压水堆主泵及液态金属泵转子动力学研究进展

核主泵是核电站的关键设备之一,也是反应堆冷却系统的唯一旋转机械设备,其稳定运转对整个反应堆的正常工作至关重要,因此,针对核反应堆主泵开展转子动力学研究,探究主泵转子部件的模态振型、固有频率和支撑系统的刚度阻尼、液膜厚度十分必要。以国内外有关压水堆主泵及液态金属泵的转子动力学研究为重点,围绕压水堆主泵、钠冷快堆主泵、熔盐堆主泵、铅冷快堆主泵4种核主泵类型,从核主泵及其转子部件的结构特点出发,对现阶段主泵导轴承润滑性能和主泵转子结构固有频率、模态分析、临界转速等转子动力学特性的研究进展进行综述和展望,以期对有关核主泵转子动力学特性的计算分析起到一定的借鉴和指导作用。

4D打印可编程液态金属-液晶弹性体软体致动器

为了得到能够可控制形变的液晶弹性体,提高其在软体致动器和软体机器人领域的应用潜力,本文报道了一种基于液态金属(LM)-液晶弹性体(LCE)的光驱动软体致动器。该软体致动器通过4D打印技术制备而成,展现出了良好的形变可编程性。通过超声将LM分散在乙醇中,随后将LM微米颗粒混合到配置好的液晶溶液中得到均匀的LM-LCE墨水,利用4D打印技术对其墨水的取向结构进行编程,最终制备出具有特定形变的软体致动器。通过4D打印,分别制备了具有交替正交和圆锥形阵列取向结构的LM-LCE软体致动器。该致动器具有良好的光热性能,在808 nm红外激光照射下,在10 s内致动器表面温度可达120℃。基于优越的光热性能,交替正交取向结构的致动器可以快速产生弯曲形变;而圆锥形阵列取向结构的致动器则以螺旋中心为顶点产生凸起形变。基于4D打印技术,LM-LCE的光驱动软体致动器具有良好的形状可编程性,在动态和复杂的环境中展现出更加优异的适应性及可调节性,有望在医疗、军事和软体机器人领域得到广泛应用。

液态金属微球的微观结构与血管栓塞性能研究

本文制备了一种液态金属微球,并对该液态金属微球的微观结构和血管内栓塞效果进行了研究。结果表明:在光学显微镜与电子显微镜下观察到液态金属微球呈球形,在对其元素分析中观察到了镓元素和氧元素;在对兔子耳中央动脉的栓塞实验中,发现液态金属微球成功地阻断了兔子耳中央动脉,导致了兔耳的坏死。当液态金属微球的直径与血管的直径相当时,便会通过物理栓塞方式阻塞血管。同时,液态金属微球因其自身的高密度具有X射线显影性。栓塞前与栓塞后的血液检查和主要器官组织病理表明,液态金属微球有着良好的生物相容性。因此,液态金属微球是一种极具潜在临床应用价值的栓塞材料。

液态金属改性微米Al-氟聚物的3D打印及性能表征

为了研究镓基液体金属(GLM)-Al-氟聚物的能量释放性能,制备了GLM质量分数分别为1%、3%、5%、7%的GLM-Al,通过3D打印获得了GLM-Al-氟聚物复合反应性材料;采用SEM、EDS、XRD、XPS、DSC-TG、高速摄影仪和万能拉伸仪对GLM-Al及GLM-Al-氟聚物的微观结构、燃烧性能、力学性能等进行测试。结果表明,质量分数3%的GLM改性的GLM-Al放热量和氧化增重均最大,分别为6181 J/g和42.92%;改性前的Al-氟聚物不能被点燃,改性后GLM-Al-氟聚物可以点燃且可以持续稳定燃烧,在当量比为3.5时的燃速最大,为6.0 mm/s;此时GLM-Al-氟聚物的抗拉强度和断裂伸长率均最大,分别为1.73 MPa、11486%,是改性前Al-氟聚物的1.5倍和1.3倍。

液态金属冷却快堆堆芯物理分析软件LoongSARAX的验证与确认

NECP-SARAX是西安交通大学核工程计算物理实验室自主开发的先进反应堆中子学分析计算系统。在此基础上,西安交通大学针对液态金属冷却快堆的堆芯物理工程设计与安全审评,定制开发了LoongSARAX。为了实现LoongSARAX的工程应用,规范性、系统性的验证与确认是该过程的重要一环。为此,本文针对LoongSARAX验证与确认研究,在搜集整理国际上关于液态金属冷却快堆物理计算基准题的基础上,建立了其验证与确认矩阵,并将程序分成不同模块,分别进行了模块验证、子系统验证和系统确认,范围涵盖冷却剂为钠和铅的快堆,如JOYO、ZPPR17A等。程序验证与确认表明LoongSARAX程序对于液态金属冷却快堆具有较高的计算精度,同时针对中国实验快堆(CEFR)开展了不确定度量化研究。结果表明,在99%置信度下,有效增殖因数计算结果的不确定度有90%的概率落在[-389 pcm,300 pcm]以内。

基于MOOSE平台液态金属冷却快堆燃料性能分析程序开发

液态金属冷却快堆对于我国核能创新发展具有非常重要的战略意义,开发适用其的燃料性能分析程序对于快堆的设计与安全分析具有重要意义。本文基于多物理耦合平台MOOSE,开发了燃料性能分析程序LoongCALF,程序面向金属冷却快堆燃料元件。程序采用有限元方法和JFNK方法,能够求解核反应堆燃料的热-力耦合方程,从而得到温度、应力、应变及裂变气体释放等物理量在空间上的分布及随时间的变化。程序采用模块化设计,适用于芯块材料为UO 2和MOX、包壳材料为1515Ti和HT-9的燃料元件。为验证程序的准确性,设计了两个燃料元件算例,并使用LoongCALF程序与中国原子能科学研究院Fiber-Oxide程序对算例进行对比计算。结果表明,LoongCALF程序能够准确模拟液态金属冷却快堆稳态工况条件下燃料元件内部的燃料行为与关键参数演化。

液态金属冷却快堆子通道分析软件SACOS-LMR研发与工程应用

子通道分析方法是反应堆堆芯设计和热工水力分析的重要手段之一,对于我国提出的压水堆-快堆-聚变堆三步走核能发展战略,开发适用于液态金属冷却快堆热工安全分析的子通道分析程序具有重要意义。本文基于西安交通大学热工水力研究室自主开发的压水堆子通道程序SACOS,通过添加液态金属快堆特有的模型,如绕丝模型、盒间流模型、液态金属对流换热模型等,扩展至适用于液态金属快堆的子通道分析程序SACOS-LMR,该程序具备对液态金属快堆组件开展稳态和瞬态热工水力分析的功能。结合卡尔斯鲁厄开展的37棒钠冷瞬态实验,完成了SACOS-LMR程序的瞬态功能验证。基于验证后的SACOS-LMR程序,对欧洲铅冷快堆(ALFRED)堆芯开展了稳态工况和瞬态事故工况下的热工安全特性分析,计算结果合理,且与同类程序保持一致,表明SACOS-LMR程序可用于液态金属快堆的堆芯设计和热工水力分析研究。

液态金属堆内小长径比同轴双层薄壁结构的流固耦合试验研究

池式液态金属堆的主容器与热屏之间具有狭窄的流体间隙,该结构属于含窄缝间隙的小长径比同轴双层柔性壳体。窄缝间隙中流体与结构之间相互作用产生的流固耦合效应在抗震分析时必须加以考虑。现有研究主要针对长径比较大和流体间隙相对较大的圆柱壳体,对于小长径比和极小流体间隙的同轴柔性壳体研究较为缺乏。本文参考液态金属反应堆的结构设计了三种不同尺寸的窄缝间隙,开展窄缝间隙条件小长径比同轴双层壳体模型的振动试验,测量结构在不同间隙尺寸下的加速度,得到模态频率和主要振型。然后,使用有限元法进行模态分析,通过与试验结果的对比,验证了有限元法的准确性。最后,计算出不同间隙尺寸下模型的附加质量;且随着间隙尺寸的减小,模型附加质量随之增大。本研究可为类似的含窄缝小长径比同轴双层柔性壳体结构的抗震设计提供数据支持,对于液态金属堆的抗震分析具有重要意义。

液态金属在二氧化碳电还原中的应用研究进展

自工业革命以来,人类对化石燃料的重度依赖导致全球大气中的CO_(2)浓度逐年上涨,已经引起了温室效应加剧、导致全球气温上升和海水酸化等问题。为了解决这一难题,降低二氧化碳排放已经成为当前科研领域的热点之一。现阶段,针对CO_(2)的减排问题有捕获封存和资源化利用两个方向,而其中CO_(2)的资源化化学利用备受关注,科研工作者开发了各种还原催化剂,其中液态合金是近几年来广泛应用于二氧化碳还原领域的新兴材料,它避免了传统固态催化剂容易产生催化点位结焦而导致失活的问题。综述了近年液态金属在二氧化碳电还原中的应用和作用机理,最后对未来发展方向进行了展望。

液态金属脱合金反应及其应用的研究进展

液态金属脱合金反应(Liquid Metal Dealloying,LMD)是一种基于熔融金属液中合金各组分与金属液反应性不同(混合焓正负关系)而产生的一种选择性溶解反应,是一种新型的多孔材料及复合材料的制备手段。本文首先从液态金属脱合金反应的概念和原理入手,详细介绍了此反应应用于纳米多孔材料与金属基复合材料的制备案例。在多孔材料制备方面,液态金属脱合金反应不仅可满足贱金属类纳米多孔材料的高效生产需求,还可通过脱合金反应条件调控孔隙结构。在复合材料制备方面,脱合金反应可使得析出相尺寸更加细小,分布更加均匀弥散,从而提高复合材料的综合力学性能。最后,本文对液态金属脱合金反应的最新应用与机理研究进行了概述,并对此类反应的未来应用进行了展望。

柔性液态金属剪切力传感器

使用柔性微管液态金属传感器作为应力测量元件,设计制作了一种剪切力传感器.剪切力传感器由弹性聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)杆件、支撑垫片和柔性微管传感器组成.探讨了剪切力传感器的工作原理以及测量元件的传感机制.弹性PDMS杆件受到剪切力作用后变形,使用剪切力传感器对杆件的剪切角进行测量,并将测量结果与灰度重心法测得的参考值进行对比,系统分析了装配间隙δ、微管布置距离L对测量精度的影响.结果表明:当以弹性PDMS杆件为变形体时,剪切力传感器可在0.004 7~0.038 rad的转角范围内进行有效测量;测量误差随着装配间隙δ的增大而增大,随着微管布置距离L增大而减小.所设计剪切力传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点,为剪切力的测量提供了一种新的工具.

770 MPa级调质铸钢液态金属致脆失效原因及相应防护对策

采用金相显微镜、电子扫描显微镜等对某大型截面铸钢工件裂纹成因进行了分析。结果表明:开裂高强度调质铸钢,在热浸锌过程中,基体产生了垂直于表面的裂纹,裂纹长度约为3 mm,且裂纹沿晶开裂。能谱结果表明,裂纹中富含大量锌,为典型的液态金属致脆现象。针对此情况,在热浸锌工艺、焊接工艺、成型工艺、涂装体系等方面给出了避免产生液态金属致脆的防护对策。

气泡在液态铅铋金属中的运动特性及曳力系数模型研究

当铅铋快堆发生蒸汽发生器传热管破裂(Steam Generator Tube Rupture,SGTR)事故后,一回路高温液态铅铋合金(Lead-Bismuth Eutectic,LBE)与二回路高压过冷水相互作用产生大量蒸汽,这些气泡在LBE的携带作用下可能进入堆芯,引起局部传热恶化和功率瞬变,严重影响反应堆的安全运行。掌握气泡在液态LBE中的运动特性及其动力学行为,开发适用于LBE中气泡迁移的曳力系数模型,是开展SGTR事故堆芯安全评估的基础。基于CLSVOF(Coupled Level-Set and Volume-Of-Fluid)方法建立了气泡在高温液态LBE中迁移运动的三维数值模型,通过分析气泡的运动轨迹、速度和粒径的变化规律,结合气泡受力平衡方程,获得了气泡曳力系数的模拟值。在此基础上,对比分析了现有曳力模型对LBE中气泡迁移的适用性,优选了最佳曳力系数模型并进行了进一步优化,优化后的模型对于液态LBE中气泡曳力系数的计算误差在15%之内。研究结果可为后续SGTR事故安全分析程序的开发提供理论支持。

液态金属/硅橡胶复合材料的应用研究进展

综述了三种功能化液态金属/硅橡胶复合材料包括导热复合材料、电磁屏蔽复合材料和柔性导电复合材料,介绍了复合材料的制备方法以及导热、导电、电磁屏蔽和力学性能,阐述了该复合材料在柔性导热界面材料、电磁屏蔽系统和可穿戴电子产品等方面的应用,并展望了其发展方向。

基于液态金属的跨波段超宽带极化转换超表面

在无线通信领域,电磁波传播和极化方向调控对特定信号的识别与接收具有重要意义。提出了一种基于液态金属材质的跨X(8~12 GHz)和Ku(12~18 GHz)波段超宽带极化转换电磁超表面,具有宽频带、高极化转换率、体积小、无机械疲劳损伤、易共形、成本低等优点。该超表面能够实现从7.595 GHz到17.712 GHz超宽带范围内交叉极化转换或宽带圆极化转换的功能。当阶梯状液态金属结构宽度为1.6 mm时,在相对带宽为79.9%的7.595~17.712 GHz频带上,超表面极化转换率优于90%,具有共极化向交叉极化转换的功能。当阶梯状液态金属结构宽度为0.3 mm时,在相对带宽为12.30%的10.864~12.288 GHz频带上,超表面具有线极化向圆极化转换的功能;在相对带宽为3.54%的7.328~7.592 GHz频带上,超表面的极化转换率优于90%,具有共极化向交叉极化转换的功能。样品制备及其极化转换特性测试结果表明:实验结果与仿真结果的相对误差为4.20%,理论设计与实验验证结果一致,进而验证了的跨X和Ku波段超宽带极化转换电磁超表面的多功能性和有效性。

液态金属催化裂解甲烷制氢动力学研究

液态金属催化甲烷热解是一种高效生产氢气且无二氧化碳排放的新兴技术.本文开发了一个液态金属裂解反应器催化甲烷热解的数值模型,在实验室自主搭建的液态金属制氢平台上得到的实验数据与模型预测结果吻合良好.该模型是基于甲烷在气液界面发生的催化热解、气泡内部发生的非催化热解过程和气泡上升过程中的流动行为,耦合了催化和非催化反应动力学和流体力学所建立的.使用气体体积流速、压力、气体成分、温度和液态金属性质(密度、黏度和表面张力)预测气泡尺寸和熔体中的气含率.该模型较好地预测了液态铜铋合金(Cu_(0.45)Bi_(0.55))催化甲烷热解实验中不同温度、不同甲烷进气流量和液态金属高度下的甲烷转化率,得到了催化甲烷热解过程中的气含率、表观气体速率和压力沿液态金属高度的分布.实验数据与模型预测结果的高度吻合证明了模型的可靠性,该模型未来将有助于反应器优化和氢产率提高.

磁性镓基液态金属复合材料的研究进展

镓基液态金属具有高导电性、高导热性、高流动性和优良的生物相容性,是一种具有很大发展和应用前景的功能材料。镓基液态金属与其他不同物理化学性质的材料组合而成的镓基液态金属复合材料为基础研究与应用研究提供了一个新的方向,为解决柔性电子、热调控和生物医学等各个领域的挑战性问题提供了新的思路并表现出重大潜力。磁性粒子的引入可以使镓基液态金属具有良好的磁性能。作为一种新兴的磁性功能材料或磁性智能材料,磁性镓基液态金属复合材料在柔性电子、微电机、靶向给药、热调控、屏蔽与吸波等领域已展现出初步的研究和应用价值。本文系统地总结和评述了磁性镓基液态金属复合材料的研究进展。从基础研究、磁力控制、磁热控温、屏蔽与吸波四个方面综述了磁性镓基液态金属复合材料的性能和应用,说明了这种复合策略的有效性。这可为磁性镓基液态金属复合材料的进一步研究与开发提供思路。

用于探测液态金属-气体的DLC涂层式丝网探针数值模拟与结构优化

液态金属-气体两相流是铅冷快堆在蒸汽发生器传热管破裂(SGTR)事故下的物理现象之一,考虑到液态金属的不透明性、腐蚀性及高温性,本文提出一种类金刚石(DLC)涂层式丝网探针(WMS)对液态金属-气体两相流相态分布进行探测。基于COMSOL软件,建立了涂层式WMS的数值模型并进行了实验验证,通过电场模拟阐明了该新型探针应用于含液态金属气液两相流的可行性。进一步地,通过改变丝网电极的间距与直径、涂层的厚度,研究了结构参数对涂层式WMS测量精度的影响。结果表明,电极丝横向间距为2~3 mm、垂直间距为1.5~2 mm时,WMS测量精度较高,而涂层厚度和电极丝直径的影响较小。本研究可指导DLC涂层式WMS在液态金属-气体两相环境中的实际应用,并为分析SGTR事故后的多相分布提供技术基础。

液态金属存储器:在溶液中如大脑般读写信息

液态金属存储器,以一种全新的氧化还原机制实现数据读写,成功解决了存储设备在柔性和稳定性之间的矛盾,展现出广阔的应用前景,可望为柔性机器人、脑机接口、植入电子及仿生智能等方面带来变革,促进相关领域的进步。存储器是一种专门用于存储程序和各种数据指令的电子记忆部件,在各类电子设备中扮演着核心角色,是信息时代的标配。

基于镓基液态金属的电容式柔性压力传感器

旨在设计并测试一种基于镓基液态金属的电容式柔性压力传感器。该传感器由镓基液态金属镓铟锡合金(Galinstan)、炭黑(CB)以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)以牺牲模板法制作传感器介电层,同时通过丝网印刷技术将镓基液态金属共晶镓铟合金(EGaIn)印刷于普通织物上制备传感器电极。完成传感器封装后,对传感器进行各项传感性能的测试。测试结果表明,该传感器具备较高灵敏度(0.18 kPa^(-1)),低迟滞性,快速响应时间(140 ms)及恢复时间(180 ms),并展现出优良的循环耐久性和稳定性。此外,还探讨了该传感器在监测人体运动,如自行车踏频监测和步频监测等方面的潜在应用,证明其在运动分析和健康监测领域的有效性。通过这些实验和分析,证实了该传感器作为一种新型柔性压力传感器的可行性和应用潜力,为未来的研究和应用提供了有价值的参考。