钨极高压微电弧温度模型的建立与验证

为提高一体式微球形钨探针的制备成功率,对制备过程中高压微电弧进行了研究。建立了钨极高压微电弧的多物理场耦合仿真模型以计算电极间距在0.5~2.0 mm、电压在1~12 kV时的电弧温度分布;然后对仿真结果进行最小二乘拟合,进而得到了电弧温度与放电参数之间的数学模型;最后,基于Boltzmann作图法搭建了光谱测温系统,并对数学模型进行了验证。研究结果表明:电弧呈椭球形分布,近阳极区存在高温屏障,阳极温度远低于阴极温度;电弧温度与电压、电极间距之间均为类抛物线性关系;模型计算结果与实验结果的平均相对误差为3.3%。该模型可用于计算电弧温度,从而实现钨探针的可控制备。

医用微创钨针针尖制备技术

采用电化学腐蚀方法对医用微创钨针针尖制备进行研究。表征了钨针针尖形貌、光洁度,并对不同工艺下钨针尖端夹角进行分析。结果表明:掺杂稀土钨腐蚀后表面光洁度较差,不适宜做医用钨针;固定腐蚀时间20 min和腐蚀液浓度为5%时,钨针尖随着腐蚀电压增大越尖锐,当腐蚀电压达到12~14 V时,钨针尖端夹角变化不再增加,为44.5°~45.06°;固定腐蚀电压为6 V、腐蚀液浓度为5%,调整腐蚀时间并不影响针尖的尖锐程度及表面光洁度;固定腐蚀电压为6 V、腐蚀时间为20 min,调整腐蚀液浓度,钨针表面随着腐蚀液浓降低越光洁,尖端夹角变化不大。

石英音叉扫描探针显微镜

石英音叉是一种谐振频率稳定、品质因数高的时基器件,其音叉臂的谐振参数(谐振振幅和谐振频率)对微力极其敏感。利用石英音叉对外力的敏感性,与钨探针结合,构成一种新型的表面形貌扫描测头。该测头与xyz压电工作台结合,利用测头音叉臂谐振频率对扫描微力的敏感性,研制基于相位反馈控制的扫描探针显微镜。首先介绍石英音叉测头的构成、工作原理和特性测试,以及由该测头构建的扫描探针显微镜的结构和测试、分析。通过对测头和系统的测试结果分析,系统达到1.2 nm的垂直分辨率,并通过对一维栅的测量,给出扫描获得的试样表面微观形貌图以及相位图,证明系统的有效性。另外,由于采用大长径比的钨探针,该系统具有测量大深宽比微器件表面轮廓的能力。

大长径比台阶钨探针制备方法研究

研究了基于电化学腐蚀法的大长径比台阶钨探针针尖制备方法,该探针可用于针尖增强拉曼光谱测控系统。在实验室自主设计研制的包含电化学腐蚀控制电路的探针制备装置上,通过精密压电陶瓷控制探针腐蚀时间和位移,获得了长径比可控、重复性好的探针针尖;在此基础上,通过精确调节腐蚀过程中钨丝与液面的位置,制备了台阶探针针尖。

用于场致发射电推力器的微发射针制造技术

通过对场致发射电推力器的微针尖成形机理的分析以及多次电化学腐蚀实验,研究了溶液浓度、浸润深度、腐蚀电压等因素对发射极针尖尺寸的影响,最后得出了电化学腐蚀加工发射针的最优化加工参数.在KOH溶液浓度为5 mol/L、浸润深度为2 mm、腐蚀电压为6 V等优化工艺参数下制作出发射针,并利用交流电粗化处理制作出了符合场致发射电推力器应用的发射极针尖.

GH536镍基高温合金焊接接头力学性能与断裂特征研究

对GH536合金焊接接头的硬度进行测试和分析,对母材及焊接接头进行室温和500℃拉伸试验,并分析了断裂特征,分析了母材和焊接接头不同区域的断裂韧度。结果表明:热影响区硬度未见明显变化,与母材一致;从熔合线到焊缝中心,由于枝晶变细,显微硬度逐渐升高。焊接接头整体室温拉伸强度、屈服强度和断后伸长率分别为810MPa,392MPa和30%,达到了母材的99.6%,99.7%和93.8%;在500℃时,接头整体抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为678MPa,300MPa和26%,达到了母材的98.1%,96.8%和78.8%;GH536合金焊接接头具有良好的力学性能。在熔合区组织不均匀性最为严重,熔合区是GH536合金焊接接头的薄弱环节。在室温和500℃,母材及焊接接头的断裂方式均为塑性断裂。

用于音叉式原子力显微镜的探针制备

建立了一种电化学腐蚀法钨探针制备系统,通过对电化学腐蚀过程中微弱电流信号的实时检测,实现对腐蚀电路快速通断的自动控制,断电时间0.3 ms。该系统制备出了具有与理想轮廓一致的指数形探针。分析了电解电压、电解液浓度与腐蚀电流的关系,得出腐蚀最佳参数。将石英音叉与钨探针粘接构成原子力显微镜测头,完成了调幅模式下的力曲线测试。实验结果表明:制作的钨探针满足原子力显微镜测头性能要求,音叉信号稳定,能识别10砌的运动变化,为研制高性能音叉式原子力显微镜提供了实验技术基础。

适用于TERS系统的金修饰钨丝探针制备和研究

提出了一种适用于针尖增强拉曼光谱(TERS)系统的金修饰钨丝探针,研究了其制备方法。有限元仿真设计了针尖的形状为内弧形针尖,并进行二氧化硅粘结层和金颗粒外层双镀膜结构纳米修饰;通过调节实验室自主研制的电化学腐蚀探针装置的溶液浓度、电机位移和浸入深度制备符合形状要求的钨丝针尖;在此基础上,通过电感耦合等离子体化学气相沉积技术(ICP-CVD)进行二氧化硅涂层镀制,电子束加热物理气象沉积技术(EB-PVD)进行金涂层镀制。最终完成该探针制备,双层镀膜后针尖曲率半径达30~80 nm,可用于TERS研究。

基于电化学腐蚀法的钨探针制备装置研究

基于电化学腐蚀法制备钨探针的原理,设计了一套钨探针制备装置,并对钨探针制备参数进行了研究。装置的实验部分用于调整探针与电解槽的相对位置和运动参数,控制部分用于监测、控制并记录电化学反应的状态。与传统腐蚀探针相比,该装置通过控制电路控制探针腐蚀过程中运动参数,获得了形状可控的大长径比探针;同时通过精确控制腐蚀反应时间,可制备针尖曲率半径范围为5~20 nm的探针。

组装碳纳米管扫描隧道显微镜针尖

探索了用高频交变电场电泳辅助钨针尖粘碳管来组装CNT针尖的有效方法 ,比较得出实验的最佳参数。用该方法制作的CNT针尖用于扫描隧道显微镜 (STM ) 。

STM钨针尖的制备

设计了STM钨针尖制备电路,可实现纳秒级快速断电.采用粗、细腐蚀流程,可以保证针尖低纵横比,同时减少其表面附着的氧化膜杂质.对针尖进行稀盐酸超声清洗,可以彻底去除针尖的氧化层.该针尖经盐酸超声后再进行STM扫描得到了清晰的高序热解石墨图像.

基于FDTD仿真的高增益拉曼镀金针尖的可重复准确制备

提出一种可适用于针尖增强拉曼系统(TERS)的基于时域有限差分法(FDTD)的高增益拉曼针尖及其制备方法。在汇聚光条件下,仿真分析镀Au厚度为5~100 nm,中间过渡层材料分别为5 nm的SiO_(2),Ta_(2)O_(5),Ti,Cu的内凹型W针尖,在Au基底金半球样品处的近场电场分布情况。仿真结果表明:50 nm镀金厚度,Ti,Cu为中间层的针尖具有更强的增强效果。在此基础上通过磁控溅射,设定镀Ti时间7 s,镀Au时间120 s,成功制备出所设计的高增益针尖,通过聚焦离子束(FIB)沿轴向切割针尖并借助扫描电镜(SEM)观察针尖剖面结构,验证该镀膜针尖的尺寸形状等结构参数达到设计要求。经4批次,每批次20根针尖进行重复镀膜实验,从而证明所设计的针尖稳定可重复准确制备。

扫描隧道显微镜钨针尖氧化层去除的化学方法

电化学腐蚀得到的扫描隧道显微镜(STM)钨针尖表面通常覆盖了一层钨的氧化膜,这层氧化膜的存在很大程度上影响了STM扫描图像质量。本实验采用氢氟酸对新制备出的钨针尖进行去氧化层处理,并通过对比两组高序热解石墨(HOPG)STM图像和金样品的扫描隧道谱来论证这种去氧化层手段的有效性。

钨针尖放电处理后的场发射特性

在场发射显微镜(FEM)中使用1万伏以上的电压对钨针尖进行了放电处理。扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)的观察表明在处理后形成了纳米尺寸的突起。从经过处理的钨针尖能够支取高达1.55mA的场发射电流。针尖的场发射像呈现四重对称,表明它来自单个突起。场发射电流与电压关系符合Fowler-Nordheim(F-N)理论。根据F-N理论算得的场发射面积与TEM下观察到的突起的面积在量级上一致。

基于聚偏氟乙烯的扫描探针显微镜系统

采用聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜和压电陶瓷(PZT),并结合由电化学研磨得到的钨探针,研制了一种具有对称结构的新型轻敲模式扫描测头。在该测头中,PVDF压电薄膜作为振动梁,其下方中间位置固定有钨探针,在PZT的驱动下,PVDF和探针处于谐振振动状态,同时,PVDF作为微力传感器检测探针顶端原子与试样表面原子间的作用力。所构建测头结合三维纳米定位台、控制程序等构成了新型扫描探针显微镜系统。介绍了测头的构成、工作原理、特性以及SPM系统的整体结构、测量原理、三维工作台的定位控制、信号处理过程和整系统特性测试,并以一维标准光栅为试样进行三维图像扫描,证明了该新型扫描探针显微镜系统的可行性和有效性。

镶齿滚刀的破岩机理及分形研究

反井钻机在水电行业的施工应用中,遇到了岩石坚硬,施工进度较慢的问题,通过对镶齿滚刀破碎花岗岩粒的分形研究,找出镶齿滚刀破碎花岗岩的规律,为滚刀的设计开发提供理论指导。

交流电腐蚀方法制备STM探针

采用交流电化学腐蚀法来制备扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)所需要的钨(W)材料针尖,代替了传统的直流断落法,首先细致研究了电压、浸入深度、频率、反相电压、溶液浓度等参数对探针制备成功率的影响,其次根据实验结果确定了最佳参数值,在显微镜下观察了W针尖的形成过程,并且对实验制备的针尖进行优化处理,W针尖在STM下扫描Si(111)-7×7重构表面获得了原子分辨图像,该方法为针尖的制备提供了一条新的思路.

扫描隧道显微镜钨针尖的制备与表征

采用直流电化学刻蚀方法制备扫描隧道显微镜钨针尖,研究了电化学刻蚀过程中NaOH溶液浓度、钨丝浸入长度和刻蚀电压对针尖形貌的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)测量针尖曲率半径和针尖纵横比值,以表征针尖的尺寸和形状;通过能谱仪(EDS)分析针尖表面成分,以表征表面清洁度;通过场发射显微镜(FEM)得到Fowler-Nordheim (F-N)曲线来检测针尖发射性能。实验结果表明,当溶液浓度为2 mol/L、钨丝浸入长度为4 mm、刻蚀电压为3 V时,可以得到曲率半径约为100 nm、纵横比值为13的针尖,且表面无钨的氧化层。FEM结果显示当对针尖施加500 V的负偏压时,针尖可以稳定发射50 nA量级的电流,且针尖性能具有良好的一致性。

2219铝合金VPTIG焊接头的低温断裂韧性

采用裂纹尖端张开位移(crack tip opening displacement,CTOD)试验研究了高强2219铝合金变极性钨极氩弧焊(variable polarity tungsten inert gas welding,VPTIG)接头各部位的低温断裂韧性,利用扫描电镜对各部位的CTOD试验断口特征进行分析,并结合金相组织进一步阐明组织与断裂韧性的关联.研究结果表明,2219铝合金VPTIG焊接头各部位表现出不同的低温断裂韧性,熔合线最低,热影响区高于焊缝,但均低于母材.扫描电镜断口观察结果表明,母材、焊缝及热影响区的断裂机制为剪切断裂,熔合线的断裂机制为准解理断裂.金相组织分析较好地解释了焊接接头不同部位断裂韧性的差异.