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

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2017年第39卷第7期

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圖案化氧化鋅在能源器件中的應用

司浩楠, 康卓, 陳翔, 白智明, 張隨財, 張躍

2017, 39(7): 973-980. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.001

[摘要](661)

[PDF 1288KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
ZnO作為一種典型的直接帶隙寬禁帶半導體材料極具開發潛力和應用價值.隨著圖案化技術的不斷發展優化,ZnO納米棒陣列的精確可控制備逐步得到實現.本文綜述了利用激光限域技術制備圖案化ZnO納米棒陣列的方法,并詳述了其在太陽能電池和光電化學電池中的應用.激光干涉法制備的ZnO納米陣列比表面積大且具有直線傳輸的優勢,運用于光伏器件和電化學電池中增加了光吸收同時利于載流子傳輸,器件性能顯著提高.圖案化ZnO納米棒陣列具有可控的三維空間結構,廣泛應用關于各類能源器件中,具有極大的研究和應用價值.

基于最大池化稀疏編碼的煤巖識別方法

伍云霞, 田一民

2017, 39(7): 981-987. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.002

[摘要](892)

[PDF 506KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
針對現今煤巖圖像識別方法的缺乏與不足,為了挖掘新的煤巖圖像識別方法以及更好地處理高維煤巖圖像數據,提出了基于最大池化稀疏編碼的煤巖識別方法.本方法在提取煤巖圖像特征時加入了池化操作,在分類識別時采用了集成分類器,即多個弱分類器組成一個強分類器.實驗結果表明:最大池化稀疏編碼的特征提取方式能簡單有效表達煤巖圖像的紋理特征,大大增強煤巖圖像的可區分性,獲得較高的識別率,并且具有良好的識別穩定性.研究結果可為煤巖界面的自動識別提供新的思路和方法.

不同溫度下無煙煤電阻率的層理效應

陳立, 張英華, 黃志安, 高玉坤, 白智明

2017, 39(7): 988-995. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.003

[摘要](867)

[PDF 829KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
選取層理面與軸向夾角θ為0°、30°、45°、60°和90°的無煙煤樣,采用CHI660E型電化學工作站,在0~95℃溫度下測試煤樣的I-V曲線,提出串并聯主導程度概念,采用最小勢能原理和電荷極化原理,分析和研究不同溫度下層理結構對電阻率的影響機理及規律.結果表明:無煙煤電阻率隨溫度升高呈現較強的規律性,當θ為0°時在55℃時出現拐點,其余均在35℃時出現拐點;串并聯主導程度解釋了層理結構對電阻率的影響機理,由關鍵層理面的數量和開始通過時間來決定;無煙煤電阻率受層理結構影響顯著,隨θ增大呈現遞增規律;無煙煤各向異性系數隨溫度升高而增大,在35~65℃范圍內,增大近2倍.

凝固末端電磁攪拌和輕壓下復合技術對大方坯高碳鋼偏析和中心縮孔的影響

安航航, 包燕平, 王敏, 趙立華, 王達志, 劉榮泉, 李鵬

2017, 39(7): 996-1007. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.004

[摘要](1279)

[PDF 1498KB](46) [施引文獻] ()

摘要:
基于ANSYS軟件建立了310 mm×360 mm斷面大方坯連鑄過程二維凝固傳熱數學模型,并采用窄面射釘試驗及鑄坯表面測溫試驗對模型的準確性進行了驗證.通過模型研究了過熱度、拉速和二冷比水量對鑄坯中心固相率以及凝固坯殼分布的影響,并結合高碳耐磨球鋼BU的高溫拉伸試驗結果,確定了最佳的拉速以及最優輕壓下壓下區間要求.通過工業試驗對理論模型進行了驗證,并分析研究了拉速對采用凝固末端電磁攪拌(F-EMS)以及凝固末端17 mm大壓下量的輕壓下技術生產310 mm×360 mm斷面大方坯高碳耐磨球鋼BU鑄坯的偏析和中心縮孔的影響.結果表明:采用凝固末端電磁攪拌和輕壓下復合技術,通過調整拉速優先滿足輕壓下壓下區間要求,可顯著降低中心偏析、V型偏析及中心縮孔,但如果僅達到凝固末端電磁攪拌位置要求時,則鑄坯中心質量不會得到明顯改善.拉速為0.52 m·min^-1且輕壓下壓下區間鑄坯中心固相率為0.30~0.75時,偏析和中心縮孔有很大程度的改善,不合理的壓下量分配會引起鑄坯出現內裂紋以及中心負偏析.

鋁含量對TWIP鋼中夾雜物特征及AlN析出行為的影響

劉洪波, 劉建華, 沈少波, 吳博威, 丁浩, 蘇曉峰

2017, 39(7): 1008-1019. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.005

[摘要](1020)

[PDF 1127KB](51) [施引文獻] ()

摘要:
采用掃描電鏡、X射線能譜儀以及掃描電鏡配置的夾雜物自動掃描統計軟件(INCAFeature)表征了Fe-Mn-C(-Al)系TWIP鋼中夾雜物的成分、形貌和數量,考察了Al質量分數在0.002%~1.590%的四種TWIP鋼中夾雜物的特征和Al含量對AlN析出行為的影響.并在此基礎上,采用了適合TWIP鋼中高錳高鋁特點的熱力學參數對AlN夾雜物進行了系統的熱力學分析.研究表明,在含有相似N質量分數(0.0078%~0.0100%)的TWIP鋼中,當鋼中Al質量分數升高至0.75%時,AlN夾雜物開始在鋼中析出,并在MnS(Se)-Al₂ O₃上局部析出形成MnS(Se)-Al₂ O₃-AlN復合夾雜;當Al質量分數升高至1.07%時,熱力學計算表明AlN已經可以在TWIP鋼液相中形成,經不斷長大后在MnS(Se)夾雜物表面局部析出形成MnS(Se)-AlN復合夾雜物;在Al質量分數為1.59%的TWIP鋼中,AlN的平衡析出溫度比其液相線溫度高出42℃,在液相中形成的AlN可以作為異質核心,MnS(Se)夾雜在其表面包裹形成MnS(Se)-AlN復合夾雜物.另外,在Fe-18.21% Mn-0.64% C-1.59% Al體系的TWIP鋼中,AlN在液相中析出所需的最低氮的質量分數僅為0.0043%.因此,在TWIP鋼的冶煉過程中,應盡可能的降低鋼中的氮含量,避免生成過量的AlN夾雜.

壓力對A380鋁合金的鑄造組織和力學性能的影響

于佰水, 邢書明, 敖曉輝, 孫超

2017, 39(7): 1020-1026. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.006

[摘要](1064)

[PDF 1255KB](31) [施引文獻] ()

摘要:
對A380鋁合金進行了擠壓鑄造成型和傳統重力鑄造成型,并制得試樣.采用偏光顯微鏡、掃描電鏡、定量金相分析、拉伸性能測試等手段,研究在不同壓力下擠壓鑄造A380鋁合金的鑄造組織和力學性能.結果表明:當壓力在0~75 MPa范圍內時,隨著壓力的增加,一次枝晶臂尺寸和氣孔率得到大幅下降,共晶組織體積分數增加;二次枝晶臂間距減小;針狀富鐵β-Al₅ FeSi相尺寸大幅度減小,同時有部分漢字狀α-Al₈(Fe,Mn)₃Si₂相生成.當壓力在75~100 MPa范圍內時,壓力繼續增加對合金組織細化、第二相形貌改善和力學性能提高的作用不明顯.擠壓鑄造試件與重力鑄造試件相比,氣孔率減小,顯微組織細化,力學性能顯著提高.當壓力為75 MPa時,擠壓鑄造A380鋁合金的鑄態抗拉強度和伸長率分別比重力鑄造提高19%和65%.

夾雜物對超高強度鋼應力應變場的影響

侯杰, 董建新, 姚志浩

2017, 39(7): 1027-1035. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.007

[摘要](940)

[PDF 1232KB](40) [施引文獻] ()

摘要:
非金屬夾雜物對鋼性能的影響與夾雜物的特征參數密切相關.首先分析拉伸和疲勞載荷下超高強度鋼中TiN夾雜物導致裂紋萌生的掃描電鏡原位觀察結果,采用MSC Marc有限元分析軟件對夾雜物及周圍基體的應力場進行計算,然后對拉伸載荷下不同特征參數的TiN夾雜物及周圍基體的應力應變場進行模擬.結果表明,有限元法能夠解釋并預測夾雜物及周圍基體的力學行為.三角形夾雜物尖角附近的應力集中最嚴重.矩形夾雜物內部高應力區的位置受夾雜物與外載荷方向夾角的影響.隨鄰近夾雜物間距的增大,基體內的最大應力由夾雜物外側移至夾雜物之間.近表面夾雜物使得基體自由表面附近出現高應力區,基體內最大應力的位置受夾雜物與自由表面距離和尺寸的影響.

Ti6Al4V和Al12A12的擴散連接界面組織及力學性能

黃西娜, 郎利輝, 王剛, 段文

2017, 39(7): 1036-1040. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.008

[摘要](821)

[PDF 565KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
采用熱等靜壓(HIP)工藝連接Al12A12和Ti6Al4V兩種不同的航空航天用材料.利用掃描電鏡、能譜儀和X射線衍射儀觀察連接過渡區的微觀組織和組成的演化,并測試其主要的力學性能.結果表明:采用熱等靜壓制備這兩種材料的界面連接好;Ti/Al反應層界面處形成了不同的金屬間化合物,例如,Al₃ Ti、TiAl₂和TiAl;連接接頭處硬度為163 HV,界面連接處剪切強度達到了23 MPa,比只添加鍍層而無中間層的連接強度提高了約17.9%,但低于帶有中間層的連接強度.由于過燒和孔隙的形成使得斷裂方式是脆性斷裂.由此可知,在熱等靜壓成形過程中異種材料的元素發生了相互擴散,在擴散連接處形成了不同的金屬間化合物,這些金屬間化合物影響連接處的力學性能.

擠壓鑄造零件沿流程方向的成分偏析及組織偏聚

郭莉軍, 邢書明, 敖曉輝, 郭洪鋼

2017, 39(7): 1041-1046. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.009

[摘要](838)

[PDF 925KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
采用擠壓鑄造(液態模鍛)工藝制備了A357鋁合金螺旋線試件,使用化學成分分析和金相分析方法研究了流程長度對合金成分偏析及組織偏聚的影響.結果表明:在沿流程方向上,流程的開始端和流程末端的Si元素和Mg元素含量大于流程中段的含量.合金的初始α晶粒尺寸隨著流程長度的增加先增大后變小.初生固相率隨著流程長度的增大呈現波動變化.造成流程成分偏析和組織變化的原因是在擠壓鑄造凝固階段中補縮液相的強迫運動.

氧化膜對14Cr12Ni2WMoVNb鋼QPQ滲層的室溫摩擦磨損和腐蝕性能的影響

張樂, 張津, 余強, 李洪, 連勇, 高文, 任青松

2017, 39(7): 1047-1054. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.010

[摘要](604)

[PDF 930KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
為了研究14Cr12Ni2WMoVNb鋼QPQ(淬火-拋光-淬火)處理后的氧化膜對滲層室溫摩擦磨損和腐蝕性能的影響,利用金相、X射線衍射分析、掃描電鏡、能譜分析、劃痕儀、摩擦磨損試驗機和電化學工作站對試樣進行了表征.結果表明:氧化膜對滲層室溫摩擦學性能的影響與載荷大小有關.在摩擦時間均為4 min情況下,載荷較小(50 N)時,氧化膜可以降低摩擦系數和體積磨損率;載荷較大(100 N)時,氧化膜被破壞無法降低體積磨損率.氧化膜可明顯提高滲層的耐腐蝕性能.含氧化膜試樣的極化曲線有明顯的鈍化區,點蝕電位為-13 mV,去除氧化膜試樣在鹽霧腐蝕12 h后表面有大范圍的腐蝕區域,而含氧化膜試樣鹽霧腐蝕48 h后才有大區域腐蝕發生.

不同pH值環境中鎳鋁青銅冷噴涂涂層腐蝕磨損性能

孫曉峰, 陳正涵, 李占明, 黃元林, 史玉鵬

2017, 39(7): 1055-1061. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.011

[摘要](899)

[PDF 926KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
鎳鋁青銅合金是鑄造大型艦艇螺旋槳的主要材料,海洋污損生物在合金表面附著引起的pH值變化會加速鎳鋁青銅合金的腐蝕磨損,威脅到艦艇安全航行.采用冷噴涂技術制備了較為致密的鎳鋁青銅涂層,厚度約300 μm,利用掃描電鏡、光學顯微鏡觀察了涂層的微觀形貌,重點研究了涂層在pH值分別為3、7和11,質量分數為3.5%的NaCl溶液中的電化學腐蝕性能和腐蝕磨損行為.實驗結果表明:pH值為3的環境中,鎳鋁青銅基體發生了選相腐蝕,表面疲勞裂紋主要分布在富Cu的α相上,涂層上的犁削溝槽加深發生了磨粒磨損,涂層耐腐蝕性能優于基體;pH值為7的環境中,基體發生了黏著磨損,表面有片層狀金屬剝落,涂層中的孔隙收容了大量磨屑避免了劇烈的三體摩擦,表面犁削溝槽較淺,涂層致鈍電位高于基體,耐腐蝕性能變差.pH值為11的環境中,基體發生了表面疲勞磨損,涂層磨痕上有較深的犁削溝槽,溝槽內有微裂紋,涂層耐腐蝕性能優于基體.總體來說,在不同pH值環境中,涂層由于在冷噴涂過程中發生了冷加工硬化并且涂層上的孔隙收容了磨屑,導致涂層的耐腐蝕磨損性能增強.

新型2Cr1Mo2Ni鋼在含二氧化碳油田采出液中的腐蝕行為

張瑾, 許立寧, 路民旭

2017, 39(7): 1062-1069. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.012

[摘要](568)

[PDF 895KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
為弄清Mo和Ni元素在低Cr鋼耐蝕方面所起的作用,煉制了新型2Cr1Mo2Ni鋼,研究其在模擬油田采出液中的腐蝕行為,實驗條件為80℃,0.8 MPa CO₂分壓.利用掃描電鏡和能譜分析研究了2Cr1Mo2Ni鋼和3Cr鋼的腐蝕產物膜微觀形貌和成分,測試了高溫高壓極化曲線和電化學阻抗譜,分析了腐蝕產物膜的生長過程.實驗結果表明,Mo和Ni元素在提高抗CO₂腐蝕性能方面的作用不及Cr元素.2Cr1Mo2Ni鋼腐蝕164 h后,中低頻感抗弧消失,腐蝕產物膜開始完全覆蓋基體表面;腐蝕240 h后,生成的腐蝕產物膜具有較好的保護性.

高應變速率下鈦-鋼復合板界面組織特征及變形機制

江海濤, 吳波, 張韻, 徐慧慧, 田世偉

2017, 39(7): 1070-1076. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.013

[摘要](691)

[PDF 1242KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
在高應變速率下,鈦-鋼復合板不同材料以不同的變形機制協調變形,結合界面起到至關重要的作用.本文分析研究了高應變速率下鈦-鋼復合板的界面組織特征和變形機制.結果表明:在鋼側,隨著應變速率的提高,小角度(3°~10°)晶界含量增多,織構組分{112}〈241〉逐漸演變為織構{665}〈386〉和{111}〈110〉.在鈦側,隨著應變速率的提高,出現了明顯的形變孿晶組織,三種形變孿晶如{1121}〈1100〉拉伸孿晶、{1122}〈1123〉壓縮孿晶和{1012}〈1011〉拉伸孿晶產生的難易程度不一樣,變形機制由常規的"孿生變形為主"轉變為"位錯滑移與孿生變形共存"的復合變形模式.在結合界面處,隨著應變速率的提高,需要適應由兩側產生的不同變形抗力,才能夠實現連續變形而不致使材料發生破壞,其主要的協調機制依靠結合界面及附近晶粒的滑移實現變形.

一種板材小圓角脹壓復合成形工藝解析

王耀, 郎利輝, 孫志瑩, 闞鵬

2017, 39(7): 1077-1086. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.014

[摘要](696)

[PDF 1086KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
針對薄壁板材零件小圓角特征成形制造難的問題,提出了一種新型脹壓復合成形工藝.其關鍵工藝參數為:預成形高度、預成形凹圓角大小和終成形脹形壓力與背壓凸模運行速度匹配關系.預成形高度決定了終成形小圓角的材料儲備,預成形凹圓角的最佳值為充液拉深時凸模圓角可取的最小值,通過理論分析給出了預成形高度和預成形凹圓角的計算方法.建立了脹壓復合成形過程力學模型,通過應力狀態分析給出了不同脹形壓力與背壓凸模運行速度匹配關系下坯料圓角區變形狀況.同時基于有限元模擬和工藝試驗,研究了預成形高度和終成形脹形壓力與背壓匹配路徑對試驗件成形質量的影響,驗證了理論分析的準確性,并證明了該新工藝的適用性.

結構加速度頻響函數模型修正的Kriging方法

王巨濤, 王春潔, 宋順廣

2017, 39(7): 1087-1093. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.015

[摘要](812)

[PDF 435KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
為提高結構頻響函數模型修正效率,提出將Kriging模型引入優化過程,代替有限元模型進行迭代運算.基于頻響曲線對應頻率點處的響應值之差構造目標函數,并結合初選設計參數進行實驗設計.根據實驗設計結果進行各參數的靈敏度分析,進而篩選出模型修正的待修正參數,基于該參數及其響應構造Kriging模型,經檢驗有效的Kriging模型將參與模型修正過程.以GARTEUR飛機模型為算例,基于加速度頻響數據進行模型修正,修正后模型不僅能復現檢驗點處頻響曲線,還能成功預測結構局部修改后的頻響曲線,證明了Kriging方法應用于頻響函數模型修正的有效性.

旋轉機械設備狀態預警與維修優化

章立軍, 榮銀龍, 劉凱, 張彬

2017, 39(7): 1094-1100. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.016

[摘要](556)

[PDF 375KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
旋轉機械設備的維修策略對于維護機械設備運行狀態,保障產品生產質量有著重要意義,并且直接影響企業經濟效益.頻繁維修雖可以保障設備狀態,但隨之會帶來高昂的維修成本;檢修周期過長雖然可以降低維修次數,減少維修成本,但是設備狀態卻難以保證.本文提出了一種基于峭度指標的故障預警方法以及基于模糊C均值方法的實時維修策略優化方法.通過監測峭度指標變化,可以成功捕捉機械設備的早期故障特征,再使用模糊C均值方法,評估設備狀態,將其結果視為設備運行可靠性指標,根據企業效益最優化的維修建議準則,對設備的維修策略做出實時建議.對某鋼廠的設備狀態監測數據分析驗證,結果表明,本文提出的基于實時維修策略優化方法的維修建議更加適用于現場設備的管理,節約了監測成本,使得企業效益更優.

基于小波包的開關電流電路故障診斷

張鎮, 段哲民, 龍英

2017, 39(7): 1101-1106. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.017

[摘要](533)

[PDF 400KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
為提高開關電流電路故障診斷的精度,提出了一種基于小波包優選和優化BP神經網路的開關電流電路特征抽取與識別方法.首先對開關電流電路原始響應信號進行多層次的小波包分解,接著計算N層分解后的歸一化能量值,以特征偏離度作為評價選擇最優小波包基,構建最優故障特征向量,最后將提取的最優故障特征通過遺傳算法優化的BP神經網絡進行分類.該方法以實例電路進行驗證,結果表明所有的軟故障均得到了有效的分類,說明了該方法在開關電流電路故障診斷中的優越性.

基于橢圓對稱方向矩的可見光與紅外圖像配準算法

陳世偉, 張勝修, 楊小岡, 齊乃新

2017, 39(7): 1107-1113. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.018

[摘要](627)

[PDF 853KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
針對圖像匹配制導中異源圖像匹配難度大的問題,提出一種基于橢圓對稱方向矩的可見光與紅外圖像配準算法.基于最穩定極值區域提取異源圖像中具有尺度和仿射不變特性的橢圓區域,利用聚類分割方法從中自動選取具有異源不變性的同質區域特征,用橢圓對稱方向矩描述區域特征邊界各方向上的相似程度,通過互相關性指標進行特征匹配,獲取匹配特征對,利用匹配矯正策略減少誤匹配.實驗結果表明:較傳統算法,進一步提高了可見光與紅外圖像關聯特征的匹配效率,正確率超過了95%,計算時間縮短了近一半.基本滿足圖像匹配制導對匹配算法實時性好、匹配正確率高、抗干擾能力強等要求.

基于多維時間序列形態特征的相似性動態聚類算法

王玲, 孟建瑤, 徐培培, 彭開香

2017, 39(7): 1114-1122. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.019

[摘要](1019)

[PDF 423KB](59) [施引文獻] ()

摘要:
由于時間序列數據具有高維度、動態性等特點,這就導致傳統的數據挖掘技術很難有效的對其進行處理,為此,提出了一種基于多維時間序列形態特征的相似性動態聚類算法(similarity dynamical clustering algorithm based on multidimensionalshape features for time series,SDCTS).首先,提取多維時間序列的特征點以實現降維,然后,根據多維時間序列的斜率、長度和幅值變化的形態特征定義了一種新的時間序列相似性度量標準,進而提出無需人為給定聚類個數的多維時間序列動態聚類算法.實驗結果表明,與其他算法相比,此算法對時間序列具有良好的聚類效果.

菖蒲和蘆葦對復合重金屬脅迫的生理反應及其富集能力

林海, 劉俊飛, 劉璐璐, 董穎博

2017, 39(7): 1123-1128. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.020

[摘要](781)

[PDF 474KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
研究了水生植物菖蒲和蘆葦對復合重金屬(V、Cr和Cd)的富集能力及對重金屬的生理響應,以考察這兩種植物對重金屬污染水體的修復效果.結果表明,隨著水體中重金屬污染濃度的提高,兩種植物的耐性系數均有所下降,但菖蒲的生長狀況優于蘆葦.在不同重金屬污染濃度下,菖蒲和蘆葦均表現出對Cd的富集能力最強,其次是Cr,而對V的富集能力相對較弱.在相同重金屬濃度下,菖蒲對三種重金屬的富集總量大于蘆葦,在重金屬質量濃度為15 mg·L^-1時,菖蒲對三種重金屬的富集量分別是1065.02、1754.80和4372.40 mg·kg^-1,且菖蒲地下部分對V、Cr和Cd的富集系數分別是蘆葦的2.1倍、1.5倍和1.8倍.綜合考慮得出菖蒲比蘆葦更適用于V、Cr和Cd復合重金屬污染的修復.