氢鼓泡的形核、长大和开裂

用显微镜原位观察了车轮钢中氢鼓泡的长大过程, 用块状非晶观察了氢鼓泡破裂后的局部断口形貌. 结果表明, 氢鼓泡形核、长大和开裂的过程如下: 氢使过饱和空位浓度急剧升高, 空位聚集成空位团后, 随着空位和氢的不断进入长大成氢鼓泡. 随氢压升高, 基体变形可使近表面鼓泡鼓出表面; 氢压进一步升高可使鼓泡开裂, 体积增大使氢压下降引起止裂; 随氢进入氢压进一步升高, 可使止裂裂纹重新扩展直至鼓泡破裂.     

鼓泡式光生物制氢反应器中光合细菌的生长及产氢

提出了一种新型的鼓泡式光生物制氢反应器,并将Rhodopseudomonas palustris CQK-01光合产氢菌在光生物制氢反应器中进行序批式培养,以葡萄糖为碳源底物,以590nm单波长光为光源,研究了不同鼓泡条件下光合细菌的生长、产氢及底物降解特性.实验结果表明,在光生物制氢反应器中适当鼓入氩气气泡可以有效降低反应器内液相氢浓度,减少产物反馈抑制作用,促进产氢性能的提高,并且不同鼓泡频率对光合细菌的生长和产氢有较大影响.实验中间隔3h鼓泡时光合细菌产氢性能最佳,反应器最大产氢量33.25mmol,光能转化效率为18.46%,产氢得率为1.79mol(H2)/mol(glucose),平均底物消耗速率为0.28mmolL-1h-1和平均产氢速率为0.50mmolL-1h-1.     

氢致α-Fe脆性机理的电子理论研究

α-Fe的氢脆很受重视,尤其对其机理研究,人们做了大量的工作.一般认为,脆断取决于原子间键的特性.有人认为,α-Fe的氢脆机理是氢原子的溶入降低了裂纹尖端原子间的结合力,减少了{100}面的解理应力,但又有人认为,氢并不降低铁原子的键合力.可见,迄今氢致α-Fe变脆的机理尚不完全清楚.本文通过计算含氢α-Fe解理面间原子结合键的键能,分析了氢原子对α-Fe键结构特性及电子分布的影响,发现氢原子溶入后改变了Fe原子的状态,使晶体中不同解理面的强度出现了严重的各向异性,并且,显著降低了晶体中的晶格电子数.我们认为,这可能是使α-Fe易于解理断裂的原因.     

氢致微裂纹形核的透射电镜原位观察

310稳定型奥氏体不锈钢在严重电解充氢后能产生氢致滞后断裂.当氢含量较高K_I较低时,断口形貌由原来的韧窝变为准解理.奥氏体不锈钢缺口试样在充氢时,缺口前端的塑性区及其变形量能随着充氢时间增长而不断增大,即氢促进了位错的增殖和运动,当这种氢致局部塑性变形发展到临界值时便引起氢致裂纹的形核.这表明,氢致脆性裂纹是以位错的增殖和运动为先决条件的,但细节并不清楚.本文将通过充氢薄膜试样在透射电镜(TEM)中进行原位拉伸,研究氢致裂纹形核和位错发射及运动之间的关系;并和不含氢试样的类似研究进行对比,以揭示两者间的本质区别.     

热电耦合作用下功率器件引脚开裂的机理

在电子产品的小型化的趋势下,电力电子器件所承受的工作温度、电流密度越来越高,这给封装材料提出了严峻的挑战.一种引线框架材料为C194合金的MOSFET器件,在高电流密度的工作环境下服役3～4年后发生了引脚开裂的现象.针对该失效现象,使用扫描电子显微镜对界面金属间化合物和断口形貌进行了精细的微观表征,确定了电迁移和热迁移的耦合作用是导致引脚开裂的主要原因.具体地,对于器件源极来说, Cu原子的电迁移与热迁移方向相反,且热迁移扩散通量较大,抵消了电迁移的作用从而导致了阳极开裂的反常现象.对于器件漏极来说,Cu原子的热迁移方向与电迁移方向相同,热迁移加速了阴极界面裂纹的萌生与扩展,开裂情况最为严重.为了进一步揭示开裂机理,我们使用电子探针、透射电子显微镜分析发现,在C194合金与金属间化合物界面上,原本弥散分布于C194合金内部的铁晶粒发生了明显的晶粒长大,并富集形成连续层.由于细小铁晶粒组成的富铁层弱化原有的界面结合力,成为薄弱环节.因此,在外加热应力或机械应力下,裂纹总是沿着由铁晶粒形成的富铁层发生开裂.综上,该器件引脚开裂的失效模式为典型的多场耦合作用下的失效形式,相关机理将为产品工艺优化和提高使用寿命提供理论指导.     

首次测量人造原子与天然原子之间的键

正当量子围栏和原子力显微镜(AFM)探针尖头的原子形成键时,微观和介观尺度相遇。德国科学家发现,量子围栏(可用作人造原子的合成圆圈形纳米结构)能与位于原子力显微镜探针尖上的原子形成非常弱的化学键。德国雷根斯堡大学物理系教授、领导此项研究的弗朗茨·吉西布尔(Franz Giessibl)表示:"这是我们第一次通过实验验证由这种人造原子形成的化学键。"与天然原子一样,人造原子具有固定数量的离散电子态电子。1993年,一个美国科研团队第一次向世界展示他们的量子围栏——由放置于铜表面的48个铁原子组成的圆圈。     

复合裂纹弹性应力场中球畸变溶质的偏聚

受裂纹应力场诱使,进入材料间隙位置的氢原子会向裂端附近区域偏聚,形成“氢气团”。龙期威、Hirth等基于裂纹线弹性应力场与氢原子的弹性交互作用提出了氢原子偏聚Ⅰ型裂端的物理模型。黄显亚、吴世丁等采用离子探针探测到Ⅰ型裂纹前端出现氢富集峰。而对复合裂端附近溶质偏聚的理论尚未见报道。     

用正电子湮没研究氢-钯系统中缺陷

用气态充氢的办法向钯中充氢 ,最大含氢量达到 0 .734(原子比 ) .通过研究正电子湮没寿命谱发现钯金属在高氢含量下 ,在充氢产生缺陷和使晶格膨胀的同时 ,样品中的H会通过Pd原子影响到正电子的湮没寿命 ,使曲线出现较复杂的变化 .     

PZT-5H导电缺口电致滞后开裂

研究了PZT-5H铁电陶瓷导电缺口发生电致滞后断裂的可能性及其规律. 结果表明, PZT-5H导电缺口发生电致断裂的临界电场E_F = 14.7±3.2 kV/cm. 如外加电场E<E_F, 则在导电缺口前端瞬时产生电致微裂纹, 若保持恒电场E, 电致裂纹将缓慢扩展直至试样发生滞后断裂, 滞后断裂的门槛电场E_DF = 9.9 kV/cm. 如EE_K= 4.9 kV/cm, 则电致裂纹并不瞬时形核, 只有在恒电场下经过一定的孕育期后电致裂纹才形核并扩展一定距离, 但试样也不会发生断裂. 如E<E_DF = 2.4 kV/cm, 即使长时间施加电场, 裂纹也不形核. 导电裂纹的滞后形核和滞后断裂归因于恒电场下从缺口顶端发出的电荷密度随时间而增大, 当外加电场小于电荷发射的门槛电场时不会发生电致裂纹的滞后形核.     

a-SiN:H薄膜的对靶溅射沉积及微结构特性研究

采用对靶磁控反应溅射技术以N₂和H₂为反应气体在硅(100)和石英衬底上制备了氢化非晶氮化硅(a-SiN:H)薄膜. 利用台阶仪、原子力显微镜、紫外-可见(UV-VIS)光吸收和傅里叶红外透射光谱(FTIR)对薄膜沉积速率、微观结构及键合特性进行了分析. 结果表明, 利用等离子反应溅射可在较低衬底温度条件下(T_s<250℃)实现低表面粗糙度和高光学透过率的a-SiN:H薄膜制备. 增加衬底温度可使薄膜厚度减小, 薄膜光学带隙Eg提高, 薄膜无序度减小. FTIR分析结果表明, 薄膜主要以Si-N, Si-H和N-H键合结构存在, 随衬底温度增加, 薄膜中的键合氢含量减小, 而整体键密度和Si-N键密度增加. 该微观结构和光学特性的调整可归因衬底温度升高所引起的衬底表面原子迁移率和反应速率的增加.     

系列氰化物与双卤分子间卤键的结构和性质

在MP2/aug-cc-pVDZ理论水平上对一系列卤键复合物R-C≡N...BrY(R=F,Cl,Br,C≡CH,CH==CH2,CH3,C2H5;Y=F,Cl,Br)进行了系统的理论研究,采用量子化学从头算、电子密度拓扑分析方法,从分子静电势、复合物的稳定构型、振动频率、电子密度拓扑性质等方面,探讨了卤键作用的本质和性质特征.研究表明,RCN与BrY之间形成n型卤键,属于闭壳层静电相互作用.复合物与单体相比,电子受体Br-Y键的键长增加,振动频率红移.氰化物上取代基的诱导效应对复合物的几何构型、卤键强度、电子密度拓扑性质和原子积分性质等都产生显著影响.分子静电势与卤键强度、键鞍点处电子密度拓扑参数值(ρ(rc),▽2ρ(rc),Gc,Hc,-Gc/Vc)等密切相关.在卤键复合物形成过程中,电荷从RCN向BrY转移,BrY总积分净电荷减小,溴原子能量降低,溴原子偶极矩和原子体积均变小.     

Fe-C(H)系高温高压合成金刚石的研究及意义

Fe-C(H)系高温高压(HPHT)合成金刚石的形态、微形貌、微成分及微结构的研究表明, 所合成金刚石大多为八面体, 且自中心→边缘以片层式生长方式为主; HPHT合成金刚石粒度小, 极有可能与其形成仅经历了早期成核-长大阶段有关, 中后期会因为所合成金刚石小晶粒表面能的差异而聚结, 致使长大受限; Fe-C(H)系HPHT合成金刚石中聚合态氮的出现, 与氢可以有效降低单替代氮向聚合态氮转变的活化能有关; 目前, 通过氮聚合转变的计算获得天然金刚石的形成时间达到若干亿年, 这一问题值得商榷; 在充分关注氢的影响基础上, 从 HPHT 热力学的角度围绕表面能对金刚石长大的影响进行研究, 不但有利于解决金刚石HPHT合成中存在的问题, 而且可以在HPHT合成金刚石与天然金刚石形成的解释中建立桥梁.     

纳米硅粉末的制备及红外吸收光谱研究

纳米硅和多孔硅发光的发现,引起了人们对纳米级半导体材料研究的重视.对这种现象的解释主要归结为以下两点:一是因颗粒尺寸小而引起能带结构的变化,导致跃迁选择定则改变引起发光,即所谓量子尺寸效应;二是在硅小颗粒表面的氢、氧等杂质与硅化合形成缺陷,悬键所引起发光。目前对这两种解释尚无定论。对于后者,弄清楚纳米硅中氢、氧的存在方式与结构的关系对研究纳米硅的发光机理有很重要的意义。红外吸收光谱作为探测硅中的氢、氧等的手段已进行了很多的研究。本文利用激光诱导化学气相沉积法(LICVD)用SiH_4为原料制备了平均粒度为10～12nm的晶态纳米硅粉。并通过红外吸收光谱对纳米硅粉末中的氢和表面氧化所引起的氧的存在情况进行了分析。发现纳米硅粉末由于表面原子活性大,有氧化现象,在其中存在(H_2-Si)。原于团和HSiO两种类型的硅氢结构。前者是一种不稳定结构,退火温度达到600℃时分解,在红外谱上的吸收峰消失;后者是一种稳定结构,随退火温度的升高,氧含量的增多,向高波数方向移动。这主要是由于氧的电负性对H-Si的影响形成的。     

CVD制备SiOx纳米线的各个生长阶段的直接实验证据

在纳米线的制备中, 气-液-固(VLS)生长机制得到了人们的广泛认可, 但该机制的很多细节还停留在模型阶段. 依托实验室自行设计的一台生长条件高度可控的高温化学气相沉积(CVD)系统, 采用较为简便的方法, 直接在Si片衬底上制备出了SiO_x纳米线. 通过严格控制实验参数, 用离位观测捕捉到了纳米线的催化、形核和长大的一系列过程及其相关细节, 并发现纳米线从细到粗的气-液-固(VLS)生长机制. 讨论了气-液-固(VLS)机制中气态Si原子的来源以及纳米线的催化、形核和长大过程中的纳米曲率效应和“纳米熟化”现象, 取得了对SiO_x纳米线VLS催化生长机制的理解的突破.     

10Ni合金调幅分解的穆斯堡尔谱研究

自从Hillert和Cahn等提出过饱和固溶体中的调幅分解理论以来,在各种合金中发现了调幅组织和调幅分解现象。作者在10Ni马氏体时效钢中发现了“粗呢状”调幅组织。但一些研究认为,调幅结构的组织并非都是由调幅分解引起的。有些合金在形核长大机制分解的产物中,也可观察到调幅组织。为了证实10Ni合金时效组织中的调幅结构是否由调幅分解引起,本文通过穆斯堡尔谱研究了该合金时效初期相分解过程,并进一步探讨了其时效机理。     

液相中气相成核的二维分子动力学模拟

采用分子动力学方法对二维液相空间中的气相成核过程进行模拟, 结果表明: 当计算域太小时, 形核生成的非液相区表现为空穴或仅有少量的气相分子; 只有当计算域足够大时, 才能使形核继续下去, 形成由一定数量分子组成的气相团簇, 或称气泡, 周期性边界条件并不能扩大对形核过程的模拟能力. 较大规模的模拟表明液相中的气相成核过程实际经历了3个阶段: 空穴自身生长; 空穴合并增长并开始出现少量气相分子; 形成汽泡.     

行星粉碎机

如果我们说有一种机器可以把地球、火星那么大的行星"磨成"粉末,或许有人会说我们是痴人说梦,或者那是科幻电影中的场景.然而,在浩瀚的宇宙中的确有一种天然的行星"粉碎机".这是一种奇特的天体,它可以像粉碎机那样把岩石行星"磨碎"成粉末.英国华威大学的天体物理学家指出,能"粉碎"行星的天体是白矮星. 白矮星是如何形成的 白矮星是"即将死亡"的恒星.恒星是可以发光发热的天体,它们就是一个个天然的核反应堆,可以把氢、氦等小原子聚合成大原子.这在物理学上被称为核聚变反应.恒星不断地在宇宙中燃烧,终将会有烧完的那一天.     

空心轴端部环形开裂原因分析

某机车加工车间生产的空心轴锻件,经调质热处理后,探伤发现,21件产品中有7件开裂.开裂在端部中间部位呈环状开裂,开裂位置及形态较为特殊,与通常淬火开裂方式有所不同.对开裂空心轴试验分析,试验结果表明,化学成分符合空心轴材质要求;锻件致密度良好;显微组织属调质组织,但晶粒度粗大不合格;扫描电镜断口微观分析为典型沿晶断裂.综合试验分析认为,空心轴端面环形开裂系热处理淬火裂纹,形成原因系淬火工艺过程控制不当造成.     

MnS粒子对Fe-3%Si合金晶界迁移的影响

统计观察了热变形Fe-3%Si合金中MnS粒子在900℃的析出行为, 并利用过饱和固溶体中第二相粒子析出模型计算了MnS粒子的位错析出与晶界析出的相对关系; 观察和计算都表明, MnS析出以位错形核为主. 在二次再结晶过程中, 晶界上MnS析出粒子的粗化过程决定了晶界的可迁移性; 但在晶粒尺寸效应之外, 晶界两侧晶粒内位错析出MnS粒子密度的差异对晶界迁移的方向也发挥了决定性作用. 观察发现, 迁移晶界两侧晶粒内往往显示出不同的MnS粒子密度, 而晶界则倾向于向粒子密度较低的一侧迁移. 不同取向晶粒内的位错密度等因素会影响到析出粒子的密度, 高粒子密度的Goss取向晶粒易于长大.     

RENi_5电子结构与吸氢性能关系研究

由于LaNi_5具有比液态氢,甚至固态氢电大密度的贮氢能力,较低的平台压和较好的活化能力,被人们认为是目前最重要的贮氢合金之一.但是纯La价格昂贵,在实际生产中往往用混合稀土(99%为La,Ce,Pr,Nd)来代替La.然而实验发现,用混合稀土特别是Ce代替La后,氢化物的稳定性大大下降,合金的吸氢平台压剧增了几十个大气压,活化能力也大大下降.由于RENi_5(RE=La,Ce,Pr,Nd)的原子结构相同,RE原子半径相差极小,仅仅用