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2022年  第29卷  第1期

储氢合金的吸/放氢反应过程动力学

李谦,林羲,罗群,陈玉安,王敬丰,蒋斌,潘复生

封面故事:储氢合金吸/放氢反应过程分为多个步骤,包括氢气分子的物理吸附、氢原子的化学吸附、表面渗透、氢化物中的扩散和界面反应,各个步骤具有不同的反应能垒。图中球体为描述上述过程时应用最普遍的收缩未反应核模型。坐标图的纵坐标代表能量,横坐标r表示模型中反应进度的不同位置,即反映了各个步骤在不同r位置发生,而对应的能垒也不同,如图中能带起伏所示。深入理解储氢合金反应的动力学机理有利于调控反应速率,加快反应进程,推进储氢合金在燃料电池等领域中的应用。


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特约综述
煤基固废分子筛的合成及其应用研究进展
张晓雨, 李春全, 郑水林, 狄永浩, 孙志明
2022, 29(1): 1-21. doi: 10.1007/s12613-021-2256-8
摘要:

本文首先介绍了以煤矸石和粉煤灰为代表的煤基固废基本理化性质以及煤基固废合成分子筛的预处理工艺。煤基固废可以提供分子筛生成所需的硅、铝组分。但是,煤基固废中硅、铝元素的反应活性有待提高,并且煤基固废中存在许多不利于沸石化过程的杂质。因此,在合成分子筛之前,通常需要对煤基固废进行预处理,包括研磨、煅烧、酸浸等。研磨工艺能够通过粒度细化实现煤基固废比表面积以及杂质暴露量的增加,促使煤基固废表面产生更多缺陷位点,这有利于其进一步溶解。但研磨工艺不能完全活化煤基固废中的有效成分,而高温煅烧则可以更加彻底地活化煤基固废,并除去有机杂质。此外,一些会影响分子筛成核和结晶的碱金属氧化物,如Fe2O3、CaO、MgO及TiO2等,则需要通过酸处理消除。通过上述两种或三种预处理方法的联用,可以实现煤基固废的高效活化。然后,本文系统介绍了以煤基固废为原料合成分子筛的方法,包括水热晶化法、结构导向剂水热晶化法、碱熔辅助水热晶化法、超声或微波辅助水热晶化法、两步法、熔融盐法以及无溶剂法等。通过合理选用合成方法并调整制备参数,能够以各类煤基固废(不同硅铝比的煤矸石、粉煤灰)为原料合成不同类型的分子筛(如Na–X、Na–Y、Na–P、Na–P1、Na–A及方钠石等)。但是,一些具有特殊结构的分子筛(如ZSM-5、SSZ-13及ZK-5等),更易通过结构导向剂水热晶化法合成。当使用石英和长石含量较高的煤矸石或C级粉煤灰合成分子筛时,最好选用具有额外辅助(碱熔、超声波、微波)的方法,以优化煤基固废的沸石化过程。此外,本文还系统介绍了煤基固废分子筛在水污染治理、空气污染治理、重金属污染土壤修复、化学催化和储能材料中的应用现状。低硅铝比的煤基固废分子筛(如Na–X、Na–Y、Na–A、Na–P1等)通常具有较高的阳离子交换容量(CEC),这些分子筛在需要强离子交换能力的领域中具有较高应用潜力;具有高硅铝比的分子筛(如ZSM分子筛)的亲脂性、热稳定性和耐酸性更为出色,因此在某些有机催化过程中具有显著优势;分子筛在离子交换和吸附过程中的孔径效应也需要注意,直径小于分子筛孔径的目标颗粒才更易进入分子筛孔道。最后,本文对煤基固废分子筛的合成与应用发展方向与趋势进行了展望。文章认为,煤基固废分子筛的研究应以其在不同领域的大规模应用为目标导向,在进一步明晰煤基固废沸石化机理的基础上提升煤基固废的转化率及分子筛产品纯度,并注重开发低能耗及原料可循环的煤基固废沸石化工艺;辅助能量的引入对煤基固废的沸石化过程而言是非常重要的,碱溶辅助的超临界水热晶化法可能是一种高效快速的煤基固废沸石化工艺;在煤基固废分子筛应用开拓方面,作者认为,煤基固废分子筛的规模化使用应以商用分子筛的应用领域为参照,在许多商用分子筛的应用领域,煤基固废分子筛已初显替代潜力。

特约综述
含钛高炉渣高效利用的最新进展
蔡永丰, 宋宁宁, 杨韵斐, 孙领民, 胡鹏, 王金淑
2022, 29(1): 22-31. doi: 10.1007/s12613-021-2323-1
摘要:

含钛高炉渣是含钛冶金渣中难以处理的一类硅铝酸盐固体废弃物,大量堆积的含钛高炉渣造成了严重的资源浪费和环境污染。因此,开发绿色、高效的含钛高炉渣利用途径是资源节约和环境保护的关键需求。在过去的几十年里,多种途径被用于含钛高炉渣高效利用的研究,并在研究含钛高炉渣的基本特征和开发高效方法等方面取得了重大进展。本文回顾了近年来高效利用含钛高炉渣的各类方法,从用作建筑材料的原料、碳化氯化法提钛、钛合金的制备、酸法、碱熔煅烧法和高温重结晶–富集等角度全面地介绍了高效利用含钛高炉渣的研究进展。重点讨论了各类方法的反应机制和目前的现状。然而,目前的利用方法在效率和成本上仍与实际应用相差很远。因此,开发清洁、高效、大规模利用含钛高炉渣的新方法仍然是一个重要的目标。要实现这一目标,需要重点研究以下三个方面:(1) 发展新兴的理论方法;(2) 开发全面可靠的热力学性质数据库;(3) 开发先进的表征方法。这一系统和全面的回顾将有利于设计高效和低成本的利用路线。

特约综述
储氢合金的吸/放氢反应过程动力学
李谦, 林羲, 罗群, 陈玉安, 王敬丰, 蒋斌, 潘复生
2022, 29(1): 32-48. doi: 10.1007/s12613-021-2337-8
摘要:

氢能具有无污染、可再生的特性,被认为是未来减少碳排放的主要途径之一。储氢合金因其体积储氢密度高、安全性好、吸放氢条件温和、循环次数高、成本低等优势,未来将在氢能行业中得到广泛应用。而高吸/放氢速率是储氢合金罐应用的重要前提。通过对储氢合金吸/放氢机制的研究,有利于储氢合金吸/放氢速率的改性增强。而等温吸/放氢动力学模型是研究吸/放氢机制的有效手段。研究人员已经建立了许多模型来描述吸/放氢动力学过程。然而,这些动力学模型仅适用于特定的动力学控速步骤和动力学测试方法,容易导致动力学模型的错误使用。如何使用合适的动力学模型对储氢合金的吸/放氢过程进行研究,进而揭示正确的吸/放氢机制,是许多不熟悉吸/放氢动力学过程的研究人员面临的实际问题。本文基于不同的动力学测量方法,对化学吸附、表面渗透、氢扩散、形核生长和化学反应等控速步骤对应的动力学模型进行了概述,阐述了动力学实验数据的分析方法,以及温度、氢气压力和粒径对动力学参数的影响,总结了不同储氢合金的动力学应用情况。

特约综述
二维Ruddlesden–Popper卤化物钙钛矿薄膜太阳能电池中晶体取向生长调控的研究进展
杜玖瑶, 张勐萁, 田建军
2022, 29(1): 49-58. doi: 10.1007/s12613-021-2341-z
摘要:

金属卤化物钙钛矿太阳能电池因其高功率转换效率和良好成本效益的可溶液制备工艺,成为了近年来的研究热点。最先进的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经超过了25%。然而,金属卤化物钙钛矿的结构和工作稳定性较差成为了其发展和应用的重要障碍之一。二维(2D)Ruddlesden–Popper(RP)钙钛矿结构是钙钛矿八面体层两侧被有机间隔阳离子夹在中间的三明治结构,疏水性有机间隔阳离子有效避免环境因素对钙钛矿结构的影响,显著提升材料和器件的结构和工作稳定性。太阳能电池的工作原理要求2D RP钙钛矿的晶体垂直于基底进行取向生长,从而有利于光生电荷的快速传输和提取。本文旨在总结2D RP钙钛矿太阳能电池中钙钛矿薄膜调控晶体取向的方法,主要归纳了近期关于2D RP钙钛矿薄膜在制备方法和前驱液组分方面对晶体取向机制和调控的影响。近期研究显示,2D RP钙钛矿薄膜的制备已经由传统的一步旋涂法逐渐发展为热辅助法、真空极化法和溶剂蒸汽退火法等。热辅助方法是通过加速中间相的转变来控制二维钙钛矿薄膜的生长方向。溶剂蒸汽退火法是采用溶剂蒸汽来诱导2D相重组。在前驱液组分方面,添加剂和修饰的有机间隔阳离子主要通过官能团与钙钛矿八面体之间的相互作用调控2D RP钙钛矿晶体的生长方向。此外,本文还讨论了当前2D RP钙钛矿太阳能电池目前存在的主要问题,并进行了展望。

研究论文
通气对硫化铜矿生物浸出过程中自由细菌和吸附细菌群落动态的影响研究
陈威, 尹升华, I.M.S.K. Ilankoon
2022, 29(1): 59-69. doi: 10.1007/s12613-020-2125-x
摘要:

生物浸出回收低品位硫化铜矿中的铜金属具有操作简单、低能耗、节约经济等优点,成为了近年来的研究热点。然而低品位硫化铜矿生物浸出效率低是其面临的主要问题之一。本文为了促进生物浸出效率,研究了强制通气条件下的低品位硫化铜矿生物浸出过程中的铜浸出率、细菌群落动态演替等特征。结果表明,适当的通气可提高细菌浓度和铜浸出率。在通气时间为4 h·d−1时,浸矿14 d后的细菌浓度和铜离子浓度最高,分别为7.61×107 个·mL−1和704.9 mg·L−1。实验可得,吸附细菌在浸矿过程的前7 d起着重要作用,而自由细菌则是在第8 d到第14 d占主导地位。这一现象主要是由于浸出过程Fe3+水解形成钝化层所致,抑制了吸附细菌与矿石的接触。同时,通过16S rDNA分析可知,Acidithiobacillus ferrooxidansAcidithiobacillus thiooxidans对低品位硫化铜矿生物浸出过程具有重要影响。

研究论文
铜PS转炉内的流域分布和混合时间研究
赵洪亮, 王镜琪, 刘风琴, Hong Yong Sohn
2022, 29(1): 70-77. doi: 10.1007/s12613-020-2196-8
摘要:

铜锍吹炼是铜精矿火法冶炼工艺的关键工序之一,目前全世界85%的冰铜均是采用PS转炉进行吹炼的。铜锍PS转炉吹炼是一个涉及化学反应、传热、传质的复杂的多相流体流动过程,吹炼过程中的流场分布特征、气锍渣分布规律以及物料混合特性对转炉生产率和铜回收率等指标起着重要影响。本文旨在通过可视化的冷态水模型试验模拟研究转炉吹炼高温冶炼过程流域分布和混合特性,进而对吹炼工艺进行优化。基于相似性原理建立了1:5等比例PS转炉冷态试验模型,采用高速摄像技术对吹炼过程的流场进行了动态记录,并基于图像处理技术对气液喷吹过程的流域进行了划分,包括喷吹区、喷溅区、强混合区、弱混合区、死区,并且对不同流域进行了定量化分析。此外,本文提出了一种新的判据,即“浓度稳定混合区波动极值”判据,用于判定不同示踪剂加入方式炉内的混合时间,进而确定了最佳的投料位置为喷吹波回落区,可明显提升转炉吹炼的混合效率。

研究论文
高硼多组分铸铁的组织及相元素分布
Yu.G. Chabak, K. Shimizu, V.G. Efremenko, M.A. Golinskyi, K. Kusumoto, V.I. Zurnadzhy, A.V. Efremenko
2022, 29(1): 78-87. doi: 10.1007/s12613-020-2135-8
摘要:

这种新提出的新型铸铁的化学成分为在0.7C–5W–5Mo–5V–10Cr–2.5Ti (wt%)中分别添加1.6wt% B和2.7wt% B。这项工作的目的是研究硼的含量对合金的结构状态和阶段元素分布对耐磨结构成分的形成影响。结果表明,当B含量为1.6wt%时,合金由三种共晶组成:(a) “M2(C,B)5+铁素体”具有“汉字”形貌 (89.8vol%), (b) “M7(CB)3+奥氏体”具有“莲座”形貌,(c) “M3C+奥氏体”具有“莱氏体”形貌 (2.7vol%)。当硼含量为2.7wt%时,基体硬度由HRC 31提高到HRC 38.5。组织中出现了平均显微硬度为HV 2797的初生碳化物M2(C,B)5,体积分数为17.6vol%。共晶体(a)和(b,c)的体积分数分别降低到71.2vol%和3.9vol%。基体为“铁素体/奥氏体” (1.6wt% B) 和“铁素体/珠光体”(2.7wt% B),两种铸铁均含有致密析出碳化物(Ti,M)C和碳硼化物(Ti,M)(C,В),体积分数为7.3%–7.5%。基于能量色散X射线能谱,给出了元素相的分布和相应的相公式。

研究论文
一种适用于压铸超薄壁件的高导热高强镁合金
荣建, 肖文龙, 赵新青, 马朝利, 廖海淼, 何东磊, 陈明, 黄晨, 黄猛
2022, 29(1): 88-96. doi: 10.1007/s12613-021-2318-y
摘要:

随着3C产业的快速发展,对具有优异力学性能和高导热镁合金的需求增长迅速。然而,常用压铸镁合金(如Mg–9wt%–1wt%Zn)的导热系数很低。为了使镁合金同时兼具优良的压铸性能和导热性能,本研究选择Al、Zn、RE和Ca作为合金化元素,设计并制备了AZEX4441合金及其手机中框压铸超薄壁件,分析了压铸件的微观结构及力学性能。研究发现,AZEX4441合金具有均匀细小的晶粒,其平均晶粒尺寸为~2.8 μm,第二相主要为沿晶界分布的Al11RE3、Al2REZn2 和Ca6Mg2Zn3相。拉伸测试表明,该合金表现出与AZ91D合金可比的力学性能,其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为233 MPa、185 MPa和4.2%。同时该合金的室温导热系数为94.4 W·m–1·K–1,远高于商用AZ91D合金(53.7 W·m–1·K–1)。通过组织对比分析发现,AZEX4441合金具有较高强度的原因,主要是细小均匀的晶粒所贡献的细晶强化和分布在晶界处的大量金属间化合物产生的第二相强化。相比AZ91D合金,AZEX4441合金凝固过程中各组元之间反应生成了大量的第二相,降低了合金基体中的合金化元素含量,进而使晶格畸变减弱,因此具有较高导热性能的原因。本文为发展高导热压铸镁合金,促进镁合金在3C领域的应用提供了一定的参考价值。

研究论文
多道次摩擦搅拌处理和镁添加对Al 1050合金的微观结构和拉伸性能的影响
Shahin Arshadi Rastabi, Masoud Mosallaee
2022, 29(1): 97-107. doi: 10.1007/s12613-020-2074-4
摘要:

研究了多道次搅拌摩擦加工 (FSP) 和镁粉添加对 Al 1050 合金不同微观结构部分的影响,包括搅拌区 (SZ)、热影响区 (HAZ) 和热机械影响区 (TMAZ)等。对微观结构分析结果表明,随着 FSP 道次的增加,非复合样品和复合样品中 SZ 的晶粒尺寸减小,而非复合样品中 TMAZ 和 HAZ 的晶粒尺寸增加。此外,镁粉的加入导致了大程度的晶粒细化,增加 FSP 道次的数量导致原位复合样品中 Al–Mg 金属间化合物的分布更均匀。拉伸试验结果表明,与母材和复合材料样品相比,经过四道 FSP 的非复合材料样品表现出更高的伸长率和韧性断裂。然而,与母材和非复合样品相比,该样品表现出脆性断裂和更高的拉伸强度。与经过 FSP 的母材和非复合材料样品相比,复合材料样品的制造显着提高了硬度。

研究论文
新型循环连续扩展挤压和拉拔工艺对Al–Mg合金的显微组织、力学性能和变形机制研究
卢瑞青, 张龙, 郑树炜, 傅定发, 滕杰, 陈建春, 赵国栋, 蒋福林, 张辉
2022, 29(1): 108-118. doi: 10.1007/s12613-021-2342-y
摘要:

Al–Mg 系铝合金具有较高的机械强度以及优良的可加工性、可焊接性等优点,广泛应用于船舶、军工和航空航天等领域。然而如何进一步提升Al–Mg合金综合力学性能,拓展其应用范围,成为材料科学工作者与工程技术人员追求的目标。大塑性变形(SPD)作为一种能够有效细化金属晶粒进而大幅提升金属材料力学性能的方法获得了越来越多的关注。本文系统研究了一种新型循环连续扩展挤压与拉拔大塑性变形工艺对Al–Mg合金显微组织、力学性能及变形机理的影响。首先通过新型循环连续扩展挤压与拉拔工艺(CCEED)成功制备出3道次挤压和拉拔Al–Mg合金杆料。然后系统介绍了加工样品随着道次增加显微组织及力学性能的演变规律,并结合晶粒尺寸演变模型成功预测了Al–Mg合金晶粒尺寸随加工温度的变化趋势,为指导实际工业生产奠定理论基础。研究结果表明,连续挤压作为一种连续塑性变形加工工艺,能够高效生产超长尺寸金属型材。晶粒细化能够大幅提升Al–Mg合金综合力学性能;冷变形加工(拉拔)能够引入大量位错亚结构,能够进一步细化晶粒尺寸提升力学性能。随着加工道次的增加,由于多道次交叉剪切变形机制,加工样品硬度分布的均匀性逐渐提高。连续扩展挤压主要提高了合金塑性,而冷拔则提高了合金的强度。由于快速的动态恢复速度,加工样品产生了强度饱和现象。循环连续扩展挤压与拉拔循环连续扩展挤压与拉拔处理后,通过连续动态再结晶逐渐细化Al–Mg合金棒材的晶粒尺寸。在挤压试样中,获得了具有许多细亚晶粒的等轴晶粒。对于冷拔试样,观察到具有大量胞状结构和位错的细长晶粒。循环连续扩展挤压与拉拔过程中的微观结构演变基本上受特殊热机械变形条件的影响。 冷拔引入了大量位错并促进了连续动态再结晶以获得细晶。连续动态再结晶在较高温度(500°C)挤压过程中,晶界迁移率(M)显着增加,导致晶粒的快速生长并限制了Al–Mg合金的晶粒细化。最后,本文对未来连续挤压工艺研究工作进行了展望。在连续挤压转速较高的变形条件下,Al–Mg合金晶粒细化的程度有限。在不改变原有Al–Mg合金成分的前提下,即不添加Sc、Zr等微量元素,需尝试降低连续挤压转速,增加连续挤压的冷却系统或冷却频次,并对现有连续挤压槽封块、进料块及其接触长度(包角大小)进行工模具优化设计从而使连续挤压塑性变形区和直接挤压变形区内温度控制在400°C以内。同时较小的扩展尺寸,变形腔内无法获得足够的附加剪切应变,这也限制了晶粒尺寸进一步细化。

研究论文
放电等离子烧结Al20Cr20Fe25Ni25Mn10高熵合金的硬度和腐蚀性能研究
Andries Mthisi, Nicholus Malatji, A. Patricia, I. Popoola, L. Rudolf Kanyane
2022, 29(1): 119-127. doi: 10.1007/s12613-020-2200-3
摘要:

采用放电等离子烧结(SPS)技术在不同温度(800、900和200°C)下保温不同时间(4、8和12 min)合成了Al20Cr20Fe25Ni25Mn10高熵合金(HEA)。通过扫描电子显微镜、能谱仪(EDS)、维氏显微硬度计、极化曲线等对合金的微观结构、显微硬度和腐蚀进行了实验研究。X-射线衍射(XRD)表征了所制备合金的成分。EDS结果显示不论烧结参数如何变化,合金均由原始合金元素组成。XRD、EDS和扫描电子显微镜的结果说明所制备的合金具有球形微观结构,呈现出面心立方结构相,这是基于固溶机制形成的。这表明SPS合金具有HEAs的特征。在1000°C保温 12 min生产的合金显微硬度最高,为HV 447.97,热处理后其硬度降至HV 329.47。同一合金表现出优异的耐腐蚀性能。烧结温度升高,Al20Cr20Fe25Ni25Mn10合金可具有更高的密度、显微硬度和耐腐蚀性。

研究论文
简单蛋清溶液法制备KFeO2纳米粒子的合成、表征及磁性能
Thongsuk Sichumsaeng, Nutthakritta Phromviyo, Supree Pinitsoontorn, Pinit Kidkhunthod, Narong Chanlek, Santi Maensiri
2022, 29(1): 128-135. doi: 10.1007/s12613-020-2194-x
摘要:

铁酸钾(KFeO2)是一种有趣的碱金属铁氧体,已广泛用作脱氢催化剂[12]和钾离子电池正极材料,而根据合成方法的不同,它经常会显示出有趣的特性。在本文中我们报道了一种简单,低成本,环保的通过蛋白溶液合成KFeO2纳米颗粒的方法。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线近边吸收光谱(XANES)对合成的KFeO2的晶体结构、形貌、化学成分和价态进行了表征。用振动样品磁强计(VSM)对合成的KFeO2纳米粒子进行测量,以确定其磁性能。研究结果表明,采用简单的蛋清溶液法,在空气中分别在773、873和973 K焙烧2 h,可以合成铁酸钾(KFeO2)纳米颗粒。XRD和TEM研究结果分别表明,通过改变煅烧温度,结晶度和形态(包括粒度)发生了变化。值得注意的是,发现合成KFeO2粒径的减小对磁性能有显著影响。在室温下,873 K温度下合成的KFeO2纳米粒子表现出最高的饱和磁化强度(MS),为 2.07 × 104 A·m−1。此外,随着煅烧温度增加到 973 K,矫顽力(HC)从 3.51 增加到 16.89 kA·m−1。零场冷却(ZFC)结果表明,773 和 873 K下合成的KFeO2纳米颗粒的阻塞温度(TB)分别为 125 和 85 K。蛋清溶液法可以有效制备KFeO2纳米颗粒,且该方法简单、经济、环保。

研究论文
石墨烯的化学气相沉积生长行为探究
王杰, 范腾飞, 卢建臣, 蔡晓明, 高蕾, 蔡金明
2022, 29(1): 136-143. doi: 10.1007/s12613-021-2302-6
摘要:

前人研究发现石墨烯具有多种形状,包括三角形、矩形、六边形、U形、圆形和树突形。虽然可以通过调整载气(氢气和氩气)的比例定制不同形貌的石墨烯,但甲烷与氢气体积比(CH4/H2)对不同形貌石墨烯形成的影响尚未有系统的报道。分形石墨烯沿着已有的划痕生长已有报道,但仍未发现分形石墨烯以不同角度堆叠的现象。通过调节CH4/H2的体积比从1:50到1:100,我们在多晶铜衬底上通过真空化学气相沉积制备枝晶、矩形和六边形等不同形貌石墨烯,得到了石墨烯的两种主要形态(树枝状和六边形)。由于CH4/H2体积比的变化,观察到结构的对称和不对称现象。同时,研究了在多晶铜衬底上生长的分形石墨烯的演化过程。当石墨烯的平衡生长状态被破坏时,其固有的六边形对称结构将转变为非六边形对称结构。我们系统、全面地研究了在多晶铜上生长的不同形貌石墨烯的演化过程,该演化过程受甲烷与氢气体积比的影响,且可控。此外,还观察到雪花状石墨烯的拼接和不同角度的石墨烯堆叠现象。

研究论文
等离子喷涂铁基非晶/晶体复合涂层的工艺–结构–性能关系
Abhishek Pathak, Biswajyoti Mukherjee, Krishna Kant Pandey, Aminul Islam, Pavan Bijalwan, Monojit Dutta, Atanu Banerjee, Anup Kumar Keshri
2022, 29(1): 144-152. doi: 10.1007/s12613-020-2171-4
摘要:

本研究试图通过优化等离子喷涂参数来开发一种Fe基非晶/晶体涂层,该涂层主要成分来自一种贫乏的铁基合金(Fe92.6C3.5P1.4Si2Mn0.5)。这种合金是钢铁厂高炉产出的生铁剩余废料。为了经济有效地重新利用这种残留物,这种合金在合成时对成分进行了最少的修改。同时,本研究还探讨了涂层的结构、机械、腐蚀和磨损性能对喷涂参数(等离子功率、主气体流速、送粉速度和间隔距离)的依赖性。X射线衍射表明,在最优的喷涂参数下沉积的涂层存在无定形/晶体相。在较低等离子功率和最高气体流速下沉积的涂层表现出更好的密度、硬度和耐磨性。所有涂层都表现出良好的耐腐蚀性(腐蚀环境:3.5wt% NaCl 溶液)。机械、磨损和摩擦学研究表明,单一的工艺参数优化无法提供良好的涂层性能;相反,所有工艺参数在优化涂层性能都具有独一无二的作用,它们主要通过控制飞行中的颗粒温度和速度分布,以及熔滴撞击基材之前的冷却模式来控制涂层性能。

研究论文
SiC纳米/微米颗粒增强Ni基复合涂层的力学和耐腐蚀性能
张博威, 张俏, 张展, 肖葵, 姚琼, 马国佳, 孙刚, 吴俊升
2022, 29(1): 153-160. doi: 10.1007/s12613-021-2307-1
摘要:

通过电化学共沉积在瓦特镀液中制备了含有纳米/微米SiC颗粒的Ni基复合涂层,然后对其力学和防腐性能进行了评估。显微观察发现,不同尺寸的SiC颗粒均能很好地与Ni基体结合。X射线衍射(XRD)结果表明,尺寸较小的SiC颗粒减弱了Ni沿(200)晶面的优先生长。此外,引入中微米(8 μm和1.5 μm) SiC颗粒可显著提高Ni复合镀层的显微硬度。电化学测试表明,微米SiC颗粒会降低Ni复合涂层的耐蚀性,这主要是由于微米SiC颗粒引起的结构缺陷所致。纳米SiC (50 nm)颗粒与中微米(1.5 μm)颗粒的结合可提高复合涂层的致密性,有利于涂层的长期耐腐蚀性能,但显微硬度损失可忽略不计。

研究论文
石墨烯对铜纳米复合材料物理力学性能和摩擦学性能的影响
Adnan I. Khdair, A. Ibrahim
2022, 29(1): 161-167. doi: 10.1007/s12613-020-2183-0
摘要:

本文对铜–石墨烯纳米片(GN)纳米复合材料的力学性能和摩擦学性能进行了实验研究。我们采用化学包覆法将银粒子包覆在GNs上,以避免其与铜的反应和金属间相的形成。分析了GN含量对制备的纳米复合材料的结构、力学性能和摩擦学性能的影响。结果表明,化学镀是一种有效避免铜与碳反应和金属间相形成的方法。GNs的加入显著提高了Cu纳米复合材料的力学性能和摩擦学性能。然而,GNs的添加需要谨慎进行,因为在达到一定的阈值后,其机械性能和摩擦学性能会受到负面影响。结果表明,GN含量为0.5vol%时,复合材料的硬度、磨损率和摩擦系数分别比铜纳米复合材料提高了13%、81.9%和49.8%。这些改进的性能是由于降低的晶体尺寸,GNs的存在,以及复合材料成分的均匀分布。

研究论文
云母/聚乙二醇复合相变储热材料的研究
张东尧, 李传常, 林酿志, 谢宝珊, 陈荐
2022, 29(1): 168-176. doi: 10.1007/s12613-021-2357-4
摘要:

储热技术的发展能够有效解决能源供需不匹配的矛盾,储能技术的实施离不开储热材料。相变材料作为储热材料的核心,在太阳能热利用、建筑节能、电池热管理等诸多领域展开了研究应用。但是相变材料存在固-液相变过程泄漏、导热系数偏低等缺陷,阻碍了其实际应用。云母矿物具有独特形貌结构、良好的热稳定性等原料优势,同时具备简单易得、价格低廉的成本优势。本文旨在开发一种高性能、低成本的复合相变储热材料,采用真空浸渍法制备了云母/聚乙二醇复合相变储热材料,借助X射线衍射仪、傅里叶红外光谱仪表征复合相变材料的晶体和化学结构;热重分析仪表征复合相变材料的热稳定性能;差示扫描量热仪获取复合相变材料的相变温度、相变潜热和循环稳定性能;储放热性能测试和瞬态温度响应实验获取了复合相变材料储存/释放热能的速率以及对温度变化的响应快慢;复合相变材料的导热系数为0.59 W·m−1·K−1,是纯聚乙二醇导热系数(0.25 W·m−1·K−1)的2.36倍;泄漏测试对复合相变材料形状稳定性能进行了测试。研究结果表明,云母作为储热材料的支撑基体,与相变材料不发生化学反应,能够有效地解决相变材料相变过程泄漏和导热系数较低的问题,在储热领域中具有良好的应用潜力。

研究论文
富硅钒尾矿热活化及改性制备绿色环保“一体化”地聚合物
包申旭, 罗勇鹏, 张一敏
2022, 29(1): 177-184. doi: 10.1007/s12613-020-2182-1
摘要:

本研究的目的是通过热活化和改性的方式,将富硅钒尾矿制备成地聚合物前驱体。在热活化阶段,钒尾矿和氢氧化钠均匀混合后在高温下煅烧。掺入偏高岭土来调节热活化后钒尾矿的硅铝比例,并得到地聚合物前驱体。结合TG-DSC,SEM,XRD以及活化钒尾矿浸出试验结果发现,在热活化过程中,钒尾矿首先被氢氧化钠腐蚀,然后在颗粒表面形成硅酸钠。热活化后的钒尾矿在加水后,钒尾矿颗粒表面的硅酸钠层溶解,释放出硅组分并形成碱性的溶液环境。偏高岭土能够在碱性环境中溶解释放出铝组分,并与先前释放的硅组分发生地质聚合反应。残余未反应的颗粒通过地质聚合过程中产生的凝胶连接,从而紧密的粘结在一起,随后养护硬化成具有优异机械性能的地聚合物产品。本研究能够提高了地聚合物技术在大规模工业现场应用的可行性,能够促进钒尾矿及其他富硅的固体废物的综合利用。