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2023,
45(6):
875-882. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2023.02.06.002
[摘要]
[HTML全文]
[PDF 623KB]
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。
