工程科學學報

粉末冶金在高熵材料中的應用

2019-12-01

高熵材料是近年來出現的一種新型材料，具有高強度、高硬度、良好耐腐蝕和優異的高溫組織穩定性等性能，在航空航天、高溫以及先進核能等領域展現了廣闊的應用前景，引起國際材料領域的廣泛關注，相關研究也取得了很大進展。粉末冶金作為一種高性能金屬基和陶瓷復合材料的先進制備技術，可以獲得納米晶和過飽和固溶體等亞穩材料，同時也可用于傳統熔煉法較難制備的具有特殊結構和性能的材料，近些年來，粉末冶金技術在高熵材料制備中得到廣泛應用。本文從高熵材料的應用理論出發，針對目前高熵材料粉體制備方法、塊體成型以及粉末冶金制備的典型高熵材料三個方面予以綜述，著重闡述了高熵材料的力學性能和其變形行為特點，同時展望了高熵材料的未來發展趨勢。

工程科學學報. 2019 41(12): 1501-1511. Published 2019-12-01

仿生撲翼飛行器的視覺感知系統研究進展

2019-12-01

仿生撲翼飛行器是一類模仿鳥及昆蟲通過機翼主動運動產生升力和推力的飛行器。因具有飛行效率高，機動性強、隱蔽性好等優點，撲翼飛行器近年來受到越來越多的關注和研究。小型撲翼飛行器由于其精巧的結構和可操作性，能夠適應更復雜的環境，但也限制了其飛行負載能力和電池續航時間。在許多場景中，高質量和高功耗的傳感器不再適用于撲翼飛行器。自然界生物得到的信息絕大多數是通過視覺途徑獲取的。視覺作為一個獲取信息的有效途徑，在撲翼飛行器的應用中有著不可替代的作用。視覺傳感器具有質量輕、功耗低、圖像信息豐富等優點，因此非常適合于搭載在撲翼飛行器上。隨著微電子、圖像處理等技術的不斷發展，以撲翼飛行器為平臺的視覺感知系統也取得了重要進展。本文首先介紹了國內外幾款有代表性的撲翼飛行器的視覺感知系統，分為機載視覺感知系統和外部視覺感知系統兩類；然后簡述了三個系統關鍵技術即圖像消抖技術、目標檢測與識別技術、目標跟蹤技術的發展現狀，進而總結發現撲翼飛行器的視覺感知系統研究目前還處于起步階段；最后指出圖像消抖、機載實時處理、目標檢測與識別、三維重建等可以作為撲翼飛行器視覺感知系統的未來研究方向。

工程科學學報. 2019 41(12): 1512-1519. Published 2019-12-01

功能化新型耐火材料的設計、制備及應用

2019-12-01

圍繞兩種新型耐火材料展開，即鋼包精煉用高性能低碳鎂碳耐火材料以及超低氧鋼用耐火材料，初步實驗表明，將大尺寸的碳硅化鋁（Al<sub<4</sub<SiC<sub<4</sub<）引入到鎂碳磚（MgO?C）中不僅可以提高其抗氧化能力，又能對含碳耐火材料氧化后的疏松結構進行修復，有望成為新一代鋼包精煉用高性能低碳鎂碳耐火材料；CaO?MgO?Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<（CMA）材料兼具優異的熱機械和耐渣侵性能的同時，還可以在服役過程產生低熔點精煉渣相，具備凈化鋼水的潛力。可以預見，上述功能化新型耐火材料有望為高品質鋼的進一步發展提供有力材料支撐。

工程科學學報. 2019 41(12): 1520-1526. Published 2019-12-01

單寧酸復配緩蝕劑的成膜特性及緩蝕性

2019-12-01

單寧酸由于環保、價格低的特點在金屬保護方面應用廣泛，然而單一利用單寧酸作為緩蝕劑取得的效果有限，有研究表明鹽類與緩蝕劑復配可以改善緩蝕劑的緩蝕效果。在此基礎上進行單寧酸復配緩蝕劑的研究，采用兩種復配劑氯化鐵、鉬酸鈉分別與單寧酸（TA）緩蝕劑進行復配，研究其對碳鋼Q235的緩蝕效果。通過硫酸銅點滴實驗、浸泡實驗、電化學實驗對比氯化鐵、鉬酸鈉分別與單寧酸復配后在碳鋼表面的成膜特性及緩蝕效果。硫酸銅點滴液變色時間隨著單寧酸中氯化鐵和鉬酸鈉兩種化合物濃度的升高出現先增加后降低的趨勢；浸泡實驗可以看出在單寧酸中加入氯化鐵和鉬酸鈉后，碳鋼表面僅出現個別點蝕坑；根據電化學測試結果，對比加入氯化鐵前后單寧酸緩蝕劑對碳鋼的緩蝕效果，發現兩者的電荷轉移電阻由2698變為3711 Ω·cm<sup<2</sup<，腐蝕電流密度由2.734降為1.902 μA·cm<sup<?2</sup<。加入鉬酸鈉后，電荷轉移電阻和腐蝕電流密度存在明顯的增加與下降，電荷轉移電阻由2698變為5100 Ω·cm<sup<2</sup<，腐蝕電流密度由2.734降為0.714 μA·cm<sup<?2</sup<。在單寧酸中添加氯化鐵和鉬酸鈉都能改善單寧酸的緩蝕效果，其中單寧酸與鉬酸鈉復配的緩蝕效果更好。

工程科學學報. 2019 41(12): 1527-1535. Published 2019-12-01

基于氮化鈦–石墨烯的傳感器對多巴胺和尿酸的電化學檢測

2019-12-01

采用水熱法和還原氮化法合成了菊花狀形貌的氮化鈦（TiN）納米材料，并將其與還原氧化石墨烯（rGO）水熱復合制備了氮化鈦–還原氧化石墨烯（TiN-rGO）復合材料。利用掃描電鏡、X射線衍射、X射線光電子能譜等測試方法對材料的形貌和物相進行了表征和分析。結果表明，TiN-rGO復合材料很好地保持了TiN菊花狀的三維結構和rGO透明褶皺的形貌，且層狀的rGO均勻地包覆在了菊花狀的TiN的周圍。用TiN-rGO復合材料修飾玻碳電極（GCE）制得了TiN-rGO/GCE電化學傳感器，用于測定人體中的生物小分子DA和UA。由于復合材料中TiN和rGO的協同效應，構建的電化學傳感器表現出了優秀的電化學性能。檢測結果表明：TiN-rGO/GCE傳感器對DA和UA的檢測限分別為0.11和0.12 μmol·L<sup<?1</sup<，線性范圍分別為0.5～210 μmol·L<sup<?1</sup<和5～350 μmol·L<sup<?1</sup<，且具有良好的抗干擾性、重現性和穩定性，且成功應用于人體內真實樣品的DA和UA檢測。

工程科學學報. 2019 41(12): 1536-1542. Published 2019-12-01

層狀氮化硼納米片的制備及表征

2019-12-01

基于前驅體合成與氨氣氮化兩步法，通過對前驅體合成關鍵參數B源/N源比、分散劑種類、前驅體干燥方式進行調控，實現了大比表面積、少層氮化硼納米片材料的制備。其優化條件為以硼酸為硼源，尿素為氮源，硼酸與尿素摩爾比為1∶30，甲醇和去離子水作為分散劑，利用真空冷凍干燥方式合成前驅體。將前驅體在氨氣氣氛下900 ℃保溫3 h合成了氮化硼納米片。利用X射線衍射測試、X射線光電子能譜測試、拉曼光譜測試、熱重分析測試等對合成產物進行了物相和結構表征，利用掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡、氮氣吸脫附曲線等對合成產物進行了形貌及比表面積表征。結果表明：合成的氮化硼為六方氮化硼納米片（h-BNNSs），純度高，形貌類石墨烯，層數為2～4層，厚度平均為1 nm，比表面積為871.8 m<sup<2</sup<·g<sup<?1</sup<，單次產物質量平均可達240 mg，合成產物平均產率可達96.7%。該方法簡單易操作，實現了大比表面積少層氮化硼的制備，有助于氮化硼在各應用領域的研究，如氮化硼/石墨烯復合材料、納米電子器件、污染物的吸附、儲氫等。

工程科學學報. 2019 41(12): 1543-1549. Published 2019-12-01

Pt?Au?Cu 三元核殼結構納米線的制備與結構表征

2019-12-01

通過水溶液還原法在80 ℃合成Cu納米線，再利用液相還原法在低溫水溶液中將Au負載于其表面，最后通過暴露的Cu納米線與Pt前驅體鹽發生Galvanic置換反應，將Pt負載在Au?Cu納米線表面，構成Pt?Au?Cu三元核殼結構納米線。根據對樣品形貌、結構的表征和分析，探討了Pt?Au?Cu納米線的合成機理。結果表明：合成納米線物相組成為單質Cu，平均直徑約為83 nm；負載Au后的Au?Cu納米線平均直徑約為90 nm，表面附著的小顆粒為單質Au顆粒，構成了核殼結構；負載Pt后得到Pt?Au?Cu三元核殼結構納米線，平均直徑約為120 nm。Cu納米線表面Au顆粒的形成依賴于異相形核與長大機制，并遵循先層狀后島狀生長的混合生長模式。負載Pt過程中存在Pt、Cu互擴散，使得最終納米線表面多為Pt顆粒而整體則形成CuPt 合金相。

工程科學學報. 2019 41(12): 1550-1557. Published 2019-12-01

基于均勻化理論的復合材料安定性分析方法

2019-12-01

周期性非均質復合材料具有微觀結構特征，需要均勻化理論進行宏觀和微觀的多尺度分析來研究其性能表現。針對其耐久強度性能，應用塑性極限安定下限定理，特別分析了其在長期交變載荷下的安定狀態。結合工程應用目標，提出一種全新的代表性單元邊界條件，結合圓錐二次優化算法進行數值計算，可以從材料微結構和組分性能出發，經過彈性應力場求解確定位移邊界載荷數值，最終由優化求解得到復合材料板材的面內塑性性能容許域。所求得的應力域以單向應力為基，可根據結構宏觀的單向應力狀態變化幅值直接進行安定狀態與否的判定。通過文中的多個算例，驗證了所編寫的軟件及計算流程的可行性及數值準確性，展示了該方法在工程模型中的應用場合和工程實踐意義。

工程科學學報. 2019 41(12): 1558-1566. Published 2019-12-01

202不銹鋼中非金屬夾雜物的形成機理

2019-12-01

通過工業試驗對202不銹鋼進行系統取樣，分析試樣中夾雜物的變化特征，結合熱力學計算，研究了202不銹鋼中非金屬夾雜物的形成機理。在進行硅錳脫氧后，LF精煉過程中鋼液內以球型Ca?Si?Mn?O夾雜物為主。對于硅錳脫氧鋼，鋼液中殘余鋁質量分數為1×10<sup<?5</sup<時，可以擴大Mn?Si?O相圖的液相區，但鋁質量分數超過3×10<sup<?5</sup<會導致鋼中容易形成氧化鋁夾雜物并減小液相區。在連鑄坯中以Mn?Al?O類夾雜物為主，相較于LF精煉過程試樣，連鑄坯試樣中夾雜物的MnO和Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<含量明顯增加，CaO和SiO<sub<2</sub<含量明顯減小，夾雜物個數則由LF出鋼試樣的5.5 mm<sup<?2</sup<增加到11.3 mm<sup<?2</sup<。結合熱力學計算發現，凝固過程中會有Mn?Al?O夾雜物形成，這也使其成為連鑄坯中主要的夾雜物類型。

工程科學學報. 2019 41(12): 1567-1574. Published 2019-12-01

時效制度對Al–Zn?Mg合金組織和抗應力腐蝕性能的影響

2019-12-01

采用慢應變速率拉伸應力腐蝕、室溫拉伸、透射電鏡等檢測方法，研究傳統T5、T73時效處理，以及新型T5I4、T5I6斷續時效處理對Al–Zn?Mg合金微觀組織、室溫拉伸性能及抗應力腐蝕性能的影響。結果表明：斷續時效T5I4處理后材料抗拉強度為400.0 MPa，明顯高于傳統T5及T73態樣品，但材料抗應力腐蝕性能變差，應力腐蝕敏感系數為5.7%；而經斷續時效T5I6處理后，材料的抗拉強度為408.5 MPa，較T5I4態相比有所提升，與此同時抗應力腐蝕性能也得到明顯改善，應力腐蝕敏感系數為3.2%，該值明顯小于T5I4及T5態；T5I4態晶內析出相平均粒徑為2.0 nm，體積分數為8.8%，均明顯小于其他3種時效制度，其晶界析出相為細小且連續分布的點狀析出相；而經T5I6時效處理后晶內析出相體積分數為24.6%，明顯大于其他3種時效制度，晶內析出相平均粒徑（4.1 nm）較T5I4態有所增大，但依然小于T5、T73態，其晶界處析出相與T5I4態相比更加粗大，呈斷續分布形貌。

工程科學學報. 2019 41(12): 1575-1582. Published 2019-12-01

微波加熱金屬液體的實驗研究

2019-12-01

研究微波加熱液態金屬的升溫特征，在MobileLab-W-R型微波工作站中進行了微波直接加熱銅液和鐵液的實驗研究，實現了微波直接加熱銅液和鐵液實驗，對比研究了微波直接加熱和間接加熱銅液與鐵液的加熱效果，并研究了微波功率、金屬液質量、溫度等對微波直接加熱效果的影響，探討了微波直接加熱金屬液體的機理。結果表明，微波可以以較快的升溫速度直接加熱銅液和鐵液，且升溫速率與微波加熱功率呈近似線性遞增關系；在相同微波直接加熱條件下，同等質量的銅液和鐵液的升溫速度相近，但不同質量鐵液加熱時，由于其表面積、微波場強分布等因素的影響，鐵液質量對微波加熱效果的影響沒有明顯的線性關系。理論分析認為，銅和鐵在熔化后電阻率增大，磁導率明顯下降，導致微波在銅液和鐵液內部的趨膚深度顯著大于固態銅和鐵；電導損耗是實現微波直接加熱液態金屬的主要機制，液態金屬可通過電子與原子核碰撞、表面快速更新、內部缺陷阻礙電子運動、原子運動及碰撞等形式吸收微波，將微波能量轉化為自身熱量。

工程科學學報. 2019 41(12): 1583-1590. Published 2019-12-01

700 MPa級別熱軋高強鋼氧化鐵皮結構轉變規律

2019-12-01

選取700 L作為試驗用典型鋼種，利用高溫同步熱分析儀（TGA）研究了熱軋過程中不同卷取溫度和冷卻速率條件對氧化鐵皮結構轉變的影響規律。實驗結果表明，450～500 ℃為700 L共析轉變的“鼻溫”區間，此時共析轉變的孕育期最短，容易發生共析轉變，生成大量的共析組織（Fe+Fe<sub<3</sub<O<sub<4</sub<）。相較于其他成分鋼種的氧化鐵皮共析組織轉變規律，700 L中添加的Mn、Nb、Ti元素會使晶粒細化，進而使參與反應的離子的擴散通道增加，并最終使共析轉變速率發生一定的延遲，共析“C”曲線整體出現向左偏移。

工程科學學報. 2019 41(12): 1591-1598. Published 2019-12-01

仿鴻雁編隊的無人機集群飛行驗證

2019-12-01

為了降低無人機集群控制的復雜度，高效解決大規模無人機集群控制和長距離飛行時集群變拓撲問題，設計了一種仿鴻雁群編隊的無人機集群自主協同控制方法，借鑒自然界中的鴻雁編隊行為機制，開發了面向無人機平臺的分布式仿生集群控制系統。鴻雁是一種常見的集群鳥類，其在遷徙途中表現的自組網和編隊變拓撲行為與無人機集群飛行有極高的相似性。仿鴻雁編隊行為機制的無人機集群飛行驗證系統采用了低成本四旋翼無人機，利用無線局域網進行組網通信。外場飛行試驗結果表明，自然界中的鴻雁編隊行為機制有助于無人機集群的快速精準編隊控制，實現了無人機的位置實時變拓撲，提高了無人機集群飛行的魯棒性。

工程科學學報. 2019 41(12): 1599-1608. Published 2019-12-01

干濕循環作用對水泥基復合充填材料的影響

2019-12-01

為探究干濕循環對水泥基復合充填材料長期穩定性的影響，以水灰比4∶1水泥基復合材料為研究對象，借助ETM力學試驗系統、X射線衍射及掃描電鏡掃描裝置，對不同干濕循環次數下“飽水”狀態和“失水”狀態的試件進行單軸抗壓強度試驗，并通過物相分析及微觀結構探討干濕循環對其影響機理。結果表明，隨著干濕循環次數的增加，“飽水”狀態下失水率逐漸增大，含水率和容重呈下降趨勢，峰值強度先增加后減小，增幅最高達9%；“失水”狀態下失水率、含水率和容重均變化不大，峰值強度較初始狀態有所降低，最高達13.5%；兩種狀態彈性模量和殘余強度都呈下降趨勢。通過機理分析發現，“干”過程中碳化反應是材料強度降低的主要原因，而“濕”過程中吸水將部分碳酸鈣等物質轉化為具有承載能力的鈣礬石（AFT）和碳硫硅鈣石（TSA）是材料強度恢復的主要原因，但恢復能力有限，長期的干濕循環會對水泥基復合充填材料穩定性產生不利影響。

工程科學學報. 2019 41(12): 1609-1617. Published 2019-12-01

聚丙烯纖維加筋固化尾砂強度及變形特性

2019-12-01

針對膠結充填體脆性強、易開裂等問題，以聚丙烯纖維為加筋材料，通過設置水泥與尾砂質量比為1∶10和1∶20，纖維摻量為0、0.05%、0.15%和0.25%的充填體進行無側限抗壓強度試驗，探究纖維摻量對膠結充填體強度及變形特性的影響，借助掃描電鏡（SEM），從微觀角度探討纖維對充填體力學性質的作用機制。研究結果表明：充填料漿的屈服應力隨纖維摻量增加呈線性增大，其流態模型符合Bingham流體；隨著纖維摻量的增加，充填體的無側限抗壓強度呈先增大后減小趨勢，纖維最優摻量為0.15%；摻入纖維有效地減緩了裂紋的擴展，約束了充填體的變形，充填體的峰后應變軟化延長，殘余強度增大，破壞特征由脆性向延性轉變；纖維的加固效果主要受纖維與尾砂?水泥基體界面之間的黏結與摩擦作用控制。

工程科學學報. 2019 41(12): 1618-1626. Published 2019-12-01