贝壳珍珠母增韧机理研究进展

基于国内外对贝壳材料微结构研究的实验照片与力学性能的研究成果,描述了贝壳珍珠母独特的微观结构,包括无机层与有机基质层"砖-泥"式交错层叠结构、文石层波纹表面和文石表面纳米凸起与矿物桥结构等,同时也揭示了贝壳珍珠母微结构对其韧性的增强机理。对国内力学家近年来提出的微观结构"缺陷不敏感"增韧理论进行了理论阐述。     

低噪声双波长数字全息及在超精密加工表面检测中的应用

通过两个不同波长的数字全息包裹相位差产生数字拍频,得到一个等效波长相位图以消除相位包裹,然后用该等效波长相位光程与任一记录波长做比较,确定单波长包裹相位中相位跳变的位置和跳变倍率,进而实现了单波长包裹相位展开,使相位噪声不随等效波长相位展开而放大,结果表明该方法可使相位噪声引入的误差减小2Λ/λm倍。用650 nm和632.8 nm两个波长的激光对用快刀伺服加工的微结构光学元件表面进行了数字全息测量,得到了等效波长为0.024 mm的加工纹理相位展开图,并用频谱滤波得到了元件微观形貌的低频和高频三维数据,各频段表面的粗糙度分别为33.2 nm,19.3 nm,23.4 nm,分析了各种微观结构产生的原因,并对快刀加工的切削参数进行了分析。     

剪切载荷条件下镍基单晶合金裂纹扩展与微观结构演化行为研究

目前拉伸载荷下的镍基单晶合金的力学性能研究较为广泛,而剪切载荷对镍基单晶合金的力学性能也十分重要但缺乏研究。本文利用分子动力学方法研究了镍基单晶合金在剪切载荷下的裂纹扩展和微观结构演化,分析了应力-应变、势能和裂纹生长速率的变化。同时,揭示了温度和剪切应变率对裂纹扩展和微观结构演化的影响。结果表明,临界分切应力随温度的降低和应变速率的增大而增大;随着温度的升高以及剪切载荷下发生剧烈的热运动,裂缝表现为加速扩展的趋势;而在较高的应变率影响下,会形成位错塞积和孪晶,出现加工硬化现象。     

Ti-Al-Si-N涂层界面微结构研究

采用多元等离子体浸没离子注入与沉积装置制备Ti-Al-Si-N涂层,借助X射线衍射仪、X射线光电子能谱、透射电子显微镜、纳米探针和原子力显微镜等系统研究涂层界面微结构与力学性能。研究结果表明:Ti-Al-Si-N涂层具有Si3N4界面相包裹TiAlN纳米晶复合结构,Si元素掺杂诱发涂层发生明显晶粒细化效应。随涂层Si含量增加,TiAlN晶粒尺寸显著降低,界面Si3N4层厚度增加。当Si3N4界面层厚度小于1nm并与TiAlN晶粒共格外延生长时,Ti-Al-Si-N涂层表现超高硬度约40GPa,当Si3N4界面相厚度增至2nm并呈非晶态存在时,涂层硬度降至约29GPa。     

基于相场模拟对镍基高温合金制备工艺优化及设计

材料制备过程中微结构演变的定量描述是材料设计的核心。近年来基于精准热力学和扩散动力学数据库的相场模拟是对微结构演变进行定量描述一种行之有效的方法。作为航空发动机和燃气涡轮叶片等高温零部件的主要用材,高性能镍基高温合金制备工艺的优化及设计一直是各国材料学者研究的热点和难点。首先概述了相场方法及其最新研究进展,以及相场法与CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)数据库耦合技术的发展,随后详细介绍了国内外有关镍基高温合金凝固、固溶及时效过程微结构演变定量相场模拟的报道,以及当前用于建立镍基高温合金微结构与力学性能关系的可行方法。之后给出了两个基于定量相场模拟对镍基高温合金固溶及时效热处理机制进行优化及设计的实例,进一步证明了相场模拟在高性能镍基高温合金设计中的重要作用。最后,指出了对镍基高温合金制备过程微结构演变进行定量相场模拟以及后续工艺优化和设计中存在的主要问题及发展趋势。     

直流磁控溅射铝纳米颗粒膜的微结构及电学特性

采用直流磁控溅射法,以高纯铝(99.99%)为靶材,高纯氩气(99.999%)为起辉气体,在经机械抛光的单晶Si衬底上制备铝纳米颗粒薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、光学薄膜测厚仪、扫描电子显微镜(SEM)和四探针测试仪分别测试了铝纳米颗粒薄膜的晶相结构、薄膜厚度、表面形貌及电阻率。XRD衍射图谱表明此薄膜为面心立方的多晶结构,择优取向为Al(111)晶面。随溅射功率由30 W增至300 W,铝纳米颗粒薄膜的沉积速率由3.03 nm/min增加至20.03 nm/min;而随溅射压强由1 Pa增加至3 Pa,沉积速率由2.95 nm/min降低到1.66 nm/min。在溅射功率为150 W,溅射压强为1.0 Pa条件下制备的样品具有良好的晶粒分布。随溅射功率从80 W增大到160 W,样品电阻率由4.0×10-7Ω·m逐渐减小到1.9×10-7Ω·m;而随溅射压强从1 Pa增至3 Pa,样品电阻率由1.9×10-7Ω·m增加到7.1×10-7Ω·m。     

盐冻环境下混凝土的微结构和氯离子渗透性

研究了水灰比、含气量等因素对混凝土在冻融和盐冻环境下劣化的影响,进行了混凝土微观形貌分析和冻融条件下氯离子在混凝土中的传输性试验,分析了盐冻条件下混凝土孔结构变化及氯离子传输规律.结果表明:当冻融循环25次时,盐冻条件下混凝土的质量损失率约是水冻条件下混凝土质量损失率的10倍;在冻融早期,盐冻条件下的混凝土动弹性模量损失比水冻条件下的混凝土动弹性模量损失缓慢;引气混凝土中50"m以上孔径的气泡较多,未引气混凝土的平均气泡间距为引气混凝土的2.5倍;引气能够降低冻融下混凝土的氯离子渗透性,但盐冻后引气混凝土表层有氯离子富集现象,考虑到钢筋混凝土构件的保护层厚度范围,这有可能不利于钢筋的保护.     

复合绝缘子及金具抗风性能本质提升方法

风沙灾害带来的输电线路故障中线路绝缘子风偏、连接金具磨损等问题尤为突出.笔者从复合绝缘子伞裙和金具两方面展开抗风性能本质提升方法研究.首先在复合绝缘子伞裙部分研究引入新型高聚物环氧材料,开展了材料选型和改性研究,具备优异电气绝缘性能、耐老化性能和较高的机械性能,有效解决大风沙尘对复合绝缘子伞裙的损伤难题.然后对于绝缘子金具,采用添加抗磨损涂层的方式提升机械性能.通过溶胶-涂覆法在抛光后的金具表面制备保护型涂层,以Al2O3为主要涂层,ZrO2为改善层,制备了同层数的复合涂层,研究了ZrO2对金具表面Al2O3涂层微结构的影响,在金具表面形成致密且平整的涂层.研究结果表明,通过对绝缘子伞裙和金具的整体设计与材料研究,有效提升了复合绝缘子抗风抗磨损性能.     

皮秒激光-化学复合法制备高效减反射晶硅表面微结构研究

基于皮秒激光的"冷加工"特点,进行了用皮秒激光辐照结合快速化学腐蚀(Na OH溶液:质量分数为4%,不大于3 min,80℃水浴)调控工艺制备高效减反射晶硅表面微结构的研究,在400~1000 nm波长的宽光谱范围内,获得了微-纳双结构微孔阵列和圆顶锥形周期性阵列两种减反射表面,前者的平均反射率低于5%,后者的平均反射率低于10%。制备过程中工艺可控性强,无需掩膜和真空环境。研究了激光工艺参数和化学腐蚀参数的不同调控匹配在微结构单元形成中的作用机制,分析了所制备表面微结构的减反射机理,为太阳能电池和其他半导体器件中硅基减反射表面微结构的低成本激光可控制造提供了重要的指导。     

超疏水表面微结构的设计及其注射成型

目的 从超疏水表面的功能设计出发,主动设计三种深宽比的微结构阵列并洞察其在不同润湿接触状态下的疏水性能。方法 首先,采用热力学分析方法,建立三种深宽比微结构的系统自由能与其接触角、结构几何参数之间的函数关系,探明自主设计微结构表面的润湿性能。继而,在热力学分析的基础上,采用紫外光刻、电铸和注射成型技术相结合的方法实现三种深宽比微结构聚丙烯（PP）超疏水表面的制备。最后,进一步测量与分析聚丙烯（PP）微结构表面的润湿性能。结果 三种深宽比微结构表面的静态接触角测量值均大于150?,滚动角分别为12?、14?和15?,基本达到设计目标;同时,微结构表面的表观接触角测量值与理论计算值基本符合。表面的接触角滞后分别为15?、21?、22?,且接触角滞后随着深宽比的增加而变大,使液滴在PP表面的流动性也变差。结论 在设计微结构超疏水表面的过程中,可以适当降低微结构的深宽比,以获取更好的超疏水特性。自主设计的微结构表面基本实现超疏水性,为高聚物超疏水表面的功能设计与高效制备提供了理论依据与技术支撑。