研究表明:微结构表面对降低目标温度特征效果良好,微结构表面的红外图像亮度明显比原表面要低,特别是3～5μm波段目标红外图像轮廓不明显,且在转换探测方位角时,目标红外图像忽明忽暗,各探测角度下微结构表面的周向探测功率比原表面小。微结构表面明显降低了中段弹头目标的红外可探测性,达到良好的红外隐身效果,对红外隐身设计和评估有一定的意义。

关键词： 飞秒激光   硅基   可见-近红外   光电探测   局域等离子激元  

摘要： 目前按照芯片材料的种类,成像传感器大致可分为基于硅基芯片材料的可见光成像传感器和基于非硅基芯片材料的红外光成像传感器。相比于非硅基成像传感器（例如InGaAs/HgCdTe材料）,硅基成像传感器具有制造工艺更加成熟、成本低廉、器件结构简单、能室温下工作、抗环境能力强等众多非硅基成像传感器无法比拟的优点。虽然目前硅基成像传感器已经被广泛应用于人们的日常生活中（例如手机摄像头、单反相机的核心成像元件都是由硅基CMOS成像传感器制成的）,但是它的感光区域主要集中于可见波段（＜1.1μm）,这严重限制了它在红外波段的应用。美国哈弗大学的科学家成功制备了一种具有表面微结构的新型硅基材料,被称为“黑硅”材料,它是经过飞秒激光加工形成的众多超细钉状物的表面微结构。此种材料表面层的微结构和内部高浓度掺杂离子形成的中间能级使得它在可见光和近红外光区域都具有极低的反射和极高的吸收两大特点。因此和传统的硅基探测器相比,黑硅探测器具有如下两方面极为诱人的性能:（1）更高的响应度;（2）更宽的可见到近红外探测谱段。结合硅基成像传感器能够克服非硅基红外成像传感器制作工艺和器件结构复杂（例如它与硅的晶格常数不匹配导致它与硅基读出电路之间常需要复杂的铟柱连接等工艺）、成本高、抗环境能力差等缺点,黑硅近红外成像传感器在军事和民用领域都将具有更为广阔的应用前景。本文采用飞秒激光在特殊气氛环境下加工新型硅基微结构可见-近红外光电材料,针对传统硅基成像传感器在近红外波段响应弱、无法实现近红外探测成像的现实问题,对新型硅基近红外高吸收材料的光学特性以及光电响应特性进行研究,探索新型硅基材料在可见-近红外波段光吸收特性以及光电响应特性的增强机理,希望获得在可见-近红外波段拥有更高吸收和更宽响应波长的新型硅基近红外光电材料。论文主要工作如下:1.采用飞秒激光在sf6气氛下加工新型硅基微结构材料,研究黑硅微结构形貌与飞秒激光加工物理过程的关系,以及飞秒激光加工黑硅表面微结构对于黑硅在可见-近红外光吸收的增强作用;探索飞秒激光sf6气氛环境下硅基底中过饱和掺杂s元素对于黑硅宽光谱吸收特性的影响;通过研究飞秒激光辐照能量密度,加工气氛环境等因素对于微结构形貌的形成及s元素掺杂的作用,探索可见-近红外高吸收黑硅材料的制作方法。在深入研究飞秒激光加工黑硅材料物理过程的基础上,获得了在可见-近红外波段具有一致的高吸收特性的黑硅材料,从400nm-2500nm宽光谱平均反射率低于5%,平均吸收高于90%。提出一种基于高掺杂浓度基底制备的具有红外吸收高温稳定性的黑硅。2.研究了黑硅表面银纳米颗粒的形成机理及其对于红外光吸收的影响:我们利用电子束蒸发的手段和薄膜沉积的阴影效应,在黑硅微结构表面成功制备了大量随机分布的不规则银纳米颗粒;这些银纳米颗粒弥补了低激光功率密度下制备的小尺寸硅基表面微结构对近红外波段光吸收的不足,能够使具有小尺寸表面微结构的硅基在近红外宽波段的吸收率增加到90%;针对黑硅高温退火后红外吸收退化的问题,提出了利用金属纳米颗粒形成等离子激元共振的方法来补偿黑硅材料在经过高温退火后红外吸收退化,在高温退火后补偿黑硅材料在红外波段的吸收效率。3.研究了黑硅光电材料在可见-近红外高光电响应获得的机理:基底掺杂类型以及浓度对于黑硅s元素过饱和掺杂和黑硅光电材料光电子的影响;研究了飞秒激光加工物理过程中导致的晶格缺陷以及形成的多晶硅的原因,探索了降低缺陷以提高光响应特性的方法;高温热处理过程对于飞秒激光加工过程导致的晶格缺陷和形成的多晶硅修复作用,以及对于黑硅光电材料光电子提取的影响。在深入研究黑硅光电材料在可见-近红外高光电响应获得机理后,以此为基础获得了光响应特性比普通商用硅探测器高几十倍并且在红外波段拓展响应波段的新型硅基近红外高响应材料——我们研究的黑硅光电探测器在400-1100nm波段内平均响应度高达14.3a/w,最高点的响应度为24.5a/w,在1200-1500nm红外波段内的平均响应度为71mA/W。

关键词： 丝瓜络   仿生设计   超轻结构材料   泡沫金属   力学性能   导热性能  

摘要： 面对复杂多样、千差万别的工程结构,要求工程材料既要具有高的强度与刚度,又要轻质、节省材料。自然界生物体结构是亿万年自然选择和生命进化的结果,具有优良的力学性能。仿生结构材料的设计理论就是通过研究生物体的宏观、微观特性,发现其优良结构的学科。本文的主要目的是通过剖析自然界丝瓜络的微结构特征,研究丝瓜络的仿生结构,设计出类似泡沫金属的一种新型多孔结构材料,进而标定其力学和导热性能。主要研究内容包括以下三大部分:·丝瓜络微结构研究。对丝瓜络结构的深入研究是进行仿生结构设计的基础,因此,本文首先对丝瓜络的宏观几何形貌进行了描述,指出丝瓜络主要宏观形貌可以看作双层开孔的泡沫结构,内层与外层之间通过沿径向互成120°的筋板连接;然后利用澳大利亚国立大学的扫描电镜和激光切割技术对丝瓜络纤维的微结构进行观测;进而对丝瓜络段试样进行压缩实验测定其各项力学参数(等效弹性模量约为8.79MPa),并利用曲线拟合方法给出了等效弹性模量与密度的解析公式。·基于丝瓜络微结构特征,采用蜂窝六边形对其孔隙进行简化,并利用三维软件—Pro/E设计出这种新型超轻仿生结构材料。利用3D打印技术以ABS-M30为原料制造出这种仿生结构,并对其进行压缩实验,测定等效弹性模量为166.9～180.59MPa。·运用Abaqus有限元软件,采用双层夹板三明治结构对以ABS-M30为材料参数的仿生结构进行准静态压缩及稳定性数值仿真。计算出其等效弹性模量为133.21MPa,一阶屈曲临界载荷为1064.8N。另外,本文也对仿生结构的热传导过程进行数值模拟,以纯铝为材料参数,计算出等效热传导系数为6.35W/(m·K)。

关键词： 细菌纤维素   动态固定化生物膜   水平转鼓式反应器   骨架增强   原位复合   一维溶胀膜   无支持膜   壳聚糖   羧甲基纤维素   羧甲基壳聚糖   聚电解质  

摘要： 细菌纤维素（Bacterial nano-cellulose,简称为BNC）是一种由微生物所分泌纤维素纳米丝构成的独特水凝胶。天然BNC水凝胶的纳米纤维网络微结构类似于细胞外基质（Extracellular matrix,ECM）的胶原蛋白丝骨架,同时其还具备高含水、高生物相容性、富羟基表面、高生物活性等诸多优良特性,这使得其被认为是一种天生的理想生物医用材料,在烧伤敷料、人工血管及骨组织支架等诸多的生物医用领域具有广泛的应用前景。BNC的诸多优秀特性（如促进伤口愈合的生物活性、高含水持水特性等）,极其依赖其与生俱来的纳米纤维网络微结构。该微结构形成于其特殊的微生物制造过程,其纤维素纤维在纤维细度、聚合度、高度均一性及立体堆砌结构等特性上,是现有人工技术难以达到的。然而,天然的BNC材料仍受到自身原始材料特性的局限,尚不能满足某些特定应用的功能性要求。特别是:（1）高含水态凝胶强度和耐缝合强度较低;（2）不具备抗菌特性（3）BNC水凝胶在常规干燥（风干、热干燥等）失水后形成的干胶,难以通过再次复吸水实现体积再溶胀。（4）除了天然材料性能上的不足之外,传统BNC静态生产模式,低效、周期长的缺陷极大地限制其工业化放大生产。现有复合功能化手段通常会破坏天然bnc原本的独特微结构与特性,从而极大地影响了bnc复合材料的应用效能。如何利用与保护bnc的自身原本的微结构和特性,获得保留bnc天生结构特性的功能增强材料,是bnc水凝胶基复合材料生产技术研究的关键问题。在本研究中,保存与恢复bnc水凝胶天然微结构特性被作为设计bnc功能增强复合材料的首要考虑因素,并开展了以下四个方面的研究:首先,针对bnc水凝胶基体在高含水态下强度不足及耐缝合特性弱的缺陷,采用内骨架增强方式保持bnc水凝胶基体原有天然功能与结构,并同时实现材料整体结构强度增强。传统纺织医用纱布虽然存在保水、透气、促愈功能性不足,但是结构强度较好,且具有较为可靠的生物安全性,是较为理想的内骨架材料。本研究以医用棉质纱布（cottongauze,简称cg）作为织物骨架模型,制备了织物骨架增强的bnc复合材料并对材料的基本理化特性进行了表征。以动态挂膜方式,研究制备了三种不同凝胶涂层厚度的bnc-cg骨架增强材料,并将其与cg及静态培养10天的bnc膜进行比较。结果发现,该动态方式生产的bnc-cg材料的bnc凝胶涂层均一性高,能够将cg骨架完整对称的包裹。同时保持了bnc原本的纳米纤维网络结构及水凝胶属性。与静态培养的bnc水凝胶相比,其含水率有明显下降,但是仍然超过了98%。在机械性能方面,通过cg骨架增强,bnc基体的拉伸强度及缝合强度均提高了两个数量级;而对于cg材料,即使仅有少量的bnc凝胶涂覆,其绝对断裂强度和吸水能力即能得到极大提高,同时降低断裂伸长率。该结果表明,织物骨架增强bnc材料的技术,能够在保留bnc原本属性的基础上极大增强强度可靠性;另一方面,对于传统纱布材料来说,表面涂覆bnc凝胶也是一种极佳的织物特性改造手段,将极大提升传统纺织纱布的医用特性及生物相容性水平。与单纯的bnc凝胶或者cg材料相比,bnc-cg复合材料在医用敷料材料领域具有更好的应用前景。其二,针对传统细菌纤维素静态生产方式低效的缺陷,同时也为了实现既不破坏bnc基体结构,又能完成bnc内的织物骨架植入,本文提出构建一种新的水平旋转生物反应器,探索了在bnc高效生物制造过程中实现材料复合的动态挂膜式生产工艺。以一种类似于“凝胶涂层”的生物膜生长过程,将bnc凝胶平整涂覆于织物骨架上,形成织物增强的bnc复合材料。详细比较研究了动态挂膜方式与传统静态方式下bnc的培养历程。结果表明:该动态挂膜方式能够将传统静态培养的10天成膜周期缩短至3天。该动态生长方式通过改善静态培养过程的关键控制性因素（即其营养物——糖的传质）提高细菌纤维素的生产效率。但是,实验显示该方式下,培养基内的菌群浓度并未明显提高,且两种方式的糖利用率、残余糖浓和bnc总产量并未明显变化。为进一步优化生产过程,研究比较了传统静态生产方式与水平旋转反应器的传质差异,并基于菲克第二定律,建立生物膜的动态糖扩散模型,对动态挂膜方式的糖传质过程及其对bnc生产的影响机制进行了系统阐释。该模型显示,糖传质过程受到糖本身的扩散系数（糖分子决定）、扩散时间（转鼓转速和装液体积共同决定）、培养基的糖浓度等三个因素决定。单个转鼓周期中,糖向菌膜内扩散的渗透距离由转速（扩散时间）和扩散系数共同决定,而不受培养基中的残余糖浓度的影响。通过荧光染色法对菌膜内的菌群分布情况进行了观察,发现在离生物膜界面约100μm内存在类似于静态培养气液界面有氧区的富菌群区域。研究初步阐明了如何通过水平转鼓反应器的转速调控糖传质过程,继而影响bnc生产效率的影响机制

关键词： sol-gel   磷酸铁锂   复合材料   磁性   Cu   MnO2   Al2O3  

摘要： 锂离子电池正极材料橄榄石型磷酸铁锂具有对环境无污染、价格低、原料来源丰富、比能量高和安全性能突出等特点,是最有潜力的锂离子电池正极材料中的一种。但是锂离子电池正极材料橄榄石型LiFePO4存在缺点,第一是它的堆积密度小,这样使得其体积比容量低,对应做出来的电池体积相对较大。第二是其离子扩散系数小及电导率低。而材料的电导率κ、磁性和空穴型极化子有关。橄榄石型磷酸铁锂中空穴的自旋与三价铁阳离子(Fe3+)的(tg↑)3(eg↑)2电子结构相关,与拥有(tgT)3(egT)2tg↓电子结构的二价铁阳离子(Fe2+)通过双交换机制发生铁磁耦合,所以失去电子就会引起极子型的畸变,这时会产生自旋极化电荷云。本文使用操作简单、合成条件易于控制、制备材料颗粒小等特点的溶胶凝胶法(sol-gel),通过一步法制备磷酸铁锂碳复合材料;通过两步法制备金属单质铜与磷酸铁锂碳复合材料;通过两步合成AxOy型金属氧化物(二氧化锰、三氧化二铝)与橄榄石型磷酸铁锂碳复合材料。并用TG、XRD、FTIR、SEM、VSM等方法对复合材料的合成过程样品热特性、物相结构、官能团及化学键、微观表面形貌和磁学特性等特征进行了研究。主要研究结果和创新点如下:1.研究了不同碳源对磷酸铁锂复合材料的影响,使用了五种不同的碳源(乙二醇、聚乙二醇4000、聚乙烯醇PVA-124、一水合柠檬酸和葡萄糖)通过溶胶凝胶法(sol-gel)合成LiFePO4/C复合材料。XRD研究表明样品均为橄榄石相磷酸铁锂。SEM测试表明以乙二醇为碳源的样品成多孔结构,而以葡萄糖为碳源的样品颗粒较大,大小为40微米。VSM研究表明:一方面以聚乙烯醇(PVA-124)为碳源的样品相对比饱和磁化强度最大,大小为2.01 emu/g,另一方面以乙二醇为碳源的样品矫顽力最大,其值为170.67 Oe。2.研究了铜(Cu)对磷酸铁锂复合材料的影响,通过两步法合成不同质量比的铜和磷酸铁锂复合材料,并用TG、XRD、FTIR、SEM和VSM等方法对铜和磷酸铁锂复合材料的合成过程样品热特性、物相结构、官能团及化学键、微观表面形貌和磁特性进行了研究。表明复合材料前驱体升温到大概400℃以后可能开始有复合材料合成。复合材料物相结构分析出现明显磷酸铁锂和铜单质的主要峰型,无杂质峰。微观形貌SEM分析表明复合材料颗粒性明显、分散性较好,颗粒大小主要为400 nm。室温下测试磁滞回线表明铜单质的引入使得复合材料的 Ms(emu/g)、Mr(emu/g)和 Area of hysteresis loop(kOe·emu/g)都有微小减小变化趋势。3.研究二氧化锰对磷酸铁锂复合材料的影响,通过两步法合成不同质量比的二氧化锰和磷酸铁锂复合材料,并用TG、XRD、FTIR、SEM和VSM等方法对二氧化锰和磷酸铁锂复合材料的合成过程样品热特性、物相结构、官能团及化学键、微观表面形貌和磁特性进行了研究。表明复合材料前驱体升温400℃以后可能开始有复合材料合成。复合材料物相结构分析出现明显磷酸铁锂和二氧化锰的主要峰型,无明显杂质峰型。微观形貌SEM分析表明复合材料颗粒性明显、分散性较好,颗粒大小主要为168 nm。室温下测试磁滞回线表明二氧化锰的引入使得复合材料的Ms(emu/g)、Mr(emu/g)和Area of hysteresis loop(kOe·emu/g)基本上是随着二氧化锰的增加而增加。4.研究三氧化二铝(A1203)对磷酸铁锂复合材料的影响,通过两步法合成不同质量比的A1203和磷酸铁锂复合材料,并用TG、XRD、FTIR、SEM和VSM等方法对Al203和磷酸铁锂复合材料的合成过程样品热特性、物相结构、官能团及化学键、微观表面形貌和磁特性进行了研究。表明复合材料前驱体升温450℃以后可能开始有复合材料合成。复合材料物相结构分析出现明显磷酸铁锂和Al2O3的主要峰型,没有出现杂质峰。微观形貌SEM分析表明复合材料颗粒性明显、分散性较好,颗粒大小主要为350 nm。室温下测试磁滞回线表明三氧化二铝的引入使得复合材料的Ms(emu/g)、Mr(emu/g)和Area of hysteresis loop(kOe·emu/g)都有微小变化。

关键词： 熔盐堆   纳米碳化硅颗粒   金属基复合材料   镍钼合金   粉末冶金  

摘要： 熔盐堆以其本征安全性、经济性、不停堆换料、一回路低蒸汽压等优点被公认为六种最先进的第四代裂变核反应堆型之一。熔盐堆内高温、强中子辐照和强熔盐腐蚀等极端服役环境对堆用结构及功能材料提出了严苛的要求。Hastelloy N合金以其优异的抗熔盐腐蚀性能被选为熔盐堆最优备选结构材料。然而其较弱的高温力学强度和抗辐照性能限制了其在堆芯处使用。为了有效地推动熔盐堆的发展,非常有必要研发新型高温材料以满足熔盐堆的需求。本文通过粉末冶金的方法,利用高能球磨和放电等离子体烧结等工艺,成功制备了一种新型Ni-SiC复合材料并探讨了该类材料在熔盐堆中的应用前景。通过调整SiC初始添加量以及球磨时间并对其显微组织结构表征和力学性能测试,可以发现纳米SiC颗粒大幅提高了镍基体的力学强度,且强化能力随着基体晶粒尺寸减小而提高,当添加适量的SiC颗粒时,Ni-SiC复合材料在力学强度增加的同时依然保有很好的塑性。研究发现纳米SiC颗粒与镍基体存在不共格界面关系,且在烧结,退火,高温时效等过程中都保持稳定,但会随着球磨时间及SiC添加量的增大发生粗化,进而影响复合材料的综合力学性能。此外,Ni-SiC复合材料的高温时效研究表明该材料的基体晶粒在高温下会出现不同程度的长大。但是超细晶结构能有效阻碍晶粒长大,从而减小其力学性能下降幅度。同时,对该材料开展的低温退火研究表明合适的热处理工艺能细化Ni-SiC复合材料的晶粒并减少内部缺陷,从而改善其综合力学性能。鉴于Ni-SiC复合材料的力学强度与Hastelloy N合金相比仍有差距,我们通过在基体中添加Mo元素,成功制备了一种新型NiMo合金并实现了其力学强度的提高。在此过程中,提出了一种新的弥散强化机制,即弥散-沉淀强化(Dispersion and Precipitation Strengthening,DPS)机制。该机制有效地结合了碳化物弥散强化以及纳米析出相沉淀强化,大幅提高了材料的力学性能。通过对不同SiC添加量的NiMo-SiC DPS合金的研究发现,烧结/退火过程中部分SiC颗粒会与镍基体反应生成NiSi纳米相并析出,从而在合金中产生沉淀强化。此外,研究还发现该合金中形成MoC,且该碳化物能阻碍烧结/退火过程中基体晶粒的长大,增强晶界强化的作用。研究结果同时也表明长时间球磨能优化MoC在合金中的分布,减少因其团聚长大造成的材料力学性能下降。与此同时,研究中也发现长球磨时间会导致NiMo-SiC混合粉末在球磨过程中发生逆粉碎现象,使得烧结样品的致密度下降,进而造成NiMo-SiC DPS合金的延伸率下降。本文研究表明NiMo-SiC DPS合金的力学强度远高于Hastelloy N以及其他耐氟化盐腐蚀合金材料。这充分显示了DPS强化机制的优越性。这种新型纳米碳化硅弥散强化镍基合金(Ni-SiC复合材料和NiMo-SiC DPS合金)的成功制备为未来高温熔盐堆用材料的研发提供了新思路。

关键词： 二氧化钛   光催化   微观形貌   溶剂热   稳定剂  

摘要： 目前全球的环境污染越来越严重,环境问题逐渐被人们重视,人们迫切向资源节约型、环境友好型的发展方式转变。纳米二氧化钛具有高比表面积,高表面能,而且成本低,无毒无味,化学性质稳定等特点,受到很多学者的青睐。面对环境污染,人们对环保型半导体材料二氧化钛产生了极大的兴趣。本课题针对二氧化钛的优缺点,对二氧化钛的制备、改良以及光催化性能进行研究。本课题就是在此指导思想下,探索制备具有纳米结构的催化剂——二氧化钛,并通过对其微观形貌进行调控,再进行光催化性能降解实验,考查自制的二氧化钛是否能够增强它的光催化降解能力。本课题将钛酸四丁酯作为前驱体,选择溶剂热法来制备纳米二氧化钛,在共同稳定剂总摩尔量不变的情况下,随着十二胺摩尔量的增加,纳米晶的形状由球形逐渐演化为棒状,两者摩尔比为1:1时,结晶度最好;经过TG/DTA分析,样品表面吸附了大概占总质量的5%的稳定剂。当共同稳定剂比例为1:1时,随着共同稳定剂摩尔量的增加,晶体逐渐增长,且生长越来越成熟,晶体边缘变得圆滑。使用乙酸代替月桂酸,共同稳定剂比例为1:1,改变两者的摩尔量时,出现严重的团聚现象,但是尺寸较为均匀,形状为长棒状,这跟乙酸这种短碳链弱酸的本身性质有关。研究纳米结构的二氧化钛的光催化性能,以甲基蓝作为目标降解物,在进行到40分钟时,大多数样品光催化降解效率均接近于100%。第二组样品的光催化效率有明显的规律性变化,从样品TiO2-A到样品Ti O2-E的光催化性能逐渐增强,样品TiO2-E的光催化性能最强,而样品TiO2-F的光催化性能出现下降的情况。综上所述,本课题的目标是研究二氧化钛的光催化性能,首先对溶剂热法制备的二氧化钛进行微观形貌测试及分析,然后进行光催化性能实验,并且到达了本课题的研究目的。

关键词： MEMS   多物理场耦合   能量耗散   热弹性阻尼   频率漂移   尺度效应  

摘要： 随着MEMS技术的快速发展,以及在航空航天、灵巧武器等领域的广泛应用,对其灵敏度、低功耗等性能提出了更高的要求。目前,绝大多数MEMS系统都是在多物理场环境下工作的,如微陀螺及压电俘能装置都涉及到力场、电场、温度场等多物理场的耦合。其中,多物理场耦合中的温度场会使结构产生热弹性耗散现象,热弹性耗散会造成微陀螺的品质因子降低、频率漂移,同时也会使压电俘能器的俘能效率降低。然而,由于热弹性耦合机理比较复杂,针对温度场耦合的分析较少,使得微系统的灵敏度、分辨率、品质因子、俘能效率等性能得不到充分认识,进而使得其性能无法进一步提高。因此,多物理场耦合下热弹性能量耗散机理的研究成为迫切需要解决的问题,具有重要的学术和应用价值。本文综合考虑微结构(材料)多物理场耦合时所涉及的各物理场的作用,建立了热弹性耦合分析时的力-电-热耦合模型,得到了梳齿式微结构的机电耦合及热弹性耦合的控制方程,以及压电俘能器的压电耦合及压电热弹性耦合的控制方程,为分析热弹性耦合对结构和压电材料的影响奠定理论基础。考虑到微系统多物理场的耦合存在能量之间的转换,当出现不可逆的热能流失时,会产生热弹性耗散问题,而由于热弹性耗散会引起微结构频率漂移、品质因子的降低,因此,本文分析了梳齿式微陀螺器件中的悬臂梁式结构及梳齿式结构在不同振动形式下的热弹性耦合响应。首先,基于Euler-Bernoulli梁理论,并结合梁变形影响时的热传导方程,推导出在耦合热弹性条件下结构的运动微分方程,然后,通过数值计算和仿真分析的方法得出结构的频率漂移及热弹性阻尼的变化;最后,针对结构几何尺寸、边界条件、静电参数、材料特性、环境温度等方面对结构热弹性耗散的影响进行了讨论,研究了结构热弹性耦合对结构自身性能的影响。通常情况下,压电材料应用于结构中可实现对外界能量的俘获,但是在能量收集过程中,热弹性耗散将对其能量俘获效率产生影响。因此,本文通过数值计算、仿真分析、实验验证的方法对压电俘能结构的热弹性耗散特性进行了研究,得到了不同振动形式下温度场对压电结构的影响,并针对不同耦合形式中的热弹性特性进行了分析;同时,针对结构几何尺寸、压电层材料特性等方面对结构热弹性耗散的影响进行了讨论,得到了压电热弹性耦合对压电装置能量俘获的影响。另外,当微结构几何尺寸达到微米或更小量级时,将与材料颗粒尺寸接近,此时,材料颗粒的尺寸对结构性能的影响不能忽略不计,因此,在分析微尺度下的结构热弹性振动时需要充分考虑材料颗粒尺寸及其固有特性。本文基于微尺度理论,建立了微梁结构及压电复合结构在尺度效应下的热弹性耦合控制方程,分析了尺度效应下热弹性耦合效应对微器件性能的影响;并与经典弹性理论框架下的结构热弹性耦合振动特性进行对比。在不同材料特征尺度参数下,讨论了不同环境温度、不同材料特性及几何尺寸等对系统的热弹性阻尼、结构频率漂移之间的影响。

关键词： 电子皮肤   压力传感器   柔性电子学   银纳米线   微模塑  

摘要： 本文利用银纳米线喷涂和电极微结构复制策略,构建一种透明的、柔性和敏感的电子皮肤器件.发现通过复制自然界中存在的表面如荷叶、丝绸、和磨砂玻璃的微观结构可以大大提高电容型压力传感器件的性能,使得电子皮肤器件获得高度敏感的压力响应电容.基于银纳米线的柔性压力传感器呈现出良好的透明性、好的柔韧性、宽的压力检测范围（0～150 kPa）以及高灵敏度(1.28 kPa-1).