留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

2021年  第38卷  第7期

封面
综述
碳纤维增强镁基复合材料制备技术与新进展
杨程, 齐乐华, 周计明, 王建成
2021, 38(7): 1985-2000. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210301.004
摘要:
碳纤维增强镁基(Cf/Mg)复合材料以其高比强度、高比刚度、接近于零的热膨胀系数及良好尺寸稳定性等独特优势,在航空、航天、车辆等领域具有广阔的应用前景。本文综述了可用于制备Cf/Mg复合材料的粉末冶金、扩散黏结、挤压铸造等方法的工艺原理和特点、国内外发展现状及面临的关键技术问题。在此基础上,梳理了近年来Cf/Mg复合材料制备技术取得的新进展,并介绍了对国防和国民经济领域产生显著推动作用和具有潜在应用前景的工程应用案例,分析了Cf/Mg复合材料所面临的挑战,对未来发展方向进行了展望。
纳米填料增强硝酸盐复合材料传储热性能的研究进展
吴晨光, 李蓓
2021, 38(7): 2001-2009. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201218.001
摘要:
硝酸盐凭借成本低、工作温度范围广等优点作为储热介质被广泛应用于聚光太阳能热发电系统。向硝酸盐中掺入纳米填料会使其传储热性能显著提高,可有效提高太阳能光热发电系统的发电效率。本文介绍了常见硝酸盐基纳米复合材料组分及制备方法,分析了纳米填料掺杂浓度和尺寸对硝酸盐纳米复合材料传储热性能的影响及其增强机制,最后指明硝酸盐纳米复合材料未来的研究方向。
MXene基水凝胶复合材料的研究进展
朱韵伊, 彭伟, 林泽慧, 林武鋆, 彭鸣, 谭勇文
2021, 38(7): 2010-2024. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210302.004
摘要:
MXenes是一类新型二维纳米片,随着MXenes材料的迅速发展,近年来,兴起了一种新型材料,即MXene基水凝胶复合材料,其在生物医学、能源、电磁干扰屏蔽、传感器等方面均具有广泛的应用前景。但目前MXene基水凝胶复合材料的制备和应用仍处于起步阶段。本文主要回顾MXene基水凝胶复合材料的最新进展,详细梳理MXene基水凝胶复合材料的制备方法,并重点介绍其潜在应用前景。最后,针对MXene基水凝胶复合材料领域中所面临的机遇和挑战进行展望。
基于离子选择性迁移策略的动力/储能电池隔膜的研究进展
曹连胜, 赵超, 金欣, 王闻宇
2021, 38(7): 2025-2037. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210114.002
摘要:
随着锂离子电池等新能源电池在动力/储能领域的不断发展,传统商业聚烯烃隔膜由于润湿性与离子选择性差、孔隙率低等缺点已不能满足高性能锂电池的发展需要。近年来学者针对提升隔膜离子导电性能方面做了大量研究,然而锂电池充放电过程中通常只有阳离子传输参与氧化还原反应,二元电解质中锂离子通常被溶剂分子包围形成较大的溶剂鞘导致阴离子的移动能力反而强于锂离子,电池内部低的阳离子传输效率导致电池出现浓差极化、锂枝晶等问题,限制电池在高倍率下的应用,因此设计抑制阴离子穿梭促进阳离子快速迁移的新型电池隔膜在提升电池综合性能方面具有优异的发展前景。本文从近期的研究热点出发,主要从基团功能化设计、路易斯酸的俘获效应、空间筛分等策略详细介绍基于提升阳离子迁移能力的新型隔膜在电池领域的发展,最后总结指出电池隔膜领域存在的挑战和未来的发展方向。
本征导热高分子材料研究进展
周文英, 王蕴, 曹国政, 曹丹, 李婷, 张祥林
2021, 38(7): 2038-2055. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210312.001
摘要:
导热高分子复合材料因轻质、设计自由度大及易加工等优势获得了广泛的工业应用,但也面临着热导率k与介电强度Eb之间无法协同提高的严峻问题,严重影响和限制了其在高压电力绝缘设备领域的工业应用。而基于提高无序结构聚合物的结构有序性而获得本征导热高分子(ITCP)的策略,不但同步提高Ebk,还保留了其自身卓越的综合性能。本文讨论了本征聚合物的导热机制,系统分析了本征k的影响因素,综述了两类不同结构ITCP的研究进展,探讨了聚合物微结构、取向、氢键作用、液晶基元及固化剂、加工方式等因素对本征k的影响机制,阐述了提高聚合物有序结构及本征k的途径。最后总结了当前ITCP研究中存在的问题及未来研究方向,综合性能优异的ITCP在高密度封装微电子、高电压及大功率电力设备等领域具有重要用途,代表了导热高分子的未来发展方向。
有机-无机复合气凝胶的制备及其阻燃性能研究进展
罗伟, 王林生, 陈裕欣, 杨宏宇
2021, 38(7): 2056-2069. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210324.002
摘要:
以有机高分子材料为基体,复合无机填料制备的气凝胶复合材料具有超轻、绝热、阻燃等优异特性,可广泛应用在建筑节能保温、电子工业、航空航天等领域。本文报道了有机-无机气凝胶复合材料的制备工艺过程和方法,对比了现有气凝胶材料制备方法的优缺点,并综述了当前研究热点的几种常见气凝胶复合材料:聚乙烯醇类、纤维素类、海藻酸盐类、果胶类有机相复合无机组份气凝胶材料的研究进展。总结了气凝胶复合材料的未来发展方向:亟需在气凝胶材料的机械性能优化方面做出改进,还需提高气凝胶复合材料耐水性能,研究无机填料对不同基体气凝胶阻燃等性能的影响规律,拓展生物质可降解高分子基气凝胶复合材料的种类,实现气凝胶材料的工业化应用。
Ti-Ni基记忆合金复合材料的研究进展
冯欣欣, 衣晓洋, 王海振, 孟祥龙
2021, 38(7): 2070-2077. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210312.007
摘要:
Ti-Ni形状记忆合金因具有优异的形状记忆效应和超弹性及良好的耐腐蚀性、生物兼容性等诸多优点,被广泛应用于航空航天、机械、电子、生物医用等领域。Ti-Ni基复合材料中Ti-Ni基体和增强相之间的交互作用可使其集优异力学性能、功能特性于一体。本文主要阐述了近几年采用不同方法制备的Ti-Ni形状记忆合金复合材料的最新研究进展,包括微观组织结构的演化规律、马氏体相变行为及力学性能和应变恢复特性。另外,对当前Ti-Ni形状记忆合金复合材料的制备技术存在的问题及未来的发展方向进行了分析和展望。
二维MXene膜的构筑及在水处理应用中的研究进展
曾广勇, 王彬, 张俊, 林清泉, 冯振华
2021, 38(7): 2078-2091. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210330.001
摘要:
MXene是一类新型的过渡金属碳/氮化物二维层状材料,通过选择性刻蚀掉MAX相中的A原子层制备而成。由于MXene具有特殊的微观结构和优异的理化性质,可用于高性能膜分离材料的构筑,并逐渐在废水处理和海水淡化等领域展现出良好的应用前景。但MXene在实际水处理过程中还存在不小的局限性。如MXene膜在水溶液中易发生溶胀现象,膜抗污染能力弱,分离机制也尚未有统一定论。本文归纳了近年来MXene纳米片、二维MXene膜材料的制备方法,例举了MXene膜的改性路径及其在水处理应用领域的最新报道,提出了MXene膜对水中污染物的分离机制,并对其当前急需解决的问题和未来的发展方向做出展望,为基于MXene高性能膜材料的设计和应用提供参考。
体外预应力纤维增强树脂基复合材料筋混凝土结构研究进展
史健喆
2021, 38(7): 2092-2106. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210327.001
摘要:
本文从纤维增强树脂基复合材料(FRP)筋、关键技术和构件三个主要方面综述了体外预应力FRP筋混凝土结构的研究成果。首先,介绍了预应力FRP筋拉伸性能和长期性能,给出了面向设计的FRP筋蠕变断裂应力值、松弛率及疲劳最大应力和应力幅限值。阐述了预应力FRP筋三种主要锚固技术的优缺点和减小锚固端应力集中的方法,重点介绍了近年来新开发的复合材料夹片锚具,其锚固效率系数高于90%;同时,基于转向FRP筋力学性能试验结果,建议转向半径不宜小于FRP筋半径的200倍,转向角度不宜大于5°。梳理了体外预应力FRP筋混凝土构件的试验研究结果(单调加载、长期持荷和循环加载),介绍了国内外规范中的设计方法,并基于既有文献中42根梁的试验结果评价了规范中计算方法的精度,验证了我国规范GB 50608—2020中体外预应力FRP筋混凝土结构设计计算方法的准确性。本综述将对体外预应力FRP筋混凝土结构的推广应用起积极推动作用。
高储能陶瓷/聚偏氟乙烯复合电介质的研究进展
张慧, 衡婷婷, 房正刚, 胡欣, 方亮, 陆春华
2021, 38(7): 2107-2122. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201030.002
摘要:
介电电容器作为间歇产生的可持续能源的高效存储转换设备,在新能源领域发挥着不可替代的作用。而电介质电容器的核心是具有高储能密度的电介质材料。聚合物电介质材料由于具有击穿场强高、放电速度快、能长时间使用并可自修复等特点,成为高性能电容器的潜力候选材料,但聚合物本身较低的介电常数限制了其储能密度。通过将具有高介电常数的陶瓷填料与聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物复合,制备新型陶瓷/PVDF复合电介质,在提高电介质材料的介电性能和储能密度方面取得了重要进展。本文介绍了电介质材料的基本原理,综述了不同类型的陶瓷/PVDF复合电介质的结构、储能机制及介电储能性能,并对其未来发展趋势进行了展望。
树脂基复合材料
有机支架结构对丁苯橡胶/乙烯-醋酸乙烯共聚物复合发泡材料性能的影响
姬占有, 马建中, 王慧迪, 马忠雷, 邵亮
2021, 38(7): 2123-2131. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200928.001
摘要:
为提高橡胶发泡材料尺寸稳定性及实现其广泛的工业化应用,基于硫磺和过氧化二异丙苯的交联体系,通过机械共混的方式,以具有结晶性的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)构筑有机支架结构,制备了高尺寸稳定性的丁苯橡胶(SBR)/EVA复合发泡材料。研究了不同醋酸乙烯(VA)含量的EVA对SBR/EVA复合材料结晶性、相容性、泡孔形貌、尺寸稳定性和力学性能的影响规律,并探明了EVA结晶区作为有机支架结构的抗收缩机制。结果表明:不同VA含量EVA的SBR/EVA复合材料都具有良好的发泡行为。高结晶度的EVA (VA含量为18%)使SBR/EVA复合发泡材料的收缩率减小至4.7%,硬度和压缩强度(60%)分别增加到70 Shore C和22 MPa。
原位聚合法制备纳米核-壳型PS-CHO@RGO复合微球及其催化活化过硫酸氢钾降解亚甲基蓝
倪镜博, 刘如一, 张明, 严长浩
2021, 38(7): 2132-2139. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200928.003
摘要:
还原氧化石墨烯(RGO)具有比表面积大、电子传输效率高、吸附速率快等优点,在处理油污、重金属离子、有机染料等领域均有应用,但由于自团聚而造成的分散性差等问题限制了其进一步应用。采用原位聚合法制备纳米核-壳型聚苯乙烯醛基微球(PS-CHO)@RGO复合微球。利用TEM、Raman、XRD、XPS及绝缘电阻测试仪对PS-CHO@RGO复合微球的形貌及理化性能进行表征。以亚甲基蓝(MB)为目标污染物,探究了PS-CHO@RGO复合微球在少量过硫酸氢钾(PMPS)存在下的氧化活性,并提出了降解机制。结果表明,RGO片层均匀包覆于PS-CHO微球表面,有效改善了分散性。制备所得PS-CHO@RGO复合微球的渗透阈值低,导电网络完善。降解实验中,PS-CHO@RGO复合微球可以激发PMPS生成硫酸根自由基(SO4•),MB的氧化降解率显著提高,60 min内可达98%以上。PS-CHO@RGO复合微球同时表现出良好的稳定性,通过高速离心的方式实现循环利用。
海藻酸钠/聚乙烯亚胺凝胶球的合成及对Cr(Ⅵ)的吸附性能和机制
郭成, 郝军杰, 李明阳, 龙红明, 高翔鹏
2021, 38(7): 2140-2151. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201015.003
摘要:
海藻酸钠(SA)是一种生物质材料,具有来源广泛、价格低廉的特性,被众多科研人员用于实验室研究,制备成吸附剂去除水溶液中的金属离子。但目前制备的大多数SA基吸附材料是实心水凝胶状,具有比表面积较低、吸附速率慢、吸附容量小的缺点。本研究以SA为基体,向其中添加碳酸钙和聚乙烯亚胺(PEI),以戊二醛为交联剂,经冷冻干燥后制备出多孔的SA/PEI凝胶球,探究其对水溶液中Cr(Ⅵ)的吸附特性。通过改变实验条件,研究pH值、Cr(Ⅵ)初始浓度、吸附温度、吸附时间等对SA/PEI凝胶球吸附性能的影响;引入吸附动力学和热力学模型对吸附过程进行分析;采用FTIR、Zeta电位、SEM、XPS对SA/PEI凝胶球合成及吸附Cr(Ⅵ)机制进行综合分析。结果表明,SA/PEI凝胶球对Cr(Ⅵ)的去除率与初始浓度呈负相关;该吸附过程符合拟二级动力学和Langmuir等温吸附模型,且该吸附反应是自发的吸热过程,在温度为318.15 K、pH值为2时,Langmuir等温吸附拟合所得最大吸附量为262.83 mg/g。SA/PEI凝胶球对Cr(Ⅵ)的吸附机制主要为静电作用导致的物理吸附。
基于可膨胀微球/聚二甲基硅氧烷复合介电层的柔性电容式压力传感器
李瑞青, 李思明, 陈天骄, 肖学良
2021, 38(7): 2152-2161. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201110.005
摘要:
为解决含有微结构的柔性电容式压力传感器工作范围较窄的问题,设计了一种基于可膨胀微球/聚二甲基硅氧烷(PDMS)介电层的柔性“三明治”结构电容式压力传感器,并对介电层的结构和形貌进行表征。通过自行搭建的压力设备和电容采集设备研究了基于可膨胀微球/PDMS介电层传感器的力学性能和电学性能。结果表明:通过向PDMS介电层中加入可膨胀微球显著降低了介电层的杨氏模量,同时提高了压力下介电层的介电常数,可膨胀微球/PDMS介电层传感器的工作范围可达400 kPa,最大灵敏度达到0.06 kPa−1,在100 kPa的负载循环下具有较好的重复性和稳定性,且具有较低的迟滞性(4.7%),可以准确迅速地检测到指尖压力,在生命健康等领域具有潜在的应用前景。
基于表面改性的国产T800碳纤维/高韧性环氧树脂复合材料胶接性能
翟全胜, 苗春卉, 崔海超, 张晨乾, 叶宏军
2021, 38(7): 2162-2171. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201016.002
摘要:
本文通过打磨、喷砂、等离子处理方法对国产T800碳纤维/高韧性环氧树脂复合材料的待胶接面进行改性,分别制备了J-116B胶膜和J-375胶膜的浮辊剥离性能及拉伸剪切性能试验件。测试了不同处理条件下J-116B胶膜和J-375胶膜的剥离和剪切性能。采用SEM对老化前后、未经刻蚀和刻蚀后的剥离试样形貌进行观察。采用接触角测试仪测试了不同表面处理方法对国产T800碳纤维/高韧性环氧树脂复合材料胶接面润湿性的影响,并采用XPS光电子能谱分析仪对等离子处理前后的国产T800碳纤维/高韧性环氧树脂复合材料胶接面表面理化性能进行研究。结果表明:尽管J-375胶膜的室温剥离性能不如J-116B胶膜,但J-375胶膜具有更好的湿热老化性能。等离子处理后的国产T800碳纤维/高韧性环氧树脂复合材料的破坏模式由黏附破坏为主转变为内聚破坏为主,因此使两种胶膜的拉剪和剥离性能均有明显提高。这是由于等离子体处理能够重组复合材料表面的分子链,在胶接表面形成新的活性基团。
MT300/KH420碳纤维/聚酰亚胺树脂复合材料层合圆柱壳高温承载性能
高艺航, 王世勋, 石玉红, 雷勇军, 张大鹏
2021, 38(7): 2172-2183. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201017.001
摘要:
基于Donnell-Mushtali近似理论及热弹性理论,考虑结构热变形和材料高温性能衰减等温度影响因素,对MT300/KH420碳纤维/聚酰亚胺树脂复合材料圆柱壳在常温、420℃及周向210~420℃不均匀温度场等热载工况下的承载性能进行了理论分析。并引入一阶屈曲模态缺陷作为几何初始扰动,利用ABAQUS,采用非线性显式动力学方法完成对MT300/KH420复合材料圆柱壳在以上热载工况下的轴压稳定性有限元仿真计算,计算结果与理论分析较为一致。设计并开展MT300/KH420复合材料圆柱壳力-热载荷联合轴压试验,获得圆柱壳在以上热载工况下的破坏载荷和破坏模式。研究表明:高温工况下,力学性能衰减和温场不均匀引起的结构热变形是影响MT300/KH420复合材料圆柱壳轴向失稳载荷的主要因素。
TG800碳纤维/聚酰亚胺树脂复合材料带翻边开口圆柱壳机匣件高温气动载荷下的承载性能
杨峰, 陈玉龙, 罗旺, 史剑, 贾林江, 陈子光
2021, 38(7): 2184-2195. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210326.001
摘要:
基于航空发动机的高温气动载荷环境,对树脂传递模塑(RTM)工艺制备的TG800碳纤维/聚酰亚胺树脂复合材料带安装翻边和壳壁开口的圆柱壳机匣件开展了常温、200℃和260℃高温气动载荷下的仿真分析和承载性能试验。仿真计算得到复合材料机匣件的高应力水平发生在安装翻边和开口处。试验利用所设计的专用试验装置与机匣试验件合围成一套能够解耦内压和轴力的被试腔体结构,通过对被试腔体施加高温气体压力和机械静载联合模拟热气流载荷,相比传统的冲压胶囊加压方式,可以对机匣的翻边和开口处进行充分热压考核。常温、200℃和260℃承载试验后对机匣开口进行了无损检测,得到开口处的分层损伤区域随着载荷增大朝着正方和正圆的趋势扩大,260℃破坏试验得到TG800碳纤维/聚酰亚胺树脂复合材料机匣件的失效模式与传统金属机匣的筒体破裂不同,失效方式为安装翻边断裂。研究表明,RTM工艺TG800碳纤维/聚酰亚胺树脂复合材料结构件的力学性能在200℃以内具备良好的温度稳定性,安装翻边为复合材料机匣件在航空发动机热气流载荷下的薄弱区域,应作为机匣件减重设计的重要优化部位。
注塑成型纤维增强热塑性树脂复合材料刚度预测方法
黄达勇, 赵先琼
2021, 38(7): 2196-2206. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200811.001
摘要:
基于Hsueh模型的应力场分布,采用代表性体积单元(RVE)平均近似方法,推导出可以退化成Halpin-Tsai模型的泊松比ν12的显性表达式,与桥联模型基本重合。结合Fu模型和Giner模型,引入与纤维长径比(l/a)相关的指数衰减函数得到横向模量E22修正的Halpin-Tsai模型,与自洽模型重合。基于泊松比各向同性假设而推导出的泊松比ν23与有限元结果逼近,远优于Halpin-Tsai模型;基于逆向工程,修正了被Halpin-Tsai模型低估的剪切模量G23。基于经典的层合板分析方法(LAA),引入纤维长度分布(FLD)及纤维取向广义分布函数,对两种注塑成型短玻璃纤维增强热塑性树脂(FRT)复合材料的弹性常数进行预测。结果表明:4个微观力学组合模型均很好地预测了复合材料的弹性常数,但纤维长度质量分布的预测结果比纤维长度数量分布的结果更为合理,特别是对于纵向杨氏模量EL的改进效果大于5%。
考虑刀具磨损影响的CFRP复合材料钻削轴向力预测
陈逸佳, 陈燕, 晏超仁, 范文涛, 谢松峰
2021, 38(7): 2207-2217. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201111.003
摘要:
在碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料钻削过程中,随着刀具磨损量的累积,轴向力会逐渐增加,轴向力过大会导致CFRP复合材料一系列的加工缺陷。为实现在CFRP复合材料钻削过程中随刀具磨损量的累积轴向力变化的有限元分析及预测,建立了CFRP复合材料钻削仿真模型,通过对ABAQUS仿真软件二次开发,利用Python语言开发子程序,将考虑磨损量累积的轴向力预测模型导入仿真软件,运用ABAQUS软件对CFRP复合材料钻削中轴向力进行研究,实现了随着刀具磨损量累积轴向力变化的预测功能。随后通过CFRP复合材料钻削试验,分析了轴向力随钻削孔数的变化规律,以验证轴向力的预测结果。结果表明:3D钻削有限元模型能够良好地预测实际加工过程中刀具未磨损时轴向力的大小,其误差为9.10%;在考虑磨损量累积后,轴向力预测模型能够较准确地预测实际加工过程轴向力的大小,其最大误差不超过10%。
木粉/低熔点尼龙6复合材料的非等温结晶动力学
许世华, 房轶群, 王清文
2021, 38(7): 2218-2223. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200902.002
摘要:
利用LiCl改性尼龙6 (PA6),并将其与木粉熔融共混制备了木粉/低熔点PA6复合材料,通过DSC法研究了木粉/低熔点PA6复合材料的非等温结晶动力学行为。结果表明,LiCl降低了PA6的熔点、结晶温度、结晶度和结晶速率,提高了PA6的结晶活化能。木粉是良好的成核剂,能够加快PA6的结晶速率,但却降低了其结晶度。通过Mo法分析木粉/低熔点PA6复合材料的非等温结晶动力学,结果表明,与纯PA6和木粉/PA6复合材料相比,低熔点PA6的F(T)值(表征聚合物结晶快慢参数)最大,LiCl提高了PA6在单位结晶时间内达到一定结晶度时所需的冷却速率,而木粉则与之相反。
湿热环境对CFRP复合材料-铝合金螺栓连接结构静力失效的影响
张娇蕊, 山美娟, 黄伟, 赵丽滨
2021, 38(7): 2224-2233. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200927.002
摘要:
湿热环境对碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料-铝合金螺栓连接结构失效的显著影响给整体结构带来了安全隐患。为准确评估湿热环境对混合螺栓连接静力失效的影响,基于复合材料渐进损伤模型及金属韧性断裂准则,建立了考虑湿热效应的复合材料-金属螺栓连接静力失效预测模型。采用该模型预测了CFRP复合材料-铝合金单钉双剪连接结构在23℃干态、70℃平衡吸湿状态下的静强度和失效模式,与试验结果吻合良好,验证了模型的有效性。在此基础上,进一步揭示了不同湿热工况对CFRP复合材料-铝合金单钉双剪、多钉双剪连接结构静力拉伸失效的影响规律。结果表明:相比于23℃干态条件,23℃平衡吸湿条件、70℃干态条件和70℃平衡吸湿条件下CFRP复合材料-铝合金单钉双剪连接结构的失效载荷分别下降了4.5%、7.2%和13.9%;高温是导致湿热环境中CFRP复合材料层板损伤区域增大的主要因素;随着螺栓数目的增加,70℃平衡吸湿状态时连接结构静强度相比于23℃干态的下降幅度逐渐降低。
金属和陶瓷基复合材料
热轧高含量B4C颗粒增强Al基复合材料的成形性能
杨涛, 刘润爱, 王文先, 连俊杰, 郑凡林, 陈洪胜
2021, 38(7): 2234-2243. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200910.001
摘要:
高含量B4C (B4C≥30wt%)颗粒增强Al基(B4CP/Al)复合材料具有优异的结构和功能特性,尤其是具有优异的中子吸收性能,在核防护领域被用做屏蔽材料使用。但由于高含量B4C颗粒的加入,使B4CP/Al复合材料变形困难。采用ABAQUS数值模拟方法对不同变形量下B4CP/Al复合材料的热轧过程进行数值模拟分析,在480℃温度下对热压烧结的B4CP/Al复合材料坯料进行轧制,并对其微观组织和力学性能进行分析。数值模拟结果表明,热轧变形量达到60%以上时,B4CP/Al复合材料板材表面中间区域应力较小,侧面应力较大,在板材边缘容易产生残余应力。研究结果表明,随轧制下压量的增加,B4CP/Al复合材料中B4C颗粒分布明显均匀,位错密度增加。当轧制变形量达到70%时,B4CP/Al复合材料的屈服强度提高至249.46 MPa,极限抗拉强度提高至299.56 MPa。在拉伸过程中,B4C颗粒优先断裂,但并未与基体界面脱黏,B4C颗粒承受了主要载荷,Al基体发生塑性流动,从而提高了B4CP/Al复合材料的强度。
碳纳米管复合亚麻纤维柔性传感材料的制备
苟巧林, 李燕, 李宏章, 杨娅, 迭恺, 姜大伟, 孙才英
2021, 38(7): 2244-2253. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201020.001
摘要:
导电的碳纳米管(CNTs)与不导电的亚麻纤维(CEL)相结合,可以得到柔性导电复合材料。拉伸或弯曲该材料对其导电性能影响很大。根据电阻变化率(ΔR/R0)可以敏锐地检测到材料形状的变化,因此CNTs/CEL复合材料适用于柔性传感器。用NaOH/尿素水体系处理亚麻纤维,得到CEL浆,再与不同浓度的CNTs悬浊液混合、抽滤、干燥,制得了CNTs/CEL复合材料。用XRD、FTIR和SEM分析了CNTs/CEL复合材料的结构形态。将CNTs/CEL复合材料制成形变传感器,用拉伸导电性能测试了拉伸对传感器导电性能的影响;将传感器应用到手指关节上,用电阻变化监测了手指弯曲时传感器的形变敏感性。结果发现,随着拉伸应变的增加,CNTs/CEL传感器的电阻变化率ΔR/R0逐渐增大,50%应变下,ΔR/R0达到980以上,能灵敏地感知到形状的变化;随着手指关节弯曲程度的增加,CNTs/CEL传感器电阻随之增大,手指最大程度弯曲时,CNTs/CEL传感器电阻可以达到12000 Ω以上,而且重复性良好。
石墨烯桥联的ZnO/Ag3PO4复合材料的制备及其对环丙沙星的降解性能
杜春艳, 宋佳豪, 谭诗杨, 阳露, 张卓, 余关龙
2021, 38(7): 2254-2264. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200909.001
摘要:
采用沉淀沉积法制备了石墨烯桥联的ZnO/Ag3PO4复合光催化材料,具有优异的可见光催化性能,通过XRD、XPS、SEM、EDS、BET、FTIR、UV-Vis DRS、PL及ESR等表征手段对其晶体结构、形貌、光学性质等进行了表征及分析,并研究了不同氧化石墨烯比例的GO-ZnO/Ag3PO4复合材料对模拟抗生素废水环丙沙星(CIP)的光催化降解性能。由于GO及ZnO的引入,不仅增强了GO-ZnO/Ag3PO4对可见光吸收,且拥有了更高的电子-空穴对的分离效率。当GO与Ag3PO4的质量比为1%时,GO-ZnO/Ag3PO4显示出最佳的光催化活性,60 min可见光照后对CIP降解率可达85.3%。捕获实验表明,超氧自由基(·O2)是反应过程中的主要活性物质,ZnO与Ag3PO4之间形成了异质结,符合Z型电子转移机制,GO的引入进一步提高了电子的快速转移,并使Z型体系更加稳定。经过6次光催化循环,降解率依然保持在70%以上,表明GO-ZnO/Ag3PO4复合材料具有优异的稳定性。
非晶态硼化钴合金-还原石墨烯/棉织物柔性电极复合材料的制备与性能
王薇, 李涛, 陶璐璐, 王梦
2021, 38(7): 2265-2273. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201014.001
摘要:
本文采用浸渍-干燥法和化学还原法在常温常压条件下制备了非晶态硼化钴合金-还原石墨烯(CoB-RGO)/棉织物柔性复合电极。研究了不同Co2+浓度对CoB-RGO/棉织物复合电极结构形貌及电化学性能的影响。结果表明,Co2+浓度为0.14 mol/L时非晶态CoB呈相互交错开放型3D片状结构。与非晶态CoB/织物和RGO/织物复合电极相比,非晶态CoB-RGO/棉织物复合电极表现出更为理想的电化学性能。当电流密度为0.25 mA/cm2, 非晶态CoB-RGO/棉织物复合电极的比电容为218.8 F/g。此外,非晶态CoB-RGO/棉织物复合电极的电化学性能受折叠次数和折叠角度的影响较小,表明其具有良好的柔韧性。
Au-Pt纳米颗粒/石墨烯-纤维素微纤维复合电极的制备与电化学性能
黄翠萍, 黎杉珊, 漆天乐, 钟婷婷, 陈栎颖, 张志清, 申光辉
2021, 38(7): 2274-2283. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200928.005
摘要:
石墨烯和金属纳米是优异的导电纳米材料,为构建具有高效活性表面积的电化学传感界面,以玻碳电极作为导电基底,采用滴涂法结合一步电沉积成功制备了Au-Pt纳米颗粒/还原氧化石墨烯-纤维素微纤维(Au-Pt NPs/RGO-CMF)复合材料。SEM、原子力显微镜(AFM)、EDS和拉曼光谱分析表明,Au-Pt纳米颗粒均匀分布在RGO-CMF的薄层上,同时实现了氧化石墨烯(GO)还原为RGO。以铁氰化钾作为氧化还原探针对界面的电化学性质进行研究,在优化的实验条件下(循环伏安法电沉积:电位为−1.2~0 V,周期为20,电解质pH值为6,滴涂GO-CMF体积为8 μL),得到Au-Pt NPs/RGO-CMF复合材料的高效活性表面积(3.54 cm2)远远优于裸玻碳电极(1.52 cm2)。表明构建界面具有高的电催化活性,为传感器的进一步应用提供理论支持。
N型Ag2Te@PEDOT:PSS复合材料薄膜的制备与热电性能
宋海军, 汤成莉, 张礼兵, 孙权
2021, 38(7): 2284-2294. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210312.003
摘要:
利用一步热还原法制备了聚3, 4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸包覆的Te纳米线(Te@PEDOT:PSS)复合膜,然后将其浸入不同浓度的AgNO3溶液中,通过Ag+与Te的反应使Te向Ag2Te转变,从而使热电材料由P型的Te@PEDOT:PSS复合膜转化为N型的Ag2Te@PEDOT:PSS复合膜。通过FESEM、TEM、XPS、XRD等表征手段揭示了掺杂过程中AgNO3与Te@PEDOT:PSS复合膜的作用机制,探究了掺杂浓度对Ag2Te@PEDOT:PSS复合膜热电性能的影响。反应中Ag2Te@PEDOT:PSS复合膜的电导率随着AgNO3溶液浓度的增加呈先增大后减小的趋势,主要是由于AgNO3浓度较大时生成TeO2造成的,Seebeck系数随着AgNO3浓度增大而迅速减小,主要是由于反应生成的Ag2Te为N型传导,当Ag2Te所提供的电子数量超过Te提供的空穴数量时,材料的传导机制由P型变为N型,即Seebeck系数由正变负,随着AgNO3浓度的增大,Seebeck系数的绝对值变大,当AgNO3溶液浓度为10 mmol时,Seebeck系数为(−55.9±3.3) μV/K。当AgNO3溶液浓度为20 mmol时,N型Ag2Te@PEDOT:PSS复合膜的功率因子达最大值,为(8.4±0.7) μW/(m·K2)。
Ag@AgCl-Fe3O4/rGO复合材料对印染废水中染料和重金属离子的吸附和光催化降解性能
陈凤华, 梁娓娓, 石向东, 陈庆涛, 秦霄云, 张永辉
2021, 38(7): 2295-2304. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200928.004
摘要:
依次利用溶剂热法和原位沉积法制备了Ag@AgCl-Fe3O4/还原氧化石墨烯(rGO)复合材料,并对其进行结构和形貌表征。分别以罗丹明B(RhB)和Cd2+为研究对象,探讨了Ag@AgCl-Fe3O4/rGO复合材料吸附和可见光光催化印染废水中重金属离子和芳香族染料的性能,考察了Ag@AgCl-Fe3O4/rGO复合材料中rGO含量、与RhB共存的亚甲基蓝(MB)和Cd2+对RhB降解效果的影响;同时研究了溶液的初始pH值及与Cd2+共存的MB对Cd2+吸附效果的影响。结果表明:Ag@AgCl-Fe3O4/rGO复合材料对RhB的吸附量为47%,可见光照50 min的光催化降解率可达98%;Ag@AgCl-Fe3O4/rGO复合材料的吸附-光催化降解活性随rGO含量的增加而提高;废水中与RhB共存的MB使Ag@AgCl-Fe3O4/rGO复合材料对RhB的降解效率和循环性能受到一定抑制,而与RhB共存的Cd2+对RhB的降解效率和循环性能几乎没有影响。Ag@AgCl-Fe3O4/rGO复合材料对Cd2+也有良好的吸附性能,具有一定的pH值依赖性,在pH值为5时,复合材料对Cd2+的吸附量可达68 mg/g,但废水中MB染料的存在会抑制复合材料对Cd2+的吸附。
多孔Co3O4纳米纤维用于锂-空气电池高性能正极催化剂
李华, 李靖靖, 王焕锋
2021, 38(7): 2305-2312. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201030.006
摘要:
采用静电纺丝技术结合高温煅烧方法,以乙酰丙酮钴(Co(C5H7O2)3)为前驱物,制备了由Co3O4纳米颗粒组成的多孔纳米纤维(Co3O4 NFs),其比表面积高达83 m2·g−1,并将制得的多孔Co3O4 NFs用于锂-空气电池催化剂。多孔Co3O4 NFs为电池反应提供了充足的活性位点及反应物的传输通道,有利于电池反应的顺利进行,使电池的放电容量得到极大地提高。另外,Co3O4催化剂的加入提高了电极的催化活性,较大程度降低了电池的过电位。值得注意的是,Co3O4催化剂的加入同时调控了锂-空气电池放电产物Li2O2的形貌,得到的放电产物Li2O2尺寸更小,在电极表面分布更为均匀,该形态的Li2O2在充电过程中更容易被分解,有利于提高电池的充电效率,同时电极的体积效应也可得到极大缓解。得益于以上优势,基于多孔Co3O4 NFs/炭黑Super P (Co3O4 NFs/SP)正极的锂-空气电池的电化学性能得到较大提高,50 mA·g−1电流密度下Co3O4 NFs/SP的放电容量高达10600 mA·h·g−1,电池可实现100次的充放电循环。
生物质衍生没食子酸增强PEDOT:PSS膜导电性能及其调控机制
徐慧民, 李莉娟, 欧阳新华, 霍延平, 陈礼辉, 黄六莲, 倪永浩, 胡会超
2021, 38(7): 2313-2325. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201126.003
摘要:
聚3, 4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)因其具有柔性可拉伸、生物相容性高、导电及功函数可调控等优势在柔性可穿戴电子器件中显示出广阔的应用前景。近年来,随着资源危机的日益凸显,针对PEDOT:聚苯乙烯磺酸(PSS)体系,研究开发高效绿色可持续的生物质基掺杂剂,已引起相关研发人员的高度关注。本研究首次报道了采用生物质芳香弱酸−没食子酸(GA,pKa为4.41)掺杂制备高性能PEDOT导电膜的新途径。GA独特的邻多酚羟基结构创造了稳定的GA-PSSH双氢键,使得GA-PSSH的分子结合能显著高于GA的石油基强酸异构体(2, 4, 6-三羟基苯甲酸,pKa=1.68)与PSSH的分子结合能。GA掺杂不仅可实现PEDOT-PSS的高效相分离,而且优化了PEDOT分子链的构象、聚集结构的形貌及其排列方向。这赋予GA具有很高的掺杂效率,当GA掺杂量为1.2%时,PEDOT导电膜的电导率可提升三个数量级,达到1050 S/cm,导电性能达到已报道的生物质基掺杂剂的最高水平,且掺杂效率明显优于其它生物质基掺杂剂及其石油基强酸异构体。
高温对钢纤维-聚乙烯醇纤维-CaCO3晶须多尺度纤维/水泥复合材料弯曲性能和微观结构的影响
李黎, 李宗利, 高丹盈, 曹明莉
2021, 38(7): 2326-2335. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200907.001
摘要:
为促进钢纤维(SF)-聚乙烯醇(PVA)纤维-CaCO3晶须(CW)多尺度纤维/水泥复合材料的工程应用,考察其抗火耐高温性能,本文研究了SF-PVA-CW多尺度纤维/水泥复合材料高温后的弯曲性能及其微观结构。研究发现:随温度升高,SF-PVA-CW多尺度纤维/水泥复合材料弯曲强度总体下降,但在500℃以下时下降缓慢,CW掺量为3vol%的SF-PVA-CW多尺度纤维/水泥复合材料弯曲强度有所提高;800℃及以上时,SF-PVA-CW多尺度纤维/水泥复合材料的弯曲强度急剧下降。采用JSCE SF4规定的等效弯曲强度评价弯曲韧性。随温度升高,SF-PVA-CW多尺度纤维/水泥复合材料的等效弯曲强度逐渐降低,500℃以下时掺加CW显著增强了SF对裂缝的控制能力,其中小挠度阶段的作用效果优于大挠度阶段。800℃以上时,等效弯曲强度急剧下降,其中大挠度阶段下降更为显著。借助数码相机、光学显微镜和SEM进行多尺度观测,揭示了高温对SF-PVA-CW多尺度纤维/水泥复合材料弯曲性能影响的微观机制。
陶瓷纤维增强SiO2气凝胶复合材料面内拉伸非均匀全场应变测量与分析
吕双祺, 孙燕涛, 腾雪峰, 杨晓光, 石多奇
2021, 38(7): 2336-2347. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201029.001
摘要:
通过设计圆弧边缘夹持方案和狗骨形拉伸试样,开展了陶瓷纤维增强SiO2气凝胶复合材料室温环境中的面内拉伸性能试验,采用数字图像相关方法对陶瓷纤维增强SiO2气凝胶复合材料表面的全场变形进行测量和分析,并结合获得的非均匀应变分布情况进一步讨论其力学行为特征和变形断裂机制。结果表明:纤维增强增韧机制使陶瓷纤维增强SiO2气凝胶复合材料的面内拉伸行为表现出一定的非线性及韧性特征;在一定载荷水平下,陶瓷纤维增强SiO2气凝胶复合材料表面应变分布呈显著的非均匀特征,与内部随机的纤维排布及各处传力情况不同相关,可选择较大计算区域进行平均化处理来减弱对测试中应变度量的影响;在加载和断裂过程中陶瓷纤维增强SiO2气凝胶复合材料表面存在局部应变集中现象,并随着裂纹扩展而发生演变,面内拉伸载荷下的宏观断口呈锯齿状特征,主要由剪应力主导的基体断裂、法向针刺对纤维铺层的约束等原因所致。本文研究结果为隔热复合材料的强韧化性能提高指明了方向。
复掺钢纤维-纳米炭黑/混凝土智能层对裂缝自监测性能的影响
柳根金, 丁一宁, 宋世德
2021, 38(7): 2348-2358. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201115.001
摘要:
将结构型钢纤维及纳米炭黑作为导电材料加入混凝土形成智能混凝土,并将智能混凝土和素混凝土一起浇筑形成双层混凝土梁。在四点弯曲加载下,采用四电极法对混凝土试件的电阻进行测量,对比研究了复掺钢纤维-纳米炭黑/混凝土层中钢纤维掺量及智能层厚度对混凝土梁的弯曲性能及裂缝自监测性能的影响。结果表明:混凝土智能层内结构型钢纤维的掺量和智能层厚度的增加能够显著提高混凝土梁的弯曲性能;依据电阻变化率-时间(ρFCR-t)曲线的变化特征可对混凝土的裂缝出现时刻进行监测,裂缝出现前,ρFCR-t曲线基本维持在零点附近,智能混凝土梁出现裂缝时,ρFCR-t曲线开始急剧上升,出现新裂缝后,ρFCR-t曲线出现新的转折点,斜率发生明显变化;裂缝出现时,试件的ρFCR增长较迅速,后期ρFCR增长变缓,ρFCR-裂缝扩展宽度(ωCOD)曲线呈负衰减函数特征;对于双层混凝土梁,增加混凝土智能层钢纤维掺量和智能层厚度,减小了相同裂缝宽度下裂缝自监测信号ρFCR的数值;本文提出的一阶指数衰减函数模型拟合ρFCR-ωCOD曲线效果较好。
钢纤维-橡胶/混凝土单轴受压全曲线试验及本构模型
赵秋红, 董硕, 朱涵
2021, 38(7): 2359-2369. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200916.001
摘要:
将钢纤维(SF)掺入橡胶混凝土中,能够改善由于橡胶颗粒掺入导致的强度降低,并进一步增加延性。为研究SF-橡胶/混凝土的抗压性能,配制得到SF体积分数分别为0vol%、0.5vol%、1.0vol%和1.5vol%及橡胶颗粒等体积替换砂率为0%、10%和20%的10组SF-橡胶/混凝土试件,并进行单轴受压全曲线试验。结果表明:SF的桥联作用及其与橡胶颗粒的协同作用可改善混凝土的抗压性能,试件破坏呈明显延性特征。随SF掺量的增加,SF-橡胶/混凝土试件的抗压强度及弹性模量均明显增大,其相应峰值应力的应变及全曲线峰值后延性也相应增加;随橡胶颗粒掺量的增加,SF-橡胶/混凝土试件相应峰值应力的应变及全曲线峰值后延性增加,而抗压强度及弹性模量有所减小。在已有研究基础上,通过曲线拟合试验数据,提出适用于SF-橡胶/混凝土的单轴受压应力-应变全曲线数学表达式,模型与试验结果吻合较好,为此类混凝土的结构分析设计提供了理论基础。
耦合盐溶液环境下钢筋/混凝土Weibull耐久性寿命预测方法
李刊, 魏智强, 乔宏霞, 路承功, 郭健, 黄尚攀
2021, 38(7): 2370-2382. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201021.001
摘要:
根据兰州地铁沿线站台服役环境,配置含有SO42−、Cl、Mg2+的耦合盐溶液,将钢筋/混凝土试件置于耦合盐溶液中每隔90天利用电化学工作站进行无损检测,选择Weibull分布建模,通过最小二乘法和BLUE法得到退化分布的固定参数估计值和动态参数估计值。结果表明:耦合盐溶液环境中腐蚀离子通过扩散、渗透及电化学迁移等方式到达钢筋表面,导致钢筋附近pH值降低,钝化膜由完整状态过渡到局部破损状态。可靠度曲线均呈现出三阶段变化特点,动态参数估计值中三次型尺度参数的可靠性寿命最接近固定参数值可靠性寿命,失效率最大;指数型尺度参数可靠性寿命最短,失效率最小;幂次型介于两者之间。且动态参数函数必须满足一阶导数及函数值为正的要求,否则可靠度计算结果为复数。尺度参数的函数形式对可靠度曲线影响大于形状参数的函数形式对可靠度曲线的影响。尺度参数函数类型一定时,形状参数函数类型对寿命结果影响较大,尺度参数函数类型变化时,可靠性曲线均发生较大变化。