2024年 第41卷 第3期
2024, 41(3): 1093-1108.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230814.003
摘要:
金属有机骨架(MOF)作为一种新型多孔晶体材料，因其具有高孔隙率、结构多样、化学结构可控等特点可被作为纳米粒子和载体使用。基于MOF材料的涂层可兼具MOF本身的优点，但基于MOF材料的涂层应用和机制研究的综述性论文不多。本文针对基于MOF材料的涂层国内外研究现状进行了介绍，重点阐述了基于MOF材料的涂层防/除冰应用(超疏水表面和光滑液体注入多孔表面(SLIPS))、防腐应用(MOF材料作为纳米粒子和载体)和抗菌应用(基于金属离子释放、基于光动力(PDT)和基于光热(PTT))，并归纳出不同涂层的防/除冰机制(降低水的凝固温度和减少冰的黏附)、防腐机制(直接物理阻隔或生成化合物而达到阻隔效果)和抗菌机制(对真核细胞具有弱毒性的金属离子达到抗菌效果、活性氧(ROS)在光照射下激活达到抑菌效果和通过吸收外界光产生热量，随温度升高而达到抗菌效果)。并对基于MOF材料的涂层面临的关键挑战、潜在应用和发展前景进行了展望。
金属有机骨架(MOF)作为一种新型多孔晶体材料，因其具有高孔隙率、结构多样、化学结构可控等特点可被作为纳米粒子和载体使用。基于MOF材料的涂层可兼具MOF本身的优点，但基于MOF材料的涂层应用和机制研究的综述性论文不多。本文针对基于MOF材料的涂层国内外研究现状进行了介绍，重点阐述了基于MOF材料的涂层防/除冰应用(超疏水表面和光滑液体注入多孔表面(SLIPS))、防腐应用(MOF材料作为纳米粒子和载体)和抗菌应用(基于金属离子释放、基于光动力(PDT)和基于光热(PTT))，并归纳出不同涂层的防/除冰机制(降低水的凝固温度和减少冰的黏附)、防腐机制(直接物理阻隔或生成化合物而达到阻隔效果)和抗菌机制(对真核细胞具有弱毒性的金属离子达到抗菌效果、活性氧(ROS)在光照射下激活达到抑菌效果和通过吸收外界光产生热量，随温度升高而达到抗菌效果)。并对基于MOF材料的涂层面临的关键挑战、潜在应用和发展前景进行了展望。
2024, 41(3): 1109-1123.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230922.003
摘要:
纤维素纳米纤维 (CNFs) 作为一种新型的一维纳米材料，具有来源广泛、长径比高、力学性能优异等特点。以CNFs为载体或增强相通过不同的方法可以制备出多种多样的电磁屏蔽功能复合材料，如气凝胶、薄膜和海绵等。本文基于电磁屏蔽的原理，综述了CNFs基电磁屏蔽材料的制备方法及研究进展，并比较了不同的CNFs基电磁屏蔽材料在结构和性能上的差异，最后对CNFs基电磁屏蔽功能复合材料未来的发展方向进行了展望。
纤维素纳米纤维 (CNFs) 作为一种新型的一维纳米材料，具有来源广泛、长径比高、力学性能优异等特点。以CNFs为载体或增强相通过不同的方法可以制备出多种多样的电磁屏蔽功能复合材料，如气凝胶、薄膜和海绵等。本文基于电磁屏蔽的原理，综述了CNFs基电磁屏蔽材料的制备方法及研究进展，并比较了不同的CNFs基电磁屏蔽材料在结构和性能上的差异，最后对CNFs基电磁屏蔽功能复合材料未来的发展方向进行了展望。
2024, 41(3): 1124-1140.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231108.002
摘要:
随着科学技术的飞速发展及日益增长的技术需求，不仅能够承受高温同时可以在高温下依然保持高强度、高抗氧化性等优异性能的超高温陶瓷材料成为主要研究趋势。ZrB2和ZrC由于具有高熔点、良好的导电导热性、低密度、较低的热膨胀系数等，同时在高温下具有高强度和良好的抗氧化性等优点，成为非常有潜力的超高温结构陶瓷材料。目前ZrB2、ZrC单相粉末已经很难满足航空航天领域中极端条件的要求，因此ZrB2-ZrC复合粉末的制备研究受到广泛关注。本文对ZrB2、ZrC单相粉末及ZrB2-ZrC复合粉末的合成原理及制备方法进行了综述，分析了目前ZrB2、ZrC单相粉末及ZrB2-ZrC复合粉末制备研究中存在的局限，对其未来研究方向进行了展望。
随着科学技术的飞速发展及日益增长的技术需求，不仅能够承受高温同时可以在高温下依然保持高强度、高抗氧化性等优异性能的超高温陶瓷材料成为主要研究趋势。ZrB2和ZrC由于具有高熔点、良好的导电导热性、低密度、较低的热膨胀系数等，同时在高温下具有高强度和良好的抗氧化性等优点，成为非常有潜力的超高温结构陶瓷材料。目前ZrB2、ZrC单相粉末已经很难满足航空航天领域中极端条件的要求，因此ZrB2-ZrC复合粉末的制备研究受到广泛关注。本文对ZrB2、ZrC单相粉末及ZrB2-ZrC复合粉末的合成原理及制备方法进行了综述，分析了目前ZrB2、ZrC单相粉末及ZrB2-ZrC复合粉末制备研究中存在的局限，对其未来研究方向进行了展望。
2024, 41(3): 1141-1152.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230914.001
摘要:
压电聚合物聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE)) 作为聚偏氟乙烯(PVDF)典型的共聚物，具有优异的压电性能、机械性能及生物相容性。因此基于P(VDF-TrFE) 静电纺压电网膜的柔性压电传感器与能量收集器在可穿戴电子设备、智能纺织品及医疗健康系统等领域有着广阔的前景，能够将触觉/压力、应变、声波甚至生理微振动等信号转换为电学信号或低功率的电能。本文旨在深入分析P(VDF-TrFE) 压电性能的机制，总结各种提升静电纺P(VDF-TrFE) 纳米纤维压电性的策略，全面概述P(VDF-TrFE) 基柔性压电传感与能量收集方面的应用，特别是在压力与触觉传感、声传感、生物组织传感、生理微振动传感及能量收集等领域的研究进展。阐述了静电纺压电聚合物纳米纤维的新兴应用场景，并讨论了该领域目前的挑战和未来前景。
压电聚合物聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE)) 作为聚偏氟乙烯(PVDF)典型的共聚物，具有优异的压电性能、机械性能及生物相容性。因此基于P(VDF-TrFE) 静电纺压电网膜的柔性压电传感器与能量收集器在可穿戴电子设备、智能纺织品及医疗健康系统等领域有着广阔的前景，能够将触觉/压力、应变、声波甚至生理微振动等信号转换为电学信号或低功率的电能。本文旨在深入分析P(VDF-TrFE) 压电性能的机制，总结各种提升静电纺P(VDF-TrFE) 纳米纤维压电性的策略，全面概述P(VDF-TrFE) 基柔性压电传感与能量收集方面的应用，特别是在压力与触觉传感、声传感、生物组织传感、生理微振动传感及能量收集等领域的研究进展。阐述了静电纺压电聚合物纳米纤维的新兴应用场景，并讨论了该领域目前的挑战和未来前景。
2024, 41(3): 1153-1165.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230913.001
摘要:
二氧化碳过度排放导致的全球变暖、海平面上升和气候恶化等生态环境问题日益显著，亟需探寻新型处理技术和生物质材料来缓解这一问题。本文综述了生物质壳聚糖在二氧化碳分离、捕获和资源化利用领域的研究进展；详细阐述了壳聚糖膜对CO2的分离机制及提高膜分离性能的方法；归纳了增强壳聚糖基活性炭对CO2捕获性能的方法；对利用壳聚糖基催化剂将CO2转化为碳酸酯、甲烷和烯烃等增值品的相关研究进行了总结。最后，对生物质壳聚糖在未来助力“双碳”战略目标实现过程中的发展趋势进行了展望。
二氧化碳过度排放导致的全球变暖、海平面上升和气候恶化等生态环境问题日益显著，亟需探寻新型处理技术和生物质材料来缓解这一问题。本文综述了生物质壳聚糖在二氧化碳分离、捕获和资源化利用领域的研究进展；详细阐述了壳聚糖膜对CO2的分离机制及提高膜分离性能的方法；归纳了增强壳聚糖基活性炭对CO2捕获性能的方法；对利用壳聚糖基催化剂将CO2转化为碳酸酯、甲烷和烯烃等增值品的相关研究进行了总结。最后，对生物质壳聚糖在未来助力“双碳”战略目标实现过程中的发展趋势进行了展望。
2024, 41(3): 1166-1178.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231031.003
摘要:
质子交换膜(PEM)作为聚合物电解质燃料电池关键部件直接影响着电池性能，拓宽其运行温度和湿度范围有利于简化燃料电池水、热管理设计，从而促进电池小型化和降低成本。近些年来，开发天然粘土/聚合物复合膜已成为提升传统PEM性能和拓宽其应用温、湿度范围的重要途径之一。天然粘土矿物多为含水层状硅酸盐化合物，特殊的孔、层结构和纳米尺度赋予其较大的比表面积和表面效应，其表面和层间富含的羟基在提高复合膜机械强度的同时固定了传质介质，从而在复合膜中构建新的质子传导通道用以提高膜的性能。从纳米微观多个维度综述了不同类别粘土矿物的结构与性能，以及其在质子交换膜中的研究进展，对天然粘土矿物复合质子交换膜的研究进行了总结与展望。
质子交换膜(PEM)作为聚合物电解质燃料电池关键部件直接影响着电池性能，拓宽其运行温度和湿度范围有利于简化燃料电池水、热管理设计，从而促进电池小型化和降低成本。近些年来，开发天然粘土/聚合物复合膜已成为提升传统PEM性能和拓宽其应用温、湿度范围的重要途径之一。天然粘土矿物多为含水层状硅酸盐化合物，特殊的孔、层结构和纳米尺度赋予其较大的比表面积和表面效应，其表面和层间富含的羟基在提高复合膜机械强度的同时固定了传质介质，从而在复合膜中构建新的质子传导通道用以提高膜的性能。从纳米微观多个维度综述了不同类别粘土矿物的结构与性能，以及其在质子交换膜中的研究进展，对天然粘土矿物复合质子交换膜的研究进行了总结与展望。
2024, 41(3): 1179-1191.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230914.002
摘要:
纤维增强聚合物(FRP)复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、经济效益高的优势，在基础建设施设中表现出巨大潜力，但在复杂环境下长期服役后，FRP复合材料的力学性能下降超过50%，限制了其在工程中的应用。基于此，针对FRP复合材料各组分优化设计方法进行了总结，并分析了热氧、紫外线、腐蚀介质环境中FRP复合材料的长期性能演化规律；根据化学结构及微观形貌分析，阐述了FRP复合材料在复杂环境中的劣化机制，进一步归纳了其在复杂环境下的长期性能预测模型，可为保证FRP复合材料在复杂环境中的长期使用性能提供理论依据，促进其在实际工程中的应用。
纤维增强聚合物(FRP)复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、经济效益高的优势，在基础建设施设中表现出巨大潜力，但在复杂环境下长期服役后，FRP复合材料的力学性能下降超过50%，限制了其在工程中的应用。基于此，针对FRP复合材料各组分优化设计方法进行了总结，并分析了热氧、紫外线、腐蚀介质环境中FRP复合材料的长期性能演化规律；根据化学结构及微观形貌分析，阐述了FRP复合材料在复杂环境中的劣化机制，进一步归纳了其在复杂环境下的长期性能预测模型，可为保证FRP复合材料在复杂环境中的长期使用性能提供理论依据，促进其在实际工程中的应用。
2024, 41(3): 1192-1203.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231019.001
摘要:
风力发电因其清洁、高效、可再生等优点，成为我国能源发展战略行动计划的重要一环，我国已成为全球风电装机规模最大的国家。随着风电机组退役潮的到来，退役风电叶片(Retired wind turbine blades，RWTB)成为我国急需解决的大型固体废弃材料。风电叶片主要由玻璃纤维/碳纤维/植物纤维增强复合材料制备而成，传统处理方式主要为填埋和焚烧，不仅造成大量资源浪费，而且导致环境污染。对RWTB的资源化和高值化利用已成为国家高度关注的研究热点。本文简述了国内外风电装机规模及RWTB的发展规模，综述了风电叶片的现有回收技术(机械回收、热解回收、化学回收)及RWTB的回收应用现状，总结分析了各类回收技术及应用领域的优缺点。对RWTB的回收技术及应用前景进行了分析展望，提出“多措并举”的梯级利用及尽可能避免出现二次废弃物的“高效规范全利用”是RWTB回收利用技术重要的研究方向。
风力发电因其清洁、高效、可再生等优点，成为我国能源发展战略行动计划的重要一环，我国已成为全球风电装机规模最大的国家。随着风电机组退役潮的到来，退役风电叶片(Retired wind turbine blades，RWTB)成为我国急需解决的大型固体废弃材料。风电叶片主要由玻璃纤维/碳纤维/植物纤维增强复合材料制备而成，传统处理方式主要为填埋和焚烧，不仅造成大量资源浪费，而且导致环境污染。对RWTB的资源化和高值化利用已成为国家高度关注的研究热点。本文简述了国内外风电装机规模及RWTB的发展规模，综述了风电叶片的现有回收技术(机械回收、热解回收、化学回收)及RWTB的回收应用现状，总结分析了各类回收技术及应用领域的优缺点。对RWTB的回收技术及应用前景进行了分析展望，提出“多措并举”的梯级利用及尽可能避免出现二次废弃物的“高效规范全利用”是RWTB回收利用技术重要的研究方向。
2024, 41(3): 1204-1214.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231017.001
摘要:
超晶格La-Mg/Y-Ni复合储氢合金具有放电容量大、能量密度高和成本低等优点，是一种重要的氢能存储和转换材料，目前主要用做镍氢电池负极材料和直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂。La-Mg-Ni复合合金最初是在La-Ni基储氢合金的基础上，通过用部分Mg替代La而发展起来的。由于La-Mg-Ni复合合金中金属Mg熔点、沸点低，易挥发，导致采用常规熔炼法很难制备；同时合金中的Mg在碱性电解液中容易腐蚀、氧化，导致合金的循环稳定性差。为克服La-Mg-Ni复合合金制备困难和循环稳定性差等问题，研究者又在La-Ni基储氢合金的基础上，通过用部分Y替代La开发出了La-Y-Ni合金。La-Mg-Ni和La-Y-Ni复合合金具有非常相似的超晶格结构，均能表现出很好的储氢性能，均属于同一类新型超晶格结构储氢合金。本文对La-Mg/Y-Ni储氢合金近20多年的研究成果进行了梳理。本文首先介绍超晶格La-Mg-Ni和La-Y-Ni复合合金的相结构组成及相结构的演变规律，同时分析了Mg元素和Y元素部分替代La元素分别对La-Mg/Y-Ni合金结构和性能的影响，然后讨论了La-Mg/Y-Ni复合合金中的相结构对合金性能的影响。最后，指出了超晶格La-Mg/Y-Ni复合储氢合金未来所面临的挑战和发展方向。
超晶格La-Mg/Y-Ni复合储氢合金具有放电容量大、能量密度高和成本低等优点，是一种重要的氢能存储和转换材料，目前主要用做镍氢电池负极材料和直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂。La-Mg-Ni复合合金最初是在La-Ni基储氢合金的基础上，通过用部分Mg替代La而发展起来的。由于La-Mg-Ni复合合金中金属Mg熔点、沸点低，易挥发，导致采用常规熔炼法很难制备；同时合金中的Mg在碱性电解液中容易腐蚀、氧化，导致合金的循环稳定性差。为克服La-Mg-Ni复合合金制备困难和循环稳定性差等问题，研究者又在La-Ni基储氢合金的基础上，通过用部分Y替代La开发出了La-Y-Ni合金。La-Mg-Ni和La-Y-Ni复合合金具有非常相似的超晶格结构，均能表现出很好的储氢性能，均属于同一类新型超晶格结构储氢合金。本文对La-Mg/Y-Ni储氢合金近20多年的研究成果进行了梳理。本文首先介绍超晶格La-Mg-Ni和La-Y-Ni复合合金的相结构组成及相结构的演变规律，同时分析了Mg元素和Y元素部分替代La元素分别对La-Mg/Y-Ni合金结构和性能的影响，然后讨论了La-Mg/Y-Ni复合合金中的相结构对合金性能的影响。最后，指出了超晶格La-Mg/Y-Ni复合储氢合金未来所面临的挑战和发展方向。
2024, 41(3): 1215-1225.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230911.003
摘要:
基于优异的力学性能、良好的耐久性及低碳环保的合成特点，地质聚合物被视为最有可能替代硅酸盐水泥的新型胶凝材料。然而，目前地质聚合物还存在一些缺陷：一方面，粉煤灰、煤矸石等钙含量较低的煤系固废只有在高温下才能获得较高的强度，而在室温条件下制备的地质聚合物强度较低；另一方面，地质聚合物存在脆性高、韧性低等缺点，严重制约了地质聚合物的大规模应用。本文综述了机械力化学作用，硅、铝、钙物质复掺，纤维、有机物改性对地质聚合物力学性能的影响和强化增韧的作用机制，并针对今后需要深入开展的相关研究提出建议。
基于优异的力学性能、良好的耐久性及低碳环保的合成特点，地质聚合物被视为最有可能替代硅酸盐水泥的新型胶凝材料。然而，目前地质聚合物还存在一些缺陷：一方面，粉煤灰、煤矸石等钙含量较低的煤系固废只有在高温下才能获得较高的强度，而在室温条件下制备的地质聚合物强度较低；另一方面，地质聚合物存在脆性高、韧性低等缺点，严重制约了地质聚合物的大规模应用。本文综述了机械力化学作用，硅、铝、钙物质复掺，纤维、有机物改性对地质聚合物力学性能的影响和强化增韧的作用机制，并针对今后需要深入开展的相关研究提出建议。
2024, 41(3): 1226-1234.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230714.002
摘要:
以环氧树脂(EP51)为基体，乙炔炭黑(ACB)和镍粉(Ni)为填料，聚醚多元醇(PPG)为增韧剂共混制成打印墨水，利用直写3D打印机制备ACB-Ni/EP51复合材料。通过流变仪、直写3D打印机对墨水的流变性能和可打印性进行表征；通过拉力实验机(UTM)、扫描电镜(SEM)、动态热机械分析仪(DMA)、差示扫描量热仪(DSC) 对材料力学性能、微观形貌、动态力学性能、差热性能和形状记忆效应进行表征，探究了填料含量对墨水和材料性能的影响。结果表明：ACB含量达到12wt%时，墨水具有良好的可打印性；当Ni粉含量达到16wt%时，打印针头堵塞造成打印不连续、不均匀。固化后生成的“海岛”增韧结构使材料拉伸强度明显提高(60 MPa以上)。随着Ni粉含量增加，对拉伸强度的影响由促进变为削弱。当Ni粉含量从6wt%增加至14wt%，形状固定率(Rf)从99.4%降至94.2%。在300 kHz交变磁场作用下，形状发生回复，Ni粉含量增加使形状回复率(Rr)和回复速率升高，Rr从94.8%提升至99.1%，回复时间从39 s缩短至17 s。Ni-ACB/EP51复合材料具有较好的形状记忆性能，在空间可展开结构、驱动器及4D打印等方面有一定的应用前景。
以环氧树脂(EP51)为基体，乙炔炭黑(ACB)和镍粉(Ni)为填料，聚醚多元醇(PPG)为增韧剂共混制成打印墨水，利用直写3D打印机制备ACB-Ni/EP51复合材料。通过流变仪、直写3D打印机对墨水的流变性能和可打印性进行表征；通过拉力实验机(UTM)、扫描电镜(SEM)、动态热机械分析仪(DMA)、差示扫描量热仪(DSC) 对材料力学性能、微观形貌、动态力学性能、差热性能和形状记忆效应进行表征，探究了填料含量对墨水和材料性能的影响。结果表明：ACB含量达到12wt%时，墨水具有良好的可打印性；当Ni粉含量达到16wt%时，打印针头堵塞造成打印不连续、不均匀。固化后生成的“海岛”增韧结构使材料拉伸强度明显提高(60 MPa以上)。随着Ni粉含量增加，对拉伸强度的影响由促进变为削弱。当Ni粉含量从6wt%增加至14wt%，形状固定率(Rf)从99.4%降至94.2%。在300 kHz交变磁场作用下，形状发生回复，Ni粉含量增加使形状回复率(Rr)和回复速率升高，Rr从94.8%提升至99.1%，回复时间从39 s缩短至17 s。Ni-ACB/EP51复合材料具有较好的形状记忆性能，在空间可展开结构、驱动器及4D打印等方面有一定的应用前景。
2024, 41(3): 1235-1248.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230814.005
摘要:
近年来结构功能一体化碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)受到广泛关注，而高强、高模和高导热的碳纳米管膜的层间增强增刚技术为此提供了新思路。本文基于原始的碳纳米管膜(P-CNTF)，采用湿拉伸法和环氧化反应制备了取向、环氧化和取向-环氧化碳纳米管膜(S-CNTF、E-CNTF和S-E-CNTF)，分别用于层间增强增刚CFRP (分别记作CFRP/S-CNTF、CFRP/E-CNTF和CFRP/S-E-CNTF)，分析了碳纳米管膜的物化特性和拉伸性能，并结合Jumahat的联合预测模型和实验验证研究了碳纳米管膜对CFRP的纵向压缩强度和失效机制的影响，同时探讨了CFRP的面内导热性能及其导热机制。结果表明：相较P-CNTF，S-E-CNTF膜内碳管呈现高度取向的集束状态，表面化学活性明显增强，使其拉伸强度和模量分别提高到116 MPa和6.3 GPa。对比于CFRP，CFRP/S-E-CNTF的面内剪切模量和层间剪切强度分别提高了28.3%和34.2%，表明S-E-CNTF能有效增强CFRP抵抗剪切变形和裂纹扩展的能力；模型预测表明CFRP/S-E-CNTF的理论弹性压缩应力和塑性压缩应力分别提高了30.7%和32.3%，并且与实验结果吻合较好；同时基于S-E-CNTF在CFRP层间区域构建的三维导热网络，CFRP/S-E-CNTF的面内导热系数提高到了7.8 W/(m·K)。
近年来结构功能一体化碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)受到广泛关注，而高强、高模和高导热的碳纳米管膜的层间增强增刚技术为此提供了新思路。本文基于原始的碳纳米管膜(P-CNTF)，采用湿拉伸法和环氧化反应制备了取向、环氧化和取向-环氧化碳纳米管膜(S-CNTF、E-CNTF和S-E-CNTF)，分别用于层间增强增刚CFRP (分别记作CFRP/S-CNTF、CFRP/E-CNTF和CFRP/S-E-CNTF)，分析了碳纳米管膜的物化特性和拉伸性能，并结合Jumahat的联合预测模型和实验验证研究了碳纳米管膜对CFRP的纵向压缩强度和失效机制的影响，同时探讨了CFRP的面内导热性能及其导热机制。结果表明：相较P-CNTF，S-E-CNTF膜内碳管呈现高度取向的集束状态，表面化学活性明显增强，使其拉伸强度和模量分别提高到116 MPa和6.3 GPa。对比于CFRP，CFRP/S-E-CNTF的面内剪切模量和层间剪切强度分别提高了28.3%和34.2%，表明S-E-CNTF能有效增强CFRP抵抗剪切变形和裂纹扩展的能力；模型预测表明CFRP/S-E-CNTF的理论弹性压缩应力和塑性压缩应力分别提高了30.7%和32.3%，并且与实验结果吻合较好；同时基于S-E-CNTF在CFRP层间区域构建的三维导热网络，CFRP/S-E-CNTF的面内导热系数提高到了7.8 W/(m·K)。
2024, 41(3): 1249-1258.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230724.004
摘要:
由于热塑性聚酯弹性体(TPEE)极易燃烧，严重阻碍了其在电子电气、电线护套、充电桩等领域的应用，为解决此问题，以二乙基次磷酸铝(AlPi)和三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)为阻燃剂，添加到TPEE中，采用密炼和热压成型方法制备出高阻燃性TPEE复合材料。采用极限氧指数(LOI)测试、垂直燃烧(UL-94)测试、锥形量热(CONE)测试等对TPEE复合材料的阻燃性能进行了测试。结果表明：AlPi和MPP复配可以实现TPEE的高效阻燃，添加22wt%复配阻燃剂的TPEE材料的LOI由19.3%提升至31.5%，UL-94达到V-0级，总热释放和峰值热释放速率下降27.6%和64.8%。采用热失重分析仪(TGA)、扫描电子显微镜、力学性能测试仪及电绝缘性能测试仪等对TPEE材料的热稳定性、力学性能、电性能及其烧蚀前后的微观形貌进行了表征。结果表明：复配阻燃剂的阻燃机制为膨胀炭层凝聚相阻隔型阻燃，且促进了TPEE分解成炭；力学性能、电绝缘性能和微观形貌测试表明复配的AlPi和MPP能够提升TPEE材料的电绝缘性，但其与TPEE相容性较差，导致TPEE材料的力学性能下降。
由于热塑性聚酯弹性体(TPEE)极易燃烧，严重阻碍了其在电子电气、电线护套、充电桩等领域的应用，为解决此问题，以二乙基次磷酸铝(AlPi)和三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)为阻燃剂，添加到TPEE中，采用密炼和热压成型方法制备出高阻燃性TPEE复合材料。采用极限氧指数(LOI)测试、垂直燃烧(UL-94)测试、锥形量热(CONE)测试等对TPEE复合材料的阻燃性能进行了测试。结果表明：AlPi和MPP复配可以实现TPEE的高效阻燃，添加22wt%复配阻燃剂的TPEE材料的LOI由19.3%提升至31.5%，UL-94达到V-0级，总热释放和峰值热释放速率下降27.6%和64.8%。采用热失重分析仪(TGA)、扫描电子显微镜、力学性能测试仪及电绝缘性能测试仪等对TPEE材料的热稳定性、力学性能、电性能及其烧蚀前后的微观形貌进行了表征。结果表明：复配阻燃剂的阻燃机制为膨胀炭层凝聚相阻隔型阻燃，且促进了TPEE分解成炭；力学性能、电绝缘性能和微观形貌测试表明复配的AlPi和MPP能够提升TPEE材料的电绝缘性，但其与TPEE相容性较差，导致TPEE材料的力学性能下降。
2024, 41(3): 1259-1269.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230814.004
摘要:
为了探究不同硫化体系对电缆附件增强绝缘用硅橡胶热老化性能的影响，本文以35 kV电缆附件增强绝缘用硅橡胶为研究对象，利用过氧化物、硅氢加成两种硫化体系分别制作硫化硅橡胶试样并开展热老化试验，对比分析其力学性能和电气性能的变化特征。在热老化前期，两种硫化体系下硅橡胶均发生分子侧链的氧化交联反应和分子链间的再交联反应，交联度增大；热老化后期，交联体系结构和分子链被破坏，交联度变小。研究与测试结果表明：随着热老化时间的增加，硅橡胶试样拉伸强度和断裂伸长率逐渐减小，电导率先减小后增大、随温度升高而增大，相对介电常数逐渐增大、随温度升高而减小，介质损耗角正切逐渐增大、随温度升高而增大，击穿场强呈现先增后降趋势。硅氢加成硫化体系下的硅橡胶一直保持高交联度，在热老化后具备更优的力学性能和电气性能，而过氧化物硫化体系下的硅橡胶在硫化过程中产生强酸性副产物，在热老化后产生强极性基团，致使硅橡胶的热老化性能劣化。
为了探究不同硫化体系对电缆附件增强绝缘用硅橡胶热老化性能的影响，本文以35 kV电缆附件增强绝缘用硅橡胶为研究对象，利用过氧化物、硅氢加成两种硫化体系分别制作硫化硅橡胶试样并开展热老化试验，对比分析其力学性能和电气性能的变化特征。在热老化前期，两种硫化体系下硅橡胶均发生分子侧链的氧化交联反应和分子链间的再交联反应，交联度增大；热老化后期，交联体系结构和分子链被破坏，交联度变小。研究与测试结果表明：随着热老化时间的增加，硅橡胶试样拉伸强度和断裂伸长率逐渐减小，电导率先减小后增大、随温度升高而增大，相对介电常数逐渐增大、随温度升高而减小，介质损耗角正切逐渐增大、随温度升高而增大，击穿场强呈现先增后降趋势。硅氢加成硫化体系下的硅橡胶一直保持高交联度，在热老化后具备更优的力学性能和电气性能，而过氧化物硫化体系下的硅橡胶在硫化过程中产生强酸性副产物，在热老化后产生强极性基团，致使硅橡胶的热老化性能劣化。
2024, 41(3): 1270-1280.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230818.002
摘要:
探究新型环保材料聚丙烯(PP)绝缘和其纳米SiO2复合材料的电老化寿命，为后期PP绝缘电缆应用可靠性提供理论支撑。基于电老化寿命公式−反幂定律，通过恒压加速老化试验估算了PP绝缘和SiO2/PP复合材料的寿命模型参数，再采用逐级升压加速老化试验对寿命指数n的可靠性进行评估。并对SiO2/PP复合材料进行结构表征和性能测试。结果表明，SiO2/PP6的寿命指数n为14.61，相较PP6的12.54提升了16.51%；试验阶段发现在较低老化场强下SiO2的掺杂对PP6的失效时间提升效果明显，预测SiO2/PP6在老化场强25 kV·mm−1以下的长期电老化寿命是PP6的5倍以上。同时，掺杂纳米SiO2使PP绝缘的工频介电损耗因数和损耗峰高度降低。基于电老化空腔理论，提出了SiO2通过消耗热电子能量限制链段断裂，从而提升PP绝缘电老化寿命的观点。
探究新型环保材料聚丙烯(PP)绝缘和其纳米SiO2复合材料的电老化寿命，为后期PP绝缘电缆应用可靠性提供理论支撑。基于电老化寿命公式−反幂定律，通过恒压加速老化试验估算了PP绝缘和SiO2/PP复合材料的寿命模型参数，再采用逐级升压加速老化试验对寿命指数n的可靠性进行评估。并对SiO2/PP复合材料进行结构表征和性能测试。结果表明，SiO2/PP6的寿命指数n为14.61，相较PP6的12.54提升了16.51%；试验阶段发现在较低老化场强下SiO2的掺杂对PP6的失效时间提升效果明显，预测SiO2/PP6在老化场强25 kV·mm−1以下的长期电老化寿命是PP6的5倍以上。同时，掺杂纳米SiO2使PP绝缘的工频介电损耗因数和损耗峰高度降低。基于电老化空腔理论，提出了SiO2通过消耗热电子能量限制链段断裂，从而提升PP绝缘电老化寿命的观点。
2024, 41(3): 1281-1289.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230707.002
摘要:
以不同分子结构的偶联剂为改性剂、以玄武岩纤维(BF)为增强相、以聚丙烯(PP)为基体，采用化学发泡二次开模工艺制备了BF/PP发泡复合材料，通过DSC、SEM等表征技术，研究了不同分子结构偶联剂改性BF时，BF/PP发泡复合材料的热性能、流变性能、发泡行为及力学性能。结果表明，通过不同分子结构偶联剂改性BF后，复合材料的结晶性能和流变性能得到改善，结晶度增加，熔体粘弹性变好。KH-550改性BF时，BF/PP发泡复合材料的发泡质量最好，此时泡孔尺寸为84.52 μm，泡孔密度为2.45×105 cells/cm3。BF被偶联剂改性后，发泡复合材料的弯曲强度、弯曲模量和拉伸强度相对于BF未改性时均有所提高；用KH-792改性BF时，弯曲强度、弯曲模量和拉伸强度最大，最大值分别为33.4 MPa、1919 MPa和21.4 MPa。本文将为BF/PP发泡复合材料的研发和工业化应用提供一定的理论参考。
以不同分子结构的偶联剂为改性剂、以玄武岩纤维(BF)为增强相、以聚丙烯(PP)为基体，采用化学发泡二次开模工艺制备了BF/PP发泡复合材料，通过DSC、SEM等表征技术，研究了不同分子结构偶联剂改性BF时，BF/PP发泡复合材料的热性能、流变性能、发泡行为及力学性能。结果表明，通过不同分子结构偶联剂改性BF后，复合材料的结晶性能和流变性能得到改善，结晶度增加，熔体粘弹性变好。KH-550改性BF时，BF/PP发泡复合材料的发泡质量最好，此时泡孔尺寸为84.52 μm，泡孔密度为2.45×105 cells/cm3。BF被偶联剂改性后，发泡复合材料的弯曲强度、弯曲模量和拉伸强度相对于BF未改性时均有所提高；用KH-792改性BF时，弯曲强度、弯曲模量和拉伸强度最大，最大值分别为33.4 MPa、1919 MPa和21.4 MPa。本文将为BF/PP发泡复合材料的研发和工业化应用提供一定的理论参考。
2024, 41(3): 1290-1299.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230817.005
摘要:
针对目前大涵道比涡扇发动机宽频随机的噪声特点，对传统单自由度蜂窝夹层声衬材料进行了结构优化，提升其吸声性能。在保持声衬单自由度蜂窝夹层结构基本形式不变的前提下，为拓宽吸声频谱、达到两个甚至两个以上的特征频率，在单层蜂窝芯内部特定位置复合碳纳米管薄膜，同时为了提高吸声效果，通过快捷的工艺组装，在多孔板和蜂窝芯之间引入金属丝网和柔性多孔材料，并探究了引入材料的放置位置和参数对于声衬材料吸声性能的影响。实验结果显示，孔径37 μm的金属丝网置于多孔面板后、15 mm厚的三聚氰胺海绵放置在多孔面板和蜂窝之间、开孔率为2%和4%的碳纳米管薄膜放置在蜂窝夹层结构内近中间位置的吸声性能最好。基于该结果制备的声衬吸声性能优异，在800 Hz到4500 Hz范围内表现出良好的吸声性能，两个特征频率的峰值吸声系数分别达到0.98和0.99，平均吸声系数达到0.89，相比优化前提升61.8%，同时半峰宽度能够完全覆盖测试的800 Hz到4500 Hz频率范围，具有良好的宽频降噪特性。
针对目前大涵道比涡扇发动机宽频随机的噪声特点，对传统单自由度蜂窝夹层声衬材料进行了结构优化，提升其吸声性能。在保持声衬单自由度蜂窝夹层结构基本形式不变的前提下，为拓宽吸声频谱、达到两个甚至两个以上的特征频率，在单层蜂窝芯内部特定位置复合碳纳米管薄膜，同时为了提高吸声效果，通过快捷的工艺组装，在多孔板和蜂窝芯之间引入金属丝网和柔性多孔材料，并探究了引入材料的放置位置和参数对于声衬材料吸声性能的影响。实验结果显示，孔径37 μm的金属丝网置于多孔面板后、15 mm厚的三聚氰胺海绵放置在多孔面板和蜂窝之间、开孔率为2%和4%的碳纳米管薄膜放置在蜂窝夹层结构内近中间位置的吸声性能最好。基于该结果制备的声衬吸声性能优异，在800 Hz到4500 Hz范围内表现出良好的吸声性能，两个特征频率的峰值吸声系数分别达到0.98和0.99，平均吸声系数达到0.89，相比优化前提升61.8%，同时半峰宽度能够完全覆盖测试的800 Hz到4500 Hz频率范围，具有良好的宽频降噪特性。
2024, 41(3): 1300-1315.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230714.004
摘要:
以环氧树脂E-44和3种丙烯酸类单体为原料，采用原位聚合法引入不同掺量的改性氧化石墨烯(GO) (KH560-GO (KGO)和A151-GO (AGO))，得到GO改性环氧丙烯酸(WEP)乳液，加入适量填料及助剂制得KGO/WEP和AGO/WEP防腐涂料并制成复合涂层。结果表明：加入KGO或AGO均可提高WEP涂层的热稳定性；其中0.05wt%KGO/WEP的综合性能较优，该复合涂层的铅笔硬度为5H，冲击强度≥50 cm，粘结强度1.79 MPa，吸水率1.06%，接触角78.05°；紫外老化1000 h后，色差变化较小为0.75，光泽度保持较好为9.7；液体化学介质腐蚀240 h后，涂层形貌仍保持良好；涂层氯离子渗透量为0.34×10−3 mg/(cm2·d)。将GO/WEP涂层涂装于混凝土砂浆试块表面，进行耐除冰盐冻融循环40次后，涂层和混凝土试块的测试结果表明：0.05wt%KGO/WEP涂层综合性能较好，腐蚀后的涂层粘结强度最大为1.91 MPa；砂浆试块的质量增长率为1.46%，6 h氯离子电通量为532 C，抗压强度损失率为18.2%。该复合涂层可有效提高混凝土基材表面的耐除冰盐腐蚀性，对道路养护水平的提升具有重要的研究意义。
以环氧树脂E-44和3种丙烯酸类单体为原料，采用原位聚合法引入不同掺量的改性氧化石墨烯(GO) (KH560-GO (KGO)和A151-GO (AGO))，得到GO改性环氧丙烯酸(WEP)乳液，加入适量填料及助剂制得KGO/WEP和AGO/WEP防腐涂料并制成复合涂层。结果表明：加入KGO或AGO均可提高WEP涂层的热稳定性；其中0.05wt%KGO/WEP的综合性能较优，该复合涂层的铅笔硬度为5H，冲击强度≥50 cm，粘结强度1.79 MPa，吸水率1.06%，接触角78.05°；紫外老化1000 h后，色差变化较小为0.75，光泽度保持较好为9.7；液体化学介质腐蚀240 h后，涂层形貌仍保持良好；涂层氯离子渗透量为0.34×10−3 mg/(cm2·d)。将GO/WEP涂层涂装于混凝土砂浆试块表面，进行耐除冰盐冻融循环40次后，涂层和混凝土试块的测试结果表明：0.05wt%KGO/WEP涂层综合性能较好，腐蚀后的涂层粘结强度最大为1.91 MPa；砂浆试块的质量增长率为1.46%，6 h氯离子电通量为532 C，抗压强度损失率为18.2%。该复合涂层可有效提高混凝土基材表面的耐除冰盐腐蚀性，对道路养护水平的提升具有重要的研究意义。
2024, 41(3): 1316-1326.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230627.003
摘要:
开发轻质、高效的吸波复合材料是解决电磁污染问题的重要途径之一。本文采用两步法制备ZnO-石墨烯-热塑性聚氨酯弹性体橡胶 (TPU)/聚乳酸 (PLA)吸波复合材料，通过XRD、拉曼光谱、SEM和矢量网络分析仪分别对复合材料的物相结构、微观形貌和电磁特性进行表征，并研究不同ZnO/石墨烯吸波剂组合对复合材料吸波性能的影响，揭示ZnO和石墨烯协同吸波机制。研究结果表明：随着ZnO含量的增加，吸波效果先增强后减弱。适量的ZnO分散在基体中，使复合材料的缺陷程度增加，这丰富了异质界面，增强了界面极化和偶极极化，进而改善了复合材料的吸波性能。当ZnO添加量仅为2wt%时吸波效果最佳，在5.6 mm厚度下，其最小反射损耗为−49.2 dB，有效吸收带宽为2.0 GHz。优异的吸波效果源于良好的阻抗匹配和界面极化损耗、偶极极化损耗、电导损耗之间的协同作用。此外相比化学法制备的吸波材料，ZnO-石墨烯-TPU/PLA复合材料的制备过程简单环保，吸波剂组分可调，轻质高效可规模化生产，有望用于复杂吸波结构制造。
开发轻质、高效的吸波复合材料是解决电磁污染问题的重要途径之一。本文采用两步法制备ZnO-石墨烯-热塑性聚氨酯弹性体橡胶 (TPU)/聚乳酸 (PLA)吸波复合材料，通过XRD、拉曼光谱、SEM和矢量网络分析仪分别对复合材料的物相结构、微观形貌和电磁特性进行表征，并研究不同ZnO/石墨烯吸波剂组合对复合材料吸波性能的影响，揭示ZnO和石墨烯协同吸波机制。研究结果表明：随着ZnO含量的增加，吸波效果先增强后减弱。适量的ZnO分散在基体中，使复合材料的缺陷程度增加，这丰富了异质界面，增强了界面极化和偶极极化，进而改善了复合材料的吸波性能。当ZnO添加量仅为2wt%时吸波效果最佳，在5.6 mm厚度下，其最小反射损耗为−49.2 dB，有效吸收带宽为2.0 GHz。优异的吸波效果源于良好的阻抗匹配和界面极化损耗、偶极极化损耗、电导损耗之间的协同作用。此外相比化学法制备的吸波材料，ZnO-石墨烯-TPU/PLA复合材料的制备过程简单环保，吸波剂组分可调，轻质高效可规模化生产，有望用于复杂吸波结构制造。
2024, 41(3): 1327-1337.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230817.004
摘要:
当今社会能源短缺，核能发展迅速，为了实现绿色高效的能源利用目标，如何处理核能发展过程产生的含铀废物已成为日益突出的环境问题。本文首先采用溶剂热法制备CaTiO3材料，然后通过与石榴皮炭材料混合研磨合成炭材料负载CaTiO3 (C@CaTiO3)，采用现代表征技术分析C@CaTiO3与U(VI)反应前后形貌及物质组成变化。通过静态实验法研究了材料去除溶液中铀的性能。研究结果表明：在pH=3.5、U(VI)初始浓度为25 mg·L−1、反应时间40 min、温度为25℃的条件下，材料对U(VI)的去除率为96.26%，去除量为119.21 mg·g−1。通过吸附动力学模型、等温吸附模型和热力学模型，探究了C@CaTiO3与U(VI)的反应机制。结果表明：C@CaTiO3对U(VI)的吸附过程是自发进行的吸热反应，C@CaTiO3对溶液中U(VI)的去除存在吸附和还原两种方式，吸附为物理吸附和化学吸附并存、以表面单层化学吸附为主。还原以光催化还原作用为主。
当今社会能源短缺，核能发展迅速，为了实现绿色高效的能源利用目标，如何处理核能发展过程产生的含铀废物已成为日益突出的环境问题。本文首先采用溶剂热法制备CaTiO3材料，然后通过与石榴皮炭材料混合研磨合成炭材料负载CaTiO3 (C@CaTiO3)，采用现代表征技术分析C@CaTiO3与U(VI)反应前后形貌及物质组成变化。通过静态实验法研究了材料去除溶液中铀的性能。研究结果表明：在pH=3.5、U(VI)初始浓度为25 mg·L−1、反应时间40 min、温度为25℃的条件下，材料对U(VI)的去除率为96.26%，去除量为119.21 mg·g−1。通过吸附动力学模型、等温吸附模型和热力学模型，探究了C@CaTiO3与U(VI)的反应机制。结果表明：C@CaTiO3对U(VI)的吸附过程是自发进行的吸热反应，C@CaTiO3对溶液中U(VI)的去除存在吸附和还原两种方式，吸附为物理吸附和化学吸附并存、以表面单层化学吸附为主。还原以光催化还原作用为主。
2024, 41(3): 1338-1346.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230705.001
摘要:
引入第二相材料构建异质结及加入助催化剂都可以有效提高半导体材料的光电化学性能。本文设计制备了WO3/SrTiO3异质结复合材料并选用助催化剂Ti3C2进行修饰，在模拟太阳光环境下通过光电化学阴极保护技术保护304不锈钢(304 SS)。结果表明：Ti3C2-WO3/SrTiO3复合材料的光电化学阴极保护性能显著增强。将304 SS与Ti3C2-WO3/SrTiO3复合材料耦合，可将304 SS的电位从−0.13 V转移到−0.42 V，并且三元复合材料产生的光电流密度是单独使用SrTiO3的7倍。在WO3/SrTiO3界面上形成的异质结电场及助催化剂Ti3C2的加入协同提高了光生电子和空穴的分离效率，提高了光电化学阴极保护性能。
引入第二相材料构建异质结及加入助催化剂都可以有效提高半导体材料的光电化学性能。本文设计制备了WO3/SrTiO3异质结复合材料并选用助催化剂Ti3C2进行修饰，在模拟太阳光环境下通过光电化学阴极保护技术保护304不锈钢(304 SS)。结果表明：Ti3C2-WO3/SrTiO3复合材料的光电化学阴极保护性能显著增强。将304 SS与Ti3C2-WO3/SrTiO3复合材料耦合，可将304 SS的电位从−0.13 V转移到−0.42 V，并且三元复合材料产生的光电流密度是单独使用SrTiO3的7倍。在WO3/SrTiO3界面上形成的异质结电场及助催化剂Ti3C2的加入协同提高了光生电子和空穴的分离效率，提高了光电化学阴极保护性能。
2024, 41(3): 1347-1355.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230912.003
摘要:
气凝胶具有高孔隙率和高吸附性的特点，因此在含油废水处理领域是一种具有前景的候选材料。目前，所报道的气凝胶仍存在机械强度不足、制作工艺复杂、制备成本高等问题，限制了气凝胶在油水分离领域的应用。膨润土(Bentonite，BT)具有价格低、来源丰富、机械性能优良等特点，能够有效地改善气凝胶的机械性能。本文通过简单的冷冻干燥-常温浸渍法，在羧基纤维素纳米纤维(Carboxycellulose nanofibres，CNF-C)与壳聚糖(Chitosan，CS)的交联网络上引入剥离膨润土(Exfoliated bentonite，BTex)，合成了疏水的纳米纤维素-壳聚糖/剥离膨润土气凝胶(CNC/BTex)。制备出的CNC/BTex气凝胶表现出优异的疏水性能(水接触角高达133°)；经过挤压后在5 s内可恢复形变，具有良好的力学性能；对不同油品(正己烷、环己烷、二氯甲烷、食用油和发动机油)的吸附容量为18.48~40.20 g·g−1不等。以二氯甲烷和环己烷为主要研究对象，经过5次循环使用后依然保持稳定的吸油性能(维持在原始吸附量的90%)。本文的工作为制备低成本、高性能的油水分离吸附材料提供了参考。
气凝胶具有高孔隙率和高吸附性的特点，因此在含油废水处理领域是一种具有前景的候选材料。目前，所报道的气凝胶仍存在机械强度不足、制作工艺复杂、制备成本高等问题，限制了气凝胶在油水分离领域的应用。膨润土(Bentonite，BT)具有价格低、来源丰富、机械性能优良等特点，能够有效地改善气凝胶的机械性能。本文通过简单的冷冻干燥-常温浸渍法，在羧基纤维素纳米纤维(Carboxycellulose nanofibres，CNF-C)与壳聚糖(Chitosan，CS)的交联网络上引入剥离膨润土(Exfoliated bentonite，BTex)，合成了疏水的纳米纤维素-壳聚糖/剥离膨润土气凝胶(CNC/BTex)。制备出的CNC/BTex气凝胶表现出优异的疏水性能(水接触角高达133°)；经过挤压后在5 s内可恢复形变，具有良好的力学性能；对不同油品(正己烷、环己烷、二氯甲烷、食用油和发动机油)的吸附容量为18.48~40.20 g·g−1不等。以二氯甲烷和环己烷为主要研究对象，经过5次循环使用后依然保持稳定的吸油性能(维持在原始吸附量的90%)。本文的工作为制备低成本、高性能的油水分离吸附材料提供了参考。
2024, 41(3): 1356-1366.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230629.001
摘要:
随着电磁污染的加剧，吸波材料引起了研究者的关注，气凝胶具有轻质、多孔的特性赋予其成为理想吸波材料的潜质。以聚乙烯醇(PVA)和正硅酸乙酯(TEOS)为原料，静电纺丝制得PVA/SiO2纳米纤维，高温碳化得到柔性SiO2纳米纤维；将柔性SiO2纳米纤维均化在海藻酸钠(SA)溶液中，冷冻干燥得到SA/SiO2气凝胶；分别引入铝硼硅(AlBSi)、FeCl3作为掺杂剂得到SA/SiO2/AlBSi、SA/SiO2/FeCl3气凝胶，对比分析3种气凝胶吸波性能。结果表明：SA/SiO2经FeCl3掺杂后，SiO2纳米纤维表面有小晶粒存在，这种块状颗粒结构能够产生多重反射和散射、界面极化，提高了气凝胶的介电损耗性能。并且加入FeCl3后，气凝胶的磁损耗虚部增大，提高了气凝胶的磁损耗性能，使其整体吸波性能提高，当厚度为3 mm时，其最大的吸收峰值–23.85 dB在14.42 GHz处达到，具有1.3 GHz (13.82~15.12 GHz)的有效吸收带宽，是一种质轻、吸波性能良好的材料。
随着电磁污染的加剧，吸波材料引起了研究者的关注，气凝胶具有轻质、多孔的特性赋予其成为理想吸波材料的潜质。以聚乙烯醇(PVA)和正硅酸乙酯(TEOS)为原料，静电纺丝制得PVA/SiO2纳米纤维，高温碳化得到柔性SiO2纳米纤维；将柔性SiO2纳米纤维均化在海藻酸钠(SA)溶液中，冷冻干燥得到SA/SiO2气凝胶；分别引入铝硼硅(AlBSi)、FeCl3作为掺杂剂得到SA/SiO2/AlBSi、SA/SiO2/FeCl3气凝胶，对比分析3种气凝胶吸波性能。结果表明：SA/SiO2经FeCl3掺杂后，SiO2纳米纤维表面有小晶粒存在，这种块状颗粒结构能够产生多重反射和散射、界面极化，提高了气凝胶的介电损耗性能。并且加入FeCl3后，气凝胶的磁损耗虚部增大，提高了气凝胶的磁损耗性能，使其整体吸波性能提高，当厚度为3 mm时，其最大的吸收峰值–23.85 dB在14.42 GHz处达到，具有1.3 GHz (13.82~15.12 GHz)的有效吸收带宽，是一种质轻、吸波性能良好的材料。
2024, 41(3): 1367-1377.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230630.001
摘要:
压电材料诱导的内建电场是调节电荷转移途径和抑制载流子复合的最有效策略之一。采用水热和溶胶凝胶两步法制备了PbTi0.85Ni0.15O3/TiO2纳米棒阵列复合材料。通过降解有机染料，复合材料展现了优异的压电光催化性能。经30 min， PbTi0.85Ni0.15O3/TiO2对亚甲基蓝(MB)的压电光催化降解率达到97.3%，降解反应速率为0.1215 min–1，是光催化降解速率(0.0372 min–1)的3.3倍，是压电催化降解速率(0.0211 min–1)的5.7倍。掺杂Ni后，带隙降低，载流子浓度增大，晶格畸变增大，压电光催化性能增强。添加牺牲剂实验和电子自旋共振波谱(ESR)实验结果表明，压电光催化降解中，•O2−和•OH是最主要的活性物质。此外， PbTi0.85Ni0.15O3/TiO2对不同染料的降解和循环5次后的降解率表明复合材料对多种染料具有良好的压电光催化降解性能和良好的稳定性。根据能带排列，提出压电极化导致的能带倾斜和弯曲可以促进光生载流子分离，从而使 PbTi0.85Ni0.15O3/TiO2具有优异的压电光催化染料降解性能。
压电材料诱导的内建电场是调节电荷转移途径和抑制载流子复合的最有效策略之一。采用水热和溶胶凝胶两步法制备了PbTi0.85Ni0.15O3/TiO2纳米棒阵列复合材料。通过降解有机染料，复合材料展现了优异的压电光催化性能。经30 min， PbTi0.85Ni0.15O3/TiO2对亚甲基蓝(MB)的压电光催化降解率达到97.3%，降解反应速率为0.1215 min–1，是光催化降解速率(0.0372 min–1)的3.3倍，是压电催化降解速率(0.0211 min–1)的5.7倍。掺杂Ni后，带隙降低，载流子浓度增大，晶格畸变增大，压电光催化性能增强。添加牺牲剂实验和电子自旋共振波谱(ESR)实验结果表明，压电光催化降解中，•O2−和•OH是最主要的活性物质。此外， PbTi0.85Ni0.15O3/TiO2对不同染料的降解和循环5次后的降解率表明复合材料对多种染料具有良好的压电光催化降解性能和良好的稳定性。根据能带排列，提出压电极化导致的能带倾斜和弯曲可以促进光生载流子分离，从而使 PbTi0.85Ni0.15O3/TiO2具有优异的压电光催化染料降解性能。
2024, 41(3): 1378-1390.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230706.002
摘要:
为解决水体中重金属Pb(II)污染，本文以棕榈纤维为原材料，通过化学共沉淀法制备得到β-环糊精磁性棕榈纤维生物炭(β-CD@PFMBC)用于高效去除水溶液中的Pb(II)。通过FTIR、XRD、BET、SEM、Raman和VSM等手段对材料的结构和形貌进行了表征。通过单因素实验对Pb(II)的吸附性能进行了分析，探究了吸附剂对Pb(II)的吸附机制及回收利用性。结果表明：β-CD@PFMBC相比原始生物炭比表面积增加，表面官能团数量增多。拟二级动力学模型和Langmuir吸附等温线模型均能很好地描述对Pb(II)的吸附过程，表明吸附过程为化学吸附和单层吸附。由Langmuir吸附等温线模型拟合得知，β-CD@PFMBC在303 K时最大理论吸附量为625.49 mg∙g−1，明显高于原始生物炭。热力学研究表明吸附反应是自发吸热过程。β-CD@PFMBC表面的含氧基团与Pb(II)产生了表面络合和静电相互作用。5次循环解吸后，对Pb(II)去除率仍能达到79%以上。以上结果表明β-CD@PFMBC对水溶液中Pb(II)的去除具有一定的应用潜力。
为解决水体中重金属Pb(II)污染，本文以棕榈纤维为原材料，通过化学共沉淀法制备得到β-环糊精磁性棕榈纤维生物炭(β-CD@PFMBC)用于高效去除水溶液中的Pb(II)。通过FTIR、XRD、BET、SEM、Raman和VSM等手段对材料的结构和形貌进行了表征。通过单因素实验对Pb(II)的吸附性能进行了分析，探究了吸附剂对Pb(II)的吸附机制及回收利用性。结果表明：β-CD@PFMBC相比原始生物炭比表面积增加，表面官能团数量增多。拟二级动力学模型和Langmuir吸附等温线模型均能很好地描述对Pb(II)的吸附过程，表明吸附过程为化学吸附和单层吸附。由Langmuir吸附等温线模型拟合得知，β-CD@PFMBC在303 K时最大理论吸附量为625.49 mg∙g−1，明显高于原始生物炭。热力学研究表明吸附反应是自发吸热过程。β-CD@PFMBC表面的含氧基团与Pb(II)产生了表面络合和静电相互作用。5次循环解吸后，对Pb(II)去除率仍能达到79%以上。以上结果表明β-CD@PFMBC对水溶液中Pb(II)的去除具有一定的应用潜力。
2024, 41(3): 1391-1401.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230814.001
摘要:
为进一步研究黄药和Cr(VI)共存体系中，Cr(VI)对黄药光降解性能的影响以及两者协同作用机制，本文以煤矸石/钒酸铋(CG/BiVO4)为光催化剂，黄药和Cr(VI)共存体系为研究对象，通过光催化活性测试以及紫外光谱、红外光谱、离子色谱和猝灭实验等技术手段，深入研究黄药光氧化和Cr(VI)光还原过程以及两者之间的协同作用机制。结果表明，在黄药和Cr(VI)的共存体系中，两者之间存在显著的协同效应，当黄药浓度为25 mg/L、pH=7、催化剂投加量为1.5 g/L、Cr(VI)浓度为2.0 mg/L、反应480 min时，CG/BiVO4对黄药和Cr(VI)的去除率均达最佳，分别是98.81%和88.80%；基于响应面法预测得到共存体系中黄药的降解率为94.79%，与实际降解率相差 3.82%，该响应面模型可预测共存体系下黄药的降解过程；共存体系中黄药的C=S振动优先发生变化，其次为C—O—C、S—H、S—C—S和丁基，光反应3 h形成中间产物过黄药(ROCSSO−)，7 h的转化率最高为97.94%；协同作用机制研究发现，Cr(VI)光还原会迅速捕捉光生e−，黄药光降解会大量消耗h+，两者在光反应过程中不断消耗光生电子和空穴，一方面可抑制光生电子和空穴对的复合，延长光生电子空穴对的寿命；另一方面光生电子-空穴对的快速消耗，加速了光能向化学能的转化，提高了可见光利用率的同时生成大量光生电子空穴对，进而促使黄药和Cr(VI)的协同去除。
为进一步研究黄药和Cr(VI)共存体系中，Cr(VI)对黄药光降解性能的影响以及两者协同作用机制，本文以煤矸石/钒酸铋(CG/BiVO4)为光催化剂，黄药和Cr(VI)共存体系为研究对象，通过光催化活性测试以及紫外光谱、红外光谱、离子色谱和猝灭实验等技术手段，深入研究黄药光氧化和Cr(VI)光还原过程以及两者之间的协同作用机制。结果表明，在黄药和Cr(VI)的共存体系中，两者之间存在显著的协同效应，当黄药浓度为25 mg/L、pH=7、催化剂投加量为1.5 g/L、Cr(VI)浓度为2.0 mg/L、反应480 min时，CG/BiVO4对黄药和Cr(VI)的去除率均达最佳，分别是98.81%和88.80%；基于响应面法预测得到共存体系中黄药的降解率为94.79%，与实际降解率相差 3.82%，该响应面模型可预测共存体系下黄药的降解过程；共存体系中黄药的C=S振动优先发生变化，其次为C—O—C、S—H、S—C—S和丁基，光反应3 h形成中间产物过黄药(ROCSSO−)，7 h的转化率最高为97.94%；协同作用机制研究发现，Cr(VI)光还原会迅速捕捉光生e−，黄药光降解会大量消耗h+，两者在光反应过程中不断消耗光生电子和空穴，一方面可抑制光生电子和空穴对的复合，延长光生电子空穴对的寿命；另一方面光生电子-空穴对的快速消耗，加速了光能向化学能的转化，提高了可见光利用率的同时生成大量光生电子空穴对，进而促使黄药和Cr(VI)的协同去除。
2024, 41(3): 1402-1419.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230714.005
摘要:
煤矸石作为工业固体废弃物，替换全部骨料制备混凝土，是对煤矸石二次利用的有效途径。本文将破碎后的煤矸石骨料替换混凝土全部粗细骨料，利用不同掺量的纳米SiO2和聚丙烯纤维(PPF)对其改性，通过宏观力学和微观分析相结合的方法，研究了纳米SiO2和PPF单独作用与复合作用下对混凝土力学性能、微观结构的影响。研究结果表明，纳米SiO2与PPF复掺，其掺量分别为1.5wt%与0.6 kg·m−3时混凝土的性能最好。与对照组相比，龄期为7天时，混凝土抗压强度、抗折强度和抗劈裂强度分别提高21.8%、43.5%和44.4%；龄期为28天时，其抗压强度、抗折强度和劈裂强度分别提高20%、44.9%和43.6%。微观结构分析表明，煤矸石混凝土孔隙率减少，水化过程加速，混凝土中大孔的分形维数从2.9975提高至2.9990，而小孔的分形维数从2.9852降低至2.9827，小孔分形维数降低，大孔的分形维数增加，使空间填充能力越强，内部孔隙越少。
煤矸石作为工业固体废弃物，替换全部骨料制备混凝土，是对煤矸石二次利用的有效途径。本文将破碎后的煤矸石骨料替换混凝土全部粗细骨料，利用不同掺量的纳米SiO2和聚丙烯纤维(PPF)对其改性，通过宏观力学和微观分析相结合的方法，研究了纳米SiO2和PPF单独作用与复合作用下对混凝土力学性能、微观结构的影响。研究结果表明，纳米SiO2与PPF复掺，其掺量分别为1.5wt%与0.6 kg·m−3时混凝土的性能最好。与对照组相比，龄期为7天时，混凝土抗压强度、抗折强度和抗劈裂强度分别提高21.8%、43.5%和44.4%；龄期为28天时，其抗压强度、抗折强度和劈裂强度分别提高20%、44.9%和43.6%。微观结构分析表明，煤矸石混凝土孔隙率减少，水化过程加速，混凝土中大孔的分形维数从2.9975提高至2.9990，而小孔的分形维数从2.9852降低至2.9827，小孔分形维数降低，大孔的分形维数增加，使空间填充能力越强，内部孔隙越少。
2024, 41(3): 1420-1435.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230704.001
摘要:
超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)和再生混凝土(Recycled aggregate concrete，RAC)，碳足迹低，属于“低碳混凝土”。将再生混凝土梁受拉侧或侧壁的部分RAC用UHPC替换，形成“绿色低碳”UHPC-RAC组合截面，以提高力学性能。采用工厂预制工艺，制作了预制UHPC-RAC组合梁。通过四分点抗弯性能试验，分析了受拉UHPC厚度、UHPC-RAC结合面粗糙度和侧壁UHPC高度，对预制UHPC-RAC组合梁破坏机制、承载力、变形和初始刚度的影响规律，提出了承载力计算公式。研究表明：与RAC梁相比，预制UHPC-RAC组合梁随受拉UHPC厚度的增加，形成的UHPC-RAC穿筋结合面，限制了开裂后UHPC剥离脱落；增加界面粗糙度，阻滞了水平裂缝的延展，初始刚度可提高16.6%；随受拉UHPC钢纤维拔出，荷载-位移曲线下降明显，待再生混凝土压溃后，仍有较高的残余强度。预制UHPC-RAC组合梁的开裂荷载和极限荷载，分别增加63.1%和22.9%，截面抗弯刚度、初始刚度均得到明显改善。组合截面内钢筋、UHPC和RAC协同受力，应变沿截面高度线性变化，符合平截面假定；将截面应力等效分布后，推导了预制UHPC-RAC组合梁的受弯承载力计算公式，计算结果与试验值吻合较好。
超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)和再生混凝土(Recycled aggregate concrete，RAC)，碳足迹低，属于“低碳混凝土”。将再生混凝土梁受拉侧或侧壁的部分RAC用UHPC替换，形成“绿色低碳”UHPC-RAC组合截面，以提高力学性能。采用工厂预制工艺，制作了预制UHPC-RAC组合梁。通过四分点抗弯性能试验，分析了受拉UHPC厚度、UHPC-RAC结合面粗糙度和侧壁UHPC高度，对预制UHPC-RAC组合梁破坏机制、承载力、变形和初始刚度的影响规律，提出了承载力计算公式。研究表明：与RAC梁相比，预制UHPC-RAC组合梁随受拉UHPC厚度的增加，形成的UHPC-RAC穿筋结合面，限制了开裂后UHPC剥离脱落；增加界面粗糙度，阻滞了水平裂缝的延展，初始刚度可提高16.6%；随受拉UHPC钢纤维拔出，荷载-位移曲线下降明显，待再生混凝土压溃后，仍有较高的残余强度。预制UHPC-RAC组合梁的开裂荷载和极限荷载，分别增加63.1%和22.9%，截面抗弯刚度、初始刚度均得到明显改善。组合截面内钢筋、UHPC和RAC协同受力，应变沿截面高度线性变化，符合平截面假定；将截面应力等效分布后，推导了预制UHPC-RAC组合梁的受弯承载力计算公式，计算结果与试验值吻合较好。
2024, 41(3): 1436-1446.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230731.001
摘要:
大量堆积的工业固废磷石膏对环境造成了严重污染，同时，传统高能耗的水泥产业与实现“双碳”目标的矛盾日渐突出。已有研究表明，基于磷石膏制备的胶凝材料可以部分替代普通硅酸盐水泥，但使用未经处理的原材料时其工作与力学性能较差。本文主要利用原状磷石膏、矿渣、钢渣和石灰石等常见的工业固废材料，制备绿色高强的磷石膏基胶凝材料。研究结果表明，内掺0.5wt%植物蛋白与胶凝体系中的Ca2+生成螯合物，形成配位化合物覆盖在石膏晶核表面，不仅延缓了胶凝材料的凝结时间，增大了水化反应程度，也提高了其力学性能。通过微观及成分分析表明，磷石膏在胶凝材料中主要作为填充物质，矿渣在钢渣的碱激发作用下发生水化反应，且石灰石在促进水化反应的同时改善了浆体孔结构；基于原状固废磷石膏，采用m磷石膏∶m矿渣∶m钢渣∶m石灰石=0.45∶0.35∶0.1∶0.1配合比制备出的胶砂试件，其28天抗折强度为7.0 MPa、抗压强度为39.1 MPa，软化系数为0.91，接近P·O 42.5级别普通硅酸盐水泥性能。
大量堆积的工业固废磷石膏对环境造成了严重污染，同时，传统高能耗的水泥产业与实现“双碳”目标的矛盾日渐突出。已有研究表明，基于磷石膏制备的胶凝材料可以部分替代普通硅酸盐水泥，但使用未经处理的原材料时其工作与力学性能较差。本文主要利用原状磷石膏、矿渣、钢渣和石灰石等常见的工业固废材料，制备绿色高强的磷石膏基胶凝材料。研究结果表明，内掺0.5wt%植物蛋白与胶凝体系中的Ca2+生成螯合物，形成配位化合物覆盖在石膏晶核表面，不仅延缓了胶凝材料的凝结时间，增大了水化反应程度，也提高了其力学性能。通过微观及成分分析表明，磷石膏在胶凝材料中主要作为填充物质，矿渣在钢渣的碱激发作用下发生水化反应，且石灰石在促进水化反应的同时改善了浆体孔结构；基于原状固废磷石膏，采用m磷石膏∶m矿渣∶m钢渣∶m石灰石=0.45∶0.35∶0.1∶0.1配合比制备出的胶砂试件，其28天抗折强度为7.0 MPa、抗压强度为39.1 MPa，软化系数为0.91，接近P·O 42.5级别普通硅酸盐水泥性能。
2024, 41(3): 1447-1457.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230628.001
摘要:
采用聚氨酯型固化剂对我国某地海砂进行改良处理，以快速提升其浅层地基承载能力，为定量评价其固化性能，研发适用于聚氨酯固化海砂的空心圆柱制样方法，开展了不同动应力比及加载频率下的固化前后海砂的空心圆柱扭剪试验，并结合SEM结果分析微观加固机制。试验表明：未固化试样的应变及孔压发展随动应力比的变化呈现3种形式，试验所得围压频率一定时临界动应力比η'=0.33。固化前的海砂在不同频率条件下，频率f越小，循环荷载的累积效应越明显，应变与孔压的发展速率越快，并以f=1.5 Hz为界，呈现两种发展趋势。固化后的海砂抗变形能力大大加强，在改变动应力比及频率两组加载条件下的轴向累积应变均不超过0.7%，且孔压发展限制均不超过20 kPa，部分加载条件孔压出现负值，产生剪胀现象。SEM结果分析表明，固化剂反应后占据了砂土内部的部分孔隙，反应生成的固化膜联结在一起，与砂颗粒形成了一种“砂粒嵌裹于固化膜”的稳定的空间结构，同时增加了试样的相对密实度，使颗粒重新排列阻力增大，从而极大提升了固化试样的力学性能。
采用聚氨酯型固化剂对我国某地海砂进行改良处理，以快速提升其浅层地基承载能力，为定量评价其固化性能，研发适用于聚氨酯固化海砂的空心圆柱制样方法，开展了不同动应力比及加载频率下的固化前后海砂的空心圆柱扭剪试验，并结合SEM结果分析微观加固机制。试验表明：未固化试样的应变及孔压发展随动应力比的变化呈现3种形式，试验所得围压频率一定时临界动应力比η'=0.33。固化前的海砂在不同频率条件下，频率f越小，循环荷载的累积效应越明显，应变与孔压的发展速率越快，并以f=1.5 Hz为界，呈现两种发展趋势。固化后的海砂抗变形能力大大加强，在改变动应力比及频率两组加载条件下的轴向累积应变均不超过0.7%，且孔压发展限制均不超过20 kPa，部分加载条件孔压出现负值，产生剪胀现象。SEM结果分析表明，固化剂反应后占据了砂土内部的部分孔隙，反应生成的固化膜联结在一起，与砂颗粒形成了一种“砂粒嵌裹于固化膜”的稳定的空间结构，同时增加了试样的相对密实度，使颗粒重新排列阻力增大，从而极大提升了固化试样的力学性能。
2024, 41(3): 1458-1469.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230802.002
摘要:
以废弃瓦楞纸(WCP)为原料，明胶(G)和植酸(PA)为改性剂，采用溶胶-凝胶法制备高吸能气凝胶。对明胶用量、植酸用量和反应温度对双交联改性废纸基气凝胶力学性能的影响进行了研究，并通过SEM、FTIR、XRD和TGA表征了明胶单一改性和明胶-植酸双交联改性前后气凝胶的结构与性能变化。结果表明：改性单体成功交联到废纸纤维上，双交联改性后的废纸基气凝胶呈现三维网状结构，相较于未改性和单一改性废纸基气凝胶具有较高的热稳定性、优异的隔热性能(0.045 W·m−1·K−1)和超强的吸能性(应变70%时，单位体积吸收能为253.45 kJ/m3)，吸能性分别为珍珠棉(EPE)和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)的11.26和2.7倍。作为包装运输过程中的一种绿色缓冲材料，具有广阔的应用前景。
以废弃瓦楞纸(WCP)为原料，明胶(G)和植酸(PA)为改性剂，采用溶胶-凝胶法制备高吸能气凝胶。对明胶用量、植酸用量和反应温度对双交联改性废纸基气凝胶力学性能的影响进行了研究，并通过SEM、FTIR、XRD和TGA表征了明胶单一改性和明胶-植酸双交联改性前后气凝胶的结构与性能变化。结果表明：改性单体成功交联到废纸纤维上，双交联改性后的废纸基气凝胶呈现三维网状结构，相较于未改性和单一改性废纸基气凝胶具有较高的热稳定性、优异的隔热性能(0.045 W·m−1·K−1)和超强的吸能性(应变70%时，单位体积吸收能为253.45 kJ/m3)，吸能性分别为珍珠棉(EPE)和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)的11.26和2.7倍。作为包装运输过程中的一种绿色缓冲材料，具有广阔的应用前景。
2024, 41(3): 1470-1479.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230828.002
摘要:
增加农药在靶标作物叶面的滞留时间对提高农药利用率和降低农药对环境的影响具有重要意义。本文以阿维菌素(Aba)为模型药物，以单宁酸(TA)包裹的介孔SiO2纳米颗粒为载体材料构建纳米农药载药系统，在对纳米农药载药系统结构和形貌进行表征的基础上，通过模拟释放实验、植物叶面接触角和滞留量的比较及抗紫外光解实验深入研究纳米载药系统的释放性能和叶面粘附性能。研究发现，单宁酸包覆的阿维菌素/介孔SiO2纳米载药系统(Aba/MSNs@TA)的载药量达到23.50%，单宁酸的包覆明显提高了载药系统在绿萝、玉米和马尾松叶面上的润湿性，叶面滞留量相较于Aba/MSNs提高了23.4%。Aba/MSNs@TA表现出明显的pH响应性释放性能，较低的pH值环境加速了Aba的释放速度。此外，单宁酸的包覆进一步提高了载药系统中药物的抗紫外光解性能。
增加农药在靶标作物叶面的滞留时间对提高农药利用率和降低农药对环境的影响具有重要意义。本文以阿维菌素(Aba)为模型药物，以单宁酸(TA)包裹的介孔SiO2纳米颗粒为载体材料构建纳米农药载药系统，在对纳米农药载药系统结构和形貌进行表征的基础上，通过模拟释放实验、植物叶面接触角和滞留量的比较及抗紫外光解实验深入研究纳米载药系统的释放性能和叶面粘附性能。研究发现，单宁酸包覆的阿维菌素/介孔SiO2纳米载药系统(Aba/MSNs@TA)的载药量达到23.50%，单宁酸的包覆明显提高了载药系统在绿萝、玉米和马尾松叶面上的润湿性，叶面滞留量相较于Aba/MSNs提高了23.4%。Aba/MSNs@TA表现出明显的pH响应性释放性能，较低的pH值环境加速了Aba的释放速度。此外，单宁酸的包覆进一步提高了载药系统中药物的抗紫外光解性能。
2024, 41(3): 1480-1486.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230731.002
摘要:
本文拟在17-4PH不锈钢表面制备高硬度耐磨层，为缓解高硬度堆焊层与基体间的开裂问题，提出制备仿生梯度硬度表面堆焊结构。采用手工电弧焊在17-4PH不锈钢表面制备仿生梯度硬度高强层，选用D322焊条和D707焊条分别做过渡层和高强层在17-4PH不锈钢表面进行仿生梯度硬度高强层的制备，采用光学显微镜、维氏硬度计、X射线衍射仪、冲击试验机对高强层的微观组织、显微硬度等性能进行了表征。结果表明：在17-4PH不锈钢表面所制备的仿生梯度硬度高强层组织均匀，界面冶金结合良好；仿生梯度硬度高强层组织主要为马氏体、奥氏体、WC及碳化物；仿生梯度硬度高强层相结构主要由Fe-Cr、WC、γ-Fe组成，平均硬度为HV0.5 726.5，较基板有明显的提高；17-4PH不锈钢表面仿生梯度硬度高强层平均冲击吸收功为12.90 J，其冲击吸收功降低的主要原因是由于各层之间的性能不同所导致。
本文拟在17-4PH不锈钢表面制备高硬度耐磨层，为缓解高硬度堆焊层与基体间的开裂问题，提出制备仿生梯度硬度表面堆焊结构。采用手工电弧焊在17-4PH不锈钢表面制备仿生梯度硬度高强层，选用D322焊条和D707焊条分别做过渡层和高强层在17-4PH不锈钢表面进行仿生梯度硬度高强层的制备，采用光学显微镜、维氏硬度计、X射线衍射仪、冲击试验机对高强层的微观组织、显微硬度等性能进行了表征。结果表明：在17-4PH不锈钢表面所制备的仿生梯度硬度高强层组织均匀，界面冶金结合良好；仿生梯度硬度高强层组织主要为马氏体、奥氏体、WC及碳化物；仿生梯度硬度高强层相结构主要由Fe-Cr、WC、γ-Fe组成，平均硬度为HV0.5 726.5，较基板有明显的提高；17-4PH不锈钢表面仿生梯度硬度高强层平均冲击吸收功为12.90 J，其冲击吸收功降低的主要原因是由于各层之间的性能不同所导致。
2024, 41(3): 1487-1504.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230831.004
摘要:
为研究碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)约束再生骨料混凝土(RAC)在重复轴向压缩作用下的力学性能，对72根CFRP约束RAC圆柱进行了不同加载速率下的单调及重复轴压试验，分析了加载速率、再生骨料(RA)替代率和CFRP层数对CFRP约束RAC的破坏模式、极限状态、重复应力-应变关系的影响。试验结果表明：CFRP约束对100wt%RA替代率混凝土极限状态的增强效果最为显著，但其增强效果随着加载速率的增大而减小。相比于3 mm/min的加载速率，2层CFRP约束100wt%RA替代率混凝土在18 mm/min的加载速率下，其极限强度增强比降低了16.2%，极限应变增强比降低了22.6%。此外，重复轴压荷载作用下，卸载刚度和再加载刚度均与RA替代率和加载速率呈负相关，但加载速率的提升会削弱RA替代率的影响。最后，通过对试验数据的回归分析，建立了考虑加载速率与RA替代率耦合作用的CFRP约束RAC重复轴压应力-应变模型，模型预测曲线与本文的试验曲线和现有文献收集的试验曲线匹配良好。
为研究碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)约束再生骨料混凝土(RAC)在重复轴向压缩作用下的力学性能，对72根CFRP约束RAC圆柱进行了不同加载速率下的单调及重复轴压试验，分析了加载速率、再生骨料(RA)替代率和CFRP层数对CFRP约束RAC的破坏模式、极限状态、重复应力-应变关系的影响。试验结果表明：CFRP约束对100wt%RA替代率混凝土极限状态的增强效果最为显著，但其增强效果随着加载速率的增大而减小。相比于3 mm/min的加载速率，2层CFRP约束100wt%RA替代率混凝土在18 mm/min的加载速率下，其极限强度增强比降低了16.2%，极限应变增强比降低了22.6%。此外，重复轴压荷载作用下，卸载刚度和再加载刚度均与RA替代率和加载速率呈负相关，但加载速率的提升会削弱RA替代率的影响。最后，通过对试验数据的回归分析，建立了考虑加载速率与RA替代率耦合作用的CFRP约束RAC重复轴压应力-应变模型，模型预测曲线与本文的试验曲线和现有文献收集的试验曲线匹配良好。
2024, 41(3): 1505-1515.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230816.003
摘要:
相场法可以自动捕捉裂纹的萌生和演化，因此在模拟复合材料的复杂失效行为时具有明显优势。为区分纤维增强复合材料(Fiber-reinforced composites，FRC)中存在的不同断裂模式，采用双相场断裂模型来分别表征基体和纤维的损伤演化。同时采用相场变量作为误差指标，在各向异性的双相场模型中引入了基于四叉树分解的网格自适应细化策略。设计并开发了相应的Matlab程序，研究了单向及变刚度纤维增强复合材料单层板在拉伸位移载荷下的断裂行为。计算结果表明：采用基于自适应算法的各向异性双相场模型所得到的数值计算结果与试验结果吻合良好；自适应双相场模型能在保证较高计算精度的同时，配合序参量的演化准确地在裂纹路径上进行网格自动加密，简化网格前处理过程，减少网格数量，降低计算成本，提高计算效率。
相场法可以自动捕捉裂纹的萌生和演化，因此在模拟复合材料的复杂失效行为时具有明显优势。为区分纤维增强复合材料(Fiber-reinforced composites，FRC)中存在的不同断裂模式，采用双相场断裂模型来分别表征基体和纤维的损伤演化。同时采用相场变量作为误差指标，在各向异性的双相场模型中引入了基于四叉树分解的网格自适应细化策略。设计并开发了相应的Matlab程序，研究了单向及变刚度纤维增强复合材料单层板在拉伸位移载荷下的断裂行为。计算结果表明：采用基于自适应算法的各向异性双相场模型所得到的数值计算结果与试验结果吻合良好；自适应双相场模型能在保证较高计算精度的同时，配合序参量的演化准确地在裂纹路径上进行网格自动加密，简化网格前处理过程，减少网格数量，降低计算成本，提高计算效率。
2024, 41(3): 1516-1527.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230619.001
摘要:
在复合材料的实际应用中，以装配组件或紧固件失效作为复合材料螺栓连接失效的判定准具有极大的风险性。在分析复合材料疲劳损伤发展特点的基础上，本文提出了一种基于连接孔变形的螺接结构疲劳寿命预测方法，并以碳纤维复合材料双钉单剪及单钉双剪连接拉-拉疲劳性能实验数据对模型进行了验证。结果表明：连接孔的变形量能很好地反映连接结构疲劳损伤的发展过程，本文所提的疲劳寿命预测模型的最大误差不超过−3.62%，装配间隙的存在可导致连接件疲劳寿命下降高达64.8%。
在复合材料的实际应用中，以装配组件或紧固件失效作为复合材料螺栓连接失效的判定准具有极大的风险性。在分析复合材料疲劳损伤发展特点的基础上，本文提出了一种基于连接孔变形的螺接结构疲劳寿命预测方法，并以碳纤维复合材料双钉单剪及单钉双剪连接拉-拉疲劳性能实验数据对模型进行了验证。结果表明：连接孔的变形量能很好地反映连接结构疲劳损伤的发展过程，本文所提的疲劳寿命预测模型的最大误差不超过−3.62%，装配间隙的存在可导致连接件疲劳寿命下降高达64.8%。
2024, 41(3): 1528-1538.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230816.002
摘要:
3D机织复合材料在航空航天领域有着广泛应用，作为复合材料的增强结构，纤维预制体的几何构造对复合材料的力学性能有着决定性影响。但预制体是一种柔性结构，在成型过程中容易发生显著的几何结构变异，包括纱线路径的变化和截面的挤压变形。实现预制体的精细化、高保真度建模是对复合材料进行性能预测和结构设计的重要前提。针对碳纤维3D机织预制体的复杂纤维结构，基于虚拟纤维的概念提出了准纤维尺度建模方法，模拟了织造过程中纱线的运动和变形，实现了预制体的精确重构。利用Micro-CT技术表征了预制体样件的内部单胞结构，验证了模型的可靠性。
3D机织复合材料在航空航天领域有着广泛应用，作为复合材料的增强结构，纤维预制体的几何构造对复合材料的力学性能有着决定性影响。但预制体是一种柔性结构，在成型过程中容易发生显著的几何结构变异，包括纱线路径的变化和截面的挤压变形。实现预制体的精细化、高保真度建模是对复合材料进行性能预测和结构设计的重要前提。针对碳纤维3D机织预制体的复杂纤维结构，基于虚拟纤维的概念提出了准纤维尺度建模方法，模拟了织造过程中纱线的运动和变形，实现了预制体的精确重构。利用Micro-CT技术表征了预制体样件的内部单胞结构，验证了模型的可靠性。
2024, 41(3): 1539-1553.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230710.002
摘要:
本文针对复合材料层合板结构提出了一种能够综合反映其承载能力缺失的单元级损伤指标−层合单元损伤指标，该指标既可以反映层合板面内外方向刚度的损伤情况，又具有参数数量较少、较易识别的优点。为保证所提损伤指标的合理性，本文利用数学和力学算子对单元级损伤指标与材料级损伤指标进行了等效，并比较了不同损伤指标在表征损伤程度之间的差异性。并提出了基于单元级损伤参数的复合材料结构损伤识别流程，即首先利用单元应变能差值指标对损伤单元进行筛选，然后利用优化方法对候选单元的损伤程度进行辨识。本文所提方法通过数值算例和一个试验进行了验证，分析了单元级损伤参数各个元素之间的相关性，并验证了基于单元级损伤参数的复合材料层合板结构损伤识别流程。本文的研究成果补充了现有复合材料结构健康监测理论。
本文针对复合材料层合板结构提出了一种能够综合反映其承载能力缺失的单元级损伤指标−层合单元损伤指标，该指标既可以反映层合板面内外方向刚度的损伤情况，又具有参数数量较少、较易识别的优点。为保证所提损伤指标的合理性，本文利用数学和力学算子对单元级损伤指标与材料级损伤指标进行了等效，并比较了不同损伤指标在表征损伤程度之间的差异性。并提出了基于单元级损伤参数的复合材料结构损伤识别流程，即首先利用单元应变能差值指标对损伤单元进行筛选，然后利用优化方法对候选单元的损伤程度进行辨识。本文所提方法通过数值算例和一个试验进行了验证，分析了单元级损伤参数各个元素之间的相关性，并验证了基于单元级损伤参数的复合材料层合板结构损伤识别流程。本文的研究成果补充了现有复合材料结构健康监测理论。
2024, 41(3): 1554-1566.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230711.002
摘要:
采用内聚力模型及有限元分析方法，在含真实形貌SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料中引入孔隙缺陷，分析不同孔隙率及孔隙形状在单轴拉伸过程中对SiC/AZ91D复合材料力学行为的影响。结果表明：孔隙长径比为1时，孔隙率为0%、0.5%、1.0%、1.5%的复合材料的抗拉强度分别为351.214 MPa、339.452 MPa、325.735 MPa、306.791 MPa，抗拉强度随孔隙率的增加逐渐降低，复合材料中裂纹萌生和裂纹扩展时间均随孔隙率增加而提前。孔隙长径比越大，其尖端部位应力集中越严重，复合材料抗拉强度也越低。无孔隙缺陷的SiC/AZ91D复合材料裂纹萌生扩展机制是颗粒与基体交界处萌生微裂纹，微裂纹相互连接形成主裂纹绕开颗粒进行扩展致使材料断裂，含孔隙的SiC/AZ91D复合材料裂纹萌生扩展机制为微裂纹在孔隙周围萌生，与颗粒和基体交界处产生的微裂纹相互连接，汇集成主裂纹绕开颗粒扩展使材料断裂。
采用内聚力模型及有限元分析方法，在含真实形貌SiC颗粒增强AZ91D镁基复合材料中引入孔隙缺陷，分析不同孔隙率及孔隙形状在单轴拉伸过程中对SiC/AZ91D复合材料力学行为的影响。结果表明：孔隙长径比为1时，孔隙率为0%、0.5%、1.0%、1.5%的复合材料的抗拉强度分别为351.214 MPa、339.452 MPa、325.735 MPa、306.791 MPa，抗拉强度随孔隙率的增加逐渐降低，复合材料中裂纹萌生和裂纹扩展时间均随孔隙率增加而提前。孔隙长径比越大，其尖端部位应力集中越严重，复合材料抗拉强度也越低。无孔隙缺陷的SiC/AZ91D复合材料裂纹萌生扩展机制是颗粒与基体交界处萌生微裂纹，微裂纹相互连接形成主裂纹绕开颗粒进行扩展致使材料断裂，含孔隙的SiC/AZ91D复合材料裂纹萌生扩展机制为微裂纹在孔隙周围萌生，与颗粒和基体交界处产生的微裂纹相互连接，汇集成主裂纹绕开颗粒扩展使材料断裂。
2024, 41(3): 1567-1576.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230711.001
摘要:
针刺/缝合多尺度联锁复合材料具有优异的层间性能，在航天热结构复合材料中得到越来越多的应用，然而，缝合工艺对于针刺复合材料双切口层间剪切(DNS)性能的影响还不清楚。以石英缎纹基布、石英斜纹半切布为原料，设计制备了3种缝合矩阵、4种缝合纤维束的石英纤维增强树脂基针刺/缝合多尺度联锁复合材料，测试并分析了复合材料的DNS性能。采用Micro-CT对织物内部结构进行表征，同时通过扫描电镜(SEM)观察试样断口形貌，阐明层间增强机制。使用内聚力模型(Cohesive zone model，CZM)结合Abaqus软件进一步探究针刺/缝合多尺度联锁复合材料的DNS行为，预测材料的极限破坏强度。研究结果表明：缝合工艺的引入极大地改善了复合材料的层间性能，其DNS的破坏载荷最大可达到32.73 MPa，相比针刺复合材料提升了86.46%。针刺/缝合多尺度联锁复合材料DNS的主要破坏方式是基体开裂、纤维束的脆性断裂和拔出。同时，模拟结果和针刺/缝合多尺度联锁复合材料的DNS实验结果吻合较好，误差最大不超过8%，证明本文建立的内聚力模型能够有效预测针刺/缝合多尺度联锁复合材料的层间剪切性能。
针刺/缝合多尺度联锁复合材料具有优异的层间性能，在航天热结构复合材料中得到越来越多的应用，然而，缝合工艺对于针刺复合材料双切口层间剪切(DNS)性能的影响还不清楚。以石英缎纹基布、石英斜纹半切布为原料，设计制备了3种缝合矩阵、4种缝合纤维束的石英纤维增强树脂基针刺/缝合多尺度联锁复合材料，测试并分析了复合材料的DNS性能。采用Micro-CT对织物内部结构进行表征，同时通过扫描电镜(SEM)观察试样断口形貌，阐明层间增强机制。使用内聚力模型(Cohesive zone model，CZM)结合Abaqus软件进一步探究针刺/缝合多尺度联锁复合材料的DNS行为，预测材料的极限破坏强度。研究结果表明：缝合工艺的引入极大地改善了复合材料的层间性能，其DNS的破坏载荷最大可达到32.73 MPa，相比针刺复合材料提升了86.46%。针刺/缝合多尺度联锁复合材料DNS的主要破坏方式是基体开裂、纤维束的脆性断裂和拔出。同时，模拟结果和针刺/缝合多尺度联锁复合材料的DNS实验结果吻合较好，误差最大不超过8%，证明本文建立的内聚力模型能够有效预测针刺/缝合多尺度联锁复合材料的层间剪切性能。
2024, 41(3): 1577-1587.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230714.003
摘要:
铝合金(Aluminum alloy，Al)-碳纤维增强聚丙烯(Carbon fiber reinforced polypropylene，CF/PP)混合材料通过热模压工艺可快速成形为车身薄壁构件，在汽车轻量化设计中应用前景广阔。然而，在热模压中Al主要以塑性变形为主，而CF/PP则以织物拉伸/剪切变形为主；此外，Al-CF/PP混合材料具有明显的热力耦合力学特性，为其数值模型的发展及热成形特性的研究带来了巨大挑战。本文首先通过热模压工艺制备8层(Al与CF/PP交替对称铺放)Al-CF/PP混合帽型梁试样，并采用X射线扫描断层(X-ray computed tomography，X-ray CT)手段对纤维夹角变化进行逐层表征。结果表明：Al-CF/PP中织物发生了明显的剪切变形；然后分别对Al片材和CF/PP片材在不同温度条件下开展单轴拉伸和偏轴拉伸实验，并构建了与温度相关的Al-CF/PP材料本构模型；在ABAQUS中构建了Al-CF/PP帽型梁的热模压有限元模型，仿真预测的纤维夹角变化与实验结果基本吻合；结果表明热模压过程中所有Al片材均出现了厚度减薄，CF/PP片材均经历了明显的剪切变形，Al-CF/PP层间材料则发生了显著的失效损伤。
铝合金(Aluminum alloy，Al)-碳纤维增强聚丙烯(Carbon fiber reinforced polypropylene，CF/PP)混合材料通过热模压工艺可快速成形为车身薄壁构件，在汽车轻量化设计中应用前景广阔。然而，在热模压中Al主要以塑性变形为主，而CF/PP则以织物拉伸/剪切变形为主；此外，Al-CF/PP混合材料具有明显的热力耦合力学特性，为其数值模型的发展及热成形特性的研究带来了巨大挑战。本文首先通过热模压工艺制备8层(Al与CF/PP交替对称铺放)Al-CF/PP混合帽型梁试样，并采用X射线扫描断层(X-ray computed tomography，X-ray CT)手段对纤维夹角变化进行逐层表征。结果表明：Al-CF/PP中织物发生了明显的剪切变形；然后分别对Al片材和CF/PP片材在不同温度条件下开展单轴拉伸和偏轴拉伸实验，并构建了与温度相关的Al-CF/PP材料本构模型；在ABAQUS中构建了Al-CF/PP帽型梁的热模压有限元模型，仿真预测的纤维夹角变化与实验结果基本吻合；结果表明热模压过程中所有Al片材均出现了厚度减薄，CF/PP片材均经历了明显的剪切变形，Al-CF/PP层间材料则发生了显著的失效损伤。
2024, 41(3): 1588-1600.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230919.001
摘要:
为了研究波纹钢板-混凝土的界面粘结滑移性能，考虑混凝土保护层厚度、混凝土强度、锚固长度及配箍率，完成了12个波纹钢板-混凝土试件的推出试验，对试件的破坏形态进行归纳分析，基于界面粘结滑移机制分析了不同阶段界面粘结力的组成，并从界面耗能角度对波纹钢板-混凝土的粘结性能进行了研究。结果表明：波谷处的混凝土裂缝由外向内发展，波脊处的混凝土在界面压应力和箍筋拉力作用下，裂缝与波脊延伸线呈45°；界面的极限粘结强度在0.99~1.86 MPa之间，残余粘结强度在0.25~0.63 MPa之间；增大锚固长度可提高界面的弹性变形能，使界面的极限粘结强度得到有效提高。最后考虑4个影响因素提出了波纹钢板-混凝土界面粘结应力-滑移本构关系表达式，并通过有限元分析对其进行验证，发现模拟所得曲线与试验曲线吻合度较高，表明所提出的本构关系表达式较为合理准确，可为波纹钢板-混凝土结构的有限元分析提供参考依据。
为了研究波纹钢板-混凝土的界面粘结滑移性能，考虑混凝土保护层厚度、混凝土强度、锚固长度及配箍率，完成了12个波纹钢板-混凝土试件的推出试验，对试件的破坏形态进行归纳分析，基于界面粘结滑移机制分析了不同阶段界面粘结力的组成，并从界面耗能角度对波纹钢板-混凝土的粘结性能进行了研究。结果表明：波谷处的混凝土裂缝由外向内发展，波脊处的混凝土在界面压应力和箍筋拉力作用下，裂缝与波脊延伸线呈45°；界面的极限粘结强度在0.99~1.86 MPa之间，残余粘结强度在0.25~0.63 MPa之间；增大锚固长度可提高界面的弹性变形能，使界面的极限粘结强度得到有效提高。最后考虑4个影响因素提出了波纹钢板-混凝土界面粘结应力-滑移本构关系表达式，并通过有限元分析对其进行验证，发现模拟所得曲线与试验曲线吻合度较高，表明所提出的本构关系表达式较为合理准确，可为波纹钢板-混凝土结构的有限元分析提供参考依据。
2024, 41(3): 1601-1610.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230625.001
摘要:
提出了一种纤维增强复合薄壁截锥壳的振动响应分析模型。针对纤维增强复合薄壁截锥壳的结构特点，考虑基础激励载荷方向与母线的夹角、纤维铺层方向与x轴的夹角，利用板壳振动理论、复弹性模量等方法对所研究结构进行了理论建模。利用双向梁函数法表示振型函数，并通过能量法和模态叠加法对其固有特性和振动响应进行求解。为了验证模型的正确性，基于自行搭建的振动测试平台，以TC300/环氧树脂基纤维增强复合薄壁截锥壳为对象，进行了振动特性测试。为减小因样件加工时产生的材料参数误差影响，开发了二分粒子群迭代法对材料参数进行修正。研究发现，测试结果与理论计算获得的共振响应误差最大不超过3.0%，验证了所提出的理论模型与计算方法的正确性和有效性。
提出了一种纤维增强复合薄壁截锥壳的振动响应分析模型。针对纤维增强复合薄壁截锥壳的结构特点，考虑基础激励载荷方向与母线的夹角、纤维铺层方向与x轴的夹角，利用板壳振动理论、复弹性模量等方法对所研究结构进行了理论建模。利用双向梁函数法表示振型函数，并通过能量法和模态叠加法对其固有特性和振动响应进行求解。为了验证模型的正确性，基于自行搭建的振动测试平台，以TC300/环氧树脂基纤维增强复合薄壁截锥壳为对象，进行了振动特性测试。为减小因样件加工时产生的材料参数误差影响，开发了二分粒子群迭代法对材料参数进行修正。研究发现，测试结果与理论计算获得的共振响应误差最大不超过3.0%，验证了所提出的理论模型与计算方法的正确性和有效性。
2024, 41(3): 1611-1625.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230710.003
摘要:
热膨胀工艺能够一体化成型各种泡沫夹芯复合材料。选择初始厚度为1 mm的可膨胀环氧泡沫预浸胶，通过控制模具型腔尺寸以控制不同成型压力制备4种不同厚度的泡沫夹芯板。以10 J和42 J冲击能量研究热膨胀工艺和芯材厚度对泡沫夹芯复合材料低速冲击性能的影响。通过ABAQUS有限元分析、超声C扫描对比试验数据分析了不同试样的损伤模式。通过冲击后压缩试验分析了不同试样的损伤容限。结果发现更高膨胀倍率的泡沫芯子，产生更低的膨胀力，泡沫夹芯板的抗冲击强度降低，但结构具有更优异的吸能效果。高能量和低强度的泡沫芯子都会导致蒙皮更高的损伤程度。试样在10 J能量冲击后的压缩强度衰减率为8.2%，而42 J能量冲击后的压缩强度衰减率达到38.2%。成型压力和芯子的厚度对泡沫夹芯板的损伤容限影响很小。研究确定了热膨胀工艺成型泡沫夹芯复合材料具有高的结构和抗冲击性能可设计性。
热膨胀工艺能够一体化成型各种泡沫夹芯复合材料。选择初始厚度为1 mm的可膨胀环氧泡沫预浸胶，通过控制模具型腔尺寸以控制不同成型压力制备4种不同厚度的泡沫夹芯板。以10 J和42 J冲击能量研究热膨胀工艺和芯材厚度对泡沫夹芯复合材料低速冲击性能的影响。通过ABAQUS有限元分析、超声C扫描对比试验数据分析了不同试样的损伤模式。通过冲击后压缩试验分析了不同试样的损伤容限。结果发现更高膨胀倍率的泡沫芯子，产生更低的膨胀力，泡沫夹芯板的抗冲击强度降低，但结构具有更优异的吸能效果。高能量和低强度的泡沫芯子都会导致蒙皮更高的损伤程度。试样在10 J能量冲击后的压缩强度衰减率为8.2%，而42 J能量冲击后的压缩强度衰减率达到38.2%。成型压力和芯子的厚度对泡沫夹芯板的损伤容限影响很小。研究确定了热膨胀工艺成型泡沫夹芯复合材料具有高的结构和抗冲击性能可设计性。
2024, 41(3): 1626-1632.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230703.002
摘要:
采用化学气相工艺技术，在碳纤维布表面原位生成具有特殊性能的微观涂层，进而将这种纤维布引入到乒乓球拍底板的夹层结构中，实现了底板动特性的调节。采用有限元仿真技术和非接触式模态测试技术，对引入特种纤维夹层的乒乓球拍底板开展了模态分析和测试。对应不同的纤维夹层，底板的一阶和二阶固有频率分别可以在115~127 Hz范围内和179~198 Hz范围内调节。揭示了特种纤维夹层对底板动特性的影响，证明了有限元仿真技术和非接触式模态测试技术在底板动特性研究中的可行性，为更科学、更全面地设计乒乓球拍底板提供了新的思路。
采用化学气相工艺技术，在碳纤维布表面原位生成具有特殊性能的微观涂层，进而将这种纤维布引入到乒乓球拍底板的夹层结构中，实现了底板动特性的调节。采用有限元仿真技术和非接触式模态测试技术，对引入特种纤维夹层的乒乓球拍底板开展了模态分析和测试。对应不同的纤维夹层，底板的一阶和二阶固有频率分别可以在115~127 Hz范围内和179~198 Hz范围内调节。揭示了特种纤维夹层对底板动特性的影响，证明了有限元仿真技术和非接触式模态测试技术在底板动特性研究中的可行性，为更科学、更全面地设计乒乓球拍底板提供了新的思路。
