2023年 第40卷 第10期
2023, 40(10): 5447-5465.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230607.001
摘要:
近年，全无机钙钛矿太阳电池因其具有优良的光电性能及优异的热稳定性成为光伏领域的关注热点之一。该类电池现获得了21.15%的光电转换效率(PCE)，并且还有望得到进一步地提高。然而，目前获得高效率全无机钙钛矿电池的有效面积都相对较小，多数处于0.1 cm2水平，大面积全无机钙钛矿太阳电池的PCE会因有效面积的增加而大幅降低。而大面积电池的制备对于全无机钙钛矿太阳电池的商业化应用极其重要。为了让全无机钙钛矿类材料在光伏领域上得到更好地应用，对全无机钙钛矿构建多组分复合材料结构及制备工艺调整是最简单而有效的方法。本文针对目前大面积全无机钙钛矿太阳电池进行系统综述，对较大面积的全无机钙钛矿太阳电池已取得的成果进行总结。针对目前大面积全无机钙钛矿太阳电池所处现状进行分析，并且对可制备大面积钙钛矿太阳电池的工艺及电池性能优化策略进行了系统性的归纳，最后对其领域未来发展趋势进行了展望。
近年，全无机钙钛矿太阳电池因其具有优良的光电性能及优异的热稳定性成为光伏领域的关注热点之一。该类电池现获得了21.15%的光电转换效率(PCE)，并且还有望得到进一步地提高。然而，目前获得高效率全无机钙钛矿电池的有效面积都相对较小，多数处于0.1 cm2水平，大面积全无机钙钛矿太阳电池的PCE会因有效面积的增加而大幅降低。而大面积电池的制备对于全无机钙钛矿太阳电池的商业化应用极其重要。为了让全无机钙钛矿类材料在光伏领域上得到更好地应用，对全无机钙钛矿构建多组分复合材料结构及制备工艺调整是最简单而有效的方法。本文针对目前大面积全无机钙钛矿太阳电池进行系统综述，对较大面积的全无机钙钛矿太阳电池已取得的成果进行总结。针对目前大面积全无机钙钛矿太阳电池所处现状进行分析，并且对可制备大面积钙钛矿太阳电池的工艺及电池性能优化策略进行了系统性的归纳，最后对其领域未来发展趋势进行了展望。
2023, 40(10): 5466-5485.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230427.001
摘要:
精确的数值模型是获得可靠的数值仿真结果的前提。显微计算机断层扫描(Micro-CT)技术可无损成像复合材料的内部结构，据此建立的数值模型比理想化模型更具代表性。本文综述了基于Micro-CT图像的复合材料介观模型构建方法及其在材料虚拟测试中的应用，提出了Micro-CT辅助数值仿真的概念。首先，对Micro-CT成像原理、设备特点和织物增强复合材料的成像难点进行了讨论。其次，梳理了现有的Micro-CT辅助建模技术的特点，将其建立的模型划分为间接模型、体素模型和数字材料孪生模型，重点介绍了构建各类模型的理论基础和技术途径，指出了各自的优势和局限性。然后对Micro-CT辅助数值仿真技术在织物增强复合材料的成型工艺和力学性能预测等方面的应用进行了总结，表明了该技术的重要价值。最后，对Micro-CT辅助数值仿真技术的未来发展进行了展望。
精确的数值模型是获得可靠的数值仿真结果的前提。显微计算机断层扫描(Micro-CT)技术可无损成像复合材料的内部结构，据此建立的数值模型比理想化模型更具代表性。本文综述了基于Micro-CT图像的复合材料介观模型构建方法及其在材料虚拟测试中的应用，提出了Micro-CT辅助数值仿真的概念。首先，对Micro-CT成像原理、设备特点和织物增强复合材料的成像难点进行了讨论。其次，梳理了现有的Micro-CT辅助建模技术的特点，将其建立的模型划分为间接模型、体素模型和数字材料孪生模型，重点介绍了构建各类模型的理论基础和技术途径，指出了各自的优势和局限性。然后对Micro-CT辅助数值仿真技术在织物增强复合材料的成型工艺和力学性能预测等方面的应用进行了总结，表明了该技术的重要价值。最后，对Micro-CT辅助数值仿真技术的未来发展进行了展望。
2023, 40(10): 5486-5501.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230423.002
摘要:
光子晶体(PC)是介质材料经周期性排列后生成的结构，它凭借独特的光调控特性在光学和光子学领域获得了广泛关注。从其结构、机制、材料和功能应用等多角度出发，开展了深入的研究和持续性拓展。特别地，凭借高比表面积和三维结构可控等优势，光子晶体纤维(PCFs)为发展检测传感、智能穿戴、光电传输等工业产业提供了新机会。本文综述了PC的结构生色机制、基元材料及PCFs的制备方法和应用，其中突出介绍了静电纺丝技术在PCFs领域的贡献，探讨了PCFs在织物印染及智能化、响应及传感检测和疏水调控等方面的功能性应用。最后提出了PCFs在宏量制备和实际生产应用方面存在的问题，并展望了未来可能的研究重点和方向。
光子晶体(PC)是介质材料经周期性排列后生成的结构，它凭借独特的光调控特性在光学和光子学领域获得了广泛关注。从其结构、机制、材料和功能应用等多角度出发，开展了深入的研究和持续性拓展。特别地，凭借高比表面积和三维结构可控等优势，光子晶体纤维(PCFs)为发展检测传感、智能穿戴、光电传输等工业产业提供了新机会。本文综述了PC的结构生色机制、基元材料及PCFs的制备方法和应用，其中突出介绍了静电纺丝技术在PCFs领域的贡献，探讨了PCFs在织物印染及智能化、响应及传感检测和疏水调控等方面的功能性应用。最后提出了PCFs在宏量制备和实际生产应用方面存在的问题，并展望了未来可能的研究重点和方向。
2023, 40(10): 5502-5517.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230607.003
摘要:
仿生超疏水表面已被广泛应用于健康、环境和能源等重大领域。首先，结合超疏水经典浸润理论，简要回顾了其仿生设计和制备技术。其次，超疏水表面存在高度疏水/憎血、生物/血液相容、抗血凝/血栓、表面抑菌、低生物黏附等显著的生物学效应，在生物医学领域引起了广泛的关注。本文重点综述了近年来超疏水表面在伤口愈合(止血敷料)、抗凝抗血栓(血液接触类医疗器械)、表面抗菌、药物释放、运动监测、生物芯片、镁合金防腐、生物医学检测等代表性领域的应用进展。最后，结合自身研究经验，展望分析了仿生超疏水表面在实际生物医学应用中尚存在的瓶颈，主要涉及机械耐久性、化学腐蚀性、生物污染性、界面构建技术和生物医学应用等方面。因此，聚焦实际功能和性能，超疏水表面最终将从概念设计走向工业应用。
仿生超疏水表面已被广泛应用于健康、环境和能源等重大领域。首先，结合超疏水经典浸润理论，简要回顾了其仿生设计和制备技术。其次，超疏水表面存在高度疏水/憎血、生物/血液相容、抗血凝/血栓、表面抑菌、低生物黏附等显著的生物学效应，在生物医学领域引起了广泛的关注。本文重点综述了近年来超疏水表面在伤口愈合(止血敷料)、抗凝抗血栓(血液接触类医疗器械)、表面抗菌、药物释放、运动监测、生物芯片、镁合金防腐、生物医学检测等代表性领域的应用进展。最后，结合自身研究经验，展望分析了仿生超疏水表面在实际生物医学应用中尚存在的瓶颈，主要涉及机械耐久性、化学腐蚀性、生物污染性、界面构建技术和生物医学应用等方面。因此，聚焦实际功能和性能，超疏水表面最终将从概念设计走向工业应用。
2023, 40(10): 5518-5528.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230310.002
摘要:
一次晶粒径向有序组装的颗粒结构能够较好抑制微裂纹的产生并提供良好的Li+扩散路径，是高端多晶富镍锂电正极材料理想的形态。近年来，研究人员通过对前驱体沉淀结晶和正极高温锂化结晶调控，获得具有较大长宽比晶粒有序组装的富镍正极材料。然而，关于富镍正极径向有序结构调控方法及形成机制的论述，特别是关于径向有序氢氧化物前驱体的调控方法、关键参数对有序结构的影响等并无详细的阐述。本文首先介绍了多晶富镍正极径向有序结构调控的必要性及其电化学性能提升的作用机制；其次，介绍了径向有序多晶富镍正极调控方法及形成机制，包括沉淀结晶过程关键参数(pH、氨浓度及固含量)对径向有序前驱体的影响、高温锂化过程温度及掺杂元素对正极继承前驱体径向有序性的影响；最后，对径向有序富镍正极调控面临的问题进行探讨，以期为相关专业人员开发富镍正极提供参考。
一次晶粒径向有序组装的颗粒结构能够较好抑制微裂纹的产生并提供良好的Li+扩散路径，是高端多晶富镍锂电正极材料理想的形态。近年来，研究人员通过对前驱体沉淀结晶和正极高温锂化结晶调控，获得具有较大长宽比晶粒有序组装的富镍正极材料。然而，关于富镍正极径向有序结构调控方法及形成机制的论述，特别是关于径向有序氢氧化物前驱体的调控方法、关键参数对有序结构的影响等并无详细的阐述。本文首先介绍了多晶富镍正极径向有序结构调控的必要性及其电化学性能提升的作用机制；其次，介绍了径向有序多晶富镍正极调控方法及形成机制，包括沉淀结晶过程关键参数(pH、氨浓度及固含量)对径向有序前驱体的影响、高温锂化过程温度及掺杂元素对正极继承前驱体径向有序性的影响；最后，对径向有序富镍正极调控面临的问题进行探讨，以期为相关专业人员开发富镍正极提供参考。
2023, 40(10): 5529-5541.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230413.001
摘要:
多酚是一种含有多个酚羟基的化合物，广泛存在于天然植物中。多酚中含有大量疏水芳香环和酚羟基，与材料之间能够实现氢键、金属配位和π-π相互作用等多种类型的相互作用，被广泛应用于材料功能化改性中。本文综述了多巴胺、邻苯二酚、没食子酸及单宁酸4种多酚在纤维增强聚合物基复合材料改性方面的研究进展，其中主要包括不同多酚的结构及特性、对纤维表面的改性方法及在纤维增强聚合物基复合材料中的应用；最后，结合目前多酚的应用和限制，对多酚改性研究的未来研究方向和研究重点进行了展望。
多酚是一种含有多个酚羟基的化合物，广泛存在于天然植物中。多酚中含有大量疏水芳香环和酚羟基，与材料之间能够实现氢键、金属配位和π-π相互作用等多种类型的相互作用，被广泛应用于材料功能化改性中。本文综述了多巴胺、邻苯二酚、没食子酸及单宁酸4种多酚在纤维增强聚合物基复合材料改性方面的研究进展，其中主要包括不同多酚的结构及特性、对纤维表面的改性方法及在纤维增强聚合物基复合材料中的应用；最后，结合目前多酚的应用和限制，对多酚改性研究的未来研究方向和研究重点进行了展望。
2023, 40(10): 5542-5553.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230523.003
摘要:
铜和铜合金凭借其高导电性、导热性、易加工性和耐腐蚀等特性被广泛应用于电接触材料、电子封装材料、热交换材料等领域，然而铜合金强化过程中强度和电导率、热导率之间此消彼长的矛盾使其发展受限。铜基复合材料可通过强化相提升材料的强度，并且可避免对铜基体产生严重晶格畸变，最大化保证材料的电导率，从而获得优异强阻比的材料，因此铜基复合材料是高性能铜材的一个重要发展方向。本文概述了高性能铜基复合材料的主要制备方法，总结了复合材料增强相及其特点和发展方向。阐述了主要研究进展及其在轨道交通、电工电子、军工方面的应用现状，并对该材料未来的发展方向进行了展望，为高性能铜基复合材料的研究和应用提供参考。
铜和铜合金凭借其高导电性、导热性、易加工性和耐腐蚀等特性被广泛应用于电接触材料、电子封装材料、热交换材料等领域，然而铜合金强化过程中强度和电导率、热导率之间此消彼长的矛盾使其发展受限。铜基复合材料可通过强化相提升材料的强度，并且可避免对铜基体产生严重晶格畸变，最大化保证材料的电导率，从而获得优异强阻比的材料，因此铜基复合材料是高性能铜材的一个重要发展方向。本文概述了高性能铜基复合材料的主要制备方法，总结了复合材料增强相及其特点和发展方向。阐述了主要研究进展及其在轨道交通、电工电子、军工方面的应用现状，并对该材料未来的发展方向进行了展望，为高性能铜基复合材料的研究和应用提供参考。
2023, 40(10): 5554-5566.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230302.001
摘要:
为了解防覆/除冰涂层的制备过程，提升现有纺织复合材料的防覆/除冰性能，本文以防覆/除冰机制为切入点，系统介绍了超疏水、超润滑和复合型涂层整理等的结构、性能和影响因素，并从纺织复合材料涂层整理的技术特点出发，总结了纺织复合材料在防覆/除冰功能整理方面的最新研究进展。最后，针对现有防覆/除冰材料作用机制单一、耐候性欠佳、形状可塑性差和不易拆卸的特点，提出了耦合不同涂层整理的技术优势，开发柔性、复合协同型防覆/除冰功能纺织材料的设想，以期为防覆/除冰功能纺织复合材料的研究和发展提供借鉴。
为了解防覆/除冰涂层的制备过程，提升现有纺织复合材料的防覆/除冰性能，本文以防覆/除冰机制为切入点，系统介绍了超疏水、超润滑和复合型涂层整理等的结构、性能和影响因素，并从纺织复合材料涂层整理的技术特点出发，总结了纺织复合材料在防覆/除冰功能整理方面的最新研究进展。最后，针对现有防覆/除冰材料作用机制单一、耐候性欠佳、形状可塑性差和不易拆卸的特点，提出了耦合不同涂层整理的技术优势，开发柔性、复合协同型防覆/除冰功能纺织材料的设想，以期为防覆/除冰功能纺织复合材料的研究和发展提供借鉴。
2023, 40(10): 5567-5576.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230512.001
摘要:
近年来，环境友好型的绿色溶剂是发展绿色化学的重要研究方向。低共熔溶剂作为具有一定降解性、生物相容性良好的新型绿色溶剂，在纳米纤维素的制备及功能化应用中展现了强大的发展潜力。本文对低共熔溶剂的基本性质和形成机制进行了综述，并介绍了不同低共熔溶剂在纳米纤维素的制备及功能化应用，以实现纳米纤维素的高效制备和改性。未来通过实验与计算模拟技术的结合，可以充分发挥低共熔溶剂的可设计性，揭示其溶解、降解和制备纳米纤维素的规律，为低共熔溶剂预处理制备及改性纳米纤维素提供参考，推动其在生物质预处理中的规模化应用。
近年来，环境友好型的绿色溶剂是发展绿色化学的重要研究方向。低共熔溶剂作为具有一定降解性、生物相容性良好的新型绿色溶剂，在纳米纤维素的制备及功能化应用中展现了强大的发展潜力。本文对低共熔溶剂的基本性质和形成机制进行了综述，并介绍了不同低共熔溶剂在纳米纤维素的制备及功能化应用，以实现纳米纤维素的高效制备和改性。未来通过实验与计算模拟技术的结合，可以充分发挥低共熔溶剂的可设计性，揭示其溶解、降解和制备纳米纤维素的规律，为低共熔溶剂预处理制备及改性纳米纤维素提供参考，推动其在生物质预处理中的规模化应用。
2023, 40(10): 5577-5587.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230221.001
摘要:
镁合金作为目前实际应用中最轻的金属材料，其结构件有望广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车、电子等轻量化领域。然而，镁合金不耐腐蚀的缺点严重限制了其在轻量化领域的广泛应用。在镁合金表面包覆一层耐腐蚀性好的铝合金形成镁铝层合板，则能在保护镁合金的同时又能发挥镁合金比强度和比刚度高、减震性能和电磁波屏蔽性能好等优点。本文综述了镁铝层合板常见的制备方法及特点，分析了层合板中组元板及层界面的微观组织结构演变及其对层合板力学性能的影响。介绍了本课题组在镁铝层合板冲压成形及其变形微观机制方面的创新性的研究成果，获得了不同温度下镁铝层合板的成形极限图。如何制备更宽、更薄且层界面处金属间化合物可控的镁铝层合板是未来研究的重点。
镁合金作为目前实际应用中最轻的金属材料，其结构件有望广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车、电子等轻量化领域。然而，镁合金不耐腐蚀的缺点严重限制了其在轻量化领域的广泛应用。在镁合金表面包覆一层耐腐蚀性好的铝合金形成镁铝层合板，则能在保护镁合金的同时又能发挥镁合金比强度和比刚度高、减震性能和电磁波屏蔽性能好等优点。本文综述了镁铝层合板常见的制备方法及特点，分析了层合板中组元板及层界面的微观组织结构演变及其对层合板力学性能的影响。介绍了本课题组在镁铝层合板冲压成形及其变形微观机制方面的创新性的研究成果，获得了不同温度下镁铝层合板的成形极限图。如何制备更宽、更薄且层界面处金属间化合物可控的镁铝层合板是未来研究的重点。
2023, 40(10): 5588-5600.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230105.002
摘要:
通过三维编织成型技术与树脂传递模塑工艺(RTM)制备了15°、25°、35° 3种编织角三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管，分别在低温(−100℃、−50℃)、室温(20℃)和高温(80℃、110℃、140℃、170℃)环境下对三维编织复合材料薄壁管进行轴向准静态压缩性能测试，基于X射线微计算机显微断层扫描技术(显微CT)研究了温度和编织角对三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管轴向压缩性能和损伤形态的影响。结果表明：三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管准静态压缩性能具有显著的温度效应。温度越高，增强体与基体的结合越弱，编织复合材料薄壁管的压缩强度、压缩模量与比吸收能越低。随着温度的升高，编织复合材料薄壁管的破坏模式发生从局部剪切失效到纤维束-基体界面大面积脱粘的改变。编织角对三维编织复合材料薄壁管的压缩强度、压缩模量及比能量吸收均有不同程度影响，小编织角编织复合材料薄壁管沿编织纱线方向的取向更高，能承受更大的轴向载荷，因此抗压缩性能更好。
通过三维编织成型技术与树脂传递模塑工艺(RTM)制备了15°、25°、35° 3种编织角三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管，分别在低温(−100℃、−50℃)、室温(20℃)和高温(80℃、110℃、140℃、170℃)环境下对三维编织复合材料薄壁管进行轴向准静态压缩性能测试，基于X射线微计算机显微断层扫描技术(显微CT)研究了温度和编织角对三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管轴向压缩性能和损伤形态的影响。结果表明：三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管准静态压缩性能具有显著的温度效应。温度越高，增强体与基体的结合越弱，编织复合材料薄壁管的压缩强度、压缩模量与比吸收能越低。随着温度的升高，编织复合材料薄壁管的破坏模式发生从局部剪切失效到纤维束-基体界面大面积脱粘的改变。编织角对三维编织复合材料薄壁管的压缩强度、压缩模量及比能量吸收均有不同程度影响，小编织角编织复合材料薄壁管沿编织纱线方向的取向更高，能承受更大的轴向载荷，因此抗压缩性能更好。
2023, 40(10): 5601-5610.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221221.001
摘要:
随着我国航天工程快速发展，对热防护系统的轻量化、维形性、防热效率及长时间服役能力等提出了更加苛刻的要求。本文以刚性莫来石陶瓷瓦(RMI)为增强体、杂化酚醛树脂(PR)为基体，通过溶胶-凝胶-常压梯度干燥工艺制备出一种刚性纳米孔酚醛树脂基RMI/PR复合材料，系统研究了树脂浓度对复合材料的微观结构、力学性能、隔热性能及烧蚀性能的影响。结果表明：RMI具有明显的横观各向同性，其Z向室温热导率为0.036 W/(m∙K)。随着树脂浓度从15wt%增加到45wt%，RMI/PR的密度由0.52 g/cm3逐渐增加至0.85 g/cm3，其树脂的纳米孔径从2081 nm急剧减小至32 nm。随着树脂浓度的增加，RMI/PR室温热导率缓慢增加且均小于0.07 W/(m∙K)，但其力学性能显著得到增强且Z向压缩强度最高达20.8 MPa。当RMI/PR经过1000℃、300 s的静态加热后，其背温从277℃降低至244℃；当RMI/PR经过2000℃、30 s的氧-乙炔烧蚀后，其线烧蚀率从0.200 mm/s降低至0.081 mm/s，表明树脂浓度的增加能够显著提升复合材料的高温隔热和抗烧蚀性能。
随着我国航天工程快速发展，对热防护系统的轻量化、维形性、防热效率及长时间服役能力等提出了更加苛刻的要求。本文以刚性莫来石陶瓷瓦(RMI)为增强体、杂化酚醛树脂(PR)为基体，通过溶胶-凝胶-常压梯度干燥工艺制备出一种刚性纳米孔酚醛树脂基RMI/PR复合材料，系统研究了树脂浓度对复合材料的微观结构、力学性能、隔热性能及烧蚀性能的影响。结果表明：RMI具有明显的横观各向同性，其Z向室温热导率为0.036 W/(m∙K)。随着树脂浓度从15wt%增加到45wt%，RMI/PR的密度由0.52 g/cm3逐渐增加至0.85 g/cm3，其树脂的纳米孔径从2081 nm急剧减小至32 nm。随着树脂浓度的增加，RMI/PR室温热导率缓慢增加且均小于0.07 W/(m∙K)，但其力学性能显著得到增强且Z向压缩强度最高达20.8 MPa。当RMI/PR经过1000℃、300 s的静态加热后，其背温从277℃降低至244℃；当RMI/PR经过2000℃、30 s的氧-乙炔烧蚀后，其线烧蚀率从0.200 mm/s降低至0.081 mm/s，表明树脂浓度的增加能够显著提升复合材料的高温隔热和抗烧蚀性能。
2023, 40(10): 5611-5620.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221228.002
摘要:
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)由于比强度高、比模量高等优异性能应用广泛，但受层状结构特性和环氧树脂本征脆性影响，其沿厚度方面的力学性能较差，在遭受面外冲击和面内压缩载荷下容易发生分层，进而降低复合材料强度，因此提高该复合材料的层间断裂韧性尤为重要。本文通过在复合材料层间区域引入高度取向的碳纳米管(CNT)纤维纱来提升其层间断裂韧性。为确保纤维纱被树脂充分浸润，首先将其浸泡于经丙酮稀释的环氧树脂溶液中，待丙酮挥发后，将之插层于自制碳纤维预浸料的层间区域，随后借助热压工艺固化成型。通过ASTM标准对增韧样品的I型和II型层间断裂韧性进行了评估，并结合横截面的光学显微观察和断裂面的扫描电镜分析，清晰地显示了裂纹的扩展路径，并揭示了CNT纤维纱的层间增韧机制。结果表明：CNT纤维纱增韧样品的I型和II型层间断裂韧性分别提高37.4%和41.8%。其增韧机制主要包括增韧树脂、加强碳纤维桥接及引发裂纹偏转等。
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)由于比强度高、比模量高等优异性能应用广泛，但受层状结构特性和环氧树脂本征脆性影响，其沿厚度方面的力学性能较差，在遭受面外冲击和面内压缩载荷下容易发生分层，进而降低复合材料强度，因此提高该复合材料的层间断裂韧性尤为重要。本文通过在复合材料层间区域引入高度取向的碳纳米管(CNT)纤维纱来提升其层间断裂韧性。为确保纤维纱被树脂充分浸润，首先将其浸泡于经丙酮稀释的环氧树脂溶液中，待丙酮挥发后，将之插层于自制碳纤维预浸料的层间区域，随后借助热压工艺固化成型。通过ASTM标准对增韧样品的I型和II型层间断裂韧性进行了评估，并结合横截面的光学显微观察和断裂面的扫描电镜分析，清晰地显示了裂纹的扩展路径，并揭示了CNT纤维纱的层间增韧机制。结果表明：CNT纤维纱增韧样品的I型和II型层间断裂韧性分别提高37.4%和41.8%。其增韧机制主要包括增韧树脂、加强碳纤维桥接及引发裂纹偏转等。
2023, 40(10): 5621-5629.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230104.002
摘要:
环氧复合材料因其轻质、高强度等特性在航空航天、汽车等领域有极高的应用价值，但环氧树脂的脆性特征严重限制了其实际工程应用，如何协同提高环氧复合材料的强度和韧性仍是一个巨大的挑战。鉴于此，本文设计了一种由实心增强层与多孔增韧层逐层组装而成的环氧复合材料网格结构，并通过直写式3D打印工艺制备。采用旋转流变仪和光学显微镜对直写浆料和打印线条的物化性能进行了表征测试，通过电子万能力学试验机对不同结构参数的环氧复合材料网格结构进行了力学性能测试。测试结果表明：层状网格结构的引入使复合材料的比弯曲强度相较于实心环氧复合材料最高提升了95%，韧性最高提升了630%，断裂韧性最高提升了19.1%。从断面形貌分析和有限元模拟的分析结果可以得出结论，网格结构中的增强层保证了结构强度，而增韧层则有效耗散外部变形并阻止裂纹扩展。本文为纳米复合材料的细观结构设计提供了新思路，为高强高韧复合材料的制备和工程应用提供了理论依据。
环氧复合材料因其轻质、高强度等特性在航空航天、汽车等领域有极高的应用价值，但环氧树脂的脆性特征严重限制了其实际工程应用，如何协同提高环氧复合材料的强度和韧性仍是一个巨大的挑战。鉴于此，本文设计了一种由实心增强层与多孔增韧层逐层组装而成的环氧复合材料网格结构，并通过直写式3D打印工艺制备。采用旋转流变仪和光学显微镜对直写浆料和打印线条的物化性能进行了表征测试，通过电子万能力学试验机对不同结构参数的环氧复合材料网格结构进行了力学性能测试。测试结果表明：层状网格结构的引入使复合材料的比弯曲强度相较于实心环氧复合材料最高提升了95%，韧性最高提升了630%，断裂韧性最高提升了19.1%。从断面形貌分析和有限元模拟的分析结果可以得出结论，网格结构中的增强层保证了结构强度，而增韧层则有效耗散外部变形并阻止裂纹扩展。本文为纳米复合材料的细观结构设计提供了新思路，为高强高韧复合材料的制备和工程应用提供了理论依据。
2023, 40(10): 5630-5640.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230110.001
摘要:
将水稻秸秆与酚醛树脂(PF)泡沫复合，改进PF泡沫本身脆性大、力学强度低的问题。探究稻秸长度(8 cm、12 cm和16 cm)、形态(横切秸秆段、斜切秸秆段、搓碾成丝)对复合材料物理性质、力学及燃烧性能的影响。结果表明，稻秸内外表面与PF泡沫基体产生明显机械啮合；稻秸/PF泡沫复合材料的弯曲强度、压缩强度与垂直于板面的抗拉强度均优于PF泡沫；16 cm斜切处理稻秸/PF泡沫复合材料弯曲强度达到1.18 MPa，较PF泡沫提高195.3%；16 cm搓碾处理稻秸/PF泡沫复合材料在应变为10%时的压缩应力和垂直于板面的抗拉强度分别为251.30 kPa与121.26 kPa，较PF分别提高了112.1%和20.7%。垂直燃烧与极限氧指数(LOI)测试结果表明，PF泡沫对稻秸表现出较好的包覆作用，复合材料整体热稳定性与PF泡沫几乎持平，LOI值几乎无变化，稻秸/PF泡沫复合材料和PF泡沫可燃性测试结果均达到B1级建筑材料要求，具有良好的阻燃性能。8 cm斜切处理稻秸增强PF泡沫复合材料综合力学性能最优。
将水稻秸秆与酚醛树脂(PF)泡沫复合，改进PF泡沫本身脆性大、力学强度低的问题。探究稻秸长度(8 cm、12 cm和16 cm)、形态(横切秸秆段、斜切秸秆段、搓碾成丝)对复合材料物理性质、力学及燃烧性能的影响。结果表明，稻秸内外表面与PF泡沫基体产生明显机械啮合；稻秸/PF泡沫复合材料的弯曲强度、压缩强度与垂直于板面的抗拉强度均优于PF泡沫；16 cm斜切处理稻秸/PF泡沫复合材料弯曲强度达到1.18 MPa，较PF泡沫提高195.3%；16 cm搓碾处理稻秸/PF泡沫复合材料在应变为10%时的压缩应力和垂直于板面的抗拉强度分别为251.30 kPa与121.26 kPa，较PF分别提高了112.1%和20.7%。垂直燃烧与极限氧指数(LOI)测试结果表明，PF泡沫对稻秸表现出较好的包覆作用，复合材料整体热稳定性与PF泡沫几乎持平，LOI值几乎无变化，稻秸/PF泡沫复合材料和PF泡沫可燃性测试结果均达到B1级建筑材料要求，具有良好的阻燃性能。8 cm斜切处理稻秸增强PF泡沫复合材料综合力学性能最优。
2023, 40(10): 5641-5653.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221228.003
摘要:
采用两种不同熔体黏度的国产高性能聚芳醚酮树脂(PAEK-L、PAEK-H)及国产T300级碳纤维(SCF35)，制备了碳纤维增强聚芳醚酮(SCF35/PAEK)热塑性复合材料，研究了树脂基体黏度及冲击能量对复合材料冲击性能的影响，采用Micro-CT表征了准静态压入试样的内部形貌，研究了复合材料的冲击损伤机制。结果显示流动性较低的PAEK-L树脂基复合材料比流动性较高的PAEK-H树脂基复合材料具有更高的抗冲击性能，SCF35/PAEK-L复合材料体系冲击能量的损耗比SCF35/PAEK-H复合材料体系低~7%，其损伤面积小~90%，在6.67 J/mm的冲击能量下，其冲击后压缩强度达到~307 MPa，比SCF35/PAEK-H复合材料体系冲击后压缩强度(205 MPa)高~50%；SCF35/PAEK-L复合材料中表面凹坑的深度随冲击能量的增加呈增加的趋势，冲击后压缩强度随冲击能量的增加呈降低的趋势，当复合材料的表面凹坑深度达到1.0 mm左右，即达到勉强目视可见冲击损伤(BVID)门槛值时，剩余压缩强度为~268 MPa。准静态压入实验结果显示，SCF35/PAEK-L复合材料受到冲击后表面凹坑主要由树脂基体的塑性变形及纤维屈曲造成，表面凹坑周围的裂纹由压缩应力造成，冲击过程中试样背面的纤维在拉伸应力的作用下发生断裂，试样底层的纤维在剪切力的作用下萌生层间裂纹，随着试样挠曲变形程度的增加，纤维的断裂程度增加且层间裂纹逐渐扩展。
采用两种不同熔体黏度的国产高性能聚芳醚酮树脂(PAEK-L、PAEK-H)及国产T300级碳纤维(SCF35)，制备了碳纤维增强聚芳醚酮(SCF35/PAEK)热塑性复合材料，研究了树脂基体黏度及冲击能量对复合材料冲击性能的影响，采用Micro-CT表征了准静态压入试样的内部形貌，研究了复合材料的冲击损伤机制。结果显示流动性较低的PAEK-L树脂基复合材料比流动性较高的PAEK-H树脂基复合材料具有更高的抗冲击性能，SCF35/PAEK-L复合材料体系冲击能量的损耗比SCF35/PAEK-H复合材料体系低~7%，其损伤面积小~90%，在6.67 J/mm的冲击能量下，其冲击后压缩强度达到~307 MPa，比SCF35/PAEK-H复合材料体系冲击后压缩强度(205 MPa)高~50%；SCF35/PAEK-L复合材料中表面凹坑的深度随冲击能量的增加呈增加的趋势，冲击后压缩强度随冲击能量的增加呈降低的趋势，当复合材料的表面凹坑深度达到1.0 mm左右，即达到勉强目视可见冲击损伤(BVID)门槛值时，剩余压缩强度为~268 MPa。准静态压入实验结果显示，SCF35/PAEK-L复合材料受到冲击后表面凹坑主要由树脂基体的塑性变形及纤维屈曲造成，表面凹坑周围的裂纹由压缩应力造成，冲击过程中试样背面的纤维在拉伸应力的作用下发生断裂，试样底层的纤维在剪切力的作用下萌生层间裂纹，随着试样挠曲变形程度的增加，纤维的断裂程度增加且层间裂纹逐渐扩展。
2023, 40(10): 5654-5665.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230213.003
摘要:
为降低3D打印连续纤维增强聚合物(CFRP)复合材料的孔隙率，提高树脂对纤维的浸渍程度，需要开展熔融浸渍连续纤维预浸丝制备与3D打印性能研究，开发纤维预浸渍一体化设备。本文以玻璃纤维(GF)、碳纤维(CF)作为增强体，聚碳酸酯(PC)为基体，开发熔融浸渍预浸丝制备工艺，研究浸渍工艺对预浸丝性能的影响。以预浸丝为原料，研究3D打印成形工艺参数对纤维含量、孔隙率及力学性能的影响规律。结果表明：连续玻璃纤维增强聚碳酸酯(CGF/PC)预浸丝的拉伸强度为627.8 MPa，当打印温度为260℃，分层厚度为0.10 mm，扫描间距为1.0 mm时，连续碳纤维增强聚碳酸酯(CCF/PC)复合材料纤维含量为28.66vol%，拉伸强度和模量分别644.8 MPa和85.6 GPa，优化后孔隙率为3.87%。当打印温度为280℃，分层厚度为0.14 mm，扫描间距为1.2 mm时，CGF/PC复合材料纤维含量为51.35vol%，拉伸强度和模量分别为381.4 MPa和23.6 GPa，优化后孔隙率为4.41%。
为降低3D打印连续纤维增强聚合物(CFRP)复合材料的孔隙率，提高树脂对纤维的浸渍程度，需要开展熔融浸渍连续纤维预浸丝制备与3D打印性能研究，开发纤维预浸渍一体化设备。本文以玻璃纤维(GF)、碳纤维(CF)作为增强体，聚碳酸酯(PC)为基体，开发熔融浸渍预浸丝制备工艺，研究浸渍工艺对预浸丝性能的影响。以预浸丝为原料，研究3D打印成形工艺参数对纤维含量、孔隙率及力学性能的影响规律。结果表明：连续玻璃纤维增强聚碳酸酯(CGF/PC)预浸丝的拉伸强度为627.8 MPa，当打印温度为260℃，分层厚度为0.10 mm，扫描间距为1.0 mm时，连续碳纤维增强聚碳酸酯(CCF/PC)复合材料纤维含量为28.66vol%，拉伸强度和模量分别644.8 MPa和85.6 GPa，优化后孔隙率为3.87%。当打印温度为280℃，分层厚度为0.14 mm，扫描间距为1.2 mm时，CGF/PC复合材料纤维含量为51.35vol%，拉伸强度和模量分别为381.4 MPa和23.6 GPa，优化后孔隙率为4.41%。
2023, 40(10): 5666-5677.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221227.001
摘要:
制备具有良好力学性能和室温下高效自修复性的高分子材料一直是一项艰难挑战。本文采用天然芳香基木质素作为增强相，通过两步法(聚脲反应及席夫碱反应)制备了一种木质素增强的自修复聚脲弹性体(T-L-PUA)。探讨了木质素添加量对T-L-PUA的热性能、紫外线(UV)阻隔性能及力学性能的影响并分析了其基于动态可逆亚胺键(C=N)的自修复特性及可回收性。结果表明：T-L-PUA的热稳定性随木质素比例增加有明显提升，其中残碳量较未加木质素样品(T-PUA)最多提升了16.6%。T-L-PUA在UV区(280~400 nm)的低透过率有助其实现UV阻隔功能。与T-PUA的平均透过率(41.6%)相比，所有T-L-PUA的平均透过率均在0.2%左右。木质素添加量为20%时力学性能最佳，相应T-L-PUA拉伸强度为12.44 MPa，较纯自修复聚脲弹性体提升了937%。T-L-PUA具有良好的自修复性，室温下修复48 h，T-L-PUA的拉伸强度及断裂伸长率的恢复效率分别在91%和92%以上。此外，T-L-PUA还可以通过热压回收和溶剂回收，重塑后力学性能基本保持不变。
制备具有良好力学性能和室温下高效自修复性的高分子材料一直是一项艰难挑战。本文采用天然芳香基木质素作为增强相，通过两步法(聚脲反应及席夫碱反应)制备了一种木质素增强的自修复聚脲弹性体(T-L-PUA)。探讨了木质素添加量对T-L-PUA的热性能、紫外线(UV)阻隔性能及力学性能的影响并分析了其基于动态可逆亚胺键(C=N)的自修复特性及可回收性。结果表明：T-L-PUA的热稳定性随木质素比例增加有明显提升，其中残碳量较未加木质素样品(T-PUA)最多提升了16.6%。T-L-PUA在UV区(280~400 nm)的低透过率有助其实现UV阻隔功能。与T-PUA的平均透过率(41.6%)相比，所有T-L-PUA的平均透过率均在0.2%左右。木质素添加量为20%时力学性能最佳，相应T-L-PUA拉伸强度为12.44 MPa，较纯自修复聚脲弹性体提升了937%。T-L-PUA具有良好的自修复性，室温下修复48 h，T-L-PUA的拉伸强度及断裂伸长率的恢复效率分别在91%和92%以上。此外，T-L-PUA还可以通过热压回收和溶剂回收，重塑后力学性能基本保持不变。
2023, 40(10): 5678-5691.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221222.001
摘要:
为了评估Ti3CNTx/TMAOH材料对模拟放射性废水中Sr2+的吸附性能，选用四甲基氢氧化铵(TMAOH)作插层剂，对其进行改性制备处理，优化产物Ti3CNTx/TMAOH的合成条件，并采用SEM-EDS、XRD、BET和FTIR等对改性前后的样品进行表征分析。序批式实验中考察了吸附剂Ti3CNTx/TMAOH的投加量、时间、pH和竞争离子等因素对除Sr2+效果的影响。结果表明：在投加量为1.0 g∙L−1、pH为6、时间为10 min时，对Sr2+的去除率可达99.28%。竞争离子的抑制顺序为Ca2+\begin{document}$ \text{ > > } $\end{document} \begin{document}$ \text{ > } $\end{document} \begin{document}$ \text{ > } $\end{document} \begin{document}$ \text{ > } $\end{document}
为了评估Ti3CNTx/TMAOH材料对模拟放射性废水中Sr2+的吸附性能，选用四甲基氢氧化铵(TMAOH)作插层剂，对其进行改性制备处理，优化产物Ti3CNTx/TMAOH的合成条件，并采用SEM-EDS、XRD、BET和FTIR等对改性前后的样品进行表征分析。序批式实验中考察了吸附剂Ti3CNTx/TMAOH的投加量、时间、pH和竞争离子等因素对除Sr2+效果的影响。结果表明：在投加量为1.0 g∙L−1、pH为6、时间为10 min时，对Sr2+的去除率可达99.28%。竞争离子的抑制顺序为Ca2+
2023, 40(10): 5692-5705.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221223.004
摘要:
探寻一种简单方法制备具有自修复性能的环氧树脂(EP)-硅酮胶-SiO2超疏水复合涂层，并且能够涂覆于类似于混凝土等结构物表面，该涂层在受到化学及机械破坏的情况下，可以实现自修复。通过简单的一步法在混凝土粗糙结构表面制备一种具有自修复性能的EP-硅酮胶-SiO2超疏水复合涂层，具体步骤为将EP、高分子中性硅酮胶和纳米SiO2等材料溶解于乙醇溶液，经8 h磁力搅拌和20 min超声分散后得到超疏水涂层溶液，采用喷涂法在混凝土表面成功制备具有自修复性能的多层相似结构超疏水涂层。当EP含量为2wt%，高分子中性硅酮胶含量为3wt%，纳米SiO2含量为3wt%时涂层疏水性能最佳，此时，接触角(CA)为156°±1.2°，滚动角(SA)为6°±0.8°。涂层在2.66 kPa的压强下可以经受8 m磨损(1.7 μm砂纸)，在盐性环境(2 mol/L NaCl溶液)、酸性环境(pH=3，醋酸)中腐蚀8 h仍保持超疏水性；可承受碱性破坏(pH=12，NaOH溶液)-自修复循环8次，机械破坏-自修复可循环4次；同时涂层展现出优异的自清洁及防水性能。力学及环境腐蚀破坏实验表明涂层的自相似结构可以保证上层被破坏后由下层(具有相同的微纳米粗糙结构)来保持超疏水性；损坏-修复实验表明涂层经过加热可以使高分子中性硅酮胶带动涂层内部低表面能分子及纳米SiO2发生迁移而实现涂层的修复。该涂层简单的制备方法、良好的耐机械磨损性及优异的自修复性，为超疏水涂层的实际应用提供了可能。
探寻一种简单方法制备具有自修复性能的环氧树脂(EP)-硅酮胶-SiO2超疏水复合涂层，并且能够涂覆于类似于混凝土等结构物表面，该涂层在受到化学及机械破坏的情况下，可以实现自修复。通过简单的一步法在混凝土粗糙结构表面制备一种具有自修复性能的EP-硅酮胶-SiO2超疏水复合涂层，具体步骤为将EP、高分子中性硅酮胶和纳米SiO2等材料溶解于乙醇溶液，经8 h磁力搅拌和20 min超声分散后得到超疏水涂层溶液，采用喷涂法在混凝土表面成功制备具有自修复性能的多层相似结构超疏水涂层。当EP含量为2wt%，高分子中性硅酮胶含量为3wt%，纳米SiO2含量为3wt%时涂层疏水性能最佳，此时，接触角(CA)为156°±1.2°，滚动角(SA)为6°±0.8°。涂层在2.66 kPa的压强下可以经受8 m磨损(1.7 μm砂纸)，在盐性环境(2 mol/L NaCl溶液)、酸性环境(pH=3，醋酸)中腐蚀8 h仍保持超疏水性；可承受碱性破坏(pH=12，NaOH溶液)-自修复循环8次，机械破坏-自修复可循环4次；同时涂层展现出优异的自清洁及防水性能。力学及环境腐蚀破坏实验表明涂层的自相似结构可以保证上层被破坏后由下层(具有相同的微纳米粗糙结构)来保持超疏水性；损坏-修复实验表明涂层经过加热可以使高分子中性硅酮胶带动涂层内部低表面能分子及纳米SiO2发生迁移而实现涂层的修复。该涂层简单的制备方法、良好的耐机械磨损性及优异的自修复性，为超疏水涂层的实际应用提供了可能。
2023, 40(10): 5707-5716.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221228.001
摘要:
本文采用3种合成路线实现了ZIF-7在氧化石墨烯(GO)上的原位生长，并通过PXRD、FTIR、SEM、TEM和N2吸附-脱附等对氧化石墨烯/ZIF-7复合材料(GO/ZIF-7，简写为GZR-n，其中n 代 表合成路线 I、II、III)进行了表征。研究了合成路线对ZIF-7晶体在GO上的原位生长、结晶度、微观形貌和孔径大小的影响。结果显示：通过3种合成路线均可实现ZIF-7晶体在GO表面及其片层间的原位生长，且其结晶度明显增强，部分ZIF-7晶体被GO包裹。ZIF-7晶体形貌和粒径大小在GZR-n上的原位生长受到合成路线的影响，其中，ZIF-7晶体在GZR-II中呈50 nm的纳米球状颗粒，在GZR-I和GZR-III中则形成200 nm的规则多面体。进一步研究了ZIF-7、GO和GZR-n在不同极性溶剂中的分散性能及其对有机染料的吸附性能和动力学行为。GZR-n在甲醇和氯仿中表现出良好的分散性。与ZIF-7晶体相比，GZR-I、GZR-II和GZR-III对亚甲基蓝的吸附能力分别提高了226%、302%和278%，动力学模拟结果显示，GZR-II和GZR-III对亚甲基蓝的吸附属于化学吸附，而GZR-I对亚甲基蓝的吸附属于物理吸附。
本文采用3种合成路线实现了ZIF-7在氧化石墨烯(GO)上的原位生长，并通过PXRD、FTIR、SEM、TEM和N2吸附-脱附等对氧化石墨烯/ZIF-7复合材料(GO/ZIF-7，简写为GZR-n，其中n 代 表合成路线 I、II、III)进行了表征。研究了合成路线对ZIF-7晶体在GO上的原位生长、结晶度、微观形貌和孔径大小的影响。结果显示：通过3种合成路线均可实现ZIF-7晶体在GO表面及其片层间的原位生长，且其结晶度明显增强，部分ZIF-7晶体被GO包裹。ZIF-7晶体形貌和粒径大小在GZR-n上的原位生长受到合成路线的影响，其中，ZIF-7晶体在GZR-II中呈50 nm的纳米球状颗粒，在GZR-I和GZR-III中则形成200 nm的规则多面体。进一步研究了ZIF-7、GO和GZR-n在不同极性溶剂中的分散性能及其对有机染料的吸附性能和动力学行为。GZR-n在甲醇和氯仿中表现出良好的分散性。与ZIF-7晶体相比，GZR-I、GZR-II和GZR-III对亚甲基蓝的吸附能力分别提高了226%、302%和278%，动力学模拟结果显示，GZR-II和GZR-III对亚甲基蓝的吸附属于化学吸附，而GZR-I对亚甲基蓝的吸附属于物理吸附。
2023, 40(10): 5716-5725.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230202.001
摘要:
近年来，具有三维网状结构的柔性压力传感器展现出高度可逆压缩性和良好灵敏性等特点，其复杂的网络形态也有利于构建稳定的导电网络，广泛应用于人体健康监测、可穿戴设备、医疗诊断等领域。本文围绕构建稳定的三维导电网络和传感性能优化为目标，设计了一种基于天然轻木的具有三维层状结构的碳海绵(CWS)/热塑性聚氨酯弹性体(TPU)复合压力传感器，并对该传感器的催化处理、碳化工艺、传感性能及人体适用性进行表征。结果表明：通过催化处理和高温碳化得到的轻木基CWS/TPU复合压力传感器，其碳化得率达到20.15%，压缩应变可达60%，在0~4 kPa压力范围内，最高压力传感灵敏度达12.87 kPa−1，并且在超过5000次的压缩/释放周期后仍具有良好的传感稳定性和环境稳定性，表现出良好的传感性能。应用该传感器成功地对手部活动、行走和脉搏进行了实时监测，显示了该传感器在运动和健康监测方面潜在的应用价值。
近年来，具有三维网状结构的柔性压力传感器展现出高度可逆压缩性和良好灵敏性等特点，其复杂的网络形态也有利于构建稳定的导电网络，广泛应用于人体健康监测、可穿戴设备、医疗诊断等领域。本文围绕构建稳定的三维导电网络和传感性能优化为目标，设计了一种基于天然轻木的具有三维层状结构的碳海绵(CWS)/热塑性聚氨酯弹性体(TPU)复合压力传感器，并对该传感器的催化处理、碳化工艺、传感性能及人体适用性进行表征。结果表明：通过催化处理和高温碳化得到的轻木基CWS/TPU复合压力传感器，其碳化得率达到20.15%，压缩应变可达60%，在0~4 kPa压力范围内，最高压力传感灵敏度达12.87 kPa−1，并且在超过5000次的压缩/释放周期后仍具有良好的传感稳定性和环境稳定性，表现出良好的传感性能。应用该传感器成功地对手部活动、行走和脉搏进行了实时监测，显示了该传感器在运动和健康监测方面潜在的应用价值。
2023, 40(10): 5726-5735.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230310.003
摘要:
基于太阳能界面水蒸发技术的海水淡化蒸发器可以实现海水的淡化提纯，但目前蒸发器的蒸发速率较低。本文通过定向冷冻的方法制备了聚乙烯醇与海藻酸钠的复合气凝胶，同时采用碳纳米管作为光吸收材料，探索了复合气凝胶组分、比例和光吸收材料含量等因素对蒸发器水蒸发性能的影响。结果发现该复合气凝胶蒸发器有高达97%的光吸收率和优异的海水淡化性能，一个太阳光下的水蒸发速率能够达到2.7 kg·m−2·h−1，并且在长期的光照和黑暗的交替过程中，蒸发器表面积累的盐晶体会自动融化消失，起到自清洁的效果，可以实现长期的可持续蒸发，在海水淡化领域具有广阔的应用前景。
基于太阳能界面水蒸发技术的海水淡化蒸发器可以实现海水的淡化提纯，但目前蒸发器的蒸发速率较低。本文通过定向冷冻的方法制备了聚乙烯醇与海藻酸钠的复合气凝胶，同时采用碳纳米管作为光吸收材料，探索了复合气凝胶组分、比例和光吸收材料含量等因素对蒸发器水蒸发性能的影响。结果发现该复合气凝胶蒸发器有高达97%的光吸收率和优异的海水淡化性能，一个太阳光下的水蒸发速率能够达到2.7 kg·m−2·h−1，并且在长期的光照和黑暗的交替过程中，蒸发器表面积累的盐晶体会自动融化消失，起到自清洁的效果，可以实现长期的可持续蒸发，在海水淡化领域具有广阔的应用前景。
2023, 40(10): 5736-5749.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230117.001
摘要:
开发具有离子/电子传输速度快，表面化学可调的可再生、低成本、环保的电极材料是目前储能器件发展的迫切需要。近年来，生物质碳材料因其低成本、可再生、循环性能好等优点备受关注，但其比电容和能量密度较低影响了其实际应用。在此，将生物质废弃物转化为具有良好化学性质的碳材料，并通过杂原子掺杂生物质碳材料与过渡金属氧化物Fe2O3进行复合，利用Fe2O3与氮掺杂碳的互补优势，以一步碳化法制备出Fe2O3/氮掺杂生物质碳(NBCs)复合材料，表现出优异的电化学性能。结果表明：Fe2O3/NBCs作为负极材料在1 A·g−1电流密度下的比电容为575 F·g−1。同时，将Fe2O3/NBCs-700℃和NiCoFe-P分别为负极和正极材料组装成不对称超级电容器，在功率密度为800 W·kg−1的情况下，能量密度达到33.3 W·h·kg−1。组装的不对称超级电容器还表现出优异循环稳定性，经过3500次循环后仍保持82.4%的电容。因此，Fe2O3/NBCs作为负极电极材料，是极具有前途的超级电容器电极材料。
开发具有离子/电子传输速度快，表面化学可调的可再生、低成本、环保的电极材料是目前储能器件发展的迫切需要。近年来，生物质碳材料因其低成本、可再生、循环性能好等优点备受关注，但其比电容和能量密度较低影响了其实际应用。在此，将生物质废弃物转化为具有良好化学性质的碳材料，并通过杂原子掺杂生物质碳材料与过渡金属氧化物Fe2O3进行复合，利用Fe2O3与氮掺杂碳的互补优势，以一步碳化法制备出Fe2O3/氮掺杂生物质碳(NBCs)复合材料，表现出优异的电化学性能。结果表明：Fe2O3/NBCs作为负极材料在1 A·g−1电流密度下的比电容为575 F·g−1。同时，将Fe2O3/NBCs-700℃和NiCoFe-P分别为负极和正极材料组装成不对称超级电容器，在功率密度为800 W·kg−1的情况下，能量密度达到33.3 W·h·kg−1。组装的不对称超级电容器还表现出优异循环稳定性，经过3500次循环后仍保持82.4%的电容。因此，Fe2O3/NBCs作为负极电极材料，是极具有前途的超级电容器电极材料。
2023, 40(10): 5750-5759.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230117.006
摘要:
静电纺丝法制备有机压电传感器较传统压力传感器具有更好的柔韧性、轻质且透气，在可穿戴传感器研究领域中备受关注。本文提出了一种以静电纺丝工艺制备氯化铋/聚偏氟乙烯-三氟乙烯(BiCl3/P(VDF-TrFE))复合膜的方法，并以该复合膜为功能层，设计并制备了柔性压电传感器。一定含量BiCl3加入后，扫描电子显微镜分析结果表明纤维平均直径从619 nm增至1158 nm，且表面更趋光滑，XRD结果证实复合膜的β相含量得到了明显提高。压电响应测试结果显示，BiCl3含量为2wt%的P(VDF-TrFE)复合膜开路峰峰值电压和短路电流分别为16.8 V、164 nA，相比纯P(VDF-TrFE)压电薄膜有明显提升，是其2.15倍和2.24倍。压力感知实验显示，在1.28 N的按压力以下，具有较好的线性输出特性，并展现了良好的稳定性和重现性。利用该薄膜设计了柔性可穿戴力感知键盘，该键盘能采集用户的按压力度和持续时间，为柔性键盘等智能织物等相关应用提供了参考。
静电纺丝法制备有机压电传感器较传统压力传感器具有更好的柔韧性、轻质且透气，在可穿戴传感器研究领域中备受关注。本文提出了一种以静电纺丝工艺制备氯化铋/聚偏氟乙烯-三氟乙烯(BiCl3/P(VDF-TrFE))复合膜的方法，并以该复合膜为功能层，设计并制备了柔性压电传感器。一定含量BiCl3加入后，扫描电子显微镜分析结果表明纤维平均直径从619 nm增至1158 nm，且表面更趋光滑，XRD结果证实复合膜的β相含量得到了明显提高。压电响应测试结果显示，BiCl3含量为2wt%的P(VDF-TrFE)复合膜开路峰峰值电压和短路电流分别为16.8 V、164 nA，相比纯P(VDF-TrFE)压电薄膜有明显提升，是其2.15倍和2.24倍。压力感知实验显示，在1.28 N的按压力以下，具有较好的线性输出特性，并展现了良好的稳定性和重现性。利用该薄膜设计了柔性可穿戴力感知键盘，该键盘能采集用户的按压力度和持续时间，为柔性键盘等智能织物等相关应用提供了参考。
2023, 40(10): 5760-5771.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230104.001
摘要:
近年来，工业化污染严重导致各类细菌滋生，致病性细菌感染可通过各种方式进行快速传播，存在很大的感染风险。因此，开发高性能的抑菌材料并研究其抑菌机制具有重要的应用价值。为了解决这一问题，本文设计通过亚氯酸钠溶液改性锆基金属-有机骨架材料UiO-66-NH2，制备了一种新型纳米复合抑菌材料UiO-66-NHCl，采用XRD、FTIR、SEM、TEM、EDS和XPS等对金属-有机骨架(MOF)复合材料结构和化学组成进行表征，同时探索不同负载工艺对氯负载量的影响，并对UiO-66-NHCl复合材料的抑菌性能及皮肤刺激性实验进行研究。结果表明：通过浸渍键合的方法在UiO-66-NH2上引入了活性氯，改变UiO-66-NH2在NaClO2溶液中的氯负载比例(质量比m(UiO-66-NH2)∶m(NaClO2))和氯化时间可以提高氯负载量，当氯负载比例为1∶5、氯化时间为4 h时，氯负载量最高；在高温、高湿和强光等条件下，仍能保持其原始氯负载量的80%，有较好的稳定性。抑菌活性表明，相比于原始UiO-66-NH2材料，UiO-66-NHCl复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均有抑制作用，氯含量较高的样品显示出较高的抑菌效果，且无刺激性。
近年来，工业化污染严重导致各类细菌滋生，致病性细菌感染可通过各种方式进行快速传播，存在很大的感染风险。因此，开发高性能的抑菌材料并研究其抑菌机制具有重要的应用价值。为了解决这一问题，本文设计通过亚氯酸钠溶液改性锆基金属-有机骨架材料UiO-66-NH2，制备了一种新型纳米复合抑菌材料UiO-66-NHCl，采用XRD、FTIR、SEM、TEM、EDS和XPS等对金属-有机骨架(MOF)复合材料结构和化学组成进行表征，同时探索不同负载工艺对氯负载量的影响，并对UiO-66-NHCl复合材料的抑菌性能及皮肤刺激性实验进行研究。结果表明：通过浸渍键合的方法在UiO-66-NH2上引入了活性氯，改变UiO-66-NH2在NaClO2溶液中的氯负载比例(质量比m(UiO-66-NH2)∶m(NaClO2))和氯化时间可以提高氯负载量，当氯负载比例为1∶5、氯化时间为4 h时，氯负载量最高；在高温、高湿和强光等条件下，仍能保持其原始氯负载量的80%，有较好的稳定性。抑菌活性表明，相比于原始UiO-66-NH2材料，UiO-66-NHCl复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均有抑制作用，氯含量较高的样品显示出较高的抑菌效果，且无刺激性。
2023, 40(10): 5772-5781.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230110.002
摘要:
聚乳酸(PLA)因其生物可降解及较高的强度在环保型介电材料制备上具有较大的潜力，但较低的介电常数限制了其在该领域的应用。通过熔融共混法将羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs—COOH)、环氧扩链剂(ADR)及聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)引入PLA中制备MWCNTs—COOH-ADR-PBAT/PLA复合材料。采用FTIR、转矩流变仪、DSC、DMA、电子万能试验机、SEM和LCR介电测量仪等研究MWCNTs—COOH对PBAT/PLA反应性增容体系的分子链间相互作用、加工性能、结晶性能、动态力学性能、力学性能及介电性能的影响。研究结果表明，共混过程中MWCNTs—COOH中羧基优先与反应增容剂反应，降低了反应增容剂对PLA与PBAT相界面的催化增容效率。MWCNTs—COOH在动力学和热力学的驱动下优先分散于两相界面处，赋予材料优异刚韧平衡性的同时，明显提高了材料的介电性能。当MWCNTs—COOH含量为4wt%时，在频率100 Hz下，MWCNTs—COOH-ADR-PBAT/PLA复合材料的介电常数为5.35、介电损耗为0.06，材料具有较好的综合性能。
聚乳酸(PLA)因其生物可降解及较高的强度在环保型介电材料制备上具有较大的潜力，但较低的介电常数限制了其在该领域的应用。通过熔融共混法将羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs—COOH)、环氧扩链剂(ADR)及聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)引入PLA中制备MWCNTs—COOH-ADR-PBAT/PLA复合材料。采用FTIR、转矩流变仪、DSC、DMA、电子万能试验机、SEM和LCR介电测量仪等研究MWCNTs—COOH对PBAT/PLA反应性增容体系的分子链间相互作用、加工性能、结晶性能、动态力学性能、力学性能及介电性能的影响。研究结果表明，共混过程中MWCNTs—COOH中羧基优先与反应增容剂反应，降低了反应增容剂对PLA与PBAT相界面的催化增容效率。MWCNTs—COOH在动力学和热力学的驱动下优先分散于两相界面处，赋予材料优异刚韧平衡性的同时，明显提高了材料的介电性能。当MWCNTs—COOH含量为4wt%时，在频率100 Hz下，MWCNTs—COOH-ADR-PBAT/PLA复合材料的介电常数为5.35、介电损耗为0.06，材料具有较好的综合性能。
2023, 40(10): 5782-5791.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230117.004
摘要:
隧道因其半封闭结构通风不良导致汽车尾气在隧道中大量聚集，从而造成严重的空气污染。本文首先通过一步法将碳量子点(CQDs)负载于一维TiO2纳米管(TNs)表面得到一种具有可见光响应、可高效降解NO的CQDs@TNs复合光催化剂；其次采用喷涂法以环氧树脂为成膜基质，通过引入低表面能组分，以上述光催化剂作为光活性组分，制备得到一种超疏水自清洁光催化涂层。采用SEM、XRD、XPS、Brunauer-Emmett-Teller计算(BET)、PL和UV-Vis对复合光催化剂的微观结构和化学组成、光学性能进行表征，并研究了其对NO的光催化降解性能；通过SEM、EDS、表面除灰测试、紫外老化测试、耐水冲测试、砂纸打磨测试对涂层的微观形貌、自清洁性及耐久性进行了系统研究，并探究了其对NO的光降解性能和循环降解性能。结果表明：该涂层具有良好的自清洁性、耐久性，对NO降解率可达42.9%，且具有一定的循环稳定性，可以长期适用于隧道等环境下对NO的降解处理。
隧道因其半封闭结构通风不良导致汽车尾气在隧道中大量聚集，从而造成严重的空气污染。本文首先通过一步法将碳量子点(CQDs)负载于一维TiO2纳米管(TNs)表面得到一种具有可见光响应、可高效降解NO的CQDs@TNs复合光催化剂；其次采用喷涂法以环氧树脂为成膜基质，通过引入低表面能组分，以上述光催化剂作为光活性组分，制备得到一种超疏水自清洁光催化涂层。采用SEM、XRD、XPS、Brunauer-Emmett-Teller计算(BET)、PL和UV-Vis对复合光催化剂的微观结构和化学组成、光学性能进行表征，并研究了其对NO的光催化降解性能；通过SEM、EDS、表面除灰测试、紫外老化测试、耐水冲测试、砂纸打磨测试对涂层的微观形貌、自清洁性及耐久性进行了系统研究，并探究了其对NO的光降解性能和循环降解性能。结果表明：该涂层具有良好的自清洁性、耐久性，对NO降解率可达42.9%，且具有一定的循环稳定性，可以长期适用于隧道等环境下对NO的降解处理。
2023, 40(10): 5792-5802.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230314.001
摘要:
目前，开发具有优异吸附性能、可持续使用和绿色环保的吸附剂仍然是水污染治理领域的焦点问题。因此，本文以海藻酸钠(SA)、羧甲基纤维素(CMC)和氧化石墨烯(GO)为原料，通过简单的溶胶-凝胶法结合冷冻干燥，构建了具有三维多孔网络结构的SA-CMC-GO复合气凝胶。利用SEM、FTIR、XRD等对SA-CMC-GO复合气凝胶的微观形貌、官能团结构等进行表征分析。以水中Pb2+为吸附对象，通过一系列间歇吸附实验，探究了各种因素(pH、介质温度、接触时间等)对吸附剂去除水体中Pb2+的影响。结果表明：在pH值2~5的范围内，复合气凝胶对Pb2+的吸附量随着pH的升高而升高；复合气凝胶对于Pb2+的吸附过程属于自发放热过程并遵循Langmuir吸附等温模型，其最大吸附量为272.5 mg·g−1；动力学研究表明，SA-CMC-GO复合气凝胶对Pb2+具有较快的吸附速率，可在60 min内达平衡并符合准二级动力学模型；此外，经过5次吸附-脱附试验，复合气凝胶仍对Pb2+保持较高的吸附性能。SA-CMC-GO复合气凝胶可以作为一种高效、快速的吸附剂用于从水体中去除Pb2+。
目前，开发具有优异吸附性能、可持续使用和绿色环保的吸附剂仍然是水污染治理领域的焦点问题。因此，本文以海藻酸钠(SA)、羧甲基纤维素(CMC)和氧化石墨烯(GO)为原料，通过简单的溶胶-凝胶法结合冷冻干燥，构建了具有三维多孔网络结构的SA-CMC-GO复合气凝胶。利用SEM、FTIR、XRD等对SA-CMC-GO复合气凝胶的微观形貌、官能团结构等进行表征分析。以水中Pb2+为吸附对象，通过一系列间歇吸附实验，探究了各种因素(pH、介质温度、接触时间等)对吸附剂去除水体中Pb2+的影响。结果表明：在pH值2~5的范围内，复合气凝胶对Pb2+的吸附量随着pH的升高而升高；复合气凝胶对于Pb2+的吸附过程属于自发放热过程并遵循Langmuir吸附等温模型，其最大吸附量为272.5 mg·g−1；动力学研究表明，SA-CMC-GO复合气凝胶对Pb2+具有较快的吸附速率，可在60 min内达平衡并符合准二级动力学模型；此外，经过5次吸附-脱附试验，复合气凝胶仍对Pb2+保持较高的吸附性能。SA-CMC-GO复合气凝胶可以作为一种高效、快速的吸附剂用于从水体中去除Pb2+。
2023, 40(10): 5803-5810.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230118.001
摘要:
功能乳液因含有某种特定功能的功能因子，成为目前研究的热点。生物大分子透明质酸(HA)、溶菌酶(Lys)和微量金属元素锌可静电自组装制备Lys-Zn2+/HA胶体粒子。研究了不同原料浓度对胶体粒子性质的影响，确定最佳组装条件。用纳米粒度仪和扫描电镜对最佳组装条件下胶体粒子的尺寸和形貌进行表征。结果显示：形成的胶体粒子为球形结构，粒径约 300 nm。此胶体粒子具有表面活性，可二次组装在油(含脂溶性维生素D3)-水界面稳定水包油型功能Pickering乳液。详细研究了pH和盐浓度对胶体粒子性质和乳化性能的影响。在最佳乳液性能下，研究了乳液对微量金属和维生素D3功能因子的缓释性能。结果表明：乳液对水溶性和脂溶性功能因子均具有一定的缓释性能。制备的功能乳液在食品、医药和化妆品领域具有潜在的应用。
功能乳液因含有某种特定功能的功能因子，成为目前研究的热点。生物大分子透明质酸(HA)、溶菌酶(Lys)和微量金属元素锌可静电自组装制备Lys-Zn2+/HA胶体粒子。研究了不同原料浓度对胶体粒子性质的影响，确定最佳组装条件。用纳米粒度仪和扫描电镜对最佳组装条件下胶体粒子的尺寸和形貌进行表征。结果显示：形成的胶体粒子为球形结构，粒径约 300 nm。此胶体粒子具有表面活性，可二次组装在油(含脂溶性维生素D3)-水界面稳定水包油型功能Pickering乳液。详细研究了pH和盐浓度对胶体粒子性质和乳化性能的影响。在最佳乳液性能下，研究了乳液对微量金属和维生素D3功能因子的缓释性能。结果表明：乳液对水溶性和脂溶性功能因子均具有一定的缓释性能。制备的功能乳液在食品、医药和化妆品领域具有潜在的应用。
2023, 40(10): 5811-5819.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230720.001
摘要:
g-C3N4的光吸收和光生载流子的复合问题是限制其高效光催化应用的关键问题，为此本文以煤沥青为前驱体合成碳点(CDs)，然后采用超声辅助法制备了CDs/g-C3N4复合催化剂。通过TEM、XRD、UV-Vis漫反射光谱、PL光谱、EIS测试和光电流响应测试等表征了催化剂的结构和光学、光电性能。结果表明，CDs引入后能带结构的调控和界面的形成，拓展了复合光催化剂的光吸收范围，促进了光生电子和空穴的有效分离和迁移，从而有利于光催化反应的进行。以罗丹明B (RhB)为模型反应，在可见光照射下，CDs/g-C3N4复合催化剂的光催化活性明显高于纯g-C3N4，在40 min内就可以实现98.6%的RhB降解率，其降解速率常数是纯g-C3N4的6.8倍。活性物种捕获实验表明，降解体系中起主要作用的是•O2−。同时CDs/g-C3N4复合催化剂具有良好的稳定性，5次循环反应后，RhB的降解率仍达到97.5%，展示了其在可见光光催化方面较好的应用前景。
g-C3N4的光吸收和光生载流子的复合问题是限制其高效光催化应用的关键问题，为此本文以煤沥青为前驱体合成碳点(CDs)，然后采用超声辅助法制备了CDs/g-C3N4复合催化剂。通过TEM、XRD、UV-Vis漫反射光谱、PL光谱、EIS测试和光电流响应测试等表征了催化剂的结构和光学、光电性能。结果表明，CDs引入后能带结构的调控和界面的形成，拓展了复合光催化剂的光吸收范围，促进了光生电子和空穴的有效分离和迁移，从而有利于光催化反应的进行。以罗丹明B (RhB)为模型反应，在可见光照射下，CDs/g-C3N4复合催化剂的光催化活性明显高于纯g-C3N4，在40 min内就可以实现98.6%的RhB降解率，其降解速率常数是纯g-C3N4的6.8倍。活性物种捕获实验表明，降解体系中起主要作用的是•O2−。同时CDs/g-C3N4复合催化剂具有良好的稳定性，5次循环反应后，RhB的降解率仍达到97.5%，展示了其在可见光光催化方面较好的应用前景。
2023, 40(10): 5820-5829.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221226.002
摘要:
为了研究FeOCl与碳材料复合后的光芬顿性能，采用简单的煅烧法将不同质量比的g-C3N4与FeOCl复合制备出g-C3N4/FeOCl纳米复合材料。通过XRD、SEM、TEM、XPS、UV-vis DRS、EIS和瞬态光电流测试等方法对g-C3N4/FeOCl进行了结构、形貌、元素组成、光电化学性能进行表征。结果表明：g-C3N4/FeOCl复合材料呈层状纳米棒堆叠结构，光响应性能良好，载流子分离能力明显改善。当g-C3N4与FeCl3·6H2O的复合比例为1∶20时表现出优异的光芬顿性能，罗丹明B (RhB)的降解率达到92.4%，并且经过3次循环使用后复合材料降解RhB的效率依然保持在80.1%，表现出良好的稳定性。基于实验结果，提出g-C3N4与FeOCl之间构建成Z型异质结，提高了光生载流子的分离效率，探讨了Z 型异质结光芬顿降解RhB的可能降解机制。
为了研究FeOCl与碳材料复合后的光芬顿性能，采用简单的煅烧法将不同质量比的g-C3N4与FeOCl复合制备出g-C3N4/FeOCl纳米复合材料。通过XRD、SEM、TEM、XPS、UV-vis DRS、EIS和瞬态光电流测试等方法对g-C3N4/FeOCl进行了结构、形貌、元素组成、光电化学性能进行表征。结果表明：g-C3N4/FeOCl复合材料呈层状纳米棒堆叠结构，光响应性能良好，载流子分离能力明显改善。当g-C3N4与FeCl3·6H2O的复合比例为1∶20时表现出优异的光芬顿性能，罗丹明B (RhB)的降解率达到92.4%，并且经过3次循环使用后复合材料降解RhB的效率依然保持在80.1%，表现出良好的稳定性。基于实验结果，提出g-C3N4与FeOCl之间构建成Z型异质结，提高了光生载流子的分离效率，探讨了Z 型异质结光芬顿降解RhB的可能降解机制。
2023, 40(10): 5831-5840.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221226.004
摘要:
锂离子电池要求隔膜具有良好的亲液性和耐热性。本文设计原位限域聚合法，利用聚(环三磷腈-4, 4-磺酰基二苯酚)微球(PZSMS)修饰聚偏氟乙烯(PVDF)纤维基膜，通过单体与引发剂分别引入的策略调控PZSMS的尺寸和分布，促进PVDF纤维表面连续包覆层的形成，获得新型复合膜。对隔膜的理化性能(孔道结构、力学性能、电解液性能和耐热性)和电池性能(循环性能、倍率性能)进行系统研究。结果表明：在优化条件下，复合膜的吸液率和离子电导率分别达到433%和1.47 mS/cm，拉伸强度大于25 MPa，且在150℃、0.5 h内热收缩率低于2%，优于PVDF基膜及市售聚乙烯隔膜(PE)隔膜。在钴酸锂/石墨电池中，优化的复合膜显示出较好的电池充放电性能，如8.0 C时的放电容量为0.5 C时的76%，200次循环后放电容量保持率为97%。因此，原位限域聚合法制备的PZSMS修饰PVDF纤维膜在锂离子电池中显示出较好的应用前景。
锂离子电池要求隔膜具有良好的亲液性和耐热性。本文设计原位限域聚合法，利用聚(环三磷腈-4, 4-磺酰基二苯酚)微球(PZSMS)修饰聚偏氟乙烯(PVDF)纤维基膜，通过单体与引发剂分别引入的策略调控PZSMS的尺寸和分布，促进PVDF纤维表面连续包覆层的形成，获得新型复合膜。对隔膜的理化性能(孔道结构、力学性能、电解液性能和耐热性)和电池性能(循环性能、倍率性能)进行系统研究。结果表明：在优化条件下，复合膜的吸液率和离子电导率分别达到433%和1.47 mS/cm，拉伸强度大于25 MPa，且在150℃、0.5 h内热收缩率低于2%，优于PVDF基膜及市售聚乙烯隔膜(PE)隔膜。在钴酸锂/石墨电池中，优化的复合膜显示出较好的电池充放电性能，如8.0 C时的放电容量为0.5 C时的76%，200次循环后放电容量保持率为97%。因此，原位限域聚合法制备的PZSMS修饰PVDF纤维膜在锂离子电池中显示出较好的应用前景。
2023, 40(10): 5841-5848.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230207.002
摘要:
为探究一种具有自清洁性能的三维交联结构中空纤维膜(HFM)材料，采用湿法工艺制备了聚丙烯腈(PAN)基中空纤维膜，经不同反应条件对其进行肟化改性，并与金属离子(Fe3+)进行配位制备金属螯合三维交联结构中空纤维膜。对该中空纤维膜的制备工艺、结构组成、表面形貌、亲疏水性能、膜通量和截留率、自清洁性能等进行了表征与测试。结果表明：聚丙烯腈肟化率会随着改性时间、温度和盐酸羟胺浓度的增加而增加；肟化反应导致聚合物非晶结构增加，有利于小分子向纤维材料内部的吸附；铁离子与偕胺肟化中空纤维膜形成的交联网络结构，虽然使其蕴晶结构、亲水性能和膜通量受到一定程度影响，但使其对牛血清白蛋白(BSA)截留率提升至88%。此外，Fe(III)与H2O2形成的Fenton催化体系赋予中空纤维膜较好的抗污自清洁性能，膜通量恢复率达到84.6 %。
为探究一种具有自清洁性能的三维交联结构中空纤维膜(HFM)材料，采用湿法工艺制备了聚丙烯腈(PAN)基中空纤维膜，经不同反应条件对其进行肟化改性，并与金属离子(Fe3+)进行配位制备金属螯合三维交联结构中空纤维膜。对该中空纤维膜的制备工艺、结构组成、表面形貌、亲疏水性能、膜通量和截留率、自清洁性能等进行了表征与测试。结果表明：聚丙烯腈肟化率会随着改性时间、温度和盐酸羟胺浓度的增加而增加；肟化反应导致聚合物非晶结构增加，有利于小分子向纤维材料内部的吸附；铁离子与偕胺肟化中空纤维膜形成的交联网络结构，虽然使其蕴晶结构、亲水性能和膜通量受到一定程度影响，但使其对牛血清白蛋白(BSA)截留率提升至88%。此外，Fe(III)与H2O2形成的Fenton催化体系赋予中空纤维膜较好的抗污自清洁性能，膜通量恢复率达到84.6 %。
2023, 40(10): 5848-5858.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230203.001
摘要:
为研究重组竹筋与竹炭砂浆的界面粘结性能，对共85个重组竹筋-竹炭砂浆试件进行中心拉拔试验，考虑了竹筋表面改性方法、等效直径、砂浆抗压强度、粘结长度等因素对界面粘结性能的影响。观察试件的粘结破坏形态，获取了各试件的粘结-滑移曲线、粘结强度和滑移量，分析了破坏机制，提出了界面粘结-滑移本构模型，得到了重组竹筋表面有效改性方法。结果表明：在不同初始条件下，拉拔试件存在3种破坏形态，分别为砂浆劈裂破坏、竹筋拉断破坏、竹筋拔出破坏，其中砂浆劈裂破坏最常见，破坏过程分为微滑移段、滑移段、下降段和残余段。竹筋表面经改性处理，其与砂浆界面粘结强度可提高13~46倍，界面粘结性能随竹筋粘结长度和等效直径的增大而降低，而砂浆强度对粘结性能的影响效果不显著。推荐使用粘砂和涂刷环氧砂浆两种方式对竹筋改性，在保证粘结性能的基础上，可改善养护过程中竹筋吸水膨胀导致与砂浆剥离，结构提前失效等问题。根据试验粘结-滑移曲线，得到经粘砂改性的重组竹筋-竹炭砂浆界面粘结-滑移本构模型，可准确预测重组竹筋与砂浆的界面粘结行为。经验证，该模型同样适用于试验中发生界面破坏的其他竹筋改性方法。
为研究重组竹筋与竹炭砂浆的界面粘结性能，对共85个重组竹筋-竹炭砂浆试件进行中心拉拔试验，考虑了竹筋表面改性方法、等效直径、砂浆抗压强度、粘结长度等因素对界面粘结性能的影响。观察试件的粘结破坏形态，获取了各试件的粘结-滑移曲线、粘结强度和滑移量，分析了破坏机制，提出了界面粘结-滑移本构模型，得到了重组竹筋表面有效改性方法。结果表明：在不同初始条件下，拉拔试件存在3种破坏形态，分别为砂浆劈裂破坏、竹筋拉断破坏、竹筋拔出破坏，其中砂浆劈裂破坏最常见，破坏过程分为微滑移段、滑移段、下降段和残余段。竹筋表面经改性处理，其与砂浆界面粘结强度可提高13~46倍，界面粘结性能随竹筋粘结长度和等效直径的增大而降低，而砂浆强度对粘结性能的影响效果不显著。推荐使用粘砂和涂刷环氧砂浆两种方式对竹筋改性，在保证粘结性能的基础上，可改善养护过程中竹筋吸水膨胀导致与砂浆剥离，结构提前失效等问题。根据试验粘结-滑移曲线，得到经粘砂改性的重组竹筋-竹炭砂浆界面粘结-滑移本构模型，可准确预测重组竹筋与砂浆的界面粘结行为。经验证，该模型同样适用于试验中发生界面破坏的其他竹筋改性方法。
2023, 40(10): 5860-5871.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230103.001
摘要:
为了提高氯氧镁水泥的力学及耐水性能，同时解决废弃农作物青稞秸秆的资源处置问题，采用一定条件下煅烧及研磨处理制备而成的青稞秸秆灰(HBSA)，改善氯氧镁水泥的力学及耐水性能。首先，对不同HBSA掺入方式及掺量的氯氧镁水泥砂浆(MOCM)的力学性能进行试验，分别测试了MOCM的抗折强度、抗压强度、折压比及软化系数的变化规律。其次，对MOCM的孔隙结构和微观结构进行测试分析，进一步阐释了掺入HBSA对MOCM力学性能影响的作用机制。研究结果表明：HBSA外掺时，MOCM可以获得较高的力学性能及耐水性能。当HBSA掺量为5wt%时，MOCM的抗折强度和抗压强度最高；当HBSA掺量为10wt%时，MOCM在饱水状态下的抗压强度损失最小，耐水性能最优。当HBSA外掺且掺量为10wt%时，MOCM的孔隙结构中有害孔和多害孔的比例显著降低，无害孔和少害孔的比例显著增加。MOCM中的水化产物Mg(OH)2能够与HBSA中的活性SiO2发生二次水化反应，生成大量的水化硅酸镁(M-S-H)凝胶，有效地填充了MOCM内部的有害孔隙，阻碍了水分的传输与侵蚀，提高了MOCM的耐水性能。
为了提高氯氧镁水泥的力学及耐水性能，同时解决废弃农作物青稞秸秆的资源处置问题，采用一定条件下煅烧及研磨处理制备而成的青稞秸秆灰(HBSA)，改善氯氧镁水泥的力学及耐水性能。首先，对不同HBSA掺入方式及掺量的氯氧镁水泥砂浆(MOCM)的力学性能进行试验，分别测试了MOCM的抗折强度、抗压强度、折压比及软化系数的变化规律。其次，对MOCM的孔隙结构和微观结构进行测试分析，进一步阐释了掺入HBSA对MOCM力学性能影响的作用机制。研究结果表明：HBSA外掺时，MOCM可以获得较高的力学性能及耐水性能。当HBSA掺量为5wt%时，MOCM的抗折强度和抗压强度最高；当HBSA掺量为10wt%时，MOCM在饱水状态下的抗压强度损失最小，耐水性能最优。当HBSA外掺且掺量为10wt%时，MOCM的孔隙结构中有害孔和多害孔的比例显著降低，无害孔和少害孔的比例显著增加。MOCM中的水化产物Mg(OH)2能够与HBSA中的活性SiO2发生二次水化反应，生成大量的水化硅酸镁(M-S-H)凝胶，有效地填充了MOCM内部的有害孔隙，阻碍了水分的传输与侵蚀，提高了MOCM的耐水性能。
2023, 40(10): 5871-5883.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230117.003
摘要:
为制备安全、稳定、高效的新型纳米银抑菌剂，本文分别以腊梅花瓣提取液和壳聚糖作为还原剂和稳定剂采用一步法生物合成纳米银/壳聚糖(AgNPs/CS)复合抑菌剂。通过单因素实验确定了最佳制备工艺，制备的产品利用紫外-可见吸收光谱、TEM、X 射线衍射等技术进行表征，并对其抑菌活性、抗耐药性、稳定性及生物安全性进行全面的评价。实验结果表明：AgNPs/CS在451 nm处有AgNPs的特征吸收峰，AgNPs呈球形，均匀分散，平均粒径为12.83 nm，为面心立方结构晶体。AgNPs/CS在离体和活体抑菌实验中对水产病原菌均表现出显著的抑菌活性，并表现出优良的抗耐药性、生物安全性和稳定性。因此，AgNPs/CS是一种理想的复合抑菌剂，在水产养殖领域中具有广阔的应用前景。
为制备安全、稳定、高效的新型纳米银抑菌剂，本文分别以腊梅花瓣提取液和壳聚糖作为还原剂和稳定剂采用一步法生物合成纳米银/壳聚糖(AgNPs/CS)复合抑菌剂。通过单因素实验确定了最佳制备工艺，制备的产品利用紫外-可见吸收光谱、TEM、X 射线衍射等技术进行表征，并对其抑菌活性、抗耐药性、稳定性及生物安全性进行全面的评价。实验结果表明：AgNPs/CS在451 nm处有AgNPs的特征吸收峰，AgNPs呈球形，均匀分散，平均粒径为12.83 nm，为面心立方结构晶体。AgNPs/CS在离体和活体抑菌实验中对水产病原菌均表现出显著的抑菌活性，并表现出优良的抗耐药性、生物安全性和稳定性。因此，AgNPs/CS是一种理想的复合抑菌剂，在水产养殖领域中具有广阔的应用前景。
2023, 40(10): 5885-5892.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230207.001
摘要:
本文通过使用高碘酸钠将透明质酸(HA)上的羟基氧化为醛基，合成醛基化透明质酸(OHA)。以OHA和羟丙基壳聚糖(HPCS)为原料，通过OHA上的醛基与HPCS的氨基发生席夫碱反应生成动态亚胺键，制备了OHA/HPCS自愈合水凝胶。本文通过使用FTIR、UV-vis、SEM、流变和1H NMR对OHA/HPCS自愈合水凝胶的微观形貌与性能进行表征与探究。OHA/HPCS水凝胶具有多孔结构，孔径范围在70~200 μm之间。随着OHA用量的增加，OHA/HPCS水凝胶内部的孔隙增多，孔径变小，OHA/HPCS的溶胀比逐渐变小，且降解速率变缓。在室温且无外界刺激的条件下，OHA/HPCS水凝胶在4 h内能够实现自愈合。OHA/HPCS水凝胶能够缓慢释放抗癌药物吉西他滨，药物累计释放率为70%~84%，释放时间为12天。OHA/HPCS水凝胶具有缓慢释放吉西他滨的性能，表明OHA/HPCS水凝胶在药物释放领域具有潜在的应用前景。
本文通过使用高碘酸钠将透明质酸(HA)上的羟基氧化为醛基，合成醛基化透明质酸(OHA)。以OHA和羟丙基壳聚糖(HPCS)为原料，通过OHA上的醛基与HPCS的氨基发生席夫碱反应生成动态亚胺键，制备了OHA/HPCS自愈合水凝胶。本文通过使用FTIR、UV-vis、SEM、流变和1H NMR对OHA/HPCS自愈合水凝胶的微观形貌与性能进行表征与探究。OHA/HPCS水凝胶具有多孔结构，孔径范围在70~200 μm之间。随着OHA用量的增加，OHA/HPCS水凝胶内部的孔隙增多，孔径变小，OHA/HPCS的溶胀比逐渐变小，且降解速率变缓。在室温且无外界刺激的条件下，OHA/HPCS水凝胶在4 h内能够实现自愈合。OHA/HPCS水凝胶能够缓慢释放抗癌药物吉西他滨，药物累计释放率为70%~84%，释放时间为12天。OHA/HPCS水凝胶具有缓慢释放吉西他滨的性能，表明OHA/HPCS水凝胶在药物释放领域具有潜在的应用前景。
2023, 40(10): 5892-5901.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221213.003
摘要:
采用机械球磨结合粉末冶金发泡法制备了石墨烯纳米片(GNSs)增强Al-Mg基复合泡沫(G-AMCFs)，研究了GNSs对泡沫Al-Mg泡孔形貌、微观组织及准静态压缩力学性能的影响。结果表明，GNSs的加入增加了气孔的形核位点并使MgO在GNSs周围发生偏析。随着GNSs含量的增加，G-AMCFs的泡孔孔径增大；0.25wt%G-AMCFs的压缩力学性能最优，相比于泡沫Al-Mg，其吸能能力提高了43.6%，压缩强度提高了42.9%，平台应力提高了28.1%，同时表现出良好的韧性变形行为。高含量G-AMCFs(0.75wt%)的泡孔结构发生恶化并导致力学性能降低，但压缩强度仍优于泡沫Al-Mg。G-AMCFs的强化方式主要为弥散强化、载荷传递和沉淀强化。
采用机械球磨结合粉末冶金发泡法制备了石墨烯纳米片(GNSs)增强Al-Mg基复合泡沫(G-AMCFs)，研究了GNSs对泡沫Al-Mg泡孔形貌、微观组织及准静态压缩力学性能的影响。结果表明，GNSs的加入增加了气孔的形核位点并使MgO在GNSs周围发生偏析。随着GNSs含量的增加，G-AMCFs的泡孔孔径增大；0.25wt%G-AMCFs的压缩力学性能最优，相比于泡沫Al-Mg，其吸能能力提高了43.6%，压缩强度提高了42.9%，平台应力提高了28.1%，同时表现出良好的韧性变形行为。高含量G-AMCFs(0.75wt%)的泡孔结构发生恶化并导致力学性能降低，但压缩强度仍优于泡沫Al-Mg。G-AMCFs的强化方式主要为弥散强化、载荷传递和沉淀强化。
2023, 40(10): 5903-5916.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221226.003
摘要:
针对航空金属构件损伤碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)单面修补结构，研究了3种贴补修复工艺(湿铺法、预浸料法、预固化法)、复合材料补片厚度、补片长度与修复界面形貌、胶接特性、失效形式和极限载荷之间的对应关系；建立了三维有限元模型，基于三维Hashin失效准则模拟复合材料补片的层内损伤和演化过程，基于内聚力模型模拟胶层和复合材料补片的层间破坏，通过与试验和理论分析对比，验证了该有限元模型的有效性。研究结果表明：3种修补工艺具有不同的界面形貌和失效形式，湿铺法工艺的修复效果最好，是预固化法的3.3倍、预浸料法的1.3倍；随着复合材料补片厚度的增加，修补结构的极限失效载荷先增大后减小，最后趋于稳定，失效形式逐渐从复合材料补片分层崩裂、纤维断裂与胶层损伤的混合失效逐渐演化到胶层的剪切失效，得到修复效果最好的补片厚度为7层约1.05 mm；随着补片长度的增加，修补结构的极限失效载荷先增大后线性减小，胶层的损伤从接头中央和两端起始并往中间区域演化，得到修复效果最好的补片长度为80 mm。该结论为航空维修工程应用提供了良好依据和建议。
针对航空金属构件损伤碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)单面修补结构，研究了3种贴补修复工艺(湿铺法、预浸料法、预固化法)、复合材料补片厚度、补片长度与修复界面形貌、胶接特性、失效形式和极限载荷之间的对应关系；建立了三维有限元模型，基于三维Hashin失效准则模拟复合材料补片的层内损伤和演化过程，基于内聚力模型模拟胶层和复合材料补片的层间破坏，通过与试验和理论分析对比，验证了该有限元模型的有效性。研究结果表明：3种修补工艺具有不同的界面形貌和失效形式，湿铺法工艺的修复效果最好，是预固化法的3.3倍、预浸料法的1.3倍；随着复合材料补片厚度的增加，修补结构的极限失效载荷先增大后减小，最后趋于稳定，失效形式逐渐从复合材料补片分层崩裂、纤维断裂与胶层损伤的混合失效逐渐演化到胶层的剪切失效，得到修复效果最好的补片厚度为7层约1.05 mm；随着补片长度的增加，修补结构的极限失效载荷先增大后线性减小，胶层的损伤从接头中央和两端起始并往中间区域演化，得到修复效果最好的补片长度为80 mm。该结论为航空维修工程应用提供了良好依据和建议。
2023, 40(10): 5917-5932.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230213.001
摘要:
为探究外贴碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土(RC)剪力墙的抗剪性能及作用机制，基于Hashin损伤准则建立了可以考虑CFRP-混凝土界面剥离的三维数值模型。研究了剪跨比、CFRP配纤率及加固方式对CFRP加固RC剪力墙抗剪性能的影响。研究结果表明：(1) 外贴CFRP加固后有效缓解了剪切主裂缝的发展；(2) 随着剪跨比的增大，CFRP加固剪力墙中CFRP条带所提供的抗剪贡献显著降低；(3) CFRP抗剪贡献并不是随着加固层数的增大而线性增长。基于模拟分析结果，从定性结论扩展至量化分析，提出了剪跨比及加固层数影响系数，并基于美国规范(ACI 440.2R-17)公式形式，进一步建立了表征CFRP抗剪贡献的计算公式。通过与试验数据的对比，发现该建议公式可以更准确的描述剪跨比、CFRP配纤率及加固方式对CFRP抗剪贡献的影响规律，建议公式预测结果与试验结果的平均绝对误差为8%，验证了建议计算方法的有效性。
为探究外贴碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土(RC)剪力墙的抗剪性能及作用机制，基于Hashin损伤准则建立了可以考虑CFRP-混凝土界面剥离的三维数值模型。研究了剪跨比、CFRP配纤率及加固方式对CFRP加固RC剪力墙抗剪性能的影响。研究结果表明：(1) 外贴CFRP加固后有效缓解了剪切主裂缝的发展；(2) 随着剪跨比的增大，CFRP加固剪力墙中CFRP条带所提供的抗剪贡献显著降低；(3) CFRP抗剪贡献并不是随着加固层数的增大而线性增长。基于模拟分析结果，从定性结论扩展至量化分析，提出了剪跨比及加固层数影响系数，并基于美国规范(ACI 440.2R-17)公式形式，进一步建立了表征CFRP抗剪贡献的计算公式。通过与试验数据的对比，发现该建议公式可以更准确的描述剪跨比、CFRP配纤率及加固方式对CFRP抗剪贡献的影响规律，建议公式预测结果与试验结果的平均绝对误差为8%，验证了建议计算方法的有效性。
2023, 40(10): 5933-5947.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230222.005
摘要:
低速冲击复合材料层合板结构的自由边缘会严重威胁其安全性。本文对T700/YPH307复合材料层合板进行了边缘冲击试验与数值仿真研究。试验中通过目视检测、超声C扫描、电子显微观测及X-ray计算机断层扫描(CT)技术检测了层合板边缘冲击后的损伤状态，揭示了不同边缘冲击能量下，材料内部损伤的三维空间分布形貌。基于Mohr失效面理论，建立了一种考虑各向异性材料断裂面角度的连续介质损伤力学模型，同时结合内聚力模型综合表征了层合板边缘受低速冲击时层内纤维基体损伤与层间分层的起始、扩展和耦合细节。数值预测结果与试验值吻合较好，表明边缘冲击失效机制主要包括两种典型特征，即极限冲击力时形成冲头下方局部碎片楔及稳定波动阶段因楔入作用造成的外侧子层弯曲断裂。此外，边缘冲击能量越高，层合板内部损伤越严重，而铺层顺序对边缘冲击响应与损伤形貌影响相对有限。
低速冲击复合材料层合板结构的自由边缘会严重威胁其安全性。本文对T700/YPH307复合材料层合板进行了边缘冲击试验与数值仿真研究。试验中通过目视检测、超声C扫描、电子显微观测及X-ray计算机断层扫描(CT)技术检测了层合板边缘冲击后的损伤状态，揭示了不同边缘冲击能量下，材料内部损伤的三维空间分布形貌。基于Mohr失效面理论，建立了一种考虑各向异性材料断裂面角度的连续介质损伤力学模型，同时结合内聚力模型综合表征了层合板边缘受低速冲击时层内纤维基体损伤与层间分层的起始、扩展和耦合细节。数值预测结果与试验值吻合较好，表明边缘冲击失效机制主要包括两种典型特征，即极限冲击力时形成冲头下方局部碎片楔及稳定波动阶段因楔入作用造成的外侧子层弯曲断裂。此外，边缘冲击能量越高，层合板内部损伤越严重，而铺层顺序对边缘冲击响应与损伤形貌影响相对有限。
2023, 40(10): 5948-5957.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230112.003
摘要:
为了提高C型碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)薄壁结构的耐撞性，对其在轴向压溃载荷作用下的吸能特性和失效行为进行研究。考虑层间分层效应，建立了C型CFRP薄壁结构的渐进损伤模型。采用二次名义应力失效和基于混合模式能量方法的非线性损伤演化准则分别对层间初始失效和损伤演化进行预测。针对该结构提出混合角度倒角触发和尖顶触发，对比分析了不同触发配置对C型CFRP薄壁结构耐撞性指标和失效模式的影响。结果表明混合角度倒角触发所对应的初始峰值随着混合角度的增大呈减小的趋势。通过减小混合角度尖顶触发与加载板在初始压溃阶段的接触面积，能够有效降低初始峰值。混合角度尖顶触发能够改善失效过程，对提高该结构的耐撞性有积极的影响。
为了提高C型碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)薄壁结构的耐撞性，对其在轴向压溃载荷作用下的吸能特性和失效行为进行研究。考虑层间分层效应，建立了C型CFRP薄壁结构的渐进损伤模型。采用二次名义应力失效和基于混合模式能量方法的非线性损伤演化准则分别对层间初始失效和损伤演化进行预测。针对该结构提出混合角度倒角触发和尖顶触发，对比分析了不同触发配置对C型CFRP薄壁结构耐撞性指标和失效模式的影响。结果表明混合角度倒角触发所对应的初始峰值随着混合角度的增大呈减小的趋势。通过减小混合角度尖顶触发与加载板在初始压溃阶段的接触面积，能够有效降低初始峰值。混合角度尖顶触发能够改善失效过程，对提高该结构的耐撞性有积极的影响。
2023, 40(10): 5958-5967.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221228.004
摘要:
为评价涂层缺陷对陶瓷基复合材料力学性能的影响，以先驱体浸渍裂解(PIP)工艺平纹编织C/SiC材料为研究对象，观测统计了SiC涂层的初始缺陷形貌，并进行了900℃条件下的无应力氧化实验，获得了涂层缺陷附近纤维束的氧化损伤情况，模拟材料试验的实际特征建立了包含典型涂层缺陷的SiC基体与碳纤维束的材料细观模型。提出了一种基于扩散控制的氧化界面演化方法，并仿真不同缺陷条件下纤维束氧化损伤的空间扩展情况，得到材料强度、刚度衰减规律。结果表明，氧化气体由涂层缺陷进入材料内部，造成纤维束发生氧化损伤并进一步沿孔隙扩散，由此引起的材料质量损失和拉伸模量衰减的演化规律具有一致性，两者均可用于材料氧化程度的评价。涂层缺陷类型决定了纤维束的损伤发展和形貌特征，相同分布尺度下涂层开裂缺陷较剥落缺陷会导致更大的损伤区域和更显著的应力集中，通过不同类型涂层缺陷诱导的损伤程度对比，为高温服役热结构材料交付的质量评价提供支撑。
为评价涂层缺陷对陶瓷基复合材料力学性能的影响，以先驱体浸渍裂解(PIP)工艺平纹编织C/SiC材料为研究对象，观测统计了SiC涂层的初始缺陷形貌，并进行了900℃条件下的无应力氧化实验，获得了涂层缺陷附近纤维束的氧化损伤情况，模拟材料试验的实际特征建立了包含典型涂层缺陷的SiC基体与碳纤维束的材料细观模型。提出了一种基于扩散控制的氧化界面演化方法，并仿真不同缺陷条件下纤维束氧化损伤的空间扩展情况，得到材料强度、刚度衰减规律。结果表明，氧化气体由涂层缺陷进入材料内部，造成纤维束发生氧化损伤并进一步沿孔隙扩散，由此引起的材料质量损失和拉伸模量衰减的演化规律具有一致性，两者均可用于材料氧化程度的评价。涂层缺陷类型决定了纤维束的损伤发展和形貌特征，相同分布尺度下涂层开裂缺陷较剥落缺陷会导致更大的损伤区域和更显著的应力集中，通过不同类型涂层缺陷诱导的损伤程度对比，为高温服役热结构材料交付的质量评价提供支撑。
2023, 40(10): 5968-5976.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221223.003
摘要:
为研究多孔金属陶瓷功能梯度矩形板在低速冲击下的动力学响应，提出了一种基于赫兹弹性理论和一阶剪切变形板理论的数值分析模型，获得了低速冲击下多孔金属陶瓷功能梯度矩形板的响应解析解。根据Hamilton原理推导出功能梯度矩形板的运动方程，引入两自由度弹簧-质量(S-M)模型用于获得冲击过程中与时间相关的接触力，利用Duhamel原理和Navier法计算了多孔功能梯度矩形板的横向位移。所得结果与文献数据进行比对，验证了有效性。在此基础上，针对相关参数对功能梯度板抗冲击性能的影响进行了比对分析。结果表明：随着孔隙率、功能梯度指数和宽厚比的减小，最大横向位移减小，功能梯度矩形板的能量吸收和抗冲击性能增强。
为研究多孔金属陶瓷功能梯度矩形板在低速冲击下的动力学响应，提出了一种基于赫兹弹性理论和一阶剪切变形板理论的数值分析模型，获得了低速冲击下多孔金属陶瓷功能梯度矩形板的响应解析解。根据Hamilton原理推导出功能梯度矩形板的运动方程，引入两自由度弹簧-质量(S-M)模型用于获得冲击过程中与时间相关的接触力，利用Duhamel原理和Navier法计算了多孔功能梯度矩形板的横向位移。所得结果与文献数据进行比对，验证了有效性。在此基础上，针对相关参数对功能梯度板抗冲击性能的影响进行了比对分析。结果表明：随着孔隙率、功能梯度指数和宽厚比的减小，最大横向位移减小，功能梯度矩形板的能量吸收和抗冲击性能增强。
