韶峰专栏

• 采空区充填治理用混合充填胶凝材料稠度特征试验研究

  杨子安;黄宸缘;周子林;龙云刚;李玉;王野;邓代强;

  该文采用Malvern Mastersizer 2000激光粒度仪，分别对充填胶和PO 42.5级水泥的粒径进行测试，考察充填胶颗粒和PO 42.5级水泥的粒径分布情况.采用扫描电镜(SEM),考察充填胶材料的表面微观形貌特征.采用ZSX Primus III+X射线荧光光谱仪(XRF),测量充填胶材料的化学成分和含量.采用充填胶和PO 42.5级水泥制备混合充填胶凝材料，考察不同掺量充填胶与PO 42.5级水泥配合比条件下混合充填胶凝材料的稠度特征.结果表明，充填胶材料的粒径分布主要集中在几微米到几十微米的范围内，颗粒均匀度较好，充填胶颗粒材料的比表面积较大，具有较高的表面活性和吸附能力；充填胶材料的主要氧化物成分为CaO、SiO_2、Al_2O_3、MgO和SO_3;混合充填胶凝材料稠度随充填胶添加量的增大呈现出先增后减的趋势，综合考虑满足采空区所需充填体强度与经济成本要求，建议采用充填胶与PO 42.5级水泥配合比为5∶5的混合充填胶凝材料，对矿山大规模采空区进行充填治理，以消除因地表塌陷对矿区周边生态环境产生的不利影响，并达到降低治理成本的目的.

  2025年06期 v.47;No.191 1-10页 [查看摘要][在线阅读][下载 1306K]
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• 基于磁控溅射法制备的Bi₂O₂Se/NiO_x异质结的光电性能

  徐轩;杜心怡;张飘;黄凯;

  二维(2D)材料Bi_2O_2Se因其优异的载流子迁移率和光电响应特性，已成为光电探测等领域的研究热点.然而，Bi_2O_2Se的高载流子迁移率也会导致器件的高暗电流(1.8×10~(-8) A)和高静态功耗.构建二维材料异质结可以有效降低暗电流，但材料间的堆叠难以精确控制，限制了其实际应用.该文采用磁控溅射技术在Bi_2O_2Se表面沉积NiO_x薄膜，精确可控地制备了Bi_2O_2Se/NiO_x异质结构，该结构形成的势垒有效阻止了自由电荷的迁移，从而降低Bi_2O_2Se高暗电流.实验表明，该异质结器件在-1 V反向偏置电压下得到了1.5×10~(-11) A的超低暗电流，响应度和比探测率分别为1.37 mA·W~(-1)和1.8×10~(10) Jones.本研究构建的Bi_2O_2Se/NiO_x异质结构成功实现了基于Bi_2O_2Se光电探测器的超低暗电流，为开发低静态功耗光电探测器提供了新的思路.

  2025年06期 v.47;No.191 11-22页 [查看摘要][在线阅读][下载 1209K]
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• 双原子掺杂硒化镍纳米线的制备及其析氧性能

  刘时旺;徐鹏;刘韵丹;

  为开发低成本、高稳定性的电解水析氧反应(OER)催化剂，该研究采用两步水热法制备了Fe、Ru双原子掺杂的硒化镍纳米线(FeRu-NiSe/NF)催化剂.首先通过水热硒化泡沫镍基底获得NiSe/NF前驱体，再通过二次水热过程将Fe~(3+)和Ru~(3+)引入NiSe晶格.电化学测试表明，FeRu-NiSe/NF在1 mol·L~(-1) KOH溶液中表现出优异的OER性能：仅需276 mV过电位即可达到300 mA·cm~(-2)的电流密度，塔菲尔斜率低至41.31 mV·dec~(-1).在300 mA·cm~(-2)大电流密度下，催化剂稳定运行165 h后活性保持率超过95%,显著优于单原子掺杂样品及同类NiSe基材料.双原子掺杂通过三重机制提升性能：1)电子结构优化，Fe-Ru协同调控Ni的d轨道电子分布，降低OER中间体吸附能垒；2)表面工程，形成高活性层，增加活性位点暴露；3)晶格稳定化，双元素调控结构稳定性，抑制结构降解.该工作为非贵金属电催化剂的设计提供了“双原子协同调控”的新策略，推动低成本电解水技术的实际应用.

  2025年06期 v.47;No.191 23-32页 [查看摘要][在线阅读][下载 1141K]
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“数学+”交叉学科研究·智能计算

• 基于小波分解与CBAM-CNN多噪声增强混合气体识别

  刘舒铭;周子杰;

  随着工业化进程的加快和环境污染问题的加剧，快速、准确地识别空气中混合气体成分已成为环境监测与智能传感领域的关键挑战.传统方法在面对高强度噪声干扰、非线性响应及多源耦合等复杂环境时性能下降显著，难以满足工业泄漏预警和城市空气质量监测等实际应用需求.因此，该文旨在提出一种鲁棒性强、适应性高的混合气体识别模型，提升在多噪声干扰条件下识别准确率与模型稳定性.该文基于UCI气体传感器数据集，构建了一个融合二维小波分解与卷积块注意力模块(CBAM)-卷积神经网络(CBAM-CNN)的混合气体识别模型.首先，利用二维小波分解对传感器输出的多通道信号进行多尺度特征提取，生成包含低频主趋势与各方向高频细节的四通道图像结构.然后，设计包含通道注意力与空间注意力模块的CBAM-CNN网络结构，引导模型聚焦于对分类任务最具判别力的局部区域.在数据预处理阶段，引入多尺度高斯噪声扰动生成策略，构造不同噪声水平下的训练样本(σ~2分别为0、0.01~2、0.03~2、0.06~2),以提升模型对复杂背景扰动的鲁棒学习能力.最后，通过10次交叉验证评估模型在甲烷、乙烯和一氧化碳3类混合气体下的识别性能，并与SVM、RFC、ResNet-18和Swin Transformer等方法进行对比.实验结果表明，在无噪声条件下，所提模型的识别准确率达到98.7%,在高噪声水平(σ~2=0.06~2)下依然保持91.6%的识别准确率，表现出显著的抗干扰能力.与传统SVM和CNN模型相比，在中等噪声背景下(σ~2=0.03~2),该文方法准确率分别提高15.3%和8.9%.与ResNet-18和Swin Transformer相比，该文模型在高噪声场景中识别精度分别提升2.2%和4.2%.该文提出的Wavelet-CBAM-CNN模型通过多尺度特征融合与注意力机制的协同优化，显著增强了对气体混合信号中关键特征的提取与聚焦能力，同时结合多噪声扰动训练策略，实现了模型在复杂传感环境下的稳定识别性能.该方法不仅适用于气体识别任务，还具备良好的拓展性，有望推广应用于工业有毒气体泄漏检测、智能家居空气质量监控等多类环境感知场景.

  2025年06期 v.47;No.191 33-43页 [查看摘要][在线阅读][下载 1135K]
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• 基于TSGWO-RF-SVM的心脏病风险预测

  傅杰;甘如美江;战惠惠;陈华;谈波;张春芳;王付宇;

  针对现有心脏病预测中特征因素太多，难以挖掘各特征与心脏病风险之间的映射关系，心脏病风险预测模型准确度较低的问题.提出一种混合预测模型：通过随机森林(RF)算法从原始数据集中选取最佳特征子集，且最大限度地降低特征子集的冗余性；改进了灰狼算法(GWO)的初始种群生成、收敛因子和位置更新方式，提高了GWO的全局搜索能力；利用改进灰狼算法(TSGWO)对支持向量机(SVM)参数进行优化，建立心脏病风险预测模型，对心脏病数据集实例进行预测研究.结果表明，该文TSGWO优化的SVM预测效果优于其他对比模型，准确率为0.815 6,召回率为0.872 3,F1分数为0.836 7.研究提高了心脏病发病风险的预测准确率，具有广阔的应用前景，为医疗机构的心脏病风险预警分析提供重要参考.

  2025年06期 v.47;No.191 44-58页 [查看摘要][在线阅读][下载 1249K]
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基础理论

• 无创脑-机接口电极研究进展

  周哲昊;陈娜羽;刘熊浩岚;许谭妙;刘苹;张猷玫;李广利;

  作为一项前沿性、颠覆性技术，脑-机接口(BCI)在大脑与外部设备之间建立直接信息通路以实现脑与设备的信息交换.BCI是全球争相竞争的科技前沿之一，已成为主要大国培育经济发展新动能、打造竞争新优势的未来产业领域.非侵入BCI因其安全、无创的优势，应用场景更加多元化，适合大规模商用和消费级应用.无创BCI电极主要负责采集脑神经信号(BCI系统首个关键环节),直接影响BCI系统整体性能.该文系统梳理了近年来无创BCI电极的研究进展，重点介绍了湿、干和半干电极的设计原理和关键性能，并客观分析其优缺点.同时前瞻分析无创BCI电极面临的机遇和挑战，对3种典型电极的发展方向进行了展望.本综述有望为新型无创BCI电极的开发提供技术支撑和思路启发，对推动BCI新质生产力的发展具有重要意义.

  2025年06期 v.47;No.191 59-79页 [查看摘要][在线阅读][下载 1699K]
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• 生物质衍生硬碳负极材料首圈库伦效率提升策略

  邓涛;张斌伟;

  生物质衍生硬碳因其来源广泛、环境友好及优异的电化学性能，被认为是钠离子电池(SIBs)的理想负极材料.然而，其首圈库伦效率(ICE)低和能量密度不足等问题严重制约了其实际应用.因此，开发高性能生物质衍生硬碳负极材料成为推动钠离子电池技术发展的关键.为突破生物质衍生硬碳ICE瓶颈，该文系统综述了近年来提升生物质衍生硬碳ICE的研究进展，重点探讨了碳化条件调控(如程序升温、预碳化)、前驱体预处理、表面包覆改性及预钠化等策略，并深入分析了各方法的优势与挑战.调控碳化条件(如程序升温、预碳化)可优化碳材料的微观结构，提高ICE至78%以上，但面临批次稳定性差的问题.前驱体预处理(如预氧化、组分调控)可增强电子传导性并调控孔隙结构，但工艺复杂且可能产生废液.表面包覆(如软碳包覆)能有效抑制首圈的副反应，提高ICE,但可能影响倍率性能.预钠化能够有效地提高ICE 90%以上，但工艺复杂且规模化难度大.该文从ICE提升策略出发，探讨了不同技术方案的适用性，为未来高性能生物质衍生硬碳负极材料的研发提供了理论指导和技术参考.

  2025年06期 v.47;No.191 80-97页 [查看摘要][在线阅读][下载 1771K]
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• 节理特征对含U形孔岩石断裂特性的影响

  张立成;高伟;杨顶;姜胜强;

  U形结构在隧道开挖过程中得到了广泛应用，含节理岩体的损伤演化可能引发地质工程灾害.因此，研究孔洞-节理协同作用下的岩体断裂失效机理，对于地下岩石施工具有重要的理论指导意义和借鉴价值.该文采用内聚力方法建立红砂岩有限元模型，进行单轴压缩仿真，模拟结果与实验结果吻合良好：两者抗压强度和破坏模式基本一致，验证了模型的有效性.基于上述验证模型，构建岩石节理，研究了节理倾角、节理长度和节理间距对含孔洞岩石断裂特征的影响，结果表明：当节理倾角从0°增大至90°,岩石压缩强度和等效杨氏模量先减小后增大，在30°时最小，90°时最大.当节理倾角从15°增大至90°,岩石从拉伸破坏向剪切破坏转变；当节理长度增大，抗压强度和等效杨氏模量减小，且节理越长，岩石中拉伸裂纹越多；剪切裂纹随节理间距的增加而增加.本研究揭示了节理参数对含U形孔洞岩体断裂行为的影响规律，为深埋隧道工程中节理岩体的稳定性评估与灾害防控设计提供了依据.

  2025年06期 v.47;No.191 98-111页 [查看摘要][在线阅读][下载 1809K]
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• Ti-Zr-Ta合金的调幅分解过程相场模拟

  潘卓;花照林;贺双;张德闯;许国保;

  调幅型Ti-Zr-Ta合金因优异的生物相容性和力学性能在生物医用材料领域备受关注，但其调幅分解过程受多因素影响机制尚不明晰.该文旨在通过结合相场模拟与实验研究，系统探究Ta含量、时效温度和压力对Ti-Zr-Ta合金调幅微观结构演变规律的影响.基于Cahn-Hilliard方程建立相场模型，设定模型参数与边界条件，对Ti-36Zr-12Ta、Ti-36Zr-18Ta和Ti-36Zr-24Ta 3种合金在900 K时效温度下的调幅分解过程进行模拟；同时，针对Ti-36Zr-12Ta合金，设置不同时效温度参数，研究温度对其调幅微观结构的影响，并通过施加5 GPa的应力，观察应力作用下相结构的变化.采用高压实验设备，对Ti-Zr-Ta合金进行高压时效处理，运用透射电子显微镜分析压力作用下合金调幅分解微观结构的变化特征，验证和补充模拟结果.研究表明：随着Ti-Zr-Ta合金中Ta含量的增加，β_2相的体积增大，波长基本保持不变，而振幅则减小.对于Ti-36Zr-12Ta合金，随着时效温度的升高，β_2相的体积增大，但其数量显著减少.施加S_(11)~(ex)=5 GPa时，β_2相沿弹性软化方向(110)择优排列.另外，压力在0～3 GPa区间内，合金调幅分解速率加快，相结构细化程度提升；当压力超过3 GPa后，调幅分解进程受阻，相尺寸增大，相界面模糊.压力可有效调控Ti-Zr-Ta合金调幅分解速率，呈现出先促进后抑制的趋势.低压力下，弹性能促使原子扩散加速，降低调幅分解激活能，促进分解进程；高压力下，弹性能累积导致系统能量升高，抑制原子扩散，阻碍相结构演变，从而维持组织稳定性.该文深化了对压力作用下合金调幅分解行为的理解，为通过压力调控手段优化Ti-Zr-Ta合金微观结构与力学性能提供了理论指导.

  2025年06期 v.47;No.191 112-125页 [查看摘要][在线阅读][下载 1650K]
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• 基于离子浓差极化的肿瘤标志物分离富集模拟

  戴述鹄;李令宏;贺迎宁;

  针对基于离子浓度极化的单膜微流控系统难以实现多组分分离与富集的问题，该研究提出了一种新型多级阳离子交换膜(CEM)微流控设计策略.通过调控CEM的参数，构建可控的局部梯度电场，从而实现复杂样品中特定痕量分子的精准分离和富集，以提升生物传感器的检测灵敏度.该研究采用有限元分析方法，建立了耦合流体动力学、离子迁移与电势分布的多物理场数值模型.在微流控通道中设计3组CEM,通过调节阳离子选择性渗透膜的位置、宽度和布局，在恒定电压与流速条件下进行有限元分析.结果显示，通道内形成3个局部电场，其强度依次增强，分别为2.51×10~4 V·m~(-1)、5.05×10~4 V·m~(-1)和8.11×10~4 V·m~(-1).依托该多级电场，成功在特定位置富集了3种肿瘤标志物——基质金属蛋白酶抑制剂-1(TIMP-1)、癌胚抗原(CEA)和催乳素(PRL),其富集峰值浓度分别为46.5μmol·L~(-1)、59.3μmol·L~(-1)和121.2μmol·L~(-1).通过调节膜宽度与间距，还实现了TIMP-1、肝细胞生长因子(HGF)和前列腺特异性抗原(PSA)的有效分离与富集.

  2025年06期 v.47;No.191 126-137页 [查看摘要][在线阅读][下载 1165K]
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• 范围固定二四混水平扩充设计的构造及性质

  熊烽景;贺陵;李洪毅;肖宇佳;

  扩充设计在航空航天、医药研究等领域运用十分广泛.跟随试验中试验域范围不变的扩充设计称为范围固定的水平扩充设计，该文构造了一类新的范围固定二四混水平扩充设计并讨论其性质.首先建立所构造的二四混水平扩充设计与二水平基石设计的相遇数之间的关系，并基于可卷型L_2-偏差，研究所构造设计的均匀性；其次建立所构造的二四混水平扩充设计的距离分布与二水平基石设计字长计数器之间的解析联系，同时获得所构造设计的字长计数器的一个下界；最后通过数值例子验证所获的理论结果.

  2025年06期 v.47;No.191 138-147页 [查看摘要][在线阅读][下载 810K]
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工程技术

• 基于因果推断与知识图谱的开关电源设计辅助方法

  谢冰莹;旷怡;段斌;

  为提升开关电源设计效率和性能，针对普通设计者难以全面考虑各因素对电源性能影响的问题，提出基于因果推断与知识图谱的开关电源设计辅助方法.首先，以电感磁芯材料对电源性能影响为例，通过仿真与实物实验收集数据.然后，引入线性回归方法分析电感磁芯材料对电源性能的影响关系，并采用PC(Peter and Clack)算法挖掘电感磁芯材料与电源性能间还未明确的因果关系.接着，采用结构方程模型计算电感磁芯材料对电源性能的因果效应.引入知识图谱技术，构建含因果关系的电源知识图谱，为电源优化设计提供新视角并提升智能化水平.最后，通过案例分析验证了所提方法在电源设计中的有效性.

  2025年06期 v.47;No.191 148-159页 [查看摘要][在线阅读][下载 1321K]
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• 高速/超高速电梯新型缓冲器研究

  王乙辰;周旋;周旭升;潘树伟;

  为避免因电梯故障引发坠落造成人员伤亡，总结了当前引发电梯坠落的主要原因，简述了目前常用蓄能型和耗能型缓冲器的分类及特点，其对高速/超高速电梯表现出了缓冲行程较大、缓冲性能不稳定或需要增加减行程监控装置等缺陷；进一步地，综述了现有4种新型缓冲器的工作原理与优缺点，分析了其技术难点和研究不足.结果表明：4种新型缓冲器均适用于高速/超高速电梯，但未投入实际使用，亟须解决各自的技术难点并开展深入的试验研究.总的来说，磁流变缓冲器结构较为复杂、介质容易沉积，制造和维护成本较高；磁悬浮式缓冲器无法在原有电梯结构上进行改造，稳定性和安全性有待进一步验证；压溃吸能缓冲装置的缓冲性能不可调，适用性有限；气囊缓冲装置的充/排气控制系统有待深入研究.但是，从制造成本、可行性等角度来看，气囊缓冲装置更具优势.

  2025年06期 v.47;No.191 160-174页 [查看摘要][在线阅读][下载 1489K]
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• 夏热冬冷地区光伏屋顶办公建筑节能潜力分析

  李中文;孙宏发;龙激波;邱舒婷;

  光伏屋顶被广泛应用于建筑的节能减排.为了解夏热冬冷地区办公建筑安装光伏屋顶的节能潜力，该文以温州市某建筑为例，建立了光伏屋顶建筑能耗计算模型.以节能率为评价指标，对光伏屋顶建筑的能耗特性进行了实验与模拟研究.结果表明，传统建筑安装光伏屋顶后，其顶层房间全年供暖能耗和使用时长增加，而制冷能耗和使用时长减少.过渡季节的负荷覆盖率及其波动最大，不利于建筑负荷预测及储能系统的调控.供暖季节的负荷覆盖率及其波动最小，适合与储能系统配合使用.光伏屋顶的节能效果在过渡季节最好，节能率为52.43%,节省能耗25 976 kW·h;在供暖季节最差，建筑节能率为23.01%,节省能耗12 704 kW·h.

  2025年06期 v.47;No.191 175-185页 [查看摘要][在线阅读][下载 1436K]
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• 新式卡车架安全性及实用性设计与研究

  牛安顺;张春鹏;张春香;

  根据现代机械化大型农场需求，提出一种新型农用卡车架及电池包设计.为验证其使用安全性，利用Hypermesh软件建立有限元模型，联合Optistruct进行仿真分析.对电池包架加强筋处增加新式U型连接杆，增加整体承重能力.对电池包架进行静力学分析，评估其在极限工况下的合理性.结合实际作业环境，限制前后横梁自由度，在极限环境下分析弯曲和扭转刚度，为更好验证车架安全性，对3种典型工况进行仿真分析.同时结合一阶模态扭转和弯曲频率，建立径向神经网络(RBF)代理模型和遗传优化算法，联合Isight平台对车架以及电池包架进行轻量化多学科优化设计.

  2025年06期 v.47;No.191 186-194页 [查看摘要][在线阅读][下载 1323K]
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