International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials

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2024, 31(10): 2121-2135. doi: 10.1007/s12613-024-2850-7

中文摘要(623) PDF(79) SpringerLink

摘要:
高炉炼铁关键装备的安全服役是保障高炉稳定顺行低碳冶炼的前提。本文从传热基本原理角度阐释了高炉关键装备的传热特征，基于水动力学特性分析了高炉炉体并联水管间冷却水量分配不均匀现象，明确了提高高炉冷却强度的可行途径。然后从制备工艺、性能指标、关键问题和破损特征等多个维度综述了高炉用冷却器、风口及耐火材料等三大关键装备的应用现状，提出了高炉关键装备在高温服役过程中的优化控制技术，包括高炉操作维护技术、高炉自修复技术和高炉全生命周期管控技术，最后对新形势条件下高炉关键装备材料安全服役及精准防控研究进行了展望。

研究论文

含砷生物浸出渣热处理后在膏体充填体中的应用研究：结构改性、胶凝性能和环境评价

赵登峰, 张世玉, 赵英良

2024, 31(10): 2136-2147. doi: 10.1007/s12613-024-2825-8

中文摘要(2013) PDF(57) SpringerLink

摘要:
含砷生物浸出残渣中存在的大量砷，由于其固有的不稳定性和对浸出的敏感性而引起不可忽视的环境问题。鉴于含砷生物浸出残渣含有丰富的硫酸钙，其表现出较好的工业应用前景。本研究深入探讨了利用含砷生物浸出残渣作为硫酸盐的来源生产超硫酸化水泥的可行性，为水泥浆胶结膏体充填体研制一种新型的胶凝材料。在150、350、600和800°C等温度下对含砷生物浸出残渣进行热处理，以改变其性能。分析含砷生物浸出残渣内含砷的矿物相变及其化学成分的变化。随后，研究了利用含砷生物浸出残渣制备超硫酸化水泥的水化特性，包括反应动力学、凝结时间、强度演化和微观结构。试验结果表明，热处理改变了含砷生物浸出残渣中硫酸钙的结构，从而影响了所制备水泥的性能。值得注意的是，在600°C下煅烧热处理对早期和长期强度都表现出较好的改性效果。这主要归因于胶凝体系水化反应产物的增加和致密微观结构的形成。此外，热处理引起的含砷生物浸出残渣中化学元素砷的改性对制备的胶凝材料的砷固定能力影响有限。

研究论文

高海拔地区低溶解氧环境下黄铁矿浮选行为研究

缪彦, 叶广课, 张国范

2024, 31(10): 2148-2158. doi: 10.1007/s12613-023-2784-5

中文摘要(394) PDF(30) SpringerLink

摘要:
随着矿产资源不断向高海拔地区开发，非常规体系下硫化矿浮选研究受到重视。硫化矿适度氧化有利于浮选已成为共识，但具体适宜溶解氧值尚无定论，高海拔地区低溶氧环境下硫化矿浮选研究较少。本文设计并组装了大气模拟浮选设备，通过控制空气中 N₂/O₂ 分压，模拟黄铁矿在高海拔地区的浮选过程。利用 X 射线光电子能谱（XPS）、原子力显微镜（AFM）、傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）、紫外-可见分光光度计、ZETA 电位和接触角测量揭示了高海拔（4600 m DO = 4.0 mg/L）条件下黄铁矿表面氧化和药剂吸附的影响。纯矿物浮选结果表明，高海拔低溶解氧环境有利于黄铁矿的浮选。接触角测量和 XPS 分析表明，高海拔大气减缓了黄铁矿表面的氧化，促进了 S2–n/S⁰ 的生成，并增强了表面疏水性。溶液化学计算和Zeta电位分析表明，气氛对黄铁矿吸附形式的影响较小，不同气氛条件下均产生双黄药吸附，吸附异丁基黄药（SIBX）后电位明显偏移，高海拔大气下Zeta电位更低，药剂吸附量更大。傅立叶变换红外光谱（FT-IR）、紫外可见光光谱（UV-vis）和原子力显微镜（AFM）分析结果表明，在高海拔环境下，黄铁矿表面吸附了较多捕收剂，且吸附在黄铁矿表面呈柱状/块状网状结构。实验研究结果揭示了在高海拔地区以较少的捕收剂用量即可轻松浮选硫化矿的原因，证实了溶解氧–pH联合调节有利于实现更高效的黄铁矿浮选。

研究论文

孔雀石梯级活化浮选机制及增强表面活性机理研究

丰奇成, 鲁万铭, 王涵, 张谦

2024, 31(10): 2159-2172. doi: 10.1007/s12613-023-2793-4

中文摘要(582) PDF(32) SpringerLink

摘要:
孔雀石是一种常见的氧化铜矿物，在生产中通常使用硫化-黄药浮选法进行富集。目前，通过直接硫化的方法往往较难获得合格的铜精矿产品。因此，本项研究开发一种新的硫化浮选工艺，以提高孔雀石的浮选回收率。在本研究中，使用铜离子用作为活化剂，并与样品表面相互作用，增加矿物表面的反应位点，从而增强矿物的硫化过程和反应活性。与单一铜离子活化相比，采用铜离子梯级活化法孔雀石的浮选效果显著提高。Zeta电位、X射线光电子能谱（XPS）、飞行时间二次离子质谱（ToF–SIMS）、扫描电子显微镜和能谱仪（SEM–EDS）以及原子力显微镜（AFM）分析结果表明，经过铜离子梯级活化后，由于活性Cu位点的增加，S物种在矿物表面的吸附显著增强。同时，活性较高的Cu–S物种的比例也有所增加，进一步改善了样品表面与后续捕收剂之间的反应活性。红外光谱（FT-IR）和接触角测试表明，铜离子梯级活化后，黄原酸根离子更加容易且稳定地吸附在矿物表面，从而提高了矿物表面的疏水性。因此，铜离子梯级活化后孔雀石表面的铜位点提高了矿物表面的反应性，进而提高了孔雀石硫化浮选的回收效果。

研究论文

通过薄带连铸制备性能优异的TRIP-assisted 硅锰钢的简单方法

徐慧, 周乐君, 王万林, 易扬

2024, 31(10): 2173-2181. doi: 10.1007/s12613-023-2818-z

中文摘要(372) PDF(26) SpringerLink

摘要:
先进高强度钢（AHSSs）因其具有良好的综合力学性能，广泛应用于汽车工业。但复杂的轧制、热处理工艺以及高昂的生产成本，限制了AHSSs的大规模生产和应用。针对现存AHSSs工艺复杂、合金添加量高、生产成本高等问题，本研究旨在开发出一条简单、低成本的AHSSs生产工艺。为了满足对最终产品力学性能和成本的期望，本研究将具有独特亚快速凝固特性和成本优势的薄带连铸（DSC）技术与淬火−配分（Q&P）工艺结合应用于低合金Si−Mn钢的生产。并将该方法与传统CSP工艺进行比较，研究了不同凝固条件下形成的初始微观结构以及热处理工艺对最终力学性能的影响。研究结果表明，具有亚快速凝固特性的DSC样品的初始结构是显著细化的板条马氏体和贝氏体的双相结构。与CSP样品中珠光体和铁素体的初始结构相比，DSC样品表现出显著更优的综合力学性能（屈服强度为874 MPa，抗拉强度为1268 MPa，延伸率为13.1%）。经过相同的Q&P处理后，DSC样品中残余奥氏体的体积分数及其碳含量普遍高于CSP样品。其中，DSC-Pt300样品的综合力学性能最佳，屈服强度为1282 MPa，抗拉强度为1501 MPa，延伸率为21.5%，强塑积高达32.3 GPa⋅%。这些结果表明，通过简单的工艺（DSC−Q&P）可以在低合金Si−Mn钢中获得优异的力学性能，证明了DSC技术在制造AHSSs方面的优越性。

研究论文

高性能奥氏体不锈钢的温度依赖强化机制与机械稳定性之间的相互作用

Mohammad Javad Sohrabi, Hamed Mirzadeh, Saeed Sadeghpour, Milad Zolfipour Aghdam, Abdol Reza Geranmayeh, Reza Mahmudi

2024, 31(10): 2182-2188. doi: 10.1007/s12613-024-2919-3

中文摘要(620) PDF(39) SpringerLink

摘要:
本文首次比较了变形温度对相变诱导塑性（TRIP）辅助的304L、孪晶诱导可塑性（TWIP）辅助的316L和高合金稳定904L奥氏体不锈钢的影响，以调整力学性能、强化机制和强度–延性协同作用。扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、X射线衍射（XRD）、拉伸试验、加工硬化分析和热力学分析发现：诱导塑性效应导致304L和316L不锈钢的加工硬化行为具有高温依赖性，随着变形温度的升高，亚稳304L不锈钢表现出TRIP、TWIP和诱导塑性机制弱化的顺序；同时也观察到316L不锈钢中TWIP效应的消失。然而，904L超奥氏体不锈钢的固溶强化在宽温度范围内保持良好的拉伸性能，优于304L和316L不锈钢的性能。另外，由于缺乏额外的塑性机制，904L合金的总伸长率对变形温度的依赖性不太明显。这对揭示固溶体强化和相关的高摩擦应力在宽温度范围内获得优异机械性能具有重要的意义。

研究论文

温度和时间对Fe–28Mn–10Al–0.8C低密度钢中κ-碳化物析出的影响：时效机理及其对材料性能的影响

高喻淋, 张敏, 王瑞, 张欣欣, 谭谆礼, 种晓宇

2024, 31(10): 2189-2198. doi: 10.1007/s12613-024-2857-0

中文摘要(557) PDF(34) SpringerLink

摘要:
本研究探讨了Fe–28Mn–10Al–0.8C（wt%）低密度钢时效过程中第二相κ-碳化物的演化机理及其对钢性能的影响。在低密度钢中，κ-碳化物主要在奥氏体中以纳米级颗粒的形式析出。然而，它们在铁素体中的析出尚未得到全面的探索，其时效过程中的第二相析出机制尚不清楚。本研究全面分析了κ-碳化物在不同时效温度和时间下的晶体学特征和形态演化，以及这些变化对材料显微硬度的影响。在不同的热处理条件下，晶粒内κ-碳化物表现出不同的形态和晶体学特征，如针状、球形和短棒状。在时效的初始阶段，针状的κ-碳化物为主要析出，并伴有一些球形碳化物。κ-碳化物随着时效时间的演唱而生长和变粗，球形碳化物显著减少，棒状碳化物变粗。维氏硬度试验表明，该材料的硬度受κ-碳化物的体积分数、形貌和尺寸的影响。在较高温度下的长期时效导致碳化物的尺寸和体积分数的增加，从而导致硬度的逐渐上升。在变形过程中，强化的主要机制是位错强化和第二相强化。基于这些发现，提出了提高材料强度的潜在策略。

研究论文

两步固溶对Inconel 718合金组织和δ相析出的影响

刘恩宇, 马庆爽, 李心童, 高傲雪, 白静, 余黎明, 高秋志, 李会军

2024, 31(10): 2199-2207. doi: 10.1007/s12613-024-2887-7

中文摘要(508) PDF(26) SpringerLink

摘要:
Inconel 718合金是目前最受欢迎的镍基高温合金，因其卓越的热机械性能，在航空航天、汽车和能源工业中得到了广泛的应用。以锻造态的Inconel 718合金棒材为研究对象，采用X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等表征手段与硬度测试研究了该合金经两步固溶加双级时效处理后组织与硬度的变化，重点研究了两步固溶过程中析出相的演变规律，阐述了γ″亚稳相向δ相的转变机理。通过XRD相分析及Image Pro图像分析软件分别对析出相进行分析，结果表明，随着第二步固溶温度的升高，δ相含量呈先升高后降低的趋势。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究了微观结构和δ相的变化，在第二步固溶温度为925°C的样品中发现了晶内δ相，其与γ基体的取向关系为${[\bar 100]_{\text δ} }$//${[01\bar 1]_{\text γ} }$与(010)_δ//(111)_γ，通过层错切过理论解释了这种晶内δ相的形成，即γ″亚稳相向δ相的转变过程。通过维氏硬度计对各热处理状态的Inconel 718合金进行硬度测试，研究了析出相含量变化对硬度的影响，第二步固溶处理温度在1010°C时样品硬度最高，最大硬度为HV 446.84。

研究论文

退火处理对温轧Mg-Zn-Gd-Ca-Mn合金微观组织及力学性能的影响

宋宜帆, 李希海, 许金良, 张凯, 毛耀宗, 闫宏, 李辉平, 陈荣石

2024, 31(10): 2208-2220. doi: 10.1007/s12613-023-2812-5

中文摘要(430) PDF(33) SpringerLink

摘要:
针对AZ31等传统镁合金易形成基面织构、室温塑性差的问题，利用稀土和钙等溶质原子的独特作用，设计了一种多元微合金化高塑性Mg–1.8Zn–0.8Gd–0.1Ca–0.2Mn材料，研究了退火工艺对温轧板材晶粒尺寸、第二相、织构和室温力学性能的影响规律，以期通过退火调控合金组织和织构，为工业生产工艺提供指导。结果表明退火温度对组织和性能影响显著：轧制态合金内存在少量较大尺寸的块状相和沿着轧制方向的长串相，以及晶粒内部细小的球状和棒状颗粒相；随退火温度的增加，晶粒尺寸先减少后增加，第二相形貌、数量和尺寸发生变化，其中在350°C时发生完全再结晶，450°C晶内颗粒相消失，晶粒尺寸突增；300~350°C为完全再结晶阶段，呈现最优的强塑性综合力学性能，轧向和横向的屈服强度分别为182.1 MPa和176.9 MPa，抗拉强度为271.1 MPa和275.8 MPa，伸长率分别达到27.4%和32.3%。此外，该合金中仍然存在一些较大尺寸的相，影响其力学性能尤其是塑性，该材料还有提升空间。

研究论文

激光选区熔化高强度和高热稳定性TiB₂改性Al–Mn–Mg–Er–Zr铝合金

于江, 耿遥祥, 陈永康, 王肖, 张志杰, 唐浩, 许俊华, 鞠洪博, 王冬鹏

2024, 31(10): 2221-2232. doi: 10.1007/s12613-024-2879-7

中文摘要(853) PDF(16) SpringerLink

摘要:
激光选区熔化（SLM）技术可实现复杂精密金属零部件的一次性快速成形，基于该技术，通过零件结构的拓扑优化及多零件的整合成形，可有效降低零部件的重量并提升其性能。铝合金广泛应用于航空航天等领域重要零部件的制造，然而目前获得广泛应用的SLM成形铝合金主要集中在Al–Si系铸造合金成分，但其强度较低。SLM成形Sc和Zr改性的Al–Mg和Al–Mn系铝合金的力学性能优异，但合金中包含较多的Sc元素，原料成本高昂。通过Er替代Sc可有效降低合金的原料成本，但会恶化合金的SLM成形性。为提升含Er铝合金的SLM成形性，本文通过TiB₂纳米颗粒对Al–Mn–Mg–Er–Zr合金进行成分改性，通过合金的表面形貌和显微组织观察、相结构鉴定和力学性能测试等试验手段系统研究了SLM成形TiB₂/Al–Mn–Mg–Er–Zr合金成形性及时效处理对合金微观组织和力学性能的影响。研究结果表明，由于均匀光滑的上表面和合适的激光能量输入，使得在250 W激光功率下成形的合金具有更高的相对密度，合金相对密度的最大值为(99.7 ± 0.1)%，表现出良好的SLM成形性。合金具有柱状晶-等轴晶双峰晶粒分布，在晶界处存在TiB₂纳米颗粒、Al₆Mn和Al₃Er纳米析出相。沉积态合金经400°C直接时效处理后，由于α-Al基体中大量二次Al₆Mn相的析出，从而有效提升了合金的强度。经400°C时效处理4 h后，合金的屈服强度和极限抗拉强度具有最大值，分别为（374 ± 1）和（512 ± 13）MPa。晶粒的抑制生长、高热稳定性TiB₂纳米颗粒的存在和二次Al₆Mn的时效析出共同使得SLM成形TiB₂改性Al–Mn–Mg–Er–Zr合金具有优异的强度和热稳定性。

研究论文

热处理对超高强度SiC/Al–Zn–Mg–Cu复合材料微观组织、力学性能和断裂行为的影响

马国楠, 朱士泽, 王东, 薛鹏, 肖伯律, 马宗义

2024, 31(10): 2233-2243. doi: 10.1007/s12613-024-2856-1

中文摘要(941) PDF(38) SpringerLink

摘要:
SiC/Al–Zn–Mg–Cu铝基复合材料具有可以媲美钛合金的抗拉强度和弹性模量，作为轻量化结构材料的应用潜力巨大，成为了近年来的研究热点。增加合金元素含量，尤其是Zn元素，是提高Al–Zn–Mg–Cu系铝基复合材料力学性能的有效手段。然而，提高合金含量意味着沉淀相的种类、含量和分布可能发生变化，从而影响复合材料的力学性能和断裂行为。本文旨在开发一种超高强度铝基复合材料，阐明影响其力学性能的关键因素，为材料组织调控提供理论基础。本研究采用粉末冶金和热挤压变形的方法，制备了含12%SiC（体积分数）颗粒的SiC/Al–13.3Zn–3.27Mg–1.07Cu（质量分数，%）复合材料，通过微观组织表征、硬度、电导率和力学性能测试系统地优化了固溶和时效处理工艺，研究了第二相演化及其对复合材料微观组织、力学性能和断裂机制的影响规律。结果表明：双级固溶（470°C/1 h + 480°C/1 h）和低温时效（100°C/22 h）处理可以获得第二相充分溶解且纳米析出相均匀分布的微观组织，最佳抗拉强度可达781 MPa。断口分析表明，沿晶断裂和界面脱粘是超高强度SiC/Al–Zn–Mg–Cu复合材料的主要断裂机制。SiC/Al界面和高角度晶界处存在无析带，是限制复合材料强度提高的主要因素。界面反应产物MgO以及第二相MgZn₂和Cu₅Zn₈优先在SiC/Al界面形核并长大，降低界面结合强度，进一步导致界面开裂。

研究论文

喷雾热解法制备钨替代钴的高镍正极材料

侯子涵, 郭利生, 付显龙, 郑鸿贤, 戴雨晴, 王志兴, 段惠, 董明霞, 彭文杰, 颜果春, 王接喜

2024, 31(10): 2244-2252. doi: 10.1007/s12613-024-2824-9

中文摘要(385) PDF(25) SpringerLink

摘要:
钴在高容量高镍正极材料中起着稳定晶格结构的作用。然而，其高昂的成本和毒性仍然限制了其后续发展。通常可以通过过渡金属置换以降低Co含量。然而由于各元素浓度和沉积速率存在差异，传统共沉淀法无法满足多元素共沉淀和元素均匀分布的要求。本文使用喷雾热解法制备LiNi_0.9Co_0.1−xW_xO₂ (LNCW)，并且分析了偏钨酸铵的热解行为与W替代Co的可行性。所得含Ni−Co−W的氧化物前驱体元素分布均匀，有利于W在最终材料中的均匀替代。随着W的替代，材料一次颗粒尺寸从338.06 nm减小到71.76 nm，锂镍混排程度最低低至3.34%。表现出显著改善的电化学性能。优化条件下，LiNi_0.9Co_0.0925W_0.0075O₂在200次循环后的容量保持率高达82.7%。这项工作表明，W可以在一定程度上弥补钴缺乏造成的损失。

研究论文

用于质子导电燃料电池的Al³⁺掺杂CeO₂研究

Sarfraz, Shahzad Rasool, Muhammad Khalid, M.A.K. Yousaf Shah, 朱斌, Jung-Sik Kim, Muhammad Imran Asghar, Nabeela Akbar, 董文静

2024, 31(10): 2253-2262. doi: 10.1007/s12613-024-2910-z

中文摘要(558) PDF(40) SpringerLink

摘要:
开发具有高离子导电性的电解质是质子导电燃料电池（PCFCs）实际应用的关键。本研究探讨了铝掺杂对氧化铈的结构、形貌、电学和电化学性能的影响。Al掺杂使氧化铈中形成大量的氧空位，进而使得基于该电解质的PCFCs在低温范围（300–500°C）下具备快速离子传导能力。X射线衍射（XRD）精修确定了铝掺杂氧化铈（ADC）材料属于纯立方萤石结构，并证实了铝离子成功掺入氧化铈晶格。研究了材料中不同含量铝掺杂氧化铈（10ADC、20ADC和30ADC）的电子结构，结果表明，30ADC电解质是最优组分，其具有最多的晶格氧空位。以其制备的PCFC在500°C时的最大输出功率密度为923 mW/cm²。此外，利用氧离子阻挡层证明了铝掺杂铈基燃料电池具有质子导电能力。

研究论文

熵增策略实现铁酸铋基薄膜的铁电性增强及漏电改善

芦栋飞, 席国强, 李航任, 涂杰, 刘修桥, 刘旭东, 田建军, 张林兴

2024, 31(10): 2263-2273. doi: 10.1007/s12613-024-2915-7

中文摘要(403) PDF(20) SpringerLink

摘要:
BiFeO₃（BFO）作为无铅铁电薄膜因其理论剩余极化大而受到广泛关注。然而，由于BFO的漏电流很大，导致其铁电性能较差。本文采用溶胶-凝胶法在氟掺杂锡氧化物衬底上沉积了一系列BFO基薄膜，研究了Co、Cu、Mn（B位）和Sm、Eu、La（A位）元素的协同取代对BFO基薄膜的晶体结构、铁电性和泄漏电流的影响。X射线衍射的结果证实晶格畸变可归因于 BFO 基薄膜中单个元素的置换。Sm和Eu的置换导致晶格畸变为伪立方结构，而La则偏向于伪四方结构。压电显微镜证实，制备的薄膜可以实现铁电畴近 180°的可逆转换。电滞回线表明，极化贡献的顺序如下：Cu > Co > Mn（B位），Sm > La > Eu（A位）。电流密度电压曲线表明，泄漏贡献的顺序如下：Mn < Cu < Co（B位），La < Eu < Sm（A位）。扫描电子显微镜显示，Cu元素的引入促进了致密晶粒的形成，而晶粒尺寸分布统计证明，La元素促进了晶粒尺寸的减小，从而导致晶界的增加和泄漏的减少。最后，通过Sm、La、Co和Cu元素的协同作用，制备出的Bi_0.985Sm_0.045La_0.03Fe_0.96Co_0.02Cu_0.02O₃（SmLa-CoCu）薄膜，其剩余极化从25.5 µC/cm²（Bi_0.985Sm_0.075FO₃）跃升至98.8 µC/cm²（SmLa-CoCu）。在 150 kV/cm 的电场强度下，泄漏电流也从 160 mA/cm² 大幅降至 8.4 mA/cm²。因此，本文基于化学工程的增熵策略，重点研究增强铁电性和降低漏电流，为铁电器件的发展提供了一条前景广阔的道路。

研究论文

高性能NiCoZn/C@海绵衍生碳复合吸波材料

解秀波, 王河山, 木村秀夫, 倪翠, 杜伟, 吴广磊

2024, 31(10): 2274-2286. doi: 10.1007/s12613-024-2880-1

中文摘要(1740) PDF(49) SpringerLink

摘要:
开发高性能吸波材料是解决电磁污染的重要途径。本文为了降低复合材料的密度并明确Co、Fe和Mn元素对NiMZn/C@海绵衍生碳(MSDC)复合材料物相及形貌的影响，通过真空抽滤和真空煅烧法制备了NiMZn/C@海绵衍生碳复合材料。在NiCoZn/C@MSDC复合材料中，大量碳纳米管(CNTs)均匀附着在三维交联的海绵状碳的表面，在NiFeZn/C@MSDC和NiMnZn/C@MSDC复合材料中也检测到碳纳米管。NiFeZn/C@MSDC和NiMnZn/C@MSDC复合材料中均发现原位生成的Ni₃ZnC_0.7、Ni₃Fe和MnO物相。原位生成的碳纳米管有效调控了复介电常数。NiCoZn/C@海绵衍生碳复合材料具有最优的性能：在匹配厚度为1.4mm时最低反射损失值为−33.1 dB；在匹配厚度为1.7mm时吸收带宽为5.04 GHz。良好的阻抗匹配，优异的界面极化及偶极子极化，高导电损耗及多重反射/散射效应提高了复合材料的吸波性能。

研究论文

微波等离子体化学气相沉积金刚石膜过程中的边缘效应：多物理场仿真和实验验证

杨志亮, 安康, 刘宇晨, 郭之健, 邵思武, 刘金龙, 魏俊俊, 陈良贤, 吴立枢, 李成明

2024, 31(10): 2287-2299. doi: 10.1007/s12613-024-2834-7

中文摘要(600) PDF(48) SpringerLink

摘要:
金刚石膜在沉积过程的不均匀性严重限制了其后期的加工与应用，造成这种现象的原因之一就是所谓的“边缘效应”。本文旨在研究MPCVD沉积金刚石薄膜过程中的边缘效应。衬底凸起高度$ \Delta h $作为影响边缘效应的重要因素被用以进行等离子体模拟及指导金刚石薄膜沉积实验。使用有限元软件 COMSOL Multiphysics构建了基于电子碰撞反应的多物理场（电磁场、等离子体场和流体传热场）耦合模型。实验性生长通过使用拉曼光谱和扫描电子显微镜进行表征提供了模型验证。研究表明，模拟结果再现了实验趋势。$ \Delta h $（$ \Delta h $ = 0–3 mm）的增大加剧了衬底边缘的等离子体放电，电子密度$ {n}_{\mathrm{e}} $、H摩尔浓度$ {C}_{\mathrm{H}} $、CH₃摩尔浓度$ {C}_{{\mathrm{C}\mathrm{H}}_{3}} $在边缘处倍增（对于$ \Delta h $ = −1 mm的特殊下凹型样品，则表现为活性化学基团在衬底边缘处摩尔浓度的减小）。当$ \Delta h $ = 0–3 mm时，实验中在衬底边缘处得到了更高的金刚石生长速率与更大的金刚石晶粒尺寸，其随$ \Delta h $增大。薄膜厚度均匀性随$ \Delta h $而降低。所有样品的Raman光谱都显示了位于1332 cm⁻¹附近的金刚石一阶特征峰。当$ \Delta h $ = −1 mm时，薄膜全部区域表现为拉应力。当$ \Delta h $ = 0–3 mm时，薄膜全部区域表现为压应力。

研究论文

氧气辅助MgCl₂氯化：电炉粉尘中锌的高效回收方法

黄靖栋, 杨肖

2024, 31(10): 2300-2311. doi: 10.1007/s12613-024-2837-4

中文摘要(1597) PDF(40) SpringerLink

摘要:
电炉炼钢过程中产生的粉尘作为主要的二次锌资源，具有显著的回收价值。然而，锌在电炉粉尘中主要以结构极其稳定的铁酸锌（ZnFe₂O₄）的形式存在，其分离回收存在很多挑战。针对这一问题，本文提出了一种氧气辅助MgCl₂氯化的技术思路，用于实现电炉粉尘中锌的选择性氯化分离。本文重点阐明了氧气对熔融MgCl₂氯化ZnFe₂O₄反应的影响规律和机制。研究结果表明，MgCl₂可有效破坏ZnFe₂O₄的晶体结构，而氧气的存在会促进MgFe₂O₄的形成，抑制铁的氯化，有利于锌的高选择性氯化分离。动力学分析表明，在氧气辅助下，ZnFe₂O₄中的锌被MgCl₂氯化的过程遵循扩散控制的未反应核模型。基于上述发现，本文进一步完成了技术思路的验证，利用氧气辅助MgCl₂氯化从实际电炉粉尘中提取了富含ZnCl₂的产物。在1000°C的空气中、质量比为0.6:1的MgCl₂与电炉粉尘反应40 min后，锌的氯化率高达97%，而铁的氯化率低于1%，所得产物中ZnCl₂的质量分数超过85%。本研究为含锌粉尘的资源回收技术开发提供了有益参考。

研究论文

破坏磁铁矿包裹铜锍微观结构强化从铜渣中回收铜

迟晓鹏, 刘浩宇, 夏俊, 陈杭, 于湘涛, 翁威, 衷水平

2024, 31(10): 2312-2325. doi: 10.1007/s12613-024-2861-4

中文摘要(2239) PDF(34) SpringerLink

摘要:
Fe₃O₄颗粒析出引起熔渣粘度增加、Fe₃O₄包裹铜锍结构的形成阻碍铜物相暴露是铜渣高效贫化的主要障碍。本文将黄铁矿–无烟煤压制造粒成复合球团作为还原剂取代商用粉状黄铁矿或无烟煤，用于深度还原熔渣中的Fe₃O₄以促进渣–锍分离，破除Fe₃O₄包裹铜锍微观结构以促使铜锍液滴充分暴露。当使用质量分数1%的复合颗粒作为还原剂时，铜锍微粒从25 μm长大到毫米级尺寸，底部渣含铜质量分数从1.2%显著富集到4.5%。密度泛函理论计算结果表明，Fe₃O₄包裹铜结构的形成是由于Cu₂S优先粘附在Fe₃O₄颗粒上。X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和拉曼光谱结果均表明，Fe₃O₄高效还原为FeO可以降低熔渣中固相的体积分数，促进硅酸盐网络结构的解聚及熔渣粘度的降低。相应地，铜锍沉降聚集更易进行，铜–渣分离效率提高，铜的回收率得以提升。研究结果为熔渣中铜的原位富集提供了新的思路。

勘误

Erratum to: Review on biomass metallurgy: Pretreatment technology, metallurgical mechanism and process design

Jianliang Zhang, Hongyuan Fu, Yanxiang Liu, Han Dang, Lian Ye, Alberto N. Conejo, and Runsheng Xu

2024, 31(10): 2326-2326. doi: 10.1007/s12613-024-2981-x

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