抗重金属性能论文

2024-06-02

抗重金属性能论文（精选10篇）

抗重金属性能论文篇1

空蚀现象是一种导致材料加速毁坏的物理现象, 经常发生在与水接触的材料表面, 尤其是高速运动的材料表面, 例如水泵、船坞螺旋桨表面以及水轮机等。空蚀现象的存在严重的影响了在水下运转的部件的寿命, 造成了巨大的资源与能源的浪费。特别是随着水轮机以及军用的舰船向着高速发展, 研究空蚀问题显得更为重要。近年的研究在金属的抗空蚀方面做出了很大的进展, 但是在亚稳态方面的研究还不多见, 下面就已以亚稳态金属为例, 探讨空蚀诱发的马氏体相变对对金属材料的抗空蚀性能的作用。

1 空蚀的定义及产生原理

空蚀一般指水流在某处的流速增加导致的材料在局部的压力变化而产生气化, 气泡的形成以及溃灭会对于材料的表面产生局部的破坏。

其原理可以解释为:在液体的不停的流动中会由于某些特殊的原因而使得局部的压力突然的降低, 如果此压力小于该温度条件下液体的气化压, 那么该部分的液体就会发生气化的现象, 形成气泡。如果这些生成的气泡随着液体的运动而到达了压力较高的区域, 空泡就会因为存在条件改变而溃灭, 这将会导致局域压力的骤增。如果这一过程在液体流中不断的反复, 与之接触的材料的表面就会受到连续不断的压力冲击, 这就会导致材料的疲劳破损甚至表面的剥蚀, 即为空化剥蚀, 也叫空蚀。

2 实验材料与方法

本实验采用0Cr13Ni5Mo不锈钢为参照, 研究近年来的亚稳态新材料, 例如Fe-Mn-Si合金、Fe-Cr-Ni和Fe-Cr-Mn-Ni。将上述的四种材料在950-1150的温度下进行锻打, 并且在实验前进行固溶化处理, 其结果是参照组的0Cr13Ni5Mo的组织是大部分的马氏体与少量的奥氏体, 三种对照组材料的组织是奥氏体。

本实验采用旋转圆盘试验机, 将准备好的样品安置于试样台上, 线速度设定为45m/s, 其空化源尺寸d为16mm、水温为20±5℃、水压为0.1MPa。称取试样时先将样品用丙酮进行超声波清洗, 采用精度在0.1mg的BS210S电子秤进行准确的称量。观察使用的是S-2700型SEM以及日本理学D/Max-3c的XRD, 从而得到空蚀表面的组织结构及微观的形貌。

3 实验的现象

3.1 空蚀的形貌

空蚀现象是一个渐进的过程, 起初的现象不明显, 只是出现局部区域的点状的侵蚀坑, 随着空蚀的时间延长, 在试验中的四种金属的表面都可以观察到明显的瓜子形的空蚀区域, 如图1所示, Fe-Mn-Si合金其它三种的微观形貌与有着很大的不同, 后三种的材料的空蚀形貌呈现爆玉米花形状。Fe-Cr-Ni和Fe-Cr-Mn-Ni所形成的空蚀区域形状相差不大, 而且较之Fe-Mn-Si合金的空蚀区域的瓜子形要大, 并且都要比0Cr13Ni5Mo的空蚀区域要小, 也就是说比0Cr13Ni5Mo的抗空蚀能力强。

3.2 抗空蚀性能

抗空蚀性能的研究通过累计质量损失来衡量, 且与质量的损失的倒数成正比关系。图1就是空蚀累计损失质量与时间t的关系图, 从图中可以看出, 金属的空蚀过程可以分为三个时期:空蚀的前期可以说是一个孕育阶段, 累计质量损失不发生变化;过了孕育期, 随着时间的延长, 质量的损失不断的增加, 而且不同的材料的质量损失的差异也表现了出来;最后质量的损失速度趋于稳定, 可计算出抗空蚀性能。

从图中可以清晰的看到:0Cr13Ni5Mo的累计质量损失为26.3mg, 我们以此为标准, 设定它的抗空蚀能力为单位1.0, 则Fe-Mn-Si合金、Fe-Cr-Ni和Fe-Cr-Mn-Ni的相对抗空蚀性能分别为7.3、1.6、1.8。即实验用的亚稳态的三种材料的抗空蚀性能明显的高于用于水轮机的0Cr13Ni5Mo不锈钢。

4 实验结果的讨论

试验中得到的三种亚稳态材料的抗空蚀特性有着较为明显的差异, 其原因只能从其微观机理进行分析。由于空蚀的发生是因为材料吸收了空泡溃灭所释放的能量所导致的结构破坏, 因此抗空蚀特性可以理解为避免材料吸收能量或者转移能量的特性, 而这就要考虑材料的动态力学响应。

将试验中的三种材料进行XRD测试, 图谱见上图2、3、4, 其结果表明Fe-Mn-Si合金中诱发了密排六方晶体结构的马氏体相变, 而Fe-Cr-Ni和Fe-Cr-Mn-Ni中分别有94.1%与88.6%的体积诱发了体心立方晶体马氏体相变。

也就是说在空蚀的过程中由于材料被诱发了不同结构的马氏体相变而导致了抗空蚀能力的不同。其微观的机理可以解释为:材料在空蚀中释放了一定的能量, 马氏体的诱发也要吸收一定的能量, 如果这些能量可以被马氏体相变的诱发利用, 那么这种材料就具有较高的抗空蚀能力。

由以上的分析可知, 空蚀诱发的马氏体相变有利于材料抗空蚀能力的增强。而且如果诱发的马氏体相变可以像Fe-Mn-Si合金一样可以发生马氏体的逆转变, 则这种材料的抗空蚀性能更加会大大的提高。

5 结论

由本文的试验分析可以得到以下三个结论:

(1) 材料的空蚀形貌大致的呈现为瓜子形, 但是其大小有很大的差别; (2) 三种合金的诱发的马氏体类型不同, 也导致其抗空蚀能力的巨大差异, 其相对的大小为7.3、1.6与1.8。 (3) 抗空蚀的能力可以通过诱发马氏体相变获得, 并且与动态相变对应力的相应有重要的关联。马氏体的诱发及其逆转变增加了能量的耗散与伪弹性, 提高了金属的抗空蚀能力。

摘要：本文以亚稳态金属为对象研究其抗空蚀性能与空蚀诱发相变的关系。试验中用旋转圆盘试验机为工具, 以Fe-Mn-Si合金、Fe-Cr-Ni和Fe-Cr-Mn-Ni为例, 得到的实验结果是三者的抗空蚀性能分别达到0Cr13Ni5Mo的7.3倍、1.6倍与1.8倍;并且诱发马氏体相变与抗空蚀性能、应力的相应及其能量耗散有密切的关系。

关键词：空蚀,不锈钢,亚稳态金属材料,抗空蚀性能,马氏体相变

参考文献

[1]彭向和, 韩勇, 黄尚廉.形状记忆合金拟弹性行为的热力学描述[J].应用力学学报, 2005, 17 (1) :60-67.

[2]孟庆平, 戎咏华, 陈世朴, 等.Fe-Mn—Si—Cr—N形状记忆合金中应力诱发马氏体量的测定[J].上海交通大学学报, 2006, 35 (3) :389-393.

[3]范雄.x射线学[M].北京:机械工业出版社, 2004.87-90.

抗重金属性能论文篇2

颗粒赤泥吸附剂对重金属离子的吸附性能研究

摘要：以氧化铝生产产生的工业固废――赤泥为原料,采用生石灰熟化后煅烧造粒方法,制备了颗粒状赤泥吸附材料.将制得的吸附材料用于水体中Cu2+、pb2+、Cd2+ 的`去除 .研究了吸附时间、溶液pH 值、吸附剂投加量对吸附效果的影响,在吸附作用时间、pH值、投加量相同的情况下,颗粒赤泥对3种金属离子的去除效果的大小顺序为Pb2+、Cd2+、Cu2+.颗粒赤泥吸附材料对3种金属离子的等温吸附规律可分别用Langmuir等温式、Langmuir 等温式和Freundlich 等温式较好地进行描述.颗粒赤泥吸附剂对3种重金属离子吸附饱和容量大,达平衡时间短,具较好的吸附性能.作者：王艳秋霍维周 WANG Yan-qiu HUO Wei-zhou 作者单位：北京市海淀区环境卫生科研所,北京,100086期刊：工业用水与废水 ISTIC Journal：INDUSTRIAL WATER & WASTEWATER年，卷(期)：,39(6)分类号：X703.5 TQ424.27关键词：颗粒赤泥吸附剂重金属离子

抗重金属性能论文篇3

【摘要】胶合失效现象在齿轮传动中时常出现，它的存在限制了齿轮的承载能力和使用寿命，表面接触温度是影响胶合现象的主要因素之一。本文通过KISSsoft软件建立齿轮箱模型，通过修改有关参数，对齿轮最大接触温度进行统计，对比胶合温度得出不同参数对齿轮抗胶合性能的影响规律。

【关键词】KISSsoft 齿轮胶合接触温度

【中图分类号】TH132.41 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0100-01

1、引言

高速重载的齿轮传动因齿面间的压力大、瞬时温度高、润滑效果差，相啮合的两齿面会发生粘焊现象。此时，两齿面又在做相对滑动，相粘接的部分可能会被撕破，齿面沿滑动方向形成沟痕，即为胶合。胶合会对齿面产生严重破坏，影响齿轮传动的稳定性，并且会影响齿轮寿命。因此在设计时，应该考虑所设计的齿轮拥有良好的抗胶合能力。温度作为影响齿轮胶合的主要因素，在材料限定条件下，有效的降低齿轮最大接触温度可提高齿轮的抗胶合性能。本文主要从螺旋角和端面模数这两个参数来探讨其对齿轮抗胶合性能的影响。

2、KISSsoft建模研究

在KISSsys模块中，输入实物原始参数。齿轮材料使用18CrNiMo7-6，轴材料使用45钢，轴承为角接触球轴承。端面模数m_n=2.5mm，螺旋角β=14.1411°；z₁=66，齿宽64mm，右旋；z₂=33，齿宽70mm，左旋。建立如图1所示齿轮箱模型。经分析得，在该工况下，齿轮胶合温度为356.78℃。

2.1 螺旋角对齿轮抗胶合性能影响

对于斜齿轮传动来说，螺旋角过小斜齿轮的优点不明显，过大则轴向力增大，一般取β=8°～25°。这里以螺旋角为自变量，其他参数不变。分别取如下表所示的螺旋角值，利用KISSsoft动力学分析得到齿轮最大接触温度，统计如下表：

由以上曲线可知，随着螺旋角的增大，齿面最大接触温度呈下降趋势。这说明，随着螺旋角的增大，齿轮抗胶合能力都有所提升。

2.2 端面模数对齿轮抗胶合性能影响

若保持齿轮齿数不变修改端面模数，会使得中心距有一定的变化，这对齿轮箱的大小产生一定的影响，不符合实际的安装需求。因此，在这里以中心距为定值修改齿轮的端面模数，即修改了齿轮的齿数。分别取如下表所示的齿数值（大齿轮），利用KISSsoft动力学分析得到齿轮最大接触温度，统计如下表：

由以上曲线可知，随着大齿轮齿数增加（端面模数减小），齿面最大接触温度呈下降趋势。这说明，在中心距不变的条件下，随着端面模数的减小，齿轮抗胶合能力都有所提升。

3、结束语

食用菌抗重金属机制研究综述篇4

1 食用菌富集微量元素

研究表明,香菇等丝状真菌对钙、锌、硒等元素有更高富集率[4,5,6]。叶明等[7]研究发现供试菌株生长耐受钙浓度范围为0~10 mg/m L,富钙香菇菌丝体的钙含量和多糖含量较出发菌株均显著提高。寿红霞的研究表明,培养基中含锗量不足500μg/g的条件下,可以在一定程度上促进香菇菌丝体的生长,缩短其生长期,其对锗吸收率达44%~88%;培养基锗浓度500~1 000μg/g的条件下,香菇可以吸收高达88%的锗,产量也受到略微的抑制;尚德静等[8]发现,在液体深层培养条件下,若硒浓度低于40μg/g,菌体会富集硒,但不会影响自身生长代谢,一旦硒浓度高于40μg/g,其富硒率达到灵芝的1/2。

施巧琴等[9]认为食用菌中凤尾菇、香菇、木耳、金针菇等可以富集镉、砷、汞,其中凤尾菇的富集作用最强。徐丽红等[10]研究表明,香菇对培养基中镉的富集能力最强,其次是对汞的富集能力,对铅的富集能力最弱。香菇对参试5种重金属的富集能力依次为镉>汞>砷>铜>铅。雷敬敷等[11]发现在铜污染培养基时,富集铜能力排序为双孢蘑菇>香菇>木耳>凤尾菇,可见香菇富集铜能力比较强。曲明清等[12]研究发现杏鲍菇子实体中砷、汞、铅和镉的含量随其在培养料中浓度的增加而增加,而且砷、汞和镉会显著降低生物学效率。菌丝浓度随着重金属添加浓度的增加而增加。雷敬敷等[11]发现若无限添加重金属,食用菌对其的累积将趋近于一个最大可能积累量,如双孢蘑菇对铅的极限值为30 mg/kg,香菇为180 mg/kg。

研究表明,将适量有益金属元素如锌等添加入食用菌,可在一定程度上抑制重金属的富集、胁迫毒害。徐尔尼等[13]发现香菇比茶树菇、金针菇对锌富集作用更强,但该富集作用一旦超过500 mg/kg,将会随锌浓度增加而逐渐减弱[6]。

2 重金属抑制食用菌生长

过量的重金属浓度会对菌体的生长产生明显的抑制作用,而且这种作用随浓度增加而增强,但一旦达到一定的量,菌体由于生长被过度抑制反而会降低重金属富集能力。刘云国等[14,15]的研究表明,不同浓度铜和锌抑制了CTB430-1和A.niger生长,明显抑制A.niger,结果可以说明其抗性菌体具有较强的生长能力;高浓度锌对菌体抑制作用显著低于铜,可见铜对CTB430-1和A.niger毒性更大。

香菇、凤尾菇、金针菇及木耳等食用菌对汞、铅、砷、镍、铜、锌等重金属均有不同程度的富集作用,上述重金属对食用菌生长均有不同程度的不良影响。对产量影响的顺序以香菇最大、凤尾菇次之、金针菇较弱。孟丽等[16]研究认为适当浓度的锌有利于香菇菌丝的生长,增加菌丝的生物合成,其中200×10-6mg/kg的硫酸锌是促进香菇菌丝生长发育的最佳营养条件;反之,过高浓度的锌抑制香菇菌丝的生长。陈素华[17]及杨春香等[18]指出重金属抑制食用菌菌丝生长的主要原因可能为:细胞中部分生理结构会受到重金属的损害,从而阻碍了营养物质的运输路径,并抑制菌丝吸收生长必需的营养元素,导致其生长受阻。

3 重金属抑制食用菌抗氧化系统

重金属一旦在生物体内富集过量,常会抑制其体内抗氧化系统的作用,从而抑制生物体的生物化学反应[19]。生物体的抗氧化系统包括抗氧化酶和抗氧化剂,抗氧化酶主要有超氧化物岐化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT),抗氧化剂主要有胞内的还原型谷胱甘肽[17](GSH)。樊霆[20]研究发现,随着铜和锌浓度的增加,CTB430-1和A.niger可溶性蛋白呈下降趋势,菌体体内GSH含量增加,体内SOD和CAT酶活性、CTB430-1活性的增加较为显著,表明其抗重金属能力较好。但在高浓度锌作用下,CTB430-1的菌体内可溶性蛋白含量略有增长。

钽金属的结构与性能研究篇5

摘要：钽是电子工业和空间技术发展不可缺少的战略原料，钽以其独特的结构和性质，在骨科医学、电子工业、化学工业和冶金工业有很大的应用。这篇论文主要介绍钽金属的资源、钽金属的制备和钽金属的结构和性质及其应用。

关键字：钽金属；战略原料；资源；制备；结构；应用

0 引言

钽是由瑞典化学家埃克贝里在1802年发现的，按希腊神话人物Tantalus（坦塔罗斯）的名字命名tantalum。1903年德国化学家博尔顿（W.von Bolton)首次制备了塑性金属钽,用作灯丝材料。1940年大容量的钽电容器出现，并在军用通信中广泛应用。第二次世界大战期间，钽的需要量剧增。50年代以后，由于钽在电容器、高温合金、化工和原子能工业中的应用不断扩大，需要量逐年上升，促进了钽的提取工艺的研究和生产的发展。中国于60年代初期建立了钽的冶金工业。美国是钽消费量最大的国家，1997年消费量达500吨，其中60%用于生产钽电容器。日本是钽消费的第二大国，消费量为334吨。21世纪初，随着电容器生产的发展迅速，市场供不应求。预计，世界钽电容器的生产量达2.50亿件，需消费钽1000吨。据美国地质调查局的统计，世界钽探明储量14000吨。其中，澳大利亚4500吨、尼日利亚3200吨、民主刚果1800吨、加拿大1800吨、巴西1400吨。中国资源量，主要分布在江西、福建、新疆、广西、湖南等省。从未来发展的需求看，电容器仍是钽的主要应用领域。如果按储量基础24000吨计算，也只能保证24年的需求。尽管如此，钽资源的前景仍然是看好的。首先，在世界十分丰富的铌矿床中，伴生有大量的钽资源。其中，格陵兰南部加达尔铌、钽矿的钽资源量就达100万吨。其次，西方已开始利用含Ta2O53%以下的大量锡炉渣。此外，代用品的研究和利用也有了很快的发展，如铝和陶瓷在电容器领域代替钽；硅、锗、铯可在电子仪器用途上，代替钽制造整流器等。

在郑州大学先进靶材料实验室的李庆奎老师的团队主要做的是高纯钽金属靶材，做出的金属靶材通过磁控溅射等工艺形成的薄膜广泛应用于电子信息产业。为了更深层次的探究谈金属，我对钽金属的资源、制备、结构、性能和应用进行了探究。钽金属的资源

资源钽和铌的物理化学性质相似，因此共生于自然界的矿物中。划分钽矿或铌矿主要是根据矿物中钽和铌的含量。钽铌矿物的赋存形式和化学成分复杂,其中除钽、铌外，往往还含有稀土金属、钛、锆、钨、铀、钍和锡等。钽的主要矿物有：钽铁矿[(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6]、重钽铁矿、细晶石和黑稀金矿等。炼锡的废渣中含有钽，也是钽的重要资源。已查明世界的钽储量(以钽计)约为134000短吨，扎伊尔占首位。1979年世界钽矿物的产量(以钽计)为 788短吨(1短吨＝907.2公斤)。中国从含钽比较低的矿物中提取钽的工艺，并且取得了巨大的成就。钽金属的制备

冶炼方法：钽铌矿中常伴有多种金属，钽冶炼的主要步骤是分解精矿，净化和分离钽、铌，以制取钽、铌的纯化合物，最后制取金属。矿石分解可采用氢氟酸分解法、氢氧化钠熔融法和氯化法等。钽铌分离可采用溶剂萃取法〔常用的萃取剂为甲基异丁基铜(MIBK)、磷酸三丁酯(TBP)、仲辛醇和乙酰胺等〕、分步结晶法和离子交换法。分离：首先将钽铌铁矿的精矿用氢氟酸和硫酸分解钽和铌呈氟钽酸和氟铌酸溶于浸出液中，同时铁、锰、钛、钨、硅等伴生元素也溶于浸出液中，形成成分很复杂的强酸性溶液。钽铌浸出液用甲基异丁基酮萃取钽铌同时萃入有机相中,用硫酸溶液洗涤有机相中的微量杂质，得到纯的含钽铌的有机相洗液和萃余液合并,其中含有微量钽铌和杂质元素，是强酸性溶液，可综合回收。纯的含钽铌的有机相用稀硫酸溶液反萃取铌得到含钽的有机相。铌和少量的钽进入水溶液相中然后再用甲基异丁基酮萃取其中的钽,得到纯的含铌溶液。纯的含钽的有机相用水反萃取就得到纯的含钽溶液。反萃取钽后的有机相返回萃取循环使用。纯的氟钽酸溶液或纯的氟铌酸溶液同氟化钾或氯化钾反应分别生成氟钽酸钾(K2TaF7)和氟铌酸钾(K2NbF7)结晶，也可与氢氧化铵反应生成氢氧化钽或氢氧化铌沉淀。钽或铌的氢氧化物在900～1000℃下煅烧生成钽或铌的氧化物。

钽的制取：①金属钽粉可采用金属热还原（钠热还原）法制取。

在惰性气氛下用金属钠还原氟钽酸钾：K2TaF7+5Na─→Ta+5NaF+2KF。反应在不锈钢罐中进行，温度加热到900℃时,还原反应迅速完成。此法制取的钽粉，粒形不规则，粒度细，适用于制作钽电容器。金属钽粉亦可用熔盐电解法制取：用氟钽酸钾、氟化钾和氯化钾混合物的熔盐做电解质把五氧化二钽(Ta2O5)溶于其中，在750℃下电解,可得到纯度为99.8～99.9%的钽粉。②用碳热还原Ta2O5亦可得到金属钽。还原一般分两步进行:首先将一定配比的Ta2O5和碳的混合物在氢气氛中于1800～2000℃下制成碳化钽(TaC)，然后再将TaC和Ta2O5按一定配比制成混合物真空还原成金属钽。金属钽还可采用热分解或氢还原钽的氯化物的方法制取。致密的金属钽可用真空电弧、电子束、等离子束熔炼或粉末冶金法制备。高纯度钽单晶用无坩埚电子束区域熔炼法制取。钽金属的结构与性质

晶体结构：晶胞为体心立方晶胞，每个晶胞含有2个金属原子。晶胞参数： a=330.13pm，b=330.13pm，c=330.13pm，α= 90°，β = 90°，γ = 90°，莫氏硬度：6.5，熔点：2996℃。钽的质地十分坚硬，硬度可以达到6-6.5。它的熔点高达2996℃，仅次于碳，钨，铼和锇，位居第五。钽富有延展性，可以拉成细丝式制薄箔。其热膨胀系数很小，每升高一摄氏度只膨胀百万分之六点六。除此之外，它的韧性很强，比铜还要优异。

物理性质：质地十分坚硬、富有延展性。化学性质：钽还有非常出色的化学性质，具有极高的抗腐蚀性，无论是在冷和热的条件下，对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。但钽在热的浓硫酸中能被腐蚀，在150℃以下，钽不会被浓硫酸腐蚀，只有在高于此温度才会有反应，在175度的浓硫酸中1年，被腐蚀的厚度为0.0004毫米，将钽放入200℃的硫酸中浸泡一年，表层仅损伤0.006毫米。在250度时，腐蚀速度有所增加，为每年被腐蚀的厚度为SDS毫米，在300度时，被腐蚀的速度则更加快，浸泡1年，表面被腐蚀1.368毫米。在发烟硫酸（含15%的SO3）腐蚀速度比浓硫酸中更加严重，在130度的该溶液里浸泡1年，表面被腐蚀的厚度为15.6毫米。钽在高温下也会被磷酸腐蚀，但该反应一般在150度以上才发生，在250度的85%的磷酸中，浸泡1年SS，表面被腐蚀20毫米，另外，钽在

氢氟酸和硝酸的混酸中能迅速溶解，在氢氟酸中也能被溶解。但是钽更害怕强碱，在110度40%浓度的烧碱溶液里，钽会被迅速溶解，在同样浓度的氢氧化钾溶液中，只要100度就会被迅速溶解。除上面所述情况外，一般的无机盐在150度以下一般不能腐蚀钽。实验证明，钽在常温下，对碱溶液、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂均不起作用，仅在氢氟酸和热浓硫酸作用下有所反应。这样的情况在金属中是比F较罕见的。元素用途

钽在酸性电解液中形成稳定的阳极氧化膜，用钽制成的电解电容器，具有容量大、体积小和可靠性好等优点，制电容器是钽的最重要用途，70年代末的用量占钽总用2/3以上。钽也是制作电子发射管、高功率电子管零件的材料。钽制的抗腐蚀设备用于生产强酸、溴、氨等化学工业。金属钽可作飞机发动机的燃烧室的结构材料。钽钨、钽钨铪、钽铪合金用作火箭、导弹和喷气发动机的耐热高强材料以及控制和调节装备的零件等。钽易加工成形，在高温真空炉中作支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等。钽可作骨科和外科手术材料。碳化钽用在250℃于制造硬质合金。钽的硼化物、硅化物和氮化物及其合金用作原子能工业中的释热元件和液态金属包套材料。氧化钽用于制造高级光学玻璃和催化剂。1981年钽在美国各部门的消费比例约为:电子元件73%,机械工业19%，交通运输6%，其他2%。性质用途

钽的线胀系数在0～100℃之间为6.5×10-6K-1，超导转变临界温度为4.38K,原子的热中子吸收截面为21.3靶恩。

在低于150℃的条件下钽是化学性质最稳定的金属之一。与钽能起反应的只有氟、氢氟酸、含氟离子的酸性溶液和三氧化硫。在室温下与浓碱溶液反应，并且溶于熔融碱中。致密的钽在200℃开始轻微氧化，在280℃时明显氧化。钽有多种氧化物，最稳定的是五氧化二钽(Ta2O5)。

钽和氢以上生成脆性固溶体和金属氢化物如:Ta2H,TaH,TaH2,TaH3。在800～1200℃的真空下，氢从钽中析出钽又恢复塑性。钽和氮在300℃左右开始反应生成固溶体和氮化合物；在高于2000℃和高真空下，被吸收的氮又从钽中析出。钽与碳在高于2800℃下以三种物相存在:碳钽固溶体、低价碳化物和高价碳化物。钽在室温下能与氟反应,在高于250℃时能与其他卤素反应，生成卤化物。

[2]杨铸生，段惠敏，王秀京.四川攀西地区铌钽矿床的地质特征及找矿方向[J].四川地质学报.2007(04)[3]鄢明才，迟清华等.中国不同岩石类型花岗岩类元素丰度及特征[J].物探化探计算技术.Liang Peng(Henan Industrial Technology Research Institute of Resources and Materies Zhengzhou University, Zhengzhou

450001 China)Abstract: Tantalum is indispensable strategic raw materials to electronic industry and space technology development.with its unique structure and properties ,tantalum in the orthopedic medical, electronic industry, chemical industry and metallurgical industry has a great application.This paper mainly introduces the preparation of tantalum metal resources, tantalum metal and the structure and properties of tantalum metal and its application.Keywords: tantalum metal;Strategic raw materials;Resources;Preparation;Structure;application 参考文献

[1]陈宝泉.福建南平西坑铌钽矿区玉帝庵矿段含矿伟晶岩特征[J].福建地质.2008（03）

抗重金属性能论文篇6

金属磁记忆检测技术的关键点在于拾取铁磁构件应力集中区的微弱“纯天然”磁信号[1], 而磁信号的拾取又在于探头的灵敏度, 因此探头的研制成为该技术的重点之一。非晶态合金组织结构独特, 具有低矫顽力、高电阻率、高磁导率及高机械强度等, 尤其是钴基非晶态磁性合金材料, 其磁致伸缩系数极小, 是一种优良的磁敏材料, 用此材料可以设计出各种不同用途的磁场传感器[2,3,4]。1992年Mohri等人在Co基非晶合金丝中发现巨磁阻抗效应, 为研制高灵敏度磁传感器开辟了新的途径[5,6,7,8,9]。非晶合金的巨磁阻抗效应是指当非晶材料通以高频电流时材料两端的阻抗随外磁场变化而发生非常灵敏的变化现象。这里就是利用非晶合金巨磁阻抗效应来研制探头。

1 巨磁阻抗效应

巨磁阻抗 (GMI) 效应[6,7]就是当软磁性材料 (多为Co基非晶和Fe基纳米晶) 的丝或条带通以高频交流电流i时, 材料两端感生的交流电压UW随丝纵向所加外磁场Hex的变化而灵敏变化的现象, 如图1所示。

磁阻抗在外磁场作用下的变化率 (Magneto Impedance Ratio, MIR) 定义为:

$Μ Ι R = \frac{Ζ (Η e x) - Ζ (0)}{Ζ (0)} \times 100 %$

式中:Z (Hex) 表示外加磁场Hex时材料的阻抗;Z (0) 表示未加外磁场Hex时的阻抗。当磁场不大时, 阻抗变化率随磁场增高而迅速增大, 阻抗变化率最大为15%, 该设计就利用了此特性。

2 探头结构及电路设计

根据GMI效应的产生条件, 选择脉冲方波激励供电, 设计一脉冲信号产生电路, 输出到非晶薄带两端, 实现高频激励。在高频激励下, 非晶薄带阻抗随外界磁场的变化而发生非常灵敏的变化, 即实现由阻抗的大小反应外界磁场的强弱;非晶薄带外面绕有线圈, 构成敏感元件, 其本身具有阻抗, 在脉冲激励的作用下便产生相应频率的高频电流, 根据电磁感应原理, 外部线圈产生相应频率的感生电动势, 大小与非晶薄带阻抗变化率成正比。由于GMI效应, 非晶薄带阻抗发生明显的变化, 线圈两端的感生电动势便随之改变, 在阻抗变化率达到最大值之前, 感生电动势与磁场成正比。接下来利用峰值检波的方法检出信号的峰值, 峰值的强弱反映了磁场强度大小, 实现了对磁场的测量。

2.1 探头结构

探头结构如图2所示, 用CMOS非门电路产生高频脉冲对非晶带进行激励.当外加磁场作用在非晶带时, 通过改变非晶带阻抗Z, 从而改变非晶带两端的电压。通过峰值检波电路检测出其峰值的大小, 再经低通滤波和比较放大路得到随外加磁场变化的电压值。

2.2 敏感元件的制作

敏感元件的制作[4,8,9]如图3所示, 将非晶合金薄带用胶水固定在一起, 外面绕漆包铜导电线圈。其中, 非晶合金厚0.04 mm, 叠10片;长度为10 mm, 宽为1.78 mm;漆包铜导线直径为0.1 mm, 匝数为100匝。非晶薄带两端加上脉冲激励, 由于非晶丝的GMI效应, 在外磁场不大时, 其阻抗随外磁场的变化而发生非常灵敏的变化。图3为敏感元件的制作示意图;图4为实物图。它实现了敏感元件在磁场下的线性输出。

2.3 脉冲电流电路

非晶磁芯只有在高频电流激励下, 才能显现GMI效应, 阻抗随磁场增加而急剧增大。用脉冲电流激励磁芯可以提高阻抗变化率, 即提高传感器的灵敏度。

脉冲电流发生电路[8,10,11]如图5所示, 选用SN74HCT04N非门芯片构成多谐振荡电路产生高频方波, 经RC微分后得到脉冲电流, 通过非门Q3滤去负脉冲, 得到与方波同频率的正脉冲电流。电路的振荡周期T=2.2 R2C1, 电阻R1是反向器输入端补偿电阻, 可以改善由于电源电压的变化而引起振荡频率不稳性, 但应保证R1≫R2。实验使用脉冲电流频率f=1 MHz, 脉冲宽度约为20 ns, 峰值为20 mA。

2.4 信号处理电路

探头信号处理电路[10,11]由峰值检波保持、低通滤波比较放大和射极跟随电路构成, 电路图如图6所示。

A1与C1构成峰值检波和保持电路。在峰值期间, D1导通, 使C1充电达到峰值, 峰值过后由于R2的限流作用, C1放电微乎其微, 到下一次峰值再度充电, 维持峰值电压输出。C1上串接R3⧋2 Ω的电阻, 用于防止过冲, 有利于电路稳定。C2, C3组成输入低通滤波, 滤掉高次谐波和噪声的干扰, A2, A3, W1和W2构成比较放大电路。由于给非晶带加了一个高频激励, 所以在没有外磁场的情况下, 感应线圈也有一个较高的输出电压。为了抵消这个零场电压, 采用两级比较电路来实现调零, 通过滑动电阻W1, W2来进行调零校正, 使其在零磁场下输出为零。C4为输出滤波;A4为射极跟随器, 方便后续信号的进一步处理。

3 实验结果及分析

用研制的探头对刻有1 mm, 2 mm, 3 mm深的人工裂纹铁磁构件试块进行了检测。由此发现该探头有明显的检出能力, 达到了金属磁记忆检测技术对应力集中区微弱“纯天然”磁场的拾取效果, 实验结果如图7～图9所示。

从示波器图上明显看出1 mm, 2 mm, 3 mm深的裂纹有着不同的峰值, 峰值大小随裂纹深度的增加而增加, 同时也验证了金属磁记忆检测技术的发明人杜波夫提出的理论和相关的研究结论, 即铁磁构件在地磁场作用下, 能记忆其力对它的作用历史。

4 结语

简单地介绍了GMI效应的基本原理。利用非晶合金的巨磁阻抗设计并制作了磁记忆探头。该探头灵敏度高, 性能稳定, 为金属磁记忆检测技术的发展提供了广阔的前景, 但信号处理不够理想, 就实际应用来说还有待进一步的研究。

参考文献

[1]Doubov Anatoli A.Diagnostics of Metal Items and Equip-ment by Means of Metal Magnetic Memory[A].Proc.ofCHSNDT 7th Conference on NDT and International Re-search Symposium[C].1999:181-187.

[2]增本健.非晶磁性材料的技术开发和展望[J].上海钢研, 1991 (4) :14-20.

[3]赵英俊, 杨克冲, 杨叔子, 等.非晶态合金脉冲感应型磁场传感器[J].仪表技术与传感器, 1993 (5) :7-9.

[4]赵英俊.非晶态合金传感器技术与应用[M].武汉:华中理工大学出版社, 1998.

[5]吴镝, 都有为.巨磁电阻效应的原理及其应用[J].自然杂志, 2007, 29 (6) .

[6]张清, 李欣.新型巨磁阻抗传感器的特性研究[J].传感技术学报, 2007, 20 (3) :578-581.

[7]任欢.巨磁阻抗效应在电流传感器上的应用研究[D].长春:吉林大学, 2007.

[8]鲍丙豪, 赵湛, 董钢, 等.新型非晶磁芯巨磁阻抗效应弱电流传感器[J].电子器件, 2006, 29 (4) :1 035-1 038.

[9]鲍丙豪, 赵湛.MnZnFeO体环形磁芯微电流传感器的研究[J].传感技术学报, 2005, 18 (3) :507-509, 518.

[10]谢自美.电子线路设计、实验、测试[M].武汉:华中科技大学出版社, 2000.

抗重金属性能论文篇7

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是一种非接触式自动识别技术,其中,超高频射频识别(UHF RFID)技术因具有较远的读取距离被广泛应用于交通、物流、防伪等各种领域。在UHF RFID系统中,电子标签一般为无源被动式标签,仅由天线和芯片组成,标签芯片正常工作所需的能量是通过天线接收读/写器发射的射频信号获得的,因此,标签天线在保证系统效率和可靠性方面扮演着极为重要的角色。

在很多实际应用中,RFID标签需要贴附于金属物体表面,或直接印刷并集成于金属物品的包装介质上。但是,普通UHF RFID标签应用于金属表面时,由于金属的边界条件,标签的读取距离会迅速缩短,甚至不能被读取,标签天线的辐射效率、输入阻抗、增益、方向图等都会受到很大的影响,导致标签的整体性能下降[1]。因此,抗金属UHF RFID标签天线的设计已成为国内外各相关企业、高校和科研院所研究的热点。文献[2,3]提出通过调整标签天线与金属表面的距离来减小金属边界的影响,但这种处理方法使得天线的体积大大增加,不方便固定在物体表面上,只适用于对标签厚度要求不严格的应用环境中。文献[4,5]提出在微带贴片天线的接地面使用周期性的EBG(Electromagnetic Band Gap,电磁场带隙)结构以抑制特定频带的电磁波传播,从而减少旁瓣电平,提高增益,改善天线的性能,但其缺点在于制作过于复杂,生产实现困难。文献[6,7,8]提出的PIFA天线(Planar Inverted-F Antenna,平面倒F天线)可以将金属表面作为其接地板,并将接地板与贴片连接在一起,成为辐射天线的一部分,从而达到抗金属的效果,克服了微带天线在某些领域无法满足小型化的缺点,但其性能取决于被贴附物体的特性,比如电导率和物体尺寸,并且有些PIFA天线利用陶瓷作为介质层,成本相对较高。

在卷烟包装盒中,一般采用铝箔进行防潮,保持烟草的香味,这一金属背景对标签天线的影响为普通RFID标签的读取带来了困难。目前设计的抗金属标签大多需要金属接地板,导致标签芯片和接地板不在包装介质的同一个表面上,限制了标签的应用,不易集成。事实上,金属环境是可以被利用的,在设计某些类型天线时,需要一个金属面作为能量反射器改变天线的辐射模式,这时金属的存在是必要的。本文设计了一款可印刷并集成于香烟盒表面的UHF RFID抗金属标签天线,该天线无需金属接地板,并能与包装的金属拉线一体化,拉线拆封标签即毁,进一步增强了标签的防伪性能。

1 标签天线的设计

1.1 设计原则

UHF RFID技术的优点在于标签具有较远的读取距离,因此,抗金属标签不能以牺牲读取距离为代价。由Friis方程[9]可得标签最大阅读距离Rtag的计算公式为:

式中:λ为工作波长;Pt为读/写器天线的发射功率;Gt为读/写器发射天线的增益;Gr为标签接收天线的增益;τ为功率传输系数;Pth为标签芯片的读取灵敏度。式(1)又可记为:

式中:EIRP为有效全向辐射功率,其值为PtGt。由式(2)可知,在λ,EIRP和Pth一定的情况下,标签的最大阅读距离由标签增益Gr和功率传输系数τ决定。

式中:Γ为标签天线到标签芯片的反射系数,其表达式如下:

式中:Zc为标签芯片的阻抗,且Zc=Rc+j Xc;Za为标签天线的输入阻抗,且Za=Ra+j Xa,则:

由式(5)可知,当Ra=Rc且Xa=-Xc,即Za=Zc*时,τ=1为最大值。

由以上讨论可知,当标签天线的输入阻抗与标签芯片的阻抗共轭匹配,且标签天线具有较高的增益时,标签可以获得较远的读取距离。此外,一般还要求标签天线最好在金属表面上半球具有全向辐射特性,使阅读器在不同的角度都能准确读取到标签;标签天线的面积尽可能小,厚度尽可能薄,以满足实际应用的需要;天线具有简单的平面结构以及简单的加工制作工艺和廉价的材料。

1.2 天线结构

本文采用商业仿真软件Ansoft HFSS对标签天线进行建模和仿真。标签芯片选用TI公司的RI_UHF_00001_01芯片,该芯片具有-13 d Bm的读取灵敏度,在北美UHF RFID频段(902~928 MHz)中心频率915 MHz处的阻抗值Zc=9.9-j60.53Ω,因此,所设计的标签天线在915 MHz处的输入阻抗目标值应为Za=9.9+j60.53Ω,与芯片阻抗实现共轭匹配。

印刷在香烟盒上的标签天线的结构模型示意图如图1所示。烟盒的尺寸为285 mm×87 mm×48 mm,厚度为0.52 mm,相对介电常数εr=2,损耗角正切tanδ=0.02。天线位于烟盒顶面,主要包括左侧的主辐射单元和右侧的金属拉线结构两部分,其中金属拉线结构可以代替香烟盒塑料外包装中的金属拉线。在实际情况中,拆除烟盒外的金属封条,该金属拉线结构遭到破坏,则标签失效。RFID标签本身已具有惟一的识别号,而该设计可进一步增强标签的防伪性能。此外,仿真时将烟盒中的铝箔也考虑进去,模拟实际的金属使用环境。

标签天线具体的几何结构和参数如图2所示。因导电油墨具有成本低、导电性能好、便于操作、基材灵活、无污染等优势,故选其作为该标签天线的材料,在仿真中将其电导率设置为5×106S/m,一般导电油墨印刷的天线厚度为0.01~0.04 mm,在仿真中将厚度[10]设为0.02 mm。RFID芯片位置如图2中所示,馈电点处宽度设为1 mm。

2 仿真结果与分析

2.1 主要结构参数对天线输入阻抗的影响

普通天线通常要求设计与Za=9.89+j60.2Ω或50Ω的馈线匹配,其输入阻抗为实数。而UHF RFID标签芯片的阻抗一般为复阻抗,由1.1节分析可知,设计标签天线时,其输入阻抗必须满足与标签芯片阻抗共轭匹配的原则,并且不同芯片的阻抗值是任意的。因此,UHF RFID标签天线的设计比普通天线的设计更加复杂,有必要讨论主要结构参数对天线输入阻抗的影响。

(1)W对天线输入阻抗的影响

标签天线的输入阻抗随W的变化曲线如图3所示。从图中可以看出,当W分别取77 mm,82 mm和87 mm时,天线阻抗的实部基本不变,虚部随W的增加而减小。但由于受到烟盒宽度的限制,W仅能增加到87 mm,因此W对输入阻抗的调节范围有限,其值选取烟盒的宽度87 mm。

(2)L对天线输入阻抗的影响

标签天线的输入阻抗随L的变化曲线如图4所示。从图中可以看出,当L分别取128 mm,129 mm,130 mm和131 mm时,天线阻抗的实部和虚部均随L的增加而增加。因此,可通过调节L的长度有效地将天线输入阻抗的实部和虚部的大小向相同方向调节。

(3)La对天线输入阻抗的影响

标签天线的输入阻抗随La的变化曲线如图5所示。从图中可以看出,当La分别取19 mm,20 mm,21 mm和22 mm时,天线阻抗的实部和虚部也均随La的增加而增加,但La比L对曲线的影响幅度要小一些。因此,可通过调节La的长度微调天线的输入阻抗。

(4)Ls对天线输入阻抗的影响

标签天线的输入阻抗随Ls的变化曲线如图6所示。从图中可以看出,当Ls分别取19 mm,20 mm,21 mm和22 mm时,天线阻抗的实部基本不变,虚部随Ls的增加而增加。因此,可通过调节Ls的长度单独调节天线的电抗值。

(5)Ld对天线输入阻抗的影响

标签天线的输入阻抗随Ld的变化曲线如图7所示。从图中可以看出,当Ld分别取20 mm,25 mm,30 mm和35 mm时,天线阻抗的实部随着Ld的增加而减小,虚部随Ld的增加而增加。因此,可通过调节Ld的长度将天线输入阻抗的实部和虚部的大小向相反方向调节。

(6)b对天线输入阻抗的影响

标签天线的输入阻抗随b的变化曲线如图8所示。从图中可以看出,当b分别取2 mm,6 mm和10 mm时,天线阻抗的实部随着b的增加而增加,虚部随b的增加而减小,但变化幅度不大。因此,可通过调节b的大小配合Ld微调输入阻抗。

综上所述,可得到调节天线的输入阻抗以达到和所选芯片阻抗共轭匹配的方法:通过调节L的长度将天线输入阻抗的电阻和电抗的大小向相同方向调节,并辅以La进行微调;通过调节Ld的长度将天线输入阻抗的电阻和电抗的大小向相反方向调节,并辅以b进行微调;当电阻满足要求而电抗不满足时,还可通过调节Ls的长度单独调节天线的电抗值。

2.2 优化后的天线仿真结果与分析

通过数次数值仿真和优化,图2中定义的标签天线的几何结构参数分别为:L=129mm,W=87mm,La=20mm,Wa=23mm,Ls=20mm,Ws=3mm,Ld=25 mm,Wd=15 mm,a=2.5 mm,b=2 mm。

天线在915 MHz频率处的输入阻抗值为Za=9.89+j60.2Ω,非常接近RI_UHF_00001_01芯片阻抗的共轭值,代入式(5)可得τ≈0.999 7,说明该天线具有良好的阻抗匹配特性。

图9为仿真优化后得到标签天线的回波损耗结果。从图中可以看出,该天线谐振在915 MHz,谐振峰值S11为-71.13 d B。其-10 d B工作频段范围为902~929 MHz,带宽为29 MHz,所设计的标签天线能够覆盖北美UHF(902~928 MHz)以及我国UHF(920~925 MHz)RFID频段范围,满足实际应用中的需要。

标签天线在915 MHz处的二维及三维辐射方向图如图10所示,天线的最大增益可达到3.01 d B,且辐射方向具有近半球辐射特性,能够满足标签天线的设计原则。

将915 MHz频率对应的波长λ≈0.33m,读写器有效全向辐射功率EIRP=4W,标签芯片灵敏度Pth=-13 d Bm,标签天线的增益Gr=3.01 d B,以及τ≈0.999 7代入式(2)中,可得标签理论最大阅读距离为Rtag≈10m。

3 标签的制作与测试

为了验证所设计的标签天线的性能,作者在香烟盒上制作了测试标签,如图11所示。已有实验证明,由导电油墨印刷出的天线和采用铜蚀方法刻出的天线在超高频(860~950 MHz)发射频率下具有同样的性能[11]。因此,在没有RFID标签印刷设备的条件下,制作测试天线时使用单面导电的铜箔胶带粘贴在香烟盒表面代替导电油墨。

采用安捷伦的矢量网络分析仪测试所制作的标签天线的输入阻抗,测试时将两根同轴电缆的一端通过SMA接头分别接到矢网分析仪的两根测试电缆上,将另一端的外壁焊在一起,伸出的两个内导体分别焊接到天线馈电处的两端。输入阻抗实测值与仿真值的对比如图12所示。

由图12可知,天线输入电阻峰值的实测值比仿真值偏小,且实测波形向低频平移了50 MHz左右。而天线输入电抗峰值的实测值与仿真值相近,但与仿真结果相比,实测波形向低频有较明显的频移,约为100 MHz。引起这些差异的主要原因为测试所用的同轴电缆内导体与天线相连时,对天线的馈电端口有一定的拉升扭曲。此外,天线的制作精度和测试环境也是不可忽略的影响因素。但从整体上看,天线输入阻抗的实测值和仿真值的波形基本吻合,具有较好的一致性。

采用Alien ALR-9900 RFID阅读器测试标签的最大阅读距离。标签阅读距离测试架构如图13所示,测试环境为室内,将标签正面和阅读器天线正面平行,所使用的阅读器天线谐振中心频率为915 MHz,当有效全向辐射功率EIRP为4 W时,测得的最大阅读距离可达8 m,虽然与理论值相比有一定的误差,但仍然能够满足应用要求。

4 结语

本文设计了一款可印刷于内含铝箔的香烟盒表面的UHF RFID抗金属标签天线,其结构简单,能够与金属拉线结构有效一体化,拉线拆封标签即毁,可进一步增强标签的防伪性能。仿真和实测证明,该天线在915 MHz的输入阻抗时能够与芯片阻抗较好地实现共轭匹配,且带宽能够覆盖北美和我国UHF RFID频段。此外,该天线还具有良好的半球辐射特性、较高的增益以及较远的读取距离,能够满足实际应用的需求,设计方案具有一定的可行性。

参考文献

[1]FOSTER P R,BURBERRY R A.Antenna problems in RFID system[C]//Proceedings of 1999 IEE Colloquium on RFID Technology.London:IEE,1999:1-5.

[2]CHEN S L,LIN K H,MITTRA R.A low profile RFID tag designed for metallic objects[C]//Proceedings of 2009 Asia Pacific Microwave Conference.Kaohsiung,China:IEEE,2009:226-228.

[3]SON H W.Design of RFID tag antenna for metallic surfaces using lossy substrate[J].Electronics letters,2008,44(12):711-713.

[4]YANG F,RAHMAT Y S.Reflection phase characterizations of the EBG ground plane follow profile wire antenna applications[J].IEEE transactions on antennas and propagation,2003,51(10):2691-2703.

[5]GAO B,CHENG C H,YUEN M M.E,et al.Low cost passive UHF RFID packaging with electromagnetic band gap(EBG)substrate for metal objects[C]//Proceedings of 2007Electronic Components and Technology Conference.Hong Kong,China:IEEE,2007:974-978.

[6]CHOI W C,SON H W,BAE J H,et al.An RFID tag using a planar inverted-F antenna capable of being stuck to metallic objects[J].Etri.journal,2006,28(2):216-218.

[7]KWON H,LEE B.Compact slotted planar inverted-F RFID tag mountable on metallic objects[J].Electronics letters,2005,41(24):1308-1310.

[8]HIRVONEN M,PURSULA P,JAAKKOLA K,et al.Planar inverted-F antenna for radio frequency identification[J].Electronics letters,2004,40(14):848-850.

[9]KRAUS J D,MARHEFKA R J.Antennas:for all applications[M].3rd ed.America:Mc Graw-Hill,2003.

[10]YANG L,RIDA A,VYAS R,et al.RFID tag and RF structures on a paper substrate using inkjet-printing technology[J].IEEE transactions on microwave theory and techniques,2007,55(12):2894-2901.

光缆的抗雷击性能篇8

我国幅员辽阔, 地貌结构复杂, 是自然灾害的多发地。特别在我国的南方部分地区, 由于频发雷电, 其受雷电灾害的程度和频度已经位居世界前列, 雷电灾害已经成为我国南方地区最严重的自然灾害之一。

通信线路担负着传输信息的重要任务, 随着通信技术的不断发展, 通信线路上越来越多地使用光缆已成为必然趋势。由于雷电发生的不确定性和无法预测性, 这就使通信光缆的防雷技术显得尤为重要。据了解, 我国每年因遭受雷电袭击而导致通信线路损毁的现象时有发生, 给国家和人民生命财产带来了重大损失。如何提高敷设于多雷电地区的通信光缆的抗雷击性能一直是业界关注的热点。光缆中的光纤是非金属材料, 就光纤本身而言, 是不会受电磁干扰, 也不会受到雷电的袭击, 可以不考虑雷电灾害的影响。但实践证明, 光缆也会遭受雷电的破坏, 究其原因主要是为了提高光缆的抗张强度, 通常在光缆的结构设计中加入了金属抗张元件 (加强芯等) 。由于金属加强芯具有较强的导电性, 因此采用金属加强芯制成的光缆是不具有抗雷击性能的。不仅如此, 光缆中的金属加强芯还会充当引雷途径烧毁通信传输设备和终端设备。虽然对于采用金属加强芯的光缆的防雷措施在相关的工程设计和施工验收规范中都有规定, 但就目前我国的防雷技术而言, 采用防雷措施只能降低雷击灾害的发生, 并不能百分百保证光缆传输线路不遭受雷击破坏, 加之在通信线路的实际施工过程中施工人员对光缆防雷问题重视不够、施工不规范、防雷措施落实不到位、对工程的监督和验收不严格等现象的存在, 又加剧了人们对光缆通信线路安全性的堪忧。非金属光缆加强芯的研制成功, 给光缆防雷技术的发展带来了新的希望。由于非金属加强芯具有抗雷击、耐腐蚀、轻质高强等优点, 用非金属加强芯替代金属加强芯制成的全介质光缆能有效提高光缆的抗雷击性能已成为国内外光缆设计专家的共识。目前国外, 非金属加强芯在光缆中的使用已相当普遍, 几乎完全替代了金属加强芯, 许多国家还出台了相关政策, 鼓励和支持在光缆中使用非金属加强芯, 以有效提高光缆的抗雷击性能。在我国, 由于受到传统观念的影响以及过多关注加强材料的价格成本, 致使现在非金属加强芯的用量和金属加强芯的用量成倒挂现状, 这种只顾成本轻视光缆防雷击性能的偏颇行为, 必然会给光缆的安全使用埋下隐患。

上海晓宝增强塑料有限公司是光通信领域的高新技术企业, 长期从事非金属光缆加强芯的研制和开发, 相继开发了拥有自主知识产权的GFRP光缆加强芯和KFRP光缆加强芯, 产品性能达到国际先进水平, 已广泛应用于国内外通信干线上。上海晓宝增强塑料有限公司愿意和业界同仁一起为发展我国的光通信事业尽自己的一份力量。

脉冲压缩雷达抗电子攻击性能研究篇9

关键词：脉冲压缩,雷达,干扰,匹配滤波器

随着雷达技术的进步, 为了提高雷达的电子对抗性能, 现代雷达通常会采用比较复杂的信号形式, 脉冲压缩技术就是雷达与干扰进行功率对抗的一种有效技术手段, 这种技术包括:采用宽脉冲以提高发射的平均功率, 保证足够的最大作用距离;在接收时, 采用相应的脉冲压缩方法得窄脉冲, 以提高距离分辨力。这样脉冲压缩雷达既能保持窄脉冲的高距离分辨力, 又能获得宽脉冲雷达系统的强检测能力。脉冲压缩技术是使的对雷达难以进行干扰, 而进行有效干扰需要专门的电子攻击技术。

1 脉冲压缩技术 (PC-pulse compression) 的原理

雷达系统中脉冲压缩 (PC) 的应用代表了脉内相干技术在雷达波形中的应用。相干技术不仅改善了雷达性能, 而且还提供了对雷达发射波形不匹配的干扰波形的抗干扰能力。目前实现脉冲压缩的方法主要有两种: (1) 相位编码的脉冲压缩; (2) 线形调频脉冲压缩。

1.1 相位编码脉冲压缩原理

相位编码波形与调频波形不同, 它将脉冲分成许多子脉冲。每个子脉冲的宽度相等, 但各自有特定的相位。每个子脉冲的相位根据一个给定的编码序列来选择。应用最广泛的是二进制相位编码。在这种形式的PC中, 一个持续时间为T的宽脉冲被分为n段, 每段的宽度为。以随机的方式选择每一段的相位, 或为0, 或为。该PC信号的时间带宽乘积等于分段的数目n=T/。此方法的优点是匹配滤波器可以用简单抽头延迟线 (数字移位寄存器) 来实现, 其抽头间隔为子段的宽度, 并且用与合适的随机相位序列对应的相位 (0或) 进行加权。

1.2 线性调频脉冲压缩原理

线形调频脉冲压缩是雷达发射机发射一个宽脉冲调频信号, 回波信号经过一个延迟时间随频率上升而线性减小的无源线性网络后, 被压缩成包络形状为辛克曲线的窄脉冲, 这主要是由于压缩网络的幅频特性和相频特性的不均匀性引起的。

线形调频波形比较容易产生, 但通常输出波形中间有一个很窄很高的主峰 (主瓣) , 旁边有一系列小的付峰 (旁瓣) 。主峰很窄很高, 说明信号通过压缩网络后能量极大的集中于一个窄脉冲内, 但是副峰也消耗了一部份能量, 况且由于副峰的存在还有可能出现强信号的副峰压抑弱信号的现象, 必须给予抑制。

2 脉冲压缩信号的效果分析

2.1 相位编码脉冲压缩雷达信号性能分析

在相位编码PC系统中常常采用巴克码二进制序列。这种序列的特点是电压时间旁瓣相等、幅度为1/n。但比较受限的是, 已知的最长巴克码只有13位 (1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1) , 1对应于0弧度相移, -1对应于弧度相移。

当需要较大的PC比时, 通常采用线性移位寄存器序列。这种序列是用带反馈的移位寄存器产生的。一个N级寄存器可产生最大长度为n=2n-1的序列。对于一个长序列, 最大电压旁瓣近似为 , 而时间带宽因子是n。

如果不要求进行多普勒处理, 则相位编码PC系统可得到不同的码, 这样就能在脉冲到脉冲的基础上改变编码。这种方法能对抗与PC波形同步而产生假目标的干扰机。但是相干地转发截获波形的欺骗对抗干扰机仍能有效地对付这种形式的反干扰措施。

2.2 线性调频脉冲压缩雷达信号性能分析

一个线性调频信号可以表示成复数形式:

PC匹配滤波器的冲击响应是:

该式表明, 匹配滤波器的冲击响应是斜率为负的信号波形。

通常匹配滤波器对一个线性调频信号的输出有比较高的时间旁瓣, 这些旁瓣是不需要的, 因为在大目标附近的一些小目标可能被遮蔽而探测不到。目前解决的办法是用一个窗函数对线性调频信号的幅度进行加权。应用窗函数减小了时间旁瓣, 但是增大了主瓣响应宽度, 因此更难分辨两个紧靠在一起的目标。而且当接收信号上有多普勒频移时, 滤波器就不再匹配了, 输出信号与原样就产生失真, 我们可以用模糊函数来确定匹配滤波器在一个频率范围内的响应。

3 脉冲压缩雷达面临的电子攻击方法研究

PC波形主要用于跟踪雷达和监视雷达。干扰的目的取决于要干扰的雷达类型。一般而言, 在对付PC雷达的波形中, 噪声干扰是效果最差的干扰波形。可以把PC系统的匹配滤波器看成是一个相关器, 与信号完全不相关的噪声得不到任何相关的增益, 而全相关的目标能得到全部处理增益。即便有一点相关性的干扰波形也比随机噪声要有效。

攻击PC雷达的第一步是确定其参数。有两种方法可以应用。较老式的办法是应用包络检波器的电子战支援系统破坏信号内的相位 (频率) 信息, 因此仅依靠PC雷达具有大的脉冲宽度来识别。较新型的系统应用了电路来测量线性调频斜率或相位编码波形码元率。这些系统一般使信号与其延迟后的复制品在相位检测器中进行相关, 以确定相位特性, 其类似于瞬时测频 (IFM) 接收机。

3.1 对抗采用PC波形的跟踪雷达

对于跟踪雷达, 其目的是产生捕获雷达跟踪波门的假目标。在这种工作方式中, 使雷达信号发生相干频移后再被转发回雷达。这种频移转发干扰信号领先于匹配滤波器输出中的真实目标回波。使得采用前沿跟踪的电子防护技术无效。

对抗采用了PC波形的跟踪雷达的转发式干扰需要俘获雷达跟踪波门。为此, 欺骗对抗干扰机必须转发雷达PC波形的相干复制品, 可能加上一些频移, 这种转发的复制信号可以随时间变化。该过程在开始时是以最小的时间延迟转发接收到的雷达脉冲。这样可保证干扰机脉冲与真实信号一起进入雷达的跟踪波门, 能够捕获雷达的自动增益控制 (AGC) 电路。然后欺骗干扰机开始在转发的信号中引入逐渐增加的时延量, 而雷达距离波门电路就开始跟踪较强的信号, 逐渐偏离真实的目标距离。

欺骗干扰机可用DRFM来存储PC信号, 应用这种方法时, 输入信号以等于或大于奈奎斯特速率来取样, 并存储在数字存储器中。需要时对它们钟控输出, 变化成模拟形式发射出去。实际的DRFM把信号下变频到基带上, 在基带上把信号能以数字方式有效地存储起来。利用上下变频振荡器频率的差就可把多普勒频移加到信号上。PC波形的存储给DRFM带来了一些限制, 因为高钟速情况下的存储能力有限, 为了适应长的PC信号, 波形被选通后只存储整个信号的若干小段, 在选通时若干小段信号以首尾相接的方式读出, 因此可以产生与整个波形逼近的信号。图1为用MATLAB画出的线性调频PC滤波器对有频偏信号的输出效果。

3.2 对抗采用PC波形的监视雷达

对于监视雷达, 其目的一般是通过产生背景干扰或产生能压制真实目标检测的同步假目标而掩蔽目标。一个干扰PC监视雷达的通用系统是干扰系统把收到的雷达PC信号存储在数字射频存储器 (DRFM-digital RF memory) 中, 在DRFM中, 信号在整个雷达脉冲间隔内都连续地被重复和放大, 从而产生许多假目标。因为这种假的干扰信号是与雷达相干的, 所以它们可以消除PC网络相对于雷达目标的处理增益。而且, 由于它与雷达的脉冲重复频率 (PRF) 是同步的, 因此它们也与雷达一样可获得检波后积累的增益。

很多情况下DRFM可用一个直接数字频率合成器 (DDS-direct digital synthesizer) 代替而得到类似的效果。它需要把每个威胁雷达相关的参数存储到干扰机的数据库中。然后干扰机中的接收机识别要对抗的特定PC雷达, 测量其关键参数 (例如雷达频率) , 从威胁数据库中取出其余的参数, 在DDS中合成威胁雷达的准相干复制信号, 再在雷达脉冲之间的间隔时间内发射这一复制的信号。DDS法的效果取决于雷达参数的了解或测量精度。

4 结语

虽然脉冲压缩雷达波形具有较强的抗干扰性, 但通过分析可以证明用专门的电子攻击技术也是可以对其进行有效的干扰的。干扰是伴随着雷达的出现而同时出现的, 雷达与反雷达是军用雷达持续发展与不断创新的推动力, 雷达技术的发展取决于相关基础科学技术、专业工程技术及应用新领域的发展, 目前脉冲压缩雷达技术已经取得很大进展, 大大提高脉冲压缩雷达的各项技术指标, 但必须意识到干扰的技术手段也在不断更新进步, 未来脉冲压缩雷达在工作中一定会遇到各种各样的攻击和干扰。

参考文献

[1]康锡章, 康建.电子系统中电子防御的原理和设计[M].北京:海潮出版社, 2012:35-45.

[2]张永顺, 童宁宁, 赵国庆.雷达电子战原理[M].国防工业出版社, 2006:67-89.

[3]刘隆和.海军战术导弹对抗与反对抗技术[M].北京:海潮出版社, 1999:105-110.

[4]施莱赫.电子战[M].北京:解放军出版社, 2007:110-120.

沥青混合料抗车辙性能研究篇10

本文对多种不同类型沥青混合料试件进行了车辙试验,并在此基础上,分析了影响沥青混合料抗车辙性能的因素,以便为沥青混合料级配和沥青的合理选择提供依据。

1 试验材料

1.1 沥青

选用两种沥青,其主要技术性质见表1。

1.2 集料

集料采用石灰岩,粗集料密度2.748 g/cm3,压碎值14.3%;细集料密度2.727 g/cm3,矿粉密度2.699 g/cm3。其他性能均符合要求。

1.3 沥青混合料级配

本研究采用4种级配,如表2所示。

2 最佳沥青用量的确定

对于AC-13和AC-20,分别使用两种沥青,采用标准马歇尔试验确定最佳沥青用量;对SMA-13,采用SBS改性沥青,以马歇尔试验和流淌试验相结合的方法确定;LSM混合料最佳沥青用量采用大型马歇尔试验确定,同样采用SBS改性沥青。通过试验确定的各种混合料的最佳沥青用量见表3。

3试验结果及分析

在本研究中,车辙试验试件成型采用最佳沥青用量下混合料密度为控制标准,对于AC-13,AC-20和SMA-13,采用30cm×30cm×5cm试件,对于大粒径沥青混合料LSM-30采用30cm×30cm×10cm试件。试验温度60℃,轮压0.7MPa。

将试件连同试模一起在恒温室(60℃±1℃)保温5h后,移置于轮辙试验机的试验台上,试验轮在试件的中央部位,其行走方向与试件碾压成型方向一致。开动车辙变形自动记录仪,启动试验机,使试验轮往返行走约1h。由车辙变形记录仪记录的5min,15min,30min,45min,60min的试件变形量及计算的动稳定度如表4所示。

如图1所示为6种沥青混合料试件车辙试验曲线,由图1可以看出,不同沥青混合料车辙深度随时间(碾压次数)的变化趋势有所不同,但从总的规律来看,试件的车辙深度随轮碾次数的增加而增加,其增加速率随轮载作用次数递减。这主要由于沥青混合料是一种有一定空隙率的材料,在重复荷载作用下,首先较快压密变形,即试验曲线前段较陡的部分。而后变形比较平稳,是作为弹粘塑性材料的沥青混合料在荷载作用下产生的剪切流动变形

如图2所示为不同沥青混合料60min车辙深度的对比,由图2可知:

1)AC-13的总变形较AC-20大,LSM混合料总变形在6种混合料中最小,说明粒径大的沥青混合料具有较高的抗车辙能力;

2)使用改性沥青后,总车辙深度减小,AC-13和AC-20均有此规律,显示了改性沥青的优越性;

3)SMA沥青混合料由于形成骨架密实结构,抗车辙能力也较强

如图3所示为不同沥青混合料动稳定度的对比,由图3可以看出:SMA和LSM混合料具有较高的动稳定度,采用改性沥青后,动稳定度大幅度增加,这与前述规律是一致的。

然而,以动稳定度作为指标的评价结果和总变形量的评价结果可能有很大不同,如AC-13的总变形量较AC-20大,但动稳定度却比AC-20大。这主要由于动稳定度的计算仅考虑了45min～60min的变形量,即为变形稳定后的变形速率,对前期变形未予考虑,而采用总变形量可能更直观一些。

4结语

不同沥青混合料车辙试验表明:

1)粒径大的沥青混合料具有较高的抗车辙能力;

2)使用改性沥青有利于提高沥青混合料高温抗车辙能力;

3)SMA沥青混合料由于形成骨架密实结构,抗车辙能力也较强;

4)以动稳定度作为指标的评价结果和总变形量的评价结果可能有很大不同,采用总变形量更直观一些。