基于超材料的定向传热结构研究与设计

在热斗篷研究的基础上, 提出定向传热结构的研究. 基于变换热力学, 采用坐标斜变换推导了定向传热结构热导率分布的表达式. 数值计算结果表明, 外部热流流经定向传热区域时, 热流向设计的高温面流动, 而设计的低温面温度较低. 此外, 在导出的热导率分布表达式的基础上, 进一步进行坐标旋转变换, 得到的热导率表达式只有相互垂直的两个分量. 计算结果表明, 沿高温面法向的热导率增大时, 传热效率提高, 而且经过坐标旋转变换后, 高温面与低温面的温差增大. 定向传热在红外隐身、热防护领域具有潜在的应用价值.     

定向红外条件下光纤布置形式及光源参数对低温靶温度场的影响

惯性约束核聚变成功的关键之一在于靶丸内要形成均匀的燃料冰层,靶丸外表面温度特性对惯性约束聚变低温靶内形成均匀的燃料冰层有着决定性的影响.为使得靶丸外表面温度场尽可能均匀,需采用定向红外的方式对靶丸外表面温度进行局部调控.采用全三维低温靶物理模型,建立定向红外光路追踪与温度场计算耦合计算的光热耦合数值模型,研究了定向红外条件下光纤布置形式及光源参数对低温靶温度场的影响规律.结果表明:在光纤总功率不变的前提下,光纤数量越多,靶丸外表面温度场均匀性越好.光纤数量小于等于2时,靶丸外表面温度场无法得到明显改善;光纤数量大于2时,靶丸外表面最大温差和加权温差降低幅值极限为61.94%和76.33%.光纤投射的光斑向南北两极适量偏移可以改善靶丸外表面温度场均匀性,其他的偏移方式会恶化温度场均匀性.     

蒸汽滴状冷凝液滴表面温度分布及演化

利用红外热成像技术研究了蒸汽滴状冷凝中液滴合并过程表面温度分布及演化机制,并基于此分析了不同尺寸液滴表面温度随传热通量变化的分布规律。实验结果表明:与蒸汽在微小液滴表面发生连续冷凝不同,液滴合并过程中蒸汽通过四个阶段实现在大液滴表面的周期性冷凝传热;其中,在液滴吸收蒸汽冷凝放热阶段和向壁面传热阶段之间存在一个平衡,高热通量时,蒸汽向液滴表面传热过程占主导,液滴表面温度随尺寸增加而升高;低热通量时,液滴向冷凝壁面传热过程占主导,液滴表面温度随尺寸增加而降低。液滴运动引起的蒸汽在大液滴表面直接冷凝过程为强化低压蒸汽冷凝传热提供了新思路。     

三维非等温多孔层的红外测温误差分析

以太阳能多孔吸热器等热利用系统为研究背景,针对多孔层表面的红外测温问题,基于反向蒙特卡罗法建立了三维非等温各向异性散射多孔层的红外测温模型,讨论了散射类型、多孔层厚度、基材发射率、孔隙率、孔径等物理性质和结构参数对红外测温误差的影响,提出了一种多孔层表面温度的反向计算方法。结果表明,将红外温度的实验测量值视作多孔表面温度会导致一定误差;后向散射可削弱高温背景辐射,从而减小探测温度较高时的误差,但增大了探测温度较低时的误差;高孔隙率(大于0.93)会造成测温误差迅速增大;测温误差小于2%时的参数范围如下:多孔层厚度为14~27mm,基材发射率为0.33~0.81,孔隙率为0.86~0.93,孔径为1.5~2.8mm。     

微波电真空器件用热阴极的温度测量

利用红外测温仪、光学测温仪、热电偶测温仪(铂铑-铂)对微波电真空器件用浸渍阴极表面、覆膜阴极表面、阴极侧面（钼筒）进行了温度对比测试研究。结果表明:采用红外测温仪和光学测温仪测试浸渍阴极表面的温度与采用热电偶测温仪测试的温度相差不大,而覆膜阴极却相差约50 ℃;采用红外测温仪和光学测温仪测试阴极侧面（钼筒）的温度相差不大,都低于热电偶测温仪测试的温度约60 ℃,这说明红外和光学测试温度值低于阴极的实际温度（热电偶测量值）。由于在阴极表面出现了物理、化学变化,红外测温仪和光学测温仪测试的阴极表面温度值在1150 ℃左右加热100 min内增加约30 ℃。分析认为这些差异主要是因为覆膜阴极的表面与浸渍阴极的表面及阴极侧面（钼筒）的发射系数不同造成的,当然测试结果也会随着这些因素的变化而有一定的变化。     

目标红外迷彩伪装技术研究

随着红外迷彩伪装涂料的出现,利用其对目标红外热图像进行分割,破坏目标图像特征的特点,为目标红外对抗提供了一种新的有效手段.首先,以传热模型为基础,模拟出目标的表面温度,并通过实测得出背景的表面瞬态温度.然后,利用随机生成的方法,生成背景的红外纹理图像.最后,以目标与背景的辐射对比度为基础,对红外迷彩涂料的设计参数进行了优化,分析了红外迷彩涂料的设计参数和图案设计对目标伪装效果的影响,达到了较好的红外伪装效果.     

氦等离子体处理对纳米二氧化硅溶胶涂覆T300碳纤维拉伸性能的影响

氦等离子体处理纳米二氧化硅溶胶涂覆T300碳纤维能构造出特定空间结构形态的纳米涂覆层.扫描电子显微镜照片显示,经氦等离子体处理后纳米二氧化硅溶胶涂覆T300碳纤维的纳米涂覆层在纤维表面分布均匀,起到填补纤维表面微观缺陷的功能.X射线光电子能谱及傅里叶变换红外光谱显示,纤维表面被引入了活性官能团,纳米二氧化硅涂覆层与碳纤维间有表面激活反应.形成纳米界面结构的T300碳纤维表面与纳米二氧化硅涂覆层间的相互作用符合艾琳方程,利用热激活体积可以对其相互作用进行定量分析.拉伸试验表明,屈服塑性变形导致纳米界面结构热激活,纳米微粒阻碍碳纤维表面大分子链形貌变化的热激活体积是纳米界面结构性能的重要表征. 关键词： 激活体积 溶胶涂覆 氦等离子体 纳米界面结构     

自然对流下含纳米SiO2涂层表面抑霜研究

本文用含有纳米SiO2的涂层作为亲水表面,并在其上进行结霜实验研究.用接触角测量仪测出涂层表面和紫铜板表面的接触角,在不同实验条件下测量了涂层表面霜层的厚度,并与紫铜表面的霜厚进行了对比.结果表明在环境相对湿度较小、冷壁温度不太低的条件下,这种涂层能够较好地抑制霜层的生长.通过使用红外成像仪对不同时刻霜层表面温度测量,结果表明,这种亲水涂层具有较小的传热热阻,与具有较大传热热阻的霜层相比几乎可以忽略.     

过冷降膜在红外隐身中的应用研究

提出了利用过冷降膜技术对军事目标进行红外隐身的新构想。建立了层流过冷降膜的流动与传热模型,得出了层流降膜自由表面温度分布的解析表达式,分析了影响液膜自由表面温度的各种因素,计算了过冷降膜对军事目标的红外抑制效果。结果表明:过冷降膜是一种简单有效的红外抑制技术,增大液膜流动的Re数和降低液膜入口温度均可增强对特定目标的红外隐身效果,该技术在军事目标的红外隐身方面应用前景广阔。     

切削微角锥棱镜型超高定向反射膜的分析与测试

采用几何光学法对切削微角锥棱镜薄膜结构单元的反射特性进行理论分析,采用光学仿真软件对该结构单元的反光性能进行模拟验证,并与传统微角锥棱镜薄膜结构单元进行对照.结果表明,理论中,当平行光垂直于结构底面入射并忽略吸收时,该切削结构薄膜单元可实现完全定向反射,而相同条件下,传统微角锥棱镜结构薄膜单元定向反射率为66.7%.模拟仿真的定向反射率分别是92.3%和62.4%.建立了薄膜定向反射率测量方法,对具有上述两种结构单元的薄膜样品的定向反射率进行测试,测试结果分别为67.8%和39.5%.     

超低密度SiO2气凝胶的制备研究

超低密度的SiO2气凝胶是一种经典的三维网状纳米多孔材料,已经广泛应用于如保温隔热、吸附等多种领域。以四甲氧基硅烷(TMOS)为硅源,采用酸碱两步法,利用乙醇超临界干燥技术制备了超低密度的SiO2气凝胶,分别利用SEM\TEM\BET等表征手段对该气凝胶进行了一系列的研究,发现当其密度为0.6 mg/cm3时,气凝胶拥有最佳的综合性能。该种气凝胶具有超低密度、高比表面积、加工成型性好、制备周期短等优点,有望在激光惯性约束聚变实验中作为冷冻靶发挥巨大的作用。     

Thermal and mechanical properties and micro-mechanism of SiO2/epoxy nanodielectrics

In addition to electrical insulation properties, the thermal properties of nanodielectrics, such as glass transition temperature, thermal expansion coefficients, thermal conductivity, and mechanical properties, including Young's modulus, bulk modulus, and shear modulus, are also very important. This paper describes the molecular dynamics simulations of epoxy resin doped with SiO₂ nanoparticles and with SiO₂ nanoparticles that have been surface grafted with hexamethyldisilazane (HMDS) at 10% and 20% grafting rates. The results show that surface grafting can improve certain thermal and mechanical properties of the system. Our analysis indicates that the improved thermal performance occurs because the formation of thermal chains becomes easier after the surface grafting treatment. The improved mechanical properties originate from two causes. First, doping with SiO₂ nanoparticles inhibits the degree of movement of molecular chains in the system. Second, the surface grafting treatment weakens the molecular repulsion between SiO₂ and epoxy resin, and the van der Waals excluded region becomes thinner. Thus, the compatibility between SiO₂ nanoparticles and polymers is improved by the grafting treatment. The analysis method and conclusions in this paper provide guidance and reference for the future studies of the thermal and mechanical properties of nanodielectrics.     

花状掺杂W-VO$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;/ZnO热致变色纳米复合薄膜研究

为解决掺杂引起的二氧化钒薄膜的红外调制幅度下降以及二氧化钒复合薄膜相变温度需要进一步降低等问题, 采用纳米结构、掺杂改性和复合结构等多种机理协同作用的方案, 利用共溅射氧化法, 先在石英玻璃上制备高(002)取向的ZnO薄膜, 再在ZnO层上室温共溅射沉积钒钨金属薄膜, 最后经热氧化处理获得双层钨掺杂W-VO₂/ZnO纳米复合薄膜. 利用X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜和变温光谱分析等对薄膜的结构、组分、形貌和光学特性进行了分析. 结果显示, W-VO₂/ZnO 纳米复合薄膜呈花状结构, 取向性提高, 在保持掺杂薄膜相变温度(约39 ℃)和热滞回线宽度(约6 ℃)较低的情况下, 其相变前后的红外透过率差量增加近2倍, 热致变色性能得到协同增强. 关键词： 2')" href="#">VO₂ ZnO W掺杂 热致变色     

A technique for simultaneously improving the product of cutoff frequency–breakdown voltage and thermal stability of SOI SiGe HBT

The product of the cutoff frequency and breakdown voltage( fT×BVCEO) is an important figure of merit(FOM) to characterize overall performance of heterojunction bipolar transistor(HBT). In this paper, an approach to introducing a thin N+-buried layer into N collector region in silicon-on-insulator(SOI) Si Ge HBT to simultaneously improve the FOM of fT×BVCEOand thermal stability is presented by using two-dimensional(2D) numerical simulation through SILVACO device simulator. Firstly, in order to show some disadvantages of the introduction of SOI structure, the effects of SOI insulation layer thickness(TBOX) on fT, BVCEO, and the FOM of fT×BVCEOare presented. The introduction of SOI structure remarkably reduces the electron concentration in collector region near SOI substrate insulation layer, obviously reduces fT, slightly increases BVCEOto some extent, but ultimately degrades the FOM of fT×BVCEO. Although the fT,BVCEO, and the FOM of fT×BVCEOcan be improved by increasing SOI insulator Si O_2 layer thickness TBOXin SOI structure, the device temperature and collector current are increased due to lower thermal conductivity of Si O_2 layer, as a result, the self-heating effect of the device is enhanced, and the thermal stability of the device is degraded. Secondly, in order to alleviate the foregoing problem of low electron concentration in collector region near SOI insulation layer and the thermal stability resulting from thick TBOX, a thin N+-buried layer is introduced into collector region to not only improve the FOM of fT×BVCEO, but also weaken the self-heating effect of the device, thus improving the thermal stability of the device. Furthermore, the effect of the location of the thin N+-buried layer in collector region is investigated in detail. The result show that the FOM of fT×BVCEOis improved and the device temperature decreases as the N+-buried layer shifts toward SOI substrate insulation layer. The approach to introducing a thin N+-buried layer into collector region provides an effective method to improve SOI Si Ge HBT overall performance.     

Si–SiO2 interface formation in low-dose low-energy separation by implanted oxygen materials

The evolution of the Si–SiO₂ interface morphology of low-dose low-energy separation by implanted oxygen materials was investigated by transmission electron microscopy and atomic force microscopy. The Si–SiO₂ interface morphology and the RMS roughness are strongly affected by the implantation conditions and the annealing process. Three main types of the domains including round, square, and pyramid shapes with the step-terrace structure were observed on the buried SiO₂ surface. Round domains are observed in the early stage of the annealing process, while the square and pyramid domains are observed after the high temperature annealing. The mean RMS roughness decreases with increasing time and annealing temperature, while in the 1350 °C 4-h annealed samples, the mean RMS roughness decreases with either increasing the implantation dose or decreasing implantation energy. The scaling analysis shows that the Si–SiO₂ interfaces were found to be self-affine on the short length scales with a roughness exponent above 0.50. Qualitative mechanisms of Si–SiO₂ surface flattening are presented in terms of the variations of morphological features with the processing conditions.     

Annealing effects on structure and laser-induced damage threshold of Ta2O5/SiO2 dielectric mirrors

The effects of annealing on structure and laser-induced damage threshold (LIDT) of Ta₂O₅/SiO₂ dielectric mirrors were investigated. Ta₂O₅/SiO₂ multilayer was prepared by ion beam sputtering (IBS), then annealed in air under the temperature from 100 to 400 °C. Microstructure of the samples was characterized by X-ray diffraction (XRD). Absorption of the multilayer was measured by surface thermal lensing (STL) technique. The laser-induced damage threshold was assessed using 1064 nm free pulsed laser at a pulse length of 220 μs.

It was found that the center wavelength shifted to long wavelength gradually as the annealing temperature increased, and kept its non-crystalline structure even after annealing. The absorbance of the reflectors decreased after annealing. A remarkable increase of the laser-induced damage threshold was found when the annealing temperature was above 250 °C.     

散射光信号与石墨-二氧化硅激光辐照烧蚀阈值的关系

石墨-二氧化硅作为无机添加材料,广泛应用于各类航空航天器烧蚀涂层领域,其在高温下具有较高的反应吸热焓,在高能激光烧蚀领域具有良好的应用前景。目前,关于石墨-二氧化硅的高能激光烧蚀研究较少,尤其在高能激光烧蚀中的反应时间和烧蚀阈值难以确定。针对此问题,利用近红外探测器对激光辐照样品表面的散射光进行实时探测,并对其散射光曲线进行微分拟合处理。基于此散射光信号,结合样品烧蚀后的形态结构分析,研究了石墨-二氧化硅在不同激光功率密度下的反应时间阈值。研究结果表明:在激光输出功率密度为500 W/cm~2持续辐照10 s时,散射光拟合曲线持续升高无突变,表明未发生明显的烧蚀;当激光功率密度升高至1 000~1 500 W/cm~2时,散射光微分拟合曲线出现明显转折点,对应的反应时间阈值分别为1.5 s和0.8 s。     

金属/介质薄膜中声子热辐射的空间和各向异性研究

基于理论、实验和仿真相结合的方式,着重研究了金属/介质(MD)薄膜中声子热辐射的空间特性和各向异性。声子是由于晶格振动产生的元激发,是物质的内在属性。尽管声子不易调控,但是声子与其他光学激发的耦合会产生奇异的光学现象。特别是红外到太赫兹范围内的光子与极性介质中的声子强耦合产生表面声子激元（SPhP）。SPhP具有强局域、低损耗等特点,与等离子体（plasmon polaritons）形成互补,使得深亚波长光学成为可能。为了进一步了解声子吸收的内在理论基础,首先通过黄昆方程和超晶格连续介电模型在理论上分析了声子吸收。实验上,主要以SiO₂声子作为研究对象,利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法,分别在Si/Al（150 nm）薄膜和Si衬底上制备出500 nm厚的SiO₂薄膜。基于傅里叶红外光谱仪(FTIR),在垂直入射下得到热辐射光谱,通过热辐射光谱分析,并结合由时域有限差分算法（finite-difference time-domain,FDTD）计算得出的仿真光谱图,对比了MD薄膜结构和非MD薄膜结构中声子的热辐射,发现MD薄膜结构更能够有利于声子和SPhP的激发。根据Berreman效应,纵光学波（LO）声子只在倾斜入射时产生。光谱线没有呈现洛伦兹线型,因此,虽然LO声子在垂直入射时测得的热辐射图中不辐射,但同样影响横光学波（TO）声子辐射谱的线型。另外,利用FTIR对金属（Si/Al）/介质（SiO₂薄膜）进行热辐射转角测试,对热辐射转角图分析证明,Si/Al/SiO₂薄膜中SiO₂声子遵循LST(lyddano-sachs-teller)关系,纵横声子成对出现,且两种声子的空间辐射特性不同。改变偏振,发现在S偏振和P偏振下,声子热辐射呈现不同的模式, 体现出声子的空间各向异性。并且,声子与光子耦合可以激发SPhP,反过来,SPhP可以增强声子的吸收。基于MD结构,能够激发并调控SPhP和声子辐射行为,为红外器件的实现奠定了基础。     

纳米Si/SiO2多层膜的结构表征及发光特性

采用等离子体化学气相沉积系统生长非晶硅薄膜并用原位等离子体氧化的方法制备出具有不同子层厚度的非晶Si/SiO₂多层膜,然后利用限制性晶化原理使非晶硅层晶化生成纳米硅。利用Raman、TEM等手段对薄膜结构进行了系统表征,在室温下观测到了光致发光信号,其发光峰峰位在750nm附近。进而在样品上下表面蒸镀电极,构建了电致发光原型器件并观测到了室温下的电致发光谱,开启电压约为6V,有两个明显的发光带,分别位于在650nm和520nm处。初步探讨了纳米硅及纳米硅/二氧化硅界面态对发光特性的影响。