材料颗粒度对器件的影响研究论文

材料颗粒度对器件的影响研究论文

稀土掺杂氟化物多波长红外显示材料的研究摘 要本文简单介绍了稀土发光原理、上转换发光材料的大致发展史、红外上转换发光材料的应用以及当前研究现状。以PbF2为基质材料，ErF3为激活剂，YbF3为敏化剂，采用高温固相反应法制备了PbF2: Er,Yb上转换发光材料。重点讨论了制备过程中，制备工艺中的烧结时间、烧结温度对红外激光显示材料发光效果的影响。研究了Er3+/Yb3+发光系统在1064nm激光激发下的荧光光谱和上转换发光的性质。实验表明，在1064nm激光激发下，材料可以发射出绿色和红色荧光，是一种新型的红外激光显示材料。关键字：1064nm 上转换 红外激光显示 Er3+/Yb3+AbstractThis paper simply described the rare earth luminescence mechanism, the development of up-conversion materials and their applications were systematically explained. Present situation of the research on infrared up-conversion luminescence is also presented. PbF2 as matrix, ErY3 as activator and YbF3 as sensitizer were adopted to synthesize PbF2: Er,Yb up-conversion material with high temperature solid-phase reaction. A great emphasize was paid on the factors that effect on the luminescence properties of infrared laser displayed materials such as sinter temperature, time of sinter. The luminescence system of Er3+/Yb3+, their fluorescence spectrum and their character of up-conversion with 1064nm LD as an excitation source were studied. The experimental results that intense green and wed up-conversion emissions were observed under 1064nm LD excitation, which is a new type of infrared laser displayed Words: 1064nm Up-conversion Infrared laser displayed materials Er3+/Yb3+目 录摘要Abstract第一章 绪论 稀土元素的光谱理论简介 稀土元素简介 稀土离子能级 晶体场理论 基质晶格的影响 上转换发光材料的发展概况 上转换发光的基本理论 激发态吸收 光子雪崩上转换 能量传递上转换 敏化机制与掺杂方式 敏化机制 掺杂方式 上转换发光材料的应用 本论文研究目的及内容 8第二章 红外激光显示材料的合成与表征 红外激光显示材料的合成 实验药品 实验仪器 样品的制备 红外激光显示材料的表征 XRD 荧光光谱 12第三章 结果与讨论 基质材料的确定 助熔剂的选择 烧结时间的确定 烧结温度的确定 掺杂浓度的确定 17结 论 21参考文献 22致 谢 23第一章 绪论 稀土元素的光谱理论简介 稀土元素简介稀土元素是指周期表中IIIB族，原子序数为21的钪（Sc）：39的钇（Y）和原子序数57至71的镧系中的镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu），共17个元素[1]。稀土元素的原子具有未充满的受到外界屏蔽的4f和5d电子组态，因此具有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射。稀土化合物发光是基于它们的4f电子在f-f组态之内或f-d组态之间的跃迁。稀土发光材料具有许多优点：（1）与一般元素相比，稀土元素4f电子层构型的特点，使其化合物具有多种荧光特性；（2）稀土元素由于4f电子处于内存轨道，受外层s和P轨道的有效屏蔽，很难受到外部环境的干扰，4f能级差极小，f-f跃迁呈现尖锐的线状光谱，发光的色纯度高；（3）荧光寿命跨越从纳秒到毫秒6个数量级；（4）吸收激发能量的能力强，转换效率高；（5）物理化学性质稳定，可承受大功率的电子束、高能辐射和强紫外光的作用。稀土离子能级稀土离子具有4f电子壳层，但在原子和自由离子的状态由于宇称禁戒，不能发生f-f电子跃迁[3&7]。在固体中由于奇次晶场项的作用宇称禁戒被解除，可以产生f-f跃迁，4f轨道的主量子数是4，轨道量子数是3，比其他的s，p，d轨道量子数都大，能级较多。除f-f跃迁外，还有4f-5d，4f-6s，4f-6p电子跃迁。由于5d，6s，6p能级处于更高的能级位置，所以跃迁波长较短，除个别离子外，大多数都在真空紫外区域。由于4f壳层受到5s2，5p6壳层的屏蔽作用，对外场作用的反应不敏感，所以在固体中其能级和光谱都具有原子状态特征。因此，f-f跃迁的光谱为锐线，4f壳层到其他组态的跃迁是带状光谱，因为其他组态是外壳层，受环境影响较大。稀土离子在化合物中一般出现三价状态，在可见和红外光区观察的光谱大都属于4fN组态内的跃迁，在给定组态后确定光谱项的一般方法是利用角动量耦合和泡利原理选出合理的光谱项，但这种方法在电子数多，量子数大时，相当麻烦且容易出错。所以，对稀土离子不太适合。利用群论方法，采用U7>R7>G2>R3群链的分支规则可以方便地给出4fN组态的全部正确的光谱项，通常用大写的英文字母表示光谱项的总轨道角动量的量子数的数目，如S，P，D，F，G，H，I，K，L，M，N，O，Q……分别表示总轨道角动量的量子数为0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，……，25+l表示光谱项的多重性，S是总自旋量子数。在光谱学中，用符号2S+1L表示光谱项。 晶体场理论晶体场理论认为，当稀土离子掺入到晶体中，受到周围晶格离子的影响时，其能级不同自由离子的情况。这个影响主要来自周围离子产生的静电场，通常称为晶体场[2]。晶体场使离子的能级劈裂和跃迁几率发生变化。稀土离子在固体中形成典型的分立发光中心。在分立发光中心中，参与发光跃迁的电子是形成中心离子本身的电子，电子的跃迁发生在离子本身的能级之间。中心的发光性质主要取决于离子本身，而基质晶格的影响是次要的。稀土离子的4f电子能量比5s，5p轨道高，但是5s，5p轨道在4f轨道的外面，因而5s，5p轨道上的电子对晶体场起屏蔽作用，使4f电子受到晶体场的影响大大减小。稀土离子4f电子受到晶体场的作用远远小于电子之间的库仑作用，也远远小于4f电子的自旋—轨道作用。考虑到电子之间的库仑作用和自旋—轨道作用，4f电子能级用2J+I LJ表示。晶体场将使具有总角动量量子数J的能级分裂，分裂的形式和大小取决于晶体场的强度和对称性。稀土离子4f能级的这种分裂，对周围环境（配位情况、晶场强度、对称性）非常敏感，可作为探针来研究晶体、非晶态材料、有机分子和生物分子中稀土离子所在局部环境的结构，且2J+I LJ能级重心在不同的晶体中大致相同，稀土离子4f电子发光有特征性，因而很容易根据谱线位置辨认是什么稀土离子在发光。 基质晶格的影响基质晶格对f→d跃迁的光谱位置有着强烈的影响，另外其对f→f跃迁的影响表现在三个方面：（1）可改变三价稀土离子在晶体场所处位置的对称性，使不同跃迁的谱强度发生明显的变化；（2）可影响某些能级的分裂；（3）某些基质的阴离子团可吸收激发能量并传递给稀土离子而使其发光，即基质中的阴离子团起敏化中心的作用。特别是阴离子团的中心离子（Me）和介于中间的氧离子O2-以及取代基质中阳离子位置的稀土离子（RE）形成一直线，即Me-O-RE接近180°时，基质阴离子团对稀土离子的能量传递最有效。 上转换发光材料的发展概况发光是物体内部以某种方式吸收的能量转换为光辐射的过程。发光学的内容包括物体发光的条件、过程和规律，发光材料与器件的设计原理、制备方法和应用，以及光和物质的相互作用等基本物理现象。发光物理及其材料科学在信息、能源、材料、航天航空、生命科学和环境科学技术中的应用必将促进光电子产业的迅猛发展，这对全球的信息高速公路的建设以及国家经济和科技的发展起着举足轻重的推动作用。三价镧系稀土离子具有极丰富的电子能谱，因为稀土元素原子的电子构型中存在4f轨道，为多种能级跃迁创造了条件，在适当波长的激光的激发下可以产生众多的激光谱线，可从红外光谱区扩展到紫外光谱区。因此，稀土离子发光研究一直备受人们的关注。60年代末，Auzel在钨酸镱钠玻璃中意外发现，当基质材料中掺入Yb3+离子时，Er3+、Ho3+和Tm3+稀土离子在红外光激发下可发出可见光，并提出了“上转换发光”的观点[5&4]。所谓的上转换材料就是指受到光激发时，可以发射比激发波长短的荧光的材料。其特点是激发光光子能量低于发射光子的能量，这是违反Stokes定律的。因此上转换发光又称为“反Stokes发光”。从七十年代开始，上转换的研究转移到单频激光上转换。到了八十年代由于半导体激光器泵浦源的发展及开发可见光激光器的需求，使其得到快速发展。特别是近年来随着激光技术和激光材料的进一步发展，频率上转换在紧凑型可见激光器、光纤放大器等领域的巨大应用潜力更激起广大科学工作者的兴趣，把上转换发光的研究推向高潮，并取得了突破性实用化的进展。随着频率上转换材料研究的深入和激光技术的发展，人们在考虑拓宽其应用领域和将已有的研究成果转换成高科技产品。1996年在CLEO会议上，Downing与Macfarlanc等人合作提出了三色三维显示方法，双频上转换三维立体显示被评为1996年物理学最新成就之一，这种显示方法不仅可以再现各种实物的立体图像，而且可以随心所欲的显示各类经计算机处理的高速动态立体图像，具有全固化、实物化、高分辨、可靠性高、运行速度快等优点[15]。上转换发光材料的另一项很有意义的应用就是荧光防伪或安全识别，这是一个应用前景极其广阔的新兴研究方向。由于在一种红外光激发下，发出多条可见光谱线且各条谱线的相对强度比较灵敏地依赖于上转换材料的基质材料与材料的制作工艺，因而仿造难、保密强、防伪效果非常可靠。目前，研究的稀土离子主要集中在Nd3+，Er3+，Ho3+，Tm3+和Pr3+等三价阳离子。Yb3+离子由于其特有的能级特性，是一种最常用的敏化离子。一般来说，要制备高效的上转换材料，首先要寻找合适的基质材料，当前研究的上转换材料多达上百种，有玻璃、陶瓷、多晶粉末和单晶。其化合物可分为：（1）氟化物；（2）氧化物；（3）卤氧化物；（4）硫氧化物；（5）硫化物等。迄今为止，上转换发光研究取得了很大的进展，人们已在氟化物玻璃、氟氧化物玻璃及多种晶体中得到了不同掺杂稀土离子的蓝绿上转换荧光。 上转换发光的基本理论通过多光子机制把长波辐射转换成短波辐射称为上转换，其特点是吸收光子的能量低于发射光子的能量[2&8]。稀土离子上转换发光是基于稀土离子4f电子能级间的跃迁产生的。由于4f外壳层电子对4f电子的屏蔽作用，使得4f电子态间的跃迁受基质的影响很小，每种稀土离子都有其确定的能级位置，不同稀土离子的上转换发光过程不同。目前可以把上转过程归结于三种形式：激发态吸收、光子雪崩和能量传递上转换。激发态吸收激发态吸收（Excited Stated Absorption简写为ESA）是上转换发光中的最基本过程，如图1-1所示。首先，发光中心处于基态能级E0的电子吸收一个ω1的光子，跃迁到中间亚稳态E1上，E1上的电子又吸收一个ω2光子，跃迁到高能级E2上，当处于能级E2上的电子向基态跃迁时，就发射一个高能光子。图1-1 上转换的激发态吸收过程 光子雪崩上转换光子雪崩上转换发光于1979年在LaCl3∶Pr3+材料中首次发现。1997年，N. Rakov等报道了在掺Er3+氟化物玻璃中也出现了雪崩上转换。由于它可以作为上转换激光器的激发机制，而引起了人们的广泛的注意。“光子雪崩”过程是激发态吸收和能量传输相结合的过程，如图1-2所示，一个四能级系统，Mo、M1、M2分别为基态和中间亚稳态，E为发射光子的高能级。激发光对应于M1→E的共振吸收。虽然激发光光子能量同基态吸收不共振，但总会有少量的基态电子被激发到E与M2之间，而后弛豫到M2上。M2上的电子和其他离子的基态电子发生能量传输I，产生两个位于M1的电子。一个M1的电子在吸收一个ω1的光子后激发到高能级E。而E能级的电子又与其他离子的基态相互作用，产生能量传输II，则产生三个为位于M1的电子，如此循环，E能级上的电子数量像雪崩一样急剧地增加。当E能级的电子向基态跃迁时，就发出能量为ω的高能光子。此过程就为上转换的“光子雪崩”过程。图1-2 光子雪崩上转换能量传递上转换能量转移（Energy Transfer，简写成ET）是两个能量相近的激发态离子通过非辐射过程藕合，一个回到低能态，把能量转移给另一个离子，使之跃迁到更高的能态。图1-3列出了发生能量传递的几种可能途径：（a）是最普通的一种能量传递方式，处于激发态的施主离子把能量传给处于激发态的受主离子，使受主离子跃迁到更高的激发态去；（b）过程称为多步连续能量传递，在这一过程中，只有施主离子可以吸收入射光子的能量，处于激发态的施主离子与处于基态的受主离子间通过第一步能量传递，把受主离子跃迁到中间态，然后再通过第二步能量传递把受主离子激发到更高的激发态；（c）过程可命名为交叉弛豫能量传递（Cross Relaxation Up-conversion，简称CR），这种能量传递通常发生在相同离子间，在这个过程中，两个相同的离子通过能量传递，使一个离子跃迁到更高的激发态，而另一个离子弛豫到较低的激发态或基态上去；（d）过程为合作发光过程的原理图，两个激发态的稀土离子不通过第三个离子的参与而直接发光，他的一个明显的特征是没有与发射光子能量匹配的能级，这是一种奇特的上转换发光现象；（e）过程为合作敏化上转换，两个处于激发态的稀土离子同时跃迁到基态，而使受主离子跃迁到较高的能态。（a）普通能量传递 （b）多步连续能量传递（c）交叉弛豫能量传递 （d）合作发光能量传递（e）合作敏化上转换能量传递图1-3 几种能量传递过程的示意图稀土离子的上转换发光都是多光子过程，在多光子过程中，激发光的强度与上转换荧光的强度有如下关系：Itamin ∝ Iexcitationn其中Itamin表示上转换荧光强度，Iexcitation表示激发光强度，在双对数坐标下，上转换荧光的强度与激发光的强度的曲线为一直线，其斜率即为上转换过程所需的光子数n，这个关系是确定上转换过程是几光子过程的有效方法。 敏化机制与掺杂方式 敏化机制通过敏化作用提高稀土离子上转换发光效率是常用的一种方法[9]。其实质是敏化离子吸收激发能并把能量传递给激活离子，实现激活离子高能级的粒子数布居，从而提高激活离子的转换效率，这个过程可以表述如下：Dexc+A→D+AexcD表示施主离子，A是受主离子，下标“exc”表示该离子处于激发态。Yb3+离子由于特有的能级结构，是最常用的也是最主要的一种敏化离子。（1）直接上转换敏化对与稀土激活中心（如Er3+，Tm3+，Ho3+）和敏化中心Yb3+共掺的发光材料，由于Yb3+的2F5/2能级在910-1000nm均有较强吸收，吸收波长与高功率红外半导体激光器的波长相匹配。若用激光直接激发敏化中心Yb3+，通过Yb3+离子对激活中心的多步能量传递，可再将稀土激活中心激发至高能级而产生上转换荧光，这类过程会导致上转换荧光明显增强，称之为直接上转换敏化。图1-4以Yb3+/Tm3+共掺杂为例给出了该激发过程的示意图。图1-4 直接上转换敏化（2）间接上转换敏化由于Yb3+离子对910-1000 nm间泵浦激光吸收很大，泵浦激光的穿透深度非常小，因此虽然在表面的直接上转换敏化能极大的提高上转换效率，但它却无法应用到上转换光纤系统中。针对这种情况，国际上与1995-1996年首次提出了“间接上转换敏化”方法[7]。间接上转换敏化的模型首先在Tm3+/Yb3+双掺杂体系中提出的：当激活中心为Tm3+时，如果激发波长与Tm3+的3H6→3H4吸收共振，激活中心Tm3+就被激发至3H4能级，随后处于3H4能级的Tm3+离子与位于2F5/2能级的Yb3+离子发生能量传递，使Yb3+离子的2F5/2能级上有一定的粒子数布居。然后处于激发态2F5/2的Yb3+离子再与Tm3+进行能量传递，实现Tm3+的1G4能级的粒子数布居，这样就通过Tm3+→Yb3+→Tm3+献的能量过程间接地把Tm3+离子激发到了更高能级1G4。从而导致了Tm3+离子的蓝色上转换荧光。图1-5给出了间接上转换敏化的示意图。考虑到稀土离子的敏化作用与前述的上转换机理，在实现上转换发光的掺杂方式通常要考虑如下几点：（1）敏化离子在激发波长处有较大的吸收截面和较高的掺杂浓度；（2）敏化离子与激活离子之间有较大的能量传递几率；（3）激活离子中间能级有较长的寿命。图1-5 间接上转换敏化 掺杂方式表1-1给出了当前研究比较多的掺杂体系，表中同时列出了某一掺杂体系对应的激发波长、基质材料、敏化机制等。表1-1 常见的掺杂体系稀土离子组合 激发波长 基质材料 敏化机制单掺杂 Er3+ 980nm ZrO2纳米晶体 —Nd3+ 576nm ZnO–SiO2–B2O3 —Tm3+ 660nm AlF3/CaF2/BaF2/YF3 —双掺杂 Yb3+：Er3+ 980nm Ca3Al2Ge3O12玻璃 直接敏化Yb3+：Ho3+ 980nm YVO4 直接敏化Yb3+：Tm3+ 800nm 氟氧化物玻璃 间接敏化Yb3+：Tb3+ 1064nm 硅sol–gel玻璃 合作敏化Yb3+：Eu3+ 973nm 硅sol–gel玻璃 合作敏化Yb3+：Pr3+ 1064nm LnF3/ZnF2/SrF2 BaF2/GaF2/NaF 直接敏化Nd3+：Pr3+ 796nm ZrF4基玻璃 直接敏化三掺杂 Yb3+： Nd3+ ：Tm3+ 800nm ZrF4基玻璃 间接敏化Yb3+： Nd3+ ：Ho3+ 800nm ZrF4基玻璃 间接敏化Yb3+： Er3+ ：Tm3+ 980nm PbF2:CdF2玻璃 直接敏化 上转换发光材料的应用稀土掺杂的基质材料在波长较长的红外光激发下，可发出波长较短的红、绿、蓝、紫等可见光。通常情况下，上转换可见光包含多个波带，每个波带有多条光谱线，这些谱线的不同强度组合可合成不同颜色的可见光[7]。掺杂离子、基质材料、样品制备条件的改变，都会引起各荧光带的相对强度变化，不同样品具有独特的谱线强度分布与色比关系（我们定义上转换荧光光谱中各荧光波段中的峰值相对强度比称为色比，通常以某以一波段的峰值强度为标准）。因而上转换发光材料可应用到荧光防伪或安全识别上来。上转换发光材料在荧光防伪或安全识别应用上的一个研究重点是制备上转换效率高，具有特色的防伪材料，实现上转换荧光防伪材料能够以配比控制色比；也就是通过调整稀土离子种类、浓度以及基质材料的种类、结构和配比，达到控制色比关系。 本论文研究目的及内容Nd:YAG激光器发出1064nm的激光，在激光打孔、激光焊接、激光核聚变等领域具有广泛的应用价值，是最常用的激光波段。然而，由于人眼对1064nm的红外光不可见，因此，需要采用对1064nm激光响应的红外激光显示材料制备的显示卡进行调准和校正。本论文采用氟化物作为基质，掺杂稀土离子，通过配方和工艺研究，制备对1064nm响应的红外激光显示材料。研究组分配比、烧结温度、气氛和时间等对粉体性能的影响。并采用XRD和荧光光谱分析等测试手段对粉体进行表征。确定最佳烧结温度、组分配比，最终获得对1064nm具有优异红外转换性能的红外激光显示材料。第二章 红外激光显示材料的合成与表征经过多年研究，红外响应发光材料取得了很大进展，现已实现了氟化物玻璃、氟氧化物玻璃、及多种晶体中不同稀土离子掺杂的蓝绿上转换荧光。然而上转换荧光的效率距离实际实用还有很大的差距，尤其是蓝光，其效率更低。因此，寻找新的红外激光显示材料仍在研究之中，本文主要研究对1064nm响应的发光材料。本章研究了双掺杂Er3+/Yb3+不同基质材料的蓝绿上转换荧光，得到了发光效果较好的稀土掺杂氟化物的红外激光显示材料，得到了一些有意义的研究结果。 红外激光显示材料的合成 实验药品（1）合成材料所用的化学试剂主要有：LaF3，BaF2，Na2SiF6，NaF，氢氟酸，浓硝酸等。稀土化合物为Er2O3、Yb2O3，纯度在4N以上。（2）ErF3、YbF3的配制制备Yb3+/Er3+共掺氟化物的红外激光显示材料使用的ErF3，YbF3是在实验室合成的。实验采用稀土氧化物，称取适量的Er2O3，Yb2O3放在烧杯1和烧杯2中，滴加稍微过量的硝酸（浓度约为8mol/L），置于恒温加热磁力搅拌器上搅拌，直至烧杯1中出现粉红色溶液、烧杯2中出现无色溶液停止。其化学反应如下：Er2O3+6HNO3→2Er(NO3)3+3H2OYb2O3+6HNO3→2Yb(NO3)3+3H2O再往烧杯1和烧杯2中分别都加入氢氟酸，烧杯1中生成粉红色ErF3沉淀，烧杯2中生成白色絮状YbF3沉淀，其化学反应如下：Er(NO3)3+3HF→ErF3↓+3HNO3Yb(NO3)3+3HF→YbF3↓+3HNO3生成的ErF3、YbF3沉淀使用循环水式多用真空泵进行分离，并多次使用蒸馏水进行洗涤，将从溶液中分离得到的沉淀倒入烧杯放入电热恒温干燥箱，在100℃条件下保温12小时，得到了实验所需的ErF3、YbF3，装入广口瓶中备用。 实验仪器SH23-2恒温加热磁力搅拌器（上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司）PL 203电子分析天平（梅特勒一托多利仪器上海有限公司）202-0AB型电热恒温干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司）SHB-111型循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）WGY-10型荧光分光光度计（天津市港东科技发展有限公司）DXJ-2000型晶体分析仪（丹东方圆仪器有限公司）1064nm半导体激光器（长春新产业光电技术有限公司）4-13型箱式电阻炉（沈阳市节能电炉厂） 样品的制备（1）实验方法本实验样品制备方法是：以稀土化合物YbF3、ErF3，基质氟化物为原料，引入适量的助熔剂，采用高温固相法合成红外激光显示材料。高温固相法是将高纯度的发光基质和激活剂、辅助激活剂以及助熔剂一起，经微粉化后机械混合均匀，在较高温下进行固相反应，冷却后粉碎、筛分即得到样品[8]。这种固体原料混合物以固态形式直接参与反应的固相反应法是制备多晶粉末红外激光显示材料最为广泛使用的方法。在室温下固体一般并不相互反应，高温固相反应的过程分为产物成核和生长两部分，晶核的生成一般是比较困难的，因为在成核过程中，原料的晶格结构和原子排列必须作出很大调整，甚至重新排列。显然，这种调整和重排要消耗很多能量。因而，固相反应只能在高温下发生，而且一般情况下反应速度很慢。根据Wagner反应机理可知，影响固体反应速度的三种重要因素有：①反应固体之间的接触面积及其表面积；②产物相的成核速度；③离子通过各物相特别是通过产物相时的扩散速度。而任何固体的表面积均随其颗粒度的减小而急剧增加，因此，在固态反应中，将反应物充分研磨是非常必要的[6]。而同时由于在反应过程中在不同反应物与产物相之间的不同界面处可能形成的物相组成是不同的，因此可能导致产物组成的不均匀，所以固态反应需要进行多次研磨以使产物组成均匀。另外，如果体系存在气相和液相，往往能够帮助物质输运，在固相反应中起到重要作用，因此在固相反应法制备发光材料时往往加入适量助熔剂。在有助熔剂存在的情况下，高温固相反应的传质过程可通过蒸发-凝聚、扩散和粘滞流动等多种机制进行。（2）实验步骤根据配方中各组分的摩尔百分含量（表3-1，表3-2，表3-3中给出了实验所需主要样品的成分与掺杂稀土离子浓度），准确计算各试剂的质量，使用电子天平精确称量后，把原料置于玛瑙研钵中研磨均匀后装入陶瓷坩埚中（粉体敦实后大概占坩埚体积的1/3），再放入电阻炉中保温一段时间。冷却之后即得到了实验所述的红外激光显示材料样品。图2-1为实验流程图：图2-1 实验流程图 红外激光显示材料的表征 XRDX射线衍射分析是当今研究晶体精细结构、物相分析、晶粒集合和取向等问题的最有效的方法之一[10&9]。通常采用粉末状晶体或多晶体为试样的X射线衍射分析被称为粉末法X射线衍射分析。1967年，Hugo 鉴于计算机处理大量数据的能力，在粉末中子衍射结构分析中，提出了全粉末衍射图最小二乘拟合结构修正法。1977年，Malmros等人把这个方法引入X射线粉末衍射分析中，从此Rietveld分析法的研究开始迅速发展起来[16&10]。本实验采用丹东方圆仪器有限公司生产的DXJ-2000型晶体分析仪对粉末样品进行数据采集，主要测试参数为：Cu靶Kα线，管压45kV，管流35Ma，狭缝DSlmm、.、SS1 mm，扫描速度10度/min（普通扫描）、度/min（步进扫描），通过测试明确所制备的材料是否形成特定晶体结构的晶相，也可以简单判断随着掺杂量的增加，是否在基质中有第二相形成或者掺杂的物质同基质一起形成固溶体。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究现状及发展趋势摘要：综述了铝基复合材料的发展历史及国内外研究现状，重点阐述了碳化硅颗粒增强铝基复合材料制备工艺的发展现状。同时说明了碳化硅颗粒增强铝基复合材料研究中仍存在的问题，在此基础上展望了该复合材料的发展前景。关键词：SiCp /Al 复合材料； 制备方法中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1001-3814(2011)12-0092-05Research Status and Development Trend of SiCP/Al CompositeZHENG Xijun, MI Guofa(College of Material Science and Engineer, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)Abstract：The development history, domestic and foreign research present situation of SiCP /Al composite wasintroduced, the research progress of preparation process for SiCP /Al composite were elaborated, the research on SiCP /Alcomposite was analyzed and the development prospect of the composite was put words：SiCp /Al composite; preparation methods收稿日期:2010-11-20作者简介:郑喜军(1982- ),男,河南西平人,硕士研究生,研究方向为材料加工工程;电话:;E-mail:《热加工工艺》2011 年第40 卷第12 期下半月出版Material & Heat Treatment 材料热处理技术应用进行了广泛的关注和研究，从材料的制备工艺、组织结构、力学行为及断裂韧性等方面做了许多基础性的工作， 取得了显著的成绩。在美国和日本等国，该类材料的制备工艺和性能研究已日趋成熟，在电子、军事领域开始得到实际应用。SiC 来源于工业磨料，可成百吨的生产，价格便宜，SiC 颗粒强化铝基复合材料被美国视为有突破性进展的材料， 其性能可与钛合金媲美，而价格还不到钛合金的1/10。碳化硅颗粒增强铝基复合材料是最近20 年来在世界范围内发展最快、应用前景最广的一类不连续增强金属基复合材料，被认为是一种理想的轻质结构材料，尤其在机动车辆发动机活塞、缸头(缸盖)、缸体等关键产品和航空工业中具有广阔的应用前景[5-7]。在1986 年，美国DuralAluminumComposites 公司发明了碳化硅颗粒增强铝硅合金的新技术， 实现了铸造铝基复合材料的大规模生产， 以铸锭的形式供给多家铸造厂制造各种零件[8-9]。美国Duralcan 公司在加拿大己建成年产11340 t 的SiC/Al 复合材料型材、棒材、铸锭以及复合材料零件的专业工厂。目前，Duralcan 公司生产的20%SiCp /A356Al 复合材料的屈服强度比基体铝合金提高75%、弹性模量提高30%、热膨胀系数减小29%、耐磨性提高3～4倍。美国DWA 公司生产的碳化硅增强复合材料随碳化硅含量的增加，只有伸长率下降的，其他性能都得到了很大提高。到目前为止，SiCp/Al 复合材料被成功用于航空航天、电子工业、先进武器系统、光学精密仪器、汽车工业和体育用品等领域，并取得巨大经济效益。表1 列举了一些SiCp/Al 复合材料的力学性能。目前国内从事研制与开发碳化硅颗粒增强铝复合材料工作的科研院所与高校主要有北京航空材料研究院、上海交通大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、国防科技大学等。哈尔滨工业大学研制的SiCw/Al 用于某卫星天线丝杆，北京航空材料研究院研制的SiCp/Al 用于某卫星遥感器定标装置[10-11]。国内到目前为止还没有出现高质量高性能的碳化硅颗粒增强铝基复合材料， 虽然部分性能已达到国外产品的指标， 但在产品的尺寸精度上还存在不小的差距，另外制造成本太高，离工业化生产还有一段距离要走。2 铝基复合材料的性能特征(1)高比强度、比模量由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的增强物，明显提高了复合材料的比强度和比模量， 特别是高性能连续纤维，如硼纤维、碳(石墨)纤维、碳化硅纤维等增强物，他们具有很高的强度和模量[1]。(2)良好的高温性能，使用温度范围大增强纤维、晶须、颗粒主要是无机物，在高温下具有很好的高温强度和模量， 因此金属基复合材料比基体金属有更高的高温性能。特别是连续纤维增强金属基基复合材料，其高温性能可保持到接近金属熔点，并比金属基体的高温性能高许多。(3)良好的导热、导电性能金属基复合材料中金属基体占有很高的体积百分数， 一般在60%以上，因此仍保持金属的良好的导热、导电性能。(4)良好的耐磨性金属基复合材料，特别是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。这是由于在基体中加入了大量细小的陶瓷颗粒增强物，陶瓷颗粒硬度高、耐磨、化学性能稳定，用它们来增强金属不仅提高了材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度和耐磨性。(5)热膨胀系数小，尺寸稳定性好金属基复合材料中所用的增强相碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，特别是超高模量的石墨纤维具有负热膨胀系数， 加入相当含量的此类增强物可降低材料膨胀系数， 从而得到热膨胀系数小于基体金属、尺寸稳定性好的金属基复合材料。(6)良好的抗疲劳性和断裂韧性影响金属基复合材料抗疲劳性和断裂韧性的因素主要有增强物与复合体系制备工艺增强体含量(vol,%)拉伸强度/MPa弹性模量/GPa伸长率(%)SiCP /2009Al 粉末冶金20 572 109 粉末冶金20 552 103 粉末冶金20 496 103 粉末冶金20 724 103 粉末冶金40 441 125 粉末冶金15 689 97 搅拌铸造20 350 98 无压浸渗30 382 125 表1 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的力学性能[1] Mechanical properties of aluminum matrixcomposite reinforced by SiC particle93Hot Working Technology 2011, , 材料热处理技术Material & Heat Treatment 2011 年6 月金属基体的界面结合状态、金属基体与增强物本身的特性以及增强物在基体中的分布等。特别是界面结合强度适中，可以有效传递载荷，又能阻止裂纹扩展，从而提高材料的断裂韧性。(7)不吸潮、不老化、气密性好与聚合物相比，金属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问题，也不会发生性能的自然退化，在空间使用不会分解出低分子物质而污染仪器和环境，有明显的优势。(8)较好的二次加工性能可利用传统的热挤压、锻压等加工工艺及设备实现金属基复合材料的二次加工。由于铝基复合材料不但具有金属的塑性和韧性，而且还具有高比强度、比模量、对疲劳和蠕变的抗力大、耐热性好等优异的综合性能。尤其在最近20 年以来， 铝基复合材料获得了惊人的发展速度，表2 列举了一些铝基复合材料的力学性能。3 主要应用领域 在航空航天及军事领域的应用美国ACMC 公司和亚利桑那大学光学研究中心合作，研制成超轻量化空间望远镜和反射镜，该望远镜的主镜直径为，仅重。ACMC 公司用粉末冶金法制造的碳化硅颗粒增强铝基复合材料还用于激光反射镜、卫星太阳反射镜、空间遥感器中扫描用高速摆镜等；美国用高体积分数的SiCp/Al代替铍材，用于惯性环形激光陀螺仪制导系统、三叉戟导弹的惯性导向球及管型测量单元的检查口盖，成本比铍材降低2/3；20 世纪80 年代美国洛克希德.马丁公司将DWA 公司生产的25%SiCp /6061Al 用作飞机上承载电子设备的支架，其比刚度比7075 铝合金约高65%；美国将SiCp/6092Al 用于F-16 战斗机的腹鳍， 代替原有的2214 铝合金蒙皮， 刚度提高50%，寿命从几百小时提高到8000 小时左右，寿命提高17 倍，可大幅度降低检修次数，提高飞机的机动性，还可用于F-16 的导弹发射轨道；英国航天金属及复合材料公司(AMC)采用高能球磨粉末冶金法研制出高刚度﹑ 耐疲劳的SiCp/2009Al， 成功用于Eurocopter 公司生产的N4 及EC-120 新型直升机[12]；采用无压浸渗法制备的高体积分数SiCp/Al 作为印刷电路板芯板用于F-22“猛禽”战斗机的遥控自动驾驶仪、发电元件、飞行员头部上方显示器、电子计数测量阵列等关键电子系统上， 以代替包铜的钼及包铜的锻钢，可使质量减轻70%，同时降低了电子模板的工作温度；SiCp/Al 印刷电路板芯板已用于地轨道全球移动卫星通信系统； 作为电子封装材料，还可用于火星“探路者”和“卡西尼”土星探测器等航天器上。美国采用高体积分数SiCp /Al 代替Cu-W 封装合金作为电源模块散热器，已用于EV1 型电动轿车和S10 轻型卡车上；美国将氧化反应浸渗法制备的SiC-Al2O3/Al 作为附加装甲，用于“沙漠风暴”地面进攻的装甲车；美国GardenGrove 光学器材公司用SiCp/Al 制备Leopardl 坦克火控系统瞄准镜。 在汽车工业中的应用由山东大学与曲阜金皇活塞有限公司联合研制的SiCp /Al 活塞已用于摩托车及小型汽车发动机；自20 世纪90 年代以来， 福特和丰田汽车公司开始采用Alcan 公司的20%SiC/Al-Si 来制作刹车盘；美国Lanxide 公司生产的SiCp/Al 汽车刹车片于1996年投入批量生产[13]；德国已将该材料制作的刹车盘成功应用于时速为160km/h 的高速列车上。整体采用锻造的SiCp/Al 活塞已成功用于法拉利生产的一级方程式赛车。 在运动器械上的应用BP 公司研制的20%SiCp/2124Al 自行车框架已在Raleigh 赛车上使用；SiCp /Al 复合材料可应用于自行车链轮、高尔夫球头和网球拍等高级体育用品；在医疗上用于假体的制造。4 制备及成型方法一般来说， 根据铝基体状态的不同，SiCp/Al 的制备方法大致可分为固态法和液态法两类。目前主要有粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法和挤压铸造法。 粉末冶金法粉末冶金法又称固态金属扩散法，该方法由于克增强相/ 基体增强相含量拉伸强度/MPa弹性模量/GPa伸长率(%)SiC/Al-4Cu 15 476 92 /ZL101 20 375 101 /ZL101A 20 330 100 /6061 25 517 114 /2124 25 565 114 / 20 226 95 /Al 26 387 112 -表2 金属基复合材料的力学性能[1] Mechanical properties of metal matrix composite[1]94《热加工工艺》2011 年第40 卷第12 期下半月出版Material & Heat Treatment 材料热处理技术服了碳化硅颗粒与铝合金熔液润湿困难的缺点，因而是最先得到发展并用于SiCp/Al 的制备方法之一。具体制备SiCp/Al 的粉末冶金工艺路线有多种，目前最为流行和典型的工艺流程为：碳化硅粉末与铝合金粉末混合一冷模压(或冷等静压)一真空除气一热压烧结(或热等静压)一热机械加工(热挤、轧、锻)。粉末冶金法的优点在于碳化硅粉末和铝合金粉末可以按任何比例混合，而且配比控制准确、方便。粉末冶金法工艺成熟，成型温度较低，基本上不存在界面反应、质量稳定，增强体体积分数可较高，可选用细小增强体颗粒。缺点是设备成本高，颗粒不容易均匀混合，容易出现较多孔隙，要进行二次加工，以提高机械性能，但往往在后续处理过程中不易消除；所制零件的结构、形状和尺寸都受到一定的限制，粉末冶金技术工艺程序复杂，烧结须在在密封、真空或保护气氛下进行， 制备周期长， 降低成本的可能性小，因此制约了粉末冶金法的大规模应用。 喷射沉积法喷射沉积法是1969 年由Swansea 大学Singer教授首先提出[14]，并由Ospray 金属有限公司发展成工业生产规模的制造技术。该方法的基本原理是：对铝合金基体进行雾化的同时，加入SiC 增强体颗粒，使二者共同沉积在水冷衬板上， 凝固得到铝基复合材料。该工艺的优点是增强体与基体熔液接触时间短，二者反应易于控制；对界面的润湿性要求不高，可消除颗粒偏析等不良组织， 组织具有快速凝固特征；工艺流程短、工序简单、效率高，有利于实现工业化生产。缺点是设备昂贵，所制备的材料由于孔隙率高而质量差必须进行二次加工， 一般仅能制成铸锭或平板； 大量增强颗粒在喷射过程中未能与雾化的合金液滴复合， 造成原材料损失大， 工艺控制较复杂，增强体颗粒利用率低、沉积速度较慢、成本较高。 搅拌铸造法搅拌铸造法的基本原理[15-17]：依靠强烈搅拌在合金液中形成涡漩的负压抽吸作用， 将增强体颗粒吸入基体合金液体中。具体工艺路线：将颗粒增强体加入到基体金属熔液中， 通过一定方式的搅拌与一定的搅拌速度使增强体颗粒均匀地分散在金属熔体中，以达到相互混合均匀与浸润的目的，复合成颗粒增强金属基复合材料熔体。然后可浇铸成锭坯、铸件等使用。该方法的优点是：工艺简单、设备投资少、生产效率高、制造成本低、可规模化生产。缺点是：加入的增强体颗粒粒度不能太小， 否则与基体金属液的浸润性差， 不易进入金属液或在金属液中容易团聚和聚集；普遍存在界面反应，强烈的搅拌容易造成金属液氧化，大量吸气及夹杂物混入，颗粒加入量也受到一定限制，只能制成铸锭，需要二次加工。 挤压铸造法挤压铸造法是首先把SiC 颗粒用适当的粘结剂粘结，制成预制块放入浇注模型中，预热到一定的温度，然后浇入基体金属液，立即加压，使熔融的金属熔液浸渗到预制块中，最后去压、冷却凝固形成SiCp/Al。该方法的优点是：设备较简单且投资少，工艺简单且稳定性较好，生产周期短，易于工业化生产，能实现近无余量成型，增强体体积分数较高，基本无界面反应。缺点是容易出现气体或夹杂物，缺陷比较多，需增强颗粒需预先制成预成型体， 预成型体对产品质量影响大，模具造价高，而且复杂零件的生产比较困难。5 SiCp /Al 复合材料发展的建议与对策SiCp /Al 复合材料作为一种新的结构材料有着广阔的发展前景, 但要实现产业化还需做大量的研究工作。除了要对SiCp/Al 复合材料的制备工艺、界面结合状态、增强机制等方面的内容做进一步研究，其相关领域的研究及发展也应给予重视。 现有制备工艺进一步完善和新工艺的开发现有工艺制备方法虽然已经成功制造了复合材料，但很难用于工业化生产且尚处于实验室研究阶段[18]。SiC 颗粒存在于铝液中，使金属液粘度提高，流动性降低，铸造时充填性变差，当颗粒含量增加至20%或在较低温度(<730℃)时，流动性急剧降低以致于无法正常浇注。另外，SiC颗粒具有较大的表面积， 表面能较大，易吸附气体并带入金属液中，而金属液粘度大也易卷入气体并难以排出，产生气孔缺陷。因此，对现有工艺的进一步完善和新工艺的开发成为下一步研究工作的主要任务。 后续加工工艺的研究金属基复合材料的切削加工、焊接、热处理等后续加工工艺的研究较少，成为限制其应用的瓶颈。高强度、高硬度增强体的加入使金属基复合材料成为难加工材料[18-19]，而由于增强体与基体合金的热膨胀系数差异大引起位错密度的提高， 也使金属基复合95Hot Working Technology 2011, , 材料热处理技术Material & Heat Treatment 2011 年6 月材料的时效行为与基体合金有所不同[20]。另外，增强体影响焊接熔池的粘度和流动性， 并与基体金属发生化学反应限制了焊接速度， 给金属基复合材料的焊接造成了极大困难。因此， 解决可焊性差的问题也成为进一步研究的主要方向。 环境性能方面的改善金属基复合材料的环境性能方面的研究， 即如何解决金属基复合材料与环境的适应性， 实现其废料的再生循环利用也引起了一些学者的重视， 这个问题关系到有效利用资源，实现社会可持续发展，因此， 关于环境性能方面的研究将是该领域今后研究的热点。由于铝基复合材料是由两种或两种以上组织结构、物理及化学性质不同的物质结合在一起形成一类新的多相材料， 其回收再利用的技术难度要比传统的单一材料大得多。随着铝基复合材料的批量应用，必然面临废料回收的问题，通过对复合材料的回收再利用， 不但可减少废料对环境的污染还可减低铝基复合材料的制备成本、降低价格，增加与其他材料的竞争力，有利于促进自身的发展。文献[21]配制了混合盐溶剂， 采用熔融盐法成功地分离出颗粒增强铝基复合材料中的增强材料，研究结果表明，利用该技术处理颗粒增强铝基复合材料， 其回收利用率可达85%。6 结语与铝合金基体相比， 铝基复合材料具有更高的使用温度、模量和强度，热稳定性增加及更好的耐磨损性能，它的应用将越来越广泛。然而，在目前的研究中仍然存在许多疑问和有待解决的问题， 例如怎样去克服铝基复合材料突出的界面问题， 并且力求研究结果有助于改善生产应用问题； 在制备过程前后， 怎样通过热处理手段来改善成品的各方面性能；如何利用由于热失配造成的内、外应力使材料服役于各种环境。此外，原位反应中仍不免其他副反应夹杂物存在， 同时对增强体的体积分数也难以精确控制，这些都是亟待研究解决的问题。参考文献：[1] 于化顺．金属基复合材料及其制备技术[M]．北京：化学工业出版社，2006．241．[2] 吴人洁．复合材料[M]．天津：天津大学出版社，2000．[3] 沃丁柱．复合材料大全[M]．北京：化学工业出版社，2000．[4] 毛天祥．复合材料的现状与发展[M]．合肥：中国科学技术大学出版社，2000．[5] 赫尔(Hull， D)．复合材料导论[M]．北京：中国建设工业出版社，1989．[6] 尹洪峰，任耘，罗发．复合材料及其应用[M]．陕西：陕西科学技术出版社，2003．[7] 汤佩钊．复合材料及其应用技术[M]．重庆：重庆大学出版社，1998．[8] 张守魁，王丹虹．搅拌铸造制备颗粒增强复合材料[J]．兵器材料科学与工程，1997，20(6)：35-391．[9] 韩桂泉，胡喜兰，李京伟．无压浸渗制备结构/ 功能一体化铝基复合材料的性能及应用[J]．航空制造技术，2006(01)：95．[10] 李昊，桂满昌，周彼德．搅拌铸造金属基复合材料的热力学和动力学机制[J]．中国空间科学技术，1997，2(1)：9-161．[11] 桂满昌，吴洁君，王殿斌，等．铸造ZL101A/SiCp复合材料的研究[J]．铸造，2001，50(6)：332-3361．[12] 任德亮，丁占来，齐海波，等．SiCp /Al 复合材料显微结构与性能的研究[J]．航空制造技术，1999，(5)：53-551．[13] Clyne T W，Withers P J．An Introduction to Metal MatrixComposites [M]．London：Cambridge University Press，1993．[14] Lee Konbae．Interfacial reaction in SiCp /Al composite fabricatedby pressureless infiltration [J]．Scripta. Materialia，1997，36(8)：847．[15] 张淑英， 张二林． 喷射共沉积金属基复合材料的发展现状[J]．宇航材料工艺，1996，(4)：4-5．[16] Clegg A J．Cast metal matrix and composites [J]．TheFoundryman，1991，8：312-3191．[17] Mortensen A， Jim I．Solidification processing of metal matrixcomposites [J]．Inter. Mater. Rews.，1992，37(3)：101-128．[18] Lloyd D J．Particle reinforced aluminium and magnesiummatrix composites [J]．Inter. Mater. Rews，1994，39(1)：218-231．[19] Quigleg O， Monagham M， O'Reilly P．Factors effecting themachinability of Al/SiC metal matrix composite [J]．J. .，1994，43：21-23．[20] Looney L A， Monagham M， O'Reilly P．The turning of anAl/SiC metal-matrix composite [J]．J. Mater. Process. Tech.，1992，33：553-557．[21] 费良军，朱秀荣，童文俊，等．颗粒增强铝基复合材料废料回收的试验研究[J]．复合材料学报，2001，18(1)：67-70．

论文晶粒度对变形的影响研究

晶粒度—用于描述晶粒大小的参数。晶粒度大小对材料性能的影响很大，影响主要表现在塑性和蠕变等方面。特别是在高温使用情况下，为了降低高温蠕变，一般需要采用大晶粒；而在低温下，为了提高金属塑性和韧性，一般要求采用细晶粒。还有很多其它方面的影响，这里只举上面的一个方面，因此晶粒大小是根据材料的应用环境制定的。

晶粒越细，强度越高，塑性、韧性越好。控制晶粒度关键要控制好加热速度、加热温度和保温时间，冷却速度对晶粒度影响不大。

金属结晶后的晶粒大小可用单位体积内的晶粒数目来表示。单位体积内的晶粒数目越多，说明晶粒越细小。实验证明，在常温下细晶粒金属的力学性能比粗晶粒金属高。这主要是由于晶粒越细小，晶界的数量越多，位错移动时的阻力增大，使金属的塑性变形抗力增加。

同时，晶粒数量越多，金属的塑性变形可以分散到更多的晶粒内进行，晶界也会阻止裂纹的扩展，使金属的力学性能提高。

金属材料的物理性能有时对加工工艺也有一定的影响。例如，高速钢的导热性较差，锻造时应采用低的速度来加热升温，否则容易产生裂纹；而材料的导热性对切削刀具的温升有重大影响。又如，锡基轴承合金、铸铁和铸钢的熔点不同，故所选的熔炼设备、铸型材料等均有很大的不同。

扩展资料：

晶粒度：

金属结晶时，每个晶粒都是由一个晶核长大而成的，因此晶粒的大小取决于晶核的数目和晶粒长大速度的相对大小。晶核的数目用形核率表示。形核率越大，单位体积中晶核的数目越多，晶粒越细小。长大速度越小，长大过程中形成的晶核批次越多，晶核数目越多，因而晶粒越细小。

反之，形核率越小而长大速度越大，则晶粒越粗大。因此晶粒度的大小取决于形核率N和长大速率G之比，比值芸N/G越大，晶粒越细小。

本质晶粒度是用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度，是一种性能，并非指具体的晶粒。根据奥氏仁晶粒长大倾向的不同，可将钢分为本质粗品粒钢和本质细晶粒钢两类。

参考资料来源：百度百科-金属材料性能

参考资料来源：百度百科-晶粒度

塑性是材料抵抗塑性变形的能力 它极大的依赖于材料位错（sliping of dislocation）滑移的难易度 简单说应该是晶粒越多 晶界越多 滑移越困难 塑性越强但是 对于高温条件下（一般大于金属熔点的60%） 这是塑性的主要影响因素极有可能变为蠕变（creep） 这时金属的蠕变强度（creep resistance）就更为重要 而这一性能是与晶粒度成反比的 大晶粒金属材料有着更佳的蠕变强度 所以温度是另一个影响因素 所以必须分开来看 晶粒度会对于材料的各方面因素产生很大影响 不单是力学性能 还有电性能和磁性能 可用EBSD进行较为精确的测量 并可以得到大量关于金属晶界和取向的信息

回温对器件的影响研究论文

电子元器件的仓库温度：5~28℃；相对湿度：30%~70%。

因为所有需要进行电子焊接的元器件，受温度及空气中湿度影响，长时间存放会出现管脚氧化现象，为了尽量降低元器件管脚的氧化速度，同时兼顾静电因素，所以要求仓库室内温度及湿度都要满足一定的条件。

印有湿敏警告标签的元器件都属于湿敏元件(PWA 、BGA 、IC 、LED 、NCU 、FLASH 等),其存储要求:

1.仓库储存湿敏器件应保证湿敏包装袋密封的完好。

2.湿敏包装袋完好的情况下库存有效期为12个月(从产品包装之日起,包装日期一般会在包装袋上体现),存储条件:温度<300C,湿度<80%RH 。(注意:针对不同湿度等级的器件,以厂商标签上的要求为准)

3.湿敏包装袋打开或漏气的器件应根据湿敏等级(一般在元器件包装上体现)，在有效的时间、特定的环境下使用。

4.如果3项不符或在23±5℃时袋里的湿度显示卡显示湿度>10%,器件贴片前须在70±5℃的烤箱里烘烤12小时。(注意:针对不同湿度等级的器件,均以厂商标签上的要求为准)

八种湿度等级及车间寿命。浸泡时间标准请参考J-STD-020。

（1）1级 - 小于或等于30°C/85％RH情况下，车间寿命无限

（2）2级 - 小于或等于30°C/60％RH情况下，车间寿命为一年

（3）2a级 - 小于或等于30°C/60％RH情况下，车间寿命为4周

（4）3级 - 小于或等于30°C/60％RH情况下，车间寿命为168小时

（5）4 级- 小于或等于30°C/60％RH情况下，车间寿命为72小时 •5级 - 小于或等于30°C/60％RH情况下，车间寿命为48小时

（6）5A级 - 小于或等于30°C/60％RH情况下，车间寿命为24小时 •6级 - 小于或等于30°C/60％RH情况下，时间以标签上车间寿命为准

参考资料：锐池科技有限公司-湿敏性元件储存条件

回流炉设备方面的因素及其对加工高质量无铅产品能力的影响针对无铅回流焊接工艺：电子工业正在向无铅组装转变。这一努力是由环保方面的考虑，政府的立法以及无铅电子封装的市场利益所驱动的。在无铅组装的执行中虽然需要做出许多的决定，但本文将只讨论回流炉设备方面的因素及其对加工高质量无铅产品能力的影响。焊膏 一家公司实施无铅的第一个步骤就是选择焊膏。虽然目前有许多可用的类型，但最大的障碍仍是为当前使用的铅材料找到一个平滑转换的替代物。而面对焊膏和回流炉的最具戏剧性的问题就是更高的熔点，这就使得铅材料的平滑转换的替代物很难被找到。到目前为止，最流行的无铅焊膏配方包括了锡，银，铋和锌。无铅焊膏的选择也成为了许多技术论文和广泛研究的主题。这一研究提出最可行的焊膏应该具有217℃到220℃的熔点。这一温度范围相对传统铅锡共晶焊膏的183℃熔点，呈现出了一个大的增加。由于器件的温度问题，最大峰值温度和最大加热/冷却斜率更收紧了回流焊接的工艺窗口。温度曲线 由于焊膏规范更严格的限制以及关系到在更高的过程温度下器件的损坏，为了利用无铅焊料，我们必须注意到不同的温度曲线和设备的设置。两种常见的温度曲线类型被使用在回流焊接工艺中，并且很具代表性地被称为浸润（the soak profile）和“帐篷”型（the tent profile）温度曲线（图1）。浸润温度曲线是这样一种工艺，它使得装配组件在正好低于焊料液化点以下的温度上停留一段时间，以获得一个一致的组件温度。“帐篷”型温度曲线是一个连续的温度斜坡，从组件进入回流炉开始直到达到期望的峰值温度。考虑到使用的焊膏类型以及组件的结构，实际的温度曲线会有差别。基于焊膏的化学成分，焊膏制造商会给出达到最佳性能的最合适温度曲线的建议。无铅回流焊温度曲线 由于无铅焊料的高熔点，对温度曲线的要求将会有一点改变，因此在回流设备的设置上也需要有一些变化。一个基本的改变，就是在回流期间需要一个更为平坦的温度曲线变化。由于更小的工艺窗口，峰值温度和高于液化温度的时间（TAL）的要求必须被达到，同时不能使组件或器件过热。一个长的回流区域和对产品的高效率热传导是必须的。针对回流需要使用两个温区或者在回流温区采用相反峰值爬升的方法，这一问题可以被解决。采用这种方法时，使倒数第二个加热区相对最后一个加热区维持一个更高的温度，从而更快地将热量传导到板子上。最后一个温区则用来在组件上维持一个一致的温度。设备的考虑 热传导 有一种假设，对无铅而言高温回流炉是必须的，但实际情况并不总是如此。更重要的是设备将能量传导到组件上的效率。 一些回流系统通过将产品“包裹”在均匀混合的加热气体中的方法，来增强热传导的能力。一个带加热的进风口设计可允许对三个独立进风区域的气体加热和混合。中央进风口采用了带鳍状物的柱型加热单元，将热量由加热器传递到气体中。这种方法可以减少加热器的瓦特数，也就是减少了能量的消耗。这种加热设计相对传统的回流解决方案，最大可减少50％的能源消耗。 被加热后的气体，通过送风单元进行混合，并且在压力板后面产生一个适度的负压。这一适度的压力可以产生一个均匀覆盖的同心圆气流，这一气流能达到将热量传递到产品所要求的工艺平面上。这一设计的另一好处就是能做到温区和温区之间的隔离，从而能更好地控制被加工产品的温度曲线。冷却产品在回流焊中和加热一样重要。过长的液态时间和极端的峰值温度会引起产品和元器件的损坏。因此，系统必须被设计成带有可程序设定控制的冷却参数。 在使用氮气系统的情况下，要将气体冷却以将热量从产品上去除，一个冷却媒介，比如水，就是一个的好选择。这种采用水冷却系统，在设计中也应该很容易实现。举个例子，里面有冷却水通过被垂直安装的热交换器，使得助焊剂的残留物可以通过重力自然地排入助焊剂收集罐中。冷却水的连接是通过无需工具即可实现拆装的连接点（快速接头）来获得的。氮气 在回流环境中，氮气提供了几个用途。氮气的使用可在通过多次回流焊时可保护板子的表面，防止焊盘和引脚的氧化，可以获得更好的引脚焊锡爬升和产生光亮的焊点。 这些结果在无铅工艺中更加明显。对氧化过程而言，更高的无铅焊接温度扮演了一个催化剂的角色。氮气将会帮助抵抗氧化。虽然无铅工艺没有要求，但是氮气可以提供更宽的工艺窗口。它也能减少表面的氧化和获得更好的焊点润湿。 当考虑一个加热系统时，带有空气和惰性气体选择配置的回流系统是一个好的选择。在加热区内平衡的气流就意味着在炉内部乱流的减少和低的氮气消耗量。时间应该被用在热量传递的设计上，以及制造商考虑气流平衡性的概念上。将闭环送风控制和变速送风机的组合并入回流系统的设计中，增强了系统的性能和减少了氮气的消耗。 然而，氮气的使用可能有一个下降趋势，其中原因包括了最初的设备成本，氮气成本，以及由于助焊剂挥发物被限制在设备内而引起的额外设备维护成本。当评估回流系统和氮气的使用时，一个高效率的系统设计应该被考虑进来。 挥发物处理 另一个需要考虑的因素是助焊剂挥发物的处理。回流炉应该能做到在外部的腔室里将负载有助焊剂的气体净化，并且将干净气体送回加热区中。举一个例子，最近发展的系统包括了一个两段过滤/分离系统和一体化的自清洁功能，从而减少了维护的需求。第一段过滤利用了网孔型的滤网，它包含在一个箱体内。在进入箱体过程中，助焊剂蒸气经历了一个膨胀过程，增加了压力并且产生了小液滴，如果液滴足够大，那么就会从气流中落下来。 剩下的蒸汽通过滤网，滤网会将大的、重的颗粒从蒸汽中分离出来。这些颗粒主要由被卷入的金属、树脂和松香构成，并且它们保持粘附在滤网的外面。这一部分帮助消除了高粘度并且很难清除的残留物向下进入到系统里这一状况的发生。 滤网的清洁是通过一个附加的马达定期旋转滤网而完成的。施加在颗粒上的离心力克服了将它们粘在滤网上的附着力，并且被向着箱体的墙壁甩出去。由于它没有和主动冷却系统合并在一起，所以在箱体内气体通过时，系统保持了一定的温度，这使得粘在箱体壁上的较重的液体可以向下滴到位于箱体底部的排出罐里。第二段过滤由包含在一个箱体里的充满了不锈钢球的填充物构成。主要由酒精和溶剂构成的，小的、轻质量的颗粒，包含在蒸汽中通过了第一层的过滤，将再次经受膨胀，从而增大了液滴的尺寸。然后，蒸汽通过填充层，和钢球产生多次的碰撞。 由于包含在蒸汽中的液体会在钢球的表面蔓延开来，且这些球被确定是可浸润的。因此，在颗粒和球的最初碰撞中，产生了不同种类的晶核，并且球被一层液体薄膜所覆盖。一旦球完全被薄膜所覆盖，包含在蒸汽中的颗粒就会和这层液体薄膜碰撞。由于这些是相似的物质，不同种类的晶核产生，同时液体也增大了，形成液滴，流进助焊剂收集罐中，等待清理。能量效率 在电子制造环境中，回流焊炉引出了一个对能源消耗问题的关注。这一关注是可以理解的，由于很自然地需要向组件传递热量，然后对于冷却环节再要花费能量将热量去除。为了获得有铅和无铅工艺所需的正确的回流曲线，高效率的热传导技术必须被考虑到。但是在能量消耗的考虑方面，高效率的热传导也同样很重要。 使用新的回流系统的设计，通过改进热传导能力和改善气流，在热效率和减少能量消耗方面，一个巨大的改善已经产生了。经测试，早先的回流系统在闲置状态时，运行一条有铅回流曲线的平均每小时消耗21kW。比较最近推出的回流系统，使用新的系统设计，能源消耗从21kW每小时降到了每小时。对于相似的曲线性能，这一结果在能量消耗方面有了41％的减少。传送系统的考虑 传送导轨系统是将需装配的组件传送通过回流系统的非常流行的方法。伴随着无铅工艺更高的操作温度，传送导轨必须要能维持足够的强度。暴露在外的支撑轴和小的导轨剖面，在更高的操作温度和大质量的组件下，可能会承受更重的负载。 合格的导轨系统设计，应该允许热膨胀，并且仍能维持导轨的平行，以减少PCBA掉落或被卡住的机率。在设计中，导轨的推出成型应该考虑具有多个角度的结合，以减小在热膨胀过程中导轨弯曲的机率。 由于无铅回流中更高的温度，组件更倾向于产生翘曲和掉落问题。更高的温度更接近板子分层的转变点，并且结合来自器件的更大的质量，可以导致生产线问题更进一步恶化。 中央板支撑（CBS）传送系统可以解决这个问题。CBS在更高的无铅回流温度下将提供更好的支撑，克服板翘曲和掉落问题。总结 在做出无铅回流焊接结论之前，需要先详细的来看一下一台回流炉的全部特性。当考虑向无铅材料转变时，需要先决定材料和温度曲线的需求。一旦这些被选定了，就咨询回流炉制造商，帮助你为产品开发出一个期望的温度曲线。伴随着一些调查工作，这条理想的温度曲线可能是通过“帐篷”型或“反向爬升”型的温度曲线来实现的。 回流系统的选项也是重要的考虑对象。氮气加工环境的采用，冷却的考虑，传送系统以及整个系统的操作成本，都应该和回流设备的供应商进行讨论。

锡膏通常要用冰箱冷藏，冷藏温度为5~10℃为佳。故从冷箱中取出锡膏时，其温度较室温低很多，若未经“回温”，而开启瓶盖，则容易将空气中的水汽凝结，并沾附于锡浆上，在过回焊炉时（温度超过 200℃），水份因受强热而迅速汽化，造成“爆锡”现象，产生锡珠，甚至损坏元器件。回温方式：不开启瓶盖的前提下，放置于室温中自然解冻, 回温时间：4 小时以上注意：①未经充足的“回温”，不要打开瓶盖,②不要用加热的方式缩短“回温”的时间东莞海思附上

干燥通风：电子产品 低湿存放 温湿度记录仪
摘 要：潮湿是电子产品质量的致命敌人，如何现代化有效管理存放电子产品存放的环境湿度以减少企业损失是高科技电子企业的重要任务，这些都可以由自动温湿度记录仪来完成。
内 容：
一、湿度对电子元器件和整机的危害
绝大部分电子产品都要求在干燥条件下作业和存放。据统计，全球每年有1/4以上的工业制造不良品与潮湿的危害有关。对于电子工业，潮湿的危害已经成为影响产品质量的主要因素之一。
（1） 集成电路：潮湿对半导体产业的危害主要表现在潮湿能透过IC塑料封装和从引脚等缝隙侵入IC内部，产生IC吸湿现象。

在SMT过程的加热环节中形成水蒸气，产生的压力导致IC树脂封装开裂，并使IC器件内部金属氧化，导致产品故障。此外，当器件在PCB板的焊接过程中，因水蒸气压力的释放，亦会导致虚焊。

根据IPC-M190  J-STD-033标准，在高湿空气环境暴露后的SMD元件，必需将其放置在10%RH湿度以下的干燥箱中放置暴露时间的10倍时间，才能恢复元件的“车间寿命”，避免报废，保障安全。
（2） 液晶器件：液晶显示屏等液晶器件的玻璃基板和偏光片、滤镜片在生产过程中虽然要进行清洗烘干，但待其降温后仍然会受潮气的影响，降低产品的合格率。因此在清洗烘干后应存放于40%RH以下的干燥环境中。

（3） 其它电子器件：电容器、陶瓷器件、接插件、开关件、焊锡、PCB、晶体、硅晶片、石英振荡器、SMT胶、电极材料粘合剂、电子浆料、高亮度器件等，均会受到潮湿的危害。

（4） 作业过程中的电子器件：封装中的半成品到下一工序之间；PCB封装前以及封装后到通电之间；拆封后但尚未使用完的IC、BGA、PCB等；等待锡炉焊接的器件；烘烤完毕待回温的器件；尚未包装的产成品等，均会受到潮湿的危害。
（5） 成品电子整机在仓储过程中亦会受到潮湿的危害。如在高湿度环境下存储时间过长，将导致故障发生，对于计算机板卡CPU等会使金手指氧化导致接触不良发生故障。
电子工业产品的生产和产品的存储环境湿度应该在40％以下。有些品种还要求湿度更低。
二、企业如何用现代化的手段管理电子产品的存放环境
综上所述，湿度是企业产品质量的致命敌人，那么，企业应该如何来管理电子产品的存放湿度呢？我们先来分析一下，电子产品的生产全过程。电子产品的生产大致可以分成以下几个步骤：



由上面的流程图可以看出，企业应该着重管理原料仓库、生产车间、成品仓库和运输车辆的温湿度。那企业应该怎么来管理呢？传统的管理办法就是：由仓管员或管理人员不定时查看、记录仓库和车间的湿度值，发现异常情况即使用加湿或除湿设备控制仓库、车间的湿度。这样的管理办法比较费时间和人力，而且记录的数据因为有人为的因素，数据不是很客观，这样的方法不太符合现代化企业管理的要求；而在物流方面，企业基本没有办法管理运输车辆上的温湿度变化。那么能有什么样的方法才能使企业管理既科学又规范呢？其实很简单，这些都可以由温湿度自动记录仪来帮你做到！
下面我以浙江大学电气设备厂生产的温湿度自动记录仪ZDR-20为例简要介绍温湿度记录仪在电子产品存放中的应用：ZDR-20型温湿度记录仪由三大部分组成：测量部分、仪器本体、PC界面。
测量部分：即温度传感器和湿度传感器。温度传感器：ZDR-20系列温度探头由NTC系列组成，其测量范围为-40～100℃，测量精度为±～±℃；湿度传感器采用美国进口霍尼威尔湿度传感器，其测量范围为0～100%RH，精度为±2～±3% RH。
仪器本体：ZDR-20型记录仪，通过探头进行测量，将数据存储并传输至PC，其存储容量为9898组数据（温度、湿度各9898点），记录间隔为2秒至24小时连续可调（由PC软件调整），防护：密闭、防水。仪器尺寸：58mm*72mm*29mm（香烟盒大小）。
PC界面：ZDR软件。软件支持是记录仪不可或缺的一部分，其主要功能为：设定记录间隔（2秒～24小时任意可调），设定停止方式，设定启动时间，读取数据并显示测量数据、历史曲线等，提供打印功能，把数据转化为EXCEL、WORD文档形式或ACCESS数据库等功能。
ZDR-20系列温湿度记录仪可以分为单机版和多机版两个产品，单机版就是在每个仓库、车间和运输车辆上均独立放置一台ZDR-20型温湿度记录仪，由企业品管部门统一对它进行设置、查看、存储和处理历史温湿度数据，记录仪亦可选配报警器，在温湿度任意超标的情况下，记录仪会自动提供警报信号，提醒企业环境超标了，非常灵活方便；

粘度对换热器的影响研究论文

我觉得可以考虑下别的方法。比如加一些防结焦剂，或是将换热器的内表面做些文章。粘度大的原油很容易结垢结焦影响换热效率。

提高换热系数就那么几种办法，增加表面粗糙度，制造紊流。去换热器书本查查去吧

提高换热效率最直接的办法就是增加压降，使用压降大的板片形式，如果不能压降太大，就需要几种不同形式的板片配比形成适合使用的换热器。还有一个办法就是减薄板片的厚度。

液体粘度是由于分子内聚力引起的,温度越高,分子振动加强,内聚力变小,粘度下降 气体粘度与分子热运动有关,温度越高,分子运动加强,动量交换增加,流层间制约增大,粘度变大

印度蝗虫对飞行器的影响研究论文

1、根据媒体报道，界面新闻刊发《吃掉几亿人粮食的蝗灾怎么来的？》一文，详细介绍了这波蝗灾出现的前因后果。此次灾情的罪魁祸首为沙漠蝗，它是一种主要分布在北非、中东和西南亚炎热沙漠地带的蝗虫。在持续干旱、食物匮乏时，沙漠蝗将从独居状态切换为群居状态；连续降雨和天气湿润则为沙漠蝗爆炸性繁殖提供了理想条件。 2、从东非爆发的蝗虫灾害如今已经蔓延至了巴基斯坦与印度，即将抵达中国，很多人都在担心，印度的蝗灾会蔓延到中国吗？为什么？蝗虫是一种对农作物危害非常大的害虫，拥有强大的繁殖能力，单个蝗虫一次产卵的数量就在80-120颗左右，并且幼虫经过20天的生长就能够成年，所以蝗灾的危害对于农业国家来说是非常严重的。 3、此次蝗灾是由东非开始，受到季风洋流的影响，蝗灾逐渐的向巴基斯坦和印度方向飞来，但是如今却很难蔓延到中国。首先蝗虫会受到地势影响，印度与中国的交界处有着青藏高原阻挡，蝗虫无法翻越如此高海拔的山脉。其次，在从印度到中国的路途中，人迹罕至，蝗虫很可能会因为没有足够的粮食而被饿死。第三，如今蝗群抵达巴基斯坦时已经接近产卵期，蝗虫的寿命非常短暂，只有三个月左右，产卵期的蝗虫飞行速度也不高，很可能在印巴两国地区产完卵就死亡了。所以目前来看这场蝗虫灾害还蔓延不到中国。 4、不过，蝗虫产卵过后，或许会爆发出新一轮的蝗灾，届时蝗灾的数量将会是数十倍的增长。虽然如今科技已经非常发达，但是对于蝗灾的治理方面，依旧存在着严重的不足。最常见的方式就是喷洒杀虫剂，但是喷洒杀虫剂有一个非常严重的后果，很可能会污染到水源或者农业区。其次由于蝗虫的飞行速度太快，其飞行方向又没有轨迹可寻，所以很难提前预防。而最好的预防方式就是在一次蝗灾之后找到蝗群的产卵地，从虫卵阶段就将其消灭。 5、虽然这次蝗灾很大程度上不会蔓延到中国，但是我们还是要做好防御措施，防止下一次的蝗灾爆发，毕竟没有人可以准确判断出蝗灾到底会去向哪里。

当然是在飞机外面喷撒一些可以让它飞跑的药，这样喝了药物。蝗虫可以死亡了，这样就伤害不了我们了啊。

其实并没有4000亿只蝗虫那么多，但是蝗虫的数量也是非常多的。印度通过飞机在空中喷洒农药消灭蝗虫，但是成果并不是太好，并没有将蝗虫全部消灭。

前几日当人们还在为蝗虫忧心忡忡时，突然就传来消息说印度的4000亿只蝗虫已被消灭，速度之快令人震惊。这当然是个好事，而据印度方面说是利用了高效杀虫剂，才能在短时间内起到如此好的效果。

人为防控的作用不可忽视。蝗灾严重，造成的损失巨大，印度也是投入非常大的人力物力进行防治，及时控制蝗虫的进一步泛滥。据消息称印度这次进行的某次空军演练，以蝗虫为目标进行实战操作，一举灭了200亿只蝗虫。不过人力是一方面，自然规律也起着重要作用。

此次入侵的蝗虫为“沙漠蝗虫”，寿命平均在3个月左右。到现在基本都寿命已尽，所以才会大量死亡。印度的重灾区拉贾斯坦邦农村也已经堆积着厚厚的蝗虫尸体，基本看不到蝗虫飞过。

同时，由于印度快要进入夏季，温度与湿度已经不适宜蝗虫生存。它们并没有选择继续迁移，也给印度灭蝗提供了一个好时机。

但蝗虫的死亡不代表蝗灾真的就已经灭除。更加需要警惕的是它们留下的卵，这些卵甚至可能造成更大的威胁。一只蝗虫可以产下50-100个卵，如果不除去，到卵孵化后，蝗虫数量可能更为可怕。这也是联合国粮农组织呼吁世界警惕的原因。

蝗虫的破坏威力非常大。小群的蝗虫一天就可以吃掉两千余人的口粮，印度的70万军人也因口粮被吃空而撤退。印度西部将近35万公顷的土地都受到影响，农业遭受巨大打击。

对于蝗灾不可掉以轻心。虽然它们进入我国的概率很小，但防范总是好的。