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面向热障涂层应力表征的光谱力学数据分析方法与参数标定

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面向热障涂层应力表征的光谱力学数据分析方法与参数标定

作者：卢宁天津大学

学位级别：硕士

热障涂层(TBC)技术是发展先进重型燃气轮机的核心技术之一,其在制备及服役过程引入的残余应力,尤其是界面区域的热生长氧化应力,是引发界面损伤破坏、导致涂层功能失效的主要因素。因此,实现TBC结构内部特别是界面区域应力的定量表征,... 详细信息

热障涂层(TBC)技术是发展先进重型燃气轮机的核心技术之一,其在制备及服役过程引入的残余应力,尤其是界面区域的热生长氧化应力,是引发界面损伤破坏、导致涂层功能失效的主要因素。因此,实现TBC结构内部特别是界面区域应力的定量表征,对于涂层系统的性能评价及寿命评估具有重要意义。荧光与太赫兹等光谱力学手段可能成为TBC应力表征的有效手段。本文将红宝石荧光、稀土荧光与太赫兹时域谱相结合,开展了面向热障涂层应力表征的光谱力学数据分析方法与参数标定研究。面向TBC界面区域的应力表征,本文针对光谱数据的拟合分析方法进行了对比分析,围绕对微小应力的灵敏度和应力表征的稳定性,通过数值实验分别讨论了适用于红宝石荧光、稀土荧光以及太赫兹(THz)时域谱应力表征的峰位提取方法,得出三者各自适用的方法分别是单峰Lorentz函数拟合、单峰Gaussian函数拟合以及谱带重心法。本文基于涂层材料的多晶特性简化荧光光谱力学模型,通过单向步进压缩载荷下的光谱测量,分别对TBC材料的红宝石荧光与稀土荧光压谱系数进行了实验标定,为TGO热氧化应力与界面区域荧光子层位置应力定量表征奠定了基础。同时,本文采用透射与反射可调的THz波时域光谱系统并结合步进单轴加载,实验标定了独立陶瓷薄膜与TBC结构陶瓷涂层的应力光性系数。

关键词：热障涂层应力表征荧光光谱太赫兹波时域光谱光谱力学光谱数据分析参数标定

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有机硅胶受力特性的太赫兹时域光谱表征方法

光学学报 2023年第23期43卷 286-293页

作者：王也刘闯任姣姣刘涛张丹丹李丽娟长春理工大学光电工程学院光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室吉林长春130022 长春理工大学中山研究院广东中山528400

为探究有机硅胶黏结剂的受力特性,提出了一种基于太赫兹时域光谱特征进行无损表征的方法,利用太赫兹时域透射光谱对有机硅胶胶膜的应力光学系数进行表征,分别以胶膜折射率及时域光谱相位延迟作为参量开展了实验研究,两种方法获得的应力... 详细信息

为探究有机硅胶黏结剂的受力特性,提出了一种基于太赫兹时域光谱特征进行无损表征的方法,利用太赫兹时域透射光谱对有机硅胶胶膜的应力光学系数进行表征,分别以胶膜折射率及时域光谱相位延迟作为参量开展了实验研究,两种方法获得的应力光学系数均为0.18 MPa^(-1)。利用反射式太赫兹时域光谱系统对不同受力状态下的有机硅胶胶膜进行实验研究,分别给出了胶膜厚度为2 mm和3 mm条件下太赫兹时域光谱延迟时间差与拉应力的变化关系,实验结果与理论规律相一致。研究结果表明,太赫兹时域光谱可有效地对有机硅胶等粘接材料的受力特性进行定量化表征,从而为胶接结构在受力状态下的粘接强度的评估提供一种新的方式。

关键词：光谱学太赫兹时域光谱技术有机硅胶应力表征无损检测

电化学中石墨电极原位实验测量技术与力学分析

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电化学中石墨电极原位实验测量技术与力学分析

作者：杨伟天津大学

学位级别：硕士

锂离子扩散是锂离子电池内部重要的电化学过程,当锂离子在电极材料中嵌入与脱出时,会引起材料结构变形、浓度变化等力-电化学耦合问题,进而造成对电极的变形破坏、容量衰减等性能退化问题,其中力学作用影响尤为显著。本文针对电化学中... 详细信息

锂离子扩散是锂离子电池内部重要的电化学过程,当锂离子在电极材料中嵌入与脱出时,会引起材料结构变形、浓度变化等力-电化学耦合问题,进而造成对电极的变形破坏、容量衰减等性能退化问题,其中力学作用影响尤为显著。本文针对电化学中电极材料的力-电化学参数展开实验测量,重点关注实验中应变与锂浓度的实时原位测量技术,以及基于实验测量结果对嵌脱锂过程中的变形场分布与锂浓度演化规律分析,进一步推导实现电化学中电极材料的应力可视化表征,并分析力学因素对电化学行为之间的耦合过程。主要工作包括以下几个方面:首先研制了高稳定性的荧光散斑颗粒,并进行了电化学过程中电极试件表面散斑的制备。以数字图像相关方法为基础,基于主动光学测量原理,扩展改进数字图像相关技术,通过单色激光光源与滤光片的结合使用,完善电极变形测量系统,实现电极变形在电化学领域中的高精度实验测量,解决了电极材料在电化学充放电过程中由于颜色背景光场变化引起的散斑退化无法识别的难题,为电极材料在电化学复杂环境中应变场测量提供了可能。采用了电极材料应变场与浓度场原位协同实验测量技术,设计搭建了灰度图像与颜色图像同时采集的双光路实验采集系统,研制了可视化电池装置与边对边电极结构设计,实现了石墨电极在嵌锂与脱锂过程中应变场与浓度场的实时采集,并同时给出了其时空分布结果的演化信息。基于实验结果,对比分析了嵌锂与脱锂过程中应变与浓度之间的相互耦合关系。分析结果表明,应变与浓度在实验过程中都表现出明显的非均匀性,且两者之间的演化规律存在相似之处。开展电极材料在电化学实验中的原位测量技术以及应变、浓度等参数的实验测量对于深入探究力-电化耦合问题具有重要的科学的意义。实现了圆环形电极电化学应力场的表征。设计电极边对边的排布方式,采用无边缘约束作用的圆环形电极结构设计,利用实验技术手段原位获得的应变与浓度数值,通过推导计算得到电极在充放电过程中的应力演化,实现了石墨电极可视化应力场的时序测量表征。综合浓度、应变与应力因素,分析三者之间在电化学作用下的耦合过程与相互影响机制。

关键词：石墨电极数字图像相关原位协同测量应变与浓度演化应力表征

热障涂层应力和缺陷检测的高灵敏荧光光谱方法和应用

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热障涂层应力和缺陷检测的高灵敏荧光光谱方法和应用

作者：张世杰天津大学

学位级别：硕士

热障涂层(TBC)技术是先进航空发动机和重型燃气轮机的核心技术之一,其在制备和服役过程中会不可避免在热障涂层内部界面引入残余应力,诱发TBC界面缺陷的萌生和生长,进而导致涂层剥落失效以至丧失其功能性。除此之外,服役环境中的侵蚀物... 详细信息

热障涂层(TBC)技术是先进航空发动机和重型燃气轮机的核心技术之一,其在制备和服役过程中会不可避免在热障涂层内部界面引入残余应力,诱发TBC界面缺陷的萌生和生长,进而导致涂层剥落失效以至丧失其功能性。除此之外,服役环境中的侵蚀物也会造成涂层性能下降并引入侵蚀应力,严重影响了涂层的服役性能与服役寿命。因此,实现热障涂层侵蚀应力的精细化测量和内部缺陷的快速灵敏检测,对涂层服役性能评估和寿命预测具有重要意义。本文基于铈离子掺杂钇铝石榴石(YAG:Ce)荧光光谱技术和铒镱掺杂钇稳定氧化锆(YSZ:Er,Yb)上转换荧光,分别开展了热障涂层侵蚀应力表征和内部缺陷精细化检测的实验研究。面向热障涂层侵蚀应力的精细化表征,本文引入对应力敏感的涂层材料YAG:Ce,并开展喷涂态YAG:Ce的荧光压谱系数标定试验。本文采用谱带重心法处理数据得到了该材料的压谱系数,发现YAG:Ce压谱系数高于其他荧光灵敏材料2-3个数量级。在此基础上,本文开展了服役试件CMAS侵蚀实验,制备了与CMAS侵蚀物同质的粉末并开展高温侵蚀实验,探究了高温、时间和CMAS含量对侵蚀过程的影响,给出了侵蚀过程中应力演变规律。面向热障涂层内部缺陷的快速灵敏检测,本文基于YSZ:Er,Yb上转换荧光开展了涂层缺陷检测实验。首先,基于固相反应制备了适用于上转换荧光检测的荧光粉末;然后,制备了含预制缺陷的YSZ:Er,Yb树脂基模拟试件和大气等离子喷涂试件;基于上转换荧光反射增强效应,发展了热障涂层内部界面缺陷检测同轴光路装置;最后,通过荧光缺陷检测实验,证明了上转换荧光具有可靠识别,快速分析涂层内部缺陷的能力。

关键词：热障涂层荧光光谱铈离子掺杂钇铝石榴石上转换荧光成像应力表征缺陷检测

基于THz-TDS的金属膜基结构应力-电导特性实验研究

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基于THz-TDS的金属膜基结构应力-电导特性实验研究

作者：马伟皓天津大学

学位级别：硕士

金属膜基结构广泛应用于各类光电/磁电设备和器件中,是一种重要的基础元件。金属膜基结构在制备和使用过程中由于材料固有特征、工艺缺陷以及服役环境等多种因素的影响,在其金属薄膜内部会产生较强的应力作用。应力的存在对金属薄膜的... 详细信息

金属膜基结构广泛应用于各类光电/磁电设备和器件中,是一种重要的基础元件。金属膜基结构在制备和使用过程中由于材料固有特征、工艺缺陷以及服役环境等多种因素的影响,在其金属薄膜内部会产生较强的应力作用。应力的存在对金属薄膜的光电性能参数,如折射率和电导率有着显著的影响,不仅会改变金属膜基结构原有的光电特性,还对其力学可靠性造成潜在威胁。因此,发展高精度的金属膜基结构参数表征方法,研究金属薄膜应力与金属薄膜光电参数间的关联关系具有重要的工程意义和价值。目前,针对金属膜基结构应力-光电参数关联性的研究主要涉及两个方面:1)对金属薄膜电导率/折射率的高精度表征;2)金属薄膜应力-电导率关联模型。然而,现有研究主要集中在块体材料的应力-电导率关联模型并采用接触式表征方法,在金属薄膜领域研究还不够完善。本文基于太赫兹时域光谱发展了一套适用于金属膜基结构的电导率参数表征方法,并利用该方法研究了应力和电导率之间的关联关系,主要包括以下三方面内容:首先,对于单晶硅基底上的金属薄膜,本文提出了一种基于太赫兹时域光谱技术的金属膜基结构多参数表征方法,解决了现有测量技术中需要已知金属薄膜厚度并且需要纯基底作为参考信号的缺陷。将太赫兹波穿过空气的信号作为参考信号,与穿过膜基样品的太赫兹实验信号进行对比,可实现膜基样品的薄膜电导率、薄膜厚度以及基底厚度的同步无损测量。其次,针对聚酰亚胺柔性基底上的金属薄膜结构进行了单轴拉伸实验并测量了聚酰亚胺柔性基底的应力光学系数A。本文仅利用太赫兹波穿过不同应力状态基底时得到的直接透射信号和一次回波信号,实现了基底材料随频率变化的复折射率的测量。这一方法仅需一次太赫兹信号测量,大大简化了实验流程,并为后续薄膜电导率表征提供了精确的基底复折射率参数。最后,本文探究了金属薄膜电导率与薄膜应力的关联关系,得到了金属薄膜的应力-电导率系数。在小变形情况下,金属薄膜的电导率随薄膜拉应力的增加而增大,近似为线性关系,利用该关系发展了一种基于受力前后金属薄膜电导率变化的薄膜应力表征方法,实现金属薄膜应力的无损表征,该方法具有广阔的潜在应用价值。此外,基于金属薄膜电导率与应力的关系,可以通过控制薄膜应力实现金属薄膜电导率的精确调控,为调制金属薄膜电导率提供了有效手段。综上所述,本文基于太赫兹时域光谱技术对金属薄膜基底结构中的多个参数进行了表征,并研究了金属薄膜电导率与应力之间的关联关系,提出了一种基于薄膜电导率的薄膜应力测量方法,具有广阔的潜在应用价值。

关键词：金属薄膜太赫兹时域光谱电导率柔性基底应力表征

双轴应变调控下单层双面神结构MoSSe拉曼光谱的理论研究

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辽宁石油化工大学学报 2024年第1期44卷 35-42页

作者：孙薇孙鸿智赵波郭怀红辽宁石油化工大学理学院辽宁抚顺113001

单层双面神结构过渡金属硫化物具有低维度、高迁移率以及奇特的电子结构性质,因此其在电子学和光电子学器件方面具有潜在的应用前景。由单层双面神结构过渡金属硫化物和基底材料制成的器件,很容易因基底材料和单层双面神结构过渡金属硫... 详细信息

单层双面神结构过渡金属硫化物具有低维度、高迁移率以及奇特的电子结构性质,因此其在电子学和光电子学器件方面具有潜在的应用前景。由单层双面神结构过渡金属硫化物和基底材料制成的器件,很容易因基底材料和单层双面神结构过渡金属硫化物的晶格失配,导致单层双面神结构过渡金属硫化物受基底材料的应力,因此通过拉曼散射系统研究双轴应变对单层双面神结构MoSSe物性的影响具有重要意义。系统研究了双轴调控下单层双面神结构MoSSe的原子结构、电子结构、声子结构和拉曼散射特性。结果表明,在双轴应变调控下,单层双面神结构MoSSe的电子能带带隙出现了直接与间接的转换;随着压应变的减小和拉应变的增加,3个拉曼特征峰(E^(1)、E^(2)、A_(1)^(1))的频率都发生了单调红移,而A_(1)^(2)的拉曼特征峰在压应变减小的过程中出现了反常的蓝移;随着压应变的减小和拉应变的增加,双重简并模式(E^(1)、E^(2))的拉曼强度单调增加,单重简并模式的拉曼强度单调减小,而A_(1)^(1)的拉曼强度先减小再增加。针对这些具有普遍性和特殊性的应变效应,通过建模进行了研究。结果表明,基于特征峰频率和强度随应变的变化差异,可以通过特征峰之间的频率差和强度比,快速定量化双面神结构材料的应变类型和大小。

关键词：双轴应变拉曼光谱单层双面神结构应力表征