高结晶度石墨膜前驱体“Kapton”薄膜热解行为的研究

研究了制取高结晶度石墨膜用的聚酰亚胺薄膜“Kapton在氮气气氛里加热到1000℃的热解行为。实验表明,样品大量质量损失和尺寸收缩发生在500～800℃区间,当温度超过800℃后,其趋于缓和。考察了样品的热解动力学,对相关活化参数的变化进行了一定讨论。用原子力显微镜(AFM)观测了热解1000℃时样品的表面形貌,认定其表面结构带有含氮的杂环缩合芳香层面的类石墨炭微晶,这些炭微晶的堆积呈现较为混乱和不规则状态。

不同初始应力的Kapton薄膜的蠕变性能研究

聚酰亚胺薄膜(Kapton薄膜)作为一种航天膜材,其蠕变效应对结构的影响至关重要。为研究其蠕变力学性能,首先选用厚度为25μm的Kapton薄膜,在极限抗拉强度的35%、50%、65%、80%4组应力水平下,进行单轴蠕变拉伸试验。其次根据得到的蠕变力学曲线分析不同初始应力下薄膜蠕变的变化规律,结合蠕变伸长率描述薄膜随初始应力的蠕变特性并探讨其内在机理。最后采用经典Kelvin、经典Maxwell、四元件Burgers、三参数广义Kelvin、五参数广义Kelvin 5种蠕变本构模型对试验数据进行拟合,并对比分析各模型的拟合效果。结果表明:Kapton膜材具有明显的粘弹性性能,在设计中应予以考虑;初始应力对Kapton膜材的蠕变性能影响显著,初始应力越大,蠕变初期应变越大,稳态蠕变阶段应变保持值越高,粘弹性越明显;不同方向上的拉伸断裂应力水平导致蠕变性能的差异性,各应力状态下总应变TD(机器展开方向)大于MD(垂直方向);随着初始应力的增大,薄膜的蠕变伸长率先增大后减小,这是因为初始应力对薄膜内部的应力状态和位错运动的影响是复杂的,并且存在一个平衡点。本研究采用的五参数广义Kelvin模型能够较好地预测Kapton膜材的蠕变性能,拟合结果的可决系数均超过0.99,Burgers模型次之;经典Kelvin、三参数广义Kelvin以及经典Maxwell模型拟合可决系数在0.71~0.86之间,其拟合结果满足实际工程的需要。

Kapton薄膜偏轴拉伸试验研究

为深入揭示Kapton高分子膜材强度和刚度特征,对其进行7个偏轴角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)下的单轴拉伸试验,获得了材料在各角度下的应力-应变关系、强度和断裂延伸率等数据,推导了相应的弹性模量-应变关系。结果表明:Kapton薄膜为典型的非线性、各向异性材料,整个拉伸过程的应力-应变曲线可以分为3个阶段,即近似弹性段、应变强化段、应力强化段;Kapton膜材强度随偏轴角度的变化表现出“N”形分布规律,异于Tsai-Hill等强度准则的“U”形规律,这是由于膜材内部分子链的择优取向,导致偏轴角度30°时抗拉强度最大,偏轴角度60°时抗拉强度最小;断裂延伸率随偏轴角度的增大呈现出增大的趋势;不同偏轴角度下的弹性模量均有所差异,正交各向异性板的弹性理论可以较好预测Kapton膜材的等效弹性模量;研究所得结论可为Kapton膜材强度、变形预测及相应的充气可展结构设计分析提供参考。

高回弹性压阻式薄膜压力传感器的研究进展

压阻式薄膜压力传感器作为薄膜压力传感器的重要分支,具有灵敏度高、响应快、弹性好等优点,如何同时实现高灵敏度、宽工作范围、快速响应和快速回弹是未来所面临的挑战,而新型材料、结构设计、传感器制备方式及动态特性建模是高回弹性传感器研制的关键。本文归纳了基底及活性层材料制备及其相应单一微结构、仿生结构、皱褶结构的设计,同时阐述了高回弹性压阻式薄膜的制备技术,总结了薄膜压力传感器动态建模和动态补偿的方法,最后对薄膜压力传感器发展中的新需求做了展望。

日光温室薄膜全自动清洗机研制与试验

针对日光温室薄膜人工清洗劳动强度大、自动化清洗设备缺乏的现状,该研究设计了一种日光温室薄膜全自动清洗机。为减小整机质量并降低成本,采用双蜗轮蜗杆电机分别驱动清洗主机的毛刷与爬升轴;设计地面移位换行装置,用以承载清洗主机沿温室长度方向移动;为实现自动换行清洗,设计棚顶移位换行装置,调整棚顶吊绳安装高度,避免吊绳在换行作业时与棚面产生干涉而影响换行质量或损伤薄膜。基于多传感器融合与数据校验技术,保证清洗主机、棚顶与地面移位装置间的协作实时性、一致性及可靠性。为验证设计方案的合理性与可行性,以参照日光温室跨度、脊高、肩高参数10:1制作模型温室,按外形尺寸5:1加工清洗样机,并进行对齐、倾斜偏移及清洗效果验证试验。结果表明,清洗主机升降时的水平偏移量在±3°以内,左右偏移量在±7 mm以内(换行操作时各偏移量无累积);地面与棚顶移位换行装置的单次换行误差与多次换行累计误差均在1 mm左右;毛刷材料选型与关键参数设计合理,可对薄膜表面灰尘进行有效清洗,洗净率为95.4%,清洗效果明显。该清洗机在丰富国内日光温室清洗装备类型的同时,有效解决了团队前期研发清洗机质量大、易伤膜、自动化水平低等问题,为温室大棚薄膜相关清洗设备的设计研发提供了参考。

银纳米线透明导电薄膜仿真研究现状

银纳米线薄膜作为新型柔性透明导电薄膜,具有导电性能好、透光率高、成本低和柔性良好等优点。本文从电学、力学和光学三个方面介绍了银纳米线薄膜的仿真原理、仿真工具及发展现状。目前,银纳米线薄膜的电学性能仿真已研究得比较完善,能够从微观到宏观尺度建立精确的模型,常用的节点主导假设(JDA)模型、多节点表示(MNR)模型能够较好地模拟、预测银纳米线薄膜的方阻。银纳米线薄膜力学仿真尚未能建立起完美的宏观模型,只能通过分子动力学方法等对单根或多根银纳米线之间的力学性能进行仿真模拟。银纳米线薄膜的光学性能的仿真主要依靠时域有限差分方法来模拟光与材料的相互作用,依靠该方法能够模拟少量银纳米线的光学性能,并且目前已有建立大型复杂银纳米线薄膜光学模型的尝试。此外,多物理场耦合且能够反映整个银纳米线薄膜的光-电-热-力综合性能的仿真模型仍未建立,未来研究者们还需于此继续深耕。

基于产学研协同育人的薄膜物理与技术课程教学模式探索——以长春理工大学为例

在产学研协同育人培养技能型和应用型全面人才的背景下,以长春理工大学薄膜物理与技术课程为例,通过课程内容优化、线上教学资源建设、课内实验及竞赛联合项目设置,教学设计改革、课程测试与评价建设及课程思政建设几方面对产学研协同育人的课程教学模式进行探索,最终提高学生实践创新能力、科研能力及自身就业竞争力。同时,其也是培养合格员工且缩短人才培养周期的最佳途径,另外,也为高校产学研协同育人的课堂教学改革及实践提供一定的参考。

不同摩擦副条件下二硫化钼薄膜的摩擦学性能研究

为了研究MoS_(2)-Ti薄膜与9Cr18钢、W-DLC和DLC薄膜的摩擦学行为,分别采用磁控溅射技术和等离子体增强化学气相沉积技术在9Cr18钢表面沉积了MoS_(2)-Ti薄膜、W-DLC和DLC薄膜。用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)研究了薄膜的表面形貌、化学成分和相组成。利用纳米压痕仪和球-盘摩擦试验机对不同薄膜的纳米硬度和摩擦学性能进行了分析。研究结果表明,MoS_(2)-Ti薄膜与DLC薄膜的摩擦因数和磨损率最小。相比MoS_(2)-Ti薄膜与不镀膜的9Cr18钢球摩擦副,MoS_(2)-Ti薄膜与W-DLC薄膜摩擦副的摩擦因数和磨损率没有减小。MoS_(2)-Ti薄膜与W-DLC薄膜摩擦副的磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损,与DLC薄膜摩擦副的磨损机制为黏着磨损。摩擦副表面沉积DLC薄膜有助于降低MoS_(2)-Ti薄膜的摩擦因数和磨损率。

ITO/AgNWs/ITO薄膜的制备及其性能研究

随着显示面板向超大尺寸、超高清、可触控的方向发展,单一的氧化铟锡(ITO)薄膜难以满足显示器件越来越高的光电性能要求,因此复合导电薄膜得以发展。本文制备了以二维银纳米线(AgNWs)导电网络嵌入ITO薄膜形成的ITO(222)/AgNWs/ITO(400)复合薄膜结构,系统研究了AgNWs添加量和上层ITO薄膜溅射温度对复合薄膜结构与光电性能的影响,AgNWs金属导电网络不仅提升了薄膜的电学性能,还保持了优良的光学性能。结果表明,在旋涂600μL的AgNWs分散液、上层ITO薄膜的溅射温度为175℃时,制备的复合ITO薄膜方阻为7.13Ω/□,在550 nm处透过率为91.52%,且品质因数为57.82×10^(-3)Ω^(-1),实现了超低电阻率和高可见光透过率复合ITO薄膜的制备。

基于反射光谱的薄膜光学常数和厚度测试

薄膜的光学常数(折射率、消光系数)和厚度决定了镀膜零件的光学性能,因此根据实际条件掌握薄膜的光学常数和厚度是膜系结构设计和性能优化的重要环节。本文采用傅里叶红外光谱仪测试薄膜样品的反射光谱曲线,通过单纯形优化算法拟合反射光谱曲线,借助不同色散模型,构建目标优化函数,获得薄膜光学常数和厚度,拟合结果与采用椭偏仪测试的结果具有较好的一致性。将拟合得到的薄膜光学参数及厚度代入反射率理论计算模型,通过理论计算模型得到的反射率曲线和实验测试曲线吻合良好,折射率测试结果与计算结果的最大相对误差小于1.8%,厚度测试结果的相对误差不大于0.4%,考虑消光系数的反射光谱拟合曲线与测试曲线相对误差的最大值小于2%。该方法只需测量薄膜的反射光谱曲线,通过计算就能得到薄膜的光学常数及厚度。该方法测试计算简单、精度高、适用范围广,对光学薄膜结构设计、优化和加工具有一定的实际应用价值。

PVA-甜玉米芯多糖纳米银复合薄膜的制备及草莓保鲜应用

以聚乙烯醇(PVA)和可溶性淀粉为成膜基质、甘油为增塑剂、甜玉米芯多糖(SCP)为原料制备的纳米银(AgNPs)为填料,通过流延成膜法制备了复合薄膜PVA-AgNPs。以抗拉伸强度为指标,通过单因素实验和响应面实验探究了PVA-AgNPs的最佳制备工艺,采用FTIR、SEM对PVA-AgNPs进行了表征,对其性能进行了测试,评价了PVA-AgNPs在草莓保鲜中的应用。结果表明,PVA、可溶性淀粉、甘油和AgNPs用量分别为2.3 g、2.0 g、4.0 mL和4.0 mg时制备的PVA-AgNPs具有最高抗拉伸强度〔(14.08±0.58)MPa〕和断裂伸长率(223.10%±5.29%),其水接触角(50.04°±0.03°)高于PVA薄膜(25.72°±0.69°),其在水中的溶解率(61.87%±0.17%)低于PVA薄膜(69.44%±0.16%),PVA-AgNPs的水蒸气透过率(2.0%~2.5%)比PVA薄膜(0.8%~2.3%)更稳定,其在室温土壤中30 d的降解率为44.67%±2.51%。用PVA-AgNPs包覆草莓,降低了草莓的失重率、腐败率,减少了草莓硬度、可溶性固形物含量与VC含量的损失,稳定了草莓的pH。PVA-AgNPs表面粗糙,有轻微的褶皱,内部存在部分孔隙和裂纹;AgNPs通过覆盖PVA表面亲水性基团增强了复合薄膜疏水性,通过改变水蒸气透过的通路,降低了PVA-AgNPs在水中的溶解率,通过对可见光的吸收,加深了复合薄膜的颜色,降低了其透光率;AgNPs的添加改善了PVA-AgNPs对可见光、水与氧气的阻隔性,实现了对草莓的保鲜。

环形桁架式空间薄膜展开机构运动精度可靠性建模与分析

空间薄膜展开机构的姿态和位置精度会对薄膜索网的工作形态产生影响。文章首先构建环形桁架式空间薄膜展开机构运动精度可靠性理论模型,然后基于ADAMS建立考虑展开机构杆长误差的参数化仿真模型,并采用蒙特卡罗法对展开机构进行运动精度可靠性仿真分析,求解运动精度可靠度。结果表明,以机构展开到位时折展杆支撑点所拟合的空间圆心坐标位置误差及半径误差作为其运动精度可靠性量化评价指标是正确的。该研究可为空间薄膜展开机构的可靠性设计提供参考。

氧化物光学薄膜的压入硬度研究

为了评价离子源辅助对不同氧化物薄膜的影响,采用不同的镀膜设备沉积了TiO_(2)、Ta_(2)O_(5)、ZrO_(2)、SiO_(2)氧化物单层膜,用椭偏仪测量了其折射率和厚度,并用纳米压痕仪测量了不同载荷下材料的杨氏模量和纳米硬度,比较了不同离子源沉积条件下膜层这两个参数的变化。结果表明,离子源辅助能有效增加膜层杨氏模量和压入硬度,TiO_(2)增加了2 GPa,Ta_(2)O_(5)增加了4 GPa,ZrO_(2)增加了2 GPa,和膜层的折射率变化趋势是一致的。纳米压痕法也可作为评价离子源轰击能力的一种手段。

Ni-Cr薄膜换能组件静电响应特性与发火概率预测研究

针对电火工品在静电放电影响下可能发生误发火的问题,以Ni-Cr薄膜换能组件为研究对象,提出了一种分析其在人体静电放电下的响应特性,并预测发火概率的方法。首先,介绍了Ni-Cr薄膜换能组件系统架构,并建立了电火工品静电放电等效电路模型;其次,研究了Ni-Cr薄膜换能组件静电放电响应特性,分析了换能组件尺寸和放电电压对薄膜桥区温度的影响规律;最后,构建了Ni-Cr薄膜换能组件在统计特征下的输入条件,确定了换能组件失效判据,进而结合发火感度试验与数理统计方法,实现了在静电放电条件下电火工品发火概率的预测。研究结果表明:预测发火概率与试验值误差不超过5%,验证了本文方法的有效性。

镍铬硅薄膜换能元的制备及其发火性能研究

为了探索镍铬硅薄膜换能元的发火性能,采用MEMS工艺制备了镍铬硅薄膜换能元。利用扫描电子显微镜(SEM)和四探针法对镍铬硅薄膜进行了性能表征;依据GJB/Z 377B-2022感度实验中兰利法进行了镍铬硅薄膜换能元感度测试;在发火电压27 V、发火电容33μF条件下对镍铬硅薄膜换能元进行了发火性能测试。结果表明:镍铬硅薄膜表面平整、致密性较好,且具有负电阻温度系数,其换能元平均发火电压比镍铬薄膜换能元高;镍铬硅薄膜换能元作用过程中产生等离子体,瞬发度高。

聚丙烯腈基多层异质柔性复合薄膜制备及其压电特性

为了解决压电纳米发电机的柔性和压电输出特性不能协同提高的难题,采用旋涂法制备纯聚丙烯腈(PAN)压电薄膜和PAN/氧化石墨烯(rGO)复合压电薄膜,通过堆叠热压法制备PAN-PAN/rGO-PAN和PAN/rGO-PANPAN/rGO两种典型的三明治异质压电纳米发电机。系统研究了rGO掺杂质量分数对PAN/rGO复合压电薄膜和两种典型异质复合薄膜的压电输出性能的影响。研究结果表明,三层异质PAN-PAN/rGO-PAN型和PAN/rGO-PANPAN/rGO型复合薄膜压电纳米发电机输出最大的电压分别达到4.61 V和5.80 V,比三层同质PAN-PAN-PAN复合压电纳米发电机输出电压分别提高34.0%和68.6%。当负载电阻为10 MΩ时,PAN/rGO_(0.4)-PAN-PAN/rGO_(0.4)复合薄膜压电纳米发电机的输出功率最大值为2.02μW。经过4500次循环测试表明,本文制备的三层异质复合薄膜输出性能稳定。该纳米发电机有望作为自供能微型压力传感器在柔性可穿戴电子设备和电子皮肤中广泛应用。

基于共溅射ZnO/SnO_(2)异质结薄膜的气体传感器研究

采用射频磁控共溅射法在叉指电极上制备了ZnO/SnO_(2)n-n异质结复合薄膜,系统测试了其气敏特性,并分析了其气敏机理。结果表明,与ZnO薄膜和SnO_(2)薄膜气体传感器相比,ZnO/SnO_(2)异质结薄膜气体传感器具有更低的工作温度、更高的灵敏度以及更快的响应和恢复速度。ZnO/SnO_(2)异质结薄膜气体传感器对乙醇具有较好的选择性,最低检测体积分数为1×10^(-6),最佳工作温度为250℃;对1×10^(-4)乙醇气体的灵敏度可达18.4,响应时间和恢复时间分别为10 s和19 s。

自然环境老化ETFE薄膜单轴拉伸力学性能研究

ETFE薄膜在自然环境老化后的力学性能是ETFE结构长期使用性能评价的基础。选取在室外自然环境长期使用后的ETFE薄膜,开展了微观形貌表征和宏观力学性能试验,采用能量法确定了自然环境老化ETFE薄膜的屈服点及弹性模量,基于数理统计分析了材料力学参数标准值。研究结果表明,自然环境老化作用使ETFE薄膜材料表面微观形貌粗糙,截面褶皱纹理密集,晶粒尺寸增大了7.8%。老化ETFE薄膜破断强度下降显著,屈服应力及弹性模量降低较大,其标准值为11.73、703.2 MPa,降低了14.9%、13.5%。研究扩展了ETFE薄膜材料力学的研究范畴,可为准确评估ETFE结构长期使用性能提供重要的力学参数。

氧化锌锡薄膜晶体管的制备与性能研究

为了提高薄膜晶体管的性能,本文基于射频磁控溅射技术,采用氧化锌锡(ZTO)材料作为沟道层,在SiO2/p-Si衬底上制备高性能ZTO薄膜晶体管。采用AFM、XRD、UV-Vis研究了溅射功率对ZTO薄膜的表面形貌和光学性能的影响。使用半导体参数仪对ZTO薄膜晶体管进行电学性能的测试,利用XPS分析研究溅射功率对ZTO薄膜中元素组成和价态的影响,探索高性能薄膜晶体管的原理机制。实验结果表明,所有ZTO薄膜样品是非晶结构,表面致密,透光率均大于90%。适当增加溅射功率能够改善ZTO薄膜晶体管的电学性能。在90 W溅射功率下制备的薄膜晶体管综合性能较好,其饱和迁移率达到了15.61 cm^(2)/(V·s),亚阈值摆幅为0.30 V/decade,阈值电压为-5.06 V,电流开关比为8.92×10^(9)。

聚乙烯醇包装薄膜的制备及其抗菌性能研究

聚乙烯醇(PVA)是一种新型的绿色环保材料,开发无毒且光学性能和力学性能优异的PVA抗菌包装薄膜能扩大其在包装领域的应用范围。PVA抗菌包装薄膜制备的难点在于选择合适的抗菌材料以解决大部分抗菌剂分散难、与基材相容难的问题。本研究以无毒安全的抗菌剂单辛酸甘油酯(GMC)作为抗菌剂、甘油/山梨醇为复配增塑剂,制备PVA包装薄膜。首先将GMC溶于甘油后再与水混溶形成乳状抗菌液,而后加入PVA膜液中,共混制备了PVA包装薄膜,并对其力学性能、光学性能和透氧性能进行研究。实验结果表明,当GMC用量在0.2~0.3mL之间时,PVA包装薄膜的透光率保持在92%以上,雾度低于10%,拉伸强度为211.485MPa,断裂伸长率为140.41%,其具有良好的光学性能和力学性能且GMC用量的增加对PVA包装薄膜氧气透过率影响不大。然后,利用傅里叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜、差示扫描量热仪对PVA包装薄膜进行了表征。实验结果表明,GMC的加入使PVA包装薄膜红外光谱图中3200cm^(-1)左右的峰明显变宽,薄膜中羟基(-OH)的含量增加;加入GMC后的PVA包装薄膜表面出现均匀分布的抗菌液滴,且随着GMC含量的增加,GMC在薄膜中的分散性减弱;差示扫描量热仪曲线反映出GMC、PVA和复配增塑剂(甘油/山梨醇)之间具有较好的相容性。最后,对PVA包装薄膜进行抗菌性能测试。研究表明,GMC的加入对金黄色葡萄球菌的生长繁殖起到一定的抑制作用,且GMC的含量越多,其作用效果越明显。