关键词： 电磁波吸收   微结构设计   各向异性   异质掺杂   铁磁共振  

摘要： 随着电子信息产业的发展,5G技术不仅为社会生活带来了便利,也为全球经济发展带来了机遇。同时,作为信息传输载体的电磁波也诱发了电磁污染和干扰问题,这不仅会影响电子器件的工作稳定性,也引发了公众对于健康问题的担忧。如何实现电磁污染问题的有效治理是电磁兼容领域的主要发展方向。行之有效的途径是利用电磁波吸收材料,将电磁波能量转换为热能等其它类型的能量。然而,当前电子信息产品向着小型化和集成化方向发展,电磁环境也日趋复杂,这就对电磁波吸收材料提出了新的挑战,亟需开发具有高频吸收、宽吸收频段、高吸收能力、厚度薄和密度低的高性能电磁波吸收材料。 本论文基于一系列电磁波吸收材料,提出了利用微结构设计调控材料性能的方法。自宏观尺度的形状各向异性设计出发,到介观尺度的磁晶各向异性设计,再到亚纳米尺度和原子尺度结构设计逐步递进,利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱、X射线衍射仪、X射线光电子能谱、振动样品磁强计、矢量网络分析仪等测试表征方法,系统地研究了材料的微观结构与电磁响应特性之间的构效关系。研究发现不同尺度的微结构设计可以显著优化材料在千兆赫兹下的电磁波吸收性能,为开发新型电磁波吸收材料提供了理论基础和实验依据。本论文的研究内容和取得的结果包括: 在宏观尺度上通过调整材料的厚度实现了形状各向异性的调控,探究了形状各向异性对材料电磁特性的影响。通过固态相变以及电化学脱合金方法,以共析钢为前驱体制备了具有片层化结构的磁性渗碳体薄片。通过在不同等温淬火温度下实现二维渗碳体薄片厚度的调控并由此改变了材料的形状各向异性。电磁波吸收性能测试结果表明,在700℃至550℃的等温淬火条件下,共振频率可实现至9.58-11.56 GHz的提升。Fe3C-550复磁导率的虚部在11.56 GHz时可达0.9,最小反射损耗为-52.09 dB(15.85 GHz,2.9 mm),有效吸收带宽为2.55 GHz,展现出优异的电磁波吸收性能。利用洛伦兹透射电子显微镜原位表征了片层化渗碳体在无外加磁场下的磁畴结构,并结合微磁学模拟重构了静态磁畴结构。在此基础上,进行磁畴结构铁磁共振行为的模拟计算,发现该类材料性能提升源于薄片的几何形状引起的有效面内各向异性的增加。 自宏观尺度递进到介观尺度,基于直流电弧放电方法,制备了具有不同相结构组成的YCo(x)纳米颗粒,探究了 YCo(x)纳米颗粒的相结构变化对电磁特性的影响。电磁波吸收性能测试结果表明,当易面软磁相Y2Co17出现时,共振频率提高到6.4GHz,磁导率虚部为0.71,最小反射损耗可达-54.4 dB(6 GHz),有效吸收带宽为4.25 GHz(5.45-9.7 GHz)。结合球差校正透射电子显微镜表征和微磁学模拟分析发现,随着Y2Co17相结构的出现以及YCo5相结构的消失,YCo(x)纳米颗粒的磁化方式从易轴转变为易面,提升了材料在千兆赫兹下的共振频率及损耗性能。 进一步将微结构设计递进到亚纳米尺度,探究了亚纳米团簇对电磁特性的影响。以金属有机骨架(ZIF-8)为前驱体,FePc作为掺杂剂,制备得到了 FePc@ZIF-8复合材料。通过在适当温度下碳化FePc@ZIF-8复合材料得到了含有单个铁原子,亚纳米铁团簇和Fe3O4纳米颗粒掺杂的Fe@NCNs复合材料。研究发现,亚纳米铁团簇掺杂的碳基复合材料在10 GHz下的介电损耗角正切为1.57,分别是单个铁原子掺杂碳复合材料和Fe3O4纳米颗粒掺杂碳复合材料介电损耗角正切值的3倍和1.6倍。此外,在7.1 GHz(2.7 mm)处,材料的最小反射损耗可达-64.75 dB,有效吸收带宽为6.2 GHz(11.8-18 GHz,覆盖整个P波段),展现出良好的电磁波吸收性能。结合表征分析发现,分布于碳基材料中的亚纳米团簇形成了导电网络,实现了磁损耗和介电损耗之间的能量转换,增强了材料在转换频率周围的介电损耗能力。 最后,制备了具有原子尺度异质元素掺杂的碳基复合材料,探究单原子尺度微观结构对电磁特性的影响。通过在碳纳米管上原位生长ZIF-8纳米颗粒并将其在800℃下碳化,制备了金属单原子掺杂的多孔碳/碳纳米管复合材料。通过控制非均匀形核的时间调控了 ZIF-8纳米颗粒在碳纳米管上的分散度、形态以及金属单原子的密度,显著改善了复合材料的电磁波吸收性能。其中,CNT@Zn-N/C-3在13-18 GHz范围内实现了高达70%的电磁波吸收效率。CNT@Zn-N/C-30在9.9 GHz、厚度为2.47 mm时的最小反射损耗为-64.1 dB,有效吸收带宽为4.3-14.5 GHz。结果表明,电磁波吸收性能的增加归因于高密度Zn-Nx位点引起的电偶极子极化、碳纳米颗粒和碳纳米管之间的界面极化、及碳纳米管三维导电网络的形成。

关键词： 混合超级电容器   硫化镍   倍率   能量密度   功率密度  

摘要： 超级电容器具有着低成本和安全高效的特点,是易于广泛应用的电化学储能装置之一。用于超级电容器的硫化镍易于取得,拥有独特性质有利于降低制造成本和提升整体性能。针对硫化镍在充放电过程中易发生体积膨胀,破坏整体结构导致器件的容量和倍率性能变差的问题。本文以硫化镍为研究对象,从控制微结构的角度入手,来提升超级电容器的整体性能,具体研究如下: （1）针对过去硫化镍超级电容器存在的制备复杂、耗能高的问题,提出了共沉淀耦合水热结晶的方法,获得了三维网状结构的NiS/Ni（OH）。通过微结构表征和电化学测试对材料特性进行研究,三维网状结构为氧化还原反应提供了活性位点和大量的中孔,这使得电解液更易与活性材料反应,从而大大提升了电极材料的比容量。在电流密度为1A·g时,比电容为1685 F·g,当电流密度升至5 A·g时,比电容保持为最高比电容的34.71%。并将NiS/Ni（OH）作为正极与活性炭共同组装成的扣式电池也具有着优异的电化学性能,在802 W·kg时,实现了31 Wh·kg的能量密度。 （2）基于NiS/Ni（OH）应用于超级电容器时仍存在倍率性的提升空间的现状,对结构进行了进一步的设计优化,提出借助溶剂热法,利用异相成核的特点在NiS/Ni（OH）表面生长Co S得到了Co S@NiS/Ni（OH）纳米微球。对纳米微球进行了微结构表征和电化学测试,发现复合纳米微球在电流密度1 A·g时,比电容可达1922F·g,并且在电流密度20 A·g,仍能够保持最高比电容的65%。并将Co S@NiS/Ni（OH）作为正极与活性炭共同组装成扣式电池时,最大能量密度为40 Wh·kg,最大功率密度为16 k W·kg。与NiS/Ni（OH）相比,Co S@NiS/Ni（OH）不仅比电容大大提升,而且倍率性得到了明显的改善。同时组装的超级电容器的能量密度和功率密度也得到了一定的改善,改善出现可能归因于纳米微球的粗糙表面提供了大量的活性位点,以及不同离子间的协同效应和稳定的晶体结构使得电极材料在充放电过程中不易被破坏,从而使得材料的倍率性能得到了很大的提升。

关键词： 水泥基材料   纳米SiO2内生成   强化机制   微结构   构建机制  

摘要： 随着纳米技术的发展,已有研究证实纳米材料对水泥基材料具有较好的改性效果,可应用于混凝土结构体系且具备广阔的应用前景。但受制备工艺及其特性的制约,纳米材料普遍价格较高,且在应用中易出现团聚现象,极大的限制了纳米材料的广泛应用。因此寻求一种制备工艺简单、成本低廉的合成技术迫在眉睫。前驱溶液是纳米SiO2粒子还未合成的前期阶段,在水泥基材料中经过物理作用和化学反应后合成析出,析出的纳米SiO2粒子能够在水溶液的作用下均匀分布于水泥浆体中,该合成技术从源头上解决了纳米粉体易团聚问题。因此采用纳米SiO2前驱溶液取代粉体应用于水泥基材料中,不仅可以避免团聚现象的出现,还可实现纳米材料对水泥基材料的改性效果,具有较高的研究和工程应用价值。 本研究综合运用理论分析、微观表征和分子模拟等方法,研究了纳米SiO2前驱溶液内生成的纳米粒子在水泥基材料中可析出并均匀分散的合成技术,分析了不同酸碱环境下改变纳米SiO2前驱溶液掺量对水泥浆体强度发展的影响,建立了纳米SiO2内生成水泥基材料的水化动力学模型,剖析了纳米SiO2内生成改性水泥基材料的微结构构建机制。针对以上内容,本研究主要做了以下几个方面的探究性和创新性工作: （1）前驱溶液的研制及纳米SiO2粒子内生成机制研究 选用水玻璃作为硅质原料,甲酸、冰醋酸、硼酸作为酸性介质,进行纳米SiO2前驱溶液的制备,将不同配比的纳米SiO2前驱溶液加入混凝土孔隙模拟液中,记录前驱溶液的pH值变化,通过透视电镜、视频显微镜和偏光显微镜等仪器测量纳米SiO2的内生成时间、分布特征和形貌特点,选出纳米SiO2粒子内生成效果佳的前驱溶液的合成技术。研究结果表明,选取醋酸浓度不高于3%,水玻璃浓度不高于25%,混合后溶液pH值不大于6时,可制配稳定性能最好的纳米SiO2前驱溶液,将其加入到混凝土孔隙模拟液可以析出纳米SiO2粒子,加入到水泥浆体中不仅可以析出均匀分散的纳米SiO2粒子,纳米粒子还能细化和分散水泥颗粒。 （2）纳米SiO2内生成对水泥基材料的增效机制研究 基于优选的纳米SiO2前驱溶液制备方法,调整纳米SiO2前驱溶液浓度、掺量（以SiO2计）和pH值等因素,制备纳米SiO2内生成水泥基材料。通过流动度、标准稠度测定仪和水泥胶砂抗折抗压试验机,测定纳米SiO2内生成水泥基材料的流动性、凝结时间和力学性能,不断优化制备方案,制备出各项性能均得到不同程度地改善和增强的纳米SiO2内生成水泥基材料。研究结果表明,纳米SiO2前驱溶液的碱度呈弱酸性时,纳米SiO2内生成水泥基材料的基本性能（凝结时间、流动度）和力学性能均优于掺加纳米SiO2微粉的水泥基材料,纳米SiO2粒子可有效改善水泥基材料的内部微观结构增强各项性能;但纳米SiO2前驱溶液掺量需进行控制在合理范围内,才能保证水泥基材料性能的充分发挥。 （3）纳米SiO2内生成水泥水化协同匹配及动力机制研究 利用化学结合水量法、热重分析法、XRD定量法、SEM等微观测试手段,测定了纳米SiO2粒子在新拌水泥浆体中的析出过程和分散效果,探讨了纳米SiO2内生成对硅酸盐水泥水化特征的影响规律,剖析了纳米SiO2粒子内生成在水泥浆体硬化微结构构建过程中的作用,探究了纳米材料活化反应及其动力学过程与材料力学性能间的关系,发现了纳米SiO2内生成对水泥基材料的增强机理,建立了纳米内生成改性水泥基材料的定量预测模型。研究结果表明,一定掺量的弱酸性的纳米SiO2前驱溶液内生成的纳米SiO2粒子可有效地参与水泥水化反应促进水泥水化进程,有效减少水化产物Ca（OH）2晶体含量,增加C-S-H凝胶产物含量,改善水泥浆体的微观结构形貌,改性水泥基材料性能。 （4）基于分子动力学的纳米SiO2内生成微结构构建机制研究 基于纳米SiO2内生成水泥基材料的水化动力学特征和分子动力学基本原理,运用平衡态与非平衡态的分子动力学模拟技术,建立了纳米SiO2前驱溶液及孔隙模拟液结构模型。并对纳米SiO2粒子内生成与水泥颗粒水化产物间相互作用的动态发展过程进行分子动力学模拟,分析了前驱溶液纳米SiO2粒子的赋存状态以及纳米SiO2粒子在孔隙模拟液中析出过程,计算了纳米粒子与水化产物之间的界面相互作用能,讨论了纳米粒子粒径、体积分数对纳米SiO2内生成水泥基材料力学性能的影响。研究结果表明,醋酸分子的羧基和SiO2分子的羟基相互作用有效保护前驱溶液中SiO2粒子的赋存状态,因此酸性的纳米SiO2前驱溶液稳定性好。纳米SiO2粒子和C-S-H界面结合能为正值且表现出良好的吸引作用,随着纳米SiO2粒子粒径的增大,纳米SiO2粒子和C-S-H界面作用增强,两者的力学性能先增强后开始降低。 本研究以纳米材料对水泥基材料的改性作用为切入点,从材料制备、宏观力学分析、微观分子动力学模拟

摘要： Carbon fiber-reinforced composites are increasingly used in aerospace application thanks to their excellent specific stiffness and strength. However, incomplete understanding of their failure behaviors leads to composite components often being designed with a high Safety Factor, limiting their advantages. Using computational methods, this project studies carbon fiber-reinforced composite microstructures for the objective of understanding and improving material performances under compression load which is one of the main considerations in primary aerospace structure design. A Finite Element (FE) model for the evaluation of composite compression behaviors was developed, allowing the identification of several key material properties affecting composite *** numerical micromodels require information of the microscale components including the reinforcing fibers, the matrix and the fiber-matrix interface. An extensive literature review was done on the microscale component properties including their potential impact on composite strength. Combined with results from the FE modeling, a strategy was decided where the assessment of important material properties was given *** authors, numerically and experimentally, demonstrated the significant impact of microscale residual stress on composite strengths. Yet, there was no established method for the characterization of residual stress in matrix at microscale. This project proposes a new method for the assessment of microscale residual stress in composite matrix. The new method is based on the fiber push-out experiment that creates local matrix deformation induced by the relaxed stress and evaluation by the Finite Element Method Updating technique for the inverse characterization of residual stress field in the corresponding *** review and FE modeling results identified the Interfacial Shear Strength (IFSS) as a key material property affecting composite strength. Meanwhile, the IFSS measure

关键词： 负泊松比   冲击吸能   拓扑优化   微结构设计  

摘要： 为提高负泊松比材料的刚度性能,同时保证负泊松比材料的冲击吸能特性,提出材料-结构协同优化设计,以泊松比最小为目标,微观材料设计区域各单元的相对密度为设计变量,优化得到多种体分比下的最优微结构,同时基于刚度最大的优化目标得到宏观结构的材料分布,根据宏观最佳材料分布来指导各微结构间的排列组合,建立多型微结构负泊松比材料模型。仿真结果表明:与单一型负泊松比材料相比,多型负泊松比材料有较好的刚度增强效果和更好的能量吸收能力。

关键词： TiC/6061Al复合材料   放电等离子烧结   烧结温度   烧结压力   显微组织   力学性能  

摘要： 采用低速卧式球磨法和放电等离子烧结法(SPS)制备了2%TiC/6061Al复合材料,利用光学显微镜、扫描电镜、显微硬度仪和拉伸试验研究了不同烧结温度和压力对该复合材料致密度、显微结构和力学性能的影响。结果表明,当烧结温度为500℃时,烧结不充分,颗粒之间结合不紧密,导致复合材料致密度过低;当烧结温度为550℃时,超过了Al基体的熔点,少部分熔融Al飞溅并溢出模具,导致模具内压力不平衡,从而降低了复合材料致密度。复合材料致密度和力学性能随着烧结压力的增大而增大,故选取模具所能承受的最大压力作为最佳烧结压力。故当烧结温度为525℃、烧结压力为40 MPa时,该复合材料的致密度、硬度和强度均达到最大值。

关键词： 导电陶瓷复合材料   无压烧结   显微结构   力学与电学性能  

摘要： 以ZTA(ZrO_(2)增韧Al_(2)O_(3))和TiC粉为原料,采用无压烧结制备TiC/ZTA导电陶瓷复合材料,考察TiC浆料浓度对TiC/ZTA导电陶瓷复合材料显微结构与性能的影响。实验结果表明:物相分析显示烧结后的样品由α-Al_(2)O_(3)、t-ZrO_(2)、m-ZrO_(2)和TiC组成,并未生成其他新相。TiC相分布在ZTA陶瓷颗粒的周围,且相互连接形成TiC网络。当TiC浆料浓度为15 wt.%时,TiC/ZTA导电陶瓷复合材料的综合性能最佳,其体积密度、开口气孔率、维氏硬度、抗弯强度、断裂韧性和电阻率分别为4.16 g·cm^(-3)、0.22%、16.4 GPa、383.4 MPa、6.28 MPa·m^(1/2)和1.7×10^(-2)Ω·m。

关键词： 薄膜   增透微结构   干涉曝光   反应离子束刻蚀  

摘要： 针对传统熔石英激光窗口在碱金属蒸气环境下易腐蚀的痛点问题,提出了在蓝宝石材料上制备增透微结构的方法,以实现耐高温、耐腐蚀的高透激光窗口。在理论仿真的基础上,采用干涉曝光与反应离子束刻蚀技术,在蓝宝石基底表面上制备了增透微结构,其对795 nm光的单面透过率达到99.23%。在此基础上,制备了双面增透微结构和一面增透微结构一面增透膜的蓝宝石窗口片,相较于蓝宝石基底,它们对795 nm光的透过率分别提升了12.13%和13.02%。高功率激光作用温升测试结果表明,当激光功率从35 W增加到99.6 W时,裸基板温度增加了5.9℃,但是双面增透样品的温升均为3.8℃,表明双面增透处理可以适当降低温升。同时,光束质量测试结果表明,当高功率激光作用下微结构窗口的温度控制在200℃以内时,双面增透样品的光束质量因子在横向上的变化小于0.05,在纵向上的变化小于0.06,表明该增透窗口对入射光光束质量的影响甚小。

关键词： 纳米氧化物弥散强化   ODS-310奥氏体钢   显微结构   拉伸性能  

摘要： 为向超临界水冷堆提供可靠的核燃料包壳材料,通过机械合金化(MA)和热等静压法(HIP)制备了具有超细晶粒且弥散大量纳米氧化物颗粒的ODS-310奥氏体钢,采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和透射电镜(TEM)分析了经过不同热处理条件后材料的显微形貌,并测试了其拉伸性能。结果表明,材料中的弥散强化粒子呈球形,主要分布在晶粒内部及晶界处,其平均尺寸在10 nm以下,经成分分析及高分辨标定可确定为Y_(2)Al_(5)O_(12)。热轧塑性变形加工配合热处理可明显调控样品的晶粒组织,经1100℃/120 h热处理后,弥散颗粒尺寸和成分仍保持稳定,粒子对位错有明显的钉扎作用。所制备ODS-310奥氏体钢具有较高的抗拉强度,且其热稳定性良好,在不同温度下热处理前后样品的抗拉强度均在850 MPa左右,且经1100℃/120 h热处理后样品的塑性明显提高。本研究表明ODS-310奥氏体钢的拉伸性能良好,通过热处理可以调控晶粒组织,为ODS奥氏体钢的性能研究提供了宝贵的数据支持。