稀土钽酸盐“相变开关”型激光防护材料设计及性能研究

发布时间：2019-09-28 01:41

【摘要】：随着激光武器和激光雷达在军事领域越来越广泛的应用,对各类航空航天飞行器及装甲车辆造成了严重的威胁。针对激光武器和激光雷达的双重威胁,本文致力于研究具有“相变开关”特点的高反射型激光防护材料。采用第一性原理和实验方法,系统地研究了稀土钽酸盐材料的晶体结构、电子结构和光学特性,设计出具有“相变开关”特点的激光防护材料,并采用分子动力学方法对其进行综合热物理性能评估。第一性原理计算结果表明,在镧系收缩的作用下,RETaO4(RE=Sc,Y,La,Sm,Eu,Dy,Er)和Ba2RETaO6(RE=Y,La,Pr,Sm,Gd)的晶格常数和RE-O键长随着原子序数的增加而减小,而Ta-O键长呈现随之增大趋势。在电子自旋轨道极化和晶体势场作用下RE4f电子态呈现出高度的局域性并分布在禁带,且随着原子序数增加,呈现出从高能量向低能量方向移动的趋势。RE4f电子态在禁带的分布会有效提高电子在能带间的跃迁几率,促进反射率的提升。当4f电子态位于费米面处时促进作用最大:SmTaO4、EuTaO4和Ba2SmTaO6高温相在1.06μm处反射率可达71.97%、93.47%和68.91%。晶体结构变化对Ba2SmTaO6的电子结构和光学性能的影响十分明显,从低温相到高温相,费米面从4f电子态谷底移动至峰顶,费米面处电子态的提升导致对光学性能的促进作用产生阶跃式的提升:1.06μm和10.6μm处反射率从低温相的11.51%和12.82%提升至高温相的68.91%和78.24%,相变前后反射率差别达60%左右,具有明显的“相变开关”材料的特点。理论计算和实验获得的Ba2SmTaO6掺杂条件下Ba2-xSrxSm TaO6的晶体结构性质和1.06μm处反射率符合良好。Ba2-xSrxSmTaO6在小掺杂条件下O2p-Ta5d带隙显著降低,提高了电子跃迁几率,1.06μm和10.6μm处的反射率最高可达83.32%和98.31%,相比于未掺杂的Ba2SmTaO6反射率提升20%以上,且相变前后的反射率差别可达67%和80%,有效地提高了“相变开关”特点。通过分子动力学预测Ba1.5Sr0.5SmTaO6和Ba0.5Sr1.5SmTaO6热导率分别为6.068 Wm-1K-1和6.432 Wm-1K-1,热膨胀系数分别为7.03×10-6 K-1和7.11×10-6 K-1,具有较好的热导率和热膨胀系数,有利于激光防护涂层的应用。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34

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本文编号：2543024