耐火材料热化学反应典型应用技术发展

高温工业的发展,与耐火材料的发展密切相关,其技术进步无一例外地都依赖于优质耐火材料的研发。耐火材料在制备及应用过程中,都和热化学反应息息相关。本文首先简要介绍了耐火材料的发展历程,其次以二氧化硅质、莫来石质耐火材料为例,介绍了上述耐火材料制备中的热化学反应过程;以莫来石-碳化硅、方镁石-尖晶石、镁碳质耐火材料为例,介绍了上述耐火材料在服役过程中的热化学侵蚀反应行为,并给出了热化学模拟在耐火材料与熔渣/气相反应中的应用情况;以氧化铝-碳质过滤器为例,介绍了其应用过程中的吸附夹杂机理。最后介绍了常用的耐火材料煅烧设备。

多孔陶瓷的绿色制备工艺研究

从化学组成入手,运用三元相图理论计算陶瓷原料的配比及对应的化学成分,以磷渣作为钙质原料,铝灰作为铝质原料,粉煤灰作为硅质原料,磷石膏作为发泡剂,经混料、成型、养护、烧结制备了多孔陶瓷,当磷渣掺量为76%时,在1080℃下煅烧,保温120 min制备的多孔陶粒堆积密度为353.9 kg/m^(3)、抗压强度为1.06 MPa、吸水率为18.74%,孔隙率为71.8%。统筹考虑了在全生命周期内节约资源,节约能源和使用性能三者之间的统一。

益智精油O/W型微乳液的制备及其性能研究

益智(Alpinia oxyphylla Miq.)提取物是一种天然的化妆品原料,可作为植物功能油使用。为了获得稳定的益智精油(AOEO)水包油型(O/W型)微乳液,本研究通过拟三元相图法构建含AOEO的O/W型微乳液,考察表面活性剂、助表面活性剂、Km(表面活性剂与助表面活性剂的质量比)以及其不同组分及比例对微乳液面积的影响,并测定微乳液的粒径、形貌、电导率、水溶性及稳定性等指标,探讨其表征与理化性能。结果得到益智精油O/W型微乳液的较优配方为:m(蓖麻油聚氧乙烯醚40(EL-40))∶m(1,2-丙二醇)∶m(AOEO)=10.5∶3.5∶6,水相的过渡点为60%(质量分数),平均粒径为(26.580±0.133)nm,多分散指数(PDI)为0.226±0.010,在透射电子显微镜(TEM)与数码生物显微镜(DBM)下微乳液呈球形或类球形,规整,无黏边,并具有良好的水溶性、离心稳定性、热稳定性及低温贮藏稳定性。结果表明以微乳液为载体可实现益智精油的纳米包覆,为益智精油在日化领域的开发与应用提供参考。

WC-Ni基硬质合金的基础研究进展

WC-Ni基硬质合金可应用在磁性材料成形模具和核主泵机械密封关键部件等极端工况领域。由于材料体系的本征特性,WC-Ni基硬质合金的高性能化和质量稳定性控制一直面临挑战。两相区碳窗口、固液转变温度、液相烧结过程中的润湿行为,以及合金组元在黏结相中的固溶特性,是硬质复合材料成分及其制备工艺设计的关键参数。本文以制备工艺体系最完善的WC-Co基硬质合金为参比对象,从上述4个方面对WC-Ni基硬质合金的本征特性及其研究进展进行综述,旨在强化对WC-Ni基硬质合金本征特性的理解,为高性能WC-Ni基硬质合金新材料高效开发提供参考。

Pt-Pd-Ni体系相图与热力学研究进展

铂基催化剂具有活性高、选择性好、电化学稳定性佳等优点,在工业催化和燃料电池领域具有非常重要的地位。然而,由于成本较高、可用性较低限制了其实际发展。因此,有必要优化铂基催化剂的利用率,设计低成本和高稳定性的铂基催化剂。本研究首先介绍了在燃料电池催化剂领域具有应用前景的Pt-Pd-Ni系合金电催化剂的发展和研究现状,然后详细介绍了Pt-Pd-Ni体系的三个二元系相图与热力学评估数据和研究进展,并对Pt-Pd-Ni三元系的一些实验研究进展和今后的研究工作提出展望,对不同相结构对催化性能的影响进行了分析和讨论。通过Pt-Pd-Ni系相图和相结构等的研究将为燃料电池用新型贵金属合金催化材料的设计及工业应用奠定理论和实验基础。

简析钢铁材料的磁学性质

钢铁制品在日常生活中随处可见;钢铁材料具有磁性也是广为人知的生活常识。实用的钢铁材料种类繁多,磁性的强弱也有显著差别。本文旨在解析这个生活常识背后所涉及的物理知识。总体来看,钢铁材料主要是含有少量碳元素的铁碳合金,此外还可能包含少量其他合金元素。合金元素的含量及种类对钢铁材料磁性的影响很大。本文主要结合铁碳二元合金相图介绍了不同含碳量钢铁材料的组分,并据此对材料磁性的变化进行了定性分析。概括来说,铁磁性主要来自于材料中可能包含的三种组分:铁素体、渗碳体和马氏体,而奥氏体则仅具有顺磁性。其中马氏体是一种处于亚稳状态的非平衡相,无法标记在平衡相图中。本文也可以作为学习和应用相图的一个教学案例。

富锂硫酸盐型盐湖卤水蒸发实验研究进展

随着“双碳”目标的提出,锂在新能源材料领域中的应用受到高度关注,锂的需求呈现爆发式增长。世界锂资源以矿石锂和盐湖锂为主,盐湖锂因其储量大成为未来锂资源开发的重点,因而占比最大的硫酸盐型盐湖成为焦点。因盐湖卤水组成差异较大,叠加硫酸盐型盐湖特殊属性,使得锂在盐田蒸发阶段存在多种结晶形式而造成损失,增加了锂的有效富集难度。总结了前人针对富锂硫酸盐型盐湖的蒸发实验研究结果,结合相图分析总结富锂硫酸盐型盐湖蒸发结晶析盐规律,重点关注锂的浓缩状态及析盐结晶形式,为硫酸盐型盐湖锂资源开发提供参考。

四元体系(NaB_(5)O_(8)+KB_(5)O_(8)+RbB_(5)O_(8)+H_(2)O)288.15 K固液相平衡与相图研究

我国东台吉乃尔盐湖卤水中锂钾硼含量显著,水盐体系相平衡与相图为盐湖矿物的分离提取提供了理论基础。本文对四元体系(NaB_(5)O_(8)+KB_(5)O_(8)+RbB_(5)O_(8)+H_(2)O)在288.15 K时的相平衡与相图采用等温溶解平衡法研究,实验得出溶解度以及平衡液相的密度和折光率这两个主要物化性质,分析且鉴定出存在的盐湖矿物种类。研究发现:288.15 K时,该体系稳定相图中的共饱点(NaB_(5)O_(8)·5H_(2)O+KB_(5)O_(8)·4H_(2)O+RbB_(5)O_(8)·4H_(2)O)的液相组成为w(NaB_(5)O_(8))=9.02%、w(KB_(5)O_(8))=0.47%、w(RbB_(5)O_(8))=0.21%,且3种盐类矿物(NaB_(5)O_(8)·5H_(2)O、KB_(5)O_(8)·4H_(2)O、RbB_(5)O_(8)·4H_(2)O)的体系没有固溶体或复盐生成。三个矿物中RbB_(5)O_(8)·4H_(2)O的结晶区面积最大,溶解度最小。液相的折光率和密度均随Z(NaB_(5)O_(8))的增加呈规律性变化,密度和折光率均采用经验公式进行相对误差计算,所得计算值与实验值吻合较好。

298.15 K下KBr-CaBr_(2)-SrBr_(2)-H_(2)O四元体系相平衡研究

青海柴达木盆地深部地下卤水中富含大量钾、钙、锶、溴等元素,是极具综合利用价值的液态矿产资源,可作为钾盐潜在开发资源。本文根据该地下卤水的组成特点,采用等温溶解平衡法对四元体系KBr-CaBr_(2)-SrBr_(2)-H_(2)O在298.15 K时溶解度和相平衡规律进行详细的研究。测定该体系各盐在溶液中的溶解度和平衡固相组成,根据实验结果绘制相应的稳定平衡相图和水含量图。该四元体系在298.15 K下没有复盐和固溶体生成,其平衡相图中有一个共饱点,三条单变量曲线,和三个固相结晶区(KBr、CaBr_(2)-6H_(2)O、SrBr_(2)-6H_(2)O)。基于Pitzer模型,对该四元体系在298.15 K下的溶解度进行模拟计算,绘制出计算相图,计算相图与实验相图基本吻合。

中子毒物硼和钆在乏燃料后处理中的应用及合金相图研究

随着我国核电站在建及运行的反应堆日渐增多,乏燃料的产生、运输和储存成为核工业面临的严峻难题。对卸载出的巨量核废乏燃料,采用闭环处理循环利用,比传统深埋更加环保和安全。采用添加中子毒物的核结构材料制造相关设备和仪器,可以保障乏燃料后处理过程的运行安全。基于核工业应用要求,针对乏燃料后处理常用的316L不锈钢、Ti35、Zr等材料添加B或者Gd的相图展开调研,结果显示B和Gd可明显提高结构材料的中子吸收效果,但B和Gd的化学性质与过渡族金属Fe,Ti,Zr等相差甚远,除α-Zr最多固溶2.8%Gd(原子数分数)以外,B和Gd均不能大量固溶于常规金属合金体系中,强制添加势必对合金力学性能或耐蚀性能带来巨大危害。可采用团簇模型的合金设计理念,通过含B和Gd化合物相均匀析出或者复合的制造工艺以及Zr-Gd、Ti-Gd体系的多元合金化,引入互溶的中间相,增加难以固溶的元素的固溶度,以此解决中子毒物B和Gd在乏燃料后处理中的应用瓶颈。

姜黄油成分分析及其微乳液的制备、表征、生物活性及体外消化

采用气相色谱-质谱联用仪、气相色谱-离子迁移谱联用仪和电子鼻对姜黄油的活性成分进行分析,结果显示相对含量较高组分为芳姜黄酮(23.09%)、姜黄酮(21.36%)和β-姜黄酮(14.93%)。为最大限度提高姜黄油的稳定性以及掩盖其刺激性呈味物质,通过构建微乳液对其进行包封。采用水滴定法制备并以伪三元相图获得姜黄油微乳液的最佳工艺:油相为姜黄油,表面活性剂为吐温80,助表面活性剂为1,2-丙二醇,水相为去离子水,表面活性剂与助表面活性剂的质量比为4∶1,混合表面活性剂与油相的质量比为8∶2,微乳液水分质量分数为70%,此时形成的微乳液区面积最大。对姜黄油微乳液进行表征,测得其pH值为6.81±0.02,密度为(1.053±0.001)g/mL,多分散性指数为0.27±0.11,平均粒径为(32.81±14.54)nm,其为水包油型微乳液,姜黄油微乳液液滴呈球形或椭球形。制备的姜黄油微乳液具有良好的离心稳定性、贮藏稳定性和口腔胃液消化稳定性,可以在肠道中释放并被消化利用。构建微乳液体系可显著提高姜黄油的1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基和2,2’-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)阳离子自由基清除率。综上所述,微乳液包封可显著提高姜黄油的稳定性和抗氧化活性,能进入肠道进行有效释放消化,研究结果可为姜黄油高值化开发利用提供理论基础。

Voronoi-RBSM耦合的混凝土细观建模方法研究

为解决已有混凝土细观数值模拟方法计算效率低、对象尺寸受限的问题,提出一种基于Voronoi网格拓扑和刚体弹簧模型(RBSM)的混凝土细观建模新思路。该模型将混凝土视为由骨料、水泥砂浆组成的二相材料,骨料通过Voronoi单胞描述,视为刚性体,水泥砂浆简化为Voronoi单胞交界面的均布弹簧,弹簧刚度依据局部砂浆的实际情况自动定义。无需对骨料和水泥砂浆进行网格细化,可大大减少单元数量,允许Voronoi单胞在界面处侵入和分离,描述混凝土的变形、开裂等。为验证该文模型的有效性和适用性,开展了室内试验与数值模拟的对比研究,并分析了骨料占比等参数的敏感性。结果表明:基于Voronoi-RBSM的混凝土细观模型,可以较为高效、准确预测混凝土构件在加载过程中细观力学响应,对于尺寸较小的混凝土试件、尺寸较大钢筋混凝土简支梁均有较好的细观模拟效果,尤其是当网格尺寸与骨料平均粒径接近时,预测结果与试验结果最为接近。此外,模型的预测精度受骨料体积占比影响,骨料体积占比越小精度越低,因此,并不适用于浆体占比高的混凝土材料细观数值模拟。

低Nb含量的CoCrFeNiNb_x合金退火后的组织演变和性能

在FCC型CoCrFeNi合金中添加少量Nb可起到固溶强化和第二相强化效果,但目前对Nb在FCC相中的溶解度及其对合金组织和性能的影响还不够了解。为此,本文基于热力学计算相图,实验研究了含1%~5%Nb(摩尔分数)的铸态CoCrFeNiNb_x合金在800~1200℃真空退火前后的显微组织和显微硬度。结果表明:即使添加1%Nb,铸态CoCrFeNiNb_x合金中仍存在约3%的FCC+C14共晶组织。后凝固的FCC相中Nb含量可高达2.4%~3.1%,在800℃退火后可析出针状纳米级Mg_(3)Cd型τ相,使合金硬度提高约30HV。经1000℃或1200℃退火后,FCC相的成分均匀,Nb含量分别为1.6%和3.1%,与热力学计算结果一致。退火后,共晶组织中的C14 Laves相球化长大,层片组织消失,合金硬度降低。因此,添加少于3.1%Nb后再进行固溶及时效处理以析出τ相是提高FCC型CoCrFeNi合金强度的有效途径。

Au-Ag-Al系相图的热力学优化和计算

使用计算相图方法(CALPHAD)计算Au-Ag-Al的三元相图时,三个边际二元相图(Au-Al,Au-Ag,Ag-Al)的准确性对三元相图的计算有很大的影响,目前Au-Al边际二元相图存在着一定的矛盾。在综合评估Au-Al体系实验数据的基础上,优化和计算了Au-Al合金体系的平衡相图,使用置换式溶体溶液模型描述Au-Al体系中液相、Bcc和Fcc相的吉布斯自由能,分别用亚点阵模型(Al)(Au)_(4)、(Al)_(3)(Au)_(8)、(Al)(Au)_(2)、(Al)(Au)和(Al,Au)_(2)(Al,Au)描述AlAu_(4)、Al_(3)Au_(8)、AlAu_(2)、AlAu和Al_(2)Au相,通过Pandat软件优化得到一组各相的热力学参数,计算得到的Au-Al相图与实验数据和热力学数据相吻合。结合Au-Ag和Ag-Al的热力学参数,计算了Au-Ag-Al液相面投影图和等温截面图,液相面投影图显示该三元系存在8个四相平衡反应,对Au-Ag-Al合金的研究具有指导意义。

KNO_(3)-NaNO_(2)-KNO_(2)三元系相图筛选及物性测试

为研发出与太阳能热发电技术相匹配的新型传/蓄热熔盐材料,选取KNO_(3)、NaNO_(2)和KNO_(2)作为研究对象,基于亚正规溶液模型对KNO_(3)-NaNO_(2)-KNO_(2)三元系相图展开热力学理论计算,同时采用相图软件FactSage 8.2对该体系相图进行模拟,结合试验确定体系共晶点,并对优选熔盐的储热能力进行研究。结果表明,采用亚正规溶液模型计算的三元熔盐的共晶点数据具有较高的准确性。优选出的混合熔盐的组成为42.0%KNO_(3)-48.5%NaNO_(2)-9.5%KNO_(2)(百分数为物质的量分数),实测熔点为139.8℃,熔化终止点为146.3℃,熔化热为71.1 J/g,分解温度为652.0℃,平均液态比热容约为1.48 J/(g∙K)。

RbCl+CsCl+PEG1000+H_(2)O混合溶剂体系288.2 K相图及应用

铷铯化合物盐性质相近、结构相似,在氯化物溶液中极易形成混晶,通过在水中引入聚乙二醇(PEG),形成聚乙二醇+水混合溶剂,有望影响铷铯混盐结晶析盐规律。论文采用等温溶解平衡法开展了288.2 K下混合溶剂体系RbCl+CsCl+PEG1000+H_(2)O〔溶剂中PEG1000的质量分数(w%)分别为20%、40%〕相平衡实验研究,提出了基于混合溶剂体系相图的铷、铯分离纯化工艺概念流程。研究结果表明,288.2 K下混合溶剂体系RbCl+CsCl+PEG1000+H_(2)O仅存在固-液相平衡关系,固液平衡相图包含3个结晶相区,分别对应RbCl、CsCl和固溶体[Cs_(x),Rb_(1-x)]Cl结晶区。随着混合溶剂中PEG1000质量分数R的增加,CsCl和RbCl在混合溶剂中的溶解度逐渐降低。比较而言,当w%=20%时,体系中的RbCl和CsCl单盐结晶相区面积更大。根据铷、铯分离纯化工艺概念流程,计算了初始组成为w_(CsCl)=0.4000,w_(RbCl)=0.6000时,添加两种不同混合溶剂时RbCl的产品收率,结果表明,w%=40%的混合溶剂(PEG1000+H_(2)O)获得的收率更高。

斑岩铜矿蚀变分带与成矿机制:玉龙矿床水-岩反应热力学平衡模拟例析

蚀变分带和成矿机制的准确厘定是建立斑岩成矿模型与找矿预测的关键。本文以新生代金沙江-哀牢山成矿带的玉龙斑岩铜矿为例,通过质量作用定律(LMA)和吉布斯自由能最小化模型(GEM),构建含矿热液与斑岩侵入体的pH-f O 2相图和动态传输模型,以揭示蚀变分带成因和金属成矿机制。LMA与GEM结果显示初始成矿流体pH值为4.7,logf_(O2)=-23.0(ΔFMQ=+2.7),且溶解Cu含量为1138×10^(-6),Mo为1.2×10^(-6)。研究表明,当该酸性及强氧化性流体流入二长花岗斑岩体时,在温度为450~360℃范围内,代表钾硅酸盐化蚀变的钾长石、黑云母、硬石膏、赤铁矿和磁铁矿的矿物逐渐沉淀,且与钾硅酸盐化蚀变相关流体具有较高pH值(5.0~7.0)和氧逸度(ΔFMQ=+2.9~+3.6)特征;当温度在360~320℃范围时,代表青磐岩化蚀变阶段的典型矿物如绿帘石、铁绿泥石和斜绿泥石等逐渐形成,流体pH值(5.0~6.4)和氧逸度(ΔFMQ=+1.1)均有所下降;当温度进一步从320℃下降到200℃时,流体pH值(5.0~5.7)进一步小幅下降,而氧逸度则(ΔFMQ=+1.7)略有回升,在此期间,绢云母和方解石等开始沉淀并形成典型的绢英岩化蚀变。此外,以HMoO_(4)^(-)和MoO_(4)^(2-)为载体的Mo在狭窄高温区间(450~370℃)内沉淀,而以CuCl(CuCl_(4)^(3-)、CuCl_(2)^(-)、CuCl)为主要载体的Cu则在在中、高温(450~300℃)范围中沉淀。通过利用LMA反演及GEM正演相结合定量化地刻画了玉龙斑岩铜矿水岩反应过程,由此揭示了斑岩矿床蚀变分带是逐渐冷却的单一岩浆热液与斑岩体不断反应的结果,且不同温度窗口对应着钾硅酸盐化(450~360℃)、青磐岩化(360~320℃)和绢英岩化(320~200℃)蚀变矿物的形成,故含矿流体温度的快速下降可能是玉龙铜矿蚀变叠加的重要因素。此外,Cu、Mo络合离子溶解度对温度变化的差异响应,导致了Mo矿化主要发育于靠近斑岩体的高温区域,而Cu则以网脉状-浸染状叠加到Mo矿化之上,并广泛分布于斑岩体周边的高-中温区域。

计及磁链和电流的PMSM DTC系统中功率器件键合线老化监测方法

在闭环控制系统中,基于电参数的功率器件老化监测方法是电力电子可靠性领域的难点之一。以永磁同步电机直接转矩控制系统为例,研究基于磁链相图和电流的功率逆变器中功率器件老化状态的在线监测方法。首先,分析功率器件老化的特征,得到键合线老化引起通态电阻增加的结论;其次,研究得到功率器件键合线老化与磁链相图、直轴电流和三相电流峰值变化的关系,进而提出功率器件键合线老化的监测方法;最后,通过多组仿真实验验证了基于磁链相图和电流的在线监测方法均可实现功率逆变器中功率器件键合线老化状态的在线监测。其中,基于磁链相图的在线监测方法需要系统磁链出现一些波动时才易观测,此时功率器件处于失效状态,该方法并不可取;而基于三相电流的监测方法能够更为精确地监测功率器件老化状况,效果更为优越。

氧分压和温度对CaO-SiO_(2)-TiO_(x)渣系钛组元价态及赋存相的影响

从含钛高炉渣中绿色高效提取钛资源是实现高附加值钛制品持续开发的有力保障,目前与含钛氧化物渣系相关的关键热力学数据匮乏,严重制约了相关提钛工艺的开发。本文基于典型含钛高炉渣成分及矿物特征,结合FactSage 8.2热力学软件的“Phase Diagram”模块和“FactPS”、“FToxid”数据库,计算分析了含钛矿物在高炉不同区域还原过程中钛赋存相的变化规律,并进一步计算分析了1400~1600℃下0.21~10^(-18)atm氧分压范围内CaO-SiO_(2)-TiO_(x)渣系平衡相的演变规律。结果表明,当温度一定时,随着氧分压的降低,液相区范围先增大后减小,钛的氧化物被逐级还原;当氧分压一定时,随着温度的增加,液相区逐渐变大,液相与钙钛矿两相共存区随温度升高先小幅增大后小幅缩小,且向w(CaO)/w(SiO_(2))比增大的方向移动,液相与金红石两相共存区先大幅增大后小幅缩小。本文结果对于深入理解含钛赋存相在不同工艺参数下的演变规律,进而开发更加绿色高效钛资源提取工艺具有重要意义。

三元体系Na+(Mg^(2+)),Ca^(2+)//Cl^(-)-H_(2)O 278.2 K稳定相平衡研究

含钠镁钙水盐体系的多温相平衡研究,可为含钙镁盐湖资源的持续开发提供数据支撑。因此,采用等温溶解法开展了两个三元体系Na+,Ca^(2+)//Cl^(-)-H_(2)O和Mg^(2+),Ca^(2+)//Cl^(-)-H_(2)O在278.2 K下的相平衡研究,测定了溶解度、折射率和密度,并绘制了相应的相图。结果表明,三元体系Na+,Ca^(2+)//Cl^(-)-H_(2)O和Mg^(2+),Ca^(2+)//Cl^(-)-H_(2)O在278.2 K时均为简单体系,无复盐或固溶体生成。三元体系Na+,Ca^(2+)//Cl^(-)-H_(2)O在278.2 K时的氯化钠结晶区远大于氯化钙,对比该体系273.2、278.2、298.2、348.2 K多温相图可知,随温度升高,氯化钠结晶区增大,氯化钙结晶形式由CaCl_(2)·6H_(2)O转变为CaCl_(2)·2H_(2)O。三元体系Mg^(2+),Ca^(2+)//Cl^(-)-H_(2)O在278.2 K时的MgCl_(2)·6H_(2)O结晶区大于CaCl_(2)·6H_(2)O,对比该体系273.2、278.2、303.2、308.2、348.2、383.2 K多温相图发现:303.2、308.2、348.2、383.2 K时体系中形成复盐2MgCl_(2)·CaCl_(2)·12H_(2)O,且其结晶区随温度升高而增大;383.2 K时体系中同时存在两种复盐2MgCl_(2)·CaCl_(2)·12H_(2)O和MgCl_(2)·2CaCl_(2)·6H_(2)O。