2017年 第34卷 第11期
2017, 34(11): 2385-2391.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170228.001
摘要:
碳纳米管-Si （CNTs-Si）肖特基太阳能电池具有制作简单、成本低的优势。然而，受限于CNTs薄膜的电阻高、结区均匀性差、反光严重等因素，该类器件的光电转换效率仍较低。本文研究了聚3，4-乙撑二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT-PSS）-CNTs复合透明膜的制备及其在硅太阳能电池中的应用。电流-电压曲线表明，PEDOT-PSS的引入可以大幅度提升CNTs-Si器件的光电转换效率（从5.9%到11.6%）。作为透明电极，复合膜中的取向CNTs可有效地收集和传导太阳能电池结区的光生空穴，而PEDOT-PSS则有效填补了CNTs膜的面内空隙，进而增加了肖特基结的面积。采用表面刻有倒金字塔结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为减反层，有效地降低入射光的反射，增加Si表面对光的吸收，进一步将（PEDOT-PSS）-CNTs-Si器件的光电转换效率提升至12.4%。电子束感生电流技术表明器件的光电转换主要基于复合膜与Si之间的肖特基结。
碳纳米管-Si （CNTs-Si）肖特基太阳能电池具有制作简单、成本低的优势。然而，受限于CNTs薄膜的电阻高、结区均匀性差、反光严重等因素，该类器件的光电转换效率仍较低。本文研究了聚3，4-乙撑二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT-PSS）-CNTs复合透明膜的制备及其在硅太阳能电池中的应用。电流-电压曲线表明，PEDOT-PSS的引入可以大幅度提升CNTs-Si器件的光电转换效率（从5.9%到11.6%）。作为透明电极，复合膜中的取向CNTs可有效地收集和传导太阳能电池结区的光生空穴，而PEDOT-PSS则有效填补了CNTs膜的面内空隙，进而增加了肖特基结的面积。采用表面刻有倒金字塔结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为减反层，有效地降低入射光的反射，增加Si表面对光的吸收，进一步将（PEDOT-PSS）-CNTs-Si器件的光电转换效率提升至12.4%。电子束感生电流技术表明器件的光电转换主要基于复合膜与Si之间的肖特基结。
2017, 34(11): 2392-2400.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170220.002
摘要:
以聚酯-聚酰胺6（PET-PA6）中空桔瓣型超细纤维非织造布为基布，以水性聚氨酯（WPU）膜为聚合物涂层，经干法移膜技术得到了中空桔瓣型超细纤维/水性聚氨酯（PET-PA6/WPU）合成革，实现了超纤革的绿色化制备。通过场发射扫描电镜（FESEM）等测试手段表征了PET-PA6中空桔瓣型超细纤维非织造布的结构性能，系统研究了发泡倍率对WPU膜形态结构和性能的影响规律，分析了PET-PA6/WPU合成革的结构、透气透湿和物理力学性能。结果表明：PET-PA6中空桔瓣型超细纤维非织造布裂离后单根纤维的直径介于2.2~5.5 μm之间，且其性能满足纺织品合成革用非织造基布的使用要求。当发泡倍率为100%时，所制备WPU膜为致密无孔结构，透气量和透湿率分别为14.72 L/（m2 · s）和3 686.84 g/（m2 · 24 h）。随着发泡倍率的增加，所制备WPU膜具有通透型泡孔和有孔表面，平均孔径、透气量和透湿率均依次增大。其中，当发泡倍率为250%时，WPU膜的透气量和透湿率分别达到169.43 L/（m2 · s）和5 209.09 g/（m2 · 24 h）。所制备的PET-PA6/WPU超纤革为三层复合结构，包括基布层、发泡层和面层，且其透气量为0.45 L/（m2 · s），断裂强力为纵向138.40 N、横向96.60 N，断裂伸长率为纵向72.70%、横向101.80%，撕裂强力为纵向63.20 N、横向88.20 N，剥离强力为水解前15.86 N、水解后15.61 N，褶皱回复角为纵向149.30°、横向151.80°，均优于同类型的海岛针织合成革和真皮，同时透湿率高达1 673.8 g/（m2 · 24 h），接近于真皮。
以聚酯-聚酰胺6（PET-PA6）中空桔瓣型超细纤维非织造布为基布，以水性聚氨酯（WPU）膜为聚合物涂层，经干法移膜技术得到了中空桔瓣型超细纤维/水性聚氨酯（PET-PA6/WPU）合成革，实现了超纤革的绿色化制备。通过场发射扫描电镜（FESEM）等测试手段表征了PET-PA6中空桔瓣型超细纤维非织造布的结构性能，系统研究了发泡倍率对WPU膜形态结构和性能的影响规律，分析了PET-PA6/WPU合成革的结构、透气透湿和物理力学性能。结果表明：PET-PA6中空桔瓣型超细纤维非织造布裂离后单根纤维的直径介于2.2~5.5 μm之间，且其性能满足纺织品合成革用非织造基布的使用要求。当发泡倍率为100%时，所制备WPU膜为致密无孔结构，透气量和透湿率分别为14.72 L/（m2 · s）和3 686.84 g/（m2 · 24 h）。随着发泡倍率的增加，所制备WPU膜具有通透型泡孔和有孔表面，平均孔径、透气量和透湿率均依次增大。其中，当发泡倍率为250%时，WPU膜的透气量和透湿率分别达到169.43 L/（m2 · s）和5 209.09 g/（m2 · 24 h）。所制备的PET-PA6/WPU超纤革为三层复合结构，包括基布层、发泡层和面层，且其透气量为0.45 L/（m2 · s），断裂强力为纵向138.40 N、横向96.60 N，断裂伸长率为纵向72.70%、横向101.80%，撕裂强力为纵向63.20 N、横向88.20 N，剥离强力为水解前15.86 N、水解后15.61 N，褶皱回复角为纵向149.30°、横向151.80°，均优于同类型的海岛针织合成革和真皮，同时透湿率高达1 673.8 g/（m2 · 24 h），接近于真皮。
2017, 34(11): 2401-2406.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170302.006
摘要:
将海藻酸钠与硅酸钙共混，经过钙离子交联制备了硅酸钙-海藻酸钙（CaSiO3-CaAlg）复合水凝胶平板膜，观测了其形貌。对CaSiO3-CaAlg复合膜进行了FTIR、TG和XRD表征。研究了不同CaSiO3含量的CaSiO3-CaAlg复合水凝胶平板膜在湿态下的力学拉伸性能，并研究了其溶胀性能。结果表明，CaSiO3与CaAlg具有较好的相容性，CaSiO3的加入改善了CaAlg的热性能。随着CaSiO3含量的增加，CaSiO3-CaAlg复合水凝胶膜的极限应力先增加后减小。CaSiO3-CaAlg复合水凝胶膜制备方法简单，没有用到任何有机溶剂，膜厚度可控且均匀，易批量生产，有望应用于组织工程材料以及医用敷料中。
将海藻酸钠与硅酸钙共混，经过钙离子交联制备了硅酸钙-海藻酸钙（CaSiO3-CaAlg）复合水凝胶平板膜，观测了其形貌。对CaSiO3-CaAlg复合膜进行了FTIR、TG和XRD表征。研究了不同CaSiO3含量的CaSiO3-CaAlg复合水凝胶平板膜在湿态下的力学拉伸性能，并研究了其溶胀性能。结果表明，CaSiO3与CaAlg具有较好的相容性，CaSiO3的加入改善了CaAlg的热性能。随着CaSiO3含量的增加，CaSiO3-CaAlg复合水凝胶膜的极限应力先增加后减小。CaSiO3-CaAlg复合水凝胶膜制备方法简单，没有用到任何有机溶剂，膜厚度可控且均匀，易批量生产，有望应用于组织工程材料以及医用敷料中。
2017, 34(11): 2407-2413.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170829.002
摘要:
玻璃纤维增强树脂（GF/EP）因其良好的热绝缘性能和优异的力学性能，在高能物理和核物理实验领域作为支撑材料得到应用。高能物理和核物理实验会对支撑材料产生大量的γ和中子辐射，同时要求其保持热性能的稳定。本文对20 kGy、100 kGy和200 kGy剂量的γ辐照下GF/EP的各项热学性能进行测试研究，包括热膨胀性能、导热性和热降解性能，并对辐照前后GF/EP的微观形貌进行观察。结果发现，辐照后，GF/EP的微观形貌发生变化，基体树脂产生碎片化，辐照后线膨胀范围缩小，线膨胀系数略有降低；导热系数降低，降低幅度随辐照剂量的增大而减小；热分解温度基本保持不变，最快热分解温度略有降低，γ辐照过程中同时发生辐照交联和辐照降解反应，但总体热学性能保持稳定，在使用温度范围内保持良好的稳定性。
玻璃纤维增强树脂（GF/EP）因其良好的热绝缘性能和优异的力学性能，在高能物理和核物理实验领域作为支撑材料得到应用。高能物理和核物理实验会对支撑材料产生大量的γ和中子辐射，同时要求其保持热性能的稳定。本文对20 kGy、100 kGy和200 kGy剂量的γ辐照下GF/EP的各项热学性能进行测试研究，包括热膨胀性能、导热性和热降解性能，并对辐照前后GF/EP的微观形貌进行观察。结果发现，辐照后，GF/EP的微观形貌发生变化，基体树脂产生碎片化，辐照后线膨胀范围缩小，线膨胀系数略有降低；导热系数降低，降低幅度随辐照剂量的增大而减小；热分解温度基本保持不变，最快热分解温度略有降低，γ辐照过程中同时发生辐照交联和辐照降解反应，但总体热学性能保持稳定，在使用温度范围内保持良好的稳定性。
2017, 34(11): 2414-2420.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170113.001
摘要:
采用硅烷偶联剂涂覆与等离子体放电协同处理的方法处理木粉/聚乙烯（WP/PE）复合材料表面，以改善其胶接性能。利用胶接强度测试、FTIR和X射线光电子能谱研究了硅烷偶联剂涂覆和等离子体放电的协同表面处理对WP/PE湿热环境下表面性质演变的影响，探究协同处理的WP/PE胶接接头湿热环境下的胶接耐久性。结果表明，协同处理后，WP/PE表面有含氧极性基团生成，且在偶联剂与材料表面之间形成了化学键接，胶接性能大为改善。湿热环境下，虽然处理试样的表面没有新的化学基团产生，但表面元素的化学环境发生了改变。WP/PE表面在湿热环境下的性质演变会直接影响其胶接接头的耐久性。协同表面处理能够降低湿热环境下WP/PE表面性质的改变程度，从而提高WP/PE的胶接性能，尤其是湿热环境下的胶接耐久性能。
采用硅烷偶联剂涂覆与等离子体放电协同处理的方法处理木粉/聚乙烯（WP/PE）复合材料表面，以改善其胶接性能。利用胶接强度测试、FTIR和X射线光电子能谱研究了硅烷偶联剂涂覆和等离子体放电的协同表面处理对WP/PE湿热环境下表面性质演变的影响，探究协同处理的WP/PE胶接接头湿热环境下的胶接耐久性。结果表明，协同处理后，WP/PE表面有含氧极性基团生成，且在偶联剂与材料表面之间形成了化学键接，胶接性能大为改善。湿热环境下，虽然处理试样的表面没有新的化学基团产生，但表面元素的化学环境发生了改变。WP/PE表面在湿热环境下的性质演变会直接影响其胶接接头的耐久性。协同表面处理能够降低湿热环境下WP/PE表面性质的改变程度，从而提高WP/PE的胶接性能，尤其是湿热环境下的胶接耐久性能。
2017, 34(11): 2421-2427.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170222.006
摘要:
利用纳米SiO2接枝改性环氧树脂，探索改性涂层的热降解过程与动力学模型之间的关系，以便观察其结构及了解其工作温度。利用KH550改性纳米填料，测试不同含量的纳米填料对环氧树脂热稳定性的影响。采用TGA和DTA分析纳米SiO2改性环氧树脂复合材料热降解过程中的热特征温度，从而确定动力学参数和模型拟合方法。所获得的动力学参数被用来在整个降解过程建模。结果表明：得到的动力学三联体用于构建纳米SiO2改性环氧树脂基复合材料的降解模型，展示了温度对降解时间以及降解速率的影响程度。得出了环氧树脂的使用寿命及其复合材料工作温度的变化范围。
利用纳米SiO2接枝改性环氧树脂，探索改性涂层的热降解过程与动力学模型之间的关系，以便观察其结构及了解其工作温度。利用KH550改性纳米填料，测试不同含量的纳米填料对环氧树脂热稳定性的影响。采用TGA和DTA分析纳米SiO2改性环氧树脂复合材料热降解过程中的热特征温度，从而确定动力学参数和模型拟合方法。所获得的动力学参数被用来在整个降解过程建模。结果表明：得到的动力学三联体用于构建纳米SiO2改性环氧树脂基复合材料的降解模型，展示了温度对降解时间以及降解速率的影响程度。得出了环氧树脂的使用寿命及其复合材料工作温度的变化范围。
2017, 34(11): 2428-2436.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170112.001
摘要:
利用化学气相沉积（CVD）法在碳纤维（CF）表面生长碳纳米管（CNTs），制备了CF-CNTs多尺度增强体，增强体与环氧树脂（EP）结合得到CF-CNTs/EP复合材料。采用场发射扫描电镜（FESEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）等方法研究了不同CVD工艺参数对CF-CNTs多尺度增强体的影响，并研究了不同CVD时间对CF-CNTs/EP复合材料力学性能的影响。结果表明：沉积温度为500℃、沉积时间为10 min、反应压力为0.02 MPa时，制备得到的多尺度增强体性能最好。CF-CNTs多尺度增强体较未生长CNTs的碳纤维与环氧树脂的浸润性明显提高。在CVD时间为10 min时，所得CF-CNTs/EP复合材料的界面剪切强度（IFSS）最大可提高90.6%，层间剪切强度（ILSS）最大可提高24.4%。同时，在制备环氧树脂复合材料过程中碳纤维的不加捻与加捻相比，其ILSS提高了11.3%。
利用化学气相沉积（CVD）法在碳纤维（CF）表面生长碳纳米管（CNTs），制备了CF-CNTs多尺度增强体，增强体与环氧树脂（EP）结合得到CF-CNTs/EP复合材料。采用场发射扫描电镜（FESEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）等方法研究了不同CVD工艺参数对CF-CNTs多尺度增强体的影响，并研究了不同CVD时间对CF-CNTs/EP复合材料力学性能的影响。结果表明：沉积温度为500℃、沉积时间为10 min、反应压力为0.02 MPa时，制备得到的多尺度增强体性能最好。CF-CNTs多尺度增强体较未生长CNTs的碳纤维与环氧树脂的浸润性明显提高。在CVD时间为10 min时，所得CF-CNTs/EP复合材料的界面剪切强度（IFSS）最大可提高90.6%，层间剪切强度（ILSS）最大可提高24.4%。同时，在制备环氧树脂复合材料过程中碳纤维的不加捻与加捻相比，其ILSS提高了11.3%。
2017, 34(11): 2437-2445.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170224.001
摘要:
采用真空袋-热压罐工艺制备单向碳纤维增强树脂基复合材料（CFs/EP）层合板，并将高低温试验箱与万能试验机相结合，通过合理使用低温胶和低温引伸计，并在降温过程中实施应力-应变实时调零等关键技术，在室温和液氧超低温度（-183℃）下对单向CFs/EP层合板进行拉伸和弯曲试验，研究了其超低温力学性能，并根据室温和超低温试验后试样的微观和宏观特征，揭示了超低温环境下复合材料力学性能变化机制。结果表明，与室温力学性能相比，单向CFs/EP层合板超低温拉伸强度下降约为9.5%，而拉伸模量上升约为6.2%，主要是由于超低温环境下，树脂的收缩使绝大部分碳纤维与树脂间形成了强界面，拉伸后试样呈"劈裂式"破坏形式，无法使每根纤维都充分发挥其强度，拉伸强度下降，同时超低温也限制了树脂大分子链的运动，所以导致单向CFs/EP层合板拉伸模量上升；单向CFs/EP层合板超低温弯曲强度和弯曲模量分别提高约54.75%和11.64%，这是由于单向CFs/EP层合板的常温和超低温的弯曲破坏形式均为分层剪切破坏，超低温下复合材料的界面增强，提高了单向CFs/EP层合板抵抗剪切分层的能力，进而使CFs/EP的弯曲性能得到提高。
采用真空袋-热压罐工艺制备单向碳纤维增强树脂基复合材料（CFs/EP）层合板，并将高低温试验箱与万能试验机相结合，通过合理使用低温胶和低温引伸计，并在降温过程中实施应力-应变实时调零等关键技术，在室温和液氧超低温度（-183℃）下对单向CFs/EP层合板进行拉伸和弯曲试验，研究了其超低温力学性能，并根据室温和超低温试验后试样的微观和宏观特征，揭示了超低温环境下复合材料力学性能变化机制。结果表明，与室温力学性能相比，单向CFs/EP层合板超低温拉伸强度下降约为9.5%，而拉伸模量上升约为6.2%，主要是由于超低温环境下，树脂的收缩使绝大部分碳纤维与树脂间形成了强界面，拉伸后试样呈"劈裂式"破坏形式，无法使每根纤维都充分发挥其强度，拉伸强度下降，同时超低温也限制了树脂大分子链的运动，所以导致单向CFs/EP层合板拉伸模量上升；单向CFs/EP层合板超低温弯曲强度和弯曲模量分别提高约54.75%和11.64%，这是由于单向CFs/EP层合板的常温和超低温的弯曲破坏形式均为分层剪切破坏，超低温下复合材料的界面增强，提高了单向CFs/EP层合板抵抗剪切分层的能力，进而使CFs/EP的弯曲性能得到提高。
2017, 34(11): 2446-2454.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170117.001
摘要:
为有效模拟形状记忆合金增强聚合物基复合材料（SMA/PMCs）有效时变和伪弹性响应，基于变分渐近理论框架构建增量型细观力学模型。首先分别导出聚合物和形状记忆合金增量本构方程，建立统一的本构方程；以此为基础推导出能量泛函的变分表达式。考虑材料的时变和非线性特征，建立与求解切向瞬时有效矩阵有关的增量过程，并通过有限元数值实现。通过数值算例表明：构建的模型可用于模拟SMA/PMCs在不同加载率和温度下的有效时变、伪弹性响应，准确捕捉聚合物基体黏弹性诱发的复合材料率相关、滞回行为等。
为有效模拟形状记忆合金增强聚合物基复合材料（SMA/PMCs）有效时变和伪弹性响应，基于变分渐近理论框架构建增量型细观力学模型。首先分别导出聚合物和形状记忆合金增量本构方程，建立统一的本构方程；以此为基础推导出能量泛函的变分表达式。考虑材料的时变和非线性特征，建立与求解切向瞬时有效矩阵有关的增量过程，并通过有限元数值实现。通过数值算例表明：构建的模型可用于模拟SMA/PMCs在不同加载率和温度下的有效时变、伪弹性响应，准确捕捉聚合物基体黏弹性诱发的复合材料率相关、滞回行为等。
2017, 34(11): 2455-2462.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170308.002
摘要:
采用热机械分析仪和微压入测试系统对不同银含量微电子互连导电胶进行测试表征，并基于数值模拟分析其用于倒装芯片封装时胶层的不匹配热应力。结果表明，较高银含量固化导电胶的玻璃化转变温度滞后于较低银含量固化导电胶，且其热膨胀系数较低；随着温度的升高，导电胶的模量与硬度由玻璃态时的较高值降低到高弹态时的较低水平，且银含量较高时的刚度与强度较大；各不匹配热应力分量随温度的变化呈现出"蝌蚪状"或"半蝌蚪状"，玻璃态时用于倒装芯片封装的导电胶未发生屈服。
采用热机械分析仪和微压入测试系统对不同银含量微电子互连导电胶进行测试表征，并基于数值模拟分析其用于倒装芯片封装时胶层的不匹配热应力。结果表明，较高银含量固化导电胶的玻璃化转变温度滞后于较低银含量固化导电胶，且其热膨胀系数较低；随着温度的升高，导电胶的模量与硬度由玻璃态时的较高值降低到高弹态时的较低水平，且银含量较高时的刚度与强度较大；各不匹配热应力分量随温度的变化呈现出"蝌蚪状"或"半蝌蚪状"，玻璃态时用于倒装芯片封装的导电胶未发生屈服。
2017, 34(11): 2463-2472.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170307.001
摘要:
通过分析纤维束受压横截面的变化，并基于经典的纤维束本构关系，建立了任意嵌套状态下两层单向织物压缩厚度与外部载荷、层间偏移量之间关系的理论模型。在此基础上进一步建立了多层织物的压缩响应模型。通过对上述模型数值求解，预测了不同层数织物压缩响应。结果表明：同等受力条件下，织物的平均每层厚度随着偏移率的增加而减小；在一定压力下多层织物的平均每层厚度分布近似符合正态分布，且随着层数的增多，分布将会越来越集中；对于大于10层的织物可直接采用压力与内部层间距的期望的变化曲线表征多层织物的压缩性能。经验证，该模型与实验数据吻合较好，从而验证了模型的正确性。
通过分析纤维束受压横截面的变化，并基于经典的纤维束本构关系，建立了任意嵌套状态下两层单向织物压缩厚度与外部载荷、层间偏移量之间关系的理论模型。在此基础上进一步建立了多层织物的压缩响应模型。通过对上述模型数值求解，预测了不同层数织物压缩响应。结果表明：同等受力条件下，织物的平均每层厚度随着偏移率的增加而减小；在一定压力下多层织物的平均每层厚度分布近似符合正态分布，且随着层数的增多，分布将会越来越集中；对于大于10层的织物可直接采用压力与内部层间距的期望的变化曲线表征多层织物的压缩性能。经验证，该模型与实验数据吻合较好，从而验证了模型的正确性。
2017, 34(11): 2473-2478.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170307.003
摘要:
为了解拼接结构的力学特性，更好地设计高强度的拼接结构，测试了三种含拼接结构的单向碳纤维增强环氧树脂基（CF/EP）层合板复合材料的拉伸性能，通过监测结构在拉伸过程中的形态分析其破坏特点，并利用有限元软件对不同拼接结构的拉伸过程进行模拟，分析拼接结构受拉过程中的受力特点。所有材料均采用真空辅助灌注工艺（VARTM）获得。结果表明，拼接结构的引入大大降低了CF/EP材料的拉伸强度；由于拼接位置产生明显的应力集中，结构破坏从拼接位置开始，最终破坏模式为层间破坏；拼接位置处的剪切应力和侧向拉伸应力是结构发生初始破坏的主要因素；为了尽可能避免产生拼接位置处的剪切应力和侧向拉伸应力以提高结构强度，应尽可能设计为对称结构。
为了解拼接结构的力学特性，更好地设计高强度的拼接结构，测试了三种含拼接结构的单向碳纤维增强环氧树脂基（CF/EP）层合板复合材料的拉伸性能，通过监测结构在拉伸过程中的形态分析其破坏特点，并利用有限元软件对不同拼接结构的拉伸过程进行模拟，分析拼接结构受拉过程中的受力特点。所有材料均采用真空辅助灌注工艺（VARTM）获得。结果表明，拼接结构的引入大大降低了CF/EP材料的拉伸强度；由于拼接位置产生明显的应力集中，结构破坏从拼接位置开始，最终破坏模式为层间破坏；拼接位置处的剪切应力和侧向拉伸应力是结构发生初始破坏的主要因素；为了尽可能避免产生拼接位置处的剪切应力和侧向拉伸应力以提高结构强度，应尽可能设计为对称结构。
2017, 34(11): 2479-2486.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170626.001
摘要:
为了准确预测复合材料帽型加筋壁板的后屈曲承载能力，针对压缩载荷下筋条端头斜削的复合材料帽型加筋壁板结构的失效机制及失效载荷进行了研究。首先利用物理试验，研究了端头斜削的复合材料帽型加筋壁板失效过程，然后构建了考虑蒙皮/缘条胶接界面以及复合材料层板失效的非线性损伤分析模型，详细地研究了损伤起始、扩展和失效的全过程。在此基础上，提出了包覆层对蒙皮/缘条界面进行增强的设计方案，并基于数值仿真和试验研究了包覆层对复合材料帽型壁板的破坏模式和承载能力的影响。数值分析和试验结果表明，包覆层设计能够明显提高结构的屈曲载荷和后屈曲承载能力，分析结果与试验值吻合良好，且预测的破坏模式也与试验结果一致。
为了准确预测复合材料帽型加筋壁板的后屈曲承载能力，针对压缩载荷下筋条端头斜削的复合材料帽型加筋壁板结构的失效机制及失效载荷进行了研究。首先利用物理试验，研究了端头斜削的复合材料帽型加筋壁板失效过程，然后构建了考虑蒙皮/缘条胶接界面以及复合材料层板失效的非线性损伤分析模型，详细地研究了损伤起始、扩展和失效的全过程。在此基础上，提出了包覆层对蒙皮/缘条界面进行增强的设计方案，并基于数值仿真和试验研究了包覆层对复合材料帽型壁板的破坏模式和承载能力的影响。数值分析和试验结果表明，包覆层设计能够明显提高结构的屈曲载荷和后屈曲承载能力，分析结果与试验值吻合良好，且预测的破坏模式也与试验结果一致。
2017, 34(11): 2487-2493.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170302.001
摘要:
为深入研究高性能纤维束纤维尺度横向压缩过程及变形机制，基于ANSYS有限元数值分析平台，采用APDL编程语言，在纤维尺度建立了高性能纤维束具有统计意义的三维数值生长模型。该模型考虑了纤维束内部纤维的随机分布与偏转及纤维之间在三维空间不产生相互贯穿的物理特性。利用数值模拟方法研究了纤维束在横向压缩时的变形情况，不仅获得了与纤维束压缩实验一致的非线性变形过程，而且得到了压力与纤维体积含量的定量关系，与经典的理论预测进行对比，获得了较好的支持。
为深入研究高性能纤维束纤维尺度横向压缩过程及变形机制，基于ANSYS有限元数值分析平台，采用APDL编程语言，在纤维尺度建立了高性能纤维束具有统计意义的三维数值生长模型。该模型考虑了纤维束内部纤维的随机分布与偏转及纤维之间在三维空间不产生相互贯穿的物理特性。利用数值模拟方法研究了纤维束在横向压缩时的变形情况，不仅获得了与纤维束压缩实验一致的非线性变形过程，而且得到了压力与纤维体积含量的定量关系，与经典的理论预测进行对比，获得了较好的支持。
2017, 34(11): 2494-2499.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170112.004
摘要:
采用直流电弧放电等离子体技术成功制备了碳包覆NiO （NiO@C）纳米颗粒，并对样品的形貌、晶体结构、粒度、比表面积和孔结构采用高分辨透射电子显微镜、X射线衍射、X射线能量色散分析谱仪、拉曼散射光谱和N2吸-脱附等测试手段进行了分析。实验结果表明：直流电弧等离子体技术制备的NiO@C纳米颗粒具有典型的核壳结构，内核为面心立方结构的NiO纳米颗粒，外壳为碳层。颗粒形貌主要为立方体结构，粒度均匀，分散性良好，粒径分布在30~70 nm范围，平均粒径为50 nm，外壳碳层的厚度为5 nm。NiO@C纳米颗粒BET比表面积为28 m2/g，等效直径为46 nm，与TEM和XRD测得的结果基本一致。Raman光谱说明样品中碳包覆层的石墨化程度较低，发生了红移现象。
采用直流电弧放电等离子体技术成功制备了碳包覆NiO （NiO@C）纳米颗粒，并对样品的形貌、晶体结构、粒度、比表面积和孔结构采用高分辨透射电子显微镜、X射线衍射、X射线能量色散分析谱仪、拉曼散射光谱和N2吸-脱附等测试手段进行了分析。实验结果表明：直流电弧等离子体技术制备的NiO@C纳米颗粒具有典型的核壳结构，内核为面心立方结构的NiO纳米颗粒，外壳为碳层。颗粒形貌主要为立方体结构，粒度均匀，分散性良好，粒径分布在30~70 nm范围，平均粒径为50 nm，外壳碳层的厚度为5 nm。NiO@C纳米颗粒BET比表面积为28 m2/g，等效直径为46 nm，与TEM和XRD测得的结果基本一致。Raman光谱说明样品中碳包覆层的石墨化程度较低，发生了红移现象。
2017, 34(11): 2500-2508.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170303.002
摘要:
采用等离子熔覆技术，以Zr、Fe、B4C混合粉末为原料，在Q235低碳钢表面原位反应合成了ZrB2和ZrC增强的Fe基复合涂层，分析了ZrB2-ZrC/Fe涂层的物相组成和组织结构，并进行了硬度、耐磨性对比试验，探讨了物相和组织结构的形成过程及磨损机制。结果表明：涂层主要物相为ZrB2、α-Fe、ZrC、Fe2B和Fe3C，其中ZrB2呈现针棒状、花瓣状，ZrC呈现规则的颗粒状；随着原始粉末中（Zr+B4C）含量的增加，增强相ZrB2和ZrC含量增多，尺寸变大，ZrB2-ZrC/Fe涂层与Q235钢基体之间结合紧密，呈冶金结合；与Q235钢基体相比，ZrB2-ZrC/Fe涂层耐磨性显著提高，最高可达基体的5.45倍，ZrB2-ZrC/Fe涂层的磨损方式以磨粒磨损为主，断裂方式以穿晶断裂为主。
采用等离子熔覆技术，以Zr、Fe、B4C混合粉末为原料，在Q235低碳钢表面原位反应合成了ZrB2和ZrC增强的Fe基复合涂层，分析了ZrB2-ZrC/Fe涂层的物相组成和组织结构，并进行了硬度、耐磨性对比试验，探讨了物相和组织结构的形成过程及磨损机制。结果表明：涂层主要物相为ZrB2、α-Fe、ZrC、Fe2B和Fe3C，其中ZrB2呈现针棒状、花瓣状，ZrC呈现规则的颗粒状；随着原始粉末中（Zr+B4C）含量的增加，增强相ZrB2和ZrC含量增多，尺寸变大，ZrB2-ZrC/Fe涂层与Q235钢基体之间结合紧密，呈冶金结合；与Q235钢基体相比，ZrB2-ZrC/Fe涂层耐磨性显著提高，最高可达基体的5.45倍，ZrB2-ZrC/Fe涂层的磨损方式以磨粒磨损为主，断裂方式以穿晶断裂为主。
2017, 34(11): 2509-2515.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170321.004
摘要:
基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算，系统地研究了过渡金属（TM） Fe或Cr线性单原子链填充（6，6） Cu纳米管（Fe@CuNT或Cr@CuNT）所形成复合结构的稳定性、磁性和电子特性。相对于孤立单原子链的单原子平均结合能，Fe@CuNT和Cr@CuNT复合结构的平均结合能大大增加，表明Cu纳米管的包裹使Fe或Cr单原子链的稳定性显著增强。外部Cu原子与内部TM原子间的化学键表现出非局域金属键特性，Fe@CuNT和Cr@CuNT复合结构的磁基态分别为为铁磁态和反铁磁态。对Fe@CuNT和Cr@CuNT复合结构内部Fe原子和Cr原子的自旋磁矩和轨道磁矩进行了计算。相对于自由单原子链，Fe@CuNT和Cr@CuNT复合结构的磁晶各向异性能显著增强，因此Fe@CuNT和Cr@CuNT复合结构可应用于超高密度磁存储中。Cu纳米管的包裹使Fe@CuNT复合结构的易磁化方向相对于自由Fe单原子链的易磁化方向发生了改变。此外，Fe@CuNT复合结构在费米能级处较高的自旋极化率使其可应用于自旋电子器件中。
基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算，系统地研究了过渡金属（TM） Fe或Cr线性单原子链填充（6，6） Cu纳米管（Fe@CuNT或Cr@CuNT）所形成复合结构的稳定性、磁性和电子特性。相对于孤立单原子链的单原子平均结合能，Fe@CuNT和Cr@CuNT复合结构的平均结合能大大增加，表明Cu纳米管的包裹使Fe或Cr单原子链的稳定性显著增强。外部Cu原子与内部TM原子间的化学键表现出非局域金属键特性，Fe@CuNT和Cr@CuNT复合结构的磁基态分别为为铁磁态和反铁磁态。对Fe@CuNT和Cr@CuNT复合结构内部Fe原子和Cr原子的自旋磁矩和轨道磁矩进行了计算。相对于自由单原子链，Fe@CuNT和Cr@CuNT复合结构的磁晶各向异性能显著增强，因此Fe@CuNT和Cr@CuNT复合结构可应用于超高密度磁存储中。Cu纳米管的包裹使Fe@CuNT复合结构的易磁化方向相对于自由Fe单原子链的易磁化方向发生了改变。此外，Fe@CuNT复合结构在费米能级处较高的自旋极化率使其可应用于自旋电子器件中。
2017, 34(11): 2516-2522.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170216.002
摘要:
为了提高医用纯钛的骨修复效果，利用化学转化技术在纯钛表面制备了一层含钙磷化合物的磷酸盐（CaP）转化膜，并通过碱处理，对该转化膜进行羟基转化。利用XRD、FESEM和电化学工作站对CaP转化膜的成分、微观结构和耐蚀性能分别进行分析表征，通过MC3T3-E1小鼠成骨细胞培养，对覆膜样本的细胞相容性进行评价。研究结果表明，纯钛表面CaP转化膜的主要成分为磷酸氢钙（CaHPO4 · 2H2O），膜层晶体呈块状无规则多级排列，经过碱处理后，膜层晶体表面粗糙度增加，并有新的细小颗粒生成，晶体部分转化为羟基磷灰石（HA）。电化学分析结果表明，经过碱液处理的HA转化膜在生理盐水中表现出了比CaHPO4 · 2H2O转化膜更好的耐蚀性能。体外细胞培养试验证明，覆膜纯钛样本能够有效促进成骨细胞黏附、细胞增殖和分化。
为了提高医用纯钛的骨修复效果，利用化学转化技术在纯钛表面制备了一层含钙磷化合物的磷酸盐（CaP）转化膜，并通过碱处理，对该转化膜进行羟基转化。利用XRD、FESEM和电化学工作站对CaP转化膜的成分、微观结构和耐蚀性能分别进行分析表征，通过MC3T3-E1小鼠成骨细胞培养，对覆膜样本的细胞相容性进行评价。研究结果表明，纯钛表面CaP转化膜的主要成分为磷酸氢钙（CaHPO4 · 2H2O），膜层晶体呈块状无规则多级排列，经过碱处理后，膜层晶体表面粗糙度增加，并有新的细小颗粒生成，晶体部分转化为羟基磷灰石（HA）。电化学分析结果表明，经过碱液处理的HA转化膜在生理盐水中表现出了比CaHPO4 · 2H2O转化膜更好的耐蚀性能。体外细胞培养试验证明，覆膜纯钛样本能够有效促进成骨细胞黏附、细胞增殖和分化。
2017, 34(11): 2523-2529.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170401.002
摘要:
以高温盐浴法对天然鳞片石墨粉体（GF）进行表面TiC镀层处理，然后采用真空热压烧结法制备TiC-GF/Cu复合材料，研究了粉体表面涂层和GF体积分数对复合材料微观结构、热导率及抗弯强度的影响。系列测试结果表明：随着GF体积分数的降低以及粉体表面TiC镀层的形成，TiC-GF/Cu复合材料平行于GF片层方向的热导率有所降低，抗弯强度有所提升。其中在GF的体积分数占TiC-GF/Cu复合材料70%时，这种变化最为明显，平行于GF片层方向的TiC-GF/Cu复合材料热导率下降幅度最大，从676 W/（m · K）下降到526 W/（m · K）。同时，TiC-GF/Cu复合材料的微观结构进一步说明，GF表面的TiC涂层对GF/Cu复合材料的断裂模型起着重要的作用。
以高温盐浴法对天然鳞片石墨粉体（GF）进行表面TiC镀层处理，然后采用真空热压烧结法制备TiC-GF/Cu复合材料，研究了粉体表面涂层和GF体积分数对复合材料微观结构、热导率及抗弯强度的影响。系列测试结果表明：随着GF体积分数的降低以及粉体表面TiC镀层的形成，TiC-GF/Cu复合材料平行于GF片层方向的热导率有所降低，抗弯强度有所提升。其中在GF的体积分数占TiC-GF/Cu复合材料70%时，这种变化最为明显，平行于GF片层方向的TiC-GF/Cu复合材料热导率下降幅度最大，从676 W/（m · K）下降到526 W/（m · K）。同时，TiC-GF/Cu复合材料的微观结构进一步说明，GF表面的TiC涂层对GF/Cu复合材料的断裂模型起着重要的作用。
2017, 34(11): 2530-2536.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170302.005
摘要:
以甲基三氯硅烷为原料，采用催化化学气相沉积（CCVD）工艺在短切碳纤维（Cfd）表面制备了纳米SiC纤维（nano SiCf）改性层，并采用凝胶注模-无压烧结工艺制备了nano SiCf-Cfd/Si3N4和Cfd/Si3N4复合材料。使用矢量网络分析仪研究了nano SiCf-Cfd和Cfd对Si3N4陶瓷在X波段（8.2~12.4 GHz）的介电响应和吸波性能的影响。结果表明：nano SiCf-Cfd/Si3N4和Cfd/Si3N4复合材料的复介电常数和介电损耗角正切值（tan δ）均随纤维添加量增加而增大；相同纤维含量时，nano SiCf-Cfd/Si3N4复合材料的介电常数实部比Cfd/Si3N4复合材料有所降低，但损耗角正切升高。反射损耗结果表明：nano SiCf-Cfd/Si3N4复合材料拥有更优的电磁波吸收效果。nano SiCf-Cfd含量为2wt%、d=2.5 mm时，出现最大吸收峰-14.95 dB，反射损耗优于-5 dB，波段频宽达3.5 GHz。nano SiCf界面改性能有效提高Cfd/Si3N4复合材料的吸波性能。
以甲基三氯硅烷为原料，采用催化化学气相沉积（CCVD）工艺在短切碳纤维（Cfd）表面制备了纳米SiC纤维（nano SiCf）改性层，并采用凝胶注模-无压烧结工艺制备了nano SiCf-Cfd/Si3N4和Cfd/Si3N4复合材料。使用矢量网络分析仪研究了nano SiCf-Cfd和Cfd对Si3N4陶瓷在X波段（8.2~12.4 GHz）的介电响应和吸波性能的影响。结果表明：nano SiCf-Cfd/Si3N4和Cfd/Si3N4复合材料的复介电常数和介电损耗角正切值（tan δ）均随纤维添加量增加而增大；相同纤维含量时，nano SiCf-Cfd/Si3N4复合材料的介电常数实部比Cfd/Si3N4复合材料有所降低，但损耗角正切升高。反射损耗结果表明：nano SiCf-Cfd/Si3N4复合材料拥有更优的电磁波吸收效果。nano SiCf-Cfd含量为2wt%、d=2.5 mm时，出现最大吸收峰-14.95 dB，反射损耗优于-5 dB，波段频宽达3.5 GHz。nano SiCf界面改性能有效提高Cfd/Si3N4复合材料的吸波性能。
2017, 34(11): 2537-2543.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170112.006
摘要:
借助XRD、SEM和能谱分析仪等手段，研究了1 600℃煅烧中低品位矾土制备的钛酸铝/莫来石（Al2TiO5ss/3Al2O3 · 2SiO2ss）复合材料经1 200℃保温12 h后结构的稳定性。结果表明：高温煅烧中低品位矾土后，其合成材料的结晶物相组成为3Al2O3 · 2SiO2ss、Al2TiO5ss和少量残存的方石英；Fe3+或Ti4+离子以不同形态赋存于结晶相（3Al2O3 · 2SiO2ss和Al2TiO5ss）和非晶相。含Fe3+/Ti4+离子的3Al2O3 · 2SiO2ss将Al2TiO5ss结晶相分割，使其蜷缩其间，并抑制Al2TiO5ss的分解；高温下，二者因组成元素相近而致使晶界融合，进而共同构建了体系牢固的致密骨架结构。由3Al2O3 · 2SiO2ss和Al2TiO5ss等高温物相构成的致密结构将非晶相挤压于空隙结构的3Al2O3 · 2SiO2ss晶间，避免了低熔点相富集带来的不利影响，进而赋予该Al2TiO5ss/3Al2O3 · 2SiO2ss复合材料良好的结构稳定性。
借助XRD、SEM和能谱分析仪等手段，研究了1 600℃煅烧中低品位矾土制备的钛酸铝/莫来石（Al2TiO5ss/3Al2O3 · 2SiO2ss）复合材料经1 200℃保温12 h后结构的稳定性。结果表明：高温煅烧中低品位矾土后，其合成材料的结晶物相组成为3Al2O3 · 2SiO2ss、Al2TiO5ss和少量残存的方石英；Fe3+或Ti4+离子以不同形态赋存于结晶相（3Al2O3 · 2SiO2ss和Al2TiO5ss）和非晶相。含Fe3+/Ti4+离子的3Al2O3 · 2SiO2ss将Al2TiO5ss结晶相分割，使其蜷缩其间，并抑制Al2TiO5ss的分解；高温下，二者因组成元素相近而致使晶界融合，进而共同构建了体系牢固的致密骨架结构。由3Al2O3 · 2SiO2ss和Al2TiO5ss等高温物相构成的致密结构将非晶相挤压于空隙结构的3Al2O3 · 2SiO2ss晶间，避免了低熔点相富集带来的不利影响，进而赋予该Al2TiO5ss/3Al2O3 · 2SiO2ss复合材料良好的结构稳定性。
2017, 34(11): 2544-2549.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170220.003
摘要:
利用化学气相沉积法（CVD），分别在光沉积镀铜SiC-Cu颗粒和无电镀铜SiC-Cu颗粒表面制备石墨烯片（GNSs）/SiC-Cu和碳纳米管（CNTs）/SiC-Cu增强体。利用拉曼光谱和SEM研究制备温度和保温时间对生成的石墨烯片和碳纳米管的层数和质量的影响。结果表明：利用CVD法，在无电镀铜SiC-Cu颗粒和光沉积镀铜SiC-Cu颗粒表面均可生成多层GNSs和CNTs；以无电镀铜SiC-Cu颗粒为基体，在1 000℃下保持20 min生成的GNSs质量较好，已经接近单层；利用SEM观察最佳参数下的生成物，可观察到10~45 nm直径的CNTs交错分布在圆形铜颗粒之间。
利用化学气相沉积法（CVD），分别在光沉积镀铜SiC-Cu颗粒和无电镀铜SiC-Cu颗粒表面制备石墨烯片（GNSs）/SiC-Cu和碳纳米管（CNTs）/SiC-Cu增强体。利用拉曼光谱和SEM研究制备温度和保温时间对生成的石墨烯片和碳纳米管的层数和质量的影响。结果表明：利用CVD法，在无电镀铜SiC-Cu颗粒和光沉积镀铜SiC-Cu颗粒表面均可生成多层GNSs和CNTs；以无电镀铜SiC-Cu颗粒为基体，在1 000℃下保持20 min生成的GNSs质量较好，已经接近单层；利用SEM观察最佳参数下的生成物，可观察到10~45 nm直径的CNTs交错分布在圆形铜颗粒之间。
2017, 34(11): 2550-2555.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170220.005
摘要:
以聚乳酸（PLA）和胶原（Col）为原料，通过静电纺丝法制备了小口径（d=3.0 mm） Col-PLA人工血管。采用扫描电镜、孔径分析仪和万能拉力机对Col-PLA人工血管的外层纤维形貌、孔径和拉伸性能进行了表征，测定了人工血管的管壁厚度及爆破强度。研究了纺丝电压、纺丝液质量分数、PLA与Col质量比对人工血管结构及性能的影响。结果表明：随纺丝电压的增加，纤维排列由杂乱变为规整，最佳的纺丝电压为15~20 kV之间；当纺丝液质量分数增大时，Col-PLA人工血管的纤维直径增大，孔径及孔隙率均变小，拉伸强度和爆破强度提高；随PLA与Col质量比提高，人工血管的内层管壁厚度减少，外层管壁厚度增加，使拉伸强度和爆破强度提高，PLA与Col质量比分别为70：30和90：10时，制得人工血管力学强度能够满足使用要求。
以聚乳酸（PLA）和胶原（Col）为原料，通过静电纺丝法制备了小口径（d=3.0 mm） Col-PLA人工血管。采用扫描电镜、孔径分析仪和万能拉力机对Col-PLA人工血管的外层纤维形貌、孔径和拉伸性能进行了表征，测定了人工血管的管壁厚度及爆破强度。研究了纺丝电压、纺丝液质量分数、PLA与Col质量比对人工血管结构及性能的影响。结果表明：随纺丝电压的增加，纤维排列由杂乱变为规整，最佳的纺丝电压为15~20 kV之间；当纺丝液质量分数增大时，Col-PLA人工血管的纤维直径增大，孔径及孔隙率均变小，拉伸强度和爆破强度提高；随PLA与Col质量比提高，人工血管的内层管壁厚度减少，外层管壁厚度增加，使拉伸强度和爆破强度提高，PLA与Col质量比分别为70：30和90：10时，制得人工血管力学强度能够满足使用要求。
2017, 34(11): 2556-2561.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170112.003
摘要:
分别以正十八烷、甲基丙烯酸甲酯和壳聚糖作为核材料、内壳和外壳，采用细乳液原位聚合法及界面聚合法制备双壳相变储湿微胶囊。通过均匀设计与径向基函数神经网络结合，考察因素（如乳化剂用量、助乳化剂用量、引发剂用量、超声乳化时间和搅拌速度）对双壳相变储湿微胶囊粒度分布的影响，并且对最均匀粒度分布双壳相变储湿微胶囊进行表征与测试。结果表明，当扩展系数为0.55时，径向基函数神经（Radial Basis Function，RBF）网络具有最佳的逼近效果。最均匀粒度分布双壳相变储湿微胶囊的制备工艺参数：乳化剂用量为3.58wt%、助乳化剂用量为0.53wt%、引发剂用量为1.86wt%、超声乳化时间为11.35 min，搅拌速度为632 r· min-1。基于上述制备参数，d10为3 352.0 nm、d50为4 474.9 nm，d90为6 108.4 nm，d90-d10实测值为2 756.4 nm，实测值与预测值吻合较好，相对误差为2.69%。在相对湿度35%~65%的平衡含湿量为0.0547~0.1259 g · g-1，相变温度为28.87℃，相变焓为78.45 J · g-1。
分别以正十八烷、甲基丙烯酸甲酯和壳聚糖作为核材料、内壳和外壳，采用细乳液原位聚合法及界面聚合法制备双壳相变储湿微胶囊。通过均匀设计与径向基函数神经网络结合，考察因素（如乳化剂用量、助乳化剂用量、引发剂用量、超声乳化时间和搅拌速度）对双壳相变储湿微胶囊粒度分布的影响，并且对最均匀粒度分布双壳相变储湿微胶囊进行表征与测试。结果表明，当扩展系数为0.55时，径向基函数神经（Radial Basis Function，RBF）网络具有最佳的逼近效果。最均匀粒度分布双壳相变储湿微胶囊的制备工艺参数：乳化剂用量为3.58wt%、助乳化剂用量为0.53wt%、引发剂用量为1.86wt%、超声乳化时间为11.35 min，搅拌速度为632 r· min-1。基于上述制备参数，d10为3 352.0 nm、d50为4 474.9 nm，d90为6 108.4 nm，d90-d10实测值为2 756.4 nm，实测值与预测值吻合较好，相对误差为2.69%。在相对湿度35%~65%的平衡含湿量为0.0547~0.1259 g · g-1，相变温度为28.87℃，相变焓为78.45 J · g-1。
2017, 34(11): 2562-2570.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170216.001
摘要:
直接在介孔SiO2中掺杂金属Zr不是十分容易，这主要是由于在强酸介质中，Zr往往不能与Si源一起共缩合而被沉积到介孔SiO2骨架中。因此，本文采用原位一步合成法，在含有模板剂、盐酸、醋酸锌的弱酸性水溶液中添加Si源和Zr源，通过原位共沉积，直接制备出具有介孔结构的Zr-SiO2材料。研究结果表明：当合成母液中Zr与Si的摩尔比r ≤ 0.2：1时，所得样品具有高度有序的介孔结构；继续增加Zr的添加量（r=0.3或0.5）会使有序孔的规整性下降。随着合成体系中r从0.01变化到0.2，样品晶胞参数由9.7 nm增加到10.9 nm，孔壁厚度由1.4 nm增大到2.6 nm，证明了Zr对介孔SiO2骨架的有效掺杂。通过改变样品中的Zr掺杂量还可以调控所得Zr-SiO2材料的形貌，获得具有蠕虫状、葡萄状和麦粒状等形状规整的粒子。介孔Zr-SiO2材料在去除水体中有机染料亚甲基蓝中表现出良好的性能。
直接在介孔SiO2中掺杂金属Zr不是十分容易，这主要是由于在强酸介质中，Zr往往不能与Si源一起共缩合而被沉积到介孔SiO2骨架中。因此，本文采用原位一步合成法，在含有模板剂、盐酸、醋酸锌的弱酸性水溶液中添加Si源和Zr源，通过原位共沉积，直接制备出具有介孔结构的Zr-SiO2材料。研究结果表明：当合成母液中Zr与Si的摩尔比r ≤ 0.2：1时，所得样品具有高度有序的介孔结构；继续增加Zr的添加量（r=0.3或0.5）会使有序孔的规整性下降。随着合成体系中r从0.01变化到0.2，样品晶胞参数由9.7 nm增加到10.9 nm，孔壁厚度由1.4 nm增大到2.6 nm，证明了Zr对介孔SiO2骨架的有效掺杂。通过改变样品中的Zr掺杂量还可以调控所得Zr-SiO2材料的形貌，获得具有蠕虫状、葡萄状和麦粒状等形状规整的粒子。介孔Zr-SiO2材料在去除水体中有机染料亚甲基蓝中表现出良好的性能。
2017, 34(11): 2571-2579.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170112.007
摘要:
利用聚乙二醇二缩水甘油醚（PEGDE）化学交联丝素蛋白（SF）、以CaCl2交联海藻酸钠（SA），采用分步交联的方法制备了SF/SA双网络型复合纤维，通过DV-C型数显黏度计、FTIR、XRD、电子单纤维强力仪、核磁共振变温弛豫分析仪、SEM等对纺丝溶液表观黏度和交联改性SF/SA复合纤维的结构性能进行了表征，研究了交联剂PEGDE添加量对纺丝溶液的表观黏度和交联改性SF/SA复合纤维的力学性能、交联度、微观形貌、吸湿性能和保湿性能等的影响。结果表明，随着PEGDE含量的增加，纺丝溶液的表观黏度呈先下降后增加的趋势，加入适量的交联剂可以降低纺丝溶液的表观黏度，增加纤维的可纺性；纤维的断裂强度、断裂伸长率和交联度呈先增加后减少的趋势，PEGDE与SF的质量比为3：1时，交联改性SF/SA复合纤维的断裂强度和交联度达到最大值，分别为2.34 cN/dTex和55.38%；交联改性SF/SA复合纤维的交联度越大，纤维表面沟槽结构越密集，纤维内部结构越紧密均匀，SF与SA的相容性越好；交联改性后，SF/SA复合纤维吸湿性能和保湿性能得到提高，吸湿平衡时间提前。
利用聚乙二醇二缩水甘油醚（PEGDE）化学交联丝素蛋白（SF）、以CaCl2交联海藻酸钠（SA），采用分步交联的方法制备了SF/SA双网络型复合纤维，通过DV-C型数显黏度计、FTIR、XRD、电子单纤维强力仪、核磁共振变温弛豫分析仪、SEM等对纺丝溶液表观黏度和交联改性SF/SA复合纤维的结构性能进行了表征，研究了交联剂PEGDE添加量对纺丝溶液的表观黏度和交联改性SF/SA复合纤维的力学性能、交联度、微观形貌、吸湿性能和保湿性能等的影响。结果表明，随着PEGDE含量的增加，纺丝溶液的表观黏度呈先下降后增加的趋势，加入适量的交联剂可以降低纺丝溶液的表观黏度，增加纤维的可纺性；纤维的断裂强度、断裂伸长率和交联度呈先增加后减少的趋势，PEGDE与SF的质量比为3：1时，交联改性SF/SA复合纤维的断裂强度和交联度达到最大值，分别为2.34 cN/dTex和55.38%；交联改性SF/SA复合纤维的交联度越大，纤维表面沟槽结构越密集，纤维内部结构越紧密均匀，SF与SA的相容性越好；交联改性后，SF/SA复合纤维吸湿性能和保湿性能得到提高，吸湿平衡时间提前。
2017, 34(11): 2580-2585.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170228.002
摘要:
在多孔β-Ca3（PO4）2（β-TCP）表面沉积含有淫羊藿苷（ICA）的丝蛋白（SF）层，制备可缓释ICA的SF-ICA/β-TCP骨修复复合材料，研究SF-ICA/β-TCP复合材料的相关性能。结果表明，SF-ICA/β-TCP复合材料中ICA的引入并未改变基体材料的微观形貌与孔隙率；体外释放实验表明，通过负载量的调控，可以实现SF-ICA/β-TCP复合材料中ICA的高浓度释放（2.80×10-4 mg/mL至7.00×10-4 mg/mL）和低浓度释放（5×10-6 mg/mL至1.0×10-5 mg/mL），累计释放量分别达到约5.2×10-3 mg和7.0×10-5 mg；细胞增殖实验与电镜观察表明，SF-ICA/β-TCP复合材料中ICA的负载对小鼠颅顶前骨细胞的增殖无显著性影响；但碱性磷酸酶活性检测实验表明，负载高含量ICA的SF-ICA/β-TCP复合材料中的细胞具有较高的碱性磷酸酶表达。所制备的负载ICA的SF-ICA/β-TCP复合材料在体内骨修复领域具有潜在的应用前景。
在多孔β-Ca3（PO4）2（β-TCP）表面沉积含有淫羊藿苷（ICA）的丝蛋白（SF）层，制备可缓释ICA的SF-ICA/β-TCP骨修复复合材料，研究SF-ICA/β-TCP复合材料的相关性能。结果表明，SF-ICA/β-TCP复合材料中ICA的引入并未改变基体材料的微观形貌与孔隙率；体外释放实验表明，通过负载量的调控，可以实现SF-ICA/β-TCP复合材料中ICA的高浓度释放（2.80×10-4 mg/mL至7.00×10-4 mg/mL）和低浓度释放（5×10-6 mg/mL至1.0×10-5 mg/mL），累计释放量分别达到约5.2×10-3 mg和7.0×10-5 mg；细胞增殖实验与电镜观察表明，SF-ICA/β-TCP复合材料中ICA的负载对小鼠颅顶前骨细胞的增殖无显著性影响；但碱性磷酸酶活性检测实验表明，负载高含量ICA的SF-ICA/β-TCP复合材料中的细胞具有较高的碱性磷酸酶表达。所制备的负载ICA的SF-ICA/β-TCP复合材料在体内骨修复领域具有潜在的应用前景。
2017, 34(11): 2586-2592.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170220.004
摘要:
通过水-乙醇和水-正丙醇两种不同的溶剂体系制备高分子量和不同氧化度的氧化海藻酸钠（OSA），然后引入聚丙烯酰胺（PAM）交联网络结构，通过二步法获得OSA/PAM复合水凝胶。探讨了不同反应体系下，HCl体积分数对OSA分子量的影响以及氧化剂（高碘酸钠NaIO4）添加量、反应时间对OSA氧化度的影响规律。结果表明：在水-正丙醇体系下，HCl体积分数为24vol%时，氧化海藻酸钠的分子量达到170 000；调节NaIO4的添加量和反应时间可以控制OSA的氧化度在10%~85%范围内变化。在此基础上对OSA/PAM复合水凝胶的溶胀率和力学性能进行了探讨，发现氧化度10%的复合水凝胶48 h后的溶胀率达1 777%，断裂强度为0.11 MPa，随着OSA氧化度的增大，OSA/PAM复合水凝胶的溶胀率增大，而拉伸强度逐渐减小。
通过水-乙醇和水-正丙醇两种不同的溶剂体系制备高分子量和不同氧化度的氧化海藻酸钠（OSA），然后引入聚丙烯酰胺（PAM）交联网络结构，通过二步法获得OSA/PAM复合水凝胶。探讨了不同反应体系下，HCl体积分数对OSA分子量的影响以及氧化剂（高碘酸钠NaIO4）添加量、反应时间对OSA氧化度的影响规律。结果表明：在水-正丙醇体系下，HCl体积分数为24vol%时，氧化海藻酸钠的分子量达到170 000；调节NaIO4的添加量和反应时间可以控制OSA的氧化度在10%~85%范围内变化。在此基础上对OSA/PAM复合水凝胶的溶胀率和力学性能进行了探讨，发现氧化度10%的复合水凝胶48 h后的溶胀率达1 777%，断裂强度为0.11 MPa，随着OSA氧化度的增大，OSA/PAM复合水凝胶的溶胀率增大，而拉伸强度逐渐减小。
2017, 34(11): 2593-2597.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170222.005
摘要:
为了制备具有磁热效应的多相杂化纳米复合材料，以可溶性钙盐和磷酸盐作为纳米羟基磷灰石（nHAP）的前驱体、可溶性铁盐和亚铁盐作为纳米Fe3O4的前驱体，并结合壳聚糖（CS）和胶原（Col）两种有机基体的优越特性，通过原位复合和冷冻干燥技术，制备了纳米Fe3O4-CS-Col-nHAP复合支架材料。通过FTIR、XRD、SEM、物理性能测试仪（PPMS）等方法对复合支架的组成、结构、形貌和磁性等方面进行表征。结果表明：纳米Fe3O4-CS-Col-nHAP复合支架具有多级孔径结构，孔径尺寸约为100~150 μm，孔隙率约为95%；低结晶度的nHAP晶体和纳米Fe3O4颗粒均匀分布在有机基体上；通过原位复合技术制备的纳米Fe3O4具有超顺磁性，随着磁性粒子含量的不断增加，磁饱和强度不断增强，饱和磁化强度为0.025 emu/g。通过原位复合和冷冻干燥技术制备的多相杂化的纳米Fe3O4-CS-Col-nHAP复合材料具有良好的磁热效应，有望在骨修复组织工程中得到广泛应用。
为了制备具有磁热效应的多相杂化纳米复合材料，以可溶性钙盐和磷酸盐作为纳米羟基磷灰石（nHAP）的前驱体、可溶性铁盐和亚铁盐作为纳米Fe3O4的前驱体，并结合壳聚糖（CS）和胶原（Col）两种有机基体的优越特性，通过原位复合和冷冻干燥技术，制备了纳米Fe3O4-CS-Col-nHAP复合支架材料。通过FTIR、XRD、SEM、物理性能测试仪（PPMS）等方法对复合支架的组成、结构、形貌和磁性等方面进行表征。结果表明：纳米Fe3O4-CS-Col-nHAP复合支架具有多级孔径结构，孔径尺寸约为100~150 μm，孔隙率约为95%；低结晶度的nHAP晶体和纳米Fe3O4颗粒均匀分布在有机基体上；通过原位复合技术制备的纳米Fe3O4具有超顺磁性，随着磁性粒子含量的不断增加，磁饱和强度不断增强，饱和磁化强度为0.025 emu/g。通过原位复合和冷冻干燥技术制备的多相杂化的纳米Fe3O4-CS-Col-nHAP复合材料具有良好的磁热效应，有望在骨修复组织工程中得到广泛应用。
2017, 34(11): 2598-2604.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170303.001
摘要:
通过销盘试验分析氧化石墨烯（GO）、聚乙二醇（PEG）和不同比例的GO/PEG复合材料的摩擦学性能，考察GO增强PEG在人工关节材料UHMWPE-CoCrMo配副上的润滑效果，并利用FTIR、XRD、拉曼光谱等研究了GO/PEG复合材料的结构和性能。结果表明：混合比例为0.85wt% GO与40wt% PEG的GO/PEG复合材料在4.2 MPa加载载荷、0.024 m/s的滑动速度条件下，平均摩擦系数为0.015，具有良好的润滑效果；GO均匀地分散在PEG溶液中，组分间较强的界面相互作用协同增强了GO/PEG复合材料的润滑性能。
通过销盘试验分析氧化石墨烯（GO）、聚乙二醇（PEG）和不同比例的GO/PEG复合材料的摩擦学性能，考察GO增强PEG在人工关节材料UHMWPE-CoCrMo配副上的润滑效果，并利用FTIR、XRD、拉曼光谱等研究了GO/PEG复合材料的结构和性能。结果表明：混合比例为0.85wt% GO与40wt% PEG的GO/PEG复合材料在4.2 MPa加载载荷、0.024 m/s的滑动速度条件下，平均摩擦系数为0.015，具有良好的润滑效果；GO均匀地分散在PEG溶液中，组分间较强的界面相互作用协同增强了GO/PEG复合材料的润滑性能。
2017, 34(11): 2605-2613.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170327.001
摘要:
以碱激发偏高岭土-矿渣作为胶凝材料、花岗岩为骨料制备地聚物混凝土，通过扫描电镜SEM-EDS及显微硬度分析研究地聚物与骨料的界面粘结区的微观结构、分布，以及液固比和骨料尺寸对地聚物-骨料界面的影响。研究结果表明，在地聚物与骨料的界面区域存在界面过渡区（ITZ），包含了以N-A-S-H凝胶为主的固相和收缩裂缝，化学组分与地聚物凝胶有较大不同。界面过渡区沿骨料周围不同位置表现出明显的分布不均匀特性，骨料下缘处的界面过渡区的微观结构和硬度都显著更差。随着液固比及骨料半径的增大，其分布的不均匀性增加：骨料下界面ITZ中的裂缝宽度增大，N-A-S-H凝胶厚度减小且强度降低；但配比及骨料尺寸对骨料上界面及侧界面的ITZ影响并不显著。骨料下界面ITZ应是偏高岭土-矿渣基地聚物混凝土的薄弱区域。
以碱激发偏高岭土-矿渣作为胶凝材料、花岗岩为骨料制备地聚物混凝土，通过扫描电镜SEM-EDS及显微硬度分析研究地聚物与骨料的界面粘结区的微观结构、分布，以及液固比和骨料尺寸对地聚物-骨料界面的影响。研究结果表明，在地聚物与骨料的界面区域存在界面过渡区（ITZ），包含了以N-A-S-H凝胶为主的固相和收缩裂缝，化学组分与地聚物凝胶有较大不同。界面过渡区沿骨料周围不同位置表现出明显的分布不均匀特性，骨料下缘处的界面过渡区的微观结构和硬度都显著更差。随着液固比及骨料半径的增大，其分布的不均匀性增加：骨料下界面ITZ中的裂缝宽度增大，N-A-S-H凝胶厚度减小且强度降低；但配比及骨料尺寸对骨料上界面及侧界面的ITZ影响并不显著。骨料下界面ITZ应是偏高岭土-矿渣基地聚物混凝土的薄弱区域。
2017, 34(11): 2614-2623.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170301.001
摘要:
将廉价的微米级CaCO3晶须引入毫米级钢纤维与聚乙烯醇（PVA）纤维混杂纤维增强水泥基复合材料（HyFRCC），研究CaCO3晶须对HyFRCC薄板力学性能、破坏形态和尺寸效应的影响，并使用SEM观察HyFRCC微观形貌。试验结果显示，引入晶须后，HyFRCC薄板呈现出良好的弯曲性能及比梁式试件更优良的假性应变硬化和多缝开裂特征，且可以更有效地减小尺寸效应对抗弯强度的影响。微观形貌观察证实掺加晶须后，混杂纤维体系可以在不同尺度上发挥多层次阻裂作用。研究认为，由廉价的CaCO3晶须部分替代钢纤维和PVA纤维制备的HyFRCC呈现出对板式构件良好的适应性，实现了力学性能优化和经济性提高的双重目标。
将廉价的微米级CaCO3晶须引入毫米级钢纤维与聚乙烯醇（PVA）纤维混杂纤维增强水泥基复合材料（HyFRCC），研究CaCO3晶须对HyFRCC薄板力学性能、破坏形态和尺寸效应的影响，并使用SEM观察HyFRCC微观形貌。试验结果显示，引入晶须后，HyFRCC薄板呈现出良好的弯曲性能及比梁式试件更优良的假性应变硬化和多缝开裂特征，且可以更有效地减小尺寸效应对抗弯强度的影响。微观形貌观察证实掺加晶须后，混杂纤维体系可以在不同尺度上发挥多层次阻裂作用。研究认为，由廉价的CaCO3晶须部分替代钢纤维和PVA纤维制备的HyFRCC呈现出对板式构件良好的适应性，实现了力学性能优化和经济性提高的双重目标。
2017, 34(11): 2624-2630.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170309.001
摘要:
为了考察橡胶增加水泥基材料干燥收缩量的机制，以橡胶水泥砂浆作为研究对象，采用毛细管张力理论分析了造成水泥砂浆干燥收缩的因素。使用压汞试验研究橡胶/水泥砂浆的孔结构，并进行了弹性模量和干燥收缩试验。研究结果表明，橡胶掺入会降低水泥砂浆的弹性模量，增加其孔隙率和干燥收缩量，且相同掺量条件下，小粒径橡胶的作用效果更明显。基于试验数据，考虑橡胶掺入对砂浆弹性模量的折减系数KE和橡胶掺入对毛细孔（孔径<50 nm的孔隙）数量的增加系数Kh，拟合了橡胶对水泥砂浆干燥收缩的影响参数δmr。
为了考察橡胶增加水泥基材料干燥收缩量的机制，以橡胶水泥砂浆作为研究对象，采用毛细管张力理论分析了造成水泥砂浆干燥收缩的因素。使用压汞试验研究橡胶/水泥砂浆的孔结构，并进行了弹性模量和干燥收缩试验。研究结果表明，橡胶掺入会降低水泥砂浆的弹性模量，增加其孔隙率和干燥收缩量，且相同掺量条件下，小粒径橡胶的作用效果更明显。基于试验数据，考虑橡胶掺入对砂浆弹性模量的折减系数KE和橡胶掺入对毛细孔（孔径<50 nm的孔隙）数量的增加系数Kh，拟合了橡胶对水泥砂浆干燥收缩的影响参数δmr。
2017, 34(11): 2631-2641.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170301.003
摘要:
通过静态拉伸试验研究不同体积掺量的短切碳纤维、钢纤维、耐碱玻璃纤维及预应力对5层玄武岩织物增强水泥基复合材料（BTRC）拉伸性能的影响。试验结果表明：短切碳纤维、玻璃纤维可以提高基体和BTRC的开裂强度，且开裂强度随着碳纤维掺量的增加而增加；预应力使基体产生预压力，明显提高其开裂强度。短切纤维及预应力都显著提高BTRC的峰值荷载和韧性，但峰值应变基本不变；峰值荷载和韧性随着钢纤维掺量的增加而增加，体积分数为1.5vol%掺量时达到最大值；随着碳纤维掺量增加，峰值荷载和韧性先增加后减小，体积分数为1.0vol%掺量时最大。施加预应力且掺入短切碳纤维或钢纤维时，短切纤维增强的基体可以更好地承受张拉力释放后纤维束径向变形引起的环向应力，进一步提高了织物与基体界面的挤压作用力及摩擦力，从而增强效果最明显，峰值荷载分别增加50.4%和58.9%，韧性分别增加84.7%和79.5%。BTRC材料掺入短切玻璃纤维、钢纤维及施加预应力均可以增加其受力后的裂缝条数，减小裂缝间距和裂缝宽度。
通过静态拉伸试验研究不同体积掺量的短切碳纤维、钢纤维、耐碱玻璃纤维及预应力对5层玄武岩织物增强水泥基复合材料（BTRC）拉伸性能的影响。试验结果表明：短切碳纤维、玻璃纤维可以提高基体和BTRC的开裂强度，且开裂强度随着碳纤维掺量的增加而增加；预应力使基体产生预压力，明显提高其开裂强度。短切纤维及预应力都显著提高BTRC的峰值荷载和韧性，但峰值应变基本不变；峰值荷载和韧性随着钢纤维掺量的增加而增加，体积分数为1.5vol%掺量时达到最大值；随着碳纤维掺量增加，峰值荷载和韧性先增加后减小，体积分数为1.0vol%掺量时最大。施加预应力且掺入短切碳纤维或钢纤维时，短切纤维增强的基体可以更好地承受张拉力释放后纤维束径向变形引起的环向应力，进一步提高了织物与基体界面的挤压作用力及摩擦力，从而增强效果最明显，峰值荷载分别增加50.4%和58.9%，韧性分别增加84.7%和79.5%。BTRC材料掺入短切玻璃纤维、钢纤维及施加预应力均可以增加其受力后的裂缝条数，减小裂缝间距和裂缝宽度。
