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  • 材料工程
      2022年, 第50卷, 第7期 刊出日期:2022-07-20 上一期    下一期
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    2022, 50 (7): 0-0.  
    摘要 ( 46 )   HTML ( 19 )   PDF (14195KB) ( 211 )   引文文本
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    陶瓷增材制造专栏
    熔体自生陶瓷激光直接能量沉积增材制造研究进展
    牛方勇, 于学鑫, 赵紫渊, 赵大可, 黄云飞, 马广义, 吴东江
    2022, 50 (7): 1-17.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000838
    摘要 ( 132 )   HTML ( 18 )   PDF (23656KB) ( 139 )   引文文本

    熔体自生陶瓷是一种原料经熔化凝固获得组织组成的新型陶瓷材料,原子共用的洁净高强度结合界面使其具有接近熔点的优异高温力学性能及组织稳定性,在未来高推重比航空发动机及重型燃气轮机热端部件领域展现了巨大的应用潜力。激光直接能量沉积技术能够有效克服熔体自生陶瓷传统制备方法在周期、能耗及结构复杂度等方面的局限,为直接增材制造熔体自生陶瓷构件提供了新的解决方案,成为国内外研究热点。本文在介绍激光直接能量沉积技术工艺原理的基础上,总结了国内外利用该技术制备的不同熔体自生陶瓷的微观组织特征及其主要力学性能,并综合论述了目前针对微观组织及开裂行为调控所开展的主要研究。基于现有研究进展,对该领域的发展趋势和需要进一步解决的关键科学问题进行了探讨,指出抑制开裂与改善组织性能是目前面临的首要问题,材料和新工艺的发展是突破现有瓶颈、推动熔体自生陶瓷激光直接能量沉积技术发展和应用的关键。

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    3D打印陶瓷铸型研究与应用进展
    刘岩松, 李文博, 刘永胜, 曾庆丰
    2022, 50 (7): 18-29.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.001012
    摘要 ( 95 )   HTML ( 7 )   PDF (6124KB) ( 93 )   引文文本

    陶瓷铸型是一类应用于熔模精密铸造领域、用于成型铸件内外部结构的复杂部件。随着铸件复杂度的提升,需要更加精细、复杂的铸型来满足铸造需求,然而传统的陶瓷铸型成型手段如注射成型等存在成本高、研发周期长等问题,难以满足复杂精细结构的成型要求。3D打印技术作为一种快速成型手段能够精准成型复杂精细结构,将其应用于铸型生产,不仅能够解决复杂结构的成型问题,同时也能降低生产成本、缩短生产周期。本文主要阐述了3D打印技术在陶瓷铸型生产中的应用,从应用于铸型3D打印陶瓷材料的种类及特性、典型铸型3D打印技术及铸型打印后处理手段三个方面对3D打印技术陶瓷铸型的研究与应用进行介绍,并对该技术未来的发展进行展望,指出3D打印技术能够有效解决复杂陶瓷铸型的成型问题,从而满足复杂空心结构金属件的铸造需求。

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    光固化生物陶瓷功能化研究进展
    焦晨, 梁绘昕, 叶昀, 张寒旭, 何志静, 杨友文, 沈理达, 侯锋
    2022, 50 (7): 30-39.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000836
    摘要 ( 72 )   HTML ( 2 )   PDF (9183KB) ( 81 )   引文文本

    光固化制备陶瓷成为近年来快速发展的增材制造技术之一。生物陶瓷材料凭借良好的细胞相容性,在组织工程领域具有广阔前景,然而单一的生物陶瓷材料难以兼顾力学性能与生物相容性,其应用与推广受到极大限制。本文综述了适用于光固化的生物陶瓷材料改性及设计方法,重点讨论了材料改性、表面改性、结构设计以及微结构调控对于骨传导、骨诱导、抗菌、促进血管生成等生物性能及基础力学性能的综合影响,并指出通过改性及调控方法的组合探究多功能的实现及相互影响机理,能够充分实现光固化生物陶瓷的功能,推动其深层次应用。

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    光固化3D打印陶瓷浆料及流变性研究进展
    李文利, 周宏志, 刘卫卫, 于海宁, 王晶, 巩磊, 邢占文
    2022, 50 (7): 40-50.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000833
    摘要 ( 64 )   HTML ( 4 )   PDF (4222KB) ( 103 )   引文文本

    基于光固化技术原理的陶瓷3D打印因可制备尺寸精度高、表面光洁度好、显微结构均匀和力学性能优异的复杂结构陶瓷零件而备受关注,是实现高性能陶瓷零件增材制造的重要技术手段之一。该技术的核心是制备同时具有高固含量和良好打印适性要求的陶瓷浆料,其组成对固化效果和打印进程有着至关重要的影响。本文综述了立体光固化(stereolithography,SL)和数字光处理(digital light processing,DLP)两种主流光固化3D打印方法用于光固化陶瓷打印的技术方案和工作原理,比较了两者的优缺点。围绕近年来在陶瓷浆料领域的研究工作,讨论了单体/低聚物和稀释剂、分散剂、陶瓷颗粒物理性质以及固含量等对黏度、剪切稀化/增稠行为、黏弹性、屈服应力等流变行为的影响,并提出了光固化3D打印陶瓷浆料的主要发展趋势和面临的挑战,为构建高固含量光固化3D打印陶瓷浆料提供了一般性指导原则。

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    面向单晶涡轮叶片的氧化硅基陶瓷型芯快速成形性能
    王权威, 王程冬, 鲁中良, 苗恺, 艾子超, 李涤尘
    2022, 50 (7): 51-58.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000837
    摘要 ( 62 )   HTML ( 1 )   PDF (19961KB) ( 85 )   引文文本

    将光固化成型和凝胶注模技术相结合成形涡轮叶片陶瓷型芯,克服了熔模铸造中陶瓷型芯制备周期长、成本高、响应慢等不足,对新型复杂结构单晶叶片的快速研制具有重要意义。研究氧化硅基陶瓷型芯的高温强度和收缩率演变规律,探究了纳米氧化锆和铝粉的添加量以及烧结时间对其影响。通过场发射扫描电镜对样件的微观形貌进行表征,采用三点抗弯法测试了样件的高温强度。结果表明:当纳米氧化锆质量分数为2.16%、铝粉质量分数为9.8%、烧结时间为3.9 h时,氧化硅基陶瓷型芯的高温强度达到14.3 MPa,满足单晶叶片定向凝固铸造需求。制备的陶瓷型芯表面无明显裂纹,结构完整,成型质量较好。

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    综述
    新型复合纳米材料用于光催化降解染料废水的研究进展
    张铭泰, 余少彬, 李希成, 冯萃敏, 石梦童, 汪长征, 王强
    2022, 50 (7): 59-68.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.001102
    摘要 ( 71 )   HTML ( 4 )   PDF (11646KB) ( 78 )   引文文本

    光催化技术是解决当今人类社会中环境问题和能源危机两大问题的有效途径,半导体材料在早期的研究中备受青睐。然而,单一半导体光催化剂存在可见光响应程度差、电子空穴对易复合等缺点,光催化技术在降解染料废水的应用中有效率较低,因此研究者对新型复合纳米材料作为光催化剂降解染料废水进行了深入的研究。本文介绍了石墨烯、金属有机骨架、碳量子点三种新型复合纳米材料用于光催化降解染料废水中污染物的研究进展和主要研究结果,按照复合纳米材料设计升级的思路,简述了部分新型复合纳米材料的制备方法,对目标污染物的降解率进行了分析。通过总结新型光催化材料降解水中污染物的性能,对未来发展趋势进行了展望,指出新型复合纳米材料在光催化方向今后的发展趋势和研究重点是有针对性的处理废水,并实现工业化。

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    前过渡族元素X对TiAlXN涂层结构与性能的作用
    王露, 陈雷雷, 徐凯, 娄明, 杜玉洁, 毛勇, 常可可
    2022, 50 (7): 69-79.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000971
    摘要 ( 47 )   HTML ( 1 )   PDF (5730KB) ( 72 )   引文文本

    TiAlN基涂层具有良好的力学和抗氧化性能,因此,在典型的机械部件,如航空发动机压气机叶片、切削刀具和精密模具等表面防护领域得到广泛应用。然而,随着机械部件性能要求的不断提升,涂层的服役条件愈加苛刻,防护涂层的可靠性和服役寿命受到更为严峻的挑战。在TiAlN涂层中添加前过渡族元素以提高涂层的综合性能是有效提高涂层防护效果、延长涂层使用寿命的重点研究方向之一,而元素的选取和成分的确定对涂层的结构优化和性能提升至关重要。本工作从TiAlN涂层材料出发,结合相图详细论述前过渡族元素XX=V,Cr,Y,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,W)的添加对TiAlN涂层结构和性能的影响,进而探讨TiAlXN涂层的成分-结构-性能关系。针对在TiAlN涂层中添加前过渡族元素面临的缺乏相图计算辅助、四元涂层在极端环境下的失效行为、涂层制备设备成本较高等问题,提出结合相场模拟开发TiAlXN体系四元相图、发展TiAlN基高熵涂层以及结合气相沉积技术的优势大力发展涂层制备技术等展望。

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    研究论文
    两种型壳温度对DD9单晶涡轮叶片凝固组织的影响
    薛燕鹏, 王效光, 赵金乾, 史振学, 刘世忠, 李嘉荣
    2022, 50 (7): 80-87.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2022.000082
    摘要 ( 73 )   HTML ( 2 )   PDF (24570KB) ( 242 )   引文文本

    为了研究1500℃和1540℃两种型壳温度对第三代单晶高温合金DD9叶片截面凝固组织的影响,采用光学显微镜、扫描电子显微镜对叶片典型截面凝固组织进行分析。结果表明:随着型壳温度的增加,DD9单晶涡轮叶片凝固组织的枝晶花样呈细小趋势,二次枝晶呈发达趋势。相同型壳温度下,叶片叶身部位的枝晶比榫头部位的枝晶更细小。随着型壳温度的增加,枝晶干和枝晶间的γ'析出相尺寸和分散度均减小,并且γ'析出相尺寸分布遵循正态分布规律。相较枝晶间区域,枝晶干区域的γ'析出相的平均尺寸减小了61%。相同型壳温度下,叶片叶身部位的γ'析出相尺寸比榫头部位的γ'析出相尺寸更细小。与截面积变小相比,提高型壳温度会使γ'析出相变小更显著。随着型壳温度的增加,γ-γ'共晶尺寸和含量减小,γ-γ'共晶组织呈葵花状和光板状两种形貌特征。

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    短纤维增强C/C-SiC复合材料的微观结构与力学性能
    刘聪聪, 王雅雷, 熊翔, 叶志勇, 刘在栋, 刘宇峰
    2022, 50 (7): 88-101.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2022.000002
    摘要 ( 94 )   HTML ( 16 )   PDF (25106KB) ( 115 )   引文文本

    综合原料的热物理性能分析和配比设计,实现了C/C复合材料载体孔隙体积的精细控制,采用热压-熔渗两步法在低温条件下制备了具有高致密、低残余Si含量特征的短碳纤维增强C/C-SiC复合材料。系统解析了C/C-SiC复合材料成型过程中的结构演变行为,研究了短纤维增强C/C-SiC复合材料的力学性能和失效机制。结果表明:多孔C/C复合材料载体孔隙的孔径呈双极分布特征,添加芳纶纤维可提高网络孔隙结构的连通性,具有显著的孔隙结构调控作用。SiC基体以网络骨架形态分布于C/C-SiC复合材料内部,与纤维束形成了强界面结合钉扎结构,高含量纤维协同作用下使C/C-SiC复合材料具有优异的综合力学性能,添加芳纶纤维可明显增加复合材料内部裂纹扩展路径,提高C/C-SiC复合材料的断裂韧性。碳纤维的面内各向同性分布及陶瓷相层间均匀分布对C/C-SiC复合材料承载、摩擦稳定性提升均具有积极作用。

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    航空发动机用聚酰亚胺树脂基复合材料固化工艺及热稳定性能
    倪洪江, 邢宇, 戴霄翔, 李军, 张代军, 陈祥宝
    2022, 50 (7): 102-109.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.001238
    摘要 ( 82 )   HTML ( 4 )   PDF (10962KB) ( 222 )   引文文本

    针对航空发动机的需求,开展聚酰亚胺树脂基结构复合材料固化工艺与热稳定性评价研究。建立EC-380A树脂的固化动力学方程,模拟树脂固化度随温度和时间的变化。进一步结合树脂流变特性,制定并验证EC-380A复合材料固化成型工艺,制备发动机大尺寸复合材料典型件。通过热老化失重、预置缺陷层合板内部质量和力学性能,评价复合材料的热稳定性。采用330~380℃多温度分级固化的方法,复合材料可整体铺贴无缺陷热压成型。复合材料热稳定性优异,具备370~400℃耐温能力,370℃和285℃累计热老化1000 h,复合材料失重在1.3%左右;400℃热老化后,复合材料无新增缺陷、预置缺陷无扩展,表现出高温结构稳定性。

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    MnO2纳米棒的吸波性能及其超构表面设计
    宋永智, 毕松, 侯根良, 李浩, 赵彦凯, 刘朝辉
    2022, 50 (7): 110-118.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000855
    摘要 ( 40 )   HTML ( 3 )   PDF (9405KB) ( 94 )   引文文本

    采用水热法和冷冻干燥技术制备MnO2纳米棒材料,并利用模压法制备不同填充浓度的MnO2/石蜡环状样品。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、矢量网络分析仪(VNA)对样品的物相、微观结构、电磁参数进行了表征与测试,利用CST软件模拟设计了样品材料的超构表面,并对其设计前后的电磁波反射率进行了模拟计算与研究。结果表明:制备的MnO2粉体呈棒状结构,棒体直径约50~100 nm,长度约5~10 μm,单根结构圆柱度高,整体的结构均一性和结晶度好;MnO2/石蜡样品的电磁衰减系数(α)随MnO2纳米棒填充浓度的提高而增大,主要得益于随浓度增加而逐渐提升的介电损耗正切值(tanδ);超构表面的设计极大地拓宽了MnO2/石蜡材料的微波吸收频域,2~18 GHz内最优频宽可达14.32 GHz,主要是超构表面引起的多谐振共存使得在规定频率范围内出现了多个吸收峰叠加而实现的。

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    莫来石纤维增强SiO2气凝胶复合材料压缩回弹性能实验与建模研究
    吕双祺, 黄佳, 孙燕涛, 付尧明, 杨晓光, 石多奇
    2022, 50 (7): 119-127.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000379
    摘要 ( 84 )   HTML ( 3 )   PDF (9436KB) ( 68 )   引文文本

    对莫来石纤维增强SiO2气凝胶复合材料开展面外方向单轴压缩实验,研究不同极限应变、热暴露温度对压缩回弹行为与变形恢复能力的影响,基于微观结构形貌变化阐释内在机制,对加载和卸载阶段的变形行为建立唯像力学模型。结果表明:莫来石纤维增强SiO2气凝胶复合材料的压缩回弹行为呈现非线性特征,极限应变越大,变形恢复能力越差;高温热暴露预处理会对压缩回弹性能产生影响,热暴露温度越高,变形恢复能力越差,基体颗粒-团簇结构的聚集、大尺寸孔洞的形成和塌陷是主要原因;所建立的唯像力学模型可以用来描述材料在压缩加载-卸载时的应力-应变曲线,拟合结果与实验数据吻合较好。

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    铝合金厚板静止轴肩搅拌摩擦焊接头组织及性能
    杨新岐, 元惠新, 孙转平, 闫新中, 赵慧慧
    2022, 50 (7): 128-138.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.001122
    摘要 ( 49 )   HTML ( 1 )   PDF (39685KB) ( 62 )   引文文本

    采用8.5 mm厚度2A14-T4铝合金和自主研制搅拌工具进行静止轴肩搅拌摩擦焊(stationary shoulder friction stir welding,SSFSW)实验,探讨焊接工艺参数对接头组织和力学性能的影响规律。结果表明:只有在低转速工艺参数范围内(转速ω=400~600 r/min与焊接速率v=60~120 mm/min)可获得焊缝表面光滑、无缺陷厚板铝合金SSFSW焊接接头。SSFSW焊缝区主要由焊核区(NZ)组成,周围热力影响区(TMAZ)及热影响区(HAZ)宽度明显减小,焊核区与搅拌针形状类似且由两种不同尺寸细小等轴晶构成,前进侧NZ晶粒比后退侧NZ更为细小。接头显微硬度呈"W"状分布,NZ硬度值可达到母材硬度80%~90%,TMAZ与HAZ交界处存在软化区,硬度最低为母材硬度72%左右。在给定ω=500 r/min,v=140 mm/min焊接参数下,SSFSW接头抗拉强度可达到母材的88%,断裂位置多位于后退侧TMAZ与HAZ交界处软化区,具有韧性断裂特征。

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    稀土Y和Sm对AZ91D镁合金组织与性能的影响
    杨湘杰, 郑彬, 付亮华, 杨颜
    2022, 50 (7): 139-148.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000443
    摘要 ( 73 )   HTML ( 6 )   PDF (26659KB) ( 79 )   引文文本

    采用控制变量法研究单一稀土Y和复合稀土Y,Sm元素对AZ91D镁合金微观组织与力学性能的影响,分析稀土元素对AZ91D合金的细化机理。结果表明:复合添加稀土Y和Sm对AZ91D合金的作用效果明显好于单一添加稀土Y对AZ91D合金的作用效果,添加Y和Sm后,生成了块状相Al2Y相和针状相Al2Sm相,可以作为α-Mg的有效异质形核点。当加入量为0.8%(质量分数,下同)Y+1.0% Sm时,α-Mg晶粒尺寸最为细小,分布最为均匀,其合金的硬度、抗拉强度及伸长率分别为67.42HV,153.37 MPa和3.62%,改善了铸态AZ91D合金的室温力学性能,但是超过这个最佳添加量后,合金的室温力学性能开始下降。

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    Co颗粒含量对SnBi/Cu接头微观组织与性能的影响
    李正兵, 李海涛, 郭义乐, 陈益平, 程东海, 胡德安, 高俊豪, 李东阳
    2022, 50 (7): 149-155.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.001151
    摘要 ( 48 )   HTML ( 1 )   PDF (9467KB) ( 68 )   引文文本

    采用扫描电镜(SEM)观察Sn35Bi-xCo(x=0%,0.3%,0.7%,1.0%,1.2%,1.5%,质量分数,下同)复合钎料/Cu接头的微观组织,结合能谱(EDS)和XRD分析,研究接头组织差异。利用万能试验机测试接头力学性能,研究Co颗粒含量对SnBi/Cu接头组织及性能的影响机制。结果表明:随Co颗粒含量增加,Sn35Bi-Co复合钎料的润湿性呈现先增大后降低的趋势,当Co颗粒含量为0.7%时,润湿性最佳;在凝固阶段,向Sn35Bi/Cu接头中加入适量的Co颗粒后,能有效细化焊缝组织,界面IMC层更为平坦,焊缝中Co原子置换界面Cu6Sn5层中Cu原子,生成(Cu,Co)6Sn5固溶体,对界面IMC层具有固溶强化作用;Sn35Bi-Co/Cu接头的抗剪强度随Co颗粒含量增加先增大后降低,当Co颗粒含量为0.7%时,获得最大值54.09 MPa。

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    电子束选区熔化成形Ti2AlNb合金微观组织与性能
    车倩颖, 贺卫卫, 李会霞, 程康康, 王宇
    2022, 50 (7): 156-164.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000958
    摘要 ( 56 )   HTML ( 3 )   PDF (21361KB) ( 74 )   引文文本

    Ti2AlNb基合金由于具有优异的高温比强度、高温抗蠕变性能和较高的断裂韧度,因而被认为是替代传统镍基高温合金最具潜力的材料。采用电子束选区熔化(selective electron beam melting,SEBM)技术成形Ti-22Al-25Nb合金,通过工艺优化获得高致密度(5.42~5.43 g/cm3)的成形试样。研究了沉积态和热等静压(hot isostatic pressing,HIP)态试样的显微组织演变、物相演变及其对力学性能的影响。结果表明:沉积态和HIP态组织呈现出沿成形方向的柱状晶结构,且均由B2,O和α2相组成,沉积态试样中的O/α2相自上而下逐渐增加,HIP后组织趋于均匀化,且相对沉积态,析出相的宽度缩小、数量减少。沉积态试样中析出相较多的下部区域具有更高的显微硬度((345.87±5.09)HV),HIP后试样硬度值增加至388.91~390.48HV。沉积态试样室温抗拉强度和伸长率分别为(1061±23.71)MPa和(3.67±1.15)%,HIP后抗拉强度增加至(1101±23.07)MPa,伸长率降低至3.5%。

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    城轨列车制动盘SiCp/A356复合材料热疲劳裂纹扩展机理
    杨智勇, 臧家俊, 方丹琳, 李翔, 李志强, 李卫京
    2022, 50 (7): 165-175.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000521
    摘要 ( 51 )   HTML ( 2 )   PDF (45665KB) ( 93 )   引文文本

    为研究制动盘服役温度载荷及材料微结构对SiCp/A356复合材料热疲劳裂纹扩展行为的影响,明确其热疲劳裂纹扩展微观机理,开展SiCp/A356复合材料热疲劳裂纹扩展实验。结果表明:裂纹扩展过程包括由SiC颗粒偏转作用和二次裂纹释放扩展驱动力导致的缓慢扩展阶段和主裂纹与裂纹扩展前端微损伤连接的快速扩展阶段;加热温度较低时,裂纹扩展的"台阶状"特征明显,整体扩展速率较低,裂纹宽度较小,裂纹扩展方式为颗粒断裂、轻量基体撕裂和沿界面开裂;加热温度较高时,"斜直线跃升"阶段更为明显,裂纹宽度较大且扩展速率较高,裂纹扩展以颗粒脱落以及大幅度基体撕裂为主;主裂纹总是通过选择沿SiC颗粒群或者直接穿过α-Al基体以阻力较小的方式向前扩展,Si相承载时极易发生断裂,成为裂纹扩展源,同时裂纹扩展前端的微损伤对其扩展具有引导作用。

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