基于介电弹性体的旋转步进柔性驱动器

为了适应未来小型自动化机器的驱动需求,设计并实现了一种基于单层介电弹性体薄膜的旋转步进柔性驱动器。相对于传统双轴拉伸装置,自制的八爪拉伸装置使介电弹性体薄膜的预拉伸更均匀。测试了不同预拉伸量下介电弹性体驱动器的最大形变量,确定了制作驱动单元所需的介电弹性体薄膜最佳的预拉伸量。最终通过合理的设计将棘轮机构和驱动单元相结合实现了旋转步进柔性驱动。由于介电弹性体驱动器存在迟滞现象,导致驱动器的步进频率会随着负载质量的增大而减小。通过调节驱动信号的频率,可以改变驱动器的负载能力及步进频率。试验结果表明,当驱动电压为4.53 kV,空载时驱动器步进频率最高可达2.3 Hz;负载时,最大负载为263 g,即峰值扭矩为13.15 mN·m,此时步进频率降至0.22 Hz。

微管式固体氧化物燃料电池两管串/并联电堆教学演示仪

用银线和银浆作为连接体将两根微管式固体氧化物燃料电池(μT-SOFC)串/并联制备成双管电堆。银因其优异的导电性和商业应用性,非常适合作为燃料电池电堆的连接体。在μT-SOFC两个阳极的方形取电口上涂覆银浆,与另一根电池的阴极或阳极连接,实现双电池的串联或并联。当运行温度为650℃时,串联的双管电堆的开路电压(OCV)接近2 V并且最大的输出功率(MP)达到了8.57 W;另外,并联电堆的OCV达到1.03 V,MP达到7.06 W。串/并联的双管电堆的输出功率能够驱动灯泡、风扇和外接的其他负载。电堆经过5 h的长期运行后依然保持着良好的稳定性,完全支持两个课时的教学演示实验。为锻炼学生的动手实验能力和加强SOFC原理的理解,教学实验将要求学生在完成电堆搭建的同时,设计制造一些小型电子负载,来演示SOFC的电化学性能。

有机载体对铜电极浆料性能影响的研究

随着微型电子产品的蓬勃发展,传统的贵金属浆料由于成本等因素逐渐无法满足市场的需求,因此需要开发具有成本优势的新型贱金属电子浆料。铜电极浆料因为整体优势而受到广泛关注。电子浆料在印刷使用过程中对粘度、触变性等流变性能有着严格的要求,而流变性能主要由有机载体决定。通过正交试验的方法,系统地研究了有机载体中各成分的配比对铜电极浆料粘度、触变性的影响。表征了烧结后铜膜的方阻、附着力。结果表明,粘结剂乙基纤维素对铜浆性能影响最大。当蓖麻油为质量分数9%,氢化蓖麻油为2%,乙基纤维素为3%时,能得到综合性能最优的铜浆。在950℃烧结2 h后可得到方阻小于2.97 mΩ/□、附着力高于4.13 MPa的铜膜。

Pd掺杂SnO2厚膜CO2气体传感器的制备及其气敏特性研究

当前CO2的过度排放引发了一系列的环境问题,CO2的检测技术成为气体传感器研究领域的热点。半导体气敏传感器是气体传感器研究的主流方向之一,其中丝网印刷法是制备厚膜传感器的最常见的方法。本文采用纳米SnO2作为主要的气敏材料,制备了不同Pd掺杂含量的SnO2浆料,然后采用丝网印刷法制备了SnO2厚膜CO2气体传感器。研究发现,当Pd的含量为SnO2的1%(质量分数)时,传感器在258℃工作温度下,对CO2有最大的响应值1.98。该传感器能够检测的CO2浓度下限为1000ppm,其响应值随着CO2浓度的升高而增大。

便携式甲醇蒸汽重整制氢耦合固体氧化物燃料电池实验装置设计

该文提出一种用于本科教学实验的甲醇蒸汽重整制氢(MSR)和微管式固体氧化物燃料电池(MTSOFC)教学演示仪。阳极支撑型MTSOFC和MSR催化剂分别使用挤出成型-浸浆工艺和液相合成法制备。结合扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)表征MTSOFC和MSR催化剂材料特性,并使用色谱、电子负载分析本教学演示仪器的功能特性。纳米铜修饰的氧化锌MSR催化剂,在防止碳沉积的同时,其氢气选择率>40%。便携式教学演示仪使用的MTSOFC以甲醇重整合成气为原料,在720℃操作时,最大输出功率密度(MPD)为0.53 W·cm^(–2)。本仪器还配制了额外的扩展接线柱,学生可根据其他应用场景,展示燃料电池的功率特性。

基于光纤传感器的结构健康监测系统的研究

利用激光测振仪和测振控制器设计了一套“非接触”式结构健康监测系统。通过激光测振仪的非接触式光纤探头,监测悬臂梁在不受外界荷载的情况下做自由振动的运动特性。通过数据采集卡,将振动解码器解码的电压信号进行AD转换,并实时将采集的信号发送至上位机,经过Labview软件连接,实现对悬臂梁的运动状态进行实时监测,并分析是否发生损伤。结果表明:该结构健康监测系统能够准确地监测悬臂梁的振动情况并提取损伤特征,判断损伤是否发生。在预防大型建筑结构安全事故,保障人们生命财产安全方面具有使用价值。

0.7BiFeO_(3)-0.3BaTiO_(3)陶瓷中极化翻转产生的巨电卡效应增加及Mn^(4+)离子掺杂对其介电、铁电性能的影响

BiFeO_(3)(BFO)作为反铁磁性和铁电性共存的多铁性材料,其饱和极化强度理论值大于100μC/cm^(2),居里温度为830℃,具有较强的电卡效应.但是由于BFO高温烧结过程中Bi_(2)O_(3)易挥发,铁离子易变价,导致BFO中缺陷较多,漏电流较大,其铁电特性难以发挥出来.虽然采用与BaTiO_(3)(BTO)等氧化物铁电体形成固溶体的方法可以减小漏电流,但是漏电流和高介电损耗问题仍然存在.本文试图通过添加锰离子到BFO-BTO固溶体的方法解决这一问题.采用传统的高温固相反应法制备了0.7BiFeO_(3)-0.3BaTiO_(3)+x%MnO_(2)(BFO-BTO+x%MnO_(2),其中x%为质量分数)陶瓷,研究了MnO_(2)掺杂对BFO-BTO固溶体的微观结构、介电和铁电性能的影响.值得注意的是,BFO-BTO+x%MnO_(2)样品测试结果证明少量掺杂MnO_(2)能降低BFO-BTO陶瓷的介电损耗和漏电流,这是由于掺杂Mn^(4+)补偿氧空位浓度所致.另外,0.7BFO-0.3BTO+0.5%MnO_(2)陶瓷在100 kV/cm时的最大极化强度达到50.53μC/cm^(2).最后利用热电偶直测法测试了BFO-BTO+x%MnO_(2)陶瓷的电卡效应,发现极化翻转方法能使BFO-BTO+x%MnO_(2)陶瓷的电卡效应翻倍增大,其中x=0样品从0至-30 kV/cm的变化与30 kV/cm至0的电场变化相比,增大近8倍,并且证实该方法同样适用于多晶一级相变铁电体.

晶粒尺寸对细晶钛酸钡陶瓷介电、压电和铁电性能的影响

以采用水热法制备的BaTiO_3粉体作为原料,利用普通烧结法和两步烧结法制备出晶粒尺寸为0.25~10.15μm的BaTiO_3陶瓷,研究了晶粒尺寸效应对BaTiO_3陶瓷的介电、压电以及铁电性能的影响。结果表明:BaTiO_3陶瓷的四方相含量随着陶瓷晶粒尺寸的增大而增加;当晶粒尺寸在1μm以上时,室温相对介电常数(e￠)和压电系数(d33)随着晶粒尺寸的减小而增大,并在晶粒尺寸为1.12μm时分别达到最大值5628和279 p C/N,然后两者随着晶粒尺寸的进一步减小而迅速下降。BaTiO_3陶瓷的剩余极化强度Pr随晶粒尺寸的增大而提高,而矫顽场Ec却呈现出相反的趋势。晶粒尺寸对介电性能和压电性能的影响是由于90°电畴尺寸和晶界数量的变化。晶粒的晶体场和晶粒表面钉扎作用的变化影响了电畴,进而改变电滞回线。

铁电材料中电场对唯象系数和电卡强度的影响

由于电场强度能够影响铁电材料的极化强度和介电常数,因此唯象系数a0是电场强度的隐函数.在铁电相区域,唯象系数a0由铁电极化强度和介电常数倒数确定,是电场的非线性函数.在顺电相区域,唯象系数a0由介电常数倒数确定,也是电场的非线性函数.本文研究了铁电共聚物、铁电三聚物和钛酸锶钡钙陶瓷的唯象系数与电场的关系,发现唯象系数随电场的增加而增加,最大约1倍.电卡强度被用来表征电卡材料在电场作用下的电卡效应强弱,通过研究电卡强度可以发现高效率的电卡材料.本文通过热力学理论,得到了电卡强度的解析表达式,发现唯象系数、相变温度、极化强度、比热以及相变温度处的介电常数峰值,对电卡强度具有明显的影响.该表达式适用于一级相变材料、二级相变材料、以及弛豫型铁电体.

煅烧温度对Li0.33La0.56TiO3固态离子电容器性能的影响

本文采用固相法在900、1000、1100和1200℃煅烧温度条件下合成了Li_(0.33)La_(0.56)TiO_3(LLTO)固态电解质材料,并将其组装为LLTO固态离子电容器。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安法(CV)等技术研究了煅烧温度对LLTO固态电解质和固态离子电容器的显微结构、形貌、离子电导率和储能性能的影响。实验表明,较高的煅烧温度有利于获得性能优异的LLTO固态离子电容器。在室温下,1200℃煅烧温度制备的固态离子电容器晶粒离子电导率高达9.6×10–4S/cm,且具有明显的双电层电容特性,在4 V电压窗口下比电容为3.52 mF/g。此外,固态离子电容器比电容随晶粒电导率的增大而增大,同时受电极与固态电解质接触面积的影响。

高电场下Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3厚膜陶瓷的介电与储能特性研究

采用两步法制备了铌镁酸铅-钛酸铅((1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(简称PMN-PT))(x=0.05,0.06,0.07)粉体,再采用流延法及一系列烧结工艺制备出厚度约为40μm的厚膜陶瓷。采用XRD和SEM对厚膜陶瓷样品的微观结构进行了表征,并分别采用阻抗分析仪和铁电综合测试仪得到了厚膜陶瓷的介电性能和电滞回线,再通过对电滞回线进行积分可得样品的储能密度和储能效率。结果表明:实验得到的PMN-PT厚膜陶瓷具有典型的弛豫型铁电体的特征;在室温附近获得相对介电常数大于20000的厚膜陶瓷;在30℃,测试频率为10 Hz,外加电场强度为15 MV/m时,x=0.05,0.06和0.07时的厚膜陶瓷储能密度分别达到0.87,0.94和0.88 J/cm3,对应储能效率分别为72.28%,81.44%和81.54%。

黄豆的多孔结构及对亚甲基蓝染料的去除性能研究

黄豆是我国的原生植物,距今已有3000年的历史,其对人体的药用价值也已被发现,但是对其结构的认识非常有限。通过对黄豆在一定温度下进行热处理,获得了多孔结构,并利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对多孔结构进行了表征,并对孔尺寸分布进行了统计分析。结果表明,所制得的多孔结构的平均孔径分布在(0.21±0.05)~(0.43±0.08)μm;经过与金属溶液等的对比实验,发现样品对亚甲基蓝染料水溶液具有吸附能力。此外,还研究了初始pH值和初始浓度对吸附的影响以及吸附的动力学过程、吸附等温线。观察到pH值在弱酸至碱性范围时样品的去除效果很好。实验表明吸附过程中在接触的最初15 min内该材料对染料的去除率在80%以上。此多孔材料对人类友好且方便易得、成本低廉,同时吸附速率快、吸附能力强,是一种非常有前景的环境净化材料。

低温共烧陶瓷银浆用有机载体的制备及性能表征

电子浆料已经广泛应用于电子元器件中,由于不同的应用领域对电子浆料的黏度、触变性能和丝网印刷性能的要求不一样,而对于电子浆料而言,有机载体决定了其流变性能、触变性能和丝网印刷性能,所以对有机载体的研究十分有必要。本文采用领苯二甲酸二丁酯和领苯二甲酸二辛酯制备有机载体,通过对有机载体的黏度、流变性能、触变性能、屈服应力的表征,当领苯二甲酸二丁酯与领苯二甲酸二辛酯的比例为2:3时,其综合性能较好。

锆锡钛酸镧铅反铁电体陶瓷的低温烧结和储能特性

随着风电、光电等绿色能源的利用和对大功率电力电子装备需求的增加,大功率储能器件受到了广泛的关注,而具有高储能密度和高储能效率的(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O_(3)(PLZST)反铁电体陶瓷用于超级介电储能电容器具有明显的优势。但是,受到陶瓷本身高烧结温度(1200~1300℃)的限制,难以适应贱金属内电极多层陶瓷电容器的应用。为了适应贱金属铜(Cu)内电极的烧结,将玻璃粉MgO–Al_(2)O_(3)–ZnO–B_(2)O_(3)–SiO_(2)(MAZBS)添加到(Pb_(0.97)La_(0.02))(Zr_(0.55)Sn_(0.41)Ti_(0.04))O_(3)(PLZST)反铁电体陶瓷中,使烧结温度低于铜内电极的熔点。研究结果表明:当添加了玻璃粉MAZBS的质量分数为0.75%时,PLZST陶瓷在较低的温度(930℃)下可以实现致密烧结,且陶瓷在室温和外加电场300 kV/cm下具有较高的放电储能密度(6.08 J/cm^(3)),和储能效率(77%)。

锆钛酸钡钙基陶瓷-聚合物复合材料的性能

利用冷冻取向的方法制备得到了锆钛酸钡钙陶瓷的二维框架结构,通过在这个结构中填充聚醚酰亚胺(PEI),制备成一种陶瓷复合材料。结果发现:陶瓷浆料固体载荷量为30vol%时可以得到更好的陶瓷片层状二维结构体。其中,三羟甲基氨基甲烷盐酸盐(Tris-HCl)作为分散剂的分散效果较好。聚合物在陶瓷复合材料中的填充率受浆料的分散剂种类及填充液浓度的影响,复合材料介电常数大多在100以下,而本实验制备的锆钛酸钡钙基陶瓷-聚合物复合材料的相对介电常数达到了446。结果表明:Tris-HCl的分散效果最好,此时,当聚醚酰亚胺/二氯甲烷(PEI/DCM)溶液的浓度为15wt%时,陶瓷复合材料的聚合物填充率最高(18.63%)。随着PEI填充率的增大,陶瓷样品的最大应变值增大,最大应力值减小;面内的导热系数则随温度的升高而升高,在保证其具有一定力学强度的同时,提高了材料的介电性能。

固相反应法制备高储能密度及高储能效率的驰豫型反铁电PLZT陶瓷

通过固相反应法制备了锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷并研究了其储能特性。根据室温下PLZT相图制备了反铁电相和弛豫型铁电体相相界附近的PLZT陶瓷,并选择储能密度和储能效率相对较高的组分通过流延法制备了陶瓷厚膜,并通过电滞回线计算样品的储能密度和储能效率。结果表明:所制备的样品同时表现出反铁电特性和弛豫型铁电体特性,样品室温下的储能密度能达到0.61 J/cm^3,同组分厚膜陶瓷室温下储能密度能达到1.414 J/cm^3;样品储能效率能达到94.4%;且样品的储能密度和储能效率随温度的变化表现出不同的变化趋势。

钛酸锶钡(Ba0.7Sr0.3TiO3)厚膜陶瓷的大电卡效应和储能密度

采用固相反应法制备了钛酸锶钡（Ba0.7Sr0.3TiO33）精细粉体,通过流延法制备出厚度约55μm的厚膜陶瓷。利用X射线衍射和扫描电子显微镜分析了样品的物相组成和微观形貌。利用阻抗分析仪和铁电电滞回线测试仪测量了厚膜陶瓷样品的介电性能和铁电性能。根据Maxwell关系估算了电卡效应,并根据电滞回线计算了储能密度和储能效率。结果表明：钛酸锶钡（Ba0.7Sr0.3TiO33）厚膜在330 K（57℃）Curie温度附近、30 MV/m电场下绝热温变达到3.43 K,同时在30 MV/m电场时储能密度达到1.43 J/cm^3,显示出良好的电卡性能和储能特性。

化学包覆法制备Ho^(3+)掺杂钛酸钡基X8R细晶陶瓷

采用化学包覆法将Ho_2O_3包覆在纳米级钛酸钡粉体表面,通过烧结将Ho^(3+)扩散到钛酸钡晶粒中,调节其介电性能,研究了不同Ho^(3+)掺杂量对Ba Ti O3基陶瓷相组成、微观结构和介电性能的影响。X射线衍射和扫描电子显微镜分析结果表明:Ho^(3+)改性陶瓷样品均为赝立方相,Ho^(3+)的加入能抑制晶粒生长,改善陶瓷微观结构,有利于制备均匀的细晶陶瓷。透射电子显微镜观察显示,包覆层的厚度约为2 nm,包覆Ho_2O_3有助于陶瓷烧结过程中形成"核-壳"结构晶粒,能显著改善钛酸钡基陶瓷的介电温度稳定性,提高绝缘电阻。当Ho^(3+)掺杂量为2.0%时,陶瓷的相对介电常数为1 612,ΔC/C(-55~150℃)<±15%,满足EIA X8R电容器的温度特性。

锡钛酸钡BaSnxTi1–xO3厚膜陶瓷的大电卡效应

对无铅铁电材料锡钛酸钡（BaSnxTi1-xO3（BSnT））（x=5%,10%,15%,20%,摩尔比）陶瓷进行了研究,利用流延法得到锡钛酸钡膜带,采用X射线衍射技术对烧结后的厚膜陶瓷进行结构分析,利用扫描电子显微镜分析了样品形貌,测量了样品介温关系和电滞回线,并利用Maxwell关系对电卡效应进行了计算。结果表明：厚膜陶瓷BSnT在不同的Sn4＋掺杂量下的电卡效应有明显的差异,在x=0.05及外加电场10 MV/m时,绝热温变（△T）可达到2.1 K,且x=0.05的样品在5 MV/m的电卡效率最高达到0.24×10^6 K·m·V–1。无铅铁电陶瓷拥有大的电卡效应可望在制冷器件上作为制冷剂使用。

基于水热合成粉末的Ba0.6Sr0.4TiO3厚膜陶瓷及其大电卡效应

通过两步水热法制备了纳米钛酸锶钡(Ba0.6Sr0.4 TiO3)粉体,利用流延成型法得到钛酸锶钡厚膜生坯,通过叠压、静水压、排胶及烧结后得到厚膜陶瓷。使用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、精密阻抗分析仪和铁电测试平台对其晶体结构、形貌、介电性能以及铁电性能进行了表征。结果表明:两步水热法得到的钛酸锶钡纳米粉体形貌为均匀的准立方体,平均颗粒尺寸为50nm。烧结成厚膜陶瓷后平均晶粒尺寸达到2.2μm。通过电滞回线分析得到不同温度和电场下的极化强度,利用Maxwell关系得到电卡效应的绝热温变在温度253K以及电场5MV/m下达到0.62K。