自从人类发现了金属，金属就与我们的生活息息相关。人类如何在一种偶然的情况下发现了它并懂得利用它，这确实是个迷。总之，在几千年前，我们祖先对青铜器的铸炼技术就达到了十分精湛的程度。开始，人们为了满足生存的物质需要，把青铜器大量制造成生产和战争品，如刀具、器皿、锄犁。随后，就是货币以及各种首饰、日用品、装饰品和建筑装饰。 加工金属品，在手工操作的年代，主要靠冶炼、锻打、铆接等工艺手段，以为金属的特性，在加工上较困难，这种方式制造出来的产品，既不可能大量生产，工艺上也比较粗糙，直至工业化时代，机器生产代替手工操作，金属产品才能大量进入社会和我们家庭。 人类的爱没有天性与生俱来，在一个解决了温饱和物质生活丰裕的社会，文化艺术和精神生活，就成了人们的下个追求目标。在众多装饰点缀生活的形式中，金属构件以其独特的韵味而独占一角。其中，又以铁件为主体。以铁件为主体的装饰艺术，称为铁艺。 从历史上看，虽然我们的祖先对金属的利用较早，但在金属装饰艺术上，却未有很大的发展。而在西方，因冶炼技术的发展和工业化进程的到来，铁艺的使用却相当广泛，并且在20世纪初大量流入中国。所以，今天我们所见到的各种铁艺，在艺术造型上，在图案纹理上，都带有西方造型艺术风格的烙印。 根据铁艺的不同用途，可以把它归为六类,即：建筑装饰类，家居类，灯具类，支架类，日用品类，摆设类等等......。 建筑装饰类：包括大门、门花、把手、窗、窗花、窗栏、围栏、基围、柱花、梁花、墙花、屏花、扶手、檐花、壁炉等等......。 家具类：包括登、椅、桌、床、茶几等等......。 灯具类：包括街灯、落地灯、台灯、壁灯、吊灯等等......。 支架类：包括书架、台架、花架、牌架等等......。 日用品类：包括餐具、花篮等等......。 摆设类：包括案头小摆设品、艺术品等等......。 从以上类别可以看出，铁艺品几乎包括了日常生活所接触到的大多数物品。而且，随着技术的完善，它们的制作更为精美、种类更为广泛。铁艺受到了人们的喜爱，源于它有与众不同的特色。在质地上，它们有一种金属质感，形体厚重沉实，图案精美却线型硬朗。根据加工技术的不同，它会有不同的观感。以铸造成型的铁艺，具有硬实、粗犷、沉着、大气的感觉；压制成型的铁艺，平整、流畅、精细；机械车磨雕刻成型的铁艺，小巧、精美、亮洁；扭弯曲焊接成型的铁艺，线型强、有飘逸感，图形鲜明；锻打成型的铁艺，形体表现丰富，图案多变。 铁艺是金属品，耐磨耐用，不易破损，较易维护和高贵气质。 铁艺得到人们的青睐，除了以上的特征外，最主要的原因是它所体现的文化内涵。传统的古典式铁艺，传达了一种欧洲大陆风情，异国文化，一种不同于本土传统文化艺术的装饰形式。 这种装饰形式，在纹理上，以曲线弧形及几何图形为主，图案则以动植物（花鸟）为主，构成形式有类似中国的勾勒和剪纸手法，形体彼此衔接牵连，点、线、面相结合。图案单元基本是连续重复的，其中总可以找到一个对称点。也有用堆叠造型的方式，使产品带有浮雕的感觉。铁艺适用的范围及其艺术造型，与其他的材料造型对比，并无特别之处，其最大魅力在于铁器的质地、质量和机理。铁艺主要用于建筑、家居、摆设品等，可构成这些东西的材料日益丰富和完善，而在这些各具特色的材料中，铁艺的独特角色始终不能被取代，因为这是一种金属的特色。它的材料便宜易找，耐用结实，运用现代的加工技术可加工成各种形态。特别在建筑行业中，它与土、木、石、水泥等主体材料形成一种和谐对比，成为建筑美学中的一种重要元素。 铁艺制作的材料，有生铁和熟铁不锈钢、合金铝、铜、锡等。生铁较脆，主要用于铸造，称为铸铁。如大门架、床架、桌架、街灯架、围栏框架等。铸造成型的铁艺，粗犷厚实，以柱子台座为主。熟铁较韧，往往是冶炼后锻打成型，可粗可精。锻造或锻打或冲压单个部件后，将数个部件用焊接或铆接的方式进行组合拼装，就能完成整件铁艺的制作。铁艺成型后，要进行金属的表面处理。表面处理有几种方法，常用的有“拖漆和烤漆”，即根据需要在铁艺上打上不同的底色，表面再涂以光油进行保护。常用的色彩有黑色、墨绿色、古铜色、金色、银色等。此外，还有电镀法，将整件铁艺放入电镀池中电镀成色。 除了铁外，还有以不锈钢、合金铝、铜、锡等为材料的金属装饰品。其范围也从传统的扶手栏杆。大门灯杆到精细礼品、案头摆设、灯座壁挂。 在现代人们对个性家居的要求下，铁艺设计，要考虑对象用途、使用的具体环境、环境的装饰风格、材料、色调等，同时，还要考虑铁艺的加工性能、重量。以及与其他材料的结合。例如以大铁门为例，如果设计成通花形式，可一次铸造成型，再打磨成品。如果是铁皮封闭型，门上的装饰件可用铸叶、铸花件焊接，并可在门上配上矛尖或柱头。梯柱也同样如此。因此，设计时除了要考虑对象造型、款式、图案外，还要考虑哪些部件是铸造、哪些是冲压、哪些是扭曲成型（用弯曲机），以及它们的结合方式。 在图案设计上，现时的流传风格，仍是以欧美为主。因人们一向认为，铁艺表现的应该是欧美情调，而东方风格则适合用木结构。其实，铁艺同样可以表现东方风格的很少。图案设计，基本是一种纹理设计，运用左右、上下、中心对称和水平、垂直的构图来展开设计，数组图案组成画面。形式上有弧线与弧线，弧线与直线，直线与直线的结合。当然，这些都是根据使用功能来确定。铁艺的一个显著的特点，是大多数的产品是由铁支、铁条组成的，就是说，它们都呈现一种通透的感觉。这种通透感是其艺术特色之一。 铁艺本身是一件产品，也是一件艺术品或装饰品。在现代环境装饰中，铁艺愈来愈得到人们的青睐。和过去铁艺多用在建筑构建中不同，现代铁艺已作为一种纯装饰品进入家居环境。例如：传统铁艺多是扶梯栏杆、围墙栏栅、窗栏、大门、几桌架。现在，通花式的装饰铁艺已更多地用在墙壁、天花、内门、玻璃、厅和卧室。装饰铁艺并非建筑构建，无实用功能，纯粹装饰。从实用到装饰功能的转换，反映了人们审美价值观的变化，即从物质价值观变为精神价值观，从传统审美观转为多元审美观。而且，随着经济与科技的进一步发展，铁艺的创作形态和适用范围亦将更多样化、科技化，艺术形态更为丰富。其组成图案也将会脱离传统样式，表现出更多的人文理念。在一个高智能化的建筑时代，金属的运用将会竭尽其所长，在满足产品功能之中，科技性、艺术性、装饰性将会巧妙地揉合在一起，呈现出一种完美的形态。 铁艺的应用 （一）铁艺作品 1、铁艺的定义 铁艺最经典的定义是铁与火的艺术。当然这个定义并不全面，没有涵盖现代工艺。为方便初学者，铁艺简明的定义为：用铁（含其它金属）做成的，主要起装饰作用的物品。 2、铁艺的材料 铁艺的材料是铁，但由于装饰的需要和出于加工的考虑，有时也把合金钢的、铜质的、铝制的材料制成的金属统称为铁艺。 3、铁艺的工艺 铁艺的加工通常采用的工艺手段是铸造、锻造和焊接，有时也借助机床加工。 （二）铁艺的分类 铁艺作品从大的类型分，有园林建筑铁艺、家具装饰铁艺、工艺美术铁艺。按铁艺材料及加工方法分，铁艺有3大类，即扁铁花、铸铁铁艺、锻铁铁艺。 1、扁铁花: 以扁铁为主要材料,冷弯曲为主要工艺，手工操作或用手动机具操作，端头修饰很少。 2、铸铁铁艺 以灰口铸铁为主要材料，铸造为主要工艺，花型多样，装饰性强。 3、锻铁铁艺 以低碳钢型材为主要原材料，以表面扎花、机械弯曲、模锻为主要工艺，以手工锻造辅助加工。 （三）铁艺的应用特点 1、实用性和装饰性 铁艺施展魅力的机会源于人们对环境美的追求，伴随着一个新建筑、新家庭、新装饰、新店面的诞生，一个铁艺应用的机会就来临了。 2、安全性和通透性 现代都市生活节奏很快，安全感对人们越来越重要。 3、体现私有性 尊重个人隐私，保护私有财产是社会文明的体现。 4、突出展示性 铁艺本身就意味着拥有说不出的富足，拥有铁艺中的珍品，不仅是个人某种情结的张扬，更是对历史的追忆，对异国情调的崇尚。 5、持久性和环保概念 铁艺之所以能在建筑和装饰材料中占有一席之地，是因为铁艺本身有良好的强度、抗风性、抗老化、抗虫害，这是其它材料难以比拟的
表面处理技术在模具发展中有着重要的作用。这是我为大家整理的表面处理技术论文，仅供参考!
显示器防护玻璃表面处理技术
摘 要：采用酸溶液湿法腐蚀和镀制增透、保护膜层的方法，对某型仪表用显示器防护玻璃表面进行了工艺处理，使得表面反射率降低到2%以下，产品可见光波段平均透过率达到86%，表面硬度提高到7.0GPa。产品性能检测和试用情况表明，防护玻璃具有较好的防眩、增透和抗划伤的作用，使用效果良好。
关键词： 防护玻璃;表面处理;反射率;硬度
中图分类号：TQ34 文献标识码：A
Display Protective Glass Surface Treatment Technology
WANG Bao-song, ZHANG Guo-sheng, XIE Qin
(Jinling machine factory of Jiangsu province, Nanjing Jiangsu 211100, China)
Abstract: Display protective glasses of a certain type instrument were technically processed by use of wet etching with acid solution and AR protective coating method. The reflectivity of surface was reduced to 2% below, the average transmittance of products was 86% in visible light, and the hardness of surface was enhanced to 7.0 GPa. The products' performance testing and trials expressed that, the protective glasses have good anti-glare, antireflective, scratch-resistant process and good behaviors.
Keywords: protective glasses; surface treatment; reflectivity; hardness
引 言
显示器作为当今社会一种极为常见的数据和信息的显示方式，在电脑、手机、仪器、仪表等多种设备上具有广泛的应用。根据特殊使用环境的要求，一些仪器设备的显示器往往不直接暴露于外界环境之下，而是在其外部增加一层防护玻璃。防护玻璃的作用主要是保护显示器，防止损坏。针对室外使用情况而言，由于外界视场中光源的强光会在玻璃表面形成较强的反射，影响显示图像在人眼的视觉效果，因此保护玻璃需要具有防眩光、增加透射的作用。王承遇等对玻璃表面结构、表征、测试和处理等方面技术的发展情况进行了报道[1]，文献[2]中指出防眩有三种途径：表面刻蚀、喷涂小颗粒成膜和表面镀膜。在多种防眩处理方法中，化学蚀刻因其方法简单、操作容易、适合于大面积玻璃蚀刻和大规模生产特点而倍受关注[3]。
本文介绍了对某型仪表用显示器防护玻璃的表面工艺处理的工作情况，采取酸溶液化学腐蚀的方法对防护玻璃表面进行处理以增加表面粗糙度，通过条件调节控制表面光泽度指标，使产品达到防眩作用亦不影响人眼视觉效果。后续采用硬质膜料在产品表面制备光学增透膜层，提高产品在可见光波段的透射率和表面硬度。本文制备的防护玻璃具有防眩、增透、抗划伤的作用，达到了较好的使用效果。
1 防眩层的制备
1.1 工艺条件
经材料成分分析，防护玻璃基材是以SiO2为主体，包含Na、Ca、Mg、K等离子的非晶氧化物。文献[4]中报道了在玻璃表面上采用化学腐蚀方法制备折射率连续变化的非均匀膜，该薄膜是折射率渐变的多微孔性结构，在宽光谱范围内有低的反射率，是一种耐久力较好的减反射膜。罗春炼等通过溶液组分含量的调整，研究了提高防眩玻璃透光率的影响因素[5]。对于制备条件上的控制而言，则需要适宜的腐蚀处理条件(温度、时间、反应物成分等因素)，才能使玻璃获得较高的透过率和雾度指标，以达到较好的防眩效果[2]。黄腾超等进行了应用于MOEMS器件的K9玻璃湿法刻蚀工艺的研究[6]。
本文对玻璃所进行的湿法刻蚀，是采用氢氟酸和硝酸为腐蚀液，通过调节酸液比例、温度和时间参数，达到最佳腐蚀效果。腐蚀溶液是以1:1:2比例配比的氢氟酸、硝酸和水混合溶液，腐蚀温度为40℃，刻蚀时间为18～20min。刻蚀效果的评价指标为表面光泽度，即代表了表面反射率的指标高低。本文经试验制得的表面光泽度为50～51的保护玻璃，其性能符合产品性能要求的表面反射率小于2%的技术指标，达到对产品预定的刻蚀效果。
1.2 制备过程
按1:1:2的比例配比氢氟酸、硝酸和水的混合溶液，置于聚四氟乙烯容器瓶内。用水洗方法清洗玻璃表面，不需要腐蚀处理的一面用胶带纸屏蔽起来，将玻璃样片浸泡于混合液中，整体置于水浴恒温箱内，设置水浴恒温箱温度至40℃，保持时间18～20min。反应结束后立即取出玻璃样片，用蒸馏水清洗表面残留混合液，去除屏蔽层，并烘干表面水分。采用表面光学测定仪测量玻璃处理表面的光学反射特性，以保证样品质量。
2 增透、保护膜层的制备
2.1 膜层设计
根据防护玻璃产品的特点要求，需要在表面制备增透、保护膜层以增加光学透射和提高表面硬度。根据双层减反射膜设计原理，若限定镀制在折射率为ng的基底材料上的外层折射率为n1、内层折射率为n2的两层膜的厚度都是λ/4时，欲使波长λ0的反射光减至零，它们的折射率满足如下关系[4]
基底玻璃材料的折射率为1.517，若外层膜选用折射率为1.38的MgF2膜料，经(1)式计算可得n2值为1.70，故内层选用折射率为1.66的Al2O3膜料。在双层减反射膜的基础上构建三层减反射膜，在此两层膜中间插入半波长的ZrO2层，使得透射光谱平滑。在此基础上，对三层膜系结构进行优化，将厚度做了细微调节，使得平均透光率进一步提高，最后膜系结构为G/0.083Al2O3 0.125ZrO2 0.095MgF2/Air。膜系结构中采用了硬度较高Al2O3膜料，有助于提高防护玻璃表面硬度。
2.2 制备方法
文中所采用的镀膜设备为北京科学仪器有限公司生产的zzs-1100型光学真空镀膜机，有分子泵、行星转动装置、清洗离子源、光学膜厚监控仪的电子枪加热蒸发镀膜设备。镀膜前对防护玻璃表面使用乙醚溶液擦拭干净，进腔后进行离子清洗以改善表面性质，后按照膜系结构进行薄膜制备。工艺参数如表1所示。
2.3 指标检测
对膜层的光谱、附着力、摩擦等环境适应性进行了测试，膜层光谱测试曲线如图1所示，膜层的在0.4～0.76μm可见光波段范围内的平均透过率达到99%以上。经试验检测，膜层可通过GJB 2485-1995光学膜层通用规范[7] 对附着力、摩擦、温度、湿热、清擦性、耐溶性和水溶性的检测项目，质量可靠。
3 表面处理效果评析
经过防眩层处理和薄膜镀制的防护玻璃样件制作完成后，对其进行了性能指标检测。通过UV-3600紫外、可见、近红外分光光度计对样件可见光波段光谱进行测试，透射光谱曲线如图2所示，平均透光率达到86%。采用显微硬度计对玻璃样片进行硬度测试，镀膜后表面硬度达到7.0GPa，高于玻璃基底的表面硬度6.6GPa，提高了玻璃表面硬度和抗划伤能力。将防护玻璃安装于仪表显示器上，对其实际使用效果进行测试。在显示器通电状态下，通过人眼观察，显示器表面呈现清晰的图像画面。在太阳光照射情况下观察，显示器图像画面依然清晰，反射太阳光较弱，对人眼没有造成图像不清晰或不适的感觉，整体使用效果良好。
4 结 论
本文对某型仪表用显示器防护玻璃表面进行工艺处理，采用酸溶液湿法腐蚀处理获得防眩层，后利用电子枪加热蒸发镀膜方法制备表面增透、保护膜层。防护玻璃经湿法腐蚀处理，表面反射率指标降低到2%以下，镀制增透、保护膜层后，在可见光波段的平均透过率达到86%，表面硬度提高到7.0GPa。通过性能指标、环境试验和产品试用的方法对产品工艺处理效果进行评析，结果表明，采用该工艺处理的防护玻璃具有较好的防眩、增透和抗划伤的作用，使用效果良好。
参考文献
[1] 王承遇，潘玉昆，卢 琪等. 玻璃表面工程的进展[J]. 玻璃与搪瓷，2003，31(5)：45-50.
[2] 吴春春，杨 辉，袁 骏等. 抗静电防眩膜研究进展[J]. 材料科学与工程，2002，20(1)：133-135.
[3] 胡沛然，韩文爵，王海风等. Na2SiF6和ZnCl2对玻璃防眩光效果的影响研究[J]. 化工新型材料，2009，37(11)：84-95.
[4] 唐晋发，顾培夫，刘 旭等. 现代光学薄膜技术[M]. 杭州：浙江大学出版社，2006.
[5] 罗春炼，韩文爵，王海风等. 提高防眩玻璃透过率的主要影响因素[J]. 化工新型材料，2008，36(12)：89-91.
[6] 黄腾超，沈亦兵，陈海星等. 应用于MOEM S器件的K9玻璃湿法刻蚀工艺的研究[J]. 光学仪器，2004，26(2)：151-155.
[7] 国防科学技术委员会. 中华人民共和国军用标准 光学膜层通用规范 GJB 2485-1995[B]. 中国标准出版社，1995.省略。
铝合金燃油箱表面处理技术
【摘 要】本文概述了铝合金的表面处理技术，通过试验验证了几种铝合金的表面处理技术，分析了铝合金燃油箱的表面处理可行性，对解决铝合金燃油箱表面氧化变暗问题，提升产品外观，延长油箱寿命等具有积极意义。
【关键词】铝合金;燃油箱;钝化;氧化;金属覆膜剂
前言
随着重卡轻量化的发展重卡上的铁质燃油箱逐渐被铝质燃油箱替代，燃油箱采用铝合金材料，不但自重减轻一半以上，内部不生锈，而且铝合金燃油箱以光洁的表面深受用户的青睐，因此这种燃油箱市场前景广阔，逐渐成为应用趋势。但是铝合金燃油箱顾客购买时外观鲜亮，色泽美观，使用大约1年左右铝合金燃油箱“黯然失色”，其表面被雨水、泥沙等腐蚀后，色泽发暗，局部产生白色粉状霉点、发黄，油箱整体色泽不一，严重影响顾客的满意度，见下图1，通过对国内规模化油箱生产企业的了解，发现铝合金燃油箱的表面腐蚀，变色各油箱生产企业都遇到过，各生产企业也在一直寻求铝油箱的表面处理技术，鉴于此笔者对铝合金燃油箱的表面处理技术进行了研究。
图1 腐蚀后的油箱
1 铝制品表面处理技术概述
铝合金燃油箱材料为铝镁合金5052，属于防锈铝，其表面自然形成一层极薄的氧化膜(0.01-0.02um)，有一定的抗腐蚀能力。但这层氧化膜疏松多孔，不均匀，抗腐蚀能力不强，容易沾染污迹，因此铝合金制品通常要进行特殊的表面处理，铝合金的表面处理技术有：钝化、阳极氧化、电镀、喷涂等，这几种处理技术都比较成熟，在一些铝制品上均有应用。
电镀处理技术：铝合金燃油箱是封闭的空心容器，其重量轻，体积大，电镀虽然是一种成熟的处理工艺，电镀层外观漂亮、其耐腐蚀性也较好，但是在铝合金上直接电镀是相当困难的，因为铝表面的氧化膜使得电镀层对铝的附着力很差，因此铝合金电镀必须有特殊的表面预处理，再者铝合金的电镀成本较高，使得这种处理方式并不适合应用于铝合金燃油箱上。
喷涂处理技术：该技术的关键在于解决涂层与铝基体的附着力，因此喷涂前铝合金表面必须进行预处理，其表面预处理需要喷砂或拉毛，再加上磷化或钝化、氧化等形成喷涂底层后，才能形成良好漆膜。其工艺流程较多，喷漆成本较高，其漆膜颜色缺乏金属质感，一般顾客青睐铝合金金属的本色，因此这种处理技术也不适合铝合金燃油箱。若顾客对铝合金燃油箱的外观颜色有特殊要求，比如我公司根据客户的特殊要求也生产黑色的铝合金燃油箱，这种铝合金燃油箱必须经过预处理才能进行粉末喷涂，喷涂后的燃油箱经检测其外表面的耐腐蚀、耐侯性等性能都非常优良，只是产品成本较高。
阳极氧化、钝化、金属覆膜剂等处理技术：铝合金的表面处理技术中阳极氧化是应用最光与最成功的技术，也是研究和开发最深入与最全面的技术，经过阳极氧化处理其表面生成的氧化膜，耐蚀性、耐磨性、装饰性都有显著的提升，其表面可以生成透明的膜，也可以着色成各种彩色的膜。铝合金的钝化处理、金属覆膜剂处理等其工艺流程简单可以将铝制品直接浸入钝化液或者金属覆膜剂溶液中，也可以喷淋在铝制品上。这种处理技术属于化学转化处理，其表面形成的化学转化膜整体性能虽不及阳极氧化膜，但是这种处理技术经济、简便、快速、生产线简单，特别适合大批量零部件的低成本生产。
每种铝制品需要考虑多种因素，选择适合具体产品的处理技术，铝合金燃油箱的表面处理技术方面，目前国内对其研究的还较少，还没有成熟的处理工艺。为此笔者根据铝合金燃油箱的特点，对几种有可能应用的处理技术开展了工艺试验，探索最适合铝合金燃油箱的表面处理技术。
2 铝板表面处理技术试验过程
2.1 提供的试板情况
(1)阳极氧化膜试验，分别对铝合金板材进行了5um ，8um，12um的阳极氧化试验;
(2)透明钝化膜试验，与某钝化技术公司合作开展了铝合金的透明钝化处理试验;
(3)覆膜剂试验，与某化工公司合作开发的铝合金用金属覆膜剂，开展了相关工艺试验。
2.2 开展的试验如下
(1)耐柴油性试验
经各种表面处理的铝板，浸入柴油，经过120h浸泡，检验铝板表面膜层的完好性、附着力、厚度等都合格。
(2)耐泥浆试验
对各种表面处理的铝板经过240小时耐泥浆试验，试验结果全部合格，
(3)盐雾试验
进行了96h的盐雾试验，经处理的试板全部合格，随后再经过120h的盐雾试验，经处理的试板全部合格。
(4)耐灰浆(水泥)试验
第一次试验96h，第二次试验120h，试板经第一次96h水泥试验，未进行表面处理铝板不合格，其余铝板全部合格，第二次经120h水泥试验，透明钝化及金属覆膜处理的铝板合格，阳极氧化处理铝板有轻微腐蚀痕迹，清洗后留有白色痕迹。
2.3 试验结果分析
针对铝合金燃油箱的特殊性，笔者对成熟的几种铝板表面处理技术开展了相关工艺试验，对每种表面处理的铝板都进行了耐柴油性试验，耐泥浆试验，盐雾试验，耐水泥试验。从试验结果来看透明钝化表面处理技术，在铝板表面形成的钝化膜抵抗外界各种腐蚀的的能力较强，能够满足铝合金燃油箱的使用要求;阳极氧化表面处理技术，在铝板表面形成的阳极氧化膜，在耐水泥试验后表面存在轻微的腐蚀，通过对这种阳极氧化膜的深入分析，阳极氧化膜的膜厚及封孔质量是关键控制点，通过对本试验形成的阳极氧化膜检测，其封孔质量不达标，这种阳极氧化膜的其他性能满足使用要求，通过对5um、8um、12um阳极氧化膜的分析，考虑成本及阳极氧化膜的色泽与铝合金燃油箱的本色差别，5um、8um的阳极氧化膜可以应用于铝合金燃油箱的表面处理，需要注意控制阳极氧化膜的封孔质量。
表面进行金属覆膜剂处理，这种表面处理技术与透明钝化的处理技术类似，其优良的耐油、耐高温、防腐及操作方便性，在不改变金属现有外观情况下对各类易氧化金属表面可轻松实现长效防腐效果，是这几种处理技术效果最优的处理方式。
3 结论
本文针对铝合金燃油箱的使用要求开展了相关试验，通过试验验证了透明钝化、阳极氧化、金属覆膜剂表面处理技术应用于铝合金燃油箱的可行性。通过对铝合金燃油箱的适当的表面处理，不仅提高了铝产品外观，还改进了耐蚀、耐候性，满足了铝合金燃油箱的特殊使用要求，延长了产品使用寿命。
本文介绍的透明钝化、阳极氧化、金属覆膜剂表面处理技术，效果好，成本低，可以应用于铝合金燃油箱的工业化生产。
参考文献：
[1]朱祖芳.铝合金阳极氧化与表面处理技术[M].北京：化学工业出版社，2004.
第一作者：焦龙博士 ；通讯作者：江海龙教授 通讯单位：中国科学技术大学
论文DOI：10.1002/anie.202008787
在该工作中，我们构筑了一系列同构的卟啉基MOF材料，通过调变卟啉中心的金属物种，从而衍生得到了一系列含有不同金属物种（Fe, Co, Ni, Cu）的单原子催化剂材料，这些催化剂除了金属物种不同，金属负载量、配位环境、比表面积、孔尺寸等特性均保持一致，从而实现了有效的变量控制。在该模型体系构筑的基础上，我们研究了不同单原子材料电催化CO2还原性能， 其中单原子Ni催化剂（Ni1-N-C）表现出了最高的CO选择性，并且在CO2浓度降低至15%的含量时，最优的CO选择性依然可以超过80%，展示了单原子催化剂在实际CO2催化转化中巨大的应用前景。
单原子催化剂（SACs）在诸多反应中表现出了极大的优越性，并且已经成为了多相催化的前沿领域。通常情况下，SACs的催化性能不仅依赖于金属活性位点的本征活性，同时也会受到活性位周围的微环境以及载体的物理化学特性的调控。然而，由于不同金属物种的单原子催化剂合成方法的不同，得到的单原子催化剂除了金属物种外，许多理化特性例如单原子金属的负载量、孔结构等等都不尽相同。由于变量的复杂性，给对比不同单原子活性位的本征活性带来很大的挑战。单原子金属修饰N掺杂碳(M1-N-C)材料，作为重要的一类单原子催化剂，在电催化CO2还原反应(CO2RR)表现出的优异的性能。然而，文献报道的M1-N-C材料的碳载体往往表现出不同的特征(孔隙结构、表面积、形貌等)，使得即使相同的金属中心，M1-N-C的活性也会有较大的差异。有鉴于此，我们希望发展一种通用的单原子合成策略同时可以实现微环境和载体性质的严格控制，从而来判别单原子不同金属物种的活性位点的内在活性。
我们在调研单原子催化剂相关文献的过程中发现，例如在CO2电催化还原反应中，即使相同金属中心，不同文献中报道的催化活性有时候差异会非常大。我们发现这些催化剂的载体性质、金属载量、活性位微环境等通常差异较大，很难去对活性位的本征活性做出客观的评价。我们基于一种卟啉基的多变量MOF，MOF的卟啉配体中心金属种类可以任意调变而不影响MOF的拓扑结构和形貌，进一步借助MOF和它的衍生材料结构上的继承关系，可以严格控制MOF衍生不同单原子材料的理化性质，从而为对比不同金属中心的催化活性提供了良好的模型体系。
除了活性位点的识别，CO2利用的另一个关键问题是高能耗的CO2捕获和净化过程。具体来说，为了达到高选择性，目前报道的CO2RR通常在纯CO2中进行。然而，实际工业过程中可用的CO2原料的实际浓度相对较低，例如燃煤电厂和钢铁/石化行业排放的CO2气体浓度分别在5-15%和14-33%左右。考虑到CO2 中C=O键键能大约在 806 kJ/mol，热力学比较稳定性，活化较为困难。另外其在水溶液中有限的溶解度，低的CO2浓度会显著影响其催化转化的活性，为CO2的直接利用设置了很大的障碍。因此，开发高效的低压下二氧化碳直接转化电催化剂非常重要，但目前很少能实现。
Scheme 1. Illustration showing the general fabrication of single-atom M1-N-C catalysts based on MTV-MOFs for electrocatalytic CO2 reduction.
我们基于混合配体策略，通过改变金属卟啉配体中心金属的种类，构筑了一系列同构的卟啉MOF，通过衍生之后获得了一系列具有不同金属中心（Fe, Co, Ni, Cu）的碳基单原子催化剂材料 （Scheme 1）。卟啉中心金属的改变并未影响MOF的结构和形貌，借助于MOF前驱体和它的衍生材料结构上的继承性，获得的一系列单原子催化剂材料。除单原子金属种类之外，其他理化性质（形貌，成分，孔结构等）同样可以保持高度的一致，从而实现了变量的控制。
Figure 1. Electrochemical performances in pure CO2. a) LSV curves of Ni1-N-C in pure Ar- and CO2-saturated 0.5 M KHCO3. b) FEs and c) TOFs of M1-N-C for CO in pure CO2-saturated 0.5 M KHCO3. d) Tafel plots of M1-N-C for CO2RR. e) Durability test of Ni1-N-C at a constant potential of -0.8 V vs RHE in pure CO2.
基于得到的一系列单原子催化剂材料，我们首先研究了他们在纯的CO2氛围下的电催化性能。通过实验可以发现，Ni1-N-C材料在众多单原子催化剂材料中，表现出了最高的CO选择性、TOF值以及Tafel斜率，并且具有良好的催化稳定性（Figure 1）。
Figure 2. DFT calculations. a) Reaction paths and b) Free energy diagrams of CO2 reduction to CO and c) The values of UL(CO2)-UL(H2) for all M1-N-C catalysts.
理论计算表明，在CO2电催化还原生成CO的多步基元反应中，Ni1-N-C相较于其他单原子催化剂，具有最为优化的COOH*形成和CO脱附的能垒，有效的促进了CO2的转化和产物的脱附，预示着其具有最高的CO2电催化还原的活性。另外，通过对比不同材料CO2还原和析氢反应的决速步电势差（UL(CO2)-UL(H2)），可以看出Ni1-N-C可以更有效的抑制析氢竞争反应，从而表现出最优的CO2还原的选择性 （Figure 2）。
Figure 3. Electrochemical performances of CO2 at low pressures. a) LSV curves and b) CO FE of Ni1-N-C in 0.5 M KHCO3 saturated with 30% and 15% CO2. c) Durability tests of Ni1-N-C at constant potential of -0.8 V under 30% CO2 concentration and -0.75 V under 15% CO2 concentration, respectively.
鉴于在纯CO2中的实验结果和理论计算的结论，我们进一步 探索 了Ni1-N-C在低浓度的CO2还原反应的测试中的性能。可以看到，Ni1-N-C在30%和15%的CO2浓度下依然有明显的电流响应，进一步通过不同电位下的选择性测试可以看出，在15%的CO2浓度下其最优选择性依然可以超过80%，并表现出了良好的催化稳定性 （Figure 3）。
该工作基于同构的卟啉基MTV-MOFs，构建了一系列单原子催化剂 (M1-N-C, M = Fe, Co, Ni和Cu)，除单原子金属的种类不同之外，其孔结构和化学成分以及活性位微环境都保持一致，因而可以作为研究不同单原子金属物种本征活性差异的理想模型。在纯CO2条件下， Ni1-N-C表现出了最优的CO选择性。进一步，Ni1-N-C在更具有挑战性的低浓度CO2还原中，甚至可以在30%和15%的CO2浓度下保持其高的CO选择性，表明了Ni1-N-C在电催化CO2RR的独特优势。这项工作不仅提供了一种SACs的普适性合成方案，同时本文的结果展示了单原子催化剂在低浓度二氧化碳直接电催化转化方面的巨大潜力。
江海龙，中国科学技术大学教授、博士生导师、英国皇家化学会会士（FRSC），获得国家杰出青年基金资助，入选国家万人计划领军人才等。长期从事配位化学、材料化学和催化化学的交叉性研究工作，特别在基于金属有机框架（MOFs）的晶态多孔功能材料的设计、合成与催化功能 探索 等方面开展了系统的研究工作，并取得了一些重要的研究结果。已在国际重要SCI期刊上发表论文150余篇，其中以第一和通讯作者身份发表J. Am. Chem. Soc.（13篇），Angew. Chem.（12篇），Chem（3篇），Nat. Commun.（2篇），Adv. Mater.（6篇），Natl. Sci. Rev.（2篇），Acc. Chem. Res.（1篇），Chem. Soc. Rev.（2篇），Coord. Chem. Rev.（4篇）, Mater. Today（1篇）等高水平论文。论文被引用20,000次以上（H指数：71），有50篇论文入选ESI高被引论文（Highly Cited Papers, Top 1%）。在《Nanoporous Materials: Synthesis and Applications》中撰写书章一章。担任中国化学会晶体化学专业委员会委员、中国感光学会光催化专业委员会委员等；担任EnergyChem（Elsevier）、Materials（MDPI）、中国化学快报、化学学报、Scientific Reports（NPG）、无机化学学报、Sci（MDPI）等期刊编委和顾问委员会委员。主持国家杰出青年科学基金、重大科学研究计划课题、基金委面上基金、青年基金等科研项目。
主要研究方向 本课题组以配位化学为基础，致力于多孔金属有机骨架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）及其纳米复合材料与衍生材料的设计合成与功能应用研究。本课题组的研究属于交叉学科，内容涉及无机配位化学、晶体工程学、材料化学、纳米 科技 以及催化化学等多个领域。主要研究方向包括： (1)催化功能导向的稳定MOFs：设计、合成、修饰及催化性能研究； (2) MOFs基纳米复合材料：理性构筑及其催化功能 探索 ，特别是在有机反应多相催化及光、电催化中的应用研究； (3) CO2的选择性捕集与转化。
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稀土掺杂氟化物多波长红外显示材料的研究摘 要本文简单介绍了稀土发光原理、上转换发光材料的大致发展史、红外上转换发光材料的应用以及当前研究现状。以PbF2为基质材料，ErF3为激活剂，YbF3为敏化剂，采用高温固相反应法制备了PbF2: Er,Yb上转换发光材料。重点讨论了制备过程中，制备工艺中的烧结时间、烧结温度对红外激光显示材料发光效果的影响。研究了Er3+/Yb3+发光系统在1064nm激光激发下的荧光光谱和上转换发光的性质。实验表明，在1064nm激光激发下，材料可以发射出绿色和红色荧光，是一种新型的红外激光显示材料。关键字：1064nm 上转换 红外激光显示 Er3+/Yb3+AbstractThis paper simply described the rare earth luminescence mechanism, the development of up-conversion materials and their applications were systematically explained. Present situation of the research on infrared up-conversion luminescence is also presented. PbF2 as matrix, ErY3 as activator and YbF3 as sensitizer were adopted to synthesize PbF2: Er,Yb up-conversion material with high temperature solid-phase reaction. A great emphasize was paid on the factors that effect on the luminescence properties of infrared laser displayed materials such as sinter temperature, time of sinter. The luminescence system of Er3+/Yb3+, their fluorescence spectrum and their character of up-conversion with 1064nm LD as an excitation source were studied. The experimental results that intense green and wed up-conversion emissions were observed under 1064nm LD excitation, which is a new type of infrared laser displayed materials.Key Words: 1064nm Up-conversion Infrared laser displayed materials Er3+/Yb3+目 录摘要Abstract第一章 绪论 11.1 稀土元素的光谱理论简介 11.1.1 稀土元素简介 11.1.2 稀土离子能级 11.1.3 晶体场理论 21.1.4 基质晶格的影响 21.2 上转换发光材料的发展概况 31.3 上转换发光的基本理论 41.3.1 激发态吸收 41.3.2 光子雪崩上转换 41.3.3 能量传递上转换 51.4 敏化机制与掺杂方式 61.4.1 敏化机制 61.4.2 掺杂方式 71.5 上转换发光材料的应用 81.6 本论文研究目的及内容 8第二章 红外激光显示材料的合成与表征 102.1 红外激光显示材料的合成 102.1.1 实验药品 102.1.2 实验仪器 102.1.3 样品的制备 112.2 红外激光显示材料的表征 122.2.1 XRD 122.2.2 荧光光谱 12第三章 结果与讨论 143.1 基质材料的确定 143.2 助熔剂的选择 153.3 烧结时间的确定 153.4 烧结温度的确定 163.5 掺杂浓度的确定 17结 论 21参考文献 22致 谢 23第一章 绪论1.1 稀土元素的光谱理论简介1.1.1 稀土元素简介稀土元素是指周期表中IIIB族，原子序数为21的钪（Sc）：39的钇（Y）和原子序数57至71的镧系中的镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu），共17个元素[1]。稀土元素的原子具有未充满的受到外界屏蔽的4f和5d电子组态，因此具有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射。稀土化合物发光是基于它们的4f电子在f-f组态之内或f-d组态之间的跃迁。稀土发光材料具有许多优点：（1）与一般元素相比，稀土元素4f电子层构型的特点，使其化合物具有多种荧光特性；（2）稀土元素由于4f电子处于内存轨道，受外层s和P轨道的有效屏蔽，很难受到外部环境的干扰，4f能级差极小，f-f跃迁呈现尖锐的线状光谱，发光的色纯度高；（3）荧光寿命跨越从纳秒到毫秒6个数量级；（4）吸收激发能量的能力强，转换效率高；（5）物理化学性质稳定，可承受大功率的电子束、高能辐射和强紫外光的作用。1.1.2稀土离子能级稀土离子具有4f电子壳层，但在原子和自由离子的状态由于宇称禁戒，不能发生f-f电子跃迁[3&7]。在固体中由于奇次晶场项的作用宇称禁戒被解除，可以产生f-f跃迁，4f轨道的主量子数是4，轨道量子数是3，比其他的s，p，d轨道量子数都大，能级较多。除f-f跃迁外，还有4f-5d，4f-6s，4f-6p电子跃迁。由于5d，6s，6p能级处于更高的能级位置，所以跃迁波长较短，除个别离子外，大多数都在真空紫外区域。由于4f壳层受到5s2，5p6壳层的屏蔽作用，对外场作用的反应不敏感，所以在固体中其能级和光谱都具有原子状态特征。因此，f-f跃迁的光谱为锐线，4f壳层到其他组态的跃迁是带状光谱，因为其他组态是外壳层，受环境影响较大。稀土离子在化合物中一般出现三价状态，在可见和红外光区观察的光谱大都属于4fN组态内的跃迁，在给定组态后确定光谱项的一般方法是利用角动量耦合和泡利原理选出合理的光谱项，但这种方法在电子数多，量子数大时，相当麻烦且容易出错。所以，对稀土离子不太适合。利用群论方法，采用U7>R7>G2>R3群链的分支规则可以方便地给出4fN组态的全部正确的光谱项，通常用大写的英文字母表示光谱项的总轨道角动量的量子数的数目，如S，P，D，F，G，H，I，K，L，M，N，O，Q……分别表示总轨道角动量的量子数为0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，……，25+l表示光谱项的多重性，S是总自旋量子数。在光谱学中，用符号2S+1L表示光谱项。1.1.3 晶体场理论晶体场理论认为，当稀土离子掺入到晶体中，受到周围晶格离子的影响时，其能级不同自由离子的情况。这个影响主要来自周围离子产生的静电场，通常称为晶体场[2]。晶体场使离子的能级劈裂和跃迁几率发生变化。稀土离子在固体中形成典型的分立发光中心。在分立发光中心中，参与发光跃迁的电子是形成中心离子本身的电子，电子的跃迁发生在离子本身的能级之间。中心的发光性质主要取决于离子本身，而基质晶格的影响是次要的。稀土离子的4f电子能量比5s，5p轨道高，但是5s，5p轨道在4f轨道的外面，因而5s，5p轨道上的电子对晶体场起屏蔽作用，使4f电子受到晶体场的影响大大减小。稀土离子4f电子受到晶体场的作用远远小于电子之间的库仑作用，也远远小于4f电子的自旋—轨道作用。考虑到电子之间的库仑作用和自旋—轨道作用，4f电子能级用2J+I LJ表示。晶体场将使具有总角动量量子数J的能级分裂，分裂的形式和大小取决于晶体场的强度和对称性。稀土离子4f能级的这种分裂，对周围环境（配位情况、晶场强度、对称性）非常敏感，可作为探针来研究晶体、非晶态材料、有机分子和生物分子中稀土离子所在局部环境的结构，且2J+I LJ能级重心在不同的晶体中大致相同，稀土离子4f电子发光有特征性，因而很容易根据谱线位置辨认是什么稀土离子在发光。1.1.4 基质晶格的影响基质晶格对f→d跃迁的光谱位置有着强烈的影响，另外其对f→f跃迁的影响表现在三个方面：（1）可改变三价稀土离子在晶体场所处位置的对称性，使不同跃迁的谱强度发生明显的变化；（2）可影响某些能级的分裂；（3）某些基质的阴离子团可吸收激发能量并传递给稀土离子而使其发光，即基质中的阴离子团起敏化中心的作用。特别是阴离子团的中心离子（Me）和介于中间的氧离子O2-以及取代基质中阳离子位置的稀土离子（RE）形成一直线，即Me-O-RE接近180°时，基质阴离子团对稀土离子的能量传递最有效。1.2 上转换发光材料的发展概况发光是物体内部以某种方式吸收的能量转换为光辐射的过程。发光学的内容包括物体发光的条件、过程和规律，发光材料与器件的设计原理、制备方法和应用，以及光和物质的相互作用等基本物理现象。发光物理及其材料科学在信息、能源、材料、航天航空、生命科学和环境科学技术中的应用必将促进光电子产业的迅猛发展，这对全球的信息高速公路的建设以及国家经济和科技的发展起着举足轻重的推动作用。三价镧系稀土离子具有极丰富的电子能谱，因为稀土元素原子的电子构型中存在4f轨道，为多种能级跃迁创造了条件，在适当波长的激光的激发下可以产生众多的激光谱线，可从红外光谱区扩展到紫外光谱区。因此，稀土离子发光研究一直备受人们的关注。60年代末，Auzel在钨酸镱钠玻璃中意外发现，当基质材料中掺入Yb3+离子时，Er3+、Ho3+和Tm3+稀土离子在红外光激发下可发出可见光，并提出了“上转换发光”的观点[5&4]。所谓的上转换材料就是指受到光激发时，可以发射比激发波长短的荧光的材料。其特点是激发光光子能量低于发射光子的能量，这是违反Stokes定律的。因此上转换发光又称为“反Stokes发光”。从七十年代开始，上转换的研究转移到单频激光上转换。到了八十年代由于半导体激光器泵浦源的发展及开发可见光激光器的需求，使其得到快速发展。特别是近年来随着激光技术和激光材料的进一步发展，频率上转换在紧凑型可见激光器、光纤放大器等领域的巨大应用潜力更激起广大科学工作者的兴趣，把上转换发光的研究推向高潮，并取得了突破性实用化的进展。随着频率上转换材料研究的深入和激光技术的发展，人们在考虑拓宽其应用领域和将已有的研究成果转换成高科技产品。1996年在CLEO会议上，Downing与Macfarlanc等人合作提出了三色三维显示方法，双频上转换三维立体显示被评为1996年物理学最新成就之一，这种显示方法不仅可以再现各种实物的立体图像，而且可以随心所欲的显示各类经计算机处理的高速动态立体图像，具有全固化、实物化、高分辨、可靠性高、运行速度快等优点[15]。上转换发光材料的另一项很有意义的应用就是荧光防伪或安全识别，这是一个应用前景极其广阔的新兴研究方向。由于在一种红外光激发下，发出多条可见光谱线且各条谱线的相对强度比较灵敏地依赖于上转换材料的基质材料与材料的制作工艺，因而仿造难、保密强、防伪效果非常可靠。目前，研究的稀土离子主要集中在Nd3+，Er3+，Ho3+，Tm3+和Pr3+等三价阳离子。Yb3+离子由于其特有的能级特性，是一种最常用的敏化离子。一般来说，要制备高效的上转换材料，首先要寻找合适的基质材料，当前研究的上转换材料多达上百种，有玻璃、陶瓷、多晶粉末和单晶。其化合物可分为：（1）氟化物；（2）氧化物；（3）卤氧化物；（4）硫氧化物；（5）硫化物等。迄今为止，上转换发光研究取得了很大的进展，人们已在氟化物玻璃、氟氧化物玻璃及多种晶体中得到了不同掺杂稀土离子的蓝绿上转换荧光。1.3 上转换发光的基本理论通过多光子机制把长波辐射转换成短波辐射称为上转换，其特点是吸收光子的能量低于发射光子的能量[2&8]。稀土离子上转换发光是基于稀土离子4f电子能级间的跃迁产生的。由于4f外壳层电子对4f电子的屏蔽作用，使得4f电子态间的跃迁受基质的影响很小，每种稀土离子都有其确定的能级位置，不同稀土离子的上转换发光过程不同。目前可以把上转过程归结于三种形式：激发态吸收、光子雪崩和能量传递上转换。1.3.1激发态吸收激发态吸收（Excited Stated Absorption简写为ESA）是上转换发光中的最基本过程，如图1-1所示。首先，发光中心处于基态能级E0的电子吸收一个ω1的光子，跃迁到中间亚稳态E1上，E1上的电子又吸收一个ω2光子，跃迁到高能级E2上，当处于能级E2上的电子向基态跃迁时，就发射一个高能光子。图1-1 上转换的激发态吸收过程1.3.2 光子雪崩上转换光子雪崩上转换发光于1979年在LaCl3∶Pr3+材料中首次发现。1997年，N. Rakov等报道了在掺Er3+氟化物玻璃中也出现了雪崩上转换。由于它可以作为上转换激光器的激发机制，而引起了人们的广泛的注意。“光子雪崩”过程是激发态吸收和能量传输相结合的过程，如图1-2所示，一个四能级系统，Mo、M1、M2分别为基态和中间亚稳态，E为发射光子的高能级。激发光对应于M1→E的共振吸收。虽然激发光光子能量同基态吸收不共振，但总会有少量的基态电子被激发到E与M2之间，而后弛豫到M2上。M2上的电子和其他离子的基态电子发生能量传输I，产生两个位于M1的电子。一个M1的电子在吸收一个ω1的光子后激发到高能级E。而E能级的电子又与其他离子的基态相互作用，产生能量传输II，则产生三个为位于M1的电子，如此循环，E能级上的电子数量像雪崩一样急剧地增加。当E能级的电子向基态跃迁时，就发出能量为ω的高能光子。此过程就为上转换的“光子雪崩”过程。图1-2 光子雪崩上转换1.3.3能量传递上转换能量转移（Energy Transfer，简写成ET）是两个能量相近的激发态离子通过非辐射过程藕合，一个回到低能态，把能量转移给另一个离子，使之跃迁到更高的能态。图1-3列出了发生能量传递的几种可能途径：（a）是最普通的一种能量传递方式，处于激发态的施主离子把能量传给处于激发态的受主离子，使受主离子跃迁到更高的激发态去；（b）过程称为多步连续能量传递，在这一过程中，只有施主离子可以吸收入射光子的能量，处于激发态的施主离子与处于基态的受主离子间通过第一步能量传递，把受主离子跃迁到中间态，然后再通过第二步能量传递把受主离子激发到更高的激发态；（c）过程可命名为交叉弛豫能量传递（Cross Relaxation Up-conversion，简称CR），这种能量传递通常发生在相同离子间，在这个过程中，两个相同的离子通过能量传递，使一个离子跃迁到更高的激发态，而另一个离子弛豫到较低的激发态或基态上去；（d）过程为合作发光过程的原理图，两个激发态的稀土离子不通过第三个离子的参与而直接发光，他的一个明显的特征是没有与发射光子能量匹配的能级，这是一种奇特的上转换发光现象；（e）过程为合作敏化上转换，两个处于激发态的稀土离子同时跃迁到基态，而使受主离子跃迁到较高的能态。（a）普通能量传递 （b）多步连续能量传递（c）交叉弛豫能量传递 （d）合作发光能量传递（e）合作敏化上转换能量传递图1-3 几种能量传递过程的示意图稀土离子的上转换发光都是多光子过程，在多光子过程中，激发光的强度与上转换荧光的强度有如下关系：Itamin ∝ Iexcitationn其中Itamin表示上转换荧光强度，Iexcitation表示激发光强度，在双对数坐标下，上转换荧光的强度与激发光的强度的曲线为一直线，其斜率即为上转换过程所需的光子数n，这个关系是确定上转换过程是几光子过程的有效方法。1.4 敏化机制与掺杂方式1.4.1 敏化机制通过敏化作用提高稀土离子上转换发光效率是常用的一种方法[9]。其实质是敏化离子吸收激发能并把能量传递给激活离子，实现激活离子高能级的粒子数布居，从而提高激活离子的转换效率，这个过程可以表述如下：Dexc+A→D+AexcD表示施主离子，A是受主离子，下标“exc”表示该离子处于激发态。Yb3+离子由于特有的能级结构，是最常用的也是最主要的一种敏化离子。（1）直接上转换敏化对与稀土激活中心（如Er3+，Tm3+，Ho3+）和敏化中心Yb3+共掺的发光材料，由于Yb3+的2F5/2能级在910-1000nm均有较强吸收，吸收波长与高功率红外半导体激光器的波长相匹配。若用激光直接激发敏化中心Yb3+，通过Yb3+离子对激活中心的多步能量传递，可再将稀土激活中心激发至高能级而产生上转换荧光，这类过程会导致上转换荧光明显增强，称之为直接上转换敏化。图1-4以Yb3+/Tm3+共掺杂为例给出了该激发过程的示意图。图1-4 直接上转换敏化（2）间接上转换敏化由于Yb3+离子对910-1000 nm间泵浦激光吸收很大，泵浦激光的穿透深度非常小，因此虽然在表面的直接上转换敏化能极大的提高上转换效率，但它却无法应用到上转换光纤系统中。针对这种情况，国际上与1995-1996年首次提出了“间接上转换敏化”方法[7]。间接上转换敏化的模型首先在Tm3+/Yb3+双掺杂体系中提出的：当激活中心为Tm3+时，如果激发波长与Tm3+的3H6→3H4吸收共振，激活中心Tm3+就被激发至3H4能级，随后处于3H4能级的Tm3+离子与位于2F5/2能级的Yb3+离子发生能量传递，使Yb3+离子的2F5/2能级上有一定的粒子数布居。然后处于激发态2F5/2的Yb3+离子再与Tm3+进行能量传递，实现Tm3+的1G4能级的粒子数布居，这样就通过Tm3+→Yb3+→Tm3+献的能量过程间接地把Tm3+离子激发到了更高能级1G4。从而导致了Tm3+离子的蓝色上转换荧光。图1-5给出了间接上转换敏化的示意图。考虑到稀土离子的敏化作用与前述的上转换机理，在实现上转换发光的掺杂方式通常要考虑如下几点：（1）敏化离子在激发波长处有较大的吸收截面和较高的掺杂浓度；（2）敏化离子与激活离子之间有较大的能量传递几率；（3）激活离子中间能级有较长的寿命。图1-5 间接上转换敏化1.4.2 掺杂方式表1-1给出了当前研究比较多的掺杂体系，表中同时列出了某一掺杂体系对应的激发波长、基质材料、敏化机制等。表1-1 常见的掺杂体系稀土离子组合 激发波长 基质材料 敏化机制单掺杂 Er3+ 980nm ZrO2纳米晶体 —Nd3+ 576nm ZnO–SiO2–B2O3 —Tm3+ 660nm AlF3/CaF2/BaF2/YF3 —双掺杂 Yb3+：Er3+ 980nm Ca3Al2Ge3O12玻璃 直接敏化Yb3+：Ho3+ 980nm YVO4 直接敏化Yb3+：Tm3+ 800nm 氟氧化物玻璃 间接敏化Yb3+：Tb3+ 1064nm 硅sol–gel玻璃 合作敏化Yb3+：Eu3+ 973nm 硅sol–gel玻璃 合作敏化Yb3+：Pr3+ 1064nm LnF3/ZnF2/SrF2 BaF2/GaF2/NaF 直接敏化Nd3+：Pr3+ 796nm ZrF4基玻璃 直接敏化三掺杂 Yb3+： Nd3+ ：Tm3+ 800nm ZrF4基玻璃 间接敏化Yb3+： Nd3+ ：Ho3+ 800nm ZrF4基玻璃 间接敏化Yb3+： Er3+ ：Tm3+ 980nm PbF2:CdF2玻璃 直接敏化1.5 上转换发光材料的应用稀土掺杂的基质材料在波长较长的红外光激发下，可发出波长较短的红、绿、蓝、紫等可见光。通常情况下，上转换可见光包含多个波带，每个波带有多条光谱线，这些谱线的不同强度组合可合成不同颜色的可见光[7]。掺杂离子、基质材料、样品制备条件的改变，都会引起各荧光带的相对强度变化，不同样品具有独特的谱线强度分布与色比关系（我们定义上转换荧光光谱中各荧光波段中的峰值相对强度比称为色比，通常以某以一波段的峰值强度为标准）。因而上转换发光材料可应用到荧光防伪或安全识别上来。上转换发光材料在荧光防伪或安全识别应用上的一个研究重点是制备上转换效率高，具有特色的防伪材料，实现上转换荧光防伪材料能够以配比控制色比；也就是通过调整稀土离子种类、浓度以及基质材料的种类、结构和配比，达到控制色比关系。1.6 本论文研究目的及内容Nd:YAG激光器发出1064nm的激光，在激光打孔、激光焊接、激光核聚变等领域具有广泛的应用价值，是最常用的激光波段。然而，由于人眼对1064nm的红外光不可见，因此，需要采用对1064nm激光响应的红外激光显示材料制备的显示卡进行调准和校正。本论文采用氟化物作为基质，掺杂稀土离子，通过配方和工艺研究，制备对1064nm响应的红外激光显示材料。研究组分配比、烧结温度、气氛和时间等对粉体性能的影响。并采用XRD和荧光光谱分析等测试手段对粉体进行表征。确定最佳烧结温度、组分配比，最终获得对1064nm具有优异红外转换性能的红外激光显示材料。第二章 红外激光显示材料的合成与表征经过多年研究，红外响应发光材料取得了很大进展，现已实现了氟化物玻璃、氟氧化物玻璃、及多种晶体中不同稀土离子掺杂的蓝绿上转换荧光。然而上转换荧光的效率距离实际实用还有很大的差距，尤其是蓝光，其效率更低。因此，寻找新的红外激光显示材料仍在研究之中，本文主要研究对1064nm响应的发光材料。本章研究了双掺杂Er3+/Yb3+不同基质材料的蓝绿上转换荧光，得到了发光效果较好的稀土掺杂氟化物的红外激光显示材料，得到了一些有意义的研究结果。2.1 红外激光显示材料的合成2.1.1 实验药品（1）合成材料所用的化学试剂主要有：LaF3，BaF2，Na2SiF6，NaF，氢氟酸，浓硝酸等。稀土化合物为Er2O3、Yb2O3，纯度在4N以上。（2）ErF3、YbF3的配制制备Yb3+/Er3+共掺氟化物的红外激光显示材料使用的ErF3，YbF3是在实验室合成的。实验采用稀土氧化物，称取适量的Er2O3，Yb2O3放在烧杯1和烧杯2中，滴加稍微过量的硝酸（浓度约为8mol/L），置于恒温加热磁力搅拌器上搅拌，直至烧杯1中出现粉红色溶液、烧杯2中出现无色溶液停止。其化学反应如下：Er2O3+6HNO3→2Er(NO3)3+3H2OYb2O3+6HNO3→2Yb(NO3)3+3H2O再往烧杯1和烧杯2中分别都加入氢氟酸，烧杯1中生成粉红色ErF3沉淀，烧杯2中生成白色絮状YbF3沉淀，其化学反应如下：Er(NO3)3+3HF→ErF3↓+3HNO3Yb(NO3)3+3HF→YbF3↓+3HNO3生成的ErF3、YbF3沉淀使用循环水式多用真空泵进行分离，并多次使用蒸馏水进行洗涤，将从溶液中分离得到的沉淀倒入烧杯放入电热恒温干燥箱，在100℃条件下保温12小时，得到了实验所需的ErF3、YbF3，装入广口瓶中备用。2.1.2 实验仪器SH23-2恒温加热磁力搅拌器（上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司）PL 203电子分析天平（梅特勒一托多利仪器上海有限公司）202-0AB型电热恒温干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司）SHB-111型循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）WGY-10型荧光分光光度计（天津市港东科技发展有限公司）DXJ-2000型晶体分析仪（丹东方圆仪器有限公司）1064nm半导体激光器（长春新产业光电技术有限公司）4-13型箱式电阻炉（沈阳市节能电炉厂）2.1.3 样品的制备（1）实验方法本实验样品制备方法是：以稀土化合物YbF3、ErF3，基质氟化物为原料，引入适量的助熔剂，采用高温固相法合成红外激光显示材料。高温固相法是将高纯度的发光基质和激活剂、辅助激活剂以及助熔剂一起，经微粉化后机械混合均匀，在较高温下进行固相反应，冷却后粉碎、筛分即得到样品[8]。这种固体原料混合物以固态形式直接参与反应的固相反应法是制备多晶粉末红外激光显示材料最为广泛使用的方法。在室温下固体一般并不相互反应，高温固相反应的过程分为产物成核和生长两部分，晶核的生成一般是比较困难的，因为在成核过程中，原料的晶格结构和原子排列必须作出很大调整，甚至重新排列。显然，这种调整和重排要消耗很多能量。因而，固相反应只能在高温下发生，而且一般情况下反应速度很慢。根据Wagner反应机理可知，影响固体反应速度的三种重要因素有：①反应固体之间的接触面积及其表面积；②产物相的成核速度；③离子通过各物相特别是通过产物相时的扩散速度。而任何固体的表面积均随其颗粒度的减小而急剧增加，因此，在固态反应中，将反应物充分研磨是非常必要的[6]。而同时由于在反应过程中在不同反应物与产物相之间的不同界面处可能形成的物相组成是不同的，因此可能导致产物组成的不均匀，所以固态反应需要进行多次研磨以使产物组成均匀。另外，如果体系存在气相和液相，往往能够帮助物质输运，在固相反应中起到重要作用，因此在固相反应法制备发光材料时往往加入适量助熔剂。在有助熔剂存在的情况下，高温固相反应的传质过程可通过蒸发-凝聚、扩散和粘滞流动等多种机制进行。（2）实验步骤根据配方中各组分的摩尔百分含量（表3-1，表3-2，表3-3中给出了实验所需主要样品的成分与掺杂稀土离子浓度），准确计算各试剂的质量，使用电子天平精确称量后，把原料置于玛瑙研钵中研磨均匀后装入陶瓷坩埚中（粉体敦实后大概占坩埚体积的1/3），再放入电阻炉中保温一段时间。冷却之后即得到了实验所述的红外激光显示材料样品。图2-1为实验流程图：图2-1 实验流程图2.2 红外激光显示材料的表征2.2.1 XRDX射线衍射分析是当今研究晶体精细结构、物相分析、晶粒集合和取向等问题的最有效的方法之一[10&9]。通常采用粉末状晶体或多晶体为试样的X射线衍射分析被称为粉末法X射线衍射分析。1967年，Hugo M.Rietveld鉴于计算机处理大量数据的能力，在粉末中子衍射结构分析中，提出了全粉末衍射图最小二乘拟合结构修正法。1977年，Malmros等人把这个方法引入X射线粉末衍射分析中，从此Rietveld分析法的研究开始迅速发展起来[16&10]。本实验采用丹东方圆仪器有限公司生产的DXJ-2000型晶体分析仪对粉末样品进行数据采集，主要测试参数为：Cu靶Kα线，管压45kV，管流35Ma，狭缝DSlmm、RS0.3mm.、SS1 mm，扫描速度10度/min（普通扫描）、0.02度/min（步进扫描），通过测试明确所制备的材料是否形成特定晶体结构的晶相，也可以简单判断随着掺杂量的增加，是否在基质中有第二相形成或者掺杂的物质同基质一起形成固溶体。
第1作者发表学术论文13余篇，其中核心期刊6篇。1、SrZnO2:Eu3+红色荧光体的SHS合成及荧光性能，材料导报，2009,23(9):15-17,32，第1作者。2、燃烧法合成SrZnO2:Eu3+,Li+及荧光性能，化工新型材料，2010,38(2):82-84，第1作者。3、低温燃烧法合成SrZnO2:Sm3+, Li+及其发光性能研究，广州化工，2010,38(8):3-5,16，第1作者。4、电荷补偿对SrZnO2:Eu3+材料发射光谱的影响，广州化工，2010,38(9):5-6,69，第1作者。5、SrZnO2:Sm3+红色荧光体的低温燃烧合成及发光性能研究，无机盐工业，2010,42(12):20-22，第1作者。6、稀土掺杂SrZnO2基发光材料的合成方法，无机盐工业，2010,42(3):4-6，第1作者。7、牛血清白蛋白与Hg(Ⅱ)配合物作用的热力学研究，化工时刊，2010,24(8):1-4，第1作者。
稀土掺杂氟化物多波长红外显示材料的研究摘 要本文简单介绍了稀土发光原理、上转换发光材料的大致发展史、红外上转换发光材料的应用以及当前研究现状。以PbF2为基质材料，ErF3为激活剂，YbF3为敏化剂，采用高温固相反应法制备了PbF2: Er,Yb上转换发光材料。重点讨论了制备过程中，制备工艺中的烧结时间、烧结温度对红外激光显示材料发光效果的影响。研究了Er3+/Yb3+发光系统在1064nm激光激发下的荧光光谱和上转换发光的性质。实验表明，在1064nm激光激发下，材料可以发射出绿色和红色荧光，是一种新型的红外激光显示材料。关键字：1064nm 上转换 红外激光显示 Er3+/Yb3+AbstractThis paper simply described the rare earth luminescence mechanism, the development of up-conversion materials and their applications were systematically explained. Present situation of the research on infrared up-conversion luminescence is also presented. PbF2 as matrix, ErY3 as activator and YbF3 as sensitizer were adopted to synthesize PbF2: Er,Yb up-conversion material with high temperature solid-phase reaction. A great emphasize was paid on the factors that effect on the luminescence properties of infrared laser displayed materials such as sinter temperature, time of sinter. The luminescence system of Er3+/Yb3+, their fluorescence spectrum and their character of up-conversion with 1064nm LD as an excitation source were studied. The experimental results that intense green and wed up-conversion emissions were observed under 1064nm LD excitation, which is a new type of infrared laser displayed materials.Key Words: 1064nm Up-conversion Infrared laser displayed materials Er3+/Yb3+目 录摘要Abstract第一章 绪论 11.1 稀土元素的光谱理论简介 11.1.1 稀土元素简介 11.1.2 稀土离子能级 11.1.3 晶体场理论 21.1.4 基质晶格的影响 21.2 上转换发光材料的发展概况 31.3 上转换发光的基本理论 41.3.1 激发态吸收 41.3.2 光子雪崩上转换 41.3.3 能量传递上转换 51.4 敏化机制与掺杂方式 61.4.1 敏化机制 61.4.2 掺杂方式 71.5 上转换发光材料的应用 81.6 本论文研究目的及内容 8第二章 红外激光显示材料的合成与表征 102.1 红外激光显示材料的合成 102.1.1 实验药品 102.1.2 实验仪器 102.1.3 样品的制备 112.2 红外激光显示材料的表征 122.2.1 XRD 122.2.2 荧光光谱 12第三章 结果与讨论 143.1 基质材料的确定 143.2 助熔剂的选择 153.3 烧结时间的确定 153.4 烧结温度的确定 163.5 掺杂浓度的确定 17结 论 21参考文献 22致 谢 23第一章 绪论1.1 稀土元素的光谱理论简介1.1.1 稀土元素简介稀土元素是指周期表中IIIB族，原子序数为21的钪（Sc）：39的钇（Y）和原子序数57至71的镧系中的镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu），共17个元素[1]。稀土元素的原子具有未充满的受到外界屏蔽的4f和5d电子组态，因此具有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射。稀土化合物发光是基于它们的4f电子在f-f组态之内或f-d组态之间的跃迁。稀土发光材料具有许多优点：（1）与一般元素相比，稀土元素4f电子层构型的特点，使其化合物具有多种荧光特性；（2）稀土元素由于4f电子处于内存轨道，受外层s和P轨道的有效屏蔽，很难受到外部环境的干扰，4f能级差极小，f-f跃迁呈现尖锐的线状光谱，发光的色纯度高；（3）荧光寿命跨越从纳秒到毫秒6个数量级；（4）吸收激发能量的能力强，转换效率高；（5）物理化学性质稳定，可承受大功率的电子束、高能辐射和强紫外光的作用。1.1.2稀土离子能级稀土离子具有4f电子壳层，但在原子和自由离子的状态由于宇称禁戒，不能发生f-f电子跃迁[3&7]。在固体中由于奇次晶场项的作用宇称禁戒被解除，可以产生f-f跃迁，4f轨道的主量子数是4，轨道量子数是3，比其他的s，p，d轨道量子数都大，能级较多。除f-f跃迁外，还有4f-5d，4f-6s，4f-6p电子跃迁。由于5d，6s，6p能级处于更高的能级位置，所以跃迁波长较短，除个别离子外，大多数都在真空紫外区域。由于4f壳层受到5s2，5p6壳层的屏蔽作用，对外场作用的反应不敏感，所以在固体中其能级和光谱都具有原子状态特征。因此，f-f跃迁的光谱为锐线，4f壳层到其他组态的跃迁是带状光谱，因为其他组态是外壳层，受环境影响较大。稀土离子在化合物中一般出现三价状态，在可见和红外光区观察的光谱大都属于4fN组态内的跃迁，在给定组态后确定光谱项的一般方法是利用角动量耦合和泡利原理选出合理的光谱项，但这种方法在电子数多，量子数大时，相当麻烦且容易出错。所以，对稀土离子不太适合。利用群论方法，采用U7>R7>G2>R3群链的分支规则可以方便地给出4fN组态的全部正确的光谱项，通常用大写的英文字母表示光谱项的总轨道角动量的量子数的数目，如S，P，D，F，G，H，I，K，L，M，N，O，Q……分别表示总轨道角动量的量子数为0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，……，25+l表示光谱项的多重性，S是总自旋量子数。在光谱学中，用符号2S+1L表示光谱项。1.1.3 晶体场理论晶体场理论认为，当稀土离子掺入到晶体中，受到周围晶格离子的影响时，其能级不同自由离子的情况。这个影响主要来自周围离子产生的静电场，通常称为晶体场[2]。晶体场使离子的能级劈裂和跃迁几率发生变化。稀土离子在固体中形成典型的分立发光中心。在分立发光中心中，参与发光跃迁的电子是形成中心离子本身的电子，电子的跃迁发生在离子本身的能级之间。中心的发光性质主要取决于离子本身，而基质晶格的影响是次要的。稀土离子的4f电子能量比5s，5p轨道高，但是5s，5p轨道在4f轨道的外面，因而5s，5p轨道上的电子对晶体场起屏蔽作用，使4f电子受到晶体场的影响大大减小。稀土离子4f电子受到晶体场的作用远远小于电子之间的库仑作用，也远远小于4f电子的自旋—轨道作用。考虑到电子之间的库仑作用和自旋—轨道作用，4f电子能级用2J+I LJ表示。晶体场将使具有总角动量量子数J的能级分裂，分裂的形式和大小取决于晶体场的强度和对称性。稀土离子4f能级的这种分裂，对周围环境（配位情况、晶场强度、对称性）非常敏感，可作为探针来研究晶体、非晶态材料、有机分子和生物分子中稀土离子所在局部环境的结构，且2J+I LJ能级重心在不同的晶体中大致相同，稀土离子4f电子发光有特征性，因而很容易根据谱线位置辨认是什么稀土离子在发光。1.1.4 基质晶格的影响基质晶格对f→d跃迁的光谱位置有着强烈的影响，另外其对f→f跃迁的影响表现在三个方面：（1）可改变三价稀土离子在晶体场所处位置的对称性，使不同跃迁的谱强度发生明显的变化；（2）可影响某些能级的分裂；（3）某些基质的阴离子团可吸收激发能量并传递给稀土离子而使其发光，即基质中的阴离子团起敏化中心的作用。特别是阴离子团的中心离子（Me）和介于中间的氧离子O2-以及取代基质中阳离子位置的稀土离子（RE）形成一直线，即Me-O-RE接近180°时，基质阴离子团对稀土离子的能量传递最有效。1.2 上转换发光材料的发展概况发光是物体内部以某种方式吸收的能量转换为光辐射的过程。发光学的内容包括物体发光的条件、过程和规律，发光材料与器件的设计原理、制备方法和应用，以及光和物质的相互作用等基本物理现象。发光物理及其材料科学在信息、能源、材料、航天航空、生命科学和环境科学技术中的应用必将促进光电子产业的迅猛发展，这对全球的信息高速公路的建设以及国家经济和科技的发展起着举足轻重的推动作用。三价镧系稀土离子具有极丰富的电子能谱，因为稀土元素原子的电子构型中存在4f轨道，为多种能级跃迁创造了条件，在适当波长的激光的激发下可以产生众多的激光谱线，可从红外光谱区扩展到紫外光谱区。因此，稀土离子发光研究一直备受人们的关注。60年代末，Auzel在钨酸镱钠玻璃中意外发现，当基质材料中掺入Yb3+离子时，Er3+、Ho3+和Tm3+稀土离子在红外光激发下可发出可见光，并提出了“上转换发光”的观点[5&4]。所谓的上转换材料就是指受到光激发时，可以发射比激发波长短的荧光的材料。其特点是激发光光子能量低于发射光子的能量，这是违反Stokes定律的。因此上转换发光又称为“反Stokes发光”。从七十年代开始，上转换的研究转移到单频激光上转换。到了八十年代由于半导体激光器泵浦源的发展及开发可见光激光器的需求，使其得到快速发展。特别是近年来随着激光技术和激光材料的进一步发展，频率上转换在紧凑型可见激光器、光纤放大器等领域的巨大应用潜力更激起广大科学工作者的兴趣，把上转换发光的研究推向高潮，并取得了突破性实用化的进展。随着频率上转换材料研究的深入和激光技术的发展，人们在考虑拓宽其应用领域和将已有的研究成果转换成高科技产品。1996年在CLEO会议上，Downing与Macfarlanc等人合作提出了三色三维显示方法，双频上转换三维立体显示被评为1996年物理学最新成就之一，这种显示方法不仅可以再现各种实物的立体图像，而且可以随心所欲的显示各类经计算机处理的高速动态立体图像，具有全固化、实物化、高分辨、可靠性高、运行速度快等优点[15]。上转换发光材料的另一项很有意义的应用就是荧光防伪或安全识别，这是一个应用前景极其广阔的新兴研究方向。由于在一种红外光激发下，发出多条可见光谱线且各条谱线的相对强度比较灵敏地依赖于上转换材料的基质材料与材料的制作工艺，因而仿造难、保密强、防伪效果非常可靠。目前，研究的稀土离子主要集中在Nd3+，Er3+，Ho3+，Tm3+和Pr3+等三价阳离子。Yb3+离子由于其特有的能级特性，是一种最常用的敏化离子。一般来说，要制备高效的上转换材料，首先要寻找合适的基质材料，当前研究的上转换材料多达上百种，有玻璃、陶瓷、多晶粉末和单晶。其化合物可分为：（1）氟化物；（2）氧化物；（3）卤氧化物；（4）硫氧化物；（5）硫化物等。迄今为止，上转换发光研究取得了很大的进展，人们已在氟化物玻璃、氟氧化物玻璃及多种晶体中得到了不同掺杂稀土离子的蓝绿上转换荧光。1.3 上转换发光的基本理论通过多光子机制把长波辐射转换成短波辐射称为上转换，其特点是吸收光子的能量低于发射光子的能量[2&8]。稀土离子上转换发光是基于稀土离子4f电子能级间的跃迁产生的。由于4f外壳层电子对4f电子的屏蔽作用，使得4f电子态间的跃迁受基质的影响很小，每种稀土离子都有其确定的能级位置，不同稀土离子的上转换发光过程不同。目前可以把上转过程归结于三种形式：激发态吸收、光子雪崩和能量传递上转换。1.3.1激发态吸收激发态吸收（Excited Stated Absorption简写为ESA）是上转换发光中的最基本过程，如图1-1所示。首先，发光中心处于基态能级E0的电子吸收一个ω1的光子，跃迁到中间亚稳态E1上，E1上的电子又吸收一个ω2光子，跃迁到高能级E2上，当处于能级E2上的电子向基态跃迁时，就发射一个高能光子。图1-1 上转换的激发态吸收过程1.3.2 光子雪崩上转换光子雪崩上转换发光于1979年在LaCl3∶Pr3+材料中首次发现。1997年，N. Rakov等报道了在掺Er3+氟化物玻璃中也出现了雪崩上转换。由于它可以作为上转换激光器的激发机制，而引起了人们的广泛的注意。“光子雪崩”过程是激发态吸收和能量传输相结合的过程，如图1-2所示，一个四能级系统，Mo、M1、M2分别为基态和中间亚稳态，E为发射光子的高能级。激发光对应于M1→E的共振吸收。虽然激发光光子能量同基态吸收不共振，但总会有少量的基态电子被激发到E与M2之间，而后弛豫到M2上。M2上的电子和其他离子的基态电子发生能量传输I，产生两个位于M1的电子。一个M1的电子在吸收一个ω1的光子后激发到高能级E。而E能级的电子又与其他离子的基态相互作用，产生能量传输II，则产生三个为位于M1的电子，如此循环，E能级上的电子数量像雪崩一样急剧地增加。当E能级的电子向基态跃迁时，就发出能量为ω的高能光子。此过程就为上转换的“光子雪崩”过程。图1-2 光子雪崩上转换1.3.3能量传递上转换能量转移（Energy Transfer，简写成ET）是两个能量相近的激发态离子通过非辐射过程藕合，一个回到低能态，把能量转移给另一个离子，使之跃迁到更高的能态。图1-3列出了发生能量传递的几种可能途径：（a）是最普通的一种能量传递方式，处于激发态的施主离子把能量传给处于激发态的受主离子，使受主离子跃迁到更高的激发态去；（b）过程称为多步连续能量传递，在这一过程中，只有施主离子可以吸收入射光子的能量，处于激发态的施主离子与处于基态的受主离子间通过第一步能量传递，把受主离子跃迁到中间态，然后再通过第二步能量传递把受主离子激发到更高的激发态；（c）过程可命名为交叉弛豫能量传递（Cross Relaxation Up-conversion，简称CR），这种能量传递通常发生在相同离子间，在这个过程中，两个相同的离子通过能量传递，使一个离子跃迁到更高的激发态，而另一个离子弛豫到较低的激发态或基态上去；（d）过程为合作发光过程的原理图，两个激发态的稀土离子不通过第三个离子的参与而直接发光，他的一个明显的特征是没有与发射光子能量匹配的能级，这是一种奇特的上转换发光现象；（e）过程为合作敏化上转换，两个处于激发态的稀土离子同时跃迁到基态，而使受主离子跃迁到较高的能态。（a）普通能量传递 （b）多步连续能量传递（c）交叉弛豫能量传递 （d）合作发光能量传递（e）合作敏化上转换能量传递图1-3 几种能量传递过程的示意图稀土离子的上转换发光都是多光子过程，在多光子过程中，激发光的强度与上转换荧光的强度有如下关系：Itamin ∝ Iexcitationn其中Itamin表示上转换荧光强度，Iexcitation表示激发光强度，在双对数坐标下，上转换荧光的强度与激发光的强度的曲线为一直线，其斜率即为上转换过程所需的光子数n，这个关系是确定上转换过程是几光子过程的有效方法。1.4 敏化机制与掺杂方式1.4.1 敏化机制通过敏化作用提高稀土离子上转换发光效率是常用的一种方法[9]。其实质是敏化离子吸收激发能并把能量传递给激活离子，实现激活离子高能级的粒子数布居，从而提高激活离子的转换效率，这个过程可以表述如下：Dexc+A→D+AexcD表示施主离子，A是受主离子，下标“exc”表示该离子处于激发态。Yb3+离子由于特有的能级结构，是最常用的也是最主要的一种敏化离子。（1）直接上转换敏化对与稀土激活中心（如Er3+，Tm3+，Ho3+）和敏化中心Yb3+共掺的发光材料，由于Yb3+的2F5/2能级在910-1000nm均有较强吸收，吸收波长与高功率红外半导体激光器的波长相匹配。若用激光直接激发敏化中心Yb3+，通过Yb3+离子对激活中心的多步能量传递，可再将稀土激活中心激发至高能级而产生上转换荧光，这类过程会导致上转换荧光明显增强，称之为直接上转换敏化。图1-4以Yb3+/Tm3+共掺杂为例给出了该激发过程的示意图。图1-4 直接上转换敏化（2）间接上转换敏化由于Yb3+离子对910-1000 nm间泵浦激光吸收很大，泵浦激光的穿透深度非常小，因此虽然在表面的直接上转换敏化能极大的提高上转换效率，但它却无法应用到上转换光纤系统中。针对这种情况，国际上与1995-1996年首次提出了“间接上转换敏化”方法[7]。间接上转换敏化的模型首先在Tm3+/Yb3+双掺杂体系中提出的：当激活中心为Tm3+时，如果激发波长与Tm3+的3H6→3H4吸收共振，激活中心Tm3+就被激发至3H4能级，随后处于3H4能级的Tm3+离子与位于2F5/2能级的Yb3+离子发生能量传递，使Yb3+离子的2F5/2能级上有一定的粒子数布居。然后处于激发态2F5/2的Yb3+离子再与Tm3+进行能量传递，实现Tm3+的1G4能级的粒子数布居，这样就通过Tm3+→Yb3+→Tm3+献的能量过程间接地把Tm3+离子激发到了更高能级1G4。从而导致了Tm3+离子的蓝色上转换荧光。图1-5给出了间接上转换敏化的示意图。考虑到稀土离子的敏化作用与前述的上转换机理，在实现上转换发光的掺杂方式通常要考虑如下几点：（1）敏化离子在激发波长处有较大的吸收截面和较高的掺杂浓度；（2）敏化离子与激活离子之间有较大的能量传递几率；（3）激活离子中间能级有较长的寿命。图1-5 间接上转换敏化1.4.2 掺杂方式表1-1给出了当前研究比较多的掺杂体系，表中同时列出了某一掺杂体系对应的激发波长、基质材料、敏化机制等。表1-1 常见的掺杂体系稀土离子组合 激发波长 基质材料 敏化机制单掺杂 Er3+ 980nm ZrO2纳米晶体 —Nd3+ 576nm ZnO–SiO2–B2O3 —Tm3+ 660nm AlF3/CaF2/BaF2/YF3 —双掺杂 Yb3+：Er3+ 980nm Ca3Al2Ge3O12玻璃 直接敏化Yb3+：Ho3+ 980nm YVO4 直接敏化Yb3+：Tm3+ 800nm 氟氧化物玻璃 间接敏化Yb3+：Tb3+ 1064nm 硅sol–gel玻璃 合作敏化Yb3+：Eu3+ 973nm 硅sol–gel玻璃 合作敏化Yb3+：Pr3+ 1064nm LnF3/ZnF2/SrF2 BaF2/GaF2/NaF 直接敏化Nd3+：Pr3+ 796nm ZrF4基玻璃 直接敏化三掺杂 Yb3+： Nd3+ ：Tm3+ 800nm ZrF4基玻璃 间接敏化Yb3+： Nd3+ ：Ho3+ 800nm ZrF4基玻璃 间接敏化Yb3+： Er3+ ：Tm3+ 980nm PbF2:CdF2玻璃 直接敏化1.5 上转换发光材料的应用稀土掺杂的基质材料在波长较长的红外光激发下，可发出波长较短的红、绿、蓝、紫等可见光。通常情况下，上转换可见光包含多个波带，每个波带有多条光谱线，这些谱线的不同强度组合可合成不同颜色的可见光[7]。掺杂离子、基质材料、样品制备条件的改变，都会引起各荧光带的相对强度变化，不同样品具有独特的谱线强度分布与色比关系（我们定义上转换荧光光谱中各荧光波段中的峰值相对强度比称为色比，通常以某以一波段的峰值强度为标准）。因而上转换发光材料可应用到荧光防伪或安全识别上来。上转换发光材料在荧光防伪或安全识别应用上的一个研究重点是制备上转换效率高，具有特色的防伪材料，实现上转换荧光防伪材料能够以配比控制色比；也就是通过调整稀土离子种类、浓度以及基质材料的种类、结构和配比，达到控制色比关系。1.6 本论文研究目的及内容Nd:YAG激光器发出1064nm的激光，在激光打孔、激光焊接、激光核聚变等领域具有广泛的应用价值，是最常用的激光波段。然而，由于人眼对1064nm的红外光不可见，因此，需要采用对1064nm激光响应的红外激光显示材料制备的显示卡进行调准和校正。本论文采用氟化物作为基质，掺杂稀土离子，通过配方和工艺研究，制备对1064nm响应的红外激光显示材料。研究组分配比、烧结温度、气氛和时间等对粉体性能的影响。并采用XRD和荧光光谱分析等测试手段对粉体进行表征。确定最佳烧结温度、组分配比，最终获得对1064nm具有优异红外转换性能的红外激光显示材料。第二章 红外激光显示材料的合成与表征经过多年研究，红外响应发光材料取得了很大进展，现已实现了氟化物玻璃、氟氧化物玻璃、及多种晶体中不同稀土离子掺杂的蓝绿上转换荧光。然而上转换荧光的效率距离实际实用还有很大的差距，尤其是蓝光，其效率更低。因此，寻找新的红外激光显示材料仍在研究之中，本文主要研究对1064nm响应的发光材料。本章研究了双掺杂Er3+/Yb3+不同基质材料的蓝绿上转换荧光，得到了发光效果较好的稀土掺杂氟化物的红外激光显示材料，得到了一些有意义的研究结果。2.1 红外激光显示材料的合成2.1.1 实验药品（1）合成材料所用的化学试剂主要有：LaF3，BaF2，Na2SiF6，NaF，氢氟酸，浓硝酸等。稀土化合物为Er2O3、Yb2O3，纯度在4N以上。（2）ErF3、YbF3的配制制备Yb3+/Er3+共掺氟化物的红外激光显示材料使用的ErF3，YbF3是在实验室合成的。实验采用稀土氧化物，称取适量的Er2O3，Yb2O3放在烧杯1和烧杯2中，滴加稍微过量的硝酸（浓度约为8mol/L），置于恒温加热磁力搅拌器上搅拌，直至烧杯1中出现粉红色溶液、烧杯2中出现无色溶液停止。其化学反应如下：Er2O3+6HNO3→2Er(NO3)3+3H2OYb2O3+6HNO3→2Yb(NO3)3+3H2O再往烧杯1和烧杯2中分别都加入氢氟酸，烧杯1中生成粉红色ErF3沉淀，烧杯2中生成白色絮状YbF3沉淀，其化学反应如下：Er(NO3)3+3HF→ErF3↓+3HNO3Yb(NO3)3+3HF→YbF3↓+3HNO3生成的ErF3、YbF3沉淀使用循环水式多用真空泵进行分离，并多次使用蒸馏水进行洗涤，将从溶液中分离得到的沉淀倒入烧杯放入电热恒温干燥箱，在100℃条件下保温12小时，得到了实验所需的ErF3、YbF3，装入广口瓶中备用。2.1.2 实验仪器SH23-2恒温加热磁力搅拌器（上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司）PL 203电子分析天平（梅特勒一托多利仪器上海有限公司）202-0AB型电热恒温干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司）SHB-111型循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）WGY-10型荧光分光光度计（天津市港东科技发展有限公司）DXJ-2000型晶体分析仪（丹东方圆仪器有限公司）1064nm半导体激光器（长春新产业光电技术有限公司）4-13型箱式电阻炉（沈阳市节能电炉厂）2.1.3 样品的制备（1）实验方法本实验样品制备方法是：以稀土化合物YbF3、ErF3，基质氟化物为原料，引入适量的助熔剂，采用高温固相法合成红外激光显示材料。高温固相法是将高纯度的发光基质和激活剂、辅助激活剂以及助熔剂一起，经微粉化后机械混合均匀，在较高温下进行固相反应，冷却后粉碎、筛分即得到样品[8]。这种固体原料混合物以固态形式直接参与反应的固相反应法是制备多晶粉末红外激光显示材料最为广泛使用的方法。在室温下固体一般并不相互反应，高温固相反应的过程分为产物成核和生长两部分，晶核的生成一般是比较困难的，因为在成核过程中，原料的晶格结构和原子排列必须作出很大调整，甚至重新排列。显然，这种调整和重排要消耗很多能量。因而，固相反应只能在高温下发生，而且一般情况下反应速度很慢。根据Wagner反应机理可知，影响固体反应速度的三种重要因素有：①反应固体之间的接触面积及其表面积；②产物相的成核速度；③离子通过各物相特别是通过产物相时的扩散速度。而任何固体的表面积均随其颗粒度的减小而急剧增加，因此，在固态反应中，将反应物充分研磨是非常必要的[6]。而同时由于在反应过程中在不同反应物与产物相之间的不同界面处可能形成的物相组成是不同的，因此可能导致产物组成的不均匀，所以固态反应需要进行多次研磨以使产物组成均匀。另外，如果体系存在气相和液相，往往能够帮助物质输运，在固相反应中起到重要作用，因此在固相反应法制备发光材料时往往加入适量助熔剂。在有助熔剂存在的情况下，高温固相反应的传质过程可通过蒸发-凝聚、扩散和粘滞流动等多种机制进行。（2）实验步骤根据配方中各组分的摩尔百分含量（表3-1，表3-2，表3-3中给出了实验所需主要样品的成分与掺杂稀土离子浓度），准确计算各试剂的质量，使用电子天平精确称量后，把原料置于玛瑙研钵中研磨均匀后装入陶瓷坩埚中（粉体敦实后大概占坩埚体积的1/3），再放入电阻炉中保温一段时间。冷却之后即得到了实验所述的红外激光显示材料样品。图2-1为实验流程图：图2-1 实验流程图2.2 红外激光显示材料的表征2.2.1 XRDX射线衍射分析是当今研究晶体精细结构、物相分析、晶粒集合和取向等问题的最有效的方法之一[10&9]。通常采用粉末状晶体或多晶体为试样的X射线衍射分析被称为粉末法X射线衍射分析。1967年，Hugo M.Rietveld鉴于计算机处理大量数据的能力，在粉末中子衍射结构分析中，提出了全粉末衍射图最小二乘拟合结构修正法。1977年，Malmros等人把这个方法引入X射线粉末衍射分析中，从此Rietveld分析法的研究开始迅速发展起来[16&10]。本实验采用丹东方圆仪器有限公司生产的DXJ-2000型晶体分析仪对粉末样品进行数据采集，主要测试参数为：Cu靶Kα线，管压45kV，管流35Ma，狭缝DSlmm、RS0.3mm.、SS1 mm，扫描速度10度/min（普通扫描）、0.02度/min（步进扫描），通过测试明确所制备的材料是否形成特定晶体结构的晶相，也可以简单判断随着掺杂量的增加，是否在基质中有第二相形成或者掺杂的物质同基质一起形成固溶体。
左手材料”是指一种介电常数和磁导率同时为负值的材料。电磁波在其传播时，波矢k、电场E和磁场H之间的关系符合左手定律，因此称之为“左手材料
一、左手材料——源于上世纪60年代科学家的假想 本世纪以来，一种被称为“左手材料”的人工复合材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内开始获得愈来愈广泛的青睐，对其的研究正呈现迅速发展之势，而它的出现却是源于上世纪60年代前苏联科学家的假想。 物理学中，介电常数ε和磁导率μ是描述均匀媒质中电磁场性质的最基本的两个物理量。在已知的物质世界中，对于电介质而言，介电常数ε和磁导率μ都为正值，电场、磁场和波矢三者构成右手关系，这样的物质被称为右手材料（right-handed materials，RHM）。这种右手规则一直以来被认为是物质世界的常规，但这一常规却在上世纪60年代开始遭遇颠覆性的挑战。1967年，前苏联物理学家Veselago在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即：当ε和μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。他称这种假想的物质为左手材料（left-handed materials，LHM），同时指出，电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反，比如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等等。这篇论文引起了一位英国人的关注，1968年被译成英文重新发表在另一个前苏联物理类学术刊物上。但几乎无人意识到，材料世界从此翻开新的一页。 由于左手材料的显著特点是它的介电常数和磁导率都是负数，所以有人也称之为“双负介质（材料）”，通常也被称为“负折射系数材料”，或简称“负材料”。 二、左手材料——本世纪初的突破引发人们无限遐想 左手材料的研究发展并不一帆风顺。在这一具有颠覆性的概念被提出后的三十年里，尽管它有很多新奇的性质，但由于只是停留在理论上，而在自然界中并未发现实际的左手材料，所以，这一怪诞的假设并没有立刻被人接受，而是处于几乎无人理睬的境地，直到时光将近本世纪时才开始出现转机。原因在于英国科学家Pendry等人在1998~1999年提出了一种巧妙的设计结构可以实现负的介电系数与负的磁导率，从此以后，人们开始对这种材料投入了越来越多的兴趣。2001年的突破，使左手材料的研究在世界上渐渐呈现旋风之势。 2001年，美国加州大学San Diego分校的David Smith等物理学家根据Pendry等人的建议，利用以铜为主的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，他们使一束微波射入铜环和铜线构成的人工介质，微波以负角度偏转，从而证明了左手材料的存在。 2002年7月，瑞士ETHZ实验室的科学家们宣布制造出三维的左手材料，这将可能对电子通讯业产生重大影响，相关研究成果也发表在当月的美国《应用物理快报》上。 2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了左手材料存在的合理性，并称这种人工介质可用来制造高指向性的天线、聚焦微波波束、实现“完美透镜”、用于电磁波隐身等等。左手材料的前景开始引发学术界、产业界尤其是军方的无限遐想。 2003年是左手材料研究获得多项突破的一年。美国西雅图 Boeing Phantom Works 的C. Parazzoli 与加拿大University of Toronto电机系的G. Eleftheriades所领导的两组研究人员在实验中直接观测到了负折射定律；Iowa State University的S. Foteinopoulou也发表了利用光子晶体做为介质的左手物质理论仿真结果；美国麻省理工学院的E.Cubukcu 和K.Aydin 在《自然》杂志发表文章，描述了电磁波在两维光子晶体中的负折射现象的实验结果。基于科学家们的多项发现，左手材料的研制赫然进入了美国《科学》杂志评出的2003年度全球十大科学进展，引起全球瞩目。 2004年，国际学术界开始出现上海科学家的身影。“973”光子晶体项目首席科学家、复旦大学的资剑教授领导的研究小组经过两年的研究与巧妙设计，利用水的表面波散射成功实现了左手介质超平面成像实验，论文发表于著名的《美国物理评论》杂志上，即刻引起学术界的高度关注，被推荐作为《自然》杂志焦点新闻之一。同济大学波耳固体物理研究所以陈鸿教授为首的研究小组从2001年开始对左手材料展开研究，经过两年的研究，在基础理论和材料的制备与表征方面取得了重大进展，成果在国际物理学著名刊物上发表，2004年在国际微波与毫米波技术大会上作大会报告，并将在2005年日本召开的国际微波与光学技术研讨会上作邀请报告。 左手材料在本世纪初已迅速成为科学界的研究热点。据不完全统计，在国际主要学术刊物上，2000年与2001年所发表的关于左手征材料的研究论文数量分别是13篇与17篇，2002年上升至60篇，2003年上升到100篇以上。 三、左手材料——制造的实现孕育其巨大的应用前景 左手材料的巨大应用前景源于它的制造实现。Pendry在2000年就曾建议制作“超级透镜”（也称“理想棱镜”）以实现左手材料的应用，这一建议在2004年被变成了现实，科学家利用左手材料已经成功制造出平板微波透镜。2004年２月，俄罗斯莫斯科理论与应用电磁学研究所的物理学家宣布他们研制成功一种具有超级分辨率的镜片，但是他们的技术要求被观察的物体几乎接触到镜片，这一前提使其在实际应用中难以操作。同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出一种左手镜片，其工作原理与具有微波波长的射线有关，这种射线在电磁波频谱中的位置紧邻无线电波。两国科学家的研究成果获得科学界的高度赞赏，被美国物理学会评为2004年度国际物理学会最具影响的研究进展。 此外，根据左手材料不同凡响的特性，科学家已预言可以应用于通讯系统以及资料储存媒介的设计上，用来制造更小的移动电话或者是容量更大的储存媒体；等效的负折射媒质电路可以有效减少器件的尺寸，拓宽频带，改善器件的性能。未来，左手材料将会在无线通信的发展中起到不可忽略的作用。 四、左手材料——已被列入我国国家自然科学基金2005年重点项目指南 左手材料的研究已引起我国有关科学界的关注。除上海科学家以外，香港科技大学、中科院物理研究所、南京大学、北京大学、西北工业大学等单位均有科学家先行涉足这一领域的研究。国家自然科学基金委将左手材料和负折射效应的研究列入了2005年重点交叉项目指南中，在数理部和工程与材料学部联合的“准相位匹配研究中的若干前沿课题”主题中将“左手材料相关基础性问题研究”列为主要探索内容之一，在数理部和信息科学部联合的“周期和非周期微结构的新光子学特性”主题中将“周期及非周期微结构中在太赫兹、近红外及可见波段的负折射效应研究”列为主要探索内容之一。同时，基金委信息学部将“异向介质理论与应用基础研究”列入2005年重点项目指南，异向介质即是左手材料的另一个名称。 目前国内（包括上海）开展左手材料与负折射效应研究的主要单位的概况如下： 中科院物理所：该所的磁学国家重点实验室广泛开展新型磁性功能材料的探索和研究，研究和探索各种新型磁性材料，如铁磁性形状记忆合金，各种高频（直到10-100G范围）具有高磁导率，低损耗（如DC-DC convertor材料和左手材料）等；该所的微加工实验室在低维人工结构制作与应用研究方面重点开展了二维不同结构光子晶体与左手材料、超导量子结构与器件等的研究。 香港科技大学：该校的纳米科技研究所所长陈子亭教授是国际知名的凝聚态物理与光子晶体理论研究专家，主要从事光子晶体与左手材料方面的研究。 南京大学：该校电子科学与工程系的冯一军教授主要从事电磁场与微波技术，新型人工电磁材料及微波器件等研究，目前承担新型人工电磁介质的理论与应用研究（国家重点基础研究发展计划973项目）和左手人工电磁材料和微波器件（教育部博士点基金项目）。 同济大学：波耳固体物理研究所的陈鸿教授、张冶文教授等人在左手材料与负折射效应的基础理论、表征手段和器件应用等方面已取得突破。 复旦大学：以资剑教授（“973”项目首席科学家）、周磊教授等为首，在左手材料超平面成像、表征与器件应用（微波天线）等方面已取得重大进展，目前正与同济大学、华东师范大学、中科院上海微系统所、中科院上海技术物理所、中科院物理研究所、南京大学、美国UCLC和AMES等研究机构开展这一领域的合作研究。该校的理论物理、凝聚态物理和光学三个专业学科均为国家重点学科和博士点。 上海理工大学：以光学与电子信息工程学院庄松林院士为首。庄院士长期从事应用光学、光学工程和光电子学的研究，他设计了百余种光学系统及仪器，是国内率先开展光学系统CAD的研究者；在复物体的位相恢复研究中提出多种光学方法，开创了该领域研究的新方向；所研制的CdSe硒化镉液晶光阀达到了当时国际先进水平。
导读
背景
超材料（metamaterial），通常是指通过人工设计结构实现，具有天然材料无法具备的超常物理特性的复合材料。举例来说，超材料可以操控光波、声波、电磁波等，使它们改变通常的性质，这样的效果是普通材料所无法实现的。超材料的奇特性质来源于独特的结构和尺寸。它通常具有以重复图案排列的几何特征，这些微结构的尺寸小于可被检测或影响的能量波长。
典型的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料、金属水等，它们时常表现出“超常”的物理特性，例如负磁导率、负介电常数、负折射率等。
如今，超材料已经成为一项非常热门且应用范围极广的前沿技术。超材料的应用领域包括光纤、医疗设备、航空航天、传感器、基础设施监控、智能太阳能管理、雷达罩、雷达天线、声学隐身技术、废热利用、太赫兹、微电子、吸波材料、全息技术等。
3D打印技术，是快速成型技术的一种。它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。
然而，3D打印技术的新进展，使得在更小的尺度上创造更多的超材料形状和图案变得可能。
创新
近日，美国塔夫茨大学（Tufts University）的工程师团队开发出一系列3D打印的超材料。这些超材料具有独特的微波或者光学特性，这些特性超越了传统的光学或电子材料所能实现的。
无论是现在还是未来，研究人员们开发出的制造方法都表明，3D打印技术有望拓展几何设计与复合材料的范围，带来具有新颖光学特性的设备。在一个案例中，研究人员们从飞蛾复眼中汲取灵感，创造出一种半球状设备，能以选定波长从任何方向上吸收电磁信号。
这项研究于4月8日发表在由 Springer Nature 出版的《微系统和纳米工程（Microsystems & Nanoengineering）》期刊上。
技术
在这项研究中，塔夫茨大学纳米实验室的研究人员们描述了一种采用3D打印、金属涂覆与蚀刻的混合制造方案，创造出波长处于微波范围、具有复杂几何结构和新颖功能的超材料。
例如，他们创造出微型蘑菇状结构阵列，每一个结构在茎的顶部都具有一个小型图案化的金属谐振器。这种特殊的排列使得处于特定频率的微波被吸收，这取决于所选“蘑菇”的几何形状和它们的间距。这种超材料的使用对于医疗诊断传感器、通信天线、成像探测器等应用都有着重要的价值。
这篇论文作者们开发出的其他设备包括抛物面反射器，它可以选择性地吸收和传输特定的频率。这样的概念通过将反射和过滤功能结合成一体来简化光学设备。
塔夫茨大学工学院电气与计算机工程系教授、纳米实验室领头人、这篇论文的通讯作者 Sameer Sonkusale 表示：“采用超材料合并功能的能力非常有用。我们可以采用这些材料减小光谱仪和其他光学测量设备的尺寸，使得它们能被设计用于便携式的现场研究。”
底层衬底的“3D制造工艺”结合“光学或电子的图案化加工”所形成的产品，被论文作者们称为“嵌入几何光学的超材料（MEGO）”。3D打印技术创造出的其他形状、尺寸和方向的图案可用于MEGO的构思，通过难以用传统制造方法实现的途径，创造吸收、增强、反射或者弯曲各种波。
目前，一系列技术都可用于3D打印。目前的研究利用了立体光刻技术，它聚焦光线，将光固化的树脂聚合成期望的形状。其他的3D打印技术，例如双光子聚合，可提供低至200纳米的打印分辨率，制造出更精细的超材料，这些超材料可检测和操控波长更短的电磁波信号，甚至有望包括可见光。
价值
塔夫茨大学工程学院 Sankusale 实验室的研究生、这篇论文的领导作者 Aydin Sadeqi 表示：“3D打印MEGO的潜力尚未被完全发掘出来。我们对于现有的技术还可以做很多事情，3D打印技术必将释放出巨大的潜力。”
关键字
参考资料
【1】
【2】X. Liu, W.J. Padilla, “Reconfigurable room temperature metamaterial infrared emitter,” Optica, Volume 4, Issue 4, 430-433 (2017). DOI: 10.1364/optica.4.000430
【3】Sadeqi, A., Nejad, H.R., Owyeung, R.E., Sonkusale, S., "Three-dimensional printing of metamaterial embedded geometrical optics," Microsystems & Nanoengineering, (April 8, 2019). DOI: 10.1038/s41378-019-0053-6
机械设计与机械加工中常见问题及改善措施论文
随着人们自身素质提升，接触到措施的地方越来越多，措施是指针对问题的解决办法、方式、方案、途径，可以分为非常措施、应变措施、预防措施、强制措施、安全措施。什么样的措施才是有效的呢？以下是我收集整理的机械设计与机械加工中常见问题及改善措施论文，欢迎阅读，希望大家能够喜欢。
【摘要】
机械设计与机械加工是一个复杂的制造过程，从最初的设计图纸到最后的成形产品，任何一个环节都将影响产品的最终性能。严格把控设计与加工工序，逐步提升设计与加工水平，有利于提高机械设计与机械加工产品的最终质量和生产效率。本文就机械设计与加工过程中存在的主要问题进行分析总结，并初步提出其解决措施。
【关键词】
机械设计;机械加工;加工精度;表面质量
1.引言
影响机械设计与机械加工的因素比较多，这些因素直接或者间接的影响着产品的质量。在这些看似复杂没有规律的影响因素中总能找出一些普遍性存在的问题，包括加工精度、零件表面质量、设计标准化、产品的性价比、润滑剂等。如何有效的去克服和减少这些普遍存在的问题，如何深入分析研究这些影响因素，对于一个加工企业的发展来说显得尤为重要。本文就机械设计加工过程中典型的机械加工精度问题、零件表面问题、设计标准化问题、性价比问题进行分析总结，并初步提出解决方案。
2.机械设计与机械加工中存在的问题
2.1机械设计结构与材料问题
机械结构与材料是影响机械加工的常见问题。同样效用的结构，设计思路不一样会导致加工难易程度不同，进而加工精度也会不同，这就提示着设计者在设计时不仅要考虑结构的效用还要考虑结构加工时的难易程度与加工的精度；至于材料方面，对于某个机器或机器部件来说可选用的材料可能有几种，各种材料的切削加工性各不相同，设计者在设计时不能仅考虑材料的可用性还要考虑材料的可切削性，从而提高产品的精度。
2.2设计标准化问题
机械零件标准化是制造企业需要共同遵循的标准，它包括零件尺寸、材料性能、加工工艺、检验要求等众多方面。设计者采用统一的标准结构及零部件，统一的材料和零件性能指标，可以大大减少设计周期，提高零件可靠性。
2.3机械加工精度问题
机械加工精度不高是加工企业普遍存在且难以解决的一个问题，机械加工与设计标准之间总存在着一定误差，从而影响加工精度。影响加工精度的主要因素可分为机械加工系统的几何误差，工件装夹误差，机械加工系统受力和受热变形引起的加工误差等。机械加工系统的几何误差包括机床、夹具和刀具等的制造误差、安装误差及使用过程中因磨损造成的误差[1]；工件装夹误差主要是定位不正确引起的误差；在加工过程中，加工系统受切削力和切削热量等作用产生变形，使工件与刀具之间的相对位置发生变化，影响工件最终的形状和尺寸精度。机械设计加工精度只能最大程度的提高，尽可能的去满足设计标准，把精度控制在允许标准范围内，进而不断地提升产品在生产阶段的整体质量。
2.4零件表面质量问题
零件的表面质量直接影响表面的微观几何形状和表面物理力学性能，表面质量越差，零件表面越粗糙，耐磨耐腐蚀性能越差，进而影响使用性能和使用寿命。目前影响零件表面质量的主要因素有刀具材料与工件材料的匹配问题、切削用量和工件材料的选用问题等。根据零部件的材料，选择相应的刀具进行切削，例如在实际生产中，硬质合金钢类的刀具常用于铸铁类零件加工，金属陶瓷刀具常用于超硬材料的加工等。对于塑性材料，如果选用较大的切削用量，难免会使零部件发生塑性变形，并且在在切屑加工结束时，刀具和零部件的分离会产生撕裂作用，影响零部件的表面质量。对于脆性材料，在切削过程中，容易产生断续的碎粒，影响零部件的表面质量。机械设计加工阶段，控制零件的表面质量，降低次品的出现几率，深入的分析表面质量的影响因素，对制造企业来说具有重要意义。
2.5产品性价比问题
在市场竞争中，产品的价格和产品质量一样也重要。在保证产品质量的前提下，提高产品的性价比，才能提高市场竞争力。影响产品性价比的因素主要包括三个方面，首先由于机械加工精度不高、加工过程的自动化水平较低等造成了零部件的质量参差不齐，废品率较高；其次，由于加工设备落后和操作人员不熟练造成零部件的生产周期较长，生产效率较低，导致生产成本较高；最后，由于机械零部件标准化程度较低，造成其后期的维修及替换成本较高。
3.改善措施
3.1科学地选择材料
材料包括零部件材料和刀具材料两方面。零部件的材料直接影响使用性能，在选用时，首先利用经验依据零部件的使用性能选择一系列材料，然后再根据经济型、美观性等确定最终的材料。例如，蜗轮蜗杆传动效率较低、散热性能较差，失效形式主要为磨损、胶合及点蚀，因此在选择蜗杆蜗轮的材料时，材料副应该具有良好的减磨和跑合性能、抗胶合性能。在实际的生产中，涡轮齿圈的材料一般选用青铜或铸铁，而蜗杆常选用合金钢或碳钢。刀具的材料是根据工件的材料及加工方法来确定的，例如45钢锻件在粗车时，选用YW材质的刀具，而在精车时，选用YT15材质的刀具。
3.2遵循科学地加工工艺
科学地设计工艺路线，不仅可以提高零部件的质量，而且还可以提高零部件的性价比。在制定工艺路线时，一方面，尽可能的提高生产的自动化水平，减少人工的操作，降低人为因素的影响；另一方面，尽可能减少零部件加工工序，尽量一次性加工和处理，提高加工精度和加工效率。最重要的是，根据零部件的具体使用性能，选择适当的最终工序加工方法，改变工件表层的残余应力的性质[2]。例如，在工作中受交变载荷作用的工件，为了提升其抗疲劳强度，应该选择使工件产生残余压应力而避免残余拉应力的最终工序加工方法，而对于相对滑动的两工件，为了提高工件抵抗滑动摩擦的能力，应该选择使工件表面存在拉应力的最终工序工艺。另外，在实际生产中，常采用滚压加工的方法提高工件的承载能力和疲劳强度，采用喷丸强化的方法提高工件的疲劳强度和使用寿命。
3.3设计合理的切削用量
在机械设计与加工过程中，程序员运用模具数控程序设计时，首当其冲应当对各道工序的切削用量进行明确。而在选择切削用量时，应当将可能对切削产生影响的各项因素进行综合考虑，合理地设计和确定切削用量。一般而言，影响切削条件的因素有：机床、工具、以及工件的刚性；切削速度、切削深度、切削进给率；工件精度及表面粗糙度；刀具预期寿命及最大生产率；切削液的种类、冷却方式；工件材料的硬度及热处理状况；工件数量；机床的寿命等等。在众多因素中南，设置切削速度和切削深度是最为重要的两大因素[3]。为了提高工件的加工效率，在满足质量要求的前提下，尽可能地提高刀具的切削速度，并且尽可能使切削深度等于工件的加工余量。另外，还要尽可能的缩短刀具和工件的挤压时间，最大程度的降低工件塑性变形。只有合理的设置，才能确保各环节不出问题，从而更大的提高效率。
3.4科学地选用润滑剂
润滑剂在整个加工过程中起到冷却与润滑的作用[4]。在切削加工过程中，切削液的使用起到了很好的冷却和润滑作用。但是，如果润滑剂选择存在失误或者没有控制好润滑剂的使用量，便会带来一些负面影响。一般而言，在常见的切削、研磨、冲压以及拉拔等加工工艺，在加工区域会产生大量的热能，这对刀具的使用寿命和精度控制都是不利的[5]。根据工件的材料及加工方法，科学地选择润滑剂可以改善工件表层的热变形，提高加工质量和加工效率。例如45#钢工件在切削加工时，不能选择水溶液作为润滑剂，从经济成本角度出发，乳化液较切削油成本低，因此选择乳化液作为润滑剂。
4.总结
在十三五规划期间，制造企业要想快步的迈向中高端，提高核心的市场竞争力，必须能提高自己的加工水平，制造出更高质量更高性价比的产品。除了更加精密的制造设备，制造企业还需要尽量去改善机械设计与机械加工过程存在的问题，优化自己的机械设计与机械加工过程。具体而言，应尽可能地从科学地选择材料、遵循科学地加工工艺、设计合理的切削用量、科学地选用润滑剂等多个方面入手，确保机械设计和机械加工的每一个过程不出现问题，最终保证制造出的产品符合标准规范，满足各行各业对机械类产品的需求。
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摘要 ：
机械设计制造工艺及精密加工技术在现代化制造行业中占据着重要地位, 精密化的机械加工可以有效提高机械零件的尺寸精度和表面质量, 进而满足现代化机械生产的各种需求。论文分析了机械设计制造的概况, 介绍了精密化机械加工的种类和特点, 列举了几项精密加工技术在制造业中的应用, 点明了制造行业发展精密化加工的重要性。
关键词 ：
机械设计; 制造工艺; 精密加工技术;
1 引言
随着科学技术的不断进步, 各种机械设备对于零件精度的要求越来越高, 同时伴随经济全球化的发展, 制造业的市场竞争日益激烈, 制造行业想要在市场中站稳脚步, 不断发展, 就必须提高自身产品的质量。大力发展现代化机械制造工艺精密化加工技术是提高机械加工产品质量的关键措施, 所以制造业要想在激烈的市场竞争中站稳脚跟, 提高市场竞争力, 就必须对精密加工技术展开深入的研究。
2 机械设计制造工艺的概况
现阶段我国的机械设计制造工艺主要是通过机器设备采取切削、铣削、钻、磨等加工方式, 对零件毛坯进行加工, 最终使毛坯达到设计要求, 用于生产。传统的机器设备在控制零件尺寸精度以及整体质量方面还有所欠缺。随着现代化机械加工技术的发展, 更多先进的机械加工技术应用到机械制造当中, 其中精密化的机械加工技术可以有效提高机械零件的表面质量和尺寸精度。进行精密化机械加工技术研究就需要从机械制造设备方面入手, 只有不断改善机械设备的工作性能和设备自身的精度, 才能从根本上减少零件加工过程中的误差。此外, 现代化的机械加工设备还与电气控制技术完美融合, 电气控制代替人工控制, 也是提高机械加工精度的有效措施[1]。
3 现代精密加工技术种类
3.1 纳米技术
纳米技术是融合了工程技术、物理学以及其他高新学科的现代化加工技术。随着我国现代化机械加工技术的发展, 我国的纳米技术也取得了一系列的成就, 比如现代的机械加工设备已经可以在硅片上加工出纳米级的线条, 这不仅有利于机械加工制造行业的发展同时对于我国信息技术、电子技术的发展也起到了积极作用, 利用纳米加工技术, 可以显着提高信息储备工作和电子产品加工与制造工作的质量。
3.2 超精密研磨技术
目前, 超精密研磨技术在各种集成电路板的加工制造中的应用比较广泛, 现代化的产品对于零件的加工精度要求非常高, 传统的研磨、抛光技术已经无法满足加工需求, 因此, 超精密的研磨加工技术应运而生。随着加工制造技术的不断发展, 超精密研磨技术也在不断优化与提高, 例如, 在如今的超精密加工技术中已经拓展出了一种弹性发射的加工技术, 应用原子级别的加工方式, 进一步提高了机械加工的精度, 推动了我国机械制造行业的发展[2]。
3.3 模具技术
机械制造行业的加工方式有很多种, 除了对零件直接进行机械加工之外, 还可以通过模具成型的方式完成零件的加工工作。目前, 许多电气设备中的关键零件都是通过模具加工的方式制造而成的, 为了提高零件的精度, 就需要对模具进行优化和改进, 提高模具的加工精度。通过精密化加工技术对模具的精度加以改进, 进而提高零件的尺寸精度与表面质量, 使设备的性能得到进一步的提高。
4 现代化机械设计制造工艺及精密加工技术特点
4.1 关联性
机械产品的制造过程不仅需要先进的生产制造技术还需要有科学、合理的制造工艺作为加工过程的技术指导, 因此, 机械设计制造工艺与精密化加工技术之间有着密切的关联性。机械加工工作是由加工技术和加工工艺结合之后完成的, 合理的加工工艺能够有效提高机械零件的精度和质量, 而先进的机械加工技术则是在更进一步地提高零件或产品的整体质量。
因此, 在实际的加工过程当中, 要注意两者之间的关联性, 结合精密化加工技术的特点制定出更加科学合理的加工工艺, 进而提高加工效率, 使制造企业快速发展[3]。
4.2 系统性
现代化的机械加工制造工作是一项系统性的工作, 例如产品的加工工艺、加工技术以及之后的销售、保养、检修工作, 都是紧紧围绕产品的精度要求和质量进行的。随着各行各业对于产品要求的不断提高, 为了减少产品制造过程中的误差, 现代化机械制造设备中逐渐融入了一些高科技的电子技术, 通过自动控制代替人工控制, 进而使整个机械制造的过程更加的系统化, 现代机械设计制造工艺与精密加工技术之间的关联性也得到了体现。在进行机械产品设计时, 需要不断促使技术完善, 保证整个生产过程的高效性。
4.3 全球性
经济全球化的进程不断深入, 我国制造行业不仅仅要在国内市场站稳脚步, 更重要的是不断开辟国际市场, 通过学习和引进国际上的先进机械制造技术, 提升我国制造业的技术水平, 最终迎合全球化的发展趋势。机械制造工艺及精密加工技术也包含着全球化的特点, 随着“工业4.0”时代的到来, 世界各国都加大了对于制造业的研究力度, 我国的制造行业应该抓住这次机遇, 努力提高自己的制造水平, 最终在国际市场上占据不败之地。
5 机械设计制造工艺及精密加工技术的应用
5.1 超精密研磨技术
通过将超精密研磨技术与传统的研磨加工技术相比较, 可以发现, 超精密的研磨技术加工工序明显减少, 但加工质量却有了显着的提高, 超精密研磨技术主要是利用原子级的抛光硅片对零件进行加工, 省去了磨削、研磨以及抛光等加工过程, 可以一次性的完成对零件的加工, 有效缩短了加工时间, 提高了生产效率和生产质量。目前, 我国已经将超精密研磨技术应用在各个加工制造领域, 例如太阳能电池板、高清液晶显示器等, 极大程度地推进了我国高新技术产业的.发展。
5.2 微细加工技术
现如今, 大多数的机械设备正朝着细微化、精细化的方向发展, 所以其内部零件的体积也在不断缩小, 变得更加精致, 传统的机械加工设备在生产大型机械零件的方面有明显的优势。大多数大型机械零件尺寸精度要求比较低, 所以对加工设备的要求也相对较低, 但是随着机械加工细微化的发展, 传统的加工设备已经无法顺利完成机械加工任务。细微化的机械零件主要用于高新产业当中, 所以对零件的精度要求非常高, 只有应用精密化的机械加工才可以生产出符合要求的机械零件。
6 结语
随着我国政府对于现代化制造业的重视程度不断提高, 通过传统的机械加工技术与加工工艺生产出的机械零件已经无法满足人们对于产品质量和精度的要求, 只有大力发展新型的机械制造工艺和技术才能使我国的制造业不断发展, 创造更多的社会效益和经济效益。现代制造业在经营过程中, 只有学习先进的技术和经验, 不断将处于科学前沿的制造技术应用到实际生产中, 才能使企业更快的发展与进步, 最终实现“中国制造2025”的战略目标。
参考文献
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引言
近些年来,我国科技水平不断提高,与此同时对机械加工与设计的要求也相应提高。为了在激烈的市场竞争中获得一席之地,机械的加工与设计不仅需要提高其工作效率,也要在高效率工作下,严格保证其质量。在这种情况下,机械加工与设计人员需要做好严格的生产与检验工作。在机械加工与设计之前做好详细的考虑,保证机械生产与加工每个步骤有序完成。并采用现代技术降低损耗,高质高量的完成生产。在工作中遇到问题,不要恐慌,积极应对,在机械开展工作之前应该做好备案,减少问题发生的概率,努力生产出最优产品。
1中小型机械加工与设计中存在的问题
机械加工与设计中,总会出现各种各样的问题。可能是操作人员的操作问题,有可能是机器的磨损等问题。机械设计师应该对问题进行总结分析,减少问题发生的概率。本文对中小型机械设计与加工中常出现的问题进行了总结。
1.1操作过程中易出现的问题
操作误差:机械加工与设计的整个操作流程关系到产品的质量,因此应该引起关注。在机械加工与设计时不可避免的总会出现实际操作与标准操作之间的差距。这些问题的产生不是人为的原因,而是因为机械的老化或工艺系统受力情况等原因造成的。工作人员为了保证机械设计与加工正常操作,提高产品质量,应该在机械工作之前,做好预估,虽然这样在实际工作之前,还是难免有误差,但是在做好预案的前提下出现的误差会降到最小,机械设计加工数据也会更准确。产品变形:在机械设计与加工时操作过程中还经常出现的一个问题是产品变形的问题。产品的变形是因为机械大小、位置、性质等原因发生的变化。关于产品的变形原因可归结为以下三个方面:一是机械产品加工过程中,会有强大的内力将其吸住进行加工,但是当工作完成之后,卡爪会放下加工后的产品,形成冲力,造成产品的变形;二是机械产品在进行热处理后,因为其物理特性,很容易出现中间高、两边低的情况;三是机械在进行加工操作时,因为其本身的误差造成的产品变形,但是工作人员可以通过提前预案,控制误差,减少可能造成产品变形的因素,如使用高质量的加工器材减少造成产品变形的可能性。
1.2产品质量方面易出现的问题
材料选择上:机械设计与加工材料的选择至关重要。材料选择的好生产出来的产品质量才能过硬。如果材料选择质量较差,那么在机械设计与加工过程中出现问题的概率较大,影响整个加工生产,影响产品的质量。机械设计与加工的材料的选择须注意两个方面,一方面为材料的硬度,另外一方面是材料的耐加工性。如果材料的硬度不够,那么生产出来的产品不耐用,如果材料的耐加工性不强,那么在加工的过程中极容易造成产品的变形。如某加工厂在材料的选择时,没有充分考虑到材料的铸造性能,结果材料在加工中,因为熔点较高,结晶温度过大,造成产品难生产,生产出来的产品不达标,给加工厂造成巨大损失。质量监管上:在机械加工与设计中,应确保零件质量的完好无损,若在机械设计加工之时,零件质量不能保证,不能正常完成工作,那么生产出来的产品可能是无用的,甚至延误整个工期,造成整体系统性能效率的降低,让机械产品的使用年限大大的降低。在机械设计与加工时应注意塑性的材料其产品很容易变形,因此造成切割质量产品表面不够光滑,而硬性材料因为其硬度过于大,因此在切割时容易出现细碎;在机械产品冷却之后进行加工也可能出现组织结构变形的问题,导致生产出来的产品粗糙、不光滑。因此,在在机械加工时应严守质量问题,保证生产出来的产品是光滑的,寿命周期长的。
1.3新技术的开发与应用
市场经济体制下,要想在市场上获得一席之地,就必须不断提高劳动生产率。机械设计与加工市场同样如此,也应不断提高其劳动生产效率,降低生产成本,生产出价格低、质量好的产品,这样才能在激烈的市场竞争中脱颖而出。机械设计与加工应不断提高机械产品的质量,扭转传统的产品开发模式,加快产品生产速度,从而在市场中因为其独特的优势而被认可。
2中小型机械设计与加工问题解决措施
虽然在中小型机械设计与加工中存在各种各样的问题,但是问题的出现必有其原因,因此工作人员应勤于在机械设计与加工之前做好预案,出现问题时做好总结,以提高机械设计与加工出来的产品质量的保证。
2.1机械设计与加工操作问题具体办法
模拟实验:在进行大批量产品生产之前,可进行试验模拟,观看模拟中可能出现的问题,从而早做打算,提出解决方案。这样在生产过程中才能减少问题发生的概率,提高生产产品的质量,降低损耗。新型的机械产品开发也能够使用这样的模拟实验,强化新型机械的设计理念,提高机械产品的劳动生产率,从而生产出质量更好的产品,通过模拟,找好问题的所在,提高劳动生产率,提高产品质量。
设置合理参数:机械设计与加工中,需设置合理的参数,合理的参数的设置能够保证生产出来的产品表面光滑,时间耐用。参数的科学设置直接关系到机械工作中切削的深度、速度、时间等问题,因此在机械开展工作之前,应首先确定好削割的时间、速度、深度等数值,从而保证机械的精细化作业。
利用处理工具:机械加工设计中,需科学的使用处理工具,根据生产的产品与机械的工作选择合适的处理工具,加快产品生产的进度与精度。如在机械加工不能触及的地方,可选择小刀等精细工具进行加工,从而保证生产的产品精细,精准。
2.2机械设计与加工产品质量问题解决办法
谨慎选择材料:在机械设计与加工之前,应做好材料的选择,材料选择得好能够提高产品的质量,降低生产的难度,降低生产的消耗,从而提高整个的劳动效率。在材料的选择上应主要从材料的加工性能、切削性能、热处理性能几个方面做重点考虑,并结合实际的生产需要选择不同质地的生产材料,为不同的机器选择不同的材料,这样在保证机械设计与加工正常工作的前提下,生产出来的产品质量是达标的。
定期保养设备:机械设计与加工中所使用到的设备应定期保养,保证机械正常作业。如清理机械周围的碎屑,使用中注意机器散热、定期进行维护等。如有部分机械在使用一段时间之后,就会发出声响,运转不顺畅,这种情况下,可使用润滑剂加快机械的运转,保证机械产品的质量,延长其寿命。例如有某工厂的机械设备应使用时间过长,热度极速上升,影响使用寿命,发现这种情况之后,其工作人员使用润滑剂对设备进行了冷却,从而延长了刀具使用的寿命,降低了生产中的损耗。
2.3机械设计与加工致力于提高新技术
着力于提高生产技术:在整个机械设计与加工中,其劳动生产效率的提高是根本,因此厂家应着力于跟上时代的步伐,不断的开拓新的技术理念,加强机械生产效率的监管,致力于在不降低产品质量的情况下提高劳动生产效率,提升市场竞争力,提高市场占有率。可优化整套机械设计与加工设备,大力弘扬机械设计加工工艺的推广,让整个的产品设计符合市场的需要,符合时代的要求。
提高设计水平:机械设计与加工是一项高精准化作业,也是一项复杂的劳动,不断的提高其精准度,提高其劳动生产率,降低消耗,提高生产出来的产品是机械设计与加工的主要目标。不断提高机械的设计水平从而让机械根据已设定好的统一标准进行作业,提高整个工程产品的产量与质量。如在开展机械设计加工之前,有固定的组织机构进行商讨,制定出一整套的产品生产计划,并让机械按照统一的计划进行生产,从而保证生产出来的质量上乘。
3结论
综上所述,可以看出,在中小型机械设计与加工过程中,首先认真对待材料的选择,其次,致力于劳动生产技术的提高,使用新技术、新方法进行生产;再次使用处理工具,处理机械处理不了的问题;设置参数,确定切割深度、切割时间等;定期对设备保养,保证设备的正常运转;进行模拟实验,将可能发生的问题做好预案,减少问题发生的概率。采取以上措施,强化中小型机械设计与加工的精准度与工作效率,促进产品质量的提升。
机械制造技术及加工工艺应用分析论文
无论是在学习还是在工作中，大家都不可避免地要接触到论文吧，借助论文可以达到探讨问题进行学术研究的目的。还是对论文一筹莫展吗？以下是我整理的机械制造技术及加工工艺应用分析论文，欢迎阅读，希望大家能够喜欢。
摘要 ：机械工业是现代经济发展过程中的重要行业，不仅是推动国民经济增长的主要力量，同时也为社会各个行业的发展提供了先进机械设备及相应服务。在现代机械工业发展过程中，机械制造技术与加工工艺是其发展的关键，也是影响现代机械设备使用性能和质量的重要因素，所以对现代机械制造技术与加工工艺是机械工业生产发展的前提和基础。本文对现代机械制造技术与加工工艺的应用进行了相应探讨。
关键词 ：现代机械；制造技术；加工工艺；应用探究
现代机械工业的发展，对于推动我国国民经济发展，促进工业生产发展具有重要作用和意义。然而随着社会经济发展以及企业的生产发展，对机械工业设备制造质量和使用性能的要求也越来越高。在这种社会背景下，机械工业企业应不断改进和创新现代机械制造技术与加工工艺，提高机械设备的质量和整体性能。所以现代机械工业应抓住现代机械制造技术与加工工艺的技术特点，并采取有效措施，不断对其进行改进和创新。
1现代机械制造技术与加工工艺的特点
1.1综合性
综合性是现代机械制造技术与加工工艺的重要特点。在机械工业企业的发展过程中，企业对内部的机械生产和制造进行了合理整合，形成了具有综合性的生产体系，给现代机械制造技术与加工工艺也染上了综合性的特点。随着机械工业企业的不断发展，机械制造工业的内部理念以及生产制作工艺、流程等融合程度越来越高。同时，为了促进现代机械制造技术与加工工艺的发展，机械制造企业还将生产过程中的各种理论知识与实践经验进行了高效整合，其中包括机械生产的自动化控制技术、计算机科学以及电子信息技术等，使得整个生产体系不仅具有浓厚的综合性特点，还为推动现代机械制造技术与加工工艺的发展做出了突出贡献。
1.2一体化
机械制造技术及工艺的一体化发展是现代机械制造技术与加工工艺的主要发展趋势，同时也是现代机械制造技术与加工工艺的重要特点。在现代机械制造工业发展过程中，企业对传统的机械生产制造方式进行了改良和创新，使其能够更加适应现代机械生产制作的需要。企业将自动控制理念以及微电子技术等现代先进的科学技术融入到了机械制造生产过程中之中，不仅促进了企业机械制造的生产发展，同时也促进了机械制造技术及工艺的一体化发展，提高了企业的机械制造生产质量和整体性能。
1.3系统性
系统性是现代机械制造技术与加工工艺的特点之一，同时也是现代机械制造技术与加工工艺与传统机械加工制作技术的根本区别。在现代机械制造企业的生产过程中，合理融入了大量的科学技术，如自动化控制技术、计算机技术等，实现了对机械制造生产的科学化、自动化管理，不仅提高了企业的制作生产效率，促进了企业的生产发展，同时还促进了现代机械制造技术与加工工艺的系统性发展。
1.4可持续性
现代机械制造技术与加工工艺是通过对传统机械加工制作技术的不断改进和创新，并合理融入现代科学技术与设备工艺而逐渐形成的。利用现代机械制造技术与加工工艺进行工业企业的日常生产发展，能够有效提高企业的生产效率。同时在对传统机械加工制作技术进行改进和创新的过程中，企业对传统工艺中存在的弊端采取了针对性措施，有效减少了机械工业生产过程中的环境污染，提高了资源利用效率和企业的经济效益，促进了机械工业生产的可持续发展，体现了现代机械制造技术与加工工艺的'可持续性特点。
2现代机械制造技术与加工工艺实际应用
2.1特种加工及精密工艺技术
在机械企业的加工生产过程中，一般以工程的精密度为划分依据，将精密工程分为精密加工、超精密加工以及纳米加工，其中精密加工与超精密加工主要是指物理化学加工方法，是随着现代科学技术的发展并在传统机械加工工艺上改进并发展而来，大多应用于现代机械企业的电解加工、电火花加工、激光加工以及超声波加工等，具有很好的加工效果，能够有效提高企业的生产加工质量。特种加工虽然也属于紧密加工工艺的一种，但其与其他精密加工工艺的主要对象有所不同，主要是对陶瓷、金刚石等加工难度较大工业材料进行机械加工。但是在运用特种加工技术进行机械加工制作时，要根据企业的机械生产要求以及材料加工需要确定相应加工要求，一般都要保障其加工精度达到分子或原子级单位，以保正企业机械生产制造质量和整体性能。
2.2零件快速加工成型工艺及技术
在现代机械企业的工业生产过程中，零件加工制作是企业生产发展的一个重要环节，同时也是企业日常生产的重要内容。经过现代机械企业的生产发展，使零件加工产业逐渐发展成为了机械工业中的一个独立产业。对于机械制造企业的零件生产和制造工作来说，由于零件本身具有三维空间的特点，给企业的零件生产和制造带来了一定困难。在进行零件加工制造时，可以对零件进行三维想象和理解，在将零件三维空间的各个点分解成二维面进行制造，最后再按照零件的三维特点对其进行合理的组合和重叠。在整个将制造过程中，常用的零件快速加工成型工艺及技术主要有立体光刻法和叠层实体制造法两种主要技术。例如：立体光刻法。这种技术是指用数控激光机对铺好的箔材进行切割，先切出零件的大体轮廓，然后再对其进行固化粘结处理，最后在按照零件的加工制造要求对其进行加工和人进一步处理。这种技术已经在机械企业的日常生产过程中得到了广泛的引用，相应的工艺技术已经逐渐发展成熟。
2.3零件分类编码工艺及技术
零件分类编码工作是机械企业在零件加工制作生产过程中的重要内容，能够有效避免发生零件加工混乱的现象，提高企业的零件生产加工质量和效率。所以，在企业的零件生产加工制造过程中，选择合理的零件分类编码工艺及相关技术，控制好零件分类编码工作质量和效率具有作用。在零件将制作过程中，首先，应对制作完成的零件进行编码区分，尤其是对于一些种类、形状或性能比较相像或相近的零件来说，更要及时做好编码区分工作，避免出现零件混乱的问题。其次，应做好零件的分类工作。在做好对零件的编码区分工作之后，应对零件的基本情况信息进行准确分类，包括零件的标准、规格、基本构造等基本信息以及零件的主要材料、生产加工工艺、加工精度、机床型号等零件加工特点，对这些信息进行准确分类，为零件使用、销售等工作的开展奠定基础。最后，要做好对零件的将制造数量、批次等信息的区分工作，以保障企业的生产质量和生产效率，促进企业的未来发展。
2.4柔性制造技术及工艺
柔性制造技术及工艺是随着现代自动化以及现代信息技术的发展而逐渐产生的现代机械制造技术与加工工艺，是现代机械企业生产制造的关键技术之一，柔性制造技术及工艺在机械企业生产制造过程中的应用，能够有效提高企业的生产自动化水平，提升企业的生产效率，促进机械企业的未来发展。柔性制造技术及工艺是指将主机与其他数控机床或控制设备进行有效连接，然后通过主机实现对整个生产制造过程的自动控制。柔性制造技术及工艺具有较强的灵活性，在生产过程中能够指导生产设备进行相似零件组不同零件的工序加工，有效提高生产效率和生产质量，促进机械企业的工业生产发展。此外，在机械工业生产过程中，柔性制造技术及工艺该可以随着生产需要及时进行生产批次、性能参数的调整，从而满足用户更高的需求。柔性制造技术及工艺的应用，有利于提高企业的生产效率和经济效益，柔性制造技术及工艺的改进和创新也是现代机械制造企业的重要发展方向之一。
2.5微机械技术
微机械技术是随着我国科技发展而逐渐产生的新技术之一，其在我国现代机械生制造生产过程中的应用主要包括以下几方面。第一，机械传感技术。由于为机械技术的传感器辨别率较高，灵敏性较强，所以传感技术在当前机械施工产过程中的应用，提高了电路以及电子机械的制作精确度和效率。第二，微机械技术的材料。传统的微机械技术以硅作为主要材料，但是随着微机械技术的发展，硅材料的缺点逐渐暴露出来，而镍成为了主要材料。此外，金属、高分子材料等也都可以作为微机械技术的主要材料。结束语现代机械制造技术与加工工艺是机械生产制造企业发展的关键，企业应在合理运用现代机械制造技术与加工工艺的基础上，对其进行有效的改进和创新，从而不断提高生产质量和生产效率，促进企业的可持续发展，为企业的未来发展垫定基础。
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