International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials

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2024, 31(2): 217-230. doi: 10.1007/s12613-023-2753-z

中文摘要(1405) PDF(70) SpringerLink

摘要:
煤气化细渣是煤气化过程中产生的典型固体废弃物，现有堆存和填埋的处理方式已造成严重的地质和生态危害；气化残炭的分离回收和高值化利用是实现煤化工产业经济效益和环境效益“双赢”的关键。相比于粉煤灰、煤矸石等煤基固废，煤气化细渣具有独特的孔结构、表面官能团结构和微晶结构。这些独特的结构性质不仅是煤气化细渣资源化应用的基础，同时也是影响残炭浮选回收效率的关键因素。本文在全面梳理煤气化细渣残炭孔结构、表面官能团和微晶结构等特性的基础上，深入剖析了特殊结构形成原因及其与气化类型和颗粒大小的相关关系，总结归纳了各结构特性对煤气化细渣中残炭浮选分离和资源化应用的影响规律。同时对未来相关研究进行了展望，针对气化细渣中残炭的多孔结构提出，超声波预处理–孔隙阻塞浮选、孔隙破碎–絮凝浮选等适配性技术有望解决残炭浮选回收率低的瓶颈问题；根据残炭的表面官能团和微晶结构提出，含极性基团捕收剂的靶向设计有望解决煤气化细渣浮选药耗高的现实难题。在煤气化细渣的资源化利用方面提出，应以残炭的物理化学结构特性为切入点，对其特殊结构进行放大和极致利用，进而建立气化细渣独特的绿色高值化利用体系。本综述对于全面认识煤气化细渣中残炭的结构特性，突破煤气化细渣高效浮选分离的技术瓶颈，拓展煤气化细渣的高附加值利用领域具有重要意义。

特约综述

Sn₃O₄纳米材料光催化应用的最新研究进展

于欣, 李聪聪, 张健, 赵莉莉, 逄金波, 丁龙华

2024, 31(2): 231-244. doi: 10.1007/s12613-023-2761-z

中文摘要(984) PDF(34) SpringerLink

摘要:
四氧化三锡（Sn₃O₄）是一类层状锡材料，呈现混合价态，近年来备受关注，被认为是一种极具潜力的可见光光催化剂。本综述旨在全面概述Sn₃O₄光催化纳米材料在研究、应用、优势和挑战方面的最新进展。首先介绍了Sn₃O₄的基本概念和原理。其独特的晶体结构和光电性质使其能够高效吸收可见光，产生光激发的载流子，推动光催化反应。随后探讨了对Sn₃O₄光催化纳米材料进行控制和性能提升的策略，包括形态控制、离子掺杂和异质结构构建。这些策略的成功实施提高了Sn₃O₄纳米材料的光催化活性和稳定性。此外，综述还详细讨论了Sn₃O₄光催化纳米材料在多个领域的应用，如光催化降解、光催化产氢、二氧化碳光催化还原、太阳能电池、光催化灭菌和光电传感器。讨论重点关注Sn₃O₄基纳米材料在这些应用中的潜在价值，突出了其独特的属性和功能。最后，综述对该领域未来发展方向进行了展望，为探索和开发新型高效的Sn₃O₄基纳米材料提供了指导。通过确定新兴研究领域和改进的潜在途径，本综述旨在推动Sn₃O₄基光催化技术的进一步发展，并促进其成功转化为实际应用。

特约综述

有机压电材料催化效应研究进展

杨朝宁, 舒晓欣, 郭迪, 王静, 边慧, 贾艳敏

2024, 31(2): 245-260. doi: 10.1007/s12613-023-2773-8

中文摘要(550) SpringerLink

摘要:
由于有机污染物对人类健康和环境的危害日益严重，近年来，压电催化技术被广泛研究作为一种新颖而有效的分解方法。尽管压电材料提供了广泛的选择，但迄今为止，大多数相关研究都集中在无机材料上，对有机材料关注较少。无机压电材料具有多种优点，包括压电系数高、刚度高、机械强度高和稳定性好。不过，它们也存在一些局限性。例如，压电陶瓷缺乏柔韧性，重量大，难以加工成型或形状复杂的薄膜。这些因素导致压电陶瓷的成本高于其他材料。事实上，有机压电材料具有一些独特的特性，包括质量轻、价格便宜、易于加工等优点，这些特性使其有别于无机压电材料。因此，大多数有机材料会与无机材料相结合，以提高其压电性能。本文回顾了利用有机材料进行压电催化的研究进展，介绍了各种有机材料的压电特性，重点研究了PVDF、g-C₃N₄、MOFs和PTFE等有机材料在处理各种污染物方面的压电催化效率。此外，还介绍了有机压电材料在分解水制氢、细菌消毒、肿瘤治疗和二氧化碳还原等方面的应用。最后，还探讨了有机材料压电催化潜力的未来发展趋势。

研究论文

铁离子氧化方铅矿表面实现黄铜矿–方铅矿高效分离

张前程, 张丽敏, 江锋, 唐鸿鹄, 王丽, 孙伟

2024, 31(2): 261-267. doi: 10.1007/s12613-023-2674-x

中文摘要(1121) PDF(35) SpringerLink

摘要:
黄铜矿和方铅矿的高效浮选分离是实现复杂铜铅矿产资源有效利用的关键，其关键是寻找一种绿色环保、成本低廉的选择性抑制剂。本论文通过纯矿物浮选试验、傅里叶变换红外光谱、扫描电镜、X射线光电子能谱和拉曼光谱等多种技术手段，深入研究了铁离子作为方铅矿选择性抑制剂在铜铅浮选分离中的应用。浮选试验结果表明，当铁离子浓度为50 mg/L时，方铅矿被彻底抑制，而黄铜矿回收率仍达到80%。通过分析药剂在矿物表面的吸附行为发现，铁离子有效降低了乙硫氨酯在方铅矿表面的吸附，而不影响其在黄铜矿表面的吸附。矿物表面微观结构观测结果表明，铁离子能氧化方铅矿表面，形成致密的硫酸铅纳米颗粒薄膜，进而有效地抑制了乙硫氨酯在方铅矿表面的吸附，显著增强了方铅矿表面的亲水性。本研究为高效环保分离黄铜矿和方铅矿提供了一个可行的解决方案。

研究论文

水热与热解交叉炭化生物质制备高品质高炉喷吹燃料：理化特性和气化动力学分析

党晗, 徐润生, 张建良, 王明涌, 李进华

2024, 31(2): 268-281. doi: 10.1007/s12613-023-2728-0

中文摘要(413) PDF(44) SpringerLink

摘要:
本文提出了一种生物质交叉升级工艺，将水热炭化和热解相结合，生产出高质量的高炉喷吹燃料。结果表明，升级后的生物炭挥发物含量在 16.19% 至 45.35% 之间，碱金属含量、灰分含量和比表面积显著降低。生物质炭生产的最佳途径是先水热炭化后热解，从而获得热值更高、芳香结构更合理、石墨化程度更高的生物质炭。样品的表观活化能（E）范围为 199.1 至 324.8 kJ/mol，其中水热–热解（P-HC）的 E 为 277.8 kJ/mol，低于原生物质、初级生物质炭和无烟煤。这使得 P-HC 更适合用作高炉喷吹燃料。此外，论文还提出了在高炉中喷吹 P-HC 的工艺路线，并计算了潜在的环境效益。当取代 40wt% 的喷煤时，P-HC 具有最大的碳减排潜力，可减少 96.04 kg/t 的排放量。

研究论文

钛对氢冶金竖炉球团粘结的影响：行为分析和机理演变

冯金格, 唐珏, 赵子川, 储满生, 郑艾军, 李晓兵, 王小艾

2024, 31(2): 282-291. doi: 10.1007/s12613-023-2730-6

中文摘要(276) SpringerLink

摘要:
摘要； 基于氢冶金的气基竖炉直接还原是高效低碳冶炼钒钛磁铁矿的一种很有前景的技术。然而，在该过程中，由于金属铁在相邻球团接触表面之间的聚集会发生球团的粘结行为，对气基竖炉的连续操作有严重的负面影响。作为钒钛磁铁矿综合利用新方法的基础工作的一部分，本研究旨在研究TiO₂对氢气气氛下不同还原条件的球团粘结行为和机理演变的影响。此外，通过微观形貌表征详细阐明了不同TiO₂添加量和还原温度的球团在还原过程中的粘附机理。研究结果表明，随着TiO₂添加量的增加，粘结指数呈线性下降。这种现象可归因于还原过程中未还原的FeTiO₃的增加，导致粘结界面处金属铁互连的强度降低。在1100°C时，当TiO₂的添加量从0wt%增加到15wt%，粘结指数从0.71%增加到59.91%。在低还原温度下，球团的粘结行为主要取决于相邻球团界面处渣相的连接，并伴有较低的粘结强度。当还原温度升高，金属铁的互连成为导致球团粘结行为的主导因素，粘结指数随还原温度的升高而急剧增加。与低还原温度相比，TiO₂在高还原温度下对球团的还原粘结行为影响较大。

研究论文

氧化铁对不锈钢渣中尖晶石结晶行为和空间分布的影响

严梓航, 赵青, 韩承志, 梅孝辉, 刘承军, 姜茂发

2024, 31(2): 292-300. doi: 10.1007/s12613-023-2713-7

中文摘要(227) PDF(36) SpringerLink

摘要:
不锈钢渣中含有铬组元，对生态环境和人体健康具有极大危害。将铬赋存于尖晶石相，是提升铬稳定性，防止铬氧化和溶出的重要措施。为促进铬在尖晶石相富集，强化尖晶石晶体生长，本文研究了铁氧化物对尖晶石结晶行为和空间分布的影响。研究结果表明，与Fe₂O₃和Fe₃O₄相比，FeO更利于尖晶石的生长。尖晶石主要分布在炉渣的顶部和底部，底部的尖晶石随FeO含量的增加而减少，而顶部的尖晶石则呈相反趋势。在FeO含量为18wt%的炉渣中，尖晶石的平均粒径为12.8 µm。进一步提升FeO含量，尖晶石平均粒径变化不大。当FeO含量在8wt%–18wt%的范围内增加时，尖晶石的空间分布发生变化。在FeO含量为23wt%时，炉渣底部尖晶石明显降低。

研究论文

正弦脉动进气强化顶吹熔炼炉内气-渣动量传递的数值研究

万章豪, 杨世亮, 孔德颂, 李东波, 胡建杭, 王华

2024, 31(2): 301-314. doi: 10.1007/s12613-023-2705-7

中文摘要(259) PDF(28) SpringerLink

摘要:
基于计算流体动力学方法探讨了气泡在顶吹熔炼炉内的形态变化特征以及气泡边界处热物理特性。探讨了流体相的基本特性（如喷溅体积、铜渣搅拌死区和气相穿透深度），以及正弦脉动进气对相间动量传递性能的影响。结果表明，在气泡腰部和喷枪下方分别出现了两个相对较大和两个相对较小的涡流。大涡流的扩张及小涡旋的收缩共同导致了气泡腰部处的形态收缩。与注气速度(V_g)为58 m/s 的工况相比，V_g = 58 + 10sin(2πt) 工况下的熔渣喷溅体积和搅拌死区体积分别减少了24.9%和23.5%。后者的气体穿透深度和熔渣运动速度分别是前者的1.03 倍和1.31 倍。

研究论文

中温碳还原焙烧从废LiCoO₂正极中优先选择性提锂

魏代祥, 王威, 蒋龙进, 常志东, 周花蕾, 董彬, 高德堃, 张明辉, 武超凡

2024, 31(2): 315-322. doi: 10.1007/s12613-023-2698-2

中文摘要(255) PDF(27) SpringerLink

摘要:
由于锂的价格骤增，从废锂离子电池（LIB）中回收Li变得越来越重要。本工作报道了一种中温碳还原焙烧方法，旨在从废LiCoO₂（LCO）正极材料中优先选择性提Li以克服回收过程中Li的不完全回收和损失问题。在合适的温度下，控制氧化钴还原状态以破坏LCO的层状结构，Li被完全转化为水溶性的Li₂CO₃，Co被转化成水不溶性的CoO/Co。中温焙烧过程中形成Co易聚集形成Co金属团聚体而夹杂部分Li，湿法研磨和超声波可以将其破碎以释放被夹带的Li从而提高Li的回收率。结果表明，99.10%的Li以Li₂CO₃的形式回收，纯度为99.55%。这项研究为从废锂离子电池正极中优先选择性提取锂提供了一个新的视角。

研究论文

一种典型的低合金高强钢多道次变形过程的流动特性及热加工性能

赵明杰, 姜丽红, 李昌民, 黄亮, 孙朝远, 李建军, 郭正华

2024, 31(2): 323-336. doi: 10.1007/s12613-023-2736-0

中文摘要(242) SpringerLink

摘要:
由于低合金高强钢大型构件一般采用多道次锻造成形，为了能够更好制定实际锻造工艺参数，有必要围绕低合金高强钢多道次变形过程的流动特性及热加工性能开展研究。在本研究中，对一种典型的低合金高强钢在较宽的变形温度和应变速率下进行了多道次热压缩实验。基于流动行为分析发现，材料的加工硬化速率与变形参数和变形道次有关，这主要归因于动态软化及静态软化的影响。为了实现对不同变形道次下流动行为的准确预测，提出了一个新的本构模型，将其预测精度与经典的Arrhenius本构模型和修正的ZA本构模型相比发现，新提出的本构模型具有更高的预测精度，置信水平为0.98565。基于微观组织分析，揭示了材料功耗效率与变形参数之间的关系，发现功率耗散效率不能反映整个变形过程中微观组织演化情况，而只能评估特定变形参数状态下的微观组织演化。为此，本文提出了一种新的集成热加工图，该图考虑了失稳因子、功率耗散效率以及晶粒分布和尺寸的影响。基于该热加工图，优化出低合金高强钢多道次变形的工艺参数为1223–1318 K和0.01–0.08 s⁻¹。在优化的工艺参数范围内动态再结晶完全，平均晶粒尺寸为18.36–42.3 μm。上述研究为大型构件实际锻造成形过程工艺参数的制定提供重要的理论指导。

研究论文

基于机器学习的低合金钢大气腐蚀速率预测

匡惊鸥, 龙志林

2024, 31(2): 337-350. doi: 10.1007/s12613-023-2679-5

中文摘要(720) PDF(67) SpringerLink

摘要:
本文以LAS的材料特性、环境因素及暴露时间为输入，以腐蚀速率为输出，使用6种不同的机器学习(ML)模型来预测低合金钢(LAS)的大气腐蚀速率。通过超参数调整和特征筛选，极端梯度提升(XGBoost)模型表现最优的预测精度。随后使用属性转换方法，将材料性质特征转换为对应原子和物理特征，并使用递归特征剔除(RFE)方法和XGBoost特征筛选法，筛选出影响腐蚀速率的重要因素。使用属性转换特征所建立的ML模型表现出优异的预测性能和泛化能力。此外，还应用Shapley additive exPlanations(SHAP)方法分析了输入特征与腐蚀速率之间的关系。结果表明，属性转换模型能有效地帮助分析腐蚀行为，并显著提高腐蚀速率预测模型的泛化能力。

研究论文

Ti、Ta元素含量对Co–Ni基高温合金氧化性能的影响

张玉衡, 李姿昕, 贵云玮, 付华栋, 谢建新

2024, 31(2): 351-361. doi: 10.1007/s12613-023-2733-3

中文摘要(319) PDF(44) SpringerLink

摘要:
Co–Ni基高温合金具有更高的承温能力，更优异的抗热腐蚀性能与抗热疲劳性能，有望作为航空发动机和燃气轮机热端部件的关键高温结构材料。在前期的工作中，我们阐明了Ti、Ta元素对合金高温力学性能的贡献，但元素间复杂的交互作用同样会显著影响合金抗氧化性能。为此，本文设计并制备了不同Ti、Ta含量的Co–35Ni–10Al–2W–5Cr–2Mo–1Nb–xTi–(5−x)Ta合金（x = 1，2，3，4），研究了合金在800–1000°C的抗氧化性能。结果表明，合金氧化层的主要结构从外到内依次是尖晶石，Cr₂O₃和Al₂O₃。由Ta，W和Mo形成的氧化物在Cr₂O₃层下方产生。Ti、Ta元素的交互作用使3Ti2Ta合金的抗氧化性能最好，当Ti或Ta元素含量过高时都会对合金抗氧化性能产生不利影响。本研究首次发现并报道了W、Mo氧化物在高Al含量的Co–Ni基铸造高温合金氧化过程中的挥发，解释了氧化层内空洞的形成机理。研究结果为合金元素的交互作用对合金抗氧化性能的影响奠定了基础。

研究论文

凝固冷却速率对Zn–4Si合金组织和摩擦特性的影响

F. Akbari, M. Golkaram, S. Beyrami, G. Shirazi, K. Mantashloo, R. Taghiabadi, M. Saghafi Yazdi, I. Ansarian

2024, 31(2): 362-373. doi: 10.1007/s12613-023-2764-9

中文摘要(262) PDF(17) SpringerLink

摘要:
本文主要是通过高凝固冷却速率(SCR)来改变一种新型Zn–4Si合金的组织性能并提高其摩擦性能。结果表明，当SCR从2增加到59.5°C/s时，初生Si颗粒的平均尺寸和晶粒的平均尺寸分别从76.1和3780 μm减小到14.6和460 μm以下。此外，增加SCR可以增强组织均匀性，降低孔隙率(50%)，提高基体硬度(36%)。这些微观结构的变化增强了摩擦性能。当施加压力为0.5 MPa时，SCR从2.0增加到59.5°C/s，合金的磨损率和平均摩擦系数分别降低了57%和23%。磨损机制也从缓慢冷却合金的严重脱层、粘着和磨损转变为高冷却速率凝固试样的轻度摩擦层脱层/磨损。

研究论文

镍含量对Al–Si–Cu–Mg–Ni/SiC 复合材料磨损行为的影响

刘晏宇, 贾丽娜, 王文博, 靳祖衡, 张虎

2024, 31(2): 374-383. doi: 10.1007/s12613-023-2701-y

中文摘要(920) PDF(28) SpringerLink

摘要:
近年来，添加镍(Ni)元素可以提高Al–Si合金力学性能的观点逐渐被人们接受。然而，Ni元素对Al–Si合金和铝基复合材料磨损行为的研究仍然不足，尤其是在高温环境下。本研究采用半固态搅拌铸造方法制备了不同Ni含量的Al–Si–Cu–Mg–Ni/20wt%SiC颗粒增强铝基复合材料。通过在25°C和350°C下的滑动试验，研究了镍含量对所制备的复合材料干滑动磨损行为的影响。结果表明，随着Ni含量从0增加到3wt%，微观结构中θ-Al₂Cu相逐渐减少并最终消失，同时伴随着δ-Al₃CuNi相和ε-Al₃Ni相的形成和增加。随着Ni从0增加到2wt%，铸态复合材料的硬度和极限抗拉强度都有所提高，复合材料在25°C的磨损速率从5.29 × 10⁻⁴降低到1.94 × 10⁻⁴ mm³/(N∙m)，在350°C的磨损速率从20.2 × 10⁻⁴降低到7 × 10⁻⁴ mm³/(N∙m)。上述性能的提高是由于复合材料中增强的网状结构和存在更多的富镍相所引起的。然而，由于ε-Al₃Ni相容易断裂和脱胶的特点，3Ni复合材料的磨损速率显著增大，大约是2Ni复合材料的2倍。所研究的复合材料在25°C滑动的主要磨损机制为磨粒磨损、分层磨损和氧化磨损，而在350°C的滑动过程中，分层磨损和氧化磨损占主导地位。

研究论文

磁控溅射制备的微晶钴薄膜的组织结构及磁性能

宋克睿, 李周, 方梅, 肖柱, 雷前

2024, 31(2): 384-394. doi: 10.1007/s12613-023-2715-5

中文摘要(305) SpringerLink

摘要:
通过直流磁控溅射法制备了纯钴薄膜，研究了溅射功率和压强对薄膜微观组织结构和电磁性能的影响。随着溅射功率从15 W增加到60 W，钴薄膜由非晶转变为了微晶，同时晶间孔隙宽度显著增加。这导致了电阻率降低65%，矫顽力从162 Oe上升至293 Oe，以及单轴磁各向异性消失。随着溅射压强从1.6 Pa降低至0.2 Pa，晶粒尺寸显著增加，电阻率从377 μΩ⋅cm大幅度降低至37 μΩ⋅cm。同时由于缺陷宽度的增加，矫顽力从67 Oe大幅上升至280 Oe，由此建立了一个通过面缺陷宽度定量计算纯钴薄膜的矫顽力的模型。此外，在0.2 Pa和0.4 Pa的溅射压强下，制备了具有明显的单轴磁各向异性的多晶纯钴薄膜，这种本因在非晶薄膜中出现的现象的产生被归因于高的微观内应力。

研究论文

兼具适当平台容量和高倍率性能的MOF衍生多孔石墨化碳材料用于高性能锂离子电容器

储歌, 王朝辉, 杨哲伟, 秦琳, 樊新

2024, 31(2): 395-404. doi: 10.1007/s12613-023-2726-2

中文摘要(207) PDF(25) SpringerLink

摘要:
锂离子电容器（LIC）作为一种混合储能装置，电容型正极发生快速的吸附/解吸过程，而电池型负极发生缓慢的氧化还原反应，正负极动力学不匹配，严重限制了锂离子电容器的功率密度。另外，在锂离子电容循环过程中，由于极化增大以及预存锂的消耗，负极电势会逐渐向高值移动，导致正极材料容量利用率降低，降低器件的能量密度和循环稳定性。负极材料长的充放电平台，不仅能够减缓负极电势向高值偏移的速度，而且有利于正极设计更高的容量，提升器件的稳定性和能量密度。开发出兼具高倍率性能和长充放电平台的负极材料是实现锂离子电容高能量密度、高功率密度和长循环寿命的关键。金属有机框架由于金属节点、配体以及拓扑类型的丰富、可调特性而成为构建多孔碳的理想前驱体。本文以刚性配体合成具有三重互穿结构的Co-MOF作为前驱体，将其在不同温度（900°C、1100°C、1300°C、1500°C）下碳化，经酸洗后得到多孔石墨化碳材料（PGCs）。制备的PGC-1300具有优化的石墨化程度和多孔框架，不仅具有较高的平台容量（0.2 V以下，0.05 A⋅g⁻¹ 时为105.0 mAh⋅g⁻¹），而且为离子提供了更便捷的通道，提高了倍率性能（3.2 A⋅g⁻¹时，为128.5 mAh⋅g⁻¹）。根据动力学分析，可以发现扩散控制的表面诱导电容过程和锂离子插层过程共存于锂离子存储过程中。此外，以预锂化的PGC-1300 作为负极，活性炭（AC）作为正极构建的 PGC-1300//AC 锂离子电容器具有高的能量密度（102.8 Wh⋅kg⁻¹），高的功率密度（6017.1 W⋅kg⁻¹）以及高的循环稳定性（1.0 A⋅g⁻¹下5000次循环后的容量保持率为93.6%）。

研究论文

固体氧化物燃料电池运行初期阳极衰减的玻尔兹曼方法研究

刘世学, 刘治京, 张淑兴, 吴昊

2024, 31(2): 405-411. doi: 10.1007/s12613-023-2692-8

中文摘要(605) PDF(24) SpringerLink

摘要:
固体氧化物燃料电池在运行初始阶段有较快的性能衰减，有必要进行量化的衰减机理分析。本文使用聚焦离子束扫描电子显微镜对固体氧化物燃料电池多孔阳极微结构进行测试并完成三维重构，然后利用格子玻尔兹曼方法对重构电极内部多物理场过程及电化学反应进行了模拟。该方法用于工业尺寸单电池的测试和仿真模拟，对一个刚还原的电池与一个经过初期衰减的电池进行了比较分析。三维重构的统计结果显示跟刚还原的电池相比，经过初期衰减的电池电极内三相线长度和镍催化剂的连通性有明显减小。格子玻尔兹曼模拟结果显示初期衰减阶段电极活性衰减的贡献比结构衰减更大，经过初期衰减的电池电化学反应区域从阳极功能区扩展到了阳极支撑层。从衰减原因来看，电极活性衰减和结构衰减均来源于阳极镍催化剂的迁移和粗化。

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