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2022年  第54卷  第1期

物理学与光学工程
一种高性能铁基纳米晶合金的软磁性能研究
孔钦可, 詹花茂, 程养春, 王磊, 宋文乐, 李雪松, 薛志勇
2022, 54(1): 1-6. doi: 10.6054/j.jscnun.2022001
摘要:
在Finemet合金FeSiNbBCu系列的基础上,设计了Fe75.9Cu1Si13B8Nb1.5Mo0.5Dy0.1合金铁芯,用于研究铁芯的软磁性能。结果表明:Fe75.9Cu1Si13B8Nb1.5Mo0.5Dy0.1的工业化非晶合金带材在铸态下为完全的非晶态结构,真空退火后在非晶基体上析出了α-Fe纳米晶相。Fe75.9Cu1Si13B8Nb1.5Mo0.5Dy0.1合金的ΔTx很大(192 K),具有良好的热稳定性,可以更好地调控纳米晶组织。对材料施加横向磁场热处理,可以大幅度提高材料的有效磁导率(μe)、降低磁性损耗(Ps),这一变化对于薄的条带更为显著。Fe75.9Cu1Si13B8Nb1.5Mo0.5Dy0.1合金的最佳热处理工艺:施加0.10 T的横向磁场,在833 K下保温30 min,最佳饱和磁感应强度(Bs)为1.39 T,矫顽力(Hc)为4.6 A/m,μe=2.5×104 (1 kHz)、1.52×104 (100 kHz)。随着电子元器件的高频化和小型化发展,该材料具有潜在的应用价值。
铅基钙钛矿太阳能电池界面工程的研究
陈龙, 张文超, 黄睿, 牛宇航, 李炜, 唐吉玉
2022, 54(1): 7-12. doi: 10.6054/j.jscnun.2022002
摘要:
在wxAMPS太阳能电池数值模拟软件微平台上,对ITO/ZnO/界面层(IFL)/MAPbI3/Sprio-OMeTAD/Au结构的钙钛矿太阳能电池(PSCs)的电子传输层(ETL)/吸收层的界面工程进行研究。结果表明:在界面层缺陷密度低于1014 cm-3时,PSCs的电池性能几乎不变,当缺陷密度高于1014 cm-3时,PSCs的电池性能急剧下滑。当界面层与吸收层亲和势差(Δχ)在-0.7~-0.1 eV范围时,各项电池性能参数均随Δχ的增大而增大;当Δχ在-0.1~0.5 eV范围时,各项电池性能呈平缓增长;当Δχ大于0.5 eV时,电池的短路电流(JSC)呈平缓增长趋势,而开路电压(VOC)、填充因子(FF)及光电装换效率(PCE)快速降低。当带隙Eg在0.9~1.4 eV范围内增大时,PSCs的VOC、FF和PCE均上升;当带隙Eg大于1.4 eV,PSCs的各项性能参数基本不变。
化学与环境
N2和O2在δ-Pu(100)表面吸附行为的理论研究
赵朝阳, 王国亮, 翟鹏飞, 戚春保, 陈旭丹
2022, 54(1): 13-23. doi: 10.6054/j.jscnun.2022003
摘要:
空气中活性气体在钚材料表面的吸附行为是引起钚材料表面腐蚀的重要原因。采用第一性原理方法对空气中N2和O2在δ-Pu (100) 表面的吸附行为进行了研究。对所有稳定吸附构型进行Bader电荷分析以及吸附能与结合能分析的结果表明:N2的最稳定吸附构型为H-S-N6,O2的最稳定吸附构型为H-P-O4。对这2种吸附构型进行差分电荷密度分析、态密度(DOS) 分析和晶体哈密顿轨道布居数(COHP) 计算的结果表明:N2和O2在δ-Pu (100) 表面的吸附均为强化学吸附,且O2的吸附远远强于N2。成键本质均为N原子或O原子的2s和2p轨道与表面Pu原子的6p、6d和5f轨道发生重叠杂化作用。研究结果对于N2和O2在δ-Pu (100) 表面共吸附行为的研究奠定了良好基础,对揭示钚材料在空气中的表面腐蚀机制有重要意义。
环蕃分子及其衍生物非线性光学性质的理论研究
吴倩, 彭导灵, 顾凤龙
2022, 54(1): 24-29. doi: 10.6054/j.jscnun.2022004
摘要:
采用密度泛函理论计算方法研究了环蕃分子及其衍生物的非线性光学性质,探讨了将其作为非线性光学开关材料的可能性。计算结果表明:当不施加外电场时,该新型分子和设计的衍生物分子均为中心对称结构,其非线性光学响应性质中的第一超极化率为零,对应于分子开关中的“关”状态;而在恰当的外电场强度下,转变为非中心对称结构,并具有很大的第一超极化率,对应于分子开关中的“开”状态。在电场强度小于1.39×1010 V/m时,环蕃分子及其衍生物均表现出很好的几何结构和电子结构的稳定性,虽然衍生物分子存在一个因对称性变化导致的较小的结构参数的突变,但不影响分子总体结构的稳定性。该研究从理论上证明了环蕃分子及其衍生物均可以作为非线性光学开关材料,为非线性光学材料的设计提供了理论参考。
高性能长循环锌离子电池双金属氧化物ZnMnO3正极材料
庄强强, 王保峰, 吴宝柱, 汪浩立, 吴茜凯
2022, 54(1): 30-35. doi: 10.6054/j.jscnun.2022005
摘要:
通过溶胶-凝胶法制备了一种锰基双金属氧化物ZnMnO3纳米颗粒材料,首次将其应用于水系锌离子电池正极材料。在300 mA/g的电流密度下表现出高的放电比容量(175 mA·h/g)。在1 000 mA/g的电流密度下放电比容量仍然高达134 mA·h/g。与单金属氧化物相比,ZnMnO3表现出更优异的循环稳定性和更好的倍率性能。通过非原位的电极表面扫描电子显微镜(SEM)形貌表征,ZnMnO3在循环过程中能够保持结构的稳定性,从而具有稳定的长循环性能。通过非原位X射线衍射(XRD)分析表明,ZnMnO3的储锌行为符合嵌入脱出机理。
基于尼龙6和聚偏氟乙烯复合隔膜的凝胶聚合物电解质
吴旭, 侯贤华
2022, 54(1): 36-41. doi: 10.6054/j.jscnun.2022006
摘要:
通过连续静电纺丝法制备了具有三明治结构的尼龙6(PA6)/聚偏氟乙烯(PVDF)/尼龙6三层复合膜,并将其用作锂离子电池凝胶聚合物隔膜。通过扫描电子显微镜(SEM)观察到该隔膜由无序的纳米纤维交织而成,具有大量的相互贯通的3D孔道。用差示扫描量热法(DSC)分析了隔膜的热稳定性,其特殊的多孔三明治结构及2种材料的搭配可以有效提高锂离子电池的安全性。用复合隔膜吸收少量的六氟磷酸锂电解液(1 mol/L六氟磷酸锂溶液,碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)/碳酸甲乙酯(EMC),质量比为1∶1∶1)得到凝胶聚合物电解质(GPE),该电解质在室温下的离子电导率达到了4.2 mS/cm,并且与电极之间有良好的的界面动力学稳定性。为了研究凝胶聚合物电解质的实用性,将其与锂片负极及商用磷酸铁锂正极材料组装成扣式电池,经测试电池表现出良好的循环性能和倍率性能。
柠檬酸交联魔芋葡甘聚糖多孔材料的制备及机械性能
刘俊成, 宋瑗瑗, 王倩, 郑剑伟, 蒋革
2022, 54(1): 42-47. doi: 10.6054/j.jscnun.2022007
摘要:
采用来源广泛且廉价的魔芋葡甘聚糖(KGM)为原料,通过不同温度(5~85 ℃)使柠檬酸(CA)与KGM形成交联的CA-KGM多孔材料。分别考察了KGM加入量、CA加入量、反应温度及反应时间对CA-KGM机械性能的影响;以这3个因素为考察对象进行正交优化实验;通过扫描电子显微镜观察产品形貌。结果表明:合适的KGM和CA加入量、温度及反应时间才能得到黏度适宜、吸水率较好、机械性能强的CA-KGM多孔材料。通过优化实验条件,在KGM质量浓度10 g/L、CA质量浓度10 g/L、反应温度65 ℃、反应时间2 h条件下得到的CA-KGM拉伸强度为0.95 MPa、断裂伸长率为16.7%。
混凝土中钢筋的腐蚀机理与腐蚀速率控制研究
钟志恒, 莫烨强, 张凯, 林志耀, 蒋蔓玄, 黄雪儿, 周海俊
2022, 54(1): 48-53. doi: 10.6054/j.jscnun.2022008
摘要:
采用极化曲线和电化学阻抗谱法,研究了混凝土中钢筋在不同试验条件下的腐蚀机理及其腐蚀速率计算方法。结果表明: 在自然腐蚀条件下,钢筋腐蚀反应过程受阳极反应控制,采用修正的双向线性极化电阻公式计算其腐蚀速率。然而在通电加速腐蚀条件下,钢筋的腐蚀反应过程受电化学和浓差极化混合控制,通过拟合弱极化曲线可以得到相对准确的极化电阻。研究结果为混凝土结构中钢筋的腐蚀机理判断与腐蚀速率控制提供了参考。
生物学与生物工程
分子对接技术筛选沉香中抗新型冠状病毒活性成分
王倩, 刘俊成, 宋瑗瑗, 胡峰, 蒋革
2022, 54(1): 54-60. doi: 10.6054/j.jscnun.2022009
摘要:
从沉香中筛选潜在的抗新型冠状病毒活性成分,指导以沉香小分子作为SARS-CoV-2潜在阻断剂和抑制剂药物的研发。根据沉香已知的化学成分,采用分子对接的方法,以血管紧张素转化酶-2(ACE2)、SARS-CoV-2的3CL水解酶(3CLpro)为靶标,通过结合打分值以及与靶蛋白受体的相互作用模式,获得沉香中具有潜在抗SARS-CoV-2活性的化学成分。分子对接结果表明:共有6种化学成分可作为ACE2结合阻断剂,有4种化学成分可作为3CLpro抑制剂,且均为2-(2-苯乙基)色酮类化合物;主要作用方式为氢键、疏水、π-π共轭作用力,其中5, 6, 7, 8-四羟基-2-(3-羟基-4-甲氧基苯乙基)-5, 6, 7, 8-四氢-4H-色原烯与靶标蛋白形成的氢键数目最多,分子对接效果最优。基于分子对接的虚拟筛选方法可快速筛选沉香中潜在的抗新型冠状病毒活性成分,其中5, 6, 7, 8-四羟基-2-(3-羟基-4-甲氧基苯乙基)-5, 6, 7, 8-四氢-4H-色原烯可优选作为后续抗SARS-CoV-2药物的研究。研究结果可指导以沉香小分子为前体的COVID-19的新药研发。
Chaetoglobosins E诱导乳腺癌MCF-7细胞凋亡作用机制研究
于大永, 高鸿雁, 曹鹤, 卢轩, 史丽颖
2022, 54(1): 61-69. doi: 10.6054/j.jscnun.2022010
摘要:
为探究Chaetoglobosins E (ChE)对肿瘤细胞增殖和凋亡的影响,体外培养人乳腺癌MCF-7细胞、人膀胱癌T-24细胞、人黑色素瘤C8161细胞、人白血病U937细胞,用不同浓度的ChE分别作用于4种细胞24 h或48 h,MTT法检测4种肿瘤细胞的增殖情况;为进一步研究其作用机制,Hoechst 33342染色观察MCF-7经ChE处理后细胞形态的变化,流式细胞术检测MCF-7经ChE处理后细胞凋亡、周期、活性氧以及线粒体膜电位的变化情况,Western Blot法检测MCF-7细胞中凋亡相关蛋白的表达情况。结果显示:ChE对MCF-7、T-24、C8161和U937细胞增殖均有抑制作用,且均呈现出时间和剂量依赖性,4种肿瘤细胞中,ChE对MCF-7增殖的抑制效果最强,24、48 h的IC50分别为82.04±7.01、49.87±2.28 μmol/L;Hoechst 33342染色发现,随着ChE浓度的升高,凋亡的MCF-7细胞数逐渐增多,细胞凋亡特征显著,细胞核的体积缩小,细胞核裂解并伴有凋亡小体;通过流式细胞术发现,MCF-7细胞经ChE处理后, 细胞凋亡增加、细胞周期改变、活性氧增加以及线粒体膜电位降低;Western Blot实验发现,Bid、Caspase 3蛋白的表达量降低,Cleaved Caspase 3、Bax蛋白与Bcl-2蛋白表达量的比值增加。综上所述,ChE诱导的MCF-7细胞凋亡与Caspase依赖性线粒体途径有关。
地理科学与技术
融合级联CRFs和U-Net深度学习模型的遥感影像建筑物自动提取
陈嘉浩, 邢汉发, 陈相龙
2022, 54(1): 70-78. doi: 10.6054/j.jscnun.2022011
摘要:
针对深度学习模型进行建筑物提取时存在的建筑物边缘模糊问题,将级联CRFs(全连接条件随机场)引入到U-Net深度模型中,提出了一种改进的U-Net模型(U-Net+级联CRFs),以用于遥感影像建筑物自动提取:构建级联CRFs并将其引入到U-Net模型的解码层中,从多层结构中学习边界信息,增强模型对建筑物边界的分割能力。并以广东省佛山市为研究区,利用U-Net+级联CRFs、U-Net+CRFs、U-Net、SVM模型进行建筑物提取实验。结果表明U-Net+级联CRFs模型可以有效识别建筑物边界信息,提高建筑物提取的精度:U-Net+级联CRFs模型在准确度、召回率、F1值和交并比4个指标上的均值分别达到了93.1%、87.5%、91.4%和85.1%,均优于U-Net+CRFs、U-Net、SVM模型。
近30年中国典型城市群建设用地扩张的时空特征及其对比——以京津冀城市群和粤港澳大湾区为例
张颖诗, 冯艳芬, 郭冠华, 王芳, 蔡世荣
2022, 54(1): 79-90. doi: 10.6054/j.jscnun.2022012
摘要:
为了进一步把握当前城市群发展的特点与方向,掌握城市群建设用地的扩张机制,选择中国南北两地最具代表性的京津冀城市群与粤港澳大湾区为研究对象,利用1988—2017年的建设用地数据,借助城市扩张速率、城市扩张强度、城市扩张差异指数和景观扩张指数等指标,对比分析两大城市群近30年间建设用地扩张的时空特征及其差异,并结合灰色关联模型分析两大城市群建设用地扩张的影响因素。结果表明京津冀城市群进入城市化的高速发展期,而粤港澳大湾区则进入城市扩张的成熟期,且大湾区内部的发展速度要优于京津冀城市群:(1)京津冀城市群建设用地的增加面积是粤港澳大湾区的3倍多,但其建设用地的扩张速率和扩张强度均小于粤港澳大湾区的,即扩张进程总体上慢于粤港澳大湾区。(2)两大城市群建设用地扩张存在显著的时空差异性:粤港澳大湾区建设用地的扩张速率和扩张强度在1988—2007年间均明显高于京津冀城市群的,但从2008年开始均低于京津冀城市群的,且差距不断扩大;京津冀城市群的建设用地呈多中心环状放射性扩张,粤港澳大湾区的建设用地则由点状扩张转为面状发展。(3)两大城市群建设用地的扩张过程存在显著的区域差异:京津翼城市群的建设用地扩张速度由高至低依次为南部、东北部、中部,粤港澳大湾区东岸的建设用地扩张速度快于西岸的。(4)两大城市群的新增建设用地斑块均以边缘式扩张和填充式扩张为主,飞地式扩张的数量占比逐渐降低,扩张格局不断从扩散走向集聚,但粤港澳大湾区建设用地扩张的集聚水平更高。(5)京津冀城市群的建设用地扩张主要受常住人口和地区生产总值的影响,而地区生产总值和固定资产投资总额则是粤港澳大湾区建设用地扩张的主要驱动力。
长三角地区博物馆空间格局演变及影响因素研究
刘世杰, 杨钊, 刘永婷, 刘斌
2022, 54(1): 91-99. doi: 10.6054/j.jscnun.2022013
摘要:
为了进一步探索博物馆空间格局演变规律,运用数理统计与ArcGIS空间分析方法,考察了2000—2018年长三角地区博物馆空间格局的演化特征及其影响因素。研究结果表明:(1)长三角地区博物馆数量呈直线上升趋势,2012年后增长速度变缓;江苏省博物馆数量居于首位;长三角地区41座城市中,上海市博物馆数量最多。(2)长三角地区博物馆总体为空间正相关,呈集聚态势。以上海市为核心,极化作用不断增强,整体呈“多核串珠状”,省会城市作用突出。从局部尺度来看,各省城市间差异显著,集聚区主要分布在沿海和长三角地区北部城市。(3)面板数据回归模型显示城市旅游发展水平、城市资源禀赋、城市经济水平、人口因素和政府财政等因素共同影响长三角地区博物馆的空间格局演变。
数学与应用数学
一个涉及多重可变上限函数的半离散Hardy-Mulholland型不等式
吴善和, 黄先勇, 杨必成
2022, 54(1): 100-106. doi: 10.6054/j.jscnun.2022014
摘要:
通过引入适当的核函数构造权函数,运用实分析技巧研究一类半离散Hardy-Mulholland型不等式:首先,建立一个涉及多参数和多重可变上限函数的半离散Hardy-Mulholland型不等式;然后,探讨该不等式的常数因子为最佳值时各参数之间的相关性及等价陈述,建立其等价不等式,刻画一类具有最佳常数因子的Hardy-Mulholland型不等式的结构特征。
平方图的邻点全和可区别全染色
王芹, 杨超, 常景智, 程银万, 姚兵
2022, 54(1): 107-112. doi: 10.6054/j.jscnun.2022015
摘要:
进一步研究了平方图的邻点全和可区别非正常全染色问题: 利用平方图的结构构造了路、圈、毛毛虫、广义星以及最大度为3且不含2度点的树的平方图, 通过组合分析法得到上述5类平方图的邻点全和可区别非正常全色数。
计算机科学与软件工程
基于Shi-Tomasi角点验证的线段提取算法优化方法
骆开庆, 邓军灿, 蔡伟博, 周育滨, 张健
2022, 54(1): 113-121. doi: 10.6054/j.jscnun.2022016
摘要:
针对现有的线段提取算法在图像中的天空、阴影、玻璃以及地板等模糊区域提取出较多的无意义线段的问题,提出了一种基于Shi-Tomasi角点验证的线段提取算法优化方法(ST-Lines算法):首先,使用经典线段提取算法进行线段提取;然后,采用Shi-Tomasi角点检测算法提取角点,并利用滑动窗口对所得的角点进行非极大值抑制;最后,根据线段长度、线段端点圆形框内的角点分布情况以及K最近邻算法对每条线段进行有无意义验证,尽可能多地剔除无意义线段。并利用YorkUrban线段数据集,对ST-Lines算法与原线段提取方法进行测试对比。对比结果表明:ST-Lines算法在平均准确率、F-score、平均线段长度上有所提高,且降低了平均线段数量。
进化算法优化GBDT的带钢卷取温度预测
皮理想, 崔桂梅
2022, 54(1): 122-127. doi: 10.6054/j.jscnun.2022017
摘要:
针对B钢厂2 250 mm热轧生产线层流冷却系统卷取温度预报命中率低的问题,采用差分进化算法优化后的梯度提升决策树建立带钢卷取温度预测模型(DE-GBDT),并对DE-GBDT预测模型与3个基础预测模型(梯度提升决策树(GBDT)、支持向量机(SVM)、小波神经网络(WNN)预测模型)以及差分进化算法优化后的支持向量机(DE-SVM)、小波神经网络(DE-WNN)进行对比。实验结果显示DE-GBDT预测模型能为提高带钢卷取温度控制精度提供有力支持:(1)与DE-SVM、DE-WNN预测模型相比,DE-GBDT预测模型的各项误差指标均最小,其中均方误差为18.232。(2)DE-GBDT预测模型的各项误差指标明显小于3个基础预测模型,其中,与GBDT预测模型相比,DE-GBDT预测模型的预测命中率提高了2.9%,均方误差降低了40.294,说明差分进化算法能明显提升模型性能。