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2020年 第26卷 第4期    刊出日期：2020-08-30

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2020年第26卷第4期 电子期刊

2020, 26(4):  491-680. 

摘要 ( 3 )   PDF (64149KB) ( 80 )  

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特邀综述

光催化去除水体中重金属离子的研究进展

许振民, 施利毅

2020, 26(4):  491-505.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2245

摘要 ( 1459 )   HTML ( 1280)   PDF (2292KB) ( 257 )  

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重金属污染的治理是环境问题的重点和难点。光催化技术为重金属的去除提供了一条绿色、可持续的途径。二氧化钛由于独特的光、电化学性能,被视为最适合的光催化剂。然而,由于带隙大、载流子复合速率高等缺陷,限制了其在可见光和自然太阳光下的应用。全面总结了二氧化钛在水体中重金属去除的最新进展,分析了表面修饰、金属和非金属掺杂、固载化、半导体复合等改性技术对重金属去除效率的影响,并对反应机理进行了讨论。最后,对光催化去除重金属的研究现状和存在的问题进行了评述。

研究论文

Nested 阵列宽带 LFM 信号二维DOA 估计

李小琳, 张文俊

2020, 26(4):  506-517.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2183

摘要 ( 1171 )   HTML ( 30)   PDF (986KB) ( 141 )  

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Nested 阵列以其大阵列孔径和更多自由度的优点,成为近期研究的热点。但大多集中在对窄带、平稳信号的波达方向(direction-of-arrival, DOA)估计,针对宽带信号,特别是非平稳宽带信号的研究较少。本工作基于分数阶傅里叶变换,应用 DOA 矩阵方法,提出一种 Nested 阵列二维测角算法,不需进行二维非线性搜索和参数配对,可实现对宽带线性调频信号的空间波达角精确估计。仿真结果验证了该算法的优越性。

逻辑内建自测试双重过滤测试点选取策略

董承梁, 张金艺, 卿培

2020, 26(4):  518-526.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2067

摘要 ( 912 )   HTML ( 19)   PDF (843KB) ( 93 )  

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为有效改善逻辑内建自测试(logic built-in self-test,LBIST)因使用伪随机向量发生器生成测试图形,而导致相关应用芯片故障覆盖率指标较低的问题,便于控制、较易调整的测试点插入(test point insertion,TPI)技术被广泛应用。然而,在 TPI 的测试点选取过程中通常基于“故障覆盖率优先”准则,进而使部分测试点面积开销过高。针对此问题,通过对现有主流选取策略的分析,提出一种应用于 LBIST 的双重过滤测试点选取策略。该策略首先通过预过滤,获得高故障覆盖率/低面积开销的单一测试点集,以保障 TPI 整体质量;其次,通过全局测试点滤取,滤除故障覆盖高度重合的单一测试点,完成符合边界条件的 TPI。实验表明,该策略与目前较新颖的紧凑型单元感知测试点选取策略相比,故障覆盖率提升 4.15%,减少测试面积开销 5.72%,充分证明该策略在提高故障覆盖率和减小测试面积上的优势。

高灰阶硅基 OLED 微显示器的递归扫描算法

沈文心, 冉峰, 郭爱英, 沈华明

2020, 26(4):  527-537.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2079

摘要 ( 947 )   HTML ( 29)   PDF (1768KB) ( 99 )  

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硅基微显示器正向着高灰度、高帧率方向发展,而传统的扫描算法存在时间冗余问题。通过对数字脉宽调制扫描算法、灰度权值扫描算法及子场扫描算法进行研究,对微显示的扫描进行分析,建立了一种递归扫描模型,并推导出递归扫描算法在任意比特位的扫描结构。通过数学模型将扫描过程抽象为矩阵的形式,其原理是将整个显示空间分为多个子空间,充分利用数据传输过程中的等待时间使传输效率达到 100%。经现场可编程逻辑门阵列（field programmable gate array,FPGA） 硬件平台验证,在时钟频率 50 MHz、256 级灰阶下采用递归扫描算法可使转换效率达到 100%,同时帧率可达 85 Hz,基本可以满足高灰阶微显示器中帧率和灰度高、时钟频率低的要求。该扫描算法不仅可以运用在微显示器的图像数据传输,也可以运用在平板、大屏显示等领域。

碲锌镉表面钝化层深度剖析及钝化工艺优化

张滢, 闵嘉华, 梁小燕, 刘兆鑫, 李明, 张继军, 张家轩, 张德龙, 沈悦, 王林军

2020, 26(4):  538-543.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2057

摘要 ( 978 )   HTML ( 28)   PDF (1021KB) ( 147 )  

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采用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy,SEM）、X 射线光电子能谱 (X-ray photoelectron spectroscopy,XPS) 和电流-电压 (current-voltage, I-V)曲线等测试方法,分析了 CdZnTe 晶片两步溶液法钝化工艺参数对晶片的表面形貌、表面成分和电学性能的影响。研究发现,两步溶液法的最佳钝化时间为 30 min,此时漏电流接近最小。CdZnTe 钝化后经 100 ℃、60 min 的热处理,金相和 SEM 显示钝化层表面的形貌更为均匀致密,XPS 深度剖析表明化学反应中间产物分解较为完全,TeO₂ 含量增多,I-V 测试显示热处理后漏电流减小较为明显,有效提高了探测器的性能。

复合分级结构的锐钛矿 TiO₂ 纳米花的合成及其光电性能

杨煌, 李祎, 王锐, 杨伟光

2020, 26(4):  544-551.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2087

摘要 ( 848 )   HTML ( 20)   PDF (1575KB) ( 86 )  

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半导体氧化物可用于染料敏化太阳能电池光阳极材料。一维纳米结构氧化物比球形纳米粒子具有更高效的电子传输和收集能力。然而,它们受制于因小的比表面积致使低的染料吸附量以及差的电子抽取能力的膜结构。采用一步水热法成功地合成了TiO₂ 纳米花,该纳米花为锐钛矿相并且是由纳米棒作为基本构成单元的复合分级结构。反应时间可以控制该结构的演化。反应时间对这种结构的 TiO₂  纳米花对染料分子的吸附能力有较大影响。最高的电池效率(7.29%)是使用 70 h反应条件下合成的 TiO₂ 纳米花所获得的。

镁铝复合金属氧化物负载钌纳米颗粒催化HMF 选择性氧化制 FDCA

王凌晨, 谌春林, 张敏

2020, 26(4):  552-561.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2064

摘要 ( 1271 )   HTML ( 27)   PDF (2910KB) ( 167 )  

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采用水热-氢气还原法合成了镁铝复合金属氧化物负载 Ru 纳米颗粒催化剂,利用 X 射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)、透射电镜(transmission electron microscope,TEM)、N₂ 物理吸附、CO₂-程序升温脱附(CO₂-temperature programmed desorption,CO₂-TPD)、电感耦合等离子体发射光谱(inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy,ICP-OES)等表征手段对催化剂进行结构、形貌和组成分析。结果表明,镁铝物质的量之比 n(Mg):n(Al)=5:1 的催化剂载体具有最强的碱性(142.81 mmol·g^-1)和较大的比表面积(97.0 m²·g^-1),有利于负载高分散的 Ru 纳米颗粒。在最佳反应条件(120 ℃、2 MPa O₂、5 h)下,负载量为 2.0% 的 RO-5 催化剂能够高效催化 5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,HMF)氧化制备 2,5-呋喃二 甲酸(2,5-furandicarboxylic acid,FDCA),HMF 转化率和 FDCA 产率分别达到 100.0% 和 99.0%。条件优化实验进一步证实,HMF 催化氧化的反应路径为生成 2,5-呋喃二甲醛(2,5-diformylfuran,DFF)和 5-甲酰基-2-呋喃甲酸(5-formyl-2-furancarboxylic acid, FFCA)中间产物的过程。

Ca 对氧化铝晶界处氧空位扩散的活化机理

马帅, 李拥华, 高裕博

2020, 26(4):  562-569.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2220

摘要 ( 993 )   HTML ( 27)   PDF (1578KB) ( 113 )  

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通过第一性原理方法计算了 alpha-Al₂O₃的∑3(1010)晶界处 Ca 偏析对时氧空位(oxygen vacancy, VO)形成能和扩散势垒的影响。Ca 偏析到晶界处的稳定位置后,Ca 附近 VO 的形成能为 3.05~4.04 eV,比没有掺杂的晶界处 VO 的形成能降低了 2.5 eV 以上;Ca 附近 VO 扩散的活化能为 2.30 eV, 与没有掺杂的晶界相比,降低达 1.8 eV. 随着晶界处 Ca 浓度的升高,晶界附近的晶格发生明显膨胀,电荷平衡进一步被打破,VO 的形成能降低至 -1.43 eV,扩散的活化能进一步降低至 1.27 eV。 Ca 掺杂对 alpha-Al₂O₃ 晶界有活化的作用,促进晶界处的 VO 的形成和扩散。

水溶性苝酰亚胺化合物电子转移与长寿命自由基阴离子的生成

程正敏, 张俊, 邢菲菲, 朱守荣

2020, 26(4):  570-577.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2218

摘要 ( 1083 )   HTML ( 26)   PDF (1145KB) ( 161 )  

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利用紫外可见吸收光谱研究了一种结构新颖的以聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)链为取代基的水溶性苝酰亚胺化合物N,N'-二(聚乙二醇)-1-(4-巯基苯)苝酰亚胺(N,N '-Di(polyethylene glycol)-1-(4-mercaptobenzene)-perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic diimide, BFL)的聚集行为,溶剂极性、表面活性剂对聚集行为有显著影响。结果表明：在水溶液中BFL在530 nm只出现一个与单体聚集体比例相关的特征峰;浓度增加,溶液中聚集体比例增加不明显;而有机溶剂和表面活性剂能够分散化合物,明显提高单体的数量。在水溶液中硫化钠使BFL发生电子转移反应,能够捕捉到超长寿命的中间产物一价阴离子自由基,之后BFL进一步被还原为二价阴离子。这种能够在还原反应中产生超长寿命自由基的特性使BFL成为优异的n型材料。

锂离子电池负极中一步球磨硅碳材料的应用

陈思, 张勇, 张雪倩, 吕丽萍

2020, 26(4):  578-585.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2059

摘要 ( 1217 )   HTML ( 35)   PDF (1972KB) ( 163 )  

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近年来,硅基类材料的高理论比容量使其在能源存储尤其锂离子电池电极材料的应用受到了广泛的关注。通过简单的高能球磨法制备了硅碳（Si/C）复合材料,同时对比了采用不同硅碳比例进行球磨后的复合材料的形貌及性能情况。球磨 Si/C 复合材料在作为锂离子电池负极时展现了较好的电化学性能,与碳的复合有效抑制了合金硅材料在充放电过程中由于体积膨胀导致的容量快速衰减,同时,碳硅的混合比例对其电化学性能也起到了较大的影响。通过简单一步球磨方法和调控硅碳比例制备高循环稳定性和高容量的改进方式为硅基类材料在锂离子电池中的实际应用拓展了更大的空间。

中空硅球/石墨烯复合材料制备及电化学性能

高阳, 蒋永, 焦正

2020, 26(4):  586-594.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2056

摘要 ( 899 )   HTML ( 23)   PDF (2159KB) ( 142 )  

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锂离子电池中硅基负极材料具有极高理论容量和低充放电电压平台,作为代替石墨的最佳负极材料,成为当下研究中热门的锂电池负极材料。设计中空硅球/石墨烯复合材料,H-Si 球与氧化石墨烯水热条件下形成三维多孔石墨烯气凝胶内嵌硅球复合物（H-Si/GA）,H-Si 球与聚二烯丙基二甲基氯化铵（poly dimethyl diallyl ammonium,PDDA）功能化的氧化石墨烯溶剂热条件下静电吸附形成包覆状复合物（H-Si/G）。借助结构表征和电性能测试,硅球与石墨烯紧密包覆状的 H-Si/G 展示出更佳的电性能。中空硅球由于静电吸附作用嵌入石墨烯纳米片中,石墨烯牢牢固定硅球,构建了稳定的导电通道,缓冲体积膨胀,并保持电极结构稳定。硅球内部的空隙空间为体积膨胀预留足够缓冲空间,缩短了电子和离子传输通道。

丁字路口车辆 U 形转向的元胞自动机模型

袁定强, 郭明旻, 张鹏, 林志阳, 房锐

2020, 26(4):  595-605.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2107

摘要 ( 1054 )   HTML ( 23)   PDF (3832KB) ( 53 )  

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基于丁字路口左半部分车道建立了双向六车道道路系统,考虑 U 形转向车道位于左车道和中车道两种情况。将直线道路和转向道路按车辆实际行驶轨迹交错划分元胞,引入红绿灯,以 NaSch 模型为基础进行模拟仿真,再统计各车道流量进行分析。结果表明,U 形转向车道位于左车道时有利于 U 形转向车辆通行,位于中车道时有利于右方左转车辆通行,但对驶向路口三车道流量影响较大。

发动机爆震室气相化学反应机理及爆轰波性质的数值研究

饶飞雄, 丁珏, 翁培奋, 李孝伟

2020, 26(4):  606-616.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2216

摘要 ( 1028 )   HTML ( 20)   PDF (1243KB) ( 124 )  

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爆轰波结构中存在气体动力学和化学反应的非线性强耦合作用。针对二十步基元反应模型和基于敏感性分析简化的九步反应模型,结合二维欧拉方程,采用 Roe 格式求解对流项、二阶迎风格式进行插值,对脉冲爆震发动机爆震室内 H₂/O₂ 爆轰过程进行数值研究,获得了与爆轰经典 CJ 理论和实验结果较为一致的爆轰参数,表明采用带有化学反应的模型是可行的。通过数值分析爆轰波胞格的精细结构,得出：相比于九步基元反应模型,二十步的基元反应模型能较为准确地描述三波点的碰撞和演化,更好地解释反应区与入射激波的解耦,而与马赫干强耦合现象。基于二十步基元反应模型数值讨论了爆震室中添加惰性气体 Ar 对反应的稀释作用,以及气相初始压强降低对氢氧混合气体爆轰性质的影响。

有限系统中两组分颗粒凝并问题的异权值蒙特卡罗模拟

左昊, 沈杰, 卢志明

2020, 26(4):  617-627.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2055

摘要 ( 769 )   HTML ( 18)   PDF (1442KB) ( 55 )  

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对于两组分颗粒系统,某组分 A 在整个颗粒群中的混合均匀程度是一个非常重要的物理量。采用异权值蒙特卡罗方法研究有限系统中凝并核与组分相关的两组分颗粒凝并混合程度问题。首先,验证了核函数齐次性指数 lambda 对系统凝并混合的影响,并得到了有限系统中分散指数与 lambda 的变化规律。其次,发现并总结了有限系统中考虑不同组分间吸引或排斥作用时颗粒凝并混合规律：临界时间之前系统在吸引排斥因素以及核函数的共同作用下发生颗粒凝并,且排斥作用的影响远远大于吸引作用的影响;临界时间之后系统在核函数的单独作用下进行颗粒凝并,排斥或吸引作用的影响可以忽略不计。最后,拟合得到了临界时间与吸引排斥指数 alpha 的幂函数关系,以及临界时间与齐次性指数 $\lambda$ 的指数函数关系。研究结果对药物混合工业过程的设计具有一定的理论指导意义。

膨润土-碳酸钙混合物的力学特性

秦爱芳, 傅贤雷, 阮坤林, 贾旭

2020, 26(4):  628-639.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2066

摘要 ( 1117 )   HTML ( 40)   PDF (2291KB) ( 105 )  

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通过在膨润土中掺入不同量的 CaCO₃ 模拟高放射性核废料(high-level radioactive waste,HLW)处置库周围地 下水侵入屏障生成 CaCO₃ 后膨润土性状的变化。通过配置 4 组不同 CaCO₃掺入量的膨润土进行了有荷膨胀试验、压缩试验和直剪试验,运用太沙基一维固结理论计算了渗透系数,并采用扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)对样本进行了微观分析。结果表明：最终膨胀率与竖向应力、CaCO₃含量有关,竖向应力越大, CaCO₃ 含量越高,最终膨胀率越小;压缩指数随 CaCO₃含量的增大而小幅下降;随着 CaCO₃ 含量的增多,膨润土-碳酸钙混合土渗透性变差;非饱和样的抗剪强 度随 CaCO₃含量变化存在一个峰值,黏聚力先增后减,饱和样则相反;电镜扫描图显示,CaCO₃ 的掺入填充了膨润土中的孔隙,使其结构更加 致密。

预应力工字型围护桩接头的抗剪性能

赵慧玲, 王振江

2020, 26(4):  640-650.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2217

摘要 ( 719 )   HTML ( 20)   PDF (4222KB) ( 81 )  

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预制桩为标准化长度,合理可靠的拼桩接头可促进预制围护桩的推广应用。采用翼缘 L 型钢板-钢连接板-高强螺栓的接头形式连接预应力混凝土预制工字型桩端,通过剪切试验研究了该接头的剪切破坏模式及抗剪承载能力,并建立有限元模型对接头的剪切破坏过程进行了数值模拟,在试验验证的基础上,采用有限元分析方法研究了混凝土强度、连接钢板强度、预应力混凝土(prestressed concrete, PC)钢棒数量对桩接头抗剪承载力的影响。研究结果表明：考虑塑性损伤的三维精细化数值模拟结果与试验结果吻合较好;随着剪切荷载的增加,接头处顶、底部的连接钢板及顶部 PC 钢棒先于其他部位屈服;改变混凝土强度和顶部的纵向 PC 钢棒数量,可显著改变接头的抗剪承载力; 而改变连接钢板屈服强度,对承载力影响并不明显。

周期性裂缝灌浆对电渗处理淤泥软土的影响

刘飞禹, 周杰, 王军, 李玲玉

2020, 26(4):  651-661.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2219

摘要 ( 664 )   HTML ( 16)   PDF (1076KB) ( 43 )  

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电渗过程中由于土体裂缝的开展导致土体电阻增大、电渗效率降低,裂缝灌浆是解决这个问题的方法之一。在等电势梯度的前提下,设计了 5 组一维固结电渗对比试验,并采用质量分数为 1.5% 的 NaOH 溶液进行裂缝灌浆,通过对比不同频率下电渗试验的排水量、排水速率、沉降等数据,分析了灌浆频率对电渗加固效果的影响。结果表明,裂缝灌浆能明显提高电渗加固的效果;试验存在最优灌浆频率,且当采用最优频率时,可延长电渗通电时间,使得土体含水量和有效排水能耗降到最低。

多项式  X^2m-1 在环 Z_(2m-1)^k上的因式分解

杨建生, 孙亚南

2020, 26(4):  662-670.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2053

摘要 ( 4 )   HTML ( 1)   PDF (304KB) ( 1 )  

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研究多项式 X^2m-1 在环 Z_(2m-1)^k 上的不可约因式分解,其中 2m-1 为素数,并给出 X^2m-1 不可约因式系数之间的约束关系,以及 m=4、6 时 X^2m-1-1 的不可约因式分解。

Stokes 问题形状优化中自适应水平集方法的应用

段献葆, 党妍, 秦玲

2020, 26(4):  671-680.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2212

摘要 ( 743 )   HTML ( 20)   PDF (1895KB) ( 84 )  

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提出了一种基于水平集的自适应网格方法,并将其应用于求解由 Stokes 方程控制的不可压缩流体阻力最小问题。推导出了目标泛函的形状灵敏度分析。在优化过程中,采用在整个计算区域上定义的用于演化水平集函数的均匀粗网格和细网格。均匀的细网格是以水平集函数作为细化指标,由含界面的粗网格进一步划分得到,从而使得计算主要集中在界面附近。因此,与为实现相同数值精度把整个计算区域均匀细分的网格相比,该方法计算成本大大降低, 特别是边界上的形状导数值可以隐式求得,这在经典的形状优化设计问题中是一项非常困难的任务。