绝缘体

绝缘体（共12篇）

绝缘体 篇1

1绝缘体的结构

绝缘体为ABS材料, 收缩率为3‰～8‰, 该材料流动性能为中等, 溢料间隙0.05mm, 其结构与尺寸如图1所示。绝缘体有一个准15×1.5的基座, 其上是准12×3.5、R3.75的凸台, 凸台上有一5.5×1.5的贯通槽, 绝缘体中心有准3的通孔。经分析该零件可采用注射成型工艺。

该模具的设计难点是如何形成5.5mm×1.5mm的槽和准3的通孔。通过分析计算确定型腔形成绝缘体的外形, 型芯形成5.5mm×1.5mm的槽和准3的通孔。

注塑成型条件为:收缩率取0.8%, 加料段160℃～180℃, 塑化段200℃～220℃, 模具温度50℃～70℃, 注塑压力60～80MPa, 注塑时间2～3s, 保压时间12～15s, 冷却时间40～50s, 周期80s。采用SZ-30注塑机。

2模具结构与工作过程

模具结构如图2所示。模具采用两板式、侧向进料口, 带导向机构顶出装置, 组合式型芯、型腔结构, 一模四腔。

模具工作过程:通过人力或传输装置将物料输送到注射机的料筒内, 动、定模合模, 物料受热呈熔融状态, 然后在螺杆的推动下, 经喷嘴、浇口套、浇道、进料口进入型芯与型腔组合而成的密闭空间, 严格控制注塑工艺参数, 经保压、冷却后, 动、定模分离。开启注射模时, 在动、定模分离的同时, 安装在注射机上的中心顶栓通过底板的中心孔推动顶出机构将塑件顶出, 人工从拉料杆5上取下流道赘物及塑件。

动、定模合模时, 利用复位杆使顶出机构复位, 一个注射周期完成。顶板导柱20是顶板顶出塑件及复位时的导向件。

1.动模板2.定模板3, 8, 18.螺钉4.复位杆5.拉料杆6.型芯7.型腔9.浇口套10.销11.导套12.导柱13.垫板14.顶板15.垫铁16.底板17.顶板垫板19.顶杆20.顶板导柱21.限位钉

3模具设计要点

3.1分型面的选择及排气槽设计

分型面选在准15的底面, 即定模板的底面, 这样虽然影响了准15外圆的外观, 但不影响装配质量。同时使塑件能够完好成型。且使得塑件留在动模上, 便于脱模, 顶出塑件。

注射模的排气是模具设计中不可忽视的问题, 排气不良容易造成塑件质量问题。排气槽设在分型面上, 即使有少量溢料产生毛边亦不妨碍塑件脱模。注射模的排气通过以下两个途径解决: (1) 通过顶杆与型芯的间隙自然排气; (2) 排气槽设计在型腔进料口的相对位置及动模板的外沿。排气槽尺寸为5mm×0.04mm, 该尺寸既有利于成型又不会形成溢料, 造成塑件疏松。

3.2型芯、型腔的设计

为了加工上的方便和模具的维护, 型芯、型腔采用了整体组合埋入动模板。型芯、型腔形状如图3所示。这种结构简化了塑件成型机构的设计。

3.3浇注系统的设计

注射模的浇注系统是将熔融状态的塑料填充到模具成型系统内, 并在填充与凝固过程中将注射压力传递到塑件各个部位而得到要求的塑件。模具采用一模四腔的结构。为了便于成型及取料, 采用侧向进料口。该浇注系统由浇口、浇道、进料口和冷料井等四部分组成。

(1) 浇口

浇口是连接注射机料筒喷嘴和注射模的桥梁。浇口套在注射时承受很大的喷嘴端部压力和模腔压力的反作用力。因此浇口套应带有肩缘, 并采用紧固件固定在定模上。为了便于拉出流道中的凝料, 将浇口套内孔设计成锥形, 孔径为准4mm, 锥度为6°, 内表面粗糙度为Ra0.4以上, 以保证料流顺畅, 并防止冷料脱模困难。同时浇口套是模具中热量最集中的地方, 应采取冷却水道冷却。

(2) 浇道

浇道是浇口和进料口的连接部分, 其基本作用是在压力损失最小的条件下, 将来自注口的熔融料以较快的速度送到浇口以便充模, 同时要求流道中残留的熔融料最少, 长度尽量短, 以减小压力损失。从加工及成型性考虑采用梯形截面浇道。浇道宽度为4mm, 深度为3mm, 浇道的粗糙度在Ra3.2即可, 这样有利于熔融料的保温。

(3) 进料口

进料口是浇道和型腔之间的连接部分, 也是注射模进料系统的最后部分。进料口长1mm, 宽2mm, 深0.5mm, 使其前后两端形成较大的压力差, 增加了流速, 快速冷却封闭, 便于与塑件分离及浇口残痕最小, 得到外形清晰的制件。塑件质量上的缺陷通常是由于进料口设计不良造成的。

(4) 冷料井

在注射机未注射之前, 喷嘴最前端的部分熔融料的温度较低, 必须防止其在注射时进入浇道或型腔, 同时为了集存这部分冷料, 在浇口尽端的动模上开设冷料井。

为了在开模时从浇口套内拉出浇口凝料和使浇口凝料与喷嘴分离, 在冷料井的尽端设置了Z形拉料杆。拉料杆由顶出机构的顶板驱动, 其直径应不小于浇口套大端的直径, 以便钩住冷料。开模后, 塑件脱模, 浇口凝料被顶出。

3.4脱模机构的设计

塑件采用推杆推出方式。模具复位采用复位杆复位方式。

顶出机构是注射模的重要组成部分之一, 其作用是在开模时能使塑件从动模上顺利而迅速地全部顶出。该模具采用顶杆一次顶出的机构。该机构主要由顶板14、顶板垫板17、顶杆19、复位杆4组成。复位杆头部淬硬HRC40～45。顶板14与顶板垫板17用螺钉连接, 保证复位杆4与顶杆19的稳固性。

顶杆将塑件顶出后必须返回其原始位置, 才能合模进行下一次注射成型。该注射模采用复位杆复位。这种方法经济、简单, 回程动作稳定可靠。其工作过程如图2所示, 当开模时, 顶杆向上顶出, 复位杆突出模具的表面;当注射模闭合时, 复位杆与定模模面接触, 注射机继续闭合时, 则使复位杆带动顶出机构一同返回初始位置。设计上宜保证顶杆使塑件顶出型腔顶面10mm左右, 以便于取出塑件。

4结语

该模具采用的成型系统, 不仅缩短了成型周期, 提高了效率及成品率, 而且节约了大量的材料。避免了机加加工周期长, 废品率高的现象。虽然模具的一次性投资成本高, 但随着产品批量的加大, 模具的综合效益越来越显示出明显的优势。该模具自投产以来, 一直运行正常, 创造了可观的经济效益。

绝缘体 篇2

一、教学目标

1．知道什么是导体，什么是绝缘体。

2．能够设计检测装置，检测常见物体的导电性能。3．认识常见的导体与绝缘体。

4．知道人体、大地和自然界的水也是导体。5．具有安全用电的意识。

二、教学重点与难点

重点：认识常见的导体与绝缘体。

难点：认识人体、自然界中的水、大地也是导体。

三、教学内容

教材第33、34、35页。

四、教具学具

教具：多媒体播放器。

学具：电池、导线、电池盒、小灯泡、开关、灯座、铁片、铜丝、橡皮擦、塑料尺、回形针、纸片、烧杯、发光二极管

五、教学过程

第一课时

（一）导入新课

师：同学们，上节课我们学习了简单电路，同学们还记得连接一个简单电路需要哪些材料吗？

生：导线、电池（电源）、小灯泡（用电器）

师：嗯，同学们回答的都不错，一个简单电路由导线、电池、小灯泡组成，老师为你们准备了这些材料，哪些同学能上来给我们连一下。（PPT）请同学上来连一个简单电路

师：同学们，看小灯泡亮了没有？ 生：亮了

师：说明这位同学连对了，我们给他一点掌声，现在同学们思考一下，如果老师把其中一根导线剪断，灯泡还会亮吗？ 生：不会

师：对，小灯泡不会亮了，那么我们应该在断开的电路中接入什么才能使小灯泡继续发亮？（学生回答）

师：同学们都很聪明，能想到在电路中接一些物体，让小灯泡重新亮起来，那同学们是不是不管接什么什么物体进去都能使小灯泡亮起来呢？ 生：不是

师：根据小灯泡的发亮情况可以判断出哪些物体接进这个电路中能使小灯泡发亮，在这个断开的简单电路中接入这些物体，大家看图片，像图片中一样，看好了，那现在大家会连了吗？ 生：会了 师：好，那到底接哪些物体进去小灯泡会亮那些不会？今天我们就用这个断开的简单电路来检测一下。

（二）预测

师：今天老师为你们准备了一些材料有：铁片、回形针、铜丝、纸片、铝片、干木条、橡皮擦、塑料尺，你们认为把这些材料接进去，哪些会使小灯泡重新亮起来，哪些不会？现在你们以小组为单位预测一下，把你们的预测结果填在实验记录表上。（小组预测）

师：现在老师请一个组的同学起来汇报一下他们的预测结果。

（学生回答）

（三）实验 师：有其他不同意见吗？那同学们你们的预测到底正不正确呢？我们现在就来做实验验证一下，在做实验之前老师有几点要求：（1）检测前，确定电路连接是否正常。

（2）将各个物体逐个接入电路中，看小灯泡是否发亮。（3）为了提高检测的准确性，注意要重复实验。（4）认真及时地记录检测结果，完成表格。（5）把检测完的物体分类放。

师：同学们懂了没，会不会做了？现在老师开始发实验材料

（教师发实验材料

学生实验）

师：现在老师请几个组的同学汇报一下实验结果

（学生汇报）

师：现在我们一起来给它们分一下类，同学们都发现铁片、铝片、铜丝、回形针能使小灯泡重新发亮，纸片、干木条、橡皮擦、塑料尺这些不能使小灯泡重新发亮。你们看一下这些能使小灯泡发亮的东西，它们有什么共同的特征？ 生：都是金属

（四）导体与绝缘体概念

师：嗯，使小灯泡发亮的东西大部分是金属，接入电路中能使小灯泡发亮呢说明它容易导电，不能使小灯泡发亮说明它不容易导电。我们把容易导电的物体叫做导体；把不容易导电的物体叫做绝缘体。（板书）并且导体大部分是金属，绝缘体大部分是非金属。

师：现在我们知道了什么是导体，什么是绝缘体了，那现在老师说，你们来判断老师说的对不对： 1.导体容易导电（对）

2.绝缘体一定不能导电（错）

师：绝缘体是不容易导电，而不是一定不能导电，当情况改变时，导体和绝缘体是可以互相转变的，比如说：

导体高温后变绝缘体（铁高温后，电阻变大，变为绝缘体）绝缘体变湿后变导体（比如说干木条变湿后变导体）

师：导体和绝缘体在我们生活中是很常见的，现在同学们来谈谈在生活中，你认识的导体有哪些?绝缘体有哪些？ 学生讨论并回答

师：我们今天的课就上到这里，大家在课后思考一下水、人体、大地是导体吗？

六、课堂小结

师：今天我们一起学习了导体绝缘体，那我们现在就一起来回顾一下吧。1.容易导电的物体叫做导体

2.不容易导电的物体叫做绝缘体。

七、板书设计

导体与绝缘体

1.导体：容易导电的物体叫做导体。

2.绝缘体：不容易导电的物体叫做绝缘体。

第二课时

五、教学过程

（一）回顾知识

师：同学们，通过上节课的学习，谁能告诉老师什么是导体，什么绝缘体？ 生：容易导体的物体是导体，不容易导电的物体是绝缘体。

师：这位同学回答的很不错，你们要记住了，导体是容易导电，而不是能导电；绝缘体是不容易导电，而不是不能导电，我们说的是容易和不容易而不是能不能，也不是会不会。那哪位同学能给我们举举例子，哪些东西是导体，哪天是绝缘体？（学生举例）

师：同学们告诉老师这些导体都有些什么共同特征？ 生：都是金属。

师：很好，导电性是金属的特性之一，所以，金属是导体。

（二）自然界中的水、人体、大地都是导体 师：看来同学们学得都很不错，现在我们已经知道了生活中的一些导体和一些绝缘体了，哪同学们你们认为自然界中的水是不是导体呢？ 学生回答 师：到底是不是呢？我们就来做实验验证一下，要验证自然界中的水是不是导体，同样需要把自然界中的水接入到电路检测器中去，只是今天我们的用发光二极管来代替小灯泡。这是电路检测器，这呢是老师准备的三杯水分别是纯净水、自来水还有盐水。现在我们把纯净水接入电路中，你们认真观察二极管会不会亮？ 学生观察并回答

师：二极管没亮说明了什么? 生：说明了纯净水不容易导电，不是导体

师：对，这个实验说明了纯净水不是导体。下面我们再做第二个实验，我们把自来水接入这个电路中，你们认真观察二极管会不会亮？亮度又是怎么样的？ 学生观察并回答

师：二极管亮了，而且亮度弱，说明了什么? 生：说明了自来水容易导电，是导体，导电性弱。下面我们再做第三个实验，我们把盐水接入这个电路中，你们认真观察二极管会不会亮？并观察它的亮度的变化

（学生观察并回答）

师：二极管亮了，亮度增强了，说明了什么? 生：说明了盐水容易导电，是导体，导电性强。

师：同学们，发现没有并不是所有的水都是导体，纯净水就不是导体。自来水和盐水是导体，自来水和盐水是自然界中的水，也就是说自然界中的水是导体。（板书）纯净水不容易导电是因为它里面不含任何杂质，自来水和盐水里面含有杂质，而且盐水里面的杂质多于自来水里面的，盐水导电性也强于自来水，说明了什么？

生：不同水导电性能不一样，水中的杂质越多，导电性越强。

师：现在我们知道了自然界中的水是导体，纯净水不是导体，那同学们思考一下人是不是导体？ 生：是 师：到底是不是呢？我们来做一个小游戏（做验电球实验），同学们你们看到了什么现象？ 生：验电球发光了

师：嗯，验电球亮了，这就说明人容易导电是导体。现在，老师给大家看一下，这是电笔（介绍电笔的用法并演示）手放在电笔顶端，指示灯亮了也说明了人是导体。现在我们知道了自然界中的水，还有人都是导体，那你们认为大地是导体吗？ 学生回答

师：其实大地也是导体，大家知不知道避雷针 学生回答

师：避雷针的使用就是利用了大地的导电性（教师介绍避雷针）

（三）生活中的导体与绝缘体

师：现在我们已经知道了自然界中的水、人体和大地都是导体了（板书）。其实在我们生活中导体和绝缘体有很多，上节课也说了一些，其实好的导体和绝缘体都是好的电工材料，比如说电线、电笔、开关等等。你们能辨认出它们那些部分是导体，那一部分是绝缘体吗？ 生：辨认 师：你们知道它们为什么设计成这样吗？导体部分和绝缘体部分各起什么作用？ 生：回答

（四）安全用电

师：其实导体的作用是为了更容易导电，绝缘体的作用是防止人触电，保证用电安全。既然人会触电，生活中就要小心用电了，不然很容易触电发生危险。你们把课本翻到35页，判断以下几种做法对不对，并说出为什么？ 学生回答 教师并做讲解

师：同学们，你们见过这个标志没有？ 生：见过

师：分别在哪些地方见过？ 学生回答

师：这些地方都是很容易触电，发生危险的地方，这个标志是小心触电的意思，以后我们看到这个标志，一定要远离，靠近了会很容易发生危险。电是很危险的，所以我们在生活中就要学会安全用电，那你们知道哪些安全用电的小常识呢？能举举例子吗？ 学生回答

师：同学们说的都有道理，那接下来老师给你们看一个安全用电的小视频，大家认真看，学习一下如何安全用电（播放安全用电小视频）

师：视频看完了，哪位同学能给我们总结一下，如何安全用电 学生总结

师：现在拿出你们的笔记本，写出几条安全用电的常识，不能少于三条。

六、课堂小结

师：同学们，这节课我们都学习了些什么呢？一起来回顾一下吧！1.自然界中的水、人体、大地都是导体 2.安全用电常识。

七、板书设计

导体与绝缘体

1.自然界中的水、人体、大地都是导体 2.安全用电常识：（1）

（2）

（3）

房地产就是资金“绝缘体” 篇3

香港房价创历史新高

有些人认为，“基”金近8万亿元，同比增速由2011年的2.8%，“大跃进”至19%，其效果即使不致如2008年4万亿元带动全国房价狂飙了60%以上，却至少能使目前疲软的房价止跌回稳，乃至不排除向上攻坚的可能性。毕竟香港楼市正是流动资金充裕的写照——虽然其当下同样身陷经济疲软之窘境，但其房价已较1997年崩盘前高出13%，且至2月开始又跃跃欲涨！香港首富李嘉诚甚至言之凿凿地背书：现在的楼市比1997年更健康！让人不得不三分猜疑七分相信。

惟实情会是这样吗？香港模式会在内地重演吗？恐怕“橘逾淮为枳”，两者大相径庭！

天量“基”金来索命还是救命？

首先必须知道的是，当前基建经费的大量投入是鉴于拉动经济的“三驾马车”——内需消费犹待提升、欧美出口明显出现颓势，在“三缺二”的状态下，只能依赖政府部门投资以“稳增长”。换言之，从中央角度来说，靠投资确保GDP，实属情非得已、无可奈何之举！而在我看来,4万亿元流动性所创造的楼市奇迹已成过眼云烟,这近8万亿元天量资金的投入,对房地产而言,非但不是救命仙丹,反倒可能是压死骆驼的最后一根草，一场彻头彻尾的灾难。

首先是政策上的变化。2008年底时，中央预期、疑虑金融海啸将使出口锐减，引发无穷后患，从而以最快速度投入4万亿元“保增长”，其中与房地产业有直接关系的高达32%，也一改2007年底的打压楼市态势，转为鼓励购房,甚至有意无意地放任金融机构作对自己最有利之借贷配置,于是大量资金包括热钱集中涌向房地产市场,一举冲高房价。

排挤效应使房企面临“凌迟式煎熬”

时值于今，则是抑制楼市发展，“限购”紧箍咒不曾停息，就算容许地方政府微调，也只能游走在首次购买与改善型需求之间的灰色地带，使资金难以有效、成规模地进入房地产领域，当然也就无法分享加大投资力度之“溢出效益”。此其一也。

事实上，这还不是最糟的状况，后续值得忧虑的，是一连串“排挤效应”的发生，或将导致开发商更加无法从银行体系融资（钱都被用于基建了），而人力、建材、设备成本又会被大幅推高（因为这些物资也是基建所需），却无法反映在房屋的售价上，等同于支出不断增加，而收入却每况愈下。尤其令人胆寒的是，在一定时间里（今年内）看不到希望的火花，这种前景之不确定性，对急需用钱又前途茫茫的开发商而言，无异于“凌迟式煎熬”！此其二也。

当前房地产是资金的“绝缘体”

最后，以一组进出口数据来说明目前经济形势的恶劣，借之突显本轮中央大手笔投资基建的无可奈何。

受欧美市场订单不振影响，今年第三届广交会累计出口成交额环比下降近5%至360.3亿美元，成为继2008年金融危机之后，广交会历史上一次罕见的成交额明显下降纪录，使今年外贸欲实现全年10%的增长恐非易事。尤其值得玩味的是，海关数据显示，4月出口同比增速降至4.9%，进口增速降至0.3%，令外贸顺差反倒急剧扩大至184.2亿美元！令识者不得不为之捏一把冷汗，从而迫使中央不得不以连续调降存款准备金率，及天量基建资金之投入，解实体经济的困境。

总而言之，只要政策不松绑，房地产就是资金的“绝缘体”，再多“基”金也是“竹篮子打水”一场空，开发商宜认清现实，降价争取回款为当务之急。

“导体与绝缘体”教学设计 篇4

1.能够设计简单的电路检测装置, 检验常见物体的导电性能。

2.知道什么是导体, 什么是绝缘体。

3.认识常见的导体和绝缘体。

4.知道人体和自然界的水也是导体。

5.增强安全用电的意识。

教学重难点:

重点:知道什么是导体, 什么是绝缘体, 认识常见的导体和绝缘体。

难点:认识人体、自来水也是导体。

教学准备:

1.教具准备:电源实验盒、待检测物体、量杯、盐、电笔、人体验电球、PPT课件。

2.知识铺垫:课前简单讲解简单电路的知识。

3.小组合作学习的安排:每组5人, 组长、记录员、监督员各一名, 检测员两名。明确具体分工并练习。

教学过程:

一、导入

之前大家对简单电路已经初步了解了, (在展台上出示) 将两根导线连接起来, 灯泡就亮了。如果在两根导线之间加一根铁钉, 灯泡还会亮吗?我们试一试。换一块橡皮, 灯泡会亮吗?为什么将钥匙连起来灯泡亮了, 而将橡皮连起来灯泡不亮呢? (钥匙容易导电, 橡皮不容易导电) 板书:导电容易不容易

二、实验

1. 明确要求。

生活中有许多物品, 有的像钥匙容易导电, 有的像橡皮不容易导电。 (出示幻灯) 猜猜看, 这些物体哪些容易导电, 哪些不容易导电?同学们的猜测正确吗?你们说了不算, 老师说了也不算, 只有实验验证的结论才是科学的。马上我们就用这个简单电路来做实验检验。看实验要求, 谁来读。老师再强调三点:第一先检验简单电路是否能正常使用。第二将导线两端与被检测物品的两端相接, 不可将导线碰到一起。如果灯泡亮了, 证明被测物品容易导电, 反之则不容易导电。第三 (出示实验报告单) 实验报告单上有老师提供的检测物品, 还有几个空格由组长在同学们的文具中任选两个检测。实验结束监督员整理好器材送上来, 小组长组织大家小声讨论准备汇报小组实验情况。听清楚要求了吗?好, 开始!

2. 明确概念。

我们检测的物体中使小灯泡亮的物体都有一个共同的特点———容易导电, 我们给这一类物体起个名字叫导体 (板书) , 比如铁勺、铁钉等;而不容易导电让灯泡不亮的物体我们就叫它们绝缘体 (板书) , 比如木棒、吸管等。 (幻灯出示) 这就是我们今天要了解的电学知识。

三、检验水的导电性能

1. 刚才检测的都是固体, 那么液体呢?

比如生活中最常见的水, 它能不能导电呢? (生异口同声说“能”) 师:你们检测过吗?这么肯定?老师准备了两杯水, 一杯是自来水, 一杯是盐水, 我们继续用检测器来验证我们的猜测。请两个同学上来帮忙。

2. 老师先用大家刚才用的检测器检测 (师操作) 。

大家有什么发现? (灯泡没有亮, 水不容易导电) 老师看到大家眼中的疑惑。将一节电池增加到四节, 看看会有怎样的结果? (师操作) 大家发现了什么? (自来水不容易导电, 盐水容易导电)

3. 自来水真的不导电吗?

仍然有质疑的同学举手。好, 科学就是在一次又一次的质疑中不断有新的发现, 不断进步的。老师再来检测一下, 这回换的检测器更厉害, 它叫“万用表” (出示“万用表”) , 本领很了得, 再微弱的电流它都能明察秋毫。先检测一下它是否能正常工作, 请大家注意仪表上的指针。好, 现在我们来看看自来水究竟能不能导电? (将万用表两端的导线伸入自来水中) 大家发现什么了———指针摆动。真的吗?再来检测一次。 (师操作) 大家发现了什么? (自来水可以导电)

4. 小组讨论一下, 你们有怎样的发现?

5. 小结:

很明显, 这两种不同的水都是可以导电的, 只不过盐水比自来水容易导电, 这说明同一种物质在不同的状态下可能容易导电, 也可能不容易导电。

四、探究人体能否导电

1. 下面玩个游戏———神奇的人体。

游戏需要的道具是这个玻璃球。如果双手分别抓住玻璃球两端的金属帽, 球会怎样?请一个同学玩玩。你再来试试。再增加几个人呢?试试。手拉手连成一圈, 其中两个同学抓着人体验电球的两端的金属扣, 预测一下, 验电球会有什么变化?如果其中两名同学松开手呢?从这个游戏中发现了什么? (生:人体也是导体)

2. 生活中有很多利用“人体导电”原理的例子, 比如:

楼梯口的触摸式感应开关、电笔等。 (出示电笔) 这就是电笔。别看它其貌不扬, 可却是电工师傅保护自己的宝贝, 若想检测物体是否有电, 只需将电笔一头触碰被测物, 另一头用大拇指按上, 里面的灯亮了说明有电。特别提醒:大家不能私自用类似的东西检测家里的开关和电器。

3. 明确导体与绝缘体的关系。

师:导体与绝缘体在我们的生活中是常见的, 而且应用非常广泛。 (幻灯出示:各种常见的电器、电工材料和工具) , 导体与绝缘体完美结合就能方便我们的生活, 造福人类。

五、安全用电

1. 如果用电不当也会给人体造成危害, 甚至付出生命的代价。

2. 除了了解一些用电常识, 还需要认识一些常见的和电有关的警示标志。

(幻灯出示) 在这么多的标志里大家有没有发现一个共同的图案———电的图案, 记住, 看到这个图案就要小心了, 电老虎是会要人命的。

六、总结

今天我们学习了导体与绝缘体的知识, 还知道了许多安全用电的知识, 希望大家能增强安全用电的意识, 更好的利用这些知识为我们的生活服务, 使我们的生活更美好。

七、知识拓展

导体和绝缘体教案 篇5

(一)教学目的

1.知道导体和绝缘体的区别，知道常见的导体和绝缘体。

2.常识性了解导体导电、绝缘体不导电的原因。

3.知道在一定的条件下，绝缘体可以转化为导体。(二)教具

验电器两个，橡胶棒、玻璃棒、带绝缘柄的金属棒各一根，毛皮一块，干电池一节，小灯泡、开关各一个，金属夹两个，导体、绝缘体示教板、导线几根，磁性黑板一块。(三)教学过程

1.复习

提问1：电流是怎么形成的？

2：电流方向是怎样规定的？

3：维持电路中有持续电流的条件是什么？

2.引入新课：

电路中是否有了电源，合上开关，电路中就一定有电流呢？

实验l：取两个相同的验电器A和B，用毛皮摩擦过橡胶棒接触验电器A，使A带上电，B不带电。用玻璃棒连接验电器A和B，结果B的金属箔片并不张开。表明没有电荷传到B上。

换用带绝缘柄的金属棒连接A和B，B的金属箔片张开，表明此时有电荷通过金属棒传向B。

这个实验说明，有的物体能够传导电荷，有的物体不能传导电荷。

实验2：在磁性黑板上按照本节教材上的第1幅图连接电路，合上开关，在两金属夹A和B之间依次连入示教板上的导体（如：铜丝、铝丝、铁丝、碳棒、及酸、碱、盐的水溶液等）和绝缘体（如：橡胶、塑料、玻璃、松香、胶木、煤油、纯水等），观察小灯泡的发光情况。

由实验结果可知，接入铜丝、铝丝等物质，小灯泡发光，说阻电荷能够通过这些物质，它们能够导电；接入橡胶、塑料等物质小灯泡不发光，说明电荷不能通过这些物质，它们不导电。

3.进行新课

(l)导体

能够导电的物体叫导体。如金属、大地、石墨以及酸、碱、盐的水溶液都是导体。

当电路中有了电源，还必须用导体（导线）把电源和小灯泡连接起来，合上开关后，电路中才会有电流通过，小灯泡才能发光。

(2)绝缘体

不容易导电的物体叫绝缘体，如橡胶、玻璃、陶瓷、塑料、油等都是绝缘体。

观察：一段导线，看看电线心是用什么材料做的？电线的外皮又是用什么材料做的？说一说这样做的道理。

(3)导体和绝缘体的应用

①指导同学看课本中“绝缘体应用的几个实例”的图。

②请同学们举出几个日常生活中见过的导体和绝缘体的实例。(4)导体容易导电的原因 以铝原子为例：如图所示。

①铝原子核内有13个单位的正电荷，核外有13个电子按2n2排列；最外层轨道有3个电子，它们绕核高速运转。

②由于最外层的3个电子离校较远，它们很容易因某种原因而脱离原子核的束缚。

③脱离了原子核束缚的电子在原子间做无规则的运动，叫做自由电子。在金属导体中存在着大量的自由电子。

在酸、碱、盐的溶液中也存在着能自由移动的电荷，叫做正、负离子。

在绝缘体里，电荷几乎都被束缚在原子的范围内，不能自由移动。

由此可知，任何物体里都存在正负电荷，导体容易导电，是因为导体里有大量的自由电荷，绝缘体不容易导电，是绝缘体里几乎没有可以自由移动的电荷。

思考与讨论：

①橡胶、塑料等材料是很好的绝缘体，这是因为它们： [ ]

A.不带电； B.没有电子；

C.没有电荷； D.几乎没有可以自由移动的电荷。

②手拿一根铜棒与毛皮或丝绸摩擦，则铜棒；[ ]

A.一定带正电； B.一定带负电；

C.一定不带电； D.可能带正电，也可能带负电。

(5)绝缘体在一定的条件下可以转化为导体

实验：找一个废灯泡，取出里面的玻璃心，按课本图4�12连接好。常温下玻璃不导电，小灯泡不发光。用酒精灯给玻璃加热到红炽状态，玻璃变成导体，电路接通，小灯泡发光。

这个实验表明，导体和绝缘体之间没有严格的界限，在一定的条件下，绝缘体可以转化为导体。

例如：玻璃在加热的情况下可以变为导体；

木头在潮湿的情况下可以变为导体；

空气在强电力的作用下可以变为导体；

水在掺有杂质的情况下可以变为导体。

指导同学看课本图4�11“各种物体的导电和绝缘能力的顺序排列”图。

4.小结：

这节课我们学习了导体和绝缘体的知识，通过实验和讨论，知道了什么是导体，什么是绝缘体，明白了导体能够导电和绝缘体不能够导电的原因。好的导体和绝缘体都是

重要的电工材料。但是导体和绝缘体之间没有严格的界限，本来是很好的绝缘体在一定的条件下也会转化为导体。因此我们在平时接触开关等元件上的绝缘体时，也不能粗心大意。

5.布置作业

思考题

1.用什么方法可以检验一个物体是导体还是绝缘体？

2.为什么用摩擦的方法可以使拿在手中的胶木棒带电，却不能使拿在手中的金属棒带电？

怎样才能使拿在手中的金属棒带电？

防雷绝缘子在绝缘线路上的应用 篇6

关键词：防雷击；架空线路；绝缘子；引弧近些年来，随着社会生产生活用电需求的提高，设备及供电线路的用电负荷增加，供电公司需要持续提高绝缘化率来保证设备处于高效率的工作状态。但是，在实际的应用过程中，因为受到外界不可抗力，例如雷电、风等问题，影响了供电线路供电的稳定性和可持续性。虽然线路都设置了过电压保护器、避雷器等设备，但是在应用过程中依然存在着一定比例的雷击事故。而防雷击绝缘子的出现和应用给架空绝缘线路防雷击性能的提高起到了一定的作用。因此，有必要在分析雷击造成架空绝缘线路故障甚至断线机理的基础上，探讨防雷绝缘子在绝缘线路保护中的作用，并提出完整的绝缘子应用技术方案，为提高绝缘线路的工作稳定性提供参考。

一、雷击造成架空绝缘线路断线的机理

（一）架空绝缘导线受力因素。首先，因为靠近杆塔位置处的导线需要承受更大的拉力和重量，这直接导致该位置的导线承受的应力更大。同时，供电导线除了在转角的杆塔处使用弹性优良、耐张力能力强的绝缘子之外，在一般地方都是使用简单的柱式绝缘子，在这些地方容易出现剪切疲劳问题。同时，因为金属导线具有一定的延展性，在这些内部应力的长期作用下，将导致直径减小、电阻增加，为绝缘导线雷击事故的发生提供了电热效应基础。

（二）架空绝缘导线受雷击的电学机理。在杆塔附近处的导线在压力作用下容易出现一定程度的破坏，因此在受到雷击作用时，高电压将会导致绝缘导线的薄弱位置处出现击穿孔，从而使得绝缘导线出现闪络问题，导致绝缘线路出现短路，瞬间出现很高的工频续流，在短时间内出现热效应而使得导线的温度升高，再在力的作用下出现断线问题。

从实际的情况来看，绝缘导线雷击断线故障一般出现在少遮蔽物的平整地方。这主要是因为这些断线故障并不是因为雷击直接作用而使得线路被击穿的，而是在地面放电的感应电压造成的绝缘线缆断线问题。这种感应电压产生的电流远远超过绝缘导线的承载能力，直接造成绝缘线缆烧断。

（三）架空绝缘导线性能。因为架空绝缘导线一般包括三

层，从里向外的结构依次是导体、内屏层以及绝缘层三层。按照线缆不同的规格和型号，每千米的绝缘导线重量从100kg到1000 kg不等，而且对应的允许电流值从100A到500A。但是，架空绝缘线缆的绝缘层总厚度一般是2.5mm，且电阻值超过1000MΩ，使用的材料通常是树脂、塑料、橡胶、PVC等。但是这些材料的熔点都较低，一旦受到雷击，电流产生的热效应将会将之迅速融化，从而导致架空线路出现雷击事故。

二、防雷绝缘子在架空绝缘线路中的防雷击设计原则

（一）防雷击绝缘子架空绝缘线路防雷击原理。通常，防雷绝缘子实现防雷击目的的基本原理是通过并联间隙的方式来实现的。通过在绝缘子的两端并联设置一对金属电极，通过形成保护间隙的方式来确保保护间隙的距离小于绝缘子串的总串长。当噪声雷击时，绝缘子串上产生很高的雷电过电压，但因保护间隙的雷电冲击放电电压低于绝缘子串的放电电压，雷击作用将首先在保护间隙放电，工频电弧在热应力以及点动力的作用下通过并联间隙形成了放电通道，最终被逐步引至金属电极的端部，将金属电极端部的部件烧毁，达到保护绝缘导线、绝缘子的目的。

通过这种方式，防雷保护装置具有引导放电、疏导工频电弧以及使得工频电场更加均匀的作用。在整个过程中，这种作用与设置的并联间隙的招弧角尺寸、形状等具有一定的关系。

（二）架空绝缘线缆防雷的并联间隙设计原则。首先，在设置过程中要将之与绝缘子串的绝缘相互配合，并考虑到绝缘子串与并联间隙在雷电的冲击作用电压以及雷电线路过电压作用下的特性。在雷击作用下，绝缘子串和并联间隙出现的闪络电压一般符合对应概率的随机分布，具有一定的统计特性。因此，在实际的过程中必须受限使用数理统计方法对并联间隙以及绝缘子串之间的配合形式进行设计，确定对应的安全间隙距离，保证所设计的并联问隙伏秒特性曲线处于绝缘子伏秒特性曲线的上方，使得雷击作用下出现闪络现象时，并联间隙将会先于绝缘子串出现闪络，从而达到保护绝缘子的目的。同时，还应该保证并联间隙在可能存在的正常操作电压下不会出现断开的问题，确保线路的绝缘水平处于正常水平。其次，在架空绝缘线缆中，电压等级处于220kV及以下的线路不会设置均压环，所以在设置并联间隙的过程中需要对间隙的均压能力予以考虑，即并联间隙不但要具有对应的引弧能力，而且还必须具有充当均压环的功能，起到一定的均压效果。在设置了防雷绝缘子之后，能够使得不均匀的电压分布情况得到有效的改善，以免绝缘子在电压的作用下出现电晕现象。

三、防雷绝缘子在架空绝缘线路中的应用技术

（一）防雷击绝缘子的主要技术类型。当前实际中应用的防雷击绝缘子金具主要包括两种：(1) 剥线型的防弧金具，该种防弧金具的电压水平较高，而且安装位置通常在导线绝缘子轴线的100.0-150.0mm范围当中。在设置之后，可以在架空绝缘导线线路的绝缘子端部与金属器件之间形成反应，在雷击作用下构成冲击放电通路。在架设的过程中，尤其要注意所架构的线路的特点，通过选择不同的安装区域来保证防雷击效果。通常，对于环网结构的绝缘配电网络而言，可以将这种防雷装置设置在绝缘子的两侧，而且安装的金具要与导线绝缘层之间相互剥离。而对于星型的配电网络而言，这种防护金具通常可以设置在绝缘子的负荷侧位置；(2) 穿刺型防弧金具：这种防弧金具的最大优点在于能够有效的避开采用剥线型防弧金具结构过程中出现的密封性能较差的问题。这种防雷击结果通过将电极结构设置成为穿刺形态，将尖齿作为电载荷体，将架空导绝缘线线路的绝缘层刺穿，使得金具与绝缘线的线芯直接接触，从而达到引出高位电压的目的。这种结构的防弧金具的结构主要包括低压电极、高压穿刺电极以及绝缘护罩构成。在实际的设置与应用过程中主要注意绝缘层与穿刺层之间的挤压，保证两者具有足够的密封性能，否则将影响到防雷击的效果。

对策与实施

（二） 防雷绝缘子架空绝缘线路应用方案流程。(1) 通过对现场的实际调研，统计得到整个项目方案中需要安装的防雷击绝缘子数量；(2) 开展经济技术评估，计算得到若不进行防雷击绝缘子的改造，当停电时间达到4h时，结合停电面积、影响总负荷(30%)，估算得到雷击造成全年总的供电量损失，确定是否需要对绝缘子进行防雷击改造；(3) 若需要改造，则对绝缘线路绝缘子的弯曲强度、耐受的额定电压等级进行测算，结合实际的使用环境，诸如耐污要求等形成完善的绝缘子综合设计要求。并按照对应的设置安装规范进行项目实施，最后与对应的国家标准进行对比，保证验收结果。

结语：架空绝缘线缆绝缘子的防雷改造工作是当前供电线路改造工作的重点之一，也是保证供电线路正常运行的重要环节，在具体的实施过程中必须结合实际的需求以及线路的应用环境制定出与之相对应的技术方案，这样才能使得整个线路达到防雷击等级。

参考文献：

[1] 辛文增. 推广应用配电线路防雷绝缘子[J]. 电子制作, 2014(2).

[2] 邱辉.史进.汪利华.张磊.王彤 一种新型10 kV耐张棒式防雷绝缘子的设计与应用[J]. 电瓷避雷器,2012(6).

绝缘体 篇7

纳米材料作为一种介观材料,其性质有别于宏观块体材料和单个分子,同时,纳米材料在结构和组成上具有独特优势,使其在材料精细化、功能化方面得到了空前的关注[1,2,3]。半导体纳米晶制备技术是集成电路印刷技术、生物深层组织荧光探针、激光、太阳能电池、新型光电发光器材等发展的基础[4,5,6,7,8]。诸多学者多年来一直致力于寻找简易、通用、环境友好的制备纳米材料的技术,分子和团簇组装及调控成为纳米材料制备技术发展的关键[9,10]。

随着生物化学、细胞生物学、蛋白质组学等学科的快速发展,迫切需要能够在深层组织成像的荧光探针。传统的可见光区成像的荧光探针很容易受到生物体内的黑色素、有氧/无氧血红蛋白、胆红素和水等内源性物质的吸收、散射的影响,导致成像的分辨率大幅下降,在很大程度上影响了成像的质量[11,12,13]。与可见光区成像技术相比,近红外荧光成像的激发光源位于近红外区,组织在近红外区的散射、吸收和自发荧光背景相对较弱(通常称此波段为“近红外组织透明窗口”),这就为在近红外区进行深层高分辨率成像提供了条件。

碲化汞纳米材料作为一种重要的拓扑绝缘体,其表面存在的能够穿越能隙的狄拉克型电子能态使其内部呈现传统半导体的载流子分布特征,而表面则呈现金属性。零维碲化汞量子点能级量子化,载流子的跃迁过程可以不必严格遵守动量守恒定律,电荷载流子之间的库仑耦合和俄歇复合都有明显的提高[14]。如图1所示,粒径的减小导致碲化汞纳米晶的p-d排斥作用减弱,材料原本连续的能级结构发生分裂,从而进一步导致量子尺寸效应[15]。电子能态的分布特征从结构上决定了碲化汞纳米材料优异的光电性能[16,17,18]。

碲化汞纳米材料独特的电子分布特征使其在近红外光区成像方面有着独特的优势:(1)碲化汞纳米晶的波尔半径为40.2nm,与其他小波尔半径的纳米晶相比,碲化汞纳米晶在通过粒径调节发射波长方面有较大的空间;(2)碲化汞纳米材料的表面金属性,使其在特定集团修饰的过程中更容易与修饰剂的官能团结合,经过修饰的碲化汞纳米晶稳定性大大增强;(3)碲化汞纳米材料的定域态电导和扩展态电导的转变温度是180K,是高温红外探测器的理想材料。

1 碲化汞纳米材料的制备技术

汞作为唯一的液态金属,汞的碲化物在光电性能方面表现出比其他半导体纳米晶更特殊的性质:高电子迁移率、大磁力因数、高电容率及压电性能等。正是由于其优异的光电性能,关于碲化汞纳米材料的研究在能源、环境、生物、光电等领域成为众多学者关注的焦点[16,19,20,21,22,23]。纳米材料制备技术可以按照物理方法和化学方法分为自上而下(Top-down)和自下而上(Bottom-up)两大类。

1.1 物理方法制备碲化汞纳米材料

物理方法制备纳米材料主要是通过光电刻蚀块体材料,利用精密仪器对刻蚀过程尺寸和形貌的控制来获得相应的碲化汞纳米器件材料。通过刻蚀技术虽然可以使材料直接成型,但也会对材料的表面形貌造成严重的破坏,在器件功能化的过程中出现的表面破坏和污染问题成为光电刻蚀技术需要解决的关键问题[24,25]。关于物理方法制备碲化汞纳米材料的报道较少。我国半导体所在碲化汞拓扑绝缘体方面取得了重大进展,Chang等[26]在HgTe异质结构中,利用光电刻蚀技术成功制备出拓扑性显著的纳米晶,制备中采用了如图2所示的异质结构。RangaRao课题组[27]通过喷雾干燥法制备了立方相碲化汞纳米管,有效解决了刻蚀过程中产生的污染问题,所得纳米管分散良好。

1.2 化学方法制备碲化汞纳米材料

自下而上制备纳米材料技术的核心内容是对小分子或原子集团进行组装,进而形成所需维数的纳米材料,分子组装和晶体生长理论是其发展的基础。根据小集团组装途径的不同,自下而上制备碲化汞纳米材料可以分为气相法、液相法(又称水相法)和模板法。

1.2.1 气相法制备碲化汞纳米材料

气相法制备纳米材料是将晶体生长的原材料通过蒸发、热解、升华等途径使其转化为气体物质,然后在真空或惰性气氛中将气体物质转化为过饱和蒸气,再通过冷凝等手段使其生长成为特定晶型的材料[28]。气相法包括化学气相沉积法、磁控溅射法、热喷涂法、分子束外延法、原子层外延法等。气相法制备的纳米晶纯度高、晶型统一,故成为近年来发展最为迅速的纳米材料制备技术之一[29]。

分子束外延法制备纳米材料是一个超高真空的物理沉积过程,既不需要考虑中间化学反应,又不受质量传输的影响,膜的组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。随着国际分子束外延设备垄断格局的打破,分子束外延技术制备碲化汞纳米材料的研究有了长足发展。R. Haakenaasen课题组在Si和GaAs基板上通过Au纳米粒子的催化作用,成功沉积出取向各异的多晶碲化汞纳米线[30]。通过对碲化汞纳米线分布状况的分析,认为碲化汞的生长方式并不符合通用的气-液-固和气-固-固生长机理,因为所得碲化汞纳米晶长度随着沉积时间的延长而变长,但宽度却并未随着反应的进行而变化。此现象与Qin等[31]研究液相法制备碲化汞纳米棒中所得结论相似。2008年R.Haakenaasen课题组在碲化汞的生长机理研究中取得新的进展。他们在Si板上通过控制原材料的汽化速度成功制备出HgTe和Te交互的异质结构HgTe[32],并针对分子束外延法制备碲化汞纳米材料所产生的缺陷问题进行了系统的研究[33]。如图3(虚线表示最佳生长温度)所示,碲化汞的微孔洞强烈依赖于生长温度,利用此现象可以直观地从微孔洞的分布特征判断材料偏离最佳生长温度的程度。碲化汞微孔洞表面缺陷导致原子配位数不足,失配键增多,界面内的键长与颗粒内的键长有很大差别。就界面本身来说,庞大比例的界面结构并不是完全一致的,其在能量、缺陷的密度、原子的排序方面很有可能有较大差别,导致界面中的键长有较宽的分布区域。

碲化汞电子能态一直是众多学者研究的热点,A. Kirste等[34]在以CdTe为缓冲层的Cd0.96Zn0.04Te基板上成功制备出HgTe纳米材料,并用磁场对其半导体载流子动力学进行了研究,为实际的技术应用提供了指导性数据。Kvon等[35]通过对不同宽度的碲化汞量子阱中电子气的研究发现,回旋谐振光电导率(CRP)是由HgTe量子阱的宽度决定的(如图4所示),并通过与Shubnikov-de Haas(SdH)测试出的结果进行对比分析发现CRP技术测出的弛豫时间更精确。Irvine等[36]对以Hg1-xCdxTe为代表的Ⅱ-Ⅵ型纳米材料与基底之间的相互关系进行了系统的探索。Beaker等[37]对HgTe超晶格的特性进行了研究。

国内关于气相法制备碲化汞纳米材料的研究主要是二维材料的制备及光电性能研究。仇志军等[38]采用Riber2300分子束外延生长系统成功制备出n-HgTe/Hg0.3Cd0.7Te量子阱。制备过程中对于Hg0.3Cd0.7Te势垒层突破性地采用了5.5nm的隔离层和9nm的掺杂层,对于样品的后续处理采用了化学腐蚀的方法形成Hall电极,为后续的栅压对Rashba自旋轨道的相互作用奠定了基础。余连杰等[39]在非晶态碲化汞薄膜的制备过程中采用了宝石衬底,通过在衬底表面构造特殊的金电极结构,利用射频磁控溅射方法在电极沟内成功制备出非晶态HgTe薄膜。

1.2.2 液相法制备碲化汞纳米材料

纳米晶体的晶型调控关键是在纳米晶体成核与生长过程中对晶体生长的外部环境进行调控,使晶体的成核和生长过程能够严格地按照预期进行。对外界环境的调控涉及成核核心的晶体结构、半径、体积、体系的过饱和度等诸多因素,液相生长环境的化学势易于调节、相界面容易构建,成为纳米材料制备技术的首选体系[40,41,42,43]。液相法制备纳米材料的方法涉及分子组装、晶体生长、表面重构等多种交叉技术。在纳米材料制备的过程中,液相法易于引入修饰剂从而改变样品的水溶性和生物相容性,可以直接制备出具有极强识别特性的生物材料。正是由于液相法制备的纳米材料可以使其功能得到进一步的飞跃,近年来关于碲化汞纳米材料的液相法合成成果斐然。

液相法合成纳米碲化汞纳米材料的方法可以分为胶体法、水热法、微乳液法、超声辅助合成法、微波辅助合成法、沉积法等一系列以胶体溶液为基本制备环境的方法。

自1993年Bawendi课题组通过油相高温热解法制得高质量胶体CdSe量子点以来,关于有机相中制备高质量纳米材料,诸多学者一直期望通过热注入技术实现成核和生长过程的分离,从而达到精确控制纳米材料粒径的目的[44,45,46]。虽然Peng等多年来一直试图将合成工艺中的高危前驱体(有机镉)用无机物代替,但有机路线制备的纳米材料水溶性问题一直无法解决[47,48,49,50,51]。对于液相法合成的胶体碲化汞,可以在其晶体生长过程中,通过添加修饰剂成功解决材料的生物相容性问题,因而成为国内外学者关注的前沿课题。A.L.Rogach课题组在制备水溶性胶体碲化汞纳米晶方面做出了突出贡献,该课题组在室温条件下制备的水溶性碲化汞纳米晶具有很强的荧光效率,为其在生物编码、荧光成像、细胞生物学、基因组学及生物芯片等领域的应用提供了材料基础。他们自1999年于室温条件下成功制备碲化汞单体以来,又在液相环境下用层层组装技术成功制备了碲化汞量子阱和多元混晶近红外发光的碲镉汞量子点[52,53,54]。在水溶性碲化汞纳米材料制备方面,韩国的Kim Sangsig课题组在传统工艺的基础上对液相法中的修饰剂等进行改进,并对零维和二维碲化汞纳米材料的光电性能进行了较全面的研究[55,56,57]。G.Hickey等[58]报道了一种普适性极强的室温制备胶体碲化汞方案:将二价的汞盐溶解于水中,加入适量的巯基酸,调节pH值为11~12,通N2将溶液中的氧气排尽,再通入H2Te气体,最后得到目标产物。

国内杜祖亮课题组在室温条件下制备出分散良好的碲化汞纳米晶[59]。由图5((a)-(c)依次为反应5s、30s、25min时的TEM图,(d)为(c)的HRTEM图)可以看出,在反应初期产物分散效果不佳,随着反应的进行,产物单分散性得到进一步的提高,反应25min时碲化汞晶体的单分散性问题已经解决。在反应中采用硫醇为反应的稳定剂,硫醇不仅可以有效地迟滞反应的动力学过程而且可以在碲化汞表面形成包裹层,减少晶体表面缺陷,从而进一步改善最终产物的光学性能。在反应的起始阶段,主要进行晶体生长过程中的成核,在液相中成核,需要比生长阶段更高的过饱和度。固相推动力出现后,随着反应的进行,过饱和度突破成核所需临界值,难溶物析出。在反应中出现的初期分散性不佳的情况,可能是因为室温下成核阶段所需的难溶物形成过程中的化学推动力并不明显,致使单体不能在短时间内集中成核。随着成核阶段的完成,进入生长阶段后,晶核大量吞噬临近不稳定的中间体,从而使单体的分散性得到进一步的改善。

水热法制备碲化汞纳米材料是近年来针对碲化汞的晶体形貌研究而发展起来的新技术。水热反应的装置一般由聚四氟乙烯反应内胆和外部金属保护装置两部分构成。由于在高温高压密闭的环境内进行样品的制备,其独特的亚临界和超临界反应环境极大地丰富了碲化汞的形貌特征。Qin等[60]以氯化汞为汞源,亚碲酸钠为碲源,在水合肼的还原作用下得到了碲化汞纳米棒(如图6所示,(a)、(b)分别为SEM和TEM照片,(c)与(d)分别为同一根纳米棒的SEM照片、电子衍射图与HRTEM照片)。棒状形貌的获得通常必须具备两个条件:(1)晶体生长的速度足够快;(2)较高的单体浓度,使一维不对称结构得到进一步放大。超临界环境有利于在水溶液中增大动力学反应速率,而在反应的末期,通过控制反应温度使热力学平衡过程充分进行,使得最终所得的棒状晶体充分生长,从而得到晶型完整的一维碲化汞纳米棒。研究发现,调节pH值时所使用的氨水对产物最终形貌有关键作用,汞和氨水在溶液中形成氯化铵基汞配合物,并与超临界溶剂中的碲源作用发生取向排列,形成棒状的复合物。在针对零维碲化汞纳米晶的研究过程中,Wu等[61]在乙二胺体系中通过190℃水热15h成功制备出六方状碲化汞颗粒,通过紫外吸收光谱测试发现在400~4000cm-1的波长范围内其并无吸收,说明其在透明可视材料方面具有潜在的应用价值。

利用波的谐振特性辅助碲化汞纳米材料制备的常见方法有微波辅助合成法和超声波辅助合成法两种。利用微波加热可以实现在短时间内反应体系温度的正向调节,对晶体生长进行分阶段控制。超声波可以实现分子水平的分散,其声空化(液体中微小泡核的形成、振荡、生长、收缩至崩溃,及其引发的物理、化学变化)可以使所得样品的单分散性得到质的提高。O.Palchik等[62]利用微波辅助法成功制备出HgTe纳米晶,但分散性问题还需进一步改善。研究发现,利用微波加热可以大大提高Te源的活性,可以实现在较温和的条件下制得碲化汞纳米晶。Song等[63]用超声辅助法制备了碲化汞纳米棒,硫代甘油作为络合剂对产物的最终形貌有显著影响。

1.2.3 模板法制备碲化汞纳米材料

采用模板法制备纳米材料可以对纳米材料的晶型进行精确调控,是近年来发展迅速的一种纳米材料制备工艺。模板法的关键在于对模板剂的选择,模板剂分为固体模板(多孔材料的孔道、纳米管等)和软模板(胶束、线性大分子DNA等)。模板法制备纳米材料要求体系具有3个特征:(1)模板易得;(2)目标材料与模板易于脱离;(3)固体模板所得材料的形貌一致。S.Rath等[64]以线性DNA为模板,结合电化学沉积法制得HgTe-DNA复合物。与单体HgTe相比,DNA复合物的荧光光谱出现明显蓝移,但具体的机理尚未可知,DNA分子对纳米材料的光学影响尚在进一步研究中。

2 笔者课题组的工作

笔者所在课题组多年来一直以碲化汞为中心,致力于胶体法、微波辅助法和水热法制备汞系硫族化合物。这3种方案制备碲化汞纳米材料的关键是成核和生长过程的分离。影响最终产物的因素主要有:(1)汞源和碲源的选择;(2)生长动力学;(3)修饰剂的选择。汞源的选择多以氯化高汞、氧化汞和高氯酸汞为主,而近几年新出现的碲源对胶体法制备碲化汞路线的选择影响显著[65]。碲源的制备主要有3种方案:(1)以单质碲或+4价碲化物为基础,通过与强还原剂作用,得到-2价碲源,常用还原剂有硼氢化钠和水合肼等。此法制备碲源设备简单、易于操作,但是溶液在反应过程中易出现产物剩余,在成核过程中将无法避免其作为杂质对成核和生长过程的影响。(2)通过Al2Te3与浓硫酸在加热的条件下产生H2Te气体。该法制备的碲源纯度高,反应速度快,一直是高质量纳米材料制备的首选方案。但是Al2Te3价格昂贵、毒性大,无疑成为其应用中的瓶颈。(3)以碲棒为阴极、铂丝为阳极、50%硫酸溶液为电解液通电制备H2Te气体。通过这种电化学牺牲阴极的方案制备的碲源有效解决了成本、纯度和反应速率问题,有望成为未来的主流碲源。

3 展望

碲化汞纳米晶的制备技术在近几年得到了长足的发展,目前关于碲化汞的研究主要集中在其制备技术、光电性能及应用等方面,制备技术的革新是进行其他研究的基础。通过众多学者的不懈努力,室温下普适性较好的制备强荧光碲化汞纳米晶工艺已经有了初步的发展,但此工艺中针对碲化汞的晶体生长理论尚未成熟。液相法制备碲化汞纳米材料存在的粒径分布不均、形貌不易控制的问题尚未得到有效解决。碲化汞作为理想的近红外荧光探针,由于汞而产生的一系列生物毒性虽然可以通过核壳结构得到缓解,但核壳结构在体内分解所带来的后续影响尚未可知。近年来出现的纳米材料制备新技术对碲化汞的制备工艺革新必将起到积极的推动作用。

摘要：概述了近期碲化汞纳米材料的各种制备技术的研究进展,并总结了制备、技术中出现的问题。结合晶体生长机理,分析了碲化汞量子点、纳米线等典型的形貌特征。介绍了碲化汞制备技术研究中具有代表性的几个课题组的研究动向。结合本课题组的研究进展,讨论了碲化汞制备过程中碲源和汞源所存在的问题。最后展望了碲化汞的制备技术改进。

绝缘体 篇8

射频同轴连接器的中心导体与壳体(或外导体)之间必须具有良好的固定性(轴向力)F,才能在插头和插座连接器互配时以及温度变化时保证中心导体的紧固、不松动脱落,确保连接器的使用寿命。因此,在射频同轴连接器设计时,中心导体的固定性始终是重要的可靠性指标之一。90°弯式MCX插头射频同轴连接器的结构和材料较为特殊,在设计时确保中心导体的固定性具有较大的难度,特别是其中的外导体与绝缘体固定性。为此,本文对90°弯式MCX插头连接器外导体与绝缘体的固定性仿真优化设计进行了详细介绍。

1 90°弯式MCX插头连接器的结构

图1示出了该90°弯式MCX插头连接器的结构,连接器的绝缘体由聚四氟乙烯(PTFE)制作而成;由于对外导体有弹性要求,因此采用了经过热处理的弹性优良铍青铜,硬度为360HV;壳体采用普通的黄铜。该90°弯式MCX插头连接器装配时外导体从壳体界面反向端的孔装入壳体,并轴向定位于壳体内孔的内台阶,通过与壳体的过盈配合连接成为一体;外导体内孔在界面端小,反向端大,绝缘体必须从反向端装入外导体内;绝缘体与外导体内孔的配合为间隙配合,以避免绝缘体装入外导体内孔时,表面被外导体内孔的外端部切出塑料屑,影响产品的使用;外导体内孔在界面反向端设计了4个内凸点(突出台阶),提供绝缘体在界面反向端的固定性,外导体内孔左侧台阶与右侧内孔内凸点(简称外导体凸点)轴向定位绝缘体,绝缘体与外导体凸点之间为过盈配合。

2 外导体与绝缘体的固定性要求

根据标准GB/T 11313.36—2006《射频连接器第36部分:特性阻抗为50Ω 的搭锁连接微小型射频同轴连接器(MCX型)》,MCX射频同轴连接器中心导体的固定性F为10 N［１－４］。 在该90°弯式MCX插头连接器中,中心导体与绝缘体直接配合,而绝缘体与壳体(或外导体)直接配合,因此可将连接器中心导体的固定性分解为中心导体与绝缘体的固定性和绝缘体与壳体(或外导体)的固定性。由于该90°弯式MCX插头连接器的外导体和壳体采用两种材料,因此在中心导体的固定性设计时还应将连接器外导体和壳体分成两个零件,即绝缘体与壳体的固定性应分解为绝缘体与外导体的固定性和外导体与壳体的固定性。只有当上述各个固定性同时达到标准要求10N,才能确认射频同轴连接器中心导体的固定性达到标准要求。

3 材料失效形式和强度理论［５］

在外导体与绝缘体的固定性设计时,必须确保所设计的外导体与绝缘体的应力和应变不能超过所用材料的许用值。当外导体与绝缘体所受应力超过材料的许用值,就会引起失效,相较于金属外导体,塑料绝缘体更易发生失效情况。

常见的失效形式有脆性断裂和塑性屈服(流动)断裂两种。脆性断裂是指材料无明显塑性形变发生的断裂,断面较粗糙,多发生在垂直于最大正应力的截面上。塑性屈服(流动)断裂是指材料破坏前发生显著塑性形变,断面较光滑,多发生在最大剪应力面上。通常关于屈服断裂的强度理论有最大拉应力理论(第一强度理论)、最大伸长线应变理论(第二强度理论)、最大切应力理论(第三强度理论)和最大畸变能密度理论(第四强度理论)四种。屈服断裂的强度理论统一表达式和各强度理论表达式分别为:

式中[σ]为材料的应力许用值;σｒ为理论最大拉应力;σｒ，１,σｒ，２,σｒ，３,σｒ，４分别为基于第一、第二、第三、第四强度理论最大拉应力;σ１,σ２,σ３分别为三向主应力;ν为材料的泊松比。相关实验表明,对于塑性材料,第四强度理论比第三强度理论更符合试验结果,因此PTFE绝缘体固定性设计时宜采用第四强度理论。

针对塑性材料,Von Mises于1913年对第四强度理论作了进一步的补充,提出了Von Mises屈服准则。该屈服准则是基于大畸变能密度,是材料屈服的主要理论,材料无论处于何种应力状态,只要最大畸变能密度达到简单拉伸屈服极限值,材料即发生屈服。Von Mises屈服准则相关表达式为:

式中uｄ为构件危险点的形状改变比能;u０ｄ为形状改变比能的极限值,可由单向拉伸实验测得;E为材料的弹性模量;σｓ为材料的屈服应力。通常PTFE材料的延伸率超过70%,在断裂破坏前就会发生显著的塑性形变,因此PTFE绝缘体固定性设计时以第四强度理论作为材料屈服断裂的强度判断依据,由式(1)和式(2)可得:

强度条件:

式中nｓ为材料的安全系数。

4 外导体与绝缘体的固定性仿真优化设计

4.1 仿真设计的优势

为了防止在装配时外导体凸点划伤绝缘体外端面,切削出塑料屑造成质量问题,外导体凸点在设计时力求其轴向投影面积最小,但这必须在保证外导体与绝缘体的固定性符合标准要求的前提下。由于外导体采用的是经过热处理的铍青铜,其硬度较高,很难通过装配时点铆来实现凸点定位,因此凸点只能在装配前加工出来。如果采用一般机械切削的零件加工试制方法,即通过试制不同的凸点宽度和高度的样品,与绝缘体装配后测试固定性,最后选择最佳的凸点尺寸,将耗费大量的价格昂贵的铍青铜以及投资昂贵、尺寸不同的冲压模具,同时还增加了设计时间,降低了设计效率。

为了提高设计效率,缩短设计时间,避免昂贵的试制费用,我们采用融合了结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析(FEA)软件ANSYS中的静力分析,针对不同尺寸外导体凸点模型进行仿真,求解在轴向推力载荷10 N时PTFE绝缘体的非线性弹性模型,由此最后选择最理想的外导体凸点尺寸,同时满足外导体与绝缘体的固定性优化设计的目标。

4.2 仿真建模

在仿真建模时,我们考虑的90°弯式MCX插头连接器互配时施加于绝缘体上的载荷和变形主要包括:a.从界面端施加给绝缘体10N的轴向载荷(模拟中心导体固定性)。b.外导体内孔内反向端4个内凸点对绝缘体产生反作用力。c.施加载荷后外导体和绝缘体不被破坏,绝缘体相对于外导体的轴向位移不超过0.08 mm。仿真建模时施加的载荷和约束如图2所示。

在进行仿真计算时,我们对几何和边界条件进行了如下假设:绝缘体和外导体是径向对称结构,载荷和约束也对称。为减少计算工作量,我们沿轴线将模型切开,对称地保留1/4,其中外导体内凸点位于保留部分的圆弧线的中部,同时将绝缘体上的载荷也变为2.5N(=10N/4);在切开的绝缘体和外导体侧面施加对称边界条件,限定绝缘体模型切开面沿绝缘体和外导体圆周方向的垂直于1/4模型切面方向的位移(即零横向位移,dn=0),限定外导体底部在x、y和z三个方向的位移(即dx=dy=dz=0),如图3a)所示;对绝缘体和外导体进行四面体网格划分,指定接触和目标面,如图3b)所示。

4.3 仿真结果

在进行仿真计算时,我们对材料性能参数进行了如下选取:a.绝缘体采用的挤出级PTFE材料的机械性能参数参考了文献[6];b.外导体采用的经过热处理的铍青铜的机械性能参数由材料厂家提供;c.PTFE与铍青铜间的摩擦因数取0.1,且计算出的应力和应变不能超过材料的许用值。

通过对不同尺寸外导体凸点模型进行PTFE绝缘体在轴向推力载荷下的非线性弹性模型仿真计算,分析对比后确定了仿真计算结果最优的外导体凸点尺寸。图4a)示出了最优凸点尺寸外导体的应力分布的仿真结果,可见在1/4对称仿真模型上施加2.5N的载荷后,外导体凸点上的最大应力低于材料的屈服强度,材料处于弹性形变阶段,凸点没有发生塑性形变;图4b)示出了基于强度条件的绝缘体拉伸应力分布的仿真结果,可见最大拉伸应力未超过PTFE材料的断裂应力(SIGMAB)σＢｒｅａｋ=23.2MPa,绝缘体没有失效;图4c)示出了基于屈服条件的绝缘体拉伸应力分布的仿真结果,可见绝缘体与外导体凸点接触部分的应力超过了PTFE材料的屈服应力(SIGMAY)σＹｉｅｌｄ=9 MPa,这表明该处PTFE材料发生了塑性形变,在轴向载荷卸载后,绝缘体会有残留形变,引起中心导体的轴向位移(此处忽略了绝缘体的弹性形变,将绝缘体在荷载下的形变等效为残留形变);图4d)示出了绝缘体在载荷作用下的轴向位移的仿真结果,可见绝缘体相对于外导体的轴向位移未超过0.08mm。

5 样品试制和性能测试

由于上述仿真所获的最优凸点尺寸外导体模型,在轴向负载10N的力作用下,绝缘体没有失效,绝缘体轴向位移符合要求,而且外导体凸点尺寸轴向投影面积最小,因此我们以此进行了冲压模具制作,试制了35只90°弯式MCX插头连接器样品,并对样品的固定性进行了测试。测试结果显示:a.在温度实验后35只样品的固定性平均值为14.38N,以标准要求的固定性F≥10N为下公差,计算可得固定性的工艺过程能力Cｐｋ=1.77(大于公司质量部门对Cｐｋ≥1.66的要求);b.在对样品的外观(如图5所示)检查中发现,绝缘体外端面被外导体凸点切削出的塑料屑非常轻微,对产品使用不会造成任何影响,符合公司质量部门外观检验要求。这样,仅一次样品制作就达到固定性的设计目标和外观质量要求。

6 总结

我们通过采用软件对连接器机械性能进行了仿真优化设计,成功地设计出了符合设计要求的高质量的产品,大大缩短了设计周期,节约了样品制造成本,可将产品快速推向市场,及时满足客户的需求。

摘要：介绍了一种用软件仿真的方法优化设计同轴连接器两个互配零件之间的固定性,来代替用不同尺寸规格样品测试固定性的设计方法,节约了研发成本,缩短了研发时间,达到很好的设计效果。

绝缘材料知识(3)气体绝缘材料 篇9

自上世纪50年代以来，六氟化硫(SF6)气体因其优良的绝缘强度和化学惰性，逐渐成为高压电气设备中首选的绝缘气体。但SF6因含氟而对大气层的温室效应有不利的影响，因此，人们正在寻找新的气体绝缘介质来替代电力工业大量使用的SF6气体，以减少其排放量和使用量。

1 气体绝缘材料的分类

气体绝缘材料主要包括空气、氮气、二氧化碳、SF6和它们的混合气体等。附表为一些气体电介质的物理性质。

1.1 空气

空气在自然界中分布最广且最廉价，是应用最广的一种气体电介质。作为一种混合介质，空气具有液化温度低 (-192℃) 、击穿后能自愈、物理化学性能稳定等优点，所以在断路器中多以空气作为绝缘介质。

1.2 氮气

与空气相比，N2化学性质更稳定 (空气中含有约21%的O2及其它杂质，与金属材料接触时，由于氧化使之易于腐蚀材料) ，呈惰性且不助燃，压缩氮气在电气设备中是一种常用的气体电介质。

1.3 SF6气体

SF6气体是一种电负性气体，具有高的击穿场强，在均匀电场下大约为空气的2.5倍，当气体压力为0.2MPa时，其绝缘强度相当于绝缘油。同时SF6气体具有优良的灭弧性能，在高压灭弧室中，其灭弧能力约为空气的数10倍。

纯净的SF6气体是无毒的，有较好的化学稳定性和耐热性，在150℃下不与水、酸、碱、卤素及绝缘材料作用，在500℃以下不分解，但温度超过600℃时，SF6气体将产生部分热分解。近30年来，SF6气体在高压电气设备中的应用日益广泛，如充SF6气体的互感器和断路器已成为我国220～500kV电力系统中的主流设备。

1.4 混合气体

混合气体通常由2种或多种气体组成，目前作为电气绝缘用混合气体大致可分为：

(1) SF6或氟化烃气体与永久性气体混合，如：SF6-He, SF6-N2; (2) SF6和其它电负性气体混合，如：SF6-空气，SF6-CO2, SF6-N2, SF6-氟化烃气体;(3)其它混合气体，如：CO2-N2, CO2-空气。

在上述混合气体中，SF6和其它气体的混合气体具有比纯SF6更优异的电气强度，价格也较便宜，特别是SF6-N2混合气体，被认为是目前较有发展前途的一种混合气体。

2 气体绝缘材料的特点及应用

2.1 特点

一般说来，气体在放电电压以下具有很高的绝缘电阻，而且一旦发生绝缘破坏，也容易自行恢复。与液体和固体相比，其缺点是绝缘屈服值低。因此，对其要求为：(1)具有很好的游离场强和击穿场强，并且击穿后其绝缘性能能够迅速、自动地恢复，属于弹性击穿;(2)化学性质稳定，惰性大，无腐蚀性，无毒;(3)不燃，不爆，不易因放电作用而分解;(4)热稳定性高，热容量大，导热性和流动性好;(5)容易制取，成本较低;(6)液化温度低。

2.2 应用

气体绝缘材料主要承担着电气设备中的绝缘任务。由于气体绝缘材料的电导、介电常数和损耗都很小，对高压、高频绝缘都适用。因此，在电气绝缘技术中，它们被广泛应用于架空线路、变压器、全封闭高压电器、高压套管、通讯电缆、电力电缆、电容器、断路器以及静电电压发生器等设备中。

在电气设备中，空气常用作输、配电线路及变压器的绝缘或辅助绝缘;压缩气体常用作断路器的绝缘和灭弧介质;真空用于高压真空开关(如真空断路器等)和各种电子管等。

由于SF6气体绝缘强度高，因此越来越广泛地应用于全封闭组合电器、断路器、气体绝缘变压器、充气管路电缆、X射线装置电源和导波管等，具有设备体积小、占地省、造价低等特点。

3 影响气体绝缘材料击穿强度的因素

气体绝缘材料的击穿一般是由电子碰撞电离引起的。在强电场作用下，气体中的带电质点(主要是电子)获得巨大的能量向阳极运动，并撞击气体分子使之游离为正离子和电子，这些电子又从电场中获得能量，并在向阳极运动的过程中继续撞击其他的气体分子使之电离。这种连锁反应的结果就形成了一条电子向阳极运动的高电导通道，导致气体最终被击穿。

人们经过实践总结出气体击穿的规律，这个规律称为巴森定律，即在温度一定时，在均匀电场中，气体击穿电压Ecp与气体的压力p和电极距离d的乘积有关，其具体表达式为

Ecp=B·p·d/ln[A·p·d/ln (1+1/r)]

式中A、B、r是一组与气体种类、温度及电极材料有关的常数。在均匀电场中，当电极的距离在0.1cm左右，20℃时极距d与击穿电压关系Ecp=30d+1.35 (k V);当d值在1cm左右时，在上述温度和压力下空气的击穿电压Ecp=30.75d+1.23 (kV)。

影响气体间隙放电电压的因素是电场分布形式、外施电压波形和气体状态。

3.1 电场分布形式

均匀电场中的空气间隙，其击穿电压高，反之其击穿电压低，而且分散性也大，这是电场均匀程度影响放电电压的根本原因。

提高击穿电压的措施有：采用有利的电极结构，增大电极曲率半径，改善电场分布。在电场极不均匀的空气间隙中，放入薄片状的固体绝缘材料(纸或纸板)作为屏障，在一定条件下可以明显提高间隙的击穿电压。屏障本身的耐电强度没有多大意义，其主要作用是阻止了空间电荷的运动，改善了空间电荷的分布状态，使间隙的击穿电压提高。

3.2 外施电压波形

在电力系统中，空气间隙受到工频波、雷电波和操作波3种形式的电波作用。从其作用时间来说，工频波最长，操作波次之，雷电波最短。在均匀电场中，同一间隙下工频波、雷电波、操作波的击穿电压差相差不大。在不均匀电场中，同一间隙下，雷电波击穿电压最高，操作波击穿电压次之，工频波击穿电压最低。

3.3 大气状态

即气压、温度、湿度等因素的影响。

(1)气压、温度。当气压降低或温度升高时，空气密度下降，电子在两次碰撞间所经过的平均自由行程增大。因而从电场中获得的动能增多，碰撞电离能力增强，空气间隙的直流、工频、冲击等放电电压降低。如在高海拔地区，由于空气密度低，放电电压也降低。海拔每升高1000m，放电电压降低10%左右。所以，在设计变压器的外绝缘时要充分注意这一点，如套管要采用加强绝缘的措施。

(2)湿度。湿度增加时，气体间隙的火花放电电压升高。因为湿度增加后电子与水汽分子碰撞的机会增多，水汽分子容易形成活动能力差的负离子，以致碰撞游离能力减弱，在更高的电压下才发生放电。

在均匀电场中，湿度的影响较小，只需对气压、温度进行校正。在不均匀电场中，湿度的影响较明显，要求对气压、温度、湿度同时进行校正。

4 气体绝缘材料的发展趋势

当前对气体绝缘材料的研究主要集中在SF6气体及其混合气体上。由于SF6气体价格较贵，液化温度相对较高，对电场均匀性十分敏感，人们一直在寻找SF6与其它气体的混合介质，以期降低成本。通过试验，发现SF6气体与其它气体的混合介质在电气绝缘上是大有作为的。

4.1 电负性气体与缓冲气体的混合物

这类混合物中研究较多的是SF6-N2和SF6-CO2，其中SF6-N2已应用于实际装置中。试验表明，SF6气体与缓冲气体的混合物在均匀电场击穿电压下降不多，但可使SF6含量大大降低，并且在极不均匀电场中一定气压范围内SF6-CO2的电气强度高于SF6气体。

人们对SF6混合气体的研究，主要集中在SF6与常见的廉价气体上，如：空气、N2、CO2等气体的混合气体。实践表明，除了电气性能以外，混合气体在工程上的使用还应考虑气体的热稳定性和化学性能，如空气中含有氧气，对金属材料具有氧化作用;CO2在电弧作用下会分解出碳粒，导致设备的绝缘性能下降。因此，认为SF6-N2是比较理想的混合气体，但其在工程上的广泛应用还有待于人们的进一步研究。

4.2 SF6替代气体的研究

自上世纪90年代以来，SF6气体的温室效应引起了各国环保专家的重视。尽管气体绝缘开关装置的年气体泄漏率小于1%，但由于SF6化学稳定性高，在大气中的寿命长达3200年，因此1997年的京都会议将SF6列为全球6种温室气体之一。为此，国内外在寻找合适的SF6替代气体方面开展了大量的研究工作。

基于对SF6气体物理特性、绝缘和灭弧性能的分析，可替代SF6气体的其他绝缘气体应满足以下条件：(1)寻找SF6的替代气体的分子结构设计应该借鉴SF6，替代物中的组成原子，应当包含电负性较强的原子，同时从整个分子结构来看，应具有很好的对称性;(2)替代SF6的气体应当具有SF6的绝缘和灭弧性能，同时具有无毒，不易燃的特性，而且应基本没有温室效应;(3)新的气体或混合气体必须有良好的安全性而且对环境的影响小。

绝缘体 篇10

1 中压开关柜的绝缘方式和复合绝缘技术

绝缘方式对优化开关柜结构起到至关重要的作用，中压开关柜的绝缘方式按位置可分为：柜内空间的绝缘方式和内部组件的绝缘方式[2]。对于“柜内空间的绝缘方式”，最普遍的是以空气作为柜内空间的绝缘介质，即带电体对地及相间均以空气作为绝缘介质，如半封闭式开关柜、金属封闭式开关柜。有些空气绝缘开关柜以改变带电导体形状设计，并采取严格的质量管理和安装精度来缩小最小空气绝缘距离，这类改造主要是那些引进国外先进技术生产的开关柜，如某型号开关柜已生产10年以上，在北京、深圳、大连等地均有使用，但因不符合电力部标准DL/T 593—1996《高压开关设备的共用订货技术导则》中关于最小空气绝缘距离的规定，在市场方面一直存在争议[3]。

内部充以SF6气体作为带电体对地及相间绝缘的充气柜，是一种特别适用于环境条件恶劣场所的开关柜，它采用激光焊接技术将薄不锈钢板焊接成密封箱体，在其内部布置断路器等元件，充入低气压的SF6气体。由于SF6气体的绝缘性能高，大约是空气的3倍，所以相间绝缘距离大幅减小，开关柜柜体尺寸大幅缩小。因此，相对于空气绝缘的开关柜而言，具有不受外界环境影响、体积小、可靠性高、操作人员安全性好、一次回路免维修等特点，极大地提高了安全可靠性。它的缺点是使用的SF6气体会导致环境问题，在1997年的京都会议上被列为限制排放的气体。

对于“内部组件的绝缘方式”，主要是用陶瓷和塑料两大类(此外还有橡胶、玻璃等)制造开关柜内部组件的固体绝缘件，如开关柜中的主要元件真空断路器采用了玻璃或陶瓷的灭弧室。真空断路器的绝缘件以往普遍使用4330电绝缘用玻纤增强酚醛压塑制造，其抗老化性欠佳，抗潮性不良，使用中有绝缘强度降低现象，因此现均改用玻纤增强不饱和聚酯压塑(SMC、DMC)来增大爬电比距，提高了绝缘性能。随着科学技术的发展，特种塑料越来越成为目前中压开关柜中的主要固体绝缘材料，陶瓷绝缘材料则更多地应用于高压、超高压和特高压中。

为了综合发挥各种绝缘方式的优点，还出现了一种将单一绝缘类型中的几种绝缘方式组合起来的技术，称为复合绝缘技术，主要有以下三种：一是“空气绝缘为主体的复合绝缘技术”，这种技术以空气绝缘为主体，在放电路径上设置环氧树脂等固体绝缘隔板，以缩短最小放电间隙，典型的应用有：在母排上套热缩绝缘套管，在触头上敷环氧树脂等。这种技术的原理在于固体绝缘隔板具有阻止放电的作用，在隔板表面上施加与电压同极性的电荷可以改善电场，获得空气绝缘1.5倍的耐受电压。二是“气体绝缘为主体的复合绝缘技术”，接近大气压的低压SF6气体中的复合绝缘与在空气绝缘中一样，在放电路径上插入固体绝缘隔板，可以改善电场，提高耐受电压，唯一不同的是SF6气体中的隔板效果与隔板的形状有关。中压开关柜通过SF6气体和固体绝缘件的复合化，可使设备体积缩小到空气开关柜的1/3。三是“固体-气体-真空的复合绝缘技术”，其特点是将设有表面接地层的浇注固体绝缘件作为外部封闭容器，真空灭弧室置于该容器内，该容器的其余空间充入SF6气体，通过该种方法，开关柜体积可缩小到纯空气绝缘的1/30。复合绝缘技术的应用，特别是“固体-气体-真空的复合绝缘技术”，需要灭弧理论、散热技术、解析技术、耐热技术、精加工技术、电力电子理论等许多基础理论的支撑，同时需要攻克材料、工艺等难关，所以目前尚未大批量投入使用。

2 中压开关柜的绝缘标准

开关柜的绝缘要求主要体现在耐受电压、最小空气绝缘距离和爬电比距方面，下面分别就这三个方面的有关标准进行说明。

2.1 耐受电压

在GB/T 311.1—1997《高压输变电设备的绝缘配合》中规定了中压开关柜的雷电冲击耐压和工频耐压水平，如表1所示。

注:“额定短时工频耐受电压”中，“;”前、后的数据分别代表国际、国内标准值，“/”前、后的数据则代表设备外绝缘在潮湿、干燥状态下的耐受电压值。

2.2 最小空气绝缘距离

对于空气绝缘结构的高压开关柜，在电力部标准DL/T 593—1996中，规定了各相导体相间与对地空气净距，如表2所示。

注：海拔超过1 000 m时，“导体至接地间净距”和“不同相的导体间净距”应按海拔每升高100 m增大1%进行修正;“导体至无孔遮拦间净距”和“导体至网状遮拦间净距”应分别增加上述其中一项值的修正值。

2.3 爬电比距

爬电比距是指高压电器组件外绝缘的爬电距离与额定电压之比，在标准DL/T 593—1996中，规定了户内开关柜的爬电比距，如表3所示。

实际的爬电比距要求为爬电比距值乘以应用系数，应用系数如表4所示。

3 中压开关柜绝缘事故分析

结合中压开关柜的绝缘方式和绝缘标准，中压开关柜应该能够安全、稳定地在电网中投入使用，但在实际运行中，中压开关柜仍然出现各种绝缘事故，尤其是在10 k V及以上电压等级。中压开关柜绝缘方面的故障主要表现为外绝缘对地闪络击穿，内绝缘对地闪络击穿，相间绝缘闪络击穿，雷电过电压闪络击穿，瓷瓶套管和电容套管闪络、污闪、击穿、爆炸，提升杆闪络，电流互感器闪络、击穿、爆炸，瓷瓶断裂等，中压开关柜绝缘事故原因分析主要有以下四个方面：(1)爬距及空气间隙不够。爬距及空气间隙不够是开关柜发生绝缘损坏事故的根本原因，特别是手车柜，为缩短柜体尺寸，生产企业往往大幅度地减小装于柜内的断路器、隔离插头相间距离或对地距离，未采取有效的保证绝缘强度的措施。(2)开关柜内绝缘材质的选用不当。有的生产企业采用了易吸潮的酚醛树脂绝缘材料，运行后绝缘性能的降低，容易引发绝缘事故。绝缘材料应具有耐污秽性好、憎水性强和不容易老化等性能，并要经过实践验证。(3)制造质量差，工艺不良。制造质量及装配质量对开关柜整体耐压水平有很大的影响，如紧固螺丝不规则，拧紧后螺杆长出螺母过多;有的支持瓷柱紧固底板成“丁”字型，在支持瓷柱处作特殊处理，这样不仅缩短了绝缘距离，而且造成电场局部集中，另外支持瓷柱质量差，稳定性能差，在短路电流冲击下发生断裂，造成事故扩大。(4)环境条件的影响。开关柜运行的环境条件差是导致开关柜发生绝缘闪络的主要原因，当大气污染不断加剧，污秽和潮湿两个因素同时存在于绝缘件的表面时，就会逐渐污染电力设备的绝缘子、套管及母线。一般情况下，干旱气候持续的时间较长，绝缘件积污多了，这时又突然下雾，而下雾的时间较长(一般2～3 h)，污秽被雾水充分地潮湿，此时产生污闪的可能性较大。深圳市某泵站ZS1型铠装式金属封闭开关设备就是因为空气潮湿，使设备在运行过程中在绝缘表面产生凝露，以致附着污秽使绝缘降低，导致设备烧损[4]。

4 中压开关柜提高绝缘的措施

对于中压开关柜，往往希望通过增加不多的费用，将绝缘水平提高，使运行更安全。因此在开关柜生产制造中，应特别注意绝缘性能，以减少运行中绝缘事故的发生，同时加强对运行中开关柜的日常维护力度，具体措施如下：

(1)严格执行GB/T 311.1—1997《高压输变电设备的绝缘配合》中的短时耐受电压，DL/T 593—1996《高压开关设备的共用订货技术导则》中的最小空气绝缘距离和爬电比距的相关标准。

(2)改进配方、工艺，在中压开关柜专用配件方面广泛采用具有优良阻燃性、憎水性的SMC等材料，更广泛地采用新型配方的环氧树脂绝缘件，在不增大空间体积的前提下，设计制造大爬距绝缘件。

(3)在有条件时，开关柜外绝缘建议进行凝露条件下的耐压试验，这是开关柜适应环境条件的一个非常得力的措施。

(4)开关柜内带电体尽量采用热缩橡胶给予包扎，对提高运行水平很有利。导电铜排或铝排加热缩绝缘套管也是很好的方法，这样既能有效地防止带电裸露造成人身伤亡危险，又可防止盐雾污闪及有害气体对导电铜排或铝排的腐蚀。

(5)结合元件复合化设计及元件集中化装配，设计出相适应的绝缘方案，如目前KYN柜中互感器套管触头盒、绝缘子的组合结构所需的绝缘配合。

(6)应充分注意元件选择，特别是电压互感器，要选择伏安特性较好的产品，即在线电压下无显著饱和的电压互感器。同时，对于隔板等，应选用绝缘性能好，不燃烧或阻燃的绝缘材料。尽量不要只使用一相或两相电压互感器接在相线与地之间(包括在双电源定相时)，以保证三相对地阻抗的对称性，避免中性点位移或产生谐振。

(7)严格执行安装技术规范，做好维护监控管理工作，防事故于未然。高压开关柜的金属骨架及其安装于柜内的高压电器组件的金属支架应有符合技术条件的接地，且与专门的接地导体连接牢固。凡能与主回路隔离的每一部件均应能接地，包括利用隔离开关切换到接地开关合上的位置来实现接地。每一高压开关柜之间的专用接地导体均应相互连接，并通过专用端子连接牢固。高压开关柜中各高压电器组件的隔板，一般是金属制成，与外壳具有相同的机械强度并接地。高压开关柜内的断路器、负荷开关、接触器及其操动机构必须牢固地安装在支架上，支架不得因操作力的影响而变形;断路器、负荷开关、接触器操作时产生的振动不得影响柜上的仪表、继电器等设备的正常工作。互感器安装的位置应便于运行中进行检查、巡视，且在主回路不带电时，便于人员进行预防性试验、检修及更换等。

(8)净化环境，封堵孔洞，严防潮气和小动物进入。对通风窗和抽风机装网栅或滤网，减少进入开关室的尘埃，净化通风;对较潮湿的高压室装热能灯加热或去湿。进出电缆孔用阻燃材料封填，对可能进潮气的柜孔也实行封堵，对可能进潮气的柜孔也实行封堵，以防止潮气和小动物钻入。加强设备运行维护，做到逢停必扫，强化运行维护，保证绝缘良好状态，确保设备安全稳定运行。

5 结语

目前国内的中压开关柜生产厂家对中压开关柜绝缘方式的应用和绝缘标准的理解都能达到要求，但由于制造工艺和成本的原因，少量中压开关柜的绝缘性能并不能满足全工况工作要求，绝缘事故时有发生。希望生产厂家在产品的设计和生产中，综合考虑以上提高绝缘能力的措施，切实提高中压开关柜的绝缘水平，确保设备安全稳定的运行。

摘要：介绍了目前国内中压开关柜的绝缘方式和复合绝缘技术,结合国家标准分析了中压开关柜发生绝缘事故的原因,列举了提高中压开关柜绝缘能力的措施。建议中压开关柜生产厂家在产品设计和生产中应切实提高绝缘水平,确保设备安全稳定运行。

关键词：中压开关柜,绝缘方式,绝缘标准

参考文献

[1]熊舟.中压开关柜的绝缘方式与趋势[J].大众用电,2002(6):17.

[2]林丛.10kV开关柜绝缘事故及对策[J].中国农村水利水电,2004(9):119-121.

[3]张建安,张颐钟.谈高压开关柜的安全净距问题[J].江苏电器,2005(2):27-29.

与火灾绝缘 篇11

那么，在今年的“消防宣传日”到来之际，就让我们一起来了解一下如何防止火灾和火灾发生后的急救措施吧。

如何防止火灾

★不要玩火，不要携带火柴、打火机、烟花、爆竹、砸炮等易燃易爆物品。

★到山林地区旅游时，严禁组织野炊、篝火晚会等活动。

★不要擅自使用燃气灶具或随意玩弄灶具上的开关。如果发现燃气泄露，应立即打开门窗，以便通风换气（但不能用电扇吹），然后查找漏气部位。

★使用日光灯、电热器时，要与可燃物保持一定的距离，不要用灯泡、电热器烤衣服、手巾等物品。

★使用火炉要小心，炉旁不要放可燃物，千万不要用火炉来烘烤衣服，如果要烘烤，必须要有人看管。

★不要在人口密集和有油库、炸药、酒厂、化工厂附近燃放鞭炮和烟花。

★扫墓时也要特别注意，别让香火等引发火灾。

当然，防止火灾还有其他一些方面需要注意，但最重要的是我们要有时时刻刻预防火灾的意识，同学们千万要记住啊！

火灾发生后的急救措施

一般来说，发生火灾的时候，中小学生是不允许参加救火行动的。但如果同学们万一遇到失火的情况，也要掌握一些必要的紧急措施，以保护自己的人身安全。

首先，要尽快报警。报警时要注意以下几个方面：

★要说明失火地点，有重名时要区别开来，而且要说出全称，不能用简称。

★要说明是什么物质着火和火势大小，以便于消防队根据燃烧对象和火势大小来决定其出动的车辆和警力。

★报警后，应由熟悉情况的人到离火场最近的路口迎候消防车和指引通道，提供水源位置等情况，以便迅速灭火。

另外，对突然发生的比较轻微的火情，同学们也应掌握一些简便易行的应付方法：

★水是最常用的灭火剂，木头、纸张、棉布等起火，可以直接用水扑灭。

★用土、沙子、浸湿的棉被或毛毯等迅速覆盖在起火处，可以有效地灭火。

★用扫帚、拖把等扑打，也能扑灭小火。

★油类、酒精等起火，不可用水去扑救，可用沙土或浸湿的棉被迅速覆盖。

★煤气起火，可用湿毛巾盖住起火点，迅速切断气源。

★如果是电器着火，应先切断电源。

★被火灾困住的时候，不要慌张，要沿墙壁匍匐前进，并用湿毛巾包住口、鼻。如果衣服上着火，不能盲目乱跑，应该扑倒在地来回打滚或跳入附近的水中。

★如果在影剧院、商场等公共场所发生火灾，首先要保持镇静，辨明方向，千万不要拥挤、盲从，不要往座位下、角落里或柜台下乱钻。

★火灾时千万不要乘坐电梯，因为电梯井直通大楼各层，烟、热量容易涌入，而且在高温下电梯会失控甚至变形。

绝缘体 篇12

1 拓扑绝缘体分类

拓扑绝缘体不是传统意义上的“绝缘体”,需要引入拓扑不变量来描述。2005年,Kane和Mele提出了用Z2拓扑数来表征时间反演不变系统拓扑性质的方法,利用拓扑序数来表征其能带,发现这些拓扑不变量是离散的整数或者分数,它们不能连续地改变[4]。目前,拓扑绝缘体可以分为二维拓扑绝缘体和三维拓扑绝缘体。

1.1 二维拓扑绝缘体

到目前为止只有HgTe/CdTe半导体量子阱[5,6]在实验上被证明是二维拓扑绝缘体。Hg1-xCdxTe本身具有强自旋轨道耦合作用,而理论预测通过改变CdTe/HgTe/CdTe三明治结构的厚度,其二维电子态的能带次序会发生倒置,从而出现量子自旋霍尔效应[5]。2007年德国物理学家König等直接观测到量子化的纵向电阻平台和s-p轨道之间的能带反转,从而证明量子霍尔自旋效应及其拓扑性质[6]。理论计算预测在InAs/GaSb量子结构体系中也有可能实现能带反转[7]。

1.2 三维拓扑绝缘体

实验报道的第一个三维强拓扑绝缘体是具有半导体性质的铋锑合金Bi1-xSbx,其表面能隙穿过费米能级5次[8],由于其表面结构和性质都比较复杂而且能隙较小,这激发了人们寻找具有大能隙和简单表面结构的第二代三维拓扑绝缘体的兴趣。2009年,张首晟等通过理论计算预言了Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3是一类三维强拓扑绝缘体[9]。美国普林斯顿大学Xia等[10]利用原位-角分辨光电子能谱(ARPES)和第一性原理计算对Bi2Se3表面能带结构进行分析,给出了实验上的支持,确定其为表面态只有1个狄拉克点的强拓扑绝缘材料,如图1所示。表面态具有狄拉克锥结构,并且相交于一点,被称为狄拉克点。狄拉克点附近的电子态的能量和动量满足线性色散关系。而体价带和体导带之间存在一个能隙,费米能级穿越体价带底部。理想情况下体能带的费米能级位于能隙之中,只拥有一个相互交替的狄拉克表面态[11]。

对于三维绝缘体来说,其表面态是二维体系,在布里渊区的表面具有4个时间反演对称点Г1,2,3,4,需要用4个Z2拓扑数(1个强拓扑数,3个弱拓扑数)来刻画。按照这样的分类方法,三维系统又分为平庸的普通绝缘体、弱拓扑绝缘体(WTI)、强拓扑绝缘体(STI)。表面布里渊区中狄拉克点数目的奇偶性决定了拓扑绝缘体的强弱,表面有奇数个狄拉克点的体系被称为STI,而偶数则是WTI。只有STI的表面态才具有一个独特的二维拓扑金属态,其表面态非常稳定,不会被非磁杂质散射而导致局域化。

第二代三维拓扑绝缘体中的Bi2Se3引起了科学家的极大关注,主要是因为它的化学计量比可控,易合成纯的化学相;其次是它的表面态只存在一个狄拉克点,是最接近理想状态的强拓扑绝缘体;第三是该材料的能隙(0.3 eV)非常大(等价于3600 K),有可能作为室温低能耗的自旋电子器件。此外,理论研究者指出在这一体系中有可能观察到磁单极现象;与超导材料相互作用也可能观察到Majorana费米子,因而在理论研究领域具有重要意义。目前,Bi2Se3已成为研究拓扑性质的参考体系,本文总结了Bi2Se3单晶块材的最新研究进展。

2 Bi2Se3单晶研究

Bi2Se3化合物本身就是一种优良的热电材料,具有较高的热电优值系数[12]。近20年来研究者主要通过形貌控制﹑元素掺杂等方法提高其热电性能,特别是与Bi2Te3-Bi2Se3形成赝二元合金化合物,大大提高了其热电优值系数。最近研究发现Bi2Se3具有拓扑性质,又掀起了新的研究热潮。但先前的研究主要集中在多晶材料和多层薄膜,对于样品的纯度要求并不高,这阻碍了对其拓扑性质的研究。目前探测拓扑表面性质的手段主要是角分辨光电子能谱(ARPES)、扫描隧道显微镜(STM)和输运测试等。STM基于量子隧道效应可以直接探测样品表面形貌,结合隧道扫描谱技术(STS)测得空间局域电子态密度,能够直接观察到局域电子态密度的能带反转结构。

2.1 非掺杂Bi2Se3

2.1.1 晶体结构

Bi2Se3是由第Ⅴ主族和第Ⅵ主族元素构成的,其晶体结构属于undefined六方晶系。沿着c轴方向,Bi2Se3晶体可视为六面体层状化合物。每一层原子面上只具有相同的原子种类。每2个Bi单原子层和3个Se单原子层按照-Se(1)-Bi-Se(2)-Bi-Se(1)-的排布方式组成一个包含5个原子层的周期结构,称为5原子层(Quintuple layer, QL,高度为0.95 nm),如图2所示;单个晶粒包含3个QL,在c轴方向高度约为2.87 nm。Se(1)-Bi之间以共价键和离子键相结合,而Bi-Se(2)之间为共价键,Se(1)-Se(1)(QL-QL)之间则以范德华力相结合。故Bi2Se3晶体很容易在Se(1)原子面发生解理。解理面非常平整,具有明亮的金属光泽。Bi2Se3具有类似石墨烯的层状结构,通过机械剥离法即可制得超薄石墨烯,这为制备超薄解理的单晶材料提供了借鉴。不同的实验小组分别用机械剥离法制得了厚约30 nm的Bi2Se3[10,13]。

2.1.2 晶体制备工艺

目前制备Bi2Se3单晶的主要方法是自助溶剂法和布里奇曼(Bridgman)法。本课题组采用高纯金属Bi(99.99%)和Se(99.999%)作为初始反应物,按照不同名义配比混合均匀压片,抽真空后(<10-3Pa)封于石英管中,缓慢加热至850 ℃,通过改变保温时间和降温速率控制单晶生长的质量[14]。制备条件的差异使样品的载流子浓度相差可达2个数量级。Se挥发性高不易制得理想配比的Bi2Se3化合物,常见缺陷是Se空位留下的三角形的凹坑和由于Bi取代Se的反位缺陷而形成的三叶草型突起[15]。Bi2Se3通过Bi、Se自掺杂就可以形成n型或者p型半导体,大多数是n型半导体,因为体系内主要的缺陷是带电子的Se空位,其空位浓度一般为～1019 cm-3。图3为在850 ℃保温5 h后经过48 h降温至620 ℃再淬火的Bi2Se3单晶的XRD图谱,仅观察到(00L)峰,说明样品具有很好的c轴取向和周期性,晶格衍射峰的半高宽小于0.03°,表明制得的单晶质量较高。图4是单晶样品解理后的照片,其表面光滑且有金属光泽;扫描电镜照片(图5)清晰地显示出其具有层状结构特征。

2.1.3 量子振荡现象

在载流子迁移率高的材料中,低温下材料的磁电阻会随着磁场的倒数1/B呈周期性振荡,即磁致Shubnikov-de Haas(SdH)振荡现象[16]。其本质就是在外加磁场时能量的本征值分裂为一系列的Landau能级,随着磁场B的增大,相邻Landau能级的截面积也增大,导致各能级上的电子重新分布。相邻两峰所在磁场的倒数之差为振荡频率f,其与费米面的关系为[17]:

undefined

式中:f为振荡频率,undefined和undefined对应于2个电阻峰值处的磁场倒数位置,e为电子电量,ħ=h/2π,h为普朗克常数,SH为垂直于外加磁场B方向上的费米面的极值面积。对SdH振荡测量结果做快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)分析,可以求得SdH振荡的频率f,推算出相应的极值面积,从而能推断费米面的形状和大小。根据电子浓度n与振荡频率f的关系n=2ef/h,可以求得电子浓度。SdH振荡随着温度的升高逐渐衰减,FFT谱的峰随着温度的升高而逐渐消失。Eto等[18]在低载流子浓度的样品中观察到了与角度相关的SdH振荡,这种现象可以用各向异性的体费米面朗道量化相关理论解释。Butch等[19]制备出载流子浓度低至1016cm-3、迁移率高达20000 cm2·V-1·s-1的样品,通过SdH振荡﹑霍尔效应测试和光反射测试,认为体系的电导主要来自于体性质,可能与样品暴露在空气中会引入载流子有关。图6为在1.5 K时测试的磁电阻率的SdH振荡,磁场越大,振幅越大;随着θ的改变,垂直于样品表面的振幅大于平行表面的振幅。图7为电阻率ρxx的SdH振荡的一阶微分。图7插图为外加磁场平行于Bi2Se3表面SdH振荡的FFT结果,其频率f =107 T,由此推导出n=5×1018 cm-3。

磁场下分立朗道能级的出现不仅是二维电子体系的重要特征,也是产生量子霍尔效应的根源。最近实验利用STM/STS技术测得了Bi2Se3表面态具有分立的朗道量子能级[20],零级朗道峰位于狄拉克点,而且不随外场而改变;朗道能级在费米面附近与undefined呈线性关系。

2.1.4 光电子能谱研究

光电子能谱仪是观察和确认材料是否属于拓扑绝缘体最直接、最有效的方法。通过观察样品的电子结构可以直接探测样品的表面态电子结构的变化。通过控制光电子激发能量和光电子激发类型,能够得到不同特征的电子结构图像。Pan等[21]利用自旋极化和高分辨率的APRES发现在Bi2Se3单晶拓扑表面态的极化高达0.75,为完全自旋极化提供了证据,但是关于其自旋极化仍然存在分歧。由于“六方包裹效应”和轨道自旋耦合作用都可能使观察到的数值偏离实际,另一小组测得的数值仅为0.2[22]。 Kuroda 等[23]利用s激发的光电子ARPES观测到在包围体导带的区域,Bi2Se3单晶的费米表面也出现类似于Bi2Te3的六方变形,这与理想的狄拉克圆锥不同[5],这可能是拓扑表面态上一种崭新的量子态。

Rashba效应是指具有强轨道耦合的电子系统在一个垂直电场作用下,其电子能带在动量方向上出现自旋劈裂,其特点是在Г点没有自旋劈裂,通过ARPES可以直接观测到电子的自旋劈裂特征。King等[24]在Bi2Se3中观察到了表面吸附CO导致的Rashba效应,少量的水蒸气(H2O)加速自旋劈裂。在Bi2Se3表面沉积微量碱土金属后,当温度高达380 K时也出现二维电子气特征,但其可通过后续低温退火处理加以有效抑制。

2.2 元素替代效应

通常制得的Bi2Se3单晶块材都是n型半导体,虽然早期曾有报道通过Bi和Se自掺杂即可获得p型半导体,但是未见后续报道。Analytis等[17]对比研究了同是n型半导体但载流子浓度相差2～3个数量级的样品,发现在载流子浓度为2.3×1017 cm-3的样品中电阻率出现了一个极小值,与杂质带有关。这种杂质带的热激发电导与体电导相当,直至载流子大约在30 K被冻住。在高载流子浓度的样品中体导带起决定作用,随着载流子浓度的减小,表面电子的迁移率提高。由于Se空位和缺陷对电输运性质的影响,使费米能级位于体能带之中,很难观测到其拓扑表面态的性质,人们试图通过引入化学掺杂来调制其化学势。

Ren等[25]在富Se条件上生长出的Bi1.998Cd0.002Se3单晶表现出p型半导体行为,通过精确控制退火工艺可以调制Se空位浓度,并且制得从p型翻转到n型导电翻转的半导体。

Hor等[26]通过两步烧结法制得Ca掺杂的单晶,其显示出p型半导体的输运性能。研究表明Ca掺杂使得体系杂质浓度减小,载流子主要是空穴,Ca2+是一种宿主效应,其电输运性质仍然为金属性导电[22]。ARPES图像证明Bi1.98Ca0.02-Se3的费米能级明显向价带方向靠近,没有观察到表面能带,暗示费米能级很有可能低于狄拉克点。通过调节Ca2+浓度,可以使体化学势位于能隙和价带之中。研究表明Ca掺杂后表面态对其电导贡献提高了许多[27]。Wang等观测到Bi1.988-Ca0.012Se3单晶既可以是n型又可以是p型半导体,其中n型半导体表现出绝缘体导电行为[28]。Ca掺杂的薄膜也能有效降低电子密度[29]。

掺杂质量相对较轻和自旋轨道耦合作用小的Mg元素可以减少背散射、准粒子干扰对费米面变形的影响。ARPES证实Bi1.98Mg0.02Se3的狄拉克点恰好位于费米能级处。Mg2+也是空穴掺杂,这证明通过调制载流子浓度能够使Bi2Se3展示出拓扑输运性质[23]。

Cu原子既可以位于靠范德华力相互连接的Se(1)-Se(1)原子层之间,又能位于原子层QL内的间隙位置。2010年,Hor等[30]报道熔融生长的CuxBi2Se3(0.1≤x≤0.3)晶体能够显示出超导转变的特征,最大Tc值为3.8 K,而磁屏蔽系数小于20%。Kriner等利用电化学方法在Bi2Se3表面沉积Cu元素,改善了晶体的质量,第一次观测到真正的零电阻行为,最大磁屏蔽系数提高至50%,经过比热测试,确认Cu插入Bi2Se3能够形成超导体[31,32]。Wang 等利用STM证明多数Cu在低温(100 K)是以Cu原子簇均匀分布在Se(1)表面的,而高温(300 K)时Cu原子优先向QL-QL之间和QL内的间隙位置扩散[33]。ARPES图谱证明,插入Cu后样品的DP点会远离费米能级,体导带保持不变;退火后,其DP点又恢复至未掺杂状态。拓扑表面态与体导带的表面态出现明显的分离,原因可能是退火过程中Cu会与Bi和Se发生反应,产生新相,消耗体内的电子,使超导相CuxBi2Se3中的载流子浓度仅为1020 cm-3,而且不随着Cu含量的增加而线性变化。这为解释超导电性的岛状起源提供了证据,但其超导机制仍未有统一的理论。最近高压实验证实CuxBi2Se3的超导电性在压力下逐渐消失,失超的临界压力约为6.3 GPa,并表现出类似于p-波超导体特征[34]。

Analytis等在掺杂大量Sb的Bi2Se3中得到载流子浓度低至～1016 cm-3的单晶[35]。Sb和Bi在周期表中位于同一主族,取代Bi时不会产生多余的电子,可能会抑制Se空位的产生。

在Se位引入Te,通过调制Se、Te比例能有效调节体系的载流子类型。实验发现当Se、Te比例接近0.33时,制备的Bi2Te2Se是一种有序结构,而其表面的拓扑性质被保留,同时获得了较大的低温电阻,高达6 Ω·cm[36,37]。在Se位引入同族S元素可以增大低温电阻率,但会明显抑制表面态的电导。

图8总结了主要通过掺杂Ca2+、Cd2+并且经过577 ℃退火处理后样品的半导体性质,插入Cu原子出现了超导转变行为。本课题组制备的单晶(5-48)在300～40 K范围表现出金属性导电行为,霍尔电阻测试显示其载流子浓度为～1020 cm-3,这可能与样品表面暴露在空气中密切相关[14]。目前人们仍努力寻找合适的掺杂元素以调制Bi2Se3的化学势。磁性掺杂和化合物掺杂,以及表面修饰可能会得到半导体性质的Bi2Se3。

2.3 表面态调控

Jin等通过理论计算认为当S取代表面层的Se原子时,其电子态表面不会发生多大的变化,但是当O取代Se原子时,狄拉克点将移至高能带区域[38]。

Park等利用ARPES发现在高真空解理4 d后,Bi2Se3样品的狄拉克表面态比新鲜解理的能量下降了100 eV,Bi2Se3薄膜具有“老化现象”,经计算大概引入了6×1013 cm2的电子密度[39]。

Analytis等在暴露于空气1 h后的样品中没有观察到SdH现象[35],甚至只需暴露几秒钟,Bi2Se3电子浓度就增大了1倍[17]。Taskin等发现暴露于空气中730 h后的样品表面态由狄拉克霍尔掺杂变成了电子掺杂[40];最近的光电子能谱(XPS)实验结果证实表面氧化生成化合物(BiOx)是造成表面态质量下降和环境掺杂的主要原因[41]。Ca离子掺杂的单晶解理片在表面吸附CO分子后也观察到体价带和导带出现了量子化行为,使得费米能级位于DP点附近。Wray等[42]的研究表明Bi1.9975Ca0.0025Se3由原来单个表面态分裂为5个表面态,在狄拉克点费米能级穿越5次。把表面暴露在NO2中,表面费米面的演变可以增加表面吸附NO2的能力,电荷会从Bi2Se3转移到NO2中,导致拓扑表面出现空穴,使得费米能级调至狄拉克点附近[22]。

早期报道指出磁性杂质掺杂Bi2Se3会引入铁磁序,使得体系诱导出稀磁半导体转变。理论计算认为磁性杂质无论位于Bi2Se3晶格还是位于样品表面都会破坏体系的时间反演对称,并在表面态打开一个能隙,从而使拓扑绝缘体变成普通绝缘体。Chen等[43]通过ARPES在Fe和Mn掺杂的Bi2Se3晶体中都观察到了表面态的能隙,并进一步证实磁性杂质掺杂导致铁磁有序结构。

3 结语

目前制备的Bi2Se3单晶块材中由于存在Se空位和环境诱导的重电子掺杂,使得其拓扑表面性质被体态掩盖。Ca2+掺杂可以进入空穴,为将来掺杂提供了借鉴性, Mg2+、Ba2+或者Na+、K+等掺杂可能引入空穴出现p型掺杂,使体系的费米能级调制至能隙之中。另外通过Sb3+抑制Se空位浓度或者在Se位引入离子半径较小的元素(如S2-、O2-)可以减小由于Se空位而导致的重电子掺杂效应。化合物掺杂以及两种以上元素共掺杂对其拓扑性质的影响还未见报道。