关键词： 复合材料   微观组织结构   计算机仿真   可视化   有限元分析  

摘要： 复合材料作为一种新型材料,以其优良的特殊性能和可设计性,在众多领域都有着广泛应用。随着复合材料应用的不断深入,对复合材料的性能要求也愈来愈来高,设计并研究高性能、特殊性能的新型先进复合材料有着重要意义。随着计算机可视化技术和数值计算方法的发展,复合材料的微观组织结构可视化演示得以实现,复合材料的有限元细观力学分析能够研究复合材料细观应力场和定量描述细观结构与性能的关系,阐明复合材料性能变化的规律,指导复合材料的设计,极大地推动了复合材料的发展。目前复合材料结构—性能研究的发展趋势是采用数字化、数值化、虚拟化、可视化技术,建立复合材料微观组织结构可视化仿真、性能预测、性能导向型设计一体化的模拟平台。 基于复合材料结构-性能研究的发展现状,本文以数字材料技术为先导,对复合材料的微观组织结构进行计算机设计与构筑,以可视化技术为手段,对复合材料的微观组织结构进行可视化演示,以数值材料技术为核心,计算并预测复合材料微观组织结构的细观结果与有效性能。 本文采用Laguerre图对多晶体基体材料的微结构进行仿真。讨论Laguerre图的构造算法,依次研究带权点集Regular三角化的逐点插入增量算法和Regular三角化与Laguerre图的对偶转换实现流程。阐述了通过控制带权点集来完成多晶体材料微结构设计的方法。结合球填充带权点集的设计不仅实现多晶体微结构的模型拟合,还可以完成对具有特殊晶粒分布的多晶体微结构的仿真。同时还讨论了多晶体微结构的空间变换设计,将其用于生成定向凝固的多晶体微结构、构造纳米晶的晶界。在完成几何形貌设计的同时,本文还对晶粒晶体学取向的模拟和设计的方法进行阐述 增强相微观组织结构的计算机表征也是本文研究的重点。本文设计了基于Monto-Carlo方法模拟增强相微观组织结构的技术流程。以[0,1]区间的均匀分布随机数发生器为基础,编写了任意区间均匀分布、正态分布和指数概率分布的随机数发生器,用于生成各种几何形貌增强体的几何特征、取向分布、空间分布的信息数据。同时利用基于方向包围盒的空间几何相交检测算法,不仅可以定量澄清增强体之间相互位置关系,还可以实现增强体之间位置关系的控制与设计。本文对增强相微观组织结构的设计有三种方式：(1)针对增强相组成物几何形状的组合设计;(2)对增强相组成物几何特征和取向牲的随机数参数设计,(3)基于空间划分子区域的组合设计。单独使用或组合使用这三种方式能够仿真得到多种增强相的微观组织结构。 完成复合材料基体相和增强相微观组织结构的仿真后,还从几何角度讨论了界面相的表征方法。将界面相近似为包覆在增强体上的具有相同厚度的壳体结构,依次对界面相的各亚层区域进行处理,构造出具有分层特征的壳体结构,用于表征界面相的微结构。本文还研究的复合材料中气孔与夹杂缺陷的表征,讨论了这两种缺陷分布在界面上或随机部位的模拟方法。结合基体相的构造、增强相的设计和界面相的构造,给出了颗粒增强、纤维增强及织物增强复合材料微观组织结构的仿真示例。 对复合材料细观有限元力学分析的基础是建立可用于数值计算的复合材料微结构代表性体积单元的几何模型。因此对ABAQUS前处理进行二次开发,分别编写了适用于多晶体结构和增强体的几何建模和网格划分程序,实现了复合材料微观组织结构的自动化建模。利用单胞自动识别技术与均匀化处理方法对颗粒增强多晶体复合材料微观组织结构的细观应力场进行了计算。采用基于定义的有限元方法,对复合材料的代表性体积单元施加六组周期性均匀应变边界条件,求得复合材料的刚度矩阵,给出了织物增强复合材料工程弹性常数的预测实例实例。最后对复合材料的等效热膨胀系数进行了预测。采用有限元方法预测的结果与实验测量值吻合较好,验证了预测方法的有效性。 最后,对复合材料微观组织结构仿真与性能预测一体化技术进行了研究。将复合材料各组成物微观组织结构的仿真过程进行模块化处理,并设计各仿真模块的接口程序。对基于ABAQUS二次开发的脚本程序如自动化几何建模、网格划分、各向异性材料赋予、边界条件与载荷施加、结果提取与计算等过程进行集成,达到复合材料微结构代表性体积单元性能预测的自动化实现。此外,采用Python语言进行图形用户界面开发,设计各仿真模块的参数输入对话框,同时结合PyOpenGL编程,编写了三维可视化程序,用于演示复合材料组成物的微观组织结构。软件中采用外部数据文件间接传递仿真参数,实现了图形用户主界面、三维可视化视窗、自主开发的程序、ABAQUS脚本调用之间的无缝衔接。开发了复合材料微结构数值仿真的软件VirtualTPS,为复合材料结构-性能研究提供了基础性的工具

关键词： 纳米压印   聚焦离子束   阳极氧化   无需对准纳米压印   图形蓝宝石衬底  

摘要： 纳米压印技术是20世纪90年代中期由Stephen Chou首先提出的概念,自从面世以来,纳米压印技术以其高分辨率、高产量、低成本的优点引起了科研人员的广泛关注。本论文对纳米压印技术的模板制备、工艺实施和应用方面进行了研究。 利用聚焦离子束刻蚀方法制备了微区的不同深度模板,包括了简易的光栅结构和较为复杂的嵌套复合结构,所制备的模板线宽均匀,结构稳定,符合设计初衷,为人工结构的制备奠定了基础。而且还利用阳极氧化的方法制备了大面积较为有序的多孔氧化铝模板,研究了相关参数对多孔结构的影响,可以通过柔性复合模板复制转移其结构加以运用。 本文对硅-金属复合结构在抗反射方面的优势进行了分析,结合现阶段纳米压印加工中对准问题带来精细操作和仪器设备成本的实际情况,设计了无需对准纳米压印制备硅-金属复合结构的工艺流程,并利用聚焦离子束刻蚀制备的不同深度模板进行制备。采用热塑性纳米压印将模板上的不同深度结构转移为热塑性纳米压印胶上的不同高度结构,进而利用电感耦合等离子体刻蚀将结构1：1从胶层转移到硅上,获得不同高度的硅结构,在样品表面再涂覆一层热塑性纳米压印胶完全覆盖结构区并利用无结构平面模板纳米压印的方法使表面平坦,然后整体刻蚀胶层暴露出较高的硅结构区,并调整气体进行胶和硅选择性刻蚀,达到刻蚀掉高硅而其他区域仍被胶层保护的效果,最后电子束蒸发沉积金属并超声举离制备出了硅-铬复合结构,还对不同条件下的结果进行了分析和比较,提出了下一步的改进方向。 从蓝宝石衬底上的图形的存在使界面处发生光散射和降低外延生长缺陷密度的角度,本文分析了图形蓝宝石衬底对于提高LED的发光强度和使用寿命方面的价值,并设计选择了三步图形转移过程来制备图形蓝宝石衬底的工艺方法。采用柔性复合模板紫外光固化纳米压印方法完成图形从柔性复合模板到紫外光固化胶层的转移,利用电感耦合等离子体刻蚀方法完成图形从紫外光固化胶层到湿法腐蚀掩模二氧化硅层的转移,最后用高温硫酸磷酸混合液的湿法腐蚀方法完成结构从二氧化硅到蓝宝石衬底的转移,成功制备出了3μ m周期,1μ m直径,深度约450nm的圆孔结构四方阵列图形蓝宝石衬底,并且在该图形蓝宝石衬底上生长了LED,测量其光致发光谱发现,结构区的光致发光谱的峰位置没有发生变化,而其峰位的强度和积分强度分别比无结构区平面LED提高了29.2%和25.8%。

关键词： 飞秒激光   三维微加工   微结构  

摘要： 飞秒激光具有极短的脉冲宽度，这使它拥有极高的峰值功率，可以实现对任何材料的非热熔性加工。通过控制激光脉冲聚焦点在材料上的移动，可以实现材料的高精度三维微加工。目前利用飞秒激光直写技术在金属薄膜材料表面制备周期性微结构，已成为飞秒激光应用研究领域的热点之一。 结合飞秒激光的高斯型空间分布特性，推导了横向和轴向加工分辨率的表达式，初步研究了飞秒激光与透明介质和金属材料之间的相互作用机制。自行设计并建立了一套由显微镜和微精密移动平台等构成的飞秒激光三维微细加工系统。 利用飞秒激光三维微细加工系统，研究了K9玻璃表面加工线宽与飞秒激光脉冲参数之间的关系。优化选择加工参数，实现了微米甚至纳米量级的微加工精度，其最小加工精度为540nm。 研究了飞秒激光脉冲与金膜的相互作用，通过改变显微物镜的数值孔径、激光单脉冲能量、脉冲个数等参数制备出不同的金膜表面微结构。研究表明，激光作用在金膜表面会诱导出微孔结构，作用时的激光参数对微孔形貌、尺寸大小都有很大影响。 应用飞秒激光在金膜表面制备周期孔洞结构和周期方格结构，并采用宽带光纤光源和HR-i550光谱仪测量金膜表面周期孔洞结构和周期方格结构的光谱透射性能。

关键词： CrN   CrSiN   CrCN   CrAlN   CrSiVN   CrSiWN   微结构   力学性能   摩擦磨损性能  

摘要： 论文采用多靶磁控溅射仪制备了一系列不同N2含量的CrN单层膜、不同Si靶功率的CrSiN复合膜、不同Al靶功率的CrAlN复合膜、不同V含量的CrSiVN复合膜和不同W含量的CrSiWN复合膜。采用SEM、EDS、XRD、纳米压痕仪和摩擦磨损仪等对薄膜的化学成分、组织结构、表面形貌、显微硬度、弹性模量及室温摩擦磨损性能和高温摩擦磨损性能进行了研究。 对不同N2含量的CrN薄膜的研究表明：CrN薄膜有六方结构（hcp）的Cr2N和面心立方（fcc）的CrN2种结构，在N2流量为1sccm时CrN薄膜为六方结构（hcp）的Cr2N，呈(112)择优取向，随N2流量的增大六方结构（hcp）的Cr2N逐渐消失，被面心立方（fcc）的CrN取代。随N2流量的增大，薄膜的硬度呈逐渐下降的趋势，在N2流量为1sccm时CrN薄膜硬度最高为25.2GPa，CrN薄膜的摩擦系数很高随着N2流量增大摩擦系数呈先减小后增大的变化趋势。 对不同Si靶功率的CrSiN复合膜研究表明：Si含量对CrSiN薄膜相结构及力学性能影响显著。当XSi<17.21%时，薄膜为fcc-CrN与hcp-Cr2N混合相结构，具有（111）择优取向，主要为Si固溶在fcc-CrN及hcp-Cr2N中的置换固溶体，随Si含量的升高，晶格常数逐渐降低，晶粒尺寸逐渐升高;当XSi>17.21%时，薄膜为fcc相结构，具有(200)择优取向，主要由Si固溶在fcc-CrN的固溶体和弥散分布的SixNy相构成，随Si含量的升高，晶格常数保持不变，晶粒尺寸急剧降低。CrSiN薄膜出现两个硬度峰值点，分别为21.82GPa（XSi=12.34%）、24.20GPa（XSi=21.66%）。硬质Cr2N相及固溶强化作用造成第一峰值点的产生;细晶强化及固溶强化作用造成第二峰值点。 对不同C靶功率的CrCN复合膜研究表明:CrCN薄膜为fcc结构，主要为C在CrN中的固溶体。随C靶功率的增高，薄膜衍射峰逐渐向小角度偏移，晶粒尺寸及晶格常数逐渐增大，薄膜的显微硬度逐渐下降，膜稳定阶段摩擦曲线逐渐平缓，摩擦系数逐渐降低，摩擦副与磨痕表面的相互作用逐渐缓和。 对不同Al靶功率的CrAlN复合膜研究表明：CrAlN薄膜为fcc结构，为Al在CrN中的置换固溶体。随Al含量的增加，薄膜硬度，弹性模量，H/E及H3/E*2值逐渐升高，并在Al含量为57.02%时达到最大(硬度为24.82GPa,弹性模量为269GPa，H/E为0.092，H3/E*2为0.203);薄膜平均摩擦系数和磨损率随Al含量的增加逐渐降低，并在Al含量为57.02%时达到最低值（此时平均摩擦系数0.372，磨损率为8.28*10-8mm3/(***)），表明薄膜磨损率受H/E及H3/E*2值的影响显著。 对不同V含量的CrSiVN复合膜研究表明：CrSiVN薄膜为fcc结构，具有(200)择优取向。薄膜晶格常数受V含量的影响不大。随V含量的增加，薄膜晶粒尺寸逐渐升高，显微硬度逐渐降低。由于在磨痕表面生成了具有润滑作用的氧化物，少量的Cr的氧化物和V的氧化物，薄膜体现出较低的平均摩擦系数。 对不同W含量的CrSiWN复合膜研究表明：CrSiWN薄膜为fcc结构，具有(111)择优取向，薄膜主要为W固溶在CrSiN薄膜中的置换固溶体。随W含量的升高，薄膜晶格常数及晶粒尺寸逐渐增大，抵抗塑性变形能力(H3/E2)逐渐降低。由于固溶强化和晶粒增大的共同作用，薄膜显微硬度随W含量的增加先升高后降低，在W靶功率为150W时CrSiWN薄膜硬度最高为31.11GPa。由于薄膜抵抗塑性变形能力随W含量逐渐降低，导致薄膜平均摩擦系数逐渐增高。当W含量为13.20%时，薄膜综合性能最优。

关键词： 弹性常数   塑形参数   超声波测量   织构系数   弹性本构   塑性屈服函数   有限元分析  

摘要： 金属板材为大量微小立方(或密排六方)晶粒的正交集合体,正交板材共有9个独立弹性常数(C11,C12,C13,C22,C23,C33,C44,C55,C66),著名的Hill屈服函数(?)-1 = 0有6个塑性参数。测量金属板材力学性质最常用的方法是单轴拉伸试验,但人们目前无法仅靠单轴拉伸试验确定金属板材所有的弹性常数和塑性参数。金属板材弹性和塑性均与晶粒对称性和晶粒取向分布有关,在考虑晶粒对称性及晶粒取向分布效应后,板材的弹性常数减少为5个,而塑形参数减少为4个,且均与材料的微结构(即晶粒的取向分布)有关,这种特性导致其弹性和塑性之间存在某些关联性,利用这种关联性将使仅靠简单的单轴拉伸试验或超声波试验确定金属板材的所有弹性常数和塑性参数成为可能。但目前相关的研究还很缺乏。本文利用包含晶粒对称性和晶粒取向分布效应的弹性本构和屈服函数,分别给出金属板材的9个弹性常数和Hill屈服函数中的塑性参数与板材晶粒取向分布的关系,借此寻找出金属板材弹性常数和塑性参数的关联表达式,并运用有限元分析软件对此关联性进行数值验证,结果很好的吻合了理论表达式。Roe和Bunge引入取向分布函数w(R)描述在金属中寻找出取向为R晶粒的可能性密度,将w(R)在WignerD-函数基下展开,其展开系数称为织构系数。根据金属板材的弹性和塑形与织构系数的关联性,可通过织构系数的测量来获得材料的弹性常数和塑形参数。目前织构系数测量的方法很多,而其中超声波测量织构系数由于具有精度高,无损,易实现在线测量等特点而得到广泛应用。早在20世纪80年代,Sayers,Morris就推导出正交板材织构系数c204和c004与超声波速的关系式,然而c004与超声波速的显式表达式中,材料的弹性常数λ,μ对结果具有较大的影响,而λ,μ的确定与所采用的模型具有很大的关系,这使得结果不可靠,同时,Sayers,Morris也未给出超声波速与c404的显式表达式。本文在Christoffel方程中引入织构系数,推导出正交板材超声横波与纵波沿不同方向传播的波速与织构系数c204和c004,c404之间的关系,并在推导中忽略高阶小项的影响,线性化得出c204、c004、c404与超声波速关系的一组显式表达式,这些表达式相对于Sayers和Morris的表达式,受弹性常数的影响较小,具有更好的可靠性。在此基础上,利用RETIC公司的高精度-超声设备RETIC-SNAP-5000,对一系列不同厚度的板材进行了织构测量。Lord Rayleigh于1887年首先发现,在沿弹性半空间的自由表面存在一种比剪切波速还要小的速度传播的表面(瑞利)波,在贺玲凤的声弹性技术一书中对各向同性材料表面波速进行了推导,而对于各向异性材料,表面波波速与材料的织构有关,本文将材料的织构引入,推导出正交板材表面波波速与薄板织构系数关系的理论表达式,与利用stroh公式得出的表达式进行比较,结果一致。根据表面波速与织构系数的关系式,可利用表面波速的测量反推出材料的织构。在此基础上对一正交薄板进行了表面波速及横波纵波波速测量,用两种方法分别计算出织构系数c,结果相近。

关键词： 成核掺杂   白光发射   近红外发射   CdS PbS/CdS   核壳   纳米晶  

摘要： 半导体纳米晶是指三个维度的尺寸都在100纳米以下的纳米材料,由于独特的光电性能,正受到越来越广泛的关注,其具有高荧光量子效率、大摩尔吸光系数、高光稳定性以及较大的迁移率,在照明、光电显示、太阳能电池、生物荧光探针、探测器等领域具有广阔的应用前景。作为重要的发光材料,半导体纳米晶发光范围几乎覆盖了整个可见区域和近红外区域,其不但具有尺寸可调的光发射性质,同时可通过掺杂不同离子,使其发光谱更加丰富。本论文采用硬脂酸盐、硫粉(S)、十八胺(ODA)等“绿色”化学成分合成了一系列CdS及EuxS等纳米晶,通过成核掺杂方法合成了EuxS/ZnS、 Er2S3/ZnS、PbS/ZnS、PbS/CdS核壳纳米晶,并对其发光特性进行了分析,实现了白光发射和近红外发射。研究内容主要有以下三个方面： (1)采用热分解法在两种温度下合成了一系列不同反应时间的CdS纳米晶,并研究了时间对在同一温度下所制备CdS纳米晶发光性质的影响,发现随着反应时间的延长,缺陷发射强度相对于本征发射强度逐渐减弱,并使用LaMer生长模型对这一现象进行了解释。且在较低温度下制备CdS纳米晶粒径较小,可在近紫外光激发下产生白光,较高温度下制备的CdS纳米晶粒径较大,在460nm左右蓝光激发下产生500-700nm的宽谱荧光发射,可与未被吸收的蓝光复合产生白光。同时研究了CdS纳米晶作为发光层的白光电致发光器件。 (2)采用热分解法合成了EuxS纳米晶,分析了不同反应时间EuxS纳米晶的发光性质,所有EuxS纳米晶的色坐标都处于白光区域;采用成核掺杂法成功制备了EuxS/ZnS核壳纳米晶,与EuxS纳米晶相比,其荧光发射强度得到了显著的增强;采用成核掺杂法制备了红外发光Er2S3/ZnS核壳纳米晶,高包覆温度更有利于Er3+离子扩散进入到ZnS壳层,从而导致Er3+离子的发射增强。并结合商用GaAs红光LED制备了IR-LED。 (3)采用成核掺杂法合成了PbS/ZnS及不同Pb/S比的PbS/CdS核壳纳米晶。在Pb的比例较大时,PbS/CdS核壳纳米晶展现了优良的近红外发光性质,随着反应时间的延长,其吸收和发射都发生了蓝移现象,这是由于在反应过程中,阳离子进行扩散和交换,在两种半导体纳米晶的界面处形成了合金结构;在Pb的比例十分小时,PbS/CdS核壳纳米晶展现出独特的可见发光性质,实现了白光发射。此外,PbS/ZnS核壳纳米晶也展示出了同样的蓝移现象。

关键词： 钇铝石榴石   氧化钇   透明陶瓷   硫酸铵   可控制备  

摘要： 钕掺杂钇铝石榴石(Nd:YAG)及钕掺杂氧化钇(Nd:Y2O3)透明陶瓷是重要的激光增益介质材料。随着激光技术的发展,超高功率及超快脉冲激光成为激光科学领域的两个重要发展方向。而激光陶瓷正是因激光晶体在生长技术,应用尺寸,稀土离子掺杂浓度,复合结构设计等方面无法满足激光技术发展要求的背景下发展而来的。自上世纪60年代以来,激光陶瓷因其在上述诸方面的优势逐渐成为人们研究的重要方向,发展为激光晶体增益材料应用的有效扩展及补充。 在诸多激光陶瓷粉体制备工艺中,溶液沉淀法,尤其是尿素沉淀法,相较于固相法、溶胶凝胶法、溶盐喷雾裂解法等方法,因其在沉淀过程及产物微结构可控性方面的优势而成为人们主要探讨的制备过程。但是由于对该方法合成过程中基础物理化学过程的机制未获得深刻认识,特别是对溶液沉淀法制备纳米粉体过程中的化学反应机理、成核与生长机理、内禀对称性及表面物理形态对致密纳米晶体颗粒的形成规律没有探究清楚,人们尚无法稳定获得相结构完美、单分散、粒径可控、致密的激光陶瓷粉体。 因此,本文由单相体系(Y203纳米粉体)尿素沉淀法制备过程着手,对尿素合成原理进行深入的研究。进而在尿素沉淀法Y203纳米粉体微结构调控的基础上,从固相法和尿素沉淀法两个方面进行双元阳离子体系的YAG透明陶瓷制备的研究。在此过程中,作者首次提出以纳米Al203核为异质晶核,将Y前驱体沉淀到纳米Al203核表面,组装成Y-compound/Al2O3核壳结构的制备思路,以简化尿素沉淀法YAG纳米粉体过程中较复杂的调控过程。最后,对Nd:YAG透明陶瓷制备过程中不同Y203含量对陶瓷结构和光谱性质的影响进行了深入的研究。本文的研究成果对获得纯相、分散性好、粒径可控、致密的激光陶瓷粉体具有重要的指导意义。 本文的主要研究工作如下： 1.尿素沉淀法制备氧化钇纳米粉体微结构调控机制研究 选择不同的升温速率(1.4℃/min和0.7℃/min)进行了尿素沉淀法制备氧化钇纳米颗粒的基本工艺条件研究。发现较高的升温速率有助于前驱体沉淀基元在较短的时间内聚集,形成外形规则、单分散的前驱体微球。 为探究分散剂硫酸铵对前驱体制备的影响机制,系统研究了在尿素／硝酸钇离子混合溶液中当硫酸铵加入量为体系中Nd:Y2O3理论质量的0wt%,10wt%,20wt%,30wt%,40wt%时,沉淀过程中氧化钇粉体前驱体的成核与生长过程,并研究了硫酸铵加入量对前驱体热分解行为及煅烧产物氧化钇纳米粉体烧结活性的影响。研究发现通过添加硫酸铵,前驱体的结构,表面胶体化学性质都会发生改变,沉淀过程中的成核和生长过程也因此而改变。添加不同量的硫酸铵,能够得到珊瑚状、枝状以及棒状颗粒的前驱体团聚体。在煅烧及烧结实验中,发现添加20wt%硫酸铵制备的纳米粉体可以得到透明氧化钇陶瓷,表明由细小颗粒堆积而成的前驱体微结构有利于高烧结活性氧化钇纳米粉体的制备。 在室温(25℃)采用尿素沉淀法进行氧化钇粉体前驱体生长习性研究。本文首次对不同硫酸铵加入量的尿素-硝酸钇水溶液进行长达180天的缓慢反应,发现了硫酸铵对氧化钇前驱体的形貌的调控作用的直接实验证据：硫酸铵添加量不同,前驱体的形貌可以实现从无规则絮块到纳米颗粒到长径比大于15的纳米线的调控。这一发现有助于人们对硫酸铵调控化学法合成氧化物前驱体成核和生长过程的理解。 通过对硫酸铵饱和溶液中尿素沉淀法合成氧化钇前驱体沉淀和煅烧过程的系统研究,发现硫酸氨在氧化钇前驱体合成过程中对前驱体纳米颗粒有显著的组装调控作用：在硫酸铵饱和溶液中,氧化钇前驱体纳米颗粒可以自组装成有序的片状结构,并能进一步组装成花状二级结构。650℃煅烧的饱和硫酸铵条件下制备的前驱体,晶相为Y2O2SO4,提供了硫酸铵在氧化物纳米粉体合成过程中对煅烧粉体粒度调控作用的实验验证。 2.尿素法Nd:Y2O3纳米粉体固相法YAG透明陶瓷固相反应活性及烧结性 能表征制备探索及Y2O3/Al2O3/H2O纳米悬浮体系中的物质与电荷输运 将上述尿素沉淀法制备的Nd:Y2O3纳米粉体与商用Al203纳米粉体进行固相法Nd:YAG透明陶瓷制备,以验证合成的氧化钇纳米粉体与Al203配合的固相反应能力及烧结性能。将Nd:Y2O3纳米粉体与商用Al203粉体在充分混合,1100℃煅烧,1750℃烧结后,制得了高透明度的Nd:YAG透明陶瓷。利用尿素法合成的Y203比利用商用Al203粉体做原料合成的烧结温度大大降低,其原因是氧化钇的力径减小大大降低了粉体合成过程中的扩散迁移距离,而低温合成的YAG粉体的粒度的降低又大大提高了YAG的烧结活性。 在制备过程中,研究了Y2O3/Al2O3/H2O体系料浆混合过程中的胶体化学行为。首次发现了在这一体系的混合过程中,Y203在水的作用下向Al203表面的物质和电荷迁移过程。在水溶液中,

关键词： 多铁性材料   微结构   透射电子显微术   缺陷  

摘要： 多铁性材料是材料科学领域与凝聚态物理领域的研究热点，它在存储器、传感器、自旋电子器件中都有着广泛的应用前景。众所周知，材料的性能取决于材料的结构，为了理解多铁性材料的新颖性能并探寻其背后的机制，对于多铁性材料微结构的研究至关重要。本文综合运用电子显微学中的各项技术，对几类重要的多铁性材料的微结构进行了研究。 首先，运用球差校正电子显微术，我们实现了从原子尺度上对六方锰氧化物YMnO单晶的拓扑涡旋畴结构进行研究。通过分析类涡旋状的畴结构以及关于涡旋性的探讨，我们指出，仅仅鉴别出6瓣铁电畴并不是确认该涡旋状花样为严格的涡旋的充分条件，对畴之间的反相关系还需要进行仔细确认。通过图像的定量精细研究，我们还可以从中获取材料的局域铁电偶极分布。结合原子模拟计算，我们进一步揭示了两类互锁畴壁的原子构型。 其次，我们分别对六方、正交结构锰氧化物外延薄膜的微结构进行研究。对六方HoMnO薄膜的微结构研究指出薄膜中的主要缺陷为异相边界，其形成机制为表面台阶机制与形核层机制。薄膜缺陷处会出现化学计量比失衡，高能电子束辐照会对HoMnO的电子结构产生影响。对外延稳定正交TmMnO薄膜的微结构研究指出，薄膜中的主要缺陷为界面失配位错，外延应变由界面失配位错和表面起伏机制来共同松弛。 再次，我们对La、Ti共掺杂BiFeO外延薄膜的微结构进行了研究。La、Ti的掺杂并没有改变BiFeO的晶体结构，掺杂使得薄膜漏电流减少的同时铁电性得到增强。我们讨论了薄膜微结构与漏电流之间的关系，漏电流主要受薄膜内部各种类型的缺陷以及化学成分起伏的影响，其主导机制为体限制Poole-Frenkel发射。 最后，我们对Pb(MgNb)TiO(PMN-PT)基复合多铁性材料的微结构进行了研究。对YBaCuO/PMN-PT的研究表明，YBaCuO薄膜中的主要缺陷是界面失配位错和面缺陷，少量a轴取向畴存在于薄膜中，一些取向畴根部存在微小第二相颗粒，我们讨论了取向畴倾斜畴壁的形成机制，它是表面弹性能与畴壁能相互竞争作用的结果。对PrCaMnO/PMN-PT的研究表明，薄膜内部具有多取向畴结构。对反相畴壁的原子尺度表征指出不同的畴壁形貌本质上都是由单根直线型反相畴壁基本单元组成。另外，随着膜厚的增加，薄膜中的取向畴增多，有利于电场对PrCaMnO相分离的调控。

关键词： 钛酸钡超细纳米线   微波吸收   电子显微学   硒化亚铁纳米材料   水热法  

摘要： 1.近年来,军事吸波材料和移动通信设备的快速发展,使得微波介质材料成为国际上对电介质材料研究的一个新动向。钛酸钡(BaTiO3)作为具有高介电系数和低介质损耗、优良的铁电压电性能、以及良好的绝缘性能等特点的电子陶瓷,广泛应用于电子陶瓷工业,被誉为“电子陶瓷的支柱”。由于BaTiO3存在介电损耗,主要通过介质的电子极化、离子极化或界面极化来吸收、衰减电磁波,其有可能成为一种优良的吸波材料。本论文前一部分的研究工作主要围绕着一维超细BaTiO3纳米线的制备、表征以及其与具有中空结构的花托状BaTiO3纳米颗粒的吸波性能比较展开的。 本文通过一步水热法合成了一维超细BaTiO3纳米颗粒其直径都在10nm以下。纳米颗粒尺寸分布均匀,多数在6nm左右。室温下为四方晶相结构。纳米线的长度大约有几微米甚至十几微米,因此所生成的纳米线具有超高的长径比。实验得出,其形成的机理是奥斯瓦尔德熟化和粒子交换的协同作用。基于我们组前期的工作,用水热法合成了具有中空结构的碗状BaTiO3纳米颗粒和球形BaTiO3纳米颗粒,并得出BaTiO3纳米颗粒的微波吸收性能比球形的BaTiO3纳米颗粒增强了120%。于是我们比较了一维超细BaTiO3纳米线和碗状的BaTiO3纳米颗粒的吸波性能。微波吸收性能测试结果表明,BaTiO3超细纳米线的微波吸收性能强于具有中空结构的碗状BaTiO3纳米颗粒,在电磁波频率为9.86GHz时,其最高反射损耗值可达-28.38dB,而碗状BaTiO3纳米颗粒最高反射损耗值为-20.68dB。这可能是由于一维超细纳米线的介电耦合效应以及超高长径比带来的界面耦合所导致的。我们的方法简单,原料易得,能够用在大规模的生产之中。 2.自从2000年有报道过渡金属氧化物材料的锂电化学行为之后,基于铁、钴、镍等过渡金属的氧化物被认为是一类极具发展潜力的新型储锂材料,世界各地的研究小组和科学家们对其进行了广泛的研究。在这些材料中,由于铁有储量丰富、价格便宜、对环境友好等诸多优点,铁的化合物相对于其它过渡金属化合物而言更具有优势。另一方面,纳米材料因其特殊的结构和效应使得纳米材料在锂离子电池领域受到了广泛的关注。研究表明,二硒化铁薄膜具有良好的电化学稳定性,可能成为一种优良的锂二次电池正极材料。寻找工艺简单、成本低廉的二硒化铁纳米材料的制备方法是十分必要的。我们利用简单的水热方法合成了片层状的二硒化铁纳米材料,为其在能源方面的利用提供了更多、更好的可能。

关键词： 氮化钒薄膜   (V,W)N复合膜   (V,W,Al)N复合膜   VN/WN多层膜   微结构   力学性能   摩擦性能   抗氧化性  

摘要： 本论文采用JGP-450高真空多靶磁控溅射仪制备了氮化钒单层膜，(V,W)N、(V,W,Al)N复合膜以及VN/WN纳米结构多层膜。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪、纳米压痕仪、摩擦磨损仪、高温热处理炉和热失重分析仪对薄膜的微结构、表面形貌、原子百分含量、力学性能、摩擦磨损性能以及高温抗氧化性能进行表征。结果表明： 在氮化钒单层膜中，N流量的变化，对氮化钒薄膜的相结构影响较大，但对薄膜的择优取向不会产生影响，均呈(111)面择优取向;氮化钒薄膜的沉积速率随N流量的增加逐渐降低;其显微硬度和弹性模量均呈先增大后减小的趋势，在N=7sccm时，显微硬度及弹性模量分别达到最大值22.4GPa和308.8GPa。常温下的摩擦系数随N流量的增加逐渐减小，当N=10sccm时，平均摩擦系数达到最小为0.3924;在650℃高温下，氮化钒薄膜的摩擦系数呈先减小后增大的趋势，在N=7sccm时，平均摩擦系数达到最小值0.2947。 在(V,W)N复合膜中，(V,W)N复合膜主要由面心立方结构VN相和六方结构V2N相组成，并随W含量的增加，衍射峰强度逐渐增强，(V,W)N复合膜的显微硬度呈先增大后减小的趋势，而摩擦系数与之相反，当W含量达到26.67at.%时，(V,W)N复合膜显微硬度达到最大值为25.1GPa，同时平均摩擦系数达到最小值为0.3238。 在(V,W,Al)N复合膜中，当Al含量低于14.86at.%时，(V,W,Al)N复合膜存在面心立方结构VWN、WN相及六方结构V2N相，当Al含量高于14.86at.%时，薄膜存在面心立方结构VWN、WN相及六方结构V2N和AlN相;当Al原子百分含量达到14.86at.%时，(V,W,Al)N复合膜的硬度达到最大值为35.5GPa;随Al含量的增加，(V,W,Al)N复合膜抗氧化性能提高了至少200℃。 在VN/WN多层膜中，VN/WN多层膜呈(111)晶面择优取向，以氮化钒和氮化钨各自结构稳定生长，其晶粒尺寸介于各组员之间;在所研究的调制周期范围内，多层膜的硬度值比混合法则计算的硬度值高出3.4GPa;随调制周期的增加，摩擦系数逐渐的减小，当调制周期为6nm时，达到最小值为0.3069。