固体材料范文

固体材料范文（精选12篇）

固体材料 第1篇

掺杂改性是指在铋层结构铁电材料中另外加入一些杂质成分, 使材料性能得到改善。根据改性元素与原晶格离子相比价数的异同, 掺杂改性可分为同价掺杂取代和异价掺杂取代两种, 而异价掺杂取代又分为高价掺杂取代和低价掺杂取代两种。通过掺杂改性, 可以提高剩余极化、降低矫顽电场, 从而提高铋层状结构铁电材料的压电活性。

1同价取代改性

同价取代改性是指用一些与铋层结构铁电材料的通式 (Bi2O2) 2+ (Am-1BmO3m+1) 2-中Bi元素离子、A位元素离子以及B位元素离子同价而且离子半径也相近的元素加入固溶体中, 代替原来部分正离子 (往往占据正常晶格位置) 形成代位式固溶体, 晶格结构依然为原来的晶格结构, 而性能则得到改善。如对于Ca Bi4Ti4O15来说, 用Zr4+、Hf4+取代Ti4+, Sr2+、Ba2+取代Ca2+。如对于Ca Bi4Ti4O15来说, 用Zr4+、Hf4+取代Ti4+, Sr2+、Ba2+取代Ca2+。

同价离子取代原晶格离子之后, 既不会破坏晶胞的电中性, 也不会破坏晶胞的铋层结构, 同时, 由于取代离子半径和原晶格离子半径有着一定的差异, 它们的取代必然会引起晶胞结构一定的畸变。而一个取代元素的离子往往会影响到附近每个方向5~10个晶胞的畸变, 对于三维空间就有近103个晶胞的畸变, 所以在晶体中加入同价取代元素造成的晶格畸变足以影响整个晶体。这种取代既不会损害自发极化的产生又有利于电畴的充分排列, 可以达到充分发掘压电性的效果。

Nd3+掺杂取代Bi4Ti3O12薄膜中的A位的Bi3+离子, 并没有影响材料本身的结构, 还可以明显改善该种材料的铁电性能, 2Pr达到了32.7μC/cm2。Mn4+取代Bi4Ti3O12薄膜中B位的Ti4+离子时, 使得样品漏电流减少, 薄膜电滞回线矩形度提高。Zr和Hf取代Bi4Ti3O12中的Ti离子, 可以不同程度上提高材料的2Pr, 并改变材料的抗疲劳特性。

2 高价取代改性

所谓的高价取代改性是指价数高于铋层结构铁电材料中的A或B离子的正离子占据A位或者B位置, 使得晶格上出现阳离子空位而导致材料的性能发生变化。如La3+、Nd3+、Sb3+、Th4+等进入A位, 或者Nb5+、Ta5+、Sb5+、W6+等进入B位。通常用它们的金属氧化物外加到配方的主成分中形成固溶体的。

一般高价取代来说, 都可以使压电陶瓷的性能发生以下的变化:介电常数升高, 介电损耗增大, 弹性柔顺系数增大, 机械品质因数降低, 机电耦合系数增大, 矫顽电场降低, 电滞回线趋于矩形, 体积电阻率增大, 老化性能较好。高价离子取代使晶格产生了阳离子空位, 使得在电场的作用下陶瓷所发生的形变造成的内应力在一定的空间范围内得到缓冲, 使得电畴转向或反转时所要克服的作用势垒降低, 畴壁易于移动, 所以矫顽电场降低了, 相应的介电系数增大, 机电耦合系数增大, 介电损耗增大而机械品质因数降低。畴转动所产生的内应力减少所以老化性能较好。

用Nd3+取代Sr Bi2Nb2O9中的Sr, 可以使材料压电系数d33由11 p C/N增大到了13p C/N, 介电常数也有所增大。用Nd3+取代Ca Bi4Ti4O15中的Ca2+后, 压电常数d33高达20p C/N。Nd3+较小的离子半径及Nd3+掺杂产生的阳离子空位使得Ti O6八面体产生更大的偏移, 导致自发极化显著提高。用V5+、W6+部分取代B位的Ti4+, B位W6+、V5+取代降低了材料中的氧空位浓度, 有利于铁电畴的转向。当V5+取代量为0.05mol时, 可使压电常数提高到14p C/N;W6+取代量为0.025mol时, 可使压电常数增加到10p C/N, 但效果不如V5+取代显著。

用V5+取代Bi4Ti3O12陶瓷中的Ti4+, 由于V的小离子半径及高价特性, 取代Ti离子后, 材料的晶格振动减弱, 空间电荷密度减少, 漏电流下降, 极化性能大大提高。V掺杂同样改善了Sr Bi4Ti4O15铁电陶瓷的性能, 当掺杂量x=0.03mol时, 剩余极化2Pr超过50μC/cm2, 几乎比未掺杂时高一倍。而Nb5+掺杂BLT陶瓷的Ti4+, 可以使得剩余极化上升到12.2μC/cm2, 居里温度下降并扩宽居里峰, 还可以使居里温度一下的陶瓷电导率稳定下降。

3 低价取代改性

所谓低价取代改性就是指价数低于A或者B离子的正离子占据A位或者B位、使晶格出现氧空位, 从而是材料的性能发生变化。如K+、Na+等进入A位, Mg2+、Mn2+、Co2+等进入B位。通常也是用他们的金属氧化物外加到主成分中。

低价取代改性会使材料的性能往以下方面发生变化:介电系数降低, 介电损耗减少, 弹性柔顺系数降低, 机械品质因数提高, 机电耦合系数减低, 矫顽电场提高, 体积电阻率下降等。不管低价元素离子占据A位还是B位, 他们都比原来离子的价数低, 少提供了电子, 为了维持电中性, 则产生了氧空位, 这种氧空位不能通过增加氧气氛来消除, 当然也不可能产生很多的氧空位, 否则将破坏氧八面体结构。这就导致了低价取代改性所允许的氧空位数目比高价取代所允许的阳离子空位要少很多, 所以缓冲作用减弱, 畴壁运动所要克服的作用势垒升高了, 同时, 氧空位会引起晶胞收缩, 氧八面体歪扭畸变, 使电畴转向或反转受到更大阻力, 空间电荷密度增加使反向偏置电场容易建立, 增加了畴壁运动的难度, 所以材料的矫顽电场增大, 介电常数降低而介电损耗减少, 机电耦合系数减低, 弹性柔顺系数降低而机械品质因数提高了。

用Fe3+部分取代Ba Bi4Ti4O15中的Ti4+, Ba Bi4Ti4O15属于P型导电, 取代增加了电子空穴的浓度, 因而增加了电导率。Na+、K+离子取代Bi5Ti4O15中的Bi位, 会使陶瓷的居里温度升高, 矫顽电场增加, 阻碍了外加电场的极化。Co2+离子掺杂取代Na0.5Bi4.5Ti4O15 (NBT) 陶瓷中B位的Ti4+离子, 可以使得NBT陶瓷具有更高的致密度和收缩率, 也使得压电性能有着很大程度的提高。

4 结论

铋层结构的铁电材料是一类极具潜力的高温无铅压电铁电材料, 通过掺杂改性, 可以提高剩余极化、降低矫顽电场, 从而提高铋层状结构铁电材料的压电活性。

参考文献

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12KV固体绝缘环网柜材料 第2篇

负荷开关 额定电流：630A 额定短时耐受电流：20kA（4S）配用熔断器最大电流：125A 接地开关

额定短时耐受电流：20KA（4S）

***基本方案结构原理

断路器/负荷开关和三工位隔离开关安装在一个环氧树脂浇注的绝缘件内，其操动机构也安装在此绝缘件上。形成断路器/负荷开关+三工位隔离的组合电器。自然形成断路器隔室。

柜体为2.0mm敷铝锌板曲弯组装而成，分隔成独立的母线室、仪表室、机构室、电缆室。

三工位开关与主开关之间，开关与柜门之间均设有连锁装置。

环网柜发展历程

空气绝缘：配充油式、产气式及压气式负荷开关。

SF6绝缘：1978年汉诺威博览会上，由德国的Driescher公司首先展出了Minex型环网柜，由于具有众多的优点，许多国家的制造公司都纷纷开发出具有各自特点的SF6绝缘环网柜。80年代末，产气式和压气式负荷开关柜、环网柜和终端柜在我国广泛使用。

90年代后期，经济发展较快的沿海地区引进了国外的SF6环网柜及可扩展技术。出现了气箱式的负荷开

关环网柜；

近年来，我国环网柜制造企业发展到上千家，年产量增加到13万台。

*** 国内现状

引进产品：丹麦的ELC-24型空气环网柜、LK公司的HK型、意大利VEI公司的UNIFLUORG型、德国F&G公司GA和GE型、西班牙欧玛嘉公司的CGM型、ABB公司的Uniswitch和西门子公司等。

合资生产：苏州阿尔斯通开关有限公司的福乐M24型，北京施耐德公司的RM6，SM6型，北京ABB高压开关有限公司。

国内联合设计：HXGN6、HXGN9、XGN15、HXGN15A、MKH-12等。

自主开发：HXGN1、LMG-

12、XGN58-

12、HGN24，XGN70-12，HXGN26，XGN68等多种SF6环网柜，到目前为止，已颁发型号约70个。

*** SF6对环境的影响

SF6气体被列为受限制的六种温室气体之一；

地球的温暖化系数GWP： SF6气体分子是CO2的23900倍；

大气中的SF6气体既很难分解，在大气中存活的寿命是3200年；

在电力行业中的用量：我国每年生产7000多吨的六氟化硫气体，其中4500吨被用于电力工业；作为绝缘气体在电力领域广泛应用超高压、高压、中压设备中；

危害：若不限制使用SF6，20年后其对温室效应的影响，将相当于25亿吨CO2气体----3600多台30万火电机组一年的排放量。

**** 国家政策

1992年中国签署《联合国气候变化框架公约》；

1998年我国签署《京都议定书》，SF6被列为受限制的温室气体； 2005年2月，旨在减少温室气体排放的《京都议定书》正式生效；

我国在1998年颁布并实施的《国家危险废物名录》中将SF6 气体列入危险废物名单；

目标是在2008年至2012年间，将二氧化碳等6种温室气体的排放量在1990年的基础上平均减少5.2％。

**** 相关定义

固体绝缘：采用固体绝缘材料作为高压带电体相与相之间及对地间的主绝缘介质。

环网柜：即环网单元，指用于环网线路中或终端的开关设备，通常由断路器柜、负荷开关柜及负荷开关－熔断器组合电器柜等组合而成。有固体绝缘和少SF6气体或非SF6气体绝缘之分。

固体绝缘环网柜：是指用固体绝缘作为主绝缘的一种环网柜，其核心是固封技术，本质是固体绝缘。

核心技术：集灭弧室固封技术、三工位隔离开关固封技术、绝缘母线固封技术于一体，真空灭弧、小型化、不特意使用任何气体、三相或完全独立。

本质：采用环氧树脂、硅橡胶或其它固体绝缘材料，依靠先进的工艺和设备，将环网柜的开关及其它高压带电部件，采用浇注、压注、注射或其它工艺方法对整体或部件进行全固封、全绝缘加工，通过严格的工艺组

装作业，最后完全保证带电体对地及相间绝缘的要求。

固体绝缘智能环网柜：具有自身故障的智能感知、智能识别、智能控制功能，具有信息的网络化交互、共享、控制能力的固体绝缘环网柜。

智能感知：设备自身各类故障的在线传感。

智能识别：设备自身各类故障的识别和定位。

智能控制：设备自身的状态评估，故障预测、预警，故障控制，寿命预测及管理。

信息的网络化：与电力地理信息系统的信息交互；信息链内的有效信息交互；达到远程诊断、远程控制、故障就地及远程恢复等功能。

**** 主要特点

全绝缘、全封闭、小型化；

无SF6气体，无有害气体排放，符合环保要求；

隔离开关状态三相独立可见，增强运行检修安全；

三相完全独立的相间绝缘结构，避免单相故障扩展为相间故障；

主开关与隔离开关可靠配合，极大提高检修维护人员安全；

完全取消SF6气体，避免气密部件的设计、制造和应用，提高可靠性；

完全满足高原、低温寒冷、强风沙、高污秽、低洼场所的使用要求；

具备绝缘、温升、机械特性等方面的在线检测功能。

国内状况

国内部分企业和科研机构对固体绝缘技术进行了系统的研究和实践，已有部分企业掌握了固体绝缘技术，正在研制和生产固体绝缘环网柜，少数企业的产品已通过型式试验。目前已有5-8家企业在开展该项技术的研究，产品已批量挂网运行。

国家电网:2010年6月国家电网科技部、生技部、物资部委托中国电力科学研究院开展固体绝缘环网柜技术的调查和研究。

国家电网科[2011]1285号“关于发布《国家电网公司第一批重点推广新技术目录》的通知”，涉及8个技术领域、34项推广应用类新技术和14项示范应用类新技术，共48项新技术，固体绝缘环网柜属于推广应用类新技术。

推广计划：公司新建和改造项目中固体绝缘环网柜的使用量不低于新增总量的5%；建和改造项目中固体绝缘环网柜的使用量不低于新增总量的25%。

中国电科院起草了Q/GDW ７３０-201２《10kV固体绝缘环网柜技术条件》标准。

国外现状

欧美:美、德、法等国家近几年已经生产并应用固体绝缘环网柜

亚洲:韩国、日本近几年已更换了近三分之一的SF6气体绝缘环网柜

2015年后，新

一、引言

随着电力网络的高速发展，在提高对供电质量要求的同时，同样也要求降低设备长期的检修、维护运行费用。此外，城市供电迅速发展，地铁、高层建筑等设备安装场所都对开关柜的绝缘技术要求进一步提高。这样就对开关柜的可靠性和实用性提出了更高要求，固体绝缘技术成为一种发展趋势。

二、绝缘技术的重要性

高压金属封闭开关设备功能多样，其中的遮蔽功能、隔离功能、绝缘功能和控制、保护功能均需依靠绝缘结构实现。因此高压开关柜的绝缘技术在高压金属封闭开关设备中起着至关重要的作用。

根据日本对7.2kv、1200a、20ka馈线的高压金属封闭开关设备的价格统计，绝缘结构占总价格的48%。所以，仅仅从经济角度来看，选择合理的绝缘材料、设计出合理的绝缘结构以及确定正确的绝缘方式对高压开关柜的价值来说是十分关键的。

从高压金属封闭开关设备的另一热点—小型化出发，欧洲自上个世纪四十年代初期以来不断推出新的绝缘方式并

不断研究开发，也包括真空断路器等小型断路器的不断推出。根据日本的统计，高压金属封闭开关设备体积只有四十年前的五分之一，现今高压金属封闭开关设备的价格只为四十年前的五分之一。

在开关柜中，通常的绝缘结构形成不均匀电场。在这样的电场中，不能仅靠增大距离来提高绝缘强度，还需要优化电场结构，改善电场均匀性。

三、绝缘材料及结构

高压金属封闭开关常用的绝缘材料按形态大小可以分为：气体绝缘材料、液体绝缘材料、半固体绝缘材料、固体绝缘材料和真空绝缘材料五类，其中固体绝缘材料应用最广，本文主要探讨高压开关柜的固体绝缘技术。

（一）环氧树脂的沿革

环氧树脂是固体绝缘高压金属封闭开关设备的主要绝缘材料，1930年环氧树脂在欧洲首先合成。环氧树脂以高绝缘强度、高机械强度、浇注硬化时体积变化小和便于机械加工等优点著称。

（二）对作为主绝缘的环氧树脂的要求

1、优良的耐长时期电压和短时间过电压的绝缘特性。

2、优良的抗拉伸、抗压缩和抗弯曲的机械特性，以满足操作力、电磁力和抗地震的要求。

3、优良的耐热、热膨胀和热传导特性。

4、耐水分及紫外线照射。

5、不燃性或难燃性。

为了满足不同的要求，在固体绝缘设计和制造工艺方面必须慎重加以考虑，如材料选择、电极及各种金具的设计、模具设计及制造、浇注工艺等。在材料选择方面由环氧树脂主材料、硬化剂、增韧剂、增塑剂、填充剂、着色剂等，此处不予详述。

四、固体绝缘技术

固体绝缘高压金属封闭开关设备的优点是抗外界环境、维修省里化及超小型化。其实，大气绝缘或气体绝缘高压金属封闭开关设备等也都是使用固体绝缘的支持绝缘子、绝缘拉杆、套管、灭弧室和屏障、覆盖等。固体绝缘高压金属封闭开关设备则指的是高压带电部分的绝缘几乎完全由浇注环氧树脂制品承担，并在浇注环氧树脂制品外喷涂锌层并接地。环氧树脂浇注高压电工产品在1960年开始投入市场。固体绝缘高压金属封闭开关设备则在1965年开始在市场出现。

（一）固体绝缘高压金属封闭开关设备的主要优点

1、固体绝缘高压金属封闭开关设备占用面积只为大气绝缘高压金属封闭开关设备的10%-20%，是超小型产品。

2、树脂浇注件的外表面用接地金属层覆盖，安全性好。

3、由于同样原因，无相间短路发生。

4、维修省力。

五、结论

固体绝缘、复合绝缘技术的应用使高压开关设备的小型化程度大为提高，环境适应能力得到了很大改善。局部放电、老化试验的研究提高了开关设备的可靠性。新技术、新材料、新工艺的采用将极大地改善高压开关设备的电气性能、提高绝缘的耐电压等级、大大提高产品的寿命和可靠性，有力地促进电力工业的发展。

固体绝缘开关柜

近几年在国内外市场上出现了固体绝缘开关柜。这种开关柜出现是在目前已经广泛被使用的固封极柱技术的基础上对开关进行进一步的集成化、小型化的结果。所谓固体绝缘，与固封极柱不同的是它不仅仅固封每项的真空灭弧室，而是将数组开关和相关开关之间的部件采用环氧树脂进行整体浇注这样一来使开关内部相间及对地的安全绝缘距离从空气绝缘的1250mm缩短到几个毫米。大大减小了开关柜的体积。与SF6充气柜相比，固体绝缘开关柜体积更小，性能更稳定。(表2表明了固体绝缘开关柜与其它开关柜的区别)

表2 不同开关柜的对比

1.2 绝缘介质

固体绝缘开关采用固化的环氧树脂实现相间以及对地间的绝缘，其固化体的主要性能参数请见下表。

可以看到电气强度为22-28KV/mm，这意味着采用这种绝缘介质来制作10KV的开关，相间的绝缘只需要几毫米的距离，这是任何充气柜内的气体都做不到的。与此同时我们可以看到固化环氧树脂的机械强度也很好。因此当开关内部所有连接部分使用环氧树脂进行浇注以后，与靠气体绝缘的开关相比连接部位的强度加强了很多，是不会因为运输或使用中的震动造成开关连接部位松动的。

环氧树脂浇注是将环氧树脂、固化剂和其他配合料浇注到设定的模具内，由热塑性流体交联固化成型的过程。由于环氧树脂浇注产品集优良的电性能和力学性能于一体，因此环氧树脂浇注在电器工业中得到了广泛的应用和快速的发展。

环氧树脂浇注的工艺方法，从不同的工艺条件去理解有不同的区分方法。从物料进入模具的方式来区分可分为浇注和压注。浇注指的是物料自流进入模具。它又分常压浇注和真空浇注。压注指物料在外界压力下进入模具，并且为了强制补缩，在物料固化过程中，仍保持着一定的外压，它由过去的简单加压凝胶法发展成现在成熟的自动压力凝胶法。

表3 固化体主要性能指标

从物料固化温度来区分可分为常温浇注法和高温浇注法。选用常温或高温浇注法由浇注材料的本身性质所决定的，其根本区别是浇注材料固化过程中所必需的温度条件。从物料固化的速度来区分可分为普通固化法和快速固化法。物料进入模具至拆模所需的时间为初固化时间，普通固化法需几个甚至十几个小时，快速固化法只需十几分钟至几十分钟。现代浇注工艺中，应用比较成熟的浇注工艺方法主要是真空浇注法和自动压力凝胶法。

1.3 灭弧介质

在10kV开关中目前常用两种灭弧介质SF6气体和真空灭弧。其主要区别是真空开关操作时会产生较高的操作过电压，这点是其推广应用的一个主要缺点和障碍，也是用户选用开关时十分关心的一个问题。负载电感和电源电压的大小对真空开关的截流值没有大的影响，起作用的主要是真空泡内的触头材料。目前采用的铜铬触头材料已经大幅度降低了新一代真空开关的截流水平。国外正在研究用非金属碳作为触头材料，可将开关的截流值降低到1 A 以下。

真空开关开断容性负载时有无过电压，过电压大小一般取决于是否会发生触头间的重燃，只要触头间不发生重燃，一般不会有危险的过电压。从表4 提供的材料看, 采用铜铬触头材料的真空断路器开断容性负载时一般都不会发生重燃。

国内电力系统很多科研单位对真空开关开断容性负载时的性能进行了较为详细的试验研究，得到了极为丰实的试验数据。浙江省电力试验所用ZN28型真空断路器进行了300次的开断电容器组试验，结果均未出现重燃，实测最大过电压为1.5倍相电压。因此在35KV以下的配电领域，真空开关完全可以取代六氟化硫开关。详见表4。

表4 真空断路器与SF6 断路器操作性能比较 产品应用优势

环保地区应用：产品为固体绝缘真空灭弧技术，不含六氟化硫温室气体，运行后不会产生有害气体。

温差大的地区应用：因为不是充气柜，无须考虑温度对气箱气压影响。

防爆场所应用：产品采用真空灭弧室灭弧，为负压力产品，同时浇注在固体绝缘介质内部，强化了防爆性能。

固体材料 第3篇

摘要：固体绝缘材料的导热系数影响电力设备内部整体的导热能力以及温升分布情况，制约其寿命和容量，所以在电力设备的设计开发阶段，针对准确测量电力设备所用绝缘材料的导热系数问题，在综述绝缘材料导热系数测量方法的基础上，采用热流法测量原理，对几种环氧树脂绝缘材料的导热系数进行测量，得到3种材料的导热系数，并对测量结果进行了数据处理。据此，针对电机电器内部绝缘材料难取样的特点，提出了结构不规则绝缘材料导热系数的间接测量方法。本研究对绝缘材料导热性能的探索以及电机电器设计具有理论价值和实际工程意义。endprint

摘要：固体绝缘材料的导热系数影响电力设备内部整体的导热能力以及温升分布情况，制约其寿命和容量，所以在电力设备的设计开发阶段，针对准确测量电力设备所用绝缘材料的导热系数问题，在综述绝缘材料导热系数测量方法的基础上，采用热流法测量原理，对几种环氧树脂绝缘材料的导热系数进行测量，得到3种材料的导热系数，并对测量结果进行了数据处理。据此，针对电机电器内部绝缘材料难取样的特点，提出了结构不规则绝缘材料导热系数的间接测量方法。本研究对绝缘材料导热性能的探索以及电机电器设计具有理论价值和实际工程意义。endprint

摘要：固体绝缘材料的导热系数影响电力设备内部整体的导热能力以及温升分布情况，制约其寿命和容量，所以在电力设备的设计开发阶段，针对准确测量电力设备所用绝缘材料的导热系数问题，在综述绝缘材料导热系数测量方法的基础上，采用热流法测量原理，对几种环氧树脂绝缘材料的导热系数进行测量，得到3种材料的导热系数，并对测量结果进行了数据处理。据此，针对电机电器内部绝缘材料难取样的特点，提出了结构不规则绝缘材料导热系数的间接测量方法。本研究对绝缘材料导热性能的探索以及电机电器设计具有理论价值和实际工程意义。endprint

固体材料精密声速测量的新技术分析 第4篇

固体材料是重要的原材料, 被广泛用于现代工业的各个领域, 对于众多精密工业领域, 如航空航天和核电站等领域, 材料微观物理性能的好坏, 直接影响到材料整体性能和安全。而声速是评价材料的重要物理性能指标之一, 声速结合其他物理运算, 可以获得更多的材料物理性能特征。

超声显微镜技术是一门基于超声波穿透不透明固体材料的能力, 利用其反射波对被测材料进行内部成像的高新技术。超声显微镜除成像功能以外, 也可根据反射波之间的时间差的测量, 间接计算得到材料的精密声速。

1 测量原理

超声显微镜对被测样品的测量, 核心是系统的超声镜头, 由压电换能器和聚焦镜头两部分组成 (图1) 。

压电换能器被激发产生超声波, 通过聚焦镜头在耦合液中聚焦成超声波束, 再与被测样品发生声学交互作用, 遇到各种界面即可产生反射波。这些来自不同深度的反射波被超声镜头收集, 即可对材料内部进行成像, 或进行时间量的测量。

声音在固体内部的传播类型, 根据声波传播的形式可以分为纵波和横波两大类。本文只探讨固体材料中纵波传播速度的测量, 横波声速测量原理与其一致, 测量和计算方法以此类推, 本文所指声速为声波纵波速度。

当超声镜头产生的聚焦波束抵达被测固体样品后, 开始一系列声学反射和折射过程。图2给出了聚焦声波与被测样品表面和底面反射行为示意图。

图1表明:聚焦波束抵达被测样品后, 首先在t1时刻在样品表面发生声波反射, 反射后被超声镜头收集并以信号形式记录;在表面发生反射的同时, 声波以折射的方式透射到样品内部, 经历样品厚度d的距离后抵达样品底部, 在底部也发生声波反射行为。在样品底部被反射的声波再次经历样品厚度d的距离, 穿透到样品的表面, 在t2时刻被超声镜头收集并以信号形式记录下来。

这样即可获得在t1时刻来自表面的反射波与t2时刻来自底部的反射波之间的时间差ΔT。设声波纵波速度为c, 因此有:

公式 (2) 给出了计算声波速度的方法, d为被测样品的已知厚度, t1为来自表面的反射波被接收的时刻, t2为来自底部的反射波被接收的时刻, 可以分别通过超声显微镜系统回波信号图上的时间标尺读出, 这样就可以计算得到纵波声速c的数值。

2 实验与计算

本文以某岩石固体材料为测试样品, 对样品表面和底面进行必要的打磨处理, 以获得良好的声波反射效果, 并测得打磨后的该岩石样品厚度d=1.335 mm。

将岩石样品的底部用固态粘合剂固定在玻璃器皿底部, 样品与器皿之间采用粘合剂并包围一定量的空气在样品底部, 通过这种方式来增加样品底部的声波反射强度, 以得到较强的底部反射信号。在固定好的样品及器皿中注入适量的水溶液, 作为激励和反射声波传播的耦合剂, 调整好样品的水平度, 即可进行超声声速测试实验。

超声显微镜系统提供了一个能反映超声镜头接收反射回波信号的窗口, 如图3所示。当系统朝样品发射超声波以后, 超声波与岩石样品的表面进行声学交互作用, 产生反射波, 该反射波在t1时刻前后被系统收集转换成信号, 见图3中左边幅值较大的信号;发射来的声波还有一部分通过岩石表面发生折射, 透射到岩石样品的底部并在此产生反射, 最终该反射波在t2时刻前后被系统收集转换成信号, 见图3中右边显示幅值较小的信号。

通过测量两个信号峰值所对应的时刻求出两个反射波之间的时间差, t1和t2在窗口上分别对应的时刻为24.690μs和25.345μs, 由此:

得出分别来自表面和底部反射波的时间差ΔT=0.655μs。

将岩石样品的厚度d数值1.335 mm和公式 (3) 的结果分别代入公式 (1) , 即可得出该岩石样品的声波速度:

将公式 (4) 得到的数值结果对应换算成声速的国际单位, 即得到c≈4 076 m/s。最后数值4 076 m/s即为该岩石样品内部纵波声波的传播速度。

3 结语

固体材料 第5篇

再生开发新型建筑包装材料的可行性研究报告

2006年，是实施“十一·五”规划的开局之年。经过认真的市场调研，我们发现对城市生活垃圾及其废弃物进行开发利用、再生循环，是一个环保、经济型新兴产业。这一产业的开发，既不脱离公司主业、增强发展后劲，又能使城市垃圾由“被动的末端治理”转变为源头的减量化、无毒化、资源化运作，并能依托这些废旧资源，生产各种包装用纸和其它建筑、工艺系列产品。同时，还可以减少政府投入，减少填埋空间，减少城市环境污染，是实现生态、效率、经济和环境四个效益的有效举措。

在经历了20多年的经济高速增长之后，我国的城市建设至今仍不同程度地遭受到环境污染的严重制约。如城市生活垃圾的处理，尽管政府投巨资购买了环卫设备、运输工具及填埋场地，基本上建起了一个从源头产生到清运填埋的管理系统。可是，由于市民的环卫意识较差，我市主要街道和居民生活区乱扔、乱倒、乱堆、乱放垃圾的行为随处可见。这些生活垃圾，经过积水浸腐、烈日烘烤，给居民生活环境造成了极大的污染，严重地影响了我市的市容市貌，已经到了非治理不可的地步。

基

本

状

况

据有关部门统计，都市里每人每天生产约2公斤生活垃圾。按这个数字计算，我市每天日产生活垃圾约700余吨，再加上城市建设垃圾和生产垃圾，总数不低于2000吨。而这些垃圾，除了“拾荒者”卖掉的 废纸、废塑料、废金属、废玻璃等被运往河北外，其它绝大部分均被填埋。以每填埋一吨生活垃圾占地3立方米计算，填埋2000吨生活垃圾就需占地空间6000立方米。一天占用6000立方米，一年就是219万立方米。费力、占地、耗资不说，还会引发地下水和土壤的“二次污染”。

项

目

优

势

城市垃圾，是城市人民在生产、生活中被抛弃的废杂物。由于我市的生活垃圾还达不到密闭化管理的程度，所以，由此而引发的城市环境污染问题也日趋严重，给废弃物的处理和管理造成了很大的压力，而现在处理废弃物的方法大多是填埋，随着垃圾废弃物数量的增加，废弃物的处理费用也不断上升。早在十多年之前，国家计委、财政局、建设部、国家环保总局就下发了《关于实行城市生活垃圾处理收费制度，促进垃圾处理产业化的通知》。目前，许多城市已把城市垃圾处理与污染防治工作推向了市场化、产业化发展的新阶段。如青岛市，从1999年起，就开始实施城市生活垃圾综合治理工程，并针对“填埋占地较多、二次污染严重”等问题向“分类收集、再生利用”的方向发展。实践证明，城市生活垃圾在构筑资源节约、环境友好型社会的今天，不但可以变废为宝，而且完全可以走“处理减量化、焚烧无毒化、回收资源化”之路。如果我们能够抓住机遇、破冰而行，将污染城市环境的最大杀手——固体垃圾作为“资源宝藏”再生利用，当作“循环经济”加以重视，那么，它就可以成为阳泉的“特色经济”，造福后代的“投资热点”，同时还能增加税收，安置大量的就业人员。

发 展 前 景

就各种废纸张、废塑料、废金属、废玻璃而言，在“再生利用”之前是城市垃圾，一旦开发利用，它就可以生产出各种建筑、陶瓷、工业、农业、运输包装、装饰材料、建筑模板、建筑架板、建筑工地围墙、建筑工棚、水井盖、垃圾桶、隔墙板、运输拖盘、车站凉棚、集装箱、公园、绿地坐椅、站牌、雕塑、玩具、礼品盒、纸板等精美产品。用废弃物生产的各种制品，不污染、不生锈、不腐烂，其强度、硬度可与钢材、木材媲美，同时还能给包装企业提供廉价的材料资源，确实具有“经济与生态并重”的双重效益。由此可见，对城市生活垃圾进行开发利用，是破解“垃圾忧城”之举，是资源“再生利用”之策，是调整“产业结构”之道，是激励“开拓创新”之路。

可行性研究

经过几年的社会调查和外地学习，我们认为：城市垃圾及固体废弃物的循环利用，是一项科技含量较高的新型材料工业。我们的计划是“先易后难、分步实施”。虽然在实施过程中会遇到一些困难，但风险不大，我们有信心、有能力做好这个项目。目前，我们已初步掌握了废纸张、废塑料的生产回收开发利用技术。这个项目一旦投产，年创产值最少可达一千万元。以一吨废纸的回收再生产为例，它不仅可以生产优良再生纸850公斤，而且可节约化工材料300公斤，节煤12吨，节电600度，节水100立方，可减少35%的水污染，60%的用水，40%的能源消耗，节约3立方米的填埋空间。按最保守的数字计算，我市每年生产的18000吨包装废纸，至少可再生产15300吨优质包装用纸。假如按市场最低价 1800元/吨计算，年产值就是2754万余元，这只是利用废纸生产的一种产品，如用废纸开发其它产品：运输托盘、建筑隔墙、垃圾桶、屋等产品其增值是五倍、十倍的增加。

投 资 估 算

1、项目投资估算：项目总投资6000万元。

2、资金来源：前期投入政府支持、银行贷款。

3、投资使用计划：资金到位：

①2007年1月，实施各种废纸再生专业生产线投资2000万，主要开发：工业运输托盘、建筑围墙、民工住房、垃圾桶、屋、各种护角产品等；

②2008年1月，实施各种生活废弃金属、塑料专业生产线，投资1000万，主要开发：小五金、工艺品；

③2009年1月，实施废旧玻璃的再生利用生产线，投资1000万，主要开发：工艺品、玻璃制品；

④2010年1月，实施植物、建筑、包装、废弃物专业生产线，投资2000万，主要开发：植物肥、建筑材料等产品。

经济效益和社会效益

1、以上项目资金到位、全部投产后，销售收入至少9000万，成本因使用的是废弃物料，原料成本低于市场价70—80%。

2、投资贷款回收期：投产后五年内。

3、产品利润率：不同的产品利润不同15—40%，利税17%。

4、社会效益对城市固体生活垃圾实施开发利用之后，首先可以缓解我市“垃圾忧城”的窘境，使城市的市容市貌由“脏”变“净”、由“乱”变“美”、由“差”变“优”；其次，减少垃圾填埋空间、杜绝“二次污染”；再次，可以使我市的城市垃圾由“被动的末端治理”转变为源头上减量化、无毒化、资源化动作，逐步朝着“处理减量化、焚烧无毒化、回收资源化”的方向发展；第四，加快城市环卫产业的结构调整，促进新型能源基地的快速发展，拓宽城市固体垃圾的再生利用领域，可安置上千人就业人员上岗；第五，提高经济效益，净化城市环境，造福子孙后代，造福全市人民。

实 施 措 施

要使城市生活垃圾这一资源宝藏实现良性循环，我们认为应采取如下措施加以实施。

（一）市场化运作。

我市是典型的煤炭资源型城市。在建设新型能源和新型材料工业基地的进程中，除了继续改造提升煤炭、电力、耐火、化工和铝材等传统产业外，政府应将固体垃圾处理作为发展循环经济的切入点加以重视，使城市生活垃圾的再生利用工作由政府行为转变为市场行为，由公益事业转变为独立产业，由政府包办转变为全社会来办的投融资机制和市场化体系，在无人问津的垃圾产业中闯出一条建设节约型社会的新路子。

（二）企业化管理。

在城市垃圾“资源化”尚未形成投资热点的情况下，我市应本着“转变观念、自主创新”的原则，组建“阳泉市废旧资源再生利用总公司”。让其在市场上“自主经营、自负盈亏”，任其在商海中“自由遨游、自我发展”。这样做，既可以加快城市环卫产业的结构调整，又可以促进新型能源基地的快速发展；既可以拓宽城市固体垃圾的再生利用领域，又可以提高经济效益、安置近千人上岗就业。

（三）专业化经营。

凡是市区内的可回收固体垃圾均由该公司负责回收。其具体办法是：在各个社区、街道、楼群和院落设置精美的垃圾容集器，每天固定专人负责收购、登记、清理、分类、管理，并根据收集量的多少，定期清运，月底兑现。必要时，也可把社会上的闲散剩余劳力、下岗工人、离退休职工和城市的拾荒者组织起来，统一管理、统一指挥、统一服装、统一价格、统一收购、统一分类、统一运输，使其真正成为我市再生资源战线上的一支生力军。

（四）产业化发展。

为使不同类型的垃圾资源得到多元化循环利用，我们的基本设想是：在总公司下边设立六个分公司，建立六条专业生产线。

“六个分公司”，即：废纸再生分公司、塑料再生分公司、金属再生分公司、玻璃再生分公司、植物再生分公司、建筑包装材料再生分公司。

“六条专业生产线”，即：再生纸张专业生产线、再生塑料专业生产线、再生金属专业生产线、再生玻璃专业生产线、再生植物专业生产线和再生建筑包装材料专业生产线。

亦可“同时上马”，也可“分步实施”。从长远的观点看，只有“六轮驱动”、才能形成产业。

政 策 优 惠

再生资源回收利用，既是公用事业的一项改革，又是科学技术的一场革命。假如我市能够在“风起于青萍之末”率先把这项高科技产业作为自己的特色经济，先知先出、独树一帜，就等于为“垃圾忧城”的破解鼓起了远航的风帆，就会在全国处于领先地位。

目前，我公司虽然有思路、有设想、有胆略、有勇气、有技术、有人才，但是，要趟开这条“先河”，仍面临着许多严峻挑战。为此，恳请政府在政策上给予支持。

（一）场地占用 要把全市的可回收垃圾集中起来进行无害化处理、资源化利用，必须要有一个相对适应的堆积场地和若干个加工生产车间，建议政府应采取行政手段进行解决。

（二）启动资金 由于此项事业利市、利民，造福后代，所以，政府应在修建场房、购买设备方面予以前期投入。只要把这些废品变成特、精、优产品，其经济效益会十倍、百倍地增长，三至五年后，会成为阳泉的“摇钱树”、“聚宝盆”。

环卫资源产业，前景广阔、市场之大。只要政府能够把它列为“循环经济”项目，定位于“特色经济”重点，就会在实施“赶超发展”战略上取得新突破，在实施“碧水蓝天”工程中成为新亮点，在实施“扩容提质”战略上产生新飞跃，在“十一·五”时期内做出新贡献。

阳泉东风印刷有限公司

自制固体酒精 第6篇

制作时间：5分钟

制作难度：★★☆☆☆

想象力指数：★★★☆☆

去饭店吃饭时，常常会看到服务员点燃一块固体酒精，为热菜加热保温。杂货店也有卖那种包装得像果冻一般的固体酒精，它比液体酒精容易携带，而且也不会像液体酒精那样容易被碰洒。固体酒精是如何形成的呢?实际上，固体酒精是一种凝胶，和肉冻一样，比较柔软而富有弹性，但不会流动。固体酒精这种方便、安全的燃料，是如何制造的呢?可不可以自己制作呢?下面我们一起动手尝试一下吧。

要准备的工具和材料：

无水乙醇、乙酸钙、烧杯、纸巾、小刀、量筒、火柴等。

请按照下面步骤做：

1.在烧杯中加入40毫升无水乙醇待用。

2.配置饱和的乙酸钙溶液，然后将配好的乙酸钙溶液加入到无水乙醇中，无需搅拌。

3.可以看到加入饱和乙酸钙溶液后的乙醇开始“结冻”凝固，形成白色固体物质。

4.用小刀将固体物挖到蒸发皿上，并用纸巾吸去固体物表面的多余液体，直至易燃为止。

5.这就是我们常见的固体酒精了，把它储存在小铁罐内上，需用时直接用火柴点燃即可。特别注意：

●进行实验时，因为用到酒精等易燃品，应该特别注意用火安全，最好有大人陪同。

●固体酒精不是酒精凝胶，而是一种乙酸钙凝胶。其实，凝胶这一概念并不陌生，在化学课中讲到，往偏硅酸钠溶液里加入盐酸，可以生成硅酸凝胶，它和固体酒精是同一类凝胶物质。原理解读：

乙醇分子和水分子都有形成氢键的条件，它们相遇时，分子之间会形成较强的分子间作用力，从而结合在一起。当在无水乙醇中加入饱和乙酸钙溶液后，乙醇分子会和饱和乙酸钙溶液中的水分子结合，使饱和乙酸钙溶液失去水，由液态变成一种特殊的固体凝胶。这种固体是一种具有立体网状结构的多孔物质，里面有许多空隙，水和乙醇分子钻到这些空隙中，就再也流不出来了，从而固体酒精形成了。你还可以：

●还可以事先在无水乙醇中溶解硫酸铜或硝酸铜等物质，这样就可以制作出颜色更加美观的蓝色或其他颜色的固体酒精了。

固体材料 第7篇

1 山西省固体废物的排放和综合利用现状

我国制定的《固体废物管理法》中, 将固体废物分为工业固体废弃物 (废渣) 与城市垃圾两类。其中含有毒有害物的成分, 单独分列出一个有毒有害固体废物小类。

从表1可以看出:2005年, 全省工业固体废物产生量11 183万t, 比2000年增长45.33%, 在全国各省中仅低于河北, 排第二位;工业固体废物排放量虽比2000年下降6.39%, 但总量却高居全国首位。山西省是全国煤炭生产第一大省, 因此伴生的煤矸石和发电产生的粉煤灰排放量最大。截至2006年, 山西境内煤矸石累计堆存量达10.77亿t, 占全国总量的1/3, 形成了300多座矸山。每年还以5 000万t的速度增长, 当年综合利用量仅为800万t左右, 利用率仅为26.7%;电厂粉煤灰每年排出量1 800万t, 综合利用量925万t, 利用率仅51.4%, 资源利用水平亟须提高。

处理固体废弃物的原则是无害化、资源化、减量化和安全化。目前能够利用废弃物的工业有水泥及混凝土、发电、冶金、玻璃、砖瓦、石灰和建筑业。而水泥工业是公认的利用量大、范围宽及效果好的行业, 也是首选部门。它不仅能利用废弃物, 还能代替焚烧炉销毁一些有毒有害的即所谓危险废弃物, 这将是 21世纪水泥工业发展的方向之一。

2 水泥工业处理工业固体废物的途径

工业固体废弃物如粉煤灰、煤矸石、钢渣、矿渣、尾矿等可用于生产辅助性胶凝材料。这些辅助性胶凝材料一方面可以替代水泥使用, 大幅度降低水泥用量、提高混凝土工作性能和耐久性;另一方面还可以生产碱激发胶凝材料制品。既有利于工业固体废弃物的综合利用, 亦可以调节水泥工业的产量, 缓解水泥工业对资源、能源的大量消耗和对环境的污染。

例如:1) 粉煤灰和煤矸石可作为铝硅质原料来代替黏土作水泥原料, 一般掺量为10%;同时粉煤灰也可与熟料、石膏粉磨制备粉煤灰水泥;2) 钢渣在国内水泥行业中主要是用作混合材, 作为原料大多是代替硫酸渣进行配料, 不过用量很少, 而且还未得到大量地推广应用;3) 矿渣主要是作为混合材与熟料、石膏一起粉磨, 生产矿渣水泥, 其掺加量可以达到20%以上。

我省水泥企业应用工业固体废弃物技术已经日趋成熟, 效益显著。如山西交城卦山水泥有限公司, 采用当地铁合金厂产生的废渣作原料生产水泥, 用煤矸石发电产生的粉煤灰作水泥混合材和制作空心砖, 形成了“煤矸石发电厂—铁合金厂—水泥厂”一条完善而高效运转的循环经济之路, 使企业成本大幅度降低, 效益成倍增长。

3 水泥工业处理城市生活垃圾的方式

固体废弃物中最难处置的是城市生活垃圾, 如废纸、废塑料等, 其数量大且增长很快, 所以备受关注。传统的焚烧炉处理法, 燃烧温度低, 物料在高温下停留时间短, 废弃物很难完全分解, 可能产生不完全燃烧产物和某些有害气体 (HCl, SO2等) 排入大气, 灰渣还要深埋或处理, 产生对环境的二次污染。新型干法技术所使用的回转窑焚烧温度高, 在负压下工作, 对各种有毒性、易燃性、腐蚀性、反应性的废弃物具有很好的降解作用, 焚烧物中的残渣和绝大部分重金属都被固定在水泥熟料中, 不会产生对环境的二次污染, 因此有很大的优越性。

国外如德国一些水泥厂直接接受垃圾, 经筛分、发酵、除臭或成型后送入窑内燃烧, 适量替代原料和燃料, 生产国际通用标准的普通水泥, 此项技术已经发展成熟, 被广泛应用。

在我国, 目前只有北京水泥厂建立了年处理废物10万t的环保示范工程, 可以处理的废弃物包括工业有害有毒废液、工业污泥和其他固态废弃物、废白土、垃圾焚烧炉渣、垃圾焚烧炉飞灰, 实现了城市工业废物在水泥窑中规模化、自动化、高效、安全、无害化、资源化的处置。我省已投产和即将投产的日产熟料2 000 t以上的大中型新型干法水泥窑有近二十条, 如果都用于处置城市生活垃圾和可燃废料, 将可以带来良好的环保和经济效益。

4 结语

废弃物处理最终要实现无害化、资源化、减量化、社会化和产业化。应用新型干法水泥技术处置工业废弃物、城市生活垃圾, 可使水泥工业对环境的影响由负效应变为正效应。现在, 一种以环保为中心的“环境材料型水泥工业”理念逐渐深入人心, 让我们不断加强技术创新, 加大固体废弃物在水泥工业中的利用, 推动水泥工业循环经济的快速发展。

参考文献

[1]杨文利, 张丽霞.浅析水泥工业利用固体废弃物的途径[A].中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C].2003.

[2]http://www.seecool.net.国外生态水泥工业发展的若干动向.

[3]施德生.发展生态水泥, 促进资源利用, 保护生态环境[J].水泥技术, 2003 (4) :7-12.

[4]王开山, 尹逊伟, 邵美翠.利用工业废渣低成本生产优质水泥[J].四川水泥, 2007 (1) :39-40.

[5]沈伯雄, 姚强.垃圾衍生燃料 (RDF) 技术概述[J].能源研究与利用, 2002 (2) :12-15.

新型白钨矿型固体电解质材料的研制 第8篇

白钨矿 (Scheelite) 是成分为钨酸钙的矿物, 它具有许多钨酸盐和钼酸盐都具有的白钨矿型或类似白钨矿型的晶体结构。这类晶体结构的一个特点是对异价离子有特别好的相容性, 故能与许多稀土元素或过渡元素的钨酸盐或钼酸盐形成广泛固溶体, 而异价离子的掺入又可改善其离子导电性。因此, 其具有用作SOFC的电解质材料的潜在可能性。

白钨矿型氧化物作为一种重要的功能材料, 是很有潜力的固体电解质材料。它可以容纳大量的氧离子空位并具有很高的电导率。但目前对它的应用研究仍未完全展开, 而且在实际应用中还存在材料的制备、低温烧结和薄膜化难度很大等几个问题。所以对于复合白钨矿型材料的研究还有待于进一步深入。复合掺杂的固体电解质材料, 可以在一定范围内进行性能的调节, 从而得到良好的综合性能。这是今后固体电解质材料研究的主要发展方向。所以开展新型白钨矿材料的制备和性能的研究具有重要的理论和现实意义。

该文采用固相反应法制备了不同摩尔数 (10%～30%) 掺杂的Sm2O3-CaWO4电解质材料, 并对粉末的相组成、颗粒大小以及电解质烧结体的烧结性和导电性进行了分析研究。

1 实 验

1.1 主要原料

无水乙醇 (安徽宿州化学试剂厂 分析纯AR) ;Sm2O3 (上海跃龙公司 纯度99.99%) ;W粉 (上海公私合营立德化工厂 纯度99.2%) ;CaCO3 (上海泗联化工厂 纯度 98%) ;蒸馏水 (自制) 。

1.2 仪器设备

ZB220-T型超声清洗机 (无锡超声电子设备厂) ;TG328A型分析天平 (上海天平厂) ;101-A型数显式电热恒温干燥箱 (上海阳光试验仪器厂) ;XM-4型球磨机 (湖南湘潭仪器仪表厂) ;T69YP-24B粉末压片机 (天津市科器高新技术公司) ;KSX节能式快速升温电炉 (湘潭仪器仪表厂) ;D/MAX-rB型X射线衍射仪 (日本理学) ;Sirion200型场发射环境扫描电镜 (美国FEI公司) ;A型数显式电热恒温干燥箱 (上海阳光实验仪器有限公司) 。

1.3 Ca1-xSmxWO4+δ电解质材料的制备方案

Ca1-xSmxWO4+δ电解质材料的制备, 可结合不同的使用性能要求, 引入许多新技术、本次试验的工艺流程如图1所示。

1.4 Ca1-xSmxWO4+δ电解质材料的性能表征

用激光粒度分析仪对粉体粒度进行分析, 分散剂为水。用X-650型扫描电镜 (日本日立公司) 对Ca1-xSmxWO4+δ烧结体的显微组织结构进行观察。用ZL5型智能LCR测量仪 (上海仪器仪表研究所) 对所制备的Ca1-xSmxWO4+δ烧结体的导电率进行了测定。用D/MAX-rB型X射线衍射仪 (日本理学) 对各组分在1 300 ℃的温度下煅烧得到的粉体进行物相分析鉴定。

根据阿基米德原理 (水介质) , 分别测定样品在不同状态下的重量, 按下例公式计算得到不同温度下烧结所得的电解质材料的实际密度, 相对密度

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式中, W1为干燥样品在空气中的质量, g;W2为吸饱水的样品在水中的质量, g;W3为面干内饱水的样品在空气中的质量, g;Ρ为样品的实际密度, g/cm3;Ρr为样品的相对密度, %;Ρth为样品的理论密度, g/cm3。

2 结果与讨论

2.1 Ca1-xSmxWO4+δ粉体的粒度

图2和图3是采用英国Malvern公司型号为MS2000型的激光粒度仪, 分别对x=0.1和x=0.2的粉体粒度测定的结果。从图中可以看到, 粒度分布近似成一个正态分布。图2显示, 约50%的Ca0.9Sm0.1WO4+δ粉体的粒径 (d50) 为2.107 μm。图3显示, 约50%的Ca0.9Sm0.1WO4+δ粉体的粒径 (d50) 为2.280 μm。

2.2 烧结体的密度

从表1可以看出, 相对密度随着Sm含量的增加而增加, 随着烧结温度的升高而增加, 最高的达到88.87%, 最低的只有82.55%。在相同组分下, 相对密度随着烧结温度的升高而升高。提高烧结温度可以提高扩散的速率, 加快颗粒的塑性流动与蠕动, 对固相的传质过程是有利的。这说明提高烧结温度是有利于致密化的。一般情况下, 对于固相烧结的主要烧结机理为扩散及蒸发、凝聚。所以对于电解质材料而言, 1 350 ℃以上的烧结温度是必须的。我们得到的结果也是在1 400 ℃下试样的相对密度最高。至于相对密度随着Sm含量的增加而增加, 分析认为, 这是由于Sm的分子量高出Ca很多, 造成粉体质量的提高。另外, 在1 450 ℃下, 材料的相对密度明显降低。这是由于烧结温度偏高, 部分粉体材料与烧结填料发生反应或粘结, 使材料受损, 致使掺杂的样品的密度无法测出来;并且Sm含量过高很难掺入到粉体材料中, 造成材料的致密性不够, 因而密度稍低。

2.3 XRD图谱分析

图4为各组分Ca0.9Sm0.1WO4+δ (x=0～0.3) 在1 300 ℃的温度下煅烧得到的粉体的XRD图谱。从图4可以看出, 各组分在1 300 ℃下烧结体已经基本形成了白钨矿晶型, 但x=0.30还存在少量杂峰, 这可能是由于煅烧温度低, 离子扩散不充分, 未形成均匀的固溶体所致。但x=0、x=0.1、x=0.2已经完全成单一的白钨矿晶型, 这说明随着Sm的掺杂量的增多, 白钨矿的成相温度逐渐升高。图中显示Ca0.9Sm0.1WO4+δ (x=0～0.2) 3个组分粉体的XRD谱图中只有白钨矿结构的CaWO4衍射峰而无Sm2O3的衍射峰, 都已经完全成单一白钨矿晶型, 这说明Sm2O3已完全进入了CaWO4的晶格中, 形成了均匀的单相固溶体。从图中还可以看出:随着Sm含量的增加, 衍射峰向低角度发生偏移。这是由于掺杂引起晶格常数的微小变化, 各样品的特征峰在角度上稍有偏差。这是由于高价Sm3+ (离子半径108 ) 取代低价Ca2+降低了A位离子的平均粒径, 同时使得晶体结构由正交结构逐步向四方结构过渡所致。为保持电中性, 一些六价的B位离子还原变成五价的B位离子, 这一变化导致B位离子平均半径的增大, 从而导致晶胞的整体增大。

2.4 Ca1-xSmxWO4+δ烧结体的电导率

图5和图6分别是Ca0.9Sm0.1WO4+δ在1 350 ℃烧结体的表面和断面扫描图象。图6 (a) ～图6 (d) 分别是x=0、x=0.1、x=0.2、x=0.3四组分显微组织图象。大量研究表明, 催化剂的表面形貌、晶粒尺寸和分布, 对其催化活性都有一定的影响。从图5可以看出, 晶粒近似圆形, 粒度比较小, 整个组织结构疏松, 多孔, 比表面积大, 这些特点可提高更多的活性中心, 因而具有更多的催化活性。比较3张图, 可以看出:随着Sm掺入量的增加, 孔隙率略有增加, 但x=0.1组分孔隙略较少, 较致密。总之, 这些都符合电解质材料的多孔要求。从图6中可以看出, 4组分材料组织结构疏松, 粒度相等。比较4张图:随着Sm掺杂量的增加, 孔隙率有所减小, 在x=0.3时孔隙最少。

不同组分的Ca0.9Sm0.1WO4+δ电解质材料在不同温度下的电导率 (σ) 如表2所示。从表2中可以看出, 对于相同组分的材料, 其电导率值随温度的升高而增大;而同一温度下, 对于纯的CaWO4, 其电导率值低于掺杂相Ca0.9Sm0.1WO4+δ的电导率值。对应于800 ℃下, x=0.1的材料具有最高的电导率。

3 结 论

a.采用固相反应法较成功的制备出Ca0.9Sm0.1WO4+δ电解质材料, 固相反应法原料简单, 操作方便, 对仪器要求较低, 适合大批量生产。

b.XRD谱图说明Ca0.9Sm0.1WO4+δ粉体在高组分1 300 ℃的煅烧温度下已经成相, 继续升高煅烧温度, Ca0.9Sm0.1WO4+δCa1-xSmxWO4+δ粉体的粒径将增大。

c.烧结体密度随着烧结温度的升高而增大, 且随着Sm的掺杂量的增多而增大, 但是温度偏高以及掺杂量偏多均会导致以上该指标降低。

固体材料 第9篇

为进一步了解固体材料性质对浸油固体着火及燃烧特性的影响, 笔者以报纸、纸板和碎纸屑品等常见固体可燃物为对象, 研究浸入汽油之后固体材料的点火时间、火焰传播速率及质量损失速率的变化。

1 实验仪器与材料

ES-1000E型电子天平;钢质燃烧槽, 规格30 cm12 cm2 cm;NIKON COOLPIXP1型数码相机;点火器;秒表;钢尺;喷壶;汽油;报纸, 规格30 cm12 cm;纸板, 规格30 cm12 cm2 mm;碎纸屑。

2 实验方法

向实验样品中均匀喷入一定量汽油, 平铺于钢制燃烧槽内, 在一端用点火器施加火焰, 记录点火时间和火焰持续时间, 并根据燃烧痕迹计算出表面火焰传播速率。实验结束后称量燃烧剩余物的重量, 计算烧损速率。实验中控制点火器火焰长度为2 cm, 火焰末端距样品的垂直高度为1 cm, 火焰最长加热时间为10 s。图1为浸油固体着火及燃烧特性实验装置示意图。

3 结果与讨论

3.1 材料性质对浸油固体着火性能的影响

为研究材料性质对浸油固体着火特性的影响, 对比材料点燃时间及火焰传播速率随浸油含量的变化情况, 结果见表1。表中X为汽油添加量 (质量分数) , ti为点燃时间, tf为火焰持续时间 (下同) 。

从表1可以看出, 报纸、纸板、碎纸屑点燃时间随含油量的变化规律基本相同, 随含油量的增大而减小。这是因为含油量越大, 报纸上方的汽油蒸气浓度越大, 越容易达到引燃条件, 所需的点火时间就越短。对于浸油报纸、纸板、碎纸屑, 火焰在含油量较低时持续时间较短, 这是由于固体物质没有完全燃烧造成的。随着含油量的增大, 火焰持续时间会逐步增加, 并使燃烧更加充分;随着含油量的进一步加大, 油品燃烧释放的热量充足, 使材料的燃烧速率加快, 反而使火焰持续的时间有所降低。

3.2 材料性质对火焰传播性能的影响

随汽油加入量的不同, 报纸、碎纸屑和纸壳的燃烧速度都会发生变化。

3.2.1 浸油报纸

未添加汽油之前, 报纸的热分解温度较高, 水平放置的报纸在火源作用下, 热分解速度较慢, 产生的可燃气有限, 不能达到着火条件, 所以只呈现出阴燃的燃烧状态。加入一定量的汽油以后, 在表面汽油的作用下, 能够发生明显的火焰传播, 含油报纸的着火特性发生了显著改变。图2为浸汽油报纸燃烧速率随汽油含量变化曲线图。

由图2可以看出, 随着汽油质量分数增大, 报纸表面的火焰传播速率整体呈逐渐增高的趋势。实验时观察到, 当浸油报纸的汽油质量分数超过8%后, 报纸表面时常有闪火的出现, 当汽油质量分数为8%时, 火焰从5 cm窜至13 cm;9%时, 也观察到火焰从5 cm处窜至15 cm左右;13%时, 点燃后火焰从10 cm处猛蹿至20 cm处;而闪火的长度从1～10 cm不等。这一特殊现象存在的原因与材料本身的性质有关, 报纸质地较薄, 汽油喷洒到其表面以后, 一部分汽油被报纸吸收, 但是随着油品含量的增多, 不能被吸收的部分汽油则在报纸的表面形成油膜, 油膜的存在使浸油报纸表面上方的汽油蒸气浓度变大, 所以受火以后能够出现类似液体燃烧时出现的闪燃现象。汽油质量分数为14%时, 不仅表面出现闪火, 而且当火焰传播至30 cm处听到有爆鸣的声音, 由于这种特殊现象只出现一次, 所以无法总结爆鸣出现的规律, 但是根据已有知识分析, 爆鸣产生是由于30 cm处报纸表面的油膜受到足够的热量的作用后大量气化, 遇到明火发生了局部的气体爆炸现象。由于这种现象的发生需要的条件较为苛刻, 所以整个实验过程中只观察到一次。

3.2.2 浸油碎纸屑

图3为碎纸屑燃烧速率随汽油含量变化曲线图。由图3可知, 当汽油质量分数超过6%后, 浸油碎纸屑表面能够出现火焰的稳定传播, 汽油含量的越多, 燃烧速率越快。未添加汽油时, 碎纸屑呈阴燃状态, 汽油的加入改变了碎纸屑的燃烧状态, 加快了火焰的传播。究其原因主要是由于液态汽油容易点燃, 释放的热量促使碎纸屑发生燃烧, 两种热量的累加使燃烧速率加大。

3.2.3 浸油纸壳

实验中发现浸油纸壳燃烧时, 可以清楚地观察到两种燃烧速率, 即表面油品的燃烧速率和载体物质碳化速率。表面油品的燃烧速率变化较为单一, 随着油品含量的增多纸壳表面油品燃烧速率呈上升趋势, 见图4所示。但是载体物质100%炭化时间会随着含油量的增大而缩短, 见图5所示。油品含量增多, 燃烧释放的热量就越大, 提供给纸壳炭化所需要的热量就越充足, 所以样品全部炭化所需要的时间就会逐渐缩短。

3种物质中, 浸汽油碎纸屑表面的火焰传播速率最快, 浸汽油纸壳表面火焰传播速率较慢, 浸汽油报纸表面火焰传播速度最慢。

3.3 火灾痕迹的对比与讨论

实验过程中, 始终保持点火器产生的火焰垂直向上的长度为3 cm, 火焰底部距离样品1 cm, 见图6所示。

在实验过程中观察到报纸浸入一定量汽油以后, 汽油受热燃烧, 报纸受热后在表面张力的作用下卷曲变形, 并伴随“哔哔啵啵”的响声。3种浸汽油样品燃烧过程中呈现出的燃烧痕迹有所不同, 报纸和纸壳燃烧过程中可明显地分出汽油燃烧速率和纸壳炭化速率两个速率。图7简要示意纸壳点火、燃烧中期和末期表面炭化痕迹变化情况, 图中黑色代表炭化区域、灰色代表浸油区域、白色代表油品蒸干的样品表面。纸壳本身材质的颜色与浸油后的颜色对比度较大, 所以容易观察。由图7可以看到, 纸壳表面炭化痕迹与未燃浸油表面之间能够形成明显的油品蒸干区域 (白色区域) , 但是报纸表面由于印刷的缘故, 油品的蒸干区域不明显, 碎纸屑由于缺乏连贯性, 判断其是否具有两个速率, 即火焰传播速率和炭化速率难度较大。纸壳表面受火后火焰在边缘处传播较快, 最后形成四周向中心的合围态势, 这主要是由于纸壳边缘处氧气供应充足的缘故。

3.4 材料性质对浸油固体烧损的影响

报纸燃烧时有明显的黑色炭化痕迹, 当油品质量分数超过8%时, 浸油报纸完全燃烧后, 其灰烬质量趋于相等, 见图8所示。

碎纸屑燃烧时呈明显的黑色炭化痕迹, 完全燃烧时其表面的灰烬呈灰白色, 实验中即使油品质量分数高达50%, 也能观察到靠近铁盘底部存在尚未燃烧的碎纸屑, 见图9所示。

纸壳燃烧时存在明显的黑色炭化痕迹, 完全燃烧后的灰烬呈灰白色, 汽油质量分数超过7%后, 铁盘底部不存在未完全燃烧纸壳, 见图10所示。主要原因是由于纸壳的加工工艺使表面张力发生改变, 受火作用时局部易出现扭曲弯转, 使底部的纸壳可以充分接触氧气完全燃烧。称量灰烬的质量发现, 汽油质量分数超过7%后灰烬的质量较接近, 见图11所示。原因是由于纸壳基础样本质量基本相同, 所以充分燃烧后灰烬接近3.6 g。

4 结 论

通过对浸汽油的报纸、碎纸屑和纸壳的燃烧特性进行研究, 得出以下结论:

(1) 报纸、纸板、碎纸屑点燃时间随含油量的变化规律基本相同, 随含油量的增大而减小。火焰持续时间在含油量较低时较短, 随着含油量的增大, 火焰持续时间会逐步增加, 并使得燃烧更加充分;随着含油量的进一步加大火焰持续的时间有所降低。

(2) 随着汽油含量增大, 报纸表面的火焰传播速率整体呈逐渐增高的趋势。当浸油报纸的汽油质量分数超过8%后, 报纸表面时常有闪火出现, 闪火的长度从1～10 cm不等。汽油质量分数为14%时, 不仅表面出现闪火, 而且当火焰传播至30 cm处时, 听到有爆鸣的声音。

当汽油质量分数超过6%后, 浸油碎纸屑表面能够出

现火焰的稳定传播, 随着汽油含量的增多燃烧旺盛。

浸油纸壳燃烧时, 可以清楚地观察到两种燃烧速率, 即表面油品的燃烧速率和载体物质炭化速率。表面油品的燃烧速率随油品含量的增多呈上升趋势, 但是载体物质100%炭化时间会随含油量的增大而缩短。

横向比较不难发现, 3种物质中浸汽油碎纸屑表面的火焰传播速率最快, 浸汽油纸壳表面火焰传播速率较慢, 浸汽油报纸表面火焰传播速率最慢。

(3) 报纸和纸壳浸入一定量汽油以后, 汽油受热燃烧, 这两种材质受热后在表面张力的作用下易卷曲变形, 并伴随“哔哔啵啵”的响声。报纸和纸壳燃烧过程中可明显分出汽油燃烧速率和纸壳炭化速率两个速率。但是报纸表面由于印刷的缘故, 油品的蒸干区域不明显。

(4) 报纸燃烧时有明显的黑色炭化痕迹, 当油品质量分数超过8%时, 浸油报纸完全燃烧后, 其灰烬质量趋于相等。汽油质量分数超过11%后, 纸壳可完全燃烧, 其灰烬的质量较为接近。

摘要：以报纸、纸板和碎纸屑等常见固体可燃物为对象, 考察汽油添加量对其引燃时间、火焰传播速率、火灾痕迹及烧损速率的影响, 分析固体材料性质对浸油固体着火及燃烧特性的影响机理。结果表明:随着汽油含量增加, 报纸和纸壳的引燃时间缩短, 表面火焰传播速率加快, 超过一定值后有闪火出现, 烧损速率增加, 而碎纸屑的火焰传播速率则随汽油含量的增加呈先增大后减小的趋势。浸油纸壳燃烧时能够明显地区分出汽油燃烧和纸壳炭化两个速率。

关键词：火焰传播速率,引燃时间,汽油,燃烧特性

参考文献

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[5]曹文娟, 杜文锋, 杨宁.外界辐射热对浸油沙层着火特性研究[J].火灾科学, 2007, 16 (3) :123-127.

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固体材料 第10篇

关键词：材料模拟,固体物理,MaterialsStudio,工程学

固体物理是物理学、材料科学、工程学、化学和电子学等专业中重要的基础专业课, 是物理学中内容丰富、应用广泛的学科。此外, 固体物理还是微电子技术、光电子学、能源和材料科学等技术学科的基础, 学好这门课程不仅要有良好的物理思想, 还要有扎实的数学基础。其涉及的内容从晶格振动到固体电子能带理论, 既要用到抽象的量子力学理论, 又要使用高度抽象的波矢空间, 常使学生感到固体物理枯燥无味、难以入门。比如, 学生普遍觉得固体物理中晶体结构和对称性部分难掌握, 主要原因是该部分涉及三维空间变换, 单纯地使用板书或多媒体对学生的教学效果不明显, 一直以来处于“教师不好讲、学生不好学”的尴尬局面。因此, 如何形象、直观地阐释固体物理相关概念的物理图像已成为教学中亟待解决的问题。

1 材料模拟软件辅助教学的优势

当前材料模拟技术正广泛地应用于科研生产、教学等各个相关领域中, 出现了Materials Studio、Vasp和Gauss等一系列材料模拟软件。这些软件大都可以使分子、原子等微观粒子的结构形象化、可视化, 且可以通过结构分析、模拟、数据处理, 从微观角度揭示结构与性质的关系。因此, 利用材料模拟计算软件的辅助教学功能, 比如利用Materials Studio的Visualizer模块可搭建三维结构模型、显示外场作用下晶体结构和电子结构改变的优势, 从而形象、直观地展示固体物理中较抽象、复杂的概念和模型, 将抽象的平面教学转变为立体的形象教学。

2 材料模拟软件的具体应用

固体物理学科发展较快, 传统教学内容无法及时反映其发展的前沿动态。结合固体物理的专业特点, 采用基础理论分析预测固体材料的性能和应用时, 材料模拟软件能使微观结构和作用原理形象化、可视化的优点引入前沿知识的辅助教学, 可实现教学内容的创新。固体能带理论对半导体的研究起着重大的指导作用, 固体物理中引入了半导体材料方面的最新内容, 结合材料模拟软件给出的能带理论可帮助学生理解半导体材料的电子性质。通过模拟软件计算结果与半导体材料实际性能间的差异, 可发现电子结构的理论方法中存在缺陷和不足。适当引入相关前沿知识内容, 能扩展学生视野、引导学生关注固体物理发展的最新进展。

应在日常固体物理学的教学中贯彻“教为主导, 学为主体”的原则, 改变传统的单调、呆板的教学方法, 适当穿插材料模拟实践课, 使学生自己使用材料模拟软件搭建不同的结构模型, 充分利用材料模拟软件的可视化功能将抽象的物理模型和作用原理形象地展现出来, 以激发学生的学习兴趣, 增强其创造性思维。在学习晶格对称性这部分内容时, 学生可用Materials Studio的Visualizer模块搭建出七大晶系的14种布拉伐格子, 在搭建过程中理解每一种布拉伐格子单位基矢的特征和所属点群;学生很难掌握不同晶体表面的结构这部分内容, 可结合Visualizer模块的layer builder功能, 引导学生对晶体进行切面, 观察切面得到不同表面的几何结构, 这样能进一步加深学生对这些内容的理解。

为了便于学生对课程中难点的理解和掌握, 结合多媒体课件在教学中充分发挥模拟计算软件的优势, 将课程中涉及的难点问题的物理图像以二维或三维动画的形式生动、形象地展示在学生面前, 可弥补传统教学在时间和空间等方面的不足, 从而提高教学效果。比如, 在讲到固体中的光吸收和光的发射时, 可利用Material Studio的录像功能, 动态显示光与固体中电子、激子、晶格振动、杂质和缺陷等相互作用产生的光的吸收;反之, 当固体吸收了外界能量后, 其中, 部分能量以可见光或近似可见光的电磁波形式发射, 并应用已有理论进行分析, 以激发学生的学习兴趣, 培养学生良好的物理思维模式, 提高其分析、解决问题的能力。

3 结束语

通过利用材料模拟软件能将抽象的物理模型和作用原理形象地展现处理, 改变固体物理课堂教学效果不明显的现状, 使固体物理学习具有动态交互性和自主探索性。在课堂教学中引入科技前沿, 可扩展学生视野。通过动手搭建结构模型, 可加深对固体物理概念的理解。以二维或三维动画的形式形象地展示难点问题的物理图像, 可激发学生的学习兴趣。材料模拟软件在固体物理教学课堂中的应用能改变灌输式的教学方式为探索式学习, 可调动学生的学习兴趣, 提高固体物理的教学效率。

参考文献

[1]于永宁.材料科学基础[M].北京:高等教育出版社, 2005.

[2]杜永胜.Materials Studio在固体物理教学中的应用[J].技术物理教学, 2009 (3) :45-46.

[3]华中, 宋春玲, 刘研.固体物理教学改革的探索与实践[J].吉林师范大学学报, 2004 (4) :26-28.

固体清洁剂自控装置 第11篇

为了消除厕所中的异味，爸爸在马桶水箱中放置了“蓝泡泡”固体清洁剂，效果一直不错。然而一次全家出门旅游，家里的“蓝泡泡”全部溶解了，不仅造成浪费，且清洁剂大量排入下水道易引起水体污染。

有时忘了及时更换“蓝泡泡”，全部溶解后的包装袋漂到出水口上，还会导致放水后出水口无法闭合。基于此，我考虑发明一种能自动控制固体清洁剂的装置。

二、方案探究

要解决以上问题，新装置需具有以下功能：1.只在进水过程中浸在水中，其他时候应浮在水面，且这种控制能自动完成；2.能固定“蓝泡泡”。

既然要长期浸泡在水中，何不利用水的浮力变化来完成？于是，我想到了浮球，并通过多次尝试，将具有不同功能的三个浮球有机结合，实现对“蓝泡泡”的自动控制。

三、装置结构

本装置包括导槽立柱、控制浮球、游球洞、开关浮球、立杆、托举浮球、锁球部件、清洁剂固定夹、粘链等部件（如图1、图2）。

1.导槽立柱是整个装置的中心，左右两侧为垂直导槽。导槽均在立柱上端开口、下端封闭，分别引导开关浮球和托举浮球沿导槽上升或下降。

2.控制浮球为水平放置的中空密闭柱体，安装在导槽立柱靠下的游球洞内，依靠水的浮力可在游球洞内游动。当水箱放水或进水时，控制浮球的位置和状态自动发生变化。

3.游球洞为不规则洞体，分别在两导槽侧有矩形洞口与之相通，洞体在开关浮球侧向上倾斜，在托举浮球侧下部设勺形凹槽，当锁球部件下压时勺形凹槽可容纳控制浮球在托举浮球侧突出的部分。

4.开关浮球为中空密闭容器，与嵌在导槽中且比导槽立柱稍短的立杆连成一体。

5.托举浮球为中空密闭容器，用于托举固体清洁剂，与嵌在导槽中的锁球部件连成一体。

6.托举浮球的上平面设浅水槽，槽内安装有清洁剂固定夹，用于固定放置于其中的固体清洁剂。浅水槽中的水可在托举浮球浮出水面后继续溶解部分固体清洁剂，确保清洁效果。

7.导槽立柱背面固定有多个粘链。

四、使用方法

固体清洁剂自控装置模型如图3。使用前首先定位导槽立柱上端比水箱最高水位略高，然后用粘链将本装置固定在马桶水箱内的立柱上。

当马桶水箱水满时，开关浮球和托举浮球均浮在水面，控制浮球在浮力作用下在游球洞内向开关浮球侧突出。

开始放水冲厕时，开关浮球和托举浮球随水位下降，与开关浮球一体的立杆将控制浮球推入游球洞并随即将本侧洞口封死，立杆到达导槽底部后开关浮球停止下降。此时托举浮球继续随水位下降，到达游球洞本侧开口时将控制浮球压入游球洞内的凹槽中，锁球部件到达导槽底部后停止下降。

马桶水箱开始进水时，控制浮球率先在浮力作用下浮起并卡在与托举浮球一体的锁球部件上方，此时托举浮球因无法随水位上升而浸泡于水中。

固体材料 第12篇

关键词：库仑爆炸,超短脉冲激光,烧蚀理论,Vlasov-poisson系统

0 引言

激光加工是基于激光束照射物体所引起的快速热反应的加工过程。当激光脉宽位10ms左右时, 聚焦功率密度是102W/mm2时, 作用于金属或非金属固体表面, 产生极高的温度, 可以使材料瞬间发生熔化甚至气化。当激光脉冲非常短, 如在ps或者fs时, 激光的聚焦功率更高, 金属可能会发生气化现象, 此时产生光电效应, 使金属表面产生爆炸冲击效应。在激光加工中普遍采用的是脉冲激光烧蚀 (pulsed laser ablation) , 随着材料科学的进步和微观电子技术的发展, 在过去数十年间fs激光加工引起了广泛的关注。并在复杂的薄膜结构加工中被广泛地应用。

在fs激光加工过程中, 其微观烧蚀机理有两种物理解释, 即材料解离理论 (decomposition) 和库仑爆炸理论。库仑爆炸是fs激光加工中微观光电效应产生的一种粒子逃逸现象。

目前, 研究库仑爆炸的理论分为两种:1) 采用团族理论[1,2,3,4], 即将固体材料看成一个原子团族, 在激光烧蚀过程中, 由于光电效应, 电离出的自由电子逃逸产生了等离子体, 等离子体之间的库仑斥力导致团族半径变化, 使材料发生了库仑爆炸, 较具代表性的是T. Ditmire等人所做的理论研究, 以及Pawan和K. Tiwari等人所做的实验研究, 他们分别对MgF2, Au和Ar等进行试验和理论分析;2) 以N.M.Bulgakova为代表的宏观漂移-扩散模型[5,6,7,8,9,10,11,12], 认为这种模型由于fs激光的作用, 材料在导带中形成一个自洽的电场, 这些电子在这个电场中扩散、漂移。电子获得了可以超过本身束缚的动能, 离开了晶格, 导致材料本身不再保持中性。这个模型是现在很多学者所采用的一种模型。

本文从微观角度, 采用考虑多光子吸收、雪崩两种电离机制为源项的Volasov-poisson耦合方程组, 建立了描述fs激光加工中, 库仑爆炸的微观烧蚀理论模型, 并采用n点割线法对理论模型进行数值计算, 从微观层次上分析fs激光加工过程中, 库仑爆炸导致固体材料的烧蚀机理, 以及fs激光参数对材料烧蚀的影响。

1 超短脉冲激光加工的库仑爆炸微观烧蚀机理

ps或fs量级的超短脉冲激光, 其强度非常高 (TW/cm2量级) , 而脉宽时间远小于电子声子的耦合时间, 所以超短脉冲激光烧蚀是一个非平衡态加热过程。超短脉冲激光烧蚀是通过多光子吸收电离与雪崩电离两种主要机制将原子中束缚态的电子剥离而产生自由电子并形成等离子体, 这种高温高压高密度的等离子体中母体离子通过库仑斥力脱离材料从而实现烧蚀。

2 超短脉冲激光辐射材料库仑爆炸烧蚀理论模型

处于强激光场中的原子, 由于多光子吸收电离与雪崩电离两种主要机制将原子中束缚态的电子剥离而产生自由电子并形成等离子体, 不止一个电子会被剥离出来, 这样形成高价的母体离子。由于母体离子内部之间的库仑排斥力, 母体离子是不稳定的。组成母体离子的原子离子由于库仑排斥力而快速分离, 这个过程称为库仑爆炸。库仑爆炸过程是一个能量转换的过程, 激光辐射材料后, 使材料中原子产生电离, 形成了自由电子, 由于飞秒激光脉宽时间极短, 自由电子处于非平衡态, 自由电子的分布函数可以用Vlasov方程[1]来描述, 假设自由电子速度是各项同性, 对于薄膜纳米器件, 仅考虑分布函数沿膜厚方向的变化, 分布函数仅为z, v和t的函数, z为膜厚方向坐标, v为自由电子速度, t为时间, Vlasov方程的形式为:

undefined

undefined为电子数密度, 由于在计算中有些数值较小, 为方便计算, 取电子数密度的概率分布为计算量, 有

undefined

N0为最大自由电子数。

于是上式转变为

undefined (1)

式中: E电场强度;

q 电子电荷;

undefined 分别为位置矢量、速度矢量和时间;

S 源项。

为了简化Gaussian脉冲表达式, 初始时刻取为t=-∞。初始条件为:

undefined (2)

式 (2) 的物理意义为在激光辐射前导带中自由电子数密度为零。速度边界条件为:

undefined (3)

式 (3) 物理意义为处于导带底的电子分布流等于零, 即此态的概率为零

undefined (4)

式 (4) 物理意义为电子获得的能量是有限的, 即在处自由电子数密度为零。由于物理上认为光速为无穷大, 所以在本文中取光速C为无穷大速度。所以式 (3) 式 (4) 也变化为undefined

undefined (5)

式 (5) 的物理意义为电子在厚度为L的薄膜中, 自由电子达到薄膜上表面时, 电子就发生逃逸, 因此其数密度为零。

f (0, υ, t) =f (0, -υ, t) (6)

式 (6) 为反射边界条件, 即到达薄膜下表面的自由电子将以相同的速度反射回薄膜中。

undefined (7)

式 (7) 为在任意位置, 任意时刻, 电子没有获得能量时, 自由电子分布为零

S=Rpi+Rimp, Rpi和Rimp分别表示多光子电离项和雪崩电离项

对于多光子电离项, 这里采用Keldysh's [25]计算公式, 如式 (8) 所示, 式中物理参数定义如下,

undefined

式中:ω 激光频率;

me 电子质量;

γ 固体的Keldysh参数, 表达式为

undefined

undefined

γ2=1-γ1;

h 约化普朗克常数;

undefinedundefined

undefined

Dawson积分

undefined;Φ (z) =∫undefinedexp (y2-z2) dy

κ, E第一种和第二种完全椭圆积分, 表示对z取整数。

雪崩电离项由式 (9) [13]表示:

undefined (9)

α为雪崩电离系数, 由文献可知α=9.7e-4。

文中采用的激光脉冲强度I (t) 为Gaussian分布, 其表达式为

I (t) =Imax (l-R) exp[-4ln2 (t/tp) 2]

式中: R反射率;

Imax 激光峰值光强。

激光继续作用下, 这些带电粒子数目随着时间的变化不断增加, 同时电子吸收了激光的能量, 使激光的光子能量变成了自身的动能。

随着带电粒子的不断增加, 此时材料的表面由于温度梯度的存在逐渐形成电场, 而且随着电子不断吸收激光的能量, 自由电子的动能逐渐增大, 当自由电子的能量足够大的时候, 这些自由电子将会挣脱晶格的束缚, 逃逸出去, 此时在材料的表层就会形成一个带正电的等离子区。由于局部不再中性, 带电粒子形成自洽电场, 这个电场可以通过Poisson方程式 (10) 描述, 由于电场的作用, 等离子区的离子将会收到本身的库仑排斥力, 随着激光的作用, 电场强度会越来越大, 当其超过晶格作用势的临界阀值时, 排斥力将会大于晶格的束缚力, 从而使这些离子也变成了自由粒子逃逸出晶格, 此时即发生了库仑爆炸。

undefined (10)

ρ为累加电子数密度, ε, ε0分别为真空中和材料的介电常数。

ρ=n0∫∞0undefined

由上述可知, 整个数学模型可以描述为

undefined

(11)

方程组 (11) 可知, 模型为一个由undefined为未知量耦合的系统。在方程组 (11) 中的系数包含所求变量。

3 数值计算

3.1 数值计算方法

目前, 常用的计算方法大概有三种, 1) 高阶精度本质无振荡 (ENO) 方法;2) 高阶精度加权本质无振荡 (WENO) 格式;3) 超松弛迭代或牛顿迭代法。ENO以及WENO方法都是将方程中作为两个空间来求解, 一个是位置与时间的物理空间, 一个是速度与时间的相空间。这两种解法是将一个时间步长分为两段, 先在前半个时间步长里求解分布, 然后根据分布求解电场, 在根据电场解分布, 但在求解过程中人为进行解耦, 使整个非线性方程变成两个线性的方程, 而且对于本文中所涉及的Vlarsov-poisson耦合方程组, 并不能确定将左端向量应如何在这一个时间步长的两部分进行分解。这两种方法虽然解法比较容易且都可以有很好的收敛性, 但是如果考虑了Vlarsov方程的源项, 由线性方程的解原理, 对方程组 (11) , 不能随意解耦, 因此这里不能应用这种方法。

普通Newton迭代法虽然有较高的精度, 但对于非线性偏微分方程组 (11) , 在迭代求解时会有病态矩阵出现, 每次计算时须加上阻尼系数, 而且每次迭代所加的阻尼系数并不是完全一样, 并且, 阻尼系数数值的大小具有一定的盲目性, 另外, Newton迭代法需要计算非线性方程组的导数值, 当非线性方程组的表达式较复杂时, 导数值较难求得, 程序较难实现。因此, 求解方程组 (11) 时不采用普通的Newton迭代法。

综合考虑计算精度、算法结构、程序结构后, 采用修正N点割线法进行求解。修正N点割线法的最大优点是不需要计算非线性方程组的导数值, 这对数值求解复杂表达式的非线性方程组是非常有利的。同时, 该算法具有较好的收敛性。

3.2 无量纲化

在上述的理论模型中, Vlasov方程是一个关于电子分布数密度undefined的方程, 方程组 (11) 组成了一个非线性耦合方程组。如何解这个Vlasov-poisson方程组, 是解决问题的关键。在很多文献中提出了很多种解决这个方程组的方法, 如ENO[13,14]方法以及半拉格朗日方法[15]是采用比较多的方法, 现采用N点割线法迭代方法进行数值求解。

由于方程中涉及的一系列参数有很大的量级差距, 为保证数值计算过程种的稳定性, 须对上述方程进行无量纲化。

无量纲化基准, 时间采用脉冲宽度tp作为基准;速度采用光速C为无量纲化基准;在位置方向, 采用薄膜厚度L为基准, 即

undefined

定义一个新的分布函数为undefined表示undefined时刻速度处于undefined区间的相对于N0的自由电子无量纲数密度。

通过上述无量纲定义, 理论模型的方程组可以化为如下无量纲形式

undefined (12)

式中:undefined;

undefined;

undefined;

undefined;

undefined。

4 结果分析

利用上述耦合模型, 采用激光波长为λ=800nm, 激光峰值Imax=8.51013 W/cm2, 激光脉宽为tp=800fs的脉冲激光对Si进行模拟计算。计算中所采用的参数如表1所示。

图1为脉宽为800fs时导带中自由电子分布随时间的演化, 从中可以看出, 随时间推移, 自由电子的分布逐步向平衡态演化。

图2是自由电子随无量纲化空间位置和无量纲化速度的三维变化图, 由图中可知, 在同一时刻自由电子分布随着位置方向基本无变化。这与其他的理论, 如连续方程模型和团族模型相吻合, 表明在本文中所提及的模型是能恰当地从微观层面描述库仑爆炸。

为了能直观地描述材料中发生库伦爆炸的原因, 定义一个电场使材料恰好能发生库仑爆炸, 这个电场强度就是烧蚀阀值。烧蚀阀值为激光引发的电场能够脱离材料晶格束缚所必须的电场强度, 电场中的张力用ω=εε0E2/2表示;晶体中每个原子核中所产生的电场强度采用Wat=εε0E2Vat/2表示。Vat为每个原子在晶体中所占得体积, Vat=n-1, n是数密度。一个原子要从晶格中离走所需的能量可以通过计算升华所需要的热能来估计。所以烧蚀阀值公式可以表示为undefined而对于半导体硅来说, 库仑爆炸烧蚀阀值一般取为2.761010 V/m

由图3可以看出, 在硅薄膜表面电场强度大于发生库仑爆炸的电场阀值, 即在表面发生库仑爆炸。

由图4可以得知, 在其他参数相同时, 激光峰值越大, 其产生的电场强度越大。这表明在电场强度较大而其他参数相同的激光场的作用下, 激光强度越大越容易发生库仑爆炸。这也从侧面解释了为什么在激光峰值处自由电子分布达到最大值和在激光峰值处, 材料发生库伦爆炸。从图1至图4耦合模型计算结果都能与实验结果较好的吻合, 这表明在本文中所采用的理论模型能很好地描述微观库仑爆炸机理。

5 结论

采用Vlarsov-poisson方程相耦合的系统建立了fs激光辐射固体材料的库仑爆炸理论模型, 以多光子吸收、雪崩两种电离机制为产生自由电子源项, 从微观描述了激光烧蚀固体材料时的电离机理, 以及解释了在此过程中发生的库仑爆炸。