J Shanghai Jiaotong Univ Sci

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AZEMTSOP Manfo Theodore, MEHRA Ram Mohan, KUMAR Yogesh, GUPTA Meenal

2023 (2): 161-171.
doi: 10.1007/s12204-021-2397-y

摘要 ( 450 )

PDF(1140KB) ( 120 )

以聚乙烯醇（PVA）和硫氰酸钠为主要原料，采用溶液浇铸造工艺研制了新型凝胶聚合物电解质（GPEs）。将1-乙基-3-甲基-咪唑三氰基甲烷化物（[EMIM][TCM]）的离子液体掺入到聚合物-盐配合物体系（PVA + NaSCN），以进一步提高导电性能。利用X射线衍射（XRD）、偏光显微镜术（POM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和电导率测量对离子液体掺杂的聚合物电解质薄膜进行了表征。通过XRD测试了离子液体掺杂聚合物电解质薄膜的结晶度和非结晶性，发现随着离子液体含量的增加，新型凝胶聚合物电解质的非结晶性增加。POM测评了聚乙烯醇中盐和离子液体的加入对表面形貌的影响。通过FTIR研究了新型凝胶聚合物电解质薄膜的组成性质。采用循环伏安法和电化学阻抗谱对其电学和电化学性能进行了表征。聚合物-盐复合物中离子液体的质量分数为6%时，新型凝胶聚合物电解质薄膜的最大电导率为1.10 × 10^-5 S/cm。离子迁移数约为0.97。利用优化的新型凝胶聚合物电解质薄膜和还原氧化石墨烯基电极制备了电化学双层电容器。由循环伏安法计算的电化学双层电容器电池的比电容为3 F/g。

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射频/直流溅射沉积铜掺杂氧化锌薄膜的合成与表征

KHAN Mohibul, ALAM Md. Shabaz, AHMED Sk. Faruque

2023 (2): 172-179.
doi: 10.1007/s12204-022-2462-1

摘要 ( 323 )

PDF(698KB) ( 59 )

采用射频/直流反应溅射技术在玻璃衬底上制备了未掺杂和掺铜氧化锌（Zn_1-xCu_xO，其中x = 0~0.065）的纳米晶体薄膜。本工作旨在研究ZnO和Cu掺杂ZnO薄膜的晶体结构，并研究Cu掺杂对ZnO薄膜光学带隙的影响。利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜和原子力显微镜对纳米级薄膜的结晶度、薄膜厚度和表面形貌进行了鉴定和确认。在衍射角34.44°密勒指数（002）的XRD峰值证实了ZnO薄膜的存在。由XRD（002）峰计算得出，当ZnO薄膜中Cu的原子分数（x_Cu）从0增加到6.5%时，未掺杂ZnO薄膜的晶粒尺寸从27 nm减小到22 nm。通过傅里叶变换红外光谱仪研究了在400~4000 cm^-1波数范围内所有沉积薄膜的不同键合信息。通过紫外可见分光光度计分析了所有沉积薄膜的光学带隙能：随着xCu从0增加到6.5%，其变化范围为3.35 eV到3.19 eV。随着x_Cu从0增加到6.5%，沉积薄膜的Urbach能量从115 meV增加到228 meV。

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二维Si-A (Ge, Pb, Sn)合金-气孔热晶体的能带结构特征

AZKA Umar, 姜淳, KHUSHIK Muhammad Hanif Ahmed Khan

2023 (2): 180-185.
doi: 10.1007/s12204-022-2485-7

摘要 ( 274 )

PDF(539KB) ( 48 )

本文设计了含气孔的合金热晶体，分析了其能带结构、传热特性和通量光谱。以Si-A (A = Ge, Sn, Pb)合金为背景材料，采用方阵气孔构造弹性常数周期结构的热晶体，采用有限元方法计算了其高频声子带。此外，本文还研究了有限热激发声子阵列的热传输，并给出了热传输最大的热晶体。结果表明，增大气孔半径和减小晶格常数可以获得更宽的带隙。在合金材料中，随着原子半径和原子量（Ge, Sn, Pb）的增加，频率范围向低频移动（有助于导热）。因此，带隙频率也向低频偏移，但这种下降率不是恒定的或有序的，因此前者相较于后者下降率可能或快或慢。因此，热输运贡献的频率范围与带隙频率范围重叠。热晶体在热管理和控制热波传播方面具有广阔的应用前景。

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基于KH550固态电解质的低压氧化铟锌薄膜晶体管

董钱, 郭立强, 王伟琳, 程广贵

2023 (2): 186-191.
doi: 10.1007/s12204-022-2421-x

摘要 ( 202 )

PDF(763KB) ( 61 )

随着集成电路和人工智能的发展，发明了各种各样的晶体管。近年来，氧化薄膜晶体管因其易于制备、成本低、适合批量生产而受到广泛关注。氧化物薄膜晶体管中传统使用的栅介质膜(如二氧化硅膜)介电常数较低，导致栅介质层与沟道层之间的电容耦合较弱。为了达到调节沟道层电流的目的，需要在栅电极上施加高电压(10 V或更高)，因此需要开发新型氧化物薄膜。采用旋涂法在氧化铟锡玻璃表面制备了硅烷偶联剂（γ-氨丙基三乙氧基硅烷）KH550固态电解质薄膜，以此为栅介质制备了氧化铟锌薄膜晶体管。利用原子力显微镜和扫描电子显微镜对KH550薄膜的表面形貌和厚度进行表征；使用阻抗分析仪测试了样品的电容-频率曲线；通过半导体参数仪分析了器件的电学特性。结果表明，频率为1 Hz时的单位面积电容达7.3 μF/cm2，晶体管的工作电压为2 V、开关比1.24×106、亚阈值摆幅169.2 mV/dec、场效应迁移率2.1 cm2/(V·s)，其脉冲工作稳定性和负偏压稳定性良好。KH550固态栅介质的开发研究为氧化物薄膜晶体管栅介质的研究提供了一种新的方向和思路。

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石墨烯增强空心微点阵材料的制备与表征

鲍海生, 刘龙权

2023 (2): 192-196.
doi: 10.1007/s12204-021-2339-8

摘要 ( 207 )

PDF(662KB) ( 62 )

提出一套石墨烯增强空心微点阵材料的制备方法和工艺技术，主要包括3D打印、纳米复合镀和聚合物蚀刻等先进制造技术。系统地表征和分析了石墨烯增强金属镀层的微观组织形貌和均匀性，并开展了准静态压缩试验，研究了石墨烯增强空心微点阵材料的力学性能。试验结果表明，归功于纳米材料物理和化学分散工艺的综合应用，成功获得了均匀的镍-磷-石墨烯（Ni-P-G）镀层，从而提高了空心微点阵材料的比模量和比强度。在此基础上，对比分析了石墨烯含量对空心微点阵材料力学性能的影响规律，得到了较优的石墨烯含量，并结合细观力学分析模型，揭示了石墨烯对空心微点阵材料弹性模量和强度的影响机理。

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压膜空气阻尼调制的高性能单面制造(111)硅双悬臂梁加速度传感器

焦鼎, 倪藻, 王家畴, 李昕欣

2023 (2): 197-206.
doi: 10.1007/s12204-021-2288-2

摘要 ( 188 )

PDF(1510KB) ( 46 )

本研究提出了一种新型双悬臂加速度计的设计和微加工工艺技术。传感结构中集成有梳齿和空气微间隙结构，以调节压膜空气阻尼效应，进而有效地优化了传感器的频率响应和带宽特性。由于压阻惠斯通全桥集成在双悬臂梁上实现了高效率的应力集中，实现了对加速度检测的高灵敏度。此外，双悬臂加速度计采用了具有低成本和高成品率的(111)硅单面体微加工工艺来实现制造。传感器测试结果表明，所提出的双悬臂加速度计的灵敏度为0.086~0.088 mV/g/3.3V，全量程的非线性为±(0.09%~0.23%)。动态特性表征结果显示了2.64 kHz的充足频率带宽。传感器具有4.388 kHz谐振频率，并将品质因子（Q值）控制在7.62，与空气阻尼调制效应的设计结果高度一致。该双悬臂加速度计实现了较高的性能，在汽车和消费电子等领域具有很好的应用前景。

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成型压力对钇铁石榴石铁氧体性能的影响

陈志刚, 李海华

2023 (2): 207-212.
doi: 10.1007/s12204-022-2478-6

摘要 ( 224 )

PDF(589KB) ( 32 )

通过传统氧化物固相烧结法制备了Ca²⁺、Sn⁴⁺共取代钇铁石榴石铁氧体材料，系统研究了成型压力对钇铁石榴石铁氧体密度、磁性能以及微观形貌等性能的影响。结果表明，钇铁石榴石铁氧体的生胚密度随着成型压力的提升不断增加，烧结密度则呈现先增大后减小的趋势，同时样品铁磁共振线宽则先下降后上升，成型压力对材料的饱和磁化强度、剩余磁化强度和矫顽力影响较小。研究证明，通过改变成型压力可以实现对材料密度以及铁磁共振线宽的调控，在5 MPa的成型压力下制备的样品性能最优。

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考虑气隙效应的相邻物体间的静电/磁吸附力计算

江鹏, 李志彬, 张龙, 李敬, 张群, 关振群

2023 (2): 213-219.
doi: 10.1007/s12204-021-2317-1

摘要 ( 212 )

PDF(917KB) ( 38 )

本文提出了一种新的方法计算由薄间隙分隔的两个相邻物体之间的静电/磁吸附力。在该方法中，无需为间隙生成网格，通过在有限元模型中引入接触边界，获得合理的场分布；然后根据界面处的连续性条件来预测间隙中的场，从而合理地计算出吸附力。此外，本文引入了一个简单的等效电路模型来解释薄间隙如何显著影响吸附力。数值实验验证了所提方法的有效性以及薄间隙的重要性。

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缝合平纹编织复合材料层合板的面内弹性属性

袁丽华, 梁森, 闫盛宇

2023 (2): 220-232.
doi: 10.1007/s12204-021-2375-4

摘要 ( 257 )

PDF(1646KB) ( 59 )

提出了使用代表体积单元法和一种基于细观力学的折线模型来描述因插入缝线而导致的面内纤维偏转。考虑了铺层角度、缝合参数及材料参数，建立了缝合复合材料层合板面内等效弹性参数的多尺度数学模型。基于试件制备和试验验证，开发的理论模型揭示了缝合对结构各向异性的叠加效应。结果表明，缝合方向可以提高结构的各向异性。减小缝合针距与行距以及增大缝线直径，可以减小层合板的弹性模量和剪切模量。随着铺层角度的增大，弹性模量、剪切模量和泊松比均呈现出周期为90°的正弦变化。建立的理论模型不仅分析了带有铺层角度的缝合层合板的面内力学属性，还为以后加筋缝合夹芯结构的动力学研究奠定基础。

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悬臂式齿轮箱体的力学分析方法

王珏, 李朋, 宋诗瑶

2023 (2): 233-242.
doi: 10.1007/s12204-021-2316-2

摘要 ( 319 )

PDF(2037KB) ( 44 )

由于箱体结构的差异，长悬臂式齿轮箱的受力状态与普通齿轮箱不同。传统的力学分析方法将悬臂式齿轮箱体视作悬臂梁，或者是普通箱体，相关研究文献很少。本文以采煤机截割部齿轮箱（SCUG）为例，根据SCUG的疲劳原因，研究了其力学分析方法。建立了力分析模型，找出低频载荷引起的静态疲劳区域，并利用局部共振分析找出高频载荷引起的振动疲劳区域。在力分析模型中，不仅考虑了弯曲力矩，还考虑了齿轮啮合力引起的扭矩。通过切削试验获得了振动响应，通过频域分析获得了局部共振的主频。建立了SCUG的有限元模型，并对其固有频率和应变模态进行了分析，得到了与主频相对应的主要振动模态。因此，获得了由低频和高频载荷引起的大应力区域。结果表明，最恶劣的工作条件是斜切截割，在600 mm切削深度下B-B的应力可达166 MPa。很显然，950 Hz、1 250 Hz和1 400 Hz是SCUG的主要频率（第23、25和27个自然频率）。最后，本文提出了悬臂齿轮箱壳体力学分析方法的一些原则。

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基于图解法和Alpha shape算法设计带啮合间隙的双螺杆压缩机转子齿形

杨剑, , 徐明照, 陆征

2023 (2): 243-254.
doi: 10.1007/s12204-021-2396-z

摘要 ( 396 )

PDF(1955KB) ( 85 )

转子间隙是双螺杆压缩机安全运行所需的，对双螺杆压缩机的性能有重大影响。本研究的目的是获得转子端面上具有合理啮合间隙的转子齿廓，使转子接触线上的间隙均匀，使转子啮合光滑。在理想条件下，螺杆压缩机的转子应无间隙或过盈。但由于装配误差、热压缩、应力变形等因素，未进行齿隙改造的转子在运行过程中不可避免地会产生过盈。为了实现双螺杆转子型线间隙的高效高精度设计，提出了一种基于Alpha shape解的双螺杆转子型线间隙设计方法。该方法避免了传统包络原理中复杂的解析计算。转子共轭运动扫描表面上的点的最佳近似是用特定颜色来说明的。对螺杆转子单齿廓的扫面进行粗扫描，获取扫面边界点的基点集。利用基点集的值计算每个间隔的弦长和倾斜角度，调整每个间隔扫描面的位置、相位和放大倍数。最后，将数据点集转换到同一坐标系下生成共轭转子轮廓线。通过实例验证了该方法的可行性和适合性。基于等距轮廓法计算了实际工况下螺杆压缩机内外转子间隙。因此，本研究为双螺杆压缩机转子加工中的啮合间隙设计提供了依据。

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辊道传送速度对大规格铝合金厚板应力分布及演变影响的数值模拟研究

祝楷, 熊柏青, 闫宏伟, 张永安, 李志辉, 李锡武, 刘红伟, 温凯, 闫丽珍,

2023 (2): 255-263.
doi: 10.1007/s12204-021-2389-y

摘要 ( 223 )

PDF(1596KB) ( 37 )

固溶-淬火热处理可有效抑制合金基体中过饱和固溶体的分解，是生产具有理想性能的大规格沉淀强化型铝合金厚板的重要工艺步骤。然而厚板淬火过程中，因冷却速度不均匀而产生的巨大温度梯度通常会导致厚板中内部形成严重不均匀分布的残余应力。辊底式淬火炉的出现确保了大规格铝合金厚板连续、整体的固溶-淬火处理。大规格铝合金厚板固溶-淬火处理过程中，淬火炉内部辊道的传送速度是影响厚板内部残余应力分布的一个关键工艺参数，但其在以往的文献中较少涉及。因此，本研究通过考虑辊道的传送速度并采用热力耦合有限元模拟的方法开展了大规格铝合金厚板淬火过程中的温度变化和残余应力分布预测。模拟过程中选用了四种不同的辊道传送速度。结果表明，大规格铝合金厚板淬火处理过程中内部温度演变及其所诱发的残余应力分布受辊道传送速度的影响。较慢的辊道传送速度有助于获得残余应力分布相对均匀的大规格厚板。

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快速多重旋转碾压法对Ti6Al4V钛合金组织和性能的影响

杨晓洁, 常雪婷, 范润华

2023 (2): 264-269.
doi: 10.1007/s12204-021-2395-0

摘要 ( 202 )

PDF(1470KB) ( 42 )

采用快速多重旋转碾压技术（FMRR）在Ti6Al4V钛合金表面制备了纳米结构层。利用光学显微镜术、透射电子显微镜术、扫描电子显微镜术、X射线衍射等方法对表层组织结构进行分析。结果表明，当FMRR处理时间为15 min时，在表层获得纳米层，平均晶粒尺寸为72~83 nm。当FMRR处理时间增加到45 min时，晶粒得到进一步细化，平均晶粒尺寸为24~37 nm。在表层发现高密度位错、孪晶和层错等结构缺陷。与原始试样相比，FMRR处理后试样的显微硬度显著增加。在FMRR处理后的试样表层得到了均匀、连续并具有一定厚度的化合物层，同时表层N原子的扩散速度增加。FMRR处理改善了基体的耐蚀性。

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双时效处理对15-5PH不锈钢强度-韧性的改善

特日格乐, 张玉妥,

2023 (2): 270-279.
doi: 10.1007/s12204-021-2390-5

摘要 ( 424 )

PDF(3166KB) ( 73 )

为了获得15-5PH不锈钢更好的强度-韧性匹配，采用双时效处理方法研究了15-5PH不锈钢的力学性能和组织演变。在本研究中，Cu析出相和逆变奥氏体对强度-韧性匹配的改善起着决定性作用。采用电子背散射衍射、透射电镜术和扫描透射电镜术对其微观结构进行了观察。分别采用Thermo-Calc软件和X射线衍射计算并测量Cu析出相和逆变奥氏体的体积分数。结果表明，逆变奥氏体在马氏体板条边界处形成，其体积分数也随着时效温度的增加而增加，同时，Cu析出相的尺寸也逐渐增大。双时效处理与传统的单时效处理相比，15-5PH不锈钢的双时效处理可以在保持必要强度的同时提高韧性。15-5PH不锈钢在550 ℃ × 4 h + 580 ℃ × 1 h的双时效处理中，具有最佳的强度和低温（? 40 ℃）韧性匹配，其屈服强度为1.037 GPa，抗拉强度为1.086 GPa，低温（? 40 ℃）冲击功为179 J。

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组合凹模热弹塑性变形的解析解

曹民业, 苗宏量, 胡成亮, 赵震

2023 (2): 280-288.
doi: 10.1007/s12204-021-2388-z

摘要 ( 195 )

PDF(1429KB) ( 41 )

常用的多层组合模具结构可以通过应力环产生弹性变形加强，并且模具材料可以通过均匀塑性变形得到增强。锻造过程中产生的热效应会直接影响模具的应力状态和尺寸。本文推导了组合凹模热弹塑性变形的解析解，确定了模具径向应力和周向应力与温度分布之间的关系。这些关系与模具几何参数、材料性能和工作压力直接相关。这有助于更好地理解模具的热弹塑性变形行为，设计出长寿命高精度的组合模具。

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