2024年, 第34卷, 第12期　刊出日期：2024-12-25

  

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  先进铜基复合材料的研究与发展

  肖 柱，丁燕军，王泽军，贾延林，姜雁斌，龚 深，李 周

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 3789-3821.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66641-0

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  铜基复合材料(CMCs)通过将纯铜与复合相的功能特性结合，展现出广阔的应用潜力。随着航空航天、微电子及智能终端技术的迅速发展，对具备优异力学和电性能CMCs的需求日益增长。本文综述了各种典型CMCs的设计原理、制备方法及组织与性能，总结了Cu基体中复合相的分布形态及其对显微组织演变和综合性能的影响，并深入探讨了其强化机制和机理。研究结果揭示了增强相与材料性能之间的内在关系，为开发综合性能更优的CMCs提供了重要的理论支持。最后，展望了CMCs的未来应用方向和发展趋势。
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  C/SiC复合材料中碳化硅及其改性涂层的研究进展

  戚武彬，吴佳琦，李 专，肖 鹏，段俊杰，李阳杰，庞 亮，高宗龙，朱佳敏，李 杨

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 3822-3845.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66642-2

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  碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料(C/SiC)以其优异的耐高温、耐腐蚀和抗氧化等性能成为关键的结构材料，但C/SiC复合材料在长期高温载荷条件下易发生氧化。本文综述了C/SiC复合材料表面SiC涂层及其改性涂层的研究进展，这些涂层的优化主要涉及结构和成分两个方面：结构优化的重点是通过SiC纳米线等改善界面 相结构，从而提高涂层之间以及涂层与基体之间的界面结合强度。成分优化的重点是通过稀土硅酸盐等成分来改善涂层在高温载荷下的性能等。重点介绍了各种改性涂层的改性策略，有助于指导未来高性能C/SiC涂层材料的制备。
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  溶质原子过饱和度及再析出对选区激光熔化Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金显微组织和力学性能的影响

  邓 英，赖 毅，陈嘉顺，许元浩，曹俊昌，黄瑞银，段佳琦

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 3846-3861.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66643-4

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  通过选区激光熔化技术制备一种新型Al-4.87Mn-1.42Mg-0.63Sc-0.25Zr(质量分数, %)合金，研究合金 时效前后的显微组织和力学性能。结果表明：在300 W的激光功率下，随着激光扫描速度从700 mm/s增至1500 mm/s，合金的力学性能提高，与此同时，点阵畸变从0.15%增至 0.31%，溶质原子过饱和程度增加。在1500 mm/s的激光扫描速度下，选区激光熔化合金的屈服强度、极限抗拉强度和伸长率分别为356 MPa、412 MPa 和17.7 %。经350 ℃时效8 h后，选区激光熔化合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别达到527 MPa、554 MPa和10.4%。时效中重新析出的二次针状相Al₆(Fe,Mn)和具有L1₂ 结构的Al₆(Sc,Zr,Ti)纳米相分别贡献了74 MPa和79 MPa的屈服强度增量。当增加时效温度至450 ℃时，析出强化以Al₆(Sc,Zr,Ti)纳米粒子占优势。
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  改性聚甲醛基喂料制备复杂形状7075铝合金的显微组织和力学性能

  邹 恒，陈梦熊，付 杨，熊慧文，张 雷，周科朝

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 3862-3875.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66644-6

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  以邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、乙撑双硬脂酰胺(EBS)和环氧树脂(EP)为添加剂修饰7075 Al合金粉末表面。DOP和EBS中的官能团与Al粉末表面的羟基形成氢键。此外，环氧树脂中的环氧基团与羟基发生开环反应。上述相互作用增加了合金粉末与聚甲醛(POM)之间的相容性。烧结后，含DOP和EP的样品中C、O含量较高，而含EBS添加剂的样品具有最低的C、O含量，分别为0.006% C (质量分数)和0.604% O (质量分数)。在烧结过程中，过量的C倾向于积聚在晶界处。同时，过量的O会导致铝合金粉末的二次氧化，从而抑制烧结致密化过程。因此，含有DOP和EP的样品致密度分别仅为85.52%和79.01%。相比之下，以EBS作为添加剂时可获得相对密度为97.64%、抗拉强度为193 MPa的高质量铝合金零件。
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  直接触变锻造大壁厚差复杂壳体2A14合金件的显微组织与力学性能

  刘英泽，姜巨福，张 颖，黄敏杰，董 健，王 迎

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 3876-3892.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66645-8

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  针对大壁厚差复杂壳体件的成形，提出一种低成本、短流程的2A14合金直接触变锻造工艺，并进行验证。结果表明，复杂零件可以成功进行触变锻造。触变锻件组织中的固相晶粒表现出较大的变形程度，这使得触变锻件的力学性能有明显的改善。在显微组织中没有发现明显的液相偏析。触变锻造的2A14合金零件具有较高的力学性能，其屈服强度为157.1~187.3 MPa，极限抗拉强度为268.2~316.6 MPa，伸长率为7.8%~24.9%。较大的晶粒尺寸和较小的晶粒圆整度使塑性变形程度增大，有利于提高触变锻件的力学性能。
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  采用1045钢制铆钉对AA 7075-T6铝合金和低碳钢进行摩擦塞-铆复合点焊

  刘雅佳，李建宇，谢泽豪，陈树海，杨 健，黄继华，赵志毅

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 3893-3904.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66646-X

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  采用一种基于具有尖状底端和凹槽头部形状的钢制铆钉的新型摩擦塞-铆复合点焊工艺，对7075-T6铝合金/低碳钢异种金属进行焊接。研究接头的宏观形貌、微观形貌、显微硬度和搭接剪切性能。随着主轴下压距离的增加，铆钉尖端与下层钢板发生摩擦焊接，形成具有冶金结合的固相焊接区。此外，接头处形成的钩子状结构为机械连接提供了可能。实验结果表明，在3.4 mm的主轴下压距离、4000 r/min的主轴转速和2.4 mm/s的主轴下压速度的优化工艺参数组合下，接头的最大搭接剪切载荷能达到14.36 kN，该接头在铝合金母材中发生失效。
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  原位合成Ti₂AlC/TiAl复合材料的显微组织演变及热加工性能

  王玉鹏，马腾飞，李 磊，董龙龙，霍望图，张于胜，周 廉

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 3905-3918.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66647-1

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  利用放电等离子烧结技术原位合成微纳米Ti₂AlC颗粒增强的TiAl复合材料(Ti₂AlC/TiAl)。研究了Ti₂AlC/TiAl复合材料的热加工性能，讨论了微纳米颗粒对复合材料流变应力和动态再结晶的影响。结果表明，微纳米Ti₂AlC颗粒在热变形过程中同时具有强化效应和软化效应，最终导致Ti₂AlC/TiAl复合材料呈现出更高的流变应力和更充分的动态再结晶。变形初期，微纳米Ti₂AlC颗粒细化组织和阻碍位错滑移引起强化效应。此外，变形过程中应力集中诱导了纳米TiCr₂相的析出，进一步阻碍位错滑移导致更高的流变应力。另一方面，组织的细化和微纳颗粒在变形过程中引起的位错塞积为动态再结晶提供了更多的形核位点，显著促进了变形第二阶段的动态再结晶。研究表明，Ti₂AlC/TiAl复合材料具有优异热加工性能，对促进TiAl合金应用具有重要意义。
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  能量密度对激光粉末床熔化Ta-33Ti合金显微组织与力学性能的影响

  张家琪，陈 超，李 丹，耿赵文，潘 鹏，王国华，周科朝，刘渐陵

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 3919-3934.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66648-3

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  研究激光工艺参数对激光粉末床熔化(LPBF)制备的Ta-33%Ti(质量分数)合金的致密化、相组成、显微组织和力学性能的影响。结果表明，在合适的能量输入下，LPBF可以获得完全致密均匀的Ta-Ti零件。由于成分过冷，形成细胞状和树枝状结构。透射电子显微镜(TEM)分析表明，由于凝固前沿元素的微观偏析，细胞状结构中的层状α″相倾向于集中在细胞状结构的边界。在能量密度为166.7 J/mm³的条件下制备的样品具有良好的极限抗拉强度806 MPa和优异的杨氏模量36.7 GPa。
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  反应电火花提高激光粉末床熔融镍基高温合金的高温抗氧化性

  S. K. MUKANOV, M. I. PETRZHIK, A. E. KUDRYASHOV, E. A. NAUMOVA, F. A. BASKOV, P. A. LOGINOV, E. A. LEVASHOV

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 3935-3948.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66649-5

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  采用电火花处理(EST)对激光粉末床熔融(LPBF)制备的镍基高温合金表面进行改性，由于在氧化退火过程中合金的表面原位形成了热障层(α-Al₂O₃+CaMoO₄)，从而显著提高了其高温抗氧化性能。使用低熔点的Al-12%Si、Al-6%Ca-0.6%Si和Al-7%Ca-1%Mn电极材料，对基于EP741NP镍基合金的LPBF样品进行EST处理。结果发现，当采用Al-7%Ca-1%Mn电极进行EST处理时，形成了厚约15 μm的球形氧化物(CaMe)O纳米颗粒增强金属间化合物(β-NiAl+γ''''-Ni₃Al)层。该结构的形成使LPBF镍基高温合金的耐磨性提高了4.5倍。进一步在1000 ℃下进行氧化退火，合金表面形成了连续的双层涂层，其内层为α-Al₂O₃，外层为CaMoO₄。这两层共同作用，可有效阻止氧气向合金体内扩散。
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  Mo取代Fe对AlCoCrFe_1-xNiMo_x高熵合金强度和耐蚀性能的影响

  师红旗，季晓迪，简东慧，徐天烁，王 宸，汤 涛，刘文娟，操振华

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 3949-3962.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66650-1

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  制备一系列AlCoCrFe_1-xNiMo_x高熵合金，并通过XRD、SEM、EDS、压缩试验、硬度和电化学测试对其进行表征。研究结果表明，Mo完全取代Fe后，合金抗压强度可达3181 MPa，这是因为Mo的加入可以形成有利于晶粒细化的σ相，从而提高合金强度。然而，由于Mo添加后基体和σ相之间形成腐蚀原电池，Mo添加对其耐腐蚀性能具有不利影响。虽然大部分AlCoCrFe_1-xNiMo_x合金比原始合金的腐蚀电流密度低，但Mo取代量x=0.25时，拓宽了高熵合金的钝化区间。AlCoCrFe_1-xNiMo_x高熵合金力学性能与耐蚀性能的不一致可归因于Mo的添加对相形成和钝化膜保护的不同作用。
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  结构纳米化对FeCoNi中熵合金力学行为及摩擦磨损性能的影响

  陈 岩，李 恒，李斯恩，孙贵训，赵 亮，胡超权，张 炜，佟国栋，陈学罡，韩 双，宗洪祥，李 军，连建设

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 3963-3977.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66651-3

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  通过纳米压痕测试和球盘摩擦实验，系统研究结构纳米化对FeCoNi中熵合金力学行为及干滑动摩擦磨损性能的影响。结果表明，将晶粒尺寸减小至纳米尺度，一方面显著提高了合金的硬度，另一方面促进了表面氧化层的形成。二者的共同作用使纳米晶FeCoNi合金的磨损率比粗晶合金低了一个数量级。与传统的纳米晶Ni及Ni基合金相比，纳米晶FeCoNi合金具有显著降低的磨损率和摩擦系数，表现出优异的耐磨性。这主要是由于纳米晶FeCoNi合金中本征的微尺度成分起伏能够有效阻碍位错滑移，使合金的应变硬化能力显著提高所致。
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  添加微量Ti调控Cu-Ni-Sn合金的显微组织与性能

  胡莹琳，程子洛，李晓娜，利助民，侯远迪，李 敏，杨 冕，郑月红，董 闯

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 3978-3991.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66652-5

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  Sn偏析和晶界处不连续析出会恶化Cu-Ni-Sn合金的强度、塑性和可加工性。为了解决上述问题，可通过引入强焓相互作用元素对合金进行多组元化成分设计。本文采用团簇加连接原子模型设计一系列Cu₈₀Ni₁₅Sn_5-xTi_x(摩尔分数，%)合金，然后利用TEM等分析方法系统研究了Ti含量对合金显微组织及性能的影响。结果表明，Ti能有效抑制偏析和不连续析出，同时促进连续析出，从而提高合金的高温稳定性。随着Ti含量的增加，Ti在合金中的分布方式从均匀分布转变为以析出为主。当Ti处于固溶状态时，合金的硬度和电导率均超过C72900 (Cu-15Ni-8Sn (质量分数，%))工业合金和Cu₈₀Ni₁₅Sn₅ (摩尔分数，%)参比合金。
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  基于浆料的光固化增材制造纯铜

  叶安梁，王 檬，姜雁斌，伍晓赞，彭超群，何 进，王小锋

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 3992-4004.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66653-7

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  采用立体光刻(SLA)并结合“氧化-还原”两步后处理法制造复杂形状的纯铜部件。制备了SLA用铜浆，并重点考察了铜体积分数对铜浆性能的影响。在两步后处理过程中，通过氧化将生坯内的有机物排除并同时氧化铜粉，再将氧化铜还原成高活性的铜颗粒，进而增加铜生坯的烧结活性，并提高烧结体的相对密度。结果表明：铜浆的固化深度随铜体积分数的增加而减小。当铜的体积分数超过50%时，纯铜浆的黏度呈指数上升。适用于SLA纯铜浆料的最高体积分数为55%。随着铜体积分数的增加，样品的硬度和电导率增加。当铜体积分数为55%时，样品的硬度和电导率均达到最大值，分别为HV 52.7和57.1%(IACS)。
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  高压扭转提高多壁碳纳米管增强Cu/Ti₃SiC₂/C纳米复合材料的力学和电学性能

  武子轩，张沛帆，蒋小松，孙红亮，李彦军，P？L CHRISTIAN，杨 刘

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 4005-4019.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66654-9

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  为了获得综合的力学和电学性能，通过高压扭转对多壁碳纳米管增强Cu/Ti₃SiC/C纳米复合材料进行进一步加工。含1%(质量分数)多壁碳纳米管复合材料中心和边缘的最大显微硬度值分别达到HV 130.0和HV 363.5，相比原始样品分别提高了43.9%和39.5%。其电导率的最大值达到3.42×10⁷ S/m，相比原始样品提高了78.1%。力学和电学性能的协同提高归因于均匀化和细化的显微组织，以及改善的界面结合和降低的孔隙率。增强机理包括与力学性能相关的弥散和细晶强化，以及与电学性能相关的电子散射的减少。
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  Cr³⁺离子掺杂改善NASICON型NaTi₂(PO₄)₃固态电解质的晶体结构与导电性能

  温成健，罗志伟，刘新宇，童菊霞，何 盼，卢安贤

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 4020-4031.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66655-0

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  采用固相反应法制备一系列Cr³⁺离子取代的Na_1+xTi_2-xCr_xP₃O₁₂(x = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5，摩尔分数)固态电解质。通过X射线粉末衍射、场发射扫描电子显微镜和交流阻抗测试，研究Cr³⁺离子对钠基导体的相组成、显微组织和电化学离子电导率的影响。结果表明，在固体电解质中生成NaTi₂(PO₄)₃的主晶相，15%(摩尔分数)的Cr³⁺离子取代Ti⁴⁺位有助于抑制杂相的形成及拓宽离子通道，并通过改善晶粒的粘结程度共同促进电导率的增强。Na_1.3Ti_1.7Cr_0.3P₃O₁₂电解质在室温下可获得6.13×10^-6 S/cm最佳离子电导率，是未掺杂NaTi₂(PO₄)₃电解质的8倍。
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  轴向应力对深部硬岩拱形巷道破坏特性的影响

  彭 康，赖仁志，罗 松，李夕兵

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 4032-4048.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66656-2

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  为在考虑结构效应的基础上研究轴向应力对深部拱形巷道破坏特性的影响，对含贯穿三心拱型孔洞的立方体花岗岩试样进行真三轴压缩实验。实验过程中采用视频监控装置记录围岩破坏过程。实验结果表明，在10~60 MPa的轴向应力条件下，围岩破坏经历了平静期、颗粒弹射、块片弹射及岩片屈曲和剥落4个阶段。在较高轴向应力(70和80 MPa)条件下，围岩破坏的第4阶段中出现了剧烈块片喷射现象。随着轴向应力的增大，围岩破坏剧烈程度增大，但初始破坏竖向应力先增大后减小。基于不同轴向应力条件下巷道的破坏特征，建议巷道沿着中等水平轴向应力方向布置。
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  酒石酸钠对低品位多金属复杂黄铜矿浸出界面的影响

  刘新杰，廖亚龙，刘庆丰，武 敏

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 4049-4062.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66657-4

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  通过添加酒石酸钠，提高低品位多金属复杂黄铜矿(LPCCO)在酸性铁电解液中铜的浸出率。利用电化学方法系统研究酒石酸钠对浸出反应界面的影响。Mott-Schottky实验结果表明，无论是否添加酒石酸钠，初始的n型LPCCO表面都会转变为具有严重阻碍电荷转移的p-n结的表面。添加酒石酸钠后，因酒石酸根桥接半导体颗粒降低了晶间能垒高度，获得了更小的Debye长度和更高的电荷载流子密度；结合Tafel和LSV分析的EIS结果表明，加入酒石酸钠后反应界面转变为更薄的钝化膜和电双层，具有较大的扩散系数，从而降低了浸出反应的表观活化能，这些界面性质促进了LPCCO的溶解。
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  碱性焙烧-水浸工艺强化二次铝渣中金属铝的回收

  李 琛，刘 维，焦 芬，董良民，刘世阳，覃文庆

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 4063-4074.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66658-6

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  提出一种采用碱法焙烧-水浸强化回收二次铝渣中金属铝的创新工艺。利用热力学计算和实验结果阐明了碱焙烧过程的相变和反应机理，并对焙烧产物的浸出行为进行了研究。在最佳条件下，铝的提取率达到 93.08%。此外，利用收缩核模型对焙烧产物的水浸动力学进行了研究，发现焙烧产物中铝的浸出过程受扩散控制；同时计算得到浸出过程的表观活化能为3.44 kJ/mol。并且，在此基础上解释了二次铝渣碱性焙烧-水浸的反应机理。
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  用氯化铵溶液同步提取铅渣烟化炉烟灰中的锌和铅

  李振彪，夏志美，刘淑芬，叶龙刚，齐景浩，李雄梅

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 4075-4084.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66659-8

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  考察了浸出温度(60~105 ℃)、NH₄Cl浓度(3~7 mol/L)、液固比(4:1–12:1 mL/g)、搅拌速度(150~750 r/min)和浸出时间(5~90 min)对锌和铅浸出率的影响。研究了NH₄Cl溶液浸出含铅、锌烟化烟灰的浸出动力学。在反应温度为100 ℃、NH₄Cl浓度为7.0 mol/L、液固比为10:1 mL/g、搅拌速度为450 r/min和反应时间为60 min的最佳工艺条件下，锌和铅的浸出率分别为98.2%和75.6%。动力学结果表明，锌和铅的浸出符合未反应收缩核模型，分别受NH₄Cl通过反应后烟化烟灰层的内扩散和NH₄Cl穿过浸出液边界层的外扩散控制。锌和铅的表观活化能分别为23.922和19.139 kJ/mol。本研究证明了使用不含氨的NH₄Cl溶液从铅鼓风炉渣的烟化烟灰中同步提取锌和铅是一种环境友好的方法。
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  产气克雷伯氏杆菌胞外聚合物中的单糖和蛋白质对碳酸钙晶型的影响

  胡 南，李艾书，余 黄，刘玉龙，张 辉，杨志辉，李广悦，丁德馨

  中国有色金属学报（英文版）. 2024, 34(12): 4085-4098.
  https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66660-4

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  筛选一株可以分解乙酸钙形成CaCO₃沉淀的菌株—产气克雷伯氏杆菌，确定其诱导产生CaCO₃沉淀产量的最适条件为0.25 mol/L乙酸钙、4%接种量及pH 7，随后，分析产气克雷伯氏杆菌胞外聚合物中的单糖和蛋白质成分，研究单糖和蛋白质对CaCO₃晶型转化的影响，发现添加单糖能促进CaCO₃晶相从球霰石向方解石转变。其中，添加1.00 g/L葡萄糖醛酸可促使CaCO₃晶体在5 d后完全转变为方解石。同时，添加过氧化氢酶能使CaCO₃晶体的形貌更加规则，但对晶相没有影响。结果表明，加入葡萄糖醛酸对CaCO₃晶体的晶型有显著影响。