大功率全方位反射镜发光二极管性能研究

第一篇：大功率全方位反射镜发光二极管性能研究

大功率全方位反射镜发光二极管性能研究

1.引言

目前大功率LED光提取效率比较低的一个重要原因是LED 衬底的厚度比较大，很大一部分有源区发射的光入射到衬底层被衬底和电极等材料吸收，从而大大降低光的提取效率，进而影响出光，为了改善这一缺陷，近几年利用全方位反射镜(omnidirectional reflector，ODR)将有源区发出的射向衬底的光反射出去是一个兴起的分支.Tu 等采用ZnO 接触作为反射镜减少光源射向顶部时被不透明电极吸收的部分光线;Horng 等在Si 衬底与有源区之间增加反射镜，并在p，n 区两侧分别做粗糙处理来增加出光，制作工艺复杂;李一博等的利用Si做转移衬底，Au做反光镜和键合界面，ITO做缓冲层和窗口层制作基于Au /Au直接键合的反光镜，是金属反射镜，与ODR 有本质区别并且在实际操作中需要键合技术，工艺相对复杂;考虑到Ag / SiO2 作为反射镜时，入射光不论是TE 模态还是TM 模态在不同角度上都有很高的反射率，所以本实验中采用现有的芯片，先将蓝宝石衬底减薄，再在蓝宝石衬底上用PECVD 分别镀上一层SiO2和Ag，即构成了白光ODR LED，制作工艺简单，光强提高显著，利于生产实际.实验中采用电极形状如图1 所示，ODR LED 芯片剖面结构如图2 所示，图2 中蓝宝石衬底下Mirror 为Ag / SiO2.2.实验原理

图2 模拟了光在ODR LED 内部发射时所经过的路径: 当在p，n 电极上加上正向压降时，p 区空穴与n 区电子向有源区运动并发生辐射复合，发出的光线有两条路径，一条直接射出如图2 中路径1，另一条射向衬底下的全方位反射镜，并发生反射，从顶面或侧面射出如图2 中路径2，从而增加光射出的路径，增强LED的光通量与光效.3.实验样品

本批实验样品采用扬州华夏集成光电有限公司生产的芯片.对一块外延片整体进行测试，发现测试结果基本一致后试制成芯片.将该外延片一半制做成普通LED 芯片，另一半制做ODR LED 芯片，芯片的尺寸为40 mil.选取一个单元中的ODR LED芯片如图3 所示，与图2 比较，可以明显看出芯片亮度不同.采用半自动针测机对芯片进行点测并选取与点测平均值较近的单元(包含ODR 芯片与普通芯片各一个单元)进行试制成LED 样品，这两个单元裸芯片在封装前的点测结果如表1表2 所示.从表1 表2 测量结果中可以看出: ODR 芯片比普通芯片的光强1847mcd 提高了244 mcd，相对提高了13.21%，这是由于ODR 增加反射光;在通入相同的350 mA 工作电流时，ODR 芯片的电压比普通芯片的电压3.202 V 增加了0.002 V，此误差较小可忽略;其他方面的测量，两种芯片测试结果基本保持一致.4.测试结果与分析

4.1.光色电测试结果

对封装后的样品选取普通LED 和ODR LED 各7个，两类LED中不同样品各自编号，先进行LED的快速光色电测试，测试仪器为杭州远方HAAS-2000 LED 快速光色电综合测试量系统，测试温度为25℃，测试电流为350 mA，两组LED 的测试结果如下，表3 中去除5 号、表4 中去除5 号和7 号等性能不佳的样品，两组样品测量反向漏电流时的反向电压均为-5.008 V.从表3 中可以看出，整体样品品质较好，光通量较高，平均值达到76.62 lm，光效达到65.11 lm /W，并且在正常工作电流为350 mA 情况下，电压仅为3.362 V，色纯度为10.3%，但色温偏高，为7010 K;表4 看出经过ODR LED 处理后的LED 在光学、电 学、色参数方面都有明显改善，光通量到达81.25 lm，光效为68.85 lm /W，比普通LED分别提高了4.23 lm，3.74 lm /W，相对提高了6.04%，5.74%，电压为3.371 V，仅增加了9 mV.通过ODR LED 与普通LED的主波长、色温对比，我们认为ODR 对于黄绿光的反射作用要强于蓝光，导致ODR LED 的白光光谱中黄绿光相对普通LED 的光强增加量高于蓝光，这一方面导致ODR LED 的色温比普通LED 的色温更低，降低了1804 K，大幅度提高LED 的色温性能;另一方面导致ODR LED 主波长红移.而且 ODR LED 的色纯度明显比普通LED

高，提高 8.1%，相对提高了78.64%.4.2.光谱测试

对测试的ODR LED 与普通LED 的发光光谱进行测试，结果如图4 所示，从图中可以看到，两种样品均产生两个波峰，并且两个波峰位置相同，一个峰位于445 nm，属于蓝光光谱范围，另一个峰位于 546 nm，为黄绿光光谱范围，这是由于这批白光LED 样品采用在LED 蓝光芯片上涂覆YAG(yttrium aluminum garnet，钇铝石榴石)荧光粉，芯片发出的 蓝光激发荧光粉后可产生典型的500-580 nm 黄绿 光，黄绿光再与蓝光合成白光.利用这种

方法制备白光简单，便于实现且效率高，资金投入不大，因此具有一定的实用性.从图4(a)，(b)中可以看出，ODR LED 与普通LED 的第一个峰位，均位于445 nm 处，两种LED 的 FWHM 均为33 nm 左右，但从图中右上角相对光谱强度可以看出ODR LED 的蓝光光谱强度要高于普通LED;另一个峰位，两种LED 均位于546 nm，ODR LED 的FWHM 为122.0 nm，普通LED 的FWHM 为120.43 nm，ODR LED 的FWHM 要略大于普通LED，仍需改进;ODR LED 中黄绿光的光谱强度也 高于普通LED，这都是由于ODR 的反射作用.但ODR LED 较普通LED 而言，黄绿光的增加量高于蓝光，我们认为ODR 对于白光中黄绿光的反射强度要高于蓝光，使得白光光谱中黄绿光的增加高于蓝光的增加，这也正是主波长红移和色

温降底的原因.4.3.电学性能测试

对ODR LED 与普通LED进行I-V 特性测试，测试条件为: 电流从0-1000 mA，间隔2mA，测试温度为25℃，测试结果如图5，从图上可以看出，两种LED 的整体电流电压特性很好，均未出现随着电流增大电压出现饱和的情况，说明这批样品品质较好.当电流小于400 mA 时，ODR LED 与普通LED 的电流电压曲线基本重合;当电流大于400 mA 时，ODR LED 的电压比普通LED 的电压较高，并且差距越来越大，但始终在误差范围内.ODR LED 的串联电阻为1.160 Ω,比普通LED的串联电阻1.102 Ω仅增加0.058 Ω，两者基本相同.若忽略Rs 对工作电流的影响，(1)式可以简化为

I = Idiff exp[αV] + Ire exp[βV].(2)

式中Id 及Ir 分别是由扩散及复合所引起的饱和电流，Rs 为器件的串联电阻.从图5 可以看出，当电流处于0-1000 mA 时，I-V 特性曲线呈现两种不同的区域.当I < 400 mA，两种LED 的I-V 特性曲线基本重合，并呈现指数曲线

I = 2.86 × 10-3 exp[(0.00038V)].(3)

当I > 400 mA，两种LED 的曲线有所分离，ODR LED: I =(2.83139 + 0.00132V)× 10-3，(4)

普通LED: I =(2.82993 + 0.00126V)× 10-3.(5)

由两种LED 曲线的解析(4)，(5)式也可以看出两种LED 的电压差差距较小，说明ODR LED 处理对LED 器件电压基本无影响.4.4.光学性能测试

对两种LED 的光通量和光效随电流变化进行测量，测量条件与I-V 特性测试相同.结果如图6 所示，从图中明显看出，两种LED 的光通量随着电流升高而逐渐升高，光效均随着电流的升高而逐渐降低;而ODR LED 的光通量和光效要始终高于普通LED，这从光通量和光效随电流变化的角度来证实了ODR LED 的优势.随着电流的逐渐升高，LED 中p，n 区空穴和电子在大电流的驱动下增加了向多量子阱的扩散，使得复合发光逐渐增加，从而增加了光通量，所以两种类型的LED 的光通量均会随着电流的升高而增加.由于ODR LED 特有的反射作用使得ODR LED 的光通量高于普通LED，并且随着电流的增加其增加的幅度也会高于普通LED.在光效问题上，在电流逐渐升高时，由于大功率LED 的电流驱动较高，使得芯片内部热效应剧烈，增加了芯片内部非辐射性复合，相对降低芯片的外量子效率，使得芯片光效呈现衰减趋势，导致芯片性能恶化.但是ODR LED 的光效始终高于普通LED，说明ODR LED 在光衰抗老化中有着显著优势.4.5.色参数性能测试

在LED 的色学参数测试中，实验主要测试了峰值波长、半峰宽、色温随电流的变化而变化，测试电流与前面I-V 特性曲线测试中相同，图7显示峰值波长及半峰宽随电流变化的关系，图8 显示色温随电流变化的关系.从图7中可以看出，随着电流的增加，峰值波长 逐渐发生蓝移，并且ODR LED 的蓝移量为10.5 nm 要高于普通LED 的蓝移量8.5 nm，这说明ODR LED 在波长方面的光衰不如普通LED 好.由于GaN 基材料固有的极化效应，致使多量子阱能带倾斜，产生量子限制斯塔克效应(QCSE).随注入电流的增加，多量子阱区的自由载流子增加，由电子和空穴的空间局域性产生的电场可以在一定程度上屏蔽了极化电场，减弱了量子限制斯塔克效应，且超过了热效应引起的红移，使量子阱的有效禁带宽度变大，峰值波向短波移动，发生蓝移;对于两种LED 半峰宽的增加，可能是由于存在量子限制斯塔克效应，使载流子寿命的降低和

光谱的展宽.LED 的色温是把标准黑体加热温度升高到一定程度时该黑体颜色开始深红-浅红-橙黄-白-蓝逐渐变化，当某光源与黑体颜色相同时，把黑体当时的绝对温度称为该光源的色温.从图8 中可以看出，随着电流的增加，两种LED 的色温均呈现增加的趋势，这是由于电流加大后，两种LED 的蓝光发射强度均增加，而荧光粉的厚度是一定的，则在出射的白光中蓝光成份增多，色温增加.普 通LED 的色温偏高，从开始的6632 K 增加至8251 K，色温始终处于高色温段，且色温变化较大;ODR LED 的色温适中，从5308 K 升高至5619 K，色温始 终处于中色温段，且色温变化幅度要远小于普通LED 灯，说明ODR LED 在色温方面有着

绝对的优势---稳定性高.5.结论

针对近年来LED 出光效率不高的问题，本文采用简单工艺条件提高LED 的出光效率，并且实验测试结果也证实了这种工艺处理的简易性、可行性和优越性.从整体上看ODR LED 在光学、电学、色参 数都要比普通LED 有一定的优势，尤其是色参数方面，将大功率LED 从高色温区降低至中色温区，利于视觉的保护，并且随着电流的增加其色温仍在中色温区内，极大的改善功率型LED 的色温缺陷，对生产实际具有一定的指导作用.感谢扬州华夏集成光电有限公司提供的实验样品和相关工艺帮助，尤其是林岳明博士并对实际样品的实验提供

相关的指导与建议.

第二篇：手术无影灯全方位性能分析

手术无影灯全方位性能分析

手术无影灯作为手术室的基本装备，如今在洁净层流手术室应用及推陈出新的设计理念趋势下，手术无影灯在光学、结构、安全等性能上有了全新的突破。HEAL FORCE Toplite 系列多镜面整体反射手术无影灯(以下简称 Toplite 系列无影灯)凭借其卓越的性能，赢得了众多客户的青睐，不断地尝试技术革新，始终走在国内众多无影灯生产厂商的前列。

无影程度、聚焦深度

传统的孔式手术无影灯有十多重光线叠加，普通的整体反射无影灯通常也只有 8~12 重光线叠加，有限光线叠加所产生的无影效果很难符合中高端手术的要求。Toplite 系列无影灯是 CAD/CAM 计算机辅助制造技术设计打造的多面镜整体反射光学系统，拥有两千多个镜面对光线从不同角度进行反射，创造了手术野最佳的无影效果。大于 700mm 的光照深度满足了深部手术的照明要求。

层流效果

在现代化的手术室中，对空气洁净度及无菌的要求越来越高，高级别层流净化手术室也开始被国内大、中型医院广泛使用。为了使手术无影灯对手术区洁净气流的影响降到最小，要求无影灯应有一个流线型的外罩。Tolite 系列无影灯，根据空气动力学原理，对灯头外壳进行全封闭流线型精心设计，使灯头处于垂直气流中时，产生空气涡流区的可能性最低，符合层流净化手术室的要求。

光学性能

国内首创的蓝色镀膜技术，采用减色原理，使光线拥有接近自然光谱的色温和逼真的演色指数，在手术中能清晰地分辨各种组织和器官的实际状态。

温升解决方案手术区域由于光线的聚焦和叠加，会产生热量，使受照面温度升高，这样容易使手术操作医生头部过热、影响手术野层流效果、手术区域表面干化甚至损伤细胞组织，因此必须将温升控制在一定的范围内。Toplite 系列无影灯采用符合德国(SCHOTT/KG3)标准和日本(HOYA/HA-30)标准的磷酸盐玻璃作为吸热材料，可见光透过率(75%-83%)和红外线吸收率(97%-99%)较高，大大提高光的效率 , 同时由于大量的红外线被滤除，使手术野及医护人员表面的升温最小化。安全性Toplite 系列无影灯灯面罩采用美国进口高强度透明防爆塑胶作为灯面玻璃，彻底消除了因玻璃破碎而引发的医疗事故。当主灯泡出现故障时副灯在 0.5s 内自动切换开始工作，保证不中断手术，控制面板上有主 / 副灯失效指示，提醒手术后及时更换。变压器置于天花板保证可接触的电压为安全电压，传电器采用德国进口镀银的传电器，使得电气接触部分不会因为氧化而产生火花而给手术室带来隐患。

第三篇：VoIP业务Qos性能优化研究

VoIP 业务QoS 性能及其优化研究

张路宜

200522160013

VoIP(voice over IP)就是通过IP 网络承载语音业务,也称IP 网络电话。当网络出现拥塞或传输差错时,语音包就会产生时延、抖动甚至丢失,导致语音不连续或中断,严重影响语音质量。VoIP 业务有着严格的实时性要求,时延、抖动和丢包这3 个影响VoIP 服务质量的主要因素与承载网的性能密切相关。

目前,优化QoS(服务质量)的业务模型主要有intserv(集成服务)、diffserv(区分服务)和MPLS(多协议标签交换)3 种。intserv 可扩展性差,在现有的网络上实现起来非常困难;diffserv 提供了基于类的QoS ,具有良好的可扩展性,但缺乏有效的end2to2end(端到端)机制;MPLS TE(流量工程)通过有效地管理带宽资源,间接改善网络服务质量,但其带宽管理

以及MPLS TE 隧道都无法做到基于业务类别。如果EF(加速转发)、AF(保证转发)、BE(尽力而为)这几类业务都承载在一个MPLS TE 隧道中,那么EF和AF 业务将受到严重的影响。因此, 单独采用diffserv或MPLS TE 服务模型来优化VoIP 业务的QoS ,效果都不尽如人意。

MPLS diffserv2aware TE 是具有diffserv 感知能力的MPLS 流量工程,综合了diffserv 和MPLS TE 两者的优点形成的一种新的集成业务模型,实现了基于业务类别的带宽管理和隧道服务,可以有效保证VoIP 业务在承载网上的服务质量。VoIP 传输基本原理

传统的电话网采用电路交换方式传输语音,可以确保语音传输质量。VoIP 技术将发送的模拟语音信号数字化之后进行编码、压缩,然后转换为IP数据包在网络上传输;在接收端再进行拆包、解压、解码等逆向处理,最后转化为模拟语音输出。包含基本配置的IP 电话网结构如图1 所示,我们以电话用户025 呼叫022 为例,简单介绍VoIP 的通信接和传输过程。025 话机拨号向022 话机发起呼叫,呼叫信令进入语音网关编码、压缩成特定的帧,经过IP 网络送入关守(GK:gate keeper)后对025 话机进行鉴权。如鉴权成功,则对被叫号码022 进行地址解析,通过落地网关与PSTN(公用交换电话网)建立逻辑通道,分别给主叫送回铃音、给被叫送振铃音。至此,经由接入语音网关与落地网关的一个呼叫流程就建立起来了。发送的模拟语音信号由接入语音网关进行编码、压缩、组帧,语音分组通过IP 网络传输到达落地网关,再经过拆包、解压缩、解码等一系列逆向处理,转变为模拟语音信号,通过PSTN 到达被叫话机。VoIP 业务QoS 性能分析 2.1 时延

时延是一个分组从发送端发出后到达接收端的时间间隔,是端到端的时延。ITU2T G.114 规定,对于高质量语音可接受的单向时延是150ms。网络时延可分为固定网络时延和变化网络时延2 部分。固定网络时延是指在发送端和接收端间的信号传输时延、语音编码时延以及VoIP 编解码的语音打包时间。网络的传输时延值约为6.3μs/ km , G.729编解码标准编码时延为25ms(包括2 个10ms帧加5ms算法时延),打包时延为20ms。变化网络时延主要源自网络拥塞,而拥塞是不定时发生的,所以由此产生的时延也是变化的。这种可变时延会因在外出接口队列中长时间的等待或较大的串行化延迟而迅速增长。语音分组在外出队列中排在一个大数据分组后导致长时延情况如图2所示。为了控制语音数据包到达目的地的时延,必须有足够的带宽来保证。

图2 语音分组排在大数据分组后产生的时延

2.2 抖动

抖动是指由于各种时延的变化导致网络中数据分组到达速率的变化。它主要由以下几个因素引起:排队时延、可变的分组大小、中间链路和路由器上的相对负载。补偿抖动的常用方法是在接收端设备上进行缓冲处理。虽然这与减小时延的目标相悖, 但对消除抖动带来的影响是必要的。如图3 所示,在时延一定时,当抖动增大时抖动缓冲区也得相应增大,而增大缓冲区就意味着需要占用接收端设备更大的存储器空间并带来更大的时延。

抖动幅度与抖动缓冲区大小关系示意图消除抖动的缓冲区大小可按下列方法估算。假设在一次连接中,所有分组中传输时间最短的那个时延值等于固定传输时间, 即Tmin = min{ Tn}式中Tn 是每个分组的时延。

每个分组的时延抖动为Xn = | Tn – Tmin 一段时间内的平均时延抖动(期望值)为M = E(Xn)

平均时延可用来确定消除抖动的缓冲区的大小。在相对稳定的情况下,设某种语音编码方式的帧长为F ,一段时间内的平均时延抖动为M ,帧速为f ,则缓冲区大小为Mf F。

2.3 丢包

语音分组在传输过程中有可能被丢失,其原因主要是分组超时或网络拥塞。IP 数据报在网络中寻径具有随机性,为避免数据报进入死循环,系统在一个新数据报产生时,会在其头部TTL(time to live)标志位设定其在网络中的最大生存时间。如果超过这个时间限制,系统自动将其丢弃。造成拥塞的主要原因是网络中的设备没有足够的缓冲区接收数据,如果通向某一路由的队列排队太长,将会产生溢出,导致分组丢失。当单个分组丢失时,采用插值技术可以近似恢复,对语音的理解影响不大。但是,如果有多个连续分组丢失,那么只能靠插入静默帧来处理。通常,语音编解码可以允许3 %～5 %的丢包率。3 VoIP 业务QoS 性能优化

3.1 MPLS diffserv2aware TE模型

diffserv 将流量分成几个等级并按每个等级分配网络资源。为了避免采用信令协议, 它以6 位diffserv码点(DSCP)直接在数据包上标记等级。DSCP 字段是IP 报头中服务类型(ToS)字段的一部分。IETF 对很少使用的ToS 字段进行了重新定义,将其分隔成6 位DSCP 字段和2 位显式拥塞通知(ECN)字段。diffserv 为流量提供不同的转发处理,从而为不同的流量执行特定的QoS。它是一种可扩展的解决方案,不需要在网络核心基于流信令和状态进行维护。但是,如果流量的传输路径不能提供足够的资源来满足QoS 要求,diffserv 将无法保证QoS。

MPLS TE 利用可用资源沿链路建立标签交换路径(LSP),从而确保始终为特定流提供有保证的带宽,以避免在稳定或故障情况下出现拥塞。如果沿最短路径的可用资源不足, 可以不按照最短路径来设计LSP , 从而实现传输资源优化。

MPLS 通过链路保护和快速重路由等机制实现故障发生时的快速恢复。但MPLS TE 忽略了在一个汇聚级别(包含所有服务类别)的可用带宽上,进行CoS(class of service ,服务等级)的分类和操作。MPLS diffserv2aware TE 通过将diffserv 与TE 两者的功能结合在一起,使MPLS TE 能够感知CoS ,允许根据CoS 细粒度来预留资源,并在每个CoS 级别提供MPLS 容错机制。因此,MPLS diffserv TE 可以用来为VoIP 业务提供QoS 保证,从而满足严格的SLA(servicelevel agreement ,服务等级协定)。

3.2 VoIP 业务QoS 优化方法

在MPLS diffserv2aware TE 中,可以采用BE 和EF这2 种diffserv PHB(per hop behavior ,单跳行为),BE用于数据传输,EF 用于语音传输。EF 在diffserv 域比BE 具有更高的优先级。我们的目标是对语音业务提供服务质量保证。每条链路上配置2 个调度队列,一个用于BE ,另一个用于EF。IETF 要求支持最多8 个CT(class type ,级别类型),从CT0 到CT7。我们将CT0 映射到BE 队列,CT1 映射到EF 队列(用于传输VoIP 业务)。一个diffserv TE LSP 只能传送一个CT 的流量,但是传送同一个CT 流量的LSP 可使用相同或不同的抢占机制。本文从描述的简单性出发,只考虑支持2 种CT , 分别用于语音和数据业务。其中CT1 比CT0 具有更高的资源占用优先级。

我们采用RDM(Russian doll model)带宽分配模式,将CT1(话音流量)的带宽限制在链路的某个比例,以确保话音流量具有较小的队列延迟。通过IGP(内部网关协议)广播每条链路上基于CT 的每个优先级的可用带宽, 采用改进的最短路径优先(CSPF)算法,在原来TE 的限制条件下再加入CT 特定的带宽要求作为限制条件来计算路径。LSP 的CT信息在RSVP 路径消息的全新级别类型对象(CT对象)中进行传输,并规定请求预留带宽的CT。以下2 个规则可确保在网络中渐进部署diffserv TE:CT对象只用于从CT1 LSP(如果CT1 对象丢失,则假定为CT0);节点接收到包含CT 对象的路径信息时,如果它无法识别该消息,将拒绝建立路径。

承载在路径消息中的CT 信息,指定了沿路径的每个节点上都执行许可控制的CT。如果沿路径的节点的资源足够,则接收新LSP ,节点计算每个CT 新的可用带宽和优先级别,这些信息随后被送回IGP。另外,我们采用基于Exp 位的diffserv 处理方法(简称E2LSP),在整个diffserv 域中配置一致的Exp2PHB 映射。简而言之,MPLSdiffserv2aware TE 就是对IGP 进行扩展,收集EF 和BE 类的资源使用情况,分别建立TED(流量工程数据库),通过信令协议携带类别建立LSP。这种集成服务模型的优点在于LSP 的建立是基于每个CT 的带宽要求,既可以实现基于类的QoS ,又可以进行带宽控制,提供了低丢失、低延迟、低抖动以及确定的带宽服务,可以很好地满足VoIP 的QoS 要求。

参考文献

[1 ] 张登银, 张庆英.基于因特网的QoS 技术及其业务分析[J ].计算机工程与科学, 2002 ,24(3):31 —35.[2 ] 桂海源.IP 电话技术与软交换[M].北京:北京邮电大学出版社,2004.[3 ] 张登银, 孙精科.VoIP 技术分析与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2003.[4 ] LOVELL David.Cisco IP 电话技术[M].北京:人民邮电出版社, 2002.[5] VoIP业务Qos性能分析 张登银 施伟 南京邮电学院 江苏通信技术 2005-02

[6] BLAKE S , BLACK D , CARLSON M, et al.An architecture fordifferentiated services[ EB/ OL ].RFC2475 ,1998212.

第四篇：砌体结构抗震性能的研究

砌体结构抗震性能的研究

摘要：砌体结构作为我国传统建筑形式，在各类建筑中占有十分重要的地位。但由于材料明显的脆性性质，相比于钢筋混凝土结构或钢结构建筑,砌体结构的抗震能力较差。本文对砌体结构抗震构造措施和目前存在的问题进行了分析阐述。

关键词：砌体结构、抗震措施、抗震性能研究

Abstact: As a traditional structure,masonry structure plays an important role.Its seismic capacity is much poorer than reinforced concrete or steel structure due to the material brittleness.the masonry structure seismic structural measures and the existing problems are analyzed in this paper。Keywords：masonry structure；earthquake-resisting；Seismic resistance research引言

砌体结构是一种传统的墙体材料，在我国的广大中西部县域城镇中仍占有85%以上的比例。近些年来，随着建筑业的蓬勃发展，新型墙体材料也不断涌现，如混凝土小型空心砌块就是其中的一种。另外，结合就地取材的原则生产的各种地方性砌体材料，如蒸压类和烧结类的非粘土多孔砖及实心砖。这都为砌体结构的应用扩大了领域和范围。[1]

现代砌体结构已与传统的砖砌体有许多区别。按照砌体中的配筋率大小可将其分为无筋砌体、约束砌体和配筋砌体三类，它们的界限定义为：仅有少量的拉结钢筋，含筋量在0.07%以下时，可称为无筋砌体；约束砌体适用于地震设防地区的砌体结构，如在墙段边缘设置边缘构件（钢筋混凝土构造柱），同时，墙段上下设置有圈梁，此类砌体的特点是砌体周边均有钢筋混凝土约束构件，砌体的配筋量为0.10%~0.2%左右；配筋砌体适用于10层以上的中高层建筑，如配筋混凝土空心小砌块，其实质是一种砌筑成型的剪力墙结构，其配筋率也接近于现浇钢筋混凝土剪力墙结构，即在0.25%左右。[2]

1966 年的邢台地震和1976 年的唐山地震等数十次破坏性大地震，以及2008年的汶川地震等，几乎无一例外地表明无筋砌体结构不能经受大地震的考验。尽管砌体结构的抗震性能是如此之差，然而，在城镇建设中，由于人口集中，土地有限，规范限制了一些传统材料的砌体结构高度，但又不可能把砌体结构限制过严，而是要适应发展的需要，在研究和总结震害的基础上，改进砌体结构的抗震性能，严格要求了小砌块的建造层数和高度，满足业主的需要。新修订的《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）就适应了这种要求，提供了建造较高层数的砌体结构的安全性和适用性。同时相对于现浇钢筋混凝土剪力墙结构而言，其较低的工程造价也是显而易见的。砌体结构材料的特点

砌体材料作为一种地方性材料，具有取材容易、加工简单、砌筑工艺易于掌握，因而被广泛采用。并且经过长时间的改进和发展，形成了具有各地特色的传统制作方式和砌筑方法，是一种生命力极强、应用最广泛的建筑材料。砌体材料在我国大体可分为粘土类制品、蒸压类制品、混凝土类制品和以各类工业废料制成的墙体材料等。

当前各地除沿用传统材料粘土制品以外，也相继制成以页岩、煤矸石和粉煤灰为主要原料的烧结砖；以白灰砂、粉煤灰为主要原料的蒸压砖；以及以细石砼（或轻质骨料）为材料的砼小型空心砌块等墙体材料。大部分地区有逐步替代粘土制品的趋势。

新型墙体材料中，用页岩或煤矸石或粉煤灰为原材料，或按一定比例混合使用的经烧结而成的实心砖、多孔砖，较好地利用工业废料为原料，制成墙体材料。它们具有类似于烧结粘土砖的性质，亦具有新的原材料的特点。

新型烧结砖一般抗压强度均较高，普通的煤矸石加页岩混合烧结砖的抗压强度均在MU15 以上，少量的可达MU20以上，多孔砖的孔洞率在25%-30%左右。此类实心砖由于表面比粘土砖更粗糙，抗剪强度亦普遍比粘土砖高；多孔砖由于有孔洞作为键槽，砂浆能起

到销键作用。增大了砌体的抗剪强度，对抗震十分有利。

新型烧结砖还由于经焙烧而成，因此，其砌体的线膨胀系数和收缩率都比较小，与烧

结粘土砖没有什么区别。

另一类是蒸压灰砂砖和蒸压粉煤灰砖。由于它们的原材料不同，特别是制作养护过程的差异，导致蒸压砖特有的性质。

蒸压灰砂砖以石灰和砂为原材料，蒸压粉煤灰砖以电厂工业废料粉煤灰为原材料。经

过机械压制成型，高压蒸汽养护而成砌体材料。由于它的制作过程和生产工艺，决定了这类

砖具有收缩率较大、表面比较光滑、抗压强度较高而抗剪强度较低的特点。

因此，反映在设计应用过程中出现一些问题。比如由于收缩率大，线膨胀系数亦大，这类砌体墙受材料收缩以及温度影响较大，墙体容易出现裂缝和变形。又比如由于砖表面比

较光滑，磨擦系数小，与砂浆的粘结性能就差。因此，其抗剪强度偏低，不利于抗震。砌体结构抗震设计的重要性

砌体是一种脆性材料,传统的砌体结构是采用粘土实心砖和混合砂浆砌筑,通过内外砖墙的咬砌达到具有一定整体连接的目的。目前的砖砌体房屋除上述方式外,大多采用了预制钢

筋混凝土楼板、装配式楼屋盖、且过梁等其它构件多数为预制装配。因此整个砌体结构,由

于其组成的基本材料和连接方式,决定了它的脆性性质,从而使其在遭遇强烈地震时破坏较重,抗震性能很差。我国在地理位置上处于世界两大地震带之间,是世界大陆内的一个最宽广的浅源强震活动地区,是多地震国家。基本烈度为7度和7度以上的地区的面积达312万平方

公里,约占全国国土面积的325%。基本烈度为6 度和6 度以上地区面积达576 万平方公

里, 约占全国国土面积的60%。我国是世界上遭受地震灾害最严重的国家之一。世界地震史

上死亡人数最多一次为1556 年我国陕西华县的8级地震, 死亡约83 万人。近代地震史上

死亡人数最多的一次地震也发生在我国, 即1976年唐山的7.8 级地震, 死亡24万多人, 重

伤16.4万人,倒塌房屋322万间, 直接经济损失达100亿元。

地震所以能造成如此重大损失,主要原因是建筑物缺乏必要的抗震设防。所谓抗震设防

是指对房屋进行抗震设计包括地震作用、抗震承载力计算和采取抗震构造措施来达到抗震的目的。建筑物抗震设防就要保障人民生命财产的安全,所采取的措施应与国民经济相适应,如

果要求建筑物在强烈地震后仍完好无损,势必增加造价,在技术上也有一定困难。相反,设防标

准过低,将会危及人们的生命财产。基于国际趋势, 结合我国的具体情况, 提出一个适当的设

防目标是很必要的。我国《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89)以下简称《规范》提出了“三

水准”的抗震设防目标: 小震不破坏, 可正常使用;设计烈度地震可修复使用;遭遇大震时

不倒塌。砌体结构现存问题

近年来,由于城市用地紧张、资金紧张等问题,设计的砖混房屋往往在总高度和层数上超

限;片面追求直接采光和通风,导致加大面宽、减少进深等作法,往往使房屋高宽比超限。这些

都造成了极为不利的体型, 致使房屋的抗震性能大为降低, 此类现象应引起广泛重视。

随着建筑业的发展, 临街有底层为钢筋混凝土框架的大空间商店,上部为小空间砖房或

砌块建筑的房屋大量建设。这种房屋存在着明显的弊病:(一)往往形成梁上砌墙的布置,使

抗震横墙在最不利的底层被切断。且底层框架一般为大空间的公共建筑, 由于使用功能上的需要, 在客观上给纵横抗震墙的布置带来了不少困难。(二)底层大部分用于商业目的,门窗

开洞要求都很大,因而有的采用了前排为钢筋混凝土柱后为砖混的结构, 此结构目前无明确

定义且前后两种材料刚度差异悬殊,对高烈度地区的抗震极为不利。(三)未作计算凭习惯错

误地认为,底层框架的侧向刚度一定比砖房好,纵向框架侧向刚度一定比横向好,而实际上并

非如此。(四)上面为几层砌体、开间小、横墙多、不仅重量大, 侧移刚度也大,而底层框架

侧移刚度比上层小得多。刚度的急剧变化使得在结构刚柔交接处,应力高度集中,在柱端产生

塑性铰,并使房屋的变形集中发生在相对薄弱的底层。这种比较薄弱的底层或中间层,可称之为“软层”。这种“软层”在抗震设计中应引起高度的注意。抗震措施

（1）设置构造柱

构造柱是一种约束砌体的边缘构件,它不单独承受垂直荷载，在墙体受水平地震作用的初期,构造柱的应力很小,刚度也不大,但当墙体开裂后,柱内应力逐步增大,直到裂缝贯通墙体, 构造柱才明显受力直到钢筋屈服。此时的墙体虽已破碎但由于构造柱的约束作用使得墙体不至于倒塌, 从而达到“裂而不倒”的目的。构造柱的设置较大幅度地增强了墙体的变形能力, 使房屋取得了较大的延性,从而减小了突然发生倒塌的可能性。当然,构造柱的截面尺寸与配筋率也不宜过大,否则,大量的构造柱将会吸收大多数地震作用力,使得构造柱先于墙体破坏, 这就起不到约束墙体的作用了,反而使结构抵抗地震作用的能力降低了。

（2）设置圈梁

构造柱作为一种竖向构件,一股沿墙高而截面尺寸不变,配筋也少有变化。因此,在各楼层柱高处设置圈梁作为锚固点,使得构造柱和圈梁产生拉结,形成对上下和左右墙体的约束作用, 从而限制墙体裂缝的发展,并减小裂缝与水平面的夹角,保证墙体的整体性和变形能力,提高墙体的抗剪能力。除此以外,圈梁作为一种重要的构造措施,它还加强了内外墙之间、楼板与墙体之间的连接, 提高了结构的整体性, 并减轻地震时地表裂缝对房屋的影响, 特别是檐口圈粱和地圈梁具有提高房屋竖向刚度的能力和抵御地基不均匀沉陷的能力。

（3）验算墙柱高厚比

砌体结构房屋中的墙体是受压构件, 除了满足承载力要求外,还必须保证它的稳定性。墙柱高厚比是指砌体墙、柱的计算高度和墙厚或边长的比值。《规范》中规定,墙柱高厚比不能大于允许高厚比。只有满足这个要求,才可以保证砌体结构存施工阶段和使用阶段的稳定性。结合以往的工程经验,综合考虑包括砂浆强度等级、砌体类型、横墙间距、支承条件等多种因素后拟定的。

（4）设置伸缩缝

由于钢筋混凝上和砌体材料的线膨胀系数不同, 屋盖和墙体的刚度不同, 当温度变化时, 钢筋混凝土屋盖和砌体材料的墙体将产生不同的变形。因墙与屋盖变形相互制约, 而产生温度应力, 当墙体中的主拉应力或剪应力超过彻体的抗拉或抗剪强度时, 就会使墙体内产生斜裂缝和水平裂缝,顶层墙体一般最为严重,它包括纵墙的八字缝、横墙L 端的八字缝、屋盖与墙体之间的水平缝、纵横墙的包角裂缝、屋盖或楼盖中的裂缝以及墙体自上而下的贯通裂缝。为了防止房屋在正常使用条件下,由温差和墙体干缩引起的墙体竖向裂缝,可存墙体中产生裂缝可能性最大的地方设置伸缩缝,如房屋平面转折处和体型变化处,房屋中间部位及错层处等。实践证明,伸缩缝的设置达到了防止裂缝出现或减小裂缝宽度的目的,成为砌体结构抗震设计中一项重要的构造措施。此外,通过在屋盖上设置保温层、隔热层, 或设置屋面与墙体间相互滑动的滑动层等措施,也可以有效地防止温度变化或干缩变形引起的裂缝。

（5）加强构件间的连接

砌体结构房屋各构件间的抗震构造连接是其抗震的关键。抗震构造连接的部位较多, 重要部位的连接措施有下列几项：造柱与楼、屋盖连接；屋顶间的连接；墙与墙的连接；后砌体的连接；栏板的连接；构造柱底端连接； 悬臂构件的连接。结束语

砌体结构既是一种量大面广的结构形式,又是一种抗震性能较差的结构形式。我们不可能彻底淘汰它,摒弃它,只有面对现实,孜孜不倦,深入研究它,提高它的抗震性能,不断赋予砌体结构新的内容、新的理念,使砌体结构具有更好的抗震性能和安全性,这就是

我们研究的目的。

参考文献：

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国建筑工业出版社, 2002.5

[2]砌体结构设计规范，GB50003-2002

[3]建筑抗震设计规范,GB50011-2010

[4]杨淑红.论砌体结构抗震设计[J].呼伦贝尔学院学报.2001年3月第9卷第1期

第五篇：自清洁玻璃的性能研究

自清洁玻璃的性能研究

摘要：自清洁玻璃能够利用阳光、空气、雨水，自动保持玻璃表面的清洁，并且玻璃表面所镀的TiO2膜或其他半导体膜还能分解空气中的有机物，以净化空气，且催化空气中的氧气使之变为负氧离子，从而使空气变得清新，同时能杀灭玻璃表面的细菌和空气中的细菌。随着国内环保意识的增强以及人们更加注重生存质量,及可持续发展的要求，自洁净玻璃的市场前景是非常广阔的。

关键字：自清洁；超亲水；超疏水；光催化性；低碳

引言：我们都喜欢光洁的物品，而无机非金属材料既具有其特有的光泽还有他们的特殊的透明性以及高强度持久稳定性成为了是我们家居建材等的一个很好的选择…….但是我们经常遇到的问题就是我们的玻璃或者陶瓷上面经常性的会有灰尘等赃物。如此的话，光洁物品有所玷污，而影响我们的观赏性，而我们在此研究的自清洁玻璃，就是为了解决玻璃制品容易脏的问题的…….自清洁玻璃我自清洁性我们可以从设计工艺上和材料的性能上进行研究。就像美国的隐形飞机的隐形性一样，他们先从造型上减少雷达的反射面积，再在表面涂上吸收涂层等。因此我们也可以将此类的成功案例引入到我们的自清洁玻璃……..其一我们可以通过设计产品的造型，其实具有良好的美观效应和较少的表面污物残留（这个我们可以参照超亲水和超疏水结构进行设计）；其二我们可以在上面贴一些特殊薄膜，来制成自清洁玻璃。一般我们可以分为自清洁玻璃按亲水性分类可分为超亲水性自清洁玻璃和超疏水性自清洁玻璃。

（1）超亲水性自清洁玻璃：具有超亲水性的自清洁玻璃从材质方面看来一般都是无机材料组成的膜,如: TiO2、SnO2 等。

（2）超疏水性自清洁玻璃：通常,有机自清洁玻璃都是超疏水的,利用超疏水技术使得玻璃表面产生超疏水和超疏油的特殊表面,使处在玻璃表面的水无法吸附在玻璃表面而变为球状水珠滚走,亲水性污渍和亲油性污渍无法粘附于玻璃表面,从而保证了玻璃的自清洁。

1、研究现状

自清洁玻璃的使用面极广,具有广阔的发展和应用前景,可广泛应用在与人们生活环境相关的玻璃和玻璃制品上。其在紫外光照射下能够降解有机物,具有

杀菌的效果,可以用于医院手术仪器、厨房玻璃等；其超亲水性使空气中的水蒸气不会凝结在玻璃表面,可以用于汽车挡风玻璃及后视镜,浴室镜子,眼睛镜片,仪器仪表玻璃等；其自清洁性能使其广泛用于玻璃幕墙、门窗玻璃、天窗玻璃、家电玻璃、灯具灯罩玻璃等。

目前自清洁玻璃的产业化受到了一些技术上的制约:其在可见光下的光催化效率太低、TiO2 膜的大面积制备技术也不够成熟,此外,自清洁玻璃自清洁性能的持久性还有待提高。

纳米二氧化钛由于具有良好的光催化性能，在抗菌除臭、污水处理、空气净化等方面有广阔的应用前景。TiO2 是N 型半导体金属氧化物，在同类（如ZnO、CdS、WO3 等）物质中具有氧化活性好、稳定性强、无毒等优点，是一种绿色环境友好型材料。制备出具有较高催化活性和能够被可见光激发的纳米二氧化钛光催化剂，一直是光催化研究的前沿和重要方向。

2、自清洁玻璃的制备加工方法 2.1 溶胶—凝胶法

该法利用易水解的钛盐在某种溶剂中与水发生反应,经水解缩聚形成钛溶胶,将溶胶涂覆在洁净的玻璃表面,镀膜后的基片经干燥、热处理后形成纳米TiO2 薄膜。

2.2 磁控溅射法

磁控溅射法镀膜是比较成熟的工艺,生产自洁净玻璃是以钛为溅射靶材,在惰性气体和氧气混合的气氛下,保持一定的混合气压力,在玻璃上溅射成均一透明致密的TiO2 薄膜。2.3 化学气相沉积法

该法是用有机钛化合物或四氯化钛作为原料,先将它们蒸发变成气态,然后随载气输送到镀膜器中,最后蒸汽在玻璃表面发生分解、水解或热解反应,形成TiO2薄膜。

3、自清洁材料性能改进型研究 3.1 提高它的光催化性 3.1.1 掺杂贵金属离子

TiO2的晶体结构和能带结构受金属掺杂影响最为显著和直接，这两方面的

改变会直接影响TiO2 的吸光性能和光催化活性。Chao发现掺杂适量的Ag+，会促进TiO2 晶相由锐钛矿相向金红石相转变，但阻止了锐钛矿相TiO2 晶粒的长大，并且会增加TiO2 的比表面积，这为提高TiO2 光催化活性提供了良好的前提条件。Lopez发现在Pt/TiO2 凝胶过程中，铂离子会进入TO2 的分子晶格中，这影响了半导体颗粒表面的能带结构，降低了带隙能，也影响了比表面积，以及不同晶相之间（A :R）的比例关系，从而提高了TiO2 的光催化活性。在金属离子的掺杂中，如Fe3+,Cr3+,Ag+ 等，A g+ 对光催化活性的提高最为显著。在可见光或微光条件下，掺杂贵金属离子的二氧化钛也有较满意的杀菌效果。3.1.2 纳米二氧化钛掺杂阴离子

相对于以金属离子为主的阳离子掺杂，阴离子（如N 3-，C4-，P3-等）掺杂TiO2 光催化剂对提高光催化活性的研究较少。Asahi在2001年首次报道了掺杂阴离子N3-的TiO2在提高可见光响应性能方面的研究，引起了人们的广泛关注。据报导，掺N 3-的TiO2样品在紫外光下活性与纯TiO2相近，而在可见光下前者仍有显著的光催化活性。尽管一些研究已表明，阴离子掺杂提高了TiO2在可见光响应性能方面的若干优势，但所得到的可见光催化活性还很低。并且由于比较新颖，所以暂时未见其在抗菌方面的报道 3.1.3 纳米二氧化钛与其他半导体的复合

加入SiO2后使得TiO2 具有较大的比表面积，所以SiO2/TiO2半导体具有较强的光催化活性。在SiO2/TiO2，Al2O3/TiO2,Cds/TiO2 等纳米复合材料中，SiO2/ TiO2 光催化活性明显好于纯TiO2。

在可见光或微光条件下，复合半导体也会使TiO2 光催化剂具有较高的抗菌性能。徐瑛发现在没有紫外光照的条件下，TiO2/V2O5 复合微粉对大肠杆菌也具有较强的抗菌性能。鞠剑峰制备的V2O5/ TiO2-SiO2 复合材料，不需紫外光照射也具有较强的抗菌性能，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率均在99% 以上。3.1.4 纳米二氧化钛与窄禁带半导体的复合窄禁带半导体如CdS(2.5eV),Fe2O3(2.2eV),Cu2O(2.0eV)等氧化物（硫化物），能够被可见光激发而进行光催化分解，但它在可见-紫外光照射下，往往表现不稳定，即产生光蚀现象。所以研究者为了充分发挥窄禁带半导体的可见光响应性能，就将它与宽禁带半导体TiO2复合，这为提高二氧化钛在可见光下的杀菌效果提供了一种新 的方法。CdS/ TiO2 复合半导体可以有效地扩大其对太阳光中可见光部分的吸收,有效光量子产率达到了5% ~10%（而TiO2的有效光量子产率较低，约为4%）。3.2 能吸收可见光的激发的自清洁玻璃

研究采用了多种手段对纳米TiO2进行改性, 其中过渡金属离子掺杂是一种有效的改性方法, 如在TiO2体系中掺杂Fe、Cr、Co、V等离子，已被证实可以提高其可见光响应光催化活性。

研究分别以MnSO4．H2O和MnC2O4．4H2O为锰源，采用水热法制备Mn掺杂的TiO2光催化剂。通过X-射线衍射光谱（XRD）和紫外-可见光吸收光谱（UV-vis）对其进行表征。制备的Mn-TiO2-S和Mn-TiO2-C系列样品在400-650nm处的可见光区域有一个较强的吸收，这归因于少量的Mn离子进入TiO2晶格，或者存在于TiO2间隙中，而锰元素的存在使TiO2的价带和导带之间产生中间能级，光生电子和空穴可以通过这些中间能级发生跃迁，因此所需的激发能量降低至可见光范围，从而使锰掺杂的TiO2具有可见光吸收性能。这种光吸收性能的改变也使其具有了可见光下的光催化活性。随着Mn量的增加，样品在可见光区域的吸收增加，并且在图中未发现Mn氧化物的吸收峰，说明Mn在样品中的分散性很好。分别以nSO4·H2O和MnC2O4·4H2O为锰源，采用水热法成功合成了具有可见光响应的Mn-TiO2光催化剂。制备的Mn-TiO2样品均表现为锐钛矿晶型，Mn的掺杂抑制了TiO2晶粒生长，且以MnSO4·H2O为锰源制备的Mn-TiO2粒径略小于以MnC2O4·4H2O为锰源制备的样品。在可见光照射下，所有Mn-TiO2催化剂对罗丹明B具有明显的可见光降解效果，并且低Mn掺杂量的Mn-TiO2-S催化剂具有较高的光催化活性，这归因于其较小的粒径及更好的晶型结构。

4、自清洁玻璃的应用前景讨论

采用自洁净玻璃制成的建筑玻璃幕墙,可以长久地保持清洁明亮,并大大减少了幕墙清洗保洁费用及清洁剂对环境的污染。用自洁玻璃制成道路照明玻璃和汽车玻璃,可防止汽车废气污染,也可显著提高照明效果；自洁玻璃不仅适用于各种公共建筑,也适合寻常家居装饰,在家居中,使用自洁玻璃,可有效地消除室内的臭味、烟味和人体异味;在水汽很重的浴室,普通镜子几乎会看不出人影,而采用镀TiO2薄膜的镜子,仍然会很清晰。自洁玻璃具有能将近红外光抵挡的功能,从而具有更好的保暖节能性能,可作为新型材料加以推广。在如今国家实行建筑

节能政策的形势下,自洁净玻璃作为节能材料有着巨大的应用发展空间(建筑物的大部分热量是经由玻璃传递的)。

尽管目前国内自洁净玻璃的消费能力偏低,但近年来,基本建设投资规模迅速增大,建筑业得到蓬勃发展,国内各大城市的公共建筑物、高层写字楼、购物中心及星级宾馆等建筑物玻璃用量正迅猛上升;再加上国内环保意识的增强以及人们更加注重生存质量,及可持续发展的要求，自洁净玻璃的市场前景是非常广阔的。

参考文献: [1] 陈津,魏丽乔,许并社,等.纳米非金属功能材料[M].北京: 化学工业出版社,2007.[2] 侯梅芳,李芳柏,等.钕掺杂提高TiO2 光催化活性的机制[J].中国稀土学报,2004 [3] 高濂,郑 珊,张青红.纳米氧化钛光催化材料及应用[M].北京: 化学工业出版社,2002.[4]百度百科