工程科學學報

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期刊信息

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

國內發行：北京報刊發行局

國內訂閱：全國各地郵局

郵　　箱：xuebaozr@ustb.edu.cn

單　　價：40元/期，全年480元

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2020年第42卷第3期

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廢催化劑中鉑族金屬回收現狀與研究進展

丁云集, 張深根

2020, 42(3): 257-269. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.26.001

[摘要](2641)

[HTML全文] (2348)

[PDF 971KB](363) [施引文獻] ()

摘要:
我國鉑族金屬（Platinum group metals, PGMs）儲量少，消費量大，對外依存度高，PGMs二次資源的回收利用是緩解我國PGMs短缺最重要的途徑。廢催化劑是PGMs最主要的來源，其回收成為研究的熱點。本文詳細介紹了PGMs消費結構與回收現狀，全球PGMs回收量約占原礦產量的20%～30%，且將保持持續增長的趨勢。樣品的精準分析對PGMs回收有至關重要的作用，同時還原、焙燒、機械球磨等預處理能提高PGMs回收率。相對于傳統氰化法和王水溶解，近年來開發出氯化浸出法、超臨界萃取法、載體溶解法等較環保的浸出工藝。盡管部分濕法浸出工藝已經產業化應用，但存在廢水量大、產生有毒氣體及回收率低（特別是Rh）的問題。火法富集是以鉛、銅、鐵、鎳锍為捕集劑，與PGMs形成合金富集，載體熔化造渣。本文對上述富集方法進行了綜述并總結了優缺點，基于現有技術存在的污染嚴重、PGMs回收率不高等問題，展望了PGMs綠色高效回收技術，如活化預處理、協同提取有價金屬和載體利用、賤金屬協同冶煉和鐵捕集–電解等，為從事該領域的科研工作者提供了良好的參考。

微生物燃料電池碳基陽極材料的研究進展

劉遠峰, 張秀玲, 李從舉

2020, 42(3): 270-277. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.27.008

[摘要](5408)

[HTML全文] (1259)

[PDF 1219KB](103) [施引文獻] ()

摘要:
微生物燃料電池（Microbial fuel cells, MFCs）是一種綠色能源技術，通過微生物的催化氧化代謝污水中的有機物同時產生電能，具有清潔環境和產電的雙重優勢，為可生物降解及可循環利用的廢棄物轉變成清潔能源提供了潛在的機會，在環境治理和能源利用方面表現出較好的應用前景。然而，目前相對較低的產電效率限制了MFCs的實際應用，其中陽極電極是產電微生物富集和傳遞電子的重要場所，與電池極化、電子導電性、生物相容性密切相關，是影響電池性能和運行成本的關鍵因素。碳納米材料具有導電性好、比表面積大、孔隙率高、成本低等特點，被認為是微生物燃料電池重要的陽極材料，得到了廣泛的研究和關注。本文主要從陽極電極種類、電極結構設計和電極材料改性等方面總結改善電極生物相容性、增加產電微生物附著量、提高反應活性位點的方法，并對提高產電性能的機理進行論述。最后對碳基電極材料進行展望，以期為制備高電化學活性的陽極材料提供理論指導。

歐洲固體氧化物燃料電池（SOFC）產業化現狀

劉少名, 鄧占鋒, 徐桂芝, 李寶讓, 宋鵬翔, 王紹榮

2020, 42(3): 278-288. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.10.001

[摘要](4618)

[HTML全文] (3786)

[PDF 1241KB](723) [施引文獻] ()

摘要:
固體氧化物燃料電池（SOFC）具有燃料適用范圍廣、能量轉換效率高（發電效率40%～60%，綜合能效≥80%）、全固態結構、模塊化組裝、零污染等優點，作為固定式或分布式發電可增強電網清潔供電的能力、安全性、可靠性和穩定性。SOFC具有多種不同的結構，其發電規模覆蓋幾十瓦至百兆瓦，可根據不同的應用場景選擇不同的結構，應用場景主要包括固定式發電、分布式供電、熱（冷）電聯供、交通車輛輔助動力電源等領域。國內的SOFC技術發展較晚，目前已取得一定的研究進展，并且能夠自主研發出十幾千瓦的SOFC發電系統，但與國際領先水平還有很大的差距，主要體現在輸出功率、生產成本及使用壽命等方面。歐洲的SOFC技術處于國際領先水平，具有一批成功實現產品化的公司，通過對其技術和產品的調研，可深入的了解歐洲SOFC技術現狀和發展趨勢，為國內SOFC技術的發展提供借鑒作用。

MOF材料在水環境污染物去除方面的應用現狀及發展趨勢（I）

鄒星云, 陳明, 曹曉強, 王璇, 賈榮暢, 黃祎萌, 李廣, 顏炳琪, 王鵬, 李琳, 胡術剛, 呂憲俊

2020, 42(3): 289-301. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.05.003

[摘要](3274)

[HTML全文] (1983)

[PDF 1412KB](280) [施引文獻] ()

摘要:
金屬有機骨架（Metal-organic frameworks，MOFs）是一類有機?無機雜化材料，通常是指金屬離子或金屬簇與含氮、氧剛性有機配體通過自組裝過程形成的功能性多孔材料。MOF材料具有豐富的可設計的結構類型、可調控的化學功能、低密度的骨架、超高的比表面積，以及可功能化的永久的孔空間，在氣體存儲與分離、催化、傳感、藥物運輸與緩釋等領域都有廣泛的應用潛力。近年來，MOF及其復合材料已經被應用于多種污染物的去除。本文對近年來MOF材料去除水環境中重金屬、有機物的相關研究進行了總結與評述。本篇是該主題的第一篇，主要針對MOF材料在水體重金屬污染物去除方面的研究進行論述。通過對以往的研究分析可知，MOF材料對常見重金屬Pb²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Ag⁺、Cs⁺、Sr²⁺、Hg(II)以及$ {\rm{TcO}}_4^ - $

、Se(VI)、As(III)、As(V)均具有高效吸附性能，甚至部分MOF材料的吸附性能遠高于傳統吸附材料。主要的吸附機理包括：靜電引力、配位/螯合作用、離子交換作用、孔道吸附（物理吸附）等。最后，基于以往的研究成果對未來的研究趨勢進行了展望。

典型釩礦冶煉廠區域土壤重金屬污染及陸生植物富集能力

邵慧琪, 張又文, 曲琛, 厲文輝, 趙妍珺, 劉凝, 蔡寒梅, 吳傳東, 劉杰民

2020, 42(3): 302-312. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.23.001

[摘要](1509)

[HTML全文] (1410)

[PDF 863KB](58) [施引文獻] ()

摘要:
植物修復是土壤重金屬污染修復的重要手段。為了探明南水北調工程中線水源地土壤污染狀況并對其進行修復，本研究以湖北省朝北河和典型釩礦冶煉廠為對象，按季節采集該區域土壤（樣本量n = 14）和當地優勢陸生植物（樣本量n = 113），使用微波消解?電感耦合等離子體質譜(ICP?MS)測定V、Cr、As和Cd重金屬含量，根據內梅羅指數法綜合評價了土壤污染程度，評估了各種植物對四種重金屬的富集能力。結果表明，朝北河采樣點中排污口與河水交匯處土壤中重金屬Cd含量較高；釩礦冶煉廠原礦堆放區V超標近83倍，Cr、As和Cd重金屬超標兩倍以上，土壤受到嚴重污染；其他采樣點均受到不同程度的重金屬污染。植物重金屬富集能力和耐受性評價結果表明，鼠麴草、密葉飛蓬、一年蓬對四種重金屬耐受性極強，小蓬草、白茅、少花龍葵、野菊、白車軸草、稗是V、Cr和Cd的超富集植物，蜈蚣草、構樹對As的富集能力極強，野艾蒿對Cr和Cd的富集能力較強，丁香蓼和日本毛連菜分別對Cr和V具有較強的耐受性和富集特異性，委陵菜和垂序商陸對Cd具有較強的富集能力和特異性。五種優勢植物盆栽實驗表明，苧麻在復合金屬污染條件下耐受性最強，委陵菜富集能力最強。

SBA-15脫除超細顆粒的機制研究

邢奕, 崔永康, 蘇偉, 尹麗鯤, 劉應書, 李子宜, 路培

2020, 42(3): 313-320. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.01.004

[摘要](1032)

[HTML全文] (1068)

[PDF 1118KB](39) [施引文獻] ()

摘要:
利用掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀（SMPS)，針對不同孔徑的介孔材料SBA-15，探索對UFPs（2.5～25 nm）的去除效率及脫除機理，以期為介孔材料過濾脫除UFPs在鋼鐵工業顆粒物超低排放控制的應用提供理論基礎。基于實驗結果及表征分析得知：UFPs入孔效應使大孔徑介孔過濾介質效率更佳；介孔材料孔徑端部內外表面存在大量UFPs親和位點，提高端部復雜程度有利于提升材料過濾性能；氮氣的有無對UFPs去除結果基本沒有影響；介孔的存在使UFPs擴散效應更強，顆粒入孔使擴散系數增加，故UFPs在介孔材料實際擴散結果與傳統擴散模式理論值（m=?2/3）不同。

MnO_x?FeO_y/TiO₂?ZrO₂?CeO₂低溫選擇性催化還原NO_z和抗毒性研究

張晴, 賀拴玲, 張錚, 汪莉

2020, 42(3): 321-330. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.05.002

[摘要](1211)

[HTML全文] (2063)

[PDF 1172KB](28) [施引文獻] ()

摘要:
用溶膠凝膠法制備TiO₂?ZrO₂?CeO₂（摩爾比4∶1∶1.25）載體，檸檬酸溶液浸漬法進一步負載MnO_x及MnO_x?FeO_y，進而合成了一種Fe摻雜的新型Mn基復合氧化物催化劑，考察其NH₃選擇性催化還原NO性能及抗硫性能。它在含硫氛圍中有良好的低溫選擇性催化還原（SCR）能力和抗中毒能力，Fe的引入促進了Mn與TiO₂?ZrO₂?CeO₂載體之間的相互作用，增加了催化劑表面Lewis酸性位點的數量。根據X射線光譜分析，Mn⁴⁺，Ce⁴⁺和吸附的氧的含量明顯增加，對提高催化劑的性能非常有利。根據熱重分析，在SO₂和H₂O同時存在的環境下，Fe的存在使硫酸銨和硫酸鈰的產生量減少，抑制了錳的硫酸化，進一步提高了催化劑的抗毒性。MnO_x（12.5%）?FeO_y（0.8）/TiO₂?ZrO₂?CeO₂（4∶1∶1.25）催化劑在180 ℃下，同時通入體積分數10% H₂O和125×10^?6 SO₂ 240 min，NO_z轉化率可保持在75.6%。根據研究成果，新型錳基復合金屬氧化物催化劑為進一步探索催化劑的SCR反應和抗毒機理提供了基礎，促進了SCR工藝的工業應用。

含錳鋼RH真空過程錳的遷移行為

宋磊, 王敏, 李新, 高振波, 李小虎, 包燕平

2020, 42(3): 331-339. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.08.006

[摘要](1510)

[HTML全文] (1117)

[PDF 1467KB](72) [施引文獻] ()

摘要:
Ruhrstahl Heraeus（RH）精煉爐是重要的二次精煉裝備，但在真空處理過程中會遇到鋼液易揮發合金元素的損失量大的問題，且造成鋼液真空噴濺的結瘤及對后續鋼液的二次氧化。針對含錳鋼RH真空處理過程錳的氣化導致的元素損失及真空噴濺等問題，跟蹤和研究了120 t RH不同真空處理模式下鋼液中Mn元素的變化規律及遷移行為。分析了錳元素損失與其揮發和真空噴濺的關系，并在RH真空室內壁不同位置結瘤物的解剖實驗中得到驗證。研究表明，鋼液中Mn元素在RH真空過程中存在著明顯損失，真空前期損失量最大；RH真空室內壁結瘤物中錳氧化物的質量分數整體占比高達14%～70%；熱力學計算結果顯示：溫度、鋼中Mn的含量以及真空度對Mn的揮發行為均有著很大的影響，是真空過程錳遷移的關鍵影響因素。通過改進真空壓降模式，采用步進式抽真空，元素錳的損失由原先的2×10^?4降低至1×10^?4，結果對現場生產具有很強的指導意義，通過改進真空壓降模式可以有效的抑制鋼液的噴濺和揮發，進而減少合金元素錳的損失。

低碳低合金鋼時效過程中Mn在α-Fe與滲碳體間重分布特征

張植權, 周邦新, 王均安, 劉文慶

2020, 42(3): 340-347. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.24.005

[摘要](1094)

[HTML全文] (676)

[PDF 732KB](30) [施引文獻] ()

摘要:
利用原子探針層析技術研究了核反應堆壓力容器（RPV）模擬鋼調質處理后在370和400 ℃長期時效以及淬火后在400 ℃長期時效后Mn在α-Fe基體與滲碳體間重分布的特征。研究結果表明，在所有熱處理條件下，Mn均會從α-Fe基體向滲碳體內擴散，引起滲碳體內Mn濃度升高。其中淬火后直接在400 ℃時效條件下試樣中滲碳體內的Mn濃度最高。即使在400 ℃經過35000 h長時間時效，Mn在滲碳體內的濃度仍未達到平衡，需要進一步延長時效時間，這與Mn在400 ℃在α-Fe基體中擴散速率極其緩慢有關。此外，Mn在滲碳體內的分布也不均勻，在靠近α-Fe基體/滲碳體界面附近的滲碳體一側存在Mn的原子偏聚區，偏聚區Mn濃度隨時效溫度升高而增加。長時間時效后，Mn在兩相間重分布特征與Mn在滲碳體內擴散速率低于Mn在α-Fe基體中擴散速率有關。

基于密度聚類和動態時間彎曲的結晶器黏結漏鋼預報方法的開發

段海洋, 王旭東, 姚曼

2020, 42(3): 348-357. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.02.004

[摘要](1673)

[HTML全文] (977)

[PDF 1801KB](47) [施引文獻] ()

摘要:
針對漏鋼時結晶器銅板溫度呈現出的“時間滯后”和“空間倒置”等典型特征，本文通過引入動態時間彎曲(DTW)和機器學習中的密度聚類(DBSCAN)方法，提取、匯集并區分結晶器溫度的典型變化模式，在此基礎上開發出一種新型的漏鋼預報方法。借助動態時間彎曲度量不同拉速、鋼種或工藝操作條件下結晶器熱電偶溫度的相似性，并運用密度聚類方法聚集和分離正常工況、黏結漏鋼狀況下的溫度樣本，在此基礎上檢測和預報結晶器漏鋼。結果證實，相較于傳統的邏輯判斷和人工神經元網絡預報結晶器漏鋼的方法，基于聚類的漏鋼預報方法無需人為設置閾值或參數，能夠依據漏鋼歷史樣本中溫度變化的共性規律，提取并融合熱電偶溫度在時間、空間上典型的變化特征，準確區分和預報結晶器漏鋼，具有較好的自適應性和魯棒性。

3D打印鋰離子電池正極的制備及性能

左文婧, 屈銀虎, 祁攀虎, 符寒光, 王鈺凡, 高浩斐, 張紅

2020, 42(3): 358-364. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.09.006

[摘要](1246)

[HTML全文] (858)

[PDF 1118KB](62) [施引文獻] ()

摘要:
采用擠出式3D打印技術制備鋰離子電池電極，選取三元鎳鈷錳酸鋰（LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂）作為正極活性材料，以去離子水、羥乙基纖維素和其他添加劑為溶劑來制備性能穩定且適合3D打印技術的鋰離子電池正極墨水，利用流變儀、X射線衍射儀、電池測試儀、ANSYS模擬等探究了增稠劑種類和含量、墨水黏度、打印工藝等對墨水流變性質和可打印性能的影響。結果表明：選取羥乙基纖維素/羥丙基纖維素質量比為1∶1混合且質量分數為3%時，所制備的墨水黏度為20.26 Pa·s，此時墨水具有較好的流變性，打印過程出墨均勻，打印電極光滑平整，滿足后期墨水的可打印性要求，經模擬分析，墨水黏度對墨水流動性影響明顯；電極材料經超聲分散、打印、燒結等過程后未造成原有晶體結構的改變；電極首次充放電容量分別為226.5和119.4 mA·h·g^?1，經過20次循環后，電池充放電容量的變化率減小并趨于穩定，3D打印電極表現出良好的循環穩定性。

寬溫域高阻尼聚氨酯彈性體的制備

盧珣, 徐敏, 李志鵬, 李翰模, 莊文輝

2020, 42(3): 365-371. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.12.006

[摘要](1413)

[HTML全文] (1212)

[PDF 1063KB](85) [施引文獻] ()

摘要:
為拓寬材料的阻尼溫域，增大聚氨酯應用范圍，基于聚氨酯的結構可設計性，引入含有甲苯-2,4-二異氰酸酯（TDI）和聚乙二醇單甲醚（MPEG）的預聚體制備帶長支鏈的聚氨酯。長支鏈一端固定一端活動的特點賦予其特有的運動與松弛。甲苯-2,4-二異氰酸酯的存在不僅延長了支鏈長度，增大了支鏈與分子間的纏結程度，還使支鏈含有強極性的吸電子的異氰酸酯基和氨基甲酸酯基，使得支鏈與主鏈間具有較強的氫鍵作用。因此，從氫鍵及微相分離角度來分別探究聚氨酯阻尼的影響因素。結果表明，長支鏈占比增加，儲能模量比值達到268.28，聚氨酯的微相分離程度降低，氫鍵作用增強，在氫鍵作用和微相分離程度降低的雙重作用下聚氨酯的有效阻尼（阻尼因子大于0.3）溫域超過150 ℃（?50～100 ℃），極大改善了聚氨酯彈性體的阻尼性能。此外，加入支鏈后聚氨酯具有一定的自修復性，對延長聚氨酯的使用壽命有較大意義。

基于自適應滑模的多螺旋槳浮空器容錯控制

梁寬寬, 陳麗, 段登平

2020, 42(3): 372-380. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.25.002

[摘要](1402)

[HTML全文] (842)

[PDF 1249KB](42) [施引文獻] ()

摘要:
針對多螺旋槳浮空器執行機構易發生故障的容錯控制問題，同時考慮系統所受到的未知外部擾動和螺旋槳輸入幅值的飽和約束，提出一種自適應滑模容錯控制方法。建立浮空器的四自由度運動模型，系統分析矢量螺旋槳的故障類型，分為輸出力的大小故障和矢量轉角故障，得到浮空器執行機構的故障模型。基于自適應和滑模控制理論，由跟蹤目標與系統當前狀態偏差設計積分滑模面。針對未知外部擾動和執行機構偏移故障，設計相應的自適應律進行處理；針對螺旋槳輸入飽和約束，應用Sigmoid函數設計跟蹤軌跡進行處理。由此設計一種自適應滑模容錯控制策略，利用Lyapunov穩定性理論證明了閉環系統的全局漸近穩定性能。以上海交通大學的多螺旋槳浮空器為模型，仿真驗證了故障容錯控制方法的有效性和魯棒性。

復雜環境下一種基于SiamMask的時空預測移動目標跟蹤算法

周珂, 張浩博, 付冬梅, 趙志毅, 曾惠

2020, 42(3): 381-389. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.06.005

[摘要](1723)

[HTML全文] (2880)

[PDF 1244KB](77) [施引文獻] ()

摘要:
隨著無人工廠、智能安監等技術在制造業領域的深入應用，以視覺識別預警系統為代表的復雜環境下動態識別技術成為智能工業領域的重要研究內容之一。在本文所述的工業級視覺識別預警系統中，操作人員頭發區域由于其具有移動形態非規則性、運動無規律性的特點，在動態圖像中的實時分割較為困難。針對此問題，提出一種基于SiamMask模型的時空預測移動目標跟蹤算法。該算法將基于PyTorch深度學習框架的SiamMask單目標跟蹤算法與ROI檢測及STC時空上下文預測算法相融合，根據目標時空關系的在線學習，預測新的目標位置并對SiamMask模型進行算法校正，實現視頻序列中的目標快速識別。實驗結果表明，所提出的算法能夠克服環境干擾、目標遮擋對跟蹤效果的影響，將目標跟蹤誤識別率降低至0.156%。該算法計算時間成本為每秒30幀，比改進前的SiamMask模型幀率每秒提高3.2幀，算法效率提高11.94%。該算法達到視覺識別預警系統準確性、實時性的要求，對移動目標識別算法模型的復雜環境應用具有借鑒意義。

隧道地質預報探地雷達信號干擾消除方法

劉宗輝, 吳一帆, 劉保東, 劉毛毛, 藍日彥, 孫懷鳳

2020, 42(3): 390-398. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.12.001

[摘要](1863)

[HTML全文] (1547)

[PDF 1486KB](79) [施引文獻] ()

摘要:
受探測環境制約，隧道超前地質預報過程中探地雷達反射波往往具有“弱信號，強干擾”的特征，給數據處理和解譯帶來極大的困難。將剪切變換（shearlet變換，ST）引入探地雷達信號處理，根據有效信號和干擾信號在剪切域中不同尺度、不同方向上的能量差異，提出一種基于自適應閥值的隨機干擾去除方法，并通過正演模擬數據驗證了該方法在隨機干擾去除上的優勢；在此基礎上針對隧道超前地質預報中常見的能量接近、頻率異常干擾信號，以實際數據為例說明小波變換（WT）對其去除效果；從而進一步提出小波變換與剪切變換聯合干擾壓制方法，即首先使用小波變換對異常頻率干擾進行分離，然后采用基于自適應閥值的剪切變換對隨機干擾進行壓制。現場溶洞探測案例應用效果表明，本文所提出的方法能在去除干擾的同時很好地保留有效信號，根據處理后的波形堆積圖可以很好地凸顯地質異常區域，從而提高探地雷達資料解譯精度。