1 武汉科技大学耐火材料与冶金省部共建国家重点实验室, 武汉 430081
2 清华大学张家港氢能与先进锂电技术联合研究中心, 北京 100000
在质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行过程中, 产生的自由基会攻击质子交换膜, 使其开裂或形成孔洞, 导致电池失效。常见的改性方法是在质子交换膜(PEM)中添加自由基清除剂材料。基于此, 本文合成了Sn掺杂CeO2自由基清除剂, 通过提高Ce3+浓度来增强其在PEMFC中自由基清除性能, 避免PEM厚度迅速减薄, 从而提高质子PEMFC的耐久性。密度泛函理论计算和试验结果表明, Sn掺杂会引起CeO2产生晶格畸变, 降低氧空位形成能, 促进CeO2中Ce3+的形成。同时, Sn2+的加入可将CeO2-Sn样品中的Ce4+还原为Ce3+, 提升Ce3+的浓度, 从而提高PEM的耐久性。单电池测试结果表明, 经70 h的开路电压衰减测试, CeO2-Sn-5%改性后的质子交换膜组装的单电池电压衰减率最低(18%), 且功率保留率(56%)比其他样品更高, 表明该样品具有更优异的耐久性。
Sn掺杂 密度泛函理论计算 氧空位 质子交换膜燃料电池 耐久性 CeO2 CeO2 Sn-doping density functional theory calculation oxygen vacancy PEMFC durability
武汉科技大学, 省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室, 武汉 430081
作为再回收铝过程中产生的废渣, 二次铝灰具有明显的化学反应性和有毒、有害物质浸出等危险性特征。为了解决制铝行业中产生的二次铝灰堆存处置问题, 以二次铝灰为原料, 通过水洗、圆盘造粒, 再经1 200~1 400 ℃热处理, 制备了高强度陶粒。运用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对不同热处理温度下陶粒试样的物相组成和微观形貌进行分析, 并对材料堆积密度、表观密度、孔隙率以及筒压强度进行了测试。结果表明: 随着热处理温度升高, 陶粒内部结构逐渐致密化, 堆积密度、表观密度及筒压强度均随之增大; 其中, 1 400 ℃热处理后, 陶粒的主要物相为刚玉和镁铝尖晶石, 其表观密度和体积密度分别为1.82 g/cm3和1.81 g/cm3, 筒压强度可达25.7 MPa, 属于高强度陶粒。
二次铝灰 高强度陶粒 热处理温度 显微结构 筒压强度 secondary aluminum ash high strength ceramsite heat treatment temperature microstructure cylinder compressive strength
1 钢铁研究总院, 北京 100081
2 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100081
用多毛细管X射线透镜做光源的微区扫描型EDXRF仪器, 围绕出射焦斑对称放置4~6个SDD探测器, 设计软件控制X射线管、 多个探测器、 高精度移动平台, 同时进行数据采集、 信号同步和结果分析, 从而开发完成NX-mapping高通量微区扫描型EDXRF仪器。 由于多探测器的采用, 该仪器的信号强度得到数倍的提升, 且稳定性没有因为器件间的差异而变差, 同等条件, 同等用时的情况下, 测试标准偏差降为单探测器时的不足40%。 均匀样品2 mm×2 mm面扫描时, 400个点的测试标准偏差与定点测试无差异, 说明运动机构和控制算法表现优异, 不会对测试结果产生影响。 对于微区扫描仪器的焦斑尺寸, 用“荧光刀口实验”的方法, 对Fe, Ni和Mo元素进行了测试, 测得三种元素的有效焦斑尺寸最小值分别为52.4, 49.3和39.03 μm, 各元素有效焦斑尺寸随原子序数的增加而减小, 这与多毛细管X射线透镜的设计原理相符; 实验还发现了各元素焦斑有效尺寸在极小值处对高度变化较为敏感的规律, 因此建议为了得到统一清晰的扫描图像, 要保持样品表面的平整。 最后用NX-mapping仪器对某单晶高温合金样品的Ni, Ta, W和Re元素进行扫描和分布分析, 图像清晰, 枝晶结构明显可辨, 并且其中Ni∶Ka特征线强度高达220 kcps, 明显高于普通的XRF测试。 在NX-mapping微区扫描型EDXRF仪器中, 由于多探测器的采用, 信号强度高, 测试精密度好, 随之测试时间可以缩短, 因此可以满足高通量测试的需求。
能量色散X射线荧光微区分析 高通量 单晶高温合金 枝晶 μ-EDXRF; High-throughput Single crystal superalloy Dendrite 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2752
1 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院, 哈尔滨 150001
2 中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室, 合肥 230026
3 泰山学院物理与电子工程学院, 山东 泰安 271021
闪烁体作为辐射探测应用中的核心材料, 在工业无损探伤、医学影像学、高能物理以及安全检查等方面发挥着重要的作用。当前闪烁体研究的机遇与挑战并存, 特别是在新冠肺炎疫情进入常态化, 开发高性价比的新型闪烁体并对其综合性能进行优化具有重要的现实意义。纳米晶复合玻璃(也称微晶玻璃)闪烁体结合了闪烁晶体发光效率高与闪烁玻璃制备简单和成本低廉的综合优势, 成为了一种备受瞩目的明星闪烁体。本文根据发光中心不同, 分别介绍以稀土离子和以具有自发光效应的纳米晶作为发光中心的纳米晶复合玻璃闪烁体, 重点关注此类材料的制备、纳米晶种类与其发光性能之间的关联、以及材料在高能射线X和伽马光探测领域的潜在应用。最后, 对研究中存在的问题进行了探讨并对此类材料未来发展方向做出了展望。
闪烁体 闪烁玻璃 微晶玻璃 纳米晶复合玻璃 辐射探测 scintillator scintillation glass glass ceramics nano-glass composite radiation detection
1 武汉大学物理科学与技术学院, 人工微结构教育部重点实验室, 武汉 430072
2 武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室, 武汉 430081
飞秒激光因脉冲持续时间短、峰值功率高、聚焦区域小等特性, 在透明介质中能有效产生多光子非线性吸收选择性改变透明介质内部空间结构, 从而使材料表现出很多优异性能, 近些年备受关注。本文主要以飞秒激光对玻璃的改性为基础, 阐述了飞秒激光诱导析晶及可控定向析晶的基本原理, 综述了近年来利用飞秒激光技术在氧化物玻璃内实现LaBGeO5、LiNbO3和Ba2TiSi2O4等几种典型二阶非线性光学晶体可控析出的研究现状, 分析了其在倍频光波导等领域的应用前景。
二阶非线性 光学晶体 飞秒激光 可控析晶 second-order nonlinear optical crystals femtosecond laser controllable crystallization
1 钢铁研究总院, 北京 100081
2 青岛纳克检测防护技术有限公司, 山东 青岛 266000
3 金属材料表征北京市重点实验室, 北京 100081
材料内部微观尺度上成分、 组织结构控制精度低、 波动大是制约高铁铝合金国产化进程的重要原因, 因此从微观尺度上研究大尺寸铝合金成分均匀性至关重要。 鉴于目前研究铝合金偏析的区域通常较小且不连续, 定量统计方法过于简单。 使用微区分辨率较高的微束X荧光与原位定量统计分布分析技术相结合的方法, 从点、 线、 面、 频度分布等方面对成分分布数据进行解析, 研究了较大尺寸范围内铝合金成分偏析的规律。 研究结果表明铸轧7B05铝合金截面中心层存在接近2 mm的偏析带, Al, Cr, Ti和Zr元素为正偏析元素, 中心层含量比上下表面高, Cu, Fe和Zn元素为负偏析元素, 中心层含量比上下层含量低; 各元素含量分布的统计偏析程度整体较小, 分布最均匀的为Al元素, 统计偏析度最小为0.01%, Ti和Fe元素分布较不均匀, 统计偏析度分别为0.81%和0.6%; Fe元素与Mn元素在面分布中出现较明显的点状偏析, 这是由于铝合金铸造过程中经显微偏析形成的金属间化合物, 在后续的热轧成型中破裂成多个连续排列的第二相所致。 使用激光诱导击穿光谱法对该方法所得数据进行验证, 结果显示在30 mm×6 mm尺寸范围内所测元素面分布与线分布结果与荧光结果趋势完全一致。 综上所述, 使用微束X荧光结合原位统计的方法, 对铸轧7B05铝合金点、 线、 面、 频度分布及偏析程度的计算, 可提供大量分析数据, 对于量化研究大尺寸范围内轧板截面组织、 性能的波动趋势具有重要意义。
X射线荧光 原位统计分析 铸轧铝合金 显微偏析 正偏析 负偏析 X-ray fluorescence In situ statistical analysis Cast and rolled aluminum alloy Microsegregation Positive segregation Negative segregation 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1413
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of In-fiber Integrated Optics, Ministry of Education, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
2 State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
A new type of X-ray fiber dosimeters is proposed that is based on the X-ray response of perovskite-quantum-dots (PQDs) activated silica fiber. Such a fiber sensor is constructed by covering a multimode silica fiber with PQDs embedded glass powders using a transparent high-temperature glue. Under X-ray irradiation, the fiber sensor emits bright green light at 525 nm, which can be readily recorded by a CCD spectrometer. The integrated radioluminescence intensity has an excellent linear response to the X-ray dose. Study is given to the fiber sensor concerning its thermal stability in a temperature range of room temperature up to 300°C, resistance to water erosion, and prolonged X-ray irradiation. The results verify that the proposed fiber sensor has the advantages of good thermal stability, chemical durability, and radiation hardness. The studied X-ray fiber sensor holds promise to be used in a real-time, in-situ, and remote radiation dose monitoring.
perovskite quantum dots glass ceramics X-ray radiation fiber dosimeter Chinese Optics Letters
2022, 20(6): 063401
1 中国矿业大学信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116
2 中国矿业大学地下空间智能控制教育部工程研究中心，江苏 徐州 221116
3 中国矿业大学计算机科学与技术学院，江苏 徐州 221116
针对现有彩色图像检索算法存在旋转变化鲁棒性差、特征维度高和检索时间长的问题，通过融合主曲率的改进方向梯度特征与HSV颜色特征，提出了一种创新的多尺度图像检索方法。该方法从多个尺度将图像表面的几何曲率信息融合到FHOG描述符中，得到基于主曲率的改进方向梯度算法(P-FHOG)，在此基础上进一步融合图像的颜色信息，得到基于颜色特征与改进方向梯度特征的多尺度图像检索方法(CP-FHOG)。在Corel-1000与Coil-100数据集上与先进的图像检索方法进行对比实验，分别取得了85.89%和93.38%的平均准确率，该算法相比其他算法准确率更高、旋转变化鲁棒性更强、检索时间更短，提高了检索效率。
图像检索 颜色信息 方向梯度 多尺度 特征融合 image retrieval color information directional gradient multiple scales features fusion
1 中国科学院电工研究所, 中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 洁净能源国家实验室, 大连 116023
利用13.56 MHz的射频等离子体化学气相沉积设备(RF-PECVD)在不同沉积温度(50~400 ℃)下制备了一系列氢化硅氧(SiOx∶H)薄膜材料, 并研究了薄膜材料性能与微结构的变化规律。随着沉积温度的增加, 薄膜内的氧含量(CO)下降, 晶化率(XC)也下降, 折射率(n)上升, 此外, 薄膜的结构因子(R)下降, 氢含量(CH)先上升后下降, 由此在合适的中间温度下可以获得最大的氢含量。通过实验结果分析提出了不同沉积温度下制备硅氧薄膜的内在微结构模型: 低温下沉积的硅氧薄膜是以氢化非晶硅氧(a-SiOx∶H)相为主体并嵌入氢化纳米晶硅(nc-Si∶H)的复合材料, 而在高温下沉积的硅氧薄膜则是以氢化非晶硅(a-Si∶H)相为主体并嵌入越来越少的nc-Si∶H相和a-SiOx∶H相的复合材料。由上可知, 要制备太阳电池通常采用的晶化率XC高、氧含量CO高的氢化纳米晶硅氧(nc-SiOx∶H)材料, 需要采用相对较低的沉积温度。
硅氧薄膜 纳米晶硅氧 等离子体化学气相沉积 沉积温度 晶化率 氧含量 氢含量 silicon oxide film nanocrystalline silicon oxide PECVD deposition temperature crystallinity oxygen content hydrogen content
1 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100081
2 金属材料表征北京市重点实验室, 北京 100081
3 钢铁研究总院, 北京 100081
4 北京科技大学, 北京 100081
粉末冶金高温合金中元素偏析以及粉末原始颗粒边界是影响材料性能的重要因素, 由于其颗粒粒径通常为几十微米, 宏观的成分分布分析方法无法实现粉末原始颗粒边界处成分分布的精细表征。 微束X射线荧光光谱(μ-XRF)是近年来发展起来的无损微区成分分布分析技术, 可实现材料较大范围内元素快速、 高分辨分布分析, 目前在地质、 考古、 生物等领域有了较多的应用, 但在复杂块状金属成分定量分布表征方面还存在一定困难, 在粉末冶金工业领域还未见有应用报道。 该试验研究了高温合金中各元素的荧光光谱行为, 通过类型匹配的高温合金块状标准样品对元素定量模型进行了校正, 建立了基于μ-XRF的高温合金成分定量分布分析方法, 满足了粉末冶金工业对于较大范围内粉末边界成分分布精细定量表征的需求。 该实验以经高纯钴合金化处理的放电等离子体烧结(SPS)粉末高温合金样品为研究对象, 对经不同球磨时间混合处理后的粉末烧结样品中的Ni, Co, Cr, Mo, W, Ta, Ti和Al进行了定量统计分布分析, 探讨了不同球磨时间对烧结样品成分分布的影响规律; 发现样品中存在大量原始颗粒边界, 且成分分布较不均匀, 颗粒中心处仍然为原始高温合金颗粒成分, 经球磨混合加入的纯Co粉颗粒仅存在于高温合金颗粒的外层, 导致颗粒边缘Co含量明显高于颗粒中心。 当球磨时间较短时, 原始颗粒边界处存在很多Co富集区, 当球磨时间增加到24 h时, 由于在机械混粉过程中超细钴粉与高温合金的合金化, 使烧结样品成分分布均匀性有了较大改善, 原始颗粒边界处Co的含量显著下降, 而其他元素的含量有所增加, 说明球磨时间的延长, 样品中各元素发生了明显的扩散, 这将有助于元素偏析的改善, 据此, 该粉末冶金高温合金的制备工艺将得以改进。 该法亦可应用于其他各种粉末冶金工业产品的成分定量分布表征, 可为粉末冶金工艺优化、 产品质量的改进提供数据支撑。
高温合金 放电等离子体烧结 微束X射线荧光光谱 成分分布 原始颗粒边界 Superalloy Spark plasma sintering Microbeam X-ray fluorescence spectrometry Composition distribution Original particle boundary
