碳膜原子氧传感器研制及地面性能测试

研制低地球轨道(LEO)原子氧(AO)探测器并且开展AO环境在轨监测对于LEO航天器设计及防护具有重要意义。基于电阻分析法的碳膜AO传感器因工作时间较长、响应线性度较好且无污染,在国内外得到较多应用。为优化AO在轨监测手段,设计了一种矩形碳膜AO传感器:采用阴极电弧放电工艺制备了厚约2.5μm的AO敏感碳膜;利用AO地面模拟设备,测试了传感器的性能,并表征了碳膜在AO作用前后的形貌。结果显示,传感器碳膜的初始电阻与AO试验过程中的实时测量电阻的比值R0/R与AO积分通量F具有较好的线性关系。根据测试结果推导,该传感器能探测的最大AO积分通量约为2.29×10^(21)atom·cm^(-2)。

Ti掺杂类金刚石薄膜的制备及其高温摩擦学性能研究

为探究金属Ti掺杂DLC薄膜在高温环境下的摩擦磨损行为,通过射频磁控溅射和直流磁控溅射混合的沉积系统制备不同Ti含量的Ti-DLC薄膜,利用SEM、XRD、Raman、纳米压痕和摩擦试验机等分析Ti含量对Ti-DLC薄膜的微观结构、力学性能及不同温度下的摩擦学性能的影响。结果表明:Ti掺杂使得Ti-DLC薄膜中sp^(3)键的占比随着Ti含量的增加先升高后下降;Ti掺杂提高了Ti-DLC薄膜的硬度和弹性模量,并一定程度上提升了Ti-DLC薄膜的膜基结合力。摩擦测试表明:在常温下,Ti-DLC薄膜的摩擦因数和磨损率随Ti含量的增加而下降,但薄膜发生明显的磨粒磨损,且磨损率略高于DLC薄膜;Ti掺杂有效地提高了DLC薄膜的热稳定性和高温摩擦学性能,在300℃的高温下,掺杂薄膜仍维持较低的摩擦因数和磨损率。

基于电沉积水热法的钢表面Mg-Al-NO_(3)-LDH膜原位生长制备及沉积电位优化

为提升建筑用钢的耐久性,通过电沉积法在钢表面形成层状双氢氧化物(LDH)晶核,再通过水热反应让LDH晶核生长成形成致密的Mg-Al-NO_(3)-LDH膜,分析了电沉积电位对钢基底表面LDH膜生长的影响,讨论了LDH膜的形成机理.结果表明,当电沉积电位为-1.4 V(相对于Ag/AgCl电极)时,LDH纳米片聚集堆叠致密,形成的LDH膜结构最为密实,实现了对钢基底良好的锈蚀防护.

主动磁悬浮轴承系统保护轴承热特性研究及减摩设计

针对主动磁悬浮轴承系统(AMBs)转子跌落过程中转子与保护轴承碰摩产生巨大冲击、振动和大量摩擦热,易使保护轴承失效的问题,对立式转子跌落到保护轴承过程中的热特性进行了研究,分析了转子跌落对保护轴承造成破坏的主要影响因素,进而提出了一种采用磁控溅射技术在保护轴承关键表面沉积固体润滑薄膜(类石墨碳基薄膜,GLC)的减摩方法,并对镀膜、未镀膜的保护轴承进行了转子跌落试验。研究结果表明:跌落转速为20000 r/min时,保护轴承的最高温度为210.60℃,出现在转子与轴承内圈端面高速碰摩阶段,该温度超过了轴承钢160℃的回火温度,导致轴承烧伤而失效。在跌落试验中,镀有GLC薄膜的自润滑保护轴承试验后的沟道和端面外观明显优于未镀膜保护轴承,由碰摩发热导致的内圈端面硬度下降也较轻,质心轨迹和轴向位移更加平稳,温升更低,GLC薄膜起到了关键的自润滑和减摩功能,提高了保护轴承的使用寿命和服役可靠性,为解决主动磁悬浮轴承系统中保护轴承易失效而发生重大事故的问题提供了一种思路和方法。

基于纳米纤维素和碳点的荧光复合材料的制备与应用研究进展

碳点是一种新型的零维荧光纳米材料,具有优异的光学性能、高热稳定性和化学稳定性,是近几年的一个研究热点。从天然生物质中提取的纳米纤维素,具有比表面积大、环境友好和可生物降解等特点。以纳米纤维素为载体掺杂碳点制备的复合材料兼具优异的荧光性能和机械性能,具有重要的应用价值。本文综述了基于纳米纤维素和碳点的荧光复合材料的制备与应用,简要介绍了碳点的性质和制备,论述了纳米纤维素基荧光碳点水凝胶、薄膜以及气凝胶和油墨等复合材料的制备方法及相关应用,并对纳米纤维素和碳点的荧光复合材料的发展进行展望。

碳纳米管模板导向制备煤沥青基电热材料及其性能调控研究

本研究以煤沥青为原料、多壁碳纳米管为结构导向剂,通过炭化制备了形貌和结构可控的煤沥青基碳膜,考察了多壁碳纳米管对导电填料结构及碳膜电热性能的影响规律。研究发现,多壁碳纳米管掺杂导致导电填料的晶格排列有序度增加、晶格间距减小和石墨化程度提高;多壁碳纳米管的引入提高了碳膜的载流子浓度,进而显著提高了其导电性。掺杂2%碳纳米管,可使煤沥青基碳膜的载流子浓度提高3.2倍、电阻降低67%;在5、10和15 V电压下,煤沥青基碳膜的发热温度分别可达44、88和165℃,相对未掺杂碳膜分别提高了7、22和70℃,显示出极大的应用前景。

Ti掺杂非晶碳复合光热转换薄膜的制备及性能研究

光热转换薄膜是太阳能光热利用的核心部件,直接影响光热转换效率。采用反应磁控溅射技术,使用Ti靶和石墨靶制备了Ti/a-C:H/Ti(H)/a-C:H/Ti(L)/a-C:H复合光热转换薄膜,研究讨论了薄膜的形貌特征和结构组成,并对其光吸收特性进行了分析。结果显示:复合薄膜具有显著的光谱选择性特性,其中Ti和C以TiC形式存在于吸收层中;薄膜较高的表面粗糙度有助于增强光的吸收能力;复合薄膜的吸收率为0.91,发射率为0.13,具有优异的光学性能。

调制周期对磁控溅射Cr/类石墨碳多层膜腐蚀-磨损性能的影响

海洋环境用关键运动部件在使用时承受腐蚀与磨损的交互作用,在其表面涂覆耐腐蚀-磨损防护涂层是提高其服役寿命的有效手段之一。本工作采用直流磁控溅射沉积技术在15-5PH不锈钢试样上制备调制周期为940 nm、375 nm和234 nm的Cr/GLC多层膜(分别标记为S1、S2和S3),并通过微观形貌分析、电化学试验、腐蚀-磨损试验分析了调制周期对Cr/GLC多层膜的结构、电化学性能及耐腐蚀-磨损性能的影响。研究结果表明:随着调制周期的缩短,薄膜柱状生长趋势逐渐减弱,膜层更加致密,同时sp^(2)键相对含量逐渐增大,石墨化程度加剧,力学性能更优。在人工海水介质中,随着调制周期的缩短,薄膜层间界面增多,抑制了裂纹的扩展和腐蚀通道的形成,阻碍了腐蚀介质的渗透,多层膜S3的耐腐蚀性能最优。在腐蚀-磨损过程中,由于载荷和腐蚀介质的共同作用,具有致密结构、适宜调制周期的S2薄膜的磨损率仅为2.50×10^(-16)m^(3)/(N·m),表现出最优的耐腐蚀-磨损性能。因此,设计合适的调制周期是提高Cr/GLC多层膜耐腐蚀-磨损性能的关键。

异质a-C:H/a-C:H:F配副的摩擦学行为研究

目的研究F元素掺杂非晶碳基薄膜与a-C:H薄膜摩擦配副的摩擦学行为机制。方法利用PECVD法在Si基底上制备a-C:H:F薄膜,与直径为6.0mm的a-C:H薄膜摩擦对偶球组成摩擦配副体系,使用往复模式的CSMTRB3摩擦机研究a-C:H:F薄膜的摩擦学特性,频率为5Hz,滑动总次数为9000,外加载荷分别为2、4、6、8、10 N。通过纳米硬度、X射线光电子能谱、傅里叶红外光谱、激光共聚焦拉曼光谱、场发射扫描电镜及CSM摩擦试验机等,分别评价a-C:H:F薄膜的结构、表面形貌、力学性能、摩擦学性能等。结果在干摩擦环境下,随着载荷的增加,a-C:H:F薄膜的摩擦因数逐渐降低,平稳后摩擦因数低至0.018。通过掺杂F元素,一方面促进了薄膜的sp^(2)-C杂化,另一方面增大了薄膜的无序度。F元素具有钝化薄膜表面和静电排斥的作用,使得a-C:H:F薄膜具有较低的摩擦因数和磨损率。结论采用PECVD方法制备的a-C:H:F薄膜具有更好的减摩降损能力。

石墨烯/碳纳米管复合电热膜制备过程工艺优化及预测模型

目的本文利用响应面法和神经网络遗传算法对石墨烯/碳纳米管复合电热膜的固化工艺进行优化,并对2种方法的优化结果进行比较,为复合电热膜制备提供了最佳的工艺参数。方法通过单因素实验探讨浆料定量、固化温度和固化时间对复合电热膜体积电阻率的影响,在此基础上进行BB试验设计,在BB试验结果上进行响应面法(RSM)和BP神经网络分析及优化。结果单因素实验结果表示随电热膜定量增加,体积电阻率先下降后上升,随着固化温度的升高或固化时间增加,体积电阻率逐渐下降直至趋于稳定。对BB响应面法和GA-BP遗传神经网络法优化获得的最佳工艺进行实验验证,GA-BP遗传神经网络模型优化的结果相对误差较小为1.06%,因此得出最佳固化工艺参数:定量为0.056 g/cm^(2)、固化温度为85.71℃、固化时间为11.13 h。该研究结果对石墨烯碳纳米管复合电热膜的制备工艺具有参考价值。结论通过响应面方差分析表明,定量、固化温度和固化时间三因素对体积电阻率既有显著的线性影响,也有极其显著的平方影响。BP神经网络预测模型的准确性很好,可用于石墨烯/碳纳米管复合电热膜体积电阻率的预测。

单壁碳纳米管太赫兹超表面窄带吸收及其传感特性

由于碳纳米管具有优异的电学和光学特性,因此在光电子学领域具有广泛的应用前景.本文使用真空抽滤法,将单壁碳纳米管粉末分散液通过真空过滤的方式,制备了一种各向同性的单壁碳纳米管薄膜;进而提取了薄膜在0.4—2.0 THz范围内介电参数,并设计了一种基于单壁碳纳米管薄膜的新型太赫兹超表面窄带吸收器,这种超表面吸收器是由方形与工字形狭缝谐振器构成.实验和仿真结果表明,提出的太赫兹超表面吸收器在0.65,0.85,1.16和1.31 THz处存在4个明显的共振吸收峰,实现了最高可达90%的完美吸收.利用多重反射干涉理论阐明了这种多频带新型太赫兹超表面的吸收机制.通过在超表面器件表面覆盖具有不同折射率的介质层,深入研究了超表面作为折射率传感器的传感性能.研究结果表明,这种新型超表面吸收器用于折射率传感具有较高的灵敏度,为进一步开发新型碳基太赫兹超表面吸收器提供了新的思路和方案.

真空环境下类富勒烯碳薄膜与不同配副材料的摩擦学性能

目的提高类富勒烯碳薄膜真空摩擦学性能。方法采用等离子增强化学气相沉积技术(PECVD)制备了类富勒烯碳薄膜(FLC),利用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱(Raman)和纳米力学仪等研究了薄膜厚度、结构及力学性能。采用真空摩擦试验机考察了真空环境下类富勒烯碳薄膜分别与非晶碳薄膜(DLC)、FLC、钢球和MoS_(2)薄膜组成配副的摩擦学性能,结合磨痕形貌和转移膜Raman及HRTEM结构分析,探究了材料的摩擦磨损机制。结果MoS_(2)与FLC组成的摩擦副具有低摩擦因数(0.02)和低磨损率(10‒20 m^(3)/(N·m)),类富勒烯碳薄膜具有高硬度,能够在摩擦过程中支撑容易“坍塌”的MoS_(2)。结论在摩擦过程中类富勒烯结构因剪切力和Mo的催化作用发生解构现象,引起薄膜中的sp3向sp2转变,并且重建为片状石墨片。MoS_(2)形成了转移膜在摩擦过程中扮演的角色一方面是润滑剂,另一方面是催化剂,作为润滑剂能够改善磨损情况,作为催化剂参与类富勒烯结构的重构过程,获得在真空环境下的低摩擦因数和低磨损性能。

钽掺杂含量对类金刚石薄膜力学性能及生物相容性的影响

目的探索钽(Ta)掺杂类金刚石(DLC)薄膜的结构转变规律,并提升其力学性能、摩擦性能及生物相容性能。方法采用非平衡性磁控溅射镀膜技术,在0~0.5 kW功率下,制备了不同Ta掺杂含量的DLC薄膜。对其微观形貌、组织成分、摩擦性能、力学性能以及生物相容性进行了详细表征。结果钽的掺入提升了碳的沉积速率,导致薄膜厚度增加,薄膜中sp3-C含量随Ta掺杂量的增加先升高后降低。在Ta-0.2 kW及以上的DLC薄膜中出现了TaC晶体和Ta—Ta纳米团簇,这导致薄膜表面粗糙度先增后减。与未掺杂的DLC薄膜相比,掺杂Ta的DLC薄膜的膜基结合力从10 N提高到25 N,断裂韧性从0.6 MPa·m^(1/2)提高到1.6 MPa·m^(1/2)以上,干摩擦因数从0.45降低到0.1~0.15,湿摩擦因数0.35降低至约0.1,干摩擦磨损率从4500×10^(-6)mm^(3)/(N·m)降低至7×10^(-6)mm^(3)/(N·m)以下,湿摩擦磨损率更是降低到1×10^(-6)mm^(3)/(N·m)。但掺杂Ta的DLC薄膜的弹性模量有所降低,润湿性也略有下降,硬度并没有太大改变。此外,掺杂Ta的薄膜还表现出了良好的诱导羟基磷灰石形成能力,生成的羟基磷灰石层的钙磷原子比(Ca/P)介于1.4~1.65,接近人体的Ca/P比例,并且无论掺杂还是未掺杂的薄膜均未显示出细胞毒性。结论钽的掺入显著提升了DLC薄膜的膜基结合力、断裂韧性、摩擦磨损性能和促进羟基磷灰石形成能力。因此,这种薄膜具有作为生物保护层应用于植入体表面的潜力。在Ta-0.4 kW时,Ta-DLC薄膜展现出了最佳的综合性能。

掺硅类金刚石薄膜的HiPIMS-MFMS共沉积制备及其高温摩擦学行为研究

元素掺杂是提高类金刚石(DLC)薄膜高温耐摩擦性能的重要途径.本文中采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)和中频磁控溅射(MFMS)复合技术在304不锈钢表面沉积具有不同Si含量的掺硅类金刚石(Si-DLC)薄膜,利用原子力显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、纳米压痕和UMT-TriboLab摩擦试验机等系统分析了Si含量对Si-DLC薄膜的结构、力学性能及不同温度下的摩擦学性能的影响,重点探讨了Si-DLC薄膜在高温下摩擦磨损机制.结果表明:Si-DLC薄膜中Si以四面体碳化硅的形式随机分布于无定型DLC基体中,增强薄膜的韧性.同时,Si掺杂使DLC薄膜向金刚石结构发生转变并显著提高了薄膜的硬度.摩擦结果表明,当Si原子分数为15.38%时,Si-DLC薄膜在常温下的摩擦系数和磨损率最低,同时该薄膜在300℃下能维持在较低的摩擦系数(约0.1),主要是由于Si-DLC薄膜中的四面体碳化硅结构能够提升sp^(3)键的稳定性.此外,Si-DLC薄膜中的Si在高温摩擦时会在对偶球表面形成1层SiO_(2)保护层,减缓Si-DLC薄膜和过渡层的氧化,使得薄膜能够在高温下持续润滑.当Si含量进一步增加时,Si-DLC薄膜的力学性能显著提升,然而其摩擦学性能发生明显降低,主要是当DLC薄膜中的硅含量过高时,大气环境下的高温摩擦使得薄膜内的氧化加剧,过量氧化硅的生成破坏了薄膜结构从而导致摩擦性能下降.

基于电介质薄膜的器件自愈性能的研究现状

随着能源与电力技术的不断发展,对电容器的需求越来越大,而各种资源的稀缺强调了利用各种能源的必要性,对于各种储能器件如金属化薄膜电容器以及基于电活性聚合物(electroactive polymers,EAP)的能量转换装置提出了更高的要求。然而这两类装置却极易发生电击穿,在工作循环中有着极高的故障率,因此器件的自愈性具有十分重要的意义。文中综述了金属化薄膜电容器和EAP能量转换装置自愈性能的国内外研究现状,首先重点关注了金属化薄膜电容器中自愈理论发展以及各种关键参数对自愈的影响,其自愈最为稳定且研究相对完善。随着介电弹性体的兴起,想要其拥有自愈性能,参考金属化薄膜电容器的结构是一个可行的思路。但如何使得金属电极满足大应力大形变的需求成为一种柔性电极是一个很大的挑战。碳电极是弹性体中应用最为广泛的电极材料,它拥有极好的形变能力,但对于其自愈性能的深入研究较少且缺乏成熟的理论支撑,使得其在工业领域中难以应用和改善。最后总结对比了金属电极以及碳电极在自愈性能上的差异,并预测了可自愈柔性电极新的发展方向,进一步拓展自愈性的器件在工业领域中的应用。

聚酰亚胺柔性基底红外隔热和保护膜的制备及性能分析

针对聚酰亚胺具有抗高温、易弯折可贴敷、良好的机械延展性和拉伸强度等特性,在125μm厚的柔性聚酰亚胺材料上制备红外隔热和保护膜.在制备过程中,通过对离子源的能量调控可提高柔性基底表面膜层的附着力,根据最小二乘法原理构建薄膜材料光学常数和温度间的关系式,以解决温度变化对薄膜光学性能的影响.在类金刚石薄膜沉积中,采用预热处理法以解决柔性基底变形导致膜厚均匀性较差的问题.红外光谱检测和分析表明,在聚酰亚胺基底上制备的红外隔热薄膜满足使用要求.

磁场辅助激光生长类金刚石膜的微结构及光学性能

在脉冲激光沉积技术中引入非均匀磁场,探索磁场约束激光等离子体条件下生长类金刚石膜的特性,为进一步提高类金刚石膜中sp~3键含量、增强微结构调控提供理论和实验基础.计算了磁场的磁感应强度及其磁力线分布,仿真了碳离子在磁场约束下的飞行轨迹,显示出磁场限制了碳离子的自由膨胀,使其螺旋前进并向永磁体中心区域聚集.膜层表面干涉和椭偏测量的拟合参数显示,磁场的磁感应强度越高,激光生长类金刚石膜的厚度及光学性能越不均匀.拉曼光谱及其拟合结果显示,磁场有利于提高碳网络结构的局部压力、提高膜层中的sp~3键含量.

高速钢表面类金刚石薄膜的掺氮改性研究

高速钢表面类金刚石(diamond-like carbon,DLC)薄膜的沉积效率和膜-基结合力影响其在切削刀具领域的应用。基于空心阴极原理,利用等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)的方法,在体积比为1∶3的CH_(4)和C_(2)H_(2)的混合气体中加入N_(2)在高速钢表面制备类金刚石薄膜,研究了N_(2)体积分数对DLC薄膜结合力和耐磨性的影响。结果表明:掺氮可提高DLC薄膜的沉积效率,改善膜结构。随着N_(2)体积分数的增加,DLC薄膜中sp^(3)键含量和摩擦因数均先增大后减小。掺10%体积分数N_(2)的DLC薄膜厚度达1543 nm,膜-基结合力等级从HF4提高到HF2,摩擦因数降至0.139,耐磨性提高。

载荷对非晶碳基薄膜腐蚀磨损性能的影响

腐蚀环境条件下的动力件经受腐蚀和磨损的双重损伤,载荷的往复作用使得金属表面的钝化层失去作用而加速损伤,非晶碳基薄膜在腐蚀和摩擦领域展现出优异的防护性能。为了研究载荷对非晶碳基薄膜腐蚀磨损性能的影响,明确各个损失分量随载荷的变化关系,采用磁控溅射在304不锈钢表面制备了a-C薄膜、a-C:Cr薄膜和a-C:Si薄膜,通过动电位极化测试3种薄膜在5.0 mol/L HNO_(3)条件下的静态腐蚀行为,同时结合3种薄膜在去离子水和5.0 mol/L HNO_(3)环境下的不同载荷作用的磨损量,分析研究了载荷对腐蚀摩擦过程中各个分量的影响。结果表明:Si掺杂使a-C薄膜的腐蚀电流密度从1.11×10^(-6 )A/cm^(2)降低至3.96×10^(-7 )A/cm^(2),Cr掺杂后腐蚀电流密度略微降低;随着载荷的增加3种薄膜的腐蚀损伤分量降低,机械磨损分量相应增加,对应的腐蚀-磨损交互作用对薄膜的损伤作用减弱。

氩气流量对射频CVD法沉积类金刚石碳薄膜的影响

文章采用射频CVD沉积法,以甲烷和氢气为反应物,在硅(111)基底上沉积类金刚石碳薄膜,分析不同氩气流量对类金刚石碳薄膜性能的影响。利用激光拉曼光谱仪对类金刚石碳薄膜的结构特征进行分析,发现在1400~1700 cm^(-1)区间,有一个明显的宽G峰,而在1300~1400 cm^(-1)区间,则出现了一个较弱的肩D峰。研究结果表明,当氩气流量为0 ml/min和10 ml/min时制备的薄膜,符合类金刚石碳薄膜的典型特征;并且随着氩气浓度的增大,可以促进类金刚石碳的生长、抑制杂质的生成以及减少类金刚石碳中的含氢量。当氩气浓度增大到一定值后,则开始抑制类金刚石碳的生长,直至无法长出类金刚石碳膜。当氩气流量为10 ml/min时,获得的类金刚石碳薄膜是最好的。