2024, 41(6): 2753-2768.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240003.006
摘要:
细菌纤维素(Bacterial cellulose，BC)来源丰富，是一种绿色环保的可再生材料。BC具有优异的物理化学特性，被认为是具有多样性应用潜力的生物聚合物材料，随着能源和生态环境的持续恶化，对于开发先进储能技术亟待实现，BC在电化学储能、传感及能源转换领域展现出广阔的应用前景，受到诸多关注。本文对BC做了简要介绍，以BC及其复合材料在电化学储能及传感领域的种类、不同处理及改性手段对BC结构与性能的影响为线索，系统地对BC在电化学储能及传感领域的应用进展进行了概述，对其在新型电子器件及能源转换领域的发展也有所涉及，最后对BC在电化学储能及传感材料的研究进展及发展方向进行了总结和展望。
细菌纤维素(Bacterial cellulose，BC)来源丰富，是一种绿色环保的可再生材料。BC具有优异的物理化学特性，被认为是具有多样性应用潜力的生物聚合物材料，随着能源和生态环境的持续恶化，对于开发先进储能技术亟待实现，BC在电化学储能、传感及能源转换领域展现出广阔的应用前景，受到诸多关注。本文对BC做了简要介绍，以BC及其复合材料在电化学储能及传感领域的种类、不同处理及改性手段对BC结构与性能的影响为线索，系统地对BC在电化学储能及传感领域的应用进展进行了概述，对其在新型电子器件及能源转换领域的发展也有所涉及，最后对BC在电化学储能及传感材料的研究进展及发展方向进行了总结和展望。
2024, 41(6): 2769-2782.
摘要:
检测重金属污染已成为风险防控、农业绿色发展、食品安全及生态保护等领域重要的技术保障。目前有许多方法来检测重金属离子，其中电化学检测法对重金属离子的检测具有灵敏度高，分析速度快，可同时对多种金属离子进行检测等优点，成为了重金属快速检测领域的研究热点。MXene是具有类石墨烯结构的过渡金属碳/氮化物材料，它具备良好的亲水性、导电性和丰富可调节的终端基团。本文综述了MXenes在电化学检测重金属离子领域的研究进展：对重金属污染物的来源、危害和检测方法进行了简述；其次，概述MXene的合成方法，并重点综述了近年来MXene电化学检测重金属的研究进展，及其传感机理和检测性能分析；最后，讨论了MXene材料在电化学检测重金属领域面临的挑战和展望。
检测重金属污染已成为风险防控、农业绿色发展、食品安全及生态保护等领域重要的技术保障。目前有许多方法来检测重金属离子，其中电化学检测法对重金属离子的检测具有灵敏度高，分析速度快，可同时对多种金属离子进行检测等优点，成为了重金属快速检测领域的研究热点。MXene是具有类石墨烯结构的过渡金属碳/氮化物材料，它具备良好的亲水性、导电性和丰富可调节的终端基团。本文综述了MXenes在电化学检测重金属离子领域的研究进展：对重金属污染物的来源、危害和检测方法进行了简述；其次，概述MXene的合成方法，并重点综述了近年来MXene电化学检测重金属的研究进展，及其传感机理和检测性能分析；最后，讨论了MXene材料在电化学检测重金属领域面临的挑战和展望。
2024, 41(6): 2783-2798.
摘要:
废弃陶瓷作为一种固体废弃物，质地坚硬，主要化学组成为SiO2和Al2O3。这些特点使得废弃陶瓷经简单的物理处理后具有部分替代天然砂石骨料和作为掺合料的潜力。将废弃陶瓷应用于水泥基复合材料的生产中，可缓解天然砂石过度开采、水泥生产过程的高能耗与污染以及废弃陶瓷堆积所造成环境污染等问题。本文首先分析了各类废弃陶瓷的物理化学性质；而后，从废弃陶瓷在水泥基复合材料中的不同应用形式方面入手，综合评述了废弃陶瓷粗、细骨料以及废弃陶瓷粉对水泥基复合材料基本力学性能影响，揭示了废弃陶瓷对水泥基复合材料力学性能的影响机制；最后，讨论并给出了废弃陶瓷在水泥基复合材料中，尤其在绿色超高性能混凝土和高力学保持性能的耐高温混凝土，进一步应用和研究的建议。
废弃陶瓷作为一种固体废弃物，质地坚硬，主要化学组成为SiO2和Al2O3。这些特点使得废弃陶瓷经简单的物理处理后具有部分替代天然砂石骨料和作为掺合料的潜力。将废弃陶瓷应用于水泥基复合材料的生产中，可缓解天然砂石过度开采、水泥生产过程的高能耗与污染以及废弃陶瓷堆积所造成环境污染等问题。本文首先分析了各类废弃陶瓷的物理化学性质；而后，从废弃陶瓷在水泥基复合材料中的不同应用形式方面入手，综合评述了废弃陶瓷粗、细骨料以及废弃陶瓷粉对水泥基复合材料基本力学性能影响，揭示了废弃陶瓷对水泥基复合材料力学性能的影响机制；最后，讨论并给出了废弃陶瓷在水泥基复合材料中，尤其在绿色超高性能混凝土和高力学保持性能的耐高温混凝土，进一步应用和研究的建议。
2024, 41(6): 2799-2823.
摘要:
天然生物质材料因其来源广泛、固碳能力强、机械强度较高、可再生性、环境友好性以及其具有的独特精细构造、化学组成，在多相催化领域备受青睐。生物质材料固有的孔道系统和化学组分既可以提升化学反应速率，又可以与催化剂复合参与到多相催化反应中。本文简述了竹、木和藤材等生物质材料作为催化剂载体的资源优势、结构优势和化学优势，综述了生物质基整体式催化微反应器的基本概念、催化剂类型、与催化剂的复合策略与机制、催化活性与失效机制及其在水处理、能源产生、化学合成、费托合成、生物分析等先进功能领域的研究进展。最后，针对目前研究的局限性及存在的问题，在复合策略优化、功能催化剂设计、结构调控提升和稳定性能改善等方面对生物质基整体式催化微反应器未来发展趋势进行了展望，以期为“双碳”战略目标下生物质复合材料功能界面构建与高效利用提供全新的科学思路与技术借鉴。
天然生物质材料因其来源广泛、固碳能力强、机械强度较高、可再生性、环境友好性以及其具有的独特精细构造、化学组成，在多相催化领域备受青睐。生物质材料固有的孔道系统和化学组分既可以提升化学反应速率，又可以与催化剂复合参与到多相催化反应中。本文简述了竹、木和藤材等生物质材料作为催化剂载体的资源优势、结构优势和化学优势，综述了生物质基整体式催化微反应器的基本概念、催化剂类型、与催化剂的复合策略与机制、催化活性与失效机制及其在水处理、能源产生、化学合成、费托合成、生物分析等先进功能领域的研究进展。最后，针对目前研究的局限性及存在的问题，在复合策略优化、功能催化剂设计、结构调控提升和稳定性能改善等方面对生物质基整体式催化微反应器未来发展趋势进行了展望，以期为“双碳”战略目标下生物质复合材料功能界面构建与高效利用提供全新的科学思路与技术借鉴。
2024, 41(6): 2823-2836.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231127.002
摘要:
静电纺丝纳米纤维具有可调控的纤维直径和分布、相互连通的孔结构、高孔隙率、高比表面积、可控纤维堆积密度等优点，成为近年来研究的热点。阻燃性是高分子材料的重要特性，阻燃纤维相较普通纤维具有使用安全性高的特点，研发具有阻燃特性的纳米纤维具有重要意义。静电纺丝技术提供了将纳米颗粒结合到聚合物溶液中并获得具有多种功能复合纤维材料的可能性。基于此，本文综述了采用静电纺丝技术制备阻燃纳米纤维的研究进展，特别是对静电纺丝阻燃纳米纤维的结构进行了分类，主要包括共混结构、核-壳结构、并列结构和多孔结构，并总结了不同结构阻燃纳米纤维的优缺点。然后对静电纺丝阻燃纳米纤维在锂离子电池隔膜、空气过滤、火灾报警传感、防护材料等领域的应用进行了归纳，最后对静电纺丝阻燃纳米纤维未来的发展方向进行了展望。
静电纺丝纳米纤维具有可调控的纤维直径和分布、相互连通的孔结构、高孔隙率、高比表面积、可控纤维堆积密度等优点，成为近年来研究的热点。阻燃性是高分子材料的重要特性，阻燃纤维相较普通纤维具有使用安全性高的特点，研发具有阻燃特性的纳米纤维具有重要意义。静电纺丝技术提供了将纳米颗粒结合到聚合物溶液中并获得具有多种功能复合纤维材料的可能性。基于此，本文综述了采用静电纺丝技术制备阻燃纳米纤维的研究进展，特别是对静电纺丝阻燃纳米纤维的结构进行了分类，主要包括共混结构、核-壳结构、并列结构和多孔结构，并总结了不同结构阻燃纳米纤维的优缺点。然后对静电纺丝阻燃纳米纤维在锂离子电池隔膜、空气过滤、火灾报警传感、防护材料等领域的应用进行了归纳，最后对静电纺丝阻燃纳米纤维未来的发展方向进行了展望。
2024, 41(6): 2837-2854.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240002.001
摘要:
钙钛矿、尖晶石和水滑石这类特定结构复合材料组成灵活、结构可控、热稳定性较好，在催化应用中吸引了广泛的研究兴趣。甲烷干重整是一项可同时将CH4和CO2转化为低H2/CO摩尔比合成气的极具应用前景技术，常规负载型催化剂在高温重整条件下易面临由积炭和活性组分烧结导致催化剂失活的难题，而由特定结构复合材料衍生的负载型催化剂因在催化活性和稳定性方面表现出一定的优越性而备受关注。本文先简述了甲烷干重整反应特征、面临的挑战以及反应机制研究现状，并阐述钙钛矿、尖晶石和水滑石这三种复合材料的结构特性，作为催化剂前体应用于该反应的优缺点，性能以及催化路径研究现状。文中指出：钙钛矿结构相对更稳定，但高煅烧温度易导致衍生催化剂表面积较低；水滑石衍生催化剂通常具有较高比表面积，且在特定情况下能恢复部分有序层状结构；水滑石与尖晶石对温度相对更敏感一些，存在的反尖晶石结构有利于提高衍生催化剂还原性。此外，还总结了这三种特定结构复合材料衍生催化剂的催化机制，明确CH4是在活性金属位点上活化，因催化剂和操作条件的影响，目前研究人员对于催化剂表面反应机制的细节暂时还没有达成明确共识。最后，本文对特定结构复合材料衍生催化剂在甲烷干重整中的应用提出了建议。
钙钛矿、尖晶石和水滑石这类特定结构复合材料组成灵活、结构可控、热稳定性较好，在催化应用中吸引了广泛的研究兴趣。甲烷干重整是一项可同时将CH4和CO2转化为低H2/CO摩尔比合成气的极具应用前景技术，常规负载型催化剂在高温重整条件下易面临由积炭和活性组分烧结导致催化剂失活的难题，而由特定结构复合材料衍生的负载型催化剂因在催化活性和稳定性方面表现出一定的优越性而备受关注。本文先简述了甲烷干重整反应特征、面临的挑战以及反应机制研究现状，并阐述钙钛矿、尖晶石和水滑石这三种复合材料的结构特性，作为催化剂前体应用于该反应的优缺点，性能以及催化路径研究现状。文中指出：钙钛矿结构相对更稳定，但高煅烧温度易导致衍生催化剂表面积较低；水滑石衍生催化剂通常具有较高比表面积，且在特定情况下能恢复部分有序层状结构；水滑石与尖晶石对温度相对更敏感一些，存在的反尖晶石结构有利于提高衍生催化剂还原性。此外，还总结了这三种特定结构复合材料衍生催化剂的催化机制，明确CH4是在活性金属位点上活化，因催化剂和操作条件的影响，目前研究人员对于催化剂表面反应机制的细节暂时还没有达成明确共识。最后，本文对特定结构复合材料衍生催化剂在甲烷干重整中的应用提出了建议。
2024, 41(6): 2855-2866.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231204.003
摘要:
染料广泛应用于纺织、皮革、塑料、造纸、化妆品等行业，已经成为当今水体污染的主要来源之一。染料废水成分复杂，具有高毒性、有机污染物含量高、重金属超标等特性，对生态环境造成极大危害，因此实现水体中水溶性有机染料的去除成为当前废水处理面临的重要挑战。木材是一种可再生、可生物降解的环境友好型天然材料，具有构造有序、层次分明的多尺度分级结构和丰富的孔隙构造，这种层级多孔结构为新型染料去除材料和装置的开发创造了天然条件。通过在木材内部管腔表面负载石墨烯、MOF、贵金属纳米颗粒(Ag、Au、Pd)和多氧金属酸盐等活性物质，可促进木质基复合材料对染料的物理化学吸附与催化降解，进而实现废水中染料的有效去除。本文首先对染料废水的特性及其危害进行了概述，并详细介绍了木材的特殊微观结构及其在染料废水处理中的优势；随后，综述了负载活性物质的木基多孔材料用于染料废水的吸附和催化降解两种处理方式的原理和研究现状，并对木基多孔材料处理染料废水的发展前景进行展望和总结。
染料广泛应用于纺织、皮革、塑料、造纸、化妆品等行业，已经成为当今水体污染的主要来源之一。染料废水成分复杂，具有高毒性、有机污染物含量高、重金属超标等特性，对生态环境造成极大危害，因此实现水体中水溶性有机染料的去除成为当前废水处理面临的重要挑战。木材是一种可再生、可生物降解的环境友好型天然材料，具有构造有序、层次分明的多尺度分级结构和丰富的孔隙构造，这种层级多孔结构为新型染料去除材料和装置的开发创造了天然条件。通过在木材内部管腔表面负载石墨烯、MOF、贵金属纳米颗粒(Ag、Au、Pd)和多氧金属酸盐等活性物质，可促进木质基复合材料对染料的物理化学吸附与催化降解，进而实现废水中染料的有效去除。本文首先对染料废水的特性及其危害进行了概述，并详细介绍了木材的特殊微观结构及其在染料废水处理中的优势；随后，综述了负载活性物质的木基多孔材料用于染料废水的吸附和催化降解两种处理方式的原理和研究现状，并对木基多孔材料处理染料废水的发展前景进行展望和总结。
2024, 41(6): 2867-2880.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230912.002
摘要:
激光诱导是一种新型的石墨烯制备技术(Laser induced graphene，LIG)，该工艺是通过高能束辐照含碳基底实现三维网络结构石墨烯的快速生成。与传统的石墨烯制备工艺相比，LIG制备技术具有快速制备、可图案化、环境友好、微观形貌可控和成分可控等特点，因此受到了广泛的关注。本文总结了LIG近年的研究进展，包括前驱体的成分调控、光源的选择和LIG的微结构控制。同时也探究了近年来LIG的原位和非原位的修饰改性方法，阐述了LIG在柔性储能电极和传感器领域的应用，并对LIG在集能源、传感和检测一体化设备方向的发展进行展望。
激光诱导是一种新型的石墨烯制备技术(Laser induced graphene，LIG)，该工艺是通过高能束辐照含碳基底实现三维网络结构石墨烯的快速生成。与传统的石墨烯制备工艺相比，LIG制备技术具有快速制备、可图案化、环境友好、微观形貌可控和成分可控等特点，因此受到了广泛的关注。本文总结了LIG近年的研究进展，包括前驱体的成分调控、光源的选择和LIG的微结构控制。同时也探究了近年来LIG的原位和非原位的修饰改性方法，阐述了LIG在柔性储能电极和传感器领域的应用，并对LIG在集能源、传感和检测一体化设备方向的发展进行展望。
2024, 41(6): 2881-2891.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231129.004
摘要:
随着社会不断发展，迫切需要一种环保、成本低、韧性好、强度高、附加值高的绿色复合材料−荧光透明功能木质复合材料，以替代传统玻璃门窗、建筑及家居材料。荧光透明功能木质复合材料具有绿色、高透光率、强度高、韧性好、荧光效果优异、紫外屏蔽性好 、抗菌和良好力学性能等优点，应用领域广阔。本文综述了荧光材料的发光原理及影响因素、木质基材的各种制备方法以及荧光透明功能木质复合材料的应用，并介绍了荧光透明功能木质复合材料在LED灯、传感器、加密防伪以及紫外转换和甲醛检测等方面的应用，最后展望未来的应用场景并提出了目前亟待解决的问题。
随着社会不断发展，迫切需要一种环保、成本低、韧性好、强度高、附加值高的绿色复合材料−荧光透明功能木质复合材料，以替代传统玻璃门窗、建筑及家居材料。荧光透明功能木质复合材料具有绿色、高透光率、强度高、韧性好、荧光效果优异、紫外屏蔽性好 、抗菌和良好力学性能等优点，应用领域广阔。本文综述了荧光材料的发光原理及影响因素、木质基材的各种制备方法以及荧光透明功能木质复合材料的应用，并介绍了荧光透明功能木质复合材料在LED灯、传感器、加密防伪以及紫外转换和甲醛检测等方面的应用，最后展望未来的应用场景并提出了目前亟待解决的问题。
2024, 41(6): 2891-2904.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231108.001
摘要:
随着探测技术的快速发展与作战性能的需求，对雷达隐身技术提出了更高的要求，蜂窝夹层结构作为经典的结构型吸波材料近年来取得了长足的发展，本文旨在综合分析和总结国内外蜂窝夹层结构复合材料在吸波隐身技术领域的特点、研究现状及应用情况，重点探讨了影响蜂窝夹层结构吸波性能的关键因素，包括吸波剂性能、蜂窝结构设计和蒙皮的透波性能等，并就吸波带宽、吸收率等关键指标分析了不同蜂窝夹层结构吸波材料的优缺点。此外，总结了蜂窝夹层结构吸波隐身复合材料目前的发展趋势，归纳了发展现状，并对未来的发展方向进行了展望。
随着探测技术的快速发展与作战性能的需求，对雷达隐身技术提出了更高的要求，蜂窝夹层结构作为经典的结构型吸波材料近年来取得了长足的发展，本文旨在综合分析和总结国内外蜂窝夹层结构复合材料在吸波隐身技术领域的特点、研究现状及应用情况，重点探讨了影响蜂窝夹层结构吸波性能的关键因素，包括吸波剂性能、蜂窝结构设计和蒙皮的透波性能等，并就吸波带宽、吸收率等关键指标分析了不同蜂窝夹层结构吸波材料的优缺点。此外，总结了蜂窝夹层结构吸波隐身复合材料目前的发展趋势，归纳了发展现状，并对未来的发展方向进行了展望。
2024, 41(6): 2905-2916.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231019.002
摘要:
胶原纤维(CF)的三维多层级结构具有对聚氯乙烯(PVC)进行高弹抗蠕变改性的天然优势，但亲水性的CF难以与疏水性的PVC有效相容，这限制了CF对PVC的改性效果。本文用氨基硅烷偶联剂(APTES)制备得到改性CF (M-CF)，并用FESEM、FTIR和DMA等研究了M-CF的结构转变规律及M-CF/PVC的结构、蠕变行为和断裂行为。结果表明：APTES能在提高CF疏水性的同时，与PVC分子链形成离子键和共价键，从而显著改善CF与PVC的界面相容性。此外，APTES改性能充分打开M-CF的三维多层级结构，使PVC更好地渗入M-CF相区，并形成更多的作用位点。由此，PVC分子链的运动受到了明显抑制，M-CF/PVC的形变活化能较纯PVC提高了30.7%，蠕变寿命延长至纯PVC的80.5倍和CF/PVC的2.3倍，且可回复形变(11.50%)增至传统改性PVC的1.4倍以上。综上，CF与PVC相容性的提升使M-CF/PVC表现出了理想的高弹抗蠕变性。
胶原纤维(CF)的三维多层级结构具有对聚氯乙烯(PVC)进行高弹抗蠕变改性的天然优势，但亲水性的CF难以与疏水性的PVC有效相容，这限制了CF对PVC的改性效果。本文用氨基硅烷偶联剂(APTES)制备得到改性CF (M-CF)，并用FESEM、FTIR和DMA等研究了M-CF的结构转变规律及M-CF/PVC的结构、蠕变行为和断裂行为。结果表明：APTES能在提高CF疏水性的同时，与PVC分子链形成离子键和共价键，从而显著改善CF与PVC的界面相容性。此外，APTES改性能充分打开M-CF的三维多层级结构，使PVC更好地渗入M-CF相区，并形成更多的作用位点。由此，PVC分子链的运动受到了明显抑制，M-CF/PVC的形变活化能较纯PVC提高了30.7%，蠕变寿命延长至纯PVC的80.5倍和CF/PVC的2.3倍，且可回复形变(11.50%)增至传统改性PVC的1.4倍以上。综上，CF与PVC相容性的提升使M-CF/PVC表现出了理想的高弹抗蠕变性。
2024, 41(6): 2917-2928.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231027.001
摘要:
负泊松比蜂窝结构具有优良的力学性能，包括抗压痕性、抗冲击性、吸能性。为了更好地研究负泊松比结构的力学性能，分别选取了内凹结构和四韧带反手性结构两种负泊松比结构进行对比分析。为了提高蜂窝结构的力学性能，在结构中填充聚氨酯泡沫材料。并对填充后的内凹结构和四韧带反手性结构的变形模式和力学性能进行了试验研究。此外通过对填充四韧带反手性结构进行参数研究，分析了壁厚t和节点半径r对结构吸能性和泊松比的影响。研究结果表明：四韧带反手性结构比内凹结构的吸能性好、承载能力强。对两种结构分别进行填充后，结构具有更高的的刚度和吸能性，但是“拉胀”效应减弱。随着壁厚t和节点半径r的增加，填充四韧带反手性结构的刚度和能量吸收能力增强，泊松比值增大，“拉胀”效应减弱。但是壁厚过大会使结构脆性破坏增强，其比吸能性降低。另外随着壁厚t增大、节点半径减小，填充四韧带反手性结构的压实应变减小。
负泊松比蜂窝结构具有优良的力学性能，包括抗压痕性、抗冲击性、吸能性。为了更好地研究负泊松比结构的力学性能，分别选取了内凹结构和四韧带反手性结构两种负泊松比结构进行对比分析。为了提高蜂窝结构的力学性能，在结构中填充聚氨酯泡沫材料。并对填充后的内凹结构和四韧带反手性结构的变形模式和力学性能进行了试验研究。此外通过对填充四韧带反手性结构进行参数研究，分析了壁厚t和节点半径r对结构吸能性和泊松比的影响。研究结果表明：四韧带反手性结构比内凹结构的吸能性好、承载能力强。对两种结构分别进行填充后，结构具有更高的的刚度和吸能性，但是“拉胀”效应减弱。随着壁厚t和节点半径r的增加，填充四韧带反手性结构的刚度和能量吸收能力增强，泊松比值增大，“拉胀”效应减弱。但是壁厚过大会使结构脆性破坏增强，其比吸能性降低。另外随着壁厚t增大、节点半径减小，填充四韧带反手性结构的压实应变减小。
2024, 41(6): 2929-2937.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231113.004
摘要:
本文采用聚醚醚酮(PEEK)粉末悬浮浸渍工艺和PEEK树脂膜熔融浸渍工艺制备了两种不同的薄层碳纤维展宽布加热元件，并对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料层合板的电阻焊接技术进行了实验研究。结果表明：采用“埋入式”电极布置方式，有效避免了电阻焊接过程中因加热元件裸露而产生的“边缘效应”现象。加热时间对焊接接头强度有明显的影响，接头强度随加热时间先增加后减小，在120 s时达到最大值28.1 MPa，断口失效模式从最初的粘接失效变为植入体与纤维的混合失式模式。对比粉末悬浮浸渍与熔融浸渍两种工艺制备的加热元件相应的焊接接头强度，在相同焊接工艺条件下前者相比后者提升15%。
本文采用聚醚醚酮(PEEK)粉末悬浮浸渍工艺和PEEK树脂膜熔融浸渍工艺制备了两种不同的薄层碳纤维展宽布加热元件，并对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料层合板的电阻焊接技术进行了实验研究。结果表明：采用“埋入式”电极布置方式，有效避免了电阻焊接过程中因加热元件裸露而产生的“边缘效应”现象。加热时间对焊接接头强度有明显的影响，接头强度随加热时间先增加后减小，在120 s时达到最大值28.1 MPa，断口失效模式从最初的粘接失效变为植入体与纤维的混合失式模式。对比粉末悬浮浸渍与熔融浸渍两种工艺制备的加热元件相应的焊接接头强度，在相同焊接工艺条件下前者相比后者提升15%。
2024, 41(6): 2952-2963.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231016.002
摘要:
当前复合材料车身零部件在研发过程中依然面临着制造工艺与结构性能孤立分析的难题，开发平纹织物纤维增强热塑性复合材料(Woven fabric reinforced thermoplastics, WFRTPs)的“成形-性能”耦合数值模型，对于促进WFRTPs在新能源汽车领域的产业化应用意义重大。本研究通过热模压工艺制备了两种不同纤维夹角的碳纤维增强聚丙烯(Carbon fiber reinforced polypropylene, CF/PP)薄壁管件，并对CF/PP预浸料和CF/PP层合板进行了准静态偏轴拉伸实验，对CF/PP管件进行了准静态弯曲测试，实验结果表明，由成形工艺引发的织物纤维夹角增加将导致CF/PP层合板剪切强度降低和失效应变增加，进一步造成CF/PP管件在弯曲工况下峰值载荷减小和失效位移增加。开发了CF/PP预浸料的次弹性成形本构模型、层合板的渐进损伤弯曲本构模型以及管件的“成形-弯曲”耦合本构模型并验证了上述本构模型的准确性，仿真结果表明，在压边力约束下制备的非正交CF/PP管件的剪切塑性应变比无压边力制备的正交试样高69%，纤维夹角的增加将显著增加CF/PP材料的塑性剪切应变，进而导致非正交CF/PP管件的弯曲失效位移显著增加。
当前复合材料车身零部件在研发过程中依然面临着制造工艺与结构性能孤立分析的难题，开发平纹织物纤维增强热塑性复合材料(Woven fabric reinforced thermoplastics, WFRTPs)的“成形-性能”耦合数值模型，对于促进WFRTPs在新能源汽车领域的产业化应用意义重大。本研究通过热模压工艺制备了两种不同纤维夹角的碳纤维增强聚丙烯(Carbon fiber reinforced polypropylene, CF/PP)薄壁管件，并对CF/PP预浸料和CF/PP层合板进行了准静态偏轴拉伸实验，对CF/PP管件进行了准静态弯曲测试，实验结果表明，由成形工艺引发的织物纤维夹角增加将导致CF/PP层合板剪切强度降低和失效应变增加，进一步造成CF/PP管件在弯曲工况下峰值载荷减小和失效位移增加。开发了CF/PP预浸料的次弹性成形本构模型、层合板的渐进损伤弯曲本构模型以及管件的“成形-弯曲”耦合本构模型并验证了上述本构模型的准确性，仿真结果表明，在压边力约束下制备的非正交CF/PP管件的剪切塑性应变比无压边力制备的正交试样高69%，纤维夹角的增加将显著增加CF/PP材料的塑性剪切应变，进而导致非正交CF/PP管件的弯曲失效位移显著增加。
2024, 41(6): 2938-2951.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231024.001
摘要:
由于具有优异的力学、电学和热学性能，碳纳米管(Carbon nanotubes，CNTs)被广泛用于高性能复合材料制备研究。然而，CNTs具有高长径比、高比表面能和强范德华力，在制备过程中易团聚，在高填料浓度下导致复合材料力学性能的降低。为了准确表征碳纳米管增强环氧树脂纳米复合材料(CNTs enhanced epoxy nanocomposite，CNTs/EP)的拉伸力学性能，通过实验和有限元模拟分析，表征了不同类型CNTs增强的CNTs/EP的拉伸力学性能。在考虑团聚对环氧树脂材料参数影响的情况，提出了折减团聚区域树脂材料参数的方法，改进了团聚分布数值分析方法。结果表明，在0.5wt%的低含量下，均匀分布数值分析方法可以准确预测CNTs/EP的拉伸强度和弹性模量；团聚分析方法准确预测了CNTs/EP在1.5wt%高浓度下的拉伸力学性能，弹性模量和拉伸强度的预测误差不超过5%。
由于具有优异的力学、电学和热学性能，碳纳米管(Carbon nanotubes，CNTs)被广泛用于高性能复合材料制备研究。然而，CNTs具有高长径比、高比表面能和强范德华力，在制备过程中易团聚，在高填料浓度下导致复合材料力学性能的降低。为了准确表征碳纳米管增强环氧树脂纳米复合材料(CNTs enhanced epoxy nanocomposite，CNTs/EP)的拉伸力学性能，通过实验和有限元模拟分析，表征了不同类型CNTs增强的CNTs/EP的拉伸力学性能。在考虑团聚对环氧树脂材料参数影响的情况，提出了折减团聚区域树脂材料参数的方法，改进了团聚分布数值分析方法。结果表明，在0.5wt%的低含量下，均匀分布数值分析方法可以准确预测CNTs/EP的拉伸强度和弹性模量；团聚分析方法准确预测了CNTs/EP在1.5wt%高浓度下的拉伸力学性能，弹性模量和拉伸强度的预测误差不超过5%。
2024, 41(6): 3241-3250.
摘要:
以铝合金-碳纤维/双马来酰亚胺(BMI)树脂复合材料多螺栓双搭接结构为研究对象，结合数字图像相关(DIC)技术开展了不同温度环境下(−100℃、25℃、150℃)的准静态拉伸试验，并采用金属弹塑性模型和复合材料渐进损伤模型进行数值模拟分析，同时开发考虑温度影响的UMAT子程序预测复合材料损伤，研究了温度对金属-复合材料混合多螺栓连接结构承载能力、破坏模式、损伤演化和钉载分配的影响规律。结果表明：相比25℃室温环境，150℃和−100℃环境下结构的极限载荷分别降低4.46%和2.06%；不同温度环境下的破坏模式均为复合材料孔边拉伸断裂，同时高温环境下孔边分层与挤压现象更为严重，而低温环境下纤维与基体结合紧密，孔边挤压与分层现象更弱；150℃环境下复合材料孔边损伤不均匀性相比常温环境有所减弱，而−100℃环境下不均匀性有所增强；由于热膨胀不匹配性，高温和低温环境下三组螺栓钉载分配规律也表现出明显差异。
以铝合金-碳纤维/双马来酰亚胺(BMI)树脂复合材料多螺栓双搭接结构为研究对象，结合数字图像相关(DIC)技术开展了不同温度环境下(−100℃、25℃、150℃)的准静态拉伸试验，并采用金属弹塑性模型和复合材料渐进损伤模型进行数值模拟分析，同时开发考虑温度影响的UMAT子程序预测复合材料损伤，研究了温度对金属-复合材料混合多螺栓连接结构承载能力、破坏模式、损伤演化和钉载分配的影响规律。结果表明：相比25℃室温环境，150℃和−100℃环境下结构的极限载荷分别降低4.46%和2.06%；不同温度环境下的破坏模式均为复合材料孔边拉伸断裂，同时高温环境下孔边分层与挤压现象更为严重，而低温环境下纤维与基体结合紧密，孔边挤压与分层现象更弱；150℃环境下复合材料孔边损伤不均匀性相比常温环境有所减弱，而−100℃环境下不均匀性有所增强；由于热膨胀不匹配性，高温和低温环境下三组螺栓钉载分配规律也表现出明显差异。
2024, 41(6): 3262-3274.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231025.001
摘要:
干涉配合在改善抽芯铆钉连接复合材料的力学性能方面具有较强优势。然而，干涉配合下抽芯铆钉的安装往往会导致碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)层压板的损坏，削弱铆接接头的力学性能。本文采用了完整的抽芯铆钉模型，基于连续损伤力学、扩展的三维破坏准则和应变率效应，通过有限元和Abaqus二次开发相结合的方法，研究了CFRP/Al单剪铆接中抽芯铆钉与连接孔的干涉量和铆钉的安装速度对复合材料损伤的影响。从模拟结果来看受安装速度的影响显著，安装阻力呈现出两个典型的阶段，分别由铝合金板、CFRP板与抽芯铆钉的摩擦产生造成。抽芯铆钉安装在干涉配合情况下，安装速度越大对于降低安装阻力十分有利。然而，过高的安装速度会导致孔壁的损伤增加，尤其在高干涉量下更为明显。抽芯铆钉铆接接头的失效模式以CFRP损伤为主，并受干涉尺寸的影响显著。
干涉配合在改善抽芯铆钉连接复合材料的力学性能方面具有较强优势。然而，干涉配合下抽芯铆钉的安装往往会导致碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)层压板的损坏，削弱铆接接头的力学性能。本文采用了完整的抽芯铆钉模型，基于连续损伤力学、扩展的三维破坏准则和应变率效应，通过有限元和Abaqus二次开发相结合的方法，研究了CFRP/Al单剪铆接中抽芯铆钉与连接孔的干涉量和铆钉的安装速度对复合材料损伤的影响。从模拟结果来看受安装速度的影响显著，安装阻力呈现出两个典型的阶段，分别由铝合金板、CFRP板与抽芯铆钉的摩擦产生造成。抽芯铆钉安装在干涉配合情况下，安装速度越大对于降低安装阻力十分有利。然而，过高的安装速度会导致孔壁的损伤增加，尤其在高干涉量下更为明显。抽芯铆钉铆接接头的失效模式以CFRP损伤为主，并受干涉尺寸的影响显著。
2024, 41(6): 3264-3271.
摘要:
高能量大面积钝物冲击(HEWABI)会导致复合材料飞机结构内部发生严重损伤，但在机身外部几乎目视不可见，从而会对飞机运营安全带来较大的威胁。采用不同形状的刚性冲头和橡胶冲头对层合板进行高能量准静态加载试验，随后建立了基于连续介质损伤力学(CDM)的仿真分析模型。结果表明：建立的仿真分析模型可有效预测在刚性和橡胶冲头下的响应和损伤情况。当载荷达到40 kN时，刚性冲头下的层合板会发生严重的分层损伤；而橡胶冲头在加载过程中发生大变形，降低了层合板的局部应力，直至90 kN时仍未对层合板产生任何损伤。层合板损伤情况受刚性冲头形状影响较大，橡胶冲头形状则几乎无影响。
高能量大面积钝物冲击(HEWABI)会导致复合材料飞机结构内部发生严重损伤，但在机身外部几乎目视不可见，从而会对飞机运营安全带来较大的威胁。采用不同形状的刚性冲头和橡胶冲头对层合板进行高能量准静态加载试验，随后建立了基于连续介质损伤力学(CDM)的仿真分析模型。结果表明：建立的仿真分析模型可有效预测在刚性和橡胶冲头下的响应和损伤情况。当载荷达到40 kN时，刚性冲头下的层合板会发生严重的分层损伤；而橡胶冲头在加载过程中发生大变形，降低了层合板的局部应力，直至90 kN时仍未对层合板产生任何损伤。层合板损伤情况受刚性冲头形状影响较大，橡胶冲头形状则几乎无影响。
2024, 41(6): 3272-3282.
摘要:
为开展碳纤维增强树脂复合材料螺旋加强金属柱壳屈曲特性理论研究，建立了复合材料螺旋加强金属柱壳的复材层局部包裹面积比与厚度比数学关系，推导了金属内衬复材螺旋缠绕多层耐压壳抗压极限载荷理论模型。其次，开展了线性屈曲及非线性屈曲分析，并与试验结果对比分析。最后，根据推导的理论模型，形成了该类型全尺寸柱壳适用水深图谱。结果表明：插值法分析中数值分析与理论计算值的误差随复合材料包裹面积比增加而减小，最大误差为5.2%，最小误差为0.9%；试验模型中理论计算与数值分析、试验结果误差分别为3.20%、3.46%，三者具有良好一致性；内衬金属层厚度一定时，螺旋包裹适当复合材料带可适应水深范围较广，该应用对水下管路原位加强、深水管再利用等方面提供新思路。
为开展碳纤维增强树脂复合材料螺旋加强金属柱壳屈曲特性理论研究，建立了复合材料螺旋加强金属柱壳的复材层局部包裹面积比与厚度比数学关系，推导了金属内衬复材螺旋缠绕多层耐压壳抗压极限载荷理论模型。其次，开展了线性屈曲及非线性屈曲分析，并与试验结果对比分析。最后，根据推导的理论模型，形成了该类型全尺寸柱壳适用水深图谱。结果表明：插值法分析中数值分析与理论计算值的误差随复合材料包裹面积比增加而减小，最大误差为5.2%，最小误差为0.9%；试验模型中理论计算与数值分析、试验结果误差分别为3.20%、3.46%，三者具有良好一致性；内衬金属层厚度一定时，螺旋包裹适当复合材料带可适应水深范围较广，该应用对水下管路原位加强、深水管再利用等方面提供新思路。
2024, 41(6): 3294-3303.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240325.001
摘要:
针对目前亥姆霍兹共振器低频吸声效果不理想的问题，提出了一种仿蝴蝶弧形共振腔型声学超材料结构，将阶梯式圆孔引入亥姆霍兹共振器的颈管，同时改变传统的负泊松比内凹夹芯结构，使结构在不改变整体尺寸的前提下，有效地为吸声器提供低频吸声所需的声阻抗，从而降低共振频率。利用有限元软件COMSOL 6.1对结构进行了仿真并通过驻波管吸声测试实验进行了验证，实验与仿真的结果具有较高的一致性。结果表明：仿蝴蝶弧形共振腔型声学超材料结构可以有效降低亥姆霍兹共振器的吸收峰值频率，使得该结构在650~1050 Hz频率范围内有着优秀的吸声性能，平均吸声系数大于0.9，实现了对声波的准完美吸收。吸声结构在740 Hz共振吸收系数峰值为0.962509，此时结构的厚度仅为吸收峰频率对应波长的1/15，体现了其深亚波长尺寸的特征。当结构的高度为30 mm时，仍有一个较宽的吸声频带，带宽比为62% (吸声系数>0.5)。不同仿蝴蝶弧形负泊松比的胞元参数对吸声性能也有一定的影响，当弧形胞元的圆弧半径r为11.8 mm、阶梯式圆孔的阶梯数n为4，以及阶梯式圆孔管径da和管长la为试件尺寸时，可以使亥姆霍兹共振器在低频宽带条件下有着优秀的吸声性能。
针对目前亥姆霍兹共振器低频吸声效果不理想的问题，提出了一种仿蝴蝶弧形共振腔型声学超材料结构，将阶梯式圆孔引入亥姆霍兹共振器的颈管，同时改变传统的负泊松比内凹夹芯结构，使结构在不改变整体尺寸的前提下，有效地为吸声器提供低频吸声所需的声阻抗，从而降低共振频率。利用有限元软件COMSOL 6.1对结构进行了仿真并通过驻波管吸声测试实验进行了验证，实验与仿真的结果具有较高的一致性。结果表明：仿蝴蝶弧形共振腔型声学超材料结构可以有效降低亥姆霍兹共振器的吸收峰值频率，使得该结构在650~1050 Hz频率范围内有着优秀的吸声性能，平均吸声系数大于0.9，实现了对声波的准完美吸收。吸声结构在740 Hz共振吸收系数峰值为0.962509，此时结构的厚度仅为吸收峰频率对应波长的1/15，体现了其深亚波长尺寸的特征。当结构的高度为30 mm时，仍有一个较宽的吸声频带，带宽比为62% (吸声系数>0.5)。不同仿蝴蝶弧形负泊松比的胞元参数对吸声性能也有一定的影响，当弧形胞元的圆弧半径r为11.8 mm、阶梯式圆孔的阶梯数n为4，以及阶梯式圆孔管径da和管长la为试件尺寸时，可以使亥姆霍兹共振器在低频宽带条件下有着优秀的吸声性能。
2024, 41(6): 2964-2972.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230927.001
摘要:
纤维素(CE)和角蛋白(FK)是来源丰富的天然材料，纤维素已经应用在生产生活各个领域，而作为羽毛主要成分的角蛋白大多被废弃了。把角蛋白复合到纤维素中，可以废物利用、改善纤维素材料的性能。首先以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([Bmim]Cl)溶解纤维素与角蛋白，以环氧氯丙烷(ECH)为交联剂使CE与FK联结成网络，利用离子液体对石墨烯或碳纳米管π-π堆积的屏蔽作用，使碳纳米管或者石墨烯很好地分散到纤维素/角蛋白交联网络复合体系，提升材料的导电性能与力学性能。所制得的复合薄膜拉伸强度和应变能达到64.8 MPa和58.0%，弯曲30º、60º、90º时，电阻会增加10%、14%和35%，可以通过薄膜形变引发的电阻变化监测人体运动行为的变化，因此，该复合薄膜有希望应用于监测运动的可穿戴电子设备，用于运动、医疗等领域。
纤维素(CE)和角蛋白(FK)是来源丰富的天然材料，纤维素已经应用在生产生活各个领域，而作为羽毛主要成分的角蛋白大多被废弃了。把角蛋白复合到纤维素中，可以废物利用、改善纤维素材料的性能。首先以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([Bmim]Cl)溶解纤维素与角蛋白，以环氧氯丙烷(ECH)为交联剂使CE与FK联结成网络，利用离子液体对石墨烯或碳纳米管π-π堆积的屏蔽作用，使碳纳米管或者石墨烯很好地分散到纤维素/角蛋白交联网络复合体系，提升材料的导电性能与力学性能。所制得的复合薄膜拉伸强度和应变能达到64.8 MPa和58.0%，弯曲30º、60º、90º时，电阻会增加10%、14%和35%，可以通过薄膜形变引发的电阻变化监测人体运动行为的变化，因此，该复合薄膜有希望应用于监测运动的可穿戴电子设备，用于运动、医疗等领域。
2024, 41(6): 2973-2984.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231030.001
摘要:
为提升国产高模高强碳纤维的表面特性及其复合材料的界面性能，采用连续化电泳沉积工艺，在国产高模高强碳纤维(BHM5碳纤维)表面构筑Ti3C2Tx MXene纳米片层。通过SEM、XPS、动态接触角、INSTRON万能材料试验机对改性前、后BHM5碳纤维的表面形态、表面元素含量、表面润湿性及其复合材料的力学性能和断面形貌进行了表征，探讨了Ti3C2Tx MXene改性BHM5碳纤维复合材料的界面增强机制。结果表明，经Ti3C2Tx MXene改性后的BHM5碳纤维表面粗糙度和比表面积增加，具备了与环氧树脂基体良好的机械互锁能力。碳纤维表面极性基团的含量明显上升，表面润湿性得以增强。在15 V电压下对BHM5碳纤维处理2 min后，其复合材料的层间剪切强度达到82.54 MPa，相较于未处理的碳纤维制成的复合材料，提升了28.2%。
为提升国产高模高强碳纤维的表面特性及其复合材料的界面性能，采用连续化电泳沉积工艺，在国产高模高强碳纤维(BHM5碳纤维)表面构筑Ti3C2Tx MXene纳米片层。通过SEM、XPS、动态接触角、INSTRON万能材料试验机对改性前、后BHM5碳纤维的表面形态、表面元素含量、表面润湿性及其复合材料的力学性能和断面形貌进行了表征，探讨了Ti3C2Tx MXene改性BHM5碳纤维复合材料的界面增强机制。结果表明，经Ti3C2Tx MXene改性后的BHM5碳纤维表面粗糙度和比表面积增加，具备了与环氧树脂基体良好的机械互锁能力。碳纤维表面极性基团的含量明显上升，表面润湿性得以增强。在15 V电压下对BHM5碳纤维处理2 min后，其复合材料的层间剪切强度达到82.54 MPa，相较于未处理的碳纤维制成的复合材料，提升了28.2%。
2024, 41(6): 2985-2995.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231122.001
摘要:
针对传统纳米发电机为交流输出，仍需采用外部整流器进行直流转化而导致的难以高度集成、柔性化和较低的功率密度问题，本文将聚偏氟乙烯(PVDF)静电纺膜作为基底，在其表面气相聚合聚吡咯(PPy)，制得PVDF/PPy复合纳米纤维膜，并依据肖特基整流原理，以该复合纳米纤维膜构建直流纳米发电机。研究了不同聚合时间下氧化剂浓度对PVDF/PPy复合纳米纤维膜形貌和直流纳米发电机机电性能的影响。结果表明，当氧化剂浓度为2.0 mol/L，聚合时间为90 min时，电输出性能最优，对应峰值电压输出为1.23 V，峰值电流输出为210.55 μA，理论功率密度达到28.77 μW/cm2。本项研究展示的PVDF/PPy直流纳米发电机，其能源转换机理源于压电高分子的压电效应和肖特基结的整流效应。该类直流纳米发电机具备柔韧、集成式和自整流的特征，可灵活用于各种场所，直接为电子设备提供电能。
针对传统纳米发电机为交流输出，仍需采用外部整流器进行直流转化而导致的难以高度集成、柔性化和较低的功率密度问题，本文将聚偏氟乙烯(PVDF)静电纺膜作为基底，在其表面气相聚合聚吡咯(PPy)，制得PVDF/PPy复合纳米纤维膜，并依据肖特基整流原理，以该复合纳米纤维膜构建直流纳米发电机。研究了不同聚合时间下氧化剂浓度对PVDF/PPy复合纳米纤维膜形貌和直流纳米发电机机电性能的影响。结果表明，当氧化剂浓度为2.0 mol/L，聚合时间为90 min时，电输出性能最优，对应峰值电压输出为1.23 V，峰值电流输出为210.55 μA，理论功率密度达到28.77 μW/cm2。本项研究展示的PVDF/PPy直流纳米发电机，其能源转换机理源于压电高分子的压电效应和肖特基结的整流效应。该类直流纳米发电机具备柔韧、集成式和自整流的特征，可灵活用于各种场所，直接为电子设备提供电能。
2024, 41(6): 2996-3005.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231011.002
摘要:
甲醇气体对人体具有毒性，会损害人的神经系统和血液循环系统，开发能够检测甲醇的器件有十分重要的意义。传感器法检测甲醇具有成本低、灵敏度高且可实时监测的优点，但目前主流的甲醇气体传感器主要以金属氧化物为主，存在工作温度高的缺点。本文通过简单的溶液合成法合成了钙钛矿量子点CsPbBr3，并采用乙酰丙酮铟配体(In(Acac)3)来对其表面缺陷进行钝化，获得了室温对甲醇具有较好气敏性的材料。在室温下对体积分数为80×10–6甲醇气体相应灵敏度为0.25，响应恢复时间为11.0 s/17.0 s，在紫外光照射下传感器的气体响应性能进一步提高。传感器具有良好的可再现性和稳定性，传感器在体积分数为80×10–6的甲醇浓度下进行多次测试灵敏度均保持在0.25左右，且在15天内均维持在较高水平。同时，在高湿度、无光照等恶劣条件下依然对甲醇有较好的响应。考虑到金属卤化钙钛矿结构可以很容易通过改变元素来调节性质，该研究方法和实验过程可应用到对其他气体的检测。
甲醇气体对人体具有毒性，会损害人的神经系统和血液循环系统，开发能够检测甲醇的器件有十分重要的意义。传感器法检测甲醇具有成本低、灵敏度高且可实时监测的优点，但目前主流的甲醇气体传感器主要以金属氧化物为主，存在工作温度高的缺点。本文通过简单的溶液合成法合成了钙钛矿量子点CsPbBr3，并采用乙酰丙酮铟配体(In(Acac)3)来对其表面缺陷进行钝化，获得了室温对甲醇具有较好气敏性的材料。在室温下对体积分数为80×10–6甲醇气体相应灵敏度为0.25，响应恢复时间为11.0 s/17.0 s，在紫外光照射下传感器的气体响应性能进一步提高。传感器具有良好的可再现性和稳定性，传感器在体积分数为80×10–6的甲醇浓度下进行多次测试灵敏度均保持在0.25左右，且在15天内均维持在较高水平。同时，在高湿度、无光照等恶劣条件下依然对甲醇有较好的响应。考虑到金属卤化钙钛矿结构可以很容易通过改变元素来调节性质，该研究方法和实验过程可应用到对其他气体的检测。
2024, 41(6): 3006-3015.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231120.003
摘要:
一维多孔碳纳米纤维具有比表面积高、长径比大、电子传输高效等特点，成为超级电容器电极材料的热门选择。利用静电溶液喷射纺丝技术，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为成碳高聚物，聚四氟乙烯乳液(PTFE)为制孔剂，结合高温碳化工艺得到蜂窝多孔碳纳米纤维超级电容器电极材料。通过SEM、TEM、Raman、XRD和BET等测试对制备的电极材料形貌和结构进行了表征，并分析了制孔剂含量对纤维形貌、孔结构及电化学性能的影响。结果表明：当纺丝液中PVP∶PTFE质量比为1∶10时，制备的电极材料具有最大的比表面积165 m²/g；在0.5 A·g−1电流密度下，其比电容值高达277.5 F·g−1；在二电极体系中，其功率密度为250 W/kg时，能量密度可达31.6 W·h/kg；经10000圈充放电循环后，其电容保持率可达98.4%，展示出了良好的电容性能和循环性能。这种独特的高孔隙率蜂窝多孔碳纳米纤维电极材料能够为电荷存储提供充足的活性位点，同时为电子/离子的快速传输提供便利通道，对高性能超级电容器电极材料的开发具有一定参考和指导意义。
一维多孔碳纳米纤维具有比表面积高、长径比大、电子传输高效等特点，成为超级电容器电极材料的热门选择。利用静电溶液喷射纺丝技术，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为成碳高聚物，聚四氟乙烯乳液(PTFE)为制孔剂，结合高温碳化工艺得到蜂窝多孔碳纳米纤维超级电容器电极材料。通过SEM、TEM、Raman、XRD和BET等测试对制备的电极材料形貌和结构进行了表征，并分析了制孔剂含量对纤维形貌、孔结构及电化学性能的影响。结果表明：当纺丝液中PVP∶PTFE质量比为1∶10时，制备的电极材料具有最大的比表面积165 m²/g；在0.5 A·g−1电流密度下，其比电容值高达277.5 F·g−1；在二电极体系中，其功率密度为250 W/kg时，能量密度可达31.6 W·h/kg；经10000圈充放电循环后，其电容保持率可达98.4%，展示出了良好的电容性能和循环性能。这种独特的高孔隙率蜂窝多孔碳纳米纤维电极材料能够为电荷存储提供充足的活性位点，同时为电子/离子的快速传输提供便利通道，对高性能超级电容器电极材料的开发具有一定参考和指导意义。
2024, 41(6): 3016-3026.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231113.002
摘要:
采用碳酸氢钠和水合硫酸铝溶液原位聚合制备了以聚四氟乙烯 (PTFE) 为核材、Al(OH)3为壳材的润滑-增强双功能微胶囊PTFE@Al(OH)3。将其表面用乙烯基三甲氧基硅烷 (VTMS) 处理后作为超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 的增强填料，混合均匀后，用放电等离子烧结 (SPS) 加工为复合材料。采用SEM、TEM、FTIR、UMT-5多功能摩擦磨损试验机、三维白光干涉仪、拉伸压缩试验机等方法分别对微胶囊在基体中的分散性能、复合材料的摩擦学性能和力学性能进行了表征。实验结果表明：微胶囊的加入提高了复合材料的摩擦学性能 (摩擦系数降低35%，磨损量降低20%) 和力学性能 (压缩强度变为原来的2.5倍)，同时微胶囊具有较好的分散性。
采用碳酸氢钠和水合硫酸铝溶液原位聚合制备了以聚四氟乙烯 (PTFE) 为核材、Al(OH)3为壳材的润滑-增强双功能微胶囊PTFE@Al(OH)3。将其表面用乙烯基三甲氧基硅烷 (VTMS) 处理后作为超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 的增强填料，混合均匀后，用放电等离子烧结 (SPS) 加工为复合材料。采用SEM、TEM、FTIR、UMT-5多功能摩擦磨损试验机、三维白光干涉仪、拉伸压缩试验机等方法分别对微胶囊在基体中的分散性能、复合材料的摩擦学性能和力学性能进行了表征。实验结果表明：微胶囊的加入提高了复合材料的摩擦学性能 (摩擦系数降低35%，磨损量降低20%) 和力学性能 (压缩强度变为原来的2.5倍)，同时微胶囊具有较好的分散性。
2024, 41(6): 3027-3036.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231030.003
摘要:
吸附与光催化还原相结合可以在光照条件下将 Cr(VI)还原成低毒性的 Cr(III)并固定在吸附材料中，是一种很有前景的铬污染治理方法。本文以纳米纤维素-聚乙烯亚胺气凝胶(CPA)为骨架，通过吡咯原位氧化聚合制得纳米纤维素-聚乙烯亚胺-聚吡咯(CPP-F)光敏感复合气凝胶。采用SEM、FTIR、UV-vis、XPS对气凝胶进行表征。通过黑暗及光照条件的对比，研究了CPP-F复合气凝胶对Cr(VI)的吸附、光催化原位还原及循环吸附性能，并对其循环吸附机制进行了分析。结果表明：CPP-F 为黑色、结构均匀稳定的多孔气凝胶，在紫外、可见光和近红外区域均有较强的光吸收。负载Cr(VI)的CPP-F经光照处理后，Cr(III)含量由黑暗条件下29.76%上升至72.33%，其还原率是黑暗条件下的2.43倍，表明聚吡咯(PPy)具有优异的光催化性能，光照处理可促进Cr(VI)的原位还原。经过6次循环吸附，光照处理下CPP-F对Cr(VI)的循环吸附量比黑暗处理高64.97%，其原因可能是光催化还原产生的Cr(III)为Cr(VI)提供了新的吸附位点，促进了Cr(VI)的循环吸附。吸附-光催化还原-循环吸附相结合的方法比单一吸附法更具优势，在Cr(VI)污染治理方面有很大的应用潜力。
吸附与光催化还原相结合可以在光照条件下将 Cr(VI)还原成低毒性的 Cr(III)并固定在吸附材料中，是一种很有前景的铬污染治理方法。本文以纳米纤维素-聚乙烯亚胺气凝胶(CPA)为骨架，通过吡咯原位氧化聚合制得纳米纤维素-聚乙烯亚胺-聚吡咯(CPP-F)光敏感复合气凝胶。采用SEM、FTIR、UV-vis、XPS对气凝胶进行表征。通过黑暗及光照条件的对比，研究了CPP-F复合气凝胶对Cr(VI)的吸附、光催化原位还原及循环吸附性能，并对其循环吸附机制进行了分析。结果表明：CPP-F 为黑色、结构均匀稳定的多孔气凝胶，在紫外、可见光和近红外区域均有较强的光吸收。负载Cr(VI)的CPP-F经光照处理后，Cr(III)含量由黑暗条件下29.76%上升至72.33%，其还原率是黑暗条件下的2.43倍，表明聚吡咯(PPy)具有优异的光催化性能，光照处理可促进Cr(VI)的原位还原。经过6次循环吸附，光照处理下CPP-F对Cr(VI)的循环吸附量比黑暗处理高64.97%，其原因可能是光催化还原产生的Cr(III)为Cr(VI)提供了新的吸附位点，促进了Cr(VI)的循环吸附。吸附-光催化还原-循环吸附相结合的方法比单一吸附法更具优势，在Cr(VI)污染治理方面有很大的应用潜力。
2024, 41(6): 3037-3046.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231101.003
摘要:
纤维素纳米纤维(CNF)泡沫材料因其轻质、可生物降解、可再生性以及优良的隔热性能等特点，在保温隔热领域备受关注。但是CNF泡沫存在力学性能差、热稳定性差、易燃等缺点，在一定程度限制了其实际应用。本文通过将CNF与芳纶纳米纤维(ANF)进行复合，通过冰模板法和冷冻干燥技术制备了具有各向异性结构的CNF/ANF复合泡沫。探究了ANF添加量和各向异性结构的引入对复合泡沫微观结构、力学性能、热稳定性和隔热性能的影响。结果表明，当CNF和ANF的质量比为2∶1时，CNF/ANF复合泡沫具有超低的密度(12.25 mg/cm3)、良好的力学强度(纵向压缩强度为74.56 kPa)和优异的隔热性能(25.2 mW/(m·K))，此外，该复合泡沫还具有良好的热稳定性和自熄灭性能，这些特性赋予了其在保温隔热等领域更加广阔的应用前景。
纤维素纳米纤维(CNF)泡沫材料因其轻质、可生物降解、可再生性以及优良的隔热性能等特点，在保温隔热领域备受关注。但是CNF泡沫存在力学性能差、热稳定性差、易燃等缺点，在一定程度限制了其实际应用。本文通过将CNF与芳纶纳米纤维(ANF)进行复合，通过冰模板法和冷冻干燥技术制备了具有各向异性结构的CNF/ANF复合泡沫。探究了ANF添加量和各向异性结构的引入对复合泡沫微观结构、力学性能、热稳定性和隔热性能的影响。结果表明，当CNF和ANF的质量比为2∶1时，CNF/ANF复合泡沫具有超低的密度(12.25 mg/cm3)、良好的力学强度(纵向压缩强度为74.56 kPa)和优异的隔热性能(25.2 mW/(m·K))，此外，该复合泡沫还具有良好的热稳定性和自熄灭性能，这些特性赋予了其在保温隔热等领域更加广阔的应用前景。
2024, 41(6): 3058-3067.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231026.002
摘要:
本文采用模板辅助磁控溅射和电化学沉积技术，构建了三氧化钨(WO3)/聚(3,4-乙烯二氧噻吩) (PEDOT)双层复合空心纳米球阵列。独特的空心纳米阵列结构可以提供与电解液较大的接触面积，有利于电极与电解液之间的离子传输，所制备的三氧化钨层属于对小离子具有大容量的非晶相，提供了大量的离子结合位点，聚噻吩层则形成了一个独特的导电网络，可以有效地促进电子传递并连接原本分离的色心。所制备的空心纳米球复合薄膜在可见光波段具有较高光学调制能力(633 nm 处77.4%)，较快的响应速度(着色3.2 s，褪色4.2 s)，良好的循环稳定性(2000次循环后失去14.5%的光调制幅度)，在低电位下−1.0/1.0 V下具有良好的着色效率(116.2 cm2·C−1)，所获得的有机无机复合材料还具有较高的面电容(54.6 mF/cm2)、出色的倍率性能和循环稳定性(经历2000次循环后的面积电容仍保持为原来的79.6%)。
本文采用模板辅助磁控溅射和电化学沉积技术，构建了三氧化钨(WO3)/聚(3,4-乙烯二氧噻吩) (PEDOT)双层复合空心纳米球阵列。独特的空心纳米阵列结构可以提供与电解液较大的接触面积，有利于电极与电解液之间的离子传输，所制备的三氧化钨层属于对小离子具有大容量的非晶相，提供了大量的离子结合位点，聚噻吩层则形成了一个独特的导电网络，可以有效地促进电子传递并连接原本分离的色心。所制备的空心纳米球复合薄膜在可见光波段具有较高光学调制能力(633 nm 处77.4%)，较快的响应速度(着色3.2 s，褪色4.2 s)，良好的循环稳定性(2000次循环后失去14.5%的光调制幅度)，在低电位下−1.0/1.0 V下具有良好的着色效率(116.2 cm2·C−1)，所获得的有机无机复合材料还具有较高的面电容(54.6 mF/cm2)、出色的倍率性能和循环稳定性(经历2000次循环后的面积电容仍保持为原来的79.6%)。
2024, 41(6): 3068-3076.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231026.003
摘要:
以g-C3N4为光催化剂进行分解水制氢和污染物降解的研究受到广泛关注，但如何采用简单易行的方法制备出高效、稳定且具有良好光热稳定性的催化剂是本领域的研究热点和难点。本文采用一种简单的水热法在g-C3N4表面引入更多的氨基，通过SEM、TEM等研究表面氨基化对g-C3N4表面形貌的影响，发现氨基化对其边缘位置的形貌影响较大；XRD、FTIR、UV-vis、XPS等分析表明表面氨基化反应对g-C3N4的主体结构没有破坏；光催化分解水制氢和RhB降解性能表明，当采用浓度为15wt%的氨水处理时，g-C3N4对RhB的光催化降解性能也达到最优，90 min的降解率为98.12%，是g-C3N4 的1.55倍(63.28%)，过高或过低的氨水浓度均不能使光催化性能达到最优；同时其分解水制氢速率性能最优(180.24 μmol·g−1·h−1)，为g-C3N4的1.46倍(123.04 μmol·g−1·h−1)；光电性能测试结果发现表面氨基化后光催化性能的增强机制可归结为氨基是供电子集团，受激发后光催化反应主要发生在g-C3N4边缘的氨基活性中性，氨基含量的增加有利于光催化反应的发生，过度的氨基化导致离域三嗪环结构的破坏，光催化性能大幅降低。
以g-C3N4为光催化剂进行分解水制氢和污染物降解的研究受到广泛关注，但如何采用简单易行的方法制备出高效、稳定且具有良好光热稳定性的催化剂是本领域的研究热点和难点。本文采用一种简单的水热法在g-C3N4表面引入更多的氨基，通过SEM、TEM等研究表面氨基化对g-C3N4表面形貌的影响，发现氨基化对其边缘位置的形貌影响较大；XRD、FTIR、UV-vis、XPS等分析表明表面氨基化反应对g-C3N4的主体结构没有破坏；光催化分解水制氢和RhB降解性能表明，当采用浓度为15wt%的氨水处理时，g-C3N4对RhB的光催化降解性能也达到最优，90 min的降解率为98.12%，是g-C3N4 的1.55倍(63.28%)，过高或过低的氨水浓度均不能使光催化性能达到最优；同时其分解水制氢速率性能最优(180.24 μmol·g−1·h−1)，为g-C3N4的1.46倍(123.04 μmol·g−1·h−1)；光电性能测试结果发现表面氨基化后光催化性能的增强机制可归结为氨基是供电子集团，受激发后光催化反应主要发生在g-C3N4边缘的氨基活性中性，氨基含量的增加有利于光催化反应的发生，过度的氨基化导致离域三嗪环结构的破坏，光催化性能大幅降低。
2024, 41(6): 3077-3083.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231031.004
摘要:
各向异性传导高分子复合材料(ACPC)因其独特的各向异性导电、导热等特性在集成电路、传感器件、热管理等领域具有巨大的应用潜力。本文以碳纤维(CF)和高密度聚乙烯(HDPE)膜为原料，碳纤维经高温预处理后，通过超声分散和真空抽滤工艺制备三维碳纤维网络，再采用热压成型技术将其与聚乙烯膜复合制备具有各向异性传导行为的HDPE/CF复合材料。通过DSC、SEM、TG及导电性能测试研究了复合材料的微结构、热性质和电性能，采用集成电路和红外热像仪对复合材料的各向异性传导行为进行监测。聚乙烯层与碳纤维网层交替排列且结合紧密；这种交替多层结构赋予了HDPE/CF复合材料层内导电、层间绝缘特性，呈现典型的各向异性传导行为。HDPE/CF复合材料在X方向和Y方向具有优异的导电性能(电导率高达85.71 S/m)，高出Z方向5~7个数量级。交替多层结构和碳纤维网的引入显著提高了HDPE/CF复合材料的热稳定性能，其初始热分解温度相对HDPE膜提高了约35℃。该复合材料具有优异的电子载流能力和定向传导能力，在电路连接、定向导电、热管理等领域具有巨大的应用潜力。
各向异性传导高分子复合材料(ACPC)因其独特的各向异性导电、导热等特性在集成电路、传感器件、热管理等领域具有巨大的应用潜力。本文以碳纤维(CF)和高密度聚乙烯(HDPE)膜为原料，碳纤维经高温预处理后，通过超声分散和真空抽滤工艺制备三维碳纤维网络，再采用热压成型技术将其与聚乙烯膜复合制备具有各向异性传导行为的HDPE/CF复合材料。通过DSC、SEM、TG及导电性能测试研究了复合材料的微结构、热性质和电性能，采用集成电路和红外热像仪对复合材料的各向异性传导行为进行监测。聚乙烯层与碳纤维网层交替排列且结合紧密；这种交替多层结构赋予了HDPE/CF复合材料层内导电、层间绝缘特性，呈现典型的各向异性传导行为。HDPE/CF复合材料在X方向和Y方向具有优异的导电性能(电导率高达85.71 S/m)，高出Z方向5~7个数量级。交替多层结构和碳纤维网的引入显著提高了HDPE/CF复合材料的热稳定性能，其初始热分解温度相对HDPE膜提高了约35℃。该复合材料具有优异的电子载流能力和定向传导能力，在电路连接、定向导电、热管理等领域具有巨大的应用潜力。
2024, 41(6): 3084-3096.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231025.002
摘要:
以纳米SiO2、CaCO3粉体为氧化石墨烯(GO)载体得到SiO2-GO (SG)，SiO2-CaCO3-GO (SCG)，并将其掺入水泥基材料中，实现GO在水泥基材料中的分散，并研究其掺入对水泥基材料力学和自修复性能、水化产物和微观结构等方面的影响。研究表明，SG和SCG掺入进一步提高了水泥基材料的力学性能，SCG掺入水泥28天抗折和抗压强度较空白试样分别提高了7.3%和18.7%，高于掺入SiO2和SG试样。SCG掺入使水泥石具有良好的自修复性能，其中抗压强度修复率达到110.6%，28天抗渗性能修复率达到100%，裂缝面积测试表明SCG对于水泥基材料裂缝具有更为明显的修复效果。XRD分析显示SiO2、SG和SCG掺入均有助于促进水泥早期水化。TG分析表明，随着水化龄期的延长，SCG复合水泥试样中Ca(OH)2和SiO2之间的反应程度较高，与早期水化3天相比，SCG复合水泥基材料28天Ca(OH)2含量降低至14.90%。微观结构分析表明SCG与水泥石界面具有更好的相容性，能够促进水泥水化后期生成较多水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，有效填充水泥石微观裂缝，SCG复合水泥基材料具有优良的自修复性能。
以纳米SiO2、CaCO3粉体为氧化石墨烯(GO)载体得到SiO2-GO (SG)，SiO2-CaCO3-GO (SCG)，并将其掺入水泥基材料中，实现GO在水泥基材料中的分散，并研究其掺入对水泥基材料力学和自修复性能、水化产物和微观结构等方面的影响。研究表明，SG和SCG掺入进一步提高了水泥基材料的力学性能，SCG掺入水泥28天抗折和抗压强度较空白试样分别提高了7.3%和18.7%，高于掺入SiO2和SG试样。SCG掺入使水泥石具有良好的自修复性能，其中抗压强度修复率达到110.6%，28天抗渗性能修复率达到100%，裂缝面积测试表明SCG对于水泥基材料裂缝具有更为明显的修复效果。XRD分析显示SiO2、SG和SCG掺入均有助于促进水泥早期水化。TG分析表明，随着水化龄期的延长，SCG复合水泥试样中Ca(OH)2和SiO2之间的反应程度较高，与早期水化3天相比，SCG复合水泥基材料28天Ca(OH)2含量降低至14.90%。微观结构分析表明SCG与水泥石界面具有更好的相容性，能够促进水泥水化后期生成较多水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，有效填充水泥石微观裂缝，SCG复合水泥基材料具有优良的自修复性能。
2024, 41(6): 3097-3107.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231113.001
摘要:
为研究再生粗骨料(RCA)替代率和应变率对再生粗骨料混凝土(RAC)抗压强度离散性的影响，制备了3种不同RCA替代率的RAC (0%、50%、100%)，分别进行准静态压缩及霍普金森压杆(SHPB)试验，于概率统计分析理论，对RAC抗压强度结果进行分析讨论。结果表明：准静态压缩下，RAC抗压强度离散程度随RCA替代率增加变化不显著，但表现出先增加后减小的趋势；SHPB试验应变率为50~120 s−1时，受RCA替代率和应变率的共同影响，同一应变率下RAC动态抗压强度离散程度随RCA替代率增加而增加，同一RCA替代率下RAC动态抗压强度离散程度随应变率增加逐渐减小。此外，对传统Weibull分布模型引入替代率和应变率参数进行修正，考虑到抗压强度离散性可能影响结构设计的安全性，提出了在任意保证率下具有不同RCA替代率的RAC动态抗压强度预测公式。
为研究再生粗骨料(RCA)替代率和应变率对再生粗骨料混凝土(RAC)抗压强度离散性的影响，制备了3种不同RCA替代率的RAC (0%、50%、100%)，分别进行准静态压缩及霍普金森压杆(SHPB)试验，于概率统计分析理论，对RAC抗压强度结果进行分析讨论。结果表明：准静态压缩下，RAC抗压强度离散程度随RCA替代率增加变化不显著，但表现出先增加后减小的趋势；SHPB试验应变率为50~120 s−1时，受RCA替代率和应变率的共同影响，同一应变率下RAC动态抗压强度离散程度随RCA替代率增加而增加，同一RCA替代率下RAC动态抗压强度离散程度随应变率增加逐渐减小。此外，对传统Weibull分布模型引入替代率和应变率参数进行修正，考虑到抗压强度离散性可能影响结构设计的安全性，提出了在任意保证率下具有不同RCA替代率的RAC动态抗压强度预测公式。
2024, 41(6): 3108-3119.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231117.001
摘要:
为研究固体废料钢渣及硫酸盐溶液侵蚀作用下水泥基复合材料断裂特性，本文设计掺入不同质量分数的钢渣粉制备聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA/ECC)，通过对硫酸盐侵蚀后的预制初始裂缝梁式试件进行三点弯曲性能试验，同时结合掺钢渣粉PVA/ECC在Na2SO4溶液(质量分数为5wt%)中的表观形态和微观结构特征，探究硫酸盐侵蚀对钢渣粉PVA/ECC断裂性能的影响。结果表明：在未受硫酸盐侵蚀钢渣粉掺量为20wt%时，试件起裂荷载、失稳荷载提升效果最佳，较未掺钢渣粉试件分别提高约61%、110%；PVA/ECC断裂韧度随侵蚀时间先增大后减小，侵蚀60天到达峰值，120天后S80组劣化最明显，起裂韧度\begin{document}$ K\mathrm{^{ini}} $\end{document} \begin{document}$ {K}^{\mathrm{u}\mathrm{n}} $\end{document}
为研究固体废料钢渣及硫酸盐溶液侵蚀作用下水泥基复合材料断裂特性，本文设计掺入不同质量分数的钢渣粉制备聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA/ECC)，通过对硫酸盐侵蚀后的预制初始裂缝梁式试件进行三点弯曲性能试验，同时结合掺钢渣粉PVA/ECC在Na2SO4溶液(质量分数为5wt%)中的表观形态和微观结构特征，探究硫酸盐侵蚀对钢渣粉PVA/ECC断裂性能的影响。结果表明：在未受硫酸盐侵蚀钢渣粉掺量为20wt%时，试件起裂荷载、失稳荷载提升效果最佳，较未掺钢渣粉试件分别提高约61%、110%；PVA/ECC断裂韧度随侵蚀时间先增大后减小，侵蚀60天到达峰值，120天后S80组劣化最明显，起裂韧度
2024, 41(6): 3120-3132.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231024.002
摘要:
将轻质高强的重组竹埋入钢管混凝土柱(CFST)的核心形成钢管约束竹-混凝土组合柱(BCFSTs)，期望利用钢管的约束作用充分发挥重组竹的抗压强度并延缓其劈裂破坏。为研究BCFSTs的轴压性能，在3组BCFSTs轴压试验的基础上，采用ABAQUS有限元软件建立了相应的模型进行了非线性有限元分析。通过比对试件的破坏形式、荷载-位移曲线等结果，验证了有限元模型的可靠性与适用性；基于验证后的有限元模型，对重组竹尺寸和钢管径厚比两个关键设计变量进行参数化分析。结果表明：在相同钢管壁厚的钢管混凝土柱中，增大重组竹截面尺寸可以抑制荷载-位移曲线峰值点后的下降过程，BCFSTs的峰值承载力相较于CFST的提升范围均在8%以上，最大提升16%；试件的极限荷载呈现明显增长趋势，BCFSTs的极限承载力相较于CFST的最大提升可达到33.2%。钢管壁厚的增加使重组竹和混凝土受到的环向约束增强，核心截面强度得以提高，钢管壁厚由4.5 mm变化为6.0 mm时，试件极限荷载最大提升18.2%。
将轻质高强的重组竹埋入钢管混凝土柱(CFST)的核心形成钢管约束竹-混凝土组合柱(BCFSTs)，期望利用钢管的约束作用充分发挥重组竹的抗压强度并延缓其劈裂破坏。为研究BCFSTs的轴压性能，在3组BCFSTs轴压试验的基础上，采用ABAQUS有限元软件建立了相应的模型进行了非线性有限元分析。通过比对试件的破坏形式、荷载-位移曲线等结果，验证了有限元模型的可靠性与适用性；基于验证后的有限元模型，对重组竹尺寸和钢管径厚比两个关键设计变量进行参数化分析。结果表明：在相同钢管壁厚的钢管混凝土柱中，增大重组竹截面尺寸可以抑制荷载-位移曲线峰值点后的下降过程，BCFSTs的峰值承载力相较于CFST的提升范围均在8%以上，最大提升16%；试件的极限荷载呈现明显增长趋势，BCFSTs的极限承载力相较于CFST的最大提升可达到33.2%。钢管壁厚的增加使重组竹和混凝土受到的环向约束增强，核心截面强度得以提高，钢管壁厚由4.5 mm变化为6.0 mm时，试件极限荷载最大提升18.2%。
2024, 41(6): 3133-3146.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231020.002
摘要:
将优势互补的超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)和再生混凝土(Recycled aggregate concrete，RAC)组合设计为预制UHPC-RAC组合柱。以箍筋位置、UHPC壁厚和UHPC-RAC结合面粗糙度为参数，设计制作了7个预制UHPC-RAC组合短柱，通过轴压试验，分析了破坏形态、材料应变、荷载-位移曲线、承载力、泊松比和损伤等性能参数。结果表明：预制UHPC-RAC组合短柱改善了RAC短柱的破坏形态，因外围UHPC与箍筋形成组合作用对内部RAC约束效果的不同，分为强约束的剪切压溃破坏和弱约束的外壁UHPC劈裂破坏；配箍UHPC及其厚度的增加，增强了外围UHPC的约束作用，提高了预制UHPC-RAC组合短柱的轴压刚度和受压承载力，最大可提升93.3%和97.4%，降低了泊松比和损伤指数，其中泊松比的变化范围为0.26~0.18；UHPC-RAC结合面粗糙度对轴压性能呈现有利影响但差异较小。强约束效果保证了高性能材料力学性能的发挥，采用叠加原理，建立了可准确计算强约束预制UHPC-RAC组合柱的受压承载力计算公式，并提出了预制UHPC-RAC组合短柱的设计要求，提升材料的利用率。
将优势互补的超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)和再生混凝土(Recycled aggregate concrete，RAC)组合设计为预制UHPC-RAC组合柱。以箍筋位置、UHPC壁厚和UHPC-RAC结合面粗糙度为参数，设计制作了7个预制UHPC-RAC组合短柱，通过轴压试验，分析了破坏形态、材料应变、荷载-位移曲线、承载力、泊松比和损伤等性能参数。结果表明：预制UHPC-RAC组合短柱改善了RAC短柱的破坏形态，因外围UHPC与箍筋形成组合作用对内部RAC约束效果的不同，分为强约束的剪切压溃破坏和弱约束的外壁UHPC劈裂破坏；配箍UHPC及其厚度的增加，增强了外围UHPC的约束作用，提高了预制UHPC-RAC组合短柱的轴压刚度和受压承载力，最大可提升93.3%和97.4%，降低了泊松比和损伤指数，其中泊松比的变化范围为0.26~0.18；UHPC-RAC结合面粗糙度对轴压性能呈现有利影响但差异较小。强约束效果保证了高性能材料力学性能的发挥，采用叠加原理，建立了可准确计算强约束预制UHPC-RAC组合柱的受压承载力计算公式，并提出了预制UHPC-RAC组合短柱的设计要求，提升材料的利用率。
2024, 41(6): 3136-3146.
摘要:
再生砖骨料地聚物混凝土(RBGC)是一种极具潜力的可持续建筑材料，但高温前后RBGC性能的相关研究较少。本文首先探究了胶凝材料用量和粗骨料类型对地聚物混凝土轴压本构模型的影响，发现随着胶凝材料的增加，RBGC抗压强度、劈拉强度、弹性模量和峰值压应变的变化幅度均小于普通骨料地聚物混凝土(NAGC)，RBGC的应力-应变曲线上升段线性段更长，下降段应力下降速度更快。其次研究了高温后RBGC和NAGC的力学性能，800℃时，RBGC强度和刚度损失分别比NAGC小22.1%和18.3%，发现RBGC表现出更好的耐高温性能，两种混凝土力学性能指标的计算应采用不同的模型。这是由于砖骨料温度膨胀系数接近地聚物砂浆，且高温下RBGC内部温度梯度小。最后，通过修正下降段形状参数，确定了高温前后RBGC和NAGC的应力-应变关系模型，模型与试验结果吻合较好。
再生砖骨料地聚物混凝土(RBGC)是一种极具潜力的可持续建筑材料，但高温前后RBGC性能的相关研究较少。本文首先探究了胶凝材料用量和粗骨料类型对地聚物混凝土轴压本构模型的影响，发现随着胶凝材料的增加，RBGC抗压强度、劈拉强度、弹性模量和峰值压应变的变化幅度均小于普通骨料地聚物混凝土(NAGC)，RBGC的应力-应变曲线上升段线性段更长，下降段应力下降速度更快。其次研究了高温后RBGC和NAGC的力学性能，800℃时，RBGC强度和刚度损失分别比NAGC小22.1%和18.3%，发现RBGC表现出更好的耐高温性能，两种混凝土力学性能指标的计算应采用不同的模型。这是由于砖骨料温度膨胀系数接近地聚物砂浆，且高温下RBGC内部温度梯度小。最后，通过修正下降段形状参数，确定了高温前后RBGC和NAGC的应力-应变关系模型，模型与试验结果吻合较好。
2024, 41(6): 3158-3171.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231101.002
摘要:
制备了5种粘结界面的全轻陶粒混凝土与普通混凝土粘结试件，通过劈裂抗拉、剪切和弯曲等力学试验以及SEM测试，探究界面剂对全轻陶粒混凝土与普通混凝土粘结界面力学性能的影响。力学试验结果表明：涂抹界面剂可有效改善界面区结构，大幅提高界面力学性能；环氧树脂界面剂是改善界面劈裂抗拉强度和抗折强度的最优界面剂，强度值分别可提升56.5%和38.3%；聚合物类胶浆界面剂对界面抗剪强度的提升效果最为明显，可提升71.2%；涂抹水泥净浆界面的力学性能也能满足行业标准要求，硅灰水泥净浆作为界面剂较水泥净浆更优；界面剂对力学指标的影响程度从强到弱依次为劈裂抗拉强度、抗折强度和抗剪强度。建立了以全轻陶粒混凝土力学指标为基础、考虑界面剂影响的新老混凝土界面力学强度计算公式。SEM测试从微观层面较好地解释了力学性能测试结论：涂抹界面剂能减小新老混凝土间的微观裂缝宽度，以环氧树脂界面剂和聚合物类胶浆的效果较明显；涂抹界面剂可有效降低界面过渡区的孔隙率，孔隙率下降幅度为46.44%~60.81%。研究结论对混凝土结构加固界面处理具有参考价值。
制备了5种粘结界面的全轻陶粒混凝土与普通混凝土粘结试件，通过劈裂抗拉、剪切和弯曲等力学试验以及SEM测试，探究界面剂对全轻陶粒混凝土与普通混凝土粘结界面力学性能的影响。力学试验结果表明：涂抹界面剂可有效改善界面区结构，大幅提高界面力学性能；环氧树脂界面剂是改善界面劈裂抗拉强度和抗折强度的最优界面剂，强度值分别可提升56.5%和38.3%；聚合物类胶浆界面剂对界面抗剪强度的提升效果最为明显，可提升71.2%；涂抹水泥净浆界面的力学性能也能满足行业标准要求，硅灰水泥净浆作为界面剂较水泥净浆更优；界面剂对力学指标的影响程度从强到弱依次为劈裂抗拉强度、抗折强度和抗剪强度。建立了以全轻陶粒混凝土力学指标为基础、考虑界面剂影响的新老混凝土界面力学强度计算公式。SEM测试从微观层面较好地解释了力学性能测试结论：涂抹界面剂能减小新老混凝土间的微观裂缝宽度，以环氧树脂界面剂和聚合物类胶浆的效果较明显；涂抹界面剂可有效降低界面过渡区的孔隙率，孔隙率下降幅度为46.44%~60.81%。研究结论对混凝土结构加固界面处理具有参考价值。
2024, 41(6): 3161-3174.
摘要:
探究杨木纤维作为一种生物基成核剂对聚乳酸(PLA)力学和结晶性能的影响，并与常用的成核剂滑石粉和酰肼化合物对比。分别将杨木纤维(WF)、滑石粉(Talc)、酰肼化合物(TMC-300)在0.5-4、1-8和0.3-2wt% 含量条件下与PLA进行熔融共混挤出、模压制备复合材料，基于力学性能确定每种成核剂在PLA中的较优添加量，并进一步在较优添加量条件下研究三种成核剂对PLA结晶性能的影响，包括结晶行为、晶体形貌和结构。三种成核剂均能提高PLA的缺口冲击强度，与成核剂Talc和TMC-300相比，添加WF对PLA的拉伸性能和弯曲性能改善效果更为显著，在WF较优添加量条件下(1wt%)，复合材料的断裂伸长率、拉伸强度和弯曲强度与纯PLA相比分别提高了27%、17%和18%。采用差示扫描量热法比较三种成核剂对PLA的结晶行为影响，结果表明添加1wt% WF提高了PLA非等温结晶的结晶度，但低于1Talc/PLA和0.5TMC/PLA复合材料的结晶度。根据等温结晶动力学分析，WF可以缩短PLA在等温结晶过程的半结晶时间，加快PLA的结晶速率，添加1wt% WF、1wt% Talc和0.5wt% TMC-300后PLA在110℃等温结晶的半结晶时间从23.6 min分别降低至7.2、2.7和1.4 min。热台-偏光显微镜观察结果表明，不同成核剂诱导PLA在110℃等温结晶时的晶体形貌不同，WF、Talc为PLA结晶提供了大量成核位点，促进PLA晶粒微细化，而TMC-300诱导PLA产生纤维束状晶体且结晶速率明显加快，这与等温结晶动力学分析结果一致。蚀刻后的冲击断面形貌也表明，不同形貌的晶体堆积是复合材料的力学性能存在差异的原因之一。X射线衍射结果表明，三种成核剂均能促进PLA产生有序的α晶，其中添加WF时α(110)/(200)晶的衍射峰强度最高，同时WF能显著降低PLA的晶粒尺寸。杨木纤维可以作为PLA的一种生物基成核剂，具有增强和成核的双重作用。本文为进一步优化WF对PLA的成核作用提供基础，也为促进木塑复合材料的绿色发展提供借鉴。
探究杨木纤维作为一种生物基成核剂对聚乳酸(PLA)力学和结晶性能的影响，并与常用的成核剂滑石粉和酰肼化合物对比。分别将杨木纤维(WF)、滑石粉(Talc)、酰肼化合物(TMC-300)在0.5-4、1-8和0.3-2wt% 含量条件下与PLA进行熔融共混挤出、模压制备复合材料，基于力学性能确定每种成核剂在PLA中的较优添加量，并进一步在较优添加量条件下研究三种成核剂对PLA结晶性能的影响，包括结晶行为、晶体形貌和结构。三种成核剂均能提高PLA的缺口冲击强度，与成核剂Talc和TMC-300相比，添加WF对PLA的拉伸性能和弯曲性能改善效果更为显著，在WF较优添加量条件下(1wt%)，复合材料的断裂伸长率、拉伸强度和弯曲强度与纯PLA相比分别提高了27%、17%和18%。采用差示扫描量热法比较三种成核剂对PLA的结晶行为影响，结果表明添加1wt% WF提高了PLA非等温结晶的结晶度，但低于1Talc/PLA和0.5TMC/PLA复合材料的结晶度。根据等温结晶动力学分析，WF可以缩短PLA在等温结晶过程的半结晶时间，加快PLA的结晶速率，添加1wt% WF、1wt% Talc和0.5wt% TMC-300后PLA在110℃等温结晶的半结晶时间从23.6 min分别降低至7.2、2.7和1.4 min。热台-偏光显微镜观察结果表明，不同成核剂诱导PLA在110℃等温结晶时的晶体形貌不同，WF、Talc为PLA结晶提供了大量成核位点，促进PLA晶粒微细化，而TMC-300诱导PLA产生纤维束状晶体且结晶速率明显加快，这与等温结晶动力学分析结果一致。蚀刻后的冲击断面形貌也表明，不同形貌的晶体堆积是复合材料的力学性能存在差异的原因之一。X射线衍射结果表明，三种成核剂均能促进PLA产生有序的α晶，其中添加WF时α(110)/(200)晶的衍射峰强度最高，同时WF能显著降低PLA的晶粒尺寸。杨木纤维可以作为PLA的一种生物基成核剂，具有增强和成核的双重作用。本文为进一步优化WF对PLA的成核作用提供基础，也为促进木塑复合材料的绿色发展提供借鉴。
2024, 41(6): 3186-3196.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230926.003
摘要:
本文以聚丙烯酸(PAA)、正硅酸乙酯(TEOS)、硅烷偶联剂Si-69为主要原料，异硫氰酸荧光素(FITC)为荧光剂，利用自模板法制备具有荧光标记的中空介孔SiO2纳米载体(HMSNs-69-FITC)。通过FTIR、DLS、BET、Raman和TEM对纳米载体的结构、粒径进行测定，用紫外分光光度计和TEM对其还原敏感性能进行表征，用溶剂挥发法负载索拉非尼(SOR)，并计算其负载效率。研究结果表明，调控PAA的量可以实现HMSNs在28~380 nm范围内粒径可控，其中，0.024 g/mL PAA、平均粒径100 nm的HMSNs稳定性能优良，HMSNS-69-FITC对SOR的负载效率为280.0 μg/mg，在含有0.0083 g/mL二硫苏糖醇(DTT)的PBS溶液中，48 h累计释放率约为82.4%；而无DTT时，48 h累计释放率约为25.1%，该载体具有二硫键还原敏感性。此研究工作有助于推动粒径可控的、还原敏感型SiO2纳米载体领域的研究。
本文以聚丙烯酸(PAA)、正硅酸乙酯(TEOS)、硅烷偶联剂Si-69为主要原料，异硫氰酸荧光素(FITC)为荧光剂，利用自模板法制备具有荧光标记的中空介孔SiO2纳米载体(HMSNs-69-FITC)。通过FTIR、DLS、BET、Raman和TEM对纳米载体的结构、粒径进行测定，用紫外分光光度计和TEM对其还原敏感性能进行表征，用溶剂挥发法负载索拉非尼(SOR)，并计算其负载效率。研究结果表明，调控PAA的量可以实现HMSNs在28~380 nm范围内粒径可控，其中，0.024 g/mL PAA、平均粒径100 nm的HMSNs稳定性能优良，HMSNS-69-FITC对SOR的负载效率为280.0 μg/mg，在含有0.0083 g/mL二硫苏糖醇(DTT)的PBS溶液中，48 h累计释放率约为82.4%；而无DTT时，48 h累计释放率约为25.1%，该载体具有二硫键还原敏感性。此研究工作有助于推动粒径可控的、还原敏感型SiO2纳米载体领域的研究。
2024, 41(6): 3186-3194.
摘要:
热电材料可实现热能直接转换为电能，在生活和工业废热再利用方面得到越来越多的应用。然而，传统的无机热电材料存在热功率(或塞贝克系数)低和导热率高的问题，在低品位废热(<130 ℃)收集方面不具备优势。利用离子热扩散效应(Soret效应)，以纤维素作为网络、聚乙烯醇(PVA)为电解质基质，用简单的注射器注射法制备了纤维素网络离子热电凝胶，并研究了不同含量的NaOH、LiOH作为离子供体的热电性能差异。采用FTIR对材料内部基团进行表征，同时自制的热电测试装置证明了其较高的热功率。研究结果表明木质纤维素网络的加入使离子电导率达到3.31 mS·cm−1，相比纯PVA离子凝胶提升了98.2%。同时，纤维素的加入降低了热导率，使其在人体体温和26 ℃室温的温差中保持上下面温差恒定较长时间。在2 ℃温差下离子塞贝克系数达到+12 mV·k−1。该研究提出了一种具有成本效益且环保的低品位废热再利用方案，对人类社会的可持续发展具有较大意义。
热电材料可实现热能直接转换为电能，在生活和工业废热再利用方面得到越来越多的应用。然而，传统的无机热电材料存在热功率(或塞贝克系数)低和导热率高的问题，在低品位废热(<130 ℃)收集方面不具备优势。利用离子热扩散效应(Soret效应)，以纤维素作为网络、聚乙烯醇(PVA)为电解质基质，用简单的注射器注射法制备了纤维素网络离子热电凝胶，并研究了不同含量的NaOH、LiOH作为离子供体的热电性能差异。采用FTIR对材料内部基团进行表征，同时自制的热电测试装置证明了其较高的热功率。研究结果表明木质纤维素网络的加入使离子电导率达到3.31 mS·cm−1，相比纯PVA离子凝胶提升了98.2%。同时，纤维素的加入降低了热导率，使其在人体体温和26 ℃室温的温差中保持上下面温差恒定较长时间。在2 ℃温差下离子塞贝克系数达到+12 mV·k−1。该研究提出了一种具有成本效益且环保的低品位废热再利用方案，对人类社会的可持续发展具有较大意义。
2024, 41(6): 3206-3218.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231031.002
摘要:
工业生产过程中所产生的细微颗粒物(PMs)对人体健康构成了严重威胁，是引起工作职业病的主要危害之一。当下传统面罩过滤效果不佳、呼吸阻力高、容尘量低、不易降解及抗菌效果不明显，为此，开发了一种环境友好型高效低阻的聚乳酸(PLA)抗菌可降解纳米过滤膜。通过微波辅助合成方法在碳纳米管(CNT)上诱导沸石咪唑酯框架-8 (ZIF-8)生长，成功合成了结构规整、比表面积大的纳米杂化结构CNT@ZIF-8。基于静电纺-电喷技术将CNT@ZIF-8成功嵌入到PLA纤维上，通过调控CNT@ZIF-8的质量比，制备了不同纤维直径的聚乳酸复合纳纤膜(CNT@ZIF/PLA)，探讨了在不同流速下CNT@ZIF/PLA纳纤膜的过滤性能以及空气阻力，系统研究了不同CNT@ZIF-8质量比对纳纤膜力学性能以及抗菌性能的影响。结果表明：CNT@ZIF/PLA纳纤膜相较于Pure PLA纳纤膜拉伸强度最高增幅达47% (18.5 MPa)，断裂韧性提升100% (2.9 MJ/m3)。随着CNT@ZIF-8质量比的增加，空气阻力逐渐降低，当测试流速在32 L/min时，12%CNT@ZIF/PLA纳纤膜的空气阻力仅为82.6 Pa，较Pure PLA纳纤膜减小了45.1%，且经过180 min长时间过滤测试，对PMs的过滤效率无明显变化。在测试流速在85 L/min时，CNT@ZIF/PLA纳纤膜对PM0.3的过滤效率均高达89%以上。并且经过太阳光模拟器照射5 min后，对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌抗菌效率均达到100%。。
工业生产过程中所产生的细微颗粒物(PMs)对人体健康构成了严重威胁，是引起工作职业病的主要危害之一。当下传统面罩过滤效果不佳、呼吸阻力高、容尘量低、不易降解及抗菌效果不明显，为此，开发了一种环境友好型高效低阻的聚乳酸(PLA)抗菌可降解纳米过滤膜。通过微波辅助合成方法在碳纳米管(CNT)上诱导沸石咪唑酯框架-8 (ZIF-8)生长，成功合成了结构规整、比表面积大的纳米杂化结构CNT@ZIF-8。基于静电纺-电喷技术将CNT@ZIF-8成功嵌入到PLA纤维上，通过调控CNT@ZIF-8的质量比，制备了不同纤维直径的聚乳酸复合纳纤膜(CNT@ZIF/PLA)，探讨了在不同流速下CNT@ZIF/PLA纳纤膜的过滤性能以及空气阻力，系统研究了不同CNT@ZIF-8质量比对纳纤膜力学性能以及抗菌性能的影响。结果表明：CNT@ZIF/PLA纳纤膜相较于Pure PLA纳纤膜拉伸强度最高增幅达47% (18.5 MPa)，断裂韧性提升100% (2.9 MJ/m3)。随着CNT@ZIF-8质量比的增加，空气阻力逐渐降低，当测试流速在32 L/min时，12%CNT@ZIF/PLA纳纤膜的空气阻力仅为82.6 Pa，较Pure PLA纳纤膜减小了45.1%，且经过180 min长时间过滤测试，对PMs的过滤效率无明显变化。在测试流速在85 L/min时，CNT@ZIF/PLA纳纤膜对PM0.3的过滤效率均高达89%以上。并且经过太阳光模拟器照射5 min后，对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌抗菌效率均达到100%。。
2024, 41(6): 3219-3231.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231110.001
摘要:
设计了54个碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢双搭接试件，研究了液体橡胶改性剂掺量和腐蚀龄期对CFRP-钢改性界面在高温水浴和常温干湿循环两种氯盐侵蚀作用后力学性能的影响。结果表明：在高温水浴及常温干湿循环作用下未改性试件分别呈现CFRP层间剥离破坏和钢/粘结剂界面剥离破坏，而液体橡胶改性试件可将破坏模式转变为粘结剂内聚破坏，其中10wt%液体橡胶提升界面耐久性效果最优，在高温水浴和常温干湿循环氯盐侵蚀180天后，试件极限荷载保留率相较未改性试件分别提升了28.11%和29.94%。基于试验结果，建立了适用于两种氯盐侵蚀环境下的改性界面粘结-滑移模型，模型预测结果与试验结果吻合较好。
设计了54个碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢双搭接试件，研究了液体橡胶改性剂掺量和腐蚀龄期对CFRP-钢改性界面在高温水浴和常温干湿循环两种氯盐侵蚀作用后力学性能的影响。结果表明：在高温水浴及常温干湿循环作用下未改性试件分别呈现CFRP层间剥离破坏和钢/粘结剂界面剥离破坏，而液体橡胶改性试件可将破坏模式转变为粘结剂内聚破坏，其中10wt%液体橡胶提升界面耐久性效果最优，在高温水浴和常温干湿循环氯盐侵蚀180天后，试件极限荷载保留率相较未改性试件分别提升了28.11%和29.94%。基于试验结果，建立了适用于两种氯盐侵蚀环境下的改性界面粘结-滑移模型，模型预测结果与试验结果吻合较好。
2024, 41(6): 3232-3240.
摘要:
为了解决B4C/Al复合材料制备过程中B4C颗粒分布不均、团聚及易与Al基体发生剧烈反应的问题。本文采用选区激光熔化法制备了B4C/Al复合材料，研究了激光功率和Ti元素对B4C/Al复合材料微观组织和力学性能的影响。结果表明，B4C/Al复合材料的致密度随激光功率的增大先增大后减少，激光功率240 W时致密度达到最大为94.1%；制备过程中B4C颗粒易与Al基体发生界面反应并且随激光功率增大而增大，形成界面产物Al3BC和Al3B48C2脆性相和微裂纹，导致界面结合性能降低；加Ti的B4C/Al复合材料的致密度提高到95.2%，形成的界面产物TiC和TiB2能有效抑制界面反应，界面清晰完整结合性能高，复合材料抗拉强度和伸长率分别提高41%、49.3%，拉伸断裂方式由脆性断裂转变为韧性断裂。
为了解决B4C/Al复合材料制备过程中B4C颗粒分布不均、团聚及易与Al基体发生剧烈反应的问题。本文采用选区激光熔化法制备了B4C/Al复合材料，研究了激光功率和Ti元素对B4C/Al复合材料微观组织和力学性能的影响。结果表明，B4C/Al复合材料的致密度随激光功率的增大先增大后减少，激光功率240 W时致密度达到最大为94.1%；制备过程中B4C颗粒易与Al基体发生界面反应并且随激光功率增大而增大，形成界面产物Al3BC和Al3B48C2脆性相和微裂纹，导致界面结合性能降低；加Ti的B4C/Al复合材料的致密度提高到95.2%，形成的界面产物TiC和TiB2能有效抑制界面反应，界面清晰完整结合性能高，复合材料抗拉强度和伸长率分别提高41%、49.3%，拉伸断裂方式由脆性断裂转变为韧性断裂。
2024, 41(6): 3232-3242.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231121.002
摘要:
陶瓷/纤维材料复合防弹板广泛应用于单兵防护装备，研究其抗多发冲击性能对于减少士兵伤亡有重要意义。基于53式7.62 mm穿燃弹冲击 SiC/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)防弹板工况，利用数值模拟方法对多次冲击下防弹板的破坏分布和残余抗弹性能进行分析。利用陶瓷、纤维破坏及粘结面剥离程度表征整板损伤，并建立不同损伤区域下防弹板残余性能的分布规律。结果表明：第一次冲击下，防弹板损伤半径(R)为30 mm，当R<15 mm时，损伤(D)>0.6，靶板无法抵御第二发子弹冲击；两次冲击下，两发子弹间距(ΔL)<50 mm时，中间破坏区损伤有明显累加现象，当ΔL>50 mm时，损伤累加效应不显著。将防弹板以5 mm×5 mm网格离散，得到不同损伤面积占比，得出在两次冲击下整板穿透概率为0.94%。3次冲击下的整板穿透概率与第二次冲击位置有关，且当ΔL=20 mm时，3次冲击下整板穿透概率达到1.94%。
陶瓷/纤维材料复合防弹板广泛应用于单兵防护装备，研究其抗多发冲击性能对于减少士兵伤亡有重要意义。基于53式7.62 mm穿燃弹冲击 SiC/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)防弹板工况，利用数值模拟方法对多次冲击下防弹板的破坏分布和残余抗弹性能进行分析。利用陶瓷、纤维破坏及粘结面剥离程度表征整板损伤，并建立不同损伤区域下防弹板残余性能的分布规律。结果表明：第一次冲击下，防弹板损伤半径(R)为30 mm，当R<15 mm时，损伤(D)>0.6，靶板无法抵御第二发子弹冲击；两次冲击下，两发子弹间距(ΔL)<50 mm时，中间破坏区损伤有明显累加现象，当ΔL>50 mm时，损伤累加效应不显著。将防弹板以5 mm×5 mm网格离散，得到不同损伤面积占比，得出在两次冲击下整板穿透概率为0.94%。3次冲击下的整板穿透概率与第二次冲击位置有关，且当ΔL=20 mm时，3次冲击下整板穿透概率达到1.94%。
