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材料导报 2023年第17期37卷 95-106页

作者：秦肖雲邵文龙田宽姜利英罗聃郑州轻工业大学材料与化学工程学院郑州450002 郑州轻工业大学电气信息工程学院郑州450002 北京纳米能源与系统研究所北京101400 中国科学院大学纳米科学与技术学院北京100049

随着对纳米粒子形貌和尺寸的控制越来越成熟,由高度单分散的纳米粒子(粒径偏差不大于5%)自组装而成具有规则晶格结构的超结构成为可能,并受到越来越多的关注。纳米材料学家通过“人造块体”的概念来构建纳米粒子自组装超结构,以纳米粒... 详细信息

随着对纳米粒子形貌和尺寸的控制越来越成熟,由高度单分散的纳米粒子(粒径偏差不大于5%)自组装而成具有规则晶格结构的超结构成为可能,并受到越来越多的关注。纳米材料学家通过“人造块体”的概念来构建纳米粒子自组装超结构,以纳米粒子为“人造原子”,通过粒子间的相互作用力搭建具有不同堆积模式的超晶结构。作为一种“自下而上”构建材料的制备方法,纳米粒子的自组装技术可以实现材料器件的大面积制备。构效关系是自然界中广泛存在的一项基本原则,指的是物质的组成结构与其物理化学性能之间的关系。基于不同组装结构基元、不同堆积模式下的纳米粒子自组装超结构展现出区别于单分散纳米粒子和块体材料的特殊集体性能,在光学、电学、催化、生物医药等领域展现出广阔的应用前景。基于纳米粒子间的相互作用并充分利用外界环境,科研工作者们发展了一系列实现纳米粒子自组装的方法,从材料性能角度出发设计组装基元和堆积结构,构筑自组装超结构以实现功能定制化的集体性能。本文总结了纳米粒子自组装超结构的组装机理以及组装方法,并从构效关系入手,讨论了纳米粒子自组装超结构与材料的光学、电学、磁学、力学集体性能之间的联系,对近年来纳米粒子自组装超结构方面的研究进展进行了综述,重点论述了构效关系在纳米粒子自组装超结构中的体现。通过改变纳米粒子自组装超结构的组成元素和搭建结构,各类纳米制造技术可以调节纳米材料的物理化学性能,以适应各个应用领域的不同需求。

关键词：纳米粒子自组装超结构构效关系集体性能

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面心立方晶体微纳米单点加工的材料去除机理研究

面心立方晶体微纳米单点加工的材料去除机理研究

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作者：刘欢哈尔滨工业大学

学位级别：博士

微纳米单点加工技术具有高精度、高效率、高自由度、低成本等优势,能够制备出具有纳米级表面粗糙度的光滑表面或具有微纳尺度纹理结构的功能表面,现已广泛应用于各类核心元器件的制造过程。然而,对于具有面心立方(Face Centered Cubic,F... 详细信息

微纳米单点加工技术具有高精度、高效率、高自由度、低成本等优势,能够制备出具有纳米级表面粗糙度的光滑表面或具有微纳尺度纹理结构的功能表面,现已广泛应用于各类核心元器件的制造过程。然而,对于具有面心立方(Face Centered Cubic,FCC)晶体结构的材料,其力学特性在微纳尺度下表现出显著的尺寸效应和各向异性,导致难以构建基于FCC晶体材料力学特性的微纳米单点加工理论模型。当前,FCC晶体材料微纳米单点加工过程的可控性较差,难以进一步提高加工表面质量,极大地限制了FCC晶体材料在微纳领域的应用。针对上述问题,为有效地指导FCC晶体材料的微纳米单点加工过程,本文研究了FCC晶体材料在微纳米单点加工过程中的微观滑移机制,结合微纳米刻划实验和分子动力学模拟方法,深入探究了FCC晶体材料的微纳米单点加工机理。具体研究内容如下: 首先,研究了FCC晶体材料的微观滑移机制,进而分析了FCC晶体材料在单点加工过程中的工件内部原子运动规律。同时,借助分子动力学方法模拟了单晶Cu、单晶Au、单晶Ni和单相Cu-Al合金等典型FCC晶体材料的单点加工过程。根据FCC晶体材料在单点加工过程中的微观滑移机制,分析了不同晶向下工件表面的材料堆积区域和工件内部缺陷结构的分布规律,以及单相CuAl合金在单点加工过程中随着温度升高而产生的非晶化行为。研究了FCC晶体材料在单点加工过程中的共性机制,并分析了单点加工过程中FCC晶体表面形貌与工件内部缺陷结构之间的内在联系。其次,研究了FCC晶体材料在微纳米单点加工过程中的去除机理,基于微观滑移机制理论构建了切屑厚度、耕犁宽度及亚表面缺陷分布的理论模型。开展了单晶Cu和单晶Ni在典型晶向下的微纳米刻划实验及相应的分子动力学仿真。根据刻划后工件表面的沟槽形貌信息和沟槽下方缺陷分布范围的扫描透射电子显微镜实验结果,验证了切屑厚度、耕犁宽度及亚表面缺陷分布理论模型的准确性。进而分析了FCC晶体材料的微纳米单点加工去除机理,研究了FCC晶体材料在单点加工过程中的切屑形成条件及亚表面缺陷形成机制。再次,研究了FCC晶体材料在微纳米单点加工过程中力学特性的尺寸效应和各向异性,基于微观滑移机制理论分析了材料去除行为与力学特性之间的内在联系。开展了斜坡载荷作用下在单晶Cu表面的微纳米刻划实验及相应的分子动力学仿真,获得了FCC晶体材料在划擦、切屑和耕犁状态下摩擦系数及刻划硬度的演变规律。同时,根据微纳米单点加工过程中FCC晶体材料内部原子的运动规律分析了刀具的受力状态,进而分析了FCC晶体材料的刻划硬度和摩擦系数等力学特性随刻划深度和刻划方向的变化规律。最后,研究了FCC晶体材料在微纳米加工中的去除行为转变机制,基于微观滑移机制理论建立了切屑-毛刺-耕犁状态转变的理论模型。同时,借助在典型晶向下的单晶Cu和单晶Ni微纳米刻划实验,验证了单点加工过程中FCC晶体材料去除状态转变机制理论模型的有效性。在此基础上,根据FCC晶体材料在微纳米单点加工过程中塑性侧流效应的各向异性,研究了不同晶面下单点车削FCC晶体端面表面粗糙度和摩擦系数的分布规律。

关键词：微纳加工 FCC晶体各向异性微观滑移机制加工模型

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基于光谱诊断的激光定向能量沉积梯度材料过程监测研究

基于光谱诊断的激光定向能量沉积梯度材料过程监测研究

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作者：刘立夫哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

激光增材制造通过逐层堆积的方式实现工件制造,无需模具的同时避免了传统切削加工方式造成原材料的浪费,在工业界受到越来越广泛的关注。其自由独特的加工方式尤其适合传统方法难以加工的复杂形状零件、复合结构零件和功能梯度材料的制... 详细信息

激光增材制造通过逐层堆积的方式实现工件制造,无需模具的同时避免了传统切削加工方式造成原材料的浪费,在工业界受到越来越广泛的关注。其自由独特的加工方式尤其适合传统方法难以加工的复杂形状零件、复合结构零件和功能梯度材料的制备。然而,对于增材制造过程中生产质量无法进行有效控制导致零件性能不稳定是限制该技术进一步发展的主要原因之一。本文通过光谱传感的方式对激光熔覆异种粉末制备梯度材料时产生的等离子体信息进行采集,对信号进行处理后提取特征元素谱线信息,对激光增材制造过程中各元素的含量进行在线监测。研究了激光增材制造中光谱信号与梯度材料成分变化关系,并对梯度材料沉积过程中产生的氢气孔进行了在线监测研究。首先在Inconel 718/316L梯度材料体系中结合光谱诊断原理对特征谱线强度比与混合粉末的成分配比进行了研究,利用相关性较强的特征进行回归预测模型的建立,通过对岭回归、神经网络等回归算法继续比较得出对各种元素含量预测精度高的同时具备有望应用到其他梯度材料体系中的潜力的元素含量监测模型。然后在Al Si10Mg/316L梯度材料体系中验证了元素特征谱线强度比与粉末成分的关系,利用可行性已在Inconel 718/316L梯度材料体系中得到证明的监测模型建立方法对Al Si10Mg/316L梯度材料进行了元素含量监测,对内部元素预测的高精确率证明了监测方法原则上的无误性。并通过提升光谱信号特征维度增加了模型对光谱信息的利用率,使两种梯度材料体系上元素含量预测误差得到了下降,提高了模型预测精度。使用神经网络结合迁移学习通过将数据集更加完备的镍钢元素含量监测模型中训练好的特征权重迁移到铝钢元素含量监测模型中作为初始权重训练,节省了单独训练铝钢梯度材料元素含量监测模型的时间成本,并提高了铝钢中各元素含量预测的精度,验证了模型对多梯度材料体系元素含量在线监测的可行性。最后对Al Si10Mg/316L梯度材料中常见的气孔缺陷进行了在线监测的研究,通过对光谱信号中氢谱线进行相关特征提取来对引入的氢气孔缺陷进行了孔隙率方面的研究,发现相较于直接输入强度值,经过标准化后的氢谱线特征对孔隙率有更加精确的判别。

关键词：激光增材制造过程监测光谱诊断机器学习

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滚动轴承工程数据库搭建与基于数据的润滑状态预测

滚动轴承工程数据库搭建与基于数据的润滑状态预测

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作者：何宁哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着航空航天、精密制造、轨道交通等重大领域装备技术快速发展,对高端轴承性能要求越来越高,因此滚动轴承的早期失效模式与失效机理引起了国内外轴承行业和研究机构的广泛关注,虽然其相关理论模型、方法和技术一直在发展和完善,但尚未... 详细信息

随着航空航天、精密制造、轨道交通等重大领域装备技术快速发展,对高端轴承性能要求越来越高,因此滚动轴承的早期失效模式与失效机理引起了国内外轴承行业和研究机构的广泛关注,虽然其相关理论模型、方法和技术一直在发展和完善,但尚未形成统一的共识和定论。要从根本上解决这些关键技术问题,必须从基础理论、材料、设计、应用、试验技术、基础工程数据库等全面入手。本文将设计开发相对完整的,集结构参数、工况条件、材料物理属性、试验数据、仿真数据及应用领域一体的,可供检索与调用的滚动轴承工程数据库供研发人员使用;并就热弹流仿真数据进行机器学习模型训练,开发热弹流润滑快速预测模型;开发面向用户的滚动轴承工程数据库应用系统,并将预测模型嵌入该系统供用户使用。通过对滚动轴承相关数据的分析,从滚动轴承工程数据库的数据需求、功能需求和安全性与完整性需求出发,完成该数据库系统的模式设计,并基于关系型数据库模型理论优化该数据库的关系模型,在关系型数据库管理系统My SQL环境中完成包括轴承结构参数、材料物理属性、润滑油物性参数、轴承性能参数、仿真及试验原始数据等物理储存结构的数据库内模式及面向用户的外模式的设计。基于热弹流润滑仿真模型生成宽参数工况范围下的润滑性能数据,并利用该数据训练快速预测润滑状态的神经网络模型,依据热弹流数值计算的无量纲参数为输入,确定BPNN的拓扑结构,设计正交试验并进行极差分析确定BPNN的最优超参数组合,初步训练快速预测接触界面润滑状态的神经网络模型。针对BPNN容易陷入局部优解的弊端,通过对比标准粒子群算法、惯性权重线性下降粒子群算法和自适应惯性权重的粒子群算法的优化效果,采用最优的算法对BPNN的初始权重和阈值进行优化,得到预测性能更好的预测模型。整理归集包含航空发动机主轴轴承、风电齿轮箱轴承和新能源车电机轴承三种典型轴承,与库内润滑油参数等表关联;整理多种轴承钢在干摩、乏油和混合摩擦下的表面形貌特征,以及三种常用润滑油物性参数。并基于Python语言和SQL语言,开发包括用户管理、数据库的数据查询及更新、用户自定义储存模板、润滑油物性参数的插值查询、热弹流润滑状态快速分析等模块的滚动轴承使用数据库应用系统,实现滚动轴承在一般工况条件下的润滑状态预测。

关键词：数据库滚动轴承人工神经网络热弹流

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可穿戴纳米纤维基微流控传感器及其在汗液分析中的应用

可穿戴纳米纤维基微流控传感器及其在汗液分析中的应用

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作者：梅学翠哈尔滨工业大学

学位级别：博士

汗液含有丰富的代谢物、蛋白质、激素、电解质等物质,这些物质水平的变化不仅能反映人体的健康状况,而且可以作为疾病诊断的依据。可穿戴汗液传感器具有原位、无创、实时监测等优点,在个人运动检测、健康监测和疾病诊断领域应用十分广... 详细信息

汗液含有丰富的代谢物、蛋白质、激素、电解质等物质,这些物质水平的变化不仅能反映人体的健康状况,而且可以作为疾病诊断的依据。可穿戴汗液传感器具有原位、无创、实时监测等优点,在个人运动检测、健康监测和疾病诊断领域应用十分广泛。然而,可穿戴汗液传感器目前仍存在以下问题:1)采样时的汗液污染、新旧汗液混合、传感单元之间的串扰、分析试剂负载不稳定等影响测量的稳定性和准确性;2)汗液堆积和基底的透气性差影响穿戴舒适性;3)大多数报道的传感器制备需要昂贵的仪器、苛刻的条件和繁琐的工艺;4)由于制造过程涉及到不同材料、多种功能层和不同传感组件,因此将多模式传感器、汗液收集部件和其它器件集成到一个可穿戴设备中仍面临严峻的挑战。基于此,本论文从汗液原位分析出发,以解决上述可穿戴汗液传感器存在的问题为导向开展深入研究。主要以开发纳米纤维基传感器为基础,以设计新型汗液原位收集器件和集成式传感器、提升传感器性能以及拓展其应用为目的;结合可穿戴技术和微流控技术,借助工艺简单、成本低廉的静电纺丝技术和墨水直写技术构建一类基于纳米纤维的可穿戴汗液传感器。该论文主要研究内容为如下几个部分。利用纳米纤维膜的多孔、柔性等特性以及分子印迹聚合物对模板分子的特异性识别性能,构建了一种柔性电化学传感器用于汗液中皮质醇的实时、原位监测。首先,以聚酰亚胺/十二烷基硫酸钠纳米纤维膜作为支撑基底,聚二甲基硅氧烷作为流道壁,利用静电纺丝技术和墨水直写技术制备了纳米纤维基微流控芯片。以丝网印刷柔性电极作为传感器基底,金纳米颗粒修饰的碳纳米纤维膜作为增敏材料,采用电聚合的方式同时修饰分子印迹聚合物和普鲁士蓝纳米颗粒,分别作为皮质醇的识别介质和原位检测时的氧化还原探针。最后,将微流控芯片、柔性传感器与电路板集成,实现了汗液中皮质醇的原位、无线和实时测量。该传感器具有良好的性能,且表现出较宽的检测范围（1.0 nmol/L～1.0μmol/L）和较低的检测限（0.35nmol/L,S/N=3）,能够满足人体汗液中皮质醇的实际检测需求。通过实时监测志愿者在早上和晚上运动中的汗液皮质醇水平,验证了该传感器的可靠性。利用Janus纳米纤维膜的定向水传递特性,构建了一种柔性比色传感器阵列用于汗液中葡萄糖、Ca2+和Zn2+的实时监测。首先,采用静电纺丝技术制备了基于疏水聚氨酯和亲水聚丙烯腈/二氧化硅的Janus纳米纤维膜,并以此为支撑基底制备了微流控芯片。该芯片能够将汗液自发地从靠近皮肤的疏水侧输运到用于检测的亲水侧,同时还有效地加快了汗液的蒸发并减少了汗液的堆积,从而提高了穿戴的舒适性。其次,采用静电纺丝技术将比色试剂封装进纳米纤维,制备了功能性纳米纤维膜,提高了检测试剂固载的稳定性。此外,在葡萄糖检测方面,合成了具有优异过氧化物酶活性的铜-血红素金属有机框架纳米酶。最后,将功能性纳米纤维膜和Janus纳米纤维膜基微流控芯片组装,完成了汗液中三种物质的同时检测,并成功监测了志愿者饮食前后体内三种物质的变化情况,验证了该传感器的可靠性。将纳米纤维基微流控网络、电化学传感阵列和比色传感阵列集成,制备了一种柔性电化学-比色双模式传感器用于汗液中葡萄糖、乳酸、p H、Cl-和尿素的同时监测。首先,利用静电纺丝技术和墨水直写技术制备了含有多层结构的纳米纤维基微流控网络,能够自发的将汗液输运到不同层的检测区。其次,将电化学传感阵列和比色传感阵列嵌入微流控网络,减小了传感单元之间的串扰。同时,纳米纤维膜作为构建双模式传感阵列的基底,赋予了装置良好的柔性。最后,将电化学传感阵列、比色传感阵列、纳米纤维基微流控网络与无线电子器件集成,实现了汗液中五种物质的无线、原位、双模式和同时监测。经验证,该传感器能在检测范围、检测限、抗干扰性、稳定性等方面满足汗液中这五种物质的实际检测需求。在体实验证明,该传感器的两种传感模式均有效可靠,可以在运动期间连续监测汗液中相关的化学信息。综上,本论文构建了多样化的纳米纤维基可穿戴汗液传感器,探究了其传感性能,实现了对汗液多元成分的原位、可靠和实时监测。该研究为设计和制造可靠、低成本、多样化、集成化的可穿戴汗液传感系统提供了新策略,所构建的传感器在运动检测、健康监测和疾病诊断方面显示出良好的应用前景。

关键词：可穿戴传感器汗液分析纳米纤维微流控电化学检测比色检测

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基于第一性原理计算的纳米氧化钨研究进展

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无机材料学报 2021年第11期36卷 1125-1136页

作者：赵林艳刘阳思席晓丽马立文聂祚仁北京工业大学材料与制造学部新型功能材料教育部重点实验室北京100124 北京工业大学工业大数据应用技术国家工程实验室北京100124 北京工业大学北京古月新材料研究院北京100124 北京工业大学首都资源循环材料技术省部共建协同创新中心北京100124

纳米氧化钨作为一种具有独特物理化学性质的半导体功能材料,已被广泛应用于环境、能源、生命科学、信息技术等领域。本文基于第一性原理计算在纳米氧化钨中的应用进展,概述了量子力学基础上的第一性原理及密度泛函理论的发展历程及基本... 详细信息

纳米氧化钨作为一种具有独特物理化学性质的半导体功能材料,已被广泛应用于环境、能源、生命科学、信息技术等领域。本文基于第一性原理计算在纳米氧化钨中的应用进展,概述了量子力学基础上的第一性原理及密度泛函理论的发展历程及基本理论,介绍了该领域常用的MS(Materials studio)、VASP(Vienna ab initio simulation package)等模拟计算软件,并分类阐述了第一性原理计算对氧化钨的微观电子结构、物质相互作用、分子热动力学等方面的研究成果。最后提出了第一性原理计算在纳米氧化钨这类半导体材料研究中存在的问题及未来发展趋势。

关键词：纳米氧化钨第一性原理模拟计算电子结构综述

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基于二氧化钒热致相变的自适应温度调控

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光学学报 2021年第15期41卷 187-196页

作者：赵海鹏章新源何云斌豆书亮李垚李孝峰詹耀辉苏州大学光电科学与工程学院江苏苏州215006 江苏省先进光学制造技术重点实验室暨教育部现代光学技术重点实验室江苏苏州215006 湖北大学材料科学与工程学院湖北武汉430062 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所黑龙江哈尔滨150001

现有的辐射降温器件不具有自适应性,即只能降温不能升温。为了实现升温和降温的双重功能,并且能够随环境温度改变而自动切换,本文聚焦于一种基于二氧化钒的自适应温度调控器,系统地讨论其光热调控原理、技术瓶颈和实现途径。利用传输矩... 详细信息

现有的辐射降温器件不具有自适应性,即只能降温不能升温。为了实现升温和降温的双重功能,并且能够随环境温度改变而自动切换,本文聚焦于一种基于二氧化钒的自适应温度调控器,系统地讨论其光热调控原理、技术瓶颈和实现途径。利用传输矩阵和遗传算法相结合的方法,设计和优化由谐振腔和滤波器集成的多层结构,获得太阳吸收比为0.1、高温发射率为0.76和发射率差值为0.7的优异光热调控性能。在此基础上,根据实际环境预测该优化结构的实时温度响应,从理论验证其自适应温度调控功能。该研究为基于二氧化钒的自适应温度调控提供一种可供选择的解决方案,为智能热控的技术发展提供了相应技术储备。

关键词：光学器件多层膜二氧化钒辐射制冷自适应温度调控遗传算法

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面向纳米器件制造的光诱微区能场特性研究

面向纳米器件制造的光诱微区能场特性研究

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作者：陆喜文哈尔滨工业大学

学位级别：博士

随着纳米技术的发展,纳米器件由于其具有微型化、高度集成化和多功能化的特点,使得其在储能,传感和医学等领域都有着重要的发展前景。纳米材料由于其独特的物理及化学性质,使得它们在光诱导下的微小区域内会表现出宏观材料难以达到的性... 详细信息

随着纳米技术的发展,纳米器件由于其具有微型化、高度集成化和多功能化的特点,使得其在储能,传感和医学等领域都有着重要的发展前景。纳米材料由于其独特的物理及化学性质,使得它们在光诱导下的微小区域内会表现出宏观材料难以达到的性能。光诱导按尺度划分主要分为两大类别:近场能场和远场能场。远场是指研究宏观意义上光的性质及应用。近场能场是相对于远场能场而言的,其主要研究纳米尺度光的物理现象,其面对的主要问题是突破衍射极限的限制。为了探索纳米器件在近场能场和远场能场所展现的独特性能,本文从理论和实验等方面研究不同的纳米材料在近场能场和远场能场中所表现出的性质,探讨不同的微区能场在纳米科技的应用中所具有的优势。为了深入了解光诱微区能场的特性,探索纳米材料在近场能场和远场能场所展现的独特性能,分别对近场微区能场和远场微区能场的基本原理进行了研究。研制了基于微区能场的纳米制造平台,此平台具有实时在线观测、高效纳米操纵、精确位置定位以及性能检测等优势。为了研究纳米材料在光诱微区能场中的受力情况,首先进行了光诱微区能场对纳米材料作用力的建模分析,得到了纳米颗粒在光诱微区能场中的受力情况。然后利用COMSOL多场仿真软件对近场微区能场操纵纳米颗粒的过程进行了仿真,得到了近场微区能场操纵纳米颗粒的能场分布图,并利用近场微区能场对纳米颗粒进行了熔化。最后理论分析了碳纳米管在远场微区能场中的受力情况,得出碳纳米管在远场微区能场中会受到电磁力和光压的双重作用。仿真了远场微区能场对碳纳米管的作用过程,得出了碳纳米管的电磁场、温度场、应力场的分布图,并研究了不同功率的能场对碳纳米管弯曲程度的影响。利用纳米制造平台成功进行了远场微区能场对碳纳米管的驱动实验,经过计算得出,远场能场对碳纳米管的力的作用在n N级别。这种基于光诱微区能场的纳米操纵方式具有实时、非接触和稳定的优势,为将来的纳米操作提供了一种新的方法。为了研究基于光诱微区能场纳米器件的响应特性,首先进行了纳米颗粒的操纵实验和三维操作银纳米颗粒的实验,完成了三维搭建碳纳米管-银纳米颗粒结构的操作实验。制作了碳纳米管-银纳米颗粒结构器件并且对其进行了光电测试,结果表明纳米颗粒-碳纳米管器件具有良好的紫外光电响应。然后以石墨烯为材料使用全干粘弹性压印方法制成了一种具有光热响应功能的纳米器件,这种纳米器件可以简单有效地用于光吸收,光响应和热吸收等方面的研究。通过对微区能场中石墨烯纳米器件光热响应特性的研究发现,这种器件对近红外波长及高温检测具有响应快速、灵敏的特点。对于这种石墨烯纳米器件的研究,可以为纳米器件的设计和制造提供理论和实验基础,并为石墨烯和其他二维材料在电子元件和太阳能电池领域中的应用提供了有效的指导。为了解决单侧能场辐照纳米颗粒实验中存在的高斯能场辐照探针所形成的近场存在分布不均的问题,提出了一种新型环形能场的构想,并用理论解释了环形能场具有的优势。用有限元仿真的方法对单侧能场和环形能场进行了对比研究,得出在同样条件下,环形能场的场强比单侧能场高了10倍。通过研究各参数对环形能场的影响,发现随着波长频率越大、辐照面积越大、辐照距离越近,近场增强的场强也越大。通过对近场增强的场致效应研究发现,当辐照光的波长为400 nm时,针尖的膨胀和变形最大。通过理论和仿真分析,得出环形微区能场与单侧微区能场辐照相比具有辐照面积大、近场分布更均匀的特点,这为下一步更好地利用光诱微区能场进行纳米操纵和纳米器件的制备提供了一种新的方法。

关键词：光诱微区能场纳米制造纳米器件光响应特性热响应特性

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模拟外星壤熔融沉积打印和拉纤工程材料化利用研究

模拟外星壤熔融沉积打印和拉纤工程材料化利用研究

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作者：陈思远哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

探索宇宙是人类永恒的梦想，太空技术和探索能力是国家科技实力最重要的表现之一。对月球和火星的科学探索是当前乃至未来数十年人类宇宙活动的重点目标，是航天强国之间竞争的激烈赛道。外星资源原位利用可大幅降低太空探索的成本，支... 详细信息

探索宇宙是人类永恒的梦想，太空技术和探索能力是国家科技实力最重要的表现之一。对月球和火星的科学探索是当前乃至未来数十年人类宇宙活动的重点目标，是航天强国之间竞争的激烈赛道。外星资源原位利用可大幅降低太空探索的成本，支撑人类长期可持续深空探索。月球、火星表面有大量外星壤物质资源可供人类利用。因此，本课题立足于外星资源原位利用理念，采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合，探索外星壤熔融沉积 3D 打印制品和熔融拉制纤维方法，以期为人类宇宙探索事业贡献绵薄之力。　　首先，开展模拟月壤和火星壤两种材料的玻璃化和析晶动力学研究。通过 X射线衍射、NBO/T 值计算、红外光谱与拉曼光谱等手段，构建出模拟外星壤玻璃短程有序微观结构模型。其基本结构单元是Si4+、Al3+与氧原子形成的四面体单元，这些单元通过共用氧原子结合形成链状、环状、架状的网络结构。用差示扫描量热法研究其析晶动力学，发现模拟月壤玻璃在 885℃、1070℃附近存在析晶放热峰，析晶活化能分别为 458.47kJ/mol、578.16kJ/mol，模拟火星壤在 890℃以及1080℃存在析晶放热峰，析晶活化能分别为 245.65kJ/mol、439.85kJ/mol，两种模拟外星壤在低温析晶区主要生成辉石，在高温析晶区主要生成长石和赤铁矿。　　其次，开展模拟外星壤熔融沉积成型和纤维拉制过程中的温度场和应力应变场的数值模拟研究。建立了熔融沉积成型瞬态非线性数值模型和熔融拉纤一维稳态数值模型。对比了不同扫描路径、扫描速度、熔丝尺寸、初始温度等工艺参数以及环境条件下的温度场和应力应变场的演化情况。研究了拉纤速度、熔体温度、拉纤距离和环境条件对成纤尺寸和成纤温度的影响。结果表明，增加熔丝尺寸、提高打印速度对降低打印制品的温度应力有显著作用。熔融拉纤纤维直径主要受漏孔处的熔体流量与迁移速度的影响。　　第三，搭建模拟外星壤熔融沉积打印和熔融拉纤多功能试验系统。研制了熔体供给设备、熔融沉积三维移动装置和纤维拉制与缠绕装置，集成为模拟外星壤熔融沉积打印和熔融拉纤试验系统。分析了系统工作窗口，进行了不同打印路径和打印速度下的熔融沉积成型试验和不同拉纤速度下的熔融纤维制造试验，获得了熔融沉积打印和熔融拉纤原型制品，初步验证了模拟外星壤熔融沉积打印和纤维制造的可行性。　　最后，研究模拟外星壤熔融沉积打印和纤维制品后期热处理工艺对性能的影响。依据材料的玻璃特征温度和析晶温度确定了热处理制度，开展了热处理试验，掌握了热处理前后熔融沉积打印样品的基本力学和热物理性能演化规律，得到了热处理前后的外星壤纤维制品的基本力学性能和表面性能。结合微观测试与表征，探明热处理对材料性能影响的机理。发现退火处理会改变模拟外星壤打印制品和纤维的微观结构，使其网状玻璃结构破坏与重组。晶化处理会使模拟外星壤制品产生辉石、长石、赤铁矿等晶体。热处理会提高制品的力学性能与热传导能力，并能够降低纤维的表面能与表面极性。

关键词：外星壤原位资源利用熔融沉积成型纤维拉制热处理力学性能热物理性能

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轮胎花纹参数化设计与数控加工方法研究

轮胎花纹参数化设计与数控加工方法研究

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作者：范宏宇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在汽车制造领域,轮胎作为唯一与地面接触的零件,其结构十分复杂,而随着计算机辅助设计技术的不断发展,如何进行高性能轮胎生产逐渐成为工业界关注的热点问题。本文研究了轮胎设计和制造领域的几个关键问题,面向轮胎花纹模具制造提出了... 详细信息

在汽车制造领域,轮胎作为唯一与地面接触的零件,其结构十分复杂,而随着计算机辅助设计技术的不断发展,如何进行高性能轮胎生产逐渐成为工业界关注的热点问题。本文研究了轮胎设计和制造领域的几个关键问题,面向轮胎花纹模具制造提出了基于可定制刀具的三维腔体摆线路径规划方法以及侧铣路径初始化方法;面向花纹设计,开发了轮胎花纹参数化设计系统,并提出了针对花纹参数化设计的三维CAD模型检索方法。轮胎模具制造过程中存在大量难以加工的三维凹槽,开槽操作通常使用摆线加工技术。现有摆线加工路径规划采用给定形状的刀具,加工精度不高。本文提出了一种面向3D腔体的摆线路径规划算法,能够计算最优的刀具形状和加工路径,达到较高的加工精度,且能在满足刀具-材料啮合度阈值的前提下最大化材料移除率。实验结果表明,本方法能够实现对自由曲面3D腔体实现有效的高精度的摆线加工。轮胎花纹模具的非腔体部分采用侧铣技术进行加工,加工路径的规划依赖于初始加工路径的选择。本文提出了一种面向定制刀具的路径初始化算法,首先利用体素分割进行轴线采样,然后通过聚类分析选择刀具形状,最后对轴线构建邻接图,通过求解多源最短路得到初始化路径。实验结果表明,本方法自动生成的初始化路径可以在保证精度的前提下对目标曲面进行有效覆盖。在轮胎花纹设计领域,大多数工作都是在现有花纹基础上进行修改,所以花纹模型检索技术可以有效提升设计效率。本文提出了一种参数化花纹模型检索算法,将边界结构转化为属性邻接图,并通过非精确的邻接图匹配策略计算模型相似度,同时利用花纹参数信息构建基于聚类树的索引结构。实验结果表明,本方法相比传统的CAD模型检索方法在搜索效率与精度方面均有提升。最后本课题设计并实现了一套参数化轮胎花纹设计系统,支持对主沟、刀片沟等多种花纹的设计,同时支持花纹模型检索与节距排序功能。该系统不仅解决了通用CAD设计软件操作繁琐的问题,还将花纹的二维设计与三维生成相结合,用户仅需进行简单的参数设置便可进行轮胎设计,从而为轮胎制造中的数控加工方法提供指导模型。

关键词：摆线侧铣加工路径初始化 CAD模型检索参数化花纹设计

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