专刊介绍

交叉融合正成为科学研究的重要时代特征,跨学科交叉融合发展也已成为未来科学发展的必然趋势和国家的重大战略需求。我国一系列交通发展成果的不断涌现都离不开冶金材料的创新和突破,在新一轮科技革命的大背景下,交通与冶金材料互为牵引支撑,融合发展的趋势日益增强。为此,《现代交通与冶金材料》编辑部策划组织了本期“交通与冶金材料融合创新”主题专刊。邀请国内外从事相关研究的优秀团队撰写了2篇综述和9篇研究论文,从不同视角展示了交通与冶金材料领域融合创新的探索与最新研究成果。

金刚石粒径对金刚石/Cu-B合金复合材料热物理性能的影响

采用Cu-B合金为基体,选用粒径分别为110、230、550μm的金刚石颗粒作为增强体,利用气压熔渗工艺在1100℃、10 MPa气体压力下制备金刚石/Cu-B合金复合材料,研究金刚石颗粒粒径对复合材料组织结构、界面相分布及热物理性能的影响。结果表明,随着金刚石粒径的增大,复合材料热导率上升,热膨胀系数减小,复合材料界面处硼碳化合物含量增加,界面结合情况得到改善。由金刚石颗粒粒径为550μm时,复合材料热导率最高,可达680.3 W/(m·K),热膨胀系数最小,为4.905×10^(−6)K^(−1),符合高效热管理器件对金刚石/金属基复合材料的热物理性能要求,在电子产品散热器件方面具有良好的应用前景。

基于应变率效应的岩石动态Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则研究

在考虑强度准则参数粘聚力c、内摩擦角φ和岩石材料常数m随应变率增加而变化的基础上,分别提出了基于应变率效应的岩石动态Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则。花岗岩材料在6种围压下的三轴试验结果表明:当应变率从10^(-4) s^(-1)增加到100 s^(-1)时,粘聚力c和岩石材料常数m均随应变率增加而增加,但是内摩擦角φ则随应变率增加而减小。为此,给出了上述3项参数随应变率变化的函数关系,并在此基础上,分别提出了考虑率效应的动态Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则表达式。通过理论计算结果与试验数据的对比,发现动态Mohr-Coulomb准则适应于低围压情况,而动态Hoek-Brown准则在低围压和高围压情况下均适用。

服役环境对高强铝合金疲劳损伤行为影响的研究进展

从温度、湿度、腐蚀介质、气体介质、加载条件等方面综述了不同服役环境下高强铝合金疲劳损伤行为的研究现状,阐述了环境因素对高强铝合金疲劳损伤行为的影响机理,指出了目前高强铝合金疲劳损伤行为研究存在的问题与今后的发展方向。

低加载率范围内煤岩组合体冲击倾向性的率效应试验研究

以煤岩组合体为研究对象,进行4种不同量级下的低加载率(10-3~100MPa/s)单轴压缩试验,以抗压强度、弹性模量、冲击能量指数、弹性能量指数、归一化动态破坏时间为参量,考察加载率对煤岩组合体冲击倾向性的影响。研究结果表明:随着加载率的提高,煤岩组合体的承载失效结构由煤体转化为煤岩组合体,并存在明显的临界加载率现象。煤岩组合体的抗压强度和弹性模量在临界加载率以下保持在较低值,在临界加载率以上保持在较高值;冲击能量指数随着加载率的提高先增加后减小,在临界加载率附近出现最大值;弹性能量指数随着加载率增加而提高;修正动态破坏时间在临界加载率之前降低幅度较快,在临界加载率之后缓慢下降然后趋于平稳;综合判断煤岩组合体的冲击倾向性随加载率的增加划分为两个比较明显的水平,并且在临界加载率附近表现出较为明显的冲击倾向性突变。临界加载率效应可为现场条件下确定合适的工作面推进速度提供参考。

毫秒微差爆破技术在深部缓倾斜薄矿体安全强采中的应用研究

针对深部缓倾斜薄矿体开采生产能力小、效率低、安全性差、技术难度大等难题,依据毫秒微差爆破机理,利用非线性动力分析软件ANSYS/LS-DYNA对连续段毫秒微差爆破、跳段毫秒微差爆破和瞬间爆破方式进行了数值模拟对比分析,提出了一种适用于深部缓倾斜薄矿体的安全强采技术——浅孔多段毫秒微差爆破技术。通过对几种爆破方式在爆破岩块碰撞和爆破震动等方面的比较分析,优选出跳段毫秒微差爆破方法并应用到湘西金矿深部采场开采中。现场工业试验结果表明,新方法比传统方法在生产能力、生产效率、炸药单耗、回采周期、矿石块度、安全性等方面具有明显的技术经济优势,具有良好的推广应用价值。

含充填椭圆形孔洞砂岩力学破坏特性试验研究

为研究充填物力学性能对含椭圆形孔洞岩石力学破坏特性的影响,通过在预制孔洞内填充不同配比的水泥砂浆,对含充填椭圆形孔洞板状砂岩试样进行单轴压缩试验,并借助声发射系统和数字图像相关技术记录并分析试样的破裂过程和裂纹扩展特征。研究结果表明:含椭圆形孔洞试样的强度和弹性模量相对于完整试样分别降低了24.45%和23.05%,而充填后试样的起裂应力、峰值应力和弹性模量均有所提高,且提升幅度随充填物本身力学性能的增强而增大。充填作用对岩样的裂纹起裂、扩展及最终破坏形态的影响也很明显,含椭圆形孔洞试样的破坏模式随充填物力学性能的增强由拉伸破坏向剪切破坏转变。通过将声发射技术与数字图像相关技术相结合应用,能够建立起岩石宏观力学响应与细观力学行为之间的关系。

大断面隧道掘进中炮孔快速堵塞新方法研究

为了提高矿山巷道的掘进速度,针对使用黏土作为炮孔堵塞材料的传统堵塞方式存在的劳动强度大、耗时长、效率低、无法与地下空间大断面隧道快速掘进相匹配的问题,提出了一种"水炮泥+膨胀泡沫"组合式炮孔快速堵塞新方法。实验室内膨胀泡沫堵孔强度实验和新疆东天山特长隧道的现场爆破试验结果证明:与传统堵塞方法相比,该炮孔快速堵塞新方法具有堵孔强度高、炸药单耗低、爆破进尺高、劳动强度低、堵孔耗时短等优势,具有重大的推广应用价值。

不同应力条件下硬岩强度与破裂特性试验研究

深部工程围岩内的岩石可能处于一维、二维和三维应力状态下,分别对应室内单轴压缩、双轴压缩和真三轴压缩试验中岩样的应力状态。通过开展单轴、双轴和真三轴压缩试验,系统研究了不同应力状态和水平下岩石非常规破坏的发生机制。不同高宽比和宽厚比岩样的单轴压缩试验结果表明:随着岩样厚度的增加,单轴抗压强度单调增加;随着岩样高度的增加,单轴抗压强度往往先增加后减小,且矮薄岩样更容易发生岩爆和板裂等非常规破坏。双轴或真三轴压缩试验中岩样的抗压强度均表现出明显的中间主应力效应。在相同最小主应力下,随着中间主应力的增加,岩样的双轴抗压强度和真三轴抗压强度均呈先增加后减小的变化趋势,双轴抗压强度增长率则呈先减小而后小幅增大的趋势。通过定义强度增量参数ν和中间主应力位置参数λ构建了指数岩石真三轴强度准则。低围压限制、非对称围压限制和短裂纹扩展路径是引起岩石非常规破坏的主要条件。

套孔应力解除法与声发射法在新城矿区深部地应力测量中的对比研究

为得到新城金矿深部区域的准确地应力分布,分别采用应力解除法和声发射法对该矿区深部进行了地应力测试,得到了不同测量方式下深部地应力的分布规律。采用定向扰动最小二乘法多元回归来提高套孔应力解除法的6个应力分量的求解精度,并采用空间坐标变换公式和LUT-str三维地应力计算程序对地应力大小和方向进行了计算。使用应力解除法测量了-830^-1 030 m之间4个水平6个测点的地应力,使用声发射法测量了-950^-1 150 m之间3个水平3个测点的地应力,计算得到相应的地应力及其分布规律。2种方法测量结果对比表明:深部地应力以水平应力为主,最大水平主应力为NWW-SEE向,二者测得的最大水平主应力、垂直主应力和最小水平主应力具有较好的一致性。

伊维菌素杀日本血吸虫移行期童虫效果的实验研究

目的从抗其他病原感染的大环内酯类药物中筛选一种可杀日本血吸虫(Schistosoma japonicum,S.j)移行期童虫的制剂。方法选取克拉霉素(ClM)、阿奇霉素(AzM)和伊维菌素(IVM)在体外实验中设计3个不同剂量水平对S.j脱尾童虫作杀伤试验观察,以行为改变和染色差异作为判别虫体死与活的标志,以各药物组虫体死亡率大小来评价杀伤效果。取体外杀虫高效的IVM用于S.j感染小鼠后体内1~4 d虫体作治疗效果观察。结果在体外IVM 20μg/mL浓度条件下对S.j尾蚴脱尾童虫可致100%的杀伤率,且显著高于吡喹酮(PZQ)和青蒿琥酯(ARS)的杀伤效果(P<0.05)。IVM在0.4 mg/kg×2次的剂量对S.j感染小鼠后1~2 d的童虫杀死率为53.37%,与感染对照组比差异有统计学意义(P<0.01);对3~4 d的童虫杀死率为39.98%,与感染对照组相比差异有统计学意义(P<0.05)。用IVM与PZQ或ARS联合治疗,未出现增效或协同作用。结论大环内酯类药物中伊维菌素对体内外日本血吸虫移行期童虫有很好的杀伤效果。

红砂岩单轴压缩试验的率效应研究

利用MTS 322试验机对均质红砂岩进行了低加载(应变)率范围内不同量级的单轴压缩试验,考察了加载率对压缩强度、切线弹模和破坏应变的率效应影响规律。试验过程中采用位移控制加载,对应的加载量级分别为0.12,1.2,12,120 mm/min。研究结果表明:位移控制加载率与试样实际加载率、应变率之间均存在良好的线性关系。不同加载速率下岩石材料的单轴压缩强度、切线弹模随着加载率的增加呈现增加趋势,单轴压缩强度增加了11%,切线弹模增加了13%,率效应显著。通过试验数据发现,破坏应变与应变率(加载率)之间无相关性,不具有率效应规律,故强度准则应该是应力准则而不是应变准则。

右美托咪啶预处理脂多糖诱导的巨噬细胞代谢物研究

目的:应用代谢组学方法,研究右美托咪啶(DEX)预处理LPS(脂多糖)诱导的巨噬细胞炎症模型代谢物的变化,探讨其抗炎机制可能性代谢途径。方法:DEX预处理LPS诱导的巨噬细胞炎症模型,利用超高效液相色谱-三重四级杆-线性离子阱质谱(UPLC-Q-TRAP-MS/MS)采集细胞代谢物信息,并采用多元变量统计方法:主成分分析法、正交偏最小二乘法判别分析法筛选细胞差异代谢物。结果:与对照组相比,DEX干预后筛选出甜菜碱、胆碱、乳酸、谷氨酰胺、蛋氨酸、S-腺苷L-甲硫氨酸、磷脂酰甘油、磷脂酰胆碱、瓜氨酸、脯氨酸、二磷酸腺苷(ADP)、环磷酸腺苷(c AMP)、丙酮酸等22种差异代谢物。结论:代谢组学方法显示DEX预处理炎症细胞特征性代谢物分子,为DEX抗炎生物机制奠定基础。

基于ANSYS-FLAC^(3D)的深部采场结构参数优化研究

为了解决湘西金矿沃溪矿区在深部开采存在的采场稳定性差、顶板冒落等一系列问题,采用有限元软件ANSYS与有限差分软件FLAC^(3D)耦合模拟跨度为3 m、4 m、5 m、6 m的4种采场开挖方案,对比各方案应力、位移、塑性区之间的变化,优选出深部采场最优跨度。结果表明,当采场跨度为4 m时,在采场安全稳定的同时采矿效率最大化。研究结果对同类矿山深部采场结构参数选取具有借鉴意义。

不同受力维度下红砂岩失稳评判指标研究

为了研究不同受力维度下岩石峰值应力、峰值应变与失稳的关系,分别对红砂岩进行一维、二维、三维受力条件下的单轴抗压试验、变角板剪切试验和直接剪切试验以及三轴压缩试验。试验结果显示:单轴压缩试验中,峰值应力和峰值应变变异系数分别为6.61%和9.36%;变角板剪切试验中,峰值应力和峰值应变平均变异系数分别为5.69%和19.81%;直接剪切试验中,峰值应力和峰值应变平均变异系数分别为4.32%和14.74%;三轴压缩试验中,峰值应力和峰值应变平均变异系数分别为6.03%和7.44%。上述研究表明:当红砂岩处于一维和三维受力状态时,峰值应力和峰值应变均可以作为评判红砂岩是否失稳的指标,但峰值应力比峰值应变作为评判指标的可靠性更高;当红砂岩处于二维受力状态时,只有峰值应力能作为评判红砂岩是否失稳的指标。上述研究规律不仅对评判室内试验中岩石是否失稳具有重要意义,而且对评判岩土工程中岩石是否处于安全状态提供理论依据。

基于波速测量的岩石储能量化表征方法研究

为了定量化表征岩石储能,选择3类典型岩石(强度较低的红砂岩、中等强度的大理岩和坚硬的花岗岩),在弹性区间内对其压缩载荷(或应力)与纵波波速之间的随动关系进行测试研究,并根据其应力—应变特征曲线,计算出应力与存储能量之间的定量关系,建立以应力为桥梁的"波速—应力—储能"的定量化表征方法。结果表明:在3种典型岩石弹性阶段内,其纵波波速与压缩应力均呈现出明显的线性关系;压缩应力与岩石储能之间基本符合复合幂指数关系;根据卸载波速—应力、应力—弹性储能所建立的模型,可以得到卸载波速与弹性储能之间的对应函数关系,实现了用波速定量化表征岩石储能的目的,即获得了一种较为可行的用波速定量化表征岩石储能的测试技术方法。测试结果还表明:硬岩比软岩更适合采用此方法来定量化表征存储的能量,其精度和准确度更高。

丁酸梭菌对高胆碱饮食小鼠血浆游离脂肪酸组成的影响

【目的】分析丁酸梭菌对高胆碱饮食造成脂代谢异常小鼠血浆游离脂肪酸组成(FFA)的影响,以阐明丁酸梭菌调节高胆碱膳食脂代谢的作用机制。【方法】选取4周龄健康的雄性昆明小鼠24只,随机分为3组:正常组、模型组和丁酸梭菌组,每组8只。高胆碱饮食造模8周后,给药7 d,禁食12 h,采集血浆、肝脏、附睾脂肪垫和肾周脂肪,对肝脏、脂肪称重,利用生化仪检测血脂水平;通过HE染色及油红O染色分别观察肝脏组织结构变化及脂滴沉积程度;利用液相色谱-质谱联用(LC-MS)技术检测小鼠血浆氧化三甲胺(TMAO)含量;利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术及多元统计分析研究血浆中FFA组成。【结果】与模型组相比,丁酸梭菌组小鼠体重、脂肪增长得到显著抑制(P<0.05),给予丁酸梭菌后小鼠肝脏脂肪沉积减少;丁酸梭菌显著或极显著降低了高胆碱饮食小鼠血浆中甘油三酯(TG)和低密度脂蛋白(LDL-C)含量(P<0.05;P<0.01),并使高密度脂蛋白(HDL-C)含量显著升高(P<0.05);丁酸梭菌灌胃后,高胆碱饮食小鼠血浆TMAO浓度显著降低(P<0.05);丁酸梭菌可显著降低高胆碱饮食小鼠血浆中棕榈酸(C16∶0)、硬脂酸(C18∶0)等饱和脂肪酸(SFA)含量,显著降低单不饱脂肪酸(MUFA)中棕榈烯酸(C16∶1)、油酸(C18∶1 N9c)含量,显著升高多不饱和脂肪酸(PUFA)中n-3型PUFA含量,其中二十二碳六烯酸(DHA)含量显著升高,n-6型PUFA中亚油酸(C18∶2 N6c)、γ-亚麻酸(C18∶3 N6)含量显著降低(P<0.05)。此外,丁酸梭菌还显著降低了血浆中反油酸(C18∶1 N9t)、反亚油酸(C18∶2 N6t)含量(P<0.05)。【结论】服用丁酸梭菌可调节高胆碱饮食小鼠游离脂肪酸组成及血浆TMAO含量,改善其脂代谢紊乱。

树脂包覆石墨/铜复合材料的高温和载流摩擦磨损性能

以酚醛树脂粉末、石墨粉、镀铜石墨粉和电解铜粉为原料,采用冷压−加压烧结工艺分别制备树脂包覆石墨/铜和镀铜石墨/铜复合材料,研究两种石墨/铜复合材料的室温、高温以及载流条件下的摩擦磨损性能,并与国外Roland接地电刷进行对比;结合高温(200~600℃)下铜基体晶体结构与材料导电和力学性能的变化规律,分析树脂持续分解对复合材料导电、力学和摩擦磨损性能的影响规律。结果表明:树脂包覆石墨/铜复合材料的高温力学性能优于镀铜石墨/铜复合材料,环境温度达到600℃时,树脂包覆石墨/铜复合材料的剪切强度仅降低6%,而镀铜石墨/铜复合材料的降幅达到24%。树脂包覆石墨/铜复合材料的高温(250℃)耐磨性和摩擦稳定性远优于镀铜石墨/铜复合材料和Roland电刷,载流摩擦因数低于Roland电刷。石墨的树脂包覆能改善铜基复合材料的高温和载流摩擦磨损性能,由于树脂层的保护,石墨即使在高温和载流条件下,也能形成连续完整且稳定的润滑膜,减少摩擦接触的微间隙;摩擦时炭化的树脂破碎成细小硬质颗粒,阻碍材料与对磨盘的黏着磨损;高温下铜基体软化不明显,可减少电弧的发生。

拉伸变形Al-Si合金中Si颗粒相对于晶粒旋转的原位证据

为确定Si颗粒在拉伸变形过程中是否相对于基体晶粒发生旋转,采用原位拉伸扫描电子显微镜(SEM)和离位背散射电子衍射(EBSD)相结合的方法,研究Al-Si合金在拉伸变形过程中Si颗粒旋转与晶粒旋转之间的关系。通过对比晶粒的EBSD三维取向的平面投影信息与Si颗粒的原位SEM信息,发现Si颗粒在样品表面的平面上具有明显的相对旋转。此外,根据EBSD数据的中心点平均取向差(KAM)分析,发现Si颗粒的较大相对旋转会引入更高密度的几何必需位错(GND),这会在颗粒附近的基体中产生较强的加工硬化效应。总之,Si颗粒的相对旋转度越大,加工硬化效果越强。

钻孔岩芯声发射法在张北能源储气库地应力测量中的应用

使用新型定向岩芯声发射方法,对河北张北综合能源项目储气库建造工程区域进行地应力测量,结果表明,3个钻孔对应的90 m埋深处的地应力以水平构造应力为主,3个钻孔的最大主应力方向基本一致,均为近南北方向。使用圆周波速各向异性分析法进行验证,结果显示,圆周波速各向异性分析法得到的最大主应力方向与钻孔岩芯声发射法得到的结果吻合,进一步验证了钻孔岩芯声发射法测量结果的正确性。