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梁太阳,伊敏高,Yangzhen Liu郭亮Wang Yiran Wang闻堰翟,温家宝, ”压力预测电子、各向异性弹性、光学和第四纪(M的抗热疲劳性能2/3“透明国际”1/3)3酒精度2(M =铬、钼、钛)”,凝聚态物理的进步, 卷。2016年, 文章的ID3231027, 18 页面, 2016年。 https://doi.org/10.1155/2016/3231027
压力预测电子、各向异性弹性、光学和第四纪(M的抗热疲劳性能2/3“透明国际”1/3)3酒精度2(M =铬、钼、钛)
文摘
电子、机械、各向异性弹性、光和热季(M的属性2/3“透明国际”1/3)3酒精度2(M =铬、钼和Ti)在不同压力下系统地研究了采用基于计算。这些化合物的成键特性的混合金属和共价键。增加压力,总态密度的高度(TDOS)这些化合物在费米能级下降。莫三个化合物中体积压缩率最高2TiAlC2最小的相对体积下降。相对债券长度减少当压力增加。的体积和剪切模量的掺杂铬或比Ti莫更大3酒精度2随着压力增加。增加压力,这些化合物的各向异性也增加。此外,密苏里州2TiAlC2这三个化合物中最大各向异性。光学功能的结果表明,这三个化合物的反射率高可见紫外区域~ 10.5电动汽车在环境的压力下,在压力下不断增加。莫2TiAlC2损失函数最高。计算声速和德拜温度显示他们都会增加压力。这三个化合物的计算。
1。介绍
分层的三元化合物结合的优点陶瓷和金属电气和热导率高、破坏公差,优良的抗热震性,高温强度,抗氧化和耐腐蚀性能(1- - - - - -5]。这些化合物的标准公式(M代表了早期的过渡金属,是一组元素大多是iii A和IVA元素,X意味着C或N原子,和)。当,超过50(211期)化合物已经成立。他们都是分层的六角结构空间群P63年/ mmc交替near-close-packed层组成八面体与层的原子插页(5]。然而,312年有六个阶段已经确定,即Ti吗3交流2(A = Si、通用电气、锡和铝)(6),V3酒精度2和助教3酒精度2,分别。只有一个多晶,完全致密,主要是单相大块样品的助教4AlN3(当使用热等静压()化合物合成7]。在基于理论的第一原则,几个新阶段的属性喜欢Ta4酒精度3(8),V4原文如此3(9),钛4罪3(10)计算,但不能真实地捏造实验。
自1996年以来,高纯钛3原文如此2首先合成了Barsoum和El-Raghy [11使用髋部流程和摩擦的实验和理论研究312 MAX阶段进行(11- - - - - -19]。“透明国际”3SnC2杜波依斯等人在2007年被发现(20.]。“透明国际”3酒精度2被Pietzka首先合成和组装,舒斯特尔在1994年的单位细胞六角晶格参数纳米和纳米及其理论密度是4.25克/厘米3(21,22]。都与钛化合物被发现是同构的3原文如此2和分享他们的许多类似的特征。完全致密,主要是单相Ti的样本3艾尔1。1C1。8被Tzenov捏造和Barsoum23]。他们的热膨胀系数(TEC) 25 - 1200°C的温度范围K−1。钛的密度3酒精度2低于钛吗3原文如此2和钛3通用电气2,这是有吸引力的,因为它被用作结构材料或强化聚合物和金属。Ti的宏观性质3酒精度2被认为是密切相关的电子和结构属性(24]。
采用基于计算支持理解的电子结构,弹性各向异性,和其他的理论属性这个家族的阶段和谓词新阶段(6,25- - - - - -37]。电气结构、机械和热性能的312 -阶段像弹性常数也被调查了通过采用基于理论特别是Ti3酒精度2(23- - - - - -27,31日,32,37- - - - - -49]。在312年阶段,一些Al-containing的Ti2酒精度和钛3酒精度2是最引人注目的特殊抗氧化表面形成一层保护性氧化铝层(40,41)和他们的裂缝自愈特征(42]。在先前的研究中,只有钛、V、Cr、Nb,和助教元素可以组合Al-containing马克斯阶段,尽管一些例外锆、Nb铬、锰,锰原子可以更换某些M元素的固溶体形成第四纪Al-containing马克斯阶段(Nb0.8Zr0.2)2酒精度(43),(注0.6Zr0.4)2酒精度(44),(Cr0.7锰0.3)2酒精度(45]。,除了M元素的质量分数小于0.5的总M-content [46]。
直到最近,两个小说第四纪马克斯阶段合成:(Cr2/3“透明国际”1/3)3酒精度2报道了合成的Cr吗2酒精度和抽搐(密苏里州2/3“透明国际”1/3)3酒精度2粉末合成的钼、钛、铝、石墨晶体相似的特征。刘等人。31日(Cr)合成2/3“透明国际”1/3)3酒精度2并计算其具有铁磁性的采用基于计算。Anasori et al。46)首先合成粉(密苏里州2/3“透明国际”1/3)3酒精度2然后计算其空间群和晶格参数里特维德分析粉末XRD (x射线衍射)。然后,HSTM(高分辨率扫描透射电子显微镜)介绍了研究结构特点及其与钛有序相层夹在两个钼层钛3酒精度2类型的结构。虽然没有记录在电子、光学、各向异性弹性和热性能的第四纪(M2/3“透明国际”1/3)3酒精度2(M =铬、钼),同时这些阶段的行为在高的压力下仍然是未知的。在本文中,作者的目的是调查的关系电子、光学、各向异性弹性,和热环境下这些化合物的性质和静态高压很少被报道。
2。计算的细节
(M2/3“透明国际”1/3)3酒精度2(M =铬、钼和Ti)马克斯阶段有晶体结构的钛同位素3原文如此2和钛3酒精度2用六角对称。P6空间群3/ mmc周期叠加由铝原子层。结构的相关特性的计算是M原子占据了(1/3、2/3,0.132493)和钛原子占据官员(0,0,0)Wyckoff称网站,分别,而铝原子占据2b(0,0,0.25)和碳原子位于4f(1/3、2/3,0.574905)。M =钛原子,我们定义钛原子位于2一个的职位是和那些在4f的职位是。的晶体结构和计算细胞参数(M2/3“透明国际”1/3)3酒精度2(M = Gr、密苏里州和Ti)如图1。
所有计算在当前工作进行基于平面波伪势密度函数理论(DFT)通过CASPTEP代码(48,49]。CASPTEP代码采用特殊点集成在布里渊区和平面波的基础上设置的膨胀波函数已体现在文献[50]。Pseudoatomic计算进行Cr: 3 s23 p63 d54 s1密苏里州:4 s24 p64 d55 s1Ti: 3 d24 s2艾尔:323 p1C: 222 p2,分别。一种gradient-corrected exchange-correlation功能Perdew-Wang广义梯度近似(GGA-PW91)使用51]。计算已使用平面波截止600 eV(执行52]。布里渊区取样进行使用Monkhorst-Pack网(53)和自洽的总能量融合在电动汽车/原子和原子低于最大力量电动汽车/ A。Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shannon(高炉煤气)算法引入放松整个结构达到基态,晶胞参数和部分原子的坐标都是同时优化。的晶格参数(M2/3“透明国际”1/3)3酒精度2(M =铬、钼和Ti)化合物和计算方法在表列出我们的工作1。这些化合物的晶格参数与其他可用的实验结果有很好的一致性。诱导压力在本文中被定义为单位面积上的受力。一个数字的压力意味着压力是一个标量,,事实上,压力可以被看作是一个张量的一般形式(54]:
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每个元素的张量的力是作用于结构表面的边缘平行- - - - - -,- - - - - -,设在。单位细胞的变化所引起的晶格参数和体积应力可以从动力学轨迹的分析获得的数据。
3所示。结果与讨论
3.1。电子性质的压力下
总(pdo)和原子站点部分的态密度(M2/3“透明国际”1/3)3酒精度2(M =铬、钼和Ti) 0 GPa和100 GPa压力计算,如图2- - - - - -4,分别。内原子的成键特征清楚地说明了这些pdo和C原子不显示明显的TDOS费米能级。因此,C原子没有参与电子传输。数据2(一个),3(一个),4(一)显示三个化合物的电子结构在0 GPa的数字2 (b),3 (b),4 (b)显示这些在100 GPa。费米能级被设置它可以清楚地看到,有一定价值的费米能级()总DOS的费米能级。因此,三个化合物的工作表现出金属特性,如金属导电率。当压力增加,TDOS山峰的高度降低总DOS的费米能级也不断下降。根据李的结果等。55),它可以了解到最小(最大)的DOS定性表明他们的稳定(不稳定)。因此,这些化合物的稳定性变得更高的压力增加。
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
部分DOS的每个元素如图2- - - - - -4,发现C 2主要有贡献年代州的能量范围电动汽车。从7.5−0 eV,三个化合物是由组合的DOS Ti 3d米(M =铬、钼、钛)3d,3年代/ 3pC 2p州。特别是,DOS在费米能级男子汉的源于Ti或M (M =铬、钼、钛)3d州。Cr2TiAlC2显示了最大其他人因为Cr 3d州。与此同时,强大的p- - - - - -d杂交可以看到Ti-C之间和M(铬、钼或Ti) - c原子。因此,Ti-C之间有共价键的贡献和mc原子。在能接受的工作(13,56),M的电子结构2公司(M =钛、锆、和高频)和钛3交流2(= Si、通用电气和Sn)阶段是影响M元素。
3.2。结构性Anticompressibility
的相对体积V/V0三季(M和债券的长度2/3“透明国际”1/3)3酒精度2原子计算与压力的函数,以调查他们的身体变化和结果如图所示5。的相对体积是指体积anticompressibility随压力的增加而减小从0到100 GPa,如图5(一个)。和体积anticompressibility最高的三个化合物是密苏里州2TiAlC2最小的相对体积下降。
(一)
(b)
更多了解化学键将通过调查获得债券相对长度变化的压力和结果如图所示5 (b)。相对债券长度减少当压力增加。债券在Cr2TiAlC2和莫2TiAlC2反映了几乎相同的趋势比的3酒精度2。的曲线Mo-C债券高于Cr-C和也显示了共价强度和最高Mo-Al键的强度。因此,莫2TiAlC2显示了最高音量anticompressibility Mo-C因其高强度和Mo-Al债券。
3.3。各向异性弹性压力
二阶弹性常数的计算的全套(米2/3“透明国际”1/3)3酒精度2GPa在0和100 GPa通过应力与应变的方法包括在表中2(57]。方法可以显示如下:一个可以计算所有独立的弹性常数,胡克定律。对于六角形结构,则可以写成
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在(1),代表了非零弹性常数;和是正常和剪切应力,并给出相应的单轴和剪切应变和,分别。然后,以下两种应变模式被应用于计算摘要:
在这里,是应变矩阵的转置,是拉格朗日应变的大小。上述两种不同的应变模式应用于优化晶体结构通过改变每个应变的应变振幅模式。步骤每个品种的数量设置为四个在这个工作,和最大应变幅度为0.003。然后,应力张量可以评估作为应变的函数。
这些参数确定晶体的响应外部力量在几个工程应用中扮演着关键角色是耐磨性阶段。几个基本的物理性能,如弹性各向异性性质,比热,和德拜温度,这些参数相关。各向异性弹性、线性各向异性的比率六角晶体可以表示为(58]
在目前的工作中,线性各向异性比值在1.01 0 GPa是发现Cr2TiAlC21.08,莫2TiAlC2和1.273酒精度2。因此,比率增加从铬和钼钛为M元素,反映了各向异性弹性的增加。当压力增加到100 GPa, Cr的比例变化是1.082TiAlC21.21,莫2TiAlC2和1.093酒精度2。显然,比增加,伴随着Cr的压力2TiAlC2和莫2TiAlC2而降低钛3酒精度2。
基于这些弹性常数,多晶的体积弹性模量(材料的抗静水压力),剪切模量(材料的抗剪),和杨氏模量(抵抗单轴紧张或压缩)可以由罗伊斯和沃伊特方法(59,60]。计算弹性常数GPa在0和100 GPa也表所示2和真正的多晶值估计山的平均(61年]。计算,,压力显示在图中6。从图中,所有弹性模增加压力和密苏里州2TiAlC2最高的体积弹性模量和最小的杨氏模量,而钛吗3酒精度2最小的体积弹性模量,杨氏模量最高。体积弹性模量和剪切模量与铬或钼掺杂比Ti3酒精度2。这些化合物在0 GPa,泊松比远小于0.3。增加压力,泊松比接近0.3。油渣等人说过(62年),泊松比与原子组装密度会增加,所以(cd, bcc、fcc和hcp代表cubic-diamond,体心立方,面心立方,和六角拥挤不堪的晶体结构,职责)。此外,对于一个特定的晶体结构和价,泊松比大多随原子序数,还有电子能带结构和价电子密度。因此,泊松比的增加意味着原子存储密度的增加和电子能带结构。
(一)
(b)
的价值一般应用于表明复合延性和脆性。这应该是延性脆性化合物,),大(低于1.75。在我们的例子中,这些化合物在0 GPa脆性。压力的增加,化合物呈现延性。掺杂铬或钼比Ti3酒精度2在0 GPa或者100 GPa。
所有单身晶体存在各向异性在这个工作中,各向异性指数(63年]介绍了目前各向异性的化合物及其剪切各向异性因素:
在这里,,,,体积弹性模量和剪切模量估算在沃伊特和罗伊斯方法,分别。各向异性指数()是适当的化合物的力学各向异性性质的指标。更大的是一个复合的各向异性越强。对于一些来自Ledbetter单晶数据,Mg是0.04α0.19 - Ti,对于大多数六角晶体,它们各向异性指数在所有系统(63年,64年]。基于上述讨论,值在0平均绩点是0.033,0.058,和0.023 Cr2TiAlC2密苏里州2TiAlC2和钛3酒精度2,分别。因此,最高的各向异性2TiAlC2在三个化合物。此外,值100 GPa 0.418, 0.584,和0.151 Cr2TiAlC2密苏里州2TiAlC2和钛3酒精度2,分别。增加压力,增加化合物的各向异性。
,一个三维的情节机械模量作为晶体取向的函数可以直显示机械每个化合物的各向异性性质。每个化合物的弹性柔度常数用于研究各向异性性质的批量和杨氏模量不同方向的固体。六角晶体的定向依赖的体积弹性模量,杨氏模量可以计算如下(65年]:
在上面的方程中,,,,,代表弹性柔度常数和,,方向余弦。方向余弦的球坐标的关系有关和ϕ如下:,,到(3)。我们获得方程绘制三维各向异性力学数据如图7和8;我们的方法的细节呈现在我们的以前的工作66年]。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
从图7体积弹性模量的三维图可以直显示有小体积弹性模量的各向异性特性。所有的情节往往球体,球体的大小反映了体积弹性模量的值。当压力增加时,球体的大小也增加。杨氏模量的各向异性特性是非常重要的层结构最大压力下阶段和属性是未知的。从图可以看出8,莫2TiAlC2最大的各向异性0 GPa压力越来越大;它往往是更强的各向异性比其他两种化合物,在50个绩点和100 GPa,密苏里州2TiAlC2显示了强烈的各向异性即其层结构。结果是在良好的协议与上述讨论。
3.4。理论在压力下维氏硬度
债券压缩性节中讨论3.2当马利肯债券数量也可以用来计算结合行为和理论维氏硬度可以在压力下获得0的GPa和100 GPa。相关公式给出硬度(67年,68年] 在哪里是一个复合的硬度;的硬度是类型债券;键长;的体积是类型债券;指的是债券型密度每立方埃;和的总数吗在细胞类型债券;Ω,细胞体积和重叠的人口吗类型债券,分别。
马利肯的帮助下人口分析、理论的维氏硬度值M2TiAlC2如表所示3。在0 GPa, Cr的计算结果2TiAlC2是10.93的绩点,莫2TiAlC2是9.35的绩点,Ti吗3酒精度2分别是9.93。几个实验结果已经获得:Ti的本征硬度3酒精度2衡量nanoindentation实验约为11.4绩点(69年]。硬度值衡量microindentations几乎是在3 - 7 Ti的GPa3酒精度2(70年- - - - - -72年]。因为获得边界和杂质影响测量的硬度,硬度的实验结果总是低估了。因此,我们的结果似乎是合理的,而对于Cr2TiAlC2和莫2TiAlC2,建议他们也有较高的硬度。当所有的阶段在100 GPa,很明显看到理论的维氏硬度值M2TiAlC2所有根据压力增加。基于上述讨论,键长降低了增加的压力。结果表明:硬度增加而增加的压力,这是在良好的协议与我们的结果。复合掺杂铬和钼的硬度大于复合掺杂的钛。
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3.5。光学性质
固体的光学功能的研究有助于更好地理解的电子结构。CASTEP代码是用来计算固体由于电子跃迁的光学特性。
一般来说,电磁波的传播的差异通过真空或其他材料可以被描述为一个复杂的折射率,:
在真空中,真实的和等于团结。透明材料,它纯粹是真实,虚数部分被吸收系数有关
然后,反射系数可以获得简单情况下的垂直入射到平面通过匹配两表面的电场和磁场:
复介电常数和介电函数和折射率之间的关系可以如下所示:
之间的关系的实部和虚部的折射率和介电常数
另一个常用的表达量光学特性是光电导率:
在这里,是角频率。虚部介电函数可以被认为是详细描述之间的真正转型占领和空置的电动状态和由(73年]
是入射光子的能量,动量运营商,是费米函数。实部介电函数可以得到Kramers-kronig变换联系实部和虚部。三个化合物的光学性质计算GPa在0和100 GPa摘要。这项工作的所有计算使用0.5 eV高斯模糊,结果在0 GPa同意与透光工作:(74年),(75年]。
当所有的阶段在0 GPa(计算吸收光谱图所示9(一个)(1)),有三个山峰莫2TiAlC2(6.7 eV, 13.4 eV和36.5 eV)和钛3酒精度2(5.5 eV, 12.4 eV和35.5 eV)以及四个山峰Cr2TiAlC2(5.9 eV, 11.8 eV, 35.1 eV,和44.2 eV),分别。所有的山峰与钛原子的跃迁d来p州和M原子d来p由于其金属的特性。光电导性反映了材料的导电性增加由于吸收光子。在图9(一个)(2),有两个峰值帽2TiAlC2(3.8 eV和35.8 eV)和钛3酒精度2(3.0 eV和34.9 eV)以及四个山峰Cr2TiAlC2(0.74 eV, 3.8 eV, 35 eV,和43.9 eV),分别。给出了反射率作为光子能量的函数图9(一个)(3)。它可以发现三个化合物的反射率高的可见光和紫外线的地区。在可见区域(0 ~ 4 eV),密苏里州2TiAlC2Ti最高反射率比较3酒精度2最小的一个,在紫外区域,三个化合物达到最高约为9 ~ 11 eV和莫2TiAlC2是在前列,为我们提供了一个潜在的材料作为涂层膜。折射率和消光系数见图9(一个)(4),发现静态折射率15.5 eV Cr吗2TiAlC2密苏里州,12.9 eV2TiAlC2Ti和9.3 eV3酒精度2,分别。通常,折射率和消光系数成正比的介电常数实部和虚部,分别。与和对所有化合物,它们有相同的趋势显示结构的起源的辩证函数的虚部也解释了结构的折射率。计算损失函数图所示9(一个)(5)和峰值与后缘的反射光谱。主要的高峰光谱代表与等离子体反应相关联的特征和相应的频率等离子体频率和莫2TiAlC2损失函数在最高15电动汽车。计算的和想象的介电函数如图的一部分9(一个)(6),介电函数呈现相似的变化趋势与折射率;它的巨大的实部是清楚地看到。峰值约为1 eV对应可能之间的过渡和C州或钛和M州,模棱两可的起源主要是由于类似的峰值间隔。实部消失在约7.5 eV。金属反射特征表现出的范围内。介电函数的虚部的峰值有关电子激发。的虚部,< 1.5 eV的峰值是由于intraband转换。
(一)
(b)
当在100 GPa,可以看出吸收指数随压力图9 (b)(1)每个化合物的峰数是一样的,在0 GPa压力和能量也不断增加。很显然,伴随着压力,他们的金属性增加。图9 (b)(2)显示了每个化合物的光电导性增加能量和压力。对Cr2TiAlC2,还有一个高峰出现在6.3 eV。如图9 (b)(3),从范围0 ~ 30 eV,密苏里州2TiAlC2导电率和反射率最高。的范围从30 ~ 60 eV, Ti3酒精度2导电率和反射率最高。发现三个化合物的反射率是最高的可见光和紫外线部分~ 12 eV,密苏里州2TiAlC2当压力高反射率的高峰将出现在紫外线范围。折射率和消光系数见图9 (b)(4)静态折射率发现12 eV Cr吗2TiAlC2密苏里州,11.9 eV2TiAlC2Ti和13.3 eV3酒精度2。这意味着Cr的折射率2TiAlC2和莫2TiAlC2减少和Ti3酒精度2增加与环境压力。在图9 (b)(5),正如上面所讨论的,莫2TiAlC2损失函数在100 GPa最高压力。计算的和想象的介电函数如图的一部分9 (b)(6);实部消失在约9.5 eV。
3.6。热性能
德拜温度可以估计的平均声速使用下面的方程(19]: 在哪里是德拜温度,代表了木板的常数,代表了玻尔兹曼常数,是原子的数量单位细胞,晶胞的体积,周长比值。意思是声速计算的多晶结构(12)[51,76年]:
和分别代表了纵向和横向声速。它是确定和可以计算的体积弹性模量和剪切模量从纳维方程:
计算声速和德拜温度环境压力和压力下的M2TiAlC2如表所示4。显然,每个化合物的声速和德拜温度随着压力增加。白等。56)计算声速和Ti的德拜温度3原文如此2和钛3通用电气2,而结果也同意,以实验(12,77年]。建议的方法用于估计的弹性性质和德拜温度碳化三元三年时间是准确的。图10显示了三个化合物的德拜温度压力的函数。“透明国际”3酒精度2拥有最大的德拜温度压力。
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指定的恒定体积下的热容作为温度的函数可以计算出的德拜QHA [78年]:
在上面的方程中,阿伏伽德罗常数和吗波尔兹曼常数。使用德拜温度,计算比热的差异为每个系列的复合压力计算如图11。的压力范围是0,20、40、60、80和100的GPa。
从图中,每个化合物与压力和显著增加温度略有下降。当温度低于500 K时,增加迅速,伴随着著名的德拜模型;当温度高于500 K,增长缓慢的温度接近149.652 J·摩尔Dulong-Petit极限−1K−1。在我们的例子中,,在那里气体常数等于8.314 J·摩尔−1K−1。
4所示。结论
电子的压力预测,各向异性弹性,光学,热季(M的属性2/3“透明国际”1/3)3酒精度2(M =铬、钼和Ti)研究了在压力下通过采用基于计算GPa从0到100 GPa。有一定的价值总DOS在展品金属的费米能级的属性,如金属导电率。Cr2TiAlC2显示的最大价值因为Cr的3d州。强大的p- - - - - -d杂交,有共价键Ti-C和mc原子之间的贡献。此外,体积压缩率最高的三个化合物是密苏里州之一2TiAlC2最小的相对体积下降。相对债券长度时减少压力增加而Mo-C债券和Mo-Al债券强度高。
所有弹性模增加压力和密苏里州2TiAlC2体积弹性模量最高Ti时最小的杨氏模量3酒精度2最小的体积弹性模量,杨氏模量最高。此外,铬2TiAlC2和莫2TiAlC2由理论计算出的硬度有较高的硬度。当在100 GPa,清楚地看到,所有化合物的理论维氏硬度值根据压力增加。从所有化合物的光学功能的分析,发现三个化合物的反射率高可见紫外区域~ 10.5电动汽车在环境的压力下,在压力下不断增加。莫2TiAlC2损失函数最高。计算声速和德拜温度环境压力和压力显示他们都随着压力增加。每个化合物的略有降低,压力和温度急剧增加。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢教授黄懿慧程提供CASTEP代码。这项工作得到了中国自然科学基金(51501139),在中国广东省科技项目(特殊添加剂制造技术的基础,没有。2015 b010122003,特别实用的科学技术的基础研究和开发项目,没有。2015 b090926009),中国博士后科学基金资助项目(没有。2014 m552434)。
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