戈進(jìn)飛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所 上海 201802)

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電子設(shè)備的防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜述*

戈進(jìn)飛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所 上海 201802)

電子設(shè)備的防腐通常分工藝防腐和結(jié)構(gòu)防腐兩方面。論文介紹了腐蝕環(huán)境因素、有關(guān)防腐標(biāo)準(zhǔn)及要求、采取的結(jié)構(gòu)防腐措施,著重論述了作為防腐重要技術(shù)手段的靜密封設(shè)計(jì)方法、措施和注意事項(xiàng),并給出了密封效果驗(yàn)證的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及方法。

電子設(shè)備; 防腐; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Class Number TN60

1 引言

近年來(lái),隨著大量電子裝備交付用戶,在使用過(guò)程中的出現(xiàn)的腐蝕問(wèn)題也應(yīng)引起重視。一旦設(shè)備發(fā)生腐蝕,維修不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢(qián),還會(huì)給企業(yè)聲譽(yù)帶來(lái)負(fù)面影響。

“防腐設(shè)計(jì)”,通常認(rèn)為是工藝師的事,結(jié)構(gòu)師較多關(guān)注的是設(shè)備的剛、強(qiáng)度,對(duì)防腐的要求、措施存在認(rèn)識(shí)上的不足。本文擬從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,論述采取的防腐措施和手段。

2 腐蝕環(huán)境因素、防腐措施和要求

2.1 腐蝕現(xiàn)象和危害

腐蝕現(xiàn)象在生活中隨處可見(jiàn),諸如鐵的生銹,橡膠的老化。

腐蝕的危害有:影響電子設(shè)備的使用,造成設(shè)備及人身事故,帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響,資源浪費(fèi)、環(huán)境污染。軍事裝備更會(huì)造成貽誤戰(zhàn)機(jī),以致戰(zhàn)斗或戰(zhàn)爭(zhēng)的失敗。腐蝕對(duì)裝備“六性”的影響:可靠性降低,維修性變差,維修周期縮短,間接影響測(cè)試性,安全性降低,保障性變差,需增加備件,不能滿足環(huán)境適應(yīng)性要求。

2.2 腐蝕性的環(huán)境因素[1]

· 潮濕;

· 鹽霧;

· 霉菌;

· 腐蝕性氣體。大氣體中的SO2、H2S、O3、CO、NH3等氣體,破壞金屬材料鍍層、鈍化膜;臭氧對(duì)有機(jī)高分子材料產(chǎn)生破壞作用;含硫濕氣使銀鍍層變色;

· 砂塵和粉塵。其覆蓋在設(shè)備表面,吸濕后,對(duì)金屬材料和非金屬材料有極強(qiáng)的腐蝕作用;

· 太陽(yáng)輻射。太陽(yáng)光中的紫外線、紅外線,使有機(jī)高分子材料和合成材料老化;

· 溫度。高溫會(huì)增加材料化學(xué)活性,加快腐蝕速度;

· 昆蟲(chóng)、鳥(niǎo)類、鼠類等嚙齒動(dòng)物,對(duì)設(shè)備產(chǎn)生危害。

實(shí)際環(huán)境中,腐蝕通常是由多種因素同時(shí)作用產(chǎn)生。

1) 潮濕以雨水、冷凝和水汽的形式存在。當(dāng)大氣中RH<20%,幾乎所有腐蝕現(xiàn)象都停止。潮濕是霉菌、鹽霧、大氣污染物的載體,它們都依賴于潮濕才起腐蝕作用,故防潮是“三防”(防潮濕、防鹽霧、防霉菌)的重點(diǎn)。潮濕會(huì)破壞設(shè)備的鍍層,使構(gòu)件銹蝕,影響外觀及功能,還會(huì)對(duì)電路板產(chǎn)生短路、飛弧,使微波器件功率下降,甚至失效。

2) 鹽霧指由細(xì)微液滴構(gòu)成的含鹽的彌散氣霧,主要出現(xiàn)在海上、沿海地區(qū)、內(nèi)陸的鹽堿地區(qū)。鹽霧對(duì)金屬材料有極強(qiáng)的腐蝕作用,對(duì)非金屬材料會(huì)破壞絕緣性和體電阻,加速電化學(xué)腐蝕速度。

3) 霉菌使有機(jī)材料損壞而失效,使材料絕緣性下降,抗電強(qiáng)度減弱而產(chǎn)生電弧,且長(zhǎng)霉表面影響外觀。

2.3 防腐蝕措施

1) 防腐設(shè)計(jì)考慮因素

· 使用環(huán)境;

· 結(jié)構(gòu)型式;

· 材料選用;

· 鍍覆措施;

· 涂漆措施;

· 改善腐蝕環(huán)境;

· 電化學(xué)保護(hù)法。

2) 防腐蝕措施

(1)使用環(huán)境分濕熱型、干熱型、海洋型等。應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)防腐對(duì)象加以分析并提出方案和措施。

(2)結(jié)構(gòu)型式既要滿足性能要求,又要滿足防腐要求。

①結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單和合理。這樣,既容易采取防腐措施,又便于維修、保養(yǎng)和檢查;

②防止積水和冷凝液的積聚。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮水分不能積存,且易于涂裝和維修;

③采用無(wú)縫隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),防止縫隙腐蝕;

④防止應(yīng)力腐蝕[2]。選擇使用環(huán)境中對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感的金屬材料,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡量降低應(yīng)力和熱應(yīng)力集中,避免各種切口、尖角、焊接缺陷的存在,采取退火、噴丸處理等減小殘余應(yīng)力;

⑤有液體流動(dòng)的情況下,結(jié)構(gòu)上應(yīng)避免過(guò)度的湍流、渦流,防止造成局部溫度差、通氣差、濃度差,而形成濃差腐蝕電池。

3) 選材。要做到剛、強(qiáng)度及電氣性能與防腐性的統(tǒng)一。即設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)使用環(huán)境和防護(hù)程度的要求,考慮材料采取的鍍涂防護(hù)措施,檢查材料之間的兼容性、材料的加工性。

常用金屬材料的防腐性見(jiàn)表1,常用非金屬材料的防腐性[3]見(jiàn)表2。

表1 常用金屬材料及防腐性

表2 常用非金屬材料及防腐性

4) 鍍覆。金屬材料的氧化處理、鈍化處理,電鍍、化學(xué)鍍、熱浸鍍、熱噴鍍等。

5) 涂漆。選用合適的油漆、噴塑、油脂等防護(hù)手段。

6) 改善腐蝕環(huán)境。采取加防護(hù)罩、形成艙室、設(shè)置空調(diào)器等手段,減少腐蝕介質(zhì)的濃度,控制環(huán)境溫度、濕度;保持設(shè)備干燥。

7) 電化學(xué)腐蝕是電子設(shè)備在潮濕環(huán)境下結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[4]。針對(duì)電化學(xué)腐蝕發(fā)生的特點(diǎn),采取措施有:(1)不同金屬和合金應(yīng)當(dāng)避免直接接觸,通常電位差在0.25V以下的金屬才允許接觸。(2)在兩種金屬偶接處加入第三種金屬(墊片、中間部件或金屬鍍層),使金屬間的電位降低。(3)不可避免異種金屬接觸時(shí),一定要采取大陽(yáng)極小陰極的結(jié)構(gòu)型式;(4)最普遍的方法是在兩金屬之間加一不吸水的有機(jī)材料絕緣物,如橡膠、聚四氟乙烯等,并對(duì)接觸部分進(jìn)行妥善的防水密封。

電化學(xué)保護(hù)除犧牲陽(yáng)極保護(hù)法以外,還有外加電流法。利用外加直流電源施加大于最小保護(hù)電流密度的電流,抑制電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。

2.4 有關(guān)防腐的標(biāo)準(zhǔn)及要求

現(xiàn)行的國(guó)標(biāo)和國(guó)軍標(biāo)中,尚無(wú)防腐的專門(mén)標(biāo)準(zhǔn)。防腐作為一個(gè)基本要求,體現(xiàn)在設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性的“三防”要求中。

電子設(shè)備的防護(hù)等級(jí)分防護(hù)式、防滴式、防濺式、防水式以及水密式五種。GB4208—2008《外殼防護(hù)等級(jí)(IP代碼)》作了明確規(guī)定。

GJB2225A對(duì)設(shè)備提出了淋雨強(qiáng)度、淋雨角度和淋雨試驗(yàn)時(shí)間等要求。

GJB2225A和GJB/Z80都規(guī)定了防霉材料和易霉材料的選用原則,并在附錄中給出了固有耐霉材料、不抗霉材料、易霉材料等清單。

3 密封設(shè)計(jì)

3.1 采取密封設(shè)計(jì)的原由

不密封的設(shè)備,長(zhǎng)期處于高溫、高濕或鹽霧的環(huán)境中,其金屬材料易腐蝕,非金屬材料易老化、失效,給設(shè)備帶來(lái)很大的破壞性,嚴(yán)重影響設(shè)備的可靠性和壽命。而采取密封的設(shè)備,能對(duì)內(nèi)部器件進(jìn)行有效保護(hù),解決“三防”及防水問(wèn)題。外部殼體的防腐要首先做好。

只要密封好,設(shè)備的三防效果就好,就能防腐蝕。

3.2 密封的分類

密封的分類見(jiàn)表3。

表3 密封的分類

對(duì)于不需要維修,不易損壞或一次性使用的設(shè)備、部件或器件(天線座、防水型接插件等),可采用環(huán)氧樹(shù)脂、硅膠等進(jìn)行密封或灌封,也可以用焊封、鉚封、膠封,形成一個(gè)封閉盒或機(jī)箱的不可拆式密封結(jié)構(gòu),這不但防水,而且提高了防霉和防鹽霧能力。如微波盒體的激光熔焊密封。

兩構(gòu)件間采用墊片、橡膠套、橡膠圈等來(lái)密封,形成的可拆式密封結(jié)構(gòu)[5]。

因動(dòng)密封用在機(jī)械傳動(dòng)裝置中,一般不涉及到防腐性,故本文不加詳述。

3.3 靜密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1) 對(duì)靜密封聯(lián)接的基本要求

(1)高低溫下無(wú)泄漏現(xiàn)象,或使泄漏限制在許可的范圍內(nèi)。

(2)耐腐蝕,抗老化。

(3)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,制造、安裝、維修方便。

(4)多數(shù)密封件是易損件,應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)密封件,方便更換。

2) 實(shí)現(xiàn)靜密封的方法

(1)墊片密封。墊片—紙板、橡膠、纖維、石棉橡膠板、紫銅箔等。根據(jù)介質(zhì)溫度、壓力和腐蝕性等因素來(lái)決定。當(dāng)溫度和壓力不高時(shí),一般選用非金屬軟墊片。

(2)墊料密封。有許多品種,聚四氟乙烯生料帶作為薄形填料用于螺紋聯(lián)接;密封膩?zhàn)佑糜谔畛浣宇^間的縫隙;彈性較大的橡膠墊也可以作為填料用于聯(lián)接接頭的縫隙中,受壓后起密封作用。

(3)O形圈密封。見(jiàn)第3.4節(jié)。

(4)直接接觸式密封。兩接合面有精密的加工要求?？捎糜诜ㄌm連接中。

(5)密封膠密封。密封膠有一定的粘性和浸潤(rùn)性,將其填塞在間隙內(nèi),起到密封作用。密封膠可單獨(dú)使用,如微波盒體與蓋的密封;也可作為其他密封方法的輔助性使用。密封膠有液態(tài)密封膠和厭氧密封膠。

3) 靜密封的結(jié)構(gòu)型式

(1)箱(殼)體法蘭的密封

電子設(shè)備中常用的密封型式[6]見(jiàn)表4。序號(hào)1的優(yōu)點(diǎn)是密封件壓縮量可以嚴(yán)格控制,保證密封件不致過(guò)壓而疲勞損壞。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)閉合后無(wú)縫隙,整體美觀,且兩個(gè)密封面導(dǎo)通,對(duì)于設(shè)備電磁屏蔽十分有利。

(2)螺紋的密封

見(jiàn)表5。

(3)螺紋緊固件的密封

見(jiàn)表6。

(4)管路的密封

見(jiàn)表7。

(5)接插件的密封

通常的接插件不具密封性。需要密封時(shí),可選用防水型開(kāi)關(guān)、插座。接插件與殼體的密封,可采用其自帶的橡膠墊圈。面板上的開(kāi)孔尺寸,要與接插件外徑、墊圈內(nèi)徑相一致。

(6)氣密的密封

電子設(shè)備的氣密性,與流體的密封一樣,分為低壓(0.1MPa～1MPa)、中壓(1MPa～10MPa)、高壓(10MPa～100MPa)和超高壓(100MPa以上)四種。常用的是中、低壓狀態(tài)。

表4 常用的密封結(jié)構(gòu)型式與特點(diǎn)說(shuō)明

表5 螺紋密封的結(jié)構(gòu)型式示例與特點(diǎn)說(shuō)明

續(xù)表5

序號(hào)示例說(shuō)明2擰緊螺紋時(shí),墊片不僅承受壓緊力,而且還要承受轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦,常用于介質(zhì)壓力不高的場(chǎng)合。3螺紋聯(lián)接的填料密封。螺紋間纏繞聚四氟乙烯生料帶(耐腐蝕,-180～250℃)或密封膠密封。4螺紋聯(lián)接中的直接觸式密封,分?jǐn)U口錐面密封、襯套密封、卡套式密封。擴(kuò)口錐面密封適用于薄壁鋼管或軟金屬管聯(lián)接;卡套式密封廣泛應(yīng)用于液壓系統(tǒng)中。

表6 螺紋緊固件的密封示例與說(shuō)明

表7 管路的密封示例與說(shuō)明

對(duì)氣密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),因承受一定的壓力(或拉力),既要注意剛、強(qiáng)度,又要避免泄漏。理想的承壓結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖1。

圖1 理想的承壓結(jié)構(gòu)型式

3.4 O形密封圈

1) O形密封圈特點(diǎn)

O形密封圈因密封性能好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,裝拆方便,壽命長(zhǎng)、價(jià)格低,應(yīng)用最廣泛。它既可用于靜密封、動(dòng)密封,又可作單密封或雙密封。

2) O形圈密封壓縮變形率選擇

當(dāng)靜密封壓縮量為10%時(shí),起不到水密封作用;當(dāng)壓縮量為18%～25%時(shí),橡膠的反彈力能對(duì)水分子形成密封,當(dāng)壓縮量大于30%時(shí),密封質(zhì)量改善不大,反而會(huì)由于疲勞而加速橡膠損壞。因此,靜密封設(shè)計(jì)中,橡膠的變形量一般以20%～25%為宜。

3) O形密封圈的溝槽的設(shè)計(jì)

O形密封圈的開(kāi)槽尺寸[7],既可按各廠家的O形密封圈產(chǎn)品樣本上的推薦值,或參考GB3452.3—2005《液化氣動(dòng)用O形橡膠密封圈溝槽尺寸》,也可自行計(jì)算。

圖2 O形密封圈溝槽尺寸

溝槽深H=d0(1-ε)-C

溝槽寬B=(1.05～1.2)(1+ε1.5)d0

式中,d0為O形圈斷面直徑,ε為壓縮率,C為O形圈被壓縮的間隙量。

4) 密封圈材料

橡膠因彈性高、不透水、不透氣、電絕緣等優(yōu)點(diǎn),經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后,具有耐熱、耐寒、耐油、耐酸、耐堿、能導(dǎo)電等優(yōu)異特點(diǎn),成為密封圈的常用材料。

衡量橡膠質(zhì)量的好壞,有拉斷強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、老化系數(shù)、邵氏硬度和脆性溫度等指標(biāo)。

需耐溫、耐濕、耐鹽霧時(shí)用硅橡膠或乙丙橡膠,需耐油時(shí)用丁腈橡膠或氯丁橡膠,需耐腐蝕時(shí)用氟橡膠。壓力大時(shí)采用硬度大的橡膠。

3.5 密封設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題[8]

1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要設(shè)過(guò)渡段,避免銳角,使裝配和拆卸O形密封圈時(shí)不致劃傷密封圈。

2) 密封墊片與密封圈的設(shè)計(jì)位置,應(yīng)考慮到在安裝、維修作業(yè)中,不會(huì)從組裝的位置上偏離、移動(dòng)、下垂。

3) 對(duì)于使用密封墊片和O形密封圈的聯(lián)接表面不能太粗糙,否則會(huì)使密封圈產(chǎn)生傷痕。粗糙度建議3.2～12.5。

4) O形密封圈使用在斷面直徑小周長(zhǎng)大的場(chǎng)合時(shí),O形密封圈要選擇具有足夠張力的周長(zhǎng)和安裝直徑的尺寸。

5) 硬度低的橡膠能經(jīng)受較大的變形,可取較大的壓縮率,反之,硬度高的可取較小的壓縮率。

6) 工作在低溫狀態(tài)的設(shè)備,應(yīng)選擇直徑大些的O形圈。

7) 單層密封圈不應(yīng)有缺口,多層密封圈有缺口時(shí),應(yīng)錯(cuò)開(kāi)布置。

8) 墊片避免采用螺紋旋壓的方式,最好采用壓緊的方式。

9) “防水透氣閥”值得在戶外設(shè)備上使用,解決氣溫變化造成箱體內(nèi)氣體“呼吸”而有可能帶入濕氣的問(wèn)題。

10) 螺栓強(qiáng)度、法蘭剛度和螺栓緊固操作三個(gè)要素,確保密封面全長(zhǎng)上有均勻的表面壓力。

11) 密封蓋的緊固螺釘應(yīng)在密封條的外側(cè),并保證適當(dāng)?shù)拈g距,通常小于100mm。

12) 法蘭上的螺栓應(yīng)留有緊固的空間。

13) 在高壓、有毒及危險(xiǎn)條件下的法蘭,禁止用平墊密封。應(yīng)采用將墊片裝入槽中的方式。

14) 即便是嵌入式法蘭,其法蘭面也不要緊貼。否則墊片的壓力受制于法蘭接觸面。

15) 寬闊的接觸面使密封效果較差,要適當(dāng)減少接觸面。

16) 凹凸法蘭連接本體一邊要做成凹的,若是凸的,則加工非常困難,且易碰傷凸面。

17) 不要使螺孔穿通,或避免安裝孔中的可能泄漏。壁厚要留足攻螺紋的距離,放出加工時(shí)不穿通的余量。

18) 使用橢圓形法蘭時(shí),沒(méi)有螺栓的方向加力會(huì)造成泄漏。

19) 避免法蘭密封面上徑向刀紋,應(yīng)進(jìn)行車削或磨削加工形成同心圓刀紋。

20) 法蘭和管子的接合采取插入方式,插入部分的焊接要內(nèi)外焊。

21) 不要使螺栓處于正下面的位置,易受冷凝水等的腐蝕。

4 密封效果驗(yàn)證

4.1 水密試驗(yàn)

沖水試驗(yàn)按GJB4.13—1983《艦船電子設(shè)備環(huán)境試驗(yàn) 外殼防水試驗(yàn)》或GJB747—1989《艦船電氣設(shè)備外殼基本技術(shù)要求》執(zhí)行。

淋雨試驗(yàn)按GJB150.8—1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 淋雨試驗(yàn)》的試驗(yàn)方法執(zhí)行,要求可按GJB2225A、GJB/Z457等通用規(guī)范。試驗(yàn)分三類:有風(fēng)源的淋雨試驗(yàn)、滴雨試驗(yàn)、防水性試驗(yàn)。

浸漬試驗(yàn)按GJB150.14—1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 浸漬試驗(yàn)》的試驗(yàn)方法執(zhí)行。將設(shè)備放入水箱中,水溫8～28℃,時(shí)間120±5min。樣品最高點(diǎn)距水面深度通常為1m。

4.2 氣密試驗(yàn)

電子設(shè)備的氣密試驗(yàn),是采用相應(yīng)的裝置和設(shè)備,通入一定氣壓的空氣或氮?dú)?在密封接合面上涂抹肥皂泡或?qū)⒃O(shè)備直接浸入水中,觀察有無(wú)氣泡冒出,查找泄漏。

通入的氣體壓力值,能滿足極限工作環(huán)境的壓力即可,安全系數(shù)值可選1.2～1.5。

5 結(jié)語(yǔ)

電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì),需從模塊、分機(jī)到整機(jī)逐級(jí)把關(guān),需要工藝人員、電訊人員的密切配合。根據(jù)設(shè)備海洋、地面、機(jī)載等使用環(huán)境的不同,有的放矢地采取防腐措施。

另外,設(shè)備的日常維護(hù)對(duì)防腐也起著十分重要的作用。

[1] 張明.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)中的材料應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程,2004,20(4):45-49.

[2] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB/Z80—1996電子設(shè)備生物、應(yīng)力腐蝕防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南[S].北京:國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部出版,1997.

[3] 中國(guó)人民解放軍總裝備部.GJB2225A—2008地面電子對(duì)抗設(shè)備通用規(guī)范[S].北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部出版,2009.

[4] 邱仁悌,趙惇殳,蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京:東南大學(xué)出版社,2005.

[5] 生建友.小型電子設(shè)備機(jī)箱的密封設(shè)計(jì)[J].電子工藝技術(shù),2001(9):214-217.

[6] 凌武寶.可拆卸聯(lián)接設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[7] 盧新波,張中明.O型圈材料選擇與密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].液壓氣動(dòng)與密封,2012(2):26-29.

[8] [日]小栗富士雄,小栗達(dá)男.機(jī)械設(shè)計(jì)禁忌手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989.

Overview of Structural Design for Anticorrosive Treatment in Electronic Equipment

GE Jinfei

(The 51th Research Institute of CETC, Shanghai 201802)

The corrosive problems in the electronic equipment can be solved in two ways, including structural design and technologic methods. The factors in corrosive surroundings, some related anticorrosive criterion and requirements, structural measures of anticorrosion are all discussed in the article. The methods and notice of static seal which is the most important anticorrosive method are emphasized, and the confirmed rules and methods of sealed effect are discussed finally.

electronic equipment, anticorrosion, structural design

2014年12月17日,

2015年1月31日

戈進(jìn)飛,男,研究員級(jí)高級(jí)工程師,研究方向:電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體和天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、研究。

TN60

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.040