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0引言
随着现今经济的发展,人们生活质量的提高和健康意识的增强,火灾灾害频频发生,材料阻燃特性研究成为当下一个热议的话题,如何高效的利用材料自身的性质,加以合理的聚合和改造,使之成为阻燃特性好,阻燃性能优异,安全系数高,低烟低毒的材料,本文将从家庭使用的木质材料阻燃特性出发和现今工业在汽车、电子电气方面广泛使用的聚丙烯高分子阻燃剂,全面而系统的分析材料的阻燃技术的发展和技术现状。
1材料阻燃技术在家居木质材料上的应用分析
人们生活水平的不断提升,家居环境的美化,人们的健康意识也不断的更强,带来一些必须考虑的问题,家居环境的密封性使得家居所用材料对材料的阻燃技术有更高的要求,材料的阻燃特性对家居的安全隐患问题起着举足轻重的作用,材料阻燃技术不断的提出新的技术,满足各类需求。现今家庭所用的木质材料大多数是采用的是密度板,密度板有诸多益处,木质板材用于家庭装饰,美观,而且质轻,结构较为规则,一般木质板材表面度经过抛光处理,其现在广泛的应用于家庭装修中。当然木质板材也有很多的缺陷,例如时间长了后,容易变形,模板容易两端翘曲等问题,但是人造板材的使用,也使得木质材料的来源更加的广泛;更重要的一点是人造板材的使用,虽然是阻燃的一种,但是其级别相当于B2级别,也就是可燃性,其燃烧也是随着时间的推移,材质激将逐渐的改变,现如今的家庭火宅情况也时有发生,一旦火灾后,该木质板材将受到破坏性的损坏。现今家居环境室内所用密度板是一种木质的人造板,该板材从阻燃技术出发,京承天然木质材料咋阻燃性能方面的优势,有着良好的阻燃特性,装修材料按其燃烧性能应划分四级,见表1。
现今的阻燃材料多为难燃性,不燃性的材料少之又少,可燃性的材料也较多的被应用在现实生活中,对于易燃性的材料多为一些露天设施,家里的电线等等。对于难燃性的材料,其阻燃特性较为良好,其质量有保障,安全系数较高,较多的被现在的家居材料的所用,开发密度板阻燃特性良好的材料,是当今的材料阻燃技术研究是根本。
3材料阻燃技术在聚合物方向应用分析
聚丙烯是我们熟知的高分子材料,而一般的聚乙烯的材料属于易燃物质,例如我们家居生活中使用的塑料用具都是采用聚乙烯加工制造的,而对于材料阻燃技术的相应你果断要求的提出,聚丙烯高分子材料被广泛的应用于当今的日常生活中,聚丙烯简称pp,广泛用于汽车电子、家庭的装饰、建筑物的防火材料等等领域,聚丙烯和聚乙烯一样,属于B3级别的材料,易燃特性,但是聚丙烯高分子材料燃烧过程中,由于其亲氧气性能较低,燃烧不易产生含碳化合物,大大的增加了其易燃的特性,要保证其阻燃的特性,只有进行诸多的测试和实验,以进一步的推广和使用,研究新型的高分子材料,改善聚丙烯材料的阻燃特性是企业和社会发展的必须,具有重要的战略意义和实际经济意义。
对于聚丙烯类高分析物质,其中对于膨胀型阻燃剂,近年来发展较快,其阻燃特性较好,被广泛的应用在生活中,其阻燃性能高,安全系数高,低烟低毒等优点。以前膨胀型阻燃剂被美国两个特学家提出来,当时没有引起社会的关注,近年来,醉着材料阻燃技术的发展,环保问题的日益凸显,人们追本溯源,开始寻找一种新型的可用于环保的一个低毒的无卤阻燃剂,基于这些问题的提出和综合权衡,给膨胀型阻燃技术提供了广阔的发展空间。其中膨胀型阻燃剂的基本成分和各组分的主要功能见表2所示。
该聚丙烯阻燃材料膨胀所形成的的碳层阻止氧气从周围介质扩散到正在讲解的塑料中,材料的阻燃特性从高分子物质到现今的夹板材料,都是从材料的燃烧特性、低毒等方面考虑,深入的分析材料的阻燃特性,如此,安全系数高、低烟低毒的材料将更加的为现今所关注,从而在很大程度满足用户阻燃特性的要求,达到阻燃的目的。
4结论
对于阻燃特性好,阻燃性能优异,安全系数高,低烟低毒的材料,本文从家庭使用的木质材料阻燃特性出发和现今工业在汽车、电子电气方面广泛使用的聚丙烯高分子阻燃剂,全面的分析了材料的阻燃技术的发展和技术现状。木质材料的合理利用在一定程度上将改善我国森林资源匮乏的现状,木质阻燃材料的研究将期待了家居原始的木质材料易变性等缺点,大量的节约木质材料的使用,而聚丙烯聚合物高分子的使用,也得电子电气、汽车应用材料方面的特性提升,而且一般具有耐用性好,耐腐蚀等优点。材料的阻燃特性的分析和技术的发展将应用在生活的各个方面。
参考文献
[1]王建祺.无卤阻燃聚合物基础与应用[M].北京:科学出版社,2005.
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第二阶段(1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能,设计纳米复合材料,通常采用纳米微粒与纳米微粒复合,纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。
第三阶段(从1994年到现在)纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注,正在成为纳米材料研究的新的热点。国际上,把这类材料称为纳米组装材料体系或者称为纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系,基保包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。纳米颗粒、丝、管可以是有序或无序地排列。
如果说第一阶段和第二阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性,那么这一阶段研究的特点更强调人们的意愿设计、组装、创造新的体系,更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。著名诺贝尔奖金获得者,美国物理学家费曼曾预言“如果有一天人们能按照自己的意愿排列原子和分子…,那将创造什么样的奇迹”。就像目前用STM操纵原子一样,人工地把纳米微粒整齐排列就是实现费曼预言,创造新奇迹的起点。美国加利福尼亚大学洛伦兹伯克力国家实验室的科学家在《自然》杂志上,指出纳米尺度的图案材料是现代材料化学和物理学的重要前沿课题。可见,纳米结构的组装体系很可能成为纳米材料研究的前沿主导方向。
二、纳米材料研究的特点
1、纳米材料研究的内涵不断扩大
第一阶段主要集中在纳米颗粒(纳米晶、纳米相、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜与块体,到第三阶段纳米材料研究对象又涉及到纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料(包括凝胶和气凝胶),例如气凝胶孔隙率高于90%,孔径大小为纳米级,这就导致孔隙间的材料实际上是纳米尺度的微粒或丝,这种纳米结构为嵌镶、组装纳米微粒提供一个三维空间。纳米管的出现,丰富了纳米材料研究的内涵,为合成组装纳米材料提供了新的机遇。
2.纳米材料的概念不断拓宽
1994年以前,纳米结构材料仅仅包括纳米微粒及其形成的纳米块体、纳米薄膜,现在纳米结构的材料的含意还包括纳米组装体系,该体系除了包含纳米微粒实体的组元,还包括支撑它们的具有纳米尺度的空间的基体,因此,纳米结构材料内涵变得丰富多彩。
3.纳米材料的应用成为人们关注的热点
经过第一阶段和第二阶段研究,人们已经发现纳米材料所具备的不同于常规材料的新特性,对传统工业和常规产品会产生重要的影响。日本、美国和西欧都相继把实验室的成果转化为规模生产,据不完全统计,国际上已有20多个纳米材料公司经营粉体生产线,其中陶瓷纳米粉体对常规陶瓷和高技术陶瓷的改性、纳米功能涂层的制备技术和涂层工艺、纳米添加功能油漆涂料的研究、纳米添加塑料改性以及纳米材料在环保、能源、医药等领域的应用,磨料、釉料以及纸张和纤维填料的纳米化研究也相继展开。纳米材料及其相关的产品从1994年开始已陆续进入市场,所创造的经济效益以20%速度增长。
三、纳米材料的发展趋势
1.加强控制工程的研究
在纳米材料制备科学和技术研究方面一个重要的趋势是加强控制工程的研究,这包括颗粒尺寸、形状、表面、微结构的控制。由于纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应都同时在起作用,它们对材料某一种性能的贡献大小、强弱往往很难区分,是有利的作用,还是不利的作用更难以判断,这不但给某一现象的解释带来困难,同时也给设计新型纳米结构带来很大的困难。如何控制这些效应对纳米材料性能的影响,如何控制一种效应的影响而引出另一种效应的影响,这都是控制工程研究亟待解决的问题。国际上近一两年来,纳米材料控制工程的研究主要有以下几个方面:一是纳米颗粒的表面改性,通过纳米微粒的表面做异性物质和表面的修饰可以改变表面带电状态、表面结构和粗糙度;二是通过纳米微粒在多孔基体中的分布状态(连续分布还是孤立分布)来控制量子尺寸效应和渗流效应;三是通过设计纳米丝、管等的阵列体系(包括有序阵列和无序阵列)来获得所需要的特性。
2.近年来引人注目的几具新动向
(1)纳米组装体系蓝绿光的研究出现新的苗头。日本Nippon钢铁公司闪电化学阳极腐蚀方法获得6H多孔碳化硅,发现了蓝绿光发光强度比6H碳化硅晶体高100倍:多孔硅在制备过程中经紫外辐照或氧化也发蓝绿光;含有Dy和Al的SiO2气凝胶在390nm波长光激发下发射极强的蓝绿光,比多孔Si的最强红光还高出1倍多,250nm波长光激发出极强的蓝光。
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建筑节能理念已经成为世界各国建筑业发展中的重要理论指示,对于建筑节能检测技术的应用与发展世界各国也都做出了很多的努力。以下来探讨我们应当吸取哪些先进检测技术方法。
1、国内节能测试技术现状。国内建筑节能检测方法随着建筑节能的逐步深入与发展。近几年来,全国各省节能办公室纷纷筹建建筑节能检测中心。目前,国内外评价建筑节能是否达标,一般采用两种方法:一种是在热源(冷源)处直接测取采暖耗煤量指标(耗电量指标),然后求出建筑物的耗热量指标(耗冷量指标),此法称为热(冷)源法。第二种是在建筑物处直接测取建筑物的耗热量指标(耗冷量指标),然后求出采暖耗煤量指标(耗电量指标),此法称为建筑热工法。目前大多采用建筑热工法现场测量。其中最关键的一项指标是建筑保温隔热建筑墙体的传热系数。
2、国外建筑节能检测方法。国外在建筑节能领域注重建筑节能设计规范、标准的制定适应社会的发展需要;注重建筑节能设计的严格审查和建筑施工过程中建筑质量的保证;而对建成后的建筑除个别研究需要外,做节能检测的工作较少。因此,对于适合我国建筑节能需要的建筑墙体热工缺陷的检测技术方法的研究尚属空白。
二、常用的建筑节能材料
1、建筑主体的节能材料。(1) 轻集料砌块、粉煤灰及矿渣砖:矿渣、粉煤灰及粉煤灰陶粒是主要的工业废渣,利用工业废渣生产砖,既有利于节约土地,又可使工业废渣得到大量应用,使其具有很好的社会效益。轻集料砌块、粉煤灰及矿渣砖强度较高、可承重、隔热保温性能好、资源丰富、价格经济。(2) 混凝土空心砌块、混凝土多孔砖:混凝土空心砌块、混凝土多孔砖是建筑砌块的主要品种,由于中间中空或多孔有一定的隔热保温性能,加之制取方便,生产工艺成熟,砌筑简单,因此成为国内外主要的墙体材料。(3) 加气混凝土砌块:单一材料墙体即可达到50 %的目标,广泛用于框架结构住宅的填充墙或与砖墙组成复合墙体。
2、其他新型节能材料。(1) 保温砂浆:保温隔热砂浆是以水泥、膨胀珍珠岩等为主体材料,并添加纤维素等其他外加剂的复合保温隔热材料。具有强度高、产品不燃,而且由于多孔导热系数极低,和易性好、保温隔热性能好、成本低、加水拌和后粘聚性好、易施工等特点,对墙面处理过的房屋夏季室内气温比未处理过的房屋低2 ℃~3 ℃,空调能耗节约15 %左右,且每年的空调运行时间可比未处理前缩短20 d 左右,是夏热冬冷地区节能建筑较理想的复合保温隔热材料,是新一代绿色环保的保温材料。(2) 聚苯乙烯泡沫板:成型工艺产品一般包括EPS 板和XPS板两种类型。经加热预发后在模具中加热成型或挤压成型的白色物体,其有微细闭孔的结构特点,主要用于建筑墙体,屋面保温,复合板保温,冷库、空调、车辆、船舶的保温隔热,地板采暖,装潢雕刻等,用途非常广泛。(3) 硬质聚氨酯防水保温材料:聚氨酯保温复合板是由两层防水彩色涂层钢板或其他金属作面板,中间注入阻燃型聚氨酯硬质泡沫复合而成,是当今世界公认的最佳隔热保温材料。可用于大型工业厂房、仓库、展览馆、体育馆、冷库、净化车间等各种建筑的屋面和墙体,集保温、隔热、承重、防水于一体,色彩丰富、造型美观。具有自重轻、承载能力高、保温隔热性好、防火性能好、使用灵活的优点。 (4) 节能型保温隔热复合墙体。我国目前正在广泛推广使用新型墙体材料。采用节能型保温隔热复合墙体,节能效果显著。
三、建筑节能材料的检测技术分析
1、胶粘剂、抹面胶浆检测。在国家建筑工程行业标准《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统》( JG149- 2003) 中, 对胶粘剂、抹面胶浆的浸水拉伸粘结强度试验是引用标准《陶瓷墙地砖胶粘剂》JG/T547- 1994 的养护条件和《建筑室内用腻子》JG/T3049- 1998 的试验方法。其做法是: 将填涂胶粘剂、抹面胶浆的水泥砂浆块试样的胶粘剂、抹面胶浆层向上, 水平置于标准砂浆上面, 然后注水到水面距离砂浆块表面约5mm处, 静置7d 后将试件取出并侧面放置, 在50℃±3℃恒温干燥箱内干燥24h, 然后于试验条件下放置24h 后进行试验。
2、胶粉聚苯颗粒保温浆料检测。胶粉聚苯颗粒保温浆料由胶粉料和聚苯颗粒等组成, 施工时加水搅拌均匀, 抹或喷在基层墙面上形成保温层, 其保温性能和力学性能都与干密度密切相关。胶粉聚苯颗粒保温浆料干密度试件尺寸为300mm×300mm×30mm、抗压强度试件的尺寸为100mm×100mm×100mm。制备胶粉聚苯颗粒保温浆料标准试件, 应按产品说明书中规定的比例和方法, 将水、胶粉料和聚苯颗粒搅拌至均匀, 用油灰刀将标准浆料逐层加满并略高出试模, 用油灰刀沿模壁插数次, 然后用抹子抹平; 试成型后用聚乙烯薄膜覆盖, 并按要求进行养护。
3、导热系数检测的影响因素。导热系数是评价保温材料绝热性能的主要技术依据, 其物理意义为: 在稳态传热条件下, 当其两侧温差为1℃时, 在单位时间内通过单位面积的热量。测量材料导热系数的方法主要分为稳态法和非稳态法, 依据国家标准《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》GB10294- 88 。我们采用基于稳态法的平板导热系数测定仪测定材料的导热系数。 冷热板夹紧力和试件厚度。《标准》指出, 平板导热仪应配备可施加恒定压紧力的装置, 以改善试件与板的热接触或在板间保持一个准确的间距。测定绝热材料时, 施加的压力一般不大于2.5kPa。但实际情况是, 目前多数仪器均不配备可显示恒定压紧力的装置, 试验者无从判断夹紧力大小。夹紧力不同, 则导致试件尤其是可压缩试件测定状态的厚度不同, 给试验结果带来误差。依据《标准》, 由于热膨胀和冷、热板的夹紧力, 试件的厚度可能在变化, 因此, 建议在实际的试验温度和压力下测量试件厚度; 或在装置之外,重现试验条件下试件所受压力, 测量其厚度。对于可压缩试件( 如半硬质玻璃棉板或矿棉板) , 为了减少误差, 我们采用厚度反控制夹紧力的方法, 即先将样品置于压力机上, 施加规范规定的夹紧力, 记录该夹紧力时试件的厚度; 然后将试件置于平板导热仪中, 通过夹紧后厚度调节,反推知夹紧力基本达到要求, 然后进行试验。
结束语
随着城镇化建设的不断推进,建筑行业的迅速发展,使得我国能源消耗日趋严重。我国的建筑能耗量超过全国总用能量的1/3,居耗能首位,与此同时,住宅的使用能耗也在逐年增长,造成的一系列环境问题将最终影响住宅建设的可持续发展,要实现建筑节能,必须对建筑节能材料检测,因此对建筑节能材料检测技术的研究具有重要的意义。
参考文献:
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由于材料解析题在考查《历史课程标准》中规定的这些能力方面有自己独到的优势,成为各地中考的主要题型。训练学生的史料分析能力既可以提高学生的学习成绩,又能扩展学生的视野,发展学生的思维能力,培养学生学习历史的信心和兴趣。如何能有效地提高学生材料分析能力呢?下面我来谈一谈自己的几点做法。
一、明确概念,建立关联
首先使学生明确什么是史料,教材中的史料有哪些,史料在历史学习中有什么作用。
史料就是指那些人类社会历史在发展过程中所遗留下来的、并帮助我们认识、解释和重构历史过程的痕迹。
现在的中学历史教材上引用了大量内容丰富的原始材料,比如图片,包括人物照片、人物画像、情景图片、历史地图、图表等;文字资料,包括史书记载、人物名言、碑刻题字、报刊等。
这些史料基本上是围绕教材的重点和难点选取的,和正文内容相互补充,是对课文内容的印证和呼应,使大家在学习课文的过程中读到这些材料,能更好地理解课文的内容。
通过明确概念建立起史料与课本知识的有机结合,树立“论从史出”、“史论结合”的正确历史观。并由学生动手实践,从课本中找出几则史料,并说出它们分别印证、呼应、补充了课本中的哪一部分知识。使学生更进一步理解了史料和课本知识是密不可分的,在做材料题时离不开课本知识,因此,做好材料题掌握好课本知识是关键,在平时的学习中要注重基础知识的掌握。
二、题型分类,探索方法
在明确了概念,找到关联后,对材料题按考查的不同方式分成五种类型并归纳出各种类型的解题技巧:
类型一:答案在材料里。
解题技巧:这类题目的答案往往是原原本本地出现在材料中,所以要认真读材料,从中提炼出答案。一般有“根据材料回答”的标志。
类型二:答案在课本中。
解题技巧:这类题要结合材料所给的信息去课本中寻找相关答案。
类型三:联系实际,谈谈启示或感受。
解题技巧:这类题目往往要联系国家的时事热点或我们自己的学习和生活来回答。
类型四:归纳材料的主题。
解题技巧:运用语文阅读概括中心思想的方法去解答。
类型五:比较几则材料的异同。
解题技巧:根据提问在材料中寻找有效信息,再结合课本有关知识,通过划分知识板块来回答。
根据材料题的不同类型,归纳出各类型题的解题技巧与方法,并采用例题的形式给学生进行讲解分析,指导学生进行练习,通过练习掌握题型的分类及解题技巧。但是在很多材料题中,经常会出现上述几种类型的综合。而且答案在课本中的情况占绝大多数。所以我们要有扎扎实实的基础知识,做起材料题来才能得心应手。
三、过程分解,归纳步骤
在明确了材料题的五种类型与答题技巧之后。下面就是答题了。答题的过程可以划分为五个步骤:一读,二找,三联,四答,五查。
一读,就是读材料和问题。读材料要注意读全,不要忽视题前的说明性文字,它往往决定答题的大方向。还要注意材料后面的注释性文字,如材料的出处、作者、时间等。这里面往往隐含着重要信息,有可能成为我们解题的突破点。再就是读的顺序,读完材料后,如果不能完全明白材料的意思,我们可以先读一下问题,这些问题反映出出题者的考查意图,每一问互相呼应,与材料密切关联,往往弄清了一个问题,其他问题也就会迎刃而解。
二找,找就是找材料的关键词。材料无论多么长,核心都会体现在几个关键词上。尤其是对较生疏的材料,我们不能完全读懂。但只要找到关键词,就找到了解题的钥匙。
三联,联就是把问题和所学知识对接在一起,建立材料与课本知识的联系。一般来说,材料题无论多么灵活,都与课本知识密不可分,都能在课本中找到影子。“材料在书外,答案在书内”是材料题的重要特征。每一个问题都对应着一个知识点。我们在读完材料、找到关键词之后,必须结合所学知识,进行知识衔接,将教材与材料相结合,完成知识迁移。
四答,答题是做好材料题的关键。答题要注意以下几点:
1、问什么答什么,要言简意赅。
2、看分答题。考试时赋分一般根据答案要点,一点一分或二分,两点二分或四分,三分就要答三点。分多就要详细,分少就要简略。
3、分条陈述。对于内容较多的题目要分条表达,不要混在一起,没有条理。
4、对于一题的几问,回答时不要颠倒顺序。如果有不会落下的题目,其他题目一定要标明答的是那一问,以免让人产生歧义而失分。
五查,就是在答完题之后,一定要检查一遍。看答案是否和题目要求相对应,有没有漏题。
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上世纪中叶,单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功,导致了电子工业革命;上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明,促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业,使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功,彻底改变了光电器件的设计思想,使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用,将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路,必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式,彻底改变人们的生活方式。
2几种主要半导体材料的发展现状与趋势
2.1硅材料
从提高硅集成电路成品率,降低成本看,增大直拉硅(CZ-Si)单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ-Si发展的总趋势。目前直径为8英寸(200mm)的Si单晶已实现大规模工业生产,基于直径为12英寸(300mm)硅片的集成电路(IC‘s)技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm,0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产,300mm,0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功,直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。
从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看,研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外,SOI材料,包括智能剥离(Smartcut)和SIMOX材料等也发展很快。目前,直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功,更大尺寸的片材也在开发中。
理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题,更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料(如用Si3N4等来替代SiO2),低K介电互连材料,用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能,但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此,人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外,还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料,特别是二维超晶格、量子阱,一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等,这也是目前半导体材料研发的重点。
2.2GaAs和InP单晶材料
GaAs和InP与硅不同,它们都是直接带隙材料,具有电子饱和漂移速度高,耐高温,抗辐照等特点;在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路,特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。
目前,世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨,其中以低位错密度的垂直梯度凝固法(VGF)和水平(HB)方法生长的2-3英寸的导电GaAs衬底材料为主;近年来,为满足高速移动通信的迫切需求,大直径(4,6和8英寸)的SI-GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI-GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能,发展的速度更快,但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破,价格居高不下。
GaAs和InP单晶的发展趋势是:
(1)。增大晶体直径,目前4英寸的SI-GaAs已用于生产,预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI-GaAs也将投入工业应用。
(2)。提高材料的电学和光学微区均匀性。
(3)。降低单晶的缺陷密度,特别是位错。
(4)。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快,很有可能成为主流技术。
2.3半导体超晶格、量子阱材料
半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术(MBE,MOCVD)的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想,出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴,是新一代固态量子器件的基础材料。
(1)Ⅲ-V族超晶格、量子阱材料。
GaAIAs/GaAs,GaInAs/GaAs,AIGaInP/GaAs;GalnAs/InP,AlInAs/InP,InGaAsP/InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟,已成功地用来制造超高速,超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管(HEMT),赝配高电子迁移率晶体管(P-HEMT)器件最好水平已达fmax=600GHz,输出功率58mW,功率增益6.4db;双异质结双极晶体管(HBT)的最高频率fmax也已高达500GHz,HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器,红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化;表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前,研制高质量的1.5μm分布反馈(DFB)激光器和电吸收(EA)调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键,在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外,用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。
虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件,但由于其有源区极薄(~0.01μm)端面光电灾变损伤,大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年,就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器,输出功率达5W以上;2000年初,法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近,我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究,这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器,在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。
为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制,1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器,突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs/InAIAs/InP量子级联激光器(QCLs)发明以来,Bell实验室等的科学家,在过去的7年多的时间里,QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K,连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段(3-87μm),并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器;中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器,使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。
目前,Ⅲ-V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向,正从直径3英寸向4英寸过渡;生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用,每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心,法国的PicogigaMBE基地,美国的QED公司,Motorola公司,日本的富士通,NTT,索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用,必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。
(2)硅基应变异质结构材料。
硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙,如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究,但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料(纳米Si/SiO2),硅基SiGeC体系的Si1-yCy/Si1-xGex低维结构,Ge/Si量子点和量子点超晶格材料,Si/SiC量子点材料,GaN/BP/Si以及GaN/Si材料。最近,在GaN/Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道,使人们看到了一线希望。
另一方面,GeSi/Si应变层超晶格材料,因其在新一代移动通信上的重要应用前景,而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz,HBT最高振荡频率为160GHz,噪音在10GHz下为0.9db,其性能可与GaAs器件相媲美。
尽管GaAs/Si和InP/Si是实现光电子集成理想的材料体系,但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效,防碍着它的使用化。最近,Motolora等公司宣称,他们在12英寸的硅衬底上,用钛酸锶作协变层(柔性层),成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜,取得了突破性的进展。
2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料
基于量子尺寸效应、量子干涉效应,量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造(通过能带工程实施)的新型半导体材料,是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用,极有可能触发新的技术革命。
目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上,如GaAlAs/GaAs,In(Ga)As/GaAs,InGaAs/InAlAs/GaAs,InGaAs/InP,In(Ga)As/InAlAs/InP,InGaAsP/InAlAs/InP以及GeSi/Si等,并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组,柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In(Ga)As/GaAs高功率量子点激光器,工作波长lμm左右,单管室温连续输出功率高达3.6~4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组,2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层,抑制了缺陷和位错的产生,提高了量子点激光器的工作寿命,室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时,这是大功率激光器的一个关键参数,至今未见国外报道。
在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展,1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管,并在150K观察到栅控源-漏电流振荡;1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件,1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造,这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前,基于量子点的自适应网络计算机,单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。
与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比,高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组,在继利用MBE技术和SK生长模式,成功地制备了高空间有序的InAs/InAI(Ga)As/InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上,对InAs/InAlAs量子线超晶格的空间自对准(垂直或斜对准)的物理起因和生长控制进行了研究,取得了较大进展。
王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组,基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术,成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带,它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同,这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体,几乎无缺陷和位错;纳米线呈矩形截面,典型的宽度为20-300nm,宽厚比为5-10,长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系,可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组,分别在SiO2/Si和InAs/InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。
低维半导体结构制备的方法很多,主要有:微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法,应变自组装量子线、量子点材料生长技术,图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术,单原子操纵和加工技术,纳米结构的辐照制备技术,及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术,以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。
2.5宽带隙半导体材料
宽带隙半导体材主要指的是金刚石,III族氮化物,碳化硅,立方氮化硼以及氧化物(ZnO等)及固溶体等,特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料,因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点,成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料;在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外,III族氮化物也是很好的光电子材料,在蓝、绿光发光二极管(LED)和紫、蓝、绿光激光器(LD)以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破,GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前,GaN基蓝绿光发光二极管己商品化,GaN基LD也有商品出售,最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面,GaN基FET的最高工作频率(fmax)已达140GHz,fT=67GHz,跨导为260ms/mm;HEMT器件也相继问世,发展很快。此外,256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是,日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称,他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料,这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外,近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN,InGaAsN,GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视,这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。
以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展,2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片,以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售;以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市,并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高,且价格昂贵。
II-VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后,于1990年美国3M公司成功地解决了II-VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入(Zn,Cd)Se/ZnSe兰光激光器在77K(495nm)脉冲输出功率100mW的消息,开始了II-VI族兰绿光半导体激光(材料)器件研制的。经过多年的努力,目前ZnSe基II-VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时,但离使用差距尚大,加之GaN基材料的迅速发展和应用,使II-VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性,特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题,仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。
宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料,所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系,如GaN/蓝宝石(Sapphire),SiC/Si和GaN/Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生,极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响,是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱,必将大大地拓宽材料的可选择余地,开辟新的应用领域。
目前,除SiC单晶衬低材料,GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外,大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段,不少影响这类材料发展的关键问题,如GaN衬底,ZnO单晶簿膜制备,P型掺杂和欧姆电极接触,单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂,II-VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题,国内外虽已做了大量的研究,至今尚未取得重大突破。
3光子晶体
光子晶体是一种人工微结构材料,介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度,来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙,与半导体材料的电子能隙相似,并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播,相应光子晶体光带隙(禁带)能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏,那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模,光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔,从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有:聚焦离子束(FIB)结合脉冲激光蒸发方法,即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜,再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体;基于功能粒子(磁性纳米颗粒Fe2O3,发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2)和共轭高分子的自组装方法,可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体;二维多空硅也可制作成一个理想的3-5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前,二维光子晶体制造已取得很大进展,但三维光子晶体的研究,仍是一个具有挑战性的课题。最近,Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体,取得了进展。
4量子比特构建与材料
随着微电子技术的发展,计算机芯片集成度不断增高,器件尺寸越来越小(nm尺度)并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制,而无法满足人类对更大信息量的需求。为此,发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest,Shamir和Adlman(RSA)体系,引起了人们的广泛重视。
所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置,理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度,更大信息传递量和更高信息安全保障,有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多,其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码,通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算,自旋测量是由自旋极化电子电流来完成,计算机要工作在mK的低温下。
这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外,为了避免杂质对磷核自旋的干扰,必需使用高纯(无杂质)和不存在核自旋不等于零的硅同位素(29Si)的硅单晶;减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输,处理和存储过程中可能因环境的耦合(干扰),而从量子叠加态演化成经典的混合态,即所谓失去相干,特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。
5发展我国半导体材料的几点建议
鉴于我国目前的工业基础,国力和半导体材料的发展水平,提出以下发展建议供参考。
5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位
至少到本世纪中叶都不会改变,至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片,然而都未形成稳定的批量生产能力,更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力,首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发,在“十五”的后期,争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化,并有6~8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右,我国应有8~12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力;更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外,硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视,只有这样,才能逐步改观我国微电子技术的落后局面,进入世界发达国家之林。
5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议
GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后,没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下,并争取企业介入,建立我国自己的研究、开发和生产联合体,取各家之长,分工协作,到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的,到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2-3吨/年的SI-GaAs和3-5吨/年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力,以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年,应当实现4英寸GaAs生产线的国产化,并具有满足6英寸线的供片能力。
5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议
(1)超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发,应以三基色(超高亮度红、绿和蓝光)材料和光通信材料为主攻方向,并兼顾新一代微电子器件和电路的需求,加强MBE和MOCVD两个基地的建设,引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs/GaAs,InGaAlP/InGaP,GaN基蓝绿光材料,InGaAs/InP和InGaAsP/InP等材料体系的实用化研究是当务之急,争取在“十五”末,能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年,每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。
宽带隙高温半导体材料如SiC,GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点,分别做好研究与开发工作。
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2 材料的力学性能理论
2.1 材料受牵伸时的力学性能
塑形材料是指在外力作用下,产生巨大变形但不易被破坏的材料。屈服强度是指金属材料发生屈服现象时的屈服极限,也是指抵抗微量塑形变形的应力。脆性材料是指在外力作用下,产生极小的变形,如陶瓷、灰口铸铁等,不存在缩颈现象和屈服阶段。
2.2 材料受压缩时的力学性能
压缩试验是用来测定材料受压时的力学性能。在金属压缩试验时,大多采用短粗圆柱形试样,细长试样在压缩时极易失稳。相同的是,在屈服以前,拉伸曲线和压缩曲线基本相同。不同的是,低碳钢试样在压力逐渐增大的情况下,越来越扁。
2.3 材料的力学性能分析
刚度、强度和稳定性是评价一种材料和结构
力学性能的三大要素[3]。刚度是指材料抵抗变形的能力,具体体现在变形分析上。强度是指材料抵抗破坏的能力,具体体现在应力分析中。断裂和疲劳也是强度问题的一部分,断裂在宏观中是因为结构中裂纹的扩展,结构中的最大应力大于结构材料的破坏极限引起断裂。在微观中是由于分子之间或者是原子之间的键断开引起的。疲劳问题主要出现在塑形较高的材料中。对于强度更进一步的分析是弹塑性极限分析。稳定性是指结构抵抗外来扰动的能力,尤其是板、梁、壳在压缩荷载下的稳定性问题。稳定性问题是结构设计和分析中非常重要的一个问题,可以从不同的理论分析稳定性问题,一方面是振动分析,结构的模态、动力相应和固有频率,对结构固有频率进行分析目的是为了避免结构的固有频率和外力频率接近引起的共振破坏。弹性稳定性理论还有初始后屈曲理论、非线性大挠度理论和前屈曲一致理论等。薄壳稳定性有塑性稳定性理论和弹性稳定性理论等。
3 多晶体新型材料力学性能分析
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③固化或胶凝时间可人为控制;
④可用泵灌入裂缝,充填裂隙,堵截渗漏水,具有原位修复止水结构或单独构建防渗帷幕之功能,特别适用于地下隐蔽工程;
⑤固化或胶凝时体积收缩很小;
⑥固化物或胶凝体本身不渗水;
⑦固化物或胶凝体耐久性良好.上述特点和功能是我们通常熟习的防水建筑材料所不具备也无法替代的,正因如此,化学灌浆材料在防水工程上具有特殊的重要性,并以此成为防水建筑材料中不可或缺的重要成员
2.常用化灌浆材的分类
目前国内常用的化学灌浆材料按其性能与用途大致分为两大类,六大品种系列,上百种品牌.第一类是防渗止水型,这包括水玻璃、丙烯酸盐、聚氨酯和木质素浆材四大品种系列.第二类是补强加固型,这包括环氧树脂与甲基丙烯酸甲酯浆材两大品种系列.其中水玻璃浆材又可分碱性与酸性两大品种,聚氨酯浆材又可分油溶性、水溶性与弹性三大品种,环氧树脂浆材又可分为非活性稀释剂、活性稀释剂及呋喃树脂三大品种.必须指出,在第一类型中的水玻璃浆材也能用于补强加固工程,只是强度较低;在第二类型中的环氧树脂浆材也能用于防渗止水工程,只是单价偏高.现将国内用量较大的环氧树脂和聚氨酯浆材品牌及研发单位列于下表1和表2.
表1.国内常用环氧浆材品牌及研发单位
浆材品牌SK-1JXHK中化-798CW
研发单位中国水科院天津基础公司杭州华东院科研所广州中科院化学所长江科学院
表2.国内常用聚氨酯浆材品牌及研发单位
浆材品牌
PMLWHWTZS发单位天津大学华东院科研所华东院科研所上海隧道公司
3.主要用途及应用部门
由于化灌浆材具有前述七大特性,故化学灌浆浆材和技术特别适用于工程建设中的堵漏止水、帷幕防渗、基础加固和裂缝修补四个方面.从现在来看,化学灌浆的应用领域主要在水电、建筑、采矿和交通四个行业,具体应用领域大体如下
①大坝、水库、涵闸等基础防渗帷幕和基础加固;
②大堤、渠道、渡槽等的防渗堵漏及加固;
③核电站等的封闭止水防渗[1]和基础加固;
④地下建筑物(如地铁、人防、隧道等)的防渗、堵漏止水、基础加固和裂缝的补强加固;
⑤矿山、工厂有毒废渣、废水和城市垃圾场等截渗工程的防渗帷幕;
⑥矿井建设中的涌水堵漏、流沙治理及对软弱地层加固、稳定的预灌浆;
⑦石油钻井开采中的堵漏止水、钻孔护壁加固和驱油;
⑧桥基加固及桥体裂缝补强;
⑨机场跑道和停机坪、公路和铁路特殊路段的软弱地层加固、防渗和混凝土裂缝补强加固;
⑩江河海港港工建筑物(如码头、船闸、防波堤等)的基础防渗和加固
4.国内化灌浆材应用概况
化学灌浆材料在防水材料中虽属小品种,但随我国基础建设的发展应用量在逐年增加,年用量己远超万吨,现仅根据2004年沿海八城市12个企业或公司粗略统计的用量就有6635T,见表3.同时,在各部门中化学灌浆材料的应用也因工程要求不同而有所不同,有所选
表3.沿海八城市12家企业或公司2004年用浆量粗略统计
浆材种类水玻璃聚氨酯环氧丙烯酸盐
用量(T)/年4000220042015
择差别.如地下建筑业及地铁建筑防水多选用聚氨酯浆材;采矿部门止水和交通部门修复路基多选用廉价的水玻璃浆材;水电部门修筑大坝多选用丙烯酸盐做防渗帷幕和选用环氧浆材加固坝基;文物保护部门则选用甲基丙烯酸甲酯浆材来修复文物建筑等.化学灌浆材料在大型工程中应用量是很大的.葛洲坝电站一期工程护坦止水系统渗漏事故的修复,一次用弹性聚氨酯浆材20余吨;上海地铁4号线塌方冒水事故仅止水一项用聚氨酯浆材就达102吨;三峡工程近几年防渗堵漏和地基加固应用各种化学灌浆材料570多吨,见表4;广东一家化灌企业
表4.三峡工程化灌浆材应用概况
浆材名称CW环氧LW+HW聚氨酯丙烯酸盐
主要用途地基加固止水堵漏防渗帷幕
浆材用量(T)32018070
去年仅在桂、粤、湘公路修复工程的路基加固防渗中就用了水玻璃浆材2000吨以上,由此可见一斑
5.国内化灌浆材研究概况
我国化学灌浆事业是解放后开创的,经50余年发展,成绩斐然[2].这与一些产业部门和部份大专院校培养了一批从事化学灌浆技术的研究队伍密切相关.随着我国基础建设的发展,防水化灌浆材应用量逐年上升,浆材开发与应用的研究也在逐步增多.以近五年为例,在科技期刊杂志库捡索中化学灌浆的研究论文约有323篇,其中浆材研究与应用占240篇,见表5.由
表5.近五年国内化灌浆材研究与应用捡索概况
浆材环氧聚氨酯水玻璃丙烯酸盐丙凝甲凝木质素篇数1127327111052
%46.730.411.24.64.22.10.8
表5可见,从研究论文数量排序讲,前三位是环氧树脂浆材、聚氨酯浆材和水玻璃浆材,而
实际应用中则正相反,水玻璃浆材多于聚氨酯浆材,而聚氨酯浆材又多于环氧树脂浆材.从研究与应用所获成果水平来看也较高,世人瞩目的三峡工程化学灌浆的成果就是例子.该工程在
①应用国内研制的无毒丙烯酸盐浆材,替代有毒并有致癌可疑的丙凝浆材,首次建造大坝化学防渗帷幕[3];
②选用CW环氧浆材和水泥—化学复合灌浆技术,加固软弱泥化断层破碎带;和
③采用包括化学浆材在内的五层防渗止水措施,处理好泄水闸迎水面多条混凝土活缝上[4]都达到了国际先进水平.这其中三峡工程的高水头混凝土活缝处理,一直是中外媒体关注的焦点
6.化灌浆材与环境保护
化学材料中常含少量有毒害的化合物,用于防水的化学灌浆材料也不例外,因此研究与应用化灌浆材的人员一定要提高环保意识,做好防止污染的工作.积多年从事研究与应用防水化灌浆材工作的经验,特提出如下选择与应用化灌浆材,防止污染的四条原则[5]:
①能用水泥浆材解决工程防渗加固问题的绝不用化灌浆材;
②在满足工程防水设计基本要求的前提下,选用化灌浆材应首选无环境污染的水玻璃浆材;
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要准确解答材料题,就必须学会对材料的研读和对设问的把握,否则就谈不上对问题的回答了。为了能使学生更好地研读材料、把握设问,更准确地解答此类题目,对此类题目进行了一些粗浅的研究,结合农村思品课堂教学现状和在教学中的经验,总结了一些分析材料和研读设问的方法。
一、题型特点
材料分析题是中考试题中能力要求最高,最能体现综合性的试题。所谓材料分析题是一种对已给出材料(时政热点)进行分析、理解,再运用所学知识对材料相关问题进行分析说明的题型。它主要考查学生在理解和掌握基础知识的基础上运用知识分析问题、解决问题的能力及考查学生的思想水平、综合运用能力和综合表达能力。简单说,材料分析题是考查学生理论联系实际能力的题型,具有能对学生进行综合能力测试的优点,它既能考查学生对基础知识的理解和掌握,又能考查其理论联系实际、关注热点、分析问题、解决问题的能力。这类题的基本特点是:材料多样、设问灵活、知识综合、答案开放。
二、解题方法
1.阅读材料,找关键词p句
材料分析题一般给出一段或几段相关材料,甚至有的材料还很长,这就需要我们仔细阅读试题材料,抓住材料中的关键词,找到材料的关键信息,进而从关键词中找出与教材所对应的观点,答题的时候才不会跑题,而是准确地回答问题。如这样一道题目:一位家长来信:我是一位初三学生的母亲,现在遇到一个难题,我儿子就想当作家,上课应付了事,成天就是“创作”。我对他说:“就算作家,也要先打好基础,再说中国有几个韩寒?”可他却回答说:“你怎么知道我成不了下一个韩寒?我要抓紧时间写作,尽快成为一名作家。”这两次模考,他考得一塌糊涂。关键问题是他写的小说也很幼稚。结合材料,请你对这位初三学生想当家的行为进行评析。本题的关键词有“当作家”,与此对应的所学观点则是理想;“小说写的很幼稚”――理想的确立要结合自身的实际情况;“尽快成为一名作家”――急于求成;“先打好基础”――理想实现需要脚踏实地。解答此题关键要看到提问中是对“当作家”的行为进行评析,关注“当作家”这个关键词找到对应观点是理想,结合后面找出来的几个关键词,才能联系到教材所学知识点:理想的作用p确立以及实现等,从而顺利解答此题。
2.仔细审设问,比较异同
准确理解题目设问,也是我们分析回答问题的前提。在现如今的开卷考试中有很多题目的设问之间有很多相同之处,一看之下回答貌似一样,学生极易把答案照搬照抄。但其实仔细再审的话会发现他们是有不同之处的。如这样两个设问:问题一:请你列举两条党和政府为解决我国主要矛盾而采取的措施。问题二:请你列举两条党和政府为解决我国主要矛盾而采取的具体措施。对于现在开卷的学生来讲,他们就很容易把这两个问题的看成是一样的,答案就会抄成一样的。然而,事实上这两个问题确实不一样的。回答这两个问题都要先明白我国的主要矛盾是什么,才能找出措施。而这两个问题问的都是措施,可以说是我们政治中的“怎么做”的问题。正因为这样,很多学生才容易把两个问题混为一样的。第一个设问中只要回我们的做法即可,既可以是宏观的,还可以是具体的,但是具体的措施可能有很多,你无法列举出所有,所以它更注重宏观措施如:“以经济建设为中心”、“加强社会主义先进文化建设”等,就比“农村合作医疗”、“两免一补”等更为恰当准切,尽管后者答案也是可以给分的。而第二个问题中的“具体”两个字,则告诉我们回答这个问题是切记泛泛而谈的。如回答“坚持以经济建设为中心”,回答第一个问题是可以的,但回答第二个问题则不行了,而只能是“农村合作医疗”、“两免一补”,前者答案在这里则不能给分了。
三、结语
总之,要做好材料分析题,不仅要有扎实的基础知识即要掌握最基本的观点和知识,而且解题有法,准确完整地组织答案,应扣紧材料分析,进行“开放性”思维,多角度组织答案。只有在多练多思中积累,在探索中形成切合实际的解题技巧,才能在中考中取得好成绩。
参考文献:
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思想品德教育的实质是将一定社会的思想道德转化为受教育者个体的思想道德,思想品德课程对培养学生正确的世界观、人生观、价值观具有重要意义。随着新课程改革的深入和考试研究的不断创新,思想品德课程考试中,材料分析题因其贴近生活、立意深刻、形式灵活而成为中考主观题的必考题型。然而,从近几年的中考思想品德材料题来看,学生的分析说明题的得分率并不理想。究其原因有两点:一是知识掌握不牢;二是未能掌握答题技巧。下面,就学生在中考思想品德材料分析题解题中存在的问题探讨应对策略。
一、中考思想品德材料分析题解题存在的问题
中考思想品德试卷的组成,主要分为选择题和非选择题两大部分。而非选择题中,材料分析题占了很大的比例。通过学生作业以及检测的认真调研,可以发现学生在做材料分析题时存在如下问题:
(1)忽略题目关键词。练习和测试中,学生总是对材料主题熟视无睹,不能准确抓住材料的中心意思,乱写一通。
(2)阅读材料一目十行,不能做到边读边做记号,经常文本不符,偏离主题。好多学生不能仔细分析阅读材料,心不在焉,不能在材料上标上有助于解题的记号,不能准确分析材料的中心内容,导致答案离题千里。
(3)对设问的把握不够,甚至曲解题意,使知识与题目材料联系不够。学生在解题时对材料给出问题的理解存在偏差,不能准确抓住答题角度,有的学生甚至忽视明显的角度词语提醒,自己胡乱组织答案,答非所问。在答案语言组织中也会发现,学生对书本知识的理解运用也存在问题,不能与材料准确衔接。此外学生答题格式也存在很大问题,语言组织随心所欲,口语化较强,不能灵活运用书面语言,学科素养较差。
(4)思路狭窄,缺少广度和深度。认真分析学生的答案后不难发现,学生答题思路不够宽阔,不能发散思维,答案比较肤浅,缺少一定的广度和深度。
二、中考思想品德材料分析题解题对策
当前,中考思想品德命题在注重基础知识和基本技能的基础上,突出对学生学习能力的考查,注重引导学生的思想品德意识和主流价值标准。材料分析题要求学生具有对材料的理解运用和书本知识提炼的能力,具有逻辑思维能力和综合表达能力。它源于课本,高于课本,将书本理论和生活常识相融合。
(1)认真研读。阅读是做题的开始,好的开头是成功的一半。一般情况下材料分析题主要读设问和材料。第一,审读设问。首先要抓住设问的主体是谁,设问里有没有限定答题范围和要求。其次要找准答题的方向,思品题答题无非包括“是什么”“为什么”“怎么做”。同时要特别注意,设问要研读两遍,并且要做到边读边画,画出设问中的关键词、限制词。最后,带着设问要求去仔细研读材料内容。第二,浏览材料正文,结合设问重点读。思品材料分析题文字内容一般不多,层次较清晰,有明显的标点符号如分号,便于学生分层分析。阅读材料主要任务有三个,首先整体阅读与分层阅读相结合,整体阅读优先。其次分层阅读时,依照材料顺序,抓准关键性词语寻找有效信息。最后在读的过程中,对照设问要求,边读边画,在相关词句旁边写上相应的知识点,便于组织答案。
(2)查找知识点。在具体解题中,查找与研读是一致的,无须将二者分开。第一,当所给材料信息丰富,知识范围较大,甚至是跨年级跨单元时,要注意在解题时严格以材料为线索,将材料的有效信息一一回归教材,并结合大的知识框架来准确敲定所需知识点,正所谓大点略写。第二,当所给材料信息丰富,知识范围不大时,要以知识为线索去查找材料,并详细结合材料把所需知识点准确写出来,所谓小点详写。第三,当所给材料信息不丰富,只是用于创设情境时,要以知识体系为线索去精准查找知识点,注意知识点的整合。
(3)组织答案。首先,思路要清晰,层次要分明,答案序号化,把肯定的得分点写在最前面。其次,注意材料与书本理论结合,不能只写材料或只答理论,导致不必要失分。再次,务必使用学科语言,不可用大白话,要将答案组织成完整的句子而不是短语或关键词。最后,注意分值,一般情况都是一点一分或两分,适当多答一、两点,要基本写满,不可空白。
三、结束语
思想品德教育的实质是将一定社会的思想道德转化为受教育者个体的思想道德,思想品德课程对培养学生正确的世界观、人生观、价值观具有重要的意义。中考思想品德材料分析题解题习惯的养成,不是一朝一夕的事情,需要师生共同努力,不断强化要求,不放过每次材料分析题的解答锻炼,严格按照要求读题解题。要理清解题的基本思路,注重答题的基本步骤及答题的注意事项,掌握适当的方法,在思考中完善自我、寻找规律,提高解答材料分析题的能力和水平。
参考文献:
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我国钢铁分析近况近20年来,我国钢铁分析化学工作者在钢铁分析方面作了大量工作。近几年钢铁分析方面的学术活动也相当活跃。例如,2008年中国钢研科技集团有限公司和中国金属学会联合举办了《第十四届冶金及材料分析测试学术报告会》,2010年又举办了《第十五届冶金及材料分析测试学术报告会》,报告会上宣读了大量的钢铁分析的新方法和新成果;2010年中国机械工程学会理化检验分会和上海材料研究所举办了《全国材料检测和质量控制学术会议》,与会专家探讨了材料分析和质量控制方面的难点问题。
在有关钢铁分析的著作方面,王海舟先后出版了《钢铁及合金分析》《冶金分析前沿》《铁合金分析》《冶金物料分析》等书,曹宏燕编写的《冶金材料分析技术与应用》以及应海松编写的《铁矿石取制样及物理检验》,在专著方面作了重大贡献,对钢铁分析化学方法进行总结。郑国经编著的《原子发射光谱分析技术及应用》介绍了原子光谱技术及其在冶金分析中的应用,为钢铁分析化学工作者开展具体的钢铁分析工作提供了有效的指导。
在发表的论文中,王海舟在《面向21世纪的冶金材料分析》的综述中提出复杂体系的痕量分析、冶金材料原位统计分布分析以及在线实时分析三大问题将是中国冶金分析及冶金工艺工作者需要解决的问题。
我国对冶金材料分析方法标准的制修订十分重视。我国化学分析方法有自己的特色,制定的化学分析方法标准有很好的可靠性和实用性。我国常规化学分析技术和方法和并不落后于相应的国际和国外标准,湿法化学分析优势在国际上得到认可。我国在钢铁分析方法国际标准中采用了高灵敏度、高选择性的分析体系和有效掩蔽体系,很多标准的实用性和测量的准确度、精密度优于相应的国际、国外标准,体现了我国近年来在有机试剂合成、显色剂、掩蔽剂及分析体系研究和应用的成果。近年来,我国对仪器分析方法标准的制定取得了长足的发展,现行的96个钢铁分析方法标准中有42个是2006年至2008年制定或修订的,而其中多数是仪器分析和痕量元素分析方法,原子吸收法测定各元素、红外吸收法测定碳、硫的方法已普遍应用于金属材料分析方法标准中。
2006年以来制订了ICP-AES、ICP-MS、原子荧光、辉光光谱、原位分析等测定钢铁中多元素和痕量元素分析方法标准,最近还修订或
制定了钢铁及合金中氮、氧、氢的红外和热导分析方法标准等。可以说,我国仪器分析方法标准与ISO和国外标准相比,差距正逐渐缩小,某些分析技术还处于领先地位。
本文对近20年来我国钢铁分析的研究工作作一简单介绍,希望能供广大钢铁分析工作者参考,以便使我国的钢铁分析达到更高的学术水平。
钢铁化学分析方法概述。
1 原子光谱分析
近20年来,我国钢铁分析技术发展很快,尤其是原子光谱分析的普及和应用,为准确快速测定钢铁中的多种元素提供了行之有效的方法,很多分析化学工作者在原子光谱分析方面作了研究,利用原子吸收光谱分析和发射光谱分析在测定钢铁中常量元素和微量元素,研究内容分述如下。(如图1)
1.1 电感耦合等离子体原子发射光谱法
电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)可分析的样品种类广,分析速度快,可多种元素同时测定,检出限低、准确度高,在钢铁分析中占有十分重要的地位。将钢铁样品溶解后直接用ICP-AES测定了高硅钢中硅含量。王亚朋测定了钢中La和Ce含量,张健侣采用锌作内标测定了耐热合金中的12种常量元素含量。这些方法的特点是溶样后直接测定,操作简单,快速得到分析结果。但是,由于钢铁试样的基体铁是多谱线元素,等离子体原子发射光谱法的光谱干扰和背景干扰比较严重,因此有必要采取措施减少干扰。有分析工作者采用优化仪器参数和改进仪器工作条件的方法消除干扰,如刘信义在多道ICP光谱仪的固定通道上,采用改变狭缝角度的方法扩展了硅、磷、铌和钛通道的测量范围。另一种方法是将待测元素从基体中分离出来再进行测定,避免了基体的干扰。张亚杰等采用2-乙基己基膦酸酯(P-507)树脂使微量稀土元素与钢中的基体元素铁、钛、钒和钼分离,用ICP-AES同时测定钢中La、Ce、Pr、Nd、Sm、Y和Gd7中微量稀土元素。许玉宇等采用TBP萃淋树脂或DOWEX1-X8阴离子交换树脂在盐酸介质中将基体铁与待测元素分离,然后ICP光谱法测定。
这些方法都用于消除基体干扰,提高了分析方法的灵敏度,测定钢铁中痕量元素。
1.2 电感耦合等离子体质谱法
电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)应用于痕量元素分析,对金属分析来讲是灵敏度最高的仪器,可进行多元素同时分析以及同位素分析等。聂玲清等采用ICP-MS测定了钢铁样品中的B、Al、P、Cr、Pb、Sn、Sb、As、Bi元素。为了有效补偿仪器漂移和校正基体效应,常常需要使用内标。潘玮娟等通过选择内标控制信号漂移的影响,测定了低合金钢中B、Ti、Zr、Nb、Sn、Sb、Ta、W、Pb。刘正等采用Be和Sc为内标,使钢中A1和B的测定限降低到0.00001%~0.0004%。高分辨电感耦合等离子体质谱法也得到较多应用,如聂玲清用高分辨ICP-MS测定钢中Ce含量,测定下限达0.00002%。
ICP-MS的缺点是价格昂贵,对实验室环境的要求高,而且还有诸如灵敏度漂移、有些质谱干扰和基体干扰难以消除的问题。目前拥有该仪器的钢铁企事业单位不多,相应的分析方法标准尚未建立。
1.3 原子吸收光谱法(AAS)
原子吸收光谱法具有选择性好,光谱干扰少的优点,但属于单元素分析法。在钢铁分析中用于测定多种金属元素。火焰法具有简便快速的优点,但是检出限比较高;石墨炉法检出限低,通常需要加入基体改进剂,而测定的精密度稍差。李建强采用火焰AAS测定钢及高温合金中的Co。采用石墨炉AAS测定钢中的铌和痕量Sb。这些直接测定法中,李枚枚研究了三乙醇胺及十二烷基三甲基氯化铵对钼的増感作用并用于测定合金钢中钼含量,提高火焰法的灵敏度。为了提高AAS的灵敏度与抗干扰能力,各种的预富集分离是常用方法。吕振英采用二氧化锰为载体沉淀锑,与基体铁分离,然后用火焰原子吸收光谱法进行测定。龚育采用流动注射在线萃取-火焰原子吸收光谱法测定了钢中痕量钴和镍含量。
间接原子吸收光谱法主要用于测定AAS不能直接测定或直接测定灵敏度较低的元素。陆建平采用间接法测定磷含量,方法是在盐酸介质中使磷酸根与钼酸铵形成磷钼杂多酸,用甲基异丁基甲酮萃取,然后测定磷钼杂多酸中的钼,实现间接法测定磷。
1.4 原子荧光光谱法
原子荧光光谱法(AFS)具有灵敏度高、光谱简单等优点,但是主要用于能够产生氢化物或挥发性化合物的特定元素的分析,目前已应用于痕量As、Sb、Bi、Se、Te、Ge等11种氢化物发生元素的测定。
王海明采用氢化物发生-原子荧光光谱法测定钢铁及合金材料中痕量砷和铋,研究了用硫代氨基脲-抗坏血酸及磷酸作干扰抑制剂消除大量基体元素的干扰。郭德济采用氢化物-非色散原子荧光法同时测定钢铁中痕量硒和碲。胡均国采用双道氢化物非色散原子荧光仪分析了钢铁中As、Sb、Sn、Pb、Bi。
1.5 火花源原子发射光谱分析
火花源原子发射光谱法在钢铁分析中是传统分析方法,已有几十年的历史。它具有操作简单、测定速度快、不需要经过制样直接分析等特点,特别适合钢厂的快速分析。宋祖峰用火花源原子发射光谱法进行钢中微量钙和硼的炉前分析。火花激发直读光谱可用于钢中酸溶铝和全铝的检测,孙晓波将化学计量学的人工神经网络方法用于直读光谱分析,测定了中低合金钢中酸溶铝含量;郑建华利用脉冲分布分析法测定酸溶铝原理,测定了低合金钢中酸溶铝和全铝含量。目前火花源原子发射光谱已得到普遍应用,在现场分析、移动检测、工艺控制、成品分析等炼钢工业各个环节中起着重要作用。但是该方法对样品形状和尺寸要求较高,尤其是对不规则和尺寸细小的样品检测起来比较困难,分析结果还受到冷却时被分析元素分凝的影响。
2 分子光谱法
2.1 分光光度法
分光光度法是钢铁化学分析中重要的传统分析手段,许多经典的标准方法都采用分光光度法。近年来,由于具有良好分析特性的显色剂的方法研究和应用,使得光度法的灵敏度和选择性有了显著提高。
李厦采用高碘酸钾氧化法,锰可以在瞬间氧化成紫红色七价锰,再光度法测定。与标准方法的过硫酸铵氧化光度法和高氯酸氧化亚铁滴定法相比,该法是目前锰的光度法测定中显色最快的。傅家琨在硫酸介质中,使磷(砷)钼杂多酸与孔雀绿形成吸光度稳定的离子缔合物,利用该显色体系可以实现钢铁中磷、砷的联合测定。杨道兴将低合金钢和纯铁试样经酸分解后,以酒石酸钠作掩蔽铁,加丁二酮肟与镍生成丁二酮肟镍沉淀,用三氯甲烷萃取,再用稀盐酸反萃取。然后在氨性介质中,以碘为氧化剂,镍与丁二酮肟生成红色配合物,光度法测定镍。该法与丁二酮肟直接光度法测定镍相比,可达到的检出限更低。文莫龙利用加热发色测锰后的部分溶液,加显色剂DPC实现铬的联合测定,解决了退色比色法不稳定的问题,可同时测定锰和铬含量,简化了操作。郭峰在有聚乙烯醇存在时,使六价钼与罗丹明、硫氰酸盐形成三元配合物,该配合物灵敏度高,稳定性好。在表面活性剂存在下,苯基荧光酮(PF)与很多元素的显色反应都有较高的灵敏度,邱利平采用等吸收点法-K系数法进行钼和锡的同时测定,具有较好的测定效果。关于钢铁中钛含量的测定研究的人较多,张进才用N-BPHA(钽试剂)萃取钛,在反萃取钛后用二安替比林甲烷光度法测定;他还研究Ti、Ca共存下与茜素红(ARS)的显色反应条件,采用甲基异丁酮萃取分离Fe,测定纯铁、普钢等试样中小于0.01%的Ti;但是这两种方法都使用了萃取剂。
我国在化学分析方法方面具有传统优势,例如硝酸铵氧化滴定法测定高含量锰、Zn-EDTA掩蔽CAS光度法测定铝、硫氰酸盐-盐酸氯丙嗪萃取光度法测定痕量钨等,都是具有我国特色的优秀分析方法。由于显色剂、掩蔽剂等试剂的发展,该方面的研究也越来越成熟,缺点是此类方法不如仪器方法操作简单。
2.2 红外吸收光谱法
红外吸收光谱法用于测定钢铁中的碳和硫,目前已得到普遍应用。国外、国内冶金行业,都制定了一系列相应的检测标准方法,目前的研究重点是进一步改进仪器和方法的灵敏度。
3 结语
近20年我国钢铁分析研究工作取得了巨大进步,从传统的“湿法分析”为主转变为以“湿法分析”为基础、仪器分析为重点的局面,各种现代分析仪器普遍应用于炉前分析和成品分析,在线分析和离线分析,过程控制和品质控制等方面,在钢铁生产和贸易中发挥着重要作用。事实上,我国大型钢铁企事业单位,例如,北京钢铁研究总院、上海宝山钢铁公司和武汉钢铁公司等企业的分析实验室,以及国家质检系统的金属材料重点实验室,例如,常熟金属材料实验室,其冶金分析技术和装备已达到国际上等同的水平。由钢研总院、攀钢钢研院、首钢研究院、鞍钢钢研所、上钢五厂等七个大型钢铁企事业单位联合攻关,根据我国冶金生产中超纯冶炼的工艺要求,以及合金材料在执行国际先进材料标准时对痕量成分的检测要求,建立了钢铁、合金中21种痕量元素31个分析方法。这些方法在灵敏度、测定下限和测定精度等方面达到了目前国际钢铁分析的先进水平。随着钢铁研究的日趋深入及生产工艺的飞速发展,将对钢铁分析提出越来越高的要求,尤其是复杂体系的痕量元素分析、自动分析仪器的研制和应用、在线实时控制分析仪研究等领域,将是钢铁分析行业重点发展的方向。
参考文献
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一、引言
传统的试验机只能依靠试验人员来进行观察,再基于自身的经验来手工进行相应的调整,依靠指针表盘所显示的数据来进行材料性能数据方面的计算,其操作相对较为复杂,且适应不了当前试验机的实际需求,并也逐渐被社会所淘汰。针对这些问题,文章将在Delphi语言软件的基础上,结合单片机自身所具备的自动控制技术,把这一单片机应用在万能材料试验机的控制系统中,分析通用材料等各种试验标准,并在此基础上提出了一种模块化的上位机软件、下位机软件以及上下位硬件设计方式,并在此基础上对这种试验设计方法进行了评价,此外还实施了不同的试验。
二、测控系统硬件的设计
在本文中,这一测控系统硬件的核心为AVR单片机,以硬件模块化设计作为其思想来进行测控系统硬件的设计,该硬件包括了六个子模块,其结构如下图所示:
(一)单片机的最小系统。在该系统中主要采用的是AVR系列的Atmega16L单片机,其中最小系统是由复位电路、单片机、晶振以及电源所组成,在设计系统硬件中,复位电路作为一种比较常见的电路,其自身设计质量的高低将直接影响系统整个工作的可靠性以及稳定性。针对这一特性,为了使系统运行的可靠性得到保障,本文所阐述的这一系统,其复位电路是在单片机的低电平基础上,通过10kΩ电阻来实现复位电路等,这种方式比较简单,而且其可靠性也较强。此外,晶振电路主要采用的是陶瓷晶体和双30pF电容,其频率为8MHz。
(二)高精度的A/D转换模块。这一模块依靠压力以及变形等各种模拟型号的采集,通过滤波放大以后,将A/D转换器输入到该模块,同时将其转换成为数据信号,将其传递至单片机,其中A/D转换器采用的是型号为AD7710的转换器,而放大器则采用的是OP07这一型号。
(三)拉线编码器的解码模块。拉线编码器主要是测试工作台的位移,其包含两个内容:即即位编码与方向解码,编码器所产生的信号再经过光电耦合器隔离以后,就会进入到单片机、方向编码中,待信号被输入至单片机后,单片机就会对其进行相应的计数,并实施位移的计算。在本文所阐述的这一系统中,其电源模块主要是对所有IC予以供电。
(四)串口通讯模块和开关量输出模块。在该系统中,串口通讯这一模块可实现上位机、下位机间数据的通讯,当下位机将信号采集后,就会将其传送至上位机,接着由上位机来相关的命令,同时指示下位机下一步动作。而在系统中,其开关量这一模块的功能主要表现如下:第一,控制电机的输出方向以及其脉冲输出;第二,利用上述这一输出控制来过载保护系统。
三、软件的设计
(一)上位机的设计。针对万能机试验机自身测控软件操作的复杂性以及对试验人员的水平要求高等特点,本文所研究的这一软件主要分为三个部分。即试验模块、主程序以及设备配置模块,其中试验模块和设备配置模块都是以DLL形式来进行封装的,有利于新试验方式的扩展。其中动态链接库为一种资源库或者函数,可编写和语言没有关系的各种方程,可被其他的DLL文件或者应用程序所调用,基于该特性可得知,主程序能实现不同试验模块之间的切换,在试验人员在切换某预置试验模块时,和该试验模块有关的结果分析方式、控制过程以及数据记录等均会被完全的定制,使试验人员可从以往繁琐且专业的参数设置中释放出来。
(二)下位机软件的设计。这一软件为压力控制程序、通讯程序和数据采集程序等所构成,利用数据采集这一软件可实现单片机与转换器间通讯;而通讯程序则不仅可实现上下位机数据的交互,同时还可实现命令的解析;此外压力控制这一程序可对试验机实施加载控制,在这一程序中,如果采用的控制策略较为单一,就会导致其控制效果比较低下,如果采取的是单一且模糊控制策略,尽管能够有效改善其动态特性,但由于在其内部存在大量模糊的控制规则,很容易使其控制的准确性以及可靠性受到影响。
四、试验研究
(一)多目标持荷试验。实施该试验的目的就是为了测试这种算法在均匀加载以及目标持荷的时候所产生的效果,以此来验证这种测试控制系统基本性能,通过这一试验得知,这种算法满足一级精度的要求。
(二)水泥胶沙抗压试验。基于上述这一试验,再来实施水泥胶沙抗压试验,在试验过程中,其加速度可精确控制在试验的标准所规定的范围内,即2.4kN/s,而这也说明来该算法以及其控制器在控制精确力上的效果。
(三)金属材料的拉伸试验。基于上述的这两种试验,在本文还对具备明显的屈服材料实施了拉伸材料,在试验过程中,主要采取的是位移、力以及变形的三闭环控制,从其试验结果来看,所获的材料力学性能和该材料理论力学性能基本处于吻合状态,而这也在一定程度上说明了在三闭环的金属拉伸试验过程中,这种自适应PID算法具有较强的适用性。
五、结束语
综上所述,本文所阐述的这一材料试验机控制系统不管是在硬件上,还是在软件上均实现了操作、扩展以及设计的方便性,不仅使工作人员在试验过程中的工作强度得到了减轻,同时在一定程度上还使这些集成材料试验标准变得更为简单,且数据精度和系统的控制精度也较高。
参考文献:
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关键词 :居家养老;老人产品;老年人浴缸
中图分类号:TS914.254文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1665-2272.2015.07.0043
1浴缸的现状
现代浴缸大多数都是以外形时尚和材质优越著称。除了大城市可能会有为老年人设计的浴缸,其他二线或者以下城市就缺少相应的浴缸。这种为老年人设计的浴缸款式是少之又少。当然不止是浴缸,在其他的设施上很多地方也没有无障碍设施,都很难符合老年人的要求。
自古以来,不论中外,沐浴对于人们来说不仅是一种生活,更是一门艺术。沐浴的概念随着时代的变迁,其文化内涵和种种迹象特征都在演变。尤其是现代的沐浴文化和背景,各种设计师设计的造型,同时还有高科技与其结合,在这样的条件环境下滋生了各种高大上卫浴趋势。以浴缸为中心进行家庭社交,就是在这股潮流影响下兴起并发展起来的。沐浴发展到今天,浴缸在现代人的生活中占据着重要的位置。沐浴不仅仅只有给人的身体带来清洁的一面,另一面人们在精神层次上享受着沐浴带来的轻松。随着高科技在产品中的运用,各种新型的按摩浴缸让人们有了更多选择。越来越多的人也逐渐认识到,按摩浴缸有舒缓筋骨、愉悦身心的积极作用。所以沐浴浴缸产品自然慢慢进入人们的生活。
2浴缸材料分析
2.1木质浴缸
通常情况下卫浴的空间不会很大,通风和防潮都很一般。然而木质浴缸最忌讳的就是潮湿,当木质浴缸受潮时会产生木头裂开和腐蚀的情况,这种情况的发生会导致木质浴缸的使用年限缩短,由此可见木质浴缸需要经常保养。但为什么卫浴里的木质浴缸很受消费者的欢迎呢?
使用木质浴缸泡澡能促进体内的血液循环,还会产生的水压会对身体按摩,在泡澡的时候就等于做了一些日间常规运动,对身体的健康有很大的好处,并且木质浴缸泡澡非常舒服,还有方便清洗、不带静电、环保天然等等,洗完后用清水就可以洗干净,但木质浴缸需要日常的保养处理。
(1)木质浴缸的防潮是从材质开始,现在的木材主要是云杉、橡木、松木、香柏木等,市场上实木浴缸的材质以香柏木的最常见。现在不良商家都使用劣质木材来生产浴缸,就会导致浴缸在泡澡过程中出现一些质量问题,这样选购浴缸的时候千万要鉴别其材质,然后才能有效地预防其出现质量问题。
(2)木质浴缸最忌讳的是暴晒,是因为被暴晒后会使木质里的水分流失,使木头出现干裂,再经过洗浴时的泡澡就会出现各种问题,所以使用后千万不要暴晒在阳光下,并且还需在里面放一点水来避免干裂等情况的发生。
(3)木质浴缸在使用后需及时清理,先用刷子轻轻洗刷之后再用水清洗。在发现木质浴缸里有很多的污垢时,不要着急,可以用刷子刷洗,同时再加点清洁剂,清洁效果就会更快更好。木质浴缸时常清洗也是保养之一,不要放置在太阳下暴晒,以免漏水变形等。
2.2亚克力浴缸
亚克力浴缸是用一种开发较早的重要可塑性高分子材料制造的,特点是造型设计种类很多,重量在所有材质中算很轻的,表面亮度高,价格也很符合消费者的心理。但是由于这种高分子材料在高温和强压情况下容易出现变形。亚克力浴缸的寿命较长,虽然表面亮度高,但易老化,容易磨损。现代很多品牌厂家使用高亮度和高硬度材料作用在亚克力浴缸上,使亚克力浴缸更受消费者的欢迎。
2.3钢板浴缸
钢板浴缸是制造浴缸最常见的材质,因为钢板的硬度高,是制造浴缸最好材料之一,是由整块专用钢板受压成型,然后再用搪瓷作为表面材料制成的。
它具有很多特点;耐磨、耐热、耐压等等。使用寿命长是它的优点之一,重量在各类材料中适中,性价比是最大的特色,也是消费者选择钢板浴缸的理由。钢板浴缸不仅价格符合消费者水平,质量不重也便于安装。但惟独就是保温效果不如人意,注水噪声很大,造型上也显得比较单一。
2.4铸铁浴缸
铸铁浴缸和钢板浴缸一样也是传统浴缸中的一种,制作方法也是一样的,只是材料不同。铸铁浴缸最突出优点就是坚固、耐磨;缺点是保温性能差,放进热水很快便会变凉。铸铁重量可观,因此搬运、安装都有难度。铸铁浴缸的价格在各种材料中算高的,很大原因就是因为坚固、耐磨。目前中国是世界最大的铸铁浴缸生产国,产品大量出口国外。随着浴缸生产技术和制造技术的提高,大部分生产厂家都在大规模生产,铸铁浴缸突出特点是因为浴缸壁厚,使其保温性极好,这也是受消费者欢迎的理由之一,但泡澡时浴缸中的热量流失主要途径是通过水面,只有极少热量是通过缸体。还有些深受消费者喜爱的是在泡澡注水时噪声很小,比其他材料较方便清洁,对酸碱化学品也有抗性,表面亮度高等等优点都是其他材质浴缸所不能及的。所以一般铸铁浴缸价格为亚克力浴缸2~3倍。铸铁浴缸都是嵌入式安装的,因为重量比其他材质重得多,但是它超长的使用寿命成为消费者购买铸铁浴缸的理由。
铸铁浴缸的两种材料:铸铁和瓷釉。这两种材料都是耐用性极强的,这种材质的浴缸使用寿命都至少是50年,浴缸的表面在经过瓷釉处理后,表面光洁度高,方便清洗。铸铁浴缸价格比亚克力和钢板浴缸都要贵2~3倍。这也是在市场上难以普及的重要原因。铸铁浴缸的表面光洁平整,色泽温润亮度高,极易清洗,通常情况下用清洁剂加清水清洗。还有一定的防污垢特性,泡澡注水时噪声很小,使用年限上空间很大。
在市场上价格最高的就属铸铁材质的浴缸,但是它的造型受着材料的限制,颜色很单调,设计造型上也略显单一。不但分量沉重,而且安装及运输都很简单。在选铸铁浴缸时一定要注意釉面的光洁度和平整度。
2.5SMC塑钢浴缸
SMC塑钢浴缸是以FRP热塑成型,硬度较高,容易产生刮痕、脱漆,并且修补也费工夫,重量轻价格便宜,通常都是大量制造,但开模的费用很高,所以造型比较单调。
2.6FRP玻璃纤维浴缸
FRP玻璃纤维浴缸是以玻璃纤维和树脂一层一层压塑成型的,在厚度和材质上有分等级,厚度薄的比较脆,敲击时会有明显的空心声,容易刮伤、受压不强容易破、表面容易积污、易褪色。由于制造简单,也可以大量制造,所以价格便宜。另外有一种价格稍微高些,就是在玻璃纤维浴缸外覆亚克力,这样材质就较为坚硬。
2.7纳米浴缸
纳米浴缸最大的特性就是对环境的保护及对消费者身体健康的保护。它是由纳米技术与浴缸技术的结晶,是跨时代的产物,不但节约能源,还方便清洗,种类繁多的时尚造型也是它的优点之一,从而使人们在泡澡时身体与精神上的享受共存。纳米浴缸应用于家庭能有效治疗皮肤病;应用于桑拿洗浴,可以有效预防细菌滋生,并防止皮肤病的交叉感染。纳米浴缸技术的成功运用,将重新定义卫浴文化,并掀起浴室的一场革命。
3浴缸安装及清洁
3.1浴缸的安装及步骤
①浴缸的实际尺寸根据卫浴的大小而定;②先根据浴缸的尺寸,用砖水泥砌出浴缸的轮廓,底部根据卫浴的设计而决定是否砌浴缸平台,通常情况下都是要刚好与浴缸底部位置一样高;③将浴缸用由上往下卡入砖水泥砌好得轮廓;④把下水道管接好,放水测试是否漏水;⑤通常情况下安装的时候都会在浴缸、裙台周边及墙壁接触的地方打上玻璃胶,这样做是为了使浴缸的寿命延长,不但稳定了浴缸还不会让浴缸底部潮湿。
3.2浴缸的保养及清洁
现今很多消费者装修的时候都不会考虑浴缸,也有不少已经安装了的,也会基本闲置,反而占了不少卫浴的空间。但在浴缸里泡澡真真切切是人生的一大享受,大多数消费者都渴望自己家中也能有个心仪的浴缸,但是等浴缸安装好后,新的问题又来了,就是如何保养和清洁呢?现在就来看看亚克力的浴缸是怎样清洗保养的:①海绵和棉布及绒布是清洗浴缸最常见的工具,最忌讳的是钢丝球、钢丝刷。②可用温和清洗剂,但不要使用任何含有颗粒状物体的清洗剂。在遇到很难清除的污垢时,可以用牙刷加牙膏进行刷洗,因为一般的牙膏都有清洁美白的功能,用起来非常便捷;③在卫浴间里的卫浴产品大部分都是同样的材料,马桶清洁剂也是可以清洁浴缸的清洁产品之一,在每次清洗完后,还是要多放水冲洗,把浴缸表面残留的清洁剂冲洗干净,然后用干抹布擦干。④一般卫浴间都是很潮湿的,很容易滋生细菌,通常普通的清洗,表面上开起来清洗干净了,其实并没有,像这种情况应定期用开水冲洗。⑤浴缸排水管道被堵上是每个家庭都会遇到的情况,此时不必慌张,先将水阀门关好,将橡皮吸引器(疏通马桶用)放置在去水阀门上;在打开去水阀门的同时,闷住盆或浴缸的溢水孔;而后快速地上下吸引,将污垢或毛发吸出来,及时清理掉;⑥安装浴缸后最好不要换位置,如果决心已定,非移动不可,请联系专业人员帮忙。
4老年人的浴缸设计
目前国内常用的浴缸,长度大多为1.400~1.800 m,背靠着是倾斜的,如果老年人入浴,身体容易向前滑,脚也蹬不到对面的浴缸壁,因此容易发生溺水事故。要想提高入浴的安全性和舒适性。浴缸长度为0.950~1.050 m才是最适合老年人,同时靠背的弯曲度接近垂直。这样即使老年人在入浴过程中打滑了,也可以用脚抵住对面浴缸壁,从而支撑住身体,保持身体的平衡(详见图1、图2)。
大多数老年人的身体衰弱,在浴缸里进行全身入浴时,人体所承受的水压可达0.5~0.6 t,对心脏和肺都会造成很大的负担。所以老年人只进行半身浴是最安全的。浴缸的深度可以控制在0.500~0.550 m。
篇13
前言
高温材料已经成为先进材料中的优先发展方向, 材料在高温下的应用对航天技术领域具有极其重要的推动作用。以下就此进行了详细的论述。
一、高温合金材料分析
高温合金是指以铁、镍、钴为基, 能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。高温合金具有较高的高温强度, 良好的抗氧化和抗热腐蚀性能, 良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性等。高温合金为单一奥氏体基体组织, 在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用的可靠性, 且其合金化程度很高。就当今高温环境使用的高温合金来看, 镍基高温合金的使用范围远远大于铁基和钴基高温合金。较早的高温合金是在 80%Ni+ 20%Cr 合金基础上发展起来的锻造镍基高温合金 Nimonic80A, 通过添加少量的Ti 和 Al 来提高合金的蠕变断裂强度及抗高温氧化性能。镍基高温合金的发展最初是通过改变合金成分来提高合金的使用温度, 主要有两类: Ni- Cr-Al 系和Ni -Cr-Al-Ti- W-Mo-Ta 系合金。但随着发动机性能的不断提高, 镍基高温合金的使用温度已经接近极限, 用改变其合金成分来提高使用温度已非常困难。为了满足固体火箭发动机的使用要求, 高温合金的发展重点已由普通锻造和铸造高温合金发展为定向凝固高温合金和单晶高温合金, 并向弥散强化高温合金和纤维增强的高温合金发展。单晶高温合金已由第一代合金和第二代合金发展到含有 5% ~ 7% Re 的第三代单晶合金, 其工作温度已达到 1 204℃。
二、难熔金属材料分析
难熔金属( W、Mo、Ta、Nb 和 Zr 等) 及其合金, 由于具有熔点高、耐高温和抗腐蚀强等突出优点, 一直被列入重要航天材料之一, 应用领域涉及到固、液火箭发动机, 重返大气层的航天器,航天核动力系统等方面。钨具有非常高的熔点, 具有很好的抗烧损和抗冲刷能力, 常用作长时间工作的小型发动机的喉衬, 目前研究和使用较多的是钨渗铜材料, 由钨粉烧结成多孔钨骨架, 再经高温熔渗铜, 形成钨渗铜二元假合金。这种双组分金属复合结构部件在灼热的燃气流中工作时, 可使钨骨架结构中所渗透的铜熔融、汽化, 并从钨骨架中逸出。这种金属相变化需要吸收大量的热量而产生冷却效应, 加上铜良好的导热性, 使部件起到冷却降温效果, 以致部件可保持原有的工作特性而满足控制系统的要求。类似钨渗铜的高温材料还有钨渗银、钼渗铜等。
三、陶瓷材料分析
陶瓷具有高温强度高、熔点高、热稳定性好、热膨胀系数较小、抗氧化性好、密度低、硬度大、耐磨、资源丰富、价格低廉等特点。陶瓷的共价键结合结构在高温下具有按强度、刚度、硬度和耐磨性要求而调整结合的能力, 而且密度较低( 约为高温合金的 1/ 3) 。陶瓷的主要缺点是脆性大, 而且成形过程中内部会形成许多能引发破坏的微裂纹, 因而材料的强度分散系数很大,使用可靠性低, 所以改善韧性, 提高抗脆性断裂的能力, 是现在陶瓷研究的重点内容。
四、金属间化合物材料分析
金属间化合物具有作为高温结构材料的特殊优点, 许多金属间化合物的强度在一定的温度范围内随温度升高不是连续下降, 而是升高或保持不变。这种强度随温度升高而提高是一种反常的强度-温度关系,完全不同于传统金属材料的强度随温度升高不断下降的关系。这一发现推动了在金属间化合物形变特性和屈服强度反常温度关系方面新的理论模型和机制的研究。相比而言, 硅化物金属间化合物低温韧性虽然有些不足, 但高温下抗氧化性优异。在硅化物金属间化合物中,MoSi2基高温结构材料以其优异的综合性能而被认为是目前最有前途的材料。解决MoSi2低温韧性不足的主要途径有: 加入高熔点韧性增强剂, 如 Ti、Cr、Nb、Hf、Ta 和 W 等; 添加在热力学上与 MoSi2相容的陶瓷增强相如 SiC、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiB 和TiC; 通过加入 ZrO2, 利用其相变增韧作用来达到增韧效果; 还可同其他高熔点硅化物如Mo5Si3、WSi2和 NbSi2等进行合金化来提高性能。
五、金属基复合材料分析
金属基复合材料(MMC) 除了具有高的比强度和比刚度之外, 还像纯金属一样易成形和易连接, 具有可塑性、抗环境侵蚀, 以及在高温下能保持力学性能。根据基体材料的不同, 金属基复合材料分为铝基、钛基、镁基、铜基和高温合金基复合材料等。目前研制的金属基复合材料有连续纤维增强和非连续纤维增强两大类。
六、陶瓷基复合材料分析
陶瓷基复合材料( CMC) 的热稳定性、高刚度、高温强度和可接受的密度, 使它主要用于工作温度很高而又不冷却的固体火箭发动机和航天器轻重量结构。常用的陶瓷基体是氧化物、氮化物、碳化物; 增强材料可以是颗粒、晶须、纤维等, 但以长纤维效果最好, 如 C、Ai2O3、SiO2、SiC 等纤维。
七、梯度功能材料分析
所谓梯度功能材料, 是以计算机辅助设计为基础, 采用先进的复合材料, 使构成材料的要素( 组成、显微结构等) 沿厚度方向有一侧向另一侧连续的变化, 因而材料特性及功能也呈梯度变化的一种新型复合材料。梯度功能材料已经成为当前高温材料研究领域中的重要课题之一,在有些梯度功能材料中, 除了金属材料和陶瓷材料以外, 还有一个中间层, 主要为高强度的纤维( 如氧化锆、碳化硅纤维等) 和微粒( 如陶瓷或金属间化合物粉末, 碳粒或玻璃微粒等) 。目前研究用于高温材料的梯度功能材料体系主要有: SiC-C、TiB2- Cu、T iB2- Ni、W- Cu 和 Cu- B4C 等。
八、先进高温材料的发展趋势分析研究
1、将纳米技术引入先进高温材料的研究中, 先进高温材料经过纳米材料复合后, 强度韧性将会得到显著改进, 其高温力学性能尤其明显, 可望成为解决1 600℃以上先进高温材料的重要途径。
2、寻找更好的制备工艺, 减少制备周期及制备成本, 进一步提高材料的各项性能。
3、建立和完善先进高温材料各项性能指标的测试、表征技术和评价标准, 建立有关先进高温材料的数据库。
4、探索一些具有特殊性能的可应用于高温环境的新材料种类, 同时应研制容易制造和高温氧化环境中能重复使用的材料。
5、对于某些高温结构材料二次加工比较困难的问题, 同时为了降低陶瓷零件的制造成本, 需研究新的更经济的特种加工技术和近净成形加工工艺。
6、 研究整体结构的先进高温材料用来取代过去采用的一些复合结构, 达到减重的目的。
7、 将智能结构引入先进高温材料中, 研究和开发高温智能材料。
8、先进高温材料的应用研究也要大大加强, 同时应注意根据不同使用温度和环境合理选择不同的先进高温材料。