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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2021年第43卷第5期

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碳基復合材料模壓雙極板研究進展

馮利利, 陳越, 李吉剛, 湯思遙, 杜軍釗, 李彤巖, 李星國

2021, 43(5): 585-593. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.02.001

[摘要](1696)

[HTML全文] (937)

[PDF 1200KB](255) [施引文獻] ()

摘要:
雙極板作為質子交換膜燃料電池（PEMFCs）的重要組成部件，對電池堆的重量、體積、效率、耐久度、成本起著決定性作用。目前，金屬板與石墨板電堆制備技術相對成熟，已經廣泛應用于商用車、乘用車領域，但復合雙極板的生產制造因原料配方未完全實現國產化、無法大批量流水線生產、成本較高等在我國仍未大批量投入市場，尋找低成本的原材料、優化原料配比及加工條件、縮短加工周期對復合雙極板的產業化具有重要意義。本文首先比較了金屬雙極板、石墨雙極板和復合雙極板的特點，介紹了復合雙極板的模壓工藝及優點，然后概述了碳基復合材料模壓雙極板的研究進展，包括以酚醛樹脂、環氧樹脂和乙烯基酯樹脂等熱固性樹脂為黏結劑的樹脂/石墨復合雙極板和炭黑、碳纖維、碳納米管增強復合雙極板，重點總結了原料種類、配比和成型工藝條件對雙極板性能的影響，最后梳理了復合雙極板的產業化現狀，提出國內外主要雙極板研發企業面臨的問題，并對復合雙極板的發展方向進行了展望。

SiC半導體不同晶面氧化機理及動力學的研究進展

趙春陽, 王恩會, 侯新梅

2021, 43(5): 594-602. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.10.001

[摘要](1272)

[HTML全文] (724)

[PDF 1316KB](107) [施引文獻] ()

摘要:
SiC作為一種綜合性能優異寬禁帶半導體，在金屬氧化物半導體場效應晶體管中具有廣泛的應用。然而SiC熱氧化生成SiO₂的過程具有各向異性，導致不同晶面上的氧化速率差異較大，這會對半導體器件的性能產生不利影響，因而研究SiC各個晶面上SiO₂的生長規律尤其重要。建立有效合理的動力學模型是認識上述規律的有效手段。本文從反應機理和擬合準確度兩方面對目前具有代表性的改進的Deal-Grove模型（Song模型和Massoud經驗關系式）以及硅碳排放模型（Si?C emission model）進行系統研究和比較。在此基礎上，分析已有模型的優缺點，提出本課題組建立的真實物理動力學模型應用的可能性，為SiC不同晶面氧化動力學的準確描述提供進一步優化和修正思路。

釩資源現狀及有機磷類萃取劑萃釩的研究進展

彭科波, 高利坤, 饒兵, 龔志輝, 沈海榕, 高廣言, 何飛, 張明

2021, 43(5): 603-611. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.29.004

[摘要](950)

[HTML全文] (435)

[PDF 768KB](95) [施引文獻] ()

摘要:
介紹了全球的釩資源的主要分布、儲量情況及其市場供需與應用狀況。從中心結構、有效基團與空間效應、離子交換協同萃取三個方面綜述了機磷(膦)類萃取劑的萃釩機理及其近年來萃釩的新型磷(膦)類萃取劑的研發與應用進展，指出了新型磷(膦)類型萃取劑的研發、新工藝的應用以及協同萃取是目前磷(膦)類萃取劑萃釩的主要研究方向。分析了酸性磷(膦)類萃取劑萃釩、中性磷類萃取劑萃釩和其他新型磷(膦)類萃取劑萃釩的不同萃取體系的萃釩機制。分析認為有機相的損失，萃取和反萃釩的步驟，萃取和分離時間較長，出現乳化現象等是當前萃取釩體系普遍存在的難點。因此需要不斷開發新型高效萃取劑，發展清潔綠色萃取技術，在原萃取劑的基礎上利用協同效應，探索新的萃取劑組合方式，更好地推進中國釩工業的發展。

高錳酸鉀強化海藻酸鈉抑制閃鋅礦浮選的作用及機理

馮博, 鐘春暉, 張良柱, 彭金秀, 郭宇濤, 王濤, 寧湘菡, 汪惠惠

2021, 43(5): 612-618. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.16.002

[摘要](2648)

[HTML全文] (950)

[PDF 1048KB](74) [施引文獻] ()

摘要:
通過浮選試驗、X射線光電子能譜（XPS）分析和吸附量測試分析，研究了高錳酸鉀和海藻酸鈉對黃銅礦、方鉛礦和閃鋅礦三種硫化礦物浮選的影響，考察了高錳酸鉀強化海藻酸鈉抑制閃鋅礦浮選的作用機理。浮選試驗結果表明，單獨使用高錳酸鉀或海藻酸鈉均無法實現對閃鋅礦的選擇性抑制。同時添加適量高錳酸鉀和海藻酸鈉對閃鋅礦具有選擇性的協同抑制作用，而對黃銅礦和方鉛礦浮選的影響較小。XPS分析結果表明，海藻酸鈉與閃鋅礦表面氧化產生的氧化鋅、氫氧化鋅或硫酸鋅等氧化物發生化學吸附，而不與未氧化的閃鋅礦表面發生吸附。吸附量測試結果表明，高錳酸鉀對閃鋅礦的預先氧化作用顯著增加了海藻酸鈉在閃鋅礦表面的吸附量，因此高錳酸鉀可以強化海藻酸鈉對閃鋅礦的抑制作用。

印尼典型海砂礦的工藝礦物學及固態還原特性

胡兵, 胡程飛, 易凌云, 肖華榮, 黃柱成, 姜雄, 蔡威

2021, 43(5): 619-626. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.20.003

[摘要](3643)

[HTML全文] (646)

[PDF 1314KB](78) [施引文獻] ()

摘要:
以經典工藝礦物學研究方法為基礎，結合化學物相分析、礦物解離分析(MLA)、X射線衍射、光學顯微鏡、掃描電鏡-X射線能譜儀(SEM-EDS)等手段對印尼典型海砂礦的礦物學及其固態還原特征進行了系統研究。結果表明：印尼海砂礦的礦物組成主要為鈦磁鐵礦、次為少量假象赤鐵礦、赤鐵礦、鈦鐵礦以及輝石等。絕大部分鈦磁鐵礦呈致密單體或鐵的富連生體產出，偶有由固熔體分離析出形成的微細鈦鐵礦片晶。賦存于鈦磁鐵礦中的鐵占總鐵的89.79%、鈦為85.42%、釩則高達97.97%。海砂礦在C/Fe摩爾比1.2、溫度1300 ℃條件下還原60 min可較好實現金屬化。其還原歷程遵循：Fe_2.75Ti_0.25O₄ → FeTiO₃, (Fe, Mg)Ti₂O₅ → (Fe, Mg)Ti₂O₅ → Fe，穩定的黑鈦石相是影響金屬化程度的主要因素。經固態還原處理Fe元素最終富集于金屬相，V、Ti則賦存于渣中富鈦相，為后續的分離提取創造了有利條件。

溜井儲礦段礦巖散體運移軌跡及速度預測模型

馬馳, 路增祥, 殷越, 曹朋

2021, 43(5): 627-635. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.31.002

[摘要](1201)

[HTML全文] (589)

[PDF 5266KB](58) [施引文獻] ()

摘要:
為準確預測溜井儲礦段內礦巖散體運移狀態，以放礦漏斗中心線與溜井中心線重合的溜井結構為研究對象，建立了溜井儲礦段礦巖運移軌跡和速度預測模型。首先，根據筒倉卸載過程中顆粒運動特點和理想流體流動單元流動特點的相似性，分析儲礦段內礦巖運移規律；其次，引用流動網絡概念和Beverloo經驗公式，建立了儲礦段礦巖運移網絡，分析了儲礦段礦巖運動截面與礦巖運移速度的關系；最后，在一定的假設條件下，根據流線和等位面分布特征，建立了礦巖位移、運移軌跡和速度方程。研究結果表明：（1）礦巖進入儲礦段后依次經過勻速區、變速區，分別進行勻速直線下向運動、變速曲線運動；（2）當放礦口傾角較小時存在平衡區，該區域下礦巖不發生位移，導致“空環效應”；（3）單位時間內放出礦巖質量和穿過同一等位面的礦巖質量相等。所建立的預測模型表明，勻速區內礦巖運移狀態與儲礦段和放礦口斷面直徑、礦巖粒徑等有關，變速區內礦巖運移狀態還與礦巖所處位置、放礦口傾角等有關。

循環擾動荷載作用下花崗巖中裂隙萌生擴展過程的顆粒流模擬

張杰, 郭奇峰, 蔡美峰, 張英, 汪炳鋒, 吳星輝

2021, 43(5): 636-646. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.15.003

[摘要](2607)

[HTML全文] (701)

[PDF 2061KB](117) [施引文獻] ()

摘要:
從細觀角度、采用顆粒離散元法開展了預制裂隙花崗巖循環加卸載的數值模擬試驗。首先，使用圖像處理技術識別花崗巖中的不同細觀組分、結合室內單軸壓縮試驗結果對細觀力學參數進行了標定。然后，通過編制顆粒流代碼追蹤裂隙的類型和擴展過程，分析巖石破壞過程中裂隙發展的階段性特征。結果表明：不同傾角裂隙巖石的新生裂隙走向與預制裂隙貫通方向基本一致；根據新生裂隙的優勢傾向分組得到裂隙起裂角與預制裂隙傾角的關系：傾角β≤45°時剪切和張拉裂隙的起裂角單調遞減，傾角β≥60°時剪切和張拉裂隙的起裂角單調遞增；循環擾動荷載增加了裂隙巖體的軸向變形，軸向累積殘余應變曲線呈反S形、提高擾動荷載應力上限促使曲線進入加速階段；試件峰值強度隨裂隙傾角增大表現出先減小后增大的趨勢，峰值強度為實驗室完整巖石單軸抗壓強度的63% ~ 89%，反映了較為明顯的劣化現象；在循環荷載作用下，剪切裂隙和張拉裂隙增長曲線表現出明顯的變化特點，在裂隙不穩定擴展階段中張拉裂隙數目增長速率顯著大于剪切裂隙，對分析巖石變形破壞過程具有一定的參考意義。

塑管?混凝土界面密閉性能改善措施

王俊顏, 周田, 呂梁勝, 楊全兵

2021, 43(5): 647-655. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.21.002

[摘要](953)

[HTML全文] (542)

[PDF 1280KB](30) [施引文獻] ()

摘要:
為改善塑管混凝土結構的界面密閉性能，研究了在塑管?混凝土界面粘貼一種雙面壓敏膠帶——Preprufe膠帶的作用。通過界面黏結強度、界面滲水高度和界面透氣性實驗，測得塑管混凝土結構的界面黏結強度、界面滲水高度、氣體壓力?時間衰減曲線，推導出界面滲透指數。試驗結果表明，界面黏結強度與粘貼膠帶的寬度的關系可初步認為符合冪函數分布，壓敏性粘合劑膠層與液態混凝土在硬化過程中形成的黏結強度遠大于普通黏性層與塑管間的黏結強度。粘貼Preprufe膠帶可顯著提高塑管?混凝土界面抗滲能力。界面滲透指數隨粘貼膠帶的寬度增大呈明顯的遞減趨勢，粘貼220 mm寬膠帶的塑管混凝土試件界面滲透指數僅為基準塑管混凝土試件的2.86%。Preprufe雙面壓敏膠帶在改善塑管?混凝土界面密閉性能上有良好的表現。在工程應用中可綜合考慮所需效果和價格成本來選取粘貼膠帶的寬度。

應變幅對H13熱作模具鋼等溫疲勞行為的影響

朱振強, 寧輝, 左鵬鵬, 吳曉春

2021, 43(5): 656-662. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.01.003

[摘要](2469)

[HTML全文] (666)

[PDF 1584KB](41) [施引文獻] ()

摘要:
對H13熱作模具鋼試樣進行600 ℃等溫疲勞實驗，通過顯微維氏硬度計、金相顯微鏡（OM）、超景深顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）等設備研究了0.7%，0.9%和1.1%三種不同應變幅對疲勞行為的影響。結果表明：應力應變滯后回線呈現對稱性，應變幅越大，滯回環面積越大。H13鋼在實驗中呈現循環軟化的特征，應變幅越大，疲勞壽命越短，1.1%應變幅試樣壽命約為0.7%應變幅試樣的61.2%。應變幅的增加對裂紋萌生和擴展起促進作用，1.1%應變幅試樣裂紋擴展最明顯。高溫非真空實驗條件下，材料表面產生的氧化物也會促進裂紋擴展。疲勞后試樣微觀組織發生明顯的長大和粗化，較大應變幅對碳化物析出有更大的助力，還會加速材料軟化。有應變幅試樣顯微硬度遠低于無應變幅試樣。

三元鋰離子動力電池熱失控及蔓延特性實驗研究

王淮斌, 李陽, 王欽正, 杜志明, 馮旭寧

2021, 43(5): 663-675. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.27.002

[摘要](3225)

[HTML全文] (1305)

[PDF 3155KB](241) [施引文獻] ()

摘要:
以電動汽車車用額定容量為42 A·h的三元方殼鋰離子電池單體和模組為研究對象，研究其在加熱條件下單體的絕熱熱失控特性及成組后側向加熱熱失控蔓延特性。結果表明，鋰離子電池在發生熱失控時，內部最高溫度可達920 ℃，電池表面和內部最大溫差達403 ℃；熱失控首先在迎向熱流的面觸發，隨后蔓延至整個電池；滿電狀態下的鋰離子電池內部熱失控蔓延時間介于8～12 s；熱失控蔓延過程中鋰離子電池的溫度特征與絕熱熱失控測試相比存在較大差異性；熱失控噴發顆粒物中，LiF及石墨質量分數占80%以上；模組中失控電池產生的總能量中用于自身加熱和噴發損失的占90%左右，熱失控釋放總能量的10%足以觸發熱失控蔓延。本文為研究三元鋰離子電池模組安全設計、熱失控蔓延抑制及新能源汽車的火災事故調查提供了參考。

不同打印角度SLM–Ti6Al4V組織結構及其在含氟離子溶液中的腐蝕行為

王堯, 閻笑盈, 滿成, 張宏偉, 董超芳, 王昕

2021, 43(5): 676-683. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.29.001

[摘要](959)

[HTML全文] (496)

[PDF 1409KB](62) [施引文獻] ()

摘要:
采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電化學實驗和浸泡實驗研究了打印角度30°、45°和60°的SLM-Ti6Al4V試樣的組織結構及其在NaF溶液中的腐蝕行為。結果表明，三種試樣的組織結構都是原β晶粒內部交叉分布針狀α'相；打印角度45°試樣中針狀α'相尺寸與微觀結構晶格畸變程度最小。電化學測試結構表明，三種試樣在NaF溶液中的腐蝕行為特征都是隨溶液濃度增加，由自發鈍化逐漸轉變為活性溶解，其臨界氟離子濃度分別處于0.0005～0.00075、0.00075～0.001和0.0005～0.00075 mol·L^?1。浸泡試驗結果表明，當NaF濃度低于臨界氟離子濃度的時候，試樣表面基本保持完整，而高于臨界值的時候試樣表面發生活性溶解。此外，對比三種試樣的耐腐蝕性能可以發現，打印角度為45°試樣的耐腐蝕性能優于其他試樣的性能。

FeCrVTa_0.4W_0.4高熵合金氮化物薄膜的微觀結構與性能

王子鑫, 張勇

2021, 43(5): 684-692. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.28.004

[摘要](1210)

[HTML全文] (527)

[PDF 1182KB](79) [施引文獻] ()

摘要:
實驗利用單靶射頻磁控濺射技術，在單晶硅基底上，制備了兩個系列FeCrVTa_0.4W_0.4高熵合金氮化物薄膜，即FeCrVTa_0.4W_0.4氮化物成分梯度多層薄膜和(FeCrVTa_0.4W_0.4)N_x單層薄膜，其中，多層薄膜用于太陽光譜選擇性吸收薄膜。通過掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、納米力學探針、原子力顯微鏡(AFM)、紫外?可見分光光度計、接觸角測量儀和四探針測試臺對FeCrVTa_0.4W_0.4高熵合金氮化物薄膜進行微觀結構分析以及性能表征。結果表明：在不通入氮氣時，薄膜為非晶結構，當氮氣含量升高后，轉變為面心立方固溶體結構；當表層氮氣流量為15 mL·min^?1時，FeCrVTa_0.4W_0.4氮化物多層薄膜及單層薄膜均具有最佳的力學性能，其中，多層薄膜的硬度為22.05 GPa，模量為287.4 GPa，單層薄膜的硬度為22.8 GPa，模量為280.7 GPa，隨著表層氮氣含量的繼續增加，力學性能下降；FeCrVTa_0.4W_0.4氮化物成分梯度多層薄膜在300～800 nm波長范圍內均具有太陽光譜選擇吸收性，當氮化物薄膜層數較少時具有較好的疏水性；(FeCrVTa_0.4W_0.4)N_x單層薄膜隨著氮氣含量的增加，薄膜方塊電阻增加。

基于魯棒H_∞濾波的鋰離子電池SOC估計

潘鳳文, 弓棟梁, 高瑩, 寇亞林

2021, 43(5): 693-701. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.21.002

[摘要](2315)

[HTML全文] (610)

[PDF 2539KB](57) [施引文獻] ()

摘要:
荷電狀態（State of charge, SOC）估計是電池管理系統的核心功能之一，它在電動汽車的生命周期中起著重要作用。針對鋰離子電池溫度影響模型參數，進而導致SOC估計不準確的問題，本文提出了基于魯棒H_∞濾波的SOC估計方法。首先，以二階Thevenin等效電路模型做為鋰離子電池基礎模型，并將溫度對電池模型參數的影響建模為標稱電阻值和電池總容量的加性變量，視溫度變化為系統的外部擾動。其次，采用滑動線性法對電池模型進行線性化，并在此基礎上運用線性矩陣不等式技術設計了對SOC進行估計的魯棒H_∞濾波器。最后，分別采用四種不同類型的動態電流激勵進行仿真實驗驗證，并將SOC的估計結果與kalman濾波對SOC的估計結果進行對比。結果表明所設計的魯棒H_∞濾波器能夠實現對SOC更為準確的跟蹤，同時對外部擾動具有較好的魯棒性。

賽博邏輯與賽博驅動邏輯

徐陽, 寧煥生, 萬月亮, 周芳

2021, 43(5): 702-709. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.19.002

[摘要](827)

[HTML全文] (538)

[PDF 731KB](38) [施引文獻] ()

摘要:
從廣義視角系統地研究了賽博空間中的邏輯，并把賽博邏輯分為賽博化邏輯和賽博自生邏輯兩大部分。首先回顧了傳統邏輯，接著介紹了傳統邏輯賽博化的概念，對比了傳統邏輯和賽博化邏輯的異同，強調了賽博化過程中的適應性，并闡述了賽博邏輯自生的過程，最后分析了賽博邏輯對傳統邏輯的影響，歸納了賽博驅動邏輯的內涵，為系統研究賽博空間提供了支持。

非均質土中海上風電單樁基礎動力響應特性

孔德森, 劉一, 鄧美旭, 李亞洲

2021, 43(5): 710-719. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.19.004

[摘要](2021)

[HTML全文] (860)

[PDF 1465KB](55) [施引文獻] ()

摘要:
采用有限元分析軟件ABAQUS建立了非均質土中海上風電單樁基礎數值計算模型，將樁基礎受到的波浪、洋流及風荷載等效成雙向對稱循環荷載，對水平循環荷載作用下樁身水平位移、樁身剪力、樁身彎矩和樁側土抗力進行了研究，并對不同循環次數下樁身水平位移進行了對比分析。研究表明，樁身水平位移隨時間變化逐漸累積，隨著循環次數的增加，泥面處樁身最大位移發生的時間點滯后；樁身剪力出現負值；樁身彎矩最大值發生在淺層土體；樁身外壁土抗力曲線隨時間的變化在埋深約2/3處出現分界點，分界點上下范圍內土抗力變化規律正好相反，在淤泥土和粉砂土分界面處增加顯著；不同時間點樁身內壁沿埋深承擔的荷載基本不變。