电子辐照CuZnAl形状记忆合金马氏体稳定化的研究

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材料的形状记忆效应研究与应用

材料的形状记忆效应研究与应用

材料的形状记忆效应研究与应用材料的形状记忆效应是指某些特殊材料在受到外界力引起形变后,通过加热或者去除外界力,并保持在一定温度范围内,就能恢复到其原本的形状。

这种形状记忆的材料具有广泛的应用潜力,在工程技术和生物医学等领域都有重要的研究价值和应用前景。

一、形状记忆合金材料形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的智能材料,其最典型的代表是镍钛合金(Ni-Ti合金),又被称为“记忆合金”。

形状记忆合金材料可以根据温度、应力或磁场等外界条件发生普氏体与马氏体相变,从而实现形状记忆效应。

这种材料在航空航天、汽车工业、电子设备等多个领域有广泛的应用,如飞机机翼的变形控制、自动调节阀门的控制等。

二、形状记忆聚合物材料形状记忆聚合物是指通过交联聚合改性的聚合物材料,具有形状记忆效应。

相比于形状记忆合金,形状记忆聚合物具有更高的拉伸性和可塑性,更适用于柔性器件和生物医学领域的应用。

形状记忆聚合物可以根据温度、湿度、pH值等外界刺激发生形变和恢复,可以用于制造智能温度传感器、人工肌肉、缓释药物输送系统等。

三、形状记忆液晶材料形状记忆液晶材料是指基于液晶原理、具有形状记忆效应的材料。

这种材料可以根据温度、光照等外界条件实现晶相的改变,从而实现形状的变化与恢复。

形状记忆液晶材料在显示技术、光学器件等领域有重要的应用,如切换窗帘、光学透镜等。

四、形状记忆仿生材料形状记忆仿生材料是指通过仿生学原理,设计和制造具有形状记忆效应的材料。

这种材料可以模拟生物体内的运动和形变过程,实现形状记忆效应。

形状记忆仿生材料在仿真机器人、医疗器械等领域有广泛的应用,如可变形手术器械、自适应机械臂等。

五、形状记忆材料的应用前景形状记忆材料具有广阔的应用前景,可以在机械、电子、医疗等多个领域发挥重要作用。

形状记忆合金可以用于智能结构、微机械系统等领域;形状记忆聚合物可以用于柔性传感器、人工肌肉等领域;形状记忆液晶材料可以用于光学、显示等领域;形状记忆仿生材料可以用于仿真机器人、生物医学等领域。

未来潜力材料之形状记忆合金

未来潜力材料之形状记忆合金

形状记忆合金(shape memory alloys,SMA)是一种由两种以上金属元素构成、能够在温度和应力作用下发生相变的新型功能材料,通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有独特的形状记忆效应、相变伪弹性等特性,广泛应用于航空航天、生物医疗、机械电子、汽车工业、建筑工程等领域。

形状记忆合金按合金种类主要分为镍钛基形状记忆合金(Ni-Ti SMA)、铜基形状记忆合金(Cu SMA)、铁基形状记忆合金(Fe SMA)3类。

其中,镍钛基形状记忆合金包括Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Co、Ni-Ti-Fe、Ni-Ti-Nb等具有较高实用价值的记忆合金;铜基形状记忆合金主要有Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-Sn等种类;铁基形状记忆合金主要有Fe-Pt、Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Mn-Al-Ni、Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni等种类。

1/形状记忆合金的研究现状形状记忆合金因其独特的形状记忆效应一直是各主要国家的研究热点。

近年来,美国、欧洲、日本等国家和地区针对形状记忆合金制备工艺、成分配比、与先进制造技术结合的研究已取得显著的进展,尤其以4D打印技术为代表的先进制造技术使用形状记忆合金作为原材料,扩展了其在软体机器人、医疗器械、航空航天等领域的应用范围。

(一)中美欧等国开发出多种形状记忆合金制备新工艺,扩大了材料应用范围形状记忆合金/聚合物的制备方法主要有熔炼法、粉末冶金法、喷射沉积工艺、4D打印技术等,再根据应用需求配置后续的锻造、热挤压、轧制、拉拔、冷加工等成型工艺。

其中,熔炼法是传统金属冶金工艺,在真空下将金属原材料通过电子束、电弧、等离子体、高频感应等方式加热后进行熔炼,易产生杂质污染、成分不均匀、能耗高等问题,且需要经过切割加工形成合金产品。

而粉末冶金法则是利用金属或合金粉末进行热等静压和烧结,制备出最终形状的合金产品。

iNi形状记忆合金的马氏体观察及微观力学性能分析

iNi形状记忆合金的马氏体观察及微观力学性能分析

TiNi形状记忆合金的马氏体观察及微观力学性能分析ΞOBSERVATION OF MARTENSITE AN D ANALYSIS OF MICR O2MECHANICALPR OPERTIES IN TiNi SHAPE MEMOR Y ALLOY何健英ΞΞ 高克玮 褚武扬 乔利杰(北京科技大学材料物理系,北京100083)HE JianY ing G AO K eWei CHU WuY ang QI AO LiJie(Department o f Materials Physics,Univer sity o f Science and Technology Beijing,Beijing100083,China)摘要 利用金相显微镜和纳米压痕仪观察T iNi形状记忆合金的应力诱发马氏体和氢致马氏体形貌,并分析T iNi合金不同组织的微观力学性能。

其中应力诱发马氏体呈板条状突起,而氢致马氏体和氢化物呈不规则突起。

同时发现T i2 Ni合金充氢组织的微观硬度和弹性模量最高,而马氏体组织的硬度高于奥氏体相,其弹性模量低于奥氏体相。

关键词 TiNi 应力诱发马氏体 氢致马氏体中图分类号 T B381Abstract The topography of stress2induced martensite and hydrogen2induced martensite have been observed in T iNi shape mem ory alloy.Martensite was found to appear when the specimen were loaded or were charged with hydrogen.The stress2induced martensite looked like battens,and the hydrogen2induced martensite was the irregular blocks.The hardness and elastic m odulus of T iNi shape mem2 ory alloy have been measured by using nanoindentation method.The results showed charging with hydrogen increased the hardness and elastic m odulus of T iNi alloy,and the hardness of martensite was higher than austenite while elastic m odulus was lower.K ey w ords TiNi;Stress2induced m artensite;H ydrogen2induced m artensiteCorresponding author:HE JianYing,E2mail:miaoerhe@,Tel:+86210262334499The project supported by the National K ey Basic Research and Development Programme of China(N o.G1*******).Manuscript received20040420,in revised form20040624.1 引言T iNi形状记忆合金已经在很多领域获得广泛的应用[1]。

60keV质子辐照对TiNi记忆合金薄膜马氏体相变的影响

60keV质子辐照对TiNi记忆合金薄膜马氏体相变的影响

第16卷 第11期强激光与粒子束Vol.16,No.11 2004年11月HIGH POWER LASER AND PARTIC LE BE AMS Nov.,2004 文章编号: 100124322(2004)112147320460ke V质子辐照对TiNi记忆合金薄膜马氏体相变的影响X王治国1, 祖小涛1, 雷 雨1, 莫华强1, 傅永庆2(1.电子科技大学应用物理系,四川成都610054;2.Department of Engineering,University of Cambridge,T rum pington S treet,C B2,1PZ,Cambridge,UK) 摘 要: 利用磁控溅射的方法在氧化后的单晶S i基片上制备了T iNi形状记忆合金薄膜,利用示差扫描量热法和原位X射线衍射研究了薄膜的马氏体相变特征。

通过60keV质子注入(辐照)薄膜样品研究了H+离子对合金薄膜马氏体相变特征的影响,结果表明氢离子注入后引起了马氏体相变开始M s和结束点M f以及逆马氏体相变开始A s和结束温度A f的下降,而对R相变开始R s和结束温度R f影响不大。

掠入射X射线衍射表明H+离子注入后有氢化物形成。

H+离子注入形成的氢化物是引起相变点的变化的主要因素。

关键词: T iNi形状记忆合金薄膜; H离子注入; 马氏体相变; 示差扫描量热仪; X射线衍射 中图分类号: TG139.6 文献标识码: A T iNi基形状记忆合金(S M A)薄膜由于形状记忆效应它可恢复变形并且恢复力很大,作为力敏和热敏元件在微驱动领域极具应用前景。

近年来,由于微电子机械系统(micro electric mechanical system,简称ME MS)对新型驱动元件的需要,T iNi基形状记忆合金薄膜作为新型驱动器件材料得到了广泛的研究[1~3]。

Fu等人[4~7]利用T iNi和T i共溅射的方法成功地制备具有良好形状记忆效应的记忆合金薄膜。

浅谈形状记忆合金力学性能及其工程应用

浅谈形状记忆合金力学性能及其工程应用

浅谈形状记忆合金力学性能及其工程应用形状记忆合金(Shape Memory Alloy),简称SMA,自1963年在美国海军实验室被发现以来,如今已经在机械,航空航天,生物医学等诸多领域都得到了广泛地研究和应用。

SMA一般分为镍钛系,铜系和铁系三大类。

顾名思义,形状记忆合金是具有记忆效应的特殊合金材料,实际上除了形状记忆效应SMA还具有伪弹性,形状记忆合金含有以上两个力学性质。

一般金属受到外力产生弹性变形,随着继续加载,金属在到达屈服点之后将产生不可恢复的塑性变形,应力去除之后材料不能恢复到原来的初始状态。

但是如果将产生塑性变形的金属加热到一定温度之上,材料就能恢复到产生变形之前的状态(恢复变形可达8%的应变量)这就是形状记忆效应。

所谓伪弹性,即当温度高于奥氏体的转换温度(此温度不存在马氏体),加载的应力超过弹性极限的时候,材料产生非弹性变形且稳定存在于该应力水平的持续作用下,一旦应力消除即使不采用加热的方式材料也能恢复到变形状态前的性质。

综上,在SMA中马氏体相变不仅由温度引起,应力也可以诱发马氏体相变。

二者在本质上是一致的,伪弹性是在加载过程中产生应力诱导的马氏体相变,当外力消失后发生马氏体逆相变回到原来的状态,而形状记忆效应那么是通过加热产生马氏体逆相变回到原来的状态。

下面从材料结构和微观组织方面更进一步介绍。

形状记忆合金是具有马氏体相和奥氏体相且二者能相互转化的两相材料。

马氏体是铁碳合金从高温奥氏体(具有面心立方结构)经过急冷淬火后会变得比拟硬,经过抛光浸蚀后在显微镜下观察到的致密组织,其结构是基于奥氏体立方结构某一个面上原子联动所引起的切变型晶格的斜方结构。

马氏体开始相变的温度记为Ms,终了温度以Mf表示。

在加热过程中,奥氏体相变开始的温度用As表示,终了温度为Af。

一般的As>Ms,Af>Mf。

根据马氏体相变温度与奥氏体相变温度之差(As-Ms)以及马氏体的生长方式可分为:热弹性马氏体相变和非热弹性马氏体相变。

形状记忆合金

形状记忆合金

Cu Zn Al形状记忆合金研究罗时斌(金属102· 10051070111)摘要:目前,国内数十所高等院校及科研院所都在从事形状记忆合金的研究,而研究最多的就是Cu.Zn.A1和Cu.A1.Ni系合金。

铜基形状记忆合金同样具有形状记忆、超弹性、高阻尼等特性。

但是多晶铜基形状记忆合金都存在着一些问题,从而影响了其在实际中的应用。

其中最突出的,就是合金形状记忆特性稳定性的问题。

热疲劳实验时,随着升降温的反复循环,合金内部产生位错,且循环次数的增加,位错量也随之增加并最终成为固定位错,从而影响合金的记忆特性。

另一方面,铜基形状记忆合金疲劳性远不及钛镍合金。

另外,多晶的铜基形状记忆合金的晶粒粗大,晶粒之间容易产生第二相,这往往是晶界裂纹源,在变形时产生应力集中,从而导致沿晶界断裂。

关键词:机械合金化,形状记忆,马氏体,制备,表征,应用。

记忆合金的发展史中文名称:形状记忆合金英文名称:shape memory alloy定义:具有形状记忆效应的合金。

1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"记忆"效应。

1963年,美国海军军械研究所的比勒在研究工作中发现,在高于室温较多的某温度范围内,把一种镍-钛合金丝烧成弹簧,然后在冷水中把它拉直或铸成正方形、三角形等形状,再放在40 ℃以上的热水中,该合金丝就恢复成原来的弹簧形状。

1969年,镍--钛合金的“形状记忆效应”首次在工业上应用。

科学家在镍-钛合金中添加其他元素,进一步研究开发了钦镍铜、钛镍铁、钛镍铬等新的镍钛系形状记忆合金;除此以外还有其他种类的形状记忆合金,如:铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金(Fe-Mn-Si, Fe-Pd)等。

迄今为止已经发现有相当多的材料存在形状记忆效应,但获得实际应用的主要有3大类别:TiNi基、Cu基和Fe基合金。

钛镍合金因其良好的形状记忆特性、超弹性、耐磨耐蚀性和高阻尼特性在航空航天、机械电子、能源交通及日常生活等领域得到了广泛应用,而优良的生物相容性能更是使其成为一种理想的生物医用材料。

形状记忆合金论文[优质文档]

形状记忆合金论文[优质文档]

形状记忆合金论文[优质文档]形状记忆合金形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMA)是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形,恢复其变形前原始形状的合金材料。

除上述形状记忆效应外,这种合金的另一个独特性质是在高温(奥氏体状态)下发生的“伪弹性”行为,表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。

形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生的一种独特的固态相变——热弹性马氏体相变。

一、形状记忆合金的发展史最早关于形状记忆效应的报道是由在1952年作出的。

观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。

后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象,但当时并未引起人们的广泛注意。

直到1962年,Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应,才引起了材料科学界与工业界的重视。

到70年代初,CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。

几十年来,有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题,并为此召开了多次专题讨论会,不断丰富和完善了马氏体相变理论。

在理论研究不断深入的同时,形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步,其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

二、形状记忆效应机理将变形马氏体加热到As点以上,马氏体发生逆转变,因为马氏体晶体的对称性低,转变为母相时只形成几个位向,甚至只有一个位向—母相原来的位向。

尤其当母相为长程有序时,更是如此。

当自适应马氏体片群中不同变体存在强的力学偶时,形成单一位向的母相倾向更大。

逆转变完成后,便完全回复了原来母相的晶体,宏观变形也完全恢复。

注意:以上原理只适合热弹性,而半热弹性记忆合金主要是由Shockley不全位错的可逆移动引起。

变性的三种形式三、形状记忆效应的分类经过广泛研究,到目前为止,具有SME 的合金可归纳为以下几类: a) Ni2Ti 系,包括等原子Ni-Ti , Ti-Ni-X(X = Fe ,Al ,Co) ; b) 铜系, 包括Cu-Zn 系, 如Cu-Zn , Cu-Zn-X(X = Si ,Al , Sn) ; Cu-Al 系, 如Cu-Al2 , Ni ; Cu2Al2c) 其他有色金属系, 如Co-Ni , Ti-Nb ,Au-Cu-Zn ,Au-Cd ,Ag-Cd , In-Ti 等;d) 铁基合金,如Fe-Pt ,Fe-Ni-Co ,Fe-Mn-Si ,Fe-Ni-Co-Ti ,Fe-Mn-C 及不锈钢等。

形状记忆合金及其应用调研报告

形状记忆合金及其应用调研报告

形状记忆合金及其应用调研报告作为金属材料工程的学生,对材料的学习应该有更深入的了解,而不是拘泥于课本的一点基础理论。

材料学是一门学问很深的学科,材料的伟大之处远远不止于当下的一些理论知识,基础很重要,对外扩展也很重要,在材料科学基础这门课的理论指导下,我向外延申了解形状记忆合金与其应用等方面的知识,通过查找文献来补充与拓展,迈出我在材料学上的一小步。

一、形状记忆合金的机理形状记忆合金,简称:SMA。

根据上网查询资料可得知其名词解释为:是一种具有形状记忆效应的,并且能够感知温度和位移的,能将热能转化为机械能的新型功能材料。

具上网查询资料得知,在1951年得到美国人Lead,首先在Au—Cd、In—Ti合金中发现形状记忆效应(SME),并且曾利用Au—47.5Cd合金的记忆效应制作升降机模型,但由于当时的合金元素市场价高并且有毒性,于是就没有做相关实验的尝试便在这世上销声匿迹了。

后来1963年在美国海军研究所,许多科学家发现Ni-Ti合金也有形状记忆效应,并且重新设计了实验,受到了世界各地相关学者的关注。

到了1969年美国的一家公司生产Ti-Ni-Fe记忆合金的金管接头,用于当时的一架战斗机上的液压管路系统的连接,这表示SMA在世界上第一次成功应用。

到了70年代正式扩大实际应用生产生活上。

短短十几年SMA的研究开始在全球开始普及,后来不到几年的时间里SMA快速发展了起来,开始作为商品进入人们的生活当中,在人们的生活当中开始普及了起来,下面我将主要开始介绍SMA的形状记忆机理。

形状记忆合金在高温加热处理后迅速冷却降温可以得到马氏体为主的不平衡组织,因为马氏体的一些特性,比如相对性差且相界面容易移动,导致以马氏体的这种结构组织较容易使移动路径调转方向往回走,发生晶格的有序逆转,也使其宏观样貌恢复到原来的形状。

这就是合金的形状记忆效应,而这种相变被称为热弹性型的马氏体相变属于马氏体相变的一种。

马氏体相变微观上是无扩散晶格相变,其原因是它的晶体结构的改变是随着剪切位移的改变而改变的。

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表 1 电子辐照实 验条件
收稿 日期 : 0 10 —2 2 0 —62 :修 回日期 : 0 11—5 2 0 —1 0 基 金项 目 : 国家 自然科学 基金 (0 7 0 2 1154 ) 作 者简介 : 祖小涛 ( 9 5 , , 16 一) 男 副教授 ; 刘丽娟 (9 7 , ,9 9级硕士研究 生 17 一) 女 19
J n.2 0 u 02
Vo . 9 No. 13 3
文章 编号 :4 06 5 ( 0 2 0 —4 40 0 9 —7 6 2 0 ) 30 8 —3
电子 辐 照 C Z A1 状 记 忆 合 金 马 氏体 稳 定 化 的研 究 un 形
祖 小涛 刘 丽娟2封 向东 林理彬 戴 晶怡3傅 平3霍 永 忠2 , , , , , ,
了马 氏体 相 点 阵畸 变 , 而诱 生 了马 氏体稳 定化 . 从
关键 词 : 电子 辐 照 ;形状 记 忆舍 金 ;点缺 陷 ;马 氏体 相 变 ;马 氏体 稳 定化
中 图分 类 号 : 7 .3 O5 1 3
文 献标 识 码 : A
C 基形状记忆合金是一种具有 良好 的形状记忆效应且价格低廉 的功能材料 , u 在核反应堆 等核环境下用 作连接器 , 和控制器 已引起核材料科学家们 的关 注L J核辐射会改变形状记忆合金 的相变 特性[ 6, l . q 4 ]研究 - 其改变的规律及机理 , 对形状记忆合金在核环境下应用的可靠性和可行性 , 以及对该合金形状记忆效应机理 的研究都是十分必要的 . 另外 , 如果 能有效地调节相变特性 ( 如相变温度 、 回复力等 )使其满足特定需要 , , 对 于形状记忆合金的实际应用也是很有意义的.
4 .K/ n 测量 样 品 的相 变温 度 . 3 8 mi)
2 结 果 与讨 论
辐照前 C Z A 合金的奥 氏体相变温度 A 为 3 4 在实验 中采用循 环水冷将温度控制在 2 8 un 1 3 K, 9 K左右 , 使辐照在样 品的马 氏体相时进行 . 2和 图 1 图 2为样 品辐照前后马 氏体相变 温度及相变滞 后 D C的结 表 , S
法, 将辐 照控制在 马氏体相进行 . 实验 结果表明 , 品被辐照处理后 , 样 其马氏体相变温度和相 变 滞后 , 以及 相 变特 征 温 度 丁 n都 随 辐 照 注 量 的 增 大 而 升 高 ; 当辐 照 注 量 在 6 3 .0×1 1 ~ 00 I T
18 .9×1 21 时 , 相 变温 度 变化 渐 趋平 缓 . 者认 为 , 是 由于 电子辐 照 产 生 的点 缺 陷造 成 01 I T 其 作 这
1 实验
实验样品厚 0 8 m, 金成份 C , n和 A 分别 为 7 .5 2 . %和 5 8 %. 品的热处 理 为: .r 合 a uz 1 2 6 %, 1 5 .5 样 在 8 0 下等温 5 n , 5" C mi后 沸水下等温 3mi, 0 n 室温时效 5 d 电子辐照实验在四川大学 J 电子静 电加速器上 8. 2型
果. 表 2 C Z A1 金辐照前后 的相变温度 及相变滞后 un 合
. 王

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ嚏
图 l 辐照 前后 C Z A 试样 的相 变温度 un1
图 2 辐照 对样品相 变特征 温度 T0 的影响
由图 1 可知 , 辐照使形状记忆合金 的相变温度升高 , 在辐照注量达 6 3 X12I_ ~18 X12T .0 0 I 。 .9 1I , 0 T 0I 时 其相变温度基本不变 . 由表 1 表明, 电子辐照后样品的马氏体相变滞后 ( 经 A 一M 明显增大 . ) 从 马氏体相变热力学角度出发 , 热弹性马氏体相变 中的特征温度 T ( 义为 z P M : 0时的温度 ) o定  ̄c G- 可 表示为 : o +A,/ . T =( )2 从特征温度 丁 的变化图( 2 可见 , 0 图 ) 辐照使 丁 明显上升 . 0 以上结果表明 , 经电
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第 3期
祖 小 涛等 : 电子 辐 照 C Z A1 状记 忆合 金 马 氏体 稳 定化 的研 究 un 形
45 8
辐 照后 将 样 品 在 3 0 下 放 置 2 0K d后 , P R N—L R D C 用 E KI E ME S 7差 示 扫 描 量 热 仪 ( 热 速 率 为 加
已有关于研究 中子和 电子辐照对形状记忆性能影响 的少量报道【 6, 4 但研究 的 目的集中在大注量辐照 -J
导致 晶体 结 构 有 序或 无 序 转变 方 面 , 对于 非 破坏 性 小 注 量 辐照 改 变 相 变 特性 的研 究 还 鲜 见 报 道 . 以下 报 道 ,
我们使 用小注量电子辐照对 C Z A 形状记忆合金相变 的研究结果 . un l
进行 , 所用电子辐照能量为 17 V, .Me 束流 7 / 2将样品分为 6份 , 号样 品不辐照 , ~6号样 品辐 照时 mA m . 1 2 间分别为 2 ,h 8 ,0 h 4 ,h 1h和 1h 表 1 2 , 为以注量表示对各样 品的辐照情况 . 辐照时用循环水冷 的方法控制样 品的温度 , 测试温度控制在 2 8 9 K左右 .
( .四川大 学物理 系 ・ 1 辐射物理及 技术教育 部重点实验 室 , 成都 6 0 6 ; .四川大学金 属材料 系 , 104 2 成都 6 0 6 ; 1 0 5
3 .中国工程 物理研究 院电子工程 研究所 , 成都 6 0 0 ) 10 3
摘 要 : 能 量 1 7 V 不 同注 量 的 电 子辐 照 C Z Al 状 记 忆 合 金 样 品 . 过 循 环 水 冷 的 方 用 . Me un 形 通
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20 0 2年 6月
第3 9卷第 3期
四川大学学报 ( 自然科 学版) Jun l f i unUnvri N trl c neE io ) o ra o c a i sy( aua Si c dt n Sh e t e i
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