单晶铁金属表面污染物的激光烧蚀机理

激光惯性约束核聚变装置中要求光学元件能够承受极高的激光通量,因此对装置内部洁净度有很高的要求.研究表明装置内部的颗粒污染物主要来源于装置内的机械结构件,杂散光作用下机械结构件表面的损伤将产生颗粒污染物.精密金属构件的激光诱导损伤问题是制约高功率激光装置超洁净制造的重要因素.由于机械结构件表面不可避免地存在污染物,因此本文基于传统的分子动力学能量耦合方式,模拟了激光与表面吸附污染物单晶铁的相互作用过程,探讨了铁材料在激光作用下的烧蚀行为,并分析了激光加载方式和激光能量密度对铁材料烧蚀的作用情况,对比研究了材料表面有无污染物对材料烧蚀的影响情况.研究表明:激光作用下铁材料表面原子在污染物原子的剧烈碰撞下呈现出不同的运动状态;激光能量瞬时加载时更容易烧蚀铁材料;当激光能量密度低于0.0064 J/cm^2时,将去除铁材料表面的污染物并不会对铁材料产生烧蚀现象,进一步分析表明铁材料表面吸附污染物时更容易被激光烧蚀.研究结果可为提高高功率激光装置的内部洁净度、实现系统超洁净控制提供理论依据.

高应变率下温度对单晶铁中孔洞成核与生长影响的分子动力学研究

采用嵌入原子势的分子动力学模拟方法,研究了5×10^9 s^–1应变率下,温度效应对单晶铁中孔洞成核与生长的影响,并对NAG(nucleation and growth)模型在单晶铁中的适用性进行了探讨.结果表明:随着温度的升高,单晶铁的抗拉强度峰值降低,1100K温度下单晶铁抗拉强度峰值比100 K温度下降低了35.9%.在100-700K温度下,拉应力时程曲线表现出双峰值特点,分析表明,第一峰值是由于拉应力升高引起内部结构发生相变而产生,第二峰值则是因发生孔洞成核与生长而产生;900-1100K温度下,拉应力时程曲线表现为单峰值,孔洞成核与生长是拉应力下降的主要原因.分析发现,孔洞在高温下更容易成核,高应变率下单晶铁中孔洞成核与生长和NAG模型有较好的符合度,单晶铁中孔洞成核阈值与生长阈值都远高于低碳钢,并且孔洞成核阈值与生长阈值随着温度的升高而逐渐降低.研究结果可为建立高应变率下金属材料动态损伤演化模型提供借鉴.

极化方式对弛豫铁电单晶光学和电学性能的影响

针对传统弛豫铁电晶体透光率的问题,文中选择了三方相结构三元弛豫铁电单晶25PIN 44PMN 31PT,沿[001]方向对晶体进行了常温直流和交流极化,对比并分析了两种极化样品的透光率和介电压电性能。研究结果表明:交流极化后,样品透光率在可见光波段达到70%,室温下相对介电常数提高了18%,压电系数和逆压电系数分别提高了9.7%和11%。交流极化可以去除对光产生散射的71°畴壁,提高了材料透光率;交流极化样品中畴的极化旋转更加容易,因而具有更高的介电压电性能。

单晶PMnN-PZT铁电薄膜制备与表征

利用磁控溅射方法,在MgO基底上沉积三元系铁电薄膜6%PMnN-94%PZT(6%Pb(Mn1/3,Nb2/3)O3-94%Pb(Zr0.45,Ti0.55)O3),采用淬火方法对薄膜进行后期热处理。分别运用面内和面外X射线衍射(XRD)技术分析薄膜长相及晶体结构,运用高分辨率扫描电镜(SEM)观察薄膜的晶粒表面及截面结构。实验结果表明,所沉积薄膜为单晶钙钛矿结构薄膜,薄膜结构优良。

基于分子动力学的磨粒微切削单晶铁数值分析

为探讨磨粒流加工过程中工件材料去除机制,采用分子动力学方法模拟碳化硅颗粒微切削单晶铁的加工过程,研究磨粒微切削单晶铁过程中影响切削力变化的微观作用机制及切削力产生持续波动的原因,揭示磨粒微切削作用下工件材料发生物理变化的内在原因及磨粒对工件的做功规律。通过原子位移分析可知,磨粒微切削过程中材料的塑性变形主要是由晶格内滑移面上产生滑移区域从而形成位错,原子在切削力作用下沿位错线发生运动所导致,同时,探讨了原子的堆积现象及切屑形成机制。通过多面体模板匹配方法对微切削过程中工件原子排布情况进行了分析,探讨了工件材料内晶格结构的变化情况。本文研究可为磨粒流精密加工单晶铁工件材料提供理论基础和技术支持。

大尺寸弛豫铁电单晶PIMNT的坩埚下降法生长

PIMNT单晶是近年来最新发现的弛豫铁电晶体材料,该三元固溶体单晶具有比较理想的压电、铁电和介电性能,本文报道了大尺寸PIMNT单晶的熔体坩埚下降法生长的实验研究结果。采用固相合成钙钛矿相多晶料,采用垂直坩埚下降法成功生长出最大直径为3英寸的PIMNT单晶;从所生长单晶原胚的三方相区段切割加工出(001)取向晶片,就(001)晶片的介电、压电及铁电性能进行了测试表征,表明其材料性能能够满足相关超声换能器件制作的实用需求。本论文还着重讨论了PIMNT单晶生长所涉及的系列关键技术问题,如富铅熔体对铂金坩埚的侵蚀、晶体原胚的单晶性表征、晶体生长过程的组分偏析与单晶原胚的性能分布等。

PMN-PT驰豫铁电单晶及其超声换能器性能研究

测试了ＰＭＮ－ＰＴ（６７／３３）切型铁电单晶的机电性能，分析了该晶体与常用压电材料在微观结构和机电性能上差异．对该压电单晶未调制下纵向长度伸缩振动模超声换能器性能进行了理论分析．讨论了压电单晶的机械和介电损耗对超声换能器性能的规律．

弛豫铁电单晶PZNT93/7的生长与电性能研究

以50mol％PbO为助溶剂,采用溶剂-坩埚下降法生长了Pb[(Zn1/3Nb2/3)0.93Ti0.07]O3(PZNT93/7)弛豫铁电单晶.为了控制成核,我们在坩埚底部设计了一个通气装置以诱导自发成核.晶体在Pt坩埚中生长,坩埚尺寸为40mm×40mm×300mm,下降速率为0.5mm/h,通气流量为1～1.6L/min.所得晶体最大尺寸达φ30mm×25mm.该晶体具有明显的结晶学形貌.X射线定向表明,其主要显露面为(001).由于气流不稳定以及质量输运较慢,晶体内部容易形成一些红色PbO包裹.介电和铁电性能研究表明,该晶体的性能能够满足新型医疗诊断设备对阵列换能器的要求.

弛豫铁电单晶弯曲梁矢量水听器研究

研制了一种弛豫铁电单晶(PMNT)二维矢量水听器,矢量通道和声压通道分别由两个正交压电单晶复合弯曲梁振子和PZT-5压电陶瓷圆管组成。基于弹性力学理论和水下质点振速测量原理对弯曲梁矢量水听器进行建模,推导给出了接收电压灵敏度表达式,分析了弯曲梁应力分布对矢量水听器接收性能的影响以及PMNT压电单晶材料与弯曲梁结构的匹配问题。在理论分析的基础上,研制了PMNT压电单晶和PZT、-5压电陶瓷矢量水听器样品并进行测试。测试结果表明:压电单晶矢量水听器与压电陶瓷矢量水听器相比,接收电压灵敏度提高11 dB,自噪声降低3 dB,测试结果与理论结果相符。

弛豫铁电单晶的多功能特性及其器件应用

以Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-PbTiO_(3)(PMN-PT或PMNT)为代表的弛豫铁电单晶具有远高于常用锆钛酸铅Pb(Zr_(x) Ti_(1-x))O_(3)(PZT)陶瓷的压电性能,引起了基于新一代压电单晶的功能器件研究热潮。本研究团队在国际上率先利用Bridgman方法生长出了大尺寸、高质量PMN-PT等弛豫铁电单晶(d_(33)~2000 pC/N,k_(33)~92%),并对PMN-PT等弛豫铁电单晶的生长、多层次微观结构和性能调控进行了多方面的研究,发现弛豫铁电单晶不仅具有超高压电性能,还具有突出的热释电性能、电光性能以及与磁致伸缩材料复合形成磁电复合材料的超高磁电耦合性能。本研究团队多年来一直在努力推动弛豫铁电单晶在医用超声换能器、热释电红外探测器、电光器件、磁电型弱磁传感器等各种器件的应用研究。本文主要总结了弛豫铁电单晶的多功能特性,并介绍了本研究团队在弛豫铁电单晶器件应用上的研究结果。

弛豫铁电单晶的生长、性能及应用研究

弛豫铁电单晶因其具有优异的压电和热释电性能而成为下一代高性能压电换能器和红外热释电探测器用的多功能材料。利用坩埚下降法生长出了大尺寸、高质量的弛豫铁电单晶PMNT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3),以及高居里点PIMNT(xPb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-zPbTiO3)单晶。系统研究了其组分诱导相变、电场诱导相变规律,以及相结构、畴结构对晶体高压电性能的影响。系统表征了PMNT单晶的力学、电学、压电、和热释电性能。系统研究了PMNT单晶及掺杂改性的PMNT单晶的结构和性能。利用弛豫铁电单晶PMNT及其复合材料制作了医用超声换能器,其性能相比于PZT陶瓷制作的换能器有大幅度提高;利用PMNT制作了压电能量收集器,实现了高能量密度的机械振动能量收集;利用Mn掺杂的PMNT单晶制作了热释电红外探测器,其电压响应率Rv(500 K,12.5 Hz,25℃)达到14540 V/W,比探测率D*(500 K,12.5 Hz,25℃)达到1.07×109 cmHz1/2W-1;利用PMNT单晶制作了低噪声、高灵敏度的交变弱磁传感器,探测性能达到1 pT.Hz-1/2。

67Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-33PbTiO_3单晶的微结构与铁电畴

用偏光显微镜（ＰＬＭ）和透射电镜（ＴＥＭ）观察了 ６７Ｐｈ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３－３３ＰｂＴｉＯ３单 晶的畴结构，在ＰＬＭ下，光学质量不同的晶体具有不同的畴结构，透明晶体具有毫米尺度的大畴，透明性 差的晶体的带状孪生畴宽约为 ０．１ｍｍ；在 ＴＥＭ下，雾状晶体中存在着复杂的微米尺度的孪生畴，而均匀 晶体中存在着不规则的微米尺度的 １８０畴．原位 ＥＤＳ分析表明，在孪生晶体中存在 Ｎｂ－Ｔｉ－Ｍｇ－Ｐｂ－Ｏ 非晶相．透明晶体的介电和压电常数显著地高于雾状晶体．讨论了化学不均性对畴结构的影响．

铁电单晶Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-0．32PbTiO_3的实验及本构模型研究

对压力作用下沿[001]晶向极化的Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-0.32PbTiO_3(PMN-0.32PT)弛豫型铁电单晶的应力应变行为进行了实验研究,实验结果表明铁电单晶〈001〉晶向的应力应变行为和铁电多晶有本质的不同,是传统的电畴翻转机理所难以解释的,所提出的极化旋转(相变)模型合理地解释了实验中观察到的现象;基于提出的极化旋转(相变)模型,采用细观力学方法建立了铁电单晶的细观本构模型.在模型中采用黏塑性公式描述铁电单晶可能的8个相变系统的相变行为.为了验证模型的可靠性,用该模型模拟了铁电单晶〈001〉晶向的应力应变实验曲线.计算表明,该模型能较好地模拟铁电单晶〈001〉晶向的相变行为.

铅基弛豫铁电单晶体的生长技术

铅基弛豫铁电单晶体由于其优异的压电性能在机电换能领域具有广泛的应用前景.介绍了铅基弛豫铁电单晶体生长技术的研究进展,比较了不同生长技术的优缺点,指出了目前晶体生长中出现的问题,并展望了其研究方向.

弛豫铁电单晶PZNT91/9的生长与畴结构研究

采用熔剂-坩埚下降法生长了91%Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-9%PbTiO3(PZNT91/9)(摩尔分数)弛豫铁电单晶,PbO助熔剂摩尔分数控制在50%左右。所得晶体被PbO助熔剂包裹,将其浸泡在热HNO3中1～2天即可除去PbO。晶体呈浅黄色,具有明显的结晶学生长面。晶体沿(001)面切出数片,晶片质量明显好于通气Bridgman法生长的PZNT单晶。偏光显微镜可观察到71°、90°、180°畴或微畴区。晶片极化条件为:垂直于C面施加1kV/mm的电场并保持10～15min。

改进Oliver-Pharr法在铁电单晶纳米压痕中的应用

为解决传统Oliver-Pharr法无法给出接触刚度随压入深度的连续变化关系问题,考虑塑性压痕与周围弹性基体间残余接触应力之间影响,引入虚拟载荷,提出改进Oliver-Pharr法.该方法可连续确定接触刚度,不需要对压头的面积函数进行预先校正.将该方法应用到PIN-PMN-PT铁电单晶纳米压痕实验数据分析中,计算了其接触刚度、弹性模量及硬度,并与连续刚度测量法的测量结果进行了比较.研究结果表明:该方法的计算结果与连续刚度测量法的测量结果吻合度高,改进Oliver-Pharr法有效可行.

基于朗道二级相变理论的铁单晶磁结构分析

利用朗道二级相变理论以及磁点群理论对于4种单晶铁,也就是阿尔法-铁、德尔塔-铁、伽马-铁以及伊普西龙-铁的磁结构进行了分析。其中,着重利用朗道二级相变理论中实现二级相变的条件和Birman的群选择定则来分析一定晶体结构的铁单晶如果发生顺磁铁磁相变后可能具有的空间对称性,进而得到铁单晶可能具有的磁结构。同时,得到的结论与之前文献报道中的结果进行了比较,发现符合得很好。

掺Ce稀土铁石榴石单晶的制备及磁光性能

采用改进的助熔刑法生长块状Ｃｅ：ＹＩＧ单晶，分析了它的晶体结构、测试了在近红外波段的磁光性能Ｃｅ~３＋掺入铁石榴石十二面体位极大地增强了材料的法拉第旋转，在λ＝０．７８μｍ时，Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２晶体中每一个 Ｃｅ~３＋替代 Ｙ~３＋；其Ｆ的增加量（ｄθＦ，／ｄｘ）达到 ０．６×１０~４ｄｅｇ／ｃｍ，比同量 Ｂｉ~３＋替代时晶体Ｆ的增加量高２倍，在稀土铁石榴石中掺入Ｙｂ和Ｅｕ；由于其有弱的还原性，能抑制Ｃｅ~４的形成，增加 Ｃｅ^（３＋）离子的替代量。

弛豫铁电单晶PMN-PT的介电稳定性研究

实验研究了驰豫铁电单晶PMN-PT(67/33)分别在等静水压和定向应力的情况下,其介电性质的变化,分析了介电常数和介电损耗的变化趋势.结果表明,介电常数随静水压的增大缓慢增加,压力在10MPa内其相对变化小于2%,介质损耗均小于0.01;而在定向应力均匀增大的情况下,介电常数和介电损耗均出现峰值现象.

弛豫铁电单晶PMNT压力稳定性的研究

采用密闭油腔产生静压力,样品置于油腔内,测试了(001)切型弛豫铁电单晶0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3(简写为PMNT67/33)的介电常数和静水压压电常数的压力稳定性。结果显示:随压力增大,εr缓慢增加,压力在10MPa内其相对变化小于1.8×10-2,tgδ无显著变化;压电常数dh和gh先显著下降,至2MPa后趋于稳定。结果表明,弛豫铁电单晶PMNT施加一定的预应力后,性能随静压力的变化趋于稳定。