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小學科技創新活動室建設方案-科技創新活動室配套儀器

南京師范大學課程資源研究所小學科技創新活動室建設方案編號名稱技術要求單位數量 01 梵天之塔規格：￠600X800 探究問題：一個有趣的古代數學問題2N2－1。套 1 02 哥尼斯堡七橋從起始的紅色按鈕出發，試著沿著路走并且不走回頭路，看看能否按亮所有的按鈕到達終點。按下面板右下角的綠色按鈕，可重新開始。套 1 03 蜂巢藏詞規格：530×530×150 通過游戲訓練玩者的形象與邏輯思維能力，同時增強游戲者對古詩詞的了解。套 1 04 老橡樹有多少歲展品設計為仿真的老樹樁模型，樹樁橫截面上設有3個可左右擺動的放大鏡裝置。小朋友可趴在樹樁上通過觀察年輪判斷老橡樹的年齡，也可通過放大鏡觀察年輪的疏密。觀察結束后通過閱讀圖文板得到正確的答案。套 1 05 聲波花紋 ?規格:500x500x1600 用琴弦摩擦金屬板的側端面時，一種聲音從金屬板中傳出，隨著金屬板的振動，灑在板上的細砂卻向著了魔似地排成了奇妙的圖案，這就是1787年德國物理學家克拉尼所作的聲音平板振動試驗，克拉尼在實驗中得到的這種有規律的奇妙圖形后來被稱為克拉尼圖形。材料：1mm以下銅皮套 1 06 背道而馳通電以后，兩個金屬棒向兩邊滑動套 1 07 磁浪磁場與磁力的作用。這個展品的滾筒里有條很強的磁鐵，由于滾筒的旋轉，磁鐵中的磁場也在改變，吸附在上面的鐵沙，受磁力線的影響也會發生美妙的變化。套 1 08 忽明忽暗偏振片是種神奇的光學材料，在一定條件下，它可以允許也可以阻止光的通過，當你扭動轉輪時，時隱時現的奇妙現象就出現了套 1 09 人體漫游通過三維滾環的形式來模擬在人體內部漫游的感覺。在運動的過程中，伴有三維視頻解說，讓觀眾在刺激的游戲中學習相關的人體知識。套 1 10 基因柱按照在電子顯微鏡下觀察到的DNA分子結構，采用金屬等材料制作的放大立體模型，結合多媒體演示向觀眾介紹DNA的化學成分---氧核糖核酸、雙螺旋結構以及人類遺傳的奧秘。套 1 11 激光琴本展品利用光控電路控制聲音信號，產生出不同的聲音。觀眾用手遮住臺面上受光孔，激光琴就會發出聲音。如果有節奏的遮擋受光孔，即可“演奏”出美妙的音樂。套 1 12 人體綜合測試通過本展品，觀眾親自測試包括身高、體重、握力、腕力、心跳測試、耐力、反應時間、彈跳摸高等項目，了解自身的體能狀況。套 1 13 中國珍惜動物 ? 套 1 14 地球結構探秘地球可看作一種特殊的球體，按照當今科學研究結論：地球由多層同心圈組成，這些同心圈從內到外依次稱作地核、地幔、地殼；地球內部復雜的構造和高溫、高壓下的劇烈地幔運動是地震產生的主要成因。套 1 15 音量比賽展項利用的是噪聲檢測的原理。展品操作說明：打開電源后展品進入工作狀態，這時兩名參觀者可分別進入透明隔音室，對著聲音檢測口喊叫10秒，這時檢測口上方的LED指示器會自動顯示參觀者的的分貝值。套 1 16 磁力轉盤規格:700×700×1000 磁力是一種非接觸力，磁力的基本性質就是同性相斥、異性相吸套 1 17 無規則擺錘規格:700×700×1000 同極性磁力相斥，異極性磁力相吸。套 1 18 拍出音階規格:700×700×1000 用特制的拍子拍打“拍出音階”設備的管口，就能聽到由上面不同長度的管子演奏出的音樂 ? 套 1 19 鐵花規格:700×700×1000 形狀記憶效應套 1 20 飛輪蓄能規格:700×700×1000 通過巨大的飛輪積蓄動能，再將所蓄能量轉換成電能，了解慣性蓄能和能量轉換。套 1 21 光的反射 ? 套 1 22 磁椅規格:700×700×1000 磁力是一種非接觸力，同性相斥、異性相吸；利用強磁鐵同性相斥的特性制作成一張凳子，可以形象而又直觀地體會、觀察磁鐵同性相斥的現象。 ? 套 1 23 爸爸的鼻子規格:700×700×1000 中間的鏡子是由透明玻璃和平面鏡交錯排列在一起組成的，所以從你的臉上反射的光線有一部分經透明玻璃投射過去，有一部分經平面鏡反射回來。對面的情況同樣如此。所以你看到的新面孔是你原來的面孔和對面朋友的面孔的合成。套 1 24 菲涅爾透鏡規格:700×700×1000 菲涅爾透鏡又稱螺紋透鏡或階梯透鏡。它是菲涅爾于1919 年提出的，用于燈塔照明系統中。菲涅爾透鏡利用螺紋槽形使鏡片具有類似球面鏡片的聚焦作用和發散特性。其工作原理實質上與球面鏡相一致。起聚焦作用僅是鏡片中的鋸齒部分。套 1 25 環環相扣規格:700×700×1000 由于平面鏡成的像和原物體成軸對稱圖形，而人體也以豎直軸對稱，因此鏡前一只手的動作，看起來就像是一雙手同時動作。套 1 26 難以鉤抓的柱子規格:700×700×1000 全反射棱鏡是一類特殊的光學鏡，作用類似平面鏡，可以起到反光的作用。套 1 27 光學轉盤規格:700×700×1000 1、視覺暫留現象。 2、人眼的視生理特點。套 1 28 握力規格:700×700×1000 壓力傳感器可以把握力變成電信號，通過控制電路、用發光二極管顯示出來。套 1 29 聲音的三要素規格:700×700×1000 聲音是指在具有彈性的媒質中傳播的一種機械波。它來源于發聲體的振動，屬于縱波。當聲音傳入人耳時，引起鼓膜振動并刺激聽神經使人產生了聲的感覺。人類能聽到的聲音范圍是20赫茲—20000赫茲，通常物理上用聲強、音調、音色三個基本要素描述聲音套 1 30 光纖星空圖規格:700×700×1000 1、全反射：當入射角增大到某一角度，使折射角達到90°時，折射光完全消失，只剩下反射光，這種現象叫做全反射. 2、全反射的條件：光線由光密物質射入光疏物質，入射角大于臨界角。套 1 31 有聲有色 ???規格:700×700×1000 展品介紹：自然界各種聲音都不一樣，具體表現在響度、音調、音色等特征和掩蔽效應、高頻定位等特征性方面，計算機對麥克風所捕捉到的聲音進行分析，制作出符合其特征聲音的圖像。套 1 32 立體視覺測定 ???規格:700×700×1000 ?展品介紹：立體視覺是人類的重要視覺之一，本展品采用計算機做檢查設備，以觀眾識別隨機立體圖中凸起圖形的能力，來判斷立體視覺的正常與否。套 1 33 不可思議的三角形規格:700×700×1000 本展品展示的是透視原理所產生的視錯覺，當人從某一特定觀察點觀察事物時，會把有些空間層次不一樣的事物看成一個平面的圖形，因此由于視錯覺就會將相互垂直的三段構件聯想成一個完整的三角形。? 套 1 34 會飛的碗 ???規格:700×700×1000 展品介紹：“碗”之所以會懸浮于空中，是由于伯努利原理造成的，因為在質量均勻的氣流中，其流動的速度越大，壓力就越??；而其流動的速度越小，則其壓力就越大，因而“碗”可以穩定的懸浮于空中。套 1 35 太陽能發電規格:700×700×1000 太陽能電池是利用太陽能的有效方式之一，太陽能電池在受到光線照射時，就會由于光電效應而產生電流，通過遮擋太陽能電池板表面，或者打開（關閉）射燈，參與者就可以看到光源與發電量之間的這種聯系。套 1 36 看誰跑得快 ???規格:700×700×1000 展品介紹：依照角動量守恒定律的規定：角動量相同的旋轉物體，邊緣重的輪子角慣量大，因而轉動起來角速度比較小；中心重的輪子則相反。套 1 37 像素點 ???規格:700×700×1000 ?展品介紹：“像素”是由?Picture(圖像)?和?Element(元素)這兩個單詞所組成，它代表了一幅圖像的最小構成單元。一幅圖像的單位面積里像素點越多，圖像的清晰度越高，更接近原始的圖像。套 1 38 花朵綻放 ???規格:700×700×1000 本展品用新穎的花朵開放的現象表現旋轉物體的離心現象，旋轉物體如果向心力不足（比如繩子斷了），物體就會越轉越離開旋轉中心甚至直接被直線甩出去，也就是離心了。套 1 39 一窗兩景規格:700×700×1000 箱體里有一面半透半反射鏡將箱體隔成兩部分。只能看到燈亮的那部分景物，而暗的那部分的景物則完全看不見。這樣就可以在一個視窗里看到兩幅畫面。? 套 1 40 平衡測試 ???規格:700×700×1000 ?展品介紹：由計數器、譯碼器及數碼電路組成，用來測試人體平衡機能。人的平衡能力決定于內耳的平衡感受器及小腦神經的調節作用，經過訓練，平衡能力可以大大提高。套 1 41 懸浮環規格:700×700×1000 同性相斥，異性相吸。磁環受磁力的排斥作用而懸浮起來套 1 42 奇妙的樂器規格:700×700×1000 雙手靠近手形電極板，就會改變電路的參數，使音頻電路開始工作。同時也會改變振蕩頻率，揚聲器就會發出不同的聲音。 ? 套 1 43 光導燈規格:700×700×1000 光在同種介質中是沿直線傳播的。但在光纖中，光卻可以沿曲線傳播。這是由于光在光纖的芯線和包皮之間的界面上形成了一次次的全反射。經過無數次的全反射，光就會從彎曲的光纖中通過。全反射的條件是：光從光密物質射向光疏物質；入射角大于臨界角。這里，有機玻璃是光密物質；空氣是光疏物質。套 1 44 透視墻規格:700×700×1000 平面鏡反射成像的一種用途。光線經過四面與水平面成45°角放臵的平面鏡的四次反射，所成鏡像不變。利用這一點可制成潛望鏡用在坦克和潛艇上。但每反射一次，光線都會有所損耗，所以反射所成的像比較暗淡。套 1 45 柱面鏡成像規格:700×700×1000 柱面鏡幾何投影學原理。套 1 46 倒鏡規格:700×700×1000 三面互為垂直的平面鏡組成的角反射鏡又叫倒鏡。它能對物體形成倒立的虛像，并且當它繞一特定的軸線擺動時，像并不跟著移動。它能作為測距、測向、光測大氣污染、測光波波長的輔助器件，以及一切需要光沿原方向返回的光學裝臵（如指示障礙物的反光器）。 ? 套 1 47 滾筒游戲規格:700×700×1000 圓筒的內部有著不同的結構，裝著不同的物質。當圓筒滾動時，其內部的結構極大地影響著運動狀態。內部裝沙子的圓筒最先停下來。因為沙粒之間的相互運動消耗了大量的能量。 ? 套 1 48 永動機神話規格:700×700×1000 自然界一切物質都具有能量，且形式不同，但能量只能從一種形式轉換為另一種形式，在轉換和傳遞的過程中，各種形式能量的總量保持不變。這臺經典永動機本以為在兩邊重球的作用下會使輪子失去平衡而轉動不息，但試驗的結果卻是否定和顯而易見的，鋼球獲得的勢能不可能把自己抬到更高的勢能位臵。套 1 49 木琴規格:700×700×1000 木琴的發聲原理以及共振腔在樂器中的應用。套 1 50 齒輪傳動比較規格:700×700×1000 齒輪傳動不僅僅可以改變轉速，還可以改變力矩。套 1 51 平衡球規格:700×700×1000 小球作圓周運動所需的向心力由重力和有機玻璃方框對小球的支撐力提供。當轉速加快，小球受到的向心力小于作圓周運動所需的向心力時，就會遠離圓心，沿拋物線上升，從而穩穩地保持在平臺上。套 1 52 緩慢的氣泡規格:700×700×1000 在裝有高密度、高粘滯性的有機硅油的圓筒中，氣泡上升時受到很大阻力。隨著氣泡的上升，氣泡承受的壓力遞減，氣泡的體積逐漸增大，上升速度也會越來越快。在裝水的圓筒中，氣泡上升速度快，運動不規則。套 1 53 畫五星規格:700×700×1000 人們早已熟悉了對著鏡子梳頭、洗臉，但看著鏡子中的圖畫對實物進行描畫卻不容易。因為眼睛所接受的信息與實物是左右顛倒的。人大約需要兩、三個星期才能適應這種變化。套 1 54 錯覺畫規格:700×700×1000 展示錯覺畫的種類以及錯覺產生的原因套 1 55 大象穿鼠洞規格:700×700×1000 箱子中安裝了兩塊平面鏡，平面鏡的反射作用擴大了可視空間，使人產生了通道特別狹窄的錯覺。套 1 56 盲點測試規格:700×700×1000 眼睛內部視神經叢與視網膜相連接處，沒有光敏細胞，因而人眼存在著生理盲點。套 1 57 梯形窗規格:700×700×1000 近大遠小的透視基本原理和人的習慣性思維及單眼立體視覺較差造成的錯覺。套 1 58 普氏擺規格:700×700×1000 視覺錯覺。展示斜棱鏡的成像特點。由于斜棱鏡改變了光路，因此物體的像產生偏移。套 1 59 忽多忽少的小人規格:700×700×1000 采用特殊的排列、切割的方法，將某一特定小人的腳、腿、腰、胸、頸、頭等部分移位添加到其他小人身上，從而產生這種奇異的幻覺。這種方法已經產生了150年套 1 60 裝箱游戲規格:700×700×1000 動手動腦，提高空間感。當你要把很多東西裝箱時，你需要很好的空間感。不然，你就得多壘好幾層。套 1 61 瘋狂的立方體規格:700×700×1000 用這七塊積木組成3×3×3立方體的方法大約有240種。這是一種動腦動手的智趣游戲，可以培養和開發兒童的智力。套 1 62 搭建金字塔 ? 規格:700×700×1000 這是一種動腦動手的智趣游戲，可以培養和開發兒童的智力。套 1

南京師范大學課程資源研究所 2021-08-23

合金化阻燃鎂合金的產業化

合金化阻燃鎂合金的產業化一、項目簡介鎂合金是目前最輕的金屬結構材料，其密度大約在1.75～1.85g/cm3之間，僅相當于鋁的2/3，鋼的1/4。同時鎂合金還具有比強度和比剛度高、導熱導電性好、阻尼減震、電磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等優點，在汽車、電子通信、航空航天和國防軍事等領域具有極其重要的應用價值和廣闊的應用前景，被譽為“21世紀綠色工程材料”。但是鎂合金由于自身化學活性很強，而且氧化后不能形成致密的氧化膜。鎂合金在高溫熔煉和加工成形過程中容易氧化燃燒，從而限制了鎂合金的發展前景。因而有必要尋找一種經濟、實用、無污染的鎂和金熔煉保護方法以防止鎂合金生產過程中的氧化燃燒問題。目前較為成熟的鎂合金阻燃方法有熔劑保護法和氣體保護法。然而，對于熔劑保護法而言，在熔劑的使用過程中會產生大量有刺激性氣味的氣體（如HCl、Cl2），給環境造成危害；且容易產生熔劑夾雜，損害合金的機械性能和耐腐蝕性能。氣體保護法通常是通入一定量的SF6和CO2的混合氣體，使用過程中產生SO2、SF4等有毒氣體，甚至會產生劇毒氣體S2F10，造成環境污染，且SF6和CO2能長期滯留在大氣中，產生巨大的溫室效應。另外氣體保護法還需要有復雜的混氣裝置和密封裝置，而且從熔煉到澆鑄也需要復雜的輸送設備，因而加大了一定的成本。針對熔劑保護法和氣體保護法帶來的問題，20世紀50年代人們提出了合金化阻燃的想法，其主要原理在于向鎂合金中添加適量的低氧位合金元素（即其與氧的親和力大于鎂與氧的親和力），使其在熔煉、澆注過程中自動生成致密的復合氧化膜，從而阻止鎂合金的進一步氧化燃燒。本課題正是基于此思想，希望通過向鎂合金中添加某些合金元素，使得鎂合金獲得優良的阻燃性能，同時不降低其力學性能。然而合金熔體表面氧化膜結構的改變必然同時改變了熔體表面張力的大小，因而可以通過研究表面張力大小對氧化膜結構改變的影響，進而找到合金元素含量、阻燃性能和表面張力之間的定量關系，從而使本課題所得結果能夠指導實際生產。合金化阻燃法將大大降低設備及工藝的復雜程度，同時也不會對環境造成嚴重污染，具有較強的實用價值及巨大的發展潛力。二、項目技術成熟程度本課題組長期從事合金化阻燃鎂合金材料及其相關加工工藝方面的研究，目前已經建了一系列鎂合金相關的研究方法和性能檢測方法。研究的基體不僅包括工業純鎂，也包括商業應用最為廣泛的AZ91D，添加阻燃元素包括Ca和不同含量的Re元素?，F已經取得以下研究成果：2.1 鎂合金起燃溫度測試系統的建立2.1.1 概述鎂合金起燃溫度的準確測試是研究阻燃鎂合金過程中的關鍵一步，也是本課題的一個難點。傳統的測試方法有觀察法和溫度記錄儀法。觀察法就是在敞開的爐中加熱試樣，當觀察到試驗燃燒時讀取電爐溫度控制器的溫度并記錄，作為試樣的燃點溫度。此方法簡單易行，但是測試的結果受人為因素影響較大，誤差較大。溫度記錄儀法就是利用熱電偶作為溫度傳感器，使用溫度記錄儀記錄溫度時間曲線。鎂及其合金燃燒時放出的熱量會使溫度升高的速率發生急劇變化，從而使溫度-時間曲線發生拐點，此拐點處溫度即為燃點溫度。近年來隨著計算機技術的飛速發展，出現了基于數據采集技術的燃點測試方法。這類方法也是利用了鎂及其合金燃燒時釋放的熱量使爐內溫度上升速率加快的現象。基于數據采集技術的燃點測試方法可把所采集的溫度時間曲線保存起來待日后分析，燃點溫度的確定可通過軟件編程自動識別。本課題自行開發了基于數據采集技術的鎂及鎂合金燃點測試分析系統。鎂合金起燃溫度測試系統從功能上可分為硬件部分和軟件部分，硬件部分主要完成溫度的傳感、信號的調理及數據采集；軟件部分主要完成溫度的實時顯示、實驗數據的存儲、實驗數據的回放分析等功能。2.1.2 硬件構成及功能本課題所建立的鎂合金起燃溫度測試系統的硬件組成主要由坩堝式電阻爐、TCW-32B型溫度控制器、數據采集卡以及電腦組成，其組成結構見圖1所示。該電阻爐與溫度控制器具有節能、可編程控制以及加熱速度可調等優點。溫度傳感器采用K型熱電偶。由于溫度采集的采樣率不需要很高，因此數據采集卡采用了研華USB-4718型，該數據采集卡為8路熱電偶輸入，支持USB2.0，無需外部電源，與筆記本電腦可構成便攜式測試系統；該卡還具有3000VDC隔離保護，支持4~20mA，能夠對熱電偶信號進行內部調理，無需外加調理電路，降低系統的成本及開發時間。其中一支熱電偶接入溫度控制器對電阻爐進行控溫，然后再接入數據采集卡；另一支熱電偶用來測試試驗樣品的溫度，因而直接接入數據采集卡。數據采集卡將這兩路溫度信號通過USB接口傳送到電腦進行記錄并顯示。坩堝式電阻爐的結構如圖1所示，在電爐底部開有通風孔，盛放試樣的物品應采用帶孔的結構或者石棉網，以保證良好的供氧條件。1.坩堝式電阻爐；2.耐火磚墊；3.坩堝；4.試樣；5．熱電偶；6.溫度控制器；7.數據采集卡；8.電腦圖1 鎂合金燃點測試裝置示意圖2.1.3 軟件功能及關鍵技術鎂合金起燃溫度測試系統軟件部分是利用LabVIEW8.5開發的，其界面見圖2。該軟件界面從功能上可大致分為三個區域：實驗參數設置區、實驗參數動態顯示區和軟件功能控制區。實驗參數設置區可對實驗采用的熱電偶類型、數據采集卡的通道、實驗名稱、實驗數據保存路徑以及采樣率等參數進行設置。實驗參數動態顯示區可實現對所采集的兩路溫度的直觀動態顯示以及溫度—時間曲線的動態顯示。軟件功能控制區可完成對實驗進度的控制，如數據采集的開始與結束、界面的刷新、溫度曲線的回放顯示以及系統的退出等功能。圖2 鎂合金起燃溫度測試系統軟件界面軟件與硬件的通訊是通過調用研華提供的底層驅動函數實現的，一個通道的數據傳輸程序框圖見圖3。由于該數據采集卡不支持8路信號的并行通信，也就是說數據采集卡的8路輸入信號的讀取要按順序循環讀取，所以要想實現多路溫度信號的傳輸，必須在軟件上來完成。本文是通過調用順序結構的方法來實現對兩通道數據的順序讀取的。圖3 數據傳輸程序框圖為了能夠對實驗數據進行事后分析，軟件要提供對所采集的數據的存儲功能，存儲的數據一定要和相應的實驗名稱結合起來，以防止實驗數據混淆。本軟件是通過對實驗數據進行命名與計算機自動生成名稱相結合的方法來避免數據的混淆。也就是說，對每個實驗進行命名后，由于每個實驗不一定只做一個實驗數據，因此系統會自動生成一個以精確到秒的時間字符串做為實驗名的后一部分，如“mg1.2ca-1熔體溫度20100531204001.bin”。實驗數據在存儲時同時被存儲為二進制格式和文本格式，路徑及文件名生成以及數據存儲的的程序框圖如圖4所示。圖4 數據存儲程序示意圖由于軟件在數據采集過程中顯示區域顯示的是動態過程，所以無法看到所采集的數據全貌，因此軟件提供了對所采集的實驗數據的回放顯示功能，既可顯示一條曲線，也可同時顯示多條曲線進行對比分析，此功能是通過調用子VI（Virtual Instruments的簡寫，即虛擬儀器）的方式實現的。通過按下主界面的“單曲線顯示”或“多曲線顯示”即可調出一個新的顯示窗口。多曲線顯示的曲線條數可以輸入。多曲線顯示的界面及程序框圖見圖5。為了軟件使用過程中的方便，提供了界面刷新功能，按下“界面刷新”后軟件界面可恢復到默認狀態?？紤]到每次測燃點溫度時實驗名稱或者數據存儲的路徑可能會相同，所以建立了“實驗名稱”和“存儲路徑”兩個全局變量，同時建立了一個配置文檔。每次軟件更改實驗名稱或存儲路徑時，都要修改全局變量的值，軟件退出時，要把最后的實驗名稱和存儲路徑存到配置文檔中，當再一次打開運行軟件時，要打開配置文檔讀取實驗名稱和存儲路徑的信息作為軟件界面的默認值。 (a) 程序框圖 (b) 程序界面圖5 多曲線顯示為了使軟件運行的更流暢、使用更方便，軟件中還應用了很多容錯技術。容錯技術包括軟件的自檢和硬件自檢兩部分。軟件自檢包括檢查輸入的存儲路徑是否正確、實驗名稱是否為空等，以保證數據存儲的可靠性。硬件自檢主要是在點擊“開始采集”按鈕后，檢測數據采集卡工作是否正常，如果數據采集卡異常，軟件會報警并返回到初始狀態，避免了由于數據采集卡異常導致的死機。2.1.4 系統測試及起燃溫度的確定將電阻爐加熱至500℃左右，再將塊狀鎂合金放入帶孔的坩堝，然后將其置入電阻爐中，并使測量鎂合金溫度的熱電偶與塊狀鎂合金接觸，使電路按固定加熱速率進行加熱，并開始數據采集。數據采集過程的界面見圖2，經測試，軟硬件各項功能正常。所采集的溫度-時間曲線如圖6所示。鎂合金在開始燃燒瞬間，放出大量的熱量使溫度急劇上升，會在溫度-時間曲線上出現一個拐點。本課題中，將溫度-時間上的第一個拐點所對應的溫度值定義為燃點。圖6 典型溫度-時間采集曲線2.1.5 小結（1）本章建立了鎂合金起燃溫度測試硬件系統，該系統由坩堝式電阻爐、溫度控制器、熱電偶、研華USB-4718型數據采集卡及電腦組成，所建立的硬件系統成本低、結構簡單、測試系統便攜。（2）本章開發了鎂合金起燃溫度測試軟件系統，該軟件采用LabVIEW8.5開發，具有數據采集、數據動態顯示、實驗數據存儲、數據回放分析等功能。軟件界面友好，操作簡單，容錯性強。（3）本章對所建立的鎂合金起燃溫度測試系統軟硬件進行了測試，測試結果表明，所建立的測試系統各項功能正常，能夠很好的完成對鎂合金起燃溫度的測試，并給出了確定起燃溫度的方法。2.2 鎂合金熔體表面張力裝置的建立2.2.1 概述我們通常將物體表面單位長度上作用的力稱作表面張力，單位為N/m，而且通常我們所說的表面張力指的是液相與氣相接觸面上的表面張力。在液態金屬或者合金與氣體組成的體系中，與氣體接觸的液體表面層原子處于不平衡力場中，即與表面層原子接觸的液體中的原子與表面層原子距離較小，且數目量多，因此作用力較大；而與表面層原子接觸的氣體中的原子與表面層原子距離較大，且數量少，因此作用力較小。這樣就產生了方向垂直于液體表面，指向液體內部的力，如圖7所示。該力使液體表面有如一彈性膜所包圍，傾向減少其表面，因此產生了表面張力。表面張力的大小不但與液體本身的性質有關，而且與它相接觸的相的性質有關。圖7 熔體表面原子模型表面張力是液態合金重要的物性參數，它不僅是研究界面反應動力學的基礎，而且在金屬凝固過程和鑄造合金參數的預測中起著重要作用，因此，研究液態合金熔體表面張力具有重要理論價值和實際意義。在阻燃鎂合金的研究領域，特別是在阻燃鎂合金的熔煉與制備過程中，合金液在高溫下的急劇擴散與在凝固過程中晶粒的形成，尤其是晶體在長大時，稀土元素會富集在相界上，在液態下有表面聚集的趨勢,元素的擴散必然會對熔體的表面張力和氧化膜結構產生影響，因而我們可以通過研究稀土阻燃鎂合金熔體特性特別是在不同狀態下熔體表面張力的變化對氧化膜結構改變的影響規律，進而找到表面張力與阻燃性能之間的對應關系。2.2.2 表面張力的測量方法表面張力的測量方法有很多，總體上可分為動態法和靜態法兩類。動態法是以測量決定某一過程特征的數值來計算表面張力，主要有毛細管波法和振蕩射流法。通常在溶液表面張力隨時間變化變化較快時需要用動態法測量，如用振蕩射流法測定的時間變化可以小到1ms左右。在現階段，動態法測量表面張力還不完善，測量誤差較大，因而，實際應用很少。主要的方法有毛細管上升法、懸滴法、滴重法、最大氣泡法、拉筒法、液滴外形法和電磁懸浮法等。常溫或低于200℃下的液體表面張力測量方法較多。但是，多于液態金屬、爐渣、熔鹽等高溫熔體，增加了測量的難度和復雜程度，應用于高溫熔體表面張力的測量方法主要有最大氣泡法、電磁懸浮法、拉筒法和靜滴法。考慮到試驗的測量精度和設備的復雜程度，本課題采用最大氣泡法測量鎂合金熔體表面張力。最大氣泡法Simon于1851年提出，后由Canter、Jaeger分別從理論和實用角度加以發展。實驗步驟是，將一毛細管插入待測液體內部，再向管中緩慢通入惰性氣體，隨著吹入氣體壓力的增大，氣泡逐漸長大，當氣泡恰好是半球時，氣泡內的壓力達到最大值，此時通過測量氣泡壓力，計算得到液體的表面張力值。2.2.3 表面張力的測量裝置本課題采用“最大氣泡壓力法”測定鎂合金熔體表面張力，實驗裝置如圖8所示：圖2.4 最大氣泡壓力法測試表面張力裝置簡圖Fig. 2.6 BMP Surface tension testing schematic圖8 最大氣泡法測量熔體表面張力裝置1.氬氣瓶2.壓力表 3.大量程浮子流量計 4.穩壓計 5.針型閥 6.微調針型閥 7.干燥瓶 8.小量程浮子流量計 9.U形壓力計 10.溫度控制儀 11.毛細石英管 12.熱電偶 13.石墨坩堝 14.鎂合金熔 15.坩堝電阻爐16.升降機構 17.大量程百分表氬氣經過減壓計，穩壓計，通入裝有氯化鈣的干燥瓶中進行干燥，再由三通器分成兩路，一路連接到U形壓力計（U形管所盛液體為水），另一路經細的石英管通入鎂合金熔體。由小到大緩慢調節氬氣氣壓，并通過針型閥控制氣體流量大小（將氣體流量控制在18-20毫升/分以內），觀察U形管內兩邊液注高度差H。試驗采用的毛細石英管內半徑r=2.86mm，符合精度要求。毛細管端口經過拋光、清洗處理，以排除雜質和端口缺陷對測量結果的影響。實驗中，通過升降機構可控制毛細管的上升和下降，當毛細管插入合金液后，隨著氬氣的緩緩通入，管內液體被排出管外，會在管口處形成氣泡并不斷長大（圖9）。氣泡在成長過程中，其內部壓力P與液體靜壓力及液體表面張力的合力保持動態平衡，直至這種平衡被破壞，氣泡會脫離管口而浮出液面。此過程，H值也將呈現出由小到大的變化趨勢，設氣泡內的壓力為P，則：P+PM=PH （1）其中，PM為鎂合金熔體在深度為h處形成的壓強，PH為U形管內兩邊液注差所形成的壓強。圖9 氣泡形成過程根據表面張力的物理意義，在液體中若有一半徑為r的球形氣泡，液體表面張力的作用造成了指向氣泡內部的壓力P（圖10）。圖10球形氣泡氣泡的表面積為：S =4πr2球形氣泡的體積為：V =4πr3/3若將球的體積增大dV，則必須克服阻力P對它做功：ΔW =PdV，而這一所做的功將轉變為表面積增大后的表面自由能增量：ΔE =σdS（σ為表面張力）。由于ΔW =ΔE，即PdV =σdS而dV =4πr2dr，dS =8πrdr，因而可推導出：P =2σ/r （2）PM為鎂合金熔體在深度為h處形成的壓強，即PM =ρMgh，ρM為鎂合金熔體的密度，為便于計算我們以Mg-Al合金的液態密度代替；PH為U形管內兩邊液注差所形成的壓強，即PH =ρwgH,ρw為水的密度。所以，由式（1）、（2）可以得到，當H達到最大值Hmax時， 2σ/r +ρMgh =ρwgH （3）所以，表面張力σ為：σ=(ρwgHmax-ρMgh)?r/2 （4）用最大氣泡法測量鎂合金熔體表面張力的具體步驟為：1．采用電阻爐、坩堝在一定溫度下對合金進行熔煉，待完全熔煉后攪拌一段時間，除去表面雜質，再保溫10分鐘；2．通過調整升降機構，使毛細管下降到恰好接觸合金熔體表面，此時調整百分表托架，使百分表的芯端部與升降機構水平臂平面接觸，將刻度盤對零，下降升降機構，使毛細管插入合金液表面之下，記錄毛細管下降的精確深度h；3．固定好這一高度打開爐蓋與氬氣瓶壓閥，并通過針型閥控制氣體流量大小（將氣體流量控制在18-20毫升/分以內），此時U形管兩側開始出現壓差，當熔體內部能夠穩定、緩慢的產生氣泡時，觀察U形兩側壓差值將由小到大變化，到達一最大值后（即氣泡成為半球形，此時半徑最小等于石英管內半徑r時），U形管兩端壓差突然減?。ㄒ驗闅馀萜屏眩涗浵耈形管左右兩端的最大液面差值H；4．帶入公式中進行計算便可得到熔體的表面張力。2.2.4 小結（1）本章建立了鎂合金熔體表面張力測量裝置，該裝置主要由氬氣瓶、壓力表、浮子流量計、穩壓計、針型閥、干燥瓶、U形壓力計、毛細石英管、升降機構和百分表組成。（2）本課題對所建立的鎂合金熔體表面張力測量裝置進行了測試，測試結果表明，所建立的測量裝置各項功能正常，能夠很好的完成對鎂合金熔體表面張力的測量，并給出了熔體表面張力的測量方法。三、技術指標通過本次研究必須到達以下要求：①研制成一種或多種阻燃鎂合金可以在大氣下不加任何保護措施條件下，熔煉而不發生燃燒現象；②研制成的阻燃鎂合金成分通過壓鑄、熱處理工藝過后所制成的成品，其結構的力學性能必須達到相應的要求；③通過本次研究結果，發表1項發明專利和1項實用新型專利。四、市場前景鎂及鎂合金既可以鑄造成各種鑄件或壓鑄件，也可以采用各種塑形加工方法加工成不同品種、規格、性能和用途的管、棒、型、線、帶、箔材以及鍛件等，然后經切削加工、冷沖壓、接合成形和表面處理等深加工成各種零件和結構件。與其他結構材料相比，鎂及其合金具有一系列的優點，如密度低、比強度和比剛度高、阻尼減振降噪能力強、電磁屏蔽性能優異、抗輻射、液態成型性能優越、切削加工和熱成型性能好、易于回收等，符合“21世紀綠色結構材料”的要求，越來越受到人們的青瞇。今年來，鎂材在汽車、摩托車等交通工具、計算機、通信、家電、電子電器、冶金、航空航天、國防軍工等部門獲得了廣泛的應用。隨著鎂合金提煉及加工技術的發展，以及成本的下降，鎂材已成為工業應用的重要金屬材料，在全球范圍內得到快速發展。1. 鎂合金材料在汽車工業上的開發與應用自1970年中東石油危機以來，為減輕汽車質量，以降低油耗和污染，提高安全性能，鎂合金材料在汽車工業中的應用與日俱增。目前，汽車工業中鎂合金用量較多的地區和國家主要是北美、歐洲、日本和韓國。綜合部分廠家的使用情況，目前鎂合金材料主要用來制造以下汽車零部件：①車內構件：儀表盤、座椅架、座位升降器、操縱臺架、氣囊外罩、轉向柱支架、收音機外殼、小工具箱門、車窗馬達罩、剎車與離合器踏板托架、氣動托架踏板等；②車體構件：門框、尾板、車頂框、車頂板、IP橫梁；③發動機及傳動系統：閥蓋、凸輪蓋、四輪驅動變速箱體、手動換擋變速器、離合器外殼活塞、進氣管、機油盤、交流電機支架、變速器殼體、齒輪箱殼體、油過濾器接頭、馬達罩、氣缸頭罩、分配盤支架、油泵殼、油箱、濾油器支架、左側半曲軸箱、空機罩、左抽氣管等。④底盤：輪轂、引擎托架、前后吊桿、尾盤支架。美國福特、通用、克萊斯勒三家公司在每輛汽車上使用的鎂合金鑄件分別達到30個、45個和20個；瑞典推出的沃爾沃CP20C0車型全重700kg，使用50kg鎂合金，包括輪轂、合器箱、轉向齒箱、后懸臂、發動機架、進氣歧管、氣缸體等部件；本田轎車一部分零件采用鎂合金材料后，重量大大減輕。最近，Magers分析了汽車市場的鎂合金需求趨勢，預測鎂合金材料在汽車工業的應用將會不斷增加。2. 鎂材在軌道交通工具上的應用前景在列車和其他軌道交通工具上使用鎂材，目的是減輕重量，減小噪音和震動，規整零部件和防止塑料老化，提高使用壽命等。主要應用實例：儀表盤支撐梁、發動機閥蓋、密封結構件、高速器、濾器器、發動機承受臺、消音器等。3. 鎂材在自行車上的開發與應用自行車是人力驅動工具，因而質量的減輕帶來的效果非常顯著，具有更好的加速性能、爬坡性能、轉彎性能，并且容易操縱，因而在國外自行車行業流傳著“產品輕1g多賣1美元”的說法。與鋁質自行車相比，用鎂材制造自行車可減重33%；用鎂材制造的折疊自行車車架重量僅1.4kg，總重量僅為4kg。目前自行車使用鎂合金部件包括輪轂、車把夾、腳踏板、制動器、手把、前叉、框架等近十幾個部件。4. 鎂材在航空航天上的開發與應用航空航天材料減重帶來的經濟效益和性能改善十分顯著。在質量減輕相同的情況下，商用飛機節省的燃油費是汽車的近100倍，而戰斗機的燃油費用節省又是商用飛機的近10倍，更重要的是其機動性能的改善可以極大地提高戰斗力和生存能力。正因為如此，早在20世紀20年代就開發出了許多鎂合金部件，如發動機曲柄箱、發動機零件、氣球吊籃、客機座椅、起落輪。隨著鎂合金生產技術的發展，材料的性能不斷提高，其應用范圍也不斷擴大。目前的應用領域包括各種民用和軍用飛機的發動機零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結構，以及火箭、導彈、衛星的一些零部件。5. 現代兵器零部件的鎂合金化及發展趨勢槍械武器、裝甲車輛、導彈、火炮、彈藥、光電儀器、武器用計算機及軍用器材中有較大數量的鋁合金零件和工程塑料件，根據鎂合金材料的性能和使用特點，將這些零件改用鎂合金制造在技術上是可行的。采用鎂合金材料代替武器裝備的中、低強度鋁合金零件和部分黑色金屬零件，實現武器裝備輕量化：槍械武器：機匣、彈匣、槍托體、提把、前護手、彈托板、瞄具座等；裝甲車輛：坦克座椅骨架、機長鏡、變速箱殼體、發動機濾座、進出水管、空氣分配器座、機油泵殼體、水泵殼體、機油熱交換器、機油濾清器殼體、氣門室罩、呼吸器等；光電產品：鏡頭殼體、紅外成像儀殼體、底座。6. 鎂合金材料在電子工業（家用電器和3C產品）上的開發與應用近10年來，電子工業發達的國家，特別是日本和歐美一些國家，在鎂合金產品的開發方面開展了大量工作并取得了重要進展，一大批重要電子產品使用了鎂合金，取得了理想的效果。3C工業（計算機、通訊設備、消費類電子產品）是當今全球發展速度最快的產業，數字化技術導致各種數字化產品不斷涌現。鎂合金3C產品最早出現于日本，1998年日本廠商開始采用鎂合金制造各種可攜式商品（如PDA、手機等），如今最為普遍的鎂合金3C產品是筆記本電腦，是由日本SONY公司率先推出的。在3C產品朝著輕、薄、短、小方向發展趨勢的推動下，今年來鎂合金的應用得到了持續增長。我國雖然是世界產鎂大國，但與日、美、歐相比，在鎂合金材料研究、生產技術及應用領域等方面還有相當大的差距，仍處于起步階段。五、規模與投資需求投資規模萬元，廠房及設備設施需求等。六、生產設備根據研發和生產需求，鎂合金在加工和性能檢測方面需要用到以下裝置：真空式高頻感應熔煉爐；鑄件的金屬型模具；坩堝為石墨型坩堝；大型真空熱處理爐；一整套機加工設備：加工中心、數控車床、手動工具；試樣拉伸試驗在Zwick/Roell Z100拉伸試驗機上完成；硬度測試采用XC-ST50顯微硬度測試儀，金相組織觀察在VMS-2000金相圖像分析系統上完成；氧化膜形貌觀測等在日立S-4800掃描電鏡上進行；大氣條件下的氧化動力學實驗在SDT-Q600差熱分析儀上進行。七、效益分析按每年生產X噸計算，可獲利約XXXX萬，八、合作方式合作方式采用技術入股或者技術轉讓的形式，價格面談。九、項目具體聯系人及聯系方式項目負責人：丁儉，電話：15122335148，email：[email protected]。十、附件：成果圖片圖11 鎂合金零件產品

河北工業大學 2021-04-11

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