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钠/钾离子电池用锑基负极研究进展:失效分析及解决方案

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应用化学 2024年第5期41卷 616-636页

作者：张冬玉王春丽程勇王立民中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室长春130022 中国科学技术大学应用化学与工程学院合肥230026

钠/钾离子电池因其丰富的资源储量被认为是后锂离子电池时代大规模储能应用中最有希望的选择。在众多的钠/钾离子电池负极材料中,锑(Antimony,Sb)基负极由于其高理论比容量受到关注。然而,Sb基材料在储能过程中存在的棘手问题阻碍了它... 详细信息

钠/钾离子电池因其丰富的资源储量被认为是后锂离子电池时代大规模储能应用中最有希望的选择。在众多的钠/钾离子电池负极材料中,锑(Antimony,Sb)基负极由于其高理论比容量受到关注。然而,Sb基材料在储能过程中存在的棘手问题阻碍了它的实际应用,比如:巨大的体积膨胀导致材料粉化脱离集流体,电池失效;欠佳的导电性,电化学动力缓慢;电极-电解液界面副反应,电池性能差等。为解决这些问题,研究者们从结构设计、掺杂催化改性和电解液界面调控等方面进行了探究,期望将Sb基材料高容量的优势发挥出来。因此,本文总结了近10年“钠/钾离子电池用Sb基负极”研究方面的亮点工作,详细讨论Sb基材料的失效机理,并系统地综述了相应的解决方案,为高性能Sb基及其他合金类负极材料的优化策略提供参考。

关键词：钠/钾离子电池 Sb基负极失效分析电化学性能优化

大展弦比混杂纤维复合材料机翼的强度及失效分析

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兵器材料科学与工程 2024年第4期47卷 113-120页

作者：张升刘菊蓉杨哲王军利王康杰王佳欢陕西理工大学机械工程学院陕西汉中723001 陕西省工业自动化重点实验室陕西汉中723001 陕西天行健车联网信息技术有限公司陕西西安710200

以大展弦比机翼为研究对象,基于经典层合板理论和Tsai-Wu失效准则,考虑几何非线性效应,用流固耦合数值模拟方法,重点研究碳/玻纤维混杂比、铺层相对位置、铺层角度对机翼强度及失效特性的影响。研究表明:碳/玻纤维混杂比=8∶2为最佳纤... 详细信息

以大展弦比机翼为研究对象,基于经典层合板理论和Tsai-Wu失效准则,考虑几何非线性效应,用流固耦合数值模拟方法,重点研究碳/玻纤维混杂比、铺层相对位置、铺层角度对机翼强度及失效特性的影响。研究表明:碳/玻纤维混杂比=8∶2为最佳纤维混杂比,机翼可兼顾高强度、低成本;玻璃纤维铺设在蒙皮对称中面位置时,机翼的强度及安全性更高,玻璃纤维铺设位置的变化不会对机翼的弹性变形产生显著影响;在不同混杂比下,以±45°铺层角度铺设的机翼整体力学性能更稳定,失效概率更低。

关键词：大展弦比几何非线性碳/玻纤维混杂复合材料失效分析

高功率衬底转移VCSEL阵列失效分析与早期筛选

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中国激光 2024年第13期 42-51页

作者：周泉材李阳袁崇献范鑫烨李川川韦欣聊城大学物理科学与信息工程学院中国科学院半导体研究所纳米光电子实验室中国科学院大学材料科学与光电技术学院中国科学院大学电子电气与通信工程学院

高功率垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列在激光医疗和激光传感等领域有着广泛应用，不同的应用场景对高功率VCSEL阵列的可靠性、成本、功率密度等也有着相应的要求。本文针对长脉冲应用场景的5 mm×5 mm大尺寸高功率808 nm VCSEL阵列器... 详细信息

高功率垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列在激光医疗和激光传感等领域有着广泛应用，不同的应用场景对高功率VCSEL阵列的可靠性、成本、功率密度等也有着相应的要求。本文针对长脉冲应用场景的5 mm×5 mm大尺寸高功率808 nm VCSEL阵列器件，开展了可靠性研究，并探讨了衬底转移、封装等因素对器件带来的影响。可靠性实验在电流为50 A、脉宽为30 ms、频率为10 Hz的注入水平下进行，利用共聚焦显微镜、X射线透视仪、电荷耦合器件（CCD）显微镜等进行数据收集。实验结果表明，对于衬底转移的大尺寸高功率808 nm器件，表面不规律凸起、焊接空洞、暗点数量等均会导致器件早期失效，尤其是20μm以上的不规律凸起高度、15%以上的不规律凸起面积、单个空洞比大于1.5%的焊接空洞和1%以上的暗点数量会直接带来致命损伤。本文的可靠性失效分析结果为高功率VCSEL阵列在工业应用中的早期失效筛选提供了一种简便可靠的方法。

关键词：垂直腔面发射激光器高功率长脉冲失效分析早期筛选

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NOS525钢下底座本体热锻模具失效分析

锻压技术 2024年第5期49卷 188-197页

作者：闫涛李培震李璐董俊斌杨智勇宝鸡保德利电气设备有限责任公司陕西宝鸡721013 北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044

针对NOS525钢下底座本体热锻模具在早期服役过程中频繁发生表面塌陷和热疲劳裂纹失效的问题,结合下底座本体模具的失效形式及部位,采用直读光谱仪、洛氏硬度计、光学显微镜和扫描电镜分别对其材料成分、硬度和金相组织等进行了研究。同... 详细信息

针对NOS525钢下底座本体热锻模具在早期服役过程中频繁发生表面塌陷和热疲劳裂纹失效的问题,结合下底座本体模具的失效形式及部位,采用直读光谱仪、洛氏硬度计、光学显微镜和扫描电镜分别对其材料成分、硬度和金相组织等进行了研究。同时,开展了模具不同深度及方向的取样设计,并进行了拉伸及冲击力学性能测试。此外,借助QForm软件对下底座本体的锻造过程进行仿真。试验和仿真结果表明:模具材料的显微组织中存在过长的针状马氏体和少量魏氏组织,属于晶粒粗大的过热组织,主要原因是模具在热处理过程中淬火温度过高或保温时间过长,加之回火不充分;下底座本体热锻过程中,模具工作面以及与飞边接触位置会产生明显的温度上升现象,模具工作时,型腔位置的最大应力接近试验所得的材料屈服强度,且超过了材料的疲劳强度,容易诱发模具上述部位发生表面塌陷和热疲劳裂纹,这与实际模具失效的情况相吻合。

关键词： NOS525钢热锻模具表面塌陷热疲劳裂纹失效分析热处理

热、振及热振耦合作用下IGBT模块失效分析

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电子元件与材料 2024年第5期43卷 513-520页

作者：王浩洁马永翔朱娟娟何勉刘东静陕西理工大学电气工程学院陕西汉中723001 桂林电子科技大学机电工程学院广西桂林541004

针对功率器件IGBT模块在多场载荷作用下的焊层失效问题,设计并构建了IGBT模型,基于有限元仿真软件对IGBT模块进行热循环、随机振动以及热振耦合试验,并对三种载荷条件下失效位置的分布规律以及失效模式进行对比分析。结果表明,在热循环... 详细信息

针对功率器件IGBT模块在多场载荷作用下的焊层失效问题,设计并构建了IGBT模型,基于有限元仿真软件对IGBT模块进行热循环、随机振动以及热振耦合试验,并对三种载荷条件下失效位置的分布规律以及失效模式进行对比分析。结果表明,在热循环载荷条件下,应力集中在DBC焊接层下表面中心位置,最大应力值为226.84 MPa;在随机振动载荷条件下,应力集中在DBC焊接层下表面周边边角位置,最大应力值约为0.0023 MPa;在热振耦合条件下,应力集中在DBC焊接层上表面靠近中心及周边边角位置,最大应力值为377 MPa。热振耦合条件下的焊料层力学行为表现有所变化。研究结果对多种不同载荷下功率器件IGBT模块的响应特性分析提供参考,同时为模块结构的设计提供理论依据。

关键词： IGBT模块热循环随机振动热振耦合失效分析

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锂硫软包电池容量衰减的失效分析

电源技术 2024年第4期48卷 628-633页

作者：杨幸遇张涛高文超刘艳侠郑州中科新兴产业技术研究院河南省储能材料与过程重点实验室河南郑州450003 中国科学院过程工程研究所离子液体清洁过程国家重点实验室北京100190

采用原位与非原位相结合的方法,将锂硫软包电池循环失效的容量损失进行定量化分析,主要包括可逆容量损失和不可逆容量损失。根据表征实验拆分,可逆容量损失主要由电流极化、电解液缺失和电芯极片膨胀导致的容量损失组成,不可逆容量损失... 详细信息

采用原位与非原位相结合的方法,将锂硫软包电池循环失效的容量损失进行定量化分析,主要包括可逆容量损失和不可逆容量损失。根据表征实验拆分,可逆容量损失主要由电流极化、电解液缺失和电芯极片膨胀导致的容量损失组成,不可逆容量损失主要由负极沉积硫化锂、隔膜黏附多硫化锂和电解液溶解等容量损失组成。通过计算对比,造成锂硫软包电池循环失效的主要因素为锂金属负极的粉化和硫化锂的沉积(约占47%),其次为隔膜黏附多硫化物约25%。可针对造成循环失效的主要因素进行重点改善,提升锂硫电池的循环性能,推动实用化进程。

关键词：锂硫软包电池失效分析容量衰减量化分解

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铸造桥式起重机卷筒轴断裂失效分析

机械设计与制造 2024年第4期398卷 351-356,360页

作者：李艳向东韦尧中王君英中国联合工程有限公司浙江杭州310000 北京科技大学机械工程学院北京100083 天地科技股份有限公司北京100013 清华大学机械工程系北京100085

针对某50/10t铸造桥式起重机卷筒轴断裂失效分析案例,结合断口形貌分析、材料金相组织分析、加工过程分析,全面排查了卷筒轴断裂失效的原因,搭建了铸造桥式起重机的动力学分析模型,计算了传动链中卷筒及钢丝绳的动态载荷,并分析了动载... 详细信息

针对某50/10t铸造桥式起重机卷筒轴断裂失效分析案例,结合断口形貌分析、材料金相组织分析、加工过程分析,全面排查了卷筒轴断裂失效的原因,搭建了铸造桥式起重机的动力学分析模型,计算了传动链中卷筒及钢丝绳的动态载荷,并分析了动载作用下卷筒的结构强度及卷筒轴的疲劳寿命。结果表明,该起卷筒轴断裂失效事故中,卷筒轴的结构硬度、材料组织良好,卷筒轴过渡圆角处会产生明显应力集中,周期性动载产生的交变应力会导致桥式起重机卷筒轴疲劳寿命大大减小,属于高名义应力的旋转弯曲疲劳断裂。

关键词：铸造桥式起重机卷筒轴断裂失效分析

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2507超级双相不锈钢活塞杆失效分析

热加工工艺 2024年

作者：鲁钰斌陈伟陈亚涛王灵水中船双瑞(洛阳)特种装备股份有限公司

某2507超级双相不锈钢活塞杆在运行过程中发生断裂失效，通过化学成分检测、力学性能试验、OM和SEM观察，结合ANSYS有限元分析对该活塞杆进行了失效分析。结果表明：活塞杆的化学成分满足标准要求，但力学性能不完全满足标准要求；活塞... 详细信息

某2507超级双相不锈钢活塞杆在运行过程中发生断裂失效，通过化学成分检测、力学性能试验、OM和SEM观察，结合ANSYS有限元分析对该活塞杆进行了失效分析。结果表明：活塞杆的化学成分满足标准要求，但力学性能不完全满足标准要求；活塞杆的失效形式为脆性断裂，失效部位为靠近母材的热影响区，热处理工艺不当导致组织中析出大量有害的σ相，在较大的交变载荷作用下发生失效。适当提高固溶温度，控制在1050～1150℃，并且提高冷却速率，减少甚至避免σ相析出，可改善活塞杆的组织与综合性能。

关键词： 2507超级双相不锈钢失效分析力学性能金相组织 σ相

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某机车柴油机进气门失效分析

热加工工艺 2024年第13期 154-158页

作者：耿曌杰高玉周大连海事大学材料科学与工程系

针对某型重载机车柴油机进气门服役过程中盘部掉块的失效事故，通过对失效进气门的宏观形态、断口形貌、化学成分、组织及力学性能的检验及分析，查明了进气门失效的原因，并阐述了失效机理。结果发现，裂纹起始于气门盘锥面，在落座应... 详细信息

针对某型重载机车柴油机进气门服役过程中盘部掉块的失效事故，通过对失效进气门的宏观形态、断口形貌、化学成分、组织及力学性能的检验及分析，查明了进气门失效的原因，并阐述了失效机理。结果发现，裂纹起始于气门盘锥面，在落座应力及热应力的综合作用下扩展直至断裂；进气门的化学成分、金相组织及锻造流线均不符合技术要求，降低了进气门的热强性和承载能力。有限元分析结果表明：应力峰值在气门盘锥面；由于进气门综合力学性能的下降，在循环交变应力的作用下，气门盘锥面产生掉块。

关键词：柴油机进气门失效分析有限元分析热处理