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【研究室总体介绍】

    磁功能及环境材料研究室隶属于北京科技大学功能材料研究所,共有教师4人。本研究室是以功能材料及器件、资源循环科学与工程等两大板块为研究对象,坚持基础研究与应用研究并重,坚持国家需求为导向的产学研为特色的研发团队。功能材料及器件板块主要包括磁效应、电效应、光效应、磁电耦合效应、光电耦合效应等材料研发,资源循环科学与工程板块主要包括物质循环基础理论、二次资源绿色循环再利用技术和重金属污染治理等。研究室先后承担了国家级、省部级、地市级等各类科研项目30余项,获省部级科研成果奖励8项,多项科研成果服务于国民经济和国防军工主战场。发表学术论文110余篇,授权的中国发明专利45项,授权的实用新型专利5项,申请国际PCT专利6项,申请美国专利3项,共培养了30多名博士、硕士、留学生和访问学者。研究室与先后与加州大学洛杉矶分校(UCLA)、华盛顿大学、日本爱知制钢、德国RTT Steinert、德国Metso、宝钢集团、太钢集团、包钢稀土、新疆有色金属集团、江钨集团、北汽集团、大洋电机等国内外科研院所、知名企业建立了良好合作关系。研究室形成了开放、务实、合作、创新、人本的文化氛围,牢固树立了科研活动服务国民经济和国防建设的宗旨。

【研究室成员介绍】

张深根 田建军 曹国忠 刘  波 任  洁

张深根  研究员,博士生导师

田建军  研究员,硕士生导师

曹国忠  研究员,硕士生导师

刘  波  讲师

任  洁  讲师

【研究室主要研究内容及科研成果】

1、量子点太阳能电池制备技术及基础研究

    半导体量子点是一种三维尺寸极小的纳米级粉体,单个量子点在一个高能量光子作用下,理论上能产生多个激子(电子-空穴对),即多重激子效应,所构筑的激子型太阳能电池,可以突破传统P-N结太阳能电池的Shockley-Queisser极限模型(33%),理论上期望获得更高的光电转换效率(41%)。本研究室针对量子点设计、合成及高效率太阳能电池的构建等方面展开深入研究,取得多项创新研究成果,得到了国际上同类体系最高效率的量子点敏化太阳能电池。系列研究成果形成10余篇学术论文,分别发表在顶级期刊Energy Environ. Sci.(影响因子15.49)、J. Mater. Chem. A(影响因子6.626)、Nanoscale(影响因子6.739)、J. Phys. Chem. C(影响因子4.835)和ACS Appl. Mater. Interfaces(影响因子5.9)等期刊上。国内外学术会议邀请报告6次。承担教育部新世纪优秀人才计划1项和国家自然科学基金1项。

2、整体辐射取向稀土永磁环和多极环制备技术

    采用自主开发的磁场注射成形和磁场模压成形技术,建立了一种高效辐射取向整体稀土永磁环的制备方法;提出了采用真空预烧在磁体表面形成一种韧性金属层以降低磁环径向开裂的新工艺;获得了具有较低温度系数和优异磁性能的高精度辐向磁环和多极环。本技术获到2项发明专利的授权,并与2007年荣获“中国有色金属工业科学技术二等奖”。

3、大直径稀土超磁致伸缩材料(GMM)的制备

    发明了稀土超磁致伸缩材料“一步法”工艺并研制出国内直径最大(70mm,长300mm)的稀土超磁致伸缩棒材。材料为<110>轴向取向,5Mpa预应力下饱和磁致伸缩应变超过1500ppm,棒材各部位性能一致性好。该技术已获得1项国家发明专利授权,并荣获“中国有色金属工业科学技术二等奖”。

4、宽频低损耗粘结稀土超磁致伸缩(GMM)材料

    定向凝固制备的GMM材料在高频、宽频下的磁损耗较高,导致性能恶化、工作稳定性差。针对上述问题,本研究室开发了一种磁场温压成形技术,将GMM粉末颗粒与自行开发的粘结剂在粘结剂软化点温度下直接成形,固化后得到高致密度、高磁滞损耗伸缩性能的粘结稀土GMM材料。该材料在5Mpa预应力下饱和磁致伸缩应变超过1000ppm,其磁损耗在400Hz仅为定向凝固材料的1/6。

5、各向异性钕铁硼粘结永磁体

    目前使用的粘结钕铁硼都是各向同性材料,最大磁能积不超过10MGOe,各向异性粘结钕铁硼磁体的磁性能比传统粘结钕铁硼高出1倍以上。本研究是开发出各向异性粘结钕铁硼磁粉单产为50kg/炉的HDDR处理炉设备,并实现可连续生产;通过粉末表面改性技术、强磁场取向技术和温压成形技术获得高磁性能的各向异性粘结钕铁硼材料及器件,包括整体辐向永磁环、多极环等。粘结用各向异性钕铁硼磁粉的最大磁能积≥280kJ/m3(35MGOe);各向异性粘结磁体最大磁能积达≥160kJ/m3(20MGOe)。

6、软磁复合粉体制备技术

    软磁复合粉体是将磁性铁粉颗粒进行表面绝缘处理后得到的一种高品质“绝缘铁粉”。该粉体通过粉末冶金工艺获得一种兼具软磁性能和高电阻率的磁性材料,与硅钢相比具有各向同性(打破电机的传统设计方案从而进行三维磁路设计)、高频下涡流损耗小(高电阻率)和制备复杂形状零件等优点,在航空、汽车、家用电器以及其他领域的应用前景广阔。本研究室开发了一种磁性能优良、高压缩性能的自润滑软磁复合铁粉制备技术(ZL200910093052.7),并形成了一套产业化技术(ZL201110155367.7)。本项目先后受到国家科技支撑计划、国家自然科学基金和多项省部级课题的支持。已发表相关学术论文10余篇,授权国家发明专利2项。

7、磁电复合材料制备技术及基础研究

    磁电复合材料由铁电相和铁磁相经一定方法复合而成,该材料具有铁电相和铁磁相的乘积效应—磁电效应。由于磁电复合材料同时具备压电性、压磁性和磁电性的独特性能,其在传感器、磁场探测、磁电能量转换、智能滤波器、磁记录微波领域、高压输电线路的电流测量、宽波段磁探测、磁场感应器等领域有着广泛而重要的用途,尤其是微波器件、高压电输送系统中电磁泄露的精确测量方面有许多突出的优点和十分诱人的应用前景,已成为一种非常重要的功能复合材料。本研究室开发出电镀、化学镀方法制备磁电复合材料,利用电镀和化学镀在制备复杂结构优势,成功制备出PZT/Ni、PZT/Ni-P、Ni/PZT /Ni-P等圆筒层状磁电复合材料,其磁电性能较传统相同尺寸平板结构磁电性能提高3倍以上,并首次发现了高磁场下巨磁电效应。

    该研究成果在Applied Physics Letter、Journal of Physics D:Applied Physics、AIP ADVANCES等国际顶级期刊发表学术论文20多篇,申请中国发明专利7项(授权5项)。承担北京市科技新星人才计划、教育部博士点基金和国家自然科学基金各1项。

8、废铝易拉罐保级还原技术的研究

    我国废铝易拉罐消费量达230亿只,消耗优质铝材超5万吨。与从铝矿生产电解铝进而生产铝制易拉罐相比,通过循环再生利用废旧铝制易拉罐生产新的易拉罐可节省97%的能源,减少95%的二氧化碳排放和97%的水污染,具有重要的经济、社会和环保效益。针对废铝易拉罐再利用生产3104铝合金铸锭过程中面临的破碎分选困难、污染严重、烧损严重、铸锭成分/组织控制难度大等关键共性问题,本研究室开发出废铝易拉罐破碎分选、旋转炉热脱漆、废杂铝合金熔炼及成分快速调配等工艺和装备,实现了废铝易拉罐到易拉罐用铝合金(Can to Can)的高值化利用。本项目得到了国家科技支撑项目的支持。主要技术指标如下:

  •     1) 破碎、分选技术及装备:铁、铝分选率高于95%;
  •     2) 废铝易拉罐片热脱漆技术及装备:低氧或真空环境下,脱漆率≥95%;
  •     3) 铝合金熔炼及浇铸:铝回收率可达到97%以上、粗铝锭成分达到易拉罐用3104铝合金国标要求。

9、废旧电路板再生金属绿色综合回收技术的研究

    针对国内废旧电路板回收技术落后、环境负担严重的现状,本研究室开发了废旧电路板再生金属绿色回收的综合处理技术。采用绿色高效破碎-分选工艺,对废旧电路板中金属与非金属进行物理分离,使杂铜粉中有机物等杂质含量达到2%以内,杜绝焚烧和酸解造成的环境污染。废旧电路板杂铜粉采用反射炉熔炼-精炼一段法工艺制成阳极铜板,实现节能减排的目的。熔炼阳极铜板的纯度达到98.5%。通过一次电解提纯,得到阴极铜的杂质含量小于0.05%。电解副产物阳极泥富集了多种有价金属,包括Au、Ag、Pb、Sn等。通过采用短流程无氰全湿法工艺,对有价金属分步分离回收,达到节能环保和资源化再利用的目的。Au、Ag、Pb、Sn回收率分别达到99.7%、97.9%、95.5%、 90.1%,尾液实现循环利用。本技术得到了教育部广东省产学研重大项目的支持。

    经多年深入研究,本技术已申请PCT专利1项,申请美国专利1项,获授权国家发明专利10余项,发表SCI文章3篇,形成了具有自主知识产权的产业化成套技术和装备。经教育部鉴定为“整体技术达到国际先进水平,其中无氰全湿回收贵金属工艺技术达到国际领先水平”。本技术已与相关企业进行合作,实现了工业化生产。

10、废旧稀土发光材料中稀土元素回收技术及机理的研究

    稀土是不可再生的重要战略资源,在新能源、新材料、节能环保、航空航天、电子信息等领域的应用日益广泛。经过多年发展,我国稀土开采、冶炼分离和应用技术研发取得较大进步,产业规模不断扩大,生态环境破坏和资源浪费严重。废旧三基色稀土发光材料含有大量稀土元素,尤其是Eu和Tb重稀土元素。本研究室针对废旧稀土发光材料的晶体结构特征、回收处理工艺及三废处理等方面展开深入研究,取得多项创新研究成果,稀土总回收率大于90%,其中Y和Eu回收率大于95%,Ce和Tb回收大于70%,回收技术成熟得到了国内稀土行业的认可并投入工业化。该成果申请国际PCT专利2项,中国发明专利授权2项,申请中国发明专利1项,发表2篇学术SCI论文,其中1篇发表在期刊(J. Hazard. Mater.,1区,影响因子4.313)。国际学术会议报告2次。本项目得到了国家“863”项目、自然基金面上项目的支持。

11、重金属废渣减量无害化利用关键技术的研究

    污酸渣和烟化渣是铅锌冶炼过程中产生的两种废渣。其中含有种类繁多,成分复杂的重金属污染物。具有持久性、毒性大、污染严重、不能生物降解等特点。严重制约了有色金属行业的可持续发展和“两型社会”的建设。本研究室以重金属废渣为主要研究对象,开展铅、砷、镉、汞等重金属减排及废物循环利用关键技术攻关,本项目得到了国家科技支撑项目的支持。本项目的主要研究内容:

  •     1) 利用污酸渣改性制备冶炼熔剂,实现污酸渣减量化和钙资源化利用;
  •     2) 通过物相结构调控和化学改性,实现冶化炉渣生产β-C2S的稳定化和残留重金属的固定化;
  •     3) 重金属废渣通过强化稳定化-中温活化-低温聚合固化达到无害化处理并制备胶凝骨料,实现重金属废渣增值利用;
  •     4) 无害稳定化β-C2S的烟化炉渣生产加气混凝土胶凝建筑材料技术,实现多元固废大宗利用。

    目前,以钨酸渣和烟化渣为原料制备的地质聚合物凝胶材料的性能指标如下:

  •     1) 重金属废渣用量≥70%;
  •     2) 28d抗压强度为65MPa,堪比超高强混凝土;
  •     3) Pb、Zn、Cd、As等重金属元素的固定效率≥99%,浸出毒性远低于中国、美国、欧盟等相关标准。

12、冶金危险固废制备微晶玻璃技术及机理研究

    我国冶金行业年产含Cr危险废物超过470万吨,主要包括不锈钢渣、不锈钢酸洗污泥等。这些危险固废已严重影响了我国冶金行业的健康发展。目前,用于填埋、铺路、生产水泥等传统冶金危固处理方式存在重金属固化效果差、产品附加值低、环境负担重等缺点。针对上述问题,本研究室开发了以冶金危险固废为原料,采用熔融-压延法工艺制备性能优良的微晶玻璃技术,有效固化重金属的同时实现了多种冶金固废协同处理。本项目得到了国家科技支撑项目、自然基金重点项目的支持。以冶金危固为原料,制备的微晶玻璃样品的主要性能指标如下:

  •     1) Cr的浸出浓度为0.048mg/L,远低于国标规定的数值;
  •     2) 微晶玻璃产品密度≥2.4g/cm3、显微硬度≥7GPa;
  •     3) 抗折强度≥50MPa、抗压强度≥500MPa;
  •     4) 吸水率≤1%。

13、含油冷轧固废绿色、高值化再利用技术的开发

    我国年产含Cr/含油冷轧铁泥、轧辊磨削料数十万吨,现有的处置方式(冶炼辅料、堆存等)不仅资源利用价值低,而且还会对环境造成严重负担。针对冷轧铁泥、轧辊磨削料再利用技术上存在的问题,本研究室开发了含油冷轧固废绿色、高值化再利用技术。本项目得到了国家科技支撑项目的支持。主要技术指标如下:

  •     1) 开发了冷轧含油固废脱油技术和装备,可实现氧分压可控、温度自动控制、旋转脱油、油气冷凝回收、尾气采集及脱油后物料多气氛原位后处理等功能。处理后,冷轧含油固废的含油量可降至1%以下,脱油效果良好,避免了二次熔炼或填埋处理过程中对环境的污染;
  •     2) 以含油冷轧固废为原料,开发出多种高附加值产品,包括:还原铁粉(质量达到中国国家标准YB/T 5308-2011的要求)、磁性磨料、锶铁氧体粉(性能达到锶铁氧体预烧料Y30牌号的性能要求)、颜料用云母氧化铁粉(质量达到涂料用云母氧化铁国际标准ISO 10601-2007中规定的一等品的标准);

    上述相关成果已发表学术论文5篇、申请国家发明专利5项(已授权4项)、申请国际PCT专利1项。

【研究室承担科研項目】

  • 1、国家自然科学基金钢铁联合基金重点项目(U1360202)含Cr危固的Cr、Ni固化与解毒机理及微晶玻璃应用研究;
  • 2、国家自然科学基金项目(51472030):碱熔解离蓝粉β-Al2O3和绿粉畸变磁铅矿晶体结构的机理;
  • 3、国家自然科学基金项目(51374029):过渡金属离子掺杂量子点敏化太阳能电池光电转换机理的研究;
  • 4、国家自然科学基金项目(51174247):钢铁冷轧辊磨削料制备软磁复合材料的机理研究;
  • 5、国家自然科学基金项目(51004011):超高密度磁记录用SmCo5纳米粒子多元醇还原合成机理研究;
  • 6、国家自然科学基金项目(50972013):超顺磁性纳米Fe3O4粒子低温燃烧-碳热还原合成机理研究;
  • 7、国家自然科学基金项目(50874010):黏结Terfenol-D复合材料<110>织构和密度的磁-热-机耦合模型;
  • 8、国家自然科学基金项目(50802008):电镀方法制备层状磁电复合材料及其性能研究;
  • 9、国家“863”计划项目(2012AA063202):稀土荧光灯快速识别及发光材料回收利用技术和装备;
  • 10、国家科技支撑计划项目(2011BAE13B07):带钢高效清洗工艺和冷轧工序废弃物利用技术开发;
  • 11、国家科技支撑计划项目(2011BAC10B02):废铝易拉罐保级还原技术开发及应用;
  • 12、国家科技支撑计划项目(2012BAC02B01):含Cr钢渣制备微晶玻璃技术;
  • 13、国家科技支撑计划项目(2012BAC12B05):有色金属基地大宗工业固废减量无害化利用关键技术与示范;
  • 14、国家科技支撑计划项目(2009BAE74B03):高性能软磁复合材料(SMC)及其环保型磁芯的产业化开发;
  • 15、国家发改委稀土稀有金属新材料研发和产业化专项:超细晶硬质合金及数控涂层刀片关键技术研发及产业化;
  • 16、教育部新世纪优秀人才项目(NCET-13-0668):全光谱敏化剂PbS粉体制备技术的研究;
  • 17、教育部新世纪优秀人才项目(NCET-05-0101):粘结稀土超磁致伸缩材料的研究;
  • 18、国家科技基础条件平台建设项目子课题(2005DKA32800):信息材料数据共享资源结点规划与框架建设;
  • 19、广东省教育部产学研结合重大项目(2009A090100017):电路板再生金属绿色回收和深加工成套工艺、装备研发及产业化;
  • 20、广东省教育部产学研结合重点项目(2010A090200080):节能高效电机用各向异性黏结NdFeB永磁器件的产业化研究;
  • 21、广东省教育部产学研结合重点项目(2010A090200061):大电流、高功率密度动力型储氢电池关键材料及电池电源管理 系统的研发;
  • 22、广东省教育部产学研结合项目(2009B090300443):高效中小型电机用铁基软磁复合材料的研究;
  • 23、广东省教育部产学研结合项目(2008B090500036):高性能温敏铁氧体粉末注射成形及其产业化关键技术;
  • 24、广东省教育部产学研结合项目(2007B090400108):高性能钕铁硼整体辐向磁环产业化关键技术。

【研究室团队建设】

    磁功能及环境材料研究室是一个学风严谨、积极向上、团结友爱的集体。在研究室老师的指导下,我们在科研的道路上探索着、收获着、幸福着,共同完成了许多国家级课题的研究工作。在生活中,我们青春洋溢,团结互助,开展了许多丰富多彩的活动。研究室定期的师生出游活动不仅丰富了大家的业余生活,也在一定程度上缓解了学习和工作的压力。下图为研究室组织的“师生共游清凉谷活动”。

    随着研究室人员的不断壮大,为了让新成员更快的融入,研究室学生党支部定期开展一系列交流活动。通过这些活动,大家不仅增进了感情,也加强了整个研究室的团结力和凝聚力。下图为研究室学生党支部组织的“凤凰岭登山活动”。

    身体是生活和科研工作的基础,同时也为了响应国家全民健身的号召,本研究室成员积极参加各项体育锻炼活动,力争以健康的体魄、饱满的精神状态投入到日常生活和科研工作中。下图为本研究室成员参加学院羽毛球赛。

 
 
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