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2020年  42卷  第5期

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基于金属有机框架材料设计合成锂离子电池电极材料的研究进展
鲁建豪, 薛杉杉, 连芳
2020, 42(5): 527-539. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.29.001
摘要:
金属有机框架材料 (Metal-organic frameworks,MOFs)是一种新颖的多孔晶体材料,具有比表面积大、孔隙率高、结构可设计性强等优点,但是,MOFs的低电导率以及在电解液中的稳定性等问题限制了其作为电极材料的应用。近年来,如何结合MOFs的优势进行锂离子电池电极材料的设计与合成受到了越来越多的关注。目前,通过自牺牲得到的多孔碳骨架和金属化合物等MOFs衍生复合电极材料,不仅解决了电导率低的问题,而且保留了MOFs的高比表面积和复杂多孔结构,为锂离子的插入/脱出、吸附/解吸等过程提供了丰富的活性位点;与此同时,从结构单元和化学组成方面增加了材料结构的复杂性,开放性的孔隙结构可以缓冲体积膨胀带来的机械应力,对外来离子存储和多离子传输具有重要的意义。本文综述了MOFs及其衍生物在锂离子电池电极材料的设计和研究中取得的最新进展,重点阐述了针对锂离子电池电极材料的要求进行MOFs形貌控制和修饰的方法,以及具有多孔、中空或特殊结构的MOFs衍生电极材料的制备关键影响因素及其结构特性对电化学性能的影响。最后,分析了MOFs衍生电极材料的研究挑战和发展方向。
增减材混合制造的研究进展
果春焕, 王泽昌, 严家印, 袁丁, 姜风春, 王建东, 牛中毅
2020, 42(5): 540-548. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.18.006
摘要:
增材制造可以制造通过传统方法难以制造的复杂部件,因此在航空工业等领域中得到了大规模的应用。然而,增材制造成形部件的尺寸和几何精度以及表面质量低于传统方法成形的部件,阻碍了增材制造的进一步应用。增减材混合制造将增材制造与传统的加工手段结合,对增材制造成形的部件进行高精度数控加工,以改善部件表面光洁度以及零件的几何和尺寸精度。本文阐述了增减材混合制造的技术原理和研究进展,并指出了未来的发展方向。
电化学方法在不锈钢腐蚀研究中的应用现状及发展趋势
王竹, 冯喆, 张雷, 路民旭
2020, 42(5): 549-556. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.15.002
摘要:
电化学手段可以实现对不锈钢材料的快速评价和腐蚀机理研究,因而受到广泛应用。在不锈钢耐蚀性评价方面,最常采用的电化学手段主要有腐蚀电位测试、交流阻抗测试、恒电位极化测试以及循环动电位极化测试。本文分别针对上述四种电化学方法在不锈钢耐蚀性评价上的应用情况进行了介绍,明确了各种检测方法的特点。腐蚀电位及交流阻抗测试是无损检测手段,可以满足长周期腐蚀监测需求;恒电位极化和循环动电位极化测试可以获得材料的极化特征参数,有利于对材料的腐蚀机理及耐蚀性进行评价。结合当前的不锈钢腐蚀研究现状,展望了电化学方法在腐蚀研究领域的发展趋势:未来电化学方法将更多作为腐蚀调控手段,需要结合其他检测技术实现对不锈钢腐蚀过程的精细分析。
多模态学习方法综述
陈鹏, 李擎, 张德政, 杨宇航, 蔡铮, 陆子怡
2020, 42(5): 557-569. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.21.003
摘要:
大数据是多源异构的。在信息技术飞速发展的今天,多模态数据已成为近来数据资源的主要形式。研究多模态学习方法,赋予计算机理解多源异构海量数据的能力具有重要价值。本文归纳了多模态的定义与多模态学习的基本任务,介绍了多模态学习的认知机理与发展过程。在此基础上,重点综述了多模态统计学习方法与深度学习方法。此外,本文系统归纳了近两年较为新颖的基于对抗学习的跨模态匹配与生成技术。本文总结了多模态学习的主要形式,并对未来可能的研究方向进行思考与展望。
盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究
姜德义, 蒋昌奇, 陈结, 康燕飞, 刘伟, 杜超
2020, 42(5): 570-577. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.001
摘要:
盐岩的损伤愈合特性对地下盐穴储库的长期密闭性具有重要影响。为了探究损伤盐岩的愈合特性,设计了巴西劈裂损伤盐岩的自愈合实验。在无应力条件下,让巴西劈裂损伤盐岩在不同湿度条件下愈合120 d,通过实验过程中试样渗透率的变化定量判断损伤盐岩愈合程度,探究了损伤盐岩在不同湿度和恢复时间条件下的愈合效果;同时,通过扫描电子显微镜对损伤盐岩愈合后的细观形貌进行了观察,探讨了盐岩损伤愈合的细观机制。本实验中,利用实验前后渗透率的变化作为损伤盐岩愈合的表征手段,有效避免了以往研究中利用试样强度和弹性模量作为损伤愈合表征手段时因应变硬化导致的结果不可靠的情况。实验结果表明,在无应力作用条件下,在无外界水分供给环境中试件经过120 d后仍然没有发现愈合,证明水分是损伤愈合的必要条件。研究表明,时间和湿度对盐岩的损伤愈合具有重要影响,盐岩的损伤愈合效果在实验范围内随着时间的增长和湿度的增大而增强,但增强速度呈指数降低,意味着过大的湿度和过长的时间难以有效提高盐岩损伤愈合效果。
盐酸法富集低品位锰矿及酸介质高值再生工艺
吕东亚, 马保中, 陈永强, 张永禄, 王成彦, 雷蒙恩
2020, 42(5): 578-585. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.08.002
摘要:
针对印度尼西亚某低品位锰矿,提出盐酸法富集与酸介质高值再生的工艺。借助X射线衍射分析,光学显微镜和电子显微镜等表征方法进行工艺矿物学分析。结果表明:该锰矿矿物组成简单,主要由方解石、软锰矿和少量菱锰矿、褐铁矿、高岭石等组成。筛析结果显示该锰矿粒度越小,锰含量相对越高。粗碎后以2 mm筛孔的筛子过筛可得到锰质量分数为33.32%的锰中矿。锰中矿盐酸直接浸出的最佳条件为:浸出pH 3.0、浸出时间1.5 h、搅拌转速200 r·min−1、液固比4∶1 mL·g−1,此条件下产出的锰精矿品位为54.50%,钙质量分数为0.57%。常温下盐酸再生可产出二水硫酸钙晶须,其长径比可达50以上。再生盐酸返回浸出锰中矿,产出的锰精矿品位为52.16%,钙质量分数为1.39%,验证了该工艺流程的可行性。X射线衍射分析、扫描电镜及能谱分析结果显示产出的锰精矿主要组成成分为软锰矿,杂质为少量褐铁矿、高岭石等。酸介质循环时杂质将逐渐积累,当镁离子质量浓度积累到96.74 g·L−1时,采用水解沉淀法进行除杂。
粒度大小对赤铁矿和石英浮选分离的影响
李东, 李正要, 印万忠, 孙春宝, 寇珏, 姚金, 韩会丽
2020, 42(5): 586-594. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.06.006
摘要:
通过浮选试验、DLVO理论计算、聚焦光束反射测量(FBRM)等研究了油酸钠浮选体系下粒度大小对赤铁矿和石英浮选分离的影响。人工混合矿浮选试验表明,窄粒级粗粒或中等粒级的赤铁矿−石英混合矿(CH&CQ和MH&CQ)的浮选效果较好,其中CH&CQ和MH&CQ的分选效率分别为85.49%和84.26%,明显高于全粒级混合矿(RH&RQ)的分选效率74.94%;但窄粒级的细粒赤铁矿−石英混合矿(FH&FQ)的浮选效果则较差,其分选效率只有54.98%。浮选动力学试验表明,赤铁矿的浮选速率和回收率不仅与赤铁矿的粒度有关,还受石英粒度的影响,细粒脉石矿物石英会降低赤铁矿的浮选速率和回收率。DLVO理论计算表明,当矿浆pH值为9.0时,石英与赤铁矿颗粒间的相互作用力为斥力,此时细粒石英很难“罩盖”在赤铁矿表面并通过这种“直接作用”的方式抑制赤铁矿浮选,这也与聚焦光束反射测量(FBRM)的测定结果基本一致;颗粒−气泡碰撞分析表明,在浮选过程中细粒石英可能通过“边界层效应”的方式跟随气泡升浮(夹带作用),影响赤铁矿颗粒与气泡间的碰撞及黏附,从而降低了赤铁矿的浮选速率和回收率。
高炉内铁−焦界面的渗碳润湿行为研究
湛文龙, 朱浩斌, 何志军, 孙崇, 余盈昌, 庞清海, 张军红
2020, 42(5): 595-601. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.18.003
摘要:
高炉内铁水渗碳过程是影响冶炼效率及未饱和铁水对炉缸炉衬侵蚀的重要因素。本文通过高温真空润湿性测试装置模拟了高炉炉缸区的铁水渗碳反应,分析了不同碳质量分数(3.8%、4.3%、4.8%)的Fe−C熔体与质量分数为99.9%的石墨基体在高温下界面间的润湿反应,同时利用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)研究了渗碳界面的微观形貌及渗碳距离。结果表明:界面接触角随着Fe−C熔体中碳含量的增加而变大;熔化过程中,接触角随着反应时间延长而减小,并最终趋于稳定;4.8%碳质量分数的Fe−C熔体中由于含碳量已至饱和,处于不润湿状态。扫描电镜分析显示,Fe−C熔体与石墨基体的接触界面形成了“球帽状”凹陷,凹陷半径与体积随碳含量的增加而减小。能谱线扫描分析显示,随着Fe−C熔体中初始碳含量的增加,石墨基体中的碳素溶解量减少,渗碳效果变差,良好的润湿性有利于碳的传质。通过计算表面能发现,石墨基体中碳素溶解进入Fe−C熔体后,有效减小了两者之间的表面能,使得表面张力减小,接触角在熔化期间递减。
4Cr5MoSiV1热作模具钢700 ℃的低周疲劳行为
赵超, 黄进峰, 张津, 解国良, 连勇, 李德晨, 马旻昱, 张尊君, 高文, 张程
2020, 42(5): 602-611. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.004
摘要:
采用轴向应变幅控制的低周疲劳试验研究了总应变幅对4Cr5MoSiV1热作模具钢700 ℃低周疲劳行为的影响,包括循环应力响应行为、循环应力应变行为、循环迟滞回线和应变疲劳寿命行为等。结果表明:随着总应变幅从0.2%增大到0.6%,4Cr5MoSiV1钢在700 ℃时循环应力响应均表现为先循环硬化再循环软化的特性,并且应力幅最大值从220 MPa增大到308 MPa。同时,随着总应变幅的增大,4Cr5MoSiV1钢在700 ℃下的低周疲劳寿命由6750循环周次降低到210循环周次,且其过渡寿命约为1313循环周次。疲劳断口形貌分析结果显示,高温低周疲劳过程中裂纹主要萌生于试样表面处,且随着应变幅增大,裂纹源逐渐增多,疲劳条纹间距变宽,其断裂方式由韧性断裂转变为脆性断裂。透射电镜分析结果显示,循环软化可能与板条结构转变为胞状结构、基体发生位错湮灭、碳化物的析出和粗化有关。
Al−Zn−Mg−Cu−Zr−(Sc)合金搅拌摩擦焊接头组织和性能
王宇, 熊柏青, 李志辉, 温凯, 李锡武, 张永安, 闫丽珍, 刘红伟, 闫宏伟
2020, 42(5): 612-619. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.29.001
摘要:
利用光学显微镜、透射电子显微镜、显微硬度计和万能拉伸试验机等分析手段,表征了Al−Zn−Mg−Cu−Zr−(Sc)合金搅拌摩擦焊(FSW)接头的显微组织和性能,探究了Sc元素对改善超高强Al−Zn−Mg−Cu−Zr合金焊接性能的作用机制。结果表明:Al−Zn−Mg−Cu−Zr−(Sc)合金焊接接头具有相似的组织特征,焊核区为动态再结晶组织,由细小均匀的等轴晶组成,包含较高密度的位错线,大部分时效析出相回溶;热力影响区晶粒被拉长,位错密度更高,残留的时效析出相显著粗化;热影响区保留与母材相同的晶粒形态,大部分时效析出的η'相发生长大,少部分粗化成η相。添加质量分数0.17%的Sc,可以使合金FSW接头抗拉强度提升43 MPa,屈服强度提升23 MPa,断后伸长率改善2.3%,焊接系数达到74.1%。Al3(Sc,Zr)二次析出相可以强烈抑制位错、亚晶界、晶界的移动,细化晶粒的同时保留大量的亚结构,且自身可发挥Orowan弥散强化作用。因此,可通过细晶强化、亚结构强化和弥散强化三种方式显著提高合金FSW接头的力学性能。
热轧7075/AZ31B复合板的显微组织及结合性能
吴宗河, 祁梓宸, 许朋朋, 赵云鹏, 肖宏
2020, 42(5): 620-627. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.25.002
摘要:
为了研究热轧铝/镁复合板结合强度的变化规律,本文综合考虑压下率、轧制温度和轧制速度等多种轧制参数,单道次热轧制备了7075 Al/AZ31B Mg复合板。结果表明:在复合板轧制过程中由于热和强变形作用组织发生了动态再结晶,且增大轧制速度有助于镁基体产生完全动态再结晶。在相同轧制温度下,铝镁复合板结合强度均随压下率增加先升高后降低;强度升高是由于界面元素扩散宽度的增大和镁合金近界面晶粒组织的细化所致,强度降低是由于大变形导致镁基体近界面处产生裂缝,以及塑性功产生热量过多使得镁基体温度升高导致的镁侧晶粒长大所致。对复合板进行拉剪实验,铝镁结合界面剪切强度较低时,断裂发生在复合界面处且成脆性断裂特征,强度较高时断口形貌呈韧性断裂特征,断裂发生在镁基体侧。
特殊钢钢渣用作橡胶功能填料及其安全性分析
张浩, 李海丽, 高青, 陈成
2020, 42(5): 628-634. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.09.001
摘要:
以特殊钢钢渣、炭黑、促进剂、硫磺、氧化锌、硬脂酸与复合橡胶制备特殊钢钢渣基复合橡胶。测试了内辐射指数、外辐射指数、安定性、拉伸强度、撕裂强度、拉断伸长率、邵尔A硬度、极限氧指数、燃尽时间、浸出液中重金属浓度、矿物组成、粒径分布、导热系数、孔结构、化学成分、微观形貌和热稳定性。研究了特殊钢钢渣作为橡胶功能填料的可行性与环境风险。结果表明:特殊钢钢渣的矿物组成为Ca2SiO4、Ca3Al6Si2O16、(Fe, Mn)2SiO4、Ca3Al2(SiO43、Na2TiSiO5、CuMn6SiO12、Na2SiO5、Pb3Ta2O8、Pb3SiO7等金属固熔体,特殊钢钢渣具有良好的粒径分布,其安全性与安定性满足相关国标的要求。特殊钢钢渣基复合橡胶中特殊钢钢渣掺量为20%~40%时,特殊钢钢渣基复合橡胶的拉伸强度为20.0~21.5 MPa、撕裂强度为45.2~48.6 kN·m−1、拉断伸长率为475%~501%、邵尔A硬度为63.5~65.3、极限氧指数为18.5~18.6、燃尽时间为264~292 s、导热系数为0.15~0.17 W·m−1·K−1。特殊钢钢渣的主要重金属氧化物为Cr2O3、PbO和CuO,且以稳定的金属固熔体存在,特殊钢钢渣基复合橡胶中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ba、Ni、As等重金属浸出浓度远低于危险废物鉴别标准限值,因此将特殊钢钢渣作为橡胶功能填料安全、可行。
杨梅状Fe3O4@SnO2核壳材料制备及吸波性能
黄威, 王玉江, 魏世丞, 梁义, 王博, 黄玉炜, 徐滨士
2020, 42(5): 635-644. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.05.001
摘要:
以磁性Fe3O4微球为模板,通过Stöber法和水热法合成了一种杨梅状的新型Fe3O4@SnO2复合材料,主要应用于电磁波吸收领域。借助X射线衍射、X光电子能谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、振动样品磁强计和矢量网络分析仪对其物相结构、表面元素、微观形貌、磁性及吸波特性进行了分析表征。分析结果表明,杨梅状的Fe3O4@SnO2的球径约为500 nm,无明显团聚,具有良好的形貌均匀性。其SnO2层由纳米SnO2颗粒松散堆叠而成,具有大量的空隙结构,层厚约为40 nm。杨梅状的Fe3O4@SnO2具有较强的介电损耗能力,且有利于提升阻抗匹配性能,呈现出良好的电磁波吸收能力,当厚度为1.4~2.8 mm时,其最小反射损耗RL(min)均低于−20 dB。其最优厚度为1.7 mm,此时RL(min)为−29 dB,有效带宽为4.9 GHz(13.1~18 GHz),是一种具有发展潜力的吸波材料。
基于“炉−机对应”的炼钢−连铸生产调度问题遗传优化模型
刘倩, 杨建平, 王柏琳, 刘青, 高山, 李宏辉
2020, 42(5): 645-653. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.02.004
摘要:
针对炼钢−连铸过程因车间布局复杂造成工序间钢水交叉供应频繁、等待时间过长以及天车调度困难等问题,本文建立以计划内所有炉次总等待时间最小为优化目标的炼钢−连铸过程生产调度模型,并采用改进的遗传算法求解该模型。在遗传操作过程中,引入“炉−机对应”调控策略以改善初始种群质量,并根据转炉(精炼)与连铸作业周期的比较,来确定是否对个体进行交叉、变异操作。以国内某中大型炼钢厂主要生产模式下的实际生产计划为仿真算例进行实验,结果表明:本文提出的基于“炉−机对应”的改进遗传算法的性能显著优于基本遗传算法及启发式算法,针对炼钢厂产量占比超过80%的主要生产模式4BOF−3CCM下的算例1,优化了生产过程等待时间,工序间最长等待时间由77 min减小到54 min;炉−机匹配程度也明显提高,3号精炼炉去往3号连铸机的钢水比例由25%提升到67%,减少了个别炉次由于设备随机指派造成的工序设备间对应关系不明确及由于生产路径不合理造成等待时间过长的现象,为研究炼钢厂复杂生产调度问题提供了一种高效的解决方案。
陡脉冲干扰下的心电信号滤波及QRS提取
姚晰童, 代煜, 张建勋, 葛锦涛, 陈通, 杨灏
2020, 42(5): 654-662. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.20.004
摘要:
为消除陡脉冲带来的干扰,分析了陡脉冲干扰的特点,建立了陡脉冲噪声数学模型,提出了基于变分模态分解(Variational mode decomposition, VMD)的心电信号滤波算法,提取叠加在心电信号中陡脉冲干扰分量、识别陡脉冲干扰分量并剔除陡脉冲干扰分量;为减少VMD分解层数、提高实时性并减少内存消耗,提出了心电信号预处理算法;针对医疗环境中的随机噪声伴随陡脉冲出现的情况,分析了VMD后子信号中随机噪声的特点,提出了基于VMD子信号能量估计的阈值去噪算法;利用变分模态分解的带通滤波器组特性,提出了基于变分模态分解子信号重组的QRS波群检测算法,配合滤波算法以提高心电信号特征检测精度。以添加了高斯白噪声和模拟陡脉冲干扰的MIT−BIH数据库心电信号和医疗环境中采集的心电信号为实验对象,分别实现对滤波算法和QRS波群检测算法的定量对比分析。