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多金属层状双氢氧化物的制备及超电容性能研究

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多金属层状双氢氧化物的制备及超电容性能研究

作者：杨昊坤湖南大学

学位级别：硕士

近几十年来,人类对传统能源(如化石燃料、煤炭等)的过度利用造成了气候变化和环境污染。这些影响提高了人们的环保意识,推动了绿色能源的发展。其中,可充电电池、超级电容器和电催化制氢技术等电化学能源装置表现突出。超级电容器(SCs)... 详细信息

近几十年来,人类对传统能源(如化石燃料、煤炭等)的过度利用造成了气候变化和环境污染。这些影响提高了人们的环保意识,推动了绿色能源的发展。其中,可充电电池、超级电容器和电催化制氢技术等电化学能源装置表现突出。超级电容器(SCs)作为一种重要的电源储能装置,与其他储能装置相比其具有功率密度高、循环稳定性长、使用安全等优点,因而应用潜力巨大。超级电容器储能器件的性能主要取决于电极材料,层状双氢氧化物(LDHs)因其在充放电过程中的结构稳定性和高的理论比电容而被认为是超级电容器的优秀备选电极材料。另一方面,金属有机骨架(MOF)材料是一类具有高度多孔结构的重要功能材料。以MOF材料为前驱体和自牺牲模板制备的LDHs材料能够继承MOF的特殊形貌和高孔隙率等特性,为获得具有优异电化学超电容性能的超级电容器电极材料提供了新途径。本论文主要以MOF材料为前驱体和自牺牲模板,通过对其进行离子交换,制备具有优异性能的LDHs超级电容器电极材料,构建电化学超电容器,并考察相应的电化学电容性能。具体工作如下:(1)以锌钴-沸石咪唑酯骨架结构材料(Zn Co-ZIF)为前驱体和自牺牲模板,通过离子交换法将其转变为锌钴镍-层状双氢氧化物(ZCN-LDH),并探究了该材料的电化学超电容性能。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和全自动微孔物理吸附分析仪(BET)研究了样品的形貌、结构、元素组成及其价态和孔隙性等。此外,采用循环伏安、恒电流充放电、电化学阻抗和循环稳定性试验等方法在电化学三电极体系中考察了ZCN-LDH材料在3 M KOH电解质中的电化学性能。结果表明,所制备的ZCN-LDH电极材料具有中空介孔结构,其比表面积约为239.0 m g;电流密度为1 A g时具有1475.6 F g的高比电容,且在20 A g时仍保持69.5%的倍率性能;10000次循环充放电后,电容保持率达85.3%。以ZCN-LDH电极为正极,活性碳电极为负极组装而成的非对称超级电容器器件,在功率密度为807 W kg时,能量密度达77.0Wh kg,且在5000次循环后仍能保持90.1%的容量。(2)以镍锰-金属有机骨架(Ni Mn-MOF)为前驱体和自牺牲模板,在碱性水热的条件下进行离子交换将其转变为镍锰-层状双氢氧物(Ni Mn-LDH)并探究了该材料的电化学超电容性能。采用SEM、XRD、XPS和BET表征技术研究了所制备样品的形貌、结构、元素组成及其价态和孔隙性等。此外,采用循环伏安、恒电流充放电、电化学阻抗和循环稳定性试验等方法在三电极体系中检测了Ni Mn-LDH材料在3 M KOH电解质中的电化学性能。结果表明,电流密度为1 A g时其具有1382.2 F g的高比电容;5000次充放电循环后,电容保持率为91.2%。以Ni Mn-LDH电极为正极,以活性碳电极为负极组装成非对称超级电容器器件,当功率密度为750.6 W kg时,能量密度为70.8 Wh kg;即使在7493.2W kg的高功率密度下,也能保持47.9 Wh kg的能量密度,具有优异的倍率性能。

关键词：超级电容器层状双氢氧化物金属有机框架中空介孔结构

Al 6061/Mg AZ31B层状复合材料固-液铸轧及界面组织调控研究

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Al 6061/Mg AZ31B层状复合材料固-液铸轧及界面组织调控研究

作者：杨昊坤兰州理工大学

学位级别：硕士

当今世界面临的能源危机和环境污染问题日益严峻,降低汽车、飞机等交通工具的重量以降低能源消耗减少环境污染是机器制造业亟待解决的难题。轻质材料的开发应用成为研究的重点。将铝、镁两种性能优异的轻质金属进行复合可以将两种材料... 详细信息

当今世界面临的能源危机和环境污染问题日益严峻,降低汽车、飞机等交通工具的重量以降低能源消耗减少环境污染是机器制造业亟待解决的难题。轻质材料的开发应用成为研究的重点。将铝、镁两种性能优异的轻质金属进行复合可以将两种材料的优点进行有机结合,发挥各自的特点,弥补单一材料在性能上的不足,制备出一种具有广阔应用前景的理想轻质复合材料。1.本文采用固-液铸轧方法制备Al 6061/Mg AZ31B双金属复合材料,以AZ31B镁合金板材作为固态基板,6061铝合金作为液态浇覆金属,探究6061铝合金熔体浇覆温度对复合材料界面组织、宽度、相组成和力学性能的影响。发现随着6061浇覆金属熔液温度的升高,复合材料界面结合区宽度增加,从50μm增加到480μm,且金属间化合物体积分数增加。当6061铝合金液的浇注温度在660℃～700℃时,可获得良好的6061和AZ31B双金属冶金结合界面。界面附近可分为5个不同区域,在铝合金侧主要由α-Al和AlMg相组成,镁合金侧主要为α-Mg和MgAl相,中间结合区为MgAl和AlMg相,且在其中发现了Al MgZn相,Al MgZn相可以有效提高复合材料的结合性能;当6061铝合金液浇注温度为680℃时,复合材料界面强度达到最大,其中剪切强度为65 MPa,抗拉强度为111 MPa。2.结合层处存在金属间化合物会严重影响复合材料的综合性能,引入中间层可以有效地改善结合层的综合性能。结合相图分析与第一性原理计算,确定引入Zn中间层能够改变原有Al/Mg双金属复合材料结合界面的相组成,提高复合材料的综合力学性能。采用电弧喷涂技术在AZ31B镁合金固体基板表面制备一层Zn复合中间层。然后进行固-液铸轧,发现随着浇覆温度的升高,Zn会逐渐合金化到复合材料的结合层中,在Al/Mg结合界面处生成Mg Zn、Mg Zn、Al MgZn等抗变形能力强、韧性优良的新相,减少AlMg和AlMg等脆性相在结合层中含量,对提高复合材料力学性能有积极作用。结果表明:含有Zn中间层的镁铝结合层与直接复合的镁铝结合层相比,复合材料的拉伸强度、剪切强度提高约25%。随着浇覆温度升高力学性能均有所提高,浇覆温度为680℃时达到峰值,分别为136 MPa和74 MPa。3.变形后处理是提高Al/Mg复合材料界面结合性能的一种有效方法,通过多道次轧制可使金属间化合物层发生破碎,从而提高复合材料的界面结合性能。研究发现,随着轧制道次的增加,复合材料板材结合层被轧碎,且两侧基板中的母材逐渐向结合层破碎处迁移。两侧基板中的组织会沿轧制方向伸长并发生一定的再结晶,Mg基板中由于预热保温温度高于其再结晶温度,随着轧制道次的增加,Mg基板内部的晶粒发生在结晶,当轧制道次达到第四道次时,Mg基板内部基本发生了完全再结晶。随着两侧基板内部组织与结合层处的变化,复合材料板材的力学性能逐渐能加,其拉伸强度由未轧制时的136 MPa增长到第四道次轧制时的190 Mpa,剪切强度由74 MPa增长到98 MPa,增长率分别约为40%与32%,复合材料板材的延伸率则是由6.3%下降到了5.4%,降低约1%。

关键词： Al/Mg双金属复合材料浇覆温度 Zn中间层多道次轧制界面组织力学性能

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地球早期滞壳构造及其向板块构造体制演变

高校地质学报 2023年第6期29卷 862-871页

作者：杨昊坤李江海造山带与地壳演化教育部重点实验室北京100871 北京大学地球与空间科学学院北京100871

板块构造是现今地球上主导的构造体制,而地球早期是何种构造体制,以及板块构造运动何时开始,学界仍在争论不休。明确这一问题对于理解地球发展历史、演化规律以及预测地球的未来至关重要。早期学者普遍采用均变论观点,认为早期构造运动... 详细信息

板块构造是现今地球上主导的构造体制,而地球早期是何种构造体制,以及板块构造运动何时开始,学界仍在争论不休。明确这一问题对于理解地球发展历史、演化规律以及预测地球的未来至关重要。早期学者普遍采用均变论观点,认为早期构造运动与现今板块构造相似。然而随着地质资料的积累以及研究技术的进步,从“滞壳构造”到现代板块构造转变的观点逐渐被接受。所谓的滞壳,是指地球表面环绕地球一圈的单一板块。文章在滞壳构造的背景下,介绍了前人提出的地球早期构造体制模式假说,主要有热管构造模式、深成粘盖模式、地幔反转模式、盖—板构造模式等。随后对地球从滞壳构造向板块构造转化时间的最新研究进行综述。笔者认为目前主流学术观点已形成大体一致的框架,即中新太古代发生从滞壳构造模式向板块构造模式转化,现代板块构造样式可能在新元古代最终形成。

关键词：地球早期构造体制滞壳构造板块构造构造体制演变

Sr+Er复合变质对AlSi10MnMg合金微观组织、导热及力学性能的影响

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材料导报 2023年第6期37卷 127-133页

作者：刘文憬李元东宋赵熙毕广利杨昊坤曹杨婧兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050 兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室兰州730050

本工作以AlSi10MnMg为基础合金,通过添加Sr、Er的方法对合金进行复合变质处理,研究不同添加量下Sr、Er对AlSi10MnMg合金微观组织、导热性能、力学性能的影响规律,力图实现AlSi10MnMg合金导热、力学性功能一体化。结果表明:在金属型铸造... 详细信息

本工作以AlSi10MnMg为基础合金,通过添加Sr、Er的方法对合金进行复合变质处理,研究不同添加量下Sr、Er对AlSi10MnMg合金微观组织、导热性能、力学性能的影响规律,力图实现AlSi10MnMg合金导热、力学性功能一体化。结果表明:在金属型铸造工艺下,添加Sr能够有效改善合金中共晶Si形貌,在此基础上添加稀土元素Er能够在改善共晶Si形貌的同时进一步细化共晶Si。此外,Sr、Er能够细化AlSi10MnMg合金中α-Al的二次枝晶间距,进而提升合金的导热性能及力学性能。当添加0.05%Sr+0.3%Er时,合金变质效果及性能提升最显著,相比未变质的合金,其二次枝晶间距降幅达到67.3%,共晶Si长宽比降幅达到46.1%。性能方面,合金导热率提升17.4%,达到179.32 W/(m·K);磨损性能提升11.2%;抗拉强度提升34.58%,达到221.96 MPa;伸长率提升104.48%,达到15.97%。

关键词： AlSi10MnMg铝合金 Sr+Er 导热性能力学性能

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铝/镁双金属铸造复合材料的组织与性能

中国有色金属学报 2022年第6期32卷 1591-1604页

作者：杨昊坤邱谨周宏伟李元东刘文憬宋赵熙兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050 兰州理工大学有色金属合金省部共建教育部重点实验室兰州730050

以6061铝合金为液态浇注金属,以AZ31B镁合金为固态基板,采用固−液复合铸造法制备了Al/Mg双金属复合材料。研究了6061铝合金熔体浇注温度对复合材料界面组织、宽度、相组成和力学性能的影响。结果表明:随着6061铝合金液浇注温度的升高,... 详细信息

以6061铝合金为液态浇注金属,以AZ31B镁合金为固态基板,采用固−液复合铸造法制备了Al/Mg双金属复合材料。研究了6061铝合金熔体浇注温度对复合材料界面组织、宽度、相组成和力学性能的影响。结果表明:随着6061铝合金液浇注温度的升高,复合材料界面过渡区宽度增加,从360μm增加到1120μm,且金属间化合物体积分数增加;当6061铝合金液的浇注温度在660~700℃时,可获得良好的6061和AZ31B双金属冶金结合界面;界面附近可分为五个不同区域,铝合金基体区,镁合金基体区,靠近铝合金侧区域主要由α(Al)和Al_(3)Mg_(2)相组成,靠近镁合金侧区域主要由α-Mg和Mg_(17)Al_(12)相组成,中间过渡区由Mg_(17)Al_(12)和Al_(3)Mg_(2)相组成,在中间过渡区中发现了AlMg_(4)Zn_(11)相,该相可以有效提高复合材料的结合性能;当6061铝合金液浇注温度为680℃时,复合材料界面强度达到最大,其中剪切强度为39 MPa,抗拉强度为49.5 MPa。

关键词： 6061铝合金 AZ31B镁合金双金属复合铸造界面组织力学性能

微量Sr+Ce复合变质对AlSi10MnMg合金显微组织、导热性能及力学性能的影响

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中国有色金属学报 2022年第2期32卷 332-342页

作者：刘文憬李元东宋赵熙罗晓梅杨昊坤毕广利兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050 兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室兰州730050

以AlSi10MnMg铝硅合金为基础,研究微量Sr+Ce复合变质对AlSi10MnMg合金显微组织、导热性能及力学性能的影响。结果表明:在金属型铸造条件下,Sr、Ce的添加有效改善了AlSi10MnMg合金中共晶Si形貌,降低了Si相尺寸,提高了Si相圆整度,进而提... 详细信息

以AlSi10MnMg铝硅合金为基础,研究微量Sr+Ce复合变质对AlSi10MnMg合金显微组织、导热性能及力学性能的影响。结果表明:在金属型铸造条件下,Sr、Ce的添加有效改善了AlSi10MnMg合金中共晶Si形貌,降低了Si相尺寸,提高了Si相圆整度,进而提升了合金导热率及力学性能。添加0.05%Sr+0.02%Ce(质量分数)时合金变质效果最优,与未变质的AlSi10MnMg合金相比,其导热率提升了14.86%,达到181.68 W/(m•K);抗拉强度提升了42.4%,达到228.94 MPa;伸长率提升了101.5%,达到14.62%,实现了导热性能与力学性能的良好结合。而当稀土元素Ce添加量超过0.04%(质量分数)后,合金的导热率及力学性能呈降低趋势。针对复合变质后合金中可能出现的金属间化合物进行建模、优化,并采用第一性原理和Cahill模型对其导热率进行计算,研究发现Sr+Ce复合变质后,合金中出现的Sr-RE金属间化合物会降低AlSi10MnMg合金的导热性及力学性能。

关键词： AlSi10MnMg铝合金 Sr+Ce复合变质导热率力学性能第一性原理

变质处理对挤压态Al-20Mg_(2)Si-4.5Cu合金初生及共晶Mg_(2)Si变质形貌的影响机制

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精密成形工程 2023年第10期15卷 31-37页

作者：李超陈思宇杨昊坤王珵吉林大学材料科学与工程学院长春130025 国网河南省电力公司电力科学研究院郑州450052

目的研究微量元素复合变质下挤压态Al-20Mg_(2)Si-4.5Cu合金初生Mg_(2)Si和共晶Mg_(2)Si的形貌演化规律,揭示Mg_(2)Si相的变质和球化机制。方法采用形貌调控元素Be和异质形核元素Sb协同变质调控初生及共晶Mg_(2)Si相的形貌,然后结合挤... 详细信息

目的研究微量元素复合变质下挤压态Al-20Mg_(2)Si-4.5Cu合金初生Mg_(2)Si和共晶Mg_(2)Si的形貌演化规律,揭示Mg_(2)Si相的变质和球化机制。方法采用形貌调控元素Be和异质形核元素Sb协同变质调控初生及共晶Mg_(2)Si相的形貌,然后结合挤压工艺对初生及共晶Mg_(2)Si形貌进行进一步调控。结果经0.5%(质量分数)Be-Sb复合变质与挤压工艺处理后,初生Mg_(2)Si转变为近球形,尺寸约为10μm,共晶Mg_(2)Si转变约1μm的球形。结论挤压变形可以使Be-Sb复合变质后的合金中的初生及共晶Mg_(2)Si相发生明显球化。其中,Sb元素生成的Mg_(3)Sb_(2)相作为初生Mg_(2)Si的异质核心,有效细化了初生Mg_(2)Si相;Be元素选择性吸附在初生Mg_(2)Si及共晶Mg_(2)Si的择优生长晶面上。

关键词：铝合金变质处理形貌控制非均质成核挤压

南京东郊地区地铁隧道的岩溶工程地质问题研究

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现代隧道技术 2013年第5期50卷 12-17页

作者：杨昊坤郑章清郑军南京大学南京210093 中铁西南科学研究院有限公司成都611731 南京地铁资源开发有限责任公司南京210008

南京地铁4号线桦墅站—仙林东站区间穿越角砾状灰岩地层,沿线岩溶发育,具有规模大小不一、数量多等特征。文章通过对该场区内地层岩性、地质构造、地下水动力分带和地形地貌条件的分析,找出了其岩溶发育的规律;同时,针对本场区的岩溶发... 详细信息

南京地铁4号线桦墅站—仙林东站区间穿越角砾状灰岩地层,沿线岩溶发育,具有规模大小不一、数量多等特征。文章通过对该场区内地层岩性、地质构造、地下水动力分带和地形地貌条件的分析,找出了其岩溶发育的规律;同时,针对本场区的岩溶发育特征,将有地质缺陷的隧道围岩和地下水两类地质要素相结合,对岩溶区隧道开挖可能诱发的突水、突泥和地面塌陷灾害进行了机理分析。据此可采取有效防治对策,确保地铁建设与运营安全。

关键词：岩溶地质地铁隧道灾害防治

基于物联网的室外消防栓数据智能采集系统设计

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基于物联网的室外消防栓数据智能采集系统设计

作者：杨昊坤宁夏大学

学位级别：硕士

尽管大多数室外消防栓安装位置较便于寻找,使用和维修也较为方便,但是有些室外消防栓由于安装后,地面高度会发生变化,有可能造成消防栓的泄水口被堵塞,从而造成水压不足或者无法泄水。因此,作为消防栓使用部门来讲,如何科学管理和定位... 详细信息

尽管大多数室外消防栓安装位置较便于寻找,使用和维修也较为方便,但是有些室外消防栓由于安装后,地面高度会发生变化,有可能造成消防栓的泄水口被堵塞,从而造成水压不足或者无法泄水。因此,作为消防栓使用部门来讲,如何科学管理和定位室外消防栓,快速获取消防栓准确位置是火灾救援时最关键的环节之一。本文针对室外消防栓的特点,分析消防栓的传统管理模式和智能管理系统在消防领域的应用,并在此基础上设计了基于物联网的室外消防栓数据智能采集系统。论文从采集数据、服务器以及移动终端三个方面来构建系统。消防栓的数据采集由安装在消防栓外部的智能传感器完成,智能传感器集成了多种功能,可通过NB-IoT方式对所采集数据进行无线传输和数据库保存,并将数据打包以json格式推送至移动终端。移动终端使用Android平台进行工作,能够实现对消防栓的定位、查询、导航、警报等功能。主要工作及成果如下:(1)需求分析及系统功能设计。论文结合国内消防安全监测系统的发展现状,基于需求分析,提出设计方案和具体功能要求。通过调研相关技术的可行性,最终得出方案的可行技术指标及设计目标。(2)系统总体方案设计。通过安装在消防栓内部的传感器,实时获取每个消防栓的水温、水压等信息,并将数据传输至移动终端,实现通过移动终端对消防栓的智能监控。(3)实现系统设计功能、测试和验证。课题完成了系统模型的设计,对系统软件部分进行了测试与验证。经过测试系统具有较高的稳定性,符合实际需求。应用课题研究成果可实现室外消防栓的智能监管。

关键词：物联网室外消防栓智能传感器 Android 实时监测