工程科學學報

高能量密度鋰離子電池層狀錳基正極材料研究進展

層狀錳基材料Li[Li<sub<<i<x</i<</sub<（MnM）<sub<1-<i<x</i<</sub<]O<sub<2</sub<（M=Ni，Co，Cr，…）以高比容量成為最具應用前景的正極體系之一，近年來成為研究熱點而倍受關注，尤其借助原位測試分析等先進表征手段，對Li[Li<sub<<i<x</i<</sub<（MnM）<sub<1-<i<x</i<</sub<]O<sub<2</sub<的結構及其高容量獲取機理的研究取得顯著進展.本文概括介紹了高能量密度層狀正極材料的結構與充放電機理，重點針對其目前依然存在的問題，詳細歸納了Li[Li<sub<<i<x</i<</sub<（MnM）<sub<1-<i<x</i<</sub<]O<sub<2</sub<正極材料充放電循環過程中電壓衰減機理、界面/表面特征以及性能改善的研究新進展，而且對高能量密度層狀正極材料的未來研究方向也進行了探討.

工程科學學報. 2017 39(2): 167-174.

巖體損傷度的點荷載強度計算及分析

根據現場點荷載強度試驗的統計結果和損傷力學原理，提出了一種新的巖體損傷度計算方法，即點荷載強度計算方法.為了驗證該方法的可靠性和準確性以及這種方法計算的巖體損傷度與巖體完整性指數之間的關系，進行了一系列理論推導和現場巖體聲波測試與實驗室巖石聲波測試.結果表明：該方法計算的損傷度與巖體完整性系數表現出很好的一致性，并且該方法計算的損傷度與巷道松動圈內巖體損傷度的變化趨勢一致.實測值與理論值之間的誤差都在7%以內，說明通過該方法計算巖體損傷度有較高的準確性和可靠性.

工程科學學報. 2017 39(2): 175-181.

三維軟硬互層邊坡的破壞模式與穩定性研究

采用FLAC<sup<3D</sup<強度折減法，研究在巖層傾角、巖層與邊坡走向夾角變化時三維軟硬互層邊坡的穩定性狀況，并對其破壞模式進行辨識與歸納分析.結果表明：邊坡破壞模式的判別應綜合考慮巖層的傾角大小、巖層走向與邊坡走向的夾角大小及坡面上的剪出條件；當巖層與邊坡走向夾角<i<β</i<<90°時，隨著巖層傾角<i<α</i<的增大，邊坡的破壞模式變化趨勢為由蠕滑-壓致拉裂、塑流-拉裂、滑移-拉裂向滑移-彎曲、彎曲-拉裂轉變；當<i<β</i<<90°時，邊坡的破壞模式趨勢為塑流-拉裂、滑移-彎曲、彎曲-拉裂；邊坡穩定性系數隨走向夾角的增大先增加后減小，<i<β</i<=90°時最大，且<i<α</i<越大，穩定性系數峰值越大；順向時隨著巖層傾角的增大，邊坡的破壞模式變化趨勢為蠕滑-壓致拉裂、滑移-拉裂、滑移-彎曲、彎曲-拉裂，穩定性系數變化先減小后增大，存在一最不利巖層傾角，其對應的穩定性系數最小；反向坡的破壞模式變化趨勢為蠕滑-壓致拉裂和彎曲-拉裂，穩定性系數逐漸增加.

工程科學學報. 2017 39(2): 182-189.

膏體流變參數影響機制及計算模型

首先對膏體物料特性開展量化表征研究，通過分析膏體細觀結構的物質組成，提出了一種全面描述物料特征的綜合指標——固體填充率；開展膏體流變實驗，基于賓漢模型對流變曲線進行擬合獲得相應的屈服應力及塑性黏度，分析了體積分數、質量加權平均粒徑、不均勻系數、細顆粒及水泥質量分數等因素對流變參數的影響規律，并從細觀結構的角度對其影響機制進行了解釋，最終構建了流變參數關于固體填充率的計算模型.研究結果表明：相同條件下，膏體屈服應力及塑性黏度隨體積分數增大呈指數增大，隨物料不均勻系數增大而減小，隨細顆粒含量增大呈先減小再增大的變化趨勢.

工程科學學報. 2017 39(2): 190-195.

液態夾雜與固態夾雜碰撞聚合的物理模擬和機理研究

針對鋼液中液態夾雜與固態夾雜碰撞聚合的現象，采用水模型實驗模擬了液態夾雜去除固態夾雜的行為.實驗結果表明：其與液滴去除夾雜的機理類似，流體內液滴與固粒的碰撞存在3種形式：慣性碰撞、截留捕獲和尾流捕獲.通過理論公式計算了單獨的慣性碰撞捕獲效率及同時考慮慣性碰撞和截留的捕獲效率，發現二者的趨勢基本一致，尤其當液滴直徑較大時，二者曲線大致重合，因此，可以得出慣性捕獲占據主導地位的結論.這與實驗中觀察到的液滴與固粒聚合大多數都是慣性碰撞相吻合.對實驗數據進行了分析計算，得到了實驗中液滴捕獲固粒的捕獲效率，發現所得曲線與理論計算捕獲效率值相比，有一定差異，但是趨勢基本一致.這是因為湍動程度較低，不同直徑的捕獲效率相對較為均勻，沒有理論計算曲線那樣陡峭.

工程科學學報. 2017 39(2): 196-201.

添加Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<-ZrO<sub<2</sub<復合粉改性氧化鋯質定徑水口及其損毀機理

通過添加溶膠-凝膠法制備的Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<-ZrO<sub<2</sub<復合粉，對陶瓷型和顆粒型氧化鋯質定徑水口進行改性.對比研究了陶瓷型和顆粒型定徑水口改性前后物理性能，礦物相組成和顯微結構的變化，并通過現場連鑄實驗對四種定徑水口損毀機理進行了探討.結果表明：相較于顆粒型定徑水口，陶瓷型定徑水口的顯氣孔率較低，體積密度和耐壓強度較高，熱震穩定性較差，抗侵蝕和沖刷性能較好.通過添加Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<-ZrO<sub<2</sub<復合粉改性后的定徑水口顯氣孔率降低，體積密度增加，耐壓強度提高，顆粒型定徑水口的熱震穩定性有了較大的提升，熱震次數約為改性前的1.5倍以上.通過對連鑄現場實際使用35 h后的殘樣分析發現，陶瓷型水口損毀主要是由于熱震穩定性差導致使用時發生炸裂，炸裂產生的裂紋引起一定程度的剝落和擴徑.未改性顆粒型定徑水口由于強度低和顯氣孔率高，剝落和擴徑更為嚴重，添加Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<-ZrO<sub<2</sub<復合粉改性后生成的鎂鋁尖晶石增強相大幅度提高了顆粒水口的熱震穩定性和抗沖刷侵蝕性能，連鑄現場使用后幾乎未擴徑.

工程科學學報. 2017 39(2): 202-207.

微波加熱與常規加熱硅錳粉固相脫硅動力學比較

采用微波加熱和常規加熱對硅錳粉和巴西粉錳的脫硅反應進行了動力學行為研究，以巴西粉錳為脫硅劑，與硅錳粉中的硅發生氧化還原反應.微波加熱和常規加熱分別加熱到不同溫度并保溫一定時間，測定產物中硅含量并計算固相脫硅反應的表觀活化能.實驗表明：單一和混合料均可在微波場中快速升溫.隨著溫度的升高和保溫時間的延長，兩種加熱方式脫硅率均隨之提高，在相同實驗條件下，微波加熱的脫硅率和反應速率均高于常規加熱，微波加熱可以提高固相脫硅率；微波加熱固相脫硅反應的限制性環節為擴散環節，其表觀活化能為102.93 kJ·mol<sup<-1</sup<，常規加熱脫硅反應的表觀活化能為180 kJ·mol<sup<-1</sup<，說明微波加熱能改善固相脫硅的動力學條件，提高固相脫硅反應速率，降低脫硅反應的活化能.

工程科學學報. 2017 39(2): 208-214.

MgO含量對CaO-Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<-MgO-Fe<sub<<i<x</i<</sub<O-SiO<sub<2</sub<-K<sub<2</sub<O系熔體性質的影響

研究了MgO含量變化對CaO-Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<-MgO-Fe<sub<<i<x</i<</sub<O-SiO<sub<2</sub<-K<sub<2</sub<O系熔體黏度和熔化特性的影響，結合X射線衍射和掃描電鏡分析熔渣冷卻過程中的物相析出，并通過FactSage軟件計算了該體系的黏度、熔點和冷卻過程中析出相的含量與溫度的關系，并與實驗結果進行了對比和分析.結果表明，MgO含量的增多會造成熔渣熔化溫度的升高，黏度隨溫度變化時會出現黏度驟增的轉折點，高于轉折點溫度時，熔渣黏度隨MgO含量變化不大，同時該轉折點溫度隨MgO含量的增加而升高.在熔渣冷卻過程中析出相主要為固溶的橄欖石相和Fe<sub<3</sub<O<sub<4</sub<尖晶石相，MgO含量的增大可以促進橄欖石相的析出，熔體黏度驟增主要由于橄欖石相的析出造成的.

工程科學學報. 2017 39(2): 215-221.

Mn元素對過流冷卻過共晶Al-22Si-2Fe-<i<x</i<Mn合金顯微組織及耐磨性的影響

采用常規鑄造和分段式傾斜板過流冷卻鑄造工藝制備Al-22Si-2Fe-<i<x</i<Mn合金，研究表明：過流冷卻制備工藝能夠改善初生Si形貌及尺寸，但對針狀富Fe相作用有限.利用掃描電鏡、X射線衍射及透射電鏡等手段分析過流冷卻條件下Mn元素添加對富Fe相晶體結構的影響，通過摩擦磨損實驗研究不同Mn/Fe質量比的過共晶Al-Si合金的硬度及耐磨損性能.結果表明：隨著過流冷卻鑄造過共晶Al-Si合金中Mn/Fe質量比增加，合金中四方結構的長針狀富Fe相逐漸減少直至基本消失，當Mn/Fe質量比為0.7時，富Fe相主要為六方結構的塊狀或魚骨狀α-Al<sub<15</sub<（Fe，Mn）<sub<3</sub<Si<sub<2</sub<相，此時，合金耐磨性較未添加Mn元素時有所提升，磨損機制以磨料磨損方式為主.

工程科學學報. 2017 39(2): 222-231.

鐵粉表面硫化處理制備高密度Fe-Cu-C合金

突破常規鐵基粉末合金的制備工藝，設計出一種制備高密度Fe-Cu-C合金的新工藝.通過對鐵粉表面進行硫化處理，Fe與S反應合成FeS，均勻包覆在Fe粉顆粒表面，形成一層FeS潤滑薄膜，有利于降低壓制摩擦力.通過X射線衍射、掃描電鏡、和場發射掃描電鏡分析研究材料的物相、元素分布和顯微組織.研究結果表明：包覆在鐵粉顆粒表面的FeS薄膜，有利于提高壓坯密度，活化燒結.當S質量分數為0.5%時，硫化處理的Fe-2Cu-0.8C合金的力學性能優異，壓坯密度7.31 g·cm<sup<-3</sup<，硬度78.6 HRB，抗拉強度485 MPa；當S質量分數達到0.8%時，多余的FeS占壓制體積分數，導致試樣的壓坯密度降低，力學性能降低.

工程科學學報. 2017 39(2): 232-237.

超聲外場對SiCp/7085復合材料顆粒微觀團聚與界面結合的作用機理

采用半固態混合-機械攪拌-超聲施振的方法制備了體積分數為10%的SiCp/7085復合材料，通過金相顯微鏡、掃描電鏡和X射線衍射對顆粒分布與界面進行研究，重點研究超聲外場對復合材料顆粒團聚與界面結合的作用機理.實驗結果表明：單純機械攪拌對400目顆粒的團聚與界面結合的作用效果有限；超聲外場下，空化作用產生的微射流與瞬時高溫高壓能夠有效破除顆粒團聚體的包裹層，打散顆粒；超聲破除顆粒表面氧化膜，除去氣體層，使熔體中的鎂元素與顆粒直接接觸并反應是改善熔體與顆粒潤濕性的重要因素；最終在界面處生成MgAl<sub<2</sub<O<sub<4</sub<強化相，從而獲得更優的界面結合.

工程科學學報. 2017 39(2): 238-243.

釔基稀土對E36鋼板顯微組織及沖擊性能的影響

運用掃描電鏡及能譜等分析手段研究了釔基稀土對E36鋼中夾雜物的變質作用以及對顯微組織和沖擊性能的影響.研究表明，釔基稀土改善了E36鋼的顯微組織，減少了珠光體的片間距和含量.加入釔基稀土后，E36鋼的沖擊斷口由典型的解理斷口變為準解理+韌窩型斷口，韌窩中細小球狀的稀土夾雜是其轉變的主要原因.加入少量的釔基稀土顯著改善了E36鋼的沖擊韌性，尤其是低溫沖擊性能.在-60℃情況下，E36Re鋼的縱向沖擊功較E36鋼提高了33.5%，橫向沖擊功提高了113.7%.并且，釔基稀土顯著改善了E36鋼縱橫向沖擊性能的差異性，未加稀土E36鋼的縱、橫沖擊比均大于1.70，-60℃條件下達到2.77，而E36Re鋼的縱、橫沖擊比為1.51~1.73.

工程科學學報. 2017 39(2): 244-250.

低碳鋼連鑄板坯表層凝固鉤的特征

對不同澆鑄條件下的低碳鋼連鑄板坯進行了凝固鉤（Hook）的特征研究，根據凝固鉤的形貌概括了凝固鉤的不同類型，統計了凝固鉤周圍氣泡和夾雜物的分布，討論了不同澆鑄參數對鑄坯凝固鉤深度的影響，并通過Bikerman方程和彎月面凝固理論對凝固鉤的不同特征進行了解釋.結果表明：按形貌可將凝固鉤分為完整葉狀、雙凝固鉤、彎曲截斷型和二次凝固型四種類型，其中二次凝固型的凝固鉤出現的概率最高為46.8%，而完整葉狀、彎曲截斷型和二次凝固型的凝固鉤出現概率分別為25.3%、7.6%和6.3%；研究發現，凝固鉤周圍的夾雜物數量明顯多于其他區域的夾雜物數量，說明凝固鉤能夠捕獲結晶器內上浮的夾雜物；對比不同澆鑄參數發現，采用結晶器電磁制動裝置（FC-Mold）、減小結晶器水口浸入深度、增大澆鑄拉速均能夠減小凝固鉤的深度；Bikerman方程的計算結果和彎月面凝固理論能在機理上解釋凝固鉤的形貌特征.

工程科學學報. 2017 39(2): 251-258.

溫度對40Cr鋼溫擠壓成形的摩擦-磨損性能影響

采用溫擠壓技術對40Cr鋼進行成形試驗，考察了不同溫度下溫擠壓試樣的摩擦-磨損行為.通過掃描電鏡、能譜儀和X射線衍射儀分析了40Cr鋼磨損后表面形貌、化學元素分布和物相組成，討論了40Cr鋼溫擠壓的磨損機理.結果表明，在擠壓溫度為550℃時試樣晶粒尺寸細小，殘余奧氏體含量較高，硬度最高，其磨損性能為最佳；而當溫度為650℃和750℃時，晶粒尺寸較粗大，殘余奧氏體含量降低.在5N載荷作用下，擠壓溫度為550℃時，摩擦因數為0.7667；當擠壓溫度達到650℃，摩擦因數為0.8587，提高了12.01%，磨損性能降低；750℃時，摩擦因數為0.8764，相比550℃提高了14.31%，磨損性能進一步變差；在550、650和750℃時，磨損形式主要為磨粒磨損.

工程科學學報. 2017 39(2): 259-266.

芯棒直徑對楔橫軋5Cr21Mn9Ni4N空心氣門壁厚均勻性的影響規律

楔橫軋空心軸類件存在壁厚分布不均問題，特別是在小直徑大長徑比空心件楔橫軋成形中更為突出.本文在Gleeble-1500D熱模擬實驗機上進行了5Cr21Mn9Ni4N耐熱鋼的熱壓縮實驗，得到了5Cr21Mn9Ni4N的熱變形本構方程.通過改變芯棒直徑，采用有限元仿真和實驗相結合的方法，研究了楔橫軋軋制空心氣門過程中的壁厚變化規律.研究結果表明，帶芯棒軋制時，芯棒直徑存在臨界值，在該值下進行軋制，空心氣門預制坯壁厚均勻性最優；楔橫軋空心件時，金屬軸向均勻流動是壁厚均勻的必要條件；軋件軸向拉應變減小，徑向壓應變變大，周向應變在0附近且為拉應變時，壁厚較為均勻.

工程科學學報. 2017 39(2): 267-275.

無鐘高爐爐料分布預測模型

為提高無鐘高爐爐喉料面的預測精度，建立了考慮爐料運動的爐料分布數學模型.在分析爐料運動的基礎上，指出了爐料運動是影響爐料堆積過程的重要因素，采用尺寸比1∶10的無鐘布料器模型試驗分析了不同爐料分速度對爐料堆積行為的影響，建立了考慮爐料運動因素的料堆輪廓預測模型，并通過數值方法確定了料堆的位置和料面輪廓曲線，應用于料面形狀的預測.結果表明：爐料的運動是造成料堆兩側堆積角差異、料堆橫截面面積變化以及料面輪廓改變的重要原因，料堆輪廓采用直線段和曲線相結合的方式進行構造，爐料的堆積角和曲線過渡區域長度作為重要的模型參數均考慮了爐料速度的影響，模型構造的輪廓接近真實料堆形狀，應用該模型實現了爐喉料面的準確預測.

工程科學學報. 2017 39(2): 276-282.

高爐休風時供氧管網壓力對氧氣調度的影響

以國內某大型鋼鐵企業空分廠為研究對象，基于混合整數線性規劃方法建立以氧氣放散量最小為目標的生產調度模型，并在此基礎上以高爐休風期間的氧氣生產調度為案例，分析了高爐開始休風期間管網初始壓力對氧氣放散率的影響.高壓管網初始壓力大于臨界值時，系統出現氧氣放散，放散率隨初始壓力上升呈近線性增大關系，高壓管網緩沖容量越大，該線性關系斜率越大.有氧氣放散的情況下，對于同一高壓管網初始壓力，高壓管網緩沖容量越大，系統放散率越小.該趨勢隨著高壓管網初始壓力增大變得越來越不明顯，當初始壓力等于最高壓力時，高壓管網緩沖容量的大小對放散率沒有影響.

工程科學學報. 2017 39(2): 283-293.

粗軋板坯鐮刀彎控制模型的研究與應用

針對經常困擾熱軋生產的粗軋板坯鐮刀彎缺陷，本文結合彈跳方程和解析法，分析了引起板坯鐮刀彎的主要因素——軋機兩側縱向剛度偏差、來料楔形及軋件運行走偏，分別計算了其對應的調整量，建立了基于軋機兩側軋制力差的鐮刀彎調平控制模型.該模型可反映軋機兩側縱向剛度差、來料楔形及軋件運行走偏等主要因素與鐮刀彎的定量關系，進而計算出控制鐮刀彎的粗軋機各道次輥縫傾斜調整值.與現場實測值進行離線驗證對比，實測值與計算值比值平均為0.977，結果表明鐮刀彎調平模型能夠預估板坯各道次輥縫傾斜調整值.將模型投入2250 mm熱軋機組使用后，板坯鐮刀彎彎曲量未達標率從24.88%下降到6.62%，提高了鐮刀彎控制效果，使粗軋板坯鐮刀彎問題得到了很大緩解.

工程科學學報. 2017 39(2): 294-300.

基于ANSYS的新型聚合物石英壓電傳感器振動性能分析

新型聚合物石英壓電傳感器制備過程中，AT切型石英壓電傳感器基體的表面粗糙度及其基膜界面化學性質影響聚合物薄膜的生長，導致聚合物薄膜厚度不均勻、表面存在缺陷，使得傳感器采集的頻率信號不穩定.本文建立了新型聚合物石英壓電傳感器在考慮薄膜厚度不均、中心缺陷條件下的力學模型，利用ANSYS有限元軟件對其進行模態分析，得到復雜條件下傳感器振動特性.模態分析結果發現，傳感器固有頻率值隨聚合物薄膜缺陷的半徑值增大呈現出從穩定到發散的趨勢、隨薄膜的厚度值增大呈現出線性增大的趨勢.研究結果表明，新型聚合物石英壓電傳感器的生產應確保薄膜厚度均勻且嚴格控制中心缺陷半徑小于0.5 mm，該結果為制備穩定的新型聚合物石英壓電傳感器提供了重要依據.

工程科學學報. 2017 39(2): 301-308.

基于泊松簇過程的三層異構蜂窩網絡部署模型

5G標準下的蜂窩網絡正在向異構化、超密集化的方向發展，傳統的基于六邊形網格模型的研究方法較為理想化且并不精確，越來越不適用于如今的異構網絡.針對這個問題，目前常用的方法是使用基于隨機幾何的泊松點過程來研究異構網絡的基站部署，這種方法假設基站的空域分布完全隨機，因此得到了覆蓋概率的理論下界.但是由于宏蜂窩邊緣（盲區）以及熱點地區（忙區）等特殊區域中，站點的分布可能形成簇，此時，基于泊松點過程的空域分布將不再準確.針對這個問題，本文使用泊松簇過程研究三層異構蜂窩網絡的基站部署與規劃.首先，提出基于泊松簇過程的基站部署系統模型，討論了基于簇分布的基站形成過程；其次，在充分分析用戶受到的聚集干擾基礎上，采用基于瞬時信干噪比的小區選擇機制，推導出了中斷概率模型，并討論了三種特殊條件下的中斷概率；最后，通過仿真對比分析了基于泊松簇過程與泊松點過程的中斷概率的差異以及信干噪比閾值變化時的中斷概率的變化曲線，證明了基于簇的空域基站部署具有更低的中斷概率.

工程科學學報. 2017 39(2): 309-316.