专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
申请号 | CN202410892985.7 | 申请日 | 2024-07-04 |
公开(公告)号 | CN118878426A | 公开(公告)日 | 2024-11-01 |
申请人 | 西南科技大学; 中国工程物理研究院化工材料研究所; 中国兵器工业火炸药工程与安全技术研究院; | 申请人类型 | 学校 |
发明人 | 郭长平; 郭灏; 杨光成; 鲁月文; 王茜; 谯志强; 杨炜; | 第一发明人 | 郭长平 |
权利人 | 西南科技大学,中国工程物理研究院化工材料研究所,中国兵器工业火炸药工程与安全技术研究院 | 权利人类型 | 学校 |
当前权利人 | 西南科技大学,中国工程物理研究院化工材料研究所,中国兵器工业火炸药工程与安全技术研究院 | 当前权利人类型 | 学校 |
省份 | 当前专利权人所在省份:四川省 | 城市 | 当前专利权人所在城市:四川省绵阳市 |
具体地址 | 当前专利权人所在详细地址:四川省绵阳市涪城区青龙大道中段59号 | 邮编 | 当前专利权人邮编:621010 |
主IPC国际分类 | C07C209/86 | 所有IPC国际分类 | C07C209/86 ; C07C211/52 ; C06B21/00 ; C06B25/04 |
专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
专利代理机构 | 绵阳远卓弘睿知识产权代理事务所 | 专利代理人 | 张忠庆; |
摘要 | 本 发明 公开了一种基于乳液法制备球形1,3,5‑三 氨 基‑2,4,6三硝基苯的方法,包括:将 溶剂 A与溶剂B混合,升温搅拌,冷却至室温后,得到TATB混合溶剂;将一定量的TATB加入到TATB混合溶剂中,超声搅拌,使TATB完全溶解,待稳定后,将其作为乳液的非连续相,再将一定量的 表面活性剂 以及连续相加入其中,超声、搅拌,使其混合均匀;萃取、过滤、洗涤、干燥,得到球形TATB。本发明制备球形TATB工艺流程简单,制备的球形TATB粒径范围为5μm~40μm, 比表面积 为1.639m2·g‑1,具有很好的流散性,其晶型结构未发生改变, 热分解 性能较原料有一定提前,活化能降低了82.71kJ·mol‑1。本发明为亚微米TATB的球形化提供了一种新型方法,还为含能材料的性能优化和应用拓展奠定了坚实的 基础 。 | ||
权利要求 | 1.一种基于乳液法制备球形1,3,5‑三氨基‑2,4,6三硝基苯的方法,其特征在于,包括以下步骤: |
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说明书全文 | 一种基于乳液法制备球形1,3,5‑三氨基‑2,4,6三硝基苯的方法 技术领域[0001] 本发明属于含能材料改性技术领域,更具体地说,本发明涉及一种基于乳液法制备球形1,3,5‑三氨基‑2,4,6三硝基苯的方法。 背景技术[0002] 1,3,5‑三氨基‑2,4,6三硝基苯(TATB)是单质高能钝感炸药,具有出色的耐热性能和安全性能,被广泛应用于武器弹药、推进剂等领域。然而,TATB相对较低的能量输出、形貌不规则、粒度分布不均匀等问题限制了其在装药填充中的广泛应用。如何进一步提高TATB的综合性能,使其满足在工程中的应用需求,已成为国内外科研学者的研究难点和重点。研究表明,将炸药晶体球形化,能够有效地提高其装药密度、降低机械感度以及提升加工工艺性能等,例如Han等基于液滴微流控技术制备了微球六硝基二苯乙烯(HNS),在保留其化学结构、晶体结构和热稳定性的同时,显著提高了HNS的流动性以及堆积密度(Powder Technology,2021,379:184‑190.)。因此,为了进一步提高TATB的综合性能,选取一种合适的工艺方法制备球形TATB具有十分重要的意义。目前,将炸药晶体转化为球形形态的技术主要分为物理和化学两大类。物理方法中,机械球磨法居于核心地位,它利用高速运动的研磨介质产生的粉碎力场,实现物料的颗粒破碎、尺寸细化和表面打磨,进而通过反复碾压作用生成球形炸药颗粒。对于TATB而言,现有的技术只能制备出一种规格的TATB,其粒径大小约为十几微米。因此,利用机械球磨法来制备大尺寸的球形TATB面临较大的挑战。对于采用化学方法而言,要成功制备球形TATB,首先要解决的是TATB溶解度问题,由于其独特的分子结构,即使在具有“万能溶剂”之称的二甲基亚砜(DMSO)中也难以对其进行有效溶解。因此,要对TATB进行尺寸调控,首先需要选择一种合适的溶剂对其进行溶解。 [0003] Yang等选用浓硫酸为溶剂,水为非溶剂制备了粒径约为60nm的球形或椭球形TATB,进一步提高了TATB的表面能(Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2006,31(5):390‑394.)。Zhang等选用离子液体与DMSO的混合溶液为试剂,分别采用物理方法以及化学方法分别制备出130nm、108nm的准球形纳米TATB,与原料TATB相比,其比表面积得到了大幅度提升(Defence Technology,2022,18(7):1139‑1147.)。 [0004] 这些文献报道的溶剂以及实验方法虽然成功制备出球形TATB,能够改善TATB的各方面性能,然而依旧存在溶剂溶解度低、溶剂价格昂贵、对环境具有一定危害等各种各样的缺陷,因此,设计发明一种基于乳液法制备球形TATB的方法,能够有效改善TATB的形貌外观,解决粒度分布不均匀,提高TATB的流散性,使其满足工业化生产需求,是本领域急需解决的技术问题。 发明内容[0005] 本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷,并提供至少后面将说明的优点。 [0006] 为了实现根据本发明的这些目的和其它优点,提供了一种基于乳液法制备球形TATB的方法,包括以下步骤: [0007] 步骤一、将1,3,5‑三氨基‑2,4,6三硝基苯加入到混合溶剂中,超声搅拌,使1,3,5‑三氨基‑2,4,6三硝基苯完全溶解,待稳定后,将其作为乳液的非连续相,再将表面活性剂以及连续相加入其中,超声、搅拌,使其混合均匀,得到混合体系 [0008] 步骤二、从混合体系中萃取出1,3,5‑三氨基‑2,4,6三硝基苯,过滤、洗涤、干燥,得到球形1,3,5‑三氨基‑2,4,6三硝基苯。 [0009] 优选的是,其中,所述混合溶剂的制备方法包括:将溶剂A与溶剂B按照1:100~100:1的质量比混合,升温搅拌,冷却至室温后,得到混合溶剂。 [0010] 优选的是,其中,所述溶剂A为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、N‑甲基吡咯烷酮、苯胺、氯仿、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲醇、丙酮、丁酮的一种或多种。 [0011] 优选的是,其中,所述溶剂B为氯化1‑烯丙基‑3‑甲基咪唑鎓、乙酸1‑乙基‑3‑甲基咪唑鎓、1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐、1‑丁基‑3‑甲基咪唑醋酸盐、1‑乙基‑3‑甲基咪唑醋酸盐、1‑烷基‑3‑甲基咪唑丙酸盐、3‑乙基‑1‑甲基咪唑四氟化硼、3‑丁基‑1‑甲基咪唑四氟化硼、 3‑丁基‑1‑甲基咪唑六氟化磷、3‑乙基‑1‑甲基咪唑溴化物、3‑丁基‑1‑甲基咪唑氯化物、丁磺酸甲基咪唑乙酸盐、烷基氟化铵、N‑甲基吗啉‑N‑氧化物、氯化锌的一种或多种。 [0012] 优选的是,其中,所述步骤一中,表面活性剂为阿拉伯胶、虫胶、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基吡啶、十二烷基硫酸钠、十六烷基硫酸钠、十八烷基硫酸钠、二辛烷琥珀酸磺酸钠、聚乙烯醇、聚乙二醇、二氯甲烷、司班20~80、吐温20~80中的一种或多种。 [0013] 优选的是,其中,所述步骤一中,表面活性剂质量为混合溶剂的0.01%~5%。 [0014] 优选的是,其中,所述步骤一中,所述1,3,5‑三氨基‑2,4,6三硝基苯加入量为混合溶剂总质量的2%~50%。 [0015] 优选的是,其中,所述步骤一中,所述非连续相为环己烷、正辛烷、二甲苯、二丙醚、戊烷、异辛烷、正己烷、正庚烷中的一种或多种。 [0016] 优选的是,其中,所述步骤一中,所述连续相与非连续相的质量比为1:10~10:1。 [0017] 优选的是,其中,所述步骤二中,萃取方式为滴加、喷雾中的一种或多种; [0018] 萃取使用的非溶剂为水、乙醇、乙酸乙酯、二甲基甲酰胺、甲醇中的一种或多种; [0019] 洗涤选用蒸馏水、乙醇、二甲基亚砜、乙酸乙酯中的一种或多种; [0021] 为了制备得到流散性更好的1,3,5‑三氨基‑2,4,6三硝基苯(TATB),使用改性吐温‑80替换步骤二中的表面活性剂,其中改性吐温‑80的改性方法包括: [0022] 在氮气保护下,向烧瓶中加入丁二酸酐、二甲苯、羟基硅油,升温至100~120℃反应3~6h,随后加入吐温‑80,继续升温至200~260℃,反应结束后去除二甲苯,得到羟基硅油改性的吐温‑80;其中丁二酸酐、二甲苯、羟基硅油和吐温‑80的质量比为0.1~3:200~300:0.1~15:80~120; [0023] 配置浓度为0.01~0.5g/mL的白炭黑悬浮液,将羟基硅油改性的吐温‑80加入白炭黑悬浮液中,以50~60kHz频率超声分散20~40min,静置后进行蒸发浓缩,固液分离,干燥得到改性吐温‑80;其中白炭黑与羟基硅油改性的吐温‑80的质量比为1~10:50~250。 [0024] 本发明至少包括以下有益效果:本发明制备出的微米球形TATB粒径范围为5μm~2 ‑1 40μm,比表面积为1.639m·g ,具有很好的流散性,其晶型结构未发生改变,热分解性能较‑1 原料有一定提前,活化能降低了82.71kJ·mol 。 [0025] 同时,本发明采用羟基硅油、白炭黑改性的吐温‑80作为表面活性剂制备微米球形TATB,进一步提高了球形TATB的流散性能。 [0027] 图1为本发明实施例1制备球形TATB的扫描电镜图以及粒径分布图; [0028] 图2为本发明实施例1制备的球形TATB的XRD图; [0029] 图3为本发明实施例1制备的球形TATB的FT‑IR图; [0030] 图4为本发明实施例1制备的球形TATB的DSC图; [0031] 图5为本发明实施例1制备的球形TATB的粒径分布图; [0032] 图6为本发明对比例1制备的球形TATB的粒径分布图; [0033] 图7为本发明实施例1制备的球形TATB在60μm比例尺下的电镜图; [0034] 图8为本发明实施例1制备的球形TATB在5μm比例尺下的电镜图; [0035] 图9为本发明对比例1制备的球形TATB在20μm比例尺下的电镜图; [0036] 图10为本发明对比例1制备的球形TATB在5μm比例尺下的电镜图。 具体实施方式[0038] 应当理解,本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。 [0039] 实施例1: [0040] 本实施例提供了一种基于乳液法制备球形TATB的方法,包括以下步骤: [0041] 步骤一,将二甲基亚砜与1‑丁基‑3‑甲基咪唑六氟磷酸盐按照2:1比例称取10g混合,升温搅拌,冷却至室温后,得到TATB混合溶剂; [0042] 步骤二,将0.3g的TATB加入到10g上述TATB混合溶剂中,超声搅拌,使TATB完全溶解,待稳定后,将其作为乳液的非连续相,再将0.03g的吐温‑80以及10g环己烷加入其中,超声、搅拌,使其混合均匀,得到乳液体系; [0043] 步骤三、以喷雾的方式向乳液体系中缓慢加入无水乙醇进行萃取,使乙醇逐步扩散到乳液中,TATB保持球状逐步析出,过滤、使用乙醇洗涤、真空干燥得到微米球形TATB。 [0044] 图1为通过乳液法制备得到的球形TATB的扫描电镜图以及其粒径分布图,从图中可以看出,该型号TATB粒径分布范围为5μm‑40μm之间,平均粒径D50约为17.5μm。图2显示了球形TATB与原料TATB的XRD结构,由图2可知,原料TATB特征衍射峰11.5°、19.6°、28.3°、42.1°等处,分别对应TATB的(1,1,0)、(2,1,0)、(0,0,2)、(2,2,0)等晶面,通过乳液法制备得到的球形TATB与原料TATB的特征衍射峰位置基本重合,说明球形TATB的晶型没有发生改变。同时可以发现,球形TATB衍射峰强度变弱,峰形变宽,这可能是因为通过乳液法制备得到的球形TATB表面具有许多的纳米结构,导致由尺寸带来的半峰宽的增加,从而表现出典‑1 ‑1 型纳米粒子的X射线衍射特征;从图3可知,原料TATB在3321.2cm 与3217.1cm 为‑NH3的非‑1 ‑1 对称和对称伸缩振动峰,1616.2cm 与1454.2cm 为苯环上‑C=C‑骨架的振动吸收峰,‑1 ‑1 1232.4cm 与1182.3cm 为‑NO2的伸缩振动吸收峰。对球形TATB的红外图谱与原料TATB红外图谱进行对比发现,两者的特征衍射峰位置基本一致,由此表明采用乳液法制备得到的球形TATB只改变了TATB的形貌、尺寸,其结构和晶型没有发生变化。 [0045] 从图4可以看出,原料TATB在382.4℃出现一处放热峰,分析认为,该放热峰为TATB的热分解峰,该峰从347.9℃开始,389.9℃结束。球形TATB热分解放热峰为373.9℃,该峰从343.9℃开始,383.9℃结束,较原料TATB的热分解放热峰提前8.5℃。分析其原因可能是通过乳液法制备得到的球形TATB比表面积增大,导致球形TATB活化能降低,更加容易发生分 2 ‑1 解。此外,通过该实例制备得到的球形TATB的比表面积为1.639m·g ,较原料TATB的比表 2 ‑1 面积0.509m·g 有一定提升。 [0046] 为了表现球形TATB的流散性能,使用0.6g本实施例制备的球形TATB和0.6g原料TATB作为样品,分别测定休止角;本实施例制备的球形TATB的休止角为35.7°而原料TATB的休止角为48.8°,表明本实施例通过乳液法制备的球形TATB,显著提高了TATB的流散性能,球形TATB颗粒之间更不易堆积,球形TATB颗粒之间的摩擦力更小。 [0047] 实施例2: [0048] 本实施例提供了一种基于乳液法制备球形TATB的方法,包括以下步骤: [0049] 步骤一,将二甲基亚砜与1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐按照2:1比例称取10g混合,升温搅拌,冷却至室温后,得到TATB混合溶剂; [0050] 步骤二,将0.3g的TATB加入到10g上述TATB混合溶剂中,超声搅拌,使TATB完全溶解,待稳定后,将其作为乳液的非连续相,再将0.03g的吐温‑80以及10g环己烷加入其中,超声、搅拌,使其混合均匀; [0051] 步骤三、以喷雾的方式向乳液体系中缓慢加入无水乙醇进行萃取,使乙醇逐步扩散到乳液中,TATB保持球状逐步析出,过滤、使用乙醇洗涤、真空干燥得到比表面积为2 ‑1 1.218m·g 的微米球形TATB。 [0052] 实施例3: [0053] 本实施例提供了一种基于乳液法制备球形TATB的方法,包括以下步骤: [0054] 步骤一,将二甲基亚砜与1‑丁基‑3‑甲基咪唑醋酸盐按照2:1比例称取10g混合,升温搅拌,冷却至室温后,得到TATB混合溶剂; [0055] 步骤二,将0.3g的TATB加入到10g上述TATB混合溶剂中,超声搅拌,使TATB完全溶解,待稳定后,将其作为乳液的非连续相,再将0.03g的吐温‑80以及10g环己烷加入其中,超声、搅拌,使其混合均匀; [0056] 步骤三、以喷雾的方式向乳液体系中缓慢加入无水乙醇进行萃取,使乙醇逐步扩散到乳液中,TATB保持球状逐步析出,过滤、使用乙醇洗涤、真空干燥得到比表面积为2 ‑1 1.365m·g 的微米球形TATB。 [0057] 实施例4: [0058] 本实施例提供了一种基于乳液法制备球形TATB的方法,包括以下步骤: [0059] 步骤一,将二甲基亚砜与1‑乙基‑3‑甲基咪唑醋酸盐按照2:1比例称取10g混合,升温搅拌,冷却至室温后,得到TATB混合溶剂; [0060] 步骤二,将0.3g的TATB加入到10g上述TATB混合溶剂中,超声搅拌,使TATB完全溶解,待稳定后,将其作为乳液的非连续相,再将0.03g的吐温‑80以及10g环己烷加入其中,超声、搅拌,使其混合均匀; [0061] 步骤三、以喷雾的方式向乳液体系中缓慢加入无水乙醇进行萃取,使乙醇逐步扩散到乳液中,TATB保持球状逐步析出,过滤、使用乙醇洗涤、真空干燥得到比表面积为2 ‑1 1.328m·g 的微米球形TATB。 [0062] 实施例5: [0063] 本实施例提供了一种基于乳液法制备球形TATB的方法,包括以下步骤: [0064] 步骤一,将二甲基亚砜与1‑丁基‑3‑甲基咪唑六氟磷酸盐按照5:5比例称取10g混合,升温搅拌,冷却至室温后,得到TATB混合溶剂; [0065] 步骤二,将0.3g的TATB加入到10g上述TATB混合溶剂中,超声搅拌,使TATB完全溶解,待稳定后,将其作为乳液的非连续相,再将0.03g的吐温‑80以及10g环己烷加入其中,超声、搅拌,使其混合均匀; [0066] 步骤三、以喷雾的方式向乳液体系中缓慢加入无水乙醇进行萃取,使乙醇逐步扩散到乳液中,TATB保持球状逐步析出,过滤、使用乙醇洗涤、真空干燥得到比表面积为2 ‑1 1.472m·g 的微米球形TATB。 [0067] 实施例6: [0068] 本实施例提供了一种基于乳液法制备球形TATB的方法,包括以下步骤: [0069] 步骤一,将二甲基亚砜与1‑丁基‑3‑甲基咪唑六氟磷酸按照2:1比例称取10g混合,升温搅拌,冷却至室温后,得到TATB混合溶剂; [0070] 步骤二,将0.3g的TATB加入到10g上述TATB混合溶剂中,超声搅拌,使TATB完全溶解,待稳定后,将其作为乳液的非连续相,再将0.03g的吐温‑80以及10g环己烷加入其中,超声、搅拌,使其混合均匀; [0071] 步骤三、以喷雾的方式向乳液体系中缓慢加入无水乙醇进行萃取,使乙醇逐步扩散到乳液中,TATB保持球状逐步析出,过滤、使用乙醇洗涤、真空干燥得到比表面积为2 ‑1 1.369m·g 的微米球形TATB。 [0072] 实施例7: [0073] 本实施例提供了一种基于乳液法制备球形TATB的方法,包括以下步骤: [0074] 步骤一,将二甲基亚砜与1‑丁基‑3‑甲基咪唑六氟磷酸按照2:1比例称取10g混合,升温搅拌,冷却至室温后,得到TATB混合溶剂; [0075] 步骤二,将0.3g的TATB加入到10g上述TATB混合溶剂中,超声搅拌,使TATB完全溶解,待稳定后,将其作为乳液的非连续相,再将0.03g的司班‑80以及10g环己烷加入其中,超声、搅拌,使其混合均匀; [0076] 步骤三、以喷雾的方式向乳液体系中缓慢加入无水乙醇进行萃取,使乙醇逐步扩散到乳液中,TATB保持球状逐步析出,过滤、使用乙醇洗涤、真空干燥得到比表面积为2 ‑1 1.463m·g 的微米球形TATB。 [0077] 实施例8: [0078] 本实施例提供了一种基于乳液法制备球形TATB的方法,包括以下步骤: [0079] 步骤一,将二甲基甲酰胺与1‑丁基‑3‑甲基咪唑六氟磷酸按照2:1比例称取10g混合,升温搅拌,冷却至室温后,得到TATB混合溶剂; [0080] 步骤二,将0.3g的TATB加入到10g上述TATB混合溶剂中,超声搅拌,使TATB完全溶解,待稳定后,将其作为乳液的非连续相,再将0.03g的司班‑20以及10g环己烷加入其中,超声、搅拌,使其混合均匀; [0081] 步骤三、以喷雾的方式向乳液体系中缓慢加入无水乙醇进行萃取,使乙醇逐步扩散到乳液中,TATB保持球状逐步析出,过滤、使用乙醇洗涤、真空干燥得到比表面积为2 ‑1 1.412m·g 的微米球形TATB。 [0082] 实施例9: [0083] 本实施例提供了一种基于乳液法制备球形TATB的方法,其与实施例1不同的是,使用改性吐温‑80替换步骤二中的吐温‑80,其余工艺方法均与实施例1相同;其中改性吐温‑80的改性方法包括: [0084] 在氮气保护下,向烧瓶中加入1g丁二酸酐、200g二甲苯、2g羟基硅油,升温至120℃反应6h,随后加入100g吐温‑80,继续升温至260℃,反应结束后去除二甲苯,得到羟基硅油改性的吐温‑80; [0085] 配置1200mL浓度为0.01g/mL的白炭黑悬浮液,将120g羟基硅油改性的吐温‑80加入白炭黑悬浮液中,以60kHz频率超声分散40min,静置后进行蒸发浓缩,固液分离,洗涤,干燥得到改性吐温‑80。 [0086] 使用休止角法测定0.6g本实施例制备的球形TATB的休止角,测定结果为28.4°,表明通过使用改性吐温‑80作为表面活性剂制备球形TATB,进一步减小了球形TATB的休止角,提高了球形TATB的流散性能。 [0087] 对比例1: [0088] 本对比例提供了一种基于不稳定乳液制备球形TATB的方法,包括以下步骤: [0089] 步骤一,将二甲基亚砜与1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐按照2:1比例称取10g混合,升温搅拌,冷却至室温后,得到TATB混合溶剂; [0090] 步骤二,将0.3g的TATB加入到10g上述TATB混合溶剂中,超声搅拌,使TATB完全溶解,待稳定后,将其作为乳液的非连续相,再将0.006g的吐温‑80以及10g环己烷加入其中,超声、搅拌,使其混合均匀,得到乳液体系; [0091] 步骤三、以喷雾的方式向乳液体系中缓慢加入无水乙醇进行萃取,使乙醇逐步扩散到乳液中,TATB保持球状逐步析出,过滤、使用乙醇洗涤、真空干燥得到微米球形TATB。 [0092] 由图5可知,实施例1制备的球形TATB粒径分布范围为9μm~38μm,D50为17.5μm;由图6可知,对比例1制备的TATB粒径分布范围为1μm~13μm,D50为3.7μm;从图6‑图10可以看到,实施例1制备出的样品为规则的球形结构,而对比例1制备的TATB样品呈现出多种形貌外观。由此可知,基于稳定乳液制备球形TATB时,该乳液结构为TATB的生长提供了微小生长单元,当TATB结晶析出时,其沿着整个微小球形进行析出,因此其最终形成的TATB为球形晶体。基于不稳定乳液制备TATB,当TATB晶体析出时,由于乳液的不稳定性,当TATB晶体发生生长时,部分乳液已经发生破乳现象,TATB只能按照TATB的生长习性进行片状生长,因此呈2 ‑1 现出多种样貌形态。对比例1制备的TATB样品比表面积为0.842m·g ,低于实施例1制备的TATB的比表面积。 [0094] 尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。 |