DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 4. 消防设施监控预警系统体系架构 在对CPS研究分析的基础上，依据消防设施监控预警系统的设计目标，本文提出了CPS的4层体系结构框架，分别为物理感知层、网络通信层、数据服务层和用户应用层。CPS体系结构如图1所示。 4.1. 物理感知层 本层由采集各类消防设施信息的设备组成，又称之为CPS单元(CPSU)，是系统的基础层 [ 10 ] 。CPSU作为终端设备配备有传感器、控制器和执行器，主要用于感知和采集消防设施状况的物理信息。这些传感器与网络通信层、数据服务层形成硬件系统，将采集的部件运行数据通过硬件设备汇聚到消防大数据分析中心。系统构成如图2所示。 图1. 系统体系架构图 图2. 硬件系统结构示意图 前端数据采集采用消防报警控制器标准数据通讯接口或利用控制器串行接口，针对不同设备厂家研制配套的数据采集装置，在不影响原有设备安装及运行的条件下，通过增加一套数据采集和传输装置，实现火灾控制系统报警、动作、故障、修复等信息的采集，同时针对各厂家设备接口不兼容问题，拟编制设备接口标准规范，统一数据传输协议，开发统一的通讯接口，提高系统的兼容性。 对于消火栓管网压力、消防水箱、排烟风机、防火门和疏散通道等消防设施状态信息不全面的问题，研制基于外接传感器的数据采集装置，通过独立于火灾报警控制器的外接传感器，采集管网压力、消防水位、风机流量、防火门位置以及现场视频数据等，并将采集到的数据传输到火灾报警控制器，然后再由安装在消控室中的数据采集器进行上传，通过额外数据的采集，增强系统对消防设施监控的全面性。 4.2. 网络通信层 网络通信层是架设网络传输系统，通过无线传输和互联网相结合的方法实现数据上传和下载。CPSU和数据服务层以及CPSU之间通过无线网络实现互联，常用的无线通信技术有WSN、ZigBee、2G/3G/4G、WiFi等，实际使用中根据现实情况进行选择。数据服务层和应用层的计算单元、存储服务器和应用服务器以及各应用终端之间主要通过有线网络相连。 系统的无线数据传输装置是利用内置的通讯模块，通过插入式的网络通讯卡，实现中国通讯网络(4G/3G/2G)制式下的无线数据传输，能够稳定传输高质量的数字和音视频信息。当数据采集装置获取设备状态信息后，利用数据传输模块，经由无线基站、无线数据服务网关，再经由Internet网汇集至数据中心服务器，最终存入数据库。 4.3. 数据服务层 数据服务层包含各种高性能计算单元和存储服务器，负责CPS中数据的计算、分析、处理和存储。该层可获取海量信息数据，包括消防设施动态运行、设备故障和修复、火灾报警及物理环境等信息。运用数据管理、数据挖掘、云计算等技术对数据经分析处理，利用数据可视化技术直观地展现数据的物理意义，从海量杂乱的数据中筛选出有用的信息，为系统的大数据中心提供数据支撑。 建立大数据服务中心是实现消防设施监督管理信息化、智能化的基础，数据服务中心可以由云服务器服务商提供，云服务器支持用户实时获取服务。规划构建500 T存储、10 G流量的大数据中心，形成电信级别的云服务器平台。数据中心由通讯服务器、数据库服务器、用户服务系统、信息查询系统和数据分析系统组成。本系统数据中心提供的存储和管理海量数据的云数据库，通过主备架构的部署方式，能够提供集存储、备份、恢复、监控、迁移等方面的全套解决方案的大数据服务系统，为下一步消防大数据汇聚、存储、查询和智能数据挖掘提供硬件支撑。 4.4. 用户应用层 用户应用层包含各种应用软件，如数据管理软件、远程控制软件及显示各种消防设施状态信息的人机界面。系统依托“物联网”、“大数据”、“云计算”等信息技术，融合消防设施硬件信息、软件系统和智能数据分析模型，将硬件采集到的数据实时传送至数据中心并存入数据库，能够实现数据智能计算和统计分析，产生在线监控、实时报警、统计分析、监督检查等功能的多平台应用系统，并能以图表和地图形式展现结果。 基于电脑端主流浏览器的网页访问模式，通过给定的网址访问web服务器，进行登陆账户、查询信息、管理数据、查看图表、下载报告书以及地图显示等操作；基于显示屏的访问模式，需要专人值班，对于推送的信息，及时通知相关工作人员或单位进行处理；基于手机APP的移动终端访问模式除了具备数据查询、数据管理等基本功能外，可以利用其移动特性和定位信息实现实时预警信息推送和灭火救援辅助决策功能。
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user: 5. 消防设施监控预警系统功能分析 系统主要面对消防部门、维保单位、防火单位三个应用层面，建立大数据智能分析模型，开展针对电脑浏览器、显示屏和手机APP的三种应用模式，以满足不同用户需求。 5.1. 系统功能设计 5.1.1. 消防设施运行情况与火警信息实时推送 系统既能够实现消防设施运行情况的实时查询，也能对其历史运行情况进行统计与查询，此外能将火警信号和故障设备及时传送给相关部门或工作人员。针对火警信息的紧急性，建立火警信息智能处理模型，对不同消防设施反馈的火灾信号进行综合分析，以实现对火灾信息的判断、发送、确认等操作流程的自动处理功能。针对设备故障信息，对不同用户发送不同信息，如通知防火单位设备故障信息，通知维保公司及时维修，通知消防部门进行检查等，以实现故障设备的及时维修与检查。 5.1.2. 监控管理报告自动生成 系统定期自动生成维保任务书，现场人员登陆手机APP进入任务书，如执行末端试水联动测试任务时：打开末端试水，水流指示器动作，压力开关动作，联动喷淋泵启动，测试结果自动实时反馈到数据中心，维保结果自动研判，并通过电脑端及手机APP端显示结果，打印维保检查报告书。同时，以真实数据为基础，通过网络化的数据传输和集中数据管理，减少人为因素干扰，以此保证各种分析结果的客观真实性，避免造假作弊。通过人机实时交互和无纸化的操作，确保监控管理报告内容真实，避免人为干扰因素。 5.1.3. 大数据分析与智能预测 通过对获取消防设施数据的统计结果，不仅能知道当前消防设施的运行情况，还可分析消防设施运行的历史数据和平均数据，通过对检测数据、平均数据的长期变化情况进行分析，精确评估一个单位的消防安全水平，发现故障隐患，从而实现故障趋势分析、故障预测。对于经常发生设备运行状态不正常或经常发生火警的单位，及时主动向消防监督员、企业负责人发布预警信息。另一方面，通过对更大层面数据的挖掘，利用模型分析得出的火灾时空区间及场所预测结论，通过预警系统发布至各级管理部门，实现消防部门、维保企业、防火单位三方共享的消防大数据服务。 5.1.4. 图表中心与地图应用 在消防数据统计分级的基础上，通过图表和地图呈现方式，展现数据统计与分析结果。对火灾发生的次数、消防设施的运行状态和设备的完好率等以图表的形式展现，方便消防监督机构全面掌握消防设施的总体运行情况；地图应用模块则将地理信息系统与消防大数据统计分析结果进行了有机结合，一方面可以更加直观的反映出消防设施和火灾发展区域预警结果，同时根据火警信息推送结果，通过移动终端为灭火救援提供最优路径引导，也可以为灭火救援提供最优路线引导和辅助决策技术支持。 5.2. 系统功能的协同实现流程 基于CPS的消防设施监控预警系统中，物理层位于体系结构的最底层，由各种感知设备构成，通过这些设备可以感知物理世界，并把获取的信息通过网络通信层传送给数据服务层。网络通信层可以实现CPS各层之间的互联互通，为各层提供实时、真实的数据传输。数据服务层对网络通信层传递过来的数据进行筛选、储存、分析和处理，为消防设施大数据平台做数据支撑。用户应用层包含各类应用软件，针对消防部门、防火单位和维保机构等不同用户需求，发送不同的消防设施状态信息，用户也可以输入控制指令。数据服务层把用户输入指令转换成控制信号，由通信网络层传送给消防控制柜进行作业，整个CPS体系构成一个完整的循环回路，从而交互协同实现系统的整体功能。
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user: 6. 结语 基于CPS的消防设施监控预警系统，集成应用物联网、大数据、云计算等信息技术，根据系统的总体设计目标，设计研发出具有数据采集、数据传输和数据处理的硬件系统，提出既符合CPS特点，又满足监控预警系统需求的4层体系结构。本系统是CPS技术与消防监管工作的有机融合，具有消防设施状态实时监控、火警信息实时推送、监控管理报告自动生成、防火水平精确评估和火灾风险智能预测等功能。系统投入使用后，将对各类消防设施的报警、运行、故障等信息以及社会单位的消防安全管理信息进行有效感知、可靠传输和集中高效管理，为构建新型智能化火灾防控体系提供重要技术支撑，也将推动消防各方面事业飞速发展。
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user: 摘 要 目的：高温工业炉内控件分布非常复杂，温度较高，自动化监测处理水平低下，实时性监测控制能力差。易出现烧坏控件，甚至发生火灾，爆炸等危险事故。方法：在调查了目前的各种工业炉的使用现状后，利用互联网、物联网、云计算等先进技术，设计出一套基于物联网架构的高温工业炉内控件温度全视场实时监测控制系统。结果：可通过电脑，手机等终端对炉内控件实行实时有效的全视场监测和控制。结论：减少了故障和危险的发生，也为优化控制，节能减排提供了新的解决方案。 关键词 :全视场，物联网，优化控制，实时监测，云计算 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 目前，高温工业炉内的温度监测主要有测温枪，传感器预埋，热电偶，光纤测温技术，无线传感器测温技术等等。其中，测温枪测温技术需要工人手动现场轮询测温，无法实时监测，及时预警。热电偶测温技术和测温枪一样，只是选择某些点，不能够实现全视场温度检测 [ 1 ] ，且容易烧坏。光纤测温技术对环境要求较高，光纤本身不耐高温，怕脏易碎，易折断。长期灰尘积累导致光纤绝缘性降低。其施工复杂，设备布线成本较高。无线传感自组网测温方式其也属于选择某些测温点测温，且传感器的电量有限，安装施工复杂，组网不稳定，抗干扰能力差，无法实现可视化监测。 对以上测温技术研究的基础上，提出一种基于物联网技术的非接触式高温工业炉测温系统。此系统采用红外CCD，基于黑体辐射原理，采用物联网架构，可实现大范围目标全视场实时高温监测，利用各种人机交互终端，做到随时随地的监测，控制。可做到不受距离的影响，提高测温的精度和速度，与最新的互联网+相融合，与企业内部的DCS对接，不受距离和地域的影响，做到大规模动态实时温度监测和控制。
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user: 2. 高温工业炉测温系统物联网架构图 高温工业炉测温系统物联网框架如图1所示，借助物联网平台，把传统的工业炉测温系统的现场部分作为物联网架构中的探测器部分，结合网络和云计算 [ 2 ] ，实现随时随地的监测控制。
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user: 3. 高温工业炉测温系统感知层探测器部分系统图 感知层探测器部分采用采用双红外CCD比色测温技 [ 3 ] ，探头推进器和炉壁套管内使用氮气冷却，推进器可采用气缸压缩空气制动，电气控制首先可采用交换机，编码器，光电转换器，ZIGBEE无线技术等实现各种设备的互联，再把数据送到网络服务器，最后实现与物联网传输层的交互连接，远距离传输采用光纤。如图2所示。 前端现场探头部分基于小孔成像技术，采用强制风冷或水冷保护；层层高温固化处理耐高温，并采用特种耐高温蓝宝石镜片，实现对各类工业窑炉燃烧工况的实时监测；探头内部采用特质高密度光学镜 图1. 物联网框架 图2. 感知层探测器系统图 片组成光路系统，并采用旋转式或拉幕式滤波片切换，达到理想的比色数据的采集。数据采集后经过编码器的压缩，传输，存储，经过光电转换远传至物联网云计算服务器。
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user: 4. 高温工业炉测温系统物联网架构模型图 物联网技术发展到现在，其架构模型大致分为三层：感知层，网络传输层，应用层。根据此架构，我们设计了基于此三层结构的高温工业炉的测温系统，如图3所示：其中应用层可对底层传输的数据进行实时监控，跟踪，控制，主要是在控制中心的电脑控制服务器和负责人的终端手机上开发安装控制操作软件和APP传输层利用运营商网络或者企业互联网或者专网实现感知层和物联网，云计算平台 [ 4 ] 的连结。 数据进入云平台后，利用后台软件和大数据计算提取相关数据并建立温度场模型。安全机密数据使 图3. 物联网架构模型 用IPSAN存储，报警信号可实时传入相关负责人的电脑和手机内。相关权限人员根据自己的权限的对现场探测器进行实时查询和控制。
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user: 5. 数据的输出结果 根据比色测温原理，对图像处理过的双波长下的灰度图进行计算 [ 5 ] ，便可得到此时的温度。根据炉内的工况情况，操作人员可选择不同的区域，对感兴趣的地方进行实时测温。如图4所示。 图4是某焦化炉内的炉管温度监测图，画面显示的是处理后的炉管，在其表面设置监测点，用户可以同时看到监测点的实时温度。同时，也可以通过点击或划线的方式，选取其他想要监测的温度点或线，在线测量出待测温度区域的实时温度。在电脑上和手机上均能实时看到如下画面，相关人员根据自己的权限可看到不同的画面，并且根据权限进行相关报警，退出，加气，测温，修改数据等操作。
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user: 6. 总结 本文分析了目前高温工业炉的温度测量方法，采用红外非接触式测温技术与物联网架构技术相结合，实现非接触式全视场测温的同时，可以随时随地的进行对炉内数据，图像的监测和控制。此系统的大数据突发的传输，网络架构内的网络设备处理速度和相关接口不标准等问题有待解决 [ 6 ] 。根据不同炉子和炉内控件的不同，进行温度数据的提取，去除各种干扰因素和相关大数据的算法仍需进一步研究。 图4. 炉管温度监测图
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user: 摘 要 用五水四氯化锡和乙醇溶液(乙醇:水 = 1:1)为原料，以黄麻为模板通过水热法和沉淀法制备出了不同形貌的二氧化锡(SnO 2 )纳米材料，利用扫描电镜(SEM)和X-射线衍射仪(XRD)对其形貌和成分进行表征和分析，并将其制成气敏元件，进行气敏性能测试。结果表明，两种气敏元件对乙醇、丙酮、甲醇、苯和氨气等均有响应。在50 ppm乙醇气体环境下，水热法合成的样品最佳工作温度是240℃，其灵敏度值达到23；沉淀法合成的样品最佳工作温度是330℃，灵敏度能达到28。两种气敏元件均对乙醇表现出很好的选择性和灵敏度，而对剩余三种气体的灵敏度则极低。 关键词 :SnO 2 ，气体传感器，黄麻，模板法，水热法 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 SnO 2 是目前使用最广泛的一种氧化物半导体气敏材料，在工业和环境保护等领域的可燃性气体检测和报警等方面占有主导地位。但普通SnO 2 样品对还原性气体的灵敏度不高，且选择性较差，难以满足实际需要，因此通过改变形貌来提高其气敏性能是最常用的实验方法。现今，人们采用不同的实验技术制备出了形貌各异的氧化锡纳米材料。如采用热蒸发法 [ 1 ] [ 2 ]、激光剥离法 [ 3 ]、元素Sn的高温氧化法 [ 4 ] [ 5 ]、微波法 [ 6 ]、等离子体法 [ 7 ]、模板法等技术制备出了SnO 2 纳米球、棒、管、线、带等 [ 8 ] ，其中模板法是近年来发展起来较热门的实验方法。模板法 [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] 可以通过复制模板的形貌和大小来提高气敏性能，在自然界中，有许多种神奇的生物模板，如棉纤维、蝴蝶的翅膀、油菜花花粉等 [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]。独特的形态和微观结构使它们在化学传感和生物医学应用上成为了优异的模版 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]。 目前以生物模板来合成SnO 2 气敏材料的报道较多，但是利用黄麻做模板进行材料合成的报道并不多见，本文以黄麻为模板，分别采用水热法和沉淀法制备出多孔SnO 2 纳米材料，利用传统的烧结型气敏元件进行测试，并比较了两种元件对不同气体的敏感特性。
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user: 2. 实验部分 2.1. 试剂与仪器 实验中使用的试剂均购于阿拉丁试剂，无水乙醇、五水四氯化锡为分析纯，黄麻、去离子水等自制。 实验中使用的仪器如下： DHG-9070A鼓风干燥箱(中仪国科技有限公司)；DX-2000X射线衍射仪(丹东园仪器有限公司)；CGS-8智能气敏分析系统(北京艾立特科技有限公司)；AS-20传感器老化台(北京艾立特科技有限公司)；SU8010扫描电子显微镜(日本电子)。 采用X射线衍射仪对所得样品进行物相分析，采用扫描电子显微镜对所得样品微观形貌进行观察，通过气敏分析系统对样品进行气敏性能的测定。 2.2. 样品的制备 取若干黄麻切段，置于50℃~70℃烘箱中烘干12 h；取干燥后的黄麻切片4 g，置于200 mL的NaOH (1 mol/L)水溶液中浸泡3小时；再用去离子水反复洗涤多次后，置于80℃烘箱中干燥12 h；将9.2 g SnCl 4 ∙5H 2 O放入120 mL的乙醇水溶液(1:1)中，室温搅拌至溶液澄清；然后加入干燥后的黄麻段，均分成两份分别放入100 mL反应釜和100 mL的烧杯中，将反应釜置于180℃烘箱中保温12 h，同时将烧杯中样品在室温下搅拌2 h，过滤分离；再将两个样品离心清洗，用去离子水和无水乙醇各洗三次。置于40℃烘箱干燥两天，将得到的固体放入550℃马弗炉中灼烧3 h，将样品装入样品袋并贴上标签进行编号，分别标记为S1、S2。 2.3. 样品气敏性能的测试 取少量上述纳米粉体置于玛瑙研钵中，加入一定量蒸馏水，研磨成浆，然后用毛笔蘸取少量浆料均匀涂抹在两端有金电极的Al 2 O 3 陶瓷管表面，常温下晾干24 h后在氧化铝陶瓷管内腔中安置电阻加热丝，并将其焊接在管座上，制成旁热式气敏元件 [ 16 ] [ 19 ] ，如图1所示。最后放置于传感器老化台上先在80℃下老化24 h，然后调节温度至160℃老化2 h，并在气敏分析系统上进行气敏性能测试。气敏元件在气敏测试仪上，采用静态配气法进行测试，灵敏度S定义为，S = Ra/Rg，Ra和Rg分别为气敏元件在空气中和在待测气体中的电阻值。
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user: 3. 结果与讨论 3.1. 样品表征 图2是所得产物的XRD图谱，其衍射峰位与国际标准卡片JCPDS NO.41-1445相吻合，表明所制备的样品为SnO 2 ，上述衍射峰分别与标准四方晶系金红石结构SnO 2 的(110)、(101)、(200)、(211)、(220)、(002)、(310)、(112)、(301)、(202)和(321)晶面相对应。在XRD图谱中未发现其它的衍射峰，这说明所制备的样品为纯相的SnO 2 。无杂质峰的出现，且衍射峰尖锐，强度较高，表明所得样品结晶性良好。 图1. 旁热式气敏元件 图2. 样品S1、S2的XRD谱图 图3是样品S1、S2的扫描电镜图像，从测试结果上看，样品S1在水热合成中颗粒较小、排列松散，从而样品结构较为疏松，在烧结过程中结构发生坍塌，使具有黄麻结构的产物形貌发生改变。样品S2在沉淀合成中由于颗粒较大、排列紧凑，从而完整复制了黄麻模板的结构。SnO 2 颗粒粒径大小分布不均匀，粒径大小在几十纳米到几百纳米范围内，相邻颗粒之间可以看出有明显的熔联和长大，出现清晰的多孔结构。黄麻模板对提高材料的气体敏感性能起着至关重要的作用，从图3中可以明显看出黄麻的结构，这种多孔结构能够使样品的比表面积增大，使待测气体快速地扩散到SnO 2 样品内部的颗粒表面，改善样品气敏性和通透性。 3.2. 气敏性能测试 在温度为21℃，湿度为49%的空间环境下进行测试。 图4是在不同工作温度下，样品S1对50 ppm的乙醇、甲醇、丙酮、苯和氨气体的灵敏度曲线。从图中可以看出，随着温度的升高，元件对各种不同气体的灵敏度都呈先上升后下降的趋势，在工作温度为240℃时，灵敏度达到最大值，且元件对乙醇的灵敏度远远大于对其他气体的灵敏度，表现出很好的选择性。 图5是在不同工作温度下，样品S2对50 ppm的乙醇、甲醇、丙酮、苯和氨气体的灵敏度曲线。由图可以看出，元件在300℃时对乙醇气体的灵敏度达到最大值28，但是元件对乙醇气体的灵敏度不如水热法稳定，数据变化不规律；且元件在330℃时对丙酮气体的灵敏度达到最大值，灵敏度值达到29.4。 由图6看出在工作温度为240℃下，样品S1、S2均对乙醇表现出良好的选择性；在工作温度为300℃下，样品S2对乙醇表现出良好的选择性；在工作温度为330℃下，样品S1、S2在乙醇和丙酮中响应相近。 图7是在最佳温度下，水热法合成的样品对不同浓度乙醇气体的测试，结果如所示。可以看出在最佳温度下灵敏度随着气体浓度的增大而上升，元件响应增加较快，在一定范围内有较好的线性关系。 图3. (a)、(b)为样品S1的 SEM；(c)、(d)为样品S2的SEM图 图4. 样品S1灵敏度与工作温度的关系 图5. 样品S2灵敏度与工作温度的关系 图6. 样品S1、S2在最佳温度下对乙醇和丙酮的灵敏度 图7. 样品S1灵敏度值与乙醇浓度的关系 两种元件都对乙醇均表现出了较高的灵敏度，首先与材料的结构有关， 通常元件在空气中工作时，空气中的氧是电子兼容性大、氧化性强的气体，接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷，结果使样品元件的表面空间电荷层区域的传导电子减少，使表面电导减小，从而使器件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的电子释放出来，SnO 2 涂层表面电导增加，使元件电阻减小。材料的多孔结构为大量气体分子均匀进入材料内部提供大量的通道，实际上增大了材料和气体的接触面积，加剧了气体分子与吸附氧的反应，因此对元件的气敏性能起着很大的促进作用 [ 20 ]。其次两种元件对乙醇气体灵敏度的差异与合成方法有关。从气敏测试数据中可以看出，水热法虽然灵敏度值不如沉淀法高，但它的稳定性比沉淀法好，同时响应和恢复时间更短，更加适合作为气敏材料使用。
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user: 4. 结论 用五水四氯化锡和乙醇溶液为原料，以黄麻为模板通过水热法和沉淀法制备出了不同形貌的SnO 2 纳米材料，利用扫描电镜(SEM)和X-射线衍射(XRD)对其形貌和微观结构进行表征和分析，样品的微观形貌呈现出了黄麻结构，比较水热法和沉淀法制备的SnO 2 纳米材料对乙醇和丙酮气体的敏感性，发现在较低的工作温度下样品对两种气体都有较高的敏感度，同时水热合成的样品对气体的灵敏度影响规律并且稳定性好。
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user: 摘 要 采用传统浸渍法制备了不同氧化钨含量的WO 3 /UiO-66催化剂，利用FT-IR、XRD、N 2 吸附-脱附和TG测试技术对该催化剂进行了表征，并研究了其对环戊烯选择氧化制备戊二醛的催化性能。结果表明，WO 3 高度分散在金属有机骨架UiO-66中，WO 3 的引入没有改变UiO-66的结构，并适当增强了UiO-66的热稳定性。当WO 3 负载量为40% (w)时，WO 3 /UiO-66催化剂的催化性能最好，环戊烯的转化率达到92.2%，戊二醛的收率达到50.3%。 关键词 :金属有机骨架，UiO-66，WO 3 ，环戊烯，戊二醛 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 氧化钨(WO 3 )因具有酸性和氧化还原性能，而广泛用于催化烯烃的选择氧化 [ 1 ] 、烷烃的异构化 [ 2 ] 、氮氧化合物的选择还原 [ 3 ] 和光催化等反应 [ 4 ] 。均相WO 3 催化剂活性高，但回收、重复利用困难，因此将WO 3 负载到ZrO 2 、SiO 2 、活性炭、介孔分子筛等不同载体上合成多相催化剂是克服均相催化缺点的有效途径。金属有机骨架是一类新型的多孔功能性晶体材料，它是由多配位数的过渡金属离子与单齿或多齿有机配体通过配位而形成的具有空间网状结构的聚合物。因其具有大比表面积、高孔容和表面化学基团修饰可调等特征而被广泛应用于吸附分离、催化、环境保护和能源领域 [ 5 ] [ 6 ] 。UiO-66(UiO = University of Oslo)是由Lillerud课题组合成出的一种以锆(Zr)离子作为金属中心、对苯二甲酸为配体的金属有机骨架。UiO-66具有刚性的3D立方孔结构，在该材料骨架中，有两种形状的孔道：四面体孔(直径约8 Å)和八面体孔(直径约11 Å)，两种孔之间通过自由之径约为6 Å的三角形窗孔相互贯通 [ 7 ] ，UiO-66的结构示意图如图1所示 [ 8 ] 。由于该材料的结构特征使其具有较高的热稳定性、化学稳定性和机械稳定性，因此日益引起关注。 戊二醛(GA)是一种重要的精细化学品，可作为食品工业加工助剂、消毒杀菌剂、鞣革剂、木材防腐剂、药物和高分子合成原料等。目前我国GA几乎全部依赖进口。当前GA的商业生产全部采用丙烯醛路线，该工艺复杂，条件苛刻，原料昂贵，成本很高，极大地限制了它的大规模应用。Dai等 [ 9 ] [ 10 ] 成 图1. UiO-66结构示意图 功开发了一种由环戊烯选择氧化一步法制备戊二醛的路线，并对该方法进行了长期的研究，均相反应和多相反应体系均取得了一定成效。该工艺简单，有效降低了生产成本。研究发现，环戊烯选择氧化反应需要含有微孔或介孔和高比表面积的材料固载催化活性组分，而金属有机骨架材料UiO-66具备以上特征。 本文采用浸渍法将WO 3 负载到UiO-66中，合成新型WO 3 /UiO-66催化剂，并研究其对环戊烯选择氧化制备戊二醛的催化性能。
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user: 2. 实验部分 2.1. 试剂和仪器 ZrCl 4 、对苯二甲酸(H 2 (BDC))、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、钨酸(H 2 WO 4 )、浓盐酸、环戊烯(CPE)、叔丁醇(TBA)和50%(w)的H 2 O 2 溶液均为分析纯，实验过程中不需要进一步纯化处理。 GC7890Ⅱ型气相色谱仪(上海天美科学仪器有限公司)；WQF-510FTIR型红外光谱仪(北京瑞利分析仪器公司)；Rigaku D/max-rB型X射线粉末衍射仪(日本理学公司)；ASAP2020N 2 吸附仪(美国Micromeritics公司)。 2.2. 催化剂制备及活性测试 金属有机骨架UiO-66的制备：参照文献 [ 7 ] 报道的方法合成金属有机骨架UiO-66。分别取1.45 g ZrCl 4 、1.06 g的H 2 (BDC)、40 mL DMF和0.5 mL浓盐酸，放置于烧杯中，搅拌均匀后，封闭、超声20 min，然后转移到50 mL带聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密闭后放进程序升温箱内，缓慢升温到120℃，保持24 h，然后自然冷却至室温。反应结束后过滤，分别用DMF和无水乙醇洗涤三次。最后将产品转移至鼓风干燥箱内180℃干燥10 h，即可得到UiO-66白色固体粉末。 WO 3 /UiO-66催化剂的制备：采用传统浸渍法制备WO 3 /UiO-66催化剂。取适量的钨酸、50% H 2 O 2 和蒸馏水于60℃下搅拌30 min，待钨酸完全溶解后，加入所需量的UiO-66，继续搅拌，缓慢蒸干溶液，将所得固体置于恒温鼓风干燥器中进一步干燥，然后置于马弗炉中，300℃下焙烧5 h。最后所得白色固体粉末即为目标产物，表示为WO 3 /UiO-66。 环戊烯催化氧化反应在密封的圆底烧瓶中进行，向100 mL圆底烧瓶中加入一定量的催化剂，50 mL叔丁醇，5 mL环戊烯(56 mmol)和7 mL(112 mmol)的50% H 2 O 2 水溶液，35℃下反应24 h，其中n(CPE):n(H 2 O 2 ):n(WO 3 ) = 1:2.5:0.05；V(TBA):V(CPE) = 10:1。用气相色谱分析各产物的分布，用外标法测定各组分的含量。该反应的主要产物包括戊二醛(GA)、1，2-环戊二醇(CPDL)和2-叔丁氧基环戊醇(CPLE)；另外还包括少量的环戊烯酮和1，2-环氧环戊烷(Others)。
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user: 4. 结论 采用传统浸渍法将活性组分WO 3 引入金属有机骨架UiO-66中，制备了一系列新型的WO 3 /UiO-66催化剂材料，活性组分WO 3 高度分散在载体中，使得该催化剂对环戊烯选择氧化制备戊二醛反应表现出较好的催化性能，但是由于金属有机骨架不能高温焙烧，使得WO 3 与载体之间的作用不强，从而限制了催化剂的重复使用性能。
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user: 摘 要 具有周期结构排列的SiC在红外波段表现出良好的热辐射性能，在热辐射源方面有重要的应用价值。本文综述了一维和二维SiC热辐射结构的研究现状，并探讨了SiC周期结构在热辐射源方面的发展趋势。 关键词 :SiC，热辐射，相干性 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 由于电子的热运动而产生的辐射称为热辐射，只要物体的温度高于“绝对零度”，热能总是不断地转变为辐射能，向外发出热辐射。理论上说，物体热辐射的电磁波波长可以从零变化到正无穷，在实际应用中，把波长位于0.38~100 mm之间的电磁波辐射称为热辐射 [ 1 ] 。碳化硅(SiC)材料是自第1代元素半导体材料(Si)和第2代化合物半导体材料(GaAs， GaP， InP等)之后发展起来的第3代半导体材料。SiC材料具有带隙宽度可调、高硬度、高临界击穿电场、高热导率及化学稳定性好等特点 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 。1997年法国学者Greffet在对由极性材料SiC制成的微光栅热辐射特性进行研究时，发现热辐射呈现明显的干涉特征 [ 7 ] 。2000年，Shchegrov在离开表面不同的高度下对SiC样品的热辐射进行了实验测量，由于倏逝波的存在，在离表面0.1 mm处热辐射急剧增强 [ 8 ] 。Biehs等人 [ 9 ] [ 10 ] 考虑了基于SiC-SiO 2 多层膜的HMM最上层SiC薄膜支持的表面声子极化波的贡献。SiC周期性结构能在窄带的红外波段范围内产生相干热辐射，形成目前比较紧缺的红外热辐射源。因此，基于SiC周期结构的热辐射特性的研究，具有重要的理论价值和应用前景。
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user: 2. SiC的热辐射 2.1. 一维结构的热辐射研究现状 1997年，Gall J. L.等 [ 7 ] 研究了SiC一维光栅在偏振方向上的反射率，通过实际测量发现，SiC光栅结构与平面结构相比在反射率上有显著变化，如图1(a)和图1(b)所示，并得到了SiC光栅结构P偏振和S偏振的反射率，实验与理论结果相差不大。 2002年，Greffet J. J. [ 5 ] 发现一维SiC光栅结构形成的大距离(多个波长)上相干和定向辐射的热红外源，与平坦表面的辐射率相比，辐射源的辐射率增加了20倍。研究发现，由于表面声子极化激元的激发，在近红外波段实现全吸收特性 [ 11 ] [ 12 ]，如图2所示，为后来该方面的研究奠定了基础。2004年，Marquier F. [ 13 ] 等在Greffet J. J.基础上研究了利用SiC表面波的热激发来提高模型在各个方向上的发射率，实验和仿真结果表明热辐射现象只存在于p偏振。随后在2009年，Han S. E. [ 14 ] 进一步研究了倾斜角对s偏振和p偏振的热辐射的影响，如图3所示，该热辐射只存在p极化波的某一特定角度，并且发现与平坦表面的相干长度相比，线性光栅和表面极化激元之间的动量交换可以明显减小热辐射的相干长度。 2005年，Lee B. J.等 [ 15 ] 将SiC涂覆在一维光子晶体上表面来构建相干热源，发现在横向电波(TE)和横向磁波(TM)的红外波段，都表现出较强的热辐射现象，热辐射位置随角度不断发生改变。对应的结构和热辐射随角度变化如图4所示，说明SiC一维光子晶体热辐射具有角度敏感性。 2010年，Jérémie Dré [ 16 ] 设计出由Ge和SiC组成的双层结构(如图5所示)，发现当锗厚度为700 nm，碳化硅厚度为200 nm时，该双层结构可在两个极化下同时实现窄带、不随入射角变化的热辐射现象。 图1. (a) 原子力显微镜下SiC光栅的表面形状；(b) 垂直入射下平面表面和光栅表面p极化的反射率对比 图2. (a) SiC光栅结构示意图；(b) 该结构在30˚和45˚入射角下理论与实验的吸收比较 2015年，Giuseppe D’Aguanno [ 17 ] 研究了嵌入在ZnSe主体介质中由SiC制成的亚波长颗粒周期性多层阵列的热发射特性，如图6所示。由于单个粒子的固有声子极化激元共振与由不同粒子阵列热发射场之间的独特相互作用，在10.6~11 um之间产生多波峰的相干热辐射现象。 2015年，Wang W. J. [ 18 ] 等提出了由碳化硅光栅和一维光子晶体结构构建的热辐射结构。如图7所示，通过调整结构的几何参数可以有效地实现热发射/吸收的光谱和方向控制。若仅在模型顶部或底部加单层SiC薄膜，将会在同一频率段出现单个吸收峰；若在顶部和底部均加SiC薄膜形成三明治结构，则 图3. 倾斜角对p偏振和s偏振吸收的影响 图4. (a) 在ZnSe和KBr一维周期结构上涂覆一层SiC的结构示意图；(b) 该结构TE波和TM波在不同角度下的辐射率 图5. (a) 一维双层结构；(b) TE、TM光谱图 图6. (a) 嵌入在ZnSe主介质中间距为d的碳化硅亚波长粒子的周期性多层阵列；(b) 此结构在不同层数的波长下光谱发射功率对比 图7. (a) 结构示意图；(b) 实线为模型顶部加厚度d为1.25微米的SiC薄膜的辐射率，虚线为模型底部加厚度d为7微米的SiC薄膜的辐射率，点线为顶部和底部都加上SiC薄膜的辐射率 会出现双峰吸收，从而理论上验证了双峰存在的可能性。 2016年，Chalabi H.等 [ 19 ] 提出在SiC表面构造一定的的纳米结构可以把预先选定的光谱范围的热辐射聚焦到离表面一个明确的高度上，非周期对称模式的结构如图8所示。 2012年和2013年，Biehs S. A.等 [ 9 ] 考虑了基于SiC-SiO 2 多层膜的热辐射现象，Guo Y.等 [ 20 ] 提出具有双曲线色散的超一维结构可形成宽带热辐射现象。Biehs S. A.等 [ 9 ] 考虑了基于SiC-SiO 2 多层膜的HMM最上层SiC薄膜支持的表面声子极化波的贡献(如图9所示)，并分析了布洛赫模式和表面声子极化子对近场热传输的贡献。 2014年，Ito K. [ 21 ] 等通过谐振光栅和SiC板之间的消逝波的耦合方案来获得强烈的光谱和角度辐射。如图10所示，指出当光栅波导模式的横向波束与SiC板的表面声子极化的横向波束一致时，入射光通过消逝波的耦合被SiC平板吸收。 2.2. 二维结构的热辐射研究现状 2008年，Dahan N.等 [ 22 ] 提出了SiC谐振腔耦合结构的热辐射相干控制，如图11所示，介绍了基于SiC的各向异性结构的相干热辐射，由于耦合谐振腔表面声子极化激元的激励使得相干性得到增强。实验证明通过利用周期性耦合的谐振腔，可以在激发源不可用的光谱频带中设计出非常高的相干热源，而且不受离域表面波强加的相干性的限制。 2012年，Arnold C.等 [ 23 ] 实验证实了二维SiC光栅的相干红外热辐射。其结构和对应的相关曲线如图12所示，由于二维SiC光栅表面上的表面声子极化激元的热激发，可在p偏振和s偏振同时获得高的热辐射。研究发现只要满足相位和极化匹配条件，二维光栅的表面波与传播波之间的耦合是有效的。大波矢的表面波的热激发以及它们与二维光栅的耦合能够获得发射率接近于1的高度各向同性的热源 [ 24 ] 。 图8. 几何结构示意图 图9. 相距为d的两SiC-SiO 2 多层膜结构的(a)结构示意图和(b)能量传输系数的模式分布，d = 100 nm 图10. (a)谐振光栅和SiC板结构；(b)吸收光谱图 图11. (a) SiC结构的SEM图；(b) 理论和实验得到的在峰值频率处的定向发射率 图12. (a) SiC结构的SEM图；(b) 该二维结构在垂直于表面的方向上实验和理论计算发射率谱 2011年，Biehs S. A. [ 25 ] 等人通过利用有效介质理论表征二维孔状阵列结构的等效介电函数，并给出了具有孔状阵列两SiC介质平板之间的近场热传输增强特性，其系统结构如图13所示。由图可见，在间距为10 nm时，两个SiC体的热通量是两个黑体热通量的大约1000倍，这是因为内部全反射受挫以及表面声子极化子的耦合，大于λ的距离后，热通量由基尔霍夫-普朗克定律决定，并受黑体值的限制。对于小于100 nm或大于10 um的间距，热通量由p偏振决定，而距离在两者之间的由s偏振来决定。 2012年，Biehs S. A. [ 26 ] 等人运用有效介质理论描述了基于SiC纳米线阵列的近场热传输特性，如图14所示。研究结果表明，材料中双曲模式的贡献使得近场热传输得到增强，在特定的SiC材料的填充因子下，近场传热系数要高于体块的SiC材料，从而说明在SiC内添加其他材料能有效改变传热系数。 2016年，Christopher R. [ 27 ] 构造了一个二维SiC柱状结构，如图15所示。作者研究了其表面等离子激元和本征模特性，分析了观察到的局部和表面声子极化激元之间明显的光谱，证明它们之间可能存在相干的可逆能量交换。 图13. 具有孔状阵列的两SiC介质平板(a)结构示意图和(b)黑体辐射归一化的热传输通量随间距的变化 图14. 基于纳米线阵列的HMM的(a)结构示意图和(b)采用体块SiC材料情况归一化传热系数随换热间距d的变化 图15. 结构和光谱示意图
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user: 3. 总结与展望 热辐射源于局部热平衡中物体自发发射的完全不相关进程，一些热源可以在近场中表现出较高的空间相干性。这些空间相干性可以用来设计在相同波长上与激光器相当的具有角度发散的高定向源，也可以用来显著增强或抑制热辐射。现代热辐射器可以获得不同于传统热源广谱发射的窄带热发射 [ 28 ] - [ 40 ] 。 利用周期结构控制热辐射是近年的研究热点，且碳化硅(SiC)材料是自第1代元素半导体材料(Si)和第2代化合物半导体材料(GaAs， GaP， InP 等)之后发展起来的第3代半导体材料。SiC材料具有带隙宽度可调、高硬度、高临界击穿电场、高热导率及化学稳定性好等特点。SiC薄膜的热辐射又具有很好的干涉特征，并且SiC在修改材料表面辐射特性，近场辐射强化换热以及红外光电器件的开发等方面获得较好应用 [ 41 ] - [ 49 ] 。 综上所述，由于SiC周期性结构能在窄带范围内产生相干热辐射现象，从而引起了人们的广泛关注，并从实验均证实了一维和二维结构的热辐射现象。 目前为满足需求，设计多边带或和定向角度热辐射是未来发展的两个主要发展方向。设计多边带SiC热辐射结构，在一种极化方式下可以出现多个辐射峰值，能够满足多波源热辐射源需求；设计定向辐射的SiC热辐射结构，使其仅在某个角度有一个热辐射峰，而在其他角度不存在辐射峰，能够确保得到的热辐射源能量集中，辐射功率更高。 SiC一维和二维除了在光子晶体结构上有差异外，其热辐射也表现出了不同的吸收特性，随着SiC热辐射研究深入和3D打印技术的不断成熟，对于SiC三维周期结构的理论和实验的研究也将成为可能。
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user: 摘 要 在微波介质材料使用过程中，由于使用环境的影响，介质材料的电磁参数会发生变化，准确测量变温情况下的电磁参数成为重中之重。本文主要介绍变温介电常数的常用方法进行了综合论述。然后分别介绍了几种测量方法的基本原理以及发展概况。 关键词 :变温，介电常数，测量 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 随着科学技术的发展，微波介质材料已经广泛的应用于航空航天、国防军工、微波通信、大功率天线罩等各个领域，材料的电磁特性对于微波材料的传播起到至关重要的作用。由于工作环境的影响，介质材料的使用环境会发生一定的变化，同样的材料的电磁参数也会发生一定的变化。由于使用频段的不同以及使用环境的变化，如果不能得到准确的材料电磁参数，就会严重影响卫星通讯以及航空航天领域的正常使用。例如天线窗口就是一个很典型的例子，作为天线窗口，通常需要在不同的环境温度下工作，因此材料的电磁性能随温度变化的知识在天线窗口的特殊设计中非常重要。 针对高温情况下材料电磁参数的测试，国内外已经有众多学者做出了相当大的努力，针对不同的测试样品和测试环境，有不同的测试方法，每一种方法对应的都有不同的优劣性。按照测试原理的不同，我们可以将其分为两大类，网络参数法和谐振腔法。网络参数法原理是将样品和其传输线视为单端口或二端口网络，利用不同传输线或者自由空间法进行测量网络参数~散射参数，最终求得介质材料电磁参数。而谐振腔法是将样品放置于封腔体或开放腔体中，利用样品放置前后，谐振腔内电磁特性变化情况~包括品质因数或者谐振频率的变化计算出材料的电磁参数。
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user: 2. 网络参数法 网络参数法由于测试夹具简单，且测试精度较高，所以对于常温测试应用比较广泛。当将此种方法运用于高温测试时，需要研制适用于高温测试的测试夹具。网络参数法可以按照传输路径的不同，依次分为传输反射法、自由空间法、终端短路/开路法等。 2.1. 反射法 在反射法过程中，电磁波射向待测样品，在确定的参考平面下，可以由反射系数得到样品的材料性能。在实际测试的过程中，材料性能的表征通常可以用两个类型的反射，即开路反射和短路反射。 2.1.1. 开路反射法 见图1所示，是开路反射法的测量结构。在实际测试的过程中，电磁波从传输线内部发出，在材料界面处发生反射，通过测量样品的反射系数得出材料的性能。 1993~1996年间M. Arai [ 1 ] [ 2 ] 介绍了能够进行室温−1200℃的同轴线终端开路法测试系统，并且讨论了高温下由于通知探针膨胀造成的测试误差修正问题。1996年，Bringhurst S. [ 3 ] 采用终端开路同轴探针法，研制新的适合高温情况下使用的金属化陶瓷同轴探头，该探针由氧化铝制成，用3.0 mm的钼层金属化，镀镍层为0.5 μm的保护层，在完成校准之后，可是实现在500 MHz~3 GHz和室温℃1000℃下的精确测量。2001年，Aglient [ 4 ] 公司利用终端开路法，推出了−40℃到200℃的测试探头和测试软件，采用 图1. 同轴开路反射法 7 mm的传输线进行了0.2~20 GHz的变温测试。2007~2008年，Namgon Kim [ 5 ] [ 6 ] 选用同轴反射法，优化探针选择，最大限度的增大了带宽，减小测量不确定度，实现了对液体材料进行的变温测试，频率范围为0.5~40 GHz，温度范围为−30℃~100℃的测试。2015年，孙珊珊 [ 7 ] 利用双同轴法对于搭建了高温情况下的复介电常数以及测量方法，由于传统的单同轴测量方法容易出现多值性的问题，因此使用简单可行的双同轴试验方法，使用较大的开口腔体便于材料填充，提高双同轴结构使用度，最终测得2~2.8 GHz下，室温−500℃的情况下材料的复介电常数。 2.1.2. 短路反射法 见图2所示，是短路反射法的测量结构。在实际测试的过程中，通常会将待测样品设置为短路状态。1990年，美国ASTM [ 8 ] 利用终端短路法建立了温度范围为室温−1650℃的测试标准，测试频率为0.5~50 GHz。1991年，Paul Friederichp [ 9 ] 进行了关于终端短路法的研究，并且建立了一套最高温度为2000℃的测试系统，频率范围为7.5~40 GHz，该文献将测试夹具放在真空箱中，用石墨电极进行加热。2008年电子科技大学郭高凤 [ 10 ] 、王益 [ 11 ] 在终端短路的基础上，改进矩形波导形式，采用对比测试模型，通过测试不同温度频段下样品散射参数的测量，最终实现X波段点频测试，温度范围室温−2200℃的介电常数测试。2009年，G. A. Dimitrakis [ 12 ] 设计了一种可以用于测试液体复介电常数的测试系统，创新性在于可以在高压和高温下对液体进行直接追踪测试，测试系统由圆柱形金属短路腔体组成，用以容纳液体。此种方法已经被用于进行超临界液体的测试，测试温度室温−273℃，测试频段9 MHz~2.5 GHz。 2.1.3. 自由空间法 自由空间法见图3所述，是一种非接触和非破坏性的测试方法，利用天线将电磁波辐射到自由空间，再利用天线接收并测试材料对所发射电磁波的反射和透射信号，从而计算出材料的电磁参数。与其他测试方法相比，自由空间法对测试样品没有非常严格的形状和工艺要求，只需厚度均匀且有一定大的测试面积，以避免边缘绕射 [ 13 ] 。 1991年，Varadan V. V. [ 14 ] 发表了利用自由空间法进行周边环境温度到850℃的复介电常数的测试，测试频段5.85~40 GHz，测试时，将待测样品放置于高温炉中，一对点聚焦天线用于发射和接收通过待测样品的电磁波，并且采用了分别对S21和S11进行测试的方法，结果发现，对于损耗不同的材料，其得到的测试准确度不一致。Anita Macdonald [ 15 ] 使用自由空间法，将待测样品放置在圆柱形熔炉内，使用喇叭天线作为接受和发射装置，实现了更高频率（30~100 GHz）和更高温度条件（0℃~1500℃）的电磁参数测量。2011年，李元奇 [ 16 ] 创新性的设计7字形弓形架代替传统弓形架，采用平板型加热电阻丝，结合矢量网络分析仪，完成了频率范围内2~40 GHz，室温−800℃的高温测试。2017年，王宝杰 [ 17 ] 设计了适用于低频情况下的超高温新型双椭球开放腔测试系统，完成了高温情况下介电常数的测试，但是目前处于仿真阶段，所计算的测试精度为1.6%，实物阶段仍在继续。 图2. 同轴短路反射法 图3. 自由空间测试系统图 2.2. 传输反射法 传输反射法的原理 [ 18 ] [ 19 ] 是将待测样品置于一段传输线中，见图4所示，例如波导或者同轴线，通过相关的散射方程将含有待测样品的传输显得散射参数与样品的介电常数和磁导率产生联系，进而得到样品的电磁性能。在传输反射过程中，所有的四个散射参数都可以通过测量得到，因此这种情况可以得到更多的测试数据。 1996年，Thorsten Hauschild [ 20 ] 研究了基于传输反射法的特殊波导在高温情况的校准技术~TRL，并且采用精确选材的波导腔材质，最终可以实现X波段，测试温度范围室温−1000℃的复介电常数测试系统，该测试适用于粉末和液体。2000年，英国A. P. Gregory [ 21 ] 利TRL校准方式和同轴线作为传输线的方法，实现了温度范围5℃~50℃，频段范围100 MHz~5 GHz的介电常数测试。2003年，电子科技大学李恩依据传输反射法，制作矩形波导实现了8.2~12.4 GHz范围内，室温−200℃内的吸波材料电磁参量测试技术，并且很好的进行了在高温测试过程中的TRL校准和误差分析。同年，Nassar [ 22 ] 等设计了一种手持式超宽频的钻孔探针天线，用于复介电常数的原位测量。将探针安装在铜圆柱体重的两个短天线中，测量时将探针插入待测材料中，通过探针天线数值模拟得到的预测信号和实际信号进行对比，即可以得到实际的介电常数。 图4. 双端口传输线法示意图
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user: 4. 结论 电磁参数的变温测量技术已经广泛的应用于各个方面，就几种测试模型来说，几种主要的测量方法各有利弊。传输反射法的覆盖频率覆盖范围较宽，适用于介电常数较大的材料，但是其对大多数的薄膜材料不太合适；谐振腔法只能在有限频点下进行测试，测量精度高。自由空间法是无损测试，测试频带较宽，但是准确性相对较差，同时对于高温系统下的自由空间法测量低频情况时需要较大的测量面积，加热困难。对于不同的材料一起测试要求测试频率有不同的适用方法，在不同的工程要求和实验环境中要有具体的测试方法，根据测试方法选取不同的测试方法。
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user: 摘 要 为研究理想构件与缺陷构件拉伸与剪切过程界面原子变形机理和应力变化规律，建立了铝–碳化硅基体Ⅰ型和Ⅱ型断裂模式下的三维分子动力学模型。仿真结果表明拉伸过程中裂纹发生扩展后，应力到达峰值，并开始下降直至为零；剪切过程由于位错塞积和止裂，应力–位移曲线呈锯齿状波动下降。最后采用应力–位移曲线所得参数，建立了基于粘聚力模型的纳米颗粒增强铝基复合材料的有限元模型，拉伸应力–应变仿真结果与拉伸试验结果吻合较好。 关键词 :粘聚力模型，跨尺度，碳化硅，复合材料 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 颗粒增强Al基复合材料是由铝合金加入不连续的硬质颗粒制造而成，正在替代传统材料，广泛应用于工业工程领域。纳米级颗粒增强铝基复合材料成为研究的一大热点，纳米颗粒的加入使Al基复合材料的屈服强度、抗拉强度、弯曲强度、硬度、弹性模量增加，磨损率降低，而不损失其塑性 [ 1 ] 。由于非均质各向异性和耐磨的增强相，使得这类材料的后续成形、加工比较困难。因此有必要从微观到宏观深入研究纳米SiCp颗粒增强Al基复合材料的力学特性。 Pramanik等 [ 2 ] 采用有限元方法模拟颗粒增强Al基复合材料的切削过程，分析结果表明刀具–颗粒间的相互作用以及加工过程中的应力/应变分布直接影响颗粒剥离、表面损伤和刀具的磨损。Dandekar和Shin [ 3 ] 采用递阶多尺度模型模拟激光辅助加工金属基复合材料，结果显示不连续的切屑通过剪切区裂纹的扩展形成，而工件材料在高应力作用下的塑性变形形成已加工表面。Zhou等 [ 4 ] 采用二维直角切削有限元模型模拟PCD刀具加工SiCp铝基复合材料，用不同切削条件下工件和SiCp的米塞斯等效应力分布能够很好地解释其切削加工机理。Wang等 [ 5 ] 采用二维中尺度有限元模型研究SiCp颗粒增强铝基复合材料的铣削加工，仿真结果表明颗粒旋转、拔出、大缝隙、微裂纹和刀具与SiC颗粒的相互作用是主要的缺陷成形机理。Liu等 [ 6 ] 采用二维微米尺度有限元模型模拟微加工铝基复合材料过程中SiC颗粒的脆性断裂机理，结果表明刀具的作用位置不同，基体和颗粒的变形机理有较大差异。Umer等 [ 7 ] 采用粘聚力单元模拟铝基复合材料的切削过程，通过不同切削仿真模型结果对比验证其采用的粘聚力单元能够很好地模拟SiC颗粒与基体界面间的相互作用，但其模型没有考虑温度的影响。 本文采用分子动力学方法 [ 8 ] [ 9 ] ，描述铝–碳化硅界面间相互作用机理。并将原子级仿真结果作为粘聚力单元的输入，建立纳米颗粒增强铝基复合材料的微–宏观有限元模型，最后通过仿真与实验结果对比验证该模型的正确性。
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user: 2. 多尺度仿真模型 2.1. 分子动力学仿真模型 Al-SiC界面拉伸和剪切的分子动力学模型如图1所示。工件尺寸为50 Å × 120 Å × 30 (1 Å = 0.1 nm)， 图1. 分子动力学仿真模型 包含4284个Si原子、4323个C原子和10，620个Al原子。固定试件最外两层原子，挨着固定层原子的两层原子为恒温层，通过标定速度的方式保证温度为293 K，其余原子为牛顿层，计算过程中服从牛顿第二定律。在Z方向采用周期性边界条件。Al晶体与SiC接触平面垂直于纸面为(001)平面，Al和SiC接触面平衡键长设为3。分别建立两种拉伸和剪切模型，一种是没有缺陷的完好构件，另外一种为在接触开设裂纹长度10 Å的缺口的预设缺陷构件(见图1)。 2.2. 势函数 本文Al材料原子间的相互作用采用EAM势 [ 10 ] 描述， E = ∑ i [ 1 2 ∑ j ϕ ( r i j ) + F ( ρ i ) ] (1) (2) 式中 E 为系统的总能量， ϕ ( r i j ) 和 F ( ρ i ) 分别为势能和嵌入能， f ( r i j ) 为电子密度分布函数。 SiC材料原子间采用Tersoff势 [ 11 ] 描述， u ( r i j ) = V R ( r i j ) − B i j V A ( r i j ) (3) 式中 V R ——排斥项， V A ——吸引项， B i j ——键序参数。 刀具和工件之间采用Morse势 [ 12 ] 描述，Morse势函数参数见表1。 2.3. 势函数 粘聚力模型 [ 13 ] [ 14 ] 假定内聚力在损伤之前程线性关系，一旦损伤起始条件达到，材料将进入损伤演变阶段。本模拟采用的损伤起始条件为最大名义应力准则，当内聚力单元中最大名义应力比达到1时，材料开始损伤，如式(4)所示。 max { 〈 t n 〉 t n 0 ， t s t s 0 ， t t t t 0 } (4) Table 1 Morse potential function parameter 系统 参数 Morse势 Al-Si D 0 0.4824 Α (1/Å) 1.322 r 0 (Å) 2.92 Al-C D 0 0.4691 Α (1/Å) 1.738 r 0 (Å) 2.246 表1. Morse势函数参数 一旦达到损伤起始条件，材料即进入损伤阶段。损伤演化规则描述材料达到损伤起始条件后材料的刚度退化率。损伤变量D代表材料的整个损伤过程，初始值设为0，随着加载的进行，D值由0逐渐变为1，材料失效。应力分量和损伤变量D的关系如式(5)、(6)和(7)所示， t n = { ( 1 − D ) t ¯ n ，               t ¯ n ≥ 0 t ¯ n ，                                 其 他 } (5) t s = ( 1 − D ) t ¯ s (6) t t = ( 1 − D ) t ¯ t (7) 式中 t ¯ n 、 t s 和 t t 分别为采用牵引分离模型时不考虑损伤的情况下三个坐标方向上的应力分量。 另一个用于定义损伤演化的参数为失效时的能量消耗 G C ，如图2所示为典型的内聚力模型从加载、软化到最后失效的曲线图，箭头表示不同的损伤演化定义。