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关键词： 第一性原理   铝合金   有序无序相变   各向异性   长程有序   晶格错配  

摘要： Al-Li合金因其低密度、高弹性模量和高比强度等特点广泛应用于航空航天领域。然而Li的添加会导致Al-Li合金力学性能各向异性,限制了高Li含量Al-Li合金的发展。本文通过第一性原理计算结合准谐德拜模型系统研究了有序-无序转变对Al-Li体系相变、刚度和力学性能各向异性的影响。并对Al-Li合金的析出相δ'-Al3Li和δ-AlLi与Al基体的界面错配进行了研究。本文的研究结果不仅为高Li含量Al-Li合金的合理设计提供了数据支撑,而且为Al-Li合金中的实验现象提供了科学解释,如等成分有序、共面滑移、沿晶断裂、析出强化和力学性能各向异性等。主要结论如下:（1）确定了有序和无序Al-Li相的基态结构。Al-Li体系无序相在xLi<0.59和xLi>0.85为FCC结构,在0.59≤xLi≤0.85为BCC结构。有序相在xLi<0.50和xLi>0.80为FCC结构,在0.50≤xLi≤0.80为BCC结构。五种金属间化合物L12 Al3Li、B32 AlLi、C33 Al2Li3、Cmcm AlLi2和C2/m Al4Li9为Al-Li体系的基态结构。计算的有序L12 Al3Li、B32 AlLi、C33 Al2Li3、Cmcm AlLi2和C2/m Al4Li9到相应的无序相相变温度分别为450 K、900 K、640 K、700 K和820 K。（2）获得了有序和无序Al-Li相力学性能随温度和Li含量变化规律。Al-Li析出强化源于α-δ'有序,而在α-δ有序或δ'-δ相变之后软化。在xLi=0.5处弹性模量和G/B值低于附近的值,这是原子局域结构中心对称破坏和共价键或离子键形成引起的。（3）Al-Li体系FCC有序相和无序相表现出近乎各向同性的特征,而BCC相表现出很强的力学性能各向异性。BCC无序相的各向异性源于纯Li的固溶,而中心对称破坏和共价键或离子键形成是BCC有序相力学性能各向异性的原因。基于成键电子分析建立了力学性能各向异性与差分电荷密度分布之间的关联机制,发现垂直于差分电荷密度局域区晶体取向的模量值比平行的晶体取向的模量值大。（4）获得了Al/Al3Li和Al/AlLi的晶格错配度,并推导了Al3Li和AlLi与Al基体的结合方式。发现Al/Al3Li晶格错配主要源于有序?无序相转变和热膨胀系数,而Al/AlLi的错配,除了晶体结构外,主要受两相中Li成分的影响。图35幅,表11个,参考文献186篇

关键词： 直接氨燃料电池   电催化氨氧化催化剂   PtPd合金纳米结构  

摘要： 氨(NH)作为一种优良储氢媒介,可有效地解决储氢问题,它可作为是一种碳中性燃料,具有较高能量密度和易液化的特点,同时,氨的生产、储存、运输产业链成熟,可避免纯氢燃料的高额利用成本,具有非常广阔的应用前景。利用氨直接氧化供用于燃料电池制成的直接氨燃料电池(DAFC)进行发电,可避免其它碳基燃料的二氧化碳排放,是一种新型的清洁能源转换技术。然而,这种非常具有吸引力的直接氨燃料电池技术在阳极处六电子过程动力学缓慢,制约着其发展进程,因此开发高性能的阳极氨氧化(AOR)催化剂至关重要。本文以开发用于低温氨燃料电池的高性能AOR催化剂为目的,首先发现在优化合金化的过渡金属元素(M=Co,Ni,Cu和Pd)中,Pd与Pt的合金化展现出最优的电催化氨氧化活性,随后进一步对PtPd二元合金的形貌结构进行调控,研究了合金形貌结构和成分对其电催化AOR活性和稳定性的影响规律,并结合理论计算探讨了优选催化剂的电催化AOR机理。具体研究内容如下:(1)采用湿化学还原法制备还原氧化石墨烯(r GO)负载球形Pt M(M=Co,Ni,Cu和Pd)二元合金纳米颗粒。这些二元合金纳米颗粒催化剂的电化学活性面积和AOR催化活性顺序为PtPd>Pt Co>Pt Ni>Pt Cu,相对应起始电位分别为0.476、0.479、0.481和0.525 V vs RHE。除Pt Cu外,与纯Pt催化剂相比,它们AOR催化活性均增强,可能是因为不同金属对Pt M二元合金电子结构影响作用不同,最终导致合金氢/氨吸附离解能力产生差异。其中,PtPd二元合金展现出最优的电催化AOR活性。当Pt/Pd两种原子比值为87/13时,展现出最优AOR活性。此外,过量Pd的加入会导致催化剂性能下降,这是由于在较高的Pd含量下,没有更多的Pt活性位点来吸附更多的氨气分子进行氧化。最优PtPd/r GO催化剂起始电位为0.476 V,其峰值质量活性为83.1 A g,优于商业Pt/C(起始电位:0.52 V;峰值质量活性:53.5 A g)。(2)基于上述工作研究,进一步通过引入溴离子作为形貌诱导剂的方法制备获得r GO负载立方结构主导的PtPd合金纳米颗粒催化材料,因为AOR反应是一个对晶面敏感的电催化反应。与球形结构PtPd合金纳米颗粒相比,立方结构主导的PtPd合金纳米颗粒可进一步提高催化剂AOR活性。在所制备的合金催化剂中,(100))PtPd/r GO展现出最优AOR活性(起始电位:0.467 V;峰值质量活性:164.9 A g)。研究发现:PtPd合金催化剂的AOR性能随着氨水浓度或温度的上升而增强,如当氨水浓度为0.5摩尔(M)时,合金催化剂在0.6 V电位处的质量活性为202.6 A g,是0.05 M氨水中3倍多;当温度上升到80°C时,合金催化剂在0.6 V电位处的质量活性为1650.7 A g,约是常温(25℃)中的16倍。特别地,在此温度变化区间,其AOR起始电位下降90 m V。利用Arrhenius方程计算发现,PtPd合金催化剂的AOR反应活化能与商业Pt/C催化剂相比降低了～12 k J mol。密度泛函理论(DFT)计算表明,Pd原子的引入降低了*NH脱氢为*NH关键反应步骤的能垒,从而加快了AOR反应的动力学过程。此外,通过对立方结构主导的PtPd合金催化材料进行催化稳定性测试发现,立方结构PtPd合金催化剂尽管具有较高的AOR活性,但是其催化稳定性欠佳,500秒的恒电位AOR测试前后其峰值质量活性下降了55.8 A g,催化剂的稳定性有待提高。(3)除立方结构的PtPd纳米合金外,设计制备了具有丰富缺陷结构的PtPd合金纳米线。最优的PtPd合金纳米线(PtPd-NWs)展现出较低的AOR起始电位(0.41 V),低于球形和立方结构的PtPd合金催化剂。特别地,PtPd合金纳米线的AOR反应活化能与立方结构主导的PtPd合金纳米颗粒相比,其活化能降低了5.18 k J mol,进一步表明合金纳米线的本征活性较高。此外,材料的稳定性测试结果表明,PtPd-NWs催化剂在2000圈循环伏安测试后的质量活性损失为～43%,优于此前报道的商业Pt/C催化剂(～90%)。

关键词： Ti-Zr-Hf-Si   二元合金   三元合金   四元合金   表面张力   实验测量   Butler方程  

摘要： 通过反应熔渗（Reactive melt infiltration,RMI）将高温合金熔体引入C/C复合材料中,并和预先沉积的基体材料发生反应从而形成超高温陶瓷是提高C/C复合材料耐烧蚀性能的重要方法之一。当前,选取Hf、Zr、Ti等过渡族金属与Si等组成的多元合金,通过RMI工艺对C/C复合材料进行改性已逐渐成为高温复合材料研究领域的新趋势。表面张力作为合金熔体一项基本的热物理参数,对合金熔体向C/C复合材料微孔中的渗透具有重要影响。因此,本工作采用悬滴法测量上述多元合金熔体1773-2173 K的表面张力,并运用Butler理论模型计算合金熔体表面张力。通过实验测量值与计算值的比对,获得了合金熔体表面张力随组分和温度的变化规律,主要结论如下:（1）二元（Ti-Zr、Ti-Hf、Si-Ti、Si-Zr和Si-Hf）和三元（Ti-Zr-Hf、Si-Ti-Zr、Si-Ti-Hf和Si-Zr-Hf）合金熔体表面张力测量值与计算值之间的差异范围仅为0.3%-4.8%,实验测量值与理论计算值具有非常好的契合度,表明Butler模型可适用于高熔点过渡族金属二元和三元体系合金熔体表面张力的计算;（2）Ti-Zr、Ti-Hf二元及Ti-Zr-Hf三元合金熔体的表面张力会随着Zr或Hf含量的增加而呈现类似线性增加的变化趋势;而含Si二元和三元合金熔体的表面张力会随着Ti、Zr或Hf含量的增加而呈现出先增加后减少的规律;（3）Ti0.142Hf0.189Zr0.568Si0.1四元合金熔体在1873 K、1973 K和2073 K的表面张力分别为1538、1511和1496 m N/m;而在同一温度下,Ti-Zr-Hf-Si四元合金熔体表面张力随着Si含量的增加而减少,在2073 K,Ti:Hf:Zr:Si=3:4:12:,当Si的摩尔分数（）从0.05增加到0.15时,表面张力从1515 m N/m减少到1486 m N/m;（4）对于可形成无限固溶体的合金体系（Ti,Zr和Hf）,当合金熔体中加入高表面张力的Zr或Hf组分时,合金熔体表面张力会随着其含量的增加呈现出类线性增加的趋势;而对于含Si合金体系,由于合金熔体中存在短程有序的Si-Ti、Si-Zr或Si-Hf等金属间化合物的原子团簇从而使表面张力降低,最终导致其合金熔体表面张力随成分的变化呈非线性关系;（5）在高真空度的表面张力测试条件下,低熔点组元（Si或Ti）的挥发会导致合金熔体成分发生变化,即高熔点（高表面张力）组元含量相对增加,从而导致合金熔体表面张力轻微增加;而引入的少量C杂质及其在熔体表面的偏析会降低表面张力;本研究中合金熔体表面张力实验值与计算值的差异主要源于上述两种因素共同作用的结果。图63幅,表17个,参考文献156篇

关键词： 声发射信号   纤维增强复合材料   损伤模式识别   剩余承载能力预测   信号表征   特征选择  

摘要： 纤维增强复合材料因其轻质高强、易成型、可设计性强等优异性能已成为众多工程结构用材的首选。恶劣的服役环境和复杂的载荷工况给复合材料结构的长期稳定服役带来了巨大的挑战,故有必要发展非破坏性损伤探测技术和结构健康监测技术,其中声发射技术就具有这方面的发展潜力。基于声发射技术的复合材料损伤诊断与预测大多依赖于复杂的信号处理。因此,目前基于声发射的损伤识别研究仍存在许多挑战,关于声发射数据流的特征选择方法仍然缺乏,而基于声发射的损伤预测研究也相对匮乏。基于此,本文针对复合材料典型结构形式(铺层结构和胶粘结构),开展了基于声发射响应特性的复合材料损伤分类与性能预测研究,主要研究内容和结论如下:(1)建立了复合材料胶接试样中声发射响应特性与损伤机制的对应关系。开展了不同人工激励声源的声发射特性试验研究,验证了试样尺度中线性定位的准确性。基于主成分分析、拉普拉斯评分和相关系数筛选了声发射特征,基于k-means++和CFSFDP聚类算法实现了复合材料双搭接试样的损伤模式识别,获得了聚类数、相似性度量准则、截止系数对CFSFDP算法识别结果的影响特性。(2)建立了基于小波包分解的声发射信号表征模型。利用余弦相似度和k-means++聚类算法实现了基于小波包能量比例的复合材料层合板的损伤模式识别,获得了湿热老化对损伤机制的声发射响应特性及损伤源定位的影响特性,基于信号在各频段的累积小波包能量分析了层合板的失效过程,探究了小波基函数选择对基于此信号表征模型的损伤模式识别和失效过程分析的影响。(3)发展了复合材料胶接试样中动态数据流的特征选择方法。引入了拉普拉斯评分和多集群特征选择方法并将其发展为适用于动态数据流的特征选择方法,分析了复合材料单搭接试样在拉伸载荷下产生信号的常规特征及小波包能量比例的实时评价结果,获得了常规特征和小波包分解特征的损伤表征作用,包括损伤模式识别、奇异信号检测以及损伤过程表征。(4)建立了基于动态数据流的铺层试样剩余承载能力预测模型。基于RRelief F算法和近邻成分分析实现了声发射特征的评价,基于卷积神经网络预测了端部含缺口的复合材料层合板在三点弯载荷下的剩余承载能力,探究了模型中时间窗长度对预测结果的影响特性。修正了梅尔倒谱分析方法并提取了对损伤过程敏感的特征,利用累积移动平均法建立了梅尔倒谱系数与层合板载荷/位移之间的关联关系,简化了基于卷积神经网络的层合板剩余承载能力预测模型。

关键词： 碳纤维增强复合材料   背景去除   锚框优化   CFRP-DCCNN   CFRP-DDRCNN  

摘要： 碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)具有重量轻、强度大等优点,广泛应用于航空航天等领域。但CFRP材料内部易损伤,利用X射线对其进行成像和内部缺陷检测是一种有效的手段,目前常采用人工对其X射线图像进行缺陷检查,存在效率低、漏检等问题。鉴于此,本文主要从CFRP数据集预处理、缺陷分类网络和缺陷检测网络三个方面对碳纤维增强复合材料缺陷分类和检测方法进行了比较深入的研究,以实现CFRP X射线图像中缺陷的有效分类和检测。 在CFRP数据集预处理方面,研发了图像预处理程序,实现对CFRP X射线图像的窗宽窗位调整、DICOM图像到JPEG图像的转换等功能;对比分析了四种缺陷图像增强方法的性能;采用生成对抗网络和传统方法对数据集进行扩充,以解决CFRP缺陷样本量较少的问题。 在缺陷分类网络方面,构建了一种新颖的缺陷分类网络CFRP-DCCNN,该网络前端设置了图像裁剪模块和背景去除模块(Background Removal Module,BRM),以有效提高计算效率,降低图像背景对缺陷分类性能的影响。实验结果表明,CFRP-DCCNN具有良好的缺陷分类性能,网络中的BRM能大幅提高CFRP缺陷分类的精度,与CFRP-DCCNN相比,加入BRM的CFRP-DCCNN使得柱状和环状CFRP缺陷分类的召回率分别提高了21.12%和4.17%。 在缺陷检测网络方面,以Mask RCNN为基础,提出了一种新颖的CFRP缺陷检测网络CFRP-DDRCNN,该网络前端设置了图像裁剪和背景去除模块,以提升网络的缺陷检测效率和检测精度;引入分割图像数据集,将其和原图像数据集一起进行网络训练,以提高网络的缺陷检测精度;引入注意力机制,以提高网络的缺陷特征提取能力;通过缺陷尺寸聚类对锚框参数进行优化,以提高缺陷检测精度。实验结果表明,所提出的CFRP-DDRCNN网络具有良好的CFRP缺陷检测性能,能有效提高CFRP缺陷的检测精度,与Mask RCNN相比,CFRP-DDRCNN使得柱状和环状CFRP缺陷检测的平均精准度分别提高了98.16%和87.74%。

关键词： 高中物理   板块模型   动摩擦因数   材料组合   粗糙平面   材料构成   分类剖析   情境  

摘要： 滑块和滑板叠加的模型简称为"板块模型",这两个简单的"道具"为考查学生的物质观念、运动与相互作用观念、能量观念展现了丰富多彩的情境,是高中物理讲、学、练、测的重要模型之一。在常见的习题、试题等案例中,"板块模型"的滑板上表面通常是由同一种材料构成的,要么是光滑的平面,要么就是动摩擦因数为一个恒定数值的粗糙平面,情境比较单一,缺少复杂性和新颖性。

摘要： ~~

关键词： 废水   重金属污染   吸附材料  

摘要： 废水中含有的重金属离子严重威胁着人们的身体健康,且污染生态环境,当前对重金属污染的治理迫在眉睫。一些新型材料在废水重金属离子去除方面起着重要作用,能有效吸附废水中的重金属离子,并将其回收利用。在此基础上,文章简要分析了氧化石墨烯材料、木质纤维基磁性材料、复合型吸附材料以及螯合型吸附材料在去除废水中重金属离子领域中的应用,以期提升废水中重金属离子的去除率。

关键词： 抗菌材料   抗菌机理   薄膜   应用  

摘要： 综述了无机材料、有机材料、天然产物以及有机高分子抗菌材料的抗菌机理,并介绍各类抗菌材料在薄膜中的最新研究进展。为日后研究者了解不同抗菌材料对薄膜的稳定性、抗菌效果、抗菌持久性和环境安全性提供了依据。

关键词： 颅骨缺损   颅骨成形术   颅骨修补材料  

摘要： 颅骨缺损往往需要行颅骨成形术进行修补,颅骨修补的目的是最大程度重建人体颅腔结构,达到颅腔密闭和颅内压的稳定。因此,颅骨成形材料在手术中起关键作用。除了异种、异体已经被淘汰的颅骨成形材料外,目前临床常见的有自体材料、金属材料和非金属材料以及仍处在研究阶段的骨组织工程材料。