辐射复合（共4篇）
辐射复合 篇1
摘要：反辐射导弹 (ARM) 是现代雷达的“克星”, 而为雷达配置诱饵能够有效地对抗ARM。随着ARM的技术发展, ARM不仅仅只利用被动微波制导方式来攻击雷达, 已发展为复合制导工作方式, 单纯的被动微波诱饵很难对其进行诱偏, 因此有必要研制综合防御系统来对抗采用复合制导方式的反辐射导弹。
关键词：反辐射导弹,诱饵,综合防御
1 概述
反辐射导弹 (ARM) 是雷达的“克星”, 这已得到各国军事家的公认。ARM是其导引头以敌方雷达辐射的电磁波信号为制导信息, 截获跟踪并导引导弹直至命中雷达, 因此ARM是以被动微波为主要制导方式, 从第一代的“百舌鸟”、第二代的“标准”到第三代的“哈姆”, 均以此为主要制导方式。针对反辐射导弹的这种工作方式, 各国研究的比较透彻, 提出了在雷达附近配置同步有源诱饵进行对抗。这种同步微波诱饵能够有效的诱偏仅采用被动微波为制导方式的ARM, 并且得到了实弹打靶验证。因此, 仅采用被动微波为制导方式的ARM很难对抗这种同步微波诱饵, 复合制导的反辐射导弹就被提到了重点研究的日程上。
2 反辐射导弹发展趋势
为了能够更有效的打击敌方雷达阵地, 美国海军在2003年计划将HARM进行改进, 增加其功能。改进型HARM导弹 (Advanced Anti-radiation Guided Missile, AARGM) AGM-88E的合同交给了阿连特技术系统 (ATK) 公司开发。AGM-88E导弹的外形尺寸与AGM-88B/C相同, 并保留了AGM-88B/C的火箭发动机、单体和战斗部。据ATK公司先进武器分部的负责人透露, 通过一系列费效比合理的改进措施, 大大增强了导弹摧毁敌防空网能力。主要改进措施为增加了毫米波导引头和GPS/NS导航系统。值得一提的是, ATK公司为了丰富导弹种类、升级导弹技术, 还在以AGM-88E导弹为核心部分的基础上自筹资金研制了两种改进型导弹。一种是AGM-88D哈姆PNU, 该导弹采用新的GPS/NS子系统以提供地理瞄准约束和定向攻击能力, 对AGM-88B/C哈姆导弹采用的半主动雷达导引头进行了保留。由于该改进型导弹保留了大部分哈姆型导弹的硬件, 侧重于对软件的升级改造方面, 因此这种改进型导弹是一种比较成熟、廉价的改进方案, 具有较高的改进费效比。另外一种改进型是一种超声速GPS制导战术导弹 (ARES) , 其射程可达80多公里, 该类型导弹仍以AGM-88E导弹的核心部件为基础, 虽然该导弹不装备导引头, 但仍可提供一种半主动激光导引头的末端制导方案。
由于新型AGM-88E反辐射导弹增加了新的制导方式, 目前研制的单纯的微波诱饵已不能有效对抗这种复合制导方式的反辐射导弹, 因此有必要研制综合防御体系来对抗被动微波+毫米波制导方式的反辐射导弹。
3 复合制导反辐射导弹工作原理
为了能够有效对抗这种复合制导方式的反辐射导弹, 我们先了解这种复合制导反辐射导弹的工作原理。
AGM-88E导弹最大的变化是在“哈姆”导弹的基础上加装了工作频率为94GHz的主动毫米波制导雷达, 变成主/被动双模复合制导。在远距离时, 被动导引头开始工作, 以敌方雷达辐射电磁信号为制导信息, 引导导弹跟踪目标雷达。当导弹接近目标时, 如目标雷达已关机, 则导弹的毫米波雷达启动搜索模式, 对目标区域进行搜索;一旦发现雷达天线等强回波信号, 随即进行跟踪并引导导弹命中目标。主动毫米波雷达导引头中在存储雷达目标回波信息的同时, 还对其他目标如导弹运输发射车等移动目标进行信息搜集, 因此复合制导的导弹导引头可主动搜索较大区域, 拦截、对付雷达目标以及雷达配套的移动目标等。
对被动微波导引头各国研究的比较透彻, 其对抗手段也比较多。下面我们重点描述毫米波制导的对抗原理。
毫米波介于微波和红外波段之间, 兼有微波和红外波段的优点。与微波相比, 它波束窄、波长短, 因而毫米波雷达具有较高的空间 (角度和距离) 分辨力、较强的抗干扰能力和较好的低仰角探测性能。与红外相比, 尽管毫米波雷达探测精度没有红外高, 但它受气候和烟尘影响小, 而且区分金属目标和环境的能力强。因此毫米波雷达探测技术有着精确的指导意义, 但毫米波雷达也有明显的劣势, 我们针对毫米波雷达的劣势来对其进行对抗。
3.1 显著的大气衰减
众所周知, 组成空气的各分子以及空气中的各种微粒、杂尘等对微波信号有吸收和散射作用, 对波长较长的频段, 如广播频率, 在空间衰减小, 衍射作用明显;对波长较短的频段, 尤其是波长和空气中微粒、杂尘直径相当的频率, 在空间传播时衰减严重, 共振作用明显, 因此, 毫米波末端制导雷达的最大探测距离受空气及条件气象影响的程度远远大于厘米波制导雷达。
3.2 捕捉概率和有效制导距离减小
对于复合制导方式的导弹存在中段制导向末端制导交接点的问题。一般而言, 当导弹飞行由中段制导至末端制导的交接点时, 末制导雷达会主动开机搜索, 雷达搜索范围内能够覆盖到目标的概率为导弹的捕捉概率。捕捉概率是反映导弹搜索、发现目标的能力。一般用下面的公式来表达这种能力。
Pc=f (a, R)
在上式中, a为导引头搜索的扇面角, R为末制导系统的探测距离, 根据以上空气对毫米波雷达探测距离的分析, R的值相对较小, 导弹的捕捉概率受到相应的限制。
4 综合防御系统
为了能够对抗这种复合制导的反辐射导弹, 我们先来研究导弹的攻击过程:前中期, 利用被动导引头进行制导, 引导导弹攻击目标, 这个阶段不需要精确制导;在攻击末期, 转换为主动毫米波制导方式, 利用毫米的高分辨力来分辨目标, 对有价值的目标进行攻击。因此针对这种制导方式, 我们可以用微波诱饵+毫米波干扰来进行对抗。在反辐射导弹的攻击前中期, 我们开启微波诱饵, 对反辐射导弹进行诱偏, 使导弹跟踪雷达与微波诱饵的能量中心, 在后期, 开启毫米波干扰设备, 使导弹不能分辨出目标, 不能对雷达进行精确打击, 只能根据惯性攻击雷达与诱饵的能力中心, 这样雷达与诱饵均能得到可靠保护
4.1 微波诱饵
一般来讲, 在微波诱饵中多采用两点源相干干扰诱偏技术和非相干多点源诱偏技术。两点源相干干扰诱偏技术是指在跟踪雷达的附近配置一个诱饵辐射源, 其辐射信号与照射雷达信号相干, 在空域内可同时被导引头搜索、跟踪, 当两点源信号幅度相等、相位相反时对付导弹的效果最好。搜索雷达则与之不同, 它的发射信号不是一个强的连续波照射源, 而是脉冲式发射信号, 那么则需在雷达附近配置两个干扰辐射源, 两个诱偏源和搜索雷达在物理位置上成一直线排列, 同ARM预计的来袭方向垂直, 当然此类诱饵的缺点也很明显, 它只能对付特定方向来袭的ARM。
非相干多点源诱偏是指在雷达周围配置数个与雷达发射信号特性相同的诱偏辐射源, 该辐射源和雷达由控制中心统一指挥顺序开、关机, 当ARM来袭时可将ARM引偏到远离雷达的其它地方。辐射源与雷达在物理上必须进行合理的放置, 开机时刻及开机持续时间等由雷达站按预先设定的程序进行控制。为达到可靠诱偏的目的, 诱偏辐射源信号与雷达信号应能同时被ARM的天线截获, 此外, 为保证雷达的生存安全, 诱偏源发射机的发射功率应不低于雷达发射信号的副瓣功率, 其信号形式应与雷达相同, 在时间上一般超前于雷达信号。
4.2 毫米波干扰
通过上面的分析, 我们知道毫米波制导受大气因素的影响较大, 其制导精度还受中段制导向末端制导转换距离影响, 因此我们根据其薄弱环节考虑采用毫米波无源干扰技术来对其进行干扰。
毫米波无源干扰技术主要是控制投放毫米波干扰物, 反射或吸收敌方毫米波雷达辐射的电磁波、扰乱电磁波的传播, 并改变其散射特性或形成假目标和干扰屏障。其主要干扰方式有两种:冲淡式干扰和遮蔽式干扰。
冲淡式干扰原理:在雷达周围设置一定数量的假目标, 当毫米波制导导弹开机搜索时, 由于真假目标均在其搜索范围内, 从而降低了被保护目标被攻击的概率。这种干扰方式针对毫米波制导武器波束窄、作用距离短的特点。
遮蔽式干扰机理:在导弹和目标之间设置一定的散射型或吸收型干扰器材, 包括烟幕、吸收网等, 降低目标电磁信号的强度, 使得导弹难以接收到目标回波, 增加其发现目标的难度。
目前毫米波无源对抗技术主要有:毫米波箔条、毫米波箔片、毫米波角反射器、毫米波吸收层、毫米波等离子体等等。
5 结束语
随着反辐射导引头技术的发展, 不仅有毫米波复合制导, 还会有红外、激光等多种精确复合制导方式。这些精确制导武器的手段比较复杂, 相互关联的环节多, 受弹体限制, 性能发挥的局限性较大, 可靠性、准确性易受到影响, 因此, 可以利用它的弱点对其进行有效干扰, 使其难以发挥应有的效能。
参考文献
[1]同武勤, 凌永顺, 张鑫.毫米波无源对抗技术浅析[J].舰船电子对抗, 2004
[2]韩裕生, 姚翎, 王硕.毫米波制导武器干扰技术研究[J].红外与激光工程, 2007 (2) .
[3]李阳.毫米波雷达及无源干扰技术浅析[J].雷达与对抗, 2008 (4) .
[4]施中明, 兰杨茂.毫米波有源干扰技术[J].电子对抗技术, 2005 (11) .
[5]李学森, 桑成军, 沙祥.雷达抗反辐射导弹技术综述[J].电子信息对抗技术, 2008 (1) .
辐射复合 篇2
1 纵弯振动复合换能器频率特性研究
纵弯复合换能器是由夹心换能器加上一个矩形厚钢板组成,矩形板长为120 mm,宽为40 mm,厚度为20 mm,密度 ρ = 7 850 kg /m3,弹性模量E =2. 06 × 1011Pa,泊松比 σ = 0. 28。
1. 1 接触面积对换能器谐振频率的影响
对上述纵弯复合换能器,取直径分别为( 20、30、40 ) mm,换能器盖板和矩形板材料均取45 号钢,密度为 ρ = 7 850 kg /m3,弹性模量为E =2. 06 × 1011Pa,泊松比为 σ = 0. 28,声速为5 200m / s; 其中压电陶瓷片pzt-4,密度为7 500 kg / m3,真空介电常数为 ε0= 8. 84 × 10-12C / m,介电常数为εs11= εs22= 730,εs33= 635,弹性常数矩阵为C13=C23= C31= C32= 7. 43 × 1010N / m2,C44= C55=2. 56 × 1010N / m2,C66= 3. 06 × 1010N / m2。压电陶瓷片厚度为5 mm,直径为30 mm,有限元仿真时取换能器前后盖板和矩形辐射板为SOLID45 单元类型,陶瓷片用SOLID5 单元类型。改变相应接触面积,对纵弯复合换能器在20 ~ 60 k Hz频率范围内,用Ansys软件进行模态和谐响应分析可得图1,取阻尼系数为0. 003,电压为1 V。
从图1 可以看出,接触面积大小对纵弯复合换能器谐振频率有一定影响,自由边界条件下当矩形板与换能器间的接触面积增大,它们之间的振动耦合将更加明显,而且通过对固定和简支条件的分析,也可得到随着接触面积的增大,相同模态下的谐振频率也在增大。
1. 2 矩形板厚度对换能器谐振频率的影响
取压电陶瓷片厚度为5 mm,直径为30 mm,改变矩形板的厚度分别为10、15、20 mm,其他材料参数同上,对纵弯复合换能器在20 ~ 60 k Hz频率范围内进行模态和谐响应分析可得图2。
从图2 可以看出,矩形板厚度对换能器谐振频率影响比较明显,随着厚度增加,各阶模态频率变化趋势与单独矩形板随厚度增大时频率变化不一样。由文献[11]可得不同振动模式下矩形板厚度对频率的影响,如图3、图4,从图中可看出,矩形板较薄时,频率随厚度的增加成正比增加,当板厚度增加到不能看作薄板时,频率随厚度的增大仍增大,但此时增加率变慢。同时也可看出不同厚度情况下,板振动的阶次越高,计算和模拟误差越大。其原因是经典理论忽略了剪切形变,但随厚宽比的逐渐增大,根据弯曲理论剪应力不能忽略,此时经典薄板理论不再适用。
1. 3 矩形板的宽度对换能器谐振频率的影响
纵弯换能器尺寸和材料参数不变,接触面积直径为30 mm,板的长度为12 mm,板的厚度为20mm,板宽度分别为40 mm和50 mm。对以上两种情况下复合换能器进行谐响应分析,结果如图5。图中实线和虚线分别对应的宽度是40 mm和50 mm的谐响应曲线。
从图5 中可以看出,矩形板宽度不同,纵弯振动换能器的振动频率将会发生变化。频率较低时,随着矩形板宽度的增加,复合换能器谐振频率也在增加,这与自由振动矩形板的情况比较相似。在频率较大时振动相对比较复杂,规律并不明显因此需要根据具体情况确定。
2 纵弯复合振动换能器指向性
各种形状板的声辐射问题特别是声场指向性的研究是声学研究领域中的热点之一,实际使用的声辐射器都具有一定指向性发射能量,特别是对复合模式超声换能器声场研究,以提高在其实际应用效率。取接触面直径为30 mm,长为120 mm,宽为40mm,厚为20 mm的矩形板组成的纵弯换能器进行分析,提取板各个节元的坐标和位移,数值计算出不同谐振频率下的三维指向性图如图6 所示。为深入研究辐射声场特性,画出不同角度得到的指向性图。分别计算出相同振动模式( m = 3,n = 1) 下,观察平面与板平行时指向性图,以及观察平面与板垂直时指向性图如图7 所示。
从图6 和图7 中可以看出,在各谐振频率下,不管是三维指向性还是二维指向性都存在最大值和最小值,随着频率的增加,不仅指向性峰值变大且变得越来越尖锐,而且在主峰外还有许多次峰,也观察到沿着 θ 和 φ 方向周期性变化。取材料参数同上,对两种相同模态下的不同厚度指向性进行比较,图8( a) 和图8( b) 分别是观测平面与板垂直时的二维指向图,厚度为15 mm和20 mm。由图8 可以看出当板厚度增加,相同模态下的指向性变得更加尖锐。矩形板的几何尺寸对复合换能器谐振频率产生影响,进而对声场也会产生影响,实际应用中设计换能器时应根据需要调整换能器尺寸,以便达到好的应用效果。
3 实验
为了验证以上换能器振动特性,按上述尺寸加工了换能器,对自由边界条件下纵弯复合换能器谐振频率用激光测振仪进行测定。实验装置如图9 所示,各模态下频率测量值和模拟值的比较如表1,其中f1为模拟频率,f2为实验所测频率。
由表1 可看出,纵弯复合换能器有多个谐振频率,模拟值与实验测量值比较接近虽存在一定误差,但误差较小仍在工程应用范围内,因此用有限元法研究纵弯复合换能器的振动特性是可行的。其主要原因是: 模拟所用换能器是简化模型,忽略了螺栓以及将压电陶瓷片看成圆盘而实际应是圆环; 实际材料参数和给定参数存在一定误差; 实验所用换能器与设计尺寸存在误差; 实验测试仪器也会带来一定误差。
4 结论
辐射复合 篇3
关键词：复合膜,激光,聚酰亚胺,纳米银,聚乙烯吡咯烷酮,表面金属化
近年来, 为拓展聚酰亚胺的应用, 聚酰亚胺的表面功能化特别是表面金属化已成为研究热点之一。其中, 聚酰亚胺/Ag复合膜由于在高反射太阳帆薄膜[1]、超疏水材料[2]、图形化化学镀铜[3]等方面有着较好的应用研究而显得尤受关注。目前, 聚酰亚胺/Ag薄膜的制备主要有先表面水解再离子交换法[4,5], 原位一步合成法[6,7]等。一般而言, 先表面水解再离子交换法由于用强碱水解而易造成聚酰亚胺本体的破坏[8,9,10], 且该法对制造单面复合膜不太适用;原位一步合成法需在PI成膜前 (即聚酰胺酸溶液时) 加入含Ag+溶液制得[11], 操作要求较高, 不是对商品化的PI产品进行改性的方法。
我们发展出一种激光辐射还原的方法, 通过在商品化的PI表面涂覆一种PVP/AgNO3胶体, 然后用激光大面积扫描辐射, 利用激光的高光能和高强度, 将Ag+还原成Ag粒子并嵌入到PI表面, 从而制得PI/Ag复合膜。该方法操作方便, 为PI/Ag复合膜的制备增添了一种简单的方法。本文重点探讨了PI/Ag复合膜的制备过程中两个重要的影响因素激光通量和PVP/AgNO3配比对纳米银粒子形成的影响。
1实验部分
1.1材料和试剂
实验中所采用的聚酰亚胺是商品化的 (PMDA-ODA) 型Kapton膜, 膜厚50μm, 用丙酮超声清洗30min备用;PVP, K30 (MW=40000) , 生物试剂, 上海伯奥生物科技有限公司进口分装;实验中使用的其他化学试剂都是分析纯级。
1.2PVP/AgNO3胶体溶液的配制
称取一定量的PVP溶于无水乙醇中, 搅拌至全部溶解并成均匀的黄色溶液后, 再加入一定量的AgNO3, 搅拌至全溶。实验中配制5种不同配比的PVP/AgNO3胶体, PVP∶AgNO3∶乙醇分别是:① 0.1g∶0.1g∶10mL;② 0.2g∶0.1g∶10mL;③0.25g∶0.1g∶10mL;④ 0.3g∶0.1g∶10mL; ⑤0.4g∶0.1g∶10mL。文中如无特别说明时, 以②号样胶体进行实验。
1.3激光辐射方法
采用Nd:YAG调Q激光器的四倍频输出 (266nm) 作为辐射光源, 脉宽为5ns, 频率为10Hz, 激光输出光为高斯光束, 光斑直径约为8mm。激光能量可调节并用功率仪测定。样品安装在样品台上, 样品台可在x-y方向上作两维移动, 并由计算机程序控制其移动方向和速度。本实验中, 激光扫描速度定为0.1mm/s, 两条平行扫描线的间距为0.1mm。由于光斑直径有8mm, 这种大面积的扫描基本上解决了高斯光束造成的银沉积的不均性。整个激光实验过程在20℃下进行并且无需真空条件。
1.4聚酰亚胺/纳米Ag复合膜的制备工艺
(1) PVP/AgNO3胶体的涂布:
将制备好的PVP/AgNO3胶体采用旋涂、浸涂、等方式均匀涂布在PI基体表面, 自然晾干后在PI上成膜。
(2) 激光辐射:
将上述薄膜置于激光装置的样品台上, 调节激光通量, 进行大面积扫描。
(3) 清洗:
激光辐射后将样品用去离子水和乙醇交替清洗以去除PVP, 于是获得聚酰亚胺/纳米Ag复合膜。
1.5测试方法
用原子力显微镜 (AFM, Nanoscope IIIa型, 美国Digital Instruments 公司) 观察表面形貌;用X光电子能谱仪 (XPS, PHI 5000C ESCA system, 美国Perkin Elmer公司) 来进行薄膜表面的元素分析;用扫描电子显微镜 (SEM, S-2150型, 日本Hitachi公司) 来观察薄膜表面镀覆的铜的形貌。
2结果与讨论
2.1激光光刻后的XPS分析
图1给出了光刻并清洗后聚酰亚胺薄膜上的XPS的全谱图。从图中可以看出, 激光光刻并清洗后, PI表面出现了银的3d, 3p3/2, 3p1/2特征峰, 说明银粒子已经成功地嵌入到PI表面上。
2.2激光通量对银纳米粒子形貌的影响
为了探讨激光通量对PI表面生成的银纳米粒子形貌的影响, 我们采用了AFM观察其形貌, 结果如图2所示。由图可见, 当激光通量为8mJ/cm2时 (图2a) , PI表面比较光滑, 没有得到嵌入PI表面的银纳米粒子;当激光通量增大到15mJ/cm2时, 银纳米粒子呈无规分布, 大小比较均匀, 粒径在60～85nm左右;当激光通量增大到在20mJ/cm2时, 如图2b所示, 银纳米粒子仍然呈无规分布, 但银纳米粒子的尺寸略微增大;当激光通量继续增大到25mJ/cm2后, PI表面变得比较粗糙, 银纳米粒子的粒径不再明显变化, 但是纳米粒子的分布却产生了一定的方向性, 沿着激光扫描的方向显示出一定程度的定向生长 (图2c、d) 。这是因为在较低通量的激光辐射下, 一方面生成的银纳米粒子较少, 另一方面低通量的激光辐射无法在PI表面进行消融或光刻, 使银纳米粒子无法嵌入到PI表面;较高通量的激光辐射能充分还原出胶体中的银纳米粒子, 而且造成PI表面的消融使银纳米粒子被嵌入到PI表面;更高通量的激光辐射下, 辐射区域的温度升高增加了PI表面分子链和生成的银纳米粒子的流动性使银纳米粒子沿着激光扫描方向排列生长, 同时高通量的激光对基体聚酰亚胺也产生一定程度的光刻, 造成表面粗糙度的进一步增加, (图2d中的表面粗糙度比图2c中的表面粗糙度大) 。综上所述, 激光通量的增加对银纳米粒子的尺寸影响不大, 但较高的激光通量会导致银纳米粒子沿着激光扫描方向产生一定程度的定向排列。
[ (a) 8 mJ/cm2; (b) 15m J/cm2; (c) 25 mJ/cm2; (d) 30mJ/cm2]
2.3PVP与AgNO3配比对银纳米粒子形貌的影响
聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 聚合物保护剂, 已用于金属纳米粒子如纳米金[12]、银[13,14]、钯[15]、铂[16]的制备中。这是因为PVP具有较好的防止胶体颗粒团聚的功能。因此, PVP与AgNO3的配比对纳米银粒子的形貌有着重要影响。
我们在激光通量为20mJ/cm2和扫描速度为0.1mm/s的条件下, 用FESEM观察分析了PVP与AgNO3配比对PI表面银纳米粒子形貌的影响 (见图3) 。从图3a中可以看出, 原始PI的表面非常平整;当PVP:AgNO3为1∶1 (质量比, 下同) 时, 激光辐射后, PI表面出现了银纳米粒子, 纳米粒子粒径较小, 约为25～60nm (图3b) ;当PVP:AgNO3为2.5∶1时 (图3c) , 银纳米粒子密集且粒径增大到80～160nm;当PVP的含量提高到PVP∶AgNO3=3∶1时 (图3d) , 生成的银纳米粒子不但粒径较小 (只有20～50nm) , 而且分布稀疏;而当PVP的含量进一步提高到4∶1时 (图3e) , 从FESEM图上已经几乎观察不到有银纳米粒子的沉积。
[ (a) 原始PI; (b) PVP/AgNO3=1/1; (c) PVP/AgNO3=2.5/1; (d) PVP/AgNO3=3/1; (e) PVP/AgNO3=4/1]
我们分析认为, 当PVP∶AgNO3=1∶1时, PVP在胶体中的含量相对较少, 不能完全配位Ag+离子。Zhang等[17]认为PVP对纳米粒子的保护机理分为3个阶段:首先是PVP与Ag+形成配位化合物, 由于PVP中的N和O原子有比较强的配位作用, 可以向银离子的sp轨道提供孤对电子, 从而形成2种配位化合物 (化学方程式略) , 并且认为形成这2种配位化合物的几率相等;其次, PVP能促进银离子被还原成金属银粒子, 这是因为PVP中的C-N和C=O配位体能给Ag+的sp轨道提供较多的电子云, 使得Ag+更易被还原 (化学方程式略) ;最后, 银粒子生成以后, PVP的聚乙烯长链包裹在银粒子的表面, 由于空间位阻效应阻止银粒子的聚集并在一定程度上阻止其生长。
按照的配位机理, PVP与AgNO3的质量比至少要达到1.54∶1才能完全配位。由于PVP与银离子配位能使银离子更易还原[17], 而配比为1∶1时PVP不能完全配位银离子, 因而此时银离子的还原效率较低, 使得产生的银纳米粒子的粒径较小。此后随着PVP的相对含量提高 (如PVP∶AgNO3=2.5∶1, 图4c) , Ag+离子被PVP完全配位, Ag+离子在激光辐射下还原效率提高, 因此生成的银纳米粒子密集且粒径增大。当PVP的相对含量进一步提高时, 过多的PVP将配位的Ag+离子包裹住, PVP越多, 包裹层越厚, 这反而降低了Ag+离子在激光辐射下的还原效率;另一方面PVP的相对含量过高时, Ag+离子的相对含量降低, 造成Ag+离子在激光辐射下的还原量减少, 因此随着PVP相对含量的进一步提高, 在同样辐射条件下还原出的银纳米粒子的数量、粒径反而减少 (图3d) , 当PVP含量过高时甚至不能还原出银纳米粒子 (图3e) 。
3结论
(1) 将PVP/AgNO3胶体涂覆在PI薄膜表面, 用激光辐射法可实现PI表面金属化, 制成PI/纳米Ag膜。
(2) 激光通量的增加对银纳米粒子的尺寸影响不大, 但较高的激光通量会导致银纳米粒子沿着激光扫描方向发生一定程度的定向排列。
(3) PVP与AgNO3的配比对银纳米粒子的尺寸和密集度影响较大。本实验中, 当PVP∶AgNO3=2.5∶1左右时, 可获得较佳的PI/纳米Ag膜。
辐射复合 篇4
煤岩动力灾害频频发生,对煤岩动力灾害进行有效的预测预报已成为保障煤矿安全开采需要解决的重要课题。电磁辐射法作为一种非接触性的短临预报煤岩动力灾害的方法[1],其优越性得到广泛认可。何学秋、王恩元等[2,3]开展了煤岩与瓦斯电磁辐射特性及其应用研究,并开发了电磁辐射监测仪。聂百胜等[4]用剪切实验台和电磁辐射、声发射接收系统对煤体剪切破坏的低频电磁辐射、声发射特征进行了研究。潘一山等[5,6]利用自主研制的电荷感应系统对矿山动力灾害进行监测,主要针对是几十k Hz的低频。邱兆云等[7]针对在不同围压、不同孔隙压力条件,进行了煤体受载破裂声发射信号监测试验。肖红飞[8]运用自记忆方程与电磁辐射预测方法有机结合,有效地提高了煤与瓦斯突出电磁辐射动态预测准确性。刘明举[9]采用电磁辐射法作为突出研究的新技术手段来预测煤与瓦斯突出。窦林名等[10]研究坚硬顶板-煤体-底板所构成的组合煤岩变形破裂电磁辐射规律。杨超等[11]研究了基于电磁辐射技术的冲击地压区域监测预报方法。由于现场电气设备产生电磁干扰很大,测试的准确度、结果的真实性难以得到保证,接收天线结构有待完善。杨桢等[12,13]采用改进小波变换针井下电磁干扰对煤岩电磁辐射信号进行去噪研究,并对复合煤岩受载破裂内部红外辐射温度变化规律进行研究。目前的研究主要集中于针对低频电磁辐射信号[14,15],主要分布在0~400 k Hz。但是实际的电磁辐射频段很宽,范围在1 Hz~5 MHz,主要频段集中在1 Hz~1MHz,针对500~900 k Hz中频段研究鲜见报道。在现场煤岩体多为复合煤岩层,由顶底板岩及煤层构成。李夕兵等[16]研究电磁辐射频率与岩石属性参数之间的关系,得出岩石破裂时电磁辐射频率达到105Hz量级,主要分布在100 k Hz~1 MHz范围。之前研究的主要是单一煤样,针对复合煤岩的电磁辐射特征研究较少。复合煤岩含顶、底板岩,电磁辐射频段会较单一煤样丰富,中频段特征更为明显。本文针对高频干扰对信号的影响,改进环形天线结构,采用自主研发的基于FPGA+DSP新型电磁辐射信号采集系统,深入研究复合煤岩受载产生电磁辐射中频段信号特征及规律,研究成果对深入研究受载复合煤岩电磁辐射机理,煤岩动力灾害预测预报,保证煤矿安全开采具有理论价值和现实意义。
1 试验系统设计
1.1 总体设计
试验系统由加载系统、新型煤岩电磁辐射采集系统、小型屏蔽仓和屏蔽网等组成。试验装置示意图如图1所示,环形天线套在煤样外侧。加载系统采用YAW-2000型电液伺服压力试验机,可实时记录荷载和位移值,并同步绘制载荷-位移曲线,试验时选用位移控制方式进行加载,加载速率为0.03 mm/min。电磁屏蔽系统为小型电磁屏蔽仓和200目紫铜屏蔽网,铜网屏蔽层直接接地。
1.2 电磁辐射信号接收天线
电磁辐射信号采集环形宽频天线如图2所示,由铜管,绝缘导线构成,将外径Φ16 mm紫铜管弯成Φ80 mm的圆环,用Φ1.4 cm的绝缘导线在铜管中绕恰当的圈数N,环闭合处采用绝缘物隔离。
为防止环境中的电磁辐射信号的干扰,结构上采用同轴电缆屏蔽线,同时在天线和电缆之间加入平衡不平衡转换器-巴伦(BALUN),把从振子流过电缆屏蔽层外皮的高频电流截断,减小信号的传输损耗。其中a、b两点为环形天线接收输出端,g、h两点为经过巴伦去除高频干扰后输出信号端,后接数据采集电路。经测试,环形天线的有效接收范围为1 Hz~1 m Hz,满足试验要求。后接自主研发的FPGA+DSP数据采集处理系统,通过FPGA进行傅里叶分析得出各个频点的时域特性,运算速度快。
2 试验步骤
试样采自山西大同忻州窑矿,从现场钻取的顶、底板均选取粉砂岩,并从现场提取鲜煤样,将煤、岩样加工成直径为50 mm的试样且边缘结构完整不影响其结构特性。将顶板砂岩、煤体、底板砂岩按1∶1∶1的比例粘结成直径为50 mm、高为100 mm的圆柱体复合煤岩体试样,试验中制作20个复合煤岩试样,分别编号为f1,…,f20。复合煤岩受载破裂的中频电磁辐射特性试验按照以下步骤进行:
1)试件装配:将屏蔽仓安装在加载系统相应位置,放入试样;如图1所示,将环形天线套入煤样,在距离屏蔽仓底约5 cm处悬空固定天线,天线与屏蔽仓无接触。环形天线的馈线从屏蔽仓壁中直径为5 mm的小孔引出。封闭屏蔽仓,接缝处及小孔位置用200目紫铜屏蔽网封口。
2)开始试验;先启动压机,选择位移加载,调节加载速率0.3 mm/min,同步启动载荷记录系统,开始加载,并同时记录电磁辐射信号。
3)试样破裂后,试验结束,分析数据。
3 复合煤岩破裂电磁辐射中频信号规律研究
3.1 加载过程电磁辐射信号分布规律
对20个复合煤岩样本进行单轴加载试验,试验结果具有一致性。以f2样本为例,全频段幅频特性曲线如图3所示。
由图可见随着电磁辐射频率的升高,电磁辐射信号强度增大,并且500 k Hz前电磁辐射强度集中于0.1~0.2 V,500 k Hz后信号强度集中于0.3~0.45 V。说明复合煤岩受载破裂释放的电磁辐射能量主要集中于500k Hz~1 MHz中频段,因此复合煤岩电磁辐射中频信号相对于低频信号,携带有更多的复合煤岩受载破裂电磁辐射特征信息。
3.2 加载各阶中频段电磁辐射信号分布规律
复合煤岩试样在单轴加载条件下,中频段电磁辐射强度与轴向应力对应关系如图4所示。
由于试样抗压强度较大,单轴加载至44.9 MPa时发生轴向劈裂破坏,主裂纹与垂直方向夹角约为10°。AB段(14~100 s)复合煤岩承受的最大载荷占峰值应力的6.7%,试样处于压密阶段,电磁辐射信号微弱,电磁辐射幅值平均值占总幅值平均值的14.5%;BC段(100~150 s),试样承受的最大载荷占峰值应力的33.3%,应力呈非线性上升趋势,试样处于弹性阶段,电磁辐射强度明显升高,呈整体上升趋势,该阶段电磁辐射幅值平均值占总幅值平均值的42.4%;CD段(150~177s),复合煤岩承受的应力达到峰值,应力极速上升,明显大于弹性阶段,复合煤岩处于弹塑性阶段,该阶段电磁辐射同步于应力大幅增长,邻近发生主破裂时电磁辐射信号最为强烈,幅值达到66.9 m V,该阶段电磁辐射幅值平均值占总幅值平均值的81.6%;DE段(177~187s),煤岩体部分已经发生主破裂,应力和电磁辐射急剧下降后出现反弹波动之后又急剧下降,此阶段为破坏阶段,该阶段电磁辐射幅值平均值占总幅值平均值的22.7%,依然高于压密阶段[16]。
3.3 电磁辐射中频信号特征分析及其机理探讨
通过FPGA电路进行傅立叶分析,可以得到加载过程中各频点电磁辐射强度,由3.1分析可知复合煤岩受载破裂电磁辐射能量主要集中于500 k Hz~1 MHz,选择600、700、800和900 k Hz信号进行分析,电磁辐射强度与轴向应力曲线图如图5(a)~(d)所示。
由图5可知,四个频点电磁辐射变化趋势大致相同,前三个阶段整体呈上升趋势,破坏阶段呈下降趋势,弹塑性阶段和破坏阶段电磁辐射强度与应力呈现高度的正相关性。以600 k Hz为例说明电磁辐射中频信号变化特征。
压密阶段,在应力作用下煤体空隙减小质地变密实,因此电磁辐射表现为存在但整体较弱,主要集中于1~2;加载至a点时(43 s),应力保持在0.3 MPa已有20 s,此刻电磁辐射信号出现一次明显波动,波动峰值3.96 m V,这是煤岩小部分原生裂隙断裂所致;a点后信号强度保持2 m V基本不变。
弹性阶段,煤岩内部(岩体、煤样内部及相互之间)的原生微裂隙逐渐相互贯通并加宽,同时新生裂隙不断产生,表现为整体电磁辐射强度相对于压密阶段明显提升,增加1~3倍;加载至b点(112 s)时,煤体开始出现大量微观裂隙,顶板和底板也开始出现少量微观裂隙,电磁信号从b点起至d点(约150 s)持续大幅波动,波动峰值呈现增大-减小的趋势;加载至c点(134 s)煤样出现较明显的宏观裂隙,此刻电磁辐射强度达到弹性阶段的最大值10.8 m V,由此可见波动的出现与裂隙的产生、扩展、断裂融合紧密相关。
弹塑性阶段,初期电磁辐射强度较小,是因为弹性阶段部分微观裂隙融合生成宏观裂隙,剩余的微观裂隙尚未扩展,新的微观裂隙仍未生成;应力极速大幅上升,电磁辐射强度震荡上升至最大值,此过程中煤体不断出现宏观裂隙,顶、底板微观裂隙明显增多;直至e点(177s)时,应力达到最大,剪切面迅速扩展,试样失稳破坏,电磁辐射信号出现最高峰值12.1 m V。
破坏阶段,试样破坏后,应力与电磁辐射信号极速下降,但在f点出现波动,除与顶、底板出现宏观裂隙有关外,部分煤岩仍具有一定的承载能力,随着应力的上升,煤岩内部的宏观裂隙再次发生宏观破裂。
四个频点的电磁辐射变化趋势趋于一致,规律如下:压密阶段电磁辐射强度较低;弹性阶段电磁辐射强度提升至压密阶段的2~3倍,信号强度持续大幅波动,是裂隙萌生扩展的主要阶段;弹塑性阶段电磁辐射强度起始值很小,而后快速增大至最大值,最大值随信号频率升高而变大。900 k Hz电磁辐射信号较为特殊,此阶段信号强度整体小于弹性阶段,而弹性阶段是新生裂隙大量萌生扩展的阶段,说明900 k Hz电磁辐射主要反映微观裂隙变化情况;破坏阶段电磁辐射信号呈迅速下降-略有上升-下降的趋势。
3.4 电磁辐射中频信号与应力相关性分析
设应力和电磁辐射信号时间序列为X(t)和Y(t),应力和电磁辐射信号为能量有限的零均值离散采样信号,通过两者的互协方差函数推导,得到应力和电磁辐射信号相关系数表达式:
选用加载10 s后的数据,利用origin数学处理软件对500 k Hz~1 MHz频段电磁辐射信号与应力进行线性拟合,求得相关系数为,则电磁辐射信号和应力的关系可以表示为:
其中:E为电磁辐射强度,m V;k为拟合直线的斜率;σ为应力,MPa;m为拟合直线的截距。
500 k Hz~1 MHz频段电磁辐射信号与应力线性拟合图像如图6所示,拟合曲线如式(3)所示,相关性系数高于0.8。
同时对600~900 k Hz四点的电磁辐射信号与应力的线性相关性进行了验证,电磁辐射频点线性拟合的参数如表1所示。
其中600~800 k Hz线性相关系数均大于0.8,900k Hz较为特殊,此阶段信号强度整体小于弹性阶段,微观裂隙变化较大,产生的电磁辐射信号强度离散性较大,导致拟合结果的相关性系数仅为0.559 5,明显低于其他频点。此结果只是针对本试样进行分析,其他样本分析结果会有所差异,总体线性相关性系数均较高。
4 结论
1)自主研发电磁辐射环形天线,在平衡传输线和不平衡传输线之间加入平衡不平衡转换器—巴伦,减小信号的传输损耗,有效去除高频干扰。改进了信号接收前置装置。设计基于DSP和FPGA的数据采集处理电路。
2)对复合煤岩受载破裂各阶段电磁辐射中频信号分布规律进行了研究,发现电磁辐射信号与应力呈现较好的线性相关性。电磁辐射中频段信号强度与应力相关系数大于0.8,相关性较高。