光谱仪用低膨胀合金和核心部件的制备技术及关键理论问题研究

摘要

光谱仪是将成分复杂的光分解成光谱线的科学仪器，通过对光信息的采集来测知物品中含有何种元素。这种仪器被广泛地应用于空气污染、水污染、食品重金属污染、金属工业等的检测中。进入21世纪以来，仪器的数字控制技术已经取代模拟控制技术，使仪器向小型化、精密化发展。其中激光诱导击穿（Laser-induced breakdown spectroscopy简称LIBS）光谱仪是目前材料分析行业的前瞻技术，它具有分析速度快，精度高，可遥测，测量范围广等优点。因此，LIBS光谱仪已在更多领域得到了广泛的应用。目前，虽然国内一些企业和高校机构已经对LIBS光谱仪的研发和产业化作了大量工作，以此来缩小与国外的差距并推动国内LIBS的发展，但是它的核心部件制造技术和系统仍然依赖于国外。LIBS光谱仪研制过程中需要的关键材料及核心理论问题主要表现在以下三个方面:一是影响光学系统稳定性的关键材料及材料匹配问题;二是光栅制造镀膜关键技术及表面润湿性问题;三是镀膜技术对光栅性能的影响。
　　本文针对LIBS光谱仪研制过程中所遇到的关键技术问题，通过有限元模拟和实验相结合的方法，深入研究了合金元素对材料热稳定性的影响以及如何设计低膨胀合金来满足光谱仪对材料的要求;通过分子动力学模拟的方法，探讨了金属液滴在不同基底上的润湿和融合行为，为镀膜工艺提供理论指导，并应用于离子刻蚀光栅制造。最后将改进的技术应用于仪器，并进行了测试。主要内容如下:
　　(1)使用低膨胀材料可以满足光学系统稳定性要求。研究表明，对于低膨胀铸铁和铸钢，选取35％Ni，进行1050℃淬火和300℃×2h回火处理的低膨胀铸铁具有相对优异的性能，当Al含量为5.5％时，合金具有较高的强度和较低的热膨胀系数。当钴含量在30％左右时，膨胀系数达到最低。少量的Ti元素能够细化Fe-Ni-Co合金的组织，减少合金中O、S等杂质元素的含量，并能降低合金的热膨胀系数;过多的Ti元素反而会造成合金热膨胀系数的升高。Mn对合金低膨胀性能有有害作用，但可以提高合金的强度。通过以上原则设计的合金材料，经过ANSYS热变形仿真模拟与原材料对比分析可得，扇形板在0℃-50℃范围内，结构变形为±5μm，光学系统纵向（衍射方向）变形为36μm，罗兰园圆弧切线方向变形为19μm，满足了仪器甚至高端制造领域的材料匹配和系统设计的问题。
　　(2)镀膜工艺作为离子刻蚀光栅制造技术的关键工艺之一，与材料表面润湿性问题有关。因此，我们用分子动力学模拟的方法研究了金属液滴的表面润湿现象和融合行为。结果表明，Ag液膜在粗糙基底上会发生反润湿现象，并最终脱离基底，这一现象受到液膜的形状、尺寸和表面的粗糙度等因素的影响。金属液滴在不同种类的金属基底表面润湿性差异巨大，这主要是由液体-基底之间的相互作用决定的。进一步研究异种元素液滴的融合时，发现存在“水平融合”或“垂直融合”两种融合机制，这与基底表面的粗糙度所控制的润湿性有关。因此，可以通过改变材料表面的粗糙度和微观结构调整液滴的润湿性，从而使得液滴在基底表面能够较好的铺展，有利于改进镀膜工艺。通过实验验证，发现减小基底粗糙度，提高蒸镀温度，减小基底温度，采用二次镀膜技术，均有利于提高膜层的均匀性和稳定性。
　　(3)使用由新的镀膜技术开发的光栅以及由低膨胀铸铁合金作为支架的光学系统，设计了全新的光谱仪。其光学系统的温度稳定性达到±5μm，谱线中心位置漂移不超过1个像元，不加恒温的情况下仍能进行较稳定的分析;其衍射效率超过进口光栅，在紫外波段元素N、P、S、C仍能够获得较好的分析;它还首次突破了相态的局限性，可对粉末状的样品，如土壤中的元素N、P、K、Pb、Sb、Cd、As、Sn进行分析，为仪器进入环保领域奠定理论和技术基础。

目录

声明

摘要

本文的创新点

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 LIBS光谱仪国内外发展现状

1．2．1 LIBS光谱仪国内外研究综述

1．2．2 LIBS光谱仪研制过程中的关键材料及理论问题

1．3 Invar效应及低膨胀合金材料的研究进展

1．3．1 低膨胀合金及因瓦效应

1．3．2 因瓦效应的产生机理

1．3．3 铁镍低膨胀合金的研究

1．3．4 国内外低膨胀合金的研究进展

1．4 材料表面的润湿性

1．4．1 材料表面润湿现象

1．4．2 润湿理论及经典润湿模型

1．4．3 液态金属的反润湿

1．5 技术路线及预期目标

1．6 本课题的研究意义、研究内容

参考文献

2．1 分子动力学模拟方法

2．1．1 数值积分方法

2．1．2 边界条件

2．1．3 统计系综

2．1．4 势函数

2．2 试验方法

2．2．3 试样样品分析表征方法

2．3 ANSYS热分析仿真模拟

2．3．2 热弹性理论基础

参考文献

3．1 引言

3．2．1 低膨胀铸钢的组织结构

3．2．2 低膨胀铸钢的硬度分析

3．2．3 低膨胀铸钢的线膨胀系数

3．2．4 合金的动态拉伸实验结果及数据分析

3．3 Fe-Ni-C基低膨胀铸铁的成分设计及制备工艺

3．3．1 低膨胀铸铁的组织结构

3．3．2 低膨胀铸铁的硬度分析

3．3．3 低膨胀铸铁的线膨胀系数分析

3．4 Al、CO对因瓦合金组织和低膨胀性能的影响

3．4．1 合金组成相和组织结构研究

3．4．2 硬度实验结果及分析

3．4．3 合金热膨胀系数分析

3．4．4 XRD和DSC实验结果分析

3．5 Ti对Fe-Ni-CO因瓦合金组织和低膨胀性能的影响

3．5．1 Fe-Ni-CO-Ti合金组织结构的研究

3．5．2 Fe-Ni-CO-Ti合金硬度性能的研究

3．5．3 Fe-Ni-CO-Ti合金热膨胀性能的研究

3．6 Mn对低膨胀铸铁性能的影响

3．6．1 Mn对低膨胀铸铁的组织影响

3．6．2 Mn对低膨胀铸铁的硬度影响

3．6．3 DSC分析

3．6．4 Mn对低膨胀铸铁膨胀系数的影响

3．7 ANSYS软件对光学系统的热变形仿真

3．7．1 模型构建

3．7．2 采用早期材料的扇形板的热变形仿真分析

3．7．3 采用低膨胀合金材料的扇形板的热变形仿真分析

3．8 本章小结

参考文献

第四章 基于润湿性研究突破核心部件光栅的研制

4．1 引言

4．2 液态Ag薄膜在修饰的石墨烯表面的形态演变及其界面性质

4．2．1 模型及模拟方法

4．2．2 基底表面结构对Ag液膜形态演变的影响

4．2．3 Ag液膜尺寸对形态演变的影响

4．2．4 液滴的融合

4．3 液态金属在金属基底上的润湿行为研究

4．3．1 模型及模拟方法

4．3．2 金属Al和Pb在纯金属基底上的润湿性

4．3．3 金属Al在混合基底上的润湿性

4．3．4 液态Al-Pb合金在纯金属基底上的润湿性

4．4 表面粗糙度对液膜融合行为的影响

4．4．1 模型及模拟方法

4．4．2 光滑、凹凸结构基底上Cu、Ag液膜的两种融合机制

4．4．3 在各项异性凹槽结构上Cu、Ag液膜的融合行为

4．4．4 融合过程中液桥尺寸及金属——碳间相互作用能的变化

4．3．5 粗糙度对Cu、Ag原子扩散性的影响

4．5 镀膜工艺研究

4．5．1 基底粗糙度对镀膜的影响

4．5．2 镀膜温度对膜层的影响

4．5．3 基底温度对膜层的影响

4．6 镀膜厚度对衍射效率的影响

4．7 本章小结

参考文献

第五章 光谱仪样机光学系统集成、调试及整机性能测试

5．1 引言

5．2 基于低膨胀材料设计的LIBS光谱仪的光学系统

5．2．1 光学系统的整体结构设计

5．2．2 光路设计

5．3 光学系统调试

5．3．1 光栅的安装

5．3．2 光栅位置调整

5．3．3 狭缝位置调整

5．3．4 仪器的综合调试

5．4 性能测试

5．4．1 系统光学性能测试

5．4．2 系统电性能测试

5．4．3 系统短期漂移测试

5．4．4 系统长期漂移测试

5．5 仪器检出限

5．6 样品分析

5．6．1 真空紫外区N、P、S、C非金属元素分析

5．6．2 土壤中元素的对比测试

5．7 本章小结

参考文献

6．1 结论

6．2 展望

致谢

附录

外文文章