关键词： 氧化锌(ZnO)   气敏传感   形貌调控   改性   DFT  

摘要： ZnO是一种带隙宽为3.37e V的n型半导体材料,无毒,低成本,具有大激子结合能60 me V,广泛应用于太阳能电池、光催化、发光二极管、压电器件、声光器件、气体传感器等领域。然而,响应低,检测限高,工作温度高等自身局限性阻碍了其在传感领域的进一步开发及应用。研究表明这些不足可以通过构建氧化锌复合材料的手段改善。本文通过水热法得到不同形貌的ZnO纳米材料,采用不同方式对其进行改性,并研究ZnO纳米材料的生长机理及传感性能。主要研究内容包括以下几个方面:(1)通过设计富含氧空位缺陷的ZnO/Sn O复合材料,成功制备出一种低工作温度、高响应的三乙胺(TEA)传感器。以表面活性剂磺基琥珀酸钠二辛脂(AOT)为软模板,采用水热法合成山茶花状氧化锌纳米材料。将直径为20 nm的Sn O纳米粒子复合在ZnO纳米片上,构筑ZnO/Sn O异质结构。ZnO/Sn O-10基传感器对TEA表现出极高的气敏响应(780/100 ppm TEA)。更重要的是,检测到对1 ppm TEA的响应值为6,并且检测限低至0.43 ppm。此外,该传感器工作温度低至100°C。提高材料气敏性能的原因可归因于氧空位(Vo)、ZnO-Sn O异质结和ZnO(001)暴露面的协同作用。DFT计算结果表明,与纯ZnO相比,Vo-ZnO对TEA分子有更高的吸附能,证实Vo-ZnO与TEA之间具有较强的相互作用。山茶花状ZnO/Sn O纳米晶体为调控半导体材料电子结构和设计高灵敏度TEA传感材料提供了新思路。(2)采用一步水热法合成具有大比表面积的超薄银耳状ZnO纳米片。随后用直径约为5 nm的Pd纳米颗粒(Pd NPs)表面改性ZnO纳米片,并对复合材料进行气敏性能测试。结果表明,Pd负载量为0.3 wt%(Pd-ZnO-0.3)时对苯胺的灵敏度最高,比纯ZnO的响应值提高两个数量级。基于Pd-ZnO-0.3的气体传感器对苯胺的检测限为0.5 ppm,且响应和恢复时间较短,分别为29 s和23 s。通过第一性原理DFT研究传感机理,引入Pd纳米粒子可以有效地调控Pd-ZnO-0.3的能带结构。Pd改性减小ZnO材料的带隙,提高传感性能。这项工作对设计Pd改性ZnO纳米材料用于高性能气体传感器提供了新的思路。(3)通过一步水热法成功制备出超薄ZnO纳米片,并用氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)进行修饰。与单纯ZnO相比,N-GQDs添加量为2 m L时,复合材料G-Z-2对NO的传感性能最佳。对5 ppm NO响应值高达58,比单纯ZnO响应提高11.6倍,并且工作温度降低至100°C。G-Z-2增强传感器性能的原因可归因ZnO/N-GQDs异质结,活性N原子掺杂和氧空位的协同作用。

关键词： 石墨烯   复合材料   界面微结构   有限元法   分子动力学   力学性能   数值分析  

摘要： 石墨烯具有卓越的力学、电学和热学性能,自从被发现以来就引起了研究人员的广泛关注,以纳米尺度的石墨烯作为增强基的复合材料也随之成为研究的热点。为了对该新型材料的各项性能有较准确的认识,目前对石墨烯及其复合材料的研究多是从纳米尺度展开,通常采用分子动力学方法进行研究,该方法从原子尺度对材料进行模拟,被认为具有较高的精度。但在模拟石墨烯复合材料时,涉及的原子数量巨大,计算量激增,这使得分子动力学模型的尺寸被限制在纳米尺度。若直接从宏观尺度对石墨烯及其复合材料进行模拟,又会导致材料特性无法被准确反映出来,从而产生不可知的误差。本文将分子动力学与有限元法相结合,基于分子动力学模拟确定了石墨烯/聚乙烯复合材料的界面微结构特征参数,采用有限元法建立了石墨烯的有限元模型以及包含界面微结构的石墨烯/聚乙烯复合材料有限元模型,讨论了影响石墨烯和石墨烯/聚乙烯复合材料力学性能的微观因素。本文主要研究内容如下: 1.采用分子动力学软件(Material studio 2017)对石墨烯、聚乙烯及石墨烯/聚乙烯复合材料进行分子动力学模拟,从分子尺度探究石墨烯/聚乙烯复合材料的界面层微结构特征,提出了从分子动力学模拟结果中确定范德华间隙宽度和梯度界面属性的具体方法,并对石墨烯及石墨烯/聚乙烯复合材料进行力学性能计算。 2.提出了石墨烯的改进弹簧有限元模型,解决了原有石墨烯弹簧模型中不考虑键长与键角的变形耦合问题,并且在改进弹簧模型中考虑了石墨烯分子内范德华相互作用的影响。对比讨论了石墨烯改进弹簧模型与原弹簧模型及欧拉梁模型对石墨烯力学性能预测结果的偏差情况,以及分析了石墨烯分子内范德华相互作用对石墨烯整体力学性能的影响,发现分子内范德华相互作用对石墨烯模量影响很大,有必要考虑。 3.提出了一个能够确定石墨烯与聚乙烯基体间范德华相互作用数量(即模型中的范德华弹簧数量)的方法,采用弹簧单元模拟石墨烯与聚乙烯基体间的范德华相互作用,建立了相应的考虑范德华作用的石墨烯/聚乙烯复合材料的三明治和嵌入式代表体积单元有限元模型。讨论了不同尺寸的石墨烯和石墨烯含量下,范德华相互作用对石墨烯/聚乙烯复合材料力学性能的影响。 4.引入等参梯度单元对石墨烯/聚乙烯复合材料梯度界面进行模拟,建立了石墨烯/聚乙烯复合材料的三明治和嵌入式代表体积单元的三相有限元模型。对比讨论了分层法、一次等参梯度单元和二次等参梯度单元的计算效率问题,分析了梯度界面对石墨烯/聚乙烯复合材料力学性能的影响情况;对比分子动力模拟结果,讨论了只考虑石墨烯与聚乙烯的两相模型、分别增加范德华作用和梯度界面的三相模型以及同时考虑范德华作用和梯度界面的四相模型的计算精度问题。 5.基于均匀性假设,推导了石墨烯/聚乙烯复合材料的范德华间隙宽度、梯度界面厚度和密度分布函数等界面微结构特征参数的计算公式。将界面层与石墨烯结合,提出了一种具有横观各相同性的石墨烯等效有限元模型,并建立了石墨烯/聚乙烯复合材料的等效有限元模型,显著提高了有限元模型的计算效率。

关键词： InAsSb纳米线   光电子器件   Dirac半金属   Cd3As2薄膜   太赫兹探测  

摘要： 材料的进步,是半导体光电器件发展的基石,具体体现在多个方面,如尺寸的减小,纯度的提高,适当缺陷的引入以及材料体系的更新,均可以使材料的某一方面性能得到大幅度提升;器件结构的改善则是最大化材料性能的有效途径,从而可以进一步实现器件性能的提升。而光电探测在研究材料内在物理机制方面具有不可撼动的地位,同时,这些物理机制的揭示又可以为光电子器件的应用与设计提供新的思路,也为材料科学的发展指明了方向。因此,材料结构,器件结构与性能研究三者在光电子器件性能的提升中相辅相成,共同决定其发展方向。本文中的重点分为三个部分,一:材料的制备;二:器件结构的设计;三:器件性能的表征。其中,材料制备过程用到的是分子束外延(MBE)技术,这一技术为高质量材料的生长与原子级裁剪提供了可能。本文中采用的结构均为光电探测器结构,包括对可见光,红外光以及太赫兹的探测,探测器对波长的选择是器件结构、材料体系、材料质量三方因素共同作用的结果。因此,在给定材料的情况下,对器件结构进行设计可以有效提高其在特定波段的探测效率。传统模式下对于新材料体系的探索与对器件结构的创新已难以满足光电子器件日新月异的发展,在下一代光电子器件的制备中,我们必须将眼光投向对材料结构的理解与精确调控。这需要对材料有更准确的微观了解与微观控制,并在此基础上,能够有针对性地对器件进行设计,从而使材料与器件结构的结合在最大程度上发挥出自身的优势。微结构观察作为媒介,可以很好地将材料生长与器件应用结合起来,能够使材料生长得到进一步优化,同时能够为器件的结构设计提供精准的参考。本文为利用微结构观察,尽可能实现材料的最优化利用提供了范本。本论文的主要内容分为以下三个方面:***纳米线的生长及其微结构表征:本文采用分子束外延技术,在金纳米颗粒的催化下实现InAsSb纳米线在Ga As衬底上的外延生长。通过对纳米线生长条件,即生长时间、生长温度以及束流比等因素的调节,实现了对纳米线的形貌以及微观结构的调控。本研究中,InAsSb纳米线采用了两步生长法,即在生长InAsSb纳米线之前,生长一段In As纳米线作为支撑。这一生长方式既可以缓冲三元纳米线与衬底之间的晶格失配,又可以避免由于三元InAsSb纳米线生长窗口太窄导致的生长失败。微结构表征显示,在其他条件一致的情况下,较高的生长温度更有利于无缺陷纳米线的形成。而在低温下,由于纳米线与衬底的晶格失配,纳米线会向某一侧发生倾斜,通过对纳米线的微结构表征,可以发现,原子结构在受到拉应力时会发生扭曲,而在受压应力一侧,纳米线则会产生孪晶缺陷。***纳米线基器件的制备与光电性能的研究:作为三元III-V族半导体的重要一员,InAsSb具有迁移率高、电子有效质量低、禁带宽度可调控等诸多优势。纳米线则因尺寸的减小获得超高比表面积,从而引发小尺寸效应,量子效应等,对其物理性能产生显著的影响。本文中,首先制备了单根纳米线基的场效应晶体管,包含对称纳米线与不对称纳米线两类。通过对两种器件的光电性能进行对比,可以发现,不对称纳米线基的器件在栅压、偏压以及光波长的调控下均能够实现正负光响应之间的转换。反观对称纳米线基的器件,则没有类似的现象。因此,本文提出在应力工程的参与下,不对称纳米线基的器件具有用于普适计算的潜力。同时,利用纳米线阵列制备了阵列器件,这一结构简单、制备成本低的器件将数以万计的纳米线耦合在同一个器件中,极大提高了器件对光的探测能力。通过一系列光电测试发现,纳米线阵列器件在室温下对波长为945 nm的发光二极管(LED)可表现出12.75 A/W的响应率。3.蝶形天线耦合的CdAs薄膜器件的太赫兹探测研究:本文第三部分以CdAs薄膜为对象,研究了其在蝶形天线的耦合下,对太赫兹光的探测能力。CdAs是第一类Dirac半金属,拥有奇特的能带结构以及超高的电子迁移率,其导带与价带由两个对称分布的Dirac点连接,形成零带隙的能带结构。因此,CdAs薄膜在太赫兹探测领域中展现出诱人的应用前景。当厚度降低至50 nm以下时,CdAs薄膜的能带结构将由半金属态转变为由表面态主导的半导体态。因此,通过对薄膜厚度的调控,CdAs薄膜可以作为对半导体态与半金属态材料的太赫兹探测性能进行对比的完美载体。最后,通过在器件中引入不对称栅极的设计,阐明了CdAs薄膜基太赫兹探测器中的光电机理。

关键词： 高压断路器   机械特性   智能检测   可靠性   工业工程  

摘要： 自“工业4.0”建设以来,制造业也逐渐向智能制造方向发展。为了结合制造业智能制造的发展,对产品的检测亦向智能方向化发展。在工业飞速发展过程中,电力发挥着不可或缺的作用。这个环节中,电力设备亦可说非常重要。高压环网柜作为大型开关设备,其关键元器件高压断路器的正常运行也影响着电路系统的正常。所以对高压断路器机械特性参数实现智能检测,具有很高的实际工程价值。本文运用工业工程理论,从人机关系角度出发,将IE七大手法,运用到高压断路器机械特性参数的智能检测系统中。从现场检测过程中进行分析,找到其中可以进行优化的操作,进行优化设计,使高压断路器开关的机械特性参数的检测过程得到改善。本文针对高压断路器开关机械特性参数的检测做了以下研究:1.通过对现场检测现状的观察研究、思考,运用IE思想,对检测仪器进行了定制化设计,对现场操作手法进行优化,从人机操作角度出发,优化操作步骤,提高检测效率,降低因不良操作而引发的触电危险,保护试验员的人身安全。2.对智能检测系统进行分析,通过运用IE七大手法对高压断路器机械特性参数智能检测仪器进行界面与功能改进,使对高压断路器机械特性参数智能检测过程可以省时省力,保证检测过程的高效安全。3.应用高压断路器机械特性参数智能检测仪器对高压断路器机械特性参数进行检测,得到分合闸检测,触头开距、超行程、合闸弹跳时间、合（分）闸时间、合（分）闸不同期、刚合（分）速度、全程平均速度、电流峰值、动作时间、分闸反弹等机械特性参数,并对检测结果进行分析,找出影响高压断路器机械特性参数的关键元件,对高压断路器中的关键弹簧元件进行有限元分析,找出弹簧净应力与静态应变最大值点,并记录这些点位,将其标记为关键元件故障常发生点。通过对弹簧操作次数和寿命之间的关系,运用韦布尔分布和支持向量机（SVM）推测出高压断路器的正常运行寿命。

关键词： MgO-C耐火材料   含硅陶瓷相   微结构调控   氮化   原位催化  

摘要： MgO-C耐火材料作为钢铁冶炼用关键基础材料,被广泛用作转炉衬砖、电弧炉炉壁和钢包渣线砖。传统MgO-C耐火材料难以满足现代洁净钢冶炼的技术进步需求,其低碳化已成为发展趋势。降低MgO-C耐火材料中石墨含量会降低材料的热震稳定性和抗渣侵蚀性,严重降低其高温性能和使用寿命。寻求制备高性能低碳MgO-C耐火材料的新方法对耐火材料及冶金行业的发展至关重要。本文以Si粉作为氮化制备MgO-C耐火材料中原位形成含硅陶瓷相的原料,研究氮化温度、催化剂添加量和负载方式对反应生成含硅陶瓷相机理及其形貌演变的影响,再研究熔盐法低温合成的c-Zr N纳米粉体对MgO-C耐火材料中含硅陶瓷相的形成及形貌演变和力学性能的影响规律,最后基于Si C晶须具有高抗拉强度、高热导率和低热膨胀系数等优异性能,将资源丰富的生物质稻壳催化合成的Si C晶须引入到MgO-C耐火材料中,探究其对材料结构和性能的作用过程。研究得出如下结论:(1)Si粉负载催化剂氮化制备SiN复合MgO-C耐火材料。该过程生成的含硅陶瓷相包括Si C、MgSi O、Mg Si N和SiN。对于不添加催化剂的材料,氮化温度1350-1450℃的范围内,温度升高促进了α-SiN通过液相转变为柱状β-SiN,生成的β-SiN均匀分布并钉扎在基质中;氮化温度为1400℃时,材料表现出优异的力学性能,其常温抗折强度和常温耐压强度分别为15.2 MPa和88.2 MPa。与不添加催化剂的材料相比,相同温度下(1400℃),硝酸铁添加量为1 wt%可有效调控β-SiN的形成,材料内部形成良好的SiN形貌和较高含量的柱状β-SiN,常温抗折强度、常温耐压强度和抗氧化性分别提高了13%、4%和9%。(2)在Si粉-酚醛树脂共同负载催化剂进行氮化反应制备粉体过程中,硝酸铁添加量为Si粉的5-15 wt%时,合成了内壳为板状Si C、外壳为SiN晶须的Si@Si C@SiN复合粉体,在晶须尖端和根部生成含Fe液滴的SiN晶须的过程分别遵循气-液-固和固-液-气-固生长机制。在此基础上,采用Si粉-酚醛树脂共同负载催化剂,氮化制备含硅陶瓷相复合MgO-C耐火材料。氮化温度升高和催化剂含量增加均会促进Mg(g))的形成,其和α-SiN反应生成Mg Si N,同时Mg Si N的形貌逐渐由锥形演变为块状。当硝酸铁添加量为1 wt%、氮化温度为1400℃时,生成的含硅陶瓷相主要为Mg Si N,其以颗粒状和长锥形形貌共存,同时材料内部有许多短柱状六方β-SiN生成,协同改善MgO-C耐火材料的性能。相同温度下与不含催化剂的材料相比,材料的常温抗折强度、常温耐压强度和抗侵蚀性分别提高了6%、16%和13%。(3)采用熔盐辅助还原氮化法低温合成c-Zr N纳米粉体,高纯c-Zr N纳米粉体的合成条件为:原料Zr O/Mg摩尔比为1:3、熔盐体系Mg Cl?6HO/Na Cl摩尔比为1:2、氮化温度为1000-1100℃、保温时间为3 h。引入的c-Zr N纳米粉体在反应氮化制备MgO-C耐火材料过程中扮演着“催化剂”的角色,其与生成的含硅陶瓷相如α-SiN和Mg Si N间形成化学结合,并通过与中间产物Zr O或Zr Si之间循环转化反应,促进MgSi O和β-SiN的生长。当Zr N添加量增加至3-5 wt%,MgSi O的形貌逐渐由絮状晶须演变为片状。与未加Zr N的材料相比,Zr N添加量为5 wt%时显著改善了材料的致密度和强度,常温耐压强度提高了54%。(4)以稻壳粉为原料在Ar气下合成Si C晶须,具有较高结晶度Si C晶须的合成条件为:采用催化法(不添加熔盐),硝酸镍添加量为2 wt%、1400℃热处理3h。与不添加催化剂的稻壳合成Si C相比,添加2 wt%硝酸镍可明显降低Si C的生成温度,晶须形貌为尖端含Ni液滴的直线形,具有较高的结晶度。采用非催化-熔盐法和催化-熔盐法(2 wt%硝酸镍),均不能有效降低稻壳合成Si C的生成温度,晶须形貌分别为链珠状和絮状,且晶须表面均覆盖较厚的非晶态Si O。(5)将含2 wt%硝酸镍的稻壳粉在1400℃热处理3 h条件下合成的Si C晶须引入到反应氮化制备MgO-C耐火材料过程中。当Si C添加量为1 wt%时,与未加Si C的材料相比,常温抗折强度和常温耐压强度分别提升了32%、17%。对合成的Si C晶须再负载催化剂(下称Si C),并将其引入反应氮化制备MgO-C耐火材料过程中,该晶须形貌变为链珠状形貌,提高了其与基体间的结合强度,同时引入的催化剂也促进了柱状六方β-SiN和片状MgSi O形成。当这种Si C晶须添加量为1wt%时,材料表现出优异的力学性能,其常温抗折强度和常温耐压强度分别为11.0MPa和68.8 MPa。3 wt%Si C和AlO的

关键词： 超级电容器   利用率   离子通道   反应活性   非晶  

摘要： 电极材料是超级电容器的核心,电极材料的性质直接决定了超级电容器的储能性能。在超级电容器材料中,母体的改性已经很难突破大型器件对超级电容器电极材料高能量密度的追求,需要从更微观的层面去研究材料本征的特性,从原子电子层面来对材料进行设计,为材料的设计提供更基本的理论基础。从实用性上来讲,更小空间内实现电极材料高负载量同时保证材料的利用率是实现超级电容器在大型器件应用上重要一环。在本论文中,我们着眼于电极材料微结构的设计,开发出高能量密度的电极材料以满足大型器件对超级电容器器件高能量密度的追求。首先,我们设计三维离子通道来研究块体材料的利用率问题;其次从赝电容超级电容器电荷转移原理出发,调控电子自旋状态来降低电荷转移能以提高赝电容电极材料的活性;最后,结合材料利用率和电子态,设计并制备体相非晶多孔材料,研究开发高负载量下高能量密度的超级电容器。本论文主要内容和结果如下:(1)体相BaCoF电极材料三维离子通道构筑与电化学储能性质研究。选取大尺寸原子Ba作为骨架,通过水热法制备具有离子通道的块体材料BaCoF。通过XRD测试、精修和高分辨透射电镜等手段确定BaCoF的晶体结构(空间群C2/m),并证实其具有较大的三维离子通道(垂直ab平面方向上离子通道尺寸为7.095或5.884?;垂直bc平面上离子通道尺寸为7.838或5.223?;垂直ab平面离子通道尺寸为3.528?;与c轴呈24.3°方向上离子通道尺寸为6.359?)。电化学测试表明,BaCoF电极材料具有较好的电化学储能性能,比电容达到375 F g。10500次循环后,电容剩余94.1%,体现了高的循环性质:这是由于三维离子通道的作用,即使在循环过程中部分通道被堵塞,由于离子仍然可以通过其它方向上的通道到达活性原子并发生氧化还原。进一步研究了BaCoF电极材料的动力学行为,通过公式i=av计算获得b值(0.96),表明赝电容与双电层电容特性,并具有很高的倍率性能。与此同时,全固态电极(ASC)同样展现出来较高的能量密度,在675 W kg的功率目下达到了32.66 Wh kg的能量密度,这是普通体相材料能量密度的2～3倍。(2)CoMnF电极材料合成、自旋态与电化学储能性质研究。Co F和Mn F在酸性溶液中混合,在水热反中应实现Co,Mn互掺,研究电子状态与电化学性质之间的关系。(Co,Mn)元素的互掺改变了Co-F的键长,键长的变化诱导Co的3d电子从低自旋态到高自旋态的转变。电子自旋态跟电荷转能有很大的关系,而电荷转移能跟电化学性能有很重要的联系,从而建立起电化学和电子状态之间的关系。电化学性能测试表明了具有高电子自旋态的CoMnF具有很好的电化学性能。测试结果表明,单电极在1 A g的电流密度下达到976 F g的比电容。通过动力学的计算,CoMnF材料在动力学上的b值为0.63低于Co F的0.79和Mn F的0.7,证明了CoMnF这种材料是以氧化还原反应为主导的反应机理,这是由于高电子自旋态局域活性结构而造成的氧化还原反应为主导电容贡献占更大的比例造成的。全固态电极(ASC)展现出了很高的能量密度,在800 W kg的功率密度下达到110.44 Wh kg的能量密度,其能量密度远高于现存的过渡族金属硫化及过渡族金属氧化物,与现有报道的高能量密度氢氧化物相近。(3)体相多孔非晶KCo(OH)电极材料的构筑与电化学储能性质研究。基于前面两章分别在微观层面调控电子自旋态和材料利用率上面的研究,设计出体相多孔非晶材料KCo(OH)。通过电子衍射确定材料的原子排列无序性,BET分析确定材料的多孔结构,SEM图表明材料为体相材料。体相多孔非晶材料能够在高负载(23.4 mg)实现高活性,高利用率以及低空间占有率,这将是超级电容器从科学走向商业应用的基础。单电极测试表明,KCo(OH)材料在2 m A cm的电流密度下达到12.5 F g的面积比电容。4000次循环后,电容剩余92%,证实了非晶材料机械稳定性良好。全固态电极(ASC)展现出了超高的能量密度和循环稳定性。在1.5 m W cm的功率密度下达到0.89 m Wh cm的能量密度,实现了高负载量下高利用率的目的。

关键词： 仿生   韧性   增材制造   螺旋结构   多孔结构   参数化建模  

摘要： 航空航天飞行器内部有大量零件工作在恶劣的环境下,并长期受到循环载荷的作用,使得断裂失效问题一直是飞行器设计制造中的研究重点。本文针对提升航空结构件裂纹抵抗能力的问题,探索了高强韧仿生微结构的机理,开展了仿生结构的设计与分析。本文的主要研究工作如下:(1)针对仿生微结构的几何建模问题,提出了基于水平集理论的隐式建模设计方法。首先,根据微结构模型的中心线以及半径信息完成距离场隐式函数的构建。其次,基于标量树数据结构,实现了对函数零水平面的快速抽取。最后,通过水平集方法与传统的布尔运算建模方法的对比实验,证明了其在微结构建模上的优越性。(2)针对生物螺旋结构的高韧性仿生设计问题,提出了基于轨迹规划的仿生螺旋结构设计方法。首先,开展了对生物螺旋结构裂纹抵抗机制的数学分析。然后,通过轨迹规划的方式完成仿生螺旋结构的设计,并将轨迹规划与水平集建模方法相结合,构建出螺旋结构的有限元模型。最后,在仿真与实验的基础上对仿生螺旋结构的韧性进行了分析,实验结果表明与正交±45°轨迹相比,螺旋结构的轨迹增韧能力可达10%以上。(3)针对生物多孔结构的高韧性仿生设计问题,以点阵结构的形式开展了韧性的研究。首先,提出了复杂设计区域内的共形点阵填充方法。其次,通过仿真分析研究了点阵结构三种参数对整体韧性的影响。最后,使用正交试验对分析结果进行了验证,得到了韧性关于参数的变化趋势。(4)针对航空翼型件的减重增韧设计问题,在考虑可制造性的前提下,根据正交试验结果筛选出韧性表现最为突出的点阵参数组合,应用于典型翼型件的优化设计中,并通过对比实验的形式,验证了点阵结构的减重增韧效果。

关键词： 热控涂层   微结构   热致相变材料   时域有限差分法  

摘要： 太空是一个真空度非常高的特殊环境,当航天器在太空运行时,会经过太阳直接照射区域和地球阴影区域,受到太阳直接照射和非照射,温度变化范围可达到数百摄氏度。为保证航天器正常工作,航天器上所有的载荷和设备必须保持在一个相对恒定的温度区间内。因此,我们需要调控热发射率,常规的调控热辐射通常基于微纳米结构。然而传统的静态微纳米结构无法灵活的调控热发射率,需要动态调控热发射率。热控涂层是一种通过调整物体表面的热辐射特性来达到热控目标的材料。智能热控涂层在低温条件下,具有较低的发射率,以避免丧失过多热量;在高温条件下,通过自身较高的发射率实现辐射散热和冷却。智能热控涂层通过结合热致相变材料实现发射率的动态调节。因此本文引入热致相变材料,使用时域有限差分法探究由热致相变材料组成不同结构的智能热控涂层的辐射特性。具体结论如下:（1）首先对于薄膜结构热控涂层,探究了尺寸参数与材料对于两层（Al-VO2）和三层（Al-HfO2-VO2）薄膜结构涂层辐射特性的影响,计算了涂层的平均发射率、发射率可调控范围等,深入分析了辐射性能。研究表明:两种涂层的发射率和辐射冷却功率在相变前后均发生激增;通过改变涂层的材料和结构,使涂层的光谱发射率达到所需效果。（2）在前文薄膜结构热控涂层的基础上继续改进涂层结构,引入周期性光栅结构,模拟得到一维周期性光栅结构涂层和二维周期性光栅结构涂层的发射光谱,探究涂层的辐射特性。研究表明:当外界温度低于相变温度时,涂层的发射率较低,当温度升高后,涂层的发射率较高。光栅结构涂层相比薄膜结构涂层有所改进;光栅结构涂层的平均发射率可调控范围达到0.5左右;一维光栅结构涂层在相变前后的辐射冷却功率增幅为363.39 W/m2,二维光栅结构涂层增幅为404.76W/m2。（3）由于智能热控涂层的发射率可调控范围与辐射冷却功率仍然有很大的改进空间,且缺乏适用于大面积表面非平面的方法。所以本文提出了含有球形微粒结构的智能热控涂层,模拟得到发射光谱,探究该涂层的辐射特性。研究表明涂层的平均发射率可调控范围最大可达0.52;在相变温度前后,涂层辐射冷却功率在相变前后的增幅为477.02W/m2。模拟得到涂层在峰值处的电磁场云图,研究表明涂层不同区域电磁场分布的差异导致该涂层高温和低温下发射光谱的不同。

关键词： 微结构材料   拓扑优化   多目标优化   废气净化系统   填充材料  

摘要： 微结构材料是由人工机械结构单元构筑的、具有特定物理性能的一类新型人工材料。采用拓扑优化方法设计的微结构,可以合理分布基体材料,获得特定力学性能的微结构材料。本次研究采用的参数化水平集方法是基于水平集方法演变而来的一种方法,基本思想是运用径向基函数对水平集函数进行参数化,采用水平集函数的零等值面构建结构边界。在废气净化问题中,为提高废气净化效率,需要在废气过滤位置添加填充材料。对于猪场废气净化用填充材料,因考虑其除氨效率,填充材料应具有一定的粗糙度,并且填充材料整体应具有一定孔隙率。本文建立由微结构单胞周期性排列形成的微结构材料,研究基于逆向均匀化方法和参数化水平集方法的多目标拓扑优化模型,设计具有特定等效体积模量、等效渗透率等力学性能的微结构构型。针对猪场废气净化系统对填充材料的设计要求,运用上述微结构多目标拓扑优化方法设计符合实际工业应用需求的微结构材料。主要研究内容如下: (1)构建基于逆向均匀化方法和参数化水平集方法的微结构拓扑优化模型,以微结构单胞为设计域,运用数值均匀化方法计算微结构的等效力学性能,设计具有特定力学性能的微结构构型。通过二维案例分析讨论单胞构型的有效性。(2)考虑猪场废气净化系统对填充材料的设计要求,建立以最大等效体积模量和最大等效渗透率为多优化目标的微结构拓扑优化模型,在等效孔隙率约束下,运用帕累托优化法求得满足多目标条件的帕累托最优解。通过三维算例分析讨论单胞构型的有效性和可用性。(3)根据帕累托最优解设计不同孔隙率下的填充材料,并开展试验验证设计方法的可行性与正确性。 本文通过多目标优化设计方法,获得了符合微结构材料Hashin-Shtrikman性能极限的微结构构型。根据废气净化系统的实际需求,为达到更好的氨气净化效果,设计选用了孔隙率分别为80%、85%和90%时的填充材料,试验结果证明填充材料前后端压力差与填充材料渗透率趋势一致,同时测试采用上述孔隙率的填充材料的净化系统除氨效率分别为67%、63%和58%。本文的微结构材料设计可为猪场废气净化系统填充材料设计提供参考,根据不同猪舍实际对风阻与净化效率的要求选择填充材料。

关键词： MXene   微结构设计   基底收缩法   褶皱结构   扭结结构   压力传感器  

摘要： 随着智能时代的到来,人们对柔性和软体电子设备的需求日益增长。通过适合的材料选择和精妙的结构设计制备传感性能优秀,机械性能满足需求的智能传感器一直以来都是人们关注的焦点。对此,本文首先采用湿化学法得到MXene(Ti3C2Tx)这一导电性能优异,表面活性基团丰富的新兴二维材料,而后采用制备过程简单,成本低廉的基底收缩法设计并制备两种不同微结构的MXene柔性薄膜压力式传感器,探究纯质MXene应用柔性传感器时,材料本身的性能及片层结构对于传感性能的影响。并探索敏感元件表面不同的微结构设计对传感性能带来的增益效果并进一步分析所制备传感器的传感机理。根据传感器的传感特性进行应用前景的预测。具体研究内容如下:(1)采用湿化学法制备MXene分散液,所得到MXene刻蚀程度较完全,并未检测出来自其母体(Ti3AlC2)的Al元素的存在。单个片层尺寸可达到微米级别。采用真空抽滤法沉积得到的MXene自支撑膜具有一定的柔韧性,其断面呈现为片层交互堆叠的结构。探究MXene制备过程中分层过程中的片层变化发现通过结合不同的分层方法可以调控产物的片层尺寸及产率。据此,可通过调整参数得到适合目标需求的MXene产物。(2)基于前期得到的MXene分散液,采用单轴预拉伸基底后收缩的方法设计并制备了具有连续褶皱结构的MXene柔性薄膜,后将其应用于柔性传感器中。经过测试,发现组装的传感器在轻微的压力下可以显示出极高的灵敏度(593.25 kPa-1),传感范围为0.49 Pa-29.4 kPa。并且在连续压力作用下,传感器可以输出相对稳定的电信号,展现出一定的循环稳定性。传感器最低可以测出一粒小米(2.4mg)的压力。在小应力下响应及恢复时间为40/53 ms。针对传感器的灵敏度特性曲线以及力学原理,进一步探讨并提出了连续褶皱结构MXene柔性薄膜压力传感器的传感机理,建立简易力学模型进行分析讨论,对传感机理进行了展示。进一步结合传感特性,实现了传感器对微小物体的精确识别及质量测试,并探究了该传感器用于人体生理信号测试的可能性。(3)采用预拉伸后应力收缩结合温度收缩的双模式收缩方法设计并制备了具有扭结结构的MXene膜柔性压力传感器。在连续应力作用下,该压力传感器可以输出相比于褶皱结构的MXene压力传感器更加稳定的电信号,并且具有更加优秀的循环稳定性。根据三种不同拉伸比下得到柔性薄膜的传感特性测试对比,100%拉伸比的柔性薄膜组装得到的传感器综合性能最优。该传感器在微小应变下的灵敏度为64.56kPa-1,传感范围为4.9Pa-98kPa,传感器也可识别出精细物体并输出稳定的电信号。在小应力下响应及恢复时间为59/15 ms。针对该传感器具有更加稳定的循环电信号(18000次循环),对比探讨不同的薄膜表面微结构设计对于传感器传感特性的影响。结合前章关于褶皱MXene薄膜传感器传感机理的分析,并根据输出的灵敏度特性曲线,通过搭建模型对扭结MXene薄膜传感器的传感机理加以说明。进一步结合传感器传感特性实现人类面部微表情的识别,探究该传感器用于人机交互,机器人领域的可能性。