高校基层党建引领新工科学科内涵式高质量发展探索与实践——以中山大学材料科学与工程双一流学科发展为例

本文围绕普通高等院校基层党建服务新工科内涵式高质量发展课题,探索党建引领新时代人才培养、学科发展、科技创新、产业服务等重要任务,助力科技自立自强,助推材料领域新质生产力发展的有效路径。首先,加强党建的政治功能,强化政治引领、组织保障、文化塑造和资源聚合等作用,凝心聚力,确保发展方向。其次,将党建工作与高校核心业务深入融合,立德树人,培养高素质创新人才,为高质量发展和新质生产力的发展源源不断地提供人才;第三,将党建工作与教师队伍建设深度融合;第四,抓好党建共建,推动学科交叉融合发展;第五,以党建为纽带,促进产学研合作,创新发展模式。通过实证分析和案例研究,论证了上述路径的有效性和可行性,为新工科建设全面服务新质生产力发展提供参考。

超临界CO_(2)发泡技术精制TPU泡沫材料:泡孔结构、硬段结构对力学性能的影响研究

热塑性聚氨酯弹性体(TPU)是热塑性弹性体(TPE)的代表,具有优异的回弹性、可熔融再加工、耐久性、耐磨性、柔韧性和拉伸性能等优点。TPU可根据化学结构差异分为芳香族、脂肪族和脂环族三类。物理发泡技术制备的轻质TPU泡沫,具有吸能减震、隔热等特性,在3C电子、运动防护、汽车制造、生物医学等领域应用广泛。然而,现有报道缺乏对其泡孔结构、硬段化学结构与弹性性能之间系统性关联的研究,制约了高性能TPU泡沫的开发和实际应用。利用超临界CO_(2)物理发泡技术,制备了2种不同泡孔结构的TPU泡沫材料。采用红外光谱、核磁共振氢谱和扫描电镜技术表征了其微观泡孔与化学结构,采用差示扫描量热法分析了其热行为差异,利用万能试验机、回弹仪评估了其循环压缩性能和回弹率。结果表明,TPU泡孔尺寸及密度主要受饱和压力的调控,而其膨胀倍率主要依赖于饱和温度。随着饱和压力的增加,泡孔尺寸显著降低。TPU泡沫的压缩强度与泡孔尺寸成反比,压缩回弹性随泡孔尺寸的减小而增大。泡沫的压缩强度随膨胀倍率的增大而显著降低,而其压缩回弹性则随膨胀倍率的增大先上升后降低。TPU硬段分子结构的对称性对力学性能影响显著,使得脂肪族TPU泡沫的压缩强度和回弹性相较于芳香族TPU泡沫均有提高,最高提高了160%和82%。本研究深化理解了TPU微孔发泡材料的泡孔结构与硬段化学结构对其力学性能及回弹性的影响,为工业领域制备性能优异、成本效益高、功能更为复杂的TPU泡沫材料提供了理论基础。

中山大学彭飞团队研制微纳米马达用于神经修复

近日,中山大学材料科学与工程学院彭飞副教授团队提出构建一种小型化的微纳米马达支持神经干细胞的生长,并通过外部磁场对其进行精确的运输,在目标区域允许可控的细胞释放,促进神经通路的重建。该研究成果以“Helical Hydrogel Micromotors for Delivery of Neural Stem Cells and Restoration of Neural Connectivity”为题,发表于Chemical Engineering Journal。

只争朝夕,创建世界一流材料科学与工程学科

中山大学于2014年1月成立材料科学与工程学院(筹),2015年12月成立材料科学与工程学院.学院位于中山大学广州校区东校园.秉承“立德树人,以德为先”的育人理念,学院凝集了学校在材料科学领域的优势资源,致力于培养具有国际视野和创新精神,具备扎实广博的理论基础和突出精深专业技能的学术精英与社会栋梁.

EDTA改性CaAl-LDH对水泥基材料性能的影响

本文以乙二胺四乙酸二钠作为改性剂,通过焙烧还原法成功制备出改性CaAl-LDHs阻锈剂(CaAl-EDTA LDH),并探明了CaAl-EDTA LDH对水泥基材料宏观性能(流动度、凝结时间、力学性能)及微观性能(产物组成、水化热、孔结构)的影响规律。此外,成型了内埋钢筋的砂浆试件,设置了两种腐蚀模式(内掺氯盐+干湿循环、干湿循环),模拟测试不同掺量(0%、0.5%、1.0%、2.0%、4.0%,质量分数)CaAl-EDTA LDH对实际钢筋混凝土体系的防护效果。结果表明,掺量为0.5%和1.0%的CaAl-EDTA LDH会促进水泥矿物溶解,提高水化放热量,使砂浆早期强度提升。但是EDTA自身具有缓凝效果,当CaAl-EDTA LDH掺量为4.0%时,砂浆水化放热量及早期水化产物生成量严重降低,而28 d净浆总孔隙率增加了4%左右。腐蚀试验结果表明干湿循环模式下CaAl-EDTA LDH未表现出阻锈性能,而在双重腐蚀模式下,CaAl-EDTA LDH在经历90次干湿循环后仍对砂浆中的钢筋存在优异的防腐效果,但掺量应控制在1.0%~2.0%。本文开发的新型阻锈剂对延长钢筋混凝土寿命、提高结构耐久性具有参考意义。

拓扑量子材料用于能源转化与存储的研究进展

拓扑量子材料具有非平庸的拓扑表面态,并且对于材料的杂质、缺陷或无序具有很高的鲁棒性,因此在能源转化与存储领域中备受关注。简要介绍了拓扑量子材料的分类及相应的能带结构,同时结合近十年来拓扑量子材料在能源转化与存储领域中的应用发展,阐述了拓扑量子材料在水分解、电池、超级电容器和乙醇氧化等应用领域中的研究进展。总结了拓扑量子材料在能源转化与存储领域中现存的挑战,并对未来的新应用进行了展望。

大学生材料竞赛与自主实验促进教学改革和创新能力培养

大学生材料竞赛和自主实验与材料科学理论及实验教学对创新能力培养是相辅相成的。通过学生材料竞赛、自主实验,发现问题和不足,并以此为契机,促进和深化材料科学理论及实验教学改革,提高教学水平,为培育符合社会需求的具有科学创新意识和创新能力的人才提供保障。

钠离子电池电极材料的设计策略——固态离子学视角

钠离子电池是目前最有前景及可行性的新兴储能候选体系。对于钠离子电池而言,如何实现其电极材料的理性设计及构筑,是重要的科学问题。本文立足于钠离子/电子输运这一核心问题,从固态离子学视角探讨钠离子电池电极材料的设计策略。首先,对于体相电极材料,输运特性的明晰、调控以及缺陷化学模型的建立,是传统电极材料开发的关键。其次,对于纳米电极材料,随着尺寸的减小,电极材料的热力学性质、动力学特性以及钠离子微观储输机制都会发生相应变化,因此从纳米离子学视角,以尺寸效应调控电极材料具有重要的科学价值及现实意义。最后,无论对于体相材料还是纳米材料,从材料的本征输运特性出发,通过电化学电路的设计和构筑来优化电极动力学,可以为钠电电极材料的理性设计及可控制备提供理论指导。我们相信,通过本文系统地对钠离子电池电极材料设计策略的梳理,必将对钠离子电池的开发,提供有意义的指导,并为最终的产业化打下良好的基础。

Fe_(7)S_(8)/C材料电催化处理有机废水的综合实验设计

针对日益严峻的水环境污染问题,将电催化水处理技术融入到本科实验教学中,设计了Fe_(7)S_(8)/C材料制备及电催化处理有机污染物的综合实验。采用罗丹明B为目标污染物,结合X-射线衍射仪、X-射线光电子能谱仪、扫描电镜和透射电镜等表征技术,研究了Fe_(7)S_(8)/C复合材料的物化性能,系统探究了其电催化降解性能。该实验涉及材料制备、表征和性能评价等多个环节,涵盖了材料学、环境化学、分析化学、电化学等多个学科领域。通过该实验能够激发学生的科研思维,提高相应的科研能力和综合实践能力等,实现了科研反哺教学,有效促进科教融合,有利于提升人才培养质量。

采用PITT与EIS技术测定锂离子电池正极材料LiFePO_4中锂离子扩散系数

采用恒电位间歇滴定法(PITT)和电化学阻抗谱技术(EIS)测定锂离子电池正极材料LiFePO4中Li+扩散系数。结果表明:随着嵌锂量的变化,锂离子的扩散系数(D Li+)先出现一个极大值,然后出现一个极小值,随后随嵌锂量的增加而增大;扩散系数在10-13 cm2/s^10-16 cm2/s数量级范围内变化;2种方法计算得到的扩散系数在数量级上相符合。

基于物理信息神经网络的甲烷无氧芳构化反应的正反问题

解决化学反应动力学建模的正问题和反问题研究有助于更深地理解反应机理,降低实验成本。本研究以一维填充床甲烷无氧芳构化(MDA)反应为案例,利用物理信息神经网络(PINN)将化学反应机理方程耦合到损失函数中,以此构建动力学建模和参数反演的求解框架。首先,通过正问题求解确定最佳神经网络超参数方案,结果表明构建的正问题模型在求解MDA反应动力学方程上有良好的预测性能,训练和外推的L2误差分别为0.19%和0.95%。在此基础上,在0、0.1%、0.3%高斯噪声下,利用标签数据反演反应速率常数,训练得到的预测值与真实值相对误差均在0.5%内,体现出了反问题模型在低质量数据下进行未知动力学参数反演的能力。

聚醚酮酮粉末的制备及其在激光选区烧结增材制造中的应用

实验采用热致相分离法(TIPS)制备适用于3D打印的聚醚酮酮(PEKK)粉末,通过差热分析、傅里叶红外光谱、扫描电镜、激光粒度仪等仪器对粉末进行表征.TIPS法制备的PEKK粉末具有较好的粉末流动性和较高的致密度.粉末平均粒径为49.1μm,粉末休止角AOR值为34.3°.经热处理之后粉末堆积密度提高至0.34 g/cm^(3),符合3D打印对粉末流动性和堆积密度的要求.通过DSC观察到TIPS法制备的PEKK粉末具有双重熔融峰,该峰是由于粉末的多晶型引起.通过对打印工艺参数的优化,在激光功率5.6 W,扫描速度1172 mm/s下制备的单层烧结拉伸件强度为7.3 MPa.当热输入量过高时,材料发生降解,并在表面产生孔洞.

氯化物熔盐材料的制备及其热物理性质研究

制备了NaCl-CaCl2、 NaCl-KCl-CaCl2、 NaCl-CaCl2-MgCl2、 KCl-CaCl2-MgCl2、 NaCl-KCl-MgCl2、 NaClKCl-CaCl2-MgCl2六种氯化物熔盐材料。采用差示扫描量热法确定它们的低共熔点和组成,测量其比热容、密度、黏度等热物性。测试熔盐材料的质量损失曲线确定工作温度上限,根据测试的结果,对其储能密度进行计算。研究结果表明:NaCl-KCl-CaCl2-MgCl2熔盐材料熔点为380.3℃,流动性较好,工作温度范围为430~700℃,储能密度为625.1 J·cm-3,是六种熔盐中熔点最低、储能密度最大的熔盐,适合作为传热储热材料。NaCl-KCl-CaCl2熔盐熔点为503.8℃,工作温度范围为550~850℃,储能密度为559.9 J·cm-3,储能密度仅次于NaCl-KCl-CaCl2-MgCl2熔盐,适合作为高温储热熔盐材料。

二元碳酸熔盐在氧化镍表面热物性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,研究了高温下碳酸钠、碳酸钾二元熔盐与氧化镍板的界面体系。研究得到了界面热阻、热导率和黏度等热物性随温度的变化规律,对比了不同温度下均相熔盐材料和界面处熔盐材料的热物性的差异,并且通过密度分布和径向分布函数揭示了热物性发生变化的微观机制。模拟结果显示:温度升高时,熔盐离子间距离增加,范德华力和库仑力相互作用减弱,使得离子间能量传递更加困难,界面热阻、熔盐热导率均下降;同时,熔盐黏度也因为相互作用减弱,熔盐离子自身振动能量增加、运动趋向增强而下降。

固定床加压熔渣气化过程的仿真模拟

为研究固定床加压熔渣气化炉气化反应过程及最优工艺参数,利用Aspen Plus软件建立固定床加压熔渣气化炉的动力学模型,并利用该模型对内蒙某固定床加压熔渣气化炉进行模拟计算,计算结果与实际生产数据的误差<5%,从而验证该模型的准确性。在该模型的基础上探讨固定床熔渣气化炉内的组分和温度分布,以及不同操作参数对气化炉性能的影响。结果表明:炉内最高温度为2019℃,在蒸氧喷嘴附近;炉内各反应层所占高度的比例为燃烧层占15%,气化层占25%,干馏+干燥层占60%;随着蒸氧比(蒸汽质量流量∶氧气体积流量)的增加,碳转化率增加,蒸汽分解率下降,当蒸氧比为0.95—1.0时,气化炉性能最优;随着氧煤比(氧气质量流量∶煤质量流量)的增加,碳转化率增加,蒸汽分解率先增加后降低,当氧煤比为0.45—0.46时,气化炉性能也最优。研究结果可为固定床加压熔渣气化炉的设计和操作提供一定的理论依据。

基于数据驱动的蒸发器中流体流动沸腾传热性能预测方法

为了准确预测蒸发器中流体流动沸腾传热性能,基于实验数据驱动,采用机器学习中多层感知器(MLPN)为通用逼近器,粒子群算法(PSO)用于优化网络权重和偏置,建立PSO-MLPN模型预测12种流体流动沸腾传热特性。神经网络输入参数包括管内径、质量流密度、热流密度、气相质量分数、液体物性参数组合和其他参数(Martinelli数,摩尔质量和汽化潜热),输出参数为流动沸腾传热系数。网络隐藏层数和神经元数由模型精度和灵敏度分析决定。结果表明,预测值与实验值的平均绝对误差、均方根偏差和决定系数分别为3.74%、10.09%和0.984,其中约90%数据的偏差在±20%以内,与传统经验关联式对比也证明了预测模型的优越性。研究提出的PSO-MLPN模型可为今后两相流传热性能研究提供参考,并可用于实际蒸发器设计优化。

原油常减压蒸馏装置热集成方案分析评价

根据原油常减压蒸馏装置用能特点,本文利用夹点分析方法对原油常减压蒸馏装置热集成方案进行分析评价,借助提出的热集成有效值评价指数,探讨基于夹点分析的常减压装置热集成优化策略,并研究该指标在夹点之下热集成、跨夹点热集成及夹点之上热集成等不同的热集成方案中的应用,所提出方法可用于判断常减压装置热集成方案是否切实有效,能够有效指导炼油企业常减压装置间的热集成。案例研究表明,跨夹点高温热水热集成方案中,热集成有效值仅为7%;夹点之上相同温度,不同热量催化油浆A与催化油浆B热集成方案中,热集成有效值分别为100%与60%,分别降低了装置热公用工程负荷约25%与30%。

迈克尔加成高效制备丙烯酸酯化光敏性聚酰亚胺

为克服传统光敏聚酰亚胺加工温度过高、成本高、介电性不佳、感光效率低、溶解性差等问题,利用多官能酸酐转化为多官能酰亚胺及酰亚胺对多官能丙烯酸酯的迈克尔加成反应,设计制备了10个光敏型丙烯酸酯化聚酰亚胺树脂(PI),并通过加入光引发剂进行自由基紫外光固化成膜。以核磁共振谱(NMR)、傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)对所得树脂PI结构进行了表征,通过FT-IR跟踪表征了PI光固化行为,并考察了活性稀释剂、光固化条件等对树脂固化行为的影响。再通过差示扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TG)以及介电谱和应力-应变测试等表征了聚酰亚胺丙烯酸酯固化膜的基本性能。结果表明:树脂光固化过程双键转化程度可达90%,树脂结构与固化膜性能之间存在一定关联,未添加稀释剂PI固化膜相对介电常数基本低于3.0,显著低于常规光固化丙烯酸酯单体,添加特种N-乙烯基环酰胺活性稀释剂可使PI介电性略有升高。

馄饨结构的KB@Co-C_(3)N_(4)在中性电解质中作为锌空气电池的高活性和稳定性氧催化剂

金属和氮共掺杂碳(M-N-Cs)由于具有高原子利用率、良好的活性和选择性,因而被认为是具有潜力的氧电催化剂.但其热力学氧化势较低,碳材料在高电位下容易腐蚀.在放电过程中,锌空气电池正极的电位始终比碳氧化的热力学电位高约0.5 V,这导致阴极中碳的严重腐蚀.对于M-N-C,腐蚀会破坏金属氮配位(M-Nx)活性位点,导致活性比表面积减少,同时还会改变孔隙形貌和表面特性,进而降低其催化活性.在充电(即氧气析出反应,OER)过程中,这种腐蚀现象会进一步加剧.因此,开发一种既具有高效双功能催化活性,又具有良好抗电化学腐蚀性能的M-N-C催化剂,对于解决上述问题至关重要.本文利用氮化碳(g-C_(3)N_(4))支撑钴氮配位(Co-Nx)活性位点,同时包覆科琴黑(KB)形成馄饨结构,制备了双功能氧催化剂KB@Co-C_(3)N_(4).首先,将剥离的C_(3)N_(4)与KB混合后煅烧,得到C_(3)N_(4)包覆的KB材料(KB@C_(3)N_(4));随后,再次煅烧将Co单原子引入KB@C_(3)N_(4)中,形成具有高活性和高稳定性的KB@Co-C_(3)N_(4)氧催化剂.红外光谱结果证实了,KB@Co-C_(3)N_(4)中存在C_(3)N_(4)成分.透射电镜和元素标记结果表明,C_(3)N_(4)均匀包覆在KB基底上.同步辐射测试确定了Co单原子的配位环境为CoN4结构.在0.5 mol L^(-1) NH_(4)Cl溶液中测试了KB@Co-C_(3)N_(4)氧催化剂ORR/OER的催化活性和稳定性.结果表明,KB@CoC_(3)N_(4)表现出较好的ORR性能,半波电位为0.723 V,显著优于商业铂碳催化剂(0.673 V)和普通Co-N-C催化剂(0.694 V).经过40000圈加速耐久性测试,KB@Co-C_(3)N_(4)仅衰减9 mV,而商业铂碳和Co-N-C在7500圈测试后分别衰减41和44 mV.在OER方面,KB@Co-C_(3)N_(4)在10 mA cm^(-2)时的过电位为550 mV,优于氧化钌的560 mV和Co-N-C的600 mV.经过20000圈测试,KB@Co-C_(3)N_(4)的OER过电位几乎保持不变,而氧化钌和Co-N-C经过4000圈测试后分别增加了37和20 mV.透射电镜观察发现,KB@Co-C_(3)N_(4)在实验前后形貌未发生明显变化,证明了其较好的稳定性.理论计算揭示,C_(3)N_(4)能够优化Co金属活性位点的电子结构,改善Co中心的电荷分布并增强Co-N键强度;同时,C_(3)N_(4)对KB基底的包覆有效避免了KB在高电位下的腐蚀,确保了KB@Co-C_(3)N_(4)的高稳定性和催化活性.将KB@Co-C_(3)N_(4)应用于中性锌空气电池中,该电池展现出1.52 V的开路电压,并在5 mA cm^(-2)的高电流密度下稳定循环运行超过985 h,性能优于大多数报道的采用碳基材料作为阴极催化剂的中性锌空气电池.综上所述,馄饨结构的KB@Co-C_(3)N_(4)具有较好的氧催化活性和稳定性,为设计高稳定性高活性的M-N-C催化剂提供了一定的参考.

基于热集成的轻烃回收装置气体分馏系统用能优化

针对轻烃回收装置气体分馏系统进行模拟分析与用能优化,并基于Aspen Plus流程模拟,探讨了进料温度、回流比对系统能耗的影响。考虑到炼化低温余热相对富余,结合工艺分析和精馏序列优化,并改善热源、热阱的不匹配性,降低脱乙烷塔和脱丁烷塔塔底温度,提出了集成热媒水系统、热泵系统的气体分馏改进工艺以降低装置能耗,并对改进前后的能效和经济性进行了对比分析。结果表明:4种改进方案均可降低气体分馏系统能耗15.61%以上,年净效益151.80万元以上。集成热媒水系统的改进工艺㶲耗量降低0.52 MW,降幅达40.95%,年净效益400.57万元,投资回收期为0.42 a。集成直接式热泵系统的改进工艺方案改进效果最佳,过程㶲耗量降低0.67 MW,降幅达53.04%,年净效益498.18万元,投资回收期为1.41 a。