磁敏材料的研究与发展论文
纳米吸波复合材料的研究与发展趋势吸波复合材料主要是应用在飞机，坦克等表面来降低其被探测和摧毁的概率，提高目标的生存能力。吸波复合材料是一类功能复合材料，它能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的介质损耗使电磁波能量转变成热能或其它形式的能量_1]。吸波复合材料是由功能体(吸收剂)和基体组成。当吸波复合材料中的功能体为纳米量级时，吸波复合材料将产生不同于常规材料的吸波性能。在已公开报道的纳米吸波复合材料中，性能比较突出的是美国研制的“超黑粉”纳米吸波复合材料_2J，它实质上就是以纳米石墨为功能体的石墨一热塑性复合材料和石墨环氧树脂复合材料。纳米吸波复合材料之所以具有不同寻常的吸波性能是因为纳米材料的特殊结构引起的口]。一方面，纳米微粒尺寸为1～100 nm，远小于雷达发射的电磁波波长，对电磁波的透过率大大高于常规材料，这就大大降低了电磁波的反射率；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规微粒大3～4个数量级，对电磁波和红外光波的吸收率也比常规材料高得多。此外，随着颗粒的细化，颗粒的表面效应和量子尺寸效应变得突出，颗粒的界面极化和多重散射成为重要的吸波机制，量子尺寸效应使纳米颗粒的电子能级发生分裂，其间隔正处于微波能量范围(10 ～10eV从而形成新的吸波通道_|J。吸波复合材料按其应用形式可分为涂敷型吸波复合材料和结构型吸波复合材料。1 涂敷型吸波复合材料纳米铁氧体吸波复合材料_5。o]铁氧体吸波复合材料是既有一定介电常数和介电损耗，又有一定磁导率和磁损耗的双复介质。它除有电子共振损耗外，还具有铁氧体特有的畴壁共振损耗、磁矩自然共振损耗和粒子共振损耗等特性。其作用机理可概括为铁氧体对电磁波的磁损耗和介电损耗。23(5)：796—800．[37] 李华，Bocaz—Beneventi G，Have J．计算机与应用化学_J]，2002，1 9(3)：296—297．[38] 熊少祥，李建军，程介克．分析测试学报EJ3，1996，15(3)：69—73．将铁氧体纳米颗粒与聚合物复合而成的纳米复合吸波材料能有效吸收和衰减电磁波和声波，被认为是一种极好的吸波材料。铁氧体纳米复合材料多层膜在7～17 GHz的频率段内的峰值吸收为一4OdB，小于一lO dB的频宽为2GHz_l 。王国强等人对比了纳米铁氧体／导电聚合物复合吸波材料和非纳米铁氧体／导电聚合物复合吸波材料的吸波性能。实验结果表明，在8～12 GHz的频段内，纳米吸波复合材料的吸收率均高于非纳米吸波复合材料_1引。铁氧体吸波复合材料的研究重点在于如何通过调整材料本身的化学组成、粒径及其分布、粒子形貌及分散性等来提高复合材料损耗特性和降低其密度。美国已研制出一系列薄层状铁氧体吸波复合涂料，并成功应用于F一117A战斗机。纳米金属粉吸波复合材料_l �6�8从金属的电子能级跃迁、原子相对振动的光学波、原子的转动能级和原子磁能级的分析可以看出，具有磁性的金属超细颗粒与电磁波有强烈的相互作用，具备大量吸收电磁波能量的条件_l 。纳米金属粉吸波复合材料具有微波磁导率较高、温度稳定性好(居里温度高达770 K)等突出优点，己得到了广泛应用。纳米金属粉吸波复合材料主要包括羰基纳米金属粉复合材料和纳米磁性金属粉复合材料两类。其中羰基纳米金属粉主要包括羰基Fe、羰基Ni和羰基Co等：纳米磁性金属粉主要包括Co、Ni、CoNi和FeNi等。陈利民等人[1副制备了高抗氧化能力的纳米金属吸波复合材料y一(Fe，Ni)。实验结果表明，该材料在厘米波和毫米波波段均有较好的吸波性能。法国科学家最新研制成功了一种由CoNi纳米金属合金粉与绝缘层构成的复合材料。将该材料与粘合剂复合而成的吸波复合材料的电阻率高于5 Q�6�1cm，在50 MHz～50 GHz的频率范围内具有良好吸波性能 引。纳米有机聚合物吸波复合材料作为功能体的导电聚合物主要包括聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。其主要的吸波机理是：利用某些具有共轭主链的高分子聚合物，通过化学或电化学方法与掺杂剂进行电荷转移作用来设计其导电结构，实现阻抗匹配和电磁损耗，从而吸收雷达波。将不同种类的无机纳米相与有机聚合物复合可以制成强吸收的电阻损耗型、介电损耗型、磁损耗型纳米吸波复合材料。比如，将碳纳米管与聚合物复合能形成一种性能优良的电阻型宽带吸波复合材料。因为碳纳米管具有良好的导电性，引入到聚合物中不仅可形成导电网络，而且对复合材料有增强作用，比常规的炭黑、石墨填充到聚合物中的吸波性能强得多。结构型纳米吸波复合材料n。 们结构型吸波复合材料既能吸波，又能承载，具有频率宽、效率高、不增加消极重量等优点。目前结构型吸波复合材料主要有两大类：蜂窝夹层型吸波复合材料和层压平板型吸波复合材料口 。。]。下面主要研究作为功能体的结构型纳米复合材料的特点与应用。纳米SiC吸波复合材料lL2 。SiC功能体具有密度小、耐高温性能好和吸收频带宽等优点，但常规制备的SiC吸收效率较低，不能直接作为吸波复合材料的功能体。因此，必须对SiC进行一定的处理以提高其吸收效率。一般采取以下两种处理方法：提高SiC的纯度和对其进行有控制的掺杂。日本利用高纯度的原料，制得了纯度极高的SiC粉体。前苏联曾用掺杂的方法提高了SiC的吸波性能。此外，还可以采用多层复合的结构形式进行改进。日本用二氧化碳激光法制备出了具有优良吸波性能的Si／C／N 和Si／C／N／O 吸波复合材料 。最新的研究结果表明，Si／C／N和Si／C／N／O纳米吸波复合材料在毫米波段和厘米波段均有优良的吸波性能。纳米SiC纤维吸波复合材料SiC系列纤维具有强度高、模量高、热膨胀系数低、电阻率可调节等特性和耐高温氧化直径小、易于编织等特点，是高性能复合材料的理想增强剂。由于常规SiC纤维的电阻率分布在10。～10 Q �6�1C1TI的范围内，而其电阻率在10 ～10。Q�6�1C1TI范围内才具备较好的吸波效果。因此，SiC纤维必须用适当的处理来调节其电阻率。一般采用的方法为高温处理法和掺杂异元素法。王 军等人L2 制备出力学性能良好、电阻率连续可调的纳米SiC／Ti复合纤维。将这种纤维与环氧树脂复合后可得到具有良好的吸波性能的结构型吸波复合材料。前景展望针对吸波材料“薄、轻、宽、强”等性能方面的更高要求，需要首先研制出具有吸波性能的纳米粉体，然后根据具体要求将不同种类的纳米粉体进行各种形式的复合以获得最佳吸波性能。在先进复合材料基础上发展起来的既能隐身又能承载的结构型吸波复合材料，是当今吸波复合材料的主要发展方向。其关键技术主要包括复合材料层板的研制、介电性能的设计匹配、有“吸、透、散”等功能的夹芯材料的研制与设计及诸因素的优化组合匹配等。随着先进探测器的相继问世，吸波复合材料必将发展成能兼容米波、厘米波、毫米波、红外和激光等多波段的吸波复合材料。
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浅谈传感器的现状以及发展趋势2007-1-25 16:39:00 转:中国工控展览网 供稿1 微型化（Micro）为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性、灵敏性等）的要求越来越严格；与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。 由计算机辅助设计（CAD）技术和微机电系统（MEMS）技术引发的传感器微型化目前，几乎所有的传感器都在由传统的结构化生产设计向基于计算机辅助设计（CAD）的模拟式工程化设计转变，从而使设计者们能够在较短的时间内设计出低成本、高性能的新型系统，这种设计手段的巨大转变在很大程度上推动着传感器系统以更快的速度向着能够满足科技发展需求的微型化的方向发展。对于微机电系统（MEMS）的研究工作始于20世纪60年代，其研究范畴涉及材料科学、机械控制、加工与封装工艺、电子技术以及传感器和执行器等多种学科，是一个极具前景的新兴研究领域。MEMS的核心技术是研究微电子与微机械加工与封装技术的巧妙结合，期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新型系统。经过几十年的发展，尤其最近十多年的研究与发展，MEMS技术已经显示出了巨大的生命力，此项技术的有效采用将信息系统的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了一个新的高度。在当前技术水平下，微切削加工技术已经可以生产出来具有不同层次的3D微型结构，从而可以生产出体积非常微小的微型传感器敏感元件，象毒气传感器、离子传感器、光电探测器这样的以硅为主要构成材料的传感/探测器都装有极好的敏感元件[1]，[2]。目前，这一类元器件已作为微型传感器的主要敏感元件被广泛应用于不同的研究领域中。 微型传感器应用现状就当前技术发展现状来看，微型传感器已经对大量不同应用领域，如航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响；目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量，如位移、速度/加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生物分子浓度等2 智能化（Smart）智能化传感器（Smart Sensor）是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统。此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重视，尤其在探测器应用领域，如分布式实时探测、网络探测和多信号探测方面一直颇受欢迎，产生的影响较大。 智能化传感器的特点智能化传感器是指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。这一类传感器就相当于是微型机与传感器的综合体一样，其主要组成部分包括主传感器、辅助传感器及微型机的硬件设备。如智能化压力传感器，主传感器为压力传感器，用来探测压力参数，辅助传感器通常为温度传感器和环境压力传感器。采用这种技术时可以方便地调节和校正由于温度的变化而导致的测量误差，而环境压力传感器测量工作环境的压力变化并对测定结果进行校正；而硬件系统除了能够对传感器的弱输出信号进行放大、处理和存储外，还执行与计算机之间的通信联络。通常情况下，一个通用的检测仪器只能用来探测一种物理量，其信号调节是由那些与主探测部件相连接着的模拟电路来完成的；但智能化传感器却能够实现所有的功能，而且其精度更高、价格更便宜、处理质量也更好。与传统的传感器相比，智能化传感器具有以下优点：1．智能化传感器不但能够对信息进行处理、分析和调节，能够对所测的数值及其误差进行补偿，而且还能够进行逻辑思考和结论判断，能够借助于一览表对非线性信号进行线性化处理，借助于软件滤波器滤波数字信号。此外，还能够利用软件实现非线性补偿或其它更复杂的环境补偿，以改进测量精度。2．智能化传感器具有自诊断和自校准功能，可以用来检测工作环境。当工作环境临近其极限条件时，它将发出告警信号，并根据其分析器的输入信号给出相关的诊断信息。当智能化传感器由于某些内部故障而不能正常工作时，它能够借助其内部检测链路找出异常现象或出了故障的部件。3．智能化传感器能够完成多传感器多参数混合测量，从而进一步拓宽了其探测与应用领域，而微处理器的介入使得智能化传感器能够更加方便地对多种信号进行实时处理。此外，其灵活的配置功能既能够使相同类型的传感器实现最佳的工作性能，也能够使它们适合于各不相同的工作环境。4．智能化传感器既能够很方便地实时处理所探测到的大量数据，也可以根据需要将它们存储起来。存储大量信息的目的主要是以备事后查询，这一类信息包括设备的历史信息以及有关探测分析结果的索引等；5．智能化传感器备有一个数字式通信接口，通过此接口可以直接与其所属计算机进行通信联络和交换信息。此外，智能化传感器的信息管理程序也非常简单方便，譬如，可以对探测系统进行远距离控制或者在锁定方式下工作，也可以将所测的数据发送给远程用户等。 智能化传感器的发展与应用现状目前，智能化传感器技术正处于蓬勃发展时期，具有代表意义的典型产品是美国霍尼韦尔公司的ST-3000系列智能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度传感器，以及另外一些含有微处理器（MCU）的单片集成压力传感器、具有多维检测能力的智能传感器和固体图像传感器（SSIS）等。与此同时，基于模糊理论的新型智能传感器和神经网络技术在智能化传感器系统的研究和发展中的重要作用也日益受到了相关研究人员的极大重视。指出的一点是：目前的智能化传感器系统本身尽管全都是数字式的，但其通信协议却仍需借助于4～20 mA的标准模拟信号来实现。一些国际性标准化研究机构目前正在积极研究推出相关的通用现场总线数字信号传输标准；不过，在眼下过渡阶段仍大多采用远距离总线寻址传感器（HART）协议，即Highway Addressable Remote Transducer。这是一种适用于智能化传感器的通信协议，与目前使用4～20mA模拟信号的系统完全兼容，模拟信号和数字信号可以同时进行通信，从而使不同生产厂家的产品具有通用性。能化传感器多用于压力、力、振动冲击加速度、流量、温湿度的测量，如美国霍尼韦尔公司的ST3000系列全智能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度传感器就属于这一类传感器。另外，智能化传感器在空间技术研究领域亦有比较成功的应用实例[6]。发展中，智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。可以预见，新兴的智能化传感器将会在关系到全人类国民生的各个领域发挥越来越大作用。3 多功能传感器（Multifunction）如前所述，通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。 多功能传感器的执行规则和结构模式概括来讲，多功能传感器系统主要的执行规则和结构模式包括：（1） 多功能传感器系统由若干种各不相同的敏感元件组成，可以用来同时测量多种参数。譬如，可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起（即将热敏元件和湿敏元件分别配置在同一个传感器承载体上）制造成一种新的传感器，这样，这种新的传感器就能够同时测量温度和湿度。（2） 将若干种不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块硅片中，从而构成一种高度综合化和小型化的多功能传感器。由于这些敏感元件是被综装在同一块硅片中的，它们无论何时都工作在同一种条件下，所以很容易对系统误差进行补偿和校正。（3）借助于同一个传感器的不同效应可以获得不同的信息。以线圈为例，它所表现出来的电容和电感是各不相同的。（4）在不同的激励条件下，同一个敏感元件将表现出来不同的特征。而在电压、电流或温度等激励条件均不相同的情况下，由若干种敏感元件组成的一个多功能传感器的特征可想而知将会是多么的千差万别！有时候简直就相当于是若干个不同的传感器一样，其多功能特征可谓名副其实。 多功能传感器的研制与应用现状多功能传感器无疑是当前传感器技术发展中一个全新的研究方向，日前有许多学者正在积极从事于该领域的研究工作。如将某些类型的传感器进行适当组合而使之成为新的传感器，如用来测量流体压力和互异压力的组合传感器。又如，为了能够以较高的灵敏度和较小的粒度同时探测多种信号，微型数字式三端口传感器可以同时采用热敏元件、光敏元件和磁敏元件；这种组配方式的传感器不但能够输出模拟信号，而且还能够输出频率信号和数字信号.从目前的发展现状来看，最热门的研究领域也许是各种类型的仿生传感器了，而且在感触、刺激以及视听辨别等方面已有最新研究成果问世。从实用的角度考虑，多功能传感器中应用较多的是各种类型的多功能触觉传感器，譬如人造皮肤触觉传感器就是其中之一，这种传感器系统由PVDF材料、无触点皮肤敏感系统以及具有压力敏感传导功能的橡胶触觉传感器等组成。据悉，美国MERRITT公司研制开发的无触点皮肤敏感系统获得了较大的成功，其无触点超声波传感器、红外辐射引导传感器、薄膜式电容传感器、以及温度、气体传感器等在美国本土应用甚广。与其它方面的研究成果相比，目前在人工嗅觉方面的研究还似乎远远不尽人意。由于嗅觉元件接收到的判别信号是非常复杂的，其中总是混合着成千上万种化学物质，这就使得嗅觉系统处理起这些信号来异常错综复杂。人工嗅觉传感系统的典型产品是功能各异的Electronic nose（电子鼻），近10多年来，该技术的发展很快，目前已有数种商品化的产品在国际市场流通，美、法、德、英等国家均有比较先进的电子鼻产品问世。“电子鼻”系统通常由一个交叉选择式气体传感器阵列和相关的数据处理技术组成，并配以恰当的模式识别系统，具有识别简单和复杂气味的能力，主要用来解决一般情况下的气味探测问题。根据应用对象的不同，“电子鼻”系统传感器阵列中传感器的构成材料及配置数量亦有所不同，其中，构成材料包括金属氧化物半导体、导电聚合物、石英晶振等，配置数量则从几个到数十个不等。总之，“电子鼻”系统是气体传感器技术和信息处理技术进行有效结合的高科技产物，其气体传感器的体积很小，功耗也很低，能够方便地捕获并处理气味信号。气流经过气体传感器阵列进入到“电子鼻”系统的信号预处理元件中，最后由阵列响应模式来确定其所测气体的特征。阵列响应模式采用关联法、最小二乘法、群集法以及主要元素分析法等方法对所测气体进行定性和定量鉴别。美国Cyranosciences公司生产的Cyranose 320电子鼻是目前技术较为先进、适用范围也比较广的嗅觉传感系统之一，该系统主要由传感器阵列和数据分析算法两部分组成，其基本技术是将若干个独特的薄膜式碳-黑聚合物复合材料化学电阻器配置成一个传感器阵列，然后采用标准的数据分析技术，通过分析由此传感器阵列所收集到的输出值的办法来识别未知分析物。据称，Cyranose 320电子鼻的适用范围包括食品与饮料的生产与保鲜、环境保护、化学品分析与鉴定、疾病诊断与医药分析以及工业生产过程控制与消费品的监控与管理等。4 无线网络化（wireless networked）无线网络对我们来说并不陌生，比如手机，无线上网，电视机。传感器对我们来说也不陌生，比如温度传感器、压力传感器，还有比较新颖的气味传感器。但是，把二者结合在起来，提出无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）这个概念，却是近几年才发生的事情。这个网络的主要组成部分就是一个个可爱的传感器节点。说它们可爱，是因为它们的体积都非常小巧。这些节点可以感受温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。更让人感兴趣的是，每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机，它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号，进行编码，然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器 传感器网络传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。传感器网络的研究采用系统发展模式，因而必须将现代的先进微电子技术、微细加工技术、系统SOC（system-on-chip）芯片设计技术、纳米材料与技术、现代信息通讯技术、计算机网络技术等融合，以实现其微型化、集成化、多功能化及系统化、网络化，特别是实现传感器网络特有的超低功耗系统设计。传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2000 年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。 传感器网络研究热点问题和关键技术传感器网络以应用为目标，其构建是一个庞大的系统工程，涉及到的研究工作和需要解决的问题在每一个层面上都很多。对无线传感器网络系统结构及界面接口技术的研究意义重大。如果我们把传感器网络按其功能抽象成五个层次的话，将会包括基础层（传感器集合）、网络层（通信网络）、中间件层、数据处理和管理层以及应用开发层。其中，基础层以研究新型传感器和传感系统为核心，包括应用新的传感原理、使用新的材料以及采用新的结构设计等，以降低能耗、提高敏感性、选择性、响应速度、动态范围、准确度、稳定性以及在恶劣环境条件下工作的能力。 传感器网络的应用研究传感器网络有着巨大的应用前景，被认为是将对21 世纪产生巨大影响力的技术之一。已有和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，各种传感器网络将遍布我们生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”。以下简要介绍传感器网络的一些应用。（1）军事应用传感器网络研究最早起源于军事领域，实验系统有海洋声纳监测的大规模传感器网络，也有监测地面物体的小型传感器网络。现代传感器网络应用中，通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段，可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不便于到达的观察区域如敌方阵地内，收集到有用的微观数据；在一部分传感器因为遭破坏等原因失效时，传感器网络作为整传感器网络体仍能完成观察任务。传感器网络的上述特点使得它具有重大军事价值，可以应用于如下一些场景中：▉监测人员、装备等情况以及单兵系统：通过在人员、装备上附带各种传感器，可以让各级指挥员比较准确、及时地掌握己方的保存状态。通过在敌方阵地部署各种传感器，可以了解敌方武器部署情况，为己方确定进攻目标和进攻路线提供依据。▉监测敌军进攻：在敌军驻地和可能的进攻路线上部署大量传感器，从而及时发现敌军的进攻行动、争取宝贵的应对时间。并可根据战况快速调整和部署新的传感器网络。▉评估战果：在进攻前后，在攻击目标附近部署传感器网络，从而收集目标被破坏程度的数据。▉核能、生物、化学攻击的侦察：借助于传感器网络可以及早发现己方阵地上的生、化污染，提供快速反应时间从而减少损失。不派人员就可以获取一些核、生、化爆炸现场的详细数据。（2）环境应用应用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、便宜、长期不需更换电池、无需派人现场维护的优点。通过密集的节点布置，可以观察到微观的环境因素，为环境研究和环境监测提供了崭新的途径传感器网络研究在环境监测领域已经有很多的实例。这些应用实例包括：对海岛鸟类生活规律的观测；气象现象的观测和天气预报；森林火警；生物群落的微观观测等▉洪灾的预警：通过在水坝、山区中关键地点合理地布置一些水压、土壤湿度等传感器，可以在洪灾到来之前发布预警信息，从而及时排除险情或者减少损失。▉农田管理：通过在农田部署一定密度的空气温度、土壤湿度、土壤肥料含量、光照强度、风速等传感器，可以更好地对农田管理微观调控，促进农作物生长。（3）家庭应用建筑及城市管理各种无线传感器可以灵活方便地布置于建筑物内，获取室内环境参数，从而为居室环境控制和危险报警提供依据。▉ 智能家居：通过布置于房间内的温度、湿度、光照、空气成分等无线传感器，感知居室不同部分的微观状况，从而对空调、门窗以及其他家电进行自动控制，提供给人们智能、舒适的居住环境[16]。▉建筑安全：通过布置于建筑物内的图像、声音、气体检测、温度、压力、辐射等传感器，发现异常事件及时报警，自动启动应急措施。▉智能交通：通过布置于道路上的速度、识别传感器，监测交通流量等信息，为出行者提供信息服务，发现违章能及时报警和记录[17]。反恐和公共安全通过特殊用途的传感器，特别是生物化学传感器监测有害物、危险物的信息，最大限度地减少其对人民群众生命安全造成的伤害。（4）结论无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器网最终可能将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全调控、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。但是，我们还应该清楚的认识到，无线传感器网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还还远谈不上成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业的发展。无线传感器网络是新兴的通信应用网络，其应用可以涉及到人类生活和社会活动的所有领域。因此，无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，需要各种技术支撑。目前，成熟的通信技术都可能经过适当的改进和进一步发展，应用到无线传感器网络中，形成新的市场增长点，创造无线通信的新天地。5 结语当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。微波传感器依靠微波的很多优点，将广泛地用于微波通讯、卫星发送等无线通讯，和雷达、导弹诱导、遥感、射电望远镜中。并且在一些非接触式的监测和控制中也有很好的应用。
磁性金属材料研究现状与发展论文
磁性材料是一种重要的电子材料。早期的磁性材料主要采用金属及合金系统，随着生产的发展，在电力工业、电讯工程及高频无线电技术等方面，迫切要求提供一种具有很高电阻率的高效能磁性材料。在重新研究磁铁矿及其他具有磁性的氧化物的基础上，研制出了一种新型磁性材料——铁氧体。铁氧体属于氧化物系统的磁性材料，是以氧化铁和其他铁族元素或稀土元素氧化物为主要成分的复合氧化物，可用于制造能量转换、传输和信息存储的各种功能器件。铁氧体磁性材料按其晶体结构可分为：尖晶石型（MFe2O4）；石榴石型（R3Fe5O12）；磁铅石型（MFe12O19）；钙钛矿型（MFeO3）。其中M指离子半径与Fe2＋相近的二价金属离子，R为稀土元素。按铁氧体的用途不同，又可分为软磁、硬磁、矩磁和压磁等几类。软磁材料是指在较弱的磁场下，易磁化也易退磁的一种铁氧体材料。有实用价值的软磁铁氧体主要是锰锌铁氧体Mn－ZnFe2O4和镍锌铁氧体Ni－ZnFeO4。软磁铁氧体的晶体结构一般都是立方晶系尖晶石型，这是目前各种铁氧体中用途较广，数量较大，品种较多，产值较高的一种材料。主要用作各种电感元件，如滤波器、变压器及天线的磁性和磁带录音、录像的磁头。硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。硬磁铁氧体的晶体结构大致是六角晶系磁铅石型，其典型代表是钡铁氧体BaFe12O19。这种材料性能较好，成本较低，不仅可用作电讯器件如录音器、电话机及各种仪表的磁铁，而已在医学、生物和印刷显示等方面也得到了应用。镁锰铁氧体Mg－MnFe3O4，镍钢铁氧体Ni－CuFe2O4及稀土石榴型铁氧体3Me2O3•5Fe2O3（Me为三价稀土金属离子，如Y3＋、Sm3＋、Gd3＋等）是主要的旋磁铁氧体材料。磁性材料的旋磁性是指在两个互相垂直的直流磁场和电磁波磁场的作用下，电磁波在材料内部按一定方向的传播过程中，其偏振面会不断绕传播方向旋转的现象。旋磁现象实际应用在微波波段，因此，旋磁铁氧体材料也称为微波铁氧体。主要用于雷达、通讯、导航、遥测、遥控等电子设备中。重要的矩磁材料有锰锌铁氧体和温度特性稳定的Li－Ni－Zn铁氧体、Li－Mn－Zn铁氧体。矩磁材料具有辨别物理状态的特性，如电子计算机的“1”和“0”两种状态，各种开关和控制系统的“开”和“关”两种状态及逻辑系统的“是”和“否”两种状态等。几乎所有的电子计算机都使用矩磁铁氧体组成高速存贮器。另一种新近发展的磁性材料是磁泡材料。这是因为某些石榴石型磁性材料的薄膜在磁场加到一定大小时，磁畴会形成圆柱状的泡畴，貌似浮在水面上的水泡，泡的“有”和“无”可用来表示信息的“1”和“0”两种状态。由电路和磁场来控制磁泡的产生、消失、传输、分裂以及磁泡间的相互作用，即可实现信息的存储记录和逻辑运算等功能，在电子计算机、自动控制等科学技术中有着重要的应用。压磁材料是指磁化时能在磁场方向作机械伸长或缩短的铁氧体材料。目前应用最多的是镍锌铁氧体，镍铜铁氧体和镍镁铁氧体等。压磁材料主要用于电磁能和机械能相互转换的超声器件、磁声器件及电讯器件、电子计算机、自动控制器件等。
国家计委和科技部日前共同发布了《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南(2001年度)》，确定了当前应优先发展的十个产业的141个高技术产业化重点领域新型金属材料产业优先发展的领域如下：1、稀土材料及其应用稀土是信息产业、绿色能源和环境保护等产业的重要支撑材料我国稀土储量、产量和出口量均占世界首位 已形成较齐全的工业体系近期产业化的重点是：高性能稀土永磁材料及制品、稀土催化材料、稀土贮氢材料、稀土发光材料、超大磁致伸缩材料、高温超导材料、稀土硫化物涂料及颜料的规模生产；加快发展高纯稀土氧化物和高纯稀土单质分离提取工业化生产技术和装备；加快稀土在钢铁冶金、有色金属、玻璃、特种陶瓷、石油化工及农业等方面的应用2、复合金属材料制备工艺及其成套设备由于异质金属复合材料的性能功能化和较低的成本及应用范围广泛，提高了传统金属材料的发展潜力近期产业化的重点是：建设铝-不锈钢、铝-钢、钛-钢、铜-钢带液-固相复合工艺生产线 表面复合精饰技术制备薄覆层()金属复合板带生产线；开发颗粒增强铝基复合材料规模化生产技术、半固态成形技术、连续包敷复合高速钢材料及制品，并实现产业化3、高性能密封材料及制品密封件是保证机械装备高效、长期、安全和稳定运行的重要基础件 其技术水平、质量及性能直接影响配套主机产品质量和运行可靠性我国密封材料及制品经过十多年的发展和技术引进，形成了一定的生产能力和规模 一般产品能满足各类主机的配套要求，但高压、高速、精密、耐高温低温和耐腐蚀的密封件与国际水平有较大差距近期产业化的重点是：轿车及中高档轻型车动力传动、减振、制动系统用密封材料及制品规模化生产示范基地建设；重大成套设备中高压、液压、气动系统用密封件；电力设备中高温、高压机械密封；石化工业中高速透平压缩机非接触气膜密封；金属磁流体动密封4、纳米材料和特种粉末及其制品纳米材料因其纳米效应而具有特殊的性能和广泛的用途 是目前科技发展重要热点之一近年来 我国在纳米材料的研究开发和应用方面取得了很大进展 形成了一批拥有自主知识产权的技术并开始产业化近期产业化的重点是：以纳米粉体材料、纳米膜材料、纳米催化材料和纳米晶金属材料为重点 实现低成本、环境友好以及质量稳定的规模化生产；加快纳米材料规模化应用于信息、通信、医疗和环保等新兴产业以及能源、交通、化工、建材、纺织和轻工等基础产业，改进性能，提高效率 促进技术进步；加快发展粉末冶金摩擦材料、高温合金粉末以及高纯超细陶瓷粉体材料链接： 二十一世纪将是材料-电子一体化的世纪作为新型功能材料家庭中的重要成员,形状记忆合金在工程机械和日常生活中得到了广泛的应用由形状记忆合金构成的结构简单、控制灵活、功率密度大的各类记忆合金驱动器,在轻型机器人及小型化系统中具有独特的技术优势本文详细阐明了形状记忆合金的晶体学、热力学特性,概述了该材料的几种典型应用实例在此基础上,综述了这一功能材料的应用优势
前瞻网发布的的《中国稀土永磁材料行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》分析认为，随着科技的进步，稀土永磁材料不仅用于传统的家电、玻璃等领域，风力发电、新能源汽车、变频家电、节能电梯、节能石油抽油机等新兴领域对高端稀土永磁材料的需求日益增长。高端稀土永磁材料需求结构中，风电、新能源汽车、节能变频空调是稀土永磁材料行业三大增长点。 按照2012年7月国家发改委发布的《可再生能源发展“十二五”规划》，到2015年，累计并网风电装机达到1亿千瓦，年发电量超过1900亿千瓦时，其中海上风电装机达到500万千瓦，基本形成完整的、具有国际竞争力的风电装备制造产业。到2020年，累计并网风电装机达到2亿千瓦，年发电量超过3900亿千瓦时，其中海上风电装机达到3000万千瓦，风电成为电力系统的重要电源。前瞻产业研究院发布的《中国稀土永磁材料行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》分析认为，随着全球风电装机容量保持快速增长，风电对钕铁硼永磁体材料的需求也将保持较快增速，预计到2014年，全球风电行业对钕铁硼永磁体的需求量将达到4万吨，其中，来自中国的风电行业对其的需求量将超过万吨。前瞻产业研究院稀土永磁材料行业研究小组分析认为，变频家电领域在我国发展从2000年开始起步，最开始从变频空调开始，技术主要掌握在日本厂商手中，2008年之后，变频空调的销售开始上升，据统计2012年国内市场变频空调销售量占比，销售额占比约，已牢牢占据空调市场的主流地位。从2008年市场份额不足8%，到2012年变频空调成为国内市场主流地位，成为消费者首选，变频空调市场发展已实现了历史性跨越。前瞻网发布的《中国稀土永磁材料行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》分析认为，2006-2010年稀土永磁变频空调内销量同比增速均在100%以上，2011年增速开始趋缓，但同比增速仍在100%之间。前瞻预测，到2014年，变频空调领域稀土永磁材料的需求量将达到14000吨。
具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，一经磁化即能保持恒定磁性的材料。又称硬磁材料。实用中，永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。铝镍钴系永磁合金以铁、镍、铝元素为主要成分，还含有铜、钴、钛等元素。具有高剩磁和低温度系数，磁性稳定。分铸造合金和粉末烧结合金两种。20世纪30～60年代应用较多，现多用于仪表工业中制造磁电系仪表、流量计、微特电机、继电器等。铁铬钴系永磁合金以铁、铬、钴元素为主要成分，还含有钼和少量的钛、硅元素。其加工性能好，可进行冷热塑性变形，磁性类似于铝镍钴系永磁合金，并可通过塑性变形和热处理提高磁性能。用于制造各种截面小、形状复杂的小型磁体元件。永磁铁氧体主要有钡铁氧体和锶铁氧体，其电阻率高、矫顽力大，能有效地应用在大气隙磁路中，特别适于作小型发电机和电动机的永磁体。永磁铁氧体不含贵金属镍、钴等，原材料来源丰富，工艺简单，成本低，可代替铝镍钴永磁体制造磁分离器、磁推轴承、扬声器、微波器件等。但其最大磁能积较低，温度稳定性差，质地较脆、易碎，不耐冲击振动，不宜作测量仪表及有精密要求的磁性器件。稀土永磁材料主要是稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料。前者是稀土元素铈、镨、镧、钕等和钴形成的金属间化合物，其磁能积可达碳钢的150倍、铝镍钴永磁材料的3～5倍 ，永磁铁氧体的8～10倍，温度系数低，磁性稳定，矫顽力高达800千安／米。主要用于低速转矩电动机、启动电动机、传感器、磁推轴承等的磁系统。钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，其剩磁、矫顽力和最大磁能积比前者高，不易碎，有较好的机械性能，合金密度低，有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。但其磁性温度系数较高，限制了它的应用。复合永磁材料由永磁性物质粉末和作为粘结剂的塑性物质复合而成。由于其含有一定比例的粘结剂，故其磁性能比相应的没有粘结剂的磁性材料显著降低。除金属复合永磁材料外，其他复合永磁材料由于受粘结剂耐热性所限，使用温度较低，一般不超过150℃ 。但复合永磁材料尺寸精度高，机械性能好，磁体各部分性能均匀性好，易于进行磁体径向取向和多极充磁。主要用于制造仪器仪表、通信设备、旋转机械、磁疗器械及体育用品等。编辑本段永磁材料分类概况第一大类是：合金永磁材料，包括稀土永磁材料（钕铁硼Nd2Fe14B）、钐钴(SmCo)、铝镍钴（AlNiCo） 第二大类是：铁氧体永磁材料（Ferrite） 按生产工艺不同分为：烧结铁氧体、粘结铁氧体、注塑铁氧体，这三种工艺依据磁晶的取向不同又各分为等方性和异方性磁体。 这些就是目前市面上的主要永磁材料，还有一些因生产工艺原或成本原因，不能大范围应用而淘汰，如Cu-Ni-Fe（铜镍铁）、Fe-Co-Mo（铁钴钼）、Fe-Co-V（铁钴钒）、MnBi（锰铋）稀土永磁材料稀土永磁材料（钕铁硼Nd2Fe14B） 按生产工艺不同分为以下三种 （1）、烧结钕铁硼（Sintered NdFeB）——烧结钕铁硼永磁体经过气流磨制粉后冶炼而成，矫顽力值很高，且拥有极高的磁性能，其最大磁能积(BHmax)高过铁氧体(Ferrite)10倍以上。其本身的机械性能亦相当之好，可以切割加工不同的形状和钻孔。高性能产品的最高工作温度可达200摄氏度。由于它的物质含量容易导致锈蚀，所以根据不同要求必须对表面进行不同的凃层处理。(如镀锌、镍、环保锌、环保镍、镍铜镍、环保镍铜镍等)。非常坚硬和脆，有高抗退磁性，高成本/性能比例，不适用于高工作温度（＞200℃）。 （2）、粘结钕铁硼（Bonded NdFeB）——粘结钕铁硼是将钕铁硼粉末与树脂、塑胶或低熔点金属等粘结剂均匀混合，然后用压缩、挤压或注射成型等方法制成的复合型钕铁硼永磁体。产品一次成形，无需二次加工、可直接做成各种复杂的形状。粘结钕铁硼的各个方向都有磁性，可以加工成钕铁硼压缩模具和注塑模具。精密度高、磁性能极佳、耐腐蚀性好、温度稳定性好。 （3）、注塑钕铁硼（Zhusu NdFeB）——有极高之精确度、容易制成各向异性形状复杂的薄壁环或薄磁体烧结铁氧体烧结铁氧体（Sintered Ferrite）的主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19，依据磁晶的取向不同分为等方性和异方性磁体。由于其低廉的价格和适中的磁性能而成为目前应用较为广泛的一种磁体。铁氧体磁铁是通过陶瓷工艺法制造而成，质地也比较坚硬，也属脆性材料，由于铁氧体磁铁有很好的耐温性及价格低廉，已成为应用较为广泛的永磁体。橡胶磁橡胶磁（Rubber Magnet）是铁氧体磁材系列中的一种，由粘结铁氧体料粉与合成橡胶复合经挤出成型、压延成型、注射成型等工艺而制成的具有柔软性、弹性及可扭曲的磁体。可加工成条状、卷状、片状及各种复杂形状。 橡胶磁体由磁粉（SrO6Fe2O3）、聚乙烯（CPE）和其它添加剂（EBSO、DOP）等组成，通过挤出、压延制造而成。橡胶磁材可以是同性的或异性的，它由铁氧体磁粉、CPE和某些微量元素制成，可弯、可捻、可卷。它无需更多机械加工即可使用，也可以按所需尺寸修整形状,橡胶磁也可以根据客户要求复PVC,背胶,上UV油等。它的磁能积在 至 MGOe之间。 橡胶磁材的应用领域：冰箱、讯息告示架、将物件固定于 金属体以用作广告等的紧固件，用于玩具、教学仪器、开关和感应器的磁片。主要应用于微特电机、电冰箱、消毒柜、厨柜、玩具、文具、广告等行业。铝镍钴铝镍钴（AlNiCo）是最早开发出来的一种永磁材料，是由铝、镍、钴、铁和其它微量金属元素构成的一种合金。根据生产工艺不同分为烧结铝镍钴（Sintered AlNiCo）和铸造铝镍钴（Cast AlNiCo）。产品形状多为圆形和方形。铸造工艺可以加工生产成不同的尺寸和形状；与铸造工艺相比，烧结产品局限于小的尺寸，其生产出来的毛坯尺寸公差比铸造产品毛坯要好，磁性能要略低于铸造产品，但可加工性要好。在永磁材料中，铸造铝镍钴永磁有着最低可逆温度系数，工作温度可高达600摄氏度以上。铝镍钴永磁产品广泛应用于各种仪器仪表和其他应用领域。钐钴钐钴（SmCo）依据成份的不同分为SmCo5和Sm2Co17,分别为笫一代和笫二代稀土永磁材料。由于其原材料十分稀缺，价格昂贵而使其发展受到限制。钐钴（SmCo）作为第二代稀土永磁体，不但有着较高的磁能积（14-28MGOe）和可靠的矫顽力，而且在稀土永磁系列中表现出良好的温度特性。与钕铁硼相比，钐钴更适合工作在高温环境中（＞200℃）。编辑本段永磁材料的发展历程随着社会的发展，磁铁的应用也越来越广泛，从高科技产品到最简单的包装磁，目前应用最为广泛的还是钕铁硼强磁和铁氧体磁铁。 从永磁材料的发展历史来看，十九世纪末使用的碳钢，磁能积（BH）max(衡量永磁体储存磁能密度的物理量)不足1MGOe(兆高奥)，而目前国外批量生产的Nd-Fe-B永磁材料，磁能积已达50MGOe以上。这一个世纪以来，材料的剩磁Br提高甚小，能积的提高要归功于矫顽力Hc的提高。而矫顽力的提高，主要得益于对其本质的认识和高磁晶各向异性化合物的发现，以及制备技术的进步。二十世纪初，人们主要使用碳钢、钨钢、铬钢和钴钢作永磁材料。二十世纪三十年代末，AlNiCo永磁材料开发成功，才使永磁材料的大规模应用成为可能。五十年代，钡铁氧体的出现，既降低了永磁体成本，又将永磁材料的应用范围拓宽到高频领域。到六十年代，稀土钴永磁的出现，则为永磁体的应用开辟了一个新时代。1967年，美国Dayton大学的Strnat等，用粉末粘结法成功地制成SmCo5永磁体，标志着稀土永磁时代的到来。迄今为止，稀十永磁已经历第一代SmCo5，第二代沉淀硬化型Sm2Co17，发展到第三代Nd-Fe-B永磁材料。此外，在历史上被用作永磁材料的还有Cu-Ni-Fe、Fe-Co-Mo、Fe-Co-V、MnBi、A1MnC合金等。这些合金由于性能不高、成本不低，在大多数场合已很少采用。而AlNiCo、FeCrCo、PtCo等合金在一些特殊场合还得到应用。目前Ba、Sr铁氧体仍然是用量最大的永磁材料，但其许多应用正在逐渐被Nd-Fe-B类材料取代。并且，当前稀土类永磁材料的产值已大大超过铁氧体永磁材料，稀土永磁材料的生产已发展成一大产业。（抄于百度）
磁性材料及其研究发展论文答辩
一、化学的来由 化学的英文词为Chemistry，法文Chimie，德文Chemie，它们都是从一个古字、即拉丁字chemia，希腊字Xηwa(Chamia)，希伯莱字Chaman或Haman，阿拉伯字Chema或Kema，埃及字Chemi演化而来的．它的最早来源难以查考．从现存资料看，最早是在埃及第四世纪的记载里出现的．所以有人认为可以假定是从埃及古字Chemi来的，不过这个名字的意义很晦涩，有埃及、埃及的艺术、宗教的迷惑、隐藏、秘密或黑暗等意义。其所以有这些意义，大概因为埃及在西方是化学记载诞生的地方，也是古代化学极为发达的地方，尤其是在实用化学方面。例如，埃及在十一朝代进已有一种雕刻表示一些工人下在制造玻璃，可见至少在公元前2500年以前，埃及已知道玻璃的制造方法了。再从埃及出土的木乃伊看，可知在公元前一、二千年时已精于使用防腐剂和布帛染色等技术。所以古人用埃及或埃及的艺术来命名“化学”。至于其它几种意义，可能因为古人认为化学是一种神奇和秘密的事业以及带有宗教色彩的缘故。 中国的化学史当然也是毫不逊色的。大约5000－11000年前，我们已会制作陶器，3000多年前的商朝已有高度精美的青铜器，造纸、磁器、火药更是化学史上的伟大发明。在十六、十七世纪时，中国算得上是世界最先进的国家。“化学”二字我国在1856年开始使用。最早出现在英国传教士韦廉臣在1856年出版的《格物探原》一书中。 二、化学的几个发展阶段 远古的工艺化学时期。这时人类的制陶、冶金、酿酒、染色等工艺，主要是在实践经验的直接启发下经过多少万年摸索而来的，化学知识还没有形成。这是化学的萌芽时期。 炼丹术和医药化学时期。从公元前1500年到公元1650年，炼丹术士和炼金术士们，在皇宫、在教堂、在自己的家里、在深山老林的烟熏火燎中，为求得长生不老的仙丹，为求得荣华富贵的黄金，开始了最早的化学实验。记载、总结炼丹术的书籍，在中国、阿拉伯、埃及、希腊都有不少。这一时期积累了许多物质间的化学变化，为化学的进一步发展准备了丰富的素材。这是化学史上令我们惊叹的雄浑的一幕。后来，炼丹术、炼金术几经盛衰，使人们更多地看到了它荒唐的一面。化学方法转而在医药和冶金方面得到了正当发挥。在欧洲文艺复兴时期，出版了一些有关化学的书籍，第一次有了“化学”这个名词。。 燃素化学时期。从1650年到1775年，随着冶金工业和实验室经验的积累，人们总结感性知识，认为可燃物能够燃烧是因为它含有燃素，燃烧的过程是可燃物中燃素放出的过程，可燃物放出燃素后成为灰烬。 定量化学时期，既近代化学时期。1775年前后，拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说，开创了定量化学时期。这一时期建立了不少化学基本定律，提出了原子学说，发现了元素周期律，发展了有机结构理论。所有这一切都为现代化学的发展奠定了坚实的基础。 科学相互渗透时期，既现代化学时期。二十世纪初，量子论的发展使化学和物理学有了共同的语言，解决了化学上许多悬而未决的问题；另一方面，化学又向生物学和地质学等学科渗透，使蛋白质、酶的结构问题得到逐步的解决。 这里主要讲述近二百多年来的化学史故事。这是化学得到快速发展的时期，是风云变幻英雄辈出的期。让我们一道去体验当年化学家所经历的艰难险阻,在近代化学史峰回路转的曲折历程中不倦跋涉，领略他们拨开重重迷雾建立新理论、发现新元素、提出新方法时的无限风光。 三、化学学科在探索中成长 化学的发展可以说是日新月异，尤其是它的边缘学科或者说是它的分支学科，譬如生物化学、物理化学、晶体化学等等，令人目不暇接。就眼下炒得过热的基因工程、克隆技术以及共轭电场论等，更是令人眼花缭乱。而古往今来，有多少化学家为化学的发展做出了难以估量的贡献。你想了解他们吗？化学名人风采将带您走近他们。 燃素说的影响 。可燃物如炭和硫磺，燃烧以后只剩下很少的一点灰烬；致密的金属煅烧后得到的锻灰较多，但很疏松。这一切给人的印象是，随着火焰的升腾，什么东西被带走了。当冶金工业得到长足发展后，人们希望总结燃烧现象本质的愿望更加强烈了。 1723年，德国哈雷大学的医学与药理学教授施塔尔出版了教科书《化学基础》。他继承并发展了他的老师贝歇尔有关燃烧现象的解释，形成了贯穿整个化学的完整、系统的理论。《化学基础》是燃素说的代表作。 施塔尔认为燃素存在于一切可燃物中，在燃烧过程中释放出来，同时发光发热。燃烧是分解过程： 可燃物==灰烬+燃素 金属==锻灰+燃素 如果将金属锻灰和木炭混合加热，锻灰就吸收木炭中的燃素，重新变为金属，同时木炭失去燃素变为灰烬。木炭、油脂、蜡都是富含燃素的物质，燃烧起来非常猛烈，而且燃烧后只剩下很少的灰烬；石头、草木灰、黄金不能燃烧，是因为它们不含燃素。酒精是燃素与水的结合物，酒精燃烧时失去燃素，便只剩下了水。 空气是带走燃素的必需媒介物。燃素和空气结合，充塞于天地之间。植物从空气中吸收燃素，动物又从植物中获得燃素。所以动植物易燃。 富含燃素的硫磺和白磷燃烧时，燃素逸去，变成了硫酸和磷酸。硫酸与富含燃素的松节油共煮，磷酸（当时指P2O5）与木炭密闭加热，便会重新夺得燃素生成硫磺和白磷。而金属和酸反应时，金属失去燃素生成氢气，氢气极富燃素。铁、锌等金属溶于胆矾（CuSO4·5H2O）溶液置换出铜，是燃素转移到铜中的结果。 燃素说尽管错误，但它把大量的化学事实统一在一个概念之下，解释了冶金过程中的化学反应。燃素说流行的一百多年间，化学家为了解释各种现象，做了大量的实验，积累了丰富的感性材料。特别是燃素说认为化学反应是一种物质转移到另一种物质的过程，化学反应中物质守恒，这些观点奠定了近、现代化学思维的基础。我们现在学习的置换反应，是物质间相互交换成分的过程；氧化还原反应是电子得失的过程；而有机化学中的取代反应是有机物某一结构位置的原子或原子团被其它原子或原子团替换的过程。这些思想方法与燃素说多么相似。 舍勒和普里斯特里发现氧气的制法 ：令后人尊敬的瑞典化学家舍勒的职业是药剂师--chemist，他长期在小镇彻平的药房工作，生活贫困。白天，他在药房为病人配制各种药剂。一有时间，他就钻进他的实验室忙碌起来。有一次，后院传来一声爆鸣，店主和顾客还在惊诧之中，舍勒满脸是灰地跑来，兴奋地拉着店主去看他新合成的化合物，忘记了一切。对这样的店员，店主是又爱又气，但从来不想辞退他，因为舍勒是这个城市最好的药剂师。 到了晚上，舍勒可以自由支配时间，他更加专心致志地投入到他的实验研究中。对于当时能见到的化学书籍里的实验，他都重做一遍。他所做的大量艰苦的实验，使他合成了许多新化合物，例如氧气、氯气、焦酒石酸、锰酸盐、高锰酸盐、尿酸、硫化氢、升汞（氯化汞）、钼酸、乳酸、乙醚等等，他研究了不少物质的性质和成分，发现了白钨矿等。至今还在使用的绿色颜料舍勒绿（Scheele’s green）,就是舍勒发明的亚砷酸氢铜（CuHAsO3）。如此之多的研究成果在十八世纪是绝无仅有的，但舍勒只发表了其中的一小部分。直到1942年舍勒诞生二百周年的时候，他的全部实验记录、日记和书信才经过整理正式出版，共有八卷之多。其中舍勒与当时不少化学家的通信引人注目。通信中有十分宝贵的想法和实验过程，起到了互相交流和启发的作用。法国化学家拉瓦锡对舍勒十分推崇，使得舍勒在法国的声誉比在瑞典国内还高。 在舍勒与大学教师甘恩的通信中，人们发现，由于舍勒发现了骨灰里有磷，启发甘恩后来证明了骨头里面含有磷。在这之前，人们只知道尿里有磷。 1775年2月4日，33岁的舍勒当选为瑞典科学院院士。这时店主人已经去世，舍勒继承了药店，在他简陋的实验室里继续科学实验。由于经常彻夜工作，加上寒冷和有害气体的侵蚀，舍勒得了哮喘病。他依然不顾危险经常品尝各种物质的味道--他要掌握物质各方面的性质。他品尝氢氰酸的时候，还不知道氢氰酸有剧毒。1786年5月21日，为化学的进步辛劳了一生的舍勒不幸去世，终年只有44岁。舍勒发现氧气的两种制法是在1773年。第一种方法是分别将KNO3、Mg（NO3）2、Ag2CO3、HgCO3、HgO加热分解放出氧气： 2KNO3==2KNO2+O2↑ 2Mg（NO3）2 == 2MgO+4NO2↑+O2↑↑ 2Ag2CO3==4Ag+2CO2↑+O2↑ 2HgCO3==2Hg+2CO2↑+O2↑ 2HgO==2Hg+O2↑ 第二种方法是将软锰矿（MnO2）与浓硫酸共热产生氧气： 2MnO2+2H2SO4（浓）== 2MnSO4+2H2O+O2↑ 舍勒研究了氧气的性质，他发现可燃物在这种气体中燃烧更为剧烈，燃烧后这种气体便消失了，因而他把氧气叫做“火气”。舍勒是燃素说的信奉者，他认为燃烧是空气中的“火气”与可燃物中的燃素结合的过程，火焰是“火气”与燃素相结合形成的化合物。他将他的发现和观点写成《论空气和火的化学》。这篇论文拖延了4年直到1777年才发表。而英国化学家普里斯特里在1774年发现氧气后，很快就发表了论文。 普里斯特里始终坚信燃素说，甚至在拉瓦锡用他们发现的氧气做实验，推翻了燃素说之后依然故我。他将氧气叫做“脱燃素气”。他写到：我把老鼠放在‘脱燃素气’里，发现它们过得非常舒服后，我自己受了好奇心的驱使，又亲自加以实验，我想读者是不会觉得惊异的。我自己实验时，是用玻璃吸管从放满这种气体的大瓶里吸取的。当时我的肺部所得的感觉，和平时吸入普通空气一样；但自从吸过这种气体以后，经过好长时间，身心一直觉得十分轻快舒畅。有谁能说这种气体将来不会变成通用品呢？不过现在只有两只老鼠和我，才有享受呼吸这种气体的权利罢了。”普里斯特里一生的大部分时间是在英国的利兹作牧师，业余爱好化学。1773年他结识了著名的美国科学家兼政治家富兰克林，他们后来成了经常书信往来的好朋友。普里斯特里受到好朋友多方的启发和鼓励。他在化学、电学、自然哲学、神学四个方面都有很多著述。 1774年普里斯特里到欧洲大陆参观旅行。在巴黎，他与拉瓦锡交换了好多化学方面的看法。正直的普里斯特里同情法国大革命，曾在英国公开做了几次演讲。英国一批反对法国大革命的人烧毁了他的住宅和实验室。普里斯特里于1794年他六十一岁的时候不得已移居美国，在宾夕法尼亚大学任化学教授。美国化学会认为他是美国最早研究化学的学者之一。他住过的房子现在已建成纪念馆，以他的名字命名的普里斯特里奖章已成为美国化学界的最高荣誉。 拉瓦锡和他的天平： 燃素说的推翻者，法国化学家拉瓦锡原来是学法律的。1763年，他20岁的时候就取得了法律学士学位，并且获得律师开业证书。他的父亲是一位律师，家里很富有。所以拉瓦锡不急于当律师，而是对植物学发生了兴趣。经常上山采集标本使他对气象学也产生了兴趣。后来，拉瓦锡在他的老师，地质学家葛太德的建议下，师从巴黎有名的鲁伊勒教授学习化学。拉瓦锡的第一篇化学论文是关于石膏成分的研究。他用硫酸和石灰合成了石膏。当他加热石膏时放出了水蒸气。拉瓦锡用天平仔细测定了不同温度下石膏失去水蒸气的质量。从此，他的老师鲁伊勒就开始使用“结晶水”这个名词了。这次成功使拉瓦锡开始经常使用天平，并总结出了质量守恒定律。质量守恒定律成为他的信念，成为他进行定量实验、思维和计算的基础。例如他曾经应用这一思想，把糖转变为酒精的发酵过程表示为下面的等式： 葡萄糖 == 碳酸（CO2）+ 酒精 这正是现代化学方程式的雏形。用等号而不用箭头表示变化过程，表明了他守恒的思想。拉瓦锡为了进一步阐明这种表达方式的深刻含义，又具体地写到：“我可以设想，把参加发酵的物质和发酵后的生成物列成一个代数式。再逐个假定方程式中的某一项是未知数，然后分别通过实验，逐个算出它们的值。这样以来，就可以用计算来检验我们的实验，再用实验来验证我们的计算。我经常卓有成效地用这种方法修正实验的初步结果，使我能通过正确的途径重新进行实验，直到获得成功。”早在拉瓦锡出生之时，多才多艺的俄罗斯科学家罗蒙诺索夫就提出了质量守恒定律，他当时称之为“物质不灭定律”，其中含有更多的哲学意蕴。但由于“物质不灭定律”缺乏丰富的实验根据，特别是当时俄罗斯的科学还很落后，西欧对沙俄的科学成果不重视，“物质不灭定律”没有得到广泛的传播。 1772年秋天，拉瓦锡照习惯称量了一定质量的白磷使之燃烧，冷却后又称量了燃烧产物P2O5的质量，发现质量增加了！他又燃烧硫磺，同样发现燃烧产物的质量大于硫磺的质量。他想这一定是什么气体被白磷和硫磺吸收了。他于是又做了更细致的实验：将白磷放在水银面上，扣上一个钟罩，钟罩里留有一部分空气。加热水银到40℃时白磷就迅速燃烧，之后水银面上升。拉瓦锡描述道：“这表明部分空气被消耗，剩下的空气不能使白磷燃烧，并可使燃烧着的蜡烛熄灭；1盎司的白磷大约可得到盎司的白色粉末（P2O5，应该是盎司）。增加的重量和所消耗的1/5容积的空气重量接近相同。”燃素说认为燃烧是分解过程，燃烧产物应该比可燃物质量轻。而拉瓦锡实验的结果却是截然相反。他把实验结果写成论文交给法国科学院。从此他做了很多实验来证明燃素说的错误。在1773年2月，他在实验记录本上写到：“我所做的实验使物理和化学发生了根本的变化。”他将“新化学”命名为“反燃素化学”。 1774年，拉瓦锡做了焙烧锡和铅的实验。他将称量后的金属分别放入大小不等的曲颈瓶中，密封后再称量金属和瓶的质量，然后充分加热。冷却后再次称量金属和瓶的质量，发现没有变化。打开瓶口，有空气进入，这一次质量增加了，显然增加量是进入的空气的质量（设为A）。他再次打开瓶口取出金属锻灰（在容积小的瓶中还有剩余的金属）称量，发现增加的质量正和进入瓶中的空气的质量相同（即也为A）。这表明锻灰是金属与空气的化合物。 拉瓦锡进一步想，如果设法从金属锻灰中直接分离出空气来，就更能说明问题。他曾经试图分解铁锻灰（即铁锈），但实验没有成功。 拉瓦锡制得氧气之后： 到了这年的10月，普里斯特里访问巴黎。在欢迎宴会上他谈到“从红色沉淀（HgO）和铅丹（Pb3O4）可得到‘脱燃素气’”。对于正在无奈中的拉瓦锡来说，这条信息是很直接的启发。11月，拉瓦锡加热红色的汞灰制得了氧气。在舍勒的启发下，拉瓦锡甚至制造了火车头大小的加热装置，其中心是聚光镜。平台下面是六个大轮子，以便跟着太阳随时转动。1775年，拉瓦锡的实验中心已从分解金属锻灰转移到了对氧气的研究。他发现燃烧时增加的质量恰好是氧气减少的质量。以前认为可燃物燃烧时吸收了一部分空气，其实是吸收了氧气，与氧气化合，即氧化。这就是推翻了燃素说的燃烧的氧化理论。与此同时，拉瓦锡还用动物实验，研究了呼吸作用，认为“是氧气在动物体内与碳化合，生成二氧化碳的同时放出热来。这和在实验室中燃烧有机物的情况完全一样。”这就解答了体温的来源问题。空气中既然含有1/4的氧气(数据来自原文），就应该含有其余的气体，拉瓦锡将它称为“碳气”。研究了空气的组成后，拉瓦锡总结道：“大气中不是全部空气都是可以呼吸的；金属焙烧时，与金属化合的那部分空气是合乎卫生的，最适宜呼吸的；剩下的部分是一种‘碳气’，不能维持动物的呼吸，也不能助燃。”他把燃烧与呼吸统一了起来，也结束了空气是一种纯净物质的错误见解。1777年，拉瓦锡明确地讥讽和批判了燃素说：“化学家从燃素说只能得出模糊的要素，它十分不确定，因此可以用来任意地解释各种事物。有时这一要素是有重量的，有时又没有重量；有时它是自由之火，有时又说它与土素相化合成火；有时说它能通过容器壁的微孔，有时又说它不能透过；它能同时用来解释碱性和非碱性、透明性和非透明性、有颜色和无色。它真是只变色虫，每时每刻都在改变它的面貌。” 这年的9月5日，拉瓦锡向法国科学院提交了划时代的《燃烧概论》，系统地阐述了燃烧的氧化学说，将燃素说倒立的化学正立过来。这本书后来被翻译成多国语言，逐渐扫清了燃素说的影响。化学自此切断了与古代炼丹术的联系，揭掉了神秘和臆测的面纱，代之以科学的实验和定量的研究。化学进入了定量化学（即近代化学）时期。所以我们说拉瓦锡是近代化学的奠基者。舍勒和普里斯特里先于拉瓦锡发现氧气，但由于他们思维不够广阔，更多地只是关心具体物质的性质，没有能冲破燃素说的束缚。与真理擦肩而过是很遗憾的。 拉瓦锡对化学的另一大贡献是否定了古希腊哲学家的四元素说和三要素说，辨证地阐述了建立在科学实验基础上的化学元素的概念：“如果元素表示构成物质的最简单组分，那么目前我们可能难以判断什么是元素；如果相反，我们把元素与目前化学分析最后达到的极限概念联系起来，那么，我们现在用任何方法都不能再加以分解的一切物质，对我们来说，就算是元素了。”在1789年出版的历时四年写就的《化学概要》里，拉瓦锡列出了第一张元素一览表，元素被分为四大类： 简单物质，普遍存在于动物、植物、矿物界，可以看作是物质元素：光、热、氧、氮、氢。简单的非金属物质，其氧化物为酸：硫、磷、碳、盐酸素、氟酸素、硼酸素。简单的金属物质，被氧化后生成可以中和酸的盐基：锑、银、铋、钴、铜、锡、铁、锰、汞、钼、镍、金、铂、铅、钨、锌。简单物质，能成盐的土质：石灰、镁土、钡土、铝土、硅土。拉瓦锡对燃素说和其它陈腐观点的讥讽和批判是无情和激烈的。这使他在创建科学勋绩的同时得罪了一大批同时代和老一辈的科学家。在《影响世界历史的一百位人物》中，在许多有关历史、科学史、化学史的书籍中，作者都对拉瓦锡总是突出自己的人格特点进行低调的描述和评价，指责他在《化学概要》里没有提起舍勒和普里斯特里对他的启示和帮助。但我们得看到，拉瓦锡确实具有非凡的科学洞察力和勇往直前的无畏精神。虽然不是他最先发现氧气的制法，但他通过制取氧气分析了空气的组成，建立了燃烧的氧化学说。氧气因此不同于其它气体，被赋予非凡的科学意义。拉瓦锡十分勤奋，每天六点起床，从六点到八点进行实验研究，八点到下午七点从事火药局长或法国科学院院士的工作，七点到晚上十点，又专心从事他的科学研究。星期天不休息，专门进行一整天的实验工作。拉瓦锡28岁结婚时，他的妻子只有14岁。他们一生没有孩子，但生活非常愉快。她帮助拉瓦锡实验，经常陪伴在他身边。在拉瓦锡的著作里，有很多插图都是他的妻子画的。1789年法国大革命爆发，三年后拉瓦锡被解除了火药局长的职务。1793年11月，国民议会下令逮捕旧王朝的包税官。拉瓦锡由于曾经担任过包税官而自首入狱。极左派马拉曾与拉瓦锡有过激烈的科学争论，心存嫉恨，便诬陷拉瓦锡与法国的敌人有来往，犯有叛国罪，于1794年5月8日把他送上了断头台。对此，当时科学界的很多人感到非常惋惜。著名的法籍意大利数学家拉格朗日痛心地说：“他们可以一瞬间把他的头割下，而他那样的头脑一百年也许长不出一个来。”这时，拉瓦锡正当壮年，是51岁。 四、化学学科的发展前沿 中国运动医学杂志000124 基因工程也叫遗传工程(Genetic Engineering)，是20世纪70年代在分子生物学发展的基础上形成的新学科。基因工程就是在分子水平上，用人工方法提取(或合成)不同生物的遗传物质，在体外切割、拼接和重新组成，然后通过载体把重组的DNA分子引入受体细胞，使外源DNA在受体细胞中进行复制与表达。按人们的需要产生不同的产物或定向地创造生物的新性状，并使之稳定地遗传给下代[1]。基因工程技术主要包括分离基因、纯化基因和扩增基因的技术，其核心是分子克隆技术。它能帮助人们从各种复杂的生物体中分离出单一的基因，并把它纯化，再把它大量扩增，用于研究。 20多年来，基因工程技术得到了迅速地发展，特别是限制性内切酶、DNA序列分析及DNA重组技术等三大技术的发现和应用，不仅把分子生物学提高到了基因水平，而且也把生物学与医学中的其他学科引上基因研究的道路，并取得了许多揭示生命秘密和生命过程的重大成就 ......
傅恒志院士是我国著名的冶金材料学家，也是我国著名的教育家，曾执掌著名的西北工业大学8年之久。傅恒志的一生，可谓是格物致知、求索创新的一生。他于1988年创建了国内唯一的凝固技术国家重点实验室。主持国家自然科学基金重大项目、国家重要基础研究项目(973)和国防预研项目的课题，出版有《高温合金及其熔炼技术》等专著4部、指导博士30余名、硕士40余名、博士后10名。1958年，傅恒志作为当时全国铸造学科唯一的留苏研究生，远赴苏联列宁格勒工学院学习。苏联铸造界最有声望的聂亨齐教授是傅恒志的导师，曾对他提出的熔炼特殊材料的高温合金新技术设想大加赞赏: “敢想前人之未想，敢做前人之未做，具有创新思维。好! ”当时傅恒志研制出了新型高温合金系列，其中镍铬基新型高温合金就被运用在苏联航空发动机的叶片上，填补了国际高温合金领域的空白，获得苏联科学技术发明专利。1962年，傅恒志研究生毕业的同时，因其成就卓著又获得了副博士学位。从苏联学成归国后，傅恒志多年来一直致力于材料学方面的研究。他在科教事业中还拥有许多首创和第一: 西北工业大学铸造专业的创始人之一，培养出我国第一位铸造工程博士，国内首创以控制液固界面位置为基准的定向凝固稳态及非稳态过程的计算机模拟和晶向三维控制技术，在国内率先建立了凝固技术国家重点实验室，在国际上首次提出液固界面非平衡溶质再分配和定向组织超细化的概念，这些新颖的观点，引起了国内外学者的高度关注，被认为是凝固理论界的突破……傅恒志院士献身科教事业，硕果累累，业绩辉煌。他先后获国家科技进步奖及发明奖4项，获部、省级特等奖及一等奖4项；发表论文300多篇，其中上百篇被载入《SCI》《EI》《美国化学文摘》《国际宇航文摘》《应用物理学报》等国际文摘和著名刊物。他在科学研究上所取得的卓越成就，使他在第五届国际大学联合会上被推荐为理事会成员；1992年被俄罗斯国立圣彼得堡技术大学授予名誉博士称号，同年由美国传记研究院提名并获世界终身成就奖；1993年成为我国首批入选由世界著名科学家、教育家组成的国际高校科学院院士；1995年年初被选为俄罗斯宇航科学院外籍院士，同年5月，又高票当选中国工程院院士。在航空航天材料及其加工技术方面具有很高的造诣，曾主持了多项型号研制任务，他提出的特种合金及其金属间化合物航空航天发动机叶片液态无模电磁成形和超高梯度超细化定向凝固技术属世界首，为我国航空发动机领域向推比10以上发动机方向的发展提供了科学的材料和工艺基础。傅恒志院士博学多识，治学严谨，具有敏锐的科学思维，始终站在材料科学发展的前沿，精辟的提炼出材料及其加工过程的科学问题，特别对航空航天用高温结构材料的发展做出了巨大贡献。他宽以待人、严于律己、诲人不倦，以其科学家的胆识和魄力，对促进材料和加工学科的发展起到了推动作用，曾于1988年创建了国内唯一的凝固技术国家重点实验室。傅恒志院士长期从事铸钢、铸造高温合金、定向和单晶凝固理论和技术方面的教学和研究工作。在国际上率先提出液固界面非平衡溶质再分配的概念及相关函数关系；在亚快速定向凝固及组织超细化、高温合金和稀土永磁合金的凝固组织与性能方面进行了开创性研究，获得性能提高数倍的超细胞/枝晶定向组织.“ZMLMC超高温度梯度定向凝固方法与装置”获1994年国家科技进步奖二等奖。与此同时还获得包括《定向凝固超细柱晶组织及其形成机制》在内的多项国家发明奖和省部级科技进步奖。目前已发表学术论文400余篇，出版《高温合金及其熔炼技术》等专著4部、指导博士30余名、硕士40余名、博士后10名。铸钢、铸造高温合金、定向和单晶凝固理论和技术方面的教学和研究工作，主持国家自然科学基金重大项目、国家重要基础研究项目(973)和国防预研项目的课题，并以大推力、超高温发动机为研究背景，自主开发耐热温度在1000℃以上的钛铝基金属间化合物无(软)接触电磁成形单晶定向凝固发动机叶片的制备技术。该技术的开发成功将使我国的航空航天发动机材料水平迈上一个新台阶，出现一个崭新的局面。1961年研制出新型高温合金，用于生产。在合金非平衡定向凝固及组织控制的研究中，提出了非平衡溶质分配的新概念。撰有《高温合金非平衡状态的凝固特性》等论文。在非平衡凝固理论、亚快速定向组织及组织超细化、高温合金、稀土永磁合金的凝固组织与性能、电磁约束成形定向凝固技术等方面进行了开创性研究。领导研制的超高梯度定向凝固装置的温度梯度可达1300°C/cm,超出当时国际最好水平达三倍之多；主持创建了枝胞转换及亚快速定向凝固的理论框架，开辟了单晶及定向组织超细化研究的新领域。在此基础上，又提出了电磁成形定向凝固新技术。1938年抗战初期，全家逃难，辗转到西安。1947年，傅恒志以优异的成绩考入西北工学院机械系。在迎接解放的日子里，这位热血青年，参加了青年团，担任团支部书记，1950年加入了共产党，同年毕业。1952年至1955年，他考入哈尔滨工业大学攻读硕士学位研究生。1958年，傅恒志作为当时全国铸造学科唯一考取的留苏研究生，赴苏联列宁格勒工学院，师从苏联铸造界最有声望的权威聂亨齐教授，进行耐热合金的研究工作。那时，用于航空航天尖端技术领域的镍基高温合金，性能优良?但在世界上，此种合金都以高含量的铝、钛作为主要强化元素，必须在真空下熔铸，否则极易氧化。而在上世纪60年代初，国内这样的真空冶炼设备极少。针对这一实际情况，傅恒志想：能不能搞出一种既不含铝、钛，又不需真空熔炼，而其性能又与含铝、钛的镍基高温合金相当的高温合金呢？如果有了这种高温合金，不就解决了国内对这一高温材料的急迫需求吗？这可是一个破天荒的大胆设想！ 傅恒志小心翼翼地把这一设想告诉了自己的导师聂亨齐教授，得到了导师的大加赞赏：“敢想前人之未想，敢做前人之未做，具有创新思维。好！”在导师的支持下，傅恒志进行了艰难的探索。他先后设计了60余种合金方案，每一种方案的性能测试都要在800℃的高温下持续做6000小时的实验。为了实验，他常常废寝忘食，通宵不眠。经过两年多时间的不懈努力和反复筛选，在对镍铬钼钨铌合金系列进行系统研究的基础上，终于研制出了″无铝、钛的镍铬基″这一新型高温合金系列。傅恒志把这些研究成果写在论文《镍铬基铸造高温合金组织和性能的研究》里，在论文尚未答辩、合金尚未最后定型的情况下，他研制的镍铬基新型高温合金就被用在苏联航空发动机的导向叶片上。为什么苏联航空专家特别喜欢这种新型合金呢？因为该类合金虽然不含铝、钛，不需真空熔炼但却达到了当时世界上含铝、钛的镍基高温合金的优良性能，即不但具有较好的力学性能，而且具有优异的铸造性能。这在当时被认为是填补了国际高温合金研究领域的一项空白，当之无愧地居于国际领先水平，受到了国内外专家的高度赞誉。也正因为如此，他的这项研究成果获得了苏联科学技术发明专利。1962年，他从列宁格勒工学院物理冶金系研究生毕业时，获得苏联科学技术副博士学位。标新立异 勇攀高温合金研究高峰：傅恒志1962年从苏联学成归国后，继续致力于高温合金的成份、组织、铸造性能与力学性能关系的研究。高温合金是广泛应用于航空、航天、舰船、发电、机床、石油和化工等工业中的耐高温材料，在航空发动机上主要用于制作热端部件。他针对新型发动机发展的需要，开展了对涡轮叶片定向凝固和单晶技术的研究，在国内首创了以控制液固界面位置为基准的定向凝固稳态及非稳态过程的计算机模拟和晶向三维控制技术，显著改善了定向和单晶叶片的组织及性能，为我国叶片的定向凝固和单晶技术的发展提供了关键技术。此后，针对现行定向凝固温度梯度低、冷速小、组织粗大的缺点，他又提出了超高梯度定向凝固和组织超细化的新构思，成功地获得定向超细柱晶组织。在镍基和钴基合金中，所得到的结晶组织较HRS定向凝固这一通用方法细化4～10倍，高温持久性能超出同类合金1～2倍。他领导研制的超高梯度定向凝固装置，其温度梯度超过当今世界最高水平3倍多。由于在高梯度晶体生长和超高梯度定向凝固装置的研究上达到了国际领先水平，这两项技术分获航空航天部一、二等奖和国家科技进步及国家发明二、三等奖。仪器仪表工业的发展对磁性材料提出了新的要求，用传统粉末冶金方法制出的稀土永磁材料性能极脆，很容易破损，无法制作出很薄或形状复杂的永磁体。为了解决这一问题，傅恒志教授以凝固理论、磁学理论和复合材料理论为指导，提出了引入塑性相的新构思和运用控制凝固过程的新手段，经过几年的努力，建立了第二代（钐－钴）和第三代（钕铁硼）永磁体的铸造组织、成分、凝固特性、晶体取向和磁性能的关系，发明了可加工的稀土钴永磁材料。这种材料可以车削，可以变形，也可以切削成仅0．2毫米厚的超薄磁片，从而突破了钐钴合金完全脆性、不可能加工的禁界；而且所获磁能积居当时国际同类材料的领先水平。已成功地应用于国产卫星的隔离器上，并获得了航空航天部科技进步一等奖及国家发明三等奖。九十年代，针对航天工业的需要，傅恒志教授又领导开展了对超细石英纤维加工机制和析晶性的研究，所研制的高纯超细石英纤维，被国家高技术新材料鉴定组确认为：“其性能已相当于美国同类产品水平，填补了国内空白。”如今，高纯超细石英纤维已用于航天防热陶瓷瓦，其理论成果获1994年国家教委科技进步奖。1995年，傅恒志教授承担了“单晶与定向叶片组织超细化与自约束成形综合技术”的课题研究。这一课题研究试图解决材料冶金技术上的两个重大难题：一是如何提高单晶及定向凝固技术装置的温度梯度；二是如何消除液态合金在成形过程中的污染。傅恒志教授致力于对高温合金定向凝固技术的研究，探索了提高定向凝固过程的温度梯度的途径，推出了超高梯度ZMLMC定向凝固方法，在实验室实现了高达1000K/cm以上的温度梯度，比德国Leybold公司生产的定向凝固设备的温度梯度整整高出10倍左右，达到了当今世界领先水平。这项成果因而获得了航空航天部科技进步一等奖及国家科技进步二等奖（国防类）。硕果累累 奋斗不息：傅恒志院士献身科教事业硕果累累，业绩辉煌。他先后获国家科技进步及发明奖4项，获部、省级特等及一等奖4项；发表论文300多篇，其中上百篇被载入《美国化学文摘》、《国际宇航文摘》、《应用物理学报》等国际文摘和著名刊物。他多次应邀参加国际学术会议及到国外讲学：先后在美国里海大学、美国国家标准局、德国柏林工业大学、德国亚琛工业大学等院校和研究所做学术报告；他还多次赴前苏联及俄罗斯、乌克兰的一些著名大学和研究机构访问讲学。在圣彼得堡国立技术大学及莫斯科航空材料研究院，他的“关于晶体定向生长及单晶高温合金问题”的讲学受到高度评价。圣彼得堡技术大学教授、苏联功勋科学家、科学院院士哈洛沙伊洛夫认为，傅恒志教授关于“定向凝固溶质再分配”的讲学，是“合金相变理论中的一个突破”。他在科学研究上所取得的卓越成就，使他在第五届国际大学联合会上被推荐为理事会成员；1992年被俄罗斯国立圣彼得堡技术大学授予名誉博士称号，同年由美国传记研究院提名并获世界终身成就奖；1993年成为我国首批入选由世界著名科学家、教育家组成的国际高校科学院院士；1995年初被选为俄罗斯宇航科学院外籍院士，5月间又荣幸地成为中国工程院院士。现任西北工业大学学术委员会主任，陕西省航空学会理事长，中国航空学会副理事长。桑梓情深 愿为家乡多奉献：76岁的傅恒志院士乡音未改，见到家乡的亲人，心情激动，特别热情。他说，我是河南人，热爱河南，人老了，更加关注家乡，迫切希望为家乡做些贡献。1986年，我在苏联留学的同学何竹康担任河南省省长，我的学生赵地担任河南省委副书记，我担任西北工业大学校长。受他们的盛情邀请，我和西北工业大学的几位领导从西安来到郑州，洽谈如何为河南省的经济发展尽力。在赵地同志的陪同下，我们参观了洛阳等几个发展比较快的城市，来到洛阳工学院，受到学院领导的热情接待，留下了美好的印象。后来，赵地同志回西北工业大学参加校庆，再次谈起为河南办点实事的问题。最后选中了洛阳工学院。1998年牡丹花会期间，我再次来到洛阳工学院深入考察，双方开始合作。河南科技大学成立以来，聘请我为共享院士，兼职教授，专设了办公室。我感到责任在肩，时刻牢记在心，虽然这几年，我每年都要到河南科技大学两次，做场学术报告，指导一些工作，但，总希望工作做得更多一些，更好一些。希望河南科技大学的发展更快一些，为河南省经济社会的发展做出更大的贡献。傅恒志院士受聘于河南理工大学：2005年3月，傅恒志院士受聘于河南理工大学之后，他决定每年从该校给他的薪酬中拿出20万元，加上校方配套的10万元，共30万元作为资金来源，设立“金属材料及加工工程学科发展基金”，用于奖励河南理工大学师生。该发展基金于2005年10月建立，至今该校已有40余名师生受益。该基金主要用于支持该校材料学科建设，活跃学术氛围，促进学术交流，奖励品学兼优的材料科学及相关学科的在校硕士、博士研究生，激励他们在学业和研究工作中取得创造性成绩。2005年受聘担任河南理工大学教授以来，创建了材料物理冶金研究所，引领学校材料学科的建设与发展，帮助凝炼并形成了凝固技术与亚稳材料、材料先进连接技术与相变理论及材料加工过程数值模拟等学术研究方向并取得重要进展。
2022年3月10日。时间安排，博士预答辩至少在论文相似性检测之前2个月完成,与正式答辩不得安排在同一学期,具体时间由培养单位自行确定。中国科学院宁波材料技术与工程研究所（简称“宁波材料所”）是由中国科学院、浙江省、宁波市三方共同出资组建的浙江省首家中科院直属科研机构，是着眼于集技术创新、成果转化、科技服务、人才培育、企业孵化于一体的新型的创新研究机构。下设新材料、先进制造、新能源及生物医学工程四大研究领域，目前全所已布局了磁性材料与机电装备、高分子与复合材料、海洋材料与防护技术、功能材料与纳米器件、特种纤维、稀土磁性功能材料、先进能源材料、动力锂电池、新能源技术、先进制造技术、生物医学工程等学科方向。
飞行器隐身材料的发展与研究论文
关于等离子体隐形技术的应用，目前以俄罗斯为先。俄罗斯发展等离子体隐形的主要思路是在飞机等主战装备表面形成等离子体气团，从而达到吸收、折射对方雷达波之目的；其具体思路是：利用等离子体发生器、发生片、放射性同位素在主战装备表面形成一层等离子云，并设计等离子的特征参数（能量、电离度、振荡频率和碰撞频率等）满足特定要求。 俄罗斯及别的国家理论研究表明，等离子体隐形有几个突出的优点： （1） 隐形效率高。 首先，等离子体可以达到99%的吸收或折射效果，这样的效率远远超过现有吸波材料，接近完全吸收；其次，等离子体具有很宽的吸收波段，基本可以对所有波段的雷达波进行吸收和干扰。而目前美国的隐形技术只对短波雷达有效，对于长波雷达效果却不甚理想。 （2） 不改变装备的外形结构。 传统吸波材料效率不是很高，所以要实现隐形主要是寄希望于外形设计，因此美国的隐形飞机与导弹都特别强调隐身外形，这对飞行器的飞行性能必然会产生不良影响；等离子体由于具有极高的吸波效率，根本就不需要对装备有什么特别的外形要求，只要能在装备表面形成一层等离子体就完全可以达到目的。所以等离子体隐形可以保留装备的原有外形及战术、技术性能。 （3） 相对简单廉价。等离子体隐形技术如果能投入实际应用，其技术相对简单、成本也相对较低。比起传统的隐形技术，更便于大规模使用。 但是，目前这种在装备表面形成等离子体进行雷达隐形的思路也存在着一些严重的问题与困扰，正是由于这些难以解决的问题限制了等离子体隐形技术的实用化。 （1）难以在装备表面形成均匀持续的等离子层。对于飞机/巡航导弹这类高速飞行器而言，很难通过设置若干等离子体排放口的方式对飞行器进行完全屏蔽。这类飞行器的表面气流很快且非常紊乱，即便在飞机表面象筛子那样设几百个等离子体排放口也难以对飞机形成全屏蔽；对于军舰、坦克这类低速或时常静止的装备而言，在其表面形成均匀连续的等离子体层也是很困难的，这不仅需要在装备表面设置大量的等离子体排放口，还需要相应的鼓风系统，这需要功率极大的等离子体发生器和电源系统；由此可见：等离子体制造技术是成熟的，但是如何在装备表面连续形成均匀的等离子体层才是确保隐形的关键，对于现代高性能雷达而言，只要有一处没有被屏蔽就会让装备马脚毕现，前功尽弃；现在即便是俄罗斯人也没有解决这个难题，所以俄国人现在所吹嘘的等离子体隐身只是“局部使用”：在进气道这类强反射部位使用等离子体隐形，而在其余部分则依然使用吸波涂料。这种隐形充其量只能说是混合隐身，不能算是全等离子体隐形，其效果也是有限的。 （2）等离子层在欺对方雷达的同时也会对自己屏蔽，从而使己方耳聋眼瞎。 假设未来技术发展能够在装备表面形成持续均匀的等子体团，但是这会导致一个严重的后果：被等离子体屏蔽的飞机、军舰、巡航导弹等战战装备的雷达也无法透过等离子体发现目标，无线电信号也无法穿过，其结果是在隐蔽自己的同时也让自己耳聋眼瞎！这种隐身的意义不大，也非常不利于现代信息化战争。 （3） 不利于多军兵种通用. 对于卫星、弹道导弹这类在外层高真空环境中活动的装备而言，在其外表形成等离子层的困难很大，或者说是不可能形成连续的等离子体；对于军舰和战车这类开放或半开放型装备而言，在周边形成连续长时间形成等离子体团对于其上的人员与技术装备也会有不利的影响； 上述问题表明：以俄罗斯为代表、在主战装备外表面制造等离子层实现雷达隐形的思路并不是很完美，因为这种思路所导致的一些问题很难解决或者无法解决！因此有必要寻找新的途径对等离子体隐形技术补充和完善。所谓“内封闭等离子体隐形技术”，顾名思义就是将等离子体置于主战装备外表内，“内封闭”是与目前在外表以外制造等离子体相对而言的； 具体技术方案：“透波夹层+等离子体”。就是将传统飞机/导弹的单层蒙皮改作双层结构，最为外层采用玻璃钢透波材料制造。之后将等离子体罐充于双层蒙皮之间，从而达到雷达隐形之目的； 其隐形原理是：敌方入射的雷达波先穿透外层玻璃钢，接着进入透波夹层内的等离子层，此时雷达波将会被等离子体大量吸收和散射，从而使雷达难以接收到足够的回波无法发现目标； 技术要点： （1） 透波材料 透波材料的技术要求是要有很高的透波率，以保证敌雷达波能尽可能多地穿过并进入夹层中的等离子体被吸收掉。这种透波材料可以使用与雷达整流罩相同的玻璃钢材料制作，现有技术下这类玻璃钢可以达到95%-99%的透波率；对于军舰和战车而言，还可以用透波材料制成夹层吸波瓦并在内部罐充等离子体达到良好的隐形目的，这在下面另述； （2） 等离子体的形成 第一种：是用等离子体发生器制造等离子体，即使用高频电磁能将空气雪崩成等离子体。如果飞行器采用这种方式产生等离子体，需要有相应的“气体循环系统”进行支持，其作用是：将等离子体发生器制造的等离子体快速输送到夹层中，并将夹层中的等离子体再次循环至发生器进行再次生成。因为等离子体离开发生器后会很快恢复到正常的空气形态，只有反复经过发生器调制才能保证透波夹层中等离子体形态的稳定，始终维持良好的隐形效果。第二种：通过给惰性气体充电的方式形成等离子体。这与电棒、霓红灯的原理一样：即将惰性气体充入透波夹层中，当给惰性气体通电时就形成等离子体状态，从而对入射的雷达波进行吸收和散射；这种方式具有很好的灵活性：需要隐形时只要通电就能将透波夹层中的惰性气体电离为等离子体，使之达到隐形目的。当断开电路时雷达又能发现目标。这种灵活的隐形选择既有利于战时隐身又有利于平时的航行管制；当然这种等离子体生成方式尽管在原理上电棒、霓红灯相同 ，但毕竟是以反雷达为目标而不是为了照明，因此可以采用措施防止生成等离子体的同时向外辐射可见光，比如可以在玻璃钢外壳上涂非透明油漆； “内封闭等离子体隐形技术”的优点： （1） 更易于等离子体隐形技术的应用、降低技术难度。 大家都知道，普通空气是不良导电体，否则人会被空气传导的电流击死。普通空气除了被“高温化”之外很难通过通电的方式使之等离子体化，所以俄罗斯的等离子体隐形技术也是自带特种气体源，一旦特种气体用完了也就没法生成等离子了，这具有很大的局限性；“内封闭等离子体隐形技术”是在封闭的透波夹层中存放电性良好的特种气体，通过充电或者高频电磁能的作用非常容易生成等离子体。而且由于特种气体是存放于密封的透波夹层中，不存在气体泄露，因而也就不存在特种气体消耗殆尽的问题，有利于保证连续形成等离子体。也就是说，“内封闭等离子体隐形技术”在技术上更加简单易行，更能长时间维持隐形状态；而且“内封闭等离子体隐形技术”更能对等离子体参数（能量、电离度、振荡频率和碰撞频率等）灵活调制使之对不同的雷达进行最佳欺与干扰。 （2） 解决等离子体表面分布不均地难题。 对于飞机、巡航导弹这类高速飞行器而言，“内封闭等离子体隐形”是将等离子体放置在透波层的内部，无论飞行器表面气流如何迅疾与紊乱，都不可能对夹层内的等离子体造成什么妨碍，无论在什么情况下夹层内的等离子体都可以形成均匀连续的等离子层，对装备形成完全的屏蔽；对于军舰、坦克这些低速或时常静止的装备而言，可以使用透波材料制造的、内部充有惰性气体的夹层吸波瓦在装备表面密集的铺设，当给这些吸波瓦通电时惰性气体就会形成等离子体并对军舰与战车表面形成密集的屏蔽从而躲过对方的雷达侦察。 （3） 不会对己方形成屏蔽和干扰。 由于等离子体全部在透波壳的内部，飞机、军舰、战车上的通信天线将不会被等离子体屏蔽，既隐藏了自己又不会堵塞了自己的耳朵；同时可以将飞机、巡航导弹的玻璃钢雷达罩设计成双层结构，内部充满惰性气体，当需要隐身时给雷达罩夹层中的惰性气体充电制造等离子体，需要开动雷达时就断开电源让雷达罩夹层中的等离子体消失，以利于己方雷达的探测。 （4） 有利于多军兵种使用。 对于弹道导弹、卫星这些在真空环境中运动的装备而言，在其外表面制造并维持等离子层是不可能的。但是“内封闭等离子体隐形”则完全可以做到：在弹头或卫星表面先设置相应的透波夹层，在其内部充上惰性气体，通过通电控制随时制造等离子层让对方雷达失去目标。 这种技术的应用将会让美国正在发展的NMD/TMD完会失去效能，因为美国的各种导弹预警和跟踪雷达都将无法发现和跟踪被等离子体屏蔽的导弹弹头，而且这种技术比弹道变轨还要简单便宜；对于军舰、战车来说，传统的外表面制造等离子体的方法会对开放、并开放的空间中的人员及装备形成影响，但是“内封闭等离子体隐形技术”不存在等离子体外泄，因而不会对人员与设备造成影响，有利于多军兵种的广泛应用。 （5） 维持等离子体隐形技术的既有优点。 “内封闭型等离子体隐形”在具有独特优势的同时，也将等离子体隐形技术的既有优点给予保持。如吸波频带宽，吸收率高，隐形效果好，不改变装备的外形、使用简便，使用时间长，价格便宜等等。 综上所述：等离子体隐形具有独特的优势及广阔的应用前景。但是由于目前发展的思路是在装备表面制造并维持等离子层，因此也导致的一些困难与不足，限制了等离子体隐形技术的早日实用化；“内封闭等离子体隐形”则从一种全新的思路进行了探讨，它在保持等离子体隐形技术原有优点的同时又避免其不足。
战争中，如何有效保存自己、消灭敌人，这是交战双方都必须解决的首要问题。随着科学技术的发展，军用隐身技术得到了飞速发展，尤其在军用飞机上得到了广泛的应用。目前世界上已投入使用的隐身军用飞机主要是美国的f-117a隐身攻击机、b-2隐身轰炸机、f-22隐身战斗机。由于真正隐身（完全不被发现）的飞机是不存在的，所以隐身飞机更确切的称谓是低可探测飞机（lowobservableaircraft）。 根据所对抗的遥感装置的类型，军用飞机已成功应用的隐身技术包括雷达隐身技术、红外辐射隐身技术、可见光隐身技术、声波隐身技术、电磁辐射隐身技术等，目前正在研究的隐身技术还包括等离子体隐身技术。 一、雷达隐身技术 由于目前用于发现及跟踪飞行目标的主要手段是雷达，因此隐身飞机必须将对雷达波的隐身放在首位。就雷达隐身技术而言，目前广泛应用的主要有两种，即外形隐身技术、材料隐身技术。 二、红外辐射隐身技术 在红外探测装置探测、跟踪的重要方向上减弱飞机的红外特征的措施称作红外隐身技术。
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电磁波隐身技术的发展黄志洵 【摘要】：论述了“对电磁波隐身”这一研究领域的由来和发展，指出它必将对雷达技术引起一场革命。对于作战用飞行器，本文以美国隐形飞机F—117为例，详细分析了其隐身原理和设计思想。并指出，对飞行器的有关水平宜用两个技术指标加以描绘，即“迎头散射截面平均值”（σa）和“侧向散射截面平均值”（σb）。讨论了吸波材料的作用和应用方法。指出了近年来理论工作的某些动向；特别讨论了导波理论研究对RCS计算（以及降低RCS值）的意义。【关键词】： 雷达散射截面 雷达吸波材料 隐形飞机 飞行器可发现距离 加衬波导 【分类号】：【DOI】：CNKI:SUN:【正文快照】： 电磁波隐身技术的发展黄志洵（广播电视传输系）〔摘要〕论述了“对电磁波隐身”这一研究领域的由来和发展，指出它必将对雷达技术引起一场革命。对于作战用飞行器，本文以美国隐形飞机F—117为例，详细分析了其隐身原理和设计思想。并指出，对飞行器的有关水平宜用两个全文下载： CAJ格式 （推荐） PDF格式 不支持迅雷等加速下载工具，请取消加速工具后下载 阅读器支持所有CNKI文件格式，AdobeReader仅支持PDF格式 平安车险，网购－方便，省钱15%，还有大奖 应届毕业生撰写“英文简历”& 英语面试技巧下载 【引证文献】 中国期刊全文数据库 前1条 1 毛倩瑾,周美玲,陆山,戴瑶;导电高聚物吸波材料的研究进展[J];北京工业大学学报;2004年04期 中国硕士学位论文全文数据库 前2条 1 汪飞艳;溶胶—凝胶法制备Fe/TiO_2复合薄膜及性能研究[D];华中科技大学;2006年 2 邓科;高分子化二茂铁吸波材料的分子设计、合成与性能研究[D];四川师范大学;2007年 【共引文献】 中国期刊全文数据库 前10条 1 张勇军,王龙根,何国瑜;GTEM小室放置被测物后的场分布[J];宇航计测技术;2001年01期 2 黄卡玛,李颖,刘宁,袁渊,陈星,王可,马永东;近年来弱电磁场(波)生物效应机理研究的进展[J];中国医学物理学杂志;2000年01期 3 孟萃,陈雨生,王建国;瞬态电磁场对多孔洞目标耦合规律的数值研究[J];强激光与粒子束;2000年06期 4 汪杰,洪伟;弯曲波导广义散射参数的快速精确计算[J];微波学报;2000年02期 5 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复合材料的研究及发展论文
在材料学科上，要求学生掌握坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识，了解材料科学的发展前沿。下文是我为大家搜集整理的有关材料学的论文范文的内容，欢迎大家阅读参考!
论高电化学性能聚苯胺纳米纤维/石墨烯复合材料的合成
石墨烯是一种二维单原子层碳原子SP2杂化形成的新型碳材料，因其非凡的导电性和导热性、极好的机械强度、较大的比表面积等特性，引起了国内外研究者极大的关注.石墨烯已经被探索应用在电子和能源储存器件、传感器、透明导电电极、超分子组装以及纳米复合物[8]等领域中.而rGO因易聚集或堆叠而导致电容量较低(101 F/g)[9]，这限制了其在超级电容器电极材料领域的应用.
另一方面，PANI作为典型的导电高分子之一，由于合成容易，环境稳定性好和导电性能可调等特性备受关注.具有纳米结构的导电材料，由于纳米效应不但能提高材料固有性能，并开创新的应用领域.PANI纳米结构的合成取得了许多的成果.PANI作为超级电容器电极材料因具有高的赝电容，其电容量甚至可高达3 407 F/g[10];然而，当经过多次充放电时PANI链因多次膨胀和收缩而降解导致其电容损失较大.碳材料具有高的导电性能和稳定的电化学性能，为了提高碳材料的电化学电容和PANI电化学性能的稳定性，人们把纳米结构的PANI与碳材料复合以期获得电容较高且稳定的超级电容器电极材料[11].
作为新型碳材料的石墨烯和PANI的复合引起了极大的关注[12].但是用Hummers法合成的GO直接与PANI复合构建PANI/GO复合电极因导电率低而必须还原GO，化学还原剂的加入虽然还原了部分GO而提高了导电性能，但也在一定程度上钝化了PANI [13]，另外排除还原剂又对环境造成一定程度的污染.因而开拓一条简单且环境友好的制备PANI/rGO复合材料作为超级电容器的电极路线仍然是一个难题.
基于以上分析，首先使PANI和GO相互分散和组装，借助水热反应这一绿色环境友好的还原方法制备PANI/rGO复合材料，以期获得高性能的超级电容器电极材料.
1实验部分
原材料
苯胺(AR， 国药集团)，经减压蒸馏后使用;氧化石墨烯(自制);过硫酸铵(APS， AR， 湖南汇虹试剂);草酸(OX， AR， 天津市永大化学试剂);十六烷基三甲基溴化铵(CTAB， AR， 天津市光复精细化工研究所).
的制备
PANIF的制备按我们先前提出的方法 [14]，制备过程如下：把250 mL去离子水加入三口烧瓶后，依次加入 g CTAB， g 草酸以及 mL苯胺，在12 ℃水浴上搅拌8 h;随后，往上述溶液中一次性加入20 mL含苯胺等量的过硫酸铵水溶液，同样条件下使反应保持7 h.所制备的样品用大量去离子水洗涤至滤液为中性，随后30 ℃真空干燥24 h. 的制备
采用Hummers法制备GO，具体过程如下：向干燥的2 000 mL三口烧瓶(冰水浴)中加入10 g天然鳞片石墨(325目)，加入5 g硝酸钠固体，搅拌下加入220 mL浓硫酸，10 min后边搅拌边加入30 g高锰酸钾，在冰水浴下搅拌120 min，再将三口烧瓶移至35 ℃水浴中搅拌180 min，然后向瓶中滴加460 mL去离子水，同时将水浴温度升至95 ℃，保持95 ℃搅拌60 min，再向瓶中快速滴加720 mL去离子水，10 min后加入80 mL双氧水，过10 min后趁热抽滤.将抽干的滤饼转移到烧杯中，加大约800 mL热水及200 mL浓盐酸，趁热抽滤，随后用大量去离子水洗涤直至中性.所得产品边搅拌边超声12 h后5 000 r/min下离心10 min，得氧化石墨烯溶液.
复合材料制备
按照一定比例将含一定量的PANIF液与一定量的 mg/mL 的GO溶液混合，使混合液总体积为30 mL， GO在混合液中的最终浓度为 mg/ mL，磁力搅拌10 min后，将混合液转移到含50 mL聚四氟乙烯内衬的反应釜中进行水热反应，在180 ℃保温3 h;待反应釜自然冷却至室温后取出，用去离子水洗涤产物直至洗液无色后，于60 ℃真空干燥24 h，待用.按照上述步骤制备的PANIF与GO的质量比分别为5，10以及15，相应命名为PAGO5，PAGO10和PAGO15，对应的PANIF质量为75 mg，150 mg和225 mg.
仪器与表征
用日本日立公司S4800场发射扫描电镜(SEM)分析样品的形貌;样品经与KBr混合压片后，用Nicolet 5700傅立叶红外光谱仪进行红外分析;用德国Siemens公司Xray衍射仪进行XRD分析;电化学性能测试使用上海辰华CHI660c电化学工作站.
电极制备和电化学性能测试：将活性物质(PANIF或PANIF/rGO)、乙炔黑以及PTFE按照质量比85∶10∶5混合形成乳液，将其均匀地涂在不锈钢集流体上，在10 MPa压力下压片，之后烘干得工作电极.在电化学性能测试过程中，使用饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极，铂片(Pt)作为对电极，在三电极测试体系中使用1 M H2SO4作为电解液进行电化学测试，电势窗为～.
比电容计算依据充放电曲线，按式(1)[15]计算：
Cs=iΔtΔVm.(1)
式中：i代表电流，A;Δt代表放电时间，s;ΔV代表电势窗，V;m代表活性物质质量，g.
2结果与讨论
形貌表征
图1为PANIF和PAGO10形貌的SEM图.低倍的SEM(图1(a))显示所制备PANIF为大面积的纳米纤维网络;高倍的图1(b)清晰地显现该3D纳米纤维网络结构含许多交联点.PANIF和PAGO10混合液经过水热反应后，从低倍的SEM(图1(c))可以看出，PAGO10复合物具有交联孔状结构;提高观察倍数(图1(d)和图1(e))后可以发现样品中rGO 与PANIF共存;而高倍的图1(d)清晰地显示出了rGO与PANIF紧密结合，且合成的褶皱rGO因层数较少而能观察到其遮盖的PANIF.从图1可知：成功合成了大面积的PANIF以及互相均匀分散的PANIF/rGO复合材料.
分析
图2为PANIF，GO以及PAGO10 3种样品的FTIR图.图2中a曲线在1 581 cm-1，1 500 cm-1，1 305 cm-1，1 144 cm-1，829 cm-1等波数处展现的尖锐峰为PANI的特征峰，它们分别对应醌式结构中C=C双键伸缩振动、苯环中C=C双键伸缩振动、C-N伸缩振动峰、共轭芳环C=N伸缩振动、对位二取代苯的C-H面外弯曲振动.图2中b曲线为GO的红外谱图，在3 390 cm-1， 1 700 cm-1的峰分别对应-COOH中的O-H，C=O键振动，1 550～1 050 cm-1范围内的吸收峰代表COH/ COC中的C-O振动[16]，可以看出，GO中存在大量的含氧官能团.图2中c曲线为PAGO10复合物红外吸收谱图，与GO，PANIF谱图比较， 可以发现PAGO10中的GO特征峰不太明显而PANI的特征峰全部出现，这个结果归结于GO含量少以及GO经水热反应后形成了rGO，另外也表明水热反应对PANI品质无大的影响.
电化学性能分析
图4为样品的CV曲线，其中图4(a)为不同样品在1 mV/s扫描速率下的CV图，可以看出，4个样品均出现明显的氧化还原峰，这归因于PANI掺杂/脱掺杂转变，表明PANIF以及复合物显示出优良的法拉第赝电容特性.图4(b)为PAGO10在不同扫描速率下的CV曲线，由图可知PAGO10电极的比电容随着扫描速率减小而稳步增加，在扫描速率为1 mV/s时，PAGO10电极的比电容为 F/g.
图5为PANI，PAGO5，PAGO10和PAGO15的充放电曲线以及交流阻抗图.图5(a)为电流密度为1 A/g时样品的放电曲线图，由图可知：4种样品均有明显的氧化还原平台，这与前述CV分析中的结果相吻合.根据充放电曲线，借助式(1)，计算了4种样品在不同电流密度下的比电容，结果如图5(b)所示，很明显，相同电流密度下PAGO10比电容最大，当电流密度为1 A/g时，其比电容为517 F/g，这个结果表明PAGO10的电化学性能明显优于PANI/石墨烯微球和3D PANI/石墨烯有序纳米材料(电流密度为 A/g时，比电容分别为 261和495 F/g)[18-19]， 而PANIF比电容最小，仅为378 F/g;且在10 A/g电流密度下PAGO10的比电容仍保持在356 F/g 左右，这表明PAGO10电极具有优异的倍率性能.该复合材料比电容以及倍率性能得到极大提高源于rGO与PANIF两组分间的协同效应.在充放电过程中连接在PANIF间的rGO为电子转移提供了高导电路径;同时，紧密连接在rGO上的PANIF有效阻止水热还原过程中石墨烯的团聚，增加了电极/电解质接触面积，从而提高了PANIF的利用率而使得容量增加. 为了更清晰地了解所制备材料的电子转移特点以及离子扩散路径，对样品进行了交流阻抗测试，图5(c)为4个样品的Nyquist图.从图5(c)可知：在高频区、低频区均分别具有阻抗弧半圆、频响直线.在高频区，电荷转移电阻Rct大小顺序为RPAGO5
值说明rGO的加入提高了电极材料的导电性.在低频区，直线形状反映了样品电化学过程均受扩散控制，并且PAGO5所展现的直线斜率最大，说明其电容行为最接近理想电容，即频响特性最好，这也是源于rGO的加入提高了材料导电性以及复合物的独特微观结构.
氧化还原反应的发生，导致PANIF具有十分高的赝电容，但由于在大电流充放电过程中高分子链重复膨胀和收缩，导致其循环稳定性差而限制了其实际应用.为此，对ANIF和PAGO10进行循环稳定性分析.图6显示，PAGO10在5 A/g电流密度下经过1 000次充放电后，电容保持率为77%，而不含rGO的PANIF电极在2 A/g电流密度下充放电1 000次电容保持率仅为，这个结果表明PANIF循环稳定性较差;另外，rGO的加入形成的PANIF/rGO紧密的连接，降低了PANI链在充放电过程中的膨胀与收缩，使得链段不容易脱落或者断裂，从而PAGO10具有出色的循环稳定性.
3结论
采用自组装的方法，经水热反应，制备了PANIF/rGO复合电极材料.研究发现，rGO与PANIF紧密连接;而且，当PANIF与GO质量比为10∶1时，复合材料展现了最佳的电化学性能，当电流密度为1和10 A/g时，其比电容分别为517， 356 F/g.从上可知：合成的PAGO10具有高的比电容、较好的倍率性能和稳定性能，从而有望作为超级电容器电极材料在实践中应用.
浅谈水泥窑用新型环保耐火材料的研制及应用
1 概述
随着新型干法水泥生产技术在我国的迅速普及，我国水泥工业得到飞速发展，2012年，水泥总产量达亿吨，占世界总产量55%左右。在20世纪六、七十年代，镁铬质耐火材料因具有良好的挂窑皮和抗水泥熟料的化学侵蚀性能，而被广泛应用于新型干法水泥窑的烧成带[1]，并取得了良好的使用效果，但由于镁铬砖在使用过程中砖内的Cr2O3组分与窑气、窑料中的碱、硫等相结合，形成有毒的Cr6+化合物[2]。再加上原燃料中所带入的硫，碱与硫共存时形成另一种水溶性Cr6+有毒性致癌物质：R2(Cr，S)O4。水泥窑在正常运转中，其窑衬中镁铬砖内的一部分Cr6+化合物随着窑气和粉尘外逸，飘落在厂区及周边环境中，造成厂区大气的污染; 另一部分则残留在拆下的废砖中，废弃的残砖一遇到水就会造成地下水的污染;更直接的危害是在水泥窑折砖和检修作业时，窑气和碎砖粉尘中的Cr+6会给现场人员造成毒害，据有关专家论证，Cr6+腐蚀皮肤，使人易患上大骨病，进而致癌。因此，镁铬质耐火材料作为水泥窑内衬会对环境和人类造成长期污染和公害。
发达工业国家在水源、环境和卫生方面有着一系列配套的规范，其中德国对水泥厂预防“铬公害”的规定最普遍，执行也是最严格的，具体内容如表1所示：
我国于1988年4月颁布国家标准GB3838-88，对地面水中Cr6+含量进行明确规定，如表2所示：
这就使得水泥企业在使用镁铬砖做水泥窑内衬投入的环保费用加大，特别是用过镁铬残砖处理费用非常昂贵，因此，水泥窑用耐火材料无铬化是必然的发展趋势。
2 水泥窑烧成带新型环保耐火材料的研制
研制思路
目前，用于水泥回转窑烧成带的无铬环保耐火材料主要有镁白云石砖和镁铝尖晶石砖。镁白云石砖对水泥熟料具有良好的化学相容性和优良的挂窑皮性，但是抗热震性差，抗水化性差;镁铝尖晶石砖具有良好的抗热震性和抗侵蚀性，但是挂窑皮性差[3，4]。镁砖中引入铁铝尖晶石制成的第二代新型环保耐火材料―新型环保耐火材料，结构韧性好，抗碱盐及水泥熟料侵蚀能力强，具有良好的挂窑皮性能，在烧成带能有效延长使用寿命，是目前适合我国国情的新一代水泥窑烧成带用无铬耐火材料。但该产品的关键是铁铝尖晶石原料的合成、加入量、加入方式及有关工艺条件对制品性能的影响。
试验与研究
铁铝尖晶石的合成。铁铝尖晶石是一种自然界少有的矿物，化学分子式为FeAl2O4，其中含和。铁铝尖晶石为立方体结构，二价阳离子占据四面体位置，三价阳离子填充在由氧离子构成的面心立方中。其理论密度为，莫氏硬度为。要形成铁铝尖晶石，必须保证氧化亚铁(FeO或FeOn)是处于其稳定存在的条件下。只有在FeO能稳定存在的区域内，才能保证与Al2O3形成的化合物是FeO? Al2O3尖晶石，而在FeO稳定存在的区域以外的条件下，铁的氧化物与Al2O3作用得到的产物很难说是FeO?Al2O3尖晶石，而可能是含有大量或主要是Fe2O3-Al2O3的固溶体[5]。FeOn- Al2O3的系相图如图1所示：
为了得到高质量的合成铁铝尖晶石，我们特聘请了欧洲知名耐材专家进行专业技术指导，经过大量试验，掌握了烧结合成铁铝尖晶石的关键技术，为生产达到国际水平的新型环保耐火材料打下了良好的基础。在生产中把FeO与Al2O3按一定比例混合均匀后压制成荒坯，在保证“FeO”稳定存在的气氛下，经高温烧成，制得FeO? Al2O3尖晶石含量为97%以上的烧结铁铝尖晶石。产品衍射如图2所示：
原料与制品的性能 ①原料的选择。根据我们的生产经验，结合水泥窑烧成带对耐火材料的要求，我们选用优质镁砂、合成尖晶石为原料，并加入特殊添加剂来强化制品的性能，研制生产出第二代无铬镁尖晶石砖―新型环保耐火材料。所用原料理化指标如表3所示。②制品的性能。将原料破碎成所需的粒度，采用四级配料，经强力混碾、高压成型、高温烧成。产品的显微结构见图3，产品理化指标与国外同类产品对比情况如表4所示。
铁铝尖晶石对制品性能的影响 ①铁铝尖晶石加入量对制品耐压强度的影响。从图4可以看出：随着铁铝尖晶石增加制品的耐压强度呈现出先升后降的趋势，这是由于铁铝尖晶石与镁砂互溶的结果，铁铝尖晶石的加入量在10%时，制品的强度达到最大值。②铁铝尖晶石加入形式对制品抗热震性能的影响。从实验结果表5可以看出：以颗粒形式加入铁铝尖晶石制品的抗热震性比以细粉形式加入铁铝尖晶石制品相对较好。
产品的性能
结构韧性好、热震稳定性优良。新型环保耐火材料在烧成及使用过程中Fe2+离子扩散进入周边的氧化镁基质中，同时部分Mg2+离子扩散进入铁铝尖晶石颗粒，与铁铝尖晶石分解残留的氧化铝反应生成镁铝尖晶石，这一活化效应使制品在烧成或使用过程中，内部形成大量的微裂纹，重要的是铁铝尖晶石的分解过程、Fe2+离子和Mg2+离子的相互扩散在高温下持续进行，使得MgO-FeAl2O4耐
火材料在整个高温使用过程中，可以形成大量的微裂纹，这些微裂纹的存在有利于缓冲热应力、提高制品的结构柔韧性和热震稳定性。
强度高。从制品显微结构可以看出：制品内部铁铝尖晶石与高纯镁砂互溶，结构非常均匀致密，晶粒发育良好，颗粒与基质间通过晶间尖晶石相连接，结合良好，明显的提高了砖的密度和高温强度。
具有良好的粘挂窑皮性能。在使用过程中，制品中的Fe2O3与Al2O3都易与水泥熟料中的CaO反应生成C2F、C4AF等低熔点矿物，该矿物具有一定的粘度，可牢固粘附在新型环保耐火材料的热面，形成稳定的窑皮。我们把新型环保耐火材料和直接结合镁铬砖分别制成40mm×40mm×60mm样块，用90%水泥生料+5%煤粉+5%K2SO4，压制成Φ30×10mm圆饼，把圆饼放在两个样块中间，放入电炉内加热，温度升到1500℃，保温3小时，冷却后测其抗折强度，二者基本相同。由此可见，新型环保耐火材料粘挂窑皮性能优良。
产品的应用
新型环保耐火材料自2012年研制成功投放市场以来，通过河北鹿泉曲寨水泥公司、宁夏瀛海天琛水泥公司、内蒙古哈达图水泥公司、陕西尧柏水泥集团、北方水泥集团、河南锦荣水泥公司、新疆天基水泥公司、安阳湖波水泥公司等二十多家大型水泥企业2500t/d、5000t/d、6500t/d水泥窑烧成带应用，寿命周期均达到12个月以上，受到用户认可。
3 结论
文关键词：金属基复合材料有效性能结构拓扑优化论文摘要：金属基复合材料综合了作为基体的金属结构材料和增强物两者的优点，具有高的强度性能和弹性模量、良好的疲劳性能等特点。由于制作工艺相对容易，和价格低廉，颗粒增强金属基复合材料体现出了广泛的商业价值，金属基复合材料首先在航天和航空上得到应用，随着其价格的不断降低，它们在汽车、电子、机械等工业部门的应用也越来越广。为此全球各大公司和研究机构对它的研究和应用开发正多层次大面积地展开。笔者阅读了大量相关文献，进而综述了近些年来国内外学者对金属基复合材料的研究，具有一定的现实意义。一、颗粒随机分布金属基复合材料有效性能研究九十年代中期Povirk, Gusev等人就研究证明了可以用一个有限体积的代表体元来代替整体复合材料，模拟其细观结构，从而建立复合材料的宏观性能同其组分材料性能及细观结构之间的定量关系。随着计算机技术的高速发展，数值分析方法在复合材料力学分析中成为不可缺少的工具，在做计算数值模拟时，建立合适的数学模型，是进行数值模拟计算复合材料等效性能的基础。基于有限元法的多尺度等效性能计算是目前一种行之有效的研究复合材料细观结构与宏观力学行为之间关系的重要方法。采用这种方法的前提是建立复合材料的有限元模型，包括随机颗粒分布区域的几何建模和网格剖分，然后才能进行多尺度计算。对于复合材料等效性能计算的数值方法，国内外已经发展了名目繁多的各种数值方法。一般来说，可以分为反分析法、直接分析法。其中反分析法实质就是根据现场观测结果，来反演复合材料力学参数。反分析法主要依赖于材料程的实测位移、本构模型以及材料参数的假定。由于现场观测资料的获取受客观条件影响和对复合材料认识上的不足，往往造成模型和材料参数假定与实际差异很大，因而该方法在实际应用中遇到了一些困难。为此，人们试图选择另一种途径---直接分析法来预测复合材料的力学参数。由于离散元元方法没有很好解决对复合材料离散后的计算结果的误差，因此基于离散单元法计算宏观力学参数的研究较少目前主要是基于有限元法的数值分析法，其计算过程是首先建立颗粒材料的统计模型，然后模拟出不同尺度的复合材料"试件";这样得到的复合材料"试件"，可以视为由基体和增强颗粒两部分组成，其力学参数可以在实验室分别确定，然后应用有限元方法进行分析，进而得到颗粒统计力学参数即。这一方法计算结果的正确性取决于颗粒统计模型的正确性以及有限元算法的合理性，这一过程虽然有误差，但是误差不会比原位实测更大。该方法的不足之处在于为避免尺寸效应，模拟不同尺度"试件"时，增加了计算成木，并且当计算尺度增大时，"试件"内的颗粒数目明显增加，给有限元的剖分和计算带来了困难。还有学者基于有限元方法，基于等效观点，对颗粒增强复合材料的等效性能进行了研究，即根据一定的等效原则，宏观地考虑颗粒对材料力学特性的影响，将整个颗粒增强复合材料均匀化、连续化，然后用有限元计算得到等效力学特性.按等效方式来分，主要有材料参数等效法、能量等效法等，这些等效方法有其适用的一面，但仍有一定局限性，例如等效体的尺寸效应问题等.关于材料参数的均匀化理论.作为一种研究复合材料宏观性质的新方法，数学家们已进行了大量的研究，例如、等针对小周期结构问题的渐进分析，给出了均匀化材料系数的概念；等对具有小周期结构的均匀化理论和一阶渐进分析理论进行了深入研究；和陈志明等在此基础上给出了一阶渐进展开有限元的理论估计；崔俊芝等针对小周期结构提出了双尺度祸合算法。针对具有对称性的基本胞体给出了高阶渐进展式和有限元估计，并把此方法运用到工程计算中，从而使的均匀化从理论分析进入了数值计算。阶段和实际应用阶段，使得微观构造十分复杂的非均质材料的宏观力学参数计算成为现实，并且给出了计算周期性编制复合材料的等效力学参数的双尺度方法。在进行等效计算时，首先需建立材料的单胞模型，如二维单胞模型、二维多颗粒单胞模型、三维单胞模型、三维多颗粒单胞模型及代表体单元模型。武汉理工大学的瞿鹏程教授等，根据扫描电镜试样截面细观图，建立了有限元模型，并且成功预测出了SiC颗粒增强Al基复合材料等效弹塑性力学性能特征曲线。Soppa根据体积含量10%Al2O3,增强6061Al基复合材料的实验细观图，构件有限元分析模型，观察残余热应力对PRMMCs变形和破坏的影响。Han等人采用三维多颗粒单胞模型研究PRMMCs的力学性能和裂纹的产生。二、复合材料微结构拓扑优化研究结构拓扑优化是结构形状优化的发展，是布局优化的一个方面。当形状优化逐渐成熟后，结构拓扑优化这一新的概念就开始发展，现在拓扑优化正成为国际结构优化领域一个最新的热点。以Roderick Lakes（1987，1993）提出的具有负泊松比系数的泡沫材料以及对通过不同组分材料的复合可以获得任何单相材料无法比拟的极端材料特性(如零膨胀系数、零剪切性能)新发现的阐述为标志，材料微结构的优化设计被纳入拓扑优化领域。特别是由Sigmund于九十年代中期提出来的，现在己经成为材料研究领域的前沿课题之一。而在2002年的第9届AIAA年会上Kalidindi等人提出了"微结构灵敏设计(MSD-Microstructure Sensitive Design)"概念，进一步完善与发展了微结构构型与组分优化设计的思想与体系。这些开创性的工作为复合材料与结构的拓扑优化设计奠定了坚实的基础，进一步促进了材料微结构的优化设计。复合材料的宏观性能可由微结构单胞使用均匀化技术得到，通过对微结构单胞进行拓扑优化设计可获得具有良好特性的复合材料，例如负的泊松比、负的热膨胀系数、零剪切性能以及良好压电特性的压电材料。对单胞的拓扑优化设计，问题可分为两类:一是满足本构模量等于给定值的最小体积百分含量问题;二是满足一系列体积约束和对称条件的极值材料常数问题。Silva基于均匀化方法展开了具有极端性能的二维和三维压电材料的优化设计;国内袁振、吴长春进行了极端性能的弹性材料优化设计，杨卫等采用优化准则法进行具有特定性能的微结构设计，实现了具有负泊松比的材料设计。基于传热性能的微结构优化设计目前还处于初期阶段，张卫红等基于均匀化方法进行材料的热传导性能预测，在给定材料用量下进行复合材料的设计，得到具有极端热传导性能的复合材料。拓扑优化兼有尺寸优化和形状优化的复杂性，微结构最终拓扑形式是未知的。以最小柔度作为目标函数的微结构拓扑优化而得到的蜂窝状结构，为标准的规则正六边行蜂窝结构。三、小结金属基复合材料是近年来迅速发展起来的一种高技术新型工程材料，以其优越的性能受到国内外的高度重视。SiC颗粒增强铝基复合材料是目前复合材料中最引人注目的体系之一，不论是在理论上还是在实验上均是理想的复合材料研究对象。本文综述了国内外对金属基复合材料的有效性能研究和复合材料微结构拓扑优化，对金属基复合材料研究具有一定的知道意义。
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