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2022年  第29卷  第4期

庆祝北京科技大学建校70周年特刊

为隆重庆祝北京科技大学建校70周年,IJMMM组织出版“庆祝北京科技大学建校70周年特刊”,邀请全球矿物、冶金、材料行业院士/高水平学者就相关领域的发展前沿、研究现状、技术挑战、创新成果与未来展望进行研究和综述。中国科学院院士徐冠华教授为特刊作序。特刊包括论文28篇,其中17篇综述类论文,11篇原始研究论文;11篇来自于国内外院士团队,8篇来自于日本、英国、美国、比利时、瑞典的院士团队和国际著名学者,11篇来自国内著名学者。这些论文全方位、立体化展现了碳中和与碳达峰、机器学习、腐蚀大数据、智能矿冶技术、纳米气泡浮选、绿色与可持续冶金、先进金属材料、功能材料和新型能源材料等前沿领域的科技创新的重要成就和重大进展,与广大的科研工作者、期刊的读者和作者们共同见证北京科技大学70年从成长到壮大的辉煌历程。

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序言
庆祝北京科技大学建校70周年特刊序言
徐冠华
2022, 29(4): 575-576. doi: 10.1007/s12613-022-2444-1
摘要:
1952—2022,北京科技大学历经70年风雨征程,从新中国的第一所钢铁工业高等学府,到国家“211工程”重点建设高校,再到国家“双一流”建设高校,已发展成为一所具有鲜明行业特色的多科性研究型大学;培养出20余万名莘莘学子,走出40位两院院士及一大批各行各业的栋梁和骨干,成为我国培养高层次人才和科技创新的重要高地,为国家经济社会发展和行业科技进步作出了巨大贡献,赢得了“钢铁摇篮”的社会美誉。《矿物冶金与材料学报(英文版)》(International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials,原名《北京科技大学学报(英文版)》,简称IJMMM)由北京科技大学主办,1994年创刊,是我国最早被SCI收录的高校学报之一,曾2次 被国家新闻出版广电总局推荐为“百强报刊”,7次入选“中国最具国际影响力学术期刊”,入选有色金属领域和冶金工程高质量科技期刊分级目录T1级别期刊。创刊20多年来,期刊始终坚持“依托北京科技大学的优势学科, 服务国家科技创新和学校学科建设,打造世界一流期刊”的办刊理念,刊载栏目矿物(Minerals)、冶金(Metallurgy)、材料(Materials)—3M, 在国内外矿物、冶金和材料学科的专家学者中享有较高的声誉。IJMMM 刊载了一批重要的学术论文, 报道了我国学者的众多高水平科研成果, 记录并见证了新中国科技事业不断前行的不平凡历程, 为促进中国和世界各国科学家的学术交流,推动我国矿物冶金材料科技发展和培育高层次科研人才做出了积极而重要的贡献。国内外矿物、冶金和材料等领域的多项代表性研究成果均在期刊上发表; 矿物、冶金和材料等领域学界泰斗肖纪美、陈国良、周国治、葛昌纯、胡正寰、王海舟、蔡美峰、谢建新、毛新平、张跃等院士也曾在 IJMMM 发文或出任编委。值此学校70周年华诞之际,IJMMM组织出版了“庆祝北京科技大学建校70 周年特刊”,邀请了全球矿物、冶金、材料行业院士/高水平学者就相关领域的发展前沿、研究现状、技术挑战、创新成果与未来展望进行研究和综述,全方位、立体化展现了全球相关领域的科技创新的重要成就和重大进展。70周年校庆特刊得到了国内外众多高水平科学家的积极支持和响应,在此,我谨向他们和负责审稿把关的专家等表示衷心感谢!我相信学校会继续向着建设特色鲜明、国际知名的世界一流大学的目标奋勇前进, 为中华民族伟大复兴贡献力量,IJMMM继续积极服务国家科技发展战略,汇聚和培育一流科研人才,向着建设矿物冶金与材料学科“世界一流科技期刊”的目标奋勇前进!
研究论文
GSM 模型和它的最新进展
周国治
2022, 29(4): 577-585. doi: 10.1007/s12613-022-2411-x
摘要:
多元体系的物理化学性质涉及到化学的各个领域,受到矿物、冶金、材料科学、环境、生物和农业等各个相关领域的关注。目前,相关数据主要可以通过两种计算方法获得,即第一原理法和经验法。虽然前者最近取得了很大的进展,但要提供实用数据还有很长的路要走;而后者在近半个世纪以来并没有取得任何进展。因此,需要一种理论上合理、实际应用中又准确的新方法来获得实际的、精确的三元和多元体系物理化学数据。本文在相应的二元模型基础上,提出了一种新的理论模型,即GSM模型。本文还从理论分析和实际应用两方面讨论了该理论模型的可行性。
特约综述
锆合金包层碘致应力腐蚀开裂的影响因素及机理:综述
李雨莎, 葛昌纯, 刘艳红, 李光彬, 董晓旭, 顾宗兴, 张迎春
2022, 29(4): 586-598. doi: 10.1007/s12613-022-2431-6
摘要:
因碘致应力腐蚀开裂(I-SCC)导致的锆合金包壳失效会增加裂变产物泄漏的风险。已在大量已发表的文献中对I-SCC的进展进行了全面调查。为了可以更加全面的了解I-SCC,本综述重点总结了锆合金发生I-SCC的机制和影响因素。结果表明,由于碘与锆的反应,锆合金表面形成了微坑,然后微坑逐渐聚集形成坑簇。裂纹很容易在凹坑簇中产生并沿晶界扩展。达到特定条件后,裂纹将转变为穿晶方向扩展。随着裂纹的发展,最终形成韧性断裂。我们还总结了可能影响 I-SCC的各种因素,包括碘浓度、温度、微观结构和合金元素等元素。尽管如此,锆合金的抵抗I-SCC性能的改善仍需进一步探索;并且可以更多地关注材料性能,如合金元素、微观结构和表面处理,以提高锆合金的抗I-SCC性能。
特约综述
我国钛金属工业的现状及发展趋势
邱冠周, 郭宇峰
2022, 29(4): 599-610. doi: 10.1007/s12613-022-2455-y
摘要:
金属钛及钛合金等高端钛材是我国高科技发展的关键支撑材料,对提升我国综合国力具有战略意义。钛应用量和钛工业发展水平是国家综合实力的重要标志。目前,我国高端钛材生产原料依赖进口,原料及加工成本高,产品结构失衡,严重制约高端钛材的应用量和应用水平。针对我国钛资源禀赋差的特点及钛产业现状,应从钛工业全产业链出发,上游提升原料品质,加快开发利用我国高钙镁钛资源生产出低成本高端钛材,中游发展钢钛联合生产,降低钛材加工成本,下游健全消费结构,扩大钛材的应用市场,全面提升我国钛工业水平,加快推进我国科技强国建设。
特约综述
有色冶金过程智能制造:综述与展望
孙备, 戴俊韬, 黄科科, 阳春华, 桂卫华
2022, 29(4): 611-625. doi: 10.1007/s12613-022-2448-x
摘要:
有色冶金工业是一个国家经济的基石产业。随着人工技术的发展,对环境保护、产品质量、生产效率的要求越来越高,应用智能制造技术全面感知生产状态、智能优化工艺操作的重要性正得到业界的广泛认可。本文首先对有色冶金行业的智能优化制造进行了简要的总结,综述了有色冶金过程运行优化关键技术的研究进展,包括生产管理、配料优化、建模、过程监控、优化和控制。然后,阐述了有色冶金行业智能优化制造的前景。最后,讨论了有色冶金行业在智能优化制造方面潜在的主要研究方向和挑战。
特约综述
中国金属矿山实现碳达峰与碳中和目标的科技战略
郭奇峰, 席迅, 杨尚同, 蔡美峰
2022, 29(4): 626-634. doi: 10.1007/s12613-021-2374-3
摘要:
工业革命以来,与人类活动相关的温室气体排放导致了明显的气候变化。我国力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。本文综述分析了我国金属矿实现碳达峰、碳中和目标的科技战略。本文分析了全球金属矿开采相关的碳排放量与碳排放强度,梳理了中国金属矿开采现状趋势与碳排放情况,总结了实现我国金属矿山碳减排和碳封存的关键前沿技术,提出了我国金属矿开采实现碳中和的科技战略。研究结果表明,由于开采深度的增加和矿石品位的降低,未来金属矿开采碳减排面临巨大挑战。一些国际矿业巨头已开展了碳排放管理,做出了碳减排计划,并力争2050年前实现碳中和。提高开采效率和使用可再生能源替代化石燃料,是金属矿开采碳减排的核心思路。通过植被固碳,绿色矿山建设可显著减少碳排放。深部矿产和地热共采技术、废弃矿井地热开发技术,能够为矿山提供清洁能源,有利于实现金属矿碳中和目标。矿山充填体和尾矿固碳技术,可以安全永久地封存二氧化碳,有望使金属矿山实现净零排放甚至负碳排放。
特约综述
机器学习辅助合金理性设计研究进展
付华栋, 张洪涛, 王长胜, 雍维, 谢建新
2022, 29(4): 635-644. doi: 10.1007/s12613-022-2458-8
摘要:
基于经验的传统“试错法”金属材料设计存在试错周期长、成本高等问题,大数据和人工智能技术的快速发展,为金属材料高效研发提供了新的途径—机器学习模型预测辅助材料设计。本文介绍了机器学习辅助金属材料理性设计的基本策略,重点综述了面向性能需求的合金成分逆向设计、基于合金元素物理化学特征或材料组织结构特征建模的合金成分选择设计、基于迭代反馈优化的合金成分和工艺参数优化设计三方面的研究进展,展望了机器学习辅助金属材料理性设计的未来发展趋势。
特约综述
钛微合金化技术研究进展
汪水泽, 高智君, 吴桂林, 毛新平
2022, 29(4): 645-661. doi: 10.1007/s12613-021-2399-7
摘要:

在碳中和的背景下,高强度钢铁材料的开发与应用是实现钢铁产业绿色低碳的必要选择。钛微合金化是在传统低合金钢中添加少量钛元素从而低成本地大幅提高材料力学性能的技术,可广泛应用于高强度级别的低合金钢。钛作为微合金元素在钢中以固溶和第二相的形式存在,通过细化晶粒和强烈的强化效果而调控钢铁材料的组织和性能。本文回顾了钛微合金化技术的发展历程,阐述了钛微合金钢的化学冶金和物理冶金学特征,重点讨论了钛微合金钢不同加工工艺阶段的相形成规律、组织结构演变、析出行为、力学性能,以及钛微合金化新型钢铁材料。同时,结合低碳经济的新时代背景,对钛微合金化技术未来的发展方向,以及钛微合金化技术在钢铁材料中的应用进行了展望。

研究论文
传输剂三碘化硼对砷化硼合成和晶体质量的影响
刘振兴, 邓方杰, 周元, 梁彦杰, 彭聪, 彭兵, 赵飞平, 杨志辉, 柴立元
2022, 29(4): 662-670. doi: 10.1007/s12613-022-2438-z
摘要:
立方砷化硼作为一种新兴的高热导率半导体材料,在高性能电子器件领域的潜在应用引起了研究者的广泛关注。然而,可控制备砷化硼单晶体的相关技术成为制约其应用和发展的关键。本文旨在研究一种新的传输剂对制备单晶砷化硼的影响。采用三碘化硼作为传输剂合成并制备了具有单晶特性的砷化硼晶体。研究结果表明,三碘化硼和常用的传输剂单质碘都能加速合成砷化硼,在820°C、1.5 MPa的条件下三碘化硼可将砷化硼的的质量分数从不添加传输剂时的约12%提高到90%以上,远超温度和压力的加速效果。形貌与结构表征结果表明,传输剂可减小10%~20%的拉曼谱和X射线衍射谱的半峰宽,显著提高晶体质量。其中,碘化硼消除了单质碘引起的砷化硼晶体团聚生长,将晶体内孪晶尺寸从约50 nm减小至约15 nm, 并协调硼砷结合比例,使砷化硼晶体的化学计量比(约0.990)接近理论值1. 这种协调作用也影响晶面层间距的变化,使{111}晶面层间距维持在0.275 nm (理论值0.276 nm),小于无传输剂(0.280 nm)和使用单质碘传输剂(0.286 nm)的影响。进一步通过化学气相传输法,利用传输剂三碘化硼生长了数十微米尺寸的单晶砷化硼,验证了三碘化硼传输剂的应用效果。为生长微米级单晶砷化硼晶种提供了一种快速、简便的方法。
特约综述
基于二维范德华材料的柔性电子及光电子器件
于慧慧, 曹志宏, 张铮, 张先坤, 张跃
2022, 29(4): 671-690. doi: 10.1007/s12613-022-2426-3
摘要:

由于良好的形状适应性,柔性电子及光电子器件在医疗健康、电子皮肤、自动驾驶、可折叠屏以及各种可穿戴电子设备等未来智能工业中展现出独特的优势。然而,随着传统半导体材料柔性电子及光电器件的尺寸不断减小,异质结界面晶格失配导致的界面散射现象愈发明显,使得材料和器件的性能衰退严重,无法满足柔性电子及光电子器件小型化的需求;同时,传统材料杨氏模量较小和应变极限范围小导致其形状自适应性较差,也阻碍了柔性可穿戴电子器件多种功能的实现。二维范德华材料具有更大的比表面积、无悬挂键的表面、层间弱范德华作用力、优异电学和光电性能以及良好的机械性能;可以在不考虑考虑晶格失配的情况下,通过外延生长或者机械堆垛的方式构筑范德华异质结。因此,二维范德华材料在未来柔性智能设备的多功能器件应用中具有独特的优势。经过了十几年的发展,基于二维范德华材料及其范德华异质结的电子与光电器件功能和性能日趋完善,涌现出多种新材料体系和新结构器件。在这篇综述中,我们首先分析了二维范德华材料及其异质结在构筑柔性器件中的物理性质及结构优势,并从器件功能化以及材料体系角度出发,归纳了近年来二维柔性先进电子及光电子器件的研究进展,展望了二维范德华材料在柔性电子及光电子学中面临的挑战及未来的发展方向。

特约综述Open Access
基于储能系统的电网黑启动研究综述
赵彦琦, 张童童, 孙丽, 赵晓伟, 童莉葛, 王立, 丁建宁, 丁玉龙
2022, 29(4): 691-704. doi: 10.1007/s12613-022-2445-0
摘要:

近年来可再生能源发电方式得到了快速发展,而风能、光能等可再生能源的间歇问题对电网稳定性造成了挑战。当前应对突发停电主要依靠柴油、燃气发电机等传统发电方式进行黑启动,急需替换为具有高功率、高容量、快速响应、低碳排放的储能系统以实现可再生能源电站的高效恢复。本文对包括电能、热能、机械能等储能方式在黑启动中应用进行综述。首先提出了基于储能的电网黑启动系统存在包括成本高、供应弹性差等关键问题。其次,介绍了基于储能的电网黑启动系统配置与黑启动步骤,分析比较了包括锂电池、液流电池、高温储热、液态空气、飞轮、压缩空气、抽水蓄能等不同储能技术在电网黑启动应用中优缺点。结果表明,基于混合储能技术的电网黑启动系统可通过弥补单个储能技术缺点实现快响应、低成本、高功率、长时间的高效黑启动。

特约综述
岩石爆破基础理论与技术研究进展
许鹏, 杨仁树, 左进京, 丁晨曦, 陈程, 郭洋, 方士正, 张宇菲
2022, 29(4): 705-716. doi: 10.1007/s12613-022-2464-x
摘要:
钻爆法是地下空间开挖和矿产资源开采的主要手段。然而,由于岩体的非均质和各向异性、爆破过程的瞬态性、爆炸裂纹扩展的随机性,致使难以掌握炸药爆炸做功与岩体破碎耗能的耦合作用机理以及炸药爆炸能量释放和爆炸裂纹扩展的精密控制原理两个关键科学问题,并导致爆破工程施工中普遍存在爆破掘进效率低、成型质量差和围压损伤范围大等技术难题。近三十年来,笔者针对上述关键科学问题和技术难题进行了系统研究,本文详细总结了相关实验研究进展,包括:① 开展了水下爆破实验,获得了爆炸能量释放的基本规律。发现爆炸冲击波峰值强度高,持续时间短;爆生气体峰值强度低,持续时间长。② 建立了动光弹性-数字图像相关综合测试系统,提出了爆炸应力场全场主应力计算方法,定量分析了炮孔装药结构、炮孔个数、起爆时差等参数对爆炸应力场时空演化的影响。③ 开展了爆炸应力波与裂纹相互作用机理研究,获得了爆炸应力波作用下裂纹尖端局部应力场的变化规律,探明了爆炸裂纹尖端局部应力场对裂纹扩展方向的影响;揭示了爆炸膨胀波对相向扩展裂纹有抑制作用,而剪切波对相向扩展裂纹有促进作用。④ 建立了三维地质爆破模型实验系统,探究了地应力场对爆炸裂纹扩展、岩体破碎和掏槽爆破效果的影响规律。⑤ 基于理论研究成果,开发了分阶分段掏槽爆破、掏槽孔超深爆破技术和切缝药包定向断裂爆破等技术,构建了精准、高效、安全的精细化爆破。研究成果对丰富和发展岩石爆破理论,服务深地开发国家战略具有重要意义。
特约综述
金属矿膏体的流变行为
吴爱祥, 阮竹恩, 王建栋
2022, 29(4): 717-726. doi: 10.1007/s12613-022-2423-6
摘要:
膏体充填是矿山尾矿处置和采空区治理的有效途径之一。作为膏体充填技术创新与装备研发设计的基础,膏体流变学重点研究膏体充填工艺过程中膏体或充填体在应力、应变、温度、时间等作用下的流动与变形行为,其目的在于解决膏体充填的浓密、搅拌、输送和充填四个工艺过程中的工程问题。但是,因为膏体浓度高、物料组成复杂和不分层、不离析、不脱水的 “三不”工程特性,导致膏体流变学研究非常复杂。本文介绍了金属矿膏体流变框架体系,详细分析了全尾砂深度浓密流变行为、膏体搅拌流变行为、膏体输送流变行为和充填体流变行为。凝胶浓度、压缩屈服应力和干涉沉降系数构成了深度浓密过程全尾砂流变行为的表征体系,将C-C理论和B-W理论结合可分析深锥浓密机全区域内的浓密性能。膏体搅拌过程中,膏体的屈服应力和黏度随着搅拌过程的演化规律与相对结构系数的变化趋势一致。膏体输送过程中,管壁滑移和时温效应的耦合作用对膏体的流变特性和管输性能有显著影响。对于充填的蠕变行为,将损伤变量引入Burgers模型可构建出蠕变损伤本构模型。尽管本文全面介绍了膏体的流变行为,但仍需要进一步深入、系统地研究,以进一步丰富金属矿膏体流变学理论体系。
特约综述
表面纳米气泡表征及其强化微细颗粒浮选机理综述
马芳源, Patrick Zhang, 陶东平
2022, 29(4): 727-738. doi: 10.1007/s12613-022-2450-3
摘要:
泡沫浮选常用于微细矿物颗粒分离,但其工艺效率会随着颗粒尺寸的减小而迅速降低,导致宝贵资源的大量浪费。微细颗粒的高效分离一直是矿物加工领域面临的主要挑战。近年来,在浮选过程中使用纳米气泡被认为是提高微细颗粒回收率的有效方法。与传统宏观气泡相比,纳米气泡具有独特的表面理化特性,它们对微细颗粒浮选行为的影响机理是当前研究的热点。本文重点讨论了表面纳米气泡的生成途径、稳定理论和独特性质,概述了其强化微细颗粒浮选性能的应用效果和作用机理,总结了近年来的主要研究成果和不足之处,提出了未来相关领域的研究方向和需求。文章可助读者全面深入地了解纳米气泡浮选的基本原理和最新动态,开发应用有效可行的微细颗粒浮选工艺和技术。
特约综述
日本和中国钢铁行业炉渣回收技术研究与应用情况概述
Hiroyuki Matsuura, 杨肖, 李光强, 袁章福, Fumitaka Tsukihashi
2022, 29(4): 739-749. doi: 10.1007/s12613-021-2400-5
摘要:
钢铁生产过程产生大量的副产品炉渣,作为一种常见的工业废弃物,炉渣的妥善处理对于钢铁工业的可持续发展有至关重要的影响。日本和中国均在积极推动钢铁清洁生产,炉渣减量以及回收利用是重要的一环。日本钢铁工业起步较早,很早开始就重视炉渣回收技术的开发,在基础研究以及技术应用等方面投入较多,不仅开发了各种炉渣减量技术,还建立了各种以高炉铁渣或转炉钢渣用作原料的建筑材料制造工艺,基本上实现了炉渣的完全利用。然而由于日本经济发展缓慢,预期今后随着基础建设项目的减少,炉渣的全面回收将变得困难,因此探索炉渣的新用途是目前日本炉渣回收技术研究开发优先发展的领域。中国是全球最大的钢铁生产国,每年各类炉渣的产量超过1亿吨,尽管中国的炉渣处理与回收技术取得了一定的发展,但由于总量庞大,综合回收率尚处于低位,目前中国的炉渣回收技术开发的首要目标是提高利用率,现有技术和工艺的优化是研究的重心。本文概述了日本和中国钢铁行业炉渣排放和回收的现状,介绍了日本近年来的主要研究活动以及在钢渣海洋利用领域的最新基础研究进展,介绍了中国在炉渣回收领域的主要产业化技术以及应用情况,对两国面临的主要挑战以及今后的技术发展趋势进行了讨论。
特约综述
含过渡金属(铬和钒)氧化物的炉渣—从定时炸弹到有价值资源的转化:KTH与USTB的合作研究
Seshadri Seetharaman, 王丽君, 王海娟
2022, 29(4): 750-757. doi: 10.1007/s12613-022-2424-5
摘要:
随着钢铁工业在世界范围内的高速发展,含过渡金属元素(尤其是铬和钒)的废渣量也相应增加,这对环境造成了严重的威胁。因此深入了解含过渡金属氧化物炉渣的性质,以及如何利用渣来回收和利用有价值的金属是至关重要的。为此,北京科技大学(USTB)和瑞典皇家工学院(KTH)几十年来一直就含过渡金属元素的炉渣方面进行合作研究。这些研究从基础研究的角度出发,更好地了解含过渡金属元素炉渣的结构和性能,并开展了工业实验。研究主要集中三“R”,即过渡金属元素的保留(retention)、回收(recovery)和利用(recycling)。本文着重介绍了USTB和KTH联合开展的相关研究的一些重要成果,主要包括铬和钒氧化物的热力学活度研究以及渣中Cr和V价态的测定、含有铬元素的渣的硫容和结构、采用CO2–O2混合气体对含铬合金钢脱碳影响研究、渣中V元素的气化回收以及渣中过渡金属氧化物熔盐法回收提取新工艺等几个方面。
研究论文
耦合未反应核模型的KR铁水脱硫过程数值模拟
赵艳宇, 陈威, 程树森, 张立峰
2022, 29(4): 758-766. doi: 10.1007/s12613-022-2425-4
摘要:
硫元素对绝大多数钢材的机械加工性能、抗腐蚀性能和磁性能等均有显著恶化作用,如何将钢中硫元素高效稳定的去除以及精确的控制仍然是冶金过程的研究热点。本研究通过建立耦合的湍动能-湍动能耗散率湍流模型(turbulent kinetic energy-turbulent dissipation rate, kε)、多相流模型(volume-of-fluid, VOF)、硫元素用户自定义标量传输模型(user-defined scalar, UDS)、离散相(discrete-phase model, DPM)脱硫剂运动模型及未反应核脱硫动力学模型,研究了实际机械搅拌(Kanbara reactor, KR)铁水预处理过程多相流场分布、脱硫剂运动和分散以及脱硫动力学。通过不同时刻下硫含量预测值与实际检测值的对比证明了目前脱硫数值模型的准确性以及确定了硫元素通过扩散边界层到达脱硫剂表面的外扩散为目前工况下的脱硫动力学限制性步骤。研究结果表明,脱硫速率常数随着搅拌桨转速的增大而增大,转速110 r/min下脱硫速率常数是30 r/min的三倍左右;铁水中平均硫含量随时间变化基本呈现指数函数的分布规律。脱硫剂加入完毕以后,脱硫速率降低速率也随时间逐渐下降,且转速越大,脱硫速率降低的越快;提出了KR搅拌过程湍动能耗散率ε与脱硫速率常数β之间的一般关系式$ \beta = 0.00688 \cdot {\varepsilon ^{0.265}} $,进而得到了应用范围更广的硫含量与湍动能耗散率ε及反应时间t的关系式$ [\% {\text{S}}] = {[\% {\text{S}}]_0} \cdot {{\text{e}}^{ - 0.00688 \cdot {\varepsilon ^{0.265}} \cdot t}} $
特约综述
火法提纯冶金级硅制备太阳能级硅的最新研究进展
雷云, 马晓东, 王烨, 陈志远, 任永生, 马文会, Kazuki Morita
2022, 29(4): 767-782. doi: 10.1007/s12613-022-2418-3
摘要:
硅基光伏太阳能作为一种可再生的绿色能源发展迅速。硅基太阳能电池的广泛使用需要使用大量的太阳能级硅(99.9999%)来制造硅基太阳电池硅片。多晶太阳能级硅的制备主要采用化学法,以改良西门子法为代表;然而,传统的化学法涉及一系列复杂的化学反应,制备过程具有腐蚀性并使用各种危险的化学试剂。另一方面,随着硅基太阳能电池的普及,将产生大量复杂难处理的失效太阳能电池和硅切割废料;然而,利用现在的化学法很难回收这些光伏废料,需要提出新的方法来制备太阳能级硅和回收硅基光伏废料。冶金法提纯硅技术具有一定的应用前景,但如何去除冶金级硅中的B和P的杂质是急需解决的关键问题。针对这一问题,研究者们提出了各种火法冶金方法以提高冶金级硅中B和P杂质的去除率。本文对目前现有的造渣法、氯化法、真空挥发法和溶剂精炼法进行了回顾,并对这四种方法的基本原理以及近年来有代表性的研究工作进行了总结和讨论。结果表明,溶剂精制法是目前最有希望、最环保的低成本太阳能级硅制备方法,也是目前冶金法提纯硅的研究热点。最后,本文提出了一种采用溶剂精炼、造渣或真空定向凝固相结合的新方法进行冶金级硅的提纯和硅废料的回收,以实现绿色低成本制备太阳能级硅和回收光伏硅废料。
短文
PbTiO3基钙钛矿化合物负热膨胀增强的半经验估算方法
杨涛, 樊龙龙, 王艺霖, 林鲲, 陈骏, 邢献然
2022, 29(4): 783-786. doi: 10.1007/s12613-021-2390-3
摘要:
作为一种典型的负热膨胀材料,PbTiO3有着较高的居里温度、较大的负热膨胀系数、较强的自发极化等而受到广泛研究。近些年来一些学者也提出不同的机理来解释PbTiO3基化合物负热膨胀的成因,其中铁电热致收缩机理最具代表性,但它并不能准确预测PbTiO3基化合物负热膨胀是否增强。本文提出一个半经验公式,即对比PbTiO3及其相关体系一定温度区间(室温到居里温度)的畸变程度,可以方便快捷地判断该体系负热膨胀是否增强。我们通过该方法找到了负热膨胀增强体系0.6PbTiO3–0.4Bi(GaxFe1−x)O3,变温X射线衍射和结构精修表明该体系的负热膨胀性在0.6PbTiO3–0.4BiFeO3的基础上进一步增强。我们对目前报道的PbTiO3基负热膨胀增强体系进行了统计,证明所有体系均符合该经验公式。本文提出的经验公式为进一步发现新的PbTiO3基负热膨胀增强化合物提供了简便方法。
研究论文
具有钛空位的碳氧化钛的热力学及热电性能
张宝, 肖九三, 焦树强, 朱鸿民
2022, 29(4): 787-795. doi: 10.1007/s12613-022-2421-8
摘要:
常规的碳氧化钛具有良好的导电性,然而高载流子浓度导致塞贝克系数偏低,限制了其在热电领域的发展。本文旨在探究金属空位对碳氧化钛热电性能的影响。首先,基于密度泛函理论计算预测了钛空位对碳氧化钛电子结构的影响,结果表明钛空位的存在将削弱穿过费米能级电子的态密度,降低载流子浓度的同时提高载流子迁移率。利用碳化钛与二氧化钛在900℃下的反应合成了含钛空位的碳氧化钛,并采用差示扫描量热法研究了反应过程的热力学。通过放电等离子烧结分别制备了常规碳氧化钛(TiC0.5O0.5)和含钛空位的碳氧化钛(Ti0.86C0.63O0.37),通过电导率、塞贝克系数和热导率测试结合显微结构表征研究了钛空位对碳氧化钛热电性能的影响。结果表明,钛空位的引入使载流子浓度从TiC0.5O0.5的1.71×1021 cm−3降低到Ti0.86C0.63O0.37的4.5 × 1020 cm−3。此外,空位富集区和常规碳氧化钛晶体区域形成的半相干界面有效提高了内部电子散射几率,使电子迁移率从1.65 cm−2·V−1·s−1提高至4.22 cm−2·V−1·s−1,既维持了高导电性又改善了塞贝克系数,在1073 K达到−64 μV·K−1。最终,Ti0.86C0.63O0.37的热电优值ZT相较于TiC0.5O0.5在1073 K时增加了五个数量级,达到2.11 × 10−2。本文通过空位工程的方式实现类金属陶瓷材料中载流子浓度和迁移率的调节,在维持其高导电性优势的同时提升了塞贝克系数,为实现该类材料在热电领域的应用提供了策略和方向。
研究论文
通过第二相细化显著提高医用Zn–Fe合金的强度和腐蚀均匀性
石章智, 李长恒, 李猛, 李相民, 王鲁宁
2022, 29(4): 796-806. doi: 10.1007/s12613-022-2468-6
摘要:
许多无毒且具有生理功能性的合金化元素,例如Fe、Ca和Sr等,在Zn基体中的固溶度低到可以忽略。在锌合金熔体的凝固过程中,它们往往与Zn形成金属间化合物,在熔体中形核生长,形成粗大的第二相颗粒。这导致这些低固溶度的合金化元素对锌合金的强化效果较弱,且导致合金的塑性显著降低。因此,细化粗大第二相是多种锌合金组织性能优化的共同追求。本文以含有粗大FeZn13第二相的Zn–0.3Fe合金为试金石,探索了底部循环水冷凝固法与多道次轧制结合的显微组织细化方法。研究发现,该方法能将FeZn13第二相颗粒的平均尺寸从24 μm细化至2 μm,将Zn晶粒由长度可超过800 μm的柱状晶组织细化为平均尺寸为5 μm的等轴晶组织。底部循环水冷凝固对FeZn13第二相颗粒的细化效果是总压下量达92%的多道次轧制对FeZn13第二相颗粒的细化效果的2.5倍,这说明在液态成形中进行金属间化合物第二相细化的重要意义。组织细化显著提高了Fe在Zn中的强化效果,轧制后,Zn–0.3Fe合金的屈服和抗拉强度由132 MPa和159 MPa分别提升至218 MPa和264 MPa,且延伸率仍有24%。此外,腐蚀不均匀程度和局部腐蚀坑的穿透深度也显著减小。上述研究结果说明,显微组织细化,特别是粗大金属间第二相颗粒的细化,对提高多种医用锌合金的强度和腐蚀均匀性具有很大潜力。
研究论文
通过数字图像相关技术揭示在TRIP增强块体金属玻璃复合材料中可变形颗粒的局部剪切应变分配的作用
袁小园, 吴渊, 刘雄军, 王辉, 蒋虽合, 吕昭平
2022, 29(4): 807-813. doi: 10.1007/s12613-022-2460-1
摘要:
采用数字图像相关(digital image correlation, DIC)技术研究了形变诱导塑性(transformation-induced plasticity, TRIP)增强的块体金属玻璃(bulk metallic glass, BMG)复合材料中亚稳奥氏体晶相与非晶基体在压缩载荷下的耦合效应。通过DIC的动态记录的特性,直接监测了晶体相和非晶态基体中局部应变场的演化。通过对局部应变场的分析和计算,揭示了亚稳态奥氏体相变对TRIP增强BMG复合材料的贡献。在变形过程中,亚稳态奥氏体优先于非晶基体相变形,且应力导致的亚稳态奥氏体的马氏体相变能有效地消耗局部剪切应变,使晶体相和非晶相的界面处的局部应变/应力集中得到缓解,延缓了变形过程中界面处裂纹的萌生和拓展,从而大大提高了TRIP增强BMG复合材料的塑性和加工硬化能力。我们的研究有助于深入理解变形过程中非晶基体和亚稳晶体相之间的相互作用机制,为进一步提升BMG复合材料的性能设计提供依据。
研究论文
Nb微合金化奥氏体铸钢950°C等温氧化行为
赵海龙, 李龙飞, 冯强
2022, 29(4): 814-824. doi: 10.1007/s12613-021-2314-2
摘要:
为了减少尾气排放污染和提高燃油经济性,汽车发动机排气部件的服役温度大幅提高。因此,具有较高高温强度的Nb微合金化奥氏体耐热铸钢成为当前汽车排气歧管的首选材料之一。目前,相关研究工作主要集中在合金设计与高温力学性能方面,缺乏针对900°C以上合金氧化行为及其机制的深入研究,特别是初生Nb(C,N)的影响作用。本文针对前期工作中设计的两种初生Nb(C,N)形态不同的奥氏体铸钢,并与一种具有良好综合性能的商用合金进行对比,采用扫描电子显微镜、能量色散光谱和聚焦离子束/透射电子显微镜研究了三种Nb微合金化奥氏体铸钢在950℃的等温氧化行为,分析了奥氏体耐热铸钢中氧化膜和内氧化的形成机制及其对氧化性能的影响,探讨了初生Nb(C,N)形貌对氧化性能的影响。研究结果表明,三种奥氏体铸钢的氧化动力学遵循对数规律,在氧化层/基体界面形成的连续SiO2层可显著降低氧化速率。当局部Si浓度不足时,在氧化层/基体界面将发生内氧化,形成离散的SiO2颗粒。由于氧化层与基体之间的失配应力减小,内氧化的发生对于冷却过程中氧化物的剥落具有一定的抑制作用。与离散的初生Nb(C,N)颗粒相比,“汉字”型初生Nb(C,N)能够为Cr原子提供高密度的快速扩散通道,有利于提高合金枝晶间的氧化抗力。此外,Cr原子在最内层和最外层的氧化层中富集,而当环境中水蒸气浓度足够高时,最外层的Cr蒸发显著。
研究论文
基于大数据技术的含锡锑低合金钢腐蚀数据挖掘及耐大气腐蚀性能评价
杨小佳, 杨吉可, 杨颖, 李清, 徐迪, 程学群, 李晓刚
2022, 29(4): 825-835. doi: 10.1007/s12613-022-2457-9
摘要:
机器学习和腐蚀大数据技术是腐蚀科学研究领域的最新方法。腐蚀科学研究最大挑战是准确预测材料在既定环境中的腐蚀失效方式。腐蚀大数据技术是利用数学方法探寻挖掘海量腐蚀数据的相关性,并推断其发生腐蚀的概率。本研究采用腐蚀大数据评价方法和机器学习的数据挖掘方法,研究了Sb、Sn以及环境因素对低合金钢腐蚀行为的影响。结果表明,腐蚀时钟图、累计腐蚀量图可反映出Sn及Sb添加的低合金钢腐蚀行为的演变,0.05wt%Sn及0.10wt%Sb添加总体可以提高低合金钢的耐蚀性。同时,基于随机森林的数据挖掘方法分析表明Sn、Sb及环境因子对低合金钢腐蚀行为的影响权重会随着时间的变化而变化。总之,利用腐蚀大数据方法可以区分微合金元素Sn与Sb对低合金钢耐蚀性的影响。
研究论文Open Access
基于小样本数据驱动的材料力学性能预测:齿轮钢淬透性案例
BogdanNenchev, 陶庆, 董子晖, ChinnapatPanwisawas, 李海洋, 陶镳, and 董洪标
2022, 29(4): 836-847. doi: 10.1007/s12613-022-2437-0
摘要:
材料力学性能的预测涉及多物理场耦合和非线性微观组织响应,所以很难使用传统的解析方法来计算和预测。通常依赖于大量昂贵的实验室测试来建立经验模型来预测性能。近年来,机器学习方法已被用来尝试建立更稳健的非线性材料力学性能预测模型,比如神经网络和决策树。本文通过齿轮钢淬透性的案例研究,评估了现有的机器学习方法和经验公式预测材料力学性能的局限性,讨论了机器学习方法分析小样本数据集面临的挑战,并提出了处理具有多个变量的小样本数据集的解决方案。本研究将高斯方法与新型算法相结合,克服了分析齿轮钢淬透性数据的难点,揭示了合金元素的相互作用和组织均匀性对硬度的影响。研究结果表明融合物理冶金原理的机器学习淬透性预测模型的预测结果优于经验方法的预测结果。本研究还分别建立了浅层神经网络和极端梯度树增强(XGboots)的两种机器学习模型来预测化学成分、处理工艺、样品尺寸和硬度之间的冶金学关系。通过对多种机器学习算法和经验公式的计算结果进行比较,评估了各种方法在小样本数据集齿轮钢淬透性能预测的应用。结果表明,XGboost 机器学习模型能够最有效处理小样本数据中的不同钢种和不同工艺的问题,具有最高的预测准确率。
特约综述
低温固体氧化物电池结构优化和质子导电电解质材料研究进展
宋佳, Yuvraj Y. Birdja, Deepak Pant, 陈志远, Jan Vaes
2022, 29(4): 848-869. doi: 10.1007/s12613-022-2447-y
摘要:
低温固体氧化物电池 (low-temperature solid oxide cells, LT-SOC) 的工作温度低于500°C,而这一温度到200°C区间在现有阶段是燃料电池和电解池的性能洼地。较低的工作温度可以提供比传统中高温电池更具成本效益的替代方案,并可以扩展SOC的应用场景。将SOC的工作温度降低到500°C以下有两个重要途径。第一条途径是通过电池结构优化提高电池性能。电池结构优化主要在于纳米技术的应用与优化,其中包括发展纳米镀层技术将电解质薄膜的厚度减薄到纳米级,以及探索可以有效降低极化电阻的纳米电极结构。本文总结了相关技术概况并展望了发展前景。另一条途径是开发新型质子传导电解质材料,这也是电池材料研究的前沿与热点技术。本文阐述了质子传导的基本原理和常用电解质材料的设计原理,总结了用于LT-SOC的最广泛研究的电解质材料,即钙钛矿型BaCeO3和BaZrO3基氧化物的研究概况,并讨论了氧化物掺杂对电解质材料物理化学性质的影响。
特约综述
混合离子电子传输理论及其在固体氧化物导体中的应用
Kevin Huang
2022, 29(4): 870-875. doi: 10.1007/s12613-021-2401-4
摘要:
混合离子电子导体(MIECs)作为一种重要的电催化剂,广泛应用于各类电化学反应装置中,如可逆固体氧化物燃料电池,可充放电的金属–空气电池以及透氧膜等。MIECs可同时传导离子和电子,是其具有电催化活性的关键。为了开发高性能混合离子电子导体,我们需要深入理解该类材料内在的传导机制。本文将基于不可逆过程热力学,系统介绍传统的离子/电子传输理论,并简要综述该理论在具有氧空位缺陷及空穴/电子导电性的金属氧化物中的应用。本文将以CeO2-基和LaCrO3-基氧化物材料体系的研究为主,简述离子/电子传输理论的应用实例,如预测混合离子电子导体中的氧分压梯度分布,电化学离子/电子泄漏电流,以及外部负载电流对泄漏电流的影响。
特约综述
锂离子电池SiOx基负极材料的关键挑战和研究进展
姚娜娜, 张宇, 饶显慧, 杨朝, 郑堃, Konrad Świerczek, 赵海雷
2022, 29(4): 876-895. doi: 10.1007/s12613-022-2422-7
摘要:
硅基材料因为丰富的自然资源、极高的理论比容量和合适的氧化还原电位,近年来受到了全世界研究者的关注。其中,氧化亚硅(SiOxx < 2)在首次嵌锂过程中生成惰性氧化锂和硅酸锂,可以有效缓解体积效应,表现出相对较好的循环稳定性,被认为是极具前景的锂离子电池负极材料之一。但是,一些潜在的问题仍然制约着SiOx的商业化应用,特别是不可逆嵌锂产物导致的容量损失、较差的导电性和巨大的体积效应,使得SiOx的首效、倍率性能以及循环稳定性无法满足实用需求。本文系统总结了SiOx负极材料的研究进展,包括SiOx结构、充放电机理、制备方法、电化学性能,并重点针对SiOx存在的几个基本问题总结了改性措施。此外,文中也讨论了颗粒形貌、成分设计、预锂化、预还原、电解液添加剂以及电极粘结剂等对SiOx电极性能改性的最新进展。文章的最后,我们简略的提出了未来的研究方向和重点,希望这篇文章能够为高能量密度锂离子电池的研发提供帮助。
研究论文
用于稳定的高容量铝–碲电池的改性铝负极
张雪峰, 焦树强
2022, 29(4): 896-904. doi: 10.1007/s12613-022-2410-y
摘要:
金属铝电池(MABs)具有高能量密度、资源丰富、成本低、安全和环境友好等特点,被认为是极具潜力的大规模储能设备,而Te被认为是MABs的潜在正极材料。然而,由于碲的化学和电化学溶解以及其溶解产物在铝负极上的化学沉淀所引起的关键问题,导致了Al–Te电池循环稳定性差和放电容量低。本文提出了一种高效的基于TiB2的改性层(Al/TB)来解决金属铝电极的关键问题,从而实现了Al/TB负极的低电压迟滞和长循环寿命。基于Al/TB负极的Al–Te电池的电化学性能得到了极大的改善。此外,还引入了改性的隔膜技术以与设计中的Al/TB负极相匹配。因此,Al–Te电池达到了创纪录的长达500个循环的长期循环稳定性。这一简单的策略也为其他高能量密度的电池系统,如Al–S和Al–Se电池,开辟了一条潜在的路线。