International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials

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2024, 31(7): 1463-1479. doi: 10.1007/s12613-024-2906-8

中文摘要(1460) PDF(90) SpringerLink

摘要:
锚注将锚固与注浆技术有机结合，是深部软岩、破碎巷道围岩控制有效的解决手段，已在多个深部矿区软岩巷道广泛应用，取得了显著的控制效果。本文系统介绍了锚注理论、设计方法、材料、施工工艺、参数监测仪器及效果检测方法的发展历程，包括锚固理论、注浆加固理论及高预应力-高压劈裂锚注协同主动控制新原理；动态信息设计新方法；常规注浆锚杆锚索及高预应力、高强度、高封孔压力新型注浆锚杆锚索；常规无机、有机注浆材料与新型无机有机复合材料优缺点及适用条件；多种注浆锚杆锚索支护与注浆加固效果评价方法与仪器；锚注时机、锚注次序、注浆压力、注浆量与注浆锚杆锚索布置的确定依据。介绍了预应力高压劈裂锚注协同控制技术在我国典型千米深井软岩矿井——新集矿区口孜东矿松软煤帮、软岩岩巷的应用情况。最后，分析了深部软岩巷道锚注控制技术存在的问题，展望了未来锚注控制技术的发展趋势。

特约综述

利用矿山充填体回填解决磷石膏堆存问题：在污染物截留和二氧化碳减排方面的新见解

刘一锴, 王运敏, 陈秋松

2024, 31(7): 1480-1499. doi: 10.1007/s12613-023-2799-y

中文摘要(5339) PDF(104) SpringerLink

摘要:
磷石膏作为磷肥生产的副产品，其堆存问题在全球范围内广泛存在，对生态系统功能和人类健康产生负面影响。在本研究中，我们回顾了近期的研究，并首先探讨了磷石膏中存在的多种有毒元素（如可溶性磷，氟化物，重金属以及放射性元素等）并阐述了它们的赋存形式与土壤特性、人为活动及周围生物的密切关系。然后，我们回顾了一些可以促进磷石膏可持续管理的原位或异位解决方案，其中比较值得关注的是矿山胶结回填技术，这种技术为促进磷石膏的增值回收提供了经济实惠且可扩展的途径。然而，这种技术在实施过程中面临有毒元素固定能力和充填体长期有效性的挑战。此外，由于这一传统方案将会对普通硅酸盐水泥产生大规模的需求，从而导致大量的二氧化碳被排放，如何为这一技术路线进行脱碳在近年来受到了更多的关注，以满足《巴黎协定》和中国碳中和经济的气候减缓目标。为了解决这些问题，我们回顾了一系列创新战略，包括辅助胶凝材料与替代胶凝材料的使用、二氧化碳矿化技术以及供应链优化等。这些策略的整合旨在进一步推进磷石膏治理的经济性和可持续性。然而，要实现环境、社会和经济方面的共同效益，需要进一步研究以弥合先进技术的可行性与多学科需求之间的差距。

研究论文

充填体–围岩组合体异源信息相空间重构与稳定性预测

陈大鹏, 尹升华, 龙卫国, 严荣富, 张宇飞, 闫泽鹏, 王雷鸣, 陈威

2024, 31(7): 1500-1511. doi: 10.1007/s12613-024-2916-6

中文摘要(2445) PDF(36) SpringerLink

摘要:
传统研究认为充填体可以有效控制应力集中，而忽视了充填体–围岩组合体在高应力条件下应力分布复杂多变、稳定性不明的问题。目前的监测数据处理方法存在不能充分考虑监测对象的复杂性、监测方法的多元性及监测数据的动态性等特点。为了解决这个问题，本文提出了充填体–围岩组合体异源信息相空间重构与稳定性预测方法。采用钻孔应力计、多点位移计以及测斜仪等设备构建了龙首矿大面积充填体–围岩组合体立体监测体系，持续获取充填体–围岩组合体应力、位移等多元信息。结合平均互信息法和虚假最邻近点法构建了充填体–围岩组合体异源信息相空间。本文以相点间最邻近点距离作为评估充填体–围岩组合体稳定性的指标——“评估距离”。本文应用该方法计算了龙首矿12个测点的历史评估距离时间序列，结果表明评估距离对充填体–围岩组合体稳定性变化表现出高度敏感性，这些序列的突变时刻比巷道返修时间提前了至少3个月。在评估距离预测实验中，ARIMA模型的预测准确度高于深度学习模型（LSTM和Transformer），它的预测结果的均方根误差分布峰值为0.26，且在70%的情况下优于无预测方法。

研究论文

基于矿物微观结构模型的微波诱导花岗岩开裂及熔化数值模拟研究

苏晓丽, 李地元, 赵君杰, 王蜜蜜, 苏醒, 周奥辉

2024, 31(7): 1512-1524. doi: 10.1007/s12613-023-2821-4

中文摘要(1482) PDF(50) SpringerLink

摘要:
本研究提出了一种基于花岗岩矿物微观结构的电磁-热-力耦合模型，揭示了微波辐射下多矿物花岗岩的微观开裂机制及矿物熔化规律。室内微波加热实验验证了该模型的合理性。基于微波加热的多场耦合数值模拟显示：不均匀的温度梯度导致花岗岩断裂表面形成了熔化、多孔和非熔化区。矿物间的热膨胀系数和杨氏模量差异导致了矿物边界处产生了显著的热应力。由于较高的热膨胀系数，石英和黑云母受到了压缩作用，而具有较小的热膨胀系数的斜长石则受到拉伸应力。在熔化区域，石英经历α–β相变而产生了穿晶裂纹。花岗岩内部的局部高温还引发了黑云母和长石的熔化相变。这一数值模拟研究为微波照射下岩石内部热应力分布和矿物相变提供了新的认识。

研究论文

电渣重熔制备80 t级 9CrMoCoB 大型耐热钢铸锭中非金属夹杂物的演变

段生朝, Min Joo Lee, 苏耀, 牟望重, Dong Soo Kim, Joo Hyun Park

2024, 31(7): 1525-1539. doi: 10.1007/s12613-024-2905-9

中文摘要(555) PDF(79) SpringerLink

摘要:
在1823 K下进行了CaF₂–CaO–Al₂O₃–SiO₂–B₂O₃熔渣和9CrMoCoB钢的实验室实验，以研究电渣重熔（ESR）过程钢中硼（B）元素的氧化行为。通过离子与分子共存理论（IMCT）和Wagner模型分别计算了渣中SiO₂和B₂O₃的活度以及钢液中Si和B的活度。热力学计算结果表明，与CaF₂–CaO–Al₂O₃–SiO₂–B₂O₃熔渣中的其他成分相比，渣中SiO₂和B₂O₃对钢中平衡B含量有显著影响。热力学计算结果得到了实验室实验和工业实验数据的验证，并且得到了电渣重熔制备大型9CrMoCoB的渣系成分。工业实验在85 t电渣炉上进行，自耗电极直径为1.6 m、电渣锭直径2.15 m、质量为85 t。通过在自耗电极和电渣锭不同位置取样分析制备大型耐热钢铸锭过程夹杂物去除和转变机理。结果发现，自耗电极中主要夹杂物有以Al₂O₃为核心的CaO–Al₂O₃–SiO₂–MnO液态夹杂物和以Al₂O₃和MnS为核心的M₂₃C₆碳化物。在重熔铸锭中只能观察到纯Al₂O₃夹杂物和以Al₂O₃为核心的M₂₃C₆碳化物。通过电解萃取法确定该碳化物的成分包含C、Fe、Cr、W和Mo元素，透射电镜确定该碳化物类型可以为Cr_21.34Fe_1.66C₆、(Cr₁₉W₄)C₆、Cr_18.4Mo_4.6C₆和Cr₁₆Fe₅Mo₂C₆。以上结果说明，在电渣重熔过程中，在电极端部位置液态CaO–Al₂O₃–SiO₂–MnO氧化物和MnS硫化物分别被炉渣吸附或发生分解通过熔渣脱硫反应去除。电渣锭中Al₂O₃夹杂物的生成主要由于钢液中Al含量的增加导致的。本文对夹杂物的生成和转变机理进行了详细的热力学分析。

研究论文

两流连铸中间包换包过程多相流动及钢液二次氧化的数值模拟研究

王璟丞, 刘珍童, 陈威, 陈宏亮, 张立峰

2024, 31(7): 1540-1553. doi: 10.1007/s12613-024-2909-5

中文摘要(414) PDF(53) SpringerLink

摘要:
连铸中间包在生产过程中起着调节和均匀钢液成分、稳流分流以及连铸衔接的作用。然而，在中间包换包非稳态过程中钢液液面波动剧烈，使得钢液裸露造成二次氧化，降低了钢产品质量。本文通过建立三维数学模型计算了中间包换包过程中60 t两流连铸中间包内钢液–渣–空气多相流动，并在此基础上耦合二次氧化模型研究了再充包过程由于钢液裸露引起的二次氧化以及溶解氧从渣眼扩散到钢液中的过程。讨论了不同再充包速度下钢液的二次氧化和溶解氧的扩散。研究结果表明，在钢包更换的高速再填充过程中，入口速度的增加与会使渣眼面积增加，同时进入中间包的溶解氧总量也会增加。再充包过程入口速度为3.0 m⋅s^–1工况二次氧化最严重，中间包内钢液的平均溶解氧质量分数增加了0.000145%。相比之下，入口速度为1.8 m⋅s^–1工况的平均溶解氧质量分数增加了0.000035%。定量对比换包过程溶解氧含量的增加以及换包过程中钢液的暴露时间，入口速度为1.8 m⋅s^–1工况二次氧化影响最小。因此，更换钢包时应该降低浇注速度。

特约综述

废旧锂离子电池的火法冶金回收

Juheon Lee, Kwang Won Park, Il Sohn, Sanghoon Lee

2024, 31(7): 1554-1571. doi: 10.1007/s12613-024-2907-7

中文摘要(2515) PDF(138) SpringerLink

摘要:
随着先进储能技术的发展，锂离子电池(LIBs)在全球的重要性日益凸显。然而，废旧电池在环境、经济和资源管理方面引起了重大挑战。本文重点介绍了锂离子电池的火法冶金回收工艺，探讨了对工艺的基本认识和优化的重要性。围绕火法冶金回收工艺存在的高能耗、高气体排放问题，系统分析了工艺的资本密集性和由此产生的技术特征。此外，为克服现有的技术壁垒和局限性，对未来的研究方向进行了深入的讨论。本文为电池回收领域的研究人员和行业相关者提供有价值的见解。

特约综述

高强度抗氢脆钢设计综述

杜智煜, 石荣建, 彭星宇, 高克玮, 庞晓露

2024, 31(7): 1572-1589. doi: 10.1007/s12613-024-2900-1

中文摘要(1523) PDF(57) SpringerLink

摘要:
在碳达峰和碳中和的时代背景下，新型钢铁材料的高强韧化及氢的安全利用迫切需要开发抗氢脆性能优异的高强钢。金属材料的强度、抗氢脆性能难以协同提升是一个交叉的科学、工程难题，开发既能提高强度、又能提高抗氢脆性能的高强韧钢，将对氢能安全利用以及实现钢铁工业碳中和目标具有重要的理论指导和应用价值。本文从高强抗氢脆钢的设计理念出发，总结了抗氢脆表面设计和利用纳米析出相作为晶内氢陷阱的研究现状，为高强抗氢脆钢的设计提出了可行化的建议和展望。

研究论文

DZ2车轴钢不同回火温度下冲击韧性的示波冲击研究

刘硕, 张鹏, 王斌, 汪开忠, 许自宽, 胡芳忠, 白鑫, 段启强, 张哲峰

2024, 31(7): 1590-1598. doi: 10.1007/s12613-024-2908-6

中文摘要(278) PDF(18) SpringerLink

摘要:
DZ2车轴钢是中国具有自主知识产权的高铁车轴材料，为满足严苛条件下的服役安全性，需要对其冲击韧性进行全面了解。与传统的夏比摆锤冲击试验方法相比，示波冲击试验有助于分析材料在冲击断裂过程中的具体力学行为。在本文中，对DZ2车轴钢在不同回火温度下的强度和韧性之间的倒置关系进行了测试和分析，并通过示波冲击的测试方法对DZ2车轴钢冲击过程中能量消耗特点和趋势进行分析。回火过程显著影响碳化物的析出行为，导致碳化物的长径比不同。通过对应力分布、示波冲击统计、断口形貌和碳化物形貌的综合分析，研究了冲击裂纹扩展过程的特征。冲击韧性随着回火温度的升高而提高，主要是由于冲击裂纹扩展所需能量的增加。低回火温度试样冲击韧性差的原因是，在扩展过程中，小塑性区的碳化物形态导致应力集中点数量增加，导致断口上脆性和韧性断裂混合分布。

特约综述

双极板设计对质子交换膜燃料电池和水电解槽中腐蚀、传质和传热的影响：综述

张久宏, 罗谢景, 丁英语, 常璐琦, 董超芳

2024, 31(7): 1599-1616. doi: 10.1007/s12613-023-2803-6

中文摘要(1664) PDF(83) SpringerLink

摘要:
氢能开发作为实现脱碳化和构建可持续能源体系的关键途径，对于应对全球能源危机具有至关重要的作用。质子交换膜电解水技术因其制氢效率高、反应速度快且电解槽结构紧凑等优点，被认为是一项极具发展潜力的技术。双极板在质子交换膜水电解槽中占据较高的成本和重量比例，其优化设计变得格外关键。本文综述了近年来双极板在材料选取和流场设计方面的研究现状。首先，对比了质子交换膜燃料电池与水电解槽内部的工况差异，包括化学反应、运行温度、压力、质量流速和工作电位。随后，系统回顾了双极板基材和表面涂层的研究现状，并重点介绍了一些典型的槽-肋流场和多孔流场等。同时，探讨了材料选取对传质和传热的影响以及通过改进流场结构来减少腐蚀的可能性。最后，展望了双极板设计的未来发展趋势，其中包括利用3D打印技术优化流场结构以提升传质和传热效率，以及借助计算材料学方法优化表面涂层成分以提高耐蚀性和导电性等方面的探索。

研究论文

一种丙烯酸涂料大气老化评估模型：半监督式机器学习算法

李溢然, 富忠恒, 余向阳, 金智慧, 龚海燕, 马菱薇, 李晓刚, 张达威

2024, 31(7): 1617-1627. doi: 10.1007/s12613-024-2921-9

中文摘要(640) PDF(15) SpringerLink

摘要:
丙烯酸涂料因其优异的耐候性和装饰性而被广泛应用于建筑和汽车工业，然而，其在复杂多变的大气环境中的老化性能仍然是材料科学领域关注的重点。为了探索丙烯酸涂料在不同气候条件下的大气老化行为，本研究在中国13个具有代表性气候的环境中进行了为期两年的实地老化暴露实验。研究分析了567个城市的老化数据，包括11个关键环境因素，以此来建立丙烯酸涂料的大气老化评估模型。通过采用随机森林算法和斯皮尔曼相关性分析的组合，实现了对数据集的有效降维，减少了数据冗余和多重共线性问题。在建模过程中，以环境因素为输入变量，选取了丙烯酸涂层在3.5wt%氯化钠溶液中的电化学阻抗谱的低频阻抗模量值作为输出变量，构建了一个半监督协同训练的回归模型。与传统的监督学习算法（如支持向量机）相比，新模型具备了更高的预测准确性。此外，该模型不仅为快速评估丙烯酸涂料的老化性能提供了一种新的方法论，也为其他有机涂料的老化性能评估提供了可借鉴的技术路径。总体而言，这项研究为涂料工业提供了一种创新的、可靠的评估工具，有助于推动材料科学在涂料老化领域的研究和应用。

研究论文

火山灰烧结RE₂Si₂O₇（RE = Yb和Ho）环境阻挡涂层材料的高温腐蚀性能研究

Ayahisa Okawa, Son Thanh Nguyen, Tadachika Nakayama, Thi-Mai-Dung Do, Hisayuki Suematsu, Shu Yin, Takuya Hasegawa, Tsuneo Suzuki, Takashi Goto, Koichi Niihara

2024, 31(7): 1628-1638. doi: 10.1007/s12613-024-2899-3

中文摘要(433) PDF(40) SpringerLink

摘要:
稀土硅酸盐是一种很有前途的环境阻挡涂层（EBCs），可以保护下一代燃气轮机叶片中的SiC_f/SiC_m基体。值得注意的是，RE₂Si₂O₇（RE = Yb和Ho）因其与基材相容的热膨胀系数（CTE）和对水蒸气腐蚀的高抵抗性而显示出巨大的潜力。下一代涡轮叶片的目标工作温度为1400°C。在与熔融火山灰粘附的过程中，腐蚀是不可避免的，因此，了解材料的腐蚀行为对其可靠性至关重要。本文使用固态反应和热压方法制备了样品，然后将分别暴露在1400^oC的火山灰中2、24和48 h，研究发现暴露48 h后，火山灰没有与Yb₂Si₂O₇反应，而是渗透到其内部造成损坏。同时，Ho₂Si₂O₇部分溶解在熔融的火山灰中，形成了一个反应区，阻止火山灰熔体穿透内部。随着热处理时间的增加，反应区扩大，针状磷灰石晶粒厚度增加。Yb₂Si₂O₇的残余火山灰中的Ca:Si摩尔比基本上没有变化，但随着时间的推移，Ho₂Si₂O₇的Ca∶Si摩尔比显著降低。火山灰中的Ca被消耗并形成磷灰石，表明具有大离子半径（Ho>Yb）的RE³⁺离子容易从火山灰中沉淀磷灰石。

研究论文Open Access

添加铪、钼对钴基双相高熵合金夹杂物特性的影响

王勇, 王嵬, Joo Hyun Park, 牟望重

2024, 31(7): 1639-1650. doi: 10.1007/s12613-024-2831-x

中文摘要(1476) PDF(48) SpringerLink

摘要:
具有优异力学性能的特定等级高熵合金（HEAs）可以在高温等极端环境下进行服役。在本研究中，选择化学成分为Co_47.5Cr₃₀Fe_7.5Mn_7.5Ni_7.5 （at%）的基于钴的高熵合金作为研究对象，同时添加1.5at%铪（Hf）与钼（Mo）元素到高熵合金中，鉴于其在高温性能上的优异性能。分别采用二维截面法以及三维电解提提取夹杂物并进行全面的分析。研究结果表明，添加Hf可以减少Al₂O₃夹杂物的生产，并形成更稳定的富含Hf的氧化物（比如HfO₂）；Mo的添加不会影响夹杂物的类型，但可以通过影响HEA熔体的热物性参数来影响夹杂物的尺寸、力度分布等特征。在实验研究的基础上进行了理论计算，结果表明 Al₂O₃夹杂物的聚合系数和碰撞频率均高于HfO₂夹杂物，但本研究结果表明，夹杂物的数量对HfO₂和Al₂O₃的聚合行为起着更大的作用。HEA中形成夹杂物的类别主要决定于合金中的活性元素，同时HEA中的杂质水平（比如O、S）和活性元素是影响夹杂物形成的关键因素。

研究论文

高熵多孔磷酸盐陶瓷的制备、结构及其隔热机理研究

张佩雄, 王恩会, 刘静静, 杨涛, 王海龙, 侯新梅

2024, 31(7): 1651-1658. doi: 10.1007/s12613-023-2788-1

中文摘要(512) PDF(52) SpringerLink

摘要:
多孔陶瓷由于具有孔隙率高、低密度和低热导率等优点广泛应用于隔热材料。目前，氧化物陶瓷例如YSZ、钙长石和Y₂SiO₅由于具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性被广泛用作隔热材料。尽管这些多孔材料具有明显的优势，但它们仍然有一些缺点，这些陶瓷材料由于存在较高的热导率和高温相稳定性较差的问题而被有所限制。近年来，由于航空航天的热防护材料提出了更高的要求，迫切需要寻找新型的高性能轻质高强度隔热材料。稀土磷酸盐（REPO₄, RE = La–Gd）由于具有高熔点、良好的高温相稳定性等一系列优异的性能，被认为是隔热材料的有力候选者。然而，对稀土磷酸盐陶瓷的研究主要集中在致密陶瓷块体和热/环境障涂层上，目前关于多孔磷酸盐隔热材料研究的报道很少。高熵策略通过增加构型熵可以提高材料的力学性能和相稳定性、降低热导率、晶粒生长速率，是调控材料性能的热门和可行手段。本工作以稀土硝酸盐（RE(NO₃)₃·6H₂O, RE = La, Ce, Pr, Sm, Eu, Gd）和H₃PO₄为原料，采用化学共沉淀法制备了高熵(La_1/6Ce_1/6Pr_1/6Sm_1/6Eu_1/6Gd_1/6)PO₄粉体。在此基础上，以淀粉为造孔剂，制备了不同淀粉含量的高熵多孔(La_1/6Ce_1/6Pr_1/6Sm_1/6Eu_1/6Gd_1/6)PO₄陶瓷，研究了淀粉含量对高熵多孔(La_1/6Ce_1/6Pr_1/6Sm_1/6Eu_1/6Gd_1/6)PO₄陶瓷的物相组成、微观结构、孔径分布及尺寸、热导率和耐压强度的影响。研究结果表明，利用淀粉造孔法制备的高熵多孔(La_1/6Ce_1/6Pr_1/6Sm_1/6Eu_1/6Gd_1/6)PO₄陶瓷具有分级孔隙结构，分别为孔径尺寸10 μm的球形大孔和0.5–1.5 μm的小孔。随着淀粉含量的增加，高熵多孔(La_1/6Ce_1/6Pr_1/6Sm_1/6Eu_1/6Gd_1/6)PO₄陶瓷的孔隙率增加，热导率和耐压强度呈现降低的变化趋势。当淀粉添加量为60wt%时，高熵多孔(La_1/6Ce_1/6Pr_1/6Sm_1/6Eu_1/6Gd_1/6)PO₄陶瓷具有较低的热导率（0.061 W/(m·K)）、耐压强度（0.23 MPa）和良好的高温孔结构稳定性（收缩率为1.67%），这些优异的性能表明高熵多孔(La_1/6Ce_1/6Pr_1/6Sm_1/6Eu_1/6Gd_1/6)PO₄陶瓷具有优异的高温隔热性能，有望作为新型的隔热材料使用。此外，由于淀粉造孔法制备的孔结构的特性，高熵多孔(La_1/6Ce_1/6Pr_1/6Sm_1/6Eu_1/6Gd_1/6)PO₄陶瓷的室温热导率与ME2模型预测的热导率结果变化趋势基本符合。

特约综述

β-氧化镓单晶及其器件热处理的研究进展

严宇超, 金竹, 张辉, 杨德仁

2024, 31(7): 1659-1677. doi: 10.1007/s12613-024-2926-4

中文摘要(1558) PDF(102) SpringerLink

摘要:
近年来，超宽带隙半导体β-氧化镓凭借其有意的物理性质而被认为在功率器件和紫外光电器件方面具有极大的应用潜力。在半导体工业中，热处理作为一种方便有效的单晶衬底性质调制和器件制造方法，已得到了广泛应用。因此，全面总结β-氧化镓单晶和器件在高温热处理过程中的行为对促进氧化镓产业的发展具有重要意义。在这篇综述中，我们介绍了通过热处理调节β-氧化镓单晶衬底性能的研究进展，主要包括三个应用方面:(i) 调整晶体电学性能，(ii) 修饰衬底表面形貌，(iii) 氧化法制备β-氧化镓。同时，本文综述了热处理在β-氧化镓(i)电极制备和(ii) 辐射损伤处理和离子注入等器件制备方面的应用。在不同的应用中，本文总结了较为通用的热处理策略，并提出了现存热处理工艺存在的问题。

特约综述

非互易热超材料：方法和应用

徐正姣, 刘传宝, 王学倩, 李泳良, 白洋

2024, 31(7): 1678-1693. doi: 10.1007/s12613-023-2811-6

中文摘要(1221) PDF(47) SpringerLink

摘要:
在天然材料中，由于受限于热流固有的各向同性扩散属性，难以实现非互易传热行为。而利用人工构建的热超材料，则可以打破系统互易性，实现对热流大小和方向的任意调控，在隔离保护、单向传输和能量收集等方面具有重要应用前景。本文首先从昂萨格互易定理出发，介绍了非互易热超材料设计的基本理论。其次，探讨了实现非互易传热的不同方法，包括使用非线性材料或结构、时空调制和引入角动量偏差等。进一步，讨论了实现非互易热辐射方面的实现方法。最后，介绍了非互易性在其他拉普拉斯物理场的潜在应用，并展望了非互易热超材料的未来研究方向。

研究论文

基于Nd_xSm_1−xNiO₃金属绝缘体相变特性的温度传感阵列

鄢峰波, 李子昂, 张豪, 崔雨晨, 聂开琪, 陈诺夫, 陈吉堃

2024, 31(7): 1694-1700. doi: 10.1007/s12613-023-2816-1

中文摘要(389) PDF(36) SpringerLink

摘要:
在诸多电子相变材料中，稀土镍基氧化物（RENiO₃）具有宽温区可连续调控的金属绝缘体相变（MIT）特性，在强关联逻辑器件、突变式热敏电阻、红外伪装等方面具有潜在应用价值。本项工作利用碱金属卤化物助熔辅助下的高氧压固相反应制备了Nd_xSm_1−xNiO₃陶瓷材料，通过在x为0~1范围内调控Nd/Sm原子比例实现了其MIT特征触发温度（T_MIT）在200~400 K温区的准连续调控。特别是对于x ≤ 0.8的Nd_xSm_1−xNiO₃其在跨越特征温度（T_MIT）附近210~360 K温区范围内呈现出远高于传统负阻温系数（NTC）热敏电阻的阻温系数（例如，超过7%/K），且其升降温测量的电阻率温度关系无明显温度滞回。因此，通过引入优化的并联电阻可在10 K范围内实现Nd_xSm_1−xNiO₃电阻率与温度的线性变化，从而有望应用于精密温度传感；而进一步通过将具有不同稀土比例Nd_xSm_1−xNiO₃的组成阵列，可将上述精密温度传感的潜在温区拓宽至210~360 K。

研究论文

溶胀处理轻质宽带电磁波吸收多孔碳的吸收性能及机理

文江豪, 兰笛, 王益群, 任良贵, 冯爱玲, 贾梓睿, 吴广磊

2024, 31(7): 1701-1712. doi: 10.1007/s12613-024-2881-0

中文摘要(1603) PDF(55) SpringerLink

摘要:
生物碳材料因其可重复性和环境友好性，在微波吸收和屏蔽领域引起了广泛关注。本研究采用溶胀诱导法将KOH均匀分布在生物质银耳上，通过碳化制备出三维网络结构的分层多孔碳（HPC）。在厚度为2.1 mm的情况下，微波吸收强度达到−47.34 dB。值得注意的是，在匹配厚度为2.2 mm时，有效吸收带宽达到7.0 GHz（11~18 GHz）。优异的宽带和反射损耗性能归功于三维多孔网络、界面效应、碳网络缺陷和偶极弛豫。HPC因其出色的阻抗匹配和高衰减常数而具有出色的吸收特性。均匀的孔隙结构大大优化了材料的阻抗匹配性能，而丰富的界面和缺陷则增加了介电损耗，从而提高了衰减常数。此外，还系统研究了碳化温度和膨胀率对微波吸收性能的影响。这项研究提出了一种利用生物质衍生HPC制备吸收材料的策略，在电磁波吸收领域展现了巨大的潜力。

研究论文

非对称六元稠环受体的烷基链调节与宽带隙第三组分协同用于高效三元有机太阳能电池

李淑芳, 管慧兰, 朱灿, 孙超远, 魏擎亚, 袁俊, 邹应萍

2024, 31(7): 1713-1719. doi: 10.1007/s12613-024-2903-y

中文摘要(252) PDF(15) SpringerLink

摘要:
有机太阳能电池(OSCs)作为一种新型清洁光伏技术，因其具有质量轻、柔性和可溶液法加工等优点受到广泛关注。精细分子设计与器件工艺优化之间的协同作用为实现OSCs中开路电压（V_oc）、短路电流密度（J_sc）和填充因子（FF）之间的平衡提供了可能途径，从而进一步推动高效有机光伏器件的发展。在此，合成了两种非对称的六元稠环小分子受体（SMAs），命名为BP4F-HU和BP4F-UU。BP4F-UU分子中外侧烷基链的延伸限制了其末端基团的旋转，降低了混合薄膜中的能量失序，进而减少了器件中的能量损失。同时，BP4F-UU分子中π–π堆积的增强提高了薄膜的电荷迁移率。基于PM6:BP4F-UU的器件相较于PM6:BP4F-HU（0.863 V）表现出0.878 V的高V_oc。此外，设计合成了一种与PM6:BP4F-UU二元体系具有互补吸收的新的宽带隙SMA，命名为BTP-TA。由于BTP-TA的光致发光（PL）光谱与BP4F-UU的吸收光谱之间有良好的重叠，BTP-TA与BP4F-UU之间可以通过荧光共振能量转移（FRET）途径实现有效的分子间能量转移。宽带隙第三组分BTP-TA的加入进一步提高了器件的V_oc。最终，含有15wt％BTP-TA的三元器件PM6:BP4F-UU:BTP-TA实现了V_oc（0.905 V）、J_sc（26.14 mA/cm²）和FF（75.38％）的同时提高，达到了17.83％的最佳PCE。这项工作表明，分子结构设计与器件工艺优化的协同策略是提高有机太阳能器件光伏性能的有效方法。

特约综述

钠离子电池用层状氧化物正极材料循环性能研究进展

吴劲频, 田俊行, 孙学义, 庄卫东

2024, 31(7): 1720-1744. doi: 10.1007/s12613-023-2776-5

中文摘要(1583) PDF(65) SpringerLink

摘要:
层状氧化物具有高容量、高工作电压、合成简单等优点，是一种前景广阔的钠离子电池正极材料。循环性能是评价电池应用前景的重要标准。然而，面对相变、空气稳定性、副反应和不可逆阴离子氧化还原等挑战，层状氧化物正极材料的循环性能仍然无法满足应用要求。因此，本综述总结了应对这些挑战的几种策略。首先从单个阳离子掺杂、单个阴离子掺杂、多个离子掺杂三个方面介绍体相掺杂。其次，对表面均匀包覆和浓度梯度改性进行了详细介绍。此外，还介绍了混合结构设计、颗粒工程、高熵材料开发、综合改性等方法。最后，本文对层状氧化物正极材料的开发和改性进行了总结和展望，希望对层状氧化物正极材料的研究提供新的思路。

研究论文

升级再造废旧锂电材料为高电压双离子电池正极

杜苗, 吕红艳, 杜凯迪, 郑硕航, 王晓彤, 邓晓桐, 曾荣华, 吴兴隆

2024, 31(7): 1745-1751. doi: 10.1007/s12613-023-2807-2

中文摘要(531) PDF(36) SpringerLink

摘要:
电化学储能技术作为化石能源向清洁能源过渡的最先进的方法之一，正在以越来越快的速度发展，推动着碳中和未来的实现。其中，锂离子电池凭借优异的电化学性能和良好的安全性能已广泛应用于电动工具和便携式电子产品中。与此同时，废旧锂离子电池的数量也急剧增加，预计到2030年将会产生1100万吨的废旧锂离子电池。然而，目前传统的回收方法（湿法和火法回收法）仍然存在一定的局限性（消耗大量化学试剂，产生二次污染和能耗高）。因此，该论文提出了一种生态友好且可持续的双回收策略，即将废锂离子电池的钴酸锂正极和石墨负极材料同步回收，并将回收的钴酸锂升级处理为磷酸钴锂。随后，将磷酸钴锂和石墨以1：1的质量比混合，并用于锂离子/六氟磷酸根共脱嵌的双离子电池中。在25 mA g^-1 的电流密度下，该双离子电池可发挥出86.2 mAh g^-1的放电比容量，且循环 400 次后的容量保持率为69%。对废旧锂离子电池的正负极进行双重回收可避免资源浪费，并获得性能优异的正极材料，从而为设计新型二次电池提供了一种生态友好和可持续发展的途径。

特约综述

水系锌离子电池MXene基正极材料的研究进展和展望

武爱多, 王天浩, 张隆, 陈晨, 李侨敏, 曲选辉, 刘永畅

2024, 31(7): 1752-1765. doi: 10.1007/s12613-024-2859-y

中文摘要(1408) PDF(60) SpringerLink

摘要:
水系锌离子电池凭借其本征安全、成本低廉、环境友好和优异的电化学性能，在大规模储能领域展现出巨大应用潜力。然而，二价锌离子与宿主材料之间的强静电相互作用限制能够高效、快速、稳定储存锌离子的先进正极材料的开发。MXenes及其衍生物具有较大的层间距、良好的亲水性、出色的电子导电性和高氧化还原活性，被认为是水系锌离子电池正极材料的“明日之星”。本文全面综述了MXenes基材料作为水系锌离子电池正极的最新研究进展，包括其晶体结构、储锌机制、表面改性、层间工程和导电网络设计等方面，进而阐明其成分、结构与电化学性能之间的构效关系。此外，我们提出了目前MXenes基水系锌离子电池正极面临的挑战，例如迫切需要改进有毒的制备方法、探索潜在的新型MXene基正极材料以及抑制层状MXene在电化学循环过程中的再堆叠。最后，对未来发展高性能水系锌离子电池MXenes基正极材料的前景作出了展望。

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