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课程设计说明书课程设计名称： 模拟电路课程设计 课程设计题目：声光控路灯控制系统设计－控制驱动模块 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 通信工程 班级： 080423 学号： 20 姓名： 龙光平 评分： 教师： 陈琼、刘敏 20 10 年 4 月 2 日模拟电路 课程设计任务书2009－2010学年 第 2 学期 第 1 周－ 2 周 题目 声光控路灯控制系统设计内容及要求1. 设计要求：①光照度强（白天）路灯不点亮，光照度暗（夜晚）路灯可由声音控制；②有声音时路灯点亮，否则不点亮。2. 电路组成框图 3. 组织安排：6人一大组，每2人一小组完成框图中的一个独立部分。进度安排1. 布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备： 2天； 2. 领元器件、制作、焊接：3天3．调试＋验收： 天4. 提交报告：2009-2010学年第二学期3～7周学生姓名：刘帅、李星、龙光平、徐帮帮、陈健刚、冯希龙指导时间：第1～2周 指导地点：E楼610室任务下达 2010年 1 月16 日 任务完成 2010 年 3 月 13 日考核方式 1.评阅 √□ 2.答辩 √□ 3.实际操作√□ 4.其它√□指导教师 陈琼、刘敏 系（部）主任 陈琼摘要随着科学技术的发展，公共场所照明控制手段也将逐步更新，除现在已有的声光控开关外，还有微波感应开关和热释远红外感应开关。目前，微波感应开关的抗干扰性能尚不理想，红外感应开关在性能上较为理想，但安装复杂，比较娇气，价格也偏高，比较适合在一些管理完善的场所如宾馆、大饭店楼道及家庭走廊应用，在普通住宅楼、办公楼道等场所的照明控制考虑到价格、管理及安装方便等因素，根据我国国情，可以预计在相当一段时期内，声光控路灯将是首选的主流产品。本次课题是声光控路灯控制系统设计，此控路灯系统的设计采用模块化结构，主要由以下三个模块组成，即声音检测放大模块、光照度检测放大模块和控制驱动模块。在设计此控制系统时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、容易、条理清晰。同时调试起来也更容易。此电路是通过对外界信号的选择而使灯泡亮的功能。本电路利用LM324对信号进行放大，LM393构成比较电路，筛选信号主要用到与门7408，和继电器控制驱动，实验中灯泡用发光二极管串联一个10k的电阻代替。该声光控路灯初步评测使用还比较方便，应用也相对比较广泛。该系统在白天或者是亮度比较大的情况下不会亮，在光照度比较小的条件下遇到声响就会亮，并且持续一段时间然后自动熄灭。该电路可应用于商品房、公司等走道上，能满足这些特定场合的需要，具有广泛的应用价值。通过本次实验，加强了我对模拟电子技术的理解以及对模拟电路的应用经过初步分析、准备和老师指导，本次课题设计除在美观方面处理得不够得当之外,本次电路设计基本完成了全部的设计要求。关键字： LM324 LM393 7408 延时 目 录第一章设计要求…………………………………………………………………… 基本要求…………………………… …………………………………… 设计任务及目标 ………………………………………………………… 主要参考器件 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 2第二章 电路设计原理及单元模块•••••••••••••••••••••••••••••••••••• 设计原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 设计方案••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 单元模块••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 与门7408信号筛选模块 ………………………………………… multisim仿真图…………………………………………………6 三极管放大模块 ……………………………………………… 继电器驱动模块………………………………………………… 8第三章 安装与调试••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 电路的安装••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 控制驱动电路的调试•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 系统调试…………………………………………………………………11第四章 实验小结•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 心得与体会 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 结论………………………………………………………………………13参考文献•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••14附 录一••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 15附 录二••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 16第一章 设计要求 基本要求：（1）白天由于光敏电阻或其它器件控制，不受声音的影响，不工作。（2）晚，正常受声音控制，拍手之类的声音灯亮，亮后30秒熄灭； 设计任务及目标： （1）根据所学知识画出设计原理图。（2） 分析各模块电路的功能。（3）按原理图焊接好电路，然后调试，直到达到设计要求。（4）完成课程设计报告。 主要参考器件： LM324 LM393 与门7408第二章 电路设计原理与单元模块2．1 设计原理声光控路灯的控制驱动系统总体参考方案图如图2-1所示。它包括声音信号和光照度信号的筛选模块、三极管放大模块、继电器控制驱动三个模块组成。从外界进行信号混合筛选和驱动控制系统，从而达到灯泡发亮的功能。 图 声光控路灯控制驱动系统设计框图声音信号和光照信号筛选模块主要依靠与门7408对信号进行筛选只有都是高频信号才能通过。三极管放大模块是对进来的信号进行放大。继电器控制驱动模块是使信号达到灯亮的目的，从而达到实验设计要求。2．2 设计方案该课程设计的是声光控路灯控制系统。将该装置安装在楼道、走廊或卫生间等场所，在夜间或光线不足时，有人走动或发声时，灯会自动点亮，延时30S秒后自动熄灭。在白天，控制开关不通，有光时，即使有声音也不能亮。该课程设计的目的是声光控路灯控制系统的设计与制作，其主要工作方法是由声控和光控传感器来感应四周环境的变化，而做出相关的动作，从而控制照明灯的开关。白天当光线照射到光敏电阻上时，其通过感应使电路封锁声音通道，使声音脉冲不能通过，则灯泡不受声音控制，即声控传感器暂时失去作用，灯泡不亮。夜间或光线较暗时，光敏电阻因无光照呈低阻，经感应使声音通道开通，当有人走动或有人谈话时，通过声控传感器的感应，使得灯泡自动点亮，经过内部设定的时间后，灯泡自动熄灭。2．3 单元模块 与门7408模块与门又称“与电路”。执行“与”运算的基本门电路。有几个输入端，只有一个输出端。当所有的输入同时为“1”电平时，输出才为“1”电高，否则输出为“0”电平。 与的含义是∶只有当决定一件事的所有条件都具备时，这个事件才会发生。逻辑与也称逻辑乘。图 与门工作图一个与门芯片一般有14个管脚，其中分四个分块工作每个分块工作图如图2-1，其中7管脚接地，14管脚接5V的电压。信号从两个输入端输进，经信号筛选看是否出来信号。图 与门14管脚图与门表达式：F = A * B表 与门电路状态表A B F0 1 01 0 01 1 10 0 与门信号Mutisim2001的仿真图注：输入为一个高电平信号和一个低电平信号时，经过与门没有信号出来。如图所示图：低电平信号注：当输入的都是低电平信号的时，经过与门后没有信号出来。如图所示图：低电平信号图注：当输入的都是高电平信号时，经过与门后出来一个高电平信号。如图所示图：高电平信号图 三极管放大模块为了使进来的信号达到固定要求，必须对信号进行放大，所以本模块采用的是三极管9013来放大。晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，本次试验使用的事NPN硅管。 对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。 三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。图 三极管工作原理图 继电器控制驱动模块该实验设计的最后一个驱动控制模块是继电器。 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 该实验设计采用的是电磁继电器。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 图 继电器原理图第三章 安装与测试 电路的安装一．电路安装要注意几个原则：1.先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等等；2. 布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；3. 最好分模块安装。此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，比如焊接三极管时，电烙铁绝对不能停留太久。 控制驱动电路的调试 本实验调试分三部分，首先给电路一个高频信号和一个低频信号，和两个低频信号，用示波器检测与门过后是否有信号。若没有信号则说明与门工作正常。再输入两个高频信号，看输出是否有信号，若有信号则说明与门工作正常，否则就是芯片有问题需更换芯片。若有信号进来，但灯泡未亮，则可能是信号太小没有达到继电器闭合的电流限度。这是应调整三极管，增加放大倍数。 系统调试 将三个模块连接好，附上电源。看实验是否达到预定效果。若没有，则用示波器逐个检测信号，再检查是否存在虚焊的问题。直到达到实验效果。调试过程中如果发现电路不是怎么灵敏，可以调节声音检测放大系统的电位器，增加它的灵敏度。此外，还需要多次上电调试，观察电路是否有其他状况，是否有不稳定的情况发生。在调试过程中尤其要注意电路中的虚焊，如果电路不稳定，很有可能是虚焊引起的。在调试电路过程中，电路就出现了不稳定的问题，主要是灯时亮时不亮，最后发现时由于电源线虚焊了，经过重新检查和焊接，问题的得到解决。图 驱动模块实物图第四章 实验小结 心得与体会在这两周的电子技术设计中，完成了“声光控路灯控制系统设计”的课题。这是一种声音和光照双控照明灯，它可以用于楼梯、过道、库房的场合。白天光照好，不管过路者发出多大声音，都不会是灯泡发亮。夜晚光暗，电路的咪头只要检测到有碎发声响，就会自动亮为行人照明，过几分钟后又自动熄灭，节能节点。由于此电路在光线较暗时是否接通取决于声音的强弱，因此为加强其工作效应，设计了信号放大整形电路，微弱的信号经过此电路加工也能使开关工作。本次的声光控路灯的设计实践将平时学到的知识应用到了实践，深化了对模拟电子设计的认识，在设计的实践中获得新知。学习了的理论知识和实践操作，不仅仅得到的是课本上的东西，更重要的是通过自己的独立动手，老师和同学的耐心指导，学会了分析电路、设计电路的步骤以及仿真焊接等。在此设计中利用到了三极管的放大 、光敏效应，温习了LM324的知识与应用， 进一步空固和掌握前面所学的基础知识，加深对了对模拟电路的理解，对元器件的使用更加深刻。设计一开始不知如何下手，经过查阅资料和老师指导，终于成功的完成了设计。懂得了无论是生活还是学习都离不开外界的力量，当然也要有自己的努力，老师说：“做得好不好是另外一回事，但是要自己动手去做，认真思考。”这次的设计有很多的不足，做得比较辛苦效果却不是很好，很多东西平时学得也不透彻，觉得做一次课程设计从每一个细节都是在锻炼。从中收获良多，能把知识真正变成自己的东西。.结 论本设计主要通过模块化思想，逐步实现设计所需达到的功能要求：声音检测放大模块是对外界信号的感应系统。光照度检测模块主要是感应外界光照度。继电器控制驱动模块主要是为了实现对外界光信号和声音信号的感应，从而筛选出高频信号，达到灯亮的功能。此次课程设计采用的电路原理基于模拟电子电路的基本知识，模块化的设计理念是此次设计的亮点。对于信号的放大可以用LM324做，再经过延时比较出来一个感应信号。对于光照信号，采用桥式电路可以更好的采取光信号，再经过放大比较出来一个感应信号。然后由与门检测感应信号，从而达到驱动的目的而使灯发亮。该设计虽然比较粗糙，但随着能源的供应紧张化，节能的目的显得越来越重要。该设计的目的就是节能。因此该设计还是很有发展潜力的，而且控路灯相对长明灯来说方便、廉价，所以在未来的一段时间内，该设计的前景非常美好。参考文献〔1〕童诗白.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006 〔2〕高吉祥.电子技术基础实验与课程设计[M].北京：电子工业出版社，2002[3] 邱关源.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006[4] 邓谦.低频线路指导书[M].南昌：南昌航空大学信息工程学院，2009[5] 胡斌.图表细说电子元器件[M].北京：电子工业出版社2008[6] 郑步生.Multisim2001电路设计及防真入门与应用[M].北京：电子工业出版社2008附录一 元器件清单序号 类型 型号 数量1 芯片 LM324 22 LM393 23 CD7408 14 MIC 15 继电器 9V 16 电容 104 47 47uF 18 二极管 发光二极管 19 4148 210 三极管 9013 111 电阻 200k 112 47k 113 10k 1214 2k 215 1k 116 电位器 20 117 10k 318 2k 1附录二 方案总原理实物图

应用为无线遥控，传递信息。紫外线波长相对较短，表现为化学属性，应用为紫外线杀毒红外线波长相对较长，表现为热属性，应用为红外线加热，例如：红外线热风扇等红外线波长相对较长，波长较长的波有着较好的绕过障碍物性能

本系统主要由单片机和GSM短信模块组成，借助最可靠、最成熟的GSM移动网络，以最直观的中文短消息或电话形式，直接把报警地点的情况反映到您的手机屏幕上。它采用主动式红外传感器进行检测，变有形的传统防盗网防盗窗为无形，给火灾时的逃生提供方便。并配备烟雾传感器和燃气泄漏传感器，实现防火、防燃气泄漏的作用。【关键词】单片机 GSM模块 传感器237513901

摘要:本文介绍了红外线感应开关的原理，采用热释电红外探头（PT8A2621）将接收到的微弱信号加以放大，然后驱动继电器，制成红外热释电感应开关。本开关能探测来自移动人体的红外辐射，只要人体进入探测区域，开关会自动开启。该设计可作为企业、宾馆、商场及住宅的走廊、楼梯、电梯间、卫生间、库房等处的自动开关，起到“人来灯自亮，人走灯自灭”的作用，既新颖方便，又节约用电，在某些场所还能起到威慑盗窃活动的防范作用。本设计结构简单，本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，价格低廉，隐蔽性好，应用范围广，所以可以通过扩展而达到实际的应用。关键词：红外线，感应开关，红外辐射，探测区域Abstract：this article will normally introduce the theory of dopuler effect, which advance PT8A2621 to zoom out micro-signal. then drive the relay, complete the infrared -heat electric on- off. this switch can mensurate moving-body infraed ray. once coming into the mensurate area, the switch will automatically turn on .this invitation could be used as auto-on-off in corporation, hotel, mall and could induce house like the lane, stairs, bathroom, stockroom. bringing the effectness that coming on, leaving off. it is innovate and convient, also reduce the expanse of electricity, could resist the steal activities. its structure is very simple. it can emit no ray, small size, low price, well cover-up, widely used, attach to practical advantage when : Infrared, Sensor switch, Infrared radiation, Detection of regional引言：作为世界上最大的发展中国家，我国是一个能源生产和消费大国。能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位；基本能源消费占世界总消费量的l／10，仅次于美国，居世界第二位。中国又是一个以煤炭为主要能源的国家，发展经济与环境污染的矛盾比较突出。近年来能源安全问题也日益成为国家生活乃至全社会关注的焦点，日益成为中国战略安全的隐患和制约经济社会可持续发展的瓶颈。上个世纪90年代以来，中国经济的持续高速发展带动了能源消费量的急剧上升。自1993 年起，中国由能源净出口国变成净进口国，能源总消费已大于总供给，能源需求的对外依存度迅速增大。煤炭、电力、石油和天然气等能源在中国都存在缺口，因此节能思想尤为重要，节能的中心思想是采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可接受的措施，来更有效地利用能源资源。为了达到这一目的，需要从能源资源的开发到终端利用, 更好地进行科学管理和技术改造,以达到高的能源利用效率和降低单位产品的能源消费。由于常规能源资源有限，而世界能源的总消费量则随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高越来越大，世界各国十分重视节能技术的研究，特别是节约常规能源中的煤、石油和天然气，因为这些还是宝贵的化工原料；电力作为一种洁净方便的能源广泛的应用与我们的生活与生产方面，因此电能的节能尤为重要，要节能首先就要做到节约能源，其次再通过科学研究发明更加人性化和节能的用电器。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。它目标正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。 1红外线感应灯控制系统研究的目的意义课题目的：本课题是设计一个红外线感应灯控制系统控制系统，通过本设计了解红外线感应灯控制系统的工作原理，进而研究红外线感应灯控制系统的设计方法。通过已学的模拟电路知识设计红外线感应灯控制开关电路，再利用由光敏电阻组成的光感电路来控制感应灯开关的触发与否，将控制开关与节能灯组成家庭照明系统。课题意义：现代化家居照明系统要适应网络时代的发展，应引入智能化的概念。在传统的家居照明系统中，一般都是综合布线，使用刀开关来控制，灯具的寿命短，较费电。但近年来，随着经济的发展和科技的进步，人们对照明灯具节能和科学管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要。而在商品房的建设热潮中，各大楼盘和房地产商也意识到了智能照明的重要性。使用智能照明控制系统，更能体现其在节能与管理方面的优势。红外智能节电开关由于触发的时候不需要人发出任何声音，而是人走过时身体向外界散发红外热量最终控制灯具的开启，当人离开后，经过一定时间的延时，自动熄灭。因为不同于声光控灯，不需要声音和开关控制，从而避免了声控噪音的侵扰，同时因为它是感应人体热量控制开关，所以避免了无效电能的损耗，达到节能效果。 现在的公共场所照明（比如公共走廊及楼梯间）应用最多的还是几年前出现的声光控延时灯具和开关。这种灯具和开关的出现，实现了人来灯亮，人走灯灭，目前已成为公共场所照明开关的主流产品。当然，这种产品在某种程度上说确实实现了节能的目的，但同时也给人们的生存环境造成了一定的破坏。由于产品本身性能的限制，这种声光控灯具和开关自动控制的实现需要（超过60分贝）声音的配合，这就给大众需要的安静环境造成一定的噪声污染。 随着社会的发展和人们对生态环境的重视，这种声光控灯具和开关已慢慢不能满足人们的需要，这就要求更加节能和环保的自动照明控制产品的出现，以满足人们对高质量生活的需求。 红外智能节电开关是以成熟的红外感应技术为平台，加入更多的高新技术元素而形成的一种具有广阔市场前景的高科技产品，它的出现弥补了声光控技术的缺陷，它的自动控制的实现不需要声音和其他会给环境造成影响的条件的配合，而是人走过时身体向外界散发红外热量最终实现它的自动控制功能。2红外线感应灯控制系统的现状及发展趋势我国照明缺乏独创产品，模仿产品居多，基础加工落后，只顾外表，轻视功能，产品的品种比较单一，性能差。尤其是在“智能”照明方面，缺乏创新，与国外智能灯具在技术研究方面有着不小的差距。我国现阶段的照明系统一般采用主电源经配电箱分成多路配电输出线，提供照明灯回路用电，由串接在照明灯回路中的开关面板直接接通或断开供电线来实现对灯的控制，灯只有开和关两种状态，无逻辑时序及亮、暗调光控制，因而无法形成各种灯光亮度组合的场景及系统控制。而美国、日本等国家和台湾地区对LED照明效益进行了预测，美国55%白炽灯及55%的日光灯被LED取代，每年节省350亿美元电费，每年减少亿吨二氧化碳排放量。日本100%白炽灯换成LED，可减少1～2座核电厂发电量，每年节省10亿公升以上的原油消耗。台湾地区15%白炽灯换成LED，每年节省110亿度电。全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题。每年照明电能消耗约占全部电能消耗的12%～15%，作为能源消耗的大户，必须尽快寻找可以替代传统光源的节能环保光源。LED以其较之于传统照明光源所没有的优势，诸如较低的功率需求、较好的驱动特性、较快的响应速度、较高的抗震能力、较长的使用寿命、绿色环保以及不断快速提高的发光效率等，成为目前我国今后照明系统发展的方向。基于目前国内国际形势，尤其是能源紧缺，智能照明必是以后照明系统的发展方向。智能照明将会使人们利用起来更加便利，改善家庭环境，提高管理水平，减少维护费用，不仅为建筑照明提供多种的艺术效果，而且使灯具控制和维护变得更为简单，而且具有可靠性高、安装布线容易。

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