非均匀GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器材料表征和器件性能研究

本文利用分子束外延(MBE)技术成功生长了GaAs/AlGaAs非均匀量子阱红外探测器材料,并对相关微结构作了细致表征。分析比较了非均匀量子阱结构和常规量子阱红外探测器性能差异,并对比研究了不同势阱宽度下非均匀量子阱红外探测器的性能变化。通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)结合能谱仪(EDS)对非均匀量子阱红外探测器材料微结构进行了分析,并利用二次离子质谱仪(SIMS)对非均匀势阱掺杂进行了表征。结果表明,该量子阱外延材料晶体质量很好,量子阱结构和掺杂浓度也与设计值符合较好。对于非均匀量子阱红外探测器,通过改变每个阱的掺杂浓度和势垒宽度,可以改变量子阱电场分布,而与传统的均匀量子阱红外探测器相比,其暗电流显著下降(约一个数量级)。在不同阱宽下,非均匀量子阱的跃迁模式发生改变,束缚态到准束缚态跃迁模式下(B-QB)的器件具有较高的黑体响应率以及较低的暗电流。

氧化石墨烯薄膜还原程度对测温与电热性能的影响

由于质量轻、韧性好、价格低廉且成型工艺简单等诸多优点,还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,rGO)薄膜在温度传感和电加热等领域颇受关注。分析了经不同温度热还原的rGO薄膜在微观结构、键合种类、力学及电学性能上的差异,以探究还原程度对rGO薄膜测温与加热能力的影响。结果表明,氧化石墨烯(graphene oxide,GO)薄膜内的C-O、C=O等含氧官能团在200℃还原后明显减少,碳原子的主要键合类型由C-C键变为C=C键。当还原温度升至600℃时,rGO薄膜内仍保留了部分含氧羟基官能团,C/O为7.18,而经800℃还原的rGO薄膜成分已趋近石墨烯。随着还原程度的增大,rGO薄膜的电阻率呈明显下降趋势,但氧原子的析出破坏了rGO薄膜的层间致密结构,使拉伸强度逐渐降低。当还原温度达到600℃时,电阻-温度曲线表现出优异的线性关系,室温电阻温度系数(temperature coefficient of resistance,TCR)为-1.60×10^(-3)/℃。在24 V直流驱动电压下,经600和800℃热还原的rGO薄膜可分别加热至242和367℃,但由于层间结构的松散和开裂,经800℃热还原的rGO薄膜的自发热升温曲线波动明显。因此,对于要求加热和测温双功能的应用场景,经600℃还原的rGO薄膜表现出更好的综合性能。

InAs基室温中波红外探测器的液相外延生长

材料质量好坏对于获得高性能红外探测器至关重要。提出决定材料质量的关键点在于精准控制材料结构中层与层之间的晶格失配度,报道了晶格失配对材料质量和器件暗电流性能的影响。实验结论表明在液相外延技术生长的InAs/InAsSbP材料体系中,InAs和InAsSbP间的晶格失配不是越小越好,而是有一个最佳值。如果晶格失配偏离这个值,不管是偏大还是偏小,材料的质量都会恶化。阐述了如何调整生长参数以获得合适的晶格失配度。制备了具有适宜晶格失配度的红外探测器件,该探测器零偏压下的室温峰值探测率为6.8×10^(9) cm Hz^(1/2)W^(-1),与国际商用InAs探测器的指标相当。

考虑电池总数的锂离子电池组双层均衡方法

为了适应电池总数变化并有效提高锂离子电池组均衡速度等,设计了一种双层均衡方法。首先对电池进行分组分层,底层组内分为奇数次和偶数次均衡电路,以适应电池总数存在奇偶性不同的情况;顶层组间采用可重构电路,将满足均衡条件的电池组接进或隔离出电路;同时从电池奇偶性、均衡速度和能量转移效率等方面推论出该均衡电路的优越性。其次以电池SOC为均衡变量,采用组内和组间同时均衡的控制策略,进一步提高均衡速度。最后考虑电池总数奇偶性不同,分别选用六节、七节锂离子电池在MATLAB/Simulink平台进行实验,与传统分布式可重构双层电路相比,充电均衡时间缩短了125.44和128.92 s,放电均衡时间缩短了114.99和115.69 s;与传统集中式可重构双层电路相比,充电均衡时间缩短了57.49和59.14 s,放电均衡时间缩短了51.24和50.63 s。同时通过比较均衡完成时电池组平均SOC及SOC离散度,可以得出该均衡电路在能量转移效率和减小电池组不一致性方面的优势,验证了所设计的均衡方法的有效性。

基于HyperMesh网格检查与修补的二次开发

针对数模网格的手工检查及修补过于繁琐的实际问题,基于TCL/TK脚本语言,利用HyperMesh的API(Application Program Interface)接口编写代码,集成了自动划分网格、网格的检查、网格自动清理、重新划网格、网格修补等步骤,并利用跨平台窗体自定义界面直观显示网格修补方式,采用HyperMesh自有功能和自定义功能相结合的方式,集成了分割四边形、分割所有边、合并节点、添加Washer、Smooth、填补孔六种修补方法。并通过汽车后备箱盖实例验证,极大地提高了HyperMesh软件网格划分效率和质量,减小了人工操作出错的概率,为相关工作人员提供了便利工具,为后续企业开发工作积累经验。

晶格失配对InAs基室温中波红外探测器性能的影响

采用液相外延技术生长了InAs基室温红外探测器件材料,通过光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪分析了外延材料表面形貌、截面形貌与晶格失配的关系。分析发现,不恰当的晶体晶格常数匹配度会导致材料表面形貌变差,降低材料的结晶质量,晶格失配在0.22%左右的InAs基外延材料表面形貌较好,缺陷少,晶体质量较好。在此基础上,成功制备出室温探测率D^(*)为6.8×10^(9)cm·Hz^(1/2)·W^(-1)的InAs基室温中波红外探测器,这一性能与国际上红外探测器领军企业美国Teledyne Judson Technologies和日本滨松株式会社的商用InAs基红外探测器性能处于同等水平。

复杂铝型材挤压成形有限体积仿真

根据型材挤压成形属于特大变形、热-力耦合、坯料头部存在变形死区等特点,采用欧拉描述有限体积法(FVM)模拟了3级复杂型材的挤压成形过程,避免了传统刚塑性有限元法无法模拟变形死区,拉格朗日描述有限变形弹塑性有限元法难以重划特大变形网格等难题.模拟过程中,采用欧拉描述FVM仿真坏料流动,采用拉格朗日描述有限元法仿真模具变形和应力,采用显式动态接触算法仿真坏料与模具之间的相互作用.确定了兼顾仿真精度和速度的有限体积网格的最小尺寸和单元最大数量,提高了计算效率;建立了6063-T5铝合金在不同变形温度下的系列热-本构-摩擦模型,获得了金属流动、力能、温度、密度变化分布.为工艺和模具参数优化提供了依据.

大宽厚比薄壁异型材挤压多工艺参数优化研究

型材挤压多种工艺参数的优化设计是一个组合优化问题,难以用传统数学优化方法解决。在应用型材挤压CAD/CAE技术建立型材挤压CAD模型,并对其成形过程及其参数变化规律进行CAE仿真的基础上,采用基于正交试验、人工神经网络和遗传算法的型材挤压多工艺参数计算机辅助优化技术建立型材挤压多工艺参数与挤压质量间的关系映射模型,并预测不同参数值搭配对挤压质量的影响,进而确定多工艺参数最优解。试验证明取得了良好的效果。

基于正交试验和多目标规划的微齿轮注塑成型数值模拟研究

对微齿轮注塑成型充填和保压过程进行了数值模拟,通过正交试验法和多目标规划法,讨论了模具温度、熔体温度、注射速度、保压压力和保压时间对微齿轮充填时间、收缩率和翘曲值的影响,利用单纯形法和MATLAB对多目标函数进行寻优,找到最佳工艺组合。结果表明,注射速度对充填时间的影响最大,模具温度对收缩率和翘曲值的贡献率最高。注射速度越大、模具温度越高,充填时间越短,但收缩率和翘曲值也越大。根据多目标规划法最优化计算,当模具温度、熔体温度、注射速度、保压压力和保压时间分别为100℃、240℃、1.4 mm3·s-1、84%、0.28 s时,充填时间最短,成型质量最高。热量损失和补缩率是影响充填时间和成型质量的主要原因。

直齿圆柱齿轮镦挤精锻模拟

在总结各种直齿圆柱齿轮精锻工艺的基础上 ,设计了一种直齿圆柱齿轮镦挤精锻工艺和模具 ,并进行了实验和上限模拟。实验模拟证明采用该工艺可以获得满意的直齿圆柱齿轮锻件 ,并表明在变形过程中坯料芯部存在一轴对称变形区。上限模拟通过所设计的简便精确的动可容速度场 ,获得了变形力和轴对称变形区的变化规律。两种模拟结果较为吻合。

ANSYS二次开发在铝型材挤压中的应用

通过系统集成和二次开发 ,建立了基于UG和ANSYS的铝型材挤压模CAD/CAE/CAM系统 ,并对分流组合模进行了CAD/CAE/CAM研究 ,有效提高了模具设计制造效率。

基于Web的模具标准件公共数据系统的建模与原型开发

随着标准件应用的日益广泛,建立基于Web的、通用的、与具体CAD系统无关的标准件公共数据系统显得尤为必要。研究了建立标准件公共数据系统的基础理论和关键技术,开发了基于Web的包含冲模后侧导柱模架标准零件(GB/T 2851.3-1991)及塑料模HASCO系列公制标准件的公共数据系统原型,证明了该系统理论和关键技术的有效性。

基于Dynaform的SUV汽车B柱热冲压成形仿真分析与工艺研究

研究了采用B1500HS钢制成的某款SUV汽车B柱加强板的热冲压变形过程,利用中心差分法得到热冲压硼钢变形时单元体的温度公式,通过有限元模拟软件Dynaform建立B柱热-力-相耦合模型,研究B柱典型U形截面受力情况和温度场分布,同时分析B柱厚度、减薄率、屈服应力、硬度变化情况。有限元分析表明,B柱热冲压变形时,凸模圆角区和直壁区受到较大的拉应力及厚压应变的作用,易发生减薄。进行了B柱热冲压成形试验,结果表明,热冲压B柱的微观组织均为板条状马氏体,维氏硬度达到457 HV以上,屈服强度达到1200 MPa以上,满足热冲压零件淬火强化性能要求,验证了热冲压数值模拟的可靠性。

直齿圆柱齿轮冲挤精锻变形分析

将密栅云纹法引入齿轮精锻研究， 根据直齿圆柱齿轮冲挤精锻终了阶段锻件分流面的云纹图像导出位移速度场， 获得了相应的变形规律， 为进一步研究应变分布提供了依据。

微圆柱阵列注射成型数值模拟及正交优化

针对微圆柱阵列的注射成型过程进行数值模拟研究,比较了不同原料聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)的成型工艺,并利用正交试验就微注射成型过程中影响熔体填充效果的主要工艺参数如模具温度、熔体温度和注射时间进行了模拟。运用极差分析法和方差分析法对熔体填充率进行分析。结果表明,对于PP而言,填充时间对其填充率的影响占主导地位,而对于POM与ABS,模具温度的影响相对更大。模具温度、熔体温度越高,注射时间越短,塑件填充效果越好。综合考虑,三种聚合物材料对微圆柱阵列填充效果适应性为:PP>ABS>POM。

22MnMoB钢汽车后地板横梁热冲压成形数值模拟和工艺研究

针对某款汽车后地板横梁的结构特点,合理设计模面,选用22MnMoB新型硼钢,应用有限元软件Dynaform建立后地板横梁热-力-相耦合模型,对其热冲压成形过程进行模拟。研究后地板横梁热冲压成形中板料受力情况及温度场、减薄率、硬度和微观组织演变规律,优化下圆角破裂缺陷。利用定量金相法对后地板横梁侧壁处微观组织进行分析并测得不同特征点处硬度和厚度。结果表明,热冲压后地板横梁厚度分布均匀,最大减薄率小于20%,显微硬度达到480 HV以上,试验结果与模拟结果较为吻合,可为新型硼钢制成复杂结构件提供参考。

空心型材分流组合挤压CAD/CAE模型的建立

通过对CAD/CAM软件和CAE软件的分析和集成,构筑了型材挤压CAD/CAE/CAM平台,并基于该平台进行了空心型材分流组合挤压的CAD建模、CAD/CAE信息传递和CAE建模,为进一步分析型材挤压过程和优化模具参数打下了基础。

车灯罩模具侧花纹CAD/CAM关键技术及实现

建立了基于CATIA V5的车灯罩模具侧花纹CAD/CAM软件系统模型,研究了侧花纹线的分组、排序、连续性判断、光顺和拟合算法以及NC文件和G代码生成方法。基于CATIA V5,采用Out-Process方法开发了车灯罩模具侧花纹CAD/CAM软件系统,进行了实例验证,在相关企业得到了应用。

微反挤压数值模拟与实验研究

将退火后的T2紫铜圆柱坯料进行常温压缩实验,根据所得应力应变曲线,采用DEFORM-3D模拟杯壁厚度为0.5mm的杯形件的微反挤压成形过程。研究了凸模速度和摩擦系数对材料等效应变分布和凸模载荷的影响。结果表明,凸模速度越大,材料等效应变差值越大,变形越不均匀,但对凸模载荷无明显影响。摩擦系数越大,材料变形越不均匀,且凸模载荷明显增加。根据模拟结果选择合适的工艺参数进行微反挤压实验,实验所得杯形件晶粒变形较均匀,与模拟结果较吻合。

面向智能制造的材料成型及控制工程升级探索

随着智能制造、增材制造等新兴技术的不断发展,传统的材料成型及控制工程专业需要进行相应的改造和升级。2019年,上海理工大学材料成型及控制工程专业通过中国工程教育认证。结合持续改进要求,在新一轮培养计划制定过程中,引入智能制造、增材制造课程,建立分方向的课程体系,能够更好地满足上海及长三角地区先进制造行业对高端人才的培养需求。