第一篇：有限元法在材料成型過程研究中的發(fā)展、應(yīng)用及作用專題

有限元法在材料成型過程研究中的發(fā)展、應(yīng)用及作用

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有限元法在材料成型過程研究中的發(fā)展、應(yīng)用及作用

材料加工是先進(jìn)制造技術(shù)中重要的組成，它的應(yīng)用涉及航空航天、汽車、石化、軍事等事關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)。材料加工工藝過程中，除了運(yùn)動(dòng)和外力作用等因素，還涉及溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及內(nèi)部組織的變化;生產(chǎn)環(huán)境惡劣，控制因素多樣。因此，充分了解材料加工計(jì)算機(jī)模擬的重要性及其發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)的科技進(jìn)步，縮短產(chǎn)品的開發(fā)和加工周期，快速響應(yīng)市場(chǎng)，提高競(jìng)爭(zhēng)能力，真正體現(xiàn)高速、高效、高質(zhì)的制造優(yōu)勢(shì)，具有重要的意義。

計(jì)算機(jī)模擬是制造業(yè)發(fā)展的產(chǎn)物。以有限元方法為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是20 世紀(jì)技術(shù)發(fā)展的巨大成果，在工程物理科學(xué)的各個(gè)分支領(lǐng)域都起著十分重要的作用。新材料、新工藝、新產(chǎn)品、高要求、高精度、低成本的現(xiàn)代制造模式要求深入了解和掌握材料成形機(jī)理、過程變化，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)過程顯現(xiàn)，開拓科學(xué)的工藝和設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)與制造。因此，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)以及以此為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究成為當(dāng)今和今后國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。

我們知道在工程中使用的金屬材料大多數(shù)為多晶材料，材料的微觀組織形態(tài)直接影響零件的機(jī)械性能和物理性能，所以選擇合理的加工工藝參數(shù)十分重要。材料加工過程微觀組織的計(jì)算機(jī)模擬由于具有描述分子級(jí)尺寸水平的能力，這將對(duì)控制材料晶粒大小及分布，進(jìn)一步了解位錯(cuò)的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)、晶界結(jié)構(gòu)、防止內(nèi)部空洞和微裂紋的萌生和擴(kuò)展等問題提供了新的方法[1-2]，將大大推動(dòng)材料微觀結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)展，并對(duì)確定優(yōu)化材料加工的工步數(shù)和順序、熱處理方案十分有益。此外，在金屬成形過程中，適用的優(yōu)化準(zhǔn)則對(duì)材料最終的力學(xué)性能和微觀組織性能具有重要的影響，通過優(yōu)化坯料形狀或預(yù)成形模具形狀、模具速度使最終鍛件具有良好的尺寸精度、少無飛邊和所期望的微觀組織。為此，一方面要要研究合適的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的選擇，包括影響終鍛件力學(xué)組織性能的狀態(tài)變量和過程變量，即形狀設(shè)計(jì)變量和速度設(shè)計(jì)變量。另一方面要研究和建立微觀組織優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)考慮晶粒尺寸大小及分布，再結(jié)晶晶粒尺寸、再結(jié)晶程度和無再結(jié)晶部分的晶粒尺寸及其體積分?jǐn)?shù)。

近二十年間，以有限元法為核心的數(shù)值模擬技術(shù)在金屬塑性成形領(lǐng)域中應(yīng)用，所采用的理論體系從小變形彈塑性有限元理論、剛-(粘)塑性有限元理論，到現(xiàn)在的大變形彈-(粘)塑性有限元理論，分析技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸趨于成熟。采用大變形彈-(粘)塑性有限元法分析金屬成形問題，不僅能按照變形路徑得到塑性區(qū)的發(fā)展情況，工件中的應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律，以及幾何形狀的變化，而且能有效地處理卸載，計(jì)算殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變，從而可以分析和防止產(chǎn)品的缺陷等問題，符合金屬成形對(duì)于精密化模擬分析的要求。目前，二維大變形彈-(粘)塑性有限元法模擬技術(shù)已日趨成熟，并已在工程中得到成功的應(yīng)用。但大變形彈-(粘)塑性有限元法是建立在有限變形理論基礎(chǔ)上的，需要對(duì)變形梯度進(jìn)行多次分解，從分析金屬成形過程的角度出發(fā)，計(jì)算工作量大，而金屬成形過程通常是在高溫下進(jìn)行的，工件在發(fā)生變形的同時(shí)伴隨有溫度的變化，因此，在分析金屬成形過程模擬中，還必須考慮溫度的影響，即進(jìn)行溫度場(chǎng)與變形場(chǎng)的耦合計(jì)算，特別是工程中可以簡(jiǎn)化為二維分析的問題并不多，三維模擬是必然趨勢(shì)，三維問題分析在數(shù)學(xué)模型和圖形處理上的復(fù)雜程度大大增加，由此引起的計(jì)算量猛增，比二維問題的計(jì)算量高出幾十倍甚至上百倍，這對(duì)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量的要求也隨之增加。近年來，由于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的不斷完善，使三維問題的分析成為可能。一方面，人們?cè)谘芯刻岣哂?jì)算速度的方法，開發(fā)了大規(guī)模計(jì)算問題的并行計(jì)算方法(Parallel Computation)，利用并行處理機(jī)中多CPU 可同時(shí)工作的特點(diǎn)，配以軟件編程中的并行處理方法，使計(jì)算速度大為加快，目前國(guó)際上許多商業(yè)軟件都推出了并行版，如ANSYS、MARC、LS-DYNA3D 等;另一方面人們?cè)谘芯扛纳朴?jì)算方法，眾所周知，金屬成形過程中，坯料的變形特別大，若采用更新的拉格朗日法(Updated Lag rang ian Method)進(jìn)行計(jì)算時(shí)[5]，初始劃分的單元網(wǎng)格逐漸畸變，若將已經(jīng)畸變的網(wǎng)格形狀作為增量計(jì)算的參考構(gòu)形，將導(dǎo)致計(jì)算精度降低，甚至引起不收斂，為克服上述問題，通常當(dāng)網(wǎng)格畸變到一定程度后，必須停止計(jì)算，重新劃分適合于計(jì)算的網(wǎng)格，通過新舊網(wǎng)格間信息場(chǎng)量的插值傳遞，再繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，要完成一個(gè)成形問題的模擬，通常需要多次重劃網(wǎng)格，這將導(dǎo)致計(jì)算量的增加和由于多次插值帶來的計(jì)算精度的降低，因此，許多研究開發(fā)人員正致力于改進(jìn)三維網(wǎng)格重劃的自適應(yīng)能力和自動(dòng)化程度，改進(jìn)新舊網(wǎng)格間信息傳遞的插值方法，取得了可喜的進(jìn)展。同時(shí)，開發(fā)了ALE法(Arbitrary LagrangianEulerian Method)和顯式解法(Explicit Solution)[6]，而ALE 法不再象Lagrangian公式中將網(wǎng)格固定在材料上，而是不依賴于材料的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，因此可控制網(wǎng)格的幾何形態(tài)，ALE 通過利用高階的技術(shù)不斷進(jìn)行網(wǎng)格重劃，從而避免上述問題，提高計(jì)算速度和精度，這對(duì)于為提高計(jì)算精度和效率而進(jìn)行的網(wǎng)格細(xì)劃十分有利，該方法已在MSC/ DYTRAN、Press Form 等軟件中得到成功的應(yīng)用，而顯式解法主要是為解決非線性問題隱式求解時(shí)為保證求解精度需反復(fù)迭代，使計(jì)算量猛增的問題，目前該方法已成功地應(yīng)用于LS-DYNA3D 中[7]。另外，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的迅速發(fā)展，計(jì)算速度問題也將逐步得到解決。

到目前為止，二維大體積金屬成形過程有限元模擬技術(shù)已趨成熟，國(guó)內(nèi)外先后開發(fā)了許多商品軟件，這些軟件多適用于二維問題、偽三維問題及簡(jiǎn)單三維問題的分析。通過使用彈-塑性-實(shí)時(shí)響應(yīng)模型，可確定完整的應(yīng)力、應(yīng)變和撓曲變化狀況，殘余應(yīng)力也容易被計(jì)算。近年來，金屬成形工業(yè)對(duì)三維過程模擬提出了更高更精確的要求。對(duì)于處理復(fù)雜三維金屬塑性成形問題，雖然存在模具型腔幾何形狀描述、動(dòng)態(tài)邊界條件及網(wǎng)格重劃等技術(shù)難點(diǎn)[3]，隨著計(jì)算方法的完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)出使用便捷且適用范圍廣的三維有限元程序已成必然。一方面研究提高計(jì)算速度的方法，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)中多個(gè)CPU 可同時(shí)運(yùn)行的并行處理技術(shù)和軟件編程中的并行處理方法，開發(fā)大規(guī)模計(jì)算問題的并行計(jì)算方法，從而大大提高計(jì)算效率;另一方面不斷完善計(jì)算方法，對(duì)于影響三維模擬精度的若干技術(shù)問題，如初始速度場(chǎng)的生成、摩擦邊界條件的處理、剛性區(qū)和塑性區(qū)的區(qū)分、縮減因子的確定、收斂準(zhǔn)則的選擇和熱力耦合等問題，在保證求解精度和效率的前提下，均可采用二維有限元模擬中相關(guān)的算法和處理技術(shù)。而模具型腔幾何形狀描述、動(dòng)態(tài)邊界條件及網(wǎng)格生成和重劃等技術(shù)難點(diǎn)與二維模擬相比有較大的區(qū)別，這些問題處理的正確與否將直接關(guān)系到模擬分析的可靠性和求解效率。因此，人們?cè)诓粩嗟貙で蠼鉀Q的方法。Cho等[4]為了解決復(fù)雜三維問題，采用考慮熱傳導(dǎo)的三維熱黏塑性有限元模型，將一個(gè)無法用解析式描述的任意復(fù)雜形狀的模具表面，通過Ferguson分片，用一個(gè)分片連續(xù)的形式給出，將被網(wǎng)格重構(gòu)的變形體分為表面自適應(yīng)層和中心區(qū)兩部分，提出一種基于體適應(yīng)映射法的三維網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)。所提出的網(wǎng)格重構(gòu)方法是以產(chǎn)生線性八節(jié)點(diǎn)六面體單元為基礎(chǔ)的。在表面自適應(yīng)層上自動(dòng)產(chǎn)生網(wǎng)格后，中心區(qū)通過體適應(yīng)映射法自動(dòng)生成網(wǎng)格，并對(duì)萬向節(jié)的熱鍛過程進(jìn)行了完整的模擬。此外，在計(jì)算機(jī)上處理三維金屬成形，還需進(jìn)一步提高模擬的可視化水平，擁有良好的用戶界面是非常重要的。隨著計(jì)算機(jī)裝載了三維圖形處理程序及計(jì)算速度和硬件水平的提高，可在前后處理中大量應(yīng)用可視化技術(shù)，用戶在二維屏幕上可直接觀看物體的三維圖形和數(shù)據(jù)。在金屬成形過程模擬中，可通過采用切片技術(shù)和鏡像顯示技術(shù)觀測(cè)物體某一橫截面或整個(gè)結(jié)構(gòu)的變化情況，點(diǎn)跟蹤技術(shù)可使用戶了解在成形過程中原始材料上任意點(diǎn)的流動(dòng)情況，同時(shí)繪制這些點(diǎn)的過程參數(shù)變化曲線圖。

金屬材料的成形通常在高溫下進(jìn)行，工件塑性成形是一個(gè)復(fù)雜的熱力學(xué)過程，受到應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻、硬化和再結(jié)晶等因素的影響，而工件的形狀和尺寸精度及其內(nèi)部質(zhì)量和性能決定著產(chǎn)品質(zhì)量。熱處理過程作為材料加工中不可缺少的環(huán)節(jié)，是一個(gè)包含溫度、相變、應(yīng)力/應(yīng)變相互作用的復(fù)雜過程，是一個(gè)多機(jī)制綜合作用的過程。對(duì)其進(jìn)行組織性能預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬，首先必須通過大量實(shí)驗(yàn)，使模擬技術(shù)建立在可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，將組織場(chǎng)-變形場(chǎng)-溫度場(chǎng)三者進(jìn)行耦合計(jì)算，將成形過程與熱處理工藝的模擬與質(zhì)量控制相結(jié)合，使模擬結(jié)果更準(zhǔn)確。由此可作為參考對(duì)影響成形過程和熱處理工藝的各種工藝參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)先進(jìn)制造技術(shù)的要求(高精度、高質(zhì)量、高效率)。

數(shù)值分析的巨大成果是有限元方法。但是，當(dāng)網(wǎng)格高度畸變時(shí)，這種以單元作為基本概念的方法卻有許多難以處理的問題，主要原因是網(wǎng)格的存在妨礙了處理與原始網(wǎng)格線不一致的不連續(xù)性和大變形。在處理這類問題時(shí)，有限元法通常采用網(wǎng)格重構(gòu)，但這樣不僅計(jì)算費(fèi)用昂貴，而且會(huì)使計(jì)算精度受損[8]。為解決上述問題，近年來，一種新的無網(wǎng)格數(shù)值方法正在迅速發(fā)展。無網(wǎng)格方法將連續(xù)體離散為有限數(shù)目的質(zhì)點(diǎn)，位移場(chǎng)函數(shù)在沒有明顯網(wǎng)格的情況下通過這些質(zhì)點(diǎn)的插值得到，該方法僅采用基于點(diǎn)的近似，而不需要節(jié)點(diǎn)的連續(xù)信息，不僅避免了繁瑣的單元網(wǎng)格生成，而且提供了連續(xù)性好、形式靈活的場(chǎng)函數(shù)，具有前后處理簡(jiǎn)單、精度高等方面的優(yōu)點(diǎn)。在處理彈塑性、裂紋擴(kuò)展、移動(dòng)界面、高速碰撞以及具有大變形特征的工業(yè)成形問題時(shí)具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。無網(wǎng)格方法以其在場(chǎng)函數(shù)近似、局部特征描述等方面特有的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的研究?jī)r(jià)值。

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第二篇：快速成型技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用

快速成型技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用

快速成形制造技術(shù)是目前國(guó)際上成型工藝中備受關(guān)注的焦點(diǎn)。鑄造作為一項(xiàng)傳統(tǒng)的工藝，制造成本低、工藝靈活性大，可以獲得復(fù)雜形狀和大型的鑄件。充分發(fā)揮兩者的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可以在新產(chǎn)品試制中取得客觀的經(jīng)濟(jì)效益。

快速成形制造技術(shù)又稱為快速原型制造技術(shù)(Rapid Prototyping Manufacturing，簡(jiǎn)稱RPM)，是一項(xiàng)高科技成果。它包括SLS、SLA、SLM等成型方法,集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。與傳統(tǒng)制造方法不同，快速成型從零件的CAD幾何模型出發(fā)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束或其他方法將材料堆積而形成實(shí)體零件，所以又稱為材料添加制造法(Material Additive Manufacturing 或 Material Increase Manufacturing)。由于它把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下幾乎能夠生成任意復(fù)雜形狀的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段一起，快速自動(dòng)成型已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的強(qiáng)有力手段，是目前適合我國(guó)國(guó)情的實(shí)現(xiàn)金屬零件的單件或小批量敏捷制造的有效方法，在航空航天、汽車摩托車、家電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

快速成型技術(shù)能夠快捷地提供精密鑄造所需的蠟?zāi)；蚩上勰Ｒ约坝糜谏靶丸T造的木模或砂模，解決了傳統(tǒng)鑄造中蠟?zāi)；蚰灸５戎苽渲芷陂L(zhǎng)、投入大和難以制作曲面等復(fù)雜構(gòu)件的難題。而精密鑄造技術(shù)（包括石膏型鑄造）和砂型鑄造技術(shù)，在我國(guó)是非常成熟的技術(shù)，這兩種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的低成本和高效益，達(dá)到了快速制造的目的。

RPM技術(shù)的特點(diǎn)

快速成型的過程是首先生成一個(gè)產(chǎn)品的三維CAD實(shí)體模型或曲面模型文件，將其轉(zhuǎn)換成特定的文件格式，再用相應(yīng)的軟件從文件中“切” 出設(shè)定厚度的一系列片層，或者直接從CAD文件切出一系列的片層。這些片層按次序累積起來仍是所設(shè)計(jì)零件的形狀。然后，將上述每一片層的資料傳到快速自動(dòng)成型機(jī)中去，用材料添加法并以激光為加熱源，依次將每一層燒結(jié)或熔結(jié)并同時(shí)連結(jié)各層，直到完成整個(gè)零件。成型材料為各種可燒結(jié)粉末，如石蠟、塑料、低熔點(diǎn)金屬粉末或它們的混合粉末。

快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)方法相比具有獨(dú)特的優(yōu)越性，其特點(diǎn)如下：

1.方便了設(shè)計(jì)過程和制造過程的集成，整個(gè)生產(chǎn)過程數(shù)字化，與CAD模型具有直接的關(guān)聯(lián)性，零件所見即所得，可隨時(shí)修改、隨時(shí)制造，緩解了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件CAD/CAM過程中CAPP的瓶頸問題。

2.可加工傳統(tǒng)方法難以制造的零件材質(zhì)，如梯度材質(zhì)零件、多材質(zhì)零件等，有利于新材料的設(shè)計(jì)。

3.制造復(fù)雜零件毛坯模具的周期和成本大大降低，用工程材料直接成形機(jī)械零件時(shí)，不再需要設(shè)計(jì)制造毛坯成形模具。

4.實(shí)現(xiàn)了毛坯的近凈型成形，機(jī)械加工余量大大減小，避免了材料的浪費(fèi)，降低了能

源的消耗，有利于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。

5.由于工藝準(zhǔn)備的時(shí)間和費(fèi)用大大減少，使得單件試制、小批量生產(chǎn)的周期和成本大大降低，特別適用于新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)。

6.與傳統(tǒng)方法相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)快速鑄造、快速模具制造、小批量零件生產(chǎn)等功能，為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力。

RPM技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用

（1）精密鑄造

精密鑄造是所有鑄造方法中最精確的一種，精度一般優(yōu)于0.5％，且可重復(fù)性好，鑄件只需少量的機(jī)加工就可以投入使用。由于鑄模是一次性使用，使得制造內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件成為了可能，能生產(chǎn)鍛造或機(jī)加工不能生產(chǎn)的零件。盡管精密鑄造有著很多的優(yōu)越性，但其生產(chǎn)過程復(fù)雜且冗長(zhǎng)。壓制蠟?zāi)５匿X模制作，視其復(fù)雜程度和尺寸大小，一般要花幾周到幾個(gè)月時(shí)間。得到鋁模后，還要幾周時(shí)間才能得到鑄件。這幾周主要是用于制作型殼。除了耗時(shí)外，精密鑄造還很費(fèi)工，50％～80％的費(fèi)用都出自于人工。此外，小批量生產(chǎn)中的模具費(fèi)用分?jǐn)傊潦箚蝺r(jià)昂貴。快速成型和精密鑄造是互補(bǔ)的，這兩種方法都適用于復(fù)雜形狀零件的制造。如果沒有快速自動(dòng)成型，鑄模的生產(chǎn)就是精密鑄造的瓶頸過程；然而沒有精密鑄造，快速自動(dòng)成型的應(yīng)用也會(huì)存在很大的局限性?？焖俪尚图夹g(shù)在精密鑄造中的應(yīng)用，可以分為三種：一是消失成型件（模）過程，用于小批量件生產(chǎn)；二是直接型殼法，用于小量生產(chǎn)；三是快速蠟?zāi)Ｄ＞咧圃?，用于大批量生產(chǎn)。

圖1 快速蠟?zāi)Ｄ＞咧圃炝鞒虉D

（2）快速鑄造

在制造業(yè)特別是航空、航天、國(guó)防、汽車等重點(diǎn)行業(yè)，其基礎(chǔ)的核心部件一般均為金屬零件，而且相當(dāng)多的金屬零件是非對(duì)稱性的、有著不規(guī)則曲面或結(jié)構(gòu)復(fù)雜而內(nèi)部又含有精細(xì)結(jié)構(gòu)的零件。這些零件的生產(chǎn)常采用鑄造或解體加工的方法，快速鑄造是所有采用快速成型件做母?；蜻^渡模來復(fù)制金屬件的方法中最具吸引力的一種。這是因?yàn)殍T造工藝能生產(chǎn)復(fù)雜形狀的零件。

在鑄造生產(chǎn)中，模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模的制造往往是用機(jī)加工的方法來完成的，有時(shí)還需要鉗工進(jìn)行修整，周期長(zhǎng)、耗資大，從模具設(shè)計(jì)到加工制造是一個(gè)多環(huán)節(jié)的復(fù)雜過程，略有失誤就可能會(huì)導(dǎo)致全部返工。特別是對(duì)一些形狀復(fù)雜的鑄件，如葉片、葉輪、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋等，模具的制造更是一個(gè)難度非常大的過程，即使使用數(shù)控加工中心等昂貴的設(shè)備，在加工技術(shù)與工藝可行性方面仍存在很大困難。

RPM 技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，收到事半功倍的效果。利用快速成型技術(shù)直接制作蠟?zāi)?，快速鑄造過程無需開模具，因而大大節(jié)省了制造周期和費(fèi)用。圖2為采用快速鑄造方法生產(chǎn)的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的蠟?zāi)＜拌T件，按傳統(tǒng)金屬鑄件方法制造，模具制造周期約需半年，費(fèi)用幾十萬；用快速鑄造方法，快速成型鑄造熔模3天，鑄造10天，使整個(gè)試制任務(wù)比原計(jì)劃提前了5個(gè)月。

（3）石膏型鑄造

精密鑄造通常被用來從快速成型件制造鋼鐵件。但對(duì)低熔點(diǎn)金屬件，如鋁鎂合金件、石膏型鑄造，效率更高。同時(shí)鑄件質(zhì)量能得到有效的保證，鑄造成功率較高。在石膏型鑄造過程中，快速成型件仍然是可消失模型，然后由此得到石膏模進(jìn)而得到所需要的金屬零件。

石膏型鑄造的第一步是用快速成型件制作可消失模，然后再將快速成型消失模埋在石膏漿體中得到石膏模，再將石膏模放進(jìn)培燒爐內(nèi)培燒。這樣將快速成型消失模通過高溫分解，最終完全消失干凈，同時(shí)石膏模干燥硬化，這個(gè)過程一般要兩天左右。最后在專門的真空澆鑄設(shè)備內(nèi)將熔溶的金屬鋁合金注入石膏模，冷卻后，破碎石膏模就得到金屬件了。這種生產(chǎn)金屬件的方法成本很低，一般只有壓鑄模生產(chǎn)的2％～5％。生產(chǎn)周期很短，一般只需2～3周。石膏型鑄件的性能也可與精鑄件相比，由于是在真空環(huán)境完成澆注，所以性能甚至更優(yōu)于普通精密鑄造。

第三篇：掃描電鏡的發(fā)展特點(diǎn)及在紡織材料研究中的應(yīng)用

掃描電鏡的發(fā)展特點(diǎn)及在紡織材料研究中的應(yīng)用

0 前言

當(dāng)今，隨著電子源、掃描以及圖像采集和處理系統(tǒng)等的發(fā)展，掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope，簡(jiǎn)寫為SEM)已成為紡織、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、冶金、機(jī)械加工、材料、半導(dǎo)體制造、微電路檢查，甚至月球巖石樣品分析等領(lǐng)域的主要研究手段。同時(shí)它還在向復(fù)合型方向發(fā)展，即和X射線能譜分析技術(shù)(簡(jiǎn)稱EDS)進(jìn)行結(jié)合，成為研究分析物品表面結(jié)構(gòu)與微區(qū)化學(xué)成分的最有效的工具。

當(dāng)前產(chǎn)業(yè)用紡織品已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、生物工程、化學(xué)化工、醫(yī)療衛(wèi)生以及汽車等領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，大大拓展了新的應(yīng)用領(lǐng)域，開拓出新的市場(chǎng)和高新技術(shù)的特殊產(chǎn)品，如電子紡織材料、智能紡織材料、細(xì)胞組織支架材料和纖維織物柔性[1]顯示器等。因此，利用先進(jìn)的掃描電鏡等工具研究紡織產(chǎn)品極其材料的化學(xué)與機(jī)械物理性能創(chuàng)造產(chǎn)業(yè)用紡織品材料就顯得至關(guān)重要。可以說，掃描電鏡的未來有著廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。1 掃描電鏡和X射線能譜儀原理

掃描電鏡：其場(chǎng)深大約三百倍于光學(xué)顯微鏡，適用于表面形貌觀察，特別是粗糙表面的觀察和分析，圖像富有立體感、真實(shí)感、易于識(shí)別和解釋。放大倍數(shù)范圍大，一般為50～20000倍，對(duì)于相組成的非均勻材料便于低倍下的普查和高倍下的觀察分析。它具有相當(dāng)?shù)姆直媛?，可達(dá)2～6nm。掃描電子顯微鏡主要是利用二次電子成像，由聚光鏡和物鏡構(gòu)成的電子光學(xué)系統(tǒng)[2]，把電子槍發(fā)射出來的電子聚集成為一束極細(xì)的電子束，并聚焦于樣品的表面，同時(shí)按順序?qū)悠繁砻孢M(jìn)行逐行掃描[3]。用檢測(cè)器收集從樣品表面發(fā)射出來的二次電子，經(jīng)視頻放大形成圖像信號(hào)，再經(jīng)顯像管顯示。所獲得的圖像可以直接進(jìn)行觀察，也可以照相或者存儲(chǔ)記錄，它還可對(duì)試樣進(jìn)行成分、晶格、陰極發(fā)光、感應(yīng)電導(dǎo)等多方面分析。

X射線能譜儀：電子束轟擊樣品時(shí)，產(chǎn)生彈性散射和非彈性散射兩類物理過程，當(dāng)兩者相互作用發(fā)生具有能量交換的非彈性散射時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征X射線、連續(xù)X射線，以及在可見光和紫外、紅外波段的長(zhǎng)波長(zhǎng)電磁輻射。X射線能譜分析就是取出樣品所產(chǎn)生的X射線作為信號(hào)進(jìn)行分析的。分析這些X射線的能量就可知道組成樣品的元素，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的定性分析；根據(jù)X射線能量不同的強(qiáng)度就可知道各種非導(dǎo)體與半導(dǎo)體的含量，即實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的定量分析。由于電子顯微鏡具有很高的空間分辨率，它可以捕捉能譜分析儀在微米和亞微米尺度下的粒子，同時(shí)在與計(jì)算計(jì)配合后，通過線掃描也就可以獲得直觀的微區(qū)元素分布數(shù)據(jù)。掃描電鏡和X射線能譜儀的發(fā)展特點(diǎn)

掃描電鏡的設(shè)計(jì)思想早在1935年便已提出，但受各種技術(shù)條件的限制，進(jìn)展一直很慢。只是在近20年，掃描電鏡才在提高分辨率方面取得了較大進(jìn)展?，F(xiàn)在，使用最常規(guī)掃描電鏡分辨率可達(dá)3.5nm左右。上世紀(jì)90年代中期，它與高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了電腦控制和信息處理。之后，掃描電鏡在二次電子像分辨率、非導(dǎo)體與半導(dǎo)體的掃描成像上取得了突破。特別是針對(duì)過去非導(dǎo)體與半導(dǎo)體材料需噴金后才能電描的技術(shù)改進(jìn)

為在低真空和低電壓下的電鏡掃描，為產(chǎn)業(yè)用紡織品的出新提供了良好的檢測(cè)手段與保證。

目前，使用最廣的常規(guī)鎢絲陰極掃描電鏡的分辨率為3.5nm左右，加速電壓范圍為0.2～30kV。掃描電鏡配備X射線能譜儀后發(fā)展成分析掃描電鏡。它比X射線波譜儀分析速度快、靈敏度高、還可進(jìn)行定性和無標(biāo)樣定量分析。但是，這種分析型掃描電鏡也存在不足之處，如能量分辨率低，一般為129—155eV，以及Si(Li)晶體需在低溫下使用(液氮冷卻)等。所以未來的掃描電鏡發(fā)展主要在：

（1）高分辨率和分析型兩類電鏡的合并，同時(shí)實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)控制，發(fā)展成多功能高分辨率的分析電鏡。

（2）更大限度地滿足大量多元素試樣的超輕元素，低含量，高速定性、定量常規(guī)分析的需求。提高常規(guī)加速電壓時(shí)的分辨本領(lǐng)，改善低壓性能，減少直至消除對(duì)樣品的破壞、損傷。無需先噴涂導(dǎo)電層或冷凍干燥處理，保持樣品的原樣進(jìn)行觀察。

（3）研制新的綜合型的電鏡附件設(shè)備，以便取得更多的試樣信息。

國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院北京科學(xué)儀器研制中心生產(chǎn)的X射線能譜分析系統(tǒng)Finder-1000，已經(jīng)開發(fā)出自己的圖形化能譜分析系統(tǒng)程序，分析元素從鈹Be(4)元素到鈾U(92)元素，實(shí)現(xiàn)了高精度的無標(biāo)樣及全標(biāo)樣定量分析。其分析速度極快，10種元素分析時(shí)間不足1秒鐘。目前，國(guó)際最先進(jìn)的采用超導(dǎo)材料生產(chǎn)的能譜儀，分辨率業(yè)已高達(dá)5～15eV，已超過了25eV分辨率的波譜儀。掃描電鏡和X射線能譜儀在紡織材料研究中的應(yīng)用 3.1纖維表面形貌觀察和元素成分分析

纖維材料的表面物理形態(tài)和化學(xué)結(jié)構(gòu)是決定材料性能的基本因素，也是影響纖維材料的表面的摩擦性能、光學(xué)性能、吸水性和生物相容性等性能的主要因素。用掃描電鏡觀察、分析纖維表面形貌特征，如圖

1、圖2所示。樣品噴金后可直接放入樣品室進(jìn)行觀察。根據(jù)纖維的微觀結(jié)構(gòu)不同，即細(xì)度不同，鱗片不同等形態(tài)特征區(qū)分各種纖維，同時(shí)纖維表面的各種元素產(chǎn)生具有不同能量的特征X射線，分析這些X射線的能量就可知道組成的元素，可看出各種纖維微量元素成分的差別，從這兩方面對(duì)纖維進(jìn)行種屬鑒定和纖維鑒別，在鑒別基礎(chǔ)上可通過熒光屏準(zhǔn)確地測(cè)定各類纖維的直徑和根數(shù)，得出各類纖維的定量分析。還可應(yīng)用電鏡觀察織物結(jié)構(gòu)特征、紗線中纖維排列形態(tài)、纖維徑向分布等項(xiàng)目來分析紗線的物理機(jī)械性質(zhì)、耐磨、染色性能。

3.2紡織材料失效分析

紡織材料失效分析主要包括磨損、腐蝕和斷口分析[5]，利用SEM主要對(duì)磨損表面及磨損產(chǎn)物等進(jìn)行分析，磨損、腐蝕的表面攜帶了最主要的信息，可利用SEM結(jié)合EDS進(jìn)行表面形貌分析和微區(qū)成分定性、半定量分析(如圖4所示)，可以優(yōu)先了解腐蝕的因素(如夾雜物類型、材料缺陷等)，由此鑒別材料失效的形成原因；利用掃描電鏡觀察、分析材料的斷口特征(如圖3所示，針毛尖部3～4mm鱗片破損嚴(yán)重)，對(duì)斷裂機(jī)理分析歸類，明確斷裂類型，其次是對(duì)裂紋源位置和擴(kuò)展方向的判定，可根據(jù)斷口學(xué)原理判斷斷裂性質(zhì)，追溯斷裂原因，調(diào)查斷裂是跟原材料質(zhì)量有關(guān)還是跟后續(xù)加工或使用情況有關(guān)等等。減少缺陷數(shù)目和尺寸，改善織物性能。

3.3超微尺寸材料的研究

掃描電鏡可以在比微米尺寸更小的范圍內(nèi)獲得高倍率、立體感強(qiáng)、直觀的二次電子圖像。納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子。應(yīng)用在紡織品上具有拒水、拒油、防靜電、防污、抗菌、柔軟等功能。通過掃描電鏡，可以較直觀地觀察到超微納米材料的表面形貌，可以看到納米結(jié)構(gòu)、看出顆粒的均勻度(例如圖5，為納米SiO2粉體小顆粒分散情況)，也可以用這種方法來改變顆粒的孔分布，解決顆粒的團(tuán)聚問題等。

而研發(fā)功能性紡織材料是未來發(fā)展趨勢(shì)，所以掃描電鏡的作用在這個(gè)領(lǐng)域會(huì)越來越突顯出來。3.4表面整理劑研究

使用各種表面整理劑可以提高織物的耐磨、耐洗、抗皺、抗靜電、防水拒油等性能，對(duì)于它的研究也越來越重要。而在研究纖維的表面性能和表面結(jié)構(gòu)，以及分析整理劑在纖維表面的結(jié)合狀態(tài)，研究它的分散情況與纖維性能之間的關(guān)系，探討特色整理劑的作用機(jī)理，以及開發(fā)新型整理劑等方面，掃描電鏡起著越來越重要的作用。尤其是能譜技術(shù)，它可以對(duì)整理劑處理過的纖維表面元素成分進(jìn)行定性和半定量分析，給出該元素濃度分布的掃描圖像，并對(duì)其中所含元素濃度進(jìn)行定量分析。

例如：圖

6、圖7所示，這是滌綸纖維表面經(jīng)防油劑改性后的電鏡照片，可以看出防油改性絲的表面已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化。

3.5表面改性處理的研究

表面改性處理的手段主要包括化學(xué)氧化法、低溫等離子體改性、輻射接枝法等。經(jīng)過改性處理的纖維可用SEM和EDS來觀察其微觀結(jié)構(gòu)組成以及表面化學(xué)成分、濃度分布，這樣就可以用它測(cè)定紗線接觸表面上的沉積物以及由于磨損、刻蝕、沉淀、輻射等而導(dǎo)致的表面性質(zhì)的變化。還可以為評(píng)定材料表面性質(zhì)的專家提供相關(guān)的技術(shù)支持。對(duì)研究改性的生產(chǎn)工藝，開發(fā)新用途都具有重要的意義。3.6顯微組織研究

在掃描電鏡的高倍觀察條件下，材料的顯微組織十分清晰。可用來觀察纖維的孔洞結(jié)構(gòu)，分析不同的孔洞結(jié)構(gòu)與纖維性能之間的關(guān)系。或在多相結(jié)構(gòu)材料[4]中，特別是在某些共晶材料和復(fù)合材料的顯微組織和分析方面，由于可以借助于掃描電鏡景深大的特點(diǎn)，所以完全可以采用深浸蝕[4]的方法，把基體相溶去一定的深度，使得欲觀察和研究的相顯露出來，這樣就可以在掃描電鏡下觀察到該相的三維立體的形態(tài)，這是光學(xué)顯微鏡和透射電鏡無法做到的。3.7斷裂過程的動(dòng)態(tài)研究

掃描電鏡的大場(chǎng)深和大視場(chǎng)可清晰顯示纖維斷裂的三維形貌，而在較高放大倍數(shù)下又能觀察斷裂面局部區(qū)域的微細(xì)結(jié)構(gòu)，這種圖像有助于研究裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展以及尋找裂縫源。有的型號(hào)的掃描電鏡帶有較大拉力的拉伸臺(tái)裝置，這就為研究纖維斷裂過程的動(dòng)態(tài)過程提供了很大的方便?？捎脕硌芯坷w維的機(jī)械力學(xué)性能等。在試樣拉伸的同時(shí)既可以直接觀察裂紋的萌生及擴(kuò)展與纖維顯微組織之間的關(guān)系，又可以連續(xù)記錄下來，為紡織材料研究提供最直接的證據(jù)。4 結(jié)束語

進(jìn)入90年代以來，世界紡織工業(yè)和紡織品市場(chǎng)發(fā)生了深刻變化，紡織工業(yè)作為傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型加工產(chǎn)業(yè)，在信息產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)下，正向技術(shù)密集型、知識(shí)密集型產(chǎn)業(yè)發(fā)展。為了研究高技術(shù)含量、信息含量和高附加值的紡織產(chǎn)品，就需要結(jié)合高科技的檢測(cè)分析手段，新型掃描電鏡和X射線能譜儀及其附件設(shè)備在新型紡織材料的研究和開發(fā)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

第四篇：法社會(huì)學(xué)在中國(guó)法理學(xué)研究中的地位和作用

法社會(huì)學(xué)在中國(guó)法理學(xué)研究中的地位和作用

一、法社會(huì)學(xué)的基本概念

二、法社會(huì)學(xué)在中國(guó)法理學(xué)界的發(fā)展?fàn)顩r

法社會(huì)學(xué)，發(fā)端于西方的19世紀(jì)末20世紀(jì)初，而傳入中國(guó)，則在20世紀(jì)上半葉。在這近百年間，它經(jīng)歷了民國(guó)的短暫的繁榮、文革的近乎停滯及改革開放后的復(fù)興。

改革開放以來，我國(guó)的社會(huì)科學(xué)事業(yè)終于步入正軌，法社會(huì)學(xué)也得以恢復(fù)和發(fā)展。三十多年以來，學(xué)者們秉承前輩遺愿，孜孜以求，各種有關(guān)法社會(huì)學(xué)的學(xué)術(shù)活動(dòng)舉行，學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)亦有成立，雖相比于西方尚力有不逮，但終歸在法社會(huì)學(xué)研究的各個(gè)方面都有重要的成果問世，呈現(xiàn)出一派欣欣向榮的景象。

三、法社會(huì)學(xué)在中國(guó)法理學(xué)研究中的地位和作用

1.中國(guó)法理學(xué)界推進(jìn)法社會(huì)學(xué)研究的必要性

梁漱溟先生被譽(yù)為中國(guó)最后一個(gè)儒家，立足于中國(guó)的人心與人生，探求中國(guó)文化的命運(yùn)與中國(guó)人的生活方式，先生道：人非社會(huì)則不能生活，而社會(huì)生活則非有一定秩序不能進(jìn)行；任何一時(shí)一地之社會(huì)必有為其所為組織構(gòu)造者行諸于外而成其一種法制、禮俗，是即其社會(huì)秩序也。由此可見，法制，或言一民族國(guó)家的社會(huì)秩序規(guī)制，必須適合于本民族的人心與人生，與本民族的生活方式與心理狀態(tài)相協(xié)調(diào)，才能夠使得一民族社會(huì)自由和諧的發(fā)展。

近百年來，尤其是改革開放以來，我們大量移植了西方的法律，由于社會(huì)的急速發(fā)展，對(duì)法律的需求加大，使得部分我們移植而來的法律尚未來得及消化就通過立法程序固定下來，應(yīng)用于我們中國(guó)的社會(huì)，不僅造成了法律與社會(huì)的脫節(jié)，而且，嚴(yán)重?fù)p害了中國(guó)的法治精神的培養(yǎng)，為法治的現(xiàn)代化造成了不小的障礙。誠(chéng)然，我們要借鑒發(fā)端于西方社會(huì)的現(xiàn)代法律及其法學(xué)，但是，僅一味的移植而不加消化，忽視甚至排斥本民族的法治資源，我們便永遠(yuǎn)都不會(huì)達(dá)到西方現(xiàn)代法治的高度，并且，最終只能夠讓我們淪為西方文化的附庸。中國(guó)的法治之路必須注重利用中國(guó)本土的資源，注重中國(guó)法律文化的傳統(tǒng)和實(shí)際。而中國(guó)的法理學(xué)尤其是法社會(huì)學(xué)應(yīng)該肩負(fù)起構(gòu)建本民族法學(xué)的歷史使命，唯有如此，我們才能夠擺脫西方話語霸權(quán)的控制，走出一條真正屬于我們中國(guó)人自己的中國(guó)特色法治道路。

2.法社會(huì)學(xué)在中國(guó)法理學(xué)研究中的作用

總體來說，中國(guó)法理學(xué)的研究是服務(wù)于中國(guó)的法制現(xiàn)代化進(jìn)程的，而所謂法制的現(xiàn)代化，則以實(shí)現(xiàn)社會(huì)的法治為其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，法理學(xué)的研究亦應(yīng)立基于此。鑒于中國(guó)法理學(xué)尚未完全擺脫西方的話語統(tǒng)治，缺乏相應(yīng)的理論自覺，法社會(huì)學(xué)研究的推廣就顯得頗具意義。

首先，中國(guó)法理學(xué)一向被認(rèn)為是缺乏自己存在和發(fā)展的真正根基，難以想象，一個(gè)沒有根基的法理學(xué)如何能夠指導(dǎo)其他法學(xué)學(xué)科的發(fā)展，更遑論促進(jìn)本土的法治化，而法社會(huì)學(xué)的發(fā)展，正好可以有助于彌補(bǔ)這一重大缺陷。法社會(huì)學(xué)研究提醒我們，要立足于本民族國(guó)家來進(jìn)行學(xué)術(shù)研究，不僅在歷史典籍中，更重要的是在當(dāng)代人的社會(huì)實(shí)踐中已經(jīng)形成或正在萌芽發(fā)展的各種非正式的制度中尋找本土資源。一直以來，我們奉行西方中心主義，以西方的法律形式和分類標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行立法，忽視了我們自身的傳統(tǒng)，也漠視了我們自己的一些習(xí)慣和慣例。哲學(xué)上講自否定，而我們連自己是什么都不清楚，談何向前發(fā)展。發(fā)展法社會(huì)學(xué)，對(duì)于我們走出這一怪圈，發(fā)展自己法理學(xué)，構(gòu)建我們中國(guó)人自己的法律理想圖景，具有重要意義。

其次，在研究方法上，法社會(huì)學(xué)方法的應(yīng)用，使得法學(xué)家們不必再拘泥于注釋法學(xué)般的工作，也不必再僅僅依靠引進(jìn)西方法哲學(xué)來促進(jìn)自身的發(fā)展，而是可以以中國(guó)廣大的社會(huì)為對(duì)象，進(jìn)行調(diào)查研究與實(shí)證分析，這對(duì)于中國(guó)法學(xué)的自覺發(fā)展具有重要而深刻的意義。

第三，在學(xué)科完整性上，法社會(huì)學(xué)本身就是法理學(xué)中不可分割的一部分。法理學(xué)作為整個(gè)法學(xué)研究的指導(dǎo)學(xué)科，而法社會(huì)學(xué)這一交叉學(xué)科能夠很好地對(duì)各種資源進(jìn)行整合，從而發(fā)展出獨(dú)立的法學(xué)成果和資源，對(duì)于法理學(xué)乃至其他法學(xué)學(xué)科的發(fā)展有重要作用。

第五篇：核磁共振法在高分子材料中的應(yīng)用

核磁共振法在高分子材料中的應(yīng)用

摘要：本文介紹了不同核磁共振方法和技術(shù)在高分子材料研究中的應(yīng)用。主要論及核磁共振的常規(guī)氫譜、碳譜、多脈沖技術(shù)，以及固體核磁共振儀、核磁共振成象技術(shù)和核磁共振在高分子科學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：核磁共振方法；高分子材料

核磁共振波譜是研究原子核在磁場(chǎng)中吸收射頻輻射能量進(jìn)而發(fā)生能級(jí)躍遷現(xiàn)象的一種波譜法。通常專指氕原子的核磁共振波譜(質(zhì)子核磁共振譜)的研究。同一核素的原子核在不同化學(xué)環(huán)境下能產(chǎn)生位置、強(qiáng)度、寬度等各異的譜線，為研究復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)提供重要的信息。

1核磁共振基本原理

核磁共振研究的對(duì)象為具有磁矩的原子核。原子核是帶正電荷的粒子，其自旋運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生磁矩，但并非所有同位素的原子核都有自旋運(yùn)動(dòng)，只有存在自旋運(yùn)動(dòng)的原子核才具有磁矩。原子核的自旋運(yùn)動(dòng)與自旋量子數(shù) I 相關(guān)，I＝0 的原子核沒有自旋運(yùn)動(dòng)，I≠0的原子核有自旋運(yùn)動(dòng)。核磁共振研究的主要對(duì)象是 I＝1/2 的原子核，這樣的原子核不具有電四極矩，核磁共振的譜線窄，最易于核磁共振檢測(cè)。原子核同時(shí)具有電荷及自旋，根據(jù)古典電磁學(xué)理論，旋轉(zhuǎn)的電荷可視為環(huán)電流，故原子核也有對(duì)應(yīng)的磁矩μ，其與自旋角動(dòng)量P 成正比，關(guān)系如下：

μ = γ P = γI(1.1)磁矩和自旋角動(dòng)量之間的比例常數(shù)定義為旋磁比γ，旋磁比隨原子核種類而有所不同，I為自旋算符，P為角動(dòng)量算符，是Plank常數(shù)h除以2π。當(dāng)受到外加磁場(chǎng)B0影響時(shí)，具自旋角動(dòng)量的原子核其能級(jí)會(huì)分裂為（2I＋1）個(gè)非簡(jiǎn)并態(tài)，兩個(gè)能級(jí)的能量差為 ΔE＝－γ B0。核磁共振就是樣品處于某個(gè)靜磁場(chǎng)中，具有磁距的原子核存在著不同能級(jí)，用某一特定頻率的電磁波來照射樣品，并使該電磁波滿足兩個(gè)能級(jí)的能級(jí)差條件，原子核即可進(jìn)行能級(jí)之間的躍遷，發(fā)生核磁共振。在考慮磁距與磁場(chǎng)相互作用時(shí)，可以用量子力學(xué)或經(jīng)典力學(xué)加以處理。每一種處理都有其方便之處。對(duì)于弛豫和交換過程以經(jīng)典處理更為合適；而在討論化學(xué)位移和自旋耦合時(shí)，須要使用能級(jí)知識(shí)，因而要用量子力學(xué)進(jìn)行處理。核磁共振在聚合物研究中的幾種用途 2.1高分子的鑒別

1H-NMR主要研究化合物中1H原子核的核磁共振。它可提供化合物分子中氫原子所處的不同化學(xué)環(huán)境的它們之間的相互關(guān)聯(lián)的信息，從而確定分子的組成、連接方式及空間結(jié)構(gòu)等。而113C-NMR主要研究化合物中碳的股價(jià)結(jié)構(gòu)，特別是在高分子結(jié)果分析中，研究的歸屬很有意義。高分子化合物主要由碳?xì)浣M成，所以用1H譜和13C譜來研究聚合物的結(jié)果無疑是很合適的，特別能解決結(jié)構(gòu)分析問題。而對(duì)于一些結(jié)構(gòu)類似的聚合物，紅外光譜圖也基本類似，這是利用1H-NMR或13CNMR就很容易鑒別。例如：聚烯烴的鑒別，聚丙酸乙烯酯和聚丙烯酸乙酯的鑒別及未知物的鑒別等。

2.2共聚組成的測(cè)定

由于NMR譜峰的強(qiáng)度與該物質(zhì)相應(yīng)的元素有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，尤其是對(duì)于1H-NMR，共振峰的積分面積正比于相應(yīng)的質(zhì)子數(shù)，所以可以通過直接測(cè)定質(zhì)子數(shù)之比而得到各基團(tuán)的定量結(jié)果。因此，利用NMR研究共聚物組成最大地有點(diǎn)事不用依靠已知標(biāo)樣，就可以直接測(cè)定共聚物組成比。

2.3支化結(jié)構(gòu)的研究

碳譜中支化高分子和線型高分子產(chǎn)生的化學(xué)位移不同，由于支鏈會(huì)影響到主鏈碳原子的化學(xué)位移，且支鏈的每一個(gè)碳原子也有不同吸收，所以支化結(jié)構(gòu)為一系列復(fù)雜的吸收峰。

2.4高聚物立構(gòu)規(guī)整性測(cè)定

只有通過研究鏈的精細(xì)結(jié)構(gòu)才能夠觀察到同一氫核在不同立體化學(xué)環(huán)境中的差別，必須在高磁場(chǎng)強(qiáng)度下測(cè)量。核磁共振技術(shù)在高分子材料研究中的具體應(yīng)用 3.1固體核磁共振波譜技術(shù)

NMR核磁共振波譜儀是高分子材料結(jié)構(gòu)和性能的重要表征技術(shù)。近年來,NMR新技術(shù)層出不窮,已可以從分子水平研究材料的微觀結(jié)構(gòu)。NMR成像技術(shù)可以跟蹤加工過程中的結(jié)構(gòu)和形態(tài)的變化。固體高分辨率NMR技術(shù)已經(jīng)在高分子結(jié)構(gòu)研究中應(yīng)用十多年了。它特別適用于兩種情況1)樣品是不能溶解的聚合物,例如交聯(lián)體系;2)需要了解樣品在固體狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)信息,例如高分子構(gòu)象、晶體形狀、形態(tài)特征等。由于13C的自然豐度較低,磁旋比也小,所以往往對(duì)樣品采用魔角旋轉(zhuǎn)(MAS)、交叉極化(CP)及偶極去偶(DD)等技術(shù)來強(qiáng)化檢測(cè)靈敏度。固體NMR譜的各向異性加寬作用可以通過MAS加以消除,從而獲得與溶液譜一樣的自旋多重化精細(xì)譜帶,使峰變窄,提高分辨率。高功率的質(zhì)子偶極去偶技術(shù)(DD)用來消除H-X(X=13C,19F,29Si)的偶極作用。交叉極化(CP)則通過Hartman-Hahn效應(yīng),在合適的條件下采樣,可以提高檢測(cè)靈敏度。MAS/DD/CP三項(xiàng)技術(shù)綜合使用,便可得到固體材料的高分辨C-13核磁共振譜。

固體NMR在高分子材料表征中的重要用途之一是形態(tài)研究,高分子鏈可以有序的排列成結(jié)晶型或無規(guī)的組成無定形型,結(jié)晶型和無定形型相區(qū)在NMR中化學(xué)位移不同,可以很容易地加以區(qū)別。NMR技術(shù)的各種馳豫參數(shù)也可用來鑒別多相體系的結(jié)構(gòu)。尤其當(dāng)各相的共振峰化學(xué)位移差別很小時(shí),馳豫參數(shù)分析相結(jié)構(gòu)就顯得格外重要。相結(jié)構(gòu)研究中常用的馳豫參數(shù)有自旋-晶格馳豫(T1),自旋-自旋馳豫(T2)及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中的自旋-晶格馳豫(T1p)等。對(duì)于多相聚合物體系,如熱塑性彈性體,由硬段和軟段組成,由于軟,硬相聚集態(tài)結(jié)構(gòu),玻璃化溫度上的明顯差別,在NMR實(shí)驗(yàn)時(shí),可利用軟,硬段馳豫時(shí)間的不同,來分別研究軟硬相的相互作用及互溶性。彈性體材料有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值,因?yàn)閺椥泽w在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上可以進(jìn)行取向運(yùn)動(dòng),且在高彈態(tài)時(shí)偶極耦合作用比玻璃態(tài)時(shí)小,特別適用于固體NMR來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。只要采用較低的MAS轉(zhuǎn)速及較低的偶極去偶功率,就可以得到高分辨的固體NMR譜,從而分析其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.2 二維核磁共振波譜技術(shù)

二維核磁共振譜的出現(xiàn)和發(fā)展,是近代核磁共振波譜學(xué)的最重要的里程碑。J.Jeener在1971年首次提出了二維核磁共振的概念,但并未引起足夠的重視。Ernst對(duì)核磁共振技術(shù)的大量卓有成效的研究,再加上他對(duì)脈沖-付立葉變換核磁共振的貢獻(xiàn),Ernst教授榮獲了1991年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這進(jìn)一步說明了二維核磁共振的重要性。

異核2DNMR技術(shù)在研究高分子鏈時(shí),根據(jù)1H譜與13C譜化學(xué)位移的相關(guān)性,在對(duì)H1譜進(jìn)行構(gòu)象-序列分析方面,可發(fā)揮很大的優(yōu)勢(shì)。如下例所示:二維核磁共振研究PVC的微觀結(jié)構(gòu)。利用二維核磁技術(shù)研究PVC的基礎(chǔ)在于已經(jīng)建立了一維核磁共振的碳譜和氫譜并且對(duì)譜峰有了一定的結(jié)構(gòu)歸屬。二維核磁共振相關(guān)譜可以進(jìn)一步提高碳譜和氫譜的分辨率,完整的給出PVC的空間序列結(jié)構(gòu)。在PVC的一維氫譜中,不能很好地分辨不同空間序列結(jié)構(gòu)中的亞甲基質(zhì)子。次甲基-亞甲基耦合形式很復(fù)雜,但用二維NMR實(shí)驗(yàn)可以解決這些問題。如圖3~5所示。

用固體核磁技術(shù)與二維核磁技術(shù)相結(jié)合,可以表征固態(tài)物質(zhì)的非均勻性。用液態(tài)中的NMR交叉馳豫有關(guān)的現(xiàn)象可以研究固態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。圖6為苯乙烯和聚乙烯甲基醚的二元共混體的1D固態(tài)質(zhì)子NMR譜,澆鑄是在甲苯(共混體BT)或氯仿(BC)溶液中加入石油醚而得,譜圖上僅由微小差別,并不能得出不均勻性的結(jié)論。圖6a,b是二元共混體的的2D自旋擴(kuò)散譜。

芳香族質(zhì)子峰是聚苯乙烯的特征峰,而OCH3,OCH峰則是由聚乙烯甲基醚產(chǎn)生的,這兩峰間的自旋擴(kuò)散提供了所需的信息。BC共混體的2D譜在上述共振間無交叉峰,因而應(yīng)是均勻的,看來沒有含兩種高聚物的混合區(qū)域。BT共混體的2D譜則顯示不同高聚物峰間強(qiáng)的交叉峰,因此,有一個(gè)兩高聚物在分子水平上混合物的均勻區(qū)域。結(jié)果證明,不同區(qū)域的準(zhǔn)確組份不能用2D自旋擴(kuò)散譜單獨(dú)測(cè)定。然而,結(jié)合選擇性飽和實(shí)驗(yàn),證明用一簡(jiǎn)單的三相模型可以得到共混體BT的組份。雖然在概念上實(shí)驗(yàn)是很簡(jiǎn)單的而結(jié)果卻很豐富,但實(shí)驗(yàn)的要求卻比溶液中嚴(yán)格的多。為了得到足夠的譜分辨率需要魔角樣品旋轉(zhuǎn),多脈沖偶極去偶。結(jié)語

NMR技術(shù)即核磁共振譜技術(shù)，是將核磁共振現(xiàn)象應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)測(cè)定的一項(xiàng)技術(shù)。對(duì)于有機(jī)分子結(jié)構(gòu)測(cè)定來說，核磁共振譜扮演了非常重要的角色，核磁共振譜與紫外光譜、紅外光譜和質(zhì)譜一起被有機(jī)化學(xué)家們稱為“四大名譜”。目前對(duì)核磁共振譜的研究主要集中在1H和13C兩類原子核的圖譜，其在高分子材料中的應(yīng)用得到很好的發(fā)展。

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