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

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2020年第42卷第5期

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基于金屬有機框架材料設計合成鋰離子電池電極材料的研究進展

魯建豪, 薛杉杉, 連芳

2020, 42(5): 527-539. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.29.001

[摘要](5245)

[HTML全文] (1870)

[PDF 1440KB](206) [施引文獻] ()

摘要:
金屬有機框架材料 (Metal-organic frameworks，MOFs）是一種新穎的多孔晶體材料，具有比表面積大、孔隙率高、結構可設計性強等優點，但是，MOFs的低電導率以及在電解液中的穩定性等問題限制了其作為電極材料的應用。近年來，如何結合MOFs的優勢進行鋰離子電池電極材料的設計與合成受到了越來越多的關注。目前，通過自犧牲得到的多孔碳骨架和金屬化合物等MOFs衍生復合電極材料，不僅解決了電導率低的問題，而且保留了MOFs的高比表面積和復雜多孔結構，為鋰離子的插入/脫出、吸附/解吸等過程提供了豐富的活性位點；與此同時，從結構單元和化學組成方面增加了材料結構的復雜性，開放性的孔隙結構可以緩沖體積膨脹帶來的機械應力，對外來離子存儲和多離子傳輸具有重要的意義。本文綜述了MOFs及其衍生物在鋰離子電池電極材料的設計和研究中取得的最新進展，重點闡述了針對鋰離子電池電極材料的要求進行MOFs形貌控制和修飾的方法，以及具有多孔、中空或特殊結構的MOFs衍生電極材料的制備關鍵影響因素及其結構特性對電化學性能的影響。最后，分析了MOFs衍生電極材料的研究挑戰和發展方向。

增減材混合制造的研究進展

果春煥, 王澤昌, 嚴家印, 袁丁, 姜風春, 王建東, 牛中毅

2020, 42(5): 540-548. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.18.006

[摘要](2876)

[HTML全文] (1852)

[PDF 973KB](270) [施引文獻] ()

摘要:
增材制造可以制造通過傳統方法難以制造的復雜部件，因此在航空工業等領域中得到了大規模的應用。然而，增材制造成形部件的尺寸和幾何精度以及表面質量低于傳統方法成形的部件，阻礙了增材制造的進一步應用。增減材混合制造將增材制造與傳統的加工手段結合，對增材制造成形的部件進行高精度數控加工，以改善部件表面光潔度以及零件的幾何和尺寸精度。本文闡述了增減材混合制造的技術原理和研究進展，并指出了未來的發展方向。

電化學方法在不銹鋼腐蝕研究中的應用現狀及發展趨勢

王竹, 馮喆, 張雷, 路民旭

2020, 42(5): 549-556. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.15.002

[摘要](1642)

[HTML全文] (1794)

[PDF 1092KB](185) [施引文獻] ()

摘要:
電化學手段可以實現對不銹鋼材料的快速評價和腐蝕機理研究，因而受到廣泛應用。在不銹鋼耐蝕性評價方面，最常采用的電化學手段主要有腐蝕電位測試、交流阻抗測試、恒電位極化測試以及循環動電位極化測試。本文分別針對上述四種電化學方法在不銹鋼耐蝕性評價上的應用情況進行了介紹，明確了各種檢測方法的特點。腐蝕電位及交流阻抗測試是無損檢測手段，可以滿足長周期腐蝕監測需求；恒電位極化和循環動電位極化測試可以獲得材料的極化特征參數，有利于對材料的腐蝕機理及耐蝕性進行評價。結合當前的不銹鋼腐蝕研究現狀，展望了電化學方法在腐蝕研究領域的發展趨勢：未來電化學方法將更多作為腐蝕調控手段，需要結合其他檢測技術實現對不銹鋼腐蝕過程的精細分析。

多模態學習方法綜述

陳鵬, 李擎, 張德政, 楊宇航, 蔡錚, 陸子怡

2020, 42(5): 557-569. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.21.003

[摘要](6175)

[HTML全文] (3140)

[PDF 1339KB](1382) [施引文獻] ()

摘要:
大數據是多源異構的。在信息技術飛速發展的今天，多模態數據已成為近來數據資源的主要形式。研究多模態學習方法，賦予計算機理解多源異構海量數據的能力具有重要價值。本文歸納了多模態的定義與多模態學習的基本任務，介紹了多模態學習的認知機理與發展過程。在此基礎上，重點綜述了多模態統計學習方法與深度學習方法。此外，本文系統歸納了近兩年較為新穎的基于對抗學習的跨模態匹配與生成技術。本文總結了多模態學習的主要形式，并對未來可能的研究方向進行思考與展望。

鹽巖巴西劈裂損傷愈合特性實驗研究

姜德義, 蔣昌奇, 陳結, 康燕飛, 劉偉, 杜超

2020, 42(5): 570-577. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.001

[摘要](2222)

[HTML全文] (972)

[PDF 1063KB](44) [施引文獻] ()

摘要:
鹽巖的損傷愈合特性對地下鹽穴儲庫的長期密閉性具有重要影響。為了探究損傷鹽巖的愈合特性，設計了巴西劈裂損傷鹽巖的自愈合實驗。在無應力條件下，讓巴西劈裂損傷鹽巖在不同濕度條件下愈合120 d，通過實驗過程中試樣滲透率的變化定量判斷損傷鹽巖愈合程度，探究了損傷鹽巖在不同濕度和恢復時間條件下的愈合效果；同時，通過掃描電子顯微鏡對損傷鹽巖愈合后的細觀形貌進行了觀察，探討了鹽巖損傷愈合的細觀機制。本實驗中，利用實驗前后滲透率的變化作為損傷鹽巖愈合的表征手段，有效避免了以往研究中利用試樣強度和彈性模量作為損傷愈合表征手段時因應變硬化導致的結果不可靠的情況。實驗結果表明，在無應力作用條件下，在無外界水分供給環境中試件經過120 d后仍然沒有發現愈合，證明水分是損傷愈合的必要條件。研究表明，時間和濕度對鹽巖的損傷愈合具有重要影響，鹽巖的損傷愈合效果在實驗范圍內隨著時間的增長和濕度的增大而增強，但增強速度呈指數降低，意味著過大的濕度和過長的時間難以有效提高鹽巖損傷愈合效果。

鹽酸法富集低品位錳礦及酸介質高值再生工藝

呂東亞, 馬保中, 陳永強, 張永祿, 王成彥, 雷蒙恩

2020, 42(5): 578-585. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.08.002

[摘要](3239)

[HTML全文] (1336)

[PDF 1263KB](49) [施引文獻] ()

摘要:
針對印度尼西亞某低品位錳礦，提出鹽酸法富集與酸介質高值再生的工藝。借助X射線衍射分析，光學顯微鏡和電子顯微鏡等表征方法進行工藝礦物學分析。結果表明：該錳礦礦物組成簡單，主要由方解石、軟錳礦和少量菱錳礦、褐鐵礦、高嶺石等組成。篩析結果顯示該錳礦粒度越小，錳含量相對越高。粗碎后以2 mm篩孔的篩子過篩可得到錳質量分數為33.32%的錳中礦。錳中礦鹽酸直接浸出的最佳條件為：浸出pH 3.0、浸出時間1.5 h、攪拌轉速200 r·min^?1、液固比4∶1 mL·g^?1，此條件下產出的錳精礦品位為54.50%，鈣質量分數為0.57%。常溫下鹽酸再生可產出二水硫酸鈣晶須，其長徑比可達50以上。再生鹽酸返回浸出錳中礦，產出的錳精礦品位為52.16%，鈣質量分數為1.39%，驗證了該工藝流程的可行性。X射線衍射分析、掃描電鏡及能譜分析結果顯示產出的錳精礦主要組成成分為軟錳礦，雜質為少量褐鐵礦、高嶺石等。酸介質循環時雜質將逐漸積累，當鎂離子質量濃度積累到96.74 g·L^?1時，采用水解沉淀法進行除雜。

粒度大小對赤鐵礦和石英浮選分離的影響

李東, 李正要, 印萬忠, 孫春寶, 寇玨, 姚金, 韓會麗

2020, 42(5): 586-594. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.06.006

[摘要](3512)

[HTML全文] (1374)

[PDF 1491KB](80) [施引文獻] ()

摘要:
通過浮選試驗、DLVO理論計算、聚焦光束反射測量（FBRM）等研究了油酸鈉浮選體系下粒度大小對赤鐵礦和石英浮選分離的影響。人工混合礦浮選試驗表明，窄粒級粗粒或中等粒級的赤鐵礦?石英混合礦（CH&CQ和MH&CQ）的浮選效果較好，其中CH&CQ和MH&CQ的分選效率分別為85.49%和84.26%，明顯高于全粒級混合礦（RH&RQ）的分選效率74.94%；但窄粒級的細粒赤鐵礦?石英混合礦（FH&FQ）的浮選效果則較差，其分選效率只有54.98%。浮選動力學試驗表明，赤鐵礦的浮選速率和回收率不僅與赤鐵礦的粒度有關，還受石英粒度的影響，細粒脈石礦物石英會降低赤鐵礦的浮選速率和回收率。DLVO理論計算表明，當礦漿pH值為9.0時，石英與赤鐵礦顆粒間的相互作用力為斥力，此時細粒石英很難“罩蓋”在赤鐵礦表面并通過這種“直接作用”的方式抑制赤鐵礦浮選，這也與聚焦光束反射測量（FBRM）的測定結果基本一致；顆粒?氣泡碰撞分析表明，在浮選過程中細粒石英可能通過“邊界層效應”的方式跟隨氣泡升浮（夾帶作用），影響赤鐵礦顆粒與氣泡間的碰撞及黏附，從而降低了赤鐵礦的浮選速率和回收率。

高爐內鐵?焦界面的滲碳潤濕行為研究

湛文龍, 朱浩斌, 何志軍, 孫崇, 余盈昌, 龐清海, 張軍紅

2020, 42(5): 595-601. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.18.003

[摘要](3007)

[HTML全文] (1207)

[PDF 1466KB](34) [施引文獻] ()

摘要:
高爐內鐵水滲碳過程是影響冶煉效率及未飽和鐵水對爐缸爐襯侵蝕的重要因素。本文通過高溫真空潤濕性測試裝置模擬了高爐爐缸區的鐵水滲碳反應，分析了不同碳質量分數（3.8%、4.3%、4.8%）的Fe?C熔體與質量分數為99.9%的石墨基體在高溫下界面間的潤濕反應，同時利用掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）研究了滲碳界面的微觀形貌及滲碳距離。結果表明：界面接觸角隨著Fe?C熔體中碳含量的增加而變大；熔化過程中，接觸角隨著反應時間延長而減小，并最終趨于穩定；4.8%碳質量分數的Fe?C熔體中由于含碳量已至飽和，處于不潤濕狀態。掃描電鏡分析顯示，Fe?C熔體與石墨基體的接觸界面形成了“球帽狀”凹陷，凹陷半徑與體積隨碳含量的增加而減小。能譜線掃描分析顯示，隨著Fe?C熔體中初始碳含量的增加，石墨基體中的碳素溶解量減少，滲碳效果變差，良好的潤濕性有利于碳的傳質。通過計算表面能發現，石墨基體中碳素溶解進入Fe?C熔體后，有效減小了兩者之間的表面能，使得表面張力減小，接觸角在熔化期間遞減。

4Cr5MoSiV1熱作模具鋼700 ℃的低周疲勞行為

趙超, 黃進峰, 張津, 解國良, 連勇, 李德晨, 馬旻昱, 張尊君, 高文, 張程

2020, 42(5): 602-611. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.004

[摘要](3059)

[HTML全文] (1414)

[PDF 2006KB](41) [施引文獻] ()

摘要:
采用軸向應變幅控制的低周疲勞試驗研究了總應變幅對4Cr5MoSiV1熱作模具鋼700 ℃低周疲勞行為的影響，包括循環應力響應行為、循環應力應變行為、循環遲滯回線和應變疲勞壽命行為等。結果表明：隨著總應變幅從0.2%增大到0.6%，4Cr5MoSiV1鋼在700 ℃時循環應力響應均表現為先循環硬化再循環軟化的特性，并且應力幅最大值從220 MPa增大到308 MPa。同時，隨著總應變幅的增大，4Cr5MoSiV1鋼在700 ℃下的低周疲勞壽命由6750循環周次降低到210循環周次，且其過渡壽命約為1313循環周次。疲勞斷口形貌分析結果顯示，高溫低周疲勞過程中裂紋主要萌生于試樣表面處，且隨著應變幅增大，裂紋源逐漸增多，疲勞條紋間距變寬，其斷裂方式由韌性斷裂轉變為脆性斷裂。透射電鏡分析結果顯示，循環軟化可能與板條結構轉變為胞狀結構、基體發生位錯湮滅、碳化物的析出和粗化有關。

Al?Zn?Mg?Cu?Zr?(Sc)合金攪拌摩擦焊接頭組織和性能

王宇, 熊柏青, 李志輝, 溫凱, 李錫武, 張永安, 閆麗珍, 劉紅偉, 閆宏偉

2020, 42(5): 612-619. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.29.001

[摘要](1984)

[HTML全文] (1036)

[PDF 1314KB](36) [施引文獻] ()

摘要:
利用光學顯微鏡、透射電子顯微鏡、顯微硬度計和萬能拉伸試驗機等分析手段，表征了Al?Zn?Mg?Cu?Zr?(Sc)合金攪拌摩擦焊（FSW）接頭的顯微組織和性能，探究了Sc元素對改善超高強Al?Zn?Mg?Cu?Zr合金焊接性能的作用機制。結果表明：Al?Zn?Mg?Cu?Zr?(Sc)合金焊接接頭具有相似的組織特征，焊核區為動態再結晶組織，由細小均勻的等軸晶組成，包含較高密度的位錯線，大部分時效析出相回溶；熱力影響區晶粒被拉長，位錯密度更高，殘留的時效析出相顯著粗化；熱影響區保留與母材相同的晶粒形態，大部分時效析出的η'相發生長大，少部分粗化成η相。添加質量分數0.17%的Sc，可以使合金FSW接頭抗拉強度提升43 MPa，屈服強度提升23 MPa，斷后伸長率改善2.3%，焊接系數達到74.1%。Al₃(Sc,Zr)二次析出相可以強烈抑制位錯、亞晶界、晶界的移動，細化晶粒的同時保留大量的亞結構，且自身可發揮Orowan彌散強化作用。因此，可通過細晶強化、亞結構強化和彌散強化三種方式顯著提高合金FSW接頭的力學性能。

熱軋7075/AZ31B復合板的顯微組織及結合性能

吳宗河, 祁梓宸, 許朋朋, 趙云鵬, 肖宏

2020, 42(5): 620-627. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.25.002

[摘要](1379)

[HTML全文] (1045)

[PDF 2807KB](39) [施引文獻] ()

摘要:
為了研究熱軋鋁/鎂復合板結合強度的變化規律，本文綜合考慮壓下率、軋制溫度和軋制速度等多種軋制參數，單道次熱軋制備了7075 Al/AZ31B Mg復合板。結果表明：在復合板軋制過程中由于熱和強變形作用組織發生了動態再結晶，且增大軋制速度有助于鎂基體產生完全動態再結晶。在相同軋制溫度下，鋁鎂復合板結合強度均隨壓下率增加先升高后降低；強度升高是由于界面元素擴散寬度的增大和鎂合金近界面晶粒組織的細化所致，強度降低是由于大變形導致鎂基體近界面處產生裂縫，以及塑性功產生熱量過多使得鎂基體溫度升高導致的鎂側晶粒長大所致。對復合板進行拉剪實驗，鋁鎂結合界面剪切強度較低時，斷裂發生在復合界面處且成脆性斷裂特征，強度較高時斷口形貌呈韌性斷裂特征，斷裂發生在鎂基體側。

特殊鋼鋼渣用作橡膠功能填料及其安全性分析

張浩, 李海麗, 高青, 陳成

2020, 42(5): 628-634. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.09.001

[摘要](1413)

[HTML全文] (1010)

[PDF 978KB](22) [施引文獻] ()

摘要:
以特殊鋼鋼渣、炭黑、促進劑、硫磺、氧化鋅、硬脂酸與復合橡膠制備特殊鋼鋼渣基復合橡膠。測試了內輻射指數、外輻射指數、安定性、拉伸強度、撕裂強度、拉斷伸長率、邵爾A硬度、極限氧指數、燃盡時間、浸出液中重金屬濃度、礦物組成、粒徑分布、導熱系數、孔結構、化學成分、微觀形貌和熱穩定性。研究了特殊鋼鋼渣作為橡膠功能填料的可行性與環境風險。結果表明：特殊鋼鋼渣的礦物組成為Ca₂SiO₄、Ca₃Al₆Si₂O₁₆、（Fe, Mn）₂SiO₄、Ca₃Al₂（SiO₄）₃、Na₂TiSiO₅、CuMn₆SiO₁₂、Na₂SiO₅、Pb₃Ta₂O₈、Pb₃SiO₇等金屬固熔體，特殊鋼鋼渣具有良好的粒徑分布，其安全性與安定性滿足相關國標的要求。特殊鋼鋼渣基復合橡膠中特殊鋼鋼渣摻量為20%～40%時，特殊鋼鋼渣基復合橡膠的拉伸強度為20.0～21.5 MPa、撕裂強度為45.2～48.6 kN·m^?1、拉斷伸長率為475%～501%、邵爾A硬度為63.5～65.3、極限氧指數為18.5～18.6、燃盡時間為264～292 s、導熱系數為0.15～0.17 W·m^?1·K^?1。特殊鋼鋼渣的主要重金屬氧化物為Cr₂O₃、PbO和CuO，且以穩定的金屬固熔體存在，特殊鋼鋼渣基復合橡膠中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ba、Ni、As等重金屬浸出濃度遠低于危險廢物鑒別標準限值，因此將特殊鋼鋼渣作為橡膠功能填料安全、可行。

楊梅狀Fe₃O₄@SnO₂核殼材料制備及吸波性能

黃威, 王玉江, 魏世丞, 梁義, 王博, 黃玉煒, 徐濱士

2020, 42(5): 635-644. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.05.001

[摘要](2397)

[HTML全文] (1336)

[PDF 1758KB](44) [施引文獻] ()

摘要:
以磁性Fe₃O₄微球為模板，通過St?ber法和水熱法合成了一種楊梅狀的新型Fe₃O₄@SnO₂復合材料，主要應用于電磁波吸收領域。借助X射線衍射、X光電子能譜、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、振動樣品磁強計和矢量網絡分析儀對其物相結構、表面元素、微觀形貌、磁性及吸波特性進行了分析表征。分析結果表明，楊梅狀的Fe₃O₄@SnO₂的球徑約為500 nm，無明顯團聚，具有良好的形貌均勻性。其SnO₂層由納米SnO₂顆粒松散堆疊而成，具有大量的空隙結構，層厚約為40 nm。楊梅狀的Fe₃O₄@SnO₂具有較強的介電損耗能力，且有利于提升阻抗匹配性能，呈現出良好的電磁波吸收能力，當厚度為1.4～2.8 mm時，其最小反射損耗R_L（min）均低于?20 dB。其最優厚度為1.7 mm，此時R_L（min）為?29 dB，有效帶寬為4.9 GHz（13.1～18 GHz），是一種具有發展潛力的吸波材料。

基于“爐?機對應”的煉鋼?連鑄生產調度問題遺傳優化模型

劉倩, 楊建平, 王柏琳, 劉青, 高山, 李宏輝

2020, 42(5): 645-653. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.02.004

[摘要](2644)

[HTML全文] (1166)

[PDF 1027KB](72) [施引文獻] ()

摘要:
針對煉鋼?連鑄過程因車間布局復雜造成工序間鋼水交叉供應頻繁、等待時間過長以及天車調度困難等問題，本文建立以計劃內所有爐次總等待時間最小為優化目標的煉鋼?連鑄過程生產調度模型，并采用改進的遺傳算法求解該模型。在遺傳操作過程中，引入“爐?機對應”調控策略以改善初始種群質量，并根據轉爐（精煉）與連鑄作業周期的比較，來確定是否對個體進行交叉、變異操作。以國內某中大型煉鋼廠主要生產模式下的實際生產計劃為仿真算例進行實驗，結果表明：本文提出的基于“爐?機對應”的改進遺傳算法的性能顯著優于基本遺傳算法及啟發式算法，針對煉鋼廠產量占比超過80%的主要生產模式4BOF?3CCM下的算例1，優化了生產過程等待時間，工序間最長等待時間由77 min減小到54 min；爐?機匹配程度也明顯提高，3號精煉爐去往3號連鑄機的鋼水比例由25%提升到67%，減少了個別爐次由于設備隨機指派造成的工序設備間對應關系不明確及由于生產路徑不合理造成等待時間過長的現象，為研究煉鋼廠復雜生產調度問題提供了一種高效的解決方案。

陡脈沖干擾下的心電信號濾波及QRS提取

姚晰童, 代煜, 張建勛, 葛錦濤, 陳通, 楊灝

2020, 42(5): 654-662. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.20.004

[摘要](2030)

[HTML全文] (1855)

[PDF 1496KB](55) [施引文獻] ()

摘要:
為消除陡脈沖帶來的干擾，分析了陡脈沖干擾的特點，建立了陡脈沖噪聲數學模型，提出了基于變分模態分解（Variational mode decomposition, VMD）的心電信號濾波算法，提取疊加在心電信號中陡脈沖干擾分量、識別陡脈沖干擾分量并剔除陡脈沖干擾分量；為減少VMD分解層數、提高實時性并減少內存消耗，提出了心電信號預處理算法；針對醫療環境中的隨機噪聲伴隨陡脈沖出現的情況，分析了VMD后子信號中隨機噪聲的特點，提出了基于VMD子信號能量估計的閾值去噪算法；利用變分模態分解的帶通濾波器組特性，提出了基于變分模態分解子信號重組的QRS波群檢測算法，配合濾波算法以提高心電信號特征檢測精度。以添加了高斯白噪聲和模擬陡脈沖干擾的MIT?BIH數據庫心電信號和醫療環境中采集的心電信號為實驗對象，分別實現對濾波算法和QRS波群檢測算法的定量對比分析。