DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 结果 3.1. 虎乳灵芝菌丝体水、酒萃物抗H1N1之效果 进行虎乳灵芝萃取物抗病毒试验前，先评估其在何种浓度下会对于病毒宿主细胞MDCK造成毒性，继而找出存活率大于80%之供试剂量(图1)。虎乳灵芝酒萃物以DMSO配置成浓度2 mg/mL，再连续对半稀释至0.0625 mg/mL，水萃物则以PBS配成最高浓度2 mg/mL，经连续对半稀释至0.0625 mg/mL，再进行MTS评估，结果显示虎乳灵芝酒萃物于1 mg/mL对于MDCK的细胞存活率大于80%，在不造成细胞毒性之考虑下，乃选择以0.25 mg/mL浓度进行实验；水萃物则于2 mg/mL对于MDCK细胞的细胞存活率大于80%，同样选择以1 mg/mL以下浓度进行实验。 3.1.1. 预处理试验 如(图2)结果所示，虎乳灵芝酒萃物以及水萃物在各供试剂量下皆无法有效改善因H1N1病毒感染所造成的细胞毒杀现象。 3.1.2. 共处理 虎乳灵芝酒萃物先与H1N1病毒反应一小时后，再感染MDCK细胞，结果发现可增加细胞存活率(与H1N1组相比增加14.9%)；但水萃物则与H1N1之共处理组则对MDCK存活率无显著影响(图3)。 图1. 虎乳灵芝萃取物对MDCK细胞之抑制性评估 图2. 虎乳灵芝萃取物预处理MDCK细胞后，对于受H1N1病毒感染细胞的存活率影响 图3. 虎虎乳灵芝萃取物处理H1N1病毒后，对感染细胞的存活率之影响(共处理试验) 3.1.3. 后处理 虎乳灵芝酒萃物组对于预先以H1N1攻毒后之细胞存活率与H1N1组相比无显著差异，显示细胞一旦受感染后，酒萃物无助于减缓病毒毒杀作用，水萃物亦同样无减缓病毒毒杀之功效(图4)。 图4. 虎乳灵芝萃取物对于既受H1N1病毒感染之细胞的存活率影响(后处理试验) 3.2. 虎乳灵芝酒萃物分层抗H1N1之效用 首先以MTS assay再次评估虎乳灵芝酒萃物分层在不同浓度下对MDCK之毒杀性，依据实验结果挑选存活率大于80%之浓度作为后续抗病毒试验之最高剂量，因此将LrH2O、LrBtOH、LrEA、LrHex的最高浓度分别配成1000、1000、250、250 μg/mL四组最高浓度，再依序对半稀释成各种浓度(图5)。 图5. 虎乳灵芝取物各分层对MDCK细胞的存活率之影响 3.2.1. 预处理 预防处理时，与对照之H1N1组相比，500 μg/mL的Lr H2O及LrBtOH之细胞存活率分别提升5.14% (p < 0.05)以及7.47 % (p < 0.01)，其中LrBtOH于250 μg /mL浓度下仍然可具有显著差异；而250 μg/mL的Lr Hex及Lr EA之细胞存活率分别提升6.30% (p < 0.01)以及6.43% (p < 0.05)，且LrEA于125 μg/mL浓度下仍然具有显著改善细胞存活率之效果(图6)。 3.2.2. 共处理 与H1N1组相比，1000 μg/mL 的Lr H2O及LrBtOH之共处理可以分别提升细胞存活率25.47% (p < 0.01)及12.07% (p < 0.01)，且两者浓度降至500 μg/mL时，仍然可具有显著之改善存活率效果；至于250 μg/mL的Lr EA及Lr Hex之细胞存活率分别提升18.25% (p < 0.05)及15.48% (p < 0.001)，且Lr Hex于125 μg/mL的浓度下仍然具有显著效果(图7)。 图6. 虎乳灵芝萃取物分层对于受H1N1病毒感染之细胞的存活率影响(预处理试验) 图7. 虎乳灵芝取物各分层之共处理对于受H1N1病毒感染之细胞的存活率影响 3.2.3. 后处理 在治疗模式之后处理组中，1000 μg/mL的Lr H2O、LrBtOH之细胞存活率与H1N1组相比，分别提升22.09% (p < 0.01)、11.34% (p < 0.001)，且Lr H2O于500 μg/mL的浓度下仍有显著提升效果；Lr Hex在250 μg/mL之细胞存活率提升23.89% (p < 0.01)，甚至浓度低至31.25 μg/mL亦皆可达统计上之显著差异。Lr EA则皆无效果(图8)。 图8. 虎乳灵芝萃取物各分层对于既受H1N1病毒感染之细胞的存活率影响(后处理试验)
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user: 4. 讨论 病毒性疾病向来于人类史上造成数度浩劫，其中尤以流行性感冒最为人知，A型流感是一种具高度传染性的急性呼吸道感染症，即使在医療科技及预防保健发达的今天，仍是会导致相当高的致病率与死亡率，到目前为止虽有药物或疫苗可对抗流感病毒，但由于流感病毒属RNA 病毒，具有极高变异性，几乎每年流行的病毒株都会有所改变，原施打的疫苗对不同抗原之病毒便不具免疫力，导致保护效果降低 [ 15 ]。 本次采用之虎乳灵芝菌丝体，取自马来西亚虎乳灵芝朵菌种分离纯化，以液态发酵培养而得，并完成多项动物实验证实其食用安全性 [ 16 ] [ 17 ]。实验以H1N1病毒感染MDCK犬肾细胞作为感染模式，进而探讨经样品处理后是否可以防止因病毒感染而死亡的细胞存活率，为一种广泛被使用的细胞筛选模式。结果显示，虎乳灵芝酒萃物在共处理试验中的效果显著优于水萃物，但两样品于预防及后处理试验中皆未看见明显保护作用。由于大分子物质如多糖等可能会藉由包覆病毒颗粒或是覆盖于宿主细胞表面达到阻隔遮蔽病毒感染效果，进而达到保护及预防感染的结果 [ 18 ]，此现象尤易发生在in vitro试验中。然对比本报告之研究结果，易含多糖体或是部分胜肽类物质之水萃物组，并未看到显著抗病毒之效用，反观酒萃物则可显著提升细胞存活率，因此推测虎乳灵芝酒萃物中具有抗病毒功效可能偏向小分子化合物。 进一步将酒萃物内物质依其极性分作四层，分离萃取(Partition) 获得正己烷层(Lr Hex)、乙酸乙酯层(Lr EA)、正丁醇层(LrBtOH)及水层(Lr H2O)共四个分层，分别进行活性测试。结果显示无论是在预防、共处理或是后处理试验组，四个分层与H1N1感染组相比，都可有效提升细胞存活率。其中Lr H2O、Lr BtOH在共处理及后处理组的效果尤佳；Lr EA在共处理试验效果最佳，而Lr He则是以后处理尤佳，共处理效果次之，预处理结果为末。 本次实验中，发现到无论是虎乳灵芝酒萃取物或是其分层，皆属共处理试验最为有效，考虑其试验设计，基于会先将样品与病毒进行接触混合培养，再将其混合液与细胞接触进行攻毒，而此结果即造成病毒感染力下降，由此推测可能是样品即可直接对于病毒产生影响，使其对于细胞的杀伤力下降，产生保护效果。 另外，预防试验的保护效果皆不如治疗试验组，此现象与现今讨论度极高之抗病毒药物瑞德西韦(Remdesivir)雷同，亦是治疗效果胜于预防，查其治疗机转，药理机制为当病毒与药物接触时无法产生直接影响，作用点是在当病毒感染进入细胞后，准备进行复制时，药物即会作用在病毒用以复制(replication)自身核酸所用之复制酶，进而使病毒无法顺利于感染细胞内增殖，达到阻断细胞被进一步感染的危机。
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user: 5. 结论 经由本次实验可以推测，以此报告内配方所培养之虎乳灵芝菌丝体萃取物可有效缓解细胞因病毒感染而导致的死亡现象，达到保护效果，尤其是以Lr H2O、Lr Hex两组在共处理试验以及治疗试验中提升细胞存活率之效果最为显著。虽尚未能确知其功效性物质，但可以从初步纯化的实验结果得知，虎乳灵芝得酒萃物中至少含有两项抗病毒之功效成分，且极性相差甚大。往后可再设计进一步纯化，并搭配进行抗病毒活性实验，以利找出虎乳灵芝分层中化合物对于流感病毒的关键性功效物质。经确认后即可进行虎乳灵芝菌丝体的制程优化，以期能发挥更加良好的抗病毒效用。
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user: 摘 要 本文采用分子动力学模拟方法分别在辐照温度为600 K，三种不同PKA能量2 keV、6 keV和10 keV及两个不同PKA入射方向为 〈 0 0 0 1 〉 和 〈 0 1 1 ¯ 0 〉 方向的条件下开展了α-Zr晶体内级联形成和发展的研究。模拟结果表明：在保持辐照温度为600 K不变的条件下，PKA初始入射方向为 〈 0 0 0 1 〉 的级联体积均是大于 〈 0 1 1 ¯ 0 〉 方向的级联体积。级联尺寸随着PKA的晶体温度、能量的增加而增加，但与PKA的初始入射方向无关。 关键词 :α-Zr，辐照，级联，分子动力学 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 由于锆合金在反应堆运行温度下具有较好的辐照阻抗、机械强度和较小的热中子吸收截面，因此其被广泛作为压水堆的燃料装配体和包壳管 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]。金属及其合金的辐照损伤模拟日益重要，不仅仅是为了保证当前压水堆的安全，而且是为了设计第四代反应堆和聚变堆。尽管最近几十年做了大量相关的研究，然而至今没有获得长时间的中子辐照模型。这种模拟的困难之一在于级联损伤产生的复杂性，它涉及由初级碰撞原子(PKA)产生的多个离位级联。缺陷团簇包含由级联损伤产生的空位团簇和自间隙原子团簇。这些团簇为更大的缺陷提供了形核，导致了尺寸和力学性能的变化。在非常短的时间内(典型地，10 −10 s以内)产生离位级联，这不可能通过实验来分析。辐照过程中级联的形成和发展是非常重要的过程。然而目前深入地理解辐照过程中级联的形成和发展是不充分的。分子动力学方法是一种重要的研究材料性质和缺陷演变的计算模拟方法 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]。 本文采用分子动力学方法对纯α-Zr晶体辐照过程中级联产生和发展进行了研究。通过分子动力学计算模拟方法，研究了晶体辐照温度为600 K (堆内服役温度)和不同的PKA入射方向和能量等辐照条件对纯α-Zr晶体辐照过程中级联产生和发展的影响，探究堆内服役温度条件下，辐照级联的演化行为规律。
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user: 2. 计算方法 计算采用的是基于统计物理学的分子动力学方法——LAMMPS程序包 [ 9 ]。采用描述原子间相互作用的嵌入原子势(EAM) [ 10 ]，周期性边界条件和GPU对包含180，000个原子纯α-Zr晶体进行了所有的计算。模拟条件：辐照温度为600 K、PKA能量为2 keV、6 keV和10 keV及PKA方向选为 〈 0001 〉 和 〈 01 1 ¯ 0 〉 方向。开始模拟时对建立的模型晶体在600 K温度下进行保温0.2 ps，模拟的时间步长取1 fs。通过原子能量差和通用相邻分析(CNA)来判断原子是属于级联中的原子还是Zr基体α相内的原子 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]：如果两个原子间的距离没有超过截断半径 r c u t ，则这两个最近邻原子假设是束缚的，并且 r c u t 的值位于原子位置径向分布函数的两个峰的间断中 [ 14 ]。
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user: 3. 结果与讨论 本文以辐照温度为600 K、PKA能量为6 keV以及PKA入射方向为 〈 0001 〉 的条件下纯α-Zr在辐照级联中缺陷形成的起始阶段为研究代表，着重探究了级联形成前 ( 0001 ) 面和 ( 10 1 ¯ 0 ) 面内晶体内原子的位置、碰撞原子的轨道以及出现热峰后碰撞原子的轨道，如图1和图2所示。 通过分子动力学模拟，发现基于PKA方向、级联的温度和PKA能量曲线在体积和几何形成总体来说是不同的。在PKA运动方向为 〈 0001 〉 方向的情况下，不同方向级联的线性尺寸是近似相同。与此同时，如果PKA运动方向为 〈 12 3 ¯ 0 〉 ，则级联几何方向变长。在每个级联区域内，能够观察到主要来源于它们平衡位置的移动和耗尽区域(富空位)的出现。通过CNA方法对原子回位的分析得知，甚至在较小的PKA能量下能够观察到结构无序。当级联中原子温度大于熔化温度将导致化学键的破坏。从而导致级联中非平衡非晶态相形成的原子混合。通过碰撞原子轨道的分析得出，在PKA能量为6 keV和10 keV下，级联中的一些原子可以通过大约几个原子间距的平均自由路线值来表征。因此，一个特别类型的隧道产生，从而导致亚级联的形成。 图1. T = 600 K和PKA能量为6 keV，PKA入射方向为 〈 0001 〉 方向，α-Zr中级联形成的起始阶段：(a)级联形成前， ( 0001 ) 面晶体内部的原子位置；(b) 级联形成前，碰撞原子的轨道；(c) PKA运动0.4 ps后晶体中原子的位置；(d) PKA运动0.4 ps后 ( 0001 ) 面内碰撞原子的轨道 图2. T = 600 K，PKA能量为6 keV和PKA入射方向为 〈 0001 〉 方向，α-Zr中级联形成的开始阶段；(a) 级联形成前，一个 ( 10 1 ¯ 0 ) 面内晶体内原子的位置；(b) 级联形成前，一个 ( 10 1 ¯ 0 ) 面内碰撞原子的轨道；(c) PKA运动0.4 ps后，一个 ( 10 1 ¯ 0 ) 面内晶体内原子的位置；(d) PKA运动0.4 ps后，一个 ( 10 1 ¯ 0 ) 面内碰撞原子的轨道 辐照温度为600 K，不同PKA能量值和运动方向，α-Zr的级联中最大级联体积、级联表面和级联内原子数，见表1。根据计算得到的数据分析，发现在辐照温度保持600 K的条件下，PKA入射方向为 〈 01 1 ¯ 0 〉 的级联尺寸比PKA入射方向为 〈 0001 〉 的级联尺寸更大。并且发现级联尺寸是随着辐照温度的增加而增加，而与PKA入射方向无关。这意味着高温下受到辐照的样品的辐照损失将增加。
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user: 4. 结论 1) 辐照温度为600 K，PKA初始入射方向为 〈 0001 〉 的级联体积均大于 〈 01 1 ¯ 0 〉 方向的级联体积。在大多数相同的PKA初始入射方向和PKA能量情况下，当晶体辐照温度增加时，级联的尺寸(体积、原子数)相对应地增加。 2) 级联尺寸是随着辐照温度的增加而增加，而与PKA入射方向无关。这意味着高温下受到辐照的样品的辐照损失将增加。 Table 1 Maximal values of cascade volume V c ( max ) ， its surface S c ( max ) ， and number of atoms in cascade N c ( max ) in α-Zr sample at different values of PKA energy， direction of PKA motion and irradiation temperature of 600 K at the corresponding thermal spike E PKA ， keV 2 4 6 T = 600 K 方向 〈 0001 〉 〈 0001 〉 〈 01 1 ¯ 0 〉 〈 0001 〉 〈 01 1 ¯ 0 〉 V c ( max ) ， nm 3 9785.52 9025.15 28725.32 27856.68 45632.45 44366.39 S c ( max ) ， nm 2 2035.74 1989.58 4235.67 3950.58 5468.36 5295.34 N c ( max ) 4569 4236 15，462 16，563 19，586 18，967 快照 表1. 辐照温度为600 K，不同PKA能量和入射方向在相对应的热峰下，α-Zr的级联中最大级联体积 V c ( max ) ，级联表面 S c ( max ) 和原子数 N c ( max )
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user: 摘 要 微生物诱导碳酸钙加固技术(MICP)与传统化学灌浆加固技术相比，能有效提高砂土的强度、渗透性及抗侵蚀性能等，且微生物灌浆材料为溶液或悬浊液，与传统胶凝材料相比，具有黏性低、流动性好、反应速率可调控、环境污染少等优势。向砂土柱中灌注菌液以及胶结溶液(尿素和氯化钙混合溶液)，通过四轮注浆实现对砂土柱的加固，基于无侧限抗压强度实验，分析砂土颗粒级配、营养液浓度对于砂土柱加固效果的影响。并且结合电镜扫描探究微生物灌浆加固技术的微观机理，实验结果表明：砂颗粒之间有明显的碳酸钙生成，生成的碳酸钙呈现出膜结构和颗粒的形态，将砂土颗粒黏结并填充起来，形成一个更加致密整体，从而提高砂土柱抗渗性和抗压性，同时适宜的浓度和颗粒大小对加固起到了明显的促进作用。 关键词 :微生物加固技术，无侧限抗压强度，砂土颗粒级配，钙质砂 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 目前，大部分地基加固方法是利用机械能或人造材料对土体进行物理化学加固，而在机械施工及材料生产过程中均需要消耗大量的能源。其中，基于水泥、石灰或化学浆材的灌浆技术是一种极为常用的地基加固方法，它是将浆液灌入土体的孔隙或者与土体强制搅拌混合，从而达到增强土体强度，降低其渗透性的目的。但水泥、石灰等传统的胶凝材料能改变土体的pH值，使土体呈碱性并形成一定范围的侵蚀作用，对地下水和周围植被均会造成影响。水泥生产过程中还会排放大量的温室气体，每生产一吨水泥熟料，因燃煤和石灰石分解会排放出一吨二氧化碳，其存在能耗高、污染环境等缺点，势必会对生态环境造成危害 [ 1 ]。因此，亟需寻求一种高效环保的土体加固技术。 Whiffin [ 2 ] 率先提出采用微生物沉淀碳酸钙技术胶结松散砂颗粒，以提高砂土的强度和刚度等宏观力学性质。Mitchell等 [ 3 ] 明确提出了微生物改性岩土体的广泛应用价值及潜力。为了提高微生物在松散砂粒间的传输距离和吸附固定效果，Harkes等 [ 4 ] [ 5 ] 提出了一种分步灌浆方法。在国内也有李娜等人 [ 6 ] 对生化原理加固液化砂土地基的进行研究，广东工业大学的梁仕华 [ 7 ] 对于循环灌浆技术加固效果进行研究、山东建筑大学的贾强 [ 8 ] 等人就微生物诱导碳酸钙沉淀加固砂土地基方向开展了一系列的实验研究。 现有研究结果表明，微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术能有效提高砂土的强度、刚度、抗液化及抗侵蚀性能等，且微生物灌浆材料为溶液或悬浊液，与传统胶凝材料相比，具有黏性低、流动性好、渗透性强、反应速率和胶结强度可调控、环境污染少等优势，属于低能耗、低排放材料。 微生物灌浆技术具有施工扰动小、灌浆压力低、环境友好等优势，并可显著提高土体的强度、渗透性及抗液化性能，在土体加固领域有着非常广阔的应用前景。本文旨在研究砂土的颗粒级配、营养液浓度对于加固效果的影响，每个变量设置多组实验组。
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user: 2. MICP作用机理 微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)是自然界中常见的生物矿化现象，即通过向原位砂土中灌注菌液以及胶结溶液(尿素和CaCl 2 的混合液)，使微生物诱导形成的碳酸钙沉积在砂土颗粒间，从而将松散砂颗粒胶结起来，使砂土地基得到加固。如图1所示，碳酸钙沉淀的产生主要取决于碱性溶液环境下的碳酸根离子和钙离子，两者相互结合达到饱和状态，从而析出碳酸钙沉淀。其中以产脲酶细菌为微生物诱导碳酸钙沉淀的代谢过程为主。 图1. 微生物诱导方解石沉积示意图 [ 9 ] 本文采用的微生物为巴氏芽孢杆菌，营养液采用尿素和氯化钙溶液。尿素水解加固法对于环境要求较低，能够在较短时间内水解生成CO2− 3和NH+ 4。微生物代谢胞外聚合物中含有酰胺基、氨基、羟基等负离子集团，细菌细胞壁由于其结构特殊性，使其表面带有大量负离子，并吸附周围的Ca 2+ ，在脲酶影响作用下尿素分子不断分解出CO2− 3并运输至细胞表面，最后析出碳酸钙结晶 [ 10 ]。尿素水解反应过程见如下方程式： CO(NH 2 ) 2 + 2H 2 O → H 2 COOH + 2NH 3 H 2 COOH + H 2 O → NH 3 + H 2 CO 3 2NH 3 + 2H 2 O ↔ 2NH+ 4 + 2OH − 2OH − + H 2 CO 3 ↔ CO2− 3 + 2H 2 O Ca 2+ + Cell ↔ Cell-Ca 2+ Cell-Ca 2+ + CO2− 3 → Cell-CaCO 3 ↓ 如图2所示，尿素水解形成的碳酸钙沉淀在松散的砂土颗粒之间形成了联系彼此的桥梁，将个体联系成整体，从而提高了砂土柱的无侧限抗压强度，并且在渗透性能方面也有所提高，从而实现了利用更环保、经济的手段实现更高性能的加固效果。 图2. 微生物胶结砂颗粒过程示意图 [ 11 ]
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user: 3. 实验材料与装置 3.1. 实验材料 实验所选用的钙质砂来自于我国南海某岛礁，经破碎过筛后选取粒径小于5 mm砂烘干使用。 实验所用的菌液为高脲酶活性的巴氏芽孢杆菌，细菌采用氨盐基与酵母提取物培养基进行培养。培养基溶液中各成分含量为：1 L的培养液中蛋白胨5 g，酵母3 g，尿素20 g，一水合硫酸锰溶液(浓度为10 mg/L) 1 ml，将所有溶液混合后统一在120℃下灭菌30分钟，恢复至常温条件下放入无菌接种台进行接种，随后在30℃的恒温条件下，放置在转速为180 r/min的振荡器上进行振荡约24小时，培养完成后测得OD 600 约为1.3。 3.2. 实验装置 本实验装置采用自制有机玻璃管，管内壁50 mm，壁厚2 mm，高150 mm，底部附螺纹底盖进行封闭。因试样特殊，且制成后的砂土柱形态完好，脱模简便。使用蠕动泵进行灌浆。 3.3. 制样步骤 ① 在管壁上涂抹一层凡士林，作用为脱模润滑； ② 在底部的管口插入橡胶管用于排水； ③ 在容器底盖的螺纹上缠绕防水胶带，拧上盖子； ④ 在容器底部壁上缠绕防水胶带防止溶液侧漏； ⑤ 在容器内部底塞入纱布阻挡砂土流失； ⑥ 在管中放置带有高11 cm黑线标记的纸筒； ⑦ 放入砂土，压实直径5 cm，高度11 cm，密度1.39~1.41 g/cm 3 。 3.4. 实验方法 分别研究颗粒大小和营养液浓度对微生物灌浆技术效果的影响。 为了研究不同粒径对微生物灌浆加固效果的影响，将钙质砂按表1配成细砂、中砂、粗砂三种级配。每种级配设3个试样在相同条件下进行微生物加固，测得的各项实验数据取组内平均值再进行比较以减小实验的误差，降低数据的离散性。 Table 1 Particle grading tabl 编号 0~0.25 mm 0.25~0.5 mm 0.5~1 mm 细 33.3% 66.7% 0 中 29.53% 43.48% 26.09% 粗 0 30% 70% 表1. 颗粒级配表 3.5. 加固步骤 ① 取已制备完成的不同颗粒级配钙质砂试样，进行统一灌浆； ② 取80 mL菌液倒入烧杯中，使用蠕动泵以5 mL/min的速度将菌液灌入试样顶部，使菌液在试样内自上而下缓慢渗流，静置24小时； ③ 取浓度均为1 mol/L的营养溶液80 mL倒入烧杯中倒入烧杯中，使用蠕动泵以5 mL/min的速度将营养液灌入试样顶部，使菌液在试样内自上而下缓慢渗流，同时采用变水头法测量土样的渗透系数，静置24小时； ④ 重复上述步骤4轮或试样渗透系数几乎降为0后停止试验，将试样从容器中缓慢推出，烘干后称重，并进行无侧限抗压强度测试。 为了研究不同营养液浓度对微生物灌浆加固效果的影响，配置两组不同浓度的营养液，分别为1.5 mol/L和2.0 mol/L，砂土选取前述中砂。
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user: 4. 实验结果与分析 4.1. 加固效果 粒径为粗的试样表面比较粗糙，如图3(b)所示，表面沙粒也有轻微的掉落的现象。可以看出：两个试样表观致密整体加固均匀，颗粒间孔隙被大量填充。其中粒径为细的表面较为光滑，整体性非常好，如图3(a)所示。 以上现象分析，微生物加固反应生成的碳酸钙会包裹黏结钙质砂颗粒，堵塞颗粒间孔隙。造成钙质砂试样渗透系数降低。上图为部分组试样的表观特征照片。 图3. (a) 细砂土试样；(b) 粗砂土试样 4.2. 渗透性变化 通过前四轮灌浆数据计算及表2分析，可见通过微生物灌浆后同一颗粒级配的砂土柱渗透系数逐渐变小，总体趋势均有所下降，如图4所示。但效果有一定的差距，细砂渗透系数为开始的43%，而中砂渗透系数为开始时的25%，粗砂为开始时的32%。 Table 2 Permeability changes with different particle size 编号 灌浆一 灌浆二 灌浆三 灌浆四 灌浆四 渗透系数(cm/s) 渗透系数(cm/s) 渗透系数(cm/s) 渗透系数(cm/s) 渗透系数 标准差 细 3.78 × 10 −3 2.88 × 10 −3 2.55 × 10 −3 2.53 × 10 −3 2.99 × 10 −4 中 1.41 × 10 −2 8.65 × 10 −3 7.13 × 10 −3 6.07 × 10 −3 1.48 × 10 −3 粗 3.21 × 10 −2 1.58 × 10 −2 1.14 × 10 −2 1.01 × 10 −2 2.94 × 10 −3 表2. 不同颗粒大小的渗透系数 图4. 不同颗粒大小渗透性变化 根据以上现象分析，粗砂试样由于砂土颗粒之间空隙较大，仅靠碳酸钙等胶凝物质无法较好加固且无法有效吸附大量细菌，微生物代谢作用不充分，未形成足够的连结物质，渗透系数降低较弱；细砂试样初始渗透系数良好，但其内部孔隙更容易被微生物加固生成的碳酸钙堵塞，阻断反应进行，加固效果不佳；颗粒级配适中的中砂既能使颗粒对细菌的吸附性足够大，又能保证底物溶液在试样中的顺畅流通，从而使得微生物代谢作用充分，形成足够的连接物质填充砂土颗粒的空隙，渗透系数降低最明显。 可以从表3及图5中看出，1.5 mol/L的试样渗透性降低最为明显，仅为开始的25%，2 mol/L下降幅度起初最高，后期略微低于1.5 mol/L组，营养液浓度1.0 mol/L的试样，渗透系数相对最低。 根据以上现象分析，营养液浓度1.0 mol/L由于加固反应速率较慢、产物偏少，因此渗透系数降低不明显；营养液浓度2.0 mol/L的试样反应速率太快，混合溶液大部分在试样上部与菌液发生剧烈反应，生成大量碳酸钙堵塞了孔隙，致使溶液难以渗流到试样下部，从而导致整体渗透系数不够理想；适中的营养液浓度1.5 mol/L既能够保证加固反应的效率，又不会因为过早堵塞试样上部而阻碍试样下部的加固，可以使得微生物代谢作用充分，生成足够的连接物质填充砂土颗粒。 4.3. 无侧限抗压强度变化 将试样从模具中脱出，用砂纸打磨，将上下表面打磨光滑后放入Instron 3367电子材料试验机进行无侧限抗压实验。试验采用应变控制式加载，加载速率为12.7 mm/min。测量结果如下表4所示。 Table 3 Permeability changes with different concentration 编号 灌浆一 灌浆二 灌浆三 灌浆四 灌浆四 渗透系数(cm/s) 渗透系数(cm/s) 渗透系数(cm/s) 渗透系数(cm/s) 渗透系数 标准差 1.0 mol/L 1.41 × 10 −2 8.65 × 10 −3 7.13 × 10 −3 6.07 × 10 −3 1.48 × 10 −3 1.5 mol/L 1.41 × 10 −2 8.13 × 10 −3 3.92 × 10 −3 3.47 × 10 −3 2.33 × 10 −4 2.0 mol/L 1.38 × 10 −2 7.75 × 10 −3 4.45 × 10 −3 4.24 × 10 −3 5.60 × 10 −4 表3. 不同营养液浓度的渗透系数 图5. 不同浓度渗透性变化 Table 4 Unconfined compressive strength of different group 编号 无侧限抗压压力峰值(kN) 峰值位移(cm) 无侧限抗压平均强度(MPa) 无侧限抗压强度标准差 细 0.57 1.6 0.288 0.11879 中 0.9 1.6 0.459 0.13341 粗 1.38 1.4 0.701 0.02881 1.5 mol/L 1.73 2.6 0.881 0.02950 表4. 不同组别的无侧限抗压强度 微生物加固砂土柱的强度来自于反应生成的碳酸钙胶结材料在颗粒间的作用，各组试样的颗粒级配状态和无侧限抗压强度如表格所示。当营养液浓度在1 mol/L时，砂土柱的强度随砂土颗粒增大而增大。当砂土的颗粒控制在中砂时，砂土柱强度随营养液浓度的增大而增大。 根据以上现象分析，微生物加固的砂土柱对其力学性能的改善有很大帮助，且砂土颗粒级配直接影响着加固后砂土的力学性能，越粗颗粒的砂土表面积更大，其周围覆盖的碳酸钙更容易与沙土颗粒结合形成整体，对力学性能提供的帮助更大；同时，提高营养液浓度能在一定范围内加快微生物的反应速率，提供了更多钙离子，有利于微生物反应形成碳酸钙结晶，从而提高固化效果。 试样破坏形态分析，如图6所示，各个试样的破坏都呈现出脆性破坏的特征。大部分是先从上端或下端开始出现裂缝并延伸，最后在上端或下端出现不同程度的脱落从而导致构件破坏。小部分是从中部出现裂缝并延伸，还未脱落先出现中部先侧向突出从而导致构件破坏。 根据以上现象分析，加固砂土柱均由于柱内抗剪能力不足而被破坏，表明微生物在沙土内加固不够均匀，存在许多内部缺漏，在破坏时容易连在一起形成薄弱面，导致砂土柱在薄弱面受剪破坏。
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user: 5. 微观结构分析 可以从图7(a)是浓度为1 mol/L的试样看出，砂土试样的颗粒之间形成了类似于凝胶的物质，将相邻两个砂土颗粒胶结在一起，通过这种方式提高整个砂土试样的整体性，从而提高砂土试样的强度；图7(b)是1.5 mol/L的试样，可以看出砂土除了类似于凝胶的物质以外，还有许多细小的白色颗粒，颗粒大小远小于单个砂土颗粒大小，这些颗粒分布于间隙之间，很好地填充了砂土颗粒间的间隙，增强了砂土试样的密实性，从而提高了砂土试样的抗渗透性和强度。图7(c)是2 mol/L的试样，可以看出，没有明显的凝胶类物质，白色颗粒物质非常多，多覆盖于颗粒表面。 图6. (a) 砂土受压破坏图；(b) 砂土受压破坏图；(c) 砂土受压破坏图 图7. (a) 砂土样微观结构；(b) 砂土样微观结构；(c) 砂土样微观结构 从上面的微观结构，可以看出低浓度(1 mol/L)的试样有凝胶类物质出现，也有少量小颗粒，适中的浓度(1.5 mol/L)试样中颗粒物质增多，高浓度(2 mol/L)的几乎全部为颗粒，整体颗粒胶结程度没有适中浓度的效果好，与之前关于浓度影响的实验结果相符合，高浓度营养液的情况下，加固效果有一定的下降。
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user: 6. 结论 从实验中我们看出通过MICP技术，在砂土中灌注定量营养液和菌液，可以使砂土颗粒间产生碳酸钙等胶结物质，有效改善砂土的渗透性和力学性能，我们在实验中也得到以下的结论： ① 渗透性方面中砂效果最好，既使颗粒对细菌的吸附性足够大，又保证底物溶液流通，微生物代谢作用充分，形成足够的连接物质填充砂土颗粒的空隙；粗砂沙土颗粒间空隙较大，无法有效吸附大量细菌，微生物代谢作用不充分，未形成足够的连结物质；细砂容易被加固生成的碳酸钙堵塞，阻断反应进行，加固效果不佳。 ② 适中营养液浓度(1.5 mol/L)既保证加固反应的效率，也使溶液在砂土中流通，生成足够的连接物质填充砂土颗粒，加固效果较好。浓度偏低的式样反应速率较慢，生成的产物偏少；偏高的式样会造成大量碳酸钙的堵塞，溶液难以渗流到试样下部，二者均不利于渗透性能的改良。 砂土柱强度方面，颗粒大小的影响在一定范围内与砂土力学性能呈正相关，越粗颗粒的砂土表面积更大，其周围覆盖的碳酸钙更容易与沙土颗粒结合形成整体，对力学性能提供的帮助更大。适中营养液浓度也对砂土柱强度起到促进作用，提供了更多钙离子，提高反应速率，有利于微生物反应形成碳酸钙结晶，从而提高固化效果；但微生物在沙土内加固不够均匀，存在许多内部缺漏，在破坏时容易连在一起形成薄弱面，导致砂土柱在薄弱面受剪破坏。 MICP灌浆加固效果受众多因素影响，除了营养液浓度、和砂土颗粒大小，pH、细菌活性、温度等因素也对灌浆效果有较大影响。同时不同实际工程条件下，微生物灌浆加固砂土的改进方法，仍是目前困扰相关研究小组的一个难题。现有研究还主要局限于室内试验，仍需结合现场试验进行深入探讨。在实际加固方面，根据实际条件，应注重选择适合的浓度进行加固，以达到较好的加固效果。
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user: 摘 要 道路在修筑过程中，路基土中的水是导致公路工程出现质量问题的主要原因之一，而利用生石灰处理高含水量土是一种有效的技术措施。本文主要针对高含水量石灰土的体积稳定性及强度特性进行研究，通过无荷载膨胀率试验以及冻胀试验，得到不同初始含水率及掺灰量条件下，高含水量石灰土体积稳定性的变化规律，同时利用CBR承载比试验对生石灰处理高含水量土的强度特性进行研究，分析得到初始含水率和掺灰量对于土体强度特性的影响规律。 关键词 :高含水量土，生石灰，CBR，膨胀率，冻胀率 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 道路修筑时，在地下水位较高的情况下，取土达到一定深度后，就会遇到含水量过大的土；在潮湿多雨地区，特别在雨季，即使在高地取土，也可能遇到含水量过大的土，尤其是在特殊潮湿地区的原始含水量往往过大，有时可能超过最佳含水量很多。而其含水率过高时，施工压实困难，路基强度低、稳定性差，易造成冻胀翻浆，进而带来致命的道路病害 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]。 在公路建设过程中，高含水量土路基的填筑是经常遇到的工程实际问题，如何保证高含水量土路基的填筑质量，提高高含水量路基的服役性能是目前急需解决的工程实际问题 [ 4 ] [ 5 ]。采用生石灰处理高含水量土是目前常用的技术手段，国内外也有很多研究针对生石灰土的冻融特性以及动态性能 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]。同时也有研究针对生石灰改良土的物理力学性能以及使用效果等进行分析 [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]。但是目前对高含水量土生石灰的掺配比例的确定还没有具体的方法，导致生石灰的掺量具有一定的经验性和随意性，缺乏具体的设计方法和依据 [ 13 ] [ 14 ]。同时，针对不同含水率和石灰掺量条件下石灰土的体积稳定性和强度特性的研究相对较少，但是这两种特性可以有效评价石灰土的使用性能。 本文通过主要通过室内试验的方法，针对高含水量土填筑路基的实际工程问题，开展通过生石灰处理高含水量土的相关技术研究。针对不同初始含水率及不同石灰掺量下的石灰土，分析石灰处理高含水量土的体积稳定性及强度特性，促进生石灰改性高含水量土这项技术的工程应用。
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user: 2. 试验原料与试验方法 2.1. 试验原料 现场取土试样中细粒组土粒(粒径 ≤ 0.075 mm)为总质量的88%，粗粒组土粒(60 mm ≥ 粒径 ≥ 0.075 mm)为总质量的12%，细粒组质量大于等于总质量50%，粗粒组质量小于等于总质量25%，该土属于低液限黏土。实测该土的主要物理力学指标如表1所示。 Table 1 Physical and mechanical index of soi 液限w l /% 塑限w p /% 塑性指数I p /% 最佳含水率w op /% 最大干密度 ρ d max /g/cm 3 39.4 23.1 16.3 17.4 1.79 表1. 土的物理力学指标 根据基层施工技术规范的有关规定，可以适用石灰稳定土的土样应是塑性指数为15~20，容易进行碾压与粉碎的黏性土，本研究所用土样满足要求。 石灰属于钙质消石灰，其有效氧化钙、氧化镁含量为65%，属于三级灰。 2.2. 无荷载膨胀率试验 对土试样进行无荷载膨胀率试验，测定试样在无荷载有侧限条件下，浸水后在高度方向上的膨胀率。试验方案确定为5组生石灰掺量，分别为2%、4%、6%、8%和10%，3组不同初始含水率，分别为20%、25%和30%，均高于最佳含水率，进行正交试验。 2.3. 冻胀试验 通过击实试验得到不同石灰掺量与含水率条件下的石灰土试件，然后对试件进行饱水48 h，待试件完全饱水后放入冰箱内进行冻胀试验，冻结温度设置为−20℃，通过在试件表面设置千分表的方式进行冻胀率的测量，得到不同冻结时间条件下的冻胀率变化情况，对材料的冻胀特性进行研究。试验中选择3种初始含水率20%、25%和30%，以及3种掺灰量2%、6%和10%的高含水量石灰土进行正交试验，测定48 h内试件冻胀率的变化规律。 2.4. CBR试验 参照规范中CBR试验方法，选择三组含水率分别为20%、25%、30%，均高于最佳含水率，同时选择五组生石灰掺量2%、4%、6%、8%、10%，通过击实试验制作石灰土试件。在进行CBR强度测试之前，需要将石灰土试样浸水4 d，使试件处于饱水状态，这个过程可以得到石灰土试件的吸水率变化。对浸水后高含水量石灰土试件进行CBR强度试验，得到初始含水率和生石灰掺量对土体CBR强度的影响。
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user: 3. 体积稳定性研究 通过无荷载膨胀率试验可以得到不同初始含水率下石灰掺量对土体无荷载膨胀率的影响情况如图1所示。 图1. 无荷载膨胀率随掺灰量变化曲线 由上图可知，随着石灰掺量的增加，土的无荷载膨胀率在逐渐减小，且逐渐趋近于零，初始含水率对土体膨胀率的数值也会产生影响，掺灰量越小时，影响越显著，初始含水率越大，膨胀率的数值越小，因为它是诱发土膨胀变形的直接原因，当初始含水率越小时，膨胀潜势就越大。由变化曲线可以看出当石灰掺量为6%以上时，土的无荷载膨胀率就小于规范所规定的0.7%的界限，而当石灰掺量较小时，膨胀率无法满足规范的要求，所以土样用石灰改性处理后其膨胀性受到了较好的抑制，可以用来改善土体的体积稳定性。 采用上述冻胀试验方法与试验方案进行室内冻胀试验，得到不同掺灰量及含水率条件下，冻胀率随冻胀时间的变化规律如图2所示。 由上图可以看到，本试验中对土试件的高度变化在48 h的时间内进行监测，发现冻胀率在前24 h不断增加，而在24 h后基本趋于稳定，随着初始含水率的增加，试件的高度变化更加明显，试件中会存在 图2. 不同掺灰量下冻胀率变化规律曲线 更多的自由水发生冻胀，而随着掺灰量的增加，试件的高度变化在逐渐减小，证明生石灰可以对土体的冻胀起到有效的抑制作用。综上所述，石灰的掺加可以有效改善土体的体积稳定性，且石灰掺量越大，效果越明显。 分析原因为生石灰粉掺入粘土中形成的离子交换能力与土中粘粒含量有关，由于粘粒具有很大的比表面积，含量越高颗粒表面电荷所形成的比表面就越大，相应的离子交换作用进行得更为显著。离子交换使土粒双电层中的扩散层变薄，结合水减少，从而使粘土粒间的结合力增强，表现为体积稳定性更强。
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user: 4. 强度特性研究 参照上述试验方法进行CBR承载比试验，在进行CBR强度试验之前，需要对试件进行饱水操作，通过比较不同初始含水率和石灰掺量的试件，可以得到试件在饱水情况下的吸水率变化情况如图3所示。 由下图可知，随着石灰掺量的增加，土的吸水率在逐渐减小，且在不同初始含水率下变化较为一致，随着石灰掺量的增加，土样的初始含水率会有所降低，由于生石灰会消耗一部分水，但是在吸水饱和状态下的含水率也会降低，这是由于石灰土的压实度更高，吸收的水也就较少，但从整体来看，掺灰量对于吸水率的影响较小。 然后对饱水试件进行CBR试验，得到初始含水率和生石灰掺量对土体CBR强度的影响如图4所示。 通过图中可以看出，随着生石灰掺量的增加，土的CBR强度值在逐渐增大，且初始含水率较低时变化较为显著。随着初始含水率的增加，土的CBR强度值在逐渐减小，当石灰掺量较大时，含水率较低时，石灰掺量会对强度值产生更大的影响。规范中规定在一般路基施工中，高速公路和一级公路要求路基填料的最小强度(CBR强度)上路床不小于8%，下路床不小于5%，上路堤不小于4%，下路堤不小于3%。因此，当含水率小于25%时，4%以下的石灰掺量就可满足最高要求，而当含水率为30%时，需要掺加6%以上的石灰才可满足大于8%的要求。 分析石灰对于土体CBR值的影响原因为，当石灰掺入土中时，不仅发生阳离子交换作用和絮凝作用，还会发生吸水膨胀作用和碳化胶结作用。一方面，由于水化作用，石灰吸收了土中的水份，体积膨胀，放出热量，使土发热和水分蒸发，从而改善土质。另一方面，掺合后土中剩余的石灰和空气中的CO 2 发生作用，可形成CaCO 3 这种物质，使土碳化，提高了土体的坚固性，从而增加了土体强度，所以土体CBR值也相应的有所增加。 图3. 不同初始含水率下吸水率变化曲线 图4. 不同含水率下CBR强度值变化曲线
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user: 5. 结语 通过对生石灰处理高含水量土的室内试验研究，得到如下结论： 1) 高含水量石灰土的无荷载膨胀率随初始含水率的增加而不断减小，随着石灰掺量的增加而显著减小，高含水量石灰土的冻胀率变化随着冻结时间的增加而不断增大，并最终趋近于一个定值，随着含水量的增加，冻胀率变化也在增加，但石灰掺量的增加可以明显减少试件土的高度变化，有效减少冻胀变形，即生石灰的掺加可以有效地提高高含水量土的体积稳定性； 2) 随着石灰掺量的增加，土的吸水率在逐渐减小，且在不同初始含水率下变化较为一致，同时随着初始含水率的增加，土体饱和情况下的吸水率在逐渐减小。随着初始含水率的增加，高含水量石灰土的CBR强度值在逐渐减小，而随着掺灰量的增加，高含水量石灰土的CBR强度值逐渐增大，并且含水率越低时变化越明显，生石灰可以有效提高高含水量土的强度特性。
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user: 摘 要 为了解决尖晶石型钛酸锂(Li 4 Ti 5 O 12 )导电性差、倍率容量低等缺点，本文以TiO 2 为钛源、Li 2 CO 3 为锂源以及葡萄糖为碳源，采用两步球磨和两段固相烧结(简称两步法)制备了钛酸锂纳米晶负极材料。所制备的样品通过XRD、TEM、激光粒度仪、EIS以及充放电测试仪表征。结果表明所制备的样品颗粒尺寸低至50 nm，平均粒径 < 150 nm，具有优异的电化学性能。其中，0.1 C倍率下放电可逆比容量达到168 mAh/g，在1 C、3 C、5 C、7 C、10 C倍率下放电比容量分别为154 mAh/g、149 mAh/g、145 mAh/g、140 mAh/g和134 mAh/g。对比0.1 C，容量保持率分别为90.5%、88.6%、86.3%、83.3%和79.8%。通过两步法制备的样品可以有效抑制钛酸锂在合成过程中晶粒生长、团聚并改善钛酸锂的电化学性能。 关键词 :纳米钛酸锂，纳米颗粒，固相法，负极材料，两段烧结，电化学性能 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 随着锂离子电池在手机、便携式摄像机、其他数码产品和电动汽车中的广泛应用，锂离子电池已成为现代社会发展不可或缺的一部分 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]。此外，锂离子电池也有望广泛应用于智能电网和风能或太阳能发电站的大规模储能 [ 4 ] [ 5 ]。然而，循环寿命短，安全性差和低倍率容量已成为商业锂电池的缺点并延迟了其应用进程。因此，迫切需要开发具有长寿命，高倍率容量和良好安全性能的锂离子电池。尖晶石钛酸锂被称为“零应变”材料，在充放电过程中其体积几乎没有变化 [ 6 ]；另外，钛酸锂作为负极材料应用于锂电池，其电压平台为1.55 V (vs Li/Li + )，难以产生锂枝晶，具有较高的安全性能 [ 7 ] [ 8 ]。因此，钛酸锂完全可以成为下一代商用负极材料的候选材料。但是，钛酸锂的电导率(~10 −13 S/m)差已成为其商业化发展的致命缺陷，这会导致其倍率容量低 [ 9 ] - [ 14 ]。通常，钛酸锂的电化学性能主要通过减小颗粒尺寸，表面包覆涂层和体掺杂来改善。减少颗粒尺寸主要是将钛酸锂颗粒的尺寸减小至纳米级或亚微米级，从而缩短Li + 的传输路径并增加比表面积(SSA)，提高Li + 的扩散系数 [ 15 ]。例如，Yu用固相法制备了钒掺杂的钛酸锂，钛酸锂的粒径约为300 nm [ 16 ]。表面包覆主要通过在钛酸锂的表面包覆导电材料(例如碳材料 [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]，导电聚合物 [ 21 ] 等)来提高导电性。此外，它还能有效抑制钛酸锂晶体的生长，从而有效地制备纳米颗粒并缩短Li + 的扩散路径 [ 17 ] [ 18 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]。体掺杂主要通过引入外来阳离子或不等价离子来改善电化学性能 [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]。 制备钛酸锂材料的方法有很多，例如固相法，水热法，溶胶–凝胶法等。其中固相法是一种简单，低成本的制备方法，工业上通常采用这种方法制备电极材料，能够大批量的生产，是实现钛酸锂产业化最理想方法之一。固相也存在缺陷，主要是在烧成过程中，晶粒尺寸和形貌难以控制，粒径往往生长至微米级，这使得Li + 的迁移路径增加，比表面积缩小，从而限制了钛酸锂的电化学性能。有研究表明将钛酸锂与碳材料复合可以抑制在烧结过程中晶粒长大。例如通过固相法制备了Li 4 Ti 5 O 12 /C复合材料，所制备样品的粒径为0.1~1 µm，虽然粒径在一定程度上有所减少，但是颗粒尺寸和形貌不均匀，且电化学性能没有很大提升，在0.1 C倍率下首次放电比容量仅163 mAh/g [ 16 ]。利用固相法制备了Li 4 Ti 5 O 12 -石墨烯复合材料，将复合材料粒径控制在500 nm左右，但是电化学性能不佳，特别是循环性能差，容量衰减快 [ 31 ]。此外，还可通过改进实验制备路线来抑制晶粒生长，为此，于小林等人采用两步煅烧法制备了钛酸锂，先在500℃保温4 h然后直接升至750℃保温16~20 h，将钛酸锂晶粒尺寸降至500 nm左右，且颗粒尺寸相对均匀，但是可逆比容量比较低，倍率性能有待提高 [ 32 ]。 本文将钛酸锂进行纳米化改性，采用两步球磨配合两段烧结法制备高性能钛酸锂负极材料。所不同的是，第一次烧结就让原料生成钛酸锂，并且结晶度必须高，这样在二次球磨过程中结构不会被破坏；其次，第一次烧结后拿出来进行二次球磨，然后再进行第二次烧结，以提高钛酸锂的尺寸均匀性，同时也能有效抑制晶粒团聚；此外，为了提高钛酸锂的导电性能，每步球磨都添加适量的葡萄糖作导电剂，以促进碳材料混合均匀。利用X射线衍射仪、透射电镜、新威充放电测试仪以及辰华电化学工作站表征钛酸锂的物理及电化学性能。
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user: 2. 实验与表征 2.1. 纳米钛酸锂材料制备 钛酸锂纳米晶体是通过两步烧结结合两步球磨工艺制备的，并以精确称量的TiO 2 (99.8 wt%)，Li 2 CO 3 (99.5 wt%)和葡萄糖(C 6 H 12 O 6 ∙H 2 O， AR)为原料。首先，将原料添加到无水乙醇溶液中，固液比为1:5，将其置于球磨机(VB0.3Q，苏州维格纳米有限公司)中以2000 r/min的转速研磨2小时。其次，将上述原料过滤并在80℃下干燥12 h以得到混合物。然后将原料混合物在高纯氮气气氛中煅烧以进行第一次烧结。第三，将预煅烧的中间产物和一定量的葡萄糖加入无水乙醇中，在球磨机中研磨2小时，然后过滤并干燥12小时。最后，将得到的前驱体在高纯氮气气氛中于750℃煅烧4 h，得到最终样品。所制备的样品如表1所示，详细的制备流程如图1所示。 图1. 实验流程图 Table 1 Table of preparation conditions for final sample 样品名称 原料组成 球磨次数 首次烧结(h) 第二次烧结(h) LTO-8h TiO 2 Li 2 CO 3 Glucose 2% 1 8 0 LTO-4h-4h TiO 2 Li 2 CO 3 Glucose 1% × 2 2 4 4 LTO-6h-4h TiO 2 Li 2 CO 3 Glucose 1% × 2 2 6 4 表1. 最终样品的制备条件表 2.2. 半电池组装 按计量比称取钛酸锂材料、PVDF和乙炔黑(LTO:PVDF:乙炔黑 = 8:1:1)在NMP中混合，然后均匀的涂覆在铜箔上，将其至于真空干燥箱中120℃干燥4 h。干燥后将其切成d = 12 mm的圆形切片，然后将正负极壳、锂片、镍网以及负极铜箔在手套箱中进行半电池组装，组装顺序依次为正极壳、铜箔电极、隔膜、锂片、镍网及负极壳。最后在封口机上进行封装成半电池。 2.3. 物理表征 利用X射线衍射仪(D/max2500V，日本理学)对材料进行物相结构表征，测试范围10˚~80˚，5˚/min。利用透射电镜(TEM，TECNAI G2 F20，Hillsboro，美国)表征微观结构和形貌。采用马尔文激光粒度仪(Mastersizer 3000，Malvern Instruments Limited，Malvern，英国)表征样品的粒度。 2.4. 电化学测试和表征 采用新威充放电测试仪(BTS-5V3A，新威科技有限公司，深圳，中国)进行循环充放电测试和倍率性能测试，测试电压范围1~2.5 V；利用辰华电化学工作站(CHI1400，上海辰华仪器有限公司，上海，中国)进行交流阻抗测试(EIS)，测试范围0.01~100000 Hz。
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user: 4. 结论 本文通过两步烧结结合两步球磨成功制备了纳米钛酸锂，而钛酸锂纳米晶体的晶粒尺寸可以通过优化合成条件来控制。通过研究球磨粘度对原料粒度的影响，有效地将原料平均粒径减少至50 nm；二次球磨可以有效地减少钛酸锂的粒径，并且有效抑制颗粒团聚，所制备的品晶粒尺寸低至50 nm，LTO-4h-4h的晶粒平均尺寸为100 nm，而LTO-6h-4h的晶粒尺寸也只有140 nm，尺寸大大缩小，从而减少Li + 的迁移路径，增大比表面积；适度的预烧温度，使得钛酸锂晶体结构稳定，在第二次球磨过程中不会被破坏，同时由于晶体结构稳定，LTO-6h-4h的倍率性能优越，0.1 C时，首次放电比容量高达168 mAh/g，接近钛酸锂的理论比容量(约175 mAh/g)，10 C倍率下仍有134 mAh/g可逆比容量。
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user: 摘 要 本文对含BVID冲击损伤的T300级碳纤维织物层压板的压缩疲劳特性进行了试验研究。依次进行了T300级碳纤维复合材料织物层压板的BVID冲击损伤引入试验、静强度试验、压缩疲劳和剩余强度试验，同时在压–压疲劳试验过程中持续监测了试验件刚度的变化，并间隔性地进行了超声C扫描无损检测，以获取冲击损伤的演化信息。通过本试验研究，获取了含BVID冲击损伤T300级碳纤维复合材料织物层压板的S-N曲线、刚度变化和分层损伤扩展等疲劳特征。 关键词 :T300，BVID，疲劳，损伤扩展 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 飞机复材料结构不可避免地会受到外来物的冲击，如工具坠落、跑道碎石、冰雹等。由于复合材料结构最大的弱点是对冲击事件非常敏感，这些外来物冲击将会对结构的功能或性能(强度、刚度降低等)产生不利影响 [ 1 ]。特别是当结构受到低速冲击损伤时，虽然从结构表面无法观察到任何痕迹，但内部可能已经产生了大面积的分层，使压缩强度急剧下降，降到无损状态的40%甚至更低 [ 2 ]。因此复合材料的冲击问题研究一直是航空复合材料领域的主要研究热点。 长期以来，目视检测是评估飞机状态最经济、最快捷的方法，军民用飞机每次飞行后的地面巡检主要为目视检查。因此选用目视可以检测到的参量，如冲击后的凹坑深度，来表征飞机损伤，是目前飞机复合材料结构损伤容限设计的重要前提。目前飞机强度规范中均采用目视勉强可见冲击损伤(BVID)作为结构有可能被检测出的初始缺陷/允许损伤，飞机设计师确定复合材料压缩设计许用值时也主要依据含BVID冲击损伤的复合材料结构冲击后的压缩试验结果 [ 3 ]。因此研究含BVID冲击损伤复合材料结构的特性具有非常重要的意义。在该方面，国内外均进行了大量的试验与理论研究 [ 4 ] - [ 11 ]，但主要集中于静力特性研究，对于疲劳特性研究较少。本文主要进行含BVID冲击损伤的国产T300级碳纤维织物复合材料层压板的压–压疲劳特性试验研究，通过试验获取了其S-N曲线特征、刚度变化和损伤扩展等疲劳特性。
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user: 2. 试验件和方法 2.1. 试验件 采用某国产T300级织物预浸料通过热压罐固化工艺制备了试验所需的复合材料大板，其铺层形式为[(±45) 3 /(0，90) 2 /(±45) 2 /(0，90) 2 /(±45)] S ，层压板厚度为4.2 mm。将所制备的复合材料大板切割成ASTM D7136所需要的试验件尺寸 [ 12 ]，试验件长为150 mm，宽度为100 mm，厚度4.2 mm，总数为36件。 2.2. 试验方法 含BVID冲击损伤层压板压–压疲劳试验步骤如下： a) 先进行BVID冲击损伤引入(摸索BVID损伤的冲击能量，并对全部试验件引入BVID损伤)； b) 引入BVID损伤后，进行CAI静力试验(确定疲劳试验的应力应变水平)； c) 最后进行疲劳试验，对于10 6 次循环未破坏的试验件，进行剩余强度试验。 2.2.1. BVID冲击损伤引入 BVID冲击损伤引入试验参照ASTM D7136/D7136M-2015“测量纤维增强聚合物基复合材料对落锤冲击事件的损伤阻抗的标准试验方法”进行 [ 12 ]。 冲击损伤引入采用直径16 mm的半球形钢冲击头，对试验件中心进行冲击试验。冲击时首先取若干件试验件进行能量摸索，确定BVID损伤(冲击后立即测量的凹坑深度为1 mm)对应的冲击能量，此后以该能量对剩余试验进行冲击。冲击后立即测量的凹坑深度在(1.0 ± 0.2) mm范围内认定其为有效的冲击损伤。冲击后对所有试验件进行无损检测。 2.2.2. CAI静力试验 从带有BVID冲击损伤的试验件中各取5件进行CAI (冲击后压缩)静力试验，测定该铺层含BVID冲击损伤层压板的静强度。静力试验参照ASTM D7137/D7137M-2012“含损伤聚合物基复合材料板压缩剩余强度性能的标准试验方法”进行。试验时以1.25 mm/min的加载速率对试验件施加压缩载荷，直至试验件破坏。试验件破坏前的最大载荷除以试验件的宽度和厚度可得试验件的CAI静强度。图1为CAI静力试验状态照片。 图1. 静力试验状态照片 2.2.3. 疲劳试验 含BVID冲击损伤层压板压–压疲劳试验参照ASTM D7137/D7137M-2017“含损伤聚合物基复合材料板压缩剩余强度性能的标准试验方法”进行 [ 13 ]。试验前按照标准要求在试验件表面背对背地粘贴4个应变计，在试验件正中位置粘贴温度传感器。试验在INSRON电液伺服疲劳试验机上进行。采用分级法与升降法的组合方法测定S-N曲线。分级时疲劳载荷确定依据2.2.2测定的平均静强度，按照试验件平均静强度的百分数选取疲劳峰值应力，分别取80%、70%和60%静强度作为每一级的疲劳载荷峰值，每一级至少5个有效数据，测定含BVID试验件在给定应力水平下的疲劳寿命。采用升降法测定10 6 疲劳寿命对应的疲劳强度(疲劳门槛值)。对于80%及以上高应力水平，统一采用5 Hz的加载频率，其他载荷水平统一采用7 Hz。所有试验件表面监控到的温升均没有超过3℃。疲劳后对未破坏的试验件，进行无损检测确定了损伤扩展情况，然后进行了静力试验以测定其剩余强度。