颗粒复合材料非线性与温度的关系
颗粒复合材料非线性与温度的关系[20200406105116]
摘 要
本文介绍了颗粒复合材料的背景、特点等基础知识，还考察了颗粒复合材料的应用和前景。我们重点研究了颗粒复合材料非线性与温度的关系。并用谱表示的方法探究了常规颗粒复合材料的光学双稳。同时，也讨论颗粒复合材料光学双稳的现象与温度之间的关系。我们推导了公式，对它进行编程并模拟出数值结果，而且探讨了数值结果的物理意义，最后对颗粒复合材料与温度的关系进行了研究。
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关键字:颗粒复合材料非线性温度光学双稳
Key Words: Dielectric Composites; Nonlinearity; Temperature; Optical bistablelity 目录
1.颗粒复合材料简介 1
1.1 颗粒复合材料的结构 1
1.2 颗粒复合材料合成方法 2
1.2.1 扩散粘结法 2
1.2.2铸造法 2
1.2.3叠层复合法 3
2.颗粒复合材料概况 5
2.1颗粒复合材料体系中的光学双稳 5
2.2颗粒复合材料体系中光学双稳的温度效应 6
2.3颗粒复合材料非线性与温度 7
3.复合材料与光学双稳的应用和前景 9
3.1复合材料的应用与前景 9
3.2光学双稳的应用和前景 10
4.颗粒复合材料非线性与温度效应 14
4.1本文主要研究内容 14
4.2理论模型 14
4.3数值结果 15
4.4结论 19
参考文献 20
致谢 23
1. 颗粒复合材料简介
1.1 颗粒复合材料的结构
人们对颗粒复合材料非线性的研究越来越多，它来源于物理学。非线性颗粒复合材料与光相互作用并产生特殊现象，它们的规律就是人们研究的主要内容。1960年左右，激光技术被人们发现，同时非线性光学这门学科也飞速崛起。1961年， 等[1]观察到光波相干输入，经过变化，从而生成出光波相干输出，就是非线性颗粒复合材料的光学效应，即二次谐波的产生（SHG）。同时也显示出非线性光学已经开始成为研究的热点。1962年， 等[2]开始探讨光波混频，并对非线性光学的原理做出了解释，为非线性光学理论的发展做出了铺垫。从此，非线性光学开始成为热点，并且开始快速崛起。
最近，粒子复合材料已被广泛关注，因为科学家可以改变粒子的复合材料部分的几何和物理性质，从而调整的宏观性质。颗粒复合材料通常由几种物理性质和化学性质不同的材料组成，它可以按照自己的设计比例分布组合，并且可以发挥单一组的材料不可以完成的综合性能。两组分的金属颗粒与电介质复合在一起的特点，(如图1.1.1)例如:：①它的宏观尺度并不均匀；②在每一个区域里面它的性质均匀，并且它的物质参数也对应大块物质;③颗粒复合材料的微结构决定于颗粒的外观形状。
1.2 颗粒复合材料合成方法
1.2.1 扩散粘结法
图1.2.1
如图1.2.1,我们可以把粉末形态的金属和颗粒、晶须等增强体混在一起，再用热压或者冷压的方法来烧结，就是粉末冶金法,同时也能用热等静压的方法来制备。对于连续增强体就更为复杂，它可以先用表面涂层的方法来提高纤维表面涂层和金属本身的湿润度，并阻止和介质的反应，然后投放到液态的金属介质中，从而生产出复合丝，接着把复合丝排好并且放入金属薄片中，最后进行热压烧结。在纤维的框架内，喷涂的难熔金属，从而制作出复合片，最后把复合片一层层叠起来，用热压或热等静压的方法来成型，即等离子喷涂法。这种方法制作的产品质量好，但是成本高，工艺非常复杂，设备要求高。
1.2.2铸造法
图1.2.2
制造复合材料的方法中，铸造法受到最广泛的关注，因为它的产品质量较好，工艺简单。其中主要的方法有两种：熔体搅拌法、液相浸渍法。
熔体搅拌法通常分为半固态搅拌法（如图1.2.2）和液态搅拌法，这种方法非常简单而且很实用。液态搅拌法是向正在搅拌中的液态金属里面加入固态颗粒。然而半固态搅拌法是利用高速切应力把半固态熔体的粘度降低，然后逐步加入粒子，为了防止粒子浮上来或者沉下去，半固态熔体必须含有一定的固相，这个方法也称为复合铸造法。熔体搅拌法需要的设备和工艺相对比较简单，并且也可以制成铸锭，通常用两次加工的方法制造出产品。但是这种方法的过于粗糙，制造的产品中可能带有气孔，甚至还有杂质，而且增强体不能均匀融合在里面，从而降低产品的质量。
液相浸渍法包含两种方法，分别是挤压法和真空-压力浸渗法。首先都要先把增强体做成预制件，压力浸渗法是把预制件稍微加热，立刻把金属熔体倒入，同一时间向下压压头，从而让它不断融合，等复合材料凝固以后，就可以完成脱模。压力浸渗法操作起来比较简单，可是熔体凝固前预制件里面含有空气，不能全部压出来，从而形成气孔，更有可能导致复合材料变的疏松，而且预先的复合材料也容易发生形变或者向周围偏移。因此，人们先把抗压容器的磨具里面的空气抽出来，使预制件里面的空气全部排出，然后用把熔体压入模具里浸渗，等凝固以后取出来，这种方法称为真空-压力浸渗法。这种方法生产出来的产品质量好，而且可使增强体有很高的体积分数，但是它需要的精确的专用设备。
1.2.3叠层复合法
图1.2.3
我们一般使用扩散结合的办法，把不一样的金属板合在一起，接着再用离子溅射或激光技术的方法轮流把不一样的金属叠合在一起，从而构成金属基复合材料，即叠层复合法(如图1.2.3 )。这种颗粒复合材料的质量非常好，但是制作的方法非常复杂，不容易实现。目前，金属颗粒复合材料的应用还不广泛，主要是在军用设备和民用飞机等领域，现在正在向民用方向发展，特别是在汽车行业的发展前景。
2.颗粒复合材料概况
2.1颗粒复合材料体系中的光学双稳
近年来，由于非线性复合材料在光学信息处理和存储的应用潜力很大，因此得到了广泛的关注，特别是光学双稳态，科学家们对此都开展了大批的工作，而且获得了巨大的成果。在复合材料介质的研究中，科研工作者们在颗粒复合材料的表面使用 谐振，令复合材料可以发生局域场效应，从而来探讨光学双稳的现象[3-4]。根据以前的研究显示，人们在获取比较低的双稳阈值时，通常采用改变颗粒的体积分数和形状的方法[5-6],但是实际中颗粒表面并不是光滑的，而且带有空气膜等因素，研究起来非常困难，然而研究带壳颗粒复合材料相对而言更容易实现。用谱表示的方法研究起来比较简单，因为它可以把颗粒的物理参数分离出来，而且还可以分离微几何结构参数，但是对于二分组体系才能利用谱表示的方法，与二组分不同，三组分中的非线性带壳金属粒子，却不可以用谱表示法来探究，拉普拉斯方程可以填补这个空缺，可以用它来求解局域场，但是求解的过程十分复杂[7]。这时，我们可以把介电常数用等效代替的方法来研究，它把三组分的非线性带壳颗粒复合体系等效成二分组的形式，就可以再次使用谱表示的方法，从而可以比较轻松的求解局域场。
因为非线性复合材料里存在介电函数，它比较需要外场，于是科研工作者们开始广泛关注这些非线性粒子的介电响应。由于非线性颗粒随机分散在介质里面，从而形成了常规的颗粒复合材料。在其表面添加 谐振，就可以改变局域场，从而令复合颗粒变成弱非线性的颗粒，但是颗粒复合体系中非线性的介电响应却能变得很大。到现在，人们对这一块的理论研究[8]已经获得了很大的进步。
人们对谱表示的方法了解日益加深，从而使二组分的颗粒复合材料的研究发展的十分迅速[9-11]。然而，在现实操作过程中，因为颗粒表面非常不光滑，而且空气膜也存在与它的表面，这样会使颗粒复合体系形成类似于三组分。而谱表示法并不可以解决三组分的复合材料的问题。当有一部分共振条件相同时，可以用等效的方法来研究[12-14]。Levy等[15]提出了用近似法来研究介电响应，并在稀释到极限的条件下，成功的发现了颗粒复合体系中非线性的介电响应。L Gao[16]发展了微干扰展开法，并用它研究了柱形的带壳颗粒体系。
摘 要
本文介绍了颗粒复合材料的背景、特点等基础知识，还考察了颗粒复合材料的应用和前景。我们重点研究了颗粒复合材料非线性与温度的关系。并用谱表示的方法探究了常规颗粒复合材料的光学双稳。同时，也讨论颗粒复合材料光学双稳的现象与温度之间的关系。我们推导了公式，对它进行编程并模拟出数值结果，而且探讨了数值结果的物理意义，最后对颗粒复合材料与温度的关系进行了研究。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:颗粒复合材料非线性温度光学双稳
Key Words: Dielectric Composites; Nonlinearity; Temperature; Optical bistablelity 目录
1.颗粒复合材料简介 1
1.1 颗粒复合材料的结构 1
1.2 颗粒复合材料合成方法 2
1.2.1 扩散粘结法 2
1.2.2铸造法 2
1.2.3叠层复合法 3
2.颗粒复合材料概况 5
2.1颗粒复合材料体系中的光学双稳 5
2.2颗粒复合材料体系中光学双稳的温度效应 6
2.3颗粒复合材料非线性与温度 7
3.复合材料与光学双稳的应用和前景 9
3.1复合材料的应用与前景 9
3.2光学双稳的应用和前景 10
4.颗粒复合材料非线性与温度效应 14
4.1本文主要研究内容 14
4.2理论模型 14
4.3数值结果 15
4.4结论 19
参考文献 20
致谢 23
1. 颗粒复合材料简介
1.1 颗粒复合材料的结构
人们对颗粒复合材料非线性的研究越来越多，它来源于物理学。非线性颗粒复合材料与光相互作用并产生特殊现象，它们的规律就是人们研究的主要内容。1960年左右，激光技术被人们发现，同时非线性光学这门学科也飞速崛起。1961年， 等[1]观察到光波相干输入，经过变化，从而生成出光波相干输出，就是非线性颗粒复合材料的光学效应，即二次谐波的产生（SHG）。同时也显示出非线性光学已经开始成为研究的热点。1962年， 等[2]开始探讨光波混频，并对非线性光学的原理做出了解释，为非线性光学理论的发展做出了铺垫。从此，非线性光学开始成为热点，并且开始快速崛起。
最近，粒子复合材料已被广泛关注，因为科学家可以改变粒子的复合材料部分的几何和物理性质，从而调整的宏观性质。颗粒复合材料通常由几种物理性质和化学性质不同的材料组成，它可以按照自己的设计比例分布组合，并且可以发挥单一组的材料不可以完成的综合性能。两组分的金属颗粒与电介质复合在一起的特点，(如图1.1.1)例如:：①它的宏观尺度并不均匀；②在每一个区域里面它的性质均匀，并且它的物质参数也对应大块物质;③颗粒复合材料的微结构决定于颗粒的外观形状。
1.2 颗粒复合材料合成方法
1.2.1 扩散粘结法
图1.2.1
如图1.2.1,我们可以把粉末形态的金属和颗粒、晶须等增强体混在一起，再用热压或者冷压的方法来烧结，就是粉末冶金法,同时也能用热等静压的方法来制备。对于连续增强体就更为复杂，它可以先用表面涂层的方法来提高纤维表面涂层和金属本身的湿润度，并阻止和介质的反应，然后投放到液态的金属介质中，从而生产出复合丝，接着把复合丝排好并且放入金属薄片中，最后进行热压烧结。在纤维的框架内，喷涂的难熔金属，从而制作出复合片，最后把复合片一层层叠起来，用热压或热等静压的方法来成型，即等离子喷涂法。这种方法制作的产品质量好，但是成本高，工艺非常复杂，设备要求高。
1.2.2铸造法
图1.2.2
制造复合材料的方法中，铸造法受到最广泛的关注，因为它的产品质量较好，工艺简单。其中主要的方法有两种：熔体搅拌法、液相浸渍法。
熔体搅拌法通常分为半固态搅拌法（如图1.2.2）和液态搅拌法，这种方法非常简单而且很实用。液态搅拌法是向正在搅拌中的液态金属里面加入固态颗粒。然而半固态搅拌法是利用高速切应力把半固态熔体的粘度降低，然后逐步加入粒子，为了防止粒子浮上来或者沉下去，半固态熔体必须含有一定的固相，这个方法也称为复合铸造法。熔体搅拌法需要的设备和工艺相对比较简单，并且也可以制成铸锭，通常用两次加工的方法制造出产品。但是这种方法的过于粗糙，制造的产品中可能带有气孔，甚至还有杂质，而且增强体不能均匀融合在里面，从而降低产品的质量。
液相浸渍法包含两种方法，分别是挤压法和真空-压力浸渗法。首先都要先把增强体做成预制件，压力浸渗法是把预制件稍微加热，立刻把金属熔体倒入，同一时间向下压压头，从而让它不断融合，等复合材料凝固以后，就可以完成脱模。压力浸渗法操作起来比较简单，可是熔体凝固前预制件里面含有空气，不能全部压出来，从而形成气孔，更有可能导致复合材料变的疏松，而且预先的复合材料也容易发生形变或者向周围偏移。因此，人们先把抗压容器的磨具里面的空气抽出来，使预制件里面的空气全部排出，然后用把熔体压入模具里浸渗，等凝固以后取出来，这种方法称为真空-压力浸渗法。这种方法生产出来的产品质量好，而且可使增强体有很高的体积分数，但是它需要的精确的专用设备。
1.2.3叠层复合法
图1.2.3
我们一般使用扩散结合的办法，把不一样的金属板合在一起，接着再用离子溅射或激光技术的方法轮流把不一样的金属叠合在一起，从而构成金属基复合材料，即叠层复合法(如图1.2.3 )。这种颗粒复合材料的质量非常好，但是制作的方法非常复杂，不容易实现。目前，金属颗粒复合材料的应用还不广泛，主要是在军用设备和民用飞机等领域，现在正在向民用方向发展，特别是在汽车行业的发展前景。
2.颗粒复合材料概况
2.1颗粒复合材料体系中的光学双稳
近年来，由于非线性复合材料在光学信息处理和存储的应用潜力很大，因此得到了广泛的关注，特别是光学双稳态，科学家们对此都开展了大批的工作，而且获得了巨大的成果。在复合材料介质的研究中，科研工作者们在颗粒复合材料的表面使用 谐振，令复合材料可以发生局域场效应，从而来探讨光学双稳的现象[3-4]。根据以前的研究显示，人们在获取比较低的双稳阈值时，通常采用改变颗粒的体积分数和形状的方法[5-6],但是实际中颗粒表面并不是光滑的，而且带有空气膜等因素，研究起来非常困难，然而研究带壳颗粒复合材料相对而言更容易实现。用谱表示的方法研究起来比较简单，因为它可以把颗粒的物理参数分离出来，而且还可以分离微几何结构参数，但是对于二分组体系才能利用谱表示的方法，与二组分不同，三组分中的非线性带壳金属粒子，却不可以用谱表示法来探究，拉普拉斯方程可以填补这个空缺，可以用它来求解局域场，但是求解的过程十分复杂[7]。这时，我们可以把介电常数用等效代替的方法来研究，它把三组分的非线性带壳颗粒复合体系等效成二分组的形式，就可以再次使用谱表示的方法，从而可以比较轻松的求解局域场。
因为非线性复合材料里存在介电函数，它比较需要外场，于是科研工作者们开始广泛关注这些非线性粒子的介电响应。由于非线性颗粒随机分散在介质里面，从而形成了常规的颗粒复合材料。在其表面添加 谐振，就可以改变局域场，从而令复合颗粒变成弱非线性的颗粒，但是颗粒复合体系中非线性的介电响应却能变得很大。到现在，人们对这一块的理论研究[8]已经获得了很大的进步。
人们对谱表示的方法了解日益加深，从而使二组分的颗粒复合材料的研究发展的十分迅速[9-11]。然而，在现实操作过程中，因为颗粒表面非常不光滑，而且空气膜也存在与它的表面，这样会使颗粒复合体系形成类似于三组分。而谱表示法并不可以解决三组分的复合材料的问题。当有一部分共振条件相同时，可以用等效的方法来研究[12-14]。Levy等[15]提出了用近似法来研究介电响应，并在稀释到极限的条件下，成功的发现了颗粒复合体系中非线性的介电响应。L Gao[16]发展了微干扰展开法，并用它研究了柱形的带壳颗粒体系。
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