光谱仪用低膨胀合金和核心部件的制备技术及关键理论问题研究

发布时间：2020-05-16 05:58

【摘要】：光谱仪是将成分复杂的光分解成光谱线的科学仪器,通过对光信息的采集来测知物品中含有何种元素。这种仪器被广泛地应用于空气污染、水污染、食品重金属污染、金属工业等的检测中。进入21世纪以来,仪器的数字控制技术已经取代模拟控制技术,使仪器向小型化、精密化发展。其中激光诱导击穿(Laser-induced breakdown spectroscopy简称LIBS)光谱仪是目前材料分析行业的前瞻技术,它具有分析速度快,精度高,可遥测,测量范围广等优点。因此,LIBS光谱仪已在更多领域得到了广泛的应用。目前,虽然国内一些企业和高校机构已经对LIBS光谱仪的研发和产业化作了大量工作,以此来缩小与国外的差距并推动国内LIBS的发展,但是它的核心部件制造技术和系统仍然依赖于国外。LIBS光谱仪研制过程中需要的关键材料及核心理论问题主要表现在以下三个方面:一是影响光学系统稳定性的关键材料及材料匹配问题;二是光栅制造镀膜关键技术及表面润湿性问题;三是镀膜技术对光栅性能的影响。本文针对LIBS光谱仪研制过程中所遇到的关键技术问题,通过有限元模拟和实验相结合的方法,深入研究了合金元素对材料热稳定性的影响以及如何设计低膨胀合金来满足光谱仪对材料的要求;通过分子动力学模拟的方法,探讨了金属液滴在不同基底上的润湿和融合行为,为镀膜工艺提供理论指导,并应用于离子刻蚀光栅制造。最后将改进的技术应用于仪器,并进行了测试。主要内容如下:(1)使用低膨胀材料可以满足光学系统稳定性要求。研究表明,对于低膨胀铸铁和铸钢,选取35%Ni,进行1050℃淬火和300℃×2h回火处理的低膨胀铸铁具有相对优异的性能,当A1含量为5.5%时,合金具有较高的强度和较低的热膨胀系数。当钴含量在30%左右时,膨胀系数达到最低。少量的Ti元素能够细化Fe-Ni-Co合金的组织,减少合金中O、S等杂质元素的含量,并能降低合金的热膨胀系数;过多的Ti元素反而会造成合金热膨胀系数的升高。Mn对合金低膨胀性能有有害作用,但可以提高合金的强度。通过以上原则设计的合金材料,经过ANSYS热变形仿真模拟与原材料对比分析可得,扇形板在0 ℃-50℃范围内,结构变形为±5μm,光学系统纵向(衍射方向)变形为36μm,罗兰园圆弧切线方向变形为19μm,满足了仪器甚至高端制造领域的材料匹配和系统设计的问题。(2)镀膜工艺作为离子刻蚀光栅制造技术的关键工艺之一,与材料表面润湿性问题有关。因此,我们用分子动力学模拟的方法研究了金属液滴的表面润湿现象和融合行为。结果表明,Ag液膜在粗糙基底上会发生反润湿现象,并最终脱离基底,这一现象受到液膜的形状、尺寸和表面的粗糙度等因素的影响。金属液滴在不同种类的金属基底表面润湿性差异巨大,这主要是由液体-基底之间的相互作用决定的。进一步研究异种元素液滴的融合时,发现存在“水平融合”或“垂直融合”两种融合机制,这与基底表面的粗糙度所控制的润湿性有关。因此,可以通过改变材料表面的粗糙度和微观结构调整液滴的润湿性,从而使得液滴在基底表面能够较好的铺展,有利于改进镀膜工艺。通过实验验证,发现减小基底粗糙度,提高蒸镀温度,减小基底温度,采用二次镀膜技术,均有利于提高膜层的均匀性和稳定性。(3)使用由新的镀膜技术开发的光栅以及由低膨胀铸铁合金作为支架的光学系统,设计了全新的光谱仪。其光学系统的温度稳定性达到±5μm,谱线中心位置漂移不超过1个像元,不加恒温的情况下仍能进行较稳定的分析;其衍射效率超过进口光栅,在紫外波段元素N、P、S、C仍能够获得较好的分析;它还首次突破了相态的局限性,可对粉末状的样品,如土壤中的元素N、P、K、Pb、Sb、Cd、As、Sn进行分析,为仪器进入环保领域奠定理论和技术基础。
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Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋ｔｈｅ邋ｔｈｒｅｅ邋ｆｏｒｍｓ邋ｏｆ邋ｌｉｑｕｉｄ邋ｗｅｔｔｉｎｇ邋ｏｎ邋ａ邋ｓｏｌｉｄ邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑液体与固体接触时会出现润湿、反润湿、断裂、融合、破裂等现象，归纳起逡逑来就是润湿性和液滴的形态演变问题。润湿性在自然界中十分常见，如当雨滴打逡逑在荷叶上时，并不会粘附在荷叶上，而是很轻易地顺着荷叶直接下滑。对此，德逡逑国学者发现：荷叶表面除具有疏水的蜡状物外，更重要的是具有纳米级的“乳突”逡逑结构，使对水的润湿角大于１５０°［９２］，成为超疏水表面。当水滴从表面滑落时，逡逑会自动带走表面的灰尘颗粒，即具有自清洁效应。自清洁材料正是受荷叶的启发逡逑而仿照其表面的“乳突”结构设计的。润湿性同样与人们的生活息息相关，如洗涤逡逑剂，不粘锅、护肤品等日常用品均应用了润湿的原理而制成。此外，润湿性原理逡逑也普遍应用于材料领域。铸造时，金属液与型腔表面的润湿程度决定了铸件的表逡逑面质量。３Ｄ打印、镀膜工艺、除渣工艺、形核与长大、孕育处理、复合材料的逡逑制备等都与材料的润湿性密切相关。因此，研宄材料表面的润湿性对离子刻蚀光逡逑１５逡逑

实际上并不常用润湿功来表示润湿程度，而是用接触角０作为润湿程度的度量标逡逑准。接触角是指在气相、液相和固相的交界点，气体、液体之间界面张力与液体、逡逑固体之间界面张力的夹角，通常用０表示，如图１－２所示。逡逑产！ｇ逦ｇａｓ逡逑Ｔｓ，，邋Ｋ0邋ｌｉｑｕｉｄ逡逑｜歐…翻逡逑ｓｏｌｉｄ逡逑图１．２接触角示意图［９３］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋ｃｏｎｔａｃｔ邋ａｎｇｌｅ［９３］逡逑达到平衡时（即合力为零时），由杨氏方程［９３］可得逡逑ｃｏｓｅ＝７＾－－逦（１－１）逡逑，丨ｇ逡逑对其分析，可得以下结论：（Ｉ）七０°邋，液体能完全润湿固体，并达到了平逡逑衡的极限，此时固体表面上的液体将会完全铺展开，成一薄层；（２）邋０＜９６？°，液逡逑体能润湿固体，但不能在固体表面铺展成一层，而是以液滴状存在；（３）邋６？９０°邋，逡逑液体不能润湿固体；（４）邋０＝１８０°，液体完全不润湿，如果液体的量很少，液体将逡逑在固体表面上收缩成一球形液滴。逡逑润湿现象在工业生产中有极为广泛的应用
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH744.1


本文编号：2666278