Ce掺杂对LiCoO_(2)电子结构及Li+迁移影响的第一性原理研究

LiCoO_(2)作为锂离子电池正极材料具有优异的体积能量密度。但其在高电压条件下的结构稳定性差,这会导致LiCoO_(2)的性能下降。稀土元素掺杂是改良LiCoO_(2)性能的有效手段,但掺杂改性机理目前在原子与电子尺度层面尚需进一步明确。采用第一性原理计算方法,研究了Ce掺杂对LiCoO_(2)电子结构及Li+迁移性质的影响机理。结果表明,Ce掺杂显著扩大了晶胞体积,降低了晶胞内的电荷密度,减少相互作用的强度,使晶胞更加稳定。LiCoO_(2)在Ce掺杂后由半导体特性转变为金属性,增加了载流子密度,提高了材料的导电性能。经过Ce掺杂后,Li+的迁移势垒相比未掺杂时降低了93.12%。这主要是因为Ce掺杂导致Li层厚度增加,使得锂离子更容易发生迁移,从而提升电池的功率密度和循环寿命。

Cu(110)晶面催化还原CO_(2)制备甲酸机理的第一性原理研究

铜基催化剂是一种高效还原CO_(2)为甲酸的绿色催化剂,明确不同晶面的还原机理对催化剂的设计及开发具有重要指导意义,但Cu(110)晶面的催化机理尚不明确。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对Cu(110)表面的还原机理进行了研究,系统研究了不同中间产物的吸附相关性质并探讨了相关的吸附机理。吸附能结果表明,CO_(2)在Cu(110)表面无法发生化学吸附,而^(*)COOH、^(*)HCOO、HCOOH分子和H原子的最稳定吸附位点分别为长桥位点、短桥位点、顶位点和HCP位点。布居数结果表明,^(*)HCOO和HCOOH分子在吸附过程中与Cu(110)表面的Cu原子形成离子键,H原子和Cu原子之间存在氢键作用,^(*)COOH分子中的C和Cu原子形成共价键。此外,电子态密度结果表明^(*)HCOO基团和Cu原子之间形成O—Cu键,^(*)COOH基团中的C和Cu原子形成C—Cu键,HCOOH分子中的O和Cu原子形成O—Cu键。相比于^(*)COOH/Cu(110)体系,^(*)HCOO/Cu(110)吸附体系的电荷密度、电荷转移量和成键能力均较强,说明CO_(2)在Cu(110)还原过程中中间体^(*)HCOO更稳定,合成路径属于更加高效的:CO_(2)→^(*)HCOO→HCOOH路径。

高压下NbMoTaWV难熔高熵合金结构和力学性能的第一性原理研究

NbMoTaWV难熔高熵合金具有优异的耐高温性能,但超高压力对合金结构和力学性能的影响还不得而知。本工作采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,在0~200 GPa的压力范围内研究了NbMoTaWV难熔高熵合金的电子结构特征,分析了压力对合金形成焓、熔点等热力学性质,以及密度、韧性、硬度、屈服强度和弹性各向同性等力学性质的影响规律,阐明了高压下高熵合金稳定性增强的微观机理。结果表明:在0~200 GPa的压力范围内合金均表现为金属性。随着压力的增大,合金中电子离域性增强,原子间相互作用力增大,相邻原子的成键能力和成键强度提高,合金稳定性增强。0~100 GPa是该合金实验研究理想的压力区间,其中,50~75 GPa压力范围内合金明显呈弹性各向同性,工况下微裂纹产生倾向低。75~100 GPa压力范围内合金硬度和屈服强度高,75 GPa下分别达到11.58 GPa和3.86 GPa,此压力区间内合金具有较出色的综合力学性能。

B、Cu共掺杂单层g-C_(3)N_(4)电子结构及光学性质的第一性原理研究

g-C_(3)N_(4)是一种极具潜力的绿色半导体光催化剂,但其带隙较宽,对可见光利用率有限。通过元素掺杂可以有效提高g-C_(3)N_(4)的光催化性能,采用第一性原理方法研究了非金属元素B和金属元素Cu共掺杂对g-C_(3)N_(4)电子结构于光学性质的影响机理,结果表明,B、Cu共掺杂g-C_(3)N_(4)(001)表面的最稳定位点为B占据H位点,而Cu占据N2位点。B、Cu共掺杂相比单一B元素掺杂可以使g-C_(3)N_(4)(001)表面的能隙和功函数进一步下降,Cu元素的加入主要改善了B掺杂的g-C_(3)N_(4)(001)表面的电子导通能力以及对光的捕捉能力,从而提高了光催化活性。

B掺杂对单层g-C_(3)N_(4)光催化性能调控机制的第一性原理研究

光催化技术以太阳能为驱动,在环境治理、氢能制备等领域具有十分广阔的应用前景。g-C_(3)N_(4)是一种极具潜力的绿色光催化剂,但其有限的可见光响应范围以及较宽的能隙限制了其光催化性能的进一步提高。非金属元素掺杂是一种有效提升g-C_(3)N_(4)光催化活性的方法,采用第一性原理计算的方法研究了B元素掺杂对g-C_(3)N_(4)光催化活性的影响机理,考察了掺杂前后的电子结构以及光学性能。结果表明,g-C_(3)N_(4)(001)表面的H位点是B原子掺杂的最稳定位点,掺杂能为-7.81 eV,B元素的加入使g-C_(3)N_(4)(001)表面的能隙从未掺杂的1.468 eV降低到了0.732 eV,功函数从4.055 eV降低到3.108 eV,并提高了表面C原子的反应活性,从而使得g-C_(3)N_(4)(001)表面的光催化活性得到了有效地提高。光学性质研究表明,B元素的加入使得g-C_(3)N_(4)(001)表面发生了明显的“红移”现象,使表面的光响应能力得到了提高,从而获得了更高的光催化能力。

Ni,Mo和Cu添加对13Cr不锈钢组织和抗CO_2腐蚀性能的影响

采用正交实验法,通过等离子电弧炉制备添加不同含量Ni,Mo和Cu元素的13Cr不锈钢,研究合金的微观组织、结构特征以及饱和CO2油田采出液中的腐蚀电化学和高温高压浸泡腐蚀行为。结果表明:合金组织主要为马氏体和铁素体,随Ni,Mo和Cu含量不同而变化;Ni4Mo1.2Cu1.4合金中马氏体含量较高,硬度达到296.48HV1.0;所有合金均呈现出明显钝化特征,Ni4Mo1.2Cu1.4合金具有最低的维钝电流密度2.99×10-6A.cm-2和最高的点蚀电位0.35V(SCE),钝化稳定性最高;制备合金在高温高压下的浸泡腐蚀速率为0.041～0.053mm/a,低于0.076mm/a;Ni,Mo和Cu元素加入提高了合金的自腐蚀电位,降低了腐蚀倾向,其中Cu对于改善合金耐蚀性能作用最为突出。

P110钢在含Cl-介质中的冲刷与腐蚀行为研究

采用旋转圆盘装置并辅以电化学工作站测试P110钢在含Cl-溶液中的冲刷腐蚀行为。研究不同流速、不同含砂量对P110钢冲刷腐蚀质量损失速率和腐蚀电化学行为的影响规律,利用扫描电子显微镜(SEM)对冲刷腐蚀后试样表面进行分析表征。结果表明:P110钢在含Cl-溶液中的冲刷腐蚀形貌为典型的颗粒切削痕迹,并伴有少量腐蚀坑,冲刷腐蚀机理为机械和腐蚀相互协同作用;冲刷腐蚀过程存在一临界流速,当流速较低时主要体现为腐蚀作用,当流速超过4 m/s时材料冲刷腐蚀质量损失速率的增加主要来自于机械作用;含砂量对P110钢冲刷腐蚀起着重要影响,随含砂量增大,砂粒的机械冲刷作用增加导致冲刷腐蚀过程加剧,但过多的砂含量会形成"屏蔽作用"降低冲刷腐蚀。

纳米TiO_2的分散工艺及其改性水性涂料的性能

通过锐钛型纳米TiO2在水性介质中的分散试验,解决了纳米TiO_2在水性介质的团聚问题,并研究了各因素对纳米TiO_2水悬浮液稳定性的影响,通过正交试验筛选出最佳分散工艺为:100mL水性介质中731分散剂0.5g,偶联剂硅烷1.5mL,纳米TiO_20.5%(质量分数),pH值为7.5。将分散后的纳米TiO2浆料加入到普通水性苯丙乳液涂料中,并加入各种助剂,配制出了水性纳米TiO2涂料。对所配制涂料的性能测试结果表明,改性涂料的漆膜柔韧性和附着力提高,光泽、流平性、耐水性、耐碱性和耐擦洗性均优于普通涂料。

高氮奥氏体不锈钢中N与Cr、Mn、Mo键合性质研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对高氮奥氏体不锈钢中N与Cr、Mn、Mo键合性质进行研究。建立Fe-N-Cr、Fe-N-Mn及Fe-N-Mo晶胞,并对其电子结构进行计算,通过计算其晶胞总能量、体积変化率、电子态密度、重叠聚居数和电荷密度等电子结构参数,分析高氮奥氏体不锈钢中N与合金元素Cr、Mn、Mo的键合性质。结果表明:Cr、Mn、Mo取代顶角位置Fe原子时结构最稳定;N与Cr、Mn、Mo原子间存在离子键,成键轨道主要是N 2p与Cr、Mn、Mo的3d轨道;Fe、N与Cr、Mn、Mo原子存在交互排斥作用,形成反键。

乳液种类对膨胀型防火涂料理化性能和防火性能的影响

配制了以聚醋酸乙烯酯(PEA)乳液、苯丙乳液和纯丙乳液为成膜基料的乳液型膨胀防火涂料,通过涂料常规性能测试和小室燃烧试验,对3种涂料的理化性能和防火性能进行了比较分析。结果表明,PEA乳液型涂料质量损失大,炭化体积最小,膨胀效果极佳,防火效果最好;纯丙乳液型涂料的理化性能最好;而苯丙乳液型涂料则兼有理化性能和防火性能的优点,成本低、环保性强,可以满足防火涂料的各项需要。

基于ANSYS有限元法的外腐蚀管道剩余强度和剩余寿命的研究

采用ANSYS有限元软件,结合大庆油田采油六厂埋地管道的实际工况,对含外腐蚀缺陷的管道进行了分析,研究了不同形状下缺陷长度、宽度及深度等因素对管道失效的影响,以管道实测缺陷为依据,用ANSYS计算了管道的剩余强度,根据失效准则并结合实测数据,确定了腐蚀管道的剩余寿命。结果表明:对于平底方形缺陷,缺陷长度和深度对失效的影响都有临界值,深度是影响失效的一个重要因素;对于椭圆形缺陷来说,缺陷长度和深度对失效的影响成正比,缺陷宽度对失效的影响成反比关系。ANSYS有限元法为寿命预测提供了必要的保障,对工程应用有重要的参考价值。

超硬B-C-N化合物晶体和电子结构的第一性原理研究

基于第一性原理,利用密度泛函理论(DFT)在广义梯度近似(GGA)下的从头计算平面波超软赝势方法,从超硬材料BeCN2的结构(I-42d)出发,设计了B-C-N三元化合物,计算了弹性常数、声子谱、态密度、理论维氏硬度和高压下的物性变化。结果表明:四方结构B-C-N三元化合物有B2CN、BC2N和BCN2三种不同晶胞,其中BC2N力学稳定性和动力学稳定性较好。BC2N体积模量高达338 GPa,晶体结构中存在金属键,具有很强的共价键。BC2N的维氏硬度为49.0 GPa,属于超硬材料。压缩率低于超硬材料cg-CN,杨氏模量、体积模量、剪切模量和泊松系数均随外压的增大而增大,反映出结构的刚性、抗横向、切向及纵向形变能力增强。

CaCO_3在Fe(100)表面成垢机制的第一性原理研究

本工作基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了CaCO_3在α-Fe表面的成垢机制,并通过对难溶的文石型及方解石型CaCO_3在Fe(100)表面的吸附模型进行模拟计算,获得了它们的能量、电荷密度、能带结构及态密度等几何结构和电子特性。研究结果表明:文石型CaCO_3(文石)先于方解石型CaCO_3(方解石)吸附于α-Fe表面桥位,而后文石会释放部分能量而转变为斜六面体形态的方解石;碳酸钙在铁表面的附着实际是碳酸根中电负性较大的O原子与Fe原子之间发生电荷转移,O 2p轨道电子与Fe 3d轨道电子之间形成了共价键,因此发生了稳定的化学吸附。

Fe-N-Cr电子结构及耐蚀性第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对Fe-N-Cr电子结构和腐蚀机理进行了研究。建立Fe、Cr、Fe-N、Fe-N-Cr晶胞模型并计算其能量、电荷密度、能带结构、态密度、局域态密度等电子结构参数,进而分析高氮不锈钢的耐蚀机理。结果表明,氮固溶后,Fe与N之间存在明显的电荷转移,构成了二者之间的离子键;Fe-N-Cr的能带宽度小于其他两种固溶体,原子轨道扩展性较弱;Fe、Fe-N、Fe-N-Cr的态密度成键峰高度依次增大,成键电子数增加,Fe-N-Cr结构的耐蚀性能最好。

热处理对D36钢接头组织及腐蚀性能的影响

采用手工电弧焊对D36级结构用钢进行焊接,分析预热保温工艺对焊接接头微观组织、硬度的影响,并通过电化学测试评价不同工艺焊缝金属在模拟海水中的腐蚀行为。结果表明:D36钢焊接热影响区铁素体和无碳贝氏体针状平行分布,焊缝区为柱状铁素体和粒状珠光体;经预热保温的焊缝晶粒细化、组织均匀,整体硬度大于210HV1.0,冲击韧性提高,裂纹倾向降低;焊缝经100℃预热+150℃保温后,焊缝腐蚀电流密度最低,为2.4μA/cm2,腐蚀电位接近母材,电荷传递电阻达3683Ω,膜层稳定性最佳,是最优的热处理工艺。

砂粒和氯离子对P110钢冲刷与腐蚀性能的影响

采用旋转圆盘冲蚀仪并辅以腐蚀电化学工作站分别测试了P110钢(26CrMo4)在含不同砂粒粒径和氯离子浓度溶液中的冲刷腐蚀行为。借助扫描电镜形貌观察,分析了不同氯离子浓度与砂粒粒径对P110钢冲蚀速率和腐蚀行为的影响规律。结果表明:砂粒粒径和氯离子浓度对P110钢冲刷和腐蚀过程有着重要影响,均为腐蚀和机械的协同作用所致。粒径较大的砂粒在冲刷时加速了传质过程,引起腐蚀作用的增加,最终导致整个冲刷腐蚀失重率的增加。氯离子的存在致使腐蚀过程中大量点蚀坑的形成,引起局部冲刷作用的加剧,最终导致P110钢的整个冲刷腐蚀失重速率增加。

输油管线内气液固三相流中沙粒沉积规律的数值模拟研究

以苏丹油田Palouge油区的输油管线参数为研究对象,基于多相流混合模型,采用Fluent软件对输油管线内的气液固三相流中的沙粒沉积过程进行了数值模拟,研究了流速、含沙量、含水量、压力和原油粘度对沙粒沉积规律的影响。结果表明:沙粒在输油管线中的沉积分为起始沉积段、过渡段和稳定段。平均沉沙量随流速、含水量的增大而减小,随含沙量的增大而增加,压力为0.2MPa和原油粘度为0.1 Pa.s时,分别达到51.80%和45.76%极小值。沉沙量最大位置随流速、含水量而右移,随含沙量增大而左移,随着压力和原油粘度增大存在一临界值(0.2MPa时4.28m和0.1Pa.s时3.68m)。过渡段宽度随流速和压力增大存在一临界值,随含沙量、含水量和原油粘度的增大存在极值(8%时22.56m,20%时21.80m和0.1Pa.s时22.19m)。过渡段压差直接影响了过渡段的宽度。流速和含沙量对其沉积规律的影响最大。

电沉积纳米镍合金及其复合材料的超塑性

采用脉冲电沉积技术制备纳米镍合金及Ni/Si3N4（w）复合材料,在应变速率为1×10-3^-2×10^-2 s^-1,温度为673-823 K的条件下,研究它们的超塑性拉伸变形行为,确定最佳超塑性条件并获得最大伸长率。结果表明,Ni-Co合金在773 K,应变速率5×10^-3 s^-1时,最大伸长率为279%;Ni/Si3N4（w）复合材料在713 K,应变速率1×10^-2 s^-1时,最大伸长率为635%。采用SEM和TEM对电沉积和超塑变形前后试件的显微结构进行表征。应用晶粒长大行为和协调机制对合金和复合材料的超塑性进行对比研究和讨论。

三元复合驱溶液组分对P110钢腐蚀电化学性能的影响

采用电化学工作站测试P110油管钢在强碱(NaOH)三元复合驱(ASP)溶液中的腐蚀电化学行为,研究ASP中不同组分、不同含量对P110钢腐蚀行为的影响,用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对P110钢在ASP溶液中静态浸泡后的腐蚀形貌进行分析。结果表明,在实验条件下,P110钢在ASP、AS、A、AP溶液中,腐蚀速率依次增大。在实验浓度内,P110钢在强碱ASP溶液中钢表面形成保护性良好的钝化膜,耐蚀性随碱含量的增加而增加。加入表面活性剂起到抑制P110钢腐蚀的作用,且抑制作用随加入量增加而增强。加入聚丙烯酰胺后,耐蚀性随浓度的增加呈现先增加后下降趋势。经80℃在ASP溶液中静态浸泡20 d后,P110钢主要发生均匀腐蚀,腐蚀产物主要为Fe(OH)3、FeCO3、Fe2O3。

基于CO_2腐蚀形貌特征的腐蚀预测方法研究

采用灰度数据矩阵统计、小波变换及二值化等方法对不同油管钢经CO2腐蚀后的表面形貌图像进行特征提取。采用二值特征提取算法计算出以像素点个数表示的孔蚀面积,采用像素点集合求得蚀孔数目,并用能量灰度数据矩阵统计特征值,反映孔蚀表面腐蚀形貌凹凸起伏变化的复杂特征。结合多层前馈式反向传播BP神经网络,以腐蚀形貌图像的各向异性能量参数和小波变换后子图像的能量参数作为腐蚀类型判据,建立了基于BP神经网络的孔蚀速率诊断模型,诊断结果与实验结果基本吻合。