关键词： 硬质薄膜   磁控溅射   微结构   力学性能   摩擦磨损性能  

摘要： 硬质薄膜技术是刀具、工模具材料表面改性的重要手段。具有较高硬度和良好耐磨性能的氮化钽（TaN）薄膜是硬质薄膜材料的重要组成部分。然而,随着加工制造技术的发展,二元TaN薄膜已不能满足严苛的服役要求,为此,本文利用磁控溅射技术,通过添加W、C及Mg等元素以提升TaN薄膜的力学及摩擦磨损性能,主要研究结果如下:（1）TaWN薄膜:当W含量小于22.8 at.%时,薄膜两相共存,为fcc-（Ta,W）N+hcp-（Ta,W）N;随着薄膜中W含量的进一步升高,薄膜中出现了W2N相和W相,此时薄膜四相共存,为fcc-（Ta,W）N+hcp-（Ta,W）N+fcc-W2N+fcc-W。薄膜硬度随W含量升高先升高后降低,W含量为16.2 at.%的薄膜硬度最高,其最高值为32.2 GPa。薄膜硬度主要受相结构和固溶强化的影响。薄膜摩擦系数和磨损率均随W含量的升高逐渐下降。（2）TaCN薄膜:当C含量低于3.6 at.%时,TaCN薄膜相结构由fcc-Ta（C,N）和hcp-Ta（C,N）两相组成;当C含量高于3.6 at.%时,TaCN薄膜相结构由fcc-Ta（C,N）、hcp-Ta（C,N）、CNx和C组成,且随着C含量的增加,CNx和C相含量逐渐增加。随C含量的增加,TaCN薄膜的硬度、弹性模量、H/E和H3/E*2均呈先升高后降低的变化趋势,在C含量为12.3 at.%时,薄膜的硬度、弹性模量、H/E和H3/E*2最大,其最大值分别为33.1 GPa、358.1 GPa、0.092和0.221 GPa。随着C含量的增加,薄膜的室温摩擦系数和磨损率都先下降后上升。当C含量为12.3 at.%时,薄膜的摩擦系数和磨损率降到最低,为0.48和5.3×10-88 mm3N-1mm-1。随着摩擦环境温度的升高,薄膜的摩擦系数和磨损都逐渐增大,薄膜的摩擦磨损性能变差。（3）TaMgN薄膜:当Mg含量低于8.6 at.%时,TaMgN薄膜由fcc-（Ta,Mg）N和hcp-（Ta,Mg）N两相组成;当Mg含量大于8.6 at.%时,TaMgN薄膜由fcc-（Ta,Mg）N、hcp-（Ta,Mg）N和hcp-Mg三相组成。随着Mg含量的增加,TaMgN薄膜的硬度、弹性模量、H/E和H3/E*2都先增大后减小,当薄膜中Mg含量为8.6 at.%时薄膜的硬度、弹性模量、H/E和H3/E*2都达到最大值,分别为33 GPa、376 GPa、0.088和0.255 GPa。在室温下,薄膜的摩擦系数和磨损率均先下降后上升,Mg含量为8.6 at.%时取得最小值,分别为0.66和1.04×10-77 mm2/N。随着温度升高,薄膜的摩擦系数先增大后减小。当温度为400℃时,薄膜摩擦系数达到最大值,为0.86,而薄膜的磨损率逐渐增大,这主要与高温摩擦下生成的MgO,Ta2O5,TaO2氧化物有关。

关键词： 湿磨废加气混凝土   粉磨特性   力学性能   水化特性   胶凝特性  

摘要： 我国在大力建设基础设施和更新城市建筑的过程中会产生大量的建筑垃圾,造成极大的资源浪费,如何将这些建筑垃圾“变废为宝”已成为一大社会问题。加气混凝土作为我国的主导墙体材料,在建筑更新、运输、施工过程中自然会产生许多废加气混凝土,由于其孔隙率高、强度低、水化较完全,因而在应用于水泥基材料中面临着强度低、无水化活性的难题。利用传统的机械激发、化学激发方法激发废加气混凝土的活性,其激发效果有限;利用煅烧方法激发其活性,处理成本较高且不环保,因此本文依托湖北省技术创新专项重大项目(2018AAA002),采用湿磨的方式处置废加气混凝土,得到不同粒径的废加气混凝土料浆,研究了湿磨处置前后废加气混凝土的物化特性,并对比分析了废加气混凝土与粉煤灰、磷渣、钢渣的粉磨特性。研究结果表明,在物化特性方面,随着湿磨时间的延长,湿磨废加气混凝土的pH值明显增加,溶出的离子更多,颗粒分布更加均匀,但对其物相组成基本无影响。在相同湿磨条件下,湿磨3min后,废加气混凝土与粉煤灰、钢渣、磷渣四种材料废加气混凝土的中值粒径减幅最大,为56.4μm;湿磨至20min时,废加气混凝土的中值粒径最小,说明其更易磨;湿磨时间延长至120min,废加气混凝土的中值粒径始终最小,但减幅相对较小,说明易磨性略有下降。依据上述湿磨废加气混凝土的物理和化学特性变化,研究了湿磨废加气混凝土对水泥物理和力学性能的影响,结果表明:湿磨废加气混凝土的粒径减小会使复合体系的标准稠度用水量随之增多,凝结时间变短,抗压强度明显提升,但当湿磨废加气混凝土取代水泥的量达到40%时,体系的早期抗压强度明显下降。利用水化热、电阻率、XRD、TG、MIP、SEM等测试方法,深入研究了湿磨废加气混凝土对水泥水化进程和微结构的影响,结果表明:废加气混凝土粒径的减小,加快了废加气混凝土-水泥复合材料的水化反应速率,增加了水化产物的生成量,明显降低了体系的孔隙率,但废加气混凝土掺量达40%时,水化反应速率明显变慢,水化产物也随之减少,孔隙率也相应增加。最后,对比分析了废加气混凝土、粉煤灰、磷渣、钢渣的胶凝特性,结果表明,以湿磨废加气混凝土取代30%水泥时,复合材料的28d抗压强度和毛细吸水率与磷渣-水泥基复合材料相当,并且其1d、3d、7d抗压强度相对更高。

关键词： 合金成分调控   高压热压缩变形技术   块体Pr2Fe14B/α-Fe复合磁体   磁各向异性   矫顽力机制  

摘要： 纳米复合永磁材料因其理论磁能积可高达100 MGOe而被认为是最具发展潜力的下一代超强永磁材料。但是,实际制备出的纳米复合永磁材料的磁能积远低于理论预测值（通常不超过25 MGOe）,主要原因很难制备出满足理论要求的微结构,其中最主要的就是很难实现高软磁相含量、且硬磁相具有强晶体学织构的复合磁体的制备。针对上述科学难题,本论文以Pr2Fe14B/α-Fe型复合磁体为研究对象,主要通过合金成分调控,采用熔体快淬结合快速的两步高压热压缩变形技术,围绕高软磁相含量、强磁各向异性和具有良好磁性能的块体Pr2Fe14B/α-Fe纳米晶复合永磁材料的制备这一目标开展以下研究工作。首先以贫稀土Pr-Fe-B三元合金为研究对象,采用熔体快淬技术和低温热压手段制备出完全非晶块体前驱物,利用快速的两步高压热压缩变形技术制备出了各向异性块体Pr2Fe14B/α-Fe纳米晶复合永磁体,研究了非金属元素B含量的变化对其微结构和磁性能影响。研究表明,随着B含量的增加,磁体的矫顽力逐渐增大、剩磁和磁取向度逐渐减小,并在B含量为5 at.%时制备出了磁能积为18.1 MGOe,软磁相含量超过25 wt.%且硬磁相具有一定晶体学（00l）取向的纳米晶复合永磁体。通过在贫稀土Pr-Fe-B系合金中添加Cu元素和适当调控Pr、Cu和B的比例,采用熔体快淬结合高压热压缩变形技术制备出了强磁各向异性的的块体Pr2Fe14B/α-Fe纳米晶复合永磁体,研究了各组成元素含量变化对所制备磁体的微结构和磁性能的影响。结果表明,Cu添加有效地促进了热变形所制复合磁体中Pr2Fe14B硬磁相晶体学（00l）织构的产生,并且随Cu添加量的增加,磁体的磁各向异性、软磁相含量和剩磁同步提高。此外,稀土Pr含量的增加能够同时提高变形后所制磁体的剩磁、矫顽力和磁各向异性,而B含量的增加在提高磁体矫顽力的同时其剩磁和磁各向异性显著降低。最终我们在合金成分为Pr9Fe85Cu1B5时制备出了磁能积为21.3 MGOe,软磁相含量为31 wt.%,且硬磁相具有强晶体学取向(I（004）/I（220）=784%)的纳米晶复合永磁体。通过在贫稀土Pr-Fe-Cu-B系合金中添加Ga/Nb元素结合高压热压缩变形技术制备出了高软磁相含量、强磁各向异性和良好磁性能的块体Pr2Fe14B/α-Fe纳米晶复合永磁体,研究了Cu与Ga/Nb元素复合添加对所制备磁体的微结构和磁性能的影响。研究表明,元素复合添加弥补了单一Cu添加造成的矫顽力恶化的问题,在提高磁体矫顽力的同时其磁各向异性略有增强,并在成分为Pr9Fe85Cu1Nb1B5时制备出了矫顽力为Hci=4.63 kOe、剩磁4πMr=13.1 kG且磁能积高达27 MGOe的各向异性块体Pr2Fe14B/α-Fe复合永磁体。研究了经热变形所制各向异性块体Pr2Fe14B/α-Fe纳米复合永磁体的矫顽力机制,表明其矫顽力主要是以畴壁钉扎机制为主导的。此外,对磁体微结构中Pr2Fe14B硬磁相晶体学（00l）织构产生机理进行了分析,主要原因是非晶前驱物在大应力、大应变以及温度场条件下诱导硬磁性Pr2Fe14B相沿着应变能密度最低的晶面择优取向成核和生长以及磁体中存在少量的低熔点Cu2Pr合金相在变形过程中促进硬磁相晶粒的取向生长。

关键词： 一维单晶氧化物   铁电极化屏蔽   零膨胀   光催化   光阳极   光电催化  

摘要： 一维单晶氧化物功能材料因其具有丰富的光、电、磁及催化性能,已成为当今材料科学研究领域的热点课题之一。作为一种典型的ABO

关键词： 多孔碳   微结构   异质界面   电磁性能   高温吸波  

摘要： 随着多站点、多频段雷达探测技术的发展,对未来战斗机的隐身性能提出了更高的要求。发展可用于改善战斗机隐身性能的宽频(8～18 GHz)、强效(电磁反射系数≤-10 d B)吸波材料是实现未来战机全方位隐身的重要途径。业界公认,吸波材料需要满足“宽”、“强”、“轻”、“薄”的要求,此外,隐身战斗机用吸波材料的服役环境要求其具有高低温协同隐身性能。想要满足上述要求,须从吸波材料的电磁波损耗机制出发,通过材料的微结构设计去实现吸波材料隐身性能与变温服役性能的全面提高。吸波材料的电磁波损耗机制主要有磁损耗、电导损耗和极化损耗,其中磁损耗类材料在服役温度超过居里温度点时会丧失磁性,导致电磁损耗能力的消失,限制了该类材料的实际应用。电导损耗类碳材料具有耐高温(使用温度可达3000℃以上)、轻质(1.6～1.8 g/cm)、微观结构与介电性能可调等优点,是目前设计吸波材料的热门备选材料。但如何协同调控碳材料的电导损耗和极化损耗是优化其吸波性能的关键科学问题。吸波材料是由透波基体(A相)和吸波剂(B相)组成。相比吸波材料,吸波剂微结构与相组成简单,便于研究微结构与电磁损耗机制间的构效关系。因此本论文从协调电导损耗和极化损耗机制出发,以电导损耗为主的多孔碳吸波剂为研究对象,通过不同的微结构设计方式,在多孔碳材料中设计纳米级、微米级、纳米/微米多级异质界面来增强极化损耗(界面极化),通过热处理工艺来调控电导损耗,系统研究多孔碳吸波剂的微结构对其不同服役温度下的电磁损耗机制(极化损耗和电导损耗)及电磁隐身性能的影响规律。主要研究内容与结果如下:(1)研究了纳米/微米级碳-空气界面对于多孔碳吸波剂室温介电及吸波性能的影响规律。通过模板-碳化-刻蚀的方法制备了粒径一致的实芯碳球、中空碳球及多孔中空碳球。介电性能测试结果表明随着纳米/微米级碳-空气界面的增加,多孔碳吸波剂的室温介电常数实部、虚部和介电损耗均增加,且纳米级碳-空气界面贡献更明显。含有纳米级碳-空气界面及微米级碳-空气界面的多孔碳吸波剂吸波性能最佳,有效吸收带宽可覆盖可达4.2 GHz(8.2～12.4 GHz),最强吸收可达-82 d B。仅有微米级碳-空气界面的多孔吸波剂有效吸收带宽仅为0.6 GHz,最强吸收为-25 d B,相比含有纳米/微米级碳-空气界面的吸波剂其有效吸收带宽和最强吸收分别衰减85.7%和69.5%。(2)研究了纳米级无定形碳-石墨碳异质界面对多孔碳吸波剂室温介电及吸波性能的影响规律。以bi-MOF为模板,通过调控热处理工艺及bi-MOF中配位离子Co/Zn的比例,制备了一系列含有不同无定形碳-石墨碳异质界面的石墨烯空心球(HGS,hollow graphene sphere)内嵌于多孔无定形碳(PAC,porous amorphous carbon)基体中的吸波剂(HGS@PAC),介电性能测试结果表明随着纳米级无定形碳-石墨碳异质界面的增加,多孔碳吸波剂的室温介电常数实部、虚部和介电损耗均增加,表明多孔碳吸波剂的电磁波损耗能力增加。当调整石墨碳球的数量时,有效吸收带宽可覆盖可达4.2 GHz(8.2～12.4GHz),最强吸收可达-32 d B;当调整石墨碳球的壁厚时,有效吸收带宽可覆盖可达5.6GHz(12.4～18 GHz),最强吸收可达-56 d B。对其电磁损耗机制研究表明:纳米级无定形碳-石墨碳异质界面大大增强了材料的界面极化能力,此外N原子掺杂及残留含氧官能团增强了材料的偶极子极化作用,第一性原理计算表明N原子掺杂对材料偶极子极化作用的增强能力依次为:吡啶N>石墨烯N>吡咯N。(3)研究了纳米/微米级碳-空气界面对于多孔碳吸波剂的变温介电常数及变温吸波性能的演变规律及其机制。通过模板-碳化-刻蚀的方法制备了红细胞状多孔中空碳球,红细胞状微结构显著增加了纳米/微米级碳-空气界面。介电性能测试结果表明:多孔碳吸波材料的介电常数实部、虚部均随测试温度的升高而升高,当测试温度从室温升高至523 K时,800℃裂解得到的多孔碳球的介电常数实部、虚部的平均值分别增加33.9%和54.9%,表明多孔碳材料对于电磁波的损耗能力增加更快。基于德拜理论和最小二乘法拟合得到多孔碳吸波剂的界面极化损耗数据和电导损耗数据,随着测试温度从室温升高至523 K,界面极化损耗从1.42降低至1.01(降低28.8%),电导损耗从3.47增加至6.23(增加79.5%)。界面极化损耗的降低可以平衡电导损耗的提高,改善多孔碳材料的变温吸波性能,所得多孔碳吸波材料在室温至523 K范围内的有效吸收带宽均>3 GHz。并在此基础上提出了针对碳材料的极化损耗-电导损耗协同调控模型,用于指导碳材料的高温-室温协同吸波设计。(4)研究了纳米/微米级异质界面及宏观周期性结构对于多孔碳吸波材料的介电常

关键词： 交换偏置   微观结构   磁性能   耦合相互作用   自旋玻璃  

摘要： 最近几十年里,具有交换偏置性质的核壳磁性纳米体系由于其在数据存储、生物医药和电子器件等方面有着可观的应用,而受到科研工作者的广泛关注。本文通过制备合成了γ-FeO/NiO和Ni/NiO两种核壳磁性纳米体系,具体研究了形貌结构对其交换偏置以及测试条件对相关磁性能的影响,得出的主要研究结果如下:通过结合了煅烧工艺的两步溶剂热法,合成了具有可控微观结构的γ-FeO/NiO核壳纳米结构。讨论了该复合体系的形成机理,详细分析了界面微观结构对磁性能的影响。微观结构表征表明,NiO壳由许多不规则纳米片构成,具有无序取向和单晶结构,这些NiO纳米片被包裹在磁赤铁矿微球表面。随着煅烧温度从300℃升高到400℃,NiO纳米片的晶粒尺寸和含量增加,并且NiO壳的致密性增强。保持最终的煅烧温度为300℃不变,随着前驱体浓度降低(即NiO含量增加),NiO壳的厚度显著增加,同时NiO的晶粒尺寸增大。磁性研究表明,它们的磁性由四个因素决定:尺寸效应,NiO相含量,界面微观结构(即接触模式,面积,粗糙度和致密度)和FM-AFM(FM和AFM分别表示铁磁γ-FeO和反铁磁NiO成分)耦合效应。在5K时,γ-FeO/NiO核壳纳米结构显示出一定的交换偏置场(H=60Oe)和增强的矫顽力(H=213Oe)。交换偏置场的数值较小,主要是因为NiO壳由不规则的纳米片组成,具有无序取向并且没有在氧化铁核心周围形成完整的涂层包裹。同时利用结合了煅烧工艺的回流方法,合成了平均尺寸小于10nm且Ni含量约为1.3%的Ni/NiO复合纳米颗粒。Ni/NiO界面的微观结构和不同相的状态都对其磁性能有显著影响。通过在磁滞回线测量期间调整测试温度和冷却磁场的大小,发现诸如矫顽力H和交换偏置场H等几个典型参数的变化规则本质上是复杂的。在5K时观察到大的交换偏置场(H=482Oe)和增强的矫顽力(H=1335Oe),这主要是由于Ni和NiO组分之间的强耦合相互作用。对于本论文中Ni/NiO复合纳米颗粒,复合磁性行为主要归因于(i)Ni纳米颗粒的铁磁贡献,(ii)NiO体积相的固有反铁磁作用,和(iii)部分NiO颗粒表面的冷冻无序状态下相应自旋玻璃特征。这三种磁性结构的综合效应促进了强耦合Ni/NiO颗粒系统的产生,从而改善了磁性能。

关键词： 氧化石墨烯   传感器   微结构   褶皱   激光还原  

摘要： 随着智能科学技术的发展,利用计算机去承担人类活动中的生产活动已经逐步成为主流。在智能测控系统中,应用在人体生理信号检测上的智能监测系统则要求实现柔性可穿戴的电子皮肤。以硅材料为基础的传统器件越来越无法满足日益增长的需要,而新型二维材料石墨烯及其衍生物成为了柔性传感器的理想选择材料。此外,为了充分发挥出材料的性能优势,电子传感薄膜的结构还需进行更为精细的设计。针对上述关键问题,本文首先设计了基于氧化石墨烯(GO)的特殊微结构薄膜,制备并探究了单向、双向褶皱还原氧化石墨烯薄膜,并对其电学性能、结构等进行表征。然后基于褶皱结构,设计并制备具有多级结构的梯度褶皱还原氧化石墨烯(rGO)薄膜用于柔性电子薄膜传感器的构建,以及基于激光还原的特殊性,巧妙利用激光对氧化石墨烯片层的热构筑,制备了激光褶皱协同诱导致特殊微结构的传感薄膜,并应用于柔性传感器的构建。主要研究内容如下:(1)设计并制备了基于褶皱氧化还原石墨烯的柔性可拉伸压力传感器。针对石墨烯薄膜的可拉伸延展性差的问题,本文基于自然界褶皱结构的宏观思考,利用微观的大量微褶皱实现宏观上石墨烯薄膜的高拉伸延展的特性。并对褶皱氧化石墨烯薄膜进行了还原,对结构、电性能以及可拉伸传导性能进行了表征。薄膜结构具有优异的各向异性及各向同性褶皱结构。(2)设计并制备了基于石墨烯基多级结构的梯度褶皱薄膜传感器。针对目前石墨烯薄膜传感器的灵敏度性能欠缺以及面积域位置监测方面传感器集成量大的问题,本文探究了水合肼还原氧化石墨烯对还原氧化石墨烯片层结构的影响,并结合褶皱山脊方向上的GO厚度差异制备具有高灵敏度的薄膜传感器,灵敏度达到了 179 kPa-1,检测极限达到了 42 Pa;通过结构的表征,还原后的氧化石墨烯层间具有极大的膨胀效果,层间及表面产生了不同尺度的微结构;对传感机理进行了分析并展示了梯度褶皱对于传感薄膜在位置检测方面的优势应用。(3)设计并制备了基于激光褶皱协同诱导3D石墨烯微结构薄膜传感器。为继续探究石墨烯层间结构的可设计性,本文利用激光对GO在还原过程中对片层的热构造,定向改变了激光直写路径上的氧化石墨烯还原度以及力学强度,结合褶皱形成过程的特点,在激光直写路径上制备了异于普通石墨烯褶皱的山脊。并且该类薄膜基于激光的可编程性优势而获得表面结构的可设计性。此外,对薄膜的微结构进行了表征,并构建传感器应用于人肢体的多功能传感检测。

关键词： 硫离子注入   纳米金刚石薄膜   微结构   电化学性能  

摘要： 多年来，众多研究者在NCD薄膜中掺入杂质元素，以期提高薄膜的电化学性能以满足各类电极材料的应用。我组前期研究表明，在NCD薄膜中注入氧离子或磷离子，800℃温度以上退火后，薄膜呈良好的n型导电性能，并发现氧离子注入与高温退火对薄膜中金刚石晶粒与晶界处的微结构有明显改变，能有效提高电极的电化学性能。此外，我组还使用MPCVD法成功制备电学性能较好的n型硫硼共掺杂金刚石薄膜，但是目前并未有人对硫离子注入的纳米金刚石薄膜的电化学性能进行系统研究。离子注入剂量对纳米金刚石薄膜的电学性能有重要影响，势必也将影响薄膜的电化学性能;NCD薄膜的电化学性能与薄膜的近表面状态关系密切，不同的退火温度会不同程度的修复薄膜在离子注入中产生的晶格损伤从而改变薄膜中无定形碳晶界、反式聚乙炔、金刚石晶粒等组分的占比及存在状态，也将影响薄膜的电学及电化学性能。基于上述问题，本文拟研究硫离子注入的纳米金刚石薄膜的电化学性能，主要内容有：　　在石墨相较多而金刚石相较少的碳基薄膜中以90keV的能量统一注入1013cm-2的硫离子，并对其分别进行不退火、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃下真空退火30min处理。结果表明，制备得到的碳基薄膜表面连续致密，有一定团簇现象。退火处理对薄膜的电势窗口及电化学可逆性有不同程度的改善。其中900℃真空退火30min时，薄膜在1MKCl体系的电势窗口宽度最大，为3.28V，此时电极具有最高的阴极析氢电位(1.667V)和阳极析氧电位(1.615V)，峰电位之差?Ep相较于其他样品也最小(0.223V)，电化学活性面积最大(0.61mC/cm2)，在0.001MK3Fe(CN)6+1MKCl溶液中的氧化还原峰对称性最好，峰电流强度比值最接近1，电极表面电化学可逆性最优。Raman光谱显示此时D峰与G峰最尖锐，说明TPA含量降低，有利于增强薄膜表面的可逆催化性，使电极表面更好地进行可逆电化学反应。　　在石墨相较多而金刚石相较少的碳基薄膜中以90keV的能量分别注入1012cm-2、1013cm-2、1014cm-2、1015cm-2的不同剂量的硫离子以及留取未注入的本征碳基薄膜作为对照，并对其统一进行900℃下真空退火30min处理。结果表明，硫离子注入并退火后，薄膜的ID/IG值明显减小，也就是C原子晶体的缺陷密度变低。硫离子注入剂量对薄膜在KCl溶液中电势窗口的影响不大，但在0.001mol/LK3Fe(CN)6+1MKCl溶液中，硫离子注入后的碳膜电极对比本征未注入硫离子的样品电化学活性显著增强，且都呈现出非常好的电化学可逆性。其中硫离子注入剂量为1012cm-2的S12-900样品，其氧化峰电流密度达到了0.293mA/cm2，还原峰电流密度则达到了0.304mA/cm2,电化学活性面积最大(1.00mC/cm2),电化学可逆性极佳。说明在1012cm-2剂量下的硫离子注入，对于改善薄膜电化学可逆性有着显著作用。　　为进一步提升薄膜的各项性能，制备一批石墨相较少而金刚石相较多且质量较好的NCD薄膜并以55keV的能量统一注入1012cm-2硫离子，对其分别进行不退火、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃的真空退火30min处理，采用高分辨透射电镜、可见光Raman光谱、XPS以及循环伏安法系统研究了不同退火温度的SNCD薄膜的微结构和电化学性能。结果表明，硫离子的注入提高了薄膜的电化学活性面积，且有利于提升薄膜电化学可逆性。不同退火温度对SNCD薄膜电极的微结构变化影响明显。Raman光谱显示随着退火温度的升高，薄膜的ID/IG值逐渐减小，G峰位置逐渐红移，表明薄膜中sp2碳团簇的尺寸减小或数量减少，石墨相有序度逐渐降低。Raman与TEM结果显示800℃及以下温度退火时，薄膜晶界中的非晶碳逐渐向TPA转化，在800℃退火时薄膜中TPA含量积累到最高，金刚石含量较低，晶界模糊较难辨认，未出现电化学信号。900℃及以上温度退火后，薄膜中金刚石晶格损伤得以较好的修复，金刚石相含量较多，TPA发生裂解并减少，晶界变宽、数量增多，晶界中的无序碳增多。XPS结果显示此时薄膜中氧含量显著增加，电化学可逆性得到显著提升。

关键词： 热敏陶瓷   高居里点   掺杂   耐压  

摘要： BaTiO基高居里点PTCR(positive temperature coefficient of resistance)陶瓷因其在居里点附近时电阻发生跃变的电阻-温度特性和居里点附近恒温发热的静态伏安特性,在通信、网络设备、自动控制、家用电器、电动汽车等领域应用广泛。随着节能减排日益推进,白色家电、电动汽车产业将得到极大发展,这些产业日益要求作为关键元件的PTC热敏陶瓷材料室温电阻率更低、居里温度更高、耐电压能力更强。目前经常使用到的居里点移动剂有Pb和BaNaTiO,使用BaNaTiO提高PTC居里温度时,居里温度提升较少,只有160℃,居里温度低,不能满足目前实际应用环境对高居里点的需求。本文使用Pb的氧化物PbO作为居里移动剂,研究Pb对材料显微结构和性能的影响,测试不同居里点的PTC材料在高压下的电阻-温度特性,探究高居里点PTC材料显微结构与性能之间的关系。论文主要内容如下:(1)选择Pb作为居里点移动剂,采用两步烧结的方法制备不同Pb掺杂浓度的BaTiO基陶瓷材料,研究Pb掺杂对陶瓷的显微结构、致密度和电学性能的影响。(2)研究不同Pb掺杂浓度的材料在高电压下的电压效应,分析Pb对材料PTC效应的影响。(3)选择晶粒尺寸均匀、电学性能良好的居里温度为230℃的PTC材料进行掺杂,探究施主Y、受主Mn对其微观结构电学性能的影响,并分析Y掺杂时材料致密度对材料电学性能的影响。研究Ca、液相SiO对材料的显微结构和电学性能的影响。

关键词： 弱磁场   磁屏蔽   磁控溅射   磁性纳米颗粒   复合薄膜   磁性能  

摘要： 极弱磁性分析、人体生物磁场测量等领域对磁强计的测量灵敏度要求越来越高,无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free,SERF)原子磁强计是目前灵敏度最高的磁强计,测量灵敏度可以达到飞特(fT)量级。为实现SERF原子磁强计的超高灵敏度,需要磁屏蔽装置对外界磁场进行屏蔽。目前高磁导率的1J85合金(Ni80Fe15Mo5,简称为NiFeMo)是常用的被动式屏蔽材料,可将磁场降至纳特(nT)量级。但是,由于NiFeMo的电阻率低,会产生Johnson电流,进而产生磁场噪声,成为限制SERF原子磁强计灵敏度进一步提高的重要因素。针对N iFeMo材料中存在的电阻率提高与磁性能降低的竞争性问题,本文提出将绝缘介质加入到NiFeMo薄膜中制备NiFeMo-SiO2共沉积及复合生长薄膜,通过改变绝缘介质含量及磁性颗粒尺寸对磁性能进行调控。本文采用磁控溅射法,首先研究溅射功率、溅射气压、薄膜厚度、基片温度等沉积条件对NiFeMo薄膜表面微观形貌及磁性能的影响,确定生长条件对饱和磁化强度、矫顽力、剩磁比的作用效果。其次,研究NiFeMo-SiO2共沉积薄膜中SiO2含量对表面形貌、微观结构、磁性能的影响,确定SiO2含量与磁性能间的关系。最后,研究复合生长时磁性颗粒尺寸及颗粒分布对提高饱和磁化强度、剩磁比,降低矫顽力、面内各向异性的机理,揭示通过微结构调控NiFeMo-SiO2磁性能的机制。主要结论如下:(1)为获得最佳磁性能的NiFeMo薄膜,研究了生长条件对NiFeMo薄膜磁性能的影响。研究结果表明,溅射功率增加,沉积粒子能量增加,磁性能提高;基片温度不改变薄膜的相组成,但会增加FeNi3(111)方向的取向度,260℃时薄膜的矫顽力最小(Hc=20.39 Oe),剩磁比、饱和磁化强度最大;厚度增加,矫顽力降低,磁滞损耗减少;溅射气压对磁性能有明显影响,气压为0.3 Pa时薄膜的矫顽力(Hc=2.70 Oe)比0.5 Pa时矫顽力(Hc=20.39 Oe)减小6.5倍,同时饱和磁化强度和剩磁比提高。(2)为提高NiFeMo薄膜的电阻率,研究了 NiFeMo-SiO2共沉积薄膜中SiO2含量对磁性能的影响。研究结果表明,SiO2可以提高薄膜的电阻率、剩磁比,同时,降低薄膜的饱和磁化强度、矫顽力。与NiFeMo薄膜相比,SiO2含量为12.67vol.%的共沉积薄膜的饱和磁化强度(Ms=392 emu/cm3)降低30.12%,电阻率由76.5 μΩ·cm增加至359μΩ·cm,矫顽力由35.305 Oe降低至1.011 Oe。(3)为获得最佳磁性能的NiFeMo-SiO2薄膜,研究了磁性颗粒尺寸及其分布均匀性对复合生长NiFeMo-SiO2薄膜磁性能的影响。研究结果表明,低表面能的SiO2会向NiFeMo的边界扩散形成颗粒膜,在纵向上实现了 NiFeMo颗粒尺寸的控制。颗粒膜有序程度与电阻率成反比,83-Period薄膜颗粒无序,电阻率最大ρ=740μΩ·cm,17-Period薄膜颗粒尺寸均匀、排布整齐,电阻率最小ρ=196μΩ·cm。较大的晶粒尺寸有利于饱和磁化强度的提高,17-Period薄膜的饱和磁化强度最大(Ms=491 emu/cm3),比共沉积 SiO2-12.67vol.%薄膜饱和磁化强度(Ms=392 emu/cm3)提高24.74%;纳米颗粒的形状各向异性与面内各向异性成负相关,25-Period薄膜的颗粒接近球形,M-H曲线也表现为面内各向同性。