光譜儀用低膨脹合金和核心部件的制備技術(shù)及關(guān)鍵理論問題研究.pdf

1、光譜儀是將成分復(fù)雜的光分解成光譜線的科學(xué)儀器，通過對光信息的采集來測知物品中含有何種元素。這種儀器被廣泛地應(yīng)用于空氣污染、水污染、食品重金屬污染、金屬工業(yè)等的檢測中。進(jìn)入21世紀(jì)以來，儀器的數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)取代模擬控制技術(shù)，使儀器向小型化、精密化發(fā)展。其中激光誘導(dǎo)擊穿（Laser-induced breakdown spectroscopy簡稱LIBS）光譜儀是目前材料分析行業(yè)的前瞻技術(shù)，它具有分析速度快，精度高，可遙測，測量范圍廣等優(yōu)

2、點(diǎn)。因此，LIBS光譜儀已在更多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，雖然國內(nèi)一些企業(yè)和高校機(jī)構(gòu)已經(jīng)對LIBS光譜儀的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化作了大量工作，以此來縮小與國外的差距并推動國內(nèi)LIBS的發(fā)展，但是它的核心部件制造技術(shù)和系統(tǒng)仍然依賴于國外。LIBS光譜儀研制過程中需要的關(guān)鍵材料及核心理論問題主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:一是影響光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵材料及材料匹配問題;二是光柵制造鍍膜關(guān)鍵技術(shù)及表面潤濕性問題;三是鍍膜技術(shù)對光柵性能的影響。
　　本文

3、針對LIBS光譜儀研制過程中所遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題，通過有限元模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，深入研究了合金元素對材料熱穩(wěn)定性的影響以及如何設(shè)計(jì)低膨脹合金來滿足光譜儀對材料的要求;通過分子動力學(xué)模擬的方法，探討了金屬液滴在不同基底上的潤濕和融合行為，為鍍膜工藝提供理論指導(dǎo)，并應(yīng)用于離子刻蝕光柵制造。最后將改進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用于儀器，并進(jìn)行了測試。主要內(nèi)容如下:
　　(1)使用低膨脹材料可以滿足光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。研究表明，對于低膨脹鑄鐵和鑄鋼，選

4、取35％Ni，進(jìn)行1050℃淬火和300℃×2h回火處理的低膨脹鑄鐵具有相對優(yōu)異的性能，當(dāng)Al含量為5.5％時(shí)，合金具有較高的強(qiáng)度和較低的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)鈷含量在30％左右時(shí)，膨脹系數(shù)達(dá)到最低。少量的Ti元素能夠細(xì)化Fe-Ni-Co合金的組織，減少合金中O、S等雜質(zhì)元素的含量，并能降低合金的熱膨脹系數(shù);過多的Ti元素反而會造成合金熱膨脹系數(shù)的升高。Mn對合金低膨脹性能有有害作用，但可以提高合金的強(qiáng)度。通過以上原則設(shè)計(jì)的合金材料，經(jīng)過ANS

5、YS熱變形仿真模擬與原材料對比分析可得，扇形板在0℃-50℃范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)變形為±5μm，光學(xué)系統(tǒng)縱向（衍射方向）變形為36μm，羅蘭園圓弧切線方向變形為19μm，滿足了儀器甚至高端制造領(lǐng)域的材料匹配和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問題。
　　(2)鍍膜工藝作為離子刻蝕光柵制造技術(shù)的關(guān)鍵工藝之一，與材料表面潤濕性問題有關(guān)。因此，我們用分子動力學(xué)模擬的方法研究了金屬液滴的表面潤濕現(xiàn)象和融合行為。結(jié)果表明，Ag液膜在粗糙基底上會發(fā)生反潤濕現(xiàn)象，并最終脫離基

6、底，這一現(xiàn)象受到液膜的形狀、尺寸和表面的粗糙度等因素的影響。金屬液滴在不同種類的金屬基底表面潤濕性差異巨大，這主要是由液體-基底之間的相互作用決定的。進(jìn)一步研究異種元素液滴的融合時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在“水平融合”或“垂直融合”兩種融合機(jī)制，這與基底表面的粗糙度所控制的潤濕性有關(guān)。因此，可以通過改變材料表面的粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整液滴的潤濕性，從而使得液滴在基底表面能夠較好的鋪展，有利于改進(jìn)鍍膜工藝。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)減小基底粗糙度，提高蒸鍍溫度，減

7、小基底溫度，采用二次鍍膜技術(shù)，均有利于提高膜層的均勻性和穩(wěn)定性。
　　(3)使用由新的鍍膜技術(shù)開發(fā)的光柵以及由低膨脹鑄鐵合金作為支架的光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了全新的光譜儀。其光學(xué)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性達(dá)到±5μm，譜線中心位置漂移不超過1個(gè)像元，不加恒溫的情況下仍能進(jìn)行較穩(wěn)定的分析;其衍射效率超過進(jìn)口光柵，在紫外波段元素N、P、S、C仍能夠獲得較好的分析;它還首次突破了相態(tài)的局限性，可對粉末狀的樣品，如土壤中的元素N、P、K、Pb、Sb、Cd、