关键词： Fe-Al层状复合材料   NiTi纤维增强Fe-Al层状复合材料   力学性能   阻尼性能  

摘要： 本文采用了真空热压烧结炉制备出了Fe-Al层状复合材料和NiTi纤维增强Fe-Al层状复合材料,并根据之前的研究和Ti/AlTi的制备工艺,对制备工艺参数进行了优化。通过OM、SEM、XRD、EDS等手段对两种不同的材料进行微结构表征。其结果显示,NiTi纤维的引入去掉了原有的中心线,但是微结构变得更为复杂,有多个反应层,例如,Fe-Al反应层、共析层,金属间化合物层以及纤维反应层,主要的相有FeAl、AlTi、AlNi、NiTi、AlNi、304-SS不锈钢等。利用排水法进行了密度测量,并对两种不同的材料进行了对比,有NiTi纤维的引入后,密度确实有所增加,但是只增加了2%。利用显微硬度计、万能试验机和Q800DMA动态机械热分析仪对两种不同材料的力学性能、阻尼性能进行了测试。两种材料的显微硬度值都呈现一定的周期性。相比于Fe-Al层状复合材料,NiTi纤维增强Fe-Al层状复合材料的力学性能和阻尼性能都有所提高,拉伸强度提高了28.0%。应变率为0.001/s时Fe-Al层状复合材料的最大抗压强度和失效应变分别为518.83MPa和9.06%,NiTi纤维增强Fe-Al层状复合材料的最大抗压强度和失效应变分别为623.92MPa和9.18%,增强了20.0%。应变率为0.01/s时,Fe-Al层状复合材料的最大抗压强度和失效应变分别为539.15MPa和11.14%,NiTi纤维增强Fe-Al层状复合材料的最大抗压强度和失效应变分别为642.82MPa和8.24%,增强了19.2%。应变率为0.1/s时,Fe-Al层状复合材料的最大抗压强度和失效应变分别为551.62MPa和7.27%,NiTi纤维增强Fe-Al层状复合材料的最大抗压强度和失效应变分别为652.62MPa和8.36%,增强了18.3%。在施加压力方向为平行纤维方向时,NiTi纤维增强Fe-Al层状复合材料的最大抗压强度和失效应变分别为737.5MPa和5.41%,Fe-Al复合材料最大抗压强度和失效应变分别为558.3MPa和6.12%,最大抗压强度增加了21.0%。NiTi纤维增强Fe-Al层状复合材料的最大载荷923.8N,Fe-Al层状复合材料的最大载荷674.8N,三点弯曲中最大载荷有所提高,但是抗弯强度却下降了。阻尼因子增加了一倍之多。另外,对NiTi纤维增强Fe-Al层状复合材料的拉伸断口行了分析,结果表明,304-SS层具有明显的韧性断裂,Fe-Al反应层中显示出了河流花样,显示为解理断裂,NiTi纤维反应层显示出明显的脆性断裂,出现了晶间断裂和穿晶断裂。

关键词： 柔性传感器   电容式   线性度   灵敏度   微结构  

摘要： 柔性电容压力传感器因具有灵敏度高、动态范围大和响应速度快等优点在人工智能和医疗监控等领域有广阔的应用前景。通过对电介质层微结构的设计可以有效提高电容压力传感器的性能。COMSOL Multiphysics被研究者用于研究传感器的电容变化,但该软件难以有效模拟传感器应用中的非线性接触和大变形过程,因而模拟结果与实验数据偏差大。本文提出先使用ABAQUS模拟变形过程,再使用COMSOL Multiphysics模拟电容变化,结合ABAQUS和COMSOL Multiphysics两个软件优点,大幅提高数值模拟的准确性。同时针对金字塔形、圆柱形和圆锥形三种常用的微结构,研究其几何形状参数和材料属性参数对传感器性能的影响规律。研究结果为传感器电介质层微结构的设计提供理论依据。对于电介质层为金字塔形微结构电容传感器,改变金字塔形微结构的材料弹性模量、底边长、高度、斜面倾角和整体尺寸等参数,来探索各个参数对传感器不同压力量程(2kPa,5 kPa,20 kPa)下的线性度和灵敏度的影响规律。结果表明,传感器的灵敏度对金字塔形微结构的弹性模量、角度和整体尺寸敏感,线性度对角度和弹性模量敏感。减小金字塔形微结构的弹性模量、角度、高度和整体尺寸,传感器的灵敏度升高,线性度下降。减小底边长度可以同时提高传感器的线性度和灵敏度。对于电介质层为圆柱形微结构的电容传感器,研究圆柱形微结构的材料弹性模量、半径、高度和母线形状对传感器性能影响规律。由于该微结构细长的特点,除了研究该传感器的线性度和灵敏度之外,还需通过临界荷载来校核其稳定性,确定其量程。研究发现该传感器有良好的线性度;传感器的灵敏度对圆柱形微结构的弹性模量和半径敏感,弹性模量越低,半径越小,传感器的灵敏度越高,但量程越小。对于电介质层为圆锥形微结构的电容传感器的研究,由于其形状和电容响应与金字塔形微结构相似,不再基于标准的圆锥形状的进行参数研究,而是在圆锥形的基础上进行外部轮廓设计和内部空心圆锥结构设计,来探索对不同量程下的传感器灵敏度和线性度的影响。研究发现对于基于圆锥形微结构的电容传感器,增大内部空心圆锥的尺寸,可同时提高传感器的线性度和灵敏度;改变内部空心圆锥的形状,对传感器的线性度和灵敏度影响不明显;设计外部轮廓,可以同时提高2 kPa和5 kPa量程的传感器的灵敏度和线性度。

关键词： 半导体   硫化锌   石墨烯   微波水热法   光催化  

摘要： 环境污染及能源短缺引发的全球危机成为亟待解决的问题,半导体光催化技术能直接利用太阳能进行污染治理和清洁能源转换而被寄予厚望。Zn S作为直接带隙的宽禁带半导体,较高光生载流子产率和较负的导带电势使其备受关注。然而,相对较宽的带隙限制了Zn S对太阳光的有效利用,虽具有高光生载流子产率但分离效率不高,导致光量子效率不高。因此,本文开展了Zn S基半导体光催化材料微结构调控的研究,以期有效窄化其带隙、提高光生载流子的分离效率,构建高光催化性能的Zn S基材料并对光催化技术的推广应用提供有效的数据支撑。本研究以Zn S为研究对象,通过对其微结构调控然后与石墨烯复合,来拓展其光谱响应范围和提高光生载流子的利用率,其主要研究内容和结果如下:(1)改变锌源(氯化锌、乙酸锌、柠檬酸锌)和硫源(硫化钠、硫脲、巯基乙酸),通过微波水热法合成了片状、球状和西兰花球状硫化锌,并以罗丹明B为目标降解物评价光催化性能。以巯基乙酸和乙酸锌所合成的球状硫化锌的光催化性能最好,对10 mg·L的罗丹明B的光催化降解效率150 min达到100.0%,活性位点的增加和尺寸效应是其光催化性能提升的主要因素。(2)以改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)并采用原位水热还原制备了石墨烯复合硫化锌基光催化材料,探究了氧化石墨烯用量对复合材料光催化性能的影响。结果表明石墨烯的含量对产物的微观形貌有较大影响,当石墨烯添加量为0.2%时,所得产物为纳米团聚颗粒状,当添加量为1.0%时,产物为片状硫化锌组装成的微纳球。石墨烯的引入调控了RGO/Zn S的带隙,增大了其在可见光区的吸收,RGO/Z n S光催化降解罗丹明B的性能较纯硫化锌提高了4 1.2%,石墨烯有效的吸附及优异的载流子迁移率是其光催化性能提升的主要原因。

关键词： 层状复合材料   流延成型法   压力浸渗法   力学行为   裂纹扩展  

摘要： 本文采用流延成型法与压力浸渗法制备SiCp/Al-纯Al、SiCp/Al-(5083)Al、“砖-泥”SiCp/Al-纯Al层状复合材料。通过金相显微镜、扫描电镜、XRD对复合材料进行微观表征，并系统的研究了SiCp/Al层厚度、铝层厚度、不同结构的SiCp/Al层对层状复合材料力学行为的影响。通过原位观察，研究层状复合材料的裂纹扩展行为、利用图像数字关联(DIC)技术对材料在弯曲过程中应变、应力场的分布、裂纹萌生与扩展等情况进行了研究。　　本文首先使用流延成型法制备不同厚度SiCp流延片，当PVB:PEG质量比为1:1时，制备SiCp均匀流延片;当PVB:PEG质量比为1:3时，制备出网格状均匀分布流延片。将流延片与铝箔交互叠层，制备SiCp-Al预制体，在5MPa压力冷压1h，于600℃保温4h去脂。通过压力浸渗制备各层分布均匀，界面结合良好的层状复合材料，利用金相法可知SiCp/Al层中SiCp体积分数约为35%~40%。　　对于SiCp/Al-纯Al层状复合材料，密度、弹性模量、弯曲强度、断裂吸收能随着SiCp/Al层厚的增加呈现先增加后降低的趋势，铝层与SiCp/Al层厚度分别为5μm和100μm时，弯曲强度与断裂吸收能分别为379MPa、177N/mm。当SiCp/Al层厚度为100μm，铝层厚度增加一倍，弯曲强度降低19%，断裂吸收能提高36%。当SiCp/Al层厚度为300μm，铝层厚度为5μm时，弯曲强度升高3.9%，断裂吸收能提高70%。对于“砖-泥”SiCp/Al-纯Al层状复合材料，弹性模量、弯曲强度、断裂吸收能随着SiCp/Al层厚的增加呈现先下降后上升的趋势，密度呈上升趋势，SiC/Al厚度增加一倍时弯曲强度几乎不变，断裂吸收能降低19%。较SiCp/Al-(纯)Al层状复合材料相比，“砖-泥”SiCp/Al-纯Al层状复合材料具有更高的密度、弹性模量、弯曲强度、断裂吸收能，当SiCp/Al与Al层厚比为200:20时，弯曲强度为391MPa，断裂吸收能为278N/mm，弯曲强度前者为后者的1.5倍，断裂吸收能几乎不变。对于5083基体复合材料，当铝层厚度相同时，弯曲强度、断裂吸收能随着SiCp/Al层厚的增加呈现下降趋势。　　SiCp/Al-Al层状复合材料裂纹首先萌生于SiCp/Al层与纯Al层界面处;SiCp/Al-纯Al层状复合材料主要呈现台阶式裂纹扩展行为;“砖-泥”SiCp/Al-Al层状复合材料主要呈现锯齿式裂纹扩展行为。DIC结果显示层状复合材料在弯曲过程中存在应力、应变集中，存在裂纹分叉、偏转、终止、钝化，弱界面对裂纹的偏折，同时存在颗粒拔出与微裂纹增韧。

关键词： Voronoi   多晶集合体   晶体塑性有限元   晶体取向   各向异性  

摘要： 当材料处于微尺度条件下,原有在宏观尺度下与材料尺寸无关的一些力学性能将变得不再独立,尺寸效应表现的尤为明显,而原有的各向同性的理论学说不能很好地解释这种尺寸效应,无法在材料微加工时提供比较有效的指导,这种情况促使了人们对材料微结构理论的研究。细观尺度下塑性分析理论的引入可以让人们更好地认识多晶材料的细观塑性变形机理并对材料加工过程和产品质量的提升提供相应的参考。本文利用晶体塑性有限元法(CPFEM)从晶体学基本理论到本构关系的有限元实现、多晶几何建模和多晶体RVE、单、双拉试件的有限元分析等方面对A6061铝合金变形过程中的晶体取向、晶粒形貌、宏观塑性变形等方面进行了深入研究,讨论微观结构变形对宏观性能的影响,分析复杂加载条件下晶粒的变化。主要内容如下:(1)基于晶体塑性本构关系,利用ABAQUS用户自定义子程序接口,通过编写满足用户需要的UMAT并对其进行调试和应用于多晶体有限元分析,模拟结果表明,基于晶体塑性的本构模型是描述微观材料各向异性变形的有效工具和手段。(2)利用Matlab和Python方法进行了多晶体的几何建模,通过编写脚本程序为晶粒赋予随机取向,并在ABAQUS平台上实现了多晶体模型有限元分析。实验结果表明,Voronoi结构的多晶体模型能够较好地描述实际多晶体材料的整体宏观外形和内部晶粒微观形貌,是一种有效的多晶体有限元模拟工具。(3)通过对多晶体RVE模型的有限元分析,描述各晶粒应力、应变的不均匀性,分析滑移系的启动等现象。研究表明,材料在变形时,在晶界处会产生应力集中、接触压力急剧变化等现象。通过对单拉、双拉Voronoi多晶体试件有限元分析,考虑晶粒初始取向、晶粒形貌、空间位置等结构对材料宏观性能的影响。

关键词： 吸波材料制备   微结构设计   吸波机理研究  

摘要： 日益严峻的电磁污染对人类健康,电子安全和国防安全等造成了严重危害。为了解决这一问题,人们一直致力于研究具有强吸收、宽屏带和轻量薄层等优点的吸波材料。最近,电磁波吸收理论与材料制备技术的进展表明优良的吸波性能得益于合理设计的微结构,如多孔、核壳和三明治结构等。然而,目前报道的吸波材料微结构构筑仍然存在诸多问题,如制备过程复杂和成本高等。此外,结构对于吸波性能的影响规律仍有待研究。在本论文中,我们采用简单的方法与价格低廉的原材料制备了多种具有不同结构的高性能吸波材料,并且深入研究了不同结构对于吸波性能的影响。主要内容详述如下:(1)通过一步碳化天然生物质制备了一系列具有卓越吸波性能的多级孔碳材料。在碳化过程中,生物质固有的碱金属元素原位刻蚀碳材料产生纳米孔结构,同时生物质天然组织的微米孔结构被部分保留,因此形成多级孔结构。在所有样品中,菠菜茎衍生多级孔碳的最大反射损耗(RL)高达-62.2dB,有效吸收带宽(EAB)达到7.3 GHz。此外,以不同季节成熟的菠菜茎为前驱体制备的多级孔碳材料吸波性能相似,表明该材料优良的可重复性。研究发现,多尺度孔的叠加效应赋予了多级孔碳材料优良的吸波性能。(2)通过简单的刻蚀—聚合法制备了具有卓越吸波性能的FeO@聚吡咯(PPy)核壳复合微球。以预制备的FeO微球为模板,通过盐酸刻蚀在微球表面形成的大量Fe引发吡咯单体的原位聚合,因此形成核壳结构。PPy壳的厚度与FeO核的质量分数可以通过调整刻蚀时间精确地调控。当刻蚀时间仅为5分钟时,样品的RL达到-41.9dB,EAB覆盖整个Ku波段(12.0-18.0GHz),匹配厚度为2.0 mm。这一优异的吸波性能主要来自于聚吡咯壳引发的强介电损耗。(3)通过简单的方法制备了三明治型碳/FeO/石墨烯三元复合材料。将蜜胺海绵浸渍在氧化石墨烯和Fe(NO)的混合溶液中,然后干燥并在氮气气氛下碳化。在热解过程中,海绵的多孔结构被保留,氧化石墨烯被还原并搭载在碳骨架上,同时硝酸铁反应形成铁氧化物微米或纳米颗粒附着在还原氧化石墨烯上,因此三明治结构复合材料形成。所制备的样品RL达到-51.2dB,EAB为8.7GHz,覆盖了整个Ku波段和大部分X波段(8.0-12.0 GHz)。研究证明该材料优异的吸波性能来自于三明治结构所增强的界面极化弛豫与电磁波多重反射。

关键词： 非弹性热峰模型   高电荷态离子   垂直入射   掠入射   云母   纳米微结构  

摘要： 近年来,离子束技术在各种材料表面纳米结构的形成和精确控制方面显示了其独特性和有效性,这方面的研究对材料表面改性的实际应用有非常重要的意义。本文分为两部分,一部分是对中能离子诱导云母表面纳米结构形成的研究,另一部分是对低能离子诱导云母表面纳米结构形成的研究(本实验中用的云母为白云母)。在第一部分中我们采用了能量为0.34-6 MeV的Li,C,O离子来辐照云母,研究了其诱发云母表面的纳米峰结构的特征,并对先前做的一些实验结果做了数值上的模拟对比,采用非弹性热峰模型的数值计算获得了与实验较好的符合。第二部分我们采用加速电压为2.3kV和8kV的Xe离子辐照云母材料,研究了其诱发云母表面产生的纳米峰结构,这部分除了采用离子垂直入射的方法,我们还采用了离子在不同角度下的掠入射。两部分实验的结果如下:对于第一部分的研究我们发现纳米峰的底部直径和高度随入射离子的电子能损升高而变大,并且纳米峰结构是峰高比峰底部半径大的尖峰形状。非弹性热峰模型计算的纳米峰直径和实验测得的纳米峰直径基本一致,预测的电子能损的阈值明显低于本次实验的测量值。第二部分的研究发现在垂直入射时峰的高度和底部直径随着离子携带势能的升高而变大,垂直入射时小峰的平均高度和底部平均直径的比值基本不会随着入射离子价态的变化而变化;在掠入射的情况下,相同的掠入射角度下峰的高度随离子势能的升高而降低,并且峰的高度都要高于在垂直入射情况下的峰高度。相同入射角度其离子价态的变化或不同的掠入射角度的变化会影响小峰底部形状的变化,离子价态越高或掠入射角度越大小峰底部直径的形状呈现更加明显的椭球状。

关键词： CVI SiCN陶瓷   Si3N4-SiCN复相陶瓷   吸波性能   力学性能   电磁屏蔽  

摘要： SiCN陶瓷具有低密度、耐高温、抗氧化且介电性能可调等特点,以其作为基体可望制备出结构功能一体化陶瓷基复合材料。化学气相渗透法(Chemical Vapor Infiltration,CVI)制备温度低、制备工艺易调节、所得材料结构均匀致密,成为高性能陶瓷基复合材料的主要制备方法。采用CVI法制备的SiCN陶瓷是非晶态,极化损耗较低,难以在X波段(8.2～12.4GHz)实现全频RC小于-10dB的吸收(90%的电磁波被衰减)。介电型陶瓷实现全波段吸收需具有适中的介电常数目标值,这就要求材料具有一定的透吸波纳米异质界面。如何使SiCN陶瓷获得透吸波纳米异质界面是提高其吸波性能的关键,通过原位自生纳米相(碳纳米管和厚度为纳米级的BN)诱导SiCN陶瓷晶化,析出导电相并形成纳米异质界面,从而提高其吸波性能。目前,国内外主要研究CVI SiCN陶瓷制备工艺对其电磁性能的影响规律,亟待研究CVI SiCN陶瓷的微结构演变对纳米相改性SiCN陶瓷电磁性能的影响规律。本文采用热力学计算获得SiCN陶瓷的低温共沉积条件,并通过理论计算获得宽频、强吸收材料的目标电磁参数。通过对CVI SiCN陶瓷进行热处理,研究陶瓷的微结构演变对电磁性能的影响规律;通过原位自生CNTs和BN纳米相诱导SiCN陶瓷晶化来提高其电导损耗和极化损耗,研究其微结构演变对电磁性能的影响规律;将上述优化的SiCN基体与吸波型纤维复合,制备结构功能一体化SiCN陶瓷基复合材料。主要研究内容和结果如下:(1)揭示了 CVI沉积条件对SiCN陶瓷的相成分和相含量的影响规律,确定了低温共沉积SiCN陶瓷的工艺参数范围。H2稀释比的增加有利于SiC和Si3N4相的沉积;较低的沉积温度有利于C和Si3N4相的沉积,且其沉积效率较大;SiCl4足量的条件下,C3H6/(C3H6+NH3)比越大越有利于SiC和C相的沉积。要实现SiCN陶瓷的低温制备,需控制沉积条件在H2稀释比为10～50、足量SiCl4浓度([SiC14]/([NH3]+[C3H6])>0.75)和C3H6/(C3H6+NH3)比值小于 0.3。(2)基于金属背板模型和传输线理论,预测了介电型吸波和屏蔽材料的目标电磁参数。通过调节介电材料的电磁参数可以实现其对电磁波吸收和屏蔽性能的调控,当介电常数实部小于20、介电损耗在0.25～1时,材料具有优异的吸收性能;当介电常数实部大于20且介电损耗大于1时,材料具有优异的电磁屏蔽效能。(3)揭示了 SiCN陶瓷晶化过程中的微结构演变对其电磁性能的影响规律,建立了透吸波纳米异质界面结构模型。以多孔Si3N4陶瓷为基体,通过CVI SiCN制备Si3N4-SiCN复相陶瓷,Si3N4和非晶SiCN均为低介低损陶瓷,导致其吸波性能差,其介电常数实部、虚部和介电损耗分别为4.52、0.16和0.036。经1600℃热处理后SiCN陶瓷完全晶化,析出β-SiC纳米晶粒、自由碳和α-Si3N4,并形成Si3N4-C和Si3N4-SiC透-吸波纳米异质界面。随着自由碳晶化程度的提高使得复相陶瓷的电导损耗增加,同时纳米异质界面的形成增加了其极化损耗。因此,完全晶化的复相陶瓷在X波段具有优异的电磁波吸收性能,反射系数最低值为-41.7dB,反射系数小于-10dB的频带宽度为3.95GHz。(4)揭示了原位自生CNTs对SiCN陶瓷的诱导晶化作用,阐明了陶瓷在热处理过程中的微结构演变对其电磁性能的影响规律。通过催化CVI法在Si3N4-SiCN复相陶瓷中原位自生纳米相CNTs。基于原位自生CNTs的诱导晶化作用,SiCN陶瓷的完全晶化温度由1600℃降低到1400℃。将CNTs引入复相陶瓷中形成导电网络,导致其电导损耗增加,由低介低损材料转化为中介中损材料,复相陶瓷的介电常数实部、虚部和介电损耗分别为7.41、7.52和1.01。复相陶瓷中CNTs的含量达到渗滤阈值,导致其吸波性能随晶化程度提高而基本不变,未经热处理复相陶瓷的反射系数最低值为-***,反射系数小于-10dB的频带宽度为1.9GHz。(5)揭示了BN纳米相对Si3N4-SiCN复相陶瓷的微结构演变和电磁波吸收性能的影响规律。通过CVI法在Si3N4-SiCN复相陶瓷中原位自生BN纳米相。非晶BN相中较多的缺陷和杂质元素,导致复相陶瓷的极化损耗提高,得到一种低介中损材料。未经热处理复相陶瓷的介电常数实部、虚部和介电损耗分别为5.26、4.01和0.76,反射系数最低值为-25.2dB,反射系数小于-10dB的频带宽度可覆盖整个X波段,具有优异的吸波性能。热处理过程中,复相陶瓷以β-SiC、C和α-Si3N4纳米晶粒的形式析出导致其极化损耗进一步增加,然而BN晶化过程中释放的氧与SiCN中的自由碳反应导致其电导损耗减小,使得复

关键词： 铬离子   长余辉发光   光致发光   热释发光   发光动力学  

摘要： 近年来,采用活体生物成像技术来诊断和治疗恶性疾病逐渐成为生物医学领域的研究热点。其中,采用近红外长余辉发光纳米粒子进行生物体标记并成像的策略被认为是最有前途的技术之一。尤其,该策略在成像过程中不需要外部激发,有效避免了生物体自荧光的干扰,进一步改善了成像质量。当前,采用铬掺杂的镓锗酸锌(ZGGO:Cr)近红外长余辉发光纳米粒子手段实现生物成像取得了较好的效果,但其余辉强度、余辉时间等性能还需进一步提高。尤其,对ZGGO:Cr纳米材料体系,目前迫切需要研究Cr离子周围的晶体场强度的变化,以及与反替位缺陷有关的深陷阱能级的深度对Cr离子与深陷阱能级之间的能量传递的作用等基本物理问题。阐明上述问题的影响机制,将有利于设计和获得可用于生物活体成像的新型近红外长余辉发光纳米材料。本文采用水热法结合后期高温真空热处理技术制备得到了不同浓度Sn离子掺杂的镓锗酸锌近红外长余辉纳米粒子,分子式为Zn2Ga2.98Ge0.75-xSnxO8:Cr0.02(ZGGSO:Cr),掺杂浓度 x=0,0.015,0.030,0.063,0.125,0.250。实验发现,所合成样品的平均粒子尺寸在30-45 nm范围内。通过样品EDX元素分析,发现样品中存在Sn元素。通过对样品的XRD精修、拉曼光谱和X射线光电子能谱分析,发现随Sn离子掺杂浓度的增加,样品的晶格常数及Zn-O、Ga-O和Cr-O的键长增大。在紫外光(254nm)和红光(596nm)的激发下,可观察到样品呈现位于697 nm和712 nm两个近红外发射峰,其分别归属于2E→4A2和4T2(4F)→4A2能级的跃迁;并且这两个发射峰的强度随着Sn离子掺杂浓度增大而减小。归一化的发射谱表明,位于712 nm发射峰的强度相对于位于697 nm的发射峰的强度增大。上述现象可归因于:随着Sn离子掺杂浓度的增大,样品的Cr-O键长变长,使Cr离子所取代格位周围的晶体场强度变弱,造成从4T2到4A2的跃迁速率增大引起的。近红外长余辉衰减曲线结果表明:锡离子掺杂浓度为0.015的样品的近红外长余辉时间最长;这是因为Sn的掺杂诱导了更多的反替位缺陷的产生。同时,掺杂Sn离子还会调节Cr离子所取代格位周围的晶体场强度,改变了 Cr离子的4T2能级与反替位缺陷(Zn’-Ga)(深能级缺陷)的能级间距,最终调控了从Cr离子的4T2能级到深能级缺陷之间的能量传递过程。采用ZGGSO:Cr粉末压制的圆片为成像靶,在紫外光(254 nm)或X射线辐照后,透过5mm厚的肉皮组织,在黑暗环境下可得到清晰的近红外长余辉发光的圆片成像。经过数分钟后图像消失,但通过小功率808 nm激光光激励,可以实现红色圆片在任意时刻的再次成像。

关键词： 纤维   薄膜   碳纳米管   石墨烯   微结构  

摘要： 碳纳米管与石墨烯都是碳原子以sp杂化轨道构筑的单分子结构。因其独特的结构与优异的力、热和电学等性质,成为当前材料学与凝聚态物理领域的研究热点。碳纳米结构的一个潜在用途是作为构筑单元组装成宏观材料,将碳纳米结构的优异性能发挥到宏观水平。目前已经发展了许多自下而上的方法制备碳纳米结构宏观材料,其中最重要的两种材料形态是纤维和薄膜。经过数十年的努力,虽然对碳纳米结构宏观材料的研究取得了许多重要进展,但是它们的若干关键性能与其构筑单元相比还存在着巨大差距。例如,碳纳米管纤维和石墨烯薄膜的拉伸强度都比其构筑单元(碳纳米管和石墨烯)的拉伸强度低1-2数量级。理解材料的微结构与性能之间的关联是材料设计的关键,本文使用实验、模拟与理论分析相结合的方法,研究了以碳纳米管纤维和石墨烯薄膜为代表的碳纳米结构宏观材料的微观结构与宏观性能之间的关联,主要内容如下:(1)建立了多尺度力学理论模型。基于碳纳米管纤维和石墨烯薄膜的实验表征,提出三级微结构的划分。以碳纳米管纤维为研究对象,将缺陷、界面、卷曲等多级微结构特征引入,建立了相应的不同尺度力学模型。理论分析结果揭示了造成碳纳米管纤维拉伸强度下降的三个关键因素:碳纳米结构缺陷、界面间不充分载荷传递、微结构的低密度与低取向特征,并基于取向有序化、成束化、致密化给出了制备高强度碳纳米管纤维的工艺优化方向。(2)揭示微结构对力学性能影响。基于力学模型与第一性原理计算,研究了石墨烯薄膜层间交联修饰对于石墨烯片层面内与层间力学性能的双重作用。分析了层间交联、片层尺寸等微结构对石墨烯薄膜力学性能的影响,给出了不同条件下石墨烯薄膜界面修饰所需的最优交联密度,并预报了石墨烯薄膜拉伸强度、杨氏模量等力学性能的上限。(3)探索力学载荷对材料微结构的调控方法。褶皱与层状结构是石墨烯薄膜的两个微结构特征,对于石墨烯薄膜的性能与功能起着关键作用。实验发现褶皱结构赋予石墨烯薄膜负泊松比行为,以及湿加工预应力可以调控褶皱结构,进而强化石墨烯薄膜的杨氏模量等力学性能。基于力学模型与第一性原理计算进行材料设计,发现应变调控层间距的有效方法,有望用于选择性传质等领域。