上海大学学报(自然科学版)

赵萌, 翟杨, 赵静, 赵荦, 张可欣, 葛彦, 李强, 褚晓波, 岳学峥, 罗宏杰

2025, 31(1): 1-13. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2648

摘要 ( 124 )

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陶瓷器长期埋藏在水下环境会发生物理、化学及生物腐蚀. 采用X 射线荧光(X-ray fuorescence, XRF) 光谱、扫描电镜-能量色散X 射线(scanning electron microscope-energy dispersive X-ray, SEM-EDX) 能谱、X 射线衍射(X-ray diffraction, XRD)、傅里叶变换红外(Fourier transform infrared, FTIR) 光谱和稳态荧光光致发光(photoluminescence, PL) 发射光谱分析等测试方法, 对长江口二号沉船出水的两件绿釉瓷样品的显微形貌与组成结构等进行了分析. 结果表明: 绿釉瓷样品是在由高温烧制的, 以石英和莫来石为主的白胎和透明瓷层表面施加低温绿色铅釉所制; 在长江口水下埋藏环境中, 绿釉层出现了主要由微生物和化学变化导致的腐蚀凹坑、裂隙延伸, 并形成了Pb(OH)Cl 等腐蚀产物, 这些腐蚀质导致釉层的裂纹扩展甚至贯通于绿釉层和透明瓷层的界面; 绿釉层裂纹区域以及瓷釉界面处含有 NaCl、CaCl₂、Na₂SO₄ 和CaSO₄ 等高吸湿性盐, 其渗透压和吸水作用加速了绿釉层的脱落; 微生物腐蚀、盐水溶液的渗透压等作用是加速绿釉层脱落的原因.

基于稳定扩散模型的水下沉船探测

魏成伟, 周星宏, 李小毛

2025, 31(1): 14-27. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2562

摘要 ( 101 )

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基于侧扫声呐的水下沉船自主探测是水下考古的重点研究方向. 水下目标的稀缺性阻碍了目标检测模型的训练. 为了解决这一问题, 使用基于稳定扩散模型的人工智能生成内容技术来补充稀缺的侧扫声呐沉船实例, 通过比较多种生成式技术的效果, 论证了人工智能生成内容技术在水下沉船探测领域的潜力. 基于该技术, 提出一种无需额外光学数据和人工标注的数据增强方法, 称作自动扩散生成, 可用于实现高精度的水下沉船探测. 基于YOLOv8n, 运用该方法训练的检测器在沉船探测任务中达到95.0% 的精度和96.3% 的召回率, 超出仅使用原始数据训练的检测器1.5% 和1.8%; 基于Faster RCNN, 该方法可以同样促进水下探测的效果, 达到94.8% 的精度和97.3% 的召回率.

基于层次分析法和主成分分析法的石窟砂岩风化程度评估

黄继忠, 赵杰, 程远, 甘志鑫, 胡金帅, 张悦

2025, 31(1): 28-42. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2644

摘要 ( 108 )

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砂岩质石窟是典型的石窟类型之一, 在长期自然环境和人类活动的双重作用下, 均面临不同程度的风化问题. 已有研究多采用单项检测技术评估石窟砂岩的风化程度, 但单项指标往往难以全面反映真实的风化状况. 为克服这一局限性, 开展了不同环境下的模拟风化试验,制备了不同风化程度的砂岩样品, 并选取质量、超声波速、磁化率和化学元素含量等多个指标,分别对样品进行了表征. 基于层次分析法 (analytic hierarchy process, AHP) 和主成分分析法(principal component analysis, PCA), 从主观和客观两个层面分别对石窟砂岩的风化程度进行多指标综合评估. 研究结果表明, 对于不同风化类型和程度的砂岩样品, AHP 和 PCA 方法获得的综合风化程度评分具有较高的一致性. 与单项检测指标相比, 所提出的综合评价方法与砂岩的实际风化进程呈现更强的相关性, 为石窟砂岩风化程度的精确评估提供了可靠的新方法.

高价铁物种在环境修复中的应用:产生、识别和反应机制

李春阳, 张梦, 范淇峰, 王文兵

2025, 31(1): 43-57. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2559

摘要 ( 106 )

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目前, 高价铁物种 (high-valent iron species, HVIS) 在基于铁基催化材料诱导的高级氧化工艺 (advanced oxidation processes, AOPs) 处理各种污染水体方面展现出较好的应用前景. 然而, 已有的研究对 AOPs 中 HVIS 的产生、控制、识别的刻画还不够精细、明确, 且HVIS 对消除污染物的贡献程度和反应机制也缺乏条理性分析和综合性总结, 这对依靠高活性HVIS 的 AOPs 在实际应用中保持高性能长效修复效果会产生一定影响和限制. 因此, 重点讨论了基于铁基催化材料下 HVIS 的产生、控制, 获取其主控影响因素、HVIS 的识别手段及其与典型污染物反应机制, 以期为基于 HVIS 的 AOPs 在未来发展应用中提供理论支撑与参考.

CVI 过程中三向正交预制体孔隙结构的演变及气体扩散行为

肖佳文, 杨敏, 姚敏, 黄成杰, 李红, 任慕苏, 孙晋良

2025, 31(1): 58-67. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2541

摘要 ( 76 )

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为探究碳纤维预制体孔隙结构对碳/碳材料致密化效率的影响, 以织造参数不同的 3 种三向正交预制体为研究对象, 采用相同的化学气相渗透 (chemical vapor inﬁltration, CVI) 工艺致密化, 并研究气体在纤维束内、纤维束间孔隙中的扩散行为, 探究不同类型孔隙对增重速率的影响. 借助 ImageJ 软件计算 CVI 后 3 种预制体中纤维束内规则化模型孔隙的演变; 借助显微观测法获得预制体参数, 定量计算模型孔隙通道面积及气体扩散系数. 研究结果表明, 气体在纤维束内孔隙中扩散时, 前期发生Fick 扩散, 后期以Knudsen 扩散为主, 束内孔隙数量主要通过影响前期增重速率来影响孔隙填充; 纤维含量低的A3 预制体中束间孔隙率高, 孔隙截面积大, 具有更高的扩散系数, 束内单丝按同心圆式排列, 在 CVI 过程中易形成闭孔, 气体在纤维束间孔隙处主要发生 Fick 扩散, 扩散系数主要受扩散通道面积和孔隙率影响,并对后期增重速率产生影响.

WO₃ 薄膜的电致变色性能对 Al₂(SO₄)₃ 水溶液的浓度依赖性及其机制

钱小海, 李原野, 刘春雨, 吴建洋, 俞圣雯

2025, 31(1): 68-79. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2498

摘要 ( 71 )

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将 Al₂(SO₄)₃ 水溶液作为电解质, 研究了磁控溅射制备的 WO₃薄膜的电致变色性能. Al₂(SO₄)₃水溶液的浓度范围为 0.025∼0.005 mol/L. 研究发现: 随着浓度的降低, 光调制略有增加, 响应时间延长, 着色效率 (coloration eﬃciency, CE) 略有降低; 降低 Al³⁺浓度可显著提高循环寿命; 在 0.005 mol/L 浓度下电荷密度保留度 R(Q) 和光学调制保留度 R(∆T )是 0.025 mol/L 浓度下的 3 倍以上; 在 0.005 mol/L Al₂(SO₄)₃ 水溶液中, WO₃薄膜的电致变色性能最佳, 光学调制率为 76.3%, CE 为 80.14 cm²/C, 着色响应时间/褪色响应时间为10.6 s/13.6 s, 具有长期循环稳定性 (200 次循环后的光学调制保留度为 102.7%). 电化学阻抗谱 (electrochemical impedance spectroscopy, EIS) 分析结果表明, 当电荷转移速率高于离子传质速率时, 有利于 WO₃ 薄膜电致变色循环的稳定.

(Hf_0.25Zr_0.25Ta_0.25Nb_0.25)C陶瓷电子结构稳定性与力学性能的第一性原理计算

蓝盼盼, 刘斌

2025, 31(1): 80-93. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2328

摘要 ( 340 )

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基于密度泛函理论计算，研究了四元高熵碳化物陶瓷(Hf_0.25Zr_0.25Ta_0.25Nb_0.25)C和相应二元金属碳化物体系AC(A=Hf, Zr, Ta, Nb)的电子结构和力学性能。通过高熵化合物的热力学分析可知，(Hf_0.25Zr_0.25Ta_0.25Nb_0.25)C可以形成单相的固溶体。从力学性能参数可以得到，计算得到的参数遵循混合规则，(Hf_0.25Zr_0.25Ta_0.25Nb_0.25)C的维氏硬度大于组成其的四种二元碳化物的平均值；由(Hf_0.25Zr_0.25Ta_0.25Nb_0.25)C的泊松比ν值及G/B值可知，其与二元碳化物相似，为脆性材料。通过分析电子结构，发现它们均为导体。四元高熵碳化物(Hf_0.25Zr_0.25Ta_0.25Nb_0.25)C表现出导电性有所增加，其共价键主要是由C-p和A-d(A=Hf, Zr, Ta, Nb)轨道电子杂化形成，由于碳化物中共存化学键的不均性，进一步改善了材料的力学性能。

高通量小样品 CuCrZr 合金电弧熔炼工艺及微观组织

郑晨, 刘艳洁, 李学文, 余童昕, 胡涵, 刘轶

2025, 31(1): 94-104. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2545

摘要 ( 119 )

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高通量合金制备实验系统通过多工位、小样品的自动化合成, 可以降低单个样品的制备时间和成本, 提高材料的合成效率. 为了阐明新型高通量合金制备的工艺和微观结构特点,使用自主设计的高通量自动电弧熔炼系统制备了 CuCrZr 小样品合金, 优化电弧熔炼的工艺参数, 探究合金元素收得率, 并考察其微观组织形貌. 研究结果发现, 在熔炼电流为 200 A 时铜合金样品的烧损稳定、铸锭质量较好, 并根据 Cr 和 Zr 烧损情况拟合了相应元素的收得公式. 选取3 种典型成分铜合金(低Cr 高Zr、低Cr 低Zr 和高Cr 低Zr) 的铸态组织进行分析,发现合金铸锭组织中心区域为粗大柱状晶, 铜坩埚底部靠近水冷区域存在薄的细晶层. 铸态CuCrZr 合金中析出相分布在枝晶间隙, 富Cr 相为(Cu+Cr) 共晶相, 富CuZr 相为Cu₅₁Zr₁₄和 Cu₅Zr, 与相图和文献报道一致. 性能测量表明, 合金元素的添加能够提高合金的硬度, 但降低了其电导率. 证明了高通量小样品合金制备的可行性和有效性, 为其推广到常规样品制备和工业化生产提供了参考依据.

改进静电植绒法制备沥青基碳纤维垂直排列高导热热界面材料

武美霞, 欧阳江坤, 侯梦迪, 洪建婷, 丁鹏, 王金合

2025, 31(1): 105-114. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2571

摘要 ( 138 )

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利用二次静电植绒和底膜收缩的方法, 成功制备致密垂直排列的沥青基碳纤维/硅胶复合热界面材料. 研究了改进静电植绒法对导热材料的密度、垂直度、导热系数及传热效果的影响. 结果显示, 在相同植绒时间下, 二次植绒的沥青基碳纤维植绒密度和垂直排列状态明显优于一次植绒的沥青基碳纤维. 在二次植绒的条件下进行底膜收缩, 当底膜收缩率为 33% 时,热界面材料的垂直导热系数可达 27.4 W/(m·K). 所制备材料展现出良好的垂直导热性能, 所采用的制备工艺具有良好的工业放大可能性, 具有在电子芯片散热领域发展的潜力.

离子能量对 IBAD-MgO 双轴织构的影响

瞿天睿, 韩超, 高波, 白传易, 李敏娟, 彭思思, 周迪帆, 蔡传兵

2025, 31(1): 115-121. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2503

摘要 ( 76 )

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采用离子束辅助沉积 (ion beam-assisted deposition, IBAD) 技术在非织构的金属基带上沉积双轴织构的 MgO 薄膜, 研究了不同 Ar⁺ 离子束流能量对 MgO 双轴织构和表面形貌的影响. 结果表明: 在 700∼1 000 eV 离子能量范围内, MgO 薄膜的双轴织构随离子能量的增加而改善; 在 1 000 eV 离子能量下, IBAD-MgO 薄膜的面内半高全宽 (full-width at half-maximum, FWHM) ∆ϕ 和面外 FWHM ∆ω 分别为 6^◦和 2^◦; 随着离子能量的增加, MgO 薄膜的表面形貌并无明显区别, 其表面粗糙度(5 µm×5 µm) 均方根(root mean square, RMS) 均在 5∼6 nm. 该研究证明了较高的 Ar⁺ 离子束能量可以提高 IBAD-MgO 薄膜的织构质量, 对于双轴织构薄膜的稳定制备具有重要意义.

高熵改性氧化锆陶瓷相变与光吸收性能

张燕, 彭雨晴, 张方舟, 王启帆, 宁立新, 李爱军

2025, 31(1): 122-133. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2542

摘要 ( 84 )

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通过高温烧结法制备了一组含 Ce、Al、Y 和 Si 元素的氧化锆基高熵陶瓷, 并对其相结构转变和光吸收特性等方面进行研究. X 射线衍射仪 (X-ray diﬀractometer, XRD) 测试结果表明, 样品能在 1 450 › 下完成立方氧化锆相的转变; 扫描电子显微镜 (scanning electron microscope, SEM) 测试结果表明, 掺杂后的氧化锆基陶瓷颗粒出现晶粒细化, 最小平均晶粒尺寸达 234 nm; X 射线光电子能谱 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 结果表明, 氧空位浓度与 Ce∶Zr 原子比呈正相关. 烧结后的样品抗弯强度最大可达 130.32 MPa, 孔隙率最低至 0.15%, 可见吸收光范围最大为 513 nm, 掺杂后最小禁带宽度达 2.97 eV.

纳米多孔铜银双金属的制备及其 SERS 性能

吴琳, 张玲, 潘登

2025, 31(1): 134-142. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2585

摘要 ( 88 )

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纳米多孔双金属不仅具有独特的三维纳米结构, 还可提供双金属协同光学特性, 成为表面增强拉曼散射 (surface-enhanced Raman scattering, SERS) 的良好候选材料. 以锆铜银非晶合金为前驱体, 采用脱合金工艺制备纳米多孔铜银双金属 SERS 基底. 具有均匀纳米孔隙的基底表现出优异的 SERS 性能, 对罗丹明 6G(rhodamine 6G, R6G) 和结晶紫 (crystal violet, CV) 的检测限分别达到10⁻¹⁶ 和10⁻¹⁰ mol/L. 同时, 所制备基底具有良好的均匀性和稳定性. 简单、高效、低成本纳米多孔铜银的制备为高性能 SERS 基底的实现提供了新思路.

受泥浆浸泡影响的钢筋混凝土黏结特性试验研究

陈逸伟, 李东, 庄欠伟, 张弛

2025, 31(1): 143-156. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2405

摘要 ( 95 )

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为了探究地下连续墙支护结构的稳定性是否会受泥浆浸泡影响后钢筋混凝土握裹力的影响, 以苏州河段深层排水调蓄管道系统工程为背景, 基于自研的大载荷中心拉拔试验装置和自下而上的泥浆替换方式, 采用大尺寸试样和与实际工程相同的混凝土和浆液配比进行拉拔破坏性试验. 通过分析钢筋、玻璃纤维筋与混凝土界面的黏结特性, 揭示浇筑方式、黏结长度、主筋材质等因素对 2 种浇筑环境下钢筋、玻璃纤维筋与混凝土界面黏结强度的影响规律.结果表明: 正常环境与浸泡在护壁泥浆 2 种不同环境下浇筑试块混凝土抗压强度均值差距在3% 以内; 对于钢筋和玻璃纤维筋, 两种环境下的荷载-位移曲线均有所差异, 其中钢筋和玻璃纤维筋界面荷载-位移曲线均可以分为弹性变形阶段、塑性变形阶段和破环阶段; 受泥浆浸泡影响后的握裹力均小于正常浇筑环境下的握裹力, 随着黏结长度的增加, 泥浆对于钢筋-混凝土界面握裹力的影响程度逐渐变大, 而对于玻璃纤维筋-混凝土界面握裹力的影响程度逐渐减小, 其中泥浆浸泡后的平均黏结强度显著减小, 钢筋减小了 19.2%, 玻璃纤维筋减小了 44.5%,且泥浆浸泡影响后的滑移值小于正常环境下的滑移值; 试样表面产生的裂纹形式分为径向裂纹、圆形裂纹及周边试块掉落, 且裂纹的形成主要集中在正常浇筑环境下.

基于图像技术的砂质边坡剪切带形成机制研究

郭宇轩, 陆烨, 熊超

2025, 31(1): 157-170. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2402

摘要 ( 89 )

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为探究边坡受荷破坏时的剪切带形成机制, 设计室内模型试验. 模型试验采用数字图像相关 (digital image correlation, DIC) 技术, 表征和分析砂质边坡中剪切带的形成及边坡渐进破坏过程. 采用离散元软件 PFC3D 模拟模型试验, 对 DIC 计算结果进一步补充和验证.结果表明: 剪切带的发展是一个动态过程. 在加载初期, 剪应变区域分散在荷载周围. 随着加载的推进, 一些剪应变区域开始连接并形成多条剪切带, 而一些剪应变区域逐渐消失. 在 3/4T时刻左右 (T 为边坡达到极限承载力并发生破坏的时间), 多条剪切带转变为一条主剪切带, 主剪切带在 T 时刻前后延伸至坡面. T 时刻后, 滑移体的水平位移迅速增加, 表现为整体下滑.

基于图神经网络的基坑内支撑布置自动化设计与适配性分析

舒展, 秦亚洲

2025, 31(1): 171-181. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2539

摘要 ( 92 )

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软土基坑需内支撑设计, 而目前内支撑设计大多通过设计人员手动完成, 自动化程度较低. 在计算机智能化技术的推动下, 通过智能化设计可辅助提高该过程的效率. 为实现自动化设计方法在基坑内支撑中的初步应用, 提出了一种基于图神经网络 (graph neural network, GNN) 的基坑内支撑自动化设计方法. 首先, 建立了能合理表征梁柱拓扑连接关系的图表示方法与 4 类内支撑典型布置的数据集; 随后, 通过该数据集对图神经网络进行训练, 选取 3 种图神经网络模型学习柱间连接的特征, 以实现柱间梁连接的链路预测; 最后, 对某一拟建于上海的二级基坑进行梁连接链的自动识别, 并且通过有限元分析验证了该方法的适配性. 研究结果表明, 结合图神经网络的基坑内支撑自动化设计可以提供合理且高效的基坑内支撑布置, 同时满足设计与施工的规范要求.

基于模糊规划的应急医疗设施选址-多周期伤员后送优化

孙华丽, 常芊芊, 赵一

2025, 31(1): 182-196. doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2587

摘要 ( 91 )

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将震后伤员后送过程分为多个周期, 通过救护车与直升机联运的方式运送伤员. 考虑到不同周期伤员生存概率和心理成本变化, 采用三角模糊数描述伤员数量的不确定性, 以伤员生存概率最大化和心理成本最小化为目标, 建立应急医疗设施选址-多周期伤员后送模糊规划模型. 以汶川地震时都江堰市为例, 采用 Cplex 求解并进行敏感性分析. 结果表明: 在灾害前期优先运送重伤员, 中后期优先运送轻伤员, 可以更好地提高伤员生存概率并降低心理成本;用于紧急救治的运送车辆容量比后期治疗的转运车辆容量对伤员生存率的影响更大; 临时医院容量过小会造成轻伤员后送人数减少, 而后方医院容量过小会造成重伤员后送人数减少; 过多的医疗资源不再对伤员生存率和心理成本产生影响.

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