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关键词： 声发射源定位   定位精度   温度   应力   未知空区结构  

摘要： 随着深部矿产资源的采掘和地下空间的开发利用,采矿工程不断走向深部。深部空间环境复杂多变,地下开挖带来的工程扰动,使得深部岩体积蓄的大量能量瞬间释放,岩爆灾害剧增。声发射技术可以有效地监测岩石微破裂发生的位置,但声发射源定位通常受温度、应力和孔洞结构等复杂因素的影响。本文利用声发射技术,针对温度变化、应力变化以及未知空洞结构三种复杂环境条件下的声发射源定位进行了调研和分析。主要研究内容和结论如下:(1)本文为研究温度对声发射源定位精度的影响,设计了利用点热源加热使空心半球形试件温度发生变化的声发射源定位实验。结果显示,声发射源平均定位误差在加热初期和加热中期(室温～82℃)基本维持在1.6cm～2.0cm。在加热后期(82℃～94℃),由于裂纹的出现,声发射的定位误差急剧增加至8.9cm。这表明,温度变化引起的结构内部热膨胀进而导致的结构开裂在很大程度上会降低声发射源的定位精度。这是由于弹性波不能直接穿过裂纹,实际波路径不再等于预先计算的路径。同时,针对温度变化下减小声发射源定位误差给出建议:在对温度变化显著的结构进行声发射源定位时需要用实时调整和实际传播路径。准确确定结构开裂的时间和位置,选择更合适位置的传感器进行定位以优化定位方法,具有重要的安全意义。(2)本文为研究应力对声发射源定位精度的影响,设计了花岗岩双轴压缩声发射源定位实验,探究不同应力状态下的声发射源定位。结果表明,平均定位误差及误差的标准差随着应力增加均出现先减小后增大的趋势。岩石不同应力阶段对应不同波速变化,岩石受载在0～50MPa时,内部波速在逐渐增大;50MPa～94MPa时,内部波速迅速减小。这与岩石内部原有裂纹的压密和新裂纹的不断扩展有关。采用的定位方法可在一定程度上减小由波速变化导致的声发射源定位误差,但结构开裂仍是导致定位精度大幅下降的原因。通过动态调整波速,减小定位波速与实测波速的差值,可达到提高声发射源定位精度的目的;同时,可采用波速测量装置监测受载结构的波速变化,以判断待定位结构所处的应力状态及内部损伤情况,从而确定损伤位置以优化声发射定位方法。(3)本文为研究含未知空区结构对声发射源定位的影响,选择五块包含不同形状、大小、位置的空区试样,设计了声发射脉冲和断铅实验,分别采用TD和新提出的SUEA两种定位方法进行定位。结果显示,含未知空区的结构对传统定位方法TD的影响较大。SUEA可以实现通过激发主动声发射源并使用收集到的声发射信号来辨识未知区域中空区的形状、大小和位置。然后,在已识别空区的基础上,进行精准定位未知声发射源,它的平均定位精度相较于TD提高了78%。这表明,新提出的定位方法可以在包含未知空区的区域实现更有效、更准确的声发射源定位。它不仅为复杂结构中异常区域的检测和声发射源的定位提供了理论依据和技术支持,而且有利于工程灾害的预测和控制。图27幅,表22个,参考文献89篇

关键词： 低温环境   制动盘   磨损   温度场   应力场  

摘要： 随着哈大线的开通,极端的低温环境对我国家高速铁路的发展带来了考验。制动盘及闸片作为制动系统中的关键部位,其性能的好坏对列车的安全起着至关重要的作用,而极端低温环境又对制动盘及闸片材料带来更大的考验。因此研究高寒地区低温环境下列车制动盘的制动摩擦性能对列车在高寒地区的安全运行有重要意义。课题开展了环境温度（-20℃、-10℃、0℃、20℃）,以及低温环境中制动速度（77.39km/h、69.65km/h、61.88km/h、54.15km/h）对列车制动摩擦特性影响的模拟实验研究,分析了制动盘及闸片的磨损及损伤形式并记录了制动盘温度场,同时对制动盘的温度场以及应力场进行了有限元仿真分析。主要内容如下:（1）为了探究温度对制动材料热力学性能影响,开展了制动盘材料热力学性能试验,得到了制动盘材料-40℃、-20℃、0℃、20℃、200℃、400℃温度下的导热系数、热扩散系数、比热容、泊松比以及密度,同时发现这些参数值在0℃左右波动较大。（2）为了研究环境温度对制动及摩擦性能影响,建立了仿真模型,结合试验研究发现制动盘表面最高温度随着环境温度的降低而降低,大致呈现出线性关系,在不同环境温度下盘面温升值基本稳定,在0℃时出现温升异常。同时盘面最大热应力与最高温度呈现出同样趋势。闸片和制动盘的损伤会随着环境温度的降低而加剧,闸片的损伤直接影响着制动盘的损伤。当环境温度降至0℃及以下时,闸片试样表面开始出现大量的石墨颗粒,并伴随着裂纹以及剥落等现象。剥落颗粒在高温高压的状态下形成硬质颗粒对制动盘造成更严重的损伤,盘面也因此出现了点蚀、剥落以及裂纹等损伤,结合材料的热力学性能分析,这可能是因为制动材料在0℃附近性能会发生改变,由韧性材料逐渐转变为脆性材料,从而导致在0℃时材料脱落激增,使得盘面升温异常。（3）为了分析低温下制动材料损伤性能,在20℃下开展了制动速度对制动材料摩擦磨损性能试验,结果表明制动盘的最高温度随着制动速度的降低而降低,大致呈现出线性关系,盘面最大应力值呈现出同样的变化趋势。在相同环境温度及制动压力下,制动速度是影响制动盘及闸片损伤的主要原因,制动速度的降低使得闸片表面损伤减小,突出石墨颗粒数量减小,盘面损伤也因此减弱。课题对高速列车制动材料在低温环境下的损伤特性做了相关研究,并就其温度场及应力场进行了仿真分析,为高速制动材料性能的低温摩擦特性及改进性研究提供了一定的基础。

关键词： Ni-Mn-Ga合金   磁场   偏析   应力   γ相   形核  

摘要： Ni-Mn-Ga合金性能调控和组织控制一直是智能材料领域的研究热点。富镍Ni-Mn-Ga合金中γ相的引入极大地提升了材料的韧性,使其展现出广阔的应用前景。然而以往对富镍Ni-Mn-Ga合金中γ相和马氏体相的形貌、取向和成分分布等在Ni-Mn-Ga合金应变过程中的影响机制研究较少。此外,外场下Ni-Mn-Ga合金相变过程中的晶体学演化也是探究其性能变化的关键。因此本论文拟通过改变合金成分或者利用调控合金中微观/宏观偏析,获得不同组织的合金样品,进一步研究其对机械性能的影响,以及外场下Ni-Mn-Ga合金中组织演变和性能响应。主要取得以下研究结果:研究了富镍Ni58Mn25Ga17和Ni60Mn25Ga15合金的成分分布和取向生长规律,及其机械性能和断裂特征。从偏析角度出发,发现Ni元素主要在γ相中偏析,Mn元素和Ga元素主要在β相中偏析;此外,在Ni58Mn25Ga17合金中β相沿（001）A择优生长方向,而在Ni60Mn25Ga15合金中γ相有（001）A择优生长方向。发现Ni58Mn25Ga17合金中以马氏体相的穿晶断裂占主导地位;Ni60Mn25Ga15合金中存在大量的枝晶状和层片状γ相,因其良好塑性可有效抑制马氏体穿晶断裂的裂纹扩展,提高了断裂应变。并且发现,在应力施加过程中变体重取向的变形与外应力相适应,且通常发生在Schmid因子较高的变体上。探究了横向磁场对Ni-Mn-Ga合金定向凝固横向偏析组织的影响,并且分析了在热场、应力场以及磁场条件下Ni-Mn-Ga合金中马氏体相变演变规律和力学行为。发现磁场能够诱发样品尺度上的溶质偏析,以及减轻枝晶尺度上的偏析。进一步外场下的相变研究发现,温度诱导的马氏体相变以“楔形”变体对方式生长,主要归因于相变前后微观组织的应变自适应特征。另外,样品的超弹性显著依赖于其晶体方向,可归因于不同方向的分切应力因子不同。此外,在Ni-Mn-Ga合金马氏体相变中磁场的施加可以促进易磁化轴平行于磁场方向的变体优先生成。本研究通过调控Ni-Mn-Ga合金的成分和取向,揭示了不同组织对合金性能的影响,探索了横向磁场对合金定向凝固组织的影响,加深了对外场下马氏体相变和机械行为的理解,丰富了Ni-Mn-Ga合金的制备技术与相变理论研究。

关键词： Ti-Al(48at.%)合金   PAW电弧增材制造   温度场   显微组织   应力场   抗拉强度  

摘要： Ti-Al合金是一种理想的新型轻质高温结构材料,具有高熔点、高比强度、耐蚀、耐磨以及优异的抗氧化和高温蠕变性能等优点,使用温度高达700～1000℃,密度仅为镍基高温合金的1/2,广泛应用于航空航天、船舶、汽车、生物医药等领域。本研究采用等离子电弧作为热源,通过双丝电弧增材制造（WAAM）沉积Ti-Al（48 at.%）合金。采用金相显微镜、x射线衍射和电子背散射衍射分析了合金不同区域的显微组织和相组成。采用红外热成像测量温度场,盲孔法测残余应力,并通过数值模拟方法分析了瞬态温度场和残余应力分布。通过改变基板的预热温度研究了预热温度对裂纹产生的影响,进一步研究了沉积过程中裂纹产生的原因。试验结果表明: 在两种热源的最大热流密度保持一致的情况下,由于TIG电弧热源收缩程度较差,导致其功率大于PAW电弧。因此在PAW电弧沉积Ti-Al合金过程中可减小沉积过程中的热积累,使沉积件温度场分布更加均匀,进而对残余应力分布造成影响。PAW沉积Ti-Al（48 at.%）合金沿厚度、熔覆方向的残余应力变化均匀。TIG沉积Ti-Al（48 at.%）合金沿厚度、熔覆方向残余应力变化梯度较大。因此,PAW沉积Ti-Al（48 at.%）合金的组织均匀性、抗裂性优于TIG。 在PAW电弧沉积Ti-Al合金的过程中,观察到了厚度方向的组织变化。沉积件主要由α2-Ti3Al和γ-TiAl相组成。α2相在沉积件底部、中部、顶部的含量分别为5.85%,3.92%和3.16%。随着沉积位置的变化,从沉积件底部到顶部片层间距逐渐减小,分别为2.134μm、1.202μm和0.348μm。沉积件底部、中部和顶部的热导率分别为37.701 W/（m*k）、34.010 W/（m*k）和33.671 W/（m*k）。组织变化引起的散热变化差异是热积累加速增加的原因之一,进一步增强了热积累和应力分布变化。 PAW电弧制备的Ti-Al合金壁的力学性能表明,组织变化对力学性能产生影响。沉积件顶部抗拉强度和延伸率分别为418.84 MPa和52.3%、中部抗拉强度和延伸率分别为378.70 MPa和43.5%、底部抗拉强度和延伸率分别为229.15 MPa和21.8%。沉积件顶部显微硬度最大,为424 HV,底部显微硬度次之,为396 HV,中部显微硬度最小,为377 HV。 PAW电弧沉积Ti-Al合金的裂纹出现在起始端底部,从边缘往中心扩展。随着基板预热温度从560℃提高至620℃、680℃,片层间距增大,硬度降低,开裂倾向减小。当基板预热温度为680℃时,裂纹消失。基于瞬态热应力耦合场分析表明,随着基板预热温度的增加,沉积件瞬态应力减小。 随着沉积高度的增加,下部凝固层YZ-瞬态剪切应力首先随之增大,达到最大值后又随之减小。沿厚度方向底部YZ-瞬态剪切应力大于中部和顶部。在沉积件底部,起始端YZ-剪切应力和Z方向应力均大于末端。因此沉积件底部起始端裂纹敏感性较大。

关键词： 太阳能吸热器   太阳能流分布   对流换热   应力   热效率   S-CO2  

摘要： 吸热器作为塔式太阳能热发电系统实现光热转换的核心部件,当前面临的非均匀太阳能流现象和工质流量分配不均产生的复杂传热过程,对其能量转换效率和安全运行有着重要的影响。为保证下一代塔式太阳能熔盐吸热器的安全高效运行,有必要对吸热器在真实非均匀能流和不均匀流动分布下的光热转换特性进行深入探究。建立了基于蒙特卡罗光线追踪法、有限体积法和有限元法的塔式太阳能吸热器光-热-力耦合数值模型。针对太阳能吸热器单侧受热不均问题,提出了新型的实现双侧受热的“月牙式”吸热器,通过与传统的外露式吸热器对比,将不同工况下的流动换热特性及应力分布规律进行了深入研究。针对太阳能吸热器内部工质流量分配不均问题,对塔式太阳能吸热器中最具前景的超临界CO2管式吸热器流动布置方式及流动换热特性进行了探讨。主要工作及结论总结如下。（1）建立了基于蒙特卡罗光线追踪法、有限体积法和有限元法的塔式太阳能吸热器光-热-力耦合数值模型,针对多点聚焦瞄准策略下吸热器的光热转换特性、温度场时空变换规律及应力分布特性进行了探讨。结果表明:随太阳高度角的变化,一天内集中太阳能流由吸热器表面的西侧向东侧偏移,南北两侧的差异受影响较小;吸热器的热效率和光热效率主要受光照强度和风速的影响,在典型的设计工况下,随着太阳高度角的变化光照强度先增后减,热效率和光热效率在中午时达到最大值83%和58.5%;吸热器迎风侧对流换热系数较大,具有较高的对流损失,风速由1 m·s-1增加到20 m·s-1时,吸热器的热效率由83%降低至71%,光热效率由58.4%降低至50%;吸热器外壁温度也呈现出强烈非均匀性,与内部熔盐温度变化趋于一致,低温熔盐从高热流密度区进入,可显著降低高热流密度区壁面温度;外壁应力分布也呈现出强烈非均匀性,峰值应力位于北侧峰值太阳能流位置,通过选取典型单管计算发现,北侧峰值应力约为南侧的2倍;熔盐吸热管的等效应力由热应力占主导,且由于单侧受热,受光侧和背光侧温差较大,容易产生较大的集中应力。（2）考虑到传统外露式吸热器内外侧受热不均的问题,提出了实现内外双侧受热的月牙式新型吸热器。通过与传统的外露式吸热器对比,探讨了多点聚焦双侧受热下吸热器的热流分布规律、温度分布规律和流动换热特性。同时探讨了月牙式吸热器局部吸热管的热应力、压力应力、等效应力特性以及整体的应力分布规律。结果表明:月牙式吸热器内侧和外侧太阳能流峰值较传统外露式吸热器均明显降低,春分日正午12时峰值通量较传统外露式吸热器降低9.6%;春分日额定出口温度下,月牙式吸热器的热效率和光热效率在不同工况下均大于外露式吸热器,并且随光照强度及风速变化的幅度比外露式吸热器较小;春分日12时月牙式热效率较外露式高5.63%,8时热效率较外露式高9.13%;月牙式吸热器内侧对流换热系数非常低,外侧对流换热系数较传统外露式显著降低;月牙式吸热器峰值温度较外露式吸热器高出29.87 K,但内外两侧温差较小,较高的热点并未产生过高的局部应力;通过选取典型单管应力计算发现,月牙式吸热器开口去除的管板对应的是外露式吸热器应力较高的管板,月牙式吸热器可以显著均化应力分布,降低局部单管峰值应力,最大峰值应力较外露式吸热器降低42.8%。（3）针对吸热器内部工质流量分配不均问题,对超临界CO2管状太阳能吸热器在非均匀太阳能流分布下的流动换热特性进行了数值研究。重点讨论了太阳能流分布和流动布置对流动换热的影响。为了更好地描述平行管内质量流量分配与吸收器壁面上太阳能流分布的匹配特征,本文提出了能流匹配因子φ。结果表明:吸热面的不均匀太阳能流会导致局部温度过高和热损失增加,调整流动布置以匹配太阳能流分布可以减少热损失;φ值可以作为热性能的评价指标,φ值越大,外部热流分布与内部流量分布更加匹配,热性能越好;虽然I型流动布置导致流量分配不均匀,中间管内流体较多,但在高斯型太阳能流分布下并不总是产生良好的热性能,这在很大程度上取决于高斯分布的标准差;针对已知的太阳能流分布,通过将φ设置为1可以很容易地确定理想的流量分配,这为管状太阳能吸热器面板的设计和优化提供了指导。

关键词： 激光   光学薄膜   温度场   应力场   塑性阶段   效能评估  

摘要： 随着现代激光技术的发展,激光武器逐步进入实战应用,光学薄膜作为信息感知系统的重要组成成分,是造成对方势力损失的关键因素。高能激光对光学薄膜的毁伤效能也受到了高度的关注。由于激光破坏的瞬时性及测试设备的高昂成本,使得试验评估受到一定的限制和挑战。通过数值模拟的方法对薄膜材料毁伤效果可以进行有效地研究分析。由于激光武器的辐照特点及光学薄膜结构与功能的特殊性,本文采用基于模型计算的目标易损性/战斗部威力分析法,在大气环境中,利用激光参数的改变,得到不同激光特征值对薄膜材料毁伤效应的影响。对目标易损性的研究,主要基于薄膜材料的热致损伤机理,从热传递理论出发,利用激光与材料的物理场耦合作用,获得了薄膜材料的毁伤状态。论文主要研究工作及结果如下:1)分析激光对薄膜材料的损伤机理,以Al2O3薄膜为主要研究对象,得到光学薄膜在激光辐照下的主要破坏机制为热致损伤。由于热作用的影响,确定以温度变化作为激光对光学薄膜毁伤的评估准则。2)建立单脉冲激光与薄膜材料相互作用的热-力场模型。利用有限元法仿真,获得了激光作用于光学薄膜材料的温度场及热应力场分布。通过对仿真结果的研究分析,结果表明在其他条件不变时,光学薄膜温度及热应力随着激光能量的增大而增大,随着光斑半径的增大而减小。激光能量越大,光斑面积越小,光学薄膜更易受到损伤,损伤的程度越深。3)构建热弹塑性计算模型及熔化模型,对激光能量在20J,光斑半径为4mm时,作用于Al2O3薄膜的热弹塑性转变状态及熔化状态进行有限元仿真分析。明确在光学薄膜材料进入塑性状态时,开始产生损伤;在温度到达熔点时,进入完全毁伤状态。通过计算,Al2O3薄膜在0.065ms进入塑性转变,此时,辐照中心最高温度为381.61K。在一个脉冲完成时,没有达到完全毁伤,辐照中心最高温度为1283.02K。4)整合激光及材料损伤数据,考虑激光在空气中的衰减,得出温度在396K～2045K时,Al2O3薄膜损伤状态处于一般损伤状态;温度大于或等于2045K时,Al2O3薄膜处于完全毁伤状态。对激光参数改变时,Al2O3薄膜的损伤情况进行验证。通过综合分析,单脉冲作用下,在激光能量小于2.5J时,无损伤状态出现;激光能量小于33.08J时,无完全毁伤状态存在。本文的研究实现了光学薄膜在激光辐照下破坏效应的准确评估,同时为激光精确打击目标,优化镀膜工艺,制备具有强抗激光性薄膜,延长光学系统的使用,提供了重要的参考。

关键词： 负压   物性参数   射孔段管柱   应力   流固耦合  

摘要： 射孔作业不断追求深穿透、高孔密、大孔径,增加了单枚射孔弹的装药量和爆轰能量,增大了射孔段管柱振断、振弯事故风险。初步研究认为,射孔负压和储层物性参数对射孔段管柱强度安全有不可忽视的影响。为此,本文基于LS-DYNA软件,应用ALE算法,建立了射孔弹-枪-油管-射孔液-套管-水泥环-储层的流固耦合模型,模拟金属射流成形、侵彻多层靶板的过程,查明了射孔负压规律,分析了射孔段管柱的速度、加速度和应力变化规律;应用控制变量法,分析了地层围压和抗压强度对射孔段管柱速度、加速度和应力变化的影响规律。 分析结果表明,射孔液初始载荷为60MPa,24μs时,射流射穿盲孔,射孔液由于应力波和高温高压气体作用发生剧烈运动,射孔液压力骤增至476.5MPa;在100μs时,射孔液经过封隔器约束端边界发生反射,射孔液压力为582.5MPa;在170μs时,射孔液回流,射孔液压力骤降至70MPa;在170μs-259μs时,射孔液压力在65MPa-150MPa之间波动,最后压力趋于稳定。射孔段管柱由于射孔液回流在靠近封隔器约束端达到最大等效应力,为421.2MPa;最大速度46.3m/s、最大加速度为39.5m/s2。 保持抗压强度不变,当地层围压从30MPa增加到70MPa时,射孔段管柱X方向最大速度和最大加速度分别增加了12.2%和12.1%,Y方向则分别增加了14.1%和13.5%;50MPa围压下射孔段管柱最大等效应力较30MPa围压下增加了10.4%,最大等效应力出现在封隔器约束端;70MPa围压下射孔段管柱最大等效应力较50MPa围压下增加了5.5%。保持地层围压不变,当抗压强度从80MPa增加到120MPa时,射孔段管柱X方向最大速度和最大加速度分别增加了13.3%、6.7%,Y方向则分别增加了11.8%、8.9%,100MPa抗压强度下射孔段管柱最大等效应力较80MPa抗压强度下增加了6.8%,120MPa抗压强度下射孔段管柱最大等效应力较100MPa抗压强度下增加了5.5%。 研究表明,在射孔过程中,射孔液回流对射孔段管柱的速度、加速度和等效应力影响较大。随着地层围压、抗压强度增加,射孔段管柱的等效应力增大、X方向最大速度和最大加速度增大、Y方向最大速度和最大加速度增大。本文可为射孔段管柱强度安全性分析提供参考,也可为水下约束条件下的高爆压流固耦合问题提供新思路。

关键词： 第一性原理   二维铁磁材料   磁各向异性   应力   异质结  

摘要： 二维铁磁材料的发现,为研究原子级厚度材料的物理性质提供了广阔的拓展空间。伴随着对铁磁材料的深入研究,我们发现磁各向异性在未来密度高、速度快、能耗低的信息储存和自旋电子学等众多领域中具有潜在应用。本文利用第一性原理方法,主要研究了双轴应变对单层Fe2Si和Fe2Ge的磁各向异性（MA）和居里温度（Tc）的影响,分析了其内在的物理机制,为下一代新型自旋电子学器件的功能化开发与设计提供了理论指导。基于密度泛函理论,着重探究了由Janus MnXY（X,Y=S,Se,Te）构筑的二维铁磁范德华异质结,其中主要针对二维MnSTe与MnSeX（X=S,Te）异质结进行基本特性的研究,以及异质结堆垛方式不同对磁各向异性的影响。我们计算Janus MnSTe与MnSeX（X=S,Te）组成的八种异质结的磁基态,其稳定磁态均为铁磁态。本论文的主要结论如下:（1）单层Fe2Si和Fe2Ge属于金属铁磁性二维材料,具有约780 K和460 K的居里温度和强垂直磁各向异性。对二维Fe2Si和Fe2Ge施加-5%至5%的应变,得出磁基态均为铁磁态,并从内在机制角度解释在压缩应变下铁磁态加强的机理。为了探究应变对MA的作用机理,我们进一步分析了Fe原子d分轨道对磁各向异性能的贡献。随着拉伸应变的增加,dxy/dx2-y2轨道相互作用下的正贡献增加,dyz/dz2轨道相互作用下的负贡献减少。基于自旋轨道耦合（SOC）的二阶摄动理论,深入分析轨道分波密度,总结出磁各向异性能的增强是由配体场分裂能的增强和交换分裂能的减少引起的。此外蒙特卡罗（MC）模拟结果表明,在-5%至5%的应变范围内,随着压缩应变的增加,单层Fe2Si的Tc从600 K增加到890 K,Fe2Ge的Tc从380 K增加到700 K。相对于单层Fe2Si来说,Fe2Ge对压缩应变较为敏感,在5%压缩应变下Tc从560 K降到室温附近（380 K）,可以应用于对应变和温度敏感的设备。这些结果表明,单层Fe2Si和Fe2Ge具有较高的磁各向异性能和居里温度,施加应变可以实现对二维铁磁材料的磁各向异性以及居里温度有效调控,对高密度数据存储和自旋电子学器件的开发与设计具有重要意义。（2）对于Janus MnSTe与MnSeX（X=S,Te）构筑的二维铁磁材料范德华异质结,我们深入分析发现MAE主要来自于磁性原子Mn原子d轨道和重原子Se/Te原子p轨道之间的相互作用。当重原子处于异质结耦合界面处时,层间相互作用增大,同时异质结耦合界面处原子改变对磁各向异性的方向和大小都有不同程度的影响。TeMnS和Se MnS所构成的四种异质结构型中,TeMnS/Se MnS异质结具有面外磁各向异性,MnSTe和MnSeTe所构成的四种异质结构型具有垂直磁各向异性,其中TeMnS/Se MnTe具有最大磁各向异性,为0.698 meV。总得来说,堆垛方式的改变很大程度上提高了范德华异质结的磁各向异性能,为研究二维铁磁范德华异质结的磁学特性提供了新的研究思路,为实验中的方案设计提供了理论依据。

关键词： 股骨髁上骨折   锁定钢板   有限元分析   位移   应力  

摘要： [目的]利用有限元分析方法分析缓应力型股骨远端钢板和普通锁定股骨远端钢板固定股骨髁上骨折的生物力学性能,对比两者稳定性和内固定上的应力分布,为临床股骨髁上骨折的治疗提供参考。[方法]收集志愿者股骨CT数据,利用Mimics21.0软件进行三维重建建立初步右侧股骨三维模型,然后导入Geomagic Wrap软件中进行光顺、降噪等操作优化右侧股骨三维模型。在Solidworks2018软件中模拟股骨髁上横行骨折,以及建立缓应力型股骨远端钢板、普通锁定股骨远端钢板和锁定螺钉内固定模型并完成与股骨髁上骨折模型的装配,建立两组模型:缓应力型钢板固定股骨髁上骨折模型和普通锁定钢板固定股骨髁上骨折模型。在Ansys Workbench19.0软件中完成两组模型的材料属性赋值,设置接触条件及约束,分别模拟在步态和爬楼梯两种状态进行有限元分析。评估指标包括:(1)两组模型的股骨位移云图及最大位移;(2)骨折断端近端分别在X轴、Y轴、Z轴的轴向位移;(3)内固定的应力分布及应力峰值。[结果](1)步态下,缓应力型钢板固定模型和普通锁定钢板固定模型股骨位移峰值均在股骨头处,分别为15.021mm和14.939mm,越靠近远端位移越小;骨折断端近端X轴、Y轴、Z轴轴向位移分别为0.129mm、0.079mm、1.074mm和0.069mm、0.048mm、1.074mm。缓应力型钢板上的应力集中在开槽的后侧区域,应力峰值为300.98MPa,而普通锁定钢板应力集中在骨折以远后侧第一个置钉钉孔后侧,应力峰值为240.32MPa。缓应力型钢板固定模型螺钉应力集中在骨折近端子钉尾侧远端,应力峰值为281.63MPa,普通锁定钢板固定模型螺钉应力集中部位位于骨折以远前侧第一颗螺钉尾侧近端,应力峰值为 292.08MPa。(2)爬楼梯状态下,缓应力型钢板固定模型和普通锁定钢板固定模型股骨位移峰值均位于股骨头处,分别为18.497mm和18.857mm,越靠近远端位移越小;骨折断端近端X轴、Y轴、Z轴轴向位移分别为0.084mm、0.256mm、1.115mm和0.165mm、0.171mm、1.125mm。缓应力型钢板应力集中在开槽后侧区域,应力峰值为448.76MPa,普通锁定钢板应力集中在骨折以远前侧第一个置钉钉孔近端,应力峰值为464.03MPa。缓应力型钢板固定模型和普通锁定钢板固定模型螺钉应力集中部位均位于骨折以远第一颗双皮质锁定螺钉尾侧近端,应力峰值分别为565.34MPa和700.50MPa。[结论]缓应力型钢板较普通锁定钢板表现出更好的生物力学特性,尤其是在高载荷时,内固定失效风险小,为股骨髁上骨折提供了一种更好的选择。

关键词： 锆钛酸铅   外延薄膜   铁电电容器   应力   位错密度  

摘要： 长期以来,钙钛矿结构Pb(Zr1-xTix)O3（PZT）因其丰富的物理化学性质与制备工艺适应性成为铁电集成领域研究的热点。在将衬底与外延铁电薄膜集成的过程中,晶格失配带来的应力问题削弱了功能薄膜器件的物理性能。因此,降低晶格失配度以改善功能薄膜中的应力是集成高性能铁电器件的关键。本文在Sr Ti O3（STO）基片上,以氧化物Sr Ru O3（SRO）为电极,研究了PZT薄膜厚度以及金属间化合物Ti3Al薄膜缓冲层的引入对SRO/PZT/SRO电容器结构和物理性能的影响规律。 采用磁控溅射法在STO基片上生长了SRO（40 nm）底电极和应用溶胶-凝胶法在SRO/STO模板上制备了PZT（120 nm）外延铁电薄膜。研究发现,SRO薄膜和PZT薄膜均是沿STO衬底（00l）取向外延生长且结晶度良好。5 V驱动电压下,SRO/PZT/SRO铁电电容器具有较低的矫顽电压（2Vc）和较高的剩余极化强度（2Pr）,分别为3.1 V和177.1μC/cm2。PZT薄膜的漏电密度-电压（J-V）特性曲线表明,SRO/PZT/SRO电容器具有较小的漏电密度(1.54×10-3 A/cm2)。介电常数-电压（εr-V）蝶形曲线进一步证明了PZT薄膜优异的铁电性能,最大介电常数（εr）为794。电容器稳定性测试发现,抗疲劳特性和脉宽依赖性均良好,说明了氧化物SRO外延薄膜适合作为PZT薄膜外延生长的电极材料。 采用溶胶-凝胶法在SRO（40 nm）/STO模板上制备了PZT厚度为40 nm、80 nm、120nm和160 nm的铁电薄膜,探究了厚度对SRO/PZT/SRO铁电电容器结构和物理性能影响的规律。研究发现,PZT厚度为120 nm时,铁电薄膜的外延结晶质量最好,面外晶格常数c为4.1386（?）,全宽半高（FWHM）为0.7559°,较小的刃型位错密度(NE=2.4868×1010/cm2)说明了薄膜中存在较小的应力场。PZT厚度为120 nm的SRO/PZT/SRO电容器具有较大的Pr、较小的Vc以及最大的εr,归因于较小的位错密度减小了位错应力场对PZT铁电薄膜极化翻转等物理性能的影响。漏电机制分析表明,在±425 k V/cm测试电场下,四个样品电容器均满足低场强为欧姆导电机制,高场强为空间电荷限制电流（SCLC）导电机制。 采用金属间化合物Ti3Al薄膜作缓冲层,构架了SRO/PZT（120 nm）/SRO（40nm）/Ti3Al/STO和SRO/PZT（120 nm）/SRO（40 nm）/Ti3Al/SRO（40 nm）/STO两种电容器,与不含Ti3Al缓冲层的SRO/PZT（120 nm）/SRO（40 nm）/STO铁电电容器的结构和物理性能进行了对比研究。研究发现,三个电容器中PZT薄膜均为外延结构,Ti3Al缓冲层的引入提高了PZT薄膜的结晶质量。生长在SRO（40 nm）/Ti3Al/SRO（40 nm）/STO模板上的PZT薄膜的矩形度c/a为1.0345、位错密度为2.2826×1010/cm2以及均方根粗糙度（RMS）为1.20 nm。生长在SRO（40 nm）/Ti3Al/SRO（40 nm）/STO模板上的PZT薄膜的Pr和Vc分别为133.2μC/cm2和1.50 V,而且该电容器具有良好的保持、抗疲劳等器件稳定性能。间接引入Ti3Al缓冲层使得SRO/PZT/SRO/Ti3Al/SRO/STO电容器的相对介电常数增大到1085,且Ti3Al缓冲层的引入不会改变SRO/PZT/SRO电容器的漏电机制。探究了引入Ti3Al缓冲层后,底电极SRO薄膜厚度对SRO/PZT/SRO电容器物理性能的影响规律。研究发现,SRO厚度为120 nm时,在SRO/Ti3Al/STO模板上生长的PZT薄膜具有较大的剩余极化强度和介电常数。超过此厚度后,电容器物理性能逐渐下降。