2024, 41(5): 2191-2210.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231030.004
摘要:
结冰是一种常见的自然现象，冰的形成和堆积会给航空航天、舰船交通、电力系统、能源设施等带来许多安全问题。研究防/除冰材料及技术，提升防御结冰灾害的应对能力，对日常生活、工业生产、国防军工等具有重要意义。低冰粘附防/除冰涂层利用材料本身的性能显著降低冰与表面的粘附力，使冰在风力或自重作用下脱离，具有广阔的发展前景。本文首先介绍了冰的形成原理和结冰类型。随后，从纳米、微米等不同尺度总结分析了低冰粘附防/除冰涂层理论模拟方面的研究进展。根据降低冰粘附机制的不同，分别介绍了超疏水涂层、润滑表面涂层、低模量弹性体涂层、应力集中诱发裂纹涂层、低界面韧性涂层等不同类型涂层的除冰机制和制备方法。综述了冰粘附性的评价指标和实验方法，阐述了各种冰粘附强度测试方法的优缺点。最后，展望了低冰粘附防/除冰涂层未来的研究方向。
结冰是一种常见的自然现象，冰的形成和堆积会给航空航天、舰船交通、电力系统、能源设施等带来许多安全问题。研究防/除冰材料及技术，提升防御结冰灾害的应对能力，对日常生活、工业生产、国防军工等具有重要意义。低冰粘附防/除冰涂层利用材料本身的性能显著降低冰与表面的粘附力，使冰在风力或自重作用下脱离，具有广阔的发展前景。本文首先介绍了冰的形成原理和结冰类型。随后，从纳米、微米等不同尺度总结分析了低冰粘附防/除冰涂层理论模拟方面的研究进展。根据降低冰粘附机制的不同，分别介绍了超疏水涂层、润滑表面涂层、低模量弹性体涂层、应力集中诱发裂纹涂层、低界面韧性涂层等不同类型涂层的除冰机制和制备方法。综述了冰粘附性的评价指标和实验方法，阐述了各种冰粘附强度测试方法的优缺点。最后，展望了低冰粘附防/除冰涂层未来的研究方向。
2024, 41(5): 2212-2230.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231204.001
摘要:
二维层状材料不仅具有极高的承载能力，并且凭借其超薄的厚度在摩擦过程能较容易地进入摩擦接触区。因此，它们在减少摩擦和磨损方面具有巨大的研究和应用潜力。Mxenes作为一种类似于石墨烯的二维层状材料，具有独特的结构和丰富的官能团，其中Ti3C2Tx Mxenes因低层间剪切阻力、高比表面积、良好的分散性等优点而被广泛用作润滑添加剂。本文主要介绍了二维层状Ti3C2Tx的主要制备方法，包括“自上而下”和“自下而上”两种制备路线。同时对二维Ti3C2Tx作为液体润滑剂添加剂、固体润滑涂层添加剂、复合材料增强相的摩擦学应用及效果进行综述，并对其润滑机制进行了探讨。进一步对二维Ti3C2Tx的制备技术的发展和其作为新型润滑材料的应用前景作出展望。
二维层状材料不仅具有极高的承载能力，并且凭借其超薄的厚度在摩擦过程能较容易地进入摩擦接触区。因此，它们在减少摩擦和磨损方面具有巨大的研究和应用潜力。Mxenes作为一种类似于石墨烯的二维层状材料，具有独特的结构和丰富的官能团，其中Ti3C2Tx Mxenes因低层间剪切阻力、高比表面积、良好的分散性等优点而被广泛用作润滑添加剂。本文主要介绍了二维层状Ti3C2Tx的主要制备方法，包括“自上而下”和“自下而上”两种制备路线。同时对二维Ti3C2Tx作为液体润滑剂添加剂、固体润滑涂层添加剂、复合材料增强相的摩擦学应用及效果进行综述，并对其润滑机制进行了探讨。进一步对二维Ti3C2Tx的制备技术的发展和其作为新型润滑材料的应用前景作出展望。
2024, 41(5): 2231-2246.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231016.003
摘要:
碳点(Carbon dots，CDs)作为发光材料，在传感、信息安全、生物医学等领域具有重要应用潜力。然而，制备光学性能稳定、寿命长、发光效率高的CDs基室温磷光(RTP)材料仍然是一个巨大的挑战。将CDs固定在SiO2载体上构建CDs/SiO2复合材料，利用CDs与SiO2之间的协同作用，不仅可以提高CDs的分散性，实现CDs稳定的固态荧光；而且还能诱导三重激发态，产生稳定的三重态激子以实现CDs长寿命发光，这对拓展CDs基复合材料的应用领域具有重要意义。本文综述了近年来RTP CDs/SiO2复合材料的制备方法、性能与应用，总结了其发展中存在的问题，并对RTP CDs/SiO2复合材料的发展方向进行了展望。
碳点(Carbon dots，CDs)作为发光材料，在传感、信息安全、生物医学等领域具有重要应用潜力。然而，制备光学性能稳定、寿命长、发光效率高的CDs基室温磷光(RTP)材料仍然是一个巨大的挑战。将CDs固定在SiO2载体上构建CDs/SiO2复合材料，利用CDs与SiO2之间的协同作用，不仅可以提高CDs的分散性，实现CDs稳定的固态荧光；而且还能诱导三重激发态，产生稳定的三重态激子以实现CDs长寿命发光，这对拓展CDs基复合材料的应用领域具有重要意义。本文综述了近年来RTP CDs/SiO2复合材料的制备方法、性能与应用，总结了其发展中存在的问题，并对RTP CDs/SiO2复合材料的发展方向进行了展望。
2024, 41(5): 2247-2259.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231031.001
摘要:
通过模仿天然细胞外基质的成分和结构特性对材料表面形貌进行设计与调控，可获得新型仿生材料，并广泛应用于生物医学领域。其中，静电纺纳米纤维通过调控孔隙率、比表面积及微纳米结构等，可以模拟天然细胞外基质的结构，实现其生物功能。本文将提供不同表面形貌电纺纤维的概述。首先介绍静电纺丝的原理、设备和参数，然后讨论电纺纤维的4种表面形貌：纳米孔、串晶、沟槽和皱缩结构的制备原理、方法及在生物医学领域的应用，并对该领域相关研究和研究现状进行评价。
通过模仿天然细胞外基质的成分和结构特性对材料表面形貌进行设计与调控，可获得新型仿生材料，并广泛应用于生物医学领域。其中，静电纺纳米纤维通过调控孔隙率、比表面积及微纳米结构等，可以模拟天然细胞外基质的结构，实现其生物功能。本文将提供不同表面形貌电纺纤维的概述。首先介绍静电纺丝的原理、设备和参数，然后讨论电纺纤维的4种表面形貌：纳米孔、串晶、沟槽和皱缩结构的制备原理、方法及在生物医学领域的应用，并对该领域相关研究和研究现状进行评价。
2024, 41(5): 2259-2271.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231205.002
摘要:
电化学传感器作为传统传感器的一种，具有效率高、响应性好和灵敏度高等优点。而柔性电化学传感器具有这些特点的同时，凭借其优异的柔韧性、拉伸性、可折叠性和电化学稳定性，被广泛应用于医疗卫生、环境监测和食品安全等方面。此外，该类传感器还具有方便携带、成本较低、灵敏度高和选择性好等特点。本文立足于柔性传感器活性材料的选择，从无机材料、有机材料、酶和天然材料入手，通过分析与总结近几年的研究成果，介绍材料的选择对电化学传感器性能的影响，重点阐述了不同材料在柔性电化学传感器方面的制备及应用，表明柔性电化学传感器在生产生活中发挥着不可替代的作用。最后对现阶段柔性传感器的研究应用存在的问题与挑战进行总结，并对其未来发展方向进行展望。
电化学传感器作为传统传感器的一种，具有效率高、响应性好和灵敏度高等优点。而柔性电化学传感器具有这些特点的同时，凭借其优异的柔韧性、拉伸性、可折叠性和电化学稳定性，被广泛应用于医疗卫生、环境监测和食品安全等方面。此外，该类传感器还具有方便携带、成本较低、灵敏度高和选择性好等特点。本文立足于柔性传感器活性材料的选择，从无机材料、有机材料、酶和天然材料入手，通过分析与总结近几年的研究成果，介绍材料的选择对电化学传感器性能的影响，重点阐述了不同材料在柔性电化学传感器方面的制备及应用，表明柔性电化学传感器在生产生活中发挥着不可替代的作用。最后对现阶段柔性传感器的研究应用存在的问题与挑战进行总结，并对其未来发展方向进行展望。
2024, 41(5): 2273-2290.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240315.003
摘要:
本文总结了基于原位聚合构造特殊润湿性复合材料的最新进展，首先介绍了基于特殊润湿性的机制及自然界中的特殊润湿性现象，指出人工构造特殊润湿性复合材料的常见方法，举例说明了各类方法的优势与缺陷，并指出原位聚合法构造特殊润湿性复合材料的原理及其优势。其次，以原位聚合法为核心，讨论了3种类型的特殊润湿性复合材料构造现状，包括特殊润湿性涂层复合材料、特殊润湿性纤维复合材料、特殊润湿性多孔复合材料。同时还讨论了原位聚合构造特殊润湿性复合材料在油水分离、水雾收集、液滴操控等领域的应用现状，对其作用机制、材料类型、应用性能进行了综述。最后总结了原位聚合构造特殊润湿性复合材料目前面对的挑战和未来前景。
本文总结了基于原位聚合构造特殊润湿性复合材料的最新进展，首先介绍了基于特殊润湿性的机制及自然界中的特殊润湿性现象，指出人工构造特殊润湿性复合材料的常见方法，举例说明了各类方法的优势与缺陷，并指出原位聚合法构造特殊润湿性复合材料的原理及其优势。其次，以原位聚合法为核心，讨论了3种类型的特殊润湿性复合材料构造现状，包括特殊润湿性涂层复合材料、特殊润湿性纤维复合材料、特殊润湿性多孔复合材料。同时还讨论了原位聚合构造特殊润湿性复合材料在油水分离、水雾收集、液滴操控等领域的应用现状，对其作用机制、材料类型、应用性能进行了综述。最后总结了原位聚合构造特殊润湿性复合材料目前面对的挑战和未来前景。
2024, 41(5): 2291-2304.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231019.005
摘要:
电子设备的电磁辐射问题日益严重，开发高性能电磁屏蔽材料是现实的迫切需求。MXene由于其独特的层状结构、丰富的表面基团、优异的力学性能和突出的导电性，被认为在电磁屏蔽方面具有潜在的应用前景。为获得轻质、高效、稳定的电磁屏蔽材料，多种改性方法被用于提高MXene材料的电磁屏蔽效能，如通过定量控制MXene层状结构构建三维多孔、多层和插层等多种形态，通过氧化、掺杂、热处理和接枝等手段调控MXene表面终止基团及将MXene与其他材料杂化组装获得其他性能等。本文从结构设计、表面改性、复合杂化三方面综述了近几年国内外对MXene材料改性的研究进展，并对其提高电磁屏蔽效能进行了比较。
电子设备的电磁辐射问题日益严重，开发高性能电磁屏蔽材料是现实的迫切需求。MXene由于其独特的层状结构、丰富的表面基团、优异的力学性能和突出的导电性，被认为在电磁屏蔽方面具有潜在的应用前景。为获得轻质、高效、稳定的电磁屏蔽材料，多种改性方法被用于提高MXene材料的电磁屏蔽效能，如通过定量控制MXene层状结构构建三维多孔、多层和插层等多种形态，通过氧化、掺杂、热处理和接枝等手段调控MXene表面终止基团及将MXene与其他材料杂化组装获得其他性能等。本文从结构设计、表面改性、复合杂化三方面综述了近几年国内外对MXene材料改性的研究进展，并对其提高电磁屏蔽效能进行了比较。
2024, 41(5): 2305-2318.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231113.005
摘要:
纳米纤维素来源广泛、绿色可再生，作为纤维素衍生材料，由于其特殊的结构特性，使其具有高机械强度、高结晶度、大比表面积等特点。基于纳米纤维素的湿度响应智能器件因其丰富的亲水基团(例如羟基和羧基)而显示出出色的响应性能，因此纳米纤维素可以作为一种湿度敏感材料来制备高性能湿度响应智能器件。本文介绍了纳米纤维素的分类、来源及湿度响应智能器件的分类及响应原理，重点阐述了不同纳米纤维素在湿度响应智能器件方面的制备及应用，总结了不同类型纳米纤维素与导电材料复合的湿度响应智能器件的性能及优缺点，最后对纳米纤维素基湿度响应智能器件的研究应用存在的问题与挑战进行归纳总结，以期为纳米纤维素基复合材料在湿度响应智能器件中的发展提供理论支持。
纳米纤维素来源广泛、绿色可再生，作为纤维素衍生材料，由于其特殊的结构特性，使其具有高机械强度、高结晶度、大比表面积等特点。基于纳米纤维素的湿度响应智能器件因其丰富的亲水基团(例如羟基和羧基)而显示出出色的响应性能，因此纳米纤维素可以作为一种湿度敏感材料来制备高性能湿度响应智能器件。本文介绍了纳米纤维素的分类、来源及湿度响应智能器件的分类及响应原理，重点阐述了不同纳米纤维素在湿度响应智能器件方面的制备及应用，总结了不同类型纳米纤维素与导电材料复合的湿度响应智能器件的性能及优缺点，最后对纳米纤维素基湿度响应智能器件的研究应用存在的问题与挑战进行归纳总结，以期为纳米纤维素基复合材料在湿度响应智能器件中的发展提供理论支持。
2024, 41(5): 2320-2332.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231115.002
摘要:
5G通信中电磁污染尤为严重，吸波材料可有效的吸收和衰减电磁波，将电磁能转换为热能的形式散失掉，已被广泛应用于航天航空、军事设施及电子通信等领域。然而，电子设备的小型化、集成化与高频化使电子设备无法及时将其产生的热能耗散掉，从而影响设备的正常运行。因此，如何将导热材料高效的应用于电磁波吸收成为了当前吸波领域研究的重点和热点。基于此，本文综述了不同种类的导热材料在电磁波吸收中的应用及研究进展，首先按照组成成分介绍了导热材料的种类，并详细阐述了金属材料、陶瓷材料、碳材料及其复合物和导热高分子材料及其复合物的导热机制及不同导热材料在电磁波吸收中的作用机制与应用。最后对导热吸波一体化材料未来的研究方向及推广应用提出了见解。
5G通信中电磁污染尤为严重，吸波材料可有效的吸收和衰减电磁波，将电磁能转换为热能的形式散失掉，已被广泛应用于航天航空、军事设施及电子通信等领域。然而，电子设备的小型化、集成化与高频化使电子设备无法及时将其产生的热能耗散掉，从而影响设备的正常运行。因此，如何将导热材料高效的应用于电磁波吸收成为了当前吸波领域研究的重点和热点。基于此，本文综述了不同种类的导热材料在电磁波吸收中的应用及研究进展，首先按照组成成分介绍了导热材料的种类，并详细阐述了金属材料、陶瓷材料、碳材料及其复合物和导热高分子材料及其复合物的导热机制及不同导热材料在电磁波吸收中的作用机制与应用。最后对导热吸波一体化材料未来的研究方向及推广应用提出了见解。
2024, 41(5): 2332-2343.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231011.001
摘要:
为进一步深入研究静电纺丝技术及Janus微纳米纤维的可控制备，使具有非均质结构特点的Janus纤维材料在多功能复合材料领域得到更广泛的应用。近年来，随着静电纺丝技术的不断发展，Janus纤维的纺制工艺逐渐从纺丝装置拓展、纺丝参数优化以提高纤维并行率，逐渐向纤维形貌多样化、结构多级化及组成多相化的导向性设计方向发展，以推动Janus纤维在多功能复合材料领域的快速发展。本文综述了基于静电纺丝技术所制备的并轴及同轴结构的Janus微纳米纤维，比较说明了不同结构Janus微纳米纤维的制备方法、形成机制及结构调控等方面的研究进展及成果，并进一步表明了静电纺丝技术在实现Janus纤维微纳米尺度导向性结构控制方面具有广泛的应用潜力。
为进一步深入研究静电纺丝技术及Janus微纳米纤维的可控制备，使具有非均质结构特点的Janus纤维材料在多功能复合材料领域得到更广泛的应用。近年来，随着静电纺丝技术的不断发展，Janus纤维的纺制工艺逐渐从纺丝装置拓展、纺丝参数优化以提高纤维并行率，逐渐向纤维形貌多样化、结构多级化及组成多相化的导向性设计方向发展，以推动Janus纤维在多功能复合材料领域的快速发展。本文综述了基于静电纺丝技术所制备的并轴及同轴结构的Janus微纳米纤维，比较说明了不同结构Janus微纳米纤维的制备方法、形成机制及结构调控等方面的研究进展及成果，并进一步表明了静电纺丝技术在实现Janus纤维微纳米尺度导向性结构控制方面具有广泛的应用潜力。
2024, 41(5): 2344-2354.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231010.001
摘要:
针对国产T300级碳纤维增强高性能聚芳醚酮树脂预浸料(SCF35/PAEK-L)制备的热塑性复合材料，采用热压工艺修复不同冲击能量作用下产生的冲击损伤，以压缩强度评价复合材料冲击损伤修复的效果，并利用Micro-CT研究复合材料修复前、后的微观形貌。结果显示：复合材料的冲击损伤修复效果受到热压修复工艺的影响，随着修复温度的提高复合材料的压缩强度呈现先增加后降低的趋势，较低的修复温度及较高的修复压力与较高的修复温度及较低的修复压力能够得到相近的压缩强度；同时，复合材料的修复效果与冲击损伤程度具有相关性，随着冲击损伤程度的提高，复合材料修复后的压缩强度逐渐降低，标准能量冲击的复合材料修复后，其修复后压缩强度恢复到无损伤状态压缩强度的~70%，为~417 MPa，复合材料出现穿透损伤后，其修复后压缩强度恢复到56%，为~334 MPa。
针对国产T300级碳纤维增强高性能聚芳醚酮树脂预浸料(SCF35/PAEK-L)制备的热塑性复合材料，采用热压工艺修复不同冲击能量作用下产生的冲击损伤，以压缩强度评价复合材料冲击损伤修复的效果，并利用Micro-CT研究复合材料修复前、后的微观形貌。结果显示：复合材料的冲击损伤修复效果受到热压修复工艺的影响，随着修复温度的提高复合材料的压缩强度呈现先增加后降低的趋势，较低的修复温度及较高的修复压力与较高的修复温度及较低的修复压力能够得到相近的压缩强度；同时，复合材料的修复效果与冲击损伤程度具有相关性，随着冲击损伤程度的提高，复合材料修复后的压缩强度逐渐降低，标准能量冲击的复合材料修复后，其修复后压缩强度恢复到无损伤状态压缩强度的~70%，为~417 MPa，复合材料出现穿透损伤后，其修复后压缩强度恢复到56%，为~334 MPa。
2024, 41(5): 2356-2366.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230905.001
摘要:
防雾薄膜包装可以降低包装内的水分活度，减少果蔬腐败变质产生的大量浪费，因此具有十分重要的研究意义。本文以SiO2为壁材，采用乳液聚合法对单硬脂酸甘油酯(GMS)芯材进行包覆，并将其与线型低密度聚乙烯(LLDPE)混合，制备出了一种长效防雾薄膜。结果表明：通过FTIR和XRD对制备样品进行了化学成分、晶型结构分析，证明了GMS被成功包覆；通过SEM对样品的微观形貌和防雾膜截面微观结构进行分析，所制备的GMS@SiO2为类球形，在薄膜中分散较好；粒径、DSC测试表明，GMS和正硅酸四乙酯(TEOS)使用量在1∶2条件下制备的GMS@SiO2样品的粒径均一性较好，83.05%集中在20~100 nm，且有着最高的包覆率，为69.9%；N2吸附-脱附结果显示：GMS@SiO2表面存在许多的介孔结构，孔径为17.918 nm，可以有效延缓GMS的释放；通过TG对样品的热性能进行分析，发现SiO2壁材对GMS起到了较好的保护作用，GMS的最大损失温度由298℃提高到了405℃，提升了约107℃；通过热防雾测试发现，所制备的薄膜可有效延长薄膜的防雾时间且防雾性能优越，在1~11 h内，薄膜防雾等级为DE级；11~60 h内，薄膜防雾等级为E级，而直接加入GMS制备的防雾薄膜在1~11 h防雾等级为E级，在11~60 h内防雾等级为D级，所制备的防雾膜在果蔬保鲜等领域将有着广阔的应用前景。
防雾薄膜包装可以降低包装内的水分活度，减少果蔬腐败变质产生的大量浪费，因此具有十分重要的研究意义。本文以SiO2为壁材，采用乳液聚合法对单硬脂酸甘油酯(GMS)芯材进行包覆，并将其与线型低密度聚乙烯(LLDPE)混合，制备出了一种长效防雾薄膜。结果表明：通过FTIR和XRD对制备样品进行了化学成分、晶型结构分析，证明了GMS被成功包覆；通过SEM对样品的微观形貌和防雾膜截面微观结构进行分析，所制备的GMS@SiO2为类球形，在薄膜中分散较好；粒径、DSC测试表明，GMS和正硅酸四乙酯(TEOS)使用量在1∶2条件下制备的GMS@SiO2样品的粒径均一性较好，83.05%集中在20~100 nm，且有着最高的包覆率，为69.9%；N2吸附-脱附结果显示：GMS@SiO2表面存在许多的介孔结构，孔径为17.918 nm，可以有效延缓GMS的释放；通过TG对样品的热性能进行分析，发现SiO2壁材对GMS起到了较好的保护作用，GMS的最大损失温度由298℃提高到了405℃，提升了约107℃；通过热防雾测试发现，所制备的薄膜可有效延长薄膜的防雾时间且防雾性能优越，在1~11 h内，薄膜防雾等级为DE级；11~60 h内，薄膜防雾等级为E级，而直接加入GMS制备的防雾薄膜在1~11 h防雾等级为E级，在11~60 h内防雾等级为D级，所制备的防雾膜在果蔬保鲜等领域将有着广阔的应用前景。
2024, 41(5): 2366-2374.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230920.001
摘要:
为了研究高含量刚性粒子存在下的成核作用和复合材料弱界面相互作用对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)结晶行为的影响，采用熔融共混法制备了微晶纤维素(MCC)含量为5wt%~25wt%的PBS/MCC复合材料，利用差示扫描量热仪对PBS/MCC复合单丝的熔融行为和非等温结晶动力学进行了表征和分析，并使用由Jeziorny模型修改的Avrami方法和由Vyazovkin修改的Friedman等转化率方法研究了PBS的结晶行为和结晶机制。结晶动力学研究表明：MCC可以作为有效的成核剂显著提高PBS的结晶温度和结晶速率，促进PBS晶体的生长，且不会改变PBS的成核机制和晶体生长几何形状，但PBS/MCC弱界面相互作用会明显抑制PBS自身成核能力， PBS结晶度从34.8%降低至28.8%。本文结果对研究高含量刚性粒子存在下的弱界面相互作用对PBS结晶行为的影响具有一定的指导意义。
为了研究高含量刚性粒子存在下的成核作用和复合材料弱界面相互作用对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)结晶行为的影响，采用熔融共混法制备了微晶纤维素(MCC)含量为5wt%~25wt%的PBS/MCC复合材料，利用差示扫描量热仪对PBS/MCC复合单丝的熔融行为和非等温结晶动力学进行了表征和分析，并使用由Jeziorny模型修改的Avrami方法和由Vyazovkin修改的Friedman等转化率方法研究了PBS的结晶行为和结晶机制。结晶动力学研究表明：MCC可以作为有效的成核剂显著提高PBS的结晶温度和结晶速率，促进PBS晶体的生长，且不会改变PBS的成核机制和晶体生长几何形状，但PBS/MCC弱界面相互作用会明显抑制PBS自身成核能力， PBS结晶度从34.8%降低至28.8%。本文结果对研究高含量刚性粒子存在下的弱界面相互作用对PBS结晶行为的影响具有一定的指导意义。
2024, 41(5): 2376-2385.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230922.001
摘要:
玻璃纤维增强树脂基复合板(GFRP)由于价格便宜、力学性能优异、耐疲劳等优点，广泛应用于风电叶片、运动器材等领域。但是上浆剂和树脂间的不良配合易导致层间分层破坏。本文通过在玻璃纤维织物表面喷涂碳纳米管(CNT)喷涂层，在不破坏面内性能的情况下，使双酚F型和双酚A型环氧树脂基体的玻璃纤维/树脂复合材料的层间I型断裂韧性分别提高了71.7%和23.4%。结果表明：CNT/丙酮分散液喷涂工艺在玻璃纤维上稳定地负载了CNT，成功改变了玻璃纤维表面形态，并通过机械锁合、拔出耗能、延长裂纹扩展路线和触发纤维桥接等机制，成功对不同树脂基体的GFRP实现增韧。
玻璃纤维增强树脂基复合板(GFRP)由于价格便宜、力学性能优异、耐疲劳等优点，广泛应用于风电叶片、运动器材等领域。但是上浆剂和树脂间的不良配合易导致层间分层破坏。本文通过在玻璃纤维织物表面喷涂碳纳米管(CNT)喷涂层，在不破坏面内性能的情况下，使双酚F型和双酚A型环氧树脂基体的玻璃纤维/树脂复合材料的层间I型断裂韧性分别提高了71.7%和23.4%。结果表明：CNT/丙酮分散液喷涂工艺在玻璃纤维上稳定地负载了CNT，成功改变了玻璃纤维表面形态，并通过机械锁合、拔出耗能、延长裂纹扩展路线和触发纤维桥接等机制，成功对不同树脂基体的GFRP实现增韧。
2024, 41(5): 2386-2396.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230918.003
摘要:
针对含缩醛结构生物基环氧树脂体系的工艺性能开展研究，采用旋转流变仪和非等温DSC对缩醛环氧树脂体系的流变性能和固化行为进行了分析，确定了其注胶温度约为40℃。采用自催化模型结合n级模型的分段模型获得其固化动力学参数，分段模型拟合得到的曲线与实验曲线吻合较好，表明该模型在2.5~20 K/min的升温速率下能较好地描述含缩醛结构环氧树脂体系的固化反应过程。通过外推法确定了树脂体系的优化固化工艺条件，制备出的含缩醛结构环氧树脂的拉伸强度和弯曲强度分别为79 MPa和130 MPa。进一步研究了碳纤维与环氧树脂之间的界面粘结性能和力学性能，发现碳纤维/缩醛环氧树脂复合材料的界面剪切强度和力学性能与碳纤维/商用环氧树脂复合材料的基本相当，表明可降解的缩醛环氧树脂可以替代商用环氧树脂，具有广泛的应用前景。另外，碳纤维/缩醛环氧树脂复合材料具有较好的降解性能，回收碳纤维的单丝拉伸强度与原始碳纤维的相当，可以有效回收高质量的碳纤维。
针对含缩醛结构生物基环氧树脂体系的工艺性能开展研究，采用旋转流变仪和非等温DSC对缩醛环氧树脂体系的流变性能和固化行为进行了分析，确定了其注胶温度约为40℃。采用自催化模型结合n级模型的分段模型获得其固化动力学参数，分段模型拟合得到的曲线与实验曲线吻合较好，表明该模型在2.5~20 K/min的升温速率下能较好地描述含缩醛结构环氧树脂体系的固化反应过程。通过外推法确定了树脂体系的优化固化工艺条件，制备出的含缩醛结构环氧树脂的拉伸强度和弯曲强度分别为79 MPa和130 MPa。进一步研究了碳纤维与环氧树脂之间的界面粘结性能和力学性能，发现碳纤维/缩醛环氧树脂复合材料的界面剪切强度和力学性能与碳纤维/商用环氧树脂复合材料的基本相当，表明可降解的缩醛环氧树脂可以替代商用环氧树脂，具有广泛的应用前景。另外，碳纤维/缩醛环氧树脂复合材料具有较好的降解性能，回收碳纤维的单丝拉伸强度与原始碳纤维的相当，可以有效回收高质量的碳纤维。
2024, 41(5): 2395-2403.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230922.002
摘要:
为了平衡聚碳酸酯(PC)的阻燃改性和力学改性效果，本文采用由种子乳液聚合自制的有机硅-含磷丙烯酸酯核壳结构的阻燃增韧剂(ACR)共混改性PC材料。当在PC中添加质量分数为4wt%的ACR时，4%ACR/PC的极限氧指数(LOI)可达31.7%，垂直燃烧测试达到UL-94 V-0级，锥形量热测试表明燃烧释热和烟释放总量分别降低了43.2%和20.5%；同时，4%ACR/PC保持了与纯PC相近的拉伸强度，且冲击强度提高了9.4%。热重-红外联用、拉曼光谱和燃烧后残余物扫描电镜分析表明，阻燃作用主要来自于磷-硅协同效应及磷元素对PC的催化成炭作用。冲击断面SEM图像显示，增韧作用体现在ACR核层有机硅橡胶可以吸收冲击能量，抑制或终止裂纹的产生。
为了平衡聚碳酸酯(PC)的阻燃改性和力学改性效果，本文采用由种子乳液聚合自制的有机硅-含磷丙烯酸酯核壳结构的阻燃增韧剂(ACR)共混改性PC材料。当在PC中添加质量分数为4wt%的ACR时，4%ACR/PC的极限氧指数(LOI)可达31.7%，垂直燃烧测试达到UL-94 V-0级，锥形量热测试表明燃烧释热和烟释放总量分别降低了43.2%和20.5%；同时，4%ACR/PC保持了与纯PC相近的拉伸强度，且冲击强度提高了9.4%。热重-红外联用、拉曼光谱和燃烧后残余物扫描电镜分析表明，阻燃作用主要来自于磷-硅协同效应及磷元素对PC的催化成炭作用。冲击断面SEM图像显示，增韧作用体现在ACR核层有机硅橡胶可以吸收冲击能量，抑制或终止裂纹的产生。
2024, 41(5): 2397-2406.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230920.004
摘要:
聚丙烯腈(PAN)隔膜具有优秀的电化学性能，作为锂离子电池隔膜材料受到广泛关注，但其机械强度与耐热性不足问题依然存在。本文选用由软段与硬段构成的聚合物热塑性聚氨酯(TPU)与PAN进行混纺，并将制备的纤维膜通过60Co γ 射线对其改性，制备出一种新型锂离子电池隔膜。通过FTIR发现辐照改性PAN/TPU隔膜，PAN分子间出现环化反应，并且PAN与TPU分子间出现C=N—N键的交联，环和交联结构的引入都提高隔膜的力学与耐热性能，此外通过100 kGy改性后的隔膜电化学性能优异，具有较高的吸液率(552%)与孔隙率(68.2%)，电化学稳定窗口为5.42 V，界面阻抗为149.44 Ω，离子电导率为1.68×10−3 S/cm，均优于辐照前的隔膜，1 C下循环100次后放电容量保持率为96.53%，并在循环测试中表现出优异的倍率性能。
聚丙烯腈(PAN)隔膜具有优秀的电化学性能，作为锂离子电池隔膜材料受到广泛关注，但其机械强度与耐热性不足问题依然存在。本文选用由软段与硬段构成的聚合物热塑性聚氨酯(TPU)与PAN进行混纺，并将制备的纤维膜通过60Co γ 射线对其改性，制备出一种新型锂离子电池隔膜。通过FTIR发现辐照改性PAN/TPU隔膜，PAN分子间出现环化反应，并且PAN与TPU分子间出现C=N—N键的交联，环和交联结构的引入都提高隔膜的力学与耐热性能，此外通过100 kGy改性后的隔膜电化学性能优异，具有较高的吸液率(552%)与孔隙率(68.2%)，电化学稳定窗口为5.42 V，界面阻抗为149.44 Ω，离子电导率为1.68×10−3 S/cm，均优于辐照前的隔膜，1 C下循环100次后放电容量保持率为96.53%，并在循环测试中表现出优异的倍率性能。
2024, 41(5): 2416-2428.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231025.004
摘要:
为研究驻极体材料纳米聚四氟乙烯(PTFE)对低密度聚乙烯(LDPE)空间电荷特性及直流介电性能的影响，选用纳米PTFE粉末与LDPE共混，制备得到不同填料质量分数(0.1wt%、0.3wt%、0.5wt%)的纳米PTFE/LDPE复合材料。SEM图像表明，粒径为20 nm左右的PTFE粒子在LDPE基体中分散性良好，结晶尺寸减小。FTIR表明，掺杂纳米PTFE粒子不会改变LDPE原有的化学结构。DSC结果表明，纳米PTFE粒子作为异相成核剂促进了材料的异相成核，提高了复合材料的结晶度。利用电声脉冲法(PEA)测试了室温下纳米复合材料的空间电荷分布，并测试了纳米复合材料的电导电流特性及直流击穿特性，结果表明，较低掺杂含量的纳米复合材料能明显抑制材料内部的空间电荷积聚，并且提高了复合材料空间电荷注入的阈值场强和材料的耐电强度。热刺激电流(TSC)结果表明掺杂含量较少时，纳米复合材料的陷阱能级最深，并随着掺杂含量的增加，纳米复合材料的陷阱能级逐渐变浅，浅陷阱密度逐渐增大。最后利用Materials Studio软件仿真分析F原子对LDPE陷阱能级的影响，表明F原子较强的电负性是影响纳米PTFE/LDPE复合材料陷阱能级的重要因素。
为研究驻极体材料纳米聚四氟乙烯(PTFE)对低密度聚乙烯(LDPE)空间电荷特性及直流介电性能的影响，选用纳米PTFE粉末与LDPE共混，制备得到不同填料质量分数(0.1wt%、0.3wt%、0.5wt%)的纳米PTFE/LDPE复合材料。SEM图像表明，粒径为20 nm左右的PTFE粒子在LDPE基体中分散性良好，结晶尺寸减小。FTIR表明，掺杂纳米PTFE粒子不会改变LDPE原有的化学结构。DSC结果表明，纳米PTFE粒子作为异相成核剂促进了材料的异相成核，提高了复合材料的结晶度。利用电声脉冲法(PEA)测试了室温下纳米复合材料的空间电荷分布，并测试了纳米复合材料的电导电流特性及直流击穿特性，结果表明，较低掺杂含量的纳米复合材料能明显抑制材料内部的空间电荷积聚，并且提高了复合材料空间电荷注入的阈值场强和材料的耐电强度。热刺激电流(TSC)结果表明掺杂含量较少时，纳米复合材料的陷阱能级最深，并随着掺杂含量的增加，纳米复合材料的陷阱能级逐渐变浅，浅陷阱密度逐渐增大。最后利用Materials Studio软件仿真分析F原子对LDPE陷阱能级的影响，表明F原子较强的电负性是影响纳米PTFE/LDPE复合材料陷阱能级的重要因素。
2024, 41(5): 2428-2435.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231017.004
摘要:
对碳纤维表面进行改性处理是提高碳纤维/环氧树脂复合材料(CFs/EP)界面结合力的主要方法，而特殊的表面形貌结构能有效预防应力集中并提升复合材料的综合力学性能。本文采用微波辅助的方法在碳纤维表面快速高效地制备了一种花朵状MgO，考察了其对CFs/EP复合材料力学性能的影响。研究发现：花朵状MgO增加了碳纤维表面的粗糙程度，促进了碳纤维与EP基体不规则界面的形成，增强了其与EP基体的机械啮合作用。这种多尺度边界形态可以增加裂纹扩展途径，从而消耗更多的能量并有效缓解CFs/EP复合材料因应力集中而产生的破坏。花朵状MgO改性碳纤维极大地改善了复合材料的力学性能，与未改性碳纤维增强环氧树脂相比，花朵状MgO改性碳纤维/环氧树脂复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了15.2%、21.8%和14.3%。因此，花朵状MgO改性碳纤维同时显著提高了CFs/EP复合材料的强度和韧性。这为碳纤维在聚合物基复合材料中的广泛应用提供了技术支持，为制备更多特殊形貌纤维增强树脂基复合材料提供了更广阔的思路。
对碳纤维表面进行改性处理是提高碳纤维/环氧树脂复合材料(CFs/EP)界面结合力的主要方法，而特殊的表面形貌结构能有效预防应力集中并提升复合材料的综合力学性能。本文采用微波辅助的方法在碳纤维表面快速高效地制备了一种花朵状MgO，考察了其对CFs/EP复合材料力学性能的影响。研究发现：花朵状MgO增加了碳纤维表面的粗糙程度，促进了碳纤维与EP基体不规则界面的形成，增强了其与EP基体的机械啮合作用。这种多尺度边界形态可以增加裂纹扩展途径，从而消耗更多的能量并有效缓解CFs/EP复合材料因应力集中而产生的破坏。花朵状MgO改性碳纤维极大地改善了复合材料的力学性能，与未改性碳纤维增强环氧树脂相比，花朵状MgO改性碳纤维/环氧树脂复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了15.2%、21.8%和14.3%。因此，花朵状MgO改性碳纤维同时显著提高了CFs/EP复合材料的强度和韧性。这为碳纤维在聚合物基复合材料中的广泛应用提供了技术支持，为制备更多特殊形貌纤维增强树脂基复合材料提供了更广阔的思路。
2024, 41(5): 2437-2447.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230908.002
摘要:
电气设备的高频化趋势对绝缘材料的耐电晕老化性能及介电性能提出了更高的要求。因此，提高绝缘材料的绝缘性能对高频电力系统的发展至关重要。本文以2, 2'-双(三氟甲基)-4, 4'- 二氨基苯基醚(6FODA)、4, 4'-二氨基二苯醚(ODA)、均苯四甲酸二酐(PMDA)为反应单体，设计制备了嵌段共聚型含氟聚酰亚胺(FPI)三层薄膜，并重点研究了材料的耐电晕性能和介电性能。结果表明：不同含氟量嵌段共聚型FPI三层薄膜的耐电晕寿命均高于纯聚酰亚胺(PI)三层薄膜，且随着含氟量的增加，薄膜耐电晕寿命相应增大。当ODA与6FODA摩尔比为1∶9时三层薄膜的耐电晕寿命在常温(20℃)、80 kV/mm下最高可达4.0 h，是纯PI三层薄膜(1.4 h)的2.86倍。随着含氟量的增加，FPI三层薄膜的介电常数呈现先减后增趋势，ODA与6FODA摩尔比为1∶1时三层薄膜的介电常数在1 MHz时最低可降至2.26，介电损耗与电导率呈现先增后减趋势。介电强度随着含氟量的增加有所下降，但均高于纯PI三层薄膜，ODA与6FODA摩尔比为9∶1时，三层薄膜的介电强度高达434 kV/mm。
电气设备的高频化趋势对绝缘材料的耐电晕老化性能及介电性能提出了更高的要求。因此，提高绝缘材料的绝缘性能对高频电力系统的发展至关重要。本文以2, 2'-双(三氟甲基)-4, 4'- 二氨基苯基醚(6FODA)、4, 4'-二氨基二苯醚(ODA)、均苯四甲酸二酐(PMDA)为反应单体，设计制备了嵌段共聚型含氟聚酰亚胺(FPI)三层薄膜，并重点研究了材料的耐电晕性能和介电性能。结果表明：不同含氟量嵌段共聚型FPI三层薄膜的耐电晕寿命均高于纯聚酰亚胺(PI)三层薄膜，且随着含氟量的增加，薄膜耐电晕寿命相应增大。当ODA与6FODA摩尔比为1∶9时三层薄膜的耐电晕寿命在常温(20℃)、80 kV/mm下最高可达4.0 h，是纯PI三层薄膜(1.4 h)的2.86倍。随着含氟量的增加，FPI三层薄膜的介电常数呈现先减后增趋势，ODA与6FODA摩尔比为1∶1时三层薄膜的介电常数在1 MHz时最低可降至2.26，介电损耗与电导率呈现先增后减趋势。介电强度随着含氟量的增加有所下降，但均高于纯PI三层薄膜，ODA与6FODA摩尔比为9∶1时，三层薄膜的介电强度高达434 kV/mm。
2024, 41(5): 2448-2456.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230906.001
摘要:
采用气体辅助注塑工艺(GAIM)、气体驱动弹头辅助注塑工艺(G-PAIM)、水辅助注塑工艺(WAIM)和水驱动弹头辅助注塑工艺(W-PAIM)这4种工艺方法成型长玻纤增强聚丙烯(LGFR-PP)流体辅助注塑管件，对比研究各工艺方法对管件壁厚、玻纤断裂长度及玻纤取向的影响。结果表明：W-PAIM工艺管件壁厚最薄且壁厚均匀性最好，GAIM工艺管件壁厚最厚且壁厚均匀性最差；G-PAIM比WAIM管件壁厚均匀性更好，但WAIM管件壁厚更薄；4种工艺方法中玻纤断裂长度呈不均匀分布，平均玻纤断裂长度WAIM>GAIM>W-PAIM>G-PAIM，弹头的引入使玻纤断裂作用加剧，玻纤断裂长度更短；G-PAIM、WAIM和W-PAIM工艺中玻纤沿流动方向取向度由近模壁层到中间层再到近流道层呈现逐渐升高的趋势，GAIM玻纤取向杂乱无章；各工艺管件玻纤取向程度W-PAIM>WAIM>G-PAIM>GAIM。
采用气体辅助注塑工艺(GAIM)、气体驱动弹头辅助注塑工艺(G-PAIM)、水辅助注塑工艺(WAIM)和水驱动弹头辅助注塑工艺(W-PAIM)这4种工艺方法成型长玻纤增强聚丙烯(LGFR-PP)流体辅助注塑管件，对比研究各工艺方法对管件壁厚、玻纤断裂长度及玻纤取向的影响。结果表明：W-PAIM工艺管件壁厚最薄且壁厚均匀性最好，GAIM工艺管件壁厚最厚且壁厚均匀性最差；G-PAIM比WAIM管件壁厚均匀性更好，但WAIM管件壁厚更薄；4种工艺方法中玻纤断裂长度呈不均匀分布，平均玻纤断裂长度WAIM>GAIM>W-PAIM>G-PAIM，弹头的引入使玻纤断裂作用加剧，玻纤断裂长度更短；G-PAIM、WAIM和W-PAIM工艺中玻纤沿流动方向取向度由近模壁层到中间层再到近流道层呈现逐渐升高的趋势，GAIM玻纤取向杂乱无章；各工艺管件玻纤取向程度W-PAIM>WAIM>G-PAIM>GAIM。
2024, 41(5): 2457-2466.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230831.002
摘要:
为解决聚乳酸(PLA)基木塑复合材料制备成本高、韧性和耐热性差等问题，以可降解树脂聚丁二酸丁二醇酯(PBS)作为改性树脂，与沙柳木粉(WF)和PLA共混复合，通过模压法制备环境友好型PBS-WF/PLA三元可降解木塑复合材料。研究结果表明：PBS的加入，可使复合材料的韧性、耐热性及热稳定性提高，但强度和刚度下降。当PBS加入量为树脂总量的50wt%时，PBS-WF/PLA复合材料的综合性能相对较佳，与WF/PLA相比，生产成本降低约20%，PBS-WF/PLA的静曲强度、弹性模量和拉伸强度的保持率分别为86.5%、63.8%和73.1%，冲击强度提高40.1%，维卡软化温度、热变形温度和第二阶段热分解起始温度分别升高37.1℃、53.7℃和4.1℃。
为解决聚乳酸(PLA)基木塑复合材料制备成本高、韧性和耐热性差等问题，以可降解树脂聚丁二酸丁二醇酯(PBS)作为改性树脂，与沙柳木粉(WF)和PLA共混复合，通过模压法制备环境友好型PBS-WF/PLA三元可降解木塑复合材料。研究结果表明：PBS的加入，可使复合材料的韧性、耐热性及热稳定性提高，但强度和刚度下降。当PBS加入量为树脂总量的50wt%时，PBS-WF/PLA复合材料的综合性能相对较佳，与WF/PLA相比，生产成本降低约20%，PBS-WF/PLA的静曲强度、弹性模量和拉伸强度的保持率分别为86.5%、63.8%和73.1%，冲击强度提高40.1%，维卡软化温度、热变形温度和第二阶段热分解起始温度分别升高37.1℃、53.7℃和4.1℃。
2024, 41(5): 2466-2477.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230825.006
摘要:
磺化芳香类聚合物质子交换膜(PEM)为了达到较好的质子传导性能就必需具有较高的磺化度，然而较高的磺化度就会增加PEM的溶胀率、降低PEM的尺寸稳定性及增加PEM的甲醇渗透率等一系列问题。为此，通过直接缩聚的方法合成了含有羧基的聚芳醚酮共聚物(PAEK-x)，利用刚果红作为交联剂并引入磺酸基团，与磺化聚乙烯醇(SPVA)复合制备磺化聚乙烯醇/磺化聚芳醚酮交联复合膜(Cr-SPAEK-x)，通过红外光谱对交联复合膜进行了表征。对膜的性能测试发现，该系列交联复合膜表现出了良好的热性能、力学性能、氧化稳定性和适度的吸水性。交联结构形成于PAEK-x的羧基与刚果红的氨基及SPVA的羟基之间，不消耗膜中的传导基团磺酸基，因此该系列交联复合膜表现出了较高的质子传导率，酚酞啉(PPL)摩尔含量为100mol%的磺化聚乙烯醇/磺化聚芳醚酮交联复合膜Cr-SPAEK-100在25℃和80℃分别达到了0.053 S·cm−1和0.109 S·cm−1。交联网络结构的形成，抑制了膜的水溶胀性，提高了膜的尺寸稳定性，即使是吸水率最高的Cr-SPAEK-100膜的溶胀率室温下也只有5.26%，同时由于致密的交联网络结构的形成及具有高阻醇性能的SPVA的引入，有效地降低了该系列交联复合膜的甲醇渗透系数，最高也只有3.92×10−7 cm2·s−1，可见该系列交联复合膜有望在直接甲醇燃料电池中得到应用。
磺化芳香类聚合物质子交换膜(PEM)为了达到较好的质子传导性能就必需具有较高的磺化度，然而较高的磺化度就会增加PEM的溶胀率、降低PEM的尺寸稳定性及增加PEM的甲醇渗透率等一系列问题。为此，通过直接缩聚的方法合成了含有羧基的聚芳醚酮共聚物(PAEK-x)，利用刚果红作为交联剂并引入磺酸基团，与磺化聚乙烯醇(SPVA)复合制备磺化聚乙烯醇/磺化聚芳醚酮交联复合膜(Cr-SPAEK-x)，通过红外光谱对交联复合膜进行了表征。对膜的性能测试发现，该系列交联复合膜表现出了良好的热性能、力学性能、氧化稳定性和适度的吸水性。交联结构形成于PAEK-x的羧基与刚果红的氨基及SPVA的羟基之间，不消耗膜中的传导基团磺酸基，因此该系列交联复合膜表现出了较高的质子传导率，酚酞啉(PPL)摩尔含量为100mol%的磺化聚乙烯醇/磺化聚芳醚酮交联复合膜Cr-SPAEK-100在25℃和80℃分别达到了0.053 S·cm−1和0.109 S·cm−1。交联网络结构的形成，抑制了膜的水溶胀性，提高了膜的尺寸稳定性，即使是吸水率最高的Cr-SPAEK-100膜的溶胀率室温下也只有5.26%，同时由于致密的交联网络结构的形成及具有高阻醇性能的SPVA的引入，有效地降低了该系列交联复合膜的甲醇渗透系数，最高也只有3.92×10−7 cm2·s−1，可见该系列交联复合膜有望在直接甲醇燃料电池中得到应用。
2024, 41(5): 2467-2477.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230914.003
摘要:
基于空心玻璃微珠(HGM)/环氧树脂体系的声匹配层制备了高灵敏度的空耦超声波换能器。采用聚甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物(PVMMA)接枝到空心玻璃微珠表面(PVMMA-g-HGM)，以提高低密度空心玻璃微珠在高密度环氧树脂基体中的分散性。结果表明：改性空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料的致密度提升显著且无明显缺陷，具备了更好的声辐射性能，制备的空耦超声波换能器灵敏度达到4.88 V。此外，改进后超声波换能器装配的气体超声波流量计具备更好的流场适应性，相对误差绝对值低于1.0%。本文提出一种新的工艺以改进气体超声波流量计中超声换能器的性能。
基于空心玻璃微珠(HGM)/环氧树脂体系的声匹配层制备了高灵敏度的空耦超声波换能器。采用聚甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物(PVMMA)接枝到空心玻璃微珠表面(PVMMA-g-HGM)，以提高低密度空心玻璃微珠在高密度环氧树脂基体中的分散性。结果表明：改性空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料的致密度提升显著且无明显缺陷，具备了更好的声辐射性能，制备的空耦超声波换能器灵敏度达到4.88 V。此外，改进后超声波换能器装配的气体超声波流量计具备更好的流场适应性，相对误差绝对值低于1.0%。本文提出一种新的工艺以改进气体超声波流量计中超声换能器的性能。
2024, 41(5): 2490-2499.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230825.005
摘要:
电晕放电会影响电气设备的稳定运行和使用寿命，因此提高绝缘材料的耐电晕性能对于保证电气设备的正常运行具有重要意义。本文利用硅烷偶联剂改性氮化硼(BN)制备改性BN (fBN)，并将其与分散剂(有机硅硼复合氧化物(Si-B))共混对环氧树脂(EP)进行了改性。采用共混法和热固法制备了不同fBN含量的fBN-Si-B/EP复合材料，提高了环氧树脂的耐电晕寿命。实验结果表明：在30℃和30 kV·mm−1电场强度下，fBN-Si-B/EP复合材料的耐电晕寿命最高可达114.8 h，是纯环氧树脂5.01倍。随着fBN掺杂量的增加，fBN-Si-B/EP复合材料的介电常数呈现增加的趋势。同时，该复合材料的体积电阻率和击穿场强则表现出先降低后增加的趋势。少量fBN的加入可以降低复合材料的相对介电常数，抑制介电损耗增加。虽然fBN-Si-B/EP复合材料的击穿场强和体积电阻率略微降低，体积电阻率极小值为6.65×1014 Ω·cm，击穿场强极小值为24.04 kV·mm−1，但仍具有较好的绝缘性能。
电晕放电会影响电气设备的稳定运行和使用寿命，因此提高绝缘材料的耐电晕性能对于保证电气设备的正常运行具有重要意义。本文利用硅烷偶联剂改性氮化硼(BN)制备改性BN (fBN)，并将其与分散剂(有机硅硼复合氧化物(Si-B))共混对环氧树脂(EP)进行了改性。采用共混法和热固法制备了不同fBN含量的fBN-Si-B/EP复合材料，提高了环氧树脂的耐电晕寿命。实验结果表明：在30℃和30 kV·mm−1电场强度下，fBN-Si-B/EP复合材料的耐电晕寿命最高可达114.8 h，是纯环氧树脂5.01倍。随着fBN掺杂量的增加，fBN-Si-B/EP复合材料的介电常数呈现增加的趋势。同时，该复合材料的体积电阻率和击穿场强则表现出先降低后增加的趋势。少量fBN的加入可以降低复合材料的相对介电常数，抑制介电损耗增加。虽然fBN-Si-B/EP复合材料的击穿场强和体积电阻率略微降低，体积电阻率极小值为6.65×1014 Ω·cm，击穿场强极小值为24.04 kV·mm−1，但仍具有较好的绝缘性能。
2024, 41(5): 2501-2516.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231017.002
摘要:
在复合材料中加入形状记忆合金(SMA)制成的纤维增强材料具有高强度、高阻尼与良好的自修复性等优点，可明显提高修理结构刚度及抗剥离性。为了探究热环境下玻璃纤维补片内嵌不同铺设数量与方式的SMA修理板的振动特性，基于Liang-Rogers的SMA本构模型编制用户自定义材料子程序(UMAT)，实现有限元精确求解。对比传统修理板与本文制备的SMA修理板的振型、固有频率及阻尼比变化情况，探究不同温度下SMA铺设构型对双面贴补修理玻璃纤维层合板振动特性的影响。实验与仿真结果表明：相较于单线型(D)与垂直交叉型(C)，斜铺交叉型(X) SMA修理板前三阶振型更接近传统修理板(Q0)，且振型与嵌入的SMA数量无关。SMA相变时，内嵌SMA使修理板前二阶固有频率上升且上升率与SMA数量呈正相关，与SMA铺设方式关系如下：C型>D型>X型。内嵌SMA使修理板耗能能力及阻尼性优于Q0板，与SMA数量呈正相关，与SMA铺设方式关系如下：X型>C型>D型。本文研究的铺设构型中，X24型修理效果最优，其一、二阶固有频率最高可恢复至Q0板的108.47%与112.26%，阻尼比相较于Q0板增大了5.19倍。该工作可以为现有传统复合材料修理向智能复合材料修理技术转变提供参考。
在复合材料中加入形状记忆合金(SMA)制成的纤维增强材料具有高强度、高阻尼与良好的自修复性等优点，可明显提高修理结构刚度及抗剥离性。为了探究热环境下玻璃纤维补片内嵌不同铺设数量与方式的SMA修理板的振动特性，基于Liang-Rogers的SMA本构模型编制用户自定义材料子程序(UMAT)，实现有限元精确求解。对比传统修理板与本文制备的SMA修理板的振型、固有频率及阻尼比变化情况，探究不同温度下SMA铺设构型对双面贴补修理玻璃纤维层合板振动特性的影响。实验与仿真结果表明：相较于单线型(D)与垂直交叉型(C)，斜铺交叉型(X) SMA修理板前三阶振型更接近传统修理板(Q0)，且振型与嵌入的SMA数量无关。SMA相变时，内嵌SMA使修理板前二阶固有频率上升且上升率与SMA数量呈正相关，与SMA铺设方式关系如下：C型>D型>X型。内嵌SMA使修理板耗能能力及阻尼性优于Q0板，与SMA数量呈正相关，与SMA铺设方式关系如下：X型>C型>D型。本文研究的铺设构型中，X24型修理效果最优，其一、二阶固有频率最高可恢复至Q0板的108.47%与112.26%，阻尼比相较于Q0板增大了5.19倍。该工作可以为现有传统复合材料修理向智能复合材料修理技术转变提供参考。
2024, 41(5): 2504-2520.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230914.004
摘要:
阵列复材管是由薄壁碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)管在水平面内二维密排形成的蜂窝结构材料，可应用于航空航天等领域。为探索端面磨削和铣削阵列复材管的可行性，以CFRP管元胞为研究对象，考虑其薄壁特征引入切出角度为实验参数，并开展端面加工实验研究切出角度、刀具实际进给率、轴向切削深度和切削速度对已加工表面形貌和力的影响。结果表明：切出角度通过影响加工区域的材料支撑状态和纤维切削角影响损伤的类型及形成过程，过大或过小的切出角度均可能产生加工损伤；通过降低刀具实际进给率、轴向切削深度或提升切削速度均可一定程度上降低切削力并抑制端面磨削时小切出角度条件下的损伤，但上述措施无法抑制端面铣削损伤。端面磨削相比于端面铣削具有更大的高效低损伤加工工艺操作区间，建议优先选用。
阵列复材管是由薄壁碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)管在水平面内二维密排形成的蜂窝结构材料，可应用于航空航天等领域。为探索端面磨削和铣削阵列复材管的可行性，以CFRP管元胞为研究对象，考虑其薄壁特征引入切出角度为实验参数，并开展端面加工实验研究切出角度、刀具实际进给率、轴向切削深度和切削速度对已加工表面形貌和力的影响。结果表明：切出角度通过影响加工区域的材料支撑状态和纤维切削角影响损伤的类型及形成过程，过大或过小的切出角度均可能产生加工损伤；通过降低刀具实际进给率、轴向切削深度或提升切削速度均可一定程度上降低切削力并抑制端面磨削时小切出角度条件下的损伤，但上述措施无法抑制端面铣削损伤。端面磨削相比于端面铣削具有更大的高效低损伤加工工艺操作区间，建议优先选用。
2024, 41(5): 2521-2534.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230911.002
摘要:
芬顿反应是一种通过Fe2+催化H2O2分解生成羟基自由基(•OH)的氧化工艺，因其•OH生成速率快和操作简单等优点被广泛应用于废水中有机污染物的降解，然而存在需要外部加入H2O2和pH适用范围窄的缺陷限制其进一步应用。为解决以上问题，通过外加Fe2+活化复合光催化剂石墨相氮化碳/碳量子点(g-C3N4/CQDs)原位生成的H2O2，构建了g-C3N4/CQDs/Fe2+光芬顿体系，避免了H2O2在储存和运输过程中的潜在风险，并扩宽了反应的pH值范围。该体系对土霉素(OTC)的降解表现出优异的活性，在g-C3N4/CQDs投加量为120 mg，OTC初始浓度为20 mg·L−1，Fe2+投加量为0.36 mmol·L−1，OTC的初始pH为7时，其降解效率高达97%。基于自由基捕获、•OH的生成变化测定及与H2O2生成过程的对比等实验，证明g-C3N4/CQDs/Fe2+光芬顿降解OTC优异的活性，主要来源于Fe2+活化原位H2O2产生的•OH活性物种。进一步地，OTC降解的中间产物也通过质谱联用仪检测分析，并推断出OTC被降解的可能路径。此外，通过测量光密度(OD 600)值获得细菌的生长曲线，结果表明随着g-C3N4/CQDs/Fe2+降解OTC的进行，其反应溶液的毒性是逐渐减小的。最后，与外加H2O2传统芬顿体系降解OTC进行了对比分析，结果表明该光芬顿体系基本能够达到传统芬顿降解OTC的效果，且不受pH值范围的限制，为改善芬顿反应在实际废水处理中的应用提供了新的思路。
芬顿反应是一种通过Fe2+催化H2O2分解生成羟基自由基(•OH)的氧化工艺，因其•OH生成速率快和操作简单等优点被广泛应用于废水中有机污染物的降解，然而存在需要外部加入H2O2和pH适用范围窄的缺陷限制其进一步应用。为解决以上问题，通过外加Fe2+活化复合光催化剂石墨相氮化碳/碳量子点(g-C3N4/CQDs)原位生成的H2O2，构建了g-C3N4/CQDs/Fe2+光芬顿体系，避免了H2O2在储存和运输过程中的潜在风险，并扩宽了反应的pH值范围。该体系对土霉素(OTC)的降解表现出优异的活性，在g-C3N4/CQDs投加量为120 mg，OTC初始浓度为20 mg·L−1，Fe2+投加量为0.36 mmol·L−1，OTC的初始pH为7时，其降解效率高达97%。基于自由基捕获、•OH的生成变化测定及与H2O2生成过程的对比等实验，证明g-C3N4/CQDs/Fe2+光芬顿降解OTC优异的活性，主要来源于Fe2+活化原位H2O2产生的•OH活性物种。进一步地，OTC降解的中间产物也通过质谱联用仪检测分析，并推断出OTC被降解的可能路径。此外，通过测量光密度(OD 600)值获得细菌的生长曲线，结果表明随着g-C3N4/CQDs/Fe2+降解OTC的进行，其反应溶液的毒性是逐渐减小的。最后，与外加H2O2传统芬顿体系降解OTC进行了对比分析，结果表明该光芬顿体系基本能够达到传统芬顿降解OTC的效果，且不受pH值范围的限制，为改善芬顿反应在实际废水处理中的应用提供了新的思路。
2024, 41(5): 2535-2546.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230926.005
摘要:
为了获得性能更加优异的光催化材料，本文通过简单的湿化学法制备了空心碳球@TiO2(HCS@TiO2)光催化复合材料，并对其进行了表征。形貌与结构的表征结果显示，TiO2纳米颗粒均匀地锚定在HCS表面，形成亲水性强、比表面积大、热稳定性优异的球形复合材料，HCS@TiO2复合材料中TiO2的质量分数为80wt%；光电化学性质分析表明HCS@TiO2复合材料禁带宽度更小，光响应范围更大，光生电子还原能力更强。在模拟太阳光下，以活性红195(RR195)为实验对象，测试制备的HCS@TiO2复合材料的光催化降解染料的性能和循环稳定性。结果表明：HCS@TiO2光生电子空穴对的分离效率更高，光催化活性优异，在120 min内染料降解率为95.36%，5次循环后仍高达93.34%，稳定性高，且易于回收。同时结合自由基捕获实验及电子顺磁共振光谱，对HCS@TiO2光催化复合材料的光催化机制进行了探究，证实了•O2 −在光催化反应体系中起主要作用。
为了获得性能更加优异的光催化材料，本文通过简单的湿化学法制备了空心碳球@TiO2(HCS@TiO2)光催化复合材料，并对其进行了表征。形貌与结构的表征结果显示，TiO2纳米颗粒均匀地锚定在HCS表面，形成亲水性强、比表面积大、热稳定性优异的球形复合材料，HCS@TiO2复合材料中TiO2的质量分数为80wt%；光电化学性质分析表明HCS@TiO2复合材料禁带宽度更小，光响应范围更大，光生电子还原能力更强。在模拟太阳光下，以活性红195(RR195)为实验对象，测试制备的HCS@TiO2复合材料的光催化降解染料的性能和循环稳定性。结果表明：HCS@TiO2光生电子空穴对的分离效率更高，光催化活性优异，在120 min内染料降解率为95.36%，5次循环后仍高达93.34%，稳定性高，且易于回收。同时结合自由基捕获实验及电子顺磁共振光谱，对HCS@TiO2光催化复合材料的光催化机制进行了探究，证实了•O2 −在光催化反应体系中起主要作用。
2024, 41(5): 2560-2575.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231026.001
摘要:
煤气化技术作为煤炭清洁利用的主要途径之一在中国得到快速发展，细灰是煤气化过程中不可避免产生的新型固体废物。国家对绿色、清洁生产和发展循环经济逐步推行，细灰的资源化利用和无害化处理技术成为实现煤气化技术环保效益和经济效益兼得的关键所在。以煤气化细灰为研究对象，对细灰进行干燥、球磨预处理得到中位径为2 μm的样品，利用XRD、Raman、SEM、TEM和XPS等分析测试技术对其晶体结构、微观形貌、组成、分子构造和元素化学态进行表征，并测试了细灰电磁波吸收性能。结果表明：细灰中含有部分石墨化的碳和单质铁，具有较完整的孔隙结构，这为其作为电磁波吸收材料提供了可能性；细灰/石蜡吸波剂在较薄厚度下同时表现出较宽的有效吸收带宽和一定强度的反射损耗，当匹配厚度为1.7 mm时，该吸波剂在15.6 GHz时达到最小反射损耗值，为−17.6 dB，此时有效吸收带宽(反射损耗值≤−10 dB)达到4.2 GHz。此外，雷达散射截面模拟结果表明：该吸波涂层能有效降低完美导体基板的电磁波散射。
煤气化技术作为煤炭清洁利用的主要途径之一在中国得到快速发展，细灰是煤气化过程中不可避免产生的新型固体废物。国家对绿色、清洁生产和发展循环经济逐步推行，细灰的资源化利用和无害化处理技术成为实现煤气化技术环保效益和经济效益兼得的关键所在。以煤气化细灰为研究对象，对细灰进行干燥、球磨预处理得到中位径为2 μm的样品，利用XRD、Raman、SEM、TEM和XPS等分析测试技术对其晶体结构、微观形貌、组成、分子构造和元素化学态进行表征，并测试了细灰电磁波吸收性能。结果表明：细灰中含有部分石墨化的碳和单质铁，具有较完整的孔隙结构，这为其作为电磁波吸收材料提供了可能性；细灰/石蜡吸波剂在较薄厚度下同时表现出较宽的有效吸收带宽和一定强度的反射损耗，当匹配厚度为1.7 mm时，该吸波剂在15.6 GHz时达到最小反射损耗值，为−17.6 dB，此时有效吸收带宽(反射损耗值≤−10 dB)达到4.2 GHz。此外，雷达散射截面模拟结果表明：该吸波涂层能有效降低完美导体基板的电磁波散射。
2024, 41(5): 2561-2573.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230908.003
摘要:
氢能作为低碳和零碳能源，是未来国家能源体系的重要组成部分，开发高效、低廉的碱性析氢(HER)电催化剂对于氢能的大规模制备和利用具有重要的意义。本文以二维Nb2CTx MXene为载体，通过一步电化学共沉积法在其表面负载MoO3/Ni-NiO异质结构，得到具有优异电催化HER性能的MoO3/Ni-NiO/Nb2CTx催化材料。采用XRD、SEM和TEM等手段对MoO3/Ni-NiO/Nb2CTx的表面形貌和结构进行表征，发现通过一步电化学共沉积法成功地将MoO3/Ni-NiO异质结构紧密负载于Nb2CTx MXene纳米片表面。在1.0 mol/L KOH电解质中测试其HER性能，在10 mA·cm−2和100 mA·cm−2的电流密度时，MoO3/Ni-NiO/Nb2CTx表现出较低的过电压，分别为8 mV和201 mV，Tafel斜率为51 mV·dec−1；并且在电流密度分别为10 mA·cm−2和50 mA·cm−2下连续电解产氢20 h，活性几乎保持不变，具有优异的碱性HER稳定性。此外，本文还采用工况电化学阻抗谱对不同催化电极材料在过电压从0~220 mV (vs 可逆氢电极(RHE))进行HER工况表征，结果表明MoO3/Ni-NiO/Nb2CTx可有效促进水解离过程和活性氢吸附过程，从而提高HER活性。
氢能作为低碳和零碳能源，是未来国家能源体系的重要组成部分，开发高效、低廉的碱性析氢(HER)电催化剂对于氢能的大规模制备和利用具有重要的意义。本文以二维Nb2CTx MXene为载体，通过一步电化学共沉积法在其表面负载MoO3/Ni-NiO异质结构，得到具有优异电催化HER性能的MoO3/Ni-NiO/Nb2CTx催化材料。采用XRD、SEM和TEM等手段对MoO3/Ni-NiO/Nb2CTx的表面形貌和结构进行表征，发现通过一步电化学共沉积法成功地将MoO3/Ni-NiO异质结构紧密负载于Nb2CTx MXene纳米片表面。在1.0 mol/L KOH电解质中测试其HER性能，在10 mA·cm−2和100 mA·cm−2的电流密度时，MoO3/Ni-NiO/Nb2CTx表现出较低的过电压，分别为8 mV和201 mV，Tafel斜率为51 mV·dec−1；并且在电流密度分别为10 mA·cm−2和50 mA·cm−2下连续电解产氢20 h，活性几乎保持不变，具有优异的碱性HER稳定性。此外，本文还采用工况电化学阻抗谱对不同催化电极材料在过电压从0~220 mV (vs 可逆氢电极(RHE))进行HER工况表征，结果表明MoO3/Ni-NiO/Nb2CTx可有效促进水解离过程和活性氢吸附过程，从而提高HER活性。
2024, 41(5): 2586-2599.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230825.003
摘要:
锂沉积/剥离过程中的枝晶形成生长和库仑效率降低导致电池循环寿命缩短，限制了锂金属电池(LMBs)的商业应用。通过静电纺丝结合真空过滤技术成功制备了具有调节Li+通量和提高Li+迁移数(tLi+)的二维苯并咪唑醋酸锌MOF功能化聚丙烯腈(Zn(Bim)OAc-PAN)复合隔膜，Zn(Bim)OAc纳米片的引入固定了阴离子，提高了离子电导率(2.13 mS/cm)和Li+迁移数(0.67)。同时，Zn(Bim)OAc纳米片上的孔隙和纳米片之间堆叠形成的纳米流体通道协同构筑了微纳孔道结构，降低了复合隔膜的孔径，使通过隔膜的Li+流分布均一，促进Li+在锂金属表面均匀沉积。因此，Zn(Bim)OAc-PAN隔膜组装的Li|LiFePO4电池表现出了更高的初始容量(146.6 mA·h/g)和更好的循环稳定性(300次循环后容量保留率为96.3%)。此外，Zn(Bim)OAc-PAN复合隔膜组装的Li|Li电池实现了在1 mA/cm2下长达1000 h的稳定循环，循环后的锂金属表面没有明显的锂枝晶生长。本文为通过隔膜调节Li+通量来提高锂金属电池性能提供了一种可行的策略。
锂沉积/剥离过程中的枝晶形成生长和库仑效率降低导致电池循环寿命缩短，限制了锂金属电池(LMBs)的商业应用。通过静电纺丝结合真空过滤技术成功制备了具有调节Li+通量和提高Li+迁移数(tLi+)的二维苯并咪唑醋酸锌MOF功能化聚丙烯腈(Zn(Bim)OAc-PAN)复合隔膜，Zn(Bim)OAc纳米片的引入固定了阴离子，提高了离子电导率(2.13 mS/cm)和Li+迁移数(0.67)。同时，Zn(Bim)OAc纳米片上的孔隙和纳米片之间堆叠形成的纳米流体通道协同构筑了微纳孔道结构，降低了复合隔膜的孔径，使通过隔膜的Li+流分布均一，促进Li+在锂金属表面均匀沉积。因此，Zn(Bim)OAc-PAN隔膜组装的Li|LiFePO4电池表现出了更高的初始容量(146.6 mA·h/g)和更好的循环稳定性(300次循环后容量保留率为96.3%)。此外，Zn(Bim)OAc-PAN复合隔膜组装的Li|Li电池实现了在1 mA/cm2下长达1000 h的稳定循环，循环后的锂金属表面没有明显的锂枝晶生长。本文为通过隔膜调节Li+通量来提高锂金属电池性能提供了一种可行的策略。
2024, 41(5): 2587-2596.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231102.001
摘要:
硒化亚锗(GeSe)由于具有原材料储量丰富、绿色无毒、制备工艺简单和性质稳定等优势，近几年得到了广泛关注。采用近空间升华法制备了GeSe薄膜，对GeSe薄膜的结晶行为进行分析，并将其应用到器件结构为FTO/CdS/GeSe/聚(3-己基噻吩)(P3 HT)/C的太阳能电池中进行优化。首先，在蒸发步骤完成后引入退火工艺，能够有效促进GeSe薄膜晶化，使GeSe太阳能电池的光电转换效率(PCE)提高至0.743%。随后，通过衬底温度调节GeSe薄膜的晶化特性，发现衬底温度的提高有利于GeSe薄膜的晶化，但当衬底温度在300℃以上时，过高的温度会使GeSe从衬底上脱附，导致晶化程度下降，器件性能快速退化。在最佳的280℃衬底温度下，GeSe薄膜具有最大的晶粒尺寸和最强的光吸收、最高的电子寿命(τ)和电导率(σ)，获得了2.130%的PCE，其中开路电压(VOC)为0.299 Ｖ，短路电流密度(JSC)为16.815 mA·cm−2，填充因子(FF)为42.137%。以上研究为高晶化GeSe太阳能电池的制备和优化提供了可行的技术路线。
硒化亚锗(GeSe)由于具有原材料储量丰富、绿色无毒、制备工艺简单和性质稳定等优势，近几年得到了广泛关注。采用近空间升华法制备了GeSe薄膜，对GeSe薄膜的结晶行为进行分析，并将其应用到器件结构为FTO/CdS/GeSe/聚(3-己基噻吩)(P3 HT)/C的太阳能电池中进行优化。首先，在蒸发步骤完成后引入退火工艺，能够有效促进GeSe薄膜晶化，使GeSe太阳能电池的光电转换效率(PCE)提高至0.743%。随后，通过衬底温度调节GeSe薄膜的晶化特性，发现衬底温度的提高有利于GeSe薄膜的晶化，但当衬底温度在300℃以上时，过高的温度会使GeSe从衬底上脱附，导致晶化程度下降，器件性能快速退化。在最佳的280℃衬底温度下，GeSe薄膜具有最大的晶粒尺寸和最强的光吸收、最高的电子寿命(τ)和电导率(σ)，获得了2.130%的PCE，其中开路电压(VOC)为0.299 Ｖ，短路电流密度(JSC)为16.815 mA·cm−2，填充因子(FF)为42.137%。以上研究为高晶化GeSe太阳能电池的制备和优化提供了可行的技术路线。
2024, 41(5): 2600-2609.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231010.002
摘要:
准零刚度隔振器作为国内外主流的非线性隔振器，凭借其高静态刚度和低动态刚度力学特性，在机械工程领域应用较多，但近零刚度范围窄、后期组装繁琐等问题限制了其隔振的应用范围，通过结构设计使近零刚度范围增大，且能通过一体化成型技术快速制备方面的研究仍较稀缺。本文基于能量屏蔽理论设计了一种新型零刚度单元结构，通过将外界输入能量循环于超材料内部，从而屏蔽外界对隔振对象的能量输入，达到隔振效果。该研究首先设计出具有优化潜力的初始结构，然后使用机器学习与有限元分析结合的方法对初始结构进行优化，自动搜索出最优的超材料结构参数，且最优结构满足零刚度性能设计要求，之后使用3D打印对最优结构单元及2×2阵列结构进行一体化制造。并对样件进行静态实验验证，实验结果表明：在静态压缩过程中，该结构的等效刚度在大范围内近似于0。又对阵列结构进行动态振动实验，结果得出，阵列结构在23 mm振幅下0.1 Hz~100 Hz范围内，9.2 kg载荷隔振性能最优，最小传递率可达−61 dB，载荷越接近9.2 kg隔振性能越好。该结构具有结构简单、一体化成型等优势，可应用于列车座椅、康复医疗设备、精密仪器保护及微重力环境等领域下的隔振。
准零刚度隔振器作为国内外主流的非线性隔振器，凭借其高静态刚度和低动态刚度力学特性，在机械工程领域应用较多，但近零刚度范围窄、后期组装繁琐等问题限制了其隔振的应用范围，通过结构设计使近零刚度范围增大，且能通过一体化成型技术快速制备方面的研究仍较稀缺。本文基于能量屏蔽理论设计了一种新型零刚度单元结构，通过将外界输入能量循环于超材料内部，从而屏蔽外界对隔振对象的能量输入，达到隔振效果。该研究首先设计出具有优化潜力的初始结构，然后使用机器学习与有限元分析结合的方法对初始结构进行优化，自动搜索出最优的超材料结构参数，且最优结构满足零刚度性能设计要求，之后使用3D打印对最优结构单元及2×2阵列结构进行一体化制造。并对样件进行静态实验验证，实验结果表明：在静态压缩过程中，该结构的等效刚度在大范围内近似于0。又对阵列结构进行动态振动实验，结果得出，阵列结构在23 mm振幅下0.1 Hz~100 Hz范围内，9.2 kg载荷隔振性能最优，最小传递率可达−61 dB，载荷越接近9.2 kg隔振性能越好。该结构具有结构简单、一体化成型等优势，可应用于列车座椅、康复医疗设备、精密仪器保护及微重力环境等领域下的隔振。
2024, 41(5): 2610-2623.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230810.003
摘要:
整体成型的玻璃纤维增强复合材料(Glass fiber reinforced polymer，GFRP)节点是GFRP输电塔挂线模块的关键结构部件，需开展其承载力研究。首先对两个典型节点进行了试验研究，获得了包括荷载位移曲线、破坏模式的力学性能，然后建立基于渐进损伤演化的有限元模型，利用该模型开展了抗弯承载力关于垂直纤维方向抗拉强度Yt和剪切强度SL比值、主管直径D与厚度T比值、节点横梁宽度B及厚度w等参数的敏感性分析，基于Hashin失效准则和回归分析推演了该节点抗弯承载力算式并进行了可靠度分析。结果表明：试验和有限元计算结果具有较好的一致性，主要破坏形式为节点附近GFRP主管的基体拉伸破坏，当Yt/SL增大时破坏位置从节点向主管中部迁移，承载力随之下降。承载力算式结果与有限元计算结果比值的均值和变异系数分别为1.032和6.80%，承载力设计值具有99.9%的保证率。
整体成型的玻璃纤维增强复合材料(Glass fiber reinforced polymer，GFRP)节点是GFRP输电塔挂线模块的关键结构部件，需开展其承载力研究。首先对两个典型节点进行了试验研究，获得了包括荷载位移曲线、破坏模式的力学性能，然后建立基于渐进损伤演化的有限元模型，利用该模型开展了抗弯承载力关于垂直纤维方向抗拉强度Yt和剪切强度SL比值、主管直径D与厚度T比值、节点横梁宽度B及厚度w等参数的敏感性分析，基于Hashin失效准则和回归分析推演了该节点抗弯承载力算式并进行了可靠度分析。结果表明：试验和有限元计算结果具有较好的一致性，主要破坏形式为节点附近GFRP主管的基体拉伸破坏，当Yt/SL增大时破坏位置从节点向主管中部迁移，承载力随之下降。承载力算式结果与有限元计算结果比值的均值和变异系数分别为1.032和6.80%，承载力设计值具有99.9%的保证率。
2024, 41(5): 2623-2632.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230908.001
摘要:
为解决低水胶比下高性能硫铝酸钙(High performance calcium sulpho aluminate，HCSA)膨胀剂补偿收缩效果不显著这一问题，以高吸水树脂(Super-absorbent polymer，SAP)为内养剂，研究HCSA膨胀剂和SAP单掺、复掺对低水胶比(0.25)下水泥净浆体积变形(自收缩、干燥收缩、浸水变形)的影响，并探讨HCSA膨胀剂与SAP复掺的协同效应。结果表明：单掺HCSA膨胀剂和SAP均能降低水泥净浆的自收缩和干燥收缩、增大浸水条件下膨胀变形。密封和浸水条件下，HCSA的膨胀效果较干燥条件下时显著。复掺HCSA膨胀剂和SAP存在协同作用，SAP预吸水促进了HCSA膨胀剂效果的发挥。密封条件下，协同效应主要发生在约1天前，而后仍在缓慢发挥。浸水条件下，两者复掺也发挥一定的协同作用；干燥条件下，复掺的协同作用主要发生在7天之后，在早期SAP未能促进HCSA效能的发挥，反而使低水胶比水泥净浆干燥收缩变大。
为解决低水胶比下高性能硫铝酸钙(High performance calcium sulpho aluminate，HCSA)膨胀剂补偿收缩效果不显著这一问题，以高吸水树脂(Super-absorbent polymer，SAP)为内养剂，研究HCSA膨胀剂和SAP单掺、复掺对低水胶比(0.25)下水泥净浆体积变形(自收缩、干燥收缩、浸水变形)的影响，并探讨HCSA膨胀剂与SAP复掺的协同效应。结果表明：单掺HCSA膨胀剂和SAP均能降低水泥净浆的自收缩和干燥收缩、增大浸水条件下膨胀变形。密封和浸水条件下，HCSA的膨胀效果较干燥条件下时显著。复掺HCSA膨胀剂和SAP存在协同作用，SAP预吸水促进了HCSA膨胀剂效果的发挥。密封条件下，协同效应主要发生在约1天前，而后仍在缓慢发挥。浸水条件下，两者复掺也发挥一定的协同作用；干燥条件下，复掺的协同作用主要发生在7天之后，在早期SAP未能促进HCSA效能的发挥，反而使低水胶比水泥净浆干燥收缩变大。
2024, 41(5): 2634-2645.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230926.001
摘要:
永久性模板的使用可实现混凝土结构的快速施工，缩短工期，提高整体结构的承载能力和耐久性能。其界面粘结抗剪性能是确保永久性模板与混凝土协同工作的关键。本文设计并制作了3组不同强度混凝土试件和10组键槽式超高性能混凝土(UHPC)-普通混凝土(NC)复合试件，通过单面剪切试验和理论分析，系统研究了键槽密度、键槽间距、混凝土强度、养护条件等对键槽式UHPC-NC结合面抗剪性能的影响。结果表明：整体试件的裂缝与加载中心轴线呈一定角度，UHPC-NC结合面破坏发生于普通混凝土一侧。UHPC-NC荷载-滑移曲线细分为4个近似线性阶段，其极限滑移量均在0.9 mm以内。复合试件UHPC-NC的粘结面总剪切强度由粘结面接触摩擦力、水泥石-骨料相互作用、键槽-骨料互锁机制、剪切膨胀提供。合理的UHPC-NC键槽界面在提高界面粘结抗剪强度的同时，可有效提高界面相对位移。在60℃蒸汽养护条件下，水泥石-骨料界面及UHPC-混凝土界面作用减弱。建立了键槽式UHPC-后浇NC界面抗剪承载力修正公式，其计算值与试验值具有较高的吻合度，大多数结果落在90%置信区间，置信区间之外的点，受试件养护龄期的影响。因此，要准确计算键槽式UHPC-NC复合试件抗剪强度还需要考虑养护龄期的影响，引入养护龄期修正参数。
永久性模板的使用可实现混凝土结构的快速施工，缩短工期，提高整体结构的承载能力和耐久性能。其界面粘结抗剪性能是确保永久性模板与混凝土协同工作的关键。本文设计并制作了3组不同强度混凝土试件和10组键槽式超高性能混凝土(UHPC)-普通混凝土(NC)复合试件，通过单面剪切试验和理论分析，系统研究了键槽密度、键槽间距、混凝土强度、养护条件等对键槽式UHPC-NC结合面抗剪性能的影响。结果表明：整体试件的裂缝与加载中心轴线呈一定角度，UHPC-NC结合面破坏发生于普通混凝土一侧。UHPC-NC荷载-滑移曲线细分为4个近似线性阶段，其极限滑移量均在0.9 mm以内。复合试件UHPC-NC的粘结面总剪切强度由粘结面接触摩擦力、水泥石-骨料相互作用、键槽-骨料互锁机制、剪切膨胀提供。合理的UHPC-NC键槽界面在提高界面粘结抗剪强度的同时，可有效提高界面相对位移。在60℃蒸汽养护条件下，水泥石-骨料界面及UHPC-混凝土界面作用减弱。建立了键槽式UHPC-后浇NC界面抗剪承载力修正公式，其计算值与试验值具有较高的吻合度，大多数结果落在90%置信区间，置信区间之外的点，受试件养护龄期的影响。因此，要准确计算键槽式UHPC-NC复合试件抗剪强度还需要考虑养护龄期的影响，引入养护龄期修正参数。
2024, 41(5): 2645-2661.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230829.001
摘要:
为研究珊瑚海砂海水混凝土(CSSC)中碳纤维增强复合材料(CFRP)-钢复合筋(简称“复合筋”)搭接连接受力性能，合理确定CSSC中复合筋的搭接长度，以复合筋直径、搭接长度、保护层厚度、混凝土强度、搭接净距、配箍率、混凝土及筋材种类为试验参数，对27组共81个搭接连接试件进行了对拉试验，获得了各试验参数对CSSC中复合筋搭接连接性能的影响规律。结果表明：当搭接长度小于17倍复合筋直径(dc)时，试件发生拔出-劈裂破坏，反之则发生拉断破坏。发生拔出-劈裂破坏时，复合筋表面出现严重的剪切损伤；当搭接长度小于14dc时，试件的搭接强度约为7.2 MPa，当搭接长度大于14dc时，试件的搭接强度随搭接长度的增大逐渐减小；保护层厚度大于4dc或CSSC轴心抗压强度大于30 MPa后，试件搭接强度的变化基本上可以忽略；增大配箍率，搭接强度逐渐增大，且劈裂裂缝的宽度显著减小；与钢筋试件相比，复合筋试件搭接强度的降幅超过25%。基于试验结果，建立了CSSC中复合筋搭接强度及搭接长度计算公式，计算结果与试验结果相符，并参考《混凝土结构设计规范》简化了搭接长度的计算公式。
为研究珊瑚海砂海水混凝土(CSSC)中碳纤维增强复合材料(CFRP)-钢复合筋(简称“复合筋”)搭接连接受力性能，合理确定CSSC中复合筋的搭接长度，以复合筋直径、搭接长度、保护层厚度、混凝土强度、搭接净距、配箍率、混凝土及筋材种类为试验参数，对27组共81个搭接连接试件进行了对拉试验，获得了各试验参数对CSSC中复合筋搭接连接性能的影响规律。结果表明：当搭接长度小于17倍复合筋直径(dc)时，试件发生拔出-劈裂破坏，反之则发生拉断破坏。发生拔出-劈裂破坏时，复合筋表面出现严重的剪切损伤；当搭接长度小于14dc时，试件的搭接强度约为7.2 MPa，当搭接长度大于14dc时，试件的搭接强度随搭接长度的增大逐渐减小；保护层厚度大于4dc或CSSC轴心抗压强度大于30 MPa后，试件搭接强度的变化基本上可以忽略；增大配箍率，搭接强度逐渐增大，且劈裂裂缝的宽度显著减小；与钢筋试件相比，复合筋试件搭接强度的降幅超过25%。基于试验结果，建立了CSSC中复合筋搭接强度及搭接长度计算公式，计算结果与试验结果相符，并参考《混凝土结构设计规范》简化了搭接长度的计算公式。
2024, 41(5): 2662-2673.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231103.003
摘要:
经略海洋及双碳背景下，用阴极防护(CP)技术提升海工结构服役寿命具有重要意义，然而需外加电源额外驱动。为此本文先用水热法合成纳米二氧化锰(nMnO2)，然后与碳纳米管(CNTs)复掺水泥砂浆体系中，制备纳米水泥基热电复合材料(NTEC)；最后将20个NTEC串联成1套热电发电模块，并结合电化学方法综合评价基于温差发电的NTEC热电模块直接用作海工结构钢筋CP系统电流供给源的可行性。结果表明：复掺有0.2wt%CNTs与5.0wt%nMnO2的NTEC试件的热电系数、热电功率因数可分别达3612 μV/℃和301.4 μW·m−1·℃−2，本征力学强度与耐久抗渗性得到保障；施加基于NTEC温差发电的CP，钢筋的腐蚀电位正移，腐蚀概率显著降低；施加基于NTEC热电模块的CP后能使钢筋腐蚀电流密度降低3个数量级，腐蚀电荷转移得到了抑制，腐蚀速率大为降低，实现海工结构钢筋CP的自供能，同时保障了其用作保护层的强度与耐久性。
经略海洋及双碳背景下，用阴极防护(CP)技术提升海工结构服役寿命具有重要意义，然而需外加电源额外驱动。为此本文先用水热法合成纳米二氧化锰(nMnO2)，然后与碳纳米管(CNTs)复掺水泥砂浆体系中，制备纳米水泥基热电复合材料(NTEC)；最后将20个NTEC串联成1套热电发电模块，并结合电化学方法综合评价基于温差发电的NTEC热电模块直接用作海工结构钢筋CP系统电流供给源的可行性。结果表明：复掺有0.2wt%CNTs与5.0wt%nMnO2的NTEC试件的热电系数、热电功率因数可分别达3612 μV/℃和301.4 μW·m−1·℃−2，本征力学强度与耐久抗渗性得到保障；施加基于NTEC温差发电的CP，钢筋的腐蚀电位正移，腐蚀概率显著降低；施加基于NTEC热电模块的CP后能使钢筋腐蚀电流密度降低3个数量级，腐蚀电荷转移得到了抑制，腐蚀速率大为降低，实现海工结构钢筋CP的自供能，同时保障了其用作保护层的强度与耐久性。
2024, 41(5): 2674-2682.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230825.004
摘要:
为了制备一种物理交联的温敏性水凝胶，本文选择水溶性乙二醇壳聚糖(GC)作为基体，通过庚酸酐与GC分子链上的氨基进行酰化反应实现改性，合成了具有不同庚酰度(DS)的庚酰化乙二醇壳聚糖(HAGC)。庚酸酐与GC分子链上氨基的进料摩尔比在0.2~0.25之间，DS介于26.4%~31.5%。通过在GC骨架上引入疏水性庚酰基团，提高GC在有机溶剂中的溶解度和体外生物降解性，而且还引入了温敏性溶胶-凝胶转变性质。HAGC通过分子间相互作用 (氢键和亲疏水相互作用) 发生物理交联，响应环境温度变化而发生溶胶-凝胶相变，通过改变HAGC的DS和溶液浓度，可有效调节HAGC水凝胶的溶胶-凝胶转变温度处于25℃~37℃之间。HAGC水凝胶具有三维多孔结构，随着DS增加，HAGC水凝胶的交联密度增大、溶胀比降低、药物释放速率减慢。HAGC水凝胶对吉西他滨具有缓释作用，药物释放时间可达5天，药物释放率达到70%~91%。HAGC水凝胶以其优良的温敏性能，在药物注射载体领域具有重要的应用价值。
为了制备一种物理交联的温敏性水凝胶，本文选择水溶性乙二醇壳聚糖(GC)作为基体，通过庚酸酐与GC分子链上的氨基进行酰化反应实现改性，合成了具有不同庚酰度(DS)的庚酰化乙二醇壳聚糖(HAGC)。庚酸酐与GC分子链上氨基的进料摩尔比在0.2~0.25之间，DS介于26.4%~31.5%。通过在GC骨架上引入疏水性庚酰基团，提高GC在有机溶剂中的溶解度和体外生物降解性，而且还引入了温敏性溶胶-凝胶转变性质。HAGC通过分子间相互作用 (氢键和亲疏水相互作用) 发生物理交联，响应环境温度变化而发生溶胶-凝胶相变，通过改变HAGC的DS和溶液浓度，可有效调节HAGC水凝胶的溶胶-凝胶转变温度处于25℃~37℃之间。HAGC水凝胶具有三维多孔结构，随着DS增加，HAGC水凝胶的交联密度增大、溶胀比降低、药物释放速率减慢。HAGC水凝胶对吉西他滨具有缓释作用，药物释放时间可达5天，药物释放率达到70%~91%。HAGC水凝胶以其优良的温敏性能，在药物注射载体领域具有重要的应用价值。
2024, 41(5): 2684-2694.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230828.001
摘要:
铜因其高导电和高延性的优点在电刷及电触头材料有着广泛的应用前景。随着电力输送行业的快速发展，铜本身低强度的劣势已无法满足需求，亟需开发一种高强高韧的铜基复合材料(CMCs)来弥补铜材料的缺陷。氮化硼纳米片(BNNSs)因其优异的力学及高温结构稳定性能，有望作为铜基复合材料良好增强体，为我国航空航天及交通运输等产业开发出极具战略意义的复合材料。本文采用粉末冶金工艺制备了具有高综合性能的BNNSs增强铜基复合材料(BNNSs/Cu)。研究了不同热处理条件下复合材料微观组织及界面演变特征，测试复合材料力学性能、电导率及摩擦磨损性能的变化规律。结果表明：通过铜基体微合金化处理(添加1wt%Ti)，在BNNSs界面处生成了致密且均匀的TiN过渡层和TiB晶须，改善了BNNSs与铜基体的界面结合。BNNSs/Cu-(Ti)-900℃复合材料的抗拉强度为408 MPa，延伸率为15.5%，且电导率仍保持91%国际退火铜标准(IACS)的高水平，摩擦系数降低至0.58(纯铜基体：0.80)。本文所得的铜基复合材料在获得优异力学性能和耐磨性能同时，仍保持良好的导电性，为开发高性能电接触材料及摩擦材料提供了技术指导。
铜因其高导电和高延性的优点在电刷及电触头材料有着广泛的应用前景。随着电力输送行业的快速发展，铜本身低强度的劣势已无法满足需求，亟需开发一种高强高韧的铜基复合材料(CMCs)来弥补铜材料的缺陷。氮化硼纳米片(BNNSs)因其优异的力学及高温结构稳定性能，有望作为铜基复合材料良好增强体，为我国航空航天及交通运输等产业开发出极具战略意义的复合材料。本文采用粉末冶金工艺制备了具有高综合性能的BNNSs增强铜基复合材料(BNNSs/Cu)。研究了不同热处理条件下复合材料微观组织及界面演变特征，测试复合材料力学性能、电导率及摩擦磨损性能的变化规律。结果表明：通过铜基体微合金化处理(添加1wt%Ti)，在BNNSs界面处生成了致密且均匀的TiN过渡层和TiB晶须，改善了BNNSs与铜基体的界面结合。BNNSs/Cu-(Ti)-900℃复合材料的抗拉强度为408 MPa，延伸率为15.5%，且电导率仍保持91%国际退火铜标准(IACS)的高水平，摩擦系数降低至0.58(纯铜基体：0.80)。本文所得的铜基复合材料在获得优异力学性能和耐磨性能同时，仍保持良好的导电性，为开发高性能电接触材料及摩擦材料提供了技术指导。
2024, 41(5): 2694-2703.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231008.001
摘要:
编织陶瓷基复合材料逐渐成为提升航空发动机综合性能的热门材料。材料的失效机制分析为材料/结构的性能设计与优化提供着重要的理论与方法支持。本文针对不同编织密度的2D-SiCf/SiC复合材料开展室温拉伸试验，通过对力学行为、损伤演化进行对比分析，研究编织复合材料的力学行为及内在的损伤机制。结果表明：比例极限应力随着横向纤维束编织密度的增加逐渐降低，纵向纤维束编织密度对比例极限应力影响较小；纵向纤维编织密度较小时，拉伸强度较低，随着纵向编织密度的增加，拉伸强度增大并趋于稳定，横向纤维编织密度的增加，对拉伸强度有一定的弱化作用；根据拉伸应力/应变的演化过程，编织SiCf/SiC复合材料的拉伸过程可以划分为4个典型阶段；缝合孔对材料的拉伸强度有一定弱化作用，需要在材料制备、后处理过程中消除缝合孔的不利影响。
编织陶瓷基复合材料逐渐成为提升航空发动机综合性能的热门材料。材料的失效机制分析为材料/结构的性能设计与优化提供着重要的理论与方法支持。本文针对不同编织密度的2D-SiCf/SiC复合材料开展室温拉伸试验，通过对力学行为、损伤演化进行对比分析，研究编织复合材料的力学行为及内在的损伤机制。结果表明：比例极限应力随着横向纤维束编织密度的增加逐渐降低，纵向纤维束编织密度对比例极限应力影响较小；纵向纤维编织密度较小时，拉伸强度较低，随着纵向编织密度的增加，拉伸强度增大并趋于稳定，横向纤维编织密度的增加，对拉伸强度有一定的弱化作用；根据拉伸应力/应变的演化过程，编织SiCf/SiC复合材料的拉伸过程可以划分为4个典型阶段；缝合孔对材料的拉伸强度有一定弱化作用，需要在材料制备、后处理过程中消除缝合孔的不利影响。
2024, 41(5): 2703-2711.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230918.004
摘要:
制备预浸带需要将纤维束铺展变宽以便于树脂浸润，而牵引张力是纤维束展宽的动力来源，当前纤维束的展宽模型少有涉及牵引张力的影响效果。针对纤维束在机械棍子上的牵引展宽过程，结合受力分析得出纤维束运动系统的输入功及沿轴向、横向上的摩擦消耗功，依据能量守恒原理建立纤维束展宽模型。利用实验室自行搭建的机械棍子预分散装置，对展宽模型进行对比验证与分析。结果表明：牵引张力是纤维束展宽的重要原因，机械辊子个数、半径、光滑程度及纤维束与辊子间的包角都会影响纤维束的展宽，相较于Wilson展宽模型，能量平衡展宽模型能够更好地预测纤维的展开宽度，可用于指导纤维束的预分散过程。
制备预浸带需要将纤维束铺展变宽以便于树脂浸润，而牵引张力是纤维束展宽的动力来源，当前纤维束的展宽模型少有涉及牵引张力的影响效果。针对纤维束在机械棍子上的牵引展宽过程，结合受力分析得出纤维束运动系统的输入功及沿轴向、横向上的摩擦消耗功，依据能量守恒原理建立纤维束展宽模型。利用实验室自行搭建的机械棍子预分散装置，对展宽模型进行对比验证与分析。结果表明：牵引张力是纤维束展宽的重要原因，机械辊子个数、半径、光滑程度及纤维束与辊子间的包角都会影响纤维束的展宽，相较于Wilson展宽模型，能量平衡展宽模型能够更好地预测纤维的展开宽度，可用于指导纤维束的预分散过程。
2024, 41(5): 2714-2732.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230912.001
摘要:
为实现3D打印纤维增强树脂基复合材料(Fiber reinforced polymer，FRP)桥梁工程构件力学性能的精确分析，推进3D打印FRP技术在桥梁工程中的应用，本文分别从理论及试验角度对3D打印FRP的关键力学性能进行了探索。首先，结合打印FRP的细观结构空间几何特征，提出了打印丝连续假设。进而，基于该假设及面内应力转轴模型，构建了层内应力下3D打印FRP的杨氏模量分析预测模型。同时，考虑材料的多种失效模式，基于Tsai-Wu理论建立了层内应力下该材料的抗拉强度分析预测模型，且该模型考虑了4种不同的剪切强度计算模式。其次，考虑材料的打印角度、线宽及层厚，设计了系统性的杨氏模量及抗拉强度测试分析试验，对上述两类理论模型的精确性进行了验证。研究结果表明：打印角度与杨氏模量及抗拉强度之间呈明显的负相关关系，当打印角度从0°增加至90°时，杨氏模量的减小幅度范围为65.48%~79.62%，抗拉强度的减小幅度范围为50.99%~71.55%。打印线宽对杨氏模量及抗拉强度的影响较明显，0.6 mm及0.8 mm线宽下材料的两类关键力学性能相近，且均明显强于0.4 mm线宽下的力学性能，其中杨氏模量的变化幅度范围为20.18%~49.27%，抗拉强度的变化幅度范围为27.53%~54.55%。宏观尺度失效结果表明，存在两类失效模式，分别为打印丝断裂失效及打印丝分离失效。同时，本文从细观尺度揭示了两类失效模式产生的机制及打印参数对关键力学性能的影响机制。综上，本次构建的两类模型为量化评价3D打印FRP桥梁工程构件的关键力学性能提供了理论支撑。
为实现3D打印纤维增强树脂基复合材料(Fiber reinforced polymer，FRP)桥梁工程构件力学性能的精确分析，推进3D打印FRP技术在桥梁工程中的应用，本文分别从理论及试验角度对3D打印FRP的关键力学性能进行了探索。首先，结合打印FRP的细观结构空间几何特征，提出了打印丝连续假设。进而，基于该假设及面内应力转轴模型，构建了层内应力下3D打印FRP的杨氏模量分析预测模型。同时，考虑材料的多种失效模式，基于Tsai-Wu理论建立了层内应力下该材料的抗拉强度分析预测模型，且该模型考虑了4种不同的剪切强度计算模式。其次，考虑材料的打印角度、线宽及层厚，设计了系统性的杨氏模量及抗拉强度测试分析试验，对上述两类理论模型的精确性进行了验证。研究结果表明：打印角度与杨氏模量及抗拉强度之间呈明显的负相关关系，当打印角度从0°增加至90°时，杨氏模量的减小幅度范围为65.48%~79.62%，抗拉强度的减小幅度范围为50.99%~71.55%。打印线宽对杨氏模量及抗拉强度的影响较明显，0.6 mm及0.8 mm线宽下材料的两类关键力学性能相近，且均明显强于0.4 mm线宽下的力学性能，其中杨氏模量的变化幅度范围为20.18%~49.27%，抗拉强度的变化幅度范围为27.53%~54.55%。宏观尺度失效结果表明，存在两类失效模式，分别为打印丝断裂失效及打印丝分离失效。同时，本文从细观尺度揭示了两类失效模式产生的机制及打印参数对关键力学性能的影响机制。综上，本次构建的两类模型为量化评价3D打印FRP桥梁工程构件的关键力学性能提供了理论支撑。
2024, 41(5): 2731-2742.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230901.001
摘要:
紫外光固化技术存在可固化厚度有限的问题，而原位光固化工艺以层层叠加、逐层固化的方式，在固化较大厚度的复合材料方面有着独特优势。为了在原位光固化工艺中实现各层同时完成固化且固化度分布均匀的目标，首先给出单层紫外光固化的数学模型，基于该模型建立一个描述原位光固化过程的数学模型，进而对铺层时间进行优化，使用遗传算法结合梯度下降算法的方式求解出优化后的铺层时间，对原位光固化过程进行有限元仿真。仿真结果表明：与其他固化方式相比，原位光固化工艺优化铺层时间后，到达固化结束时间时，各层均能完成固化，固化度均在以期望固化度为中值的区间内且分布均匀，通过玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板固化实验对算法及仿真进行验证，实验结果与仿真对照表明，优化后的原位光固化工艺能够实现同步固化的效果。
紫外光固化技术存在可固化厚度有限的问题，而原位光固化工艺以层层叠加、逐层固化的方式，在固化较大厚度的复合材料方面有着独特优势。为了在原位光固化工艺中实现各层同时完成固化且固化度分布均匀的目标，首先给出单层紫外光固化的数学模型，基于该模型建立一个描述原位光固化过程的数学模型，进而对铺层时间进行优化，使用遗传算法结合梯度下降算法的方式求解出优化后的铺层时间，对原位光固化过程进行有限元仿真。仿真结果表明：与其他固化方式相比，原位光固化工艺优化铺层时间后，到达固化结束时间时，各层均能完成固化，固化度均在以期望固化度为中值的区间内且分布均匀，通过玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板固化实验对算法及仿真进行验证，实验结果与仿真对照表明，优化后的原位光固化工艺能够实现同步固化的效果。
