非晶态固体的结构可以决定性能吗?

晶态固体的力学性能与塑性变形主要由结构缺陷,比如位错的运动决定.而在非晶态固体中结构如何决定性能,仍然是固体力学、材料学和凝聚态物理学共同关心但尚未解决的核心问题之一.传统材料学研究的经典范式为"结构决定性能".遵循这一信条,已经有大量的实验表征与理论、模拟研究,尝试将非晶态固体的某种结构特征与性能建立一一对应关系.但是,科学界对于非晶固体结构-性能关系成立与否,以及背后隐藏的规律知之甚少.本文针对非晶态固体的变形机制以及其微结构特征,基于分子动力学模拟,定量评估短程简单结构与中长程复杂结构在决定非晶态固体动力学性能方面的效用.通过海量抽样每种具体玻璃结构的激活能(标识激发难易程度),尝试将结构参数与激活能建立定量关系,从而揭示出非晶态固体结构-性能关系的隐藏主控因素为结构的空间关联,受限比几何结构本身更关键.只有某种结构在空间上呈现亚纳米级的空间关联长度,这种完备结构才有可能有效地决定非晶态固体的力学性能,而短程简单结构则无效.进一步,给出了评价非晶态固体结构预测性能有效性的普适定量方法,为建立广义无序物质的结构-性能关系提供了筛选准则.     

铋化物发光玻璃中银表面等离激元对铒离子的发光增强作用

局域表面等离激元可以由自由空间的光直接激发,这也是局域表面等离激元的优点所在。研究铋化物发光玻璃中纳米银颗粒的表面等离激元对铒离子发光的增强效应、进一步的提高铋化物发光玻璃中铒离子的发光性能很有意义。首先,测量了(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃与(B)Er 3+(0.5%):铋化物发光玻璃样品的吸收谱,发现(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃在约600.0 nm处有一个较弱的宽的银表面等离激元共振吸收峰。同时发现两者都有典型的铒离子的吸收峰,它们的吸收几乎完全一样:在波峰形状、峰值强度和峰值波长等方面都很相近。测量了(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃和(B)Er 3+(0.5%):铋化物发光玻璃样品的激发谱,发现有位于379.0,406.0,451.0,488.0和520.5 nm的5个550.0 nm可见光的可见激发谱峰,和位于379.0,406.5,451.0,488.5,520.5,544.0,651.5和798.0 nm的8个1531.0 nm红外光的红外激发谱峰,容易指认出依次为Er 3+的4I 15/2→4G 11/2,4I 15/2→2H 9/2,4I 15/2→(4F 3/2,4F 5/2),4I 15/2→4F 7/2,4I 15/2→2H 11/2,4I 15/2→4S 3/2,4I 15/2→4F 9/2和4I 15/2→4I 9/2跃迁的吸收峰,通过测量发现(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃相对于(B)Er 3+(0.5%):铋化物发光玻璃样品的可见和红外激发谱的最大增强依次分别是238%和133%。最后,测量了它们的发光谱,发现有位于534.0,547.5和658.5 nm的三组可见发光峰,容易指认出依次为Er 3+的2H 11/2→4I 15/2,4S 3/2→4I 15/2,4F 9/2→4I 15/2荧光跃迁。还发现红外发光峰位于978.0和1531.0 nm,依次为Er 3+的4I 11/2→4I 15/2和4I 13/2→4I 15/2的荧光跃迁。通过测量发现(A)Er 3+(0.5%)Ag(0.5%):铋化物发光玻璃相对于(B)Er 3+(0.5%):铋化物发光玻璃样品的可见和红外发光谱的最大增强依次分别是215%和138%。对于银表面等离激元增强铒离子发光的机理,认为主要为纳米银颗粒的局域表面等离激元共振,造成金属纳米结构附近产生的局域电场的强度要远大于入射光的电场强度,从而导致了金属纳米结构对入射光产生强烈的吸收和散射,进而导致了荧光的增强;即局域表面等离子体共振局域场的场增强效应。     

Eu^3+激活氟氧硼酸锗酸盐闪烁玻璃的发光性能

采用传统高温熔融法合成了玻璃组成为B2O3-GeO2-15GdF3-(40-x)Gd2O3-xEu2O3(0≤x≤10)的Eu^3+激活氟氧硼酸锗酸盐闪烁玻璃。在硼锗酸盐玻璃基质中,Gd2O3和GdF3稀土试剂的总含量高达55%,从而确保其密度高于6.4 g/cm^3。闪烁玻璃的光学性能通过光学透过光谱、光致发光光谱、X射线激发发射(XEL)光谱和荧光衰减曲线来表征。玻璃中Gd^3+→Eu^3+离子的能量传递通过激发光谱、发射光谱和Gd^3+-Eu^3+离子间距得到证明,同时也确定了在紫外线和X射线激发下Eu^3+激活氟氧硼酸锗酸盐闪烁玻璃的最佳浓度。Judd-Ofelt理论分析了玻璃中Eu―O键的共价性随Eu^3+掺杂浓度增加而显著增强。Eu^3+激活氟氧硼酸锗酸盐闪烁玻璃在80~470 K温度范围内荧光衰减曲线和发射光谱的温度依赖关系最终证实了其具有较好的发光稳定性。     

玻璃料对铜基金属结合剂性能及结构的影响

采用粉末冶金法向铜基金属结合剂中引入玻璃料,结合材料电子万能试验机、洛氏硬度仪、SEM等检测方法,研究了玻璃料加入对铜基金属结合剂及金刚石磨具的影响.结果表明,随着玻璃料含量的增加,铜基结合剂的抗折强度和抗冲击强度呈下降的趋势,其硬度呈逐渐上升趋势,硬脆相的引入提高了铜基金属结合剂的自锐性;玻璃相和金属相之间结合紧密,两相之间化学元素在界面处发生相互扩散;玻璃料的加入使结合剂对磨料的包裹更加紧密,大大提高了结合剂对金刚石的把持力,有利于增加金刚石磨具寿命及加工效率.     

基于增材制造空心点阵结构的压缩变形研究

点阵结构具有质量轻、承压性能好、比刚度大等特点,广泛应用于轻量化部件与承压结构。采用选区激光熔覆技术制备了316L不锈钢空心点阵结构,通过准静态压缩实验和有限元数值模拟,研究了含不同尺寸空心微柱的点阵结构在压缩变形时的失效和变形模式及其成因。结果表明:316L不锈钢材料的空心管状结构在点阵压缩过程中无明显压溃失稳,其结构失效模式是由节点失效诱发微柱变形,进而造成整体失效;结构的变形模式为整体均匀变形,但是当壁厚和外径较小时,边界层将因刚度不足而率先变形;增大空心微柱尺寸可使结构刚度增大。     

单相氟磷灰石微晶玻璃晶相特征和生物相容性研究

采用熔融-淬火-烧结法制备氟磷灰石微晶玻璃,研究其析晶机制和体外生物相容性.采用X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FE-SEM)分析了不同烧结温度下样品的晶相组成和微观结构,利用能量色散X射线光谱仪(EDS)分析了化学成分.结果表明,氟磷灰石是烧结微晶玻璃中的唯一晶相,其晶体可以在较宽的温度范围内析出.显微组织结构致密,显微硬度为644～709 Hv0.1.氟磷灰石晶体在FE-SEM中有针状和多边形两种形态,多边形是短棒状晶体的横断面.低温下,以固相烧结为主,氟磷灰石析晶以表面析晶为主,晶体生长为针形;高温下玻璃液较多,在保温和冷却凝固过程中析出短棒状晶.在37℃温度下将样品在模拟体液中浸泡14 d,SEM/EDS和FT-IR检测结果表明,样品表面包含磷酸根和羟基的吸收带,形成了羟基磷灰石层,可作为骨或牙齿修复材料.     

质子辐照硼硅酸盐玻璃盖片的物理效应分析

作为航天器电源系统的重要组成部分,太阳电池需要更高的转换效率和可靠性以及更长的使用寿命。通过在太阳电池表面覆盖抗辐照玻璃盖片,可以增强太阳电池对粒子辐射的防护,延长太阳电池的服役寿命,使航天器获得可靠的能源供应。硼硅酸盐玻璃就是一种理想的太阳电池玻璃盖片材料。采用蒙特卡罗方法,结合SRIM软件模拟研究质子辐照硼硅酸盐玻璃的损伤物理机理。基于粒子与物质相互作用的理论以及基本公式,通过分析不同入射能量的质子在硼硅酸盐玻璃中的阻止本领、电离能损、位移能损、空位的产生情况,对辐照损伤的物理机制进行研究。结果表明:能量为30~120 keV的质子辐照损伤主要发生在硼硅酸盐玻璃表面;质子沉积、空位分布等均为Bragg峰型分布;电离能损是能量损失的主要部分,随入射能量的增加而增大,导致电子的电离和激发;位移能损在玻璃内部随能量降低而增大,导致硼、氧和硅等空位缺陷的产生;电离效应和缺陷的产生是硼硅酸盐玻璃色心形成的重要原因。     

二维胶体玻璃中玻色峰与结构无序度的关联

本文从实验上研究了胶体玻璃在相同面密度下随着体系结构无序程度的增加, 振动态密度和玻色峰的变化规律. 通过调制两种不同粒径的温敏性水凝胶的数量比来改变体系的无序程度. 通过分析无序体系的声子模式得到体系的振动特性. 研究发现, 随着无序度的增加, 态密度在低频区域增强、玻色峰增高、玻色峰的峰值向低频区域移动. 不同无序程度的样品引起玻色峰的低频声子模式都表现出准局域的特点, 且低频准局域声子模式与样品中无序结构存在关联.