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γ/γ'型高熵合金的高温稳定性和力学性能调控策略

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γ/γ'型高熵合金的高温稳定性和力学性能调控策略

作者：庾强厦门大学

学位级别：硕士

开发极端环境下具备高强度高塑性的优质结构材料对于航空航天工业的迅捷发展起着至关重要的作用。与传统的高温合金相比,新发展出来的γ/γ’型高熵合金表现出优异的强度和塑性兼备特性,迅速引起了学术界广泛的关注。尤其是最近报道的(F... 详细信息

开发极端环境下具备高强度高塑性的优质结构材料对于航空航天工业的迅捷发展起着至关重要的作用。与传统的高温合金相比,新发展出来的γ/γ’型高熵合金表现出优异的强度和塑性兼备特性,迅速引起了学术界广泛的关注。尤其是最近报道的(FeCoNi)86Ti7Al7高熵合金,其室温下的屈服强度高达1.5GPa的同时,塑性仍能维持在50%,为下一代新型高温结构材料的开发提供了范例。但与镍基,钴基高温合金相似,这种强度-塑性兼备的优异性能,严重依赖于γ’析出沉淀相的热稳定性,尤其是在高温下。然而,由于发展时间短暂,实验上对于γ/γ’型高熵合金中γ’相高温热稳定性的研究仍处于“试错”的初级阶段。利用第一性原理计算的方法,从理论上探索提高γ’相高温热稳定性和本征力学性能的策略,对于新型高温结构材料的发现具有重要的指导价值。本研究首先利用经验参数价电子浓度VEC和晶格畸变常数δ,对40种γ/γ’型高熵合金的相组成规律进行考察,发现VEC并不适用于γ/γ’型高熵合金中“FCC+L12”的结构调控,但进一步考察合金的δ,可有效地对其相组成进行设计。利用相干势近似法(CPA)和精确Muff-tin轨道形式(EMTO)结合的第一性原理计算,系统地研究了(FeCoNi)86Ti7Al7高熵合金中γ/γ’相成分下的原子择优占位、结构稳定性,以及有序无序转变行为对其磁性、力学性能和态密度分布的影响。结果表明,(FeCoNi)86Ti7Al7高熵合金中L12结构的原子结构模型可表示为(Fe,Co,Ni)3(Ti,Al,Fe)。γ’沉淀相成分下FCC-L12结构的焓差要比γ基体相成分下的焓差大得多,从而有利于形成部分有序的L12结构;但同时,不利于其有序结构稳定存在的熵差也相对较大,而导致其在高温下转变为完全无序的FCC结构。熵和焓之间的竞争严格地决定了合金在该温度下的结构选择,且这种竞争能力与合金的具体成分密切相关。考虑到成分-结构之间的联系,以熵焓竞争关系为两者之间的桥梁,系统地评估了 Fe、Co、Ni、Al/Ti元素对(FeCoNi)86Ti7Al7高熵合金中γ’相居里温度,机械稳定性及有序无序转变温度的影响。结果表明,Fe为γ’相的不利元素,其含量的提高会使得合金从顺磁性转变为铁磁性,且在较高含量时还会导致合金的机械不稳定性。而对其熵焓贡献进行探析发现,构型熵对于成分含量的改变并不敏感;相比之下,焓和振动熵为决定γ’相有序无序转变行为的关键因素。其中,焓为合金的固有属性,而振动熵与合金的晶格畸变程度成正比关系。因此,提高γ’相高温热稳定性的理想条件为:高焓差,低畸变。采用“低畸变,高熔点,低密度”的标准,结合实验成功案例的经验,筛选出了元素周期表中对γ’相高温稳定性可能有利的过渡族掺杂元素:Nb、Mo、Ta、W、V、Cr、Mn、Cu。利用第一性原理计算的方法,系统地探析了过渡族掺杂元素替代不利主元元素Fe对γ’沉淀相有序无序转变温度和本征力学性能的影响,并从广义层错能角度对其强韧化机理进行了讨论。计算结果表明,Nb和Ta元素为最理想元素,可同时提高γ’相的高温热稳定性及强度、塑性。

关键词： γ/γ’型高熵合金第一性原理计算有序无序转变温度本征力学性质

钨硅二元体系化合物稳定性、力学性能和电子结构的理论计算研究

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功能材料 2018年第4期49卷 4150-4155页

作者：金娜庾强杨延清罗贤西北工业大学凝固技术国家重点实验室西安710072

钨硅二元体系化合物除了具有难熔金属硅化物共有的高熔点、高强度、强的抗氧化性和抗形变能力的同时,还表现出了许多其它卓越的性能特点,目前已得到广泛的应用。基于密度泛函理论对钨硅二元体系所形成化合物WSi_2和W_5Si_3的稳定性、力... 详细信息

钨硅二元体系化合物除了具有难熔金属硅化物共有的高熔点、高强度、强的抗氧化性和抗形变能力的同时,还表现出了许多其它卓越的性能特点,目前已得到广泛的应用。基于密度泛函理论对钨硅二元体系所形成化合物WSi_2和W_5Si_3的稳定性、力学性能和电子结构进行了研究。通过计算5种钨硅二元体系相结构的点阵常数、形成焓、弹性常数、体模量、剪切模量、拉伸模量、泊松比、各向异性因子以及维氏硬度等物理量得到其晶体结构和力学性能等信息。此外,通过对WSi_2和W_5Si_3的总体和局部态密度的计算得到钨硅二元体系化合物的成键机制。计算结果表明,在钨硅二元体系化合物的5种稳定相结构中,β-WSi_2表现出了最高的稳定性和力学性能。态密度的计算结果也进一步证实了这一点。同时,态密度的计算结果表明这5种稳定相结构的成键机制均是较强的共价键和一定程度金属键的混合。结果可对基于钨硅二元体系化合物的新材料的设计提供新线索和理论基础。

关键词：钨硅二元体系化合物密度泛函理论稳定性力学性能电子结构

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氮素添加对草原不同冠层植物光合作用的影响

中国沙漠 2019年第1期39卷 135-141页

作者：徐翀庾强左小安张春萍牛得草兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室/农业农村部草牧业创新重点实验室/草地农业科技学院甘肃兰州730020 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站北京100081 中国科学院西北生态环境研究院乌拉特荒漠草原研究站甘肃兰州730000

氮沉降对植物的生理生态特征具有重要影响,草原不同冠层植物光合特性对氮沉降的响应不同。通过向内蒙古典型草原人工施加氮肥模拟氮沉降,测定上层代表性植物羊草(Leymus chinensis)及下层代表性植物黄囊苔草(Carex korshinskyi)的光合速... 详细信息

氮沉降对植物的生理生态特征具有重要影响,草原不同冠层植物光合特性对氮沉降的响应不同。通过向内蒙古典型草原人工施加氮肥模拟氮沉降,测定上层代表性植物羊草(Leymus chinensis)及下层代表性植物黄囊苔草(Carex korshinskyi)的光合速率(Pn)、水分利用效率(WUE)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)等光合特性指标及生物量,分析氮沉降对草原不同冠层植物的影响。结果表明:羊草净光合速率随着氮添加量增加呈先上升后下降趋势,而黄囊苔草净光合速率随着氮添加量增加呈上升趋势。氮添加增加了羊草的水分利用效率、生物量和相对生物量,但是对黄囊苔草的水分利用效率、生物量和相对生物量没有影响。在施氮量高于0.8 mol·m-2后,黄囊苔草的气孔导度和蒸腾速率极显著高于羊草(P<0.01);整体上看,随着氮添加梯度黄囊苔草蒸腾速率呈现增加的趋势,而羊草的气孔导度和蒸腾速率的变化没有明显的规律。典型草原区不同冠层植物的光合特性对氮添加具有不同的响应,上层植物对下层植物光合作用的限制较小。

关键词：氮沉降典型草原光合速率水分利用效率蒸腾速率气孔导度

降水量和短期极端干旱对典型草原植物群落及优势种羊草(Leymus chinensis)叶性状的影响

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中国沙漠 2018年第5期38卷 1009-1016页

作者：岳喜元左小安庾强徐翀吕朋张晶中国科学院西北生态环境资源研究院乌拉特荒漠草原研究站甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所北京100081 兰州大学草地农业科技学院甘肃兰州730000

植物叶性状在植物响应环境变化中具有重要作用。在气候变化的背景下,典型草原植物叶性状如何响应降水格局与短期极端干旱还不十分清楚。利用野外控制试验,研究了降水量(323 mm和236 mm)和短期极端干旱(生长季减雨66%和生长季干旱60 d)... 详细信息

植物叶性状在植物响应环境变化中具有重要作用。在气候变化的背景下,典型草原植物叶性状如何响应降水格局与短期极端干旱还不十分清楚。利用野外控制试验,研究了降水量(323 mm和236 mm)和短期极端干旱(生长季减雨66%和生长季干旱60 d)对典型草原植物群落及优势植物羊草(Leymus chinensis)叶性状的影响。结果表明:降水格局显著影响着植物群落和羊草的叶性状(P<0.05),短期极端干旱对典型草原群落和羊草叶面积具有显著影响(P<0.05)。随着降水量的减少,群落和羊草的叶面积与叶干物质含量降低,而比叶面积与叶片氮含量增加。降水格局与短期极端干旱交互作用显著影响着群落的叶面积与叶片氮含量(P<0.05),323 mm降水量下短期极端干旱显著降低了叶面积,266 mm降水量下生长季干旱60 d增加了叶片氮含量。降水格局与短期极端干旱交互作用也显著影响着羊草叶面积与比叶面积(P<0.01),323 mm降水量下短期极端干旱降低了叶面积,266 mm降水量下生长季干旱60 d显著增加了比叶面积。回归分析表明,不同处理下羊草叶面积、叶干物质含量、叶片氮含量能较好地解释群落叶性状。典型草原植物群落通过优势植物的主要叶性状改变来适应降水格局变化,而通过叶面积改变来适应短期极端干旱。

关键词：叶性状短期极端干旱降水羊草(Leymus chinensis) 典型草原

草甸草原土壤碳/氮矿化潜力及土壤微生物水分敏感性对极端干旱的响应

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应用生态学报 2020年第3期31卷 814-820页

作者：李磊王岩胡姝娅李阳申颜庾强黄建辉王常慧中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室北京100093 中国科学院大学资源环境学院北京100049 河南科技大学河南洛阳471000 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所北京100081

土壤碳、氮矿化是生态系统养分循环的关键过程,受到水分供给的强烈影响。本研究对极端干旱处理(连续3年生长季减少66%降水)的内蒙古草甸草原野外取土,采用超低温冻干后再调节土壤水分至3%、8%、13%、18%、25%和35%6个水平进行室内培养,... 详细信息

土壤碳、氮矿化是生态系统养分循环的关键过程,受到水分供给的强烈影响。本研究对极端干旱处理(连续3年生长季减少66%降水)的内蒙古草甸草原野外取土,采用超低温冻干后再调节土壤水分至3%、8%、13%、18%、25%和35%6个水平进行室内培养,研究极端干旱处理后土壤碳/氮矿化潜力以及土壤微生物对水分变化的敏感性。结果表明:与对照(自然降雨)相比,极端干旱处理后,6个培养水平的平均土壤氮矿化潜力显著提高14.2%,但未显著影响土壤碳矿化潜力。极端干旱显著提高土壤微生物生物量氮和土壤可溶性有机碳26.8%和26.9%。无论是对照还是极端干旱处理,土壤氮矿化潜力、碳矿化潜力和微生物生物量碳和氮均随着土壤含水量增加而增加,而可溶性有机碳从较低水分的培养水平(3%和8%)到较高水分的培养水平(>13%)显著降低,表明底物的扩散起到重要作用。极端干旱处理显著提高了碳矿化初始脉冲强度,表明极端干旱提高了土壤微生物对水分的敏感性。极端干旱显著降低了土壤碳矿化潜力/氮矿化潜力的比值,表明长期干旱可能会降低土壤碳、氮循环过程的耦合作用。极端干旱对土壤碳矿化和氮矿化过程的影响存在差异,激发了土壤微生物对水分的敏感性,弱化了碳、氮循环过程的耦合关系,并进一步影响中国北方草甸草原生态系统的生物地球化学循环过程及草地生产力。

关键词：极端干旱草甸草原微生物水分敏感性碳/氮矿化潜力土壤含水量

长期氮添加对内蒙古典型草原植物地上、地下生物量及根冠比的影响

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生态学杂志 2020年第10期39卷 3185-3193页

作者：景明慧贾晓彤张运龙曹娟周伟王杰庾强中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站中国农业科学院北京100081

氮沉降的增加显著改变了生态系统功能和过程。大量研究表明,氮添加会提高生态系统生产力,然而,大部分研究集中在地上生物量,对地下生物量以及根冠比的研究较少。我们在内蒙古典型草原进行了7年的氮添加实验,设置6个氮添加水平,分别是N0... 详细信息

氮沉降的增加显著改变了生态系统功能和过程。大量研究表明,氮添加会提高生态系统生产力,然而,大部分研究集中在地上生物量,对地下生物量以及根冠比的研究较少。我们在内蒙古典型草原进行了7年的氮添加实验,设置6个氮添加水平,分别是N0(0)、N1(5.6 g N·m^-2)、N2(11.2 g N·m^-2)、N3(22.4 g N·m^-2)、N4(39.2 g N·m^-2)、N5(56 g N·m^-2),测定植物地上和不同土层(0~10、10~30、30~50和50~100 cm)地下生物量并计算根冠比,研究不同氮添加水平对植物地上、地下生物量和根冠比的影响。结果表明:(1)与对照相比,低氮添加水平(N1和N2)未显著增加地上生物量,高氮添加水平(N3~N5)显著增加了地上生物量(96%~117%),且各高氮添加水平间差异不显著;(2)不同氮添加水平下,植物地上生物量的氮响应效率(NRE)均大于0且呈下降趋势,相邻氮添加水平的NRE差值(ΔNRE)仅在N3水平下显著增加,说明地上生物量在N3水平下达到饱和;(3)氮添加未显著改变不同土层以及整个土壤剖面上的地下生物量,且对各土层地下生物量的占比情况无显著影响;(4)与对照相比,N1和N2未显著改变植物的根冠比,N3~N5显著降低了植物根冠比。综上所述,氮沉降增加会提高植物地上生物量,对不同土层根系的影响比较复杂,需要更多的研究来明确地下生产力对氮沉降增加的响应规律。

关键词：地下生物量富营养化氮沉降根冠比草原生态系统

半干旱典型草原养分添加对优势物种叶片氮磷及非结构性碳水化合物含量的影响

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生态学杂志 2014年第7期33卷 1795-1802页

作者：王雪雒文涛庾强闫彩凤徐柱文李迈和姜勇森林与土壤生态国家重点实验室中国科学院沈阳应用生态研究所沈阳110164 中国科学院大学北京100049 植被与环境变化国家重点实验室中国科学院植物研究所北京100093

在7年的养分添加(对照、低磷、低氮、低氮高磷和高氮低磷)试验基础上,测定了内蒙古半干旱典型草原优势种大针茅(Stipa grandis)和羊草(Leymus chinensis)叶片氮、磷、可溶性碳水化合物和淀粉含量。结果表明:两物种叶片氮、可溶性碳水化... 详细信息

在7年的养分添加(对照、低磷、低氮、低氮高磷和高氮低磷)试验基础上,测定了内蒙古半干旱典型草原优势种大针茅(Stipa grandis)和羊草(Leymus chinensis)叶片氮、磷、可溶性碳水化合物和淀粉含量。结果表明:两物种叶片氮、可溶性碳水化合物、淀粉及非结构性碳水化合物含量对养分添加有显著的响应(P<0.05),养分添加与物种有显著的交互作用(P<0.05);加氮显著增加了两物种植物叶片氮含量(P<0.05),单加N处理显著降低了两物种叶片中的淀粉含量(P<0.05),单加磷处理显著增加了羊草叶片可溶性碳水化合物含量(P<0.05),高氮低磷处理显著降低两物种叶片非结构性碳水化合物总量(P<0.05)。大针茅叶片各变量对磷添加无明显的响应,其叶片相对较高的C/N、C/P和可溶性碳水化合物/淀粉比,表明其具有相对较高的可直接利用的碳水化合物以及较高的氮、磷养分利用效率;羊草对外源养分的添加具有相对较强的竞争吸收能力。

关键词：草原植物碳氮比碳磷比非结构性碳水化合物养分添加养分生理

降水变化和养分添加对呼伦贝尔草甸草原土壤呼吸的影响

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生态学杂志 2022年第3期41卷 465-472页

作者：陶冬雪李文瑾杨恬柯玉广徐翀赵晋灵吴红慧庾强中国农业科学院农业资源与农业区划研究所呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站北京100081 兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室农业农村部草牧业创新重点实验室草地农业科技学院兰州730020 中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室北京100093 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所农业部作物营养与施肥重点开放实验室北京100081

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要组成部分,研究土壤呼吸对降水变化和养分沉降的响应有助于评估全球变化对生态系统碳循环的影响。然而,目前降水变化和养分沉降对土壤呼吸的交互影响研究相对较少。本研究以呼伦贝尔草甸草原为对象,... 详细信息

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要组成部分,研究土壤呼吸对降水变化和养分沉降的响应有助于评估全球变化对生态系统碳循环的影响。然而,目前降水变化和养分沉降对土壤呼吸的交互影响研究相对较少。本研究以呼伦贝尔草甸草原为对象,通过增减雨和养分添加,模拟研究降水变化和养分沉降及其交互对草甸草原土壤呼吸的影响及其机制。结果表明:增雨对土壤呼吸没有显著影响,干旱显著降低了土壤呼吸;养分添加对土壤呼吸有一定的抑制作用,但其与降水变化的交互作用不显著。增雨显著增加了土壤湿度,但对土壤温度没有显著影响;相反,干旱显著降低了土壤湿度,增加了土壤温度;养分添加显著增加了可溶性无机碳、无机氮和地上净初级生产力,降低了土壤湿度。土壤呼吸与土壤湿度、微生物生物量碳、微生物生物量氮呈显著正相关,而与土壤温度呈显著负相关;土壤湿度、土壤温度、微生物生物量碳和微生物生物量氮可以分别解释土壤呼吸56.3%、26%、16.6%和19.6%的变异,表明土壤水分是调控土壤呼吸的关键因子。本研究有助于增强对全球变化背景下草甸草原土壤呼吸的理解和认识。

关键词：土壤呼吸降水增加干旱养分添加草甸草原

氮磷添加对内蒙古温带典型草原土壤微生物群落结构的影响

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生态学报 2014年第17期34卷 4943-4949页

作者：施瑶王忠强张心昱孙晓敏刘希玉何念鹏庾强东北师范大学地理科学学院长春130024 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国科学院沈阳应用生态研究所沈阳110016

选取内蒙古温带典型草原,进行连续6a氮磷添加试验,采用土壤特征微生物PLFA生物标记技术,研究6个氮添加水平N0(0 kg N hm-2a-1)、N1(56 kg N hm-2a-1)、N2(112 kg N hm-2a-1)、N3(224 kg N hm-2a-1)、N4(392 kg N hm-2a-1)、N5(560 kg N hm-2a-1)和6个磷添加水平P0(0 kg P hm-2a-1)、P1(15.5 kg P hm-2a-1)、P2(31 kg P hm-2a-1)、P3(62 kg P hm-2a-1)、P4(93 kg P hm-2a-1)、P5(124 kg P hm-2a-1)对土壤特征微生物PLFA生物标记数量和土壤微生物群落结构的影响。结果表明:(1)随氮添加量增加,土壤微生物总磷脂脂肪酸(PLFA)含量和土壤细菌PLFA生物标记数量、放线菌PLFA生物标记数量呈上升趋势,土壤G+/G-呈增加趋势;各氮添加水平对土壤真菌PLFA生物标记数量无显著差异,随氮添加量增加,土壤真菌/细菌比降低。(2)随磷添加量增加,土壤总磷脂脂肪酸(PLFA)含量、土壤细菌PLFA生物标记数量、放线菌PLFA生物标记数量、真菌PLFA生物标记数量及真菌/细菌比值呈先上升后下降趋势,均以P3水平(62 kg P hm-2a-1)处理最高,说明适宜的磷添加对内蒙古温带典型草原土壤微生物繁殖和菌落结构有显著影响。

关键词：温带典型草原氮磷添加磷脂脂肪酸(PLFA) 细菌真菌放线菌微生物群落结构