2024, 41(7): 1-15.
摘要:
为提升钢筋混凝土(RC)墩柱的抗震性能并充分利用工程水泥基复合材料(ECC)的力学性能，提出了ECC壳-RC组合墩柱的构造；基于ABAQUS有限元软件建立了现浇ECC壳-RC组合墩柱数值分析模型，并基于既有试验结果验证；进而探究了ECC节段高度、ECC壳厚度、纵筋配筋率、体积配箍率、轴压比等参数对组合墩柱抗震性能的影响规律。在此基础上，探讨了该型组合墩柱塑性铰形成机制。结果表明：相较于RC墩柱，ECC壳-RC组合墩柱的承载能力、延性和耗能能力均有所提高。增加ECC节段高度，组合墩柱的峰值荷载有所增加，ECC节段高度达到1.4h (截面高度)后组合墩柱的抗震性能接近全高度ECC墩柱的抗震性能；增加ECC壳厚度及纵筋配筋率可同时提高组合墩柱的峰值荷载及延性，ECC壳厚度达到1/5h后继续增加ECC壳厚度对提升组合墩柱抗震性能效果不明显；增加轴压比可使试件初始刚度和峰值荷载增加，但对延性产生不利影响；减小塑性铰区域的体积配箍率试件延性明显降低，而承载力变化不明显；组合墩柱的塑性铰形成机制受ECC壳-RC组合节段高度影响显著，存在一个组合节段临界高度使该组合柱的塑性铰区不发生转移。
为提升钢筋混凝土(RC)墩柱的抗震性能并充分利用工程水泥基复合材料(ECC)的力学性能，提出了ECC壳-RC组合墩柱的构造；基于ABAQUS有限元软件建立了现浇ECC壳-RC组合墩柱数值分析模型，并基于既有试验结果验证；进而探究了ECC节段高度、ECC壳厚度、纵筋配筋率、体积配箍率、轴压比等参数对组合墩柱抗震性能的影响规律。在此基础上，探讨了该型组合墩柱塑性铰形成机制。结果表明：相较于RC墩柱，ECC壳-RC组合墩柱的承载能力、延性和耗能能力均有所提高。增加ECC节段高度，组合墩柱的峰值荷载有所增加，ECC节段高度达到1.4h (截面高度)后组合墩柱的抗震性能接近全高度ECC墩柱的抗震性能；增加ECC壳厚度及纵筋配筋率可同时提高组合墩柱的峰值荷载及延性，ECC壳厚度达到1/5h后继续增加ECC壳厚度对提升组合墩柱抗震性能效果不明显；增加轴压比可使试件初始刚度和峰值荷载增加，但对延性产生不利影响；减小塑性铰区域的体积配箍率试件延性明显降低，而承载力变化不明显；组合墩柱的塑性铰形成机制受ECC壳-RC组合节段高度影响显著，存在一个组合节段临界高度使该组合柱的塑性铰区不发生转移。
2024, 41(7): 1-12.
摘要:
采用花岗岩石粉等质量(0%~32%)替代部分水泥制备机制砂混凝土，应用等温量热、压汞、准稳态气体渗透等方法测试机制砂混凝土的水泥水化热、孔隙结构、力学强度及气体渗透性能，结合灰色关联分析建立不同龄期(28~130 d)石粉-机制砂混凝土气体渗透特性与孔隙特征之间关系。结果表明：机制砂混凝土中掺入适量石粉可减缓水化放热、改善孔隙结构、提高抗压强度及降低气体渗透系数；8%石粉掺量机制砂混凝土的抗压强度最高、气体渗透系数最低，其灰色关联分析表明有效孔隙率和小于100 nm孔隙对气体渗透性影响最显著。
采用花岗岩石粉等质量(0%~32%)替代部分水泥制备机制砂混凝土，应用等温量热、压汞、准稳态气体渗透等方法测试机制砂混凝土的水泥水化热、孔隙结构、力学强度及气体渗透性能，结合灰色关联分析建立不同龄期(28~130 d)石粉-机制砂混凝土气体渗透特性与孔隙特征之间关系。结果表明：机制砂混凝土中掺入适量石粉可减缓水化放热、改善孔隙结构、提高抗压强度及降低气体渗透系数；8%石粉掺量机制砂混凝土的抗压强度最高、气体渗透系数最低，其灰色关联分析表明有效孔隙率和小于100 nm孔隙对气体渗透性影响最显著。
2024, 41(7): 3686-3694.
摘要:
为解决织物增强混凝土(Textile Reinforced Concrete，TRC)加固混凝土梁结构界面端部剥离问题，拟采用端部自锁技术将TRC板锚固在梁底。得益于该技术提供的端部锚固作用，即使发生界面剥离，TRC板仍能继续承载。但与纤维布相比，纤维网格由于各纤维束之间间隙大得多，协同受力性能较差，在不做处理的情况下能否实现自锁尚存疑问。为了提高纤维网格强度利用率，本文通过端部自锁锚固的纤维网格拉伸试验对其端锚自锁增强效应进行了研究。对纤维网格采取增大物理摩擦或增加化学粘结等措施，进而拉伸至破坏，分析比较了各试件的破坏模式、荷载-应变曲线，提出了纤维网格增强后承载力计算公式。试验结果表明：纤维网格端部自锁锚固时的强度利用率最大提升了60.66%，通过与端部锚板的有效结合，三层网格的抗拉承载力能够达到与单层纤维布相近的水平，应用自锁锚固技术有望在TRC加固混凝土梁中解决端部界面剥离问题，提升材料利用率，改善加固效果。所提出的纤维网格增强后承载力计算公式可为相关工程实践提供有益参考。
为解决织物增强混凝土(Textile Reinforced Concrete，TRC)加固混凝土梁结构界面端部剥离问题，拟采用端部自锁技术将TRC板锚固在梁底。得益于该技术提供的端部锚固作用，即使发生界面剥离，TRC板仍能继续承载。但与纤维布相比，纤维网格由于各纤维束之间间隙大得多，协同受力性能较差，在不做处理的情况下能否实现自锁尚存疑问。为了提高纤维网格强度利用率，本文通过端部自锁锚固的纤维网格拉伸试验对其端锚自锁增强效应进行了研究。对纤维网格采取增大物理摩擦或增加化学粘结等措施，进而拉伸至破坏，分析比较了各试件的破坏模式、荷载-应变曲线，提出了纤维网格增强后承载力计算公式。试验结果表明：纤维网格端部自锁锚固时的强度利用率最大提升了60.66%，通过与端部锚板的有效结合，三层网格的抗拉承载力能够达到与单层纤维布相近的水平，应用自锁锚固技术有望在TRC加固混凝土梁中解决端部界面剥离问题，提升材料利用率，改善加固效果。所提出的纤维网格增强后承载力计算公式可为相关工程实践提供有益参考。
2024, 41(7): 3695-3706.
摘要:
为了研究海水浸泡下海水海砂混凝土(Seawater sea-sand concrete,SSC)中以环氧树脂为基体的混杂碳-玄武岩纤维复材筋(CF-BF/Epoxy)拉伸性能退化规律，在不同温度(25、40和55℃)下对SSC中的CF-BF/Epoxy进行海水浸泡，周期为60、90和120天，通过拉伸试验对CF-BF/Epoxy在SSC中的拉伸性能进行了研究，并利用SEM和FTIR对其微观结构的变化进行了分析。结果显示，环境温度对CF-BF/Epoxy的拉伸性能有明显影响，在55℃下浸泡120d后，抗拉强度下降了13.84%，弹性模量在3%范围内轻微波动，CF-BF/Epoxy出现伪延性；玄武岩纤维和碳纤维混杂延缓了SSC中OH−进一步向CF-BF/Epoxy内部侵蚀，而外层玄武岩纤维区域的树脂水解和树脂-纤维界面退化是CF-BF/Epoxy拉伸性能退化的主要原因。最后基于Arrhenius方程预测，嵌入SSC中的CF-BF/Epoxy的抗拉强度保持率将在584~803天内降至70%。
为了研究海水浸泡下海水海砂混凝土(Seawater sea-sand concrete,SSC)中以环氧树脂为基体的混杂碳-玄武岩纤维复材筋(CF-BF/Epoxy)拉伸性能退化规律，在不同温度(25、40和55℃)下对SSC中的CF-BF/Epoxy进行海水浸泡，周期为60、90和120天，通过拉伸试验对CF-BF/Epoxy在SSC中的拉伸性能进行了研究，并利用SEM和FTIR对其微观结构的变化进行了分析。结果显示，环境温度对CF-BF/Epoxy的拉伸性能有明显影响，在55℃下浸泡120d后，抗拉强度下降了13.84%，弹性模量在3%范围内轻微波动，CF-BF/Epoxy出现伪延性；玄武岩纤维和碳纤维混杂延缓了SSC中OH−进一步向CF-BF/Epoxy内部侵蚀，而外层玄武岩纤维区域的树脂水解和树脂-纤维界面退化是CF-BF/Epoxy拉伸性能退化的主要原因。最后基于Arrhenius方程预测，嵌入SSC中的CF-BF/Epoxy的抗拉强度保持率将在584~803天内降至70%。
2024, 41(7): 3717-3726.
摘要:
采用稻壳灰为主要胶凝材料并掺入橡胶颗粒作为人工缺陷，制备低碳环保型的高延性水泥基复合材料(Rice Husk Ash and Crumb Rubbers Engineered Cementitious Composites, CR-RHA/ECC)。通过宏观力学性能与微观实验，研究不同养护龄期下(7 d和28 d)橡胶掺入量(0, 10%, 20%, 30%)对CR-RHA/ECC延性和开裂特性的影响。结果表明：随着龄期的增长，CR-RHA/ECC的延性存在较大差异，CR替代10%河砂使CR-RHA/ECC的7 d龄期延性削弱了54%，而使CR-RHA/ECC的28d龄期增长了67%，随着龄期增长(28d龄期)，CR替代30%河砂可使CR-RHA/ECC的延性达6%，此时CR-RHA/ECC相较于无CR替代河砂组CR-RHA/ECC的拉伸裂缝宽度减小了53%。
采用稻壳灰为主要胶凝材料并掺入橡胶颗粒作为人工缺陷，制备低碳环保型的高延性水泥基复合材料(Rice Husk Ash and Crumb Rubbers Engineered Cementitious Composites, CR-RHA/ECC)。通过宏观力学性能与微观实验，研究不同养护龄期下(7 d和28 d)橡胶掺入量(0, 10%, 20%, 30%)对CR-RHA/ECC延性和开裂特性的影响。结果表明：随着龄期的增长，CR-RHA/ECC的延性存在较大差异，CR替代10%河砂使CR-RHA/ECC的7 d龄期延性削弱了54%，而使CR-RHA/ECC的28d龄期增长了67%，随着龄期增长(28d龄期)，CR替代30%河砂可使CR-RHA/ECC的延性达6%，此时CR-RHA/ECC相较于无CR替代河砂组CR-RHA/ECC的拉伸裂缝宽度减小了53%。
2024, 41(7): 3727-3737.
摘要:
为了研究异形孔隙对泡沫混凝土单轴压缩特性的影响，本文对密度等级500 kg/m3的泡沫混凝土开展了X-CT试验及单轴压缩-声发射联合试验，基于实测孔结构特征建立了不同非球形颗粒占比的三维细观离散元模型并模拟了单轴压缩过程。结果表明：离散元模型模拟的单轴压缩损伤过程与声发射试验结果基本一致，具有明显的阶段特征；异形颗粒离散元模型能表征初步密实阶段应力-应变曲线的震荡，模拟出应力消散阶段基质的剪切和互锁，在建立泡沫混凝土离散元模型时，应考虑孔隙形状的影响；离散元模型的抗压强度随模型中孔隙非球形率的提高而线性衰减，相关系数达0.94。
为了研究异形孔隙对泡沫混凝土单轴压缩特性的影响，本文对密度等级500 kg/m3的泡沫混凝土开展了X-CT试验及单轴压缩-声发射联合试验，基于实测孔结构特征建立了不同非球形颗粒占比的三维细观离散元模型并模拟了单轴压缩过程。结果表明：离散元模型模拟的单轴压缩损伤过程与声发射试验结果基本一致，具有明显的阶段特征；异形颗粒离散元模型能表征初步密实阶段应力-应变曲线的震荡，模拟出应力消散阶段基质的剪切和互锁，在建立泡沫混凝土离散元模型时，应考虑孔隙形状的影响；离散元模型的抗压强度随模型中孔隙非球形率的提高而线性衰减，相关系数达0.94。
2024, 41(7): 3305-3325.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231208.001
摘要:
聚合物在超导技术、航天航空、电子电路、动力电池、换热器等领域的应用十分广泛。随着器件的小型化、密集化和高功率，对于整体的散热要求越来越高，但是聚合物作为器件和设备粘接、封装等工艺的关键材料，热导率仅为0.2 W/(m∙K)，完全不能满足目前的散热需求，因此亟需提升聚合物的导热性能。由于在聚合物基体中构建连续的导热路径能极大提高聚合物的导热系数，往往能提高数倍或数十倍，因此采用三维网络填料增强聚合物导热性能是最为常用的一种方法之一。本文主要对用构建三维网络填料来增强高分子材料的导热性能的相关研究进行了整理，以制备方式的不同，将其归类为自组装法、相分离法、模板法、取向分布法等方法。最后，从制备方法的热导率提高值、可行性、稳定性等方面进行了总结分析，并对三维网络填料增强的聚合物基导热复合材料的未来发展前景进行了展望。
聚合物在超导技术、航天航空、电子电路、动力电池、换热器等领域的应用十分广泛。随着器件的小型化、密集化和高功率，对于整体的散热要求越来越高，但是聚合物作为器件和设备粘接、封装等工艺的关键材料，热导率仅为0.2 W/(m∙K)，完全不能满足目前的散热需求，因此亟需提升聚合物的导热性能。由于在聚合物基体中构建连续的导热路径能极大提高聚合物的导热系数，往往能提高数倍或数十倍，因此采用三维网络填料增强聚合物导热性能是最为常用的一种方法之一。本文主要对用构建三维网络填料来增强高分子材料的导热性能的相关研究进行了整理，以制备方式的不同，将其归类为自组装法、相分离法、模板法、取向分布法等方法。最后，从制备方法的热导率提高值、可行性、稳定性等方面进行了总结分析，并对三维网络填料增强的聚合物基导热复合材料的未来发展前景进行了展望。
2024, 41(7): 3326-3338.
摘要:
随着经济的快速发展，水中重金属离子污染对人类健康以及生态系统造成威胁。水凝胶以其良好的吸附性能、可再生性和低毒性在处理重金属离子方面具有很大的潜力。本文论述了近年来国内外以农业固体废弃物为原料制备水凝胶(纤维素基水凝胶、半纤维素基水凝胶、木质素基水凝胶等)吸附重金属的研究进展。同时讨论了农业固废基水凝胶的合成，去除重金属的吸附效果、吸附机制以及分析方法，并列举了工业固废基和其他固废基水凝胶吸附重金属的效果，以期帮助研究者对农业固废基水凝胶吸附重金属的探究有更深刻的理解。
随着经济的快速发展，水中重金属离子污染对人类健康以及生态系统造成威胁。水凝胶以其良好的吸附性能、可再生性和低毒性在处理重金属离子方面具有很大的潜力。本文论述了近年来国内外以农业固体废弃物为原料制备水凝胶(纤维素基水凝胶、半纤维素基水凝胶、木质素基水凝胶等)吸附重金属的研究进展。同时讨论了农业固废基水凝胶的合成，去除重金属的吸附效果、吸附机制以及分析方法，并列举了工业固废基和其他固废基水凝胶吸附重金属的效果，以期帮助研究者对农业固废基水凝胶吸附重金属的探究有更深刻的理解。
2024, 41(7): 3339-3358.
摘要:
植物纤维具有绿色环保、轻质高强、吸声隔热和低碳足迹等优点，与聚合物制备成复合材料后被广泛应用于汽车、航空、建筑和包装运输等领域。本文简述了植物长纤维的种类和提取方法对其物理性能的影响，同时结合纤维取向分布、纤维表面改性、复合材料成型工艺以及拉伸载荷下复合材料的失效模式，概述了植物长纤维作为增强体时对复合材料物理性能的影响，并对植物长纤维增强可降解复合材料的应用进行了总结和展望。
植物纤维具有绿色环保、轻质高强、吸声隔热和低碳足迹等优点，与聚合物制备成复合材料后被广泛应用于汽车、航空、建筑和包装运输等领域。本文简述了植物长纤维的种类和提取方法对其物理性能的影响，同时结合纤维取向分布、纤维表面改性、复合材料成型工艺以及拉伸载荷下复合材料的失效模式，概述了植物长纤维作为增强体时对复合材料物理性能的影响，并对植物长纤维增强可降解复合材料的应用进行了总结和展望。
2024, 41(7): 3359-3375.
摘要:
航空航天作为目前最前沿、最基础和最具影响力的科学技术研究领域，其科学研究发展水平是衡量国家科学技术创新性的重要标志。航空航天保温隔热材料作为航空航天技术发展最重要的技术支撑，如何制备出具有良好保温隔热性能和机械强度的材料对航空航天技术的发展具有重要意义。SiO2气凝胶凭借超低热导率、高孔隙率、高比表面积和超低密度等优异性能，在深空探测器、太阳能翻板、航天飞机发动机、固体火箭助推器和返回舱底座等特种工程设备材料具有较好的应用前景。近年来，随着SiO2气凝胶研究方法与制备技术的不断发展，通过将其与具有高强度、耐高温性等功能材料进行复合，可协同提升其保温隔热和机械强度等性能，对航空航天特种工程材料发展至关重要。鉴于此，本文简述了SiO2气凝胶的发展历程，详细分析总结了SiO2气凝胶与常见氧化物、纤维增强和有机聚合物等增强材料复合形成的气凝胶复合材料在航空航天领域的研究进展，主要从SiO2气凝胶复合材料的制备方法、结构特征、保温隔热、力学性能等方面进行评述，并展望了SiO2气凝胶复合材料在该领域研究应用所存在的问题、面临的挑战和未来发展方向。
航空航天作为目前最前沿、最基础和最具影响力的科学技术研究领域，其科学研究发展水平是衡量国家科学技术创新性的重要标志。航空航天保温隔热材料作为航空航天技术发展最重要的技术支撑，如何制备出具有良好保温隔热性能和机械强度的材料对航空航天技术的发展具有重要意义。SiO2气凝胶凭借超低热导率、高孔隙率、高比表面积和超低密度等优异性能，在深空探测器、太阳能翻板、航天飞机发动机、固体火箭助推器和返回舱底座等特种工程设备材料具有较好的应用前景。近年来，随着SiO2气凝胶研究方法与制备技术的不断发展，通过将其与具有高强度、耐高温性等功能材料进行复合，可协同提升其保温隔热和机械强度等性能，对航空航天特种工程材料发展至关重要。鉴于此，本文简述了SiO2气凝胶的发展历程，详细分析总结了SiO2气凝胶与常见氧化物、纤维增强和有机聚合物等增强材料复合形成的气凝胶复合材料在航空航天领域的研究进展，主要从SiO2气凝胶复合材料的制备方法、结构特征、保温隔热、力学性能等方面进行评述，并展望了SiO2气凝胶复合材料在该领域研究应用所存在的问题、面临的挑战和未来发展方向。
2024, 41(7): 3376-3392.
摘要:
动态键交联的液晶弹性体 (LCEs) 在外界刺激(如光、电、热等)下，能通过改变自身体积或形状执行宏观运动，具有优异的分子协同、自适应等性能，在软体机器人、人工肌肉和微流控等领域具有重要的应用前景。LCEs产生可逆形变的先决条件是实现内部液晶取向的有效控制。动态键的断裂和重组，不仅可以解耦交联网络的构筑和取向调控，还能够改善材料的再加工性能，赋予材料重塑变形、自修复和形状记忆等新的功能。因而交联网络结构(交联剂类型、结构、不同交联网络的协同)的合理设计与构筑对于构建性能优异且多功能集成的液晶弹性体极为重要。本文综述了液晶取向控制和具有单/双动态交联(包括动态非共价键和共价键)网络的液晶弹性体制备与应用的研究进展，并对该领域的发展前景进行了展望。
动态键交联的液晶弹性体 (LCEs) 在外界刺激(如光、电、热等)下，能通过改变自身体积或形状执行宏观运动，具有优异的分子协同、自适应等性能，在软体机器人、人工肌肉和微流控等领域具有重要的应用前景。LCEs产生可逆形变的先决条件是实现内部液晶取向的有效控制。动态键的断裂和重组，不仅可以解耦交联网络的构筑和取向调控，还能够改善材料的再加工性能，赋予材料重塑变形、自修复和形状记忆等新的功能。因而交联网络结构(交联剂类型、结构、不同交联网络的协同)的合理设计与构筑对于构建性能优异且多功能集成的液晶弹性体极为重要。本文综述了液晶取向控制和具有单/双动态交联(包括动态非共价键和共价键)网络的液晶弹性体制备与应用的研究进展，并对该领域的发展前景进行了展望。
2024, 41(7): 3393-3407.
摘要:
3D打印是一种自下而上、分层制造的材料累加制造方法。当前，3D打印正由原型制造向高性能化和功能化方向发展，对3D打印材料和加工过程调控提出更高的要求。纳米粒子在3D打印材料中的有序排列有助于提升打印制件的性能，但如何有效调控纳米粒子的取向面临挑战。在3D打印过程中引入物理场(磁场、电场及超声场)是实现打印制件微观结构精准操控的有效策略之一。这不仅赋予打印制件一定的功能，也为制备具有多尺度、多响应结构制件提供新的思路。因此，基于物理场辅助的3D打印成为了近年来的研究热点。本文首先简述了3D打印技术种类及其特点，并强调了物理场辅助3D打印调控纳米粒子取向的重要性；其次，梳理和归纳了物理场辅助3D打印调控纳米粒子取向的基本原理、材料要求、应用及性能。最后，对物理场辅助3D打印调控填料粒子取向存在的问题与挑战进行了总结，并对其未来发展方向进行了展望。
3D打印是一种自下而上、分层制造的材料累加制造方法。当前，3D打印正由原型制造向高性能化和功能化方向发展，对3D打印材料和加工过程调控提出更高的要求。纳米粒子在3D打印材料中的有序排列有助于提升打印制件的性能，但如何有效调控纳米粒子的取向面临挑战。在3D打印过程中引入物理场(磁场、电场及超声场)是实现打印制件微观结构精准操控的有效策略之一。这不仅赋予打印制件一定的功能，也为制备具有多尺度、多响应结构制件提供新的思路。因此，基于物理场辅助的3D打印成为了近年来的研究热点。本文首先简述了3D打印技术种类及其特点，并强调了物理场辅助3D打印调控纳米粒子取向的重要性；其次，梳理和归纳了物理场辅助3D打印调控纳米粒子取向的基本原理、材料要求、应用及性能。最后，对物理场辅助3D打印调控填料粒子取向存在的问题与挑战进行了总结，并对其未来发展方向进行了展望。
2024, 41(7): 3408-3430.
摘要:
随着5G网络的普及和电子设备的小型化，电磁辐射给周围环境和人体带来了一定的危害，为此研制综合性能优异的新型电磁干扰屏蔽材料具有十分重要的意义。Ti3C2Tx MXene是一种新型二维材料，具有独特的层状结构、可调节的活性表面、超高电导率等特点，展现出优异的电磁屏蔽性能。近年来，关于Ti3C2Tx的制备方法和填料选择的报道层出不穷，然而从结构设计层面总结Ti3C2Tx基复合材料的工作却很少。高效的结构设计不仅能够减少填料的用量而且能够提高屏蔽效能。本文以结构为主线，对近年来Ti3C2Tx基电磁屏蔽材料的发展趋势进行了总结，通过分析屏蔽效能和屏蔽机制，重点总结不同的结构如多孔结构、分层结构、核壳结构、其他特殊结构及其复合结构对Ti3C2Tx基电磁屏蔽性能的影响及作用，并提出了目前Ti3C2Tx及其复合材料在作为电磁屏蔽材料使用时急需解决的关键科学和技术问题。最后对MXenes的发展前景进行展望。
随着5G网络的普及和电子设备的小型化，电磁辐射给周围环境和人体带来了一定的危害，为此研制综合性能优异的新型电磁干扰屏蔽材料具有十分重要的意义。Ti3C2Tx MXene是一种新型二维材料，具有独特的层状结构、可调节的活性表面、超高电导率等特点，展现出优异的电磁屏蔽性能。近年来，关于Ti3C2Tx的制备方法和填料选择的报道层出不穷，然而从结构设计层面总结Ti3C2Tx基复合材料的工作却很少。高效的结构设计不仅能够减少填料的用量而且能够提高屏蔽效能。本文以结构为主线，对近年来Ti3C2Tx基电磁屏蔽材料的发展趋势进行了总结，通过分析屏蔽效能和屏蔽机制，重点总结不同的结构如多孔结构、分层结构、核壳结构、其他特殊结构及其复合结构对Ti3C2Tx基电磁屏蔽性能的影响及作用，并提出了目前Ti3C2Tx及其复合材料在作为电磁屏蔽材料使用时急需解决的关键科学和技术问题。最后对MXenes的发展前景进行展望。
2024, 41(7): 3431-3445.
摘要:
感染创面严重危害着人类的生活质量甚至是生命健康，因此研发高效且副作用小的抗菌生物材料用于修复感染创面具有广阔的市场前景。二维过渡金属碳化物(MXene)是一种新型的二维片状材料，具有优异的抗菌性能，其抗菌机制主要包括物理捕获理论，红外热效应，活性氧(ROS)生成理论，胞间分子泄露理论等，因此MXene有望成为一种更安全、有效、广谱的抗菌手段。通过水凝胶包裹MXene制成的MXene复合水凝胶对比单纯水凝胶具有更佳的抗菌，抗氧化性以及光热效应等优势。本文综述了MXene的抗菌机制，并就近年来报道的MXene复合水凝胶修复感染创面的研究进行全面综述和总结。
感染创面严重危害着人类的生活质量甚至是生命健康，因此研发高效且副作用小的抗菌生物材料用于修复感染创面具有广阔的市场前景。二维过渡金属碳化物(MXene)是一种新型的二维片状材料，具有优异的抗菌性能，其抗菌机制主要包括物理捕获理论，红外热效应，活性氧(ROS)生成理论，胞间分子泄露理论等，因此MXene有望成为一种更安全、有效、广谱的抗菌手段。通过水凝胶包裹MXene制成的MXene复合水凝胶对比单纯水凝胶具有更佳的抗菌，抗氧化性以及光热效应等优势。本文综述了MXene的抗菌机制，并就近年来报道的MXene复合水凝胶修复感染创面的研究进行全面综述和总结。
2024, 41(7): 3446-3456.
摘要:
近年来，新型抗菌材料的开发受到了各领域的极大关注，抗菌技术的应用与人类的健康生活息息相关，有巨大的发展前景。纳米银系抗菌剂是目前应用最广泛的抗菌剂之一，本篇论文对纳米银(AgNPs)的抗菌机制进行了讨论，综述了AgNPs无机抗菌剂与天然抗菌剂、有机抗菌剂和其它无机抗菌剂等复合的新型抗菌剂的研究进展，同时，从无机载体、有机载体和新型载体这三个方面对纳米银系抗菌剂的载体进行了总结，为AgNPs抗菌剂的进一步研究与应用提供参考。
近年来，新型抗菌材料的开发受到了各领域的极大关注，抗菌技术的应用与人类的健康生活息息相关，有巨大的发展前景。纳米银系抗菌剂是目前应用最广泛的抗菌剂之一，本篇论文对纳米银(AgNPs)的抗菌机制进行了讨论，综述了AgNPs无机抗菌剂与天然抗菌剂、有机抗菌剂和其它无机抗菌剂等复合的新型抗菌剂的研究进展，同时，从无机载体、有机载体和新型载体这三个方面对纳米银系抗菌剂的载体进行了总结，为AgNPs抗菌剂的进一步研究与应用提供参考。
2024, 41(7): 3457-3470.
摘要:
多材复合高温基线密封件是一种集隔热芯材，金属编织弹簧管和陶瓷纤维编织管于一体的新型多孔复合结构材料，在动载荷作用下具有柔性、耐高温、耐磨和密封等多功能优异性能，尤其对提高新一代高速飞行器热端部件的综合性能上起到关键性作用。它综合利用了内层隔热芯材的热防护、中间层高温合金编织弹簧管的弹性回复和外层陶瓷纤维管的耐热、耐磨等各自的性能优势。然而，由于各基材结构和性能之间的差异性，多材混杂结构与整体性能调控之间的内在联系尚不明确。基于此，首先介绍了多材复合高温基线密封件各组成材料特性及其制备工艺；其次，对现有高温基线密封件的理论和数值模型等研究方法进行梳理和归纳；再次，阐述了多材复合高温基线密封件在关键制备工艺和高温动载荷服役过程中存在的主要技术挑战；最后，对多材复合高温基线密封件的研究发展趋势和潜在工程应用进行了展望。
多材复合高温基线密封件是一种集隔热芯材，金属编织弹簧管和陶瓷纤维编织管于一体的新型多孔复合结构材料，在动载荷作用下具有柔性、耐高温、耐磨和密封等多功能优异性能，尤其对提高新一代高速飞行器热端部件的综合性能上起到关键性作用。它综合利用了内层隔热芯材的热防护、中间层高温合金编织弹簧管的弹性回复和外层陶瓷纤维管的耐热、耐磨等各自的性能优势。然而，由于各基材结构和性能之间的差异性，多材混杂结构与整体性能调控之间的内在联系尚不明确。基于此，首先介绍了多材复合高温基线密封件各组成材料特性及其制备工艺；其次，对现有高温基线密封件的理论和数值模型等研究方法进行梳理和归纳；再次，阐述了多材复合高温基线密封件在关键制备工艺和高温动载荷服役过程中存在的主要技术挑战；最后，对多材复合高温基线密封件的研究发展趋势和潜在工程应用进行了展望。
2024, 41(7): 3471-3482.
摘要:
层状双氢氧化物-生物炭(LDH-BC)复合材料，作为一种新型生物炭基复合纳米材料，在废水处理中展现了优异的污染物吸附和催化降解性能。本篇综述全面系统地总结LDH-BC复合材料的相关研究进展，为日后研究方向提供指导。研究内容综述了LDH-BC复合材料合成方法，改性策略和复合材料在废水处理中的应用及机制。展望部分提出LDH-BC复合材料存在具体组分降解路径不清晰、复合污染物体系应用较少、缺少现场规模试验等问题，接下来应针对以上问题进行深化拓展以推动LDH-BC复合材料的研究与应用。
层状双氢氧化物-生物炭(LDH-BC)复合材料，作为一种新型生物炭基复合纳米材料，在废水处理中展现了优异的污染物吸附和催化降解性能。本篇综述全面系统地总结LDH-BC复合材料的相关研究进展，为日后研究方向提供指导。研究内容综述了LDH-BC复合材料合成方法，改性策略和复合材料在废水处理中的应用及机制。展望部分提出LDH-BC复合材料存在具体组分降解路径不清晰、复合污染物体系应用较少、缺少现场规模试验等问题，接下来应针对以上问题进行深化拓展以推动LDH-BC复合材料的研究与应用。
2024, 41(7): 3483-3493.
摘要:
纤维素纳米晶体(Cellulose Nanocrystals，CNC)是具有优异力学性能、光学性能和表面化学性能的纳米材料，近年来受到了研究者们的广泛关注。基于CNC的传感器具有对外部环境刺激的单重、双重及多重响应，如湿度、气体、pH、溶剂、温度、光等驱动传感，这使其在信息加密、健康检测、食品、环境监测、储能、可穿戴等领域中显示出巨大的应用潜力。本文对CNC的关键特性进行了简要介绍，并重点分析了基于CNC的多功能传感器的重要应用发展研究机制，最后总结了CNC基传感器材料在制备过程中存在的主要问题和面临的挑战，为提高其性能和功能化创新应用提供参考。
纤维素纳米晶体(Cellulose Nanocrystals，CNC)是具有优异力学性能、光学性能和表面化学性能的纳米材料，近年来受到了研究者们的广泛关注。基于CNC的传感器具有对外部环境刺激的单重、双重及多重响应，如湿度、气体、pH、溶剂、温度、光等驱动传感，这使其在信息加密、健康检测、食品、环境监测、储能、可穿戴等领域中显示出巨大的应用潜力。本文对CNC的关键特性进行了简要介绍，并重点分析了基于CNC的多功能传感器的重要应用发展研究机制，最后总结了CNC基传感器材料在制备过程中存在的主要问题和面临的挑战，为提高其性能和功能化创新应用提供参考。
2024, 41(7): 3494-3506.
摘要:
推广使用再生混凝土是实现建筑固废资源化再利用和生态环境可持续发展的重要途径，纤维增强复合材料(FRP)约束再生混凝土是改善和提升其力学性能的有效方法。国内外研究人员对不同再生骨料取代率、FRP种类、侧向约束刚度(FRP层数)、FRP全包裹/条带式包裹等设计参数下FRP约束再生混凝土材料抗压强度、应力-应变曲线以及构件的力学性能和抗震性能指标的变化规律进行了试验研究和理论分析，比较了FRP约束普通混凝土极限强度和极限应变模型对FRP约束再生混凝土试件试验结果的适用性。本文分析了FRP约束再生混凝土材料和构件相关性能的研究现状及存在的不足，归纳了需要进一步研究的问题，以期为后续FRP约束再生混凝土结构力学性能研究和工程应用提供参考。
推广使用再生混凝土是实现建筑固废资源化再利用和生态环境可持续发展的重要途径，纤维增强复合材料(FRP)约束再生混凝土是改善和提升其力学性能的有效方法。国内外研究人员对不同再生骨料取代率、FRP种类、侧向约束刚度(FRP层数)、FRP全包裹/条带式包裹等设计参数下FRP约束再生混凝土材料抗压强度、应力-应变曲线以及构件的力学性能和抗震性能指标的变化规律进行了试验研究和理论分析，比较了FRP约束普通混凝土极限强度和极限应变模型对FRP约束再生混凝土试件试验结果的适用性。本文分析了FRP约束再生混凝土材料和构件相关性能的研究现状及存在的不足，归纳了需要进一步研究的问题，以期为后续FRP约束再生混凝土结构力学性能研究和工程应用提供参考。
2024, 41(7): 3507-3518.
摘要:
近年来，新能源汽车的飞速发展对电池的性能提出了更高要求，而传统石墨类负极材料的比容量较低，难以满足发展的需求。硅具有极高的理论比容量，作为负极材料能有效提高电池性能，具有巨大的发展潜力，而制备硅基负极的硅源材料、硅颗粒的形貌尺寸及其加工制备工艺对硅基负极性能有着重要影响。本文综述了硅基负极材料的最新研究进展，重点关注硅源材料的选择、硅纳米化工艺、硅基负极材料的制备等，提出了不同硅源和对应制备工艺在硅基负极材料制备过程中存在的问题和挑战，为锂离子硅基负极的发展提供重要的参考。
近年来，新能源汽车的飞速发展对电池的性能提出了更高要求，而传统石墨类负极材料的比容量较低，难以满足发展的需求。硅具有极高的理论比容量，作为负极材料能有效提高电池性能，具有巨大的发展潜力，而制备硅基负极的硅源材料、硅颗粒的形貌尺寸及其加工制备工艺对硅基负极性能有着重要影响。本文综述了硅基负极材料的最新研究进展，重点关注硅源材料的选择、硅纳米化工艺、硅基负极材料的制备等，提出了不同硅源和对应制备工艺在硅基负极材料制备过程中存在的问题和挑战，为锂离子硅基负极的发展提供重要的参考。
2024, 41(7): 3519-3528.
摘要:
随着全球能源的消耗加剧，热电器件的开发应用成为解决能源消耗问题的有效途径之一，其中，碲化铋(Bi2Te3)基柔性热电器件因在可穿戴领域逐步实现应用，得到了学界和业界的广泛关注。然而,受其材料成本较高、刚性结构等多方面因素的限制，Bi2Te3基柔性热电器件难以在保持高效热电性能的同时，实现柔性可穿戴化应用。本文系统地阐述了当前Bi2Te3基柔性热电器件在材料复合与柔性结构设计上的研究进展,特别是在柔性结构设计上，涵盖了块状、膜类以及纱线型三种结构。最后，总结分析了Bi2Te3柔性热电器件未来可能面临的挑战与发展趋势，以期促进热电器件在可穿戴领域实现广泛应用。
随着全球能源的消耗加剧，热电器件的开发应用成为解决能源消耗问题的有效途径之一，其中，碲化铋(Bi2Te3)基柔性热电器件因在可穿戴领域逐步实现应用，得到了学界和业界的广泛关注。然而,受其材料成本较高、刚性结构等多方面因素的限制，Bi2Te3基柔性热电器件难以在保持高效热电性能的同时，实现柔性可穿戴化应用。本文系统地阐述了当前Bi2Te3基柔性热电器件在材料复合与柔性结构设计上的研究进展,特别是在柔性结构设计上，涵盖了块状、膜类以及纱线型三种结构。最后，总结分析了Bi2Te3柔性热电器件未来可能面临的挑战与发展趋势，以期促进热电器件在可穿戴领域实现广泛应用。
2024, 41(7): 3529-3539.
摘要:
回收得到的再生碳纤维(RCF)多为蓬松杂乱的短纤维束，基于湿法纤维取向技术可对其重新取向。传统纤维增强复合材料通常将纤维沿单向铺层，对开孔制件难以完全发挥纤维的增益效果，通过纤维曲线铺层可以提高复合材料的结构性能。本文通过设计纤维分散实验，研究了一定RCF含量与不同浓度羟乙基纤维素(HEC)的最佳配置参数。利用自行搭建的纤维取向路径可调控装置，将制备的分散液铺放得到不同轨迹和形状的纤维毡，基于二维快速傅里叶变换(2D FFT)评价RCF的取向效果。通过模压成型制备再生碳纤维/环氧树脂(RCF/EP)复合材料开孔试样，分析了不同铺层路径对开孔试样承载能力的影响。结果表明：当6 mm RCF含量为6 g/L时，最佳HEC浓度为14 g/L；按曲线路径制备的开孔试样有效减少开孔处的应力集中，较无序路径和水平路径开孔试样，极限载荷分别提高了69.5%、35.9%。研究拓宽了RCF/EP复合材料结构的设计自由度，为实现RCF材料的高性能再利用提供了参考。
回收得到的再生碳纤维(RCF)多为蓬松杂乱的短纤维束，基于湿法纤维取向技术可对其重新取向。传统纤维增强复合材料通常将纤维沿单向铺层，对开孔制件难以完全发挥纤维的增益效果，通过纤维曲线铺层可以提高复合材料的结构性能。本文通过设计纤维分散实验，研究了一定RCF含量与不同浓度羟乙基纤维素(HEC)的最佳配置参数。利用自行搭建的纤维取向路径可调控装置，将制备的分散液铺放得到不同轨迹和形状的纤维毡，基于二维快速傅里叶变换(2D FFT)评价RCF的取向效果。通过模压成型制备再生碳纤维/环氧树脂(RCF/EP)复合材料开孔试样，分析了不同铺层路径对开孔试样承载能力的影响。结果表明：当6 mm RCF含量为6 g/L时，最佳HEC浓度为14 g/L；按曲线路径制备的开孔试样有效减少开孔处的应力集中，较无序路径和水平路径开孔试样，极限载荷分别提高了69.5%、35.9%。研究拓宽了RCF/EP复合材料结构的设计自由度，为实现RCF材料的高性能再利用提供了参考。
2024, 41(7): 3540-3547.
摘要:
首先采用微观X射线计算断层扫描(Micro X-ray computed tomography, XCT)对四枚20 mm立方体三维编织碳/碳(Carbon fiber reinforced carbon, C/C)复合材料试件进行扫描，获得精度为18 μm的内部微观结构图像；然后采用基于深度学习的语义分割算法，对大量二维XCT图像进行训练，实现对试件三维微观组分(碳棒、碳纤维束和基体)和缺陷(孔洞、分层和裂纹)的智能识别和分割。结果表明：(1) 微观XCT扫描能够高精度表征三维编织C/C复合材料内部组分和缺陷的分布和形态，主要缺陷为相邻纤维束层之间的分层；(2)由于C/C复合材料各微观组分均为碳材料，在CT图像中灰度值相同(或十分接近)，难以采用传统阈值算法进行分割；深度学习算法能够有效过滤噪声与伪影并自动精准分割各组分和缺陷，且预测速度比人工图像标注高约两个数量级。本工作对三维编织C/C复合材料后续微细观建模和性能优化奠定了基础。
首先采用微观X射线计算断层扫描(Micro X-ray computed tomography, XCT)对四枚20 mm立方体三维编织碳/碳(Carbon fiber reinforced carbon, C/C)复合材料试件进行扫描，获得精度为18 μm的内部微观结构图像；然后采用基于深度学习的语义分割算法，对大量二维XCT图像进行训练，实现对试件三维微观组分(碳棒、碳纤维束和基体)和缺陷(孔洞、分层和裂纹)的智能识别和分割。结果表明：(1) 微观XCT扫描能够高精度表征三维编织C/C复合材料内部组分和缺陷的分布和形态，主要缺陷为相邻纤维束层之间的分层；(2)由于C/C复合材料各微观组分均为碳材料，在CT图像中灰度值相同(或十分接近)，难以采用传统阈值算法进行分割；深度学习算法能够有效过滤噪声与伪影并自动精准分割各组分和缺陷，且预测速度比人工图像标注高约两个数量级。本工作对三维编织C/C复合材料后续微细观建模和性能优化奠定了基础。
2024, 41(7): 3548-3560.
摘要:
聚乳酸(PLA)作为生物基可降解塑料逐渐成为研究热点，但由于其极易燃烧，在包装、电器等领域的应用受到限制，为了解决此类问题，对碱木质素(Lig)改性合成了含硅-氮元素的木质素(Si-NLig)，通过热失重分析(TGA)发现，Si-NLig在空气中的T5%提高了20 ℃，且高温残留量由2.3%提高至25.5%。将 Si-NLig作为成炭剂，与聚磷酸铵(APP)复配，通过熔融共混法制成阻燃聚乳酸材料(Si-NLig-APP/PLA)，对其阻燃性能、力学性能、燃烧行为等进行了研究。研究表明，Si-NLig与APP质量比为1∶4，10wt%的添加量可使Si-NLig-8%APP/PLA的极限氧指数(LOI)值达到27%，UL-94垂直燃烧达到V-0级别，而同等条件下Lig-8%APP/PLA的LOI值为26%，UL-94仅为V-2级别。同时，与Lig-8%APP/PLA相比，Si-NLig-8%APP/PLA的热释放速率峰值(PHRR)降低了27%；残炭的拉曼光谱分析发现Si-NLig-8%APP/PLA的石墨化程度比Lig-8%APP/PLA提高了36.7%，为其良好的阻燃性能提供了理论依据。Si-NLig的引入使得阻燃PLA力学性能得到了改善，拉伸强度提升了21%。可见Si-NLig在无卤阻燃PLA领域中具有潜在的应用前景。
聚乳酸(PLA)作为生物基可降解塑料逐渐成为研究热点，但由于其极易燃烧，在包装、电器等领域的应用受到限制，为了解决此类问题，对碱木质素(Lig)改性合成了含硅-氮元素的木质素(Si-NLig)，通过热失重分析(TGA)发现，Si-NLig在空气中的T5%提高了20 ℃，且高温残留量由2.3%提高至25.5%。将 Si-NLig作为成炭剂，与聚磷酸铵(APP)复配，通过熔融共混法制成阻燃聚乳酸材料(Si-NLig-APP/PLA)，对其阻燃性能、力学性能、燃烧行为等进行了研究。研究表明，Si-NLig与APP质量比为1∶4，10wt%的添加量可使Si-NLig-8%APP/PLA的极限氧指数(LOI)值达到27%，UL-94垂直燃烧达到V-0级别，而同等条件下Lig-8%APP/PLA的LOI值为26%，UL-94仅为V-2级别。同时，与Lig-8%APP/PLA相比，Si-NLig-8%APP/PLA的热释放速率峰值(PHRR)降低了27%；残炭的拉曼光谱分析发现Si-NLig-8%APP/PLA的石墨化程度比Lig-8%APP/PLA提高了36.7%，为其良好的阻燃性能提供了理论依据。Si-NLig的引入使得阻燃PLA力学性能得到了改善，拉伸强度提升了21%。可见Si-NLig在无卤阻燃PLA领域中具有潜在的应用前景。
2024, 41(7): 3561-3571.
摘要:
采用机械搅拌、真空磁力搅拌消泡和加热固化的方法，在柔性的聚二甲基硅氧烷中填充赤泥制备了赤泥/聚二甲基硅氧烷复合材料，并对复合材料的结构与形貌、力学性能和热性能进行了表征和分析。结果表明，赤泥作为交联节点和自润滑颗粒提高了复合材料的弹性模量、抗拉强度、邵氏硬度、冲击强度和摩擦磨损性能，其中，冲击强度的提高较显著，从41.13 kJ·m−2增大至273.33 kJ·m−2，增加了565%。此外，赤泥作为不可燃物也提高了复合材料的阻燃性能，极限氧指数从25.7%增大至34.7%，增加了35%，进入难燃材料的范围(>27%)。这有望扩宽这种硅酮材料的应用领域，同时为赤泥的资源化利用和新型赤泥/聚合物复合材料的研究提供参考。
采用机械搅拌、真空磁力搅拌消泡和加热固化的方法，在柔性的聚二甲基硅氧烷中填充赤泥制备了赤泥/聚二甲基硅氧烷复合材料，并对复合材料的结构与形貌、力学性能和热性能进行了表征和分析。结果表明，赤泥作为交联节点和自润滑颗粒提高了复合材料的弹性模量、抗拉强度、邵氏硬度、冲击强度和摩擦磨损性能，其中，冲击强度的提高较显著，从41.13 kJ·m−2增大至273.33 kJ·m−2，增加了565%。此外，赤泥作为不可燃物也提高了复合材料的阻燃性能，极限氧指数从25.7%增大至34.7%，增加了35%，进入难燃材料的范围(>27%)。这有望扩宽这种硅酮材料的应用领域，同时为赤泥的资源化利用和新型赤泥/聚合物复合材料的研究提供参考。
2024, 41(7): 3572-3580.
摘要:
聚醚砜(PES)树脂具有优良的耐热性能、机械性能以及高温稳定性能，可以用来制备高性能热塑性树脂基碳纤维复合材料。但由于PES树脂与商品级碳纤维界面黏结性较差，导致PES树脂基碳纤维复合材料表现出较差的界面性能。在前期研究中发现，热固性氰酸酯(CE)树脂具有熔融流动性好、与PES树脂熔融温度相近的固化温度，以及与PES树脂有一定相容性的优势。本文采用CE树脂作为PES树脂基碳纤维复合材料的界面过渡层，利用过渡层树脂与碳纤维表面上浆剂的优异结合能力及其与PES树脂形成的良好机械啮合作用，研究热固性树脂过渡层对热塑性树脂基复合材料界面性能的影响。结果表明：引入CE树脂过渡层能够改善PES基碳纤维复合材料的界面黏结性能。与碳纤维(CF)/PES复合材料相比，引入10wt%CE树脂过渡层的CF/(10%CE-PES)-L复合材料弯曲强度提高了18.7%，层间剪切强度提高24.2%，CF/(5%CE-PES)-L复合材料玻璃化温度Tg从166℃提高到179℃。通过在热塑性树脂基体与商品碳纤维之间添加过渡层的方法制备热塑性树脂基碳纤维复合材料，解决了热塑性树脂基碳纤维复合材料界面性能较差的问题，为其在工程化应用方面提供了重要的研究思路和理论依据。
聚醚砜(PES)树脂具有优良的耐热性能、机械性能以及高温稳定性能，可以用来制备高性能热塑性树脂基碳纤维复合材料。但由于PES树脂与商品级碳纤维界面黏结性较差，导致PES树脂基碳纤维复合材料表现出较差的界面性能。在前期研究中发现，热固性氰酸酯(CE)树脂具有熔融流动性好、与PES树脂熔融温度相近的固化温度，以及与PES树脂有一定相容性的优势。本文采用CE树脂作为PES树脂基碳纤维复合材料的界面过渡层，利用过渡层树脂与碳纤维表面上浆剂的优异结合能力及其与PES树脂形成的良好机械啮合作用，研究热固性树脂过渡层对热塑性树脂基复合材料界面性能的影响。结果表明：引入CE树脂过渡层能够改善PES基碳纤维复合材料的界面黏结性能。与碳纤维(CF)/PES复合材料相比，引入10wt%CE树脂过渡层的CF/(10%CE-PES)-L复合材料弯曲强度提高了18.7%，层间剪切强度提高24.2%，CF/(5%CE-PES)-L复合材料玻璃化温度Tg从166℃提高到179℃。通过在热塑性树脂基体与商品碳纤维之间添加过渡层的方法制备热塑性树脂基碳纤维复合材料，解决了热塑性树脂基碳纤维复合材料界面性能较差的问题，为其在工程化应用方面提供了重要的研究思路和理论依据。
2024, 41(7): 3581-3590.
摘要:
提升连续玻璃纤维(cGF)增强尼龙6复合材料(cGF/PA6)力学性能的重要途径之一是改善玻纤与尼龙之间的界面结合。本研究将星形支化聚酰胺6(SPA6)应用于cGF/PA6复合材料体系，采用熔融挤出结合热压成型法制备了不同含量SPA6的连续玻璃纤维增强尼龙复合材料(cGF/PA6-SPA6)。通过接触角实验测得SPA6与cGF 具有更相近的极性。DSC检测结果表明PA6与SPA6共混后基体熔融温度相差不大、结晶温度和结晶度有所提高。三点弯曲法测得PA6-SPA6基体的弯曲强度相对于PA6和 SPA6有所降低，但cGF/5wt.%SPA6和cGF/10wt.%SPA6复合材料的弯曲强度相对于cGF/PA6分别提高了4.9%和6.4%。短梁剪切试验测得cGF/5wt.%SPA6和cGF/10wt.%SPA6复合材料的层间剪切强度相对于cGF/PA6分别提高了16.7%和15.6%。悬臂梁摆锤冲击实验测得cGF/PA6和cGF/SPA6复合材料的冲击强度分别是PA6和 SPA6的12倍和26.3倍。结合冲击断口形貌观察，可以推断在cGF/PA6复合材料中加入5wt.%或10wt.%的SPA6可以提高复合材料的弯曲和剪切强度，而对其冲击强度影响不大，且成本较低，具有一定的应用价值。
提升连续玻璃纤维(cGF)增强尼龙6复合材料(cGF/PA6)力学性能的重要途径之一是改善玻纤与尼龙之间的界面结合。本研究将星形支化聚酰胺6(SPA6)应用于cGF/PA6复合材料体系，采用熔融挤出结合热压成型法制备了不同含量SPA6的连续玻璃纤维增强尼龙复合材料(cGF/PA6-SPA6)。通过接触角实验测得SPA6与cGF 具有更相近的极性。DSC检测结果表明PA6与SPA6共混后基体熔融温度相差不大、结晶温度和结晶度有所提高。三点弯曲法测得PA6-SPA6基体的弯曲强度相对于PA6和 SPA6有所降低，但cGF/5wt.%SPA6和cGF/10wt.%SPA6复合材料的弯曲强度相对于cGF/PA6分别提高了4.9%和6.4%。短梁剪切试验测得cGF/5wt.%SPA6和cGF/10wt.%SPA6复合材料的层间剪切强度相对于cGF/PA6分别提高了16.7%和15.6%。悬臂梁摆锤冲击实验测得cGF/PA6和cGF/SPA6复合材料的冲击强度分别是PA6和 SPA6的12倍和26.3倍。结合冲击断口形貌观察，可以推断在cGF/PA6复合材料中加入5wt.%或10wt.%的SPA6可以提高复合材料的弯曲和剪切强度，而对其冲击强度影响不大，且成本较低，具有一定的应用价值。
2024, 41(7): 3591-3601.
摘要:
为了获得具有红光发射的上转换纳米材料，以实现深层生物成像的应用，采用热分解法制备了一系列Tm3+/Ho3+掺杂NaErF4 @ NaYF4核壳上转换纳米晶，并对其形貌、结构和发光性能进行了表征。结果表明，所制备NaErF4，NaErF4:Tm3+和NaErF4:Ho3+裸核均为六方相结构，呈现良好的球形形貌，平均粒径分别为23.19 nm，28.01 nm，27.89 nm。包覆NaYF4惰性壳层后，样品晶型没有改变，形貌变为短棒状，平均长度增大至38.51 nm，37.82 nm，42.65 nm。在980 nm近红外光激发下，由于Er3+的4F9/2→4I15/2跃迁，所制备NaErF4，NaErF4:Tm3+和NaErF4:Ho3+裸核均呈现明显的红光发射，且包覆NaYF4惰性壳层后，发光强度和荧光寿命都明显增加，特别是NaErF4@NaYF4核壳样品的发光强度约是NaErF4裸核的1787倍，荧光寿命达到2.04 ms。此外，与NaErF4@NaYF4纳米棒相比，NaErF4:Tm3+/Ho3+@NaYF4体系中的Tm3+、Ho3+充当了能量捕获中心且与Er3+之间发生能量传递，使其具有更大的红绿发射峰比值(R/G)，发光颜色更趋近于红色，与CIE色坐标颜色区域相一致。最后，根据发光强度与激发功率的关系，详细分析了上转换纳米晶的发光增强机制以及可能存在的能量传递过程。
为了获得具有红光发射的上转换纳米材料，以实现深层生物成像的应用，采用热分解法制备了一系列Tm3+/Ho3+掺杂NaErF4 @ NaYF4核壳上转换纳米晶，并对其形貌、结构和发光性能进行了表征。结果表明，所制备NaErF4，NaErF4:Tm3+和NaErF4:Ho3+裸核均为六方相结构，呈现良好的球形形貌，平均粒径分别为23.19 nm，28.01 nm，27.89 nm。包覆NaYF4惰性壳层后，样品晶型没有改变，形貌变为短棒状，平均长度增大至38.51 nm，37.82 nm，42.65 nm。在980 nm近红外光激发下，由于Er3+的4F9/2→4I15/2跃迁，所制备NaErF4，NaErF4:Tm3+和NaErF4:Ho3+裸核均呈现明显的红光发射，且包覆NaYF4惰性壳层后，发光强度和荧光寿命都明显增加，特别是NaErF4@NaYF4核壳样品的发光强度约是NaErF4裸核的1787倍，荧光寿命达到2.04 ms。此外，与NaErF4@NaYF4纳米棒相比，NaErF4:Tm3+/Ho3+@NaYF4体系中的Tm3+、Ho3+充当了能量捕获中心且与Er3+之间发生能量传递，使其具有更大的红绿发射峰比值(R/G)，发光颜色更趋近于红色，与CIE色坐标颜色区域相一致。最后，根据发光强度与激发功率的关系，详细分析了上转换纳米晶的发光增强机制以及可能存在的能量传递过程。
2024, 41(7): 3602-3612.
摘要:
1,4-环己烷二甲醇基聚碳酸酯具有优异的热力学性能，但因其降解性能的影响，商业应用受到极大的限制。向其分子链中引入脂肪族单元可以有效提高降解能力，但却以牺牲其热力学性能为代价。因此，为了维持热力学与降解性能间的平衡，本文以具有环醚刚性的生物基2,5-四氢呋喃二甲醇(THFDM)为改性单元，采用熔融酯交换缩聚法成功制备了高分子量聚(碳酸1,4-环己烷二甲醇酯-co-碳酸2,5-四氢呋喃二甲醇酯)(PCThC)共聚物。通过NMR探究共聚物的组成和微观结构，证实了共聚物组分间的无规分布；DSC和WAXD结果表明，THFDM单元的引入破坏了PCThC分子链的规整排列，使其结晶能力降低，共聚物从半结晶型过渡到无定型。THFDM中的刚性环结构有效阻止了共聚物Tg的快速下降，保持其较好的热稳定性；THFDM分子中的环结构赋予了聚合物更高的刚度，提高了聚合物的力学性能；此外，THFDM中的醚键改善了PCThC共聚物的亲水性，加快了水解速率，不论是在酸性或碱性缓冲溶液中，共聚物均表现出一定的降解能力。
1,4-环己烷二甲醇基聚碳酸酯具有优异的热力学性能，但因其降解性能的影响，商业应用受到极大的限制。向其分子链中引入脂肪族单元可以有效提高降解能力，但却以牺牲其热力学性能为代价。因此，为了维持热力学与降解性能间的平衡，本文以具有环醚刚性的生物基2,5-四氢呋喃二甲醇(THFDM)为改性单元，采用熔融酯交换缩聚法成功制备了高分子量聚(碳酸1,4-环己烷二甲醇酯-co-碳酸2,5-四氢呋喃二甲醇酯)(PCThC)共聚物。通过NMR探究共聚物的组成和微观结构，证实了共聚物组分间的无规分布；DSC和WAXD结果表明，THFDM单元的引入破坏了PCThC分子链的规整排列，使其结晶能力降低，共聚物从半结晶型过渡到无定型。THFDM中的刚性环结构有效阻止了共聚物Tg的快速下降，保持其较好的热稳定性；THFDM分子中的环结构赋予了聚合物更高的刚度，提高了聚合物的力学性能；此外，THFDM中的醚键改善了PCThC共聚物的亲水性，加快了水解速率，不论是在酸性或碱性缓冲溶液中，共聚物均表现出一定的降解能力。
2024, 41(7): 3613-3623.
摘要:
为了探究不同结构的纳米粒子对聚乙二醇(PEG)基相变复合材料形状稳定性及光电转换效率的影响，本文将碳纳米管(CNTs)分别与氮化硼(BN)、三氧化二铝(Al2O3)以及铜粉(Cu)通过物理杂化的方式制备了PEG/PLA/CNT/X(y)相变储能复合材料。通过导电数据分析发现，Al2O3和Cu纳米填料的加入对PEG/PLA/CNT/X(y)复合材料的导电性能影响较小，使复合材料仍然具有较高的导电性能；而BN的引入使复合材料的导电性能急剧下降，当BN的质量含量比达到40%时，PEG60-PLA40-CNT0.6-BN40复合材料的电导率仅为8.71×10-7 S/m，呈现出明显的绝缘性。通过SEM和EDS能谱发现， Al2O3纳米粒子在复合材料内部均匀分布，当Al2O3质量含量比为40%时，PEG60-PLA40-CNT0.6-Al2O3(40)复合材料热导率和增强因子(\begin{document}$ \varPhi $\end{document} \begin{document}$ \eta $\end{document} \begin{document}$ \eta $\end{document} \begin{document}$ $\end{document}
为了探究不同结构的纳米粒子对聚乙二醇(PEG)基相变复合材料形状稳定性及光电转换效率的影响，本文将碳纳米管(CNTs)分别与氮化硼(BN)、三氧化二铝(Al2O3)以及铜粉(Cu)通过物理杂化的方式制备了PEG/PLA/CNT/X(y)相变储能复合材料。通过导电数据分析发现，Al2O3和Cu纳米填料的加入对PEG/PLA/CNT/X(y)复合材料的导电性能影响较小，使复合材料仍然具有较高的导电性能；而BN的引入使复合材料的导电性能急剧下降，当BN的质量含量比达到40%时，PEG60-PLA40-CNT0.6-BN40复合材料的电导率仅为8.71×10-7 S/m，呈现出明显的绝缘性。通过SEM和EDS能谱发现， Al2O3纳米粒子在复合材料内部均匀分布，当Al2O3质量含量比为40%时，PEG60-PLA40-CNT0.6-Al2O3(40)复合材料热导率和增强因子(
2024, 41(7): 3624-3633.
摘要:
碳基材料负载Cu是一类高效的甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯催化剂，但存在Cu纳米颗粒易团聚和氧化等问题。采用溶剂热法制备了Cu-BTC，并以其为前驱体，在N2气氛下热解，制备了碳负载Cu及其氧化物(CuOx/C)催化剂。考察了热解温度对Cu纳米颗粒粒径、Cu的价态以及甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯性能的影响。表征结果显示，升高热解温度有利于Cu2+还原为(Cu0+Cu+)，但会导致Cu纳米颗粒团聚。催化剂活性随着热解温度升高而降低，当热解温度为300℃时，制备的CuOx/C-300具有最优的催化活性，碳酸二甲酯的时空收率为1209 mg·g−1·h−1，因为其Cu纳米颗粒的粒径最小(7.5 nm)。经过6次循环实验后，碳酸二甲酯的时空收率降至468 mg·g−1·h−1，催化剂失活的主要原因是(Cu0+Cu+)的氧化和Cu纳米颗粒团聚。
碳基材料负载Cu是一类高效的甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯催化剂，但存在Cu纳米颗粒易团聚和氧化等问题。采用溶剂热法制备了Cu-BTC，并以其为前驱体，在N2气氛下热解，制备了碳负载Cu及其氧化物(CuOx/C)催化剂。考察了热解温度对Cu纳米颗粒粒径、Cu的价态以及甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯性能的影响。表征结果显示，升高热解温度有利于Cu2+还原为(Cu0+Cu+)，但会导致Cu纳米颗粒团聚。催化剂活性随着热解温度升高而降低，当热解温度为300℃时，制备的CuOx/C-300具有最优的催化活性，碳酸二甲酯的时空收率为1209 mg·g−1·h−1，因为其Cu纳米颗粒的粒径最小(7.5 nm)。经过6次循环实验后，碳酸二甲酯的时空收率降至468 mg·g−1·h−1，催化剂失活的主要原因是(Cu0+Cu+)的氧化和Cu纳米颗粒团聚。
2024, 41(7): 3634-3646.
摘要:
为满足高温吸波结构复合材料要求，选用SiC纤维，设计并制备了2.5D机织SiCf/SiC复合材料，采用实验与仿真相结合的方法研究了吸波性能。利用弓形法开展了反射损耗测试，采用X射线计算机断层扫描(Micro-CT)技术提取材料几何结构参数，建立了全厚度细观模型，在CST电磁仿真软件上模拟计算了材料的反射损耗，并与实验结果进行对比分析。通过等效电磁参数理论和场分布图分析了吸波机制，并研究了几何结构参数、电磁参数、电磁波电场极化方向和入射角度对材料吸波特性的影响规律。实验结果表明，在1-18 GHz频率范围内，本文所制备的2.5D机织SiCf/SiC复合材料具有3 GHz的有效吸波带宽，在吸收峰9.3 GHz处，最大反射损耗达到−17 dB，这与仿真结果基本一致。该复合材料主要通过电损耗的方式吸收电磁波，其良好的吸波性能是结构设计和材料特性协同作用的结果，材料整体厚度和纤维介电常数是影响2.5D机织SiCf/SiC复合材料吸波性能的关键因素。
为满足高温吸波结构复合材料要求，选用SiC纤维，设计并制备了2.5D机织SiCf/SiC复合材料，采用实验与仿真相结合的方法研究了吸波性能。利用弓形法开展了反射损耗测试，采用X射线计算机断层扫描(Micro-CT)技术提取材料几何结构参数，建立了全厚度细观模型，在CST电磁仿真软件上模拟计算了材料的反射损耗，并与实验结果进行对比分析。通过等效电磁参数理论和场分布图分析了吸波机制，并研究了几何结构参数、电磁参数、电磁波电场极化方向和入射角度对材料吸波特性的影响规律。实验结果表明，在1-18 GHz频率范围内，本文所制备的2.5D机织SiCf/SiC复合材料具有3 GHz的有效吸波带宽，在吸收峰9.3 GHz处，最大反射损耗达到−17 dB，这与仿真结果基本一致。该复合材料主要通过电损耗的方式吸收电磁波，其良好的吸波性能是结构设计和材料特性协同作用的结果，材料整体厚度和纤维介电常数是影响2.5D机织SiCf/SiC复合材料吸波性能的关键因素。
2024, 41(7): 3647-3659.
摘要:
为改善羟基磷灰石(HAP)合成过程易团聚导致其除氟效率不高的不足，本文应用清洁简便、绿色环保的电化学合成法，将亲水性强、分散性优异的非离子型表面活性剂聚乙二醇(PEG)加入到制备HAP的混合支持电解液中，在铜片作工作电极的表面制备出新型HAP复合材料(PEG/(HAP)，并与纯HAP的晶体结构、孔径、比表面积、表面形貌、元素占比和官能团对比，以揭示PEG/HAP 除氟效率高于HAP的内在机制。结果发现，PEG/HAP与HAP有相同的晶面结构特征蜂、元素和化学键，但PEG/HAP的各元素含量占比、羟基和磷酸根离子官能团的吸收峰位和吸收强度与HAP 有一定差异；PEG使HAP从短棒状的表面形貌变成有利于交换和吸附氟离子的多孔和孔隙结构，其平均孔径由16.58 nm 减小到 11.93 nm，比表面积从24.29 m²/g 增加到29.83 m²/g；虽然PEG/ HAP与HAP的吸附类型均为IV型的H3滞后环，二者介孔分布范围一致，但PEG/ HAP的微孔和介孔数量明显高于HAP。尽管两种材料对氟离子的吸附反应均显示熵增、吸热和自发过程特征，吸附等温模型均符合Langmuir-Freundlich，但PEG/HAP的颗粒内扩散速率常数略大于HAP，PEG/HAP的吸附氟离子容量(9.56 mg/g)高于HAP( 8.36 mg/g)；且去除氟离子的循环再生次数从HAP的4次增加到PEG/HAP的6次。此外，PEG的存在并没有影响制备条件参数如支持电解液pH值对HAP吸附氟离子容量的影响趋势，但却使HAP吸附氟离子容量增加。共存阴离子如Cl−、NO3 −、SO4 2−、CO3 2−均不干扰PEG/HAP和HAP对氟离子的吸附。
为改善羟基磷灰石(HAP)合成过程易团聚导致其除氟效率不高的不足，本文应用清洁简便、绿色环保的电化学合成法，将亲水性强、分散性优异的非离子型表面活性剂聚乙二醇(PEG)加入到制备HAP的混合支持电解液中，在铜片作工作电极的表面制备出新型HAP复合材料(PEG/(HAP)，并与纯HAP的晶体结构、孔径、比表面积、表面形貌、元素占比和官能团对比，以揭示PEG/HAP 除氟效率高于HAP的内在机制。结果发现，PEG/HAP与HAP有相同的晶面结构特征蜂、元素和化学键，但PEG/HAP的各元素含量占比、羟基和磷酸根离子官能团的吸收峰位和吸收强度与HAP 有一定差异；PEG使HAP从短棒状的表面形貌变成有利于交换和吸附氟离子的多孔和孔隙结构，其平均孔径由16.58 nm 减小到 11.93 nm，比表面积从24.29 m²/g 增加到29.83 m²/g；虽然PEG/ HAP与HAP的吸附类型均为IV型的H3滞后环，二者介孔分布范围一致，但PEG/ HAP的微孔和介孔数量明显高于HAP。尽管两种材料对氟离子的吸附反应均显示熵增、吸热和自发过程特征，吸附等温模型均符合Langmuir-Freundlich，但PEG/HAP的颗粒内扩散速率常数略大于HAP，PEG/HAP的吸附氟离子容量(9.56 mg/g)高于HAP( 8.36 mg/g)；且去除氟离子的循环再生次数从HAP的4次增加到PEG/HAP的6次。此外，PEG的存在并没有影响制备条件参数如支持电解液pH值对HAP吸附氟离子容量的影响趋势，但却使HAP吸附氟离子容量增加。共存阴离子如Cl−、NO3 −、SO4 2−、CO3 2−均不干扰PEG/HAP和HAP对氟离子的吸附。
2024, 41(7): 3660-3671.
摘要:
开发基于半导体功能材料的抗湿性室温气体传感器一直都是气体传感器领域的研究热点和难点。本文从金属氧化物半导体的高灵敏度和稳定性、Mxene(Ti3C2Tx)的室温气敏性以及聚四氟乙烯(PTFE)的疏水性出发，以Mxene薄膜为基体，采用磁控溅射法分别将ZnO和PTFE沉积到Ti3C2Tx表面，制备了PTFE/ZnO/Mxene复合薄膜，同时构筑了基于复合薄膜的气体传感器。通过扫描电镜、透射电镜和X射线光电子能谱对复合薄膜进行了表征，并对气体传感器的气敏性能和抗湿性能进行了研究。研究结果表明，基于PTFE/ZnO/Ti3C2Tx复合薄膜的气体传感器在室温下对氨气具有良好的选择性、较高的灵敏度和优异的循环稳定性。随着PTFE薄膜厚度的增加，基于复合薄膜的气体传感器的抗湿性能逐渐增加，但灵敏度有所下降。
开发基于半导体功能材料的抗湿性室温气体传感器一直都是气体传感器领域的研究热点和难点。本文从金属氧化物半导体的高灵敏度和稳定性、Mxene(Ti3C2Tx)的室温气敏性以及聚四氟乙烯(PTFE)的疏水性出发，以Mxene薄膜为基体，采用磁控溅射法分别将ZnO和PTFE沉积到Ti3C2Tx表面，制备了PTFE/ZnO/Mxene复合薄膜，同时构筑了基于复合薄膜的气体传感器。通过扫描电镜、透射电镜和X射线光电子能谱对复合薄膜进行了表征，并对气体传感器的气敏性能和抗湿性能进行了研究。研究结果表明，基于PTFE/ZnO/Ti3C2Tx复合薄膜的气体传感器在室温下对氨气具有良好的选择性、较高的灵敏度和优异的循环稳定性。随着PTFE薄膜厚度的增加，基于复合薄膜的气体传感器的抗湿性能逐渐增加，但灵敏度有所下降。
2024, 41(7): 3738-3747.
摘要:
针对传统膨胀石墨阻燃木塑复合材料(WPCs)阻燃剂添加量高、力学性能变差的问题，本研究以杨木木粉(WF)、高密度聚乙烯(HDPE)、膨胀石墨(EG)与纳米二氧化硅(n-SiO2)为主要原料，通过层积热压工艺和结构优化设计制备了具有多层夹芯结构的阻燃增强木塑复合材料。采用锥形量热仪、垂直燃烧测试仪、极限氧指数仪和万能力学试验机分别探究了单层、双层和三层夹芯结构对木塑复合材料阻燃和力学性能的影响。结果表明，相比于对照组(WPC-0)，阻燃层中EG和增强层中n-SiO2的含量分别为10%和5%时，双层和三层夹芯结构木塑复合材料的热释放速率和总热释放、烟释放速率和总烟释放均有显著降低，残余物质量明显提升。其中三层夹芯结构木塑复合材料(WPC-E3B)的LOI值由20.8%提高至30.6%，UL-94达到V-0级。此外，相较于WPC-0，三层夹芯结构木塑复合材料(WPC-E3B)的冲击强度提升了61.9%，拉伸与弯曲强度分别提高了16.2%和13.4%。
针对传统膨胀石墨阻燃木塑复合材料(WPCs)阻燃剂添加量高、力学性能变差的问题，本研究以杨木木粉(WF)、高密度聚乙烯(HDPE)、膨胀石墨(EG)与纳米二氧化硅(n-SiO2)为主要原料，通过层积热压工艺和结构优化设计制备了具有多层夹芯结构的阻燃增强木塑复合材料。采用锥形量热仪、垂直燃烧测试仪、极限氧指数仪和万能力学试验机分别探究了单层、双层和三层夹芯结构对木塑复合材料阻燃和力学性能的影响。结果表明，相比于对照组(WPC-0)，阻燃层中EG和增强层中n-SiO2的含量分别为10%和5%时，双层和三层夹芯结构木塑复合材料的热释放速率和总热释放、烟释放速率和总烟释放均有显著降低，残余物质量明显提升。其中三层夹芯结构木塑复合材料(WPC-E3B)的LOI值由20.8%提高至30.6%，UL-94达到V-0级。此外，相较于WPC-0，三层夹芯结构木塑复合材料(WPC-E3B)的冲击强度提升了61.9%，拉伸与弯曲强度分别提高了16.2%和13.4%。
2024, 41(7): 3748-3757.
摘要:
传统治疗肿瘤的方式包括手术、放疗和化疗。手术治疗创伤大、易复发，放疗周期过长，尽管化疗被认为是消灭肿瘤细胞的首选但其存在着明显的毒副作用，长期化疗会严重影响患者的生存质量。因而，设计一种响应性功能载体实现抗肿瘤药物的高效运输及协同抑瘤在临床上具有广阔的前景。本研究以CuS为光热剂，采用溶剂热及去模板法在CuS表面包被上介孔二氧化硅(mSiO2)，借助mSiO2的大比表面积制备出高负载盐酸阿霉素(DOX)的纳米药物体系(CuS@mSiO2-DOX)。XRD、UV-Vis、SEM、TEM及DLS结果证实成功的合成了颗粒尺寸约为300-400 nm的CuS@mSiO2-DOX纳米体系，且DOX的负载效率可高达99.76%。CuS@mSiO2-DOX在pH=5.5、t=45℃的条件下24 h时药物释放率达到63.44%，相比正常生理环境(pH=7.4、t=35℃)释放率提高了近20倍，呈现出明显的pH及温度响应释放特性。对纳米载药体系CuS@mSiO2的光热性能及体外细胞毒性进行了测试，结果显示CuS@mSiO2 表现出良好的光热稳定性、光热转换效率达到31.67%，且对正常的人肝细胞(HL-7702)呈低毒性。CuS@mSiO2纳米体系具有较好的生物相容性、良好的光热转换及载药性能，吸附DOX后体系表现出优异的pH及激光响应型药物控释性能，在联合光热-化疗协同抗肿瘤领域有望得到广泛应用。
传统治疗肿瘤的方式包括手术、放疗和化疗。手术治疗创伤大、易复发，放疗周期过长，尽管化疗被认为是消灭肿瘤细胞的首选但其存在着明显的毒副作用，长期化疗会严重影响患者的生存质量。因而，设计一种响应性功能载体实现抗肿瘤药物的高效运输及协同抑瘤在临床上具有广阔的前景。本研究以CuS为光热剂，采用溶剂热及去模板法在CuS表面包被上介孔二氧化硅(mSiO2)，借助mSiO2的大比表面积制备出高负载盐酸阿霉素(DOX)的纳米药物体系(CuS@mSiO2-DOX)。XRD、UV-Vis、SEM、TEM及DLS结果证实成功的合成了颗粒尺寸约为300-400 nm的CuS@mSiO2-DOX纳米体系，且DOX的负载效率可高达99.76%。CuS@mSiO2-DOX在pH=5.5、t=45℃的条件下24 h时药物释放率达到63.44%，相比正常生理环境(pH=7.4、t=35℃)释放率提高了近20倍，呈现出明显的pH及温度响应释放特性。对纳米载药体系CuS@mSiO2的光热性能及体外细胞毒性进行了测试，结果显示CuS@mSiO2 表现出良好的光热稳定性、光热转换效率达到31.67%，且对正常的人肝细胞(HL-7702)呈低毒性。CuS@mSiO2纳米体系具有较好的生物相容性、良好的光热转换及载药性能，吸附DOX后体系表现出优异的pH及激光响应型药物控释性能，在联合光热-化疗协同抗肿瘤领域有望得到广泛应用。
2024, 41(7): 3758-3765.
摘要:
开发新型药物控释复合材料在医药、农业等领域具有重要意义。以壳聚糖和海藻酸钠(CS-Alg)凝胶网络为载体，使用原位氧化法将聚吡咯(PPy)引入其中，制备出PPy/CS-Alg复合缓释材料。通过SEM、FT-IR、XPS、UV-vis-NIR对其微观结构、结构组成、光热转换性能进行了研究，并以吲哚丁酸(IBA)为模型药物分子，研究了其缓释性能。结果表明，PPy/CS-Alg微球的多孔微观形貌有利于IBA的装载和释放，原位氧化形成的氧化态PPy在CS-Alg凝胶网络可缓慢还原，并从带正电状态变为不带电状态，该种带电状态的改变，可促使IBA从PPy/CS-Alg微球的凝胶网络中缓慢释放，长效释放率可达到56.12%。另外基于PPy的光热效应，模拟太阳光照射下PPy/CS-Alg微球的温度可从26 ℃最高上升到39 ℃，这有利于在微球内部到外部形成温度梯度，进一步增强IBA的缓释能力。以PPy的缓慢还原和光热效应开发的植物生长素IBA控释材料在农业领域具有广阔的应用前景。
开发新型药物控释复合材料在医药、农业等领域具有重要意义。以壳聚糖和海藻酸钠(CS-Alg)凝胶网络为载体，使用原位氧化法将聚吡咯(PPy)引入其中，制备出PPy/CS-Alg复合缓释材料。通过SEM、FT-IR、XPS、UV-vis-NIR对其微观结构、结构组成、光热转换性能进行了研究，并以吲哚丁酸(IBA)为模型药物分子，研究了其缓释性能。结果表明，PPy/CS-Alg微球的多孔微观形貌有利于IBA的装载和释放，原位氧化形成的氧化态PPy在CS-Alg凝胶网络可缓慢还原，并从带正电状态变为不带电状态，该种带电状态的改变，可促使IBA从PPy/CS-Alg微球的凝胶网络中缓慢释放，长效释放率可达到56.12%。另外基于PPy的光热效应，模拟太阳光照射下PPy/CS-Alg微球的温度可从26 ℃最高上升到39 ℃，这有利于在微球内部到外部形成温度梯度，进一步增强IBA的缓释能力。以PPy的缓慢还原和光热效应开发的植物生长素IBA控释材料在农业领域具有广阔的应用前景。
2024, 41(7): 3766-3777.
摘要:
根据ASTM 5961试验标准设计了复合材料单搭沉头螺栓接头试件，通过试验和仿真分析了螺栓预紧力水平对其静拉伸性能影响规律。试件为准各向同性铺层的碳纤维环氧树脂层合板，试验过程中利用非接触全场应变测量系统(2D DIC)对沉头板表面应变场数据进行了采集。基于ABAQUS/Standard隐式分析模块建立了复合材料单搭沉头螺栓接头的静拉伸三维有限元模型，分析了螺栓预紧力和摩擦系数对沉头孔周挤压应力的影响规律。结果表明：当接头承受拉伸载荷时，沉头孔周区域受螺栓挤压损伤最为严重；增加螺栓预紧力可提高螺栓孔2%变形的承载强度，但对接头极限承载强度的提升效果较小。有限元应力分析表明，增加螺栓预紧力或增大层合板之间的摩擦系数均有利于减轻孔周应力集中程度，提高复合材料单搭沉头螺栓接头的承载性能。
根据ASTM 5961试验标准设计了复合材料单搭沉头螺栓接头试件，通过试验和仿真分析了螺栓预紧力水平对其静拉伸性能影响规律。试件为准各向同性铺层的碳纤维环氧树脂层合板，试验过程中利用非接触全场应变测量系统(2D DIC)对沉头板表面应变场数据进行了采集。基于ABAQUS/Standard隐式分析模块建立了复合材料单搭沉头螺栓接头的静拉伸三维有限元模型，分析了螺栓预紧力和摩擦系数对沉头孔周挤压应力的影响规律。结果表明：当接头承受拉伸载荷时，沉头孔周区域受螺栓挤压损伤最为严重；增加螺栓预紧力可提高螺栓孔2%变形的承载强度，但对接头极限承载强度的提升效果较小。有限元应力分析表明，增加螺栓预紧力或增大层合板之间的摩擦系数均有利于减轻孔周应力集中程度，提高复合材料单搭沉头螺栓接头的承载性能。
2024, 41(7): 3778-3790.
摘要:
基于微波烧结的特点，设计了复杂刃形TiB2基陶瓷刀具的结构参数。利用有限元仿真，研究了在车削球墨铸铁QT450时刀具结构参数对车削力和车削温度的影响。确定了复杂刃形TiB2基陶瓷刀具的最优刀具前角为5°、后角为6°、刀尖圆弧半径为0.8 mm。采用微波烧结技术制备了复杂刃形TiB2基陶瓷刀具，研究了压制压力和保压时间对复杂刃形TiB2基陶瓷刀具的相对密度、力学性能和微观组织的影响。结果表明，压制压力对晶粒的异常生长影响较大，合理的压制压力可以抑制晶粒的异常长大，改善刀具断裂模式，进而提高刀具性能。合理的保压时间可以使刀具表面的白色相分局均匀，防止聚集，这有利于刀具断裂韧度的提高。在压制压力为200 MPa，保压时间为4 min时，刀具各部位尺寸收缩率较为平均，成形精度较高，致密度最高，微观组织更加均匀，晶粒排列更加紧密，综合力学性能最优。
基于微波烧结的特点，设计了复杂刃形TiB2基陶瓷刀具的结构参数。利用有限元仿真，研究了在车削球墨铸铁QT450时刀具结构参数对车削力和车削温度的影响。确定了复杂刃形TiB2基陶瓷刀具的最优刀具前角为5°、后角为6°、刀尖圆弧半径为0.8 mm。采用微波烧结技术制备了复杂刃形TiB2基陶瓷刀具，研究了压制压力和保压时间对复杂刃形TiB2基陶瓷刀具的相对密度、力学性能和微观组织的影响。结果表明，压制压力对晶粒的异常生长影响较大，合理的压制压力可以抑制晶粒的异常长大，改善刀具断裂模式，进而提高刀具性能。合理的保压时间可以使刀具表面的白色相分局均匀，防止聚集，这有利于刀具断裂韧度的提高。在压制压力为200 MPa，保压时间为4 min时，刀具各部位尺寸收缩率较为平均，成形精度较高，致密度最高，微观组织更加均匀，晶粒排列更加紧密，综合力学性能最优。
2024, 41(7): 3791-3797.
摘要:
吸波蜂窝兼备轻质、承载、吸波特点，被广泛用于隐身结构设计，但其存在低频吸波性能相对较弱的问题。本文采用方形开口谐振环单元提出了一种具有电磁波强吸收性能的超材料设计方法，并将其应用于吸波蜂窝电磁性能改性设计，实现了宽频吸波性能的显著提升。首先设计方形开口谐振环单元，进行了电磁散射特性随单元外形参量变化研究，通过仿真探究了介质层厚度、方环宽度、开口宽度和外框边长等4个主要设计参量对超材料吸波性能的影响，分析了电磁吸收峰出现的频点和强度随单元外形变化的规律，提出了一种具有窄带强吸波特性的方案。然后将方形开口谐振环超材料与吸波蜂窝相结合，提出了一种超材料吸波蜂窝的设计方法。研究发现，所设计的超材料吸波蜂窝相比普通吸波蜂窝在1~10 GHz反射损耗平均提升了4.4 dB，吸波蜂窝的吸波性能得到显著提升。
吸波蜂窝兼备轻质、承载、吸波特点，被广泛用于隐身结构设计，但其存在低频吸波性能相对较弱的问题。本文采用方形开口谐振环单元提出了一种具有电磁波强吸收性能的超材料设计方法，并将其应用于吸波蜂窝电磁性能改性设计，实现了宽频吸波性能的显著提升。首先设计方形开口谐振环单元，进行了电磁散射特性随单元外形参量变化研究，通过仿真探究了介质层厚度、方环宽度、开口宽度和外框边长等4个主要设计参量对超材料吸波性能的影响，分析了电磁吸收峰出现的频点和强度随单元外形变化的规律，提出了一种具有窄带强吸波特性的方案。然后将方形开口谐振环超材料与吸波蜂窝相结合，提出了一种超材料吸波蜂窝的设计方法。研究发现，所设计的超材料吸波蜂窝相比普通吸波蜂窝在1~10 GHz反射损耗平均提升了4.4 dB，吸波蜂窝的吸波性能得到显著提升。
2024, 41(7): 3798-3805.
摘要:
受纤维缠绕成型工艺和封头段变曲率/厚度等的影响，复合材料压力容器封头段受力状态较为复杂，实现对封头段缠绕层厚度的逐层精准预测，对于构建高精度有限元模型、指导工程应用具有重要意义。针对上述问题，本文基于双公式法及三次样条函数法，发展了一种复合材料压力容器封头缠绕层厚度逐层预测方法，研究了极孔半径、单层纱带厚度和缠绕层数对封头厚度和赤道圆处缠绕角的影响。结果表明：随着极孔半径增大及单层纱带厚度减小，封头段纤维缠绕层厚度极值逐渐减小，赤道圆处缠绕角度的变化随极孔半径与单层纱带厚度减小逐层减小；进一步地，通过对比封头段每层缠绕层厚度，发现各缠绕层厚度由内层到外层随着平行圆半径增大呈现先变大后减小最终趋于相同的趋势。
受纤维缠绕成型工艺和封头段变曲率/厚度等的影响，复合材料压力容器封头段受力状态较为复杂，实现对封头段缠绕层厚度的逐层精准预测，对于构建高精度有限元模型、指导工程应用具有重要意义。针对上述问题，本文基于双公式法及三次样条函数法，发展了一种复合材料压力容器封头缠绕层厚度逐层预测方法，研究了极孔半径、单层纱带厚度和缠绕层数对封头厚度和赤道圆处缠绕角的影响。结果表明：随着极孔半径增大及单层纱带厚度减小，封头段纤维缠绕层厚度极值逐渐减小，赤道圆处缠绕角度的变化随极孔半径与单层纱带厚度减小逐层减小；进一步地，通过对比封头段每层缠绕层厚度，发现各缠绕层厚度由内层到外层随着平行圆半径增大呈现先变大后减小最终趋于相同的趋势。
2024, 41(7): 3806-3815.
摘要:
负泊松比蜂窝结构具有优良的力学性能，本文开发并对比了两种多输入多输出的人工神经网络模型(ANN)，用于预测不同几何参数下负泊松比蜂窝结构的能量吸收特性。采用蜂窝胞元的胞角\begin{document}$\theta $\end{document} \begin{document}$ L/H $\end{document} \begin{document}$ t $\end{document} \begin{document}$\theta $\end{document} \begin{document}$t$\end{document} \begin{document}$ L/H $\end{document} \begin{document}$ L/H $\end{document} \begin{document}$t$\end{document} \begin{document}$ L/H $\end{document}
负泊松比蜂窝结构具有优良的力学性能，本文开发并对比了两种多输入多输出的人工神经网络模型(ANN)，用于预测不同几何参数下负泊松比蜂窝结构的能量吸收特性。采用蜂窝胞元的胞角
2024, 41(7): 3816-3824.
摘要:
以玻璃纤维增强复合材料(GFRP)为面层，轻木(balsa)为芯材的GFRP-balsa夹芯结构在基础设施领域的应用范围不断扩大，但GFRP-balsa夹芯结构具有粘弹性，易于发生蠕变变形。为此，在温度为(25±1)°C，相对湿度为55%±5%的环境下，利用自主设计的弯曲蠕变加载装置对GFRP-balsa夹芯梁在20%、25%和30%荷载等级下的三点弯曲蠕变性能进行了3000~8760 h的测试，并利用多种模型对GFRP-balsa夹芯梁的蠕变响应进行了模拟和预测。结果表明：在试验荷载等级下，GFRP-balsa夹芯梁表现出线性粘弹性；弯曲蠕变对GFRP-balsa夹芯梁的跨中挠度具有重要影响，所有试件在3000 h的蠕变系数均不小于0.35；Findley模型适用于单一荷载等级下GFRP-balsa夹芯梁时变总挠度的拟合，在3000 h的拟合值与试验值之间的最大相对误差仅为0.7%；Bailey-Norton模型和通用幂次律模型分别适用于荷载等级不超过30%的GFRP-balsa夹芯梁蠕变挠度和时变总挠度的预测，在一年时，Bailey-Norton模型和通用幂次律模型预测值与试验值之间的最大相对误差分别为8.3%和5.9%。
以玻璃纤维增强复合材料(GFRP)为面层，轻木(balsa)为芯材的GFRP-balsa夹芯结构在基础设施领域的应用范围不断扩大，但GFRP-balsa夹芯结构具有粘弹性，易于发生蠕变变形。为此，在温度为(25±1)°C，相对湿度为55%±5%的环境下，利用自主设计的弯曲蠕变加载装置对GFRP-balsa夹芯梁在20%、25%和30%荷载等级下的三点弯曲蠕变性能进行了3000~8760 h的测试，并利用多种模型对GFRP-balsa夹芯梁的蠕变响应进行了模拟和预测。结果表明：在试验荷载等级下，GFRP-balsa夹芯梁表现出线性粘弹性；弯曲蠕变对GFRP-balsa夹芯梁的跨中挠度具有重要影响，所有试件在3000 h的蠕变系数均不小于0.35；Findley模型适用于单一荷载等级下GFRP-balsa夹芯梁时变总挠度的拟合，在3000 h的拟合值与试验值之间的最大相对误差仅为0.7%；Bailey-Norton模型和通用幂次律模型分别适用于荷载等级不超过30%的GFRP-balsa夹芯梁蠕变挠度和时变总挠度的预测，在一年时，Bailey-Norton模型和通用幂次律模型预测值与试验值之间的最大相对误差分别为8.3%和5.9%。
2024, 41(7): 3825-3832.
摘要:
热固性树脂基预浸料沿纤维方向具有极高的拉伸模量和较小的弯曲刚度，准确描述预浸料的这种力学特性对于成型过程中褶皱等缺陷的预测与抑制、提升成型过程的有限元仿真精度具有重要意义。本文建立了基于纤维方向准确跟踪并考虑非线性剪切行为的单向预浸料本构模型，并通过共节点壳膜混合单元实现了预浸料高拉伸模量和低弯曲刚度的解耦。同时，以国产AC531/CCF800H单向预浸料为对象，系统测量了未固化预浸料的拉伸模量、剪切模量和弯曲刚度。最后，通过单向预浸料的偏轴拉伸试验和轴向压缩试验分别验证了本文所建立的有限元模型在膜单元和壳单元主导的受力条件下的有效性。
热固性树脂基预浸料沿纤维方向具有极高的拉伸模量和较小的弯曲刚度，准确描述预浸料的这种力学特性对于成型过程中褶皱等缺陷的预测与抑制、提升成型过程的有限元仿真精度具有重要意义。本文建立了基于纤维方向准确跟踪并考虑非线性剪切行为的单向预浸料本构模型，并通过共节点壳膜混合单元实现了预浸料高拉伸模量和低弯曲刚度的解耦。同时，以国产AC531/CCF800H单向预浸料为对象，系统测量了未固化预浸料的拉伸模量、剪切模量和弯曲刚度。最后，通过单向预浸料的偏轴拉伸试验和轴向压缩试验分别验证了本文所建立的有限元模型在膜单元和壳单元主导的受力条件下的有效性。
2024, 41(7): 3833-3840.
摘要:
光滑有限元基于光滑应变技术，在进行数值积分时避免使用等参变换，在模拟软材料大变形问题具有一定的优势。建立了基于光滑应变技术的硬磁软材料大变形模拟的数值格式，给出了数值格式中所需要的应力张量和本构张量。采用该数值格式研究了不同长高比下的硬磁软材料梁在外部磁场激励下的弯曲特性, 得到的磁载荷-位移曲线和试验结果进行了对比；模拟了含有不同残余磁场方向分布的硬磁软材料结构在外磁场作用下的形态演化过程，计算的最终变形形态与试验结果进行比较。计算结果表明：采用该数值格式得到的结果与试验结果吻合较好；在不受约束的前提下，硬磁软材料内部残余磁场方向突变处变形较大。研究结果可为由硬磁软材料组成的软体机器人和智能柔性结构的力学分析与变形调控设计提供参考。
光滑有限元基于光滑应变技术，在进行数值积分时避免使用等参变换，在模拟软材料大变形问题具有一定的优势。建立了基于光滑应变技术的硬磁软材料大变形模拟的数值格式，给出了数值格式中所需要的应力张量和本构张量。采用该数值格式研究了不同长高比下的硬磁软材料梁在外部磁场激励下的弯曲特性, 得到的磁载荷-位移曲线和试验结果进行了对比；模拟了含有不同残余磁场方向分布的硬磁软材料结构在外磁场作用下的形态演化过程，计算的最终变形形态与试验结果进行比较。计算结果表明：采用该数值格式得到的结果与试验结果吻合较好；在不受约束的前提下，硬磁软材料内部残余磁场方向突变处变形较大。研究结果可为由硬磁软材料组成的软体机器人和智能柔性结构的力学分析与变形调控设计提供参考。
