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对于许多现代技术应用，如用于磁共振成像的超导导线，工程师们希望尽可能地消除电阻及其产生的热量。然而事实证明，在固态计算机内存等自旋电子应用中，电阻产生的少量热量是金属薄膜的理想特性。同样地，虽然缺陷在材料科学中通常也是不受欢迎，但它们可以用来控制被称为斯凯密子的磁性准粒子产生。麻省理工学院杰弗里·s·d·比奇教授和他在加利福尼亚、德国、瑞士和韩国的同事在本月发表在《自然纳米技术与高级材料》上的另一篇论文中指出：博科园-科学科普：在室温下可以在特制的层状材料中产生稳定而快速移动的拓扑结构——斯格米子(skyrmion)态，创造了尺寸和速度的世界纪录，而且每篇论文都登上了各自期刊的封面！为了发表在《高级材料》(Advanced Materials)上的这项研究，研究人员制作了一种金属合金线，这种金属合金由一种重金属铂、一种磁性材料钴铁硼和镁氧组成，共15层。在这些层状材料中，铂金属层和钴铁硼之间的界面创造了一种环境，在这种环境中，通过施加垂直于薄膜的外部磁场和沿导线长度传播的电流脉冲：可以形成拓扑结构——斯格米子(skyrmion)态。值得注意的是，在20毫安特斯拉的磁场下(磁场强度的一种测量方法)，导线在室温下会形成天空介子。在349 kelvins(168华氏度)以上的温度下，拓扑结构——斯格米子(skyrmion)态在没有外部磁场的情况下形成，这是由材料升温引起，即使材料冷却到室温，斯格米子(skyrmion)仍然保持稳定，比奇说：以前只有在低温和强磁场的情况下才能看到这样的结果。 这篇高级材料论文的第一作者，也是麻省理工学院材料科学与工程专业的研究生Ivan Lemesh（合作作者包括资深作家比奇和其他17人）说：在开发了许多理论工具之后，我们现在不仅可以预测内部的斯格米子(skyrmion)态结构和大小，而且我们还可以做一个逆向工程问题，比如想要一个这样大小的斯格米子(skyrmion)态，我们将能够生成多层，或者材料，参数，这将导致该斯格米子(skyrmion)态的大小。电子的一个基本特征是自旋，自旋可以指向上，也可以指向下。斯格米子(skyrmion)态是一组电子的圆形簇，其自旋方向与周围电子的方向相反，并且skyrmion保持顺时针或逆时针方向。2018年11月30日莱梅什在波士顿的材料研究学会秋季会议上介绍了他的研究并表示：然而，除此之外，我们还发现磁性多层中的斯格米子(skyrmion)态形成了一种复杂、依赖于厚度的扭曲性质，这些发现发表在《物理评论B》上的另一项理论研究中。目前的研究表明，虽然这种扭曲结构对斯格米子(skyrmion)态计算平均尺寸的能力影响较小，但它对其电流诱导行为有显著影响。 在《自然纳米技术》上发表的这篇论文中，研究人员研究了一种不同的磁性材料，将铂与钆钴合金和氧化钽的磁性层叠加在一起。在这种材料中，研究人员展示了他们可以产生10纳米大小的斯格米子(skyrmion)态，并证实他们可以在这种材料中快速移动。第一作者、材料科学与工程专业研究生卢卡斯·卡塔塔(Lucas Caretta)说：我们在这篇论文中发现，铁磁体对于准粒子的大小以及利用电流驱动它们速度有基本极限。在铁磁体中，例如钴铁硼，相邻的自旋平行排列，产生很强的方向磁矩。为了克服铁磁体的基本限制，研究人员求助于钆钴，这是一种铁磁体，相邻的自旋上下交替，这样它们就可以相互抵消，导致整体磁矩为零。可以设计一个铁磁体，使其净磁化率为零，从而产生超小的自旋纹理，或者调整它，使其净角动量为零，从而产生超快的自旋纹理。”这些性能可以通过材料组成或温度来设计。2017年，Beach团队的研究人员和他们的合作者通过实验证明，他们可以通过在磁性层中引入一种特殊的缺陷，在特定的位置随意制造这些准粒子。莱梅什说：可以通过使用离子轰击等不同的局部技术来改变一种材料的性质，通过这种方法，你可以改变它的磁性，然后如果你向导线中注入电流，斯格米子(skyrmion)态就会在那个位置诞生。最初发现这种材料存在天然缺陷，后来通过金属丝的几何形状，它们变成了工程缺陷。用这种方法在新的自然纳米技术论文中创造了天空介子。研究人员利用x射线全息术，在德国同步加速器中心的室温下拍摄了钴钆混合物中的斯格米子(skyrmion)态。Felix Buttner，海滩实验室的博士后，是这种x射线全息技术的开发者之一。这是唯一的一种技术，可以允许这样高分辨率的图像，可以看到这样大小的skyrmions。这些斯格米子(skyrmion)态只有10纳米大小，这是目前室温斯格米子(skyrmion)态的世界纪录。研究人员利用一种同样可以用来移动斯格米子(skyrmion)态的机制，证明了当前驱动的域壁运动速度为每秒公里，这也创造了一项新的世界纪录。除了同步加速器的工作，所有研究都是在麻省理工学院完成，研究人员在麻省理工学院“种植”材料，制造材料，并对材料进行特性描述。 这些斯格米子(skyrmion)态是这些材料中电子自旋的一种自旋构型，而畴壁是另一种。域壁是自旋方向相反的域之间的边界。由于斯格米子(skyrmion)态是材料的基本属性，其形成和运动能量的数学表征涉及到一组复杂的方程，这些方程包含了它们的圆形尺寸、自旋角动量、轨道角动量、电子电荷、磁强度、层厚，以及一些捕捉相邻自旋和相邻层之间相互作用的能量的特殊物理术语，如交换相互作用。其中一种相互作用被称为Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)，它是由铂层和磁层的电子相互作用产生，对形成斯格米子(skyrmion)态具有特殊的意义。勒梅什说：在季亚罗辛斯基-森也相互作用中，自旋相互垂直排列，从而稳定了天空介子。DMI的相互作用使这些斯格米子(skyrmion)态具有拓扑结构，产生迷人的物理现象，使它们稳定，并允许它们随电流移动。卡塔塔说：铂本身提供了所谓的自旋电流，这是驱动自旋纹理的运动，自旋电流对邻近的铁或铁磁体的磁化提供了一个扭矩，这个扭矩最终导致了自旋结构的运动，基本上是用简单的材料在界面上实现复杂现象。在这两篇论文中，研究人员进行了微磁和原子自旋计算的混合，以确定形成斯格米子(skyrmion)态和移动它们所需的能量。事实证明，通过改变磁性层的比例，可以改变整个系统的平均磁性能，所以现在我们不需要使用不同的材料来产生其他性质。可以用不同厚度的间隔层稀释磁性层，就会得到不同的磁性，这就给了无限的机会来制造系统。 新罕布什尔大学(University of New Hampshire)物理学助理教授张家东(Jiadong Zang)在谈到这篇先进材料论文时表示：精确控制产生磁斯格米子(skyrmion)态是该领域的一个中心课题。这项工作提出了一种通过电流脉冲产生零场斯格米子(skyrmion)态的新方法。这无疑是朝着纳秒级斯格米子(skyrmion)态操纵迈出的坚实一步。英国利兹大学凝聚态物理学教授Christopher Marrows在评论《自然纳米技术报告》时表示：斯凯米子非常小，但在室温下可以稳定下来，这一点非常重要。Marrows注意到Beach小组在今年早些时候的一篇科学报告中预测了室温天空介子，并说：新结果是最高质量的研究工作。但是他们做出了预测，现实生活并不总是如理论预期的那样，所以他们应该为这一突破负全部责任。Zang在评论《自然纳米技术》的论文时补充道：斯格米子(skyrmion)态研究的一个瓶颈是要达到小于20纳米尺寸(相当于最先进的存储单元的尺寸)，并以每秒1公里以上的速度驱动它 运动，这两项挑战都在这项开创性的工作中得到了解决。一个关键的创新是使用铁磁体，而不是常用的铁磁体，来承载斯格米子(skyrmion)态，这项研究工作极大地刺激了基于skyrmi的内存和逻辑设备的设计，这绝对是skyrmion领域的一份明星论文。 基于这些斯格米子(skyrmion)态的固态设备有一天可能会取代现有磁存储硬盘驱动器。比奇在华盛顿大学的一次演讲中说：磁斯格米子(skyrmion)态流可以作为计算机应用程序的比特。在这些材料中，可以很容易地绘制出磁迹的图样。这些新发现可以应用于由IBM的Stuart Parkin开发的赛道内存设备。设计这些材料用于赛道设备的一个关键是设计能够形成skyrmions的材料，因为斯格米子(skyrmion)态是在材料存在缺陷的地方形成。理工学院材料研究实验室(MRL)的联合主任Beach说：人们可以通过在这类系统中设置缺口来进行设计，注入材料中的电流脉冲在缺口处形成了斯格米子(skyrmion)态。同样的电流脉冲可以用来写入和删除，这些斯格米子(skyrmion)态的形成速度非常快，不到十亿分之一秒。为了能够有一个实用的操作逻辑或内存赛道设备，必须写入比特，这就是在创建磁准粒子时所讨论，必须确保写入比特非常小，必须以非常快的速度将比特通过材料进行转换。利兹大学的教授Marrows补充道：在基于斯基里米的自旋电子学中的应用将会受益，尽管现在就确定在包括记忆、逻辑器件、振荡器和神经形态学器件在内的各种各样的提议中哪个会是赢家还为时过早。剩下的一个挑战是阅读这些斯格米子(skyrmion)态位元的最佳方式。海滩小组在这一领域的工作仍在继续，目前的挑战是找到一种方法，以电的方式检测这些天空介子，以便在电脑或手机上使用它们。卡塔塔说：是的，所以不需要把你的手机带到同步加速器来读一点，由于在铁磁体和类似的反铁磁体系统上所做的一些工作，我认为该领域的大多数领域实际上将开始转向这类材料，因为它们拥有巨大的前景！
硅钢的牌号不同，其化学组成也不同，但其基本组成包括三大类元素。第一类为其基本合金元素即：C、Si、Mn等；第二类为杂质元素：P、Al、S、N、B、Cu等；第三类为特殊用途合金元素如：Sb、Sn等。1 基本合金元素的作用 碳元素首先应考虑硅钢中含碳引起的严重现象，若成品中残留碳，则出现磁时效，磁时效的发生取决于碳含量。如果磁时效在马达或其它电气设备中产生，那么铁损值就可增加到初始值的二倍，设备就会受到损坏，因此碳对软磁材料的磁性极为有害。碳会增大α-Fe的矫顽力，加大磁滞损失，降低磁感应强度，所以高级优质硅钢片中碳含量要求在 %，甚至 %以下。一般说来〔1〕，碳对磁性的影响程度随钢中硅含量的不同而不同；碳存在的形态不同，对磁性的影响也不同。有人认为〔2〕晶界上渗碳体对磁性影响较晶粒内部小，但会使硅钢片塑性显著变坏。碳使硅钢片磁导率降低，而且又是形成磁时效的主要元素之一。Ueno K等人采用不同硅含量的各种牌号无取向电工钢，在150 ℃下时效30 000 h，通过调整残留碳量研究最终产品的铁损。图1所示是硅含量为 %的无取向硅钢的铁损(p15/50)随碳含量的变化〔3〕。当碳含量为 5 %时，时效1 000 h后，铁损增加20 %，而时效时间从1 000 h增加到10 000 h，不管残留碳多少，铁损均不发生变化，但时效后的铁损仍随残留碳量增加而增大。图 1 不同残留碳量硅钢的铁损增加与时效时间的关系 Relation between the iron loss increment and aging time for different residual carbon content图2表示硅含量分别为 %、 %和 %三种无取向电工钢由于时效引起的铁损最大增量与残留碳量的关系〔3〕，由图可知，时效现象几乎和硅含量无关，铁损劣化速度仅与残留碳量有关。 硅的作用硅能显著减少硅钢内的涡流损失，从而总铁芯损失减少(表1)。硅还可以提高相图中A3线和降低A4线临界温度，在Fe-Si相图中形成闭合的γ-圈。当含 %～15 %Si时为单相α-Fe。所以高硅硅钢片多经高温退火来使组织均匀，晶粒粗化，夹杂聚集。硅可以减少晶体各向异性，使磁化容易，磁阻减少。硅对电阻率及其它固有磁性的影响如图3所示〔3〕。硅能显著提高α-Fe比电阻，因而减少涡流损失。在强磁场作用下，硅使硅钢片的磁导率下降。图 2 铁损最大增量与残留碳量的关系 Relation between the maximum increment of the iron loss and the residual carbon content还能减轻钢中其它杂质的危害，使碳石墨化，降低对磁性的有害影响。硅和氧有强亲和力，起脱氧作用。硅可减少碳、氧和氮在α-Fe中脱溶引起的磁时效现象。硅还能与氮化合成氮化硅，硅高时氮在钢中的溶解度可降低。表 1 硅含量对各种损失的影响Table 1 Effect of Si content in the silicon steel on some kinds of losses1 T下损失/W*kg－1 钢中硅含量/% 1 4磁滞损失(ph) 涡流损失(pe) 总铁芯损失(p10) 图 3 硅含量对硅钢电阻率和其它固有磁性的影响 Effect of silicon content in the silicon steel on resistivity of silicon steel and other naturalmagnetic properties硅除对电工钢上述有利作用外，硅也会使钢变脆。目前已研究成功含硅 %的硅钢片，高硅硅钢导热性低，钢带冷却和加热时容易发生内裂。随着硅含量的增加，硅钢片的硬度也随之升高，且易氧化生锈，在其表面形成氧化膜，结果导致硅钢用户冲片用的模具变得容易损坏。 锰的作用新日本钢铁会社研究了非常洁净的低硅高锰钢，试验发现，高的锰含量可以改善晶体结构，加 %Mn后，带钢晶体组织中(100)和(110)晶面增加，(111)晶面减少，磁性显著改善。一般认为〔4〕，过多的锰会对磁性产生有害的影响，这是因为它使织构变坏，并且形成不需要的沉淀物MnS，但当在生产过程中，利用十分洁净的钢，就可以使锰对织构控制起有利作用。另外，锰是防止热脆不可缺少的元素，其含量应控制在 %以上，锰会提高碳在铁中的溶解度，扩大γ相区，与碳化合成渗碳体，故锰的含量也不宜过高，一般不超过 %。2 杂质元素的影响〔4，5〕 磷元素低碳电工钢板主要用来制造微电机(＜1 kW)和小型电机(＜100 kW)。由于这种材料比较软，冲片性能差，因此常加入磷( %～ %)来强化铁素体，提高硬度，改善冲片性。磷会增加硅钢的冷脆性，使冷加工困难，原因是在晶界处形成脆的磷化铁。在室温时钢中α相可溶解 %的磷，呈置换固溶体。磷会改变铁原子间结合力和激活能，故对再结晶过程和晶粒长大有影响。磷的影响超过同样硅含量影响的4～5倍，磷还可以提高比电阻，降低涡流损失；由于磷促使晶粒增大，故亦可使矫顽力和磁滞损失降低。随磷含量增加，在弱和中磁场下的磁感应强度提高；而在强磁场下，由于磷使晶粒粗化而磁感应强度(B100)略有减少。同时，磷是一种界面活性元素，偏聚于晶界会导致严重的晶界脆化，从而使成品钢板变得极脆。 铝元素铝的作用与硅相近，可以提高钢的比电阻，减少铁芯损失(图4)，并降低磁感应强度，铝含量达到一定数量会使晶粒粗化并促使碳石墨化。铝还能减少钢中氧含量，减少磁时效现象。铝使γ相区缩小。虽然铝对磁性有利，但钢中铝氧化物又会使磁性变坏。铝又是冷轧硅钢脱氧所需成分，加铝还可获得高纯度钢，使钢可连续浇注。某些元素对硅钢性能的影响 2008-7-30 11:35[关键词] 某些元素 对 硅钢 性能 影响 钢中华商务网讯:摘 要 介绍了硅钢中某些元素对其性能的影响，并扼要分析了某些元素对硅钢性能影响的机制。其中碳是引起硅钢发生磁时效的重要元素之一，随着硅钢中碳含量的增加，其铁损增加；而硅含量增加能显著降低硅钢铁损。磷、铝、铜是主要杂质元素，但适量的磷可提高硅钢的防锈能力。锡和锑均是表面活性元素，它们可使硅钢最终退火织构中｛111｝面组分减少，｛100｝和｛110｝面组分增加，从而降低硅钢铁损，提高其磁感应强度。关键词 硅钢 合金元素 铁损 磁感应强度INFLUENCE OF SOME ELEMENTS ON THE PROPERTIESOF SILICON STEELCHU Shuangjie QU Biao DAI Yuanyuan(Baoshan Iron and Steel Corp.)ABSTRACT In the paper,influence of some elements on the properties ofsilicon steel are introduced,with an analysis of the is an important element that causes magnetic aging of silicon steel andas the carbon content in the silicon steel increases,the iron loss alsoincreases,but with increase of silicon,the iron loss decreases are main impurities in silicon steel,but suitable content Pmay improve the antirust property of silicon and Sb are surface active elements,they might reduce component of ｛111｝and increase ｛100｝and ｛110｝component in texture of silicon steel,thus decrease theiron loss of the silicon steel and increase the magnetic flux WORDS silicon steel,alloying element,iron loss,magnetic flux density从节能观点看，时代的趋势是提高电气设备的效率，其手段之一是改进电机铁芯所用的电磁钢板的磁性，也就是说，对低铁损、高磁通密度的硅钢要求日益强烈。硅钢和其它金属材料一样，其磁性性能主要由其内部组织结构所控制，众所周知，组织结构的确立又与其合金元素密切相关，织构、金属间化合物的形成及析出，合金元素的偏析等将对硅钢的铁损和磁感应强度产生重要影响。硅钢的牌号不同，其化学组成也不同，但其基本组成包括三大类元素。第一类为其基本合金元素即：C、Si、Mn等；第二类为杂质元素：P、Al、S、N、B、Cu等；第三类为特殊用途合金元素如：Sb、Sn等。1 基本合金元素的作用 碳元素首先应考虑硅钢中含碳引起的严重现象，若成品中残留碳，则出现磁时效，磁时效的发生取决于碳含量。如果磁时效在马达或其它电气设备中产生，那么铁损值就可增加到初始值的二倍，设备就会受到损坏，因此碳对软磁材料的磁性极为有害。碳会增大α-Fe的矫顽力，加大磁滞损失，降低磁感应强度，所以高级优质硅钢片中碳含量要求在 %，甚至 %以下。一般说来〔1〕，碳对磁性的影响程度随钢中硅含量的不同而不同；碳存在的形态不同，对磁性的影响也不同。有人认为〔2〕晶界上渗碳体对磁性影响较晶粒内部小，但会使硅钢片塑性显著变坏。碳使硅钢片磁导率降低，而且又是形成磁时效的主要元素之一。Ueno K等人采用不同硅含量的各种牌号无取向电工钢，在150 ℃下时效30 000 h，通过调整残留碳量研究最终产品的铁损。图1所示是硅含量为 %的无取向硅钢的铁损(p15/50)随碳含量的变化〔3〕。当碳含量为 5 %时，时效1 000 h后，铁损增加20 %，而时效时间从1 000 h增加到10 000 h，不管残留碳多少，铁损均不发生变化，但时效后的铁损仍随残留碳量增加而增大。图 1 不同残留碳量硅钢的铁损增加与时效时间的关系 Relation between the iron loss increment and agingtime for different residual carbon content图2表示硅含量分别为 %、 %和 %三种无取向电工钢由于时效引起的铁损最大增量与残留碳量的关系〔3〕，由图可知，时效现象几乎和硅含量无关，铁损劣化速度仅与残留碳量有关。 硅的作用硅能显著减少硅钢内的涡流损失，从而总铁芯损失减少(表1)。硅还可以提高相图中A3线和降低A4线临界温度，在Fe-Si相图中形成闭合的γ-圈。当含 %～15 %Si时为单相α-Fe。所以高硅硅钢片多经高温退火来使组织均匀，晶粒粗化，夹杂聚集。硅可以减少晶体各向异性，使磁化容易，磁阻减少。硅对电阻率及其它固有磁性的影响如图3所示〔3〕。硅能显著提高α-Fe比电阻，因而减少涡流损失。在强磁场作用下，硅使硅钢片的磁导率下降。图 2 铁损最大增量与残留碳量的关系 Relation between the maximum increment of theiron loss and the residual carbon content还能减轻钢中其它杂质的危害，使碳石墨化，降低对磁性的有害影响。硅和氧有强亲和力，起脱氧作用。硅可减少碳、氧和氮在α-Fe中脱溶引起的磁时效现象。硅还能与氮化合成氮化硅，硅高时氮在钢中的溶解度可降低。表 1 硅含量对各种损失的影响Table 1 Effect of Si content in the silicon steel on some kinds of losses1 T下损失/W*kg－1 钢中硅含量/% 磁滞损失(ph) 涡流损失(pe) 总铁芯损失(p10) 图 3 硅含量对硅钢电阻率和其它固有磁性的影响 Effect of silicon content in the silicon steel onresistivity of silicon steel and other naturalmagnetic properties硅除对电工钢上述有利作用外，硅也会使钢变脆。目前已研究成功含硅 %的硅钢片，高硅硅钢导热性低，钢带冷却和加热时容易发生内裂。随着硅含量的增加，硅钢片的硬度也随之升高，且易氧化生锈，在其表面形成氧化膜，结果导致硅钢用户冲片用的模具变得容易损坏。 锰的作用新日本钢铁会社研究了非常洁净的低硅高锰钢，试验发现，高的锰含量可以改善晶体结构，加 %Mn后，带钢晶体组织中(100)和(110)晶面增加，(111)晶面减少，磁性显著改善。一般认为〔4〕，过多的锰会对磁性产生有害的影响，这是因为它使织构变坏，并且形成不需要的沉淀物MnS，但当在生产过程中，利用十分洁净的钢，就可以使锰对织构控制起有利作用。另外，锰是防止热脆不可缺少的元素，其含量应控制在 %以上，锰会提高碳在铁中的溶解度，扩大γ相区，与碳化合成渗碳体，故锰的含量也不宜过高，一般不超过 %。2 杂质元素的影响〔4，5〕 磷元素低碳电工钢板主要用来制造微电机(＜1 kW)和小型电机(＜100 kW)。由于这种材料比较软，冲片性能差，因此常加入磷( %～ %)来强化铁素体，提高硬度，改善冲片性。磷会增加硅钢的冷脆性，使冷加工困难，原因是在晶界处形成脆的磷化铁。在室温时钢中α相可溶解 %的磷，呈置换固溶体。磷会改变铁原子间结合力和激活能，故对再结晶过程和晶粒长大有影响。磷的影响超过同样硅含量影响的4～5倍，磷还可以提高比电阻，降低涡流损失；由于磷促使晶粒增大，故亦可使矫顽力和磁滞损失降低。随磷含量增加，在弱和中磁场下的磁感应强度提高；而在强磁场下，由于磷使晶粒粗化而磁感应强度(B100)略有减少。同时，磷是一种界面活性元素，偏聚于晶界会导致严重的晶界脆化，从而使成品钢板变得极脆。 铝元素铝的作用与硅相近，可以提高钢的比电阻，减少铁芯损失(图4)，并降低磁感应强度，铝含量达到一定数量会使晶粒粗化并促使碳石墨化。铝还能减少钢中氧含量，减少磁时效现象。铝使γ相区缩小。虽然铝对磁性有利，但钢中铝氧化物又会使磁性变坏。铝又是冷轧硅钢脱氧所需成分，加铝还可获得高纯度钢，使钢可连续浇注。图 4 铝对硅钢铁芯损失的影响 Effect of Al content in the silicon steelon the iron core loss铝和硅一样，能使材料变脆，铝含量大于 %时硅钢变脆更见突出，但与高硅钢比较则仍显有较好的塑性。有人试以Fe-Al-Mn合金作变压器钢片，铝的含量2倍于锰，在 %～ %范围，电磁性能与含4 %Si的硅钢相近，但塑性明显优于后者。铝含量太高的其它有害影响是大的长条形铝化合物析出相在晶界上形成会阻碍晶粒粗化〔5〕。 铜元素小于 %的铜溶于α-Fe中，会促使碳石墨化，对磁性无大影响；硅钢含 %Cu时，防锈能力可提高15倍，故硅钢中有时故意加入铜。硅钢中含铜大于 %时，在热轧过程中会形成大量(CuMn)和(Mn,Cu)S质点，使硅钢矫顽力和磁滞损失增加并使钢变脆。一般硅钢铜含量控制为 %～ %。 氮、硫、硼等合金元素的作用无论是全硬钢、全加工或半加工硅钢，氮对磁性都有害。氮是通过生成有害的AlN沉淀发生影响的。表2列出了含 %(Si＋Al)的脱碳半加工硅钢在 T下测定的磁性。当氮含量从 %降至 %时，其铁损与磁导率都可进一步改善。表 2 脱碳半加工硅钢 %(Si＋Al)在 T下的磁性和晶粒度Table 2 The magnetic properties and grain size of the decarbonising and semi-manufacturing silicon steel %(Si＋Al) at TN/% 铁损/ 磁导率/ 晶粒尺寸/W*kg－1 ×4π×10－7 H*m－1 μ 2 500 2 200 90硫在硅钢中对磁性有害影响均与基体中存在硫化锰的微细质点及晶界上存在自由硫有关。计算指出，当硫在 %～ %范围内，对于含 %Mn、 %Si和 %Al的半加工硅钢，每增加 %S可使铁损提高 W/kg。硼加到半加工铝镇静电工钢中，可以抑制退火时的AlN沉淀。因为在退火时所生成的AlN沉淀会抑制某些结晶方向的晶粒长大，从而产生对磁性不利的织构。硼与氮结合成为氮化硼，在热轧时沉淀于奥氏体中。若硼超过 %，则对磁性有害，这是因为又生成另一些含硼的化合物(如F23(BC)6)，使晶粒细化。3 特殊用途的合金元素 锡元素的作用近几年，大量研究工作证明，在高磁感取向硅钢中加入 %～ %Sn可明显改善磁性〔6～10〕。多数学者认为，锡可在第二相质点MnS和AlN(称为抑制剂)与基体界面处偏聚，阻碍它们的Ostwald长大，使其更加细小、弥散，从而增强对晶粒正常长大的抑制能力，减小初次晶粒尺寸，在最终高温退火后得到更完善的｛110｝〈001〉二次再结晶组织，提高了取向度和磁性；此外，锡还使常化退火时γ相的分布更均匀，常化后珠光体的分散更均匀，从而增大了铁素体晶粒尺寸，冷轧时形成更多的形变带，使二次晶粒尺寸减小，铁损进一步降低。由于锡是一种表面活性元素，因此亦有可能在最终高温退火的升温阶段在晶界发生偏聚，加强对晶粒正常长大的抑制能力，减小初次晶粒尺寸，从而起到辅助抑制剂的作用。何忠治等人〔7〕研究了锡元素对硅钢二次再结晶的影响。根据其试验结果可知：①从550 ℃开始锡在取向硅钢中的晶界偏聚浓度随温度的升高而下降，在二次再结晶起始温度950 ℃，锡在晶界仍有一定的偏聚量；②锡在取向硅钢中的晶界偏聚行为与纯铁中相似，没有表现出多元系统中各元素间发生强烈交互作用时的典型特征，但由于取向硅钢的初步再结晶织构较强，数据的分散度明显高于纯铁的情况；③锡通过在取向硅钢中的晶界偏聚起了辅助抑制剂的作用，并可降低二次再结晶温度，这些均有利于发展更完善的｛110｝〈001〉二次再结晶，增大二次再结晶晶粒尺寸，提高磁性。 锑元素的作用已有若干篇论文讨论了锑对无取向电工钢板性能的作用，发现锑的添加对含1 %～2 %Si和 %Al钢的能耗具有有益的影响。Shimanaka等〔11〕指出，在无取向 %Si合金中加入 %～ %Sb，可使最终退火织构中｛111｝组分减少，｛100｝组分增加，且随着锑含量的增加，织构的这种变化更加显著；在冷轧无取向硅钢的再结晶退火过程中，｛111｝位向晶粒容易在晶界附近形核。由于锑是一种界面活性元素，易在晶界偏聚，因而阻碍了｛111｝位向晶粒在晶界附近的形核。Lyudkovsky〔12〕采用离子散射谱(ISS)和反极图技术研究了Fe-1 %Si无取向硅钢中加入 %Sb后的晶粒尺寸、硬度及织构的变化情况，得出结论：①锑能够促进对材料磁性有利的织构组分的形成，在再结晶之前，含锑与不含锑硅钢在织构上便已经有了区别，对于含锑硅钢，最终退火时无论是否脱碳，｛110｝和｛100｝组分强度均显著提高，同时｛112｝组分强度明显降低；②与不含锑硅钢相比，含锑硅钢在 T下磁导率提高100 %，在 T下磁导率提高30 %，另外，铁损(p15/60)下降约11 %，这些性能上的提高是由于含锑硅钢具有较好的织构和较大的晶粒尺寸；③含锑硅钢具有较大尺寸的原因可能是由于具有｛100｝和｛110｝位向的晶粒边界迁移性提高，尤其是这些晶粒长大到｛111｝位向区域时。等〔11〕研究发现，(111)面极点密度的最高值出现在锑含量最低时，然后随着锑含量增加其值逐渐降低，当锑含量增至 %时(111)面极点密度约为一定值。(100)面与(110)面轴密度在锑含量约为 %时出现最高值4 结语(1) 碳是引起硅钢发生磁时效的重要元素之一，随着硅钢中碳含量的增加，其铁损增加；而硅能显著减少硅钢内的铁损，但硅含量过高会使硅钢变脆，并且难以实现轧制变形。(2) 硅钢中杂质合金元素磷主要用来提高硅钢的冲片性 ，但磷是一种界面活性元素，偏聚于晶界会导致严重的晶界脆化。铝可减少硅钢铁芯损失，但降低磁感应强度，且铝含量高时会使硅钢变脆。铜可显著提高硅钢的防锈能力。氮、硫元素对硅钢性能总是有害的。(3) 锡和锑均是表面活性元素，可使硅钢最终退火织构中｛111｝组分减少，｛100｝组分和｛110｝组分增加，从而降低硅钢铁损，并提高其磁感应强度。
热处理的目的在于获得某种有序结构，以改善其塑性和韧性。主要有如下几种处理方式。(1)高温均匀化退火铸态下的金属间化合物一般存在着成分偏析和铸造应力，高温均匀化退火就是要消除铸造应力并使合金元素进一步扩散均匀，为下一步处理奠定良好的基础，该种处理一般在1000℃以上要持续十几个小时。(2)油淬为了增加金属化合物的室温韧性，常常将其加热到晶形转变或相变温度，然后放入油中进行淬火处理，如对Fe-Al金属间化合物的典型处理工艺为：加热至1000℃，保温5h，然后置入700℃油中冷却详见参考文献。(3)形变热处理这是目前为增加金属化合物韧性而进行的最有效的处理方式，主要是通过锻造、轧制、挤压等热形变处理，使其组织结构发生有利于增加韧性的方向转变，典型工艺见文献。金属化合物的室温脆性问题一直是困扰这类材料应用的一个问题。同一成分的合金，由于加工方法不同及工艺参数的改变，最终的显微组织和力学性能可能相差甚远，在金属间化合物的制备中广泛采用了热机械处理工艺，采用这种方法能够得到一般加工处理所达不到的高强度与高塑性良好配合的产品。 在金属材料中，金属化合物一直用作金属基体的强化相。人们通过改变金属间化合物的种类、分布、析出状态以及相对含量等来达到控制基体材料性能的目的。由于具有许多独特的性能，金属间化合物本身作为一类新型材料正得到日益广泛的研究和开发。金属间化合物由于具有耐高温、抗腐蚀的性能，成为航空、航天、交通运输、化工、机械等许多工业部门重要结构材料；由于其具有声、光、电、磁等特殊物理性能，可作为半导体、磁性、储氢、超导等方面功能材料。特别是用作高温结构材料的有序金属间化合物，具有许多良好的力学性能和抗氧化、耐腐蚀以及比强度高等特性，由于其原子的长程有序排列和原子间金属键和共价键的共存，使其有可能兼具金属的塑性和陶瓷的高温强度，因而极具应用前景。然而，金属化合物的脆性妨碍了它的应用。直到80年代初，金属间化合物韧化研究取得两大突破性进展，一是日本材料科学研究所的和泉修等在脆性的多晶Ni3Al中加入了质量分数为～的B，使材料韧化，室温拉伸伸长率从近于0提高到40%～50%；二是美国橡树岭国家实验室发现了无塑性的六方D019结构的Co3V中，用Ni、Fe代管部分Co，可使其转变成面心立方的L12结构，脆性材料变成具有良好塑性的材料。这些进展使人们看到了金属间化合物高温结构材料的希望和前景，在世界范围内掀起一个研究热潮。目前作为高温结构材料的有序金属间化合物，在国内外进行重点研究并取得重大进展的主要为Ni-Al、Ti-Al以及Fe-Al三个体系的A3B和AB型铝化物。
形变热处理是压力加工与热处理相结合的金属热处理工艺，在金属材料上有效地综合利用形变强化和相变强化、将压力加工与热处理操作相结合、使成形工艺同获得最终性能统一起来的一种工艺方法。形变热处理不但能够得到一般加工处理所达不到的高强度、高塑性和高韧性的良好配合，而且还能大大简化钢材或零件的生产流程，从而带来相当好的经济效益。
形变热处理中，形变使相变前的母相的组织结构甚至成分都起变化，形变后或形变过程中的相变在相变动力学和相变产物的类型、形貌等方面，都不同于一般热处理，从而得到良好的性能。形变对母相组织结构带来的变化随形变条件（形变温度、道次形变量、总形变量、形变速度……）及金属材料成分的不同而有差异，根据对相变的作用，母相形变后的组织结构基本上属于三类：①在再结晶温度以上形变，道次形变量如超过再结晶临界变形量，则母相发生动态或静态的再结晶，使晶粒得到细化；如进行多道次形变,则发生多次再结晶,母相的晶粒显著细化（见回复和再结晶）。②在材料的再结晶温度以下形变，母相不发生再结晶，而产生大量晶体缺陷，或仅发生回复过程，形成多边化亚结构。③形变诱发第二相由母相中析出，析出的第二相又与位错交互作用，使母相的成分与结构皆发生变化。 形变热处理中，形变后的母相组织经常是以上几类的综合。现以钢的奥氏体为例，说明形变后的奥氏体对以后的相变及相变产物的作用。对铁素体－珠光体型相变的作用形变后产生了再结晶的细奥氏体晶粒，使冷却转变后的铁素体也相应得到细化。形变后未发生再结晶的奥氏体中的大量晶体缺陷，为此后铁素体的转变提供了大量形核位置，并使铁素体形核的热激活过程更容易进行，这两者使转变后的铁素体晶粒细化;此外形变的奥氏体有加速扩散过程,加速铁素体转变速度，提高铁素体形成的温度等作用（见附表中类型2)。如果在奥氏体中存在有形变诱发析出的第二相，则对细化铁素体晶粒更为有效。低碳,含有微量(〈)的Nb、V、 Ti合金元素的微合金化钢，就属于这类情况。形变使奥氏体产生多边化亚晶，在奥氏体晶界堆积较多的位错，形变又诱发析出Nb（CN）或其他合金元素的碳、氮化物。细小的第二相首先在奥氏体晶界处及亚晶界上析出，并钉扎亚晶界及晶界，使亚晶的长大和晶界的迁移都受到阻碍，造成奥氏体再结晶核心难以在该处产生，即使产生了也不易长大，从而抑制了奥氏体再结晶的发生。只有给予更大变形量，进一步提高再结晶的驱动力时，才会发生再结晶，结果，使再结晶后的奥氏体晶粒比普通低碳钢细小。大约在950℃以下,形变诱发析出的第二相，能完全阻止奥氏体发生再结晶，这样就相对地扩大了奥氏体未再结晶的温度范围，有利于增大未再结晶区的形变量，使奥氏体产生更大量的晶体缺陷。在奥氏体再结晶区及未再结晶区连续变形，得到的是细小的奥氏体晶粒及高密度的晶体缺陷。这样的奥氏体转变后形成的铁素体晶粒细小而均匀，生产上可得到 5μm直径的铁素体（实验室可得到2μm直径的铁素体）。仅就晶粒细化这一项，就使钢的屈服强度提高10～15kgf/mm2，同时提高钢的低温韧性,使韧性－脆性转变温度下降到－70℃。铁素体晶粒的细化还可以抵销由于相间沉淀及铁素体中析出的第二相所造成的脆性，保留其沉淀强化作用，在具有良好低温韧性的基础上，进一步提高钢的屈服强度。 对淬火时马氏体、贝氏体相变的作用 再结晶的奥氏体仅能细化所转变的马氏体或贝氏体组织。形变而未再结晶的奥氏体，对淬火时的马氏体和贝氏体转变的作用却是多方面的（见附表）中类型1、3、5奥氏体中的大量晶体缺陷使以共格方式长大的马氏体、贝氏体晶体长大受阻，使转变后的组织得到细化。奥氏体中的晶体缺陷可被其转变的马氏体、贝氏体所继承，使转变后的马氏体或贝氏体组织的位错密度高于一般热处理形成的马氏体和贝氏体的位错密度。当奥氏体在形变过程产生形变诱发第二相析出时，这种现象尤为突出。形变诱发析出的第二相质点，钉扎了奥氏体已有的可动位错；在进一步形变时，促进奥氏体增殖大量新的位错，大大增加奥氏体中的位错密度，相应地增加转变后的马氏体的位错密度。马氏体、贝氏体中位错密度提高，是形变淬火得以提高钢的强度的主要原因。这样的马氏体组织在回火时，由于位错密度高，为碳化物提供了大量形核位置，结果使回火马氏体中的碳化物质点更细小，分布更均匀。形变诱发由奥氏体中析出第二相，降低奥氏体中碳和合金的含量，有利于减少孪晶马氏体，增多板条状马氏体的数量。马氏体组织的细化、孪晶马氏体的减少，以及回火时均匀的碳化物分布，是形变淬火钢韧性好的原因。奥氏体形变中形成的亚晶粒，比较稳定，不仅可为直接形成的马氏体所继承,还能遗传给重新加热淬火,再次形成的马氏体组织，使形变淬火后再加热淬火的钢的强度仍高于一般淬火钢。形变奥氏体除可以细化所转变的贝氏体外，还能改变转变的贝氏体组织类型。低碳贝氏体钢未形变的奥氏体转变为上贝氏体组织，形变的奥氏体则转变为颗粒状贝氏体组织，这种组织的塑性、韧性比上贝氏体要好。形变诱发马氏体相变 在Ms～Md温度范围内形变能诱发奥氏体转变为马氏体,而在Ms温度以上就发生马氏体转变。Md称为形变诱发马氏体开始转变点。形变诱发马氏体可提高钢的强度，更重要的是，在奥氏体基体中的应力集中，由于形变诱发马氏体的产生而得以弛豫，避免微裂纹的产生与扩展，提高钢的塑性。上述奥氏体的形变对相变的作用的规律对于其他合金也基本适用。
《第八次全国中医药糖尿病学术大会论文集》第518页的研究结果表明，旋磁可明显降低空腹及餐后两小时血糖 , 明显降低胰岛素抵抗水平。也就是说经过科学实验，磁疗对人体具有正向的治疗作用，基于此，好安森糖尿病治疗仪（9探头）运用磁场生物学效应，再结合祖国传统中医经络学，作用人体期门、命门、肾腧等关键穴位，达到调节人体，降低血糖的作用，据使用者体验：它操作简单，快速显效，且无副作用。
科学家的最新研究成果，首次发现人类的智力发展同脑脊液的酸碱度有关。正常人的脑脊液的PH是弱碱性的～。英国科学家通过对几十位九到十二岁的儿童进行智力的测验，发现在生理许可的范围内，脑脊液偏酸的智力低，偏碱的智力就高。
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磁疗学家陈植教授将同等大小的蒜瓣分成两组，其中实验组受50高斯磁场作用，对照组只受地磁场（高斯）作用。25天后，实验组比对照大蒜平均高厘米。
实验证明，磁能对生物的生长起到积极作用。
婴幼儿的生长发育对人的一生有非常重要的影响。磁能够活化细胞，促进血液循环，给细胞带去更多的营养和氧气，带走更多的废物和垃圾。因此，睡磁性床垫的婴幼儿免疫力和身体发育水平都比较优越。
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磁疗床垫的好处和坏处
磁疗床垫的好处和坏处，在日常的生活之中，许许多多的人都是希望能够有一个好的休息，那么在床和床垫的选择上就需要去注重，尤其哪些人是选择床垫磁疗床垫，那么来看看磁疗床垫的好处和坏处都有哪些吧。
长期用磁疗床垫的危害？
磁疗床的磁垫有磁场，有一定辐射。不可经常睡。长期接触会产生有疲劳、嗜睡，加速细胞凋亡等副作用，因此使用磁疗床垫最好先咨询医生，然后再根据自身的具体情况结合磁疗产品的参数购买合适的正规产品。
1、长期接触会产生有疲劳、嗜睡，加速细胞凋亡等副作用，因此使用磁疗床垫较好先咨询医生，然后再根据自身的具体情况结合磁疗产品的参数购买合适的正规产品。
2、这种磁疗保健床垫对人体是不是会造成危害，在短时期内是无法检验的，而若干年后，如果使用者身体出现问题，也是很难把责任归咎于这种磁疗保健床垫的，因为影响人体健康的因子很多，也许厂家正是看中这一点，利用名人做代言人，诱使老年人去购买这种床垫。
磁疗床垫作用是什么？
磁疗床垫是一种具有一定保健作用的床垫，它是通过磁场与人体中的电子运用、电离子渗透以及磁性离子活动产生作用，对相关疾病的减轻有一定的作用。
1、活血排毒，消炎镇痛
磁疗床垫对血液流动有加速作用，可以调节微循环，增强红细胞的带氧量，防止血液过粘，增加内脏功能，平衡酸碱，同时它对炎症引起的肿痛也有消退的功效。
2、安神促眠
床垫可以产生一些浓度比较高的负离子，清理自由基，可以提高记忆能力和免疫力，减轻疲劳，平复精神状态，帮助睡眠。
3、帮助代谢促抵抗力
一、长期用磁疗床垫的危害有哪些？
长期接触会产生有疲劳或者是嗜睡，从而就会加速细胞凋亡等副作用，因此使用磁疗床垫先咨询医生，然后再根据自身具体情况结合磁疗产品参数购买合适正规产品。
二、磁疗床垫的优缺点是什么？
（一）优点
1、促进人体细胞的代谢，有助于我们的睡眠。有效地治疗内分泌紊乱，对于我们的身体有许多好处。不仅可以活化人体细胞；而且还能促进血液循环，并且促进血液快速流通，调节血压，减轻身体的负担。
2、避免疾病的产生，对于我们的身体有养生的功效。清除体内的毒素与垃圾、美容养颜、降低胆固醇、抗疲劳，解决失眠问题以及精神过度紧张的问题。
3、调节大脑的神经系统，给我们的大脑很多的养分，可起到镇静作用。对睡眠有很多的好处。磁疗床垫是在预先缝制的床垫内安置数百块持久性磁铁，床垫内罩磁力，产生对人体有益的'磁场，促进局部血液微循环，改善神经有序活动，活化细胞，促进细胞新陈代谢。
（二）缺点
1、磁疗产品用不对，会对身体造成伤害。磁场强度过小，有可能达不到预期的治疗效果；磁场强度过大又可能令人出现头晕、呕吐等不良反应。
2、磁疗产品可能存在的危害因素和可能造成的后果，包括遭受电击、灼伤、有害辐射、感染等，消费者如不慎购买了不良商家生产安全性能低的磁疗产品，可能会遇到上述情况。
磁性床垫的功效及危害
一、磁疗床垫的功效:
磁治疗床垫,具有止痛、消肿和消炎的作用,但一般情况下都是作为辅助治疗,所以目前市面上的磁治疗床垫并不能起到治疗疾病的作用。但是如果床上垫得好,对身体还是有逻辑作用的。
由于每个人的体质不同,所以呈现出来的实际效果也就不同。再次加现在现在市面上的磁疗床垫良莠不齐,也对磁疗床垫的作用也言过其实,因此大伙儿在选购磁疗床垫时,建议根据正品网站,谨慎购买。
二、磁疗床垫损伤:
要注意的是,磁疗床垫的副作用是很难避免的。特别是有一部分质量不好的磁疗床垫,长时间的接触会导致身体疲乏,总想睡觉,身体细胞加速凋亡等副作用。因此,磁疗床垫不可随意选购,最好在应用磁疗床垫之前,可以先咨询医生,取得医生的认同,然后再根据自己的标准进行购买。
磁床垫的功能是什么安神安眠,镇静安神作为一个睡眠不太好的顾客,磁疗床垫也可以帮到你,帮助你提高睡眠质量。这主要是因为根据床垫上的空气负离子化学纤维释放出空气负离子,空气负离子即我们通常所说的气体维他命,因此睡觉不仅舒服,而且可以提高自身的记忆力和免疫能力,有利于解决食物的睡眠质量问题。
疏肝理气,增强免疫功能相信大家都知道,宇宙中有强大的电磁场,但并不是绝对安全的,殊不知磁疗床垫可以改善这种现状,根据人体的需求改变经络上的微电磁场,另外还可以调整自身的机体代谢免疫力,有利于机体机能的恢复和平衡,从而达到防病治病的目的。
一般没危害，不过应该没多少好处
目前是的。
介绍：
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
如果不要求整体的材料都是一致的话，热管可以说是最高，导热系数可高达20000 W/m·K以上，若干倍于石墨烯。
下面是热管的工作原理：
目前来说石墨烯是世界上已知最好的导热材料,导热系数高达5300 W/m·K,高于碳纳米管和金刚石，但是以后就不知道了，听说合肥微晶科技正在做这方面的研究。
电磁场与微波技术，是电子信息类学科的一门非常重要的专业理论课，目的是满足学生以后从事微波天线以及射频类的相关工作需求。我整理了电磁场微波技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!
“电磁场与微波技术”课程的改革与实践
摘要：在对“电磁场与微波技术”课程的改革与实践中，分析了目前该课程的教学中存在的主要问题，结合课程特点和“三本院校”学生的实际情况，整合了电磁场与电磁波、微波技术和天线理论三门课程的主要内容，加强了该课程与工程实际的结合，适应了三本学校的应用型人才的目标，并通过教学方式和考核方式等方面的具体改革措施，提高了该课程的教学质量，尤其是提高了学生对该课程的相关知识和技术的实际应用能力。
关键词：电磁场与微波技术;工程实际;考核制度
作者简介：张具琴(1980-)，女，河南信阳人，黄河科技学院电子信息工程学院，讲师;贾洁(1982-)，女，河南安阳人，黄河科技学院电子信息工程学院，助教。(河南郑州450063)
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1007-0079(2012)17-0054-02
随着信息时代的发展，作为信息主要载体发展方向的高频电磁波—微波，不仅在卫星通信、计算机通信、移动通信、雷达等高科技领域得到了广泛的应用，而且已经深入到了各行各业中，在人们的日常生活也扮演着重要角色。因此对于电子信息专业的学生来说，电磁场、微波技术与天线类课程在目前及今后都是不可缺少的主干专业课程。[1，2]但由于该课程的自身特点及对于该课程教学的一些传统认识，使得学生对该课程的知识和技能的学习和掌握不能满足国内对电磁场与微波技术及其相关专业人才的需求。为提高该课程教学质量和人才培养质量，尤其是针对三本院校的应用型人才培养目标，笔者认真分析了该课程教学中的问题，结合课程特点和“三本院校”学生的实际情况，对该课程进行了一系列的改革和实践探索，并取得了一定的成果。
一、“教”“学”中的主要问题
该课程传统的教学方法是以事实性知识传授为教学目标，即课程内容是介绍“是什么”“为什么”，而缺乏“怎么做”“怎么用”，过分强调理论，而缺乏对知识的实际应用。
目前该类课程所用教材多为一本学校编著，这些教材整体突出课程内容的完整性和理论分析的严密性。对于理论基础一般也较为薄弱、更注重实际应用能力的三本学生来说算是“天书一部”，学习起来也“味同嚼蜡”，教师授课也是事倍功半，教学效果很不理想，很多三本学校对该课程的开设是“形同虚设”。
该类课程的教学模式仍是以理论教学为主的，教学方法和内容很少涉及该课程的实际知识应用和人才就业的方向指导，结果学生学完后除了知道有很多公式推导外，对该课程其他方面相关内容知之甚少，所以缺乏学习动力，教学效果不佳。
对于该课程的考核制度多为“一刀切”模式，即“考试分数定高低”，未能考虑学生的个体差异，忽视学生学习能力、学习过程、学习方式差别，不能很好调动学生的积极性和主动性。
二、改革方法和措施
1.改革传统的事实性知识传授的教学目标，更注重对实际应用能力的培养
在教学内容中，增加具体理论的应用实例分析，[3]使学生对电磁场和微波的实用性有较好的认识;增加微波技术在新科技和社会生产生活中的实际应用的一些例子，使学生有更强的学习兴趣和学习动力;课程中很多知识点的引入，都以思考题和小的科研课题的形式提出，使学生应用所学的理论知识分析解决实际问题的能力与创新、研究能力得到相应的锻炼。
增开相应的微波实验项目，使学生的实际动手能力得到很好提高，考虑到实验室建设的成本的问题，可以通过先引入微波的仿真实验项目或者引入与现有的大学物理实验、通信原理实验等成熟实验项目相结合的实验项目。[4]
2.突破传统的一本院校所编教材的限制，使学生在有限的时间内掌握具有生命力的知识基础和必要技能，以满足高素质应用人才知识结构和素质结构的需求
在实际授课过程中注重将“电磁场与电磁波”、“微波技术”和“天线理论”有机结合，采用电磁场与微波技术结合的自编的简本教材为授课教材，把天线及应用作为扩展补充教材，将三者精要贯穿于教学中。这大大节约了理论教学时间，使学生有更多的时间参与到实践中去，有利于培养学生应具有的实践能力。
具体教学内容方面：加强了该课程中的最基本的电磁场的概念、定理的讲解，力求夯实该门课程的基础;增加了微波在新科技中的应用和微波的发展前景的介绍和大量的网络理论应用实例分析等，有利于学生学习目标、学习兴趣的建立和实际应用能力的提高;针对该门课程涉及知识面广、理论性较强的特点，对于只是涉及而非重点内容大胆删减或者采用增加附录的形式直接给出，这样有利于学生有针对性地学习;对于课程中的概念采用“量纲分析法”，使学生对概念的物理意义有更深地理解，应用起来能够更加娴熟;对于其他新知识的引入采用“概念—方程—新概念”教学模式，顺着学生的理解思路，水到渠成;更加注重了理论与实践的结合，每个具体的理论讲完后，立即有相应的实例分析，既有利于提高学生的实际分析问题的能力又有利于提高其学习兴趣。
3.改革传统的理论教学为主的教学方法，开展“以应用为基本出发点”的理论教学方法研究
(1)以应用为本，确定理论教学的研究方法。在教学大纲和简本教材中，弱化理论讲解，重视实际解决问题能力的提高，主要采用“用什么理论，讲什么理论”和选学、自学内容相结合的模式，即让大多数学生学到了本课程的主要内容，又让学有富余的学生得到更深层次的提高。
(2)注重对学生进行思维能力与应用能力的训练。改变传统的纯理论讲解、缺少实际应用实例的情况，在教学过程中注重理论讲解、实例分析、习题课相结合;以思考题和小的科研课题的形式，对学生进行有效的思维能力与应用能力训练。
(3)具体教学方法中，采用多种方法相结合，尤其是板书和多媒体相结合教学。对于主要理论、公式的推导，以板书教学为主，有利于学生的理解和接受;而对于一些介绍性知识、实例讲解和仿真实验方面，可辅以多媒体教学和动画演示，丰富学生的感性认识和知识量。
(4)注重案例教学。例如，以往年学生的毕业设计为案例，阐明微波是如何用来解决实际问题的;提出目前理论应用于实际的方向和技术瓶颈，鼓励同学们探索和研究，力争做到理论与实践相互联系，相互穿插，相辅相成，使学生真正从这门课程中学到“实惠”，即掌握了具体知识的应用，也为其以后的就业指明了方向。
(5)开设“第二课堂”教学法。针对学生层次的差异，可以采用课堂教学与网络教学相结合的方式、给出小型科研调研题目等方式，[5，6]使每个学生的潜能都能得到最大的发挥。充分利用黄河科技学院(以下简称“我校”)的校企业合作平台，让学生利用半年左右的时间充分参与到微波天线企业一线的科研和生产中，在理解整机工作原理的基础上，研究实际的产品部件;通过在学生与学生之间、学生与老师之间、工程技术人员之间对出现问题的讨论，使学生更全面地思考和理解问题，另一方面也能使学生掌握和了解最新的知识，适应科技高速发展的需要，实现与时俱进。
4.改革传统的考核制度“一刀切”模式，开辟“多样化的柔性”考核制度
结合“因材施教”的指导方针，认真考虑学生的个体差异，增强“第二课堂”的作用，开设“老生研讨课”，加重过程考核，提出开卷考试制度等方案，极大地调动了学生的积极性和主动性，提高了教学效果。传统的终结性考核以理论知识、标准答案、闭卷形式为主。改革后的考核方式更加注重过程考核，加入调研报告成绩，课程小结成绩实，实践环节成绩;考试试卷上增设选做题目、课程设想等，给学生充足的学习空间，有利于激发学生的学习自主性，提高学习的自觉性和自学能力;考试采用开卷形式，重视知识的应用而弱化死记硬背，加强学生的应用能力的考核。
另外，本课程的教学中也广泛利用网上电子教案、习题库等教学资源，为学生的自学和课后复习提供了一定的空间，随着课程网络资源的建设，教学中可利用校园网实现网络教学、在线测试、在线答疑。
三、改革实践的效果
课程教学目标和教学内容的调整，理顺并抓住了根本，节省了时间，避免了枯燥繁冗的数学推导过程，使学生接触更多的工程实践，适应了三本学校的应用型人才目标;教学方法、教学手段的改革，加强了理论与实际的联系，避免了学生对该课程中一些难而无用的知识纠结，侧重工程实际应用，使他们的实践能力大大提高;考核方式的改革，使学生的学习积极性得到了全面地调动，学生能够主动参与到学习过程中，学习方式灵活、学习兴趣也有了很大的提高。
改革后学生能够积极主动地参与到“电磁场与微波技术”的学习中，通过亲身体验和相关内容的学习，积累和丰富直接经验，促进学生掌握了该课程的基本知识和基本技能，培养了学生的创新精神、实践能力和终身学习的能力。具体表现在以下几个方面：本课程的合格率达到了95%以上，优秀率将近40%;有近50%的学生投入到该课程的研讨式学习和科研课题研究中，6名同学在科技期刊上发表了科研论文;三届毕业设计有13名学生做了该方向的课题，[7]其中3名同学取得了优秀毕业设计的成绩;在两届全国大学生电子设计大赛中，2名同学选择了该方向的创新设计并取得了优异成绩;该方向的就业率和考研率都有很大提高，2005级以来三届近400名毕业生中就有15名学生从事该方向工作，实现了我校该方向就业的零的突破，有近30名毕业生选择该方向为研究生报考方向。
四、结束语
该课程的教学改革和实践在教学质量和人才培养方面取得了一定的成绩，但教学改革任重道远，要培养出既具有理论知识基础又具有较强实践能力的适应时代的高素质应用人才，必须与时俱进地调整和充实教学的各个环节，协调和配合好教学体制和机制的多方面才能达到最佳效果。
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生活中电磁辐射污染论文类的 供研究者使用生活中的电磁辐射污染及防范【摘 要】如今我们工作、生活在 E 时代,在你每天尽情享受科技带来的便捷 和舒适时,有没有想过,在不知不觉中频率不同的电磁波,在我们周围悄无声息地 构成了一种被称作“ 电子 雾”的浓重污染源,它看不到、听不到、嗅不到、摸 不到,神不知鬼不觉地任意穿透、 “切割”人的身体,如同“幽灵”一样,令人防不 胜防。生活中的电子产品种类十分众多,与我们的生活、工作关系非常密切,我们 与它们接触的时间又比较长,因此,这些电子产品所产生的电磁辐射对人体健康 的影响问题已经越来越受到人们的重视。 那么,什么是电磁辐射污染?它对人体作 用的机理有哪些?如何防范电磁辐射污染?【关键词】电磁辐射污染 电磁辐射污染机理 电磁辐射污染防范1831 年英国 科学 家法拉第应用电磁感应的方法,使磁场中的导体在一定 条件下产生了感应电流。 这是 19 世纪最伟大的发现之一,随即世界上第一座发电 站的建成标志着人类迈进了电磁辐射的应用时代。一百多年前,电磁辐射已经深 入到了人类生活的方方面面,当今更是进入了一个电磁辐射的高利用时代。 不过,科学历来都是一把双刃剑,时代的进步常常是要付出一定代价的,这种 二律背反的现象已经得到了 历史 的多次验证。 人们在充分享受电磁辐射带来的 方便舒适的同时,也日渐感受到了它的负面效应。如各类各类办公自动化设备、 移动通讯设备、 家用电器迅速进入我们的生活,提高了我们的工作效率,丰富了我 们的精神和物质生活。就在我们的生活前所未有的便捷的同时,我们所使用的高 科技产品所产生的电磁辐射,又成为继室内空气污染、放射性污染和噪音污染之 后的又一室内环境污染。特别是近些年来,国内外媒体上屡屡报道的有关电磁辐 射对人体有害,更是让人们感觉到了来自电磁辐射的威胁,以致于很多人一提起 它,就有一种莫名的痛恨和恐惧。1 电磁辐射污染: 所谓电磁辐射污染是指高压电、变电站、电台、电视台、雷达站、电磁波发 射塔和电子仪器、医疗设备、自动化设备及微波炉、收音机、电视机、电脑、手 机等工作时产生的各种不同波长频率的电磁波。 人体如果长期暴露在超过安全的 电磁辐射剂量的电磁辐射下,细胞就会被杀伤或杀死。随着信息技术产品的不断 丰富,电磁辐射污染已经成为危害人们工作和生活的辐射污染的重要类型之一。 另一个方面,信息技术要依靠电磁波,而电磁波极容易被干扰和破坏,由此会带来 一些垃圾信息、有害信息的侵害,这也是电磁辐射污染的一个方面。电磁辐射会 造成所谓的“电磁污染”,人们也叫它电子“烟雾”或电子垃圾,即电磁辐射的强 度超过人体或环境所能承受的限度所产生的危害现象。它无色、无味、无形、无 踪,无任何感觉,可穿透包括人体在内的多种物质,无处不在,被科学家称为 “电子 垃圾”或“电子辐射污染”,有专家称这是继大气污染,水污染和噪音污染的第四 污染。2 电磁辐射对人体作用机理人体是导体,可以吸收电磁场的能量。 在电磁场的作用下,人体的分子会发生 取向排列,在分子排列过程中相互碰撞消耗磁场能而转化为内能,引起热效应。 电 磁场强度越大,则热效应越明显;电磁振荡频率越高,热效应越明显,即电磁辐射 对人体的作用:微波>超短波>短波>中波>长波。 而且干扰人体生物电信息的传递。 科学实验已表明,电磁辐射污染对人体的危害主要为两个方面——致热作用和非 致热作用。 致热作用致热作用是指电磁波穿透生物体表层,直接对肌体内部组织 “加热” (如同微波炉加热食品一样),即在高频电磁波作用下,物质的温度会发生改变。 高 频电磁波的致热作用会对生物体产生影响,从而对人体造成严重的伤害,导致乳 腺癌、阳痿、流产、胎儿畸形等疾病。 非致热作用非致热作用主要是指电磁波对人体植物神经系统的危害,造成心 悸、脱发、心动过缓、血压降低和妇女月经失调等疾病。有一个典型的实验是这 样做的:从鸡雏、猫的体内摘取出大脑皮质,用调制后的特高频、甚高频电磁波对 其进行照射,发现有钙离子析出。钙离子是生物体内信息传递、免疫系统工作和 细胞繁殖不可缺少的物质,它的浓度变化必然会对生物体产生影响。3 生活中电磁辐射污染的防范 现代 生活,处处离不开与 电子 设备打交道。能制造电磁辐射污染的污染 源无处不在,电脑、打印机、复印机、手提电话、无线电仪器等无不产生对身体 不利的电磁辐射波;与日常生活有关的如电视机、音响、洗衣机、电冰箱、空调、 微波炉等均能产生各种数量不等的电磁干扰,我们如何防护呢? 生活中怎样才能防止和减少室内电磁辐射污染呢? 中国 室内装饰协会室内 环境监测中心的专家提醒大家注意以下几点: 在购买电子产品是应注意证实该产品是否已经通过了 CCC 认证(国家对电子 电磁兼容性的安全认证);尽量减少对高辐射产品的使用;尽量使用低辐射的产品, 如低辐的电视机、微波炉、电脑等;尽量使用坐机拨打电话,少用手机拨打电话。 手机接通瞬间释放的电磁辐射最大,最好在铃声响过一两秒或两次铃声之间接听, 使用时头部和手机天线的距离尽量远一些。 有人说了,不买家电或是有也束之高阁不再用,污染不就没有或减少了嘛。 好 倒是好,可是要没了它们,咱们的生活就该倒退回从前的艰苦时代了。 恐怕没人愿 意放弃好生活而去过苦日子吧,多学几招防范措施才是现实可行之策。例如: 不要把家电摆放得过于集中,以免使自己暴露在超限量辐射的危险之中。特 别是一些易产生电磁波的家电,如电视、电脑、冰箱、收音机等,最好不要集中摆 放在卧室里。 要避免长时间使用家用电器、手机等,还要尽量避免同时启用多种家电。与 家电保持安全距离很有必要。距离越远,受电磁波侵害就越小。 彩电的安全距离是荧光屏宽度的 5 倍左右,日光灯为 2～3 米,微波炉开启之 后要离开至少 1 米远,孕妇和小孩应尽量远离微波炉。 电器暂停使用时,最好不让 它们处于待机状态,因为此时可产生较微弱的电磁场,长时间也会产生辐射积累。 还有一招就是吃东西。多食用胡萝卜、豆芽、西红柿、油菜、海带、卷心菜、 瘦肉、动物肝脏等富含维生素 A、C 和蛋白质的食物,加强机体抵抗电磁辐射的能 力。 居住、工作在高压线、雷达站、电视台、电磁波发射塔附近的人,佩带心脏起搏器有条件的应配备阻挡电磁辐射的屏蔽防护服。 电视、电脑等有显示屏的电器设备可安装电磁辐射保护屏,使用者还可配戴 防辐射眼镜。 显示屏产生的辐射可能导致皮肤干燥,加速皮肤老化甚至导致皮癌, 因此在使用后应及时洗脸。 注间电磁辐射污染的环境指数。有关专家提醒,5 种人特别要注意这一条,第 一是生活和工作在高压线、变电站、电台、电视台、雷达站、电磁发射塔附近的 人员;第二是经常使用电子仪器、医疗设备、办公自动化设备的人员;第三是生活 在现代电器自动化环境中的工作人员;第四是佩戴心脏起搏器的患者;第五是生 活在以上环境里的孕妇、儿童、老人及病患者等,都应该了解室内电磁辐射污染 的程度,如果环境中电磁辐射污染比较高,就必须采取相应的措施。 对于 E 时代下的又一现代污染———电磁辐射已经被联合国人类环境大会 列入必须控制的造成公害的主要污染物之一。记得吗?我们的儿歌里曾把站着几 只小麻雀的高压线比作五线谱,那曾是城市里最美的图画。可时过境迁,如今,因 为怀疑围绕在居民区周围的高压线释放出的电磁辐射会损害人体健康,高压线的 建设者们屡次亮相听证会甚至法庭,争端大有愈演愈烈之势。 一些专家说,人类认 识世界是一个渐进的过程,许多问题还有待 科学 研究的进一步深入和时间的考 验。目前,不管学术界的争论如何激烈,现存的、引起很大争执的问题应该及时得 到解决。首先,应该及时推出直接关系到公众健康的产品标准。第二、对于已有 标准的产品,应该加强监管力度,特别是列入 3C 认证目录的产品。第三,应该制定 相关的 法律 、法规以及时解决目前引起争端的事件。当然,对于我们普通人也 要适当改变一下生活方式。 如尽量用更多的时间到户外活动,到乡村去,到田野去, 接近大 自然 ,享受大自然。参考 文献 [1]《宇宙、地球和大气》[美].I.阿西摩夫著科学出版社. [2]《电磁波工程》朱建清,著.国防科技大学出版社.
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摘 要：介绍了电磁学计算方法的研究进展和状态，对几种富有代表性的算法做了介绍，并比较了各自的优势和不足，包括矩量法、有限元法、时域有限差分方法以及复射线方法等。 关键词：矩量法；有限元法；时域有限差分方法；复射线方法 1 引 言 1864年Maxwell在前人的理论（高斯定律、安培定律、法拉第定律和自由磁极不存在）和实验的基础上建立了统一的电磁场理论，并用数学模型揭示了自然界一切宏观电磁现象所遵循的普遍规律，这就是著名的Maxwell方程。在11种可分离变量坐标系求解Maxwell方程组或者其退化形式，最后得到解析解。这种方法可以得到问题的准确解，而且效率也比较高，但是适用范围太窄，只能求解具有规则边界的简单问题。对于不规则形状或者任意形状边界则需要比较高的数学技巧，甚至无法求得解析解。20世纪60年代以来，随着电子计算机技术的发展，一些电磁场的数值计算方法发展起来，并得到广泛地应用，相对于经典电磁理论而言，数值方法受边界形状的约束大为减少，可以解决各种类型的复杂问题。但各种数值计算方法都有优缺点，一个复杂的问题往往难以依靠一种单一方法解决，常需要将多种方法结合起来，互相取长补短，因此混和方法日益受到人们的重视。 本文综述了国内外计算电磁学的发展状况，对常用的电磁计算方法做了分类。2 电磁场数值方法的分类 电磁学问题的数值求解方法可分为时域和频域2大类。频域技术主要有矩量法、有限差分方法等，频域技术发展得比较早，也比较成熟。时域法主要有时域差分技术。时域法的引入是基于计算效率的考虑，某些问题在时域中讨论起来计算量要小。例如求解目标对冲激脉冲的早期响应时，频域法必须在很大的带宽内进行多次采样计算，然后做傅里叶反变换才能求得解答，计算精度受到采样点的影响。若有非线性部分随时间变化，采用时域法更加直接。另外还有一些高频方法，如GTD，UTD和射线理论。 从求解方程的形式看，可以分为积分方程法（IE）和微分方程法（DE）。IE和DE相比，有如下特点：IE法的求解区域维数比DE法少一维，误差限于求解区域的边界，故精度高；IE法适合求无限域问题，DE法此时会遇到网格截断问题；IE法产生的矩阵是满的，阶数小，DE法所产生的是稀疏矩阵，但阶数大；IE法难以处理非均匀、非线性和时变媒质问题，DE法可直接用于这类问题〔1〕。3 几种典型方法的介绍 有限元方法是在20世纪40年代被提出，在50年代用于飞机设计。后来这种方法得到发展并被非常广泛地应用于结构分析问题中。目前，作为广泛应用于工程和数学问题的一种通用方法，有限元法已非常著名。 有限元法是以变分原理为基础的一种数值计算方法。其定解问题为： 应用变分原理，把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题，利用对区域D的剖分、插值，离散化变分问题为普通多元函数的极值问题，进而得到一组多元的代数方程组，求解代数方程组就可以得到所求边值问题的数值解。一般要经过如下步骤： ①给出与待求边值问题相应的泛函及其变分问题。 ②剖分场域D，并选出相应的插值函数。 ③将变分问题离散化为一种多元函数的极值问题，得到如下一组代数方程组：其中：Kij为系数（刚度）矩阵；Xi为离散点的插值。 ④选择合适的代数解法解式（2），即可得到待求边值问题的数值解Xi（i＝1，2，…，N） （2）矩量法 很多电磁场问题的分析都归结为这样一个算子方程〔2〕： L（f）＝g（3）其中：L是线性算子，f是未知的场或其他响应，g是已知的源或激励。 在通常的情况下，这个方程是矢量方程（二维或三维的）。如果f能有方程解出，则是一个精确的解析解，大多数情况下，不能得到f的解析形式，只能通过数值方法进行预估。令f在L的定义域内被展开为某基函数系f1，f2，f3，…，fn的线性组合：其中：an是展开系数，fn为展开函数或基函数。 对于精确解式（2）通畅是无限项之和，且形成一个基函数的完备集，对近似解，将式 （2）带入式（1），再应用算子L的线性，便可以得到： m＝1，2，3，…此方程组可写成矩阵形式f，以解出f。矩量法就是这样一种将算子方程转化为矩阵方程的一种离散方法。 在电磁散射问题中，散射体的特征尺度与波长之比是一个很重要的参数。他决定了具体应用矩量法的途径。如果目标特征尺度可以与波长比较，则可以采用一般的矩量法；如果目标很大而特征尺度又包括了一个很大的范围，那么就需要选择一个合适的离散方式和离散基函数。受计算机内存和计算速度影响，有些二维和三维问题用矩量法求解是非常困难的，因为计算的存储量通常与N2或者N3成正比（N为离散点数），而且离散后出现病态矩阵也是一个难以解决的问题。这时需要较高的数学技巧，如采用小波展开，选取合适的小波基函数来降维等〔3〕。 （3）时域有限差分方法 时域有限差分（FDTD）是电磁场的一种时域计算方法。传统上电磁场的计算主要是在频域上进行的，这些年以来，时域计算方法也越来越受到重视。他已在很多方面显示出独特的优越性，尤其是在解决有关非均匀介质、任意形状和复杂结构的散射体以及辐射系统的电磁问题中更加突出。FDTD法直接求解依赖时间变量的麦克斯韦旋度方程，利用二阶精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接转换为差分形式，这样达到在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样压缩。电场和磁场分量在空间被交叉放置，这样保证在介质边界处切向场分量的连续条件自然得到满足。在笛卡儿坐标系电场和磁场分量在网格单元中的位置是每一磁场分量由4个电场分量包围着，反之亦然。 这种电磁场的空间放置方法符合法拉第定律和安培定律的自然几何结构。因此FDTD算法是计算机在数据存储空间中对连续的实际电磁波的传播过程在时间进程上进行数字模拟。而在每一个网格点上各场分量的新值均仅依赖于该点在同一时间步的值及在该点周围邻近点其他场前半个时间步的值。这正是电磁场的感应原理。这些关系构成FDTD法的基本算式，通过逐个时间步对模拟区域各网格点的计算，在执行到适当的时间步数后，即可获得所需要的结果。 在上述算法中，时间增量Δt和空间增量Δx，Δy和Δz不是相互独立的，他们的取值必须满足一定的关系，以避免数值不稳定。这种不稳定表现为在解显式 差分方程时随着时间步的继续计算结果也将无限制的67增加。为了保证数值稳定性必须满足数值稳定条件：其中：（对非均匀区域，应选c的最大值）〔4〕。 用差分方法对麦克斯韦方程的数值计算还会在网格中引起所模拟波模的色散，即在FDTD网格中数字波模的传播速度将随波长、在网格中的传播方向以及离散化的情况而改变。这种色散将导致非物理原因引起的脉冲波形的畸变、人为的各向异性及虚拟的绕射等，因此必须考虑数值色散问题。如果在模拟空间中采用大小不同的网格或包含不同的介质区域，这时网格尺寸与波长之比将是位置的函数，在不同网格或介质的交界面处将出现非物理的绕射和反射现象，对此也应该进行定量的研究，以保证正确估计FDTD算法的精度。在开放问题中电磁场将占据无限大空间，而由于计算机内存总是有限的，只能模拟有限空间，因此差分网格在某处必将截断，这就要求在网格截断处不引起波的明显反射，使对外传播的波就像在无限大空间中传播一样。这就是在截断处设置吸收边界条件，使传播到截断处的波被边界吸收而不产生反射，当然不可能达到完全没有反射，目前已创立的一些吸收边界条件可达到精度上的要求，如Mur所导出的吸收边界条件。 （4）复射线方法 复射线是用于求解波场传播和散射问题的一种高频近似方法。他根据几何光学理论和几何绕射理论的分析方法和计算公式，在解析延拓的复空间中求解复射线轨迹和场的振幅和相位，从而直接得出局部不均匀波（凋落波）的传播和散射规律〔5〕。复射线方法是包括复射线追踪、复射线近轴近似、复射线展开以及复绕射线等处理技术在内的一系列处理方法的统称。其共同特点在于：通过将射线参考点坐标延拓到复空间而建立了一个简单而统一的实空间中波束／射线束（Bundle ofrays）分析模型；通过费马原理及其延拓，由基于复射线追踪或复射线近轴近似的处理技术，构造了射线光学架构下有效的鞍点场描述方法等。例如，复射线追踪法将射线光学中使用的射线追踪方法和场强计算公式直接地解析延拓到复空间，利用延拓后的复费马原理进行复射线搜索，从而求出复射线轨迹和复射线场。这一方法的特点在于可以基于射线光学方法有效地描述空间中波束的传播，因此，提供了一类分析波束传播的简便方法。其不足之处是对每一个给定的观察点必须进行一次二维或四维的复射线轨迹搜索，这是一个十分花费时间的计算机迭代过程。4 几种方法的比较和进展 将有限元法移植到电磁工程领域还是二十世纪六七十年代的事情，他比较新颖。有限元法的优点是适用于具有复杂边界形状或边界条件、含有复杂媒质的定解问题。这种方法的各个环节可以实现标准化，得到通用的计算程序，而且有较高的计算精度。但是这种方法的计算程序复杂冗长，由于他是区域性解法，分割的元素数和节点数较多，导致需要的初始数据复杂繁多，最终得到的方程组的元数很大，这使得计算时间长，而且对计算机本身的存储也提出了要求。对电磁学中的许多问题，有限元产生的是带状（如果适当地给节点编号的话）、稀疏阵（许多矩阵元素是0）。但是单独采用有限元法只能解决开域问题。用有限元法进行数值分析的第一步是对目标的离散，多年来人们一直在研究这个问题，试图找到一种有效、方便的离散方法，但由于电磁场领域的特殊性，这个问题一直没有得到很好的解决。问题的关键在于一方面对复杂的结构，一般的剖分方法难于适用；另一方面，由于剖分的疏密与最终所形成的系数矩阵的存贮量密切相关，因而人们采用了许多方法来减少存储量，如多重网格法，但这些方法的实现较为困难〔6〕。 网格剖分与加密是有限元方法发展的瓶颈之一，采用自适应网格剖分和加密技术相对来说可以较好地解决这一问题。自适应网格剖分根据对场量分布求解后的结果对网格进行增加剖分密度的调整，在网格密集区采用高阶插值函数，以进一步提高精度，在场域分布变化剧烈区域，进行多次加密。 这些年有限元方法的发展日益加快，与其他理论相结合方面也有了新的进展，并取得了相当应用范围的成果，如自适应网格剖分、三维场建模求解、耦合问题、开域问题、高磁性材料及具有磁滞饱和非线性特性介质的处理等，还包括一些尚处于探索阶段的工作，如拟问题、人工智能和专家系统在电磁装置优化设计中的应用、边基有限元法等，这些都使得有限元方法的发展有了质的飞跃。 矩量法将连续方程离散化为代数方程组，既适用于求解微分方程，又适用于求解积分方程。他的求解过程简单，求解步骤统一，应用起来比较方便。然而 77他需要一定的数学技巧，如离散化的程度、基函数与权函数的选取，矩阵求解过程等。另外必须指出的是，矩量法可以达到所需要的精确度，解析部分简单，可计算量很大，即使用高速大容量计算机，计算任务也很繁重。矩量法在天线分析和电磁场散射问题中有比较广泛地应用，已成功用于天线和天线阵的辐射、散射问题、微带和有耗结构分析、非均匀地球上的传播及人体中电磁吸收等。 FDTD用有限差分式替代时域麦克斯韦旋度方程中的微分式，得到关于场分量的有限差分式，针对不同的研究对象，可在不同的坐标系中建模，因而具有这几个优点，容易对复杂媒体建模，通过一次时域分析计算，借助傅里叶变换可以得到整个同带范围内的频率响应；能够实时在现场的空间分布，精确模拟各种辐射体和散射体的辐射特性和散射特性；计算时间短。但是FDTD分析方法由于受到计算机存储容量的限制，其网格空间不能无限制的增加，造成FDTD方法不能适用于较大尺寸，也不能适用于细薄结构的媒质。因为这种细薄结构的最小尺寸比FDTD网格尺寸小很多，若用网格拟和这类细薄结构只能减小网格尺寸，而这必然导致计算机存储容量的加大。因此需要将FDTD与其他技术相结合，目前这种技术正蓬勃发展，如时域积分方程／FDTD方法，FDTD／MOM等。FDTD的应用范围也很广阔，诸如手持机辐射、天线、不同建筑物结构室内的电磁干扰特性研究、微带线等〔7〕。 复射线技术具有物理模型简单、数学处理方便、计算效率高等特点，在复杂目标散射特性分析等应用领域中有重要的研究价值。典型的处理方式是首先将入射平面波离散化为一组波束指向平行的复源点场，通过特定目标情形下的射线追踪、场强计算和叠加各射线场的贡献，可以得到特定观察位置处散射场的高频渐进解。目前已运用复射线分析方法对飞行器天线和天线罩（雷达舱）、（加吸波涂层）翼身结合部和进气道以及涂层的金属平板、角形反射器等典型目标散射特性进行了成功的分析。尽管复射线技术的计算误差可以通过参数调整得到控制，但其本身是一种高频近似计算方法，由于入射波场的离散和只引入鞍点贡献，带来了不可避免的计算误差。总的来说复射线方法在目标电磁散射领域还是具有独特的优势，尤其是对复杂目标的处理。5 结 语 电磁学的数值计算方法远远不止以上所举，还有边界元素法、格林函数法等，在具体问题中，应该采用不同的方法，而不应拘泥于这些方法，还可以把这些方法加以综合应用，以达到最佳效果。 电磁学的数值计算是一门计算的艺术，他横跨了多个学科，是数学理论、电磁理论和计算机的有机结合。原则上讲，从直流到光的宽频带范围都属于他的研究范围。为了跟上世界科技发展的需要，应大力进行电磁场的并行计算方法的研究，不断拓广他的应用领域，如生物电磁学、复杂媒质中的电磁正问题和逆问题、医学应用、微波遥感应用、非线性电磁学中的混沌与分叉、微电子学和纳米电子学等。参考文献〔1〕 文舸一．计算电磁学的进展与展望〔J〕．电子学报，1995，23（10）：62-69.〔2〕 刘圣民．电磁场的数值方法〔M〕．武汉：华中理工大学出版社，1991．〔3〕 张成，郑宏兴．小波矩量法求解电磁场积分方程〔J〕．宁夏大学学报（自然科学版），2000，21（1）：76-79. 〔4〕 王长清．时域有限差分(FD-TD)法〔J〕．微波学报,1989,(4):8-18.〔5〕 阮颖诤．复射线理论及其应用〔M〕．成都：电子工业出版社，1991．〔6〕 方静，汪文秉．有限元法和矩量法结合分析背腔天线的辐射特性〔J〕．微波学报，2000，16(2):139-143.〔7〕 杨永侠，王翠玲．电磁场的FDTD分析方法〔J〕．现代电子技术,2001,(11):73-74.〔8〕 洪伟．计算电磁学研究进展〔J〕．东南大学学RB （自然科学版），2002，32（3）：335-339.〔9〕 王长清，祝西里．电磁场计算中的时域有限差分法〔M〕．北京：北京大学出版社，1994．〔10〕 楼仁海，符果行，袁敬闳．电磁理论〔M〕．成都：电子科技大学出版社，1996． 现代电子技术