PC的结构性能调控及其在航空透明件上的应用

针对具有高抗冲性能、高透明性、工程应用广泛的芳香族聚碳酸酯(PC)展开了综述,梳理了PC制备方法,系统分析了PC制备工艺、分子量及其分布、长链支化结构对性能的影响规律与作用机制,基于研究现状提出了PC选材方向。PC凭借其性能优势正逐步应用于航空航天等高端工业领域,详细介绍了PC作为航空透明件材料的性能特点,简述了国外战斗机单层和复合PC座舱盖应用现状,提出了我国PC一体化注射成型座舱盖的发展新趋势。

非晶态ITO透明导电薄膜的制备及热处理晶化技术研究进展

透明导电氧化物薄膜已在液晶显示器、太阳能电池、电致变色窗、气体传感器、高层建筑物的幕墙玻璃、飞机和高速列车导热玻璃(防冰除雾)等领域得到广泛应用。为了制备高透光性、高导电性的氧化铟锡(ITO)透明导电氧化物薄膜,一般采用两种途径:高温制备方法直接沉积出结晶态薄膜;室温下沉积出非晶薄膜后再进行热处理使其晶化。对于不耐高温的基底材料,研究快速热处理晶化方法具有重要的指导意义。该方法既能保证ITO薄膜的使用要求,又能降低晶化方法对基底产生的影响。根据不同的应用背景与使用要求,选择合适的制备方法与晶化方法,是获得高透光性、高导电性薄膜的关键。本文综述了目前国内外对ITO透明导电氧化物薄膜晶化方法的研究进展。通过对比不同的薄膜晶化方法的机理和优缺点,指出了红外晶化法、激光晶化法、闪光灯晶化法可以实现薄膜快速结晶。并且,采用上述方法处理,过程中基底温度低于薄膜温度,有望取代目前商业生产中使用的传统炉式晶化法,能够提高生产效率、节约生产成本、获得高质量、高性能的透明导电氧化物薄膜,适用范围更广。

边缘结构材料对透明件疲劳寿命的影响及优化

本文通过对某飞机侧风挡有机层合玻璃透明件进行增压载荷下低周疲劳试验,发现其边缘连接孔周围出现变形甚至破裂的现象。基于ABAQUS软件中隐式计算的方法对该侧风挡进行了增压载荷加载的仿真分析。建立了解析刚体模拟透明件和机身骨架之间的螺栓连接结构。计算结果中透明件的应力分布与疲劳试验中透明件边缘的破坏规律一致。选择涤纶钢作为透明件边缘的加强材料,对新结构的透明件进行了相同的低周疲劳试验。试验结果未发现其边缘孔位置出现变形及破坏,同时仿真结果显示层合透明件的最高应力水平下降了50.5%。通过仿真分析发现随着边缘粘接材料弹性模量的增加,透明件的最大等效应力降低,但变化率减小。本文结论对透明件边缘粘接材料的选择及结构的优化具有一定的指导意义。

聚合物基透明导电薄膜断裂韧性的测量方法

在航空透明件领域,厚聚合物基底上透明导电薄膜的断裂韧性是量化抗开裂性的关键力学特性,因此基于纳米压痕和通道开裂试验评估了薄膜的断裂韧性。采用磁控溅射法将氧化铟锡(ITO)薄膜沉积在聚碳酸酯(PC)基底上。纳米压痕试验中,纳米压痕在ITO薄膜上引起脆性断裂,通过对所得的载荷-深度曲线进行积分来计算断裂韧性;通道开裂试验中,使用原位拉伸法获得开裂应变,并结合力学模型计算断裂韧性。结果表明,不考虑残余应力时,2种测试方法获得了相对一致的断裂韧性,500 nm厚ITO薄膜的断裂韧性为1.62~1.81 MPa·m^(1/2);对于200 nm以下厚度的薄膜或存在大残余应力的薄膜,宜选择通道开裂试验以确定断裂韧性。

在PMMA上低温沉积TiO_(2)薄膜的光学性能及显微结构

采用直流脉冲磁控溅射的方法,在有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA)上沉积了TiO_(2)薄膜。研究了氧气比例、真空度等参数对TiO_(2)薄膜的结构及光学性能的影响。借助椭圆偏振光测试仪、X射线衍射(XRD)仪、分光光度计、原子力显微镜(AFM)等表征手段,分析了薄膜的光学特性、元素组成、结晶性能、及显微结构。结果表明,随氧气比例的增加,薄膜的沉积速率降低,沉积的薄膜的粒径变大,薄膜趋于疏松;在光学性能方面表现为随氧气比例的增加,折射率递减,但可见光透过率增加,反射率谱线出现红移;根据折射率计算的薄膜堆积密度分别为0.95、0.93、0.87、0.88、0.78,与氧气比例反向变化;根据光谱计算的薄膜禁带宽度在3.12~3.14 eV之间,与氧气比例反向变化;随工作真空度的降低,薄膜的沉积速率先升后降,薄膜趋于疏松,折射率下降,根据折射率计算的薄膜堆积密度为0.96、0.95、0.90、0.89、0.88、0.88、0.87,真空度对薄膜可见光透过率具有正向影响,对薄膜的禁带宽度有反向影响,禁带宽度在3.13~3.16 eV之间;本文沉积的TiO_(2)薄膜为无定形态,氧气比例与真空度的变化对其结晶性基本无影响。

沉积参数对TiO_(2)纳米薄膜的显微结构和光学性能的影响

采用直流脉冲磁控溅射的方法,在有机玻璃上沉积了纳米TiO_(2)光学薄膜。研究了沉积功率、基片温度等参数对TiO_(2)薄膜结构及光学性能的影响。借助椭圆偏振光测试仪、X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、分光光度计、原子力显微镜(AFM)等表征手段分析了薄膜的光学特性、元素组成、结晶性能及显微结构。结果表明:随沉积功率的增加,薄膜氧含量降低,粒径减小,折射率递增,可见光波段的透过率和反射率递减;随基片温度上升,薄膜的沉积速率降低,这促进了薄膜粒子的聚集,在光学方面表现为随温度上升,折射率及可见光透过率同时增加;TiO_(2)薄膜的禁带宽度在3.12~3.16eV之间,随沉积功率增加和基片温度上升,其禁带宽度递减。

电致变色技术研究进展和应用

经过多年的研究和发展,电致变色技术已被应用于建筑窗、汽车防眩后视镜、飞机舷窗等领域。本文概述了电致变色器件的结构、工作原理、材料分类、以及特性要求,阐述了电致变色薄膜的制备方法和实现应用的技术要求,并总结分析了国内外发展状况和最新进展。将电致变色应用在能源领域达到节约能耗的效果,极具社会意义和商业价值,是其发展过程的里程碑。目前,探索时间成本和经济效益双赢的技术路线和工艺流程,拓展应用领域(与其他技术相结合)并开发出相关的实用性产品将为电致变色技术重要的发展趋势。具有工业前景的湿化学方法有降低成本,提高效率的优势,将成为实现该项技术普及化的研究热点,另外,电解质层材料的研发和制备也会成为研究发展中的核心技术。

大型复杂曲面透明件非接触在线测量与建模方法

实现了一种对大型复杂曲面透明件的非接触在线测量和建模方法,该方法能够适应航空座舱透明件刚度低、表面易划伤的结构特点。基于五轴数控加工中心,利用光谱共焦位移传感器和数据采集卡,在线记录运行过程中工件表面和机床各轴的位置坐标,对采集的两组数据进行矢量求和,并通过开发软件进行处理,实现了透明件的非接触测量与数学模型的重建。通过实验完成了曲面点云的采集、数据处理以及曲面模型的重构,验证了方法的可行性。

陶瓷基透明防弹装甲研究进展

随着军用载具所受威胁的不断升级,对于驾驶舱的防护要求也在增加。传统以防弹玻璃为主的透明装甲已难以满足使用要求。更轻更薄的陶瓷基透明装甲正在逐渐成为主流选择。与其他防弹装甲相似,透明防弹装甲的主要研究方向包括:寻找性能更优的材料用于装甲组件;通过实验或计算机模拟对结构设计与弹道实验进行指导;更加深入地了解装甲材料所需的主要性能、系统整体性能以及整个系统各组件之间的相互影响。依据这一思路,本文首先简要综述了陶瓷透明防弹装甲研究较多的三种迎弹面陶瓷材料的优缺点、制备工艺以及各自的发展及应用水平,三种陶瓷中蓝宝石的静力学参数最优,而实际防弹效果则以多晶陶瓷更好,导致这一现象的原因主要是两类陶瓷碎裂模式的不同产生的弹丸-陶瓷相互作用效果的差异;然后对多晶陶瓷、单晶、玻璃三种类型材料高应变率下的裂纹扩展特性和防弹性能进行了讨论,高应变速率下材料裂纹扩展特性对冲击能量/速率是敏感的,多晶陶瓷是沿晶断裂和穿晶断裂的复合扩展方式,蓝宝石高能冲击下裂纹扩展特征类似多晶陶瓷,临界能量以下则以沿特定晶面的解理断裂为主;最后对透明防弹装甲各功能层的选材标准和结构设计原则进行了总结与展望,迎弹面优选高杨氏模量、高硬度的细晶粒多晶陶瓷材料,中间层选用具有良好的断裂韧度、高弯曲刚度以及将破碎控制在较小范围的能力的材料,背弹面要求材料具有一定的延展性和低密度的特点。各层之间需相互配合才能实现透明陶瓷装甲防弹效能的最大化。

非晶透明导电氧化物薄膜研究进展

随着有机/聚合物衬底的广泛使用,非晶透明导电氧化物薄膜由于兼具优异的透明与导电性、性能稳定、表面平整光滑、易于刻蚀和大面积制备、兼容现有工艺、无须后续退火处理进而简化工艺流程等优点,已应用于薄膜晶体管、有机/聚合物太阳能电池、电致变色、电磁屏蔽等诸多领域。尽管非晶态透明导电氧化物的原理与结晶态的基本相同,但其不是简单的结晶态透明氧化物的非晶态,而是特定组元在特定条件下制备获得的。在简要介绍透明与导电及两者间的耦合关系的基础上,重点介绍了更为一般的非晶半导体氧化物的研究历程及其特点,并与结晶态透明导电氧化物薄膜对比,指出N型非晶透明导电氧化物的电子结构特征是其金属阳离子结构为(n-1)d10ns0,由于s电子轨道呈球对称,且相邻重叠积分较大,迁移率较高,结构容错性较强,因此可以稳定保持其结晶态时的中近程结构及优异的特性,并详细介绍了表征其近程结构的中程有序、因缺乏衡量周期的量子数而使用更为一般的态密度以及非晶结构的亚稳特性。在此基础上,详细举例介绍了N型和P型非晶透明导电氧化物体系的性质和特点,特别介绍了铟系非晶透明导电氧化物的种类和特点,其中又以氧化铟锌的性能最为优异。由于目前的非晶透明导电氧化物体系主要是针对N型导电的,故P型非晶透明导电氧化物的例子较少。最后结合产业动态简要介绍了非晶透明导电氧化物薄膜的应用领域,并结合当前研究现状和发展趋势指出了今后三个可能的研究发展方向:(1)非铟系透明导电氧化物的研究与开发有待进一步加强;(2)另辟蹊径开发P型透明导电氧化物的基本原理和材料;(3)充分发挥非晶透明导电氧化物的优势,拓展其在部分半导体领域的应用。

耐高温无色透明聚酰亚胺/SiO_2纳米复合薄膜的合成及性能研究

通过采用硅烷偶联剂连接于独特设计的PI高分子主链,再原位接枝SiO_2纳米粒子的方法,制备了一种耐高温光学透明的半芳香型聚酰亚胺(PI)/SiO_2复合薄膜。结果表明:该PI/SiO_2复合薄膜中的SiO_2在较高的含量下仍能保持良好的分散性。经410℃退火后,PI/SiO_2复合薄膜仍能保持优良的光学性能和热稳定性,其热分解温度(Td)(0.1%失重)高于420℃,玻璃化转变温度(Tg)高于350℃,热膨胀系数与无机玻璃相当。

新型结构粘接材料对航空有机玻璃性能的影响

选用新型结构粘接材料中低温固化环氧结构胶膜J-351和改性丙烯酸酯液体胶胶黏剂SY-50s,表征胶黏剂对有机玻璃的粘接性能以及应力-溶剂银纹性能,并研究胶黏剂对有机玻璃力学性能的影响。结果表明:两种胶黏剂对有机玻璃具有良好的粘接性能,J-351抗应力溶剂银纹性能优于SY-50s;有机玻璃表面施胶后力学性能下降,与定向有机玻璃相比,浇注有机玻璃力学性能下降更为明显。通过对拉伸试样断口形貌分析发现,拉伸试样带有胶黏剂的一侧首先发生破坏。因SY-50s与有机玻璃界面结合紧密,导致带有SY-50s胶黏剂的有机玻璃力学性能下降程度较大;而J-351环氧胶膜与有机玻璃界面清晰,对有机玻璃力学性能影响相对较小。因胶黏剂对有机玻璃性能的影响,导致采用SY-50s胶黏剂粘接的试样边缘连接强度低于J-351胶黏剂粘接的试样,新型结构粘接材料J-351环氧胶膜在有机玻璃粘接中应用性能良好。

聚碳酸酯挤压形变力学行为有限元模拟

采用有限元方法研究了聚碳酸酯在中应变率下挤压形变的力学行为。基于DSGZ本构模型,开展聚碳酸酯圆柱单轴压缩形变有限元模拟,对比模拟与实验结果,计算模型预测准确度,分析材料压缩形变后的多物理场分布,验证模型对压缩力学响应预测的有效性。模拟聚碳酸酯平板在侧向受限挤压模式下的固态形变,获得了制件的力学演变规律。结果显示,单轴压缩模拟与实验应力-应变曲线吻合度高,DSGZ模型可较为准确地预测压缩弹-塑性形变过程中的应力-应变关系。在圆柱单轴压缩形变与平板挤压形变模拟中,材料整体变形均匀,应力响应温度变化比响应应变率变化更敏感。模拟结果有效地反映了聚碳酸酯挤压形变力学特性,可成为聚碳酸酯挤压形变工程实现的重要依据,为材料强化及其在飞机座舱透明件中的应用提供有力支持。

预处理方法对定向有机玻璃表面性能及黏结强度影响

为研究不同表面预处理方法对定向有机玻璃表面性能以及与热塑性聚氨酯(TPU)间黏结强度的影响规律及机理,使用AFM、FTIR和接触角测量仪测定酸处理、等离子处理和过渡层处理后定向有机玻璃的表面化学组成、粗糙度与表面接触角,并使用90°剥离实验测试预处理前后定向有机玻璃与TPU之间的黏结强度。结果表明:酸处理和等离子处理后定向有机玻璃表面粗糙度和表面极性增加,同时表面润湿性能得到改善,使黏结强度分别上升了14%和22%;而过渡层预处理提高了基材与TPU的化学相容性,处理后定向有机玻璃表面极性与TPU相近,降低了界面张力,明显改善界面黏结性能,黏结强度由4.44 kN/m上升至23.61 kN/m。

相对分子质量和退火处理对聚碳酸酯力/热性能的影响

文中研究了不同相对分子质量聚碳酸酯在经历退火处理后力学性能和热性能的变化,深入分析了相对分子质量和退火处理的影响机制。结果表明,高分子量聚碳酸酯未退火状态下抗拉伸断裂性能和冲击性能更优,相对分子质量降低和退火处理会提升拉伸强度与弯曲性能。光弹应力分析显示,高分子量未退火聚碳酸酯的残余应力高,冲击断面表现为韧性断裂,对应冲击强度高。动态力学热分析和差示扫描量热法研究发现,随着相对分子质量增大,聚碳酸酯的玻璃化转变温度升高,链段运动更加趋于弹性响应。

新型耐高温透明环烯烃共聚物的合成与性能

利用一种大位阻的降冰片烯衍生物{外型-1,4,4a,9,9a,10-六氢-9,10(1',2')-桥苯亚基-1,4-桥亚甲基蒽(EHBMA)}与丙烯(PP)共聚,制备一种新型的耐高温透明环烯烃共聚物材料(COC)。拉伸实验、DSC和UV-Vis光谱分析结果表明:该材料的玻璃化转变温度达到220℃,透光率达到92%;改变共聚物中的EHBMA与PP共聚单体的比例,可以实现玻璃化转变温度在170~220℃范围内可调;与目前耐温性能最好的商品化COC产品TOPAS6017相比,该材料的玻璃化温度(T_g)提高了将近40℃;同时,该COC材料兼具良好的力学性能。

深海潜水器观察窗玻璃损伤缺陷研究

作为载人潜水器唯一的非金属承压部件,观察窗玻璃的结构强度和可靠性直接影响载人潜水器的安全性。经模拟极限服役工况的静水外压试验后,观察窗玻璃的锥面出现了视觉可见的缺陷,研究这些缺陷对指导观察窗玻璃的安全使用及评价其可靠性具有重要意义。利用光学显微镜对这些缺陷进行了表征及测量,并按照其特征,对潜水器观察窗的缺陷进行了定义和分类;同时,利用有限元对观察窗玻璃受力情况进行分析,给出了静水外压试验过程中观察窗玻璃的应力、应变以及位移分布,结合缺陷特征,初步阐释了缺陷出现的机理及这几类缺陷之间的联系。

薄膜应力测量方法及影响因素研究进展

随着薄膜电子器件的尺寸不断减小,薄膜应力成为薄膜器件失效的重要原因。薄膜应力不仅影响薄膜结构而且与薄膜光学、电学、力学等性质相关,因此,薄膜应力逐渐成为薄膜材料研究领域的热点之一。本文综述了薄膜应力的最新研究进展,对比分析了基底曲率法、X射线衍射法、拉曼光谱法等常见的薄膜应力检测方法,概括了薄膜成分比例、基底类型、磁控溅射工艺参数(溅射功率、工作压力、基底温度)和退火等影响薄膜应力的因素。发现基底曲率法适合测量绝大部分薄膜材料,而X射线衍射法、拉曼光谱法只适合测量具有特征峰的材料,纳米压痕法需与无应力样品作对比实验。在薄膜制备和退火过程中,薄膜应力一般发生压应力和张应力的转化,且多个工艺参数共同影响薄膜应力,适当调节参数可使薄膜应力达到最小值甚至无应力状态。最后,结合薄膜应力当前的研究现状提出了未来可能的研究方向,即寻找不同材料体系薄膜应力的精确测量方法以及薄膜应力检测过程中面临的检测范围问题。

聚碳酸酯中应变率压缩力学特性研究

利用高速液压伺服试验机开展聚碳酸酯中应变率压缩实验,同时开展低、高应变率压缩的对比实验,验证了中应变率实验的有效性。基于不同温度下各应变率的压缩真实应力-应变曲线,获得了聚碳酸酯在中应变率压缩下的力学特征。结果表明:聚碳酸酯在中应变率下的压缩经历了弹性形变、屈服、应变软化和应变硬化四个阶段,材料力学行为的应变率和温度相关性表现为:提高应变率或降低温度,压缩屈服强度和屈服应变均增大;反之,升高温度或降低应变率,材料的应变软化更为显著。基于实验结果,构建了可描述聚碳酸酯中应变率压缩过程力学特征的ZWT非线性黏弹本构模型,该模型可为透明件结构设计与鸟撞仿真提供有力支撑。

熔体温度对注射成型热塑性聚氨酯制件残余应力及外形精度的影响

采用光学双折射法研究注射成型过程中熔体温度对透明热塑性聚氨酯(TPU)弹性体平板制件残余应力的影响规律和作用机理。结果表明,TPU制件在近浇口区域的残余应力大于远浇口区域,整体残余应力随熔体温度上升而下降。通过对平行于熔体流动方向和垂直于熔体流动方向上的制件截面进行双折射测量发现,注射成型TPU制件具有明显的皮-芯结构和零应力层,且随熔体温度升高芯层厚度显著增加。残余应力分析结果表明在制件的芯层以流动残余应力为主,而皮层区域是流动残余应力和热残余应力叠加的结果。此外,制件的翘曲变形与残余应力的分布直接相关,TPU制件尺寸的改变主要是由于流动残余应力释放引起的。