一维相控阵研究小结

第一篇：一维相控阵研究小结

一维相控阵研究小结

by 中测微格研发部 @20150828

一维相控阵与单脉冲阵要求：

1、工作频率：34.6——35.4GHz

33.4~36 ka波段

2、极化方式：右旋圆极化

3、天线尺寸：300X100mm（厚度暂定为40mm）

4、方位波束宽度：2度

5、俯仰：共8条，要求正负30度角扫描（即100mm的方向，8行，每一行一个输出口，8行作相控一维扫描）

6、方位副瓣电平：不大于-24dB

7、俯仰副瓣电平：不大于-15dB

8、天线增益：要求29dB

9、轴比：不大于3dB

10、驻波比：不大于2

11、单脉冲阵：35.5——36GHz, 俯仰100mm的尺寸，在原有8条一维相扫阵的前提下，要求额外增加2排组成天线阵，实现一维的方位和差

预研问题：

设计思路：相控阵由8行组成，总体增益指标为29dB, 故需先研究1行的结构形式，使其增益＞20dB, 并使其余指标满足上述需求。

调研天线形式：综述ka波段相控阵相关资料，波导缝隙天线具有高增益、高功率、低副瓣特点，故本方案选取基于波导缝隙理论的天线形式实现设计。圆极化产生机理：圆极化由相互垂直的两个方向电场相差90°相位实现。故要么开缝隙交叉激励成两个相垂直方向的空间场，要么由缝隙线极化场经极化转换器形成圆极化。

天线的结构形状及尺寸：本方案选择波导材料为8mm标准波导BJ320/WR28型，内截面波导尺寸a=7.112mm,b=3.556,壁厚t=1mm。结构如图1所示。同时，取中心频率f=35GHz计算,可计算工作波长lmd=8.57mm,波导波长lmdg=10.74mm。结合指标设计要求方位波束宽度2°，可计算出线阵长度L=51/HP*lmd≈219mm。为保证各单元的激励同相，取缝隙间距d=lmdg/2，(其中d=0.6265lmd)可知阵元个数为N=L/d≈40。缝隙长度初始值取lmd/2,宽度参考文献取w=0.4mm。

馈电方式：波端口激励、对称馈电，为实现较高带宽，拟设计功分器，利用功分器对阵元分节馈电。

图1 波导结构

设计过程：

1、线阵：

前期尝试经验表明，仅是依靠在单根波导上开交叉缝隙实现圆极化的方案增益很难达到要求，因此本文采用缝隙线极化+波导极化转换器形成圆极化的思路，同时，波导极化器的尺寸（a_p×b_p×h_p）受截止频率和设计要求间距尺寸双向制约。即要求d＞a_p＞b_p＞lmd/2。

本文采用的模型结构如图2：

（a）俯视图

（b）侧视图

图2 缝隙激励接极化器模型结构图

因极化波导尺寸制约，选择宽边开纵缝形式；极化波导与缝隙成45°夹角。方位副瓣抑制：利用切比雪夫阵列综合或泰勒综合方法，计算出满足副瓣要求的阵元理论电流分布。由宽边纵缝的导纳公式，计算各单元纵缝的偏移量pxi。

轴比：由极化波导尺寸决定。极化波导宽窄边a_p，b_p确定后，可通过调节高度h_p和旋转角度来修正轴比。

APDS优化：前期设计都是各个部件分开设计与尝试性优化，阵列综合采用理论公式推算而未考虑互耦、极化波导等各种次要因素的影响。接下类采用我公司的APDS并行云计算优化系统，以前期的设计结构为初始值，进一步在完整环境下优化模型各结构尺寸，使获得最佳性能。阶段建模成果如下：

图3 天线增益f=35G NameXY16.00m20.00001.338514.00XY Plot 41DPHA_sll_828Curve InfodB(AxialRatioValue)Setup1 : LastAdaptiveFreq='35GHz' Phi='0deg'12.00dB(AxialRatioValue)10.008.006.004.002.00m20.00-200.00-150.00-100.00-50.00 0.00Theta [deg]50.00100.00150.00200.00 图4 天线轴比f=35G

图5 天线3D方向图 f=35G 线阵小结：

副瓣电平目前为-19dB，需通过APDS进一步优化结构尺寸以使获得更佳效果。驻波需考虑匹配。

带宽的拓宽考虑结合功分器对线阵分节馈电。

2、和差器

单脉冲阵的和差器采用双层魔T结构如图6。和网络在上层，通过内置销钉改善驻波；差网络在下层，通过缝隙耦合使输出端口1和输出端口2等幅反相，调节缝隙位置、结构尺寸并利用金属阶梯改善驻波。

和差器分别产生在两输出端口的相位见图7。

（a）俯视图

（b）侧视图 图6 双层魔T结构

图7 端口相位 0.00XY Plot 41DPHA_hc_829Curve InfodB(S(h,h))Setup1 : Sweep-5.00dB(S(c,c))Setup1 : Sweep-10.00Y1-15.00-20.00-25.0034.5034.7535.0035.25Freq [GHz]35.5035.7536.00 图8 和差端口反射系数

-68.75XY Plot 61DPHA_hc_829Curve Info-70.00dB(S(c,h))Setup1 : Sweep-71.25dB(S(c,h))-72.50-73.75-75.00-76.25-77.5034.5034.7535.0035.25Freq [GHz]35.5035.7536.00 图9 和差端口隔离度

和差器小结：

本方案模型能实现信号和差功能，具有良好的隔离度，和端口反射系数较好，差端口反射系数需进一步优化匹配。

3、功分器

功分器设计采用波导缝隙耦合结合金属阶梯匹配的形式，拟将线阵天线分为4节，分节馈电。功分器结构如图10所示，S参数性能见图11。4个输出端口较输入衰减6dB,较好的实现一分四等分功能。

（a）侧视图

（b）正视图 图10 功分器结构

图11 功分器S参数

下阶段展望：

1、优化和差网络使差端口实现宽带匹配。

2、进一步通过APDS软件优化，降低方位副瓣电平，并综合优化天线整体性能。

3、将功分器和线阵结合，在线阵辐射波导内引入匹配网络，拓展带宽。

4、大规模组阵，全变量优化相控阵性能。

5、优化单脉冲天线结构及性能。

参考资料：

[1]《圆极化波导缝隙天线研究_刘巍》

[2]《波导缝隙天线极化特性分析与关键技术研究_李晓川》 [3]《Ka波段波导缝隙天线设计与分析_张念启》 [4]《Ka波段圆极化单脉冲天线_刘伟》 [5]《相控阵天线手册》 [6]《天线手册》, 等

附-前期尝试：

首先，研究了波导激励下的内部表面电流分布，如图12：

图12 波导内表面分布图

之后研究了开单个缝隙单元的增益，约为5dB,基本与文献[3]所述吻合。然文献[3]研究对象为线极化天线。于是结合文献[1]、[2]、[4]本文研究了右旋圆极化的实现形式：

·十字缝隙（模型增益较低，圆极化轴比需研究改善方法）

试验模型波导长取10个波导波长，为107.4mm，开槽及内表面电流分布如图13所示。然而此种模型增益较低，如图14。

图13 十字缝隙模型A及内表面电流分布

图14 模型A的增益

·分离“人”字缝隙（可实现圆极化，增益不高）

图15 分离“人”字缝隙模型B及内表面电流分布

图16 模型B的增益 ·缝隙+喇叭极化（增益提高显著，但受限于结构尺寸选取d=lmdg，出现栅瓣）

图17缝隙+喇叭极化模型C

图18模型C的增益

前期尝试方案小结：

（1）若只是考虑在波导上开缝无法实现最终增益要求。

（2）采用开缝+喇叭极化的方式，在增益上，可以满足指标要求。但栅瓣的抑制是本问题的难点。

（3）馈电方式也需具体研究。

第二篇：超声相控阵技术细谈

航空无损检测新技术之

超声相控阵技术的发展及应用

学院：测试与光电工程学院 班级：080812班 姓名：郭林

超声相控阵技术的发展及应用

郭林

(南昌航空大学 测试与光电工程学院0808012班)

摘要: 扼要介绍超声相控阵技术的发展历史、原理及特点。着重介绍其最新研究动态及其在无损检测与评价中的典型应用。指出将相控阵技术同其它诸如纵波一发一收(TRL)、声时衍射(TOFD)技术、数字信号处理(DSP)及成像等技术结合起来,将有助于充分发挥其特点,提高其检测能力,促进无损检测与评价的发展及应用。

关键词: 超声检验;相控阵技术;换能器;

Abstract : The development history , theory and characterization of ultrasonic phased array technique , especially the state2of2the2arts and applications of the technique in nuclear industry nondestructive testing and evaluation(NDT & E)are described.Combining phased array technique with TRL(the transmitter2receiver technique for longitudinal waves), TOFD(time of flightdiffraction), DSP(digital signal processing)and imaging technique will improve detectabilityand promote NDT&E developmentand application.Keywords :Ultrasonic testing;Phased array technique;Transducer;

前 沿： 超声检测是根据超声波在材料中传播特性，检测材料中的缺陷。向工件中发射超声波；超声波在工件中传播，遇到缺陷，传播特性改变，检测变化后的超声波，并进行处理和分析；根据接收波的特征，评估工件内存在缺陷的特性。在超声无损检测新技术中，大概有相控阵检测技术、电磁超声检测技术、激光超声检测技术、声振检测技术等。其中超声相控阵技术已有近20 多年的发展历史。初期主要应用于医疗领域,医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官成像利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌,使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收。最初,系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。然而随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域。如核电站主泵隔热板的检测;核废料罐电子束环焊缝的全自动检测及薄铝板摩擦焊焊缝热疲劳裂纹的检测。

近几年,超声相控阵技术发展尤为迅速,在第 15 届世界无损检测会议中,关于超声相控阵技术的文献有 17 篇之多。在相控阵系统设计、系统仿真、生产与测试和应用等方面已取得一系列进展,如采用新的复合材料压电换能器改善电声性能;奥氏体焊缝、混凝土和复合材料等的超声相控阵检测;R/ D TECH ,SIEMENS 及 IMA2SONIC 等公司已生产超声相控阵检测系统及相控阵换能器。而动态聚焦相控阵系统[10 ],二维阵列、自适应聚焦相控阵系统,表面波及板波相控阵换能器和基于相控阵的数字成像系统等的研制、开发、应用及完善已成为研究重点。其中,自适应聚焦相控阵技术尤为突出,它利用接收到的缺陷回波信息调整下一次激发规则,实现声束的优化控制,提高缺陷(如厚大钛锭中的小缺陷或埋藏较深的大缺陷)的检出率。目前,国内在超声相控阵技术上的研究应用尚处于起步阶段,主要集中于医疗领域。

1原理及特点

超声相控阵就是采用一个探头多个晶片的有机排列，利用计算机技术不同时间对每个晶片发出激励信号 和接收声波，使合成的超声波形受计算机的控制，产生不同的方向，聚焦点等等。从而完成检测。我们知道普通的超声聚焦探头可以将超声波聚焦在某一点处，从而可以在该点处获得最好的分辨率和灵敏度，但对不处于该位置的缺陷就没有这么好的分辨率和灵敏度了。而相控阵探头的聚集位置是可以由计算机控制的，是动态可变化的，所以可在声程范围内设定聚集的范围，计算机可自动控制探头各个晶片发射和接收超声波，从而在该范围内进行动态聚集，所以聚集是一条线。如下图。

这样扩展了聚集范围，其优点可以从下面的例子看出，这是一块试块，有三个人工孔，最近的离表面距 离为 25mm,试块高 75mm。如采用聚集在 25 mm 处时，如图可见孔的图像清楚，但底面回波图像模糊。如采用聚集在 75 mm 处时，如图可见孔的图像模糊，但底面回波图像清楚。如采用动态聚集，聚集在 25 mm —75 mm 处时，如图可见孔的图像和底面回波图像都很清楚。这意味着发射超声可以由电子控制扫查聚集，同时接收超声也由电子控制扫查聚集，从而完成整个设定深度范围内的聚集。这就是动态聚集的优点。前面提到超声相控阵可以由计算机控制不同晶片发射和接受超声波的时间点，从而可以合成不同的发射波的角度，我们可以在仪器中设定超声波扫查的角度范围，计算机就驱动扫查晶片的合适方式，使超声波在某一角度范围内进行扫查检测，如下图图示。

在每个重复脉冲周期里，在晶片电子扫查过程中同时被激发和接收的组，按预定程序

移动。无需光珊移动，就能全面覆盖被检区域。如图所示

如此时探头沿着与晶片排列垂直的方向移动，并由一编码器配合记录行程，这就可以完成超声相控阵 C扫描检测，与传统的 C 扫描相比，效率高得多，在波音 787 飞机中，由于没有铆钉连接蒙皮，在检测中难以判断是缺陷还是复合材料机身内的结构的影响。可以在机身外采用该方法以查明内部结构，快速高效。在目前的飞机上应用该方法，可以查找蒙皮搭接处的内部腐蚀，如下图所示：

超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列,每个晶片称为一个单元,按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元,使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。同样,在反射波的接收过程中,按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示。由其原理可知,相控阵换能器最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布。其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调;而且探头内可快速平移声束。因此,与传统超声检测技术相比,相控阵技术的优势是：

①单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测速度。

②不移动探头或尽量少移动探头可扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域,成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段。

③通常不需要复杂的扫查装置,不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角度多方向扫查,因此在核工业设备检测中可减少受辐照时间。④优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向,在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。

超声相控阵还不是十分完美，还有需要进一步改进的方面 ： 1． 探头体积还太大，特别在航空器上好多地方难以运用 2． 探头导线非常精密。容易损坏 3． 仪器参数设置非常复杂 4． 相应的标准规范还没有跟上

相控阵技术在实现上要面临诸多挑战,如要求压电晶片电声性能好;相邻单元间隔声性能好;避免产生旁瓣,声束角度较大时更应注意该问题;时间延迟的精确控制以及声束方向、形状及声压分布的仿真等。超声相控阵换能器按其晶片形式主要分三类,即线阵、面阵和环形阵列。线阵最为成熟,已有含256 个单元的线阵(N ×1), 可满足多数情况下的应用要求;面阵又叫二维阵列(N ×M),可对声束实现三维控制,对超声成像及提高图像质量大有益处,目前已有含 128 ×128 阵列的超声成像系统应用于金属和复合材料的检测与性能评价[14 ] ,该系统具有实时 C 扫描成像功能,以标准视频图像在液晶显示器上显示,然而同线阵相比,面阵的复杂性剧增,其经济适用性影响该类探头在工业检测领域的应用;环形阵列在中心轴线上的聚焦能力优异、旁瓣低、电子系统简单、应用广泛,但不能进行声束偏转控制。

典型应用

在核动力装置及设备中,厚壁工件、粗晶材料和复杂形状工件多,设备和管道中某些焊缝可达性及可检性差而申请免检多。此时,应用相控阵技术可提高检测效率,减少辐照时间,扩大超声检测应用范围,取得显著的经济效益和社会效益。用相控阵技术对盛装核废料的罐体封头和筒体间电子束焊环焊缝进行100 %全自动超声检测,可避免采用复杂机械装置,利用其动态聚焦能力并结合分离谱技术可减少粗晶的影响,提高信噪比。采用含 64 个单元的相控阵换能器进行水浸法 B 扫描检测,在模拟试块中可检出焊缝区内直径为13mm 的人工边孔。

900MW 压水堆主泵隔热板热疲劳裂纹的检测存在的困难是,凸缘和轴承之间空间狭小(图2),探头移动空间极为有限,可达性差;双曲面形状的凸缘使声束强烈发散。然而,使用具有 16 个单元的线性阵列探头进行检测,可不拆卸轴承和密封圈等结构;具有双曲面形状的楔块可实现探头和凸缘间的耦合;根据楔块形状调整延迟,校正畸变声场。该系统可扫查圆周外表面以下 200mm 的范围,可检出径向平面内 5mm 以上的疲劳裂纹粗晶奥氏体钢在核工业中应用广泛,但其可靠检测一直是个难题。最新研究表明,相控阵技术同TRL 及 DSP 技术结合起来已成为行之有效的检测手段,其最大特点是检测信噪比高,且只需一个相控阵换能器就可检测不同深度缺陷。汽轮机转子叶根、轮槽和键槽等的超声检测由于其结构限制而难以用普通单一探头进行。以叶根检测为例,若使用相控阵换能器,可在不拆卸叶片的条件下从三个方向检测,既能提高检测效率,又能避免拆卸损坏。在其它工业领域,相控阵技术亦有着广泛的应用,如压力容器、高能管道焊缝和输油管道焊缝的检测。R/ D TECH 公司研制的管道全自动超声相控阵系统可检测壁厚 650mm ,直径 100 1 400mm的管道,扫查速度为100mm/ s ,4min 可检测一条完整的陆地输油管焊缝(包括仪器安装和拆除),结合声时衍射技术(TOFD)提高缺陷检出能力和定量精度。

3结论

超声相控阵技术的特点及在众多富有挑战性检测中的成功应用,使之成为超声检测的重要方法之一。由于它可以灵活而有效地控制声束使之具有广阔的应用与发展前景,将其同信号分析与处理、数字成像和声时衍射等技术结合起来是其主要发展方向。显然,超声相控阵技术的应用将有助于改善检测的可达性和适用性,提高检测的精确性、重现性及检测结果的可靠性,增强检测的实时性和直观性,促进无损检测与评价的应用及发展。

参考文献:

[1]

Von Ramm OT, Smith SW.Beam steering with linear arrays[J ].IEEE Transactions on

Biomedical Engineering ,1983 ,30(8):438-452.[2]

Weyman AE.Principles and Practice of Echocardiography[M].Piladelphia : Lea and

Febiger ,1994.[3]

美国无损检测学会编《, 美国无损检测手册》译审委员会译.美国无损检测手册·超声卷(上册)

第三篇：研究小结

《小学生用电安全教育与用电能力的培养的实验与研究》课题研究进展情况小结

小学生用电安全关系到师生的生命和财产安全，涉及到千家万户，直接关系到校园的和谐、社会的稳定。因此，学校用电安全与教育一直备受各级领导、教育主管部门与社会各界的广泛关注。加强小学生的用电安全教育，让学生学会必备的用电安全基本知识和技能，是学校实施素质教育不可推卸的任务和职责。为此，我课题组从本校的实际情况出发，进行了《小学生用电安全教育与用电能力培养的实验研究》的研究。力求让学生掌握日常生活中用电知识和使用能力，促进其健康、快乐的成长！现将课题研究具体进展情况小结如下：

一、课题研究目标

1、理论目标：

探索学校用电安全教育的有效途径和方法，及时总结经验，构建小学用电安全教育模式，使小学用电安全系统化、科学化，使之更具有实用性和指导性。

2、实践目标：

①认知目标：让学生了解有关用电安全方面的知识。了解常见意外事件的种类、原因以及预防和处理的方法。

②技能目标：让学生初步学会安全用电技能和意外事件预防之道，学习意外事件处理方法。③情感目标：具有用电安全意识，具备防范用电意外事件的常识和处理能力，并应用于日常生活中，以减少或避免意外事件的发生。

研究内容

1、创设有用电安全特色的校园文化，通过学校、家庭、社区三方合作，形成良好的用电安全教育氛围，使学生的用电安全意识逐步增强。

2、学校根据学生实际情况。采用多种形式，向学生传授 正确使用电器等相关 的用电安全知识。

3、培养安全家用电器的技能，开展行之有效的实践活动研究目标

三、本课题的研究进程

1、准备阶段（2016年3月----2016年4月）本阶段主要研究的项目和内容为：

①、制订课题方案，组建课题组，进行课题论证，课题组成员进行培训。

②、对我校小学生用电安全常识与使用能力现状调查；进行课题立项申报。

2、实验研究阶段（2016年5月----2017年2月）本阶段主要研究的项目和内容为：

在教学活动和实践中进行研究，探索最有效的适用于提高小学生用电安全意识与自我保护能力的方法和途径，增强小学生的用电安全意识与使用能力。在总结前一阶段实施效果的基础上，进一步调整课题实施过程和方案。反思这一阶段实施效果，写出阶段小结。对实验的成果进行推广。

3、总结阶段（2017年3月）本阶段主要研究的项目和内容为： ①完成实验材料的分类整理。

②回顾整个课题实施阶段，写出结题报告。

四、目前研究进程

1、加强学习，转变观念

为了更好的开展《小学生用电安全教育与用电能力的培养的实验与研究》课题的研究，我校自申报课题开始，就积极加快学校硬件的建设，学校已拥有现代化的多媒体教室、计算机网络教室等。为了使课题能够顺利开展，学校组织教师学习有关理论，转变观念，提高理论水平，积极组织教师走出去请进来，进行学习培训.为下阶段的课题研究、课堂实践提供蓝本，作好充分的理论准备

2、做好开题论证、明确研究内容

课题进入研究实施阶段开始，首先组织召开课题组教师研讨会，共同讨论课题研究方案，对课题方案进行修改。定稿后，又进行了认真的学习和研讨，在学习和研讨的过程中，课题组的教师对《小学生用电安全教育与用电能力的培养的实验与研究》课题研究有了初步的认识，明确了研究的内容。

2016年4月，邀请三门峡市电教馆专家及湖滨区电教站的教师到我校为的课题研究做了安全用电知识讲座对我校的课题研究做了专业性的指导，5月请省消防总队专家做了专题报告。

3、确定本课题研究从以下几个方面进行：

一是加强理论的学习，提升教师的理论水平，确保课题实验的成功实施。

二是按时召开课题研讨会，制定研究计划，小结研究情况。

三是在学校网站上开辟“课题实验”专栏、开通教师博客。

四是结合学校“一人两节课”校本教研活动开展实验研究，上好课题研讨课。

五是及时收集研究信息、资料，不断完善操作过程。六是鼓励教师参加教学经验的撰写、课堂赛教等活动，不断总结出研究经验。

五、下一阶段工作：

2016年5月---6月，根据反馈信息进行修改，制订课题实验方案

2016年7月---11月迎接上级中期检查 2016年12月——2017年2月，随时收集信息，收集实验有关数据和课例材料，撰写相关的研究论文，撰写研究报告制作课堂教学实录的光盘等。

2016年3月完成课题研究，进行结题验收。

包括计划总结、课题研讨、学习培训、教师主页、研究成果五大板块。这五大板块有专门的网络管理人员进行资料的收集和上传。

六、目前存在的主要问题：

虽然课题研究已经进行了一段时间，但仍有部分老师认识上还不到位，认为水平有限，研究不出什么结果，以致行动上不到位，研究效果不明显。同时，因为进行课题研究，上实验课需要制作课件，下载资料等，部分教师觉得过于麻烦，造成使用负担等。

针对这些问题，在今后的课题实验中，要组织教师多学习、多研讨、多交流，提高认识。定期举办课题研讨会，积极开展多种形式的交流与研讨，通过沟通、集思广益、相互促进来共同提高。要充分发挥现代信息技术的作用，开展网上交流研讨。通过学校网站的建设，使之成为课题研究的有效阵地。我们将更深入的进行课题研究，追求课题研究的实效，力争在课题研究的过程中不断提升教师教育教学的水平。

第四篇：一维纳米材料的制备概述

学年论文 ` 题目：一维纳米材料的制备方法概述 学院：化学学院

专业年级：材料化学2011级

学生姓名：龚佩斯学号：20110513457 指导教师：周晴职称：助教 2015年3月 26日 成绩

一维纳米材料制备方法概述

--气相法、液相法、模板法制备一维纳米材料 材料化学专业

2011级龚佩斯 指导教师周晴 摘要：一维纳米材料碳纳米棒、碳纳米线等因其独特的用途成为国内外材料科学家的研究热点。然而关于如何制备出高性能的一维纳米材料正是各国科学家所探究的问题。本文概述了一维纳米材料的制备方法：气相法、液相法、模板法等。关键词：一维纳米材料；制备方法；气相法；液相法；模板法

Abstract: the nanoscale materials such as carbon nanorods and carbon nanowires have become the focus of intensive research owing to their unique applications.but the question that how to make up highqulity one-dimentional nanostructure is discussing by Scientists all around the world.This parper has reviewed the preparation of one dimention nanomaterials ,such as vapor-state method, liqulid-state method，template method and so on.Key words: one-dimention nanomaterials;preparatinal method;vapor-state method liqulid-state method;template method 纳米材料是基本结构单元在1nm ~100nm之间的材料，按其尺度分类包括零维、一维、二维纳米材料。自80年代以来，零维纳米材料不论在理论上和实践中均取得了很大的进展；二维纳米材料在微型传感器中也早有应用。[1]一维纳米材料因其特殊的结构效应在介观物理、纳米级结构方面具有广阔的应用前景，它的制备研究为器件的微型化提供了材料基础。本文主要概述了近年来文献关于一维纳米材料的制备方法。1 一维纳米材料的制备方法

近几年来，文献报导了制备一维纳米材料的多种方法，如溶胶-凝胶法、气相-溶液-固相法、声波降解法、溶剂热法、模板法、化学气相沉积法等。然而不同制备方法的纳米晶体生长机制各异。本文按不同生长机制分类概述，主要介绍气相法、液相法、模板法三大类制备方法。1.1 气相法

在合成一维纳米结构时,气相合成可能是用得最多的方法。气相法中的主要机制有：气—液—固(VLS)生长机制、气—固(VS)生长机制。[2] 1.1.1 气—液—固(VLS)生长法

VLS法是制备单晶一维纳米材料较好的方法，该方法具有较高的产率。催化剂以及适宜的温度是VLS生长基质的必要条件。催化剂能与生长材料的组元互熔形成液态的共熔物,生长材料的组元不断地从气相中获得,当液态中溶质组元达到过饱和后,晶须将沿着固-液界面的择优方向析出。[2]纳米线的最终形态受部分实验因素的影响。实验表明，最终合成一维纳米材料的长度受催化剂的尺寸影响，而反应时间则影响最终合成一维纳米材料的长径比。最具有代表性的工作有杨培东(P.Yang)小组的Ge纳米线在Au的催化作用下VLS机制生长过程的原位观察。[3] 1.1.2 气—固(ＶＳ)生长机制

大量研究实验表明，在不存在催化剂的条件下，一维纳米材料按照VS生长制备。在VS过程中,可以通过热蒸发、化学还原或气相反应等方法产生气相,随后该气相被传输到低温区并沉积在基底上。其生长方式通常是以液固界面上微观缺陷(位错、孪晶等)为形核中心生长出一维材料。[2]其中晶体的形貌取决于气体的过饱和度。低的过饱和度有利于晶须的形成。中等过饱和度利于块状晶体的生长。而很高的过饱和度则均匀形成粉末。1.2 液相法

液相法包括溶液-液相-固相（SLS）生长机制、溶剂热法。1.2.1溶液-液相-固相（SLS）生长机制

SLS生长机制与VLS生长机制相似。SLS生长机制与VLS生长机制的不同之处在于后者原材料来于气相，前者来于液相。在SLS生长机制中，常用低熔点金属为助溶剂，其作用相当于VLS中催化剂的作用。该机制生长出来的一维纳米材料为单晶和多晶结构，且其尺寸分布范围较宽。美国华盛顿大学Buhro小组在低温下通过SLS机制获得了高结晶度的半导体纳米线,如InP、InAs、GaAs纳米线。1.2.2 溶剂热法

该反应是在高压釜中，以相对较低的温度和压力进行的。原料各组分按一定比例混合在溶剂中，在这种方法中,溶剂处在高于其临界点的温度和压力下,可以溶解绝大多数物质,从而使常规条件下不能发生的反应可以进行或加速进行。溶剂的作用还在于它可以在反应过程中控制晶体的生长,实验证明,使用不同的溶剂可以得到不同形貌的产品。如钱雪峰等[4]以水和乙二胺以及二者不同比例的混合物作溶剂,制得了带状、树枝状、花瓣状等不同形貌的 GdS纳米结构。1.3 模板法

模板法是合成一维纳米材料的有效方法。该方法具有限域能力，对一维纳米材料的尺寸及形状具有可控性。目前，广泛使用的模板主要有多孔阳极氧化铝膜、径迹蚀刻聚合物膜和介孔沸石等。模板法材料的形成仍采用化学反应等途径来完成，主要有电化学气相沉积、溶胶—凝胶法、化学气相沉积。1.3.1电化学气相沉积

将模板技术与电化学方法相结合，利用对AAO的填系和孔洞的空间限制就可以制备一维纳米材料电化学沉积法是一种简单、廉价的合成方法,可用于制备多种纳米材料,如金属、合金、半导体、导电高分子等。Shoso、Forred等采用电化学方法成功制备了Au纳米线,Davydov等在多孔阳极氧化铝纳米孔中制备了Ni纳米线,并研究了其电学性能,Evans等运用电化学沉积法在多孔氧化铝模板中合成了Co—Ni—Cu多层纳米线。[2] 1.3.2化学气相沉积

化学气相沉积法(CVD)通过原料气体的化学反应而在模板孔道内沉积形成纳米管、纳米线或纳米粒子。其反应温度比热解法低,一般在550℃～1000℃之间。该法中纳米线(管)的生长一般需使用催化剂,经常使用的催化剂有Fe、Co、Ni及其合金。杨勇等用CVD法在660℃下热分解乙炔,在模板中得到了碳纳米管阵列。贾圣果等[5]利用CVD方法制备了平均直径20nm～100nm,长度为几十微米的GaN纳米线。同时他们探讨了生长温度和催化剂对纳米线生长的影响,研究了GaN纳米线的生长过程,为了解一维纳米结构材料的生长机理,实现纳米材料的可控生长,提供了有力的实验依据。1.3.3溶胶-凝胶法 溶胶—凝胶(Sol—gel)法首先将前体分子溶液水解得到溶胶,再将Al2O3模板浸入溶胶中,溶胶沉积到孔壁,经热处理后在孔内就可得到管状或线状的产物。用Sol-gel法在Al2O3模孔内制得的是纳米管还是纳米线,取决于模板在溶胶中的浸渍时间,浸渍时间短,得到纳米管,而浸渍时间长则得到纳米线。1.3.4固态底物的特性模板

固态底物表面的浮雕结构是制备一维纳米材料天然的模板。用石版印刷术及蚀刻等方法可以方便地在固态底物的表面得到不同图案的微型结构,利用这些结构可以制备各种材料的纳米线。Jorritsma等[6]发现将金属蒸气以一定角度沉积到一列刻在InP(001)底物上的V形沟上可以制备细达20 nm的金属纳米线。

以其他方法合成的纳米线或纳米管作为模板来制备新的纳米材料,大大拓宽了可被制成均一一维纳米结构的材料的范围。这种方法最主要的问题在于难以对最终产品的组成和结晶度进行严密地控制。而模板指导反应的机理尚需进一步研究,只有了解固-气或固-液反应在原子层次上是怎样进行的,才能更好地控制产品的组成、纯度、结晶度和形貌。[7] 2 结语

一维纳米材料具备纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等特殊性质，其在物理化学方面的特性在新型半导体器件方面具有广阔的应用前景。目前，气相法、液相法、模板法制备一维纳米材料的工艺逐渐成熟，一些新型制备工艺如：离子液体制备新技术[8]，在制备复杂尺寸一维纳米材料具有较大优势。随着一维纳米材料的研究日益激烈及制备新技术的不断发展，多功能光电等半导体器件将更加小型化、智能化。参考文献

[1] 梁芳 ,郭林.钴及其化合物一维纳米材料的制备研究进展[J].世界科技研究与发展,2006,28（4）:37-41.[2] 周明林、李应真等.一维纳米材料的制备及应用[J].信阳农业高等专科学校学报,2010(4):121-124.[3] Wu Y,Yang P.Physical Review Letters[J].M.G.Payne.,2003(9):123.[4] 曹立新,吕艳玲,孙大可.Mn纳米晶体结构和发光性质的研究[J].功能材料,2008(2):194-196.[5] 向 杰,贾圣果.氧化鎵纳米带的制备研究[Ｊ].固体电子学研究与进展,2002(4):449-453.[6] Jorritsma J,Gijs M A M,Kerkhof J M,et al.General technique for fabricating large arrays of nanowires [J].Nanotechnology,1996,7(3):263.[7] 孙大可、曹立新、常素玲.一维纳米材料的制备、性质及应用[J].稀有金属2006（2）：88-93.[8] 王宝和.一维纳米材料的离子制备新技术[J].2007,24(1):11-13.

第五篇：一维河网水质模型建立总结

一维河网水质模型建立总结

拿到项目之后，首先要有一个总体的构思，依据实际工程情况拟出一个大纲，明确具体步骤，之后进行具体的操作。步骤

建立水流模型

一、概化河网

拿到整个模拟区域的水系、河道详细布臵图（CAD）之后，首先大致浏览一下，然后关闭不必要的图层，例如房屋、等高线等等，（关闭了哪一些图层要在word文档或者excel当中有所记录，尽量不要关闭河道图层，除非是乡村河道或者是规模较小的那些河道，不会成为概化河网中的一部分，关闭图的的两个原则就是尽量使河道变得清晰，然后不能关闭那些有用的图层，例如大的河道）尽量使整个图的河道比较明显。图层关闭之后大致浏览整个河道布臵图，然后寻找外边缘的一条大的河道开始从外往里把主要的河道画出来。画河道要注意：

1、使用样条曲线或者多段线命令，尽量使画出来的河道线与原始河道拟合较好

2、河道线的线型要粗（打开线宽），线的颜色要醒目的颜色，便于与原图层的线较好的区分开来，河道线要建立一个单独的图层。

3、选择的概化河道上要有断面，便于断面文件的制作，河道的布臵东南西北方向要均匀，在画河道线的同时，标注好每一条河道的名称，标注名称的文字顺序与该河道的流向相同，也就是说，标注的名字是从上游写向下游，在制作河网文件的时候便于河道的连接，标注名字的时候，如果有些河道只取了部分的断面，要把取了几个断面标上，如果一条河道断面很多，在图上是分段标注的，自己的文字说明上要标出来是那一条河道的哪一段，例如fangligang15，这样在寻找断面文件的时候比较方便。概化完河道之后，要把其他所有图层都关闭，只留下概化的河道和文字标注，然后在河网外画一个矩形方框，把河网包裹住，尽量与河网中间没有太多的空隙，然后用id命令，把矩形左下角和右上角的坐标记下来。然后把CAD导出，步骤：文件，然后输出，选择格式是(封装PS,*eps),然后将导出的图片导入到photoshop当中，改变像素，使河道在MIKE11中放大之后不会变的模糊，如何改变像素：用photoshop把图片打开之后，通过图像大小界面改变像素，要把图片颜色格式改成RGB的，否则不能转化为bmp格式，不要消除锯齿。如何使河道放大后边清晰，Ctrl+J然后shift+ Ctrl+U,然后滤镜，选择其他，选择高反差保留，宣主任0.09，然后选择混合样式，叠加，然后不停地按Ctrl+J，按得越多图片占用空间越大，合适即可，导入MIKE中看的清楚就行。改动完之后，把沿着矩形方框剪切一下，再保存为bmp格式。

二、制作河网文件

Bmp格式文件制作好了之后，导入MIKE11，开始制作河网文件。打开MIKE ZERO，File  New  MIKE 11  River Network  OK，弹出一个新窗口 输入河网模型区域的范围（即左下角和右上角坐标）（投影坐标选

择

北

京

54坐标:Beijing-1954-3-degree-GK-120E） OK, 出现河网文件视图（模拟区域暂时空白） 河网文件菜单Layers Add/Remove... 点击添加项目键击浏览按钮

 点, 引入刚才生成的bmp底图 回到河网文件视图，Layers Properties... 修正图像坐标Image Coordinates修正至底图坐标。导入了底图之后，开始绘制河段。绘制河段时要注意，一定要从上游划到下游，遇到两条河道交叉的时候，则需要将河道打断，并且标注好打断的河道是从几断面到几断面，绘制的河道要边画边连接起来，边画要边标注好河道的详细名称，并且在excel或者word中记录下其详细名称。画的时候要灵活处理遇到的问题。

三、制作断面文件

我自己做的时候是将河网文件处理好了之后，再处理的断面文件，这样导致了大量的问题，就是断面文件缺失的时候没有办法灵活处理，还有就是河道信息的遗忘，导致河道对起来比较麻烦。所以，以后最好是边做河网文件，一边进行断面的处理，做10条处理10条，这样不容易出错，给后续工作带来方便。制作断面文件，是先将河道断面打断，用logfileon命令，并且更改日志文件保存路径，自己设臵一个保存文件夹，然后用list命令选中打断的所有断面，执行后用excel将河道长度数据筛选出来，制作成txt文件格式，最好将断面个数标注在文件夹上，最后一个断面至河道尾部不用打断，取长度的时候一块儿算进去。当初被打断的河道，从几断面到几断面的数据要分别做成不同的文件，对于某河道缺失什么断面，最好单独在excel或者word上做好标注，建议先提取断面数据，标注好却是断面，再根据缺失情况灵活打断断面。断面数据和断面间距用fortran小程序导成固定的文件格式，再导入到断面文件当中，建议不在程序中更改河道名称，只改年份（年份一致），导入到断面文件中后统一修改，修改后的名称要与河网文件当中的名称一致，要完全一致，一定要对好，不然就不能再河网文件中显示，在导入这些断面的过程当中，建立一个模拟文件，将为完全制作好的河网文件和断面文件导进去，查看一下断面的位臵是否有偏差，所有的问题要发现时及时修改。所有的断面文件输入之后，要检查一下有无缺失、以及名称是否一致。确保无误。最后在输入每一条河道后，最好查看一下河道断面是否合理，两断面间距是否太小，太小的话选择删除某些断面，尽量使两端面间距控制在200m以上，这样有利于模型的稳定。

四、制作时间序列文件

制作时间序列文件是为边界条件做前期准备，首先要明确有多少条边界河道，把东南西北的边界河道都标注好，然和结合实测资料，把对应河道的（水位、流量）时间序列文件做好。名字要一一对应，时间步长、步数、要与实测资料一致。

五、制作水流边界文件

统计好的边界数量，然后用tab添加相应数量的边界，输入里程数的时候，一定要是河道入口点的里程数，并不是这条河道的全长，（如何查看各点的里程数，在河网文件中，选小箭头标志，点到相应点上，右击，选择edit，可以查看该点的所有资料），对应边界河道输入对应的边界时间序列文件。要一一对应，这一点很重要。

六、制作参数文件

给定初始水位，以及糙率，初始水位要与边界条件看到的水位大致一致，（不行就取个平均值试试看）不能偏差太大，流量也是，不然模型无法正常运行。糙率不要太小，依据实际情况设定。

当所有文件准备完毕之后，建立一个模拟文件，将所有准备文件导入到模拟文件当中，接着设臵时间步长，时间步长的设臵（还不太明白怎么设臵），保存的时间步长必须是天或者小时的倍数，不能是分钟，但是不影响计算的结果。设定要模拟的时间段，然后使模型开始运行，遇到错误的时候，要寻找到相应的断面，然后检查问题所在，有可能是河道没有连接好，或者是断面太密了或者是存在不合理的断面，或者是断面文件存在错误，及时纠正，边纠正边运行，以便查看错误是否纠正。直至模型可以正常运行。水质模拟

每模拟一个工况，就要新建一个文件夹，把准备文件放进去之后再另建模拟文件，并且做好标记，每个工况之间有什么不同，比如哪一个参数设计不同，或者步长设臵不同等等，不然以后自己分不清。

水质模拟之前，先要搞清楚自己需要哪一些水质准备文件，比如说，确定要模拟哪几个组分，每个组分的初始浓度要准备好，每个组分的时间序列文件插值好（线性插值），如果组分是常数的，