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    熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
    來源: 時(shí)間:2023-12-03 15:56:02 瀏覽:5789次
    熱等靜壓法作為材料現(xiàn)代成型技術(shù)的一種,是等靜壓技術(shù)一個(gè)分支。目前熱等靜壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、運(yùn)輸、電工、電子、化工和冶金等行業(yè),用于生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品和制備新型材料。本文主要介紹了熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展、工作原理及其應(yīng)用范圍。
    熱等靜壓(Hot Isostatic Pressing,簡(jiǎn)稱HIP)工藝是一種以氮?dú)?、氬氣等惰性氣體為傳壓介質(zhì),將制品放置到密閉的容器中,在9002000℃溫度和100200MPa壓力的共同作用下,向制品施加各向同等的壓力,對(duì)制品進(jìn)行壓制燒結(jié)處理的技術(shù)。在高溫高壓的共同作用下,被加工件的各向均衡受壓。故加工產(chǎn)品的致密度高、均勻性好、性能優(yōu)異。同時(shí)該技術(shù)具有生產(chǎn)周期短、工序少、能耗低、材料損耗小等特點(diǎn)。

    1.1國(guó)外熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展

    HIP技術(shù)研究始于1955年,由美國(guó)Battelle究所為研制核反應(yīng)堆材料而開展的。1965年美國(guó)Battelle研究所研制的第一臺(tái)熱等靜壓機(jī)的問世,標(biāo)志著熱靜壓技術(shù)設(shè)備的誕生。1972年,在美國(guó)與瑞典實(shí)現(xiàn)了高速工具鋼的大量熱等靜壓。在19701980年,美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室將HIP工藝擴(kuò)展到了制造鎳基高溫合金與鈦合金粉的預(yù)成形坯和近終形鍛件。在20世紀(jì)70年代,還發(fā)現(xiàn)可用HIP處理鑄件,在鑄件的主要形狀特征不變形的條件下,使復(fù)雜形狀鑄件內(nèi)部的孔隙永久愈合
    目前,先進(jìn)的熱等靜壓機(jī)為預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式結(jié)構(gòu),高壓容器的端蓋與缸體間的連接為無螺紋連接。因筒體和框架均采用鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞,所獲的負(fù)預(yù)應(yīng)力可通過計(jì)算確定,即使裝置處于工作的最大壓力狀態(tài)時(shí),其強(qiáng)大的應(yīng)力也是由預(yù)應(yīng)力纏繞鋼絲所承受,即應(yīng)力被集中消除,承載區(qū)域獨(dú)立安全,同時(shí)鋼絲纏繞還起到防爆和屏障的作用。因此,這種結(jié)構(gòu)的熱等靜壓設(shè)備在高溫高壓(2000℃200 MPa)的工作條件下,無需外加任何特殊的防護(hù)裝置,與老式的螺紋連接結(jié)構(gòu)(端蓋與缸體間)的熱等靜壓機(jī)相比,不但設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊,而且有效地保證了生產(chǎn)的安全性。
    1.2 國(guó)內(nèi)熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展
    鋼鐵研究總院從1972年開始研究中國(guó)第一臺(tái)熱等靜壓機(jī),并于1986年獲勞動(dòng)部頒發(fā)的熱等靜壓機(jī)設(shè)計(jì)資格證書。鋼鐵研究總院生產(chǎn)的熱等靜壓機(jī)已經(jīng)系列化,目前該院可為用戶提供三個(gè)系列不同型號(hào)(從實(shí)驗(yàn)室用小型熱等靜壓機(jī)到大型生產(chǎn)用熱等靜壓機(jī))的熱等靜壓機(jī)。19996月在北京成功地舉辦了HIP’99熱等靜壓技術(shù)國(guó)際會(huì)議,與會(huì)代表來自瑞典、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、日本、俄羅斯等13個(gè)國(guó)家。國(guó)際同行對(duì)鋼鐵研究總院生產(chǎn)的熱等靜壓機(jī)的水平給予高度的評(píng)價(jià)。
    20057月,川西機(jī)器公司采用國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的高溫/高壓快速冷卻、真空與超高壓隔離、超高壓工作缸等13種關(guān)鍵技術(shù),經(jīng)過3年多的刻苦研制和技術(shù)攻關(guān),成功地交付給貴州航空工業(yè)集團(tuán)貴州安吉精鑄公司1臺(tái)國(guó)內(nèi)最大的熱等靜壓機(jī)。該熱等靜壓機(jī)的投入使用,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型熱等靜壓技術(shù)的空白,為航空、航天、核工業(yè)、電子、冶金、船舶等領(lǐng)域的高溫高強(qiáng)合金、功能陶瓷、復(fù)合材料、超硬材料等高新技術(shù)材料制品的研制和生產(chǎn)創(chuàng)造了條件[6]。
    20087月份,由鋼鐵研究總院制造的亞洲最大的熱等靜壓機(jī)(φ1250×2500 mm,1350℃150 MPa)已安裝調(diào)試成功,并正式投入運(yùn)行。目前己使用該設(shè)備生產(chǎn)出合格的高品質(zhì)粉末渦輪盤。該設(shè)備的研制成功,標(biāo)志著鋼鐵研究總院在熱等靜壓設(shè)備的研發(fā)、制造及使用領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
    2 熱等靜壓設(shè)備及工作原理
    2.1 熱等靜壓設(shè)備特點(diǎn)
    熱等靜壓設(shè)備由高壓容器、加熱爐、壓縮機(jī)、真空泵、儲(chǔ)氣罐、冷卻系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成,其中高壓容器為整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵裝置。熱等靜壓燒結(jié)示意圖如圖2.1所示。

    2.1  熱等靜壓燒結(jié)示意圖
    2.1.1高壓容器
    目前先進(jìn)的熱等靜壓設(shè)備是由無螺紋、底部封閉鋼絲纏繞的預(yù)應(yīng)力筒體和鋼絲纏繞及預(yù)應(yīng)力框架組成。鋼絲是矩形截面、冷軋彈簧鋼帶,筒體經(jīng)鍛造和熱處理,框架由兩個(gè)橫架和兩個(gè)立柱組成,金屬外殼包裝,施加了預(yù)應(yīng)力,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:
    (1) 筒體在切線方向均衡壓縮,可防止軸向斷裂;
    (2) 框架壓縮均衡,可防止切向斷裂;可靠安全,承載區(qū)域獨(dú)立;
    (3) 壓力容器各點(diǎn)應(yīng)力能計(jì)算精確;應(yīng)力集中被消除;
    (4) 筒體、框架沒有承受任何拉力負(fù)載;鋼絲纏繞起防爆、屏障作用。
    2.2.2 加熱爐
    高質(zhì)量加熱爐是先進(jìn)的熱等靜壓設(shè)備不可缺少的關(guān)鍵部件。目前,加熱爐先進(jìn)安裝方式是插入式,有兩個(gè)加熱區(qū),可設(shè)計(jì)3擋最高工作溫度1200℃(用于Fe-Cr-Al加熱爐)、1450℃(用于Mo加熱爐),2000℃(用于石墨加熱爐)和不同氣氛的多臺(tái)加熱爐,由于是插入式,用戶可根據(jù)燒結(jié)溫度、氣氛要求,方便地更換加熱爐,每種加熱爐可實(shí)現(xiàn)快速升溫,快速冷卻,爐內(nèi)溫差小于±15℃。石墨加熱爐是由碳精和石墨混合、纖維補(bǔ)強(qiáng)的混合材料制成,其強(qiáng)度、可靠性、安全性優(yōu)于常規(guī)純石墨,具有高電阻率,極適用于真空和低電壓工作。
    2.2.3 壓縮機(jī)和真空泵
    熱等靜壓設(shè)備通常采用非注油式電動(dòng)液壓壓縮機(jī),省去了壓縮空氣裝置,配置有過壓保護(hù)、防振裝置、自動(dòng)調(diào)節(jié)部件。真空泵采用旋轉(zhuǎn)葉輪,在產(chǎn)品燒結(jié)中用于真空抽吸,同時(shí)抽除容器內(nèi)的氧、潮氣(水分)和其它雜質(zhì)。
    2.2.4 冷卻裝置
    冷卻水通過再生冷卻回路,管道內(nèi)冷卻水與壓力容器外殼進(jìn)行熱交換,采用去離子水和防銹劑,以確保冷卻水的質(zhì)量和保護(hù)冷卻系統(tǒng)。
    2.2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
    它是由IBM兼容PC、軟盤驅(qū)動(dòng)、彩色SYGA監(jiān)視器、鍵盤、IBM兼容打印機(jī)輸出、數(shù)據(jù)采集、控制軟件及手動(dòng)控制支持的臺(tái)式部件等組成。在熱等靜壓工藝過程中,可實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、真空的程序控制,并顯示所有工作狀態(tài)。在程序控制和手動(dòng)控制之間,可編程控制器提供安全可靠的聯(lián)鎖。
    2.2 熱等靜壓工藝流程
    熱等靜壓工藝有三種,即先升壓后升溫,適用于金屬包套工件的制造;先升溫后升壓,適用于玻璃包套制造符合材料;同時(shí)升溫升壓,適用于低壓成型、裝入量大、保溫時(shí)間長(zhǎng)的工件制造。其工藝流程如圖2.2所示。

    2.2  熱等靜壓工藝流程圖
    2.3 熱等靜壓工作原理
    根據(jù)帕斯卡原理,在一個(gè)密封的容器內(nèi),作用在靜態(tài)液體或氣體的外力所產(chǎn)生的靜壓力,將均勻地在各個(gè)方向上傳遞,在其作用的表面積上所受到的壓力與表面積成正比。在高溫高壓作用下,熱等靜壓爐內(nèi)的包套軟化并收縮,擠壓內(nèi)部粉末使其與自己一起運(yùn)動(dòng)。高溫高壓同時(shí)作用下的粉末的致密化過程與一般無壓燒結(jié)或常溫壓制有很大差異。其致密化過程如圖2.3所示,大致分為以下三個(gè)階段:

    2.3  粉末致密化過程
    1)粒子靠近及重排階段
    在加溫加壓開始之前,松散粉末粒子之間存在大量孔隙,同時(shí)由于粉末粒子形狀不規(guī)則及表面凹凸不平,他們之間多呈點(diǎn)狀接觸,所以與一個(gè)粒子直接接觸的其它粒子數(shù)(粒子配位數(shù))很少。當(dāng)向粉末施加外力時(shí),在壓應(yīng)力作用下,粉末體可能發(fā)生下列各種情況:隨機(jī)堆疊的粉末將發(fā)生平移或轉(zhuǎn)動(dòng)而相互靠近;某些粉末被擠進(jìn)臨近空隙之中;一些較大的搭橋孔洞將坍塌等。由于上述變化的結(jié)果,粒子的臨近配位數(shù)明顯增大,從而使粉末體的空隙大大減少,相對(duì)密度迅速提高。
    2)塑性變形階段
    第一階段的致密化使粉末體的密度已有了很大的提高,粒子之間的接觸面積急劇增大,粒子之間相互抵觸或相互楔住。這是要使粉末體繼續(xù)致密化,可以提高外加壓力以增加粒子接觸面上的壓應(yīng)力,也可升高溫度以降低不利于粉末發(fā)生塑性流動(dòng)的臨界切應(yīng)力。如果同時(shí)提高壓力和溫度,對(duì)繼續(xù)致密化將更加有效。當(dāng)粉末體承受的壓應(yīng)力超過其屈服切應(yīng)力時(shí),粒子將以滑移方式產(chǎn)生塑性變形。
    3)擴(kuò)散蠕變階段
    粉末粒子發(fā)生大量塑性流動(dòng)后,粉末體的相對(duì)密度迅速接近理論密度值。這時(shí),粉末粒子基本上連成一片整體,殘留的氣孔已經(jīng)不再連通,而是彌散分布在粉末基體之中,好像懸浮在固體介質(zhì)中的氣泡。這些氣孔開始是以不規(guī)則的狹長(zhǎng)形態(tài)存在,但在表面張力作用下,將球化而成圓形。殘存氣孔在球化過程中其所占體積分?jǐn)?shù)也將不斷減小。粒子間的接觸面積增大到如此程度,使得粉體承受的有效壓應(yīng)力不再超過其臨界切應(yīng)力,這時(shí)以大量原子團(tuán)滑移而產(chǎn)生塑性變形的機(jī)制將不再起主要作用,致密化過程主要單個(gè)原子或空穴的擴(kuò)散蠕變來完成,因此整個(gè)粉末體的致密化過程緩慢下來,最后趨近于以最大終端密度值 值得注意的是上述三個(gè)階段并不是截然分開的,在熱等靜壓過程中它們往往同時(shí)起作用而進(jìn)粉體的致密化,只是當(dāng)粉末體在不同收縮階段,由不同的致密化過程起主導(dǎo)作用。
    3 熱等靜壓技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域
    熱等靜壓技術(shù)經(jīng)過近60年的發(fā)展已日臻成熟,目前已廣泛用于核材料、航空航天材料、硬質(zhì)合金、高溫合金與陶瓷材料等領(lǐng)域,是研制與處理材料、提高材料性能的一種先進(jìn)生產(chǎn)工藝與手段,己成為當(dāng)今許多高性能材料生產(chǎn)中一項(xiàng)實(shí)用技術(shù),也是新材料開發(fā)不可缺少的一種新技術(shù)。
    3.1 鑄件的致密化處理
    熱等靜壓在鑄件致密化處理方面的應(yīng)用研究開發(fā)較早,是熱等靜壓應(yīng)用較成熟和完善的領(lǐng)域。熱等靜壓法不僅可以使新的鑄件致密化,而且還可以用以修復(fù)正在使用的鑄件,使鑄件在使用中降低的性能得以恢復(fù)。鑄件在指定的溫度和應(yīng)力條件下,具有一定的計(jì)算壽命值,使用一段時(shí)間后,將不斷產(chǎn)生微觀缺陷,并產(chǎn)生晶間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),在晶界出現(xiàn)缺陷。這些類似常見縮孔的內(nèi)部缺陷就可采用熱等靜壓法進(jìn)行治愈。用這樣的處理方法,能夠使使用中的發(fā)動(dòng)機(jī)零件的機(jī)械性能和疲勞性能恢復(fù)到新鑄件的水品。
    用熱等降壓處理鑄件的效用和意義可歸納如下:
    1)熱等靜壓處理后,能減少鑄件在X射線檢查和表面投射檢查的報(bào)廢率;
    2)與未處理的鑄件相比,經(jīng)熱等靜壓處理的鑄件在焊接后產(chǎn)生的裂紋較少,因而減少了補(bǔ)焊的成本;
    3)采用熱等靜壓處理,可提高鑄造參數(shù)范圍和擴(kuò)大新的鑄造合金品種;
    4)改善了疲勞強(qiáng)度和延性的熱等靜壓鑄件可取代價(jià)格昂貴的鍛件。
    3.2 熱等靜壓覆層和熱等靜壓復(fù)合擴(kuò)散連接
    熱等靜壓覆層和熱等靜壓復(fù)合擴(kuò)散連接是熱等靜壓的另一重要應(yīng)用。熱等靜壓覆層技術(shù)是采用熱等靜壓技術(shù)在一種材料上制備一種具有特殊物理或化學(xué)性能的覆層,以提高其綜合性能的新技術(shù),熱等靜壓復(fù)合擴(kuò)散連接是將兩種或兩種以上的不同材料,在高溫高壓作用下進(jìn)行擴(kuò)散連接的一種新技術(shù),涉及到的材料可以是金屬一金屬、金屬一非金屬、非金屬一非金屬,它是近幾年發(fā)展起來的,特別是在民用方面值得應(yīng)用推廣的一項(xiàng)較好技術(shù)[12]。與一般連接方法相比,熱等靜壓復(fù)合擴(kuò)散連接具有以下一些優(yōu)點(diǎn):
    1)連接材料具有母材特性,在焊點(diǎn)無熔化區(qū),因而消除了是焊點(diǎn)性能衰減的晶粒長(zhǎng)大;
    2)可以連接通常不能連接的異種金屬,在高熱等靜壓壓力下能阻止柯肯達(dá)爾空位的形成;
    3)不受固定模具的限制,能加工和處理任何復(fù)雜形狀的制件;
    4)能連接脆性材料或低延性材料而不產(chǎn)生斷裂;
    5)溫度限制較??;
    6)能連接復(fù)合材料,并對(duì)復(fù)合材料中的纖維破壞很少。
    3.3 熱等靜壓粉末固結(jié)
    3.3.1 高溫合金粉末固結(jié)
    高合金化鎳基高溫合金鑄錠偏析嚴(yán)重,熱加工性能差,很難變形,傳統(tǒng)鑄鍛造技術(shù)很難保證大尺寸零件性能的均勻性,采用粉末冶金工藝解決了此類問題??焖倌填A(yù)合金粉末+HIP固結(jié)技術(shù)為高合金化鎳基高溫合金材料的生產(chǎn)開辟了新的方向。粉末冶金高溫合金廣泛應(yīng)用于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃機(jī)等關(guān)鍵部件。
    3.3.2 硬質(zhì)合金熱等靜壓
    熱等靜壓處理可以有效地消除燒結(jié)硬質(zhì)合金中的內(nèi)部孔隙等缺陷;熱等靜壓處理溫度低于硬質(zhì)合金燒結(jié)溫度可防止碳化物晶粒的粗化;經(jīng)熱等靜壓處理后的大尺寸硬質(zhì)合金制品,其綜合性能獲得大幅度提高,使用壽命和使用可靠性顯著提高。熱等靜壓硬質(zhì)合金與常規(guī)燒結(jié)硬質(zhì)合金相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
    1)參與空隙幾乎完全消除,密度可有原來的99.8%理論密度提高到99.999%理論密度。
    2)制造大型或高徑比大的制品時(shí),廢品率低,表面缺陷大幅降低,拋光后可得到光潔度極高的表面。
    3)由于制品中的孔隙體積明顯減小,消除了斷裂源,使制品的性能和壽命大幅度提高。
    3.3.3 高速鋼粉末固結(jié)
    高速鋼是一種化學(xué)成分復(fù)雜的高合金鋼。在采用傳統(tǒng)的熔鑄-鍛造法生產(chǎn)高速鋼時(shí),由于鑄錠尺寸大,冷卻緩慢、不可避免的產(chǎn)生碳化物偏析。這種偏析組織不僅給鍛、軋等熱加工造成困難,損害了產(chǎn)品的各種性能,而且限制了合金含量的進(jìn)一步增加,阻礙了高速鋼的發(fā)展。
    熱等靜壓技術(shù)的問世,使許多高合金高速鋼可以采取粉末冶金工藝來制造,從而克服了熔鑄鋼中碳化物偏析這類缺陷,把粉末冶金技術(shù)成功引入了致密剛才和合金鋼的生產(chǎn)領(lǐng)域。
    3.3.4 陶瓷材料粉末固結(jié)
    在金屬陶瓷的制備中,通常有固態(tài)法和液態(tài)法兩大類型制備工藝,熱等靜壓工藝的應(yīng)用不但可以用來實(shí)現(xiàn)在固態(tài)法中成型與燒結(jié)一起進(jìn)行,而且還可以對(duì)液態(tài)法制備的金屬陶瓷進(jìn)行熱處理,提高制品的性能。采用熱等靜壓工藝制備金屬陶瓷具有如下優(yōu)點(diǎn):
    (1) 大大降低了燒結(jié)金屬陶瓷的溫度,細(xì)化晶粒;
    (2) 提高制品的致密度,改善金屬陶瓷的各種性能;
    (3) 可直接制備形狀復(fù)雜和大尺寸的工程部件,減少甚至避免昂貴的機(jī)械加工;
    (4) 降低冷卻時(shí)的殘余應(yīng)力,減少反應(yīng)層的成型,控制界面反應(yīng)。
    3.3.5 鈦合金粉末固結(jié)
    鈦合金因具有高強(qiáng)度、高韌性、抗氧化及耐腐蝕的特性,廣泛由于航天、航空、航海和化工等領(lǐng)域。然而,鈦制品的昂貴價(jià)格,限制了它的應(yīng)用。鈦制品成本高的主要原因是傳統(tǒng)制造工藝復(fù)雜,二次加工的材料損失大。通常,鈦的熔煉和加工工藝包括:海綿鈦壓成電極;兩次真空電弧爐熔煉;精密鑄造或鍛、軋加工以及機(jī)加工等。粉末鈦合金被認(rèn)為是進(jìn)一步提高鈦合金性能和降低其價(jià)格的出路。用熱等靜壓工藝生產(chǎn)粉末鈦合金,不僅簡(jiǎn)化了熔煉工藝和切削工序,而且因細(xì)粉末晶粒有利于合金組織均勻化,從而使制品性能獲得改善。
    3.4 熱等靜壓工藝在新領(lǐng)域的應(yīng)用
    1)在多孔材料方面的應(yīng)用:由于采用氮?dú)庾鳛榻橘|(zhì),在高溫下生成氮化物,使得HIP對(duì)多孔材料也產(chǎn)生作用;
    2HIP技術(shù)與滲氮等表面處理相結(jié)合,擴(kuò)大HIP功能;
    3)懸浮熔煉工藝制備高純材料可采用HIP技術(shù)。因?yàn)楦邏簹怏w密度增加,可使熔煉物懸浮起來,實(shí)現(xiàn)無坩堝熔煉,從而極大地提高熔煉純度。
    4)食品工業(yè)采用HIP技術(shù):向食品施加高壓可使食品在營(yíng)養(yǎng)不被破壞且保持原色原味的情況下,達(dá)到殺菌消毒的目的,為食品加工提供了一條新的途徑。
    4 結(jié)論
    隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展,熱等靜壓技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)中已經(jīng)占據(jù)了越來越大的比重。而且人們?cè)絹碓蕉嗟夭捎脽岬褥o壓技術(shù)進(jìn)行新材料的制備,如金屬基陶瓷、碳/碳復(fù)合材料、硬質(zhì)合金、鎢鉬制品、稀有難熔金屬等產(chǎn)品等。熱等靜壓技術(shù)也越來越多地滲透到更多的技術(shù)領(lǐng)域,并憑借其特有優(yōu)勢(shì),將會(huì)在新材料、新能源的發(fā)展空間中發(fā)揮更為廣闊的作用。
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