关键词： 高导热   热界面材料   仿生微结构   表面改性   热管理应用  

摘要： 随着5G及相关产业的进一步铺开及集成电路技术的迅猛发展,芯片等核心元件功率密度倍增。由于电子器件内核温度的上升将会严重影响其工作效率,并导致设备老化及寿命降低,因此研发可靠高效的导热复合材料成为热管理行业的研究热点。利用熔融混合法在聚合物基质内直接加入导热填料是一种较为通用的改善复合材料导热性能的方式。但是,大多数导热填料呈现化学惰性,且在聚合物基质内的分散性较差。因此,对导热复合材料进行制备工艺优化并应用过程增强策略显得非常重要。本论文致力于从复合材料的仿生微结构工程入手,以功能填料的界面优化为基础辅以恰当的自组装工艺从而获得高效的热界面材料,主要从下述三个方面展开探索性工作。首先受生物组织神经元状微结构启发,通过偶联接枝与希夫碱反应进行交联改性氮化硼,调控表面活性,辅以热压法在聚醚砜/聚偏氟乙烯基体中构建具有取向结构的仿生神经元网络来强化导热性能。结果表明,所得复合材料拥有12.13W m K的高热导率,并在智能机器人图传系统中极大改善了散热效能。此外,结合ANSYS有限元分析进行了材料微结构的热通量与温度场分布模拟,揭示神经元结构在传热过程中的优势。同时,突出的电气绝缘性能(>10Ω·cm)与热稳定性也保证了该材料在移动通信领域与复杂工况下的可靠性。其次,基于砖混结构及岩层形貌的设计思路,利用石墨层间化合物通过原位热剥离及原位聚合进行纳微结构调控,并借助双重自组装工艺制备了具有千层取向结构的复合材料。极高的导热增强效率(2024.5%)与较好的力学特性确保其在可穿戴热界面材料领域的应用潜力。此外,由于复合材料在X波段还具有高达79.0 d B的电磁屏蔽性能,因此在空天通讯等尖端科技领域具有重要价值。最后,从自然界棕榈树树皮的致密结构出发,采用改性石墨填料与吉列丁基质的层级装配设计,并利用金属盐离子溶液对聚合物基质基于霍夫梅斯特序列效应进行微结构强化,促进填料基质间网络的构筑。所得热界面材料拥有35.29 W m K的面内热导率,在微电子模组的热管理测试中相比商用热垫材料体现出高达13.5°C的温度降。在搭配自制的太阳能热电模组中,该材料也能利用其传热特性将太阳能有效转化为电能,体现出功能材料在能源利用领域的潜力。

关键词： 光纤传感器   级联FFPI   温度   压力   游标效应  

摘要： 在光纤传感领域,温度和压力作为基础的物理参量,与人们的生产、生活息息相关。如何提升传感器的灵敏度,一直是广大研究者的重点关注方向。近年来,因为信息、材料等多学科发展,大量对于测量参数敏感的材料被提出来用于光纤传感领域。虽然光纤传感器的性能有所提升,也极大地丰富了光纤传感的种类,但目前提出的关于温度、压力等方面的光纤传感器仍存在着一些问题,如灵敏度低、稳定性差和制作工艺复杂等,这些问题严重制约着光纤传感的实用化。针对这些不足,研究人员做了大量试验工作,并且提出了不少改进的方法,这将推动光纤传感领域不断向前发展。本文在光纤传感技术研究的基础上,通过将具有敏感特性的材料与可以有效提升传感性能的光纤微结构结合在一起,研究了四种不同的高灵敏度传感器,实现了对温度,压力的测量。本文的研究内容主要如下:(1)介绍了光纤微结构的制备方法以及敏感材料的复合方法,尤其重点阐述了几种在不同环境下聚合物可以有效填充毛细管的方法。(2)从多光束干涉原理出发,详细介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪(FFPI)的原理,为下文我们展开对法布里-珀罗(F-P)干涉型传感器的研究提供了理论基础。最后分析了多参量区分测量的原理。(3)提出了一种聚合物填充毛细管的高灵敏度单F-P腔温度传感器。我们分析了单F-P腔的传感机理并详细介绍了这种传感器的制备方法,还对由聚合物胶(PDMS)形成的传感腔与外界空气相接触的反射界面随温度的变化而产生的形变进行了讨论。通过对几种不同腔体尺寸的温度传感器进行实验验证,证实了我们关于腔体长度与灵敏度大小关系的猜想,即随着温度上升,腔长也需增大才能达到最佳性能,同时验证了腔体长度不宜超过110μm的猜想。此外,还通过实验验证了这种传感器具有良好的稳定性和重复性。(4)提出了一种双F-P腔级联的光纤温度/压力传感器。利用石英毛细管会在压力环境中发生形变的原理,设计出了一种用于压力检测的F-P型传感器。我们详细介绍了双F-P腔传感机理以及传感器结构的制备方法。在实验中我们对这一传感器结构分别进行了温度和压力的传感检测。实验数据表明,该传感器结构用于温度检测时,胶腔相对较敏感;用于压力检测时,则空气腔相对较为敏感。理论上在32℃～50℃与0 MPa～0.5MPa范围内,温度和压力的区分测量误差分别为0.00043℃和0.00003 MPa。然后在此研究基础上,我们进一步探究了三F-P腔光纤温度传感器的温度传感特性。我们讨论了在温度变化过程中,组合腔与单腔之间的联系。当温度在30℃～36℃时,温度灵敏度达到了5.84 nm/℃,线性拟合度为99.88%。相对比本文提到的单F-P腔和双F-P腔级联光纤温度传感器,这种三F-P腔的复合型温度传感器的灵敏度有了很大的提升。(5)提出了一种基于游标效应的级联FFPI光纤温度传感器结构。在文中我们深入分析了游标效应的增敏原理、实现游标效应的条件及放大系数的计算方法,并且详细介绍了传感器的制备方法。区别于其他基于游标效应的传感器制作方法,本文提出以聚合物胶腔-空气腔形成的组合腔作为参考腔,聚合物胶腔作为传感腔的想法,通过控制胶腔的长度,就能满足游标效应增敏的条件,可实现传感器对温度的高灵敏度传感。实验表明:在32℃～50℃的环境温度范围内,该传感器传感腔的温度灵敏度为2.62 nm/℃,包络温度灵敏度为-23.22 nm/℃,与理论计算的温度灵敏度值-23.29 nm/℃非常相近。

关键词： 近场动力学   显微CT   复合材料微结构   图像处理   破坏模拟  

摘要： 随着纤维增强复合材料应用领域的不断扩展且用量激增,亟需理清复合材料微观结构损伤对宏观力学性能影响的内在机制。尤其在分析复合材料失效与微结构渐进损伤、断裂等涉及非连续问题的计算与模拟方面尤为重要。传统固体力学理论及方法在计算复合材料微结构的多裂纹萌生、扩展等问题时,因其位移的导数在不连续处没有定义致使该问题难以求解。另外,在复合材料微结构的几何建模方面,理论建模与工程实际存在极大的误差导致在求解时很难利用真实结构的信息。因此,发展针对纤维增强复合材料微结构几何建模与高效模拟其破坏过程的方法就显得十分重要。近场动力学是一种新兴的非局部力学理论,其采用域内的空间积分方程来描述物质点之间的相互作用。与传统微分方程建立的连续介质力学理论不同,基于近场动力学理论的方法能够更有效地模拟材料从弹性变形(连续问题)到裂纹萌生与扩展(非连续问题)的全过程。另外,利用显微CT(Micro-computed Tomography)技术可以在不破坏结构的前提下得到含有结构内部信息的图像,并快速建立含有复合材料原位微结构信息的空间离散模型。因此,本文结合近场动力学方法与显微CT扫描技术做了以下工作:(1)提出了一种基于显微CT图像的近场动力学离散模型用以重构复合材料微结构。利用显微CT图像的像素点灰度值不同而对其进行阈值分割,能够快速建立含有复合材料原位微结构信息的空间离散模型。该离散模型能够直接用于微结构破坏过程模拟,从而避免了传统的数值模拟技术需要依据像素点先建立光滑的几何模型、再划分成有限单元网格的复杂前处理过程,并且极大地保留了复合材料的原位组分分布信息。(2)本文采用有限元框架下的计算方法求解近场动力学方程,利用复合材料中不同的物质点性质,构造了近场动力学的复合材料模型,并实现了不同材料组分与不同断键伸长率的数值计算。并采用不连续伽辽金单元求解了基于显微CT图像重构的复合材料微结构裂纹萌生、扩展直至完全断裂的力学问题,模拟结果显示了此方法能够较好地利用微结构的内部信息进行力学计算。(3)基于近场有限元离散方法,建立了能够描述复合材料微结构的近场有限单元,并构造了适用于通用有限元平台的单元刚度矩阵。之后,编写了Abaqus UEL用户子程序用以实现近场有限元方法的隐式计算,并用于复合材料微结构损伤的计算,实现了基于显微CT重构复合材料微结构的商用软件二维、三维微结构的模拟计算,并根据模拟结果对复合材料微结构破坏机制进行了分析。

关键词： 蒸养水泥基材料   石蜡   复合相变材料   耐久性   微结构   机理  

摘要： 随着建筑工业化战略实施,混凝土预制构件产业蓬勃发展。蒸养混凝土因具有高早期强度、高生产效率等优点而广泛应用于预制构件生产,发展前景广阔。然而,较高温度的蒸养过程易导致混凝土脆性增大、内部孔隙结构粗化及表面微裂纹等质量缺陷,影响蒸养混凝土及其构件的长期耐久性能。传统的优化蒸养制度、优选胶凝材料组成等技术措施难以避免蒸养混凝土的上述质量缺陷。为此,本文结合相变材料特性及其在蒸养过程中的相态转变特点,探索相变材料对蒸养水泥基材料的改性效应,调查不同相变材料对蒸养水泥砂浆和混凝土的力学、耐久性能及微结构的影响规律,揭示相应的影响机理,以期得到具有优异性能的高性能蒸养水泥基材料。论文取得如下的主要创新成果:(1)研究得到了石蜡、脂肪酸和聚乙二醇等六种纯相变材料对蒸养砂浆的工作性、力学性能和耐久性的影响规律,揭示了相变材料对蒸养水泥基材料中孔隙的疏水改性效应,表明了石蜡可较好地改善蒸养水泥砂浆的耐久性能。(2)利用真空浸渍法制备了以硅藻土、膨胀石墨及两者复合物为载体、以石蜡为相变材料的三种无机多孔载体复合相变材料。相比纯石蜡,采用小粒径且与水泥基体具有良好粘结性能的复合相变材料(硅藻土/石蜡)实现了蒸养水泥基材料力学和耐久性能的显著提升以及微结构的优化。(3)利用溶胶凝胶法和温度辅助法分别制备了以无定形二氧化硅为封装材料、以石蜡为相变材料的I和II型两种微胶囊相变材料,确定了微胶囊相变材料制备的关键参数;相比I型,II型微胶囊相变材料具有更优的提高蒸养水泥基材料韧性、耐久性能以及微结构改善效果。(4)采用Ⅱ型微胶囊相变材料制备得到了抗渗透性、抗冻融性能优良的蒸养混凝土;揭示了相变材料改善蒸养水泥基材料性能与微结构的孔隙表面疏水改性、温度调节以及封装材料化学活性等多重作用机理;建立了可有效提升蒸养混凝土耐久性能的复合相变材料制备方法。图158幅,表24个,参考文献293篇

关键词： 软磁复合材料   铁基非晶纳米晶合金   粉体微结构   软磁性能   损耗分离模型  

摘要： 软磁复合材料（Soft magnetic ***）是一种新型功能性复合材料，因其具有恒磁导率、低损耗及抗饱和等特性而被广泛应用于电力电子通信领域。近年来随着电力电子磁器件不断向小型化、高频化和集成化快速发展.对SMCs性能提出了更高的要求。与常规纯铁、FeSi、FeSiAl-SMCs的软磁性能相比，铁基非晶纳米晶SMCs具有高磁导率、低损耗及抗腐蚀等优异性能，得到了广泛的关注。然而铁基非晶粉末在工业上多采用机械破碎法制备，生产效率低（需要2h以上的高温脆化处理），且铁基纳米晶SMCs还具有材料成本高、抗直流特性差等缺点，为进一步提高铁基非晶纳米晶SMCs电磁特性以适应产业发展需求，本文主要开展的研究内容及结论如下所述:（1）为提高非晶磁粉芯制备效率，本文首先设计了一种适用于平流铸造用双排平行喷嘴（Double-paralleled slits nozzle .DPSN），制备了最大厚度为58μm脆性非晶带材，以直接高效制备非晶磁粉。结合基于溶胶凝胶法制备的无机 SiO2绝缘包覆层，对采用常规非晶薄带和厚脆非晶带制备的铁基非晶纳米晶 SMCs 软磁性能进行了系统地比较和分析。结果表明，通过DPSN所制备的非晶带材具有厚而脆的特点，可省掉常规薄带脆化工艺，有利于提高生产效率;与常规薄带非晶所制备的SMCs相比，采用厚脆非晶带制备的铁基非晶SMCs的综合性能较好，其磁导率μ。由 61.08 提高至65.27.在7600A/m时的直流偏置性能由69.98%增加到70.97%，总的磁芯损耗Pc低（Bm=0.06 T.f=234 kHz）.（2）鉴于铁基纳米晶SMCs（典型成分:Fe735Si13 5B9Nb3Cu1 即 Finemet）直流特性不佳，在基于上述DPSN制备的厚脆Finemet粉末混合0wt.%8 wt.%的具有高抗直流特性的微米级气雾化FeSi粉末，经过包覆、压制及热处理后，成功制备了具有晶状结构的Finemet/FeSi复合SMCs。结合损耗分离拟合模型的建立，分析了不同FeSi混合量下复合SMCs损耗机理以及磁滞损耗、涡流损耗和剩佘损耗的来源。结果表明，随着FeSi粉体的质量分数从0wt.%增加到18 wt%时.SMCs的密度从5.741kg/m3最大增加到5.804kg/m3.复合SMCs的磁导率μ。先增加后减小，损耗先减小后增加。当微米级的FeSi粉体混合量为10 wt.%4 wt%时，Finemet/FeSi复合SMCs具有最佳的综合软磁性能:相对较高的其磁导率μ。为80.3@4 MHz，相对高的直流偏置特性为47.57%@7600 A/m，相对低的P,为614kW/m3（B?=0.05 T.f=300 kHz）。Finemet/FeSi复合 SMCs 的损耗分离结果表明，当f小于25kHz时，在整个磁场激发范围内，复合SMCs的总损耗主要由磁滞损耗决定·当f增加至75 kHz时，磁滞损耗、粒子内的涡流损耗以及剩佘损耗各占总损耗的1/3。当f进一步升高到275 kHz时.总损耗的值主要由粒子内的涡流损耗和剩余损耗之和决定。粒子间的涡流损耗仅占总损耗的1/400～1/800，可忽略不计。（3）鉴于常规纳米晶SMCs材料成本高及非晶（典型成分为Fe7sSi31B9. FeSiB）SMCs损耗相对较高，在系统研究Fe7395S111 4B995C24C13 （FeSiBCCr）退火温度与其SMCs软磁性能相关性基础上，系统对比和分析了FeSiB、 Finemet 以及FeSiBCCr三种SMCs电磁特性。结果表明，随着退火温度从723K升到793 ***磁粉芯的u先增大后减小，P...是先减小后增大，与 FeSiB-SMCs相比，773K下退火的FeSiBCCr-SMCs综合软磁性能最佳，具有较高的μ。为79.19，相对较低的P为122.26mW/m2 （ B?=0.05 T. f=100 kHz）。此外·FeSiBCCr-SMCs具有较好的直流偏置性能为51.30%，由于其昂贵的Nb元素含量（约5.66wt.%）较高，与Finemet-SMCs相比，其原材料成本较低。

关键词： 硅灰   煤系偏高岭土   力学性能   微观结构   蒸汽养护   纳米材料  

摘要： 预应力高强混凝土管桩（Prestressed high-strength concrete管桩,简称PHC管桩）由于植桩方便、施工效率高、桩基抗震性能好等优点被应用于各项基础设施工程,近年来其生产与应用发展迅猛,但是由于生产效率较低以及国家对于环境治理力度日益增强,企业面临的压力也随之变大,如何在保证混凝土管桩质量可靠的前提下,选用新材料及优化配比,提高生产效率并降低生产成本成为企业必须思考的问题。本项目拟将原状硅灰,半加密硅灰、加密硅灰、煤系偏高岭土等新材料运用于混凝土管桩生产中,提高混凝土管桩早期强度节约生产成本,进而实现一段式免蒸压新工艺,指导混凝土管桩生产。本文主要研究内容如下:（1）为研究单掺新材料P·O42.5水泥和P·O52.5水泥复合胶凝体系胶砂试件力学性能及各龄期单掺新材料的活性指数,实验室阶段制备掺加单掺新材料的P·O42.5和P·O52.5水泥胶砂试件,测试试件1 d、2 d、3 d、7 d和28 d的抗折强度和抗压强度,并计算各龄期新材料活性指数及试块强度增长因子,研究单掺和复掺新型辅助胶凝材料对P·O42.5水泥胶砂力学性能发展规律。结果表明:大掺量的矿粉对P·O42.5水泥胶砂早期的力学性能影响较大,抗折强度和抗压强度都显著低于对照组,但是随着养护时间的延长,抗折强度和抗压强度增长迅速。标准养护3 d时各类新材料在P·O42.5水泥中抗压强度活性指数较高,随着养护时间的延长,活性指数略微下降。标准养护28 d时,各类单掺新材料P·O42.5水泥复合胶凝体系胶砂试件抗压强度均高于对照组。单掺新材料对P·O52.5水泥胶砂的影响与P·O42.5类似,单掺新材料复合胶凝体系各龄期下P·O52.5水泥胶砂抗折强度不大,但抗压强度均有所提升,且抗压强度活性指数随养护时间的延长逐渐降低,28 d时,试验组试块强度最高为61.8 MPa。（2）为研究复掺新材料P·O42.5水泥和P·O52.5水泥复合胶凝体系胶砂试件力学性能及各龄期复掺新材料的活性指数,实验室阶段制备掺加复掺新材料的P·O42.5和P·O52.5水泥胶砂试件,测试试件1 d、2 d、3 d、7 d和28 d的抗折强度和抗压强度,并计算各龄期新材料活性指数及试块强度增长因子,研究复掺新型辅助胶凝材料对P·O42.5水泥胶砂力学性能发展规律。结果表明:复掺新材料可以弥补矿粉对水泥胶砂早期力学性能的影响,标准养护1 d～7 d时,各类新材料活性指数相差较大,随着养护时间的延长,28 d时试验组抗折强度强度均明显高于对照组,抗折强度最高达到了8.6MPa,复掺新材料在P·O42.5水泥中同样便显出较高的抗压强度活性指数,其中K20P8效果最优,试块抗压强度达到59.2 MPa。复掺新材料在P·O52.5水泥复合胶凝体系中均表现出较高的反应活性,标准养护1 d～28 d,各试验组抗压强度始终高于对照组,28 d时K20P8强度最高,达到了66.5 MPa,相较于对照组高出18%。（3）为研究双掺和三掺新材料复合胶凝体系对蒸汽和蒸汽-蒸压混凝土力学性能的影响,制备掺加新材料的混凝土试件,并结合混凝土管桩实际生产工艺,采用蒸汽养护和蒸汽-蒸压养护混凝土试件,以混凝土抗压强度及相对抗压强度为指标,研究双掺和三掺新型辅助胶凝材料对蒸汽和蒸汽-蒸压混凝土力学性能的影响规律。矿粉与新型胶凝材料双掺试验研究表明:在蒸汽养护4 h和8 h时,K25P5组抗压强度最高,分别达到87.8 MPa和87.4 MPa,蒸汽养护12h时K25MG5组抗压强度最高,达到了86 MPa。矿粉与新型胶凝材料三掺试验研究表明:三掺新材料均能提升蒸养混凝土抗压强度,蒸汽养护4 h和8 h,K20P5MG5抗压强度最高;蒸养时间12 h,K22P4HG4组抗压强度最高,达到了85.5 MPa。蒸压环境下K20P5M5抗压强度最高,达到了84.6 MPa。为研究不同早强剂对蒸汽和蒸汽-蒸压混凝土的影响,分别制备的单掺/复掺硫酸钠和亚硝酸钠的混凝土试件,试验结果表明蒸汽养护4h时,单掺0.1%硫酸钠效果最优;蒸汽养护8h时,硫酸钠和亚硝酸钠掺量均为0.1%,效果最优,抗压强度相较于对照组提升10%。为研究不同纳米材料对蒸汽和蒸汽-蒸压混凝土的影响,分别制备的单掺/复掺nano-Ca CO和nano-Si O的混凝土试件,试验结果表明纳米材料对蒸养-蒸压混凝土的抗压强度也有显著影响,单掺0.1%的nano-Si O和复掺2%（1%nano-Si O+1%nano-Ca CO）的纳米材料提升效果最优,混凝土抗压强度达到了79.4 MPa和80 MPa,相较于对照组分别提升了19%和20%。（4）为了研究原状硅灰和煤系偏高岭土对水泥硬化浆体微结构和水化产物的影响,采用SEM研究原状硅灰和偏高岭土对水泥硬

关键词： 聚(3,4-乙烯二氧噻吩)   复合热电材料   碳纳米管   微结构   热电性能  

摘要： 近年来,聚合物基热电材料及其柔性热电器件的研究取得了显著进展,在废/余热回收利用、柔性电子、软体机器人和物联网等领域有着广泛的应用前景。迄今为止,在有关聚合物及其复合材料文献报道中,聚（3,4-乙烯二氧噻吩）(PEDOT)是导电性能和热电性能最好的有机聚合物之一。但是,对于其结构-热电性能关系机理尚缺乏深入的研究。此外,通过系统深入研究共轭聚合物聚集态微结构演化及其对热电性能影响机制,对聚合物和复合热电材料的性能优化也具有重要意义。因此,本文通过调控PEDOT:对甲苯磺酸（PEDOT:Tos）和PEDOT:聚（苯乙烯磺酸盐）(PSS)/单壁碳纳米管复合材料的微观结构来优化其热电性能,并通过微结构演化规律研究其对热电性能的影响机理。主要研究内容和结果如下:（1）借助于微孔滤纸自身的柔性和多孔结构以及气相聚合反应条件的调控,可控构筑了具有亚微米多孔结构的PEDOT:Tos柔性膜。研究结果表明,气相聚合可以很好地控制PEDOT:Tos在微孔滤纸上的附着量,进而有利于调节其微观结构。此外,该微观结构还有利于降低热导率,使得PEDOT:Tos的功率因子达250 n W m K。本章工作为导电聚合物的微结构调控提供了一种简便的设计策略,有利于有机柔性热电材料的开发与应用。（2）聚合物及其复合材料的形貌对其热电性能有重要影响。制备了PEDOT:PSS/SWCNT复合材料的柔性薄膜。其形态表现出对成膜过程的显著依赖。通过调节成膜过程,得到了亚微米级蜂窝状多孔结构与平行的层状结构,蜂窝状结构薄膜的热电性能远高于层状结构薄膜。此外,具有亚微?蜂窝状多孔结构的复合膜比大多数微米级多孔材料和具有纳米或微结构的致密固态膜的PEDOT和PEDOT/SWCNT复合材料具有更高的热电性能。本研究提出了一种重要的形态设计策略,通过构造一种亚微米状蜂窝状多孔结构来显著提高热电性能,这有利于研制新型高性能热电材料。（3）聚合物与碳纳米粒子的含量对复合材料的形貌及其热电性能也有重要影响。本文中,以PEDOT:PSS/SWCNT复合材料为研究对象,系统地研究了SWCNTs含量对复合材料导电网络结构的影响。基于热电性质和原子力显微镜（AFM）观察,系统地研究了在碳纳米管含量宽范围内（2 wt%～99 wt%）导电网络结构的演化,阐明了SWCNT网络的演化过程以及PEDOT:PSS/SWCNT复合材料提高热电性能的机理。热电性能的温度依赖性以及高性能跨平面S形热电器件的研究结果有助于阐明聚合物复合热电材料结构-性能关系机理,进而促进聚合物复合热电材料的应用。

关键词： 玻璃微结构阵列   微纳加工   纳米玻璃粉   玻璃回流  

摘要： 随着我国高压电网线路长度的日益增长,采用无镜头相机的巡检机器人逐渐代替人力巡检,在巡检效率及安全方面具有显著的优势。玻璃微结构是无镜头相机中的关键光学器件,但现有的玻璃微结构制备方法包括热氧化、RIE刻蚀、键合回流,均存在一些不足。如工艺时间长、内部应力大、无法制备高深宽比结构、玻璃填充不满等。 针对上述玻璃微结构制备方法中存在的问题,本文提出基于纳米玻璃粉热熔回流法制作玻璃微结构的方法。利用深硅刻蚀技术对硅片进行刻蚀得到相应硅模具,对Borofloat 33球磨玻璃粉进行适当改性后对硅模具进行填充烧结,以提升玻璃透光率作为目标,验证了工艺方法的可行性。本文主要研究内容如下: (1)以高能球磨法探索玻璃粉破碎极限,制备了平均粒径为0.38μm的纳米级玻璃粉,并用差速离心法按不同粒径区间将其分离。 (2)通过对玻璃粉烧结工艺的探索,确定了填充方式、烧结温度、粉末粒径、烧结气氛等参数对烧结质量的影响,并对球磨玻璃粉进行组分改良以提高玻璃透光率及烧结质量。 (3)采用理论结合仿真的方式,利用有限元仿真以及光线追迹仿真模型对玻璃微结构进行了设计,并仿真模拟玻璃微结构各尺寸参数对光线调制范围及透光率的影响,包括孔径大小、孔排列方式等。最后使用MEMS加工技术制备了深宽比13.67、侧壁垂直度为89.748°的硅结构模具。 (4)对硅模具进行填充烧结,实验证明改良后的玻璃粉可以获得具有99.45%透光率的玻璃体,且烧结后可以对模具完整填充,验证了纳米玻璃粉热熔回流法制备玻璃微结构的可行性。

关键词： 多晶体有效弹性张量   纤维复合材料有效弹性张量   Kelvin表示约定   本征应变自洽法   FCC多晶体材料屈服函数  

摘要： 金属板材多为立方晶粒正交集合的多晶体,多晶体中的晶粒性质、取向分布、晶粒间的取向关系、晶粒尺寸等微结构决定了多晶体的宏观性质;纤维增强复合材料由材料基体和纤维组成,纤维的方向分布将影响复合材料的宏观本构关系;多晶体材料和纤维复合材料均属非均质材料,研究多晶体和纤维复合材料等非均质材料的宏观力学性质与材料微结构的本构关系具有理论与应用价值。Voigt模型和Reuss模型在非均质材料宏观本构关系的研究中经常采用。在Voigt模型,假定多晶体中晶粒εij=（?）ij,但不能保证晶粒之间的接触力连续。在Reuss模型,假定晶粒σij（x）=（?）ij,但晶粒之间的变形协调无法满足。本文采用Kelvin约定,分别给出Voigt模型和Reuss模型下包含材料微结构效应的多晶体材料宏观本构表达式。采用Kelvin约定,本文还给出基于本征应变自洽法的立方多晶体材料的弹性刚度张量表达式。相比Voigt模型和Reuss模型,自洽法的优点是在平均意义下满足晶粒间的应力连续性和变形协调性。纤维增强复合材料因其重量轻、抗冲击能力强等优点而广泛运用于航空航天业等工程。纤维增强复合材料的宏观弹性本构张量不仅与基体和纤维的各自材料性质有关,还与基体和纤维的体积分数、纤维方向分布有关。基于Kelvin标记法,使用本征应变自洽方法,本文研究了纤维增强复合材料的宏观本构与纤维取向分布的关系。我们给出了包含纤维方向分布效应的纤维增强复合材料有效弹性张量显表达式,并通过有限元数值验证了该显表达式。利用面心立方FCC晶粒塑性滑移的物理方法,假设多晶体所有晶粒具有相同的（瞬间）塑性滑移剪切应力,通过Schmid定律和非线性优化理论推导出FCC晶粒的、Hill准则形式的屈服面,给出了取向为R的FCC晶粒的塑性各向异性张量。在SO（3）上积分,得到面心立方多晶体所有晶粒的屈服面的体积平均值,得到平均意义下的面心立方FCC多晶体的宏观屈服函数,给出了宏观屈服函数的塑性参数与晶粒滑移剪切应力的关系。四阶本构张量经常用Voigt约定表示成6×6的矩阵形式。本文使用Kelvin下标约定代替Voigt下标约定。Kelvin约定的矩阵形式保持了张量间的转动关系,而Voigt约定的矩阵形式不存在这种转动关系,本构张量的Kelvin矩阵表示具有明显的优越性。

关键词： 显微高光谱成像技术   钙钛矿材料   无损检测   理化性质   回归预测  

摘要： 近几年,钙钛矿作为材料科学领域研究最多的能源材料之一,凭借其良好的光电性能在太阳能电池等器件上得到了广泛应用。然而材料制备后的晶体厚度不均和组分比例不一致是降低器件性能的重要因素,因此,如何有效检测钙钛矿的晶体质量缺陷是提高钙钛矿器件性能的一个关键问题。显微高光谱技术结合了先进的显微镜技术和光谱学技术,可以捕获和分析一片空间区域中逐像素点的光谱信息,由于可以获取到单个对象不同空间位置上的独特光谱特征,故适合于微纳尺度的材料研究。在本文中,使用自主搭建集成的显微高光谱成像系统,在室温条件下通过透射明场模式获得了钙钛矿单晶(MAPbBr)的三维数据,结合光谱维研究其理化性质,并基于机器学习算法建立了钙钛矿单晶厚度预测的反演模型,达到无损检测钙钛矿结晶质量的目的,显示了显微高光谱成像技术在微纳材料领域的应用前景。具体工作如下:首先,为了研究钙钛矿晶体质量,以一步溶液自组装法制备的MAPbBr为对象,构建了反射和透射两种显微高光谱图像采集单元,并搭载多种成像方法,经过反复实验,确定了相关系统检测参数,以获得高质量的图像数据。通过对比分析不同拍摄模式下的空间信息和光谱信息,最终选择采用透射明场对钙钛矿进行成像并深入研究。其次,经实验分析后,提出MAPbBr的厚度不均和组分比例不一致会影响其光吸收性质。MAPbBr的吸收波长与其厚度成正比,当厚度增加时,晶体对光的吸收增强,其吸收峰会发生红移。此外,在吸收峰之前的光谱范围内,MAPbBr晶的组分比例与其吸光度存在一定的依赖关系,晶体中Br原子所占百分比越小,对光的吸收程度越大。最后,利用多种预处理算法对原始光谱进行光谱变换,运用常规降维方法以及提出的基于钙钛矿单晶厚度光谱特征(Perovskite Thickness Spectral Characteristics,PTSC)的波段选择方法进行特征波段提取,进而借助多种回归建模方法确立钙钛矿单晶厚度预测模型。结果表明,多元散射校正在经岭回归模型验证分理效析后,预处理效果最好。在不同机器学习建模方法对比中,K近邻回归模型表现最佳,其中,提出的PTSC方法相比其他降维算法能够更有效地提取最优建模变量,其结合K最邻近回归模型的估算精度最高,相较于原始光谱的K最邻近回归模型整体提升幅度约为13%。