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冷喷涂金属颗粒变形行为数值模拟研究进展

表面技术 2024年第8期53卷 1-10页

作者：陈进殷强郑志明邢亚哲长安大学材料科学与工程学院材料成型及控制工程系西安710061

理解冷喷涂中的颗粒变形和沉积行为一直是科学工作的焦点。由于颗粒撞击基底后的瞬时变形行为难以通过实验观测,因此多数研究工作聚焦于数值模拟。总结了一些颗粒撞击基底的建模方法,在前人研究的基础上,针对每个模型的原理及优缺点,分... 详细信息

理解冷喷涂中的颗粒变形和沉积行为一直是科学工作的焦点。由于颗粒撞击基底后的瞬时变形行为难以通过实验观测,因此多数研究工作聚焦于数值模拟。总结了一些颗粒撞击基底的建模方法,在前人研究的基础上,针对每个模型的原理及优缺点,分析了每个方法的适用场景,给出了改善模型的方法。综述了颗粒特性、入射角度、气体预热温度等对颗粒变形行为的影响,其中粒径大小、颗粒形状等是影响颗粒变形行为的主导因素,因此重点探讨了颗粒特性的影响。颗粒的撞击变形是影响冷喷涂涂层残余应力分布的重要因素,对涂层残余应力的相关数值模拟研究进行了综述,分析了颗粒变形与颗粒残余应力的关系。最后就目前冷喷涂残余应力建模较单一的形势,探讨了如何建立一种新模型以分析涂层残余应力。

关键词：冷喷涂颗粒瞬时变形数值模拟有限元法颗粒特性涂层残余应力

基于稀土上转换纳米粒子传感器的构建及其在食品添加剂检测中的应用

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光谱学与光谱分析 2024年第9期44卷 2459-2466页

作者：张璇王雅森温娜吕海霞李宝铭福州大学材料科学与工程学院分子材料与工程系福建福州350108

稀土上转换纳米粒子(UCNPs)因其具有毒性小、化学稳定性好和背景荧光低等优点被用于构建荧光纳米传感器。通过溶剂热法制备核壳UCNPs,采用柠檬酸钠对其进行表面配体交换得到水溶性核壳UCNPs(Cit-CS-UCNPs),以Cit-CS-UCNPs作为荧光传感... 详细信息

稀土上转换纳米粒子(UCNPs)因其具有毒性小、化学稳定性好和背景荧光低等优点被用于构建荧光纳米传感器。通过溶剂热法制备核壳UCNPs,采用柠檬酸钠对其进行表面配体交换得到水溶性核壳UCNPs(Cit-CS-UCNPs),以Cit-CS-UCNPs作为荧光传感器的能量供体,二氧化锰(MnO_(2))纳米片作为荧光传感器的能量受体,采用荧光共振能量转移(FRET)机理,构建了一种用于食品添加剂二氧化氢(H_(2)O_(2))和叔丁基对苯二酚(TBHQ)检测的荧光纳米传感器(Cit-CS-UCNPs-MnO_(2))。通过扫描电镜(SEM)、荧光光谱和紫外可见吸收光谱(UV-Vis)等分析测试手段对制备的纳米材料的形貌结构和性能进行表征。考察了猝灭剂浓度、孵育温度及孵育时间等实验条件对荧光传感体系检测性能的影响。荧光光谱和UV-Vis实验结果表明,Cit-CS-UCNPs最大发射峰位于654nm,Cit-CS-UCNPs与MnO_(2)结合后,核壳UCNPs发生荧光猝灭,当存在H_(2)O_(2)时,Cit-CS-UCNPs的荧光恢复,说明在此波段H_(2)O_(2)与MnO_(2)纳米片发生氧化还原反应,MnO_(2)纳米片被还原成Mn^(2+),逐渐从Cit-CS-UCNPs的表面解离下来;存在TBHQ时,Cit-CS-UCNPs-MnO_(2)与TBHQ体系峰位与TBHQ偏移到253nm,为TBHQ与MnO_(2)纳米片发生氧化还原反应,使得Cit-CS-UCNPs-MnO_(2)体系中FRET效应减弱,荧光强度回升。SEM结果表明,MnO_(2)纳米片均匀包覆在Cit-CS-UCNPs的周围,在水中仍可保持良好的分散性,表明MnO_(2)纳米片修饰到Cit-CS-UCNPs表面。对猝灭剂高锰酸钾(KMnO4)的浓度进行了优化。结果表明,当KMnO4浓度为10mol·L^(-1)时,猝灭效率可达90%。对检测条件进行优化,结果表明H_(2)O_(2)的检测孵育时间为25min时,MnO_(2)和H_(2)O_(2)之间氧化还原反应基本完全,Cit-CS-UCNPs-MnO_(2)荧光恢复值最大;TBHQ的检测孵育时间为30min。在最佳实验条件下,Cit-CS-UCNPs-MnO_(2)的荧光强度变化比率与H_(2)O_(2)浓度(0~1000μmol·L^(-1))及TBHQ浓度(0~0.6 mmol·L^(-1))分别具有良好的线性关系。保持最佳实验条件,选取食品中存在的代表性金属离子(如K+、Na+、Ca^(2+)和Mg^(2+))和常见的食品添加剂苯甲酸(BA)、D-葡萄糖(Glu)、山梨酸钾(PS)、蔗糖(Suc)、纳他霉素(Nat)和肌醇(Ino)作为研究对象进行选择性测试,发现与H_(2)O_(2)相比,Cit-CS-UCNPs-MnO_(2)对其他添加物质没有强烈的反应,传感器整体荧光信号波动不大,因此Cit-CS-UCNPs-MnO_(2)对H_(2)O_(2)和TBHQ可进行特异性检测。

关键词：上转换纳米粒子核壳结构荧光纳米传感器

B_(4)C含量对(Ti_(0.25)Zr_(0.25)Hf_(0.25)Ta_(0.25))B_(2)-B_(4)C陶瓷力学性能及抗氧化性能的影响

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无机材料学报 2024年第6期39卷 697-706页

作者：刘国昂王海龙方成黄飞龙杨欢郑州大学材料科学与工程学院郑州450001

新型高熵硼化物陶瓷具有优异的高温稳定性、低热导率等优点,在高温热防护领域具有广阔的应用前景。本研究采用硼/碳热还原法结合热压烧结技术在1900℃下制备了(Ti_(0.25)Zr_(0.25)Hf_(0.25)Ta_(0.25))B_(2)-B_(4)C高熵硼化物陶瓷,并研究... 详细信息

新型高熵硼化物陶瓷具有优异的高温稳定性、低热导率等优点,在高温热防护领域具有广阔的应用前景。本研究采用硼/碳热还原法结合热压烧结技术在1900℃下制备了(Ti_(0.25)Zr_(0.25)Hf_(0.25)Ta_(0.25))B_(2)-B_(4)C高熵硼化物陶瓷,并研究了B_(4)C第二相含量对其力学及抗氧化性能的影响规律。结果表明,B_(4)C均匀分布在高熵基体中,有效改善了高熵陶瓷的相对密度和力学性能。当B_(4)C体积分数为20%时,复相陶瓷的抗弯强度、断裂韧性以及维氏硬度均达到最高,分别为(570.0±27.6)MPa、(5.58±0.36)MPa·m^(1/2)和(24.6±1.1)GPa。微观结构分析表明,B_(4)C能够钉扎晶界、细化晶粒,并能够引入裂纹偏转、分支等增韧机制,最终实现复相陶瓷的强化及韧化。此外,利用静态氧化实验,揭示了B_(4)C含量对复相陶瓷800~1400℃抗氧化性能的影响。当B_(4)C体积分数不小于20%时,其氧化生成的玻璃相B_(2)O_(3)能够均匀包裹(Zr,Hf)O_(2)、TiO_(x)及Ta_(2)O_(5)等高熵基体对应的氧化物,从而在陶瓷表面形成均匀致密的氧化层,抑制氧向基体内部扩散,降低氧化层厚度并提升复相陶瓷的抗氧化性能。本工作能够为高熵硼化物陶瓷的力学及抗氧化性能研究提供实验依据和数据支撑。

关键词：高熵硼化物陶瓷 B_(4)C 力学性能抗氧化性能

三维多孔铜及表面修饰铋协同构筑无枝晶锂金属电极

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高等学校化学学报 2024年第6期45卷 85-97页

作者：王帅孙雨涵高欣宋瑞赵铭钦卢垚鲍晓冰罗巧梅苟蕾樊小勇长安大学材料科学与工程学院西安710061

以化学镀制备的具有微米级三维(3D)多孔结构的3D多孔铜为基底,在其表面电沉积铋修饰层,构建了3D Cu@Bi;将其作为锂金属电极集流体.孔径约5μm的3D多孔结构具有高表面积,有利于降低局部电流密度,电流密度分布更均匀,其大容纳空间可缓解... 详细信息

以化学镀制备的具有微米级三维(3D)多孔结构的3D多孔铜为基底,在其表面电沉积铋修饰层,构建了3D Cu@Bi;将其作为锂金属电极集流体.孔径约5μm的3D多孔结构具有高表面积,有利于降低局部电流密度,电流密度分布更均匀,其大容纳空间可缓解体积变化和释放应力,抑制锂枝晶生长.Bi的亲锂性促进了界面动力学,降低了形核过电位,增强了锂沉积/剥离的可逆性.在3D多孔结构和铋修饰层的协同作用下,锂金属沉积容量>4 mA·h/cm^(2)时,电极表面仍保持平整、光滑;由其组装的半电池经过200次循环后,库仑效率(CE)可保持在98.5%以上;由其组装的对称电池在电流密度为0.5 mA/cm^(2),面容量为1 mA·h/cm^(2)时,可稳定循环1500 h以上,循环100次后电极表面仍光滑、无枝晶;以磷酸铁锂为正极组装的LFP||3D Cu@Bi@Li全电池在1.0C倍率下经过200次循环后,显示出132 mA·h/g的高容量和约87.2%的容量保持率.

关键词：锂电池锂金属电极三维多孔集流体铋修饰层无锂枝晶

基于55 nm DICE结构的单粒子翻转效应模拟研究

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物理学报 2024年第6期73卷 295-304页

作者：张幸刘玉林李刚燕少安肖永光唐明华湘潭大学材料科学与工程学院湘潭411105

单粒子翻转(single event upset,SEU)是器件在辐照空间中应用的关键难题,本文以55 nm加固锁存单元为研究载体,通过三维数值模拟方法,获得了重离子不同入射条件下的线性能量转移(linear energy transfer,LET)阈值和电压脉冲变化曲线,研... 详细信息

单粒子翻转(single event upset,SEU)是器件在辐照空间中应用的关键难题,本文以55 nm加固锁存单元为研究载体,通过三维数值模拟方法,获得了重离子不同入射条件下的线性能量转移(linear energy transfer,LET)阈值和电压脉冲变化曲线,研究了双互锁存储单元(dual interlockded storage cell,DICE)的抗辐照性能和其在不同入射条件下的SEU效应.研究表明,低LET值的粒子以小倾斜角入射器件时,降低了器件间的总电荷收集量,使得主器件节点的电压峰值和电压脉宽最小,器件SEU敏感性最低;由于空穴与电子迁移率的差异,导致DICE锁存器中Nhit的入射角敏感性远大于Phit;合理调节晶体管间距可以削弱电荷共享效应,使得从器件总电荷收集量减小,仿真计算得到此工艺下晶体管间距不能小于1.2μm.相关仿真结果可为DICE锁存单元单粒子效应的物理机制研究和加固技术提供理论依据和数据支持,有助于加快存储器件在宇航领域的应用步伐.

关键词：双互锁存储单元数值模拟单粒子翻转效应电荷共享效应

激光粉末床熔融的熔道宽度与熔池温度的预测:一种新型数值模拟模型的提出与验证

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中国有色金属学报 2024年第4期34卷 997-1009页

作者：陈汉聪汪润泽司婧雯房淑晗姚锡禹严明南方科技大学材料科学与工程系深圳518055 南方科技大学电子与电气工程系深圳518055

为了减少预测激光粉末床熔融熔道宽度与熔池峰值温度所需的计算资源,本研究提出了一种精度高、计算资源消耗少、对常见合金材料适用的数值模拟模型。在保证模拟精度的情况下,采用此模型可以使计算成本降低2个数量级,对于Ti6Al4V合金、Al... 详细信息

为了减少预测激光粉末床熔融熔道宽度与熔池峰值温度所需的计算资源,本研究提出了一种精度高、计算资源消耗少、对常见合金材料适用的数值模拟模型。在保证模拟精度的情况下,采用此模型可以使计算成本降低2个数量级,对于Ti6Al4V合金、AlSi10Mg合金、316L合金和In 718合金,本模型对熔道宽度、熔池峰值温度的预测值的平均相对误差值±标准差值分别为4.8%±3.1%和7.9%±3.6%,说明模型预测值与实验值较为吻合。本研究提出的模型在保证较高模拟精度的情况下,可以大大降低激光粉末床熔融数值模拟的计算成本,具有很强的实用价值。

关键词：激光粉末床熔融合金数值模拟计算成本

燃料还原法原位制备高稳定性/催化活性SOFC钴基钙钛矿阳极

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无机材料学报 2024年第8期39卷 911-919,I0008,I0009页

作者：潘建隆马官军宋乐美郇宇魏涛济南大学材料科学与工程学院济南250022

受固体氧化物燃料电池(SOFCs)原位还原脱溶纳米金属阳极技术的启发,本工作采用煅烧后的Sr2V0.1Co0.9MoO6前驱体(包含其他相的钙钛矿)在空气气氛下与电解质共烧制备出单电池,避免了为防止阳极氧化而需在还原/惰性气氛下制备电池的苛刻条... 详细信息

受固体氧化物燃料电池(SOFCs)原位还原脱溶纳米金属阳极技术的启发,本工作采用煅烧后的Sr2V0.1Co0.9MoO6前驱体(包含其他相的钙钛矿)在空气气氛下与电解质共烧制备出单电池,避免了为防止阳极氧化而需在还原/惰性气氛下制备电池的苛刻条件。制备电解质片上的阳极前驱体仅需在燃料侧原位还原4 h,便可形成纯相Sr2V0.1Co0.9MoO6(R-SVCMO)阳极。结果表明,R-SVCMO在活化能显著降低的同时电导率由2.7 S·cm^(-1)提高至21.6 S·cm^(-1)。当R-SVCMO为阳极的单电池分别以H2和湿CH4为燃料气时,在850℃的最大功率密度(Pmax)分别达到862和514 mW·cm^(-2),显示出优秀的催化性能。还原前后阳极在100~850℃的平均热膨胀系数(TEC)分别为1.15×10^(-5)和1.23×10^(-5) K^(-1),均与传统SOFC电解质相近。因此,还原过程不会导致阳极层体积产生变化,可以显著提高电池结构稳定性(退化率仅为0.13%)。加之R-SVCMO是在燃料气氛下合成的,其作为阳极表现出极高的长期稳定性和催化活性。R-SVCMO对湿CH4的催化效率达到60%,并能够稳定运行1450 h,相应的单电池可在0.7 V稳定运行450 h。综上所述,本研究采用燃料原位还原法制备了具有优异电化学性能和结构稳定性的单电池。

关键词：固体氧化物燃料电池燃料还原制备技术高稳定性阳极甲烷燃料

绣球花状ZnIn_(2)S_(4)/CoWO_(4)S型异质结的构建及可见光催化产氢性能

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高等学校化学学报 2024年第5期45卷 81-91页

作者：赵玉彤王仕凯赵福萍陈志合赵丽杰张大凤葛博蒲锡鹏聊城大学材料科学与工程学院聊城252059

通过合理设计异质结结构来加速光催化产氢反应在高效光催化材料的开发中发挥着不可或缺的作用.ZnIn_(2)S_(4)(ZIS)由于其优异的光电性能和较负的导带位置,在光催化产氢领域受到了广泛关注,但其仍存在严重的光生载流子复合和团聚问题.为... 详细信息

通过合理设计异质结结构来加速光催化产氢反应在高效光催化材料的开发中发挥着不可或缺的作用.ZnIn_(2)S_(4)(ZIS)由于其优异的光电性能和较负的导带位置,在光催化产氢领域受到了广泛关注,但其仍存在严重的光生载流子复合和团聚问题.为此,首先通过理论计算预测了ZnIn_(2)S_(4)/CoWO_(4)(ZIS/CWO)S型异质结的能带结构及电子转移路径,并通过电子局域函数和电荷密度差分确定了异质结界面处的电子交换.随后,采用超声-搅拌-煅烧法将CWO纳米颗粒分散并负载到ZIS花球表面,获得了绣球花状ZIS/CWOS型异质结光催化剂.由于ZIS与CWO之间紧密的界面以及形成的内部电场,致使ZIS/CWOS型异质结的光生电子-空穴对得到了有效分离,进而提高了光催化产氢效率.同时,实验结果确定了S型异质结的形成和载流子的传输路径,揭示了光催化反应机理.

关键词：光催化产氢 S型异质结 ZnIn_(2)S_(4) CoWO_(4) 理论计算

溶液法制备二维钙钛矿层提高甲脒碘化铅钙钛矿太阳能电池稳定性

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物理学报 2024年第6期73卷 386-395页

作者：刘思雯任立志金博文宋欣吴聪聪湖北大学材料科学与工程学院武汉430062

有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)因优异的光电转换性能被广泛研究,但CH(NH_(2))_(2)PbI_(3)(FAPbI_(3))固有的化学不稳定性阻碍了其长期以来的发展.特别是薄膜表界面处因更低的活化能而具有突出的湿度敏感性,表界面的缺陷与... 详细信息

有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)因优异的光电转换性能被广泛研究,但CH(NH_(2))_(2)PbI_(3)(FAPbI_(3))固有的化学不稳定性阻碍了其长期以来的发展.特别是薄膜表界面处因更低的活化能而具有突出的湿度敏感性,表界面的缺陷与薄膜稳定性具有强相关性,缺陷的处理结果是提高长期稳定性的关键因素之一.除了界面工程,还有在表面叠加二维钙钛矿层的策略用于界面钝化.然而二维钙钛矿层的制备方法多数具有局限性.本文采用全溶液法的制备工艺,通过在FAPbI_(3)钙钛矿表面均匀涂覆丁基碘化铵(BAI)溶液与热退火的后处理方式,驱动了表面二维(2D)钙钛矿的形成,以减少薄膜表界面缺陷,成功制备了混合维钙钛矿太阳能电池.与此同时,2D钙钛矿中长链分子的疏水性本质上提高了钙钛矿层对水分的容忍度.结果表明,含2D钙钛矿层的未封装器件在相对湿度(RH)为60%的室温环境空气中连续工作近1000 h后仍保持初始效率的80%以上.这种方法构建的2D钙钛矿层在不影响载流子传输性能的同时显著提高了薄膜与器件的长期稳定性,符合高质量钙钛矿太阳能电池的要求与发展趋势,是一种极具发展潜力的策略.

关键词：钙钛矿太阳能电池二维钙钛矿界面钝化稳定性