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2023年  第30卷  第6期

优异力学性能的AZ31镁合金挤压板材：多类型织构的作用

徐军，赵俊，蒋斌，刘文君，杨鸿，李新涛，康跃华，周楠，郑开宏，潘复生

封面故事：传统加工制得的镁合金板材通常形成单一强基面织构组分，在后续冲压等二次成形过程中，容易出现开裂、制耳等缺陷，如何有效调控板材织构是获得良好塑性成形能力的关键所在。封面道路为不同取向的密排六方，深刻强调研究制备多类型织构核心亮点，通过高速奔跑的汽车生动展示运用镁合金零部件有利于汽车轻量化等优点。封面充分生动形象的显示了文章的创新成果和亮点，尽显镁合金在汽车发展中的重要作用。

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特约综述
废旧铜铟镓硒太阳能电池材料回收的研究进展
李祥, 马保中, 王成彦, 胡蝶, 吕英威, 陈永强
2023, 30(6): 989-1002. doi: 10.1007/s12613-022-2552-y
中文摘要(1742) PDF(180) SpringerLink
摘要:
铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池因其光电转化效率高、环保、光稳定性好等优点，成为了近年来的研究热点。随着全球化石能源的日渐枯竭，可以预见铜铟镓硒太阳能电池需求量将在未来很长一段时间内继续增长。铜铟镓硒太阳能电池虽然发展迅猛，但制造过程中铟镓等稀散金属的应用成为限制其发展的重要因素，而回收废弃铜铟镓硒电池组件中的有价金属元素，是弥补这一不足的有效方法。本文综述了近年来从废弃铜铟镓硒太阳能电池中回收有价金属的技术进展。基于退役铜铟镓硒太阳能电池组件和铜铟镓硒太阳能电池制备过程产生的过程废物，对现有包括湿法回收、火法回收和综合处理工艺等回收方法进行了总结；并比较了各种方法的优缺点；概述了铜铟镓硒电池回收过程可能产生的环境影响；分析了后续分离组分纯化与再利用方面存在的挑战。本文为未来铜铟镓硒太阳能电池回收工艺的开发、优化、和工业化应用提供了一些参考。
特约综述
机器学习和人工智能辅助钢铁材料设计的研究进展
潘广飞, 王飞扬, 商春磊, 吴宏辉, 吴桂林, 高军恒, 汪水泽, 高智君, 周笑靥, 毛新平
2023, 30(6): 1003-1024. doi: 10.1007/s12613-022-2595-0
中文摘要(4382) PDF(471) SpringerLink
摘要:
随着人工智能技术的快速发展和材料数据的显著增加，机器学习和人工智能辅助设计高性能钢材正成为材料科学的主流范式。机器学习方法是一种基于计算机科学、统计学及材料科学之间的跨学科科学，聚焦于发现众多数据之间的相关性。与材料科学中传统的物理建模方法相比，机器学习方法的主要优势在于克服了材料本身复杂的物理机制，为新型高性能材料的研发提供了新的思路。本文从数据预处理和机器学习模型的介绍开始，包括算法选择和模型评估。然后，以优化成分、结构、工艺和性能为主题，回顾了机器学习方法在钢铁研究领域应用的一些典型案例。此外，还介绍了机器学习方法在以性能为导向的材料成分逆向设计工程以及在钢材缺陷检测领域中的应用。最后，探讨了机器学习在材料领域的适用性和局限性，并对未来的发展方向和前景进行了展望。
研究论文
基于电脑凿岩台车地下精准爆破的炮孔孔位双断面智能规划方法
吴昊骏, 龚敏, 杨仁树, 吴晓东, 刘翔宇
2023, 30(6): 1025-1037. doi: 10.1007/s12613-022-2575-4
中文摘要(944) PDF(52) SpringerLink
摘要:
由于钻孔装备技术水平限制，地下爆破设计孔位与实际成孔误差较大且同类孔抵抗线不均匀，导致爆破效率低下，难以满足精准地下爆破的需要。在新一代高精度钻孔定位的电脑凿岩台车出现后以计算程序解决爆破设计同类孔抵抗线不均匀问题，是实现地下矿山智能高效爆破的必备条件。为此提出基于电脑凿岩台车爆破孔位参数的双断面程控规划方法。将整个断面分为均匀区域和不均匀区域两部分，同时考虑了炮孔孔口、孔底抵抗线均匀问题。在不均匀区域内结合区域边缘特征和网格化分割方法，制定多重限定条件优选孔距，实现同类炮孔抵抗线均匀最大化；在均匀区域内采用递归和迭代算法实现孔位坐标和角度计算。为实现智能设计，本方法用程序语言替代了传统图形规划。作为案例，在4.8 m宽3.6 m高工作面内完成所有炮孔的完整规划。在抵抗线不均匀区域内，与用CAD方法得到的图纸相比，本文规划结果在炮孔抵抗线标准差方面提升了40%。通过改善孔位布设，促进了地下爆破向精准、高效和智能方向的发展。
研究论文
一种用于酸性条件下胶磷矿反浮选脱硅的新型阳离子捕收剂
吴中贤, 陶东平, 陶有俊, 蒋曼, Zhang Patrick
2023, 30(6): 1038-1047. doi: 10.1007/s12613-022-2580-7
中文摘要(609) PDF(37) SpringerLink
摘要:
针对目前胶磷矿反浮选脱硅阳离子捕收剂的选择性差、仅适用于弱碱性矿浆条件、消泡难等问题，本研究采用主要成分为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和邻苯二甲酸二丁酯（DBP）的两种化工厂副产品研发了一种新型、经济、高效的胶磷矿反浮选脱硅阳离子捕收剂。在微浮选试验中，当pH值为6–10，新型捕收剂用量为25 mg·L−1时，石英和氟磷灰石纯矿物之间存在显著的可浮性差异。在pH值为6，新型捕收剂用量为0.4 kg·t−1时，对脱镁磷精矿进行粗选脱硅浮选试验，获得了P2O5品位为29.33wt%、SiO2品位为12.66wt%、P2O5回收率为79.69wt%的胶磷矿精矿指标。利用FTIR、Zeta电位和接触角测量进行机理研究，研究结果表明新型捕收剂对石英的吸附能力高于氟磷灰石，同时DBP的协同效应也增强了石英和氟磷灰石之间疏水性的差异。泡沫稳定性试验结果表明，新型阳离子捕收剂的最大消泡率可达142.8 mL·min−1，其消泡速率远高于其他常见传统阳离子捕收剂。
研究论文
一种铁闪锌矿抑制剂的合成、特征及浮选响应
王体琛, 孙桂鞠, 邓久帅, 徐宏祥, 王国勇, 胡明振, 秦启政, 孙晓豪
2023, 30(6): 1048-1056. doi: 10.1007/s12613-022-2586-1
中文摘要(536) PDF(45) SpringerLink
摘要:
本研究合成了一种含锌无机盐(ZS)作为铁闪锌矿与方铅矿浮选分离的抑制剂，并研究了ZS对铁闪锌矿和方铅矿浮选行为的影响。当ZS用量为750 mg·L−1、pH = 4时，方铅矿回收率为88.89%，铁闪铁矿回收率为16.61%。采用紫外分光光度计、傅立叶红外光谱仪(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)分析和飞行时间二次离子质谱仪(ToF-SIMS)等手段研究了ZS对铁闪锌矿的抑制机理。吸附量测定和红外光谱分析结果表明，ZS选择性吸附在铁闪锌矿表面阻碍了捕收剂丁基黄药在矿物表面的进一步作用。XPS和ToF-SIMS分析结果表明，ZS在溶液中生成的$ {\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}}_{2}^{2-} $以化学吸附的方式吸附在铁闪锌矿表面，进而有效抑制了铁闪锌矿的浮选。
研究论文
难选菱铁矿流态化预氧化-低温还原磁化焙烧
孙昊延, 邹正, 张美菊, 闫冬
2023, 30(6): 1057-1066. doi: 10.1007/s12613-022-2576-3
中文摘要(869) PDF(68) SpringerLink
摘要:
磁化焙烧–弱磁选联合工艺是目前实现低品位难选铁矿高效铁资源富集利用的最有效工业化方案之一。菱铁矿（碳酸亚铁）和赤铁矿（三氧化二铁）是两种主要弱磁性难选含铁矿物，菱铁矿在常规工业化赤铁矿还原磁化焙烧条件下会生成弱磁性浮氏体，进而降低磁性物相转化率和最终弱磁选精矿铁元素收得率。对此，本文提出了菱铁矿流态化预氧化–低温还原的磁化焙烧高效物相转化方案，并以低品位陕西菱铁矿为样品进行了系统研究。研究发现，菱铁矿在快速预氧化过程中会生成弱磁性和强磁性三氧化二铁两种铁氧化物，其中强磁性三氧化二铁500–550℃还原焙烧产物除工艺目标物相强磁性四氧化三铁外，还有部分由不稳定四氧化三铁被进一步还原生成的弱磁性浮氏体。预氧化产物只有在更低温度还原焙烧才能实现目标四氧化三铁产物相的稳定存在，优化的菱铁矿流态化快速焙烧完全磁化转变工艺参数为610℃预氧化2.5 min再低温450℃还原焙烧5 min，菱铁矿经此条件磁化焙烧后磨矿弱磁选分离能够达到精矿铁含量62.0wt%、铁元素收得率88.36%的优良指标，相比常规直接还原焙烧铁元素收得率大幅提高34.33%，可以实现低品位难选菱铁矿的高效物相转化资源利用。本文提出的预氧化-低温还原焙烧方案也具有适用于菱铁矿–赤铁矿共伴生铁矿全范围含量比例共磁化焙烧的特点。
研究论文
浸没侧吹气体的流动和穿透行为
朱帅, 赵秋月, 李小龙, 刘燕, 李天赐, 张廷安
2023, 30(6): 1067-1077. doi: 10.1007/s12613-022-2585-2
中文摘要(609) PDF(55) SpringerLink
摘要:
浸没侧吹技术目前被广泛应用于火法冶金，极大促进了冶金工业的发展。本文旨在进一步了解火法冶金中的气液相互作用机制。本文采用高速摄像-数字图像处理-统计方法，系统研究了气体流量、喷嘴直径和喷嘴倾斜角度对空气-水体系中浸没侧吹气体的时空分布和穿透行为的影响。结果表明，随着气体流量的增加，气体运动将逐渐从鼓泡机制转变为稳定射流机制，并将逐渐形成完整射流结构。当气体流量较低时，在喷嘴上方将形成一个由大气泡构成的气泡区域。当气体流量和喷嘴直径均较大时，在喷嘴上方将形成一个由微小气泡构成的气泡区域。增加喷嘴倾斜角度将导致形成完整射流结构需要更大的气体流量。在采样时间内，无量纲水平和竖直穿透深度呈高斯分布。减小喷嘴直径，增加气体流量或喷嘴倾斜角度，将扩大气体的分布范围和采样时间内气体穿透深度的离散性。通过量纲分析，获得了误差在±20%以内的关于气体穿透深度的新关联式。由当前研究提出的关联式计算出的120 t转炉中氩气-熔体系统的水平穿透深度与文献中关联式的计算结果和文献中的数值模拟结果非常接近。
研究论文
NiO–NiCr2O4纳米氧化物对Ni涂层碳钢组织、力学和腐蚀性能的影响
Saeed Mojallal, Hurieh Mohammadzadeh, Abbas Aghaeinejad-Meybodi, Robabeh Jafari
2023, 30(6): 1078-1092. doi: 10.1007/s12613-022-2584-3
中文摘要(521) PDF(37) SpringerLink
摘要:
本文采用不同比例的Ni–Cr纳米氧化物对纯Ni及其复合材料进行涂层，研究其涂层特性、力学性能和腐蚀性能。成分分布均匀的Ni–Cr纳米氧化物复合材料首次通过化学共沉淀法合成. 采用电沉积法将纯Ni和Ni–(Ni–Cr)氧化物(10、20、30、40和50 g/L)涂在钢板上。采用透射电子显微镜和场发射扫描电子显微镜观察了粉末和涂层的微观结构，并采用X射线衍射分析研究其化学成分。本文还测试了涂层的显微硬度、厚度和耐磨性，进行了极化和电化学阻抗谱(EIS)测试，分析了涂层的腐蚀行为，并开发了相应的等效电路。结果表明，在10–30 g/L的Ni基体中，纳米氧化物分布均匀，并检测到高浓度的团聚氧化物。30 g/L的Ni基体涂层的显微硬度最大，为HV 661, 厚度为116 µm), 并具有最大耐磨性. 一个三回路等效电路与所有EIS数据相对应。纳米氧化物浓度为30 g/L时，耐蚀性增加，不过当纳米氧化物浓度为40 g/L时，耐蚀性下降。50 g/L的样品耐腐蚀性能最好。
研究论文
复杂制造系统中的热轧带钢力学性能预测的深度学习模型
李飞飞, 何安瑞, 宋勇, 王正, 徐小青, 张世伟, 强毅, 刘超
2023, 30(6): 1093-1103. doi: 10.1007/s12613-022-2536-y
中文摘要(858) PDF(93) SpringerLink
摘要:
钢铁工业向智能制造转型升级过程中对相关模型的精度提出了更高的要求，传统的热轧板带力学性能预测模型已很难满足现场需要，基于多层网络的深度学习模型在实际应用中往往受到数据不足、调参困难等限制，而且选择的有限个离散工艺参数很难准确反映板带的实际加工过程。为了应对这些问题，本文提出了一种新的基于gcForest框架的板带力学性能输入数据采样方法，该方法根据热轧板带生产这类工序流程复杂且工艺路径及参数对产品质量异常敏感的特点，设计了一种基于时间-温度-形变的三维连续时序过程数据采样方式，并将多粒度扫描得到的局部历程信息与板坯的基础信息（化学成分和典型工艺参数）进行融合，使下一环节的输入同时具备局部特征和全局特征；此外，在多粒度扫描结构中设计了可变窗口的子采样方案，使具有不同维度的输入数据通过多粒度扫描结构后能够得到相同维度的输出特征，使级联森林结构能够的正常训练。最后，在3个钢种的实际生产数据上进行实验评估，结果表明，这种基于gcForest的力学性能预报模型综合性能更好，而且调参容易，在样本较少的情况下也能保持很高的预测精度。
研究论文
优异力学性能的AZ31镁合金挤压板材：多类型织构的作用
徐军, 赵俊, 蒋斌, 刘文君, 杨鸿, 李新涛, 康跃华, 周楠, 郑开宏, 潘复生
2023, 30(6): 1104-1112. doi: 10.1007/s12613-023-2603-z
中文摘要(1066) PDF(45) SpringerLink
摘要:
采用横向梯度挤压（TGE）和传统挤压（CE）工艺制备Mg–3Al–1Zn（AZ31）镁合金板材，系统地研究了镁合金在挤压工艺中流变和动态再结晶行为，并对挤压AZ31镁合金板材的微观组织、织构和力学性能进行了分析。结果表明，由于在横向梯度挤压工艺中引入了沿板材横向额外流速和沿挤压方向流速差，板材具有细小晶粒的微观组织和多种类型的织构。板材横向从边缘到中心基极逐渐偏离法线方向，在板材中心区域达到最大倾角65°。此外，除了横向梯度挤压板材中心区域外，板材基极沿挤压方向向横向偏转40°–63°。与传统挤压板材相比，横向梯度挤压板材具有高的延展性和应变硬化指数（n值），低的屈服强度和Lankford值（r值）。由于横向梯度挤压板材在变形过程中基面<a>滑移和拉伸孪晶容易被激活，板材延伸率最高可达41%，屈服强度低至86.5 MPa。
研究论文
g-C3N4/溶胶–凝胶纳米复合材料在AM60B镁合金上的应用及性能研究
Roghaye Samadianfard, Davod Seifzadeh, and Burak Dikici
2023, 30(6): 1113-1127. doi: 10.1007/s12613-022-2581-6
中文摘要(566) PDF(104) SpringerLink
摘要:
含有羟基化g-C3N4纳米板的溶胶–凝胶涂层常被用来增强AM60B镁合金的抗腐蚀性能。通过X射线光电子能谱（XPS）分析了羟基化的g-C3N4纳米板的化学组成，发现羟基化过程对g-C3N4纳米板的晶体尺寸、比表面积、孔体积、平均孔径和热稳定性不产生影响。在加入原始和羟基化的g-C3N4纳米板后，获得了致密的溶胶–凝胶涂层。透射电子显微镜（TEM）表明改性的g-C3N4在涂层中均匀分布，并且加入改性纳米板后，由于聚集趋势降低，涂层的平均粗糙度也降低。进一步模拟酸雨中的电化学阻抗谱（EIS）检测表明，由于涂层与纳米板之间的化学键合，添加改性g-C3N4后，溶胶–凝胶膜的防腐性能得到显著改善。
研究论文
镁合金表面微弧氧化/氧化石墨烯/硬脂酸超疏水复合涂层的耐蚀和抗污性能研究
王东, 马宸, 刘金玉, 李伟东, 尚伟, 彭宁, 温玉清
2023, 30(6): 1128-1139. doi: 10.1007/s12613-023-2596-7
中文摘要(750) PDF(77) SpringerLink
摘要:
镁合金因其低密度、高强度重量比和尺寸稳定性等优点，在汽车、医疗和电子通信领域具有很高的应用价值和广泛的应用前景。然而，镁合金在腐蚀环境中较差的耐腐蚀性在很大程度上限制了其广泛应用。因此，本文旨在通过微弧氧化技术、电沉积技术和自组装技术相结合，在镁合金AZ91D上制备一种具有优异耐腐蚀性的微弧氧化/氧化石墨烯/硬脂酸（MAO/GO/SA）超疏水复合涂层。通过扫描电子显微镜、X射线衍射、能量色散光谱和拉曼光谱对涂层的组成和微结构进行了表征。利用极化曲线、电化学阻抗谱和盐雾实验，评估了MAO/GO/SA复合涂层的防腐蚀性能。研究结果表明，所制备的超疏水复合涂层具有花瓣状球形结构，其接触角达到了159.53° ± 2°，具有优越的超疏水性和抗污性能。而且，MAO/GO/SA复合涂层也表现出较好的耐腐蚀性能，其腐蚀电流密度比镁合金基体低三个数量级，阻抗大三个数量级，耐盐雾腐蚀时间达192 h。
研究论文
腐蚀环境中机器人用7075铝–碳纳米管纳米复合材料的腐蚀、力学和微观结构性能研究
Arun David, Satheesh Kumar Gopal, PoovazhaganLakshmanan, Amith Sukumaran Chenbagam
2023, 30(6): 1140-1151. doi: 10.1007/s12613-022-2592-3
中文摘要(527) PDF(42) SpringerLink
摘要:
污水清洁的管道内机器人的引入为研究人员提供了管道检查的新选择，如泄漏、裂缝、气体和腐蚀检测，这些都是当前工业场景中常见的标准应用。在所有这些情况下经常被忽视的问题是机器人固有的抗腐蚀能力。基于旋转超声和机械搅拌（RUMS）的铸造方法，讨论了加入不同碳纳米管质量分数（0、0.5wt%、1wt%和1.5wt%）的7075铝的机械、微观结构和腐蚀性能，同时不会影响机器人的机械性能。结果表明，1wt%铝-碳纳米管纳米复合材料表现出良好的腐蚀和机械性能，达到了机器人对污水环境的要求。
研究论文
简单合成四氧化三锰多面体与氮掺杂蜂窝碳的复合材料作为高性能锂离子电池负极材料
张丹, 张纯燕, 郑璇, 赵艺卓, 史新宇, 罗保民, 李玉珠, 刘光印, 刘小娣, 余创
2023, 30(6): 1152-1161. doi: 10.1007/s12613-022-2590-5
中文摘要(592) PDF(40) SpringerLink
摘要:
由于四氧化三锰基氧化物负极材料体积变化大、导电性差，且其循环寿命短，倍率性能差，阻碍了它们的发展。在这项研究中，我们使用一种智能且简单的合成方法成功地制备了四氧化三锰与氮掺杂蜂窝碳复合材料。四氧化三锰纳米多面体生长在氮掺杂蜂窝碳上，这明显减轻了充放电过程中的体积变化，而且也改善了电化学反应动力学。更重要的是，四氧化三锰与氮掺杂蜂窝碳复合材料中的Mn–O–C键有利于电化学可逆性。四氧化三锰与氮掺杂蜂窝碳复合材料的这些特征是其优异电化学性能的原因。当用于锂离子电池时，在1 A·g−1下进行350次循环后，四氧化三锰与氮掺杂蜂窝碳负极表现出598 mAh·g−1的高可逆容量。即使在2 A·g−1下，四氧化三锰与氮掺杂蜂窝碳负极仍能提供472 mAh·g−1的高容量。这项工作为合成和开发锰基氧化物储能材料提供了新的前景。
研究论文
采用包覆和掺杂同步改性策略修复废旧LiFePO4制备高性能正极材料
童汇, 李毅, 毛高强, 王朝磊, 喻万景, 刘勇, 刘牡丹
2023, 30(6): 1162-1170. doi: 10.1007/s12613-022-2577-2
中文摘要(721) PDF(38) SpringerLink
摘要:
随着新能源汽车的日渐普及导致动力电池的需求量和报废量呈现爆发式增长，对废旧电池正极材料进行修复再生利用具有重要的环保和经济意义。通过传统浸出方式回收正极材料中有价金属能够实现正极材料的资源化利用，但存在流程复杂、经济效益低、污染严重等问题；而仅通过补锂的方式修复得到的再生正极材料存在循环稳定性差的缺陷。本研究通过固相烧结法补充废旧LiFePO4中损失的锂离子，并加入葡萄糖促进 Fe3+还原的同时在LiFePO4表面形成碳包覆层。此外，在补锂过程中加入Mg2+实现修复再生和掺杂改性同步进行。结果表明，再生过程中同步掺入Mg2+可以明显提高晶体结构稳定性以及锂离子扩散系数。再生LiFePO4正极材料表现出优异的电化学性能。在1 C倍率下，Mg-RLFP的首次放电容量为131.8 mAh⋅g−1，200圈和400圈容量保持率分别达到98.8%和92.2%；在0.1 C和10 C的倍率下，Mg-RLFP的放电容量分别为142.9·mAh⋅g−1和95.5 mAh⋅g−1。研究结果表明，补锂过程中采用碳包覆与镁离子掺杂同步改性的策略能够有效地修复废旧LiFePO4正极材料。
研究论文
废弃印刷线路板浸出液中原位电沉积制备三维结构Cu6Sn5/CNTs合金薄膜电极
聂淑晴, 辛玉, 王秋云, 刘程锦, 缪畅, 于利民, 肖围
2023, 30(6): 1171-1180. doi: 10.1007/s12613-022-2591-4
中文摘要(810) PDF(20) SpringerLink
摘要:
锡基材料因具有较高的理论容量而被认为是极具吸引力的锂离子电池负极材料。然而，由于合金化和去合金化过程中存在体积膨胀效应，使得电池容量迅速衰减，限制了其实际应用。本文采用废弃印刷线路板（WPCBs）浸出液作为电沉积液，通过原位电沉积法制备无粘结剂的铜锡合金/碳纳米管（Cu6Sn5/CNTs）合金薄膜电极，并探究了电沉积液中碳纳米管（CNTs）浓度对合金薄膜电极的影响。实验结果表明，当电沉积液中CNTs浓度为0.2 g·L−1时，易团聚的Cu6Sn5合金纳米颗粒均匀分布在CNTs形成的三维网状结构中，这使得Cu6Sn5/CNTs-0.2合金薄膜电极组装的电池表现出优异的循环性能和倍率性能，在100 mA·g−1的电流密度下循环50次后，放电比容量为458.35 mAh·g−1，容量保持率为82.58%；在0.1、0.2、0.5、1.0和2.0 A·g−1的电流密度下放电比容量分别为518.24、445.52、418.18、345.33和278.05 mAh·g−1。该研究不仅为锂离子电池负极材料的制备提供了参考，还为资源化利用废弃印刷线路板提供了一种经济有效的策略。
研究论文
运行条件对阳极支撑型固体氧化物燃料电池性能退化和阳极微观结构演变的影响
杨鑫, 杜志鸿, 张乾, 吕泽伟, 刘世学, 刘治京, 韩敏芳, 赵海雷
2023, 30(6): 1181-1189. doi: 10.1007/s12613-023-2616-7
中文摘要(1602) PDF(76) SpringerLink
摘要:
固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种清洁高效的发电技术，在分布式发电站、家庭热电联供以及电动汽车领域具有广阔的应用前景。然而SOFCs性能的快速衰减导致运行寿命缩短，阻碍了其商业化进程。本文旨在研究运行条件对SOFCs性能衰减和阳极微观结构演变的影响规律，给电池性能和稳定性的优化提供理论指导。本文研究了不同运行温度、放电电流密度、运行时间对电池端电压、极化阻抗以及微观结构的影响，解析了阳极微观结构演变规律。研究结果表明，电池放电初期会经历一个快速的衰减期，然后达到稳定状态。大电流密度放电会增加阳极的极化，从而加剧电池初期的衰减率。通过电池阻抗的解析发现初期衰减主要来自于阳极极化电阻的增加。通过阳极微观结构解析，发现阳极与电解质界面活性区域中的Ni催化剂的流失是导致电池运行初期性能下降的主要原因。经过初期快速衰减后，电池性能趋于稳定，在恒流放电工况下运行3000 h，极化电阻增长率仅为0.17%/kh。通过阳极微观结构的三维重构解析可知，在经历初期快速衰减后，电池阳极微观结构的变化较小，电池稳定性较好。未来的研究重点将聚焦在提高电池在复杂工况下的耐久性，并通过调控阳极组成和微观结构抑制电池性能的快速退化。
研究论文
直流反应溅射制备氧化钆掺杂氧化铈薄膜及其在固体氧化物燃料电池中的应用
梁富源, 杨嘉然, 王海庆, 武俊伟
2023, 30(6): 1190-1197. doi: 10.1007/s12613-023-2620-y
中文摘要(547) PDF(53) SpringerLink
摘要:
物理气相沉积(physical vapor deposition, PVD)工艺可用于制备高质量氧化钆掺杂氧化铈(Gd2O3-doped CeO2, GDC)薄膜。在各种物理气相沉积的方法中，反应溅射具有许多独特的优势，如沉积速率较快且易于大规模扩展实现工业化应用等。本文通过使用钆铈合金(Gd0.2Ce0.8 (at%))靶材的反应溅射成功制备了GDC薄膜，并研究了其在固体氧化物电池(solid oxide fuel cell)中的应用，包括作为氧化钇掺杂的氧化锆(yttria-stabilized zirconia, YSZ)与La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ之间的阻挡层以及作为不锈钢/保护涂层体系中的子层。首先确定了钆铈合金靶材的直流反应溅射行为，随后以NiO–YSZ/YSZ半电池为基体研究了氧气流量对于退火后GDC薄膜质量的影响。研究结果表明反应溅射无需高温烧结即可获得薄且致密的GDC阻挡层，与具有丝网印刷GDC阻挡层的电池相比，具有反应溅射GDC阻挡层的电池显示出了更加优异的电化学性能。此外，面电阻测试结果表明在SUS441连接体和Mn–Co尖晶石保护涂层之间插入GDC子层有助于降低SUS441在工作温度下的氧化速率。
研究论文
梯度羰基铁/碳纤维增强复合超材料的多尺度结构及超宽频电磁波吸收性能
周倩, 师甜甜, 薛贝, 顾生越, 任卫, 叶昉, 范晓孟, 段文艳, 张子涵, 杜立飞
2023, 30(6): 1198-1206. doi: 10.1007/s12613-022-2583-4
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摘要:
先进电磁波吸收材料对薄厚度、轻重量、宽频带、强吸收等综合性能提出了更高要求。在此，我们提出了一种具有梯度电磁特性的新型层状台阶吸波超材料。通过在环氧树脂中分散不同含量的羰基铁和碳纤维来获得不同复介电常数和复磁导率的材料。通过对各层材料的电磁参数和几何尺寸实现宽频吸波性能的优化。在相同厚度和相同各层材料电磁参数条件下，平板层状结构在2.0–40 GHz范围内只能实现小于−6 dB的反射损耗，而本文设计的层状台阶超材料实现了小于−10 dB的电磁波吸收。此外，层状台阶超材料在11.2–21.4 GHz和28.5–40 GHz的频率范围反射损耗小于−15 dB。根据实验和仿真结果，本文讨论了多尺度结构协同效应所引起的多种电磁波吸收机制。因此，将多层结构和周期性台阶结构结结合获得新型的梯度吸收超材料，可为宽频电磁吸波材料的设计和研制提供新的思路。
研究论文
ZnO、FeO 和 Fe2O3对普通辉石基微晶玻璃中尖晶石的形成、材料微观结构和物化性能的影响
张帅, 张延玲, 武绍文
2023, 30(6): 1207-1216. doi: 10.1007/s12613-022-2489-1
中文摘要(1070) PDF(54) SpringerLink
摘要:
在辉石为主晶相的微晶玻璃中，常加入一定量的形核剂Cr2O3形成尖晶石相，进而形成了以尖晶石为核心，辉石相围绕长大的微观结构，该结构赋予了材料优良理化性能。针对该微观结构，需要对尖晶石相在玻璃基体中的生成及分布进一步研究。基于此，本研究在制备普通辉石基微晶玻璃时添加三种尖晶石形成氧化物ZnO、 FeO 和 Fe2O3，并探究材料中尖晶石的形成现象及微观结构的演变，并依此揭示材料理化性能及重金属固化能力的变化规律。研究发现氧化物的加入促进了初始尖晶石的大量生成，进而促进试样的整体结晶。微观结构方面，加入Fe2O3的试样中尖晶石尺寸较大，且产生聚集现象。而加入ZnO和FeO的试样中，尖晶石尺寸相对较小且分布均匀，试样2ZnO具有最致密的微观结构。在材料理化性能方面，ZnO和Fe2O3的加入提高了材料的抗折强度，其中2ZnO试样的抗折强度达到170.31 MPa。所有样品的铬浸出量（0.3–0.8 mg/L）均低于国家标准（1.5 mg/L），具有一定的安全性。然而，FeO的加入导致了材料抗化学腐蚀性的降低，进而造成了更多铬元素的浸出。基于上述研究，在利用工业固废制备微晶玻璃时，可以考虑加入适量的含锌粉尘和污泥，提升材料力学、理化性能的同时，保证材料的使用安全性。
研究论文
具有高灵敏度和快速响应的WS2/Si异质结光敏型位置探测器件
刘云杰, 武玉鹏, 郭付海, 刘英明, 赵世荣, 李思齐, 于巍茁, 郝兰众
2023, 30(6): 1217-1224. doi: 10.1007/s12613-023-2600-2
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摘要:
由于其优良的电输运和光吸收性能，Si半导体在研制高效光敏型位置探测器件领域获得了广泛关注和大量研究。然而，常规较大厚度（~200 μm）的晶体Si又同时具有较强的刚性和脆性等特征，无法进行弯曲操作，严重限制了它在新一代柔性光电子器件方面的应用。为此，本文报道了一种晶体Si的各向同性碱液刻蚀方法，加工形成了超薄柔性Si，并进一步采用磁控溅射技术在其表面沉积WS2薄膜，从而成功研制出一种柔性WS2/Si异质结光电位置探测器。得益于界面内建电场对载流子输运能力的促进作用，所制备器件在较宽光谱范围内（450~1350 nm）表现出了突出的位置敏感性能，其位置敏感度达到~539.8 mV·mm-1，响应时间仅2.3 μs。尤其是，所制备器件展现出了较强的柔性可特征：经过200个周期的弯曲后，器件性能无明显衰减。
勘误
Erratum to: Microstructure and texture evolution of nonoriented silicon steel during the punching process
Xiang Fang, Wei Wang, François Brisset, Anne-Laure Helbert, and  Thierry Baudin
2023, 30(6): 1225-1225. doi: 10.1007/s12613-023-2623-8
中文摘要(211) PDF(10) SpringerLink
摘要:

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