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2019年  41卷  第5期

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核壳结构复合吸波材料研究进展
黄威, 魏世丞, 梁义, 王博, 黄玉炜, 王玉江, 徐滨士
2019, 41(5): 547-556. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.001
摘要:
在综述电磁波材料吸波工作原理的基础上,讨论了核壳结构材料在吸波领域的优势.重点介绍了近年来不同类型核壳结构复合吸波材料的研究进展,主要包括铁氧体型、磁性金属微粉及其氧化物型、陶瓷型、导电聚合物型、碳系材料型等核壳结构复合吸波材料.同时对不同类型的核壳结构吸波材料的制备方法、组织结构和微波吸收性能进行了详细的归纳评述.最后对核壳结构复合吸波材料的发展趋势进行了展望,主要包括多层核壳结构,yolk-shell结构以及与其他材料结构相复合的特殊结构,为进一步研究核壳结构复合吸波材料提供参考.
中锰钢的研究进展与前景
徐娟萍, 付豪, 王正, 岩雨, 李金许
2019, 41(5): 557-572. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.002
摘要:
总结了国内外中锰钢研究现状,对文献中中锰钢的成分设计、成型工艺、热处理工艺、组织性能调控等进行汇总分析,得到了合金元素、成型工艺、微观组织结构和热处理对力学性能的影响规律,并对中锰钢的性能例如lüders带和PLC带对加工硬化率的影响、氢致延迟开裂性能给予了重点关注和讨论;同时提出借鉴第二代先进高强钢(纯奥氏体相)"层错能"这一控制形变模式的概念,对中锰钢中奥氏体相的形变模式提出预测;最后对目前中锰钢研究的争议问题、发展前景及未来可能面对的问题进行阐述.
软土地基堤围稳定性计算方法
贾恺, 杨光华, 汤连生, 李泽源
2019, 41(5): 573-581. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.003
摘要:
在软土地基上采用整体稳定分析方法确定的安全系数可能会存在偏大的危险,当堤身强度高于堤基软土的强度过多时,可能存在堤基软土失稳的安全系数小于整体稳定安全系数的情况,因此,对于软土地基的堤围稳定计算,除进行整体稳定计算外,还应复核堤基软土的稳定性.并通过案例证明了该观点的正确性,同时提出了软土堤基稳定计算的方法,并以该方法为基础,提出了堤脚受冲刷情况下的整体稳定性计算方法.可为软土地基的堤围安全提供更合理安全的设计计算方法.
煤层深孔聚能爆破有效致裂范围探讨
郭德勇, 赵杰超, 吕鹏飞, 朱同功
2019, 41(5): 582-590. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.004
摘要:
在对煤层深孔聚能爆破致裂分区研究的基础上,针对聚能爆破煤层裂隙扩展特征及范围进行了数值模拟研究.结果表明,炮孔周围可划分为爆破压碎区、爆破裂隙区和弹性变形区,根据裂隙类型及裂隙数目的差异,爆破裂隙区又可划分为裂隙密集区和主裂隙扩展区.受聚能装药结构的影响,压碎区的范围呈聚能罩开口方向小于其他方向的类椭圆状;裂隙密集区和主裂隙扩展区的范围均呈聚能罩开口方向大于其他方向的类椭圆状.煤层深孔聚能爆破致裂增透工程试验发现,随着远离炮孔,各个观察孔内瓦斯体积分数增幅受聚能爆破的影响呈"强-中-弱"阶梯状变化,与所构建的聚能爆破致裂分区模型比较一致,即聚能爆破载荷下煤层裂隙具有明显的分区特征,压碎区、裂隙密集区和主裂隙扩展区组成了煤层深孔聚能爆破的有效致裂范围.
Acidithiobacillus ferrooxidans对软锰矿浸出的影响
康金星, 冯雅丽, 李浩然, 杜竹玮, 邓祥意, 王洪君
2019, 41(5): 591-599. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.005
摘要:
利用循环伏安、交流阻抗谱和极化曲线研究了Acidithiobacillus ferrooxidans对软锰矿在模拟浸出溶液(9K基础培养基,A.ferrooxidans,Fe (Ⅲ),A.ferrooxidans+Fe (Ⅲ))中电化学腐蚀行为的影响;利用模拟有菌/无菌浸出溶液中钝化膜的Mott-Schottky理论比较了有无细菌存在情况下形成的钝化膜的优劣性.结果表明,A.ferrooxidans促进MnO2/Mn2+氧化还原转化,催化MnO2/Mn (OH)2电极反应;加速软锰矿/溶液界面电子交换,无铁存在时A.ferrooxidans使电荷转移内阻降低34%,比含Fe (Ⅲ)无菌体系低11%;引起软锰矿电极极化,增强其氧化活性;加速MnO2向MnO·OH转化及其产物扩散.A.ferrooxidans与软锰矿作用更倾向于间接作用机理.在选取的各模拟电解液(pH值为2.0)中,0.2~0.4 V区间内软锰矿形成耗尽层,在模拟浸出溶液中形成的钝化膜都表现出p-n-p-n型半导体性能.在选取的0.2 V极化电位下,无铁时引入A.ferrooxidans使膜中的施主/受主密度减少,细菌含有多种基团参与半导体/溶液界面电子转移反应,接受界面间自由电子或填充空穴,促使软锰矿与溶液界面物质交换变频繁;含铁溶液中加入A.ferrooxidans使得钝化膜受主/施主密度增大,A.ferrooxidans降低了膜的耐腐蚀性,因而促进软锰矿浸出.
从腐泥土型红土镍矿制备共掺杂MgFe2O4物相转化规律及催化性能
韩星, 闫治开, 陈婷, 张梅, 郭敏
2019, 41(5): 600-609. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.006
摘要:
采用酸浸-水热-煅烧法从腐泥土型红土镍矿中制备磁性多金属共掺杂型MgFe2O4异相类芬顿(Fenton)催化剂.利用X射线衍射(XRD)、傅立叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和比表面积及孔径分布测定(BET-BJH)等手段,考察了煅烧温度对所制备产物结构、形貌和比表面积及孔径分布的影响,并研究了所制备产物作为异相Fenton催化剂降解罗丹明B (RhB)溶液的催化活性.结果表明,水热合成产物为层状双(多)金属氢氧化物和尖晶石型MgFe2O4复合物.通过300℃的煅烧,层状双(多)金属氢氧化物就能分解并生成MgFe2O4;随着煅烧温度的提高,产物结晶度增加、粒径尺寸变大,形貌逐渐生长为近球型颗粒且分散度渐渐提高,同时介孔数量减少、比表面积减小.经过500℃煅烧的试样H-C500显示出优异的催化降解活性.在体系反应温度为45℃、pH值为6.44、催化剂用量为0.625 g·L-1且H2O2体积分数为1.0%的条件下,经过300 min,10 mg·L-1的罗丹明B溶液降解率可达到97.8%,同时总有机碳(TOC)去除率达到77.8%.重复使用3次后,催化剂仍能保持较高活性,降解率和TOC去除率减少量分别少于3.0%和5.0%.
低温取向硅钢常化工艺和渗氮工艺对组织、织构和磁性能的影响
李霞, 杨平, 贾志伟, 张海利
2019, 41(5): 610-617. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.007
摘要:
利用电子背散射衍射技术(EBSD)、扫描电镜(SEM)分析了低温取向硅钢常化工艺、渗氮工艺对常化组织、再结晶组织与抑制剂的影响,对比研究了常化冷却速率、渗氮温度和渗氮量对再结晶组织、织构和磁性能的影响规律.结果表明,常化冷却速率越快,一次再结晶晶粒尺寸越小.常化冷却速率较慢时,高温渗氮的样品一次再结晶晶粒尺寸偏大,使二次再结晶驱动力降低,二次再结晶温度提高,且渗氮量低,追加抑制剂不足,最终二次再结晶不完善.高温渗氮与低温渗氮导致脱碳板中抑制剂尺寸不同,高温渗氮表层抑制剂与次表层抑制剂尺寸基本无差异,低温渗氮表层抑制剂尺寸比次表层抑制剂尺寸大.低温渗氮且渗氮量低的样品虽然二次再结晶较完善,但由于其常化温度低、常化冷却速率快,一次再结晶晶粒尺寸小,二次再结晶开始温度稍早,黄铜取向晶粒出现,最终磁性差.渗氮量较高的高温渗氮和低温渗氮样品虽都能基本完成二次再结晶,但磁性存在差异,磁性差的原因是高温渗氮样品的最终退火板中出现较多的偏{210}<001>取向晶粒.
外加拉应力对13Cr马氏体不锈钢的腐蚀行为影响
张慧娟, 赵密峰, 张雷, 马磊, 王亚文, 岳小琪, 路民旭
2019, 41(5): 618-624. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.008
摘要:
采用电化学测试手段(开路电位、交流阻抗谱及动电位极化曲线测试),结合接触角测试及体视显微镜微观形貌观察探究在80 g·L-1 NaCl溶液中拉应力对L80-13Cr马氏体不锈钢钝化膜溶解与再修复机制的影响.结果表明,拉应力大小与L80-13Cr的钝化特性存在正相关关系.随着外加拉应力的增大,L80-13Cr马氏体不锈钢的开路电位负移,电子转移电阻减小,线性极化电阻减小,反应速率随着拉应力的增大而增大.而L80-13Cr马氏体不锈钢在高电位下再钝化形成的钝化区会缩短,自腐蚀电位降低,维钝电流密度增加.接触角测试和体视显微镜微观形貌观察发现,拉应力使得表面接触角减小,不锈钢表面容易发生点蚀.外加拉应力使得L80-13Cr马氏体不锈钢的表面能增加,促进钝化膜的溶解,并且抑制钝化膜的再生,导致材料耐蚀性降低.
高温高压环境下不同浓度KBr溶液对13Cr不锈钢的腐蚀行为影响
朱金阳, 郑子易, 许立宁, 路民旭
2019, 41(5): 625-632. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.009
摘要:
油气工业中溴盐完井液的使用极易导致油套管腐蚀失效的发生,尤其是局部腐蚀风险.针对这一问题,采用高温高压腐蚀模拟试验、扫描电镜观察与分析、电化学测试等试验研究方法,研究了高温高压环境下不同浓度溴盐溶液对普通13Cr和超级13Cr两种典型油套管材腐蚀行为的影响.结果表明:从平均腐蚀速率来看,两种13Cr管材在三种浓度溴盐溶液中均表现出较好的耐蚀性能,属于轻度或中度腐蚀,但从局部腐蚀速率来看,两种材料均达到严重或极严重腐蚀;随着溴盐浓度的提高,普通13Cr的自腐蚀电位和点蚀电位均明显负移,对应材料的平均腐蚀速率和局部腐蚀速率均明显上升,而超级13Cr仅点蚀电位明显负移,自腐蚀电位则相对稳定,对应其平均腐蚀速率变化幅度较小,局部腐蚀速率则明显上升,这说明相比普通13Cr,超级13Cr对溴盐溶液具有更强的整体耐受能力,但局部腐蚀敏感性仍然较高;激光共聚焦(LSCM)三维表征结果表明,在高质量浓度溴盐溶液(1.40 g·cm-3)中,不论是普通13Cr还是超级13Cr都有明显的点蚀倾向,这主要与溶液中高浓度的侵蚀性阴离子Br-有关,相比于普通13Cr,超级13Cr的点蚀敏感性相对较低,但其点蚀风险仍不可忽视.
银包铝棒材立式连铸复合成形制备工艺
施兵兵, 刘新华, 谢建新, 谢明
2019, 41(5): 633-645. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.010
摘要:
以直径20 mm,包覆比50%的银包铝细棒为研究对象,通过有限元数值模拟以及相应的实验验证,得出了银包铝复合材料立式连铸复合成形工艺的边界条件.采用ProCAST软件模拟了立式连铸成形过程,得出各工艺参数对连铸结果的影响规律,给出了可行的连铸工艺参数范围及工艺调控策略,以模拟结果为指导,制备出表面质量高、复合界面效果良好的银包铝复合棒材.实验结果表明,芯管长度、连铸速度对结果的影响最大,芯管长度影响了芯管出口处双金属的接触温度、接触时间,并直接改变了铝芯固液界面的相对位置.当芯管长度过短时,银铝界面反应较强烈,当芯管长度过长时,芯棒冷却强度大,芯部铝产生明显的冷隔.随着连铸速度的增大,银的固液界面到芯管出口距离逐渐减小,铝的固液界面距出口距离逐渐增大;铝液铸造温度升高,冷却水减少也会带来相似的作用.结果显示,芯管长度30 mm,速度37~67 mm·min-1,银的铸造温度1225~1325℃,铝的铸造温度800℃,冷却水流量约300 L·h-1是可行的银包铝连铸工艺.
类松果状NiMoO4/MnO2复合材料的合成及超级电容性能
张勇, 常翠荣, 王诗文, 高海丽, 闫继, 贾晓东, 罗河伟, 高可政, 张爱勤
2019, 41(5): 646-651. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.011
摘要:
以Na2MoO4·2H2O、NiSO4·6H2O和MnO2为原料,采用水热法成功制备了类松果状NiMoO4/MnO2复合材料.通过X射线衍射、扫描电子显微镜、恒电流充放电、循环伏安和交流阻抗对材料进行表征.结果表明,MnO2的最佳质量分数为10%,所得NiMoO4/MnO2复合材料具有类松果状形貌,其颗粒直径为200~600 nm,且表面粗糙、多孔;在1 A·g-1的电流密度下,MnO2质量分数为0、5%、10%、15%、20%时,所得复合材料NM0、NM5、NM10、NM15和NM20的放电比电容分别为260、248、650、420和305 F·g-1.在电流密度为10 A·g-1下,最佳样品NM10复合材料的首次放电比容量为102 F·g-1,经过100次循环后,其放电比电容稳定在147 F·g-1.该性能的提高,主要是由于MnO2的引入弥补了NiMoO4单一材料存在的不足,从而达到协同增效的作用.
电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印
赵佳伟, 兰红波, 杨昆, 彭子龙, 李涤尘
2019, 41(5): 652-661. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.012
摘要:
针对传统熔融沉积成型面临的成型精度低和打印材料受限,基于电流体动力熔融沉积在成形高度、材料种类、基板导电性和平整性、3D成形能力等方面的不足和局限性,本研究提出一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印新工艺,其采用双加热集成式喷头并施加单极脉冲高电压(单电势),利用电场驱动微量热熔融材料喷射并精准沉积来形成高分辨率结构.引入两种新的打印模式:脉冲锥射流模式和连续锥射流模式,拓展了可供打印材料的种类和范围.通过理论分析、数值模拟和实验研究,揭示了所提出工艺的成形机理、作用机制以及成形规律.利用提出的电场驱动熔融喷射沉积3D打印方法,结合优化工艺参数,完成了三个典型工程案例,即大尺寸微尺度模具、大高宽比微结构、宏微跨尺度组织支架和网格三维结构.其中采用内径250 μm喷头,打印出最小线宽4 μm线栅结构,高宽比达到25:1薄壁圆环微结构.结果表明,电场驱动熔融喷射沉积高分辨率3D打印具有打印分辨率高、材料普适性广、宏/微跨尺度的突出优势,为实现低成本、高分辨率熔融沉积3D打印提供了一种全新的解决方案.
基于预瞄距离的地下矿用铰接车路径跟踪预测控制
孟宇, 甘鑫, 白国星
2019, 41(5): 662-671. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.013
摘要:
矿用车辆无人驾驶是实现矿山无人化开采的关键技术,而路径跟踪控制是无人驾驶系统的核心技术之一.路径跟踪控制系统是多变量、多约束系统,采用传统方法在多约束条件下存在执行器饱和等问题.针对上述问题,本文引入模型预测控制方法,通过考虑车辆的姿态与位置之间的关系,以跟踪路径的横向偏差最小化和车辆的航向角偏差最小化为目标对预测控制的目标函数进行优化,以获得车辆速度和铰接角度的最优控制量,实现对多变量、多约束系统的求解.针对模型预测控制算法不能提前判断道路曲率突变而导致跟踪超调的问题,提出基于预瞄距离的控制方法,通过提前判断道路突变信息,提高车辆路径跟踪精确性和稳定性.使用Matlab/Adams仿真软件进行对比仿真试验,结果表明:使用模型预测跟踪控制器能够解决多变量、多约束系统控制问题,有效防止执行器饱和;而使用基于预瞄距离的模型预测跟踪控制器能够使车辆的横向位置偏差保持在±0.04 m,航向角偏差保持在±1.8°范围内,相较于改进前的控制器,其横向位置偏差减少了80.9%,航向角偏差减少了59.1%,证明改进后的控制器具有更好的横向稳定性和精确性.
椭圆螺旋微管束反应器参数优化与性能评价
李珊珊, 张蓝, 王玉琪, 王迪, 李海娣, 杨福胜, 吴震, 张早校
2019, 41(5): 672-681. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.014
摘要:
为提高储氢反应器的传热及吸放氢速率,对现有金属氢化物反应器进行了系统的综合分析与评价.基于强化传热传质特性,设计优化出了一种高效的新型椭圆螺旋微管束反应器(ESMBR),其具有结构紧凑、传热效果好、反应速度快及操作方便等特点.对研究的储氢反应器进行了建模,并通过实验验证了该模型的准确性和有效性.通过COMSOL软件对比ESMBR、圆形螺旋微管束反应器(SMBR)和直管微管束反应器(MTBR)的数值模拟结果得出,ESMBR在储氢时具有优异的传热传质性能.进一步的敏感性分析结果表明,ESMBR中椭圆螺旋管结构参数的敏感性顺序为主直径(Dc) > 椭圆截面长轴(A) > 椭圆截面短轴(B) > 节距(Pt) > 螺旋角度(α).采用多元价值取向模型对不同的反应器方案进行了系统的分析评估,结果表明:ESMBR的综合优度高达0.845,对比结果也明显优于其他反应器,在氢能领域将有广阔的应用前景.
基于属性值集中度的分类数据聚类有效性内部评价指标
傅立伟, 武森
2019, 41(5): 682-693. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.015
摘要:
针对分类数据,通过数据对象在属性值上的集中程度定义了新的基于属性值集中度的类内相似度(similarity based on concentration of attribute values,CONC),用于衡量聚类结果中类内各数据对象之间的相似度;通过不同类的特征属性值的差异程度定义了基于强度向量差异的类间差异度(dissimilarity based on discrepancy of SVs,DCRP),用于衡量两个类之间的差异度.基于CONC和DCRP提出了新的分类数据聚类有效性内部评价指标(clustering validation based on concentration of attribute values,CVC),它具有以下3个特点:(1)在评价每个类内相似度时,不仅依靠类内各数据对象的特征,还考虑了整个数据集的信息;(2)采用几个特征属性值的差异评价两个类的差异度,确保评价过程不丢失有效的聚类信息,同时可以消除噪音的影响;(3)在评价类内相似度及类间差异度时,消除了数据对象个数对评价过程的影响.采用加州大学欧文分校提出的用于机器学习的数据库(UCI)进行实验,将CVC与类别效用(category utility,CU)指标、基于主观因素的分类数据指标(categorical data clustering with subjective factors,CDCS)指标和基于信息熵的内部评价指标(information entropy,IE)等内部评价指标进行对比,通过外部评价指标标准交互信息(normalized mutual information,NMI)验证内部评价效果.实验表明相对其他内部评价指标,CVC指标可以更有效地评价聚类结果.此外,CVC指标相对于NMI指标,不需要数据集以外的信息,更具实用性.