在数字信息时代,万物互联和智能化成为一种趋势,对信息获取的要求日益增强,因此,传感器的研究倍受关注。其中,光学折射率传感器以其非接触、稳定性好、损耗小、不受电磁干扰的优势在医学诊断、生物测定以及环境分析等众多领域都得到了应用。随着光学折射率传感器应用领域的不断拓展,人们急需各种用途、多样化的光学折射率传感器。另外,为了适应科技的高速发展,对灵敏度和品质因数(Figure of Merit,FOM)等传感性能的要求也不断提升。研发新型光学折射率传感器结构,并且使其具备优异的传感性能变得很有必要。近年来,材料科学和微纳制造工艺迅速发展,使得微纳光学结构逐渐兴起。微纳光学结构可以人为设计的优点以及独特的光学特性,让其在光学传感领域大放异彩,为高性能传感提供了新思路。文中分别提出基于光子晶体结构和超表面结构的光学折射率传感器,并针对传感器的性能进行了深入探讨,主要研究内容如下: (1)对基于一维单缺陷磁光光子晶体的磁光克尔效应进行了系统讨论,首先展示了当线偏振光垂直入射到选定的一维单缺陷磁光光子晶体上时,克尔旋转角与透射波所遇到的物体的折射率存在线性依赖关系,这表明一维单缺陷磁光光子晶体可以用作基于克尔旋转角检测的折射率传感器。此外,研究发现,传感器的灵敏度和探测范围受介质层折射率、光子晶体的层数等因素的影响,经过调整优化,该传感器角灵敏度可达10～4deg/RIU数量级,而通常报道的传感器的角灵敏度一般在10～10～2 deg/RIU数量级,这一设计为制造高性能的、基于角灵敏度检测的折射率传感器提供了一种新途径。 (2)设计了一种基于Fano共振的硅金字塔超表面折射率传感器,并通过数值仿真表明,与硅矩形纳米片超表面或硅矩形环超表面相比,硅金字塔超表面适合用于产生更窄线宽和更大Q因子的Fano共振,因此,用硅金字塔超表面制成的折射率传感器具有更高的灵敏度和更高的FOM。此外,Fano共振的特性也取决于金字塔的大小,包括它的长度、宽度和厚度。通过对金字塔尺寸的优化,获得了灵敏度为931 nm/RIU、FOM为4900的硅金字塔型超表面折射率传感器。与已报道的金属超表面折射率传感器相比,硅金字塔超表面折射率传感器的灵敏度较低,但FOM要大得多。与全介质超表面折射率传感器相比,硅金字塔超表面折射率传感器具有更高的灵敏度,而且其FOM保持在较高水平。这项工作提供了一种同时具有高灵敏度和高FOM的超表面折射率传感器设计方案,在化学物质检测、医疗诊断等领域有较大的应用潜力。 ...
NiTiHf形状记忆合金因较高的马氏体相变温度与相对较低的成本,在航天航空、医疗器械与汽车工业等领域获得广泛关注。然而,该类合金存在两大技术挑战:其固有的本征脆性与高亲氧性使其在传统热机械加工过程中极易发生脆性开裂,显著增加成形难度;同时,去孪晶应力较高与基体屈服强度偏低之间的力学矛盾,尤其在高温环境下诱发马氏体相变时,往往伴随不可逆塑性变形,从而削弱合金的功能稳定性。针对此难题,本文采用大变形冷拔手段结合低温退火获得了不同Hf含量下的纳米晶NiTiHf合金丝(Ni50Ti46Hf4、Ni50Ti42Hf8、Ni50Ti38Hf12、Ni50Ti34Hf16),并利用DSC、DMA、TEM、原位广角XRD及单轴拉伸等手段,系统研究了其温致/力致马氏体相变的演变规律。主要研究结果如下: （1）本研究首次在不同Hf含量的NiTiHf合金中实现了90%的超大冷拔变形。当冷拔变形量超过60%时,基体中马氏体板条组织开始破碎,并在剪切带内形成非晶,且非晶晶化温度与晶化焓均随冷拔变形量的增加而升高。对比研究显示,在相同冷拔变形量（如90%）条件下,Ni50Ti34Hf16合金的非晶晶化温度（445℃）较商用Ni50Ti50合金（355℃）显著升高,而其非晶晶化放热焓（6.2 J/g）则明显降低。微观组织分析进一步揭示,与商用NiTi合金相比,NiTiHf合金在冷拔变形过程中形成的非晶体积分数显著降低,导致其晶化放热焓减小;而Hf元素的掺杂显著提高了晶化温度及非晶的热稳定性。 （2）通过对上述冷拔NiTiHf合金丝进行晶化退火,获得了晶粒尺寸为12-15 nm的纳米晶合金,并系统研究了不同Hf掺杂对纳米晶合金温致诱发相变行为的影响。研究发现,纳米晶合金的温致诱发马氏体相变路径与Hf掺杂量密切相关:当Hf掺杂量为4 at.%时,其相变路径呈现出B2→R→B19′的两步相变特征;而随着Hf含量进一步增加,相变路径则转变为B2→B19′+B19′应变玻璃。进一步分析表明,随着大原子半径Hf掺杂量的增加,马氏体相的晶格参数a和c呈现出增大趋势,而晶格参数b则逐渐减小,且单斜角β持续增大。 （3）研究了不同Hf掺杂对纳米晶NiTiHf合金的力致诱发相变行为的影响。结果显示,随着Hf含量的增加,其高温超弹温域由纳米晶Ni50Ti46Hf4合金的200℃拓宽至Ni50Ti34Hf16合金的280℃。即使在160℃的高温环境下,所有Hf含量的纳米晶合金均表现出6%的稳定超弹性。进一步地,在500 MPa恒应力约束下,纳米晶合金展现出2%-5%的稳定驱动响应,且残余应变仅为0.1%-0.2%,远低于经750℃退火获得的粗晶合金（1.2%-8.3%）。上述结果表明,纳米晶强化与固溶强化的协同作用可显著提高马氏体相变过程中材料对缺陷的抵抗能力,从而有效改善其在热机械循环中的尺寸稳定性。 （4）进一步系统探讨了热处理温度对高Hf掺杂的Ni50Ti34Hf16合金温致/力致诱发马氏体相变的影响。研究发现,该合金体系具有良好的纳米晶热稳定性,其晶界扩散激活能为304±18 k J/mol,显著高于已有报道文献值。所有热处理试样的温致诱发相变路径均为B2→B19′的一步相变,表明Hf的引入有效抑制了R相变的形成,且该相变路径不受晶粒尺寸影响。550℃退火的样品在经历10次热循环后,表现出72℃的相变热滞后,且峰值温度仅发生了6.6℃偏移,实现了大热滞后和热循环稳定性的兼顾。而500℃退火试样则展示出6%的高温超弹稳定性;并在300 MPa恒应力约束下保持稳定驱动响应,其马氏体相变开始温度稳定在30℃。循环后的微观组织进一步证明,纳米晶结构中无位错累积,基体的位错滑移临界应力显著提高,为上述性能的稳定性提供了微观机制支撑。 ...
废塑料的指数级增长与较低的回收利用率已构成严峻的全球环境危机.而传统的机械回收与热化学回收技术在处理混合组分及受污染废料时,常面临能效低、产物降级及经济性差等瓶颈.闪速焦耳热(Flash Joule Heating,FJH)技术凭借其秒级超快升降温(10～2～10～4°C/s)、超高可控反应温度(1000～3000°C)及精准的电热调控特性,为废塑料的高值化升级回收开辟了全新的非平衡态热力学路径.本文系统综述了FJH技术在废塑料资源化领域的最新研究进展.首先,阐释了FJH的原理,以及特殊反应器构型(如梯度孔隙、双层结构)设计以实现对反应时空尺度精准控制.其次,重点解析了FJH将废塑料转化为两类高附加值产物的工艺策略:一是基于碳原子的瞬时重组与石墨化,制备涡轮石墨烯、一维碳纳米材料及改性石墨烯等先进碳纳米材料;二是利用独特的时空协同效应,定向调控C-H键断裂与分子链解聚,以实现富氢气体与乙烯、丙烯等单体的高选择性回收.最后,本文总结了FJH技术的环境效益与经济效益,并深入探讨了该技术从实验室走向产业化过程中面临的挑战,展望了其在废塑料管理与先进材料制备领域的前景....
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