关键词： 柔性压电复合材料   制备工艺   微结构演变   机电转换性能  

摘要： 近年来，由于柔性自供电可穿戴电子器件的兴起，越来越多的科研人员对柔性压电能量收集器的研究产生了浓厚兴趣。其中，探寻一种环保、输出稳定的柔性压电材料具有非常重要的意义。有机-无机柔性压电复合材料正是一种能够有效地收集自然环境、人体运动所产生的机械能并转化成电能的一种新型材料。在功能特点上，有机-无机柔性压电复合材料将有机物的柔性特征与陶瓷的压电性能相结合，成为了材料领域中的研究热点。但是相对于传统压电陶瓷材料，有机-无机柔性压电复合材料由于应力传递效率低、内阻过高等问题导致其发电性能较差。本论文详细探究了有机-无机复合材料的填料分布、填料形貌及第三组元的添加对压电复合材料性能的影响，进一步揭示了复合材料微结构演变与机电转换性能之间的关联性。　　第一，我们制备了一种压电颗粒在有机基体中准一维、链状结构排列的柔性压电复合材料。研究中，选择传统固相法制备的具有优异压电性能的KNbO3(KN)颗粒作为填料，进一步通过介电泳工艺制备了柔性压电复合材料。研究发现，KN颗粒在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基体中准一维、链状排列可以有效提高复合材料的应力传递效率和机电转换性能。在施加相同外力条件下，填料准一维排列的复合材料产生了一个较大短路电流(ISC)0.82μA，是随机分散复合材料的4.5倍。　　第二，针对固相法制备的KN陶瓷颗粒团聚严重、颗粒形状不规则等问题，我们采用熔盐法制备了高分散特性的KN块状颗粒，进一步探究粉体形貌对KN/PDMS复合材料的电性能影响。研究中，详细研究了电场、频率以及时间等因素对复合材料中压电颗粒链状排列的作用规律。结果表明，熔盐法制备的KN颗粒在复合材料中分散性更好，而且该复合材料的发电性能相比基于固相法制备KN颗粒的KN/PDMS复合材料得到了大幅度提升。　　第三，针对柔性压电复合材料中普遍存在的内阻大、电流小的问题，我们结合前期的实验结果，在KN/PDMS复合材料中引入Cu纳米棒(NRs)作为导电第三相。研究发现，Cu NRs的加入可以降低KN/PDMS复合材料的内阻，提高应力传递效率、极化效率，进而提高功率密度。　　综上所述，本论文中，通过构建准一维链状结构、改变压电相形貌、加入导电相等方法，实现了柔性压电复合材料应力传递效率、极化效率、发电性能等大幅度的提高，在柔性自供电可穿戴电子器件领域具有重要的应用前景。

关键词： 低Pt合金催化剂   微结构   密度泛函理论   集团展开法   微流体工艺  

摘要： 发展经济高效的燃料电池技术和制氢技术是解决全球能源和环境危机的重要途径,研制基于低铂合金纳米电催化材料的高性能电极是快速实现这一技术工业应用的关键之一。低铂合金催化材料的微结构与其电催化性能的相关性是设计并获得相应的高效纳米电催化材料的理论基础。本文以醇氧化反应和析氢反应为电催化反应模型,基于密度泛函理论结合集团展开方法对铂合金催化剂的微结构进行设计,并发展程序微流体的耦合竞争反应和耦合场工艺对纳米材料的合金成分、尺寸、形貌、表界面微结构、电子态等进行高精度在线调控;实验结合理论计算,对纳米合金催化剂的微结构与电催化性能相关性进行研究。通过对铂基纳米合金表层与内层元素占比的研究,发现在低铂含量和较低退火温度时,纳米团簇中会形成周期性缺陷,产生超微晶粒,提供更多晶界处的活性位点,大大提升其电催化性能;而外加磁场则能通过对催化剂表面电子和自旋态的调控,进一步促进催化性能的提升。最终研制出了对醇类电催化氧化和电催化析氢反应具有高效电催化效果的低Pt合金催化剂。具体如下:1.通过程序微流体高精度可控的耦合竞争反应,对纳米材料的微结构进行调控,制备出在碳黑上高度分散的具有丰富顶点/边角/侧面等活性位的FePt@(Fe1-xPtx)Oy(OH)z/C小尺寸纳米催化剂,该催化剂表现出优异的电催化甲醇氧化性能。系统研究了退火过程、混碳方式、刻蚀过程和Fe/Pt原子组分比对纳米催化剂微结构和性能的影响。基于密度泛函理论和集团展开方法解释了退火过程和不同Fe/Pt比的催化剂性能差异的原因,发现退火过程使合金的有序度增加,提高了 Pt与Fe原子间的协同作用,同时形成富Pt表层和富Fe亚表层结构,增强其稳定性。且在Fe/Pt原子比为2/1时,低温退火条件下纳米团簇内部产生了 Fe2Pt相,该相会自发产生周期性缺陷,促进了超微晶粒的产生,使得催化剂表面存在大量晶界。与(111)面的Pt原子相比,晶界处的部分凹界面Pt原子的广义配位数增加,提供更接近羟基的最佳吉布斯自由能的活性位点;而凸界面处的Pt原子配位数较低,更易吸附甲醇、乙醇等小分子物种,提高吸附物在凸晶界处的驻留数和驻留时间,使得凸晶界附近的Pt原子催化效率升高。进一步改变混碳方式和添加的合金元素,将碳黑与Ni的金属盐溶液预先混合,使纳米颗粒的成核-生长过程直接在载体碳黑上发生,合成了载体与碳黑具有增强相互作用的PtNix/C纳米催化剂,促进了催化剂主体与载体碳黑之间的电子转移。以乙醇电催化氧化和电催化析氢反应为模型进行研究,发现Pt/Ni 比为1/3时达到最优活性和稳定性,实现了低铂高效的目标。2.使用钨的氧化物和锰的氧化物与PtNi纳米晶构建近邻或异质结构PtNi/WO3/C和PtNi-MnOx/C复合纳米催化剂,分别利用金属氧化物与PtNi之间的协同作用和界面相互作用实现催化剂对氢吸附吉布斯自由能和氢吸脱附速率的改变,从而实现电催化析氢性能的提升。WO3的引入会减弱Pt-H键的强度,同时为氢的解吸附提供功能位点。而MnOx与 PtNi之间的界面促进了两者之间电子的转移,同时PtNi与MnOx间的电子相互作用改变了 PtNi的电子结构,进而促进了其析氢稳定性的提升。3.将磁场与流体场耦合来在线调控纳米颗粒形成各阶段的动力学参数,以Fe2Pt纳米团簇为研究模型,磁控条件下表面更多的Pt2+被还原为Pt0,使得纳米晶在保持原有多晶结构的基础上,表层活性位点大大增多。且在纳米团簇形成过程中,洛伦兹力改变了带电纳米晶的移动方向,这种连续的改变类似于向流体施加一个交变磁场而导致局部涡流的产生,从而对催化剂表面电子结构和自旋态进行调控。通过对比磁场和非磁场下合成的纳米颗粒的乙醇电催化氧化性能发现,磁场下合成的纳米颗粒表现出更加优异的活性和稳定性,实现了低铂合金纳米材料微结构的绿色有效调控和催化性能的提升。

关键词： 聚合物纳米复合   表面等离子体共振   胶体晶体刻蚀   自组装   贵金属阵列   光热转化  

摘要： 表面等离子体共振是贵金属微结构具有的一种重要性质。简单地说,表面等离子体共振就是在外界电磁波的作用下,金属表面的电子发生集体振荡的现象。此时贵金属等离子体微结构对于入射电磁波能量的吸收和转化,使得其表现出一系列特殊的性质,最直观的一点就是其显示出特殊的颜色,并且其光谱会随着贵金属微结构周围介质折射率的变化而发生变化。除此之外,在肉眼看不见的微观尺度内,贵金属微结构周围还会发生电磁场的限域和增强。这些性质使得贵金属等离子体微结构在诸多领域有着重要应用,包括:折射率检测、生物检测、光热转化、光热治疗、增强光谱等方面。在实际应用中,贵金属等离子体微结构的性质高度依赖于其材料、尺寸、形貌等参数。通过对这些参数进行调控,人们可以获得更尖锐的共振光谱、更强的拉曼增强效果、或更高的光热转化率,从而在各项应用中获得更佳的效果。为此,人们开发了各种各样的制备方法,从最基本的贵金属纳米粒子,到纳米粒子的组装体,或是二维以及三维的贵金属微阵列,得到了一系列参数可调的贵金属等离子体微结构。开发廉价、参数可调性强、适合大面积制备的复杂贵金属微结构制备新方法一直是人们研究的热门领域。出于此目的,我们选择尺寸形貌易于调控,并且表面易于修饰的聚合物为模板或基材,与贵金属纳米粒子进行复合,制备一系列形貌参数可以精确调控的聚合物/金复合纳米等离子体微结构,以实现对等离子体共振光谱的调节,并系统研究了形貌参数与光学性质及功能之间的关系。其具体内容如下:在第二章中,我们结合胶体晶体刻蚀技术和金纳米粒子的自组装,制备了尺寸可调的金纳米环阵列,实现了对金纳米结构等离子体共振光谱的调节。利用胶体晶体刻蚀技术对聚合物进行微加工,可以方便地得到具有六方排列的聚合物柱阵列模板,并且聚合物柱的高度、直径和阵列周期等都可以进行调控。通过对聚合物纳米柱表面进行修饰,使得金纳米粒子可以在其表面自组装,形成金纳米粒子单层紧密排列的圆环阵列,再通过对金纳米粒子进行生长液处理,即可得到金纳米环阵列。通过对聚合物纳米柱阵列进行尺寸调控,我们成功制备了周期在1000-2000 nm范围、直径在250-800 nm范围、高度在200-1200 nm范围内可调的金纳米环阵列。我们发现,随着金环直径的增加,其偶极共振峰位在1250-2250nm波段逐渐红移。而随着金环高度的增加,其位于1500-2000 nm波段的反对称偶极共振峰位会逐渐红移,并伴有峰强的增强,而位于2500-4000 nm波段的对称偶极共振峰位会逐渐蓝移,并且实际测量的光谱变化规律与FDTD模拟结果一致。由此,我们成功实现了对等离子共振光谱的调节。除此之外,我们还成功制备了金纳米锥壳阵列,这说明利用此方法可以使金纳米粒子与任意形貌的聚合物结构复合,展现了此方法强大的制备能力。在第三章中,在上一章制备的金纳米环阵列基础上,我们结合胶体晶体刻蚀技术和湿法转移技术,制备得到了金纳米环/聚合物/金不对称光学共振腔。湿法转移技术保证了共振腔的平整以及光学信号的一致。此共振腔同时具有金环的等离子体共振模式以及法布里-珀罗共振模式。通过对不同浓度聚合物进行旋涂,我们成功得到具有厚度从0到1000 nm左右变化的电介质层的共振腔。我们发现,随着电介质层厚度的增加,越来越高级数的法珀共振模式被激发出来,最高得到的级数可达8级。同一级数的法珀共振吸收逐渐红移,并且低级数共振的红移程度大于高级数共振。并且我们发现,我们的不对称共振腔的法珀共振吸收位置相比于完美法珀腔的共振吸收位置略有红移,这是由于金环等离子体共振对光的吸收造成的。此外,不同的入射角度也会改变共振光谱,并且共振光谱位移规律符合布拉格公式。在第四章中,我们结合聚合物的静电纺丝技术和在聚合物纳米纤维表面组装金纳米粒子,制备得到了可用于光热海水淡化的界面光热材料。聚合物电纺丝为金纳米粒子提供了大量的附着位点,其三维微结构不仅增强了金纳米粒子对光的吸收,还便于水和蒸汽的运输。在3.4 kW m的光功率下,其光热转换效率可达77%。并且由于引入了聚合物,其还具有质量轻,柔性等优点。通过模拟海水淡化测试我们发现,光热蒸馏后的水盐度比模拟海水小三个数量级以上,说明此材料具有良好的光热应用前景。

关键词： 静水应力   微结构演变   纳米切削   单晶硅   分子动力学  

摘要： 单晶硅是一种典型的脆性材料,在使用金刚石单点车削工艺对其进行纳米加工时,随着切削尺度的改变,单晶硅会存在脆性去除、脆塑转变过程以及塑性去除三种去除状态,这种切削特性产生的本质原因在于单晶硅材料内部微结构的变化。而切削过程中静水应力的变化会影响材料内部微结构的变化。因此本文利用分子动力学方法,从微观尺度入手,探究单晶硅纳米切削过程中静水应力对微结构演变的影响。首先,为了观察整个切削过程中微结构变化,选取了合理的模型参数,构建了单晶硅纳米切削分子动力学模型;对比分析了几种常用的微结构识别方法在识别相变、位错结构时的优点及局限性,选取了配位数法、金刚石结构识别法以及位错提取法研究切削过程中微结构的变化。随后,按切屑形态以及切削深度两方面将单晶硅纳米切削过程划分为了塑性去除、脆塑转变过程以及脆性去除三种去除过程。分别针对塑性去除过程、脆塑转变过程以及脆性去除过程,通过配位数法、金刚石结构识别法以及原子瞬态图分析了不同去除过程中微结构的组成及其变化、静水应力的分布及其变化,探究了静水应力对切削过程中微结构演变的影响。发现高静水压应力是单晶硅相变的条件,高静水压应力区域由集中到局部化分布的变化是单晶硅纳米切削发生脆塑转变的重要原因。计算并分析了切削过程中静水应力值的变化情况,发现静水压应力的水平不同,单晶硅相变结构也不同,静水压应力水平变化导致的相变原子组成结构的变化也是单晶硅纳米切削发生脆塑转变的原因之一。最后,探究了刀具前角以及刀具刃口半径对静水应力以及微结构的影响。通过配位数法与原子瞬态图相结合,对比了不同刀具前角及刀具刃口半径下微结构及静水应力分布及变化。发现适当增大刀具负前角以及刀具刃口半径可以改变高静水应力区域分布状况,影响相变原子的分布及相变结构组成变化,增大脆塑转变的临界值。

关键词： PbSe纳米晶体薄膜   磁控溅射   溅射功率   沉积时间   退火温度  

摘要： 半导体纳米晶具有带隙可调性和优异的发光性能,已广泛应用于发光二极管、太阳能电池和光电探测器等领域。在各种半导体纳米晶中,PbSe因其激子玻尔半径大（46 nm）、介电常数高、载流子迁移率高而备受关注。作为一种IV-VI化合物,PbSe是一种直接带隙半导体,在室温条件下禁带宽度为0.27 e V,且可以通过不同的元素掺杂或不同的制备技术进行调节。目前,PbSe材料广泛应用于发光二极管、红外探测器、激光发射器和热电转换器等。在大多数应用中,PbSe材料以薄膜形式存在。因此,制备高质量的PbSe薄膜是拓展其在光电领域应用的关键。本文采用磁控溅射镀膜法制备了PbSe纳米晶体薄膜,运用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、X射线能谱仪、X射线光电子能谱仪、共聚焦拉曼光谱仪、紫外可见分光光度计和荧光分光光度计对所制备的薄膜样品进行了微观结构表征和光学性能分析。研究了溅射功率、沉积时间和退火温度三个主要参数对所制备的薄膜的结晶质量、表面形貌、化学成分、光学带隙及发光性能的影响。主要研究内容分为三部分:（1）研究了溅射功率对PbSe薄膜微观结构和发光性质的影响。XRD和XPS结果表明,随着溅射功率升高,PbSe薄膜结晶质量提高,Pb/Se化学计量比趋于1:1,光学带隙随薄膜厚度和晶粒尺寸增大而减小。在655 nm处观察到一个强发射峰,其强度与PbSe薄膜的结晶质量密切相关。（2）研究了沉积时间对PbSe薄膜微观结构和发光性质的影响。随沉积时间增加,PbSe颗粒的形状首先由类球状变为过渡态的棒状或絮状,再转变为三角状,这与XRD显示的PbSe薄膜的主要生长取向变化一致。Pb/Se化学计量比随沉积时间增加趋于1:1并稳定。沉积时间延长使薄膜厚度增加,晶粒尺寸增大,导致光学带隙减小。655 nm处的发射峰强度变化趋势与PbSe薄膜的形貌演变完全一致。（3）研究了退火温度对PbSe薄膜微观结构和发光性质的影响。随退火温度升高,PbSe薄膜的主要生长方向由（200）变为（111）,再转为（220）,与PbSe颗粒形貌的变化情况一致。温度升高使Se元素升华,Pb/Se的化学计量比失衡。晶粒尺寸随温度升高而增大,光学带隙减小。655 nm处的发射峰的强度因PbSe薄膜结晶质量的降低而下降。

关键词： 氮化硼纳米片   多维杂化填料   复合薄膜   微结构   耐电机理  

摘要： 电介质材料的选择和结构设计对推动现代电子器件的小型化、高度集成化和多功能化发展具有重大意义。近期,三元杂化聚合物基纳米复合材料在提升聚合物电绝缘特性、机械和导热性能等方面崭露头角。通过合理挑选具有不同维度和特性的无机纳米填料进行杂化和结构设计,可以满足特定环境下不同工作需求,成为高分子科学领域的研究热点。本文以聚酰亚胺(PI)为基体,以零维纳米氮化铝(AlN)、一维微米钛酸纳米管(TNs)和二维微米扩层二硫化钼(E-MoS)分别与二维纳米氮化硼(BN)构成杂化填料体系,采用原位聚合法设计制备了一系列具有优异电学、力学和热学性能的新型三元纳米复合薄膜,研究二维BN纳米片与不同维度填料形成的取向分布、界面结构、陷阱能级和空间电荷分布及对复合薄膜微结构和性能的影响规律和耐电特性提升机理。研究发现,零维AlN与二维BN在PI基体中分散良好,形成“球片环绕结构”。适量掺杂(3 wt%-5 wt%)BN-AlN杂化填料,可以抑制界面态破坏,增强界面极化,在高频范围限制偶极子转向,提高复合薄膜介电常数,降低介电损耗。在掺杂3 wt%时,PI/BN-AlN复合薄膜交流击穿场强可达160 k V/mm,分别比纯PI和PI/AlN提高了45%、13%。随着掺杂组分增加,PI/BN-AlN复合薄膜耐电晕老化寿命和热稳定性均得到大幅提升。PI/BN-TNs三元复合薄膜中一维TNs表面含有大量羟基,存在许多氢键,BN附着TNs表面形成“空间网络桥接结构”,部分TNs经BN诱导在基体中呈现水平取向分布。小角X射线散射(SAXS)结果表明,随着BN-TNs组分增加,复合薄膜相间界面层厚度逐渐减小,质量分形维数逐渐增加,散射环具有各向异性,存在取向结构。PI/BN-TNs复合薄膜的填料均匀性、取向性和良好的界面相容性,有效抑制复合薄膜电学和力学性能劣化,呈现优异的介电性能、击穿性能、独特的抗拉伸以及动态热机械性能。E-MoS纳米片具有更大晶格间距,沿c轴(002)晶面层间距扩大至0.98nm,横向尺寸约为1.5μm,厚度约为2 nm,仅由2个单层构成,与二维BN形成“层状分离结构”。采用聚合物原位插层策略制备新型PI/BN-E-MoS复合薄膜,极大改善填料在PI基体中分散性。SAXS结果表明,随着掺杂组分增加,PI/BN-E-MoS复合薄膜相间界面层厚度和质量分形维数逐渐增大,结构更加致密。BN-E-MoS填料显著增强复合薄膜内部界面极化,减小键合区对偶极取向极化的限制作用,保持较大介电常数,同时抑制介电损耗。当掺杂组分为0.25 wt%时,PI/BN-E-MoS复合薄膜击穿场强为196 k V/mm;当掺杂组分为3wt%时,热导率为0.22 WmK。BN-E-MoS杂化填料在复合薄膜内部形成更多、更致密导热通路,延长声子平均自由程,减少界面处声子散射,提高复合薄膜热导率。采用准原位技术和微观尺度下陷阱能级分布、空间电荷注入与复合测试,结合有限元击穿模拟仿真,以多核模型、电双层模型、能量势垒和界面陷阱理论为基础,从不同角度深入分析长时击穿(电晕老化)和短时击穿失效行为,系统地研究多维杂化填料体系增强复合薄膜耐电特性机理,分别建立耐电晕老化模型、短时击穿机理模型以及双极性电荷传输模型,着重阐明二维BN纳米片在多维杂化填料体系调控复合薄膜耐电特性中起到的关键作用,为拓展二维材料在高绝缘领域应用提供理论依据。

关键词： 微结构光纤   各向异性材料   磁流体   向列相液篇品   Sagnac干涉  

摘要： 微结构光纤因其结构灵活、色散可调、多孔结构、高非线性、可调模场面积等优点受到了学者的广泛关注,在通讯、传感、医疗、国防等高科技领域都有重要的研究价值。基于各向异性功能材料填充微结构光纤的Sagnac干涉仪,结合了各向异性材料的外场调谐特性、微结构光纤的微纳结构和Sagnac干涉仪的高精度特性,增强了外场对光与介质相互作用的调谐,在高灵敏度、高空间分辨率传感器方面具有重要的应用前景。本论文对向列相液晶E7、磁流体等各向异性材料的色散特性进行了研究,将具有各向异性特性的向列相液晶E7、磁流体填充的微结构与Sagnac干涉仪相结合,研究了光纤传输模式的调控特性和干涉传感性能。具体研究内容如下:首先,对向列相液晶E7和磁流体的相对介电常数进行了研究。将向列相液晶折射率随温度变化的哈勒方程和折射率随波长变化的扩展柯西方程结合,利用数学变换建立了向列相液晶E7折射率同时随温度、波长变化的定量关系。利用该关系研究了向列相液晶E7的反常折射率、寻常折射率、双折射、宏观有序参量和取向有序参量等。同样,建立了磁流体相对介电常数的张量表达式,利用该表达式研究了磁流体的各向异性特性。其次,基于获得的向列相液晶E7色散定量关系,研究了具有各向异性特性向列相液晶E7填充石英微结构光纤的Sagnac干涉传感特性。为解决高折射率材料填充石英微结构光纤中出现的传输带宽分裂成若干短的非连续波段问题,提出了一种向列相液晶E7填充亚微米气孔的石英微结构光纤。在石英微结构光纤纤芯周围引入六个亚微米孔,并在其中填充各向异性向列相液晶E7。该向列相液晶E7填充的石英微结构光纤可以在0.9-2.0μm波长范围内实现宽带连续传输,并且向列相液晶E7的热效应对微结构光纤的模式传输具有影响。将长度仅为2 mm的该微结构光纤作为Sagnac干涉仪的温度传感探头,实现了在265-295 K温度范围内的线性响应,灵敏度达到-6.23 nm/K。进一步分析了灵敏度优化方案和制作容差特性。再次,基于各向异性材料填充对微结构光纤光学性能的显著提升效果,以简化制备工艺、扩大各向异性材料的可调谐空间、提升温度灵敏度为目标,研究了向列相液晶E7填充铅硅酸盐SF57微结构光纤的Sagnac干涉传感特性。选择经典六角晶格结构的铅硅酸盐SF57微结构光纤,将向列相液晶E7填充到具有较高折射率的铅硅酸盐SF57微结构光纤中,微结构光纤传导机制仍然为折射率引导型。微结构光纤包层气孔尺寸相同,制备工艺易于实现,同时具有较大的制作容差。基于向列相液晶E7各向异性特性和铅硅酸盐SF57高折射率特性的微结构光纤与Sagnac干涉仪相结合,光纤长度仅为2 mm时灵敏度达到了15 nm/K。通过优化微结构光纤的结构参数,温度传感性能得到了提升。最后,基于磁流体的各向异性特性和磁光效应,研究了磁流体填充石英微结构光纤的Sagnac干涉传感特性。在石英微结构光纤纤芯周围设计了两个大的气孔,并在其中填充磁流体。当磁场垂直于光纤传输轴时,磁流体表现为各向异性。由于微结构光纤的非对称设计,该磁流体微结构光纤Sagnac干涉仪不仅可以对磁场强度进行测量,也可以对磁场角度进行测量。该磁流体微结构光纤的长度为5 mm时,实现了对磁场矢量的测量。进一步进行了制作容差和灵敏度优化分析。通过调节磁流体微结构光纤的长度,可以调节干涉谱的波谷波长。当波谷波长为群双折射为零的波长时,理论上磁场测量灵敏度达无限大。

关键词： 仿生刀具   骨材料切削   有限元仿真   激光加工   声发射  

摘要： 本文基于在骨外科手术中切削温度高、材料表面易产生裂纹损伤等问题,将蜣螂表面具有特殊减摩功能的微结构应用到钻削刀具表面,提出一种基于蜣螂表面微结构仿生切削刀具的概念、设计思路和制备方法。研究激光加工技术在M35高速钢材料表面进行微结构制备的加工工艺,成功制备出基于蜣螂表面的仿生复合微结构刀具,并进行骨材料的钻削对比试验,从钻削力、切削温度、骨材料孔内壁表面粗糙度和声发射能量四个方面研究仿生微结构刀具的切削性能。主要研究内容如下:结合正交试验设计方法与有限元仿真技术,研究基于蜣螂表面微结构中的凸包椭圆长轴、凸包椭圆短轴和凸包高度以及凹坑椭圆长轴、凹坑椭圆短轴、凹坑深度和凹坑最低点至椭圆中心距对切削温度的影响。结合切削仿真正交试验所对应的降温效果及因素效果趋势图,最终为仿生刀具选择最为理想的微结构参数。仿生微结构刀具通过激光加工进行制备,经试验可知存在四个主要的加工工艺参数会直接影响到该刀具微结构的加工效果,即:激光平均功率、重复频率、扫描次数和扫描速度。综合探究上述四个工艺参数的加工规律并优化刀具表面微观结构的形貌尺寸,分别对两种仿生刀具(带有最佳微结构参数的仿生刀具T1 9和仿真试验中降温效果最好的仿生刀具T3)设置最为合理的工艺参数,最终成功实现制备。将两组仿生刀具T19和T3与普通无织构刀具NT应用于骨材料的实际钻削对比试验,在钻削过程中通过压电测力仪测量钻削力,使用红外热像仪采集切削热数据,采用粗糙度仪测量骨材料孔内壁表面的粗糙度,并使用声发射信号装置对声发射能量进行采集和分析,系统地对仿生微结构刀具钻削骨材料的性能进行研究。

关键词： 超材料   完美吸收器   热辐射调控   相位梯度超表面   声子极化激元  

摘要： 超材料是利用介质或金属人工微纳结构来调控物质宏观物理性质的新型材料形态。这个概念被提出之后便被预言可能产生颠覆性的应用,多年来作为学科前沿热点获得持续广泛关注。光学超材料更是因其蕴含的丰富物理机制及光电技术重大应用前景成为了超材料的核心研究方向之一。其已被证明能够利用等离激元耦合、声子极化激元耦合、模式共振、模式湮灭等效应实现材料电磁参数的调制及复杂的光场调控功能,并且各种新机制、新特性、新功能仍在被不断探索和发现。本论文基于近年来微纳制备工艺技术的突破给光学超材料带来的发展机遇与应用基础,以超材料对电磁波的灵活操控及其光探测应用为主要研究方向。从超材料完美吸收器、红外热辐射调控、宽带电磁偏折和声子极化激元的类契伦科夫辐射几个方面展开研究,主要研究工作与创新点如下:1.基于漏模耦合理论的逆向设计方法,提出了在1.55μm附近的亚波长光栅增强石墨烯的完美吸收器。研究了纳米介质波导中的模式共振与模式耦合特性,通过匹配材料的本征损耗和结构漏模的辐射损耗,实现了高品质因子的窄带完美吸收,其吸收率高达99.98%,品质因子高达1034。同时,利用顶部石墨烯结构电导率可以通过外加偏压调节的特性,进一步研究了器件吸收性能的动态可调性。利用吸收器高品质因子的特点,探究了器件作为环境折射率敏感探测器的性能,得到的品质因子高达1329。此完美吸收器具有极窄的吸收峰并且峰位可调,在传感和生物领域具有重要的应用潜力。2.研究了一种全介质多层级联的结构,可以实现对长波红外的热辐射的选择性发射。通过对多层级联结构的理论模拟,对长波红外的吸收谱进行了定向的剪裁,利用算法优化得到了一个类矩形的吸收谱。在非大气窗口波段可以实现宽带的高于95%的发射率,而在长波大气窗口波段可以实现低于3%的发射率。器件对入射电磁波的极化不敏感,并且在斜入射角度大于45度时也可以保持良好的类矩形发射特性。此结构的优异性能在红外传感和热成像领域有着潜在的应用前景。3.理论研究了一种可以实现偏振无依赖的宽带电磁偏折超表面。根据广义斯涅耳定律,为了实现宽带等相位梯度的超表面单元设计,通过减小单元结构的反射相位的色散和引入大的设计自由度,得到了一系列色散较小且相位覆盖超过2π的单元结构。通过对单元的优化和组合,形成了在0.9-1.2GHz宽频段的等相位梯度,实现了偏振无依赖的宽带偏折效果。检验了器件对不同偏振的入射光的偏折效果,并获得了不同偏折角度的阵列结构。4.基于超表面的相位调控,在六方氮化硼(hexagonal boron nitride,h-BN)中实现了基于声子极化激元的类契伦科夫辐射。利用h-BN中单元结构的相位调控,构造了一个等效的极化激元行波,在平面波入射下可以实现声子极化激元的激励和传播控制。研究了入射波波长、h-BN厚度和斜入射角度对契伦科夫辐射角度的调制作用,分析了契伦科夫辐射角度变化的物理内涵。另外提出了可以实现宽带表面电磁偏折的阵列,由于h-BN对光的超强局域特性,此器件对入射光的调控可以在深亚波长尺寸完成。

关键词： 改性镁渣基   胶凝材料   多元线性回归   充填材料   分形维数   水化产物  

摘要： 改性镁渣作为一种新型胶凝材料,若能合理有效地应用于矿山充填,这对矿山行业可持续发展具有重要意义。因而,改性镁渣基充填材料的探索和研究是势在必行的。改性镁渣基充填材料是以改性镁渣和粉煤灰作二元胶凝体系,风积沙为细骨料,制备出一种新型的全固废充填材料。此设计理念符合环保,固废利用,经济实用的原则,可为矿用充填材料的选择提供一条绿色途径。本研究运用室内试验与理论分析相结合的研究方法,对改性镁渣基胶凝材料的制备及性能评价和改性镁渣基充填材料的微结构特性展开一系列研究。首先,对改性镁渣基胶凝材料的基本性能进行研究,运用无量纲分析和多元线性回归分析对两个重要指标强度和坍落度进行评价,选取最优方案,掺入风积沙,对改性镁渣基充填材料的孔结构演变规律和力学性能进行研究,探究分形维数与孔结构参数、单轴抗压强度之间的关系,最后,通过观察形貌和分析水化产物,揭示孔结构与宏观力学强度变化的作用机理。得出的主要结论如下:(1)改性镁渣胶凝材料的基本性能受水灰比和粉煤灰掺量影响较大。其中,单轴抗压强度随水灰比增加而降低,随粉煤灰掺量增加呈现先增后减的趋势;随水灰比增加,坍落度增大,初终凝时间分别延迟约3h和2.25h,随粉煤灰掺量增加,初终凝时间分别延迟了 6h和7.5h,坍落度增大,但增大幅度变小。(2)利用无量纲分析比较,粉煤灰掺量是影响胶凝材料强度的主要因素,而水灰比是影响胶凝材料坍落度的主要因素。并探讨不同自变量对单轴抗压强度和坍落度相互作用,对自变量进行参数估计,建立回归模型,运用SPSS进行二元线性回归分析,得到不同养护时间下的线性回归方程,并对预测值和实测值进行线性拟合,结合实际配比方案,最后给出粉煤灰的最佳掺量为15%和水灰比为0.40。(3)改性镁渣基充填试样的单轴抗压强度与质量浓度呈正相关性,与风积沙掺量呈负相关性,以28d为养护标准,风积沙掺量为60%,质量浓度为80%和82%,单轴抗压强度分别达到3.425MPa和4.145MPa,风积沙掺量40%和50%,单轴抗压强度分别达到5.776MPa和4.574MPa,满足矿山充填的力学强度要求。(4)临界孔径和阈值孔径随着质量浓度增加和风积沙掺量减少而向孔径范围小的方向迁移,有害大孔向无害小孔逐渐转变,孔隙结构细密化,孔径分布与孔隙率表现具有一致性;分形维数与孔隙率无明显的函数关系,分形维数与特征孔径、单轴抗压强度存在良好的相关性,其中,分形维数与特征孔径均呈负线性相关,与单轴抗压强度呈正相关性;此外,孔隙率与单轴抗压强度存在负线性关系。(5)运用微观形貌和水化产物分析,可观察到絮状的C-S-H凝胶,层状的Ca(OH)2,细针状的AFt以及未水化的粉煤灰颗粒等;借助XRD、FTIR、TGA等测试手段定性分析了水化产物的衍射峰强度、化学键的迁移以及质量损失变化特征。