关键词： 棉花   多孔碳   超级电容器  

摘要： 由于制备方法简单并且原料易得,多孔碳合成广泛采用生物质材料,并用于能源存储。以天然生物质棉花作为碳源,通过简单的一步法制备得到氮掺杂多孔碳材料。这种多孔碳材料在碳化温度为750℃时具有480 m^2/g的比表面积和6.84%的高含氮量。当用作超级电容器电极材料时,这种碳材料显示出了良好的电容性能。在1 mol/L硫酸电解液中,电流密度为1 mol/L时,比电容可以达到252 F/g,并且在循环10000圈之后仍能保留94%的原电容。这种低成本的棉花基碳材料为超级电容器应用提供了可能。

关键词： 硅橡胶   发泡   性能   孔结构  

摘要： 讨论了3种微球发泡剂A、B、C的发泡效果,发现发泡剂A的发泡能力最强,能得到密度较小、隔热性能较好的硅橡胶泡沫材料,但是材料的压缩性能较差;发泡剂C的发泡能力较差,但是得到的材料的压缩性能要好;发泡剂B的发泡能力和材料性能都处于两者之间。实验探究了发泡剂用量的影响,发现发泡剂用量增多对发泡剂发泡能力没有影响,只是泡孔数目增多,从而影响材料的性能。同时实验中发现微球发泡剂受热产生的气泡在较高温度会发生破裂,这也是微球发泡剂应用受限的重要原因。

关键词： C/SiC复合材料   微结构设计   力学性能   热导率   导电率   LA-CVI法  

摘要： 化学气相渗透(Chemical Vapor Infiltration, CVI)法具有对纤维造成的损伤小、基体纯度高、工艺设备简单等优点，是连续碳纤维增韧碳化硅复合材料(Continuous Carbon Fiber Reinforced Carbide Composites，C/SiC)产业化的少数几种主要制造技术之一。随着新型航空航天技术的发展，为保持构件承受机械载荷和气动载荷条件下的力学性能，CVI法制备构件时面临构件厚度增加(＞4mm)与封闭式结构两大挑战，这对CVI制备过程的渗透能力提出了更高的要求。如何实现厚壁、复杂C/SiC复合材料构件的快速致密化与性能调控，是CVI技术制备高性能复合材料丞待解决的难题。\n 为此，本文以提高C/SiC复合材料的渗透率与强韧化性能为目标，提出了采用飞秒激光辅助CVI(LaserAssistedChemical Vapor Infiltration, LA-CVI)法制备C/SiC复合材料的新思路。通过系统研究飞秒激光对预制体传质通道制备的影响规律，以及传质通道对复合材料沉积速率、密度均匀性、性能等的调控机制，并结合传质模型和相应模拟计算进行验证，以期提高复合材料的渗透率与致密度，调控复合材料强韧性。在此研究基础之上，通过第二相增韧封填预制体传质通道，拓展其功能性。主要研究内容与结果如下：\n (1)研究了飞秒激光加工传质通道时，其扫描方式、加工功率、扫描速度及螺旋线扫描间距对其影响规律，并结合激光作用机理研究，获取了飞秒激光制备传质通道的优化工艺。结果表明：单环线扫描加工方式仅能获得环形沟壑，而螺旋线扫描加工方式可以制备出高质量微孔；当激光加工功率小于4W时，只能制备出盲孔。当激光加工功率高于6W时，能够制备出的传质通道质量较高，但当功率过高的时候，会导致传质通道边缘区域严重氧化；激光加工扫描速度小于600mm/s时，其等效光斑耦合数目增多，且光斑重叠率较大，可获得质量较好的直通孔，扫描速度大于600mm/s时，等效光斑耦合数目会相应减小，加工孔锥度较大；激光加工扫描间距小于6μm时，其光斑耦合率较大，加工区域内受到激光脉冲能量的多次重复作用，可获得高质量通孔，当扫描间距增至15μm时，加工区域内所获取能量会低于材料去除阈值，仅能形成盲孔，而孔入口处直径则基本无改变。\n (2)研究了预制体传质通道对C/SiC复合材料微结构的调控规律，并应用传质演变耦合模型对其进行验证。结果表明：LA-CVI法致密化效果明显，C/SiC复合材料均具有致密带、致密化涂层与SiC颗粒三大典型固有形貌，且致密化涂层的宽度均为100μm左右，并未随传质通道的直径发生任何变化；复合材料的致密度随着传质通道间距的减小，呈现上升的趋势，致密化相对范围越大；复合材料的致密化范围随着传质通道纵向排数的增多而增大，致密均匀化效果显著；初始密度为1.5g/cm3的预制体，介入传质通道制备，其复合材料致密化效果的明显高于初始密度为1.8g/cm3的预制体。\n (3)研究了LA-CVI-C/SiC复合材料的力学性能与断裂失效行为，结合裂纹扩展失效模式与断面结构，分析了传质通道结构对C/SiC复合材料均匀性与力学性能调控机制。结果表明：传质通道直径越小，其强化作用越明显，当传质通道直径大于0.9mm时，强化作用小于应力集中影响，导致弯曲性能下降；传质通道的间距越大，力学性能调控效果越小；当传质通道纵向排布为3排时，复合材料的承载能力与抗弯强度最佳，纵向排布为5排时，因最小净截面的平均应力水平的增加，率先达到材料发生失效损伤水平；初始密度为1.5g/cm3的预制体，介入传质通道制备，单位时间内SiC的有效渗透率高，沉积率较高低，有效承载能力提高；采用优化工艺制备的LA-CVI-C/SiC复合材料，其力学性能较CVI-C/SiC复合材料而言，弯曲强度提高了16.17%；压缩强度提高了13.8%；剪切强度提高了50%，拉伸强度基本不变。\n (4)研究了在LA-CVI-C/SiC复合材料传质通道中封填SiCw/CNTs的复合材料工艺规律与性能调控。采用真空浸渍法结合CVI法制备的LA-CVI-C/SiC+SiCw+SiC复合材料，因为引入了高强度、高热导的SiCw作为第二相，使得复合材料弯曲强度较封填之前提升了13.6%，实现了复合材料的导热性能调控，整体热导率较CVI-C/SiC复合材料热导率提升了4倍；采用真空浸渍法结合CVI法制备的LA-CVI-C/SiC+CNTs+SiC复合材料，高强度、高导电的CNTs弥散于增强纤维与基体之间，实现了LA-CVI-C/CNTs/SiC复合材料弯曲强度较封填之前提升了13.2%，导电性能提升了将近260倍，整体有效热导率遵循复合原理，整体热导率较CVI-C

关键词： 硅纳米晶   Si/C多层薄膜   微结构   拉曼频移  

摘要： 通过磁控溅射技术和1100℃的高温后续退火处理,在Si/C多层薄膜中形成硅纳米晶。改变多层薄膜的Si/C调制比可以调控硅纳米晶的尺寸、形状和密度。其微观结构由小角X射线、拉曼频移、高分辨电镜进行表征。结合拉曼频移和高分辨透射电镜分析,得到的结果表明,由于受到C层界面约束,非晶硅层在高温下会发生固态重结晶,转变为纳米晶。通过ζ可调控纳米晶的尺寸和形状。当ζ从0.5到2改变时,硅纳米晶的形状逐渐从球形、椭圆形转变为条形或者砖型。夹层受限生长模式有利于适应新一代硅基光电子器件的结构设计。

关键词： 双光束泵浦探测系统   纳秒激光   飞秒激光   材料特性   损伤机制   微结构  

摘要： 由于短脉冲激光（纳秒、皮秒和飞秒激光）其脉冲持续时间短、峰值功率高等特点，可诱导很多材料产生多阶次电场模式以及高阶非线性效应，在光通信、光学数据存储、光学光刻、光学成像以及微纳结构制备等多个领域内均有非常重要意义的应用。因此，研究激光与材料相互作用的非线性效应以及相互作用机理具有非常高的科学意义和实用价值。基于这样的研究背景下，本论文搭建了三套光学测试装置，分别以纳秒/飞秒激光为主要光源的双光束泵浦探测系统。利用纳秒泵浦探测系统研究金属薄膜的非线性超分辨效应、相变材料的热学性质以及相变转化过程中的热导率变化机制;利用飞秒泵浦探测系统和Z扫描技术研究了红外玻璃材料的非线性效应和超快时间动力学，并基于飞秒激光诱导非线性效应的损伤机制和微结构制备。具体的研究内容如下:\n 1.设计搭建了以半导体激光器405nm蓝光为泵浦光，以半导体激光器658nm红光为探测光的同轴双光束纳秒泵浦探测系统，在泵浦光激发下测量探测光的反射和透射强度随时间的变化关系。研究了不同能量的泵浦激光作用下，金属薄膜瞬态反射强度的变化趋势，理论上计算评价超分辨特性的频率响应函数，证明了其超分辨特性。并针对金属反射强度变化的趋势，提出了不同金属薄膜实现超分辨的读取机制。\n 2.基于金属的热致非线性效应以及异轴双光束泵浦探测系统的瞬态热反射方法研究了非晶态和晶态相变材料的热学性质。设计搭建了以固体激光器Nd∶YAG1064nm纳秒激光作为泵浦光，以He-Ne632.8nm连续激光作为探测光的异轴双光束泵浦探测装置，可实现百纳秒尺度上的反射瞬态动力学研究。利用金属表面反射率的强度变化来获得温度随时间变化的衰减曲线，通过解一维热传导方程以及采用基因算法拟合衰减曲线来获得被测材料的热阻，继而得到材料的热扩散系数以及热导率值。以相变材料Sb2Te3为对象，实验上测试了非晶态和晶态以及晶态转变过程中Sb2Te3材料的热导率值、电导率值和霍尔系数，理论上计算了电子热导率和晶格热导率值，给出了晶态和非晶态薄膜材料的热导率主导机制以及非晶态和晶态转化之间的热传导机制。\n 3.在纳秒泵浦探测系统的基础上，搭建了一套更短时间动力学探测的飞秒激光时间分辨泵浦探测系统。该系统以1040nm飞秒激光作为泵浦光和探测光，利用移动平台控制两束飞秒光的相位延迟，通过锁相放大器来提取探测光的透射强度变化，实现飞秒级别时间分辨动力学研究。并利用其研究了氧氟镓玻璃红外材料的非线性吸收和折射以及超快非线性光开关效应。\n 4.基于飞秒激光诱导红外氧氟镓玻璃的非线性效应，分析了飞秒激光诱导损伤机制以及烧蚀特性和微结构制备的应用研究。首先，研究了单脉冲和多脉冲作用下的飞秒激光诱导材料的损伤阈值，计算了材料的Keldysh参数，给出了飞秒激光作用下的烧蚀特性;其次，通过飞秒激光表面刻蚀加工和内部波导加工在红外玻璃上制备了衍射型微光学元件并测试了其光学聚焦和成像性能。探索了飞秒激光结合化学原位金属湿法生长法的金属微结构制备。

关键词： 光纤结构   导光机制   光学特性   表面等离子共振  

摘要： 表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）技术一种利用表面等离子体波进行检测的技术，具有无须标记、高灵敏度、装置微型化等优点，在生物化学检测等领域得到广泛应用。目前基于SPR效应的光纤器件多用于光学传感，其适用范围有一定的局限性。为了更好地研究光纤SPR器件的性能，扩大其适用范围，本论文将SPR技术与不同的微结构光纤相结合，如高双折射光子晶体光纤、螺旋状光纤等，利用微结构光纤独特的光学特性，使SPR效应在光纤通信、光纤传感等领域发挥更大的作用。\n 本论文首先从理论上分析了SPR效应的机理和实现方法，其中光纤结构由于其特殊的导光机制，被视为一种最简单的SPR波导。然后根据激发SPP模的金属结构的不同，对三种光纤SPR结构的研究现状进行了分析。最后，围绕基于SPR效应的微结构光纤设计和光学特性研究，本论文主要完成了以下三个方面的工作：\n （1）设计了一种填充有金纳米线的高双折射光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，简称PCF），将不同偏振态的SPR共振波长区分开。通过改变光纤结构参数，可以灵活调节SPR效应的峰值强度和共振波长，有效增强了能量耦合效率，减小了模式间串扰，在常用的光纤通信波长处（1.31μm和1.55μm）有着良好的偏振滤波效果。\n （2）设计了一种螺旋状偏芯光纤，破坏了线偏振模式的简并性，产生了圆双折射效应。当在纤芯处涂覆有金层结构时，引入了SPR效应，圆双折射至少增加了一个数量级，而且产生圆偏振光的波长与螺旋结构的周期也是呈线性关系，据此可制作一定螺旋周期的光纤圆偏振起偏器。\n （3）从螺旋状PCF结构和涂覆有石墨烯—金层的PCF结构两个方面，对SPR折射率传感特性的影响进行了仿真研究。结果发现，在螺旋状PCF中，为提高SPR折射率传感的灵敏度，需要将有金层覆盖的液体通道置于包层外部，便于包层中螺旋空气孔内的模式与SPP模式发生能量耦合。此外，在具有石墨烯—金层涂覆的PCF-SPR传感器中，石墨烯层有助于提高金属的灵敏度，增强SPR能量耦合效率，使得该传感器同时具有正负折射率灵敏度，其最大值分别为2931nm/RIU和-4380nm/RIU。

关键词： LED   灯具   设计仿真  

摘要： 随着LED工艺技术发展、生产规模扩大、价格成本降低、发光效能提高,同时相对白炽灯、荧光灯等传统光源而言,LED具有独特的优点,如节能环保、牢固可靠性等,成为新一代的绿色照明光源,在市场上逐步替代传统光源,广泛地应用在普通照明、广告显示、建筑景观、植物照明、可见光通信、汽车照明、交通信号、背光源等。然而,由于LED照明灯具需要根据布光要求将LED发出的光分配到期望的区域,因此需要大量的基于照明技术的光学设计方法和计算模拟,如LED光源制备的汽车灯具,路灯灯具以及教室照明灯具以及台灯都需要针对布光要进行灯具设计。因此,为了满足各种布光要求,需要制作不同曲率的空间曲面满足布光要求,给灯罩加工带来相当大的工作量;另一方面,灯具的反光杯通常采用铝板上面电镀金属作为反光罩,重量较轻,但是大量的使用这样的含有丰富金属材质的灯具也使得灯具的重量不容忽视。为了节省金属材料的使用量,减轻个性化加工开模的工作量,针对亚克力材料的纳微布光设计成为一个崭露头角的研究方向。基于有机材料的加工优势和材料来源优势,在有机材料上进行不同结构的微结构设计,可以得到宏观上不同曲率曲面光分布的设计思路,结合微结构热塑或者微米压印技术有可能实现一张有机玻璃板实验多个单独设计的复杂曲面布光的设想。本文就是基于上述想法开展的一个光学设计和仿真。

关键词： TiO2纳米棒阵列   微结构   PbS量子点   spiro-OMeTAD   全固态量子点敏化太阳电池  

摘要： 利用水热法通过改变生长时间,成功地在透明SnO_2:F导电玻璃/TiO_2致密层基底上制备了三种长度、直径、面密度分别为460 nm、40 nm、340μm-2,630 nm、44 nm、330μm^(-2),720 nm、50 nm、320μm^(-2)的TiO_2纳米棒阵列,并通过旋涂辅助连续离子层吸附反应法制备PbS量子点、以spiro-OMe TAD为固态电解质,组装了全固态PbS量子点敏化TiO_2纳米棒阵列太阳电池,系统研究了TiO_2纳米棒阵列的微结构对PbS量子点的沉积和相应太阳电池光伏性能的影响。结果表明,基于TiO_2纳米棒阵列长度为460 nm、630 nm、720 nm微结构的太阳电池,其光电转换效率分别是2.17%、2.96%和2.74%。

关键词： 多孔性材料  

ISBN: (纸本)9787542771186

摘要： 本书精选了目前较为热闹的分子了筛、活性炭、介孔碳材料、泡沫金属、气凝胶、金属－有机框架(MOF)材料、共介有机框架(COF)材料、等级孔材料等进行介绍。

关键词： C/SiC   LA-CVI法   微结构设计   力学性能   热导率   导电率  

摘要： 化学气相渗透(Chemical Vapor Infiltration,CVI)法具有对纤维造成的损伤小、基体纯度高、工艺设备简单等优点,是连续碳纤维增韧碳化硅复合材料(Continuous Carbon Fiber Reinforced Carbide Composites,C/SiC)产业化的少数几种主要制造技术之一。随着新型航空航天技术的发展,为保持构件承受机械载荷和气动载荷条件下的力学性能,CVI法制备构件时面临构件厚度增加(>4mm)与封闭式结构两大挑战,这对CVI制备过程的渗透能力提出了更高的要求。如何实现厚壁、复杂C/SiC复合材料构件的快速致密化与性能调控,是CVI技术制备高性能复合材料丞待解决的难题。为此,本文以提高C/SiC复合材料的渗透率与强韧化性能为目标,提出了采用飞秒激光辅助CVI(Laser Assisted Chemical Vapor Infiltration,LA-CVI)法制备C/SiC复合材料的新思路。通过系统研究飞秒激光对预制体传质通道制备的影响规律,以及传质通道对复合材料沉积速率、密度均匀性、性能等的调控机制,并结合传质模型和相应模拟计算进行验证,以期提高复合材料的渗透率与致密度,调控复合材料强韧性。在此研究基础之上,通过第二相增韧封填预制体传质通道,拓展其功能性。主要研究内容与结果如下:(1)研究了飞秒激光加工传质通道时,其扫描方式、加工功率、扫描速度及螺旋线扫描间距对其影响规律,并结合激光作用机理研究,获取了飞秒激光制备传质通道的优化工艺。结果表明:单环线扫描加工方式仅能获得环形沟壑,而螺旋线扫描加工方式可以制备出高质量微孔;当激光加工功率小于4W时,只能制备出盲孔。当激光加工功率高于6W时,能够制备出的传质通道质量较高,但当功率过高的时候,会导致传质通道边缘区域严重氧化;激光加工扫描速度小于600mm/s时,其等效光斑耦合数目增多,且光斑重叠率较大,可获得质量较好的直通孔,扫描速度大于600mm/s时,等效光斑耦合数目会相应减小,加工孔锥度较大;激光加工扫描间距小于6μm时,其光斑耦合率较大,加工区域内受到激光脉冲能量的多次重复作用,可获得高质量通孔,当扫描间距增至15μm时,加工区域内所获取能量会低于材料去除阈值,仅能形成盲孔,而孔入口处直径则基本无改变。(2)研究了预制体传质通道对C/SiC复合材料微结构的调控规律,并应用传质演变耦合模型对其进行验证。结果表明:LA-CVI法致密化效果明显,C/SiC复合材料均具有致密带、致密化涂层与SiC颗粒三大典型固有形貌,且致密化涂层的宽度均为100μm左右,并未随传质通道的直径发生任何变化;复合材料的致密度随着传质通道间距的减小,呈现上升的趋势,致密化相对范围越大;复合材料的致密化范围随着传质通道纵向排数的增多而增大,致密均匀化效果显著;初始密度为1.5g/cm的预制体,介入传质通道制备,其复合材料致密化效果的明显高于初始密度为1.8g/cm的预制体。(3)研究了LA-CVI-C/SiC复合材料的力学性能与断裂失效行为,结合裂纹扩展失效模式与断面结构,分析了传质通道结构对C/SiC复合材料均匀性与力学性能调控机制。结果表明:传质通道直径越小,其强化作用越明显,当传质通道直径大于0.9mm时,强化作用小于应力集中影响,导致弯曲性能下降;传质通道的间距越大,力学性能调控效果越小;当传质通道纵向排布为3排时,复合材料的承载能力与抗弯强度最佳,纵向排布为5排时,因最小净截面的平均应力水平的增加,率先达到材料发生失效损伤水平;初始密度为1.5g/cm的预制体,介入传质通道制备,单位时间内SiC的有效渗透率高,沉积率较高低,有效承载能力提高;采用优化工艺制备的LA-CVI-C/SiC复合材料,其力学性能较CVI-C/SiC复合材料而言,弯曲强度提高了16.17%;压缩强度提高了13.8%;剪切强度提高了50%,拉伸强度基本不变。(4)研究了在LA-CVI-C/SiC复合材料传质通道中封填SiCw/CNTs的复合材料工艺规律与性能调控。采用真空浸渍法结合CVI法制备的LA-CVI-C/SiC+SiCw+SiC复合材料,因为引入了高强度、高热导的SiCw作为第二相,使得复合材料弯曲强度较封填之前提升了13.6%,实现了复合材料的导热性能调控,整体热导率较CVI-C/SiC复合材料热导率提升了4倍;采用真空浸渍法结合CVI法制备的LA-CVI-C/SiC+CNTs+SiC复合材料,高强度、高导电的CNTs弥散于增强纤维与基体之间,实现了LA-CVI-C/CNTs/SiC复合材料弯曲强度较封填之前提升了13.2%,导电性能提升了将近260倍,整体有效热导率遵循复合原理,整体热导率较CVI-C/SiC复合材料热导率提升了25倍。