期刊信息
月刊，1955年创刊
ISSN 2095-9389
CN 10-1297/TF
主管单位：教育部
主办单位：北京科技大学
编 辑：《工程科学学报》编辑部
出 版：科学出版社
主任委员：杨仁树
副主任委员(主编)：吴爱祥
地 址：北京市海淀区学院路30号
电 话：(010)62333436
传 真：(010)62333436
邮发代码：82-303
国内发行：北京报刊发行局
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单 价：40元/期，全年480元
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.22.005
[PDF 1359KB]
摘要:
为有效地提高插电式燃料电池汽车的经济性，实现燃料电池和动力电池的功率最优分配，考虑到行驶工况、电池荷电状态（state of charge, SOC）、等效因子与氢气消耗之间的密切联系，制定融合工况预测的里程自适应等效氢耗最小策略。通过基于误差反向传播的神经网络来实现未来短期车速的预测，分析未来车辆功率需求变化，同时利用行驶里程和SOC实时动态修正等效因子，实现能量管理策略的自适应性。仿真结果表明，采用基于神经网络的工况预测算法能够较好地预测未来短期工况，其预测精度相较于马尔可夫方法提高12.5%，所提出的能量管理策略在UDDS工况下的氢气消耗比CD/CS策略下降55.6%。硬件在环试验表明，在EUDC工况下的氢气消耗比CD/CS策略下降26.8%。
为有效地提高插电式燃料电池汽车的经济性，实现燃料电池和动力电池的功率最优分配，考虑到行驶工况、电池荷电状态（state of charge, SOC）、等效因子与氢气消耗之间的密切联系，制定融合工况预测的里程自适应等效氢耗最小策略。通过基于误差反向传播的神经网络来实现未来短期车速的预测，分析未来车辆功率需求变化，同时利用行驶里程和SOC实时动态修正等效因子，实现能量管理策略的自适应性。仿真结果表明，采用基于神经网络的工况预测算法能够较好地预测未来短期工况，其预测精度相较于马尔可夫方法提高12.5%，所提出的能量管理策略在UDDS工况下的氢气消耗比CD/CS策略下降55.6%。硬件在环试验表明，在EUDC工况下的氢气消耗比CD/CS策略下降26.8%。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.12.02.002
摘要:
煤的自燃特性使其在开采、存储和运输过程中存在火灾事故隐患，极大的阻碍了煤炭行业的可持续发展。通过自主搭建的敞车载运煤燃烧蔓延模拟实验装置，分析在表面横向风流作用下的松散煤体内部高温区域演变以及气体蔓延规律。结果表明，表面横向风流明显加快了高温区域蔓延速度，相比无风状况下，高温蔓延速度加快了0.3倍（风流1 m/s时）和0.5倍(风流2 m/s时），高温区域峰值温度升高了120±20 ℃；受表面横向风流影响，燃烧蔓延路径向风流流动方向偏移；在风流0 m/s时，燃烧的高温点O2体积分数快速下降阶段所经历的时间随纵深的增加逐渐增大，风流作用会加剧煤氧反应。研究成果可为煤炭运输与储存过程煤火灾害精准治理提供参考。
煤的自燃特性使其在开采、存储和运输过程中存在火灾事故隐患，极大的阻碍了煤炭行业的可持续发展。通过自主搭建的敞车载运煤燃烧蔓延模拟实验装置，分析在表面横向风流作用下的松散煤体内部高温区域演变以及气体蔓延规律。结果表明，表面横向风流明显加快了高温区域蔓延速度，相比无风状况下，高温蔓延速度加快了0.3倍（风流1 m/s时）和0.5倍(风流2 m/s时），高温区域峰值温度升高了120±20 ℃；受表面横向风流影响，燃烧蔓延路径向风流流动方向偏移；在风流0 m/s时，燃烧的高温点O2体积分数快速下降阶段所经历的时间随纵深的增加逐渐增大，风流作用会加剧煤氧反应。研究成果可为煤炭运输与储存过程煤火灾害精准治理提供参考。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.12.27.004
摘要:
近年来，利用大规模预训练深度神经网络模型来提高具体任务下的泛化能力和性能，逐渐成为基于深度学习的人工智能技术与应用发展的一大趋势。虽然这些深度神经网络模型表现优异，但是复杂的模型结构、庞大的模型参数量以及惊人的运算量使得它们难以被部署在边缘及端侧硬件平台上。为了解决这个问题，模型压缩与加速技术应运而生。在多种模型压缩与加速方案中，模型量化是其中主要技术，是大规模商业化应用推广的核心问题。模型量化技术可以通过减少网络参数的位宽和中间过程特征图的位宽来达到压缩加速深度神经网络的目的，从而使量化后的网络能够部署在资源有限的边缘设备上。本文较全面地调研了不同角度下模型量化相关技术，深入地总结归纳了不同方法的优缺点，并探究了量化技术目前仍然存在的问题以及未来可能的发展方向。
近年来，利用大规模预训练深度神经网络模型来提高具体任务下的泛化能力和性能，逐渐成为基于深度学习的人工智能技术与应用发展的一大趋势。虽然这些深度神经网络模型表现优异，但是复杂的模型结构、庞大的模型参数量以及惊人的运算量使得它们难以被部署在边缘及端侧硬件平台上。为了解决这个问题，模型压缩与加速技术应运而生。在多种模型压缩与加速方案中，模型量化是其中主要技术，是大规模商业化应用推广的核心问题。模型量化技术可以通过减少网络参数的位宽和中间过程特征图的位宽来达到压缩加速深度神经网络的目的，从而使量化后的网络能够部署在资源有限的边缘设备上。本文较全面地调研了不同角度下模型量化相关技术，深入地总结归纳了不同方法的优缺点，并探究了量化技术目前仍然存在的问题以及未来可能的发展方向。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2023.01.13.004
摘要:
外贴碳纤维板是钢梁抗弯加固的常用方法，但其端部易因界面应力集中导致剥离破坏，严重影响高性能材料的有效利用、特别是结构加固后的安全服役。为此开发出一种适用于H型钢梁的简易夹具-C形槽板夹，以加强碳纤维板的端部锚固。通过多根带夹碳纤维板加固梁的静力加载试验，验证了此夹具的可靠性，并考察了碳纤维板伸入剪跨段长度与剪跨段长度之比及锚固方式(纯粘、端锚和混锚)对加固效果的影响。研究发现端锚加固不同于纯粘，只要梁的控制截面仍在夹具之间，碳纤维板的极限应力、加固效果及利用效率随其长度缩短而提高，当碳纤维板长度分别为600、750 mm时，前者极限应变比后者高27.3%。由于钢梁表面处理质量较差，混锚加固梁均发生突然剥离，后期退化为端锚加固梁，因而相比端锚加固梁加固效果改善不大，需要提高表面处理质量再做类似研究。尽管如此，相比纯粘加固梁，混锚加固梁采用C形槽板夹后剥离破坏被延迟，抗弯性能大为改善。试验过程中还用压电阻抗法对界面剥离情况进行了检测，结果符合实际。
外贴碳纤维板是钢梁抗弯加固的常用方法，但其端部易因界面应力集中导致剥离破坏，严重影响高性能材料的有效利用、特别是结构加固后的安全服役。为此开发出一种适用于H型钢梁的简易夹具-C形槽板夹，以加强碳纤维板的端部锚固。通过多根带夹碳纤维板加固梁的静力加载试验，验证了此夹具的可靠性，并考察了碳纤维板伸入剪跨段长度与剪跨段长度之比及锚固方式(纯粘、端锚和混锚)对加固效果的影响。研究发现端锚加固不同于纯粘，只要梁的控制截面仍在夹具之间，碳纤维板的极限应力、加固效果及利用效率随其长度缩短而提高，当碳纤维板长度分别为600、750 mm时，前者极限应变比后者高27.3%。由于钢梁表面处理质量较差，混锚加固梁均发生突然剥离，后期退化为端锚加固梁，因而相比端锚加固梁加固效果改善不大，需要提高表面处理质量再做类似研究。尽管如此，相比纯粘加固梁，混锚加固梁采用C形槽板夹后剥离破坏被延迟，抗弯性能大为改善。试验过程中还用压电阻抗法对界面剥离情况进行了检测，结果符合实际。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2023.02.17.004
摘要:
在矿山深部开采过程中，高应力与高水压耦合作用导致岩石的力学特性演化机理更加复杂。为分析深部复杂条件下花岗岩的力学行为及破坏特征，本文利用低场核磁共振核技术进行花岗岩初始孔隙率测量，借助岩石高温三轴流变系统开展应力-渗流耦合试验，引入耗能比实现花岗岩破坏过程的能量演化分析。研究结果表明：岩石的峰值强度、峰值应变随孔隙水压的增大呈线性减小且减小速率逐渐提升，随围压的增大呈线性增加且增大速率逐渐变缓；岩石破坏应变能表现出明显的围压效应和孔隙水压效应，峰值应力点为弹性能极值点，峰值点之后弹性能迅速转化为岩石损伤的耗散能，岩石耗能比整体呈现增大→减小→增加的“S”型变化规律；引入花岗岩初始孔隙率，将岩石视为固体骨架和孔隙两部分组成，综合考虑变形特征并以此构建应力-渗流耦合本构模型，与试验对比后认为该模型具有较高普适性。试验结果对分析岩石的变形特征提供认识指导意义。
在矿山深部开采过程中，高应力与高水压耦合作用导致岩石的力学特性演化机理更加复杂。为分析深部复杂条件下花岗岩的力学行为及破坏特征，本文利用低场核磁共振核技术进行花岗岩初始孔隙率测量，借助岩石高温三轴流变系统开展应力-渗流耦合试验，引入耗能比实现花岗岩破坏过程的能量演化分析。研究结果表明：岩石的峰值强度、峰值应变随孔隙水压的增大呈线性减小且减小速率逐渐提升，随围压的增大呈线性增加且增大速率逐渐变缓；岩石破坏应变能表现出明显的围压效应和孔隙水压效应，峰值应力点为弹性能极值点，峰值点之后弹性能迅速转化为岩石损伤的耗散能，岩石耗能比整体呈现增大→减小→增加的“S”型变化规律；引入花岗岩初始孔隙率，将岩石视为固体骨架和孔隙两部分组成，综合考虑变形特征并以此构建应力-渗流耦合本构模型，与试验对比后认为该模型具有较高普适性。试验结果对分析岩石的变形特征提供认识指导意义。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.12.28.002
摘要:
极化SAR舰船检测是极化SAR系统的重要应用之一，现有的极化SAR舰船检测方法在具有强背景杂波的条件下容易将强杂波误检为目标，造成虚警；在多尺度舰船检测情况下小尺寸的舰船容易淹没在背景杂波中，造成小尺寸目标的漏检。针对上述问题，本文提出一种基于超像素与稀疏重构显著性的极化SAR舰船检测方法。该方法首先用超像素分割方法将大幅的极化SAR场景图像分割，在超像素级别上使用稀疏重构显著性方法保留含有舰船目标的超像素，再在这些保留下来的超像素中逐像素使用稀疏重构显著性检测方法，得到最终的舰船检测结果。本文选取强杂波场景和多尺度舰船检测场景的两个场景的ALOS-2卫星极化SAR数据进行对比实验，实验结果表明，本文方法在强杂波场景下品质因数达到95.24%，在多尺度舰船检测场景下品质因数达到96.15%。
极化SAR舰船检测是极化SAR系统的重要应用之一，现有的极化SAR舰船检测方法在具有强背景杂波的条件下容易将强杂波误检为目标，造成虚警；在多尺度舰船检测情况下小尺寸的舰船容易淹没在背景杂波中，造成小尺寸目标的漏检。针对上述问题，本文提出一种基于超像素与稀疏重构显著性的极化SAR舰船检测方法。该方法首先用超像素分割方法将大幅的极化SAR场景图像分割，在超像素级别上使用稀疏重构显著性方法保留含有舰船目标的超像素，再在这些保留下来的超像素中逐像素使用稀疏重构显著性检测方法，得到最终的舰船检测结果。本文选取强杂波场景和多尺度舰船检测场景的两个场景的ALOS-2卫星极化SAR数据进行对比实验，实验结果表明，本文方法在强杂波场景下品质因数达到95.24%，在多尺度舰船检测场景下品质因数达到96.15%。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.10.14.003
摘要:
生物质能源作为可再生的清洁能源是传统化石能源的替代品之一，但是其作为工业燃料燃烧时会产生大量具有火山灰活性的生物质灰，研究煅烧温度对生物质灰火山灰活性的调控机制有助于生物质灰的高效利用。基于此，我们测试评价了500 ℃、700 ℃、850 ℃柳叶灰的火山灰活性，采用XRF、XRD、FTIR和激光粒度分析仪、显微电泳仪等表征手段，测试了柳叶灰的理化性质；考察柳叶灰替代30 wt%水泥后柳叶灰-水泥基材料的力学性能；通过强度指数、活性离子析出能力和火山灰反应效率，评价柳叶灰的火山灰活性特征，结合SEM、XRD等表征手段，阐明煅烧温度对柳叶灰结构组成及火山灰活性调控机制。结果表明：柳叶灰的主要氧化物为SiO2和CaO，柳叶灰替代部分水泥后500 ℃柳叶灰-水泥基材料抗压强度最大，强度指数为0.79，具有最强的火山灰活性；500 ℃和700 ℃柳叶灰Zeta电位的绝对值和电导率变化率大于850 ℃的，Si4+析出浓度随煅烧温度升高而下降，过高的煅烧温度会导致柳叶灰出现结渣现象影响火山灰反应的进行。本研究为生物质灰火山灰活性的调控及应用提供理论支撑。
生物质能源作为可再生的清洁能源是传统化石能源的替代品之一，但是其作为工业燃料燃烧时会产生大量具有火山灰活性的生物质灰，研究煅烧温度对生物质灰火山灰活性的调控机制有助于生物质灰的高效利用。基于此，我们测试评价了500 ℃、700 ℃、850 ℃柳叶灰的火山灰活性，采用XRF、XRD、FTIR和激光粒度分析仪、显微电泳仪等表征手段，测试了柳叶灰的理化性质；考察柳叶灰替代30 wt%水泥后柳叶灰-水泥基材料的力学性能；通过强度指数、活性离子析出能力和火山灰反应效率，评价柳叶灰的火山灰活性特征，结合SEM、XRD等表征手段，阐明煅烧温度对柳叶灰结构组成及火山灰活性调控机制。结果表明：柳叶灰的主要氧化物为SiO2和CaO，柳叶灰替代部分水泥后500 ℃柳叶灰-水泥基材料抗压强度最大，强度指数为0.79，具有最强的火山灰活性；500 ℃和700 ℃柳叶灰Zeta电位的绝对值和电导率变化率大于850 ℃的，Si4+析出浓度随煅烧温度升高而下降，过高的煅烧温度会导致柳叶灰出现结渣现象影响火山灰反应的进行。本研究为生物质灰火山灰活性的调控及应用提供理论支撑。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.24.003
摘要:
以硅锰渣为主要原料，分别添加高硅、高铁和含铬的改质剂硅石、铁鳞和铬铁渣，采用Petrurgic一步法制备了微晶玻璃，对微晶玻璃样品进行了X 射线衍射(XRD) 、差热（DSC）、扫描电镜（SEM-EDS）等测试和分析，讨论了添加不同改质剂对硅锰渣微晶玻璃矿相和性能的影响规律。研究表明: 将改质熔渣冷却至析晶温度保温和700 ℃退火，能够获得满足天然花岗岩石材对性能的要求的微晶玻璃。相对于原硅锰渣，改质熔渣的析晶性能都获得了显著提升，其中铁鳞和铬铁渣更有利于促进粒度为0.2~0.5 μm粒状或短棒状辉石晶体形成，这些晶体为固溶了Mn、Fe离子的普通辉石（Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6），钙锰辉石（CaMnSi2O6）等辉石矿物。添加改质剂均改变了硅锰渣中Mn离子的赋存形态，原渣中Mn离子主要以玻璃相和硫化锰形式存在，改质后样品中的锰离子主要赋存于钙锰辉石中。
以硅锰渣为主要原料，分别添加高硅、高铁和含铬的改质剂硅石、铁鳞和铬铁渣，采用Petrurgic一步法制备了微晶玻璃，对微晶玻璃样品进行了X 射线衍射(XRD) 、差热（DSC）、扫描电镜（SEM-EDS）等测试和分析，讨论了添加不同改质剂对硅锰渣微晶玻璃矿相和性能的影响规律。研究表明: 将改质熔渣冷却至析晶温度保温和700 ℃退火，能够获得满足天然花岗岩石材对性能的要求的微晶玻璃。相对于原硅锰渣，改质熔渣的析晶性能都获得了显著提升，其中铁鳞和铬铁渣更有利于促进粒度为0.2~0.5 μm粒状或短棒状辉石晶体形成，这些晶体为固溶了Mn、Fe离子的普通辉石（Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6），钙锰辉石（CaMnSi2O6）等辉石矿物。添加改质剂均改变了硅锰渣中Mn离子的赋存形态，原渣中Mn离子主要以玻璃相和硫化锰形式存在，改质后样品中的锰离子主要赋存于钙锰辉石中。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.26.003
摘要:
硫化物全固态锂金属电池以其高比能和高安全性得到了越来越多的关注，但是电解质与正负极极材料之间严重的界面问题仍然限制其进一步发展。为解决Li6PS5Cl固态电解质对金属锂不稳定的难点，采用石榴石氧化物固态电解质（LLZTO）与Ag复合界面层改善Li6PS5Cl全固态电池的锂负极界面循环稳定性。研究了LLZTO和Ag简单分散复合、均匀分散包覆复合、以及纳米球磨复合等不同组成的LLZTO-Ag复合界面层方式对Li6PS5Cl全固态锂金属电池负极界面的改善作用。结果表明，纳米球磨复合得到的LLZTO@Ag复合层复合界面层能有效阻止锂枝晶生长和电池短路。在最佳工艺下，全固态锂金属电池的0.1 C首圈效率为77.5%，放电比容量为187.3 mAh g?1，经0.3 C循环100圈后容量保持率为81.7%。
硫化物全固态锂金属电池以其高比能和高安全性得到了越来越多的关注，但是电解质与正负极极材料之间严重的界面问题仍然限制其进一步发展。为解决Li6PS5Cl固态电解质对金属锂不稳定的难点，采用石榴石氧化物固态电解质（LLZTO）与Ag复合界面层改善Li6PS5Cl全固态电池的锂负极界面循环稳定性。研究了LLZTO和Ag简单分散复合、均匀分散包覆复合、以及纳米球磨复合等不同组成的LLZTO-Ag复合界面层方式对Li6PS5Cl全固态锂金属电池负极界面的改善作用。结果表明，纳米球磨复合得到的LLZTO@Ag复合层复合界面层能有效阻止锂枝晶生长和电池短路。在最佳工艺下，全固态锂金属电池的0.1 C首圈效率为77.5%，放电比容量为187.3 mAh g?1，经0.3 C循环100圈后容量保持率为81.7%。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.07.002
摘要:
超高性能混凝土材料(UHPC)已逐渐成为极具前景的高性能材料，并在冲击和爆炸等防护工程领域中取得了良好的效果。对于遭受到冲击荷载的普通钢筋混凝土梁较易发生局部冲剪破坏，而纯UHPC梁虽可改善其冲击性能，但高昂的造价限制了其进一步的应用。为了实现结构抗冲击性能和经济的平衡，提出UHPC局部替换和包裹的方案，改善钢筋混凝土梁的抗冲击性能。本文设计了包括NC梁、UHPC梁和NC-UHPC组合梁等不同的研究工况，然后对比分析各个试件的抗冲击性能。研究结果表明：相比普通钢筋混凝土梁，UHPC局部替换方案可以有效的避免梁的局部冲剪破坏，至于UHPC包裹方案，在冲击荷载下梁的破坏模式由冲剪破坏转变为弯曲破坏，两种方案都可有效的减少梁跨中的峰值位移和残余位移；相比UHPC包裹方案，UHPC局部替换梁跨中的峰值位移和残余位移较小，且具有更高的跨中承载能力，本文建议取大于2倍梁高的局部替换长度以避免局部冲剪破坏。 关键词 超高性能混凝土；普通钢筋混凝土；组合梁；冲击荷载；冲剪破坏；弯曲破坏
超高性能混凝土材料(UHPC)已逐渐成为极具前景的高性能材料，并在冲击和爆炸等防护工程领域中取得了良好的效果。对于遭受到冲击荷载的普通钢筋混凝土梁较易发生局部冲剪破坏，而纯UHPC梁虽可改善其冲击性能，但高昂的造价限制了其进一步的应用。为了实现结构抗冲击性能和经济的平衡，提出UHPC局部替换和包裹的方案，改善钢筋混凝土梁的抗冲击性能。本文设计了包括NC梁、UHPC梁和NC-UHPC组合梁等不同的研究工况，然后对比分析各个试件的抗冲击性能。研究结果表明：相比普通钢筋混凝土梁，UHPC局部替换方案可以有效的避免梁的局部冲剪破坏，至于UHPC包裹方案，在冲击荷载下梁的破坏模式由冲剪破坏转变为弯曲破坏，两种方案都可有效的减少梁跨中的峰值位移和残余位移；相比UHPC包裹方案，UHPC局部替换梁跨中的峰值位移和残余位移较小，且具有更高的跨中承载能力，本文建议取大于2倍梁高的局部替换长度以避免局部冲剪破坏。 关键词 超高性能混凝土；普通钢筋混凝土；组合梁；冲击荷载；冲剪破坏；弯曲破坏
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2023.02.04.001
摘要:
针对因工业应用成本限制，中、小盾构隧道成型质量无损检测技术迁移至大直径盾构隧道时精度、速度折损严重的问题，以巡检车为载体，集成二维激光扫描仪、编码器和计算机等设备，研制了大盾构隧道成型质量巡检车，并提出一种基于数字图像的盾构质量非对称巡检方法。分析大直径盾构的施工环境，滤除地面、车体点云，并采用邻域向量法提取中轴线，建立隧道中心坐标系。偏心布置巡检路线，按照采样距离将采样点云分为稠密侧和稀疏侧点云，通过不同方法实现对管片接缝特征的拾取：将稠密侧点云绕中轴线展开为二维灰度图像，并通过缩放、归一化、梯度阈值分割等方法实现接缝图像分割；基于直线方程对接缝进行分类，结合管片结构、布置点位，推导出稀疏侧接缝与稠密侧接缝的线性分布公式，间接拾取稀疏侧接缝。根据接缝特征点计算两侧管片边缘点云簇，计算管片错台量；剔除接缝点云簇，使用最小二乘法拟合隧道点云，计算隧道椭圆度。最后在某大直径盾构隧道进行巡检试验，试验结果表明：成型质量巡检车在十四米盾构隧道中巡检速度为3km/h，与传统方法的错台量检测偏差小于2mm，椭圆度检测偏差小于1‰，可以满足大直径盾构隧道成型质量巡检的高速度、高精度、低成本需求。
针对因工业应用成本限制，中、小盾构隧道成型质量无损检测技术迁移至大直径盾构隧道时精度、速度折损严重的问题，以巡检车为载体，集成二维激光扫描仪、编码器和计算机等设备，研制了大盾构隧道成型质量巡检车，并提出一种基于数字图像的盾构质量非对称巡检方法。分析大直径盾构的施工环境，滤除地面、车体点云，并采用邻域向量法提取中轴线，建立隧道中心坐标系。偏心布置巡检路线，按照采样距离将采样点云分为稠密侧和稀疏侧点云，通过不同方法实现对管片接缝特征的拾取：将稠密侧点云绕中轴线展开为二维灰度图像，并通过缩放、归一化、梯度阈值分割等方法实现接缝图像分割；基于直线方程对接缝进行分类，结合管片结构、布置点位，推导出稀疏侧接缝与稠密侧接缝的线性分布公式，间接拾取稀疏侧接缝。根据接缝特征点计算两侧管片边缘点云簇，计算管片错台量；剔除接缝点云簇，使用最小二乘法拟合隧道点云，计算隧道椭圆度。最后在某大直径盾构隧道进行巡检试验，试验结果表明：成型质量巡检车在十四米盾构隧道中巡检速度为3km/h，与传统方法的错台量检测偏差小于2mm，椭圆度检测偏差小于1‰，可以满足大直径盾构隧道成型质量巡检的高速度、高精度、低成本需求。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.12.26.002
摘要:
针对防空任务中我方多平台、多武器、多区域部署带来的防御武器配系难以建模的问题，在考虑敌我双方攻防武器对抗博弈的条件下，提出了一种基于障碍函数内点法的我方防御武器部署优化模型，并综合武器防御效能、防御成本、保卫目标的资产价值等指标对模型进行智能优化分析。首先建立我方部阵地、防御武器与保卫目标的参数化模型，并建立我方武器对于敌方武器拦截的概率函数与约束条件；接着将防御武器优化部署的求解问题转化为性能指标函数的凸优化问题，并引入障碍函数内点法对其进行求解，利用其针对非线性系统性能好、收敛速度快的优势实现优化问题的快速、有效收敛，给出了防御阵地武器部署的最优配置方案；最后通过数值仿真验证了在对抗博弈条件下本文所提出智能优化方法的有效性与优越性。
针对防空任务中我方多平台、多武器、多区域部署带来的防御武器配系难以建模的问题，在考虑敌我双方攻防武器对抗博弈的条件下，提出了一种基于障碍函数内点法的我方防御武器部署优化模型，并综合武器防御效能、防御成本、保卫目标的资产价值等指标对模型进行智能优化分析。首先建立我方部阵地、防御武器与保卫目标的参数化模型，并建立我方武器对于敌方武器拦截的概率函数与约束条件；接着将防御武器优化部署的求解问题转化为性能指标函数的凸优化问题，并引入障碍函数内点法对其进行求解，利用其针对非线性系统性能好、收敛速度快的优势实现优化问题的快速、有效收敛，给出了防御阵地武器部署的最优配置方案；最后通过数值仿真验证了在对抗博弈条件下本文所提出智能优化方法的有效性与优越性。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.11.004
摘要:
真空蒸馏后炭渣(VDC)替代部分煅后焦用于预焙炭阳极路线可实现炭渣高值资源化运用，但对于各阳极原料反应性的影响及作用机制尚不明确，是实现其运用的技术瓶颈。本文在1200℃，真空度0.5~5Pa的条件下对炭渣真空蒸馏，将真空蒸馏炭渣加入阳极并进行反应性检测，结果表明，真空蒸馏炭渣的增加降低了阳极的空气反应性(600℃)而催化了CO2反应性(970℃)。通过研究真空蒸馏炭渣对煤沥青热解过程和阳极原料反应性、结构及催化性的影响，研究发现，造成阳极反应性改变的原因是化学因素和结构因素共同作用的结果。首先，真空蒸馏炭渣提高了沥青的结焦率，增大了石油焦、沥青焦的微晶高度，石墨化程度提高，从而降低原料的反应性；其次，真空蒸馏炭渣中的Ca元素在炭原料的气化反应中起着催化作用，且这种催化作用随着温度的升高而变得更加明显，在温度为970℃时，真空蒸馏炭渣中的钙元素对掺杂沥青焦催化效果十分强烈，这是导致阳极CO2反应性增大的主要原因。
真空蒸馏后炭渣(VDC)替代部分煅后焦用于预焙炭阳极路线可实现炭渣高值资源化运用，但对于各阳极原料反应性的影响及作用机制尚不明确，是实现其运用的技术瓶颈。本文在1200℃，真空度0.5~5Pa的条件下对炭渣真空蒸馏，将真空蒸馏炭渣加入阳极并进行反应性检测，结果表明，真空蒸馏炭渣的增加降低了阳极的空气反应性(600℃)而催化了CO2反应性(970℃)。通过研究真空蒸馏炭渣对煤沥青热解过程和阳极原料反应性、结构及催化性的影响，研究发现，造成阳极反应性改变的原因是化学因素和结构因素共同作用的结果。首先，真空蒸馏炭渣提高了沥青的结焦率，增大了石油焦、沥青焦的微晶高度，石墨化程度提高，从而降低原料的反应性；其次，真空蒸馏炭渣中的Ca元素在炭原料的气化反应中起着催化作用，且这种催化作用随着温度的升高而变得更加明显，在温度为970℃时，真空蒸馏炭渣中的钙元素对掺杂沥青焦催化效果十分强烈，这是导致阳极CO2反应性增大的主要原因。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.11.005
摘要:
生物质属于可再生资源，在我国含量丰富，生物质材料炭化后得到的生物质炭在储能、吸附等领域得到了广泛应用。研究生物质材料的炭化过程，有利于生物质炭的有效利用。本文总结了生物质材料炭化过程中，生物质的种类和炭化条件（包括炭化温度和时间、预处理等）对炭化产物中碳的结构、形态、性质的影响。同时总结了利用生物质材料采用模板法、化学气相沉积法等不同方法来制备碳纳米管，并分析了生物质材料中木质素和纤维素等组分对碳纳米管制备的影响。在此基础上，展望了生物质材料在含碳耐火材料中的应用前景，以期为制备低成本和高性能的新型含碳耐火材料提供思路。
生物质属于可再生资源，在我国含量丰富，生物质材料炭化后得到的生物质炭在储能、吸附等领域得到了广泛应用。研究生物质材料的炭化过程，有利于生物质炭的有效利用。本文总结了生物质材料炭化过程中，生物质的种类和炭化条件（包括炭化温度和时间、预处理等）对炭化产物中碳的结构、形态、性质的影响。同时总结了利用生物质材料采用模板法、化学气相沉积法等不同方法来制备碳纳米管，并分析了生物质材料中木质素和纤维素等组分对碳纳米管制备的影响。在此基础上，展望了生物质材料在含碳耐火材料中的应用前景，以期为制备低成本和高性能的新型含碳耐火材料提供思路。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.12.19.001
摘要:
管道运输是当前长距离输送石油、天然气等能源最经济的方式，具有优异的低温韧性是保证管线钢安全运输的重要特征之一。落锤撕裂试验（drop weight tear testing，DWTT）是衡量管线钢低温韧性的最有效的方法。在目前的工作中，根据钢厂提供的产线数据集和文献收集的管线钢数据集，建立了基于机器学习的DWTT预测模型。基于纯产线数据和文献数据辅助的产线数据构造了两种机器学习策略方案，测试了不同机器学习算法，效果最好的均是随机森林模型，策略一的纯产线数据模型精度为0.64，策略二的文献数据辅助的产线数据模型精度为0.92，文献数据的增加有效提高了DWTT预测精度。机器学习模型为优化和预测DWTT提供了一种新的思路。
管道运输是当前长距离输送石油、天然气等能源最经济的方式，具有优异的低温韧性是保证管线钢安全运输的重要特征之一。落锤撕裂试验（drop weight tear testing，DWTT）是衡量管线钢低温韧性的最有效的方法。在目前的工作中，根据钢厂提供的产线数据集和文献收集的管线钢数据集，建立了基于机器学习的DWTT预测模型。基于纯产线数据和文献数据辅助的产线数据构造了两种机器学习策略方案，测试了不同机器学习算法，效果最好的均是随机森林模型，策略一的纯产线数据模型精度为0.64，策略二的文献数据辅助的产线数据模型精度为0.92，文献数据的增加有效提高了DWTT预测精度。机器学习模型为优化和预测DWTT提供了一种新的思路。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.18.011
摘要:
利用砂岩、大理岩、花岗岩制作6种不同组合方式的层状复合岩石，采用分离式霍普金森压杆试验系统，对不同组合方式的层状岩石进行动态冲击试验，利用高速相机记录其破坏形态，分析复合岩石材料的动态断裂模式、波阻抗效应以及能量耗散规律。利用离散格子弹簧模型模拟复合岩石试件的动态断裂过程，分析复合试件的应力波传播特性及应力、损伤演化规律。研究结果表明：复合岩石材料的动态断裂特征与上下层材料具有相关性，当下层材料动态起裂韧度较低时，裂纹从起裂至扩展到岩石胶结面历时较短。上层材料密度越大应力传导效果越好，而下层材料与上层材料密度相差越大，胶结面上下端应力差越大；受波阻抗效应影响，复合岩石试件应力波的传播行为具有明显差异，波阻抗越大应力波传播速度越快，透射系数越大，产生更多的透射能；复合岩石试件的耗散能时密度、动能及断裂能与上下层岩石材料的密度有关，下层材料不变，上层材料密度越大时，耗散能时密度及断裂能更小，试件完全断裂时获得较大的动能；定义的组合系数ξ越大时，试件切缝起裂时间越早，损失动能曲线和损伤率曲线更加均匀，且损失动能峰值更大。
利用砂岩、大理岩、花岗岩制作6种不同组合方式的层状复合岩石，采用分离式霍普金森压杆试验系统，对不同组合方式的层状岩石进行动态冲击试验，利用高速相机记录其破坏形态，分析复合岩石材料的动态断裂模式、波阻抗效应以及能量耗散规律。利用离散格子弹簧模型模拟复合岩石试件的动态断裂过程，分析复合试件的应力波传播特性及应力、损伤演化规律。研究结果表明：复合岩石材料的动态断裂特征与上下层材料具有相关性，当下层材料动态起裂韧度较低时，裂纹从起裂至扩展到岩石胶结面历时较短。上层材料密度越大应力传导效果越好，而下层材料与上层材料密度相差越大，胶结面上下端应力差越大；受波阻抗效应影响，复合岩石试件应力波的传播行为具有明显差异，波阻抗越大应力波传播速度越快，透射系数越大，产生更多的透射能；复合岩石试件的耗散能时密度、动能及断裂能与上下层岩石材料的密度有关，下层材料不变，上层材料密度越大时，耗散能时密度及断裂能更小，试件完全断裂时获得较大的动能；定义的组合系数ξ越大时，试件切缝起裂时间越早，损失动能曲线和损伤率曲线更加均匀，且损失动能峰值更大。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.19.001
摘要:
针对声纹识别领域中基于传统Res2Net模型特征表达能力不足、泛化能力不强的问题，提出了一种结合稠密连接与残差连接的特征提取模块SE-DR-Res2Block。首先，稠密连接结构中每层特征源于其前面所有层的特征输出，以实现特征重用；其次，介绍应用传统Res2Block的ECAPA-TDNN网络结构及其工作原理；然后，为实现更高效的特征提取，采用稠密连接进一步实现特征的充分挖掘，基于SE-Block将残差连接和稠密链接相结合，提出了一种更高效的特征提取模块SE-DR-Res2Net。该模块以一种更细粒化的方式获得不同生长速率和多种感受野的组合，从而获取多尺度的特征表达组合并最大限度上实现特征重用，以实现对不同层特征的信息进行有效提取；最后，为验证该模块的有效性，基于不同网络模型采用SE-Res2Block、FULL-SE-Res2Block、SE-DR-Res2Block、FULL-SE-DR-Res2Block，分别在Voxceleb1和SITW数据集开展了声纹识别的研究。实验结果表明，采用SE-DR-Res2Block的ECAPA-TDNN网络模型，最佳等错误率分别达到2.24%和3.65%，其验证了该模块的特征表达能力，并且在不同测试集上的结果也验证了其具有良好的泛化能力。
针对声纹识别领域中基于传统Res2Net模型特征表达能力不足、泛化能力不强的问题，提出了一种结合稠密连接与残差连接的特征提取模块SE-DR-Res2Block。首先，稠密连接结构中每层特征源于其前面所有层的特征输出，以实现特征重用；其次，介绍应用传统Res2Block的ECAPA-TDNN网络结构及其工作原理；然后，为实现更高效的特征提取，采用稠密连接进一步实现特征的充分挖掘，基于SE-Block将残差连接和稠密链接相结合，提出了一种更高效的特征提取模块SE-DR-Res2Net。该模块以一种更细粒化的方式获得不同生长速率和多种感受野的组合，从而获取多尺度的特征表达组合并最大限度上实现特征重用，以实现对不同层特征的信息进行有效提取；最后，为验证该模块的有效性，基于不同网络模型采用SE-Res2Block、FULL-SE-Res2Block、SE-DR-Res2Block、FULL-SE-DR-Res2Block，分别在Voxceleb1和SITW数据集开展了声纹识别的研究。实验结果表明，采用SE-DR-Res2Block的ECAPA-TDNN网络模型，最佳等错误率分别达到2.24%和3.65%，其验证了该模块的特征表达能力，并且在不同测试集上的结果也验证了其具有良好的泛化能力。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.12.09.001
摘要:
水系锌离子电池具有低成本、安全、环保等优点，在规模化储能和智能可穿戴方面极具应用前景。提高其循环稳定性以及循环寿命是实现水系锌离子电池进一步应用的关键问题之一。本工作采用二维层状蒙脱土和丙烯酰胺单体，通过两步法合成了具有三维网状结构的蒙脱土-聚丙烯酰胺水凝胶电解质（Montmorillonite-Polyacrylamide hydrogel，MMT-PAM）。蒙脱土的加入为丙烯酰胺单体的原位聚合提供了吸附位点，提高了水凝胶的机械性能。此外，蒙脱土表面丰富的负电荷为Zn2+的快速传输提供更多离子传输通道，提高其离子电导率（室温下为34 mS·cm-1），赋予MMT-PAM水凝胶电解质更好的循环稳定性。组装的Zn-MnO2电池在0.2 A·g-1时提供了289 mAh·g-1的比容量，且可稳定循环2000次。此外，使用MMT-PAM水凝胶作为电解质制备的柔性电池在经过不同外界条件冲击下依然可正常工作，表现出了其在柔性电子领域的应用可行性。
水系锌离子电池具有低成本、安全、环保等优点，在规模化储能和智能可穿戴方面极具应用前景。提高其循环稳定性以及循环寿命是实现水系锌离子电池进一步应用的关键问题之一。本工作采用二维层状蒙脱土和丙烯酰胺单体，通过两步法合成了具有三维网状结构的蒙脱土-聚丙烯酰胺水凝胶电解质（Montmorillonite-Polyacrylamide hydrogel，MMT-PAM）。蒙脱土的加入为丙烯酰胺单体的原位聚合提供了吸附位点，提高了水凝胶的机械性能。此外，蒙脱土表面丰富的负电荷为Zn2+的快速传输提供更多离子传输通道，提高其离子电导率（室温下为34 mS·cm-1），赋予MMT-PAM水凝胶电解质更好的循环稳定性。组装的Zn-MnO2电池在0.2 A·g-1时提供了289 mAh·g-1的比容量，且可稳定循环2000次。此外，使用MMT-PAM水凝胶作为电解质制备的柔性电池在经过不同外界条件冲击下依然可正常工作，表现出了其在柔性电子领域的应用可行性。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.11.006
摘要:
基于视频分析技术对生产现场人员安全帽佩戴情况进行自动检测与识别是保障安全生产的重要手段。但是，复杂的现场环境和多变的外界因素为安全帽检测与识别的精确性提出挑战。该文基于YOLOv5模型的框架，提出一种DS-YOLOv5安全帽检测与识别模型。首先，利用改进的Deep SORT多目标跟踪的优势，提高视频检测中多目标检测和有遮挡的容错率，减少漏检情况；其次在主干网络中融合简化的Transformer模块，加强对图像的全局信息的捕获进而加强对小目标的特征学习；最后在网络的Neck部分应用双向特征金字塔网络(BiFPN)融合多尺度特征，以便适应由摄影距离造成的目标尺度变化。该文所提模型在GDUT-HWD和SHWD公开数据集上进行了验证实验，结果表明DS-YOLOv5模型可以更好地适应外界光照变化和目标尺度变化，mAP可以达到95.5%，优于其他常见的安全帽检测与识别方法。
基于视频分析技术对生产现场人员安全帽佩戴情况进行自动检测与识别是保障安全生产的重要手段。但是，复杂的现场环境和多变的外界因素为安全帽检测与识别的精确性提出挑战。该文基于YOLOv5模型的框架，提出一种DS-YOLOv5安全帽检测与识别模型。首先，利用改进的Deep SORT多目标跟踪的优势，提高视频检测中多目标检测和有遮挡的容错率，减少漏检情况；其次在主干网络中融合简化的Transformer模块，加强对图像的全局信息的捕获进而加强对小目标的特征学习；最后在网络的Neck部分应用双向特征金字塔网络(BiFPN)融合多尺度特征，以便适应由摄影距离造成的目标尺度变化。该文所提模型在GDUT-HWD和SHWD公开数据集上进行了验证实验，结果表明DS-YOLOv5模型可以更好地适应外界光照变化和目标尺度变化，mAP可以达到95.5%，优于其他常见的安全帽检测与识别方法。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.12.23.002
摘要:
随着钢铁行业超低排放政策的出台，我国已有近70%的钢铁企业完成脱硫脱硝除尘一体化协同治理改造。因多采用以CaO或Ca(OH)2为脱硫吸收剂的半干法脱硫工艺，而产生了大量难以资源化的脱硫副产物-脱硫灰。相关数据表明，我国每年生产半干法脱硫灰约2000万吨，已成为我国第三大固体废物。半干法脱硫灰现阶段处理以堆存为主，导致了土地占用，脱硫灰具有水化反应慢、呈强碱性、金属杂质含量偏高等特点，长期堆存还将造成环境污染，因此，半干法脱硫副产物的资源化利用成为环境领域的研究热点和现实课题。本文分析了通过实验和表征对脱硫灰的理化性质进行了分析，分析目前钢厂半干法脱硫灰资源化利用研究的主要方向和进展情况，提出资源化利用可能的技术路线。
随着钢铁行业超低排放政策的出台，我国已有近70%的钢铁企业完成脱硫脱硝除尘一体化协同治理改造。因多采用以CaO或Ca(OH)2为脱硫吸收剂的半干法脱硫工艺，而产生了大量难以资源化的脱硫副产物-脱硫灰。相关数据表明，我国每年生产半干法脱硫灰约2000万吨，已成为我国第三大固体废物。半干法脱硫灰现阶段处理以堆存为主，导致了土地占用，脱硫灰具有水化反应慢、呈强碱性、金属杂质含量偏高等特点，长期堆存还将造成环境污染，因此，半干法脱硫副产物的资源化利用成为环境领域的研究热点和现实课题。本文分析了通过实验和表征对脱硫灰的理化性质进行了分析，分析目前钢厂半干法脱硫灰资源化利用研究的主要方向和进展情况，提出资源化利用可能的技术路线。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.19.002
摘要:
材料领域数据具有样本少、噪声大、纬度高、关系复杂、专家知识丰富的特点。为此，通过将专家知识量化表征后嵌入到神经网络损失函数，建立了专家知识增强的机器学习模型。所建模型输入输出与专家知识的相符程度达到了0.98以上。基于合金成分、状态、强度&导电率模型，采用遗传算法对强度和导电率进行了多目标优化。找到了符合帕累托最优解的高强高导铜合金成分，并开展了实验验证。实验结果表明，强度在高达637MPa的同时，导电率仍能保持在77.5%的水平；导电率高达80.2%的同时，强度仍能保持在600MPa的水平。强度和导电率的预测值与实际值误差在5%以内。对组织演变规律进一步分析发现，添加Mg、Ti元素会形成粗大的一次相，不利于强度的提高，Fe、Sn元素的添加可以有效提高合金的抗拉强度；Fe元素对导电率影响较小，Sn元素对导电率的影响较大。
材料领域数据具有样本少、噪声大、纬度高、关系复杂、专家知识丰富的特点。为此，通过将专家知识量化表征后嵌入到神经网络损失函数，建立了专家知识增强的机器学习模型。所建模型输入输出与专家知识的相符程度达到了0.98以上。基于合金成分、状态、强度&导电率模型，采用遗传算法对强度和导电率进行了多目标优化。找到了符合帕累托最优解的高强高导铜合金成分，并开展了实验验证。实验结果表明，强度在高达637MPa的同时，导电率仍能保持在77.5%的水平；导电率高达80.2%的同时，强度仍能保持在600MPa的水平。强度和导电率的预测值与实际值误差在5%以内。对组织演变规律进一步分析发现，添加Mg、Ti元素会形成粗大的一次相，不利于强度的提高，Fe、Sn元素的添加可以有效提高合金的抗拉强度；Fe元素对导电率影响较小，Sn元素对导电率的影响较大。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.04.004
摘要:
为了保证储能电站和新能源汽车的安全运行，针对锂离子电池内短路故障引发热失控现象，提出了鲸鱼优化算法优化变分模态分解（WOA-VMD）和粒子群算法优化支持向量机（PSO-SVM）的故障诊断方法。首先通过WOA寻找VMD分解层数K和惩罚因子α最优参数组合，对锂离子电池内短路故障信号分解；然后，计算各模态分量（IMF）分量的样本熵值作为特征向量；最后将特征向量输入PSO优化的SVM模型中进行故障诊断。结果表明，锂离子电池内短路故障得到了有效识别。
为了保证储能电站和新能源汽车的安全运行，针对锂离子电池内短路故障引发热失控现象，提出了鲸鱼优化算法优化变分模态分解（WOA-VMD）和粒子群算法优化支持向量机（PSO-SVM）的故障诊断方法。首先通过WOA寻找VMD分解层数K和惩罚因子α最优参数组合，对锂离子电池内短路故障信号分解；然后，计算各模态分量（IMF）分量的样本熵值作为特征向量；最后将特征向量输入PSO优化的SVM模型中进行故障诊断。结果表明，锂离子电池内短路故障得到了有效识别。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.12.12.001
摘要:
铜及其合金因其良好的导热能力，在冶金行业中已有诸多应用。连铸结晶器、高炉风口小套以及转炉氧枪头是保障钢铁生产正常进行的关键核心部件。随着服役工况的日益严苛以及部件长寿化的要求，急需提高铜合金部件表面性能，抑制因表面磨损、腐蚀或氧化而导致的部件过早失效。因此，对铜合金部件进行科学有效的表面处理，使其兼具铜合金的高导热性以及防护层的高强度、高耐热或高耐蚀性，对钢铁行业的发展具有重要意义。目前，表面技术在冶金设备上的应用已有较大量尝试，铜及铜合金的表面处理技术研究报道也较多，但系统梳理铜合金关键冶金部件失效形式和铜合金的表面处理技术研究现状的相关报道还较少。本文综述了连铸结晶器、高炉风口小套以及转炉氧枪头三种关键冶金部件面临的表面失效形式以及电镀、热喷涂与冷喷涂、表面熔覆、激光处理和合金共渗等几种表面处理技术在铜合金表面改性领域的研究发展现状，对比分析了几种表面处理技术的优缺点，并对高熵合金材料在铜合金表面强化领域的应用潜力进行了展望。开发新的涂层材料、优化镀膜工艺以及复合表面处理技术，如将激光表面处理与表面涂层技术复合，是实现表面处理技术在冶金设备用铜合金部件长寿化领域应用的可能方向。
铜及其合金因其良好的导热能力，在冶金行业中已有诸多应用。连铸结晶器、高炉风口小套以及转炉氧枪头是保障钢铁生产正常进行的关键核心部件。随着服役工况的日益严苛以及部件长寿化的要求，急需提高铜合金部件表面性能，抑制因表面磨损、腐蚀或氧化而导致的部件过早失效。因此，对铜合金部件进行科学有效的表面处理，使其兼具铜合金的高导热性以及防护层的高强度、高耐热或高耐蚀性，对钢铁行业的发展具有重要意义。目前，表面技术在冶金设备上的应用已有较大量尝试，铜及铜合金的表面处理技术研究报道也较多，但系统梳理铜合金关键冶金部件失效形式和铜合金的表面处理技术研究现状的相关报道还较少。本文综述了连铸结晶器、高炉风口小套以及转炉氧枪头三种关键冶金部件面临的表面失效形式以及电镀、热喷涂与冷喷涂、表面熔覆、激光处理和合金共渗等几种表面处理技术在铜合金表面改性领域的研究发展现状，对比分析了几种表面处理技术的优缺点，并对高熵合金材料在铜合金表面强化领域的应用潜力进行了展望。开发新的涂层材料、优化镀膜工艺以及复合表面处理技术，如将激光表面处理与表面涂层技术复合，是实现表面处理技术在冶金设备用铜合金部件长寿化领域应用的可能方向。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.12.18.001
摘要:
为了解决智能制造中云化控制与视觉分选应用相结合的问题，提出了基于深度学习的云化可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）物料识别与定位系统，并在端到端5G与时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）传输网络环境下，实现了对云化PLC架构和控制功能有效性的验证。首先，将传统PLC系统控制面虚拟化，实现PLC的本地和云端自由部署；其次，在云端设计人工智能学习平台，采用基于YOLOv5的目标检测算法实现物料的定位和分类，获取目标的像素坐标和类别信息；然后，利用相机标定方法把像素坐标转换成世界坐标，并传输到云化PLC；最后，在5G和TSN融合网络环境下，实现云化PLC对天车设备的实时控制与复杂计算功能整合。实验证明：该系统能够有效的对多天车进行协同控制，物料定位mAP达到99.65%，分选准确率达到96.67%，平均时间2.5s，满足工业低时延、高精度的视觉分选需求。
为了解决智能制造中云化控制与视觉分选应用相结合的问题，提出了基于深度学习的云化可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）物料识别与定位系统，并在端到端5G与时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）传输网络环境下，实现了对云化PLC架构和控制功能有效性的验证。首先，将传统PLC系统控制面虚拟化，实现PLC的本地和云端自由部署；其次，在云端设计人工智能学习平台，采用基于YOLOv5的目标检测算法实现物料的定位和分类，获取目标的像素坐标和类别信息；然后，利用相机标定方法把像素坐标转换成世界坐标，并传输到云化PLC；最后，在5G和TSN融合网络环境下，实现云化PLC对天车设备的实时控制与复杂计算功能整合。实验证明：该系统能够有效的对多天车进行协同控制，物料定位mAP达到99.65%，分选准确率达到96.67%，平均时间2.5s，满足工业低时延、高精度的视觉分选需求。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.12.16.003
摘要:
激光诱导击穿光谱法（LIBS）是一种基于原子发射光谱的多元素分析方法，具有快速、无需复杂的样品制备和远程分析的优点。然而，由于矿石、冶金样品化学成分的复杂性和多样性，干扰信号多，LIBS定量分析的准确性受到了一定影响。本文综述了LIBS在矿冶领域3种信号增强方法，分别是双脉冲、纳米粒子增强和空间约束，以及综述了降噪、归一化和自吸收校正3种光谱预处理方法。此外，简要概述了主成分分析、偏最小二乘判别分析、支持向量机、随机森林和人工神经网络5种LIBS定性分析建模方法在矿石、冶金样品中的应用，以及概述了多元线性回归、偏最小二乘法、支持向量机、人工神经网络和自由定标法5种定量分析建模方法的应用成果，并对LIBS技术未来在矿冶分析领域的发展进行了展望。
激光诱导击穿光谱法（LIBS）是一种基于原子发射光谱的多元素分析方法，具有快速、无需复杂的样品制备和远程分析的优点。然而，由于矿石、冶金样品化学成分的复杂性和多样性，干扰信号多，LIBS定量分析的准确性受到了一定影响。本文综述了LIBS在矿冶领域3种信号增强方法，分别是双脉冲、纳米粒子增强和空间约束，以及综述了降噪、归一化和自吸收校正3种光谱预处理方法。此外，简要概述了主成分分析、偏最小二乘判别分析、支持向量机、随机森林和人工神经网络5种LIBS定性分析建模方法在矿石、冶金样品中的应用，以及概述了多元线性回归、偏最小二乘法、支持向量机、人工神经网络和自由定标法5种定量分析建模方法的应用成果，并对LIBS技术未来在矿冶分析领域的发展进行了展望。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.12.17.004
摘要:
随着获取点云数据成本下降以及GPU算力的提高，众多三维视觉场景如自动驾驶、工业控制、MR/XR对三维语义分割的需求日益旺盛，这进一步推动了深度学习模型在三维点云语义分割任务中的发展。近期，深度学习模型在网络架构上持续创新，如RandLA-Net 和Point Transformer，并突破性地以更低的计算成本提高了分割准确率，但已有的三维点云语义分割综述介绍的研究工作包含大量早期以及被舍弃的方法，没有系统地整理这些新型高效的方法，不能很好地体现研究现状。此外，这部分综述以输入网络的不同数据类型分类各点云语义分割方法，不能有效地体现各方法的演进关系，也不利于对比不同方法的分割性能。针对以上问题，本文面向近3年的研究成果和最新的研究进展，重点归纳了三维点云语义分割中基于不同网络架构的方法、面临的挑战及潜在研究方向，并从3个层面对三维点云语义分割进行了系统地综述。通过本文，读者可以较系统地了解三维点云语义分割的数据获取方式、常见数据集及模型的评价指标，对比基于不同网络架构的三维点云语义分割方法的发展过程、分割性能和优缺点，并进一步认识三维点云语义分割现存的挑战和潜在的研究方向。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.10.25.004
摘要:
金属光固化3D打印是一种增材制造技术，近年来随着立体光刻(SLA)、数字光处理(DLP)、液晶显示(LCD)、连续液面制造(CLIP)和双光子3D打印(TPP)等的飞速发展，在金属材料成型中展现了巨大潜力。通过总结四种主要的金属光固化3D打印，即固化烧结法、固化镀膜法、混合固化法和固化模具法的工艺流程和研究结果，探讨了该技术目前发展亟待解决的关键科学问题，展望了其未来发展方向。
金属光固化3D打印是一种增材制造技术，近年来随着立体光刻(SLA)、数字光处理(DLP)、液晶显示(LCD)、连续液面制造(CLIP)和双光子3D打印(TPP)等的飞速发展，在金属材料成型中展现了巨大潜力。通过总结四种主要的金属光固化3D打印，即固化烧结法、固化镀膜法、混合固化法和固化模具法的工艺流程和研究结果，探讨了该技术目前发展亟待解决的关键科学问题，展望了其未来发展方向。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.20.008
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岩巷掘进中“速度的关键在掏槽”，针对目前普通直眼和斜眼掏槽爆破中破碎岩石难以抛掷、单循环进尺小、大块率高等问题，提出了深孔-孔内分段爆破技术。采用数学建模方法，推导了深孔-孔内分段爆破槽腔内岩石破碎抛掷过程中所受的动力和阻力公式，建立了掏槽槽腔、总爆破槽腔体积及岩石碎胀系数之间的关系，并确定了掏槽槽腔主要参数的计算公式及取值范围；利用LS-DYNA数值模拟分析了深孔-孔内分段爆炸应力波的传播规律和孔底岩石的受力特征，并比较了不同分段比例下的应力波强度变化特征；将深孔-孔内分段爆破应用于岩巷掘进现场，对比了深孔-孔内分段爆破方案和普通楔形爆破方案的单循环进尺、炮孔利用率、眼痕率及大块率等爆破效果指标。结果表明，岩石破碎抛掷过程中所受的动力大于等于阻力，岩石能够抛掷出腔，深孔-孔内分段爆破岩石抛掷所受的阻力比普通楔形掏槽爆破的阻力小，更易爆破成腔。提出了能够使破碎岩石完全抛掷出腔的措施，并为掏槽孔孔底距等参数的确定提供了理论支撑；深孔-孔内分段爆破比普通楔形掏槽爆破更容易形成爆破槽腔，初步确定孔内分段的最优比例为0.6；深孔-孔内分段爆破增加了单循环进尺，提高了工作效率，具有良好的经济社会效益。
岩巷掘进中“速度的关键在掏槽”，针对目前普通直眼和斜眼掏槽爆破中破碎岩石难以抛掷、单循环进尺小、大块率高等问题，提出了深孔-孔内分段爆破技术。采用数学建模方法，推导了深孔-孔内分段爆破槽腔内岩石破碎抛掷过程中所受的动力和阻力公式，建立了掏槽槽腔、总爆破槽腔体积及岩石碎胀系数之间的关系，并确定了掏槽槽腔主要参数的计算公式及取值范围；利用LS-DYNA数值模拟分析了深孔-孔内分段爆炸应力波的传播规律和孔底岩石的受力特征，并比较了不同分段比例下的应力波强度变化特征；将深孔-孔内分段爆破应用于岩巷掘进现场，对比了深孔-孔内分段爆破方案和普通楔形爆破方案的单循环进尺、炮孔利用率、眼痕率及大块率等爆破效果指标。结果表明，岩石破碎抛掷过程中所受的动力大于等于阻力，岩石能够抛掷出腔，深孔-孔内分段爆破岩石抛掷所受的阻力比普通楔形掏槽爆破的阻力小，更易爆破成腔。提出了能够使破碎岩石完全抛掷出腔的措施，并为掏槽孔孔底距等参数的确定提供了理论支撑；深孔-孔内分段爆破比普通楔形掏槽爆破更容易形成爆破槽腔，初步确定孔内分段的最优比例为0.6；深孔-孔内分段爆破增加了单循环进尺，提高了工作效率，具有良好的经济社会效益。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.12.24.001
摘要:
自然界中的飞行生物通过拍打翅膀实现飞行。飞行生物高超的机动性以及高效的能量利用效率，引起了国内外研究机构的大量关注，并借鉴飞行生物的生理结构设计了多款扑翼飞行机器人。然而，扑翼飞行机器人系统是一类非定常时变系统，难以采用常规的分析方法对其气动力特性进行准确分析。这也使得面向扑翼飞行机器人系统的自主飞行控制研究面临着巨大挑战。近十年来，研究人员从飞行生物的飞行机理着手分析，对扑翼飞行机器人的姿态控制、位置控制设计以及系统稳定性分析展开了深入研究，基于鲁棒控制、神经网络等技术，提出了诸多控制方法实现扑翼飞行机器人的自主飞行，其中，姿态控制通过自适应等控制器并结合线性化方法来实现，位置控制则通过搭建层级架构的控制器等方法来完成，此外采用扰动观测等手段处理系统不确定性以提高系统稳定性能。通过对相关研究工作进行总结，可以看出目前扑翼飞行机器人的飞行控制研究仍大多处于理论阶段，还需要进一步结合工程应用中的实际需求，推进扑翼飞行机器人的应用与推广。最后，探讨了扑翼飞行机器人未来的研究方向。
自然界中的飞行生物通过拍打翅膀实现飞行。飞行生物高超的机动性以及高效的能量利用效率，引起了国内外研究机构的大量关注，并借鉴飞行生物的生理结构设计了多款扑翼飞行机器人。然而，扑翼飞行机器人系统是一类非定常时变系统，难以采用常规的分析方法对其气动力特性进行准确分析。这也使得面向扑翼飞行机器人系统的自主飞行控制研究面临着巨大挑战。近十年来，研究人员从飞行生物的飞行机理着手分析，对扑翼飞行机器人的姿态控制、位置控制设计以及系统稳定性分析展开了深入研究，基于鲁棒控制、神经网络等技术，提出了诸多控制方法实现扑翼飞行机器人的自主飞行，其中，姿态控制通过自适应等控制器并结合线性化方法来实现，位置控制则通过搭建层级架构的控制器等方法来完成，此外采用扰动观测等手段处理系统不确定性以提高系统稳定性能。通过对相关研究工作进行总结，可以看出目前扑翼飞行机器人的飞行控制研究仍大多处于理论阶段，还需要进一步结合工程应用中的实际需求，推进扑翼飞行机器人的应用与推广。最后，探讨了扑翼飞行机器人未来的研究方向。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.13.002
摘要:
在北京101处不同地理位置进行了土壤现场取样，并在实验室对土壤样品的9项理化参数进行了测试，获得了北京地区的土壤参数分布范围。通过机器学习分析得到了北京地区土壤腐蚀性关键影响因素为自腐蚀电位、土壤含水率以及土壤电阻率，基于随机森林算法建立了腐蚀速率预测模型，其预测值与实际值基本吻合，平均绝对误差小于5%，预测误差值较小，说明该预测模型具有较高的预测精度。为了深入探究土壤3关键参数与土壤腐蚀速率的关系，利用已建立的腐蚀速率预测模型，以自腐蚀电位、土壤电阻率以及土壤含水率等3关键参数为输入量，以腐蚀速率为输出量进行预测分析，预测结果表明：当自腐蚀电位在-0.57~-0.70VSCE之间、含水率在13%~22%以及土壤电阻率在45~65Ω·m之间时，土壤腐蚀速率较高，超过了0.1mm/y，该结果为北京地区土壤腐蚀性的评估提供了相对简单的方法。
在北京101处不同地理位置进行了土壤现场取样，并在实验室对土壤样品的9项理化参数进行了测试，获得了北京地区的土壤参数分布范围。通过机器学习分析得到了北京地区土壤腐蚀性关键影响因素为自腐蚀电位、土壤含水率以及土壤电阻率，基于随机森林算法建立了腐蚀速率预测模型，其预测值与实际值基本吻合，平均绝对误差小于5%，预测误差值较小，说明该预测模型具有较高的预测精度。为了深入探究土壤3关键参数与土壤腐蚀速率的关系，利用已建立的腐蚀速率预测模型，以自腐蚀电位、土壤电阻率以及土壤含水率等3关键参数为输入量，以腐蚀速率为输出量进行预测分析，预测结果表明：当自腐蚀电位在-0.57~-0.70VSCE之间、含水率在13%~22%以及土壤电阻率在45~65Ω·m之间时，土壤腐蚀速率较高，超过了0.1mm/y，该结果为北京地区土壤腐蚀性的评估提供了相对简单的方法。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.21.001
摘要:
随着国内汽车工业的快速发展，对汽车的质量要求越来越高，汽车齿轮是汽车制造业中关键零部件之一，但我国的高品质齿轮钢仍然需要从国外进口。齿轮钢的奥氏体晶粒和析出第二相粒子的合理控制对其性能有极大的影响，但在齿轮钢生产过程中，奥氏体晶粒的变化和第二相粒子的控制十分复杂。因此，本文通过对奥氏体晶粒度，奥氏体长大机制及模型，第二相粒子(Nb(C，N)/AlN)的钉扎力及模型，温度对奥氏体晶粒和第二相粒子尺寸的影响等相关内容进行综述研究，阐述了奥氏体晶粒长大规律与第二相粒子的控制方法，为高质量齿轮钢的生产提供参考。
随着国内汽车工业的快速发展，对汽车的质量要求越来越高，汽车齿轮是汽车制造业中关键零部件之一，但我国的高品质齿轮钢仍然需要从国外进口。齿轮钢的奥氏体晶粒和析出第二相粒子的合理控制对其性能有极大的影响，但在齿轮钢生产过程中，奥氏体晶粒的变化和第二相粒子的控制十分复杂。因此，本文通过对奥氏体晶粒度，奥氏体长大机制及模型，第二相粒子(Nb(C，N)/AlN)的钉扎力及模型，温度对奥氏体晶粒和第二相粒子尺寸的影响等相关内容进行综述研究，阐述了奥氏体晶粒长大规律与第二相粒子的控制方法，为高质量齿轮钢的生产提供参考。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.26.005
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为解决特种变压器生产车间实时化管控弱、调度决策能力差、过程监控不直观、运行态势不明朗的问题。从特种变压器车间的数字孪生建模、知识信息融合、运行可靠性分析和可视化表达等方面入手，探讨了一种特种变压器车间数字孪生系统的新型体系架构；阐述了基于“5维度-4视角”模型、高性能算力孪生引擎及沉浸式可视化技术的数字孪生建模表达方法；研究了仿生树生长原理的数字孪生车间指标体系形式化建模和知识信息与数字孪生的融合方法；基于层次分析理论和关联熵方法，构建了一种基于复合物元信息熵的车间数字孪生系统可靠性分析模型；最后，以某特种变压器生产车间为应用案例，基于将上述方法和模型，结合实际生产过程开发了原型数字孪生系统，实现了特种变压器车间的多维多尺度实时智能管控，验证了该方法的合理性和有效性。
为解决特种变压器生产车间实时化管控弱、调度决策能力差、过程监控不直观、运行态势不明朗的问题。从特种变压器车间的数字孪生建模、知识信息融合、运行可靠性分析和可视化表达等方面入手，探讨了一种特种变压器车间数字孪生系统的新型体系架构；阐述了基于“5维度-4视角”模型、高性能算力孪生引擎及沉浸式可视化技术的数字孪生建模表达方法；研究了仿生树生长原理的数字孪生车间指标体系形式化建模和知识信息与数字孪生的融合方法；基于层次分析理论和关联熵方法，构建了一种基于复合物元信息熵的车间数字孪生系统可靠性分析模型；最后，以某特种变压器生产车间为应用案例，基于将上述方法和模型，结合实际生产过程开发了原型数字孪生系统，实现了特种变压器车间的多维多尺度实时智能管控，验证了该方法的合理性和有效性。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.04.003
摘要:
充填料浆的流变参数是评价充填料浆管输特性的重要指标，而矿山现场通常不具备流变实验条件，主要通过塌落度实验来评价充填料浆的流动性能。本文采用微型塌落筒进行塌落度实验，建立微型塌落筒扩展度与屈服应力之间的解析模型，根据料浆停止流动后的形态得到简化计算模型，基于简化模型理论计算料浆的屈服应力，并将理论值与流变仪测试的屈服应力实验值进行对比分析。结果表明，在质量浓度较低时，理论值与实验值的相对误差范围较大，二者的相对误差在25%以内，平均误差为16.79%；随着质量浓度增大，误差逐渐减小至15%以内，平均误差为8.81%。综合考虑质量分数的影响，提出基于质量分数的修正系数，修正后的屈服应力理论值与实验值的相对误差降至10%以内，平均误差为3.54%。本研究微型塌落筒实验较传统塌落度实验不仅节省实验用料和劳动强度，还可有效表征料浆屈服应力，对于矿山充填料的流动性能评价具有实际指导意义。
充填料浆的流变参数是评价充填料浆管输特性的重要指标，而矿山现场通常不具备流变实验条件，主要通过塌落度实验来评价充填料浆的流动性能。本文采用微型塌落筒进行塌落度实验，建立微型塌落筒扩展度与屈服应力之间的解析模型，根据料浆停止流动后的形态得到简化计算模型，基于简化模型理论计算料浆的屈服应力，并将理论值与流变仪测试的屈服应力实验值进行对比分析。结果表明，在质量浓度较低时，理论值与实验值的相对误差范围较大，二者的相对误差在25%以内，平均误差为16.79%；随着质量浓度增大，误差逐渐减小至15%以内，平均误差为8.81%。综合考虑质量分数的影响，提出基于质量分数的修正系数，修正后的屈服应力理论值与实验值的相对误差降至10%以内，平均误差为3.54%。本研究微型塌落筒实验较传统塌落度实验不仅节省实验用料和劳动强度，还可有效表征料浆屈服应力，对于矿山充填料的流动性能评价具有实际指导意义。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.29.002
摘要:
面向未来5G和卫星网构成的空地高通量互联场景，为实现飞机着陆风险提前预警，首先基于统计与模型，建立了一套以多源运行实时数据为主，融合历史统计和专家知识的着陆预警体系；然后，针对现有研究计算结果滞后问题，先通过对ARJ21飞机着陆过程QAR数据的聚类分析，将飞行员着陆操作模式分为4类，进而构建基于决策场理论的飞行员着陆操作模式预测模型，计算并讨论不同场景下、不同个性飞行员的着陆模式选择；在上述基础上，针对着陆过程的复杂性和不确定性，提出一种分层计算的置信规则库推理方法，融合定性与定量信息实现着陆动态风险评估和预警。最后，通过对“2020.10.16攀枝花跑道外接地事件”和“2010.8.2伊春空难”着陆过程的推理运算，所得结果验证了方法的有效性，其中攀枝花事件提前预警时间可达13秒。
面向未来5G和卫星网构成的空地高通量互联场景，为实现飞机着陆风险提前预警，首先基于统计与模型，建立了一套以多源运行实时数据为主，融合历史统计和专家知识的着陆预警体系；然后，针对现有研究计算结果滞后问题，先通过对ARJ21飞机着陆过程QAR数据的聚类分析，将飞行员着陆操作模式分为4类，进而构建基于决策场理论的飞行员着陆操作模式预测模型，计算并讨论不同场景下、不同个性飞行员的着陆模式选择；在上述基础上，针对着陆过程的复杂性和不确定性，提出一种分层计算的置信规则库推理方法，融合定性与定量信息实现着陆动态风险评估和预警。最后，通过对“2020.10.16攀枝花跑道外接地事件”和“2010.8.2伊春空难”着陆过程的推理运算，所得结果验证了方法的有效性，其中攀枝花事件提前预警时间可达13秒。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.17.003
摘要:
膨润土是球团矿生产过程中的主要粘结剂，能显著改善原料成球性、提升球团质量，但较高的SiO2和Al2O3含量会造成炼铁生产渣量增加。添加少量有机粘结剂替代部分膨润土已成为改善球团性能的必要手段。本文考察了有机粘结剂P替代部分膨润土对球团高温强度的影响，结合激光闪射法和TG热重法研究了有机粘结剂对磁铁矿球团内部结构及传热、传质的影响。结果表明，复合粘结剂可以替代部分膨润土，适量有机组分的增加有利于预热球、焙烧球强度的提升和球团的氧化。主要原因是有机粘结剂P经过高温后热解，并在球团内部形成适量孔隙，球团热传导系数降低，内部升温梯度减缓，避免了球团表层因过快氧化结晶而形成致密的氧化层。同时，细小的孔隙有利于氧气进入球团内部，促进Fe3O4氧化成Fe2O3，氧化分数fTGA随着有机粘结剂P的添加而逐渐升高，由90.80%提至92.17%。
膨润土是球团矿生产过程中的主要粘结剂，能显著改善原料成球性、提升球团质量，但较高的SiO2和Al2O3含量会造成炼铁生产渣量增加。添加少量有机粘结剂替代部分膨润土已成为改善球团性能的必要手段。本文考察了有机粘结剂P替代部分膨润土对球团高温强度的影响，结合激光闪射法和TG热重法研究了有机粘结剂对磁铁矿球团内部结构及传热、传质的影响。结果表明，复合粘结剂可以替代部分膨润土，适量有机组分的增加有利于预热球、焙烧球强度的提升和球团的氧化。主要原因是有机粘结剂P经过高温后热解，并在球团内部形成适量孔隙，球团热传导系数降低，内部升温梯度减缓，避免了球团表层因过快氧化结晶而形成致密的氧化层。同时，细小的孔隙有利于氧气进入球团内部，促进Fe3O4氧化成Fe2O3，氧化分数fTGA随着有机粘结剂P的添加而逐渐升高，由90.80%提至92.17%。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.18.001
摘要:
双相不锈钢因为其具有优异的力学与防腐蚀性能，可以应用在化工厂、核电等恶劣环境的工程领域。该材料一个明显的弊端在于“475 oC脆性”限制了其长期使用下的服役温度，该问题已在双相不锈钢的工业存在了60余年，尚无法得到有效解决方案。近年来的研究发现，双相不锈钢的“475 oC脆性”与铁素体的硬度的增加有着直接的关系。本文建立了机器学习模型预测双相不锈钢铁素体相在不同热处理条件下硬度的演变趋势。在建模过程中，用于建立数据库的数据一部分从文献中收集，另一部分采用不同类型双相不锈钢 (2101、2304、2205、2507、3207)的实验结果。同时，使用五种不同机器的学习模型进行建模：线性回归模型 (LR)、回归树 (RT)、支持向量机 (SVM)、高斯过程回归 (GPR) 和集成树 (ET)。将数据库随机拆分为80%用于训练，20%用于测试，同时基于该机器学习模型研究不同合金元素，例如铬、镍、锰、氮等及热处理条件 (时效时间和温度) 对铁素体显微硬度变化的影响大小，探究影响因素。最后，根据机器学习模型预测的结果，设计并制备实验室规模的不同类别双相不锈钢，用于研究合金元素Ni对铁素体硬度随时效变化的影响规律，实验结果同时用来验证机器学习模型的预测结果。本文提供了一种通过结合文献及实验数据用来建立机器学习模型，并用其辅助研究双相不锈钢的低温脆性的影响机制。
双相不锈钢因为其具有优异的力学与防腐蚀性能，可以应用在化工厂、核电等恶劣环境的工程领域。该材料一个明显的弊端在于“475 oC脆性”限制了其长期使用下的服役温度，该问题已在双相不锈钢的工业存在了60余年，尚无法得到有效解决方案。近年来的研究发现，双相不锈钢的“475 oC脆性”与铁素体的硬度的增加有着直接的关系。本文建立了机器学习模型预测双相不锈钢铁素体相在不同热处理条件下硬度的演变趋势。在建模过程中，用于建立数据库的数据一部分从文献中收集，另一部分采用不同类型双相不锈钢 (2101、2304、2205、2507、3207)的实验结果。同时，使用五种不同机器的学习模型进行建模：线性回归模型 (LR)、回归树 (RT)、支持向量机 (SVM)、高斯过程回归 (GPR) 和集成树 (ET)。将数据库随机拆分为80%用于训练，20%用于测试，同时基于该机器学习模型研究不同合金元素，例如铬、镍、锰、氮等及热处理条件 (时效时间和温度) 对铁素体显微硬度变化的影响大小，探究影响因素。最后，根据机器学习模型预测的结果，设计并制备实验室规模的不同类别双相不锈钢，用于研究合金元素Ni对铁素体硬度随时效变化的影响规律，实验结果同时用来验证机器学习模型的预测结果。本文提供了一种通过结合文献及实验数据用来建立机器学习模型，并用其辅助研究双相不锈钢的低温脆性的影响机制。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.01.10.005
摘要:
顶板冒落问题一直威胁着地下矿山的生产安全，可将其大致分为应力控制型冒落与结构面控制型冒落。地下巷道或采场的围岩中次生结构面发育，岩体被切割成岩块并在外界动力扰动作用下发生结构面控制型冒落。因此，针对围岩顶板的结构面控制型冒落（冒顶）问题，其重点在于确定顶板关键块在受扰条件下的稳定性。本文综述了静态与动力扰动两种条件下岩石关键块稳定性的研究结果。文献综述结果表明：在金属矿山采矿实践中，关键块的滑移失稳对于冒顶起着重要的控制性作用，尤其是在爆破等动态扰动的触发条件下。最后，介绍了课题组针对动力扰动触发作用下顶板关键块滑动失稳过程开展的相关实验与数值模拟研究成果，为地下矿山冒顶灾害防控提供一定的技术参考。
顶板冒落问题一直威胁着地下矿山的生产安全，可将其大致分为应力控制型冒落与结构面控制型冒落。地下巷道或采场的围岩中次生结构面发育，岩体被切割成岩块并在外界动力扰动作用下发生结构面控制型冒落。因此，针对围岩顶板的结构面控制型冒落（冒顶）问题，其重点在于确定顶板关键块在受扰条件下的稳定性。本文综述了静态与动力扰动两种条件下岩石关键块稳定性的研究结果。文献综述结果表明：在金属矿山采矿实践中，关键块的滑移失稳对于冒顶起着重要的控制性作用，尤其是在爆破等动态扰动的触发条件下。最后，介绍了课题组针对动力扰动触发作用下顶板关键块滑动失稳过程开展的相关实验与数值模拟研究成果，为地下矿山冒顶灾害防控提供一定的技术参考。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.07.13.002
摘要:
本研究中，设计、制备以及表征了一种基于球形压电陶瓷壳的埋入式水泥基压电声发射传感器。相比于传统的片状压电声发射传感器只能接收特定方向信号的特点，该水泥基球形压电传感器具有全向接收信号的优势。之后，将该水泥基球形压电传感器埋入一钢筋混凝土梁中，对梁试件四点弯加载过程进行了声发射监测研究。对比分析了水泥基球形压电传感器与商业外贴式片状压电声发射传感器的监测结果，包括声发射幅值、b值以及分形维数随加载过程的演化关系。结果表明，水泥基球形压电传感器与商业外贴式声发射传感器的监测结果具有高度的一致性。两种传感器采集到的的声发射信号的b值和分形维数呈现出明显的阶段性特征，可以将b值和分形维数的持续下降并维持在较低水平作为该钢筋混凝土梁试件最终破坏的预警标志。此外，相较于纯商业声发射传感器组成的定位组，该埋入式水泥基球形压电传感器所在声发射定位组捕捉到的破裂点数量提高了近一倍，有效提高了破裂点定位的准确度与灵敏度。
本研究中，设计、制备以及表征了一种基于球形压电陶瓷壳的埋入式水泥基压电声发射传感器。相比于传统的片状压电声发射传感器只能接收特定方向信号的特点，该水泥基球形压电传感器具有全向接收信号的优势。之后，将该水泥基球形压电传感器埋入一钢筋混凝土梁中，对梁试件四点弯加载过程进行了声发射监测研究。对比分析了水泥基球形压电传感器与商业外贴式片状压电声发射传感器的监测结果，包括声发射幅值、b值以及分形维数随加载过程的演化关系。结果表明，水泥基球形压电传感器与商业外贴式声发射传感器的监测结果具有高度的一致性。两种传感器采集到的的声发射信号的b值和分形维数呈现出明显的阶段性特征，可以将b值和分形维数的持续下降并维持在较低水平作为该钢筋混凝土梁试件最终破坏的预警标志。此外，相较于纯商业声发射传感器组成的定位组，该埋入式水泥基球形压电传感器所在声发射定位组捕捉到的破裂点数量提高了近一倍，有效提高了破裂点定位的准确度与灵敏度。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.07.21.001
摘要:
本文以高铝高强钢中NbC析出相为对象，研究了铌含量分别为210 ppm、430 ppm和690 ppm和热处理温度分别为1000 oC、1100 oC、1200 oC和1300 oC的条件下，高铝高强钢中NbC析出相的析出行为。铌微合金化后的高铝高强钢中主要的夹杂物为Al2O3、MnS和NbC。随着钢中铌含量从210 ppm增加至430 ppm和690 ppm，NbC析出相的初始析出温度逐渐升高，分别为1125 oC、1200 oC和1260 oC。钢中NbC析出量随着铌含量的增加而增加，也随着热处理温度的升高而增加。当热处理温度为1300 oC时，NbC出现回溶现象，导致析出量减少。建立了高铝高强钢中NbC析出动力学模型，预测了钢中铌含量、热处理温度、热处理时间对NbC析出相尺寸的影响。
本文以高铝高强钢中NbC析出相为对象，研究了铌含量分别为210 ppm、430 ppm和690 ppm和热处理温度分别为1000 oC、1100 oC、1200 oC和1300 oC的条件下，高铝高强钢中NbC析出相的析出行为。铌微合金化后的高铝高强钢中主要的夹杂物为Al2O3、MnS和NbC。随着钢中铌含量从210 ppm增加至430 ppm和690 ppm，NbC析出相的初始析出温度逐渐升高，分别为1125 oC、1200 oC和1260 oC。钢中NbC析出量随着铌含量的增加而增加，也随着热处理温度的升高而增加。当热处理温度为1300 oC时，NbC出现回溶现象，导致析出量减少。建立了高铝高强钢中NbC析出动力学模型，预测了钢中铌含量、热处理温度、热处理时间对NbC析出相尺寸的影响。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.16.004
摘要:
本文结合某沿黄高速公路中利用黄河大桥钻渣中的黄河泥沙用作路基填料的背景，开展了不同密实度条件下的黄河泥沙三轴剪切试验，分析了围压、剪切速率以及排水条件对黄河泥沙静力强度和变形的影响。试验结果表明：黄河泥沙在不排水条件和排水条件下的应力应变关系分别为应变硬化型和较轻微的应变软化型。密实度对黄河泥沙的抗剪强度影响最为显著，其抗剪强度随着密实度的提高而增大，当密实度从40%增加到60%，黄河泥沙抗剪性能得到的提升幅度最大，峰值应力比提升约33.6%，临界应力比提升约29.8%。特征状态下的内摩擦角随着密实度的增大而增大。不排水条件下的临界应力比MCU约为1.36，排水条件下的临界应力比MCD约为1.199。不同排水条件下的归一化孔压曲线与体应变曲线具有较好的一致性，且孔压峰值点的出现早于相变点。在p-q应力空间内，不同特征状态点拟合得到的强度包线可用幂指函数表达。本研究可以为黄河泥沙在路基工程中的资源化利用提供数据和理论参考。
本文结合某沿黄高速公路中利用黄河大桥钻渣中的黄河泥沙用作路基填料的背景，开展了不同密实度条件下的黄河泥沙三轴剪切试验，分析了围压、剪切速率以及排水条件对黄河泥沙静力强度和变形的影响。试验结果表明：黄河泥沙在不排水条件和排水条件下的应力应变关系分别为应变硬化型和较轻微的应变软化型。密实度对黄河泥沙的抗剪强度影响最为显著，其抗剪强度随着密实度的提高而增大，当密实度从40%增加到60%，黄河泥沙抗剪性能得到的提升幅度最大，峰值应力比提升约33.6%，临界应力比提升约29.8%。特征状态下的内摩擦角随着密实度的增大而增大。不排水条件下的临界应力比MCU约为1.36，排水条件下的临界应力比MCD约为1.199。不同排水条件下的归一化孔压曲线与体应变曲线具有较好的一致性，且孔压峰值点的出现早于相变点。在p-q应力空间内，不同特征状态点拟合得到的强度包线可用幂指函数表达。本研究可以为黄河泥沙在路基工程中的资源化利用提供数据和理论参考。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.24.007
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在建筑节能领域，太阳能是一种备受青睐的清洁能源。然而，太阳能本身的不稳定性及不连续性极大的影响了其应用效果。相变储能技术以其巨大的相变潜热、相变过程温度恒定等优点受到广泛关注，是太阳能存储技术中应用较为广泛的一种技术。为总结相变储能技术在太阳能存储领域的应用效果及研究现状，本文综述了国内外基于相变储能材料（PCM）的太阳能储能水箱的研究进展。通过对太阳能相变储能水箱中PCM的性能改进、相变储能水箱结构优化设计、相变储能水箱性能提升等问题的现有研究进行总结分析，归纳出目前基于PCM储能的太阳能储能水箱在应用中的优势与不足。最后，提出改善太阳能相变储能水箱性能的研究思路，旨在为太阳能相变储能水箱的深入研究与应用提供帮助和借鉴。
在建筑节能领域，太阳能是一种备受青睐的清洁能源。然而，太阳能本身的不稳定性及不连续性极大的影响了其应用效果。相变储能技术以其巨大的相变潜热、相变过程温度恒定等优点受到广泛关注，是太阳能存储技术中应用较为广泛的一种技术。为总结相变储能技术在太阳能存储领域的应用效果及研究现状，本文综述了国内外基于相变储能材料（PCM）的太阳能储能水箱的研究进展。通过对太阳能相变储能水箱中PCM的性能改进、相变储能水箱结构优化设计、相变储能水箱性能提升等问题的现有研究进行总结分析，归纳出目前基于PCM储能的太阳能储能水箱在应用中的优势与不足。最后，提出改善太阳能相变储能水箱性能的研究思路，旨在为太阳能相变储能水箱的深入研究与应用提供帮助和借鉴。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.20.005
摘要:
对可持续能源的迫切需求，推动了我们对可再生能源技术的不断追求。考虑到高能量密度和生态环境友好性，在众多技术中，电催化水分解将间歇性/扩散的绿色能源转化和存储为无碳化学能——氢。电解水反应又分为两个半反应，阴极的析氢反应（HER）和阳极的析氧反应（OER）。目前，大多数OER催化剂只有在小电流密度下(如10-100 mA·cm-2）才能发挥良好的作用。为了应用于工业应用，OER催化剂需要满足更苛刻的测试环境，例如在低过电位（<300 mV）下提供大电流密度（>500 mA·cm-2），以及在强气体排放过程中机械性能的稳定性和耐久性的延长。结合大电流电催化剂的研究进展，本文首先提出氢能是目前最有前途的能源之一，调研了大电流密度下电催化剂的研究现状，通过对OER机理进行研究，我们发现可以通过以下策略提升催化剂的在大电流密度下的活性：元素掺杂、界面工程、缺陷工程、形貌工程等。最后，对大电流析氧领域在工业发展中现阶段存在的挑战及未来发展方向进行了展望。
对可持续能源的迫切需求，推动了我们对可再生能源技术的不断追求。考虑到高能量密度和生态环境友好性，在众多技术中，电催化水分解将间歇性/扩散的绿色能源转化和存储为无碳化学能——氢。电解水反应又分为两个半反应，阴极的析氢反应（HER）和阳极的析氧反应（OER）。目前，大多数OER催化剂只有在小电流密度下(如10-100 mA·cm-2）才能发挥良好的作用。为了应用于工业应用，OER催化剂需要满足更苛刻的测试环境，例如在低过电位（<300 mV）下提供大电流密度（>500 mA·cm-2），以及在强气体排放过程中机械性能的稳定性和耐久性的延长。结合大电流电催化剂的研究进展，本文首先提出氢能是目前最有前途的能源之一，调研了大电流密度下电催化剂的研究现状，通过对OER机理进行研究，我们发现可以通过以下策略提升催化剂的在大电流密度下的活性：元素掺杂、界面工程、缺陷工程、形貌工程等。最后，对大电流析氧领域在工业发展中现阶段存在的挑战及未来发展方向进行了展望。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.10.21.006
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为研究高温造成的热损伤对花岗岩在不同应力阶段声发射特征及破裂机制的影响，本文对25℃、200℃、400℃和600℃热损伤花岗岩开展了单轴压缩试验并进行了实时声发射监测，分析了不同应力阶段热损伤花岗岩峰值频率、RA-AF数据分布特征以及能量集中度ρ=∑N/∑E的分布规律。结果表明：各温度热处理后花岗岩单轴压缩的应力阶段可以依据声发射发育特征分为：Ⅰ裂纹压密阶段、Ⅱ裂纹萌生及稳定发育阶段、Ⅲ裂纹非稳定发育阶段、Ⅳ峰后破坏阶段。不同温度热损伤花岗岩的声发射峰值频率主频信号呈现带状分布于四个主频带，热损伤越严重，越早产生中、高频破裂信号，且主频带分布范围越宽，破坏时超高频信号越少。各温度热损伤花岗岩声发射RA-AF数据分布特征可以表征各应力阶段产生的裂纹类型，热损伤花岗岩在压力作用下更易在产生剪切裂纹，且热损伤温度越高，剪切裂纹越发育。能量集中度曲线的稳定发育阶与突降阶段之间的突变点可以作为花岗岩单轴压缩条件下的破坏前兆。
为研究高温造成的热损伤对花岗岩在不同应力阶段声发射特征及破裂机制的影响，本文对25℃、200℃、400℃和600℃热损伤花岗岩开展了单轴压缩试验并进行了实时声发射监测，分析了不同应力阶段热损伤花岗岩峰值频率、RA-AF数据分布特征以及能量集中度ρ=∑N/∑E的分布规律。结果表明：各温度热处理后花岗岩单轴压缩的应力阶段可以依据声发射发育特征分为：Ⅰ裂纹压密阶段、Ⅱ裂纹萌生及稳定发育阶段、Ⅲ裂纹非稳定发育阶段、Ⅳ峰后破坏阶段。不同温度热损伤花岗岩的声发射峰值频率主频信号呈现带状分布于四个主频带，热损伤越严重，越早产生中、高频破裂信号，且主频带分布范围越宽，破坏时超高频信号越少。各温度热损伤花岗岩声发射RA-AF数据分布特征可以表征各应力阶段产生的裂纹类型，热损伤花岗岩在压力作用下更易在产生剪切裂纹，且热损伤温度越高，剪切裂纹越发育。能量集中度曲线的稳定发育阶与突降阶段之间的突变点可以作为花岗岩单轴压缩条件下的破坏前兆。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.10.24.006
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高熵合金因其独特的组织结构和力学性能成为人们研究的热点。传统合金一般通过四种不同强化方式对其合金性能进行优化，由五种或五种以上的元素组成的高熵合金也是如此。间隙原子可以溶入到晶体的晶格间隙中，与合金元素结合形成细小弥散强化相，并通过降低层错能，改变位错运动方式等，来改善高熵合金性能。文章分析了间隙原子 C、N、O、B 对高熵合金组织和性能的影响；总结了四种间隙原子含量及其产生的固溶强化、晶粒细化、第二相强化作用对高熵合金组织及性能等方面影响，最后提出了含间隙原子的高强高韧高熵合金组织结构设计研究的新方向。
高熵合金因其独特的组织结构和力学性能成为人们研究的热点。传统合金一般通过四种不同强化方式对其合金性能进行优化，由五种或五种以上的元素组成的高熵合金也是如此。间隙原子可以溶入到晶体的晶格间隙中，与合金元素结合形成细小弥散强化相，并通过降低层错能，改变位错运动方式等，来改善高熵合金性能。文章分析了间隙原子 C、N、O、B 对高熵合金组织和性能的影响；总结了四种间隙原子含量及其产生的固溶强化、晶粒细化、第二相强化作用对高熵合金组织及性能等方面影响，最后提出了含间隙原子的高强高韧高熵合金组织结构设计研究的新方向。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.11.002
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在材料科学过去几十年的发展过程中，经验试错法和基于密度泛函理论的方法等传统的非晶合金开发方法，帮助研发人员探索出多种非晶合金体系。但是，这些方法由于开发周期长、效率低等缺点，目前已难以满足研发人员的需求。而机器学习方法因其实验成本低、性能强大以及开发周期短等优点，被越来越广泛地应用到非晶合金材料的设计和性能预测中。本文首先按照机器学习建模的主要流程介绍各步骤的基本操作和发展情况。其次，着重介绍数据预处理、模型构建以及模型验证方面的研究工作，综述近年来机器学习在非晶合金开发中的应用领域的相关研究，最后从多个角度对比分析了现有的方法，为后续的相关研究提供了可能的研究方向和思路。
在材料科学过去几十年的发展过程中，经验试错法和基于密度泛函理论的方法等传统的非晶合金开发方法，帮助研发人员探索出多种非晶合金体系。但是，这些方法由于开发周期长、效率低等缺点，目前已难以满足研发人员的需求。而机器学习方法因其实验成本低、性能强大以及开发周期短等优点，被越来越广泛地应用到非晶合金材料的设计和性能预测中。本文首先按照机器学习建模的主要流程介绍各步骤的基本操作和发展情况。其次，着重介绍数据预处理、模型构建以及模型验证方面的研究工作，综述近年来机器学习在非晶合金开发中的应用领域的相关研究，最后从多个角度对比分析了现有的方法，为后续的相关研究提供了可能的研究方向和思路。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.16.002
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炭基催化剂具有制备成本低、催化后处理简单等优点，但存在易积碳失活、产物选择性低等缺点，结合微波效应，可明显提高炭基催化剂的竞争力。本文对微波辅助炭基催化剂热解生物质的研究进展进行了现状综述。主要介绍了微波加热原理，吸波剂和催化剂对于微波热解的影响机制。分析了不同改性方法（金属负载法、化学法、磺化等）对炭基催化剂的孔隙结构、含氧官能团和酸性基团及催化反应产物特性的影响。总结了微波辅助改性炭基催化剂在焦油重整和改善生物质热解产物特性等方面的应用进展。本文对该研究方向存在的问题提出了几点建议并进行展望，为基于微波催化热解作用下炭基催化剂的选择、改性和生物质高值化利用提供一定的参考。
炭基催化剂具有制备成本低、催化后处理简单等优点，但存在易积碳失活、产物选择性低等缺点，结合微波效应，可明显提高炭基催化剂的竞争力。本文对微波辅助炭基催化剂热解生物质的研究进展进行了现状综述。主要介绍了微波加热原理，吸波剂和催化剂对于微波热解的影响机制。分析了不同改性方法（金属负载法、化学法、磺化等）对炭基催化剂的孔隙结构、含氧官能团和酸性基团及催化反应产物特性的影响。总结了微波辅助改性炭基催化剂在焦油重整和改善生物质热解产物特性等方面的应用进展。本文对该研究方向存在的问题提出了几点建议并进行展望，为基于微波催化热解作用下炭基催化剂的选择、改性和生物质高值化利用提供一定的参考。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.10.21.001
摘要:
交通行业的CO2排放是我国三大碳排放来源之一，公路工程建设活动引起的CO2浓度升高，间接导致了温室效应增强，气候变暖加剧，人类生产空间收到威胁。因此，公路工程项目是中国在“双碳”目标背景下的减排重点。本文深度分析了国内外交通行业碳排放清单及碳排放因子目录，结合中国交通行业特点，基于现有的公路工程估算指标及中国传统交通行业施工机械设备台班单价计算表，总结归纳符合中国交通行业特点的碳排放因子数据。基于归因全生命周期评价方法（ALCA），采用“自下而上”的公路工程碳排放计量思路，将公路工程项目建设期内工程活动分为分项工程-分部工程-单位工程，建立了公路工程建设期碳排放数据库及碳排放测算模型。在本文汇总的碳排放数据库及测算模型基础上，利用MATLAB搭建了公路工程碳排放智能测算软件并对国内两段支线高速公路的路面工程碳排放进行了测算分析，分析结果显示本文的测算软件能够高效对公路工程建设期内的碳排放来源及碳排放大户进行定位，为交通行业节能减排提供数据和理论基础。
交通行业的CO2排放是我国三大碳排放来源之一，公路工程建设活动引起的CO2浓度升高，间接导致了温室效应增强，气候变暖加剧，人类生产空间收到威胁。因此，公路工程项目是中国在“双碳”目标背景下的减排重点。本文深度分析了国内外交通行业碳排放清单及碳排放因子目录，结合中国交通行业特点，基于现有的公路工程估算指标及中国传统交通行业施工机械设备台班单价计算表，总结归纳符合中国交通行业特点的碳排放因子数据。基于归因全生命周期评价方法（ALCA），采用“自下而上”的公路工程碳排放计量思路，将公路工程项目建设期内工程活动分为分项工程-分部工程-单位工程，建立了公路工程建设期碳排放数据库及碳排放测算模型。在本文汇总的碳排放数据库及测算模型基础上，利用MATLAB搭建了公路工程碳排放智能测算软件并对国内两段支线高速公路的路面工程碳排放进行了测算分析，分析结果显示本文的测算软件能够高效对公路工程建设期内的碳排放来源及碳排放大户进行定位，为交通行业节能减排提供数据和理论基础。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.04.001
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.10.10.002
摘要:
风能的规模化利用是构建现代能源体系的关键，是保障国家能源安全，力争如期实现碳达峰、碳中和的内在要求。我国风电装机容量持续攀升，早期风电机组陆续面临报废。废旧风电叶片的资源化利用面临拆解难、降解难等多重难题，亟需探索绿色高值化、具有规模消纳能力的资源化技术路线，支撑风电产业绿色可持续发展。本文分析了我国风电产业发展概况和风电机组报废量的增长趋势，概括了废旧叶片资源化利用的主要技术途径，重点介绍了纤维增强复合材料的机械法、热法和化学法回收利用，以及废旧叶片在混凝土等建筑材料中的应用和叶片整体结构性利用等资源化利用技术方案，并对比分析了各类技术方案的优缺点，为废旧风电叶片的资源化利用研究方向提供参考。
风能的规模化利用是构建现代能源体系的关键，是保障国家能源安全，力争如期实现碳达峰、碳中和的内在要求。我国风电装机容量持续攀升，早期风电机组陆续面临报废。废旧风电叶片的资源化利用面临拆解难、降解难等多重难题，亟需探索绿色高值化、具有规模消纳能力的资源化技术路线，支撑风电产业绿色可持续发展。本文分析了我国风电产业发展概况和风电机组报废量的增长趋势，概括了废旧叶片资源化利用的主要技术途径，重点介绍了纤维增强复合材料的机械法、热法和化学法回收利用，以及废旧叶片在混凝土等建筑材料中的应用和叶片整体结构性利用等资源化利用技术方案，并对比分析了各类技术方案的优缺点，为废旧风电叶片的资源化利用研究方向提供参考。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.18.002
摘要:
转炉作为一个高温高压、多元多相的反应容器，容易发生喷溅或溢渣事故。良好的熔池涌动可以增大渣-金反应面积，提高炼钢效率；异常的熔池涌动则会造成金属损失，毁坏炉体及其附属设备，甚至威胁到炉前工作人员的人身安全。本文总结了前人对喷溅机理及影响因素的研究结果，喷溅事故的产生总体可以归结为炉内激烈化学反应产生气泡驱动的高温熔体喷溅和顶底复吹为熔池提供的流动能量所产生的喷溅，且一次喷溅事故的发生常常是多种因素耦合引发，从单方面分析喷溅事故原因过于片面，研究出一套适用于转炉喷溅的安全评价模型是当务之急。并对现有的喷溅预报模型进行了综述，总结了炉气分析法、音频分析法、图像分析法的预测原理及部分应用结果，指出现有预测模型没有得到广泛应用的原因，未来喷溅预测模型会朝着更加智能化、精细化的方向发展。
转炉作为一个高温高压、多元多相的反应容器，容易发生喷溅或溢渣事故。良好的熔池涌动可以增大渣-金反应面积，提高炼钢效率；异常的熔池涌动则会造成金属损失，毁坏炉体及其附属设备，甚至威胁到炉前工作人员的人身安全。本文总结了前人对喷溅机理及影响因素的研究结果，喷溅事故的产生总体可以归结为炉内激烈化学反应产生气泡驱动的高温熔体喷溅和顶底复吹为熔池提供的流动能量所产生的喷溅，且一次喷溅事故的发生常常是多种因素耦合引发，从单方面分析喷溅事故原因过于片面，研究出一套适用于转炉喷溅的安全评价模型是当务之急。并对现有的喷溅预报模型进行了综述，总结了炉气分析法、音频分析法、图像分析法的预测原理及部分应用结果，指出现有预测模型没有得到广泛应用的原因，未来喷溅预测模型会朝着更加智能化、精细化的方向发展。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.07.001
摘要:
同时提高铝合金的阻尼性能和力学性能具有重要工程意义。本文研究了AlSi10Sn4MgX(x=0~4.0 wt%)合金的力学性能与阻尼性能，并从Mg对Al/Sn润湿性、Mg对合金组织的影响等方面分析了阻尼和力学性能提高机制。力学性能测试结果表明，当Mg含量为0~1.0 wt%时，试样的抗拉强度随着Mg含量的增加而提高、断后伸长率变化较小，Mg含量为1.0wt%试样的抗拉强度为161 MPa、断后伸长率为3.4%；继续增加Mg含量，试样的抗拉强度显著提高，但断后伸长率明显降低。试样的阻尼性能随Mg含量的增加先提高后降低，1.0wt%Mg试样的阻尼性能较高，且具有良好的高温和高频阻尼性能，25 ℃/1 Hz、200 ℃/1 Hz和25 ℃/40 Hz条件下阻尼损耗因子tanh分别达到0.038、0.058和0.069。少量Mg的加入使Al/Sn润湿性明显提高，促使β-Sn相沿晶界呈细小弥散分布；同时，少量的Mg使AlSi10Sn4MgX中的共晶Si相变质球化，并生成Mg2Si强化相，是合金阻尼和力学性能提高的主要原因。
同时提高铝合金的阻尼性能和力学性能具有重要工程意义。本文研究了AlSi10Sn4MgX(x=0~4.0 wt%)合金的力学性能与阻尼性能，并从Mg对Al/Sn润湿性、Mg对合金组织的影响等方面分析了阻尼和力学性能提高机制。力学性能测试结果表明，当Mg含量为0~1.0 wt%时，试样的抗拉强度随着Mg含量的增加而提高、断后伸长率变化较小，Mg含量为1.0wt%试样的抗拉强度为161 MPa、断后伸长率为3.4%；继续增加Mg含量，试样的抗拉强度显著提高，但断后伸长率明显降低。试样的阻尼性能随Mg含量的增加先提高后降低，1.0wt%Mg试样的阻尼性能较高，且具有良好的高温和高频阻尼性能，25 ℃/1 Hz、200 ℃/1 Hz和25 ℃/40 Hz条件下阻尼损耗因子tanh分别达到0.038、0.058和0.069。少量Mg的加入使Al/Sn润湿性明显提高，促使β-Sn相沿晶界呈细小弥散分布；同时，少量的Mg使AlSi10Sn4MgX中的共晶Si相变质球化，并生成Mg2Si强化相，是合金阻尼和力学性能提高的主要原因。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.26.004
摘要:
随着万物互联时代的快速到来，海量的数据资源在边缘侧产生，使得基于云计算的传统分布式训练面临网络负载大、能耗高、隐私安全等问题。在此背景下，边缘智能应运而生。边缘智能协同训练作为关键环节，在边缘侧辅助或实现机器学习模型的分布式训练，成为边缘智能研究的一大热点。然而，边缘智能需要协调大量的边缘节点进行机器模型的训练，在边缘场景中存在诸多挑战。因此，通过充分调研现有边缘智能协同训练研究基础，从整体架构和核心模块两大方面总结现有的关键技术，围绕边缘智能协同训练在设备异构、设备资源受限和网络环境不稳定等边缘场景下进行训练的挑战及解决方案，从边缘智能协同训练的整体架构和核心模块两大方面进行介绍与总结，关注边缘设备之间的交互框架和大量边缘设备协同训练神经网络模型参数更新问题。最后分析和总结了边缘协同训练存在的诸多挑战和未来展望。
随着万物互联时代的快速到来，海量的数据资源在边缘侧产生，使得基于云计算的传统分布式训练面临网络负载大、能耗高、隐私安全等问题。在此背景下，边缘智能应运而生。边缘智能协同训练作为关键环节，在边缘侧辅助或实现机器学习模型的分布式训练，成为边缘智能研究的一大热点。然而，边缘智能需要协调大量的边缘节点进行机器模型的训练，在边缘场景中存在诸多挑战。因此，通过充分调研现有边缘智能协同训练研究基础，从整体架构和核心模块两大方面总结现有的关键技术，围绕边缘智能协同训练在设备异构、设备资源受限和网络环境不稳定等边缘场景下进行训练的挑战及解决方案，从边缘智能协同训练的整体架构和核心模块两大方面进行介绍与总结，关注边缘设备之间的交互框架和大量边缘设备协同训练神经网络模型参数更新问题。最后分析和总结了边缘协同训练存在的诸多挑战和未来展望。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.12.004
摘要:
矿产资源是人类生存和社会发展的必需品，在国家安全与经济发展中具有举足轻重的地位。我国金属矿产资源储量大，但人均占有量小，铁、铜、铝等多种金属矿产资源难以自给，对外依存度高。随着金属矿产资源的大量开采，浅部资源趋于枯竭，深部开采将成为未来金属矿产资源供应的主力军。对当前国内外深部金属矿开采的现状进行归纳总结，与国外矿业发达国家相比我国仍有较大差距。对深部岩体力学、深部建井提升、绿色开采、智能开采这四个金属矿深部开采的关键理论技术的研究现状进行综述，并提出未来的研究重点。最后，提出极深部岩体力学、原位流态化开采和超大型深部智慧化无人矿山建设这三个方面的展望。随着开采深度不断下降，亟需研究金属矿深部开采相关理论技术，确保深部金属矿产资源安全、高效、经济、环保地进行开采，保障我国资源安全。
矿产资源是人类生存和社会发展的必需品，在国家安全与经济发展中具有举足轻重的地位。我国金属矿产资源储量大，但人均占有量小，铁、铜、铝等多种金属矿产资源难以自给，对外依存度高。随着金属矿产资源的大量开采，浅部资源趋于枯竭，深部开采将成为未来金属矿产资源供应的主力军。对当前国内外深部金属矿开采的现状进行归纳总结，与国外矿业发达国家相比我国仍有较大差距。对深部岩体力学、深部建井提升、绿色开采、智能开采这四个金属矿深部开采的关键理论技术的研究现状进行综述，并提出未来的研究重点。最后，提出极深部岩体力学、原位流态化开采和超大型深部智慧化无人矿山建设这三个方面的展望。随着开采深度不断下降，亟需研究金属矿深部开采相关理论技术，确保深部金属矿产资源安全、高效、经济、环保地进行开采，保障我国资源安全。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.10.24.004
摘要:
为解决现实场景下无人机目标被部分遮挡，导致不易检测问题，本文提出了基于YOLOX-S改进的反无人机系统目标检测算法YOLOX-drone。首先，建立无人机图像数据集；其次，搭建YOLOX-S目标检测网络，在此基础上引入坐标注意力机制，来增强无人机的目标图像显著度，突出有用特征抑制无用特征；然后，再去除特征融合层中自下而上的路径增强结构，减少网络复杂度，并设计了自适应特征融合网络结构，增强有用特征的表达能力，抑制干扰，提升检测精度。在DUT-Anti-UAV数据集上的测试结果表明：YOLOX-drone与YOLOX-S、YOLOv5-S和YOLOX-tiny相比，平均准确率(IoU=0.5)提升了3.2%、4.7%和10.6%；在自建的无人机图像数据集测试：YOLOX-drone与原YOLOX-S目标检测模型相比，在无遮挡、一般遮挡、严重遮挡情况下，平均准确率(IoU=0.5)分别提高了2.4%、2.1%和6.4%，表明了改进的算法具有良好的抗遮挡检测能力。
为解决现实场景下无人机目标被部分遮挡，导致不易检测问题，本文提出了基于YOLOX-S改进的反无人机系统目标检测算法YOLOX-drone。首先，建立无人机图像数据集；其次，搭建YOLOX-S目标检测网络，在此基础上引入坐标注意力机制，来增强无人机的目标图像显著度，突出有用特征抑制无用特征；然后，再去除特征融合层中自下而上的路径增强结构，减少网络复杂度，并设计了自适应特征融合网络结构，增强有用特征的表达能力，抑制干扰，提升检测精度。在DUT-Anti-UAV数据集上的测试结果表明：YOLOX-drone与YOLOX-S、YOLOv5-S和YOLOX-tiny相比，平均准确率(IoU=0.5)提升了3.2%、4.7%和10.6%；在自建的无人机图像数据集测试：YOLOX-drone与原YOLOX-S目标检测模型相比，在无遮挡、一般遮挡、严重遮挡情况下，平均准确率(IoU=0.5)分别提高了2.4%、2.1%和6.4%，表明了改进的算法具有良好的抗遮挡检测能力。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.10.10.003
摘要:
以氢化脱氢（HDH）钛粉为原料制备的多孔NiTi形状记忆合金普遍承载性能与可恢复应变较差。本研究以NaCl为造孔剂，通过在高真空(10-4 Pa)下高温 (1250 ℃) 均匀化烧结制备出了高强度、高应力循环稳定的多孔NiTi合金，研究了不同孔隙率下的微观结构、相变行为、力学性能以及细胞毒性。研究发现，随着NaCl添加量的增加，样品的孔隙率和孔径增大，同时氧含量略有增加。在样品中观察到无热处理自发形成的Ni4Ti3析出相，析出相尺寸随样品氧含量增加而增加。所有样品的马氏体相变均呈现多峰现象，归因于非均匀分布的沉淀带来的多步相变效应。孔隙率为14% ~ 37%的多孔NiTi合金的压缩强度约1236 ~1600 MPa。8%应变压缩加载-卸载后形状恢复率超过99%。在应力控制下的压缩循环测试中，所有样品表现出良好的应力循环稳定性。同时，细胞毒性实验证实该合金具有良好的生物相容性。
以氢化脱氢（HDH）钛粉为原料制备的多孔NiTi形状记忆合金普遍承载性能与可恢复应变较差。本研究以NaCl为造孔剂，通过在高真空(10-4 Pa)下高温 (1250 ℃) 均匀化烧结制备出了高强度、高应力循环稳定的多孔NiTi合金，研究了不同孔隙率下的微观结构、相变行为、力学性能以及细胞毒性。研究发现，随着NaCl添加量的增加，样品的孔隙率和孔径增大，同时氧含量略有增加。在样品中观察到无热处理自发形成的Ni4Ti3析出相，析出相尺寸随样品氧含量增加而增加。所有样品的马氏体相变均呈现多峰现象，归因于非均匀分布的沉淀带来的多步相变效应。孔隙率为14% ~ 37%的多孔NiTi合金的压缩强度约1236 ~1600 MPa。8%应变压缩加载-卸载后形状恢复率超过99%。在应力控制下的压缩循环测试中，所有样品表现出良好的应力循环稳定性。同时，细胞毒性实验证实该合金具有良好的生物相容性。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.10.11.001
摘要:
金属氧化物半导体具有较好的气敏性，基于金属氧化物半导体H2S气体传感特性得到广泛研究。然而，随着气体检测精细程度的增加，需要设计不同结构纳米材料，来实现气体传感器检测下限和灵敏度的提高。同其他维度结构纳米材料相比，一维结构纳米材料由于具有良好的结晶度和独特的电子输运特性，在H2S气敏性能提升上有明显优势。因此，本文主要以H2S气体为主体，综述了金属氧化物半导体基一维结构纳米材料的特点和一维结构纳米材料H2S气体传感器的研究进展。讨论了金属氧化物半导体基一维结构纳米材料对H2S气体传感性能的影响和气敏机理。最后，对金属氧化物半导体基一维结构纳米材料H2S气体传感器的性能改进和未来应用前景进行了展望。
金属氧化物半导体具有较好的气敏性，基于金属氧化物半导体H2S气体传感特性得到广泛研究。然而，随着气体检测精细程度的增加，需要设计不同结构纳米材料，来实现气体传感器检测下限和灵敏度的提高。同其他维度结构纳米材料相比，一维结构纳米材料由于具有良好的结晶度和独特的电子输运特性，在H2S气敏性能提升上有明显优势。因此，本文主要以H2S气体为主体，综述了金属氧化物半导体基一维结构纳米材料的特点和一维结构纳米材料H2S气体传感器的研究进展。讨论了金属氧化物半导体基一维结构纳米材料对H2S气体传感性能的影响和气敏机理。最后，对金属氧化物半导体基一维结构纳米材料H2S气体传感器的性能改进和未来应用前景进行了展望。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.19.004
摘要:
针对烧结半干法脱硫灰中CaSO3在不同反应条件下干热氧化的变化规律，研究了温度、气体中O2含量与流速、钙类化合物、铁氧化物（Fe2O3）、水蒸汽含量与流速等对CaSO3氧化的影响，得出：反应遵循阿累尼乌斯方程，在空气氛围，升温速度为10 ℃·min-1的条件下，450℃、75 ml·min-1的气体流速为经济性干热氧化的最佳工艺条件，水汽对CaSO3氧化反应具有两面性；钙的氧化物对CaSO3氧化反应通过抑制"O" _"2" ^"-" 、"S" "O" _"3" ^"-" 自由基的生成而抑制反应进行，三种钙类氧化物对CaSO3氧化抑制作用从弱到强排序为：CaCO3＜Ca(OH)2＜CaCl2；温度小于450℃，Fe2O3含量大于0.2%时，对氧化反应起到一定催化作用，当催化剂浓度<0.2%时，反应主要由催化剂浓度控制，超过450℃时，温度占主导地位。SEM表征显示随着CaSO3被氧化为CaSO4，形貌由团簇状转变为柱状，CaCl2不仅抑制氧化反应进行也抑制CaSO4的晶型，Fe2O3促进CaSO4结晶的形成。实验室升温较快，当温度大于400℃时，脱硫灰5 min内部温度大于500℃，此时，CaSO3的转化率超过85%，中试升温较慢，不具有这一特征；吉布斯自由能计算结果表明最有可能发生的是CaSO3氧化反应，600℃以下钙的氧化分解反应不可能发生；CaSO3氧化过程中活性位点的数量与温度有关，当温度在350℃~450℃时，该反应为一级反应，当温度大于450℃时，反应在5 min左右迅速完成，无法确定其反应级数。
针对烧结半干法脱硫灰中CaSO3在不同反应条件下干热氧化的变化规律，研究了温度、气体中O2含量与流速、钙类化合物、铁氧化物（Fe2O3）、水蒸汽含量与流速等对CaSO3氧化的影响，得出：反应遵循阿累尼乌斯方程，在空气氛围，升温速度为10 ℃·min-1的条件下，450℃、75 ml·min-1的气体流速为经济性干热氧化的最佳工艺条件，水汽对CaSO3氧化反应具有两面性；钙的氧化物对CaSO3氧化反应通过抑制"O" _"2" ^"-" 、"S" "O" _"3" ^"-" 自由基的生成而抑制反应进行，三种钙类氧化物对CaSO3氧化抑制作用从弱到强排序为：CaCO3＜Ca(OH)2＜CaCl2；温度小于450℃，Fe2O3含量大于0.2%时，对氧化反应起到一定催化作用，当催化剂浓度<0.2%时，反应主要由催化剂浓度控制，超过450℃时，温度占主导地位。SEM表征显示随着CaSO3被氧化为CaSO4，形貌由团簇状转变为柱状，CaCl2不仅抑制氧化反应进行也抑制CaSO4的晶型，Fe2O3促进CaSO4结晶的形成。实验室升温较快，当温度大于400℃时，脱硫灰5 min内部温度大于500℃，此时，CaSO3的转化率超过85%，中试升温较慢，不具有这一特征；吉布斯自由能计算结果表明最有可能发生的是CaSO3氧化反应，600℃以下钙的氧化分解反应不可能发生；CaSO3氧化过程中活性位点的数量与温度有关，当温度在350℃~450℃时，该反应为一级反应，当温度大于450℃时，反应在5 min左右迅速完成，无法确定其反应级数。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.30.003
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根据泰勒展开式,推导了变热导率的幂律流体沿水平波面上的边界层方程.假设热传导系数是依赖于温度梯度的幂律函数,构建了变热导率的能量方程模型.引入一系列变换,将原始波面转换为偏微分方程组,并用Keller-box方法进行数值求解.讨论了某些参数如波幅与波长的比值、幂律指数以及广义普朗特数对壁面摩擦和流体传热的影响. 壁面的摩擦系数和局部Nusselt数,在靠近零点的地方会有剧烈震荡,沿轴向会呈现波形分布状态,随着波长比率的增大而减小,且会随着振幅的增大,壁面摩擦系数也会震荡加剧. 随着幂率指数的增加,局部Nusselt数呈现递减的分布状态.
根据泰勒展开式,推导了变热导率的幂律流体沿水平波面上的边界层方程.假设热传导系数是依赖于温度梯度的幂律函数,构建了变热导率的能量方程模型.引入一系列变换,将原始波面转换为偏微分方程组,并用Keller-box方法进行数值求解.讨论了某些参数如波幅与波长的比值、幂律指数以及广义普朗特数对壁面摩擦和流体传热的影响. 壁面的摩擦系数和局部Nusselt数,在靠近零点的地方会有剧烈震荡,沿轴向会呈现波形分布状态,随着波长比率的增大而减小,且会随着振幅的增大,壁面摩擦系数也会震荡加剧. 随着幂率指数的增加,局部Nusselt数呈现递减的分布状态.
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.15.002
摘要:
随着动力电池市场快速发展，锂电池产量逐年增加，锂离子电池将迎来“退役”高峰期。为实现有价金属的循环利用和环境污染的防治，废旧锂电池的回收和再利用显得至关重要，尤其是回收具有高附加值的正极材料。本文以三元锂电池为例，着重对三元锂电池正极失效原因、正极回收工艺和再生方法的改性升级现状进行综述，详细介绍了火法冶金、湿法冶金浸出、湿法再生和直接再生的回收条件、应用现状和优缺点，论述了离子掺杂和表面包覆两种改性升级手段对再生三元锂电池物性和电化学性能的改善效果。最后，基于回收工艺条件的再优化和元素掺杂、表面包覆的改性方法，展望了废旧锂电池回收工艺的发展前景，以期对于锂电池回收体系的完善提供参考和建议，形成废旧锂电池生产-回收的闭路循环。
随着动力电池市场快速发展，锂电池产量逐年增加，锂离子电池将迎来“退役”高峰期。为实现有价金属的循环利用和环境污染的防治，废旧锂电池的回收和再利用显得至关重要，尤其是回收具有高附加值的正极材料。本文以三元锂电池为例，着重对三元锂电池正极失效原因、正极回收工艺和再生方法的改性升级现状进行综述，详细介绍了火法冶金、湿法冶金浸出、湿法再生和直接再生的回收条件、应用现状和优缺点，论述了离子掺杂和表面包覆两种改性升级手段对再生三元锂电池物性和电化学性能的改善效果。最后，基于回收工艺条件的再优化和元素掺杂、表面包覆的改性方法，展望了废旧锂电池回收工艺的发展前景，以期对于锂电池回收体系的完善提供参考和建议，形成废旧锂电池生产-回收的闭路循环。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.05.001
摘要:
为了探究富氢高炉内Ca/Fe基高反应性焦炭的溶损反应特性，以CO2（N2）载带不同比例H2O（0%~30%）进行焦炭溶损实验，通过分析尾气中CO和H2的含量，研究Ca/Fe添加剂对焦炭在H2O@CO2气氛下碳溶反应（C+CO2=2CO）和水煤气反应（C+H2O=CO+H2）的影响。研究表明，焦炭在H2O@CO2和H2O@N2两种气氛下的反应性随含H2O量变化呈线性关系，焦炭在H2O@CO2气氛中溶损反应的拟合斜率参数k值明显小于在H2O@N2气氛中的k值，H2O@CO2气氛中H2O和CO2与焦炭反应存在竞争关系。而且基础焦炭（BC）反应性的实验与理论的差值明显小于Ca/Fe基焦炭（BC+Ca、BC+Fe）的差值，表明Ca/Fe添加剂影响了CO2和H2O与焦炭共同反应时的竞争关系。基于两种气氛下速率常数的差异提炼抑制因子αCO2/H2O和αH2O/CO2，BC、BC+Fe、BC+Ca三种焦炭的αCO2/H2O分别为0.260、0.251、0.170，而αH2O/CO2分别为0.121、0.217、0.263，Ca/Fe添加剂降低了αCO2/H2O而提高了αH2O/CO2，说明Ca/Fe添加剂能够减小CO2对C+H2O反应的抑制程度，显著的增强C+H2O反应的活性。Ca/Fe基焦炭中催化活性物质为Fe氧化物和硅铝钙盐，Ca/Fe元素在焦炭中赋存形式导致Ca/Fe添加剂对焦炭溶损反应催化效果的差异性。
为了探究富氢高炉内Ca/Fe基高反应性焦炭的溶损反应特性，以CO2（N2）载带不同比例H2O（0%~30%）进行焦炭溶损实验，通过分析尾气中CO和H2的含量，研究Ca/Fe添加剂对焦炭在H2O@CO2气氛下碳溶反应（C+CO2=2CO）和水煤气反应（C+H2O=CO+H2）的影响。研究表明，焦炭在H2O@CO2和H2O@N2两种气氛下的反应性随含H2O量变化呈线性关系，焦炭在H2O@CO2气氛中溶损反应的拟合斜率参数k值明显小于在H2O@N2气氛中的k值，H2O@CO2气氛中H2O和CO2与焦炭反应存在竞争关系。而且基础焦炭（BC）反应性的实验与理论的差值明显小于Ca/Fe基焦炭（BC+Ca、BC+Fe）的差值，表明Ca/Fe添加剂影响了CO2和H2O与焦炭共同反应时的竞争关系。基于两种气氛下速率常数的差异提炼抑制因子αCO2/H2O和αH2O/CO2，BC、BC+Fe、BC+Ca三种焦炭的αCO2/H2O分别为0.260、0.251、0.170，而αH2O/CO2分别为0.121、0.217、0.263，Ca/Fe添加剂降低了αCO2/H2O而提高了αH2O/CO2，说明Ca/Fe添加剂能够减小CO2对C+H2O反应的抑制程度，显著的增强C+H2O反应的活性。Ca/Fe基焦炭中催化活性物质为Fe氧化物和硅铝钙盐，Ca/Fe元素在焦炭中赋存形式导致Ca/Fe添加剂对焦炭溶损反应催化效果的差异性。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.31.002
摘要:
求解等跨等截面连续梁的变形和内力是土木工程领域的典型问题。基于Euler–Bernoulli梁理论，利用位移法和辅助数列推导出任意跨数的等跨等截面连续梁梁端转动刚度的解析表达式，进而得到连续梁支点转角、弯矩在跨中集中荷载、满跨均布荷载、竖向温差作用下的通用计算公式。研究表明：当跨数趋于无穷大时，等跨等截面连续梁的梁端转动刚度上限值为2sqrt(3) i0，i0为单跨梁的抗弯线刚度。不同跨数的等跨等截面连续梁可采用形式统一的解析公式计算支点转角和弯矩，不同静力荷载作用结果的区别仅由单跨梁的固端弯矩决定。本文所得公式形式简洁，通用性强，应用方便，能揭示跨数对连续梁力学特性的影响规律，亦可用于分析顶推施工导梁参数优化等实际工程问题。
求解等跨等截面连续梁的变形和内力是土木工程领域的典型问题。基于Euler–Bernoulli梁理论，利用位移法和辅助数列推导出任意跨数的等跨等截面连续梁梁端转动刚度的解析表达式，进而得到连续梁支点转角、弯矩在跨中集中荷载、满跨均布荷载、竖向温差作用下的通用计算公式。研究表明：当跨数趋于无穷大时，等跨等截面连续梁的梁端转动刚度上限值为2sqrt(3) i0，i0为单跨梁的抗弯线刚度。不同跨数的等跨等截面连续梁可采用形式统一的解析公式计算支点转角和弯矩，不同静力荷载作用结果的区别仅由单跨梁的固端弯矩决定。本文所得公式形式简洁，通用性强，应用方便，能揭示跨数对连续梁力学特性的影响规律，亦可用于分析顶推施工导梁参数优化等实际工程问题。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.15.005
摘要:
岩石的断裂特性受温度影响明显，为研究负温梯度对岩石动态断裂特性的影响规律，采用红砂岩制作中心直裂纹半圆盘弯曲试样（Notched Semi-Circular Bend, NSCB），设置不同的负温温度，利用改进后的分离式霍普金森杆（SHPB）实验系统开展动态三点弯曲试验。试验结果表明：岩石的断裂韧度存在明显的加载率效应，断裂韧度试验值随加载率的增加近似呈指数型增大；当加载率一定时，岩石断裂韧度由常温进入负温后先缓慢后快速增加，在－20 ℃时达到最大值，随着温度进一步降低，岩石断裂韧度快速减小。随后分析了岩石断裂模式及断裂机理，研究发现，负温下红砂岩的断裂以沿晶破裂和胶结物的撕裂为主，伴有少量的穿晶破裂现象，当温度降低至－25 ℃时，岩石内部微裂隙数量明显增多，说明负温对岩石具有劣化作用。最后探讨了温度对岩石断裂特性的影响机制，本文的研究对于深入分析岩石断裂特性的低温效应有一定参考意义。
岩石的断裂特性受温度影响明显，为研究负温梯度对岩石动态断裂特性的影响规律，采用红砂岩制作中心直裂纹半圆盘弯曲试样（Notched Semi-Circular Bend, NSCB），设置不同的负温温度，利用改进后的分离式霍普金森杆（SHPB）实验系统开展动态三点弯曲试验。试验结果表明：岩石的断裂韧度存在明显的加载率效应，断裂韧度试验值随加载率的增加近似呈指数型增大；当加载率一定时，岩石断裂韧度由常温进入负温后先缓慢后快速增加，在－20 ℃时达到最大值，随着温度进一步降低，岩石断裂韧度快速减小。随后分析了岩石断裂模式及断裂机理，研究发现，负温下红砂岩的断裂以沿晶破裂和胶结物的撕裂为主，伴有少量的穿晶破裂现象，当温度降低至－25 ℃时，岩石内部微裂隙数量明显增多，说明负温对岩石具有劣化作用。最后探讨了温度对岩石断裂特性的影响机制，本文的研究对于深入分析岩石断裂特性的低温效应有一定参考意义。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.04.003
摘要:
滑移型危岩体在持续外界影响因素（降雨、地震和施工等）作用下，稳定性逐渐下降并开始与基岩分离，随后发生下滑破坏，是威胁工程施工运维安全的主要隐患。单一的稳定性系数只能识别破坏的发生，而无法识别岩体由稳定阶段过渡至分离阶段，也就难以实现危岩体的定量力学判识。本研究通过引入粘结稳定性系数，对潜在滑动面粘聚力及其抗滑占比进行分析，实现滑移型岩体稳定阶段、分离阶段和破坏阶段的动态考量。当粘结稳定性系数小于1，粘聚力抗滑占比小于结构面长期强度与破坏强度的比值时，为危岩体。现场案例研究表明，基于双力学指标的滑移型危岩体判识方法可以提供相对客观统一的判识方法，有效区分了重庆三峡等稳定系数在1.2附近的滑移型危岩体，提高了传统力学识别方法的准确率与科学性，为我国地质灾害高风险地区更好的应对滑移型崩塌灾害提供新的技术支持。
滑移型危岩体在持续外界影响因素（降雨、地震和施工等）作用下，稳定性逐渐下降并开始与基岩分离，随后发生下滑破坏，是威胁工程施工运维安全的主要隐患。单一的稳定性系数只能识别破坏的发生，而无法识别岩体由稳定阶段过渡至分离阶段，也就难以实现危岩体的定量力学判识。本研究通过引入粘结稳定性系数，对潜在滑动面粘聚力及其抗滑占比进行分析，实现滑移型岩体稳定阶段、分离阶段和破坏阶段的动态考量。当粘结稳定性系数小于1，粘聚力抗滑占比小于结构面长期强度与破坏强度的比值时，为危岩体。现场案例研究表明，基于双力学指标的滑移型危岩体判识方法可以提供相对客观统一的判识方法，有效区分了重庆三峡等稳定系数在1.2附近的滑移型危岩体，提高了传统力学识别方法的准确率与科学性，为我国地质灾害高风险地区更好的应对滑移型崩塌灾害提供新的技术支持。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.07.001
摘要:
钢铁企业烟气脱硝废催化剂（危废）产生量逐年增加，加强对此类废催化剂的有效处置与利用已成为行业急需解决的关键共性难题。首次提出了将废催化剂添加到球团原料中制备含钛球团利用的新路径。将含废催化剂球团和市场普通含钛球团的制备过程及冶金性能进行对比研究。结果表明：球团原料中添加5.0 wt.%的废催化剂可以显著提高生球综合性能指标，且明显优于以钒钛磁铁矿制备的普通含钛球团。球团焙烧后，含废催化剂球团抗压强度为3083 N/pre，高于普通含钛球团的2630 N/pre。含废催化剂球团固结机理表明，废催化剂中TiO2与铁氧化物反应形成Fe2TiO5相粘结，部分未反应TiO2会降低球团抗压强度。两种含钛球团冶金性能与普通氧化球团基本相同，说明含废催化剂球团可以用于高炉护炉冶炼使用。本研究有望为钢铁企业烟气脱硝产生的废催化剂在企业内部资源化利用提供新思路。
钢铁企业烟气脱硝废催化剂（危废）产生量逐年增加，加强对此类废催化剂的有效处置与利用已成为行业急需解决的关键共性难题。首次提出了将废催化剂添加到球团原料中制备含钛球团利用的新路径。将含废催化剂球团和市场普通含钛球团的制备过程及冶金性能进行对比研究。结果表明：球团原料中添加5.0 wt.%的废催化剂可以显著提高生球综合性能指标，且明显优于以钒钛磁铁矿制备的普通含钛球团。球团焙烧后，含废催化剂球团抗压强度为3083 N/pre，高于普通含钛球团的2630 N/pre。含废催化剂球团固结机理表明，废催化剂中TiO2与铁氧化物反应形成Fe2TiO5相粘结，部分未反应TiO2会降低球团抗压强度。两种含钛球团冶金性能与普通氧化球团基本相同，说明含废催化剂球团可以用于高炉护炉冶炼使用。本研究有望为钢铁企业烟气脱硝产生的废催化剂在企业内部资源化利用提供新思路。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.22.001
摘要:
为解决深部泵房硐室群失稳现象突出的问题，以大强煤矿-890水平泵房吸水井硐室群为工程背景，通过理论分析和数值模拟，分析硐室群的破坏原因，对比集约化设计和传统设计对围岩稳定性控制的效果。基于NPR锚索高恒阻、高延伸率和吸能的特性，建立NPR (negative Poisson’s ratio)锚索支护下硐室交岔口围岩能量失稳判据，提出以高预应力NPR锚索+立体桁架为核心的泵房吸水井集约化控制对策，并进行现场应用。结果表明：相比传统设计，集约化设计简化了硐室布局和施工程序，同时能够减小巷道位移、应力，使塑性区范围减小并趋于均匀化，消除了空间效应；通过NPR锚索的高恒阻大变形和在桁架与围岩间预留的间隙释放围岩变形能，通过对NPR锚索施加高预应力和立体桁架材料的强度限制围岩变形，能有效保证巷道稳定；现场应用表明，该对策将围岩变形控制在70 mm以内，应用效果良好，可为类似工程提供参考。
为解决深部泵房硐室群失稳现象突出的问题，以大强煤矿-890水平泵房吸水井硐室群为工程背景，通过理论分析和数值模拟，分析硐室群的破坏原因，对比集约化设计和传统设计对围岩稳定性控制的效果。基于NPR锚索高恒阻、高延伸率和吸能的特性，建立NPR (negative Poisson’s ratio)锚索支护下硐室交岔口围岩能量失稳判据，提出以高预应力NPR锚索+立体桁架为核心的泵房吸水井集约化控制对策，并进行现场应用。结果表明：相比传统设计，集约化设计简化了硐室布局和施工程序，同时能够减小巷道位移、应力，使塑性区范围减小并趋于均匀化，消除了空间效应；通过NPR锚索的高恒阻大变形和在桁架与围岩间预留的间隙释放围岩变形能，通过对NPR锚索施加高预应力和立体桁架材料的强度限制围岩变形，能有效保证巷道稳定；现场应用表明，该对策将围岩变形控制在70 mm以内，应用效果良好，可为类似工程提供参考。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.06.10.002
摘要:
为了解决传统人工方法对废钢分类评级人为因素干扰大且效率低下等问题，提出基于挤压-激活（Squeeze -Excitation，SE）注意力机制构建废钢分类评级的深度学习网络模型，并对采集到的废钢卸载过程图像进行模型训练和验证。首先，搭建1:3废钢质量查验物理模型，采用高分辨率视觉传感器模拟采集货车卸载废钢作业场景下不同废钢的形貌特征；然后，对采集到的废钢图像使用跨阶段局部网络进行特征提取，利用空间金字塔结构解决特征丢失问题，采用注意力机制关注通道间的相关性；最后，在包含8个标签分类的两个数据集进行模型训练与验证。 实验表明：该模型能够有效地对不同级别的废钢进行自动评级判定，评级准确率达到94%，mAP为88.8%，在准确率方面能够完全超越传统人工验质方法，解决了废钢入库过程中质量评价的公正性难题。
为了解决传统人工方法对废钢分类评级人为因素干扰大且效率低下等问题，提出基于挤压-激活（Squeeze -Excitation，SE）注意力机制构建废钢分类评级的深度学习网络模型，并对采集到的废钢卸载过程图像进行模型训练和验证。首先，搭建1:3废钢质量查验物理模型，采用高分辨率视觉传感器模拟采集货车卸载废钢作业场景下不同废钢的形貌特征；然后，对采集到的废钢图像使用跨阶段局部网络进行特征提取，利用空间金字塔结构解决特征丢失问题，采用注意力机制关注通道间的相关性；最后，在包含8个标签分类的两个数据集进行模型训练与验证。 实验表明：该模型能够有效地对不同级别的废钢进行自动评级判定，评级准确率达到94%，mAP为88.8%，在准确率方面能够完全超越传统人工验质方法，解决了废钢入库过程中质量评价的公正性难题。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.11.005
[摘要](158)
摘要:
药剂分子与矿物表面离子的选择性作用是矿物浮选分离的基础。不同于自由离子，矿物表面处于半约束态的金属离子更多地受到周围配位类型以及空间位阻等因素影响。论文以配位化学的观点阐述了浮选药剂与矿物表面离子的作用，即药剂分子与矿物表面已经配位的金属离子发生二次配位作用。二次配位作用具有空间位阻效应和配位场效应。 对于弱场配位的氧化矿物，捕收剂与表面金属离子的作用主要以正向配位为主，对于强场配位的硫化矿物，捕收剂与表面金属离子作用以反向π键配位为主。黄药等巯基捕收剂容易和低自旋态的金属离子作用，油酸等含氧基捕收剂容易和价电性强的金属离子作用。含π轨道NaCN、亚硫酸盐以及Ca(OH)+等抑制剂容易和含π电子对较多的黄铁矿作用，而与不含π电子对的方铅矿制的作用较弱。晶体场稳定化能影响矿物表面药剂吸附的稳定性，矿物浮选临界pH值以及药剂添加顺序对矿物抑制的影响都与晶体场稳定化能有关。 浮选配位理论首次把现代化学中的轨道结构、电子自旋以及对称性匹配等经典概念和理论应用到矿物浮选中，实现了矿物晶体结构和浮选药剂性质的统一理论描述，从电子-轨道层次上揭示了浮选药剂作用的本质，对于浮选药剂的靶向分子设计和新药剂开发具有重要的理论意义和实际应用价值。
药剂分子与矿物表面离子的选择性作用是矿物浮选分离的基础。不同于自由离子，矿物表面处于半约束态的金属离子更多地受到周围配位类型以及空间位阻等因素影响。论文以配位化学的观点阐述了浮选药剂与矿物表面离子的作用，即药剂分子与矿物表面已经配位的金属离子发生二次配位作用。二次配位作用具有空间位阻效应和配位场效应。 对于弱场配位的氧化矿物，捕收剂与表面金属离子的作用主要以正向配位为主，对于强场配位的硫化矿物，捕收剂与表面金属离子作用以反向π键配位为主。黄药等巯基捕收剂容易和低自旋态的金属离子作用，油酸等含氧基捕收剂容易和价电性强的金属离子作用。含π轨道NaCN、亚硫酸盐以及Ca(OH)+等抑制剂容易和含π电子对较多的黄铁矿作用，而与不含π电子对的方铅矿制的作用较弱。晶体场稳定化能影响矿物表面药剂吸附的稳定性，矿物浮选临界pH值以及药剂添加顺序对矿物抑制的影响都与晶体场稳定化能有关。 浮选配位理论首次把现代化学中的轨道结构、电子自旋以及对称性匹配等经典概念和理论应用到矿物浮选中，实现了矿物晶体结构和浮选药剂性质的统一理论描述，从电子-轨道层次上揭示了浮选药剂作用的本质，对于浮选药剂的靶向分子设计和新药剂开发具有重要的理论意义和实际应用价值。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.07.01.001
摘要:
行星齿轮箱在运行过程中由于齿轮间相互作用会产生强噪声情况，导致行星轴承的故障特征被完全淹没在背景噪声中并难以提取，使得行星轴承故障分类的准确率达不到较高水平。针对这一问题，本文提出一种基于改进蚱蜢优化算法的自适应动模式分解(ADMD)和遗传算法优化支持向量(GA-SVM)的行星轴承故障分类方法。针对动模式分解(DMD)中截断秩无法准确选取的问题，定义了一种新的适应度函数，采用改进的蚱蜢优化算法(IGOA)自适应的选择最优参数，实现对原始振信号的降噪处理。然后对降噪后的信号计算其归一化后复合精细多尺度离散熵(IRCMDE)并构成特征矩阵。最后采用遗传算法优化支持向量机的关键参数，构建GA-SVM分类模型，并将其应用到行星轴承故障诊断中。利用行星齿轮箱中行星轴承故障数据验证了本文所提方法的有效性和实用性，最终分类结果为96.4286%，表明了该方法可以准确的识别出行星轴承的故障。
行星齿轮箱在运行过程中由于齿轮间相互作用会产生强噪声情况，导致行星轴承的故障特征被完全淹没在背景噪声中并难以提取，使得行星轴承故障分类的准确率达不到较高水平。针对这一问题，本文提出一种基于改进蚱蜢优化算法的自适应动模式分解(ADMD)和遗传算法优化支持向量(GA-SVM)的行星轴承故障分类方法。针对动模式分解(DMD)中截断秩无法准确选取的问题，定义了一种新的适应度函数，采用改进的蚱蜢优化算法(IGOA)自适应的选择最优参数，实现对原始振信号的降噪处理。然后对降噪后的信号计算其归一化后复合精细多尺度离散熵(IRCMDE)并构成特征矩阵。最后采用遗传算法优化支持向量机的关键参数，构建GA-SVM分类模型，并将其应用到行星轴承故障诊断中。利用行星齿轮箱中行星轴承故障数据验证了本文所提方法的有效性和实用性，最终分类结果为96.4286%，表明了该方法可以准确的识别出行星轴承的故障。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.07.18.002
摘要:
开发高性能二次电池材料是缓解能源与环境危机的有效途径。红磷由于理论容量高（2596 mA?h g-1）、地球资源占比丰富以及价格低廉等优点，有望成为下一代商业化的二次电池负极材料。但是，红磷在作为电极材料时具有导电性差、体积膨胀大等缺点，严重限制了其在二次电池中的商业应用。最近研究表明，通过合理的结构设计可以有效地改善红磷负极的循环稳定性和倍率性能，促进红磷在锂/钠离子电池中的商业应用。本文综述了近年来纳米红磷负极材料在可控合成、结构设计与性能优化机理上的研究进展。最后，提出了纳米红磷基负极材料的未来前景，旨在促进其商业应用。
开发高性能二次电池材料是缓解能源与环境危机的有效途径。红磷由于理论容量高（2596 mA?h g-1）、地球资源占比丰富以及价格低廉等优点，有望成为下一代商业化的二次电池负极材料。但是，红磷在作为电极材料时具有导电性差、体积膨胀大等缺点，严重限制了其在二次电池中的商业应用。最近研究表明，通过合理的结构设计可以有效地改善红磷负极的循环稳定性和倍率性能，促进红磷在锂/钠离子电池中的商业应用。本文综述了近年来纳米红磷负极材料在可控合成、结构设计与性能优化机理上的研究进展。最后，提出了纳米红磷基负极材料的未来前景，旨在促进其商业应用。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.03.02.001
摘要:
本文对超低碳IF钢钛合金化后Al-Ti-O夹杂物进行了分析，研究发现Al-Ti-O夹杂物根据形貌可分为七种类型，81.3%的Al-Ti-O复合夹杂物都有Al2O3外层，未发现单独存在的TiOx夹杂物。热力学计算结果表明，随着钢中钛含量的增加，夹杂物的转变顺序为固态Al2O3→液态Al-Ti-O→固态Ti2O3。确定了Al-Ti-O夹杂物的生成机理过程分为两步：在精炼过程中钛合金化后，当钢液局部区域的钛含量高于0.42%时，[Ti]与钢液反应瞬态生成Al2O3-TiOx或TiOx。随着精炼过程中钛元素的混匀，含TiOx夹杂物被钢中[Al]还原，Al2O3-TiOx和TiOx夹杂物逐渐转变，在夹杂物表面生成Al2O3。
本文对超低碳IF钢钛合金化后Al-Ti-O夹杂物进行了分析，研究发现Al-Ti-O夹杂物根据形貌可分为七种类型，81.3%的Al-Ti-O复合夹杂物都有Al2O3外层，未发现单独存在的TiOx夹杂物。热力学计算结果表明，随着钢中钛含量的增加，夹杂物的转变顺序为固态Al2O3→液态Al-Ti-O→固态Ti2O3。确定了Al-Ti-O夹杂物的生成机理过程分为两步：在精炼过程中钛合金化后，当钢液局部区域的钛含量高于0.42%时，[Ti]与钢液反应瞬态生成Al2O3-TiOx或TiOx。随着精炼过程中钛元素的混匀，含TiOx夹杂物被钢中[Al]还原，Al2O3-TiOx和TiOx夹杂物逐渐转变，在夹杂物表面生成Al2O3。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.11.002
摘要:
矿山地热既会导致高温热害等灾害，又是一种资源可以开发利用。本文从矿山地热致灾形式、热害控制技术、热能利用方法三个方面，对相关文献进行归纳，总结已有研究成果。结果表明，矿山地热的致灾形式有加剧煤岩体性质劣化、诱发支护结构失效和导致高温高湿环境三类，具体包括加剧围岩变形破坏、诱发吸附瓦斯溢出、降低锚杆锚固强度、加剧锚护材料腐蚀、损害工人身心健康、降低工人工作效率和增加机械设备故障率七方面。根据制冷工质不同，可以将降温系统分成气冷式、冰冷式和水冷式三大类，包括压缩空气制冷降温、冰制冷降温、地面集中制冷降温、地面排热井下集中降温、回风排热井下集中降温、地面热电联产制冷降温和热害资源化利用等制冷系统。通过提取矿井水和矿井回风中的余热用于矿区井口防冻、洗浴供暖和建筑物供暖，是目前矿山地热利用的主要方法。而巷道围岩热能提取是近年来的研究热点，也是矿山地热直接利用的关键，采用地埋管换热器提取围岩热能、实现矿区多种清洁能源协同利用是未来矿山地热利用的发展方向之一。
矿山地热既会导致高温热害等灾害，又是一种资源可以开发利用。本文从矿山地热致灾形式、热害控制技术、热能利用方法三个方面，对相关文献进行归纳，总结已有研究成果。结果表明，矿山地热的致灾形式有加剧煤岩体性质劣化、诱发支护结构失效和导致高温高湿环境三类，具体包括加剧围岩变形破坏、诱发吸附瓦斯溢出、降低锚杆锚固强度、加剧锚护材料腐蚀、损害工人身心健康、降低工人工作效率和增加机械设备故障率七方面。根据制冷工质不同，可以将降温系统分成气冷式、冰冷式和水冷式三大类，包括压缩空气制冷降温、冰制冷降温、地面集中制冷降温、地面排热井下集中降温、回风排热井下集中降温、地面热电联产制冷降温和热害资源化利用等制冷系统。通过提取矿井水和矿井回风中的余热用于矿区井口防冻、洗浴供暖和建筑物供暖，是目前矿山地热利用的主要方法。而巷道围岩热能提取是近年来的研究热点，也是矿山地热直接利用的关键，采用地埋管换热器提取围岩热能、实现矿区多种清洁能源协同利用是未来矿山地热利用的发展方向之一。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.02.11.003
摘要:
合理高效地利用海上风电资源是实现“碳中和”的有效方法之一，随着海上风电资源的开发逐渐向深远海延伸，海上风电基础的承载性能受到越来越广泛的关注，众多学者探索新型复合基础以满足海上风电场的发展需求。本文基于有限元软件ABAQUS平台，建立了非匀质饱和黏土场地的海上风电桩-筒复合基础数值计算模型，对比研究竖向荷载V、水平荷载H、弯矩荷载M作用下不同筒结构尺寸的桩-筒复合基础的承载性能，并采用正交试验法开展桩-筒复合基础的水平承载性能、竖向承载性能和抗弯承载性能的影响因素研究。结果表明，饱和黏土的不均匀程度系数K对竖向承载力系数NcV影响较小，同一基础在不同系数K时，NcV值波动范围较小；饱和黏土不均匀程度系数K对水平承载力系数NcH和抗弯承载力系数NcM的影响呈指数型递减。筒结构直径D和入土深度L对各向承载力系数的影响存在交互作用。筒结构直径D对桩-筒复合基础承载力系数的影响最大，可以通过增加筒结构直径D从而有效地提高桩-筒复合基础的承载性能。研究结果为海上风电桩-筒复合基础设计提供了依据。
合理高效地利用海上风电资源是实现“碳中和”的有效方法之一，随着海上风电资源的开发逐渐向深远海延伸，海上风电基础的承载性能受到越来越广泛的关注，众多学者探索新型复合基础以满足海上风电场的发展需求。本文基于有限元软件ABAQUS平台，建立了非匀质饱和黏土场地的海上风电桩-筒复合基础数值计算模型，对比研究竖向荷载V、水平荷载H、弯矩荷载M作用下不同筒结构尺寸的桩-筒复合基础的承载性能，并采用正交试验法开展桩-筒复合基础的水平承载性能、竖向承载性能和抗弯承载性能的影响因素研究。结果表明，饱和黏土的不均匀程度系数K对竖向承载力系数NcV影响较小，同一基础在不同系数K时，NcV值波动范围较小；饱和黏土不均匀程度系数K对水平承载力系数NcH和抗弯承载力系数NcM的影响呈指数型递减。筒结构直径D和入土深度L对各向承载力系数的影响存在交互作用。筒结构直径D对桩-筒复合基础承载力系数的影响最大，可以通过增加筒结构直径D从而有效地提高桩-筒复合基础的承载性能。研究结果为海上风电桩-筒复合基础设计提供了依据。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.03.19.002
摘要:
锂离子电池因锂资源储量有限、分布不均及一定的安全问题，导致其在大型储能领域的应用受限。水系锌离子电池因其资源丰富、安全环保以及价格低廉等优势倍受关注，但是因为锌离子与正极材料基体具有较强的静电吸附作用，导致其动力学缓慢以及部分正极材料在水系电解液中存在溶解等问题，限制水系锌离子电池的发展。而近期研究发现磷酸钒盐具有结构稳定、电压平台高、能量密度高、功率密度高等特点。本文综述各类磷酸钒盐及其衍生物在水系锌离子电池中的应用，归纳其反应机理以及存在的问题，提出一些解决方法，并对其未来发展提出展望。
锂离子电池因锂资源储量有限、分布不均及一定的安全问题，导致其在大型储能领域的应用受限。水系锌离子电池因其资源丰富、安全环保以及价格低廉等优势倍受关注，但是因为锌离子与正极材料基体具有较强的静电吸附作用，导致其动力学缓慢以及部分正极材料在水系电解液中存在溶解等问题，限制水系锌离子电池的发展。而近期研究发现磷酸钒盐具有结构稳定、电压平台高、能量密度高、功率密度高等特点。本文综述各类磷酸钒盐及其衍生物在水系锌离子电池中的应用，归纳其反应机理以及存在的问题，提出一些解决方法，并对其未来发展提出展望。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.07.001
摘要:
桥梁服役过程中，车辆荷载的频率和轴重都随着服役期龄而增加。基于时变可靠度理论，采用Gamma随机过程描述荷载效应的发生频率，提出了考虑车辆频率增大的桥梁时变可靠度分析方法。基于验证荷载试验，考虑历史荷载信息对桥梁结构当前时刻抗力评估的影响，提出了抗力变异系数为时间变量的桥梁时变可靠度计算公式。采用上述方法，对某钢筋混凝土梁桥进行时变可靠度分析，结果表明：车辆荷载频率增量关联与否不影响结构时变可靠度的变化；采用本文提出的计算公式可以考虑历史荷载强度均值介于结构初始抗力的31.6%~36.4%，对预测桥梁可靠性具有更高精度。当荷载频率λ小于10(1/a)，考察范围(0,T)在35a之内，若历史荷载强度不高于初始抗力的29.1%，可以采用基于荷载频率函数的时变可靠度公式；频率大于2(1/a)的车辆荷载效应超过结构初始抗力的36.4%，且年增长率超过150%时，采用快速退化函数计算时变抗力的钢筋混凝土梁桥在20年内的失效概率较高，需引起注意，在设计和施工时增强钢筋的耐锈蚀性。
桥梁服役过程中，车辆荷载的频率和轴重都随着服役期龄而增加。基于时变可靠度理论，采用Gamma随机过程描述荷载效应的发生频率，提出了考虑车辆频率增大的桥梁时变可靠度分析方法。基于验证荷载试验，考虑历史荷载信息对桥梁结构当前时刻抗力评估的影响，提出了抗力变异系数为时间变量的桥梁时变可靠度计算公式。采用上述方法，对某钢筋混凝土梁桥进行时变可靠度分析，结果表明：车辆荷载频率增量关联与否不影响结构时变可靠度的变化；采用本文提出的计算公式可以考虑历史荷载强度均值介于结构初始抗力的31.6%~36.4%，对预测桥梁可靠性具有更高精度。当荷载频率λ小于10(1/a)，考察范围(0,T)在35a之内，若历史荷载强度不高于初始抗力的29.1%，可以采用基于荷载频率函数的时变可靠度公式；频率大于2(1/a)的车辆荷载效应超过结构初始抗力的36.4%，且年增长率超过150%时，采用快速退化函数计算时变抗力的钢筋混凝土梁桥在20年内的失效概率较高，需引起注意，在设计和施工时增强钢筋的耐锈蚀性。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.30.002
摘要:
在高炉炼铁中利用生物质/生物质炭代替粉煤/焦炭是实现高炉炼铁减少CO2排放的有效方法。本文利用氧化铁粉和生物质炭，通过冷压成型和热处理硬化的方法制备了满足高炉强度要求的生物质炭复合团块。其成分为：11.1 wt.% C、72.7 wt.% Fe3O4、11.25 wt.% FeO、0.77 wt.% Fe和4.67wt.% 脉石。随后，对高炉环境下复合团块反应进行建模。利用等温动力学实验确定模型参数并进行模型验证。利用该模型，解释了模拟高炉环境下复合团块的反应行为，以及对实际高炉中团块的反应行为进行了分析。结果表明，在模拟高炉条件下。团块经历了低熔化合物形成的结构变化和从炉渣基体向铁网络结构的转变。在实际高炉中，生物质炭复合团块的反应行为主要包括三个阶段：团块的高炉煤气还原（473-853 K）、团块的高炉煤气还原和部分自还原（853-953 K）以及团块的完全自还原（953-1150 K）。在团块自还原参与阶段，团块中氧化铁还原和生物质炭气化均比烧结矿和焦炭快。团块具有提高高炉顶气利用系数和降低热储备区温度水平的作用。
在高炉炼铁中利用生物质/生物质炭代替粉煤/焦炭是实现高炉炼铁减少CO2排放的有效方法。本文利用氧化铁粉和生物质炭，通过冷压成型和热处理硬化的方法制备了满足高炉强度要求的生物质炭复合团块。其成分为：11.1 wt.% C、72.7 wt.% Fe3O4、11.25 wt.% FeO、0.77 wt.% Fe和4.67wt.% 脉石。随后，对高炉环境下复合团块反应进行建模。利用等温动力学实验确定模型参数并进行模型验证。利用该模型，解释了模拟高炉环境下复合团块的反应行为，以及对实际高炉中团块的反应行为进行了分析。结果表明，在模拟高炉条件下。团块经历了低熔化合物形成的结构变化和从炉渣基体向铁网络结构的转变。在实际高炉中，生物质炭复合团块的反应行为主要包括三个阶段：团块的高炉煤气还原（473-853 K）、团块的高炉煤气还原和部分自还原（853-953 K）以及团块的完全自还原（953-1150 K）。在团块自还原参与阶段，团块中氧化铁还原和生物质炭气化均比烧结矿和焦炭快。团块具有提高高炉顶气利用系数和降低热储备区温度水平的作用。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.19.002
摘要:
作为云计算模式的延伸，雾计算以其能耗低、时延短、带宽节省高等优势而受到广泛关注，为了构建绿色且长生命周期的物联网，本文提出了一种雾辅助的公平节能物联网计算迁移方案。具体地，基于雾节点计算能力、带宽资源以及融合雾节点能耗公平性的迁移决策的联合考量，构建了一个最小化所有任务完成总能耗的优化问题。提出了基于动量梯度和坐标协同下降的公平性能耗最小化算法 (Momentum Gradient and Coordinate Collaboration Descent based Fair Energy Minimization, MGCCD-FEM)用于解决上述混合整数非线性规划问题，即首先，基于雾节点的历史平均能耗、距离、计算能力以及剩余能量值设计了公平性指标以获得对于雾节点能耗公平性最优的迁移决策；接着，基于所获得的最优迁移决策，通过提出的动量梯度与坐标协同下降法，联合优化雾节点分配给各个任务的计算及带宽资源占比，达到最小化任务处理总能耗。最后，仿真结果表明本文方案能够取得较快的收敛速度，且与其他两种基准方案相比，本文方案的总能耗最低，雾节点的能耗公平性最高，且网络寿命分别平均提高了23.6%和31.2%。
作为云计算模式的延伸，雾计算以其能耗低、时延短、带宽节省高等优势而受到广泛关注，为了构建绿色且长生命周期的物联网，本文提出了一种雾辅助的公平节能物联网计算迁移方案。具体地，基于雾节点计算能力、带宽资源以及融合雾节点能耗公平性的迁移决策的联合考量，构建了一个最小化所有任务完成总能耗的优化问题。提出了基于动量梯度和坐标协同下降的公平性能耗最小化算法 (Momentum Gradient and Coordinate Collaboration Descent based Fair Energy Minimization, MGCCD-FEM)用于解决上述混合整数非线性规划问题，即首先，基于雾节点的历史平均能耗、距离、计算能力以及剩余能量值设计了公平性指标以获得对于雾节点能耗公平性最优的迁移决策；接着，基于所获得的最优迁移决策，通过提出的动量梯度与坐标协同下降法，联合优化雾节点分配给各个任务的计算及带宽资源占比，达到最小化任务处理总能耗。最后，仿真结果表明本文方案能够取得较快的收敛速度，且与其他两种基准方案相比，本文方案的总能耗最低，雾节点的能耗公平性最高，且网络寿命分别平均提高了23.6%和31.2%。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.002
摘要:
为推进金属磁记忆技术在桥钢箱梁损伤检测方面的应用，对桥钢箱梁进行了静力受弯试验，提取其变形最严重的上翼缘磁信号分布，建立了损伤区域应力与磁信号和磁信号梯度的量化关系，并提出用磁场梯度指数来表征钢梁的应力和损伤状态。结果表明：上翼缘磁信号曲线与应力变化形态正好相反，磁信号曲线在进入塑性后发生反转变为负值，且随应力变化的速度增快，可以判断构件进入塑性状态，即将发生损伤；磁场梯度曲线在损伤最严重的区域出现最大值，且随着荷载的增大，磁梯度最大值点不断向钢梁中间移动，由此可以进行破坏状态的预警；磁场梯度与应力关系曲线可将构件整个受力过程明显的区分为初始、屈服、塑性、损伤四个状态；可以用磁场梯度指数来进行构件应力状态与损伤状态的表征。该研究可为金属磁记忆检测技术在桥钢梁损伤状态的定量评估和预警方面的应用提供依据和参考。
为推进金属磁记忆技术在桥钢箱梁损伤检测方面的应用，对桥钢箱梁进行了静力受弯试验，提取其变形最严重的上翼缘磁信号分布，建立了损伤区域应力与磁信号和磁信号梯度的量化关系，并提出用磁场梯度指数来表征钢梁的应力和损伤状态。结果表明：上翼缘磁信号曲线与应力变化形态正好相反，磁信号曲线在进入塑性后发生反转变为负值，且随应力变化的速度增快，可以判断构件进入塑性状态，即将发生损伤；磁场梯度曲线在损伤最严重的区域出现最大值，且随着荷载的增大，磁梯度最大值点不断向钢梁中间移动，由此可以进行破坏状态的预警；磁场梯度与应力关系曲线可将构件整个受力过程明显的区分为初始、屈服、塑性、损伤四个状态；可以用磁场梯度指数来进行构件应力状态与损伤状态的表征。该研究可为金属磁记忆检测技术在桥钢梁损伤状态的定量评估和预警方面的应用提供依据和参考。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.06.004
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新能源汽车能够有效缓解传统汽车行业对化石燃料的严重依赖和全球所面临的环境问题，是未来发展的必然趋势。驱动电机作为新能源汽车的动力核心，不仅需要具有优异的磁性能提高能源转换效率，同时需要具有高强度来抵抗高速运转时的离心力。然而，无取向硅钢的强度和磁性能难以兼顾，因此无取向硅钢力、磁性能的协同调控是新能源汽车驱动电机发展过程中的一个关键科学问题。本文综述了国内外有关高强无取向硅钢力学性能和磁性能调控的相关研究现状，分析了不同强化方式对无取向硅钢磁性能的影响，指出了新能源汽车驱动电机用高强无取向硅钢力学性能和磁性能协同调控的未来发展趋势，即多种强化方式共同作用或利用细小弥散的纳米共格析出相实现高强无取向硅钢力、磁性能的最佳匹配，为新能源汽车驱动电机用高强无取向硅钢的发展提供借鉴。
新能源汽车能够有效缓解传统汽车行业对化石燃料的严重依赖和全球所面临的环境问题，是未来发展的必然趋势。驱动电机作为新能源汽车的动力核心，不仅需要具有优异的磁性能提高能源转换效率，同时需要具有高强度来抵抗高速运转时的离心力。然而，无取向硅钢的强度和磁性能难以兼顾，因此无取向硅钢力、磁性能的协同调控是新能源汽车驱动电机发展过程中的一个关键科学问题。本文综述了国内外有关高强无取向硅钢力学性能和磁性能调控的相关研究现状，分析了不同强化方式对无取向硅钢磁性能的影响，指出了新能源汽车驱动电机用高强无取向硅钢力学性能和磁性能协同调控的未来发展趋势，即多种强化方式共同作用或利用细小弥散的纳米共格析出相实现高强无取向硅钢力、磁性能的最佳匹配，为新能源汽车驱动电机用高强无取向硅钢的发展提供借鉴。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.14.003
摘要:
差动机器人是一种常见的移动机器人，在仓储、农业等行业的应用十分广泛。针对纵向速度接近最大值时差动机器人跟踪参考路径的能力与保持纵向速度的能力之间存在冲突的问题，从差动机器人纵向速度与转弯曲率之间的映射关系出发，提出了基于预瞄信息的速度调节控制器，并提出了配套的基于非线性模型预测控制的路径跟踪控制器，形成了基于速度调节与路径跟踪的差动机器人运动控制系统。仿真与实验结果表明，提出的运动控制系统可以在差动机器人的纵向速度设定值较高时主动调节纵向速度，保障较高的路径跟踪控制精确性，其中位移误差的绝对值不超过0.0499 m，航向误差的绝对值不超过0.0726 rad，相比无速度调节的运动控制系统，该系统可将位移误差和航向误差的最大绝对值分别减少达97.57%和45.04%。
差动机器人是一种常见的移动机器人，在仓储、农业等行业的应用十分广泛。针对纵向速度接近最大值时差动机器人跟踪参考路径的能力与保持纵向速度的能力之间存在冲突的问题，从差动机器人纵向速度与转弯曲率之间的映射关系出发，提出了基于预瞄信息的速度调节控制器，并提出了配套的基于非线性模型预测控制的路径跟踪控制器，形成了基于速度调节与路径跟踪的差动机器人运动控制系统。仿真与实验结果表明，提出的运动控制系统可以在差动机器人的纵向速度设定值较高时主动调节纵向速度，保障较高的路径跟踪控制精确性，其中位移误差的绝对值不超过0.0499 m，航向误差的绝对值不超过0.0726 rad，相比无速度调节的运动控制系统，该系统可将位移误差和航向误差的最大绝对值分别减少达97.57%和45.04%。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.26.001
摘要:
为了研究墙板与钢框架结构之间的协同抗震性能，对采用不同墙框连接节点的轻质混凝土拼装墙板填充钢框架进行了低周往复荷载试验。通过对比试件的承载力、滞回性能、刚度、耗能以及延性性能，探讨了轻质混凝土拼装墙板及其整体性对结构抗震性能的影响。结果表明：填充墙板钢框架结构的最终破坏形态以墙板挤压开裂，框架梁柱端部翼缘屈曲为主；轻质混凝土拼装墙板与钢框架协同工作，有利于提高结构整体的承载力和变形能力，减轻钢框架在平面内的屈曲破坏；与刚性节点相比，采用柔性节点连接墙板与钢框架对结构的承载力、层间刚度和耗能能力更为有利；增强拼装墙板的整体性，有助于提高结构整体刚度、变形和耗能能力。研究结果可为轻质混凝土拼装墙板填充钢框架结构的抗震设计提供参考。
为了研究墙板与钢框架结构之间的协同抗震性能，对采用不同墙框连接节点的轻质混凝土拼装墙板填充钢框架进行了低周往复荷载试验。通过对比试件的承载力、滞回性能、刚度、耗能以及延性性能，探讨了轻质混凝土拼装墙板及其整体性对结构抗震性能的影响。结果表明：填充墙板钢框架结构的最终破坏形态以墙板挤压开裂，框架梁柱端部翼缘屈曲为主；轻质混凝土拼装墙板与钢框架协同工作，有利于提高结构整体的承载力和变形能力，减轻钢框架在平面内的屈曲破坏；与刚性节点相比，采用柔性节点连接墙板与钢框架对结构的承载力、层间刚度和耗能能力更为有利；增强拼装墙板的整体性，有助于提高结构整体刚度、变形和耗能能力。研究结果可为轻质混凝土拼装墙板填充钢框架结构的抗震设计提供参考。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.06.28.001
摘要:
硅酸盐类脉石夹带是制约贫杂难选矿高效浮选分离的难题之一。借助分批浮选试验、流变学测试、冷冻扫描电镜测试、颗粒沉降试验，探究了黄铜矿浮选体系晶态/无定形二氧化硅的流变特性与夹带行为。结果显示，随着脉石中无定形二氧化硅含量的增加，矿浆表观黏度呈指数型增大，黄铜矿回收率持续降低，脉石回收率先升高后降低。脉石回收率发生变化是脉石夹带率、水回收率共同作用的结果：在黏度低增长区，脉石夹带率上移对脉石回收率升高起主导作用，而在黏度中、高增长区，水回收率减少是脉石回收率由升转降的主要原因。总脉石夹带率和各粒级脉石夹带率均随无定形二氧化硅含量增加而升高，且各粒级脉石夹带率呈现出明显差异性，细粒脉石夹带率增幅最大。冷冻扫描电镜与沉降试验表明，无定形二氧化硅与石英颗粒形成了聚集体结构，导致矿浆体系黏度增大，因而脉石颗粒沉降减缓、泡沫排液“洗涤”脉石作用弱化，单位泡沫水中的脉石质量增大，脉石夹带率升高。
硅酸盐类脉石夹带是制约贫杂难选矿高效浮选分离的难题之一。借助分批浮选试验、流变学测试、冷冻扫描电镜测试、颗粒沉降试验，探究了黄铜矿浮选体系晶态/无定形二氧化硅的流变特性与夹带行为。结果显示，随着脉石中无定形二氧化硅含量的增加，矿浆表观黏度呈指数型增大，黄铜矿回收率持续降低，脉石回收率先升高后降低。脉石回收率发生变化是脉石夹带率、水回收率共同作用的结果：在黏度低增长区，脉石夹带率上移对脉石回收率升高起主导作用，而在黏度中、高增长区，水回收率减少是脉石回收率由升转降的主要原因。总脉石夹带率和各粒级脉石夹带率均随无定形二氧化硅含量增加而升高，且各粒级脉石夹带率呈现出明显差异性，细粒脉石夹带率增幅最大。冷冻扫描电镜与沉降试验表明，无定形二氧化硅与石英颗粒形成了聚集体结构，导致矿浆体系黏度增大，因而脉石颗粒沉降减缓、泡沫排液“洗涤”脉石作用弱化，单位泡沫水中的脉石质量增大，脉石夹带率升高。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.30.003
摘要:
为解决硫氨酯捕收剂制备过程中副产品处理困难、存在污染等问题，设计了四种新工艺制备乙硫氨酯（IPETC），分别联产对叔丁基苄基硫醇（BBSH）、苄基三硫代碳酸盐（BTTC）、苄硫基乙基黄药（SBEX）、二苄基二硫醚。在优化的合成工艺条件下，合成IPETC联产BBSH，得到含IPETC和BBSH的复合捕收剂，其中IPETC的质量分数为51%，BBSH的质量分数为41%，IPETC和BBSH的收率达到95%；合成IPETC联产BTTC，IPETC和BTTC的收率分别达到94%和95%，纯度分别为91%和82%；合成IPETC联产SBEX，IPETC的收率和纯度分别达到89%和95%，SBEX的收率和纯度分别为93%和91%；合成IPETC联产二苄基二硫醚，IPETC的收率和纯度分别达到93%和92%，二苄基二硫醚的收率和纯度分别达到95%和94%。考察了制备的复合捕收剂（IPETC与BBSH）对铜钼矿的浮选性能，结果表明，复合捕收剂对铜钼矿表现出良好的捕收性能。联产的新型捕收剂SBEX、BTTC对黄铜矿的捕收力略强于异丁基黄药，对黄铁矿具有较好的选择性，可替代异丁基黄药浮选硫化铜矿。红外光谱和X射线光电子能谱分析结果表明，SBEX、BTTC与黄铜矿作用时，捕收剂分子中的C=S和C—S与矿物表面的金属Cu作用，生成捕收剂与铜的表面络合物吸附在黄铜矿的表面。
为解决硫氨酯捕收剂制备过程中副产品处理困难、存在污染等问题，设计了四种新工艺制备乙硫氨酯（IPETC），分别联产对叔丁基苄基硫醇（BBSH）、苄基三硫代碳酸盐（BTTC）、苄硫基乙基黄药（SBEX）、二苄基二硫醚。在优化的合成工艺条件下，合成IPETC联产BBSH，得到含IPETC和BBSH的复合捕收剂，其中IPETC的质量分数为51%，BBSH的质量分数为41%，IPETC和BBSH的收率达到95%；合成IPETC联产BTTC，IPETC和BTTC的收率分别达到94%和95%，纯度分别为91%和82%；合成IPETC联产SBEX，IPETC的收率和纯度分别达到89%和95%，SBEX的收率和纯度分别为93%和91%；合成IPETC联产二苄基二硫醚，IPETC的收率和纯度分别达到93%和92%，二苄基二硫醚的收率和纯度分别达到95%和94%。考察了制备的复合捕收剂（IPETC与BBSH）对铜钼矿的浮选性能，结果表明，复合捕收剂对铜钼矿表现出良好的捕收性能。联产的新型捕收剂SBEX、BTTC对黄铜矿的捕收力略强于异丁基黄药，对黄铁矿具有较好的选择性，可替代异丁基黄药浮选硫化铜矿。红外光谱和X射线光电子能谱分析结果表明，SBEX、BTTC与黄铜矿作用时，捕收剂分子中的C=S和C—S与矿物表面的金属Cu作用，生成捕收剂与铜的表面络合物吸附在黄铜矿的表面。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.06.06.001
摘要:
针对超远距离输送过程中，特殊管路布置等充填技术中堵管、爆管风险大，管道磨损严重等问题，采用改性镁渣（MMS）和粉煤灰（FA）在不同配比下制备超高流动性新型膏体充填材料（UH-MFPB），探究其早期强度、流动性以及流变特性，并建立流动性和流变参数的相关关系。研究结果表明：（1）UH-MFPB样品的单轴抗压强度随FA含量增加呈先增大后减小的趋势。当FA质量分数为20%时，样品的抗压强度最大，养护28 d可达到6.759 MPa，后期强度持续增加；（2）新鲜UH-MFPB料浆的坍落度为25.6～29.2 cm，扩展度为61～93.1 cm，具有很好的流动性；（3）新鲜UH-MFPB料浆的流变特性符合Herschel−Bulkley模型，流变参数（屈服应力、塑性黏度和触变性）随FA含量的增大而减小，且FA质量分数达到20%时，料浆出现剪切增稠的现象；（4）新鲜UH-MFPB料浆的流动性和流变参数满足二次多项式关系，呈现出负相关性。
针对超远距离输送过程中，特殊管路布置等充填技术中堵管、爆管风险大，管道磨损严重等问题，采用改性镁渣（MMS）和粉煤灰（FA）在不同配比下制备超高流动性新型膏体充填材料（UH-MFPB），探究其早期强度、流动性以及流变特性，并建立流动性和流变参数的相关关系。研究结果表明：（1）UH-MFPB样品的单轴抗压强度随FA含量增加呈先增大后减小的趋势。当FA质量分数为20%时，样品的抗压强度最大，养护28 d可达到6.759 MPa，后期强度持续增加；（2）新鲜UH-MFPB料浆的坍落度为25.6～29.2 cm，扩展度为61～93.1 cm，具有很好的流动性；（3）新鲜UH-MFPB料浆的流变特性符合Herschel−Bulkley模型，流变参数（屈服应力、塑性黏度和触变性）随FA含量的增大而减小，且FA质量分数达到20%时，料浆出现剪切增稠的现象；（4）新鲜UH-MFPB料浆的流动性和流变参数满足二次多项式关系，呈现出负相关性。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.26.004
摘要:
随着万物互联时代的快速到来，海量的数据资源在边缘侧产生，使得基于云计算的传统分布式训练面临网络负载大、能耗高、隐私安全等问题。在此背景下，边缘智能应运而生。边缘智能协同训练作为关键环节，在边缘侧辅助或实现机器学习模型的分布式训练，成为边缘智能研究的一大热点。然而，边缘智能需要协调大量的边缘节点进行机器模型的训练，在边缘场景中存在诸多挑战。因此，通过充分调研现有边缘智能协同训练研究基础，从整体架构和核心模块两方面总结现有的关键技术，围绕边缘智能协同训练在设备异构、设备资源受限和网络环境不稳定等边缘场景下进行训练的挑战及解决方案；从边缘智能协同训练的整体架构和核心模块两大方面进行介绍与总结，关注边缘设备之间的交互框架和大量边缘设备协同训练神经网络模型参数更新问题。最后分析和总结了边缘协同训练存在的诸多挑战和未来展望。
随着万物互联时代的快速到来，海量的数据资源在边缘侧产生，使得基于云计算的传统分布式训练面临网络负载大、能耗高、隐私安全等问题。在此背景下，边缘智能应运而生。边缘智能协同训练作为关键环节，在边缘侧辅助或实现机器学习模型的分布式训练，成为边缘智能研究的一大热点。然而，边缘智能需要协调大量的边缘节点进行机器模型的训练，在边缘场景中存在诸多挑战。因此，通过充分调研现有边缘智能协同训练研究基础，从整体架构和核心模块两方面总结现有的关键技术，围绕边缘智能协同训练在设备异构、设备资源受限和网络环境不稳定等边缘场景下进行训练的挑战及解决方案；从边缘智能协同训练的整体架构和核心模块两大方面进行介绍与总结，关注边缘设备之间的交互框架和大量边缘设备协同训练神经网络模型参数更新问题。最后分析和总结了边缘协同训练存在的诸多挑战和未来展望。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.11.26.001
摘要:
氮氧化物（NOx）已成为我国首要大气污染物，钢铁工业是工业源NOx排放的主要来源。烧结、球团、炼焦等工序是钢铁工业NOx超低排放改造的重点，但其烟气特性与火电厂烟气存在差异，烟气脱硝技术不能完全照搬现有燃煤锅炉脱硝工艺。目前，选择性催化还原（SCR）、活性炭（焦）（AC）吸附催化、臭氧（O3）氧化协同吸收等技术已在烧结、球团、炼焦等工序成功应用，并均取得了良好效果。本文针对钢铁工业超低排放的迫切需求，梳理了钢铁工业烧结、球团、炼焦等主要工序的现有烟气脱硝技术及其应用，重点总结并对比分析了SCR技术、AC吸附催化和O3氧化协同吸收技术的应用进展及优劣势。其中，SCR技术正逐步成为钢铁工业脱硝市场的主流技术，占比超过70%，因此脱硝催化剂及其再生具有长期巨大的市场需求。AC吸附催化和O3氧化协同吸收等新型技术因其适用温度低，无需烟气升温等，在钢铁工业越来越受到青睐，将逐步得到更多钢铁企业的支持。
氮氧化物（NOx）已成为我国首要大气污染物，钢铁工业是工业源NOx排放的主要来源。烧结、球团、炼焦等工序是钢铁工业NOx超低排放改造的重点，但其烟气特性与火电厂烟气存在差异，烟气脱硝技术不能完全照搬现有燃煤锅炉脱硝工艺。目前，选择性催化还原（SCR）、活性炭（焦）（AC）吸附催化、臭氧（O3）氧化协同吸收等技术已在烧结、球团、炼焦等工序成功应用，并均取得了良好效果。本文针对钢铁工业超低排放的迫切需求，梳理了钢铁工业烧结、球团、炼焦等主要工序的现有烟气脱硝技术及其应用，重点总结并对比分析了SCR技术、AC吸附催化和O3氧化协同吸收技术的应用进展及优劣势。其中，SCR技术正逐步成为钢铁工业脱硝市场的主流技术，占比超过70%，因此脱硝催化剂及其再生具有长期巨大的市场需求。AC吸附催化和O3氧化协同吸收等新型技术因其适用温度低，无需烟气升温等，在钢铁工业越来越受到青睐，将逐步得到更多钢铁企业的支持。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.06.12.003
摘要:
轨道式巡检机器人的高精度定位技术是带式输送机智能化巡检的重要研究方向之一，而矿用带式输送机距离超长，工作环境复杂，严重影响巡检机器人的定位精度。针对目前的轨道式巡检机器人定位技术在矿用带式输送机巡检领域存在的问题，提出了基于编码器和NFC双传感器修正融合的高精度定位方法。分析带式输送机轨道式巡检机器人轨道与环境特性对编码器系数的影响，提出轨道分段原则。利用机器人搭载的编码器数据反馈特点，构建编码器递推定位方法。通过机器人运行的历史数据，对编码器系数进行分段分方向修正，并提出基于递推最小二乘的编码器系数修正方法，以提高编码器对轨道环境的适应性。在此基础上，根据机器人所在轨道分段的位置不同，在段端基于卡尔曼滤波算法实现编码器和NFC数据融合，在段内利用分段分方向修正系数与编码器信息进行递推定位，实现轨道式巡检机器人连续高精度的定位。针对所提方法搭建了实验平台并进行了实物测试，实验结果表明，相较于编码器定位、RFID定位和两者融合定位三种传统定位方式，基于编码器和NFC的修正融合定位算法能够有效提高轨道式巡检机器人定位对轨道环境的适应性，同时提高轨道式巡检机器人的定位精度。
轨道式巡检机器人的高精度定位技术是带式输送机智能化巡检的重要研究方向之一，而矿用带式输送机距离超长，工作环境复杂，严重影响巡检机器人的定位精度。针对目前的轨道式巡检机器人定位技术在矿用带式输送机巡检领域存在的问题，提出了基于编码器和NFC双传感器修正融合的高精度定位方法。分析带式输送机轨道式巡检机器人轨道与环境特性对编码器系数的影响，提出轨道分段原则。利用机器人搭载的编码器数据反馈特点，构建编码器递推定位方法。通过机器人运行的历史数据，对编码器系数进行分段分方向修正，并提出基于递推最小二乘的编码器系数修正方法，以提高编码器对轨道环境的适应性。在此基础上，根据机器人所在轨道分段的位置不同，在段端基于卡尔曼滤波算法实现编码器和NFC数据融合，在段内利用分段分方向修正系数与编码器信息进行递推定位，实现轨道式巡检机器人连续高精度的定位。针对所提方法搭建了实验平台并进行了实物测试，实验结果表明，相较于编码器定位、RFID定位和两者融合定位三种传统定位方式，基于编码器和NFC的修正融合定位算法能够有效提高轨道式巡检机器人定位对轨道环境的适应性，同时提高轨道式巡检机器人的定位精度。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.22.003
摘要:
P2型Na0.67[Ni, Mn]O2材料由于较高的比容量、工作电压以及较好的空气稳定性成为最具前景的钠离子电池正极材料之一。然而，高压相变、Na+/空位有序排布以及由Mn3+引起的Jahn–Teller扭曲导致该类材料充放电过程中面临结构失稳以及性能衰减的挑战。本综述从P2型Na0.67[Ni, Mn]O2材料的失效机制出发，系统阐述了该类材料的最新进展。最后，对其未来的发展方向进行了展望。本文将为P2-type Na0.67[Ni, Mn]O2材料的研发与商业化提供借鉴。
P2型Na0.67[Ni, Mn]O2材料由于较高的比容量、工作电压以及较好的空气稳定性成为最具前景的钠离子电池正极材料之一。然而，高压相变、Na+/空位有序排布以及由Mn3+引起的Jahn–Teller扭曲导致该类材料充放电过程中面临结构失稳以及性能衰减的挑战。本综述从P2型Na0.67[Ni, Mn]O2材料的失效机制出发，系统阐述了该类材料的最新进展。最后，对其未来的发展方向进行了展望。本文将为P2-type Na0.67[Ni, Mn]O2材料的研发与商业化提供借鉴。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.06.24.001
摘要:
充填体强度对安全高效采矿至关重要，而胶凝材料是获得高强度充填体的关键。本文以工业固废为原料，首先借助D-optimal设计方法通过建立强度回归模型和因素影响分析得到矿渣激发剂最佳配比，然后通过矿渣掺量优化试验获得最佳矿渣掺量，进而获得胶凝材料完整配比；并以水泥为参照，借助X射线衍射仪和扫描电镜从水化产物和充填体微观结构揭示充填体强度形成机制。结果表明：（1）激发剂各组分对矿渣敏感顺序为：氢氧化钠﹥熟石灰﹥脱硫石膏﹥硫酸钠，且相互之间存在不同程度的交互作用；（2）在最佳质量配比（矿渣85.00%，熟石灰8.03%，硫酸钠3.96%，脱硫石膏1.85%，氢氧化钠1.16%）下，可获得超过单一水泥3.5倍的早期(1~3 d)强度和2倍的后期(7~28 d)强度；（3）高强度充填体的形成主要与水化产物钙矾石（AFt）和C–S–H有关，钙矾石在早期快速成核与生长，形成有效物理填充作用是形成较高早期强度的主要原因，后期强度则得益于不断累积的C–S–H的包裹黏结作用，使充填体结构进一步致密化。使用该固废基胶凝材料有助于矿山安全采矿；工业固废质量占比86.85%，协同解决了尾砂、矿渣、脱硫石膏等固废；D-optimal设计方法可用于激发剂等多物料混合物的配比设计和因素作用分析。
充填体强度对安全高效采矿至关重要，而胶凝材料是获得高强度充填体的关键。本文以工业固废为原料，首先借助D-optimal设计方法通过建立强度回归模型和因素影响分析得到矿渣激发剂最佳配比，然后通过矿渣掺量优化试验获得最佳矿渣掺量，进而获得胶凝材料完整配比；并以水泥为参照，借助X射线衍射仪和扫描电镜从水化产物和充填体微观结构揭示充填体强度形成机制。结果表明：（1）激发剂各组分对矿渣敏感顺序为：氢氧化钠﹥熟石灰﹥脱硫石膏﹥硫酸钠，且相互之间存在不同程度的交互作用；（2）在最佳质量配比（矿渣85.00%，熟石灰8.03%，硫酸钠3.96%，脱硫石膏1.85%，氢氧化钠1.16%）下，可获得超过单一水泥3.5倍的早期(1~3 d)强度和2倍的后期(7~28 d)强度；（3）高强度充填体的形成主要与水化产物钙矾石（AFt）和C–S–H有关，钙矾石在早期快速成核与生长，形成有效物理填充作用是形成较高早期强度的主要原因，后期强度则得益于不断累积的C–S–H的包裹黏结作用，使充填体结构进一步致密化。使用该固废基胶凝材料有助于矿山安全采矿；工业固废质量占比86.85%，协同解决了尾砂、矿渣、脱硫石膏等固废；D-optimal设计方法可用于激发剂等多物料混合物的配比设计和因素作用分析。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.29.002
摘要:
基于数据驱动的材料信息学被认为是材料研发第四范式，可以极大降低新材料的研发成本，缩短研发周期。然而，数据驱动的方法在材料数据共享利用时，会增加材料研发中关键工艺等敏感信息的隐私泄露风险。因此，面向隐私保护的机器学习是材料信息学中的关键问题。基于此，本文针对在材料信息学领域广泛使用的随机森林模型，提出了一种差分隐私保护的随机森林算法。算法将整体隐私预算分配到每棵树上，在建决策树过程中引入差分隐私的拉普拉斯机制和指数机制，即在决策树的分裂过程中采用指数机制随机选择分裂特征，同时采用拉普拉斯机制对节点数量添加噪声，实现对随机森林算法的差分隐私保护。本文结合钢材料疲劳性能预测实验，验证算法在数据分别采用集中式存储和分布式存储下的有效性。实验结果表明，在添加差分隐私保护后，各目标性能的预测决定系数R2值均达到0.8以上，与普通随机森林的结果相差很小。另外，在数据分布式存储情况下，随着隐私预算的增加，各目标性能的预测R2值随之增加。同时，随着最大树深度的增加，算法整体的预测精度先增加后降低，当最大树深度取5时，预测精度最好。综合看来，本文算法在实现随机森林的差分隐私保护前提下，仍能保持较高的预测精度，且数据在分散存储的分布式网络的环境中，可根据隐私预算等算法参数设置，实现隐私保护强度和预测精度的平衡，有广泛的应用前景。
基于数据驱动的材料信息学被认为是材料研发第四范式，可以极大降低新材料的研发成本，缩短研发周期。然而，数据驱动的方法在材料数据共享利用时，会增加材料研发中关键工艺等敏感信息的隐私泄露风险。因此，面向隐私保护的机器学习是材料信息学中的关键问题。基于此，本文针对在材料信息学领域广泛使用的随机森林模型，提出了一种差分隐私保护的随机森林算法。算法将整体隐私预算分配到每棵树上，在建决策树过程中引入差分隐私的拉普拉斯机制和指数机制，即在决策树的分裂过程中采用指数机制随机选择分裂特征，同时采用拉普拉斯机制对节点数量添加噪声，实现对随机森林算法的差分隐私保护。本文结合钢材料疲劳性能预测实验，验证算法在数据分别采用集中式存储和分布式存储下的有效性。实验结果表明，在添加差分隐私保护后，各目标性能的预测决定系数R2值均达到0.8以上，与普通随机森林的结果相差很小。另外，在数据分布式存储情况下，随着隐私预算的增加，各目标性能的预测R2值随之增加。同时，随着最大树深度的增加，算法整体的预测精度先增加后降低，当最大树深度取5时，预测精度最好。综合看来，本文算法在实现随机森林的差分隐私保护前提下，仍能保持较高的预测精度，且数据在分散存储的分布式网络的环境中，可根据隐私预算等算法参数设置，实现隐私保护强度和预测精度的平衡，有广泛的应用前景。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.01.24.003
摘要:
近年来，钾离子电池（KIBs）因钾元素丰度高、氧化还原电位低等优势受到越来越多的关注。负极是电池的重要组成部分之一，直接影响着电池的安全性、稳定性和能量密度。其中，合金负极基于多电子反应机制能够提供较高的理论比容量，有望提升全电池的能量密度。此外，其储钾电位远离了金属钾的沉积/析出电位，保证了电池的安全性。然而，（去）合金化过程中剧烈的体积波动会引起电极材料的破裂和粉化，进而导致容量快速衰减。优化电解液构筑稳定的电极–电解液界面是一种切实有效稳定合金负极结构的方法，主要包括：调控固体电解质膜的组分、调节钾离子的溶剂化结构、利用溶剂对电极的化学吸附作用等。它具备工艺简单、成本低廉等优点。本文综述了近年来钾离子电池合金负极与电解液界面作用的相关研究进展，总结了电解液的优化策略，分析了合金负极的储钾机制和电化学性能，重点阐述了合金负极与电解液的界面作用机制，并对未来钾离子电池电解液的发展提供了新的见解与思路。
近年来，钾离子电池（KIBs）因钾元素丰度高、氧化还原电位低等优势受到越来越多的关注。负极是电池的重要组成部分之一，直接影响着电池的安全性、稳定性和能量密度。其中，合金负极基于多电子反应机制能够提供较高的理论比容量，有望提升全电池的能量密度。此外，其储钾电位远离了金属钾的沉积/析出电位，保证了电池的安全性。然而，（去）合金化过程中剧烈的体积波动会引起电极材料的破裂和粉化，进而导致容量快速衰减。优化电解液构筑稳定的电极–电解液界面是一种切实有效稳定合金负极结构的方法，主要包括：调控固体电解质膜的组分、调节钾离子的溶剂化结构、利用溶剂对电极的化学吸附作用等。它具备工艺简单、成本低廉等优点。本文综述了近年来钾离子电池合金负极与电解液界面作用的相关研究进展，总结了电解液的优化策略，分析了合金负极的储钾机制和电化学性能，重点阐述了合金负极与电解液的界面作用机制，并对未来钾离子电池电解液的发展提供了新的见解与思路。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.12.23.002
摘要:
钠金属因其成本低、自然丰度高、氧化还原电位低和理论比容量高等优点，被认为是高能电池的理想负极材料。然而，钠金属在充放电过程中易发生体积膨胀和产生钠枝晶，导致电池性能不断恶化，并引发安全隐患，严重阻碍了钠金属电池在实际中的应用。为了解决上述问题，国内外已进行了大量探索。其中，构建三维导电载体可以有效降低局部电流密度和成核能，抑制枝晶生长和减缓体积膨胀，在未来应用方面具有巨大的潜力。本文综述了近年来利用三维导电载体来提高钠金属负极电化学循环稳定性的研究进展并对三维导电载体进行了总结和分类。最后，从基础研究和实际应用两个方面讨论了三维导电载体材料在钠金属负极中的发展前景和未来研究方向。
钠金属因其成本低、自然丰度高、氧化还原电位低和理论比容量高等优点，被认为是高能电池的理想负极材料。然而，钠金属在充放电过程中易发生体积膨胀和产生钠枝晶，导致电池性能不断恶化，并引发安全隐患，严重阻碍了钠金属电池在实际中的应用。为了解决上述问题，国内外已进行了大量探索。其中，构建三维导电载体可以有效降低局部电流密度和成核能，抑制枝晶生长和减缓体积膨胀，在未来应用方面具有巨大的潜力。本文综述了近年来利用三维导电载体来提高钠金属负极电化学循环稳定性的研究进展并对三维导电载体进行了总结和分类。最后，从基础研究和实际应用两个方面讨论了三维导电载体材料在钠金属负极中的发展前景和未来研究方向。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.07.24.002
摘要:
对分级细尾砂胶结充填体的早期水化反应及力学演化特性进行研究，对不同灰砂比充填体料浆进行水化放热及电阻特性测试，并根据扫描电子显微镜对早期水化产物进行微观形貌特征分析，最后在单轴压缩力学试验结果的基础上，分析早期水化反应进程及产物对充填体强度演化的影响。研究表明，灰砂比越大，水化放热速率及放热量越大，生成水化产物越多，体积电阻率越大。同时水化反应速率直接决定了充填体自身强度形成的快慢，生成的Ca(OH)2减小了料浆体积电阻率，加快充填体自身强度的增长；随后生成的钙矾石（Aft）导致颗粒间孔隙更加致密，抑制了离子的溶解，减缓放出热量速率，从而阻碍了充填体强度的增长；当水化反应进行14 d基本结束后，充填材料凝结固化成为一个整体，强度基本稳定。充填体强度的变化呈现先迅速增加随后增加趋势逐渐减小直至稳定的趋势，为矿山采用分级细尾砂进行井下采空区充填、控制深部采场温度提供理论支撑及科学指导。
对分级细尾砂胶结充填体的早期水化反应及力学演化特性进行研究，对不同灰砂比充填体料浆进行水化放热及电阻特性测试，并根据扫描电子显微镜对早期水化产物进行微观形貌特征分析，最后在单轴压缩力学试验结果的基础上，分析早期水化反应进程及产物对充填体强度演化的影响。研究表明，灰砂比越大，水化放热速率及放热量越大，生成水化产物越多，体积电阻率越大。同时水化反应速率直接决定了充填体自身强度形成的快慢，生成的Ca(OH)2减小了料浆体积电阻率，加快充填体自身强度的增长；随后生成的钙矾石（Aft）导致颗粒间孔隙更加致密，抑制了离子的溶解，减缓放出热量速率，从而阻碍了充填体强度的增长；当水化反应进行14 d基本结束后，充填材料凝结固化成为一个整体，强度基本稳定。充填体强度的变化呈现先迅速增加随后增加趋势逐渐减小直至稳定的趋势，为矿山采用分级细尾砂进行井下采空区充填、控制深部采场温度提供理论支撑及科学指导。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.03.22.003
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采用水热合成法和冷冻干燥技术制备了2,6-二氨基蒽醌（2,6-AAQ）/rGO复合材料，通过氨基（—NH2）与羧基（—COOH）形成肽键（—CO—NH—）共价键，使其在电解液中的溶解问题从本质上得到了解决。SEM和EDS Mapping表明，2,6-AAQ/rGO-3复合材料中的2,6-AAQ呈现出高度的棒状结构，并且被石墨烯包裹得更紧密。这种独特的结构提高了2,6-AAQ在锂化过程中的电子导电性，可有效减少2,6-AAQ的聚集，利于电解质的浸润。XPS、XRD、FTIR和Raman结果表明，2,6-AAQ和rGO之间发生了水热辅助化学键合，形成了rGO包裹2,6-AAQ的结构。此外，非原位FTIR表征结果验证了2,6-AAQ/rGO-3具有良好的储锂性能，羰基（C=O）为反应位点。同时，紫外-可见光谱测试清楚表明，与2,6-AAQ相比，通过肽键连接的2,6-AAQ/rGO-3的溶解度显着降低，表明电化学性能大大提高。其中2,6-AAQ/rGO-3作为锂离子电池正极时，在100 mA·g−1电流下，首圈放电容量高达212.2 mA·h·g−1, 在500 mA·g−1电流下循环100周后放电容量仍为184 mA·h·g−1，展现出了优异的循环稳定性和高倍率性能。2,6-AAQ/rGO出色的电化学性能得益于石墨烯的碳骨架对2,6-AAQ的锚定，该结构不仅可以防止2,6-AAQ溶解，还可以为其提供导电网络，进一步提高电子传导速率。
采用水热合成法和冷冻干燥技术制备了2,6-二氨基蒽醌（2,6-AAQ）/rGO复合材料，通过氨基（—NH2）与羧基（—COOH）形成肽键（—CO—NH—）共价键，使其在电解液中的溶解问题从本质上得到了解决。SEM和EDS Mapping表明，2,6-AAQ/rGO-3复合材料中的2,6-AAQ呈现出高度的棒状结构，并且被石墨烯包裹得更紧密。这种独特的结构提高了2,6-AAQ在锂化过程中的电子导电性，可有效减少2,6-AAQ的聚集，利于电解质的浸润。XPS、XRD、FTIR和Raman结果表明，2,6-AAQ和rGO之间发生了水热辅助化学键合，形成了rGO包裹2,6-AAQ的结构。此外，非原位FTIR表征结果验证了2,6-AAQ/rGO-3具有良好的储锂性能，羰基（C=O）为反应位点。同时，紫外-可见光谱测试清楚表明，与2,6-AAQ相比，通过肽键连接的2,6-AAQ/rGO-3的溶解度显着降低，表明电化学性能大大提高。其中2,6-AAQ/rGO-3作为锂离子电池正极时，在100 mA·g−1电流下，首圈放电容量高达212.2 mA·h·g−1, 在500 mA·g−1电流下循环100周后放电容量仍为184 mA·h·g−1，展现出了优异的循环稳定性和高倍率性能。2,6-AAQ/rGO出色的电化学性能得益于石墨烯的碳骨架对2,6-AAQ的锚定，该结构不仅可以防止2,6-AAQ溶解，还可以为其提供导电网络，进一步提高电子传导速率。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.06.21.005
摘要:
在“碳达峰”和“碳中和”的时代背景下，电解水、金属空气电池、燃料电池等清洁能源技术由于具有能量效率高、安全性好、结构简单和清洁环保等优点受到广泛关注。然而，发生在氧催化电极上的关键反应——氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）具有缓慢的动力学，很大程度上阻碍了其商业化应用。传统氧催化电极存在合成过程繁琐、可控性低、均一性差、成本高和载体催化剂易团聚等问题，限制了其催化性能。自支撑氧催化电极的高催化活性位点、高稳定性等优势可以完美解决传统电极面临的问题。本文介绍了自支撑氧催化电极基底材料的研究进展以及合成方法，并讨论了影响自支撑氧催化电极ORR/OER催化性能的因素，最后对自支撑氧催化电极未来的研发方向和发展趋势提出展望。
在“碳达峰”和“碳中和”的时代背景下，电解水、金属空气电池、燃料电池等清洁能源技术由于具有能量效率高、安全性好、结构简单和清洁环保等优点受到广泛关注。然而，发生在氧催化电极上的关键反应——氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）具有缓慢的动力学，很大程度上阻碍了其商业化应用。传统氧催化电极存在合成过程繁琐、可控性低、均一性差、成本高和载体催化剂易团聚等问题，限制了其催化性能。自支撑氧催化电极的高催化活性位点、高稳定性等优势可以完美解决传统电极面临的问题。本文介绍了自支撑氧催化电极基底材料的研究进展以及合成方法，并讨论了影响自支撑氧催化电极ORR/OER催化性能的因素，最后对自支撑氧催化电极未来的研发方向和发展趋势提出展望。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.06.09.001
摘要:
高温焚烧法处理高浓度有机废液技术在处理的彻底性、排出物的减量化和对各种复杂有机物的适应性等方面具有明显优势，是处理化工高盐废液的有效途径。高盐废液组成复杂，工况下高温炉渣侵蚀焚烧炉耐火材料严重，耐火炉衬损毁给焚烧炉安全运行造成巨大的安全隐患与经济损失。本文介绍了高盐有机废液焚烧炉用耐火材料的类型及耐火材料侵蚀机理。根据有机废液焚烧过程的特点，对焚烧炉用耐火材料的抗蚀提出了一些建议措施，为提高耐火材料使用寿命提供了理论与技术基础。
高温焚烧法处理高浓度有机废液技术在处理的彻底性、排出物的减量化和对各种复杂有机物的适应性等方面具有明显优势，是处理化工高盐废液的有效途径。高盐废液组成复杂，工况下高温炉渣侵蚀焚烧炉耐火材料严重，耐火炉衬损毁给焚烧炉安全运行造成巨大的安全隐患与经济损失。本文介绍了高盐有机废液焚烧炉用耐火材料的类型及耐火材料侵蚀机理。根据有机废液焚烧过程的特点，对焚烧炉用耐火材料的抗蚀提出了一些建议措施，为提高耐火材料使用寿命提供了理论与技术基础。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.29.004
摘要:
针对KR工序终点铁水硫含量预测问题，提出一种基于Kmeans聚类分析和BP神经网络（BPNN）相结合的建模方法。首先，通过Kmeans聚类对KR工序生产数据进行模式识别和分类，构建不同工况特征的数据集；然后，基于BP神经网络，针对不同数据集训练预测模型；最后，将不同数据集的预测模型进行集成，形成最终的终点铁水硫含量预测模型，实现对不同铁水条件和工况条件的预测。利用某钢铁企业实际生产数据，分别用基于脱硫反应动力学、BP神经网络和Kmeans–BPNN方法建立的预测模型，对KR工序终点铁水硫含量进行预测。结果表明，Kmeans–BPNN的KR工序终点硫含量预测模型的精度显著高于脱硫反应动力学和BP神经网络的预测模型。
针对KR工序终点铁水硫含量预测问题，提出一种基于Kmeans聚类分析和BP神经网络（BPNN）相结合的建模方法。首先，通过Kmeans聚类对KR工序生产数据进行模式识别和分类，构建不同工况特征的数据集；然后，基于BP神经网络，针对不同数据集训练预测模型；最后，将不同数据集的预测模型进行集成，形成最终的终点铁水硫含量预测模型，实现对不同铁水条件和工况条件的预测。利用某钢铁企业实际生产数据，分别用基于脱硫反应动力学、BP神经网络和Kmeans–BPNN方法建立的预测模型，对KR工序终点铁水硫含量进行预测。结果表明，Kmeans–BPNN的KR工序终点硫含量预测模型的精度显著高于脱硫反应动力学和BP神经网络的预测模型。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.07.10.001
摘要:
浮选药剂的结构对其性能具有重要影响，向现有药剂中引入适宜的取代基，基于取代基效应实现药剂浮选性能的改变，已成为高性能浮选药剂开发的重要手段。为明确甲基对阳离子捕收剂浮选性能的影响，以十二胺（DDA）、N—十二烷基甲胺（MDA）、N,N—十二烷基二甲基叔胺（DMDA）、十二烷基三甲基氯化铵（DTAC）为样本，通过浮选试验考察了甲基取代基引入对药剂捕收能力和浮选选择性的影响规律，并基于药剂静电势图和极性基范德华体积的计算，明确了甲基对阳离子捕收剂浮选性能的影响机制。浮选试验结果表明，随着阳离子捕收剂中心原子中甲基的引入，石英和赤铁矿单矿物的浮选回收率逐渐降低，但人工混合矿的分离指数升高。给电子基团甲基的引入，改变了阳离子捕收剂的电荷分布密度，促使中心原子上的电荷数增加，削弱了药剂与矿物表面的静电吸附强度，从而导致浮选回收率下降。同时，甲基引入后，阳离子捕收剂中极性基尺寸变大，从而增加了药剂与矿物表面作用的空间位阻，增强了阳离子捕收剂的浮选选择性。
浮选药剂的结构对其性能具有重要影响，向现有药剂中引入适宜的取代基，基于取代基效应实现药剂浮选性能的改变，已成为高性能浮选药剂开发的重要手段。为明确甲基对阳离子捕收剂浮选性能的影响，以十二胺（DDA）、N—十二烷基甲胺（MDA）、N,N—十二烷基二甲基叔胺（DMDA）、十二烷基三甲基氯化铵（DTAC）为样本，通过浮选试验考察了甲基取代基引入对药剂捕收能力和浮选选择性的影响规律，并基于药剂静电势图和极性基范德华体积的计算，明确了甲基对阳离子捕收剂浮选性能的影响机制。浮选试验结果表明，随着阳离子捕收剂中心原子中甲基的引入，石英和赤铁矿单矿物的浮选回收率逐渐降低，但人工混合矿的分离指数升高。给电子基团甲基的引入，改变了阳离子捕收剂的电荷分布密度，促使中心原子上的电荷数增加，削弱了药剂与矿物表面的静电吸附强度，从而导致浮选回收率下降。同时，甲基引入后，阳离子捕收剂中极性基尺寸变大，从而增加了药剂与矿物表面作用的空间位阻，增强了阳离子捕收剂的浮选选择性。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.28.001
摘要:
O—正丁基—N—异丁基硫氨酯（NBIB）是一种新型铜硫分离捕收剂。利用紫外−可见分光光度计进行吸附量测定，研究吸附温度、pH值、时间和捕收剂浓度等对NBIB在黄铜矿表面吸附量的影响，并进行吸附热力学和动力学研究。纯矿物浮选实验表明，NBIB对黄铜矿具有较强的捕收能力，且受pH影响很小。在温度分别为288、298、308 K，pH值为6、9、12条件下，NBIB在黄铜矿表面的吸附量随NBIB浓度的增加而增大，当平衡浓度达到0.5×10−4 mol·L−1，吸附量增加幅度变小。相同pH值时，吸附量随温度的升高而增加，推测NBIB捕收剂在黄铜矿表面的吸附为吸热过程。pH值对吸附量影响不大。将吸附量数据进行Langmuir和Freundlich方程线性拟合，NBIB在黄铜矿表面的吸附过程更符合Langmuir单分子层吸附模型。热力学计算结果表明，吸附的吉布斯自由能变（∆G）均为负值，焓变（∆H）和熵变（∆S）均为正值，说明黄铜矿吸附NBIB的过程可能为自发进行的、熵驱动的、吸热的化学吸附。吸附温度从288 K到308 K，吸附量随吸附时间和温度的增加而增大，当吸附时间达到20 min之后，吸附量的增加趋势变缓。动力学计算表明，二级反应速率方程的线性拟合结果更好，利用二级反应速率方程计算所得的平衡吸附量更接近于实验平衡吸附量，推测NBIB在黄铜矿表面的吸附符合二级吸附动力学模型。
O—正丁基—N—异丁基硫氨酯（NBIB）是一种新型铜硫分离捕收剂。利用紫外−可见分光光度计进行吸附量测定，研究吸附温度、pH值、时间和捕收剂浓度等对NBIB在黄铜矿表面吸附量的影响，并进行吸附热力学和动力学研究。纯矿物浮选实验表明，NBIB对黄铜矿具有较强的捕收能力，且受pH影响很小。在温度分别为288、298、308 K，pH值为6、9、12条件下，NBIB在黄铜矿表面的吸附量随NBIB浓度的增加而增大，当平衡浓度达到0.5×10−4 mol·L−1，吸附量增加幅度变小。相同pH值时，吸附量随温度的升高而增加，推测NBIB捕收剂在黄铜矿表面的吸附为吸热过程。pH值对吸附量影响不大。将吸附量数据进行Langmuir和Freundlich方程线性拟合，NBIB在黄铜矿表面的吸附过程更符合Langmuir单分子层吸附模型。热力学计算结果表明，吸附的吉布斯自由能变（∆G）均为负值，焓变（∆H）和熵变（∆S）均为正值，说明黄铜矿吸附NBIB的过程可能为自发进行的、熵驱动的、吸热的化学吸附。吸附温度从288 K到308 K，吸附量随吸附时间和温度的增加而增大，当吸附时间达到20 min之后，吸附量的增加趋势变缓。动力学计算表明，二级反应速率方程的线性拟合结果更好，利用二级反应速率方程计算所得的平衡吸附量更接近于实验平衡吸附量，推测NBIB在黄铜矿表面的吸附符合二级吸附动力学模型。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.03.004
摘要:
材料的生产环境和测量条件不同，导致用于机器学习的材料数据的噪声较大。对材料数据进行标注需要一定的专业知识和专业技能，因此标注成本也相对较高。这两方面的因素给机器学习应用于材料领域带来了巨大挑战。为应对这个挑战，提出了一个主动回归学习方法，由离群点检测模块、贪婪采样模块和最小变化采样模块组成。同其他主动学习方法相比，该方法整合了离群点检测机制，选取高质量样本的同时有效地排除了噪声数据的影响，避免了沉没成本。在公开数据集和非公开数据集上与最新的主动回归学习方法进行了对比实验，实验结果表明本文方法在相同的数据量下训练的任务模型性能指标相比于其他模型平均提高15%，且只需30%~40%的数据量作为训练集就可以达到甚至超过使用全部数据训练任务模型的精度。
材料的生产环境和测量条件不同，导致用于机器学习的材料数据的噪声较大。对材料数据进行标注需要一定的专业知识和专业技能，因此标注成本也相对较高。这两方面的因素给机器学习应用于材料领域带来了巨大挑战。为应对这个挑战，提出了一个主动回归学习方法，由离群点检测模块、贪婪采样模块和最小变化采样模块组成。同其他主动学习方法相比，该方法整合了离群点检测机制，选取高质量样本的同时有效地排除了噪声数据的影响，避免了沉没成本。在公开数据集和非公开数据集上与最新的主动回归学习方法进行了对比实验，实验结果表明本文方法在相同的数据量下训练的任务模型性能指标相比于其他模型平均提高15%，且只需30%~40%的数据量作为训练集就可以达到甚至超过使用全部数据训练任务模型的精度。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.17.004
摘要:
锂离子电池（LIBS）已经广泛应用到便携式电子产品和电动汽车上。然而，随着锂资源的开采使用，锂离子电池的成本也在逐渐增加。相比之下，地壳中较高的钾含量使得钾离子电池（KIB）成本相对较低。进而，钾离子电池作为一种新型低成本储能器件受到了广泛关注。但钾离子的半径较大，导致充放电过程中，离子嵌入/脱出的动力学性能较差。因此，电池电极材料的选择面临着新的挑战。在对钾离子电池电极材料进行分类和总结的基础之上，重点介绍了石墨及各种形式的碳材料、过渡金属氧化物、合金类等负极材料以及普鲁士蓝、层状金属氧化物、聚阴离子型化合物等正极材料的研究进展，并对钾离子电池的发展进行了展望，以期对高性能钾离子电池的发展提供新思路。
锂离子电池（LIBS）已经广泛应用到便携式电子产品和电动汽车上。然而，随着锂资源的开采使用，锂离子电池的成本也在逐渐增加。相比之下，地壳中较高的钾含量使得钾离子电池（KIB）成本相对较低。进而，钾离子电池作为一种新型低成本储能器件受到了广泛关注。但钾离子的半径较大，导致充放电过程中，离子嵌入/脱出的动力学性能较差。因此，电池电极材料的选择面临着新的挑战。在对钾离子电池电极材料进行分类和总结的基础之上，重点介绍了石墨及各种形式的碳材料、过渡金属氧化物、合金类等负极材料以及普鲁士蓝、层状金属氧化物、聚阴离子型化合物等正极材料的研究进展，并对钾离子电池的发展进行了展望，以期对高性能钾离子电池的发展提供新思路。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.14.001
摘要:
全球化石能源危机和环境污染问题使得高效利用绿色、可再生清洁能源成为大势所趋。机械能因其丰富、易获取和无污染等特点被认为是理想的替代能源之一。压电纳米发电机（PENG）可以将环境中的机械能转化为电能，为电子设备提供动力。然而，传统的压电材料必须通过电极化诱导偶极子排列才能获得压电性能，增加了器件制备的工序和能耗。同时，当去除外加电场时会发生退极化效应，致使压电材料的性能稳定性下降。通过静电纺丝法纺丝过程产生的强电场和机械拉伸使聚偏二氟乙烯（PVDF）纳米纤维晶体中的偶极子定向排列，从而实现原位极化，获得了高电活性β相达78.7%的PVDF纳米纤维薄膜。基于该薄膜构建的PENG实现了机械能向电能的直接转化，其开路输出电压为1.6 V，短路输出电流为0.14 μA，分别是旋涂法制备薄膜的4.5和2.6倍。PVDF−PENG通过桥式整流器在人的手指敲打60 s后可将1 μF的电容器充电到2 V。在200 MΩ的外加负载下其最大输出功率为0.03 μW。PVDF−PENG在连续2000次按压发电后，仍能保持约100%的输出能力，验证了其长期稳定的服役能力。最后PVDF−PENG通过采集手指轻敲的能量可点亮LED灯和驱动电子表，证明了实际应用的能力。
全球化石能源危机和环境污染问题使得高效利用绿色、可再生清洁能源成为大势所趋。机械能因其丰富、易获取和无污染等特点被认为是理想的替代能源之一。压电纳米发电机（PENG）可以将环境中的机械能转化为电能，为电子设备提供动力。然而，传统的压电材料必须通过电极化诱导偶极子排列才能获得压电性能，增加了器件制备的工序和能耗。同时，当去除外加电场时会发生退极化效应，致使压电材料的性能稳定性下降。通过静电纺丝法纺丝过程产生的强电场和机械拉伸使聚偏二氟乙烯（PVDF）纳米纤维晶体中的偶极子定向排列，从而实现原位极化，获得了高电活性β相达78.7%的PVDF纳米纤维薄膜。基于该薄膜构建的PENG实现了机械能向电能的直接转化，其开路输出电压为1.6 V，短路输出电流为0.14 μA，分别是旋涂法制备薄膜的4.5和2.6倍。PVDF−PENG通过桥式整流器在人的手指敲打60 s后可将1 μF的电容器充电到2 V。在200 MΩ的外加负载下其最大输出功率为0.03 μW。PVDF−PENG在连续2000次按压发电后，仍能保持约100%的输出能力，验证了其长期稳定的服役能力。最后PVDF−PENG通过采集手指轻敲的能量可点亮LED灯和驱动电子表，证明了实际应用的能力。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.06.21.003
摘要:
利用金相（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）以及能谱（EDS）等手段研究了FH40低温钢焊接接头显微组织演变及其对低温冲击韧性的影响。结果表明，FH40低温钢母材具有优异的综合力学性能，其屈服强度为420 MPa，抗拉强度为518 MPa，−60 ℃夏比冲击功为162 J，而焊接接头熔合线位置及热影响区的低温韧性急剧降低至16 J。显微组织分析表明，低温钢母材为细小的多边形铁素体+珠光体组织，在心部位置珠光体组织呈带状分布。焊接热影响区的显微组织主要为针状铁素体，但是心部存在明显的马氏体带。针状铁素体硬度为229.7 HV0.05，比原来的多边形铁素体高约40 HV0.05，而马氏体的硬度为313.7 HV0.05，较原来的多边形铁素体高约140 HV0.05。EBSD结果显示在马氏体带存在较高的内应力，这是造成焊接接头低温韧性急剧下降的主要原因。EDS表明，中心偏析导致热轧低温钢母材形成C、Mn富集的珠光体带，这些C、Mn富集的珠光体带在焊接热影响作用下重新奥氏体化，并在冷却过程中转变成硬质相马氏体组织。
利用金相（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）以及能谱（EDS）等手段研究了FH40低温钢焊接接头显微组织演变及其对低温冲击韧性的影响。结果表明，FH40低温钢母材具有优异的综合力学性能，其屈服强度为420 MPa，抗拉强度为518 MPa，−60 ℃夏比冲击功为162 J，而焊接接头熔合线位置及热影响区的低温韧性急剧降低至16 J。显微组织分析表明，低温钢母材为细小的多边形铁素体+珠光体组织，在心部位置珠光体组织呈带状分布。焊接热影响区的显微组织主要为针状铁素体，但是心部存在明显的马氏体带。针状铁素体硬度为229.7 HV0.05，比原来的多边形铁素体高约40 HV0.05，而马氏体的硬度为313.7 HV0.05，较原来的多边形铁素体高约140 HV0.05。EBSD结果显示在马氏体带存在较高的内应力，这是造成焊接接头低温韧性急剧下降的主要原因。EDS表明，中心偏析导致热轧低温钢母材形成C、Mn富集的珠光体带，这些C、Mn富集的珠光体带在焊接热影响作用下重新奥氏体化，并在冷却过程中转变成硬质相马氏体组织。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.23.008
摘要:
矿浆电解作为一种短流程湿法冶金工艺，隔膜袋在搅拌桨搅动及矿石的磨损下会产生变形，甚至出现破裂，严重制约了生产效率。针对该问题，基于单向流固耦合原理，采用计算流体力学与固体有限元相结合的方法对矿浆电解搅拌槽内隔膜变形规律进行了全三维解析。研究发现隔膜袋两侧压差是导致变形的根本原因，最大变形量出现在垂直高度y=1.2 m位置处，且搅拌转速越大，隔膜变形所需的最佳液位差越小。当阴极区压力不足时，隔膜袋向内挤压变形；压力增加后，则向两侧鼓包。隔膜最大变形量随流体域固体体积含量（SL）的增加先减小后增加，在SL=15%时，隔膜变形达到最小值226.7 mm；越靠近槽下部，SL对绝对压力的影响越大。添加框架约束后，隔膜最大变形量减小到0.664 mm。通过可视化的解析，可以为矿浆电解工业控制提供参照。
矿浆电解作为一种短流程湿法冶金工艺，隔膜袋在搅拌桨搅动及矿石的磨损下会产生变形，甚至出现破裂，严重制约了生产效率。针对该问题，基于单向流固耦合原理，采用计算流体力学与固体有限元相结合的方法对矿浆电解搅拌槽内隔膜变形规律进行了全三维解析。研究发现隔膜袋两侧压差是导致变形的根本原因，最大变形量出现在垂直高度y=1.2 m位置处，且搅拌转速越大，隔膜变形所需的最佳液位差越小。当阴极区压力不足时，隔膜袋向内挤压变形；压力增加后，则向两侧鼓包。隔膜最大变形量随流体域固体体积含量（SL）的增加先减小后增加，在SL=15%时，隔膜变形达到最小值226.7 mm；越靠近槽下部，SL对绝对压力的影响越大。添加框架约束后，隔膜最大变形量减小到0.664 mm。通过可视化的解析，可以为矿浆电解工业控制提供参照。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.29.003
摘要:
近年来，光电催化裂解水制氢已经发展成为获取氢能最重要的途径之一。然而，半导体材料固有的较低的光吸收效率和较高的载流子复合率成为限制其发展的主要障碍。以N掺杂4H-SiC单晶片为原料，通过阳极氧化法制备了N掺杂4H-SiC纳米线阵列基一体化光电阳极，聚焦于优化阳极析氧反应条件，在光照和外加电场的共同作用下成功实现了高效裂解水制氢。相比于块体，碳化硅纳米线阵列基一体化光电阳极的裂解水制氢性能表现出了显著的提升。以Ag/AgCl电极为参比电极，开启电压从1.224 V降低至−0.021 V，1.4 V电压下的电流密度从2.64 mA∙cm-2提升至3.61 mA∙cm-2。通过构建具有纳米结构的半导体光电阳极，可以有效提高其光吸收能力并优化其电荷转移路径，从而显著提升光电催化裂解水制氢的效率。
近年来，光电催化裂解水制氢已经发展成为获取氢能最重要的途径之一。然而，半导体材料固有的较低的光吸收效率和较高的载流子复合率成为限制其发展的主要障碍。以N掺杂4H-SiC单晶片为原料，通过阳极氧化法制备了N掺杂4H-SiC纳米线阵列基一体化光电阳极，聚焦于优化阳极析氧反应条件，在光照和外加电场的共同作用下成功实现了高效裂解水制氢。相比于块体，碳化硅纳米线阵列基一体化光电阳极的裂解水制氢性能表现出了显著的提升。以Ag/AgCl电极为参比电极，开启电压从1.224 V降低至−0.021 V，1.4 V电压下的电流密度从2.64 mA∙cm-2提升至3.61 mA∙cm-2。通过构建具有纳米结构的半导体光电阳极，可以有效提高其光吸收能力并优化其电荷转移路径，从而显著提升光电催化裂解水制氢的效率。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.20.004
摘要:
针对传统液相法制备氧化铈纳米颗粒存在工艺流程复杂、高污水排放等问题，提出了一种高效绿色的实验方案，以七水合氯化铈为原料，采用微波射流热解技术制备出了高纯度氧化铈纳米颗粒。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析手段对产物进行了表征，借助数值模拟手段可视化分析了各物理场、各组分分布。考察了不同工艺条件（热解温度、气相速度、和添加柠檬酸）对实验产物中残余氯根含量和产物微观形貌的影响。结果表明，热解温度达到500 ℃时便可获得单相氧化铈，温度越高氧化铈纯度越高，颗粒形貌越规则。增大气相入口速度导致产物残余氯根增多，但有利于改善颗粒团聚。添加柠檬后氧化铈从球状颗粒逐渐破碎为伴有少量多孔结构的不规则形状颗粒，颗粒比表面积增大。柠檬酸浓度大于0.1 mol·L−1后利于减少氯根含量。
针对传统液相法制备氧化铈纳米颗粒存在工艺流程复杂、高污水排放等问题，提出了一种高效绿色的实验方案，以七水合氯化铈为原料，采用微波射流热解技术制备出了高纯度氧化铈纳米颗粒。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析手段对产物进行了表征，借助数值模拟手段可视化分析了各物理场、各组分分布。考察了不同工艺条件（热解温度、气相速度、和添加柠檬酸）对实验产物中残余氯根含量和产物微观形貌的影响。结果表明，热解温度达到500 ℃时便可获得单相氧化铈，温度越高氧化铈纯度越高，颗粒形貌越规则。增大气相入口速度导致产物残余氯根增多，但有利于改善颗粒团聚。添加柠檬后氧化铈从球状颗粒逐渐破碎为伴有少量多孔结构的不规则形状颗粒，颗粒比表面积增大。柠檬酸浓度大于0.1 mol·L−1后利于减少氯根含量。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.05.003
摘要:
鉴于矿井通风系统动态匹配自动化调节的现场需求，分析了风量供需匹配原理与联动调控方法，建立了多元特征融合的主通风机调频、关联分支调阻及联合调节的数学模型。提出了通风网络分支供需匹配调控模型和稳定性判定方法，基于有毒有害气体涌出（排放）预测的需风模型，开发了矿井通风供需偏离的智能化应急调控软件。实现了通风供需失衡选择变频调节时，自动计算通风机最佳工作频率；选择关联分支风阻调节时，运用元胞自动机模型计算出最佳调节巷道，并通过风网反演计算模型获取调节风阻值；当单一调节方式失效时，生成风机变频与分支调阻联合调控方案；通过风网超前模拟分析实现风量供需匹配的可靠调节。运用典型矿井通风系统建立了风网分支需风量自动化调节实验模型，以现场有毒有害气体超限统计规律为分支需风量调控导向模型开展调风稀释实验，结果表明：三种调节方式下分支风量严格按照调控理论模型变化，调风过程中CO2浓度变化延时明显，风机变频调节的风网波动较小，分支风阻调节对局部风网影响大，联合调节风网波动性大。实验验证了矿井通风供需匹配智能化调控系统的实用性和可行性，为矿井通风联动调控提供理论和应用指导。
鉴于矿井通风系统动态匹配自动化调节的现场需求，分析了风量供需匹配原理与联动调控方法，建立了多元特征融合的主通风机调频、关联分支调阻及联合调节的数学模型。提出了通风网络分支供需匹配调控模型和稳定性判定方法，基于有毒有害气体涌出（排放）预测的需风模型，开发了矿井通风供需偏离的智能化应急调控软件。实现了通风供需失衡选择变频调节时，自动计算通风机最佳工作频率；选择关联分支风阻调节时，运用元胞自动机模型计算出最佳调节巷道，并通过风网反演计算模型获取调节风阻值；当单一调节方式失效时，生成风机变频与分支调阻联合调控方案；通过风网超前模拟分析实现风量供需匹配的可靠调节。运用典型矿井通风系统建立了风网分支需风量自动化调节实验模型，以现场有毒有害气体超限统计规律为分支需风量调控导向模型开展调风稀释实验，结果表明：三种调节方式下分支风量严格按照调控理论模型变化，调风过程中CO2浓度变化延时明显，风机变频调节的风网波动较小，分支风阻调节对局部风网影响大，联合调节风网波动性大。实验验证了矿井通风供需匹配智能化调控系统的实用性和可行性，为矿井通风联动调控提供理论和应用指导。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.03.006
摘要:
材料数据具有分批次、分阶段制备的特点，并且不同批次数据的分布也不同，而神经网络按批次学习材料数据时会存在平均准确率随批次下降的问题，这为人工智能应用于材料领域带来极大的挑战。为解决这个问题，将增量学习应用于材料数据的学习上，通过分析模型参数的变化，建立了参数惩罚机制以限制模型在学习新数据时对新数据过拟合的现象；通过增强样本空间多样性，提出经验回放方法应用于增量学习，将新数据与从缓存池中采样得到的旧数据进行联合训练。进一步地，将所提方法分别应用在材料吸声系数回归和图像分类任务上，实验结果表明采用增量学习方法后，平均准确率分别提升了45.93%和2.62%，平均遗忘率分别降低了2.25%和7.54%。除此之外，还分析了参数惩罚和经验回放方法中具体参数对平均准确率的影响, 结果显示平均准确率随着回放比例的增大而增大，随着惩罚系数的增大先增大后减小。综上所述，本文提出的方法能够跨模态、任务进行学习，且参数设置灵活，可以根据不同环境和任务进行变动，为材料数据的增量学习提供了可行的方案。
材料数据具有分批次、分阶段制备的特点，并且不同批次数据的分布也不同，而神经网络按批次学习材料数据时会存在平均准确率随批次下降的问题，这为人工智能应用于材料领域带来极大的挑战。为解决这个问题，将增量学习应用于材料数据的学习上，通过分析模型参数的变化，建立了参数惩罚机制以限制模型在学习新数据时对新数据过拟合的现象；通过增强样本空间多样性，提出经验回放方法应用于增量学习，将新数据与从缓存池中采样得到的旧数据进行联合训练。进一步地，将所提方法分别应用在材料吸声系数回归和图像分类任务上，实验结果表明采用增量学习方法后，平均准确率分别提升了45.93%和2.62%，平均遗忘率分别降低了2.25%和7.54%。除此之外，还分析了参数惩罚和经验回放方法中具体参数对平均准确率的影响, 结果显示平均准确率随着回放比例的增大而增大，随着惩罚系数的增大先增大后减小。综上所述，本文提出的方法能够跨模态、任务进行学习，且参数设置灵活，可以根据不同环境和任务进行变动，为材料数据的增量学习提供了可行的方案。
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doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.23.002
摘要:
钢铁工业是CO2的排放大户，也是CO2资源潜在用户，通过研究证实了CO2能够在炼钢流程中实现高效利用。二氧化碳绿色洁净炼钢技术通过利用CO2的反应冷却、气泡增殖、弱氧化、强冲击等独有特性，解决了炼钢烟尘和炉渣固废源头减量，钢水磷、氮、氧洁净控制诸多炼钢工艺难题，构建了CO2炼钢理论体系，实现了CO2利用和炼钢生产工艺的结合。本技术作为“中国低碳原创技术”，促进了我国钢铁工业绿色低碳技术的发展，我国每年将减少炼钢固体污染物产生约1000万吨，温室气体减排约2600万吨，是建设“碳中和”国家的重要助力。
钢铁工业是CO2的排放大户，也是CO2资源潜在用户，通过研究证实了CO2能够在炼钢流程中实现高效利用。二氧化碳绿色洁净炼钢技术通过利用CO2的反应冷却、气泡增殖、弱氧化、强冲击等独有特性，解决了炼钢烟尘和炉渣固废源头减量，钢水磷、氮、氧洁净控制诸多炼钢工艺难题，构建了CO2炼钢理论体系，实现了CO2利用和炼钢生产工艺的结合。本技术作为“中国低碳原创技术”，促进了我国钢铁工业绿色低碳技术的发展，我国每年将减少炼钢固体污染物产生约1000万吨，温室气体减排约2600万吨，是建设“碳中和”国家的重要助力。
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2023, 45(6): 875-882.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2023.02.06.002
摘要:
总结了2022年度国家自然科学基金委员会工程与材料科学部矿业与冶金工程学科科学基金项目的申请、评审和资助情况，主要分石油工程、矿业工程、安全科学与工程和冶金与材料加工工程4大领域进行分析；同时介绍了科学基金项目的结题审查和中期检查情况，并对学科下一步的工作进行了展望。
总结了2022年度国家自然科学基金委员会工程与材料科学部矿业与冶金工程学科科学基金项目的申请、评审和资助情况，主要分石油工程、矿业工程、安全科学与工程和冶金与材料加工工程4大领域进行分析；同时介绍了科学基金项目的结题审查和中期检查情况，并对学科下一步的工作进行了展望。
2023, 45(6): 883-889.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.03.25.001
摘要:
目前钨冶炼的碱分解工艺，存在用水量大、废水量大、加工成本高等问题，使钨冶炼企业面临着经济与环保的双重压力，不能继续满足行业发展需求。对此，在大量白钨焙烧分解工艺研究的基础上，提出了酸法焙烧思路，开发出了硫酸盐焙烧分解白钨工艺，一步转型生成WO3。由于白钨矿焙烧产物的主要杂质为Na2SO4与难溶CaSO4，可采用盐酸浸出方式进行钨钙分离，本文采用等温平衡法，考察对比了WO3、CaSO4与WO3–CaSO4在HCl–Na2SO4溶液中的溶解行为，结果表明：WO3与CaSO4在盐酸中的溶解度相差较大，CaSO4在盐酸中溶解度随温度、盐酸浓度的升高而增大，在温度80 ℃、盐酸浓度3 mol·L–1的条件下，硫酸钙在盐酸中的溶解度达到峰值55 g·L–1，而Na2SO4可显著降低CaSO4在盐酸中的溶解度，缩小CaSO4与WO3在盐酸中的溶解差，WO3溶解度则维持在0.3～3 g·L–1范围内，结合目前成熟的低钨回收工艺，能将该部分溶解钨有效地回收，即控制一定的溶解条件有利于钨钙高效分离。
目前钨冶炼的碱分解工艺，存在用水量大、废水量大、加工成本高等问题，使钨冶炼企业面临着经济与环保的双重压力，不能继续满足行业发展需求。对此，在大量白钨焙烧分解工艺研究的基础上，提出了酸法焙烧思路，开发出了硫酸盐焙烧分解白钨工艺，一步转型生成WO3。由于白钨矿焙烧产物的主要杂质为Na2SO4与难溶CaSO4，可采用盐酸浸出方式进行钨钙分离，本文采用等温平衡法，考察对比了WO3、CaSO4与WO3–CaSO4在HCl–Na2SO4溶液中的溶解行为，结果表明：WO3与CaSO4在盐酸中的溶解度相差较大，CaSO4在盐酸中溶解度随温度、盐酸浓度的升高而增大，在温度80 ℃、盐酸浓度3 mol·L–1的条件下，硫酸钙在盐酸中的溶解度达到峰值55 g·L–1，而Na2SO4可显著降低CaSO4在盐酸中的溶解度，缩小CaSO4与WO3在盐酸中的溶解差，WO3溶解度则维持在0.3～3 g·L–1范围内，结合目前成熟的低钨回收工艺，能将该部分溶解钨有效地回收，即控制一定的溶解条件有利于钨钙高效分离。
2023, 45(6): 890-898.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.16.001
摘要:
以不同碱度的烧结矿及烧结矿与块矿的混合矿为研究对象，利用荷重软化熔滴装置，考察了烧结矿碱度对综合炉料软熔性能及不同炉料间交互作用的影响。研究发现：随着烧结矿碱度增加，炉料结构中块矿的质量配加比例提高，炉料间的交互作用增强，主要表现为综合炉料软化开始温度及熔融开始温度降低，混合炉料的透气性得到改善。炉料结构的变化使矿物间的交互反应随着烧结矿碱度的提高而增强，进而导致液相成分发生改变，降低了初渣物相熔点，而烧结矿碱度过高时会恶化料柱的透气性。同时通过扫描电子显微镜−能量色散谱仪(SEM−EDS)及X射线衍射(XRD)精修表征整个还原过程烧结矿物相变化，渣相中主要物相为浮氏体和硅酸钙，随着烧结矿碱度增加，在不同断点2CaO·SiO2的含量呈现降低趋势，表明烧结矿还原过程生成的高熔点物相随之降低，综合炉料的液相生成温度随之降低，炉料间交互作用增强。因此，适当提高烧结矿碱度，提高块矿入炉的质量配比，利于高炉的强化冶炼。
以不同碱度的烧结矿及烧结矿与块矿的混合矿为研究对象，利用荷重软化熔滴装置，考察了烧结矿碱度对综合炉料软熔性能及不同炉料间交互作用的影响。研究发现：随着烧结矿碱度增加，炉料结构中块矿的质量配加比例提高，炉料间的交互作用增强，主要表现为综合炉料软化开始温度及熔融开始温度降低，混合炉料的透气性得到改善。炉料结构的变化使矿物间的交互反应随着烧结矿碱度的提高而增强，进而导致液相成分发生改变，降低了初渣物相熔点，而烧结矿碱度过高时会恶化料柱的透气性。同时通过扫描电子显微镜−能量色散谱仪(SEM−EDS)及X射线衍射(XRD)精修表征整个还原过程烧结矿物相变化，渣相中主要物相为浮氏体和硅酸钙，随着烧结矿碱度增加，在不同断点2CaO·SiO2的含量呈现降低趋势，表明烧结矿还原过程生成的高熔点物相随之降低，综合炉料的液相生成温度随之降低，炉料间交互作用增强。因此，适当提高烧结矿碱度，提高块矿入炉的质量配比，利于高炉的强化冶炼。
2023, 45(6): 899-906.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.15.001
摘要:
IF钢连铸开浇过程头坯洁净度水平较低，目前各企业一般将开浇坯作判废或降级处理，这导致了产品质量不稳定，成材率低等问题。为研究IF钢非稳态开浇阶段连铸坯的洁净度水平及优化措施，采用现场取样、检测分析及数值模拟计算相结合的方法，分析了IF钢开浇阶段不同拉速变化曲线条件下连铸坯沿拉坯方向的洁净度变化规律。通过实验检测发现沿拉坯方向头坯T[O]、[N]及显微夹杂物含量呈现明显下降趋势，距离头坯头部6 m处 T[O]含量为13×10−6，接近正常坯水平，距离头坯头部7 m处 [N]含量约为19×10−6，接近正常坯水平，开浇工艺对于连铸坯T[O]、[N]及显微夹杂物含量影响不大。匀速、前快后慢和前慢后快三种拉速工艺条件下，大型夹杂物在距离头坯头部2 m处的质量分数约为0.2 mg∙kg−1，但之后均存在不同程度的大型夹杂物数量波动现象，而前快后慢工艺影响范围最小，在5.5 m后均达到正常水平。通过数值计算同样发现，前快后慢的提拉速工艺条件下产生的头坯洁净度更快地接近正常坯洁净度水平（约开浇430 s后，对应拉坯5 m）。基于本文研究，提出了一种优化的IF钢连铸开浇过程提拉速的工艺方法。
IF钢连铸开浇过程头坯洁净度水平较低，目前各企业一般将开浇坯作判废或降级处理，这导致了产品质量不稳定，成材率低等问题。为研究IF钢非稳态开浇阶段连铸坯的洁净度水平及优化措施，采用现场取样、检测分析及数值模拟计算相结合的方法，分析了IF钢开浇阶段不同拉速变化曲线条件下连铸坯沿拉坯方向的洁净度变化规律。通过实验检测发现沿拉坯方向头坯T[O]、[N]及显微夹杂物含量呈现明显下降趋势，距离头坯头部6 m处 T[O]含量为13×10−6，接近正常坯水平，距离头坯头部7 m处 [N]含量约为19×10−6，接近正常坯水平，开浇工艺对于连铸坯T[O]、[N]及显微夹杂物含量影响不大。匀速、前快后慢和前慢后快三种拉速工艺条件下，大型夹杂物在距离头坯头部2 m处的质量分数约为0.2 mg∙kg−1，但之后均存在不同程度的大型夹杂物数量波动现象，而前快后慢工艺影响范围最小，在5.5 m后均达到正常水平。通过数值计算同样发现，前快后慢的提拉速工艺条件下产生的头坯洁净度更快地接近正常坯洁净度水平（约开浇430 s后，对应拉坯5 m）。基于本文研究，提出了一种优化的IF钢连铸开浇过程提拉速的工艺方法。
2023, 45(6): 907-914.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.03.003
摘要:
Ti、Zr的复合氧化物可以有效诱导针状铁素体形核，从而细化晶粒。为了研究Ti–Zr处理钢中针状铁素体转变机理，使用25 kg真空感应炉中熔炼试验所需钢种，向低合金钢中添加了质量分数为0.038%钛和0.008%锆。利用高温激光共聚焦显微镜原位观察了奥氏体化温度对针状铁素体转变行为的变化，使用扫描电镜观察了Ti–Zr处理钢种的夹杂物成分和针状铁素体在夹杂物表面形核，使用光学显微镜观察不同奥氏体化温度下的微观组织变化差异。结果表明，随着奥氏体化温度从1250 ℃增加至1400 ℃，奥氏体晶粒尺寸从125.6 μm 增加至279.8 μm，针状铁素体开始转变温度和侧板条铁素体开始转变温度先增加，在1350 ℃条件下达到最大值，后又降低，针状铁素体的体积分数由39.6%增加至83.6%；Ti–Zr处理钢中核心为Zr–Ti–O，外部为Al–Ti–Zr–O的氧化物为核心表面析出MnS的复合氧化物主要集中在1.5～3 μm，可以有效促进针状铁素体形核，贫Mn区和夹杂物与铁素体之间的良好晶格关系为该型夹杂物能够促进针状铁素体形核机理。奥氏体晶粒尺寸的增加导致多边形铁素形核位点的减少和针状铁素体的形核空间的增加，钛锆复合处理形成大量的有效诱发针状铁素体形核的夹杂物，这共同导致了针状铁素体体积分数增加。
Ti、Zr的复合氧化物可以有效诱导针状铁素体形核，从而细化晶粒。为了研究Ti–Zr处理钢中针状铁素体转变机理，使用25 kg真空感应炉中熔炼试验所需钢种，向低合金钢中添加了质量分数为0.038%钛和0.008%锆。利用高温激光共聚焦显微镜原位观察了奥氏体化温度对针状铁素体转变行为的变化，使用扫描电镜观察了Ti–Zr处理钢种的夹杂物成分和针状铁素体在夹杂物表面形核，使用光学显微镜观察不同奥氏体化温度下的微观组织变化差异。结果表明，随着奥氏体化温度从1250 ℃增加至1400 ℃，奥氏体晶粒尺寸从125.6 μm 增加至279.8 μm，针状铁素体开始转变温度和侧板条铁素体开始转变温度先增加，在1350 ℃条件下达到最大值，后又降低，针状铁素体的体积分数由39.6%增加至83.6%；Ti–Zr处理钢中核心为Zr–Ti–O，外部为Al–Ti–Zr–O的氧化物为核心表面析出MnS的复合氧化物主要集中在1.5～3 μm，可以有效促进针状铁素体形核，贫Mn区和夹杂物与铁素体之间的良好晶格关系为该型夹杂物能够促进针状铁素体形核机理。奥氏体晶粒尺寸的增加导致多边形铁素形核位点的减少和针状铁素体的形核空间的增加，钛锆复合处理形成大量的有效诱发针状铁素体形核的夹杂物，这共同导致了针状铁素体体积分数增加。
2023, 45(6): 915-926.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.27.002
摘要:
逆变奥氏体微观组织显著影响钢铁材料的最终组织性能，阐明块状奥氏体的形成规律对于精准掌握逆相变至关重要。本文以Fe–2.5Mn–1.5Si–0.35C合金为研究对象，通过OM、SEM和EBSD等手段研究了不同预回火条件下晶内块状奥氏体与最终奥氏体晶粒尺寸的演变规律。研究结果表明，随预回火温度自350 ℃升高至650 ℃，晶内块状奥氏体体积分数呈现出先增加后迅速降低的趋势；400 ℃预回火条件下，随预回火时间的延长，晶内块状奥氏体体积分数先增加后趋于稳定；预回火促使晶内块状奥氏体形成，导致最终奥氏体晶粒显著细化。随着预回火温度的升高，逆相变前渗碳体发生粗化，增加了晶内块状奥氏体的有效形核位点，此促进了晶内块状奥氏体的形成。此外，晶内块状奥氏体具有多重取向，晶内块状奥氏体的增加，使得逆相变后奥氏体晶粒显著细化。本研究提供了一种在不改变钢化学成分的条件下，通过控制渗碳体实现对逆相变晶内块状奥氏体形成和最终奥氏体晶粒尺寸调控的新方法。
逆变奥氏体微观组织显著影响钢铁材料的最终组织性能，阐明块状奥氏体的形成规律对于精准掌握逆相变至关重要。本文以Fe–2.5Mn–1.5Si–0.35C合金为研究对象，通过OM、SEM和EBSD等手段研究了不同预回火条件下晶内块状奥氏体与最终奥氏体晶粒尺寸的演变规律。研究结果表明，随预回火温度自350 ℃升高至650 ℃，晶内块状奥氏体体积分数呈现出先增加后迅速降低的趋势；400 ℃预回火条件下，随预回火时间的延长，晶内块状奥氏体体积分数先增加后趋于稳定；预回火促使晶内块状奥氏体形成，导致最终奥氏体晶粒显著细化。随着预回火温度的升高，逆相变前渗碳体发生粗化，增加了晶内块状奥氏体的有效形核位点，此促进了晶内块状奥氏体的形成。此外，晶内块状奥氏体具有多重取向，晶内块状奥氏体的增加，使得逆相变后奥氏体晶粒显著细化。本研究提供了一种在不改变钢化学成分的条件下，通过控制渗碳体实现对逆相变晶内块状奥氏体形成和最终奥氏体晶粒尺寸调控的新方法。
2023, 45(6): 927-940.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.20.007
摘要:
目前微生物腐蚀（MIC）在工业环境中已成为普遍存在的严重问题，其是造成腐蚀损坏、设备故障和经济损失的主要原因之一。虽然部分经典的腐蚀理论能够解释一些微生物腐蚀的现象，但这些机理的片面性也逐渐暴露出来。随着对腐蚀菌种类的研究越来越多,人们对微生物腐蚀机理的认识也更加全面深入。本文重点介绍了易导致腐蚀的微生物种类及特征，如硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌和铁氧化菌等，并总结了微生物腐蚀机理中基于生物能学和生物电化学的最新研究进展，包括微生物胞外电子传递过程、代谢产物腐蚀和浓差电池作用等理论，为工业中厌氧及好氧条件下微生物腐蚀的诊断、预测及防治提供了理论指导。
目前微生物腐蚀（MIC）在工业环境中已成为普遍存在的严重问题，其是造成腐蚀损坏、设备故障和经济损失的主要原因之一。虽然部分经典的腐蚀理论能够解释一些微生物腐蚀的现象，但这些机理的片面性也逐渐暴露出来。随着对腐蚀菌种类的研究越来越多,人们对微生物腐蚀机理的认识也更加全面深入。本文重点介绍了易导致腐蚀的微生物种类及特征，如硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌和铁氧化菌等，并总结了微生物腐蚀机理中基于生物能学和生物电化学的最新研究进展，包括微生物胞外电子传递过程、代谢产物腐蚀和浓差电池作用等理论，为工业中厌氧及好氧条件下微生物腐蚀的诊断、预测及防治提供了理论指导。
2023, 45(6): 941-948.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.09.001
摘要:
沉管隧道置于不易检查和维护的海泥区域，其钢壳结构受到海水的侵蚀，会缩短其服役周期，腐蚀严重则会影响沉管隧道的安全运行。深中通道（又称“深中大桥”）是国内首个钢壳式沉管隧道，耐久性要求100年，针对深中通道钢壳混凝土沉管的服役环境及超高的耐久性要求等诸多特征，且目前国内外可以借鉴的工程和研究很少，因此需要研究揭示钢壳外壁在海洋环境下的腐蚀机理和腐蚀发展规律。本文采用室内腐蚀模拟加速试验及电化学分析测试等，对深中通道沉管隧道钢壳所用Q390C低合金高强度结构钢在模拟海水条件下的腐蚀发生发展规律进行研究。研究发现Q390C在海水中腐蚀产物主要为Fe3O4、α-FeOOH和γ-FeOOH及少量CaCO3，其均匀腐蚀和局部腐蚀速率都呈指数关系下降，最终趋于稳定。
沉管隧道置于不易检查和维护的海泥区域，其钢壳结构受到海水的侵蚀，会缩短其服役周期，腐蚀严重则会影响沉管隧道的安全运行。深中通道（又称“深中大桥”）是国内首个钢壳式沉管隧道，耐久性要求100年，针对深中通道钢壳混凝土沉管的服役环境及超高的耐久性要求等诸多特征，且目前国内外可以借鉴的工程和研究很少，因此需要研究揭示钢壳外壁在海洋环境下的腐蚀机理和腐蚀发展规律。本文采用室内腐蚀模拟加速试验及电化学分析测试等，对深中通道沉管隧道钢壳所用Q390C低合金高强度结构钢在模拟海水条件下的腐蚀发生发展规律进行研究。研究发现Q390C在海水中腐蚀产物主要为Fe3O4、α-FeOOH和γ-FeOOH及少量CaCO3，其均匀腐蚀和局部腐蚀速率都呈指数关系下降，最终趋于稳定。
2023, 45(6): 949-966.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.03.002
摘要:
二氧化硅气凝胶（Silica aerogel，SA）具有高孔隙率、低密度、高比表面积等特性，可成为一种良好的吸油材料，然而亲水表面和珍珠项链的结构限制了其在吸油领域的广泛应用。疏水改性后的疏水SiO2气凝胶（Hydrophobic silica aerogel，HSA）不仅具有SA的优异特性，而且疏水/亲油性好，是一种优异的轻质吸油材料。本文以表面后处理法和共前驱体法制备HSA为主线，系统介绍了这两种方法结合超临界干燥和常压干燥制备HSA的研究进展，分析总结了两种方法的优缺点。其中，共前驱体法主要结合超临界干燥工艺制备HSA，表面后处理法则常结合常压干燥，两种方法主要都采用硅烷化剂为疏水改性剂。表面后处理法改性不改变已形成的孔隙结构，HSA的孔径和粒径比较均匀，但可能存在内部改性不彻底的问题。共前驱体法在凝胶结构形成的同时完成改性，制备的HSA比表面积更大，疏水性更好，但是其孔径不均匀，引入的疏水基团有限。此外，本文还综述了目前常用的提高HSA机械性能的方法以及HSA吸油性能的研究进展。最后，立足于当前HSA用作吸油材料发展的趋势，对HSA吸油材料朝着开发低成本且环境友好的原料、开发周期短的疏水改性流程、制备大块体HSA、提高HSA的机械性能以及提高其吸油性能等发展方向进行了展望。
二氧化硅气凝胶（Silica aerogel，SA）具有高孔隙率、低密度、高比表面积等特性，可成为一种良好的吸油材料，然而亲水表面和珍珠项链的结构限制了其在吸油领域的广泛应用。疏水改性后的疏水SiO2气凝胶（Hydrophobic silica aerogel，HSA）不仅具有SA的优异特性，而且疏水/亲油性好，是一种优异的轻质吸油材料。本文以表面后处理法和共前驱体法制备HSA为主线，系统介绍了这两种方法结合超临界干燥和常压干燥制备HSA的研究进展，分析总结了两种方法的优缺点。其中，共前驱体法主要结合超临界干燥工艺制备HSA，表面后处理法则常结合常压干燥，两种方法主要都采用硅烷化剂为疏水改性剂。表面后处理法改性不改变已形成的孔隙结构，HSA的孔径和粒径比较均匀，但可能存在内部改性不彻底的问题。共前驱体法在凝胶结构形成的同时完成改性，制备的HSA比表面积更大，疏水性更好，但是其孔径不均匀，引入的疏水基团有限。此外，本文还综述了目前常用的提高HSA机械性能的方法以及HSA吸油性能的研究进展。最后，立足于当前HSA用作吸油材料发展的趋势，对HSA吸油材料朝着开发低成本且环境友好的原料、开发周期短的疏水改性流程、制备大块体HSA、提高HSA的机械性能以及提高其吸油性能等发展方向进行了展望。
2023, 45(6): 967-978.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.06.07.005
摘要:
首先介绍了光催化材料中活性氧的产生机制及其在抗菌方面的表现，特别指出构造异质结、引入氧空位等改性手段是提高活性氧产量的主要方式。其次总结了超氧阴离子自由基（·O\begin{document}${}_2^- $\end{document} ![]()
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首先介绍了光催化材料中活性氧的产生机制及其在抗菌方面的表现，特别指出构造异质结、引入氧空位等改性手段是提高活性氧产量的主要方式。其次总结了超氧阴离子自由基（·O
2023, 45(6): 979-986.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.07.18.005
摘要:
以钢渣超微粉和花生壳为原料制备钢渣–花生壳基生态活性炭，基于响应曲面法研究微波功率、浸渍比、钢渣掺量和钢渣细度对钢渣–花生壳基生态活性炭对甲醛气体吸附率的影响，并对其进行优化处理。利用X-射线红外光谱仪、场发射扫描电镜、比表面积及孔径测定仪等对钢渣–花生壳基生态活性炭进行表征分析。结果表明：钢渣–花生壳基生态活性炭最优制备参数为微波功率530 W，钢渣细度1160目，钢渣掺量(质量分数)10.8%，浸渍比1.25，其对甲醛气体的吸附率为94.14%。影响钢渣–花生壳基生态活性炭性能的因素次序依次为：微波功率、钢渣掺量、浸渍比、钢渣细度，其中微波功率与浸渍比、微波功率与钢渣掺量、钢渣掺量与钢渣细度均存在显著交互作用。适量钢渣改性活性炭有利于形成规则的孔结构、提高表面酸性官能团含量以及增强表面极性。
以钢渣超微粉和花生壳为原料制备钢渣–花生壳基生态活性炭，基于响应曲面法研究微波功率、浸渍比、钢渣掺量和钢渣细度对钢渣–花生壳基生态活性炭对甲醛气体吸附率的影响，并对其进行优化处理。利用X-射线红外光谱仪、场发射扫描电镜、比表面积及孔径测定仪等对钢渣–花生壳基生态活性炭进行表征分析。结果表明：钢渣–花生壳基生态活性炭最优制备参数为微波功率530 W，钢渣细度1160目，钢渣掺量(质量分数)10.8%，浸渍比1.25，其对甲醛气体的吸附率为94.14%。影响钢渣–花生壳基生态活性炭性能的因素次序依次为：微波功率、钢渣掺量、浸渍比、钢渣细度，其中微波功率与浸渍比、微波功率与钢渣掺量、钢渣掺量与钢渣细度均存在显著交互作用。适量钢渣改性活性炭有利于形成规则的孔结构、提高表面酸性官能团含量以及增强表面极性。
2023, 45(6): 987-994.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.10.002
摘要:
随着微机电系统(MEMS)的发展，运用该技术的半导体传感器也跟着迅速发展，逐渐走向微型化、集成化和智能化。基于MEMS的微加热板(MHP)的金属氧化物甲烷传感器具有功耗小、响应快等优点，广泛应用于甲烷检测。其中，氧化锌(ZnO)甲烷敏感材料因其灵敏度高、中毒效应小、工作温度低等优点，广受关注。但是，该敏感材料制备的传感器响应性能依然受加热温度及热量分布的强烈影响。使用有限元分析(FEA)软件COMSOL中的Multiphysics模块对物理场中的温度进行仿真分析与比较，揭示了在相同工作条件下加热电极结构对温度分布的影响，优选的微加热板达到300 ℃时需要75 mW左右的功率。在商用微加热板的叉指电极上采用无遮挡全表面溅射氧化锌敏感材料构建ZnO薄膜甲烷传感器，并使用合肥微纳公司HIS9010测试了气体传感器的响应。采用静态测量的方法向1 L的气体腔内注射甲烷气体，经过测试，与现在不同形貌的ZnO相比，本课题组使用的磁控溅射制备的氧化锌薄膜气体传感器，在(1000～10000)×10−6甲烷浓度区间内响应线性度比较好，对浓度为10000×10−6的甲烷响应值达到了30。与国内外商用甲烷传感器的甲烷响应性能进行了对比，结果表明本课题组制作传感器响应更高，更具有应用优势。
随着微机电系统(MEMS)的发展，运用该技术的半导体传感器也跟着迅速发展，逐渐走向微型化、集成化和智能化。基于MEMS的微加热板(MHP)的金属氧化物甲烷传感器具有功耗小、响应快等优点，广泛应用于甲烷检测。其中，氧化锌(ZnO)甲烷敏感材料因其灵敏度高、中毒效应小、工作温度低等优点，广受关注。但是，该敏感材料制备的传感器响应性能依然受加热温度及热量分布的强烈影响。使用有限元分析(FEA)软件COMSOL中的Multiphysics模块对物理场中的温度进行仿真分析与比较，揭示了在相同工作条件下加热电极结构对温度分布的影响，优选的微加热板达到300 ℃时需要75 mW左右的功率。在商用微加热板的叉指电极上采用无遮挡全表面溅射氧化锌敏感材料构建ZnO薄膜甲烷传感器，并使用合肥微纳公司HIS9010测试了气体传感器的响应。采用静态测量的方法向1 L的气体腔内注射甲烷气体，经过测试，与现在不同形貌的ZnO相比，本课题组使用的磁控溅射制备的氧化锌薄膜气体传感器，在(1000～10000)×10−6甲烷浓度区间内响应线性度比较好，对浓度为10000×10−6的甲烷响应值达到了30。与国内外商用甲烷传感器的甲烷响应性能进行了对比，结果表明本课题组制作传感器响应更高，更具有应用优势。
2023, 45(6): 995-1002.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.10.003
摘要:
为了减少噪声对锂离子电池荷电状态估计的影响，本文提出一种新颖的基于极限学习机和最大相关熵平方根容积卡尔曼滤波的SOC估计方法。首先，利用泛化性好、运行速度快的极限学习机作为卡尔曼滤波的测量方程；其次，基于灰狼优化算法，极限学习机的超参数被优化以提高电池荷电状态的估计精度；最后，基于最大相关熵平方根容积卡尔曼滤波，极限学习机的测量噪声被进一步减弱。所提方法可以简化极限学习机繁琐的调参过程，且为闭环的SOC估计方法。所提方法在多工况和宽温度范围内被测试以验证其泛化性能。测试结果显示，所提方法明显地提高了锂离子电池的荷电状态估计精度。同时，对比其他算法，所提方法的平均运行时间仅仅为长短时序列和循环门控单元网络的三分之一。当行驶工况复杂、温度变化区间较大时，所提方法的均方根误差小于1%，最大误差小于3%。当存在初始误差与环境噪声时，所提方法显示出了优越的鲁棒性。
为了减少噪声对锂离子电池荷电状态估计的影响，本文提出一种新颖的基于极限学习机和最大相关熵平方根容积卡尔曼滤波的SOC估计方法。首先，利用泛化性好、运行速度快的极限学习机作为卡尔曼滤波的测量方程；其次，基于灰狼优化算法，极限学习机的超参数被优化以提高电池荷电状态的估计精度；最后，基于最大相关熵平方根容积卡尔曼滤波，极限学习机的测量噪声被进一步减弱。所提方法可以简化极限学习机繁琐的调参过程，且为闭环的SOC估计方法。所提方法在多工况和宽温度范围内被测试以验证其泛化性能。测试结果显示，所提方法明显地提高了锂离子电池的荷电状态估计精度。同时，对比其他算法，所提方法的平均运行时间仅仅为长短时序列和循环门控单元网络的三分之一。当行驶工况复杂、温度变化区间较大时，所提方法的均方根误差小于1%，最大误差小于3%。当存在初始误差与环境噪声时，所提方法显示出了优越的鲁棒性。
2023, 45(6): 1003-1012.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.03.25.003
摘要:
近年来卷积神经网络在生物医学图像处理中得到了广泛应用，例如从磁共振图像中准确分割脑肿瘤是临床诊断和治疗脑部肿瘤疾病的关键环节。3D U-Net因其分割效果优异受到追捧，但其跳跃连接补充的特征图为编码器特征提取后的输出特征图，并未进一步考虑到此过程中的原始细节信息丢失问题。针对这一问题，本文提出前置跳跃连接，并在此基础上设计了一种前置跳跃连接倒残差U形网络（FS Inv-Res U-Net）。首先，将前置跳跃连接用于改进DMF Net、HDC Net和3D U-Net 3个典型网络以验证其有效性和泛化性；其次，采用前置跳跃连接和倒残差结构改进3D U-Net，进而提出FS Inv-Res U-Net，最后在BraTS公开验证集上对所提网络进行验证。BraTS2018的验证结果在增强型肿瘤、全肿瘤和肿瘤核心的Dice值分别是80.23%、90.30%和85.45%，豪斯多夫距离分别是2.35、4.77和5.50 mm；BraTS2019的验证结果在增强型肿瘤、全肿瘤和肿瘤核心的Dice值分别是78.38%、89.78%和83.01%，豪斯多夫距离分别是4、5.57和6.37 mm。结果表明，FS Inv-Res U-Net取得了不输于先进网络的评价指标，能够实现脑肿瘤精确分割。
近年来卷积神经网络在生物医学图像处理中得到了广泛应用，例如从磁共振图像中准确分割脑肿瘤是临床诊断和治疗脑部肿瘤疾病的关键环节。3D U-Net因其分割效果优异受到追捧，但其跳跃连接补充的特征图为编码器特征提取后的输出特征图，并未进一步考虑到此过程中的原始细节信息丢失问题。针对这一问题，本文提出前置跳跃连接，并在此基础上设计了一种前置跳跃连接倒残差U形网络（FS Inv-Res U-Net）。首先，将前置跳跃连接用于改进DMF Net、HDC Net和3D U-Net 3个典型网络以验证其有效性和泛化性；其次，采用前置跳跃连接和倒残差结构改进3D U-Net，进而提出FS Inv-Res U-Net，最后在BraTS公开验证集上对所提网络进行验证。BraTS2018的验证结果在增强型肿瘤、全肿瘤和肿瘤核心的Dice值分别是80.23%、90.30%和85.45%，豪斯多夫距离分别是2.35、4.77和5.50 mm；BraTS2019的验证结果在增强型肿瘤、全肿瘤和肿瘤核心的Dice值分别是78.38%、89.78%和83.01%，豪斯多夫距离分别是4、5.57和6.37 mm。结果表明，FS Inv-Res U-Net取得了不输于先进网络的评价指标，能够实现脑肿瘤精确分割。
2023, 45(6): 1013-1022.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.12.009
摘要:
针对行星滚柱丝杠结构参数匹配问题，提出一种基于乌鸦搜索算法的参数优化模型。考虑行星滚柱丝杠螺纹啮合点位置的影响，建立丝杠、滚柱以及螺母空间螺旋曲面方程，得到螺纹啮合点处位置与螺纹牙厚之间的关系。根据螺纹副和齿轮副啮合关系，确定内齿圈和滚柱端部轮齿设计参数。利用空间螺旋曲面方程，获得螺纹啮合点处的法向量，并推导行星滚柱丝杠各零件间的受力关系。以行星滚柱丝杠结构参数作为设计变量，以螺母外径、丝杠中径、滚柱长度等参数最小为优化目标，考虑行星滚柱丝杠结构约束和主要承力部件强度约束，利用乌鸦搜索算法作为优化算法，建立行星滚柱丝杠参数优化模型，从而实现优化变量最佳匹配。最后，针对三种负载，利用该优化模型得到三组行星滚柱丝杠结构参数，并将其优化结果与国外产品手册进行对比，从而验证了本文优化模型有效性。
针对行星滚柱丝杠结构参数匹配问题，提出一种基于乌鸦搜索算法的参数优化模型。考虑行星滚柱丝杠螺纹啮合点位置的影响，建立丝杠、滚柱以及螺母空间螺旋曲面方程，得到螺纹啮合点处位置与螺纹牙厚之间的关系。根据螺纹副和齿轮副啮合关系，确定内齿圈和滚柱端部轮齿设计参数。利用空间螺旋曲面方程，获得螺纹啮合点处的法向量，并推导行星滚柱丝杠各零件间的受力关系。以行星滚柱丝杠结构参数作为设计变量，以螺母外径、丝杠中径、滚柱长度等参数最小为优化目标，考虑行星滚柱丝杠结构约束和主要承力部件强度约束，利用乌鸦搜索算法作为优化算法，建立行星滚柱丝杠参数优化模型，从而实现优化变量最佳匹配。最后，针对三种负载，利用该优化模型得到三组行星滚柱丝杠结构参数，并将其优化结果与国外产品手册进行对比，从而验证了本文优化模型有效性。
2023, 45(6): 1023-1033.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.03.25.005
摘要:
为了模拟隧道开挖过程中边帮的失稳垮塌过程以及锚杆对隧道的支护过程，提出了一种基于罚弹簧的块体–颗粒–杆件的耦合方法。该耦合方法基于连续–非连续的数值模拟方法（CDEM），采用离散颗粒簇表征隧道周边松动圈以内的破碎岩体，采用块体单元表征松动圈以外的完整岩体，采用杆件单元描述锚杆及锚索等杆系类支护结构，采用插值耦合的方式实现杆件单元与离散颗粒及块体单元间力与位移的传递，从而实现高应力环境下隧道开挖失稳过程的模拟及支护效果的评价。颗粒与块体之间采用1根法向线性弹簧及2根切向线性弹簧进行耦合，法向弹簧引入拉伸断裂本构，切向弹簧引入Mohr–Coulomb脆性断裂本构。杆件与颗粒及杆件与块体之间的耦合模式基本一致，包含1根沿着杆件轴向的罚弹簧Sgn及1根垂直于杆件轴向的罚弹簧Sgs，Sgn主要用于描述杆件与围岩之间的拉拔效应及推压效应，Sgs则主要用于描述杆件与围岩之间的侧向挤压效应。圆形盾构隧道弹性场分析、预应力锚杆加固矩形巷道模拟、全长连接锚杆对岩块的锚固作用分析、以及碎裂岩体中的隧道开挖支护效果分析等案例，证明了本文所述块体–颗粒–杆件耦合算法的准确性及合理性。
为了模拟隧道开挖过程中边帮的失稳垮塌过程以及锚杆对隧道的支护过程，提出了一种基于罚弹簧的块体–颗粒–杆件的耦合方法。该耦合方法基于连续–非连续的数值模拟方法（CDEM），采用离散颗粒簇表征隧道周边松动圈以内的破碎岩体，采用块体单元表征松动圈以外的完整岩体，采用杆件单元描述锚杆及锚索等杆系类支护结构，采用插值耦合的方式实现杆件单元与离散颗粒及块体单元间力与位移的传递，从而实现高应力环境下隧道开挖失稳过程的模拟及支护效果的评价。颗粒与块体之间采用1根法向线性弹簧及2根切向线性弹簧进行耦合，法向弹簧引入拉伸断裂本构，切向弹簧引入Mohr–Coulomb脆性断裂本构。杆件与颗粒及杆件与块体之间的耦合模式基本一致，包含1根沿着杆件轴向的罚弹簧Sgn及1根垂直于杆件轴向的罚弹簧Sgs，Sgn主要用于描述杆件与围岩之间的拉拔效应及推压效应，Sgs则主要用于描述杆件与围岩之间的侧向挤压效应。圆形盾构隧道弹性场分析、预应力锚杆加固矩形巷道模拟、全长连接锚杆对岩块的锚固作用分析、以及碎裂岩体中的隧道开挖支护效果分析等案例，证明了本文所述块体–颗粒–杆件耦合算法的准确性及合理性。
2023, 45(6): 1034-1044.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.25.002
摘要:
基于排放因子法核算中国钢铁行业2000—2019年碳排放，运用两阶段对数平均迪式分解法（LMDI）和STIRPAT模型分析碳排放增长的影响因素和2030年碳排放。结果表明，碳排放持续增长，2014年达到阶段峰值18.48亿吨。规模因素是碳排放增加的主要原因，能源强度是最大的抑制因素。情景分析表明，基准情景下将在2025年达峰，碳排放量为19.04亿吨；低碳情景下碳达峰时间为2021年，碳排放量为18.67亿吨；强低碳情景已于2020年达到碳排放峰值，碳排放量为18.52亿吨；快速发展情景则无法在2030年前实现碳达峰。
基于排放因子法核算中国钢铁行业2000—2019年碳排放，运用两阶段对数平均迪式分解法（LMDI）和STIRPAT模型分析碳排放增长的影响因素和2030年碳排放。结果表明，碳排放持续增长，2014年达到阶段峰值18.48亿吨。规模因素是碳排放增加的主要原因，能源强度是最大的抑制因素。情景分析表明，基准情景下将在2025年达峰，碳排放量为19.04亿吨；低碳情景下碳达峰时间为2021年，碳排放量为18.67亿吨；强低碳情景已于2020年达到碳排放峰值，碳排放量为18.52亿吨；快速发展情景则无法在2030年前实现碳达峰。
2023, 45(6): 1045-1056.
doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.03.29.002
摘要:
非常规油气藏是目前世界油气开发的重点领域，由于非常规油气藏的储层条件差，渗流场与应力场、温度场耦合作用，流体的流动更为复杂，以往对多场耦合理论的运用存在简易化和适应性缺陷，工程中缺少理论指导下的更有效的开采工艺与开发方法，制约了这类油气藏的大规模高效开发，亟需对多场耦合渗流力学理论进行深入认识，以对工程问题提供有效指导。从实验认识、理论分析、仿真模拟三个方面阐述了我国非常规油气资源开发领域的多场耦合渗流力学理论的研究现状，重点围绕多尺度介质力学行为特性表征、岩体和流体的温度响应机制、耦合作用的概念及数学模型、多场耦合模拟仿真方法等关键问题的最新成果、认识展开论述。在此基础上对地下真实应力及温度环境的模拟、烃类吸附及置换的热量测试等问题进行分析，建议针对岩石的塑性应变、重复压裂后的应力环境变化、混合烃类的输运模型、以及流动条件随应力和温度变化的模型等科学问题进一步深化。旨在为进一步阐明我国非常规油气藏开发的动用机理、确定高效开发方法提供指导，同时希望能够促进渗流力学的学科发展。
非常规油气藏是目前世界油气开发的重点领域，由于非常规油气藏的储层条件差，渗流场与应力场、温度场耦合作用，流体的流动更为复杂，以往对多场耦合理论的运用存在简易化和适应性缺陷，工程中缺少理论指导下的更有效的开采工艺与开发方法，制约了这类油气藏的大规模高效开发，亟需对多场耦合渗流力学理论进行深入认识，以对工程问题提供有效指导。从实验认识、理论分析、仿真模拟三个方面阐述了我国非常规油气资源开发领域的多场耦合渗流力学理论的研究现状，重点围绕多尺度介质力学行为特性表征、岩体和流体的温度响应机制、耦合作用的概念及数学模型、多场耦合模拟仿真方法等关键问题的最新成果、认识展开论述。在此基础上对地下真实应力及温度环境的模拟、烃类吸附及置换的热量测试等问题进行分析，建议针对岩石的塑性应变、重复压裂后的应力环境变化、混合烃类的输运模型、以及流动条件随应力和温度变化的模型等科学问题进一步深化。旨在为进一步阐明我国非常规油气藏开发的动用机理、确定高效开发方法提供指导，同时希望能够促进渗流力学的学科发展。
