高掺钪AlN压电薄膜HBAR器件及工艺研究

本文研究了高掺钪氮化铝(Al_(x) Sc_(1-x) N)压电薄膜高次谐波体声波谐振器(HBAR)的设计仿真与关键制备工艺。仿真研究了钪掺杂对压电材料和HBAR器件性能影响,研究表明:30%钪组分的Al_(0.7) Sc_(0.3) N薄膜能够提升谐振器近5倍的有效机电耦合系数(k_(eff)^(2))。研究了电感耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀工艺对Mo电极斜坡角度的影响,通过调控工艺参数可以实现侧壁倾角10°~90°大范围调节。研发了Cl_(2)/BCl_(3)/Ar混合气体作为反应气体的Al_(0.7) Sc_(0.3) N薄膜ICP刻蚀工艺,刻蚀速率高达100 nm/min并获得垂直的侧壁形貌。在此基础上成功制备出Al_(0.7) Sc_(0.3) N压电薄膜HBAR谐振器,k_(eff)^(2)达到0.24%,与纯氮化铝(AlN)相比具有显著的提升效果。

倾斜壁面上液膜流中孤立波及其内部涡的演化特性研究

研究了在重力作用下,二维不可压黏性流体液膜沿倾斜壁面流动时,其上孤立波及其内部涡的演化.采用小参数摄动法与行波变换法,首先推导出了非平整倾斜基底上液膜厚度的零阶和一阶的一般演化方程,然后对该方程进行化简并采用Mathematica进行数值求解.分析结果表明:孤立波波形图中,波前出现了一个毛细波,而毛细波波谷处出现了完全开式涡;通过对流量分析,发现其与孤立波波形具有相同的变化趋势,并且与波速呈正相关,对于双峰与三峰孤立波,前一波峰的流量比靠后的大;随着波速增加到超过某一临界值时,孤立波波峰内将出现涡流,经过计算该临界波速与倾斜角呈正比关系,对于双峰与三峰孤立波,当波速继续增大,靠后的波峰内也将出现涡流;通过分析自由表面的速度分布得出:该涡流的产生是自由表面的垂直速度在波前和波尾的速度梯度与大于波速的水平速度共同作用的结果,波峰多更容易产生涡流;通过分析在动坐标系下得到的迹线图,发现该涡流面积也正比于波速且旋向为顺时针,综合推断得出:旋涡是在孤立波表面处开始形成的,波峰内的流体沿壁面呈滚落状向下运动.

用于地表温度探测10μm~11μm带通滤波器的研制

多谱段光谱成像仪搭载长波红外探测器可以提供空间高分辨率的地表温度信息,研究地表温度在全球能量平衡和气候变化中具有重要意义。本文采用10μm~11μm滤波器作为红外探测器的窗口进行地表温度探测,分别采用Ge和ZnS作为高低折射率材料,在Ge基板上设计一种宽截止、高透射的长波红外带通滤光膜;采用真空镀膜技术在Ge板两面分别制备长波通和短波通滤光膜以实现带通,其中Ge和ZnS薄膜分别以电子束和电阻热蒸发的方式沉积,膜厚采用晶控仪控制,通过Matlab软件建立膜厚沉积数学模型,模拟并修正多层膜的Tooling以减少厚度误差。测试结果表明:10μm~11μm波段平均透射率达到94.3%,透射区波纹幅度为1.6%;4μm~9.5μm和11.5μm~16μm波段平均透射率小于0.1%,各项耐环境测试表明滤波器满足使用要求。

基于本征正交分解的撞击射流模态特征提取

基于两个方向的高速摄影实验,通过本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法研究了撞击射流动态变化过程中的空间和时间特征。通过不同流速下实验图像分析阐明了撞击射流基本流动模式的特征变化。正视图像序列的模态分解结果解析了撞击波模式和撞击波-液膜破碎混合模式的空间特征,并且表明撞击波模式的单个模态能量和累计模态能量更高。侧视图像序列的模态分解结果阐明了侧视撞击波特征、液膜破碎特征和液膜上液滴断裂特征,对于撞击波模式,相对的一组高阶模态的时间系数具有反向变化的趋势。正视图像中波峰和波谷均被识别为波动峰值,导致正视图像模态特征频率是侧视图像对应模态特征频率的2倍。将基于奇异值分解的本征正交分解方法应用于不同工况下撞击射流的图像序列测试与分析,通过提取空间波动特征和频率特征,有助于优化液体火箭发动机雾化结构设计和运行参数。

基于Galerkin截断的薄膜-床面耦合振动响应分析

将废塑料薄膜进行分选回收是目前最为高效节能的塑料垃圾处理方式,废旧塑料薄膜及床面的振动会直接影响分选的效率。提出了将薄膜模型和床面模型结合建立薄膜-床面耦合系统动力学模型的方法。并通过受力分析,利用Galerkin截断将床面的变形表达为模态函数的线性组合,建立了薄膜-床面非线性耦合振动微分方程。研究了不同截断阶数对薄膜-床面耦合非线性振动动态响应的影响,确定了保证薄膜-床面耦合系统振动收敛性的Galerkin截断阶数。通过床面位移响应对此方法进行了验证和对比,结果表明Galerkin截断法适用于求解耦合系统振动分析,且计算速度较快。

激波发生器几何结构对激波-气膜干涉影响的数值仿真

为探究激波-气膜干涉流动机理,采用带激波发生器的平板模拟跨声速叶栅内的流场。以激波发生器模拟入射激波,采用数值计算的方法研究当来流马赫数为1.45、吹风比为0.25、0.50和0.75时,楔形激波发生器角度和长度对超声速下平板气膜冷却流场的影响规律。结果表明:激波发生器角度影响激波强度,激波-气膜干涉会引起附面层流动分离产生分离泡,且分离泡尺度随激波强度的增强而增大;由于分离泡形成的鼓包使气流转折角增大,在5°和7°激波发生器下会形成局部正激波;激波发生器长度影响入射激波和膨胀波系之间的距离,随着激波发生器长度的增加,入射激波受膨胀波系影响减小。通过对比发现,合适的激波发生器可有效减弱流场内干扰波系的影响,从而突出激波对气膜冷却的干涉作用。

一种测量液膜厚度的超声相控阵实验装置

气液两相流存在于核反应堆蒸发、飞行器冷却、化工生产降膜蒸发等过程,界面波的动态测量对工业过程监控和生产优化具有重要意义。界面波的准确识别与特性参数测量是开展科学研究与工程实践的重要前提。基于超声相控阵测量系统,设计了扇扫的测量方式,可以用于气液界面清晰的流型中液膜厚度和界面波形态三维测量。通过静态标定和圆管验证,确定了像素点和液膜厚度之间的关系,在气相表观流速为0.0719~0.4316 m/s,液相表观流速为0.0567~1.4161 m/s的工况下进行实时动态实验,获得了实时流动过程中较高精度的截面气液相界面信息,并构建了管道内部界面波三维分布形态,为界面波特性研究提供了一种实验参考方法。

超声速气流中激波对气膜冷却流动的干涉特性研究

激波会影响气膜冷却流场的流动特征,引起流场结构和冷却效率的变化。为探究激波干涉对气膜冷却的影响,本文采用数值模拟的方法对不同射流角度和不同吹风比工况下的超声速平板气膜冷却开展研究。结果表明:气膜冷却效率随吹风比的增大呈现先增大后减小的趋势,随着射流角度的增大,气膜在孔附近的展向覆盖效果逐渐提高,但冷却效率沿流向衰减加快;采用无量纲坐标系分析激波干涉对气膜流动的影响,获得激波与气膜冷却流动干涉在不同工况下对冷却效率的一致性影响规律,激波会造成冷却效率的明显降低;激波干涉下冷气容易产生三维流动分离,随着射流角度的增大,分离区极限流线的拓扑结构更加复杂。进一步引入均匀性指标参数分析激波干涉对气膜冷却效率的影响,不同射流角度下,激波干涉区域气膜冷却效率的均匀性随吹风比的增加呈先增大后减小的趋势。

脱液型管式气液分离器旋流分离段内液膜流动和分离特性

脱液型管式气液分离器旋流分离段内液膜流动特性是影响分离性能的关键因素,掌握液膜流动与分离效率之间的关系对结构改进和性能提升至关重要。本文改变液气比、入口气速、分流比和旋流叶片出口角等因素开展室内实验测试,获得不同工况下液膜流动的高速摄影图像和分离效率,基于Matlab编程建立液膜表面波速度和角度的图像分析方法,确定液膜流动特性与分离效率之间的关系。结果表明,液气比在0.12~0.3L/m3范围内,液气比和分流比对分离效率和液膜表面波速度的影响不明显;入口气速对分离效率和液膜表面波速度的影响最为显著,随着入口气速逐渐增加,分离效率先增大后减小,在入口气速18.82m/s时出现拐点;旋流叶片出口角分别为30°、45°、60°时,分离效率由大到小依次为30°>45°>60°,液膜表面波速度由大到小依次为60°>45°>30°。总的来说,旋流分离管段内液膜表面波速度0.98m/s为临界值,液膜表面波速度大于该值时,环缝排液口处液膜更易发生破碎,部分破碎的大液滴在重力和气流作用下进入气相出口,导致气液分离效率显著下降;液膜表面波速度小于0.98m/s时,分离效率基本保持在98%以上。

导电粒子掺杂纳米纤维复合膜的电磁特性及吸波预测

选用氧化锌、石墨烯和铜粉等导电粒子作为电磁介质,采用“静电纺丝+喷雾法”制备导电粒子掺杂聚乳酸纳米纤维复合膜,对复合膜的结构和电磁特性进行表征,并研究导电粒子种类及其含量、膜材厚度对复合膜电磁参数的影响,进而预测膜的吸波性能。结果表明,导电粒子掺杂复合膜的电磁参数特征与导电粒子含量有关,导电粒子质量分数增加,膜材的介电常数实部和虚部明显表现出增大的趋势,石墨烯掺杂复合膜具有较大的介电参数,介电损耗远大于磁损耗,石墨烯质量分数为25%的复合膜在膜材厚度为10.0 mm时的反射损耗为-27.51 dB。掺杂膜材厚度增加,同质量分数下反射损耗的峰值逐渐从高频向低频移动,复合膜倾向于选择吸收波长更长、频率更低的电磁波;导电粒子含量增加,最小反射损耗值逐渐减小,较多的导电粒子能够形成较完整的导电网络,极化能力和介电损耗增强,电磁损耗增加。反射损耗值和吸收带宽与导电粒子含量和膜材厚度有关,可通过调节导电粒子含量和膜材的厚度来调控膜材料的电磁吸收性能。

面向6G通信的SnSe_(2)薄膜太赫兹波探测器

第六代通信(6G)技术以其宽带宽、高速传播、保密性强等优势成为了通信技术的发展方向,并计划于2028年商用。然而,由于6G波段电磁波的光子能量较低而在室温下缺乏高效的探测手段,这也成了制约6G技术发展的因素之一。近年来,低带隙纳米材料的发展,为太赫兹波检测提供了一种低成本、高灵敏度的探测手段。对大面积、高灵敏度的薄膜太赫兹波探测器进行研究,同时引入532 nm激光和强垂直磁场进行调控,研究了外场作用下的探测性能变化,得到了外场对太赫兹波的探测效果具有极其显著的提升。因此,少层和多层SnSe_(2)薄膜在外场调控下对于太赫兹波探测有明显的提升作用,这一研究也证明了,外场调控下的SnSe_(2)薄膜对6G探测技术的发展具有重要意义。

多层气泡膜隔层结构对水下冲击波衰减效果分析

为分析多层气泡膜隔层结构对水下爆炸冲击波衰减效果,使用不同规格气泡膜并设计不同层数的空气隔层结构,以8号工业电雷管作为爆源,进行水下爆炸试验,获得水下冲击波参数,通过冲击波超压峰值与比冲击波能对比分析气泡膜对水下冲击波的衰减效果。结果表明:随着气泡膜层数的增加,冲击波超压峰值衰减率随之增加,1#气泡膜衰减率由48.32%上升至89.10%,2#气泡膜衰减率由86.08%上升至91.33%,3#气泡膜衰减率由87.87%上升至91.45%,4#气泡膜衰减率由90.34%上升至92.37%;薄膜隔层对比气泡膜空气隔层,其对水下冲击波的衰减影响比重较小,在层数相同的条件下,气泡膜气泡直径越大对水下冲击波的衰减效果越好,说明隔层结构中气泡对冲击波的衰减有着重要的作用;通过比冲击波能分析,气泡膜空气隔层比冲击波能消耗均超过98.50%以上,能量消耗显著。在实际应用中,可以使用气泡膜作为防护材料,能够有效地降低冲击波对被保护对象带来的危害。

激波与不同厚度液膜相互作用特性的试验研究

为了探究液膜在激波作用下的变形、破碎和雾化特征,该文基于激波管系统,试验研究了激波与不同厚度液膜的作用过程。运用阴影摄像的可视化手段,记录了该试验过程。结果表明:RT-不稳定性及RM-不稳定性是液膜界面破碎的主要机制,这将显著增强液滴与空气的混合过程;激波、反射波、稀疏波及高速气流与液膜作用时间较长,液膜内部可能出现大小不一的气泡,从而形成空化区域;随着液膜厚度的增加,入射激波压力略有增加,反射激波强度及其压力呈现先减小后增大的趋势;当液膜厚度为10 mm时,1.58 Ma的入射激波经反射后的反射激波强度仅为0.29 Ma。所得结果可为云爆武器爆炸抛撒过程研究提供数据参考。

液体射流撞壁液膜表面波形成演变机理及其影响

为揭示液体火箭发动机推力室内撞壁液膜形成演变机理,并优化液膜冷却设计,采用高速摄像技术实验研究了液体射流撞壁液膜表面波特征,考察了射流雷诺数(1255<Re<14116,1.6 m/s<u<18 m/s)和撞击距离L/d=30,60和90(d为喷嘴直径)对表面波频率、波间距及液滴飞溅的影响。结果表明,撞击点附近主要存在由射流动能引起的撞击波,高Re下液膜表面波前缘横向弯曲变形,呈现不规则锯齿状。当1960<Re<3920时,随Re的增加液膜表面波主频增大,频谱分布范围变宽。自撞击点向下游运动过程中波的主频、波速和波间距均不断减小。当撞击距离大于射流破碎长度,射流撞壁转变成连续液滴撞壁。对于连续液滴撞壁和高Re射流撞壁,表面波边缘沿壁面法线方向形成冠状薄膜,由于惯性力和表面张力的作用,薄膜破碎拉丝形成液滴,液滴溅射率随撞击距离的增加而增大。本文揭示了液膜撞击点附近大尺度波主要由射流表面扰动引起,并阐明了大部分飞溅液滴由表面波边缘薄液膜的破碎产生。

压电复合薄膜的SAW器件杂波抑制及仿真方法

针对任意复杂膜系结构压电复合薄膜声表面波(SAW)器件横向杂波抑制及精确快速仿真方法,从数学上严格分析推导了有限长结构分层级联理论和色散2D-COM模型,可精确快速地计算压电复合薄膜SAW器件传播方向及孔径方向结构对杂波模式的影响,并通过色散2D-COM模型对SAW器件杂波抑制进行综合分析。通过对41°Y-X LiNbO_(3)/SiO_(2)/Si_poly/Si(111)复合衬底SAW谐振器的优化设计与研制,结果表明,设计优化结果与实验结果吻合较好,验证了该方法的有效性和可行性。

壁面渗透气膜工质对圆锥高超声速边界层稳定性的影响

壁面渗透气膜是一种有应用前景的高超声速边界层转捩控制和减阻降热方式.在马赫数6高超声速静音风洞内,使用纳米粒子示踪的平面激光散射(nano-tracer planar laser scattering,NPLS)技术和高频脉动压力测试技术,研究了壁面渗透气膜工质(氦气、空气和二氧化碳)在相同体积流量条件下对圆锥高超声速边界层的影响.实验结果表明,壁面渗透气膜显著增厚了边界层,最厚位置都出现在渗透区域下游边界处,且氦气气膜时边界层最薄,二氧化碳气膜时最厚.通常,空气气膜和二氧化碳气膜使得边界层内提前出现规则的绳状交织的第二模态波结构,但体积流量较大条件下二氧化碳气膜时,扰动波结构类似剪切层不稳定性.氦气气膜时,扰动波结构不是第二模态波,其形状不规则,随时空变化较大,壁面脉动压力功率谱密度没有出现峰值频率.空气气膜时第二模态波波长大约是边界层厚度的2—3倍,而二氧化碳气膜时增大到3倍以上.二氧化碳气膜时第二模态波峰值频率最小,频带范围最窄,波长最长,幅值最大,扰动波传播距离较远且非线性相互作用较强.

新型波浪加权式高性能声表面波滤波器设计

射频滤波器是移动通信中信号传输频率选择、噪声滤除干扰的不可或缺的关键器件。压电薄膜多层衬底结构的声表面波滤波器因具有高矩形度、低损耗等优点在近年来被广泛应用,但其谐振器固有的横向模式会极大影响滤波器性能。为此提出了一种新型的波浪加权式叉指设计的声表面波谐振器,该谐振器通过使用正弦函数作为交叠长度加权包络曲线,能够在不恶化谐振器性能的前提下有效抑制谐振器中的横向模式。将波浪加权式叉指设计的谐振器按照梯形拓扑结构级联,设计并制备了一款尺寸为1.1 mm×0.9 mm×0.55 mm的高性能滤波器。该滤波器中心频率为2.593 GHz,相对带宽为8.8%,插入损耗为0.52 dB。实物测试结果与仿真基本一致。

爆炸冲击波与水膜相互作用的试验研究

为了研究爆炸冲击波与水膜的相互作用,基于水平激波管搭建冲击波与水膜相互作用的试验平台,设计一个水膜发生器,能够产生厚度为8 mm的稳定水膜。研究了1.31和1.42马赫的入射冲击波分别与距管口45、55和65 mm处的水膜相互作用,并采用纹影仪和高速摄影机对冲击波与水膜的相互作用进行了可视化研究,采用压力测试系统记录水膜前方和后方20 mm处的压力和冲量变化。研究结果表明:水膜前方的压力变化取决于冲击波的反射,且水膜产生的反射波低于刚性-固体壁面产生的反射波;水膜后方的压力变化取决于受冲击的水膜破碎时所吸收的能量,且这部分能量主要来源于冲击波后高速气流的作用,冲击波本身的作用并不明显;水膜后方的峰值压力和冲量显著增强,峰值压力的增强效果能达到50%以上,冲量的增强效果能达到10倍以上;水膜距管口越远,对峰值压力的增强效果越显著,对冲量的增强效果越微弱。

贴合材料硬度对PVDF薄膜传感器冲击波测量的影响研究

在人员毁伤效能评估中,体感冲击波值为重要的毁伤判据之一。为提高人员体表冲击波测试的准确性,同时保证传感器阻抗匹配的优势,提出了一种柔性膜片阻抗匹配下的冲击波测试技术,并对不同硬度的贴合材料对冲击波超压测量的影响展开了实验研究。首先在刚性表面对聚偏二氟乙烯薄膜(PVDF)传感器进行了冲击波标定实验,得到了PVDF传感器力电响应关系;在此基础上,对4种硬度的聚氨酯橡胶作为贴合材料的PVDF传感器加载不同强度冲击波,实验结果表明,与PVDF直接贴合在类生物组织上相比,硬度为50A的贴合材料能够改善横向效应的影响使得传感器灵敏度系数基本保持为常数,但贴合材料硬度增加为70A和90A时测量非线性度分别增加了22.6%与30.2%。

主流马赫数对超声速气膜冷却流场特性及冷却效率的影响

着眼于离散孔形式的气膜冷却在高超声速飞行器热防护中的应用,为更深入探究超声速气膜冷却流场结构特征以及激波对气膜冷却的耦合作用机理,采用三维可压缩RANS数值仿真方法,研究了不同主流马赫数条件下气膜冷却的流动和传热特性。结果表明,主流超声速条件下,冷却射流的阻碍作用使得气膜冷却孔上游出现激波,且随着主流马赫数的增大,激波强度增大;激波诱导主流沿展向偏转而远离气膜冷却孔中心区域,弱化了主流和冷却射流的相互作用,降低了冷却射流在展向的掺混耗散。因此,在主流超声速条件下气膜冷却覆盖效果更佳、距离更长,且整体气膜冷却效率随着主流马赫数的增大而提高。