《内蒙古科技大学学报》稿约

石墨相氮化碳的研究进展李伦;宋金玲;王宝英;段成林【摘要】氮化碳近年来在光催化领域备受关注,具有特殊的电子光学结构以及优异的化学稳定性能,且禁带宽度非常有利于可见光的吸收,在利用太阳能降解有机污染物方面具有很大的前景.由于它本身比表面积小,产生的光生电子和空穴易复合,抑制了催化剂的光催化活性.在此本文系统的介绍了氮化碳的结构,性能和催化机理,综合了近年来的改性手段,包括改善制备工艺,以及对其进行纳米化,掺杂,官能化,复合等方法,提高比表面积和改善能带结构,并对其以后的发展进行了展望.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2017(036)004【总页数】6页(P377-382)【关键词】光催化剂;光生电子和空穴;能带结构【作者】李伦;宋金玲;王宝英;段成林【作者单位】内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010【正文语种】中文【中图分类】TQ426近年来，环境污染，资源短缺已经愈发成为困扰人类的主要问题.怎样降解污染，使资源能够循环使用，是人类面临的巨大挑战.对于我们赖以生存的家园，太阳能是我们自古以来，取之不尽用之不竭的清洁能源，如何把用不尽的太阳能转化为我们所需的能量，去创造更多的有益价值，这就是我们所探索的问题.于是，人们发现了光催化剂.简单来说，就是在光的照射下，光催化剂捕获电子，能够更加有效的、高速的催化反应的进行，把有机大分子污染物质迅速分解为无污染的小分子[1，2]，以实现污染物的降解.随着光催化剂研究的发展，光催化剂也有了日新月异的更新换代，从最开始研究的二氧化钛[3]到如今的氮化碳[4～7]，催化剂一直在向廉价、稳定、高性能、环保等方向进行.而今，氮化碳以其稳定的化学性质和热力学性能，引起了广泛关注.1 氮化碳的结构性能和光催化机理石墨相氮化碳是氮化碳中结构最为稳定的同素异形体.与石墨结构类似，石墨相氮化碳呈平面网状，空间层状结构，层间距略小于石墨层间距.其中，C与N元素以sp2方式杂化形成高度离域的Π电子共轭体系，Npz轨道组成氮化碳聚合物的价带(HOMO)，Cpz轨道组成氮化碳聚合物的导带(LUMO)，价带导带之间的禁带宽度大约为2.7 eV[8]，非常有利于吸收可见光.氮化碳在光催化方面表现了极强的优越性.能够吸收大部分的可见光，作为光催化剂，在自然光照射下，光解水制氢，光解CO2，光解有害气体[9，10]，光解有机污染物等效率都有大幅度提升.如图1所示[11]，当半导体受到光源照射时，光子能量大于或等于禁带宽度时，位于价带上的自由电子受到激发跃迁到导带上，这样价带上留下空穴，形成光生电子空穴对，也就是载流子.载流子有四种迁移途径[12]，一种是迁移到催化剂表面复合；第二种是迁移过程中在催化剂内部复合.这两种迁移过程，复合之后不再参与光催化作用，所以极大程度上限制了催化剂的效率.第三种是迁移到催化剂表面的空穴可以直接与表面的有机分子发生反应，或者与吸附的水分子或羟基反应生成羟基自由基；第四种是迁移到表面的光生电子与催化剂表面的氧分子或水分子反应生成这两种方式生成的活性基团参与到后续的光催化反应中，从而有效降解有机污染物.图1 g-C3N4光催化机理图Fig.1 Photocatalytic mechanism of g-carbon nitride2 氮化碳的制备方法由于光催化反应大多在光催化剂的表面发生，所以制备比表面积较大的氮化碳，可以大大提高光催化剂的催化效率.目前，通常用含氮前驱体通过热缩聚反应生成的氮化碳，往往是一些块状或片层状聚合物，比表面积较小.如果通过改变制备方法来得到不同形貌的氮化碳，氮化碳的发展将会有很大的提升空间.2.1 缩聚法最传统的制备氮化碳的方法就是缩聚法，这种方法是将含氮前驱体置于坩埚中，高温马弗炉中煅烧，研磨，如此就制备出了氮化碳.由于这种方法制备的氮化碳比表面积较小，所以前驱体的选择还是至关重要的，人们也一直在探索效果较好的前驱体：单氰胺、双氰胺、三聚氰胺[3]、尿素等.实验发现三聚氰胺和尿素制备出的氮化碳催化效率比较高.另外一种增大比表面积的方法就是对制备出的氮化碳继续煅烧两到三次，也能使其变得疏松，比表面积增大.2.2 模板法采用模板法制备多孔氮化碳，可以在一定程度上提高氮化碳的比表面积.这种方法是将孔径可调的纳米孔结构加入到氮化碳的结构中，这样比表面积增大，催化效率就会提高.模板法分为硬模板法和软模板法两种.硬模板法一种是将有序硅基材料作为硬模板，含氮前驱体乙二胺和四氯化碳注入到模板当中，加热或回流条件下蒸干或聚合，然后高温焙烧，最后用氢氟酸或氢氧化钠刻蚀除去二氧化硅.另一种硬模板法是采用二氧化硅纳米颗粒作为模板，和含氮前驱体腈氨合成介孔氮化碳，其最大比表面积可达439 m2/g.由硬模板法合成出的氮化碳材料孔隙较多且规则整齐，比较面积和孔容较大，在氮化碳内部的孔隙中就能进行催化反应，且自身性质保持稳定，因此化学稳定性较好，催化能力较高.除此之外是软模板法，方法是表面活性剂自组装法，用含氮化合物作为前驱体，经过聚合，碳化，高温焙烧得到多孔氮化碳.这种方法制作的介孔氮化碳方法简单，周期较短.李敏等[14]采用这种方法，发现由于焙烧时温度高，容易使模板剂分解，破坏多孔结构，所以，这种方法还待进一步研究.2.3 超分子自组装法与模板法相比，超分子自组装法无需模板，操作简便.这种超分子自组装法就是利用含氮前驱体分子之间弱的相互作用，范德华力、氢键以及静电力等，自发的构成高级有序的超分子组装体，再进行焙烧聚合成氮化碳材料.Thomas等[15]做法是在二甲基亚砜溶剂中，将摩尔比相等的三聚氰胺和三聚氰酸溶解，通过自组装形成超分子，进一步将其焙烧，就制备出由纳米片构成的氮化碳空心球.这其中，通过控制溶剂、温度、氢键等可以改变氮化碳形貌、光的吸收和发射性能.通过提高焙烧时的温度，还可以增大氮化碳的比表面积，从而提高光催化效率.Shalom等[16]详细研究了溶剂和焙烧温度与氮化碳结构形貌的关系，当用乙醇、水和氯仿分别作为溶剂时，得到的分别是规则的薄饼状三聚氰胺-三聚氰酸超分子，棒状形貌和针状结构.并且发现延长焙烧时间能够使空心纳米结构生长的更完整，如图2所示.综合超分子组装法制备氮化碳发现，与一般方法制备的氮化碳相比，结构没有什么变化，但是可见光吸收性能更强，带隙更宽，光生电子寿命更长.图2 三聚氰酸-三聚氰胺组装体在550 ℃氮气气氛中焙烧12 h后的SEM照片Fig.2 SEM photographs of cyanuric acid melamine composite after calcination in 12 h at 550 ℃ in N2 atmosphere3 氮化碳的改性氮化碳在光催化方面前景非常广阔，如何提高光催化效率就成为备受关注的问题.提高效率的关键在于提高氮化碳作为催化剂的光生电子和空穴的分离效率，所以大致上从掺杂、官能化以及复合几个方面入手.3.1 氮化碳纳米改性纳米改性现在也是研究热点之一，有些研究人员把氮化碳的改性转移到了这一方面.张千[17]等人通过醇处理，酸处理，煅烧法三种方法得到了氮化碳的纳米薄片.通过一系列表征方法发现煅烧法得到的纳米薄片在尺寸和形貌上都是最佳的，纳米片片薄透明，厚度大约50 nm，且结晶区域较多，克服了氮化碳本身比表面积小的缺陷，提供了更多的反应活性位点，对罗丹明B的降解效率达到了82%.张明文等[18]通过在氮化碳纳米片层加入芳环基团，调控g-C3N4的共轭结构，既增强了表面传质，又降低了带隙宽度，促进了光生电子和空穴的分离与迁移，使420 nm 处的量子效率达到8.8%.3.2 氮化碳官能化由于氮化碳的能带位置，导致不能像羟基自由基一样产生氧空穴，这就大大限制了氮化碳的应用范围.针对这一点，人们做了大量的工作，在不破坏氮化碳结构的条件下，对氮化碳表面进行官能化处理.官能化包括对表面羟基化，羧基化，质子化等.目前所做的研究中，表面羟基化对于光生空穴的产生起到缺陷作用，反过来，又能产生活跃的羟基自由基.Zheng等[19]对这方面进行了深入的研究，他们将制备好的g-C3N4和不同浓度的H2O2进行简单的超声处理，如此一来，就得到有浓度梯度的羟基化的氮化碳.从表征结果来看，表面羟基化保留了氮化碳原有的分子结构，20%的双氧水降解效率最好，这催化反应过程中，通过抑制反应发现，超氧自由基对于降解起到了关键性作用.超氧自由基是将羟基引入到g-C3N4表面后形成的，具体形成机制以及催化机理还待进一步研究发现.图3 氮化碳表面羟基化前后结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the surfacestructure of carbon nitride before and after hydroxylation3.3 氮化碳掺杂氮化碳掺杂主要分为两类掺杂，金属掺杂和非金属掺杂，掺杂可以使氮化碳内部结构发生一些改变.能够使波长吸收阈值增大，扩宽光吸收范围.还能使禁带宽度变窄，有效降低带隙能.3.3.1 金属离子掺杂半导体氮化碳中掺杂金属，可以有效增大比表面积；与此同时，金属对于电子的俘获能力很强，抢占电子，使半导体中电子被激发，从而降低催化剂内部光生电子和空穴的复合.不仅如此，掺杂金属可以在能级中加入杂质能级或形成缺陷，减少带隙能.金属掺杂的稳定性与所掺杂的金属的原子半径，以及核外电子排布有关.Ni，Ru，Pd，Ag金属掺杂之后，导致单层g-C3N4发生较大形变，从而破坏了原来的二维平面结构.李鹏[20]等做了过渡金属元素Mn，Cu，Au与氮化碳的掺杂实验，通过软件包CASTEP和密度泛函数计算得出结论，掺杂这些金属元素后，并不影响氮化碳本身的构型，而且还有效降低了带隙能.当中，Mn的带隙能量减小最为明显，吸收阈值甚至扩大到了红外范围.Au原子的掺杂在单层氮化碳结构的价带顶处引进了新能级，这种特性使价带电子仅需相对较低的能量就能够跃迁至导带，从而提高了氮化碳的光催化活性.其他的，Fe[21]，Ag[22]，Co[20]，K[23]，Ce[24]等，都可以使氮化碳保持结构，并且提高氮化碳的催化性能.Rh, Os, Ir, Pt等[20]还有待进一步研究.3.3.2 非金属离子掺杂2001 年，Asahi发表了氮掺杂TiO2的研究成果，该项研究开创了非金属元素掺杂制备光催化剂的先河[25].非金属掺杂可有效的调控催化剂的光吸收范围，而且实验过程简单方便，引来大量研究学者的目光.经报道，能够成功掺杂的非金属元素有B，C，O，F，P，S，I等.B掺杂可使进入氮化碳阵列，形成一种二维结构.C主要是以碳纳米管形式掺杂，形成异质结平面.随着C纳米管的增加，氮化碳的比表面积增大，但是掺杂量不宜过大，容易堵塞，低含量的掺杂能够有效抑制光生载流子的复合，提高光催化效率.李江华等掺杂O，氧进入到催化剂内部，打破原有平衡，电子多余出来的就会重新分到碳周围，形成缺陷能级，降低导带电势[26].F 掺杂后，C-F键掺杂进氮化碳晶格内，会使一部分sp2C变为sp3C，催化剂平面发生扭曲.徐赞等用磷酸氢二氨一步法合成了P掺杂的催化剂，制备出的催化剂对罗丹明B和甲基橙的降解率显著提高[27].Ma等从理论上叙述了S的掺杂原理，S 掺杂进g-C3N4采取取代式，优先取代边缘的氮原子.Zhang等掺杂I光解产氢，使光波长吸收范围增加到600 nm，且产氢效率明显提高[28].3.4 氮化碳复合氮化碳的激子结合能很高可是结晶度低，不过我们可以利用氮化碳较高的导带位置以及较好的光吸收能力和其他材料复合，这样形成异质结构，扬长避短，促进激子解离，加速光生电子空穴的迁移效率.利用这些优良性能，人们已经开发了一系列的两元复合材料.例如与宽禁带半导体复合，包括与TiO2，ZnO等，氮化碳将产生的光电子注入到宽禁带宽度的导带上，可以提高半导体的稳定性.可以和窄禁带宽度的半导体复合，包括和TaON形成异质结构，和BiOX[13]等复合模拟降解水中污染物.可以与石墨烯等碳材料复合，能够有效抑制光生载流子的复合.Liqun Ye等[29]BiOBr-g-C3N4 10 mg/L Rhodamine B，光催化效率效率达95%.Yu Zheng等[19]羟基化g-C3N4，20 min时几乎将罗丹明B降解完全.Simin Matloubi Aghdam等[30]制备了BiOI-BiOCl/C3N4，BiOI(50)-BiOCl(30)/ C3N4(20)复合材料最高的光催化活性，对acid orange 7 (AO7)酸性橙最高降解率98%，比g-C3N4提高38%.Junze Zhao等[31]制备了g-C3N4/Bi4O5Br2，10% g-C3N4/Bi4O5Br2复合材料光催化性能最高.对CIP降解率能达到70%，对RhB能达到85%.本课题组主要在做半导体之间复合，形成异质结.将Bi系材料与氮化碳复合，提高光生电子和空穴的效率，从而提高催化效果.此外，氮化碳还可以与聚合物复合，与聚苯胺复合可以用于降解甲基蓝的研究中.最近，三元复合体系逐渐发展起来.Tang[32]课题组制备了三元磁性氮化碳，将Fe3O4以及聚氮-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)[33～35]与氮化碳复合.Fe3O4由于其良好的物理化学性能，现在收到越来越多的关注.Fe3O4导电性能非常好，能够很快的传输电子，并且能降低光生电子和空穴的结合率，这一点能够有效的增强光催化活性.其次，Fe3O4本身具有磁性，这样就能利用这一特性，用外部磁铁将其从反应当中分离出来[36～38].PNIPAM是一种热敏聚合物，当温度低于最低临界温度(32 ℃)时，聚合物和水之间的氢键就会使得聚合物表现出亲水性和膨胀性.相反的，升高温度的话，随着氢键断裂，PNIPAM分子链也会断裂，导致疏水性能产生.这样，就使得PNIPAM具有良好的可控性能.氮化碳本身不可控而且不方便回收，基于以上几点，先把氮化碳和Fe3O4复合，然后在其表面加上聚合物PNIPAM.这样制备的三元体系，既能提高催化剂活性，又能使得反应在温度的调控下具有可逆性，反应结束便于回收.三元体系能够更好的调控氮化碳，所以这方面的研究在与日俱增.4 展望氮化碳的改性，对未来的光催化领域影响很大.改性三个比较重要的问题，首先，光的捕获，其次，光生电子和空穴的分离，再者就是提高实用价值.氮化碳催化效率提高了，对于污染物的降解就能迅速高效.我们最终的目标是应用于实际，对我们的生产和生活起到实质性的作用[39].在以后的研究方向上，可以在调控催化剂能带结构方面，共聚纳米改性，掺杂金属盐类、贵金属、稀土方面，以及在Z型光催化反应体系方面和催化剂的回收方面继续研究[40，41].克服氮化碳本身光生载流子易复合的缺陷，利用氮化碳本身的优异性能，提高应用范围.参考文献：[1] Zhang J, Wang X. 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医学影像获取与传输平台的研究与设计吕晓琪;刘静【摘要】结合DICOM标准和PACS系统,详细分析了影像获取、传输及存储技术,搭建医学影像获取与传输平台.利用DCMTK,VS2005软件包编写相关应用程序.实现了标准医学影像的获取、传输与短期存储,并测试通过.该平台的实现为医生的诊疗过程提供了便利.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2011(030)001【总页数】4页(P43-46)【关键词】医学影像;获取;传输;存储;DCMTK【作者】吕晓琪;刘静【作者单位】内蒙古科技大学信息工程学院,内蒙古,包头,014010;内蒙古科技大学信息工程学院,内蒙古,包头,014010【正文语种】中文【中图分类】TP391随着计算机技术的迅猛发展、医疗设备的更新换代，医院人员在诊断、教学、科研等工作中越来越多的依赖医疗设备的检查结果.获取高质量的医学影像信息，是医师诊断、临床治疗最为关键的前提条件;快速获取影像设备产生的影像，是提高医院工作效率，缩短患者痛苦时间的直接方法.为了实现医学影像信息在不同系统、不同应用之间的交换共享，规范不同厂商医疗设备影像的存储方式以及其传输方式，美国放射学会(ACR)和全美电子厂商联合会(NEMA)联合制定了医学影像传输标准，DICOM(Digital Imaging and CommunicatiOIlS in.Medicine)即医学数字影像和通信标准.目前DICDM标准已经发展到3.0版，它已经成为医学领域影像获取与传输的通用标准，为各厂商设备之间的交互衔接提供了统一接口.医院PACS(Picture Archiving and Communication System)系统都是在完全遵循DICOM标准的基础上搭建而成的，这使得医院获益匪浅.PACS即影像归档和通信系统［1］，是应用在医院影像科室的系统，其主要的任务就是把日常产生的各种医学影像(包括核磁、CT、超声、X光机、红外仪、显微仪等设备产生的图像)通过各种接口(模拟、DICOM，网络)以数字化的方式海量保存起来，当需要的时候在一定的授权下能够很快地调回使用，同时增加一些辅助诊断管理功能.由于医疗影像设备接口类别众多，同时每天产生大最数据，所以如何在各种影像设备间传输数据和如何组织存储数据对于系统至关重要.本文所设计的平台是在影像科室级PACS系统的基础之上搭建的，它介于成像设备、影像存储服务器和医生工作站之间，是PACS系统的一部分.其作用是获取、保存短期内成像设备产生的影像，并将这部分影像分别传送给影像服务器和相关的医生工作站;或等待医生工作站对短期影像的查询下载，以减少医生工作站与影像存储服务器的频繁接触;同时也可以提高影像的查询速率，便于医生快速诊断. PACS系统中最重要的组成部分是影像获取.影像获取是指从医疗影像设备中获取患者一定检查部位的相关影像信息的过程.该过程是PACS影像归档与传输系统的影像来源，获取影像的质量好坏不仅关系到医生对患者病情的诊断是否准确，而且关系到患者的切身利益，因此其在整个PACS系统中的地位是不可替代的.影像传输是指由影像设备产生的影像数据在网路上传输的过程［2～4］.影像传输的目的在于实现医学影像信息的共享，提高影像信息利用率，便于不同医师的诊断与治疗.随着医疗技术的不断提高，医疗设备也逐步改进.目前大部分的医疗影像设备都可以按照DICOM标准来输出影像，该部分影像可以直接通过网线连接进入PACS传输系统.为了实现不同医疗影像设备之间的互联，DICOM标准定义了基于ISO/OSI网络模型和TCP/IP网络模型的网络通信协议和消息交换机制.首先来分析一下DICOM 的通信过程.DICOM通信过程一般包括连接建立、连接协商、数据传输和连接关闭等.连接建立.请求方向接收方发送一个连接请求协议数据单元PDU，接收方在接收到该PDU时对其进行解析，然后确定接收或拒绝该PDU，并返回一个响应给请求方.只有当接收方返回接收响应时双方通信才会成为可能.连接协商.连接协商的目的是确定通信双方传输的数据类型以及数据编码方式等. 数据传输.连接协商之后，传输的数据会被封装成DICOM标准中定义的P DATA TF PDU结构形式进行传输.连接关闭.数据传输完毕后，为了不妨碍其他用户的连接请求，通信双方任一方都可以终止连接.完成一次通信过程.针对医院影像数据的特点，PACS系统对存储做出了一定的要求［5］:(1)海量存储.PACS中可以存放大量的医学影像资料.(2)高速传输.对访问存储的速度要求很高.(3)高可靠性和高可用性.不间断使用的过程中如果出现故障应能够在最短时间内恢复使用.(4)可扩展性和兼容性.影像资料数据随时间的推移不断增加，系统的存储容量应当便于扩展以满足医院对容量的需求.(5)数据安全、备份与恢复.确保影像数据不被泄露、篡改，同时可以将过时的影像数据备份到其他存储设备中，以减轻系统存储负担，提高访问速率.目前，PACS中影像存储的方式主要有三种:在线存储、近线存储和离线存储.在线存储是指将影像保存在各科室的影像工作站中，本地硬盘作为在线存储设备.主要存储使用频率高的影像数据.近线存储是指将影像存储在医院影像存储服务器中.目的是存储使用频率较低的影像数据.离线存储主要针对年限较长、使用几率很低的影像数据.医院中都有各自专用的医学影像服务器来存储影像.搭建影像服务器的工具有很多，如SQL，Oracle等，专门用于搭建大型的影像存储服务器，以满足医院的海量存储需求.本平台是PACS系统的一部分，目的是从成像设备获取DICOM影像并在较短的期限内保存这些影像，因此系统存储的影像量并不是很大.所以根据其需求分析，采用近线存储的方式来存储从成像设备获取的医学影像，并采用DCMTK的dcmqrdb来搭建一个简易影像数据库.本系统介于成像设备与影像服务器、医生工作站之间，其功能如下:(1)接收成像设备推送过来的影像，保存短期常用影像;(2)将即时影像直接推送给各科室，以便于诊断医师的及时诊断治疗;(3)将影像上传至影像存储服务器，便于影像的集中管理;(4)监听医生工作站的查询请求，满足医生诊断所需的短期内的影像资料，减少医生工作站对影像存储服务器的频繁接触，减轻其负担，同时也能够提高影像查询传输的速率，便于医生快速诊断治疗.系统开发环境为:操作平台为简体中文Windows 2000，开发工具包为 DCMTK，编程环境为VS2005，测试工具为JDICOM.DCMTK的dcmqrdb模块含了一个简易的影像归档文件，用于管理若干存储区域并允许影像通过DICOM的存储服务类存储在这些区域中.它也支持图像属性的查询以及图像本身的检索.dcmqrdb模块包含了以下三个工具:dcmqridx:将DICOM图像文件添加注册到图像数据库索引文件中. dcmqrscp:提供一个简易DICOM图像数据库服务器SCP.dcmqrti:提供Telnet客户程序的终端指示器.本文重点设计的是dcmqrscp，在客户端不同的情况卜，它既可以充当与存储服务类使用者storescu相对应的存储服务类提供者storescp的角色，也可以充当findscu及movescu的查询检索服务类提供者的角色.使用dcmqrscp建立影像数据库服务器需要经以下步骤［1］:dcmqrscp.cfg文件配置.该配置文件包括四个部分，分别是:网络全局参数设置NetworkType=”tcp” //网络类型为TCPNetworkTCPPort=104//网络端口号为104MaxPDUSize=16384 //最人接收数为16384MaxAssociations=16 //最大连接数为16Display=”no” //不显示HostTable主机表.网络DICOM应用实体集，它为网络中的每个DICOM应用实体定义一个相应的符号名，其定义格式为:符号名=(应用实体名，主机名，端口号)，…”以及“符号名=符号名，符号名，…”.HostTable BEGINfindscu=(FINDSCU，HostName，104)movescu=(MOVESCU，HostName，5678)storescu=(STORESCU，HostName，104)storescp=(STORESCP，HostName，5678)ANY=findscu，movescu，storescu，storescpHostTable ENDVendorTable厂商表，dcmqrdb在提供C-MOVE服务时可以使用VendorTable 来限定移动目的地的应用实体名.其定义格式为“供应商名=符号名”，符号名必须在HostTable中已定义.VendorTable BEGTN”DCMTK AEC”=ANY”DCMTK AET”=ANYVeIadorTable END应用实体表.从左到右依次为应用实体名、该应用实体名所对应的存储区域的路径、对应存储区的访问属性(R│RW│W)、配额格式和符号名，AETable BEGINCOMMON\home\dicom\db\COMMON RW (200，1024mb)ANYACME STORE\home\dicom\db\ACME STORE RW(9，1024mb)ANY UNITED STORE\home\dicom\db\UNITED STORE R(9，1024mb)ANY AETable END使用dcmqridx对应用实体指定的存储路径下的影像文件添加注册到影像数据库索引文件中.使用dcmqrscp建立影像数据库服务器.服务器应在系统运行时同时开启，以便于影像的接收与传送.该模块的实现涉及到的服务类工具主要有:storescu，storescp，movescu以及dcmqrscp.storescu:影像存储服务类使用者，用来传输DICOM影像.storescp:影像存储服务类提供者，用来接收DICOM影像.movescu:同时实现了一个查询/检索服务类的SCU和一个存储服务类的SCP，即在服务器查询到符合条件的DICOM文件后会将文件传送给movescu指定的目的地.实际上文件并没有被“移动”，而是产生一个副本后传送副本［3］.影像接收主要依赖于成像设备向本系统的推送.系统运行时开启影像数据库服务器，开始监听配置文件中已定义的应用实体(成像设备以及医生工作站).当成像设备向服务器发出连接请求时双方协商建立连接，然后开始传输影像数据，将影像数据存储在既定的路径下，传完毕后断开连接，服务器继续监听其他应用实体;同时在指定存储路径下注册接收到的影像文件便于检索［6］.该过程中，客户端(成像设备)使用storescu来实现影像传输功能.此时dcmqrscp充当存储服务类提供者storescp的角色来接收存储影像.影像传送主要是将系统服务器中的影像分别传送给各医生工作站和上传至医院影像数据库.二者在程序实现的方法上是一致的.该过程用movescu来实现.此时movescu与dcmqrscp处于同一用用程序中.具体实现流程如图1.影像查询下载主要是医生工作站按照影像属性主动查询下载所需影像的过程.该过程由movescu，storescp来实现，二者同时处于医生工作站系统中.具体实现流程如图2所示.本系统成功从成像设备获取了影像并将其保存在由dcmqrscp搭建的简易影像服务器中.经测试，系统可以向影像服务器和医生工作站传送系统中存储的医学影像，也可以监听医生工作站发来的查询请求，根据查询条件在系统影像服务器中查询到相关影像后将其传输给医生工作站，完成影像的获取与传输过程.系统界面如图3. ［1］陈衍斯，李彬，田联房.PACS中DICOM图像传输与存取系统的设计［J］.生物医学工程研究，2008，27 (2):103-106.［2］何清华，胡建华，欧晓光，等.基于DICOM协议的医学图像传输的实现［J］.医疗卫生装备，2002，23(4):25-27.［3］龚迅炜.医学图像存储与传输系统部分关键技术的研究与实验［D］.长春:吉林大学，2005.［4］许若飞，刘立辉，任志刚，等.PACS影像采集与通信的应用与维护［J］.医疗卫生装备，2007，28(12):39-41.［5］陆海波.PACS系统中存储技术的探讨［J］.科技前沿，2009，3(1):155. ［6］吴喆.基于DICOM的数字式乳腺机图像工作站设计［D］.长沙:湖南大学，2009.。

基于DICOM标准的医学图像查询与获取技术的研究与实现吕晓琪;任海霞【摘要】针对DICOM标准的相关协议,对DICOM标准中Query/Retrieve(查询/获取)服务类的实现进行详细分析.利用VC2005,DCMTK软件包编写符合DICOM 标准的相关应用程序.实现了DICOM医学图像的存储、查询和获取,并测试通过.该功能的实现为建立PASC系统奠定了基础.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2010(029)003【总页数】5页(P246-249,259)【关键词】DICOM;医学图像;查询;获取;DCMTK【作者】吕晓琪;任海霞【作者单位】内蒙古科技大学,信息工程学院,内蒙古,包头,014010;内蒙古科技大学,信息工程学院,内蒙古,包头,014010【正文语种】中文【中图分类】TP391随着现代医疗设备的大量出现,计算机与网络技术的迅速发展,医院管理信息系统——尤其是PACS(Picture Archiving and Communication System医学影像存档与通信系统)和远程医疗系统应运而生,可是与此同时,也产生了许多的问题,比如 CT, MR I等设备生成的高质量、形象直观的图像给医疗诊断带来便利的同时,所产生的大容量数据如何存储和有效管理?不同生产厂商、不同型号的设备产生的图像格式有可能不同,是否可以直接连接?是否能够共享信息资源?等等,而解决问题的方法就是要遵循统一的标准.因此,ACR(American college of radiology)和NEMA(National electricalmanufacturers association)共同制定了 DICOM(Digital Imaging and Communications inMedicine)医学数字图像通信标准[1],它为医学图像及其它数字信息在各种医疗设备之间的传送定义了统一的规范,目前版本为D I COM 3.0.现在,全球绝大多数医学影像制造厂商都承诺采用这一标准,并提供符合D ICOM 3.0的数字通讯接口.D ICOM 3.0已成为医学数字成像和通信的国际标准.本文基于 D I COM标准的相关协议,实现 D ICOM医学图像的远程查询及获取功能,使在局域网范围内的诊断医生、患者和其他信息交流者能方便地访问 D ICOM 医学图像信息,实现共享和远程诊断.D ICOM标准利用面向对象的技术,基于详细的信息模型(实体 -关系模型),给出了 D ICOM标准中的信息对象定义 (Information Object Definitions, IODs),以及对这些信息对象的操作——D ICOM消息服务单元 (D ICOM messageservice elements; D IMSE);同时还定义了消息 (包含医学图像或相关信息以及对他们的操作)交换的网络及点对点通讯的支持.应用这一标准的数字图像医疗设备以及PACS 只需进行一些简单的参数设置就可以交换医学图像及其相关标准.D ICOM标准主要采用了在实际中广泛应用的TCP/IP协议和影响较大的OSI协议,作为对D I COM网络支持的基础,在成熟的标准化网络环境基础上增加对医学图像的支持,而不是从最低层开始定义,可以直接利用现有的网络硬件和软件资源,促进D I COM标准的开发与应用.D ICOM标准按照提供服务或者使用服务把设备分为D ICOM服务提供者 SCP和D ICOM服务使用者 SCU,它们基于 Socket机制并采用D ICOM定义中的消息交接机制完成相关信息的交换,具体通信过程如下:建立连接:SCU建立连接时,将协商的内容,即传送内容的编码方法、字节发送的次序、图像的封装形式等内容,封装成 A-ASSOC IATE-RQ PDU(建立关联请求 PDU)通过TCP传输服务发送给 SCP.SCP收到该 PDU后,进行协商的校验,将响应数据通过TCP传输服务发送回 SCU,SCU收到连接确认 AASSOC IATE-AC PDU(建立关联允许 PDU),连接建立成功,若收到A-ASSOC IATE-RJ PDU(建立关联拒绝 PDU),连接失败.传输数据:连接建立成功后发送数据,SCU将消息数据装进 P-DATA(数据传输)PDU,通过套接字 Socket将 PDU发出.释放连接:数据传送完毕或者因某种原因不能再继续,都要释放连接.SCU释放连接时,协商信息封装成A-RELEASE-RQ PDU(释放关联请求 PDU)通过 TCP传输服务发送给 SCP.SCP收到该 PDU后,进行资源和连接的释放,发出响应数据,通过TCP传输服务发送到 SCU,SCU收到释放确认 ARELEASE-RSP PDU(释放关联响应 PDU)或A-Abort PDU(强行释放关联 PDU)后释放连接[2].Query/Retrieve服务类是D ICOM标准中一个重要的服务类,它的功能是用一些常用关键属性作为查询值,对基本的 SOP(Service Object Pair服务对象对——D ICOM信息传递的基本功能单位)Instances进行查询,并允许一个D I COM应用实体从一个远程D I COM应用实体获取 SOP Instances或者请求远程D I COM应用实体将 SOP Instances传输到另一个D ICOM应用实体.Query/Retrieve服务类采用 D IMSE-C服务中的C-F IND,C-MOVE和 C-GET服务.具体如下:C-F IND图像查询:查询客户端 C-F IND SCU发送基于图像相关信息的查询属性信息到支持 C-F IND SCP的设备 (如图像归档中心、图像产生设备等),提出查询请求,提交查询标识符;SCP在相应的层次(即病人、检查、系列、图像层)做查询;SCP返回查询的结果,把查询结果发送至请求端.在这个过程中,根据需要,SCU可以结束查询.C-MOVE图像传递:C-MOVE SCU负责把要传输图像的信息以及获取这些符合条件图像的目的端的信息发送到支持 CMOVE SCP的设备上,提出带有关键字属性的请求; SCP初始化一个存储服务 C-ST ORE,激发别的应用实体(AE)去进行图像及相关信息的传送,并处于等待状态;当图像传送完毕后,SCP返回执行情况清单给SCU,并把查询结果发送到请求信息的目的端.C-GET图像获取:这个过程与C-MOVE很相似,不过它不触发别的应用实体(AE),C-ST ORE是在本次连接中执行.DI COM标准内容多,如果完全自己编写代码来实现这些功能,是一个浩大的工程.DC MTK工具包是由德国offis公司开发的,提供了实现DI COM协议的一个平台,可以在它的基础上完成自己的主要工作,而不必把太多的精力放在实现DI COM 协议的细节问题上.故本文以W INDOWS XP+VC2005为开发平台,基于DCMTK 工具包,编写符合DI COM标准的相关应用程序来实现医学图像查询/获取功能[3,4].3.1 DCMTK工具包首先使用C Make软件得到DC MTK的工程文件,然后用VC2005编译DC MTK 工程,生成一些静态链接库.这些生成的静态链接库和头文件分别存放在 lib和include文件中,以便VC2005编程时引用.DCMTK工具包包含了十几个执行D ICOM标准的程序包,在该软件的设计中主要涉及到 dcmnet和dcmqrdb程序包,具体介绍如下:(1)dcmnet程序包.dcmnet是一个网络库,并包含实用的程序.该模块包含了实现D ICOM网络通信的所有函数集.该模块主要接口是文件 assoc.h和dimse.h中声明的结构体和函数.—assoc.h:这个文件包含为 D ICOM应用提供关联管理的程序.它维护描述活动关联的结构,提供对关联特定信息的访问,也提供程序帮助关联协议association negotiation(presentation contexts,abstract syntaxes,transfer syntaxes,max imum PDU length,and other extended negotiation).该包使用了D ICOM上层机制接收/发送关联请求/响应.每一个活动的关联由 T_ASC_Association结构表示,包含了所有相关的信息.模块前缀ASC_.—dimse.h:这个文件包含为 D ICOM应用提供dimse层的服务的程序.工具:—echoscu:D ICOM verification(C-ECHO)SCU—findscu:D ICOM query(C-F IND)SCU—movescu:D I COM retrieve(C-MOVE)SCU—storescp:D ICOM storage(C-STORE)SCP—storescu:D ICOM storage(C-STORE)SCU—termscu:D I COM termination SCU(2)dcmqrdb程序包.dcmqrdb是一个图像数据库服务器.此模块管理存储区域,并允许使用 D ICOM存储服务类将图像存储在这些存储区域中.它也允许使用D I COM查询/获取服务类查询图像属性并检索图像.工具:dcmqridx:在图像数据库检索文件中注册一个D I COM图像文件dcmqrscp:D I COM图像归档(中心测试节点) dcmqrti:互动性的程序,检查dcmqrscp图像数据库并且发送这些图像文件:下面这些文件提供进一步信息.—dcmqrcnf.txt file:—dcmqrset.txt file:3.2 功能的实现(1)查询\获取服务器端第一步:配置 dcmqrscp.cfg文件,该配置文件中定义了:全局参数,例如:NetworkType="tcp"NetworkTCPPort=104MaxPDUSize=16384MaxAssociations=16网络中D ICOM应用实体集,包含AETitle、主机名和端口号,例如:findseu:(F INDSCU,HostName,104)movescu:(MOVESCU,HostName,5678)storescu:(STORESCU,Hos tName,104)storescp:(STRESCP,HostName,5678)ANY=findscu,movescu,storescu,storescp属于相同厂商的应用实体,用于限制传送目的地为同一厂商的主机,例如: "DCMTKAEC"=ANY"DCMTKAET"=ANY存储区域并指定存储区域的访问权限,可存储字节等,例如:COMMON\home\dicom\db\COMMON RW (200,1024mb)ANYACME_STORE\home\dicom\db\ACME_STORE RW(9,1024mb)ANYUN ITED_STORE\home\dicom\db\UN ITED_ STORE R(9,1024mb)ANY第二步:利用 demqridx建立一个 index.dat索引文件,列出数据库检索文件的内容,它并没有复制D I COM图像,只包含了 D I COM图像的基本属性和路径信息,方便图像的快速查询和检索.第三步:建立 dcmqrscp服务器dcmqrscp是 dcmqrdb程序包中最重要的工具,实现图像归档功能,并执行访问受限规则对指定应用实体限制操作.具体实现过程如下:①读取配置文件,初始化网络;②加载数据字典;③使用文本数据库;④等待客户端的连接,处理客户端请求并返回结果.(2)查询\检索客户端第一步:findscu查询功能findscu只支持C-F IND message进行查询,它发送查询关键字到SCP并等待连接响应.具体实现过程如下:①检查查询关键字的数据集格式是否规范,如果不规范输出错误消息;如果规范,在数据字典里查询,若没有找到输出错误消息;找到后,进行解析并把结果返回;②加载查询文件,并推入查询文件链表;注意:查询关键字或文件必须有其一,否则提示“either que ry file or override keys(or both)must be specified”错误信息.①加载数据字典;②初始化网络参数,设定角色、端口号等;③初始化连接参数,设置可接收最大 PDU长度等;④设置客户端和服务器的 AETitle,并增加表达式上下文,建立连接;⑤根据给定查询文件或关键字多次进行查询,次数取决于参数 opt_repeatCount,读取文件,并发送C-F IND-RQ查询请求消息,接收 C-F IND-RSP查询响应消息;⑥查询完毕,断开连接.第二步:movescu获取功能movescu支持使用 C-COVE message获取图像.它同样发送查询关键字到 SCP并等待响应.movescu应用可以传输图像到第三方或者自己获取图像.并且该过程中movescu需初始化一个存储服务 CSTORE,扮演存储服务类的 SCP.注意:C-MOVE 操作只是执行了图像的复制,并没有删除 SCP的原图像.具体实现过程同 findscu. 本软件利用DCMTK工具包实现了D ICOM医学图像的查询及传送,局域网内实现三方传送图像成功,并利用 JD ICOM测试工具测试通过.测试结果如图 1,2所示.【相关文献】[1] NEMA.Digital Imaging and Communications in Medicine (D ICOM)[Z].USA:ACR-NEMA standard publication, 2007.ps3.1-ps3.7.[2] 王晓楠.D ICOM通信的设计与实现[J].计算机工程与应用,2004,40(13):131-132.[3] 张晓琼.D ICOM标准查询/找回功能模块的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学,2006.[4] 王敏.基于 D I COM标准的医学图像通信过程的实现[D].西安:西安电子科技大学,2007.。

２０２１年３月第４０卷第１期内蒙古科技大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｒｃｈ，２０２１Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１基于ＲＳ和ＡｒｃＧｉｓ的乌海风环境影响因素分析丁玉贤１，孙维娜２，王雪３（内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古包头　０１４０１０）摘　要：为了改善乌海市的人居环境，基于乌海市的高程数据、卫星遥感数据及建筑矢量图，利用遥感技术（ＲＳ）和ＡｒｃＧｉｓ１０ ６分析该城市的风环境影响因素，研究结果发现，乌海耕地面积、植被覆盖少，市中心建筑密度大于３０％，迎风面积密度大于０ ３５，风速低于１ ６ｍ／ｓ，与风环境舒适性标准不符 由此，提出规划产业布局、优化占地类型、改善建设形态、提取通风廊道等策略关键词：风环境；ＲＳ；ＡｒｃＧｉｓ１０．６；影响因素；优化策略中图分类号：ＴＵ９８６ 文献标识码：Ａ文章编号：２０９５－２２９５（２０２１）０１－００５８－０５ ＤＯＩ：１０．１６５５９／ｊ．ｃｎｋｉ．２０９５－２２９５．２０２１．０１．０１０ 目前，针对城市现状通风环境差，空气污染严重现象，许多学者对其展开了不同方法、不同方面的研究，如黄文锋［１］等用ＣＦＤ数值模拟探究建筑群在行列式、错列式及围合式这３种建筑布局下的风环境情况；王薇［２］等运用Ｐｈｏｅｎｉｃｓ，研究了合肥市混合住区的建筑高度、规划布局、建筑朝向对风环境的影响；ＴＥＴＳＵＫＵＢＯＴＡ［３］等利用风洞实验，研究了日本２２个住宅小区的建筑密度与平均风速比之间的关系；詹庆明［４］等结合遥感（ＲＳ）及地理信息技术（ＧＰＳ）为福州市区提取了潜在的通风廊道；刘滨谊［５］等利用实测加模拟的方法对同济大学某宿舍区风环境进行了绿化布局优化研究；尹杰［６］等基于武汉市主城区的粗糙度、长度和迎风面积密度，对风道进行了划分由此可见，城市的产业布局、占地类型及建筑形态都会对通风产生影响，以污染严重的乌海市为例，基于乌海市的高程数据、卫星遥感数据及建筑矢量图，利用ＡｒｃＧｉｓ１０ ６软件对该城市的占地类型及建成区环境进行分析，并提出优化策略１　研究区概况乌海位于东经１０６°３６′００″～１０７°４６′１４″，北纬３９°１０′００″～３９°５５′００″，是内蒙古主要工业城市之一，春季风沙天气多，冬季逆温现象也较为平常，通过查阅并统计分析了２０１５～２０１９年乌海市气象局地面气象观测站每日观测的风向、风速数据，绘制了乌海市近５ａ的风向频率图，如图１所示，就全年而言，主导风不明显，但春季（３～５月）主导风西北风，风向频率接近２６％；冬季（１２～２月）主导风西北风，风向频率在２５％以上；而在夏季（６～８月），东北风、东南风出现的频率最高，其中东北风风向频率接近２５％，东南风风向频率接近３０％，风速大小普遍在３ ４～５ ４ｍ／ｓ之间由乌海市监测站实时发布的关于２０１５～２０１９年的空气质量报告，绘制了全年、各个季节的日均空气污染指数（ＡＱＩ）值及５ａ内空气污染天数的变化曲线，如图２所示 就全年而言，空气污染指数及空气污染天数呈下降趋势，空气质量有所改善，但在夏季，空气污染指数呈显著上升趋势，而在春季，虽整体呈下降趋势，但相比其他季节，空气污染指数仍是最高的 其中，２０１８年的日均ＡＱＩ值超过了１２０，在５ａ中最高作者简介：丁玉贤（１９７８－），女，内蒙古科技大学讲师，研究方向为建筑ＢＩＭ技术与应用、城市风环境 通信作者：ｅ ｍａｉｌ：１３６９３０５２６２＠ｑｑ．ｃｏｍ收稿日期：２０２０－０８－２８丁玉贤，等：基于ＲＳ和ＡｒｃＧｉｓ的乌海风环境影响因素分析图１　２０１５～２０１９年乌海市风向频率图图２　２０１５～２０１９年乌海市空气质量变化图由于乌海市是一座以煤为主的工业城市，地处乌兰布和、库布齐和毛乌素３大沙漠的交汇处，因此，风速过小，不利于空气中的污染物稀释扩散，但过大又会产生沙尘暴，因此，分析和研究乌海市风环境的影响因素是减少空气污染、缓解沙尘暴现象的燃眉之举，这对进一步改善乌海市人居环境及推进城市经济持续发展具有现实意义２　数据来源和方法２．１　数据来源乌海市２０１５～２０１９年的空气污染指数（ＡＱＩ）值及空气污染天数来源于乌海市监测站实时发布的空气质量报告，气象资料风速、风向来源于乌海市气象局地面气象观测站每日观测的数据 对采集的数据进行日、年、季均值处理，探析全年及各个季节的主导风风向及其污染情况分析 而卫星遥感数据Ｌａｎｄｓａｔ和Ｄｅｍ高程图来源于地理空间数据云，乌海市建筑轮廓的获取来源于建筑矢量图２．２　研究方法（１）对乌海市２０１５～２０１９年近５ａ的风速、风向、空气污染指数（ＡＱＩ）及污染天数进行日、季、年均值处理，并通过统计分析方法了解其近５ａ的分布情况及变化趋势（２）结合乌海市的高程数据、卫星遥感数据和建筑矢量图，利用ＡｒｃＧｉｓ１０ ６软件分析占地类型及建成区环境特点，并对此分析对风环境的影响，选取建筑密度、迎风面积密度这２个指标对建筑内部风环境进行定量分析，进而提取出乌海市主要污染区潜在的通风廊道３　影响因素分析３．１　占地类型分析乌海市在东、南、西方向分别连着鄂尔多斯高原、阿拉善草原、银川平原，北边紧挨着河套沃野，拥有着桌子山、岗德尔山、五虎山构成的“三山两谷”地形格局［７］，图３为乌海市高程图，图４是根据下载的Ｌａｎｄｓａｔ８ ０遥感图，提取波段Ｂａｎｄ５，Ｂａｎｄ４，Ｂａｎｄ３，在ＡｒｃＧｉｓ进行波段合成，形成假彩色图案，随后根据土地利用类型进行影像分类得到影像图如图４ 结合图３，４来看，乌海市地势高低明显，东西两边高、中间低 占地类型复杂多变，有水文、草地、丘陵区、耕地、荒漠地等类型，由属性表中各类型的栅格数统计占用面积及百分比，如表１所示图３　乌海高程图表１　占地类型的面积及百分比表占地类型栅格数面积／ｍ２百分比岛屿７３５６３７８１６３９０２．３５％荒漠５７６２２２９６２２８４００１８．４３％水文５３１２４２７３１０４６００１６．９９％耕地２６８９４１３８２５９１００８．６％丘陵８４６８１４３５３３５７００２７．０８％绿地１５５００７９６８３７９０４．９６％山体阴影１３１０６６３７６５００４．１９％建设用地５４４３６２７９８４９５００１７．４１％９５内蒙古科技大学学报２０２１年３月　第４０卷第１期图４　乌海影像图由表１可知，占地类型最多的是丘陵，面积约为４３５ｋｍ２，占乌海总面积的２７ ０８％；其次是荒漠，面积约２９６ｋｍ２，占地１８ ４３％；建设用地面积约２８０ｋｍ２，占地１７ ４１％；水文用地面积约２７３ｋｍ２，占地１６ ９９％；而耕地、绿地及山体占地面积较少，分别为８ ６％、４ ９６％和４ １９％ 这与黄园园［８］等利用ＧＩＳ分析乌海矿区土地退化因素中提到的关于该区土地利用逐渐由草地大面积变为建设用地和荒漠面积的事实一样，植被覆盖少，耕地面积也少，但丘陵、建设用地与未利用的荒漠地区较多 另外，引入植被归一化指数对植被覆盖进行量化分析，其方法是根据波段Ｂａｎｄ５，Ｂａｎｄ４，利用ＡｒｃＧｉｓ中的栅格计算器进行计算，见式（１），对得到的ＮＤＶＩ叠加图进行唯一值赋值（－１，０，１），发现ＮＤＶＩ的值大多数为０，即植被覆盖很少，基本都是裸土与岩石 ＮＤＶＩ＝Ｂａｎｄ５－Ｂａｎｄ４Ｂａｎｄ５＋Ｂａｎｄ４（１）风是气流水平运动的结果，当气流经过复杂的地形地貌、密集的建筑地区时，近地流动风的风速、风压和湍流结构将会随之改变，如陈平采用数值模拟方法，系统分析了典型地形在平面及空间区域的风流场风速、风压及湍流结构，发现在相同高度的山丘中，坡顶近地风速、涡流强度会随坡度的增大而增大［９］，同时，城市绿地能有效调节城市内部的风环境，在建成区，因温度升降不同产生的林源风，能促进城市内部空气的流通，并在局部区域产生微风，降低夏季的气温，增加城市空气的湿度，但若植被覆盖少，则冷空气源少，人体风环境舒适度较低３．２　建成区环境分析乌海市管辖的市辖区有海勃湾区、乌达区及海南区，它的建筑分布较为分散，主要以乌海的主要功能建筑居住小区及住宿区为研究对象，因为分布相对集中密集，具有城市建筑的代表性 为对建成区环境进行定量定性分析，引入指标建筑密度及主导风下的迎风面积密度（１）建筑密度某单元地块中建筑的占地总面积与单元地块总面积之比为建筑密度，能体现出一定用地范围内的空地率和建筑密集程度 利用ＡｒｃＧｉｓ中，根据乌海市区一级道路网对建筑进行单元划分，单元地块面积由编辑的面要素进行字段几何尺寸计算，而建筑占地面积根据建筑的矢量轮廓几何尺寸计算，对得到的某单元地块的建筑密度以点数据的形式进行显示，如图５图５　乌海市建筑密度分布图由图可知，距离城市市中心越近，建筑密度越大，３个市辖区中，海勃湾区建筑密集程度最明显，其次是海南区，根据曹象明等［１０］利用Ｐｈｏｅｎｉｃｓ软件对西安市曲江新区风环境与建筑密度关联性的研究得知，当建筑密度达到３０％以上且有高层建筑分布时，风速将处于１ ６ｍ／ｓ以下，意味着城市自然通风不理想 图中乌海市海勃湾区的市中心，存在明显的建筑密度在３０％以上，意味着该区不能有效地进行换气，风环境恶劣（２）建筑迎风面积密度迎风面的投影面积与单元地块面积的比值是迎０６丁玉贤，等：基于ＲＳ和ＡｒｃＧｉｓ的乌海风环境影响因素分析风面密度建筑，具有群体性与方向性，与自身的形式、朝向、尺度、上风向的建筑及风向相关，能够反映城市形态对于特定方向风的阻碍作用，其值越大，说明该城市区域内在该风向下的通风能力越不好 其公式见式（２），（３）：λｆ（Ｚｉθ）＝Ａ（θ）ｐｒｏｊ（ΔＺ）ＡＴ，（２）λｆ（Ｚｉ）＝∑８θ＝１λｆ（Ｚｉθ）×Ｐθ （３）式中：λｆ（Ｚｉθ）为主导风迎风面积密度，Ａ（θ）ｐｒｏｊ（Δｚ）为该风向下总的迎风面积，ｍ２；ＡＴ为一级道路网划分的单元地块面积，ｍ２；Δｚ为计算投影面积高度方向的计算范围；θ为计算风向（以统计的全年８个方位风向计算），Ｐθ为θ风向的风频率值（取值参照图１） 其中，单元地块面积与建筑密度中的计算一样，而迎风面积是指在该单元地块中，所有建筑分别在８个方位风向下的迎风面积之和，最后乘以各风向的频率值进行加权叠加，得到综合迎风面积密度，如图６图６　乌海市迎风面积密度分布图由图６可知，乌海的迎风面积密度普遍在０ ２５以下，３个区的市中心普遍比周边的高，而分布最明显的还是海勃湾区，根据香港中文大学吴恩融教授团队［１１］利用风洞实验模拟，得出的关于风速比与近地面高度层（０～１５ｍ）的迎风面积密度的负相关关系结果，当迎风面积密度大于０ ６，风速比值小于０ １，意味着城市的通风效能和人行高度的风渗透性不理想，而图中，市中心的迎风面积密度普遍在０ ３５～０ ７，尤其在海勃湾区最明显，由于市中心区普遍为密集的高层建筑，所以越接近市中心，迎风面积密度越大，通风效果越不好４　结论与建议利用ＡｒｃＧｉｓ１０ ６软件分析了乌海市的占地类型及建成区环境，并基于分析结果对风环境进行了影响因素分析，结论与建议如下４．１　结论（１）通过乌海市的高程图，了解到乌海市地势高低明显，东西两边高、中间低 再由波段合成的假彩色图案进行影像分类得到的影像图可知，占地类型复杂多变，其中，占地面积最多的类型是丘陵、荒漠及建设用地，这对近地流动风的风速、风压和湍流结构影响显著，如在岩石裸露、坡度较大的地区，风向会改变，山顶风速及涡流强度会增大（２）乌海的植被覆盖及耕地面积少，利用ＡｒｃＧｉｓ中的栅格计算器计算植被归一化指数，对植被覆盖进行量化分析，发现ＮＤＶＩ值大多数为０，即植被覆盖很少，基本都是裸土与岩石，与影像图得到的结论一样，即冷空气源少，对城市内部的局地微气候不能有效调节（３）结合乌海市建成区环境的建筑密度及迎风面积密度，发现距离城市市中心越近，建筑密度及迎风面积密度就越大，其中，海勃湾区最明显，市中心的建筑密度普遍大于３０％，迎风面积密度大于０ ３５，风速低于１ ６ｍ／ｓ，通风效果不理想，不符合风环境舒适性标准４．２　建议（１）乌海市夏季的主导风为东南风、西南风，而民用建筑的上风向普遍分布着工业建筑，在市中心，建筑密度及建筑楼层普遍高，通风环境不理想，对于以后拟建的建筑，应根据自然地形地貌、地区盛行季风条件、产业功能合理规划布局，对于已建成区，适当调整区域人口密集的地方，如增加绿地布局，构建城市通风廊道等图７　乌海市海勃湾区通风廊道规划建议图（２）保护城市生态空间环境，确保城市风源畅１６内蒙古科技大学学报２０２１年３月　第４０卷第１期通，对乌海居住用地较为集中的海渤湾区进行通风廊道的构建，其方法就是借助城市的水系、道路通道将潜在的补偿空间（如山体、水体、绿地）产生的冷空气引入到城市中心 由乌海市全年的盛行风向来看，大致走向为南北方向，依据海渤湾区现有的河道、绿地布局及主要街道走向，构建３条南北走向的一级通风廊道，对该区的整体风环境进行调节改善，并在低矮零碎的建筑区引入南北走向１条、东西走向２条的二级通风道，对局地微气候进行调节改善（３）加强城市建设开发管控，绿地率不小于３０％，建筑密度控制在３０％以内，合理规划并控制城市内部高层建筑的布局，保证建筑高度由市中心向外呈现梯度降低，力求高低错落，有利于气流的循环，增强通风潜力，同时，为尽可能多地引入风源，应对建筑形态严格控制，如建筑高度、朝向、布局、宽度等，对于高层建筑，底层可做成裙房状态，而大型板房建筑可留空 参考文献：［１］　黄文锋，周桐，陈星．基于ＣＦＤ数值模拟的典型建筑群风环境评估［Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），２０１９，４２（３）：４１５．［２］　王薇，邓卓剑，胡春．合肥城市混合住区风环境的模拟比较与评价［Ｊ］．工业建筑，２０１８，４８（７）：５４．［３］　ＴＥＴＳＵＫ，ＭＡＳＡＯＭ，ＹＯＳＨＩＨＩＤＥＴ，ｅｔａｌ．Ｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔｓｏｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｂｕｉｌｄｉｎｇｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｌｅｖｅｌｗｉｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙ：Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓｆｏｒｒｅａｌｉｚｉｎｇａｃｃｅｐｔａｂｌｅｗｉｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌｎｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄｓ［Ｊ］．ＢｕｉｌｄｉｎｇａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００７，４３（１０）：１６９９．［４］　詹庆明，欧阳婉璐，金志诚，等．基于ＲＳ和ＧＩＳ的城市通风潜力研究与规划指引［Ｊ］．规划师，２０１５，３１（１１）：９５．［５］　刘滨谊，司润泽．基于数据实测与ＣＦＤ模拟的住区风环境景观适应性策略———以同济大学彰武路宿舍区为例［Ｊ］．中国园林，２０１８，３４（２）：２４．［６］　尹杰，詹庆明．武汉市城市通风廊道挖掘研究［Ｊ］．现代城市研究，２０１７（１０）：５８．［７］　刘克利，尤莉，王旭东．乌海市气象要素与大气污染物浓度的灰色关联分析中国气象学会第２８届中国气象学会年会———Ｓ７城市气象精细预报与服务［Ｃ］．北京：中国气象学会，２０１１．［８］　黄园园，闫庆武，雷少刚，等．基于ＧＩＳ的乌海矿区土地退化因素分析［Ｊ］．生态与农村环境学报，２０１６，３２（３）：３６１．［９］　陈平．地形对山地丘陵风场影响的数值研究［Ｄ］．杭州：浙江大学，２００７．［１０］　曹象明，王超．基于风环境的西安市高层建筑区规划布局策略———以曲江新区为例［Ｊ］．城市发展研究，２０１７，２４（８）：２０．［１１］　ＮＧＥ，ＹＵＡＮＣ，ＣＨＥＮＬ，ｅｔａｌ．Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｗｉｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙｃｉｔｉｅｓｂｙｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｕｒ ｂａｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ：ａＳｔｕｄｙｉｎＨｏｎｇＫｏｎｇ［Ｊ］．ＬａｎｄｓｃａｐｅａｎｄＵｒｂａｎＰｌａｎｎｉｎｇ，２０１１，１０１（１）：５９．（责任编辑：李波）ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆＷｕｈａｉｕｒｂａｎｗｉｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎＲＳａｎｄＡｒｃＧｉｓＤＩＮＧＹｕｘｉａｎ，ＳＵＮＷｅｉｎａ，ＷＡＮＧＸｕｅ（ＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｈｏｏｌ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ０１４０１０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＲＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＡｒｃＧｉｓ１０ ６ｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｗｉｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆＷｕｈａｉｃｉｔｙｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｉｔｙ’ｓｅｌｅｖａｔｉｏｎｄａｔａ，ｓａｔｅｌｌｉｔｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｄａｔａａｎｄｂｕｉｌｄｉｎｇｖｅｃｔｏｒｄｉａｇｒａｍｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｉｔｓｌｉｖｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓｌｅｓｓｃｕｌｔｉｖａｔｅｄｌａｎｄａｒｅａａｎｄｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｃｏｖｅｒａｇｅｉｎＷｕｈａｉｃｉｔｙ，ｗｉｔｈｔｈｅｄｏｗｎｔｏｗｎｂｕｉｌｄｉｎｇｄｅｎｓｉｔｙｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ３０％，ｗｉｎｄｗａｒｄａｒｅａｄｅｎｓｉｔｙｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ０ ３５ａｎｄｔｈｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｌｏｗｅｒｔｈａｎ１ ６ｍ／ｓ，ｗｈｉｃｈｉｓｉｎｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｗｉｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｃｏｍｆｏｒｔｓｔａｎｄａｒｄｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｓｕｃｈａｓｐｌａｎｎｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｌａｙｏｕｔ，ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｔｙｐｅｏｆｌａｎｄｏｃｃｕｐａｔｉｏｎ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｃｏｎ ｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒｍａｎｄｅｘｔｒａｃｔｉｎｇｔｈｅｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｃｏｒｒｉｄｏｒｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｗｉｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ＲＳ；ＡｒｃＧｉｓ１０ ６；ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙ２６。

文章编号:1004-9762(2007)03-0212-03真空消失模法制备高锰钢表面耐磨材料的研究Ξ程　军,郭长庆(内蒙古科技大学科学技术研究中心,内蒙古包头　014010)关键词:真空消失模;表面合金化;高锰钢中图分类号:TG 1741445 文献标识码:A摘　要:为了提高高锰钢表面初始硬度,采用真空消失模铸造工艺(V 2E PC)对高锰钢表面合金化进行了研究,分析了合金铸渗层的组织和性能1结果表明,合金铸渗层由表及里分为3个区域,即烧结区、过渡区和熔合区,其与基体呈冶金结合1该材料表面合金层具有良好抗磨性能1Study of abrasion 2r esistant mater ial on the surface of highmanganese steel by V 2EPCCHE NGJun ,G U O Chang 2qing(Research Center of Science and T echn ology ,Inner M ong olia Un iversity o f Science and T echn ology ,Baot ou 014010,China )K ey w or ds :V 2EPC ;surface alloy ing ;h igh man ganese steelAbstract :T he effect of V 2EPC process w ith dry sand on the surface alloy ing o f high mangan ese steel was studied in order to improve the initial sur face hardness of the high manganese s teel.T he s tru cture and performance of the casted in filtration 2alloy ing layer was analy zed.T he results sh ow that this lay er consists of three zones w ith the increase of the d istance from the surface in the state o f metallurgical combination with the matrix ,wh ich are named as sin ter zon e ,transition zon e and fusion zone ,respectively.T he surface alloying layer has b etter abras ion resis tantce. 目前高锰钢在耐磨材料中仍占据比较重要的地位,它广泛用于矿山机械、工程机械、农业机械、建材行业、电力机械和铁路运输等工业部门,主要用于制造强冲击载荷下各种挖掘机铲齿、各种硫碎机磨损件、拖拉机及坦克履带板、各类磨机衬板、风扇磨冲击板、铁道辙叉等1高锰钢之所以有如此广泛的用途,是因为其具有很强烈的加工硬化能力,而且冲击载荷愈大表面硬化层愈深,硬度愈高,抗磨能力愈强,且工件心部仍保持其固有的高韧性和高塑性,这是其他耐磨材料无法比拟的[1]1但是,在非强冲击载荷下,高锰钢铸件在使用过程中硬化速度慢、硬化层浅,致使使用初期磨损率较大1目前国外大都采用表面静压、抛丸、爆炸硬化等方法,特别是把WC ,T iC ,S iC 等硬的碳化物在零件表面上制作复合层,来显著地提高材料的耐磨性[2]1但对于球磨机衬板、板锤、锤头等矿山机械零件,表面涂层工艺复杂,成本高而不能广泛使用,而采用化学热处理需用时间长,且渗层较浅也不适用1干砂负压消失模铸造也称真空消失模或V 2EPC 法铸造,该工艺具有不需分型、不需下芯、设备简单、铸件精度高、成本低等优点1被誉为20世纪铸造界的一场革命[3,4]1结合真空消失模铸造工艺的特点进行高锰钢表面合金化,充分利用高温金属液浇注和凝固时产生的余热,实现表面耐磨材料与高锰钢母材相结合,从而使铸件表面形成具有高耐磨性组织和优异性能的金属基复合材料1它可简化工序,降低能耗,大幅度减少贵重金属的消耗,同时还可以解决传统砂型铸渗存在的气孔、夹渣等铸造缺陷,可以大幅度提高高锰钢铸件的表面初始硬度,减小工件使用初期的磨损速率,从而获得表面高耐磨性的高锰钢铸件1因此,此项技术的研究与开发可以拓宽高锰钢的应用范围,提高高锰钢铸件的使用寿命12007年9月第26卷第3期内蒙古科技大学学报Journal o f Inner M on golia Univers ity of Science and T echn ology September ,2007Vol.26,No.3Ξ收稿日期6基金项目内蒙古自然科学基金资助项目(8)作者简介程　军(6),男,湖北武汉人,内蒙古科技大学讲师1:2007-0-21:20071102071:199-1　试验方法干砂负压消失模铸造(V2EPC)表面合金化的具体操作方法是将合金粉、粘结剂、助熔剂、少量附加物和稀释溶剂按所需比例调成糊状,涂覆在可发性聚苯乙烯泡沫模样的表面上,自然干燥后再涂挂一层消失模专用防粘砂涂料,烘干后置于砂箱中,填充干砂并震实1然后浇注熔炼合格的高锰钢金属液,在浇注的同时抽真空,真空负压度为0105～0.07 MPa,浇注温度1460～1480℃1熔炼设备为50kg 中频感应电炉,母材金属为普通Mn13高锰钢,其化学成分见表11表1　表面合金化母材的化学成分(质量分数,%)T a ble1　Compositio n of matr ix s teelC Si Mn P S1121016512130104201036试验采用50m m×70m m×100mm的可发性聚苯乙烯(EPS)泡沫模样,表面合金化用合金粉选用高碳铬铁粉和硼铁粉,助熔剂选用碳酸钠和硼砂,粘结剂为聚乙烯醇水溶液,稀释溶剂为水1采用L9(34)正交试验考察:(1)合金粉配比;(2)助熔剂加入量;(3)粘结剂加入量;(4)合金化涂层厚度等4个因素对试样表面合金化效果及合金化层组织性能的影响12　试验结果及分析211　合金化涂料的确定通过正交试验结果分析可知,当表面合金化用合金粉配比为70%～80%高碳铬铁粉、20%～30%硼铁粉时,试样合金化表面质量较好1铬是人们使用较为广泛的耐磨合金元素,它的特性是易和铁形成连续固溶体,还能与碳形成多种强硬化相的复杂碳化合物1加入硼铁粉可以提高合金粉与金属液的浸润性,而且在凝固过程中还可以析出含硼碳化物,含硼碳化物的显微硬度较高,属硬质相,因此提高了材料的耐磨性1助熔剂的组成以硼砂和碳酸钠为主,其主要作用是为了在浇注初期包裹合金粉颗粒表面使之不被氧化,还可以把已经产生的氧化膜去除,起到清洁合金颗粒表面的作用,从而提高金属液对合金粉的浸润能力,其加入量以4%～6%为宜1在合金化涂料中粘结剂聚乙烯醇水溶液的加入量以%左右为宜,当加入量过低时,涂层的粘结强度低,易被高温金属液冲掉,使铸渗时表面合金化难以进行;加入量过高时,则在合金粉颗粒表面包裹一层较厚的粘结剂,影响金属液与合金粉颗粒的接触反应,同时粘结剂燃烧产生大量气体和残渣短时间内不易迅速排去,容易造成铸造缺陷1涂覆厚度由所需合金铸渗表面层厚度、附着合金层部位的壁厚等因素来确定1当涂层过薄时,不足以形成一定厚度的合金铸渗层,同时也易被金属液冲散;过厚时,合金粉将消耗大量的热量,金属液降温较快,使合金粉颗粒不能完全被金属液浸透和熔化,且在浇注时合金层易形成裂纹甚至剥落1采用上述合理工艺配制的合金化涂料,当试样厚度为60m m,合金化涂料涂覆层厚度为4mm时,所得到的合金化铸渗层表面质量良好,其厚度可达615mm1213　合金化铸渗层的显微组织分析试验中,在适当的工艺条件下采用最佳涂料配方所获取试样的合金铸渗层铸态金相组织见图1,由图1可明显看出层次分明的3个区域(Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ区),由左向右依次为烧结区、过渡区和熔合区1当高温金属液充型时,可发性聚苯乙烯泡沫模样和合金化涂料中的粘结剂等遇高温分解气化,产生大量的气体在负压吸力作用逸出,导致合金化涂料的合金粉颗粒之间产生大量的空隙,而且金属液与合金化涂料层直接接触1此后,高温金属液在毛细管力、负压吸力、金属液静压力等作用下,向合金粉颗粒之间的空隙渗入[5],由内向外渗透1这个过程同时存在热量传输、质量传输和动量传输,当渗入的金属液最终与防粘砂涂料层接触时,铸渗过程结束1图1　合金层组织Fig.1　Microstr uctur e of alloying layer在金属液和合金粉颗粒相界面处Cr,B等合金元素不断向金属液中扩散,并发生一系列的物理、冶金化学反应1在金属液凝固后,这一过程也会缓慢的进行1靠近母液的合金粉颗粒在强烈热作用下完312程　军等:真空消失模法制备高锰钢表面耐磨材料的研究4全熔化,并进行较充分的液态扩散,凝固后形成了熔合区,其相组成主要是由先共晶奥氏体及分布在奥氏体中的共晶组织,此区域与高锰钢奥氏体基体呈冶金结合,见图1中Ⅲ区1靠近外表面的合金颗粒,由于远离母液,此处的金属液渗透作用不充分,渗入的金属液保持液态的时间也极短,合金元素的扩散很不充分,因此有部分未熔的合金粉颗粒残留下来,形成了很薄的合金颗粒烧结区(Ⅰ区)1在烧结区与熔合区之间为传质和传热作用由弱转强的过渡区域,即过渡区(Ⅱ区)1过渡区内合金颗粒由于熔化不完全,该区域中初生奥氏体晶粒较熔合区(Ⅲ区)要小,其间分布有许多大小不等的块状碳化物、共晶组织及少量未完全熔化的合金微粒1而基体区为高锰钢奥氏体组织,同时在奥氏体晶界处及基体中弥散着少量细小的特殊合金碳化物微粒1这些都有利于强化高锰钢基体的性能,即使在铸渗合金层磨损掉后,其基体也保持着良好的耐磨性能1为确定高锰钢表面合金化合金铸渗层的相组成,用X 射线衍射仪对铸渗合金层进行了XR D 分析,其结果如图2所示1XR D 分析表明,高锰钢表面合金化后,在铸渗合金层中主要相有:γ2Fe ,M 7C 3,(C r ,F e)2B 等,此外,还有少量的Fe 3C 和FeB.图2　铸渗合金层X RD 图Fig.2　The XRD o f a lloying layer图3为从合金铸渗层表面到高锰钢基体所测得的铸态显微硬度曲线(注:图中Z 为距离耐磨表层外表的深度)1由于烧结区和过渡区中分布着大量的碳化物,所以从曲线上可看出此区的硬度值较高,过渡区中显微硬度最高可达到H V =1290,而在此区域只有M C 3型碳化物能达到如此高的硬度值1随着距表面层深度的增加,硬度值逐渐降低至高锰钢基体组织的硬度值1此曲线的变化规律与金相组织观察结果相吻合1图3　硬度与合金层深度的关系Fig.3　Rela tionship bet w een depth and har dness由以上分析可知,在铸渗合金层中形成了多种组织,有抗磨性能较好的烧结区和过渡区,还有综合性能较好的熔合区,且与基体呈冶金结合1即形成了在试样截面上具有不同成分和组织的梯度功能材料,使得其具有良好的综合使用性能13　结论(1)合金化涂料配比较优方案为:70%～80%Cr 2Fe 粉,20%～30%B 2F e 粉,复合熔剂含量为4%～6%,聚乙烯醇水溶液含量为4%1涂覆层厚度为4mm 时,所获得的合金铸渗层厚度可达到615mm 1(2)合金铸渗层由表及里依次为烧结区、过渡区和熔合区,其性能为外层具有高硬度、高耐磨性,内层是综合性能较好的熔合区1而基体为高韧性、高塑性的奥氏体组织1参考文献:[1]　张增志.耐磨高锰钢[M ]1北京:冶金工业出版社,2002132623271[2]　李明山1高锰钢爆炸硬化的微观机制[J ]1金属学报,1990,(6):3911[3]　G oria C A ,Cairon i G .Coating permeability:a critical parame 2ter o f eraporative pattern process[J ]1AFS T ransactions ,1986,101:58925961[4]　G audio G D.As pects concerning o f the coating in the produc 2tion of iron castin gs by “poly 2cast ”process[J ]1Metallurg ical Science and T echn ology ,1985,3(3):762871[5]　王恩泽,郑燕青,邢建东,等1铸渗法制备颗粒增强钢基复合材料的研究[J ]1复合材料学报,1998,15(2):122171412内蒙古科技大学学报2007年9月　第26卷第3期7。

颗粒形状对铝粉环氧树脂复合材料介电性能的影响吕艳丽;张邦文【摘要】采用球磨混合法,以片状铝粉(简称ALF)和颗粒状铝粉(简称ALs)为填料,环氧树脂(简称ER)为基体,制备了铝粉-聚合物复合材料,并对复合材料的显微结构、物相进行了表征,测量了介电性能与填料含量以及测试频率的关系.研究结果表明,介电性能对填料的形状、尺寸有很大的依赖性.ALF-ER与ALs-ER复合材料的介电常数ε和介电损耗tgδ均随填料含量Φ的增加而增加,ALF-ER的Φ为65％时,介电常数ε=110,介电损耗tgδ＜0.08;ALs-ER的Φ为65％时,介电常数ε=20,介电损耗tgδ＜0.05.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2011(030)002【总页数】4页(P130-133)【关键词】铝粉;环氧树脂;介电常数;介电损耗【作者】吕艳丽;张邦文【作者单位】内蒙古科技大学稀土学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学稀土学院,内蒙古包头014010【正文语种】中文【中图分类】TM332作为新一代嵌入式电容器候选材料，以低成本生产具有高介电常数和低介电损耗的聚合物基复合材料正成为行业关注的热点.目前普遍使用的电容器具有体积大、占据空间大和容易产生较大寄生电流的缺点.主要采用将这种电容器与其它无源器件以一体化的方式制造在印刷电路板(PCB)上，这样可以减小基板的尺寸，提高器件的功能性并降低生产的成本.具有去耦合作用的嵌入式电器须采用相对介电常数为20～170的介质材料，而大部分聚合物材料的相对介电常数为3左右，很难满足这种无源器件对介质材料的需要.因此，以介电常数较高的铁电陶瓷与聚合物复合而形成高介电常数复合介质材料已经受到广泛的关注［1～3］.但又出现了新的弊端就是陶瓷材料如钛酸钡必须在高温下烧结才能达到预期目的，在烧结过程中会产生孔洞及裂纹等不利于介电性能的情况，并且也不能直接应用在嵌入式电容器中. 另一方面，也进行了用导电粉末取代陶瓷粉末的尝试.Xu［4］等人采用碳黑颗粒同环氧树脂进行复合，利用碳黑的大比表面积使得复合材料的介电常数提高至2 500以上.Rao等人采用片状银颗粒与环氧树脂进行复合，由于大部分片状铝形成堆叠分布，使得导电颗粒间的面积大为增加，从而增加了材料的介电性能，但是金属银价格相对较高.由于使用未加包覆的导电填料，上述复合体系在获得高介电常数的同时，介电损耗也急速增加(＞1)，难以实际应用.本文以较大径厚比的片状铝粉为填料，制备环氧树脂介电复合材料，实验过程简单易操作，不需高温处理，不易产生缺陷进而影响介电性能及机械性能.相对于陶瓷体系，其生产成本更低，介电性能良好(ε＞100，tanδ＜0.1).这种材料所表现出的特性可以满足高介电材料的需求，具有重要的应用前景［5，6］.环氧树脂:E-51，蓝星新材料无锡树脂厂;片状铝粉，颗粒铝粉:沈阳市航达科技有限责任公司;偶联剂:KH570，南京康普顿曙光有机硅化工有限公司;四乙烯五胺、丙酮，分析纯，市售.称取一定质量的片状铝粉，加入溶剂丙酮使之分散，再加入一定量的偶联剂KH570和少许纯净水和乙醇，用丙酮溶解之后加入ER，放入玛瑙球，在球磨机上以300次/min的转速球磨30 min，取出后在鼓风干燥箱中120℃保温30 min使溶剂充分脱除，抽气15 min后从恒温箱中取出使之冷却到40℃左右再加入固化剂，充分搅拌使之与固化剂混合均匀，倒入模具旋转固化.8 h后固化结束，将试样取出，修剪可得直径为20 mm，厚2 mm的圆片试样.采用扫描电镜(日立，S-3400)观察复合材料试样的断面及磨面形貌，加速电压30 kV.在进行SEM观察之前，对样品的断面进行喷金处理.对圆片试样两面进行打磨，涂上银浆电极，然后，利用HP 4194阻抗分析仪测量其介电性能，测试的频率为1 kHz.图1所示为铝粉-环氧树脂复合材料的扫描电镜组织.从图1(a)中可观察到，直径大致为6～8μm的颗粒铝粉均匀地分布在环氧树脂中，结合比较紧密.偶尔有一个凹面是由于取断面时剥落的.图1 (b)右上角为片状铝粉在扫描电镜下的形貌，可直观地看到没有经过任何处理的片状铝粉大致的尺寸及形态，直径50μm左右，厚度100 nm左右.图1 (b)中，片状铝粉(发亮的部分)均匀分布在基体环氧树脂(发暗的部分)中的复合材料，片状铝粉以不同取向分布在环氧树脂中，所以分布是无规则的.复合材料界面结构对其介电性能有重大的影响，如果直接混合亲油性的聚合物和亲水性的无机粒子制备复合材料，这些小的无机粒子会在高分子基体中分散不佳，容易产生凝聚或孔洞，从而降低了材料的性能.因此提高填料和基体的相容性，考察复合材料的微观形貌和无机粒子在聚合物基体中的分散状况，对制备高性能的复合材料至关重要.用KH-570对铝粉进行了表面预处理，使铝粉表面的—OH基失活，改善铝粉与环氧树脂分子的相容性.复合材料的相对介电常数随片状铝粉和颗粒铝粉含量的增加而逐步增加，如图2(a)，3(a)所示，在φ≈35%时，ALF-ER复合材料的介电常数出现突变(ε=110)，同时，在φ≈35%时，ALs-ER复合材料的介电常数出现突变(ε=20)，这显示出两种复合材料在此成分点附近发生了渗流转变.下面解释填料含量及颗粒形状对复合材料介电常数的影响.根据电介质物理，电容器的相对介电常数ε=C/C0，C0，C分别表示真空和复合材料的电容，其中C正比于S/d，即电容的电极面积和电极间距，相当于颗粒的直径和颗粒间距.复合材料作为一个大电容，等价于由上述大量的微型电容器串联和并联的网络.加入的铝粉颗粒越多，颗粒间距越小，意味着微电容器的电极间距减小，而电容C增大，故ε增大.通过控制导电颗粒的加入量，在渗流阈值附近，使导电颗粒之间形成极为接近但仍然保持分离的结构，可以使S/d迅速增大，从而使对应的ε显著增大.片状铝粉体系介电常数高于球形铝粉体系的原因是，其电容即储存电荷的能力更强.从微电容器模型分析，同样是两个颗粒组成的电容，显然片状铝粉的有效面积远大于球形铝粉，在相同的颗粒分数和间距下，其S/d值和电容必定大于后者，因此表现出更为优越的电容性能.图2(b)，3(b)给出了与图2(a)，3(a)对应的介电损耗数据.可见，介电损耗也随颗粒分数的增加而增加.两个体系增加的速度相仿，在φ≈65%时，ALs-ER的最大介电损耗为tanδ≈ 0.05，而ALF-ER的最大介电损耗为tanδ≈0.08.后者稍高于前者，但都不高，远低于已知的炭黑体系和其它金属体系.介电损耗低的原因，可能是由于铝颗粒外层的钝化膜［7］的阻碍，铝颗粒之间不会发生直接接触，从而使复合材料内部形成的微电容保持完好.并且，由于这些铝粉颗粒之间界面层减小了铝颗粒之间的漏电流，使得由于漏电流造成的介电损耗也大幅度降低.根据Doyle的分析［8］，介电增强的内在机理实际上与伴随着金属化转变而出现的多极相互作用有关，所谓的“金属化”转变，类似绝缘—导体的转变，它源于金属体积分数的绝对增加，对于介电损耗，提高填料含量意味着增加金属颗粒的浓度，那么由于松弛极化或界面极化引起的介电损耗必然会增加.(1)采用球磨混合和旋转固化工艺可制备出环氧树脂-微米铝粉复合材料.(2)复合材料的介电常数和损耗随着含量的增加而增加.当颗粒铝加入65%时其介电常数比单纯环氧树脂高6倍，为20;当片状铝加入65%时，介电常数达到110，比基体树脂高36倍，介电损耗小于0.08.(3)片状铝的径厚比为500，是颗粒铝的500倍，在复合材料内部可形成更多微小的平行板电容器，增大介电常数.说明填料的形状及尺寸对复合材料的介电性能有较大的影响. (4)铝粉的自钝化，阻止了铝颗粒之间直接接触，使复合材料内部形成的微电容保持完好，并且减小了铝颗粒之间的漏电流，使得由于漏导造成的介电损耗大幅度降低.【相关文献】［1］ Kuo D H，Chang C C，Su T Y.Dielectric behaviors of multi－doped BaTiO3/epoxy composites［J］.Journal of the European Ceramic Society，2001，(21):1171-1177［2］ Sinha D，Pillai PK C.Ceramie-polymer composites as potential capacitormaterial ［J］.Journal of Materials Science Letters，1989，8(3):673-674［3］ Adikary S U .Characterisation of Proton irradiated Ba0.65 Sr0.35 TiO3/(VDF-TrFE)ceramic-polylmer composites［J］.Composites Science and Technology，2002，62: 2161-2167.［4］ Xu JW and Wong CP.Dielectric behavior of ultrahigh-k carbon black composites for embedded capacitor applications［A］.2005 Electronic Components and Technology Conference Proceedings［C］.Beijing:Electronic Industry Press，2005.1864-1869.［5］晁芬，王金合，张增平，等.环氧树脂基介电复合材料的制备和性能研究［J］.中国胶粘剂，2008，5(3): 45-49.［6］陈惠玲，余萍，肖定全，等.嵌入式电容器用钛酸钡/环氧复合材料性能的研究［J］.功能材料，2008，2(4): 38-41.［7］ Xu JW and Wong C P.Low-loss percolative dielectric composite［J］.Applied Physics Letters，2005，11(7): 1125-1129.［8］张邦文.外场辅助制备聚合物-金属颗粒有序复合材料的基础研究:微结构、电学特性及分子动力学模拟［R］.武汉:华中科技大学，2005.。

十八顷壕金矿床品位分布的数学特征
刘巧玲;吴大卫
【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》
【年(卷),期】1990(000)002
【摘要】本文对十八顷壕金矿床的品位分布特征从数学角度进行了分析,建立了数学模型。

通过对不同品位分布特征下平均品位的计算方法的研究.结合十八顷壕金矿床,采用不同方法进行了计算与分析。

【总页数】4页(P58-61)
【作者】刘巧玲;吴大卫
【作者单位】[1]包头钢铁学院地质教研室;[2]包头钢铁学院地质教研室
【正文语种】中文
【中图分类】N
【相关文献】
1.大庄子金矿床品位分布特点对储量计算的影响 [J], 王召敏
2.内蒙古常福龙金矿床Au品位分布特征及其地质意义 [J], 高帮飞;陈志广;孙刚;李世清;黄荣伟
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4.内蒙古十八顷壕金矿矿体特征研究与开采价值分析 [J], 王元魁
5.十八倾壕金矿床硫同位素组成的构造学意义 [J], 梁一鸿;张宏颖
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２０２０年１２月第３９卷第４期内蒙古科技大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｃｅｍｂｅｒ，２０２０Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．４邻苯二甲酸丁苄酯分子印迹聚合物的制备和吸附性能赵雅珍，路福叶，孙良，马静，董忠平，肖淑艳（内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头　０１４０１０）摘　要：以邻苯二甲酸丁苄酯作为模板，α 甲基丙烯酸作为功能单体，偶氮二异丁腈作为引发剂，乙二醇二甲基丙烯酸酯作为交联剂，制备了邻苯二甲酸丁苄酯分子印迹聚合物 动力学吸附实验显示：印迹聚合物对模板的吸附５ｈ达到平衡，平衡吸附和竞争吸附实验显示印迹聚合物比非印迹聚合物对模板的吸附能力更强，对模板的吸附能力优于其它同类分子，表明邻苯二甲酸丁苄酯分子印迹聚合物对邻苯二甲酸丁苄酯分子具有良好的吸附性能和选择性关键词：邻苯二甲酸丁苄酯；分子印迹聚合物；吸附性能中图分类号：Ｏ６３１．３ 文献标识码：Ａ文章编号：２０９５－２２９５（２０２０）０４－０３１２－０４ ＤＯＩ：１０．１６５５９／ｊ．ｃｎｋｉ．２０９５－２２９５．２０２０．０４．００２ 邻苯二甲酸酯又称酞酸酯，是一类人工合成的有机物，常见的有邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯等［１］ 常在塑料工业中用作增塑剂，可增加塑料的柔韧性、可塑性和拉伸性，提高塑料强度，广泛应用于食品包装材料、玩具、汽车、个人洗护用品、润滑剂、服装、医疗器械等行业［１，２］ 邻苯二甲酸酯类物质性质稳定，具有很强的生物累积性和抗降解性，可干扰人体正常的内分泌功能，具有生殖发育毒性、免疫毒性、神经毒性、甲状腺毒性等，可影响人体的呼吸系统，还有致癌风险［２，３］ 随着长期使用和暴露，邻苯二甲酸酯类会进入食物供应链，尤其是食品的加工、包装、加热等过程中，使用的包装材料和盛放用具等制品中的邻苯二甲酸酯类释放到食物中，对人体健康构成巨大威胁［４，５］ 因此各国政府制定了一系列的法规，对食品等接触材料和制品中的邻苯二甲酸酯类迁移量做出明确要求，尽量降低塑化剂的潜在风险［６］分子印迹技术是以选取的目标分子作为模板，加入合适的功能单体，功能单体和模板之间通过非共价键或共价键作用形成复合物，在交联剂、引发剂的作用下通过聚合反应形成高分子聚合物，然后用有机溶剂将模板洗脱下来，聚合物中间形成和模板分子具有类似形状的分子空穴 空穴对模板分子具有高的选择性吸附能力和特异性识别能力 分子印迹技术具有选择性高、稳定性好等特点，广泛应用于催化、色谱、传感、固相萃取等领域，在样品检测、分离富集等方面发挥重要作用［６－８］近年来，分子印迹技术已经被应用于邻苯二甲酸酯类的吸附、富集和检测研究［９－１１］ 吴超钧等将分子印迹技术和磁性技术相结合，采用表面印记的方法制备了邻苯二甲酸丁苄酯分子印迹聚合物［９］ 本文以邻苯二甲酸丁苄酯为模板分子，采用沉淀聚合法制备邻苯二甲酸丁苄酯分子印迹聚合物，考察了分子印迹聚合物对模板分子的吸附性和选择性１　实验部分１．１　实验药品邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二基金项目：国家自然科学基金资助项目（２１６６３０１７）；内蒙古科技大学优秀青年科学基金资助项目（２０１９ＹＱＬ０４）；内蒙古科技大学大学生科技创新基金资助项目（２０１７０３６）作者简介：赵雅珍（１９９８－），女，内蒙古科技大学本科生通信作者：ｅ ｍａｉｌ：ｘｉａｏｍｄｊ＠１２６．ｃｏｍ收稿日期：２０２０－０５－１９赵雅珍，等：邻苯二甲酸丁苄酯分子印迹聚合物的制备和吸附性能甲酸二辛酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），偶氮二异丁腈、α 甲基丙烯酸（天津市福晨化学试剂厂），乙腈、甲醇、冰乙酸（天津永大化学试剂有限公司）１．２　分子印迹聚合物的制备在三角烧瓶中加入１ｍｍｏｌ邻苯二甲酸丁苄酯，４ｍｍｏｌα 甲基丙烯酸和１００ｍＬ乙腈混合均匀，室温放置２ｈ使其充分作用 加入１５ｍｍｏｌ乙二醇二甲基丙烯酸酯，５０ｍｇ偶氮二异丁腈，震荡溶解后超声脱气，将混合溶液在７０℃的水浴锅里加热１２ｈ，反应结束后过滤，得到固体产物 将固体产物用体积比为９∶１的甲醇／乙酸混合溶液在索氏提取器中抽提，除去模板分子 再用甲醇洗涤固体产物，除去乙酸 将产物在６０℃真空干燥２４ｈ，得到去除模板的邻苯二甲酸丁苄酯分子印迹聚合物对照组非分子印迹聚合物的制备方法和上述方法相同，只是不加邻苯二甲酸丁苄酯１．３　平衡吸附实验在５０ｍＬ离心管中称取２０ｍｇ邻苯二甲酸丁苄酯分子印迹聚合物（ＭＩＰ）和非分子印迹聚合物（ＮＩＰ）各１０份，加入１０ｍＬ浓度分别为１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００ｍｇ／Ｌ的邻苯二甲酸丁苄酯乙腈溶液 置于摇床上震荡１２ｈ后，７０００ｒｐｍ离心１５ｍｉｎ，取上清液测其紫外光谱 根据吸附前后溶液中邻苯二甲酸丁苄酯浓度的变化，由式（１）计算出分子印迹聚合物对邻苯二甲酸丁苄酯的吸附量Ｑ，ｍｍｏｌ／ｇＱ＝（Ｃｉ－Ｃｅ）Ｖ／ｍ·Ｍ （１）式中：Ｃｉ为邻苯二甲酸丁苄酯的初始浓度，ｍｇ／Ｌ；Ｃｅ为吸附平衡时邻苯二甲酸丁苄酯的浓度，ｍｇ／Ｌ；Ｖ为溶液体积，ｍＬ；ｍ为加入的邻苯二甲酸丁苄酯分子印迹聚合物的质量，ｍｇ；Ｍ为邻苯二甲酸丁苄酯的摩尔质量，ｇ／ｍｏｌ１．４　动力学吸附实验在５０ｍＬ离心管中称取２０ｍｇＭＩＰ和ＮＩＰ各１２份，加入浓度为１００ｍｇ／Ｌ的邻苯二甲酸丁苄酯溶液１０ｍＬ，在室温下分别振荡０，１５，３０，４５，６０，１２０，１８０，２４０，３００，３６０，４２０，５６０ｍｉｎ，在７０００ｒｐｍ转速下离心１５ｍｉｎ，取上清液测定吸光度，由式（１）计算出被吸附的邻苯二甲酸丁苄酯的质量 １．５　竞争吸附实验在５０ｍＬ离心管中称取２０ｍｇＭＩＰ３份，分别加入１０ｍＬ浓度为５０ｍｇ／Ｌ的邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯溶液，室温下震荡１２ｈ，７０００ｒｐｍ离心１５ｍｉｎ，取上清液测其紫外光谱 由式（１）计算出被吸附的溶质的质量２　结果与讨论２．１　模板分子的洗脱将含有模板的聚合物用体积比为９∶１的甲醇／乙酸混合溶液在索氏提取器中洗脱，每天换一次洗脱液，通过分析洗脱液中模板分子的浓度确定洗脱时间 如图１所示，第１ｄ和第２ｄ洗脱液中的模板分子浓度较高，说明此时模板分子被大量洗脱，随着洗脱时间的延长，洗脱液中的模板分子浓度逐渐降低，第４ｄ和第５ｄ洗脱液中的模板分子浓度已经降到０ ０１９ｍｏｌ／Ｌ和０ ０１３ｍｏｌ／Ｌ，且随着时间的推移紫外光谱的变化很小，我们认为洗脱到第４ｄ模板分子基本洗脱完全图１　邻苯二甲酸丁苄酯分子印迹聚合物模板分子的洗脱２．２　平衡吸附曲线和斯卡查德分析按照１ ３中的方法绘制出印迹聚合物吸附量Ｑ与邻苯二甲酸丁苄酯溶液浓度之间的关系曲线如图２所示 分子印迹聚合物（ＭＩＰ）和非分子印迹聚合物（ＮＩＰ）对模板分子的吸附量Ｑ都随溶液中模板分子浓度的增加而增加，分子印迹聚合物对模板分子的吸附曲线明显高于非分子印迹聚合物，说明分子印迹聚合物对模板的吸附量明显高于非分子印迹聚合物 这可能由于非分子印迹聚合物对模板分子的吸附源于非特异性吸附，而分子印迹聚合物对模板分子的吸附除非特异性吸附外，还有由于模板分子进入分子印迹聚合物的空穴产生的吸附 用斯卡查德方程对分子印迹聚合物的吸附性能进行分析，斯卡查德方程如下：３１３内蒙古科技大学学报２０２０年１２月　第３９卷第４期Ｑ／Ｃ＝（Ｑｍａｘ－Ｑ）／Ｋｄ（２）式中：Ｑ为分子印迹聚合物对邻苯二甲酸丁苄酯的吸附量，ｍｍｏｌ／ｇ；Ｑｍａｘ为聚合物对邻苯二甲酸丁苄酯的最大吸附量，ｍｍｏｌ／ｇ；Ｃ为吸附平衡时邻苯二甲酸丁苄酯的浓度，ｍｍｏｌ／Ｌ；Ｋｄ为平衡解离常数，ｍｍｏｌ／Ｌ 以分子印迹聚合物到达吸附饱和前的Ｑ／Ｃ为纵坐标，Ｑ为横坐标作图，如图２中插图所示 整个图形不能够呈现线性关系，而是分成２个阶段，每一阶段呈现线性，这也说明聚合物对模板的吸附包含２种方式 对图中的２部分分别进行线性拟合，再根据直线的截距和斜率求出Ｑｍａｘ和Ｋｄ 结果显示：第一亲和位点Ｋｄ１＝０ ０９２９９ｍｍｏｌ／Ｌ，Ｑｍａｘ１＝０ ０８００６ｍｍｏｌ／ｇ；第二亲和位点Ｋｄ２＝０ ０２８５０ｍｍｏｌ／Ｌ，Ｑｍａｘ１＝０ ０５３０４ｍｍｏｌ／ｇ 这２个亲和位点分别对应于分子印迹聚合物对邻苯二甲酸丁苄酯的物理吸附和化学吸附图２　ＭＩＰ和ＮＩＰ的平衡吸附曲线和斯卡查德分析２．３　动力学吸附曲线图３是ＭＩＰ和ＮＩＰ对模板分子的吸附量随时间变化的曲线 由图可知随着时间的增加聚合物对模板分子的吸附量也逐渐增加，在前１ｈ以内，分子印迹聚合物对模板的吸附量迅速增加，２～５ｈ逐渐驱缓，５ｈ后吸附量基本不变，说明聚合物对模板的吸附量５ｈ时基本达到饱和 这可能由于在吸附初期聚合物对邻苯二甲酸丁苄酯的吸附主要是以非特异吸附为主，因此吸附速度较快，在吸附后期模板分子则需要克服空间位阻进入到印迹聚合物内部的空穴中，以特异性吸附为主，因此吸附速度减慢 非分子印迹聚合物吸附达到饱和所需的时间更短，４ｈ以后吸附量基本不变 这是由于非分子印迹聚合物的吸附主要发生在聚合物表面，因此较短时间内就可以达到吸附平衡图３　ＭＩＰ和ＮＩＰ的动力学吸附曲线２．４　选择性吸附性能为了考察制备的分子印迹聚合物的选择性，选择邻苯二甲酸二丁酯和邻苯二甲酸二辛酯作为模板分子的竞争底物，这２种物质的结构和邻苯二甲酸丁苄酯结构类似，如图４所示图４　邻苯二甲酸酯类分子结构图（ａ）邻苯二甲酸丁苄酯；（ｂ）邻苯二甲酸二丁酯；（ｃ）邻苯二甲酸二辛酯 竞争吸附实验如图５所示，邻苯二甲酸丁苄酯的吸附量最高，邻苯二甲酸二丁酯次之，邻苯二甲酸二辛酯最低，说明制备的分子印迹聚合物对模板分子具有选择性 这种趋势也和三者的结构特征相符，它们都包含相同的骨架结构苯环，除具有相同的骨架结构苯环外，邻苯二甲酸二丁酯和模板分子还具有相同的功能基团甲酸丁酯，因此邻苯二甲酸二辛酯的吸附性能低于邻苯二甲酸二丁酯４１３赵雅珍，等：邻苯二甲酸丁苄酯分子印迹聚合物的制备和吸附性能图５　分子印迹聚合物对邻苯二甲酸酯类吸附量对比图（Ａ）邻苯二甲酸丁苄酯；（Ｂ）邻苯二甲酸二丁酯（Ｃ）邻苯二甲酸二辛酯３　结论以邻苯二甲酸丁苄酯为模板，α 甲基丙烯酸作为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯作为交联剂，体积比９∶１的甲醇乙酸为洗脱剂，制备了邻苯二甲酸丁苄酯分子印迹聚合物 分子印迹聚合物相比于非分子印迹聚合物对模板分子具有更高的吸附性能，在５ｈ达到吸附平衡 聚合物对和模板分子结构相似的分子虽然也具有吸附能力，但吸附能力小于模板分子，具有良好的选择性 该聚合物可用于邻苯二甲酸丁苄酯塑化剂的富集、分离等工作，具有良好的应用前景参考文献：［１］　吴莉莉．邻苯二甲酸酯类增塑剂的检测标准现状分析［Ｊ］．塑料工业，２０１１，３９（Ｓ１）：１１．［２］　赵纪莹，王娜娜，董宇．河南省市售食用植物油中邻苯二甲酸酯类塑化剂污染状况调查［Ｊ］．现代预防医学，２０２０，４７（４）：６０８．［３］　赵岩，薛丽君，黄婧，等．邻苯二甲酸酯健康影响流行病学研究进展［Ｊ］．首都公共卫生，２０２０，１４（１）：９．［４］　王笑妍，薛燕波，者东梅，等．邻苯二甲酸酯类增塑剂概况及法规标准现状［Ｊ］．中国塑料，２０１９，３３（６）：９５．［５］　孙利，陈志锋，雍伟，等．与食品接触的塑料成型品中邻苯二甲酸酯类增塑剂迁移量的测定［Ｊ］．中国卫生检验杂志，２００８，１８（３）：３９３．［６］　ＪＯＳＥＰＨＪＢ．Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｙｉｍｐｒｉｎｔｅｄｐｏｌｙｍｅｒｓ［Ｊ］．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ，２０１９，１１９：９４．［７］　侯彦飞．雌二醇分子印迹聚合物的合成表征及其在食品检测中的应用［Ｄ］．长春：吉林农业大学，２０１２．［８］　李思琪．新型中药药效分子印迹色谱材料制备及分离选择性研究［Ｄ］．广州：广州中医药大学，２０１９．［９］　吴超钧，宋立新，袁琳琳，等．邻苯二甲酸丁苄酯磁性印迹聚合物的合成及其性能表征［Ｊ］．化学世界，２０１７（４）：２１７．［１０］　ＸＵＷ，ＺＨＡＮＧＸ，ＨＵＡＮＧＷ，ｅｔａｌ．Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｉｍｐｒｉｎｔｅｄｐｏｌｙｍｅｒｓｂａｓｅｄｏｎｃａｒｂｏｘｙｌ ｍｏｄｉｆｉｅｄｓｉｌｉｃａｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｄｉｂｕｔｙｌｐｈｔｈａｌａｔｅｆｒｏｍｔａｐｗａｔｅｒｓａｍｐｌｅｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌＳｕｒｆＳｃｉ，２０１７，４２６：１０７５．［１１］　文峰球．邻苯二甲酸二丁酯分子印迹聚合物的制备及其应用研究［Ｄ］．湘潭：湘潭大学，２０１３．（责任编辑：师宝萍）ＳｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｙｉｍｐｒｉｎｔｅｄｐｏｌｙｍｅｒｏｆｂｕｔｙｌｂｅｎｚｙｌｐｈｔｈａｌａｔｅＺＨＡＯＹａｚｈｅｎ，ＬＵＦｕｙｅ，ＳＵＮＬｉａｎｇ，ＭＡＪｉｎｇ，ＤＯＮＧＺｈｏｎｇｐｉｎｇ，ＸＩＡＯＳｈｕｙａｎ（ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＳｃｈｏｏｌ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ０１４０１０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｙｉｍｐｒｉｎｔｅｄｐｏｌｙｍｅｒｏｆｂｕｔｙｌｂｅｎｚｙｌｐｈｔｈａｌａｔｅｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｕｓｉｎｇｂｕｔｙｌｂｅｎｚｙｌｐｈｔｈａｌａｔｅａｓｔｅｍｐｌａｔｅ，α ｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｃａｃｉｄａｓｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍｏｎｏｍｅｒ，ａｚｏｄｉｉｓｏｂｕｔｙｒｏｎｉｔｒｉｌｅａｓｉｎｉｔｉａｔｏｒａｎｄｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌｄｉｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅａｓｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇａｇｅｎｔ．Ｋｉ ｎｅｔｉｃａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｔｉｍｅｗａｓ５ｈｏｕｒｓ．Ｔｈｅｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍａｄｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅａｄ ｓｏｒｐｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆｍｏｌｅｃｕｌａｒｉｍｐｒｉｎｔｅｄｐｏｌｙｍｅｒｗａｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｎｏｎ ｍｏｌｅｃｕｌａｒｉｍｐｒｉｎ ｔｅｄｐｏｌｙｍｅｒ，ａｎｄｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆｍｏｌｅｃｕｌａｒｉｍｐｒｉｎｔｅｄｐｏｌｙｍｅｒｏｎｔｅｍｐｌａｔｅｗａｓｌａｒｇｅｒｔｈａｎｉｔｓａｎａｌｏｇｕｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｅｘ ｐｅｒｉｍｅｎｔｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｉｍｐｒｉｎｔｅｄｐｏｌｙｍｅｒｓｏｆｂｕｔｙｌｂｅｎｚｙｌｐｈｔｈａｌａｔｅｈａｖｅｇｏｏｄａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙｆｏｒｂｕｔｙｌｂｅｎｚｙｌｐｈｔｈａｌａｔｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｕｔｙｌｂｅｎｚｙｌｐｈｔｈａｌａｔｅ；ｍｏｌｅｃｕｌａｒｉｍｐｒｉｎｔｅｄｐｏｌｙｍｅｒ；ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ５１３。

２０２０年６月第３９卷第２期内蒙古科技大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪｕｎｅ，２０２０Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．２一种基于单目移动ＲＧＢ相机的光照估计方法张继凯，季丰，张然（内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头　０１４０１０）摘　要：针对增强现实应用中因光照估计难度大和准确率低造成的虚实光照不一致问题，提出１种基于单目移动相机的全局光照估计算法，通过自适应相机参数选择，将图像各像素作为等效点光源估算光照强度，并结合设备内置传感器进一步计算各点光源位置；通过连通区域分析方法，拟合出对光照影响较大的各类型光源；借助多光源光照计算方法，计算估测光源对虚拟物体的影响关键词：增强现实；虚实融合；单目相机；光照估计；光照一致性中图分类号：ＴＰ３９１．４ 文献标识码：Ａ文章编号：２０９５－２２９５（２０２０）０２－０１３５－０６ ＤＯＩ：１０．１６５５９／ｊ．ｃｎｋｉ．２０９５－２２９５．２０２０．０２．００７ 增强现实技术，是以虚拟现实技术为基础发展起来的一门新技术［１］ 随着５Ｇ时代的到来，移动增强现实技术更是成为一个新的研究热点［２］ 增强现实的一个关键特点是虚实融合，而光照一致性是实现虚实融合必须解决的关键性问题之一［３］ 解决光照一致性问题的关键，则是通过有效的光照估计算法，准确的获取现实场景中的光照信息［４］ 现有的光照估计方法中，有的借助辅助拍摄设备完成光照估计［５，６］，有的通过图像估计环境中的光照情况［７－９］，随着近年来人工智能和神经网络的发展，人们也开始尝试借助神经网络训练得到场景中的光照信息［１０］１　算法概述在现实场景中，物体不仅受到如太阳、灯光等直接光源的影响，还会受到环境光、漫反射光等诸多光照因素的影响 理论上，人眼或普通光学仪器能够接受到的颜色信息都是来源于直接光源或反射和折射源，且颜色亮度在相机快门速度和感光度固定的情况下与真实光亮强度成正比，理论上相机能够接受到的光亮源都会对物体（真实和虚拟物体）光照产生影响，因此在测量过程中将以上光源进行统一计算采用基于单目相机的光照估计方法，算法流程如图１所示，首先利用自适应算法选择确定的感光度（ＩＳＯ）与快门速度（Ｓ）采集空间各方位的图像，以图像中每个像素点作为点光源，像素点的亮度、颜色等参数作为光源点的光照强度信息 然后利用设备内置的姿态传感器获取移动设备在空间中的姿态信息，也就是欧拉角参数 根据单目相机焦距、画幅、图片的尺寸等参数计算出图像中每个像素点与摄像头之间的向量，之后通过已获取的欧拉角参数将该向量旋转，计算出每个像素点在真实场景中的方向向量，获取环境中点光源的位置信息 再后采用连通区域分析算法，对图像进行连通区域分割，将高光区域作为光源，根据区域面积大小分为点光源和面光源，点光源视作一束光线，面光源作为一组平行光对物体产生光照影响 相对的昏暗区域则作为环境光来进行光照计算 最后结合连通区域分析的结果，以及点光源的位置以及强度信息，输出最终的光照参数基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１７７１２６６）；内蒙古自治区自然科学基金资助项目（２０１９ＢＳ０６００５）；内蒙古自治区高等学校科学研究基金资助项目（ＮＪＺＹ２００９５）；内蒙古科技大学创新基金资助项目（２０１７ＱＤＬ－Ｂ１９）作者简介：张继凯（１９８８－），男，内蒙古科技大学讲师，研究方向为计算机图形图像、增强现实通信作者：ｅ ｍａｉｌ：５８４５８１１５８＠ｑｑ．ｃｏｍ收稿日期：２０２０－０４－０２内蒙古科技大学学报２０２０年６月　第３９卷第２期图１　算法流程２　基于单目相机的光照估计方法２．１　基于自适应相机参数的像素级光强计算采用基于单目相机的光照估计方法，通过移动设备采集图像，将图像中的每个像素点看作是１个对虚拟物体产生光照影响的点光源，现实场景中的亮度较大的光源（如灯泡、太阳等）在图像中对应的像素点亮度也相对较高，因此将图像中像素点的亮度、颜色等参数作为点光源的光照强度信息参与到光照计算中 为了保证单目相机捕获的图像可以真实地体现出现实环境中的光照信息，首先需要对相机设置合适的ＩＳＯ与Ｓ ＩＳＯ反映相机的感光元件对光线的敏感程度，数值越高，相机对光线越敏感，曝光量增多，画面越亮，反之，感光度越低，画面越暗 Ｓ则决定相片的曝光时间，快门速度越慢，曝光时间越长，画面越亮，反之，快门速度越快，则画面越暗不同ＩＳＯ和Ｓ下拍摄相片的灰度直方图如图２，３所示，由图可见在Ｓ过低或ＩＳＯ过高时可能会导致一定的过曝现象，此时因触及２４位图像的亮度表现上限，图片多处亮度本该不同的区域均表现为最大亮度值，表现在直方图上则是有过多像素集中在高光范围，导致真正的光源无法凸显；反之，在弱光环境下，若Ｓ选择过高或ＩＳＯ过低，在移动设备拍摄的普通图像上又会表现为集中于低亮度区域，甚至有些弱光像素将变为纯黑，以上２种情况都将直接影响对场景光源亮度的区分度和还原度 因此为了保证拍摄出的照片能够真实地体现出现实环境中的光照信息，需要选用合适的ＩＳＯ与Ｓ图２　感光度ＩＳＯ＝４００下不同快门速度拍摄相片的灰度直方图（ａ）Ｓ＝１／１００ｓ时的灰度直方图；（ｂ）Ｓ＝１／４００ｓ时的灰度直方图；（ｃ）Ｓ＝１／１６００ｓ时的灰度直方图图３　快门速度Ｓ＝１／４００ｓ下不同感光度拍摄相片的灰度直方图（ａ）ＩＳＯ＝１６００时的灰度直方图；（ｂ）ＩＳＯ＝４００时的灰度直方图；（ｃ）ＩＳＯ＝１００时的灰度直方图６３１张继凯，等：一种基于单目移动ＲＧＢ相机的光照估计方法 因采光过程为手持设备移动式采光，快门速度过慢会导致不同程度的拖影问题并影响最终的光源位置计算精度，因此相机参数调整采用快门优先的策略，即优先选用高速快门，通过自适应调整ＩＳＯ获得适合图像，在ＩＳＯ过高却还无法满足图像要求时再调整快门速度，自适应相机参数选择步骤如下：Ｓｔｅｐ１：初始化记ＩＳＯ＝ＩＳＯ＿ｈ＝２０００，ＩＳＯ＿ｌ＝１００，快门速度Ｓ＝１／４００ｓ，计算图像中像素的亮度分布，记亮度值在２２５至２５５间的像素数量为ｎ，图像像素总数为Ｎ，若ｎ／Ｎ＞０ ３，则跳转至Ｓｔｅｐ２，若ｎ／Ｎ＜０ ０５，则跳转至Ｓｔｅｐ３，否则跳转至Ｓｔｅｐ５Ｓｔｅｐ２：ＩＳＯ＝ＩＳＯ＿ｌ＋（ＩＳＯ＿Ｈ－ＩＳＯ＿ｌ） ０ ５，重新计算ｎ值，若ｎ／Ｎ＞０ ３，令ＩＳＯ＿ｈ＝ＩＳＯ并重复Ｓｔｅｐ２，若ｎ／Ｎ＜０ ０５，则跳转至Ｓｔｅｐ３，否则跳转至Ｓｔｅｐ５Ｓｔｅｐ３：若ＩＳＯ大于等于相机最大ＩＳＯ值，跳转至Ｓｔｅｐ４；否则，若ＩＳＯ等于ＩＳＯ＿ｈ，令ＩＳＯ＿ｌ＝ＩＳＯ＿ｈ，ＩＳＯ＝ＩＳＯ＿ｈ＝ＩＳＯ＿ｈ＋１０００；若ＩＳＯ＜ＩＳＯ＿ｈ，则令ＩＳＯ＿ｌ＝ＩＳＯ，ＩＳＯ＝ＩＳＯ＿ｌ＋（ＩＳＯ＿Ｈ－ＩＳＯ＿ｌ） ０ ５，重新计算ｎ值，若ｎ／Ｎ＞０ ３，令ＩＳＯ＿Ｈ＝ＩＳＯ，并跳转至Ｓｔｅｐ２，若ｎ／Ｎ＜０ ０５，则重复Ｓｔｅｐ３，否则跳转至Ｓｔｅｐ５Ｓｔｅｐ４：若Ｓ≥１／１００，则令Ｓ＝１／１００，跳转至Ｓｔｅｐ５；否则，令Ｓ＝Ｓ＋１／４００，重新计算ｎ值，若ｎ／Ｎ＜０ ０５，重复Ｓｔｅｐ４，否则跳转至Ｓｔｅｐ５ Ｓｔｅｐ５：记录ＩＳＯ值及快门速度Ｓ，算法结束利用确定好的ＩＳＯ及快门速度采集图像，采集到的彩色图像需要进行以下步骤的处理，以便从中还原出各像素代表的光源类型及其光照强度：（１）将ＲＧＢ图像转为灰度图像，设定１个灰度值阈值θ判定光照的强度，其中θ＝ＩＳＯ Ｓ σ，σ为测光系数 灰度值大于阈值的像素点作为点光源参与光照计算，小于阈值的像素点作为环境光参与光照渲染（２）按照灰度值阈值θ对图像进行二值化操作，将图片转化为二值图像，并根据计算机形态学，对目标图像进行２次腐蚀与膨胀操作，以去除图像中物体边缘的噪点和部分小连通区域（３）采用ＳｅｅｄＦｉｌｌ种子区域填充算法，对图像的连通区域进行分割 分割完成后的图像将被分为光源区域和环境光区域，确定每个像素所代表的光源类型（４）计算每个区域的光照强度，对于环境光区域的像素提取出１个亮度平均值，视作环境光的强度 而光源区域按照设定的面积阈值ｓ进行区分，面积小于ｓ的区域作为点光源区域，将区域的中心点视为是点光源，光照强度同样按照区域中像素点亮度的平均值决定 面积大于ｓ的区域则作为面光源区域，视为一组平行光对虚拟物体产生影响 ２．２　点光源位置信息获取采用单目相机获取的图像中的像素点作为点光源进行光照参数的计算，环境中光源的位置信息即为图像中每个像素点的位置信息，首先利用移动设备上的单目相机获取现实环境的图像，并实时获取图像所对应的实时姿态传感器数据，然后通过姿态传感器参数计算摄像头捕获的图像在真实场景的空间位置，并结合像素点在图像中的相对位置，计算出点光源在空间中的位置信息为了获取这个位置信息，首先需要计算图像中的像素点于相机镜头之间的向量，再通过姿态传感器将这个向量进行旋转，从而得到每个像素点位置空间中的真实方位 如图４所示，通过单目相机焦距ｆ，画幅ｌ，图片的尺寸ｘ和ｙ，计算每个像素点的坐标，从而获取每个像素与镜头之间的向量α图４　相片与镜头相对位置示意图镜头Ｏ与画面之间的距离ｈ定义如下：ｈ＝ｆ×ｘ２＋ｙ槡２ｌ，（１）以画面左上角像素点Ａ为例，向量α１为：α１＝－ｘ２，－ｙ２，()ｈ （２）获得每个像素点与相机镜头之间的向量后，再结合姿态传感器获取的参数对其进行旋转操作，得到的向量所对应方位即为每个像素点在空间中的方位，从而获得光源在真实环境中的位置信息 通过姿态传感器获取单目相机设备的欧拉角如图５７３１内蒙古科技大学学报２０２０年６月　第３９卷第２期所示图５　欧拉角示意图 如果将每１个角度用旋转矩阵表示如下：Ｒｘ（η）＝１０００ｃｏｓη－ｓｉｎη０ｓｉｎηｃｏｓ η，Ｒｙ（θ）＝ｃｏｓθ０ｓｉｎθ０１０－ｓｉｎθ０ｃｏｓθ，Ｒｚ（φ）＝ｃｏｓφ－ｓｉｎφ０ｓｉｎφｃｏｓφ０００１，则欧拉角转旋转矩阵如下：Ｒ＝Ｒｚ（η）Ｒｙ（θ）Ｒｘ（φ）＝ｃｏｓθｃｏｓφｓｉｎηｓｉｎθｃｏｓφ－ｃｏｓηｓｉｎφｃｏｓηｓｉｎθｃｏｓφ＋ｓｉｎηｓｉｎφｃｏｓθｓｉｎφｓｉｎηｓｉｎθｓｉｎφ＋ｃｏｓηｃｏｓφｃｏｓηｓｉｎθｓｉｎφ－ｓｉｎηｃｏｓφ－ｓｉｎθｓｉｎφｃｏｓθｃｏｓηｃｏｓθ 将每个像素点的方向向量与旋转矩阵相乘得到的向量，即为现实场景中点光源相对于相机的向量计算出现实场景中的点光源与相机镜头之间的向量α之后，结合已知的虚拟物体与相机镜头之间的向量β，即可计算出虚拟物体与点光源之间的向量γ，其中γ＝α－β 从而获得场景中所有点光源与虚拟物体之间的相对位置信息 虚拟物体，相机镜头，点光源之间的位置信息如图６所示图６　位置示意图２．３　ＳｅｅｄＦｉｌｌ连通区域分析算法在对点光源强度信息的获取中，为了提高光照计算的效率，需要将点光源进行聚类处理，通过将大量点光源集合成面光源进行光照计算，从而减少大量的计算时间 因此需要将图像分割成高亮的光源区域和昏暗的环境光区域采用了ＳｅｅｄＦｉｌｌ种子填充方法，首先将获取的图像按照１个灰度阈值进行二值化操作，并对目标图像进行２次腐蚀与膨胀操作，以去除图像中物体边缘的噪点和部分小连通区域，然后通过扫描图像，选取第１个前景像素点作为种子，根据连通区域的２个基本条件（像素值相同、位置相邻）将与种子相邻的前景像素合并到同１个像素集合中，最后得到的该像素集合即为１个连通区域 将整张图片扫描完成后，获得了数个前景像素区域，即灰度值大于阈值的光源区域，剩余的区域则为环境光区域２．４　多光源环境下的光照计算在现实场景中，物体受到的光照影响是十分复杂的，不仅受到来自于光源的直射光线，还会被光滑物体表面的镜面反射光线影响，此外粗糙物体的表面也不是完全黑暗的，同样会有漫反射光的产生 因此，想要完全准确地将物体受到的所有光照都进行计算是十分复杂且困难的，通过基于单目相机的光照估计方法，获取场景中的光源位置以及强度信息，同时将不作为光源且有一定亮度的像素点视为环境光对虚拟物体产生光照影响全局光照算法是当前公认的还原度最高的虚拟场景光照计算方法［１１］，但较大的计算量限制了其在计算能力相对羸弱的移动设备端上的使用 而算法因把场景中所有亮度超过阈值的像素点全部作为光源计算，如较亮的墙壁、地板等，这些物体在光线追踪等算法中也都会对最终的光照计算产生影响，而直接将其拟作光源，因此只需使用简单的３要素光照计算方法即可 即假设虚拟场景中的光照信息都是３个分量叠加的结果，分别是环境（Ａｍｂｉｅｎｔ）、漫８３１张继凯，等：一种基于单目移动ＲＧＢ相机的光照估计方法反射（Ｄｉｆｆｕｓｅ）和镜面（Ｓｐｅｃｕｌａｒ）光照 其中，环境光模拟月光、空间中的粗糙物体的反射光等较弱的光线对物体产生的影响，赋予虚拟物体１个基础的颜色 漫反射光则模拟虚拟物体被光源照射后反射出来的光，使虚拟物体产生亮面和暗面 而镜面光，模拟了光滑物体或物体的部分光滑表面被光照时产生的高光现象通过对３个分量的叠加，从而达到模拟真实环境光照的效果，如下图７所示图７　光照叠加效果图（ａ）环境光照；（ｂ）漫反射光照；（ｃ）镜面光照；（ｄ）光照叠加算法的具体计算公式如下：Ｉｐ＝ｋａｉａ＋∑ｍ∈ｌｉｇｈｔｓ（ｋｄ（→ Ｌｍ·→Ｎ）ｉｍ，ｄ＋ｋｓ（→ Ｒｍ·→ Ｖ）αｉｍ，ｓ式中：ｋａ为环境光反射系数，常数；ｋｄ为漫反射系数，常数；ｋｓ为镜面高光反射系数，常数；α为物体材质光滑程度，由材质决定（材质越光滑系数越大），常量；→ Ｌｍ为相对于Ｌ的反射光线方向；→ Ｎ为该点的法线；→ Ｒｍ为反射光的方向；→ Ｖ为摄像机的方向；ｉｍ，ｄ为光源ｍ的漫反射反射光照，ＲＧＢ；ｉｍ，ｓ为光源ｍ的高光反射光照，ＲＧＢ；ｉａ为环境光的光照；ｉｐ为ｐ的总光照，ＲＧＢ３　实验结果实验中使用手机ＨＵＡＷＥＩｎｏｖａ２ＰＩＣ－ＡＬ００，搭载的７ ０Ａｎｄｒｉｏｄ版本，ＲＡＭ为４Ｇ，摄像头为１９２０×１０８０像素 实验开始后，通过摄像头获取空间中各个方位的图像，同时获取姿态传感器参数，并通过姿态传感器的参数旋转每个像素点相对于摄像头的方向向量，从而得到每个像素点在真实空间中的方向信息经过实验表明，计算得出的方向向量和该图像中的对应像素点在真实场景中的方位基本一致，满足光照计算中所需的光源点方向信息 像素点与相机镜头之间的向量（Ｘ，Ｙ，１），以及经过姿态传感器参数旋转过后的点光源相对于摄像头的向量（Ｘ′，Ｙ′，Ｚ′）数据如表１所示连通区域分割的实验效果如下图８所示，其中（ａ）～（ａ３）分别表示室内光照环境下拍摄的ＲＧＢ图像，对应的灰度图像，二值化图像，以及最终的分割结果图像 （ｂ）～（ｂ３），（ｃ）～（ｃ３）则为不同光照环境下的实验结果 可以看到对图像进行灰度阈值进行二值化之后，图中仍存在大量的小连通域以及噪点，经过图像腐蚀膨胀操作之后，采用ＳｅｅｄＦｉｌｌ种子填充算法进行连通区域的分割，能够将图像分割成数块完整的连通区域表１　部分像素点相对于摄像头的方向向量ＸＹＸ′Ｙ′Ｚ′－０．６４１１０．４８０８０．７２８８－０．６９８１０．２００７－０．６４０８０．４８０８０．７２９２－０．６９８１０．２００７－０．６４０５０．４８０８０．７２９５－０．６９８１０．２００７－０．６４０１０．４８０８０．７２９９－０．６９８１０．２００７－０．６３９８０．４８０８０．７３０１－０．６９８１０．２００７－０．６３９５０．４８０８０．７３０５－０．６９８１０．２００７通过算法，灯泡、窗户、天空等高光区域均被较好地分割出来，作为点光源区域对虚拟物体产生光照影响；而墙壁等昏暗区域则作为环境光区域参与光照计算 实验结果表明，算法能够清晰将图像中的光源区域和环境光区域分割开来，能够较好地满足对光照计算的需求图８　连通区域分析实验效果图（ａ）～（ｃ）ＲＧＢ图像；（ａ１）～（ｃ１）灰度图像；（ａ２）～（ｃ２）二值化图；（ａ３）～（ｃ３）分割结果图９３１内蒙古科技大学学报２０２０年６月　第３９卷第２期４　结论提出１种基于单目相机的光照估计方法，首先通过自适应感光度和快门速度计算锁定相机参数并获取图像，借助设备姿态传感器计算出环境中的点光源位置信息，在结合连通区域分析算法，将图像分割为光源区域和环境光区域，最后对获取的光照参数进行光效渲染与阴影还原 利用算法可在不依赖额外硬件设备和复杂深度学习算法的情况下在一定程度上还原场景的光照信息，具有较为广泛的应用场景，而通过将间接光源统一进行计算，比传统的光线追踪等全局光照算法拥有更高的效率，为增强现实技术在移动设备上的良好应用打下基础 参考文献：［１］　刘万奎，刘越．用于增强现实的光照估计研究综述［Ｊ］．计算机辅助设计与图形学学报，２０１６，２８（２）：１９７．［２］　潘志庚，高翔，丁丹丹．移动增强现实应用及进展［Ｊ］．中兴通讯技术，２０１７，２３（６）：３２．［３］　滕慧举，陈一民，黄晨，等．增强现实中的光照一致性研究［Ｊ］．计算机应用与软件，２０１４，３１（１２）：２５３．［４］　王珂．增强现实中虚实光照一致性研究综述［Ｊ］．光电技术应用，２０１３，２８（６）：６．［５］　ＺＨＯＵＷ，ＣＨＡＮＤＲＡＫ．Ａｕｎｉｆｉｅｄｆｒａｍｅｗｏｒｋｆｏｒｓｃｅｎｅｉｌｌｕｍｉｎａｎｔｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩｍａｇｅａｎｄＶｉｓｉｏｎＣｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００８，２６（３）：４１５．［６］　彭先玲，陈一民，黄晨．基于光线传感器的光照一致性算法［Ｊ］．微型电脑应用，２０１７，３３（４）：６９．［７］　张艾嘉，赵岩，王世刚．适于多种反射现象的光照估计方法［Ｊ］．红外与激光工程，２０１９，４８（５）：３１９．［８］　张锐，韩慧健，梁秀霞，等．基于色度一致性的室外场景光照参数估计［Ｊ］．计算机科学，２０１８，４５（３）：６０．［９］　方靖，张锐，崔巍，等．基于白平衡修正的室外光照估计算法［Ｊ］．计算机科学，２０１９，４６（Ｓ１）：２１１．［１０］　郑彤，刘亚美，张骏．一种基于局部置信度网络的光照估计算法［Ｊ］．智能计算机与应用，２０１９，９（６）：４５．［１１］　徐翔，王璐，徐延宁，等．基于点的全局光照绘制方法综述［Ｊ］．计算机辅助设计与图形学学报，２０１９，３１（５）：６８９．（责任编辑：李波）ＡｍｅｔｈｏｄｏｆｌｉｇｈｔｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｍｏｎｏｃｕｌａｒｍｏｖｉｎｇＲＧＢｃａｍｅｒａＺＨＡＮＧＪｉｋａｉ，ＪＩＦｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＲａｎ（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｈｏｏｌ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ０１４０１０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｉｎｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｌｉｇｈｔｉｎｇａｎｄｒｅａｌｌｉｇｈｔｉｎｇｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙａｎｄｌｏｗａｃｃｕｒａｃｙｏｆｌｉｇｈｔｉｎｇｅｓｔｉｍａ ｔｉｏｎｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓａｕｇｍｅｎｔｅｄｒｅａｌｉｔｙ，ａｇｌｏｂａｌｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎａｍｏｎｏｃｕｌａｒｍｏｂｉｌｅｃａｍｅｒａｗａｓｐｒｏ ｐｏｓｅｄ．Ｂｙａｄａｐｔｉｖｅｃａｍｅｒａｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｅａｃｈｐｉｘｅｌｏｆｔｈｅｉｍａｇｅｗａｓｒｅｇａｒｄｅｄａｓｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｏｉｎｔｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｔｏｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｉｎ ｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｌｉｇｈｔ，ａｎｄｔｈｅｂｕｉｌｔ ｉｎｇｙｒｏｓｃｏｐｅａｎｄｏｔｈｅｒｓｅｎｓｏｒｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｆｕｒｔｈｅｒｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｐｏｉｎｔｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｅｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅａｄｊａｃｅｎｔｐｏｉｎｔｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｓｗｅｒｅｍｅｒｇｅｄｔｏｆｉｔｅａｃｈｏｆｔｈｅｌｉｇｈｔｅｆｆｅｃｔｓｔｈａｔｈａｖｅａｇｒｅａｔｅｒｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｌｉｇｈｔ．Ｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆｍｕｌｔｉ ｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｌｉｇｈｔｉｎｇｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｏｎｖｉｒｔｕａｌｏｂ ｊｅｃｔｓｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｅｓｔｉｍａｔｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓａｌｇｏｒｉｔｈｍｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｌｉｇｈｔｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｒｅａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｓｏｌｖｅｔｈｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙｐｒｏｂｌｅｍｏｆｖｉｒｔｕａｌａｎｄｒｅａｌｌｉｇｈｔｉｎｇｔｏａｃｅｒｔａｉｎｅｘｔｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｇｍｅｎｔｅｄｒｅａｌｉｔｙ；ｍｉｘｉｎｇｏｆｖｉｒｔｕａｌａｎｄａｃｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙ；ｍｏｎｏｃｕｌａｒｃａｍｅｒａ；ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ；ｌｉｇｈｔｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ０４１。

加热炉热过程数学模型方法
任雁秋;李义科;贺友多;高仲龙;温治
【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》
【年(卷),期】1999(018)004
【摘要】对加热炉热过程数学模型方法进行了全面的比较和分析,系统地说明了数学模型的复杂性和涉及的学科与技术领域,对热工工作者深入开展相关研究有指导意义.
【总页数】5页(P423-427)
【作者】任雁秋;李义科;贺友多;高仲龙;温治
【作者单位】包头钢铁学院,环境工程系,内蒙古,包头,014010;包头钢铁学院,环境工程系,内蒙古,包头,014010;包头钢铁学院,冶金工程研究所,内蒙古,包头,014010;北京科技大学,热能工程系,北京,100083;北京科技大学,热能工程系,北京,100083【正文语种】中文
【中图分类】TG315.1+1
【相关文献】
1.基于PLC的加热炉热过程专家控制的实现 [J], 幸小莉
2.连续式加热炉加热过程数学模型的开发与应用 [J], 刘强;贾振;张天赋;赵爱华;孙守斌
3.步进式加热炉内钢坯加热过程的模拟研究 [J], 徐东;祭程;朱苗勇;唐正友
4.GW5000型加热炉内燃烧和传热过程研究及节能分析 [J], 李进锋
5.中间辐射体对加热炉内传热过程影响的数值模拟 [J], 姜天驰;张卫军;刘石;王鑫
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《内蒙古科技大学学报》稿约
《内蒙古科技大学学报》编辑部
【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》
【年(卷),期】2022(41)2
【摘要】1《内蒙古科技大学学报》是由内蒙古科技大学主办,国内外公开发行的
学术性刊物。

主要报道地质采矿、冶金化工、材料、机电、工业自动化与计算机、土木建筑、环境工程与保护、节能、工业经济与管理以及基础学科领域的学术论文、学术报告、综合评述和科技信息等。

2本刊主要读者对象为国内同行业高等院校的师生、科研院所的科技人员、厂矿企业和设计部门的工程技术人员以及相关的决策人员。

【总页数】1页(PF0003-F0003)
【作者】《内蒙古科技大学学报》编辑部
【作者单位】不详
【正文语种】中文
【中图分类】G23
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5.《内蒙古科技大学学报》稿约
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基于时序深度学习的机会网络链路预测方法赵宇红; 李可新【期刊名称】《《内蒙古科技大学学报》》【年(卷),期】2019(038)003【总页数】6页(P283-288)【关键词】机会网络; 深度学习; 链路预测; LSTM【作者】赵宇红; 李可新【作者单位】内蒙古科技大学信息工程学院内蒙古包头 014010【正文语种】中文【中图分类】TP393机会网络(Opportunistic Networks)[1]是一种源节点与目的节点之间不需要完整链路，利用节点相遇机会进行消息传输的移动自组织网络.这种网络因其拓扑时变性和间歇连通性的特点，被广泛地应用于非全连通地区的网络通信.其应用领域有：野生动物追踪[2]、车载网络[3]、突发灾难组网[4]、偏远地区组网[5]等.链路预测是机会网络的一个研究热点.链路预测[6]是根据已知的网络拓扑信息、节点属性和历史信息，预测未来尚未产生连边的节点对产生连接的可能性.一个好的链路预测算法不仅可以挖掘网络中节点之间连接的潜在规律，而且还可以获知网络拓扑演化规律，为设计更好的路由算法奠定基础.目前国内外学者在链路预测问题上已有了比较深入的研究.基于相似性的链路预测方法以其普适性较好，复杂度低的优势被广泛应用.其理论基础在于如果2节点之间相似性分数值越大，那么未来2节点间产生链路的可能性就越大.这种预测方法在静态网络中的有不错的效果，但现实生活中的网络大部分都是动态网络，将这些指标直接应用机会网络这种典型的动态网络当中，预测效果不佳.因此，SHAHRIAR等[7]人使用基于概率模型的预测方法链路预测.这种方法虽然一定程度上提高了链路预测准确度，但普适性随之变差.针对以上问题，SOARES等[8]人将动态网络的时间序列划分为若干个时间窗口，每个时间窗口内为一个静态网络，通过计算每个时间窗口内的相似性指标的值作为样本，最后使用机器学习方式将链路预测转化为二分类的问题从而对链路进行预测.但是，目前机器学习采用的是浅层学习方式，没有深层次的挖掘链路随时间变化规律，因此,不适用于拓扑结构随时间频繁变化的机会网络.根据以上链路预测方法的启发，本文根据机会网络链路随时间变化的特点，将机会网络分成若干个时间窗口，对每个窗口内的链路使用历史连接信息以及拓扑信息进行特征刻画，构建长短期记忆网络(Long Short-Term Memory, LSTM)[9]链路预测模型，旨在提取时间变化规律，从而对链路进行预测.文章主要工作在以下3个方面：根据节点属性量化网络节点动态性，从而确定最佳时间窗口的长度;使用网络拓扑信息以及链接历史信息建立深度学习训练样本;构建LSTM链路预测模型.使用训练样本对模型进行训练，然后在测试样本上验证链路预测的准确度.1 链路预测方法描述1.1 机会网络链路预测问题描述机会网络属于动态网络，其拓扑结构随时间推移而频繁变化，故机会网络链路预测的定义如下：机会网络拓扑结构为G=(G1,G2,…,Gi-1,Gi，t1,t2,t3,…,tn-1,tn)为等长的时间窗口，Gt=(Vt,Et)为在t时间段内的网络拓扑图，Vt和Et为在该时间段内网络中节点和连边的集合.机会网络的链路预测指的是根据网络前t个时间窗口的节点数据和历史连接信息预测在t+1时间段内节点对是否产生链接.1.2 时间窗口确定方法时间窗口是2个拓扑快照之间的时间间隔.时间窗口大小的设计是动态网络链路预测的核心，如果时间窗口过大，则会有一些网络当中的链路被忽略，而窗口过小，则网络当中的链路过少，从而很难对网络进行分析.在很多情况下研究人员在进行链路预测前并没有解释为什么选择特定时间窗口的原因，COLLINS等[10]人在吸烟者行为的研究中发现吸烟者与同伴之间存在正相关的关系，但随着时间窗口的增加，这种关系的强度逐渐减弱.在机会网络中，为确定时间窗口的大小，引入CHOUDHURY等[11]人在纵向网络(Longitudinal Networks)确定时间窗口的方法，然后通过实验验证时间窗口大小是否正确.如图1所示，节点位置的变化在时间上取决于时间窗口的大小，节点通过产生链接参与网络的活动，但如果时间过长，其活动将会被隐藏.图1 不同时间窗口网络演化图Fig.1 The evolution diagram of network with different time window在图中，节点a1和a2根据不同的时间窗口，其连边数量也不同.这就说明时间窗口对于节点位置动态性具有影响，如果能够调整好时间窗口大小，网络中拓扑信息和连接历史信息就可以得到充分应用，提高链路预测准确度.因此，通过考虑节点动态性确定最佳时间窗口.节点动态指标如式(1)：(1)式中：PoDi为第i个节点的动态性的值；是和是第i个节点在同一个标准下计算出的值，两者的区别在于，是将所有时间窗口聚合，根据某种规则计算出的值，而是在时间窗口t内计算出的值.M(i,t)为第i个节点是否参与时间窗口t内的链接活动.如果节点i在t时间段内产生链接则为1，否则为0.m为时间窗口的数量：和是通过使用社交网络分析(SNA)中的度中心性(Degree Centrality)、接近中心性(Closeness Centrality)、中介中心性(Between Centrality)进行计算的，这3个指标是目前使用最广泛并且可以成功量化节点的连接性、位置信息、重要性的指标.因此本文使用其量化节点动态性.该方法定义如式(2)：(2)式中：ai(gt)指标用来量化和通过ai(gt)可以求得节点动态指标PoDi.至此，可以根据不同的时间片长度，得到所有节点的PoDi值的集合.之后,使用方差比较法确定时间窗口长度.表1给出了计算时间窗口的算法步骤.表1给出了确定最佳窗口的算法，其中节点动态指标PoDi由3个中心性指标共同决定，选取最小方差的时间窗口作为最优窗口的原因在于，随着网络时间的推移，方差越小的时间窗口其3个中心性因素的变化幅度也就越小，每个时间窗口内的拓扑状态变化就越小，那么窗口内的链路信息越不容易被忽略.因此,选用最小方差的窗口作为最优窗口.1.3 训练样本构建本文针对机会网络动态特性使用深度学习模型LSTM进行建模，训练样本的构建分为2步.第一步是选取数据集，根据数据集节点链接历史信息以及拓扑信息选取符合链路状态的特征；第二步是将选取的特征转化为输入到模型当中的训练样本.本文使用真实数据集Infocom05和MIT数据集进行实验，实验具体参数在实验部分给出.表1 计算时间窗口算法Table 1 Algorithm for computing the optimal time windowsAlgorithm:Input: List of edgesList of nodes AMaximum time windows length wmaxOutput: Optimal time windows length woptimaldeclare //所有节点组成的集合woptimal=1for i = 1 towmax:declare PoDi[N] //节点动态指标for n=1 to N: PoD[N]//计算每个节点动态指标值endVi=Variance(PoDi[N]//计算方差if Vi<Vi-1i: woptimal= iendendoutput woptimal由于机会网络大规模稀疏性的特点，2节点可能在某一时刻并不存在直接链路，所以本文根据网络拓扑信息选用相似性指标KATZ[12]作为训练样本的特征.KATZ指标会计算2节点之间所有直接链路和间接连通链路数量，然后赋予每条链路不同的分数，如果2节点之间的中介节点越多，则赋予的相似性分数就越小.如式(3)所示：(3)式中：l为路径长度，当l为1时，代表着节点i与节点j之间存在直接链路；α是根据不同网络调整的参数且0<α<1.之后选用连接时长与频率作为训练样本的另外2个特征.因为当2节点间的连接时长越多且频率较高时，那么就可以认定2节点在未来有可能会产生连接.特征向量的格式如式(4)所示：(4)由于这3个特征的测量单位是不一样的，为了消除不同变量的量纲效应，使每个特征具有同等的表现力，本文使用Z-score标准化方法对数据进行处理.如式(5)所示：(5)式中：x为数据实际值；μ为全部数据的均值，为全部数据的标准差.Z-score标准化的优点在于不受到数据量级的影响并且得出的结果方便比较.因此，根据对特征的处理以及数据的无纲化处理，得出的样本数据如图2所示.图2 样本格式图Fig.2 Data sequence1.4 基于LSTM链路预测模型针对样本时序问题，使用处理时间序列问题出色的LSTM深度学习模型进行训练，该模型是循环神经网络的变种，其独有的输入门(Input Gate)、遗忘门(Forget Gate)、输出门(Output Gate).3个门结构使模型对于时间序列样本的处理上达到很好的效果，并且可以有效地筛选出时间序列当中重要的部分，而且避免了标准循环神经网络出现的梯度消失以及梯度爆炸等问题.使用LSTM模型进行链路预测的流程如图3所示.图3 链路预测流程图Fig.3 Link prediction flow chart图3是基于LSTM进行链路预测的过程.首先选取数据集中的链路进行特征的采集.之后使用交叉验证法将样本按照7∶3的比例划分训练集和测试集.样本构建完毕后，将训练样本输入到模型当中，使用Adam优化器对损失函数进行优化，通过模型训练，找出最优模型.最后使用测试集对于模型进行测试，验证链路预测方法的适用性以及准确性.2 实验结果与分析本文使用深度学习框架Tensorflow进行仿真试验.评价标准采用受试者工作特性曲线中的AUC，Accuracy，Precision.AUC指标衡量的是链路预测模型整体的好坏，Accuracy是预测正确的样本数与所有预测样本数的比例，Precision表示被分为正例的示例中实际为正例的比例.2.1 数据集介绍本文使用的数据集为Infocom05和MIT，这2个数据集具体参数如表2所示. MIT数据集的特点是时间长、数据量足、场景大、接触频率低.而Infocom05数据集的特点是时间段、数据量少、场景小、接触频率高.这2个数据集是机会网络中极具特点的2个数据集，因此选用这2个数据集进行实验.表2 数据集参数Table 2 Information of data setsMITInfocom05设备类型Phoneimote节点数量9741网络类型BluetoothBluetooth持续时间/d2463链接数量102 51022 4592.2 确定时间窗口使用1.2节的方法确定时间窗口参数，然后通过实验验证其效果.实验效果如图4，5所示.图4是MIT数据集的方差图，从图中可以看出，当时间窗口设置为40 d时，方差最小，因此在MIT数据集中时间窗口设置为40 d.从Infomcom05数据集方差图图5可以看出，在时间窗口设置为6 s至1 min时，方差值趋于稳定，但1 min之后，方差值涨幅增大.根据提出的方法，应该将时间窗口设置为6 s，但考虑到方差的增长不明显，并且时间窗口越小，计算的复杂度越高，输入到LSTM模型当中的重复特征会越多.所以将时间窗口设置为1 min.图4 MIT数据集方差图Fig.4 Variances of MIT data sets图5 Infocom05数据集方差图Fig.5 Variances of Infocom05 data sets2.3 实验结果与分析本节实验首先对于时间窗口的选取进行验证，然后使用其他机器学习分类模型与LSTM模型进行对比，验证LSTM模型的性能.最后使用当前主流相似性指标与本文提出的链路预测方法进行对比，证明链路预测方法的有效性.时间窗口对比图如图6，7所示.图6和图7的试验结果表明：在MIT数据集中时间窗口设置为40 d时，其结果在3种评价标准中都是最好的.而在Infocom05数据集中，最好的情况是时间窗口最小的情况，这证明使用的时间窗口与最终预测结果是相关联的，也证明使用的时间窗口确定方法是可靠的.图6 MIT数据集预测结果图Fig.6 Prediction result of MIT data set图7 Infocom05数据集预测结果图Fig.7 Prediction result of Infocom05 data set在时间窗口确定完后，使用调整好的LSTM模型与其他机器学习分类模型进行对比，模型对比图如图8所示.图8 模型比较图Fig.8 The comparison experiment with different model根据图8的对比实验，可以看出，使用LSTM模型的效果是最好的，说明了针对机会网络的动态特性，LSTM模型可以深层次的挖掘拓扑随时间变化的规律，从而准确的对链路进行预测.目前链路预测普遍使用基于相似性的方法，本文使用几种典型的相似性指标(如CN，AA，RA，KATZ)与本文提出的方法进行对比，对比结果如表3所示.表3 AUC对比Table 3 The comparison experiment of AUCMITInfocom05CN0.782 20.836 9AA0.791 30.839 0RA0.803 50.8707Katz0.803 90.870 8LSTM0.953 10.910 6由表3可以看出，在MIT数据集中，由于数据量充足，可以使得LSTM得到充分的训练，AUC指标的值显著提升.而Infocom05数据的的数据量相对较少，但是也由明显的提升.综合以上实验结果可知，本文提出的链路预测方法，针对不同密度的数据集，其预测效果可以得到显著地提升.3 结论由于机会网络的稀疏性，间歇连通性以及拓扑动态演化等时变性特点，使得链路预测变得困难，针对这些问题，提出了一种通过时序深度学习网络的链路预测方法.使用拓扑信息以及连接历史信息对链路进行刻画，构建样本空间，基于社交网络分析中常用的3个指标确定了最优时间窗口的大小.然后使用已构建的样本在LSTM 深度学习模型中进行训练，提取出了机会网络链路随时间变化的规律.实验表明：采用的确定时间窗口大小的方法是有效的.在最佳时间窗口下，使用的LSTM模型相比于其他机器学习分类模型的整体预测效果更好，此外，该方法相比于当前主流的基于相似性的链路预测算法更适用于机会网络的链路预测.参考文献：【相关文献】[1] FALL K. A delay-tolerant network architecture for challenged Internets[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2003,33(4):27-34.[2] FENG Z, CHIN K W. A Novel Data Centric Information Retrieval Protocol for Queries in Delay Tolerant Networks[J]. Journal of Network and Systems Management,2015,23(4):870-901.[3] WANG T， SONG L，HAN Z. Coalitional graph games for popular content distribution in cognitive radio vanets[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2013,62(8):4010-4019.[4] LEE J, KIM S K, YOON J H, et al. Snapshot: a forwarding strategy based on analyzing network topology in opportunistic networks[J]. Wireless Networks, 2015,21(6):2055-2068.[5] PENTLAND A, FLETCHER R, HASSON A. DakNet: rethinking connectivity in developing nations[J]. Computer, 2004,37(1):78-83.[6] 吕琳媛.复杂网络链路预测[J].电子科技大学学报,2010,39(5):651-661.[7] SHAHRIAR M, LIU Y, DAS S K. HiPCV: History based learning model for predicting contact volume in Opportunistic Networks[C]//World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks. Boston, USA: IEEE,2015:1-9.[8] RICARDO P, SOARES S, PRUDENCIO R. Time series based linkprediction[C]//International Joint Conference on Neural Networks. Brisbane, Australia: IEEE,2012:1-7.[9] HOCHREITER S, SCHMIDHUBER J. Long short-term memory[J]. Neural Computation, 1997,9(8):1735-1780.[10] COLLIN L M, GRAHAM J W. The effect of the timing and spacing of observations in longitudinal studies of tobacco and other drug use: temporal design considerations[J]. Drug and Alcohol Dependence, 2002,68:85-96.[11] UDDIN S, CHOUDHURY N, FARHAD S M, et al. The optimal window size for analysing longitudinal networks[J]. Scientific Reports, 2017,7(1):13389.[12] KATZ L. A new status index derived from sociometric analysis[J]. Psychometrika, 1953,18(1):39-43.。

远程节点之间产生GHZ态马永红;陈华;赵存虎【摘要】提出一种在噪音通道中实现远程节点之间产生多原子纠缠的方案,噪音参数与目标态的保真度是相互独立的.结果表明,此方案中制备的非最大纠缠态能用来完成量子通讯.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2012(031)001【总页数】4页(P99-102)【关键词】量子节点;GHZ态;纠缠态【作者】马永红;陈华;赵存虎【作者单位】内蒙古科技大学数理与生物工程学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学数理与生物工程学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学数理与生物工程学院,内蒙古包头 014010【正文语种】中文【中图分类】O413.11993年，Greenberger，Horene，Zelinger将两粒子纠缠的Bell态推广到三粒子纠缠态［1］，这种态我们称为GHZ态，其表示形式为，对于多粒子情况，GHZ态可表示为保真度是用来表示输出的量子态和目标态之间的接近程度，它是度量两个量子态间距离的一种方法.态ρ和σ的保真度可表示为:我们考虑两种情况:第一种是ρ和σ对易，即在某一正交基|i＞下两密度算符是对角的，满足ρ=对应的保真度为可见，在这种情况下，保真度还原为ρ和σ对应本征值分别为 ri和 si的经典保真度.第二种是纯态|Ψ＞和任意态ρ的保真度，利用保真度的定义式(1)并利用纯态的等幂性，我们可以得到即保真度等于态|Ψ＞和任意态ρ之间重叠部分的平方根.为建立远程节点之间的量子信息，人们提出纠缠分布的思想［2］，于是实现了在不同的量子节点间长距离量子通信.最近，人们提出许多远程腔间产生纠缠态的方案，作者利用远程腔［3］提出一种制备GHZ态或W态的理论方案.然而，量子通道中噪音的影响［4～6］，长距离纠缠态的保真度会随距离的增加而减小，例如，对于光纤来说，光子的吸收和退极化几率会随着光纤长度的增加而指数式增长.因此，我们提出一种在噪音通道中实现远程节点之间产生多原子纠缠的方案，噪音参数与目标态的保真度是相互独立的.结果表明:此方案中制备的非最大纠缠态能用来完成量子通讯，此外，我们也把此方案推广到N量子节点.我们所考虑的原子能级结构及其演化过程如图1所示.囚禁在双模腔中的原子有两个简并的激发态|e r＞和|e l＞以及基态|g r＞和|g l＞，原子的跃迁|g l＞→|e l＞和|g r＞→|e l＞分别与腔的左圆偏振和右圆偏振相耦合(对应耦合常数均为|g＞)，对应的装置如图2所示.囚禁在三个双模腔中的三个远程原子分别作为节点1，2，3.在相互作用绘景中第k个腔对应的哈密顿量可写为其中，下标k表示第k个原子(腔);a l，k(a r，k)表示左(右)圆偏振腔模的湮灭算符;γ和k分别表示原子的自发辐射率和腔的耗散率(假定γi=γ，ki=k).因为这种方案中最大纠缠态的保真度不受噪音参数k和γ的影响，为得到三个原子的GHZ态，我们把三个原子和三个腔制备在态.因此，系统(包括原子和腔)随时间演化可示为考虑到耗散，我们得到态在时间t1时的成功几率为当光子通过四分之一波片(QWP)，左偏振或右偏振光子分别变成垂直或水平偏振，因此系统的态变为下面，我们将讨论怎样在远程节点之间产生纠缠，对应的方案如图2.光子从腔1，2，3中通过然后将经过极化分束器(PBSs)P1，P2，P3，而极化分束器的作用是:透射垂直偏振光而反射水平偏振光(所有PBSs都遵循此规律).因此，态|H＞通过短路径(S)传播，态|V＞通过长路径(L)传播，而半波片(HWP)把态|V＞变成|H＞或|H＞变成|V＞.假定S和L的时间差大约为纳秒数量级，即远远小于纤维中传播的波动时间，所以通过噪音通道时两个相近部分具有同样的影响［4～6］.光子通过50∶50分束器(BSs)A，N，M以后，系统的态可表示为其中，下标L和S分别表示光子k通过路径L和S;系数i是由分束器反射引起的相位移.为方便表示，我们假定所有进入通道1，2，3的光子具有同样的几率1.事实上，利用同样的设备输出口1’，2’，3’可以通过通道1’，2’，3’连接起来(对于节点4也相同).下面我们将表明在噪音通道中于不同节点间产生纠缠态，三个输出口对应的态均为|H＞，因此量子通道中噪音对脉冲的影响具有相同的形式，噪音通道可以表示为δk和ηk表示对应不同噪音通道中的参数.光子通过噪音通道后分别到达分束器B，F，H，对应的原子-光子系统变为噪音通道中我们选择三个纤维的路径长度满足条件:AB=NF=MH，即在三个通道中消耗的时间相同.显然，光子分别穿过分束器B，F，H后可能再次通过路径(L)或(S)，根据图2中的装置可得其中，下标hk或vk表示通过极化分束器C(G或I)后光子k沿垂直或水平方向的可能路径.例如，光子1通过极化分束器C后有可能沿路径v(CD')也有可能沿路径h(CJ')穿过.对于中心节点，路径长度的选择如下:因此，在时间t1+t2三个探测器可以同时响应，对应系统总的态(三个原子和三个探测器)为其中，Di表示第i个探测器被响应.式(11)中的项表示的是经过有限时间后到达探测器的态，其他项(到达探测器太迟或太早)被忽略掉.根据方程(11)，如果D1，D2，D3(D4，D5，D6)被响应，那么原子1，2，3将塌缩到GHZ态可见，所产生纠缠态的保真度与噪音参数是相互独立的.对于其他情况我们可以得到非最大纠缠态，例如D1，D2，D4被响应，原子的态将变为δ2(η3δ1|g l，1，g l，2，g l，3＞+δ3η1|g r，1，g r，2，g r，3＞).在图3中我们利用Wootters提出的Threetangle［7］研究了噪音对产生纠缠的影响.不失一般性，我们考虑了D1，D2，D4被响应时噪音可能的影响(设定δ3=δ1+Δ)，其中，Three－tangle可表示为δ1和Δ的函数，作为全局调整因子的噪音参数δ2可以去掉(其独立于Three－tangle).从图3中我们可以看出，原子1，2，3处于非最大纠缠态，当Δ=0时Three－tangle能达到最大值.总之，对于所有的测量结果，我们得到了最大纠缠态，其对应的成功几率为 P1［(δ1δ2δ3)2+ (η1η2η3)2］/32.我们也表明:非最大纠缠态也能实现量子通讯方案，例如:在中心控制者约翰(中心节点)的帮助下，三个用户(爱丽丝、鲍勃和查理)想相互通信(假定约翰是诚实的)，我们假定约翰得到N个安全的结果，而爱丽丝、鲍勃和查理分享量子系统的一组纠缠态.为确定信息是否被窃取，约翰随机地选择一些最大纠缠态作为取样，并且随机选择不同的测量基让三个用户测量他们的关联粒子.与量子密钥分配(QKD)相似［8］，爱丽丝、鲍勃和查理通告他们的测量结果并分析通讯的安全性.在约翰通知其探测结果后，如果信息没有被窃取，那么其中一个用户可通过测量其拥有的粒子，然后通过其他两个用户获得秘密信息，此秘密信息作为他们之间的原始密钥.需要指出的是:有一些探测结果(如D1 D4 D5)对应的全部系统不是一个纠缠态，所以我们就不能用他们来完成量子通讯.最后，我们也指出此方案的一些技术上的缺陷:此方案整个过程的完成需要确定时间τ1，因此需要一个透明的计数器，对于这种计数器来说，通过不同的腔我们能看到光子，这样我们就能得到时间τ1，当然，实际的操作过程还是相对困难的.然而，随着量子非破坏测量(QND)技术的发展［9］，我们相信在不久的将来这种方案能够实现.【相关文献】［1］ Greenberger G，Horne M，Zeilinger A.Bell theorem，quantum theory，and conceptions of the universe［M］.Kafatos M.(Kluwer，Dordrecht)，1998.［2］ Duan LM，Kimble H J.Efficient engineering ofmultiatom entanglement through single－photon detections［J］.Phys Rev Lett，2003，90:253601(1－4).［3］ Yu C S，Yi X X，Song H S，et al.Robust preparation of GHZ and W states of three distant atoms［J］.Phys Rev A，2007，75:044301(1－4).［4］ Yamamoto T，Shimamura J，ozdemir SK，et al.Faithful qubit distribution assisted by one additional qubitagainst collective noise［J］.Phys Rev Lett，2005，95:040503(1－4).［5］ Li X H，Deng FG，Zhou H Y.Faithful qubit transmission against collective noise without ancillary qubits［J］.Appl Phys Lett，2007，91:144101(1－3).［6］ Song J，Xia Y，Song H S.Quantum nodes forW－state generation in noisy channels ［J］.Phys Rev A，2008，78: 024302(1－4).［7］ Coffman V，Kundu J，WoottersW K.Distributed entanglement［J］.Phys Rev A，2000，61:052306(1－6).［8］ Bennett C H，Brassard G.Proceedings of IEEE International Conference on Computers，Systems and Signal Processing，Bangalore，India［M］.New York:IEEE，1984.［9］ Nogues G，Rauschenbeutel A，Osnaghi S，et al.Seeing a single photon without destroying it［J］.Nature(London)，1999，400:239－242.。

氮对Q345钢力学性能的影响田时雨;杨吉春;闫瑞军;张泽宁;王军【摘要】试验钢为含钒800×10-6的Q345钢,氮的质量分数按0％,0.018％,0.022％,0.034％,0.042％,0.052％逐渐升高.通过提高氮含量,来促进钒的析出,使钒得到充分利用.随着氮含量的增加,金相组织得到明显细化.增氮后钢的力学性能得到明显增强,4#试验钢的氮含量为0.034％,钢的屈服强度相比不含氮的1#试验钢,抗拉强度提高了46 MPa,屈服强度提高了124 MPa.1#试验钢的冲击功为64.4 J,随着氮含量的增高,冲击功也得到提高,3#试验钢的冲击功为159.9 J.当氮含量继续增加时,冲击功开始降低,6#钢的冲击功为59.7 J.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2018(037)002【总页数】5页(P124-128)【关键词】Q345钢;力学性能;拉伸断口;自然时效【作者】田时雨;杨吉春;闫瑞军;张泽宁;王军【作者单位】内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010【正文语种】中文【中图分类】TF046.6Q345钢综合力学性能良好，低温性能尚可，塑性和焊接性良好.该钢种广泛用于各种大型船舶、中低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁等承受动载荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件[1]，热轧或正火状态使用，可用于-40 ℃以下寒冷地区的各种结构.本文以Q345钢为基础，利用钒对钢进行微合金化，通过改变氮含量，来细化钢的晶粒组织，提高钢力学性能，减少钢材使用量.这对我国的节约自然资源、环境保护，以及节能降耗都有积极的意义.1 实验材料及方法1.1 试样材料在Q345钢的基础上加入0.08% V，设计氮含量从0%上升到0.05%，进行配料计算.实验钢采用真空感应熔炼炉冶炼.得到的铸坯加热到1 150 ℃,保温3 h,利用轧机轧制，终轧温度为920 ℃，然后空冷到室温.再将热轧试样加热到(920±10)℃，保温1 h进行正火[2]，空冷至室温.采用美国ARL3460电火花直读光谱仪，测定实验钢中C，Si，Mn，P，S等元素含量.采用北京纳克分析仪器有限公司生产的ON-3000氧氮氢分析仪对钢中N进行测量.试验钢化学成分见下表1.表1 试验钢化学成分(质量分数，%)Table 1 Composition of the test steel试样CMnSiSPVN1#0.181.4640.395≤0.011≤0.0250.1180.0002#0.201.4730.420≤0. 011≤0.0250.0930.0183#0.171.4810.386≤0.011≤0.0250.0840.0224#0.191.45 80.445≤0.011≤0.0250.0830.0345#0.201.5280.453≤0.011≤0.0250.0820.0436 #0.231.4690.461≤0.011≤0.0250.0920.0521.2 试样制备及实验方法试验钢正火处理后，按照GB/T228.1-2002制作拉伸试样.在CSS-88500型电子万能试验机上进行拉伸试验.利用透射电子显微镜(TEM)对钒的碳氮化物析出大小、形态和分布进行观察.利用能谱仪对其化学成分进行分析(EDS).利用扫描电镜(SEM)观察拉伸断口.2 实验结果与分析2.1 氮对V(C,N)析出的影响图1为试验Q345钢中的V(C,N)析出.图1 V(C,N)析出形貌Fig.1 (a)Fig.1 Precipitation morphology of V (C, N) (a)，(b)铁素体中析出；(c)，(d)珠光体中析出从图1中可以观察到，在铁素体和珠光体中析出大量的V(C,N).在奥氏体中析出时，晶界处析出V(C,N)能够阻碍奥氏体晶界移动.防止奥氏体晶粒的粗大.相变后得到的铁素体和珠光体组织也细小、均匀.并且V(C,N)可以作为铁素体晶粒形核的核心，起到诱导铁素体形核作用，从而细化晶粒[3].从图2中可以看出，在铁素体和珠光体中析出的V(C,N)起到析出强化的作用.V(C,N)能够钉扎在位错线上.阻碍位错移动，提高钢的屈服强度和抗拉强度[4].图2 位错线上V(C,N)析出及能谱分析Fig.2 Precipitation of V (C, N)on the dislocation line and energy spectrum analysis(a)V(C,N)钉扎位错线上；(b)能谱分析2.2 氮对Q345钢室温组织的影响图3为1#～6#试验钢热轧金相组织变化图.图3 试验钢显微组织Fig.3 Microstructure of test steel(a)1# 未加入N；(b)2# 0.018%N；(c)3# 0.022%N；(d)4# 0.034%N；(e)5# 0.042%N；(f)6#0.052%N钢坯加热到温度1 150 ℃后,随后进行保温3 h操作,使钢坯内外温度均匀，对试验钢进行轧制，其终轧温度约为920 ℃，将轧制后的钢材空冷到室温.对试验Q345钢进行正火处理，方法是将热轧后的试验钢加热到(920±10)℃，保温1 h进行正火，空冷至室温.正火处理可以有效提高组织和性能均匀性[5]，从图中可以看到，随着氮含量的加入，铁素体和珠光体晶粒变得更加细小、均匀.这说明氮对含钒正火钢有明显的细化晶粒的作用.2.3 氮对Q345钢力学性能的影响2.3.1 氮对钢拉伸性能的影响表2为试验钢拉伸试验数据，图4为试验钢抗拉强度和屈服强度变化趋势.从表2和图4中可以看出，随着氮含量的提高，钢的抗拉强度和屈服强度都得到明显的提高.1#试验钢未加入氮，其抗拉强度为686 MPa，屈服强度为486 MPa；5#试验钢的氮含量为0.042%，其抗拉强度为785 MPa，屈服强度为624 MPa.钢的力学性能得到显著提高；当氮含量继续加入时，6#钢氮含量为0.052%，其抗拉强度为722 MPa，屈服强度为610 MPa，钢的力学性能开始下降.表2 拉伸实验力学性能数据Table 2 Mechanical data of the tensile experimentNO.抗拉强度/MPa屈服强度/MPa断后延伸率/%屈强比1#68648618.50.712#66050222.00.763#65151023.50.784#73261024.50.835 #78562422.00.796#72261019.50.84图4 强度变化趋势Fig.4 Tendency of test steel strength variation2.3.2 氮对冲击性能的影响表3和图5为试验钢在室温条件下的冲击功.从数值上可以看出冲击功值随的氮含量的增加，呈现先增后降的变化.图6为试验钢冲击断口形貌图.1#试验钢出现大量的舌状花纹，为脆性断裂.其原因是1#试验钢不含氮，对晶粒组织细化不明显，导致钢的力学性能不好；2#,3#,4#试验钢钢出现韧窝较多，其中3#试验钢的韧窝较深，并且韧窝的数量较多，钢的塑韧性较好.随着氮含量的提高，钢中析出大量的V(C,N)，能够起到细化晶粒和沉淀强化的作用.钢晶粒组织细小，并且析出的V(C,N)阻碍位错移动，提高了钢的塑韧性；5#试验钢冲击断口出现部分韧性韧窝和舌状纹掺杂.这说明随着氮含量的增高，钒无法结合更多的氮，使氮游离状态存在，形成Fe4N，并增加珠光体脆性相，钢转变为脆性；6#试验钢出现大量的舌状花纹，钢的脆性增强.表3 试验Q345钢冲击功数据Table 3 The impact power data of test steelQ345钢号1#2#3#4#5#6#冲击功/J64.4144.3159.9139.198.359.7图5 氮对试验Q345钢冲击功影响Fig.5 Influence of nitrogen on impact power of test steel Q3452.3.3 氮对自然时效性能的影响图6为1#～6#试验钢的自然时效变化趋势图.钢的时效是间隙原子C,N在α-Fe中的脱溶或准脱溶行为，以及由此引发的性能变化.C,N的过饱和α-Fe具有“偏聚区—过渡相—平衡相”的脱溶贯序，是化学驱动相变过程.并且溶质原子与α-Fe晶体缺陷相互作用，由畸变能驱动，形成C，N 原子位错气团，可以和过饱和固溶体的脱溶贯序相连接[6].图6 试验钢冲击断口形貌图Fig.6 Impact fracture morphology of teststeel(a)1# 未加入N；(b)2# 0.018%N；(c)3# 0.022 (d)4# 0.034%N；(e)5# 0.042%N；(f)6# 0.052%N图7 自然时效对Q345钢力学性能影响Fig.7 The effect of natural aging on mechanical properties of Q345 steel(a)屈服强度变化；(b)抗拉强度变化从图中可以看到，通过自然时效60 d﹑自然时效120 d对比，可以发现自然时效对1#,2#,3#试验钢钢的抗拉强度和屈服强度影响不大，当氮含量相对较低时，氮主要以稳定的V(C、N)形式存在.形成“柯氏气团”对钢的屈服强度影响较小，经过自然时效时影响较弱.随着氮含量的继续增加，4#钢的经自然时效后抗拉强度降低了10 MPa，屈服强度降低了9 MPa.表现了轻微的自然时效.5#,6#试验钢经过自然时效后，钢的屈服强度和抗拉强度降低都很明显，屈服强度降低85 MPa，抗拉强度降低78 MPa，钢的性能明显降低.这说明当钒为800×10-6时，很难结合420×10-6,530×10-6的氮，虽然此时钒得到充分利用，但有很多的碳﹑氮以游离态存在，游离的氮使钢中Fe4N大量存在.游离态碳，使得偏析严重，韧性降低.并且珠光体的脆性相，珠光体含量也高高，导致钢的脆性增加，屈服强度和抗拉强度均下降.经过自然时效后，钢的性能下降非常明显.5 结论(1)含钒Q345钢，增氮时钢中析出大量的V(C,N)颗粒，弥散分布在铁素体和珠光体中.起到细晶强化和沉淀强化的作用.(2)含钒800×10-6的Q345钢，抗拉强度和屈服强度随着氮含量的增加而增加.当氮达到420×10-6后，钢的抗拉强度为785 MPa，屈服强度为624 MPa，并且趋于稳定，继续增加氮含量，试验钢的力学性能开始下降.(3)含钒800×10-6的Q345钢不含氮时，钢的冲击断口呈现脆性断裂；当增加氮含量时，拉伸断口逐渐变为韧性断裂；当氮为520×10-6时，拉伸断口又转变为脆性断裂.(4)经过60，120 d时效试验，结果表明1#，2#，3#试验钢在氮含量较低情况下，时效对钢强度影响不明显；4#试验钢氮的质量分数为0.034%，抗拉强度降低了10 MPa，钢的屈服强度降低了9 MPa.随着氮含量增加，自然时效非常明显，其中6#试验钢氮的质量分数为0.052%，经自然时效后，屈服强度降低85 MPa，抗拉强度降低78 MPa.参考文献：【相关文献】[1] 宿成.低合金高强度结构钢(Q345B)高温力学性能研究[D].包头：内蒙古科技大学,2011.[2] 苏航,柴希阳,潘涛,等.氮含量对正火型钒微合金化钢强化效果和显微组织的影响[J].钢铁,2014,49(6):85-90.[3] 杨才福，张永权，王瑞珍，编著.钒钢冶金原理与应用[M]. 北京：冶金工业出版社，2012.[4] 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