关键词： 低能离子束刻蚀   粗糙度   透射率   纳米结构   光学性能  

摘要： 纳米材料有着诸多的优良特性，随着科技的发展，各国对于纳米材料的研究更加深入，纳米材料的发展也更加迅猛。所以本文的核心技术就是可以有效的形成物体表面纳米结构的低能离子束刻蚀技术。本文的刻蚀对象为蓝宝石晶体，对蓝宝石晶体的研究是因为其光学、化学、机械等等各个方面的广泛应用，现如今更是军用光电设备中不可或缺的材料。\n 本文采用微波回旋共振离子源，通过改变刻蚀的入射能量、入射角度、刻蚀时间以及离子束束流这些因素刻蚀蓝宝石样片。针对刻蚀后的蓝宝石样片，用Taylor Sure CCI2000非接触式表面测量仪测量表面粗糙度、分光光度计测量透射率以及用德国Bruker公司生产的Multimode8原子力显微镜测量表面纳米结构。\n 对测量后的三方面数据进行比对、分析，得出结论如下:\n 1)当刻蚀时间、离子束流以及刻蚀角度固定的情况下，刻蚀后的蓝宝石表面透射率会随着入射能量的增加而变大，但入射能量的改变对样品表面纳米结构影响很小。\n 2)当入射能量、离子束流以及刻蚀角度固定的情况下，改变刻蚀时间60min为120min，刻蚀后的蓝宝石粗糙度及表面透射率都有增加，样品表面结构更加有序。\n 3)当刻蚀时间不变、刻蚀角度不变时，离子束流由35mA增加到45mA，刻蚀后的蓝宝石表面粗糙度以及表面透过率都有所增加。\n 4)当固定参数下刻蚀后的蓝宝石的表面粗糙度大时，测得的表面纳米结构图也更为清晰、有序，相反当表面粗糙度较小时，表面纳米结构相对平滑。

关键词： 低温烧结   NiCuZn铁氧体   磁谱   直流偏置特性磁导率稳定性   电磁屏蔽片  

摘要： 随着电子工业的不断发展,电子设备对元件的要求越来越苛刻。这对作为感性元件的常用材料NiCuZn铁氧体的性能提出了更高的要求。主要体现在以下几个方面：材料的磁谱特性调控,材料的耐直流冲击特性,材料的直流偏置特性,及材料的温度稳定性等。本文的研究工作正是围绕这几个方面的性能要求而展开,以固相反应法烧结NiCuZn铁氧体为研究对象,分析了主配方,添加剂含量,以及微观形貌对NiCuZn铁氧体各方面性能的影响,为开发高性能NiCuZn铁氧体元件提供了理论指导。另外无线互联网的发展催生了新的产品—电磁屏蔽片,本文对于NiCuZn铁氧体电磁屏蔽片的工业化生产方法进行了初步的研究。 首先,运用临界尺寸理论,磁导率分量组成理论,NMGB（Non-Magnetic Grain Boundaries）非磁性晶界模型对材料的微观形貌和磁谱特性进行了分析,研究结果表明,若要制备高磁导率,高使用通频带的铁氧体材料,必须控制材料的平均晶粒尺寸在单畴临界尺寸之下;Co203的添加对两种磁化率分量的影响呈现出不同的规律;尝试采用将阻尼因子看成是频率的函数的方式来拟合磁谱,所得的拟合曲线在整个频段与实测曲线更加吻合,提出了阻尼因子可以作为分析材料配方,工艺,微观形貌与磁谱形状之间关系媒介的思路。 其次,运用NMGB模型对材料耐直流冲击特性的研究结果发现,通过玻璃相掺杂可以加厚材料的晶界,能有效的降低实际作用在磁性相上的冲击磁场;通过磁谱拟合的方法研究不同晶粒尺寸的样品发现,受到磁场冲击后畴壁位移磁化率的变化幅度远小于磁矩转动分量,并且畴壁的存在,会使磁矩转动分量的变化幅度也大大减小。 再次,对材料直流偏置特性的研究结果表明：采用低熔点玻璃与Bi203复合添加的做法,既能获得比单一添加剂材料更细小的晶粒尺寸,又能获得更厚的晶界,从而能得到更好的偏置性能：提出了理想的助烧剂的研究方向,既具有Bi203与铁氧体的浸润性,又能在烧结末期阻碍离子的扩散。对材料温度系数的研究结果表明：通过调节助烧剂的含量可以改变退磁场Hd从而达到调节温度系数的作用,该方法适用所有尖晶石铁氧体。 最后,对铁氧体电磁屏蔽片的批量生产工艺进行了研究,设计了每道工序的设备和工艺过程;充分利用粘合剂存在软化温度的特点,开发了压烘工艺,在粘合剂软化温度下长时间压烘,尽量排出溶剂,可以使坯片在排胶时不会卷曲变形：发明了不规则裂片工艺,相比规则裂片,生产速度更快,成本更低;使用测试天线S11曲线的方法来表征铁氧体电磁屏蔽片的作用,发现插入电磁屏蔽片与原始状态的S11吸收峰中心频率差值与两种情形下可通信距离差值呈线性关系,使用测试S11曲线的方法可以用来进行电磁屏蔽片与天线的匹配设计。

关键词： 微结构光纤   偶氮苯   液体填充   双参量传感器   温度传感   光强传感   应力传感  

摘要： 微结构光纤因其独特的光学特性以及结构设计灵活,制作材料多样性等优点,受到广泛关注。其后处理形式除与传统光纤类似的拉锥、写栅、刻蚀等方式外,由于包层空气孔的存在,还可将功能材料填充到光纤中,将光纤与功能材料结合,进而获得更为丰富的新型光纤功能器件,并在生物、化学等交叉学科发挥优势。通过功能材料填充微结构光纤,可制备出灵敏度高、结构微型化、易于集成的新型光纤传感器件。偶氮苯材料具有独特的光敏、非线性、光致各向异性等特点,因而被广泛应用于光存储、光开关、以及于生物工程领域。本文通过液体填充的方式将偶氮苯材料与微结构光纤相结合,制备基于偶氮材料填充的光纤传感器件。文章的主要内容如下：1.将DY7-氯仿溶液填充到固芯微结构光纤包层空气孔,对填充后的结构进行光谱特性分析,并通过对比实验探究透射光谱损耗峰的来源。实验研究了该结构对温度、应力等参量的响应,发现其对温度敏感而对应力不敏感。据此获得一种应力不敏感的温度传感器。2.利用DRl吸收可见光发生光致异构的特性,将DRl溶液填入微结构光纤,对光纤进行光敏化处理。研究该结构的光强和温度响应,其透射光谱中的两个透射峰的损耗随激发光强的变化趋势相反,进一步揭示其损耗峰的产生机制。利用该结构我们实现了灵敏度较高的温度和光强传感。光强传感灵敏度达到0.26468dB/(mW·cm-2)。3.理论设计并实验实现了一种基于选择性填充微结构光纤的温度-应力双参量传感器。满足相位匹配条件时,纤芯基模向液柱高阶模耦合,在透射光谱中产生一系列具有不同温度、应力响应特性的谐振损耗峰。该结构解决了以往传感器的灵敏度或测量范围的不足,获得了一种灵敏度高、测量范围广的传感器。且该结构解决了温度-应力之间的交叉敏感问题,该结构并为后续基于偶氮苯材料的光纤器件研究工作提供了前期工作基础。

关键词： 碱木质素   木质素磺酸钠   分子间作用力   微结构   纳米微球  

摘要： 自然界中,木质素是产量仅次于纤维素的第二大可再生资源。在诸如造纸制浆、生物质乙醇、纺织等以植物纤维为核心原料的相关产业中,木质素主要作为副产物排出。木质素两亲聚合物来源于制浆造纸废液,主要包括碱法制浆产生的碱木质素和亚硫酸盐法制浆产生的木质素磺酸盐,此外还包括对碱木质素和木质素磺酸盐进行化学改性后得到的各类木质素衍生物。木质素两亲聚合物在溶液中和界面上的微结构特征对于其实现产品功能具有重要的基础意义。本文围绕木质素两亲聚合物在溶液中和界面上的微结构这一主题,以研究与木质素两亲聚合物有关的分子间相互作用为主线,从理论和应用两个层面就分子间相互作用对木质素两亲聚合物微结构的影响规律和调控机制开展研究。一方面,结合木质素的应用背景,从理论层面分别揭示了木质素两亲聚合物与溶剂间的相互作用对其微结构的影响、木质素两亲聚合物与吸附基材间的相互作用力对其吸附微结构的影响;另一方面,为探索木质素利用的新途径,通过改变溶剂与木质素两亲聚合物间的相互作用关系,对木质素两亲聚合物在溶液中的微结构形态进行有针对性地调控,制备出结构可控的木质素纳米微球。由于改变温度可以调节水分子与木质素分子间相互作用,所以通过研究温度对木质素在水溶液中微结构的影响规律就可以揭示出水与木质素两亲聚合物之间相互作用的强弱对木质素的影响。实验首先研究了温度对碱木质素的分子聚集形态、表面带电情况、界面吸附特性、分子内部微结构等物理化学性质的影响规律,在此基础上,进一步对木质素磺酸钠进行相应的研究。研究发现温度上升既会导致木质素两亲聚合物分子内和分子间的静电斥力作用下降,也会导致木质素两亲聚合物的分子内和分子间的水合作用下降。静电斥力和水合作用的下降会引起木质素两亲聚合物的分子内和分子间聚集程度增大。就温度对木质素两亲聚合物微结构的影响规律而言,木质素两亲聚合物所呈现出的规律与非离子表面活性剂类似。羟基是木质素两亲聚合物中重要的特征官能团,其在木质素中含量的变化会导致木质素分子内和分子间以及木质素与溶剂间的相互作用相应发生变化,进而影响到木质素两亲聚合物的微结构。实验通过对比碱木质素和几乎不含羟基的乙酰化碱木质素在四氢呋喃（THF）中物理化学性质的差异,揭示了羟基对碱木质素微结构的影响规律。研究发现,羟基会导致碱木质素分子内相邻分子链段之间的氢键作用以及相邻碱木质素分子间的氢键作用增强,从而使得碱木质素在THF中的单分子构象较为蜷曲,并且更易形成大的聚集体。实验还发现,利用以THF为流动相的GPC测量碱木质素分子量时需要对碱木质素进行乙酰化处理,否则会导致测量结果产生假象。首次以碱木质素为原料制备出了木质素基纳米微球。通过改变混合溶剂中THF和水的比例可以调节THF-木质素两亲聚合-水三者间的相互作用关系,进而能够改变木质素两亲聚合物在溶液中的微结构和聚集形态。通过调控溶剂环境,分别利用碱木质素和乙酰化碱木质素在THF-水的混合溶剂中制备出了碱木质素空心微球和乙酰化碱木质素实心胶体球,该方法开辟了制备木质素纳米材料的新途径。由于碱木质素和乙酰化碱木质素的两亲特性不同,因此两者在混合溶剂中与四氢呋喃和水之间的相互作用也存在明显差异。相对而言,乙酰化碱木质素与THF间的相互作用要比碱木质素与THF间的作用更加强烈,而乙酰化碱木质素与水之间的相互作用要比碱木质素与水之间的作用更弱。因此,在THF-水的混合溶剂中碱木质素形成的是较为疏松的空心微球,而乙酰化碱木质素则形成的是较为密实的实心微球。首次在乙醇-水的混合溶剂中制备了碱木质素空心微球。研究发现,通过改变混合溶剂中乙醇和水的比例也可以调节乙醇-碱木质素-水三者之间的相互作用关系以及碱木质素的微结构和聚集形态,同样可以制备出碱木质素空心微球。空心微球的粒径大小可以通过改变溶液初始浓度和水的滴加速度等制备条件进行控制。实验通过多种表征手段对空心微球的结构特征和聚集机理进行了研究。研究发现,随溶剂环境变差（水含量增大）,碱木质素会首先在溶液中形成层状聚集体,然后层状聚集体会进一步弯曲并彼此相互连接形成球形空心微球。碱木质素中芳香环之间的?–?相互作用对空心微球的形成具有重要贡献。在乙醇-水体系中制备的碱木质素空心微球具有生物相容性好、可降解、绿色无毒、低成本等优点,因此在生命科学、医学、生物、农业等领域具有广泛的应用前景。选用氮化硅、氧化铝和金片三种典型基材,研究了木质素磺酸钠（简称木钠）与基材之间的相互作用关系对木钠吸附特征的影响。实验利用石英晶体微天平研究了木钠在三种基材上的吸附过程,并借助原子力显微镜（AFM）研究了木钠与三种基材之间的相互作用力大小。研究发现木钠与基材间相互作用力会同时影响到木钠在基材上的吸附量和吸附构象。木钠与氮化硅间的斥力使得木钠在氮化硅上吸附时呈现出吸附量先增大后减小的现象,并且还会使得木钠的吸附构象更为伸

关键词： 锰氧化物纳米复合薄膜   制备工艺   微观结构   温度场   低场磁电阻效应  

摘要： 氧化物纳米复合薄膜是在纳米(1～100 nm)尺度上将两相或多相进行复合，以调控材料的功能特性或开发各自材料所不具有的、新的物理性能。在磁性材料研究领域中，最早提出制备纳米复合薄膜有三个重要的应用背景:第一，将软磁相与硬磁相复合，提高稀土永磁材料的磁化强度和最大磁能积;第二，提高磁记录材料的矫顽力和磁化强度，期望提高硬盘存储密度;第三，提高锰氧化物中的低场磁电阻性能(low-filedmagnetoresistance，LFMR)，以期制备新型存储器和读取磁头。钙钛矿锰氧化物复合薄膜具有显著的低场磁电阻效应，在数据读取磁头、磁随机存储器和磁传感器等微电子元器件上有广泛的应用前景。从实际应用的角度出发，根据居里温度（TC）的高低将锰氧化物分为两大类:一类是TC高于室温，如La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)等，有望将其应用于室温下工作的磁电阻随机存储器件(Magnetic random-access memory，MRAM);另一类是TC低于室温，如La0.7Ca0.3MnO3(LCMO)等，可以将其应用于低温，与高温超导外延薄膜复合制各自旋电子学器件。大量的研究结果表明，虽然锰氧化物的本征磁电阻值很大，但是存在着磁电阻温度区间窄，要求外加磁场高(～3特斯拉)等问题，至今尚未得到实际应用。目前，需要解决的关键问题是:在增加锰氧化物复合薄膜的LFMR值的同时，提高LFMR的温度区间及其温度稳定性。　　针对以上问题，本研究采用脉冲激光沉积方法(Pulsed Laser Deposition: PLD)，在La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)和La0.5Ca0.5MnO3(LCMO)中引入NiO第二相，制备了LSMO∶NiO和LCMO∶NiO纳米复合薄膜。通过控制LSMO、LCMO与第二相NiO两相构成的微观组织结构（两相的尺寸、形状、几何分布及有序排列），利用LSMO/NiO和LCMO/NiO界面的磁有序，有效地提高了LSMO∶NiO和LCMO∶NiO纳米复合薄膜的LFMR值，并且成功地调控了LFMR温度区间。主要研究内容和结果如下:　　1.研究了锰氧化物/NiO和SRO/NiO异质结界面的Mn-Ni和Ru-Ni铁磁交换耦合，在LSMO/NiO和LMO/NiO异质结中，分别观测到了60 Oe和20 Oe的交换偏置场，而且交换偏置场随温度升高呈指数下降。根据AGK铁磁交换理论，揭示了交换偏置场的大小是由3d电子交换积分和哈伯特势决定;在[SRO/NiO]5多层薄膜中，发现了异常的交换偏置场和大的矫顽场。通过计算，发现Ru-Ni的铁磁耦合强度远远大于Ru-Ru。由于Ru-Ni的铁磁相互作用造成了SRO/NiO界面SRO的铁磁钉扎效应，导致了这种异常的交换偏置场和大的矫顽力场的出现。　　2.系统地研究了LSMO/NiO和LMO/NiO异质结界面的电荷转移现象，发现电荷转移的方式与界面处价带偏移值有关。根据XPS测量结果，计算得到LSMO/NiO和LMO/NiO的偏移值分别为-0.72 eV和+1.51 eV。界面处价带偏移将引起Mn3d电子在界面处转移，以平滑界面处的价带势垒。磁性测量结果表明，LCMO/LNO双层薄膜出现了异常的交换偏置场。根据界面处的XPS深度解析结果，发现在界面上下4 nm范围内的电荷转移类型为Mn3++ Ni3+→Mn4++ Ni2+，而且每个原子的平均电荷转移量为0.2个电荷。根据费米面连续偏移的特征和界面处价带偏移值，我们给出了界面的电子轨道重组模型，进一步合理地解释了界面铁磁有序处来源于Mn-Ni的双交换作用。　　3.在LSMO中引入NiO第二相，通过自组装生长模式制备出了纳米棋盘结构和纳米柱状结构的复合薄膜。通过控制LSMO∶NiO纳米复合薄膜的微结构，实现了温度区域可调的、巨大的LFMR:50％ NiO体积比的、棋盘状结构的LSMO∶NiO复合薄膜在200～300 K温度范围显示出较大的低场磁电阻效应(在250 K和1T下，LFMR=～17％);70％NiO的、纳米柱状结构的LSMO∶NiO复合薄膜在10～210 K温度范围显示出巨大的低场磁电阻效应(在10K和1T下，LFMR=～41％)。可以用有效电路模型解释微观组织结构对复合薄膜磁电阻性能的影响。其主要起因于LSMO/NiO界面的电子自旋散射和纳米尺度的LSMO/NiO/LSMO磁隧道结。　　4.在LCMO中引入NiO第二相，制备了不同NiO含量的LCMO∶NiO纳米复合薄膜。通过自组装生长模式，在NiO成分不变的情况下，制备出了纳米多层膜、纳米颗粒膜和纳米柱状结构的复合薄膜。可以由薄膜微观组织结构调控纳米复合薄膜的居里温度(TC)与绝缘-金属转变温度(TIM)之间的温度区间的大小;纳米多层膜、纳米颗粒膜和纳米柱状膜在低温至TIM之间出现了L

关键词： 疏水性   接触角   能量模型   微切削   沟槽微结构   方柱阵列微结构   斜壁沟槽微结构   斜壁阵列微结构  

摘要： 疏水表面因具有自清洁、减阻和抗磨性能,给人们生产生活带来极大便利,为人类发展创造极大动力。微米结构,纳米结构组成的多阶结构和低表面能材料共同作用使得材料表面有疏水性。随着微加工机理的研究,车削,铣削加工精度的提高,铣削刀具尺寸的逐渐缩小,用微切削方法加工出微米尺寸微结构研究其疏水性成为可能。表面接触角是表征疏水性能的重要技术指标。为了研究微米尺寸微结构对水滴在其表面接触角的影响,以Young氏方程,Wenzel方程及Cassie-Baxter方程为基础,建立了二维情况下基于最小吉布斯自由能的接触角预测模型,用微铣削的方法加工出微结构,并通过理论分析与切削试验和接触角测试相结合的方法探究微结构尺寸参数对接触角的影响规律。首先,在光滑表面Young氏方程和粗糙表面Cassie-Baxter方程的基础上,建立了二维情况下基于最小吉布斯自由能的接触角预测模型,并且考虑斜壁对气-液接触线的影响对预测模型进行了修正。利用接触角预测模型及其修正研究微结构材料和尺寸参数对接触角的影响和疏水性微结构设计。研究结果表明,疏水性基底相对于亲水性基底加工出的微结构有更大的接触角提升趋势。增大微结构间隙宽度,减小凸台宽度,减小微结构斜壁角度,有利于接触角的提升。其次,设计了直壁沟槽、方柱阵列、斜壁沟槽和斜壁阵列四种类型的微结构,通过微铣削方法加工出设计的微结构,并测量水滴在微结构表面的接触角。最后,采用理论分析与试验结合的方法研究不同几何尺寸参数的直壁沟槽、方柱阵列、斜壁沟槽和斜壁阵列四种类型的微结构对水滴在其表面接触角的影响。研究结果表明,沟槽与方柱阵列微结构可以使水滴在其表面的接触角增大,接触角随着微结构间距增加而增大,随着凸台(方柱)宽度增大而减小。直壁沟槽微结构上水滴在垂直于沟槽方向和平行于沟槽方向的接触角有差异并且相互影响;水滴在直壁沟槽微结构有着更稳定的接触角变化,而在方柱阵列微结构表面有更大的接触角,并且更接近球状。相对于直壁结构,斜壁结构的存在虽然会增加水滴在微结构表面的接触角,但是增大了水滴在微结构表面的不稳定性,水滴更容易进入微结构内部呈现出Wenzel状态。此外,斜壁的存在使得微结构尺寸参数对接触角的影响减小。

关键词： Fe3O4   纳米微结构   电化学性能   多壁碳纳米管   络合共沉淀法  

摘要： FeO纳米粒子是一种新颖的功能材料,在许多领域都有应用。其粒径小,比表面积大,磁性好,且作为电极材料具有高的理论比容量(924 mAh/g)。因此在磁记录、磁流体、吸波、催化、生物医药等领域有着广泛的潜在应用前景,本文采用低温络合共沉淀法,在100℃下分别合成了球形粒子、纳米片和花状FeO纳米微结构。在此基础上,合成了FeO纳米微球/MWCNTs(MWCNTs:multi-walled carbon nanotubes)、FeO纳米片/MWCNTs和牡丹花状FeO/MWCNTs纳米复合材料。通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、振动样品磁强计(VSM)、孔隙比表面分析仪和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)等表征了纳米FeO及其复合材料的形貌、结构、磁性、比表面积、表面键合情况等。电化学性能研究显示MWCNT增强了FeO的导电性,缓解了由于锂离子脱入、嵌出造成的电极材料体积的改变,FeO/MWCNTs复合纳米材料在作为锂离子电池负极材料时表现出了优异的电化学性能。FeO纳米微球首次在100C一步合成,微球粒径在80-120nm之间,为多晶,内部有介孔。合成过程显示微球经历了一个纳米粒子自组装-溶解再结晶的生长过程。VSM测试显示样品具有高的饱和磁化强度(87.96 emu/g)、低的矫顽力(27.12 Oe)和剩磁(4.67 emu/g)。FeO微球/MWCNTs复合纳米材料的电化学性能研究表明,掺杂不同量MWCNTs对FeO的放电比容量、充放电稳定性和放电平台都有很大的影响。对于不同MWCNTs的掺杂量的样品,在0.2C下第50个循环的放电比容量的大小为:40%MWCNTs(842.2mAh/g)>30%MWCNTs(790mAh/g)>20%MWCNTs(672.5mAh/g)>10%MWCNTs(566.4 mAh/g)>纯相FeO纳米微球(461.2 mAh/g)。采用络合共沉淀法在低温(100℃)合成了FeO纳米片,制备的样品为单晶,超顺磁性。之后我们在溶剂中加入了不同量的MWCNTs,合成了FeO纳米片/MWCNTs纳米复合材料,FTIR研究发现碳纳米管和FeO纳米片表面通过C-O-Fe键连接,在电化学性能方面,与纯相FeO纳米片(循环保持率69.3%)相比,大部分FeO纳米片/MWCNTs纳米复合材料循环保持率都在94%以上,放电比容量和循环保持率都有了很大的提升。另外,将制备的FeO纳米片加入葡萄糖后煅烧得到FeO/C复合材料,在0.2C下,第50次循环后的放电比容量为615 mAh/g,循环保持率为93.2%。相比于纯相FeO也有了很大的提高,并且其倍率性能也得到了很大的改善。在100℃下也自组装合成了牡丹花状FeO纳米微结构,样品属于超顺磁性,晶型属于面心立方(fcc)。加入MWCNTs,合成了FeO纳米复合材料。在电化学性能方面,牡丹花状FeO纳米微结构/MWCNTs纳米复合材料比牡丹花状FeO纳米微结构表现出了更好的电化学性能。首次放电比容量为640.4 mAh/g,第二次为535.5 mAh/g,并且之后一直保持在510 mAh/g以上,容量保持率维持在95%以上,库仑效率维持在99%以上。

关键词： SiCp/Al复合材料   中体积分数   性能   微观结构   界面   热变形   颗粒尺寸效应  

摘要： 本文以光学/仪表级复合材料为应用背景,以高比模量、高比强度、低膨胀、高导热及高尺寸稳定性等性能为目标进行了材料设计,通过添加30%0%,3μm0μm的Si C颗粒到2024铝合金基体中,利用粉末冶金法制备复合材料获得上述性能。采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜、热膨胀仪、电子拉伸机、硬度计、X射线衍射仪(XRD)、激光热导仪和gleeble热力模拟机等手段研究了Si C颗粒的加入对Si Cp/Al复合材料显微组织、力学性能、热物理性能和热加工性能等的影响,并深入研究了其作用机理。研究工作及主要结果如下:(1)综合研究了热压烧结工艺参数如热压温度,热压压力和保温时间等对Si Cp/Al复合材料性能和组织的影响,优化成型工艺,探求有利于提高复合材料界面结合和力学性能的工艺方案,并获得了制备工艺参数对复合材料力学性能的影响规律,确立了Si Cp/Al复合材料的最优制备工艺为热压温度580℃,热压压力700MPa,保温时间3h;研究了热处理工艺参数影响Si Cp/Al复合材料力学性能的规律,并得到合理的热处理工艺参数为505℃固溶2小时,水淬,190℃人工时效处理70小时。(2)通过改变Si C颗粒尺寸,从材料设计角度改善Si Cp/Al复合材料力学性能,制备出力学综合性能较高的Si Cp/Al复合材料,30%Si Cp(3μm)/Al(σb=409MPa,E=219GPa)、30%Si Cp(8μm)/Al(σb=367MPa,E=195GPa)、35%Si Cp(3μm)/Al(σb=385MPa,E=209GPa)和35%Si Cp(8μm)/Al(σb=403MPa,E=215GPa)四种复合材料的比强度均超过120Nm/kg,比模量大于60m,可为工业应用提供技术支持。研究了Si C颗粒尺寸效应引起的显微组织变化对Si Cp/Al复合材料拉伸变形行为的影响及作用机理,探明了Si Cp/Al复合材料的强化机制与断裂模式,其中,Si C颗粒尺寸减小,Si Cp/Al复合材料的屈服强度、抗拉强度和硬度均增大;复合材料的相对密度与Si C颗粒尺寸和基体颗粒尺寸的比率(d/D)相关。复合材料的断裂机制也受Si C颗粒尺寸的影响,当Si C颗粒尺寸逐渐变大,复合材料的断裂机制由基体的韧性断裂为主转变为以Si C颗粒本身的解理断裂为主。(3)研究了Si Cp/Al复合材料中Si C颗粒与铝基体界面的结构和结合形式,Si C/Al界面干净平滑,整体结合良好,多数为干净界面,也含有极少量轻微反应型界面和非晶层界面。在干净界面中,Si C和Al间没有固定或择优的取向关系,Si C和Al的结合机制为紧密原子匹配形成的半共格界面;在轻微反应型界面中,反应生成物Mg Al2O4与Si C和Al均能形成半共格界面,作为中间媒介很好地连接了Si C和Al。(4)通过微结构分析研究了Si Cp/Al复合材料热处理后基体中析出相的结构和形态以及与基体的界面结合情况,时效处理后析出相以盘片状Al2Cu和棒针状Al2Cu Mg的形式弥散分布于基体中,对位错运动起到钉扎作用,起到沉淀强化的效果。随着时效时间的增长,析出相Al2Cu和Al2Cu Mg的直径和长度逐渐增加。随着时效时间的延长,时效析出相与基体的界面转变规律为:共格界面→错配度较小的半共格界面(时效8h)。(5)改变Si C颗粒的体积分数和尺寸能有效调节复合材料的热膨胀系数。随着Si C颗粒体积分数的增加,复合材料的热膨胀系数逐渐减小;当Si C颗粒体积分数相同时复合材料的热膨胀系数随Si C颗粒尺寸的减小而减小;复合材料的热膨胀系数均随着温度的升高而增大,Si C颗粒尺寸对复合材料热膨胀行为的制约是通过影响基体热塑性变形行为和热残余应力大小来实现的。Schapery模型能较好的预测在300℃下Si Cp/Al复合材料的热膨胀系数变化。另外,Si C颗粒的体积分数和尺寸影响复合材料的尺寸稳定性,复合材料中Si C颗粒体积分数越高,颗粒尺寸越小,热循环残余应变越大,抗温度波动尺寸稳定性变的越差。本文制备的Si Cp/Al复合材料热膨胀系数介于11.63.3×10-6/K之间,可以与铍材、轴承钢等航空材料的热膨胀系数(11.83×10-6/K)达到较好的匹配,比模量达到铝合金的2倍左右,满足光学/仪表级复合材料对热膨胀系数匹配及高比模量的需求。(6)改变Si C颗粒的体积分数和尺寸能有效调节复合材料的导热系数。当Si C颗粒体积分数一定时,随Si C颗粒尺寸的增加,复合材料导热系数变大,利用Hasselman-Johnson模型能够较好地预测导热系数的变化;Si C颗粒体积分数对Si Cp/Al复合材料导热系数的影响与Si C颗粒的尺寸和最小临界尺寸有关,在界面结合基本良好的

关键词： 热机械固结   粉末压坯锻造   粉末压坯挤压   放电等离子烧结   钛   铝   铜   显微结构   力学性能  

摘要： 粉末热机械固结工艺制备金属型材和零部件,可以实现少切削或无切削加工,是一种高性能、低成本、净近成形的成型工艺。粉末热机械固结法制备的钛、铝、铜及其合金的块体材料和零部件能应用于航空航天、汽车制造等领域,因其成本低且性能优良具有较好的市场竞争力而备受关注。然而在粉末热机械固结过程中,比较不同的粉末固结工艺制备的同种金属块体样品的显微结构和力学性能,以及如何表征氧化膜、温度对颗粒界面转化的影响还未见较为全面、系统的研究报道。本文采用粉末压坯锻造(Powder compact forging,PCF)、粉末压坯挤压(Powder compact extrusion,PCE)和放电等离子烧结(Spark plasma sintering,SPS)三种热机械固结方法制备钛、Ti-6Al-4V、铝、铜块体材料及发动机的零件摇臂桥,研究制备工艺对材料组织结构和力学性能的影响;基于对材料的显微结构和拉伸断裂行为的分析,深入揭示固结工艺参数对颗粒界面转化的影响;研究了材料氧化膜的存在状态对材料成形特征、组织变化规律及力学性能的影响。本文的研究成果对进一步理解不同的固结工艺及工艺参数对颗粒界面转化的影响具有重要的意义,对粉末热机械固结工艺优化具有工程指导价值。首先,采用粉末压坯锻造和粉末压坯挤压工艺分别制备了钛、Ti-6Al-4V饼状试样和钛、Ti-6Al-4V棒状试样,论文研究了在中等应变速率10-4-10-1 s-1范围内,上述四种样品的显微结构、力学性能和固结过程中颗粒界面转化的问题。结果表明锻饼和挤压棒样品都具有层片状结构,四种样品固结状态良好,这取决于氧化膜在加热过程中的快速消融以及新的界面间的焊合。锻造Ti、Ti-6Al-4V试样和挤压Ti、Ti-6Al-4V试样都对中等应变速率变化较为敏感,随着应变速率的提高,拉伸试样断口处及其附近出现的孔洞数量和体积分数随之增加。其次,本章探索了钛和Ti-6Al-4V摇臂桥的硬度、强度等性能,分析了样品的固结状态,研究采用粉末压坯锻造法近净成形制备汽车或飞机发动机零件的可行性。结果表明:Ti及Ti-6Al-4V摇臂桥的固结水平很高,具有较高的抗拉强度、硬度及较好的塑性,在较高的中等应变速率下进行拉伸试验,试样中出现的孔洞等缺陷较少;在垂直于锻造力方向的截面上,织构的分散分布在一定程度上降低了材料的延展性。再次,选用与氧亲和力不同的铝和铜粉末以SPS工艺固结成块体样品,研究二者的组织结构、力学性能以及断裂行为等的差异,探索氧化膜在铝粉和铜粉热固结过程中对晶粒生长、颗粒界面转化、力学性能的影响。研究发现与氧亲和力强的铝样品,在SPS制备过程中的氧化膜并没有被破坏,氧化膜依然包裹在粉末颗粒表面,影响了样品的固结质量,使烧结材料的力学性能较差;与氧结合力弱的铜,经过SPS烧结后原本存在于铜粉颗粒表面的氧化膜在固结中溶解,样品力学性能较好。为了解决由氧化膜所引起粉末颗粒固结状态差的问题,在上述工艺的基础上分别加入后处理工艺(大变形的挤压工艺)、预处理工艺(粉末原料的高能球磨工艺)和预处理与后处理相结合的工艺,并分别讨论研究各个工艺对氧化膜与材料固结状态的影响。最后,论文研究了温度对热挤压铝样品的固结水平、组织结构及力学性能的影响,挤压温度越高,样品的固结水平越高,氧化膜在挤压过程中被破坏的越严重,晶粒尺寸、抗拉强度、断裂延伸率也都随着温度升高而增大。

关键词： 硬脆模芯材料   微结构光学功能表面   超声振动抛光   材料去除形式   表面完整性  

摘要： 微结构表面光学玻璃元件因其集成性高、体积小、简化光学系统等优点而被广泛应用于光电子系统、成像系统及制导系统中。目前适用于微结构表面光学玻璃元件大批量生产的有效方式为模压加工,其中模压用硬脆模芯的超精密磨削加工是保证微结构表面面形精度及轮廓精度的关键技术,但是磨削后的微结构往往在表面交汇处存在微破损并出现亚表面损伤,从而导致模芯使用寿命降低或失效。因此,磨削后的模芯微结构表面必须要进行抛光以提升其表面质量。本文搭建了微结构表面超声振动抛光系统,分析了磨削后无压烧结碳化硅、无结合剂碳化钨及氮化硅微结构表面超声振动抛光原理,修正了抛光轮的结构尺寸及轮廓形状。揭示了微结构表面超声振动抛光中磨粒与工件表面材料的作用机理,建立了微结构表面超声振动抛光材料去除率模型。研究了抛光工艺参数对微结构表面完整性的影响规律,优化了微结构表面超声振动抛光工艺方法,并抛光加工了几种典型的微结构阵列,主要研究工作如下:搭建磨削-抛光一体化的微结构表面超声振动抛光系统,结合微结构表面与磨粒之间的相对运动关系,分析微结构表面的结构特性及超声振动对微结构表面相对运动轨迹即微结构表面材料去除均匀性的影响规律,分析结果表明超声振动可以改善结构特性对微结构表面材料去除不均匀性的影响。针对不同的微结构表面类型应用有限元仿真及Matlab计算修正抛光轮的截面结构尺寸和轮廓形状以保证微结构表面的面形精度。对微结构抛光轮进行精密修整,分析对中误差对微结构表面形状精度及抛光轮修整形状精度的影响规律并提出相应的解决方法。提出超声振动摩擦力完整数据采集方法。分析超声振动对微结构表面超声振动抛光过程中摩擦行为、润滑状态及材料去除形式的影响,揭示超声振动抛光磨粒与微结构表面的相互作用机理。研究结果表明,与普通磨粒抛光相比,超声振动可以减小微结构表面摩擦力,使微结构表面与抛光轮之间处于更接近于薄膜润滑状态的边界润滑,在低运动速度及抛光压力、高振动频率及振动幅值的情况下微结构表面材料去除形式以三体磨粒磨损去除为主。研究抛光工艺参数对超声振动抛光微结构表面质量,面形精度及材料去除率的影响规律,优化超声振动抛光工艺参数。并对比分析磨削后及超声振动抛光后的微结构亚表面损伤情况。研究结果表明,超声振动的引入可以降低微结构表面粗糙度,获得更尖锐的微结构顶角及底角,提高硬脆材料的材料去除率;同时与普通磨粒抛光相比,在相同的抛光工艺参数下超声振动抛光可以更有效的去除微结构亚表面裂纹。基于以上研究结果,对无压烧结碳化硅、无结合剂碳化钨及氮化硅等硬脆材料进行圆弧槽阵列、闪耀光栅及金字塔矩阵微结构光学功能表面的超声振动抛光加工,为实现微结构光学功能元件的玻璃模压用硬脆模芯的超声振动抛光加工奠定技术基础。