层错四面体对单晶铜层裂行为影响的分子动力学研究

层错四面体是一种典型的三维空位型缺陷,广泛存在于受辐照后的面心立方金属材料中,对材料的力学性能有显著的影响.目前,关于层错四面体对辐照材料层裂行为的影响还缺乏深入系统的研究.本文使用分子动力学方法模拟了含有层错四面体的单晶铜在不同冲击速度下的层裂行为,对整个冲击过程中的自由表面速度及微结构演化等进行了深入的分析.研究发现,层错四面体在冲击波作用下会发生坍塌,并进一步诱导材料产生位错、层错等缺陷.在中低速度加载下,层错四面体坍塌引起的缺陷快速向周围扩展,为孔洞提供了更宽的形核区域,促进了孔洞的异质成核,造成材料层裂强度大幅度减小.当冲击速度较高时,层错四面体坍塌导致的局部缺陷对材料的层裂强度不再有明显影响.     

AD95陶瓷的层裂强度及冲击压缩损伤机理研究

采用激光位移干涉测试技术测量了AD95 陶瓷在一维应变冲击压缩下的自由面或样品/窗口界面粒子速度剖面, 确定了层裂强度及其与加载应力的变化关系, 在此基础上讨论了冲击压缩损伤程度与加载应力的关系. 研究结果表明: AD95陶瓷发生冲击压缩损伤的阈值应力约为3.7 GPa, 小于其雨贡纽弹性极限(HEL, 约5.47 GPa); 小于阈值应力不发生冲击压缩损伤, 层裂强度随加载应力的增加逐渐增大; 大于阈值应力冲击压缩损伤快速发展, 层裂强度迅速降低; 在HEL附近层裂强度降低到零, 丧失了抗拉能力, 表明材料发生了严重的冲击压缩损伤.     

偏应力对材料层裂强度影响的实验研究

 采用热装配方法对平面样品施加径向应力,获得不同程度的偏应力,通过轻气炮实验获得了不同预应力下LY12铝合金层裂信号,结果表明：即使在相同撞击速度下,材料的层裂强度差异也发生明显变化。偏应力越大,材料的层裂强度越小,由于不同的球面层裂具有不同的偏应力场,通过本实验方法有可能将球面层裂与一维平变下的层裂联系起来。     

钨合金的层裂强度研究

 用压缩空气炮做冲击加载装置研究一种钨合金的层裂特性,加载应力峰值为5~10 GPa,加载应力时间宽度为0.2~0.6 μs。实验用钨合金由粉末热压烧结制成,是一种均匀混合材料。它的成份重量百分比为W（90%）、Ni（6.8%）、Fe（2.7%）和Cr（0.5%）。由锰铜压阻计测量样品靶后界面应力历史表明,此种钨合金的层裂强度与拉伸应力率的平方根呈单调递增关系,与加载应力峰值无关。回收样品的金相分析结果表明,此钨合金的拉伸断裂主要发生在铁镍混合物部位,钨晶粒的穿晶断裂只占很小部分。断口上的“杯状”凹坑表明,它主要属延性断裂机制。     

无钴合金钢的冲击响应实验研究

 利用一级轻气炮作为加载手段,研究了无钴合金钢在3~20 GPa压力区间的冲击响应特性。用激光干涉测速——VISAR记录了双波结构的自由面速度剖面,并利用常压下的弹性纵波速度近似替代低压冲击下的弹性先驱波速度,确定了无钴合金钢的Hugoniot关系。根据自由面速度反映的层裂信息,给出了无钴合金钢的Hugoniot弹性极限、层裂强度以及层裂片厚度等动态力学参数。     

AF1410钢的层裂断裂特性研究

 利用一级轻气炮作为加载手段,对AF1410钢的层裂特性进行了研究,获得了AF1410钢的Hugoniot关系、塑性应变率、层裂强度以及层裂片厚度等动态力学参数。对回收的AF1410钢样品进行了断口分析和金相分析,从宏、微观角度分析了AF1410钢在不同应变率下的断裂特性。     

给定压力下纯铁材料的冲击相变与层裂特性研究

采用VISAR测量样品自由面速度剖面和回收样品观测分析联合技术,开展等厚对称碰撞实验,结合文献中的实验结果,研究了冲击加载压力大于纯铁材料冲击相变阈值约2~5 GPa和大于冲击相变阈值约10 GPa两种压力状态下纯铁材料的加卸载历程及各相区的变化,并从应力波相互作用的角度,指出了冲击加载压力略大于纯铁材料相变阈值约2 GPa时,等厚对称碰撞样品反常二次层裂与冲击相变及逆相变的关联机制。     

晶粒尺度对延性金属材料层裂损伤的影响

微细观结构对材料动态损伤、破坏的影响是目前国内外力学领域的研究热点之一. 基于相关文献的实验结果, 通过理论分析, 给出了一个新的反映晶粒尺度效应的孔洞成核模型, 并将其耦合到延性金属材料层裂损伤模型中. 采用数值方法分析了晶粒尺度对高纯铜材料层裂损伤演化过程的影响. 计算结果显示: 随着材料平均晶粒尺度的增加, 自由面速度回跳点降低, 回跳后速度曲线的斜率增加; 损伤材料内部的孔洞数减少、平均孔洞尺寸增大.计算结果与相关文献所报道的实验 分析结果定性上符合较好. 该结果对于层裂损伤的深入研究具有一定的启发性. 关键词： 层裂 晶粒尺度 延性金属材料 冲击     

岩石Hopkinson层裂的流形元法模拟

 利用二阶流形元法,通过引入裂纹产生及扩展判据,对冲击载荷作用下岩石Hopkinson动态层裂过程进行了数值模拟,再现了拉伸波作用下Hopkinson层裂过程,计算得到的层裂片厚度和速度等与理论值符合较好,验证了流形元法在模拟冲击载荷作用下材料动态破坏过程方面的有效性和优越性。     

材料层裂研究的主要进展

层裂是一种重要的动态损伤破坏现象,由物质界面的反射稀疏波相互作用引起,其细观尺度上的物理机制是微损伤(即微孔洞和微裂纹)的成核、生长和汇合。围绕美国物理学会George E. Duvall冲击压缩科学奖的3位获奖者Grady、Curran和Johnson的相关工作,概述层裂现象的一些主要研究进展,简要介绍层裂现象的研究历史,以期更深刻地理解那些著名的层裂物理模型和实验技术。此外,报道了最近取得的最新研究成果,阐述了冻结不同损伤水平状态的双层靶层裂实验技术与Hopkinson压杆共通的工作原理。针对微损伤成核和生长断裂破碎模型NAG/FRAG在数学上的不一致性和在物理上的不完备性,指出对于延性材料的层裂过程,只要微孔洞成核的累积数目密度满足尺寸的指数分布、微孔洞半径的生长速度与半径呈线性关系,就能够得到解析形式的损伤度演化方程,该修正模型MNAG在数学上是一致的,在物理上是完备的;对于白以龙等建立的欧拉形式的微损伤数目守恒方程,指出计算损伤度不必显式求解该方程,损伤度的表达式一般通过拉格朗日形式的微损伤数目守恒方程获得;针对损伤度函数模型或封加坡模型,以更加简洁的方法进行了推导。     

室温下掺Er富硅氧化硅和掺Er富硅氮化硅的光致发光及其退火

用磁控溅射淀积掺Er氧化硅、掺Er富硅氧化硅、掺Er氮化硅和掺Er富硅氮化硅薄膜,室温下测量这四种薄膜的光致发光（PL）谱,观察到这四种薄膜都具有1.54μm的峰位,其强度与薄膜的退火温度有关。为了确定1.54μmPL的最佳退火温度,这些薄膜都分别在600,700,800,900,1000,1100℃的温度下同时退火,发现两种富硅薄膜的最佳退火温度是800℃,不富硅的两种薄膜的最佳退火温度是900℃。样品的1.54μmPL最强,且800℃退火的掺Er富硅氧化硅薄膜的1.54μm峰强度是最强的,比不富硅的强了约20倍,还观察到这四种薄膜都具有1.38μm的PL带,且掺Er富硅氧化硅和掺Er富硅氮化硅这两种薄膜的PL在强度上1.38μm峰与1.54μm峰有一定的关系。     

退火温度对富硅氮化硅薄膜发光特性和结构的影响

采用直流等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法在(100)单晶硅片表面生长富硅氮化硅薄膜,研究了不同的退火温度对氮化硅薄膜发光性质和结构的影响。研究发现,随着退火温度的升高,氮化硅薄膜的发光强度逐渐减弱,发光是由缺陷能级引起的,在900 ℃时荧光基本消失。XPS测试表明,在N₂氛围900 ℃下退火,氮化硅薄膜中未有硅相析出,故未表现出硅量子点的发光。FTIR测试也为PL结论提供了一定的证据。     

Analysis of Anionic Polymer Dispersant Behavior in Dense Silicon Nitride and Carbide Suspensions Using an AFM

The paper focuses on the interaction mechanism caused by anionic polymer dispersants in dense silicon nitride and silicon carbide suspensions. An atomic force microscope (AFM) was used to determine the relationship between the macroscopic suspension viscosity and the microscopic structure adsorbing of a polymer dispersant at the solid/liquid interface. The surface interactions within the suspensions were analyzed under various dispersant pH values and additive conditions. The addition of an anionic polymer dispersant decreased the viscosity of silicon nitride and silicon carbide suspension and increased the electrosteric repulsive force on the non-oxide surface in solution at pH > 6, which was the isoelectric point of the materials. Based on the above results, we estimated the adsorption mechanism of anionic polymer dispersants on each solid surface in solution under relatively high pH conditions.     

镶嵌有纳米硅的氮化硅薄膜键合特性分析

采用螺旋波等离子体化学气相沉积(HWPCVD)技术制备了非化学计量比的氢化氮化硅薄膜,对所沉积样品及氮气环境中920 ℃退火样品的微观结构及键合特性进行了分析。Raman散射结果表明,薄膜中过量硅以非晶纳米粒子形式存在,退火样品呈现纳米晶硅和氮化硅的镶嵌结构。红外吸收和可见光吸收特性比较结果显示,薄膜样品的微观结构依赖于化学计量比以及退火过程,硅含量较低样品因高的键合氢含量而表现出低的纳米硅表面缺陷态密度;退火过程将引起Si—H和N—H键合密度的减少,因晶态纳米颗粒的形成,退火样品表现出更高的结构无序度。     

立方氮化硅及其冲击波合成

 立方氮化硅是高温高压研究近期合成得到的一种新物相，与已经在工业上普遍使用的氮化硅的两种六方物相（α相和β相）相比，新物相的密度增加了26%，预期是一种新型功能材料。简要综述了立方氮化硅的研究进展和存在的问题，讨论了立方氮化硅的人工合成和相关物性研究、Ⅳ(A)族氮化物（Ge₃N₄、Sn₃N₄、C₃N₄）的高密度物相研究，以及后尖晶石相氮化物的实验和理论探索等问题。介绍了作者最近利用炸药爆轰加载技术开展的冲击波合成实验结果，以α相氮化硅为冲击压缩前驱体，实现了在单次冲击波压缩实验中合成出了克量级立方氮化硅粉体，为进一步开展立方氮化硅的性能研究奠定了基础。     

Laser-induced Chemical VaporDeposited Nanosized Silicon Nitridewith Double Optical Beams

SupportedbyNationalNaturalScienceFiundationandGuangdongNSF.Intr0ductionSiliconnitridc(Si3N')isknownas"a1l-r0undchampi0n"am0ngtheceramicmateria1s.0wingt0itscharacteristies0fthermal-shockresistance,anti-0xi(1ati0n,c0rrosi0nresistance,andll4gh-temperaturestrcngth,Si3N4isnot0nlyago0dkindofhigh-temPeraturestructuralmaterials,buta1soan0wtyPe0ffuncti0nalmaterial.Becauseofitsexcellentproperties,nanosizedSi3N4isbeingc0nsidcredforapplicati0ninthefieldofccramicengines,microelec-tronies,spacescience…     

Low-Temperature Sputtered Ultralow-Loss Silicon Nitride for Hybrid Photonic Integration

Silicon-nitride-on-insulator (Si₃N₄) photonic circuits have seen tremendous advances in many applications, such as on-chip frequency combs, Lidar, telecommunications, and spectroscopy. So far, the best film quality has been achieved with low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) and high-temperature annealing (1200°C). However, high processing temperatures pose challenges to the cointegration of Si₃N₄ with pre-processed silicon electronic and photonic devices, lithium niobate on insulator (LNOI), and Ge-on-Si photodiodes. This limits LPCVD as a front-end-of-line process. Here, ultralow-loss Si₃N₄ photonics based on room-temperature reactive sputtering is demonstrated. Propagation losses as low as 5.4 dB m⁻¹ after 400°C annealing and 3.5 dB m⁻¹ after 800°C annealing are achieved, enabling ring resonators with highest optical quality factors of > 10 million and an average quality factor of 7.5 million. To the best of the knowledge, these are the lowest propagation losses achieved with low temperature Si₃N₄. This ultralow loss enables the generation of microresonator soliton frequency combs with threshold powers of 1.1 mW. The introduced sputtering process offers full complementary metal oxide semiconductor (CMOS) compatibility with front-end silicon electronics and photonics. This could enable hybrid 3D integration of low loss waveguides with integrated lasers and lithium niobate on insulator.     

Thermo-Mechanical Analysis of Single-Disc Edge-Cooled Silicon Nitride Millimeter Wave Window for 200 kW CW Gyrotrons

This paper investigates the possibility of using Silicon Nitride Composite (Kyocera SN-287) as single-disc, edge-cooled window for gyrotrons operating below 200 kW CW in the frequency range 28-42 GHz. Rotationally symmetric TE_0n, and TEM₀₀ Gaussian modes of rf transmission through the window have been considered. Analysis performed using a one dimensional (1D) finite difference (FD) code reveals that thermal stresses developed due to non-uniform temperature distribution on the disc surface are well within manageable limits for a 200 kW 42 GHz gyrotron proposed for some ECRH applications. For industrial gyrotrons, for microwave material processing and operating at a maximum power level of 100 kW CW, Si₃N₄ windows may be a cost effective replacement for sapphire windows. It is found that a TE₀₂ profile results in lower peak temperature at the window disc in comparison to a Gaussian beam profile and allows the use of smaller discs.