工程科學學報

北京科技大學70周年校慶特刊序言

吳愛祥 — 2022-04-02

吳愛祥工程科學學報. 2022 44(4): 475-475.

面向2035年的金屬礦深部多場智能開采發展戰略

郭奇峰, 蔡美峰, 吳星輝, 席迅, 馬明輝, 張杰 — 2022-04-02

郭奇峰, 蔡美峰, 吳星輝, 席迅, 馬明輝, 張杰深部開采是金屬礦產資源開發的必然趨勢，向地球深部進軍，著力推動采礦行業智能化改造升級，開展深部智能化開采技術研究具有重要的戰略意義。立足國家深地戰略背景，剖析金屬礦深部資源開發對采礦科學技術發展的需求，依托工程技術預見技術方法開展全球技術態勢分析，梳理出本領域關鍵熱點和前沿技術清單，后經專家研判，形成面向2035年的金屬礦深部多場智能開采基礎理論和深部開采環境智能感知、深部開采過程智能作業、深部開采系統智能管控三大類前沿技術。在此基礎上，提出了我國面向2035年的金屬礦深部多場智能開采發展戰略、重點任務、技術路線，包括發展目標與需求、基礎研究方向、關鍵技術裝備等。針對我國金屬礦深部開采技術變革和智能化升級的科技發展路徑，從政策、產業、技術、人才等方面提出了發展和保障建議。工程科學學報. 2022 44(4): 476-486.

地下空間工程服役安全的認識與思考

楊仁樹, 王雁冰 — 2022-04-02

楊仁樹, 王雁冰中國的地下空間工程規模越來越大。如何使地下空間工程在開挖、建造和服役期間最大限度的保持安全和穩定，是目前乃至將來必須重視的重要課題。在分析地下空間工程面臨的主要問題的基礎上，提出了地下空間工程服役安全的3個關鍵科學問題：多場耦合作用下結構體材料損傷劣化規律；循環動載作用下結構體的動態疲勞損傷特性；支護與圍巖的相互作用。總結和評述了在此方面的相關研究工作和最新進展。最后從宏觀上指出了地下空間工程未來的發展趨勢和需要重點關注和加強的基礎性研究工作。工程科學學報. 2022 44(4): 487-495.

全固廢膏體關鍵性能指標的多目標優化

阮竹恩, 吳愛祥, 王貽明, 王少勇, 王建棟 — 2022-04-02

阮竹恩, 吳愛祥, 王貽明, 王少勇, 王建棟在全尾砂膏體充填的基礎上提出了全固廢膏體充填，將全尾砂、廢石、水淬渣等固廢制備成膏體料漿充填至井下采空區，實現采空區垮塌、尾礦庫潰壩和廢石場滑坡的協同治理，達到“全廢治三害”的效果。為此，研究了固體質量分數、廢石摻量和膠固粉耗量對全固廢膏體的塌落度、屈服應力、單軸抗壓強度和泌水率的影響。根據國家標準規定的技術指標范圍，對全固廢膏體的關鍵性能指標進行了多目標優化。研究發現，全固廢膏體的關鍵性能指標和全尾砂膏體相似，具有良好的流動性、輸送性能與力學性能，并具有一定的泌水性。固體質量分數、廢石摻量和膠固粉耗量對全固廢膏體的關鍵性能指標具有顯著的影響，其中固體質量分數對塌落度和屈服應力影響最大，膠固粉耗量對單軸抗壓強度和泌水率的影響最大。通過研究，最終多目標優化所得最優參數是固體質量分數為79.31%、廢石摻量為18.86%（質量分數）、膠固粉耗量（膠固粉質量與全尾砂和廢石質量之和的比值）為3∶20，對應的塌落度為25.45 cm、屈服應力為100.49 Pa、單軸抗壓強度為3.55 MPa、泌水率為1.50%。多目標優化結果可為實際應用提供參考，而總評歸一值模型也可應用于其他礦山膏體的多目標優化。工程科學學報. 2022 44(4): 496-503.

基于上覆巷道保護的下伏煤層安全回采

周超, 宋大釗, 李振雷, 何學秋, 鐘濤平 — 2022-04-02

周超, 宋大釗, 李振雷, 何學秋, 鐘濤平針對千米深井下伏煤層回采需保證上覆巷道穩定性的問題，通過理論分析、數值模擬和現場實測的方法，研究了下伏煤層開采過程中上覆巖層巷道變形破壞類型、破壞機理和防治辦法。通過對開采條件和開采形成的覆巖空間結構的研究，得到了走向和傾向方向上的巷道變形破壞規律；通過研究下伏工作面不同開采階段、不同充填率條件對上覆巷道的采動影響，得到了巷道變形破壞的應力演化規律。結果表明：千米深井下伏煤層開采，上覆巷道潛在的變形破壞類型主要有兩種，一是巷道斷面縮減型破壞，二是巷道走向階梯下沉型破壞。上覆巷道變形破壞的根本原因是大埋深、強采動應力，特別是下伏煤層距上覆巷道較近且距離不均等的影響，直接原因是采動造成的巷道圍巖應力突增及關鍵巖層的破斷下沉。開采過程中，工作面走向開采范圍超過400 m時，巷道斷面縮減型破壞和走向階梯下沉型破壞會相互疊加，誘發更大的巷道破壞。為控制這兩種巷道的潛在破壞類型，設計了沿工作面下部巷道動態部分充填和巷道補強支護方案，通過現場實測發現上述方案能夠滿足上覆巷道穩定性和下伏工作面高效高產的要求，研究結果和控制方案可為千米深井巷道下壓煤的安全回采提供一定的借鑒。工程科學學報. 2022 44(4): 504-515.

深部地下硐室與應力場軸變關系及其圍巖損傷破裂分析

劉力源, 張樂, 紀洪廣 — 2022-04-02

劉力源, 張樂, 紀洪廣針對深部地下硐室與地應力場之間的軸變關系及其對硐室圍巖損傷破裂的影響，建立了非均質圍巖統計損傷力學模型；分析了不同斷面形狀、地層側壓系數、構造應力場對硐室圍巖損傷破裂的作用機制和影響規律，定義了地層臨界側壓系數；開展了三山島金礦西嶺礦區埋深2000 m地層硐室損傷破裂數值模擬，得到了該礦區深部地下硐室設計與布置原則。研究結果表明，“等應力軸比”情況下硐室圍巖應力集中程度最小，損傷破裂區面積最小；地應力場是圍巖損傷破裂的根本原因，側壓系數越大，硐室頂、底板處應力峰值越大，圍巖以拉伸破裂為主，圍巖損傷破裂區面積隨側壓系數增大呈指數性增大；隨著地層深度的增加，硐室臨界側壓系數不斷減小并趨近于1，深部地下硐室對水平構造應力更加敏感；構造應力場誘使圍巖損傷破裂程度增大，損傷破裂區向構造應力場圍巖應力集中區轉移，使得硐室圍巖發生冒頂和巖爆風險升高。因此，深部地下硐室的設計與布置應結合實際地應力條件，硐室軸向、斷面形狀、軸比盡可能符合地應力條件，從而最大程度降低地應力場對硐室圍巖損傷破裂及穩定性的不利影響。工程科學學報. 2022 44(4): 516-525.

煤基活性炭改性及其甲烷吸附能力

金龍哲, 趙金丹, 王輝, 柏楊, 閆康 — 2022-04-02

金龍哲, 趙金丹, 王輝, 柏楊, 閆康針對無煙煤制備成的煤基活性炭，采用酸式改性、堿式改性和聯合改性的方法對其進行改性處理。通過低溫液氮吸附實驗、傅里葉紅外光譜技術、高壓甲烷吸附實驗，分析了煤基活性炭的表面物理、化學結構、甲烷的吸附能力。借助Langmuir吸附等溫模型、Freundlich模型進行數據擬合，研究了吸附熱力學和動力學特征。結果表明，聯合改性后的煤基活性炭比表面積和孔容均明顯增大，其中比表面積增大66.66%，總孔容增大30.89%；煤基活性炭的甲烷吸附能力明顯提高，甲烷吸附量提升25.686%。煤基活性炭的孔隙結構和表面官能團共同決定了其對甲烷的吸附作用，且較于孔隙結構，表面官能團的極性對甲烷吸附量起主要作用。工程科學學報. 2022 44(4): 526-533.

薄板坯連鑄連軋技術發展現狀及展望

汪水澤, 高軍恒, 吳桂林, 毛新平 — 2022-04-02

汪水澤, 高軍恒, 吳桂林, 毛新平自1989年第一條產線投產以來，薄板坯連鑄連軋技術已經走過30多年的發展歷程。在這個過程中，通過對其技術不斷探索和創新，推動了薄板坯連鑄連軋技術不斷向前發展。在鋼鐵工業碳中和戰略目標背景下，以薄板坯連鑄連軋為代表的近終形制造技術得到了行業的極大關注。本文主要回顧了薄板坯連鑄連軋技術的發展，分析其關鍵工藝裝備的演變歷程，并根據其連續化程度將薄板坯連鑄連軋劃分為單坯、半無頭和無頭三代技術；分析了薄板坯連鑄連軋流程的工藝特點及物理冶金特征，在此基礎上提出了其產品定位，重點介紹了其代表性產品如中高碳鋼、熱軋高強鋼及電工鋼等的開發與應用現狀。最后，對薄板坯連鑄連軋技術未來的發展進行了展望，提出連續化、專業化、智能化將是未來重要發展方向。工程科學學報. 2022 44(4): 534-545.

熔鹽電化學石墨化研究進展及展望

李世杰, 王明涌, 宋維力, 左海濱, 焦樹強 — 2022-04-02

李世杰, 王明涌, 宋維力, 左海濱, 焦樹強近年來，提出了一種高效、環境友好的熔鹽電化學轉化方法，可將碳污染物直接轉化為高附加值的石墨化產物。本文綜述了熔鹽電化學石墨化的工藝流程、產物的結構特征與轉化機理。詳細介紹了碳納米材料在鋰離子電池和鋁離子電池等二次電池中的應用前景，突出了轉化和利用豐富的二次碳資源實現高附加值應用的高效策略。最后，對開發熔鹽電化學石墨化與規模化低能耗電解技術、構建先進高溫熔鹽電化學原位表征技術與定量化分析方法、深入研究電化學石墨化微觀轉化機理、推動石墨化產品的工程化應用進行了分析與展望。工程科學學報. 2022 44(4): 546-560.

我國鋁冶煉工業的競爭力分析及發展趨勢

劉風琴, 邱定蕃, 顧松青, 李榮斌, 趙洪亮, 謝明壯, 姚志超 — 2022-04-02

劉風琴, 邱定蕃, 顧松青, 李榮斌, 趙洪亮, 謝明壯, 姚志超在全面綜述我國鋁冶煉工業生產和技術現狀的基礎上，剖析了我國鋁冶煉工業發展在資源、能源和環境治理方面所面臨的主要矛盾與挑戰，在世界范圍進行了生產成本競爭力比較與分析，認為制約我國鋁冶煉工業可持續發展的主要因素是國內缺乏足夠的優質鋁土礦資源、電力價格過高、生產技術需進一步優化，所產生的大量固危廢難于實現無害化和資源化利用。由此提出了我國鋁冶煉工業可持續發展的戰略，即嚴控產能的無序過快擴張并合理布局，優化資源和能源供應結構，實施優質、節能、低耗的產業發展戰略以提高核心競爭力，加快實現廢氣、廢水和固廢的達標排放及資源化利用。研究結果對我國鋁工業進行產業結構調整、實現高質量可持續發展的戰略，具有較重要的意義。工程科學學報. 2022 44(4): 561-572.

金屬增材制造的微觀組織特征對其抗腐蝕行為影響的研究進展

李瑩, 張百成, 曲選輝 — 2022-04-02

李瑩, 張百成, 曲選輝金屬增材制造是增材制造技術中最重要的分支，其成形零件復雜度高，力學性能高于一般鑄件，已經被廣泛應用于航天航空、醫療、能源等領域。在目前主流金屬增材制造過程中，主要使用高能束熔化金屬粉體，從而造成極高的材料過冷度，雖然過冷細化晶粒與特殊析出相會提高材料的力學性能，但是學術界與工業界對金屬增材制造制件在服役過程中的腐蝕性能仍然存在疑問，亟需關于高能束金屬增材制造制件的抗腐蝕性能系統性研究綜述。因此，本文就三種常用的金屬增材制造技術，對目前金屬增材制造工件的腐蝕性能相關研究進展進行總結和歸納，深入研究了打印產品中的殘余應力、晶粒尺寸、析出相和各向異性等影響抗腐蝕性能的行為，分析了參數優化及熱處理工藝提高材料抗腐蝕性能的機理。最后對金屬增材制造的抗腐蝕性能的改善手段進行了展望。工程科學學報. 2022 44(4): 573-589.

紅磷的納米化及其在鈉離子電池中的應用

張宇, 白金, 趙海雷 — 2022-04-02

張宇, 白金, 趙海雷鈉離子電池（SIBs）具有成本低廉、安全性高、環境友好等優點，且可以兼容現有的鋰離子電池生產設備，在大規模儲能以及電動汽車領域都有著廣泛的應用前景。在眾多的SIBs負極材料中，紅磷擁有超高的理論比容量（2596 mA·h·g^–1）、合適的氧化還原電位（0.4 V vs Na/Na⁺）以及豐富的資源儲量，是極具潛力的SIBs負極材料。然而紅磷極低的本征電導率和在儲鈉過程中巨大的體積效應極大的限制了其容量利用率、長期循環穩定性和倍率性能。目前對紅磷基負極材料改性的最有效方法之一是紅磷的納米化，納米化可以改善紅磷的電化學活性和長期循環穩定性。為了便于研究者了解納米紅磷的制備方法，本文系統總結了納米紅磷的制備方法，包括球磨、升華冷凝、熱還原、氣相生長、溶劑熱、化學沉淀等，并對各種方法的優缺點進行了分析比較，最后對未來的研究方向進行了展望。希望能以此促進紅磷負極的發展及其在鈉離子電池中的實際應用。工程科學學報. 2022 44(4): 590-600.

鈉離子電池層狀氧化物正極材料研究進展

菅夏琰, 金俊騰, 王瑤, 沈秋雨, 劉永暢 — 2022-04-02

菅夏琰, 金俊騰, 王瑤, 沈秋雨, 劉永暢鈉離子電池憑借資源和成本優勢在大規模儲能和低速電動車領域展現出極大應用前景。層狀氧化物理論容量較高且易于合成，是目前最具應用潛力的鈉離子電池正極材料之一。如何改善層狀氧化物正極材料的循環穩定性并提升其能量密度是當前的科學前沿問題。首先，綜述了層狀氧化物正極材料的幾種典型改性方法，從組分設計的角度，探討了不同摻雜元素、不同摻雜位點對材料容量和循環壽命的影響，闡述了利用陰離子反應提供額外容量的基本原理，概述了提高陰離子氧化還原可逆性的摻雜策略；從結構設計的角度，介紹了復合相材料的制備、微觀結構的設計和調控等方向的最新進展；從表面設計的角度，討論了金屬氧化物、磷酸鹽等作為包覆層對改善材料穩定性和倍率性能的作用機制。最后，總結了層狀氧化物儲鈉正極材料現階段面臨的挑戰，并對其未來的發展方向進行了展望，提出了新的研究思路。工程科學學報. 2022 44(4): 601-611.

高功率鋰離子電池研究進展

陳港欣, 孫現眾, 張熊, 王凱, 馬衍偉 — 2022-04-02

陳港欣, 孫現眾, 張熊, 王凱, 馬衍偉高功率快放型鋰離子電池是目前鋰離子電池領域研究的重點方向之一。為了獲得具有高功率密度的鋰離子電池，正極材料須具有較高的電壓和較高的電子與離子導電率，正極材料主要包括高電壓鈷酸鋰、鎳錳酸鋰和高電壓三元材料，負極材料包括碳系材料、鈦基材料和金屬氧化物材料，以及為提高首效和降低負極電位而采用的預嵌鋰方法，并對鋰離子電池電解液用鋰鹽、溶劑和添加劑進行了綜述。最終總結了功率密度測試方法，并對高功率鋰離子電池的研究進行展望。工程科學學報. 2022 44(4): 612-624.

直接甲醇燃料電池（DMFC）陽極過渡金屬基催化劑的研究進展

郭仕權, 孫亞昕, 李從舉 — 2022-04-02

郭仕權, 孫亞昕, 李從舉發展可替代能源對緩解全球能源問題具有重要意義。直接甲醇燃料電池（DMFC）因其工作溫度低、能量密度高以及低污染物排放特性正逐漸成為最有發展前景的便攜式能源技術之一。目前，其商業化進程主要取決于陽極甲醇氧化反應（MOR）的動力學快慢。貴金屬作為最常用的陽極催化劑得到了廣泛的研究，但是其稀缺性以及易受CO_ads中間產物中毒影響限制了其應用。考慮到以上問題，具有優異抗中毒能力的低Pt或者非Pt納米催化劑的設計和研發變得十分重要。本文從DMFC陽極電催化原理出發，總結了過渡金屬基催化劑（過渡金屬?貴金屬催化劑、過渡金屬催化劑以及自支撐催化劑）在MOR中的研究進展。重點強調了納米催化劑的組成成分、多孔結構、高指數面、晶體缺陷以及頂點增強效應等對其電化學性能的影響。最后，展望了過渡金屬基電催化劑在DMFC中所面臨的機遇和挑戰。工程科學學報. 2022 44(4): 625-640.

g-C₃N₄材料在光催化能源轉換領域的新進展

趙夢迪, 李永利, 王金淑 — 2022-04-02

趙夢迪, 李永利, 王金淑類石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作為當前光催化領域的熱點材料，盡管在可見光響應范圍和載流子的遷移/分離方面不如人意，但其不含金屬、穩定性好，結構易于調控等優點依然備受關注，尤其是近年來基于g-C₃N₄的形貌與電子結構調控取得了大量的突破性進展。本文系統地綜述了針對g-C₃N₄缺陷的不同改性和優化方法，從形貌調控、結構優化、構建異質結三方面介紹了g-C₃N₄光催化材料的最新研究進展，重點闡述了針對改善光催化分解水效率的各種改性優化策略。以材料的維度尺寸作為切入點介紹了不同形貌g-C₃N₄的制備方法，從摻雜與缺陷調控角度總結了g-C₃N₄結構與光生載流子分離以及催化性能的關系，并且依據不同異質結類型歸納了g-C₃N₄基光催化材料體系。最后，對g-C₃N₄基光催化材料今后的發展與面臨的挑戰進行了展望和總結。工程科學學報. 2022 44(4): 641-653.

非氧化物陶瓷氧化動力學的研究現狀與進展

王恩會, 楊亞錕, 侯新梅 — 2022-04-02

王恩會, 楊亞錕, 侯新梅非氧化物陶瓷作為一種性能優異的高溫結構材料，廣泛應用于冶金、化工等高溫行業。在實際應用過程中氧化和應力耦合的服役環境加速了非氧化物陶瓷高溫性能失效最終降低服役壽命，甚至引發安全事故。因此研究非氧化物陶瓷在復雜服役環境下尤其應力條件下的氧化進程尤為重要，建立此條件下的氧化動力學模型是掌握材料實際服役行為規律的有效手段。本文對比了非氧化物陶瓷分別在無應力和應力條件下的氧化機理和相應動力學模型，通過對不同模型的應用對比分析，從量化角度明確了應力對非氧化物陶瓷氧化過程的影響，在此基礎上初步建立了考慮應力的非氧化物陶瓷氧化動力學模型，為進一步揭示非氧化物陶瓷在復雜條件下的服役行為提供科學模型，為提高材料服役壽命提供有效理論指導。工程科學學報. 2022 44(4): 654-663.

用于木質素轉化制備生物質燃料多功能催化劑的研究進展

曲俊聰, 史成香, 張香文, 潘倫, 鄒吉軍 — 2022-04-02

曲俊聰, 史成香, 張香文, 潘倫, 鄒吉軍綜述了木質素加氫解聚、解聚單體加氫脫氧和單體升級為多環高價值產品等過程中所使用的多功能催化劑的研究進展，包括硫化物催化劑、貴金屬單質催化劑、非貴金屬單質和合金催化劑、磷化物催化劑等。強調了加氫催化劑（Ru、Pt、Pd、Co、Mo和Ni等）和酸催化劑（Al₂O₃、ZrO₂、NbOPO₄、沸石和介孔硅酸鹽等）在加氫裂解、加氫脫氧和（加氫）烷基化反應中的協同作用。在此基礎上總結了當前反應過程的一些難點，并對下一步的技術發展方向進行了展望。未來需要開發水熱穩定性更好、價格更加低廉的高活性催化劑，降低氫氣用量，同時考慮天然木質素的一鍋法轉化，為工業化制備生物質燃料奠定基礎。工程科學學報. 2022 44(4): 664-675.

中子/同步輻射衍射表征技術及其在工程材料研究中的應用

王沿東, 李潤光, 聶志華, 李時磊 — 2022-04-02

王沿東, 李潤光, 聶志華, 李時磊以先進鋼鐵、高溫合金、鈦合金、鋁合金為代表的工程材料研究，亟待發展先進的原位微結構與應力表征技術，以揭示材料與工程部件在制備與服役過程中晶體結構與多尺度微觀組織／應力場的演化規律，闡明溫度、應力、電、磁等復雜多外場作用下包括形變損傷、相變微觀機制在內的工程材料微觀力學行為。在評述了中子與同步輻射先進原位表征技術的方法原理、裝置發展與各自優勢特點的基礎之上，總結了其在金屬材料形變與相變基礎與應用研究中的新進展及展望。工程科學學報. 2022 44(4): 676-689.

電磁攪拌條件下結晶器內鋼液多相流動和卷渣現象的大渦模擬

李琪藍, 張立峰, 陳威, 王亞棟, 趙震, 張靜 — 2022-04-02

李琪藍, 張立峰, 陳威, 王亞棟, 趙震, 張靜針對大方坯連鑄結晶器內的流動和卷渣行為進行了三維數值模擬仿真，應用大渦模擬模型模擬湍流、應用VOF模型模擬渣相?鋼液和空氣?渣相?鋼液的多相流。研究對比了鋼液單相流動、渣相?鋼液兩相流動和空氣?渣相?鋼液三相流動3種模型下結晶器內的流動、鋼?渣界面液位形狀和波動及卷渣行為，并通過工業用計算機斷層成像技術（工業CT）檢測了連鑄坯中大顆粒卷渣類夾雜物數量隨著電磁攪拌電流強度的變化。結果表明，在150 A、2 Hz結晶器電磁攪拌下，3種模型得到的結晶器內鋼液流場差別較小，但在鋼?渣界面處差別較大。鋼液單相模型下鋼液表面流動速度比其他兩種模型鋼?渣界面處的速度更大。渣相?鋼液兩相模型和空氣?渣相?鋼液三相模型的卷渣速率分別為0.00118和0.00040 kg?s^?1。渣相?鋼液兩相模型條件下，由于上表面即渣的頂面不能彎曲，所以鋼?渣界面處的湍動能沒有得到耗散，所以比三相模型的湍動能更大，因此其預測的卷渣速率偏大。當攪拌電流強度增大到300 A，渣相?鋼液兩相模型和空氣?渣相?鋼液三相模型的卷渣速率分別為150 A條件下的5倍和15倍；當電流頻率增大到4 Hz，渣相?鋼液兩相模型的卷渣速率變化很小，空氣?渣相?鋼液三相模型的卷渣速率降低為2 Hz條件下的1/3。因此，為了正確的模擬和預測結晶器鋼?渣界面處的卷渣行為，必須使用空氣?渣相?鋼液三相瞬態模型進行模擬仿真。工程科學學報. 2022 44(4): 690-702.

高速連鑄結晶器內凝固傳熱行為及其均勻性控制

朱苗勇, 蔡兆鎮 — 2022-04-02

朱苗勇, 蔡兆鎮從分析高拉速包晶鋼板坯連鑄結晶器內凝固傳熱行為特征入手，首先闡明拉速對結晶器內的界面熱阻、凝固坯殼的溫度與應力分布的影響規律，研究發現拉速超過1.6 m·min^?1時，界面熱阻明顯增加，拉速由1.4 m·min^?1提升至1.6 m·min^?1和1.8m·min^?1時，出結晶器坯殼厚度相應減少約10%，其發生漏鋼的危險不斷增加；在此基礎上，闡述了結晶器的內腔結構、保護渣、振動與液面控制等控制結晶器內坯殼凝固均勻性的相關技術。要實現高速連鑄，首要應考慮結晶器內腔結構的優化設計，使其能更好地迎合凝固坯殼的生長，研制適合包晶鋼等凝固特點的專用連鑄保護渣至關重要，鑄坯鼓肚控制也是保障高拉速液面穩定的關鍵。工程科學學報. 2022 44(4): 703-711.

缺陷控制對膽甾相液晶材料雙穩態性能的影響及其應用

于美娜, 鄒呈, 高延子, 楊槐 — 2022-04-02

于美娜, 鄒呈, 高延子, 楊槐通過彎曲分子的摻雜實現了膽甾相液晶平面態油絲缺陷的調控和焦錐形貌的穩定，研究了各因素對雙穩態穩定性的影響，并展示了雙穩態的潛在應用。偏光顯微鏡觀察和透過率?電壓曲線測試結果表明，彎曲分子的引入可以調控甚至消除平面態的油絲缺陷，實現透過率增加，同時調節焦錐態的形貌，使扇形疇更細小破碎，有利于增強焦錐態的散射和穩定性，實現雙穩態效果。這是因為彎曲分子具有很小的彎曲彈性常數，進而對膽甾相液晶的彎曲彈性常數和扭曲彈性常數相對大小進行調節。平面取向層的錨定越強，對雙穩態(主要是焦錐態)的穩定越不利，但錨定作用太弱，不利于平面態的完美排列。可以通過取向作用強弱調節、盒厚調整來達到較優的效果。少量聚合物的引入有利于實現雙穩態的穩定。最后，基于缺陷調制后的雙穩態特性制備了無色和彩色的調光膜，展示了雙穩態的潛在應用。工程科學學報. 2022 44(4): 712-721.

赤蘚糖醇/碳納米管復合相變材料熱特性模擬研究

閆曉鑫, 馮妍卉, 邱琳, 張欣欣 — 2022-04-02

閆曉鑫, 馮妍卉, 邱琳, 張欣欣在“碳達峰、碳中和”的大背景下，能源結構從一次能源向新能源轉變刻不容緩。由于新能源具有間歇性、波動性的特點，儲能技術可以有效解決上述問題而得到了廣泛的關注。相變材料作為儲能技術的關鍵，其熱導率低的問題亟需解決。赤蘚糖醇作為中低溫區常用的高焓值相變材料，熱導率僅為0.7 W?m^–1?K^–1，嚴重制約了實際應用中的能量利用效率。本文以赤蘚糖醇作為主要研究對象，采用具有超高導熱系數的單壁碳納米管作為導熱增強材料，借助分子動力學模擬的方法探究了碳納米管長度、質量分數以及分布方式對赤蘚糖醇/碳納米管復合相變材料熱導率的影響規律。當碳納米管軸向長度小于其聲子平均自由程時，復合相變材料熱導率隨碳納米管軸向長度增加而增大，同時隨碳納米管質量分數增加而增大，但表現出顯著的各向異性。由于引入赤蘚糖醇–碳納米管界面，復合相變材料徑向熱導率相比純赤蘚糖醇反而降低。當碳納米管在赤蘚糖醇中隨機分布時，熱導率的各向異性得到了顯著改善且各方向熱導率均得到了提升。通過對比復合前后赤蘚糖醇與碳納米管的聲子振動態密度發現，由于兩者間的相互作用，碳納米管的聲子振動受到抑制，而赤蘚糖醇中聲子熱輸運得到激發，從而提高了熱導率。工程科學學報. 2022 44(4): 722-729.

基于機器學習的產品質量在線智能監控方法

徐鋼, 黎敏, 呂志民, 徐金梧 — 2022-04-02

徐鋼, 黎敏, 呂志民, 徐金梧為了提高產品質量的穩定性和可靠性，利用機器學習方法實現產品質量在線監控、在線優化和在線預設定，是鋼鐵企業目前亟待解決的關鍵技術。針對企業需求，提出基于軟超球體算法的產品質量異常在線識別和異常原因診斷方法、基于流形學習的工藝參數在線優化方法和基于多變量統計過程控制的工藝規范制定方法。通過將上述方法進行系統集成，并利用工業互聯網技術和大數據分析方法，研發了產品質量在線智能監控系統。目前該系統已在鋼鐵企業十余條生產線上推廣應用，質量在線判定的準確率達到99.2%，在線檢測時間不到0.1 s。工程科學學報. 2022 44(4): 730-743.

元宇宙技術綜述

王文喜, 周芳, 萬月亮, 寧煥生 — 2022-04-02

王文喜, 周芳, 萬月亮, 寧煥生元宇宙作為一個新興的概念受到了產業界、學術界、媒體界及公眾的廣泛關注，國內外眾多公司也紛紛在“元宇宙”領域布局，但布局的背后離不開強大的技術支持。本文從技術維度深入剖析元宇宙。首先，從科學與技術的角度論述元宇宙的概念及內涵，并總結了目前從業者、專家以及學者對元宇宙的不同見解。其次，概述了元宇宙相關關鍵技術，包括網絡及運算技術（5G、6G、物聯網、云計算、霧計算及邊緣計算）、管理技術（能耗管理、資源管理、會話管理及時空一致性管理）、虛實對象連接、建模與管理技術（X聯網、身份建模、社會計算、去中心化管理技術）、虛實空間交互與融合技術（拓展現實、電子游戲技術、腦機接口技術）等。元宇宙不宜稱為新技術，而是IT新技術的綜合運用。技術的進步與發展，將為元宇宙的實現和應用奠定堅實的基礎，同時元宇宙的發展也會促進現有技術的升級換代。最后，展望了元宇宙發展面臨的諸多挑戰，以清晰認識、理智決策、穩步探索元宇宙。工程科學學報. 2022 44(4): 744-756.

工業場景下基于深度學習的時序預測方法及應用

李瀟睿, 班曉娟, 袁兆麟, 喬浩然 — 2022-04-02

李瀟睿, 班曉娟, 袁兆麟, 喬浩然為了系統性地歸納工業場景下時序預測方法及應用，首先介紹了統計學習、集成學習、深度學習三類時序預測算法，并圍繞工業數據分析與決策問題，重點分析了循環神經網絡、卷積神經網絡、編碼?解碼器模型三類深度學習模型的優缺點及適用的工業應用場景。為了清晰全面地評估模型性能，介紹了面向點預測、序列預測問題的統計指標和誤差計算方法。同時，整理了經典的公開工業數據集，以便研究者快速評估算法性能。并以過程工業中的采礦、冶金為例，介紹了時序預測方法在真實工業場景下的應用和效果。最后，總結了工業領域中應用深度學習技術所面臨的低穩健性和弱可解釋性等問題，并探討了工業場景下時序預測方法研究的未來發展方向。工程科學學報. 2022 44(4): 757-766.

仿生撲翼飛行器風洞實驗研究進展

付強, 張祥, 趙民, 張春華, 賀威 — 2022-04-02

付強, 張祥, 趙民, 張春華, 賀威仿生撲翼飛行器的設計靈感來源于自然界中的鳥類、昆蟲和蝙蝠的飛行模式，通過機翼的主動運動來產生飛行所需要的升力和推力。仿生撲翼飛行器具有隱蔽性好、機動性強等優點，成為近年來國內外飛行器研究的重點。但是仿生撲翼飛行器研究涉及到低雷諾數、非定常空氣動力學等問題，與常規固定翼飛行器有很大的不同。仿生撲翼飛行器的研究方法一般分三種：氣動計算、風洞實驗和外場試飛。氣動計算方面，非定常氣動設計優化理論與方法目前仍存在不足；外場試飛的方法無法精確測量出飛行器復雜的氣動力，難以對飛行器進行定量分析研究；風洞實驗由于可以模擬飛行時的真實情況，獲得的數據較為真實可靠，且可以定量分析研究，成為目前研究仿生撲翼飛行器非常有效的方法。國內外研究人員利用風洞進行了大量針對仿生撲翼飛行器的實驗研究。在介紹了風洞組成和分類的基礎上，詳細闡述了仿鳥和仿昆蟲撲翼飛行器風洞實驗的研究現狀，最后對仿生撲翼飛行器風洞實驗未來可能的研究方向給出了建議。工程科學學報. 2022 44(4): 767-779.

協作機器人智能控制與人機交互研究綜述

黃海豐, 劉培森, 李擎, 于欣波 — 2022-04-02

黃海豐, 劉培森, 李擎, 于欣波協作機器人是一類能夠在共享空間中與人類交互或在人類附近安全工作的新型工業機器人，由于其輕質、安全的特點，在柔性制造、社會服務、醫療健康、防災抗疫等多個領域展現出了良好的應用前景，受到工業界和學術界的廣泛關注，成為當前機器人領域的研究熱點之一。協作機器人需要具備良好的控制性能確保與人交互的安全性，集成多種傳感器感知外部環境并應用智能控制理論與方法來確保高效的協作行為。在我國，人機協作已列入《智能制造2025》和《新一代人工智能發展規劃》重點支持研究計劃。本文主要介紹了國內外幾款常見的協作機器人，機器人基于感知信息的控制、高精度跟蹤控制、交互控制等智能控制方法，并圍繞機器人與人執行協作任務的高效性，對機器人的人類意圖估計和技能學習方法進行了討論。最終對協作機器人未來的發展方向進行了展望。工程科學學報. 2022 44(4): 780-791.

基于交替方向網絡進化博弈的無人機集群任務分配

彭雅蘭, 段海濱, 魏晨 — 2022-04-02

彭雅蘭, 段海濱, 魏晨大規模無人機集群相較于單架無人機，可承擔更為復雜的“1+1>2”的任務，其中無人機集群任務分配是一個關鍵性挑戰技術難題。針對無人機集群任務分配問題，本文提出了一種基于交替方向網絡進化博弈算法。首先，考慮無人機集群異類資源約束和執行能力因素，給出了無人機集群任務分配的數學公式描述，并基于網絡進化博弈構建了無人機集群任務分配博弈模型。其次，結合單架無人機的能力特性與任務集特征，利用交替方向策略求解單機局部最優執行效能。將無人機定義為博弈參與者，無人機集群任務分配問題轉化為求解網絡進化博弈納什均衡，每架無人機通過與鄰域內個體的信息交互來調整自身策略，可實現無人機集群任務分配全局任務收益的最大化。最后，通過仿真對比實驗和無人機集群三維態勢綜合驗證平臺實驗，驗證了本文所提出方法的可行性和有效性。工程科學學報. 2022 44(4): 792-800.

鋼鐵行業低碳技術應用現狀與展望

邢奕, 崔永康, 田京雷, 蘇偉, 王偉麗, 張熙, 劉義, 趙秀娟 — 2022-04-02

邢奕, 崔永康, 田京雷, 蘇偉, 王偉麗, 張熙, 劉義, 趙秀娟在總結了國外低碳排放項目和國內各大鋼企的碳達峰與碳中和的技術節點和低碳技術手段的基礎之上，從碳減排、碳零排和碳負排三個層次劃分梳理當今鋼鐵行業的眾多低碳技術，并對各個低碳技術的碳排放削減量、成熟度和推廣時間進行歸納。在碳減排方面，通過優化工藝和流程再造減少鋼鐵行業生產過程中的二氧化碳排放，如高爐爐頂煤氣循環技術；在碳零排方面，利用氫氣或清潔電能減少或者替代高二氧化碳排放因子煤炭/焦炭的使用，從源頭上降低二氧化碳的排放，如氫冶金技術；在碳負排方面，主要從高碳排放強度高爐煉鐵工序進行二氧化碳捕集，分別在鋼廠內進行自身綠色循環利用和在廠外進行化工聯產制造高附加值化工產品（如甲醇乙醇等），對靠近油田的鋼材實施二氧化碳地質封存，在末端上降低二氧化碳的排放。工程科學學報. 2022 44(4): 801-811.

二氧化硅納米流體強化對流換熱研究進展

陳真真, 陳洪強, 黃磊, 張永海, 郝南京 — 2022-04-02

陳真真, 陳洪強, 黃磊, 張永海, 郝南京隨著半導體技術和電子技術的快速發展，高集成化和高性能化的微電子器件在航空航天、能源、醫療和汽車工業等領域發揮著越來越重要的作用。為了避免出現高熱流密度引起的器件高溫失效問題，對微電子器件進行有效熱管理是非常關鍵的。傳統的風冷和液冷技術不僅功耗高而且散熱效率低，嚴重影響了器件的穩定性和可靠性。近年來，國內外研究者提出了多種新型被動式和主動式強化換熱技術。其中，納米流體強化換熱技術由于成本低、操控靈活和形式多樣性的特點，受到了廣泛的關注。特別是對于二氧化硅納米顆粒，良好的機械和化學穩定性、豐富的結構形式和多樣化的合成方法等優勢引起了研究者極大的興趣。目前，二氧化硅納米流體在導熱、對流和輻射傳熱方面都有顯著的強化性能。以電子器件液冷技術為背景對二氧化硅納米流體在強化對流換熱的研究進展進行了系統綜述，首先介紹了二氧化硅納米流體的性質和制備方法，然后討論并總結了二氧化硅納米流體在單相對流（自然對流和強制對流）和相變對流（池沸騰和流動沸騰）領域的研究現狀，最后強調二氧化硅納米流體對流換熱技術存在的問題以及未來發展的方向，為建立高性能納米流體液冷換熱技術體系提供相應的思路和參考。工程科學學報. 2022 44(4): 812-825.