1 黑龙江科技大学 激光先进制造研究所,哈尔滨 150022
2 黑龙江科技大学 机械工程学院,哈尔滨 150022
为了研究266 nm纳秒固体激光在聚苯乙烯（PS）上打孔的材料去除机理、工艺规律和优化工艺参数,采用了单因素实验法和正交实验法进行了单脉冲和多脉冲打孔的实验研究。分析了材料的去除机理,得到了脉冲数量、脉冲能量以及离焦量对微孔直径和深度的影响规律,获得了满足要求的工艺参数的优化组合。结果表明,单脉冲打孔条件下,脉冲能量为0.110 mJ时加工出的微孔形状规则、圆度较好以及重铸层宽度较小,脉冲能量为0.500 mJ时,加工出的微孔形状和圆度质量变差,重铸层宽度增大; 多脉冲打孔条件下,脉冲能量为0.040 mJ时,加工出的通孔入口处无重铸层,去除机理以光化学作用为主,脉冲能量为0.390 mJ时,加工出的通孔入口处重铸层较为明显,且入口边缘出现过烧蚀现象,去除机理以光热作用为主; 脉冲能量和离焦量对孔径影响较大,脉冲数量和正离焦量对孔深影响较大; 正交实验得到的优化参数组合为脉冲数量50、脉冲能量0.021 mJ、离焦量0 μm时,可以加工出质量较好的微孔。本研究为266 nm纳秒激光加工聚苯乙烯靶球提供了参考依据。
激光技术 材料去除机理 工艺实验 266 nm纳秒激光 聚苯乙烯 微孔 laser technique material removal mechanism technological experiment 266 nm nanosecond laser polystyrene(PS) micropore
南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
从理论上系统地研究了聚苯乙烯（PS）/Ag球壳阵列中银球壳的形状（球形和椭球形）和完整度（侧壁有无开口）对多阶窄线宽等离激元腔模式激发效率的影响。理论上发现，在完整的球形银壳层阵列中，基于电的等离激元腔模式（TM2和TM3）能够被高效激发，而基于磁的等离激元腔模式（TE1）激发效率则非常低。通过单独地将银球壳改变为椭球形状或单独在银球壳侧壁赤道上对称构建6个小开口均能有效增大TE1模式的激发效率。尤其是，存在一个最佳的开口（20?）可使得TE1模式的激发效率达到最大。理论上进一步发现，TM2、TE1和TM3等离激元腔模式在非完整（侧壁开口约为 20?）的椭球形银壳层阵列结构中均能够同时被高效激发。在实验上，利用自支撑技术成功地制备了侧壁带有开口（约为 20?）的椭球形银壳层阵列结构，实验测试的透射光谱与理论光谱非常吻合，很好地证实了理论预测结果的正确性。
表面光学 表面等离激元 多重法诺共振 聚苯乙烯/银球壳阵列 等离激元腔模式 高Q值 光学学报
2023, 43(11): 1124002
1 南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
利用电信号改变氧化石墨烯（GO）固有的光学吸收特性，可以实现对光纤锁模激光器输出性能的有效调控。在GO中引入聚苯乙烯（PS）纳米微球可以实现光波导结构，进而形成局域场并有效降低器件损耗。因此，采用微电子打印工艺制备了基于GO/PS的电光调制器，并以较低的泵浦功率（34.3 mW）实现了环形光纤激光器运转模式的主动调控。在0~20 V的调制电压下，激光器实现了连续波、调Q锁模、锁模三种运转模式的切换。所设计的全光纤电调制器件将锁模信号的脉冲宽度压缩到了20 ps，对应的重复频率为21.4 MHz。通过调控驱动电压，该器件的插入损耗从2.30 dB降低到了0.86 dB，平均输出功率从1.09 mW提升了1.52 mW。
激光器 光纤锁模激光器 电光调制器 模式切换 氧化石墨烯 聚苯乙烯
大连理工大学光电工程与仪器科学学院, 辽宁 大连 116000
由于塑料工业的发展, 微塑料成为一种主要的环境污染物。 它在自然界中不易降解, 对人类的生存环境及健康都存在不可忽视的潜在危险。 因此, 环境中微塑料的检测和分析, 成为了近年来研究的热点问题。 目前人们大多数采用浮选法、 密度分离法、 离心法等方法提取微塑料, 然后放在显微镜下进行目视观察, 并结合拉曼光谱分析、 傅里叶红外光谱分析、 高光谱成像等方法进行分析鉴别, 这些方法需要较长时间的等待或预处理, 且易受主观因素的影响。 因此提出一种快速、 准确鉴别环境中是否含有微塑料的技术是必要的。 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱成像技术是一种基于化学键振动的非侵入性、 非破坏性且无需特殊标记的实时成像方法, 由此提出使用多通道图像采集(含有白光通道成像及CARS光谱成像)的方法快速、 准确鉴别环境中微塑料的分布。 将直径为10 μm的聚苯乙烯微球掺入到收集的海水及沙子中, 模拟被微塑料污染的海水及沙子, 在不作任何处理的情况下对海水及沙子进行多通道图像采集。 通过多通道图像采集可以快速直观地检测到海水中聚苯乙烯微球的分布。 在对沙子中的聚苯乙烯微球进行多通道图像采集的同时, 采用拉曼光谱检测与之对照。 在拉曼光谱检测中, 聚苯乙烯微球的信号易受沙子荧光信号干扰, 且只有在激光聚焦在聚苯乙烯存在的位置时, 才能检测到微弱的信号。 在多通道图像采集检测中, 可以看到沙子中存在的聚苯乙烯微球, 且采用形态学分析中先腐蚀后膨胀的开运算算法同时结合中值滤波的算法后, 可以实现突出显示聚苯乙烯信号的目的。 多通道图像采集可以在无任何预处理的情况下检测出海水及沙子中的微塑料, 具有快速简便的优势, 对实现环境中微塑料的检测具有一定的潜在应用价值。
拉曼光谱 相干反斯托克斯拉曼散射 微塑料 聚苯乙烯 Raman Spectrum Coherent anti-Stokes Raman scattering Microplastics Polystyrene 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1022
1 西安工业大学 光电工程学院, 陕西 西安 100191
2 中国科学院 上海硅酸盐研究所 信息功能材料与器件研究中心, 上海 201899
针对高功率器件、高密度封装等微波通信领域对高性能微波复合基板的迫切需求, 该文提出了一种将双螺杆造粒和热压成型结合的新技术, 制备了以高抗冲聚苯乙烯(HIPS)为基体、六方氮化硼(h-BN)陶瓷为填料的高导热微波复合基板, 并对基板的显微结构、热学性能和介电性能进行了全面表征。结果表明, 采用大粒径(25 μm)的h-BN(h-BN25)比小粒径(5 μm)的h-BN(h-BN5)填充后更有利于提高复合基板的热导率(λ), 降低其介电损耗(tan δ)。随着h-BN25质量分数(w(h-BN25))从0增加至70%, HIPS/h-BN25微波复合基板的λ从0.13 W·m-1·K-1提高到7.43 W·m-1·K-1(面内)和2.55 W·m-1·K-1(面间), 分别是纯HIPS的57倍和20倍, 表明采用以上制备技术能实现h-BN在HIPS基体中的定向排列, 构建有效的面内导热网络。同时复合基板的tan δ由7.3×10-4降低至5.3×10-4(10 GHz下), 热膨胀系数α从93.8×10-6/K降至18.7×10-6/K。填充w(h-BN25)=70%的HIPS/ h-BN25微波复合基板综合性能优异, 10 GHz时, 其介电常数εr=3.9, tan δ=5.3×10-4, λ=7.43 W·m-1·K-1, α=18.7×10-6/K, 在微波通信领域具有良好的应用前景。
聚苯乙烯 六方氮化硼 热导率 介电性能 热压成型 polystyrene hexagonal boron nitride thermal conductivity dielectric property hot pressing molding
强激光与粒子束
2022, 34(5): 052002
1 广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004
2 广西科学院生物物理与环境科学研究中心，广西 南宁 530007
微塑料是备受关注的新型环境污染物，在自然环境中发生老化，分解后体积更小，给生态环境带来更大的挑战。应用单粒子拉曼光谱技术监测经紫外线(UV)老化处理后的不同粒径聚苯乙烯(PS)微球，对比处理前后微塑料的形貌和大小，以了解微米级小粒径PS塑料在模拟紫外线照射下的老化动态和老化机理。结果显示，随着辐射时间的增加，PS的拉曼信号强度显著降低，粒径减小，表面破损；粒径越小，受损越严重，而大粒径PS颗粒间的异质性明显增大。UV辐射可能破坏了PS多聚物的稳定结构，造成光谱信号减弱，而且小尺寸的PS微塑料更易于受损，进而分解为更细小的微纳颗粒或碎片。研究结果揭示了PS微塑料在不同粒径与UV处理时间下的老化动态和特征，从单颗粒角度为微塑料在环境中的老化动态提供了新的认识。
光谱学 拉曼光谱 聚苯乙烯 紫外线 老化 单粒子分析
华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心, 广东省高分子先进制造技术及装备 重点实验室, 华南理工大学聚合物加工工程教育部重点实验室, 广东 广州 510640
在聚合物加工过程中, 如果在同一生产线上混用不同牌号的原材料, 可能会影响产品性能, 降低产品合格率。 然而采用传统方法识别相同类型不同牌号的聚合物往往耗时长且具有滞后性, 目前还缺乏一种快速实时的牌号识别方法。 因此, 以5种不同牌号的通用聚苯乙烯(GPPS)为研究对象, 利用自主开发的安装于挤出机上的在线近红外光谱测量系统, 将近红外光谱与化学计量学、 机器学习算法相结合, 实现对挤出过程中GPPS牌号的快速在线识别。 首先利用在线近红外光谱测量系统实时采集5种不同牌号GPPS熔体的在线近红外光谱, 波长范围为900~1 700 nm。 经过谱图分析后, 利用主成分分析结合K均值聚类算法验证在线近红外光谱数据对于不同牌号的可分性。 最后采用偏最小二乘判别分析和随机森林两种算法分别建立GPPS牌号识别模型并进行对比。 结果表明: ①经过基线校正、 最大最小归一化、 7点移动平均平滑预处理后, 在线近红外光谱在1 207, 1 388, 1 407和1 429 nm处的特征峰峰值会随着牌号的变化呈阶梯状改变, 以前3个主成分得分作为K均值聚类的输入变量得到聚类正确率为88%, 说明了不同牌号GPPS在线近红外光谱数据的可分性; ②所建立的两种预测模型均能够对GPPS牌号有效识别, 最佳主因子数为3的偏最小二乘判别分析模型对验证集的分类正确率为90.4%, 以前5个主成分得分作为输入变量建立的随机森林模型对验证集的分类正确率达95.6%, 所以随机森林模型的牌号识别性能更好。 因此, 在线近红外光谱测量系统结合化学计量学、 机器学习算法可以实现GPPS牌号的快速在线识别, 为在生产线上利用近红外光谱识别同种聚合物的不同牌号提供参考。
近红外光谱 牌号识别 通用聚苯乙烯 偏最小二乘判别分析 随机森林 Near-infrared spectroscopy Grade identification General purpose polystyrene Partial least square-discriminant analysis Random forest 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2759
