2023年 第40卷 第12期
2023, 40(12): 6471-6487.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230724.001
摘要:
熔融沉积成型(Fused deposition modeling，FDM)因其制造成本低廉和工艺简易等特点成为现今增材制造(Additive manufacturing，AM)技术中应用最广泛的一种类型，而聚乳酸(Polylactic acid，PLA)也因其良好的可生物降解性和生物相容性成为FDM线材的主要原料。但是，PLA较差的脆性、韧性及热稳定性等缺点严重限制了其打印产品在市场上的应用。因此，在PLA线材中加入某种或多种填料是解决其自身缺点的重要措施。其中，生物质填料是一种比较理想的选择，在PLA中加入生物质填料不仅可以有效克服基材的性能缺陷，而且产品具有良好的可生物降解性和环境友好性。本文综述了近几年来FDM打印生物质填料增强PLA复合材料的研究进展，阐释不同尺度结构(由微米尺寸到纳米尺寸)的生物质增强填料(如木粉、天然纤维、纳米纤维素)对PLA基复合材料的性能影响，并分析和总结复合材料的性能改善原因及其界面相容机制，最后对FDM打印PLA基复合材料的未来发展进行了展望。
熔融沉积成型(Fused deposition modeling，FDM)因其制造成本低廉和工艺简易等特点成为现今增材制造(Additive manufacturing，AM)技术中应用最广泛的一种类型，而聚乳酸(Polylactic acid，PLA)也因其良好的可生物降解性和生物相容性成为FDM线材的主要原料。但是，PLA较差的脆性、韧性及热稳定性等缺点严重限制了其打印产品在市场上的应用。因此，在PLA线材中加入某种或多种填料是解决其自身缺点的重要措施。其中，生物质填料是一种比较理想的选择，在PLA中加入生物质填料不仅可以有效克服基材的性能缺陷，而且产品具有良好的可生物降解性和环境友好性。本文综述了近几年来FDM打印生物质填料增强PLA复合材料的研究进展，阐释不同尺度结构(由微米尺寸到纳米尺寸)的生物质增强填料(如木粉、天然纤维、纳米纤维素)对PLA基复合材料的性能影响，并分析和总结复合材料的性能改善原因及其界面相容机制，最后对FDM打印PLA基复合材料的未来发展进行了展望。
2023, 40(12): 6488-6499.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230530.002
摘要:
旨在通过系统综述从木材中提取木材纤维素骨架的方法、致密化工艺及木材膜的功能化应用研究进展，为开发高性能致密化木材膜并拓展其功能化应用领域提供理论依据与技术指导。综述木材分级结构特点、比较不同方法提取木材纤维素骨架的优缺点及制备致密化木材膜的工艺流程，重点探讨国内外致密化木材膜的应用研究现状。致密化木材膜在制备过程中能够保持木材的天然定向骨架结构，减少聚合物浸渍带来的不易降解和能源消耗问题，在节能建筑窗户、柔性电子基材、声学隔膜、光电器件等领域具有广阔的应用前景。基于天然木材独特的层次结构、低密度、高强度和生物可降解等特性，制备所得致密化木材膜在其功能化应用领域具有良好的发展，但基于目前的研究结果及其在实际应用中存在的关键问题，仍需探索有利于其规模化生产的有效方法，为后续工业化发展提供研究思路。
旨在通过系统综述从木材中提取木材纤维素骨架的方法、致密化工艺及木材膜的功能化应用研究进展，为开发高性能致密化木材膜并拓展其功能化应用领域提供理论依据与技术指导。综述木材分级结构特点、比较不同方法提取木材纤维素骨架的优缺点及制备致密化木材膜的工艺流程，重点探讨国内外致密化木材膜的应用研究现状。致密化木材膜在制备过程中能够保持木材的天然定向骨架结构，减少聚合物浸渍带来的不易降解和能源消耗问题，在节能建筑窗户、柔性电子基材、声学隔膜、光电器件等领域具有广阔的应用前景。基于天然木材独特的层次结构、低密度、高强度和生物可降解等特性，制备所得致密化木材膜在其功能化应用领域具有良好的发展，但基于目前的研究结果及其在实际应用中存在的关键问题，仍需探索有利于其规模化生产的有效方法，为后续工业化发展提供研究思路。
2023, 40(12): 6500-6515.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230704.002
摘要:
碳基导电材料是指以碳原子为骨架的材料体系，具有结构多样、可调控性强和化学稳定性高等优异性能。将碳基导电材料引入传感检测分析可以改善传感器的信号强度，提高传感检测分析的稳定性。与传统材料制成的传感器相比，使用碳基导电材料制备的传感器检测分析物质具有更高的灵敏度、更低的检测限及更宽的线性范围。因此，基于碳基导电材料的检测分析技术已显现出巨大的潜力，在医学诊疗、环境监测和食品检测等领域均具有广阔的应用前景。本文介绍了以维度划分的碳基导电材料的类别及其所制备的传感器在传感检测分析中的应用，提出了碳基导电材料及其所制备的传感器在检测分析物质中存在的问题及挑战，并对未来研究的趋势进行了展望。
碳基导电材料是指以碳原子为骨架的材料体系，具有结构多样、可调控性强和化学稳定性高等优异性能。将碳基导电材料引入传感检测分析可以改善传感器的信号强度，提高传感检测分析的稳定性。与传统材料制成的传感器相比，使用碳基导电材料制备的传感器检测分析物质具有更高的灵敏度、更低的检测限及更宽的线性范围。因此，基于碳基导电材料的检测分析技术已显现出巨大的潜力，在医学诊疗、环境监测和食品检测等领域均具有广阔的应用前景。本文介绍了以维度划分的碳基导电材料的类别及其所制备的传感器在传感检测分析中的应用，提出了碳基导电材料及其所制备的传感器在检测分析物质中存在的问题及挑战，并对未来研究的趋势进行了展望。
2023, 40(12): 6516-6527.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230614.004
摘要:
本文综述了上转换复合材料在光催化中的应用研究进展。由于传统光催化半导体材料对太阳辐射利用率低，限制了其在环境治理和能源转化方面的实际应用。上转换复合材料可以将低能量辐射转化为高能量发射，提高光催化剂对红外-可见光的响应性，从而提高太阳光利用率。本文首先阐述了光催化反应的基本原理和应用前景，接着重点分析了稀土、量子点、三重态-三重态湮灭等3种类型的上转换复合光催化剂的制备方法、性能特点和优缺点，并举例介绍了利用贵金属或合金增强上转换效果和电荷分离效率的优化策略。本文旨在为光催化研究提供新思路和参考，促进上转换复合材料在光催化领域中的应用和发展。
本文综述了上转换复合材料在光催化中的应用研究进展。由于传统光催化半导体材料对太阳辐射利用率低，限制了其在环境治理和能源转化方面的实际应用。上转换复合材料可以将低能量辐射转化为高能量发射，提高光催化剂对红外-可见光的响应性，从而提高太阳光利用率。本文首先阐述了光催化反应的基本原理和应用前景，接着重点分析了稀土、量子点、三重态-三重态湮灭等3种类型的上转换复合光催化剂的制备方法、性能特点和优缺点，并举例介绍了利用贵金属或合金增强上转换效果和电荷分离效率的优化策略。本文旨在为光催化研究提供新思路和参考，促进上转换复合材料在光催化领域中的应用和发展。
2023, 40(12): 6528-6544.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230530.004
摘要:
热界面材料可以有效地将高温电子器件的热量快速传递到热管理元件，以缓解电子器件过热而导致的元件寿命恶化的问题。近年来，由聚合物和高导热填料制成的聚合物基复合材料因其密度低、导热性能可调而受到广泛关注。不同于传统的填料随机分散的复合材料，在聚合物基体中构建三维连续网络结构可以显著增加填料/填料接触、降低导热渗透阈值和界面热阻，显著改善复合材料的导热性能。首先，简要分析了聚合物基导热复合材料的导热机制。其次，总结了具有连续网络结构的聚合物基导热复合材料的构筑工艺，主要包括基于三维导热填料网络的预构筑、基于聚合物颗粒/粉末的后加工、基于聚合物纤维/织物的后加工、基于聚合物胶乳的铸膜或絮凝等工艺。再次，系统总结了不同类型的导热填料对聚合物复合材料导热性能的影响，主要包括金属填料、陶瓷填料、碳基填料及其混杂填料等。最后，对具有三维连续网络结构的聚合物基导热复合材料的发展前景进行了展望。
热界面材料可以有效地将高温电子器件的热量快速传递到热管理元件，以缓解电子器件过热而导致的元件寿命恶化的问题。近年来，由聚合物和高导热填料制成的聚合物基复合材料因其密度低、导热性能可调而受到广泛关注。不同于传统的填料随机分散的复合材料，在聚合物基体中构建三维连续网络结构可以显著增加填料/填料接触、降低导热渗透阈值和界面热阻，显著改善复合材料的导热性能。首先，简要分析了聚合物基导热复合材料的导热机制。其次，总结了具有连续网络结构的聚合物基导热复合材料的构筑工艺，主要包括基于三维导热填料网络的预构筑、基于聚合物颗粒/粉末的后加工、基于聚合物纤维/织物的后加工、基于聚合物胶乳的铸膜或絮凝等工艺。再次，系统总结了不同类型的导热填料对聚合物复合材料导热性能的影响，主要包括金属填料、陶瓷填料、碳基填料及其混杂填料等。最后，对具有三维连续网络结构的聚合物基导热复合材料的发展前景进行了展望。
2023, 40(12): 6545-6553.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230728.001
摘要:
肿瘤是目前最主要的致死原因之一，实现对肿瘤的精准和非侵入性高效诊疗具有重要意义。以具有极高长径比、易于穿透细胞膜并具有优异生物相容性的碳纳米管(CNTs)作为载体，以乙酰丙酮铁为铁源，通过溶剂热法在其表面原位生长具有超顺磁特性的四氧化三铁纳米粒子(Fe3O4 NPs)，制备了具有优异水分散稳定性的磁性碳纳米管复合纳米材料。结果表明该磁性碳纳米管具有较高的近红外光热转换性能，在50 μg·mL−1浓度下808 nm激光照射10 min即可升温至48.6℃，且具有良好的光热稳定性。细胞及成像实验结果表明该复合纳米材料具有较好的生物相容性并对人宫颈癌细胞(HeLa)具有优异的光热杀伤效果，在体外模拟肿瘤微环境中磁共振成像(MRI) T2弛豫率r2可达215.61 mmol−1·L·s−1，表明制备的磁性碳纳米管具有出色的生物安全性、磁性和光热特性，有望用于磁靶向的肿瘤光热疗与磁共振成像的一体化诊疗。
肿瘤是目前最主要的致死原因之一，实现对肿瘤的精准和非侵入性高效诊疗具有重要意义。以具有极高长径比、易于穿透细胞膜并具有优异生物相容性的碳纳米管(CNTs)作为载体，以乙酰丙酮铁为铁源，通过溶剂热法在其表面原位生长具有超顺磁特性的四氧化三铁纳米粒子(Fe3O4 NPs)，制备了具有优异水分散稳定性的磁性碳纳米管复合纳米材料。结果表明该磁性碳纳米管具有较高的近红外光热转换性能，在50 μg·mL−1浓度下808 nm激光照射10 min即可升温至48.6℃，且具有良好的光热稳定性。细胞及成像实验结果表明该复合纳米材料具有较好的生物相容性并对人宫颈癌细胞(HeLa)具有优异的光热杀伤效果，在体外模拟肿瘤微环境中磁共振成像(MRI) T2弛豫率r2可达215.61 mmol−1·L·s−1，表明制备的磁性碳纳米管具有出色的生物安全性、磁性和光热特性，有望用于磁靶向的肿瘤光热疗与磁共振成像的一体化诊疗。
2023, 40(12): 6554-6571.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230616.005
摘要:
水凝胶基柔性聚合物材料，因其优异的传感性能、良好的延展性，广泛应用于智能可穿戴应变传感器领域。然而，传感器件在使用过程中，会发生信号干扰，影响设备的正常运转。因此，开发兼具有应变传感和电磁屏蔽双功能的水凝胶材料具有重要意义。本文介绍了水凝胶材料的应变传感及电磁屏蔽机制，分析了微观结构、溶剂种类、导电填料种类和导电网络结构对双功能水凝胶材料性能的影响，并根据目前双功能水凝胶的研究现状，提出了该领域的发展方向和应用前景。
水凝胶基柔性聚合物材料，因其优异的传感性能、良好的延展性，广泛应用于智能可穿戴应变传感器领域。然而，传感器件在使用过程中，会发生信号干扰，影响设备的正常运转。因此，开发兼具有应变传感和电磁屏蔽双功能的水凝胶材料具有重要意义。本文介绍了水凝胶材料的应变传感及电磁屏蔽机制，分析了微观结构、溶剂种类、导电填料种类和导电网络结构对双功能水凝胶材料性能的影响，并根据目前双功能水凝胶的研究现状，提出了该领域的发展方向和应用前景。
2023, 40(12): 6572-6582.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230523.001
摘要:
研究了玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass fiber reinforced polymer，GFRP)筋的拉伸性能劣化对其与海水海砂混凝土(Seawater sea-sand concrete，SSC)粘结性能的影响。采用10 mm直径的GFRP筋，测试了3种不同温度下模拟SSC孔溶液中GFRP筋的拉伸强度随其浸泡时间的变化规律；并通过拉拔试验测试了经上述劣化后GFRP筋和SSC界面的粘结性能，分析了界面的破坏形态、粘结-滑移曲线特征及粘结强度的变化规律。试验结果表明：随着模拟SSC孔溶液中浸泡时间的增加，GFRP筋的拉伸强度逐渐降低。与未经浸泡的GFRP筋相比，在23℃、40℃和60℃下浸泡3个月后的GFRP筋的拉伸强度分别降低25%、29%和48%。GFRP筋的拉伸性能劣化会导致其与SSC界面的粘结强度下降。与未经浸泡的GFRP筋相比，在23℃、40℃和60℃下浸泡3个月后的GFRP筋与SSC的界面强度分别下降了8%、19%和38%。
研究了玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass fiber reinforced polymer，GFRP)筋的拉伸性能劣化对其与海水海砂混凝土(Seawater sea-sand concrete，SSC)粘结性能的影响。采用10 mm直径的GFRP筋，测试了3种不同温度下模拟SSC孔溶液中GFRP筋的拉伸强度随其浸泡时间的变化规律；并通过拉拔试验测试了经上述劣化后GFRP筋和SSC界面的粘结性能，分析了界面的破坏形态、粘结-滑移曲线特征及粘结强度的变化规律。试验结果表明：随着模拟SSC孔溶液中浸泡时间的增加，GFRP筋的拉伸强度逐渐降低。与未经浸泡的GFRP筋相比，在23℃、40℃和60℃下浸泡3个月后的GFRP筋的拉伸强度分别降低25%、29%和48%。GFRP筋的拉伸性能劣化会导致其与SSC界面的粘结强度下降。与未经浸泡的GFRP筋相比，在23℃、40℃和60℃下浸泡3个月后的GFRP筋与SSC的界面强度分别下降了8%、19%和38%。
2023, 40(12): 6583-6595.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230417.001
摘要:
木质复合材料的阻燃处理和力学增强一直受到广泛的关注。阻燃剂的加入不仅会增大胶黏剂的黏度，而且阻燃剂中的活性基团可以通过化学交联键合到树脂分子上，阻碍胶黏剂的聚合过程，从而对树脂的固化过程产生不利影响。通过对阻燃剂的改性，使其能够提高胶黏剂的固化反应性，增强胶黏剂的粘接强度，同时可以最大限度地减少阻燃剂的迁移，有效提升材料的阻燃性能和力学强度。鉴于此，本文以聚磷酸铵(Ammonium polyphosphate，APP)和聚乙烯亚胺(Polyethyleneimine，PEI)为阴、阳离子聚电解质，通过自组装制备复合聚电解质(PEI/APP)，并进一步将其应用于木质刨花板中。PEI/APP提高了脲醛树脂(Urea-formaldehyde resins，UF)的固化反应性，同步赋予了刨花板优异的力学强度和阻燃性能。基于Kissinger和Ozawa动力学方程计算了不同添加量的PEI/APP与UF交联体系的活化能(Ea)，重点研究了PEI/APP对UF固化动力学的影响。结果表明：PEI/APP能够通过酰胺键和氢键作用与UF形成分子交联网络，促进UF的缩聚固化过程，使Ea随着PEI/APP添加量的增加而逐渐减小，热固化的反应性逐渐提高，UF的固化放热峰值温度(TP)逐渐降低。与此同时，PEI/APP与UF形成的交联网络增强了木质刨花的内聚强度及界面结合，刨花板的各项物理力学性能均得到了明显提高。当PEI/APP添加量为10wt%时，刨花板拥有最高的弹性模量(MOE)和静曲强度(MOR)，分别为3368.46 MPa和27.18 MPa。此时刨花板的极限氧指数(Limiting oxygen index，LOI)为46.3%，热释放速率峰值(PHRR)降为170.3 kW/m2，相较于未处理和APP阻燃刨花板分别降低了45.3%和22.3%。PEI/APP受热产生的聚磷酸能够促使有机物脱水炭化产生膨胀炭层，其致密连续的内、外炭层有效阻止了气相和凝聚相之间的传热和传质。PEI/APP能够促使UF在较低温下发生固化，同步赋予刨花板良好的工艺性能、阻燃性能和力学性能。最后对阻燃刨花板的经济成分进行了分析。
木质复合材料的阻燃处理和力学增强一直受到广泛的关注。阻燃剂的加入不仅会增大胶黏剂的黏度，而且阻燃剂中的活性基团可以通过化学交联键合到树脂分子上，阻碍胶黏剂的聚合过程，从而对树脂的固化过程产生不利影响。通过对阻燃剂的改性，使其能够提高胶黏剂的固化反应性，增强胶黏剂的粘接强度，同时可以最大限度地减少阻燃剂的迁移，有效提升材料的阻燃性能和力学强度。鉴于此，本文以聚磷酸铵(Ammonium polyphosphate，APP)和聚乙烯亚胺(Polyethyleneimine，PEI)为阴、阳离子聚电解质，通过自组装制备复合聚电解质(PEI/APP)，并进一步将其应用于木质刨花板中。PEI/APP提高了脲醛树脂(Urea-formaldehyde resins，UF)的固化反应性，同步赋予了刨花板优异的力学强度和阻燃性能。基于Kissinger和Ozawa动力学方程计算了不同添加量的PEI/APP与UF交联体系的活化能(Ea)，重点研究了PEI/APP对UF固化动力学的影响。结果表明：PEI/APP能够通过酰胺键和氢键作用与UF形成分子交联网络，促进UF的缩聚固化过程，使Ea随着PEI/APP添加量的增加而逐渐减小，热固化的反应性逐渐提高，UF的固化放热峰值温度(TP)逐渐降低。与此同时，PEI/APP与UF形成的交联网络增强了木质刨花的内聚强度及界面结合，刨花板的各项物理力学性能均得到了明显提高。当PEI/APP添加量为10wt%时，刨花板拥有最高的弹性模量(MOE)和静曲强度(MOR)，分别为3368.46 MPa和27.18 MPa。此时刨花板的极限氧指数(Limiting oxygen index，LOI)为46.3%，热释放速率峰值(PHRR)降为170.3 kW/m2，相较于未处理和APP阻燃刨花板分别降低了45.3%和22.3%。PEI/APP受热产生的聚磷酸能够促使有机物脱水炭化产生膨胀炭层，其致密连续的内、外炭层有效阻止了气相和凝聚相之间的传热和传质。PEI/APP能够促使UF在较低温下发生固化，同步赋予刨花板良好的工艺性能、阻燃性能和力学性能。最后对阻燃刨花板的经济成分进行了分析。
2023, 40(12): 6596-6609.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230228.002
摘要:
针对夏季钢桥面温度高达60℃左右，而温度对碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构黏结界面力学性能影响显著的现象。基于研制的高性能胶黏剂GY34，制作了21个胶黏剂拉伸试件、15个CFRP板-钢板双搭接试件，进行了不同温度下的准静态拉伸试验、剪切拉伸试验，揭示了高温(≤90℃)对胶黏剂力学性能及CFRP板-钢板搭接界面力学性能的影响规律，建立了考虑温度影响的搭接界面极限承载力预测模型，得到了黏结-滑移关系模型随温度的变化趋势。研究结果表明：随温度的升高，胶黏剂GY34拉伸强度及弹性模量逐渐降低；断裂伸长率及应变能先增大后减小，在温度接近胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,S时达到峰值。随温度升高，基于研制胶黏剂的CFRP-钢搭接试件的极限承载力先增大后减小，破坏模式由CFRP板层离逐渐过渡为钢-胶层界面破坏。小于胶黏剂玻璃化转变温度Tg,S的高温下，荷载-位移曲线具有明显的延性发展阶段。随温度升高搭接试件的应变分布更加均匀，剪应力传递范围及有效黏结长度显著增加。基于研制胶黏剂的搭接试件的黏结-滑移关系的形状在不同温度下均为三线性梯形。高温环境不会改变黏结-滑移关系模型的形状，会导致界面剪应力峰值及刚度逐渐降低，相对滑移与界面断裂能先增加后减小。
针对夏季钢桥面温度高达60℃左右，而温度对碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构黏结界面力学性能影响显著的现象。基于研制的高性能胶黏剂GY34，制作了21个胶黏剂拉伸试件、15个CFRP板-钢板双搭接试件，进行了不同温度下的准静态拉伸试验、剪切拉伸试验，揭示了高温(≤90℃)对胶黏剂力学性能及CFRP板-钢板搭接界面力学性能的影响规律，建立了考虑温度影响的搭接界面极限承载力预测模型，得到了黏结-滑移关系模型随温度的变化趋势。研究结果表明：随温度的升高，胶黏剂GY34拉伸强度及弹性模量逐渐降低；断裂伸长率及应变能先增大后减小，在温度接近胶黏剂的玻璃化转变温度Tg,S时达到峰值。随温度升高，基于研制胶黏剂的CFRP-钢搭接试件的极限承载力先增大后减小，破坏模式由CFRP板层离逐渐过渡为钢-胶层界面破坏。小于胶黏剂玻璃化转变温度Tg,S的高温下，荷载-位移曲线具有明显的延性发展阶段。随温度升高搭接试件的应变分布更加均匀，剪应力传递范围及有效黏结长度显著增加。基于研制胶黏剂的搭接试件的黏结-滑移关系的形状在不同温度下均为三线性梯形。高温环境不会改变黏结-滑移关系模型的形状，会导致界面剪应力峰值及刚度逐渐降低，相对滑移与界面断裂能先增加后减小。
2023, 40(12): 6610-6618.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230222.009
摘要:
为了解决Chemlok218为粘接剂时，室温下聚氨酯(PU)/金属粘接效果差的问题，采用一种高活性的PU改性剂，对Chemlok218中的酚醛树脂(PF)进行改性获得PF@NCO，在Chemlok218涂层与PU间形成一层过渡层， FTIR、TG分析表明：PU改性剂中NCO基团与PF中的羟基反应生成氨基甲酸酯基团。与Chemlok218涂层相比，PF@NCO过渡层表面能提高，与PU相容性增加。当Chemlok218与PU改性剂的质量比为80∶20时，PF@NCO-20的剥离强度达到23.4 kN·m−1，比纯Chemlok218提高了58.1%，整个PU/金属粘接试样无粘接薄弱点及缺陷。为解决室温下PU/金属的粘接强度问题提供借鉴。
为了解决Chemlok218为粘接剂时，室温下聚氨酯(PU)/金属粘接效果差的问题，采用一种高活性的PU改性剂，对Chemlok218中的酚醛树脂(PF)进行改性获得PF@NCO，在Chemlok218涂层与PU间形成一层过渡层， FTIR、TG分析表明：PU改性剂中NCO基团与PF中的羟基反应生成氨基甲酸酯基团。与Chemlok218涂层相比，PF@NCO过渡层表面能提高，与PU相容性增加。当Chemlok218与PU改性剂的质量比为80∶20时，PF@NCO-20的剥离强度达到23.4 kN·m−1，比纯Chemlok218提高了58.1%，整个PU/金属粘接试样无粘接薄弱点及缺陷。为解决室温下PU/金属的粘接强度问题提供借鉴。
2023, 40(12): 6619-6629.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230301.001
摘要:
ASTM 3059-18标准将高温残余力学性能纳入树脂基复合材料阻燃指标，突破了复合材料传统化学阻燃概念，标志着结构阻燃概念得到了设计方的重视。本文将自制的聚硅氧烷改性环氧树脂(EP-Si)与酚醛树脂(PF)共混，并辅以无机粉料和玻璃纤维增强体，通过力学性能、热失重(TGA)、锥形量热(CCT)和扫描电镜(SEM)等测试方法，研究了EP-Si和无机粉料对玻璃纤维/酚醛复合材料高温残余强度的影响。实验结果表明：当EP-Si用量为40wt%，复合材料的常温及高温残余弯曲强度分别为384.4 MPa、53.3 MPa，相比PF复合材料提高了78.7%、85.1%；辅以适当比例无机粉料，高温残余弯曲强度最高可达85.1 MPa，相比PF复合材料提升了195.5%。高温处理后含硅PF复合材料厚度膨胀而PF复合材料厚度收缩；含硅PF复合材料的热解残留率更高，表层氧化降解更快，但内层生成CO含量低于PF复合材料；含硅树脂基体的无机热解产物保护了内层树脂和纤维，原位热解无机产物分布更均匀、与无机粉料相容性好及可能存在的共烧结作用进一步隔离了氧气侵入，提高了结构完整性和高温残余强度。
ASTM 3059-18标准将高温残余力学性能纳入树脂基复合材料阻燃指标，突破了复合材料传统化学阻燃概念，标志着结构阻燃概念得到了设计方的重视。本文将自制的聚硅氧烷改性环氧树脂(EP-Si)与酚醛树脂(PF)共混，并辅以无机粉料和玻璃纤维增强体，通过力学性能、热失重(TGA)、锥形量热(CCT)和扫描电镜(SEM)等测试方法，研究了EP-Si和无机粉料对玻璃纤维/酚醛复合材料高温残余强度的影响。实验结果表明：当EP-Si用量为40wt%，复合材料的常温及高温残余弯曲强度分别为384.4 MPa、53.3 MPa，相比PF复合材料提高了78.7%、85.1%；辅以适当比例无机粉料，高温残余弯曲强度最高可达85.1 MPa，相比PF复合材料提升了195.5%。高温处理后含硅PF复合材料厚度膨胀而PF复合材料厚度收缩；含硅PF复合材料的热解残留率更高，表层氧化降解更快，但内层生成CO含量低于PF复合材料；含硅树脂基体的无机热解产物保护了内层树脂和纤维，原位热解无机产物分布更均匀、与无机粉料相容性好及可能存在的共烧结作用进一步隔离了氧气侵入，提高了结构完整性和高温残余强度。
2023, 40(12): 6630-6638.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230323.001
摘要:
随着万物互联、信息时代下新型传感器自供电需求的增加与传统化石能源使用所造成的全球变暖和环境问题的加剧，亟需开发新的能源利用与发电方式。水伏发电作为一种无源、零碳、负热的电能转化方式，能够充分利用自然界中的水循环，具有重要的研究价值。本文以湿气诱导水伏发电为能源利用形式，以氧化石墨烯(GO)为原材料，通过多巴胺自聚合反应将部分原材料反应为还原氧化石墨烯(rGO)，结合冻干与压片的方法制备出具有两面特性的Janus水伏发电GO-rGO复合材料。该材料具有明显的含氧官能团梯度分布性质，在高湿度条件下可以进行长时发电，集成后的单个器件的开路电压接近400 mV，功率密度可达25 μW/cm3，同时具有良好的稳定性，在使用1年后仍然具有较好的输出性能。更重要的是，此发电机通过串联可实现阵列化，从而进一步提升发电性能，8个器件串联输出电压便可轻易达到3 V以上，可用于小功率器件的驱动与呼气-吸气行为的响应。本湿气发电材料及器件制备方法简单，输出性能优异，在自供电与传感领域展现出良好的应用前景。
随着万物互联、信息时代下新型传感器自供电需求的增加与传统化石能源使用所造成的全球变暖和环境问题的加剧，亟需开发新的能源利用与发电方式。水伏发电作为一种无源、零碳、负热的电能转化方式，能够充分利用自然界中的水循环，具有重要的研究价值。本文以湿气诱导水伏发电为能源利用形式，以氧化石墨烯(GO)为原材料，通过多巴胺自聚合反应将部分原材料反应为还原氧化石墨烯(rGO)，结合冻干与压片的方法制备出具有两面特性的Janus水伏发电GO-rGO复合材料。该材料具有明显的含氧官能团梯度分布性质，在高湿度条件下可以进行长时发电，集成后的单个器件的开路电压接近400 mV，功率密度可达25 μW/cm3，同时具有良好的稳定性，在使用1年后仍然具有较好的输出性能。更重要的是，此发电机通过串联可实现阵列化，从而进一步提升发电性能，8个器件串联输出电压便可轻易达到3 V以上，可用于小功率器件的驱动与呼气-吸气行为的响应。本湿气发电材料及器件制备方法简单，输出性能优异，在自供电与传感领域展现出良好的应用前景。
2023, 40(12): 6639-6648.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230509.004
摘要:
为了满足高分辨率航天器承载平台对尺寸稳定性、轻量化和高承载空间结构的多重需求，采用热压成型和树脂浸渍-碳化组合工艺制备了4种不同规格的碳/碳(C/C)蜂窝。以碳纤维预浸料为原料，通过热压工艺成型波纹片，用无机胶粘剂粘合片材形成蜂窝，经过浸渍-碳化工艺成型C/C蜂窝。对不同规格C/C蜂窝在不同加载方式下的力学行为进行了研究。结果表明，采用所提出组合工艺制备的C/C蜂窝未发生节点脱粘。边长5 mm蜂窝的压缩强度为8.2 MPa。在面外压缩、L向与W向剪切载荷下，C/C蜂窝的主要失效模式是双层壁脱粘分层。C/C蜂窝结构具有较高的抗压强度和良好可设计性，可能满足未来轻质高强航天器承载平台结构要求。
为了满足高分辨率航天器承载平台对尺寸稳定性、轻量化和高承载空间结构的多重需求，采用热压成型和树脂浸渍-碳化组合工艺制备了4种不同规格的碳/碳(C/C)蜂窝。以碳纤维预浸料为原料，通过热压工艺成型波纹片，用无机胶粘剂粘合片材形成蜂窝，经过浸渍-碳化工艺成型C/C蜂窝。对不同规格C/C蜂窝在不同加载方式下的力学行为进行了研究。结果表明，采用所提出组合工艺制备的C/C蜂窝未发生节点脱粘。边长5 mm蜂窝的压缩强度为8.2 MPa。在面外压缩、L向与W向剪切载荷下，C/C蜂窝的主要失效模式是双层壁脱粘分层。C/C蜂窝结构具有较高的抗压强度和良好可设计性，可能满足未来轻质高强航天器承载平台结构要求。
2023, 40(12): 6649-6659.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230321.001
摘要:
探索高效、稳定的光催化剂是实现实用化太阳能光催化降解污染物的永恒追求。采用化学共沉淀法合成了CdIn2S4/ZnIn2S4微球，然后500°C退火得到降解性能更好的CdIn2S4/ZnIn2S4异质结。SEM、XRD、XPS、BET和UV-Vis DRS对样品进行了表征。观察到异质结外貌为球形，具有典型的介孔结构，表面光电流响应和阻抗测试结果显示其活性显著增强。在光催化降解亚甲基蓝的反应中，退火后的CdIn2S4/ZnIn2S4异质结的光催化活性最佳。反应90 min后，亚甲基蓝(MB)的降解率为96.7%。活性的提高可以归因于催化剂对可见光吸收的增强和光生电荷分离效率的提高。对照实验证明，降解体系中产生的活性物种•O2−在降解过程中起关键作用。预测了异质结光催化降解污染物的机制。本研究合成的复合CdIn2S4/ZnIn2S4异质结对制备高效光催化材料具有借鉴意义，并展示了其在降解污染物方面的良好实用性。
探索高效、稳定的光催化剂是实现实用化太阳能光催化降解污染物的永恒追求。采用化学共沉淀法合成了CdIn2S4/ZnIn2S4微球，然后500°C退火得到降解性能更好的CdIn2S4/ZnIn2S4异质结。SEM、XRD、XPS、BET和UV-Vis DRS对样品进行了表征。观察到异质结外貌为球形，具有典型的介孔结构，表面光电流响应和阻抗测试结果显示其活性显著增强。在光催化降解亚甲基蓝的反应中，退火后的CdIn2S4/ZnIn2S4异质结的光催化活性最佳。反应90 min后，亚甲基蓝(MB)的降解率为96.7%。活性的提高可以归因于催化剂对可见光吸收的增强和光生电荷分离效率的提高。对照实验证明，降解体系中产生的活性物种•O2−在降解过程中起关键作用。预测了异质结光催化降解污染物的机制。本研究合成的复合CdIn2S4/ZnIn2S4异质结对制备高效光催化材料具有借鉴意义，并展示了其在降解污染物方面的良好实用性。
2023, 40(12): 6660-6667.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230417.003
摘要:
空气中的污染物颗粒(PM)已经成为一个严重的环境问题，因此急需开发高效的空气过滤器。在本研究中，利用溶液吹纺(SBS)和雾喷技术，采用高横纵比的氮化硼纳米片(BNNSs)对聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜的表面进行雾喷改性，建立起分级结构，从而提高纳米纤维膜的比表面积，有效捕捉PM污染物。研究结果显示，具有分级结构的4-BNNSs/PAN空气过滤膜对PM2.5的过滤效率为95.13%，压降为34 Pa，与纺丝时长相同的PAN过滤膜相比，过滤效率提高了9.46%，而压降只提高了13 Pa，综合过滤表现更佳。本研究表明，通过将高比表面积的BNNSs雾喷到PAN纳米纤维膜的表面，构建分级结构的BNNSs/PAN复合膜是开发新型空气过滤膜的实用改性技术。
空气中的污染物颗粒(PM)已经成为一个严重的环境问题，因此急需开发高效的空气过滤器。在本研究中，利用溶液吹纺(SBS)和雾喷技术，采用高横纵比的氮化硼纳米片(BNNSs)对聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜的表面进行雾喷改性，建立起分级结构，从而提高纳米纤维膜的比表面积，有效捕捉PM污染物。研究结果显示，具有分级结构的4-BNNSs/PAN空气过滤膜对PM2.5的过滤效率为95.13%，压降为34 Pa，与纺丝时长相同的PAN过滤膜相比，过滤效率提高了9.46%，而压降只提高了13 Pa，综合过滤表现更佳。本研究表明，通过将高比表面积的BNNSs雾喷到PAN纳米纤维膜的表面，构建分级结构的BNNSs/PAN复合膜是开发新型空气过滤膜的实用改性技术。
2023, 40(12): 6668-6680.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230330.002
摘要:
为了获得界面性能优异的玻璃纤维增强尼龙6复合材料，利用含有聚多巴胺(PDA)和六方氮化硼(h-BN)的复合涂层对玻璃纤维进行表面改性处理，制备出玻璃纤维增强尼龙6复合材料(GF/PA6)。采用XRD、XPS、SEM、接触角测量仪对玻璃纤维晶型结构、化学结构、表面形貌和粗糙度进行表征。同时考察了h-BN的不同添加量对复合材料力学性能、热稳定性能、动态热机械性能和结晶性能的影响。结果表明：经过改性处理的玻璃纤维表面被均匀的复合涂层所覆盖，显著增加了玻璃纤维的表面粗糙度、表面活性和化学键能，大大提高了玻璃纤维与尼龙6树脂基体之间的界面啮合作用，且复合涂层的加入能够诱导PA6晶型由γ晶型转变为α晶型，h-BN含量为0.75%时的复合材料力学性能达到最高，拉伸强度达到129.8 MPa，相比改性前提高了79.2%，弯曲强度达到194.8 MPa，相比改性前提高了32.2%。储能模量达到1742 MPa，相比改性前提高了69.9%。
为了获得界面性能优异的玻璃纤维增强尼龙6复合材料，利用含有聚多巴胺(PDA)和六方氮化硼(h-BN)的复合涂层对玻璃纤维进行表面改性处理，制备出玻璃纤维增强尼龙6复合材料(GF/PA6)。采用XRD、XPS、SEM、接触角测量仪对玻璃纤维晶型结构、化学结构、表面形貌和粗糙度进行表征。同时考察了h-BN的不同添加量对复合材料力学性能、热稳定性能、动态热机械性能和结晶性能的影响。结果表明：经过改性处理的玻璃纤维表面被均匀的复合涂层所覆盖，显著增加了玻璃纤维的表面粗糙度、表面活性和化学键能，大大提高了玻璃纤维与尼龙6树脂基体之间的界面啮合作用，且复合涂层的加入能够诱导PA6晶型由γ晶型转变为α晶型，h-BN含量为0.75%时的复合材料力学性能达到最高，拉伸强度达到129.8 MPa，相比改性前提高了79.2%，弯曲强度达到194.8 MPa，相比改性前提高了32.2%。储能模量达到1742 MPa，相比改性前提高了69.9%。
2023, 40(12): 6681-6688.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230224.002
摘要:
为了弥补量子点敏化太阳能电池传统Cu2S对电极在液态多硫化物电解液中易腐蚀、不稳定的缺陷，表现出更高的对电极电催化活性。本文通过静电纺丝技术和简单的一步水热法成功制备了碳纳米纤维负载的双金属硫化物NiS2-FeS2(NiS2-FeS2/CNFs)对电极，应用于量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)中表现出优异的电化学性能。同时，不同浓度的NiS2-FeS2复合材料在SEM下表现出很大的差异，负载到碳纳米纤维制备成对电极对电池性能也有很大的影响。因此，本文重点探究了水热法制备不同浓度的NiS2-FeS2/CNFs对电极对其组装的QDSSCs光电性能影响，以获得最佳对电极浓度。实验结果表明：当 NiS2-FeS2/CNFs 浓度配比为0.8时，电池光电转换效率(PCE)达到最大值为8.05%。
为了弥补量子点敏化太阳能电池传统Cu2S对电极在液态多硫化物电解液中易腐蚀、不稳定的缺陷，表现出更高的对电极电催化活性。本文通过静电纺丝技术和简单的一步水热法成功制备了碳纳米纤维负载的双金属硫化物NiS2-FeS2(NiS2-FeS2/CNFs)对电极，应用于量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)中表现出优异的电化学性能。同时，不同浓度的NiS2-FeS2复合材料在SEM下表现出很大的差异，负载到碳纳米纤维制备成对电极对电池性能也有很大的影响。因此，本文重点探究了水热法制备不同浓度的NiS2-FeS2/CNFs对电极对其组装的QDSSCs光电性能影响，以获得最佳对电极浓度。实验结果表明：当 NiS2-FeS2/CNFs 浓度配比为0.8时，电池光电转换效率(PCE)达到最大值为8.05%。
2023, 40(12): 6689-6702.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230425.001
摘要:
为了解决海藻酸钠微球溶胀性差、吸附剂和被吸附物间的传质阻力大和干燥后吸附位点少的问题，采用自由基聚合和离子交联法制备了一种热响应互穿聚合物网络水凝胶微球，并对其进行“造孔+磷酸基团功能化”改性(简称P/PF@TR-IPN)。通过单因素试验研究了铀初始浓度、ZnO的含量、投加量、pH值、温度、干扰离子和吸附时间等对U(VI)吸附的影响，探究了其再生性能。在U(VI)初始浓度为10 mg∙L−1，pH值为4，P/PF@TR-IPN的投加量为0.4 g∙L−1，温度为25℃的条件下，6 h内P/PF@TR-IPN对U(VI)的去除率为94.8%，比造孔微球(PF@TR-IPN)和空白微球(TR-IPN)分别提高了18.5%和30.03%。随着温度从20℃增加到50℃，温敏微球P/PF@TR-IPN的溶胀率从6.98%降至5.14%。P/PF@TR-IPN的BET比表面积比TR-IPN增大了28.5倍。当pH值为4，温度为30℃和20℃时，P/PF@TR-IPN对U(VI)的最大吸附量分别为76.99 mg∙g−1和85.62 mg∙g−1。U(VI)的去除遵循单分子层化学吸附过程，拟二级动力学模型和Langmuir模型可以较好拟合P/PF@TR-IPN对U(VI)的吸附过程。试验表明，3D多孔结构和磷酸基团新活性吸附位点的形成是U(VI)去除效率增加的两个主要因素，P/PF@TR-IPN去除U(VI)的主要机制包括磷酸基团共沉淀的化学吸附作用和海藻酸钠含氧官能团的表面络合作用。
为了解决海藻酸钠微球溶胀性差、吸附剂和被吸附物间的传质阻力大和干燥后吸附位点少的问题，采用自由基聚合和离子交联法制备了一种热响应互穿聚合物网络水凝胶微球，并对其进行“造孔+磷酸基团功能化”改性(简称P/PF@TR-IPN)。通过单因素试验研究了铀初始浓度、ZnO的含量、投加量、pH值、温度、干扰离子和吸附时间等对U(VI)吸附的影响，探究了其再生性能。在U(VI)初始浓度为10 mg∙L−1，pH值为4，P/PF@TR-IPN的投加量为0.4 g∙L−1，温度为25℃的条件下，6 h内P/PF@TR-IPN对U(VI)的去除率为94.8%，比造孔微球(PF@TR-IPN)和空白微球(TR-IPN)分别提高了18.5%和30.03%。随着温度从20℃增加到50℃，温敏微球P/PF@TR-IPN的溶胀率从6.98%降至5.14%。P/PF@TR-IPN的BET比表面积比TR-IPN增大了28.5倍。当pH值为4，温度为30℃和20℃时，P/PF@TR-IPN对U(VI)的最大吸附量分别为76.99 mg∙g−1和85.62 mg∙g−1。U(VI)的去除遵循单分子层化学吸附过程，拟二级动力学模型和Langmuir模型可以较好拟合P/PF@TR-IPN对U(VI)的吸附过程。试验表明，3D多孔结构和磷酸基团新活性吸附位点的形成是U(VI)去除效率增加的两个主要因素，P/PF@TR-IPN去除U(VI)的主要机制包括磷酸基团共沉淀的化学吸附作用和海藻酸钠含氧官能团的表面络合作用。
2023, 40(12): 6703-6717.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230505.001
摘要:
选矿废水中的黄药会严重危害环境，钒酸铋能在可见光条件下实现黄药的降解，但其严重的电子-空穴复合影响其实用性，鉴于煤矸石丰富的孔隙结构及成分组成，本文采用水热法合成了煤矸石负载型光催化剂(CG/BiVO4)，运用XRD、FTIR、SEM、UV-Vis DRS、PL等手段对催化剂进行表征，以黄药为目标污染物，在可见光作用下考察黄药的光催化降解性能及煤矸石改性钒酸铋的作用机制。结果表明，与纯BiVO4相比，负载型CG/BiVO4的光催化性能显著提高，在煤矸石负载量20wt%，pH=7、催化剂投加量为1.5 g/L、黄药初始浓度C0=10 mg/L的条件下，CG/BiVO4在540 min时对黄药的降解率达到最大，为93%，黄药的光降解过程符合一级动力学模型，处理后化学需氧量浓度CCOD为11.47 mg/L，符合排放标准要求。响应面分析得到的最优反应条件下的预测值与实际降解率仅相差0.96%，可见该模型可较好地预测20%-CG/BiVO4对黄药废水的降解率。结合各项表征分析可知，CG的负载可显著增加催化剂的比表面积，提高其对可见光的响应，改善光催化体系中电子和空穴的分离效率的同时降低光生电子-空穴对复合几率，这是复合光催化剂性能提高的重要原因；机制分析得知，黄药光降解的主要自由基为h+，•O2− 和•OH次之，黄药中的烷基、C=S在自由基作用下首先发生断裂，形成中间产物过黄药(ROCSSO−)，随后矿化生成SO42−等小分子，光反应7 h，S的转化率与黄药降解率接近，且循环5次，降解率不低于90%，可见该催化剂具有较好的光催化性能，这为煤矸石在光催化领域的资源化利用奠定了理论基础。
选矿废水中的黄药会严重危害环境，钒酸铋能在可见光条件下实现黄药的降解，但其严重的电子-空穴复合影响其实用性，鉴于煤矸石丰富的孔隙结构及成分组成，本文采用水热法合成了煤矸石负载型光催化剂(CG/BiVO4)，运用XRD、FTIR、SEM、UV-Vis DRS、PL等手段对催化剂进行表征，以黄药为目标污染物，在可见光作用下考察黄药的光催化降解性能及煤矸石改性钒酸铋的作用机制。结果表明，与纯BiVO4相比，负载型CG/BiVO4的光催化性能显著提高，在煤矸石负载量20wt%，pH=7、催化剂投加量为1.5 g/L、黄药初始浓度C0=10 mg/L的条件下，CG/BiVO4在540 min时对黄药的降解率达到最大，为93%，黄药的光降解过程符合一级动力学模型，处理后化学需氧量浓度CCOD为11.47 mg/L，符合排放标准要求。响应面分析得到的最优反应条件下的预测值与实际降解率仅相差0.96%，可见该模型可较好地预测20%-CG/BiVO4对黄药废水的降解率。结合各项表征分析可知，CG的负载可显著增加催化剂的比表面积，提高其对可见光的响应，改善光催化体系中电子和空穴的分离效率的同时降低光生电子-空穴对复合几率，这是复合光催化剂性能提高的重要原因；机制分析得知，黄药光降解的主要自由基为h+，•O2− 和•OH次之，黄药中的烷基、C=S在自由基作用下首先发生断裂，形成中间产物过黄药(ROCSSO−)，随后矿化生成SO42−等小分子，光反应7 h，S的转化率与黄药降解率接近，且循环5次，降解率不低于90%，可见该催化剂具有较好的光催化性能，这为煤矸石在光催化领域的资源化利用奠定了理论基础。
2023, 40(12): 6718-6728.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230404.001
摘要:
混合配筋混凝土结构将钢筋和纤维复合材料(FRP)筋混合配置于混凝土，可较好地解决钢筋混凝土(SRC)结构的耐久性问题和FRP筋混凝土结构脆性破坏的问题，已广泛应用于土木工程中。为了研究混合配筋混凝土板的抗爆性能，开展了不同比例距离下混合配筋混凝土板和钢筋混凝土板的非接触爆炸试验，对比分析两种板抗爆性能差异和确定混合配筋混凝土板的破坏模式。结果表明：比例距离为0.684 m/kg1/3时，混合配筋混凝土板位移峰值比钢筋混凝土板位移峰值大19.2%，但残余变形比钢筋混凝土板残余变形小27.3%。引入爆炸恢复指数评估混凝土板爆炸恢复能力，混合配筋混凝土板爆炸恢复指数大于钢筋混凝土板，混合配筋混凝土板有着出色的爆炸后恢复能力。混合配筋混凝土板背爆面破坏出现多条竖向裂缝和板对角线处斜裂缝，而钢筋混凝土板仅出现一条较宽的竖向主裂缝，多条斜裂缝向外辐射。混合配筋混凝土板随着比例距离的减小，破坏模式从整体弯曲破坏发展为整体弯曲破坏和局部混凝土破坏并存。结合试验数据提出混合配筋混凝土板最大支座转角θ的预测公式。为混合配筋混凝土板抗爆设计提供参考。
混合配筋混凝土结构将钢筋和纤维复合材料(FRP)筋混合配置于混凝土，可较好地解决钢筋混凝土(SRC)结构的耐久性问题和FRP筋混凝土结构脆性破坏的问题，已广泛应用于土木工程中。为了研究混合配筋混凝土板的抗爆性能，开展了不同比例距离下混合配筋混凝土板和钢筋混凝土板的非接触爆炸试验，对比分析两种板抗爆性能差异和确定混合配筋混凝土板的破坏模式。结果表明：比例距离为0.684 m/kg1/3时，混合配筋混凝土板位移峰值比钢筋混凝土板位移峰值大19.2%，但残余变形比钢筋混凝土板残余变形小27.3%。引入爆炸恢复指数评估混凝土板爆炸恢复能力，混合配筋混凝土板爆炸恢复指数大于钢筋混凝土板，混合配筋混凝土板有着出色的爆炸后恢复能力。混合配筋混凝土板背爆面破坏出现多条竖向裂缝和板对角线处斜裂缝，而钢筋混凝土板仅出现一条较宽的竖向主裂缝，多条斜裂缝向外辐射。混合配筋混凝土板随着比例距离的减小，破坏模式从整体弯曲破坏发展为整体弯曲破坏和局部混凝土破坏并存。结合试验数据提出混合配筋混凝土板最大支座转角θ的预测公式。为混合配筋混凝土板抗爆设计提供参考。
2023, 40(12): 6729-6739.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230315.001
摘要:
针对赤泥高碱性、化学成分复杂、资源化利用率低的问题，以赤泥协同粉煤灰等多固废制备矿山充填材料，对比研究赤泥复合材料配比对充填体抗压强度的发展规律，采用XRD、SEM等微观分析手段揭示充填材料水化机制，通过淋溶试验、毒性浸出试验探明充填体固碱机制、浸出行为及毒害离子固化机制。结果表明：赤泥复合材料质量比为赤泥∶粉煤灰∶水泥=3∶7∶0.4时，充填体3、7、28天抗压强度分别为0.76、1.35、1.87 MPa，材料成本为78.08元/吨，满足矿山充填开采要求。在赤泥-粉煤灰-水泥的协同互锁作用下，充填体生成了以水化硅酸钙(C-S-H)凝胶、钙矾石、钠系菱沸石为主的水化产物，且赤泥∶粉煤灰质量比越小，粉煤灰比表面积越大，充填体结构越致密，固碱效果越好。钙矾石和C-S-H凝胶通过物理固封和化学结合的形式，使赤泥复合材料毒性离子浸出浓度满足固废要求。
针对赤泥高碱性、化学成分复杂、资源化利用率低的问题，以赤泥协同粉煤灰等多固废制备矿山充填材料，对比研究赤泥复合材料配比对充填体抗压强度的发展规律，采用XRD、SEM等微观分析手段揭示充填材料水化机制，通过淋溶试验、毒性浸出试验探明充填体固碱机制、浸出行为及毒害离子固化机制。结果表明：赤泥复合材料质量比为赤泥∶粉煤灰∶水泥=3∶7∶0.4时，充填体3、7、28天抗压强度分别为0.76、1.35、1.87 MPa，材料成本为78.08元/吨，满足矿山充填开采要求。在赤泥-粉煤灰-水泥的协同互锁作用下，充填体生成了以水化硅酸钙(C-S-H)凝胶、钙矾石、钠系菱沸石为主的水化产物，且赤泥∶粉煤灰质量比越小，粉煤灰比表面积越大，充填体结构越致密，固碱效果越好。钙矾石和C-S-H凝胶通过物理固封和化学结合的形式，使赤泥复合材料毒性离子浸出浓度满足固废要求。
2023, 40(12): 6740-6755.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230314.003
摘要:
伴随我国核能的开发与高效利用，铀已成为我国地表水、地下水和土壤的常见污染物之一，从含铀废水中去除U(VI)已成为亟需解决的环境问题。本工作以膨润土(BTN)、磷酸氢二钠、硝酸钙为原料，采用简单易行的一步水热法成功制备出羟基磷灰石(HAP)改性膨润土复合材料(HAP/BTN)。考察了HAP/BTN对水溶液中铀的吸附性能，利用单因素试验和正交试验探讨了pH、转速、温度、投加量、时间对吸附性能的影响。试验结果表明，在pH=6.0、转速=100 r·min−1、室温(298.15 K)、HAP/BTN投加量1 g·L−1、吸附时间t=30 min时，该吸附材料对10 mg·L−1含铀废水的去除率可达98%，最大吸附量为186.45 mg·g−1。吸附过程更符合Langmuir模型和准二级动力学，热力学参数表明HAP/BTN对铀的吸附是自发吸热的过程，结合XPS及XRD的结果证实了HAP/BTN吸附铀主要归因于络合反应、化学吸附、静电吸附和离子交换作用。
伴随我国核能的开发与高效利用，铀已成为我国地表水、地下水和土壤的常见污染物之一，从含铀废水中去除U(VI)已成为亟需解决的环境问题。本工作以膨润土(BTN)、磷酸氢二钠、硝酸钙为原料，采用简单易行的一步水热法成功制备出羟基磷灰石(HAP)改性膨润土复合材料(HAP/BTN)。考察了HAP/BTN对水溶液中铀的吸附性能，利用单因素试验和正交试验探讨了pH、转速、温度、投加量、时间对吸附性能的影响。试验结果表明，在pH=6.0、转速=100 r·min−1、室温(298.15 K)、HAP/BTN投加量1 g·L−1、吸附时间t=30 min时，该吸附材料对10 mg·L−1含铀废水的去除率可达98%，最大吸附量为186.45 mg·g−1。吸附过程更符合Langmuir模型和准二级动力学，热力学参数表明HAP/BTN对铀的吸附是自发吸热的过程，结合XPS及XRD的结果证实了HAP/BTN吸附铀主要归因于络合反应、化学吸附、静电吸附和离子交换作用。
2023, 40(12): 6756-6765.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230314.002
摘要:
为研究火灾高温后混凝土内玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋材的剪切性能，选取了100℃、150℃、200℃、300℃、350℃、400℃、500℃、650℃及800℃共9个温度工况，对混凝土内GFRP筋进行了高温作用及水平剪切试验；结合本试验及已有相关试验结果，对高温后混凝土内GFRP筋水平剪切强度预测方法进行了探讨。试验及分析结果表明：300℃高温以内，混凝土内GFRP筋表面温度存在滞后现象，其高温劣化程度明显低于裸筋，剪切强度退化也较缓慢；随着温度超过300℃及混凝土表面裂缝不断发展，内部GFRP筋受高温侵蚀逐步加大，剪切强度出现急剧下降，并出现与裸筋相似的退化规律；在300℃(接近树脂热分解温度)高温下，GFRP筋剪切强度随恒温时间的增加而线性下降，恒温1~3 h时其剪切强度保留率从76.4%降为46.5%。结合双曲正切函数模型，建立了高温后混凝土内GFRP筋水平剪切强度预测模型，其预测值与试验值吻合较好。最后，以剪切强度保留系数0.7为基准，给出了不同保护层厚度下GFRP筋的耐火时间预测值，供工程应用参考。
为研究火灾高温后混凝土内玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋材的剪切性能，选取了100℃、150℃、200℃、300℃、350℃、400℃、500℃、650℃及800℃共9个温度工况，对混凝土内GFRP筋进行了高温作用及水平剪切试验；结合本试验及已有相关试验结果，对高温后混凝土内GFRP筋水平剪切强度预测方法进行了探讨。试验及分析结果表明：300℃高温以内，混凝土内GFRP筋表面温度存在滞后现象，其高温劣化程度明显低于裸筋，剪切强度退化也较缓慢；随着温度超过300℃及混凝土表面裂缝不断发展，内部GFRP筋受高温侵蚀逐步加大，剪切强度出现急剧下降，并出现与裸筋相似的退化规律；在300℃(接近树脂热分解温度)高温下，GFRP筋剪切强度随恒温时间的增加而线性下降，恒温1~3 h时其剪切强度保留率从76.4%降为46.5%。结合双曲正切函数模型，建立了高温后混凝土内GFRP筋水平剪切强度预测模型，其预测值与试验值吻合较好。最后，以剪切强度保留系数0.7为基准，给出了不同保护层厚度下GFRP筋的耐火时间预测值，供工程应用参考。
2023, 40(12): 6766-6773.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230323.002
摘要:
采用静电喷雾法一步制备包裹着Fe3O4纳米粒子的壳聚糖复合微球(Fe3O4@CS微球)，实现Fe3O4纳米粒子与微球同时合成。还可以按需制备粒径范围为90~1000 μm的Fe3O4@CS微球，以满足不同部位血管的临床栓塞要求。SEM显示微球形貌均匀且粒径分布均一((94±3) μm)，体外降解实验证明了微球具有生物可降解性，磁共振成像测试表明所制备的Fe3O4@CS微球具有良好的临床成像能力，血液、细胞相容性评估证实Fe3O4@CS微球具有良好的生物相容性。负载盐酸阿霉素(DOX)的载药微球显示出典型的药物缓释曲线，72 h内DOX的累计释放率为28.82%。结果表明，这一步可控制备的自显影栓塞剂在经导管动脉栓塞术(TACE)未来应用中展示了巨大的潜力。
采用静电喷雾法一步制备包裹着Fe3O4纳米粒子的壳聚糖复合微球(Fe3O4@CS微球)，实现Fe3O4纳米粒子与微球同时合成。还可以按需制备粒径范围为90~1000 μm的Fe3O4@CS微球，以满足不同部位血管的临床栓塞要求。SEM显示微球形貌均匀且粒径分布均一((94±3) μm)，体外降解实验证明了微球具有生物可降解性，磁共振成像测试表明所制备的Fe3O4@CS微球具有良好的临床成像能力，血液、细胞相容性评估证实Fe3O4@CS微球具有良好的生物相容性。负载盐酸阿霉素(DOX)的载药微球显示出典型的药物缓释曲线，72 h内DOX的累计释放率为28.82%。结果表明，这一步可控制备的自显影栓塞剂在经导管动脉栓塞术(TACE)未来应用中展示了巨大的潜力。
2023, 40(12): 6774-6788.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230317.001
摘要:
随着生活质量的提高，抗生素已成为人类不可或缺的药物，但近年来抗生素的滥用导致大量耐药菌出现对社会健康造成了严重的威胁。因此，迫切需要开发新型、有效持久的抗菌剂，以应对日益增长的公共卫生需求。本文先以FeCl3、NaAc和ZnCl2为原料用“热溶剂法”制备磁性铁酸锌(ZnFe2O4)，再以ZnFe2O4为核进行聚多巴胺(PDA)包覆形成ZnFe2O4@PDA纳米微球，最后将由化学还原法制备的粒径在2~16 nm的银纳米颗粒(Ag NPs)负载于ZnFe2O4@PDA表面，形成ZnFe2O4@PDA@Ag纳米复合材料。通过TEM、XRD、XPS、UV-Vis、FTIR、Zeta电位等表征材料形貌特征。以革兰氏阴性菌铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)、革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S. aureus)和耐药菌沙门氏菌(T-Salmonella)为模式菌，研究ZnFe2O4@PDA@Ag材料的抑菌活性及抑菌机制。实验结果表明，相比于同比例浓度的Ag NPs (负载量0.39%)，材料对P. aeruginosa的抑菌率提升了57.1%、对S. aureus和T-Salmonella提升值分别为61.7%和39.2%。材料浓度为200 μg/mL，作用时间60 min条件下，ZnFe2O4@PDA@Ag对测试菌抑制率均可达到99.9%。抑菌机制结果证实，ZnFe2O4@PDA@Ag可与细胞壁表面蛋白作用破坏细胞壁，进入细菌内部与胞内蛋白和相关酶作用阻碍细胞呼吸，且破坏DNA结构并抑制其复制过程，从而影响细菌呼吸和细胞分裂等生理生化过程，最终导致细菌死亡。该材料以磁性ZnFe2O4为内核，具有可重复利用、高性价比、无二次污染等优点；PDA层包覆使材料具有良好的生物相容性。同时，Ag NPs在ZnFe2O4@PDA纳米微球表面的负载，解决了Ag NPs易团聚问题，且因小颗粒Ag NPs可直接通过离子通道进入细菌内部，使ZnFe2O4@PDA@Ag具备了优异的抗菌活性。本工作可为新型、智能化抗生素材料的研发提供理论依据。
随着生活质量的提高，抗生素已成为人类不可或缺的药物，但近年来抗生素的滥用导致大量耐药菌出现对社会健康造成了严重的威胁。因此，迫切需要开发新型、有效持久的抗菌剂，以应对日益增长的公共卫生需求。本文先以FeCl3、NaAc和ZnCl2为原料用“热溶剂法”制备磁性铁酸锌(ZnFe2O4)，再以ZnFe2O4为核进行聚多巴胺(PDA)包覆形成ZnFe2O4@PDA纳米微球，最后将由化学还原法制备的粒径在2~16 nm的银纳米颗粒(Ag NPs)负载于ZnFe2O4@PDA表面，形成ZnFe2O4@PDA@Ag纳米复合材料。通过TEM、XRD、XPS、UV-Vis、FTIR、Zeta电位等表征材料形貌特征。以革兰氏阴性菌铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)、革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S. aureus)和耐药菌沙门氏菌(T-Salmonella)为模式菌，研究ZnFe2O4@PDA@Ag材料的抑菌活性及抑菌机制。实验结果表明，相比于同比例浓度的Ag NPs (负载量0.39%)，材料对P. aeruginosa的抑菌率提升了57.1%、对S. aureus和T-Salmonella提升值分别为61.7%和39.2%。材料浓度为200 μg/mL，作用时间60 min条件下，ZnFe2O4@PDA@Ag对测试菌抑制率均可达到99.9%。抑菌机制结果证实，ZnFe2O4@PDA@Ag可与细胞壁表面蛋白作用破坏细胞壁，进入细菌内部与胞内蛋白和相关酶作用阻碍细胞呼吸，且破坏DNA结构并抑制其复制过程，从而影响细菌呼吸和细胞分裂等生理生化过程，最终导致细菌死亡。该材料以磁性ZnFe2O4为内核，具有可重复利用、高性价比、无二次污染等优点；PDA层包覆使材料具有良好的生物相容性。同时，Ag NPs在ZnFe2O4@PDA纳米微球表面的负载，解决了Ag NPs易团聚问题，且因小颗粒Ag NPs可直接通过离子通道进入细菌内部，使ZnFe2O4@PDA@Ag具备了优异的抗菌活性。本工作可为新型、智能化抗生素材料的研发提供理论依据。
2023, 40(12): 6789-6799.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230417.004
摘要:
耐药细菌快速的增长和新治疗策略的可用性越来越少，迫使人们急需研发出新型抑菌剂来解决这类难题。本文以三水硝酸铜[Cu(NO3)2·3H2O]为原料、水合肼为还原剂制备氧化亚铜(Cu2O/CuO)，通过与四环素配位结合得到Cu2O/CuO-四环素复合材料。采用TEM、EDS、XRD、XPS、FTIR和UV-vis等表征技术对抑菌剂进行系统表征。探究了Cu2O/CuO-四环素复合材料对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S. aureus)、革兰氏阴性菌大肠杆菌(E. coli)和耐药菌沙门氏菌(T-Salmonella)的抑菌性能及抑菌机制。抑菌性能结果表明：抑菌浓度为150 µg/mL的Cu2O/CuO-四环素复合材料在80 min时对E. coli、S. aureus和T-Salmonella的抑菌率均达到99.99%；与单独使用四环素和Cu2O/CuO相比，Cu2O/CuO-四环素复合材料对E. coli的抑菌效率分别提高了2.50和1.38倍，对S. aureus分别提高了1.58和1.18倍及对T-Salmonella分别提高1.26和1.12倍，总而言之，Cu2O/CuO-四环素复合材料对E. coli最敏感。抑菌机制表明，该复合材料能有效破坏细菌细胞壁，使膜通透性发生改变，最终使细菌破裂死亡。Cu2O/CuO-四环素复合材料具有优异的抑菌性能，进一步为公共卫生、生物医用等领域提供了广泛的科学依据。
耐药细菌快速的增长和新治疗策略的可用性越来越少，迫使人们急需研发出新型抑菌剂来解决这类难题。本文以三水硝酸铜[Cu(NO3)2·3H2O]为原料、水合肼为还原剂制备氧化亚铜(Cu2O/CuO)，通过与四环素配位结合得到Cu2O/CuO-四环素复合材料。采用TEM、EDS、XRD、XPS、FTIR和UV-vis等表征技术对抑菌剂进行系统表征。探究了Cu2O/CuO-四环素复合材料对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S. aureus)、革兰氏阴性菌大肠杆菌(E. coli)和耐药菌沙门氏菌(T-Salmonella)的抑菌性能及抑菌机制。抑菌性能结果表明：抑菌浓度为150 µg/mL的Cu2O/CuO-四环素复合材料在80 min时对E. coli、S. aureus和T-Salmonella的抑菌率均达到99.99%；与单独使用四环素和Cu2O/CuO相比，Cu2O/CuO-四环素复合材料对E. coli的抑菌效率分别提高了2.50和1.38倍，对S. aureus分别提高了1.58和1.18倍及对T-Salmonella分别提高1.26和1.12倍，总而言之，Cu2O/CuO-四环素复合材料对E. coli最敏感。抑菌机制表明，该复合材料能有效破坏细菌细胞壁，使膜通透性发生改变，最终使细菌破裂死亡。Cu2O/CuO-四环素复合材料具有优异的抑菌性能，进一步为公共卫生、生物医用等领域提供了广泛的科学依据。
2023, 40(12): 6800-6808.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230425.002
摘要:
通过溶胶-凝胶法在水热法合成的Fe3O4表面包覆了一层TiO2，得到Fe3O4@TiO2核壳颗粒，采用XRD、SEM、TEM对颗粒结构和形貌进行了表征。随后，将该颗粒填充于硅橡胶基体中，利用颗粒的磁特性使其在磁场下固化，制备了颗粒体积分数为14vol%的弹性体。用旋转流变仪测试了弹性体在不同电场强度下的电致变模量特性，与填充TiO2颗粒并在电场下固化的电流变弹性体进行对比，相对电流变效应相较于后者提升了71.9%。通过光学显微镜观察弹性体截面，发现磁场下固化的弹性体有更好的颗粒取向。由此，采用磁电双响应特性的颗粒作为分散相，在外加磁场下使基体固化，可获得具有更显著颗粒链结构的弹性体材料，克服了现有电流变弹性体在外电场下固化介电颗粒预排布结构不明显的问题，提高了所制备弹性体的电流变效应，同时消除了固化时外加高压电源的安全隐患，为高性能电流变弹性体的开发制备提供了新的思路。
通过溶胶-凝胶法在水热法合成的Fe3O4表面包覆了一层TiO2，得到Fe3O4@TiO2核壳颗粒，采用XRD、SEM、TEM对颗粒结构和形貌进行了表征。随后，将该颗粒填充于硅橡胶基体中，利用颗粒的磁特性使其在磁场下固化，制备了颗粒体积分数为14vol%的弹性体。用旋转流变仪测试了弹性体在不同电场强度下的电致变模量特性，与填充TiO2颗粒并在电场下固化的电流变弹性体进行对比，相对电流变效应相较于后者提升了71.9%。通过光学显微镜观察弹性体截面，发现磁场下固化的弹性体有更好的颗粒取向。由此，采用磁电双响应特性的颗粒作为分散相，在外加磁场下使基体固化，可获得具有更显著颗粒链结构的弹性体材料，克服了现有电流变弹性体在外电场下固化介电颗粒预排布结构不明显的问题，提高了所制备弹性体的电流变效应，同时消除了固化时外加高压电源的安全隐患，为高性能电流变弹性体的开发制备提供了新的思路。
2023, 40(12): 6809-6818.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230227.001
摘要:
为研究氧化钇稳定氧化锆陶瓷(Y-TZP)气泡缺陷在烧结前后的遗传性及气泡缺陷对材料断裂韧度的影响，采用X射线显微镜对3mol%氧化钇稳定四方多晶氧化锆陶瓷(3Y-TZP)烧结前后的气泡缺陷进行观测，得到缺陷变化规律，然后分别测试了天然缺陷和人为引入体缺陷状态下，不同氧化钇掺量的3Y-TZP、4Y-TZP、5Y-TZP陶瓷的弯曲强度，并计算威布尔模量和断裂韧度，在SEM下观察各组的破坏模式。研究结果表明：烧结作用可修复氧化锆陶瓷的气泡缺陷，修复率约为74.12%，当直径小于10 μm时，修复率高达97.22%，当直径大于40 μm时，修复率仅为20%，烧结后80%以上的气泡缺陷直径不超过20 μm；氧化锆陶瓷的弯曲强度随氧化钇掺量的增加而降低，引入体缺陷显著降低了氧化锆陶瓷的弯曲强度，其中4Y-TZP陶瓷稳定性最佳，强度仅降低8.64%，5Y-TZP陶瓷对缺陷最敏感，强度降低22.58%；断裂韧度随氧化钇掺量的增加而降低，引入体缺陷的深度(a)和半宽度(c)会影响氧化锆陶瓷的断裂韧度，断裂韧度随a/c的增大，先增大后减小，在a/c≈1.5时达到峰值。
为研究氧化钇稳定氧化锆陶瓷(Y-TZP)气泡缺陷在烧结前后的遗传性及气泡缺陷对材料断裂韧度的影响，采用X射线显微镜对3mol%氧化钇稳定四方多晶氧化锆陶瓷(3Y-TZP)烧结前后的气泡缺陷进行观测，得到缺陷变化规律，然后分别测试了天然缺陷和人为引入体缺陷状态下，不同氧化钇掺量的3Y-TZP、4Y-TZP、5Y-TZP陶瓷的弯曲强度，并计算威布尔模量和断裂韧度，在SEM下观察各组的破坏模式。研究结果表明：烧结作用可修复氧化锆陶瓷的气泡缺陷，修复率约为74.12%，当直径小于10 μm时，修复率高达97.22%，当直径大于40 μm时，修复率仅为20%，烧结后80%以上的气泡缺陷直径不超过20 μm；氧化锆陶瓷的弯曲强度随氧化钇掺量的增加而降低，引入体缺陷显著降低了氧化锆陶瓷的弯曲强度，其中4Y-TZP陶瓷稳定性最佳，强度仅降低8.64%，5Y-TZP陶瓷对缺陷最敏感，强度降低22.58%；断裂韧度随氧化钇掺量的增加而降低，引入体缺陷的深度(a)和半宽度(c)会影响氧化锆陶瓷的断裂韧度，断裂韧度随a/c的增大，先增大后减小，在a/c≈1.5时达到峰值。
2023, 40(12): 6819-6829.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230327.001
摘要:
研究了TiB2/Al-Cu-Li复合材料T6工艺的微观组织演变和时效析出对力学性能的影响。通过气氛保护熔炼法制备了TiB2/Al-Cu-Li复合材料。结果表明：在铸态合金的微观组织中，TiB2颗粒和共晶相主要分布在晶界周围。均匀化处理后，大部分共晶相回溶。轧制变形后，TiB2颗粒沿着轧制方向被拉长，产生了大量位错。固溶处理削弱了轧制产生的Brass织构和S织构，回溶了轧制产生的析出相。在175℃温度下进行时效，欠时效过程中，δ'(Al3Li)/β'(Al3Zr)为主要析出相。随着时效时间的增加，到22 h峰时效时，T1相为主要析出强化相。通过位错强化和析出强化的共同作用，随时效时间增加，屈服强度和抗拉强度先上升后下降，延伸率持续下降。复合材料峰时效的极限抗拉强度为562.7 MPa，屈服强度为475.9 MPa，延伸率为4.5%。
研究了TiB2/Al-Cu-Li复合材料T6工艺的微观组织演变和时效析出对力学性能的影响。通过气氛保护熔炼法制备了TiB2/Al-Cu-Li复合材料。结果表明：在铸态合金的微观组织中，TiB2颗粒和共晶相主要分布在晶界周围。均匀化处理后，大部分共晶相回溶。轧制变形后，TiB2颗粒沿着轧制方向被拉长，产生了大量位错。固溶处理削弱了轧制产生的Brass织构和S织构，回溶了轧制产生的析出相。在175℃温度下进行时效，欠时效过程中，δ'(Al3Li)/β'(Al3Zr)为主要析出相。随着时效时间的增加，到22 h峰时效时，T1相为主要析出强化相。通过位错强化和析出强化的共同作用，随时效时间增加，屈服强度和抗拉强度先上升后下降，延伸率持续下降。复合材料峰时效的极限抗拉强度为562.7 MPa，屈服强度为475.9 MPa，延伸率为4.5%。
2023, 40(12): 6830-6840.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230426.001
摘要:
生物质材料具有特异的微观形态和孔道结构，被认为是碳组分优良的形态遗传材料，且生物质材料来源广泛、价格低廉，亦符合国家可持续发展的战略需求。基于此，本文选取生物质香蒲为主要碳源，Fe3+为金属源，经原位吸附和碳热还原得到碳基底表面均匀负载的Fe纳米粒子(Fe/C复合材料)，随着煅烧温度的升高，铁纳米粒子的结晶度增强；Fe/C-700复合材料在低频和高频具有多重共振行为，有助于介电损耗能力的提升；二维反射损耗结果显示，900℃的Fe/C复合材料的吸波性能最好，厚度为5 mm时，4.4 GHz处达到最大反射损耗−35 dB，复合材料优良的吸波性能取决于其较好的阻抗匹配特性和介电损耗与磁损耗的协同作用，本研究将为新型磁性碳基吸波材料的合成提供高效、便捷的合成策略。
生物质材料具有特异的微观形态和孔道结构，被认为是碳组分优良的形态遗传材料，且生物质材料来源广泛、价格低廉，亦符合国家可持续发展的战略需求。基于此，本文选取生物质香蒲为主要碳源，Fe3+为金属源，经原位吸附和碳热还原得到碳基底表面均匀负载的Fe纳米粒子(Fe/C复合材料)，随着煅烧温度的升高，铁纳米粒子的结晶度增强；Fe/C-700复合材料在低频和高频具有多重共振行为，有助于介电损耗能力的提升；二维反射损耗结果显示，900℃的Fe/C复合材料的吸波性能最好，厚度为5 mm时，4.4 GHz处达到最大反射损耗−35 dB，复合材料优良的吸波性能取决于其较好的阻抗匹配特性和介电损耗与磁损耗的协同作用，本研究将为新型磁性碳基吸波材料的合成提供高效、便捷的合成策略。
2023, 40(12): 6841-6851.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230417.005
摘要:
环氧树脂及其制品因其优良性能广泛应用在船舶制造中，长期在潮湿环境中服役时，基体吸收水分易引起膨胀翘曲等变形，进而引发失效隐患。本文采用重量分析试验、光纤布拉格光栅(FBG)传感器应变监测技术，确定了环氧树脂中的饱和吸湿量、水分扩散系数和湿膨胀系数等吸湿系数，在此基础上构建了能够预测环氧树脂中随时间变化的水分扩散及应力场分布的湿-力模型，用有限元方法实现了对随吸湿时间变化的树脂中应力场的数值模拟。并结合相移数字光弹试验方法，将数值模拟结果与试验结果进行了比较，显示了良好的一致性，发现环氧树脂吸湿过程中切应力随时间呈现出先升后降的趋势。
环氧树脂及其制品因其优良性能广泛应用在船舶制造中，长期在潮湿环境中服役时，基体吸收水分易引起膨胀翘曲等变形，进而引发失效隐患。本文采用重量分析试验、光纤布拉格光栅(FBG)传感器应变监测技术，确定了环氧树脂中的饱和吸湿量、水分扩散系数和湿膨胀系数等吸湿系数，在此基础上构建了能够预测环氧树脂中随时间变化的水分扩散及应力场分布的湿-力模型，用有限元方法实现了对随吸湿时间变化的树脂中应力场的数值模拟。并结合相移数字光弹试验方法，将数值模拟结果与试验结果进行了比较，显示了良好的一致性，发现环氧树脂吸湿过程中切应力随时间呈现出先升后降的趋势。
2023, 40(12): 6852-6858.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230407.002
摘要:
通过C/SiC陶瓷基复合材料连接结构单轴拉伸试验，研究了连接结构拉脱失效过程的力学性能变化规律，结合应变测量、高速摄像、CT检测等测试手段从宏观角度和细观角度探究了连接结构拉脱失效过程中的损伤演化过程，确定了陶瓷基复合材料连接结构拉脱失效机制。结果表明：由于螺纹部位沉积及接触状态的差异，导致不同连接结构的初始刚度不一致；随着位移不断增加，连接部位的刚度趋于一致。加载过程中螺纹孔附近受到挤压产生损伤并发生分层现象；当螺纹孔局部的损伤达到一定程度时，连接结构达到最大承载能力，此时随着位移继续增加螺钉开始拉脱，承载能力开始下降，直至螺钉完全拉脱拔出。
通过C/SiC陶瓷基复合材料连接结构单轴拉伸试验，研究了连接结构拉脱失效过程的力学性能变化规律，结合应变测量、高速摄像、CT检测等测试手段从宏观角度和细观角度探究了连接结构拉脱失效过程中的损伤演化过程，确定了陶瓷基复合材料连接结构拉脱失效机制。结果表明：由于螺纹部位沉积及接触状态的差异，导致不同连接结构的初始刚度不一致；随着位移不断增加，连接部位的刚度趋于一致。加载过程中螺纹孔附近受到挤压产生损伤并发生分层现象；当螺纹孔局部的损伤达到一定程度时，连接结构达到最大承载能力，此时随着位移继续增加螺钉开始拉脱，承载能力开始下降，直至螺钉完全拉脱拔出。
2023, 40(12): 6859-6870.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230411.002
摘要:
基于杆径为50 mm的分离式霍普金森压杆装置(SHPB)研究了不同长径比和不同聚乙烯醇(PVA)纤维体积掺量的高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA/ECC)在4种应变率下的动态压缩性能。结果表明：长径比较大(l/D>1.0)的PVA/ECC试件冲击压缩后更易产生方向性明显的滑移破坏，其应力-应变曲线平台期的长度明显缩短，且曲线所包围的面积也明显减小；PVA/ECC的动态峰值应力、峰值应变和冲击韧性均随长径比增加而降低，存在一定的尺寸效应，且应变率越高、PVA纤维体积掺量越小，长径比的影响更明显；长径比较大的PVA/ECC试件其应变率效应有所减弱但PVA纤维的强化效应有所提升，尤其是对冲击韧性的影响程度最显著。
基于杆径为50 mm的分离式霍普金森压杆装置(SHPB)研究了不同长径比和不同聚乙烯醇(PVA)纤维体积掺量的高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA/ECC)在4种应变率下的动态压缩性能。结果表明：长径比较大(l/D>1.0)的PVA/ECC试件冲击压缩后更易产生方向性明显的滑移破坏，其应力-应变曲线平台期的长度明显缩短，且曲线所包围的面积也明显减小；PVA/ECC的动态峰值应力、峰值应变和冲击韧性均随长径比增加而降低，存在一定的尺寸效应，且应变率越高、PVA纤维体积掺量越小，长径比的影响更明显；长径比较大的PVA/ECC试件其应变率效应有所减弱但PVA纤维的强化效应有所提升，尤其是对冲击韧性的影响程度最显著。
2023, 40(12): 6871-6883.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230330.001
摘要:
评估打磨处理对含外突褶皱结构承载能力的影响，是开展复合材料制造质量评定与制定装配策略的重要依据。本文采用实验与数值模拟相结合的方法研究了外突褶皱及打磨处理对层合板压缩失效行为的影响。实验方面，借助数字图像DIC技术监测加载过程表面应变分布，采用电子显微相机捕捉损伤过程，分析试样的压缩承载行为和破坏模式。数值模拟方面，采用Hashin失效准则与内聚力方法构建高保真度含褶皱层合板层内/层间失效分析有限元模型，探讨含外突褶皱及打磨褶皱层合板的应力分布特征及失效机制并分析褶皱高度对层合板压缩强度影响。结果表明：外突褶皱降低层合板压缩承载能力，而打磨处理会进一步降低层合板的承载能力与刚度。本文所建立的数值模型与实验结果吻合较好。对于外突褶皱层合板，层合板向褶皱凸起一侧屈曲，褶皱上方发生分层损伤并向端部扩展，纤维损伤从褶皱下侧铺层波谷处向其他层扩展；对于打磨褶皱层合板，主层板向褶皱凸起的相反方向屈曲，首先在打磨断层处发生面外拱起分层损伤，随后褶皱上方纤维层发生拱起断裂，纤维损伤向其他层扩展。随外突褶皱高度的增加，含褶皱层合板及打磨褶皱层合板的压缩失效载荷均显著降低。以上研究可为含外突褶皱复合材料结构的处置方案评估提供参考。
评估打磨处理对含外突褶皱结构承载能力的影响，是开展复合材料制造质量评定与制定装配策略的重要依据。本文采用实验与数值模拟相结合的方法研究了外突褶皱及打磨处理对层合板压缩失效行为的影响。实验方面，借助数字图像DIC技术监测加载过程表面应变分布，采用电子显微相机捕捉损伤过程，分析试样的压缩承载行为和破坏模式。数值模拟方面，采用Hashin失效准则与内聚力方法构建高保真度含褶皱层合板层内/层间失效分析有限元模型，探讨含外突褶皱及打磨褶皱层合板的应力分布特征及失效机制并分析褶皱高度对层合板压缩强度影响。结果表明：外突褶皱降低层合板压缩承载能力，而打磨处理会进一步降低层合板的承载能力与刚度。本文所建立的数值模型与实验结果吻合较好。对于外突褶皱层合板，层合板向褶皱凸起一侧屈曲，褶皱上方发生分层损伤并向端部扩展，纤维损伤从褶皱下侧铺层波谷处向其他层扩展；对于打磨褶皱层合板，主层板向褶皱凸起的相反方向屈曲，首先在打磨断层处发生面外拱起分层损伤，随后褶皱上方纤维层发生拱起断裂，纤维损伤向其他层扩展。随外突褶皱高度的增加，含褶皱层合板及打磨褶皱层合板的压缩失效载荷均显著降低。以上研究可为含外突褶皱复合材料结构的处置方案评估提供参考。
2023, 40(12): 6884-6896.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230310.001
摘要:
开展纤维缠绕结构缠绕与固化后残余应力评估是开展缠绕工艺优化设计、实现服役前预应力设计的重要前提。本文采用干法缠绕工艺，基于钢芯模和尼龙6(PA6)芯模分别制备了恒定张力(40 N)、内松外紧(20 N-40 N-60 N)和内紧外松(60 N-40 N-20 N)3种不同张力制度的复合材料缠绕圆筒，通过测试切割过程应变释放量与回弹变形对内部残余应力进行对比分析。借助生死单元法，建立了复合材料圆筒的逐层缠绕过程分析模型，模拟缠绕后残余应力分布；并基于CHILE(Tg)本构模型，开展了复合材料圆筒固化过程模拟，预测固化后残余应力及切割后回弹变形。研究表明：固化应力与缠绕张力均对总残余应力产生贡献，但由于固化过程剩余缠绕张力进一步放松，固化后总残余应力水平低于缠绕残余应力与固化应力之和。固化过程不会改变缠绕张力对最终残余应力分布的影响；缠绕张力对总残余应力的影响程度与芯模材质相关，芯模热变形越大，缠绕张力的影响越弱。当采用相同芯模时，内松外紧(20 N-40 N-60 N)张力制度产生的切割回弹角最小，内紧外松(60 N-40 N-20 N)张力制度产生的回弹角最大；当采用相同张力制度时，PA6芯模制备的缠绕圆筒试样切割后回弹角远大于钢芯模制备试样。
开展纤维缠绕结构缠绕与固化后残余应力评估是开展缠绕工艺优化设计、实现服役前预应力设计的重要前提。本文采用干法缠绕工艺，基于钢芯模和尼龙6(PA6)芯模分别制备了恒定张力(40 N)、内松外紧(20 N-40 N-60 N)和内紧外松(60 N-40 N-20 N)3种不同张力制度的复合材料缠绕圆筒，通过测试切割过程应变释放量与回弹变形对内部残余应力进行对比分析。借助生死单元法，建立了复合材料圆筒的逐层缠绕过程分析模型，模拟缠绕后残余应力分布；并基于CHILE(Tg)本构模型，开展了复合材料圆筒固化过程模拟，预测固化后残余应力及切割后回弹变形。研究表明：固化应力与缠绕张力均对总残余应力产生贡献，但由于固化过程剩余缠绕张力进一步放松，固化后总残余应力水平低于缠绕残余应力与固化应力之和。固化过程不会改变缠绕张力对最终残余应力分布的影响；缠绕张力对总残余应力的影响程度与芯模材质相关，芯模热变形越大，缠绕张力的影响越弱。当采用相同芯模时，内松外紧(20 N-40 N-60 N)张力制度产生的切割回弹角最小，内紧外松(60 N-40 N-20 N)张力制度产生的回弹角最大；当采用相同张力制度时，PA6芯模制备的缠绕圆筒试样切割后回弹角远大于钢芯模制备试样。
2023, 40(12): 6897-6909.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230330.004
摘要:
采用分子动力学(MD)方法模拟了石墨烯(GNs)/Al层状梁在横向荷载和纵向压缩下的弯曲变形，探究了层状梁弯曲特性的影响因素。从横向荷载下的弯曲结果可见，由于层间作用的影响，层状梁的弯曲刚度随着GNs层数的增加而不断降低。GNs/Al层状梁的弯曲机制并非由GNs和Al组分特性的简单相加，这使经典连续力学难以适用于高各向异性的层状材料中。在单轴纵向压缩中，GNs使细长的层状梁在塑性变形前更易发生屈曲行为。发生屈曲的临界应力σcr和临界应变εcr主要受层状梁中重复层厚度的影响，尤其在重复层厚度不足2 nm时，σcr和εcr急剧降低。屈曲后的弯曲变形中，位错形核的拉-压不对称性使原子缺陷仅从受压缩的地方产生。随着GNs层数的增加，重复层间距离降低，层状梁的柔韧性随之增加。
采用分子动力学(MD)方法模拟了石墨烯(GNs)/Al层状梁在横向荷载和纵向压缩下的弯曲变形，探究了层状梁弯曲特性的影响因素。从横向荷载下的弯曲结果可见，由于层间作用的影响，层状梁的弯曲刚度随着GNs层数的增加而不断降低。GNs/Al层状梁的弯曲机制并非由GNs和Al组分特性的简单相加，这使经典连续力学难以适用于高各向异性的层状材料中。在单轴纵向压缩中，GNs使细长的层状梁在塑性变形前更易发生屈曲行为。发生屈曲的临界应力σcr和临界应变εcr主要受层状梁中重复层厚度的影响，尤其在重复层厚度不足2 nm时，σcr和εcr急剧降低。屈曲后的弯曲变形中，位错形核的拉-压不对称性使原子缺陷仅从受压缩的地方产生。随着GNs层数的增加，重复层间距离降低，层状梁的柔韧性随之增加。
2023, 40(12): 6910-6921.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230421.001
摘要:
为改善矩形拉挤型材受力性能，提高混凝土约束效率，提出一种多腔矩形纤维增强复合材料约束混凝土组合短柱。对多腔矩形纤维增强复合材料管及其约束混凝土构件进行了轴压试验，研究了多腔结构及增设格构腹板对拉挤型材约束混凝土结构破坏模式、峰值承载力及其延性特征的影响。试验结果表明，多腔结构有效改善拉挤型材脆性破坏特征，构件破坏前有明显征兆；多腔结构有效改善拉挤型材受力性能及其混凝土约束效率，其中拉挤型材承载力平均提高53.08%，约束混凝土强度平均提高约27.45%。增设格构腹板有效改善材料界面粘结性能，延缓约束面层局部屈曲，提高结构整体变形能力，其中格构增强多腔混凝土组合构件延性系数平均为2.23，远高于无格构构件的1.88；增设格构腹板进一步提高多腔结构混凝土约束效率，结构具有更高的峰值承载力，其中多腔约束混凝土构件承载力最大提高21.17%，远高于无格构构件的7.44%。此外，提出一种简易计算模型，分别对多腔矩形纤维增强复合材料管及其约束混凝土构件的峰值承载力进行了理论计算，计算结果与试验较一致。
为改善矩形拉挤型材受力性能，提高混凝土约束效率，提出一种多腔矩形纤维增强复合材料约束混凝土组合短柱。对多腔矩形纤维增强复合材料管及其约束混凝土构件进行了轴压试验，研究了多腔结构及增设格构腹板对拉挤型材约束混凝土结构破坏模式、峰值承载力及其延性特征的影响。试验结果表明，多腔结构有效改善拉挤型材脆性破坏特征，构件破坏前有明显征兆；多腔结构有效改善拉挤型材受力性能及其混凝土约束效率，其中拉挤型材承载力平均提高53.08%，约束混凝土强度平均提高约27.45%。增设格构腹板有效改善材料界面粘结性能，延缓约束面层局部屈曲，提高结构整体变形能力，其中格构增强多腔混凝土组合构件延性系数平均为2.23，远高于无格构构件的1.88；增设格构腹板进一步提高多腔结构混凝土约束效率，结构具有更高的峰值承载力，其中多腔约束混凝土构件承载力最大提高21.17%，远高于无格构构件的7.44%。此外，提出一种简易计算模型，分别对多腔矩形纤维增强复合材料管及其约束混凝土构件的峰值承载力进行了理论计算，计算结果与试验较一致。
2023, 40(12): 6922-6933.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230328.002
摘要:
针对经编织物类膜材，考虑纱线方向性及其细观力学结构，进行了系列纱线偏转(梯度15°)及裂缝参数下梯形撕裂试验及数值研究，探讨了撕裂强度及力学行为受参数影响规律，论证了裂纹扩展机制及其涉及的拉剪耦合行为特征。结果表明：裂缝扩展与主纱应力三角区及X形剪应力区的衍变存在显著关联，并据此可界定撕裂历程中各典型阶段。经纬纱间的协同变形及材料的拉剪耦合作用是材料撕裂性能表现出纱线方向依赖性的主要诱因，且随偏角趋于45°两因素均呈现出规律性变化，进而造成裂纹两向杂糅延展及撕裂抗力的“山脊”式变化规律的呈现。所得结论可为相关织物膜材的损伤分析及膜结构安全性评估提供有益参考。
针对经编织物类膜材，考虑纱线方向性及其细观力学结构，进行了系列纱线偏转(梯度15°)及裂缝参数下梯形撕裂试验及数值研究，探讨了撕裂强度及力学行为受参数影响规律，论证了裂纹扩展机制及其涉及的拉剪耦合行为特征。结果表明：裂缝扩展与主纱应力三角区及X形剪应力区的衍变存在显著关联，并据此可界定撕裂历程中各典型阶段。经纬纱间的协同变形及材料的拉剪耦合作用是材料撕裂性能表现出纱线方向依赖性的主要诱因，且随偏角趋于45°两因素均呈现出规律性变化，进而造成裂纹两向杂糅延展及撕裂抗力的“山脊”式变化规律的呈现。所得结论可为相关织物膜材的损伤分析及膜结构安全性评估提供有益参考。
2023, 40(12): 6934-6944.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230403.002
摘要:
在树脂矿物复合材料中掺入微胶囊实现材料自愈得到了广泛应用，而新出现的金属微胶囊解决了传统微胶囊力学和鲁棒等性能较差的问题。但因金属微胶囊与基体间的界面力学性能尚未可知，使其破裂性无法确定，进而无法将金属微胶囊推广。针对这一问题，本文提出利用分子动力学方法对金属微胶囊的囊壁/树脂基体界面损伤演化过程进行模拟，获得界面力学性能。以此为基础，运用扩展有限元对金属微胶囊的破裂性进行分析，为金属微胶囊的运用提供研究指导和理论依据。研究结果表明：(1) 分子动力学模拟囊壁/基体界面模型损伤演化过程可以分为初始变形、局部破坏和整体破坏3个过程；(2) 囊壁/基体界面弹性模量为6.458 GPa，强度极限为62 MPa；(3) 金属微胶囊只会在基体裂纹出现后破损，但破损时间早于基体裂纹到达金属微胶囊处。
在树脂矿物复合材料中掺入微胶囊实现材料自愈得到了广泛应用，而新出现的金属微胶囊解决了传统微胶囊力学和鲁棒等性能较差的问题。但因金属微胶囊与基体间的界面力学性能尚未可知，使其破裂性无法确定，进而无法将金属微胶囊推广。针对这一问题，本文提出利用分子动力学方法对金属微胶囊的囊壁/树脂基体界面损伤演化过程进行模拟，获得界面力学性能。以此为基础，运用扩展有限元对金属微胶囊的破裂性进行分析，为金属微胶囊的运用提供研究指导和理论依据。研究结果表明：(1) 分子动力学模拟囊壁/基体界面模型损伤演化过程可以分为初始变形、局部破坏和整体破坏3个过程；(2) 囊壁/基体界面弹性模量为6.458 GPa，强度极限为62 MPa；(3) 金属微胶囊只会在基体裂纹出现后破损，但破损时间早于基体裂纹到达金属微胶囊处。
