【文章內(nèi)容簡介】 法反應(yīng)易于控制，原料簡單，但其收率低，對反應(yīng)容器及反應(yīng)條件要求較嚴(yán)，不利于連續(xù)化生產(chǎn)。 最近兩年國內(nèi)制備 ZnO 晶須的報道 ： (1)周柞萬等發(fā)明的碳還原劑控制 ZnO 晶須生產(chǎn)工藝，利用碳的還原特性，消 耗一部分 Zn周圍空氣中的氧氣來保證晶須生長所要求的條件。在此基礎(chǔ)上， 改進(jìn)了生產(chǎn)工藝，直接用鋅顆粒進(jìn)行生產(chǎn)，而且可以控制晶須針狀體的長度和粗細(xì)，產(chǎn)品收率高，可達(dá) 90%以上，產(chǎn)品中 95%以上為四針狀 ZnO 晶須。該方法對原料勿需進(jìn)行預(yù)處理，對 Zn 的粒度無苛刻要求 ； 生產(chǎn)周期短，每批樣品僅需 15min 左右 ； 產(chǎn)品收率及純度高，產(chǎn)品為白內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 色疏松狀固體，顯微結(jié)構(gòu)為立體四針狀，針長 10~200μm，根部直徑為 ~10μm； 成本低，設(shè)備投資少，由于沒有特殊的預(yù)處理和預(yù)氧化等工藝，反應(yīng)在大氣環(huán)境下進(jìn)行，且原料來源廣泛，價廉易得 ，所以生產(chǎn)成本 較低。 (2)陳爾凡等以鋅粉為原料，白碳黑為催化劑，高溫氣相氧化制備 ZnO 晶須。其制備過程為 ： 原料鋅粉先做陳化處理，即在去離子水 (含 %的 22OH )中以 60r/min 速度研磨 30min，然后將其于室溫下放置 24h，最后于 150℃ 干燥 30min。陳化的鋅粉與白碳黑按比例混合均勻，將混合好的原料放入馬福爐 (900~1000℃ )，同時以一定的速度通入壓縮空氣，在白碳黑上層得到 ZnO 晶須絮團(tuán)。與其它方法相比，該方法簡化了制備工藝及設(shè)備，降低了成本，并較大幅度地 提高了 ZnO 晶須的收率及規(guī)整度。 綜上所述，我們可以總結(jié)出氧化鋅晶須得制備方法主要為以下五種方法： (1)氣相法；(2)氧化法； (3)液相法； (4)微波輻射法； (5)離子交換樹脂法。 氧化鋅晶須的應(yīng)用前景 四腳狀氧化鋅晶須的研究工作起步較晚，但由于 氧化鋅晶須獨(dú)特的空間三維立體結(jié)構(gòu)、良好的單晶性，賦于了它許多獨(dú)特的功能，如導(dǎo)熱、壓電、壓敏、吸波、吸聲、減振、抗菌、防藻、催化等，這使它 可在國防、 電子、化工、交通等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用 [2,17]。 (1)增強(qiáng)復(fù)合材料 氧化鋅晶須獨(dú)有的結(jié)構(gòu)，使得它與復(fù)合材料中的基 體的抓著力更大，而且能各向同性地加強(qiáng)基體材料的機(jī)械性能，顯著地改善基體強(qiáng)度和加工性能，在復(fù)合材料中起骨架作用，避免了單一針狀晶須增強(qiáng)時需大量加入從而導(dǎo)致復(fù)合材料難于加工，增強(qiáng)效果更顯著，硬度提高也較大。 氧化鋅晶須鋁基復(fù)合材料不僅綜合性能優(yōu)良，而且成本也較碳化硅晶須、欽酸鉀晶須、氧化鋁晶須、金屬鎢晶須等增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料的成本低很多。氧化鋅晶須增強(qiáng)“尼龍 6”復(fù)合材料體系則不僅可以提高其強(qiáng)度，而且，復(fù)合材料的耐熱性、尺寸穩(wěn)定性都內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 隨之提高。 國內(nèi)外對于氧化鋅晶須在這方面的應(yīng)用都較成熟。 (2)靜電及導(dǎo)電高分子復(fù) 合材料 氧化鋅晶須的三維結(jié)構(gòu)，能形成非常有效的導(dǎo)電通道 (三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) )，從而高效地賦予材料的導(dǎo)電性。它的導(dǎo)電性是基于其單晶體本身具有導(dǎo)電性，而不需要借助于表面涂層和電鍍等方式。因此，氧化鋅晶須可以高效地降低樹脂基復(fù)合材料的電阻，起到抗靜電作用。 由于氧化鋅晶須本身是無色透明的，不具有發(fā)色性，因此它可與其他顏料等組合，制成純白色或其它各種顏色的復(fù)合材料制品。 目前這類應(yīng)用處于推廣階段。 (3)耐磨及防滑材料 氧化鋅晶須具有良好的耐磨和提高材料防滑的性能。試驗表明，將氧化鋅晶須應(yīng)用于橡膠、涂料、塑料都能取得滿意 的耐磨防滑效果?？蓮V泛用于汽車輪胎、剎車片材料、耐磨齒輪、傳送皮帶、耐磨抗靜電涂料等要求耐磨和防滑的 領(lǐng)域。 例如，加入氧化鋅晶須的橡膠剎車片可使車輛在雨天的剎車距離大幅減少。在 PEEK、 PES、 PPS 等樹脂中加入 ZnOw，用作耐磨齒輪或軸承己獲得應(yīng)用。 (4)電波吸收材料 作為一種 N 型半導(dǎo)體微晶材料，氧化鋅晶須是一種介電損耗材料。氧化鋅晶須及其復(fù)合材料具有優(yōu)異的電波吸收性能，可用于電波吸收體和微波發(fā)熱體。而在硅酸鹽水泥塊中適當(dāng)?shù)負(fù)饺胙趸\晶須則可極大地改變復(fù)合水泥塊的電磁波透射能力。目前己經(jīng)應(yīng)用到了微波加熱元 件中。 (5)減振、抗沖及隔音材料 氧化鋅晶須能有效的將吸收的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而損失掉，起到明顯的減振阻尼作內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 用。對塑料、橡膠、涂料、陶瓷和金屬材料的減振、降噪等性能具有明顯效果。氧化鋅晶須 /橡膠復(fù)合材料可廣泛用于上木建筑、機(jī)械結(jié)構(gòu)、鐵路隧道、 交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域作減振降噪材料。氧化鋅晶須還可吸收聲振動轉(zhuǎn)化為熱能，使材料具有吸聲功能，達(dá)到隔音效果，被用于制造音響設(shè)備的內(nèi)部骨和外殼。 (6)陶瓷復(fù)合材料 在工藝陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷、特種陶瓷等中加入適量的氧化鋅晶須，可使該增強(qiáng)陶瓷具有良好的各向同性，且明顯提高其抗碎裂和抗急 冷性能。這類應(yīng)用目前處于試驗階段。 (7)涂料 由于氧化鋅晶須在涂層中均勻嵌布起骨架作用，將其加到涂料中不僅可提高其觸變性，有利于施工使涂層表面光滑平整，而且使涂料抗沖擊、抗碎裂強(qiáng)度提高，發(fā)泡性、耐磨性能改善?？蓮V泛用于汽車車體的中間涂層、船體外表面涂層以及水泥、礦粉、谷物的管道和設(shè)備的內(nèi)表面保護(hù)涂層。用含氧化鋅晶須的涂料作公路路標(biāo)標(biāo)記，具有耐磨、抗溫差能力強(qiáng)，敷設(shè)很厚也不發(fā)生龜裂，且路標(biāo)的反光性和可見性也較好。此外，由于其特殊的構(gòu)型氧化鋅晶須，對水狀介質(zhì)、油狀介質(zhì)和樹脂介質(zhì)均有較強(qiáng)適應(yīng)性，適用于各種涂料， 應(yīng)用很廣。 (8)氧化鋅晶須復(fù)合抗菌劑 利用四腳氧化鋅晶須尖端具有納米活性，能高效殺滅和消除細(xì)菌及其殘骸，添加適量的氧化鋅晶須可制成的復(fù)合抗菌劑及抗菌材料，對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠球菌和沙門氏菌等常見細(xì)菌的殺滅率達(dá) 99%以上，且用于動物試驗無不良反應(yīng)?？捎糜谥苽淇咕⒚摮舨牧?，目前正在積極的試驗中。 (9)其它用途 除上述各種應(yīng)用外，晶須還有很多其它用途。如用于空氣清新除臭劑，除去空氣中的 H2S、 NH3 等有害氣體 ； 作為氧化還原反應(yīng)的催化劑或載體 ； 與樹脂或玻璃料混合用內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 作濾料 ； 作為水處理中活性污泥的 沉降劑 ；也可用作濕度傳感器， 具有高的靈敏性、穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度 ； 還可用于制造軟磁性材料、高強(qiáng)度陰極電池等。這些領(lǐng)域的應(yīng)用，目前尚處于試驗階段。 控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 在國內(nèi)兩種不同的氣體相互混合來控制混合后氣體的總流量和某一組分的含量的控制系統(tǒng)中，歸納而言，采用的控制手段主要有如下幾種。 傳統(tǒng)過程控制的方法 即確定一種氣體為主導(dǎo)氣體 (一般是氧化爐出來的尾氣，因為尾氣流量比較大 )，根據(jù)它來控制混合后氣體的總流量，這就是混合后流量控制回路 ； 控制另一種氣體流量來進(jìn)行配比，這就是氧含量調(diào)節(jié)回路。 這種控制策略的主要優(yōu)點是 ： 控制器設(shè)計簡單，參數(shù)整定方便。其主要缺點為 ： 采用的是 變量回路匹配的方法，即被調(diào)量和調(diào)節(jié)量之間的適當(dāng)匹配來消除系統(tǒng)的耦 合，由于系統(tǒng)中流量調(diào)節(jié)與氧含量調(diào)節(jié) (流量配比調(diào)節(jié) )之間的耦 合作用非常強(qiáng)烈，導(dǎo)致調(diào)節(jié) 精度不高。在工況穩(wěn)定的情況下，系統(tǒng)也需要經(jīng)過一段時間的震蕩才能過渡到穩(wěn)態(tài) ；抑制擾動的能力不強(qiáng)，而系統(tǒng)運(yùn)行時的工況較不穩(wěn)定， 擾動很大，導(dǎo)致實際的控制效果大打折扣。 出于對這種方法的改進(jìn)，國內(nèi) 有工程人員提出了一種改進(jìn)型的控制策略，用前饋補(bǔ)償?shù)姆椒▉磉M(jìn)行解耦 ，就 是將其中一種變量作為擾動引入進(jìn)來，設(shè)計前饋補(bǔ)償器。該方法 考慮了耦 合 的影響，調(diào)節(jié)的精度有了很大的提高，但該方法實際上也是一種靜態(tài)解耦的方式，只能對系統(tǒng)的耦 合進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償，對于工況的劇烈變化，也就是擾動的大幅波動，效果有限 [22]。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 智能控制的方法 由于某些實際的控制系統(tǒng)很難建立數(shù)學(xué)模型，從而采用的是智能控制的方法。其具體的控制思路有如下兩種 ： (1)以傳統(tǒng)的過程控制思想為指導(dǎo)，即根據(jù)主導(dǎo)氣體流量的大小而成比例地調(diào)節(jié)另一種氣體流量，但是在控制器的設(shè)計上不采用 PID，而采用模糊控制或其它智能控制方法，這種方法 與傳統(tǒng)的方法并沒有本質(zhì)區(qū)別，同樣沒有考慮系統(tǒng)耦合的問題。 (2)采用先進(jìn)控制的思想，設(shè)計了智能解耦的控制策略，對系統(tǒng)的耦合有較為深入的理解，但其控制效果與解耦 策略以及相應(yīng)的閥門的控制策略都有很大的關(guān)系，而且需要在現(xiàn)場整定比較多的參數(shù)，在類似控制系統(tǒng)的推廣方面有一定的局限性 [16,20]。 在國外對氣體混合過程控制的研究中，有學(xué)者提出了一種無模型的自適應(yīng)控制策略(MFA)來解決這一問題。而在解決這一類的氣體混合控制中，也有學(xué)者提出了一種集成的智能控制策略，通過將經(jīng)典 PID 控制、前饋控制、專家控制結(jié)合起來發(fā)揮各自的長處來解決這一類的問題。 研究內(nèi)容 本次設(shè)計 以氧化鋅晶 須生產(chǎn)過程 為研究對象，將混合氣體配置系統(tǒng)作為被控對象，分別采用前饋補(bǔ)償解耦 算法和增量式 PID 控制算法實現(xiàn)氣體混合后流量和氧含量的恒定。由于配氣系統(tǒng)是一個多輸入多輸出系統(tǒng)，常規(guī)方法不適合氣體混合過程的控制，尤其是在其中一種氣體 (尾氣 )的氧含量成分時刻變化并有耦 合的情況下。 為此，本設(shè)計 運(yùn)用了前饋補(bǔ)償解耦 控制和增量式 PID 調(diào)節(jié)相結(jié)合的先進(jìn)控制技術(shù)。 此外， 由于氧化鋅晶須生產(chǎn)流程工藝連續(xù)，反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，非線性、時變、 耦 合嚴(yán)重，生產(chǎn)數(shù)據(jù)復(fù)雜，處理量大，如果某一關(guān)鍵設(shè)備因為故障而無法繼續(xù)運(yùn)行，往往會波及整個生產(chǎn)流程的進(jìn) 行，甚至出現(xiàn)人身安全事故，而恢復(fù)整個生產(chǎn)流程的正常運(yùn)行需要花費(fèi)很長的時間，從而造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了讓氧化鋅晶須生產(chǎn)工藝流程內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 安全可靠的運(yùn)行，設(shè)置了各個變量參數(shù)的故障報警，為工業(yè)過程的安全生產(chǎn)提供了保障。 論文結(jié)構(gòu) 文章首先介紹了氧化鋅晶須的概念和成功制備高品質(zhì)氧化鋅晶須的意義，并詳細(xì)介紹了氧化鋅晶須及氣體混合控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。針對實際系統(tǒng)給出了本文的研究內(nèi)容，闡明了自動控制系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用對氧化鋅晶須生產(chǎn)工藝的意義。 第二章介紹了氧化鋅晶須的生產(chǎn)工藝，分析了生產(chǎn)工藝中耦 合因素、尾氣利用因素等對生產(chǎn)過程的影響。并在此基礎(chǔ)上，從自動控制的基本思想出發(fā)，提出以穩(wěn)定 氧化爐用氣的氧含量和流量為目標(biāo)的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架和功能特點 。 第三章在具體分析了現(xiàn)場配氣系統(tǒng)的特性后，根據(jù)給定的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用了前饋補(bǔ)償解耦 技術(shù)和 PID 控 制技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計思想，并設(shè)計了前饋補(bǔ)償解耦 控制器和和增量式 PID 控制器 。 第四章詳細(xì)提出了系統(tǒng)軟件的總體框架，介紹了軟件的功能模塊 ： 包括 MCGS 實時監(jiān)控界面的設(shè)計和 PLC 編程及算法實現(xiàn) ；完成了前饋補(bǔ)償解耦 算法、帶死區(qū)的增量式PID 算法和在 PLC 中的實現(xiàn)。 第五章為控制系統(tǒng)的工業(yè) 應(yīng)用，根據(jù) 系統(tǒng)運(yùn)行的實際結(jié)果，并對系統(tǒng)性能作了評價。 第六章為結(jié)束語，對氧 化鋅晶須生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計予以總結(jié)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第二章 控制系統(tǒng)總體設(shè)計 氧化鋅晶須生產(chǎn)工藝過程分析 氧化鋅晶須生產(chǎn)過程是將純度為 %以上的鋅片放到氧化爐中，在特定的工藝條件下進(jìn)行加熱，形成所需要的四針狀的氧化鋅晶須的過程，生產(chǎn)工藝流程圖如圖 所示。生產(chǎn)工藝可以分為兩部分 ：第一部分為氧化爐用氣的配置過 程 ； 第二部分為氧化爐加熱過程 ，而在這次的設(shè)計中，我們主要研究的是氧化爐用氣的配置過 程 。 氧化爐的用氣由在氧化爐加熱后剩余的氣體 — 尾氣和空氣 混合配置而成。尾氣存放在與氧化爐相連的尾氣儲氣罐中，通過尾氣壓縮機(jī)將其抽出，與空氣壓縮機(jī)出來的空氣進(jìn)行混合，通過電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)尾氣流量和空氣流量的大小，使得混合后的氣體的氧含量符合工藝生產(chǎn)的要求，然后經(jīng)過過濾器和干燥機(jī)，再通過后面的電動調(diào)節(jié)閥將流量控制到需要的值，將其通入到氧化爐中。 氧化爐中的鋅片分三部分進(jìn)行加熱，每個部分溫度各不相同，每個部分都有上下兩個熱電偶檢測其溫度。鋅片被切成規(guī)整的小片狀放入鍋中，再將鍋 (氧化爐中一共有 18個鍋 )放入氧化爐中進(jìn)行加熱。每個鍋并排的放入氧化爐中，通過液壓推舟的方式將鍋 一個一個向前推，每 10 分鐘推一次。出來一鍋，再向氧化爐內(nèi)添加新的一鍋，加料方式是靠人工手動操作完成的。如此反復(fù)，保證氧化爐氧化加熱過程的連續(xù) [6]。 F IF IF I 氧 化 爐電 動 調(diào)節(jié) 閥T 級過 濾 器冷 凍干 燥 機(jī)氧 氣 分 析 儀精 密過 濾 器壓 力 變 送 器儲 氣 罐流 量 計尾 氣 壓 縮 機(jī)空 壓 機(jī)空 氣尾 氣 罐電 磁 閥 圖 氧化鋅晶須生產(chǎn)工藝流程 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 晶須生長機(jī)理過程分析 鋅蒸氣在不同氧化氣氛和溫度下生成的氧化鋅有無定形、顆粒狀、單針狀、四針狀、多針狀等五種典型的結(jié)晶形貌 [2]。 經(jīng)過大量實驗可得： 鋅蒸氣在溫度為 850℃ ， 900℃ ， 950℃ ， 980℃ 時不同氧化氣氛下的 at 曲線。圖中 N 線、 O 線、 F 線分別代表氧化氣氛 為 5%O2(體積分?jǐn)?shù) )+N 12%02(體積分?jǐn)?shù) )+N空氣，下標(biāo) 4 代表 4 個氧化溫度 ，如圖 所示 。 圖 鋅蒸氣在相同溫度不同氧化氣氛下的 at 曲線 (a)： 850℃ ； (b)： 900℃ ； (e)： 950℃