关键词： 球面射电望远镜   反射面节点   机械运动特性   设备布设   靶标混淆分析   测量分区规划  

摘要： FAST（500米口径球面射电望远镜）是中国在贵州依托当地特有的喀斯特地貌建造的球面射电望远镜，建成后它将成为全世界最大的单天线射电望远镜。其反射面由4450块三角形单元面板拼接而成，每一块单元面板都能根据观测要求实时进行位置调整。在望远镜观测时，反射面将会实时在照明方向形成300米口径的瞬时抛物面。为了实现对反射面形状的精确控制，整个反射面所有单元面板的位置必须在有限时间内得到足够精确的测量。由于反射面尺度大，这是一项具有挑战性的工作。\n 本文主要完成了以下几项工作:\n 1.针对FAST反射面测量要求，对目前常见的几种高精度测量方法的原理、特点、使用范围、以及优缺点进行了研究和比较。\n 2.针对FAST反射面单元面板的测量，比较了几种测量方案后提出一种单相机多基线摄影测量方案，并进行了实验验证。\n 3.对FAST反射面节点测量系统的激光全站仪测量方案进行了介绍，并详细介绍了设备布设、靶标混淆分析和测量分区规划等问题。\n 4.将差分处理方法应用在FAST反射面测量的数据处理上，并提出一种新的多基准联合差分方法。经过实验验证，该方法可提高70％-80％的测量精度并提高测量稳定性，现已应用在反射面测量工程中。\n 5.针对反射面节点的机械运动特性，研究了会造成节点位置误差的四个因素，并进行了计算和补偿分析。

关键词： 微电子机械系统(MEMS)   压阻原理   心音   电子听诊器   微结构  

摘要： 根据国内医疗应用市场对电子听诊器的需求,结合压阻原理与MEMS加工技术设计了一种具有体积小、灵敏度高等优点的MEMS电子听诊器。该听诊器可通过内部MEMS微结构接收心音并完成声电换能,所产生的电信号可方便地由后端电路进行采集与存储。首先建立微结构的力学模型,根据应用需求设计微结构的尺寸参数;其次通过有限元软件进行仿真验证;最后加工制作出听诊器样机并进行测试。测试结果表明该种MEMS听诊器可有效获取心音信号并将其转化为电信号。将MEMS压阻式传感器应用于临床听诊为心音采集提出了一种新思路,具有广泛的应用前景。

关键词： 碲铋基热电材料   制备工艺   热电性能   宏观层状结构   掺杂改性   梯度结构  

摘要： 热电材料是一种能够实现热能和电能相互转换的功能材料，并且对环境无污染，故在发电和制冷领域有着广泛的应用前景。碲化铋合金是目前应用最成熟的室温热电材料，但其ZT值长期徘徊在1左右，高ZT值所对应的温度区间比较窄，导致热电转换效率比较低，工作温度范围比较窄。为了解决以上问题，本文采用高能球磨和热压烧结相结合的方法制备样品，通过微结构、杂质和梯度结构的设计来调制p型碲铋基热电材料的热电性能，调制温差发电模块的工作温度范围。\n 首先，采用高能球磨和热压烧结相结合的方法制备了Bi0.45Sb1.55Te3.02(BST)合金和石墨烯(GN)/Bi0.45Sb1.55Te3.02(BST)合金。通过X射线衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱和拉曼成像、场发射扫描电子显微镜(FESEM)等表征技术证明了石墨烯的掺入和宏观层状结构的存在，分析讨论了宏观层状结构快速形成的原因。并通过热电性能的测试研究了宏观层状结构对BST合金热电性能的影响。实验结果表明:随着石墨烯的掺入和致密织构的出现，BST的电导率（σ）几乎没有明显的变化，轴向的Seebeck系数（S//）、径向的Seebeck系数(S⊥)分别增加了6.65％和2.96％，而轴向的热导率（κ//）、径向的热导率(κ⊥)分别降低了8.09％和2.78％，轴向的ZT值(ZT//)和径向的ZT值(ZT⊥)分别增加了21.74％和12.5％。GN/BST沿着轴向方向的最大ZT值在90.9℃时从1.15增加到1.40。由此可以得出结论:掺入石墨烯改变了BST的织构，即形成更多的层状结构，而层状结构可以过滤低能载流子和散射长波声子，从而导致更高的S和更低的κ，进而提高材料的ZT值，并且在轴向方向上有更多的层状结构，故ZT//更高。此外，我们提出石墨烯也可以用来调制其它合适材料的织构。\n 其次，高ZT值所对应的工作温度范围（最佳工作温区）比较窄，即超过其最佳工作温区，其ZT值大幅度的下降，导致超出最佳工作温区的热电转换效率较低。但有时温差发电模块的工作温差恰好在ZT值较低的温度范围内。为了调制高ZT值的工作温度范围，本文在BST合金中掺杂Cu元素。通过X射线衍射(XRD)证明了所得样品均为BST合金化合物，并通过热电性能的测试研究了掺杂Cu元素对BST合金最佳工作温度范围的影响。实验结果表明:随着掺Cu量的增加，电导率、热导率增加，Seebeck系数减少。综合电学性能和热学性能，最终导致BST合金最大ZT值的降低。但是随着掺Cu量的增加BST合金的最大ZT值所对应的温度也升高了。x=0，0.0075，0.0105，0.015，0.0225的CuxBi0.45-2/3xSb1.55 Te3.02合金分别在90.4℃，114.5℃，166℃，216℃，216℃取得最大ZT值1.40，1.31，1.19，1.13，1.08。这说明适当的掺杂Cu元素可以调制BST合金的最佳工作温度范围。此外，我们提出这种掺杂的方法也可用于调制其他热电材料的最佳工作温度范围。\n 最后，调制热电材料的工作温度范围还有另外的途径，即通过不同工作温度范围的热电模块的集成来获得更宽的工作温度范围。具体来说，本文把适于不同温度区间工作的掺杂Cu的BST合金复合成梯度材料。通过热电性能的测试研究了浓度梯度材料对BST合金最佳工作温度范围的影响。实验结果表明:浓度梯度材料在整个温区(40-240℃)内的ZT值都较高(0.87-1.25)。这说明浓度梯度材料可以扩大BST合金的最佳工作温度范围，进而提高其热电转换效率。我们提出这种方法也可用于扩大其他热电材料的最佳工作温度范围。此外，由于浓度梯度材料在温差的作用下，各部分的费米能级不同，在界面处产生空间电场，故对材料的电学性能有一定的影响;又由于界面可以散射声子，故对材料的热导率也有一定的影响，所以浓度梯度材料的界面对热电性能的参数有一定的影响。

关键词： 高周疲劳   微结构   疲劳裂纹萌生机理   多尺度   裂纹扩展驱动力  

摘要： 长寿命、高可靠性已成为飞机结构设计的主要目标之一,疲劳失效对材料结构的完整性构成严重威胁。介绍了航空铝合金微结构对高周疲劳失效机制的作用及定量表征的研究现状,重点对材料微结构对多裂纹萌生的作用机制与定量表征、小裂纹转变为长裂纹的临界尺寸的数学描述和高周疲劳裂纹多尺度扩展行为定量表征等方面的研究状况进行了分析,指出了制约微结构对高周疲劳作用的定量表征的关键技术问题。

关键词： 纳米复合永磁材料   合金元素添加   高能球磨   微结构   磁性能  

摘要： 纳米复合永磁材料有望成为下一代永磁体，满足高温要求的SmCo/α-(Fe,Co)系纳米复合永磁体是重点研究对象。目前为止，虽然SmCo/α-(Fe,Co)系纳米复合永磁体的研究取得了一些实质性的进展，但是还存在许多的科学问题亟待解决。本论文采用了X射线衍射仪(XRD)、振动样品磁强计(VSM)等技术系统研究了合金元素Zr、Cu、Fe对SmCo/α-(Fe, Co)系纳米复合永磁体微结构及磁性能的影响。实验方法是熔炼添加不同合金元素的钐钴基硬磁相，与软磁相高能球磨制备非晶合金前驱物，冷压之后进行不同温度的热处理。\n 研究表明：不添加合金元素的钐钴合金，得到前驱物中软磁相含量为23%，相变过程是非晶析出 SmCo7相至完全，720℃退火获得最大磁能积9.04MGOe，矫顽力4.24kOe。\n 添加Zr在退火过程中可以提高SmCo7相的晶化温度，有效细化软磁相晶粒尺寸，720℃退火获得最大磁能积为9.26MGOe；添加Cu在退火过程中可以降低SmCo7相晶化温度，矫顽力提高45%，720℃退火获得最大磁能积为9.54MGOe；复合添加Cu和Zr使得矫顽力提高56%，500℃退火获得最大磁能积为10.30MGOe。它们的相变过程与不添加合金元素的钐钴合金一样。\n 添加Fe使得前驱物中软磁相的含量为35%，在650℃退火下获得最大磁能积为8.71MGOe；复合添加Fe和Zr使得前驱物中软磁相含量为32%，650℃退火获得最大磁能积为9.47MGOe；复合添加Fe和Cu使得前驱物中软磁相含量为40%，矫顽力提高50%，580℃退火获得最大磁能积为8.87MGOe。它们的相变过程都有SmCo3相的析出。\n Fe、Cu和Zr的同时添加极大地提高了球磨过程中硬磁相的非晶形成能力，前驱物中软磁相含量为37%，相变过程也有SmCo3相的析出，矫顽力提高46%，650℃退火获得最大磁能积为9.04MGOe。

关键词： 相场法   仿生材料   树枝状孔洞微结构   冷冻铸造法   自适应有限元素法  

摘要： 冷冻铸造法是极具潜力的仿生多孔材料合成方法，不但制程单纯、成本低廉，且可透过多种参数来调控多孔材料内部的微结构组成，拥有够大规模量产的特性，极具商品化价值。此方法主要是以冷冻固化的方式形成冰晶与粉体的二相结构，透过生长出的冰晶作为材料微结构模型，并借由调控冷冻温度梯度、冷冻速度、浆料浓度、溶剂添加物等变因来形塑出不同的多孔材料微结构，最后经冰晶升华与粉体烧结，生成最终的陶瓷坯体。其中最关键的步骤为冷冻固化的调控，借由具方向性的冰晶推开悬浮液中的粉体，成长出复杂的片状(lamellar)与树枝状(dendritic)冰晶，直接决定最终坯体的内部微结构。本研究提出针对冷冻铸造法在参数调控下合成仿生多功能孔洞材料内部微结构成长的数值模型，启发自Peppin等人所提出之一维冷冻铸造模型，并由二元合金固化模型延伸而来。陶瓷微粒在模型中被视为一质量流(mass flow)，以浓度场表示；而温度场则是被定义为一个能够自由调控的给定参数。透过两者与相场方程式的耦合得以模拟冰晶于陶瓷微粒悬浮液中成长的动态过程，同时可对实验中最具主导性的浆料浓度与冷冻速度两操作变因进行分析。首先，透过相场法(phase-field method)可将不连续边界物理模型(sharp interface model)转化为在数值上较易处理的连续边界值问题(continuous boundary value problem)，再应用自适应有限元素法大幅提升计算效率，最终得以重现冷冻铸造过程中陶瓷微粒与冰晶间的交互作用，更能够看出两相界面处异向性的微结构演化。此数值模型的模拟结果与实验量测相当吻合，无论是参数调控对微结构的影响趋势，还是量化数值的分析比较，两者都具有一致的结论。此外，本研究深化了浆料浓度与冷冻速度对陶瓷坯体微结构控制的理解，也为冷冻铸造法相关领域的研究者在材料设计上，提供一个更清晰的参考凭藉。不但奠定了冷冻铸造数值模拟最基本的原型，更开启冷冻铸造法制程模拟的扉页，给予日后数值模拟与冷冻铸造法实验领域能够紧密结合的前景，也开启材料微结构模拟另一种新的可能。

关键词： 抗热震性能   颗粒尺寸   体积比   超高温陶瓷   微结构  

摘要： ZrB2-SiC两相陶瓷因具有高热导率、高电导率、优异的化学稳定性、抗高温腐蚀性能和良好的抗热震性能，成为研究最为广泛的超高温陶瓷之一。然而，当其用于高温结构构件时，在高温使役过程中遭受环境温度的骤变（热震）仍然会产生裂纹甚至失效，降低了其高温结构可靠性，制约了其高温应用。因此，进一步提高抗热震性能对于ZrB2-SiC陶瓷广泛应用于高温结构构件具有重要意义。本文通过有限元数值模拟，研究了不同SiC颗粒尺寸和SiC相体积比对ZrB2-SiC两相陶瓷的临界热震温差和热震裂纹斑图的影响。\n 1、建立了不同SiC颗粒尺寸和不同SiC相体积比的ZrB2-SiC两相陶瓷微观结构模型，统计表征了模型中颗粒的大小、分布均匀性和颗粒圆度误差。\n 2、基于陶瓷热震裂纹演化的统计细观损伤模型，针对SiC相体积比为20％的两相ZrB2-SiC陶瓷，获得了不同SiC颗粒尺寸下两相陶瓷的临界热震温差;通过对试样在300℃热震温度下的最大拉应力的比较，探讨了SiC颗粒尺寸对材料临界热震温差的影响机制;统计表征了600℃热震温度下不同SiC颗粒尺寸试样的热震斑图，分析了SiC颗粒尺寸对热震裂纹扩展的影响，提出了具有高抗热震性能两相ZrB2-SiC陶瓷的最优颗粒尺寸。\n 3、基于陶瓷热震裂纹演化的统计细观损伤模型，针对SiC颗粒半径为125μm的两相ZrB2-SiC陶瓷，获得了不同SiC相体积比下两相陶瓷的临界热震温差，分析了SiC相体积比与临界热震温差变化的内在关联;统计表征了不同SiC相体积比试样在600℃热震温度下的裂纹斑图，分析了SiC相体积比对热震裂纹扩展的影响，提出了具有高抗热震性能两相ZrB2-SiC陶瓷的最佳SiC体积含量。

关键词： 纳米复合材料   层状结构   铌元素   钛化镍   制备工艺   显微结构  

摘要： 发展具有高强度、高韧性和大弹性应变等优异性能的材料一直是研究者追求的目标之一，传统的单一相金属或合金很难实现上述目标。设计具有特定显微组织结构的纳米复合材料，如纳米线材料、纳米多层膜材料和析出强化材料等，已被证明是实现该目标的可行性方法。已探知，纳米材料具有区别于体材料的超常力学性能，被认为是复合材料的理想增强组元。但到目前为止，已制备出的纳米复合材料的力学性能大多都远低于其理论预测值。其原因主要包括:纳米增强相体积分数小且分布不均匀，两相界面结合强度低，以及基体弹性应变难以与纳米增强相的大弹性应变匹配等。层状复合材料由于具有丰富、可控的微观结构特征，如材料的晶体结构、调制结构参数（调制周期λ和调制比η）、界面属性（晶体/晶体界面和晶体/非晶体界面）以及界面结构特性（界面匹配关系与取向关系）等，给科学工作者提供了一种全新的材料设计的方法。以纳米片层为增强相，制备具有大块体形式的纳米层状复合材料，为在大块体材料中实现纳米材料的超常力学性能提供了可能性。有望解决纳米材料的本征超常力学性能难以在结构材料中应用的困难。\n 本文设计制备了Nb/NiTi纳米层状复合材料，并对制备的Nb/NiTi纳米层状复合材料的显微组织、取向分布、化学成分及相变行为等进行了分析。本课题的主要研究结果如下:\n (1)利用应力传递和应变耦合机制，基于Nb纳米片层的大弹性和NiTi合金的相变伪弹性相匹配的材料模型，设计并采用创新的累积叠轧焊技术制备了Nb/NiTi纳米层状复合材料。\n (2)制备得到的Nb/NiTi层状复合材料两相结合牢固，界面清晰，Nb片层平直、均匀、连续地分布于NiTi基体中。随着轧制道次的增加Nb片层和NiTi基体的厚度逐渐减小:每增加1个轧制道次，Nb和NiTi的层厚减小90％。到第4轧制道次后，Nb片层厚度达到50nm左右。\n (3)随着轧制道次的增加，Nb和NiTi的晶粒都被逐渐拉长、细化。到第4轧制道次后，Nb片层呈现准单晶组织，即Nb由跨越整个Nb片层厚度、长度至少为400nm的细条状单晶组成。\n (4)制备得到的Nb/NiTi层状复合材料在Nb-NiTi界面处出现中间层。第二道次的中间层厚度大于第一道次的中间层厚度，此后随轧制道次的增加，中间层的厚度逐渐减小。\n (5)在轧制和热处理过程中，NiTi和Nb会发生相互扩散。随着轧制道次的增加，NiTi基体中的Ni和Ti比例基本保持稳定，Nb含量增加;Nb片层中，Ni和Ti元素逐渐增加，Nb元素含量逐渐减少，第4轧制道次后，Nb含量减小到80％左右;中间层中，Ni元素含量逐渐减少，Ti元素和Nb元素含量增加，最后三种元素稳定于近似等原子百分比。\n (6)随轧制道次的增加，Nb/NiTi层状复合材料在500℃热处理30min后的相变温度变化不大。而R相变的开始和结束温度随轧制道次增加逐渐下降。

关键词： 稀土永磁材料   放电等离子烧结   晶体结构   脉冲电流比   各向异性   磁性能   热稳定性  

摘要： 稀土永磁材料是磁性功能材料范畴的重要组成部分，其在科技和经济发展中中具有十分重要的应用地位。Nd-Fe-B系和SmCo系磁体是目前应用最广泛，关注度最高的两种稀土永磁材料，其磁性能的提升是目前研究的核心问题之一。目前，提高这两类永磁材料的重要手段包括了晶粒纳米化和多相复合两个重要途径。相对于微米晶烧结磁体，纳米晶磁体具有高温度稳定性、高断裂韧性等优势。而双相复合永磁材料则是根据需求选取分别具有高磁晶各向异性以及高饱和磁化强度的两相进行复合，期望得到这两项优势兼而有之的新磁体。本文正是在这两类思路的基础上，分别针对Nd-Fe-B系和SmCo系各自的特点与问题系进行了研究，以期获得对性能的改善。\n 常规烧结工艺由于升温速率慢、烧结温度高和保温时间长等缺点，不适用于制备高致密度纳米晶磁体。而放电等离子烧结(SPS)技术能够较好解决这一问题。但是在SPS烧结过程中，脉冲电流会使颗粒之间产生局部高温，使晶粒长大形成粗晶区。这种粗晶区在热变形过程中不易变形，影响了磁体的各向异性及磁性能。本文从脉冲电流比这一参数出发，通过在热压过程中调节不同的脉冲电流比(2∶2;5∶2;9∶2;12∶2)，成功地减少了Nd-Fe-B热压和热变形磁体中的粗晶区厚度，从而优化了各向同性和各向异性磁体的磁性能。随着脉冲比由12∶2降低到2∶2，热压磁体剩磁由7.43kGs提高到8.39kGs，方形度由4.81提高到5.75，最大磁能积由11.93MGOe提高到15.23MGOe。热变形磁体获得了更好的织构，剩磁由13.70kGs提高到14.22kGs，方形度由11.58提高到13.2，最大磁能积由44.26MGOe提高到48.24MGOe。\n SmCo系永磁体具有较好的热稳定性，强磁晶各向异性。但是其较低的饱和磁化强度限制了它的广泛应用。与SmCo5具有同样晶体结构的PrCo5虽然各向异性场较低，但是其具有更高的Ms且更容易变形获得织构。因此，本文中将二者进行复合，希望利用二者的优势相互补充和协调，在获得良好变形织构的同时也能改善磁体的综合磁性能。实验中采用直接熔炼Sm0.6Pr0.4Co5铸锭及分别熔炼SmCo5和PrCo5铸锭再进行复合两种方式制备了热压和热变形复合磁体，在进行微结构特征及各项磁性能参量测试和分析的基础上，研究两种复合方式对磁体内部的相组成，结构以及磁性能的影响。研究发现第一种复合方式的热压和热变形磁体SmCo5和PrCo5进行了更充分的化合，具有更优的磁性能，热压磁体Ms=8.29kGs，Mr=6.40kGs，Hci=31.70kOe，(BH)max=9.48MGOe，930℃热变形磁体Ms=10.11kGs，Mr=9.10kGs，Hci=17.18kOe，(BH)max=19.42MGOe。同时第一种复合方式的热变形磁体具有更好的织构，而且随着变形温度的升高织构变强。

关键词： 拓扑优化   均匀化理论   材料微结构   优化设计  

摘要： 材料的微观结构对其宏观性能有显著的影响，通过对材料的微观结构进行优化设计，可以获得具有特殊宏观性能的材料。本文基于均匀化理论求解微结构的等效弹性性能，利用拓扑优化技术对材料的微观构型进行优化设计，以得到具有极限弹性性能和极限负泊松比特性的微观构型。\n 首先，基于均匀化理论求解材料微结构的等效弹性矩阵，为利用成熟的拓扑优化技术，将基于均匀化理论的等效弹性矩阵表达成基于应变能等效的能量表达式，通过与相关权威文献的计算结果进行对比，以验证本文基于能量均匀化方法求解材料微结构等效弹性性能的正确性和有效性。相关数值算例表明，对于材料组分比相同但截取自不同周期性结构的不同微结构单胞，其等效弹性性能差异明显，但不同的网格数目对等效弹性性能的影响足以忽略，对于截取自同一周期性结构的不同微结构单胞具有完全相同的等效弹性性能。\n 然后，基于改进的SIMP材料插值模型，以微结构的等效弹性矩阵中的某项或某几项加权组合最大作为优化目标，以材料组分比为约束，实现了具有最大水平抗拉压刚度、最大竖直抗拉压刚度、最大抗剪切刚度、最大水平竖直双向模量之和以及最大体积模量的材料微结构的最优拓扑构型设计。分析表明，对于较简单的优化目标，如水平抗拉压刚度最大、竖直抗拉压刚度最大、抗剪切刚度最大、水平竖直双向模量之和最大，不同材料组份比和网格数目对最优拓扑构型、等效弹性矩阵及优化目标值的影响较小，对于较复杂的目标，如体积模量最大，不同材料组分比和网格数目对最优拓扑构型、等效弹性矩阵的影响较大，但对其最优目标值的影响较小；不同初始结构布局下的最优拓扑构型和等效弹性矩阵差异明显，特别对于如体积模量最大这种较复杂的目标，但其最优目标值差异较小，表明初始结构布局对材料微结构的最优拓扑构型具有指引性作用，并使其优化迭代过程稳定。\n 最后，通过预先设定目标弹性矩阵，采取优化目标与预先设定目标平方差的加权组合最小为优化目标，以材料组份比为约束，实现了具有极限负泊松比的材料微结构构型的优化设计。分析表明，不同材料组份比下的最优拓扑构型与等效弹性矩阵差异明显，但其优化目标值?的差异较小，在不同网格数目下的最优拓扑构型、等效弹性矩阵及优化目标值?的差异均较小；不同初始结构布局对材料微结构的最优拓扑构型具有指引性作用，并使其优化迭代过程稳定。