工程科學學報

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月刊，1955年創刊

ISSN 2095-9389

CN 10-1297/TF

主管單位：教育部

主辦單位：北京科技大學

編　　輯：《工程科學學報》編輯部

出　　版：科學出版社

主任委員：楊仁樹

副主任委員(主編)：吳愛祥

地　　址：北京市海淀區學院路30號

電　　話：(010)62333436

傳　　真：(010)62333436

郵發代碼：82-303

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2020年第42卷第1期

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鋁合金表面水滑石薄膜的制備及其耐蝕性研究進展

彭光春, 賈文超, 喬芊芊, 張展, 黃康, 張天翼, 方濤, 王怡, 張博威

2020, 42(1): 1-15. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.28.003

[摘要](2037)

[HTML全文] (1920)

[PDF 1914KB](88) [施引文獻] ()

摘要:
鋁合金具有密度小，比強度高等一系列優異的性能而受到研究者的關注，但其易腐蝕的特點嚴重制約了其應用范圍，因此需要采取適當的方法增強其耐蝕性能。水滑石薄膜具有良好的耐蝕性與離子交換性能，近年來在鋁合金表面改性技術的研究逐漸增多。本文介紹了多種制備水滑石薄膜的方法，探究不同實驗條件對薄膜形貌與耐蝕性的影響；詳述了幾種常用的改性方法與原理，對目前研究中存在的局限性進行了討論，并展望了未來研究的重點與發展方向。

鈣鈦礦太陽能電池穩定性研究進展

朱彧, 杜晨, 王碩, 馬瑞新, 王成彥

2020, 42(1): 16-25. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.24.006

[摘要](3522)

[HTML全文] (5240)

[PDF 2963KB](464) [施引文獻] ()

摘要:
從鈣鈦礦晶格結構和器件結構入手，介紹了鈣鈦礦電池的發展歷程，總結了A位，B位及X位的組分調控方法、一步法、兩步法及其他成膜方法，形貌控制方法，最后，詳細討論了鈣鈦礦太陽能電池穩定性的影響因素，光熱濕等因素是引起鈣鈦礦晶體分解，導致電池性能下降的主要原因。最后，穩定性問題已經成為阻礙鈣鈦礦電池產業化的最大的障礙，介紹了鈣鈦礦太陽能電池當前穩定性問題的主要解決方案：開發更穩定的鈣鈦礦結構，開發用于控制晶粒生長的新添加劑，以及選擇具有優異性能的空穴傳輸層和電子傳輸層。

多孔基定形復合相變材料傳熱性能提升研究進展

王靜靜, 徐小亮, 梁凱彥, 王戈

2020, 42(1): 26-38. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.001

[摘要](2119)

[HTML全文] (2109)

[PDF 911KB](125) [施引文獻] ()

摘要:
先進的相變儲能材料是推動儲能技術發展的核心和關鍵，在促進新能源開發和提高能源利用率中起著至關重要的作用。因在相變過程中具有高儲能密度和小體積變化等優勢，相變材料中應用最多的是固?液相變材料。然而在其相變過程中會發生固態向液態的轉變，為了避免其在液相狀態下的泄露，需要加以定形才能使用。多孔基復合相變材料在有效防止固液相變發生泄露的同時，還需兼顧定形復合相變材料傳熱性能的提升。本文針對這個問題進行了大量的調研，對近年來國內外在提高多孔基定形復合相變材料傳熱性能方面的研究進行了綜合分析，介紹了三種強化傳熱的方法，分別是使用高導熱多孔材料做載體材料、摻雜高導熱納米材料做添加劑以及構筑高導熱多級結構多孔材料，并對提升復合相變材料傳熱性能研究方法的前景作了展望。

聚酰亞胺氣凝膠材料的制備及其應用

劉婷, 劉源, 王曉棟, 沈軍, 張澤, 習爽, 劉群

2020, 42(1): 39-47. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.12.003

[摘要](2405)

[HTML全文] (2019)

[PDF 1409KB](209) [施引文獻] ()

摘要:
聚酰亞胺（polyimide，PI）由于具有較好的力學性能、優異的耐化學性、良好的介電性能和高溫穩定性，被認為是一種應用前景廣泛的高溫工程聚合物。聚酰亞胺的各類制品如薄膜、涂料、膠黏劑、光電材料、先進復合材料、微電子器件、分離膜以及光刻膠等已經被廣泛應用于電子信息、防火防彈、航空航天、氣液分離以及光電液晶等領域。聚酰亞胺氣凝膠（PIA）是由聚合物分子鏈構成的相互交聯的三維多孔材料，結合了聚酰亞胺和氣凝膠的優異性能，使其不但具有聚酰亞胺的優異特性，而且具有氣凝膠的輕質超低密度、高比表面積、低導熱系數以及低介電常數等突出特點，因此聚酰亞胺氣凝膠材料迅速發展成為性能優異的有機氣凝膠之一，并且在航空航天、電子通訊、隔熱阻燃、隔音吸聲以及吸附清潔等領域展示出廣闊的應用前景。鑒于該材料的這些特質，本文對聚酰亞胺氣凝膠的制備方法、影響因素（溶劑效應、單體結構和固含量）以及應用進行了論述，并對聚酰亞胺氣凝膠材料的未來發展進行了展望。

中錳鋼塑性失穩現象的研究進展及未來研究展望

胡斌, 屠鑫, 王玉, 羅海文, 毛新平

2020, 42(1): 48-59. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.05.004

[摘要](2172)

[HTML全文] (1702)

[PDF 1726KB](191) [施引文獻] ()

摘要:
中錳鋼是近年來出現的新型鋼鐵材料，因為其優異的力學性能被認為是第三代汽車用鋼，但是該鋼的一個突出特點就是在拉伸變形時會發生塑性失穩，導致材料結構穩定性減弱甚至在某些情況下過早失效，這已然成為限制中錳鋼商業化使用的關鍵問題。塑性失穩包括出現不連續屈服和屈服平臺（呂德斯應變）以及流變應力鋸齒（PLC效應）。兩者都受到成分、晶粒形貌、退火工藝、組織構成等因素的影響，也均與拉伸變形過程中奧氏體相變轉變存在或強或弱的相關性，使得這一塑性失穩現象的機理更為復雜化，因而在近期各種觀點迥異的理論解釋也相繼被提出。本文綜述了相關研究中各種因素對呂德斯應變和PLC效應的影響結果及相關理論解釋，并著重指出了各理論解釋的局限性及未來的研究思路。最后，基于現有研究和預研實驗對在保證中錳鋼超高強度和優良塑性的前提下消除中錳鋼塑性失穩現象的可行途徑進行了展望。

微生物技術在稀土資源利用中的研究進展

劉曉璐, 趙子希, 桂子郁, 弓愛君

2020, 42(1): 60-69. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.12.003

[摘要](2568)

[HTML全文] (1785)

[PDF 765KB](145) [施引文獻] ()

摘要:
主要介紹了稀土資源的重要作用及利用現狀，對我國的稀土礦分布及特征進行概述，并提出稀土開采存在的問題及微生物采礦的優勢。回顧利用微生物進行稀土礦開采的發展進程，總結其研究進展，介紹微生物采礦作用機理的研究，主要包括微生物浸出、吸附和積累稀土元素機理的相關研究，以及稀土礦采礦微生物的分離方法及種屬分布等。以中國白云鄂博礦床和澳大利亞Mount Weld礦床中的礦石為例，說明微生物對礦石中稀土元素的提取作用。簡述微生物對廢棄物中稀土元素的回收作用，及微生物利用稀土元素技術將面臨的挑戰，并對其未來進行了展望。

Pt涂層蜂窩金屬和Ce改性Fe₂O₃催化CO的性能對比

周昊, 成毅, 周明熙, 倪玉國

2020, 42(1): 70-77. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.08.005

[摘要](1342)

[HTML全文] (998)

[PDF 980KB](36) [施引文獻] ()

摘要:
鐵礦石燒結煙氣中含有較高濃度的CO（體積分數0.5%～2%），因此對其進行CO脫除意義重大。為了探究不同類型催化劑的催化效果，采用浸漬法制備了Pt涂層蜂窩金屬催化劑和鐵鈰氧化物催化劑，并通過X射線熒光光譜分析（XRF）對其組分含量進行了分析。二者在模擬燒結煙氣中進行CO脫除性能的對比實驗，活性測試表明，不同CO初始體積分數、煙氣溫度以及水汽含量對CO催化氧化的脫除效率影響較大。當模擬煙氣中不含水汽的時候，二者在180 ℃及更高溫度下對CO的脫除效率均能達到60%以上。反應溫度為180 ℃，水汽體積分數為11.7%時，Pt負載型催化劑中的CO轉化率為63.9%，而該條件下Ce改性Fe₂O₃催化劑的CO轉化率僅為34.9%。當溫度在180～300 ℃范圍內，Pt負載型催化劑具有較好的抗水性，且繼續升高溫度，水汽體積分數增加對催化劑效率的負面影響更顯著。如水汽體積分數從0增加到27.1%時，與180 ℃時的催化效率相比，Pt負載型催化劑在240 ℃時的催化效率由73.9%降至62.3%，降幅遠遠增大。另外，對這兩種催化劑進行了抗硫性測試。當水汽體積分數為0時，Ce改性Fe₂O₃催化劑抗硫性更佳，但當SO₂和水汽同時存在的情況下，Pt負載型催化劑具有更好的抗硫性。因此，在實際燒結中建議采取高效的脫硫措施并布置脫水層以減少其對于催化劑的負面影響。

微波水熱法快速合成氧化鋅納米棒及其光催化性能

李蕊, 夏仡, 許磊, 劉建華, 剛瑞奇, 羅銅

2020, 42(1): 78-83. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.25.003

[摘要](6710)

[HTML全文] (1950)

[PDF 967KB](86) [施引文獻] ()

摘要:
以硫酸鋅、醋酸鋅和氫氧化鋅為原料，制備出氫氧化鋅前驅體和氧化鋅晶種，在微波水熱條件下快速合成了氧化鋅納米棒。通過X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）和紫外?可見分光光度計（UV-vis）對氧化鋅納米棒的形貌、結構和光學性質等進行了表征，并通過降解羅丹明B（RhB）測試了樣品的光催化性能，探討了微波輻射作用對產物的催化活性的影響。實驗結果表明，氫氧化鋅作為前驅體在微波作用下30 min，生成為基于氧化鋅納米棒自組裝的三維籠狀結構，與常規方法制備的氧化鋅納米棒相比，微波輻射作用下生成的樣品結晶度更高。紫外?可見分光光度計結果表明微波輻射會導致合成的氧化鋅納米棒吸收邊紅移，縮小帶隙能量，從而提升氧化鋅納米棒的催化活性。光催化測試表明微波輔助合成的氧化鋅納米棒具有更好的可見光吸收特性，在紫外和可見光照射下，對羅丹明B都具有較好的降解效率，在紫外光照射下80 min內羅丹明B的降解率可達到98.5%。這種微波輔助的合成方法能夠在短時間內合成大量的氧化鋅納米材料，具有高效批量制備、清潔環保等優點。

不同分子結構表面活性劑對低氧化度氧化石墨插層機理的探索

胡陽, 解鑫, 孫春寶, 寇玨

2020, 42(1): 84-90. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.03.001

[摘要](1411)

[HTML全文] (953)

[PDF 1288KB](42) [施引文獻] ()

摘要:
以人造石墨為原料制備了低氧化程度的氧化石墨（MOG），并研究了具有不同極性基團和不同碳鏈長度的表面活性劑對氧化石墨的插層機理。通過X射線衍射（XRD）、紅外光譜（FT-IR）、X射線光電子能譜（XPS）、拉曼光譜（Raman）和Zeta電位儀對插層前后的氧化石墨進行表征，探討表面活性劑的分子結構對其插層能力的影響以及表面活性劑的插層機理。結果表明陽離子表面活性劑主要通過其極性端與氧化石墨的羧基、羥基之間的靜電吸引作用進入氧化石墨層間進行插層，其插層效果優于陰離子表面活性劑，更容易增大氧化石墨的層間距。陰離子表面活性劑則通過與氧化石墨之間形成氫鍵和疏水作用力來進行插層。研究表明：表面活性劑極性基團的分子大小越大，非極性端的碳鏈越長，其插層能力越強。上述研究成果有助于深入認識表面活性在氧化石墨層間的插層機理，同時也對氧化石墨插層改性材料的制備和應用具有重要的指導意義。

一種高效雙功能電催化劑CoP/Co@NPC@rGO的制備

黃康, 朱梅婷, 張飛鵬, 許志龍, 王洪濤, 肖葵, 吳俊升

2020, 42(1): 91-98. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.26.002

[摘要](5657)

[HTML全文] (1582)

[PDF 1201KB](57) [施引文獻] ()

摘要:
簡單的熱處理和熱處理磷化ZIF-67/氧化石墨烯（GO）前驅體得到具有典型的多孔碳結構特征的CoP/Co@NPC@rGO納米復合材料電催化劑。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）、拉曼光譜（Raman）和N₂等溫吸脫附曲線等對其形貌、成分和結構進行分析和表征。采用線性掃描伏安法、電化學阻抗譜和計時電位法探討了CoP/Co@NPC@rGO納米復合電催化劑對氫氣析出反應（HER）和氧氣析出反應（OER）的電催化活性和穩定性。結果表明，CoP/Co@NPC@rGO?350在1.0 mol·L^–1 KOH溶液中達到10 mA·cm^?2電流密度的析氫過電位僅127 mV；同時，在1.0 mol·L^–1 KOH溶液中顯示出優于貴金屬RuO₂的析氧性能，達到10 mA·cm^?2電流密度的過電位為276 mV，塔菲爾斜率僅為42 mV·dec^?1。這種高析氫和析氧電催化活性主要歸因于高度石墨化的N摻雜多孔碳與N摻雜石墨烯之間的協同效應。CoP/Co@NPC@rGO是電催化全解水電催化劑的候選材料，且為基于金屬有機骨架（MOFs）/氧化石墨烯復合材料的高效電催化劑的設計開辟了一條新的途徑。

金屬有機骨架與相變芯材相互作用的分子動力學

海廣通, 薛祥東, 蘇天琪, 魏永強, 高志猛, 馬雨威, 王靜靜

2020, 42(1): 99-105. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.26.001

[摘要](1761)

[HTML全文] (1016)

[PDF 1801KB](88) [施引文獻] ()

摘要:
金屬有機骨架材料（metal-organic frameworks, MOFs）由于具有規整的孔道結構，較高的孔隙率十分適合作為相變材料的載體，從而實現對相變芯材的有效封裝。本文采用分子動力學方法，對Cr-MIL-101負載十八烷，十八酸，十八胺和十八醇等不同芯材而構筑的復合相變材料的結構特性進行了研究，主要包括相變芯材和金屬有機骨架基材之間的相互作用，芯材在金屬有機骨架材料孔道內的擴散特性以及空間分布特性等。研究表明：十八酸和金屬有機骨架基體之間的相互作用最強，十八醇和十八胺次之，十八烷最弱，具體體現在相變芯材分子與金屬有機骨架材料之間的相互作用能，回轉半徑，分子動能，自擴散系數以及熱容等眾多方面，此外，當芯材分子間相互作用和金屬有機骨架材料與芯材之間的相互作用達到平衡時，芯材分子在孔道內處于較為自由的狀態，有利于擴散的進行，進而有利于芯材的結晶。

茄子衍生多孔碳負載聚乙二醇相變復合材料

李亞瓊, 李洋, 席作帥, 楊虹, 黃秀兵

2020, 42(1): 106-112. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.06.001

[摘要](1471)

[HTML全文] (1175)

[PDF 1452KB](64) [施引文獻] ()

摘要:
以茄子為原材料，通過水熱處理–后續熱解法及直接熱解法分別制備出兩種不同的茄子衍生多孔碳材料（HBPC和BPC）。以茄子衍生多孔碳材料為載體，采用真空浸漬法負載相變芯材聚乙二醇（PEG2000），制備出聚乙二醇/茄子衍生多孔碳材料復合相變材料。通過掃描電鏡、拉曼光譜、壓汞法、傅里葉變換紅外光譜分析、X射線衍射儀、熱重分析儀和差示掃描量熱儀對其進行結構表征及性能測試。結果表明，通過直接熱解法制得的茄子衍生多孔碳材料為載體的聚乙二醇/茄子衍生多孔碳材料復合相變材料具有更好的相變儲熱效果，負載聚乙二醇的質量分數高達90.60%，熔融潛熱為133.98 J·g^?1，達到了較好的定形相變效果及良好的循環穩定性。

生物質多孔碳基復合相變材料制備及性能

陶璋, 伍玲梅, 張亞飛, 高志猛, 楊穆

2020, 42(1): 113-119. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.06.002

[摘要](1539)

[HTML全文] (1040)

[PDF 1283KB](87) [施引文獻] ()

摘要:
目前，通過多孔高導熱載體與相變材料復合的方式提升有機復合相變材料綜合性能的方法得到廣泛應用。多孔碳作為負載能力強，導熱性能良好的載體材料成為研究的熱點，但如何綠色、廉價、簡易地制備出該類載體仍是研究的難點。本文以天然生物質材料松木和竹木為碳源，在梯度溫度和氮氣氣氛下熱處理，使生物質材料碳化并進一步發生石墨化轉變，制備出生物質天然孔道結構的多孔高導熱碳基載體材料。采用真空熔融浸漬法將有機相變材料石蠟和多孔碳基載體材料進行高效復合，制備得到生物質多孔碳/石蠟復合相變材料。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、紅外光譜儀（FTIR）、同步熱分析儀（TGA）、X射線衍射儀（XRD）、拉曼光譜儀（Raman）、壓汞分析儀（MIP）、差示掃描量熱儀（DSC）、激光導熱儀對載體材料及復合相變材料進行結構表征和性能測試。測試結果表明：生物質多孔碳載體材料孔道結構保存完好，石墨化轉變明顯，保證了有機相變芯材的高效穩定負載。傳熱效率上，相比于純石蠟芯材，以松木和竹木為碳源制得的多孔碳/石蠟復合相變材料熱導率分別提高了100%和216%，達到了0.48 W·m^?1·K^?1和0.76 W·m^?1·K^?1。在此基礎上，通過對比松木和竹木為原料制得的復合相變材料的芯材負載量，相變焓值，熱導率的變化，進一步探討了生物質結構對復合相變材料性能的影響機制。

羥基磷灰石氣凝膠復合相變材料的制備及其性能

劉盼盼, 劉斯奇, 高鴻毅, 王靜靜, 高志猛, 羅雨欣

2020, 42(1): 120-127. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.002

[摘要](1339)

[HTML全文] (1022)

[PDF 1379KB](53) [施引文獻] ()

摘要:
以相變材料為核心的潛熱儲存技術，對加快新能源開發和提高能源利用率起著關鍵性作用。以油酸鈣為前驅體，通過水熱法合成了具有自支撐網絡結構的羥基磷灰石（HAP）氣凝膠，并采用浸漬法制備出自支撐羥基磷灰石復合相變材料。通過掃描電鏡、傅里葉紅外光譜、X射線衍射、熱重法、差示掃描量熱法等手段對所制備復合相變材料的形貌、穩定性、熱性能等進行了表征及測試。實驗結果表明，負載石蠟或十八醇的羥基磷灰石氣凝膠復合相變材料均具有良好的熱性能，質量分數60%石蠟@HAP氣凝膠復合相變材料的熔融焓和凝固焓測量值分別為85.10和85.30 J·g^?1，結晶度為81.50%；質量分數60%十八醇@HAP氣凝膠復合相變材料的熔融焓和凝固焓測量值為113.78和112.25 J·g^?1，結晶度為86.20%，且具有很好的熱穩定性和化學穩定性。此外，羥基磷灰石氣凝膠載體材料阻燃性好，無腐蝕且安全環保，有效拓展了相變材料在智能保溫紡織物和建筑材料等領域的實際應用。

高劑量氦離子輻照對新型中子增殖鈹鎢合金表面結構的影響

劉平平, 胡文, 宋健, 賈玉梅, 詹倩, 萬發榮

2020, 42(1): 128-133. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.08.008

[摘要](1244)

[HTML全文] (669)

[PDF 929KB](26) [施引文獻] ()

摘要:
為了確保未來核聚變反應堆的氘氚自持燃燒必需采用中子增殖材料來得到合適的氚增值比。金屬鈹被認為是最有前途的核聚變反應堆固態中子倍增材料，但其熔點低，高溫抗輻照腫脹性能差，因此需要尋找和研發具有更高熔點和更耐輻照腫脹的新型中子增殖材料以滿足更先進的聚變堆要求。本研究嘗試提出并制備了一種更高熔點的鈹鎢合金（Be₁₂W），通過X射線和掃描電子顯微鏡對它的相組成和表面結構進行分析。對新型鈹鎢合金進行高劑量的氦離子輻照，發現合金表面一次起泡的平均尺寸約為0.8 μm，面密度約為2.4×10⁷ cm^?2，而二次起泡的平均尺寸約為80 nm，面密度約為1.28×10⁸ cm^?2。分析氦輻照引起的表面起泡及其機制，并與純鈹和鈹鈦合金表面起泡的情況進行了對比。