2025年 06期
摩擦纳米发电机在土木工程中的应用综述
曹传胜;刘光焰;随着智能技术的发展,摩擦纳米发电机(TENG)在土木工程中的应用日益受到关注。TENG能够从环境中收集机械能并转换成电能,提供自供电方案,被广泛应用在智能建筑和基础设施健康监测之中。综述了TENG在这些领域中的发展,并讨论了其面临的挑战,包括能量收集效率、材料适配与变形协调问题,以及材料的耐久性和维护等问题。通过评估现有研究,分析了这些挑战对TENG应用的影响,并展望了未来的发展趋势,旨在为TENG技术在土木工程中的应用提供参考。
激光雷达光学相控阵技术的研究进展及专利申请概况
段秋萍;传统的机械式激光雷达成本高、可靠性低,难以满足自动驾驶大规模推广的需求,激光雷达迫切需要向固态化方向发展。光学相控阵(OPA)技术通过控制阵列中阵元光束相位来调整输出光束方向,其具备视场宽、功耗低等性能,高性能的光学相控阵有助于实现激光雷达的全固态化并获得较高可靠性。介绍并总结了光学相控阵技术的基本工作原理及主要实现方式,分别论述了光波导相控阵、液晶相控阵、微机电系统(MEMS)相控阵的技术现状及发展侧重点,重点梳理了相关专利申请情况并介绍了具有代表性的专利,最后展望了其未来的发展趋势。
面向10 k V以上碳化硅器件耐压区厚外延技术研究
房玉龙;李帅;芦伟立;王健;李建涛;王波;随着10 k V及以上超高压碳化硅(Si C)功率器件在柔性输电等领域的需求增长,开发低位错、低缺陷密度、长少子寿命的厚外延材料成为关键挑战,是当前Si C材料研究的核心问题。基于单片水平式Si C外延设备,通过引入双界面调制缓冲层外延生长技术,成功实现了对缓冲层与衬底及漂移层之间界面应力的调控,显著降低了外延片基平面位错密度,结合漂移层生长速率、缓冲层工艺以及C/Si比的协同优化,显著提升了4H-Si C厚外延材料的性能。实验结果表明:优化后的缓冲层工艺通过渐变掺杂设计有效调控界面应力,将基平面位错密度从1.5 cm-2降至0.07 cm-2;同时,通过将生长速率提升至70μm/h并优化C/Si比至0.85,成功制备了厚度100μm、掺杂浓度2.5×1014cm-3的高质量外延层,原生少子寿命均值达1.76μs,材料均匀性及表面缺陷密度均满足10 kV以上超高压器件耐压区需求。
面向CMUT环形阵列的超声成像系统设计
吴帅琦;何常德;孙帅文;柴翰驰;罗梦珂;张文栋;电容式微机械超声换能器(CMUT)具有频带宽、成本低、易于与电路集成等优点,在超声环形阵列的构建中展现出独特优势,在医学成像领域有广泛的应用潜力。基于自主研制的一种CMUT环形阵列结构,设计并搭建了多通道超声成像系统。该系统设计了以现场可编程门阵列(FPGA)为主控的32通道超声收发板卡,采用PXIe高性能模块化设计,通过N张板卡实现32×N个通道的脉冲发射与超声回波采集,且支持最低几百k Hz至最高65 MHz的采样率,适配不同CMUT的中心频率。通过对亚克力圆柱体进行成像测试,表明系统具有良好的性能。该系统具有可扩展的模块化硬件结构与高度灵活的参数配置方案,为基于CMUT的多通道医学超声成像系统的实际应用提供了技术支撑。
一种高能量微片激光器的设计与研究
张厚博;崔璐;王媛媛;马汉超;设计了一种高能量微片激光光源。其利用808 nm激光器作为泵浦源,采用掺钕钇铝石榴石/掺铬钇铝石榴石(Nd∶YAG/Cr∶YAG)键合晶体作为激光系统的增益介质和被动调制元件,实现1 064 nm激光输出。通过设计仿真,确定键合晶体的饱和吸收体初始透过率、谐振腔长度和输出镜反射率参数。将泵浦源、键合晶体等元件进行集成封装组成光学系统,通过实验测试,最终获得了3 ns脉宽、1 k Hz重频、208.7μJ能量的脉冲激光输出。
一种基于相变材料的常温型自调节加热柔性PTC材料
杜成明;南思琪;张婕;以乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)为支撑材料,棕榈酸(PA)、硬脂酸(SA)为相变材料,石墨(GP)为导电填料,制备了一种常温型正温度系数(PTC)复合材料EVA/PA/SA/GP。采用差示扫描量热仪(DSC)对复合材料进行热分析,采用X射线衍射仪(XRD)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对相变材料和支撑材料之间的结合方式进行了研究。研究结果表明:相变材料与支撑材料之间只有物理吸附,并未产生新的化学结构。当GP质量分数为10%,EVA/PA/SA质量分数比为5∶4∶1时,复合材料的PTC强度达到约3.86,且在3次加热/冷却循环后,其阻值基本保持不变。通过调控PA与SA的比例以及GP质量分数,可将复合材料的居里温度点控制在45～55℃范围内。在一定的加热功率下,复合材料能够将温度控制在50℃以下,同时随着加热功率的增加,复合材料能够将温度控制在一定范围内,展现出自调节性能。
石墨烯/碳化硅异质结构界面热输运特性研究
于传军;王鹏博;刘东静;袁启彬;过浙锋;蓝宏鑫;提升散热性能对于高功率碳化硅器件可靠性至关重要,采用非平衡分子动力学方法研究石墨烯/碳化硅异质结构的传热特性,重点探讨温度、热流方向和界面尺寸对界面热导的影响。研究发现,不同温度下石墨烯/4H-SiC异质结构的界面热导始终大于石墨烯/3C-SiC的界面热导。当温度从300 K增加到800 K时,石墨烯/4H-SiC结构的界面热导从0.352 4 GW/(m2·K)升高到0.583 4 GW/(m2·K)。通过计算声子态密度(PDOS),分析认为温度升高使得PDOS重叠面积增加,声子的匹配数量增加,声子耦合增强。研究表明,改变热流方向对石墨烯/碳化硅异质结构的界面热导性能并未产生显著影响。当碳化硅层数增加时,界面热导由8层时的0.299 4 GW/(m2·K)减小到28层时0.087 5 GW/(m2·K)。当石墨烯层数由1层增加到5层时,界面热导由0.299 4 GW/(m2·K)减小到0.072 3 GW/(m2·K)。分析认为增加层数使异质结构声子局域化增加,导致界面声子热输运受阻。研究结果可为碳化硅器件热传输特性的调控提供参考,为优化异质界面器件设计提供理论依据。
压敏电阻排布对压力传感器输出特性的影响
王旦旦;雷程;闫施锦;冀鹏飞;梁庭;通过有限元仿真分析,研究了压敏电阻排布对压力传感器输出特性的影响。使用COMSOL软件对传感器芯片进行了力电耦合分析,重点对比了在相同形状的膜片上将压敏电阻位置按常规排布和经过改进后排布时的输出特性差异,同时对比了不同形状膜片(方形膜、圆形膜、E型膜)上压敏电阻位置优化的趋势及其对输出特性的改善效果。通过对比分析发现,压敏电阻位置的优化能够显著提高传感器的输出电压和灵敏度,最小提升达到29.07%,最大提升可达到45.92%。此外,仿真结果还表明,压敏电阻位置的优化趋势普遍指向应力集中区域,特别是膜片的边缘和固支连接处,将压敏电阻布置于应力集中的区域能够显著改善传感器的响应性能。这项研究为进一步提升压力传感器的输出特性提供了理论依据和设计参考。
基于原子层沉积ZnO的CO2气体传感器研究
刘昊东;仝召民;为了实现对高体积分数二氧化碳(CO2)的检测,以二乙基锌(DEZ)和去离子水作为前驱体,在自主设计的叉指电极上利用原子层沉积(ALD)技术沉积氧化锌(ZnO)纳米薄膜,研究了其薄膜特性,并制作了气体传感器。通过研究不同沉积参数和后处理参数对传感器性能的影响,表明Zn O纳米薄膜在具有(002)优选取向、高氧空位占比和5 nm厚度下,可实现对于高体积分数CO2的快速检测。制备的气体传感器在0.25%～2%的CO2体积分数下,响应时间的最高值和最低值分别为14和6.4 s,相较于传统光学传感器和同类型传感器,响应时间均有所缩短,且在保持快速响应的同时保持了较好的灵敏度。此外对气敏反应机理进行了分析探讨。
基于TGV技术的FAIMS气体传感器研制
胡郑蕊;李山;刘少敏;刘友江;王晗;徐椿景;魏健辉;陈池来;提出了一种基于玻璃通孔(TGV)高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)分析器结构,研制出微型化、低噪声FAIMS气体传感器,并对其环境噪声屏蔽和气体检测性能进行了测试。研究结果表明,通过垂直引线的屏蔽电极设计,该传感器的检测基线噪声低至16 f A,具有良好的噪声屏蔽性能。选择典型挥发性有机物乙苯作为测试样品,评估了FAIMS气体传感器的响应特性,并获得了乙苯的谱图和响应曲线。在体积分数为1.3×10-6的乙苯环境中,该传感器的响应时间为0.74 s,恢复时间为0.55 s,表现出快速、可重复性和高稳定性的响应特性。此外,分别探讨了相对湿度、乙苯体积分数(0.033×10-6～1×10-6)与信号强度之间的关系。实验结果表明,信号强度随着相对湿度的增加而降低,并与气体体积分数呈现良好的线性关系,拟合线性系数达到98.8%。FAIMS气体传感器对乙苯的检测限为0.034×10-6,展现出高灵敏度和优异的检测性能。