2012-2021年间岩土工程领域国家基金资助情况探析

岩土工程是以工程地质学、土力学和岩石力学等学科知识为理论基础,解决土木工程施工中遇到的各类工程问题的一门学科。近年来,随着我国科技强国战略的深入贯彻,大量重大工程在中西部地区开工建设,给岩土工程的发展创造了优越条件,岩土工程日渐成为了我国工程研究领域的热点。国家自然科学基金作为目前国内自然学科领域最高级别的研究支持项目,受到了各方关注,所提出的研究课题已成为该领域的研究主流与前沿代表。因此,以岩土工程为主题,对该领域近10年(2012—2021年)获批的国家自然科学基金开展了资助规模、依托单位和学科门类统计,分析了国家自然科学基金整体发展态势;基于对该领域国家基金资助情况的整理与分析,浅析了其未来的研究方向和发展趋势。该科研成果可为研究人员基金申报与科研选题提供参考。

化学溶液法制备的La_2Zr_2O_7缓冲层特性研究

利用XRD、电子背散射衍射分析(EBSD)和反射高能电子衍射(RHEED)等测试手段对化学溶液沉积技术制备的La2Zr2O7缓冲层的体织构和表面特性进行了研究。结果表明,在金属基带上,利用化学溶液沉积技术制备的La2Zr2O7缓冲层具有良好体织构和表面特性。

金属纳米复合材料的界面和尺度效应

在宏观尺度上制造出具有纳米结构和纳米效应的高性能金属材料,并揭示这些材料的组织演化特征以实现功能调控,是金属材料学科面临的重大科学问题和需要解决的核心关键技术。阐述金属纳米材料界面、尺度与材料塑变、强化关系的主要研究进展,重点介绍宏观尺寸制备金属纳米复合材料、纳米尺度下经典Hall-Petch关系和复合材料混合定律的适用性、界面特征和尺度效应对材料微观结构、力学性能以及物理特性等的影响,指出面向应用的高性能金属纳米复合材料的发展趋势。

低温热处理对TFA-MOD技术制备YBCO超导薄膜的影响

采用三氟乙酸盐-金属有机沉积(TFA-MOD)技术在LaAlO3(001)单晶衬底上沉积YBa2Cu3O7-x(YB-CO)超导薄膜,研究了低温热处理条件(涂覆环境相对湿度和升温速度)对前驱膜形貌和YBCO超导膜的影响。从金相显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观察可以看出,高涂覆环境相对湿度是引起前驱膜出现宏观裂纹的主要原因,前驱膜分解速度过快会造成薄膜中出现褶皱和微观裂纹,前驱膜出现不完整性形貌将会影响YBCO薄膜的成相、形貌和性能。通过优化低温热处理条件,获得了表面形貌完整的前驱膜,避免了在高温成相阶段中出现杂相,提高了涂层导体的超导性能,77K时Jc可超过2.0MA/cm2。

气氛对YBiO_3成相过程的影响

在不同热处理气氛下,分别对用草酸盐共沉淀法制备的YBiO3粉末及在单晶YSZ(100)衬底上采用化学溶液沉积技术(CSD)沉积的YBiO3膜进行了研究。结果表明:在空气、氩气、氩-氧气混合气体中利用草酸盐共沉淀法均能合成YBiO3相;而在氩-氢混合气氛中,由于Bi3+将被还原成单质铋,采用草酸盐共沉淀法无法合成YBiO3单相粉末。同时YBiO3相在氩-氢混合气氛中也不稳定。在YSZ(100)单晶衬底上,空气气氛中可以成功制备c轴取向的YBiO3膜,而氩-氢混合气氛条件下无法获得YBiO3膜。这一结果限制了YBiO3作为缓冲层通过RABiTS路线来制备高温超导涂层导体。

涂层导体用NiW合金基带表面改性研究

由于硫元素与氧元素化学特性的相近,在Ni基带表面形成硫的c(2×2)-S有序超结构有助于控制在金属Ni基带表面生长的氧化物膜的织构类型。目前,大多数关于在Ni基带表面形成c(2×2)-S超结构的研究报道,都集中于以硫化氢气体作为硫源,采用先吸附后脱附的方法形成该结构。首次提出通过硫化铵水溶液硫化NiW合金基带,再通过热处理去除无序的物理吸附层,形成有序c(2×2)-S超结构的新技术路线。采用AES和RHEED分别对采用新硫化技术处理后的样品表面成分和结构进行研究,并通过XRD对硫化前后的NiW基带上采用化学溶液技术制备的缓冲层织构进行了研究。结果显示,采用新技术处理的金属基带表面有明显的硫元素存在,并且硫在NiW合金基带表面形成了c(2×2)-S超结构。新硫化处理技术改善了NiW基带表面的物理化学特性,有利于氧化物缓冲层的外延生长。

NiW合金基带表面c(2×2)-S超结构的硫化处理

由于硫元素与氧元素化学特性相近,利用硫在Ni基带表面形成的c(2×2)-S超结构可以有效地控制氧化物缓冲层在Ni基带表面的织构.本研究提出将单质硫在120℃下挥发,利用单质硫在基带表面的吸附与脱附形成有序c(2×2)-S超结构的新技术路线.X光电子能谱(XPS)结果显示,采用新技术处理的金属基带表面有明显的硫元素,基带表面Ni和S的原子比例符合c(2×2)结构中S的覆盖度,即0.5的要求.在经过硫化处理后的NiW基带表面制备缓冲层,结果显示,新硫化处理技术改善了NiW基带表面的物理化学特性,有利于氧化物缓冲层的外延生长.

用Mg-NdBCO籽晶制备PMP-SmBCO单畴块材

以NdBCO为基体,添加适量的MgO粉末,制备了自发形核生长的多畴样品。然后选用Nd-Ba-Cu-Mg-O为籽晶成功制备了具有单畴形貌的PMP-SmBCO块材。利用DTA、XRD和SEM分析了粉末的融化温度、晶体取向及微观组织形貌。结果表明添加质量分数1%MgO的NdBCO前驱粉末最高熔化温度比SmBCO粉末高了40℃以上,NdBaCuMgO籽晶与SmBCO样品晶体完全共格。

温度对TFA-MOD制备YBCO薄膜的影响

采用TFA-MOD方法在YSZ单晶基底上制备YBCO薄膜,主要研究高温热处理阶段温度对薄膜微结构和超导电性的影响。采用X射线衍射和扫描电镜分别对相组成与形貌进行分析。结果显示在800～830℃之间,能够获得纯的YBCO相,同时随着晶化温度的降低,薄膜面内a轴晶粒减少,有利于薄膜超导电性的改善。

BaCuO_(2-δ)含量对GdBaCuO超导块材结构和磁浮力性能的影响

采用Nd-Ba-Cu-Mg-O冷籽晶和熔融织构生长工艺,在空气气氛下制备出GdBaCuO单畴块材,并通过流通氧气气氛退火处理获得超导样品。研究了前驱粉末中不同BaCuO2-δ含量对GdBaCuO前驱粉末熔化温度、块材生长及超导磁浮力性能的影响。结果表明,GdBaCuO前驱粉末的熔点随着BaCuO2-δ添加量的增加而降低。前驱粉末中BaCuO2-δ的添加量为0～0.5mol时,GdBaCuO块材均能生长成表面没有宏观裂纹、尺寸为Ф17mm的单畴,而BaCuO2-δ添加量为0.2mol时,样品的磁浮力性能最高,最大磁浮力密度达到12N/cm2(77K)。

加工率对Ni5W合金基带立方织构的影响

以镍粉和钨粉为起始原料,采用粉末冶金的方法形成Ni5W预合金锭,采用真空电弧炉去除杂质,实现均匀化。结合热轧、冷轧和再结晶热处理等工艺制备了厚度为80μm的Ni5W合金基带。讨论了道次加工率、总加工率对Ni5W合金基带轧制织构演变的影响。结果表明,较小的道次加工率和较大的总加工率有利于基带再结晶热处理后立方织构百分含量的提高,道次加工率对立方织构质量的影响小于总加工率。以5%的道次加工率和98%的总加工率进行冷轧后,获得了具有较高含量的S型织构和Copper型织构的基带。

CSD制备涂层导体缓冲层的技术进展

化学溶液沉积(CSD)技术在制备高温超导涂层导体方面具有易操作和低成本的优点。简述了CSD技术的基本原理以及在不同结构缓冲层制备方面的应用,并展望了涂层导体缓冲层技术的发展趋势。

(Bi,Pb)/2212高温超导粉末合成及热力学过程研究

采用共沉淀法制备了(Bi,Pb)/2212高温超导粉末,利用X射线衍射(XRD)和差热分析(DTA)对粉末的成相热力学过程进行了研究。结果表明,在(Bi,Pb)/2212前驱粉共沉淀过程中,含有Bi3+、Pb2+、Sr2+、Ca2+、Cu2+等5种金属离子的混合硝酸盐溶液,其温度不同将会导致生成的草酸盐沉淀产物发生颜色变化。对两种颜色状态的粉末进行的ICP分析显示,不同温度下,深浅粉末其化学计量比没有明显变化。通过对两种粉末在不同的烧结热处理制度下其XRD的物相分析以及对原始粉末的差热分析结果显示:浅色粉成相速度快,在主相2212形成时,浅色粉的2201相的含量也明显低于深色粉。

烧绿石结构La_2Zr_2O_7薄膜的外延生长研究

利用化学溶液沉积(CSD)法在双轴织构的Ni W基带上制备了烧绿石结构的La2Zr2O7(LZO)氧化物薄膜,并研究了热处理过程中升温路线对其外延生长行为的影响.利用X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)对不同热处理路线下所制得的LZO薄膜的织构和表面形貌进行了表征.结果表明:升温速率对LZO薄膜的织构度以及表面形貌影响较大.可以认为通过选择合适的热处理路线,利用CSD法可以制得具有锐利织构度、表面平整且无明显缺陷的LZO薄膜,同时,在最佳热处理条件下制得的LZO薄膜适合用作涂层导体缓冲层.

金属有机沉积涂层导体La_2Zr_2O_7缓冲层长带制备

采用辊到辊方式利用金属有机沉积(MOD)技术在双轴织构的Ni W合金基带上制备了烧绿石结构的La2Zr2O7(LZO)缓冲层长带样品,利用X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)对长带样品不同部位截取短样的织构和表面形貌进行了分析.结果表明,已经制得了具有良好c轴织构且表面光滑的LZO膜.然而长带样品的织构锐利度小于静态短样的织构度,可以认为,热处理过程中影响升温速率以及恒温热处理时间的走带速度是获得高质量长带缓冲层样品的关键因素.

YBCO前驱液的粘度及折光率性质研究

高质量的YBCO前驱液是化学溶液沉积制备涂层导体的基础.详细研究了不同浓度和不同溶剂的YBCO前驱液的粘度和折光率的变化规律.前驱液的粘度和折光率随着浓度的增加而增加.溶剂的性质改变也会造成前驱液的粘度发生明显变化.随着水含量的增加,前驱液的粘度增加;随着丙酸含量的增加,前驱液的粘度轻微减小.

涂层导体用金属基带研究进展

目前,低成本、高性能的YBa2Cu3O7-x涂层导体制备技术已成为国际实用化高温超导材料的研究重点。由于金属基带的特性(织构、表面粗糙度等)直接决定了阻隔层的特性,进而影响到YBCO层的超导性能。因此,制备高质量的金属基带是涂层导体制备技术的关键核心技术之一。本研究对金属基带的性能、选材、制备技术以及国内外的研究状况给予了较系统的总结和评述,并对其发展和应用前景进行了一些探讨。

Gd_2O_3的添加对Gd-Ba-Cu-O超导块材性能的影响

采用PMP工艺在空气中成功制备了φ17mm的单畴Gd-Ba-Cu-O超导体。利用Gd2O3代替Gd211的添加,同样可以提高Gd-Ba-Cu-O的超导性能,并且可以降低样品的制备成本。但过量的Gd2O3的添加会造成Gd-Ba-Cu-O超导体中Gd-Ba固溶体的增加,从而降低样品的超导性能。本实验中Gd2O3的最佳添加量为0.15mol,制备的样品捕获磁通达到0.36T(77K)。

涂层导体用Ni-5at%W合金基带再结晶织构研究

采用粉末冶金和中频感应炉重熔相结合的方法制备Ni-5at%W合金,经旋锻、拉拔和大变形量冷轧为70μm厚合金基带。轧制基带织构呈现典型的铜式织构特征。采用电子背散射衍射技术研究不同退火工艺的再结晶织构。结果发现,经大变形量冷轧后,通过优化两步退火工艺可获得锐利的立方织构;加热速度对冷变形金属的再结晶织构具有很大的影响,慢速加热具有增强立方织构的作用,快速加热则相反。实验结果可为再结晶工艺参数的优化提供依据。

部分熔化处理工艺对(Bi,Pb)-2223/Ag带材相组成和微结构的影响

通过部分熔化处理工艺和普通两段热处理工艺的对比研究,分析了部分熔化处理工艺在不同热处理阶段对(Bi,Pb)-2223/Ag带材相组成和微结构的影响。实验结果显示,在熔化温度下,部分(Bi,Pb)-2212相发生分解,分解为(Sr,Ca)2CuO3相、(Sr,Ca)Cu2O3相和富(Bi,Pb)液相,与此同时(Sr,Ca)2CuO3相和(Sr,Ca)Cu2O3相快速长大。随着冷却和成相处理,(Sr,Ca)2CuO3相和(Sr,Ca)Cu2O3相长大到一定尺寸,各相系统达到平衡后,就不再长大,并和部分液相反应,重新生成具有良好取向的(Bi,Pb)-2212相。在成相处理阶段,(Bi,Pb)-2212相转化为(Bi,Pb)-2223相,同时生成的(Bi,Pb)-2223相继承了(Bi,Pb)-2212相的良好取向,使(Bi,Pb)-2223相织构得以改善,致密度得到提高,结果最终带材的性能得到提高。通过部分熔化处理工艺处理的带材Ic达到51A,而普通两段热处理工艺处理的带材Ic为36A,Ic提高了约40%。