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电力机车的技术特点及应用前景: wusaite 2019-7-30 21:02; 电力机车的技术特点及应用前景伍赛特 1 电力机车的结构组成电力机车是一种通过外部接触网或轨道供给电能，由牵引电动机驱动的现代化牵引动力设备。通常而言，电力机车由电气部分、机械部分和空气管路系统 3 大部分组成。电气部分包括牵引电动机、牵引变压器、整流硅机组、备类电器等。通过它们把来自接触网的电能转变为机械能，同时实现对机车的控制。机械部分包括车体、转向架、车体与转向架连接装置和牵引缓冲装置。空气管路系统包括风源系统、制动机管路系统、控制管路系统和辅助管路系统。 2 电力机车的技术特点电力机车与内燃机车相比具有不可比拟的优势：（ 1 ）功率大，速度快。机车的功率大小决定了它的牵引力和运行速度。蒸汽机车和内燃机车由于受结构的限制，功率受到影响，而电力机车的功率相对较大，加之电网容量超过机车内燃功率达数倍，使现代电力机车向重载、高速方向发展成为现实。（ 2 ）热效率高，成本低。电力机车的平均热效率为 26% ，远高于蒸汽机车，也高于内燃机车，同时无非生产性消耗。运输成本低，经济效益好。（ 3 ）综合利用资源，降低能源消耗。我国有丰富的水力资源可供发电。另外火力发电厂也可利用一些劣质燃料发电，做到资源综合利用，节约大量的优质燃料。（ 4 ）清洁无污染。电力机车的动力来自于电能，无任何有害排放物和污染，作为铁路运输和城市轨道交通的主要动力是十分理想的。（ 5 ）维修便利，成本低。电力机车上主要是一些电器设备，因此具有保养容易，维修量小，定修周期短等特点。（ 6 ）工作条件舒适。电力机车乘务员的工作条件比起蒸汽机车在劳动强度、工作环境、噪声、采光、振动等方面部有很大的改善，也优于内燃机车。（ 7 ）适应能力强。电力机车不同于蒸汽机车和内燃机车，运行中没有水的消耗，不影响其在无水区和缺水区运行。 3 电力机车的应用前景电力机车相比内燃机车，在动力性及工作条件方面有着其独到的技术优势，在轨道运输领域中具有不可替代的重要地位。就目前而言，大力发展电力机车已成为必然选择，其也将为铁路干线运输作出贡献。参考文献伍赛特.动车组与电气化铁路节能技术研究综述 .机电产品开发与创新,2019,32(03):47-49.; 个人分类: 科普集锦|5035 次阅读|0 个评论

微型燃气轮机技术发展及应用前景: wusaite 2019-7-28 11:41; 微型燃气轮机技术发展及应用前景伍赛特 0 引言微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发动机，其基本技术特征是采用径流式叶轮机械（向心式透平和离心式压气机）以及回热循环。近年来其已收到了广泛的技术关注。 1 微型燃气轮机及其技术特点微型燃气轮机由透平、压气机、燃烧室、回热器、发电机及电子控制部分组成，从压气机出来的高压空气先在回热器内接受透平排气的预热，然后进入燃烧室和燃料混合、燃烧。大多数微型燃气轮机由燃气轮机直接驱动内置式高速发电机，发电机和压气机、透平同轴，转速在 50 000 ～ 120 000 r/min 之间，发电机发出高频交流电，转换成高压直流电后，再转换为 60 Hz 480V 的交流电。微型燃气轮机装置的洁净、可靠、高性能源于以下技术：通过采用贫燃料预混合燃烧技术，可使排放降低，通常 NO x 排放低于 12 × 10 -6 （燃用天然气或丙烷燃料时为 9 × 10 -6 ），噪声低于 70 dB ；通过采用空气轴承，不需维修或维修性好，设计大修周期为 40 000 ～ 50 000 小时甚至更高；通过采用数字式遥控的联网离网发电变换装置，可以确保发电质量和电网安全。先进微型燃气轮机的主要特点：（ 1 ）功率在几十到几百千瓦之间；（ 2 ）操作简单，安全可靠，使用方便；（ 3 ）污染物排放低，噪音小；（ 4 ）带有回热器、功率变频、高速电机等设施，效率达到 28% ～ 35% 左右；（ 5 ）组成热电冷联供系统，能量利用率可达 80% 。 2 微型燃气轮机技术的最新研究进展微型燃气轮机技术最近几年发展很快，整机技术和关键技术都有明显突破。 Capstone 公司经过多年创新设计和先进材料研究，研制成功了高效、低污染物燃烧室、高速气浮轴承和高速永磁发电机，完成了集成技术， 2009 年 200 kW 的微型燃气轮机已经大批量推向市场。 Honey Well Power system 公司重点研究 75 ～ 350 kW 先进微型燃气轮机的性能，在一次表面回热器 MT 的高温材料和高效紧凑板翅式回热器等研究方面有很大的进展， 75 kW 级的微型燃气轮机的发电效率达到为 28.5% 。 Northern Research Engineering 公司在微型燃气轮机低排放燃烧室及氮化硅技术取得研究成果，大大降低了 NO x 的排放浓度。我国在微型燃气轮机研究方面也做了一些工作，但整体水平比国外落后很多。 3 国内外微型燃气轮机的研究进展比较 3.1 国外微型燃气轮机研究进展美国、日本和欧洲都在强化新一代微型燃气轮机系统的研究、开发和制造。近几年我国也积极研制微型燃气轮机，取得了一些进展。微型燃气轮机的雏形可追溯到 20 世纪 60 年代，美国和苏联从航空发动机改装微型燃气轮机，但效率普遍较低（例如上海交通大学从苏联航空发动机改装的微型燃气轮机，用于海军消防泵，功率为 37 马力（约 27 kW ），效率为 10% ），但作为一种新型先进的微型燃气轮机发展历史则较短。 1995 年在美国动力年会上， AlliedSignal 、 Capstone 与 Elliott 公司展示了 25 ～ 75 kW 微型燃气轮机样机。其后发展迅速。 Capstone 公司在 2000 年 11 月已推出第 1 000 台微型燃气轮机装置， 2003 年的年产量 1 万台，在 2008 年 200 kW 的微型燃气轮机推向市场。霍尼威尔公司开发成功了 75 kW 级的微型燃气轮机发电设备，发电效率为 28.5% 。日本的多家企业，如东京电力、丰田汽车、三菱重工、出光兴产、东京瓦斯和大阪瓦斯等公司，都在使用美国卡普斯顿公司的技术开发热电并用型系统。 3.2 国内微型燃气轮机研究进展我国微型燃气轮机研究整体落后很多，与国外相比差距很大。对于微型燃气轮机的研发，总体上比较系统的研究和研发尚未深入进行，但已有相对较好的技术储备和工作基础。在科学技术部 863 项目支持下，由哈尔滨东安集团、中国科学院工程热物理研究所、西安交通大学等单位组成的产学研联合体已经完成 100 kW 级微型燃气轮机的样机设计，并通过了验收。上海交通大学在科技部国际合作项目的支持下研究低热值微型燃气轮机装置，通过与澳大利亚联邦研究院合作，研究了功率约 30 kW 的超低热值微型燃气轮机装置，使用超低热值燃料气。西安交通大学等单位发展了一整套设计理论和方法，提出了新型的设计，建立了具有先进水平的实验和加工设备，在高温材料和高温高速轴承方面，也有一定的研究工作基础和实验条件。对于低污染燃烧室、高速空气轴承和高效紧凑回热器的研究和研发，国内尚没有开展深入的工作，特别是高效紧凑式回热器，国际上在这一领域的竞争十分激烈，有关研究报道十分少见。 4 微型燃气轮机的发展目标、前景及研究方向 4.1 发展目标及研究方向我国微型燃气轮机发展目标可以定位为 30 ～ 300 kW 级的微型燃气轮机，发电效率不低于 28% ，使用寿命不低于 100 000 h ，用于分布式电冷热联供的能量利用率达到 80% 以上。主要研究技术包括：微型燃气轮机的小型化关键技术，多燃料低污染燃烧关键技术，高效紧凑换热器关键技术，工作可靠性和长寿命关键技术以及高温高强度材料。先进微型燃气轮机的高温高速轴承及其轴系支撑系统和微型燃气轮机自动控制等主要技术问题。 4.2 微型燃气轮机的应用前景与内燃机发电相比，微型燃气轮机发电在某些方面有明显优越性，具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等特点。微型燃气轮机具有更低的循环寿命成本，一台 45 kW 微型燃气轮机发电装置的成本约 23 500 美元（包括热交换器），整套柴油发电装置约 9 000 美元，微型燃气轮机寿命大于 45 000 h ，而同功率等级柴油机仅为 10 000 小时，另外燃气轮机排放低于柴油机，有利于环境保护，可以相信，随着微型燃气轮机技术的进一步发展，其成本将接近于柴油机发电装置，而工作寿命更长。当然，目前微型燃气轮机的热效率还低于同等功率的柴油机，但在低负荷应用时其热效率和燃料费用在整个发电成本中相对费用并不重要；而在高负荷时性能良好，在线维护仅需几个小时，费用可以大大节省，这也是微型燃气轮机推动分布式发电市场进步的技术优势。 4.3 分布式供能系统分布式发电的发展为微型燃气轮机技术发展和市场扩展提供了极好的平台。美、英等国电力市场已从集中发电转向分布式发电的竞争。小型发电装置在分布式电网中的应用，已成为一种日益增长的可行选择。这种发电方式能够为用户减缓电网拥挤，增加电网机动性，降低送电损失和成本，改善电力质量。微型燃气轮机技术的发展及其商用推出大大增加了分布式发电面向较小用户的可能性，微型燃气轮机发电装置的紧凑性、可靠性和遥控运行以及环境友好等特点，意味着它们特别适合分布式发电的区域性应用。分布式供能系统主要特点如下：（ 1 ）分布式冷热电联供 CCHP 可实现能量的梯级利用，综合能源利用效率为 80% ～ 90% 。（ 2 ）与远程送电比较，大型发电厂的发电效率为 35% ～ 55% ，扣除厂用电和线损率，终端的利用效率只能达到 30% ～ 47% 。（ 3 ）与大型热电联产比较，效率略低于大型热电联产系统，不存在输电线路和供热 / 冷管网的损失。（ 4 ）其他特点：分布式布置，安装在用户附近，既可以灵活调节大电网的负荷，也可以提高整个电力系统的可靠性和安全性。（ 5 ）应用领域：可以向建筑物提供电力、制冷、供暖、卫生热水或其他用途的热能。参考文献伍赛特 . 微型燃气轮机技术特点研究及其应用于分布式发电领域的前景展望 . 通信电源技术 ,2019,36(06):45-48. 伍赛特 . 柴油机应用于发电设备的行业前景展望 . 上海节能 ,2019(02):130-134. 王凯 , 黄葆华 , 田云峰 . 微型燃气轮机在分布式供能中应用的可行性研究 . 华北电力技术 ,2011(05):1-5+15. 孙晓丹 . 关于微型燃气轮机的发展研究 . 民营科技 ,2011(12):5. 翁一武 , 苏明 , 翁史烈 . 先进微型燃气轮机的特点与应用前景 . 热能动力工程 ,2003(02):111-116+212. 张丹 , 周大汉 . 微型燃气轮机发电机组发展及国产化 . 上海节能 ,2013(04):3-8.; 个人分类: 科普集锦|7362 次阅读|0 个评论

电力牵引如日中天，内燃机车何去何从？: wusaite 2019-3-1 14:07; 在铁路运输领域，依照动力来源类型可将机车分为电力机车与热力机车。采用柴油机作为动力来源的热力机车为内燃机车。电力机车相比内燃机车，在动力性方面的优势更为显著。由于柴油机受到机车空间尺寸制约，所输出的功率远比电力机车从接触网直接获得的电力功率小，因此在进行爬坡、过长大隧道、以及高原地区运行时采用电力牵引更为高效。尽管电力机车相比于热力机车具备更多优势，但在建国初期考虑到铁路电气化基建成本问题，仍率先发展热力机车。热力机车中又优先发展蒸汽机车，在 20 世纪末期，蒸汽机车逐渐退出历史舞台，内燃机车成为热力机车中的主流。内燃机车相比蒸汽机车，热效率更高、功率更大、可以少用水，并且便于整机联控，驾驶员工作条件也较好。白驹过隙，光阴荏苒，自 21 世纪以来，我国已大力推进建设电气化铁路。十余年来，在货运领域，电力机车已逐渐替代内燃机车成为主流牵引动力。而在客运领域，各类新型电力动车组如同雨后春笋般层出不穷，大大提升了旅客出行的便捷性、舒适性与高效性。就目前国内的铁路运输情况而言，电力牵引可谓是如日中天。相比于电力机车，内燃机车虽然功率较低，但也具备一定的优势。内燃机车是一类自给式机车，在运输过程中无需架设接触网，降低了基建成本，同时受自然灾害及战争破坏等不可抗力因素的影响也较小，可用于战后或灾害后的救援。在未实现电气化的支线铁路或高原地区也可承担起主力牵引任务。在进行调车任务时，同样也需使用内燃机车。目前采用其他新能源动力装置的新型自给式机车仍尚处于研发状态中。因此，内燃机车目前仍有较高的不可替代性，在相应使用条件下具备较好的应用前景。在国内进口的多种型号的内燃机车中，运用效果最好、最成功的机车就是美国的 ND5 型（ C36-7 型）内燃机车。该情况也表明：重载中速的美国机车比轻载高速的西欧机车更适合于我国国情。目前内燃机车尚未退出历史舞台，仍应不断持续学习并掌握世界领先的技术及经验，百尺竿头，更进一步！; 个人分类: 科普集锦|3516 次阅读|0 个评论

本田为什么停止研发ASIMO人型机器人？: 热度 2 dsm9393 2018-6-29 15:06; 本田为什么停止研发 ASIMO人型机器人？都世民 2018-06-29 ，环球网刊文：“ 本田停止研发 ASIMO 人型机器人将转投实用技术领域 ”。在当今人工智能技术热度不减的前提下，怎么会有机构发布停发人型机器人的研制项目，引起笔者关注。关注的原因如下： 1. 是因为担心后续投资太多而止步？ 2. 是研发与人竞争的机器人还是研发为人类服务的机器人？研究方向完全不同 3. 是中途改变技术研究方向，担心犯方向性错误？ 4. 是因为公司业绩可能较大亏损而止步？ 5. 是因为竞争太激烈，避开风头另寻方向？ 6. 是因为另有市场需求而改变研发方向？ 7. 是因为技术瓶颈卡了勃子而转向？ 8. 是因为原研发有风险，为防风险而改变研发方向。总之，一个知名研究机构，中途改变研发方向不会是小问题，也不一定是报道中所述的理由。　 \0 \0 文指出：亿欧公司创始人黄渊普发布《 2018 中国人工智能商业落地研究报告》称，过去一年，产业对人工智能期待值很高，各种应用层出不穷，但收获却很少。 2017 年中国 AI 创业公司获得的累计融资超过 500 亿元，但 2017 年中国 AI 商业落地 100 强创业公司累计产生的收入却不足 100 亿元， 90% 以上的 AI 企业亏损。人工智能产业雷声大、雨点小， AI 正遭遇商业落地之痛，是业界人士的共识。 “人工智能产业缺乏的不是算法，而是如何更好地转化成工程手段。 ” 卡耐基梅隆大学机器学习系副主任、 Petuum 创始人兼 CEO 邢波说，人工智能太高深了，为人所知的有自动驾驶、医疗等应用场景，其实最普通的土木工程领域，也需要人工智能技术的变革，但是这些小的应用场景很少有人关注。人工智能产业做大做强缺的是什么？不是算法又是什么？是无人概念吗？没有绝对无人的概念。自控系统、 AI 系统、自组织功能系统，表面上看是无人，在系统内找不到主心骨，实际上系统外有控制中心，有人操纵。无人机发展已经发出警世，未来战争不可能全部无人，无人机也不是那么神通广大，有矛就有盾，业界已经在研究无人机与有人机协同飞行的研究方向。按理说人工智能应该关注人不能做的工作，人难做又有危险的工作，让机器人去实现，事实不是这样，和尚念经、预测人寿命、让人永远青春、让人不死、让人变成机器，让机器人统治人类 ……诸如此类研究方向确实让人类惊叹！能实现吗？他们认为能，而且实现时间都说出来了。这些假想和相关报道确实迷人，大量资金投入，风险是否可控，引发的社会问题该如何防止？令人忧心！文指出：在政策层面，德银认为，中国未来的战略重点将放在机器人、无人驾驶和人工智能等领域。德银预计，在估值上升和市场状况良好的推动下，预计在 2018 年至 2020 年 5 月，以高科技为主导的独角兽，潜在市值将达到 5000 亿美元。任何一种新技术的出现，人们在充分享受其带来福祉的同时，也必须及时防范相关风险。如何进行适当引导和管理，同样考验人类智慧。文指出：为何要如此强调人工智能 “正当使用”？因为，人工智能的突破犹如“双刃剑”，“正当使用”可以为社会发展提供新动能、造福人类，而滥用则可能带来无穷隐患。被美国《麻省理工学院技术评论》评为 “全球十大突破性技术”之一的“对抗性神经网络”，旨在突破人工智能想象力、创造力的瓶颈。但在展现巨大潜力的同时，这项技术发展的负面影响也不容忽视。文指出： 2017 年，是中国人工智能技术大爆发的开始，从能够帮助城市疏导交通的城市大脑，到进入千家万户的智能音箱，再到智能手机里的刷脸登录和指纹支付……中国的人工智能技术走在了世界前列，也改变了人们的生活。 1） 2018年，人工智能必定会走向实际的产业应用。比如视频理解和编辑技术的进一步成熟将推动整个视频产业的长足发展，包括精准和个性化的搜索推荐，以及视频生成和交易的正规化和品质； 2） 2018年，人们会习惯机器在更多特定领域的“超人”成绩； 3）从 2018年开始，人们与机器的交互方式将开始彻底摆脱任何形式的交互界面，变得更接近人与人的交互； 4）人工智能硬件设备的活跃量将迎来爆发式增长； 5）智能手机在内的智能终端设备总量将继续增长，用户在线时间将更加碎片化； 6） 2018 年一个非常清晰的趋势是，智能语音助手会随着智能手机、智能音箱等设备的普及，进入人们的日常生活，人机语音交互频次将超过触控交互频次； 7）人工智能的技术关注点从深度学习逐步扩展到强化学习、图算法、可解释性、模型压缩等其他方向。更多的机器学习技术会在工业界得到发展与应用； 8） 2018 年，人工智能将深入中国的各行各业，继续发掘各个行业的问题和机会，显著提升人们整体的生活质量和生命质量。人工智能技术的前景如此美好，而且不是遥远的将来的构想，是我国国策，也是受到广泛关注的大概率事件，旦愿它迅猛发展，莫忘风险。参考文献本田停止研发 ASIMO 人型机器人将转投实用技术领域，来源：环球网， 2018-06-29 08:45　九成 AI 企业亏损：人工智能遭遇商业落地之痛，　来源：中国新闻网， 2018-06-19 09:05 外媒：中国在创新领域向美国发起挑战，　来源：环球网， 2018-06-29 09:26 刘石磊，世界电信日：为何强调人工智能 “正当使用”，来源：新华社， 2018/5/17 14:16:14 当人工智能遇见传统中医，来源：科技日报　， 2018-06-01 09:18　机器人竞选日本市长或成世界首位人造市长，来源：参考消息网， 2018-04-20 13:43:29 人工智能再升级，会颠覆人类吗？来源：北京青年报， 2018-05-14 08:56　　赵竹青，惊喜还是困惑 ? 专家热议人工智能发展痛点，来源：人民网， 2018-05-12 Kang Zhang ，中美研究人员开发可检查视网膜疾病的人工智能，来源：《细胞》， 2018-02-26 张佳星， ]AI 诊疗：已经开始倒数读秒了吗？，来源：科技日报　， 2018-02-26 禾豆， 2018 ：中国人工智能会有哪些新趋势，来源：光明日报　， 20118-02-22; 个人分类: 机器人|1683 次阅读|4 个评论

神奇的纳米网络及其微妙的纳米网络金字塔: 热度 6 Fangjinqin 2015-8-10 16:47; 神奇的纳米网络及其微妙的纳米网络金字塔按语：本文是我刚写好的一篇科普文章初稿，其中包含我们课题组以前的研究成果，现在作为科普进行抛砖引玉，请广大网友能看完后提出宝贵意见，以便进一步修改完善。请以下面PDF文件为准（特别是那些数学符号和图形）。 04-神奇的纳米网络20150810.pdf 提起纳米名字，大家并不陌生，从80年代发展起来的纳米材料在人类衣食住行等日常生活中，纳米产品五花八门，丰富多彩，应用广泛。中科院化学所在世界上第一个研制了仿荷叶结构的防水纳米布，具有出污尼而不染病的“莲花效应”；纳米技术电池、纳米化妆品、纳米阻燃剂等，颇有特色。试问：对于纳米材料的奥秘大家有多少了解？当今网络无处不在，那么纳米材料也存在复杂网络结构吗？如果有，纳米网络有何诱人之处？实际上，纳米材料，就可以说是纳米网络材料，它们都是由纳米网络组成的特殊新材料。本文将揭开这个纳米网络及其金字塔的神奇而美妙的面莎。就像毫米、微米一样，纳米也是一个物理学上的度量单位，1纳米等于1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度，万分之一头发丝粗细差不多。当物质达到纳米尺度以后，即大约在1—100纳米这个范围空间时，物质的性能就会发生诱人的突变，出现某些种特殊的性能。它既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能构成的材料，才叫纳米材料。例如，把铁钴合金做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，那也不能叫纳米材料。由于纳米微粒(1-100nm)的独特结构状态，使其产生了小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等，从而使纳米材料表现出光、电、热、磁、吸收、反射、吸附、催化以及生物活性等特殊功能或许多独特功能.纳米复合高分子材料、纳米抗菌、保鲜、除臭材料等等，由于纳米材料的尺寸小，比血液中的红血球小一千多倍，比细菌小几十倍，气体通过其扩散的速度比常规材料快几千倍。纳米颗粒与生物细胞膜的化物作用很强，极易进入细胞内。因此，纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。纳米材料和纳米结构确实已经取得了引人注目的成就。纳米材料和纳米结构是当今新材料物理领域中最富有活力、对经济和社会发展有着十分重要影响的研究领域，也是纳米科技中最为活跃和被广泛应用的重要部分。难怪，美国科学家认为“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。可以说，纳米开辟了人们认识自然的新层次，是现代物理知识创新的一种源泉。已经知道，现代物理发现的物质中有许多重要的特征长度，诸如：电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸，这些尺度都与纳米结构单元的尺度（1～100urn）大小相当。但是，却能够导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性回然不同，它既不同于微观的原子、分子的性质，也不同于宏观物体的特性。在纳米领域已经发现了一些新现象、新规律，产生了新概念，建立了新理论，这些发现和理论为构筑纳米材料科学体系的新框架奠定了基础，并极大丰富了纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。因此，纳米特性的发现把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域，所谓介观尺度。例如，世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属，纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合，就是纳米材料领域的上述重要研究课题的一部分。其中纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。例如，聚合物/蒙脱土(MMT)纳米插层复合材料,是目前研究最多、最引人注目的复合材料。我国已经首次提出了木材胶粘剂酚醛树脂/蒙脱土纳米插层复合的技术路线，并在人造板工业中得到了应用。在纳米尺度(1-100nm)上研究物质的特性和相互作用以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术研究，包括对原子、分子进行操纵，对半导体材料、复合材料施以能带工程来生长量子点、量子线和各种纳米结构,等等。显然，纳米科技是当今世界现代科技的主题之一，是量子计算、量子网络的制造的基础，也是当代世界科技发展的重要方向之一。那么，纳米网络及其金字塔是怎么回事和什么概念呢？它有什么新特性和新特点呢？与纳米科技有何关系？作者在本刊2015第3和4期两期分别撰文：《复杂系统的一大类自组织形式——网络金字塔的研究进展》和《统计物理与网络科学的联系与挑战》里，介绍过与复杂网络相关的课题，已经了解到，美国比安科尼（ Bianconi ）和巴拉巴西（Barabasi）已经把量子网络模型与玻色-爱因斯坦凝聚（BEC)现象的有机地联系起来了，在量子网络模型里已经重现了BEC的诱人结果，提出了玻色量子网络的概念，推动了量子网络的探索工,。同时，量子电动力学理论在开放量子系统的研究得到了应用，构造量子干涉器件工作也有所进展。当系统线性地同一个横向电磁场通过局部规范不变作用密度形式，这里是物质守恒电荷流密度,费曼（Feynmann）和弗农（ Vernon ）在2000年计算影响泛函时结果表明：存在着一个量子相干作用在电子电流密度和外加电磁场或辐射场之间, 这为构造量子相干网络提供了理论依据。这些量子干涉作用能被看为阿哈罗诺夫 ( Aharonov) 和波姆（Bohm）作用的推广，即推广了在金属或半导体的圈中电子电流密度和外垂直磁场或电场之间量子相干效应。本文在上述背景下，将介绍神秘又美妙的纳米网络与纳米金字塔，揭开它们有趣而新颖的部分物理特性，展望其广阔与美好的应用前景。 1. 一种典型的量子相干网络——纳米网络及其模型纳米网络实质上是一种量子相干网络的典型实例。图 1 示出实验观察到由制成的六边形纳米网络，其跨度350纳米.我们可以应用图2所示的六边形纳米线圈来表示纳米网络的一个最基本单元。图 1 制成的六边形纳米网络，其跨度350纳米. 图2 纳米网络的一个最基本单元——六边形纳米线圈。六个顶点分别记为对应的速度分别，其中请看pdf文件。我们知道，开放体系的量子电动力学理论可以描述量子相干效应，基于这种量子相干效应，我们利用纳米线自然形成一种“量子相干网络”这里简称为纳米网络，图2是量子相干网络的最基本单位结构:由纳米圆环和纳米线构造。我们来考虑一个电子流沿两条纳米线从点流到输出点的图2模型，其波函数可由超叠加原理给出： , 这里对应的密度算子为 , 演化密度算子为图 3 由六边形纳米线圈组成的纳米网络传感器电路示意图。网络具有六层电流密度传输。我们要研究电子密度矩阵在电磁辐射场作用为时的结构。如果电子流密度可作为经典流密度来处理，在一些近似条件下，我们可得一个相关关系。例如在由电子流发出的光子的波长比电子的康普顿波长足够的长，以至它比经典电子的半径大些的条件下，这样电子电流的运动就可由半经典的近似来描述。这时，可以假设表为电流密度的本征态，有，这里是经典电流密度：，其中支路1和2中的经典电流密度分别两者之为和。 2. 六边形纳米线网络基于上述模型和相关物理原理，我们自然构成了由一个个六边形纳米线组成纳米网络，其结构如图3所示，它实际上可由电子束刻蚀或化学方法制备获得(请参考 S. Yoshida, I. Tamai, T. Sato, H.Hasegawa, 2002; H. Hasegawa, T. Muranka, S. Kasai, T. Hashizume, 2003). 与图 1-2 具有异曲同工之妙。图 3 由六边形纳米线圈组成的纳米网络传感器电路示意图。网络具有六层电流密度传输。六边形的六条边记为，，，，，，，其对应的六个4-维速度为，，，，，，，并具有一定的对称性,即和，， . 电流密度由付利埃（Fourier）变换给出。根据计算, 一个六边形纳米网络传感器可构造成如图3那样，其中由无穷六边纳米图形组成。从沿传感器两支输入电流密度，开始, 可以分别给出第一级、第二级、第三级、第四级和第五级等输出电流密度。沿着两个分支是，，则输出电流密度在不同的层级里显示出发生了量子相干，经过严格推导，最后可以得到输出电流密度递推公式。这里通常表为有量子相干效应引起的电流密度的变化; ，表为有关输入电流密度标记; 而表为电流密度在网络中传输的级数。上述最重要的结果和发现是，导致了两个输出电流密度不再相等，产生了电流增溢新现象。这表明：在这种纳米相干网络中，纳米两端输入和输出的电流密度不相同，电子电流和一个电磁辐射场之间存在量子相干作用, 这为量子相干器件的构造提供依据。这样的器件可由纳米线构成, 它对构造量子信息网络也是有意义的。因为这里关键的物理作用是电子电流同一般横向辐射场的作用, 这种量子相干可看为阿哈拉诺夫 - 玻姆（Aharonov-Bohm）作用的推广，即电子电流密度在金属或半导体圈中同磁场或电场产生效应的推广。值得注意的是, 利用具有选择性的分子束外延方法，一种六角纳米线网络可以生长在(111)B 基体面上, 且用纳米孔铝土模板可以生长有序的纳米线。这些进展激发导致可以利用纳米线来实现一种量子相干网络，该网络可测量电子电流同辐射场的相互作用；而且我们可以探索量子相干网络的特征, 为基于纳米线的量子相干网络提供新的知识。 3. 纳米网络连接及幂律分布基于前面的分析，电子电流密度传输可连接为一个纳米相干网络。因为“量子”性质每一条连接线具有一定的量子几率连上或断开。进一步，我们可一般地拓广上面模型为一种类似Cayley树的模型，即我们假设：每一个结点加入系统中类似于Cayley树，并形成六边晶形为下面图4所描述。图4. Cayley树的一个例子，近邻数为3,除表面上的结点以外，所有的点都有三条边（表面上的只有一条）。边上的结点和总结点的比例趋于一个常数。平均度数当大小趋于无限大时为。即，每一结点在时刻加入系统中，而时刻联结线数由描述并同相位有关。在每一步时间内，除表面的结点外，所有结点联线为3，当网络大小趋于无限时其。这样满足的速率方程就会得到幂律度分布(随机地选中结点具有 k 个联线的几率)为。这表明量子相干网络——纳米网络具有类似的无标度网络的性质。理论分析表明, 影响量子相干网络功能取决于电子在网络对称联接线中最后的相对速度。网络的级数越高，则允许相对速度被增加, 具有放大量子相干的作用。纳米线的量子相干网络联接分布的时间演变服从幂函数法则。这意味着量子相干网络有令人惊讶的抗偶然故障的能力, 这一能力来源于网络非同质性拓扑结构: 随机地打破一些六角纳米线圈毁坏主要是那些不重要的节点，因为它们的数目比汇集(重要) 节点大得多; 同这些几乎连接所有节点的中心节点（hub）相比较, 那些不重要的节点只同少数节点联接,因而去除它们或打破它们不会对网络拓扑结构有重大影响。这说明纳米线的量子相干网络对外来攻击具有鲁棒性。这个纳米线的量子相干网络区别于 bosonic 和 fermionic 网络，主要不同在于其节点的联接数同影响泛函相有关，而不是与能量有关。这表明 , 纳米线的量子相干网络的拓扑性质发生了变化 , 例如， k(t) 或 P(k) 可能影响网络的动力态性质，诸如量子相干相位等，网络的动力学特征与网络的拓扑结构有关。 5. 纳米网络的电导迄今，建立适当的理论来描述纳米网络或者介观系统中的物理现象正变得日益重要，引起兴趣和重视，因为在纳米网络结构需要来描述量子运输现象。久保（ Kubo ）和郎道 - 布提柯（ Landauer–Buttike ）的公式化形式为线性运输提供了一个简单的统一计算方法，并且已在有关纳米体系电流和电压的测量中取得了一些实效 (H.U. Baranger, A.D.Stone, 1989) 。遗憾的是，它对于非线性量子传输可能不可用。在过去的十多年中，许多研究者已为此而作了很多研究，三个主要的方法已得到实行：（ 1 ）散射矩阵方法；（ 2 ）非线性响应理论例如久保的方法可延伸至二阶），（ 3 ）非平衡格林函数，其中的做法已可求解非平衡的运输问题。这些方法论虽已取得大量进展，但仍然没有得出类似久保和郎道 - 布提柯方程那样简单明了的形式，包括所有扩展高阶非线性项。这不是一个小问题，因为电流 - 电压（ I - V 特性）在介观系统的关系，往往也伴随着一个重要的实验测量意义。由于理论推导的复杂性，我们只给出基本结果和结论。我们应用了子动力学方法推导出一个测量纳米网络或系统非线性电导率的公式，并且推广了久保形式的介观体系的电导率公式，使之包含许多高阶非线性项，并证明是可以在郎道 - 布提柯形式中表现出来。使用导出的新公式，可以计算了量子点接触模型系统的电导率，可以证明 K 表达为（），其中 k 代表了相互作用力。条件对应于 “ 斥力 ” 和 “ 有吸引力与外部电场 ” 的相互作用，分别与最近的实验数据相一致。研究结果表明：线性响应久保和郎道 - 布提柯公式可以拓展到包括非线性响应，适用于介观系统。这个结论是与Luttinger-Tomonaga理论是一致的。这表明拓展的久保和郎道 - 布提柯公式提供了一个合适的起点来计算复杂介观系统的电导率，包括纳米网络在内。 6. 纳米网络金字塔及其应用前景尽管作者已在《复杂系统的一大类自组织形式——网络金字塔的研究进展》一文介绍了许多五彩缤纷的宏观网络金字塔，但是尚未描述介观和微观世界的网络金字塔，本文正好有机会来弥补一下。实际上，纳米金字塔老早已在实验里观察到了。荷兰特文特（ Twente ）大学的一个小组已经成功地创建了一个世界上最小的金字塔，小到只能容纳一个生物活细胞 , 如图 5 所示。这种利用纳米 3D 微加工技术打造的金字塔可以用于分离细胞但不切断它们之间的联系。研究认为，未来这种技术可配合流体向细胞提供营养，可能会在组织再生技术上发挥作用。图5. 只能容纳一个生物活细胞的纳米金字塔与一种复杂纳米网络金字塔。 2014 年新加坡国立大学开发出了一种抵御细菌感染的新型武器-DNA“金字塔”纳米结构，这种新型的金字塔纳米结构或许可以将细菌“罩住”，从而比药物更为高效地将其杀灭。因为有些感染性的病原体会隐藏很久，并不会被人类机体所识别，有时候抗生素也对其束手无策；工程化的纳米药物结构就可以运输药物直至细菌细胞中对其进行精准杀灭作用，但是这种运输载体还具有一定的毒性，因此研究人员利用DNA为基础构建了一种安全有效的药物运输工具。这项研究中，研究者成功构建了小型的DNA“金字塔”纳米结构，其足够小以至于可以进行成千上万次地药物运输，随后研究者用荧光标记吸附于这种金纳米材料上，同时将药物放线菌素D装载于DNA“金字塔”纳米结构上；在对常见细菌大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行检测后，当这种运输结构进入细菌细胞释放药物后，研究者就可以对其进行追踪，结果显示，这种DNA“金字塔”纳米结构携带的药物放线菌素D可以杀灭65%的金黄色葡萄球菌和48%的大肠杆菌，而单独使用放线菌素D则可以杀灭42%的金黄色葡萄球菌及14%的大肠杆菌。（参看：生物谷Bioon.com）诺贝尔奖得主理查德 - 费曼（ Richard Feyneman ）在 1959 年演讲《在底部还有很大空间》中提出的“由下而上的方法”“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”即，从单个分子甚至原子开始进行组装，以达到实际设计要求。他预言，“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大得扩充我们获得物性的范围。”纳米器件正朝这个研究方向进一步发展，应用前景更加广阔。; 个人分类: 科普文章|8080 次阅读|10 个评论

时代骄子－镁合金: lingzhaohua 2010-10-26 09:29; 　　自 1970 年中东石油危机后，各国对节约能源、降低油耗普遍关注。汽车行业是油耗大户，降低汽车油耗影响巨大。据测，汽车重量每降低 10 ％，可节油 5 ％，油耗减少，尾气排放量也减少，从而也减少了对环境的污染。汽车是用金属材料堆砌而成的，要降低汽车重量，首先就要在材料上打主意。铝合金的比重大约是钢的 1 ／ 3 ，以铝代钢，这个进程已在进行中。要进一步减轻汽车重量，人们想到了镁，它的比重是铝的 2 ／ 3 ，而性能与铝合金相近，以镁代铝、以镁代锌，是近年来的一大趋势。据统计，北美消费的压铸镁合金，在 1982-1992 年的 10 年间，以每年 20 ％的速度增长，在 1996-2000 年的 4 年间以每年 30 ％的速度增长，欧洲则超出 60 ％，其中汽车工业消费占 80 ％以上，可以说镁合金压铸件在汽车行业的推广应用，使过去用量不大的镁合金突成新宠。　　 3C 产品 ( 手机、笔记本电脑、数码相机及摄像机 ) 是高新技术的代表产品，自 1990 年以来，一直保持着快速增长的势头，镁合金由于其重量轻 ( 对铝、钢而言 ) 、刚度大 ( 对塑料而言 ) ，特别是它有电磁屏蔽作用，可防止电磁干扰及其对人体的伤害，成为 3C 产品壳体的最佳材料。　　其他如自行车、家电、电子、仪表、航空航天、兵器工业等部门，也在日渐增加镁合金件的应用。　　一、镁的工业发展历史　　镁是地壳中含量最丰富的元素之一，其丰度居第 8 位，约占地壳组成的 2.5 ％，主要以白云石 ( 碳酸镁钙 ) 、菱镁矿存在，此外，海水中含镁约 0.13 ％，可谓取之不尽，但人类认识镁却较晚， 1828 年法国科学家 A ． A ． Bussy 用金属钾将镁从熔融的氧化镁中置换出来， 1852 年 R ． Bunsen 建立了一个小型实验电解槽用电解法生产镁， 1886 年以 Bunsen 的电解槽为基础，在德国建立了首个商业性电解镁厂。 1910 年世界镁产量约 10t ／ a ，到 1930 年增长到 1200t ／ a 以上。二战期间镁工业获得了飞速发展，从 1935 年开始，德、法、苏、奥、意等国分别建立了镁厂，美国的镁产能扩大了 10 倍， 1943 年世界镁产量约为 235kt ／ a 。此期间镁主要用来制造燃烧弹、照明弹、曳光弹、信号弹以及军事和飞机等军用设备的零部件。二战结束后， 1946 年世界镁产量降低到 25kt ／ a ，世界各国开始考虑镁合金在民用工业的开发和应用，在以后的 20 年中，美国 Dow 化学公司在开发镁合金及其生产技术方面取得了突出的成就，为镁及其合金在冶金、航空、电子、兵器、汽车、化学及防腐、印刷、纺织等民用工业部门的应用开辟了道路，使镁工业出现了连续增长的势头，实际上从二战结束以来年均增长率在 7 ％左右，现在世界上镁产能已达到 550kt ／ a ， 2000 年实际产量为 430kt 。　　我国是世界上著名的产镁大国，菱镁矿资源总量达 31.45 亿吨，位居全球首位， 2001 年出口量已达到 200kt ，占世界镁市场总需求量的 40 ％以上。但是大部分出口的是原材料及初级产品，价格低、效益差，我国对镁合金及其加工技术的研究和应用尚处于起步阶段。镁合金在汽车工业上的使用仅仅是开始，远远落后于工业发达国家，因此，我国的镁工业与镁及其合金的加工、应用技术应加大开发研究以赶上世界先进水平。　　二、镁及其合金的特性：　与其它结构材料相比，镁合金具有以下几个特点：　　 1) 镁合金的密度是钢的 23 ％，铝的 67 ％，塑料的 170 ％，是金属结构材料中最轻的金属，镁合金的屈服强度与铝合金大体相当，只稍低于碳钢，是塑料的 4-5 倍，其弹性模量更远远高于塑料，是它的二十多倍，因此在相同的强度和刚度情况下，用镁合金做结构件可以大大减轻零件重量，这点对航空工业，汽车工业，手提电子器材均有很重要的意义。　　 2) 镁合金与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减振功能，可承受较大的冲击震动负荷。　　 2 ．镁合金具有较好的铸造性和加工性能：　　镁与铁的反应低，熔炼时可用铁坩埚，熔融镁对坩埚的侵蚀小，压铸时对压铸模的侵蚀小，与铝合金压铸相比，压铸模使用寿命可提高 2-3 倍，通常可维持 20 万次以上。铸造镁合金的铸造性能良好，镁合金压铸件的最小壁厚可达 0.6mm ，而铝合金为 1.2-1.5mm 。镁的结晶潜热比铝小，在模具内凝固快，生产率比压铸铝件高出 40-50 ％，最高可达两倍，镁合金有相当好的切削加工性能，切削时对刀具的消耗很低，切削功率很小。镁合金、铝合金、铸铁、低合金钢切削同样零件消耗的功率比值为： 1 ： 1.8 ： 3.5 ： 6.3 。　　 3 ．镁合金电磁屏蔽性能和导热性均较好，适合于作发出电磁干扰的电子产品的壳、罩，尤其是紧靠人体的手机。镁合金与铝、铜等有色金属一样具有非火花性，适合做矿山设备和粉粒操作设备。镁合金表面具有非粘附性，适合于做在冰、雪、沙尘中运动的产品。镁合金有较好的耐磨性，适宜做缠绕滑动设备。　　 4 ．镁合金有较高的尺寸稳定性，稳定的收缩率，铸件和加工件尺寸精度高，除镁 - 铝 - 锌合金外，大多数镁合金在热处理过程及长期使用中由于相变而引起的尺寸变化接近于零，适于做样板，夹具和电子产品外罩。　　 5 ．镁的化学活性很强，在空气中容易氧化，特别是在高温下，若氧化反应放出的热量不能及时发散，则容易引起燃烧，因此在熔化镁合金时要采取防止氧化的措施。镁的氧化膜比容小于基体金属，故疏松多孔，远不如铝合金表面氧化膜坚实敞密，无明显保护作用。镁的电极电位很低，电化次序在常用金属中居最后一位，所以镁的抗蚀性较差。镁在干燥及氢氟酸、铬酸、矿物油 ( 如汽油、煤油 ) 和碱性介质中比较稳定，可用作输油管道。而在潮湿大气、淡水、海水及大多数酸、盐溶液中容易腐蚀，故在镁合金的生产、加工、贮存及使用期间，表面应采取适当的防护措施，如表面氧化处理或涂漆。镁合金在与其它金属接触时易造成接触腐蚀，但与铝镁合金接触时除外。因此镁合金部件在使用中，应只让它和绝缘材料接触，或者用铝镁合金如 5052 做它的垫片，就可以防止它的电化腐蚀。　　镁的电极电位低也有它的用途，可以用它作牺牲阳极，保护其它金属物件免受电化腐蚀。　　 6 ．镁合金对缺口的敏感性比较大，易造成应力集中。在 125 ℃ 以上的高温条件下，多数合金的抗蠕变性能较差，这在选用它和设计零件时应考虑。　　 7 ．可回收。与塑料类材料相比，镁合金具有可回收性。这对降低制品成本、节约资源、改善环境都是有益的。; 个人分类: 生活点滴|7195 次阅读|1 个评论

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