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2024年  第31卷  第11期

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综述
冶金工程过程中的高温原位表征综述
赵一帆, 李致远, 李世杰, 宋维力, 焦树强
2024, 31(11): 2327-2344. doi: 10.1007/s12613-024-2891-y
摘要:
为了合理控制高温冶金工程的生产质量,需要了解黑箱化学/电化学的反应过程。为克服这一问题,近年来开发了各种原位表征方法,以用来研究高温电化学电极和熔盐的成分、微观结构和固–液界面之间的相互作用。本综述讨论了原位高温表征技术的最新进展,总结了冶金工程中反应过程的进展。原位高温技术和分析方法主要包括同步辐射X射线衍射 (s-XRD)、激光共聚焦显微镜 (LSCM) 和 X 射线计算显微层析成像 (X-ray µ-CT),是分析电极结构和形态的重要平台,可揭示电极界面的复杂性和变化性。此外,激光诱导击穿光谱(LIBS)、高温拉曼显微光谱和紫外–可见光谱(UV–Vis)可提供熔盐成分和结构的微观表征。更重要的是,X-ray µ-CT 和 s-XRD 技术的结合可以研究两相界面的化学反应机制。因此,这些原位方法对于分析高温反应过程的化学/电化学动力学至关重要,可为化学/电化学冶金过程的高效稳定运行建立理论原则。
综述Open Access
富镍层状氧化物及锂离子电池正极材料研究进展
Boyang Fu, Maciej Moździerz, Andrzej Kulka, Konrad Świerczek
2024, 31(11): 2345-2367. doi: 10.1007/s12613-024-2948-y
摘要:
毫无疑问,近年来富镍层状正极材料的巨大进步对于推动锂离子电池(LIB)技术的发展至关重要。在能量密度、可循环性、充电速度、降低成本以及安全性和稳定性方面取得的进步,已经为LIB的广泛采用做出了贡献,如今它已从移动电子产品、电动工具和电动汽车扩展到新的应用范围,包括电网存储解决方案等。因为大量关于富镍氧化物的论文和广泛的综述已经发表了,本综述更多地关注参考文献中提出的最新进展和新思想。本文涵盖的主题包括掺杂和成分优化,先进涂层,浓度梯度和单晶材料,以及新电解质及其改性的创新和富镍阴极在固态电池中的应用。文章简要介绍了相关的正极材料,并提出了高熵方法和零应变概念。对尚未解决的问题进行了批判性的概述,并对进一步的研究方向和预期的成果提出了看法。
综述
具有增强光催化氧化还原能力的贵金属改性g-C3N4异质结的研究进展
张晓, 杨萍
2024, 31(11): 2368-2389. doi: 10.1007/s12613-024-2924-6
摘要:
催化剂的光催化活性取决于太阳光利用率和光生载流子的分离和传输。通过改变贵金属纳米颗粒(如Cu、Au、Pd等)的分布,可以在整个可见光区域实现表面等离子体共振效应,以提高石墨氮化碳(g-C3N4)基复合材料的光吸收能力。由于贵金属的等离子体共振效应能够增强局域电磁场,改善带间跃迁,以及通过近场电磁相互作用实现从等离子体偶极子到电子空穴对的共振能量转移,贵金属被广泛用于g-C3N4纳米材料改性,并用于CO2光还原和水分解。本综述系统讨论了贵金属(单原子、团簇或纳米粒子形式)和无机/有机纳米组分掺入的g-C3N4纳米片基复合光催化剂的最新研究进展,特别是这些光催化剂在CO2光转化和光解水产氢中的重要应用。还讨论了不同类型的多组分纳米异质结(肖特基结、Z-/S型异质结,由贵金属和其他半导体纳米组分组成的多组分异质结)以及异质结构维度调整(通过在g-C3N4上掺入贵金属纳米板形成2D/2D异质结)的相关问题。特别是分析了在光解水、二氧化碳减排、污染降解和化学转化应用方面,贵金属(如金、铂、钯和铜)掺杂g-C3N4复合光催化剂的应用前景和可能面临的挑战。
研究论文
电磁感应作用下定向钢纤维尾砂胶结充填体的微观结构演变和强化机制
李熙浩, 曹帅, Erol Yilmaz
2024, 31(11): 2390-2403. doi: 10.1007/s12613-024-2985-6
摘要:
尾砂胶结充填不仅能提高采矿安全性,减少地表环境污染,而且能回收作为矿柱保留的矿石,从而提高资源利用率。在尾砂胶结充填体中掺入钢纤维等添加物,可以提高其强度,尤其是相邻两个矿房开采时,可以提高采场结构的稳定性。本文考虑钢纤维掺量和电磁感应强度效应,对钢纤维尾砂胶结充填体进行了微观结构和强度测试。实验结果表明:钢纤维掺量及其分布方向对提高填料强度有重要影响。当磁感应强度为 3×10−4 T时,纤维体积比为 2.0%时,单轴抗压强度达到 5.73 MPa。试件裂纹的扩展主要从试件的上部开始,并随着载荷的增加逐渐向下扩展,直至发生破坏,钢纤维的掺入及其定向分布延缓了裂纹的发展。当钢纤维体积比为 2.0%时,钢纤维尾砂胶结充填体表现出优异的延性特性。除此之外,当钢纤维掺量和磁感应强度增加时,充填体达到破坏所需的能量也会增加。本研究所得结论为钢纤维作为充填添加物以提高尾砂胶结充填体强度提供了理论参考。
研究论文
水泥含量、聚丙烯纤维长度和掺量对风积沙胶结充填体流动性和力学特性的影响
王树帅, 杨仁树, 李永亮, 岳中文
2024, 31(11): 2404-2416. doi: 10.1007/s12613-024-2885-9
摘要:
利用风积沙进行采空区充填,可以实现煤矿绿色开采与风积沙治理的协调开展。风积沙胶结充填体(Cemented aeolian sand backfill,CASB)具有脆性破坏特征。聚丙烯(Polypropylene,PP)纤维是优良的增韧材料。在分析纤维增韧作用时,还应考虑纤维对料浆输送性能的影响。此外,水泥会影响水化产物、纤维和基质之间的相互作用。本文研究了水泥含量(8wt%、9wt%和10wt%)、PP纤维长度(6、9和12 mm)和掺量(0.05wt%、0.1wt%、0.15wt%、0.2wt%和0.25wt%)对纤维增韧风积沙胶结充填体(Fiber-toughened CASB, FCASB)流动性和力学特性的影响。结果表明,随着上述三个因素的增加,风积沙胶结料浆扩展度减小,流变参数增大。单轴抗压强度(Uniaxial compressive strength,UCS)随水泥含量和纤维长度的增加而增大,随纤维掺量的增加先增大后减小,在纤维掺量为0.15wt%最大。应变随纤维掺量和长度的增加均增大。随着水泥掺量的增加,PP纤维的作用效果更加显著。数字图像相关(Digital image correlation,DIC)系统监测结果表明,纤维的加入可以抑制充填体块体的剥落和裂缝的扩展,降低充填体的应力集中。微观结构测试表明,纤维的作用机制主要涉及纤维与水化产物和基质的相互作用以及纤维的空间分布。在单因素分析的基础上,采用响应面法分析了上述3个因素及其交互作用项对FCASB强度的影响。建立了双因素相互作用项的影响曲面和三因素耦合效应的影响三维散点图。综上所述,获得了水泥和PP纤维作用下风积沙胶结充填材料性能的响应规律,为纤维增韧风积沙充填提供了理论和工程指导。
研究论文
层状粗糙节理类岩材料剪切力学特性及断裂响应
聂新新, 尹乾, 何满朝, 王琦, 靖洪文, 郑博文, 孟波, 邓天慈, 江郑, 吴疆宇
2024, 31(11): 2417-2434. doi: 10.1007/s12613-024-2893-9
摘要:
层状粗糙节理岩体表现出显著的各向异性,在开挖扰动影响下,易相对错动从而发生剪切滑移破坏,给巷道围岩变形和稳定性控制带来巨大挑战。本文旨在研究层状粗糙节理岩体的直剪力学特性和渐进失稳破坏机理。首先,采用类岩石材料浇筑了具有不同节理面粗糙度(JRC = 2–20)和节理面倾角(α = 15°–75°)的立方体试样,并开展了不同初始法向应力下的直剪试验(σn = 1–4 MPa)。试验结果表明,不同工况下层状岩体的力学特性、声发射(AE)响应、最大主应变场演化和最终破坏模式存在显著差异。峰值应力随α的增加而增大,在α = 60°或75°时达到最大值。随σn的增加,峰值应力呈上升趋势,线性最小二乘拟合的相关系数R2在0.918至0.995之间。当JRC从2–4增加到18–20,α = 15°时内聚力增大86.32%,而α = 75°时减小27.93%。α的不同引起剪切破裂面粗糙特征差异显著,使得峰后AE响应呈现各向异性特征。α = 15°时,剪切破裂面沿软弱夹层形成,而当α = 60°时,剪切破裂面穿透层状基质。随σn的增加,α = 15°时相邻软弱夹层诱导拉裂纹扩展方向改变,裂纹呈现阶梯状分布特征。
研究论文
浮选精矿表面捕收剂高效解吸与回用:以白钨矿为例
陶黎明, 王建军, 廖德进, 贾文凯, 赵子涵, 车文芳, 祁忠旭, 孙伟, 高志勇
2024, 31(11): 2435-2444. doi: 10.1007/s12613-024-2951-3
摘要:
浮选是通过捕收剂对目的矿物的选择性吸附使其疏水上浮进而实现矿物分离富集的方法。浮选精矿表面吸附的捕收剂通常会对后续冶金过程产生不利影响,如降低产品纯度、毒化离子交换树脂、增加废水COD值等。为消除上述影响,通常需在冶金作业前将精矿表面的捕收剂脱除,但造成药剂浪费、冶金成本增加。本文提出在选矿厂将精矿矿浆进行简单处理使捕收剂从精矿表面解吸,并将含有捕收剂的解吸液直接返回用于浮选的新思路,既能减少浮选药剂成本,又能降低后续对于冶金的不利影响。硝酸铅-苯甲羟肟酸(Pb-BHA)配体是白钨矿浮选中常用的捕收剂。本文研究了不同物理方法(搅拌或超声)和化学方法(强酸或强碱)对白钨矿精矿表面Pb-BHA捕收剂解吸行为的影响。单矿物解吸试验表明,在矿浆pH值为13、超声处理15分钟的条件下,白钨精矿表面捕收剂的解吸效果最佳,Pb和BHA解吸率分别为90.48%和63.75%。实际矿浮选试验表明,采用强碱-超声组合方法解吸白钨精矿表面捕收剂并将解吸液用于浮选,可节省选矿厂25%的Pb离子和30%的BHA用量。机理研究表明,强碱环境破坏了Pb离子与BHA之间的化学键,超声波的空化效应有效降低了Pb-BHA捕收剂与白钨矿表面的作用强度,利于捕收剂的解吸脱附,但不会破坏捕收剂的活性。可见,超声–强碱组合方法可实现浮选精矿表面捕收剂的有效解吸,为冶炼厂提供“干净”的白钨精矿,捕收剂回用可有效降低选矿厂的捕收剂使用成本。
研究论文
软锰矿氢基矿相转化精准调控机制研究
王若枫, 袁帅, 李艳军, 高鹏, 李儒
2024, 31(11): 2445-2457. doi: 10.1007/s12613-023-2819-y
摘要:
为实现复杂氧化锰矿资源高效清洁利用,论文提出氢基矿相转化技术处理软锰矿,以期高效转化为高活性方锰矿,为后续高效利用奠定基础。论文系统研究了氢基矿相转化过程中矿物物相转变机理并建立了锰矿物等温反应动力学模型。研究表明软锰矿在焙烧温度650°C,焙烧时间25 min,氢气浓度20%的反应条件下,可获得二价锰的占有率96.44%的转化产品,锰矿物主要以方锰矿的形式存在。通过研究软锰矿还原动力学及微观结构演变规律,揭示了方锰矿的生成机制,明确了最优反应动力学模型为随机成核与随后生长模型(n = 3/2),软锰矿的还原从颗粒表面到内核逐步进行,氢基矿相转化过程软锰矿反应主要历程为MnO2 → Mn2O3 → Mn3O4 → MnO。研究成果为复杂氧化锰矿资源高效清洁利用提供理论基础。
研究论文
预氧化改善钒钛磁铁矿流态化还原过程流化性能的行为及机制
孙昊延, Ajala Adewole Adetoro, 王志强, 朱庆山
2024, 31(11): 2458-2465. doi: 10.1007/s12613-024-2904-x
摘要:
直接还原工艺是低碳冶金和实现如钒钛磁铁矿等复杂多金属矿资源综合利用的重要发展方向。然而,对于流态化直接还原而言,高金属化率还原铁矿粉在高温下易粘结失流,严重时将直接影响其生产操作顺行。基于协同预氧化强化钒钛磁铁矿直接还原和矿物颗粒表面结构改性作用效果,本文对预氧化改善钒钛磁铁矿流态化还原过程流化性能的行为及机制进行了系统研究。钒钛磁铁矿经预氧化处理后能够显著降低其还原至金属化率90%时所需的稳定还原流化气速至0.17m/s,相比未经预氧化处理的样品稳定还原流化气速相对降低了56%。根据不同的还原流化行为,以氧化度26%和86%为边界将预氧化操作参数划分为三个区间,进一步深入研究分析预氧化-还原过程颗粒表面形貌变化,最终建立了颗粒预氧化形貌、氧化后还原形貌、还原过程流化性能三者之间的联系。通过预氧化调控颗粒表面形貌从而改善还原铁颗粒流化性能并协同强化还原,为抑制铁矿粉,特别是复杂多金属矿的流态化还原过程粘结失流提供了一个新思路方法。
研究论文
铝电解石墨化废阴极炭块制备锂离子电池负极材料
郑志豪, 谢明壮, 于国庆, 吴泽港, 钟晶晶, 王艺, 赵洪亮, 刘风琴
2024, 31(11): 2466-2475. doi: 10.1007/s12613-024-2866-z
摘要:
石墨化废阴极炭块(SCC)是铝电解过程中产生的一种危险固体废弃物,针对废阴极炭块资源化利用的难题,本研究提出了浮选–酸浸的工艺对废石墨化阴极炭块进行纯化,并对纯化后的废阴极作为锂离子电池负极材料进行探究。采用单因素实验分别对浮选和酸浸工艺进行优化,当浮选粒径为−200目占90%,矿浆浓度为10%,主轴转速为1600 r/min,充气量0.2 m3/h时,SCC碳含量达93%;随后在浸出浓度5 mol/L、浸出时间100 min、浸出温度85°C以及浸出液固比5:1的条件下,SCC的碳含量可达99.58%。纯化后的废石墨化阴极作负极材料在0.1 C条件下初始容量为348.2 mAh/g,循环100次后可逆容量为347.8 mAh/g,与商用石墨相比,有着更好的可逆性和循环稳定性。因此,SCC经纯化后有望成为潜在的负极材料,该方法也为SCC的资源化回收利用提供了一条可行的途径。
研究论文
通过激光粉床熔化揭示马氏体时效钢微观胞状结构与性能关系
吴灵芝, 张聪, Dil Faraz Khan, 张瑞杰, 王永伟, 姜雪, 尹海清, 曲选辉, 刘赓, 苏杰
2024, 31(11): 2476-2487. doi: 10.1007/s12613-024-2947-z
摘要:
增材制造作为一种具有较大设计自由度的快速制造技术,通过逐层成形实现复杂零部件的快速制造。目前文献关于选区激光熔化过程中激光扫描速度对胞状组织及力学性能的研究鲜有报道,因此本文系统地研究了激光粉末床熔化的主要工艺参数之一—激光扫描速度对马氏体不锈钢显微组织及室温拉伸的影响。实验表明通过改变激光扫描速度,试样的微观组织和力学性能发生了明显的变化。当激光扫描速度从400 mm/s增大到1000 mm/s时,相分数无明显变化,平均胞状晶粒尺寸从0.60 μm 减少到0.35 μm,随着扫描速度的增加,力学性能先增加后降低,过高的扫描速度(≥1000 mm/s)和过低的扫描速度(≤400 mm/s)均对性能不利,分别会导致缺乏熔合和匙孔缺陷,最优的扫描速度为800 mm/s制备的样品室温拉伸强度和延伸率最高,抗拉强度为(1088.3±2.0) MPa,延伸率为(16.76±0.1)%。阐明了表面形态、缺陷和能量输入的演变机制,并建立了胞状组织结构与机械性能之间的关系。
研究论文
含铜高熵合金FexCu(1−x)CoNiCrMn对铜绿假单胞菌诱导的微生物腐蚀抗性增强
娄云天, 常卫卫, 张誉, 何盛宇, 陈旭东, 钱鸿昌, 张达威
2024, 31(11): 2488-2497. doi: 10.1007/s12613-024-2932-6
摘要:
由于合金元素的多样性和复杂性,高熵合金往往在特定的腐蚀环境下表现出优异的耐蚀性,因此被认为是极具潜力的腐蚀研究对象。本文旨在提高FeCoNiCrMn高熵合金(HEAs)的耐微生物腐蚀(MIC)能力,制备了一系列FexCu(1−x)CoNiCrMn(x = 1、0.75、0.5 和 0.25)的HEAs试样,并研究了它们在典型腐蚀性微生物——铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)培养基中的微观结构特征、腐蚀行为(包括形貌观察和电化学性能)以及抗菌性能。研究目的是筛选出最优铜含量的FexCu(1−x)CoNiCrMn,使之兼顾耐腐蚀性和抗菌性能。结果表明,所有FexCu(1−x)CoNiCrMn试样均表现为FCC相,且Fe0.75Cu0.25CoNiCrMn试样的晶粒细化效果显著。电化学测试结果显示,与无菌条件相比,Fe0.75Cu0.25CoNiCrMn在接种了铜绿假单胞菌的培养基中具有较低的腐蚀电流密度(icorr)和点蚀电位(Epit),表现出良好的耐MIC性能。抑菌试验结果显示,经过14天的浸泡,Fe0.75Cu0.25CoNiCrMnn的抑菌率达到89.5%,有效抑制了铜绿假单胞菌的附着和生物膜的形成,同时表现出对MIC的耐受性。
研究论文
5083铝合金搅拌摩擦搭接接头强化策略
沈宇佳, 王继杰, 王贝贝, 薛鹏, 刘峰超, 倪丁瑞, 肖伯律, 马宗义
2024, 31(11): 2498-2507. doi: 10.1007/s12613-024-2847-2
摘要:
在飞机、船舶和汽车制造过程中,铝合金蒙皮、壁板和加强筋之间经常采用搭接形式连接。这种铝合金搭接结构在熔焊过程中,易出现孔隙缺陷和元素烧损,导致接头强度系数下降。搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法,因其高质量、高效率以及节能环保等特点受到广泛关注,并已成功应用于汽车、轨道交通、航空航天等领域。然而,在搅拌摩擦搭接焊(FSLW)过程中,搭接特有的冷焊和钩状(Hook)缺陷会严重影响接头的力学性能。本研究重点探讨了转速、两道次焊接以及冷却方式对搭接缺陷形成、微观组织演变及力学性能的影响。研究发现通过降低焊接转速、采用小尺寸焊接工具并结合强制水冷技术进行两道次FSLW,可以有效消除搭接缺陷,显著增加有效搭接厚度和宽度。该工艺成功将Hook附近组织细化至超细晶尺度,使接头薄弱区组织得到强化,拉伸剪切力从298 N/mm提高到551 N/mm,其强度可媲美7xxx系列铝合金的搭接焊接头性能。此外,本文系统研究了FSLW接头的断裂行为,并提出了一种预测搭接接头断裂模式的断裂判据。本研究为消除搭接缺陷并提高接头性能提供了一种有效并值得借鉴的焊接方法。
研究论文
具有稳定且宽频高温微波吸收性能的TiN/Fe2N/C复合材料
张亚红, 张毅, 刘慧敏, 李丹, 王艺博, 徐春朝, 田玉平, 孟红杰
2024, 31(11): 2508-2517. doi: 10.1007/s12613-024-2972-y
摘要:
面对复杂多变的高温环境,电磁波吸波材料保持稳定高效的吸波性能是必不可少的。本文采用静电纺丝技术和随后的高温氮化工艺,制备了一系列TiN/Fe2N/C复合材料,并对高温吸波性能进行了详细的研究。在制备的复合材料中,TiN/Fe2N/C纤维互相搭接,构建了复杂且发达的导电网络,在电磁场中能够引起可观的导电损耗。与此同时,不同组分之间的非均质界面产生了显著的界面极化。此外,在氮化过程中产生的缺陷部位也会出现了偶极子极化现象。在稳定介电损耗和优异阻抗匹配的协同作用下,TiN/Fe2N/C复合材料在293~453 K的宽温度范围内表现出优异稳定的吸收性能,且在2.1 mm和373 K下,样品TiN/Fe2N/C-15的最小反射损耗高达−48.01 dB,有效吸收带宽可达3.64 GHz。这项工作为开发复杂多变高温条件下高效稳定的电磁波吸收材料提供了新的思路。
研究论文
壳聚糖基摩擦电材料用于高温环境下自供电传感
陈文灿, 李超, 陶叶晗, 鲁杰, 杜健, 王海松
2024, 31(11): 2518-2527. doi: 10.1007/s12613-024-2839-2
摘要:
天然高聚物已被广泛用作构建可降解自供电传感系统的摩擦电材料,但在高温下电极表面摩擦电荷的湮灭限制了组装传感器的输出信号和灵敏度。为开发适用于高温环境下的天然多糖基传感材料,本文章设计了一种适用于较高温度环境中(25–70°C)的新型壳聚糖/蒙脱石/木质素(CML)复合薄膜,用作自供电传感系统组装中的摩擦正极层。系统地表征结果表明,天然聚合物和无机蒙脱土纳米粒子之间较强的分子间相互作用赋予了薄膜致密结构,该结构可以有效抑制表面摩擦电荷的挥发。经过电信号优化,CML-TENG的最高开路电压(Voc)和最大瞬时输出功率密度分别达到262 V和429 mW/m2。在不同温度下电信号输出实验结果表明,对于初始 TENG而言,当温度从室温增加到70°C时,输出电信号仅保留了39%,而优化后的CML-TENG 保留了66%,意味着本研究开发的新型摩擦电材料具有较好的温度适应性,本研究为抑制高温下摩擦电荷的湮灭提供了一种新策略。
研究论文
环氧树脂粘结(MnCoGe)0.96(CuCoSn)0.04复合材料的巨大可逆压热效应和高循环稳定性
邝亚飞, 陶坤, 杨波, 童鹏, 张艳, 孙志刚, 张克维, 王敦辉, 胡季帆, 左良
2024, 31(11): 2528-2534. doi: 10.1007/s12613-024-2952-2
摘要:
近年来,新型固态制冷技术凭借其高效节能、环保、稳定可靠、振动小和噪音低等优势,有望替代传统的气体压缩制冷技术,从而备受关注。新型固态制冷技术的实现是基于“固态相变”合金的热效应。其中,六方MnMX基(M = Co或Ni,X=Si或Ge)合金已经可以表现出巨大的压热效应。然而,巨大的体积膨胀会导致铸态MnMX铸锭破碎成粉末,这不可避免地带来了力学性能下降和成型性恶化的难题。而且在循环施加和去除等静压力的过程中,晶粒碎裂会带来结构转变熵变的降低。在本文中,环氧树脂粘结的(MnCoGe)0.96(CuCoSn)0.04复合材料可以实现具有高热循环稳定性的巨大可逆压热效应。在360 MPa下,它可以在30 K的宽温区内,获得43.0 J·kg-1·K-1的巨大可逆等温压热熵变和15.6 K的可逆绝热温变,这主要归因于其由较大的−101 K·GPa-1的压力驱动相变温度的变化量和11.1 K的热滞共同作用的结果。将可逆绝热温变进行归一化后,比可逆绝热温变高达43 K·GPa-1,这在压热制冷材料领域(金属间化合物)处于非常高的数值。更重要的是,经60次热循环后,复合材料没有断裂,量热曲线吻合良好,表现出优异的热循环稳定性。
勘误
Erratum to: Pyrometallurgical recycling of end-of-life lithium-ion batteries
Juheon Lee, Kwang Won Park, Il Sohn, and  Sanghoon Lee
2024, 31(11): 2535-2535. doi: 10.1007/s12613-024-2989-2
摘要: