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2023年  第30卷  第9期

W合金化对面心立方高熵合金微观结构、力学性能和耐蚀性的影响

肖娜，关旭，王东，闫海乐，蔡明辉，贾楠，张宇东，Claude Esling，赵骧，左良

封面故事：封面显示了钨元素掺杂可激活面心立方高熵合金中的多种强化机制，包括固溶强化、细晶强化和第二相强化等，并且能够促使合金表面形成致密的三氧化钨钝化膜进而改善其抗腐蚀性能。封面生动形象的描绘了钨掺杂影响面心立方高熵合金力学及腐蚀性能的物理机制，有助于推进高强韧、耐腐蚀高熵合金的设计与发展。

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特约综述
白钨矿与含钙矿物浮选分离抑制剂研究：综述
王子鸣, 冯博, 陈渊淦
2023, 30(9): 1621-1632. doi: 10.1007/s12613-023-2613-x
中文摘要(1611) PDF(97) SpringerLink
摘要:
由于黑钨矿的枯竭，钨开采的重点已逐渐转移到白钨矿。然而，分离相关矿物（如磷灰石、萤石和方解石）和白钨矿是一项挑战，因为它们的表面物理化学特性与白钨矿相似。幸运的是，研究人员通过使用抑制剂在分离白钨矿的矿物方面取得了实质性进展。本研究回顾了无机抑制剂在从含钙矿物中获取钨资源的应用和抑制机制；总结了新的有机抑制剂在从含钙矿物中获取钨资源的应用和相关机制。在客观评估了无机和有机抑制剂的优点和缺点后，提出了无机和有机抑制剂未来可能的研究方向，为开发白钨矿浮选抑制剂提供了理论基础。
特约综述
中国炼铁行业碳排放现状及对策
唐琛妹, 郭正启, 潘建, 朱德庆, 李思维, 杨聪聪, 田宏宇
2023, 30(9): 1633-1650. doi: 10.1007/s12613-023-2632-7
中文摘要(1577) PDF(174) SpringerLink
摘要:
钢铁工业是一个高能耗、高污染的行业。中国是世界上最大的钢铁生产国和消费国，其能源消耗占全国总能源的15%，碳排放量占全球钢铁工业的50%以上。因此，在全球低碳经济和减排要求的背景下，钢铁工业的低碳冶炼技术在国内越来越受到重视。本文综述了中国钢铁工业的碳排放和能耗现状，探讨了低碳炼铁技术的发展现状和前景。提出有效降低碳排放的主要途径是发展气基直接还原工艺和用球团代替烧结，两者都离不开发展球团工艺。然而，由于国内缺乏优质铁资源，如何获得高质量的铁精矿是球团工艺发展面临的挑战。因此，本文还总结了中国选矿技术的发展现状，包括细粒选矿技术、磁化焙烧技术和浮选捕收剂的应用等。本文结合钢铁冶炼的低碳发展现状，从选冶联合的角度为中国炼铁工业低碳之路的发展提供了思路。
特约综述
基于工业大数据的智能高炉炼铁技术关键问题与进展
石泉, 唐珏, 储满生
2023, 30(9): 1651-1666. doi: 10.1007/s12613-023-2636-3
中文摘要(1771) PDF(164) SpringerLink
摘要:
高炉冶炼过程是最典型的“黑箱”过程，其复杂性和不确定性对炉况顺行带来了巨大挑战。但高炉炼铁拥有丰富的数据资源，数据科学、智能技术的快速发展，为解决高炉炼铁过程中不确定性问题提供了有效手段。本文围绕人工智能技术在高炉炼铁中的应用，从高炉数据治理、时滞性与关联性分析、高炉关键变量预测、高炉炉况评价和高炉多目标智能优化五个方面对现阶段智能化高炉炼铁技术的发展和存在问题进行总结与分析。在高炉数据预处理方面，应综合考虑数据问题和算法特性，科学选择数据处理方法，才能使高炉数据质量得到有效改善；在高炉重要特征分析方面，需要先消除高炉参数间时滞性的影响，才能保证高炉参数与炉况经济指标之间逻辑关系的准确性；在高炉参数预测与炉况评价方面，需要构建数据信息与工艺机理融合的高炉智慧模型，才能够实现高炉关键指标的精准预测与高炉炉况的科学评价。在高炉参数优化方面，应该以低风险、低成本、高回报作为优化准则，追求优化效果的同时还应综合考虑现场操作的可行度和操作成本。本文内容有助于提高工艺操作者对智能化高炉技术的整体认识和理解。此外，将大数据技术与高炉工艺相结合，有利于提高数据模型在实际生产中的实用性，促进智能化技术在高炉炼铁中的应用。
特约综述
W合金化对面心立方高熵合金组织、力学性能和耐蚀性的影响：综述
肖娜, 关旭, 王东, 闫海乐, 蔡明辉, 贾楠, 张宇东, Claude Esling, 赵骧, 左良
2023, 30(9): 1667-1679. doi: 10.1007/s12613-023-2641-6
中文摘要(1142) PDF(136) SpringerLink
摘要:
多主元高/中熵合金是由多种主要组成元素构成的固溶体合金。与传统合金相比，高熵合金因其具有高强度、高硬度、高耐磨性、高温稳定性、抗高温氧化性以及抗辐照性等优点，成为近些年来金属材料科学领域的研究热点。研究表明，W元素掺杂可激活多种强化机制，包括固溶强化、细晶强化和第二相强化（μ相、σ相和b.c.c.相），并且能够促使合金表面形成致密的WO3钝化膜进而改善其抗腐蚀性能。W元素合金化的上述作用使得其引起了高熵合金领域研究者的广泛关注。本文从组织结构、力学性能及抗腐蚀性能三个方面综述了掺杂W元素对多主元高/中熵合金的影响，并对其存在的问题及可能解决途径进行了探讨和分析。
研究论文
间接拉伸条件下各向异性岩石的微观损伤演化：基于声发射和数字图像相关技术的见解
储超群, 吴顺川, 张朝俊, 张永乐
2023, 30(9): 1680-1691. doi: 10.1007/s12613-023-2649-y
中文摘要(563) PDF(57) SpringerLink
摘要:
岩石层理结构引起的各向异性通常表现在岩石的力学行为和破裂模式中。本研究对七组页岩圆盘试样进行巴西试验，试样具有不同的层理角度。采用声发射(AE)和数字图像相关(DIC)技术监测试样的实验室原位破坏过程。此外，通过扫描电子显微镜(SEM)观察受损试样的裂纹形态。结果揭示了页岩的拉伸力学行为与结构依赖性。在试验的初期，页岩圆盘在不同位置和试验时间下呈现压缩现象。随着层理角度的增加，压缩区域的位置向下移动并逐渐消失。宏观破裂的位置特征通过AE事件定位结果得到很好的描述，而主导频率分布与层理角度相关，同时，发现b值存在应力依赖性。层间裂纹转向角和穿过层理的裂纹数量随着层理角度的增加而增加，表明裂纹发育之间存在竞争。SEM结果揭示试样的破裂模式可以分为三类：沿层理的拉伸破裂与基质的剪切破裂，沿层理的剪切破裂与基质的拉伸破裂混合阶梯破裂模式，以及沿多个层理的剪切破裂与基质的拉伸破裂混合破裂模式。
研究论文
固体废弃物资源综合利用：开发矿山用湿喷混凝土
胡亚飞, 尹升华, 李克庆, 张博, 韩斌
2023, 30(9): 1692-1704. doi: 10.1007/s12613-022-2563-8
中文摘要(679) PDF(46) SpringerLink
摘要:
以固体废弃物开发湿喷混凝土具有重大的经济和环保效益。本文提出采用尾砂作为骨料，采用粉煤灰和矿渣粉作为辅助胶凝材料，开发矿山用尾砂湿喷混凝土（TWSC）。通过响应面法优化配合比实验方案，并基于实验结果构建多元非线性响应模型，以探究不同因素对TWSC强度的影响规律；通过构建高斯过程回归算法（GPR）对TWSC强度进行预测，并结合遗传算法（GA）对TWSC配合比进行优化。结果表明TWSC强度随矿渣粉掺量和尾砂细度模数的提高逐渐变大，随粉煤灰掺量的提高先变大后减小。当矿渣粉掺量小于80 kg·m−3时，其对TWSC中后期强度影响显著；当矿渣粉掺量高于80 kg·m−3时，其对TWSC的早期强度影响显著。与多元非线性回归、支持向量回归和极限学习机等方法相比，GPR对TWSC强度的预测精度最高（R = 0.998，RMSE = 0.143，VAF = 99.564），将GPR与GA结合构建的GRP–GA模型实现了多因素条件下的TWSC配合比优化。
研究论文
钛/硅矿物对铝土矿拜耳法溶出过程中针铁矿转化的影响
周国涛, 王一霖, 齐天贵, 周秋生, 刘桂华, 彭志宏, 李小斌
2023, 30(9): 1705-1715. doi: 10.1007/s12613-023-2628-3
中文摘要(1243) PDF(54) SpringerLink
摘要:
针铁矿型高铁三水铝石矿是目前氧化铝工业广泛使用的原料。在拜耳溶出过程中，明确钛/硅矿物对针铁矿转化的影响是高效利用此类矿石中铁、铝资源的重要前提。本文研究了在拜耳法溶出过程中锐钛矿或高岭石与针铁矿之间的相互作用，研究结果表明：锐钛矿和高岭石对针铁矿的转化均有阻滞作用，锐钛矿与铝酸钠溶液反应后在针铁矿表面产生致密的钛酸钠层，从而产生更显著的影响，而高岭石反应生成的水合铝硅酸钠形成非致密吸附层影响较小；加入还原剂促进了拜耳溶出过程中磁铁矿的形成，从而有助于消除锐钛矿或高岭石对针铁矿转化的阻滞作用。在针铁矿转化过程中，钛嵌入磁铁矿晶格中，形成钛磁铁矿，同时，磁铁矿和水合铝硅酸钠之间相互作用的减弱进一步降低了高岭石的影响。最后，以几内亚高铁三水铝石矿为原料，验证了上述研究结果。在还原拜耳法溶出过程中，氧化铝相对溶出率达到98.87%，赤泥中氧化铁含量达72.99wt%，有希望通过钢铁工业大幅消纳。
研究论文
行波磁场对高强钢板坯枝晶生长行为的影响研究：工业试验和数值模拟
姚骋, 王敏, 倪有金, 王达志, 张海波, 邢立东, 龚坚, 包燕平
2023, 30(9): 1716-1728. doi: 10.1007/s12613-023-2629-2
中文摘要(532) PDF(56) SpringerLink
摘要:
本文研究了板坯连铸过程中高强钢22MnB5在行波磁场作用下的枝晶生长行为，分析了板坯凝固组织的形貌和溶质元素的分布。结果表明，当行波磁场开启较低的电流强度工作时，柱状晶会发生偏转和断裂。随着电流强度的增加，二次枝晶间距和溶质渗透率会减小，柱状晶会转变为等轴晶。行波磁场产生的电磁力改变了当地的温度梯度和速度大小，促进了枝晶的折断和熔断行为。枝晶的致密性和成分均匀性按照从优到劣的排序如下：柱-等转变区（行波磁场高电流强度工作时）、柱状晶区（行波磁场低电流强度工作时）、柱-等转变区（行波磁场低电流强度工作时）、等轴晶区（行波磁场高电流强度工作时）。最后，本文结合经验证的数值模拟结果、凝固前沿的边界层理论和枝晶折断-熔断模型，揭示了枝晶的偏转机制和生长过程。当忽略行波磁场造成的热应力，且枝晶不存在紧缩窄区时，钢液凝固前沿的速度大小达到0.041 m/s时枝晶出现折断行为。
研究论文
铁钢界面 “一罐制” 运行下转炉炼钢厂铁水罐动态调度的智能优化方法
曾立, 郑忠, 连小圆, 张开, 祝明妹, 张开天, 徐超月, 王飞
2023, 30(9): 1729-1739. doi: 10.1007/s12613-023-2625-6
中文摘要(620) PDF(38) SpringerLink
摘要:
高炉–转炉的“一罐制”运行模式对铁钢界面技术提出更高要求，炼钢厂内铁水罐的运行调度决定了界面的整体运行效率。考虑实际生产环境的强不确定性，提出了基于数据驱动的铁水罐动态调度方法。本文构建了以最小化铁水罐周转时间为优化目标的铁水罐动态调度模型，设计了面向动态扰动的影响程度及范围的3类动态调度策略。通过对关键数据的跟踪，实现工业场景的智能感知与扰动自主识别、动态调度策略的自适应配置以及调度方案的实时调整。以某钢厂系统运行期间某天24 h生产数据进行的案例测试表明：该方法及系统可以有效降低铁水罐运行时间波动，提高铁钢界面生产节奏的稳定性，且数据驱动下的动态调度策略可行有效。
研究论文
TiO2和TiN夹杂物在CaO–SiO2–B2O3基无氟保护渣中的溶解行为
蔡大为, 张力, 王万林, 张磊, Il Sohn
2023, 30(9): 1740-1747. doi: 10.1007/s12613-023-2622-9
中文摘要(613) PDF(58) SpringerLink
摘要:
保护渣作为钢铁连铸的冶金辅料，发挥着吸收夹杂物等重要冶金功能，直接影响了连铸的顺利进行和铸坯的质量。本文利用原位的单丝热电偶技术和X射线光电子能谱技术研究了TiO2和TiN夹杂物在熔融CaO–SiO2–B2O3基无氟保护渣中的溶解行为和机理。研究结果表明TiO2夹杂物能够在76 s内有效地被熔渣溶解；在这过程中，TiO2夹杂物中的[TiO6]8-八面体结构会被破坏、并转化成[TiO4]4-四面体结构。然而TiN夹杂物的溶解效率远远低于TiO2的溶解效率。这是因为TiN颗粒需要先被氧化才能被缓慢溶解到熔渣中、转化成[TiO6]8-八面体和[TiO4]4-四面体结构，并且这反应伴随着大量的氮气生成。另外，在熔体中含有充足的[TiO6]8-八面体和Ca2+的情况下，高熔点的CaTiO3晶体容易在氮气气泡表面形核、生长，导致熔渣最终成固液混熔的状态。
研究论文
氧化物含量和烧结温度对放电等离子烧结制备晶内氧化物强化铁合金组织和力学性能的影响
张德印, 郝旭, 贾宝瑞, 吴昊阳, 章林, 秦明礼, 曲选辉
2023, 30(9): 1748-1755. doi: 10.1007/s12613-023-2631-8
中文摘要(499) PDF(19) SpringerLink
摘要:
越来越多的工程设计用结构材料需要有高的强度、刚度和断裂韧性。如何在不牺牲韧性的情况下提高材料强度一直是材料研究者制造高性能合金时孜孜以求的目标。本文基于溶液燃烧路线和放电等离子烧结制备了具有高强度和优异韧性的氧化钇纳米粒子均匀分散于铁基体晶粒内部的弥散强化铁合金，系统地研究了氧化钇含量和烧结温度对合金微观组织和性能的影响规律。研究结果表明，当氧化钇含量一定时，随着烧结温度的提升，合金的相对密度和晶粒尺寸增大，显微硬度和压缩强度降低，应变失效率增大。当烧结温度一定时，随着氧化钇含量的增加，氧化钇对合金致密化的作用阻碍增大，烧结合金的相对密度减小，显微硬度和压缩强度增大。可通过合理选择氧化钇添加量和烧结温度来获得的满足使用要求的合金。在650°C烧结温度下制备的Fe–2wt%Y2O3 合金的平均晶粒尺寸为147.5 nm，其晶内氧化钇粒子的平均晶粒尺寸为15.5 nm。通过压缩测试该合金极限抗压强度高达1.86 GPa，应变破坏率高达29%，表现出高的强度和良好的韧性，这主要归因于该合金的微观结构。本文也详细分析和揭示了该合金的微观结构形成机理和强化机制，其中细晶强化和弥散强化是提升合金性能的主要强化机制，为制备高性能弥散强化合金提供理论和技术基础。
研究论文
α相对β型生物钛合金断裂行为和断裂韧性的作用
王冉, 宋秀, 王磊, 刘杨, MitsuoNiinomi, 张德良, 程军
2023, 30(9): 1756-1763. doi: 10.1007/s12613-023-2635-4
中文摘要(689) PDF(43) SpringerLink
摘要:
Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr(TNTZ)具有高比强度、低杨氏模量（接近人体骨组织，约60 GPa）、良好的生物相容性等，有望用于骨科修复、人工假体替换等。然而固溶态TNTZ钛合金的力学性能逊色于Ti–6Al–4V合金。时效处理可提高TNTZ钛合金的强度、但其塑韧性受损，危及医用服役安全。迄今时效α相对TNTZ钛合金断裂行为的影响仍处空白。本文旨在揭示时效α相对合金断裂行为的影响规律及作用机理，为合金的安全服役提供理论依据。为此，本文通过时效处理调控α相的尺寸、形态、分布、含量等特征，通过显微组织观察、断裂韧性测试、断口形貌观察研究了α相特征参量与合金断裂行为及断裂韧性的关系。结果表明，723 K时效，随时间延长，合金断裂韧性先降低后升高；4–8 h降至最低值72.07–73.19 kJ·m−2；72 h升至最高值144.89 kJ·m−2。时效4–8 h，断裂韧性较低的原因是：大长径比的针状α相尖端应力集中程度高，易于形成微裂纹；网格上呈“V形”或“近似垂直”排列的α相促进裂纹沿α/β相界面优先扩张，使裂尖难以均匀钝化、偏转，裂纹扩张阻力下降。8–72 h，断裂韧性回升的原因是：α相长径比减小，应力集中程度降低；网格上α相长轴方向的种类逐渐增多，呈“三棱锥”排列的α相对裂纹扩张的阻碍增加，使裂尖均匀钝化；α相分布渐趋均匀、数量增多，使裂尖钝化、偏转增加。时效α相对合金断裂行为影响的分析表明，723 K时效态合金的断裂行为主要由网格上α相长轴不同取向的数量控制。
研究论文
氮化硼纳米管显著增强铜基复合材料
陈乃齐, 李全, 马有草, 杨昆明, 宋健, 刘悦, 范同祥
2023, 30(9): 1764-1778. doi: 10.1007/s12613-023-2633-6
中文摘要(1076) PDF(51) SpringerLink
摘要:
氮化硼纳米管（BNNTs）和碳纳米管（CNTs）具有优异的力学和物理性能，与CNTs相比，BNNTs具有更强的层间剪切强度和较高的温度稳定性，意味着BNNTs具有更好的增强效果。然而，由于缺乏高质量的BNNTs合成方法，目前BNNTs增强铜（Cu）基复合材料的力学性能和增强机制缺乏研究。因此，本文以氧化锂和硼粉作为原料，通过球磨和退火的方法制备了高质量的BNNTs，研究了BNNTs的最佳合成参数和生长机制，即经典的气相-液相-固相合成机制。通过球磨、放电离子体烧结和热轧工艺成功制备了分散良好的3vol.%BNNTs/Cu和3vol.%CNTs/Cu。对比研究了294 K至893 K温度下BNNTs/Cu和CNTs/Cu的拉伸性能和增强机制。在293 K时，BNNTs/Cu和CNTs/Cu的极限拉伸性能接近，达到约404 MPa，比纯Cu高出约171%。然而，在893 K时，BNNTs/Cu的极限拉伸性能和屈服性能分别比CNTs/Cu高出27%和29%。通过定量研究和对比了BNNTs/Cu和CNTs/Cu的载荷传递增强、细晶强化增强、位错密度增强和残余热应力增强四种增强机制，我们认为BNNTs比CNTs具有更强的层间剪切强度和界面结合强度，以及更高的载荷传递效率。
研究论文
附属粉末高速氧喷涂CoNiCrAlY/纳米Al2O3复合涂层显微组织及高温抗氧化性能对比研究
Pejman Zamani, and Zia Valefi
2023, 30(9): 1779-1791. doi: 10.1007/s12613-023-2630-9
中文摘要(847) PDF(37) SpringerLink
摘要:
本文采用高速氧燃料工艺在Inconel738高温合金基体上沉积了含有2wt%、4wt%和6wt%氧化物纳米颗粒和纯CoNiCrAlY粉末的附属CoNiCrAlY–Al2O3原料。本研究在1050°C下进行5、50、100、150、200和400 h的氧化试验，分别用扫描电镜和X射线衍射表征粉末和涂层的微观结构和相组成，并对涂层的结合强度进行了评价。结果表明，随着纳米颗粒含量的增加(从2wt%增加到6wt%)，涂层的孔隙率(从1vol%增加到4.7vol%)、未熔颗粒和粗糙度(从4.8 µm增加到8.8 µm)增加，结合强度从71 µm下降到48 µm。氧化400 h后，纯涂层和复合涂层(2wt%、4wt%和6wt%)的热生长氧化层厚度分别为6.5、5.5、7.6和8.1 µm。CoNiCrAlY–2wt% Al2O3涂层由于分散良好的纳米颗粒的扩散阻挡效应，表现出最高的抗氧化性。CoNiCrAlY–6wt % Al2O3涂层由于其粗糙的表面形貌和多孔的微观结构而具有最低的抗氧化性。
研究论文
硫铁化合物膜对氢渗透的阻隔性能研究
白鹏鹏, 李少伟, 程洁, 温相丽, 郑树启, 陈长风, 田煜
2023, 30(9): 1792-1800. doi: 10.1007/s12613-022-2593-2
中文摘要(519) PDF(20) SpringerLink
摘要:
在H2S腐蚀过程中，具有六方晶体结构的Fe–S腐蚀产物具有潜在的氢渗透阻隔作用。本文通过腐蚀和CVD沉积的方法在碳钢上制备了Fe–S化合物薄膜，使用电化学氢渗透方法测试了不同晶型Fe–S化合物膜对氢渗透的阻隔作用。并利用热电测量系统测试了Fe–S化合物膜在相变过程中的电阻率。结果表明，作为p型半导体，马基诺矿对氢渗透没有明显的阻隔作用，而作为n型半导体，磁黄铁矿和黄铁矿对氢渗透有明显的阻隔效应。当碳钢表面沉积磁黄铁矿和黄铁矿的薄膜时，氢渗透电流值低于裸钢一个数量级。腐蚀产物在从马基诺矿到磁黄铁矿的转变过程中，半导体特性从p型变为n型，在从黄铁矿到磁黄铁矿转变过程中始终保持n型。因此，有两个因素会影响腐蚀产物的氢渗透。首先，腐蚀产物层的致密结构防止了钢和硫化氢水溶液之间的接触。其次，腐蚀产物的半导体特性的差异导致界面处离子和空位的选择性吸附和迁移发生变化，反应是由Fe2+在薄膜之间的迁移速率控制的，H+更倾向于在n型半导体界面与电子结合，形成氢并逸出，从而减少渗透到金属中的氢总量。
研究论文
二维材料隧穿摩擦电荷的动态行为研究
赵璇, 徐良旭, 荀晓晨, 高放放, 廖庆亮, 张跃
2023, 30(9): 1801-1808. doi: 10.1007/s12613-023-2659-9
中文摘要(833) PDF(49) SpringerLink
摘要:
二维材料因其原子尺度的尺寸优势，被认为是后摩尔时代新型逻辑器件的关键材料。目前，主要利用栅极电场控制二维逻辑器件的电输运特性，结构复杂且一旦制造完成便不可更改。如果能够利用摩擦起电产生的静电场代替传统的栅极静电场，有望简化二维电子器件的结构，并根据实际需要随时重新配置。然而，传统暴露型摩擦电荷的寿命仅为几分钟，如何构筑稳定的摩擦电浮栅，并用以控制二维逻辑器件的电输运特性仍有待研究。本文系统研究了多种二维材料（MoS2、WSe2和ZnO）的摩擦起电过程。这三种材料分别为典型的n型、双极型和p型半导体材料。与传统的块状材料不同，二维材料在摩擦后，产生的摩擦电荷可能会穿过二维材料到达下层衬底表面。由于隧穿摩擦电荷受到二维材料的保护，其在基体表面的稳定停留时间可达7天以上，远超传统暴露型摩擦电荷几十分钟的寿命。此外，隧穿摩擦电荷产生的静电场可以有效调控二维材料的载流子输运性能，隧穿摩擦电浮栅调控的场效应器件的源漏电流可提高近60倍。二维材料中的摩擦电荷隧穿现象有望应用于新型二维电子器件和可重构功能电路等领域。
研究论文
580°C空气气氛烧结制备SiC纳米线/低熔点玻璃复合材料及其电磁波吸收和力学性能
时冉冉, 林炜, 刘政, 许军娜, 匡健磊, 刘文秀, 王琦, 曹文斌
2023, 30(9): 1809-1815. doi: 10.1007/s12613-023-2653-2
中文摘要(558) PDF(20) SpringerLink
摘要:
碳化硅纳米线是一种优良的高温电磁波吸收材料，在实际应用中它需要与透波基体材料复合来实现应用。然而，它的聚合物基复合材料很难应用于300°C以上的高温；另一方面，它的陶瓷基复合材料通常需在1000°C以上高温和惰性气氛中制备。为了解决上述应用和制备问题，本文设计并制备了一种可在580°C低温和空气气氛烧结的SiC/低熔点玻璃复合材料。研究结果表明：SiC纳米线均匀分布在玻璃基体材料中；由于烧结温度低，SiC纳米线在空气气氛烧结过程中并未发生明显氧化。低熔点玻璃的电磁波吸收能力趋近于0；而由于SiC纳米线的极化损耗和电导损耗的协同作用，以及其一维纳米结构增强作用，复合材料的电磁波吸收和力学性能显著增强。当SiC纳米线填充比例从5wt%增加至20wt%时，复合材料在8.2–12.4 GHz频段的介电损耗和电磁波吸收能力逐步提高。当SiC纳米线填充比例为20wt%，吸收层厚度为2.3 mm时，复合材料的最小反射损耗为−20.2 dB，有效吸收带宽为2.3 GHz；同时，其维氏硬度和抗弯强度分别达到HV 564和213 MPa，比低熔点玻璃分别提高了27.7%和72.8%。本研究为传统的聚合物和陶瓷基复合吸波材料以外，提供了一种新的吸波材料制备思路。
研究论文
共价键结合的双金属铂钌碳纳米管复合材料及对高效甲醇氧化反应研究
张婷, 王万宗, 马征, 柏雷, 姚悦, 徐冬青
2023, 30(9): 1816-1823. doi: 10.1007/s12613-023-2699-1
中文摘要(429) PDF(14) SpringerLink
摘要:
铂类纳米复合材料被认为是甲醇氧化反应（MOR）中最有前途的催化剂之一，但由于其电子转移性能低、易毒化以及电化学活性较差，导致其在实际应用中仍然面临巨大的挑战。本文报道了一种具有良好电化学性能的铂钌碳纳米管复合材料(Pt–Ru@MWCNT)并应用于甲醇氧化反应。该材料的制备是从功能性多壁碳纳米管(F-MWCNTs)出发，在不添加还原剂的情况下，通过简单、环保的方法合成了Pt–Ru@MWCNT纳米复合材料，铂钌双金属纳米粒子与功能性碳纳米管上的氧原子形成M–O–C共价键的方式均匀的负载到碳纳米管上形成双金属Pt–Ru@MWCNT纳米复合材料。采用傅里叶变换红外、电子能谱、透射电镜和电化学测量等实验研究了纳米复合材料的表面官能团、微观结构和形态以及电化学性能。研究结果表明，在功能性碳纳米管表面铂钌双金属纳米粒子与氧原子形成M–O–C共价键的方式均匀的负载到碳纳米管上；Pt–Ru@MWCNT纳米复合材料对MOR的电化学活性表面积(ECSA)为110.4 m2·g−1，比20wt%的商用Pt@C和其他方法制备的Pt类纳米复合材料的ECSA分别高出2.67和4.0倍，这是主要由于M–O–C共价键的产生改善了材料的电子转移性能。此外，将Ru原子引入Pt@MWCNT纳米复合材料中，增强了材料的抗CO中毒能力。
研究论文
Y3+掺杂Bi2MoO6纳米片的制备及其高光催化活性：增加比表面积、形成氧空位和高效载流子分离
邱红, 刘书静, 马晓辉, 李亚洁, 范月妍, 李文军, 周花蕾
2023, 30(9): 1824-1834. doi: 10.1007/s12613-023-2656-z
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摘要:
虽然Bi2MoO6(BMO)近年来受到广泛关注，但由于其光响应范围有限，电荷分离效率低，其可见光光催化活性仍然较差。本文采用水热法制备了一系列可见光驱动的Y3+掺杂BMO (Y-BMO)光催化剂。可见光照射下，Y-BMO对罗丹明B和刚果红有机污染物的最佳降解率分别是纯BMO的4.3倍和5.3倍，且经过4次循环实验，Y-BMO的降解效率没有明显下降。由于Y3+的掺杂，BMO的晶体结构由较厚的层状结构转变为较薄的花状结构，导致其比表面积增大；X射线光电子能谱显示，O 1s轨道在531.01和530.06 eV处存在高强度峰，证实了Y-BMO中氧空位的形成；光致发光和电化学阻抗谱测量表明，复合材料的发光强度和界面电阻显著降低，说明Y3+掺杂大大抑制了电子–空穴对的复合。由此，使得Y-BMO具有了较高的光催化活性。本研究为通过掺杂稀土金属离子制备高效铋基光催化剂来获得高的光催化性能提供了一条有效途径。
研究论文
用于热能储存的硬脂酸/海泡石基定型复合相变储热材料
李传常, 彭馨可, 何建军, 陈荐
2023, 30(9): 1835-1845. doi: 10.1007/s12613-023-2627-4
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摘要:
可再生能源在转化和使用过程中，存在时间和空间上的供需不匹配。基于相变材料的储热技术可以很好地解决供需平衡问题，为可再生能源的高效稳定供能提供重要支撑。然而，相变材料的泄漏问题很大程度上阻碍了其实际应用。采用矿物负载相变材料制备定型复合相变储热材料是解决相变材料泄漏问题和改善热性能的一种有效手段。本文以海泡石(Sepiolite, ST)为主要原料，充分利用其矿物结构和储热特征，构建系列海泡石基定型复合相变储热材料。采用微波辅助盐酸改性海泡石，研究微波辐照下不同盐酸浓度改性对提升海泡石负载相变材料能力的程度。选取改性海泡石为支撑基体，采用真空浸渍法，制备了改性海泡石基复合相变储热材料。对比不同盐酸浓度处理后改性海泡石的孔结构数据，证明了0.5 mol·L−1盐酸处理的样品具有高负载能力。研究结果表明，当盐酸浓度为0.5 mol·L−1时，改性海泡石(STm0.5)的比表面积为139.11 m2·g−1，累计孔容为0.341 m3·g−1，复合材料(SA/STm0.5)的装载量为82.63%，SA结晶度为98.99%，其熔融和冷却潜热值达152.30 J·g−1和148.90 J·g−1。微波辅助酸浸有效改善了海泡石基复合相变储热材料的结晶度，实现了对海泡石基复合相变储热材料的热性能调控，获得了具有高负载能力的改性海泡石基体和高相变潜热值的改性海泡石基复合相变储热材料。
研究论文
Ba2Na3(B3O6)2F在0~10 GPa压力范围内稳定性的实验研究与从头计算法研究
Nursultan E.Sagatov, Tatyana B.Bekker, Yulia G.Vinogradova, Alexey V.Davydov, Ivan V.Podborodnikov, Konstantin D.Litasov
2023, 30(9): 1846-1854. doi: 10.1007/s12613-023-2647-0
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摘要:
本文对偏酸钡钠Ba2Na3(B3O6)2F (P63/m)在高达10 GPa压力下的稳定性和电子性能进行了数值模拟和实验研究。HSE06杂化泛函的电子结构计算结果表明，Ba2Na3(B3O6)2F的间接带隙为6.289 eV。数值模拟研究结果表明，在300 K温度、大于3.4 GPa的条件下，Ba2Na3(B3O6)2F分解为BaB2O4、NaBO2,和NaF相。随后利用‘Discoverer-1500’ DIA型仪器在压力为3 GPa和6 GPa、温度为1173 K下进行了高压高温实验，证实了Ba2Na3(B3O6)2F在3 GPa下的稳定性，并在6 GPa下分解为BaB2O4、NaBO2和NaF，该结果在能量色散x射线分析和拉曼光谱分析中得到了验证。通过对比实验光谱和计算光谱，确定了Ba2Na3(B3O6)2F相的拉曼光谱。在6 GPa下得到的分解反应产物的实验拉曼光谱表明了一种新的高压改性偏酸钡BaB2O4的来源。

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