聚酰亚胺激光直写碳化技术的加工-结构-性能关系研究及其在太阳能海水淡化中的应用
发布时间：2022-01-03 08:58
聚酰亚胺（Polyimide,PI）激光直写碳化（Direct laser writing carbonization,DLWc）技术是基于PI的可碳化性和光热转换的物理现象,利用高能激光作为局域光热源在可碳化高分子表面原位生成碳阵列。由于DLWc技术具有高精度、高灵活性等优点,极有潜力用于加工各种碳基功能器件。为了实现DLWc技术在规模化生产和低成本制造各种碳基电子器件上的应用,亟须深入理解激光碳化PI过程中复杂的光热转换行为和传热行为并探究其加工-结构-性能关系。首先,本论文结合实验与理论研究,深入理解CO2激光碳化PI的光热转换和传热过程,为更好地理解、控制DLWc技术提供了依据。以激光直写“点”图案作为研究对象,结合扫描电子显微镜与拉曼光谱表征,系统研究了激光加工条件对生成碳材料形貌与结构的影响规律。实验结果表明聚焦/离焦距离是DLWc工艺中重要的加工参数。此外高斯激光光束所引起的非均匀能量分布及热源密度的局域化,导致激光直写“点”状碳材料具有复杂的组成和形貌梯度。在实验研究基础之上,进一步建立了无自由参数的光热转换理论模型,并通过有限元模拟,良好预测了碳化点的横向尺寸。其次,...
【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－丨结构零件的激光加工成型：⑷金属；（ｂ）钴铬合金【７］
越大，从而导致更加剧烈的热解／碳化反应。??因此，聚焦／离焦距．离，即被加工材料表面距激光束腰的距离是激光直写碳化技术中??重要的工艺参数，决定了材料碳化区域的大小及碳化反应速率。但是，迄今为止，有??关激光高斯分布特性及聚焦／离焦距离对生成碳材料结构、性质的研究还鲜有报道。??Ｔｈｅ?ｇａｕｓｓｉａｎ?ｂｅａｍ?ｒａｄｉｕｓ??ｉｓ?ｔｈｅ?ｒａｄｉｕｓ?ｗｈｅｒｅ?／?＝?１?ｃ２?ｏｆ?／〇??／（ｒ）?＝?／０＞?＿＿￣￣ｒ??ｊＬＭ＾?Ｊ????（？）?（ｂ）??图１－２?（ａ）高斯光束轮廓与光束强度的函数表达式（ｂ）光束半径ｗ（ｚ）的变化。??除了激光波长、脉冲宽度、及光束性质外，激光功率与光束扫描速度／辐照时间也??是激光加工／碳化技术中常常面临并需经常调整的工艺参数。激光功率与辐照时间决??定了被加工材料所接受输入能量大小及其加工温度的高低。光斑重叠率定义为相邻脉??冲所产生两光斑之间的重叠区域比率ｎ５＿１７１，取决于激光脉冲持续时间与光束扫描速度，??它决定了单位长度被加工材料接受到的激光脉冲照射次数。如图１－３所示，保持其它??激光参数不变，减小激光书写速度可导致被加工材料单位长度上接受激光脉冲辐照次??数增多，光斑重叠率增大，从而加速其热解／碳化速率。相较于激光波长、脉冲宽度及??光束形状特征等，激光功率与光束扫描速度这两个加工参数由于其便捷的调节特性，??是激光加工实际生产过程中最常用的工艺调控手段。??３??
第一章聚酰亚胺激光直写碳化技术的加工－结构－性能关系研究及其在太阳能海水淡化中的应用??ｍｍｍｍｒｎｍｍｍｍｍ??／?Ｎ?％＊＝１ＨＺ?ｖ?，?ｖ＝?：?Ｈｚ??（（＾一一＾?＾?＾＝??Ｘ３§＾＾?ｒ?＝?４＾ｕｕ?ｓ?ｖ?Ｆ＝?４＾ｕｎ?ｓ??ｙｓ?［＾？ｉｏ??ｊｐ?；＞：ｊ?（ＪＰ；?．?；：：Ｂ??＇?ｒ＝?：＾ｕｎ?＆?０?ｔＡ?．??＾?ｌｓ〇＝１°?Ｓ〇＝＾??．?Ｖ）??图１－３光斑重叠部分受光斑直径、脉冲频率和书写速度的影响［１２］。??激光加工过程中被加工材料所处条件和氛围通常为常温常压、空气环境。然而，??当改变加工环境条件，如改变气体或者液体氛围，同一材料在相同激光条件下可能会??产生不同形貌、结构、性能的变化，因此，加工氛围也是激光加工技术所考虑的参数??之一。在ＤＬＷｃ过程中，基材所处的气体氛围对最终生成石墨烯材料的表面形态和化??学成分及润湿特性有着显著影响。Ｔｏｕｒ等人％以聚酰亚胺为研究对象，研宄了?Ｃ０２??激光直写气氛对ＤＬＷｃ碳材料表面亲疏水性的影响。在氧气和空气氛围中得到的??ＤＬＷｃ碳阵列与水的接触角为０°，具有超亲水性质；而当氛围改为氩气或氢气，同样??激光加工条件所得碳阵列与水接触角大于１５０°，为超疏水性质（图１－４）。????Ａｉｒ?ａｓｓｉｓｔ??３％?Ｈ＾／Ａｒ?ａｓｓｉｓｔ?０２?（ｃｈａｍｂｅｒ）??戀變戀??Ａｉｒ?（ｃｈａｍｂｅｒ）?Ａｒ?（ｃｈａｍｂｅｒ）?Ｈ２?（ｃｈａｍｂｅｒ）??ｍｍｍ??图１－４不同气体氛围下ＤＬＷｃ碳阵列的水接触角ＩＷ。比例尺：２?ｐｍ。??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]光热转换材料及其在脱盐领域的应用[J]. 郭星星,高航,殷立峰,王思宇,代云容,冯传平. 化学进展. 2019(04)
[2]具有高效光热转换性能的碳基纳米复合材料(英文)[J]. 张骞,徐卫林,王贤保. Science China Materials. 2018(07)
本文编号：3565979
【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－丨结构零件的激光加工成型：⑷金属；（ｂ）钴铬合金【７］
越大，从而导致更加剧烈的热解／碳化反应。??因此，聚焦／离焦距．离，即被加工材料表面距激光束腰的距离是激光直写碳化技术中??重要的工艺参数，决定了材料碳化区域的大小及碳化反应速率。但是，迄今为止，有??关激光高斯分布特性及聚焦／离焦距离对生成碳材料结构、性质的研究还鲜有报道。??Ｔｈｅ?ｇａｕｓｓｉａｎ?ｂｅａｍ?ｒａｄｉｕｓ??ｉｓ?ｔｈｅ?ｒａｄｉｕｓ?ｗｈｅｒｅ?／?＝?１?ｃ２?ｏｆ?／〇??／（ｒ）?＝?／０＞?＿＿￣￣ｒ??ｊＬＭ＾?Ｊ????（？）?（ｂ）??图１－２?（ａ）高斯光束轮廓与光束强度的函数表达式（ｂ）光束半径ｗ（ｚ）的变化。??除了激光波长、脉冲宽度、及光束性质外，激光功率与光束扫描速度／辐照时间也??是激光加工／碳化技术中常常面临并需经常调整的工艺参数。激光功率与辐照时间决??定了被加工材料所接受输入能量大小及其加工温度的高低。光斑重叠率定义为相邻脉??冲所产生两光斑之间的重叠区域比率ｎ５＿１７１，取决于激光脉冲持续时间与光束扫描速度，??它决定了单位长度被加工材料接受到的激光脉冲照射次数。如图１－３所示，保持其它??激光参数不变，减小激光书写速度可导致被加工材料单位长度上接受激光脉冲辐照次??数增多，光斑重叠率增大，从而加速其热解／碳化速率。相较于激光波长、脉冲宽度及??光束形状特征等，激光功率与光束扫描速度这两个加工参数由于其便捷的调节特性，??是激光加工实际生产过程中最常用的工艺调控手段。??３??
第一章聚酰亚胺激光直写碳化技术的加工－结构－性能关系研究及其在太阳能海水淡化中的应用??ｍｍｍｍｒｎｍｍｍｍｍ??／?Ｎ?％＊＝１ＨＺ?ｖ?，?ｖ＝?：?Ｈｚ??（（＾一一＾?＾?＾＝??Ｘ３§＾＾?ｒ?＝?４＾ｕｕ?ｓ?ｖ?Ｆ＝?４＾ｕｎ?ｓ??ｙｓ?［＾？ｉｏ??ｊｐ?；＞：ｊ?（ＪＰ；?．?；：：Ｂ??＇?ｒ＝?：＾ｕｎ?＆?０?ｔＡ?．??＾?ｌｓ〇＝１°?Ｓ〇＝＾??．?Ｖ）??图１－３光斑重叠部分受光斑直径、脉冲频率和书写速度的影响［１２］。??激光加工过程中被加工材料所处条件和氛围通常为常温常压、空气环境。然而，??当改变加工环境条件，如改变气体或者液体氛围，同一材料在相同激光条件下可能会??产生不同形貌、结构、性能的变化，因此，加工氛围也是激光加工技术所考虑的参数??之一。在ＤＬＷｃ过程中，基材所处的气体氛围对最终生成石墨烯材料的表面形态和化??学成分及润湿特性有着显著影响。Ｔｏｕｒ等人％以聚酰亚胺为研究对象，研宄了?Ｃ０２??激光直写气氛对ＤＬＷｃ碳材料表面亲疏水性的影响。在氧气和空气氛围中得到的??ＤＬＷｃ碳阵列与水的接触角为０°，具有超亲水性质；而当氛围改为氩气或氢气，同样??激光加工条件所得碳阵列与水接触角大于１５０°，为超疏水性质（图１－４）。????Ａｉｒ?ａｓｓｉｓｔ??３％?Ｈ＾／Ａｒ?ａｓｓｉｓｔ?０２?（ｃｈａｍｂｅｒ）??戀變戀??Ａｉｒ?（ｃｈａｍｂｅｒ）?Ａｒ?（ｃｈａｍｂｅｒ）?Ｈ２?（ｃｈａｍｂｅｒ）??ｍｍｍ??图１－４不同气体氛围下ＤＬＷｃ碳阵列的水接触角ＩＷ。比例尺：２?ｐｍ。??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]光热转换材料及其在脱盐领域的应用[J]. 郭星星,高航,殷立峰,王思宇,代云容,冯传平. 化学进展. 2019(04)
[2]具有高效光热转换性能的碳基纳米复合材料(英文)[J]. 张骞,徐卫林,王贤保. Science China Materials. 2018(07)
本文编号：3565979
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