激光拉曼光谱对LiFePO4/C正极材料包覆碳结构的研究

利用激光拉曼光谱对LiFePO4/C锂离子正极材料碳外壳的石墨化程度进行了研究,对不同碳源合成的样品进行激光拉曼光谱比较,并结合X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、选区电子衍射、电阻率测试等多种检测手段,对材料的性质结构和形貌进行了研究.结果发现,相比对应sp3杂化峰和sp2杂化峰的峰面积比,对应非等向性sp2杂化峰和对应规则sp2杂化峰的ID/IG分布更加均匀,其显示的石墨化程度与材料导电性在一定程度上有相似规律,但同一材料的拉曼光谱信号因受碳包覆均匀性的影响出现较大差别,且相对于单独用柠檬酸或蔗糖做碳源的样品,利用两者混合物做碳源的样品的ID/IC值和sp3杂化峰和sp2杂化峰的峰面积比值均较高.在扫描电镜和透射电镜图中,可以观察到二次和一次颗粒包覆不均匀的现象,这有可能是导致同个样品中不同点数据不均匀的原因.但是较大的离散性还是影响了拉曼光谱在此类检测中的客观准确性.     

退火重结晶制备AlN/C复合泡沫材料及其力学性能研究

为了得到一种轻质、高强度、耐烧灼的新型碳泡沫材料,以无定形AlN为添加剂,在空心微球/网络复合型碳泡沫的基础上,采用退火热处理工艺成功地制备出了AlN/C复合泡沫材料.通过扫描电镜、透射电镜对样品进行表征,测试结果表明无定形AlN在碳微球的表面重结晶为AlN晶须,其直径大约为50nm左右,长度10μm以上,具有较大的长径比.X-射线衍射峰证明样品石墨化程度高,且AlN晶须为六方结构.X-射线光电子能谱测试发现在287.5eV处有较明显的C-N峰出现,这表明AlN和碳泡沫在界面处通过C-N键结合.同时,对其力学性能进行测试,通过分析应力-应变测试结果,AlN/C复合泡沫材料的压缩强度为40.27MPa,相对碳泡沫材料而言提高了近一个数量级.测试结果表明,AlN晶须显著增强了碳泡沫的压缩强度,这种新型复合泡沫材料有望应用于各种抗压减震航空材料.     

碳纤维复合材料的激光清洗等离子体光谱在线检测研究

近年来碳纤维复合材料（CFRP）由于性能优异,受到工业领域广泛关注。采用激光清洗技术预处理碳纤维复合材料表面的污染物和环氧树脂等杂质,有利于改善碳纤维复合材料表面性能,提高碳纤维复合材料胶接界面的结合强度。在线检测激光清洗过程,实时判断碳纤维复合材料的表面清洗质量,是保证激光清洗效果的关键环节,也是激光清洗装置自动化、集成化的核心技术。激光诱导等离子体光谱技术可以快速分析材料表面元素变化,实现在线检测激光清洗表面状态,在激光清洗领域有很广的应用前景。采用Nd∶YAG高能量脉冲激光器产生的1 064 nm激光在空气环境中诱导产生等离子体,利用改进型光栅光谱仪(ME5000)获取等离子体光谱,在线检测激光清洗碳纤维复合材料。研究外界空气环境对等离子体光谱检测结果的影响,发现350~700 nm波段的元素谱线可用于碳纤维复合材料表面物质成分分析;采用电子扫描显微镜观测的激光清洗表面形貌和X射线电子能谱仪测得的元素变化共同表征等离子体光谱检测的有效性,通过采集不同激光能量以及不同作用次数的等离子体光谱图,获得碳纤维复合材料表层树脂物质通过激光单次清洗干净的阈值,研究激光清洗质量与激光诱导等离子体谱线成分及其强度变化的关系。结果表明：在获取的激光诱导等离子体光谱中,光谱图中谱线波长在393.3 nm的S(Ⅱ)和589.5 nm的S(Ⅱ)谱线可有效在线表征碳纤维复合材料表面清洗质量;激光单次去除干净表面环氧树脂的阈值为10.68 mJ;低激光能量时需要清洗多次可以去除干净表面树脂;高激光能量时清洗单次可使表面树脂去除干净,多次清洗易造成基体损伤。实验结果为激光清洗碳纤维复合材料的智能集成化应用提供工艺依据和技术支持。     

石墨烯/纳米铜复合材料的制备及红外性能研究

采用原位还原法制备了还原石墨烯/纳米铜复合材料,对其进行表征分析.测量该材料的中远红外波段的复折射率,计算其吸收系数和大气窗口内的法向光谱发射率并进行实验验证,进而分析其在中远红外波段的吸收和辐射性能.结果表明,纳米铜吸附在还原石墨烯表面,粒径集中在15~25nm;不同尺寸的纳米铜、还原石墨烯及其表面缺陷和官能团等的吸收特性,使该复合材料在8~9.2μm、6~6.5μm、2~3μm波段内的吸收较强,且在远红外波段吸收最强;其在3~5μm的法向发射率在0.65~0.68范围内,法向发射率在8~9.5μm内有最小值0.53,而后稳定在0.58左右,其总法向发射率分别为0.66和0.59,且与测量值相符.该复合材料可用于红外吸收、消光材料和隐身涂料等方面.     

基于激光旋转加热的非导电材料高温光谱发射率测试方法与装置

光谱发射率是表征材料热物理性能的重要参数。对于非导电材料的高温光谱发射率测试,一般采用高温加热炉加热或辐射加热的方式来进行发射率测试,存在的问题是采用高温石墨炉加热时,样品可能会与高温石墨发生化学反应,从而破坏材料原有物性;采用辐射加热,一般是单向静止加热,会存在样品温场梯度非均匀分布的问题。基于激光旋转加热和样品/黑体整体一体化设计,提出了一种“样品动中测”的非导电材料高温光谱发射率测试新方法,建立了相应的测量模型,突破了传统的 “样品静中测”的局限,样品与参考黑体共形一体化设计,采用微区域光谱辐射成像方法,同时测量参考黑体和样品的光谱辐射能量与温度。建立了激光旋转加热状态下的热传导方程,对典型样品材料的温度分布进行了仿真计算,结果表明旋转样品温场分布较为均匀,分析了温场分布与红外光谱发射率测量误差间的关系,给出了适用于本测试方法的材料的热导率下限值。基于该方法,搭建了相应的测量装置,对典型材料碳化硅在1 000 K时的光谱发射率进行了测试,在4 μm处对各个典型高温温度点的光谱发射率进行了测试,得到了碳化硅材料在红外波段的光谱发射率波长变化和温度变化规律特性。与国外的测量结果进行了比对,结果较为一致,验证了激光旋转加热光谱发射率测试方法的可行性。采用此方法,不破坏样品本身的理化特性,样品加热升温速度快,测量温度范围上限高,有效减小了激光静止单向加热带来的温度不均匀性,可同时测量出样品和参考黑体的光谱辐射亮度及温度,无需另外再设计标准高温黑体,解决了现有非导电材料高温光谱发射率测试中非均匀加热和辐射能量同步比对测量的问题,可应用于多种非导电材料高温光谱发射率的测试。     

PAN基碳纤维在表面处理中的拉曼光谱研究

采用激光拉曼光谱研究了PAN基碳纤维在表面处理中的微结构变化,分析了表面处理前后碳纤维的一级拉曼光谱特性。结果表明：拉曼光谱中主要的D峰和G峰的拉曼频移、半高宽以及各个不同拉曼频移位置对应肩峰的积分面积比是表征碳纤维物相结构变化的重要参数。经过不同的表面处理,PAN基碳纤维的一级拉曼光谱参数发生了一定程度变化,D峰和G峰的拉曼峰位向高波数偏移,表征石墨微晶尺寸的R值有所提高,这说明在表面处理后碳纤维的石墨微结构受到刻蚀,微晶尺寸有所减小,石墨微晶的边界活性增大;此外,表征碳纤维结构有序程度和缺陷多少的D峰和G峰的半高宽均有减小,表征无定型碳结构或某种有机官能团的A峰和D″峰的相对积分面积减小,这说明与乱层石墨结构相比,碳纤维中存在的无定型碳结构更容易被刻蚀,经过表面处理之后无定型碳的物相比例减小,这与碳纤维XRD图谱中表观结晶度提高的规律相一致。因此,利用激光拉曼光谱可研究碳纤维物相结构的变化规律。     

切向气流和激光作用下碳纤维/环氧材料的损伤特性

无气流和切向气流马赫数分别为0.50,0.85条件下,开展了碳纤维/环氧材料激光辐照损伤特性研究实验,对碳纤维、环氧树脂和复合材料热失重曲线、温度历史曲线以及实验后复合材料损伤形进行分析,结果表明:由于切向气流阻止材料燃烧且对材料表面起冷却作用,无气流条件下材料的热损伤区域远大于激光辐照区域,与切向气流条件相比,材料后表面温升时间长、温升幅值高;在切向气流环境下,由于气流作用使得材料的损伤包括烧蚀损伤和断裂损伤;从损伤形貌和后表面温度历史、温升速率比较来看,在切向气流马赫数为0.50~0.85的速度范围内,碳纤维/环氧材料在切向气流和连续激光(102 W/cm2量级)联合作用下的损伤差异不明显。     

固体材料定向光谱发射率测量装置研究及误差分析

针对红外隐身材料光谱发射率测评的需要,提出一种基于能量法的发射率测量模型,并建立起固体材料定向光谱发射率测量装置,能实现温度范围50℃～300℃与光谱范围1.3μm～14.5μm的固体材料定向光谱发射率测量。通过对试样进行实测,得到不同样品在150℃和同一样品在不同温度下的光谱发射率曲线,得出该材料发射率随温度变化的结论。最后分析了样品同黑体温度不等引起的误差,给出温差为1℃和2℃时,发射率相对误差随温度与波长的分布曲线,以及不同黑体温度下3μm～5μm和8μm～14μm的平均相对误差值。     

激光频率调制吸收光谱测量钻井气样中甲烷13C/12C同位素比

本文利用激光频率调制吸收光谱技术,测量了钻井气样中甲烷~(13)C/~(12)C同位素比。该方法不仅精度较高,而且具有检测限低、光谱分辨率高、样品处理简单和快速测量等优点,可以为油气勘探提供一种有效的辅助手段。     

含氮氟化类金刚石(FN-DLC)薄膜的研究:(Ⅰ)sp结构与化学键分析

以CF4,CH4和N2为源气体,利用射频等离子体增强化学气相沉积法,在不同功率下制备了含氮氟化类金刚石膜.用俄歇电子能谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱和傅里叶变换红外光谱对薄膜的电子结构和化学键进行了表征,并结合高斯分峰拟合方法分析了薄膜中sp2,sp3结构比率.结果表明,制备的薄膜属于类金刚石结构,不同沉积功率下,薄膜内的sp2/sp3值在2.0—9.0之间,随着沉积功率的增加薄膜内sp2的相对含量增加.膜内主要有C—Fx(x=1,2),C—C,CC和CN等化学键.沉积功率增加,C—C基团增加,膜内F的浓度降低,C—F基团减少,薄膜的关联加强,稳定性提高.     

热膨胀系数异性轴夹角优化分析

高超声速飞行器需要先进的材料进行热防护,比如增强碳/碳材料.有两种将碳纤维制作成碳/碳球锥外形的工艺,研究表明在每种工艺中,碳/碳块体或碳纤维热膨胀系数异性轴角度对结构热应力影响很大,为此本文发展了一套优化设计方法,对给定的对流加热温度场可以实现球锥热应力的最小化.分析结果表明对于热膨胀系数异性轴角度,存在某些取值点,那时结构热应力分别达到最大和最小值.在异性轴模晕小于同性平面模量的条件下,对于工艺1,如果将球锥对称轴设置成垂直于碳/碳块体的同性平面,可以将热应力减至最小;对于工艺2,如果能将编制面内的碳纤维束异性轴角度取成负值(即指向来流方向),则球锥热应力也可以得到相当程度的减小.     

Influence of remaining C on hardness and emissivity of SiC/SiO2 nanocomposite coating

SiC/SiO₂ nanocomposite coating was deposited by electron beam-physical vapor deposition (EB-PVD) through depositing SiC target on pre-oxidized 316 stainless steel (SS) substrate. High melting point component C remained and covered on the surface of ingot after evaporation. When SiC ingot was reused, remaining C had an effect on the composition, hardness and emissivity of SiC/SiO₂ nanocomposite coating. The composition of ingot and coating was studied by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The influence of remaining C on hardness and spectral normal emissivity of SiC/SiO₂ nanocomposite coating was investigated by nanoindentation and Fourier transform infrared spectrum (FTIR), respectively. The results show that remaining C has a large effect on hardness and a minor effect on spectral normal emissivity of SiC/SiO₂ nanocomposite coating.     

纯钨红外光谱发射率特性研究

光谱发射率是一个重要的热物性参数,在辐射测温、热传输计算等领域有着广泛的应用。钨作为一种重要的金属,关于其光谱发射率的研究报道较少。利用黑体炉、傅里叶红外光谱仪、加热装置和光学系统搭建了一套能量对比法光谱发射率测量装置,该装置能够测量3~20μm的光谱发射率,测量装置的整体不确定度优于5%。利用该装置测量了纯钨在4个温度点(573, 673, 773和873 K)的法向光谱发射率,重点探讨了氧化、温度、波长和加热时间对纯钨光谱发射率的影响。研究结果表明:纯钨在表面未氧化的情况下,光谱发射率在几个温度点的变化规律基本一致,且数值相差较小,而当其表面发生氧化后光谱发射率迅速增加,在某些波长处出现了强烈的振荡。表面未氧化时纯钨的光谱发射率受温度的影响较小,随着温度的增加仅出现微小的增加,但是当表面发生氧化后,随温度的升高而迅速增大。纯钨的光谱发射率整体上随着波长的增加而减小,但是当表面发生氧化后,由于表面氧化膜与钨金属基底发生干涉效应,在4, 9, 12.5和16.5μm处均出现了峰值。在573和673 K,纯钨的光谱发射率随着加热时间的增加无明显变化。然而,随着温度的升高,在773和873 K时,光谱发射率随着加热时间增加而增大,在773 K时光谱发射率随加热时间的增加增幅较大,因为在该温度点,纯钨表面刚开始发生氧化,氧化速率较大,在873 K时光谱发射率随加热时间的增加增幅较为平缓,并且随着加热时间的增长呈现稳定的趋势。综上,纯钨的光谱发射率在温度较低和表面未氧化时较为稳定。随着温度的升高,当表面发生氧化后,光谱发射率迅速增大,并且在多个波长位置出现了强烈的振荡。由此可见,纯钨光谱发射率受温度、波长、加热时间的影响较大,在实际应用过程中,特别是在辐射测温过程中,如果把纯钨的光谱发射率看做常数将会带来较大的测量误差。该研究将进一步丰富钨的光谱发射率数据,并为其在科学研究和应用中提供数据支持。     

固体13C NMR谱编辑方法研究改性丝光沸石结炭

通过¹³C CP/MASNMR技术,对经MgO改性后丝光沸石的结炭组成进行的研究表明,结炭的组成主要为缩聚程度较低的支链芳烃和少量烯烃;在保持分子筛活性的条件下分子筛的抗结炭能力较强,这可能与MgO改性后分子筛的酸性变化或孔径改变有关.     

Spectral emissivity of type E235B low carbon structural steel with different roughnesses

A self-built experimental apparatus was employed to study the spectral emissivity of type E235B low carbon structural steel in the wavelength range 2–15 μm at different temperatures by energy comparison method. The surface roughness and topography of the steel E235B were determined by a roughness tester and a scanning electron microscopy, respectively. And then, the spectral emissivity of steel E235B with six different roughnesses was measured before and after oxidation. The measurement results showed that the spectral emissivity increased with the increasing temperature and surface roughness before oxidation. The effect of roughness on the spectral emissivity is different at different wavelength and temperature ranges. However, the oscillatory behavior of the spectral emissivity was observed after oxidation. To explore the possible reasons for emissivity variation, the changes of surface roughness and optical roughness were investigated after oxidation. It is found that both the surface roughness and optical roughness increased after oxidation. Although the optical roughness can be used as one of the parameters to evaluate the effect of surface roughness on the spectral emissivity, it is insufficient to describe the effect of surface morphology on the spectral emissivity.     

基于约束优化的多光谱辐射真温反演算法

多光谱辐射测温是通过测量待测物某点的多个光谱辐射强度信息,通过普朗克公式反演获得真实温度。但是,通过普朗克公式获得的多光谱辐射测温方程组,是欠定方程组,即N个方程,N+1个未知数(N个未知的光谱发射率ε_λi和1个待求真温T)。目前,多采用事先假设一组发射率模型(发射率-波长或发射率-温度模型),假设模型与实际情况如果相符,则反演结果能够满足要求,如果假设模型与实际情况不符,则反演结果误差很大。但是,发射率模型受温度、表面状态、波长等诸多因素影响,难以事先确定发射率模型。因此受未知光谱发射率的制约一直是多光谱辐射测温理论面临的主要障碍,能否在无需任何光谱发射率假设模型的情况下,实现真温和光谱发射率的直接反演一直是多光谱辐射测温理论研究的热点和难点。通过对参考温度模型的分析表明,多光谱辐射测温反演过程的实质是寻找一组光谱发射率,使得每个通道方程解得的真温都相同,如不相同则继续寻找合适的光谱发射率,直到每个通道解得的真温都相等。为此,提出将多光谱辐射测温参考温度模型的求解过程转换为约束优化问题,即在光谱发射率0≤ε_λi≤1的约束条件下,通过梯度投影算法不断寻找光谱发射率,带入多光谱辐射测温参考温度模型方程组后,计算温度反演值的方差,直到每个光谱通道方程获得的温度值应该近似相等,此时各个光谱通道的温度反演值方差最小,这样就把多光谱辐射真温和发射率的反演问题转换为约束优化问题。约束优化算法是解决这一类问题的主要方法,但为了满足Ax≥b的约束条件,将0≤ε_λi≤1分解为ε_λi≥0和-ε_λi≥-1的两个约束条件,从而满足了约束优化问题Ax≥b的约束条件。这样就可以通过约束优化算法在无需任何光谱发射率假设模型的条件下,直接求解真温和光谱发射率。实验采用六种不同光谱发射率分布模式(随波长递增、递减、凸波动、凹波动、“M”型波动、“W”型波动)的材料为研究对象,以验证新算法对不同材料光谱发射率分布反演的适应性,利用Matlab的minRosen函数,选择光谱发射率的初始值均为0.5(取中间值,提高计算效率)。针对六种不同光谱发射率模型的仿真结果表明,新算法无需任何有关发射率的先验知识,对不同发射率模型反演结果均表现较好,在真温1 800 K的情况下,绝对误差均小于20 K,相对误差均小于1.2%,新算法具有无需考虑任何光谱发射率先验知识、反演精度较高及适合于各种发射率模型等优点,进一步完善了多光谱辐射测温理论,在高温测量领域具有良好的应用前景。     

Transverse tensile properties of spun-type carbon fabric/phenolic composites

The transverse tensile properties of phenolic composites reinforced with spun-type carbon fabrics (spun C/P composites) have been investigated in order to evaluate the adherent failure behavior of composites in the transverse (90°) direction due to tension. The transverse tensile strength of the spun C/P composite is about 3.4 times higher than that of the conventional composite reinforced with filament type carbon fabrics (filament C/P composites). It is found from stress–strain curve of composites that it exhibits above 4 times higher failure strain than the filament C/P composite. However, the transverse tensile modulus of the spun C/P composite is similar to that of the filament C/P composite. The results indicate that the protruded fibers of spun yarns between the interlaminar layers in the spun C/P composite play an important role in improving the transverse tensile properties by the effects of fiber bridging. Consequently, this result suggests that use of spun yarn type carbon fabrics as reinforcement in a phenolic composite may significantly contribute to improving the interfacial properties of carbon/phenolic composites.     

Investigation of the effects of Ni-based alloy K465 on the normal spectral emissivity during oxidation

The normal spectral emissivity of Ni-based alloy K465 during oxidation is experimentally measured at 810, 914 and 998 °C for 12 h in air over the wavelength from 1.3 to 2.4 μm. The combined standard uncertainty of the normal spectral emissivity is less than 3%. The oscillations of the emissivity and the effects of oxidation temperature, heating time and wavelength on the emissivity are investigated. The oscillations of the emissivity are formed by the interference effect between the radiation from the surfaces of the substrate and the oxidation film. The oscillation extremums of the emissivity shift towards larger wavelengths as the oxidation process proceeds. The results show that the normal spectral emissivity increases as the temperature increases at the initial time. The normal spectral emissivity decreases as wavelength increases except for the occurrence of the oscillations of the emissivity. The normal spectral emissivity increases rapidly at the initial heating time, and the change of emissivity becomes slow when the oxidation tends to be saturated gradually. Besides, the emissivity fitting models versus heating time and wavelength are established, which fit the experimental results very well. The emissivity relative errors of the fitting models are less than 4%.     

超高温FTIR光谱发射率测量系统的线性度分析

为研究航天领域特种材料高温区域的光谱辐射特性,建立了基于傅里叶光谱仪的超高温光谱发射率测量系统。系统线性度是发射率测量精度的保证,通过测量多温度点黑体辐射的光谱信号,采用多温度点线性拟合方法求得每个光谱点的光谱信号值与黑体光谱辐射亮度的函数关系式,并结合仪器线性度测量理论,建立了光谱发射率测量系统的线性度测量方法。实验测量了黑体温度范围1 000～2 000℃和光谱范围3～20μm的光谱辐射信号,求得波长λ=4μm的理论直线与测量光谱值的线性关系。实验表明,仪器在4～18μm光谱范围响应较好,除CO2强吸收光谱区域,仪器的光谱线性度均优于1%。当测量系统线性度一定时,温度越高,光谱误差对发射率的影响越小。评定光谱发射率测量系统的线性度有利于剔除个别温度点光谱扰动带来的误差。