界面过程（精选4篇）
界面过程 篇1
0 引言
监控画面的设计首先要对现场工艺流程有一个清楚地认识, 综合考虑现场监控人员的监控需要, 设计图纸的要求规范, 操作流程等, 来合理地设计系统需要的各种画面。画面设计的步骤首先进入监控组态软件的开发系统。进入开发系统后, 先建立一个新画面, 在新画面属性框里, 可以对画面的大小, 显示风格, 名称, 后台运行语言进行设置和编写。建立好新画面, 你就可以通过点击画面的菜单或者工具箱的图标进行设计了。
1 图形界面的设计
1.1 菜单栏的设计
在Station中监控流程画面时, 为了尽量方便操作, 如在对同一设备的控制, 可通过对系统流程图上的按钮控制, 也可以通过菜单来弹出控制画面。因而设置了相应的画面的切换菜单方便操作人员对多功能画面的及时切换。
菜单的设计在Station进行, 在右侧New Command中编辑需要添加的菜单名称, 并与相应的画面连接, 然后添加到左侧, 保存后即可在Station监控还面菜单栏位置显示设计的菜单按钮。单击此菜单按钮, 就可切换到对应的操作画面。
1.2 按钮类的设计
按钮类的作用提供一种用户与系统之间的交互方式, 在按钮触发的过程中, 用户可以定义很多动作, 这些动作就可以操作系统中一些可控的对象, 比如, 更改变量的报警等级, 弹出窗体等。
按钮类设计如下:在按钮属性中behavlors in script data选中Script data中添加点及参数名有多少添多少, 同时在下面指名display as以什么方式显示。
1.3 顺控图设计
顺控子图的应用是为实现系统中一个设备在不同情况下有不同的状态显示。在NEWshape sequence建立一个包含几个图片的文件或应用系统自带子图。 (在第一种情况下要注意不同参数有几种奇标量与之对应例如gpv, 有7个状态, 4对应停, 5对应开) 保存顺控图后, 回到流程图画面选中刚才进入的文件, 在属性中behaviror选中sequence shape, 同时在data中选择一个对应点, 则完成sequence shape。
如下图设计一个电机在不同状态有不同颜色显示的一个顺控子图。
应用Shape sequence程序如下:
1.4 动态对象设计
应用动态子图 (Dynamic shape) 来实现动态功能, 该工具允许用户定义某个对象属性 (property) 的行为, 该行为根据所给表达式的值而变化。该表达式可以是简单的, 或过程变量的值。或过程变量的各位, 或用布尔状态。
如:电机启动前确认及回讯显示
按钮的属性中:behaviors:选中script Data
Detail:Label改为start
2 结论
监控图形界面已经在氧化铝焙烧过程中得到了应用, 由于界面生动直观, 十分准确的反映了设备运行情况, 实时反映的信息满足监控的需要和安全可靠的要求, 受到现场操作人员的好评。
摘要：本文主要介绍了菜单栏、按钮、顺控图及动态对象的设计, 其中以电机为例, 介绍如何通过程序来实现电机的顺控图。
关键词：图形界面,顺控图,动态对象
参考文献
[1]倪晏.工业控制组态软件的产品对比以及发展趋势[J].测控技术, 2000, 19 (9) :38-40.
[2]ExperionPKSGraphicsDesignandBuilding, Honeywell:2003, 7.
[3]ExperionPKSSystemEngineeringandConfiguration, Honeywell:2003, 7.
[4]R.J.Torres著, 张林刚译.用户界面设计与开发精解[M].北京:清华大学出版社, 2002.
[5]尹斌.小型组态软件平台的开发[D].大连理工大学, 2004.
界面过程 篇2
界面 (interface) 一词原指两物体之间的“接口”, 但在管理学中, 用界面来反应界面两侧的元素进行交流或连接的关系及状态。而界面管理 (interfacemanagement) 即是对这种连接状态或连接关系进行控制管理, 使界面两侧的元素可以高效、畅通的进行交流与协作。具体而言, 在企业中, 企业与外部环境 (如其他企业) 之间、企业内部各部门之间、企业内部员工之间, 在日常工作中都存在着各种各样的信息交流与协作配合, 而界面管理是通过对他们之间的界面进行控制管理, 使界面双方 (或多方) 在分工协作的过程中, 避免矛盾冲突, 实现集成管理, 提高整体的经济效益。将界面管理的概念引入建设项目招投标中, 其目的也是合理的安排项目的分工, 起到保障安全和提高经济效益的作用。
2 界面管理的具体细则
在土木工程建设项目招投标的某个项目开展具体工作之前, 我们必须明确工作的顺序, 在了解相应顺序后再做出一定的部署安排。其中有几个重要的步骤:施工前的准备阶段, 这包括对项目的认知、项目的招投标、施工具体地点的水文地质勘查。相应的工作完善后就是施工的设计阶段, 结合具体情况做出不同种的设计方案, 就每项方案做出认真、细致的比选, 尽快研究出方案的可行性分析报告, 从不同的角度审视方案的适用范围, 把审核通过后的施工方案进行上报领导, 得到批准后方可进行下一步的计划安排。之后就是施工阶段, 在这个阶段中要有施工所用的配套设施, 如施工板房、安置住房、施工现场的三通一平, 以及机械的租借, 材料的准备, 人员的到位, 顺利地完成这些准备。必要的阶段完成后就是施工前的动员, 做到具体分工, 具体工序有具体的负责人, 采取责任包干制度, 把每一项任务, 无论事大事小都要落实到个人, 不能存在施工中的真空状态。在施工正式开始阶段, 严格按照工序流程进行, 进度时刻与施工横道图相匹配, 还要经常性对技术员和施工人员进行宣贯教育, 必要的时候要对上岗人员作书面考核。要做到不偷工减料, 不延误工期, 切切实实保证工程安全和质量。在一项大的工程完工后, 要成立具体的任务小组, 为建筑物使用后的维护保养做准备, 哪里发现问题及时做出调整。我们可以得出, 建筑工程项目界面管理中最主要的是管理一项, 不断地在管理中完善目标, 对目标有一个全局性的控制。
在建筑工程项目界面管理中, 有三方面共同进行, 在施工的整个过程中, 这三方始终是紧密地联系在一起, 不仅要密切的合作, 同时要明确本方的工作任务和安排。在建筑工程项目界面管理中业主方式整个项目的发起者, 对于招投标有发起和监督的作用, 具体是对合同方面的管理, 在确定施工方后与其签订合同, 自身保持对合同的解释权。另外重要的一项就是安全方面的管理, 不可否认的是业主方的最核心的任务就是确保施工中的安全问题, 如何妥善的安排好施工中人员和财产的安全是业主方最大的任务。其次就是对投资的控制, 掌握好施工的概算, 控制好资金的流向, 对施工的变更做出仔细的审核, 督促施工方节省施工中的各项开支, 减少施工成本。还有一项较为复杂的认识就是合理的组织好施工中所需的资源, 充分的保证后勤供应, 为施工的各个方面开展做出应有的准备。
设计方在工程项目中也扮演着重要的角色, 它的任务是对施工区域进行勘探后得出相应的报告, 结合当地的水文地质情况, 以及市政管网系统的安排后对建筑项目做出具体的设计方案, 这个方案必须从安全、美观、经济、实用等几个方面考虑, 在满足了结构的需求上, 尽可能地减少建筑在施工中的造价。对于每个大项有具体的设计安排, 对于每个分部施工也要出台相应的设计图纸, 以保证施工完整顺利地进行。并且对于施工方提出的施工方案变更要做出及时的回应, 还是需要考虑设计中的几个因素, 在不违背相应的准则, 施工中也确实出现相应的情况时, 可以考虑对施工的设计做出相应的变更, 变更后要及时通知业主方、施工方, 在三方同意的情况下, 变更材料才将生效。施工方是项目中最直接的参与者, 这一方的任务就是合理的完成施工任务, 严格按照合同的要求进行, 对于即以生成的施工进度严格遵守, 切实保障施工中的各项安全, 保质保量地完成施工任务。在施工阶段还要配合业主方对施工的监督, 掌握好施工的进度。
3 建筑招投标中考虑的因素
无论是设计还是施工中, 项目界面管理都会出现问题, 在应对问题时必须做出相应的回应。在施工现场, 对于施工技术上出现的问题要及时发现, 将问题具体分析, 责成相关的领导负责, 必要的时候召开专项会议, 具体研究问题的解决方案。经过研究后的方案要及时落实下去, 把任务细分, 做到不留任何工作死角, 按时按量的完成任务。在解决了相关的问题后还要做出相应的跟进检查, 确保问题的妥善合理解决。在具体任务安排中, 工作流程图用图即施工横道图的使用较为广泛, 它不仅直观上了解施工的每道工序, 要能合理的体现出时间上的逻辑, 用箭头和矩形框的形式加以表达。
建筑工程项目界面管理中还有一项重要的项目就是项目的风险管理, 这个任务贯穿了施工的全部阶段, 包含的内容是最全面, 也是最复杂的一部分。我们从人、机、料以及特殊情况四个方面来解释项目中的风险管理。
(1) 人员上会存在流动性, 尤其是一些关键部位的关键工作的保证, 要充分考虑到施工人员的施工水平和施工工艺的欠缺, 必须做到事先有准备。
(2) 不排除在施工中机械出现故障, 随时要有调配机械和专业人员维修的能力, 做到不因机械发生故障耽误工期甚至无法确保工程质量。
(3) 材料的使用上有的时候存在短缺的情况, 如何及时的处理材料的供应也是风险管理的一部分, 切不可出现材料相互混用, 不够用时将其他材料用来充当。
(4) 施工现场也会出现一些安全事故, 如火灾、爆炸、人员受伤等情况的发生, 施工中责任人必须要有相应的应对方案, 在事故发生的第一时间做出积极的反应, 不要让事态发展的更加严重。
4 结束语
在建筑项目招投标中使用界面管理旨在合理的调配施工中的资料利用, 这个宗旨也一直贯穿在建筑项目管理的每个环节中。设计准备阶段, 业主应为后期的界面管理做好充分的准备, 本文从搭建项目界面系统和构建项目界面管理体系两个方面介绍了业主在设计准备阶段和施工阶段的界面管理。
业主单位需要与设计单位进行充分的沟通, 以实现对项目的各项要求。本文以业主与设计单位之间的沟通界面作为研究对象, 论述了业主在设计阶段与设计单位进行沟通协作的重要性, 把具体工程中可能发生的和一定会发生的工程问题进行阐述, 为业主方的成功中标做出了铺垫, 并基于企业间界面管理的层次提出了基于协调配比的方法对业主与设计单位之间的相互协调的界面进行管理。
摘要：在建设单位项目招投标的过程中, 存在一些项目管理, 在项目的定义、设计、施工、竣工验收的过程中以及各过程之间存在诸多协作问题, 如工程设计与项目采购之间的相互配合, 界面管理可以对这些问题进行有效的管理, 实现项目各方、各阶段之间的积极配合, 提高项目的整体效益。为此, 就建设项目招投标过程中项目管理中的界面管理项目进行探讨。
关键词：建筑项目,招投标,界面管理
参考文献
[1]武俊文.浅谈设计管理[J].太原城市职业技术学院学报, 2004, 3 (6) :61-62.
[2]潘鹏程.建筑工程设计业主管理研究[D].天津:天津大学, 2007, 12 (14) :54-57.
表面与界面论文- 篇3
纳米材料包含纳米微粒和纳米固体两部分，纳米微粒的粒子直径与电子的德布罗意波长相当，并且具有巨大的比表面；由纳米微粒构成的纳米固体又存在庞大的界面成分。强大的表面和界面效应使纳米材料体现出许多异常的特性和新的规律，这些特性和规律使其展现出广阔的应用前景。其中，在宏观尺度上制造出具有纳米结构和纳米效应的高性能金属材料，并揭示这些材料的组织演化特征以实现功能调控，是金属材料学科面临的重大科学问题和需要解决的核心关键技术。本文将对纳米材料的表面、界面效应进行介绍。
1.1纳米材料
纳米材料就是具有纳米尺度的粉末、纤维、膜或块体。其中纳米粉末，也就是通常所说的纳米粒子，研究时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。当物质被加工到极其微细的纳米尺度时，会出现特异的表面效应、体积效应和量子效应，其光学、热学、电学、磁学、力学乃至化学性质也就相应地发生十分显著的变化。因此纳米材料具备其它一般材料所没有的优越性能，可广泛应用于电子、医药、化工、军事、航空航天等众多领域，在整个新材料的研究应用方面占据着核心位置。
纳米材料要求在三维空间中至少有一维处于纳米尺度（1-100 nm）范围或由它们作为基本单元构成的材料，其基本结构单元可以分为：零维的纳米粒子、原子团簇；一维的纳米线、纳米管等；二维的超薄膜、多层膜等。这些基本单元又可以组成一维（1D）、二维（2D）、三维（3D）的纳米材料，如纳米块状材料是将纳米粉末高压成型或烧结或控制金属液体结晶而得到的纳米材料。
纳米材料和纳米结构对材料科学和凝聚态物理提出了许多新的课题，由于尺度的减小，导致可以与激子波尔半径、光波波长、超导相干波长和德布罗意波长相比拟，体系电子被限制在一个十分小的纳米空间，电子的平均自由程很短，电子输运受到限制，电子的局域性和相干性增强。在宏观体材料下出现的准连续能带消失，将表示出分立的能级，量子尺度效应十分显著，使得纳米体系的材料与块体材料相比在物理和化学性质上有很大的不同，将出现许多新奇的特性。而且，纳米材料在小尺度范围内的表面活性增强，表面能量状态的提高将导致纳米体系本身变的很不稳定而处于亚稳态。
尺度是纳米材料重要的结构参量之一。因为随着材料尺度的减小，其表面与界面原子（与芯部原子相比）所占的比例就会越来越大，当表面与界面原子数与芯部原子数相比拟的时候，材料的相关物性将有可能发生从宏观的体材料向介观的纳米尺度材料转变，从而导致一系列的尺度效应，而正是这些尺度效应使得纳米材料与纳米结构表现许多奇异的物性和潜在的应用。例如，因为尺度的减小，纳米颗粒的表面原子与总的原子数相比随粒径的减小而急剧增大。当直径为10nm，4nm，2nm和1nm时，其表面原子所占的比例分别是20％，40％，80％和99％。表面原子数随尺度减小而增大将导致表面原子的配位数不足、键合状态与内部原子不同，键态失配，因而出现非化学平衡，使表面原子的活性增大且处于高的表面能量状态，将引起表面原子自旋构象和能谱以及表面原子的输运的变化。此外，随着纳米晶体尺度的减小，内部缺陷如位错在晶粒内部的消失以及晶界的存在，使得纳米粒子将在强度，结构硬度显著增强。同时，也会出现表面硬化现象[6]。纳米尺度下的材料合成也为新型纳米材料的制各提供了机会。例如，在经典条件下互不相溶的两种材料如二元金属，在纳米尺度范围内由于相关物理量尺度效应的存在，将会出现固溶体相。
因此，当物体的尺度进入纳米量级后，表现出的许多性能已经不可以用经典理论来进行描述，需要发展新的理论工具来增进对纳米尺度下材料表面与界面的理解。
1.2表面效应与界面效应
随着微粒粒径的减小，其比表面积大大增加，位于表面的原子数目将占相当大的比例。例如粒径为5nm时，表面原子的比例达到50%；粒径为2nm时，表面原子的比例数猛增到80%；粒径为1nm时，表面原子比例数达到99%，几乎所有原子都处于表面状态。庞大的表面使纳米微粒的表面自由能，剩余价和剩余键力大大增加。键态严重失配、出现了许多活性中心，表面台阶和粗糙度增加，表面出现非化学平衡、非整数配位的化学价，导致了纳米微粒的化学性质与化学平衡体系有很大差别，我们把这些差别及其作用叫做纳米微粒的表面效应。
由纳米微粒制成的纳米固体，不同于长程有序的晶态固体，也不同于长程无序短程有序的非晶态固体，而是处于一种无序状态更高的状态。格莱特认为，这类固体的晶界有“类气体”的结构，具有很高的活性和可移动性。从结构组成上看它是由两种组元构成，一是具有不同取向的晶粒构成的颗粒组元，二是完全无序结构各不相同的晶界构成的界面组元。由于颗粒尺寸小，界面组元占据了可以与颗粒组元相比拟的体积百分数。例如当颗粒粒径为5-50nm时构成的纳米固体，界面所占体积百分数约为50%-30%。晶体界面对晶体材料的许多性能有重大影响。由于纳米固体的界面与通常晶粒材料有很大的不同，界面组元的增加使纳米固体中的界面自由能大大增加，界面的离子价态，电子运动传递等于结构有关的性能发生了相当大的变化，这种变化我们称之为纳米固体的界面效应。
1.3 表面能和界面能及其尺度效应
表面或者界面过剩Gibbs自由能和表面或者界面应力在固体表面热力学中起着重要的作用。是理解诸如量子点生长和形核、外延纳米结构以及生长的各向异性、晶体的平衡形状，表面结构和驰豫、表面熟化等的一个重要的物理量。例如，在恒定体积条件下的晶体平衡形状是由Wulff定理决定，即
= 最小值，其中是各晶面的表面自由能，是各个晶面的面积，从热力学的观点看，表面（或界面）能描述的是通过裂开或塑性变形形成新固体表面（或界面）单位面积上所做的可逆功，而表面（或界面）应力指的是通过弹性变形伸展表面（或界面）单位面积上做的可逆功。
随着纳米体系材料尺度的减小，比表面积逐渐增大，表面能或者界面能对材料的能量状态及热稳定性的影响尤为显著，使得纳米材料的热力学行为不同于相应的块体材料。
对于纳米材料体系来说，如多层膜，其界面除了相应的由于原子间的键能导致的界面能之外，同时由于晶格原子失配而导致了弹性应变能的存在。此项构成了界面能的结构项。而对于纳米晶、纳米线、纳米管等纳米体系材料的表面，同时存在着表面原子之间尺度依赖的表面弹性应变能。因此，表面或者界面晶格原子晶格的弹性能构成了表面或者晃面能的一个重要方面。Zhao等人研究了纳米薄膜的表面原子之间的弹性应变能。发现其弹性常数和杨氏模量与薄膜的厚度存在显著的尺度效应。
2.纳米材料的界面微观结构
2.1纳米材料界面微观结构模型
纳米材料是由内在不一致的被界面区域分割开的纳米尺度的微粒所组成。纳米材料的颗粒尺寸、结构不是区别纳米材料的唯一特性。事实上，界面区域起着同样的甚至更重要的作用。界面的化学成分、原子结构、厚度对纳米材料的性能同样起着关键的作用。即使两种纳米材料的纳米颗粒有着相同的化学成分和尺寸，如果它们的界面结构不同则可能导致性能上的巨大差异。纳米材料表现出特殊的物理和化学性能，这是由于大部分原子处在界面的直接结果。因此，纳米材料中界面处的微观结构起着关键的作用。
尽管目前纳米材料的界面研究已取得一定进展，在某些方面取得共识，但到目前为止还未能获得准确的结论。近年来的许多研究都表明纳米微晶中界面上的原子排列极为复杂，尤其三个晶粒或更多的交叉区，其原子几乎是自由的、孤立的，其量子力学状态。原子、电子结构已非传统固体物理、晶体学理论所能解释。界面微观结构存在许多有争议的问题。基于不同的实验结果，许多人提出了一些关丁纳米材料界面微观结构模型，其中具有代表性的是：
Gleiter的完全无序模型：这种理论认为纳米晶粒晶界具有较为开放的结构，原子排列具有随机性，原子间距离大，原子密度低，既无长程有序，又无短程有序。这种理论曾被广泛引用，但近年来，许多关于纳米材料界面研究的实验和模拟计算都与这个理论有出入，因此，人们基本上放弃这个模型。
有序结构模型：这种理论认为纳米晶界处的原子结构与传统粗晶晶界结构并无太大区别，纳米晶界上原子排列是有序的或者是局域有序的，并通过阶梯式移动实现局部能量的最低状态。
有序无序模型：近年来，通过大量晶界的高分辨电镜观察，提出纳米材料晶界具有以下特征：多数晶粒具有与粗晶中的晶界相类似的结构，但由于晶粒很小且随机取向，晶界都呈现出弯曲的特征，而且邻近晶界的区域晶体点阵存在畸变，同时，在一些晶界上，存在局域的不完整性或无序的区域以及纳米级空洞。可以认为：纳米材料中的界面存在着一个结构上的分布，它们处于无序到有序的中间状态，有的与粗晶界面结构十分接近，而有的则更趋于无序状态。
界面可变模型：由于界面原子的原子间距、原子排列、缺陷和配位数的不同，界面上能量差别很大，使纳米块状材料的表面平移周期遭到了很大的破坏，晶格常数也发生了变化。这种复杂的相互作用和表面状态，使纳米材料具有不寻常的电、磁和光学性能。
界面缺陷模型：界面组分随着纳米粒子尺寸减小而增大，界面中的三叉晶界的数值随之增大，引起界面中包含着大量缺陷。纳米材料的界面原子排列比较混乱，其体积百分数比常规材料的大得多，界面原子配位不全，使得缺陷增加。所以纳米材料是一种缺陷密度十分高的材料。
总之，至今仍未形成统一的理论模型来描述纳米界面的微观结构。事实上纳米材料中的界面微观结构可能非常复杂。它不但与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及所经历的热历史等因素密切有关，而且在同一块材料中不同晶界之问也各有差异。可以认为纳米材料中的界面存在着一个结构上的分布，它们处于无序到有序的中间状态，有的与粗晶界面结构十分接近，而有的则更趋于无序状态。
2.2纳米材料界面结构的热稳定性
从热力学角度讲,纳米材料处于非稳定状态,因为大量的晶界将提高系统的自由能。在适当的条件下,纳米晶粒将会长大,材料中的不稳定相将会转变为稳定相,从而引起界面结构的变化。因此,高温时纳米材料的性能将发生改变。与常规加热方式相比,不但可以降低晶须的合成温度,而且可以提高晶须的产率。因此,单位产品的能耗大大降低,电炉的使用寿命大幅度提高,具有节能、省时、高效的优点,可以实现碳化硅纳米晶须的低成本、大规模生产。
总之，至今仍未形成统一的理论模型来描述纳米界面的微观结构。事实上纳米材料中的界面微观结构可能非常复杂。它不但与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及所经历的热历史等因素密切有关，而且在同一块材料中不同晶界之问也各有差异。可以认为纳米材料中的界面存在着一个结构上的分布，它们处于无序到有序的中间状态，有的与粗晶界面结构十分接近，而有的则更趋于无序状态。
3.纳米界面性能与电介质科学
界面效应包括两个方面:垂直界面的效应和界面平面内的效应。界面是金属电极和介质相之间电荷传输的通道,它可控制后者金属电极与电介质接触时，可从金属内亚原子距离扩展到电介质内约10-9m或到绝缘体内10-7m形成一个纳米级的界面，并且恒定带电构成双电层。这一电荷分离层是电介质和金属电极间界面的特征，它在界面内产生的电场可高达103MV/m。若极化分子是界面内主要成分时，它们会高度取向并形成与松散状态下差别较大的性质。在纳米界面内，离子和分子的分布和动力学特征在电化学、保持电介质绝缘性能以及其它电活动中都有相当重要的作用，许多电介质系统的低频行为都可以用纳米界面的特性来表征。
界面效应包括两个方面：垂直界面的效应和界面平面内的效应。界面是金属电极和介质相之间电荷传输的通道，它可控制后者的导电性能，影响穿过电极和松散电介质间界面电子传输的氧化还原过程。界面电场可通过色散力和静电力改变聚合离子、聚合电解质或极化大分子的正常相结构，而氧和其它吸附在金属和电介质表面的杂质会使界面实际情况更为复杂，界面上复杂的时变性能对体系的绝缘性能和介电性能有很大影响。由于界面内电荷横向移动发生在分子有序的富离子空间电荷层，与垂直界面方向相当不同，因此界面平面的内部反应也是一类潜力巨大的界面现象。对这种情形的研究不仅会在电气工程，而且在电子-化学、生物学和细胞膜内质子和其它离子横向流研究方面产生有益的结果。
4.总结
对纳米材料和纳米结构体系表面和界面以及相关尺度效应的研究，不仅能够获得材料的表面态或界面态等物理特征，而且对于探索新的纳米结构的奇异物性及纳米尺度器件应用基础具有重要的理论意义。
参考文献
[1]G.Ouyang, C.X.Wang and G.W.Yang,Anomalous Interfacial Diffusion in Immiscible Metallic Multiinyers：A Size-dependent Kinetic Approach, Applied Physics Letters 86,171914(2005).[2]G.Ouyang, X.Tan,M.Q.Cai and G.W.Yang, Surface Energy and Shrinkage of a Nanocavity,Applied Physics Letters 89,183104(2006).[3]张立德，牟季美．纳米材料和纳米结构．北京：科学出版杜，2002．
[4]周瑞发，韩雅芳，陈祥宝．纳米材料技术．北京：国防工业出版社，2003． [5]刘吉平，郝向阳．纳米科学与技术．北京：科学出版社，2002．
界面过程 篇4
Ag是导电性最好的金属材料,具有优良的化学稳定性,因此,作为电触点中起导电作用的基体组分,Ag得到十分广泛的应用。通常在银基体中需加入Me O制备出Ag Me O触点材料,以满足电触头耐电弧、抗熔焊等要求。堵永国等[1]在分析燃弧电接触的失效机理和影响因素的基础上,提出了Ag Me O触头材料的成分和组织优化设计原则,对该类触头的发展具有重要的指导意义。
Ag Sn O2触点在使用中表现出优良的耐电弧侵蚀性和抗熔焊性等独特性能,成为Ag Me O领域的研发热点,并被认为是最有希望取代“万能触点”Ag Cd O的新型触点材料[2]。实际使用中,为了节约贵金属,通常采用冷镦技术将Ag Sn O2与Cu制成复合铆钉[3],考虑到界面结合特性对复合铆钉触点性能的重要影响,生产中采用压扁法来检验界面强度[4]。
造成触点失效的最重要原因是电弧侵蚀,界面则是多种损伤的起源。大量研究表明,电弧侵蚀引起的触点损伤主要有开裂、喷溅、蒸发、成分偏聚、材料转移等[5]。Ag Sn O2触点材料中,Ag与Sn O2颗粒之间的界面以及银基体的晶界是材料中结构不连续的部位,并富集缺陷和杂质,常常成为触点开裂的起源部位[6,7];而Ag与Sn O2颗粒界面润湿性的不足则是高温下两者分离导致熔融Ag喷溅、流动以及成分偏聚的重要原因,为此相关研究者在改善界面润湿性方面开展了大量工作[8]。对复合铆钉而言,Ag Sn O2与Cu之间的相界面对其导电和导热性能也有显著作用,从而影响触点的性能和失效机理,这方面的研究尚未得到足够重视。笔者对粉末冶金法制备的Ag Sn O2铆钉触点使用后的开裂现象进行了大量分析,发现其主要有两种形式,一是Ag Sn O2层的开裂,二是Ag Sn O2与Cu之间的界面开裂,本文分析两种开裂的原因,探讨了裂纹与界面结合特性的关系,并指出了改进的方向。
2 Ag/Sn O2相界相关开裂
2.1 Ag Sn O2触点材料组织特征
Ag与Sn O2完全不互溶,后者以分散颗粒的形式存在于银基体中构成弥散强化型复合材料。为了改善界面润湿性,通常需要加入各种添加剂,常见的有Cu O、Bi2O3、WO3、In2O3、Ti O2和稀土氧化物等[9~12]。近期还有研究人员添加纳米Sn O2颗粒来改善触点材料的性能[13]。事实上,添加剂的种类、添加量以及添加方式等属于企业的技术机密,这些技术细节方面的差异也是造成产品性能和用途差异的重要原因。
随着生产设备和技术的改进,采用等静压和挤压等技术制备的Ag Sn O2触点材料已经基本达到理论密度,Sn O2颗粒的分布也十分均匀,无明显的宏观和微观缺陷。图1显示了Ag Sn O2触点材料的典型金相组织。
2.2 复合铆钉 Ag Sn O2层的开裂
Ag Sn O2触点层的开裂是常见现象,对触点性能的影响也很大,因此得到较为广泛的关注。已有的研究表明,从裂纹在材料中的扩展途径来看,大致可以分为空穴裂纹和晶界(相界)滑移裂纹[6,7]两类。前者产生于触点材料表面或内部的微孔、微裂纹、夹杂物等缺陷,以及工作过程中材料受电弧高温作用熔融吸气而造成的气泡;后者主要是电弧对晶界(相界)产生选择性优先侵蚀所致。
前已述及,现有生产技术水平下,触点材料的内在质量已经有了很大的提高,微孔、微裂纹和夹杂物等缺陷大大减少,产生空穴裂纹的风险相应降低。但是与Ag/Sn O2界面结合相关的裂纹仍然常常发生。
图2显示了典型的触点表面裂纹,图3和图4则是常见的空穴形貌。实际上,很多情况下,并未发现裂纹附近存在明显的空穴等缺陷,而产生大量孔洞的部位也并不一定出现裂纹。从形貌特征来看,触点表面的空穴有的是熔融的Ag大量吸气而形成的气泡,由于气体从凝固的Ag中逸出,所以气泡有较为明显的张开特征(图3),这种气泡的尺寸通常较小,约数微米;有的空穴则是由于熔融Ag的不均匀流动而引起,当不同方向的熔融Ag流动到相互接近但未能融合时,就会留下空穴(图4),这种空穴的尺寸则会达到数十微米甚至毫米级别。
从触点截面对裂纹的扩展路径以及裂纹两侧的成分进行观察和分析可以更有效地揭示裂纹的形成和扩展机制。图5显示了裂纹头部的微观形貌,其中虚、实箭头分别指出Ag与Sn O2颗粒界面分离和裂纹沿界面扩展的特征。从图5可知,裂纹头部附近组织仍然是均匀的,并未因电弧的侵蚀而发生明显的成分偏聚,但可以看到裂纹的匹配面边缘有大量颗粒暴露(实线箭头),在裂纹附近未开裂区域还有颗粒与基体界面发生分离的现象(虚线箭头)。图6显示了裂纹尾部形貌,从图6可知,裂纹出现大量分支,并沿Ag与Sn O2的界面扩展。由此可见,Ag Sn O2触点层裂纹的主要发生发展路径是Ag与Sn O2颗粒的界面。
Ag/Sn O2界面开裂有多方面原因。众所周知,Ag与Sn O2的润湿性不良,尽管添加了多种改善界面润湿性的添加剂,但是这些添加剂是否能够很好地发挥作用与其分布有很大关系。笔者在进行微观组织分析时,曾发现Cu O颗粒独立分散在银基体中的现象,这种独立存在的添加剂很难真正起到改善界面润湿性的作用,较差的界面润湿妨碍界面有效传递载荷,是复合材料中裂纹易于由界面生成的重要原因,因此有必要采用适当的工艺措施改善界面润湿性,特别是在高温下的润湿性。触点在使用过程中,会经受反复的高低温循环,Ag与Sn O2膨胀系数的差异导致的界面应力是诱发界面裂纹的重要因素。电弧对界面的选择性优先侵蚀,导致界面区域的高韧性Ag大量损失是界面开裂的又一重要原因[6]。裂纹在扩展过程中,总是力图沿阻力最小的路径发展,当其遇到Sn O2颗粒富集区或者界面缺陷(杂质富集等原因)时,就会选择性地沿这些途径扩展。作为粉末冶金材料,Ag Sn O2触点中总是随机地存在着这样的缺陷,因此裂纹出现了大量转折和分支。
Ag Sn O2触点层产生裂纹后,会增大触点表面粗糙度,减少有效接触面积,增加接触电阻,并由于熔融的Ag流入裂缝而导致触点材料表面成分不均匀,还会加剧裂纹处的材料侵蚀[7],成为触点早期失效的重要原因。
3 Ag Sn O2电接触层/铜基体界面开裂
Ag Sn O2/Cu界面虽然不直接参与电接触,但该界面对电流和热量的传输具有至关重要的作用,因此极大地影响复合铆钉触点的服役性能和寿命。当该界面结合不良、界面电阻偏大时,就有可能在界面区域产生过高的温升导致其发生破坏;另一方面,当Ag Sn O2触点层的裂纹扩展至该界面时,裂纹也有可能沿界面扩展。分析发现,Ag Sn O2/Cu界面开裂后又可能发生两种情况,一是触点层剥落,二是裂纹向铜基体扩展。
图7是复合铆钉界面开裂导致触点层剥落的典型特征,图8是界面区域的放大。触点层剥落后,界面暴露出来,并承受电弧侵蚀,有大量触点层材料颗粒粘附于暴露出来的Cu表面,这些颗粒有明显的重熔特征。
表1是图8中相应区域的成分分析结果。铜层暴露后,由于其抗氧化性能较低,在电流和电弧造成的温升作用下,发生了明显的氧化,在Cu表面形成了与内部组织有明显差别的氧化层(见图8)。粘附在Cu表面的触点层材料则产生了显著的成分偏聚,其中的Sn O2消失殆尽;Sn O2颗粒的密度较Ag低,且熔点高、不易分解、与Ag的润湿性差,当Ag熔化后,Sn O2颗粒会上浮与Ag分离[14],而高温下Cu和Ag有较大的互溶度,因此有富Ag颗粒残留在暴露出的Cu层表面。
%(质量分数)
图9所示为复合铆钉触点中出现的两种触点层与铜基体的界面开裂现象。图中上部的裂纹直接产生于触点层与基体界面之间,并起源于触点边缘,高倍下可以看到该裂纹继续沿界面扩展的特征(图略),这种界面裂纹可能与边缘部分的界面结合不良有关。由于结合不良,界面电阻较大,导热性偏低,电流作用下界面温升较高。Cu与Ag Sn O2层的膨胀系数差异必然导致界面应力,加之温升引起的材料强度下降,成为裂纹萌生的原因。裂纹的扩展致使触点层和铜基体剥离,高倍下也可以观察到暴露出的Cu表面氧化及残留银颗粒等现象。图9所示触点中间部位的界面开裂实际上是Ag Sn O2层裂纹后期沿界面扩展所致,其暴露出的裂纹匹配面特征与前述界面裂纹相同。
图10所示裂纹起源于Ag Sn O2触点层,扩展至Ag Sn O2/Cu界面后,其一方面沿界面扩展,另一方面向铜基体内部扩展。裂纹产生后,空气中的O可以沿裂纹向材料内部扩散,因此尽管裂纹面并未直接暴露于空气中,但在界面和铜基体的裂纹区也均出现了氧化特征。
Ag Sn O2/Cu界面产生裂纹后,结合面积减小,加之Cu的氧化,必然导致界面电阻持续增大,温升提高,因此界面容易发生加速破坏;界面裂纹大幅度扩展会导致Ag Sn O2剥落,直接减少了触点的有效工作面积,甚至可能使耦合触点的贵金属工作层不能产生有效接触,这就有可能因触点接触电阻显著增大而无法导通;另一方面也可能由于电弧能量过于集中而产生动熔焊或接触面温升过高而产生静熔焊,从而加速触点失效。由此可见,提高Ag Sn O2/Cu界面结合强度,抑制使用过程中裂纹的形成是提高触点使用寿命的重要措施。
4 结论
(1)从形成部位来看,Ag Sn O2复合铆钉触点的裂纹可以分为两类,即Ag Sn O2触点层的裂纹和Ag Sn O2/Cu界面裂纹。两类裂纹均严重降低复合铆钉触点的使用寿命,其中Ag Sn O2/Cu界面裂纹的影响更为显著。
(2)Ag Sn O2触点层裂纹主要产生于Ag与Sn O2颗粒界面,其中的Sn O2偏聚区是有利于裂纹扩展的有效途径,也是裂纹扩展过程中产生转折和分支的主要原因。Ag Sn O2/Cu界面裂纹既可以直接产生于Ag Sn O2与Cu之间的界面,也可以由Ag Sn O2触点层的裂纹扩展至界面而形成。
(3)Ag Sn O2/Cu界面产生裂纹后,若裂纹沿界面持续扩展,则会导致Ag Sn O2触点层剥落,若其向铜基体扩展,则引起Cu层开裂。两种情况下,Cu的裂纹面均会发生氧化现象。