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激光表面织构技术调控材料摩擦学性能的研究进展

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表面技术 2024年第9期53卷 85-101,157页

作者：李文轩段海涛李国政詹胜鹏章武林马利欣贾丹武汉材料保护研究所有限公司特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室武汉430030 湖北隆中实验室湖北襄阳441000

表面织构是提高工程材料摩擦学性能有效的表面改性方法之一。近年来多种表面织构技术已被应用于提高材料表面减摩耐磨性能,而在众多表面织构化技术中,激光表面织构技术由于具有加工速度快、生产效率高、可控性好等优点而被广泛应用。综... 详细信息

表面织构是提高工程材料摩擦学性能有效的表面改性方法之一。近年来多种表面织构技术已被应用于提高材料表面减摩耐磨性能,而在众多表面织构化技术中,激光表面织构技术由于具有加工速度快、生产效率高、可控性好等优点而被广泛应用。综述了激光表面织构的最新进展及应用,讨论了目前激光表面织构技术存在的问题及解决方法,总结了3种不同加工原理下的激光处理方法存在的问题,包括形状参数难控制、精度较差及灵活性较低等,并介绍了液相辅助加工技术在激光表面织构技术中的应用,同时分析了不同工艺参数包括密度、形状及深度等对材料摩擦学性能的影响。综述了激光表面织构技术复合涂层技术的研究现状,其中激光表面织构与非金属或金属涂层复合,包括氧化石墨烯填充PTFE涂层复合激光表面织构、复合热丝化学气相沉积增强激光表面织构、复合电液雾化增强激光表面织构及复合激光熔覆技术增强激光表面织构。总结了激光表面织构技术结合不同润滑技术对材料摩擦学性能的影响。最后展望了激光表面织构在各个领域的未来发展方向。

关键词：激光加工表面织构摩擦性能涂层复合工艺参数

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风力发电机叶片覆冰机理及防除冰技术研究进展

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表面技术 2024年第12期53卷 50-65页

作者：郭时毅安江峰吴军郑鹏华中国机械总院集团武汉材料保护研究所有限公司武汉430030 湖北武汉大气淡水环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站武汉430030 新疆尉犁大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站新疆尉犁841500

在“双碳”政策下,绿色能源在能源体系中的占比越来越大。风力发电以其原料来源广、污染少、发电量大等优点成为国家重点发展的方向之一。随着风力发电的快速发展,风力发电机覆冰问题愈发凸显。为了解决这一问题,研究人员基于生物仿生... 详细信息

在“双碳”政策下,绿色能源在能源体系中的占比越来越大。风力发电以其原料来源广、污染少、发电量大等优点成为国家重点发展的方向之一。随着风力发电的快速发展,风力发电机覆冰问题愈发凸显。为了解决这一问题,研究人员基于生物仿生学开发了具有优异防除冰性能的超疏水涂层,并广泛应用。目前,防止风机结冰最常用和最直接的方法是主动加热技术。综述了风力发电机覆冰的基本理论,介绍了覆冰产生的原因及危害,将覆冰抽象为过冷水滴在下降过程中撞击风力发电机叶片并黏附在叶片上,与叶片表面发生复杂热交换后凝结成冰的模型。概述了目前国内外常用的风力发电机防除冰方法,分析了不同被动和主动防除冰技术的优缺点。通过研究工程应用案例发现,单一的被动或主动防除冰技术存在防除冰能力有限、能耗高、效率低等问题,将不同的防除冰技术组合使用、互相补充,更能满足多样化实践需求,成为目前研究的热点和重点。在优化当前防除冰技术的基础上,采用组合防除冰技术具有良好的发展前景。

关键词：风力发电机叶片覆冰机理防除冰组合策略

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基于多源数据的长江流域1982—2022年骤旱事件时空演变

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水科学进展 2024年第1期35卷 24-37页

作者：熊立华李姝仪查悉妮武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北武汉430072 长江水资源保护科学研究所湖北武汉430051

骤发性干旱(简称骤旱)是一种突发性高且强度大的极端干旱现象,会对农业生产和生态系统构成严重威胁。近年来,长江流域骤旱频发,然而其骤旱时空演变格局及规律尚不明晰。本研究基于GLEAM、GLDAS和ERA5-Land数据,以标准化蒸发胁迫比及其... 详细信息

骤发性干旱(简称骤旱)是一种突发性高且强度大的极端干旱现象,会对农业生产和生态系统构成严重威胁。近年来,长江流域骤旱频发,然而其骤旱时空演变格局及规律尚不明晰。本研究基于GLEAM、GLDAS和ERA5-Land数据,以标准化蒸发胁迫比及其变化值作为识别指标,开展1982—2022年长江流域骤旱识别,全面分析长江流域骤旱空间分布和时间演变特征;并鉴于2022年旱情的严重性和特殊性,重点分析该年长江流域骤旱事件。研究结果表明:①在空间分布上,长江流域上游的金沙江水系和中下游的大型水库湖泊骤旱发生频率最高且强度最大;②在时间演变上,骤旱发生频率、平均持续时间和强度均在长江流域整体上呈现出非显著上升趋势,而有显著变化趋势的区域在2001年前后表现出明显的趋势反转现象;③2022年夏季受极端高温热浪影响,长江流域遭遇大规模骤旱事件,具有波及范围广、持续时间长的特点,且骤旱在空间上呈现出从上游向下游传递的态势。

关键词：骤旱时空演变多源数据标准化蒸发胁迫比长江流域

原位生长的CNTs@MoS_(2)杂化物增强水性膨胀型防火涂料的耐火和隔热性能

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表面技术 2024年第4期53卷 200-210页

作者：王晓明朱耿增金义杰贾丹段海涛詹胜鹏杨田凃杰松章武林马利欣国网山东省电力公司电力科学研究院济南250003 武汉材料保护研究所特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室武汉430030

目的设计并研制一种耐火和隔热性能突出的水性膨胀型防火涂料。方法以碳纳米管(CNTs)、四水合钼酸铵、十六烷基溴化铵(CTAB)、硫脲为原料,通过简单的一步水热法原位生长出一种新型的CNTs@MoS_(2)杂化物,并采用FT-IR、XRD、拉曼光谱、SE... 详细信息

目的设计并研制一种耐火和隔热性能突出的水性膨胀型防火涂料。方法以碳纳米管(CNTs)、四水合钼酸铵、十六烷基溴化铵(CTAB)、硫脲为原料,通过简单的一步水热法原位生长出一种新型的CNTs@MoS_(2)杂化物,并采用FT-IR、XRD、拉曼光谱、SEM等手段对复合杂化物进行表征。再将CNTs@MoS_(2)杂化物作为增效剂分散在水性膨胀型防火涂料(CNTs@MoS_(2)/WES)中,通过大板实验和涂层、炭焦层表面分析评价了涂层的耐火和隔热性能。结果与WES(膨胀倍率为3.90)、CNTs/WES涂层(膨胀倍率为6.04)、MoS_(2)/WES涂层(膨胀倍率为4.59)相比,CNTs@MoS_(2)/WES涂层具有最高的膨胀倍率(8.88)。CNTs@MoS_(2)/WES涂层所涂覆的钢板在燃烧40min后背面温度最低(133.3℃),这充分表明该涂层具有优异的隔热性能。结论制备的CNTs@MoS_(2)杂化物表现出稳定的网络交织结构,有效提高了它在涂料中的分散性能。此外,CNTs@MoS_(2)/WES涂层优异的耐火和隔热性能主要归因于:1)CNTs@MoS_(2)/WES涂层及其炭焦层具有更致密和完整的表面,阻隔了热量的传递;2)CNTs的添加增强了炭焦层的致密性,抑制了膨胀过程中产生的气体泄漏,提升了涂层膨胀倍率;3)MoS_(2)提高了膨胀层强度且促进了炭焦层的形成,减少了裂纹和孔隙的产生。

关键词：碳纳米管(CNTs) 二硫化钼(MoS_(2)) 协同效应耐火性能阻燃机理

TC4钛合金表面超音速火焰喷涂防护涂层及其摩擦学性能研究

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表面技术 2024年第5期53卷 69-77页

作者：刘畅张春晖杜鹏程许建亮高名传陈同舟武汉材料保护研究所有限公司武汉430030 特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室武汉430030 武汉船用机械有限责任公司武汉430080 凌云科技集团有限责任公司武汉430030

目的改善钛合金零部件之间因相对滑动造成的磨损,提升钛合金零部件的使用寿命。方法采用超音速火焰喷涂(HVOF)方法在TC4钛合金表面上制备Cr_(3)C_(2)-NiCr、Ni50和NiCr涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度计等分析涂层的显微结构... 详细信息

目的改善钛合金零部件之间因相对滑动造成的磨损,提升钛合金零部件的使用寿命。方法采用超音速火焰喷涂(HVOF)方法在TC4钛合金表面上制备Cr_(3)C_(2)-NiCr、Ni50和NiCr涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度计等分析涂层的显微结构及力学性能,采用多功能摩擦磨损试验机及白光共焦三维形貌仪测试和分析不同涂层与TC4钛合金在干摩擦条件下的摩擦学性能。结果Ni50和NiCr涂层的硬度分别为680HV0.3和438HV0.3,低于Cr_(3)C_(2)-NiCr涂层硬度1120HV0.3。在高载荷作用下,由于Ni50和NiCr涂层的硬度较低,导致其颗粒界面出现裂纹,断裂韧性测试表现低于Cr_(3)C_(2)-NiCr涂层。3种涂层的摩擦系数及波动均大于TC4钛合金基材。Cr_(3)C_(2)-NiCr涂层对TC4的切削和NiCr涂层对TC4的黏着导致了TC4对磨副的严重磨损。中等硬度的Ni50涂层对TC4的切削和黏着作用分别弱于Cr_(3)C_(2)-NiCr和NiCr涂层,TC4对磨副的磨损损失最低。结论采用超音速火焰喷涂技术制备Ni50涂层可以降低TC4钛合金基体和摩擦副的黏着磨损损失,本研究为钛合金表面耐磨涂层的设计和提高钛合金零部件间的摩擦性能提供了一种可行的方案。

关键词： HVOF TC4钛合金 Cr_(3)C_(2)-NiCr涂层 Ni50涂层断裂韧性摩擦学性能

基于Weibull分布的非均质隧洞围岩破裂碎胀FDEM数值模拟研究

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工程力学 2024年第7期41卷 40-59页

作者：邓鹏海刘泉声黄兴武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 中国科学院武汉岩土力学研究所湖北武汉430071

岩石材料具有非均质特征,矿物颗粒和胶结材料强度在统计学上服从Weibull分布。基于有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)提出了三角形单元弹性模量和四边形节理单元强度服从Weibull分布的参数赋值流程,随后研究了非均质岩样在单轴压缩... 详细信息

岩石材料具有非均质特征,矿物颗粒和胶结材料强度在统计学上服从Weibull分布。基于有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)提出了三角形单元弹性模量和四边形节理单元强度服从Weibull分布的参数赋值流程,随后研究了非均质岩样在单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂下的力学特征和破坏行为,最后对非均质隧洞围岩在高应力下的破裂碎胀大变形机制进行了模拟研究。结果表明:提出的随机参数赋值方法可建立不同弹性模量三角形单元数目服从Weibull分布、且空间分布具有随机性的FDEM数值模型;非均质岩样单轴抗压强度、三轴抗压强度、巴西劈裂抗拉强度、等效粘聚力和等效内摩擦角随着非均质度m的增大,均呈指数增大,并向均质材料逼近;高应力非均质隧洞围岩随着m的增大,裂隙网络形态变化不大,均以共轭剪切破裂为主,并伴随少量拉伸裂隙,但围岩破坏程度和裂隙扩展范围呈指数降低。

关键词：非均质岩体 Weibull分布 FDEM 破裂碎胀变形非均质度隧洞围岩

基于乙烯基POSS改性的厌氧胶的制备及性能研究

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电镀与精饰 2024年第8期46卷 41-50页

作者：王新礼李生吴正江田盼李冬冬冯增辉中国机械总院集团武汉材料保护研究所有限公司特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室湖北武汉430030 武汉第二船舶设计研究所湖北武汉430064

针对机械设备维护与修理中厌氧胶连接件的可拆卸性问题,本研究利用乙烯基二甲基硅氧基笼状聚倍半硅氧烷(POSS-V)对厌氧胶连接件的力学性能进行改性。通过红外光谱对固化前后的厌氧胶进行了表征,并结合摩擦磨损试验、扫描电镜分析、流变... 详细信息

针对机械设备维护与修理中厌氧胶连接件的可拆卸性问题,本研究利用乙烯基二甲基硅氧基笼状聚倍半硅氧烷(POSS-V)对厌氧胶连接件的力学性能进行改性。通过红外光谱对固化前后的厌氧胶进行了表征,并结合摩擦磨损试验、扫描电镜分析、流变学测试、扭矩测试以及剪切强度的测试,深入研究了POSS-V对厌氧胶性能的影响机制。研究发现,POSS-V的引入显著提升了厌氧胶的耐热性,并通过交联作用,使破坏扭矩最大可提高64.75%,POSS-V与丙烯酸酯产生交联反应形成了球状颗粒,有效减少了摩擦系数。在提高厌氧胶破坏扭矩的同时,还维持甚至降低了拆卸扭矩值,从而优化了厌氧胶的综合性能。

关键词：乙烯基POSS 厌氧胶摩擦系数黏度扭矩

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墨西哥黄绿色磷灰石的宝石学和光谱学研究

光谱学与光谱分析 2024年第1期44卷 181-187页

作者：顾一露裴景成张誉慧尹希严余敏达赖潇静中国地质大学(武汉) 湖北武汉430074 湖北省珠宝工程技术研究中心湖北武汉430074

墨西哥Durango地区是宝石级氟磷灰石最丰富的产地之一,对该地磷灰石的研究集中于地质年代学和矿物学标准,宝石学和光谱学资料较少。作为一种发光材料,早期学者主要利用激光诱导的光致发光光谱对未知产地的磷灰石进行研究,缺乏三维荧光... 详细信息

墨西哥Durango地区是宝石级氟磷灰石最丰富的产地之一,对该地磷灰石的研究集中于地质年代学和矿物学标准,宝石学和光谱学资料较少。作为一种发光材料,早期学者主要利用激光诱导的光致发光光谱对未知产地的磷灰石进行研究,缺乏三维荧光光谱的研究。采用基础的宝石学测试、 LA-ICP-MS化学成分分析、红外吸收光谱、激光拉曼光谱、显微紫外-可见-近红外吸收光谱以及三维荧光光谱测试,系统性地对收集到的9颗墨西哥Durango磷灰石进行宝石学和谱学研究,旨在丰富墨西哥磷灰石的光谱学研究数据,并为产地鉴别提供科学依据。化学成分研究表明墨西哥磷灰石中稀土元素丰富,含量较高的La、 Ce、 Pr、 Nd和Sm元素,平均含量分别达3 956、 5 430、 472、 1 596和213μg·g^(-1),具有明显的轻稀土元素富集,重稀土元素亏损的特点,δEu平均值为0.29,负Eu异常显著,Ca/P摩尔比接近岩浆磷灰石的标准值1.68,为岩浆作用的产物,且形成岩浆处于中等还原状态。红外吸收光谱指纹区606和575 cm^(-1)吸收峰强度随方向的变化具有明显的规律性,能为晶体定向提供依据,官能团区显示3 482、 3 538和3 556 cm^(-1)结构水相关的吸收峰。紫外-可见-近红外吸收光谱中,由Nd^(3+)导致的528 nm的单峰和578和585 nm的双峰共同造成了黄绿区明显的透过窗,推测黄绿色体色由Nd^(3+)造成;紫外光区298 nm的吸收峰是造成可见光紫区吸收边的原因,推测由Ce^(3+)导致。三维荧光光谱最强荧光峰(λ_(ex)300 nm/λ_(em)356 nm)由Ce^(3+)的电子跃迁造成,红光区603和647 nm的发射峰由Pr^(3+)和Sm^(3+)的电子跃迁造成,与紫外灯下观察到的暗红色荧光现象相对应,推测暗红色荧光由Pr^(3+)和Sm^(3+)造成。该研究中系统的光谱学特征丰富了墨西哥产地磷灰石的谱学数据,并为产地溯源提供了科学依据。

关键词：墨西哥磷灰石稀土元素 UV-Vis-NIR吸收光谱三维荧光光谱

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广义氢能体系和相关电化学技术

Chinese Journal of Catalysis 2024年第1期56卷 1-8页

作者：王功伟肖丽庄林武汉大学化学与分子科学学院化学电源材料与技术湖北省重点实验室湖北武汉430072 武汉大学索维奇国际分子科学研究中心湖北武汉430072 武汉大学高等研究院湖北武汉430072

电化学能源储存与转化对于可再生能源电力消纳,以及绿色低碳的新能源结构和化工体系构建具有重要意义.氢能作为其中一种典型的二次清洁能源,一直备受关注.通常认为氢能是一种以氢气(H_(2))作为能源载体的能源生产、储运和利用体系.然而... 详细信息

电化学能源储存与转化对于可再生能源电力消纳,以及绿色低碳的新能源结构和化工体系构建具有重要意义.氢能作为其中一种典型的二次清洁能源,一直备受关注.通常认为氢能是一种以氢气(H_(2))作为能源载体的能源生产、储运和利用体系.然而,氢能作为一种化学能,储存于H–H化学键之中,而非孤立的H原子.本文提出广义氢能体系,涵盖所有含H化学键(例如H–H,C–H,N–H等)形成或断裂过程伴随的能量储存或释放,即氢能载体不仅限于H_(2),亦可为其它含氢化合物(例如碳氢化合物、氮氢化合物).本文针对氢能储存于H–H(氢循环)、C–H(碳循环)和N–H(氮循环)所涉及的几种关键电化学技术研究现状进行总结.对于氢循环,目前H_(2)生产仍依赖化石资源,受限于电解成本高,采用电解水制备的H_(2)仅占很小比例.电解成本受电价、电解设备造价、电解效率等多重因素影响,目前商业化的碱性水电解器和质子膜水电解器技术均存在各自难以解决的问题,碱性膜水电解器技术能够集前二者所长,有望实现H_(2)的低成本、大规模制备,但其目前处于商业化起步阶段;燃料电池技术是H_(2)化学能高效释放利用的重要途径,质子膜燃料电池已经进行商业化,但成本较高.碱性膜燃料电池有望大幅降低成本,目前受限于高性能非贵金属催化剂和碱性聚电解质等关键材料开发.对于碳循环,鉴于很多碳氢化学品在化工体系及日常生活中的重要应用,如何通过非化石资源制备高价值碳氢化合物具有重要意义,CO_(2)电解转化是一条极具前景的技术路径.分别从CO_(2)电还原的催化路径控制和电解器件技术开发两方面进行剖析,明晰不同产物的反应路径、从电极催化剂和电解质微环境两个维度构筑高效催化界面,以及发展纯水膜电解器技术,将有助于促使CO_(2)电解转化从实验室研究走向工业化应用.对于氮循环,目前合成氨工业能耗高、碳排放量大,电化学N_(2)还原是一条具有应用前景的绿色氨合成路径,但由于N≡N键活化困难,导致转化速率极低.除了催化剂设计合成之外,在催化界面引入其它附加作用协同N_(2)活化、与其它反应物共还原或采用其它物理手段等促进N_(2)活化,将为电化学N_(2)还原合成氨带来新的机遇.归纳了相关电化学技术研发面临的主要问题.对于制H_(2)、CO_(2)还原和N_(2)还原的电解技术,目前阳极主要耦合氧析出反应,产生的O2经济价值较低,如果耦合其它高价值有机物的氧化合成,不仅提升电解转化整体经济性,还可同时能带来其它附加优点.综上,本篇观点文章认为氢能不应局限于以H_(2)为能源载体,而是可以拓展为其它含氢化合物.水可以作为廉价清洁的质子源,是氢能成为可再生电能高效储存利用的原因之一.本文剖析了几种重要的相关电化学技术的研发现状,旨在揭示研发及实际应用所面临的关键限制.未来,随着这些电化学技术的发展成熟,将有助于促进广义氢能体系的建立,从而为降低碳排放和实现能源结构转型提供重要支持.

关键词：氢能燃料电池水电解 CO_(2)电解 N_(2)电解