第一篇:鍍鋁瓦楞紙板制備概念家具設計論文大全
1真空磁控濺射及鍍鋁瓦楞紙板制備
1.1真空磁控濺射鍍鋁技術及方法
Al膜的制備方法依據成膜原理有3種:
(1)化學氣相沉積法是某一固體表面發生氣態物質化學反應而生成固態沉積物過程的方法;
(2)溶膠凝膠法是化合物或氧化物的固化,是金屬有機或無機化合物經過溶液、溶膠、凝膠和熱處理生成的方法;
(3)物理氣相沉積法是基體表面沉積膜通過蒸發和濺射等使涂層材料氣化的成膜方法。鍍膜方法不同鍍鋁的效果也不同,每種方法本身又有若干種方法。磁控濺射沉積技術是低溫高速的濺射方法,相對于蒸發法其優點是構成物體的個體物質容易掌控,且鍍膜涂層細膩均勻,與基材體結合力強,適合材料表面薄膜生產。磁控濺射法有微波-ECR等離子體增強磁控濺射、交流反應磁控濺射、射頻磁控濺射、直流反應磁控濺射和脈沖磁控濺射等,這都是由磁控濺射采用不同的離子源決定的。這里采用物理氣相沉積法中的磁控濺射沉積方法,磁控濺射沉積技術通常使用的靶材為純鋁,濺射時鋁靶被Ar離子轟擊,這是由于通過電離Ar氣并引入正交電磁場的結果,濺射出Al離子沉積到基體材料表面制備出高阻隔納米Al膜新材料。實驗觀察,沉積物在基材表面運動成核或成膜只有保持較高的能量才能實現,因此,濺射是最終將基材表面原子激發出來的復雜過程,是在離子與基材表面原子碰撞過程中發生能量與動量轉移的結果。
1.2鍍鋁瓦楞紙板制備各項必備條件
鍍鋁瓦楞紙板制備前實驗要先選擇其面紙材料,對鍍鋁瓦楞紙板技術要求和制備后的防護層進行處理。
1)紙基的選擇。運用直流磁控濺射工藝制備紙基鍍Al膜,進而制備鍍鋁瓦楞紙板,因此在選擇鍍鋁膜的基材時,要綜合各種因素,選擇的基材要充分滿足鍍Al膜的質量要求。目前,較為廣泛地將PET,PA,PP等塑料基材用作磁控濺射制備Al膜,實驗采用的基材為紙基鍍鋁膜。直流磁控濺射是“低溫”濺射相對二次濺射的方法,由于紙基材料的表面吸附能力弱且粗糙度高,與塑料薄膜基材比較Al膜沉積相對困難,本實驗選擇高強度特種紙,因高強度特種紙與Al具有較好的親和力。為制備滿足使用需要的各種規格的鍍鋁瓦楞紙板,對高強度特種紙紙基材料進行選擇時,相對穩定的物理特性參數是各種紙基材料研究的重點,同時還要考慮提高紙基材料肌理感和質感的視覺效果。依據試驗測試高強度特種紙紙基材料的物理性能,這里選擇各種高強度特種紙作為紙基材料,其質量為120g~250g不等,選用純木漿作為原材料,其表面紋理和圖案不同,紙面纖維均勻、伸縮小、強度高、物理性能良好。
2)鍍鋁瓦楞紙板結構及材料技術要求。瓦楞紙板的結構是由面紙、里紙、芯紙和加工成波形的瓦楞紙通過黏合而成的。瓦楞紙板根據瓦楞波紋的形狀、紙板的層數和瓦楞種類的不同大致分為3類[4]。由于構成瓦楞紙板的瓦楞波形分為U形、V形及UV形,楞型有A,B,C,E及其復合楞,其中復合楞AB,BC,BBC兼備了各單楞的優點。為了提高瓦楞紙板的強度,選擇UV形多層復合楞瓦楞紙板為主要材料,使鍍鋁瓦楞紙板家具符合家具的類型、大小及主體框架結構等實用特性。同時,對瓦楞紙原紙的物理性能,如破裂強度、基重、環壓強度、抗張強度、撕裂強度、防水性能等都有一定的要求。瓦楞紙板材料符合規定要求是鋁紙復合的關鍵,也是能否取得鍍鋁瓦楞紙板家具新材料的關鍵所在。鍍Al膜表面進行SiOx防護層處理。制備鍍鋁瓦楞紙板采取直接鍍鋁方法,其高阻隔性納米鋁薄膜新型材料是利用真空磁控濺射鍍鋁技術所獲得的。必須提高鋁膜表面的耐磨性、阻燃性和可擦洗性等,改變Al膜本身耐磨性較低的狀況,從而改善瓦楞紙板的性能,因此這里采用和Al膜相同的工藝方法,對瓦楞紙板Al膜面紙進行Si靶二次磁控濺射。將SiOx沉積在Al膜表面并進行保護層處理,鍍SiOx提高瓦楞紙板Al膜的物理性質和Al膜面紙質量,同時使其仍然保留銀灰色Al膜色彩。實驗采用射頻磁控濺射將SiOx沉積在Al膜表面,以提高Al膜的耐磨擦性,從而獲得高質量的鍍鋁瓦楞紙板材料。
2鍍鋁瓦楞紙板家具的商業化應用
2.1鍍鋁瓦楞紙板家具特點
鍍鋁瓦楞紙板家具以其鮮明的特點受到人們的喜愛。首先,鍍鋁瓦楞紙板所用原料和輔助材料都是無毒、無氣味的,有效避免了如人造板家具中甲醛等有毒氣體的揮發。鍍鋁瓦楞紙板家具其原材料有極少的鋁材料,容易處理,瓦楞紙板可降解和循環利用。其次,鍍鋁瓦楞紙板材料表面韌性好、耐折。和木質家具比起來,優越的阻隔性使其表面無龜裂現象。第三,鍍鋁瓦楞紙板具有防止家具氧化及防水、防潮等特點,鍍鋁防止其受潮和吸水,有效地改善了鍍鋁瓦楞紙板材料的物理性能,比涂飾保護漆的普通紙板家具表面具有更好的防潮耐水性。第四,鍍鋁瓦楞紙板材料的金屬光澤及肌理效果本身就具有裝飾性,鍍鋁時可根據不同家具的需要,將其表面加工成各種式樣圖案,或各具特色的鏤花使家具更加宜人。
2.2鍍鋁瓦楞紙板在概念家具設計中的應用
不同學者對概念家具設計有不同的解釋,但常見的觀點是強調新的設計理念和新材料的使用,主張在設計家具時注重生產的可行性并采用先進技術,產品使用安全,造型美觀,經濟合理?,F代家具設計中的概念家具的魅力就在于,設計師根據當時特定的物質技術條件與時尚審美的需求,對某種家具提出概念或設想,并轉化為實際產品投入市場,這不僅推動了新技術、新材料與新工藝的進步,還縮短了家具更新周期。狹義的概念家具設計是對新的家具設計潮流,即對現代主義家具設計的研究,其設計是個性化的,新思維和新風格集中運用,設計產品從結構、材料、功能、裝飾、技術等對藝術拓展和產品開發有重要作用,體現后現代主義設計流派新的設計風格。廣義的概念家具設計是以探求個性化開發和新風格組合,以及新的理念為目的,其創新性和探索性為以后的家具設計提供有益參考。概念家具設計是創新的材料設計、別致的造型設計、時尚的理念設計和多功能互動性設計等,因此涉及到設計外延的不斷擴大,設計內涵的不斷延伸,設計的立體表達中交叉融合了社會學、歷史學、經濟學、工程學、工藝學和美學等學科。無論是概念家具還是實用家具,均可使用鍍鋁瓦楞紙板進行設計與開發,生產的家具產品首先要具有良好的使用性,然后是時尚、耐用等其他需要。由于鍍鋁瓦楞紙板的材料特性,其家具開發可廣泛應用于易更換、價格低、重量輕、便于回收的中小型輕便家具,如鐘表、燈飾、凳子及小型書架等,適合用于時尚新穎的家居家具,如餐桌、茶幾、電視柜、椅子等,也可用于較厚重的現代家具,如櫥柜、書柜、立柜大型板式家具及輕巧綠色能夠重復利用的辦公家具,如文件柜、辦公桌椅、書立、檔案盒等,還可用于承重性較強、結構簡單的大型家具,如展示柜、工作臺,大型運動場館使用的媒體桌和服務臺等,以及探索開發美觀、實用、環保性強的兒童家具、休閑家具等,或者用于承載較大質量的家具支撐底座,模塊或零部件等,還可根據不同群體和對象研制其他家具產品,滿足不同的消費需要。
2.3鍍鋁瓦楞紙板概念家具設計
根據家具設計意圖,對所獲得的鍍鋁瓦楞紙板材料進行分切和加工,可將其制備成各種中小型輕便鍍鋁瓦楞紙板家具產品。折疊結構形式、層疊結構形式、插接結構形式和組合結構形式及其工藝方法是鍍鋁瓦楞紙板概念家具設計的常用形式[13-15]。同時使用不同的鍍鋁瓦楞紙板制作家具時,應根據家具特性確定其成形工藝,構思結構和進行不同的造型設計。鍍鋁瓦楞紙板是由多層紙板復合而成的,如使用三層板制作家具,家具設計及加工工藝可根據特定需要,對鍍鋁瓦楞紙板進行模切標準壓痕后通過折疊來實現,如鍍鋁瓦楞紙板插接結的構凳子和桌子見圖1-2,采取折疊結構形式,將鍍鋁瓦楞紙板面材模切成按照設計意圖事先設定好的造型,通過折疊構成立體形態家具。
3鍍鋁瓦楞紙板概念家具拓展設計
3.1概念家具拓展設計創意思路
隨著科技的發展,創新材料和設計已成為各國研發的主題,設計師力圖采用不同類型的材料進行創新設計,富有想象力的設計構思會形成具有生命力的家具。按此思路使用鍍鋁瓦楞紙板作為新型材料,采用模塊化家具組合的設計方法,應用于鍍鋁瓦楞紙板概念家具設計。組合家具是由標準零部件或若干個標準化模塊組合而成的,家具的整體功能可劃分為若干個子功能,整體功能通過不同的模塊或零部件組合來實現,現代家具特別是板式家具的模塊化結構,拆裝靈活,用途多樣,容易組合。模塊化組合家具可通過靈活切換模塊轉換功能,產生各種不同的使用方法或衍生新型家具來滿足需求差異,其制作過程應注意標準化、組合化、通用性等特征。組合模塊家具的種類眾多,如桌凳、茶幾、床等,家具的形態變得更加豐富多樣,功能性也得到更大程度的拓展。
3.2鍍鋁瓦楞紙板與其他材料的組合設計
鍍鋁瓦楞紙板制作的標準模塊,根據使用需要,配合其他材料,如設計鍍鋁瓦楞紙板模塊組合餐桌,這種設計充分發揮兩種不同材料的優勢互補作用,餐桌上部分桌面使用玻璃材料,餐桌下部分底座采用鍍鋁瓦楞紙板模塊。玻璃面材具有堅硬、光滑、耐磨、耐燙、容易清洗的特點,鍍鋁瓦楞紙板塑造成各種所需形狀模塊的底座,具有較強的支撐作用。另外可根據設計餐桌面板大小自行決定底座標準模塊配置的多少。餐桌面板材質、形狀和規格可依據消費者需要,利用造型要素交合法提取造型要素,靈活派生多種設計方案。家具模塊化設計的實踐方法,可開發研制新功能模塊與部分通用模塊形成新家具,可用通用模塊和接口結構組合成新家具,可通過部分通用模塊改型形成新家具,可以以通用為主與部分專用模塊構成新家具,還可采用如木材、塑料、金屬、玻璃等不同質地的材料進行模塊組合成形。
3.3模塊化的應用組合模塊化是設計模塊作為標準化、通用化的零部件靈活組成多種新家具的設計方法。以鍍鋁瓦楞紙板制作的標準模塊,還可按對家具不同使用價值的需求,來制作不同種類和規格的鍍鋁瓦楞紙板的標準化模塊,并配合其他材料設計制作中小型家具。根據設計意圖,結合鍍鋁瓦楞紙板制作的標準模塊,可選用層疊結構形式的鍍鋁瓦楞板模塊,組合形成茶幾、長條桌等家具。利用鍍鋁瓦楞紙板制作的標準模塊為主要造型材料,結合多種其他材料,創造性地設計多種變化造型。選用鍍鋁瓦楞紙板和其他材料共同構成概念家具時,可充分利用兩種材料各自的優勢特點進行設計,推進鍍鋁瓦楞紙板新材料的應用。可將其應用于制備各種中小型輕便紙板家具產品中。
4結語
依據節約資源、綠色生產和設計的理念,采用直流磁控濺射鍍鋁技術制備鍍鋁瓦楞紙板,并對其進行概念家具的設計、開發與拓展研究,從而對時尚新穎的鍍鋁瓦楞紙板概念家具進行批量生產,推進其市場化應用。通過開發多種鍍鋁瓦楞紙板產品,有效地促進新技術、新材料研究的推廣和應用,引導并改善社會生產和消費結構,滿足需求并獲取市場賦予的經濟效益最大化。
第二篇:辦公家具設計研究論文
中國辦公家具市場正在以每年10%的速率增長,根據中國家具協會發布的數據,2010年中國家具業的生產總值達到7300億人民幣,民用家具占其中的70%,辦公家具占30%,辦公家具行業處在一個很好的淘金時期。本項目受地方企業委托,基于企業現有的技術條件,為其開發辦公家具產品,適應現代化企業的辦公需求。
一辦公家具市場概況
辦公家具消費主要集中在兩類消費群:企業和政府。高端消費群如歐美跨國公司在華企業、政府機關、銀行等辦公場所基本被國外家具業巨頭如赫爾曼米勒、海沃氏、HNI等企業的產品占領。中國家具出口盡管已達200億美元,但大多走的都是低端路線,不少家具生產企業僅僅是國外品牌的廉價制造基地,成本優勢也在逐年喪失。目前國內尚沒有哪家辦公家具公司能占到辦公家具生產總值1%的份額,而國外成熟市場前三名的品牌占到30%以上的市場份額,如2001年美國Steelcase營業額近240億人民幣,日本Kokuyo也有180億人民幣。與此同時,近幾年來歐美市場的低迷正在迫使出口企業回頭瓜分國內市場,加劇了企業之間的競爭。辦公家具的銷售渠道經歷了從家具賣場、品牌獨立店到品牌店中店的發展過程。隨著互聯網電商的普及,辦公家具實體店的銷售受到了互聯網的巨大沖擊。辦公家具的設計則經歷了從大眾化、差異化、定制化到個性化的發展過程。個性化(選配)服務將通過網絡和由消費者直接參與共同設計來完成,產品競爭從服務意識的競爭轉向服務技術的競爭。微利時代來臨,產品生命周期逐步縮短,企業需要差異化的經營戰略,富于創意和特色的家具企業才能保持旺盛的成長勢頭。
二辦公家具產品調研
家具設計的瓶頸在于家具產品涉及的材料和結構種類繁多,家具設計的創新很多時候依賴于材料和結構的創新。以下是對辦公家具產品設計相關要素的調研和分析:
1辦公家具的功能和材料要素
系列辦公家具的功能部件一般為:辦公隔斷、員工桌、經理桌、洽談桌、會議桌、文件柜等六部分。辦公家具所用材料涉及面非常廣泛,常用板材有刨花板、細木工板或PVC板;常用面材為鋼板、鋁合金板、玻璃等;常用管材為鋁合金型材、鋼管;常用修飾材料有鐵絲網、人造革、布藝、橡膠等等。
2辦公家具結構要素
家具結構即家具構件的組合與連接方式,它取決于材料和工藝的發展,如金屬家具、塑料家具、藤家具、木家具等都有自己的結構設計特點。家具結構受材料屬性的約束比較大,同時要兼顧制造成本和工藝條件,以及造型樣式的需要。不同類型的家具可以有相同的結構設計,如中國傳統家具常用的榫卯結構,可以運用于支撐類家具如座椅和儲藏類家具如書柜中。不同材料的家具卻通常具有不同的結構方式,如鋼木家具、實木家具、藤制家具可以有完全不同的結構方式,因此,辦公家具結構設計方面的考慮通常在材料選定之后。
3辦公家具人機要素
辦公家具在人機方面需要考慮的因素主要表現為:合適的桌面高度、大小和容膝空間;擁有支肘板的桌面更人性化;合適的屏風高度和材質,相對隔離且方便溝通;抽屜拉手的人性化設計;桌面物品擺放設計;方便電腦使用的人性化設計,其中包括接線盒位置、主機箱位置、散熱孔、拔插優盤等。
4辦公家具模塊化考慮
傳統的家具由零部件組成,而模塊化家具則由模塊組成。模塊是可組成系統的、具有良好的可重用性和完整接口的單元。家具模塊劃分指的是通過對家具的功能進行分解,將具有相同或相似的單元分離,用模塊化原理對之進行統一、歸并、簡化,形成具有特定功能和接口結構的通用獨立單元,即模塊。模塊化設計要求遵循通用性原則、互換性原則、系列化原則。家具板材的直線切割要考慮模數問題,曲線切割則要考慮減少廢料和廢料利用的問題。
三辦公家具用戶調研
本項目的用戶調研主要從三方面展開,一是針對辦公室職員、部門經理、企業負責人的訪談,二是辦公家具使用情況的問卷調查,三是不同辦公環境的現場照片分析。從中發現用戶在辦公家具使用過程中存在的問題依次為:
1物品擺放混亂:隨身包、衣服、水杯、垃圾桶、紙巾、盆景等隨身物品沒有歸屬
2團隊之間技術交流不方便:如工程師們就產品結構進行互動和討論
3桌面高度不能適應不同身高的人體尺寸
4長時間坐著辦公致使腰背肌肉酸痛
5電源線網絡線數據線混亂
6拔插優盤不方便等辦公家具不僅僅是一張放置電腦的桌子,它是辦公職員在公司的一個小家的縮影。因此在辦公家具設計的過程當中,必須充分考慮使用方面的功能性,以上用戶調研中發現的問題是辦公家具設計中的重要參考。
四辦公家具設計趨勢
互聯網給我們的生活帶來了顛覆性的變化,對辦公環境產生的影響也是革命性的。形形色色的創意公司、小微企業如雨后春筍般入駐到各種產業園區,辦公家具的設計也相應出現了以下的設計趨勢:
(1)風格化:色彩的大膽運用、創意風格和主題設計直追民用家具。如將回紋、云紋、八角亭等中式元素融入設計,或者以簡潔、非對稱、甚至夸張的幾何形態來強調存在感。
(2)模塊化:以不同形狀的面板,搭配不同材質和形態的桌腳、電腦主機柜、桌面文件柜、抽屜柜、立式文件柜等功能模塊,實現多種功能組合,滿足不同的辦公需求。
(3)智能化:輕輕一按即可全部自動上鎖的抽屜,對辦公室實現電子控制的觸摸屏,能實現空間情景燈光設置的記憶遙控器,觸摸感應彈開的柜體;輕松實現升降的圣奧I-WORK主管桌等。
(4)彈性化:移動辦公,在有限的辦公空間內,可根據工作要求將獨立的辦公室變成大會議室、將獨立的辦公桌組成會議桌,其辦公家具都將非常易于重組。彈性辦公家具的核心概念即資源的最大化利用,由此而帶來辦公家具組合的多樣性。
五設計思路
基于以上對辦公家具市場、辦公家具產品、辦公家具用戶、辦公家具設計趨勢等的調研與分析,在與企業進行充分溝通的前提下,為企業制定如下設計思路:
六設計實踐
首款設計為“低成本設計”,具體設計定位如上表所述。經過草圖構思、草圖評審、三維建模及渲染、效果圖評審、設計深入、場景渲染等環節,最終確定方案效果如下圖。這是一款員工桌組合的設計,產品英文命名為“jejec”,是中文名“步步高”的英譯。設計理念如下:形態:產品整體以直線和折線為基本造型線,簡潔端莊,符合現代辦公家具的發展趨勢。色彩:本設計以白色為主色調,輔助以深灰色,營造出潔凈和安靜的氛圍,同時具備品質感。黑白主色中添加綠色低屏,為優雅整潔的辦公環境帶來一抹生機和亮色。功能:為每一位員工配備了一個中等高度的柜子,含兩個抽屜,兩層擱架。下層適宜擺放書籍、個人用品等雜物;上層可擺放盆景,或者與同事交流。主機箱柜的內側面開有條形線槽,以便手機充電線或耳機線的接入;電腦的電源線等從柜子內側面的圓形線槽接入,保證了工作臺面的完整性。材料:本設計桌面材料為價格較低的層壓板,符合低成本設計的要求。桌子支撐架為鋼管,桌腿采用鋼板折彎,不需要額外的配飾和模具,同樣符合低成本設計的要求。
結語
任何一種產品的設計開發,都是建立在對產品的深刻理解之上的。在辦公家具的設計開發過程中,材料本身的局限性限制了產品的造型自由度(如桌面和柜體必須為板材),而材料與結構的多樣化,增加了設計調研和構思的難度。本文僅在辦公家具設計方面作了一些粗淺的嘗試,希望能為相關設計人員提供一定的參考。
第三篇:橋梁概念設計論文分解
武漢理工大學研究生 期末考試試卷
課 程:橋梁概念設計
題 目:國內外船撞橋事故的研究與防護
學 生: 劉贊
學 號:1049721401638
2014年 12 月 22 日
前言
橋是國家公路、鐵路交通命脈的咽喉,中華人民共和國成立以來,特別是改革開放之后的時間中,新建橋梁規模之大、數量之多、速度之快,舉世矚目。但同時貨物的運輸量53%是通過水路,靠船舶運輸,尤其是在外貿中,這個比例達到90%。于是船舶越來越多、船舶噸位越來越大,有些吃水深船體大的海船是無法進入我國大部分內陸河流的,不得不靠吃水較淺、噸位在500~1000t左右的機動駁船來分散駁運。于是內河上的運輸船舶也就越來越多。雖然船舶通過航道進入橋孔下通過時,都沒有航道標志和航標燈等警示裝置,但由于種種原因,還是有船舶撞到了橋梁,并造成了財產和人員的傷害。
根據各種相關資料文獻的介紹,船撞橋事故在世界各地一直不斷的在發生,船撞橋事故的頻率比我們想象的更經常;由船撞橋事故所導致的人員傷亡、財產損失以及環境破壞是驚人的。很多船撞橋事故輕則損失數萬元,重則人員傷亡、損失以數百萬、數千萬甚至數十億美元計,大量的間接損失更是難以計算。況且,人的生命是無價的,牽扯到人員傷亡的事故更是令人痛心。
所以我們應加強對這方面的研究,并爭取找到更好的防范方法減少船撞橋事故的發生。
關鍵詞:船舶;橋梁;船撞橋;事故
國外典型船撞橋事故
世界上損失最大的船撞橋事故之一是美國的陽光大橋被撞事件。1980年,美國福羅里達州橫跨泰姆伯(Tampa)灣的陽光大橋被一艘空載的35000t載重的散裝貨輪M/V Summit/Venture號撞擊而倒塌,事故中35人喪生,船舶價值1300萬美元,陽光大橋的價值是25000萬美元,損失巨大,該橋后又重新修建。
陽光大橋被撞毀情形
1993年,美國亞拉巴馬州莫比爾附近橫跨貝優卡諾特(Bayou Carrot)的CSX鐵路大橋,被一個拓駁船隊嚴重撞擊。當時正值霧天,該船隊誤駛入莫比爾河的側航道,造成撞橋事故,使橋梁結構產生巨大位移,恰好幾分鐘后一列旅客列車從橋上駛過,大橋即刻坍塌,列車出軌,47人喪生,見下圖。
CSX鐵路大橋被撞毀情形
近幾年,船撞橋事故頻繁發生的局面似乎并未有很大的改觀,重大的船撞橋事故仍時有發生。
2001年9月16日,美國南部德克薩斯州最長的跨海大橋“伊莎貝拉皇后大橋”被一艘拖輪撕開一道長達72m的缺口,兩個橋孔坍塌,5輛橋上行駛的車輛墜入大海,4人死亡,橋下的電話線、自來水管以及銀行通訊系統均遭到破壞,通過該大橋與大陸連接的著名旅游勝地帕德利島與外界的聯系中斷了數日。
2002年5月26日,美國俄克拉荷馬州阿肯色河上,一艘拖輪頂著兩艘運油的空駁船撞上一座有20年歷史的公路橋的一個橋墩,造成公路橋坍塌,至少有17輛汽車從20m高空墜入河中,死亡17人。這次事故嚴重阻礙了橫穿俄克拉荷馬的40號洲際高速公路公路的交通,修理并重新開放這座大橋需要六個月時間。我國典型船撞橋事故
在我國,船撞橋事故也是頻繁發生。如武漢長江大橋自從1957年建成以來,大約發生了70起船撞橋事故,其中經濟損失超過百萬的大事故超過10起;南京長江大橋至今已發生30起船撞橋事故。
2000年12月7日,廣東省東江流域一艘“三無”載客船撞上黎咀大橋后翻沉,船上44人全部落水,6人死亡,2人重傷,4人輕傷。
2001年10月20日,浙江紹興一座55m長的小橋被一艘運送黃沙的水泥船撞翻,段為兩截,船長掉落河中死亡。
2007年6月15日凌晨5時10分左右,轟隆一聲巨響,橫跨西江,全長1675.2米的九江大橋塌了200米。正在橋上行駛的4輛汽車與2名施工人員像下餃子一樣墜入河中,共造成8人死亡,這就是當年轟動全國的“九江大橋6·15船撞橋斷事故”
著名學者戴同宇通過調研和實證掌握了一百余份相關文件,包括四十年來發生在十余座我國長江大橋的200余起船撞橋事故,他得出了一些重要的結論:我國長江主線發生船撞橋事故的基本趨勢依舊是呈現增長趨勢的。3 分析產生的原因
從1959年到現在所發生的有記載的船撞橋事故中,記錄總數為213個,其中長江172個,黑龍江12個,珠江12個,沿海及其他區區域17個。
在事故所涉及的35座橋梁中,其中按照撞橋的位置區分,撞橋墩的有148起,占69.5%,撞橋墩防護裝置的有20起,占9.4%,撞上部結構的有12起,占5.6%。
從我國及國外在橋區水域發生的多起橋梁坍塌事故案例知道,船撞橋的主要因素有以下三個方面:
第一個方面是客觀的自然條件因素,特別是遭遇到像臺風、濃霧等惡劣天氣情況,由此會影響航行者視線而誤判方向。第二個方面是主觀的技術問題,船舶制造技術及船員航行技術不完善不熟練引起船撞橋事故。進入航運市場的大批量的低質量船舶,其質量以及壽命無法得到保障,甚至有部分嚴重缺乏高頻電話等基礎設施的中小型船舶投入使用;另外船員數量不足、疲勞駕駛、缺乏航行技術以及較低的素質也是造成事故的原因。
第三個方面是主觀橋梁施工致使船舶通航環境發生改變,另外豆腐渣式橋梁工程、不全面不到位的施工防護措施、監管人員配備急缺以及應急救助方案制定的不及時是發生水上橋梁區交通事故的主觀因素。
有長江干線發生船撞橋事故的統計數據說明了以下一些問題,我認為可以應用于絕大多數船撞橋事故的原因。
(1)長江干線船撞橋事故數量總體呈增長趨勢,應引起各有關方面的重視。
(2)洪水對船撞橋事故有顯著的影響。洪水季節船撞橋事故明顯增多,事故率可達約平均值的3倍左右。
(3)船隊比單船更易發生撞橋事故,事故數量占總數的86%。(4)船撞橋事故更多發生在能見度較差的情況下,與良好能見度情況相比,事故數量比約為8倍。但由于數據不十分充分,尚不能下最后的結論。受黑暗和城市燈光的影響,21:00左右船撞橋事故較多。
(5)在長江干線上發生的船撞橋事故最主要的原因是人員失誤,在155起明確指出事故原因的事故當中,人員失誤為121起,約占78%;第二位原因是惡劣的自然環境,約占16%;第三位原因是機械故障,約占6%。三者之比大約為13:2.8:1。
(6)船撞橋事故與橋下通航寬度密切相關。3/4以上的船撞橋事故發生在通航孔寬度在150m以內的橋梁內。
顯然,無論國內還是國外,船撞橋事故的主要原因——人員失誤都占70%以上,造成的和后果是很嚴重的。4 如何防止此類事故的產生
我們要做的就是設置防撞保護系統;然而對大量被撞垮的橋梁調查得知,幾乎所有的橋梁均未設置防撞保護系統;即使少數有防護系統的橋梁,也因設計防護能力不足而未能抵擋住船舶的撞擊。
從概念上講,當撞擊力大于橋墩的承載能力時,橋梁的抗沖擊能力既不能由橋墩提供,也不能靠撞擊的船舶提供,這是因為:
①橋墩的剛度總是較大的,不可能產生較大的塑性變形來緩解撞擊動能;
②為了橋梁上部結構的安全,不允許橋墩有較大的位移; ③肇事船只的船頭剛度不論多小,變形量也只能船頭鋼板的壓扁長度提供,故不可能產生較大的變形,由此緩解的撞擊動能與總的撞擊動能相比是較小的。
由此可見,橋梁不設防護系統時,船博將直接與墩身接觸。由于二者的剛度均較大,變形量較小,不能緩解撞擊動能,因而將產生極大的撞擊力,造成船毀橋塌事件。
所以,橋梁的抗沖擊能力一般只能由防撞保護系統提供,以緩沖船舶的撞擊力,使橋梁和船舶的損失程度盡可能縮小。美國鐵路工程師協會的“防撞保護系統設計規范”中規定:“設置防撞保護系統的目的,是使其保護的鐵路橋梁及橋墩面遭船舶突然撞擊而可能產生的破壞。設計這類防護系統以改變撞擊力的方向,或吸收撞擊能量,使撞擊動能消散,或限制及降低由船舶轉移到橋墩上的能量,使橋墩不被破壞。”
下面我將根據一些實例介紹一下目前橋梁防撞的措施: 1.緩沖材料方式
1)瀨戶大橋
1981年9月至1983年5月期間作為試驗在瀨戶大橋5#橋墩周圍設置了橡膠制空氣式緩沖材料和鋼制緩沖材料,如下圖所示。空氣式緩沖材料是6個直徑為4.5m,長為12.0m和6個直徑為4.5m、長9.0m的緩沖件。緩沖件之間在其斷面中心處用鏈條連接,各級沖件安裝有不繞軸旋轉的垂重鏈(直徑32mm,4鏈)。
試驗結果為:各緩沖件內氣壓下降0.004~0.017Mpa,其他連接鉤環、系泊用鏈、垂直用鏈均有不同程度的腐蝕。
2)巖黑島橋
巖黑島橋2#橋墩的角部設計裝置了槽型緩沖材料防撞設施,如下圖所示,這種防撞設施能吸收的最大沖撞規模為200t的船,航速為2.8m/s;100t的船,航速為3.4m/s。
2.繩索方式
1)柜石島橋
該橋與巖黑島橋2#橋墩相同,在橋2#橋墩的墩角處裝置了槽型緩沖材料,其他處在航道側的3個邊倒采用了繩索方式防撞設施,如下圖,大致以水面附近為中心上下排列著17根鋼絲繩體(直徑20mm)。
2.緩沖工事方式
1)Richmond——San Rafaei橋
該橋在易撞橋墩周圍設置的緩沖工事為木質桁架構造如圖所示,該工事涉及水面上下范圍+4.5m~1.5m。
1951年8月5日,美國海軍一艘排水量為1450t的艦只由于舵故障而沖撞該緩沖工事;其結果是,受沖撞部分的緩沖工事完全被破壞,橋墩無損傷,沖撞艦只也損傷輕微。
2)瀨戶大橋
該橋5#橋墩西面設置多孔構造鋼制緩沖工事,其他面設置了空氣式緩沖工事,分布在南北兩側橋墩拐角部分和其他部分。它們的斷面形狀如下圖所示。
該緩沖工事于1981年10月12日尚在建設時,為了加固5材橋墩,一艘運土船,碰撞了該墩西南向的鋼制緩沖工事的角部;當時,水流與船的前進方向相反,流速為1m/s。這次事故使該緩沖工事發生了寬約3m,高約3m,凹入約為30cm的變形,運土船未被破壞。3.重力式方式
1)Tasman 橋(澳大利亞)
該橋于1964年建成,橋長1025m,最大跨徑94m;在主航道寬為73m的兩側14#和15#橋墩處設置有重力式防護設施,如下圖所示;它是從樁頂把預應力混凝土構造物通過銷栓連接沉吊而成的,當船舶沖撞它時,它便作水平移動而吸收船舶的沖撞能量。
4.樁方式
1)Trom橋(挪威)Trom橋全長1016m,主跨徑為80m,航道寬為60m,防撞設施于1959年設置為護舷物方式,如下圖所示。
1961年11月,一艘載重量為10000t的貨輪沖撞東側護舷物,使大部分水平板和混凝上樁被撞壞沉入海底,于是在1975年,又設置了環狀護舷物式防撞設施。如下圖所示,它在鋼樁上配置了鋼筋混凝上,鋼筋混凝土包圍著主跨墩的4根樁柱。
1975年7月,一艘游船撞上該環狀護舷物,船側以及4個船艙裂紋,安裝在護膠物上的木材被壓潰,可是,硅和鋼制護舷物本體無損。由此可見,如果沒有設置該防護設施,該橋被沖撞的后果將不堪設想。5.沉箱方式
1)Outer 橋(美國)
該橋橋跨為90m+115m+230m+115m+gom,橋墩尺寸為36.5m*l8m。距橋墩一定距離處設置有防撞沉箱,沉箱是在直徑為13.5m的剛圓筒沉箱中裝滿砂,頂部裝有厚度為1.5m的RC板。該沉箱設計抗撞能力為40000t的船,速度為1.54m/s,該沉箱設置狀況如下圖所示。1963年,一艘排水量為12200t的加拿大船沖撞沉箱后,又與航道面的橋墩相碰,沖撞船的側外板多塊受損。橋墩只有幾塊小的混凝土片被撞下,防撞沉箱部分破壞。
6.人工島方式
Brevik 橋(挪威)
該橋長度為677m,主跨為272m,主跨兩側的側跨為85m。在橋上游峽灣深處有一港口,從那兒出港的船舶沖撞南側橋墩的危險性極高,通行船只最大可達35000t,在南側橋墩處設置了填土區域,如圖所示。雖然在吸收沖撞能組的同時,航行深度也受到了一定限制,但是,至今為止己有多次在接近事故發生時船舶卻在離橋墩20m以上的地方擱淺。
在所有的船撞橋事故的發生因素主要涉及人、船舶、通航環境、管理等四方面。事實上,很多事故是在幾個因素同時交織存在的復雜情況下發生的。因此,欲有效防范船撞橋事故的發生,應從多個側面進行系統分析,從而形成安全監管合力,降低事故的發生幾率。
首先,建立健全橋區水域的通航安全監管制度要有效解決橋區水域的通航安全這一難題,僅僅依靠海事部門加強現場監管遠遠不夠,還需要全社會共同關注,各相關單位、部門積極應對、共同解決。因此,筆者認為迫切需要制定實施橋區水域通航安全監管制度,為解決橋區水域通航安全問題提供必要的法律依據。橋區水域的通航安全監管制度應重點明確橋區水域的范圍,關注對橋梁防撞的設計和建設、橋區助航設施的設置、橋梁建設施工前的通航安全論證、橋梁施工作業期間的安全保障措施,以及橋梁投入使用后橋梁所有人、經營人對橋區通航安全的保障責任,船舶通過橋區水域時的安全航行要求,橋區水域河道采沙作業的限制等內容。
其次,加強公司的安全管理為從源頭上遏制船撞橋事故的發生,應進一步加強轄區航運公司的安全管理,促進企業落實安全生產主體責任,督促航運企業加大安全投入。一是要加強轄區公司SMS運行的日常監管工作力度,使其體系運行有效。二是對于非強制建立體系公司,按照《中華人民共和國航運公司安全與防污染管理規定》切實加強對公司的安全監督管理工作。三是要重點加強對中小型航運公司,尤其是委托經營公司的安全管理,督促企業切實落實安全生產主體責任。四是要加強公司安全文化建設,切實做好船員的安全培訓工作,不斷提高船員的應急反應能力。
參考文獻
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第四篇:多晶硅太陽能電池制備工藝(論文)
XINYU UNIVERSITY
畢業設計(論文)
(2013屆)
題
目 多晶硅太陽能電池制備工藝
二級學院 新能源科學與工程學院
專 業 光伏材料加工及其應用
班 級 10級光伏材料
(一)班
學 號 1003020138 學生姓名 紀 濤 指導教師 胡 耐 根
多晶硅太陽能電池制備工藝
目錄
摘要?????????????????????????????1 Abstract???????????????????????????2 第 1 章 緒論?????????????????????????3 第 2 章 多晶硅太陽電池制備工藝????????????????5 2.1 一次清洗工序???????????????????????5 2.1.1 一次清洗工序的原理??????????????????5 2.1.2 一次清洗工序的工藝參數????????????????5 2.2 擴散工序?????????????????????????6 2.2.1 擴散原理???????????????????????6 2.2.2 擴散工藝???????????????????????7 2.3 濕法刻蝕的工序及其原理??????????????????8 2.4 等離子體增強化學氣相沉積工序???????????????10 2.4.1 等離子體增強化學氣相沉積氮化硅薄膜的原理???????10 2.5 絲網印刷工序及其工作原理?????????????????11 2.6 測試分選工序及太陽能測試儀的原理 ???????????? 13 2.7 小結???????????????????????????15 第 3 章 多晶硅太陽能電池行業展望???????????????16 參考文獻(References)?????????????????????17 致謝?????????????????????????????18
多晶硅太陽能電池制備工藝
多晶硅太陽能電池制備工藝
摘 要
長期以來隨著能源危機的日益突出,傳統能源已不能滿足能源結構的需求,然而光伏發電技術被認為是解決能源衰竭和環境危機的主要途徑。而多晶硅太陽能電池份額占據光伏市場的絕大部分,并呈現逐年上升趨勢,有極大的發展潛力。
本文在闡明了國內外光伏市場以及光伏技術發展趨勢的基礎上,對多晶硅太陽能電池的結構及其特性簡述,同時對其制備工藝:一次清洗→擴散→濕法刻蝕去背結→PECVD(等離子體增強化學氣相沉積)→絲網印刷→ 燒結→測試分選做簡要介紹。
關鍵詞:多晶硅太陽能電池;光伏技術;光伏工藝;
多晶硅太陽能電池制備工藝
Preparation technology of polycrystalline silicon solar cell
Abstract
For a long time as the energy crisis increasingly prominent, the traditional energy cannot satisfy the needs of the energy structure, however, photovoltaic power generation technology is regarded as the main way to solve the crisis of energy exhaustion and environment and polycrystalline silicon solar cell occupies most parts of photovoltaic market share, and presents the rising trend year by year, has great development potential。
This paper illustrates the domestic PV market trends and the development of photovoltaic technology firstly, and makes a brief introduction on the preparation process of polycrystalline silicon solar cell secondly: cleaning →diffusion →wet etching →PECVD →screen printing →sintering →testing and sorting.Keywords: polycrystalline silicon solar cell;photovoltaic technology;photovoltaic process;
多晶硅太陽能電池制備工藝
第 1 章
緒論
隨著經濟全球化貿易國際化的發展,傳統能源煤、石油、天然氣等已不再是世界能源市場占有率擴張最快的,相反,新型可再生能源核能發電、水力發電、風能發電、生物質能發電,而光伏行業經歷了從航天到地面應用的巨大變化,太陽能發電正飛速增加其市場份額,以求緩解能源危機和環境問題。
鑒于各種新型能源發電的弊端,相比較之下人們普遍認為太陽能發電具備廣闊的發展前景。太陽能作為一種新型、潔凈、可再生能源,它與常規能源以及其它新型能源相比有以下幾個優點[1]:第一:儲能豐富,取之不盡用之不竭。第二:不存在地域性限制,方便且不存在輸電線路的遠程運輸問題。第三,潔浄,不會影響生態平衡和人類的身體健康,太陽能發電的種種優勢,得到人類社會的一致認可。尤其是在遭受能源衰竭和環境危機的今天,人們更是把它當做緩解能源短缺和環境污染問題的有效途徑。世界各地政府紛紛采取一系列相關政策,加大對光伏產業的財政補貼,促使光伏技術快速進步,生產規模不斷壯大,早日實現光伏發電的大規模普及。
多晶硅太陽電池是一種將光能轉化為電能的光電轉換裝置,在P 型硅襯底表面,利用POCl3 液態源擴散工藝制得厚度約為0.5um 的N型重摻雜層,P 型層與N 型層接觸,形成pn 結,產生光伏效應[2]。同時,正Ag 電極可與N 型重摻雜層形成良好的歐姆接觸,用于收集光生電流。位于最上層的氮化硅薄膜起到鈍化和減反射的作用。背Al 與P型硅片接觸,在燒結的過程中,形成良好的Al 背場,降低背表面復合電流,增加開路電壓。
多晶硅太陽電池主要是依靠半導體pn結的光生伏特效應來實現光電轉換的[3]。當光線照射到太陽能電池的正表面時,大部分光子被硅材料吸收。其中,能量E=hv>Eg 的光子就會將能量傳遞給硅原子,使處于價帶的電子激發到導帶,產生新的電子-空穴對。新的電子-空穴又會在內建電場的作用下被分離,電子由p區流向n區,空穴由n區流向p區,電子和空穴在pn 結兩側集聚形成了電勢差,當外部接通電路后,在該電勢差的作用下,將會
多晶硅太陽能電池制備工藝
有電流流過外部電路,從而產生一定的輸出功率。其結構和光電轉換原理圖如下1-1和1-2。
圖1-1多晶硅太陽電池結構
圖1-2多晶硅光電轉換原理 4
多晶硅太陽能電池制備工藝
第 2 章 多晶硅太陽能電池制備工藝
由晶體硅太陽能電池的結構和原理可知,多晶硅太陽能電池的常規制備流程[4]如下:一次清洗(制絨)→ 擴散(形成pn 結)→ 二次清洗(濕法刻蝕去背結)→ PECVD(鍍氮化硅)→ 絲網印刷(形成電極和背場)→ 燒結(形成歐姆接觸)→ 測試(獲得電性能)。接下來,將逐一介紹制備多晶硅太陽能電池各工序的工藝及原理。
2.1 一次清洗工序
2.1.1 一次清洗工序的原理
多晶硅太陽能電池制備流程中的一次清洗工序,主要目的是去除硅片表面的臟污和機械損傷層,在硅片表面形成絨面結構(俗稱制絨),增強太陽能電池的陷光作用。我們知道,單晶硅太陽能電池制絨主要是依靠堿的各向異性腐蝕特性,在(100)晶面上形成連續、均勻、細膩的正金字塔結構,從而起到良好的減反射作用。而多晶硅各個晶粒的晶向不一樣,若同樣采用堿腐蝕,則得不到很好的金字塔絨面化結構。為了得到良好的多晶硅絨面化結構,人們嘗試了許多方法,比如反應離子刻蝕法、機械刻槽法和化學腐蝕法等。綜合成本以及制備工藝的難易程度考慮,化學腐蝕法在工業化大規模生產中得到了廣泛的應用。接下來就對化學腐蝕法制備多晶硅太陽能電池絨面的原理做一下簡單介紹。
與單晶硅太陽能電池堿制絨工藝不同的是,多晶硅太陽能電池采取酸制絨工藝。酸制絨體系主要由HNO3 和HF 組成,具體的反應方程式[5]如下: 3Si+4HNO3——3SiO2+2H2O+4NO(2.1)SiO2+6HF——H2(SiF6)+2H2O(2.2)其中,HNO3 作為強氧化劑,將Si 氧化成致密不溶于水的SiO2 附著在硅片表面上,阻止HNO3 與Si 的進一步反應。但SiO2 可以與溶液中的HF 發生反應,生成可溶于水的絡合物H2(SiF6),導致SiO2 層被破壞,此時,HNO3 與Si 再次發生化學反應,硅片表面不斷的被腐蝕,最終形成連續致密的“蟲孔狀”結構。
多晶硅太陽能電池制備工藝
此方法不需要采用特定的反應裝置、工藝簡單、制造成本低,而且制備出的多晶硅絨面反射率低,可以與雙層減反射膜相比。但此方法為純化學反應,反應的穩定性不易控制,而且影響制絨效果的因素眾多,比如滾輪速度、反應溫度、硅片摻雜水平以及原始硅片的表面狀況等。2.1.2 一次清洗工序的工藝參數
本工序采用由腐蝕槽、堿洗槽、酸洗槽構成的自動制絨設備。在向各槽內配置化學溶液前,需對槽體進行預處理。首先用水槍將滾輪、槽蓋、槽體沖洗干凈,然后注入一定量的去離子水,讓設備自動循環10min 后,排掉污水。再按照上述操作重復一遍,待廢水排干凈后即可制備化學溶液。
各槽內化學溶液的初始配方[6]為:腐蝕槽:濃度為50%的氫氟酸溶液45L,濃度為68%的硝酸溶液28L;堿洗槽:濃度為45%的氫氧化鈉溶液5.2L;酸洗槽:濃度為50%的氫氟酸溶液28L,濃度為36%的鹽酸溶液58L。由于各槽是依靠化學反應來對硅片進行腐蝕的,反應的過程中必須伴有新的生成物產生和初始化學品的消耗,這就要求我們按時補液以及換液。
伴隨著化學反應的不斷進行,我們需要每小時向各槽填充的溶液量為:腐蝕槽:濃度為50%的氫氟酸溶液12.6L,濃度為68%的硝酸溶液11.4L;堿洗槽:濃度為45%的氫氧化鈉溶液1.6L;酸洗槽:濃度為50%的氫氟酸溶液0.8L,濃度為36%的鹽酸溶液2.4L。另外,腐蝕槽每生產156×156(cm2)規格的硅片15萬片后,需重新制配腐蝕液;設備連續一小時以上不生產時需把腐蝕液打回儲備槽;堿槽溶液和酸槽溶液在配置250h 后必須重新配液。否則都將影響最終制得的多晶硅太陽能電池片的電性能。
2.2 擴散工序
2.2.1 擴散原理
擴散實際上就是物質分子從高濃度區域向低濃度區域轉移,直到均勻分布的現象。太陽能電池制備流程中的擴散工序,就是在P 型襯底上擴散一層N 型雜質,進而形成太陽能電池的心臟--pn 結。多晶硅太陽能電池的擴散方式有很多種,比如三氯氧磷(POCl3)液態源擴散、噴涂磷酸水溶液后鏈式擴散、絲網印刷磷漿料后鏈式擴散等。本文著重采用三氯氧磷(POCl3)液態源擴散工藝來制取pn結,下面是三氯氧磷(POCl3)液態源擴散的原理
多晶硅太陽能電池制備工藝
[7]:氮氣攜帶的POCl3 在某種特定的條件下,可分解成五氧化二磷(P2O5)和五氯化磷(PCl5),具體反應方程式如下:
5POCl3→3 PCl5+ P2O5(T>600℃)(2.3)
生成的P2O5 在800-900℃的高溫下與Si 反應,生成磷原子和SiO2,具體反應方程式如下:
2P2O5+5Si→5SiO2+4P↓(2.4)
由以上化學反應方程式可得,POCl3 在沒有O2 的條件下,熱分解生成PCl5,而PCl5 極不易分解,且對硅表面有很強的腐蝕作用,嚴重損害了硅片的表面狀態以及pn 結的質量。當有外來足夠的O2 存在時,PCl5 就會進一步分解,生成P2O5和Cl2,具體反應方程式如下: 4PCl5 + 5O2→2P2O5+10Cl2↑(2.5)
生成的P2O5 可再一次與硅發生化學反應,生成磷原子和SiO2。由此可見,在POCl3擴散的過程中,必須通入一定流量的O2 來避免PCl5 對硅片表面的損傷。在過量O2 存在的條件下,POCl3 液態源擴散的總化學反應方程式為: 4POCl3 +5O2→2P2O5 +6Cl2↑(2.6)由總反應方程式可得,POCl3 熱分解生成的P2O5 附著在硅襯底表面,在擴散高溫條件下又與Si反應生成磷原子和SiO2,即在硅襯底上覆蓋一層較薄的磷-硅玻璃層,接著磷原子向硅體內徐徐擴散。為了提高擴散的均勻度,避免硅片表面死層的形成,通常在POCl3 擴散之前使硅表面熱氧化,生成一層極薄的氧化層,來控制反應速度。2.2.2 擴散工藝
擴散工序采用的設備是捷佳偉創擴散爐DS300A,它是在48 所和centrotherm擴散爐的基礎上改進得來的,主要優勢有以下兩點: 1)噴淋擴散。傳統48 所擴散設備是在爐尾通源,爐口排廢,而捷佳偉創設備是在石英管內的上部安裝一個噴淋管,直接將源噴在硅片上。相對于48 所設備,此種擴散工藝調節更加簡單,重復性好,無需考慮溫度補償濃度梯度問題。同時,每個硅片所接觸的磷源會更加均勻,進而提高方塊電阻均勻性。
2)軟著陸系統。石英舟承載在石英舟托上,由舟漿將石英舟托送入爐
多晶硅太陽能電池制備工藝
管內,然后舟漿退出,屬于閉管擴散。相對于48 所設備,這樣可以避免舟漿引入污染,同時由于對排廢的特殊處理,不需要頻繁清洗舟漿和石英爐管。
擴散過程可以簡單概括為:預擴→主擴→推擴。優化的磷擴散工藝具備如下特點:
1)同時進行磷源的再分布和硅片表面的三次氧化。此時磷源總量一定,預沉積雜質源緩慢的向硅片體內擴散,便于形成平坦的pn 結,提高了擴散的方塊電阻均勻性。
2)高溫擴散過程中不再伴有硅片與高濃度的磷直接接觸。減少了硅片表面以及勢壘區的缺陷和復合中心,提高了多晶硅太陽能電池的開路電壓和短路電流。
3)兩步擴散法制備 pn 結,制備條件相對寬松,工藝參數調節余地大。預沉積雜質總量基本不受溫度波動的影響,限定源表面擴散也不受擴散氣氛以及環境的影響,這就大大增強了擴散的均勻性以及重復性。
采用改進的磷擴散工藝,對最終制得晶體硅太陽能電池片的電性能有了很大改善,尤其是在開路電壓Voc 和短路電流Isc 方面。詳見下圖2.3 和
圖2.3 一步擴散與兩步擴散Voc 對比圖 圖2.4 一步擴散與兩步擴散Isc 對比圖
2.3 濕法刻蝕工序及其原理
對于多晶硅太陽能電池來說,并聯電阻(Rsh)[8]是一個很重要的參數,Rsh 過小將會導致漏電流增大,影響電池最終的短路電流、填充因子以及轉換效率。Rsh分為體內并聯電阻和邊緣并聯電阻兩類,對于一個太陽能電池片來說,一般20%的泄露電流通過體內并聯電阻,而80%的泄露電流通過邊緣并聯電阻。工業上實現量產的多晶硅電池擴散方式均為單面背靠背擴散,多晶硅太陽能電池制備工藝
不可避免地使電池的四周也擴散了一層n 型層,它將電池的正電極與背電極跨接在一起,形成很大的漏電流,因此未達到分離pn 結的作用。本文主要采用正面無保護的濕法刻蝕方法將電池背面的pn 結去除,以達到分離pn 結的效果。其原理如下: 第一步:硅片表面氧化過程
氧化過程的激活,硅表面被硝酸氧化,生成一氧化氮或二氧化氮,見式(3.7,3.8):
Si+4HNO3=SiO2+4NO2+2H2O(3.7)Si+2HNO3=SiO2+2NO+2H2O(3.8)
氧化過程的延伸,生成物一氧化氮、二氧化氮進一步與水反應,得到的二級產物亞硝酸迅速將硅氧化成二氧化硅,見式(3.9,3.10,3.11): 2NO2+H2O=HNO2+HNO3(3.9)Si+4HNO2=SiO2+4NO+2H2O(3.10)4HNO3+NO+H2O=6HNO2(3.11)
由上式可知,硅片表面氧化所發生的一系列化學反應是一個循環過程,氮氧化合物是硝酸最終的還原產物,二氧化硅是與腐蝕溶液接觸的硅片背表面的氧化產物。第二步:二氧化硅溶解過程
氧化產物二氧化硅,將快速與混合液中的氫氟酸反應,生成六氟硅酸,見式(3.12,3.13):
SiO2+4HF=SiF4+2H2O(3.12)SiF4+2HF=H2SiF6(3.13)總反應式為:
SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O(3.14)
可見,最終腐蝕掉的硅將以六氟硅酸的形式溶入溶液中。實際上,濕法刻蝕的工藝原理與一次清洗的工藝原理相同,只不過是通過控制混合液內HF 和HNO3的濃度比來形成制絨腐蝕或拋光腐蝕。
采用濕法刻蝕去背結工藝將擴散后電池片的正面與背面pn 結分開,與其它方法相比具有以下優點:
多晶硅太陽能電池制備工藝
1)等離子體刻蝕法將硅片邊緣發射極刻掉,需要用到 CF4 毒性氣體,且刻蝕過程中設備周圍存在微波輻射,給人體健康帶來的危害極大。另外,此種工藝成本較高,電池片間互相擠壓的過程容易導致碎片,降低電池片的成品率。
2)激光或金剛石刀將邊緣發射極直接切掉,將會減少電池的有效面積,降低電池片的功率。
3)用正面無保護的濕法刻蝕方法來代替上述兩種方法分離pn 結,不僅避免了CF4 毒性氣體的使用和太陽能電池片的碎裂,而且使硅片背表面拋光,有效地提高了太陽能電池的電性能。
2.4 等離子體增強化學氣相沉積工序
2.4.1 等離子體增強化學氣相沉積氮化硅薄膜的原理
等離子體增強化學氣相沉積技術[9](PECVD)的工作原理為:在真空壓力下,加在電極板上的射頻(低頻、微波等)電場,使反應室內氣體發生輝光放電,在輝光發電區域產生大量的電子。電子由于受到外加電場的加速作用,其自身能量驟增,它可通過碰撞將自身能量傳遞給反應氣體分子,從而使反應氣體分子具有較高的活性。這些活性分子覆蓋在硅基底上,彼此間發生化學反應,制得所需的介質薄膜,產生的副產物被真空泵抽走。我們可以運用PECVD 技術制作各種器件的鈍化膜、減反射膜,還可用其制作擴散工藝的阻擋層。本文采用PECVD技術,在硅片表面沉積一層氮化硅薄膜,具體原理在350℃,等離子射頻:SiH4 + 4NH3 —— Si3N4 + 12H2(2.15)此法制備的氮化硅薄膜具有減反射和鈍化的作用,其減反射原理圖[12]如下:
圖2.8 氮化硅薄膜減反射原理圖
我們知道,減反射的原理就是讓如圖2.8 所示的兩束反射光R1、R2 產
多晶硅太陽能電池制備工藝
生相消干涉,即它們的光程差為半波長??梢酝ㄟ^調整制備工藝來獲得合適厚度和折射率的Si3N4 薄膜,使其滿足減反射條件。氮化硅薄膜在起到減反射作用的同時,還可以對硅片表面和體內進行鈍化。由于多晶硅表面存在很多的表面態、晶界[10]、缺陷以及位錯等,在薄膜沉積過程中,大量的H 原子(離子)進入薄膜,飽和了硅片表面大量的懸掛鍵,起到降低表面復合中心的作用,從而提高太陽能電池的短波響應與開路電壓。氮化硅薄膜的體鈍化作用對于多晶硅太陽能電池來說特別明顯,因多晶硅體內存在大量的缺陷、位錯以及懸掛鍵,氮化硅薄膜中的氫原子可以在燒結時的高溫條件下擴散到硅體內,進而飽和絕大部分缺陷以及懸掛鍵,有效降低了少數載流子復合中心濃度,增加少子收集能力,提高短路電流。
氮化硅薄膜是一種物理和化學性能都十分優良的介質膜[11]。它不僅具備減反射和鈍化的作用,同時在光電領域也有一席用武之地。例如:氮化硅薄膜極硬而且耐磨,非晶態硬度高達HV5000;結構非常致密,氣體和水汽極難穿過;疏水性強,可大大提高器件的防潮性能;較好的化學穩定性,在600℃時不會與鋁發生反應,而二氧化硅在500℃時與鋁反應已比較顯著。對可動離子(如Na+)有非常強的阻擋能力;可靠的耐熱性和抗腐蝕性,在1200℃時不發生氧化;在一定濃度的硫酸、鹽酸中有較好的抗腐蝕性,只能用氫氟酸腐蝕等。
2.5 絲網印刷工藝及其原理
絲網印刷工序,就是在鍍膜后硅片的正反兩面印刷電極、背電場,經過燒結后使其能夠很好的收集光生電流并順利導出,實現電能與光能之間的高效轉化。絲網印刷和高溫快燒是構成金屬化工序的主要組成部分。
圖2.11 絲網印刷工藝的原理圖
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絲網印刷的原理,就是將帶有圖案的模板附著在絲網上,利用圖案部分網孔透過漿料,而非圖案部分不透漿料的特征來進行印刷。絲網印刷工藝由5部分構成,即絲印網版、印刷刮刀、電子漿料、印刷臺面和承印物,如上圖2.11所示。印刷時,在網版一端倒入漿料,并用刮刀對網版中的漿料邊施加壓力邊朝另一端推動。漿料在移動的過程中透過網孔被刮刀擠壓到承印物上。由于印刷過程中,刮刀、絲網印版、承印物三者始終呈線接觸,且漿料具有一定得粘性,這樣就確保了印刷質量和印刷精度。
絲網印刷工序可細分為漿料的印刷和漿料的烘干處理兩部分。電極漿料主要使用的是電子漿料,它由四部分組成:由貴金屬及其混合物構成的金屬粉末,在整個成分中充當導電相,決定了電極的電性能;無機粘合劑和有機粘合劑,決定了燒結前后電極與半導體的接觸情況,合適的配比,可以有效加強電極和硅片之間的抗拉伸能力;其它添加劑,主要是起到潤滑,增稠,流平和增加觸變的作用。
絲網印刷工藝的制備目標因漿料種類、電極位置以及電極作用不同而不同。對于起收集光生載流子并對外導出電流作用的正Ag 電極來說,我們希望印刷后制得的正電極具備較低的遮光面積、金屬柵線電阻以及金屬半導體歐姆接觸電阻;對于起匯集背面電流并對外導出電流作用的背Ag/Al 電極來說,我們希望其能與涂錫焊帶、硅片背表面以及鋁背場[12]形成良好的接觸,使串聯電阻Rs 降低;對于起收集背部載流子并對背面進行鈍化作用的Al 背電場來說,我們希望其能在硅片背表面引入均勻的p+層,盡可能的降低背面光生載流子復合幾率,同時還需控制背場印刷所引起的翹曲度彎曲。每一道印刷工序后的烘干,實際上是為了使硅片表面電子漿料中的有機溶劑揮發,形成可與硅片緊密粘結的固體狀金屬膜層。
烘干后的燒結工藝,實際上是為了使硅片和電極間形成良好的歐姆接觸。首先,將半導體多晶硅和金屬電極加熱到共晶溫度,此時半導體內的硅原子將按某種比例快速向熔融的合金電極中擴散。合金電極中的多晶硅原子數目由電極材料的體積和合金溫度決定,電極材料的體積越大,燒結溫度越高,則合金電極中的硅原子數目越多。如果此時溫度驟降,將會在合金電極附近出現再結晶層,即固態硅原子從金屬和硅界面處的合金中析
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出,生長出外延層。如果外延層中含有足夠的雜質成分,則獲得了良好合金結,同時也形成了良好的金屬半導體歐姆接觸[12]。
燒結采用紅外加熱的方式進行高溫快燒,主要是為了讓硅片表面的正電極穿透氮化硅薄膜,與硅片之間形成良好的歐姆接觸,降低串聯電阻,提高填充因子;促進鍍膜工序引入的氫原子向硅體內擴散,增強其對硅的體鈍化作用;形成均勻良好的鋁背場,提高開路電壓。
2.6 測試分選工序及其太陽能測試儀的原理
太陽能測試儀最初主要用來測量太陽能電池片的電性能參數,但隨著測試技術的發展,目前集成的太陽能電池測試系統還可以進行EL測試(太陽能電池組件缺陷檢測)、外觀測試。太陽能電池測試系統要求:能夠根據測試時間控制太陽光模擬器的開關,通過采樣電路、溫度傳感器和數據采集卡(DAQ)讀取太陽能電池的即時電流、電壓和相應的溫度及光譜測量值等參量,經過計算機的數值運算處理,得到逼近標準測試條件下的I值和V 值,從而繪出逼近標準測試條件下的I/V 特性曲線[13]。下圖3.12為太陽能電池測試儀的結構圖,其中采用高壓短弧氙燈來模擬自然光。
圖3.12 太陽能電池硬件測試系統框圖
地面用太陽能電池的國際標準測試條件為:輻照度:1000W/m;電池
2溫度:25℃;光譜分布:AM1.5[14]。通常,我們采用太陽能模擬器來模擬上述測試條件,進行多晶硅太陽能電池片的I-V 曲線測試。模擬光與自然光相比,具有以下優點:模擬光可選擇性好,比如連續發光或閃光;模擬光的輻照度相對穩定,且在一定范圍內可調;模擬光使用范圍廣,不受時間、氣候等因素限制;模擬光便于與生產線集成光伏測量系統;另外,與自然光相比,模擬光光譜分布的穩定性較好,測試可重復性高;實際的自然光
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光譜與國際標準測試條件要求的有差異,且不穩定。種種原因表明,模擬光更適用于光伏測試系統的集成。
因太陽能光伏組件最終是在露天的環境下使用,所以太陽能測試儀的電性能測試結果應盡可能的與戶外使用結果相擬合。常見的太陽能測試儀運用氙燈來模擬自然光,如下圖2.13 所示為氙燈與AM1.5 光譜對比圖[15]。
圖2.13 氙燈與AM1.5 光譜對比圖
由上圖可得,AM1.5 光譜在可見光區與氙燈光譜十分相似,而多晶硅太陽能電池片的主要光吸收區即是可見光區,因此,氙燈被廣泛的用來模擬太陽光。
太陽能電池各電性能參數的測試原理[16]:短路電流(Isc):國際標準測試條件下,電池外電路短路時的輸出電流;開路電壓(Voc):國際標準測試條件下,電池外電路斷開時的端電壓;最大功率(Pmax):電池輸出特性曲線上,I·V 乘積最大時所對應的功率;串聯電阻(Rs):指與P-N 結串聯的電池內部電阻,主要由硅體電阻、歐姆接觸電阻、發射區電阻等組成;并聯電阻(Rsh):指跨連在電池兩電極間的等效電阻;填充因子(FF):Pmax 與(Voc·Isc)之比;轉換效率(η):Pmax 與電池所受總輻射功率的百分比。2.7 小結
本章要主要論述了多晶硅太陽能電池制備流程(一次清洗→ 擴散→ 濕法刻蝕去背結→ PECVD →絲網印刷→ 燒結→測試分選),以及制備原理和過程。
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第三章 多晶硅太陽電池行業展望
太陽能光伏上下游產業鏈,包括上游的硅材料、光伏電池制造與封裝工藝、支撐行業和光伏發電應用等領域。
目前重慶首例居民分布式光伏發電項目成功并網
[17],如下圖,這充分說明光伏產業在逐步深入市場,并將有更廣闊的民用市場。
圖-居民光伏發電項并網
縱觀整個光伏市場走勢,雖然目前太陽能行業處于市場低迷期,但隨著工藝的改進和制造成本的降低以及國內市場的逐步打開,同時企業也要節能減材,不斷進行低迷期技術潛能性研究,會使太陽能行業最終走向市場供不應求或供需平衡的態勢。
由于多晶硅太陽能電池是目前相比與單晶硅和多晶硅的轉換效率高且能批量生產的一種太陽能能電池,多晶硅電池的制作工藝不斷向前發展,保證了電池的效率不斷提高,成本下降,隨著對材料、器件物理、光學特性認識的加深,導致電池的結構更趨合理,實驗室水平和工業化大生產的距離不斷縮小,各工藝如絲網印刷和埋柵工藝為高效、低成本電池發揮了主要作用,高效Mc—Si電池組件已大量進入市場,隨著工藝的不斷優化,生產成本的不斷降低,多晶硅將對于光伏建筑、光伏發電、光伏水泵等有廣闊的前景。
光伏發電技術若想快速大規模普及,必須實現高效、低成本。高效是降低成本的另一種方式。目前推出的可實現量產的新型高效多晶硅太陽能電池,均是在常規制備工藝的基礎上改進得來,也就是說,前者若想發揮高效的潛能,前提是常規多晶硅太陽能電池制備工藝成熟且達到最優化。我國目前光伏技術仍處于低級階段,制備工藝仍不完善,還有很大的優化以及改進空間。
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參考文獻
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[17]重慶電力公司,中新能源頻道,科技日報2013年05月10日
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致 謝
本論文是在導師胡耐根老師的悉心指導和關懷下完成的。感謝胡老師對我的辛勤指導和培育。從論文的立題到論文的撰寫整個過程無不浸透著老師的心血。他廣博的學識,嚴肅的科學態度,嚴謹的治學精神,靈活的思維方式,耐心細致的言傳身教深深感染激勵著我,將使我終身受益。導師不但在學習上給予我耐心細致的指導,在生活中也給了我關懷,這份師恩我將終身難忘。
同時感謝同組同學在完成論文中給予的幫助。我們在完成論文的過程中與同學互相討論、互相協作下建立深厚的感情,同時我也學到了每個同學的為人處事的精神。另外,我要感謝在這幾年來對我有所教導的老師,他們孜孜不倦的教誨不但讓我學到了很多知識,而且讓我掌握了學習的方法,更教會了我做人處事的道理,在此深表感謝。我還要向我的同學們表示感謝,感謝10級光伏材料(1)班所有同學以及丁輔導員對我生活和學業上的關心和幫助,我為自己能夠在這樣一個溫暖和諧的班級體中學習工作,深感溫暖、愉快和幸運。
最后向多年默默支持我和關心我,不斷給我信心、支持我上進,使我順利完成大學學業的家人,特別是我的父母,獻上我最真摯的謝意和最美好的祝福。
第五篇:互聯網時代智能化辦公家具設計論文
摘要:
通過互聯網發展的影響對辦公家具的影響,指出了智能化家具出現的必然性。根據互聯網時代下智能辦公家具的構成以及智能化辦公家具的實例,提出了智能化辦公家具的設計理念,總結出了在互聯網時代下,智能化辦公家具必將走向大眾化。
關鍵詞:智能化家具;互聯網;辦公家具;設計
一、引言
互聯網作為第三次科技革命的核心,對人們的工作生活產生了巨大的影響。隨著互聯網技術的不斷發展,人們對與其辦公生活密不可分的辦公家具產生了新的需求,與此同時,新型辦公方式的出現,也就對辦公家具產品提出了更高的要求。本文通過對互聯網發展對智能化辦公家具的影響,提出智能化辦公家具的發展趨勢,從而為日后的辦公家具設計研究提供一定的參考。
二、互聯網時代的到來
互聯網又稱網際網絡,或因特網(Internet),始于1969年的美國,是網絡與網絡之間相互聯結而組成的龐大網絡體系[1]?;ヂ摼W通過不斷的發展已成為工作和生活中不可或缺的一部分。20世紀60年代,互聯網還處于起步階段,應用范圍也僅限于相應的科研機構和軍事機構,而與之相連接的也僅限于幾個主機在小范圍內實行。此后,在1978年,TimBerners等提出了一種分類互聯網信息的協議,后稱為www.tmdps.cnputing),即人們可以在任意時間和地點通過向適應的終端與網絡來獲取信息以及服務,這便是移動互聯網絡研究的開端[3]。人們可以通過移動終端(智能手機、PDA、平板電腦等)連接移動通信網絡(2G、3G、WLAN等)來進入互聯網獲取信息。在21初,以iphone為代表的移動終端的出現為標志,人們正式邁入了移動互聯網時代。如今,互聯網已經滲透到人們生活的方方面面,與此同時,也影響到了人們日常辦公。在互聯網時代,辦公人員經常通過互聯網終端來處理相關事務,從而工作方式與習慣也隨之發生了改變。現在,辦公形態更加的細化,以團隊為單位的辦公方式普遍存在,在各種新形勢的要求下,辦公人員也更希望能使自己的辦公生活變得更為輕松,而智能化辦公家具的出現滿足了辦公人員在這一方面的需求。
三、智能化辦公家具的設計
智能(intelligenceandability),在《新華字典》里面的釋義為智慧和能力。而智能化,則是指由現代通信與信息技術、計算機網絡技術、行業技術、智能控制技術匯集而成的針對某一個方面的應用[4],如:智能化系統、住宅智能化系統、醫院智能化系統等。
1、智能化辦公家具
智能化辦公家具,則是指利用微電子、通訊技術、通訊與網絡、自動控制、IC卡技術、計算機技術等,通過適宜的結構和接口,可模擬人的智能活動過程以及自動實現特定功能并與各子系統有機地結合在一起的辦公家具產品[5]。
2、智能化辦公家具的組成與控制技術
1)智能化辦公家具的組成智能化辦公家具的系統結構大概包括五個部分:控制系統、執行系統、傳動系統、傳感器、工作裝置(家具本體)[6]??刂葡到y的核心部分是控制器,它由存存器、微處理器以及相關的驅動電路等組成;而執行系統則是根據控制系統所發出的相關指令來進行工作;傳動裝置則可以用來調節相應的高度和角度,以方便使用;傳感器便是辦公家具的感覺器官,以上四部分與家具本體的結合則形成了智能化辦公家具的系統。
2)智能化辦公家具的控制技術智能化辦公家具的技術基礎包括了傳感技術、微電子技術、信息處理技術、伺服驅動技術、家具設計與制造技術以及智能控制技術和計算機技術等[7]。在此,主要介紹以下三種技術。傳感技術主要是指傳感器與自動檢測技術。傳感器通常由敏感元件及測量線路組成,是獲取信息的裝置[8]。傳感器在智能化家具系統中相當于人類的感覺器官,通過對外界環境的感知,將信息準確無誤的傳達給控制裝置,使控制裝置能精確的發出指令,實現系統的控制。微電子技術的發展離不開集成電路技術與半導體技術的發展,經過微電腦與微處理機以及通訊技術的結合,從而推動了信息革命的產生。把辦公家具與微電子技術相結合,能形成讓辦公者事半功倍的智能化辦公家具產品。伺服驅動技術的發展經歷了從液壓到電氣的過程,同時,他的發展離不開磁性材料技術、通信技術與半導體技術的發展[9]。智能化辦公家具的執行裝置離不開伺服驅動技術,此技術應用的在一定程度上影響了智能化辦公家具系統的性能。
3、智能化辦公家具的設計理念
互聯網的發展與智能化辦公家具市場的擴大,對智能辦化公家具的設計也提出了新要求,從而形成了以下幾個設計理念。
1)人性化設計辦公者都希望在一個舒適的環境中辦公,而這就需要設計師在設計時能夠滿足人的各種需求,不僅要考慮到作為單個個體的人,還要考慮到人與自然、社會等的關系以及與此產生的問題。而人性化的核心就是充分注重使用者生理和心理以及人格的需要,使人的生活更加方便、舒適[10]。互聯網時代下的人性化設計也在不斷的創新,現在計算機的重要性正在被我們的智能手機以及平板電腦所取代,這便形成了多種不同的新坐姿,基于此,Steelcase公司推出了一款名為Gesture的智能化辦公椅,它不僅滿足了人們在使用電腦時的需求,而且通過對2000多個不同辦公人員的分析,提煉出來9種不同的在使用移動設備時的坐姿,椅身可以根據不同的坐姿來進行調整,從而達到支撐人體各個部位的目的[11]。
2)技術的融合設計師們運用各種技術的手段來設計產品,達到為我所用,物盡其用的效果。在設計智能化辦公家具時,設計師們也會了解其他學科領域的新技術,像微電子技術、自動控制技術、通訊與網絡技術等,來讓辦公人員以更高的效率、更舒適的體驗來獲得信息。在2014年,美國的Stir公司就通過多種技術的融合推出了一款名為StirKineticDesk的智能站立式辦公桌,如圖2,它有一個完整的電容式觸摸屏,而辦公桌內則嵌套了一個名為“活躍模式”的程序。辦公者們在使用這個程序時可以通過屏幕上的滑動手條來調節桌子的高度,此外,嵌套在桌子前面部分的傳感器還能追蹤辦公人員的動作,記錄你站立了多久,坐了多久,轉換了多少次以及消耗了多少卡路里[12]。
3)交互理念交互設計(InteractionDesign)亦可以稱之為互動設計,即設計應注意人和產品之間的互動,要考慮到用戶的背景、使用經驗以及在操作過程中的感受,從而設計符合最終用戶的產品[13]。我們在使用辦公家具時,就已經完成了一次對于辦公家具的交互體驗。近日,在美國位于加州的初創公司Altwork便發布了一款名為AltworkStation的智能化電腦桌。AltworkStation從外觀看起來有點像牙醫椅,但通過有磁性的桌面可以固定鼠標和鍵盤。以前我們受電腦的限制需要坐著辦公,現在我們可以擺脫這種既定模式,AltworkStation著重于人與家具的交互體驗,讓家具可以根據人的需求而進行改變,辦公人員可以選擇站著、坐著或是躺著辦公。
四、結論互聯網的時代的到來,新的辦公形式的出現以及智能化所需的內嵌芯片的廉價化和技術的不斷完善也為智能化辦公家具的發展提供了依據。而人們對于自身的健康、安全以及者辦公效率的考量也為辦公家具的智能化提供了群眾基礎。2015年3月5日,李總理于第十二次全國人民代表大會第三次會議中提出了制定“互聯網+”的計劃,以此來推動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業的結合,這便為智能辦公家具的發展提供了強有力的政策基礎。綜上所述,在不久的將來,智能化的辦公家具必將走向大眾化。
參考文獻
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