二维纳米材料（精选11篇）
二维纳米材料 篇1
澳大利亚联邦科工组织的科学家日前宣布, 成功研制出一种由氧化钼晶体制成的新型二维纳米材料。这一成果将为电子工业带来一场革命, 使“纳米”一词不再停留于营销概念而得到广泛应用。
据介绍, 这种利用石墨烯研制出的新材料的厚度仅有11纳米, 并具有独特的性质 (电子在其内部能以极高速度运动) 。因此, 利用该材料可以研制出更小、数据传输速度更快的电子元件和产品, 如性能与台式电脑相当的平板电脑等。目前, 其研发团队已经利用该材料制造出纳米尺度的晶体管。科学家预计, 如果被电子工业所接受, 氧化钼或可在5~7年成为电子产品的标准材料。
二维纳米材料 篇2
在两种表面活性剂存在下,采用高温醇还原,合成出单分散、平均颗粒尺寸为14±1.9nm,直径标准偏差小(～1.8%)的磁性金属Co纳米晶.利用x射线衍射、紫外吸收光谱、x射线光电子能谱及透射电子显微镜对其结构和表面价态进行了分析.并将磁性金属Co纳米晶自组织形成有序的二维(2D)六方紧密堆积结构.
作 者：申承民 苏轶坤 杨海涛 杨天中 汪裕萍 高鸿钧 作者单位：申承民,苏轶坤,杨海涛,杨天中,高鸿钧(中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室,北京,100080)汪裕萍(北京大学电子显微境实验室,北京,100871)
刊 名：物理学报 ISTIC SCI PKU英文刊名：ACTA PHYSICA SINICA 年，卷(期)：2003 52(2) 分类号：O4 关键词：Co纳米晶 单分散 自组装★ 高等植物启动子功能和结构研究进展
★ 纳米氧化锌薄膜蓝光发射机制的研究进展
★ 化学流体沉积法制备纳米复合材料研究进展
★ 混凝土结构自防水具体概念是什么？
★ 高分子专业自荐信
★ 缤纷色彩缘自特殊结构作文850字
★ 组装技术员简历
★ 组装实习心得体会
★ 纳米机器作文
二维码空间 篇3
事实上，这并不是一项单纯靠重复堆积二维码制成的装置艺术，每个二维码都包含了关于Zaryadye公园项目的资料。莫斯科市政府在去年发起了Zaryadye公园的设计竞赛，建成后，这将成为莫斯科50多年来建成的第一座公共广场。
在2012年威尼斯双年展上，俄罗斯艺术家就已经制作过一座二维码展厅，用以展示名为Skolkovo未来城市的计划。
在某种程度上，二维码或许依然是一个噱头，但你不得不承认，这种排列确实蔚为壮观，并会吸引你多看一些东西。
Exhibition at a Glance
婚纱礼服1775-2014/2014年5月3日—2015年3月15日/伦敦维多利亚和阿尔伯特博物馆/这次婚纱展览旨在呈现200年来婚纱的演变历程，以及顶级时装设计师的不同设计，如查尔斯·弗雷德里克·沃斯、诺曼·哈特奈尔和王薇薇。策展人Edwina Ehrman表示，希望这次耗时5年筹备的展览对“婚纱就是一款大摆礼服”的先入为主的念头有所冲击。
罗丹作品展/5月1日— 7月31日/伦敦鲍曼雕塑馆/此次展览将集中展出雕塑家罗丹的30件青铜雕塑作品，包括一些他最受欢迎的作品和此前从未在英国展出过的作品，如一件名为《浪子》（The Prodigal Son）的大型版本，其命名参照了《路加福音》中的圣经寓言。
二维纳米材料 篇4
氮化硼二维纳米材料制备技术可以主要分为“自下而上”的合成法和“自上而下”的剥离法两大类[2,11]。合成法的代表方法为化学气相沉积(CVD)法[11,12,13,14,15,16,17,18],其基本流程为将含有氮和硼的原料以加热等方式变成气态,由惰性气体输送,在较高的温度下沉积在晶格匹配且非常洁净的基板上。合成法对实验条件要求较高、制备成本高、不易控制且产量较低,难以大规模生产应用。剥离法代表方法为化学剥离法,利用溶剂与氮化硼材料的相互作用对抗原子层之间范德华力,具有成本低、产量高、质量好的优势,是最有前景的氮化硼纳米片规模化制备方法。本文系统介绍了氮化硼二维纳米材料剥离制备技术,简要介绍了各种方法的原理和优缺点,并展望了氮化硼二维纳米材料剥离制备技术的发展方向。
1 氮化硼二维纳米材料剥离制备技术
氮化硼二维纳米材料剥离法的基础在于其特殊的片层结构[19,20,21,22]。在每一原子层内,N原子和B原子交替组成无限延伸的六边形网格,B原子和N原子以sp2杂化共价键连接,键长a=b=0.2504nm;层与层之间沿C轴方向按照ABAB…方式排列,主要为范德华力作用,键长c=0.6661nm(两原子层);作用力性质的不同及原子间距离的差异导致层与层之间的作用力弱于层内原子之间的作用力。剥离法便是利用各种方式对抗层与层之间的作用力从而实现氮化硼的剥离。相比石墨烯而言,氮化硼的剥离难度更高,这是由于氮化硼结构中B原子与N原子的电负性差异使得原子层之间的作用力除范德华力外还带有部分离子键性质的作用力,被称作lip-lip作用[2,11]。现有的氮化硼二维纳米材料制备方法主要分为机械剥离法和化学剥离法。机械剥离法主要包括胶带剥离法、等离子体刻蚀法、球磨法和流体剥离法;化学剥离法主要包括液相超声法、化学功能化法和离子插入剥离法。
2 机械剥离法
2.1 胶带剥离法
胶带剥离法利用胶带的黏性对抗氮化硼层与层之间的范德华力,是剥离层状纳米材料最简单的方法,最初由Novoselov等[23]成功应用于制备石墨烯,并于次年得到晶体完整的原子层厚度的氮化硼纳米片[24]。Pacile等[25]将块体材料换成氮化硼粉末,用类似方法得到大约10个原子层的氮化硼纳米片。胶带剥离法简单易行,但是随机性较大,不易控制且产量很低,得到的氮化硼纳米片往往直径较小(几个到几十微米),而且缺陷较多[26]。只能用于科学研究,无法生产应用。
2.2 等离子体刻蚀法
等离子体具有较高的能量可以打开分子之间的作用力,等离子体刻蚀法利用氧和氮的等离子体刻蚀六方氮化硼层状材料或氮化硼纳米管得到氮化硼纳米片。Alem等[27]将六方氮化硼粉末用胶带剥离法处理后,用离子刻蚀技术直接将氮化硼薄片剥离至少层或单层。Zeng等[28]用Ar等离子体刻蚀氮化硼纳米管,也称为氮化硼纳米管的解链(unzipping),将氮化硼纳米管固定在洁净的Si基底上,并用Ar等离子体打开共价键,最终得到长1μm,宽20~50nm,厚度为2~10层(每3层原子层约厚1nm,下同)的氮化硼纳米带。等离子体刻蚀法使得少层或单层氮化硼纳米片的制备变得可控,提高了成功率,但是设备要求高,制备步骤复杂,难以大规模制备。
2.3 球磨法
球磨法利用了硬球与氮化硼结构的相互作用,一方面,在球磨过程中,硬球与氮化硼层状结构侧面的碰撞使氮化硼片层起皱甚至剥落;另一方面,球磨时产生的高能量也为氮化硼原子层之间的分离提供了能量来源。Xia等[29]研究了球磨时长对剥离氮化硼层状材料的影响,随着研磨时间的延长,氮化硼纳米片平均直径下降明显,并出现较多的乱层结构。Streletskii等[30]以球磨机的输入功率为控制条件,得到厚度小于5nm的氮化硼纳米片,并通过吸附性测试发现其具有高达400m2/g的比表面积,能良好地应用于吸附,催化领域[31]。Li等[32]采用行星球磨机,配以较小直径的摩擦球并加入润滑剂,所得到的氮化硼纳米片结晶性有较大改善,但依然引入了较多缺陷。总体而言,球磨法方法简单,但选择性差,难以准确控制;生成的氮化硼纳米片有较多缺陷,难以制备较大面积结晶良好的氮化硼纳米片。
2.4 流体剥离法
高速流动的流体具有一定的剪切力,可以推动氮化硼片层滑移,使氮化硼得到快速有效的剥离。Yurdakul等[33]将氮化硼粉末分散在DMF和氯仿混合的溶剂中(wBN=6%),用207MPa的高压将混合溶液压入微流体容器中,得到厚约8~12nm的氮化硼纳米片,剥离率高达45%,具有较好的工业应用价值。2012年Chen等[34]利用自制的涡流离心旋转设备,将少量氮化硼粉末分散在NMP中,以45°角斜向高速旋转,利用离心力和流体的剪切力共同作用,得到5%的单层氮化硼纳米片。图1 是该方法的剥离机理。Yi等[35]用自制的高速流场设备,以二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,配成初始浓度为0.1mg/mL的分散液,用活塞泵产生压力推动分散液在狭窄管道中流动,得到厚度为4~5层的氮化硼纳米片。流体剥离法操作简便,成本低,效果好,有较好的工业应用价值。
Fluid dynamics suggests upward liquid flow near the inner wall of the rotating tube(left),exfoliation process(middle),slippage on the inner surface of the tube(right)
3 化学剥离法
3.1 液相超声法
液相超声法[2,37]利用溶剂分子与氮化硼表面之间的作用,并辅助超声波的能量打开氮化硼层与层之间的范德华力,使剥离得到的氮化硼纳米片分散在特定的溶剂中,这种方法在石墨烯剥离中有过很好的应用[36]。溶剂的选择很重要,一方面要对氮化硼有良好的剥离效果,另一方面又要防止氮化硼纳米片的团聚[19,21]。溶剂的选择可以参考Hansen溶解参数理论(HSP)[37],见公式(1):
式中:Ra称为Hansen溶解参数距离,其值越小,可能的溶解度越高;δD,δP,δH分别代表溶剂或材料本身的分散性,极性,氢键结合力;角标solv,solu分别代表溶剂和溶质。从公式可以看出所选择的溶剂应具有一定的分散性,极性和氢键结合力,使层状材料的剥离能最小化[2,38],借助超声波的空化作用打开层之间的范德华力从而实现氮化硼层状材料的剥离。
Hanson溶解参数理论已经被很多实验证实。Zhi等[39]将氮化硼分散在二甲基甲酰胺(DMF)中配成25mg/mL的高浓度分散液,超声处理10h后离心分离,上清液中得到厚度为1~4nm的氮化硼纳米片,并发现其作为添加剂使用时,可以极大地提高复合材料的热力学性质。Warner等[40]将少量六方氮化硼粉末混入1,2-二氯乙烷中,水浴超声3h得到2~10层的氮化硼纳米片;并详细研究了氮化硼纳米片受电子束照射时的损伤情况。Coleman等[38]系统研究了溶剂表面能与二维层状纳米材料的关系,认为甲基吡咯烷酮(NMP)和异丙醇(IPA)由于其表面能与氮化硼相近,对氮化硼的剥离有良好的效果,并制备出以IPA为溶剂,浓度为0.06mg/mL分散良好的氮化硼纳米片。随后高冠慧[41]及Taha-Tijerina等[42]用相同溶剂,水浴超声得到厚为5~10 层的氮化硼纳米片,证明了IPA具有良好剥离效果。
不同的溶剂具有不同的物理化学性质,由Hansen溶解度参数理论可以推断:多溶剂的混合有可能得到更小的Ra值,从而提高溶剂整体的剥离或分散性能。Zhou等[43]以体积分数为55%的乙醇和水混合溶液作为分散剂,超声离心后得到厚3~4nm浓度0.075mg/mL的氮化硼纳米片,略高于Coleman等[38]用IPA做剥离溶剂得到的浓度(0.06mg/mL)。Cao等[44]以氨水溶液和IPA(氨水∶IPA约为3∶2)溶液作为分散剂,配以20mg/mL的分散液,超声35h后3000g离心得到的氮化硼纳米片具有很高的稳定性,回收率高达20%,剥离稳定性和剥离率都较高。同年Yang等[6]用芘衍生物水溶液以类似的方法得到小于6原子层的氮化硼纳米片。Marsh等[45]用液相超声法系统测试了甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丙酮和叔丁醇与水的不同掺比的混合溶液与对氮化硼的剥离效果的影响,紫外光谱数据表明,60%的叔丁醇溶液不论是剥离效果还是分散溶液的稳定性均最佳。以上结果表明:不同溶液的适当混合可以使剥离效果提升,但其原理有待进一步研究。
一些偏离Hansen溶解度参数理论的溶剂也可以实现对氮化硼的剥离:Lin等[46]以纯水为溶剂配成2mg/mL的氮化硼水溶液并超声10h,得到洁净的水中分散的氮化硼纳米片。以水为溶剂不仅利用了水分子的极性作用,同时超声的能量也促进了氮化硼的水解作用。Wang等[47]将六方氮化硼粉末分散入一种简单的质子磺酸-甲基磺酸中配成2mg/mL溶液,超声处理8h后离心分离取上清液,得到厚度小于3nm的氮化硼纳米片,所得到的氮化硼纳米片溶解度达到约0.3mg/mL并能够很好地重新分散到其他的溶剂中。
3.2 化学功能化法
某些溶剂分子可以黏附在氮化硼的表面,所携带的功能化基团产生的排斥力足够抵抗令氮化硼重新聚合的范德华力。外界能量(如超声)诱导剥离得到的氮化硼纳米片难以重新聚合,从而使氮化硼纳米片在溶剂中稳定分散,这种方法在提高碳纳米管稳定性以及对碳纳米管改性方面具有良好的应用[48]。Lin等[49]采用己二酸异辛癸酯或氨基端聚乙二醇作为溶剂,与氮化硼粉末混合,在氮气保护下加热4~6天,超声和离心处理后得到直径几十纳米到一微米,厚1~7nm,高度稳定的氮化硼纳米片。己二酸异辛癸酯或氨基端聚乙二醇均为端部氨基并带有疏水性的烷基结构,端部的氨基可以与氮化硼表面中的B原子相结合,而烷基结构能够有效地防止剥离后的氮化硼纳米片重新聚集,所得到的氮化硼纳米片可以较好的稳定并可以重新分散在其他溶剂中。Lian等[50]先以合成法制成了团聚成花状的氮化硼纳米薄片,随后研究了其在DMF中的剥离性质,通过红外光谱分析,DMF剥离后的氮化硼纳米片具有氮化硼本身不具有的甲基和碳氧双键吸收峰,并且不同于氮化硼与DMF机械混合的吸收峰,作者认为这是因为DMF在反应时发生化学反应黏附在氮化硼纳米片的表面,并诱使了氮化硼的剥离。最近Du等[51]将BN粉末和NH4F混合,180℃下保温24h,一步反应实现块体氮化硼的剥离和氟化,得到约4μm,厚度小于三层的氟化氮化硼(F-BNNS),通过第一性原理计算推测,其剥离机理为F离子与BN表面的B原子成键,其引力将B原子挤压出BN表面,从而引发表面的卷曲,表面卷曲后露出的第二层表面继续与氟离子反应发生卷曲,卷曲到一定程度便可以实现剥离的效果,图2是其反应原理示意图。由此可见化学功能化法不仅可以实现氮化硼的剥离,还可以在氮化硼表面引入其他官能团,从而带来更独特的性质,因此,化学功能化法不仅是一种有效的剥离方法,同时也在氮化硼材料改性方面具有良好的研究前景。
Fluorination,buckling of the sheets on the surface,insertion of ammonium ions,and exfoliation of sheets
3.3 离子插入剥离法
某些离子可以插入到氮化硼的结构中,通过一些反应诱导氮化硼的剥离。Erickson等[52]类比碱金属插入法制备石墨烯的方法[53],将汽化了的钾离子插入到预先制备的氮化硼纳米管管壁原子层中,插入的钾离子会聚集成“钾离子岛”并越来越大,直到张力撑开共价键,撕开氮化硼纳米管从而得到细长(约1μm长,20nm宽)的条带状氮化硼纳米带。Zeng等[54]用电化学锂插入法,将块体六方氮化硼材料、乙炔黑与分散在NMP中的聚偏氟乙烯混合,得到的悬浊液均匀地覆盖在Cu片上,并在100℃下干燥12h,然后将该Cu片作为阴极,锂箔作为阳极组成锂离子电池,控制放电到终止电压,取出Cu片依次用丙酮、超纯水冲洗得到直径约500~700nm,厚2~8nm的氮化硼纳米片。在此制备过程中,Li+发挥着不同的功能,一方面,Li+在反应过程中插入层状氮化硼材料的层与层之间,增大了层与层之间的距离;另一方面,Li+在反应过程中变为Li0单质,与水反应生成氢气,体积膨胀,进一步撑开了层与层之间的距离,从而对氮化硼进行了有效的剥离。这种方法方式新颖,想法独特,但步骤较繁琐,此外,氮化硼材料的终止电压不易控制,降低了其可操作性。Li等[55]将六方氮化硼粉末均匀加入NaOH和KOH的混合物中,然后转移到内衬为聚四氟乙烯的高压锅中加热到180℃并保温2h,得到了厚2~4nm,边缘为卷曲状的氮化硼纳米片。氢氧化物的阳离子和阴离子在化学势的驱动下会插入到氮化硼表面的褶皱中并诱使氮化硼原子层发生自发的卷曲并带动更多的离子插入,基于第一原理的计算得知当Na+和OH-覆盖面积达到10%时,卷曲的能量就能超过层之间的结合能从而达到剥离的效果。
综上所述,胶带剥离法制备的氮化硼二维纳米材料方法简单,结构变形小,适宜制备供研究用的氮化硼纳米片;球磨法成本低,产量大,适宜制备催化剂,吸附剂用氮化硼纳米片;流体剥离法反应快,成本低但需要特制的反应容器;液相超声法成本低、操作简便、质量好,是最有潜力大规模生产高质量氮化硼纳米片的方法;化学功能化法不仅能提高氮化硼纳米片的稳定性,并且所得到的氮化硼纳米片带有溶剂的官能团,可能带来新的特性,有良好的发展前景;离子插入法方法独特,剥离效果好,但需要进一步优化制备流程。
4 氮化硼二维纳米材料剥离技术展望
氮化硼二维纳米材料具有独特的力学、物理学、光学性质,具有良好的应用前景。但由于其分子之间独特的作用力,获得质量稳定,片层数均一的少层或单层氮化硼二维纳米材料还具有一定的挑战,限制了对其性质的研究以及特性的应用。需要解决的问题有很多方面,如氮化硼二维纳米材料制备机理问题;对现有制备方法的改进优化;大面积、稳定、单原子层的氮化硼烯的制备问题等。针对以上问题,本文提出氮化硼二维纳米材料的发展趋势:
(1)深入了解氮化硼二维纳米材料剥离机理
在氮化硼二维纳米材料剥离技术方面,分子扩散动力学,原子之间、原子层与层之间的作用力等相关理论等的理解和完善是氮化硼剥离技术的基石。现有的Hansen溶解参数理论[37]等实验理论,几乎都是半经验性质,只能用来部分指导氮化硼二维纳米材料的制备,还远未达到准确预测氮化硼制备效果的程度;同时,制备条件如剥离时间、超声功率、离心转速等反应参数的确定还属于实验性质[39,40,41,42,43,44,45,46,47]。因此,需要大量的研究深入了解氮化硼剥离时的反应机理,开展包括材料、物理、化学、纳米技术等的多学科交叉研究是氮化硼二维纳米材料剥离机理突破的关键。
(2)氮化硼二维纳米材料制备技术的改进
相对于石墨烯,氮化硼二维纳米材料制备方法研究还不完善。除了研究新的制备方法,还可以将原有制备方法进行改进或不同方法进行结合,如合成法与剥离方法的结合[56],机械剥离法与化学剥离法的结合等。产量更大、原子层数更均一、质量更稳定、收率更高是氮化硼二维纳米材料制备技术的几个重要发展方向。
(3)制备单层氮化硼烯
对于二维纳米材料来说,需要获得稳定的、独立的、缺陷较少或无缺陷的单层结构。这里称为氮化硼烯的制备,不仅是对氮化硼二维纳米材料性质研究的需要,也是对某些应用如超微型电子元器件的应用需要。氮化硼剥离技术目前还没有办法制备出大量稳定的单层氮化硼烯,需要进一步开发新的制备工艺与方法。
氮化硼二维纳米材料具有优良的物理、化学性质,具有广阔的应用前景,随着制备技术的完善和性能研究的深入,氮化硼二维纳米材料必将在微电子制造、光学元器件等应用领域发挥积极作用。
摘要：氮化硼二维纳米材料具有与石墨烯相当的强度、较宽的带隙、优良的化学稳定性和热稳定性,在绝缘、含氧、高温的条件下具有独特的应用价值,其制备技术及性能的研究是近年来材料科学领域研究的热点之一。剥离制备方法尤其是化学剥离法具有成本低、质量好、容易控制等优点,是制备氮化硼二维纳米材料的有效方法。本文详述了各种剥离方法制备氮化硼二维纳米材料的现状、存在的问题,指出深入研究剥离机理、开发新型高效剥离方法、制备稳定单层氮化硼应该是今后本领域的重点研究方向。
“声色”二维码 篇5
对于二维码， 营销人一定不陌生。 由于快捷和低成本的原因， 二维码一直受到企业的追捧。 大至知名品牌， 小到路边面包店， 都尝试过用二维码做推广 。
此前， 著名内衣品牌维多利亚就做了一个很经典的二维码户外广告： 他们在模特前胸盖上二维码， 广告文案更是赤裸裸地充满诱惑—— “RevealLily ‘ssecret”（Lily的真实秘密） 。 当顾客急不可待地拿起手机拍摄二维码， 才恍然大悟： 原来二维码的后面是维多利亚的秘密内衣。
但迄今为止， 品牌对二维码的运用还大多停留在签到、 查询、 获取优惠券、 传情 （文字、 图片、 视频、 声音）等层面， 运用虽广 ， 创意不足。想要有新意？ 南美服饰品牌Americanino最近做了一个独特的 “语音” 二维码创意品牌推广 ， 营销也因而变
得有声有色起来。
首先， Americanino设计了一个简单的二维码， 颜色鲜亮， 将它放在广场的户外广告板上， 很容易就能吸引受众的注意力。
不同的地方就是： 当人们扫描该二维码后， 会有一行提示性文字出现： 请拨打XX电话， 会有惊喜。如果扫码者拨打了这个电话， 他们将会发现自己和Americanino品牌的场外工作人员连上了线。 通过对话，工作人员首先会告诉他们不要离开广告板， 以便进行接下来的步骤。 然后， 如果参与者同意的话， 工作人员会进一步要求其告知自己所穿外套的尺码， 并脱掉它们——当然， 前提条件是： 当扫码者脱光外套之后， Americanino官方会派出工作人员赠送相同尺码的外套。
看上去， 这个活动似乎是一个借助二维码而进行的无厘头的游击营销。 但实际上， 要想实实在在地把这个活动操作好， 并不是一件简单的事情，有许多操作技巧。
首先， 活动需要厘清活动目标与对象： 用户是拥有移动设备 （如智能型手机、 平板计算机） 并能联网的人。这些人一般都是追求生活品质、 年纪偏轻的人， 他们乐于尝试和勇于接受新事物。 这与Americanino品牌要寻找的目标消费者相符。
其次， Americanino提供外套作为奖励， 并且奖励方式新奇有趣， 因而有效地吸引了消费者的参与， 也加深了受众对其品牌的印象。 而在此之前， 许多企业在操作二维码时都只是单纯地提供企业广告宣传， 并没有足够的让使用者惊喜的内容， 这将无法吸引其进一步的参与和购买。
第三， 参与者们需要在大庭广众之下站在广告牌下打着电话脱掉衣服， 本身就是一件让人很惊奇的事情，势必会吸引很多人围观。 这种另类的做法在无形之间也扩散了活动的影响力。
二维纳米材料 篇6
关键词：磁流变光整加工,磁流变液,材料去除,去除模型,二维建模
0 引言
作为超精密加工领域中的一个重要部分,磁流变光整加工(magneto-rheological finishing,MRF)技术在20世纪90年代初得到了运用与发展[1]。MRF将电磁学和流体动力学理论相结合,是一种利用磁流变流体在磁场中的流变性发生剧变的特点进行加工的新兴技术,其加工效率较高,不易产生亚表面破坏层并能实现微机数控等优点已渐为人们所接受[2]。MRF利用磁流变液在磁场作用下形成的柔性“小磨头”对工件表面进行加工,特别适合非球面光学元件及其模具的超精密制造。传统的抛光过程中,减小磨粒与工件之间的法向力是降低表面粗糙度的关键;而在MRF中,磁流变液流过工件,在汇集间隙处产生剪切力而去除材料,从而使加工表面洁净、无刮伤。磁流变液中抛光粉对工件表面的切入量非常小,且易控制,其去除函数能利用光学干涉仪测量得到[3],因此MRF被认为是一种先进的、确定性的光学元件光整加工技术[4]。
超精密光学零部件的加工中,材料去除函数的建模与确定是进行确定性的MRF控制的重要基础。以往的研究重点考虑了一维方向的去除模型[3,4],难以准确地获得实际的材料去除函数,只能对材料的去除进行简单的估计。作为扩展研究,本文对二维方向上的材料去除进行了比较深入的分析与建模,最后以建立的去除模型为基础,对工件压入量和工件类型两种因素进行实验,将实验结果与模型进行比较与分析,从而对去除函数在理论与实验两方面进行研究。
1 MRF材料去除模型
1.1 MRF原理
MRF的基本加工原理如图1所示。加工过程中,在无磁场作用区域,磁流变液表现出良好的流体特性,当经过运动轮上方的高强度的磁场区域时,它的黏度会在非常短的时间内增加两个数量级以上,磁流变液中这些微米级大小的磁性粒子迅速沿磁力线方向排成链状结构而“固化”,同时磨料颗粒则被挤到链状结构的最上端而与工件表面紧密接触,成为具有黏塑性的Bingham介质[5]。这种具有黏塑性的磁流变液在与工件表面相接触的区域产生较大的剪切力,从而使工件表面材料被去除,也保持了工件表面的无损伤、凹痕或刮伤。磁流变液在离开磁场区域后又立刻恢复流动的特性。这种可逆、迅速、易控的特点为更好地控制磁流变液的性能提供方便。
(b)Y、Z方向的材料去除示意图
在此加工原理的基础上,建立如图1所示的直角坐标系,X轴的负方向为流体在运动轮上端的运动方向。假设工件为球面一部分,由于运动轮半径R0远大于加工区范围,可近似为平面处理。根据几何关系,可以得到工件面的加工区域内某点与运动轮最高点的切线之间的距离:
1/R=1/R0+1/R1
式中,R1为工件半径;h0为工件与运动轮间的最小间隙;h(x,y)为工件与运动轮的距离;x、y、z为工件上的抛光点在坐标系XYZ中的位置。
为了分析磁流变光整加工时在X、Y二维方向上的材料去除规律,假定抛光液的截面形状为图1所示的半椭圆形,其抛光液截面的长半轴与短半轴的长度分别为L与H,则可认为球面工件与半椭圆形磁流体相交的边界方程为
1.2 MRF去除模型
对于去除模型的研究,目前多数集中于一维的深度去除函数的研究,且很少考虑材料特性的影响。本文在考虑材料特性的基础上进行二维去除函数的分析与建模。根据通用的模型Preston方程[6],材料在二维方向上的去除率模型为[7]
其中,Q(x,y)为工件表面上某加工点处单位时间内的去除高度,K为Preston系数,在特定工艺下为常数,μ为摩擦因数,τ(x, y)为工件表面剪切力,p(x,y)为工件表面上某加工点所受的流体压力,v(x,y)为工件表面与磨粒的相对速度。当H远远小于运动轮的半径R0时,v(x,y)可近似为运动轮工件上某加工点与运动轮的相对速度u。MRF中,较低的法向力使磨粒与工件表面接触,磁流体中磨粒的剪切力则使工件材料得以去除。
1.2.1 Preston修正系数
去除模型中的Preston系数K比较复杂,它与磁流变液的化学成分、磨粒类型(大小,形状,硬度)、加工工件等有关。Lambropoulos等[7]认为,在MRF过程中,材料去除率与E5/4/(KcH
K=K1[E5/4/(KcH
另外,一些文献[3,4,5,6,7,8]在分析与计算p(x,y)时,将其分解成流体压力pd、磁化压力pm和重压力pg等进行计算,然后线性叠加。实际上,在线圈中通入一定的电流I,即有磁场产生,磁场中的磁流变液的性质也会发生突变,在外观上可以看作其黏度的增强,即在具有磁场梯度的加工区域的流体黏度η与外在的电流强度I有一定的函数关系,设
η=K2η0ln(e+I) (5)
式中,η0为初始流体黏度;I为电流强度。
将系数K1、K2合并为一个新的系数,即有Preston修正系数K′:
K′=K1K2 (6)
1.2.2 流体压力模型
根据雷诺方程及Reynolds边界条件[8],并对其进行扩充,假设压力p(x,y)在Y方向上的变化率一定,流体压力p(x,y)在X、Y二维方向上的分布为
式中,h*(x,y)为当dp(x,y)/dx=0时的工件到运动轮的距离。
令
将式(8)、式(9)代入式(7)并化简得流体压力模型:
式中,C为积分常数;γ*1为当dp(x,y)/dx=0时的一个确定值。
对Reynolds边界条件[8]进行扩充:
(1)当x→-∞且y=0时,有p(x,y)=0;
(2)当x=x*且y=0时,有p(x,y)=0。
将条件(1)、条件(2)代入式(10)并整理可求得
将γ*1与C代入式(10)即可得到流体压力在X、Y方向上的二维分布,如图2所示。
1.2.3 MRF的二维去除模型
将式(10)、式(6)代入式(3),可得到在X、Y方向上某一点的材料去除率:
其模拟结果如图3所示。将式(11)在式(2)的去除面积上进行积分,得到该材料的体积去除函数:
Rv(x,y)=2∫
由式(2)可求得边界在X方向的极值
作为模拟结果一例,考虑使用BK7材料,H=1mm,L=1.5mm,I=12A,工件曲率半径为65.66mm,系数K′为4.4836×10-12,其他实验参数见表1。用上述模型及相关的数学软件,可以求得体积去除率为0.0416mm3/min。该实验条件下,得到材料去除率为0.0365mm3/min,仿真结果与实验结果相近。
2 材料去除实验
为了探讨建立的材料去除的数学模型,并进一步研究相关因素对MRF的材料去除影响规律,本文在理论分析的基础上,进行了一系列MRF加工的基础实验。所用的实验平台是高精度的抛光机床,图4为MRF实验外观图。根据模型中的参数进行分组实验,通过加工实验点,对加工点利用光学干涉仪进行检测。根据所得的数据分析光整加工中压入量、材料类型等参数对去除率的影响规律,并与理论模型的计算结果进行比较与分析。
2.1 压入深度对去除率的影响
从图1可知压入深度Δ=H-h0,当运动轮的压入深度Δ增加时,最小间隙h0减小,也即加工区域的汇聚间隙h(x,y)减小。因此工件表面处的流体压力和磁场强度增加,这使得与工件接触的磁流变液的剪应力急剧增加,导致材料的去除量随之急剧增大。图5表示了压入深度对材料去除率的影响关系。相关实验参数如下:材料为SiC,修正系数K′=4.7136×10-12,初始黏度为41mPa·s,高度为0.9mm。压入时间为20s,其他参数见表1。图5的模拟结果显示了材料去除率Q(用单位时间内的最大去除高度来衡量)受压入深度的影响不是很明显,它主要与修正Preston系数影响有关,因为此系数是一个通过大量的相同材料不同实验条件的实验平均值。
2.2 工件材料类型对去除率的影响
由于工件表面硬度与抛光粉作用的方式存在较大差异,MRF对不同材料的加工效果是不相同的,这些因素主要包含在修正系数K′中。实验中分别对SiC、BK7玻璃和Si试件进行抛光加工,根据实验结果来分析材料特性对材料去除的影响情况。图6所示为工件材料类型对材料去除的影响情况。材料的去除率随其E5/4/(KcH
3 结论
本文针对MRF关键技术中的去除模型进行了探讨。根据Preston公式、Reynolds方程及其边界条件,推导了二维方向上的材料去除模型,并对模型进行了分析。通过工艺实验分析了工件压入量、工件材料特性等参数对MRF的材料去除率的影响,并将实验结果与建立的材料去除模型的结果进行了比较以验证该模型。该二维模型的建立与工艺实验为光学元件确定性的超精密加工提供了重要的理论与实验基础。
参考文献
[1]Prokhorov I V,Kordonski WI.New High PrecisionMagnetorheological Instruments-based Method ofPolishing Optics[C]//Optical Fabrication and Tes-ting,24,OSA Technical Digest Series.Washington,DC:Optical Society of America,1992:135-136.
[2]张峰,余景池,张学军,等.磁流变抛光技术[J].光学精密工程,1999,7(5):1-8.
[3]康桂文,张飞虎,董申.磁流变技术研究及其在光学加工中的应用[J].光学技术,2004,30(3):354-356.
[4]Kordonski WI,Jacobs S D.Magnetorheological Fin-ishing[J].International Journal of Modern PhysicsB,1996,10(23/24):2837-2848.
[5]刘大有,徐胜利,章书成,等.Bingham流体阵体流动立面二维计算及分析:阵流速度,形态和床面阻力[J].科学通报,2003,48(9):981-987.
[6]Preston F W.Glass Technology[J].Journal of theSociety of Glass Technology,1927,11:277-281.
[7]Lambropoulos J,Yang F,Jacobs D.Toward a Me-chanical Mechanismfor Material Removal in Magne-torheological Finishing Machine for Flats,Convex,and Concave Surfaces[C]//Optical Fabrication andTesting Workshop,7,OSA Technical Digest Series.Washington,DC:Optical Society of America,1996:146-149.
二维纳米材料 篇7
声子晶体[1]的带隙特性具有非常重要的理论价值和实际应用价值, 因而受到广泛关注。周晓敏等人[2]研究了固/固声子晶体的声聚焦现象;陈阿丽等人[3]结合实验研究了二维8 重固-流型准周期声子晶体带隙特性;Yantchev等人[4]探讨了声表面波的横向耦合特性;Sigalas等人[5]在研究二维声子晶体中的能带结构时发现, 相比于将高速材料散射体填充到低速材料基体中所形成的的声子晶体, 将低速材料散射体填充到高速材料基体中所形成的声子晶体, 更容易得到带隙, 且密度比越大, 越容易产生带隙。
声子晶体是通过调节其带隙来实现对声波调控的。影响声子晶体带隙的结构参数分为两类:构成声子晶体的材料参数和结构参数, 其中的材料参数主要包括各组分的材料密度、杨氏模量、剪切模量、波速以及声阻抗等。
1 基础理论
1.1 声子晶体的本征方程
理想声子晶体是指在某个方向上具有无限多周期而其他方向上均匀且无限大的声子晶体, 其理论模型就是式 (1)
在弹性波理论中也称为弹性波方程。理想二维声子晶体由轴向无限长的柱体周期性分布在基体中构成;通常将二维晶格平面取为x Oy平面, 轴向取为z方向。将式 (1) 化成两个方程, 分别是z轴方向的质点位移分量方程和x Oy平面内的质点位移矢量方程。
z轴方向的位移分量, 一般称为z模式的标量方程, 如式 (2) 。
平面内的位移矢量, 一般称为模式的矢量方程, 有
1.2 平面波展开法
由于声子晶体具有周期性结构, 可以把弹性常数、密度等参数按傅里叶级数展开, 应用Bloch定理, 将弹性波波动方程在倒格矢空间以平面波叠加的形式展开, 即将波动方程转化为本征值求解, 从而得到声子晶体的本征方程 (4) 和 (5) 。
Z模式的本征方程
XY模式的本征方程
式 (4) 和式 (5) 为无限阶复数矩阵的特征值, 其中G' 取遍整个倒格矢空间。为了求得该问题的数值解, 通常使用倒格矢空间原点附近的有限个倒格矢代替整个倒格矢空间, 对称地进行近似求解。
2 材料参数对声子晶体能带结构的影响
(1) 为便于分析材料参数对手二维固/固声子晶体带隙结构的影响, 使材料的材料参数对声子晶体能带结构作用更为明显, 假设构成声子晶体基体材料的相关参数见表1 所示。
将散射体A以正方形排列的形式镶嵌在基体B中, 形成二维声子晶体, 见图1 所示。
晶格常数a=0.02 m。设散射体的密度为3e3 (kg·km-3) 和杨氏模量为2e-3 (1010Pa) , 在不同的剪切模量下所出现的带隙情况见表1 所示。
表2 中剪切模量 μ 单位 (1010Pa) , 散射体半径Rs单位 (10-3m) , 频率 ω 单位为 (k Hz) 。
表2 中第一、二组数据显示:当散射体的剪切模量大于基体时, 在填充率较大的地方出现声子晶体的带隙, 且与基体的剪切模量差值较大, 出现的带隙就越宽。比较第三、四组数据, 发现在散射体的剪切模量小于基体时, 即使在填充率很小, 也会产生声子晶体带隙, 声子晶体的能带并不会随着填充率的增加而无限增宽, 而是会出现一个峰值, 并出现了多层带隙。当散射体的剪切模量越是接近于基体时, 产生的能带结构越宽, 且能带条数越少。
同上, 假设散射体满足如下条件:密度为3 000 kg·km-3和剪切模量为2e-3 (1010Pa) , 在不同的杨氏模量情况下, 所得到的声子晶体的能带结构见表3 所示。
表中散射体半径Rs单位 (10-3m) 、频率 ω 单位 (k Hz) 、杨氏模量E单位 (1010Pa)
表3 中的数据显示, 在物质的密度和剪切模量非常接近的情况下, 散射体的杨氏模量无论如何变化, 都未出现声子晶体带隙。说明了材料的杨氏模量并不是影响声子晶体带隙的主要因素。
假设散射体的杨氏模量为2e-3 (1010Pa) , 剪切模量为4e-3 (1010Pa) , 在不同密度下产生的声子晶体能带结构见表4 所示。
表中散射体Rs的单位 (10-3m) 、密度单位 (kg/m-3) 、频率 ω 单位 (k Hz) 。
表4 中的数据表明, 当散射体的密度小于基体密度时, 声子晶体带隙会在填充率较大的情况下出现, 且其带隙极为狭窄;当散射体的密度大于基体时, 即使填充率很小, 也会产生带隙, 并且会出现多条带隙。
综上所述, 剪切模量和密度是影响声子晶体能带结构的主要因素, 而杨氏模量对声子晶体能带结构的影响极小。散射体的剪切模量比值与密度比值在远小于1 时, 声子晶体带隙在填充率较大时出现。散射体与基体的剪切模量比值在大于1 时, 声子晶体带隙在填充率较小时也会出现。
(2) 声子晶体能带结构
选取钨、硅、碳、铍四种材料作为声子晶体的制作材料。它们的相关参数见表5 所示。
比较这四种材料的相关参数, 发现钨与碳的密度相差较大, 而杨氏模量和剪切模量都比较接近。若用这两种材料设计声子晶体, 若以碳为散射体, 钨为基体, 根据上述预测, 该种声子晶体的带隙极窄, 反之, 若以碳为基体, 钨为散射体, 该种散射体具有多条能带。铍和硅的密度和杨氏模量相差很小, 而剪切模量很大, 若以铍为散射体, 硅为基体。按上述条件设计的声子晶体的能带结构见表6 所示。
表6 中的数据说明在以钨为散射体而硅橡胶作为基体所设计的二维声子晶体在填充率很低的情况下就出现了声子晶体带隙, 而将散射体与基体交换之后, 仅在散射体半径Rs=0.006 5 m时出现了极窄的声子晶体带隙。而二维铍/硅声子晶体, 无论填充率如何变化, 都没有出现带隙, 但二维硅/铍声子晶体则在整个填充率的变化过程中都会出现能带结构。这与前面分析所得结论颇为吻合。
3 结束语
在设计声子晶体时, 通常应该将密度大的材料作为散射体, 而将密度小的作为基体。在密度接近的情况下, 将剪切模量较大的选作散射体, 最后再考虑材料的杨氏模量。
参考文献
[1]温熙森, 温激鸿, 郁殿龙, 等.声子晶体[M].北京:国防工业出版社, 2009.
[2]Xiaoming Zhou, M.Badreddine Assouar.Acoustic super-focusing by solid phononic crystals[J].Applied physics letters 105.22355 (2014) .
[3]陈阿丽, 梁同丽, 汪越胜.二维8重固-流型准周期声子晶体带隙特性研究[J].物理学报, 2014, 63 (3) .
[4]V.Yantchev.A transversely coupled phononic surface acoustic wave transducer[J].Applied Physics Letters 104 (2014) .
二维纳米材料 篇8
在过去十几年里,石墨烯作为二维晶体由于出色的电子、光学和力学性能得到了巨大的关注[1]。带隙在晶体管等诸多应用中起着至关重要的作用,而石墨烯没有直接的带隙。一般可以通过化学合成氧化石墨烯和还原氧化石墨烯使其带有一定的带隙[2],也可以通过掺杂或负载其他的材料使其间接具备带隙。这样增加了材料制备的复杂程度,降低了电子迁移率。A Kis等[1]指出有较高的迁移率和直接带隙的单层MoS2能较好地补充石墨烯在晶体管应用中的缺陷。随后有评论指出[3]随着二维过渡金属硫化物的兴起,石墨烯并不是研究者们唯一感兴趣的二维晶体。
二维过渡金属硫化物如MoS2、WS2、TiS2、TaS2和ZrS2得到了广泛的研究并应用于催化、能量储备和电子器件中(见图1(a))。这些材料的共同特征是都为层状结构,每一层中由很强的共价键力连接,层与层间靠弱范德华力结合。MoS2作为层状过渡金属硫化物家族的典型代表,每层MoS2由Mo原子夹在两层S原子间形成三明治的结构(见图1(b)),层与层间由范德华力连接,这种结合力较弱可以被剥离成单层或几层的纳米片层结构。纳米片层结构对于其应用于传感器[4]、光电二极管[5]、锂离子电池[6]、光催化产氢[7]极其重要。这也是为什么要把单层或几层的石墨命名为石墨烯从石墨中区分出来的原因。将多层的MoS2剥离成单层对于其物化性质和具体应用有着十分重要的意义。剥离出的单层结构有更大的比表面积,为不同的反应提供大量的活性位点,此外还可以充当载体合成各种混合物。
环境污染是社会发展过程中的突出问题,尤其在我国工业化快速发展阶段。除传统污染物外,抗生素等药物及个人护理品、内分泌干扰物、持久性有机物等生物法难以去除的新兴污染物也日益受到人们的关注。MoS2具有良好的物理和化学稳定性,利用其吸附和催化性能去除环境中的污染物尤其是难降解污染物具有重要的意义。
本文总结了MoS2合成的主要方法,通过改性掺杂得到不同功能的纳米材料,并将薄层的MoS2或改性的MoS2应用于环境领域,用于去除许多难以生物降解或转化的污染物。最后对这类材料进行展望,为其未来发展提高参考。
1 MoS2纳米片层合成方法
二维材料的合成如MoS2纳米片层的合成可概括为自上而下和自下而上两种方法。具体的方法主要有液相剥离法(自上而下)、化学气相沉积法(自下而上)、水热法(自下而上)、机械剥削法(自上而下)等。
1.1 液相剥离法
过渡金属硫化物是层状结构可被有机分子、过渡金属卤化物和锂离子嵌插[8],得到的插层化合物用超声剥离成单层或几层的纳米片层结构。Rao的团队[9]以正己烷作为插层剂通过正丁基锂产生的锂离子嵌插MoS2和WS2,剥离物分散在水中通过超声得到单层材料。但此法耗时较长需要3天,另一个主要缺点是锂离子嵌插程度不可控,不完全的嵌插会导致单层材料的产率低而过度嵌插又会导致MoS2分解,形成金属纳米颗粒和Li2S[10]。Zhang等[10]针对此进行了改进,通过可控的电化学锂方法来得到高产的单层二维纳米材料。将层状的过渡金属块体材料如MoS2、WS2等作为电化学电池的电极,通过放电过程显示和控制锂的嵌插过程,随后在水或乙醇中超声剥离可得到高产的单层过渡金属硫化物(见图2),通过原子力显微镜(AFM)对这种方法得到的100个MoS2进行测量发现92%的片层是单层的。此法简单、高效且产率很高。Coleman等[11]提出在超声的辅助下在合适的有机溶剂内通过液相剥离大块的MoS2粉末。这种方法产生MoS2薄片的厚度在3~12nm,相当于5~20层,没有观察到单层。将无机材料分散在30种不同张力的常见有机溶剂中超声,通过可见光谱衡量分散的质量,从而得出最好的表面张力接近于40mJ·m-2的材料。基于此Coleman等认为添加的有机溶剂应该能够减小材料剥离的能量。例如,N-甲基吡咯烷酮(NMP)和异丙醇(IPA)都非常适合剥离层状化合物。
1.2 化学气相沉积法
化学气相沉积法(CVD)是反应物以气态源的方式输送到加热的固体表面上进行化学反应,生成固态沉积物的过程。化学气相沉积法可以合成尺寸厚度可控的MoS2纳米片层(见图3)。Lee等[12]将0.4g MoO3粉末置于陶瓷舟上,另一个陶瓷舟载有0.8g硫粉,两个陶瓷舟相邻放置在管式炉内,在N2气流的惰性环境中加热到650℃将硫气化沉积在MoO3上使其硫化而得到单层MoS2。Li等[13]采用常压化学气相沉积法,使MoCl5和硫反应,通过改变两者之间的沉积距离、温度和气体流速来控制生成不同形貌的MoS2。化学气相沉积法是材料制备的比较成熟的方法,该方法合成MoS2纯度高、晶型好,但它对设备的要求高,制备条件较苛刻。
1.3 水热法
水热过程是在聚四氟乙烯内衬的不锈钢压力容器内,以水作为反应介质,加以高温高压,当温度到达临界温度后反应制备出无机材料。过去几十年来其广泛用于合成特殊尺寸和形貌的纳米功能材料[14]。到目前为止,水热法已经成功合成了不同纳米结构的过渡金属硫化物。Liu等[15]将0.4g Na2MoO4·2H2O溶于30mL去离子水中超声20min,再加入0.38g二苄基二硫和30mL乙醇接着超声30min,然后将混合物转移到100mL聚四氟乙烯反应釜内220℃反应18h,自然冷却后去除母液加入新的去离子水到反应釜中,悬浮液以12000r/min离心60min,浅棕色的上清液是MoS2量子点,下层沉淀物是MoS2量子点和微米级颗粒。通过透射电镜和原子力显微镜测量产物平均尺寸在3.6nm。Zhang等[16]将Na2MoO4·2H2O、C2H5NS以及TiO2纳米带在反应釜内200℃反应24h,得到具有良好光催化性能的MoS2负载到TiO2纳米带上的异质结。这种TiO2@MoS2异质结展现出很高的催化水产氢的能力,当MoS2负载量到50%(质量分数)时,最高产氢速率达到1.6mmol·h-1·g-1。此外这种复合材料还表现出出色的吸附和光催化性能。图4为水热法合成MoS2量子点示意图。水热法操作简单易于实现,产物重现好,但晶型不好,MoS2团聚较严重。
1.4 机械剥削法
机械剥削法是不改变MoS2物质结构的情况下,对材料进行粉碎、振荡、切削等机械方式剥削得到二维片层结构的方法。在2010年,A.Kis等[1]效仿石墨烯的制作方法,用一种特制的胶带(Scotch tape)从大的块体MoS2微机械剥削得到几层甚至单层MoS2。Wang等[17]报道了一种一步大量低成本的合成MoS2的方法,图5为该方法示意图。针对块体MoS2在水溶液中稳定不易分散,引入离子液体(IL,1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐),辅助切削,并在切削过程引入壳聚糖。上述反应物在研钵中不断研磨,最后清洗离心得到纳米片层结构。Zhou等[18]利用超音速粉碎机对MoS2粉体进行粉碎从而得到纳米二硫化钼,粉碎后粒径明显变小,剥离后得到的MoS2片层的厚度为30~50nm。机械剥削法没有改变原料MoS2的晶体结构,制备简单,既不需要复杂而昂贵的仪器,也不会造成产物的团聚,但是需要高纯度的MoS2为原料,产率低,重复性差。
2 MoS2纳米材料的改性
基于“结构支配功能”的理念,许多研究者试着合成具有良好不同建筑结构形态的复合材料来获得新颖或强化的性能以满足不同的应用要求。在植物学中,一种目标植物嫁接杂交在受体植物上可以显著提高其初始质量,在材料科学中类似的混合物改进效应同样广泛存在。下面介绍一些MoS2常见的改性方法。
2.1 碳材料改性MoS2
碳材料特别是活性炭、碳纳米管和石墨烯因良好的导电性能并可提供较大的比表面积,常将过渡金属硫化物负载在其上。Dai等[7]将(NH4)2MoS4、GO(氧化石墨烯)和L-抗坏血酸溶于DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中,超声后倒入反应釜,在200℃加热10h,将MoS2负载到RGO(还原氧化石墨烯)上成功合成了MoS2-RGO的混合结构,和单独的MoS2在溶液内自由生长时严重团聚不同,这种混合结构的MoS2片层存在大量的边界暴露在RGO上,因此这种材料有很高的催化性能可用于催化产氢。Sun等[20]合成多孔的阳极氧化铝薄膜作为模板,加入到(NH4)2MoS4和葡萄糖的水热反应釜内反应24h后,将氧化铝薄膜超声去除表面多余的颗粒,然后在氩气流中500℃煅烧5h,最后将薄膜溶于8 mol/L NaOH溶液中去除模板剂,干燥后得到多孔的管状C/MoS2纳米混合物,这种新颖的材料展现出其作为超级电容的电极的巨大优势。Huang等[21]通过改性的L-半胱氨酸辅助液相法合成MoS2-石墨烯混合物。这种混合物在透射电镜下呈现出三维球面结构,通过电化学测量MoS2-石墨烯电极在1A/g放电电流密度下最大电容能达到243F/g,是一种良好的电极材料。
2.2 金属或金属氧化物改性MoS2
金属氧化物负载在MoS2上可以强化它的催化性能,电化学稳定性更好,同时还可以克服自身的一些缺陷如团聚等。Sara Cravanzola等[22]将MoS2负载在Ti纳米管上,形成MoS2/TNTs(见图6)混合物,其具有很强的光催化性能,可用于一些污染物的降解。Zhang等[16]首先通过简单的水热法和酸腐蚀处理得到TiO2纳米带,通过钼酸钠,硫代乙酰胺水热法合成MoS2负载TiO2纳米带上合成的异质结构的光催化活性大大增强,后面在污染物去除的应用中还会提到。Liu等[23]通过钼酸铵和硫脲作为前驱体在160℃、180℃、200℃水热温度下原位合成MoS2均匀地装饰在Fe3O4上,合成了MoS2@Fe3O4的三维纳米混合物。随着合成温度的升高,更多带有尖锐边界的纳米片层缠绕在Fe3O4纳米颗粒上。这种材料催化还原4-硝基苯酚为4-氨基苯酚无需添加贵重金属,展现出良好的催化能力。将贵金属Pt负载在MoS2上同样具有较好的催化性能,有研究报道[24]采用浸渍法制备Pt-MoS2/C催化剂,发现其在硝基苯催化加氢实验中比Pt/C的寿命要显著提高,可循环14次,负载MoS2的可延缓孔堵塞和比表面积的下降。
2.3 过渡金属硫化物复合改性
过渡金属硫化物复合改性就是将过渡金属硫化物对过渡金属硫化物改性合成纳米混合物。与金属或金属氧化物复合相比,过渡金属硫化物有相似的结构性质,这种复合纳米材料往往展现出多功能性,内在属性得到强化甚至可以开发出新的性能。Li等[25]将CdS负载在MoS2上得到的混合物催化性能大大提升,可在可见光下催化产氢。0.2%(质量分数)MoS2负载到CdS上的甚至比0.2%(质量分数)Pt/CdS催化性能还高。Meng等[26]通过简单的化学法和水热过程,将CuS纳米片层均一长在MoS2片层上,成功合成二维CuS/MoS2结构。通过在自然光下对亚甲基蓝溶液的降解来评价纳米CuS/MoS2复合物的催化性能,该实验结果表明,与单一的CuS和MoS2相比,这种复合材料的光催化性能提高很多,可能是CuS和MoS2的复合强化了对染料的吸附和电子转移过程。
3 MoS2和改性MoS2在环境领域中的应用
3.1 吸附
二维材料的MoS2和改性MoS2具有较大的比表面积,展现出良好的吸附能力。Chao等[27]通过将MoO3,KSCN和去离子水倒入25mL聚四氟乙烯不锈钢反应釜水热法得到类石墨烯二维片层结构的MoS2。原子力显微镜观察材料平均厚度在4~5nm,表明材料大概为8~12层,BET测试其比表面积为87.15m2/g。将此材料用于吸附较难去除的多西环素抗生素,在4种不同pH条件下,合成的MoS2和商业的MoS2(国药集团化学试剂有限公司)相比,合成的MoS2在pH值为3.8、6和9时对多西环素的去除率都达到80%,而商业MoS2仅仅只有20%,合成MoS2对多西环素最大吸附量在310mg/g;并做离子强度对吸附性能的影响。这些实验结果表明,合成的类石墨烯MoS2在去除水体中多西环素有巨大的潜力,是一种良好的吸附剂。重庆大学徐海燕等[28]利用钼酸钠和硫粉为前驱体通过水热法成功合成二硫化钼纳米片结构。利用甲基橙为模型,研究了MoS2吸附性能,并研究了吸附剂投放量、pH值、反应时间以及甲基橙溶液初始浓度对吸附性能的影响。得出较优吸附条件:投加量0.015g,甲基橙初始浓度20 mg/L,吸附时间为70 min,pH值为6.5,甲基橙的吸附量为0.426mol/kg。Song Haojie等[29]采用一步水热法合成超薄的MoS2,其比表面积高达106.989m2/g,在去除有机染料时有很大的吸附容量(去除刚果红平衡吸附量达到250mg/g)和极快的吸附速率(10min达到平衡),二硫化钼展现出作为新型吸附剂在处理废水方面巨大的应用潜力。
3.2 催化
Notley S M等[30]通过液相切削块体MoS2得到单层或几层的MoS2。这些纳米片层带宽在1.97eV,在光催化应用中展现出巨大的潜能。原料为Sigma-Aldrich上购买的粒径小于2μm的MoS2,利用表面活性剂辅助液相切削技术,悬浮液1500转离心得到单层MoS2。实验结果表明在氙灯模拟可见光条件下其能很好地降解染料亚甲基蓝。Ng Dickon H L等[31]通过简单的超声化学法合成了不同质量比的MoS2/C3N4异质结构,这种改性混合物具有很高的光催化活性,实验表明其在降解染料罗丹明B(RhB)和甲基橙(MO)时有很好的去除能力。用这种材料在可见光下降解罗丹明B染料,0.05%(质量比)MoS2负载在C3N4(记作CM0.05)时降解效果最佳,反应速率达到0.301min-1,是单纯的C3N4的3.6倍。结构中MoS2扮演电子捕获剂的角色,从而抑制了电子-空穴的复合,同时C3N4表面上累积的空穴可以直接氧化有机染料,这种复合物是污水处理中去除有机污染的理想材料。光生电子从C3N4表面转移到价带更低的MoS2上,这些电子与MoS2表面吸附的氧气反应产生O2-自由基,随后O2-自由基会与H+结合产生H2O2最终分解产生羟基自由基。与此同时,C3N4表面累积的空穴会直接氧化染料。实验中为了验证降解的机理,加入一些自由基的淬灭剂,N2是O2-自由基的淬灭剂,叔丁醇(t-BuOH)是淬灭羟基自由基的,三乙醇(TEOA)胺是空穴的淬灭剂。分别加入这几种淬灭剂后降解率都有所下降,其中加入三乙醇胺降解率下降最多,说明O2-自由基、羟基自由基和空穴都在降解染料中起作用,其中空穴降解作用最大(见图7)。Lin等[32]利用水热法将Fe3O4负载在MoS2上合成Fe3O4@MoS2核壳结构,并用于光催化降解一种常见的工业污染物4-硝基苯酚。实验中4-硝基苯酚浓度1mmol/L,材料投加量0.25g/L,80min转化率达到90%。Sara Cravanzola等[22]将MoS2负载在Ti纳米管上,这种改性材料在光降解亚甲基蓝时效果比单纯的Ti纳米管以及商业的P25都要好。Vattikuti等[33]通过一步水热法合成Al2O3-Coated MoS2纳米球结构,这种材料有良好的光催化性能和化学稳定性能:5mg催化剂光降解50mL的10mg/L RhB溶液,60min彻底降解;重复利用4次降解效率不变。其实以上材料在去除污染物时除了催化外,吸附也在起作用。
4 结语
本文主要介绍了二维纳米片层过渡金属硫化物中的MoS2,阐明其独特的纳米片层的性质:更大的比表面积和更多的活性位点。因此本文介绍了合成纳米片层结构MoS2的方法:自上而下和自下而上,自上而下包括液相剥离法和机械劈裂法,自下而上包括气相沉积和水热法。随后又总结了MoS2主要的改性方法,主要有和碳材料、金属、金属氧化物以及过渡金属硫化物复合改性等。改性主要是强化材料某方面特性,使其更好地应用于实际。
MoS2应用方向主要有太阳能源电池、超级电容、传感器、催化产氢气、润滑剂以及水处理领域。本文主要聚焦其应用于环境污染物去除方面。环境问题是人类社会面临的重大生成问题,针对水体中广泛存在的污染物,在太阳光的照射下MoS2光催化降解和吸附达到去除的目的,还可以吸附空气中的有毒气体[34]。利用普遍存在的光能同时较好地降解污染物,使其成为良好的环境功能纳米材料。
二维纳米材料 篇9
某一维度上的尺寸在1~100nm之间的材料为一维或二维纳米材料。相对于块体材料,由于性能特殊且优异,一维、二维纳米材料已成为近20年的研究热点,且在许多领域有着巨大的应用潜能。自2004年发现单原子层石墨材料———石墨烯[1]后,很快人们已经能够成功可控地剥离或合成单个或数个原子层石墨烯。在掀起了石墨烯研究热潮的同时,也给研究前沿带来一个新问题———与石墨烯相对应的BN薄膜(一种类石墨烯结构且仅由B原子和N原子组成的单原子层材料)是否同样能够大量制备并广泛运用。
氮化硼薄膜目前尚处于基础研究阶段,大批量生产高纯度和高结晶度的低维BN纳米材料还具有一定难度和挑战性。目前氮化硼薄膜的主要制备方法有机械剥离法、化学剥离法、化学气相沉积法(Chemical vapor deposition,CVD)等。二维的BN纳米材料具有高热导率,高抗氧化性,高化学、热学稳定性,优良的电绝缘性以及良好的力学性能等,在多功能复合材料的改性、传感器件、场发射器件、紫外激光器件以及抗氧化涂层和超疏水涂层等方面将有重要应用。本文综述了近年来二维六方氮化硼薄膜材料结构性能的研究进展,并展望了氮化硼薄膜的潜在应用。
1 氮化硼的不同结构类型
1.1 块体氮化硼的结构类型
氮化硼BN和碳材料的结构相似,存在各种晶型。其中sp2杂化的六方氮化硼(h-BN)是一种白色具有润滑性质的多晶型材料,类似石墨的层状结构。这种层状结构也可以斜方六面体(r-BN)的形式进行堆垛。BN其他常见的结构还有以sp3杂化的立方氮化硼(c-BN),其结构类似金刚石,且是迄今已知第二硬的材料。BN还有一种罕见的类似于六方碳的sp3杂化纤锌矿结构(w-BN)。图1总结了BN的各种晶型[2]。
1.2 低维氮化硼的纳米结构
2004年,石墨烯出现不久之后人们便获得了从BN晶体上剥离的单独的二维BN薄膜[3]。2008年,Chen等[4]合成了长度可变、宽度较窄的BN纳米带。零维、一维和二维氮化硼纳米结构模型如图2[5]所示。目前,BN纳米结构系统是最具应用前景的非碳纳米结构系统。以下各节讨论的BN纳米结构均指纳米薄片或纳米带。
2 六方氮化硼薄膜的结构特性
单原子层六方氮化硼同单原子层石墨烯结构相同,只需将石墨烯中的碳原子全部替换成交替的硼原子和氮原子。同石墨烯相似,每层六方氮化硼中,原子间通过强共价键结合,而层间则有微弱的范德华力。六方氮化硼堆垛方式为AA′堆垛,其晶格参数和石墨烯十分接近,如表1所示[5]。
实际纳米材料中不可避免地存在拓扑结构上的缺陷,例如空位、吸附原子等,这些缺陷对纳米材料的电学性质和化学反应活性有显著影响。石墨烯中一种常见的缺陷是Stone-Wales缺陷,即六元环结构中碳原子的重排,在六方氮化硼薄膜中也存在Stone-Wales缺陷,可以形成五元环-七元环结构或者四元环-八元环结构,这些Stone-Wales缺陷位点具有较高的活性。Stone-Wales缺陷一般存在于BN纳米薄膜的畸变区[6],图3(a)-(c)为六方氮化硼薄膜中StoneWales缺陷[7]。单原子层BN薄膜的高分辨透射电镜图像(High resolution transmission electron,HRTEM)表明,BN晶界多由五元环-七元环结构构成,如图3(d)所示[8]。
单原子层或双原子层BN薄膜经高能电子辐照或离子刻蚀会出现点缺陷[9,10,11]。图4[9]为单原子层BN中缺陷的HRTEM图像,理论证明硼原子对电子的撞击有较低的能量阈值,大约74eV,而氮原子则为84eV[12],这说明硼原子比氮原子更容易在电子束的轰击下形成空位。因此,所有的点缺陷边缘终端原子应为氮原子。
3 六方氮化硼薄膜的合成
二维BN纳米结构具有多种合成方法,其中大部分均与合成石墨烯的方法相似。
3.1 机械剥离
工程应用中获得数个原子层BN薄膜的常用方法为机械剥离法,该法在2004年由A.K.Geim等[1]首先应用并获得了石墨烯,之后的几个月内,人们将该法成功运用于获得其他层状材料,例如BN、NbSe2和MoS2[3]。机械剥离法采用固定于基底上(例如Si/SiO2)的黏性胶带进行剥离,此种方法获得的纳米薄片具有良好的厚度和截面尺寸,可以用于物理和光电子方面的基础研究[10,13,14]。
2011年,Li等[15]首先采用湿法球磨从BN粉体上制备BN纳米薄片,将BN薄膜剥离的作用力为剪切力。该法加入了苯甲酸苄酯作为球磨助剂,以减小球磨时对BN薄膜的碰撞和破坏。图5为采用该法制得的纳米薄片的扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)图像以及相应的剥离机理。
3.2 化学剥离
2008年,Han等[16]首次用化学溶液法从单晶BN制备了单个和数个原子层BN纳米薄片。将单晶BN放入5mL的m-苯乙烯、2,5-dictoxy-p-苯乙烯共聚物的1,2-二氯乙烷溶液(1.2mg/10mL)中超声分散1h后,BN晶体剥离成片状BN。化学剥离法中需要加入强极性溶剂,例如N,N-二甲基甲酰胺(Dimethyl formamide,DMF),极性的DMF分子和BN表面有强烈的相互作用,有助于获得BN纳米薄片。通过化学剥离法,可以获得毫克级别的纯BN纳米薄片,且厚度均在2~10nm之间。
3.3 化学气相沉积(CVD)
3.3.1 外延生长
采用沉积技术外延生长BN薄膜已有几十年历史。CVD法制备h-BN薄膜采用的二元系统先驱体有BF3-NH3、BCl3-NH3、B2H6-NH3,或者采用单一先驱体进行热解,例如环硼氮烷(硼吖嗪B3N3H6)、三氯环硼氮烷(B3N3H3Cl3)或者六氯环硼氮烷(B3N3H3Cl6)[17,18,19]。其中,由环硼氮烷的热解可以沉积出化学计量比为1∶1的BN薄膜。通过CVD法可以在过渡金属上沉积BN薄膜,例如3d族过渡金属Ni(111)[20,21]、Co(111)[22],4d族过渡金属钯Pd(111)[23],5d族过渡金属Pt(111)[24,25]等,h-BN薄膜与这些金属基底表面均能形成一定程度的结合。
目前在金属镍表面上沉积单原子层h-BN薄膜的研究较为深入[20,21,26,27,28]。最近的研究表明,镍的d轨道与h-BN的π轨道存在很大程度的杂化,这说明在h-BN薄膜和金属基底之间有很强的结合[26]。第一性原理的密度泛函理论(Density functional theory,DFT)研究表明[20,27],只有当氮原子在金属基底的上方且硼原子占据面心或者六方间隙位置时(如图6(a)所示),金属基底对硼原子的吸引大于对氮原子的排斥,h-BN薄膜才能与金属表面紧密结合[28]。
图6 h-BN/Ni(111)结构模型俯视图(a)[28],采用LPCVD法在铜基底上制备的三角形BN单原子层的AFM图像(b)[31],60℃和70℃升华温度下沉积的h-BN薄膜SEM图像(c、d)[31],以铷为基底的h-BN薄膜的显微图像(e)[32]Fig.6 Top view of the h-BN/Ni(111)structure model(a)[28],AFM image of a triangular BN monolayer grown on Cu substrate via an LPCVD technique(b)[31],SEM images showing the temperature dependent growth of BN at 60℃and 70℃,respectively(c,d)[31],Microscopic BN domains on Ru(0001)(e)[32]
除了金属Ni(111),在金属铜[29,30,31]上也成功沉积了hBN薄膜,h-BN/Cu(111)界面同以镍为基底的界面一样,hBN薄膜和铜基底晶格相互匹配。有研究表明,采用NH3-BH3作为先驱体,通过低压化学气相沉积法(Low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)可以在铜基底上生长三角形的单原子层BN[31](见图6(b)),在较高的先驱体升华温度(70~90℃)下,还形成了其他形状的晶粒,如图6(c)和(d)[31]所示。为了在过渡金属基底上沉积出高质量、低畴界密度的二维BN层状材料,还需要较低的先驱体压力。图6(e)为采用低压环硼氮烷作为先驱体,在Ru(0001)上沉积BN的显微图像。首先在金属铷上形成稀疏的BN晶核,这些晶核经过一段时间的生长直到显微镜下可观察的尺寸,最后合并成为覆盖整个金属表面的薄膜[32]。
3.3.2 非外延生长
大部分BN薄膜制备的研究中,BN都需要在基底上生长,然而不采用基底也可以生长出BN薄膜。2009年,Gao Rui等[33]最先采用无催化化学气相沉积法,在1100~1300℃下成功制备出BN纳米薄片,他们以氧化硼(B2O3)和三聚氰胺粉末作为先驱体,通过控制不同的生长温度,可将薄膜的厚度控制在25~50nm之间。Angshuman Nag等[34]采用硼酸(H3BO3)和尿素(CH4N2O)进行反应,也制备出了数个原子层BN纳米薄膜,BN薄膜的层数由反应物的浓度决定。
3.4 其他合成方法
3.4.1 高能电子辐照
独立的单原子层BN薄膜可以通过高能电子辐照,经可控的逐层溅射来制备。采用机械剥离法制备BN纳米薄片或粉体时,通常还需要用密集的电子束辐照对获得的薄片和粉体进行减薄。直径为几个纳米的入射电子束集中照射在样品上,电子束的强度设置为一个较高值,通过电子束的手动扫描,BN纳米薄片被逐层减薄,直至获得单原子层的BN薄膜[9,10]。
3.4.2 BN纳米管的打开
石墨烯纳米带可以通过打开壁厚为多个原子层的碳纳米管来制备[35],受此启发,人们通过氩气激光刻蚀将BN纳米管打开,也制备出了BN纳米薄膜。Zeng Haibo等[36]首先在Si基底上沉积出BN纳米管,并旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate,PMMA)薄膜,然后剥离PMMA薄膜,接着再通过氩气激光刻蚀,将PMMA-BN纳米管打开,最后再用丙酮蒸汽带走PMMA并煅烧以除去可能存在的含碳残余物,最终得到BN纳米带,如图7所示。
3.4.3 离子束溅射沉积
通过离子束溅射沉积(IBSD:Ion beam sputtering deposition)可以有效地合成h-BN薄膜。Wang Haolin等[37]采用IBSD技术,以纯度为99.5%的Ni箔为基底进行h-BN薄膜的沉积。在采用IBSD生长h-BN薄膜之前,Ni箔首先由辅助离子源进行原位预刻蚀,然后在1000℃下退火10 min。接着,如图8所示,主离子源发出的氩离子束(1.0×103eV,1×10-4~4×10-4A/cm-2)从h-BN靶材上溅射出B原子和N原子,在预处理后的Ni箔上进行沉积。整个溅射过程中,溅射腔体压力保持为3×10-2Pa,溅射沉积温度为1000℃。沉积结束之后,Ni箔和h-BN薄膜在氩气氛围中冷却到室温,然后再对获得的h-BN进行转移和进一步表征。
4 六方氮化硼薄膜的性能及应用
单原子层的h-BN亦被称为“白石墨/石墨烯”,是一种类石墨烯的二维原子层状材料,其密度低,摩擦系数低且不导电,同时具有高温稳定性、低介电常数、高机械强度、高热导率、高硬度以及高的耐腐蚀性,在结构材料和电子材料中有许多潜在的应用。
4.1 电学性能及其应用
BN纳米材料是宽能带隙半导体(5.0~6.0eV)。由于BN的化学和热学稳定性,且没有悬挂键和表面电荷带,基于BN的石墨烯器件比基于SiO2的器件具有更高的迁移率和化学稳定性,场发射效应也得以改善[30,38,39,40,41,42,43]。几个原子层厚的多层BN纳米薄膜-石墨烯异质结(例如BN-C-BN三明治结构)具有更高的电荷迁移率,达到500000cm2·V-1·s-1[40]。C-BN-C型的异质结结构则用于制备场效应隧穿晶体管器件[41],该结构的电子隧穿电流测试显示,单原子厚的二维BN薄膜是一个良好的绝缘屏障,其隧穿电流的强度与BN薄膜的厚度呈指数级变化关系,即量子隧穿效应[42]。
4.2 抗氧化性能及其应用
在空气中,二维h-BN薄膜在温度达到1500℃仍然十分稳定,与大部分的物质不发生反应,具有优异的热学和化学稳定性,可以用作高温下材料抗氧化的保护层[44,45]。Liu Zheng等[45]采用CVD法,以氨硼烷(NH3BH3)为先驱体,在镍基底上制备了原子层数可控的h-BN薄膜。该研究表明数个原子层厚的h-BN薄膜在高温下对氧分子的扩散有阻碍作用,沉积了5nm厚的h-BN薄膜的金属镍仅有轻微的氧化,而未沉积h-BN薄膜的金属镍则氧化十分严重。因此,h-BN薄膜可以作为1100℃氧化环境下金属镍高效的抗氧化涂层。同时该研究还表明,覆盖了数个原子层厚h-BN薄膜的石墨烯在高温下抗氧化性也大大提高。
4.3 其他性能及其应用
热学性能方面,石墨烯优异的热传导性能引起了人们对其他具有蜂窝状晶格材料(例如BN)热传导性能研究的兴趣。室温下块体BN的热导率可以达到将近400 W·m-1·K-1,比大部分的金属和陶瓷材料的热导率都高,BN纳米材料一个重要的应用是作为导热聚合物的填料[46,47,48]。聚合物材料的热导率普遍较低,纳米材料由于有更高的比表面积,从而能更有效地改善聚合物基体的性能[48]。
力学性能方面,研究表明BN纳米薄膜也同样具有良好的力学性能[49,50]。Song Li等[51]通过金刚石探针压印h-BN薄膜中心,测得了h-BN薄膜的力学性能,如图9所示,表2为不同厚度h-BN薄膜力学性能理论值和实验值对比,其中E2D为弹性参数,σm2D为预拉伸应力。
5 结语和展望
二维纳米材料的研究热潮大大促进了对h-BN薄膜的基础研究和应用探索。BN纳米材料性能优异,在许多科技领域具有巨大的应用潜能。然而相对于碳纳米材料系统(例如碳纳米管、石墨烯和富勒烯系列的纳米材料),BN纳米材料系统的基础物理研究和具体的应用还比较有限,同时生产高纯度和高结晶度的低维BN纳米材料还具有一定难度和挑战性,从而限制了BN纳米材料大批量投入工业应用。本文概述了二维BN纳米材料的结构、合成、性能和应用的研究进展。深入了解二维BN纳米材料的性质特点及其研究现状,将能更好地将其应用于实践之中。
在BN的同素异形体中,由六方氮化硼h-BN可以制备出单原子层的BN纳米薄膜、纳米带等。单原子层h-BN和石墨烯结构相似,由相互交替的硼原子和氮原子取代石墨烯上的碳原子构成。h-BN薄膜上的结构缺陷,包括StoneWales缺陷、空位、原子吸附以及晶界上的缺陷等,都会改变二维平面的sp2杂化状态,引起薄膜的畸变,从而大大影响hBN薄膜的性能。
有许多可以有效合成BN纳米材料的方法,例如机械剥离法、化学剥离法、CVD法、高能电子辐照和BN纳米管的打开等。然而,要大批量合成BN纳米材料还需要进一步改进合成工艺和条件,以满足工业中对BN薄膜的层数、薄膜大小、边缘结构、缺陷控制等方面的要求,这也是BN纳米材料研究中最具挑战和难度之所在。
二维非洲艺术雕塑 篇10
荷兰艺术家英格丽·巴尔斯创造了一系列数码摄影拼贴作品，作品的灵感来自非洲经典艺术。受非洲立体木雕的巨大魅力感染，英格丽·巴尔斯认为将古董和木制品组合成人的血肉非常具有挑战性。她以女性的形体为主题，将她们与其他有生命的物体一起摄入镜头。这些二维图片经后期处理后散发出三维木雕的气场，人物形象活灵活现，创造了强烈的视觉感。
英格丽·巴尔斯认为摄影是有限的，她希望让平面的二维图像具有逼真的三维感染力，这个有趣的过程似乎更加令她着迷。她选择探索非洲艺术的初衷在于非洲艺术十分具有创造力，充满着自由和渴望，反过来还能影响西方现代艺术。强烈的表达和存在感以及附带柔软的感性是英格丽·巴尔斯最感兴趣且一直追求的东西，选择女性为作品的主题是因为女性浪漫、柔软、甜美与性感，她认为如果没有柔弱，那么力量也不复存在。英格丽·巴尔斯试图捕捉人性的光辉，呈现的作品拥有令人感动的真实：美丽女人纤细的脖子、胎记、轻柔的皱纹、带有颗粒质感的皮肤、细小的发丝……这些可在后期用Photoshop修掉的不完美恰恰是作者所珍惜的，更是她作品中最重要的一部分。
英格丽·巴尔斯说：“经典的非洲艺术非常特别，尤其是对人的形体塑造是无穷无尽的。这激励着我去探索、激发自身未知的创造力。我不喜欢做一个安全的人，而是更喜欢全身心地投入于自由和我将探索的地方。除此之外，将西方现代艺术与非洲艺术相结合也是件很有意思的事。我不会单纯地创作一种物体，它必须是有活力的，同时也必须是一件独立的、有力量的、不可亵玩的作品。在创作这些作品时，我用没有生命的物品和脆弱感之间的对比来实现这种感觉。有时我也会和男人在一起工作，特别是一些舞者，我可以在他们的身体和脸上找到硬朗的线条和漂亮的弧度。但我更喜欢同女性在一起工作，因为我需要将浪漫、柔美、甜美、唯美同粗糙的力量形成对比。理性与感性之间的博弈是我作品中最重要的部分，而女性的感性更能给予我灵感。我塑造的作品都发自我的内心，是对我自身的诠释。
二维纳米材料 篇11
陶瓷基复合材料以其低密度、高比强度以及优异的高温性能,成为未来可重复使用空天飞行器结构的候选材料[1]。陶瓷基复合材料具有类似金属的断裂行为,其力学性能和损伤机制是国内外研究者十分感兴趣的课题。在国外以NASA Lewis实验室为代表的研究机构从20世纪90年代中期开始,从理论计算方面进行了很多的研究[2—4],日本学者对于编织结构的SiC/SiC材料进行了许多卓有成效的试验工作[5,6]。近年来,国内许多学者关于二维和三维C/SiC复合材料的拉压性能、剪切性能和疲劳性能也进行了大量的研究工作[7,8]。但是,这些研究都仅仅局限于材料本身力学性能的研究,作为一种可重复使用空天飞行器结构的候选材料,对其结构力学性能的研究显得更为重要,鉴于此本文采用二维编织C/SiC复合材料带孔构件来模拟空天飞行器结构上关键危险部位(应力集中部位),通过室温拉伸和压缩试验得到其在室温拉伸和压缩载荷下的力学响应,采用断口分析的方法分析了其拉伸和压缩损伤、破坏机理,为空天飞行器C/SiC复合材料结构的设计提供了一些参考。
1试验过程
本试验所用到的二维编织C/SiC复合材料带孔构件由西北工业大学超高温复合材料实验室研制。其制作过程为:通过化学气相渗透(CVI)工艺将热解碳界面层和SiC基体沉积到预先编制好的1k×1k T300碳布叠层纤维预制体中,再经过表面机械加工,得到2～3mm厚度的平板,然后从平板中切割出拉伸试件,再在其表面钻孔,得到二维编织C/SiC复合材料开孔构件,最后再沉积SiC涂层到构件表面起到防氧化的作用,开孔构件形状尺寸如图1所示。
室温拉伸和压缩试验均在MTS 810液压伺服疲劳试验机上进行,采用位移控制加载,加载速率为0.5 mm/min。试验时,利用 MTS Mode l632引伸计采集轴向应变,通过数据采集卡将轴向应变和载荷接入计算机全程记录轴向应变和载荷数据。最后采用光学显微镜(DZ3 ZOOM Microscope)观察构件断口,分析其损伤破坏机理。
2 试验结果和分析
2.1 拉伸行为
二维编织C/SiC复合材料带孔构件典型的拉伸应力-应变曲线如图2所示,可以看出具有明显的非线性特征。二维编织C/SiC复合材料带孔构件室温拉伸应力-应变曲线不存在低应力状态下的线性段(对比二维编织C/SiC复合材料的拉伸应力-应变曲线可以发现[6]),从开始加载到构件断裂,随着拉伸应力的增加,其切线斜率逐步减小。二维编织C/SiC复合材料带孔构件拉伸强度和断裂应变分别为204.115 MPa和0.308%,由于开孔本身的影响,其拉伸强度和断裂应变要比二维编织C/SiC复合材料本身低得多。二者拉伸性能的对比如表1所示。
2.2 压缩行为
典型的压缩应力-应变曲线如图3所示,由图3中可见其开始表现为线性,当应力超过151.04 MPa(裂纹闭合点)以后,切线斜率开始逐步增加,开始表现为非线性,这表明二维编织C/SiC复合材料带孔构件的压缩具有部分裂纹闭合效应。其压缩强度为320.2 MPa,破坏应变为0.169%,压缩强度为拉伸的1.5倍左右,而压缩断裂应变只有拉伸的54%左右。
结合拉伸和压缩的结果,可以得到二维编织C/SiC复合材料带孔构件在轴向载荷作用下的应力-应变曲线,如图4所示。
2.3 开孔对构件拉伸性能的影响
开孔构件与二维编织C/SiC复合材料材料本身力学性能的显著差异主要是由于孔周围的应力集中引起的。为了研究孔的影响,试验时进行了不同孔径和构件宽度之比的二维编织C/SiC复合材料带孔构件的拉伸试验,图4给出了构件拉伸强度随孔径w和构件宽度d之比(15.1%～16.4%)的变化曲线。从图5中可以看出,在15.1%～16.4%范围内,随着孔径w和构件宽度d比值的增加,构件的拉伸强度逐渐减小,且曲线由基本保持不变、迅速下降和缓慢下降阶段三个部分构成。
对于承受轴向载荷或疲劳载荷的开孔复合材料平板,应力集中系数Kt可以表示为[2]:
由式(1)和表1可以计算开孔半径为R的带孔板的平均应力集中系数Kt,即:
可见,二维编织C/SiC复合材料开孔构件的开孔引起的拉伸强度差为29.6%,具有较低的缺口敏感性。这可能是因为拉伸过程中复合材料通过基体开裂、界面脱粘和滑动等方式使高应力区重新分布,开孔边的应力转移到了周围区域,应力趋于均匀,降低了开孔对强度的影响。
2.4 损伤和破坏机理分析
带孔构件拉伸断口如图6所示,可见拉伸断口较为平齐,发生断裂的经向纤维基本上在同一个平面内(图6a),且断裂的位置在纤维束交叉的地方。从图6中可以发现,经向纤维束中只有小部分纤维的拔出,且拔出长度很短(图6b);当经向纤维断裂拔出的同时,携带走了纬向纤维,导致了编织结构发生破坏,但纤维束周围并没有明显的界面破坏,这表明纤维和基体之间的界面结合较强。
图7为压缩断口照片,从断口的显微照片可以发现,孔周围发生了严重的分层(图7a),从构件侧面还可以发现,压缩断面和压缩方向形成一个较小的α角,这个角度和经向纤维的最大编织弯曲角度有关[6]。从整个断面的SEM照片中可以发现,断面较为平齐。另外,大量的经向纤维发生了剪切断裂(图7c),包围经向纤维的基体也发生了严重的破坏,可以发现大量基体碎屑的存在;而纬向纤维较完整,其周围的基体也没有明显的破坏。可以认为带孔构件在受压过程中,裂纹首先在孔周围层与层之间结合较差的地方产生,以后随着载荷的增加裂纹逐步分布在整个构件横截面内,最后当载荷达到一定值时,以经向纤维的剪切断裂作为整个构件的失效。
3 结 论
由试验和以上的分析讨论过程中可以得出:
(1)拉伸应力-应变曲线仍表现为非线性,而压缩应力-应变曲线在应力较低时表现为线性,应力较高时表现为非线性,其压缩强度为拉伸强度的1.5倍左右,而压缩应变只有拉伸的50%左右,二维编织C/SiC复合材料带孔构件的应力集中系数较小,说明其对开孔的敏感性较低。
(2)二维编织C/SiC复合材料带孔构件的拉伸和压缩破坏行受孔径w和构件宽度d之比的影响。在15.1%～16.4%范围内,拉伸强度随孔径w和构件宽度d之比的增加而减少,且经历了基本保持不变、迅速下降和缓慢下降三个阶段。
(3)二维编织C/SiC复合材料带孔构件拉伸断口较为整齐,基体开裂以及纤维拉伸断裂是其主要破坏形式;压缩破坏呈现剪切断面,压缩断面和加载方向成一较小夹角,层间分层和纤维剪切断裂是其主要破坏形式。
参考文献
[1]Aveston J,Cooper G A,Klly A.Single and multiple fracture in the properties of fiber composites.Conference proceeding,National Phys-ical Laboratory,Guildford.IPC Science and Technology Press Ltd,1971:15—26
[2]Curry D M,Kowal J.Application of carbon-carbon and silicon car-bide composites to reusable launch vehicles.IAF/AIAASpace Trans-portation Symposium,April,2002:11—12
[3]Naik R A.Analysis of woven bradied fabric reinforced composites.NASA Tech report,June1994
[4]Mital S K.Simplified micromechanics of plain composites.NASA Tech report,March1996
[5]Murry P L N.Characterizing the properties of a woven SiC/SiC com-posite using W-CEMCAN computer code.NASA Tech report,June1999
[6]Zhu S,Mizuno M.Monotonic tension,fatigue and creep behavior of SiC-fiber reinforced SiC-matrixcomposites:a review.Composites Sci-ence and Technology,1999(59):833—851
[7]Zhu Shijie,Kaneko Yohei.Lowcycle fatigue behavior in an orthogo-nal three-dimensional woven Tyranno fiber reinforced Si-Ti-C-O ma-trix composite.International Journal of Fatigue,2004;26(10):1069—1074
扫一扫微信支付