DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. SLAM与Gmapping功能包 同步定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping，简称SLAM)，即机器人自身位置不确定情况下，在完全未知的环境中创建地图，同时利用地图进行自主定位和导航 [ 4 ]。定位，即根据传感器的信息和内部的算法预估出机器人在地图上的坐标位置，或者用一个问题来表示：我在哪？地图构建，即根据传感器的信息和内部的地图处理算法来构建一张全新的地图或者是修正已知的地图，同时将地图信息提供给定位算法作为先验地图。SLAM建图的基本过程如图3所示。 图3. SLAM的基本过程 SLAM按照传感器分类，可分为基于激光雷达的SLAM、基于视觉的SLAM、还有基于声纳、红外等传感器的SALM。视觉传感器有价格低、重量轻、获取信息丰富和易于数据关联等优点，但是受到光线的影响较大，且不适合高速运动的情况；激光雷达具有精度高、稳定性好、技术成熟、建图比较直观、不存在累计误差等特点。激光SLAM是目前最稳定、最主流的定位导航和地图构建方法，这一点在近些年谷歌、特斯拉、百度等无人驾驶汽车行业巨头的成功案例中能够很好的被证明。 ROS为机器人SLAM建图提供了大量的高度集成化的功能包，其中常用的功能包有Gmapping功能包、Hector功能包、Cartographer功能包以及Rtabmap功能包等 [ 5 ]。目前，应用最广范、性能比较稳的是Gmapping功能包。 Gmapping算法是目前应用最广的2D SLAM方法，它基于RBPF粒子滤波算法，通过获取激光雷达和里程计信息来进行建图 [ 6 ]，其中IMU信息可以作为输入信息提高建图精度，但是IMU信息不是必需的输入信息。Gmapping功能包中封装了gmapping核心算法，并实现了在ROS框架下与其它功能包的通信，其输出地图的话题是nav_msgs/OccupancyGrid，其中核心节点是slam_gmapping节点。Gmapping功能包的总体架构如图4所示。本实验的Gmapping功能包的输入信息包括深度信息(激光雷达数据)和里程 图4. Gmapping功能包的总体框图 计信息，实验的目的在于复现Gmapping功能包的建图功能，不涉及gmapping算法优化和局部参数的调整，所以功能包中的很多参数不进行变动。只需将必要的参数进行调整，包括tf和scan两个Topic订阅，map_metadata、map和~entropy三个Topic发布，一个dynamic_map服务(Service)。其中tf用于基坐标系、激光雷达坐标系、里程计坐标系间变化，scan用于激光雷达扫描数据；map_metadata用于发布地图Meta数据，map用于发布地图栅格数据，~entropy用于发布机器人姿态分布熵的估计；dynamic_map用于获取地图数据。本实验通过编写launch文件对其进行配置，此处命名为gmapping.launch。
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user: 4. Gazebo仿真系统设计 Gazebo是一个三维多机器人仿真软件，它可以模拟复杂环境中机器人的移动、关节的运动 [ 7 ]。ROS官方为Gazebo提供了一个强大的离线数据库，里面包含各式各样的能够模拟真实环境的模型，用户也可以在软件中自由创建模型。同时，Gazebo可以与Rviz产生联动，使得开发者可以从多个角度观察仿真的过程、结果，提高了科研人员的研发效率。 利用URDF建模方法创建机器人模型，大致可分为四步：1) 使用圆柱体创建一个车体模型；2) 使用圆柱体分别创建左侧、右侧车轮；3) 使用球体创建前后支撑轮；4) 创建激光雷达传感器。机器人的URDF文件编写可以参考文献 [ 8 ]。 由于URDF建模存在模型冗长内容重复、不便于二次开发以及不能进行各个参数的运算等缺点，本论文对机器人物理仿真模型进行了优化，大致可分为五步：1) 为Link标签添加惯性参数和碰撞属性；2) 为各个Link添加Gazebo标签，使其能在Gazebo中能有更好的颜色信息等属性；3) 为各个Joint添加传动装置；4) 添加Gazebo控制器插件，完成机器人左右轮的差速控制，实现机器人前进、后退、转弯功能；5) 编写对应的机器人模型启动的launch文件，在Gazebo中加载机器人模型。值得注意的是，为了保证模型顺利加载，需要将Gazebo的离线模型文件库下载到本地。机器人模型优化部分关键代码如下。 为Link添加碰撞属性： 为Joint添加传动装置： transmission_interface/Simpletransmission hardware_interface/VelocityJointInterface hardware_interface/VelocityJointInterface 2 添加Gazebo控制器插件 …… 1 150.0 1 2.0 cmd_vel odom odom …… 在Gazebo中使用Building Editor工具创建一个封闭的机器人仿真建图空间，完成仿真环境的绘制。仿真机器人模型和仿真环境创建完成后，需要编写一个包含以上两部分内容的launch启动文件，启动仿真机器人模型和仿真环境节点，此处的节点命名gazebo.launch。gmapping仿真环境模型如图5所示。蓝色的圆形是仿真机器人在仿真环境中的俯视图。 图5. Gmapping仿真环境模型
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user: 5. 仿真验证 本实验使用的ROS版本为kinetic，选用的电脑操作系统是Ubuntu16.04，仿真器选用Gazebo，显示界面使用Rviz。首先，通过gazebo.launch文件启动仿真环境(机器人仿真建图空间和机器人仿真模型)。然后，通过使用命令行工具安装Gmapping功能包，并通过已经编写好的gmapping.launch文件启动建图相关的多个仿真节点，gmapping仿真节点启动后会自动订阅雷达信息和里程计信息，为建图做好准备。最后，使用键盘控制节点对应的launch文件完成键盘对机器人的控制，通过电脑方向键移动机器人使激光雷达完成对整个空间的扫描进而完成地图构建，其中u是向左转，i是向前走，o是向右转，m是倒退，使用map_server命令行工具保存gmapping建图结果。 图6. 仿真过程图 本实验过程通过Rviz可视化工具可以实时记录建图效果，通过充分移动机器人位置提高Gmapping建图质量，仿真建图过程如图6所示。仿真实验结果如图7所示。 图7. Gmapping仿真地图
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user: 6. 结论 本文通过ROS提供的Gazebo仿真软件完成了对实现SLAM算法的仿真环境绘制，并应用Gmapping功能包实现了基于激光雷达的SLAM算法仿真建图。从所建仿真地图可以看出，Gmapping算法可以很好地完成模拟室内环境下的仿真地图构建，并且建图质量比较高。为以后在真实环境中构建地图提供了参考经验。
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user: 摘 要 针对自然环境下银行卡卡号识别困难等问题，本文提出了一种基于深度学习的银行卡卡号识别方法。方法分为两步：银行卡卡号区域定位和定位后的卡号识别。卡号区域定位使用CTPN神经网络训练的数据模型，训练集数据采用ICDAR2015；对定位的银行卡号，使用CRNN神经网络训练数据模型，最后完成卡号数字识别。本方法采用端到端对银行卡卡号行定位、识别，能够自动适应图片的倾斜，对自然环境下银行卡卡号的识别具有很好的适应性。 关键词 :深度学习，CTPN，CRNN，端到端 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 随着网络技术的发展，经济社会的进步，带来了支付方式的各种变革，支付宝、微信需要绑定银行卡支付，银行转账需要输入银行卡号等等，在这些过程中对银行卡拍照，进而识别出银行卡卡号，将带来极大的方便。支付宝、微信、手机银行基本都带有拍照识别银行卡号的功能，但是存在着对识别环境、银行卡清晰度、图片角度等种种限制，越来越多的商家也在尝试开发应用此技术。 对于银行卡号的自动识别，人们进行了很多研究，现有卡号定位方法基本基于opencv的边缘检测算法，对银行卡图片进行灰度化、二值化、边缘检测、轮廓提取等操作 [ 1 ] - [ 6 ]，对定位后的卡号进行字符分割，再对切割后的字符进行识别；在字符识别上，有的采用深度学习的方法 [ 1 ] [ 4 ] [ 6 ]，有的采用模板匹配的算法 [ 2 ] [ 5 ]，有的采用改进的特征匹配算法 [ 3 ]；但只是在字符切割后对单个字符进行识别，字符切割的准确率制约着最终识别的准确率，这些方法在自然场景下存在着卡号行定位难、复杂背景银行卡字符切割难、识别率低等问题。
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user: 2. 概述 近几年深度学习在文字识别中的应用发展迅速，基于深度学习的端到端的文字识别，不需要显式加入文字切割这个环节，而是将文字识别转化为序列学习问题，就可以对整个文本图像进行识别，文字的切割也被融入到深度学习中去。 本文采用深度学习的方法训练数据模型，采用端到端对银行卡卡号行定位、银行卡号识别，不再对银行卡进行投影、字符切割处理，对卡号行定位、识别准确，适应复杂环境，为银行卡识别提供了新方法。
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user: 3. 卡号行定位 文字识别分为两个具体步骤：文字的检测和文字的识别，两者缺一不可，对于银行卡号的识别也是如此，首先需要准确定位银行卡号，然后才能识别，如果定位不准确也就不能正确识别。 文本检测方法很多，影响较大的是文献 [ 7 ]，基于这篇论文实现的深度神经网络简称为CTPN，直到现在这个网络框架一直是OCR系统中做文本检测的一个常用网络，极大地影响了文本检测算法的方向。文献 [ 8 ] 提出了检测多方向文本和弯曲文本的方法，由于银行卡号的定位主要是横向文本，本文选用CTPN深度神经网络进行文本检测。 3.1. 网络结构 CTPN的基础网络使用了VGG16用于特征提取，在VGG的最后一个卷积层CONV5，CTPN用了3 × 3的卷积核来对该feature map做卷积，这个CONV5特征图的尺寸由输入图像来决定，而卷积时的步长却限定为16，感受视野被固定为228个像素。卷积后的特征将送入BLSTM继续学习，最后接上一层全连接层FC，输出要预测的参数：2k个纵向坐标y，2k个分数，k个x的水平偏移量。 CTPN网络结构 [ 7 ] 如图1： 图1. CTPN网络结构图 结构主要定义： (1) self.cnn = nn.Sequential() (2) self.cnn.add_module(‘VGG_16'， VGG_16()) (3) self.rnn = nn.Sequential() (4) self.rnn.add_module('im2col'， img2col.Im2col((3， 3)， (1， 1)， (1， 1))) (5) self.rnn.add_module('blstm'， BLSTM(3 * 3 * 512， 128)) (6) self.FC = nn.Conv2d(256， 512， 1) (7) self.vertical_coordinate = nn.Conv2d(512， 2 * 10， 1) (8) self.score = nn.Conv2d(512， 2 * 10， 1) (9) self.side_refinement = nn.Conv2d(512， 10， 1) 3.2. 模型训练 训练数据选用ICDAR2015，每个文本框用4个坐标来表示，即左上、右上、右下、左下四个坐标，共八个值，记作[x1 y1 x2 y2 x3 y3 x4 y4]。 Loss函数的定义是三部分，类别判断(是不是text)，竖直方向坐标偏移量和边缘偏移量，类别判断为cls_loss，使用CrossEntropyLoss，竖直方向坐标偏移量和边缘偏移量分别为v_reg_loss和o_reg_loss，训练过程优化器选择SGD。 训练过程损失函数曲线如图2。 使用训练后的模型对银行卡图片中的文本进行识别，根据识别出的文本区域的坐标，计算文本区域宽、高，由宽高比和宽高绝对值，定位银行卡号位置。
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user: 4. 卡号识别 基于深度学习的端到端文本识别方法主要有CRNN OCR和attention OCR。两种方法在特征学习阶段都采用了CNN + RNN的网络结构，CRNN OCR在对齐时采取的方式是CTC算法，而attention OCR采取的方式则是attention机制。 本文卡号识别使用CRNN算法 [ 9 ]，CRNN架构是CNN + RNN + CTC，CNN提取图像像素特征，RNN提取图像时序特征，而CTC归纳字符间的连接特性，从而实现不定长字符的识别。 图2. 训练过程损失函数变化图 4.1. 网络结构 网络结构分为三部分，依次为： 卷积层，使用CNN，作用是从输入图像中提取特征序列； 循环层，使用RNN，作用是预测从卷积层获取的特征序列的标签(真实值)分布； 转录层，使用CTC，作用是把从循环层获取的标签分布通过去重整合等操作转换成最终的识别结果。 网络结构 [ 9 ] 如图3。 图3. CRNN网络结构图 4.2. 模型训练 训练数据使用采集的银行卡数据，按照4位一组分割，并进行数据增强。空格用下划线“_”代替，训练过程优化器选择RMSprop。 针对实际中采集的银行卡数量不充足的问题，对切割后的银行卡号数据通过左右倾斜、模糊、平移等方法，对每张银行卡号数据进行数据增强，满足数据训练需要。 训练损失函数和验证正确率曲线如图4： 图4. 训练过程损失函数和验证正确率变化图
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user: 5. 系统测试 操作系统为win10，开发语言为python3.7，深度学习框架为pytorch1.0.1。开发环境安装后对数据模型进行训练，得到数据模型。 使用训练好的模型，对银行卡中的文本进行定位，根据银行卡卡号的特点，如：卡号一般位置、长度、高度等特点，将银行卡位置识别出来，定位效果如图5、图6。 图5. 印刷体银行卡卡号定位 图6. 凹凸体银行卡卡号定位 使用训练好的模型，对银行卡中定位的银行卡号进行识别，识别结果如图7、图8。 图7. 印刷体银行卡卡号识别 图8. 凹凸体银行卡卡号识别
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user: 6. 结论 本研究提出了一种基于深度学习的银行卡卡号识别方法，本方法采用端到端的方法对银行卡号进行识别，不需要传统方法的字符分割、图片矫正等对图片的处理，实验表明，对黑体印刷及凹凸印刷两种类型银行卡都能很好的定位和识别，能够自动适应图片的倾斜，对自然环境下复杂背景的银行卡卡号的识别也具有很好的适应性。
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user: 摘 要 翻转课堂是一种建立在信息技术基础上的全新的教学模式。它使学生真正成为学习过程中的主导者，充分调动了学生的学习积极性和主动性。本文结合药用辅料学课程的特点和教学中存在的实际问题，探讨在教学过程中采用翻转课堂的模式的可行性和方案，并简要考察了翻转课堂的教学效果。以期对药用辅料学的教学方式进行改进，探索使学生更好地掌握该课程知识的教学方法。 关键词 :翻转课堂，药用辅料学，教学模式 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 翻转课堂的教学理念是由美国科罗拉多周落基山林地公园高中的两位教师Jon Bergmann和Aaron Sam提出的 [ 1 ]，他们将实时讲解和PPT演示结合的授课视频共享至网络，初衷是为了方便缺课的学生进行学习，随后越来越多的学生利用网络视频进行学习，逐渐地这种授课方式得到了广大学生的关注和好评。翻转课堂是一种建立在信息技术基础上的全新的教学模式，由授课教师先录制好本次学习内容的教学视频供学生学习，学生在上课前利用教学视频或其他学习资料进行自主学习并收集学习问题，在课堂上由学生提出问题与老师和其他学生进行讨论、答疑和交流 [ 2 ] [ 3 ]。这种教学模式构建了以学生为主的学习方式，使学生真正成为学习过程中的主导者，充分调动了学生的学习积极性和主动性。随着信息技术和教育的融合，翻转课堂迅速在全球的推广和实施，我国也逐渐开展和实施翻转课堂的教学模式，但目前还存在着很大的发展空间 [ 4 ]。本文以药用辅料学为例，结合该课程的特点和教学中存在的实际问题，尝试在教学过程中采用翻转课堂的模式，拟对药用辅料学的教学方式进行改进，探索使学生更好地掌握该课程知识的教学方法。
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user: 2. 药用辅料学教学的现状和问题 药用辅料学是研究辅料的特点及在制剂中的应用、处方和制备工艺的相互关系、新辅料的研究开发和合理应用的一门新兴学科 [ 5 ]。药用辅料学的学习内容主要包括药用各种制剂成型辅料、附加辅料、预混辅料和物理改性辅料、新型药用辅料、药用辅料应用和申报 [ 6 ]。药用辅料学作为我校药物制剂专业本科生的主干基础课程，从开设以来，受到广大师生的重视和认可。但是传统的药用辅料学教学模式主要是以教师和教材为中心，按部就班地完成教学内容，导致很多问题的出现。 1) 缺乏师生互动。 由于传统的教学模式比较刻板，使得课堂气氛也比较沉闷。有些老师更是机械地将课本上的内容生搬硬套地念出来，最终导致有些学生上课无精打采，学生学习的积极性和主动性完全没有调动起来。学生遇到问题，没有机会与老师及时沟通讨论。反过来，老师也没有机会了解学生对知识的掌握情况，学生觉得哪些问题是难点，只能等到考试时才能发现学生的问题，但已为时已晚。 2) 教学效果差异较大。 由于传统的教学模式要求学生必须有较强的学习自觉性并能够积极配合老师的上课节奏。但由于学生个体差异较大，对知识的接受能力不同，学习动机不同，并不是所有学生在课堂上都能够做到全神贯注地听讲。有些同学可能根本没有理解，仅为了完成学习任务而机械地记忆，导致最后的教学效果出现较大差异，学生成绩差别较大。 3) 学生思维不够活跃。 由于课堂教学时间的限制，教学必须要在有限的时间内讲授大量的知识，课堂的信息量较大，因而学生在课堂上以听为主，缺乏思考问题和消化知识的时间，无法彻底地理解和掌握，导致学生课堂思维不活跃。
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user: 3. 翻转课堂在药用辅料学教学中应用的优势 1) 利用信息技术作为教学手段。 教师利用信息技术将教学内容以视频、课件和题库的形式呈现出来，并将这些内容作为网络资源与学生共享和学习，可以引导学生去查阅与课程相关的学习资料，如文献和参考书等，有利于学生了解最新学科动态和学术成果，进一步对课本知识进行补充和完善。同时，学生可以在课下利用各种网络平台和交流软件如微信、QQ等进行学习资料、学习心得的分享和互动，教师也可以离通过利用这些网络工具在网上建立一个全班同学的交流群并进行学生分组。老师和学生都可在把平时学时过程中收集到的学习资料在群里面共享，并随时随地与学生展开交流和讨论，使老师开展教学活动的场所不再拘泥于固定的教室，同时也方便了学生由任何问题都可以随时提问及时得到解答。另外，学生可以将自己认为较难理解和重要的知识点可以通过授课视频和学习资料进行反复观摩反复学习，不断巩固、理解、记忆。 2) 实现以老师和学生为双中心的教学模式。 翻转课堂彻底翻转了传统教学的模式和流程，将传统的教学模式，即课前预习、课堂教学、知识总结、作业练习，转变为新课学习、作业练习、课堂答疑、总结提升。翻转课堂强调学生自学能力的培养，重视学生对知识的理解和应用。而在传统教学中，主要是以老师单方面为主导，学生只能被动地接受知识信息，无法结合学生的实际需要，根据学生对知识的掌握情况进行因材施教。通过采用翻转课堂的教学模式，教师就可以做到从学生的实际问题出发，具体问题具体分析，这样教学既可以重点突出，又能够大大提高学生的学习兴趣和动力，达到事半功倍的目的。 3) 将线上学习与线下学习有机地结合起来。 采用线下教学视频的教学方法，在课堂上教师可以就重点和难点与学生进行并针对性地进行重点解答，节约课堂时间，提高学习效率。学生在上课前利用教学视频进行学习，最大化程度地利用课前预习时间，相对延长了学习时间并自由控制学习节奏。在课后，教师可以通过与学生的交流和讨论，了解学生对知识的学习情况和掌握程度，根据得到的反馈信息，对学生掌握不好的知识重点讲解并及时调整下一节课的授课方式或内容。由此，教师因材施教，学生学而实习，提高学习效果。
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user: 4. 翻转课堂模式在药用辅料学教学中的实施 翻转课堂的学习方式主要包括学生自主学习、老师课堂指导和师生讨论互动。翻转课堂的这种授课模式十分适合药用辅料学的教学，因为药用辅料学课程内容比较枯燥、信息量较大，整体来看类似于一本辅料“字典”，这样的课程如果按照一般课程那样采用传统方式教学，即使教师精心设计和准备，学生难免会上课无精打采，没有兴趣。在药用辅料学的教学中引入翻转课堂的教学模式，能够解决上课出现的这些现象和实际问题，有利于改善学生对这门课程的认知，提高学生的学习兴趣和学校效率。翻转课堂模式在药用辅料学课程教学中的实施主要分为课前准备、课堂学习、课后延伸三个部分。 1) 课前准备 教师需要提前准备好教学课件、教学视频和练习题等学习资料，并通过网络发布学习资料和学习任务。在学习任务中需强调该堂课的学习内容和重点难点，并布置思考题准备在课堂上讨论。在教学课件中尽量多加入图片和动画等，使课件更加有趣生动，帮助吸引学生的注意力。在教学视频中应控制好教学时间，可将几个知识点分别录制成短小的视频分开讲解，同时需要注意语速语调、吐字清晰、重点突出等。另外，也可以采用“专题式教学”。将与教学内容相关的科研课题和成果梳理成不同的专题，以专题的形式进行讲授。一方面，可以邀请国内外专家开展学术讲座或者进行线上远程交流，讲解目前的在相关领域的研究动态。另一方面，教师可以在备课时在网上下载一些相关视频，通过播放视频辅助课堂讲授，补充完善教学内容达到更好的教学效果，提高学生的学习兴趣和积极性。学生根据自己的时间自由安排学习时间和学习地点，利用网络提前观看教学视频等学习资料，有针对性地记录学习中遇到的问题，先与同学进行讨论，查找资料，解决问题。例如，学生通过教学视频学习药用辅料学中抗氧剂相关内容，了解氧化作用的原理、影响因素和抗氧剂的定义、种类、选用原则等。通过网络资源检索药品、化妆品和食品中常用的抗氧剂的特点、理化性质、安全性、用途和配伍禁忌等，完成抗氧剂在不同制剂中的应用等相关测试练习，并将学习中的问题以在线讨论的方式相互交流。 2) 课中学习 首先，教师对本节课的知识点进行简单的回顾和总结，帮助学生梳理强化学习内容。然后，针对课前布置的思考题和学生在学习中遇到的问题，教师和学生一起进行讨论交流。仍以抗氧剂这节为例，学生在课前学习抗氧剂时，可能对抗氧剂应用过程中的细节和关键点如抗氧剂和其它辅料的添加顺序、是否需要添加抗氧增效剂、应使用何种材质的容器进行物料的混合和配制等存在疑问。教师引导学生就这些问题进行讨论，老师观察并参与学生讨论，与学生及时进行互动交流，对于重点问题进行集体讲解。再如，在讲解制剂的附加辅料时，教师讲解关于pH调节剂和缓冲剂、防腐剂和抑菌剂、抗氧剂等内容，侧重其结构特点、作用原理。同时，选择附加辅料中效能清晰、药用活跃度高的15~20个品种由学生按兴趣自由选题，分组查找近年发表在国际知名期刊的相关文章，进行归纳总结并在课堂上进行讲解和展示。由教师根据学生综合表现打分，并进行相应的补充和总结。这种教学模式不但可以巩固学生所学的知识，并且能够引导学生进行有逻辑的思考并适当发散，激发学生兴趣，引导学生对该问题进行自主的研究，寻找教材以外更新的技术和方法，了解国内外研究者目前在该领域的研究热点。 3) 课后延伸 仅仅依靠课堂教学体现科学研究成果和学科发展前沿比较困难，难以培养学生的科研思维和创兴能力。通过开展开放性实验，可以极大地丰富课程教学的内容并提高学生创新能力。另外，为检测学生的课前预期和课堂学习效果，教师可当堂测试和打分，对学生进行全面评价，根据反馈的信息及时调整教学方案，并将该结果按照一定的比例计算为期末成绩，以此来敦促学生自觉自主预习。教师根据学生的反馈信息，将重点和难点内容再次进行点评和总结并发布到网络，方便学生及时复习和巩固。同时指导学生如何利用网络检索课程相关的研究前沿和热点问题。
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user: 5. 教学效果分析 在期末考试中通过同一套试题，分别对采用翻转课堂教学的40名同学和采用传统教学的40名同学的药用辅料学期末考试成绩进行数据分析，结果如表1。由结果可知，采用翻转课堂教学的学生各种题型的平均成绩均高于采用传统教学的学生，通过统计分析可得P < 0.05，证明两组成绩具有显著差异，采用翻转课堂的教学效果较好。 Table 1 Analysis of students' final exam scores with different teaching mode 组别 名词解释 填空题 选择题 简答题 论述题 传统教学组 6.5 ± 1.12 9.51 ± 1.45 15.77 ± 1.76 28.82 ± 3.69 15.97 ± 1.15 翻转课堂教学组 8.0 ± 1.43 10.39 ± 0.38 17.89 ± 2.24 31.46 ± 2.51 17.11 ± 2.84 表1. 采用不同教学模式的学生期末考试成绩分析
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user: 6. 小结 药用辅料学课程信息量大、内容呈现方式单调的特点与翻转课堂不谋而合，在药用辅料学的课程教学中采用翻转课堂的教学模式能够弥补传统教学模式的不足，不但充分调动了学生学习的积极性和主动性，还能够使教师有效地因材施教、个性化教学。翻转课堂的教学模式大大提高了药用辅料学的教学效果。但在实施过程中也存在诸多挑战，例如教师对教材内容的熟悉程度和视频的录制，与翻转课堂配套的硬件设施是否完善，如何提高广大师生对翻转课堂这种新型教学模式的心理接受度和顺应性等。总之，我们要充分利用翻转课堂教学模式的优势和特点，不断完善和优化药用辅料学的教学模式，提高教学效果。
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user: 摘 要 为响应国务院《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》，解决高速公路收费瓶颈，实施基于“互联网+”的高速公路收费系统是我国高速工作发展的新方向。本文以广东蓝色通道为例，介绍了蓝色通道系统总体架构，关键技术以及收费系统功能设计。并根据应用软件需求对项目类型进行分析，选择合适的开发模型和组织结构类型，对软件研发组织进行设计，项目实施后取得了良好的效果，为“互联网+”的高速公路收费系统应用提供参考和借鉴。 关键词 :互联网+，高速公路收费系统，蓝色通道，应用软件，研发组织设计 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 现阶段我国高速公路收费方式仍以半自动收费(MTC)为主，并辅助以少量的全自动收费(ETC)车道，前者需要人工判别车型，后台计算机给出车辆通行费，收费员完成收费，操作收费效率低，运营成本较高，路径标识设备的购置及维护也需要较大的投入；后者通过车载电子标签，系统自动识别车辆信息并完成扣费操作，用户必须在办理点进行注册，购买OBU设备，且充值网点少日常充值不便 [ 1 ]。为此，对现有收费方式进行改进，提升服务质量有其实际意义。自2015国务院印发了《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》以来，许多以“互联网+”为主的新型支付方式打破了传统企业运营模式，这使得我国高速工作有了新的发展方向。 目前，李蓉 [ 1 ] 等人以某地级市收费站为例，分析了引入第三方支付方式的必要性，并给出关于“互联网+”的收费系统设计，同时对数据库系统进行分析，完善相应的收费管理制度，通过论证得出“互联网+”的高速公路收费系统将第三方支付平台与原有高速公路收费系统相结合，能够提升服务效率的目标。李靖博 [ 2 ] 以“互联网+”的高速公路收费系统设计作为切入点，确立了在高速公路收费系统的设计中添加更多的智能化元素的设计思路，以及以智能化、信息化技术为支持，以小范围物联网为工作平台，以通信技术作为交互手段，工作高效、有序的系统工作流程，在此基础上，论述了系统包括的监控系统、收费结构、通信系统等核心结构和功能，最后通过模拟分析的方式检测系统的价值。张有明 [ 3 ] 等人针对ETC天线识别错误、ETC车道数量限制、ETC用户普及率不高及单一的支付方式等问题，提出了基于“互联网+”的高速公路收费云平台系统。该系统下车辆能够不停车快速通行收费广场，用户能够使用多种支付方式缴纳通行费，系统总体结构主要包括车道广场出入车道中的“互联网+”智能设备、后台云平台。王泽宁 [ 4 ] 介绍和分析了基于互联网+卫星定位技术的高速公路不停车收费系统的技术原理、特点和应用情况，该系统通过安装在道路上的专用短程通信装置(DSRC)与智能手机进行信息交换，确认车辆是否与信息库中车辆信息一致。同时，安装在道路上的摄像机还自动拍摄车辆的车牌，作为稽查信息的一部分。根据以上系统原理和特点，分析了基于互联网+卫星定位技术的高速公路不停车收费系统的主要优点，为进一步利用信息技术促进高速公路不停车收费技术发展提供了一种新的视角和思路。 本文依托广东“蓝色通道”(BTC)实际工程，简要介绍基于“互联网+识别与支付技术”的高速公路联网收费系统研发项目，并根据改造工程应用软件项目需求，对其软件研发组织进行设计。
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user: 2. 项目概述 2.1. 项目总体描述 “蓝色通道”(BTC)是广东省为解决目前MTC、ETC系统存在的瓶颈，提升用户的通行体验和高速公路营运管理水平，实施的基于“互联网+识别与支付”技术的高速公路车辆通行费不停车缴费系统。BTC系统采用按“实际路径收费、按实际路径拆分”总体模式，选用“手机APP + 虚拟标识点 + 高清卡口防逃费稽查 + 辅以必要行政管理手段的技术路线”。蓝色通道相关系统总体架构由蓝色通道云平台、第三方支付平台、省移动支付平台、省联网收费运营管理平台、银行、蓝色通道移动应用APP、路段收费中心、收费站和收费车道系统等组成，系统框架如图1所示；数据传输流程图如图2所示。 图1. 系统框架图 图2. 数据传输流程图 2.2. BTC系统关键技术 2.2.1. “蓝色通道”云平台 “蓝色通道”云平台可以提供注册审核、后台充值、计费服务、扣费服务、运营监控、数据完整性校核、车辆合法性审核、稽查服务、对账服务、资金划拨、报表查询、基础数据管理、BTC虚拟标识点管理、发票开具、路段用户管理等功能。 2.2.2. 车道布局 BTC车道与ETC车道共用一条物理车道，能对BTC、ETC车辆进行正确处理，对MTC车辆进行拦截；BTC车道的设备布局适应不同的ETC车道类型(栏杆前置、栏杆后置、混合车道)，且BTC车道设备布局不受ETC车道实施标准化改造的影响，避免ETC标准化后BTC要进行二次改造。 2.2.3. 行驶路径的记录 BTC车辆进入高速后，BTC手机APP，通过路侧路径标识点时向蓝色通道云平台上传标识点信息，准确记录其行驶轨迹，并自动上传到BTC云平台。 2.2.4. 高速收费出入口缴费验证 BTC出入口车道能够准确的获取车辆身份信息，且上传BTC云平台审核；能根据云平台的审核结果执行控制车道外围设备放行、警告通行或拦截车辆等功能；实现出入口流水存入本地数据库，同时上传至BTC云平台及车道ETC系统。 2.2.5. 交易数据处理 ETC车道收费系统把BTC收费流水和交易流水上传至路段中心系统，清算、拆分平台从路段中心系统采集出口收费流水和出口交易流水。省移动支付平台通过对蓝色通道云平台发送过来的交易报表和从路段上传的交易流水进行交易比对。省运营管理平台从路段中心获取BTC交易数据，结合高卡识别数据进行路径比对，筛选差异数据。省移动支付平台接收来自省运营管理平台收费异常比对结果数据并转发至蓝色通道云平台。 2.3. “互联网+”收费系统功能设计 2.3.1. “蓝色通道”收费系统功能规定 在目前高速公路收费系统半人工收费与电子不停车收费的条件下，为弥补收费方式的不足，可通过“互联网+”第三方支付平台完善收费方式，使得用户在通过收费站时能够使用电子现金缴费的方式支付通行费用，为那些不想充值ETC大额电子现金以及出门未携带现金的司乘人员提供更加便捷的服务。 2.3.2. 第三方支付流程分析 蓝色通道云平台根据车辆的入口信息、出口信息、行驶路径信息等，依据计费规则计算应收通行费，采用后支付方式(云平台判断车辆为合法车辆后即放行)，并根据APP客户的支付类型分别处理： 1) 充值支付。车辆完成通行后，通行费从蓝色通道用户账户划拨到蓝色通道企业账户。 2) 基于信用体系的后支付(绑定签约代扣账户的收费方式，下称“直接支付”)。车辆完成通行后，通行费由用户绑定的第三方支付账号划拨到省营运协会清算(统收)账户。 2.4. APP应用功能需求 蓝色通道移动应用APP应用需求应包括：用户管理、车辆管理、支付管理、更新管理、路径信息记录、通行券功能等。 1) 用户管理：应具备用户注册、用户登录、密码重置、密码找回、地址管理、发票申请、BTC车道指引等功能。 2) 车辆管理：具备添加(编辑及删除)车辆、车辆授权及取消车辆授权等功能。 3) 支付管理：车辆通行费由车辆注册绑定的用户支付帐户统一支付，具备充值(预存)支付、基于用户信用体系的后支付等支付方式，优先使用充值支付。 4) 更新管理：APP可自动检测“蓝色通道”云平台是否有新的数据包，并可自动下载新的数据包更新数据。 5) 路径信息记录：BTC车辆进入高速后，APP应能准确记录其行驶轨迹，并自动上传到BTC云平台；当用户关闭手机上的数据服务、位置信息服务时，APP应有相关的记录并提醒用户。当数据服务恢复时，位置信息及记录应能自动将滞留数据上传。 6) 通行券功能：车辆通过BTC车道进入高速后，应有相应的信息提示当前用户，可以采用APP界面(或微信公众号、短信等)提醒用户已进入高速公路。
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user: 3. 项目类型、开发模型和组织结构组合的选用 3.1. 项目类型 对软件项目分析，该软件在市场上没有同类产品，产品属于创新性产品，但可以复用现有产品的基础平台和部分功能模块。此类新产品开发项目，需求通常不太确定，有可能会发生较大的变化，但在技术上有可复用或者借鉴的部分，所以技术风险相对不高。项目主要风险集中在需求方面属于可复用产品开发。 3.2. 开发模型 软件的开发模型有很多种 [ 5 ]，从众多的模式分析，基本可以归纳为三个类型：瀑布模型、原型模型、迭代模型，其他几种常用模型基本都可以通过这几种模型组合形成。其中瀑布型软件开发模型因为各项目阶段定义的都非常清楚，而且各项目阶段的成果物也有非常明确的要求，所以在整个项目节奏上能够很好的控制，同时各阶段成果物的质量也相对容易控制。对于BTC这种技术风险小，模块复用度较高的新产品开发类型项目类型宜采用瀑布型开发模型，具体项目开发流程图3所示： 图3. 系统开发流程图 3.3. 组织结构 针对BTC软件开发项目，因为需求不太成熟，需要从零做起，所以需要一定时间的积累，从项目组织结构上考虑，需要有一支配合度非常好且行动高度统一的团队。因为需求积累不足，技术未经实际应用、需求未经过实际用户体验，需要从各方面调查分析和研究，所以需要能力相对全面的资源组成团队，而且不同方向上的人员需要经常性的讨论和沟通，以便确定下一步的行动方向。这就需要统一的协调，需要有专门的人员进行组织和管理。所以从项目组织结构上看，选择项目型组织结构。
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user: 4. 蓝色通道软件项目的组织设计 BTC项目参与人数和参与方都比较多，项目组织设计的优劣，直接影响到了项目的进度、费用和质量，乃至项目的成功与否 [ 6 ]。BTC项目组织设计结合该项目的管理特点，在研发过程中考虑以下几个原则： 1) 组织结构扁平化原则，以利于项目组内的互相沟通； 2) 组织划分要专业化原则，以利于技术问题的解决； 3) 组织设计灵活性原则，以利于人员的正常流动； 3) 整体组织与内部组织相结合原则，以利于统筹兼顾。 按照以上原则对BTC项目组织进行进一步的设计，在大型应用软件开发项目组织设计中，我们首先要从整体考虑项目的组成，然后再重点考虑项目内部组织的结构。BTC软件研发组织整体架构如图4所示： 图4. 整体架构图 从项目实际运作的角度来考虑，项目组织更多指项目实施方的组织，在项目实施方组织结构必须包含项目组内部的管理层次和工作汇报关系等信息，即项目内部组织结构图，BTC软件项目研发内部组织结构图如图5所示。 图5. 项目内部组织结构图
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user: 5. 使用效果 BTC系统模式化的工作，智能化的平台相比较于MTC系统提升了总体效率，保证了工作的实时性和处理车辆通行信息的准确率；与ETC系统相比BTC系统不需要购买任何通行设备，并且引进第三方支付方式使用户通行缴费更加便利。 同时信息的积累是系统的一个衍生优势，在持续性的工作中，BTC收费系统可以不断将各类工作信息(收费站收费总额、车辆总数、违法行为总数)进行叠加，并以电子数据的形式保存，便于管理人员随时调取和查看，了解收费站工作态势以及未来工作重点，提升工作水平。根据以上设计方案，经过测试路段的多次测试论证，在使用路段进行使用，该软件使用效果良好。经过现场及后台数据分析，使用该系统极大提高了高速公路的通行效率，提升了高速公路收费管理的服务水平，为日后的“互联网+”的高速公路收费系统应用提供了很好的实践经验。
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user: 6. 结语 高速公路的发展对与之相关的工作提出了更高的要求，收费系统也需升级，广东省实施基于“互联网+识别与支付”技术的高速公路车辆通行费不停车缴费系统，以电子自动化作业代替人工作业，提升工作效率，其系统软件采用本文研发组织结构，项目实施后取得了良好效果。本文组织设计方案简明易懂，易于实现，可供同类项目组织设计参考。
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user: 摘 要 通过在醇铝法制备纳米氧化铝的过程中，添加不同掺杂量的石墨烯纳米材料，经溶剂热、干燥和煅烧等过程后，制备了准2D结构的片状纳米氧化铝材料；通过SEM和XRD的测试表征，随着石墨烯含量的增加，纳米氧化铝有呈现准2D的片状结构的趋势，当石墨烯含量在0.04%质量比时，氧化铝几乎全部形成准2D片状结构，石墨烯含量进一步增加时，形成氧化铝相互堆叠的立体结构。 关键词 :氧化铝，石墨烯掺杂，准2D，片状结构 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 以氧化铝等材料为基础所形成的陶瓷基材料由于其优异的性能，被用于多种多功能应用领域 [ 1 ]，例如智能传感器 [ 2 ]，电磁波吸收 [ 3 ]，和防腐 [ 4 ] 等，但是也存在一些如高脆性、低可重复压缩性、微缺陷敏感、低导电性等缺点。 为了克服这些缺陷，许多科研工作者尝试采用“自上而下”或“自下而上”等方法，将氧化铝等陶瓷基材料和其他纳米材料复合，形成具有特殊性能的纳米复合材料。“自上而下”的方法主要是利用机械方法或者利用化学反应将化合物剥离成单层或者多层化合物 [ 5 ] [ 6 ]。例如，有科研工作者使用“自上而下”策略制备了石墨烯纳米材料增强的陶瓷基复合材料 [ 7 ]，虽然材料的性能得到改善，但是由于石墨烯材料在分散和烧结过程中会产生聚集和退化，反过来也导致了微观结构(如微裂纹、气泡、分层和各向异性分布)和性能(如结构稳定性低、疲劳寿命低、导电性/导热性阈值大)等存在缺陷。“自下而上”是指从原子、离子以及分子角度直接生长成复合纳米结构 [ 8 ]。“自下而上”的方法由于几何形体和材料成分可控，在材料的机械强化和多功能化等方面都有很大的潜力。例如石墨烯纳米材料通过“自下而上”的方法电化学生长 [ 9 ]、电子束蒸发 [ 10 ]、和原子层沉积(ALD) [ 11 ] 等与其他纳米材料结合，形成具有优异性能的纳米复合材料。Wang等合成了具有机械柔性的阵列石墨烯/陶瓷复合结构，并将其用于锂离子电池的高性能阳极材料 [ 12 ]。氧化铝作为一种常用的陶瓷基材料，纳米氧化铝具有高的吸附容量、热稳定性以及催化活性，因此在工业领域中广泛应用。氧化铝是在地壳中含量非常丰富的一种氧化物，具有较高的熔点和良好的化学稳定性，被广泛运用于制备各种陶瓷材料、耐火材料、绝缘材料、热防护材料及半导体材料等。对于纳米氧化铝材料而言，除了具有氧化铝本身优异性能外，同时还具有纳米材料的尺寸效应、量子效应、表面界面效应等，使得纳米氧化铝材料具有比表面较大，孔隙率高、耐热性强，成型性好等特点，在催化、半导体、医药、光吸收等新材料领域有广阔的应用空间。二维的A1 2 O 3 纳米片有望表现出优异的光、热、电学等性能。但是由于A1 2 O 3 本身不具备层状结构，因此A1 2 O 3 与石墨烯的复合材料基本都是利用“自下而上”的方式，与石墨烯直接生长氧化铝，形成纳米氧化铝层状结构。Zhang及其同事合成制备了一种石墨烯/氧化铝陶瓷的复合超轻材料，其具有极佳的超弹性和高导电性能 [ 13 ]。 在本文中，我们报道一种改进醇铝法制备纳米氧化铝的流程，通过在前驱体形成过程中，添加不同量的石墨烯掺杂，利用石墨烯较强的亲水性、吸附能力和表面积，实现纳米氧化铝在石墨烯上的诱导生长，制备具有准2D的片状结构纳米氧化铝材料。
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user: 2. 实验 2.1. 实验原料 实验所用试剂为分析纯异丙醇铝，异丙醇，乙基纤维素M70，α-松油醇，来源于伊诺凯化学试剂公司，0.5%石墨烯水溶液分散液来源于阿拉丁试剂有限公司。 2.2. 测试和表征 使用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM， Gemini SEM 500， Zeiss)观察氧化铝颗粒的形貌等特征；利用X 射线衍射仪(XRD， X’Pert PRO， Philips， Holland)表征氧化铝颗粒的结晶度和晶型等特征。 2.3. 实验方法和步骤 图1. 石墨烯掺杂纳米氧化铝制备流程图 异丙醇铝在不同条件和试剂用量下进行水解，然后放置恒温箱水热。水解温度80℃时间6 h，水热温度160℃时间12 h (如图1所示)，具体说明如下： 氧化铝制备：将5 g异丙醇铝溶于20 ml无水异丙醇中，搅拌均匀后，缓慢滴加混合1.326 g去离子水的10 ml异丙醇混合液，在滴加过程中，保持80℃缓慢回流水解6 h；水解结束后，将混合物加入到50 ml的反应釜中，在160℃溶剂热保持12 h，反应结束冷却后，离心去除大部分溶剂后，将沉淀物与0.1175 g乙基纤维素，1.224 g α-松油醇混合后，加入20 ml无水乙醇，搅拌混合均匀后，旋蒸除去无水乙醇，得到具有一点粘度的膏状纳米氧化铝浆料，长期保存。 石墨烯掺杂氧化铝制备：将5 g异丙醇铝溶于20 ml无水异丙醇中，搅拌均匀后，缓慢滴加混合不同比例石墨烯分散液和去离子水的10 ml异丙醇混合液(石墨烯分散液质量分别为24.96 mg、49.92 mg、74.88 mg、99.84 mg、124.80 mg以及249.60 mg，对用石墨烯质量比为0.01%~0.05%以及0.1%，vs Al 2 O 3 )，保持80℃缓慢回流水解6 h；水解结束后，将混合物加入到50 ml的反应釜中，在160℃溶剂热保持12 h，反应结束冷却后，离心去除大部分溶剂后，将沉淀物与0.1175 g的乙基纤维素，1.224 g α-松油醇混合后，加入20 ml无水乙醇，搅拌混合均匀后，旋蒸除去无水乙醇，得到具有一点粘度的膏状纳米氧化铝浆料，长期保存。 测试样品制备：将上述氧化铝浆料以及石墨烯掺杂的氧化铝浆料均匀涂布在石英玻璃表面，在150℃干燥5 min后，再在空气条件下450℃煅烧3 h，煅烧冷却后获得的粉末用于SEM和XRD测试。
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user: 3. 结果与讨论 3.1. 石墨烯掺杂对纳米氧化铝形成的影响 我们首先比较了含有0.1%质量比的石墨烯掺杂对醇铝法制备过程中纳米氧化铝的形成过程的影响：通过在醇铝法制备纳米氧化铝的过程中添加石墨烯后，我们发现，最终氧化铝产物在干燥后，经过SEM的测试：在不含石墨烯时，纳米氧化铝以颗粒形式存在(如图2(a)所示)，相互之间没有明显的连接特点，纳米氧化铝颗粒分散，无明显的特征；但是在加入质量比含量在0.1%时的石墨烯时，我们通过SEM的测试发现，纳米氧化铝颗粒之间相互连接形成片状结构的堆积形式(如图2(b)所示)，颗粒之间相互连接形成类片状结构，并且片状结构之间相互堆叠，与不含石墨烯时有明显的区别。掺杂后所形成的纳米氧化铝的片状堆积形式，充分说明了石墨烯的添加对于纳米氧化铝的形成过程有着明显的影响。 图2. 石墨烯掺杂对纳米氧化铝形成的影响的SEM图 3.2. 不同石墨烯含量对纳米氧化铝形成的影响 为了阐明石墨烯掺杂对与纳米氧化铝的形成过程的影响，我们比较了不同含量的石墨烯掺杂对纳米氧化铝的结构的影响；我们设计制备了含量在0.01%到0.05%之间的质量比的石墨烯掺杂的纳米氧化铝的制备。 首先，我们对比0.05%和0.1%质量比含量的石墨烯后形成的纳米氧化铝的形态，发现含量为0.05%的石墨烯时，其形成的纳米氧化铝的形态和0.1%含量基本相同(如图2(b)和图3(f)所示)，说明在该范围内，石墨烯掺杂量的变化对纳米氧化铝的形成过程影响变化不大；因此，我们进一步比较了石墨烯掺杂含量在0.01%到0.05%之间时，对纳米氧化铝形成过程的影响； 在不含石墨烯的醇铝法制备纳米氧化铝的过程中，经过高压釜以及高温煅烧去除有机物后形成的氧化铝总体上呈现球形颗粒，颗粒粒径在15到30 nm之间，且分布较为均匀；在醇铝法制备纳米氧化铝的过程中，氧化铝颗粒生长基本保持各向同性，最终形成以均匀球形为主的颗粒，显示了醇铝法在制备纳米氧化铝的过程中的优势。当石墨烯掺杂含量增加时，球形纳米氧化铝形态依然存在，颗粒粒径随着石墨烯含量的增加，统计上有减小的趋势，但是变化不明显，颗粒粒径依然维持在15到30 nm之间。 另外，我们也能清晰的看到，随着石墨烯含量的增加，球形纳米氧化铝之间存在组装成片状准2D结构的趋势；这从0.05%石墨烯含量的氧化铝的SEM能明显看出：当石墨烯含量达到0.05%时，最终形成的纳米氧化铝依然能够看到颗粒状形态，但是我们也能发现，这些球状纳米颗粒之间也呈现组装成片状结构的趋势，在含量达到0.05%时，已经基本上不存在未组装的球形纳米氧化铝，所有的纳米颗粒都呈现出片状的组装结构(如图3(f)所示)。当石墨烯含量在0.01%时，形成的纳米氧化铝依然主要以球形颗粒为主，没有发现明显的组装结构(如图3(b)所示)，这说明在石墨烯质量比在0.01%时，对纳米氧化铝的 图3. 不同质量比石墨烯掺杂量的纳米氧化铝的SEM图：(a)不含石墨烯；(b) 0.01%；(c) 0.02%；(d) 0.03%；(e) 0.04%；(f) 0.05% 形成和组装的影响并不大。当石墨烯掺杂含量增加到在0.02%和0.03%时，通过SEM图已经能够看到，纳米颗粒之间存在明显的组装片状结构(如图3(c)、图3(d)所示)；我们也能发现，在含量在0.02%和0.03%时，纳米氧化铝组装的片状结构并没有完全包括所有的球形纳米氧化铝，依然存在一定比例的未组装的球形纳米氧化铝，这说明了，随着掺杂石墨烯含量的增加，球状纳米氧化铝会相互之间连接组装形成准2D的片状结构，当石墨烯含量较低时，连接组装的纳米氧化铝占比较低，存在片状结构的氧化铝和未组装的球形纳米氧化铝共存的状态。当石墨烯含量达到0.04%时，我们能够明显看到所形成的纳米氧化铝中，组装结构的准2D片状结构占据主导地位(如图3(e)所示)，未组装的球形纳米氧化铝含量已经降低到了极低的程度；在如图3(e)所示的SEM图中，能够明显看到片状的组装结构；另外虽然在图中也看到一些球形的纳米氧化铝，但是我们要注意到，这些球形纳米氧化铝和不含石墨烯掺杂的球形纳米氧化铝存在明显的不同；在不含石墨烯掺杂的非组装纳米氧化铝中，球形结构之间堆叠随机，没有明显的结构特点(如图3(a)所示)；但是在0.04%石墨烯含量的球形纳米氧化铝却呈现“线状”结构，通过这个明显的不同，结合纳米氧化铝组装的准2D片状结构，可以推测，石墨烯含量在0.04%的“线状”纳米氧化铝属于片状结构的边缘，当片状结构的边缘和SEM的观测方向垂直时，就呈现“线状”结构；因此在石墨烯含量0.04%时，所形成的纳米氧化铝主要为组装结构的准2D片状结构。当石墨烯含量进一步增加到0.05%时，已经基本看不到未组装的纳米氧化铝，主要表现为片状结构的纳米氧化铝相互堆叠形成的立体构型。 3.3. 结晶性能影响 图4. 不同石墨烯含量的氧化铝的XRD图 我们比较了不同石墨烯掺杂量的纳米氧化铝的XRD谱图(如图4所示)，能观察到所有的纳米氧化铝都在2θ角度37.23˚、66.20˚有明显的衍射峰，这可能主要属于γ-氧化铝311和440面的衍射峰，说明了在高温煅烧后，不同石墨烯掺杂量的纳米氧化铝都在向γ-氧化铝转变；其余明显衍射峰14.01˚、28.14˚等可能属于勃姆石等正交晶系向γ-氧化铝转变的中间状态 [ 14 ]，这可能时由于煅烧温度和时间的限制。同时，对比不同石墨烯掺杂量的纳米氧化铝的XRD谱图，能够观察到在14.01˚和66.20˚衍射峰都存在随石墨烯含量增加，峰强度先增加后减小的趋势，在石墨烯含量在0.04%时，衍射峰的强度最高；这说明了石墨烯掺杂对于γ-氧化铝以及其前驱体的晶体结晶都是有利的，石墨烯能够增加他们的结晶性；但是当石墨烯含量达到0.05%时，反而有所降低，这是由于过多的石墨烯使得前驱体溶液中的Al 3+ 等离子都和石墨烯产生相互作用，自生结晶的相互作用反而受到了影响，这也和SEM测试结果类似，在石墨烯含量在0.04%时，几乎所有的纳米氧化铝都正好集中在准2D的片状结构中，石墨烯含量再增加，反而使得片状结构之间相互堆叠形成立体结构。 结合XRD测试数据以及SEM特征，当我们在纳米氧化铝形成过程中，加入石墨烯时，由于石墨烯具有良好的亲水性以及极高的表面积和吸附能力，醇铝法制备工艺过程中，易于实现以石墨烯为核心和模板，在石墨烯上实现Al 3+ 离子以及水分子等吸附，使得氧化铝前驱体易于在石墨烯表面形成，氧化铝的前驱体以石墨烯为模板，进一步生长形成片状结构。如图5所示，在未加入石墨烯时，氧化铝前驱体形成不受影响，各向同性生长形成球形结构，经过煅烧后形成纳米氧化铝前驱体；随着石墨烯含量的增加，以石墨烯为核心和模板，生长形成的片状结构依次增加，在含量达到0.04%，几乎所有的氧化铝都沿着石墨烯生长，形成具有准2D的片状结构。石墨烯的含量进一步增加，主要增加纳米氧化铝之间的相互结合，片状结构相互堆叠形成立体构型，对增加片状的准2D结构是不利的。 图5. 纳米氧化铝的形成过程示意图：(a) 不含石墨烯；(b) 掺杂石墨烯
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user: 4. 结论 通过对醇铝法制备纳米氧化铝的过程进行优化，在水解和前驱体形成过程中加入不同含量的石墨烯掺杂，通过石墨烯实现氧化铝颗粒的诱导制备，并用SEM、XRD等测试方法研究了纳米氧化铝的微观结构和晶体特征。测试结果表明，石墨烯的加入利于实现纳米氧化铝的准2D片状结构的制备，利用石墨烯本身的强吸附、高表面积等特点，实现氧化铝沿着石墨烯模板的生长；当石墨烯含量在0.04%质量比时，获得的纳米氧化铝基本完全组装形成准2D的片状结构。在0.01%到0.04%的范围内，随石墨烯含量的增加，片状结构越来越多，含量达到0.05%后，石墨烯含量过多造成纳米氧化铝之间的相互堆叠，形成立体构型；准2D结构的纳米氧化铝对于氧化铝性质的影响有待进一步研究。
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user: 摘 要 本实验以平果拜耳法赤泥和锰矿结合提炼还原出的中锰铸铁作为原料，分别对试样使用不同温度进行淬火，并配合低中高温回火的热处理后观察其组织，研究中锰铸铁的硬度和耐磨性。实验结果表明中锰铸铁最佳热处理工艺为850℃淬火200℃回火，热处理后通过显微镜观察得到以回火马氏体为主，同时存在贝氏体、残余奥氏体以及少量碳化物的试样金相组织，其硬度较低易于加工，磨损后失重量小，耐磨性好。在相同淬火温度下，随着回火温度的增加，试样的硬度降低，耐磨性能减弱。淬火温度的变化对试样的力学性能的影响相对较小。 关键词 :中锰铸铁，热处理，性能，组织 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 赤泥是在氧化铝生产过程中产生的一种碱性不溶性残渣，含有大量可利用的氧化物和金属元素。尤其是铁元素，具有很高的二次利用价值 [ 1 ]。从赤泥中还原制备铁合金是拜耳法赤泥综合回收利用的一条重要途径，收到了国内外学者的广泛研究。中锰铁合金通常是指锰含量为5%~9%，硅含量为3%~5%的铁合金。作为近年来应用较为广泛的合金一种耐磨材料，常以中锰铸铁形式应用在生产生活中。中锰铸铁具有优秀的力学性能和更理想的生产成本，其结构特点是具有铁素体和奥氏体或贝氏体/马氏体和奥氏体组成的显微组织 [ 2 ]。尤其是在低温下，中锰铁合金因其高强度、高塑性和冲击韧性的优良组合而备受关注，在汽车、海洋平台、桥梁等领域具有潜在的应用前景 [ 3 ]。向拜耳法赤泥还原所得的铁合金中添加一定量的锰，可以制备得到中锰铁合金。但是由于赤泥直接还原所得的铁合金中成分比较复杂，组织性能不稳定，制备所得的中锰铁合金不能直接应用于工业生产当中，需要进行适当的热处理工艺，改善中锰铁合金的组织和性能，使其达到使用要求。若制备所得的中锰铸铁能够达到一定的使用性能，替代传统的中锰耐磨铸铁，就能大大降低生产成本，提高经济效益，具有十分重要的研究意义。 本实验采用以平果拜耳法赤泥还原出的铁合金为原料，制备得到了中锰铸铁，观察、对比以及研究经过了不同热处理工艺对中锰铸铁试样组织和性能的影响，探究中锰铸铁性能最优的热处理方案。