1 国网山东省电力公司，潍坊供电公司，潍坊 261000
2 中国电力科学研究院有限公司，北京 100192
3 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070
为解决钢筋混凝土氯离子侵蚀难题，研究了不同掺量矿渣微粉对水泥净浆工作性能、力学性能和氯离子固化性能的影响，并通过物相分析、热重分析、孔结构分布和热力学模拟等方法对氯离子固化机理进行表征分析。结果表明：矿渣微粉能够改善水泥基材料的工作性能，有效提升水泥净浆后期抗压强度和氯离子固化能力，掺量为30%（质量分数）时综合性能最佳；矿渣微粉能够化学结合氯离子，促进体系生成Friedel盐和Kuzel盐，并且能够发生火山灰效应提升C-S-H凝胶含量，细化硬化浆体孔隙结构，提升密实度；水泥净浆氯离子固化能力受氯离子化学结合、物理吸附和阻迁能力共同作用，随着矿渣微粉掺量增加，水泥净浆氯离子化学结合和物理吸附能力逐渐增强，而阻迁能力存在最优掺量。本研究为矿渣微粉水泥基材料在远海岛礁工程建设中的应用提供技术支持和理论支撑。
矿渣微粉 水泥净浆 氯离子固化 物相组成 孔结构 热力学模拟 GGBS cement paste chloride binding phase composition pore structure thermodynamic simulation
为考察白云石对水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性能的影响，本文采用10%、20%、30%（质量分数，下同）白云石掺入水泥净浆与水泥砂浆试件中，在低温条件下浸泡于5%硫酸镁和5%硫酸钠溶液中，并进行硫酸盐侵蚀试验。定期观察试件的宏观形貌变化，并定量分析其侵蚀产物。测定水泥砂浆试件抗折强度与抗压强度并进行宏观分析，以此得出不同种类硫酸盐对试件生成碳硫硅钙石的影响。采用热力学模拟探究白云石对水泥胶凝体系产物的影响。结果表明：当白云石掺量为10%~20%时，能抑制水泥基材料中碳硫硅钙石的生成，水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能有较大提高，水泥砂浆试件抗折强度有明显改善，这与热力学模拟结果基本一致。
白云石 水泥基材料 硫酸盐 热力学分析 定量分析 碳硫硅钙石 dolomite cement-based material sulfate thermodynamic analysis quantitative analysis thaumasite
1 西安文理学院机械与材料工程学院，陕西省表面工程与再制造重点实验室，西安市智能增材制造重点实验室，陕西 西安 710065
2 中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068
选区激光熔化（SLM）是增材制造成形的主要工艺方式，其应用越来越广泛。影响其成形性能的主要因素是工艺参数组合方案，而扫描方式是其中的一个关键参数。本文以两种最常用的扫描路径为研究对象，深刻揭示其热力影响规律。首先建立符合SLM工艺特点的热力耦合仿真模型，并基于有限元软件进行二次开发，实现不同路径的仿真模拟；然后以一组工艺参数为例进行了仿真，结果表明，条纹式扫描轨迹的熔池几何和热应力均大于棋盘式；最后，通过熔道形貌与残余应力测试等多组试验数据均验证了仿真结果的正确性。该研究探明了扫描轨迹对SLM成形热力的影响关系，并为工程实践应用提供了一种高效的工艺仿真方法，从而便于进行SLM成形质量预判分析。
激光技术 选区激光熔化 扫描路径 热力仿真 熔道形貌 残余应力 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0914001
1 北京科技大学碳中和创新研究院，北京 100083
2 郑州大学材料科学与工程学院，郑州 450052
3 辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051
随着氢冶金技术及氢基竖炉的发展与推广，对其关键部位用耐火材料提出更高要求，明晰耐火材料服役环境特点并进行针对性的性能设计尤为关键。利用Ansys软件对氢基竖炉还原段内部及壁面服役过程中的温度、压强以及气相浓度分布进行数值模拟研究，并利用FactSage软件计算传统耐火材料典型组分在服役状态下的热力学稳定性。结果表明，高温高压服役区域集中在进气口附近，H2O集中在炉顶及炉底区域。提高入炉气体温度对炉内温度场有一定影响，对压强场及气相组成基本无影响。传统耐火材料典型组分中Al2O3、ZrO2、镁铝尖晶石、六铝酸钙及TiO2的热力学稳定性较强，可作为炉壁耐火材料组分，AlN或TiC可作为添加剂提高相关性能，同时避免引入SiO2、MgO、CaO、Cr2O3、Fe2O3、SiC、Si3N4、B4C、BN杂质组分。本研究可为氢基竖炉用耐火材料服役环境仿真及材料组分选择提供理论基础和方法支持。
氢基竖炉 耐火材料 数值模拟 热力学计算 hydrogen-based shaft furnace refractory numerical simulation thermodynamic calculation
1 郑州师范学院物理与电子工程学院，河南 郑州 450044
2 郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001
过渡金属原子掺杂硅团簇不仅可以提高硅团簇的稳定性，还可以使其产生许多新颖的物理和化学特性，在新能源和材料领域应用广泛。本文基于密度泛函理论并结合粒子群优化算法程序卡利普索，对CoSi16-和Co2Si322-团簇的几何结构、电子、光谱和热力学特性进行了系统研究。结构优化发现，CoSi16-和Co2Si322-团簇基态结构分别为Co原子被包裹在Si笼内部的高对称D2d和D2h点群对称笼状结构。在此结构基础上，分析了两体系的磁性和键级等特性。此外，根据拟合的光电子能谱、红外和拉曼光谱，对两体系的主要特征峰进行了归属分析。最后，研究了体系的热力学特性，讨论了热力学参数Cv 和 S随温度变化的规律。
原子与分子物理 密度泛函理论 几何结构 电子特性 热力学特性 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0102001
1 西安微电子技术研究所, 西安 710000
2 西安电子科技大学 机电工程学院, 西安 710071
针对电源模块在温度循环条件下工作的可靠性问题,以典型电源模块为研究对象,基于有限元分析软件建立温循条件下电源模块的瞬态温度分布模型和电源模块的瞬态热力耦合模型,着重分析芯片、玻璃绝缘子等易损区域。在此基础上以玻璃绝缘子的最大热应力和芯片的最高温度为优化目标,对电源模块进行遗传算法优化设计。结果表明,相比其他研究直接施加热载荷条件,采用瞬态热力耦合所得电源模块结果更准确,芯片温度为86.03 ℃,玻璃绝缘子的热应力为61.27 MPa。经过遗传算法优化的芯片温度为81.85 ℃,玻璃绝缘子的热应力为37.05 MPa,满足可靠性要求。证明遗传算法与仿真结合,可有效提高产品设计的可靠性。
电源模块 热力耦合 焊点 遗传算法优化 power supply module thermodynamic coupling solder joint genetic algorithm optimization
LaMeAl11O19陶瓷具有独特的晶体结构, 优异的热力学性能, 低热导率, 高温相稳定性等特点, 是一类非常有应用前景的热障涂层(TBC)材料。本研究通过大气等离子喷涂(APS)制备了LaMeAl11O19/YSZ (Me=Mg, Cu, Zn)双陶瓷层热障涂层。通过对涂层进行火焰热循环测试并结合扫描电子显微镜、X射线衍射仪等分析技术对涂层进行失效分析。结果表明, LaMgAl11O19 (LMA)、LaZnAl11O19 (LZA)和LaCuAl11O19 (LCA)粉末在等离子喷涂过程中发生了分解, 导致三种涂层中磁铅石相含量的差异, 从而影响三种涂层的热循环寿命。由于LaMeAl11O19层与YSZ层的热膨胀系数不匹配以及非晶相重结晶产生的体积收缩, LaMeAl11O19层从YSZ层上剥落。YSZ层暴露在高温下, 加速了烧结和TGO的生长, 又促进了YSZ层剥落。低温下, LaMeAl11O19的热导率随着Me原子序数增加而降低; 高温下, 与LMA和LZA相比, LCA涂层红外发射率最高(0.88, 600 ℃), 削弱了光子传导对热导率的贡献, 导致热导率降低, LCA在高温红外辐射涂层中具有潜在的应用价值。
热障涂层 磁铅石型稀土六铝酸盐 火焰热循环 热力学性能 thermal barrier coating magnetite rare earth hexaaluminate flame thermal cycling thermodynamic property
1 1.江苏科技大学 能源与动力学院, 镇江 212003
2 2.莫尔多瓦州立大学, 萨兰斯克430005, 俄罗斯
3 3.西安科技大学 材料科学与工程学院, 西安 710054
4 4.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室, 上海 200050
工业上应用哈伯工艺法合成氨过程要求严苛, 需要消耗大量能源且二氧化碳排放量大。因此, 开发在常规环境条件下通过电催化氮还原反应的清洁技术, 对未来可持续的能源转化进程具有重要意义。本研究采用密度泛函理论计算方法, 对TM1N4/TM2嵌入石墨烯的氮还原反应进行了全面研究。在充分考虑活性和稳定性的情况下, 研究结果表明, NiN4/Cr锚定石墨烯通过酶促反应途径表现出最佳的催化活性, 其中第一次加氢为电位决定步骤, 起始电位为0.57 V, 优于商业Ru基材料。此外, 与单一的Cr原子修饰的石墨烯相比, 引入NiN4官能团降低了ΔGmax并提高了电催化性能。根据Mulliken电荷分析, 催化剂的催化活性主要来源于载体和反应中间体之间的电子转移。上述结果为高效合成氨提供了电极候选材料, 进一步深化了相应的电催化机理。
氮气还原反应 石墨烯 密度泛函原理 电催化 热力学 nitrogen reduction reaction graphene density functional theory electrocatalysis thermodynamic
内蒙古科技大学材料与冶金学院, 包头 014010
为了保证玻璃液顺利浇注成型, 并为高炉渣和铬铁合金渣协同制备CaO-MgO-Al2O3-SiO2-Cr2O3体系建筑微晶玻璃提供基础的工艺技术参数, 采用FactSage7.1热力学软件绘制CaO-MgO-Al2O3-SiO2-Cr2O3玻璃体系的五元相图, 并通过试验探究基础玻璃熔体的黏度和熔化特性。结果表明, 在FactSage7.1绘制的相图中, 随着Cr2O3含量的增加, 相图的液相区范围不断缩小, 表明玻璃的进一步熔化受到阻碍。晶核剂 Cr2O3的质量分数由0.85%增加到2.05%的过程中, 玻璃熔体黏度逐渐减小, 熔化性温度逐渐升高, 在采用熔融法制备CaO-MgO-Al2O3-SiO2-Cr2O3体系基础玻璃时应使熔融温度高于1 469 ℃。Cr2O3含量增加会使基础玻璃熔化温度升高, 具体表现为各组试样的软化温度、半球温度和流动温度均不断升高, 因此应尽量降低基础玻璃原料配比中Cr2O3的含量。
建筑微晶玻璃 黏度 熔化特性 高炉渣 铬铁合金渣 FactSage热力学模拟 glass ceramics for construction Cr2O3 Cr2O3 viscosity melting characteristic blast furnace slag chromium iron alloy slag FactSage thermodynamic simulation
1 武汉科技大学城市建设学院, 武汉 430065
2 武汉科技大学高性能工程结构研究院, 武汉 430065
通过测试水泥浆体的凝结时间、抗压强度、电阻率, 同时结合水化产物分析及热力学模拟, 研究了不同掺量钢渣粉对硫铝酸盐水泥水化行为的影响规律。结果表明, 随着钢渣粉质量掺量的增大, 初凝时间呈先延长后缩短的趋势, 且在掺量为20%时达到最大值。在28 d龄期内, 掺入钢渣粉的水泥硬化浆体抗压强度均小于未掺入钢渣粉的硬化浆体, 但在龄期达到60 d和90 d时, 掺入40%钢渣粉试样的抗压强度均大于未掺入钢渣粉的试样。钢渣粉与硫铝酸盐水泥复合浆体的电阻率在水化初始阶段随着钢渣粉掺量的增大而增大, 在水化后期(约3 h后)则随钢渣粉掺量的增大而减小。在1 d龄期内, 钢渣粉掺量为40%的试样中的钢渣粉发生了水化反应, 使得水泥浆体在减速期的水化速率最大。由热力学模拟结果可知: 在钢渣粉掺量为40%的试样中, C2S在10 h后开始进行水化反应, C2ASH8则在168 h后开始生成; 当钢渣掺量大于15%时, 随着钢渣粉掺量的增大, 钙矾石和铝胶的生成量逐渐减少, C2ASH8的生成量逐渐增多。
硫铝酸盐水泥 钢渣粉 抗压强度 电阻率 水化产物 水化动力学 热力学模拟 calcium sulfoaluminate cement steel slag powder compressive strength electrical resistivity hydration product hydration kinetics thermodynamic modelling
