形成原理及特性

形成原理及特性（通用9篇）

形成原理及特性 篇1

冰雹是世界上很多地方经常出现的一种自然灾害, 每年对农业、牧业、交通运输等方面造成的损失相当巨大[1,2,3,4,5,6]。

1 冰雹的形成过程

冰雹产生于雷雨云中, 在夏季晴天, 地面受热, 贴近地面一层空气温度升高, 空气受热体积膨胀变轻、上升, 形成上升气流。其空出的位置就由周围的冷空气补充, 形成热力对流, 受热的空气和地面蒸发的水蒸气慢慢升高, 上升过程中温度不断下降, 一团干空气平均上升100 m温度下降1℃, 当升到一定高度, 空气中水蒸气凝结成小水珠, 悬浮在空中, 就是人们看到的云彩。云底部扁平顶部隆起像馒头叫积云, 如果空气中水蒸汽很多, 上升气流强, 积云越长越大, 顶部不断向上耸起, 像山峰或菜花状, 是浓积云。浓积云再向上发展顶部温度低于0℃, 云中的小水珠一部分结成小冰粒或小雪花, 另一部分水珠虽然温度低于0℃, 但仍未冻结形成过冷却水珠, 云再向高空发展温度更低, 过冷却水珠也冻了起来, 这时云的上部几乎均由冰粒和雪花组成, 中部有小冰粒和小雪花组成, 底层由小水珠组成, 云彩的垂直厚度达6 km以上, 云中上升气流和下沉气流都很强, 看到云彩里上下翻滚的很厉害, 由于剧烈的上下运动, 云中的水珠、冰粒、雪花互相摩擦生电, 产生雷电现象, 这样的云彩就是雷雨云, 气象上叫积雨云。山脉的阻挡和冷空气入侵把原来的暖湿空气急剧抬升, 也形成积云和积雨云, 冰雹就是产生在特别旺盛的雷雨云中, 当雷雨云发展到零度线以上时, 一些较大的过冷却水珠冻结成冰粒, 连同上升气流被带到高空, 与云中的冷却水珠、冰雪花互相碰撞合并不断增大, 由于高空温度很低 (-30~-20℃) 使其粘附的水珠、冰粒迅速冻结在一起, 原来停留在空隙的空气未跑出, 形成一个白色不透明的冰核, 即雹心, 冰雹由雹心逐渐增大而成。

形成的雹心被强烈的上升气流托住, 当上升气流减弱或遇到云中有规则的下沉气流时, 雹心因其本身的重量下落, 下落过程中又和许多过冷却水珠、冰粒、雪花碰撞合并, 体积越来越大, 当下落到零度线以下时, 温度越来越高, 其表层开始融化并吸附更多的水珠, 当它再度遇到强烈的上升气流时, 又被带到高空, 表面温度逐渐降低慢慢的冻起来, 雹心又形成一层透明的冰壳, 反复上下运动多次, 越滚越大, 形成一个明暗相间的大冰球。当重量增大到上升气流托不住时, 掉到地面上, 即为冰雹。

2 冰雹的分类

冰雹是从发展强烈的对流云降下的固态降水物, 冰雹的形态有各种各样的, 有球形、圆锥形、椭圆形和不规则形。根据大小可分冰雹、软雹、冰丸、霰。冰雹指直径5 mm以上的固态降水物, 结构较硬, 比重较大, 着地后反跳, 核心常是不透明的胚胎, 外表由透明和不透明的冰层交替包围组成, 可以造成较大的危害。软雹是冰雹的一种, 为含有较多液态水而成海绵状的雹块, 结构较松软, 着地易铺开或破碎, 不易反跳, 造成危害小。冰丸为直径5 mm以下的固态冰球或其他形状冰块, 结构较坚硬, 着地可以反跳, 也称小冰雹。霰为直径2~5 mm的乳白色或白色不透明颗粒状固态降水物, 结构松软着地易碎, 常成球形、圆锥形。它类似米雪, 米雪是直径1 mm以下的固态降水物。

3 冰雹的特性

一是地区性。冰雹是许多地方经常出现的一种局部性灾害性天气, 在我国青藏高原、祁连山区、长白山区是多雹地区, 山区多与平原, 内陆多于沿海, 中纬度多于低纬度;全球以北纬25°~55°为多雹带, 北纬40°附近更集中。吉林地区地处北纬42°~46°, 正是多雹区。冰雹在地理分布上的特点是山区多, 丘陵次之, 平原较少。二是季节性。吉林省是3月下旬至11月初结束, 其中以春末夏初和夏末秋初冰雹活动较为频繁, 即6月初至9月末。三是时间性。据气象资料统计, 永吉县地区以午后到傍晚易降雹 (12:00—18:00) ;冰雹有玉米粒大小, 鸡蛋大的少见, 再大的更少见;降雹时间一般几分钟至几十分钟, 较大范围的冰雹形势下, 可持续几天出现降雹。

4 吉林地区冰雹的主要活动路径

冰雹是局地性灾害天气, 除天气形势外, 地形和下垫面状况对降雹的影响很大, 冰雹多起源于重叠的山区, 沙丘和地势比较高的爬坡地带。一般山区冰雹路线比较固定, 有“雹走老路”的说法。平原地区地形开阔, 冰雹云的走向主要受高空引导气流影响, 活动路线比山区摆动的范围大。吉林地区雹线分12支: (1) 榆树—莲花—太平—天德—水曲柳—永胜; (2) 两家子—土城子—乌拉街—缸窑—二道—小城子—新安—榆树沟; (3) 溪河—二道—小城子—新安—榆树沟; (4) 五常县—平安—金马; (5) 两家子—土城子—乌拉街—江密峰—老爷岭—新站—前进; (6) 河湾子—桦皮厂—孤店子—江密峰—老爷岭—新站—乌林; (7) 金家—岔路河—一拉溪—蒐登站—吉林市; (8) 黄榆—大岗子—西阳—口前; (9) 黄榆—双河镇—五里河; (10) 黄榆—官马—呼兰镇—桦甸镇—红石—夹皮沟; (11) 驿马—榆木桥子—横道河子—常山; (12) 辉南县—细林—黑石—桦甸镇。

5 冰雹云的形态特点

宏观识别冰雹云, 根据长期以来积累的关于冰雹云经验, 一般冰雹云的云体比积雨云更加庞大, 云顶高耸, 突起并发展成砧状、鬃状, 云底较平、较低, 呈灰黑色的波纹状, 常出现滚轴状结构, 有无数小云泡翻滚, 好似浓烟一股股往上冒, 云底附近有较破碎而松散的碎雨云飞快移动。冰雹云的云层很厚, 阳光中波长较长的黄红光才能通过云层, 云体上部的冰晶对阳光的散射使云底黑中带黄或红黄色, 即谚语说的“黑云黄边子或黑云黄梢子, 就要下雹子”。另外, 雷雨云中若有2块或2块以上云体互相靠近合并, 又猛烈发展, 也容易出现冰雹, 人们称该现象为“云打架, 雹要下。”

6 冰雹云的判断方法

6.1 形

看云的形状, 雹云的云底较低, 云体高耸、庞大, 云顶很高, 有无数小云泡翻滚。呈砧状, 有的像倒立扫帚, 底部常呈滚轴状、乳房状结构, 云底有破碎而松散的碎云, 飞快地移动。

6.2 色

看云的颜色, 云底灰黑, 有时云中呈黑中带黄或红。黑色是日光透不过浓厚的乌云所致;白色是云体对日光无选择发散或反射的结果;由于云内对流很强, 空气运动剧烈, 卷进许多尘土, 云色混浊发黄。另外, 雹云中含有大量水滴和冰雹、水汽凝结物, 其半径变化较大, 太阳光通过云层时产生散射、折射作用, 使雹云带有不同色彩。

6.3 声

听雷的声音和云的吼声, 雷雨云的雷声清脆, 冰雹云的雷声低沉而连续, 俗称拉磨雷或闷雷, 因为雹云中多横闪形成的。冰雹云吼声是云中千百万个雪珠和冰雹在翻腾是与空气相对运动产生的声音, 仿佛在空中挥动细棒发出的呼呼的声音。

6.4 光电

看闪电的形状和颜色, 冰雹云放电多为横枝状, 连续闪电, 夜间雹云闪电多发红色光。谚语:“纵闪雨多, 横闪雹多。”

6.5 风

冰雹来临之前风向转西北或北风, 风力加大。降雹前, 冷暖空气汇合造成强大的辐合上升气流, 空气中上下对流运动很旺盛, 下层空气大量涌向高空, 在高空大量堆积后又向外扩散, 地面所承受的空气重量大量减少, 大气压降得很低, 四周空气涌来流向低压区, 就刮起大风 (风:空气的水平流动) 。此外, 冰雹云的前部空气温度高, 密度小, 气压低;后部空气温度低, 密度大, 气压高。前后大气压差高, 空气流动快。因此, 云中形成强大的下沉气流, 故降雹前经常要刮大风。

7 人工防雹措施

防雹就是干扰和破坏冰雹的形成。利用三七高炮或火箭将碘化银粉末与炸药或红磷的混合物送入冰雹云层爆炸, 产生很强的冲击波和声波, 由于冲击波振动, 促使云中水珠相互碰撞, 小水珠合并成大水珠, 成为雨降落到地面;冲击波和声波干扰和破坏过冷水珠的存在, 影响过冷水珠的数量和大小, 防止冰雹的生成。人工防雹就是利用一个或多个炮点在上一级防雹部门指导下独立或联合作业, 通过炮击云头、云腰、云和并部、猛打回头云等, 利用声波和冲击波使大冰雹变成小冰雹;冰雹变成软冰雹或霰, 有效地减轻冰雹对人类的危害。

参考文献

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形成原理及特性 篇2

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，又常称为激光焊机、镭射焊机，按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动焊接机）、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机，光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。

一、激光焊接机的主要特性

20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。

高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。

激光焊接与其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是：

1、速度快、深度大、变形小。

2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。

3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。

4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。

5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。

6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。

7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件

二、激光焊接机的种类

激光焊接机又常称为激光焊机、雷射焊接机、镭射焊机、激光冷焊机、激光氩焊机、激光焊接设备等。按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动激光焊接设备）、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机、振镜焊接机、手持式焊接机等，专用激光焊接设备有传感器焊机、矽钢片激光焊接设备、键盘激光焊接设备。

三、激光焊接机的工作原理

形成原理及特性 篇3

关键词：ZL聚苯颗粒保温材料

0引言

zL聚苯颗粒复合聚氨酯保温材料是指将聚苯乙烯材料、废聚脂材料、粉煤灰等废弃物通过物化或化学回收方法，将其改造成保温建筑材料。zL料中加入的纤维，使保温层材料受到的变形应力得到分散和消解。采用发泡与稳泡技术和有机材料包覆无机材料的微量材料预分散技术，增强了材料的湿操作性和干稳定性。ZL聚苯颗粒复合聚氨酯保温材料促进资源节约综合利用和环境保护技术进步，加快新技术的推广应用，引导投资方向。

1适用范围

zL聚苯颗粒保温材料外保温工法适用于多层及高层建筑的钢筋混凝土、加气混凝土、砌块、烧结砖和非烧结砖等的外墙保温工程。也适用于混凝土复合聚苯板(有网或无网)现场浇注成型的外保温工程及各类既有建筑的节能改造工程。

2工法特点

2.1zL聚苯颖粒保温材料外墙外保温体系的构造设计采用外层变形量高于内层的变形量，各层弹性模量变化指标匹配，逐层渐变的理念。满足允许变形，诱导变形的技术路线，遵循允许变形与限制变形相统一的原则，各材料之间能分散和消解变形应力，通过增强纤维改变应力传递方向，使系统具有良好的保温隔热、抗裂、抗变形、抗渗等综合性能。

2.2聚苯颗粒保温层。聚苯颗粒具有容重轻、导热系数小的良好保温性能，颗料本身具有一定弹性，在ZL保温料的包裹下形成具有一定强度的亚弹性体，可以减少受外界自然条件影响产生的膨胀、收缩变形。

2.3抗裂砂浆复合耐碱涂塑玻璃纤维网格布防护层。水泥抗裂砂浆和含锆耐碱性好的增强玻纤网格布形成一层能适应墙体的变形、避免产生裂缝的防护层。其中网格布经纬向抗拉强度一致，所受变形应力均匀向四面分散，增强砂浆的抗拉性能；抗裂砂浆的软化系数高，耐水性好，耐冻融、耐候性好；与基层适应性强，整体性好，千缩率低；干燥快，施工方便；耐火等级高。

2.4高弹底涂耐水抗渗层。采用zL高分子乳液弹性底层涂料涂刷在防护层表面，形成一层具有憎水、透气、高弹涂层，使保温层既有很好的防雨功能，又能排出保温层的水分，呼吸功能强。

2.5饰面层。采用涂料、面砖、干挂石材等多种饰面材料，在保温体系的最外层形成饰面层，不同的材料性能，起不同的保护、装饰等效果。

3ZL聚苯颗粒保温材料的施工特性分析

3.1特点和原理

3.1.1该屋面保温材料为预混合型干拌砂浆以复合硅酸盐为主要胶凝材料，掺入适当的抗裂纤维及各种外加剂；以聚苯板粉碎颗粒为轻骨料，按配比包装，在现场加水搅拌均匀即可使用，施工十分方便，且保证配比准确。

3.1.2该材料采用现场成型抹灰工艺，材料和易性好，易操作，施工效率高，材料成型后，整体性能好。避免了块材保温、接缝易开裂的弊病，且在女儿墙角、通风口底角处，施工简便，无需裁板做特别处理，施工工艺简单，施工质量好，不仅可用于普通平屋面、斜屋面的隔热保温，而且特别适于建筑造型复杂的各种屋面保温。

3施工准备

3.2.1作业条件①屋面结构工程施工完毕，验收合格。②屋面上各种预留孔洞、烟道洞口、风道洞口应提前施工完毕，各种伸出或穿过屋面的管道及设备应用细石砼提前塞实、固定。③屋面杂物清理、运走、基层打扫干净。④屋面保温层施工温度应在5℃以上，雨天不宜施工。

3.2.2材料准备及材料配制①水泥：焦渣=1:6(体积比)：焦渣应事先浇水闷透，闷水时间不少于5天。搅拌时先将水泥、焦渣按配比搅拌均匀《约1分钟左右)，然后加适量水，湿搅(1～2分钟)，使水泥浆分布均匀，干硬程度以便于滚压密实为准。②zL混凝土界面剂：水泥：中砂=1:1:1(重量比)。③ZL屋面保温料：聚苯颗粒轻骨料：水：1:1:50kg c按包装装)。④找平层水泥砂浆为1:2.5或1:3(体积比)，稠度控制在7cm—9cm左右。

3.2.3工具、机具准备施工用垂直运输设备、砂浆搅拌机(200~325L)、手推车、水桶、平锹、木杠、钢卷尺、墨线盒及常用抹灰工具、压辊。

3.3施工工艺流程基层清理及处理——沿女儿墙内侧粘贴聚苯板，弹厚度线、坡度线——铺抹保温膏料(干燥约七天)(检验)——铺设水泥焦渣找坡(检验)——抹水泥砂浆找平层——浇水养护或涂刷水泥砂浆养护液(干燥验收)——防水层施工

4ZL聚苯颖粒保温材料解决保温墙面裂缝的原理

4.1zL聚苯颗粒保温材料的防裂机理

4.1.1保温层的防裂构造机理保温层是由保温料与聚苯颗粒轻骨料和水按配比混拌成塑性良好的膏状材料，喷抹于墙体，干燥后形成保温层。

保温层采用了现代化复合技术，在保温粘接料中精选加入了美国、德国、台湾及国产的高分子材料，通过大分子互穿技术使材料的粘稠性增强；采用纤维抗裂技术，不同弹性模量的纤维复合在一起使其均匀分布，同时还采用了发泡与稳泡技术有机材料包覆无机材料的微量材料预分散技术，增强了材料的稳定性。

4·1.2抗裂防护层的防裂构造机理主要是在保温层的基础上作水泥抗裂砂浆层并复合玻纤网格布，使该防面层能够承受基层产生的变形应力，增强了罩面的抗裂能力。

抗裂防护材料要满足基层变形，防保层的材料考虑了以下因素：保温层密度低，内含气体比例高。受温度和湿度变化影响，保温层外型尺寸不稳定；面层防护材料要满足基层变形，防护层的不同材料考虑变形指标的同步：面层材料还应具有良好的耐冲击性。材质耐候年限要与结构寿命同步。

4.2ZL抗裂防护面层的材料及特点如下：

4.2.1ZL柔性抗裂砂浆水泥抗裂砂浆主要由特种弹性乳液厦相关助剂组成，使用时与普通425#水泥、砂按1:1:3搅拌后使用。弹性乳液的使用改变了水泥易开裂的弱点，增添了柔性变形的新性能，同时这种砂浆也配有不问长度、不同弹性模量的纤维用以控制弹性砂浆的变形量，使其性能得以稳定。

4.2.2耐碱镀塑玻纤网布该网布是抗裂的主妻芋段，其主要成分为含锆元素的玻璃纤维，耐碱性能好，经纬向的抗拉强度一致，能使所受的变形应力均匀向四面分散，能承受外力碰撞造成的更大破坏变形，既限制沿网布方向变形的同时取得了垂直网布方向的最大变形量，提高了防护层的抗冲击能力。

4.2.3抗裂耐水腻子在工程实践观察中发现，强度高的腻子在室内温度变化大时，保温层上的裂缝是不可避免的，在弹性水泥沙浆复合玻纤网布的基层上也会发生腻子层开裂的现象，这是因为面层腻子的变形能力往往被人们所忽视。

形成原理及特性 篇4

尽管目前有不少关于石墨烯材料制备与应用等方面的综述, 但对于石墨烯制备方法的基本原理却较少进行系统深入的归纳和总结。材料的制备是研究其性能和探索其应用的前提, 材料的性能、结构与其制备方法和原理密切相关, 材料性能的提高往往伴随着对制备方法的改进、创新, 对其制备原理的深入研究、系统总结有助于该门学科的进一步发展。本文将对石墨烯制备的方法及其相应的原理和其研究进展进行较系统的归纳和总结。

1 石墨烯制备的方法、特性及基本原理

1.1 微机械分离法

2004年, 英国曼彻斯特大学Geim课题组首次用微机械分离法, 成功地从高定向热裂解石墨 (HOPG) 上剥离并观测到单层石墨烯[7]。他们首先将HOPG表面用氧等离子刻蚀微槽, 并用光刻胶将其转移到玻璃衬底上, 随后用透镜胶带反复撕揭, HOPG厚度逐步降低, 会有些很薄的片层留在衬底上, 其中包括单层石墨烯;再将贴有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中超声处理, 之后在溶液中放入单晶硅片, 单层石墨烯会在范德华力作用下吸附在硅片表面。

微机械分离法的基本原理在于使用机械作用力来克服石墨层间的范德华力, 从而使石墨烯得到分离, 最终得到一小部分的单层石墨烯。该法采用机械力来分离已知的最薄材料, 要求炭材料前驱体必须要有良好的解理性。

该方法后来的研究进展主要体现在制备方法有所简化, 如直接使用胶带揭下一层HOPG石墨, 通过胶带间反复粘贴, 使石墨片层变薄, 最终会出现包含单层石墨烯的片层, 单层石墨烯通过胶带转移到衬底上。同时出现了许多新的机械方法, 如机械压力法、滚动摩擦法等, 然而其基本原理都没有超出利用机械外力及借助转移技术把得到的石墨烯分离到特定的衬底上的范围。

机械分离法制备单层石墨烯的最大优点在于工艺简单、样品的质量高, 但是产量、产率低, 不可控, 不能实现石墨烯的大面积和规模化制备, 因此, 该法最大的贡献在于首次用实验证明了二维石墨烯是可以独立存在的, 此外该法制备的石墨烯质量较好, 可用于对石墨烯本征物性的研究[8,9]。

1.2 外延生长法

外延生长法是指利用晶格匹配, 在一个晶体结构上生长出另一种晶体的方法。根据所选择的基底种类, 外延法可以分为SiC外延生长法和金属表面外延生长法。

1.2.1 SiC外延生长法

将SiC单晶片经过氧化或H2刻蚀处理, 再置于超高真空和高温环境下, 利用电子束轰击SiC单晶片, 除去其表面氧化物;再在高温条件下将其表面层中的Si原子蒸发, 使表面剩余的碳原子发生重构, 即可在SiC单晶片表面外延生长石墨烯。

SiC外延生长法本质上就是一种碳原子的重构化学反应, 即以SiC单晶为前驱体, 通过超高真空高温加热使其脱除Si, 剩下的碳原子重构生成石墨烯片层。通过对其工艺参数进行调控, 利用SiC外延法还可实现单层和多层石墨烯的可控制备[10,11]。

1.2.2 金属表面外延法

首先金属表面外延法采用的金属基底材料必须是与石墨烯晶格相匹配的金属单晶, 如Ru (0001) 、Ni (111) 、Ir (111) 等, 在高真空环境中, 加热裂解含碳化合物前驱体, 热裂解产生的碳原子在单晶金属表面沉积排列生成石墨烯。该方法最大的优点是通过设计、调控和优化反应条件及制备工艺参数, 可以得到大面积、均匀铺满金属基底的高质量几乎无缺陷的石墨烯。

金属表面外延法其实质就是一种热解碳在金属单晶表面的重构反应。其基本生长机理为:在高真空或H2气氛条件下, 碳前驱体热裂解生成热解碳, 由于C和金属的亲和力比Si、N、H和O等元素的高, 因而Si和H等元素在高温下脱离金属表面, 而溶解在金属表面中的C则在其表面析出结晶, 由于基底金属的晶格与石墨烯的晶格相匹配, 结晶C发生重构反应生长出石墨烯。

外延法是最有可能获得大面积、高质量石墨烯的制备方法, 所制备的石墨烯不仅具有良好的均一性, 而且能与当前的集成电路很好地兼容[12]。近年我国加大了对该法的基础研究, 取得了一些重要成果, 如中科院大连物理化学研究所及物理所利用该法都成功制备出高质量的单层石墨烯[13,14]。

外延生长法的一个重要特点就是制备的石墨烯的结构及电子特性与石墨烯和基体间的界面有关, 因此, 进一步控制其生长机理和界面效应, 可以控制所制备石墨烯的层数, 该方法可望在工业规模上生产出集成电路用石墨烯。但是, 由于该方法的制备条件苛刻, 如高温、超高真空和使用单晶基体等, 将会限制其在集成电路以外的其他大规模应用[15]。

1.3 化学气相沉积 (CVD) 法

CVD法是以甲烷等含碳化合物为前驱体, 使其在金属基体表面发生高温分解生成热解碳, 通过控制制备反应条件, 热解碳经过成核、重排而生长形成石墨烯。按生长机理的不同主要分为两种[16]: (1) 渗碳析碳机制, 对于镍等具有较高溶碳量的金属基体, 碳前驱体裂解产生的热解碳原子在高温时渗入金属基体内, 在降温时再从其内部析出成核, 进而生长成石墨烯; (2) 表面生长机制, 对于铜等具有较低溶碳量的金属基体, 高温下气态前驱体裂解生成的碳原子吸附于金属表面, 进而成核生长成“石墨烯岛”, 随着“石墨烯岛”数量的增加和面积的不断扩大, 最终在二维层面上合并形成连续的石墨烯薄膜。CVD法制备过程简单, 所得石墨烯质量很高, 可实现大面积生长, 而且较易于转移到各种基体上, 该方法现在被广泛用于制备石墨烯晶体管和透明导电薄膜, 目前已逐渐成为制备高质量石墨烯的重要方法。

从CVD制备石墨烯的过程及生长机理上, 可以看出石墨烯的质量主要受碳前驱体、生长基体和生长条件 (气压、载气、温度等) 3个方面的影响[17,18,19,20]。

石墨烯的CVD法制备最早采用多晶Ni膜作为生长基体[21], 制备出的石墨烯质量不高, 主要存在如下问题:晶粒尺寸小, 层数不均一, 在晶界处石墨烯较厚, 石墨烯呈无序堆叠且表面含有大量褶皱。

为克服采用Ni膜基体的上述缺点, 美国德州大学Ruoff课题组以Cu箔为生长基体, 制备出大面积石墨烯 (尺寸达到了厘米级) , 且石墨烯的质量很高, 其中单层石墨烯的含量达95%以上, 其余的也不超过3层[19]。中科院金属研究所的成会明课题组和美国麻省理工学院的Kong课题组发明了以铜箔为基体的常压CVD法, 所制备的石墨烯薄膜具有优异的透光率和导电率[22,23]。

为进一步加深对该方法的认识, 美国阿贡国家实验室的Guisinger课题组采用Cu (111) 单晶为基体, 制备出石墨烯并对其生长机理及过程进行了深入的研究[24]。该研究表明:在Cu (111) 单晶基体上出现大量形核及离散的单晶“石墨烯岛”, 这些“石墨烯岛”在二维晶面上不断生长, 并最终相互连接成连续的石墨烯薄膜。该研究还首次证明了形核在Cu单晶上的“石墨烯岛”具有不同的晶体取向, 会导致片层的结合处形成线缺陷。该理论研究结果对于改进制备方法以减少晶界缺陷和增大单晶“石墨烯岛”的尺寸, 进而最终提高石墨烯的质量具有十分重要的意义。

石墨烯的CVD制备方法研究时间并不长, 但发展迅速, 这主要归功于相关科技工作者对石墨烯生长机理的研究有比较深入的认识, 通过对制备工艺、参数的优化, 来减少石墨烯的缺陷, 提高石墨烯的质量。目前CVD法的生长机理有渗碳析碳机制和表面生长机制, 此两项机制的提出大大加深了研究者对CVD法生长机理的认识, 对相关研究起着重要的指导作用, 但这两项机理只是大致涉及石墨烯形成的主要过程和步骤, 没有在分子水平上解释裂解碳如何形成石墨烯的核心问题。利用各种手段探索沉积的碳原子在金属基体表面成键形成石墨烯的过程, 从分子水平上揭示碳原子沉积、成键、成核、排列及生长的热力学和动力学规律, 必将大大提升CVD法石墨烯的制备水平。

1.4 氧化石墨还原法

氧化石墨还原法制备石墨烯是迄今最广泛使用的一种制备石墨烯的方法。如图1所示, 先通过将鳞片石墨氧化得到氧化石墨, 氧化石墨层之间发生剥离, 再经过各种还原方法还原除去各种含氧基团, 最终得到石墨烯[25]。

氧化石墨通过石墨氧化插入了环氧基、氢氧基等含氧基团, 层边缘含有羧基等基团, 因此其层间范德华力大大减小, 在水等极性溶液中很容易剥离离解, 通过在溶液中使用化学还原或快速加热等方式还原制备出石墨烯。

氧化石墨的还原方法有化学还原、热膨胀还原、电化学还原、辐照还原等[26,27]。化学还原是使用化学还原剂还原的方法, 是一种最常用的还原方法, 早期使用的还原剂有肼、硼氢化钠、对苯二酚等[28], 并且常常需要在较高温度条件下进行, 这些还原剂对人和环境都有一定的危害, 为此, 不少研究者致力于开发环境友好的还原方法, 使用了醇类、维生素C及多巴胺等毒性小或无毒性的还原剂, 并且还原反应可在室温下进行[29]。

热膨胀还原是利用氧化石墨在快速加热条件下, 层间的含氧基团、氢氧基团等含氧官能团发生分解反应生成CO2、H2O等小分子, 因此石墨烯层间受到的气体的压力大大增加, 当其压力大于层间范德华力时, 就会使石墨烯层发生剥离、离解, 最终得到石墨烯, 该法生成的大部分是单层的石墨烯[30,31]。

电化学还原法是在恒定电势下, 通过控制电流、电压和还原时间等条件将电极上的氧化石墨逐步还原, 通过还原氧化石墨中的含氧基团被去除, 得到大小和厚度可控的石墨膜[32]。其他还原方法还有氢等离子或辐照技术还原、等离子体法还原、微波还原、紫外光还原等[33]。

氧化石墨还原法作为一种低成本、可实现石墨烯批量生产的方法, 受到相关科技工作者的高度重视, 从刚开始使用肼、硼氢化钠等有毒试剂, 到采用醇类、维生素C等环境友好型还原剂, 发展到热还原、电化学还原等环保型还原方式, 所制备的石墨烯质量也有较大提高, 其应用范围也不断扩大。但是氧化石墨还原法制备的石墨烯也存在一定缺陷, 因为在制备氧化石墨烯的过程中, 石墨的C-C键断裂, 共轭结构遭到破坏, 以至于氧化石墨烯为绝缘体。还原过程是对石墨烯网状结构的修复, 使之脱氧实现石墨化。该法得到的石墨烯往往具有结构缺陷, 不能充分显示石墨烯优异的化学和物理性能。因此该方法今后的重点发展方向是通过对相关机理的深入探索, 优化反应条件和选择合适的还原剂或还原方式, 最大程度降低氧化所造成的石墨烯结构缺陷, 恢复其共轭结构, 从而大幅度提高其性能。

1.5 溶剂热法

溶剂热法的基本原理:将反应物按一定比例加入溶剂, 因溶剂在高于临界温度和临界压力下能够溶解绝大多数物质的性质, 可以使常规条件下不能发生的反应在高压釜中能够以较低的温度进行或加速进行。

2008年Shen等利用二茂铁和二硫化碳的溶剂热反应, 合成了具有花状结构的石墨烯, 这种卷曲状的石墨烯可望在复合材料方面具有广阔的应用前景[34]。Stride课题组以常规试剂乙醇和金属钠反应得到的热溶产物为前驱体, 经低温下快速热解, 再进行超声处理, 得到了产量达到克量级的单层石墨烯[35]。

溶剂热法具有过程相对简单、容易控制、反应温度低、不需要催化剂、产率高等优点。但是对于该法需要加强相关理论的研究, 特别是对其反应生成热解碳及形成石墨烯的机理, 包括相关的动力学及热力学的研究, 目前尚未涉及。只有在这些方面的研究取得突破, 才能对石墨烯制备起着重要的理论指导作用, 从而大大提高其制备水平。

2 其他制备方法

2.1 剥离-插层-膨胀法

剥离-插层-膨胀法最早于2008年由Dai等发明, 其基本原理在于先将小分子 (如发烟H2SO4) 插入石墨层间, 然后在DMF溶液中插入TAB有机分子, 最后加入稳定剂, 通过超声处理后石墨被完全剥离形成稳定的石墨烯溶液[36]。此法合成的石墨烯具有很高的透明度, 在低温下具有优异的导电性, 且90%以上为单层石墨烯。

剥离-插层-膨胀法原理明晰、过程简单, 是石墨烯制备的一种重要方法。目前对于该法的研究急需解决的问题是在实验条件下如何尽量降低石墨烯的结构缺陷, 提高石墨烯的晶体质量和增强石墨烯分散液的稳定性等。

2.2 有机合成法

有机合成法是以具有芳香特性的小分子为反应原料, 通过分子设计和合成条件的控制, 合成出石墨烯的方法, 是一种可控石墨烯的重要制备方法。其制备机理是通过具有特定结构的芳香有机小分子, 通过使其发生偶合反应, 生成苯环结构的中间体, 再在催化剂作用下发生环化及脱氢反应, 从而得到尺寸较大的石墨烯[37]。

有机合成法的优点是可以通过分子设计, 进而实现对石墨烯结构和性能的精确控制。但该法反应步骤多, 反应时间长, 脱氢效率不高且会造成环境污染。目前有关该法的研究主要集中在如何优化条件进一步增大石墨烯尺寸及提高石墨烯的产量和质量。

2.3 电化学法

电化学法是在恒电动势条件下, 以高纯石墨棒为电极, 通过电解离子液体从而获得石墨烯材料的一种方法。其形成机理为:通过电解阴极的高纯石墨部分剥离, 沉积到阳极上, 剥离的石墨烯在电解液中有离子的保护作用, 能够被阻止重新聚集形成石墨, 因而在某些溶剂中能够得到完全剥离的石墨烯[38]。

电化学法可以一步制备出功能化的石墨烯, 但制备的石墨烯片层较厚且含氧量较高。

2.4 碳纳米管转换法

碳纳米管转换法是利用蚀刻技术将纳米管切开, 从而制造出石墨烯带的一种方法, 其制备原理如图2所示。该法最早是由Dai课题组发明的, 利用半导体工业的蚀刻技术, 将碳纳米管粘附到一个聚合物薄膜上, 并用经过电离的氩气来蚀刻每个纳米管的每一个条带, 得到的石墨烯带的宽度仅为10~20nm[39]。

碳纳米管转换法的优点是能制备出层数可控、边缘光滑的石墨烯, 但是该方法对实验仪器及实验操作要求较高, 这在很大程度上限制了其应用。

2.5 液相剥离法

液相剥离法是利用与石墨烯表面能相匹配的有机溶剂来剥离、分散石墨烯的一种方法。将石墨或石墨层间化合物在具有匹配表面能的有机溶剂中进行超声剥离与分散, 由于有机溶剂和石墨烯表面能相匹配, 石墨烯片层能够逐渐剥离出来形成悬浊液, 再将得到的悬浊液分离即可获得石墨烯[40]。

液相剥离法是一种不需经过氧化过程而能够大量得到无缺陷石墨烯的方法, 但合成产率低, 得到的石墨烯大部分不是单层的石墨烯。

2.6 原位自生模板法

原位自生模板法一般以含有丰富极性基团的聚合物为碳源, 通过与Fe2+的充分作用而形成致密的层状络合结构, 再低温热解原位形成渗碳铁、碳层和铁层, 进一步热处理即可获得石墨烯[41]。

原位自生模板法可以通过控制碳源极性基团的种类和数量以及其与Fe2+的络合作用程度而实现低缺陷、高导电性石墨烯的制备。

3 展望

目前石墨烯制备存在的最大瓶颈就是其高质量和大批量的制备两者不可兼得, 这是由于对各种制备方法的形成机理还研究得不够深入, 因而对相关制备的指导作用就显得十分有限。尽管研究者对各种制备方法形成石墨烯的机理也进行了研究, 提出了各自的形成机制, 但这些机制大都是从宏观上来说明, 是初步的, 对各种石墨烯碳原子形成的分子动力学和热力学却鲜有涉及。为进一步深入研究各制备方法形成石墨烯的机理, 需要加强从分子、原子层面的微观研究, 倡导多学科协作、交叉研究, 从多方面、多角度研究裂解碳原子的形成、沉积生长形成石墨烯的热力学和动力学问题, 利用计算机计算、模拟研究石墨烯形成的各中间体状态、结构及成键情况, 为相关研究提供热力学和动力学数据, 从原子和分子水平上提高对石墨烯形成机理的认识;同时相关部门还要从思想上予以高度重视, 引导各类基金向这类研究倾斜, 加大相关研究的资金资助力度, 为课题的研究提供充足的财力支持。

摘要：石墨烯具有独特的结构和优异的物理、化学性质, 石墨烯材料的研究已成为相关研究领域的前沿和热点。石墨烯的质量、产量及应用与石墨烯的制备方法密切相关, 当前石墨烯研究的最大瓶颈是石墨烯的大批量及高质量制备不能两者兼顾, 其根源在于对各制备方法的基本原理还欠深入研究。介绍了石墨烯的各种制备方法及其相关的基本原理和特性, 着重介绍了制备过程中石墨烯分离、形核和生长、还原的基本过程、步骤和机理, 并展望了今后石墨烯制备的基本原理及相关研究的前景和发展趋势。

形成原理及特性 篇5

绝缘电阻就是在绝缘材料上加一个直流电压, 加电很长时间以后线路上的充电电流、极化电流完全消失后, 只剩单纯导电电流下的电阻值。根据这一原理, 将绝缘材料两端加一个恒定的直流电压, 再将流过绝缘材料内部的导电性电流测量出来, 根据欧姆定律即可计算出绝缘电阻值。测量不同的绝缘材料, 在加同样恒定的直流电压的情况下, 测得的导电性电流也不一样, 把导电性电流的变化值换算成绝缘电阻值, 点化在电流表的表盘上, 这样就得到了一个直读式兆欧表, 这个过程就是兆欧表的制作原理。由于固体绝缘材料的自由电子极少, 只有在强电场的作用下, 自由电子的导电性能才较为明显, 导电性电流也才能变大以便测量, 因此要求兆欧表的测量输出电压比较高。通信电缆一般使用输出电压为250V和500V的兆欧表。测量电缆全程绝缘电阻时用250V兆欧表, 这是因为各通信保安设备放电管的放电电压为380V, 如果用500V兆欧表测量, 容易因放电管放电而造成测量误差。测量电缆芯线时用500V兆欧表。电力电缆因涉及到人身安全问题, 对电缆的绝缘性能要求比较高, 一般使用输出电压为1 000V甚至2 500V的兆欧表。通信电缆不能使用这两种兆欧表进行测量, 否侧高电压会击穿电缆绝缘层, 造成电缆的绝缘性能下降。

万用表的欧姆档也能测量电阻, 但不能用来测量电缆的绝缘电阻。因为万用表的最大输出电压只有15V, 在低电压下测得的电阻值不能反映高压作用下绝缘材料的绝缘电阻值。因此在实际测量工作中不能用万用表来取代兆欧表。

兆欧表属国家强制检定工作计量器具目录内的仪表, 因此测量使用的仪表必须经县级以上人民政府计量行政部门所属或者授权的计量检定机构检定合格, 并在检定使用周期内方可使用。兆欧表的检定周期一般为两年。在两年的工作时间内, 仪表在使用和存放过程中可能有损坏现象发生, 因此在使用前应该对仪表进行如下自检, 自检合格后方可使用。

1) 开路∞检查:使用前首先清洁仪表端子表面的尘土和污垢, 在不接测量导线的情况下, 匀速摇动仪表摇把, 使其保持每分钟120转左右。指针应指在∞的位置, 不得偏离标度线的中心位置±1mm;2) 短路零位检查:将兆欧表的线路端钮L与接地端钮E短接, 先缓慢摇动摇把, 指针是否缓慢回零, 并检查指针在移动过程中是否有卡针现象。然后匀速摇动摇把, 使其保持每分钟120转左右, 指针应指在零刻度线上, 不得偏离标度线的中心位置±1mm。

经过以上自检才能保证兆欧表的工作性能是正常的, 否则须送相关计量检定部门修理检定后才能使用。使用兆欧表测量电器设备的绝缘电阻时, 须在设备不带电的情况下才能进行测量。为此, 测量之前须先将电源切断并进行短路接地放电。放电的目的是为了保护人身和设备的安全及获得准确的测量结果。测量通信电缆的绝缘电阻时应断开电缆的终端设备, 并将电缆的芯线和金属护套接地放电, 以保证测量过程中没有感应电流的干扰。本人去年做过一个小试验, 一条地区电缆因长时间受外界恶劣环境影响, 电缆的绝缘性能受到严重破坏, 芯线的通话质量非常差, 线内杂音很大。断开电缆两端的通信设备并将电缆的芯线接地放电后, 不到半个小时的时间内, 芯线的感应电流很快达到200m A左右。因此, 在测量电缆芯线对地绝缘电阻时, 先将被测电缆芯线及电缆金属护套接地放电, 然后将被测芯线接至兆欧表的线路端钮L上, 接地端钮E接电缆的金属护套并接地。测量两线间绝缘电阻时, 两条芯线分别接至L端钮和E端钮上。

兆欧表的工作位置为水平, 使用时应放置在水平位置, 轻拿轻放。因为兆欧表的表头为流比计结构, 磕碰容易造成表头转动部分的摩擦误差变大, 更甚者会使转动部分的轴尖脱离轴承, 造成仪表的损坏不能使用。测量用的导线应绝缘良好, 不能使用绞线或者使两线相互交叉使用。测量时应匀速摇动仪表摇把, 使其保持每分钟120转左右, 切忌忽快忽慢, 造成输出电压不稳而带来测量误差。由于绝缘材料受充电电流和吸收电流的影响, 绝缘电阻随测量时间的长短而有所差异, 一般以大于15s的读书为准。因兆欧表的测量输出电压比较高, 在兆欧表没有停止摇动和设备没有对地放电之前, 不要用手接触接线端钮, 以免触电。兆欧表虽然使用简单, 但实际使用过程中不掌握兆欧表的特性及正确的使用方法, 往往会使兆欧表损坏或者测得的结果与实际情况不符。一个不正确的数据往往比没有测量还要误事, 因此一定要正确的使用兆欧表, 保证测量数据的准确可靠。只有得到正确的测量数据, 才能保证设备和人生的安全, 才能达到测量的目的。

摘要：为保证通信电缆的通信质量, 应定期对电缆的直流特性进行测试, 兆欧表是测量电缆直流特性的常用仪表。本文从绝缘材料的特点、绝缘电阻的形成及兆欧表工作原理来阐述如何正确的使用兆欧表来测量通信电缆的直流特性。

关键词：绝缘材料,绝缘电阻,兆欧表,直流特性

参考文献

[1]黄盛洁, 黄为民.中华人民共和国国家计量检定规程绝缘电阻表JJG622——1997[M].中国计量出版社, 2007, 7.

[2]傅恒昌, 周起鸿, 王志勤, 等.光、电缆维修及工程施工[M].中国铁道出版社, 2000, 7.

[3]马芳, 姜永富, 闫永利, 等.铁路有线通信维护暂行规则[M].中国铁道出版社, 2010, 10.

[4]王彦春, 冯双洲, 左荣森, 等.铁路计量技术与管理[M].中国铁道出版社, 2010, 7.

形成原理及特性 篇6

1 555定时器的内部电路结构

集成定时器555由电阻分压器、电压比较器、基本R-S触发器、放电三极管和输出缓冲器五部分组成。定时器的功能主要取决于比较器C1和C2, 由它们的输出直接控制基本R-S触发器的状态和放电三极管T的状态, 从而决定整个电路的输出状态。

1) 电阻分压器:由3个阻值均为5kΩ的电阻串联构成分压器, 为电压比较器C1和C2提供参考电压UR1、UR2。为了防止干扰, 当不外加控制电压时, CO端一般通过一个小电容 (如0.01μF) 接地, 以旁路高频干扰。

2) 电压比较器C1和C2:电压比较器C1和C2是两个结构完全相同的理想运算放大器。当运算放大器的同相输入U+大于反相输入U-时, 其输出为高电平1信号;而当U+小于U-时, 其输出为低电平0信号。

3) 基本R-S触发器:两个与非门G1和G2构成了低电平触发的基本R-S触发器。触发器输入信号R、S为比较器C1、C2的输出, 触发器Q端状态为电路输出端OUT的状态, 触发器Q端状态控制放电三极管T的导通与截止。当外部复位信号RD为0 (低电平) 时, 可使Uo=0, 定时器输出直接复位。

4) 放电三极管T:放电三极管T构成泄放电路, T的集电极用输出端D表示。如果将D端经过一个外接电阻接至电源, 即可组成一个反相器。当Q=0 (Q=1) 时, T导通, D端输出为低电平0;当Q=1 (Q=0) 时, T截止, D端输出为高电平1。

5) 输出缓冲器:输出缓冲器G3的作用是提高负载能力, 并隔离负载对定时器的影响。

6) 外引线端功能:

管脚1 (GND) :接地参考端;

管脚2 (TL) :低电平触发端, 由此输入外触发脉冲。当2端的输入电压高于VCC时, C2的输出为1;当输入电压低于VCC时, C2的输出为0, 使基本RS触发器置1。

管脚3 (OUT) :输出端, 输出电流可达200m A, 因此可直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等。输出高电压低于电源电压VCC约1~3V。

管脚4:复位端, 由此输入负脉冲, 触发器直接复位成0。

管脚5 (CO) :电压控制端, 在此端可外加一电压以改变比较器的参考电压。为防止干扰的引入, 不用时应经电容 (0.01u F) 接地。

管脚6 (TH) :高电平触发端, 由此输入外触发脉冲。当6端的输入电压低于VCC时, C1的输出为1;当输入电压高于VCC时, C1的输出为0, 使基本RS触发器复位成0。

管脚7 (D) :放电端, 受控于RS触发器的端, 当=0时, T截止;当=1时, T导通, 若7脚外接电容C, 则该电容可通过三极管T放电。

管脚8 (VCC) :电源端, 可在4.5~18V范围内使用。

2 重复式定时电路

这是一种用555时基集成电路构成的重复式定时电路。它能使被控电器重复地定时工作和停止。此重复式定时电路的电路原理图由IC555与RP1、R1、RP2、R2、VD1、VD2及C1等组成了一个无稳态电路, 其输出端 (第3脚) 的高低电平转换时间由电容器C1的充放电时间决定, 这个时间即分别是被控电器的开启和关闭时间。由此可见, 只要调整电容C1的充电和放电时间, 即可达到调整被控电器的开启和关闭时间的目的。在此电路中, 为了使电容C1的充电和放电时间能单独调整而互不影响, 故加入了二极管VD1和VD2。

电路的工作过程简述如下:在合上开关SA后, 220V交流电压经C5和R4 (C5的放电电阻) 降压和VD4、VD5整流及VD6、R3、C3、C4稳压滤波后给IC555提供一个较为稳定的直流电压。在刚合上SA时, 因电容C1两端的电压为零且不能突变, 故此时IC的 (2) 、 (6) 脚为低电平, (3) 脚输出高电平, 继电器K吸合, 插座XB得电, 被控电器开始工作。与此同时, 因IC的 (3) 脚为高电平, 故其 (7) 脚也为高电平, 二极管VD1导通、VD2截止, 电源通过RP1和R1给C1充电, 充电速度由RP1调整。当C1上的电压充至2/3电源电压 (Ucc) 时, IC的 (2) 、 (6) 脚变为高电平, (3) 脚相应变为低电平, 继电器K1释放, 插座XB失电, 被控电器停止工作。与此同时, 因IC的 (3) 脚变为低电平, 故其 (7) 脚也将变为低电平, 二极管VD1截止、VD2导通, 电容C1通过R2、RP2放电, 放电速度由RP2调整。C1上的电压减至1/3电源电压时, IC的 (2) 、 (6) 脚又变为低电平, 整个电路又将重复上述的工作过程。

2.1 元件的选择

在该电路中, 集成电路IC可选用NE555、MA555、LM555、5C1555等时基电路;继电器K1可选用额定工作电压在9V-12V之间的中小功率继电器, 其触点功率的大小应根据被控电器的功率大小选定;稳压二极管VD6可选稳压值在12V左右的, 如2DW21等;电容器C5应选用耐压在400V以上的无极性电容器。其它元件无特殊要求。

2.2 安装与调试

除电位器RP1和RP2外, 其余元件均可安装在一块印制电路板上, 整个电路在安装完毕并检查确信无误后方可通电调试。

在电路通电后, 应首先把RP1和RP2调至阻值最小处 (阻值为零) , 此时继电器K应不断地吸合和释放, 其吸合和释放时间分别由R1和R2的阻值决定, 按图中所给的数值, 其吸合和释放时间约为5秒左右。如通电后, 继电器一直不吸合或吸会后一直不释放, 均说明电路存在故障, 此时可暂时把继电器和VD3与IC的3脚断开, 然后用万用表的电压档测3脚的电压, 看其是否在高电平 (约10V左右) 和低电平 (OV) 之间不断地变化。如变化, 则说明无稳态电路部分正常, 故障出在继电器K和保护二极管VD3上。如IC的3脚电压不变化 (一直为高或低) , 则说明无稳态电路部分有故障。

电路正常工作后, 即可在RP1和RP2的旋钮处进行时间标定, 最长定时工作和休止时间分别约为60分钟左右。

3 结语

利用555定时器和一些辅助电子元器件可以构各种时限范围的定时器。

参考文献

[1]谢佳奎主编.电子线路.高等教育出版社出版.

[2]郝鸿安, 徐红媛著.555集成电路实用大全.上海科普出版社出版.

形成原理及特性 篇7

脉冲阶梯调制技术起源于20世纪80年代的欧洲,是瑞士科学家研究的成果。脉冲阶梯调制发射机在之后的几次技术改进中成为了科技含量高、较为先进的中短波发射机,主要用于广播电视行业。从今天的国际广播电视事业来看,脉冲阶梯调制发射机已经得到了相当广泛的应用,可以说世界各国几乎都在使用脉冲阶梯调制发射机为广播事业服务。脉冲阶梯调制发射机的实用性、发射效率较高。整个发射机使用的是PSM技术,而高频系统与乙类板调及PDM发射机是一样的。

2 脉冲阶梯调制发射机的工作原理及特性研究

2.1 脉冲阶梯调制发射机的工作原理

脉冲阶梯调制发射机的工作原理,脉冲阶梯调制发射机与其他广播用发射机的不同在于调制器技术的不同。脉冲阶梯调制发射机的调制器系统主要由电源、开关放大器、滤波器等组成。其开关放大器是通过一组开关的串联形成的。这种发射机放大的特性是可以把板调发射机的高压直流电分散使用,经过多个电压的串联操作使调制发射机的电子管得到其需要的板压。以500kW的脉冲阶梯调制发射机来说,它就有32组875V的电压整流装置。在发射机载波情况下,通过16组串联操作的低压整流装置能够出现14kW的数据。在装置百分百调幅峰值上,能够通过上述两倍的低压整流装置的串联出现两倍于其的数据。在装置百分百调幅谷点上,可以让相关的低压整流装置不进行串联工作,出现零电压的数值。同时,可以对装置的电压进行改变,这就可以对载波情况下的串联电压进行改变。因为在这种情况下,整个一台脉冲阶梯调制发射机所受到的串联电压是固定的,被转换后的相关数字信号所操控。就是说,不论在什么情况下进行相关操作,都要保证开关工作数量符合装置工作所需要的电压。

通过上述操作能够取得一个与音频信号相似的阶梯电压波形,它可以通过低压滤波器的处理后进行原有声音再现,即显现出了原有的音频信号。

2.2 脉冲阶梯调制发射机的特性

笔者在上文中也有提到,脉冲阶梯调制发射机与其他广播用发射器的区别主要是调制器方面的技术不同。首先来说,整个发射机采用频带较宽的开关放大器,这里就存在着一个避免调谐的情况,这也就使整个系统需要调谐的相关级数数量变少。在发射机中,推动级的主要作用是阻隔,放大工作中的增益不高,因此是通过三极管放大系统组成的。这就能够产生相当平坦的负载环境给其宽放,并且在实际的短波发射工作中不需要再次均匀操作,这就给整个发射机带来了内部设计精简的作用。在发射机中使用高科技四极管的高末级放大器能够摆脱集成电路的使用,只需要简单的单边电路就可以正常进行工作,这就大大降低了对电子管的依赖,从数量上直接减少了电子管使用。在这其中有一点也需要注意,就是单边电路有不平稳的运行特征,因此,必须用平衡转换方式对其进行处理。

综上所述,人们不难看出脉冲阶梯调制发射机的很多特点特性。第一,发射机的稳固性性好,整个脉冲阶梯调制发射机仅有两个电子管,具有结构简单的特点。在发射机的维护中也非常便利,实用性强。第二,在发射机的正常工作下,整个发射机的工作效率能够达到接近80%的数值甚至更高,这是其他发射机所难以达到的。第三,整个发射机的科技含量较高,发送广播的声音质量高。在发射机中的一些零件(如部分开关放大器)损坏不能工作的情况下,发射机仍然能够顺利工作,进行广播工作。同时,脉冲阶梯调制发射机也有一些新技术出现,例如:浮动性的载波操控、单边广播等。在发射机工作负担过大时,发射机会自动监测工作功率,并进行相应的降低调整,保证发射机的正常使用。

3 结语

在当前我国经济社会大发展的现状下,广播电视行业也在寻求新发展。脉冲阶梯调制发射机作为广播事业的重要技术支持,需要被熟知、了解,不断对其进行研究和技术更新,才能促进发射机技术的不断进步,为广电广播事业的发展提供助力。

参考文献

[1]梁雯.脉冲阶梯调制发射机的工作原理及特性[J].电子制作,2015(16).

形成原理及特性 篇8

通信电缆在电特性上可看成是一个四端网络。而这一个四端网络又是由无数无限小的四端网络 (也就是无数无限小的电缆段) 串联组成的。由于回路导线上存在着均匀分布的电阻和电感, 回路导线间存在着均匀分布的电容和电导, 因此这些无限小的四端网络 (即无限小的电缆段) 的结构型式。

二、通信电缆的电性能测试

通信电缆出厂前需要进行通信电缆的电性能测试, 使用过程中也是需要随时测试的, 这样可以有效的减少故障的发生。通信电缆的电性能测试是指检验通信电缆电气性能和质量的各种试验, 包括导线直流电阻测试, 回路不平衡电阻测试, 绝缘电阻测试, 交直流耐电压测试, 工作电容测试等等。本文中探讨了通信电缆的电性能测试中电阻测试中使用到的原理和方法, 电容测试的测试方法, 以及兆欧表在通信电缆电性能测试中的运用。

三、电阻测试

首先是电阻测试, 它是检验电缆制造质量及设计增音段远距离供电系统的重要指标之一。通常我们会采用直流电桥法测试。值得注意的是, 在对称回路中, 两根导线的电阻值差值过大时, 会破坏回路间的平衡, 引起串音。

1、直流电桥法

直流电桥法是基于电缆线粗细均匀, 电缆长度与电阻成正比的特点。当电桥平衡时, 测量电桥本身两臂电阻 (比例臂电阻RM和可调测量臂电阻Ra) 。由测得电阻值 (RM、Ra) 和电缆全长L, 计算可得测量端到故障点的距离LX, 如图1所示。

2、有效电阻测试

电缆回路的有效电阻包括直流和通过交流电流时的附加电阻。

直流电阻R0=λ8000/d2

式中R0———直流电阻 (Ω/Km) ;d———导线直径 (mm) ;ρ———电阻系数 (Ω·mm2/m) ;λ———导线的总绞入率, 导线总绞入率为各次扭绞绞入率的乘积。

从上式可见, 直流电阻主要与导线材料的电阻系数和直径有关。

当温度不是20℃而是t℃时, 电缆回路的电阻Rt (Ω/Km) 可以用下式进行换算:

式中R20———温度为20℃时的导线电阻;a20———电阻温度系数 (20℃) 。

3、绝缘电阻

绝缘电阻测试是基于欧姆定律的.通过注入一个直流电压, 这个电压远低于介电强度测试的电压, 然后测量出电流, 就非常容易计算出电阻值了, 绝缘电阻测试仪.原则上, 绝缘电阻的阻值非常大, 但不是无限大, 所以通过测量低电流, 兆欧计可以显示绝缘电阻的阻值, 其结果通常是kΩ、MΩ、GΩ, 有些情况下甚至可以达到TΩ, 这个电阻值表示了两个导体之间的绝缘质量并且显示了漏电流的风险。绝缘电阻测量包括线间和单线对地 (金属屏蔽层) 的绝缘电阻。

(1) 用摇表测试芯线间的绝缘电阻

接线方法如图2所示。将兆欧表的L接线柱接一根芯线, E接线柱接至另一根芯线, G保护环接地, 测试时要把仪表放平, 然后开始摇动手摇发电机, 转速开始的时候不要太快, 然后逐渐加快, 等到表针稳定后即可直接读出绝缘电阻值。

(2) 用摇表测试对地的绝缘电阻

测试芯线对地绝缘电阻接线如图3。此时应将芯线与金属屏蔽层之间保持开路, L接线柱接至被测芯线, E接线柱接至金属屏蔽层, G保护环接至芯线绝缘层表面。通过模块型接线子和测试塞子, 可测试芯线与地之间的绝缘电阻, 测试方法与测试芯线间的绝缘电阻相似。

四、电容测试

电缆回路的电容与一般电容器的电容概念相似, 导线的表面相当于电容器的极板, 导线间的绝缘材料相当于电容器的介质, 其数值为导体的电量Q与两面三刀导体的电位差U的比值。

对称电缆回路工作电容C (F/km) 的计算公式为:

式中a———回路 (工作对) 两导线中心间的距离 (mm) ;d———导线直径 (mm) ;λ———总的绞入率;εD———组合绝缘介质的等效相对介电常数;Ψ———由于接地金属护层和邻近导线产生影响而引用的修正系数。

由于由于通信电缆绝缘介质的介电系数一般不随频率变化而变化, 因此工作电容一般也不随频率变化而变化。从屏蔽组公式可见, 导线与屏蔽体愈靠近时, 屏蔽体的作用愈强, 回路的电容也愈大。

五、用兆欧表测量通信电缆

1、兆欧表的工作原理

在测量时, 通过线圈的电流I1=U/ (R1+R) , I2=U/ (R2+Rx) , 其中R1、R2为线圈电阻, 磁场会对线圈产生作用, 产生两个方向相反的转矩, T1=k1*I1*f1 (α) , T2=k2*I2*f2 (α) 。f1 (α) 和f2 (α) 分别为两个线圈所在处的磁感应强度与偏转角α之间的函数关系。

兆欧表的可动部分在转矩的作用下发生偏转, 当转矩达不到平衡的时候, 偏转一直持续, 直到两个线圈产生的转矩平衡。

当两个线圈产生的转矩平衡时, 有T1=T2;即:

上式表明, 偏转角α与两线圈中电流之比有关, 故称为流比计。

2、兆欧表的使用

兆欧表使用要做好以下各种准备: (1) 对可能感应出高压电的设备, 必须消除这种可能性后, 才能进行测量。 (2) 测量前要检查兆欧表是否处于正常工作状态, 主要检查其“0”和“∞”两点。即摇动手柄, 使电机达到额定转速, 兆欧表在短路时应指在“0”位置, 开路时应指在“∞”位置。 (3) 被测物表面要清洁, 减少接触电阻, 确保测量结果的正确性。

参考文献

[1]吴荣美.浅谈影响应答器数据传输电缆特性阻抗的因素及解决的方法[J].电线电缆.2006-02-25

形成原理及特性 篇9

来宾华锡冶炼有限公司 (来宾冶炼厂) 始建于20世纪80年代, 主要产品有锡、锌、铟、硫酸。锡生产系统采用反射炉熔炼工艺, 现年产量为20000t/a。反射炉熔炼工艺虽然具有原料适应性广、炉料准备简单、可用各种燃料、炉况容易调整以适应原料变化的优点, 但也存在热效率低, 炉床能力低, 中间产品产量大, 回收率低等不足。为进一步处理中间产品, 冶炼厂采用烟化炉硫化挥发工艺对反射炉富锡渣进行进一步冶炼富集。硫化挥发工艺具有工艺流程简单, 物料适应性强, 锡的挥发率高, 处理能力大, 生产成本低等优点。实践已经证明, 硫化挥发法是目前世界上处理锡炉渣、锡中矿、贫锡精矿和低品位含锡物料最有效的方法[1]。硫化挥发法在冶炼过程中要加入锡硫化剂, 来宾冶炼厂目前使用的锡硫化剂是黄铁矿。

锌生产系统采用黄钾铁矾工艺, 现年产量为60000t/a。每年产出锌高酸浸出渣1.7万吨。锌生产系统技改后采用锌热酸还原浸出工艺, 产出的还原浸出渣经浮选后约有1.3万吨浮选渣。浮选渣和高酸浸出渣性能相似, 含有大量的锌、铟、锡、铅、银等有价金属, 具有非常高的冶炼价值;同时为解决锌冶炼的高酸浸出渣大量堆存带来的环境问题, 冶炼厂采用烟化炉还原挥发工艺对锌高酸浸出渣进行进一步的冶炼处理。

2 烟化炉处理反射炉含锡富渣

2.1 烟化炉硫化挥发工艺原理

硫化挥发法利用锡硫化物的挥发性能与炉料中其他组分挥发性能的差异来达到分离和富集的目的。含锡炉渣中锡主要以Sn O2, Sn O的形态存在, 在高温下加入空气和粉煤, 在弱还原条件下加入黄铁矿, 炉渣中的锡与黄铁矿中分解出来的硫蒸汽反应生成Sn S气体并挥发到烟尘中, 从而使锡在烟尘中得到富集。含锡物料硫化过程主要由以下反应[2]:

2.2 烟化炉炼锡硫化挥发工艺流程

锡系统反射炉产出的热富渣 (含锡8%-20%) 输送到烟化炉, 加入粉煤、空气、黄铁矿在1150℃-1250℃炉温范围内熔炼, 产出炉渣 (含锡小于0.2%) 输送到渣场存放, 含尘烟气经余热锅炉降温后, 再经表面冷却器继续降温, 冷却到一定温度的烟尘经过布袋除尘器收集到含锡烟尘, 含锡烟尘经制粒成球再输送到熔炼炉进行熔炼, 从布袋除尘器中出来的废气再经低浓度二氧化硫烟气处理系统处理达标后尾气外排。

2.3 烟化炉在反射炉渣处理中存在的不足以及改进意见

锡烟化炉三次风采用的是自然吸入三次风, 在进渣初期, 在锡挥发速率最快的时期因无法吸入足够的氧气对硫化亚锡进行氧化, 使硫的利用率偏低, 造成烟尘含硫量增加, 从而对还原焙炼工序直收率有影响, 还因烟气含硫量变化大导致低浓度二氧化硫吸收工序操作工况变化大, 导致操作环境恶劣。针对以上问题建议通过机械引入三次风来改善[2]。

锡烟化炉一次风、二次风都由罗茨风机给风, 停风停电事故多发, 设备停止运转, 粉煤供不进炉内, 不及时处理炉温将急剧下降, 直至死炉。炉内液渣倒灌入风管, 将一次风和二次风的皮管烧坏, 严重时还会引起回火导致室内煤仓爆炸, 引发安全事故。要改进这个问题建议给罗茨鼓风机安装应急电源, 正常使用的电源掉闸后应急电源能立即启动提供电源。

锡烟化炉为平板水套式, 水套高温侧直接与熔融渣接触, 在处理含砷高的物料时, 水套钢材中的Mn在高温下生成Mn3As2金属间化物, 降低钢材的机械强度;物料含As、Sn、Fe高时, 以硬头形式进入炉内, 在水套壁形成积存的金属物, 对水套钢材有较强的溶解能力, 使水套钢板形成深浅不一的坑洼, 严重时穿孔漏水;在处理含Cu高的含Sn物料时, 易形成固熔体化合物, Sn-Cu化合物熔化而造成对水套钢材的溶解, 还有在处理含Cu高的物料时, 当存在足够的Fe S时, 反应向形成Cu2S方向剧烈进行, 遇水时瞬间产生大量气体, 加上水的汽化和煤产生的水煤气, 易发生爆炸。另外, 烟化炉为间断作业, 升降温差约500℃左右, 水套高温侧钢板由于线性膨胀系数较大, 容易产生疲劳而出现裂纹, 强度降低。以上这些原因造成锡烟化炉水套寿命短, 需频繁更换才能满足生产要求, 增加生产成本。鉴于以上这些现象冶炼厂在锌烟化炉设计时采用了炉体内衬耐火材料式结构。水套寿命得到显著延长。

3 烟化炉处理锌高酸浸出渣

3.1 烟化炉氧化挥发工艺原理

烟化炉氧化挥发的实质是一种还原挥发过程, 就是把空气和粉煤吹入烟化炉内的熔渣中, 燃烧后产生大量热量和一氧化碳, 使熔渣保持高温, 并使熔渣中的锌、铅金属化合物和游离的Zn O及Pb O等还原成Zn和Pb的蒸汽, 上升到炉子的上部空间, 遇到CO2或吸进来的空气再度氧化成氧化锌和氧化铅, 并以烟尘状态被收集。该过程主要包括以下反应[1]:

3.2 工艺流程

锌系统产出的湿高酸浸出渣锌经运输送到渣仓存放, 采用抓斗吊车由料库转运至料斗, 通过给料机、皮带输送机送回转干燥窑进行干燥, 干燥后锌高酸浸出渣含水10~15%, 干燥后锌高酸浸出渣经皮带运输机运送至烟化炉炉前料斗, 由加料皮带称加入烟化炉内在1100℃-1250℃炉温范围内进行熔池冶炼。熔炼产出的烟气经余热锅炉降温后, 经高温电除尘得到含锌铟锡铅银的烟尘, 该烟尘送锌铟系统及锡系统处理回收有价金属;电除尘后烟气再经骤冷和布袋除尘后得到含砷烟尘, 含砷烟尘进行单独包装处理;含硫烟气再经低浓度二氧化硫烟气处理系统处理达标后尾气外排。

3.3 烟化炉在锌高酸浸出渣处理中的应用

锌高酸浸出渣的烟化炉采用的是还原挥发工艺。与锡烟化炉相比, 虽然采用的工艺一样, 还是可以借鉴锡烟化炉存在的一些不足对锌烟化炉进行了改进。

通过对锡烟化炉应用实践的分析, 锌烟化炉采用炉体内衬耐火材料式结构, 避免炉壁钢板与熔融渣直接接触, 减少炉壁钢材的化学腐蚀;同时, 可以减少炉壁因温差变化产生的膨胀应力, 延长炉壁使用寿命。炉底采用弧形结构, 加强内衬强度、缓解冲刷强度。同时采用炉体内衬耐火材料式结构还可以提高余热利用率。

此锌烟化炉工艺的一大亮点就是自动化控制。建立锌烟化炉DCS控制室, 将烟化炉给料电子称给料量、粉煤计量称、鼓风量、风压、烟气出炉温度及负压、余热锅炉进出口温度及负压、骤冷进出口温度、收尘布袋室进出口温度及负压, 高温风机变频器、低压排风机变频器、鼓风机变频器等设备的运行参数通过DCS系统集中控制。在主控室的电脑上就可以查看以上相关数据, 根据实际情况通过电脑控制各种阀门, 实现自动化控制。通过自动化控制降低了劳动强度, 减少了工作量。

4 两个烟化处理工艺的比较

锡烟化炉和锌烟化炉两个工艺的比较。相同点: (1) 燃料都是粉煤。 (2) 都采用一次风供煤, 二次风辅助供煤。 (3) 都使用了罗茨风机, 布袋收尘器, 表面冷却器。 (4) 风嘴直径相同。不同点: (1) 工艺原理不同。锡烟化炉工艺原理是硫化挥发, 锌烟化炉工艺原理为还原挥发。 (2) 烟化炉炉身水套不同。锡烟化炉炉身水箱采用直冷式, 锌烟化炉炉身水套采用炉体内衬耐火材料式结构。 (3) 三次风进风方式不同。锡烟化炉三次风采用自然风, 锌烟化炉三次风采用机械风。 (4) 锡烟化炉采用液渣点火开炉, 锌烟化炉采用冷料开炉。

5 结论

锡烟化炉和锌烟化炉因处理原料、工艺原理的不同, 决定了其在工艺, 设备选择, 技术指标上存在差异。但是两者又有相通之处, 通过分析锡烟化炉在生产中存在的不足, 可以借鉴对锌烟化炉进行改进。

摘要：文章对来宾冶炼厂锡烟化炉, 锌烟化炉的工艺原理及工艺流程进行简单介绍, 对锡烟化炉生产中存在的一些不足进行分析并提出改进意见, 通过分析锡烟化炉生产实践中存在的不足来选择改进锌烟化炉工艺。还对两个工艺的异同点进行比较。

关键词：烟化炉,反射炉渣,硫化挥发工艺,还原挥发工艺

参考文献

[1]宋兴诚.锡冶金[M].北京:冶金工业出版社, 2011, 134-140.