2023年 第40卷 第7期
2023, 40(7): 3703-3721.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230224.001
摘要:
近年来，连续纤维增强聚合物复合材料的相关研究已成为材料领域的关注热点，相比于金属、陶瓷等结构材料，其具有更高的设计性、比强度、断裂韧性、疲劳寿命和耐腐蚀特性，在航空航天、轨道交通、风电能源、机械工业等领域具有广阔的应用前景。连续纤维增强聚合物复合材料与增材制造技术的有机结合对于高端装备的轻量化、结构功能一体化制造具有重要意义。本文针对连续纤维复材增材制造过程中的挤出与浸渍方式、打印温度、辅助工艺、打印速度、打印间距、几何构建方式等工艺研究的国内外最新进展情况进行了全面的综述，着重论述了各工艺参数对成形件性能的影响，并对目前面临的挑战和未来发展进行展望。
近年来，连续纤维增强聚合物复合材料的相关研究已成为材料领域的关注热点，相比于金属、陶瓷等结构材料，其具有更高的设计性、比强度、断裂韧性、疲劳寿命和耐腐蚀特性，在航空航天、轨道交通、风电能源、机械工业等领域具有广阔的应用前景。连续纤维增强聚合物复合材料与增材制造技术的有机结合对于高端装备的轻量化、结构功能一体化制造具有重要意义。本文针对连续纤维复材增材制造过程中的挤出与浸渍方式、打印温度、辅助工艺、打印速度、打印间距、几何构建方式等工艺研究的国内外最新进展情况进行了全面的综述，着重论述了各工艺参数对成形件性能的影响，并对目前面临的挑战和未来发展进行展望。
2023, 40(7): 3722-3737.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230225.001
摘要:
随着柔性压力传感器在健康检测、电子皮肤和可穿戴电子设备等领域中的快速发展，制备出具有优良性能的柔性压力传感器越来越迫切。纳米材料因其具有表面与界面效应、小尺寸效应及宏观量子隧道效应的存在，从而可对柔性压力传感器的性能进行优化。基于纳米材料的压力传感器具有体积小、检测范围宽、灵敏度高等优良性能，本文综述了近几年纳米材料在柔性压阻式压力传感器中的最新研究进展。
随着柔性压力传感器在健康检测、电子皮肤和可穿戴电子设备等领域中的快速发展，制备出具有优良性能的柔性压力传感器越来越迫切。纳米材料因其具有表面与界面效应、小尺寸效应及宏观量子隧道效应的存在，从而可对柔性压力传感器的性能进行优化。基于纳米材料的压力传感器具有体积小、检测范围宽、灵敏度高等优良性能，本文综述了近几年纳米材料在柔性压阻式压力传感器中的最新研究进展。
2023, 40(7): 3738-3755.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230306.001
摘要:
抗菌剂是抑制细菌感染不可或缺的药物，传统抗菌剂抗生素的过度使用导致细菌的耐药性逐渐增强，严重威胁人类健康。碳点作为一种新型的纳米抗菌材料，具有抗菌能力强、原料来源广、细胞毒性低且生物相容性好等优点，将其与传统抗菌剂组合构建的新型纳米复合材料在抗菌领域表现出良好的应用前景。本文综述了碳点及其复合材料的抗菌机制与应用研究进展。首先，通过总结碳点的抗菌机制，系统分析了影响碳点抗菌性能的主要因素。其次，介绍碳点与传统抗菌剂相结合的新型纳米复合材料及其在抗菌领域的应用。最后，对碳点及其复合材料在抗菌应用研究中存在的问题进行总结并展望，为具有高效和长期抗菌性能的碳点复合材料的设计与合成提供借鉴经验。
抗菌剂是抑制细菌感染不可或缺的药物，传统抗菌剂抗生素的过度使用导致细菌的耐药性逐渐增强，严重威胁人类健康。碳点作为一种新型的纳米抗菌材料，具有抗菌能力强、原料来源广、细胞毒性低且生物相容性好等优点，将其与传统抗菌剂组合构建的新型纳米复合材料在抗菌领域表现出良好的应用前景。本文综述了碳点及其复合材料的抗菌机制与应用研究进展。首先，通过总结碳点的抗菌机制，系统分析了影响碳点抗菌性能的主要因素。其次，介绍碳点与传统抗菌剂相结合的新型纳米复合材料及其在抗菌领域的应用。最后，对碳点及其复合材料在抗菌应用研究中存在的问题进行总结并展望，为具有高效和长期抗菌性能的碳点复合材料的设计与合成提供借鉴经验。
2023, 40(7): 3756-3770.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221206.001
摘要:
水系镁离子电池作为一种新兴的储能体系具有低成本、原料来源充足、高理论储能能力等优势。但水系电解液和镁自身带来的问题都极大地限制了水系镁离子电池的进一步发展。本文主要从水系电解液的阴离子类型、浓度和电解液添加剂三方面阐述对电池性能的影响，并介绍了一些电极材料的研究，包括新材料和新理论，最后总结了一些高效表征分析方法。
水系镁离子电池作为一种新兴的储能体系具有低成本、原料来源充足、高理论储能能力等优势。但水系电解液和镁自身带来的问题都极大地限制了水系镁离子电池的进一步发展。本文主要从水系电解液的阴离子类型、浓度和电解液添加剂三方面阐述对电池性能的影响，并介绍了一些电极材料的研究，包括新材料和新理论，最后总结了一些高效表征分析方法。
2023, 40(7): 3771-3784.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221123.002
摘要:
螺栓连接是复合材料结构的薄弱环节，决定了整个结构的承载能力。对复合材料螺栓连接进行增强设计可显著提升复合材料的应用效率。为此，国内外研究者们发展了复合材料螺栓连接的整体或局部增强设计方法，并采用试验和数值模拟方法对这些设计的增强效果进行了评估。部分增强设计方法已应用于国外先进航空航天飞行器的设计中。本文首先对现有的复合材料螺栓连接增强设计方法进行归类及详细总结，并对增强效果的评估方法进行分析，最后总结存在的问题，并提出未来的发展方向。
螺栓连接是复合材料结构的薄弱环节，决定了整个结构的承载能力。对复合材料螺栓连接进行增强设计可显著提升复合材料的应用效率。为此，国内外研究者们发展了复合材料螺栓连接的整体或局部增强设计方法，并采用试验和数值模拟方法对这些设计的增强效果进行了评估。部分增强设计方法已应用于国外先进航空航天飞行器的设计中。本文首先对现有的复合材料螺栓连接增强设计方法进行归类及详细总结，并对增强效果的评估方法进行分析，最后总结存在的问题，并提出未来的发展方向。
2023, 40(7): 3785-3794.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230119.002
摘要:
随着科技不断的进步，5G技术快速的普及及可穿戴设备的飞速发展，生活变得越来越便利，同时电磁干扰对人们的身体健康和精密电子设备的运行造成威胁。如今传统的电磁屏蔽材料已不能满足人们生活的日常需求，轻质聚合物电磁屏蔽材料得到越来越多的关注。本文总结了电磁屏蔽机制及聚合物结构对电磁屏蔽性能的影响，综述了前沿碳/聚合物电磁屏蔽材料、金属/聚合物电磁屏蔽材料、新型MXene/聚合物电磁屏蔽材料的制备方法、电磁屏蔽性能及其相关机制，探讨了其优势和局限性，并对轻质聚合物电磁屏蔽材料面临的关键挑战、潜在应用和发展前景进行展望。
随着科技不断的进步，5G技术快速的普及及可穿戴设备的飞速发展，生活变得越来越便利，同时电磁干扰对人们的身体健康和精密电子设备的运行造成威胁。如今传统的电磁屏蔽材料已不能满足人们生活的日常需求，轻质聚合物电磁屏蔽材料得到越来越多的关注。本文总结了电磁屏蔽机制及聚合物结构对电磁屏蔽性能的影响，综述了前沿碳/聚合物电磁屏蔽材料、金属/聚合物电磁屏蔽材料、新型MXene/聚合物电磁屏蔽材料的制备方法、电磁屏蔽性能及其相关机制，探讨了其优势和局限性，并对轻质聚合物电磁屏蔽材料面临的关键挑战、潜在应用和发展前景进行展望。
2023, 40(7): 3795-3811.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221024.001
摘要:
为满足电动汽车锂离子电池热管理需求，具有优良温控效果的相变材料(PCM)冷却逐渐成为研究热点。本文从有机PCM物性不足出发，概括了目前复合有机PCM的制备及改进方向：添加多维高导热材料(如碳材料、纳米金属、泡沫金属等)强化导热；添加共聚物(如聚乙烯、热塑性弹性体等)提高材料柔韧性和添加阻燃剂(如红磷、聚磷酸铵等)提高阻燃效果以改善其实用性。分别指出膨胀石墨、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯和复合使用红磷与聚磷酸铵对导热、柔性和阻燃的显著提升。同时描述了有机PCM与热管、液冷、空冷等散热方式耦合后系统强化换热的效果，总结耦合热管时需要考虑不同热管排布；耦合液冷或空冷需要设计合适流道增强换热。随后介绍了通过模拟仿真分析有机PCM用于电池热管理系统影响因素及最佳使用工况的研究。最后总结有机PCM用于电池热管理的进展及不足，其难点仍在于其可燃和导电性的改善以及柔性有机PCM在室温下柔韧性不足，有机PCM耦合传统散热系统的车载可靠性和循环可行性也缺乏相应探讨，并为今后有机PCM用于电池热管理提出一定建议。
为满足电动汽车锂离子电池热管理需求，具有优良温控效果的相变材料(PCM)冷却逐渐成为研究热点。本文从有机PCM物性不足出发，概括了目前复合有机PCM的制备及改进方向：添加多维高导热材料(如碳材料、纳米金属、泡沫金属等)强化导热；添加共聚物(如聚乙烯、热塑性弹性体等)提高材料柔韧性和添加阻燃剂(如红磷、聚磷酸铵等)提高阻燃效果以改善其实用性。分别指出膨胀石墨、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯和复合使用红磷与聚磷酸铵对导热、柔性和阻燃的显著提升。同时描述了有机PCM与热管、液冷、空冷等散热方式耦合后系统强化换热的效果，总结耦合热管时需要考虑不同热管排布；耦合液冷或空冷需要设计合适流道增强换热。随后介绍了通过模拟仿真分析有机PCM用于电池热管理系统影响因素及最佳使用工况的研究。最后总结有机PCM用于电池热管理的进展及不足，其难点仍在于其可燃和导电性的改善以及柔性有机PCM在室温下柔韧性不足，有机PCM耦合传统散热系统的车载可靠性和循环可行性也缺乏相应探讨，并为今后有机PCM用于电池热管理提出一定建议。
2023, 40(7): 3812-3823.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221109.001
摘要:
基于能源危机、环境污染等问题，开发新型的高性能储能装置至关重要，超级电容器因具有高比能量、稳定性好等优异性能而受到研究者青睐。生物质炭是由生物质材料经过预碳化和活化处理后获得的，具有发达的孔径、较高的活性比表面积，且资源廉价丰富，作为超级电容器材料具有较好的应用前景。为了满足超级电容器高比容量和高循环稳定性，目前有效的方法是将生物炭材料与赝电容材料相结合。过渡金属氧化物MnO2具有高的理论比电容、宽的电位窗口、低成本、环境友好性而成为最有应用前途的赝电容材料。研究表明：由生物炭与过渡金属氧化物复合材料制备的超级电容器，其比电容和能量密度有了明显提高。本文主要介绍了生物质炭的来源、特点及制备方法，并介绍了生物质炭与MnO2的复合制备方法及生物质炭@MnO2复合材料用于超级电容器的研究现状，最后展望了生物质炭@MnO2基超级电容器的发展趋势。
基于能源危机、环境污染等问题，开发新型的高性能储能装置至关重要，超级电容器因具有高比能量、稳定性好等优异性能而受到研究者青睐。生物质炭是由生物质材料经过预碳化和活化处理后获得的，具有发达的孔径、较高的活性比表面积，且资源廉价丰富，作为超级电容器材料具有较好的应用前景。为了满足超级电容器高比容量和高循环稳定性，目前有效的方法是将生物炭材料与赝电容材料相结合。过渡金属氧化物MnO2具有高的理论比电容、宽的电位窗口、低成本、环境友好性而成为最有应用前途的赝电容材料。研究表明：由生物炭与过渡金属氧化物复合材料制备的超级电容器，其比电容和能量密度有了明显提高。本文主要介绍了生物质炭的来源、特点及制备方法，并介绍了生物质炭与MnO2的复合制备方法及生物质炭@MnO2复合材料用于超级电容器的研究现状，最后展望了生物质炭@MnO2基超级电容器的发展趋势。
2023, 40(7): 3824-3836.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230103.003
摘要:
水响应复合材料在水分子作用下能产生可逆的颜色或荧光发射变化，因其低成本、无毒害、与现有喷墨打印技术相兼容等多项优势，是实现可重复擦写材料的理想选择，同时在信息存储和安全防伪等领域展现了巨大的应用潜力。本综述主要对近五年来基于有机小分子的水响应复合材料的研究进展进行梳理，从水致质子转移、水致构型变化和水致质子转移诱导显色分子的构型变化等不同响应原理角度对水响应材料进行分类，归纳其在设计原理、光物理性能和信息存储应用等方面的成果和技术，希望能够为进一步开发水响应复合材料在绿色书写与防伪领域中的应用提供思路，推动相关产业发展。
水响应复合材料在水分子作用下能产生可逆的颜色或荧光发射变化，因其低成本、无毒害、与现有喷墨打印技术相兼容等多项优势，是实现可重复擦写材料的理想选择，同时在信息存储和安全防伪等领域展现了巨大的应用潜力。本综述主要对近五年来基于有机小分子的水响应复合材料的研究进展进行梳理，从水致质子转移、水致构型变化和水致质子转移诱导显色分子的构型变化等不同响应原理角度对水响应材料进行分类，归纳其在设计原理、光物理性能和信息存储应用等方面的成果和技术，希望能够为进一步开发水响应复合材料在绿色书写与防伪领域中的应用提供思路，推动相关产业发展。
2023, 40(7): 3837-3851.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230222.001
摘要:
柔性应变传感器是一种将外界应力变化转变为电信号的设备，它克服了传统刚性传感器硬度大、人体适应性差等缺点，作为一种可穿戴设备在人体运动监测领域有很大发展前景。但在恶劣条件或极端环境下使用仍然存在信号输出失真、易被腐蚀等风险。超疏水柔性应变传感器将超疏水涂层的拒水、表面自清洁、防腐抗污与柔性应变传感器的高延展性、高灵敏度等优势相结合，增强了传感器的性能并拓宽了在人体运动监测等方面的应用。本文综述了超疏水柔性应变传感器的基本性能参数、常用的构建材料与构建方法及其在人体运动监测中的功能与应用，并对该领域做出展望。
柔性应变传感器是一种将外界应力变化转变为电信号的设备，它克服了传统刚性传感器硬度大、人体适应性差等缺点，作为一种可穿戴设备在人体运动监测领域有很大发展前景。但在恶劣条件或极端环境下使用仍然存在信号输出失真、易被腐蚀等风险。超疏水柔性应变传感器将超疏水涂层的拒水、表面自清洁、防腐抗污与柔性应变传感器的高延展性、高灵敏度等优势相结合，增强了传感器的性能并拓宽了在人体运动监测等方面的应用。本文综述了超疏水柔性应变传感器的基本性能参数、常用的构建材料与构建方法及其在人体运动监测中的功能与应用，并对该领域做出展望。
2023, 40(7): 3852-3861.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220922.005
摘要:
随着核科学与技术的快速发展，X射线在医学、工业等领域的应用日益广泛，对屏蔽材料的性能也提出了更高的要求，开发新型的防护材料以有效降低辐射危害已成为辐射防护领域的重要课题。本文以天然皮革(NL)为基材，以CsI为高Z元素源(Z元素是指高原子序数的元素)，采用“溶液浸渍-溶剂脱除”策略构建了一种新型的对中低能量X射线具有优异屏蔽性能的可穿戴X射线防护复合材料。结果表明：CsI能够均匀且稳定地分散在天然皮革的多层级结构中，4.5 mm厚的CsI2.0/NL复合材料对低能量段(16~48 keV) X射线的屏蔽效率可达到95%以上，对中能量射线(65 keV)的屏蔽效率可达到85%以上，接近或优于0.25 mm铅板，其密度仅为铅板的8.6%。此外，复合材料的力学性能和透水汽性不仅满足国家标准中对可穿戴防护服的性能要求而且优于商用铅衣。该复合材料质轻、便捷、屏蔽效率高，是一种理想的可穿戴X射线防护材料。
随着核科学与技术的快速发展，X射线在医学、工业等领域的应用日益广泛，对屏蔽材料的性能也提出了更高的要求，开发新型的防护材料以有效降低辐射危害已成为辐射防护领域的重要课题。本文以天然皮革(NL)为基材，以CsI为高Z元素源(Z元素是指高原子序数的元素)，采用“溶液浸渍-溶剂脱除”策略构建了一种新型的对中低能量X射线具有优异屏蔽性能的可穿戴X射线防护复合材料。结果表明：CsI能够均匀且稳定地分散在天然皮革的多层级结构中，4.5 mm厚的CsI2.0/NL复合材料对低能量段(16~48 keV) X射线的屏蔽效率可达到95%以上，对中能量射线(65 keV)的屏蔽效率可达到85%以上，接近或优于0.25 mm铅板，其密度仅为铅板的8.6%。此外，复合材料的力学性能和透水汽性不仅满足国家标准中对可穿戴防护服的性能要求而且优于商用铅衣。该复合材料质轻、便捷、屏蔽效率高，是一种理想的可穿戴X射线防护材料。
2023, 40(7): 3862-3873.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221027.003
摘要:
碳纤维增强树脂基复合材料层合板结构的层间性能一直是材料的性能短板，本文利用氧化石墨烯(GO)和碳纳米管(CNT)设计制备了具有一定渗透性和树脂浸润性的复合膜，采用层间增韧方法，制备了GO-CNT复合膜改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料，通过张开型I型层间断裂韧性(GIC)与滑移型II型层间断裂韧性(GIIC)对GO-CNT-CF/EP复合材料的层间韧性进行了研究，并结合复合材料的破坏微观形貌和损伤/破坏特征分析了GO-CNT复合膜对复合材料的层间增韧效果及增韧机制。结果表明：GO与CNT质量比为3∶7时制备的复合膜具有良好的成膜工艺性和树脂浸润性，EP与GO-CNT复合膜的接触角远低于其与纯GO膜的接触角，并且GO与CNT结构中的羟基、羧基、环氧基等含氧基团增加了它们与EP的物理亲和性和化学作用，有利于复合材料层间GO-CNT/EP微区结构的强韧化。GO-CNT复合膜对复合材料的张开型层间断裂韧性GIC没有增强效果，甚至复合材料的GIC值还发生了轻微下降。而GO-CNT复合膜对复合材料的滑移型层间断裂韧性GIIC具有良好的改善作用。复合材料的GIIC从CF/EP复合材料的1 855 J/m2提高到GO-CNT-CF/EP复合材料的2720 J/m2，提高了47%。这归因于GO-CNT复合膜和树脂间形成的相互穿插交叠的网络结构抑制了滑移型破坏载荷导致的层间微裂纹的扩展。GO-CNT/EP复合材料具有和CF/EP基本相当的玻璃化转变温度。
碳纤维增强树脂基复合材料层合板结构的层间性能一直是材料的性能短板，本文利用氧化石墨烯(GO)和碳纳米管(CNT)设计制备了具有一定渗透性和树脂浸润性的复合膜，采用层间增韧方法，制备了GO-CNT复合膜改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料，通过张开型I型层间断裂韧性(GIC)与滑移型II型层间断裂韧性(GIIC)对GO-CNT-CF/EP复合材料的层间韧性进行了研究，并结合复合材料的破坏微观形貌和损伤/破坏特征分析了GO-CNT复合膜对复合材料的层间增韧效果及增韧机制。结果表明：GO与CNT质量比为3∶7时制备的复合膜具有良好的成膜工艺性和树脂浸润性，EP与GO-CNT复合膜的接触角远低于其与纯GO膜的接触角，并且GO与CNT结构中的羟基、羧基、环氧基等含氧基团增加了它们与EP的物理亲和性和化学作用，有利于复合材料层间GO-CNT/EP微区结构的强韧化。GO-CNT复合膜对复合材料的张开型层间断裂韧性GIC没有增强效果，甚至复合材料的GIC值还发生了轻微下降。而GO-CNT复合膜对复合材料的滑移型层间断裂韧性GIIC具有良好的改善作用。复合材料的GIIC从CF/EP复合材料的1 855 J/m2提高到GO-CNT-CF/EP复合材料的2720 J/m2，提高了47%。这归因于GO-CNT复合膜和树脂间形成的相互穿插交叠的网络结构抑制了滑移型破坏载荷导致的层间微裂纹的扩展。GO-CNT/EP复合材料具有和CF/EP基本相当的玻璃化转变温度。
2023, 40(7): 3874-3880.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220930.003
摘要:
玻璃微珠浮力材料是一种由空心玻璃微珠(HGB)和环氧树脂制造的二相复合材料。玻璃微珠材料因其具有低密度、高强度、吸水率低等特点被广泛应用于建材、航海、航天等领域。其静态力学性能已经得到充分地研究，但对其动态力学性能的研究尚不能满足工程应用需求。采用INSTRON电子万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)对HGB/环氧树脂复合材料进行了准静态/动态加载情况下的压缩、劈拉、伪三轴压缩实验。结果表明，HGB/环氧树脂复合材料具有较强的应变率敏感性。其抗压强度、劈裂抗拉强度随应变率增加而增加，表现出应变率增强效应。其破坏形式也存在应变率敏感特性，随着应变率的提高其脆性增加。对比单轴压缩及伪三轴压缩，发现材料在伪三轴压缩情况下较单轴压缩时抗压强度增强。
玻璃微珠浮力材料是一种由空心玻璃微珠(HGB)和环氧树脂制造的二相复合材料。玻璃微珠材料因其具有低密度、高强度、吸水率低等特点被广泛应用于建材、航海、航天等领域。其静态力学性能已经得到充分地研究，但对其动态力学性能的研究尚不能满足工程应用需求。采用INSTRON电子万能试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)对HGB/环氧树脂复合材料进行了准静态/动态加载情况下的压缩、劈拉、伪三轴压缩实验。结果表明，HGB/环氧树脂复合材料具有较强的应变率敏感性。其抗压强度、劈裂抗拉强度随应变率增加而增加，表现出应变率增强效应。其破坏形式也存在应变率敏感特性，随着应变率的提高其脆性增加。对比单轴压缩及伪三轴压缩，发现材料在伪三轴压缩情况下较单轴压缩时抗压强度增强。
2023, 40(7): 3881-3891.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220917.001
摘要:
由于聚乳酸(PLA)极易燃烧，并伴有严重的熔滴现象，严重阻碍了在包装、汽车、电气和电子工业等诸多领域的应用，为解决此问题，以PLA为基体，聚苯氧基磷酸-2-10-氢-9-氧杂-磷杂菲基对苯二酚酯(POPP)为阻燃剂，采用熔融共混热压法制备了不同含量的阻燃PLA复合材料。通过极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)测试、热重分析(TG)和锥形量热等方法研究了PLA复合材料的阻燃性和抑烟性能。结果表明：当POPP的添加量为4wt%时，PLA复合材料的垂直燃烧可达到V-0级，极限氧指数为34.8%。与纯PLA相比，POPP/PLA-4的烟雾释放速率和总烟释放量分别下降了85.83%和77.65%，极大地改善了PLA材料的抑烟性能。此外，对锥形量热测试后的残炭微观结构和热降解行为分析表明，POPP在PLA燃烧过程中的阻燃机制以气相为主、凝聚相为辅。POPP热降解释放出•PO和•PO2自由基，与•H和•OH结合终止气相燃烧循环；在凝聚相中，POPP促进PLA分子间交联成炭，表面形成连续且致密的炭层，提高基材的阻燃性能。
由于聚乳酸(PLA)极易燃烧，并伴有严重的熔滴现象，严重阻碍了在包装、汽车、电气和电子工业等诸多领域的应用，为解决此问题，以PLA为基体，聚苯氧基磷酸-2-10-氢-9-氧杂-磷杂菲基对苯二酚酯(POPP)为阻燃剂，采用熔融共混热压法制备了不同含量的阻燃PLA复合材料。通过极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)测试、热重分析(TG)和锥形量热等方法研究了PLA复合材料的阻燃性和抑烟性能。结果表明：当POPP的添加量为4wt%时，PLA复合材料的垂直燃烧可达到V-0级，极限氧指数为34.8%。与纯PLA相比，POPP/PLA-4的烟雾释放速率和总烟释放量分别下降了85.83%和77.65%，极大地改善了PLA材料的抑烟性能。此外，对锥形量热测试后的残炭微观结构和热降解行为分析表明，POPP在PLA燃烧过程中的阻燃机制以气相为主、凝聚相为辅。POPP热降解释放出•PO和•PO2自由基，与•H和•OH结合终止气相燃烧循环；在凝聚相中，POPP促进PLA分子间交联成炭，表面形成连续且致密的炭层，提高基材的阻燃性能。
2023, 40(7): 3892-3899.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221012.002
摘要:
食品行业用输送带在运转过程中，可能会出现面层塑料颗粒脱落黏附在食品上，造成食品质量不合格，对人体健康产生负面影响。因此，开展可X射线探测的面层材料改性研究十分重要。本文通过熔融共混法制备了BaSO4/热塑性聚氨酯弹性体(TPU)纳米复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热失重分析(TGA)、硬度和拉伸试验等系统地进行BaSO4/TPU纳米复合材料的结构、热稳定性能和力学性能的表征。特别地，通过X射线透视测试表征复合材料的X射线显影性能。SEM表明BaSO4以纳米尺寸均匀分散在TPU基体中。力学性能测试结果表明，BaSO4对TPU有增强作用，BaSO4添加量为10wt%时，BaSO4/TPU纳米复合材料的综合力学性能最佳，拉伸强度、断裂伸长率和断裂功较未改性TPU提高了10.19%、30.09%和31.92%。TGA测试结果表明BaSO4/TPU复合材料的高温热稳定性有所提高。此外，通过添加纳米BaSO4，复合材料的X射线显影性能也得到了改善，从而实现在输送带面层中的应用。
食品行业用输送带在运转过程中，可能会出现面层塑料颗粒脱落黏附在食品上，造成食品质量不合格，对人体健康产生负面影响。因此，开展可X射线探测的面层材料改性研究十分重要。本文通过熔融共混法制备了BaSO4/热塑性聚氨酯弹性体(TPU)纳米复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热失重分析(TGA)、硬度和拉伸试验等系统地进行BaSO4/TPU纳米复合材料的结构、热稳定性能和力学性能的表征。特别地，通过X射线透视测试表征复合材料的X射线显影性能。SEM表明BaSO4以纳米尺寸均匀分散在TPU基体中。力学性能测试结果表明，BaSO4对TPU有增强作用，BaSO4添加量为10wt%时，BaSO4/TPU纳米复合材料的综合力学性能最佳，拉伸强度、断裂伸长率和断裂功较未改性TPU提高了10.19%、30.09%和31.92%。TGA测试结果表明BaSO4/TPU复合材料的高温热稳定性有所提高。此外，通过添加纳米BaSO4，复合材料的X射线显影性能也得到了改善，从而实现在输送带面层中的应用。
2023, 40(7): 3900-3911.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220922.004
摘要:
电子束原位固化迎合“双碳”战略下碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)低成本控形控性的一体化制造需求，但却因固化构件界面质量差而尚未迈向工业化。本文围绕电子束固化CFRP弱界面的高效、高工业可行性强化技术，探索了微波短时辐射改性碳纤维改善界面的机制及工艺，阐明了碳纤维表面物理形貌、粗糙度及化学成分在不同微波辐射工艺参数下的演变规律：碳纤维表面的粗糙度和表面积，由未改性时的4.41 nm和7.5 nm2最高提高至微波辐射180 s后的21.7 nm和26.4 nm2；O/C原子比也由未改性时的0.2578最高增至辐射180 s时的0.3278。进一步地，构建了界面分子动力学模型，从分子层面细化并深化了羧基及羟基强化界面的本质，及其对界面结构及界面能的影响。界面剪切强度测试结果表明，在微波辐射(90 s)的物理及化学改性双重作用下，碳纤维/树脂界面获得了20.47%的提高。该研究为高性能电子束固化CFRP的绿色成型制造提供基础与支撑，具有重要的科学意义。
电子束原位固化迎合“双碳”战略下碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)低成本控形控性的一体化制造需求，但却因固化构件界面质量差而尚未迈向工业化。本文围绕电子束固化CFRP弱界面的高效、高工业可行性强化技术，探索了微波短时辐射改性碳纤维改善界面的机制及工艺，阐明了碳纤维表面物理形貌、粗糙度及化学成分在不同微波辐射工艺参数下的演变规律：碳纤维表面的粗糙度和表面积，由未改性时的4.41 nm和7.5 nm2最高提高至微波辐射180 s后的21.7 nm和26.4 nm2；O/C原子比也由未改性时的0.2578最高增至辐射180 s时的0.3278。进一步地，构建了界面分子动力学模型，从分子层面细化并深化了羧基及羟基强化界面的本质，及其对界面结构及界面能的影响。界面剪切强度测试结果表明，在微波辐射(90 s)的物理及化学改性双重作用下，碳纤维/树脂界面获得了20.47%的提高。该研究为高性能电子束固化CFRP的绿色成型制造提供基础与支撑，具有重要的科学意义。
2023, 40(7): 3912-3920.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220915.006
摘要:
为研究复合材料铺层结构对叶片弯扭耦合特性的影响。以功率2 kW的风力机叶片试样为研究对象，选用碳/玻纤维不同混杂比(4∶4和2∶6)双轴向经编织物。基于经典层合板理论及联合节点位移法，实验研究集中载荷作用下，铺层结构叶片试样形变特性，分析叶片试样弯扭耦合特性。结果表明：同种碳/玻纤维混杂时，纤维排列角度为25°时，叶片试样等效弯扭耦合系数最佳为0.186，而同种纤维排列角度，碳/玻纤维混杂比4∶4的叶片试样等效弯扭耦合系数大于碳/玻纤维混杂比2∶6的叶片试样。应变测试实验发现沿叶片试样展向，叶片试样主应变逐渐减小，弯扭耦合特性可有效改善叶根处主应变。
为研究复合材料铺层结构对叶片弯扭耦合特性的影响。以功率2 kW的风力机叶片试样为研究对象，选用碳/玻纤维不同混杂比(4∶4和2∶6)双轴向经编织物。基于经典层合板理论及联合节点位移法，实验研究集中载荷作用下，铺层结构叶片试样形变特性，分析叶片试样弯扭耦合特性。结果表明：同种碳/玻纤维混杂时，纤维排列角度为25°时，叶片试样等效弯扭耦合系数最佳为0.186，而同种纤维排列角度，碳/玻纤维混杂比4∶4的叶片试样等效弯扭耦合系数大于碳/玻纤维混杂比2∶6的叶片试样。应变测试实验发现沿叶片试样展向，叶片试样主应变逐渐减小，弯扭耦合特性可有效改善叶根处主应变。
2023, 40(7): 3921-3927.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221009.002
摘要:
针对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强防弹复合材料背部凸起(BFS)较高的不足，本研究充分利用聚酰亚胺(PI)纤维耐高温、高模量的优势，制备了一系列PI和UHMWPE纤维混杂复合材料靶板，研究了混杂靶板的铺层结构和混杂比例对比吸收能(SEA)值和背部凸起(BFS)值的影响，分析了混杂靶板防护作用机制。结果显示：PI纤维的使用可以在不影响SEA值的情况下有效限制BFS值，其中两极铺层结构(H3、UHMWPE/PI)和夹芯铺层结构(H4、PI/UHMWPE/PI)表现出混杂正效应，两种结构的SEA值和BFS值分别可达193.2 J·m2/kg，17.40 mm和208.9 J·m2/kg，17.77 mm，表现出优异的防弹性能。
针对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强防弹复合材料背部凸起(BFS)较高的不足，本研究充分利用聚酰亚胺(PI)纤维耐高温、高模量的优势，制备了一系列PI和UHMWPE纤维混杂复合材料靶板，研究了混杂靶板的铺层结构和混杂比例对比吸收能(SEA)值和背部凸起(BFS)值的影响，分析了混杂靶板防护作用机制。结果显示：PI纤维的使用可以在不影响SEA值的情况下有效限制BFS值，其中两极铺层结构(H3、UHMWPE/PI)和夹芯铺层结构(H4、PI/UHMWPE/PI)表现出混杂正效应，两种结构的SEA值和BFS值分别可达193.2 J·m2/kg，17.40 mm和208.9 J·m2/kg，17.77 mm，表现出优异的防弹性能。
2023, 40(7): 3928-3938.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220919.002
摘要:
利用一维和二维两种填料(多壁碳纳米管(MWCNTs)@石墨烯(GE))的协同作用来改善热塑性动态硫化橡胶(TPV)的热电性能(导电和导热性能)和力学性能。本文通过熔融接枝共混法制备MWCNTs@GE/聚丙烯-马来酸酐(PP-MA)母粒，在表征MWCNTs@GE/PP-MA母粒的结构、结晶性和微观形貌的基础上，进一步采用动态硫化方法制备具有独特网络结构的MWCNTs@GE/TPV复合材料，研究了MWCNTs@GE用量对MWCNTs@GE/TPV复合材料的相态结构、导电性能、导热性能及力学性能的影响。研究结果表明：与单组分填料制备的复合母粒相比，MWCNTs@GE并用体系具有协同作用，在PP-MA中分散均匀，与基体结合力强，在结晶过程中作为成核剂能够促进基体结晶，提高基体的结晶峰温度(Tc)和结晶度(Xc)，减小结晶尺寸(LCrystallite)。MWCNTs@GE/TPV复合材料呈现出明显的“海岛”相结构，交联的丁基橡胶 (IIR)相以微米级颗粒状分散在PP-MA相中。MWCNTs和GE均匀分散在连续相PP-MA中，MWCNTs和GE间距离小于1 µm，形成MWCNTs@GE网络结构。当MWCNTs@GE/TPV复合材料中MWCNTs@GE含量达到3wt%时，交流电导率、导热率、断裂伸长率和拉伸强度达到最佳值。
利用一维和二维两种填料(多壁碳纳米管(MWCNTs)@石墨烯(GE))的协同作用来改善热塑性动态硫化橡胶(TPV)的热电性能(导电和导热性能)和力学性能。本文通过熔融接枝共混法制备MWCNTs@GE/聚丙烯-马来酸酐(PP-MA)母粒，在表征MWCNTs@GE/PP-MA母粒的结构、结晶性和微观形貌的基础上，进一步采用动态硫化方法制备具有独特网络结构的MWCNTs@GE/TPV复合材料，研究了MWCNTs@GE用量对MWCNTs@GE/TPV复合材料的相态结构、导电性能、导热性能及力学性能的影响。研究结果表明：与单组分填料制备的复合母粒相比，MWCNTs@GE并用体系具有协同作用，在PP-MA中分散均匀，与基体结合力强，在结晶过程中作为成核剂能够促进基体结晶，提高基体的结晶峰温度(Tc)和结晶度(Xc)，减小结晶尺寸(LCrystallite)。MWCNTs@GE/TPV复合材料呈现出明显的“海岛”相结构，交联的丁基橡胶 (IIR)相以微米级颗粒状分散在PP-MA相中。MWCNTs和GE均匀分散在连续相PP-MA中，MWCNTs和GE间距离小于1 µm，形成MWCNTs@GE网络结构。当MWCNTs@GE/TPV复合材料中MWCNTs@GE含量达到3wt%时，交流电导率、导热率、断裂伸长率和拉伸强度达到最佳值。
2023, 40(7): 3939-3949.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220907.005
摘要:
MXene因其高导电性、丰富的活性位点(如—OH、—F、—O)、电化学行为和优异的亲水性使其在柔性可穿戴材料中显示出了特有的优势。然而，兼具优异力学强度和高电磁屏蔽效能的水凝胶还有待进一步研究；同时，透明水凝胶往往缺乏过滤紫外线的能力，这极大限制了材料的应用。本文以丙烯酰胺(AAm)共聚甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)化学交联为第一网络，聚丙烯酸(PAA)-Fe3+金属离子络合为第二网络，二维MXene作为导电纳米填料，制备了独特双屏蔽机制 PAAm-PHEMA/PAA-Fe3+-MXene水凝胶。MXene和Fe3+的存在使得该水凝胶同时兼具电磁和紫外屏蔽特性。通过 FTIR、SEM和EDS确认了水凝胶三维网络结构。所制备的双网络水凝胶具有高力学强度(320.1 kPa)、高拉伸性(1786%)和良好的导电性(3.8 S/m)。此外，该水凝胶还表现出了优异的紫外线屏蔽能力，在365和550 nm的特征波长下的透射率分别为0%和79.2%。同时，该水凝胶在X波段内可以获得超过 36 dB 的出色电磁屏蔽(EMI)效能以及对各种基材强黏附性、快速自愈合能力和高度形状适应性。本文提供了一种灵活且可高度可调的双屏蔽机制水凝胶网络设计和大规模简易制备新思路，在柔性可穿戴材料方面展示出了巨大的应用前景。
MXene因其高导电性、丰富的活性位点(如—OH、—F、—O)、电化学行为和优异的亲水性使其在柔性可穿戴材料中显示出了特有的优势。然而，兼具优异力学强度和高电磁屏蔽效能的水凝胶还有待进一步研究；同时，透明水凝胶往往缺乏过滤紫外线的能力，这极大限制了材料的应用。本文以丙烯酰胺(AAm)共聚甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)化学交联为第一网络，聚丙烯酸(PAA)-Fe3+金属离子络合为第二网络，二维MXene作为导电纳米填料，制备了独特双屏蔽机制 PAAm-PHEMA/PAA-Fe3+-MXene水凝胶。MXene和Fe3+的存在使得该水凝胶同时兼具电磁和紫外屏蔽特性。通过 FTIR、SEM和EDS确认了水凝胶三维网络结构。所制备的双网络水凝胶具有高力学强度(320.1 kPa)、高拉伸性(1786%)和良好的导电性(3.8 S/m)。此外，该水凝胶还表现出了优异的紫外线屏蔽能力，在365和550 nm的特征波长下的透射率分别为0%和79.2%。同时，该水凝胶在X波段内可以获得超过 36 dB 的出色电磁屏蔽(EMI)效能以及对各种基材强黏附性、快速自愈合能力和高度形状适应性。本文提供了一种灵活且可高度可调的双屏蔽机制水凝胶网络设计和大规模简易制备新思路，在柔性可穿戴材料方面展示出了巨大的应用前景。
2023, 40(7): 3950-3963.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220913.004
摘要:
薄膜电容器在高压输电换流站、新能源汽车电驱动控制器、电磁武器脉冲功率电源等电气工程和电子器件领域具有重要应用。当前薄膜电容器正向着高能量密度、耐电压、耐高温等技术方向发展，对电容薄膜的电气性能提出了更高要求。本文选择铁电聚偏氟乙烯(PVDF)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混物作为储能聚合物基体，以具有高介电常数的纳米粒子BaTiO3和具有高电子亲和能的有机分子半导体[6, 6]-苯基C61丁酸甲酯(PCBM)作为掺杂相，综合利用BaTiO3的高介电特性及PCBM的捕获电荷能力，提高复合介质的极化强度与击穿场强，显著改善储能性能。研究表明，单掺杂BaTiO3时，掺杂含量为3wt%时复合介质综合性能最优；在此基础上，随着PCBM掺杂含量增大其储能密度和充放电效率提升明显。当PCBM掺杂含量为2wt%时，含有3wt%BT的PMMA/PVDF复合介质具有优异的储能性能，当电场为579.67 kV/mm时，放电能量密度达到15.60 J/cm3且充放电效率为75.30%。本文首次提出基于少量无机高介电协同有机分子半导体功能填料的聚合物薄膜储能性能改性研究，通过加入少量的BaTiO3，既避免了由于BaTiO3含量过高而导致的绝缘性能下降问题，又保证了BaTiO3粒子对复合介质介电常数和极化性能的提升。同时，为了进一步改善因低介电常数基体与高介电常数BaTiO3颗粒之间的电场畸变所导致的击穿强度下降问题，考虑在复合介质中加入一定量的PCBM，利用PCBM强大的电子亲和能力，在复合介质中构筑深陷阱以捕获和束缚载流子，抑制载流子的迁移，提升复合介质的击穿场强，从而综合提升了复合介质的储能性能，这为开发储能性能优异的聚合物复合介质提供了一种新思路。
薄膜电容器在高压输电换流站、新能源汽车电驱动控制器、电磁武器脉冲功率电源等电气工程和电子器件领域具有重要应用。当前薄膜电容器正向着高能量密度、耐电压、耐高温等技术方向发展，对电容薄膜的电气性能提出了更高要求。本文选择铁电聚偏氟乙烯(PVDF)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混物作为储能聚合物基体，以具有高介电常数的纳米粒子BaTiO3和具有高电子亲和能的有机分子半导体[6, 6]-苯基C61丁酸甲酯(PCBM)作为掺杂相，综合利用BaTiO3的高介电特性及PCBM的捕获电荷能力，提高复合介质的极化强度与击穿场强，显著改善储能性能。研究表明，单掺杂BaTiO3时，掺杂含量为3wt%时复合介质综合性能最优；在此基础上，随着PCBM掺杂含量增大其储能密度和充放电效率提升明显。当PCBM掺杂含量为2wt%时，含有3wt%BT的PMMA/PVDF复合介质具有优异的储能性能，当电场为579.67 kV/mm时，放电能量密度达到15.60 J/cm3且充放电效率为75.30%。本文首次提出基于少量无机高介电协同有机分子半导体功能填料的聚合物薄膜储能性能改性研究，通过加入少量的BaTiO3，既避免了由于BaTiO3含量过高而导致的绝缘性能下降问题，又保证了BaTiO3粒子对复合介质介电常数和极化性能的提升。同时，为了进一步改善因低介电常数基体与高介电常数BaTiO3颗粒之间的电场畸变所导致的击穿强度下降问题，考虑在复合介质中加入一定量的PCBM，利用PCBM强大的电子亲和能力，在复合介质中构筑深陷阱以捕获和束缚载流子，抑制载流子的迁移，提升复合介质的击穿场强，从而综合提升了复合介质的储能性能，这为开发储能性能优异的聚合物复合介质提供了一种新思路。
2023, 40(7): 3964-3972.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220909.004
摘要:
由于钛酸锶(SrTiO3)存在禁带宽度大、光生载流子分离率低等缺点，限制了其光电化学阴极保护性能，为解决此问题，可对其进行负载助催化剂Ti3C2进行改性。首先采用水热法制备了SrTiO3和蚀刻法制备了Ti3C2，然后通过机械法混合制备了Ti3C2/SrTiO3复合材料。通过XRD、XPS、SEM、UV-vis DRS、PL对样品物相结构、化学状态、微观形貌、光吸收性能等特征进行了表征。最后分析了Ti3C2/SrTiO3复合材料对304不锈钢(304SS)的光电化学阴极保护性能。结果表明，Ti3C2/SrTiO3复合材料拓宽了可见光利用范围；其中，加入Ti3C2含量为15wt%的15%-Ti3C2/SrTiO3复合材料的光生载流子分离率更高，光电流密度达到2.5 μA·cm−2；在3.5wt% NaCl溶液中，304SS与该复合材料偶联后，光照条件下，其电势电位下降了200 mV，可以有效保护304SS，经过4次开闭光循环测试，Ti3C2/SrTiO3复合材料性能稳定。
由于钛酸锶(SrTiO3)存在禁带宽度大、光生载流子分离率低等缺点，限制了其光电化学阴极保护性能，为解决此问题，可对其进行负载助催化剂Ti3C2进行改性。首先采用水热法制备了SrTiO3和蚀刻法制备了Ti3C2，然后通过机械法混合制备了Ti3C2/SrTiO3复合材料。通过XRD、XPS、SEM、UV-vis DRS、PL对样品物相结构、化学状态、微观形貌、光吸收性能等特征进行了表征。最后分析了Ti3C2/SrTiO3复合材料对304不锈钢(304SS)的光电化学阴极保护性能。结果表明，Ti3C2/SrTiO3复合材料拓宽了可见光利用范围；其中，加入Ti3C2含量为15wt%的15%-Ti3C2/SrTiO3复合材料的光生载流子分离率更高，光电流密度达到2.5 μA·cm−2；在3.5wt% NaCl溶液中，304SS与该复合材料偶联后，光照条件下，其电势电位下降了200 mV，可以有效保护304SS，经过4次开闭光循环测试，Ti3C2/SrTiO3复合材料性能稳定。
2023, 40(7): 3973-3985.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220909.002
摘要:
构建表面等离子体共振(SPR)、氧空位、异质结是提升半导体光催化剂催化活性的有效方式之一。本文通过改变Bi(NO3)3与KBr的摩尔比，采用一步溶剂热法合成了具有SPR效应和氧空位的Bi-Bi2O3-BiOBr三元异质结复合材料。利用XRD、电子顺磁共振(EPR)、 XPS、SEM、TEM、UV-vis等手段对所得产物的晶相、元素组成和微观形貌进行表征分析，考察Bi(NO3)3与KBr的摩尔比对三元复合物可见光驱动光催化降解亚甲基蓝(MB)活性的影响。结果表明：Bi-Bi2O3-BiOBr的催化活性依赖于Bi(NO3)3与KBr的摩尔比，但高于纯Bi2O3和BiOBr。Bi(NO3)3与KBr摩尔比为2∶1制备的2∶1-Bi-Bi2O3-BiOBr对MB展现了最佳光催化活性：在240 min的可见光照射下， 2∶1-Bi-Bi2O3-BiOBr上对MB的去除率为95.07%，降解动力学符合准一级动力学，降解速率常数为2.90 h−1，分别是纯Bi2O3和BiOBr的5倍与6倍，经4次循环实验后，2∶1-Bi-Bi2O3-BiOBr复合材料对MB的除去效率没有显著的降低。该物质优异的可见光光催化活性催化机制可归结为SPR效应、半导体异质结结构和氧空位的3种协同作用。本文合成特殊结构光催化剂的方法可推广到其他催化材料。
构建表面等离子体共振(SPR)、氧空位、异质结是提升半导体光催化剂催化活性的有效方式之一。本文通过改变Bi(NO3)3与KBr的摩尔比，采用一步溶剂热法合成了具有SPR效应和氧空位的Bi-Bi2O3-BiOBr三元异质结复合材料。利用XRD、电子顺磁共振(EPR)、 XPS、SEM、TEM、UV-vis等手段对所得产物的晶相、元素组成和微观形貌进行表征分析，考察Bi(NO3)3与KBr的摩尔比对三元复合物可见光驱动光催化降解亚甲基蓝(MB)活性的影响。结果表明：Bi-Bi2O3-BiOBr的催化活性依赖于Bi(NO3)3与KBr的摩尔比，但高于纯Bi2O3和BiOBr。Bi(NO3)3与KBr摩尔比为2∶1制备的2∶1-Bi-Bi2O3-BiOBr对MB展现了最佳光催化活性：在240 min的可见光照射下， 2∶1-Bi-Bi2O3-BiOBr上对MB的去除率为95.07%，降解动力学符合准一级动力学，降解速率常数为2.90 h−1，分别是纯Bi2O3和BiOBr的5倍与6倍，经4次循环实验后，2∶1-Bi-Bi2O3-BiOBr复合材料对MB的除去效率没有显著的降低。该物质优异的可见光光催化活性催化机制可归结为SPR效应、半导体异质结结构和氧空位的3种协同作用。本文合成特殊结构光催化剂的方法可推广到其他催化材料。
2023, 40(7): 3986-3997.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221031.001
摘要:
利用静电纺丝技术将抑菌活性成分与基体纤维进行复合，是制备新型抑菌材料的有效手段。为了制备新型石窟文物微生物病害防治材料，本文利用静电纺丝技术制备了聚丙烯腈(PAN)-纳米银(AgNPs)复合静电纺丝纤维膜，并评估了其抑菌效果。通过将一定量的PAN与N, N二甲基甲酰胺进行混合，加入硝酸银及茶多酚的方法制成带有银颗粒的纺丝原液，再利用静电纺丝技术制备了含银颗粒的纳米纤维膜。通过改变PAN的浓度和反应温度，调节电纺纤维膜的理化性质，筛选适用于防治石窟文物病害的电纺纤维膜的最优制备流程，并对其在实验室内和户外的抑菌效果分别进行了验证。结果显示：含12wt% PAN在80℃条件下制作的复合纤维膜同时兼具了纤维力学性能佳及银颗粒浓度高的优点，是筛选得到的PAN-AgNPs静电纺丝纳米纤维膜的最适制备条件；银复合纳米纤维材料对两种石窟文物退化相关微生物黑曲霉和青霉菌均具有抑菌作用，在户外岩石表面条件下也表现出了显著的抑菌效果。上述研究结果表明，本文制备的PAN-AgNPs复合静电纺丝纤维膜具有潜在的石窟文物微生物病害防治的应用价值。
利用静电纺丝技术将抑菌活性成分与基体纤维进行复合，是制备新型抑菌材料的有效手段。为了制备新型石窟文物微生物病害防治材料，本文利用静电纺丝技术制备了聚丙烯腈(PAN)-纳米银(AgNPs)复合静电纺丝纤维膜，并评估了其抑菌效果。通过将一定量的PAN与N, N二甲基甲酰胺进行混合，加入硝酸银及茶多酚的方法制成带有银颗粒的纺丝原液，再利用静电纺丝技术制备了含银颗粒的纳米纤维膜。通过改变PAN的浓度和反应温度，调节电纺纤维膜的理化性质，筛选适用于防治石窟文物病害的电纺纤维膜的最优制备流程，并对其在实验室内和户外的抑菌效果分别进行了验证。结果显示：含12wt% PAN在80℃条件下制作的复合纤维膜同时兼具了纤维力学性能佳及银颗粒浓度高的优点，是筛选得到的PAN-AgNPs静电纺丝纳米纤维膜的最适制备条件；银复合纳米纤维材料对两种石窟文物退化相关微生物黑曲霉和青霉菌均具有抑菌作用，在户外岩石表面条件下也表现出了显著的抑菌效果。上述研究结果表明，本文制备的PAN-AgNPs复合静电纺丝纤维膜具有潜在的石窟文物微生物病害防治的应用价值。
2023, 40(7): 3998-4007.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221102.002
摘要:
噪声污染影响人类心理和生理健康。多孔材料在中高频段吸声性能较好，但在低频段较差。本文以粉煤灰空心球和水玻璃等为原料，采用两次固化成型工艺制备了空心球泡沫多孔基体材料，再通过真空浸渍、普通热干燥或冷冻干燥等方法在多孔材料中引入柔性聚乙烯醇-炭黑(PVA-C)第二相，最终制得了PVA-C/空心球泡沫复合吸声材料。结果表明：所制备的多孔复合吸声材料的抗压强度达到1.65 MPa，吸声性能相比空心球泡沫多孔材料基体在低频100~1000 Hz提高了35.2%，降噪系数达到0.523，提高了10.1%。研究结果为多孔吸声材料的吸声性能改善和实际应用提供了依据。
噪声污染影响人类心理和生理健康。多孔材料在中高频段吸声性能较好，但在低频段较差。本文以粉煤灰空心球和水玻璃等为原料，采用两次固化成型工艺制备了空心球泡沫多孔基体材料，再通过真空浸渍、普通热干燥或冷冻干燥等方法在多孔材料中引入柔性聚乙烯醇-炭黑(PVA-C)第二相，最终制得了PVA-C/空心球泡沫复合吸声材料。结果表明：所制备的多孔复合吸声材料的抗压强度达到1.65 MPa，吸声性能相比空心球泡沫多孔材料基体在低频100~1000 Hz提高了35.2%，降噪系数达到0.523，提高了10.1%。研究结果为多孔吸声材料的吸声性能改善和实际应用提供了依据。
2023, 40(7): 4008-4021.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221116.001
摘要:
铝基多孔复合材料由铝基体和空心微球复合而成，兼具轻质与吸能特性。本文采用放电等离子烧结 (SPS)方法制备玻璃空心微球/铝基多孔复合材料，通过光学显微镜、SEM、准静态压缩原位观察和数字图像相关技术表征，分析了空心微球含量及尺寸对复合材料准静态压缩变形行为和吸能性能的影响。结果表明：两步升温SPS烧结制备所得的铝基多孔复合材料，其微球弥散均匀嵌于铝基体中，铝基体熔合致密。随空心微球含量增加，复合材料压缩应力整体降低，屈服平台区扩大但由平滑转变为锯齿状，压缩变形行为从较均匀的鼓状形变逐渐发展为脆性剪切，微球体积分数为50vol%的多孔复合材料吸能能力为23.6 J·cm−3，高于体积分数为30vol%和70vol%的多孔复合材料，复合材料吸能能力与微球含量间存在最优对应关系。小尺寸微球具有更好的抗压能力，随小尺寸微球占比的提高，复合材料微观上可承受更高的应力-应变集中，宏观上剪切形变的压缩应变增大，本文中小尺寸微球多孔复合材料的峰值应力和吸能能力分别为89.4 MPa和29.0 J·cm−3，与大尺寸微球多孔复合材料相比分别提高23.5%和22.9%。
铝基多孔复合材料由铝基体和空心微球复合而成，兼具轻质与吸能特性。本文采用放电等离子烧结 (SPS)方法制备玻璃空心微球/铝基多孔复合材料，通过光学显微镜、SEM、准静态压缩原位观察和数字图像相关技术表征，分析了空心微球含量及尺寸对复合材料准静态压缩变形行为和吸能性能的影响。结果表明：两步升温SPS烧结制备所得的铝基多孔复合材料，其微球弥散均匀嵌于铝基体中，铝基体熔合致密。随空心微球含量增加，复合材料压缩应力整体降低，屈服平台区扩大但由平滑转变为锯齿状，压缩变形行为从较均匀的鼓状形变逐渐发展为脆性剪切，微球体积分数为50vol%的多孔复合材料吸能能力为23.6 J·cm−3，高于体积分数为30vol%和70vol%的多孔复合材料，复合材料吸能能力与微球含量间存在最优对应关系。小尺寸微球具有更好的抗压能力，随小尺寸微球占比的提高，复合材料微观上可承受更高的应力-应变集中，宏观上剪切形变的压缩应变增大，本文中小尺寸微球多孔复合材料的峰值应力和吸能能力分别为89.4 MPa和29.0 J·cm−3，与大尺寸微球多孔复合材料相比分别提高23.5%和22.9%。
2023, 40(7): 4022-4029.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220915.007
摘要:
可将无规则机械能转换为电能的压电纳米发电机与摩擦纳米发电机能够为低功耗可穿戴电子设备提供独立、持续性供电，有利于促进柔性自供能电子器件多元化的发展。将二者进行集成，可综合二者电输出特性的优点，提高纳米发电机的性能。本文分别以聚偏二氟乙烯(PVDF)与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)为正、负极摩擦材料，采用静电纺丝方法制备了PVDF/SBS复合纤维薄膜，并利用该复合纤维薄膜得到压电-摩擦电复合纳米发电机。研究结果表明：当PVDF掺入量为20wt%时，PVDF/SBS复合纤维薄膜的电学输出性能最佳，器件的开路电压与短路电流最大可达108 V与0.34 μA，分别是纯SBS样品的5倍与6倍。将器件固定在手掌、鞋底处，收集拍手、行走、跑步等运动的能量，可产生不同幅度的输出电压，表明器件可有效收集人体运动的机械能；通过手掌拍打器件，可点亮64只商用蓝色LED灯珠；同时器件可检测瞬时压力变化，灵敏度最大可达3.685 V·N−1。上述结果表明PVDF/SBS柔性复合纤维薄膜压电-摩擦电纳米发电机在传感监测和电子器件自供能领域具有良好的应用前景。
可将无规则机械能转换为电能的压电纳米发电机与摩擦纳米发电机能够为低功耗可穿戴电子设备提供独立、持续性供电，有利于促进柔性自供能电子器件多元化的发展。将二者进行集成，可综合二者电输出特性的优点，提高纳米发电机的性能。本文分别以聚偏二氟乙烯(PVDF)与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)为正、负极摩擦材料，采用静电纺丝方法制备了PVDF/SBS复合纤维薄膜，并利用该复合纤维薄膜得到压电-摩擦电复合纳米发电机。研究结果表明：当PVDF掺入量为20wt%时，PVDF/SBS复合纤维薄膜的电学输出性能最佳，器件的开路电压与短路电流最大可达108 V与0.34 μA，分别是纯SBS样品的5倍与6倍。将器件固定在手掌、鞋底处，收集拍手、行走、跑步等运动的能量，可产生不同幅度的输出电压，表明器件可有效收集人体运动的机械能；通过手掌拍打器件，可点亮64只商用蓝色LED灯珠；同时器件可检测瞬时压力变化，灵敏度最大可达3.685 V·N−1。上述结果表明PVDF/SBS柔性复合纤维薄膜压电-摩擦电纳米发电机在传感监测和电子器件自供能领域具有良好的应用前景。
2023, 40(7): 4030-4038.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220926.001
摘要:
随着生产力水平的提高，产生了大量的废旧纺织品，通过传统的焚烧和掩埋处理方法既造成了资源的浪费还产生了大量污染。为了使废旧棉具有更高的附加值，通过碳化技术制备为活性碳，使其在治理土壤污染、医药领域和储能领域都具有巨大应用价值，但其制备的碳材料具有比表面积小、容量低与电解质界面浸润性差等缺点。本文通过在废旧棉纺织品中首先引入Zn2+和NO3−离子，通过对Zn2+和NO3−离子浓度的调控，借助浸渍-烘干-碳化技术，制备了具有高比表面积的中空多孔碳布材料。结果表明，Zn(NO3)2具有优异的致孔能力，得到了具有微孔、介孔和大孔的多尺度孔洞结构的中空碳布，其比表面积高达1257.07 m2·g−1，界面浸润性优异。所制备的中空多孔碳布电极比电容高达251.5 F·g−1，5000次循环后容量保持率为100%，在储能领域中显示出了广阔的应用前景。
随着生产力水平的提高，产生了大量的废旧纺织品，通过传统的焚烧和掩埋处理方法既造成了资源的浪费还产生了大量污染。为了使废旧棉具有更高的附加值，通过碳化技术制备为活性碳，使其在治理土壤污染、医药领域和储能领域都具有巨大应用价值，但其制备的碳材料具有比表面积小、容量低与电解质界面浸润性差等缺点。本文通过在废旧棉纺织品中首先引入Zn2+和NO3−离子，通过对Zn2+和NO3−离子浓度的调控，借助浸渍-烘干-碳化技术，制备了具有高比表面积的中空多孔碳布材料。结果表明，Zn(NO3)2具有优异的致孔能力，得到了具有微孔、介孔和大孔的多尺度孔洞结构的中空碳布，其比表面积高达1257.07 m2·g−1，界面浸润性优异。所制备的中空多孔碳布电极比电容高达251.5 F·g−1，5000次循环后容量保持率为100%，在储能领域中显示出了广阔的应用前景。
2023, 40(7): 4039-4047.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221021.002
摘要:
本文将反式聚异戊二烯(TPI)和乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)复合，设计过氧化二异丙苯交联反应连接两相，制备TPI-EVA三重形状记忆复合材料。采用无转子硫化特性曲线、万能试验机、XRD、DSC、动态力学分析(DMA)对TPI-EVA复合材料进行了表征。探究了EVA质量比对TPI-EVA复合材料的力学性能、相结构、结晶性能及三重形状记忆性能的影响。结果表明，随着EVA质量比增加，TPI的结晶温度(Tc)从14.7℃降低至8.2℃，EVA的Tc略有上升。SEM结果表明，随EVA质量比增加，复合材料的相界面由光滑变为粗糙；DMA测试结果表明，EVA比例的增加使样品的第一临时形状固定率从57.6%提升至88.5%。此外，TPI-EVA复合材料表现出优异的力学强度，其中拉伸强度高达30.3 MPa，断裂伸长率达490%。
本文将反式聚异戊二烯(TPI)和乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)复合，设计过氧化二异丙苯交联反应连接两相，制备TPI-EVA三重形状记忆复合材料。采用无转子硫化特性曲线、万能试验机、XRD、DSC、动态力学分析(DMA)对TPI-EVA复合材料进行了表征。探究了EVA质量比对TPI-EVA复合材料的力学性能、相结构、结晶性能及三重形状记忆性能的影响。结果表明，随着EVA质量比增加，TPI的结晶温度(Tc)从14.7℃降低至8.2℃，EVA的Tc略有上升。SEM结果表明，随EVA质量比增加，复合材料的相界面由光滑变为粗糙；DMA测试结果表明，EVA比例的增加使样品的第一临时形状固定率从57.6%提升至88.5%。此外，TPI-EVA复合材料表现出优异的力学强度，其中拉伸强度高达30.3 MPa，断裂伸长率达490%。
2023, 40(7): 4048-4059.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221021.001
摘要:
四环素(TC)作为广谱类抗生素药物被大量应用于养殖业，因其不易自然降解的特性，造成了严重的水污染。本文以柿单宁(PT)为基体，通过氮掺杂石墨烯(NG)对其改性，并以Fe3O4作为磁性功能，采用水热法制得磁性复合材料Fe3O4-NG/PT。并针对此复合材料在吸附TC方面的应用进行研究。NG以其疏水性和比表面积大的优势，弥补了PT在吸附上的不足，Fe3O4解决了吸附剂难以回收的问题。通过SEM、EDS、FTIR、XPS、BET、XRD等表明其机制主要是静电作用、孔填充、氢键作用和π-π相互作用；通过XRD与磁强计表明Fe3O4的成功引入及其高效回收性能。并对吸附条件优化，在Fe3O4∶PT质量比4∶1、pH为7、180 min、投加量为0.6 g/L时，吸附效果最佳。吸附动力学符合拟二级动力学模型，化学吸附为主；吸附等温符合Freundlich模型，表明其为多层吸附。318 K时吸附的最大容量达到315.65 mg/g，吸附效率达到94.5%。Fe3O4-NG/PT复合材料因其较大比表面积、多孔、回收方便、大量酚羟基结构的优点，在吸附领域有一定的应用前景。
四环素(TC)作为广谱类抗生素药物被大量应用于养殖业，因其不易自然降解的特性，造成了严重的水污染。本文以柿单宁(PT)为基体，通过氮掺杂石墨烯(NG)对其改性，并以Fe3O4作为磁性功能，采用水热法制得磁性复合材料Fe3O4-NG/PT。并针对此复合材料在吸附TC方面的应用进行研究。NG以其疏水性和比表面积大的优势，弥补了PT在吸附上的不足，Fe3O4解决了吸附剂难以回收的问题。通过SEM、EDS、FTIR、XPS、BET、XRD等表明其机制主要是静电作用、孔填充、氢键作用和π-π相互作用；通过XRD与磁强计表明Fe3O4的成功引入及其高效回收性能。并对吸附条件优化，在Fe3O4∶PT质量比4∶1、pH为7、180 min、投加量为0.6 g/L时，吸附效果最佳。吸附动力学符合拟二级动力学模型，化学吸附为主；吸附等温符合Freundlich模型，表明其为多层吸附。318 K时吸附的最大容量达到315.65 mg/g，吸附效率达到94.5%。Fe3O4-NG/PT复合材料因其较大比表面积、多孔、回收方便、大量酚羟基结构的优点，在吸附领域有一定的应用前景。
2023, 40(7): 4060-4071.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220915.005
摘要:
为提升室温硫化硅橡胶泡沫的阻燃性能和耐火性能，本文以不同熔点玻璃粉和硼酸锌为助熔剂，云母粉为耐火填料，制备可陶瓷化阻燃室温硫化硅橡胶泡沫，并研究了不同无机填料种类和配比对硅橡胶泡沫微观形貌、热稳定性、阻燃性能和燃烧行为的影响及不同温度烧蚀下硅橡胶泡沫的陶瓷化行为。结果表明，玻璃粉的引入影响了硅橡胶泡沫的发泡过程，形成了孔径较大的泡沫结构，不利于硅橡胶泡沫阻燃性能、热稳定性、火安全性的提升，但在烧蚀实验中，其能够显著降低硅橡胶泡沫的陶瓷化温度；硼酸锌的引入能够显著提升硅橡胶泡沫的阻燃性能、高温区热稳定性和火安全性，并且硼酸锌与云母粉展现出较好的协同阻燃作用，硅橡胶泡沫的极限氧指数(LOI)最高达到33.2%，并通过垂直燃烧FV-0级，N2气氛下热重分析测试中900℃时的残炭含量最高可达75.9%，硅橡胶泡沫的热释放和烟释放及烧蚀实验后的质量损失率均得到明显降低，同时，硼酸锌还有助于形成陶瓷状残炭。
为提升室温硫化硅橡胶泡沫的阻燃性能和耐火性能，本文以不同熔点玻璃粉和硼酸锌为助熔剂，云母粉为耐火填料，制备可陶瓷化阻燃室温硫化硅橡胶泡沫，并研究了不同无机填料种类和配比对硅橡胶泡沫微观形貌、热稳定性、阻燃性能和燃烧行为的影响及不同温度烧蚀下硅橡胶泡沫的陶瓷化行为。结果表明，玻璃粉的引入影响了硅橡胶泡沫的发泡过程，形成了孔径较大的泡沫结构，不利于硅橡胶泡沫阻燃性能、热稳定性、火安全性的提升，但在烧蚀实验中，其能够显著降低硅橡胶泡沫的陶瓷化温度；硼酸锌的引入能够显著提升硅橡胶泡沫的阻燃性能、高温区热稳定性和火安全性，并且硼酸锌与云母粉展现出较好的协同阻燃作用，硅橡胶泡沫的极限氧指数(LOI)最高达到33.2%，并通过垂直燃烧FV-0级，N2气氛下热重分析测试中900℃时的残炭含量最高可达75.9%，硅橡胶泡沫的热释放和烟释放及烧蚀实验后的质量损失率均得到明显降低，同时，硼酸锌还有助于形成陶瓷状残炭。
2023, 40(7): 4072-4081.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220919.001
摘要:
为了解决稀土掺杂上转换发光材料价格昂贵且粒径可控性差的问题，采用简单的化学沉淀法以价格低廉且易制备的SiO2微球为核，在其表面均匀包覆了Gd2O3:Yb3+, Ln3+(Ln=Er, Tm, Ho)壳层，成功合成了球形SiO2@Gd2O3:Yb3+, Ln3+(Ln=Er, Tm, Ho)核壳上转换发光材料。XRD结果表明，尿素作为沉淀剂优先与稀土离子反应得到SiO2@Gd(OH)CO3:Yb3+, Ln3+前驱体，经800℃煅烧后壳层进一步转化成结晶性良好的立方相Gd2O3:Yb3+, Ln3+。SEM和尺寸分布图表明，所制备样品为理想的核壳微球形貌，尺寸均匀，平均粒径约为580 nm。在980 nm激光激发下，SiO2@Gd2O3:Yb3+, Ln3+(Ln=Er, Tm, Ho)核壳微球分别表现出红光、蓝光、绿光发射，对应于Er3+的4F9/2→4I15/2跃迁、Tm3+的1G4→3H6跃迁及Ho3+的5S2→5I8跃迁，与色度图色坐标发光颜色区域相一致，说明通过简单的调节SiO2@Gd2O3:Yb3+, Ln3+核壳微球中壳层掺杂的稀土离子种类，成功实现了三色上转换发光。
为了解决稀土掺杂上转换发光材料价格昂贵且粒径可控性差的问题，采用简单的化学沉淀法以价格低廉且易制备的SiO2微球为核，在其表面均匀包覆了Gd2O3:Yb3+, Ln3+(Ln=Er, Tm, Ho)壳层，成功合成了球形SiO2@Gd2O3:Yb3+, Ln3+(Ln=Er, Tm, Ho)核壳上转换发光材料。XRD结果表明，尿素作为沉淀剂优先与稀土离子反应得到SiO2@Gd(OH)CO3:Yb3+, Ln3+前驱体，经800℃煅烧后壳层进一步转化成结晶性良好的立方相Gd2O3:Yb3+, Ln3+。SEM和尺寸分布图表明，所制备样品为理想的核壳微球形貌，尺寸均匀，平均粒径约为580 nm。在980 nm激光激发下，SiO2@Gd2O3:Yb3+, Ln3+(Ln=Er, Tm, Ho)核壳微球分别表现出红光、蓝光、绿光发射，对应于Er3+的4F9/2→4I15/2跃迁、Tm3+的1G4→3H6跃迁及Ho3+的5S2→5I8跃迁，与色度图色坐标发光颜色区域相一致，说明通过简单的调节SiO2@Gd2O3:Yb3+, Ln3+核壳微球中壳层掺杂的稀土离子种类，成功实现了三色上转换发光。
2023, 40(7): 4082-4094.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230215.001
摘要:
石油化工和机械制造等领域普遍存在含油污水，直接排放不仅浪费水、油资源，污染生态环境，还影响人类与其他生物的生存与健康。传统的油水分离方法局限性强、经济性差、分离效率不高。以316不锈钢丝网为基底，研发了耐长期水泡与耐油污染的超亲水水下疏油网膜，通过优选水性丙烯酸与水性环氧清漆共混树脂作为粘结剂，对基底采用植酸预处理，采用一步喷涂法制备出了纯水性涂层涂覆的超亲水水下疏油网膜。对不同含油污水的分离效率均能够达到98%以上，水通量能够达到14000 L/(m2·h·bar) 以上，耐油压为4.65 kPa。循环分离正己烷污水50次后，网膜的分离效率仍然能够达到98%以上。耐水泡180天后仍保持超亲水性及6500 L/(m2·h·bar)以上的水通量。添加微量表面活性剂十二烷基硫酸钠后，经过50次污染-清洗循环后网膜的水通量衰减＜50%。这一研究为精细化含油污水处理领域超亲水分离网膜的研发与制备提供了一定借鉴与技术参考。
石油化工和机械制造等领域普遍存在含油污水，直接排放不仅浪费水、油资源，污染生态环境，还影响人类与其他生物的生存与健康。传统的油水分离方法局限性强、经济性差、分离效率不高。以316不锈钢丝网为基底，研发了耐长期水泡与耐油污染的超亲水水下疏油网膜，通过优选水性丙烯酸与水性环氧清漆共混树脂作为粘结剂，对基底采用植酸预处理，采用一步喷涂法制备出了纯水性涂层涂覆的超亲水水下疏油网膜。对不同含油污水的分离效率均能够达到98%以上，水通量能够达到14000 L/(m2·h·bar) 以上，耐油压为4.65 kPa。循环分离正己烷污水50次后，网膜的分离效率仍然能够达到98%以上。耐水泡180天后仍保持超亲水性及6500 L/(m2·h·bar)以上的水通量。添加微量表面活性剂十二烷基硫酸钠后，经过50次污染-清洗循环后网膜的水通量衰减＜50%。这一研究为精细化含油污水处理领域超亲水分离网膜的研发与制备提供了一定借鉴与技术参考。
2023, 40(7): 4095-4106.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220915.008
摘要:
为了提高水泥混凝土微波除冰效率的同时不降低其使用寿命，以磁铁矿碎石为微波吸收骨料，制备了6种不同磁铁矿骨料掺量的混凝土，研究了磁铁矿骨料对混凝土微波除冰效率及耐久性的影响。结果表明：磁铁矿骨料通过提高混凝土对微波的介电损耗和磁损耗进而增强其微波除冰特性。随着磁铁矿骨料掺量的增大，混凝土的复介电常数和复磁导率不断增大，介电损耗和磁损耗不断增强，混凝土试件表面达到0℃所需时间不断减小，温升速率不断增大，除冰效果逐渐增强。磁铁矿骨料通过提高混凝土的密实度进而增强其耐磨性和抗压强度，通过提高混凝土抵抗裂缝开展的能力进而增强其抗冻性。随着磁铁矿骨料掺量的增大，混凝土的磨耗质量和单位面积磨损量不断减小，冻融循环后混凝土的质量损失率和抗压强度损失率不断减小，相对动弹性模量不断增大。磁铁矿骨料混凝土兼具良好的微波除冰特性及耐久性。
为了提高水泥混凝土微波除冰效率的同时不降低其使用寿命，以磁铁矿碎石为微波吸收骨料，制备了6种不同磁铁矿骨料掺量的混凝土，研究了磁铁矿骨料对混凝土微波除冰效率及耐久性的影响。结果表明：磁铁矿骨料通过提高混凝土对微波的介电损耗和磁损耗进而增强其微波除冰特性。随着磁铁矿骨料掺量的增大，混凝土的复介电常数和复磁导率不断增大，介电损耗和磁损耗不断增强，混凝土试件表面达到0℃所需时间不断减小，温升速率不断增大，除冰效果逐渐增强。磁铁矿骨料通过提高混凝土的密实度进而增强其耐磨性和抗压强度，通过提高混凝土抵抗裂缝开展的能力进而增强其抗冻性。随着磁铁矿骨料掺量的增大，混凝土的磨耗质量和单位面积磨损量不断减小，冻融循环后混凝土的质量损失率和抗压强度损失率不断减小，相对动弹性模量不断增大。磁铁矿骨料混凝土兼具良好的微波除冰特性及耐久性。
2023, 40(7): 4107-4116.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221011.001
摘要:
为研究碳纤维再生混凝土复合受剪状态下的力学性能，以碳纤维掺量、压应力比、再生粗骨料取代率为试验参数，完成了102个立方体试件的复合受剪试验。试验观察了碳纤维再生混凝土试件的破坏形态，获取了剪切状态下荷载-位移曲线，分析了3种试验参数对试件剪切强度、峰值位移及损伤演化规律的影响。研究表明：压应力比对碳纤维再生混凝土试件的破坏形态有显著影响，随着压应力比的增大，试件的裂缝数量和角度增大；0.3vol%掺量的碳纤维可提高试件剪切强度12%左右，压应力比由0增至0.09和0.18后，试件剪切强度时分别是其的2.34倍、3.25倍，再生粗骨料取代率对峰值剪切强度影响较小；增大压应力比可有效减缓损伤的发展；采用的损伤本构能较好的反映复合受剪的剪力-位移关系。
为研究碳纤维再生混凝土复合受剪状态下的力学性能，以碳纤维掺量、压应力比、再生粗骨料取代率为试验参数，完成了102个立方体试件的复合受剪试验。试验观察了碳纤维再生混凝土试件的破坏形态，获取了剪切状态下荷载-位移曲线，分析了3种试验参数对试件剪切强度、峰值位移及损伤演化规律的影响。研究表明：压应力比对碳纤维再生混凝土试件的破坏形态有显著影响，随着压应力比的增大，试件的裂缝数量和角度增大；0.3vol%掺量的碳纤维可提高试件剪切强度12%左右，压应力比由0增至0.09和0.18后，试件剪切强度时分别是其的2.34倍、3.25倍，再生粗骨料取代率对峰值剪切强度影响较小；增大压应力比可有效减缓损伤的发展；采用的损伤本构能较好的反映复合受剪的剪力-位移关系。
2023, 40(7): 4117-4127.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221014.001
摘要:
为研究泡沫混凝土孔结构及其对力学性能的影响，采用X 射线计算机层析成像技术 (X-CT) 测试了3种密度等级泡沫混凝土孔结构，实现了对孔隙率、孔径分布、孔隙形态等特征参数的定量表征，并基于灰关联理论分析了不同孔结构特征参数与其力学性能的关联程度。结果表明：泡沫混凝土孔径分布特征符合非标准的对数正态分布，孔隙球形度均呈单峰分布，且与孔体积、孔径之间存在明显负相关关系；不同密度泡沫混凝土在不同方向上的孔隙率分布存在明显差异；随泡沫混凝土密度的增加，孔隙分形维数、中值尺寸和中值面积逐渐下降，孔隙球形度整体逐渐增大；泡沫混凝土力学性能与孔结构之间联系紧密，其中孔隙率对泡沫混凝土强度的影响最为明显，灰关联度达到0.859；与泡沫混凝土强度联系最为紧密的孔隙孔径主要分布在100~200 μm、200~300 μm两个区间内，灰关联度分别为0.832和0.847；孔隙形状越接近球状，其抗压能力越强。
为研究泡沫混凝土孔结构及其对力学性能的影响，采用X 射线计算机层析成像技术 (X-CT) 测试了3种密度等级泡沫混凝土孔结构，实现了对孔隙率、孔径分布、孔隙形态等特征参数的定量表征，并基于灰关联理论分析了不同孔结构特征参数与其力学性能的关联程度。结果表明：泡沫混凝土孔径分布特征符合非标准的对数正态分布，孔隙球形度均呈单峰分布，且与孔体积、孔径之间存在明显负相关关系；不同密度泡沫混凝土在不同方向上的孔隙率分布存在明显差异；随泡沫混凝土密度的增加，孔隙分形维数、中值尺寸和中值面积逐渐下降，孔隙球形度整体逐渐增大；泡沫混凝土力学性能与孔结构之间联系紧密，其中孔隙率对泡沫混凝土强度的影响最为明显，灰关联度达到0.859；与泡沫混凝土强度联系最为紧密的孔隙孔径主要分布在100~200 μm、200~300 μm两个区间内，灰关联度分别为0.832和0.847；孔隙形状越接近球状，其抗压能力越强。
2023, 40(7): 4128-4138.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221024.002
摘要:
为探究高温后珊瑚海水海砂混凝土(CSSC)直剪力学性能及其损伤本构关系，以经历最高温度T、恒温时长H为变化参数，设计并完成了高温后CSSC直剪试验。通过试验观察了高温后CSSC直剪破坏形态，获取了相应的应力-位移曲线，得到了T、H对CSSC剪切强度、体积膨胀及质量损失的影响规律，对比分析了高温后CSSC损伤演变过程。研究结果表明：高温导致CSSC内部出现不均匀温度场，并出现表面龟裂、边角崩裂等现象；随着T及H的增加，CSSC剪切承载力逐渐降低，体积膨胀率和质量损失率逐渐增大。当T > 400℃后剪切强度下降速率加快；T = 800℃时CSSC直剪强度仅为常温下的39%。最后，提出了高温后CSSC直剪强度计算方程及其损伤演化过程。
为探究高温后珊瑚海水海砂混凝土(CSSC)直剪力学性能及其损伤本构关系，以经历最高温度T、恒温时长H为变化参数，设计并完成了高温后CSSC直剪试验。通过试验观察了高温后CSSC直剪破坏形态，获取了相应的应力-位移曲线，得到了T、H对CSSC剪切强度、体积膨胀及质量损失的影响规律，对比分析了高温后CSSC损伤演变过程。研究结果表明：高温导致CSSC内部出现不均匀温度场，并出现表面龟裂、边角崩裂等现象；随着T及H的增加，CSSC剪切承载力逐渐降低，体积膨胀率和质量损失率逐渐增大。当T > 400℃后剪切强度下降速率加快；T = 800℃时CSSC直剪强度仅为常温下的39%。最后，提出了高温后CSSC直剪强度计算方程及其损伤演化过程。
2023, 40(7): 4139-4148.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221013.001
摘要:
为解决汉麻秆粉/聚乳酸木塑复合材料(Hemp straw powder reinforced polylactic acid composite，HPRPC)力学性能以及热稳定性较差的问题，采用四[β-(3, 5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(Pentaerythritol tetrakis[3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate]，PTP)对HPRPC进行改性处理，并制备不同PTP添加量下的HPRPC，通过FTIR、力学性能测试、SEM、TG、吸水与缺陷分析探究PTP对HPRPC的改性机制。结果表明，PTP改性处理增强了HPRPC中汉麻秆粉(HP)与聚乳酸(PLA)的界面相容性；PTP的添加量为0.6wt%时，复合材料的力学性能、热稳定性和缺陷情况最优：与未处理的复合材料相比，改性HPRPC的拉伸强度和弯曲强度分别提高了38.08%和45.24%，力学性能显著提高；初始分解温度和最大失重速率温度分别提高了12.9℃和16.8℃，热稳定性得到改善；吸水率与吸水厚度膨胀率均达到最优，吸水率保持为未改性复合材料的50%左右，吸水厚度膨胀速率显著减缓，96 h时吸水厚度膨胀率仅为2.11%，缺陷情况得到明显改善。
为解决汉麻秆粉/聚乳酸木塑复合材料(Hemp straw powder reinforced polylactic acid composite，HPRPC)力学性能以及热稳定性较差的问题，采用四[β-(3, 5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(Pentaerythritol tetrakis[3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate]，PTP)对HPRPC进行改性处理，并制备不同PTP添加量下的HPRPC，通过FTIR、力学性能测试、SEM、TG、吸水与缺陷分析探究PTP对HPRPC的改性机制。结果表明，PTP改性处理增强了HPRPC中汉麻秆粉(HP)与聚乳酸(PLA)的界面相容性；PTP的添加量为0.6wt%时，复合材料的力学性能、热稳定性和缺陷情况最优：与未处理的复合材料相比，改性HPRPC的拉伸强度和弯曲强度分别提高了38.08%和45.24%，力学性能显著提高；初始分解温度和最大失重速率温度分别提高了12.9℃和16.8℃，热稳定性得到改善；吸水率与吸水厚度膨胀率均达到最优，吸水率保持为未改性复合材料的50%左右，吸水厚度膨胀速率显著减缓，96 h时吸水厚度膨胀率仅为2.11%，缺陷情况得到明显改善。
2023, 40(7): 4149-4163.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220930.002
摘要:
导电水凝胶在柔性可穿戴设备、电子皮肤和生物电极等方面具有很大的应用潜力。然而，复杂多变的应用场景对导电水凝胶在可拉伸性、自愈合性、自黏附性和生物相容性等方面提出了更高的要求。利用水溶性多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)与聚丙烯酸钠(PAA-Na)之间的非共价键交联设计了一种具有高可拉伸性、自愈合、自黏附性和良好生物相容性的导电复合水凝胶(OCAPS/PAA-Na)。OCAPS/PAA-Na水凝胶的断裂伸长率为2537.0%~4056.1%；POSS的加入提高了水凝胶的力学性能，拉伸强度由10.5 kPa提高到23.8 kPa，拉伸模量由7.1 kPa提高到27.8 kPa，断裂能由3.7 kJ·m−2提高到6.8 kJ·m−2。OCAPS/PAA-Na水凝胶具有优异的自愈合性能，自愈合效率达97.8%。该水凝胶对有机材料和无机材料均具有良好的黏附性，黏附强度最高分别达到19.6 kPa和18.2 kPa。细胞毒性试验和溶血试验表明，水凝胶具有优异的生物相容性。制备过程中原位生成的NaCl晶体，提高了水凝胶的电导率(由0.165 S·m−1增加到0.290 S·m−1)。OCAPS/PAA-Na水凝胶可作为应变式电阻传感器材料精确地检测一些细微的人体动作，传感灵敏系数值达5.17，在柔性智能可穿戴设备和电子皮肤领域具有良好的应用前景。
导电水凝胶在柔性可穿戴设备、电子皮肤和生物电极等方面具有很大的应用潜力。然而，复杂多变的应用场景对导电水凝胶在可拉伸性、自愈合性、自黏附性和生物相容性等方面提出了更高的要求。利用水溶性多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)与聚丙烯酸钠(PAA-Na)之间的非共价键交联设计了一种具有高可拉伸性、自愈合、自黏附性和良好生物相容性的导电复合水凝胶(OCAPS/PAA-Na)。OCAPS/PAA-Na水凝胶的断裂伸长率为2537.0%~4056.1%；POSS的加入提高了水凝胶的力学性能，拉伸强度由10.5 kPa提高到23.8 kPa，拉伸模量由7.1 kPa提高到27.8 kPa，断裂能由3.7 kJ·m−2提高到6.8 kJ·m−2。OCAPS/PAA-Na水凝胶具有优异的自愈合性能，自愈合效率达97.8%。该水凝胶对有机材料和无机材料均具有良好的黏附性，黏附强度最高分别达到19.6 kPa和18.2 kPa。细胞毒性试验和溶血试验表明，水凝胶具有优异的生物相容性。制备过程中原位生成的NaCl晶体，提高了水凝胶的电导率(由0.165 S·m−1增加到0.290 S·m−1)。OCAPS/PAA-Na水凝胶可作为应变式电阻传感器材料精确地检测一些细微的人体动作，传感灵敏系数值达5.17，在柔性智能可穿戴设备和电子皮肤领域具有良好的应用前景。
2023, 40(7): 4164-4172.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220916.001
摘要:
聚乙二醇(PEG)具有高相变焓、可生物降解、无毒、耐腐蚀等优点，是一种优异的相变材料。但容易泄露和导热性差这两大缺点阻碍了它的大规模应用。为此，本文以小麦面粉作为基体，海泡石纤维为增强体，利用酵母发酵产气的微生物发泡技术和高温炭化工艺，制得海泡石增强的生物质炭泡沫复合材料SCF-X-Y (X 表示海泡石的添加量，Y 表示炭化温度) 作为PEG相变材料载体。实验结果显示，SCF-10-800的抗压强度可达5.42 MPa。负载PEG后制得的SCF-5-1000@PEG，导热系数达到0.39 W/(m·K)，熔化焓和凝固焓分别为123.4 J·g−1和106.6 J·g−1，并具备优异的抗泄露能力。基于SCF-5-1000@PEG为光吸收源，所组装的光驱动热电转换系统具有63.2%光热转化效率，且可以实现大于400 s的稳定电流输出，彰显其在光-热能-电能转换系统的应用潜能。
聚乙二醇(PEG)具有高相变焓、可生物降解、无毒、耐腐蚀等优点，是一种优异的相变材料。但容易泄露和导热性差这两大缺点阻碍了它的大规模应用。为此，本文以小麦面粉作为基体，海泡石纤维为增强体，利用酵母发酵产气的微生物发泡技术和高温炭化工艺，制得海泡石增强的生物质炭泡沫复合材料SCF-X-Y (X 表示海泡石的添加量，Y 表示炭化温度) 作为PEG相变材料载体。实验结果显示，SCF-10-800的抗压强度可达5.42 MPa。负载PEG后制得的SCF-5-1000@PEG，导热系数达到0.39 W/(m·K)，熔化焓和凝固焓分别为123.4 J·g−1和106.6 J·g−1，并具备优异的抗泄露能力。基于SCF-5-1000@PEG为光吸收源，所组装的光驱动热电转换系统具有63.2%光热转化效率，且可以实现大于400 s的稳定电流输出，彰显其在光-热能-电能转换系统的应用潜能。
2023, 40(7): 4173-4183.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221014.006
摘要:
金刚石复合材料在加工、钻探等领域应用广泛，提高材料中金刚石骨架的结合强度是重要研究方向。以Co50Ni40Fe10多元合金-碳化物替代纯Co作为粘结相，在高温高压条件下制备了金刚石复合材料，结合热力学计算研究了多元合金和碳化物对材料组织的影响。结果表明：相比于Co，Co50Ni40Fe10多元合金具有更强的促进C原子迁移和扩散的能力，能加快金刚石骨架的形成。高温高压条件下，WC中C含量轻微增加，对金刚石骨架的形成影响不大；TiC轻微失C，能在一定程度上促进金刚石骨架的形成；Cr3C2分解产生的C能促进金刚石骨架的形成。
金刚石复合材料在加工、钻探等领域应用广泛，提高材料中金刚石骨架的结合强度是重要研究方向。以Co50Ni40Fe10多元合金-碳化物替代纯Co作为粘结相，在高温高压条件下制备了金刚石复合材料，结合热力学计算研究了多元合金和碳化物对材料组织的影响。结果表明：相比于Co，Co50Ni40Fe10多元合金具有更强的促进C原子迁移和扩散的能力，能加快金刚石骨架的形成。高温高压条件下，WC中C含量轻微增加，对金刚石骨架的形成影响不大；TiC轻微失C，能在一定程度上促进金刚石骨架的形成；Cr3C2分解产生的C能促进金刚石骨架的形成。
2023, 40(7): 4184-4194.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221011.002
摘要:
通过单向拉伸和三点弯曲实验，并结合SEM和EDS分析不同热震工况(次数)下对2.5D编织SiCf/SiC (f表示纤维)陶瓷基复合材料(CMCs)力学性能和损伤的影响。结果表明：2.5D编织SiCf/SiC CMCs在室温无热震和1200℃不同热震工况下的拉伸应力-应变曲线呈现非线性变化，随着热震次数的增加，拉伸强度先逐渐降低，然后小幅度增加，材料在热震10次下的拉伸强度降到48.39%，热震30次后增加到54.11%；材料在室温无热震和1200℃不同热震工况下的三点弯曲位移-载荷曲线也呈现非线性变化，随着热震次数的增加，弯曲强度迅速降低，材料在热震10次下的弯曲强度迅速降到26.06%，热震30次后降到10.77%。从宏观断口分析可知，材料在室温无热震下拉伸、弯曲断口表现为伪脆性断裂特性，而在热震工况下拉伸和弯曲断口则表现出韧性断裂特性。从微观断口观察有纤维拔出、纤维脱粘、界面脱粘、裂纹扩展和纤维断裂等损伤行为，且随着热震次数的增多，界面结合力逐渐减弱，上述等损伤行为均显著增加。
通过单向拉伸和三点弯曲实验，并结合SEM和EDS分析不同热震工况(次数)下对2.5D编织SiCf/SiC (f表示纤维)陶瓷基复合材料(CMCs)力学性能和损伤的影响。结果表明：2.5D编织SiCf/SiC CMCs在室温无热震和1200℃不同热震工况下的拉伸应力-应变曲线呈现非线性变化，随着热震次数的增加，拉伸强度先逐渐降低，然后小幅度增加，材料在热震10次下的拉伸强度降到48.39%，热震30次后增加到54.11%；材料在室温无热震和1200℃不同热震工况下的三点弯曲位移-载荷曲线也呈现非线性变化，随着热震次数的增加，弯曲强度迅速降低，材料在热震10次下的弯曲强度迅速降到26.06%，热震30次后降到10.77%。从宏观断口分析可知，材料在室温无热震下拉伸、弯曲断口表现为伪脆性断裂特性，而在热震工况下拉伸和弯曲断口则表现出韧性断裂特性。从微观断口观察有纤维拔出、纤维脱粘、界面脱粘、裂纹扩展和纤维断裂等损伤行为，且随着热震次数的增多，界面结合力逐渐减弱，上述等损伤行为均显著增加。
2023, 40(7): 4195-4209.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220922.001
摘要:
通过层间丢层形成的变厚度树脂基复合材料构件具有减材减重、可刚性裁剪等优点，常应用于机翼结构等重要位置。但层间丢层会导致构件内部的不连续性，并使构件在固化后产生不均匀残余应力，脱模后发生复杂固化变形。针对变厚度复合材料构件的固化变形预测问题，现有研究多采用等效材料性能参数的建模方法，尚未考虑其树脂口袋等结构特点。本文基于分层建模方法，在丢层位置引入树脂口袋结构，建立了变厚度构件固化变形数值仿真模型。通过与传统等效建模方法、传统分层建模方法及实验的结果比较，本文模型最大翘曲变形模拟值的误差与实验值误差仅为1.01×10−2 mm，且变形趋势一致，验证了模型的有效性和准确性。并分析了不同丢层方式、过渡区斜率、厚薄比对变厚度构件固化变形的影响规律，其中离散丢层的构件变形最小，重叠丢层的构件变形最大，且增加过渡区斜率和降低厚薄比可以有效降低其翘曲变形。
通过层间丢层形成的变厚度树脂基复合材料构件具有减材减重、可刚性裁剪等优点，常应用于机翼结构等重要位置。但层间丢层会导致构件内部的不连续性，并使构件在固化后产生不均匀残余应力，脱模后发生复杂固化变形。针对变厚度复合材料构件的固化变形预测问题，现有研究多采用等效材料性能参数的建模方法，尚未考虑其树脂口袋等结构特点。本文基于分层建模方法，在丢层位置引入树脂口袋结构，建立了变厚度构件固化变形数值仿真模型。通过与传统等效建模方法、传统分层建模方法及实验的结果比较，本文模型最大翘曲变形模拟值的误差与实验值误差仅为1.01×10−2 mm，且变形趋势一致，验证了模型的有效性和准确性。并分析了不同丢层方式、过渡区斜率、厚薄比对变厚度构件固化变形的影响规律，其中离散丢层的构件变形最小，重叠丢层的构件变形最大，且增加过渡区斜率和降低厚薄比可以有效降低其翘曲变形。
2023, 40(7): 4210-4225.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230217.004
摘要:
SiC/SiC复合材料力学性能离散性来源于其结构单元和微结构特征。本文针对结构最简单的单向纤维束SiC/SiC复合材料，通过双参数Weibull分布和中位估计分布分析其强度分布规律，基于该复合材料各组元(基体、界面相、纤维)微结构的深度学习来揭示其离散性。结果表明：小试炉和中试炉制备的单向纤维束SiC/SiC的拉伸强度分别位于(331.02 MPa，407.82 MPa)和(161.09 MPa，540.95 MPa)；前者威布尔模数(20.59)比后者(5.01)高出75.7%，表明中试的离散性增大。断口形貌深度学习结果表明：基体开裂、界面偏转和纤维断裂拔出是主要的失效机制，定量分析得到基体裂纹间距分布于(83.2 μm，107.8 μm)，通过细观力学公式计算表明基体非均匀性为影响复合材料可靠性的主要原因。
SiC/SiC复合材料力学性能离散性来源于其结构单元和微结构特征。本文针对结构最简单的单向纤维束SiC/SiC复合材料，通过双参数Weibull分布和中位估计分布分析其强度分布规律，基于该复合材料各组元(基体、界面相、纤维)微结构的深度学习来揭示其离散性。结果表明：小试炉和中试炉制备的单向纤维束SiC/SiC的拉伸强度分别位于(331.02 MPa，407.82 MPa)和(161.09 MPa，540.95 MPa)；前者威布尔模数(20.59)比后者(5.01)高出75.7%，表明中试的离散性增大。断口形貌深度学习结果表明：基体开裂、界面偏转和纤维断裂拔出是主要的失效机制，定量分析得到基体裂纹间距分布于(83.2 μm，107.8 μm)，通过细观力学公式计算表明基体非均匀性为影响复合材料可靠性的主要原因。
2023, 40(7): 4226-4236.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221014.007
摘要:
针对蜂窝结构抗冲击性能进行有限元仿真，验证模型与实验结果的一致性，主要研究了碳纤维增强树脂基复合材 料(CFRP)面板-功能梯度蜂窝夹层板在低速冲击下的防护特性。通过改变壁厚在传统蜂窝结构中引入密度梯度，针对不同冲击能量和不同梯度系数α，对比研究了功能梯度夹层板和传统夹层板的吸能特性。结果表明，冲击能量较小时α>1的蜂窝夹层板具有更好的吸能特性，随着冲击能量的增大，具有吸能优越性的芯层从α>1逐渐向α<1转变，当冲击能量足够击穿整个夹层板时，α<1的夹层板具有更好的吸能特性。在20 J、50 J和100 J冲击能量下，同等质量下的功能梯度夹层板比传统夹层板吸能分别提升7.54%、5.33%和8.65%。
针对蜂窝结构抗冲击性能进行有限元仿真，验证模型与实验结果的一致性，主要研究了碳纤维增强树脂基复合材 料(CFRP)面板-功能梯度蜂窝夹层板在低速冲击下的防护特性。通过改变壁厚在传统蜂窝结构中引入密度梯度，针对不同冲击能量和不同梯度系数α，对比研究了功能梯度夹层板和传统夹层板的吸能特性。结果表明，冲击能量较小时α>1的蜂窝夹层板具有更好的吸能特性，随着冲击能量的增大，具有吸能优越性的芯层从α>1逐渐向α<1转变，当冲击能量足够击穿整个夹层板时，α<1的夹层板具有更好的吸能特性。在20 J、50 J和100 J冲击能量下，同等质量下的功能梯度夹层板比传统夹层板吸能分别提升7.54%、5.33%和8.65%。
2023, 40(7): 4237-4245.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220927.001
摘要:
聚合物/金属界面性能显著影响由金属和聚合物形成的复合材料的力学性能。结合热力学理论分析和分子动力学模拟，系统计算了几种典型聚合物(聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)、聚苯乙烯 (PS))和金属(Al、Ni、Cu、Fe)形成界面的断裂能及界面强度。聚合物/金属界面的界面应力随着界面位移的增加先增加，达到强度后进入界面损伤阶段，界面应力减小，直到界面完全断裂，应力降低为0。不同聚合物/金属界面的强度大小变化趋势与界面断裂能一致，界面断裂能模拟与理论计算结果基本一致。聚合物/金属界面断裂能与金属表面能强弱有关，由于金属的表面能随着Ni、Fe、Cu、Al的顺序逐渐减小，相应形成的聚合物/金属界面的断裂能也按照聚合物/Ni、聚合物/Fe、聚合物/Cu、聚合物/Al的顺序逐渐减小；同种金属情况下，PE/金属和PP/金属的界面强度相近，且均小于PS/金属的界面强度。进一步，界面的损伤通过聚合物的自由体积演化进行了表征。研究结果为聚合物/金属复合材料的选材、设计及应用提供了依据。
聚合物/金属界面性能显著影响由金属和聚合物形成的复合材料的力学性能。结合热力学理论分析和分子动力学模拟，系统计算了几种典型聚合物(聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)、聚苯乙烯 (PS))和金属(Al、Ni、Cu、Fe)形成界面的断裂能及界面强度。聚合物/金属界面的界面应力随着界面位移的增加先增加，达到强度后进入界面损伤阶段，界面应力减小，直到界面完全断裂，应力降低为0。不同聚合物/金属界面的强度大小变化趋势与界面断裂能一致，界面断裂能模拟与理论计算结果基本一致。聚合物/金属界面断裂能与金属表面能强弱有关，由于金属的表面能随着Ni、Fe、Cu、Al的顺序逐渐减小，相应形成的聚合物/金属界面的断裂能也按照聚合物/Ni、聚合物/Fe、聚合物/Cu、聚合物/Al的顺序逐渐减小；同种金属情况下，PE/金属和PP/金属的界面强度相近，且均小于PS/金属的界面强度。进一步，界面的损伤通过聚合物的自由体积演化进行了表征。研究结果为聚合物/金属复合材料的选材、设计及应用提供了依据。
2023, 40(7): 4246-4259.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221024.005
摘要:
为寻求具有节能作用的建筑材料，通过实验设计和数值模拟的方法，研究制备出一种具有蓄热和调温能力的相变蓄热泡沫混凝土，其干密度等级为700 kg/m3，定型复合相变材料的含量分别占胶凝材料质量的0%、3%、6%、9%、12%和15%。探究了定型复合相变材料对泡沫混凝土的干密度、抗压强度和热物性的影响，并且利用ABAQUS有限元软件建立相变蓄热泡沫混凝土墙体模型，研究了相变蓄热泡沫混凝土墙体的蓄热和调温性能。实验结果表明，随着定型复合相变材料含量的增加，相变蓄热泡沫混凝土的干密度、抗压强度和导热系数逐渐减小，当定型复合相变材料含量为15%时，干密度、抗压强度和导热系数达到最小值，分别为661 kg/m3、2.18 MPa和0.144 W/(m·K)。随着定型复合相变材料含量的增加，泡沫混凝土的相变温度、相变潜热和比热容也增大，当定型复合相变材料含量为15%时，相变温度为24.83℃，相变潜热为12.320 J/g，比热容为1462 J/(kg·℃)。有限元模拟结果表明，当定型复合相变材料含量为15%时，相变蓄热泡沫混凝土墙体内表面温度波动区间为25.37~26.57℃，最大温差为1.20℃，相较于纯泡沫混凝土降低了0.46℃，达到最高温度的时间相较于纯泡沫混凝土墙体延迟了1.83 h，达到最低温度的时间相较于纯泡沫混凝土墙体延迟了1.16 h。当相变蓄热泡沫混凝土布置在墙体内侧时，其蓄热调温效果最好。
为寻求具有节能作用的建筑材料，通过实验设计和数值模拟的方法，研究制备出一种具有蓄热和调温能力的相变蓄热泡沫混凝土，其干密度等级为700 kg/m3，定型复合相变材料的含量分别占胶凝材料质量的0%、3%、6%、9%、12%和15%。探究了定型复合相变材料对泡沫混凝土的干密度、抗压强度和热物性的影响，并且利用ABAQUS有限元软件建立相变蓄热泡沫混凝土墙体模型，研究了相变蓄热泡沫混凝土墙体的蓄热和调温性能。实验结果表明，随着定型复合相变材料含量的增加，相变蓄热泡沫混凝土的干密度、抗压强度和导热系数逐渐减小，当定型复合相变材料含量为15%时，干密度、抗压强度和导热系数达到最小值，分别为661 kg/m3、2.18 MPa和0.144 W/(m·K)。随着定型复合相变材料含量的增加，泡沫混凝土的相变温度、相变潜热和比热容也增大，当定型复合相变材料含量为15%时，相变温度为24.83℃，相变潜热为12.320 J/g，比热容为1462 J/(kg·℃)。有限元模拟结果表明，当定型复合相变材料含量为15%时，相变蓄热泡沫混凝土墙体内表面温度波动区间为25.37~26.57℃，最大温差为1.20℃，相较于纯泡沫混凝土降低了0.46℃，达到最高温度的时间相较于纯泡沫混凝土墙体延迟了1.83 h，达到最低温度的时间相较于纯泡沫混凝土墙体延迟了1.16 h。当相变蓄热泡沫混凝土布置在墙体内侧时，其蓄热调温效果最好。
2023, 40(7): 4260-4269.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220922.002
摘要:
各向异性的复合材料在固化成型过程中极易产生残余应力，直接影响后续的加工与连接装配。因此，掌握复合材料固化残余应力的分布规律是实现复合材料制件高性能制造的前提和基础。本文在分析传统切割槽法测量应力的基础上，根据变形产生机制将制件在切割槽加工后所产生的变形分为由固化残余应力释放及重力引起的两部分组成。在利用有限元方法给出重力影响制件几何变形规律后，依据弯曲变形理论建立了固化残余应力与试件几何变形之间的映射关系，并据此获得固化残余应力分布状态。与传统切割槽法所得结果对比后表明：本文所提方法能得到与传统切割槽法相一致的应力分布规律；当选择合适的测量点位置后二者对固化残余应力估算的平均误差可控制在14%以内。
各向异性的复合材料在固化成型过程中极易产生残余应力，直接影响后续的加工与连接装配。因此，掌握复合材料固化残余应力的分布规律是实现复合材料制件高性能制造的前提和基础。本文在分析传统切割槽法测量应力的基础上，根据变形产生机制将制件在切割槽加工后所产生的变形分为由固化残余应力释放及重力引起的两部分组成。在利用有限元方法给出重力影响制件几何变形规律后，依据弯曲变形理论建立了固化残余应力与试件几何变形之间的映射关系，并据此获得固化残余应力分布状态。与传统切割槽法所得结果对比后表明：本文所提方法能得到与传统切割槽法相一致的应力分布规律；当选择合适的测量点位置后二者对固化残余应力估算的平均误差可控制在14%以内。
2023, 40(7): 4270-4281.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220930.004
摘要:
针对化学气相沉积(CVI)工艺2D C/SiC材料制备热结构中大量采用的在线铆钉连接形式及地面试验中表现出的特点，研究了铆钉与平板开孔之间采用间隙或过盈配合不同形式对力学性能的影响。制备了典型含铆钉单元试件并进行了细观形貌观测，通过铆钉顶出试验得到了不同配合条件下顶出静强度及疲劳规律；通过不同配合条件下含铆钉试件与开孔试件的拉伸静强度试验，获得了C/SiC在线铆接导致的面内连接强度性能下降的规律；描述了纤维束变形和材料局部区域破坏的特点，并依据形貌观测开展了数值计算验证。在此基础上，针对C/SiC过盈配合铆接形式提出了考虑孔边应力集中影响的改进点应力失效准则。结果表明：过盈配合可以改善铆钉与平板之间的连接可靠性，显著提高铆钉顶出静强度和疲劳强度，但过盈配合铆接的工艺过程使得孔边局部碳布纤维产生挤压偏折变形并导致了孔边预应力。
针对化学气相沉积(CVI)工艺2D C/SiC材料制备热结构中大量采用的在线铆钉连接形式及地面试验中表现出的特点，研究了铆钉与平板开孔之间采用间隙或过盈配合不同形式对力学性能的影响。制备了典型含铆钉单元试件并进行了细观形貌观测，通过铆钉顶出试验得到了不同配合条件下顶出静强度及疲劳规律；通过不同配合条件下含铆钉试件与开孔试件的拉伸静强度试验，获得了C/SiC在线铆接导致的面内连接强度性能下降的规律；描述了纤维束变形和材料局部区域破坏的特点，并依据形貌观测开展了数值计算验证。在此基础上，针对C/SiC过盈配合铆接形式提出了考虑孔边应力集中影响的改进点应力失效准则。结果表明：过盈配合可以改善铆钉与平板之间的连接可靠性，显著提高铆钉顶出静强度和疲劳强度，但过盈配合铆接的工艺过程使得孔边局部碳布纤维产生挤压偏折变形并导致了孔边预应力。
2023, 40(7): 4282-4293.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220922.003
摘要:
利用有限元分析软件Abaqus在有限元模型颗粒界面引入内聚力单元，研究了不同形状和不同体积分数SiC颗粒的SiC/AZ91D镁基复合材料在单轴压缩情况下裂纹萌生扩展机制。内聚力单元的引入避免了线弹性力学需要在试件中预制裂纹和裂纹尖端存在奇异性的弊端，提供了一种解决裂纹扩展问题的新手段。结果表明：圆形、原始形状和正方形颗粒SiC/AZ91D镁基复合材料抗压强度分别为474.853 MPa、435.783 MPa和397.211 MPa；其裂纹萌芽和断裂时间分别为施载后第15.6 μs、第14.4 μs、第12.6 μs和第22.2 μs、第20.4 μs、第18 μs；圆形颗粒复合材料裂纹扩展机制是基体损伤萌生的裂纹扩张导致材料断裂，而正方形和原始形状颗粒复合材料裂纹扩展机制是颗粒与基体交界处萌生裂纹，主裂纹和次生裂纹相互贯通，致使材料断裂；体积分数10vol%、15vol%和20vol%原始形状颗粒的SiC/AZ91D镁基复合材料裂纹萌芽和断裂时间分别在施载后第15.6 μs、第14.4 μs、第11.4 μs和第22.2 μs、第20.4 μs和第18 μs；颗粒体积分数的增加会加速SiC/AZ91D镁基复合材料的裂纹扩展过程。
利用有限元分析软件Abaqus在有限元模型颗粒界面引入内聚力单元，研究了不同形状和不同体积分数SiC颗粒的SiC/AZ91D镁基复合材料在单轴压缩情况下裂纹萌生扩展机制。内聚力单元的引入避免了线弹性力学需要在试件中预制裂纹和裂纹尖端存在奇异性的弊端，提供了一种解决裂纹扩展问题的新手段。结果表明：圆形、原始形状和正方形颗粒SiC/AZ91D镁基复合材料抗压强度分别为474.853 MPa、435.783 MPa和397.211 MPa；其裂纹萌芽和断裂时间分别为施载后第15.6 μs、第14.4 μs、第12.6 μs和第22.2 μs、第20.4 μs、第18 μs；圆形颗粒复合材料裂纹扩展机制是基体损伤萌生的裂纹扩张导致材料断裂，而正方形和原始形状颗粒复合材料裂纹扩展机制是颗粒与基体交界处萌生裂纹，主裂纹和次生裂纹相互贯通，致使材料断裂；体积分数10vol%、15vol%和20vol%原始形状颗粒的SiC/AZ91D镁基复合材料裂纹萌芽和断裂时间分别在施载后第15.6 μs、第14.4 μs、第11.4 μs和第22.2 μs、第20.4 μs和第18 μs；颗粒体积分数的增加会加速SiC/AZ91D镁基复合材料的裂纹扩展过程。
