氢离子注入钽酸锂的翘曲变化及颗粒研究

声表面波(SAW)滤波器急需使用高质量的钽酸锂压电单晶复合薄膜衬底材料来提升性能。离子注入后,晶圆翘曲增大,颗粒增加,键合工艺易产生不规则条纹和键合空洞等缺陷,严重阻碍高质量钽酸锂压电单晶复合薄膜材料的制备。通过X线衍射(XRD)、聚焦离子束透射电镜(FIB-TEM)及颗粒测试仪等设备对注入内部应力、损伤和颗粒变化进行分析表征,解释了翘曲增大和颗粒增多的原因,并提出了相应的解决方法,最后成功制备了翘曲低、颗粒少的注入晶圆。通过键合工艺进一步验证,获得了无条纹和空洞等缺陷的高质量键合晶圆,为钽酸锂压电单晶复合薄膜的高效制备奠定了基础。

硅基钽酸锂异质晶圆键合工艺研究

5G移动通信的发展对声表面波滤波器提出了高频、小型化、集成化的要求。相较于传统压电体单晶材料,采用硅基压电单晶薄膜材料制备的声表面波滤波器具有高频、低插入损耗、高温稳定性等优势,是高性能声表面波器件发展的核心基础材料。Smart-Cut^(TM)是制备硅基压电单晶薄膜材料的主要方法,键合工艺是其中的核心工序,键合质量决定了硅基压电单晶薄膜晶圆材料的质量,并影响器件性能。本文通过低温直接键合工艺,对等离子活化、兆声清洗、预键合、键合加固四道工序展开优化,最终实现了键合强度高达1.84 J/m^(2)、键合面积超过99.9%的高质量硅基钽酸锂异质晶圆键合。

BF-PT-BZT三元系高温压电陶瓷的介电压电温度稳定性

采用传统固相反应法制备0.54BiFeO_(3)-0.33PbTiO_(3)-0.13Ba(Zr_(x)Ti_(1-x))O_(3)(BF-0.33PT-0.13Ba(Zr_(x)Ti_(1-x)),0.4≤x≤0.8)三元系压电陶瓷,研究了Zr含量(x)对陶瓷的微观结构以及介电、铁电和压电性能的影响。X线衍射(XRD)结果表明,BF-0.33PT-0.13Ba(Zr_(x)Ti_(1-x))三元系陶瓷为单一钙钛矿结构,当0.4≤x≤0.7时,陶瓷相结构为三方-四方相共存;当x=0.8时,陶瓷为三方相结构。扫描电子显微镜(SEM)结果表明,随着Zr含量的增加,陶瓷晶粒尺寸逐渐增加。在25~400℃时,陶瓷的压电常数d 33的波动小于±6%。当x=0.7时,BF-0.33PT-0.13Ba(Zr_(x)Ti_(1-x))具有最优异的综合性能,其介电常数εr、居里温度T_(C)、压电常数d_(33)分别为1194(1 kHz)、438℃和330 pC/N,在25~300℃时,陶瓷的电容温度系数和压电常数变化率分别为16%和8%。结果表明,BF-0.33PT-0.13Ba(Zr_(0.7)Ti_(0.3))陶瓷在高温压电器件中具有较广的应用前景。

折叠结构的PVDF/BTO复合薄膜压电纳米发电机的制备及性能研究

为提高聚偏氟乙烯(PVDF)的压电输出性能,将钛酸钡(BTO)纳米颗粒引入到PVDF溶液中,使用流延法制备PVDF/BTO复合压电薄膜,采用高温拉伸与电极化工艺处理复合薄膜。使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪、差示扫描量热仪和准静态压电常数测试仪对复合薄膜的形貌和压电性能进行表征,探究BTO含量对PVDF/BTO复合薄膜的影响,研究BTO诱导PVDF链条偶极子重新排列形成β晶型的机理。结果表明,当BTO含量为10%(质量分数)时,PVDF/BTO复合薄膜的晶体结构中β晶型的含量最多,压电性能最强。最后设计了不同层数的折叠结构并组装制成压电纳米发电机(PENG),发现折叠层数越多,PENG的最大输出电压越高。

基于碰撞的多方向压电电磁能量采集器研究

针对传统单悬臂梁能量采集器工作频带窄,采集效率低,采集方向单一的问题,提出了一种基于碰撞的多方向压电电磁能量采集器。分析了引入碰撞的过程和多种工作模式的理论功率输出,建立了能量采集器的理论模型,制作了实验样机,研究了z方向不同碰撞间距对压电工作模式电压输出的影响,计算了最佳间距下不同工作模式的功率输出结果。结果表明,在碰撞间距为3 mm时,z方向压电工作模式可在更多频段产生机械耦合效应,输出电压最高达19.94 V,带宽为20.5 Hz,在混合采集工作模式下在x方向和z方向输出最高功率分别为0.11 W、0.46 W,带宽分别为18.5 Hz、20.5 Hz。

人工神经网络和电阻抗谱法压电材料快速表征

压电材料作为重要的功能材料,广泛应用于社会的各领域,但其弹性常数的偏差会导致应用过程中出现错误的设计,弹性常数的正确表征对压电器件的正确设计尤为重要。与其他测量方法相比,电阻抗谱仅需要阻抗分析仪即可实现测量,通过测量阻抗谱反演获得压电材料的弹性常数。传统电阻抗谱法通过不断修正材料参数,使得测量阻抗谱和计算阻抗谱最大程度吻合,该过程需要多次迭代,计算量大,耗时较长。该文提出采用神经网络建立阻抗谱到弹性常数的正向模型,测量得到阻抗谱后仅需一次正向计算即可得到弹性常数。使用Comsol和Matlab联合仿真建立数据集,引入丢弃法避免模型过拟合,利用Pytorch建立模型,经过训练后,最大谐振频率偏差从初始2.8%降至0.8%。该技术为压电材料弹性常数精密测量提供可靠的理论与实践途径。

基于卷积自编码网络的杆塔点云数据分类技术

目前,我国输电线路巡检方法主要以人工巡检为主,直升机巡检为辅。这种巡检方式对于输电线路中的杆塔点云数据的寻找和分类,主要依赖于人工操作,存在工作效率低下,操作方法复杂费力等问题。因此,如何探索高效的巡检方式,以有效提高电力巡检的工作效率,减少人工巡检工作量,降低运维成本和压力,成为了我们亟待解决的问题。本文的研究立足于输电线路巡检的现实情况与需求,提出了一种基于神经卷积神经网络的杆塔点云数据自动分类方法。首先,借助该方法对杆塔点云数据进行方向校正,然后通过侧面投影获取杆塔点云图像。接着,利用无监督的机器学习方法,对杆塔点云图像特征进行提取。最后,使用均值最大化算法,完成对杆塔点云图像特征的自动分类。最终通过测试显示,此次研究中所提出的自动分类算法的正确识别率可以达到100%(269/269= 100%),证明本文所提出的数据分类方法是切实有效的。

新型带电区域防误入安全装置的设计

变电站内GIS设备在检修时存在对停电范围和带电部位不能直观的从现场围栏,安全措施上得到警示。检修过程中无法对检修管母、运行管母进行有效隔离,导致现场人员无法确认设备的状态,可能会发生误入带电间隔的现象。运行设备的操作机构与检修设备的操作机构无法有效隔离,目前只能用红布幔对运行设备进行包裹,安措过程实施起来比较困难,且不安全。因此,本项目针对以上可能出现的问题,提出有效隔离方案,并研制相应的治理装置。所述装置安装于管母及操作机构箱上,做到真正有效隔离运行管母、检修管母及操作机构,避免发生误操作现象。

输配电工程中变压器的安装以及调试分析

近年来来,城市建设的迅猛发展中,人们的生活水平也得到了不断提升,人们对供电的需求量随之不断加大。为了更好满足人们日益增长的用电需求,显著提高我国电力工程的服务质量,我国的输配电工程就必须要得到相应的发展。多种变电所构成了输配电工程,而变电所的核心就是变压器,因此,为了保证输配电工程有效运行,就一定要确保变电所正常运行,就必须要做好变压器的安装调试工作,使变压器安全、有效运行。本文主要对变压器的安装调试进行研究,希望对促进我国电力工程的发展做出一定的贡献。

铁电光伏效应的理论机制及其研究进展

近期,铁电体的反常光伏效应在太阳能光伏领域引起了广泛关注。基于体光伏效应的铁电光伏器件的内部机制与基于p-n结的传统光伏器件不同。体光伏效应是指在缺乏反演对称性的材料中产生稳定的光电流和超过带隙的光电压。尽管体光伏效应具备巨大应用潜力,但其内部机制尚不明确。回顾了铁电体中铁电光伏效应的理论发展历程和最新进展,重点讨论了体光伏效应的内部机制和理论模型。揭示了对体光伏效应现象与弹道电流、位移电流机制的理论理解及其实验研究。最后,讨论了体光伏效应在未来应用中所面临的机遇和挑战。

铁酸铋薄膜柔性化微纳制造及铁电性能

研究了铁酸铋薄膜的柔性化可控制造方法及其电畴调控动态。利用脉冲激光沉积法制备了周期性畴结构的铁酸铋薄膜,结合可控剥离技术,完成了铁酸铋薄膜从刚性基底到柔性基底的制备过程。利用原子力显微镜和压电力显微镜技术对柔性化铁酸铋薄膜的微观形貌和铁电特性进行表征。结果表明,柔性化后的铁酸铋薄膜保持完整的表面形貌特征(粗糙度保持不变),电畴反转特性保持可调,且保持良好的铁电特性及电畴反转响应。该研究为铁酸铋薄膜的柔性化制备提供了一种新思路。

基于重复性的单元机组冷却水塔内循环水回收利用技术

为了避免循环水长期停用造成大量污水排放,同时针对单元机组频繁启停和长时间停运,无法实现对临机冷却水塔内循环水回收利用的问题,提出基于重复性的单元机组冷却水塔内循环水回收利用技术。分析循环水对单元机组冷却水塔的腐蚀速率,获取单元机组冷却水塔液位和循环水的水质,采用优化循环水系统的运行方式,结合循环水系统运行方式和设备特性,实现单元机组冷却水塔内循环水的重复性回收利用。实验结果表明,经该方法优化循环水系统的运行方式之后,两台机组冷却水塔的腐蚀率都达到了国标要求,产生了一定的经济效益,强化了循环水系统的重复利用性,进而提高了机组的安全可靠性。

基于PVDF的可穿戴鼾声监测系统

阻塞型睡眠呼吸暂停综合征(OSAS)是常见的睡眠类疾病,为满足居家对OSAS进行初步筛查和诊断,该文设计了基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的鼾声监测系统。可穿戴式的鼾声监测系统包含高灵敏度鼾声传感器、低噪声信号调理电路、嵌入式系统及上位机系统。根据鼾声段和非鼾声段能量差异大的特点,基于短时能量法进行鼾声端点检测算法设计,通过采集的鼾声信号进行算法验证。经测试,系统采集的鼾声信号信噪比高,端点检测平均误差小于0.032 s,准确率达92.6%,满足潜在OSAS患者的筛查要求以及进行康复训练的自我检查,同时可减轻患者筛查和医学多导睡眠图(PSG)检测的负担。

Mo掺杂Cu_(3)Ti_(2)Ta_(2)O_(12)陶瓷的介电性能研究

本研究采用固相烧结法制备了Mo掺杂Cu_(3)Ti_(2)Ta_(2)O_(12)陶瓷,研究了其微观结构、复阻抗及介电性能。结果表明:所有Cu_(3)Ti_(2)Ta_(2-x)Mo_(x)O_(12)陶瓷均形成了类钙钛结构CTTO晶相,且Mo掺量增加时存在TiO_(2)第二相。Mo的掺杂促进了CTTO陶瓷晶粒的生长,增大了样品的ε′,降低了tanδ。R_(gb)值也逐渐增加,提高了φ_(b),晶界电性能得到了增强,显著改善了材料的介电性能。

330 MW锅炉空气预热器隔仓板与元件间的缝隙对排烟温度的影响分析

为了分析回转式空气预热器隔仓板与传热元件之间的缝隙对排烟温度的影响,对某330 MW电站锅炉回转式空气预热器建立等阻力及等流速2种模型,计算不同隔仓板与元件间的缝隙下的排烟温度,得出了不同缝隙下的排烟温度。结果表明:缝隙小于6 mm时对排烟温度的影响较小,缝隙大于12 mm时对排烟温度的影响较大。通过计算结果与实际运行参数的对比,得出排烟温度的最大相对偏差为2.73%,验证了计算方法的准确性。

42°Y钽酸锂晶体生长及性能研究

钽酸锂晶体具有优异的压电性能,是声表面波(SAW)滤波器广泛使用的衬底材料。该文采用自主研制的提拉单晶炉,成功生长出4英寸、42°Y方向、外观完整的钽酸锂晶体。经可见及近红外分光光度计测试,晶体透过率接近80%;经X线摇摆测试,其半高全峰宽(FWHM)为28.4″,单晶性较好;采用差热分析仪对生长的晶体头尾进行居里温度测试,居里温度偏差为4.4℃。声表面波性能测试结果表明,钽酸锂晶体的声表面波速度、机电耦合系数和频率温度系数等指标均满足SAW滤波器的使用要求。

高储能密度铁酸铋基无铅铁电陶瓷研究进展

电介质电容器因其充放电快、功率密度高的独特优势而在脉冲电源系统和各类电子设备中得到了广泛应用。目前商用高功率固态电容器主要使用陶瓷介质作为储能材料,其中铁电陶瓷因其高储能密度而在近年来受到了学者的关注。然而普通铁电体高的剩余极化强度阻碍了其储能密度的提升。铁酸铋基铁电体拥有高自发极化强度和高剩余极化强度,通过诱导弛豫态可有效降低其剩余极化强度而保持较大的自发极化强度,并解决击穿场强与极化强度之间的制约关系,从而实现优异的储能性能。首先概述了介质储能材料的主要性能参数以及铁酸铋无铅铁电陶瓷作为铁电储能材料的特性与优势,其次对不同形态的铁酸铋基铁电材料储能性能的调控思路及研究进展进行了综述,最后总结了该体系提升储能性能的方法和未来的发展趋势。

带异形孔的双稳态压电能量采集器研究

针对传统线性压电悬臂梁能量采集器共振频率高、偏离共振频率时输出电压快速下降的问题,该文设计了一种悬臂梁基板上带异形孔的新型双稳态能量采集器。建立该能量采集器的理论模型,并制作了实验样机,研究了该能量采集器在外界不同正弦激振频率下,磁间距对其输出电压和工作频带的影响。结果表明,随着磁极对间距减小,带异形孔结构的双稳态能量采集器的双稳态效应先增强再减弱,由此确定最佳磁极对间距为12 mm,谐振频率为18 Hz,最大输出均方根电压达到12.01 V,采集器有效工作频率为15.5~22.5 Hz,工作带宽达到7 Hz,带异形孔的双稳态能量采集器具有更宽的采集频带,在低频振动环境下具有更高的输出电压响应。

三稳态压电-电磁复合能量采集器性能研究

为了提高双稳态压电电磁复合能量采集器(BPEEH)的能量转换性能和转换效率,该文在典型BPEEH的基础上,提出了一种新颖的三稳态压电电磁复合能量采集器(TPEEH)。与传统的BPEEH相比,其兼有一个新颖的电磁发电装置,进一步构成三稳态系统。该文通过对TPEEH结构装置建立数学模型,进行了数值分析,并得到该采集器系统的势能变化函数。在此基础上,通过实验验证了外界激励频率、磁铁间距及电路负载电阻对该采集器输出电压和功率的影响。实验结果表明,当磁距为16 mm,外部磁间距为26 mm,外部激励频率为10.2 Hz时,TPEEH采集器有最大的输出电压(为6.3489 V),同时在外部负载电阻为500Ω时,采集器获得最大输出功率(为0.08 W)。与传统的BPEEH采集器相比,TPEEH采集器的采集谐振频率低,采集频带宽,输出电压和功率高,从而提高了能量转换性能和效率。

Tm^(3+)对AgNbO_(3)反铁电陶瓷微结构和储能性能的影响

AgNbO_(3)无铅反铁电材料作为一种极具潜力的电介质储能材料,近年来受到了广泛的关注。然而,储能密度和储能效率较低,限制了它的应用。本工作研究了Tm^(3+)对AgNbO_(3)陶瓷的微结构、介电性、铁电性和储能性能的影响。结果表明,Tm^(3+)取代AgNbO_(3)陶瓷A位的Ag^(+),具有明显的细化晶粒的作用,增强了反铁电相的稳定性,使其储能性能显著提升。反铁电相稳定性的增强是由于Tm^(3+)的引入降低了结构的容差因子和产生了Ag空位,破坏了阳离子位移和氧八面体倾斜等长程相互作用的结果。AgNbO_(3)-0.1%(原子分数)Tm_(2)O_(3)陶瓷在200 kV/cm下表现出优异的储能性能(可回收储能密度为3.32 J/cm^(3),储能效率为62.5%),在高功率脉冲电子器件中具有潜在的应用前景。