关键词： 人工微结构材料   等效电磁参数   时域色散   空间色散   自旋轨道角动量  

摘要： 人工微结构材料是一种人工功能材料,具有自然材料所不具备的电磁特性,且其特性可视具体需求而人为设计。人工微结构材料的出现导致了全新的操控电磁波的技术和方法,大大拓展了传统的电磁学领域。围绕这一国际电磁学领域的研究热点,本文着重研究了人工微结构材料调控电磁波时空特性的机理,并探讨了其潜在的应用前景及实现方式。主要工作概括如下:第一,基于等效介质理论,首次给出了人工微结构材料的等效电磁参数收敛的厚度条件。人工微结构材料的电磁特性可用等效电磁参数来表征。目前常用的提取方法为反解S参数法,但用此方法提取出的等效电磁参数是对应于无限厚/大的人工微结构材料的物质参数,而实际制备的样品都非常薄。这一现象引起了广泛的争议:这样一个无限厚/大介质的等效电磁参数能否用来描述有限厚介质的电磁特性以及什么情况下才适用?本文针对这一争议作了专门讨论,对传统的S参数提取方法进行了适当的改进,与原方法相比,改进后的S参数提取法得到的结果更为精确。更进一步的我们发现,人工微结构材料至少要有一个入射波波长的厚度,其等效电磁参数才能表征无限厚/大结构的电磁特性。第二,系统研究了二维光子晶体的等效电磁参数,发现在特定的频率段,光子晶体不仅可以等效为双负材料,也可以表现出单负特性。首先,在具有负折射特性的第二导带,对应的等效介电常数εeff和等效磁导率μeff同时为负,且在等效折射率neff=-1的频率点,εeff≠μeff≠-1,这可用来解释光子晶体平板成像效率不高的现象,并且将为光子晶体器件阻抗匹配提供理论依据。其次,在第一禁带,二维光子晶体的等效电磁参数具有单负特性,且εeff和μeff的实部以禁带中心为界,分别由负值过渡到正值和由正值过渡到负值。用时域有限差分法仿真发现,该光子晶体平板可对TE模式的入射光成像,这一现象类似于银板（介电常数为负）对TM模式的入射光表现出的超透镜效应。第三,根据变换光学理论,利用人工微结构材料,实现即插即用的产生涡旋光束的相位器件,且输出光束所携带的轨道角动量可调。我们首先提出一种三维位相变换方法,实现任意两波前间的变换,而产生的变换介质板保持紧凑的平板外形。其次,应用该方法,我们实现了将高斯光束的波前转换成涡旋光束。利用三维时域有限差分法进行了数值仿真,验证了理论方案。模拟结果的场和相位的分布,证实了出射光束携带了轨道角动量。最后,通过叠加多块变换器,我们证实了轨道角动量的可调产生。该工作的意义,不仅在于我们找到了一种可调产生轨道角动量光束的方法,更在于揭示了涡旋光束的相位结构和动态演化,由此,我们还预言,存在一种二维面变换的方法,能用以产生面光子器件。第四,开展了利用微结构材料的空间色散特性实现空间滤波的实验研究。理论设计了一种基于一维缺陷光子晶体的即插即用的二维低通空间滤波器,其空间截至频率可通过改变光子晶体的周期数进行调谐。利用热蒸发的方法将该样品制备在基底BK7上,实验验证了其低通空间滤波性能。考虑到镀膜工艺的精度误差,在分析时引入随机误差函数之后所得的理论结果和实验结果吻合的非常好,这一分析方法对于设计和制造基于人工微结构材料的器件具有重要意义。第五,探索了人工微结构材料的时域色散特性。根据其色散产生原理的不同,将其分为透射型和反射型两种。分别对以基于渔网结构为代表的透射型色散器件和以基于一维光子晶体的禁带反射特性的反射型色散器件的特性进行了详细分析。研究发现透射型色散器件可提供大的色散,但损耗较大;反射型色散器件损耗几乎为零,但其色散小,这一不足可以通过多次反射来弥补。最后探索了基于反射型的色散器件在压缩啁啾脉冲方面的潜力,为设计啁啾脉冲压缩器提供了新的思路。

关键词： BiFeO3   BaTiO3-BiFeO3固溶体   Mn掺杂   微波水热   纳米晶   光催化   纳米岛   Raman谱  

摘要： 本论文采用传统的固相反应方法合成BiFeO3-BaTiO3固溶体并对其Mn掺杂特性进行了研究。利用X射线衍射（XRD）、拉曼散射（Raman）等分析手段测量其微结构,同时利用透射电镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）对样品的微观结构进行了表征,并测量其介电性能。 XRD结果表明通过BaTiO3掺杂（掺杂量0.15-0.33）可以有效抑制杂相,有助于BiFeO3成相形成BaTiO3-BiFeO3固溶体,但其介电性能不够稳定。而对0.33BaTiO3-0.67BiFeO3固溶体进行低浓度的Mn掺杂（0.1mol%-1.0mol%）可提高其介电性能。当Mn掺杂浓度进一步提高时,ymol%Mn-0.33BaTiO3-0.67BiFeO3（y=2-10）固溶体的结晶性能得到进一步改善,但其介电性能反而下降。因此BaTiO3合适的掺杂量为0.33,而Mn掺杂的合适浓度小于1m01%。另外,利用TEM研究了固溶体的畴结构。 本论文还利用微波水热方法制备了两种类型的铋铁氧体纳米晶。一种是球形的钙钛矿结构铁酸铋纳米晶,化学组成BiFeO3,晶粒直径约10-50nm,晶粒有良好的分散性,优于已有的报道,在可见光辐照下具有有效的光催化O3（RhB,一种典型的有机污染物）分解行为。另一种是六边形的软铋矿结构铋铁氧体纳米晶,其化学组成Bi12Feo.63Oi8.945’晶粒尺寸约18-33nm,晶粒具有良好的分散性,在可见光辐照下具有比球形钙钛矿结构BiFeO3更高的光催化RhB分解行为。它们可用于在可见光下有效催化有机物分解。 此外,本论文利用化学自组织方法在SrTiO3（100）及Nb掺杂SrTiO3（100）单晶衬底上制备了外延BiFeO3i内米岛,并利用XRD、扫描电子显微镜和原子力显微镜对纳米岛的相结构及几何形貌进行了表征。结果表明,在650～800℃下退火1h均可获得外延的BiFeO3纳米岛结构,岛横向尺寸为50～150nm,纵向尺寸为6～12nm。压电力显微镜测量结果表明,在单个BiFeO3纳米岛内存在分形铁电畴结构和纳米岛自偏压极化现象。由于外延BiFeO3纳米岛与SrTiO3单晶衬底之间的晶格失配,在BiFeO3/SrTiO3界面处存在压应力,因而导致BiFeO3内米岛内自偏压极化现象。

关键词： 聚合物基纳米复合材料   拓扑优化   等效连续介质微观力学   RVE   渐近均匀化理论   弹性模量  

摘要： 层状硅酸盐纳米复合材料就是指将聚合物链插入到硅酸盐晶片间隙当中方法。其使用将合适的单体插入硅酸盐间隙后然后聚合、聚合物链由溶液中直接插入硅酸盐片层间隙、熔融插层的方法得到层状硅酸盐纳米复合材料。层状硅酸盐主要来自天然蒙脱石，也被称为粘土纳米复合材料（polymer/claynanocomposites），是当今对于复合材料的研究中最受学者们关注的一种聚合物纳米复合材料。讨论随机非匀质材料的各性能常运用到基本想法“均匀化”。同时考虑到可通过控制组件和它们的分布的微观结构，来使材料的相关性能得到提高。同时结构的变化会引起化学和力学特性的变化。本文的主要工作如下： 1、材料的空间随机性迫使人们重新审视各类连续固体力学的基本概念的情况。针对代表性体积单元（RVE），讨论Dirichlet和Neumann边值问题，求解得到复合材料的有效性能。同时给出复合材料的微观应力场，预测了RVE的大小对整体性能的影响。 2、以硅酸盐纳米复合材料为研究对象，而且其属于完全剥离型，本文以调控该材料的微结构的分布的手段来使它的性能得到提升。基于渐进均匀化方法和ANSYS参数设计语言建立周期性边界条件，提出四种不同的微结构拓扑优化设计模型，用有限元方法计算等效代表性体积单元在一定弹性变形下的应力、应变，用APDL编写有限元结果处理程序对计算结果求解有效弹性模量（聚合物基纳米复合材料的）。以渐进均匀方法为理论基础来计算得到胞元的等效特性。 3、基于渐进均匀化方法和ANSYS参数设计语言建立周期性边界条件。同时转动微结构中的单片，用ANSYS有限元程序对单胞进行了求解。总结并对比有限元方法计算获得的不同角度情况下的应力应变关系，总结其有效弹性模量分布规律。

关键词： 氧化硅基纳米纤维   微结构可控   溶胶-凝胶   静电纺丝  

摘要： 一维氧化硅基的纳米结构材料不仅具有非晶态氧化硅材料天然的生物相容性、亲水性、光致发光特性以及稳定的化学性质等突出优势,还可以通过微结构的调控,实现对多种性能的优化和拓展。一直以来,由于制备方法的局限,氧化硅基的纳米材料的制备、性能和应用研究都主要集中在零维结构,对于一维的氧化硅复合材料以及微结构可控的氧化硅基纤维的研究还相对较少,而一维纳米结构相对零维纳米结构而言往往具有更广的结构可调控性以及更有效的构建二维和三维的能力。因此,解决一维氧化硅基纳米结构的可控制备问题以及研究其性能与微结构的关系,具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文采用溶胶凝胶结合单针头静电纺丝法成功地制备了一维氧化硅基纳米材料,通过SEM、HRTEM、XRD、XPS、FTIR等多种分析测试方法深入系统地研究了氧化硅基纳米纤维的形貌、微结构以及组成,通过抗菌性、生物活性以及光学性能测试系统研究了一维氧化硅基纳米材料的掺杂以及微结构对性能的影响规律,主要结果如下： (1)采用溶胶凝胶法制备了具有可纺性的静电纺丝前驱体溶液,通过控制溶胶中TEOS的水解缩聚时间以及作为介孔模板物的三嵌段聚合物F127(EO106PO70EO106)的浓度,能够调节溶胶的粘度和Si-O-Si网络的比例。系统研究了溶胶制备参数和电纺参数对氧化硅纳米纤维的形貌、尺寸以及介孔结构的影响,发现随着TEOS水解缩聚时间的增加,溶胶的粘度增大,Si-O-Si网络中线性氧化硅键的比例显著增加,得到的纺丝直径增加,纺丝形貌均匀性先增加后降低,这是由于溶液粘度过高时反而会降低可纺性。而改变F127的含量,则不仅能显著改变氧化硅纤维的尺寸和形态,也会同时改变纤维中介孔的尺寸和有序性。当水解缩聚时间为13小时,F127/TEOS质量比为0.26和0.28时,纺丝中形成的是尺寸分布均匀(直径约为4nm)的无序介孔,当F127/TEOS质量比为0.14～0.18区间时,圆柱形纺丝内部会形成一列与轴向平行的高度有序介孔结构。 (2)利用电纺过程中高分子溶液的溶剂快速挥发导致的相分离现象,使用传统单针头电纺法制备出了中空结构的氧化硅纳米纤维,研究了TEOS/PVP的摩尔比例、PVP的摩尔浓度以及H2O含量对电纺纤维形貌、尺寸和管壁厚度的影响。发现高分子PVP载体的加入,不仅能够调节溶胶粘度,还可促进在电纺过程中的相分离,形成中空管状纤维结构。随着PVP浓度的增加,溶液的粘度值增加,纺丝的尺寸均匀性提高,当PVP=0.08mM/L时,能得到最均匀的纤维形貌,随着H2O/TEOS的摩尔比例从1.1增加到1.8,溶液中Si-O-Si网络的含量增加,纳米管的纤维直径从0.6士0.1μm增加到0.94+0.09μm,管壁厚度从107+6.9nm增加到199+21.3nm。 (3)首次发现AgNO3(?)够替代H20来进行TEOS的分解和缩聚反应,AgN03含量的增加一方面能调控纳米氧化硅管中Ag的加载量,同时也能对Si-O-Si网络的形成与完整性起到调控作用。随着AgNO3摩尔含量从0.04M/L增加到0.09M/L,氧化硅管的管壁会逐渐从致密结构变成多孔、甚至是镂空的结构,其相应的比表面积也得到了增加。 (4)研究了不同Ag含量和氧化硅管壁结构的纳米管的生物抗菌性能,发现镂空状的掺银氧化硅纳米管在7小时内就能完全杀灭大肠杆菌,48小时内完全杀灭金色葡萄球菌,这是由于镂空状的掺银氧化硅纳米管比表面积大、具有与细菌更多的接触面积而具有最强的抗菌性能。 (5)研究了不同Ag含量和管壁结构的氧化硅纳米管的发光性质与拉曼增强性质,发现致密管壁的氧化硅管中由于Ag的掺入,导致氧化硅网络中的-OH缺陷状态发生变化,从而能对缺陷发光的峰位和强度具有明显的调控作用,而具有镂空结构的掺银氧化硅纳米管则由于Ag纳米颗粒的尺寸和密度增加,能起到最佳的拉曼增强效果。 (6)首次利用单针头电纺法直接制备成型了中空结构、生物活性可调节的氧化硅基生物活性纤维。研究了前驱体种类、高分子PVP载体浓度和氧化硅含量对纤维形貌、相组分和结晶性的影响。发现了作为Ca源,CaCl2-6H20比Ca(NO3)2·4H2O能得到更高的纤维结晶率,PVP高分子摩尔浓度的提高会改善纤维形貌的均匀性,但会降低纤维的结晶率,而氧化硅含量的增加会显著降低纤维的结晶率,成功获得了直径在200-300nm范围内、管壁厚度在10-50nm,结晶率在0-81.2%可调的Ca、P共掺中空氧化硅基生物活性纤维。此外,通过引入AgNO3,成功制备了Ca、P、Ag三元共掺的同时具有生物活性和抗菌性能的中空氧化硅基纳米材料 (7)系统研究了Ca、P共掺的中空氧化硅基纤维的生物活性及降解率,发现经过SBF模拟体液浸泡后,纤维内部及表面都生长出结晶性良好的HA和α-TCP混合组织,随着浸泡时间从6

关键词： TaN单层膜   TaVN复合膜   TaMoN复合膜   TaN/VN多层膜   微结构   力学性能   摩擦磨损性能  

摘要： 采用多靶磁控溅射技术，在Si(100)和不锈钢基片上，采用不同负偏压沉积一系列TaN单层膜，采用不同V靶功率制备一系列不同V含量的TaVN复合膜，采用不同Mo靶功率制备一系列不同Mo含量的TaMoN复合膜，通过控制挡板开合的时间制备一系列不同调制周期的TaN/VN多层膜。利用X射线衍射仪、原子力显微镜、扫描电镜及其配套的能谱仪、纳米压痕仪、高温摩擦磨损测试仪及其配套的三维轮廓仪研究了各种薄膜的微结构、力学性能及不同温度下的摩擦磨损性能。 对不同负偏压时沉积的TaN单层膜的研究表明：薄膜主要呈面心δ-TaN和斜方Ta4N晶体结构，只是择优取向随着负偏压的不同而有所不同。当负偏压为80V时，TaN薄膜的硬度和弹性模量均达到最大值，分别为30.103GPa和317.048GPa，并且此时薄膜的膜/基结合力也是最优。常温下单层TaN薄膜的摩擦系数与负偏压关系不大，基本保持在0.64-0.68之间。高温下，随着温度的升高，摩擦系数逐渐降低。对不同温度下形成的磨痕进行形貌和相组成分析，讨论了薄膜的磨损形式和摩擦系数存在差异的原因;对不同氮气流量下制备的TaN薄膜的研究表明：随着Ar:N2从10:1增加到10:15，TaN薄膜的微结构从多相向单相转变，力学性能在10:3～10:5范围内较优。 对一系列不同V含量的TaVN复合膜的研究表明：单层TaN薄膜呈面心立方TaN及底心斜方Ta4N组成的混合结构，沿面心立方（200）择优。TaVN薄膜则呈现面心立方结构，随着V含量的增加各衍射峰整体向大角度方向偏移，择优取向逐渐由面心立方（200）转变为面心立方（111）;TaVN薄膜的显微硬度随着V含量增加，先增加后降低，在V含量为18.25at%时，显微硬度达到最大值，为32.3GPa;在常温下，TaVN复合膜的摩擦系数随着V含量的增加而降低;当温度从室温升高到800℃，薄膜的摩擦系数先升高后降低。采用晶体化学理论讨论了TaVN复合膜和TaN单层膜在高温下的摩擦性能。 对一系列不同Mo含量的TaMoN复合膜的研究表明：TaMoN复合膜的微结构是由面心立方、密排六方与底心斜方组成的多相结构;TaMoN复合膜的硬度比TaN单层膜的硬度高，主要是因为固溶强化;Mo元素的添加可以有效改善TaN薄膜在常温和高温下的摩擦性能，通过对磨痕的分析，详细解释了TaMoN复合膜具有优异的减摩性能的原因。 对不同调制周期的TaN/VN多层膜的研究表明：TaN/VN多层膜的微结构随着调制周期的变化而变化，当调制周期较小（0.67～3nm）时，TaN/VN多层膜为面心立方结构;当调制周期较大（6～24nm）时，TaN/VN多层膜为面心立方与密排六方共存的混合结构;TaN/VN多层膜的硬度和弹性模量在调制周期为0.67nm时最大，分别为31.8和410.3GPa;其中硬度比按照混合法则计算得出的理论值高出11GPa;随着调制周期的增加，硬度逐渐降低;TaN/VN多层膜的摩擦系数随着调制周期的增加而降低;较低的摩擦系数和一定的韧性，使得TaN/VN多层膜的耐磨性能优于TaN和VN单层膜;在调制周期为24nm时，由于磨痕中生成了具有自润滑效应的V2O5相以及较优的韧性，从而使此时的薄膜具有最低的摩擦系数和磨损率。

关键词： 金属氧化物   ZnO   微结构   表面缺陷   气敏性能  

摘要： 随着生活水平的提高,人们对自身健康和周围生存环境的要求日益提高,尤其是对空气中污染气体浓度的实时检测也更为迫切。因此,能实现这一愿望的金属氧化物气敏传感器就受到了人们的强烈关注和重点研究。目前,研究者们关注较多的是气敏材料的可控合成,而对气敏材料制成传感器的过程中所遇到的科学和技术问题却研究的很少,所占比例不足5%。于是本文着重针对金属氧化物纳米结构在制备气敏传感器过程中的聚集、破坏以及活性下降等问题,发展材料-器件一体化制备的新技术,通过在传感器表面原位调控纳米敏感材料的微结构包括形态和缺陷来提高传感器的气敏性能。 首先采用浸渍提拉法在管状传感器表面合成了直径为8nm的ZnO纳米棒,这些纳米棒平躺着,主要暴露面为{10-10}京面。接着在这些纳米棒组成的薄膜上采用溶液处理法成功得到了直径为100nm的纳米棒阵列,暴露面主要为(0001)晶面,更重要的是气敏性能获得了明显的提高：3倍的敏感度,少于10s的快速响应和低到1ppm的检测限。实验结果也揭示了暴露京面的影响要大于尺寸效应,ZnO(0001)京面的气敏性能优于{10-10}京面,同时暴露京面上的原子结构对提高ZnO纳米棒阵列传感器的吸附氧含量及其气敏性能具有重要的影响。 上述工艺比较复杂耗时,为此采用可以大批量制备的四针状ZnO粉末作为气敏材料,通过改变热处理温度来调控四针状ZnO的形态和缺陷。随着热处理温度的增加,四针状ZnO的针逐渐变短变粗,最后演变成四面体形态,颗粒之间的接触状况也发生了变化,并建立了热处理温度与ZnO颗粒形态的对应关系,同时发现间隙锌的数量减小而氧空位增多。在烧结温度为450℃下的ZnO传感器表现出了对甲醛气体最高的响应值。这主要是因为该传感器具有最好的颗粒接触,较多的间隙锌缺陷和较大的比表面积。 不过人工涂覆制造传感器这一工艺比较低效。为此采用丝网印刷技术在平板传感器上印刷四针状ZnO厚膜,再结合镧离子溶液滴注法和后续热处理,来调控四针状ZnO颗粒的表面缺陷。随着镧离子浓度的增加,缺陷Lazn所占比例增大,而氧空位所占比例减小,同时ZnO传感器的最佳工作温度一直降低至250℃。最佳工作温度的降低主要是由于掺杂缺陷Lazn增多的缘故。在这一工艺中,ZnO等金属氧化物的形态难以调控。于是改进工艺,将CNTs丝网印刷到平板传感器上,微滴注各金属氧化物的前驱体溶液于表面,采用热处理工艺将CNTs模板去除,就可以同时得到多种不同金属氧化物的多孔网状膜,从而在提高传感器敏感度的同时改善其选择性,并揭示了金属氧化物的微结构及组分对其气敏性能的重要作用。

关键词： Cr3C2-NiCr   金属基复合材料   激光熔覆   激光成形   螺旋送粉器   耐磨性   耐蚀性  

摘要： 激光熔覆金属基复合材料是耐磨结构件再制造的有效方法。本文旨在利用原位合成路线,制备铬碳化物增强的镍基复合材料激光熔覆层,为耐磨结构件的表面损伤提供复合材料激光熔覆新工艺和新配方,同时进行送粉激光成形的工艺研究和设备研发。本文采用Ni-Cr-石墨单元素粉末激光原位合成Cr3C2-NiCr复合材料和金属陶瓷熔覆层,探索原位合成激光熔覆的工艺、原料配方(外加Cr3C2与稀土)和原料处理方法(机械合金化),最后开发金属基复合材料部件的送粉激光成形工艺和专用送粉器。利用光镜、扫描电镜、X-射线衍射仪、透射电镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机和电化学工作站等对激光熔覆层的微结构、成分、硬度、耐磨性和耐蚀性等进行系统研究。对激光原位合成熔覆层的机制进行归纳。获得如下结果：首先,以Ni70%-(Cr-石墨)30%单元素混合粉为原料,激光熔覆获得无裂纹且石墨弥散分布的Cr3C2-NiCr复合材料。结果发现,粉体原料中Cr/C原子数比决定了激光熔覆碳化物增强镍基复合材料的成分和显微组织。当Cr/C原子数比<3/2时,熔覆层中只形成Cr3C2,随Cr/C比减小,熔覆层中碳化物含量增加;当原料中碳含量>2.7mass%时,石墨在熔覆层出现并弥散分布。熔覆层的硬度和耐磨性能随Cr/C的减小而提高,其平均显微硬度最高达550HVo.3。由于石墨和碳化物均与NiCr基体之间形成电偶腐蚀,各熔覆层在0.2M/LH2SO4中的耐蚀性能随Cr/C增加而改善,最耐蚀复合材料的腐蚀电位和电流密度分别是-67mV和1.23×10"***-2。研究了石墨在激光熔池中的溶解过程,发现石墨的溶解程度决定了Cr3C2-NiCr复合材料中碳化物的类型和含量,进而影响该材料的性能。在上述粉体成分研究的基础上,以Cr/C=3/2的Ni25%-Cr65%-石墨10%单元素混合粉为原料,原位合成Cr3C2-NiCr金属陶瓷激光熔覆层,优化原位合成激光熔覆的工艺。结果显示,粉体吸收能量体密度ψ与激光熔池的冷却速度(介于9.3x1041.2×106℃/s之间)直接对应,决定了熔覆层的形状;Cr3C2-NiCr金属陶瓷熔覆层的相组成为NiCr基体和碳化物(Cr3C2和Cr7C3),ψ影响熔覆层显微组织和成分,ψ越小,碳化物尺寸也越小,但碳化物含量增加,且Cr3C2增多,Cr7C3减少,进一步影响熔覆层的硬度、磨损性能和腐蚀性能。甲变小,硬度逐渐增加,耐磨性能提高,最优工艺金属陶瓷层平均硬度最高达1230HVo.3,其磨损形式为磨粒磨损;在3.5%NaCl溶液中,Cr3C2-NiCr金属陶瓷层的耐蚀性能优于镍基合金熔覆层,最优陶瓷层的腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-271mV和1.8×***-2。最后,从快速凝固分析方法入手,将铺粉激光熔覆工艺参数统一为粉体吸收能量体密度,发现熔覆层的形状、组织演化和性能均取决于粉体吸‘收能量体密度和激光熔池成分。在原位合成激光熔覆工艺研究的基础上,通过外加Cr3C2颗粒和稀土或机械合金化等方法,改进原位合成熔覆层的组织和性能。添加不同含量的Cr3C2颗粒到Ni25%-Cr65%-石墨10%粉体中并激光熔覆,结果发现,外加Cr3C2颗粒促进了碳化物形核,并细化晶粒,使熔覆层厚度增加,外加25%Cr3C2颗粒时,熔覆层平均硬度由未加的710HVo.1提高到1051HVo.1。添加Y203对Ni25%-Cr65%-石墨10%粉体激光熔覆层影响为：细化组织,减少裂纹、提高硬度,Y203添加量以1.0mass%为宜。与此同时,Ni50%-Cr43.33%-石墨6.67%粉体机械合金化后,晶粒细化并形成NiCr过饱和固溶体,其激光熔覆层与未合金化的相比,组织稍微细化,平均硬度略有提高,耐磨性与耐蚀性略微改善。结果表明机械合金化对单元素粉体激光熔覆涂层有一定的优化作用。最后,用合金粉体送粉激光成形了316不锈钢单板、H13钢方管、H13钢空心叶片等部件。结果发现,单板的厚度随激光功率的升高而增厚,晶粒随功率增加而变粗;部件表面粗糙度不受功率影响,由层间厚度直接控制。由于熔池的加热情况不同,脉冲和连续C02激光制备部件的组织和形状均有差异。最优工艺下,激光成形不锈钢部件的表面粗糙度最小可达21.6μm。在送粉激光成形工艺研究的基础上,进行复合材料送粉激光成形专用双斗送粉器的研发。研发的双斗送粉器能够激光成形WC-316不锈钢复合材料部件,使WC在部件中均匀分布,体积含量超过56vo1.%。双斗送粉器能够实现空心漂珠和316不锈钢粉体同步送粉,并激光成形漂珠遗留均匀分布的漂珠-316不锈钢复合材料部件。这表明,双斗螺旋送粉器可将密度相差极大的不同粉体均匀混合,并输送至熔池进行激光成形。

关键词： 微结构光纤   功能材料填充   特性调控   高灵敏度传感  

摘要： 微结构光纤将光子晶体微结构引入到光纤截面中,实现了对光的局域化和传播特性的调控。它独特的结构和特性大大地扩展了光纤的应用领域,引起了科学界研究者的极大青睐。微结构光纤中微纳尺度的空气孔结构为实现光纤与其它材料的有机结合提供了条件。将具有特殊光、电、磁、热等特性的功能材料填充入微结构光纤中,实现了光纤优异的导光特性和填充材料特殊的物理性能有机结合,进而可以调控微结构光纤的传导机制、模式耦合、双折射、色散等光学特性,对研究微结构光纤中光与填充物质的相互作用规律以及研制高性能可调控的光纤通信和传感器件具有重要意义。而且借助微结构光纤对光优良的可控特性,又能实现对材料的精确测量和实时操控,从而在生物光子学、微流动力学等领域展现出了很好的应用前景。 本文结合国家973计划、国家自然科学基金以及天津市自然科学基金等重点项目的研究目标和内容,针对基于高折射率功能材料填充的微结构光纤的传导机制、模式控制、可调谐特性以及其在可调谐功能器件和传感方面的应用展开了系统深入的理论和实验研究。论文的主要研究工作和创新性成果如下： 1、通过对基于高折射率功能材料填充的光子带隙光纤的传导机制、温度和弯曲特性的理论研究,揭示了光子带隙的弯曲和温度可调谐特性以及弯曲调谐特性的温度依赖性,提出将弯曲和温度调控共同作用于功能材料填充的光子带隙光纤中,实现了较没有弯曲调谐时更宽的带隙调谐范围。 2、通过对实施弯曲的高折射率功能材料填充的光子带隙光纤的模式分布和模式耦合特性的理论研究,揭示了功能材料填充的光子带隙光纤中弯曲导致纤芯模式与高折射率柱模式耦合的避免相交效应。利用该效应在光子带隙光纤传输窗口中间产生窄带谐振峰,实现了超高灵敏度折射率(温度)光子带隙光纤传感器,获得的传感灵敏度高达32400nm/RIU(-13.1nm/℃),据我们所知该值是当时报道的光纤传感器中的最高值。 3、通过控制高折射率功能材料填充的光子带隙光纤和单模光纤熔接时的参数,在熔接处制作了宽度18μm,高度40μm的微型空气腔F-P干涉仪,巧妙利用光纤环路结构将材料填充的光子带隙光纤的透射谱和微型空气腔F-P干涉仪的反射谱相结合,揭示了光子带隙对F-P干涉峰损耗调控的特性。 利用光子带隙边界对温度的高灵敏度特性,实现了F-P干涉峰的损耗随温度-1.94dB/℃的灵敏度;利用F-P干涉峰对轴向拉力的高敏感特性,实现了3.25nm/N的拉力灵敏度。结合位于带隙边界F-P干涉峰损耗对温度的高灵敏特性和对轴向拉力的低敏感特性以及带隙外的F-P干涉峰中心波长对轴向拉力的高灵敏度特性和对温度的不敏感特性,实现了对温度和轴向拉力的双参量传感。 4、理论分析了选择性填充不同折射率的高折射率功能材料以及不同的选择性填充结构的微结构光纤的模式耦合特性及模式双折射特性,揭示了纤芯模式与高折射率柱模式的耦合特性对光纤双折射特性的调控,实现了具有独特双折射特性的微结构光纤。进一步理论分析了该类双折射光纤实现的Sagnac干涉仪的光谱和传感特性,揭示了光纤的群双折射特性和传感光纤长度对Sagnac干涉仪光谱和传感特性的调控,在零群双折射波长附近可以实现很高的传感灵敏度。 5、利用手动选择性填充法和CO2激光器侧向曝光法,实现了不同选择性填充结构的高折射率功能材料填充的微结构光纤,实验研究了其Sagnac干涉仪传输光谱和传感特性,揭示了具有不同群双折射特性的微结构光纤Sagnac干涉仪不同的光谱和传感特性,以及传感灵敏度对波长和温度的强烈依赖性,实现了在56.5℃时高达-45.8nm/℃(112,531nm/RIU)的温度(折射率)灵敏度,以及19.6nm/N轴向拉力灵敏度。

关键词： 微结构光纤   高双折射   色散补偿   色散平坦   限制损耗  

摘要： 随着光纤通信和传感技术的发展,特种光纤的应用日益广泛。微结构光纤作为一种近二十年来提出的新颖结构的特种光纤,又称为光子晶体光纤。光子晶体光纤的出现,是光纤发展史上的重大变革,它具有许多优越的性能,例如无截止的单模特性、高的双折射特性、灵活可控的色散特性等。 偏振特性是光纤的一个重要特性,高双折射光子晶体光纤能实现光的偏振态的保持。要想获得高的双折射,必须增大光纤两个垂直方向的几何不对称性。传统的保偏光纤如熊猫光纤,主要依靠应力来实现高双折射,双折射值只能达到10-4量级。应用光子晶体光纤能实现10-3甚至10-2量级的双折射,比传统保偏光纤提高一个甚至两个数量级。本论文提出了一种新型基于椭圆孔的高双折射光纤,并与圆形孔的进行了比较,双折射提高了一倍,达到3.5×10-3。还分别研究了缺陷为一个、两个和三个时椭圆孔双折射光纤的特性,发现其双折射变化不大,但考虑它们单模光纤的耦合效率时,发现带两个缺陷的椭圆孔双折射光纤与单模光纤的耦合效率最大。同时研究了它的限制损耗、弯曲损耗等特性,结果表明这种高双折射光子晶体光纤限制损耗和弯曲损耗都较低,在保偏光纤等领域有潜在的应用价值。 在光纤通信中,色散是制约传输带宽的一个极为重要的因素。光子晶体光纤结构设计灵活,改变参数即可实现色散补偿或色散平坦。本论文分别提出了两种色散补偿和色散平坦光子晶体光纤,并应用有限元法模拟了它们的特性。提出的色散补偿光纤为八边形双芯结构。计算结果表明,能在1550nm位置实现-840ps/nm/km的大负色散,并能在C波段补偿约50倍自身长度的普通SMF-28单模光纤,同时能实现色散斜率补偿,是一种较为理想的宽带色散补偿光纤。优化设计的色散平坦光纤为圆形排布,通过减小中心和第一层的孔来形成纤芯,扩大模场面积。这种色散平坦光纤在S+C+L波段(1460nm-1625nm)的色散值在±0.9ps/nm/km之间变化,并能实现与普通单模光纤的高效耦合,同时它的有效模面积在1550nm位置相对较大,约为42μm2;非线性系数较小,在1550nm位置为2.92W-1·km-1。另外,这种色散平坦光子晶体光纤具有较低的损耗,在1550nm处为10-7dB/km,而且弯曲损耗较低。因此,这种色散平坦光子晶体光纤非常适合于通信中的光传输。 微结构光纤结构设计灵活,根据空气孔分布情况,微结构光纤可以有不同的结构,如六边形结构、八边形结构和圆形结构等。不同的结构具有不同的性能,可以根据需要进行选择。本论文对比研究了三种不同空气孔分布结构的色散性能,提出了一种1550nm波段八边形窄带色散补偿微结构光纤,负色散值达至(?)-3020ps/nm/km.另外,得出了一些有用的结论,对色散补偿光纤的研究和应用具有一定的意义。

关键词： 负离子   微孔膜   Geant4   模拟计算   云母   纳米微结构   原子力显微镜  

摘要： 本论文包括离子束与材料纳米微结构相互作用两个方面的研究内容： 1.针对负离子和Al203微孔膜的相互作用过程,进行了多角度,多个能量点的实验测量,并对出射离子的成分变化趋势进行了系统性的分析。首次运用Geant4程序对“负离子在微孔膜中的输运过程”进行了模拟计算。模拟结果与实验结果符合的比较好,使我们对负离子在微孔内部输运过程有了更系统和更深入的理解。 2.系统的研究了云母在受到离子辐照后其表面的纳米微结构的产生。利用原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)对材料表面的微结构进行了观测和分析。在“能量沉积与诱发的靶物质表面形貌尺度的关系”、“原子力探针曲率半径与被测表面形貌尺度的关系曲线及精确测量方法的改进”方面进行了深入的探索。