溶胶-凝胶SiO_(2)减反膜的制备与光学性能研究

碱催化溶胶-凝胶多孔SiO_(2)减反膜具有优异的光学性能及抗激光损伤性能,是高功率激光装置中的重要组成部分,但其与光学元件之间的结合强度低,使得膜层易发生接触破坏。本研究以“神光II”高功率激光装置溶胶-凝胶多孔SiO_(2)减反膜为基础,通过提拉法在其表层涂覆致密的SiO_(2)薄层后得到机械强度提升的双层SiO_(2)减反膜(SiO_(2)-MTES),并与常用的单层氨固化SiO_(2)减反膜(SiO_(2)-HMDS)进行相关应用性能的综合比较。结果表明,涂覆SiO_(2)-MTES的熔石英在约800 nm处的峰值透过率大于99.6%,运用1-on-1激光损伤阈值测试方法测得该双层SiO_(2)减反膜的零几率激光损伤阈值为51.9 J/cm^(2)(1064 nm,9.1 ns),与涂覆SiO_(2)-HMDS的性能相当。同时,SiO_(2)-MTES膜层与水的接触角达到117.3°,且在相对湿度大于90%的高湿环境中膜层的透过率较稳定。多次擦拭实验结果表明SiO_(2)-MTES的耐摩擦机械强度明显优于SiO_(2)-HMDS,有效提升了膜层与光学元件之间的结合强度。

激光距离选通三维成像技术研究进展(特邀)

随着人工智能时代的到来,同时获得反映目标辐射特性和纹理特征的高分辨率强度图像以及反映目标和所处场景的三维空间信息的稠密点云数据/三维图像的激光相机雷达技术已成为激光雷达的发展趋势。传统的摄像机与激光雷达复合的技术方案存在异源数据融合问题,尤其是在雾雨雪天气条件下以及水下等传输链路中存在严重散射的情况时难以有效工作。激光距离选通三维成像技术利用单一门控成像器件可同时获得高质量二维强度图像和高分辨率三维图像,其二维图像中的像素和三维图像中的体素一一对应,并继承了激光距离选通成像透散射成像的技术优势,具有实现高性能激光相机雷达的技术潜力。论文系统综述了步进延时扫描、增益调制、距离能量相关等激光距离选通三维成像技术的研究进展,介绍了该类技术的国内外典型应用情况,最后分析了该领域所面临的挑战及进一步发展方向和应用前景。

碳纤维增强聚合物基复合材料界面特性研究进展

与传统金属材料相比,碳纤维增强聚合物基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer matrix composites,CFRPMC)在比强度、密度等方面优势明显,已广泛应用于机械制造、交通运输、航空航天等领域。除了碳纤维和聚合物基体,二者相互间的界面特性也对CFRPMC的理化性能有着重要影响,并成为复合材料技术领域倍受关注的研究热点。CFRPMC界面层是碳纤维与聚合物基体间的过渡区域,其受碳纤维表面特性、聚合物分子链极性等众多因素影响,目前尚不能对其直接定量、定性分析。但随着材料检测技术的进步,CFRPMC界面特性研究不断深入,相关技术如SEM、TEM、AFM、各种光谱、宏观表面分析和力学性能测试等已大量用于复合材料界面组成、结构形态和微观力学特性的研究。本文综述了碳纤维增强聚合物基复合材料界面特性研究的进展,详细论述了碳纤维和聚合物基体的界面理论、界面分析表征方法及界面性能的影响因素。通过对比与分析,总结了CFRPMC界面研究的最新进展,并对其未来的发展趋势进行了展望。

碳纤维复合材料结构超级电容器的研究及展望

近年来,开发新型可再生能源与储能设备成为各国竞相研究的重点。在新型储能设备中,结构/储能一体化碳纤维复合材料结构超级电容器兼具结构承载和储能功能,在新能源汽车、航空航天、国防军工等领域具有广泛的应用前景,因而受到人们的广泛关注。主要概述了结构/储能一体化碳纤维复合材料结构超级电容器的基本原理和制备方法,分析了不同碳纤维电极与树脂基电解质改性方法对复合材料结构超级电容器性能的影响,并展望了复合材料结构超级电容器未来面临的挑战及发展趋势。

油页岩半焦基矿物/生物炭复合材料制备及其吸附性能研究

基于油页岩半焦中富含的矿物质和有机质,以KOH为活化剂,联用机械力化学和热解炭化窑街油页岩半焦制备油页岩半焦基矿物/生物炭复合材料,考察了矿物/生物炭复合材料对水溶液中Pb^(2+)和Cd^(2+)的吸附效果.结果表明,制得的复合材料对Pb^(2+)和Cd^(2+)具有优异的吸附性能,最大吸附量分别为177.83和67.48mg·g^(-1),分别是原油页岩半焦的6.1倍和4.3倍.吸附动力学和热力学拟合数据显示,复合材料对Pb^(2+)和Cd^(2+)的吸附属于化学吸附主导的单层吸附,主要吸附机理涉及官能团吸附、Pb^(2+)-π和Cd^(2+)-π相互作用、静电吸附和矿物沉淀.该研究为从环境矿物材料角度探究油页岩半焦全组分综合利用提供了可行途径.

新型硅基IV族合金材料生长及光电器件研究进展(特邀)

硅基IV族锗锡和锗铅合金材料带隙随组分可调,并可转变成直接带隙半导体材料,是研制硅基红外探测和发光器件的理想材料。本文首先介绍锗锡和锗铅材料外延生长工作,然后对锗锡光电器件的研究进展进行回顾和讨论。其中,随着锗锡合金中锡组分增加,锗锡光电探测器往高响应度和长探测截止波长方向发展;锗锡激光器的研究则集中在降低激射阈值、提高激射温度和电泵浦方面。本文还对锗铅材料和光电器件的研究进展进行简要介绍和展望。随着硅基高效光源和探测器研究的不断深入,IV族合金材料在硅基红外光电集成领域将继续展现重要的应用价值。

橡胶/类金刚石复合材料界面结合及摩擦性能研究进展

综述了橡胶表面沉积DLC薄膜的主要制备技术,包括磁控溅射法和等离子体化学气相沉积法。概括了橡胶/DLC复合材料的表面形貌特性,尤其是温差对表面斑块结构的影响机制。重点介绍了X切割法、划痕法及拉伸法为主的橡胶/DLC复合材料界面结合力的评估方法,分析了基体表面等离子体处理、添加过渡层及异质元素掺杂DLC薄膜对提升橡胶与DLC薄膜结合力的影响。此外,以刚性球为摩擦配副,阐述了橡胶/DLC复合材料的摩擦性能测试方法。基于橡胶的黏弹特性,探讨了橡胶/DLC复合材料的摩擦行为,并归纳了Maxwell模型、Voigt模型、双Voigt模型和SLS模型的特点和局限性。最后,围绕目前橡胶表面DLC薄膜耐磨改性工作中存在的问题和挑战,探讨和展望了未来的研究方向。

热塑性复合材料热压-注塑一体成型界面性能研究进展

综述了热塑性复合材料热压-注塑一体成型在制件界面性能方面的研究进展,简要介绍了该种成型工艺不同于传统热塑性复合材料成型工艺的原理及其优势,指出良好的异质结构界面是发挥热压-注塑一体成型制件优势的关键,同时详细介绍了材料体系、工艺参数、界面结晶效应以及界面结合机制对热压-注塑一体成型制件界面性能的影响。最后总结了热压-注塑一体成型复合材料界面性能优化改善的方法以及目前研究存在的问题,并对未来发展趋势进行了展望。

空间应用激光薄膜元件研究进展

随着空间激光技术的不断进步,空间激光系统逐渐向更短应用波长、更长使用寿命、更高应用轨道等方向发展,对薄膜元件提出了更高的性能要求。本文综述国内外主要空间激光器的发展方向,在空间激光系统研制过程中薄膜元件的真空、高低温、质子辐射、伽马射线辐射等空间环境损伤效应,以及使役条件(即空间与激光耦合作用)下薄膜的性能演化机理。介绍在高性能空间激光薄膜元件研制技术方面的新进展,结合空间引力波探测、深空探测等未来发展方向对空间激光薄膜元件提出了展望。

聚合物表面空间环境防护涂层热应力分析方法研究进展

柔性聚合物材料作为航天器表面用关键材料,易受到空间环境的协同损伤,在其表面制备防护涂层是实现长期服役的重要技术。但由于常用防护涂层与基体间的性能差异,涂层易因应力出现开裂和剥落,因此应力分析对于材料的设计和优化非常重要。对于涂层应力的分析方法,主要可以分为基于试验测量以及基于数值仿真的有限元分析方法两类。梳理目前常见的试验测量方法,分析有损法和无损法试验测量的应用,整理归纳基于数值仿真的有限元分析方法的原理以及相关应用,比较不同方法的优缺点,总结其局限性以及应用前景。不同应力测试分析方法在材料的服役寿命和失效形式预测中发挥了重要作用,但传统的机械有损测量方法难对应力情况进行实时监测,近年来发展起来的无损法也存在一定的应用局限性,有限元模拟具有实时、全面的应力测量优点,但是与实际涂层模型具有一定的差距。基于目前试验方法与有限元仿真各自的局限性,提出将有限元仿真与试验表征结合成为进一步指导涂层设计的有效方法,有望有效预测涂层失效机制,优化涂层材料制备工艺,开发具有低应力结构的涂层材料,为聚合物表面用关键涂层材料的轻量化发展和长期可靠服役提供技术支撑。

混沌微腔激光器的研究进展(特邀)

半导体混沌激光器已被应用在随机数生成、安全通信、混沌探测等领域。实现混沌激光器最常用方法是光反馈,但采用离散器件搭建的混沌激光器系统结构复杂、稳定性差。基于光反馈原理的光子集成混沌激光器、体积小,但工艺复杂,且无法避免光反馈引入的弱周期性。基于微腔内模式相互作用产生的自发混沌半导体微腔激光器,无需外部扰动,具有体积小、工艺简单、混沌带宽大、混沌态工作条件宽和无反馈弱周期性等优点,有望在具体应用中进一步发挥作用。针对近年来基于微腔的混沌激光器研究情况,本文进行了分类介绍,包括自发混沌微腔激光器、光反馈混沌微腔激光器和集成互注入激光器,总结了自发混沌微腔激光器的当前应用,对自发混沌微腔激光器的未来发展做了展望。

缓蚀型润滑防腐功能涂层的制备及防护机制研究

磨损与腐蚀的耦合作用会加剧高端装备关键运动部件的损伤失效,导致其服役寿命大幅缩减.本文中基于铬酸锶(SrCrO_(4))的缓蚀特性及聚四氟乙烯(PTFE)的低表面能和低剪切特性,结合综合性能优异的酚醛环氧树脂制备了兼具良好耐腐蚀和摩擦学性能的铬酸锶/聚四氟乙烯/酚醛环氧(SrCrO_(4)/PTFE/EPN)功能一体化复合涂层.采用摩擦磨损试验、电化学阻抗谱和极化曲线研究了SrCrO_(4)、PTFE及腐蚀摩擦介质对复合涂层的摩擦学性能和抗电化学腐蚀性能的影响,重点研究了SrCrO_(4)在酚醛环氧涂层中的缓蚀防护机理.结果表明:SrCrO_(4)缓蚀作用下基材界面发生化学反应,产生了缓蚀钝化层,能够有效提高涂层的耐腐蚀性能.尤其SrCrO_(4)添加量为树脂质量的4%时,钝化效果最佳,低频阻抗模量值和腐蚀电流密度分别为1.06×10^(11)Ω·cm^(2)和0.28×10^(-10)A/cm^(2);PTFE的引入不仅将涂层由亲水性转变为疏水性,进一步提升了涂层的屏蔽阻隔特性,使涂层被电解质溶液浸入的时间滞后了10倍,而且使涂层的摩擦学性能明显提升,相较酚醛环氧涂层摩擦系数降低约73.90%,耐磨损性能提高3.2倍;在质量分数为3.5%NaCl溶液的腐蚀介质条件下,SrCrO_(4)/PTFE/EPN复合涂层表现出更低的摩擦系数,且能够在摩擦副接触界面形成钝化防护膜,该钝化膜主要以Fe和Cr氧化物、氢氧化物或结晶水化物的形式存在,从而有效抑制对偶面由于腐蚀而产生的磨损.

Ni含量对CrN涂层抗磨蚀性能的影响研究

目的探究在模拟海洋环境下,Ni的掺入对CrN涂层耐磨性能的影响,研究不同Ni含量的CrNiN涂层的磨蚀行为。方法采用磁控溅射方法对CrNiN涂层中的Ni含量进行调控,制备CrN涂层、Ni掺杂含量分别为15.85%(原子数分数)和39.06%的CrNiN涂层。通过干摩擦试验和模拟海水磨蚀试验,对3种涂层的力学性能和磨蚀行为进行研究对比,并分析其摩擦损伤机理。结果在干摩擦试验条件下,CrNiN涂层的摩擦学性能主要由涂层的力学性能决定,Ni原子数分数为15.85%的CrNiN涂层兼具高硬度和良好韧性,磨痕最浅,其磨损率在3种涂层中最低,为9.1×10^(-7)mm^(3)/(N·m),而在模拟海洋磨蚀的开路电位(OCP)下,Ni原子数分数为15.85%的CrNiN涂层的磨损率大于CrN涂层,CrN涂层具有最低的摩擦因数以及最低的磨损率。3种涂层在正电位(+0.6 V)时的磨损率显著大于开路电位(OCP)下的磨损率,说明腐蚀降低了涂层的耐磨性。通过对腐蚀产物进行分析,表明CrN的腐蚀产物主要是CrO_(2)以及Cr_(2)O_(3),具有一定的润滑作用,而含Ni的CrNiN涂层在腐蚀过程中产生了NiO,对涂层的耐磨性产生了不利影响。结论在干摩擦试验条件下,CrNiN涂层的摩擦学性能主要由涂层的力学性能决定,Ni原子数分数为15.85%的CrNiN涂层兼具高硬度和良好韧性,从而更耐磨。在模拟海洋磨蚀试验条件下,CrNiN涂层的腐蚀产物严重影响其磨蚀性能。

织构化钛合金表面MoS_(2)薄膜的制备及其微动摩擦学性能研究

钛合金作为1种性能优异的轻金属结构材料,其较差的耐磨性限制了钛合金在摩擦学领域的应用.本文中通过将表面织构化与固体润滑薄膜相结合在钛合金表面制备了MoS_(2)复合润滑薄膜,考察了织构参数以及摩擦对偶材料对其微动摩擦学行为的影响.研究表明:当摩擦对偶为GCr15球时,表面织构化与固体润滑剂相结合能显著减小材料的磨损和延长润滑寿命,织构密度为20%的样品表面容易形成转移膜,润滑寿命最长.而当摩擦对偶为TC4球时,在相同测试条件下,表面复合结构的抗磨寿命远低于摩擦对偶为GCr15球时的寿命.摩擦对偶材料影响着复合润滑结构的润滑寿命,表面织构能够起到补充固体润滑剂和捕获磨屑的作用,从而达到抗磨减摩的目的,同时适宜的织构密度能明显延长复合润滑结构的微动寿命.

宽禁带半导体ZnGa_(2)O_(4)研究进展

宽禁带半导体材料因独特的物理和化学特性,在光电器件等领域展现出巨大的潜力,受到了越来越多的研究和关注。镓酸锌(ZnGa_(2)O_(4))作为一种宽禁带半导体材料,具有禁带宽度大、结构独特、热稳定性良好等优点,在日盲紫外光电探测、X射线探测等领域具有广阔的应用前景。本文从ZnGa_(2)O_(4)的基本结构特性出发,详细介绍了ZnGa_(2)O_(4)的禁带宽度、光电性能以及ZnGa_(2)O_(4)体块单晶和薄膜的制备方法。结合国内外学者近期的一些研究成果,概述了ZnGa_(2)O_(4)在多个领域的应用前景,特别是日盲紫外光电探测、忆阻器、X射线探测和功率器件等方面的研究进展。最后对ZnGa_(2)O_(4)材料的未来发展方向提出了展望,指出可进一步提升ZnGa_(2)O_(4)材料的质量和性能,以提升器件性能,满足更高级别的应用需求。

基于改进RRT算法的移动机器人路径规划研究

快速扩展随机树算法(rapidly-exploring random trees,RRT)规划移动机器人路径时,存在搜索盲目性强、搜索时间长、收敛速度慢、路径冗余点多且不平滑等问题。鉴于此,提出一种改进的RRT路径规划算法。首先,针对传统RRT算法盲目搜索以及局部极值的问题,提出概率目标偏置与人工势场结合的采样策略,引导随机树的扩展;其次,针对随机树扩展的避障能力差的问题,提出基于安全距离的碰撞检测以及动态变步长扩展策略;最后,针对路径上冗余点多以及曲率不连续的问题,提出考虑安全距离的剪枝优化和三次B样条曲线对初始路径进行拟合优化。仿真结果表明,在不同地图的路径规划中,相比于传统RRT算法,增强了通过狭窄通道能力,优化了路径的平滑性,搜索时间、迭代次数、路径长度分别减少约70%、40%、15%;相比于RRT衍生算法RRT-Connect,搜索时间、路径长度分别减少约25%、10%。

广西越州故城遗址玻璃珠饰的科学研究

本研究利用能量色散型X射线荧光光谱分析、共聚焦激光拉曼光谱分析、光学相干层析成像、超景深光学显微观测等多种方法对广西越州故城遗址出土的印度-太平洋玻璃珠饰进行科技分析,获取了玻璃珠的化学成分、物相结构、内部物理结构、表面显微形貌等综合物理化学信息,确定了玻璃珠的玻璃体系、制作工艺(着色工艺、成形工艺)和产地来源,探讨了以丝绸之路为主线的国内发现魏晋南北朝时期印度-太平洋玻璃珠可能的输入路线。广西越州故城遗址发现的印度-太平洋玻璃珠为中外文明交流提供了新实物证据,对深入研究我国南北朝时期中外文明交流具有十分重要的学术价值和研究意义。

场效应晶体管太赫兹探测器在太赫兹成像领域的研究进展(上)

太赫兹(Terahertz,THz)波具有能量低、穿透性强、分辨率高等特性,因而THz成像技术在安全检测、医学诊断、无损探伤等领域具有广阔的应用前景。THz探测器作为THz成像系统的重要组成部分,其性能对成像分辨率、成像速度等有重要影响。由于具备可室温工作、易大面积集成、响应速度快等特性,场效应晶体管(Field Effect Transistor,FET)THz探测器在成像应用中潜力巨大。综述了近年来FET THz探测器在THz成像领域的研究进展(包括成像阵列、材料选择等方面),分析了设计和制造中存在的问题;指出天线和像素间距是限制大规模阵列化的重要因素,并在此基础上对未来的研究方向进行了展望;指出新的材料和结构设计将进一步改善器件性能,从而实现更快速、更清晰的THz成像。

场效应晶体管太赫兹探测器在太赫兹成像领域的研究进展(下)

太赫兹(Terahertz,THz)波具有能量低、穿透性强、分辨率高等特性,因而THz成像技术在安全检测、医学诊断、无损探伤等领域具有广阔的应用前景。THz探测器作为THz成像系统的重要组成部分,其性能对成像分辨率、成像速度等有重要影响。由于具备可室温工作、易大面积集成、响应速度快等特性,场效应晶体管(Field Effect Transistor,FET)THz探测器在成像应用中潜力巨大。综述了近年来FET THz探测器在THz成像领域的研究进展(包括成像阵列、材料选择等方面),分析了设计和制造中存在的问题;指出天线和像素间距是限制大规模阵列化的重要因素,并在此基础上对未来的研究方向进行了展望;指出新的材料和结构设计将进一步改善器件性能,从而实现更快速、更清晰的THz成像。

类KBe_2BO_3F_2结构硼酸盐深紫外非线性光学材料的研究进展

利用非线性光学(NLO)晶体材料和变频技术,可以把波长范围有限的激光光源扩展到紫外、深紫外区,这已成为深紫外光源的热点研究方向.然而,目前限制深紫外全固态激光器发展和应用的关键问题是缺乏能够在该波段进行频率转换并且产业化应用的NLO晶体材料.因此,该领域的各国科学家都在积极探索并发展新一代的深紫外NLO晶体材料.目前仅有KBe_2BO_3F_2 (KBBF)晶体能够实现Nd:YAG的直接六倍频深紫外激光(波长为177.3 nm)输出.然而, KBBF晶体存在严重的层状生长习性,并且其原料氧化铍有剧毒,从而极大地制约了其商业化生产和应用进程.根据阴离子基团理论,以BO_3基团为基本结构单元形成的类[Be_2BO_3F]层状结构特征仍然是目前最有利于产生深紫外谐波的适宜结构之一,因此,基于KBBF层状结构进行分子工程设计,并开发类KBBF结构的硼酸盐可能是探索新材料的优选策略.本文通过回顾类KBBF结构硼酸盐深紫外NLO晶体的发展历程,系统梳理该类晶体材料层状结构特点、不同层间连接方式和光学性能,分析限制深紫外NLO晶体发展的主要因素,讨论目前发展类KBBF结构硼酸盐深紫外NLO晶体材料的主要矛盾和解决策略,以期对未来新材料的创新探索提供借鉴.