2023年 第40卷 第4期
2023, 40(4): 1819-1840.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220707.004
摘要:
复合材料和轻质高强金属相结合的混合材料车身结构使用成为汽车轻量化的重要途径，复合材料之间及其与异质材料间的有效连接则是混合材料车身制造的关键环节。自冲铆工艺以其优质高效的特点，在复合材料连接中展现出优势和良好适用性，得到了广泛的关注和研究。总结近年来复合材料自冲铆连接的研究成果发现：复合材料与铝合金薄板自冲铆接头强度多集中在4 kN上下，强度值范围可以与金属板件间的自冲铆接头相媲美；而影响接头性能的主要因素有母材性能、铆钉结构、铆接工艺参数及服役条件等；改善接头性能的关键在于提升复合材料板的强度、降低复合材料内部铆接损伤缺陷及改善钉脚与下板的机械内锁结合性能；此外，自冲铆接头复合以胶接工艺，能够显著提升接头的综合性能。
复合材料和轻质高强金属相结合的混合材料车身结构使用成为汽车轻量化的重要途径，复合材料之间及其与异质材料间的有效连接则是混合材料车身制造的关键环节。自冲铆工艺以其优质高效的特点，在复合材料连接中展现出优势和良好适用性，得到了广泛的关注和研究。总结近年来复合材料自冲铆连接的研究成果发现：复合材料与铝合金薄板自冲铆接头强度多集中在4 kN上下，强度值范围可以与金属板件间的自冲铆接头相媲美；而影响接头性能的主要因素有母材性能、铆钉结构、铆接工艺参数及服役条件等；改善接头性能的关键在于提升复合材料板的强度、降低复合材料内部铆接损伤缺陷及改善钉脚与下板的机械内锁结合性能；此外，自冲铆接头复合以胶接工艺，能够显著提升接头的综合性能。
2023, 40(4): 1841-1856.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221019.001
摘要:
探索绿色发展、解决能源危机已成为近年来商业发展的趋势。金属卤化物钙钛矿因其独特的光催化性能而备受关注。其中，CsPbBr3钙钛矿具有较高的光催化活性和优异的稳定性，在光催化CO2还原方面发展迅速。在能源发展趋势下，减少碳排放和催化还原CO2作为燃料是研究热点和主要途径。然而，纯CsPbBr3较差的CO2吸附还原能力、严重的电荷复合和较低的电荷效率严重阻碍了钙钛矿光催化的商业化。为了解决纯CsPbBr3材料光催化中的一系列问题，对CsPbBr3钙钛矿进行表面改性或构建多组分复合材料是目前最经济、最有前景的解决方案。本文讨论了CsPbBr3钙钛矿的光催化反应原理及所面临稳定性和还原能力的阻碍，对CsPbBr3钙钛矿及其复合物的光催化CO2还原研究进行了系统的回顾。最后对构建更加稳定、高效及可持续性的CO2还原光催化剂新的探索方向进行了展望。
探索绿色发展、解决能源危机已成为近年来商业发展的趋势。金属卤化物钙钛矿因其独特的光催化性能而备受关注。其中，CsPbBr3钙钛矿具有较高的光催化活性和优异的稳定性，在光催化CO2还原方面发展迅速。在能源发展趋势下，减少碳排放和催化还原CO2作为燃料是研究热点和主要途径。然而，纯CsPbBr3较差的CO2吸附还原能力、严重的电荷复合和较低的电荷效率严重阻碍了钙钛矿光催化的商业化。为了解决纯CsPbBr3材料光催化中的一系列问题，对CsPbBr3钙钛矿进行表面改性或构建多组分复合材料是目前最经济、最有前景的解决方案。本文讨论了CsPbBr3钙钛矿的光催化反应原理及所面临稳定性和还原能力的阻碍，对CsPbBr3钙钛矿及其复合物的光催化CO2还原研究进行了系统的回顾。最后对构建更加稳定、高效及可持续性的CO2还原光催化剂新的探索方向进行了展望。
2023, 40(4): 1857-1878.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221031.002
摘要:
目前锂离子电池由于使用液态电解液面临着诸多问题，如工作温度范围窄、热稳定性差、容易泄露和生成锂枝晶等。发展全固态锂电池是提升电池能量密度和安全性的可行途径之一，而作为锂电池材料研究热点的有机-无机复合固态电解质，由于其兼具有机物和无机物的优点，有望运用于下一代全固态锂电池之中。本文首先概述了固态电解质的种类及传导机制，而后详细阐述了有机-无机复合固态电解质中聚合物基质和锂盐的选择以及不同维度无机填料对电解质性能尤其是力学性能的影响，最后提出了有机-无机复合固态电解质的研究总结与展望。
目前锂离子电池由于使用液态电解液面临着诸多问题，如工作温度范围窄、热稳定性差、容易泄露和生成锂枝晶等。发展全固态锂电池是提升电池能量密度和安全性的可行途径之一，而作为锂电池材料研究热点的有机-无机复合固态电解质，由于其兼具有机物和无机物的优点，有望运用于下一代全固态锂电池之中。本文首先概述了固态电解质的种类及传导机制，而后详细阐述了有机-无机复合固态电解质中聚合物基质和锂盐的选择以及不同维度无机填料对电解质性能尤其是力学性能的影响，最后提出了有机-无机复合固态电解质的研究总结与展望。
2023, 40(4): 1879-1895.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220926.002
摘要:
近年来，基于水凝胶的导电材料及其作为柔性可穿戴设备的应用引起了人们的广泛关注。柔性可穿戴设备不仅可以采集人体生理信号用于远程健康监测，还在人机界面、软机器人等方面展示出巨大的应用潜力。导电水凝胶所具有的良好导电性、高延伸性、可调柔韧性、生物兼容性和多重刺激响应性等优点使其成为制备柔性可穿戴设备的理想材料。到目前为止，各种导电材料被广泛用于制作导电复合水凝胶。本文根据导电材料对导电复合水凝胶进行分类，包括离子导电水凝胶(基于盐离子、离子液体、聚电解质等导电物质)、电子导电水凝胶(基于导电聚合物基、碳材料、MXene和金属等导电物质)两大类，并介绍了导电水凝胶在人体运动监测、健康监测、人机界面等柔性可穿戴设备中的应用进展。
近年来，基于水凝胶的导电材料及其作为柔性可穿戴设备的应用引起了人们的广泛关注。柔性可穿戴设备不仅可以采集人体生理信号用于远程健康监测，还在人机界面、软机器人等方面展示出巨大的应用潜力。导电水凝胶所具有的良好导电性、高延伸性、可调柔韧性、生物兼容性和多重刺激响应性等优点使其成为制备柔性可穿戴设备的理想材料。到目前为止，各种导电材料被广泛用于制作导电复合水凝胶。本文根据导电材料对导电复合水凝胶进行分类，包括离子导电水凝胶(基于盐离子、离子液体、聚电解质等导电物质)、电子导电水凝胶(基于导电聚合物基、碳材料、MXene和金属等导电物质)两大类，并介绍了导电水凝胶在人体运动监测、健康监测、人机界面等柔性可穿戴设备中的应用进展。
2023, 40(4): 1896-1912.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220627.002
摘要:
MXene材料是一类具有二维层状结构的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物的二维纳米材料，因其优异的物理、化学性能在生物传感、癌症光热疗法、抗菌等方面已经得到广泛应用。基于MXene抗菌性的研究现状，探究了MXene及其复合材料的抗菌机制，阐述了MXene及其复合材料的抗菌性能及其抗菌整理织物、抗菌纤维和抗菌敷料的研究进展，最后提出了基于MXene及其复合材料的抗菌纺织品未来研究方向。
MXene材料是一类具有二维层状结构的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物的二维纳米材料，因其优异的物理、化学性能在生物传感、癌症光热疗法、抗菌等方面已经得到广泛应用。基于MXene抗菌性的研究现状，探究了MXene及其复合材料的抗菌机制，阐述了MXene及其复合材料的抗菌性能及其抗菌整理织物、抗菌纤维和抗菌敷料的研究进展，最后提出了基于MXene及其复合材料的抗菌纺织品未来研究方向。
2023, 40(4): 1913-1923.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221205.002
摘要:
作为自然界最丰富的可再生芳香族生物质资源，木质素近年来在能源、环境、医学等领域受到广泛关注。其中，采用3D打印技术构建具有特定结构和功能的木质素基复合材料是提升木质素附加值的重要途径之一，同时可有效避免木质素化学结构复杂多变、多分散性高、刚性大等在传统材料制备过程中带来的负面影响。本文围绕木质素基复合材料的直写式3D打印，重点综述了近年来木质素基复合材料在直写式3D打印方面的研究成果与进展。首先介绍了木质素的结构特性及直写式3D打印技术；然后系统总结了木质素流变学特性与其打印性能之间的构-效关系；最后讨论了3D打印的木质素基复合材料在能源、环境等领域的应用现状及其面临的挑战，并展望了木质素基复合材料在直写式3D打印方面的发展方向。
作为自然界最丰富的可再生芳香族生物质资源，木质素近年来在能源、环境、医学等领域受到广泛关注。其中，采用3D打印技术构建具有特定结构和功能的木质素基复合材料是提升木质素附加值的重要途径之一，同时可有效避免木质素化学结构复杂多变、多分散性高、刚性大等在传统材料制备过程中带来的负面影响。本文围绕木质素基复合材料的直写式3D打印，重点综述了近年来木质素基复合材料在直写式3D打印方面的研究成果与进展。首先介绍了木质素的结构特性及直写式3D打印技术；然后系统总结了木质素流变学特性与其打印性能之间的构-效关系；最后讨论了3D打印的木质素基复合材料在能源、环境等领域的应用现状及其面临的挑战，并展望了木质素基复合材料在直写式3D打印方面的发展方向。
2023, 40(4): 1924-1936.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220727.001
摘要:
金属有机框架(MOFs)具有较大的比表面积和可调节的孔径，其金属离子和有机配体都具有良好的携电荷能力，近年来作为锂离子电池负极材料受到广泛关注。本文介绍了目前常用的锂离子电池MOFs负极材料，归纳了MOFs材料在锂离子电池负极中的改性策略和合成方法，且系统分析了MOFs及其衍生材料的结构与形貌设计的主要原则，指出了其未来发展趋势及研究挑战。
金属有机框架(MOFs)具有较大的比表面积和可调节的孔径，其金属离子和有机配体都具有良好的携电荷能力，近年来作为锂离子电池负极材料受到广泛关注。本文介绍了目前常用的锂离子电池MOFs负极材料，归纳了MOFs材料在锂离子电池负极中的改性策略和合成方法，且系统分析了MOFs及其衍生材料的结构与形貌设计的主要原则，指出了其未来发展趋势及研究挑战。
2023, 40(4): 1937-1950.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220628.003
摘要:
光催化技术以其绿色安全的特点在能源和环境领域显示出巨大的应用潜力。近年来，有机物光催化剂以其可见光响应及成本较低等优势逐渐进入人们的视野，但也存在一些不足，而石墨烯材料的大比表面积、高载流子迁移率等性质，在催化剂构建领域具有天然优势。本文针对石墨烯-有机物半导体光催化材料，在总结石墨烯在材料中的基本作用的基础上，介绍了石墨烯/共轭聚合物、石墨烯/金属有机骨架、石墨烯/染料3种典型的石墨烯-有机物光催化材料及多种合成方法。进一步阐述了此类材料在能源和环境领域，包括光解水析氢、CO2还原、有机物降解、重金属离子还原及细菌灭活等领域的应用。最后对石墨烯-有机物复合光催化材料的未来发展提出了建议。
光催化技术以其绿色安全的特点在能源和环境领域显示出巨大的应用潜力。近年来，有机物光催化剂以其可见光响应及成本较低等优势逐渐进入人们的视野，但也存在一些不足，而石墨烯材料的大比表面积、高载流子迁移率等性质，在催化剂构建领域具有天然优势。本文针对石墨烯-有机物半导体光催化材料，在总结石墨烯在材料中的基本作用的基础上，介绍了石墨烯/共轭聚合物、石墨烯/金属有机骨架、石墨烯/染料3种典型的石墨烯-有机物光催化材料及多种合成方法。进一步阐述了此类材料在能源和环境领域，包括光解水析氢、CO2还原、有机物降解、重金属离子还原及细菌灭活等领域的应用。最后对石墨烯-有机物复合光催化材料的未来发展提出了建议。
2023, 40(4): 1951-1965.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220704.001
摘要:
原位成纤复合泡沫材料是针对原位微纤化(In-situ micro fibrillation，IMF)复合材料，基于微孔发泡工艺制备的一种泡沫材料。除了具有传统泡沫材料质轻、减震、隔热、降噪等性能外，IMF复合材料内部纤维网络结构的存在显著改善了基体的微孔发泡行为，使得原位成纤复合发泡材料成为一种兼具高强度和功能化的新型泡沫材料。首先概述了IMF复合材料的制备工艺及IMF工艺过程调控因素，重点分析了IMF网络结构对复合材料结晶和流变行为的影响，其次综述了针对不同IMF复合材料体系和微孔发泡工艺的原位成纤复合泡沫材料的制备方法和泡孔结构调控手段，阐述并列举了其力学性能强韧化机制和在隔热和油水分离领域的应用，最后展望了原位成纤复合泡沫材料未来的研究方向。
原位成纤复合泡沫材料是针对原位微纤化(In-situ micro fibrillation，IMF)复合材料，基于微孔发泡工艺制备的一种泡沫材料。除了具有传统泡沫材料质轻、减震、隔热、降噪等性能外，IMF复合材料内部纤维网络结构的存在显著改善了基体的微孔发泡行为，使得原位成纤复合发泡材料成为一种兼具高强度和功能化的新型泡沫材料。首先概述了IMF复合材料的制备工艺及IMF工艺过程调控因素，重点分析了IMF网络结构对复合材料结晶和流变行为的影响，其次综述了针对不同IMF复合材料体系和微孔发泡工艺的原位成纤复合泡沫材料的制备方法和泡孔结构调控手段，阐述并列举了其力学性能强韧化机制和在隔热和油水分离领域的应用，最后展望了原位成纤复合泡沫材料未来的研究方向。
2023, 40(4): 1966-1980.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220819.003
摘要:
随着社会消费需求向绿色、可持续发展方向不断转型及国家“双碳”战略目标的提出，深入开发低碳环保型3D打印材料(如生物质基3D打印光敏树脂)是十分必要的。木质素作为仅次于纤维素的第二大可再生绿色生物质资源，在3D打印材料中具有广阔的应用前景。本文综述了木质素及其衍生物用作生物质基3D打印光敏树脂材料的最新应用研究，包括木质素基光敏预聚物、木质素基活性稀释剂、木质素基光引发剂及木质素作为添加剂在3D打印光敏树脂材料中的应用机制及性能影响。最后对木质素基3D打印光敏树脂的未来挑战和工业化前景进行了分析与展望。
随着社会消费需求向绿色、可持续发展方向不断转型及国家“双碳”战略目标的提出，深入开发低碳环保型3D打印材料(如生物质基3D打印光敏树脂)是十分必要的。木质素作为仅次于纤维素的第二大可再生绿色生物质资源，在3D打印材料中具有广阔的应用前景。本文综述了木质素及其衍生物用作生物质基3D打印光敏树脂材料的最新应用研究，包括木质素基光敏预聚物、木质素基活性稀释剂、木质素基光引发剂及木质素作为添加剂在3D打印光敏树脂材料中的应用机制及性能影响。最后对木质素基3D打印光敏树脂的未来挑战和工业化前景进行了分析与展望。
2023, 40(4): 1981-1991.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221030.001
摘要:
纤维素纳米晶(CNC)是由酸水解天然纤维素制得的具有高结晶度的一种纳米材料，CNC通过蒸发诱导自组装(EISA)能形成具有手性向列液晶相的虹彩薄膜。CNC制备工艺简单，具有生物可持续性和固有的手性向列结构，CNC的手性向列结构表现出特有的光学特性，以CNC为手性模板与聚合物或无机材料共组装可制得先进光学材料，在传感器、光电器件和智能显示等领域具有广阔的应用前景。本文介绍了CNC的制备、手性向列结构的形成及其作为模板的研究，简要综述了近年来CNC在制备有序介孔材料、功能纳米复合膜和新型光学材料领域的应用现状。最后，总结了基于目前CNC手性材料制备和应用存在的一些问题，以期为今后手性材料的应用研究提供参考。
纤维素纳米晶(CNC)是由酸水解天然纤维素制得的具有高结晶度的一种纳米材料，CNC通过蒸发诱导自组装(EISA)能形成具有手性向列液晶相的虹彩薄膜。CNC制备工艺简单，具有生物可持续性和固有的手性向列结构，CNC的手性向列结构表现出特有的光学特性，以CNC为手性模板与聚合物或无机材料共组装可制得先进光学材料，在传感器、光电器件和智能显示等领域具有广阔的应用前景。本文介绍了CNC的制备、手性向列结构的形成及其作为模板的研究，简要综述了近年来CNC在制备有序介孔材料、功能纳米复合膜和新型光学材料领域的应用现状。最后，总结了基于目前CNC手性材料制备和应用存在的一些问题，以期为今后手性材料的应用研究提供参考。
2023, 40(4): 1992-2003.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220530.004
摘要:
随着全球经济的蓬勃发展，人类对于能源的需求越来越大，因此对于绿色环保型热电材料的研究和应用已经刻不容缓。纤维素作为自然界中含量最丰富的天然高分子，具有丰富的三维网络结构以及优异的热稳定性，是作为柔性热电复合材料的理想基底之一，对其大规模开发利用符合绿色可持续发展的理念。纤维素基热电复合材料可以将人体、化石能源等产生的废热充分转化为电能，具有性能稳定、绿色环保、使用寿命长、低成本、易加工等优点。本文综述了近年来纤维素基复合材料的发展现状及应用领域，着重从聚合物复合材料、碳基复合材料和Bi-Te合金复合材料3个方面进行阐述。并对纤维素基复合材料面对的挑战以及未来的研究趋势进行了总结和展望。
随着全球经济的蓬勃发展，人类对于能源的需求越来越大，因此对于绿色环保型热电材料的研究和应用已经刻不容缓。纤维素作为自然界中含量最丰富的天然高分子，具有丰富的三维网络结构以及优异的热稳定性，是作为柔性热电复合材料的理想基底之一，对其大规模开发利用符合绿色可持续发展的理念。纤维素基热电复合材料可以将人体、化石能源等产生的废热充分转化为电能，具有性能稳定、绿色环保、使用寿命长、低成本、易加工等优点。本文综述了近年来纤维素基复合材料的发展现状及应用领域，着重从聚合物复合材料、碳基复合材料和Bi-Te合金复合材料3个方面进行阐述。并对纤维素基复合材料面对的挑战以及未来的研究趋势进行了总结和展望。
2023, 40(4): 2004-2014.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220923.001
摘要:
超疏水材料因其独特的润湿性被广泛应用于防污防腐、水下减阻及油水分离等众多领域。然而，大多数超疏水材料在受到外界机械磨损后，容易造成其表面的微观结构塌陷或者低表面能物质消耗，而影响或丧失超疏水性能。通过对表面润湿模型的分析，阐明了两条增强超疏水材料力学耐久性的主体思路，并介绍了超疏水材料力学耐久性的典型测试方法及其特点；其次，基于国内外研究现状和发展趋势的分析与梳理，归纳了4种提升超疏水材料力学耐久性的策略，分别为设计微纳米多级粗糙结构、引入高分子粘结层、构建自相似结构及自修复功能化；最后，总结了提升超疏水材料力学耐久性所面临的挑战，并展望了其未来的发展前景。
超疏水材料因其独特的润湿性被广泛应用于防污防腐、水下减阻及油水分离等众多领域。然而，大多数超疏水材料在受到外界机械磨损后，容易造成其表面的微观结构塌陷或者低表面能物质消耗，而影响或丧失超疏水性能。通过对表面润湿模型的分析，阐明了两条增强超疏水材料力学耐久性的主体思路，并介绍了超疏水材料力学耐久性的典型测试方法及其特点；其次，基于国内外研究现状和发展趋势的分析与梳理，归纳了4种提升超疏水材料力学耐久性的策略，分别为设计微纳米多级粗糙结构、引入高分子粘结层、构建自相似结构及自修复功能化；最后，总结了提升超疏水材料力学耐久性所面临的挑战，并展望了其未来的发展前景。
2023, 40(4): 2015-2025.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220513.004
摘要:
与激光、热风加热相比，红外加热具有低成本、低污染等突出优势，是低熔点热塑性复合材料自动纤维铺放(Automated fiber placement，AFP)成形的理想热源。但是，红外辅助AFP工艺参数耦合性强，对成形精度、缺陷形成与宏观性能的影响尚不清晰，缺乏相关工艺的数据积累。本文针对红外辅助AFP原位成形工艺，通过调控铺放压力和速度制备了连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料单向层合板，研究了铺放温度与压力对减薄效应、翘曲变形、结晶度和孔隙率的影响，进一步探究了结构和缺陷对弯曲强度、层间剪切强度等宏观力学性能的影响规律。研究结果表明：温度过高会导致严重的减薄效应，过低则会导致高孔隙率；成形压力过高会造成严重的翘曲和纤维变形，降低层间剪切强度。通过对温度和压力的合理控制，可使孔隙率降至1%，满足民机复合材料构件2%阈值的要求；试样弯曲强度高达466 MPa，与热压成形相比仅降低6%。
与激光、热风加热相比，红外加热具有低成本、低污染等突出优势，是低熔点热塑性复合材料自动纤维铺放(Automated fiber placement，AFP)成形的理想热源。但是，红外辅助AFP工艺参数耦合性强，对成形精度、缺陷形成与宏观性能的影响尚不清晰，缺乏相关工艺的数据积累。本文针对红外辅助AFP原位成形工艺，通过调控铺放压力和速度制备了连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料单向层合板，研究了铺放温度与压力对减薄效应、翘曲变形、结晶度和孔隙率的影响，进一步探究了结构和缺陷对弯曲强度、层间剪切强度等宏观力学性能的影响规律。研究结果表明：温度过高会导致严重的减薄效应，过低则会导致高孔隙率；成形压力过高会造成严重的翘曲和纤维变形，降低层间剪切强度。通过对温度和压力的合理控制，可使孔隙率降至1%，满足民机复合材料构件2%阈值的要求；试样弯曲强度高达466 MPa，与热压成形相比仅降低6%。
2023, 40(4): 2026-2037.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220516.003
摘要:
采用低温等离子体处理技术对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)表面进行处理，以氩气(Ar)、N2和O2作为等离子体激发气体，通过接触角测量仪、AFM、SEM和XPS等测试分析手段，对CFRP表面的润湿性、粗糙度、微观形貌和化学组分进行表征，并结合拉伸剪切试验测试和失效形貌分析，研究了等离子体气体类型、放电功率P和处理时间t对CFRP表面理化特性和胶接性能的影响。结果表明：Ar、N2和O2等离子体处理可以显著改善CFRP胶接性能，当P=800 W，t=20 s时，与未处理相比，CFRP胶接强度分别提高了138%、172%和253%。表面测试分析可知，Ar等离子体处理后，CFRP胶接强度的增加主要是通过提高表面清洁度和增大界面粘接表面积，试样失效模式由界面失效转变为内聚失效为主的混合失效模式。与Ar相比，N2等离子体处理后，CFRP表面生成了较多—NH2极性基团，表面活性增加，进一步提高了CFRP和胶粘剂之间界面的结合力。与以上两种气体相比，O2等离子体刻蚀CFRP表面更为剧烈，并对表层基团进行重组，形成了极性较强—COOH官能团，试样胶接强度提高效果最佳，试样失效模式由界面失效转变为基板失效。此外，当活性粒子的密度和能量过高时，较大的等离子体刻蚀孔隙，在一定程度上会降低胶接性能。
采用低温等离子体处理技术对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)表面进行处理，以氩气(Ar)、N2和O2作为等离子体激发气体，通过接触角测量仪、AFM、SEM和XPS等测试分析手段，对CFRP表面的润湿性、粗糙度、微观形貌和化学组分进行表征，并结合拉伸剪切试验测试和失效形貌分析，研究了等离子体气体类型、放电功率P和处理时间t对CFRP表面理化特性和胶接性能的影响。结果表明：Ar、N2和O2等离子体处理可以显著改善CFRP胶接性能，当P=800 W，t=20 s时，与未处理相比，CFRP胶接强度分别提高了138%、172%和253%。表面测试分析可知，Ar等离子体处理后，CFRP胶接强度的增加主要是通过提高表面清洁度和增大界面粘接表面积，试样失效模式由界面失效转变为内聚失效为主的混合失效模式。与Ar相比，N2等离子体处理后，CFRP表面生成了较多—NH2极性基团，表面活性增加，进一步提高了CFRP和胶粘剂之间界面的结合力。与以上两种气体相比，O2等离子体刻蚀CFRP表面更为剧烈，并对表层基团进行重组，形成了极性较强—COOH官能团，试样胶接强度提高效果最佳，试样失效模式由界面失效转变为基板失效。此外，当活性粒子的密度和能量过高时，较大的等离子体刻蚀孔隙，在一定程度上会降低胶接性能。
2023, 40(4): 2038-2048.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220802.001
摘要:
为研发低碳、节能、性能优异的麻纤维增强树脂绿色复合材料并扩展其应用领域，本文采用团队发明的氨基硅油乳液对黄麻纤维(JF)进行表面改性，运用开炼-注塑成型复合工艺研制了纤维含量为10wt%~25wt%的改性黄麻纤维增强聚丙烯(JF/PP)新型复合材料，系统全面地研究了改性麻纤维含量对JF/PP复合材料力学性能、结晶行为、耐热性能(热变形温度)及热尺寸稳定性(线膨胀系数)的影响规律及相关作用机制，并采用接触角测试分析与SEM技术分析了复合材料界面相容性与结合状态。结果表明：氨基硅油乳液改性JF，增强了JF与PP基体的界面结合力。随着纤维含量的增加，JF/PP复合材料的拉伸和弯曲强度逐渐增加，而冲击强度则有所降低。DSC、热变形温度和线膨胀系数测试分析表明，添加改性JF能够促进PP异相成核，并限制PP分子链的运动能力，从而提高JF/PP复合材料的耐热性能，且随着纤维含量增加，耐热性能呈不断上升趋势。当改性JF含量为25wt%时，JF/PP复合材料的热变形温度为142.5℃，较纯PP提高了53.5%。同时，复合材料平均线膨胀系数随纤维含量增加而明显降低，表明复合材料的热尺寸稳定性显著提高。相比纯PP，含量为25wt%时的复合材料的平均线膨胀系数在平行流道方向下降了73.2%，垂直流道方向则下降了14.4%，存在各向异性。纤维含量为15wt%和20wt%时，改性JF/PP综合力学和热性能相对更优。
为研发低碳、节能、性能优异的麻纤维增强树脂绿色复合材料并扩展其应用领域，本文采用团队发明的氨基硅油乳液对黄麻纤维(JF)进行表面改性，运用开炼-注塑成型复合工艺研制了纤维含量为10wt%~25wt%的改性黄麻纤维增强聚丙烯(JF/PP)新型复合材料，系统全面地研究了改性麻纤维含量对JF/PP复合材料力学性能、结晶行为、耐热性能(热变形温度)及热尺寸稳定性(线膨胀系数)的影响规律及相关作用机制，并采用接触角测试分析与SEM技术分析了复合材料界面相容性与结合状态。结果表明：氨基硅油乳液改性JF，增强了JF与PP基体的界面结合力。随着纤维含量的增加，JF/PP复合材料的拉伸和弯曲强度逐渐增加，而冲击强度则有所降低。DSC、热变形温度和线膨胀系数测试分析表明，添加改性JF能够促进PP异相成核，并限制PP分子链的运动能力，从而提高JF/PP复合材料的耐热性能，且随着纤维含量增加，耐热性能呈不断上升趋势。当改性JF含量为25wt%时，JF/PP复合材料的热变形温度为142.5℃，较纯PP提高了53.5%。同时，复合材料平均线膨胀系数随纤维含量增加而明显降低，表明复合材料的热尺寸稳定性显著提高。相比纯PP，含量为25wt%时的复合材料的平均线膨胀系数在平行流道方向下降了73.2%，垂直流道方向则下降了14.4%，存在各向异性。纤维含量为15wt%和20wt%时，改性JF/PP综合力学和热性能相对更优。
2023, 40(4): 2049-2055.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220525.002
摘要:
竹子是以竹纤维为增强体、木质素为基体所构成的天然复合材料，其竹纤维赋予了竹材高强度的特点，多孔木质素结构赋予了竹材轻质、高韧性的特点。本文通过模仿竹子的结构特征，采用液相浸渍法和浸没沉淀相转化法在碳纤维表面沉积多孔聚醚砜聚合物，制备出兼具轻质、高韧性、高强度特点的仿竹结构多孔聚醚砜基碳纤维复合材料(CF/foam PES)。研究结果表明：与传统密实结构的聚醚砜基碳纤维复合材料(CF/condense PES)相比，本文制备出的聚醚砜基碳纤维复合材料的海绵状多孔聚醚砜结构降低了复合材料的表观密度，且CF/foam PES的比强度相对于CF/condense PES提高了234.5%，比模量提高了192.6%；多孔聚醚砜使CF/foam PES具有优异的吸能性能。
竹子是以竹纤维为增强体、木质素为基体所构成的天然复合材料，其竹纤维赋予了竹材高强度的特点，多孔木质素结构赋予了竹材轻质、高韧性的特点。本文通过模仿竹子的结构特征，采用液相浸渍法和浸没沉淀相转化法在碳纤维表面沉积多孔聚醚砜聚合物，制备出兼具轻质、高韧性、高强度特点的仿竹结构多孔聚醚砜基碳纤维复合材料(CF/foam PES)。研究结果表明：与传统密实结构的聚醚砜基碳纤维复合材料(CF/condense PES)相比，本文制备出的聚醚砜基碳纤维复合材料的海绵状多孔聚醚砜结构降低了复合材料的表观密度，且CF/foam PES的比强度相对于CF/condense PES提高了234.5%，比模量提高了192.6%；多孔聚醚砜使CF/foam PES具有优异的吸能性能。
2023, 40(4): 2056-2065.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220526.002
摘要:
近年来石油基高分子透明薄膜的大量使用导致塑料污染问题日益严重，基于绿色环保材料制备综合性能优异的复合透明薄膜具有重要现实意义。纤维素因其绿色、环保、可再生、可持续的优点成为制备柔性复合透明材料的理想原料。本文将细菌纤维素(BC)浸渍于酚醛树脂(PF)溶液中，通过热压成型技术制备得到BC/PF复合透明薄膜，探究了酚醛树脂浓度和热压温度对BC/PF复合透明薄膜微观结构、光学性能、热稳定性、力学性能和浸润性能的影响规律。结果表明，相比于BC薄膜，BC/PF复合薄膜具有更致密的结构和更光滑的表面，透射率可达88%，力学强度、热稳定性、防水性能得到显著提高，BC/PF复合薄膜的干强度和湿强度分别是BC薄膜的2.2倍和3.4倍。本研究对于缓解塑料透明薄膜的污染和探究绿色透明薄膜的快速制备具有科学指导意义。
近年来石油基高分子透明薄膜的大量使用导致塑料污染问题日益严重，基于绿色环保材料制备综合性能优异的复合透明薄膜具有重要现实意义。纤维素因其绿色、环保、可再生、可持续的优点成为制备柔性复合透明材料的理想原料。本文将细菌纤维素(BC)浸渍于酚醛树脂(PF)溶液中，通过热压成型技术制备得到BC/PF复合透明薄膜，探究了酚醛树脂浓度和热压温度对BC/PF复合透明薄膜微观结构、光学性能、热稳定性、力学性能和浸润性能的影响规律。结果表明，相比于BC薄膜，BC/PF复合薄膜具有更致密的结构和更光滑的表面，透射率可达88%，力学强度、热稳定性、防水性能得到显著提高，BC/PF复合薄膜的干强度和湿强度分别是BC薄膜的2.2倍和3.4倍。本研究对于缓解塑料透明薄膜的污染和探究绿色透明薄膜的快速制备具有科学指导意义。
2023, 40(4): 2066-2074.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220526.001
摘要:
浸润剂是形成复合材料界面的关键组成，理解浸润剂特性对复合材料界面和宏观力学的影响机制，对发展高性能复合材料有着重要的科学价值。本文研究了采用两种不同浸润剂体系的高强玻璃纤维织物的表面、界面和层间断裂韧性等性能，发现其中一种浸润剂体系的纤维表面发生了更显著的偶联剂表面富集，偶联剂表面富集导致纤维/树脂之间具有较高的动态接触角，同时纤维/树脂的界面剪切强度下降。作为对比，偶联剂较少表面富集的浸润剂体系，纤维/树脂之间的动态接触角较小，同时界面剪切强度较高。两种复合材料的I型、II型层间断裂韧性均基于纤维/树脂之间的界面脱粘机制，较多偶联剂表面富集的浸润剂降低了复合材料的界面连续性，而较少偶联剂表面富集的浸润剂则与树脂形成了连续的界面相，界面粘结良好，并诱导了层间断裂时的织物拔出机制，I型和II型层间断裂韧性分别比前者高56.5%和62.2%。
浸润剂是形成复合材料界面的关键组成，理解浸润剂特性对复合材料界面和宏观力学的影响机制，对发展高性能复合材料有着重要的科学价值。本文研究了采用两种不同浸润剂体系的高强玻璃纤维织物的表面、界面和层间断裂韧性等性能，发现其中一种浸润剂体系的纤维表面发生了更显著的偶联剂表面富集，偶联剂表面富集导致纤维/树脂之间具有较高的动态接触角，同时纤维/树脂的界面剪切强度下降。作为对比，偶联剂较少表面富集的浸润剂体系，纤维/树脂之间的动态接触角较小，同时界面剪切强度较高。两种复合材料的I型、II型层间断裂韧性均基于纤维/树脂之间的界面脱粘机制，较多偶联剂表面富集的浸润剂降低了复合材料的界面连续性，而较少偶联剂表面富集的浸润剂则与树脂形成了连续的界面相，界面粘结良好，并诱导了层间断裂时的织物拔出机制，I型和II型层间断裂韧性分别比前者高56.5%和62.2%。
2023, 40(4): 2075-2084.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220606.002
摘要:
金属-有机框架(MOF)材料有望提高正渗透(FO)膜的水通量和抗污染性，以提高其对乳化油废水的分离性能。为将MOF引入FO膜，首先通过相转化法制备聚对氯甲基苯乙烯-聚偏氟乙烯(PCMS-PVDF)共混底膜，以底膜中的氯甲基基团(—CH2Cl)为反应位点与2-甲基咪唑(Hmim)中的仲胺或叔胺反应，接着与硝酸锌(Zn(NO3)2)反应，以在膜表面原位生长金属有机骨架沸石咪唑酯骨架-8 (ZIF-8)，最后经界面聚合制备抗污染FO复合膜。通过SEM、XPS、FTIR和接触角测定仪等对底膜和FO膜的表面化学结构及膜亲/疏水性能等进行表征。结果表明：ZIF-8均匀生长在PCMS-PVDF底膜表面，且该纳米粒子为形状较规则的立方晶体。由于ZIF-8的存在使底膜表面较疏水，但界面聚合后形成的聚酰胺层重新使膜表面变为亲水。对膜的渗透分离和抗污染性研究表明，在FO模式下，以1 mol/L的NaCl为汲取液时，未经ZIF-8改性的FO膜(PCMS-PVDF-FO)水通量仅为12.4 L·m−2·h−1，而经过ZIF-8改性后的FO膜(ZIF-8/PCMS-PVDF-FO)水通量可达到20.7 L·m−2·h−1。对乳化油模拟废水分离实验表明，经过4次纯水-乳化油分离循环后，正渗透膜ZIF-8/PCMS-PVDF-FO的纯水通量恢复率仍保持在89.9%，总污染率为27.5%；而相同情况下PCMS-PVDF-FO的通量恢复率仅为66.9%，总污染率上升为66.2%。综上，经过ZIF-8原位生长改性的正渗透复合膜在乳化油废水分离方面表现出较优异的性能。
金属-有机框架(MOF)材料有望提高正渗透(FO)膜的水通量和抗污染性，以提高其对乳化油废水的分离性能。为将MOF引入FO膜，首先通过相转化法制备聚对氯甲基苯乙烯-聚偏氟乙烯(PCMS-PVDF)共混底膜，以底膜中的氯甲基基团(—CH2Cl)为反应位点与2-甲基咪唑(Hmim)中的仲胺或叔胺反应，接着与硝酸锌(Zn(NO3)2)反应，以在膜表面原位生长金属有机骨架沸石咪唑酯骨架-8 (ZIF-8)，最后经界面聚合制备抗污染FO复合膜。通过SEM、XPS、FTIR和接触角测定仪等对底膜和FO膜的表面化学结构及膜亲/疏水性能等进行表征。结果表明：ZIF-8均匀生长在PCMS-PVDF底膜表面，且该纳米粒子为形状较规则的立方晶体。由于ZIF-8的存在使底膜表面较疏水，但界面聚合后形成的聚酰胺层重新使膜表面变为亲水。对膜的渗透分离和抗污染性研究表明，在FO模式下，以1 mol/L的NaCl为汲取液时，未经ZIF-8改性的FO膜(PCMS-PVDF-FO)水通量仅为12.4 L·m−2·h−1，而经过ZIF-8改性后的FO膜(ZIF-8/PCMS-PVDF-FO)水通量可达到20.7 L·m−2·h−1。对乳化油模拟废水分离实验表明，经过4次纯水-乳化油分离循环后，正渗透膜ZIF-8/PCMS-PVDF-FO的纯水通量恢复率仍保持在89.9%，总污染率为27.5%；而相同情况下PCMS-PVDF-FO的通量恢复率仅为66.9%，总污染率上升为66.2%。综上，经过ZIF-8原位生长改性的正渗透复合膜在乳化油废水分离方面表现出较优异的性能。
2023, 40(4): 2085-2095.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220606.001
摘要:
随着电缆需求量日益加大，环保节能绝缘已成为新的发展趋势，研发改进聚丙烯(PP)成为电介质研究学者们的首选。为改善聚丙烯-弹性体共混物的介电性能，采用两步熔融共混法，使用两种不同的增容剂配合有机化处理蒙脱土(MMT)制备MMT-POE/PP纳米改性共混材料，探讨纳米颗粒在共混物材料不同相区内的分散状态，及其对纳米改性效果的影响。利用SEM、静电力显微镜(EFM)、偏光显微镜(PLM)与DSC表征介质的微观结构、结晶形态与结晶参数，并通过对共混物进行击穿性能测试，探讨相区分散对MMT-POE/PP复合材料性能提升的微观机制。实验结果表明：MMT倾向于PP相分散时，其结晶尺寸减小至4.7 μm，结晶速度与结晶度有所上升，这使介电常数和绝缘电导率明显下降，且交流击穿场强从82.69 kV/mm提升至95.16 kV/mm。通过调控纳米颗粒倾向于PP相均匀分散，方可对共混物材料的介电性能起到正向提升的作用。
随着电缆需求量日益加大，环保节能绝缘已成为新的发展趋势，研发改进聚丙烯(PP)成为电介质研究学者们的首选。为改善聚丙烯-弹性体共混物的介电性能，采用两步熔融共混法，使用两种不同的增容剂配合有机化处理蒙脱土(MMT)制备MMT-POE/PP纳米改性共混材料，探讨纳米颗粒在共混物材料不同相区内的分散状态，及其对纳米改性效果的影响。利用SEM、静电力显微镜(EFM)、偏光显微镜(PLM)与DSC表征介质的微观结构、结晶形态与结晶参数，并通过对共混物进行击穿性能测试，探讨相区分散对MMT-POE/PP复合材料性能提升的微观机制。实验结果表明：MMT倾向于PP相分散时，其结晶尺寸减小至4.7 μm，结晶速度与结晶度有所上升，这使介电常数和绝缘电导率明显下降，且交流击穿场强从82.69 kV/mm提升至95.16 kV/mm。通过调控纳米颗粒倾向于PP相均匀分散，方可对共混物材料的介电性能起到正向提升的作用。
2023, 40(4): 2096-2106.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220630.001
摘要:
聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯(PBAT)具有很好的延展性，但其强度较低，而聚乳酸(PLA)高模量可以解决PBAT的缺陷。以苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)为增容剂，通过双螺杆挤出机制备了PLA/ PBAT共混物，研究了不同含量的SMA对PLA/PBAT共混物的结晶性能、热性能、流变行为及拉伸性能的影响。结果表明：SMA能显著降低分散相PLA的粒径大小，在SMA含量为1.5wt%时变化最明显，PLA的粒径从1.75 μm降低到0.60 μm；SMA能促进PBAT的结晶，随着SMA含量增加，PBAT的结晶度呈现先增大后降低的趋势，当SMA含量为2wt%时，PBAT的结晶度达到最大为9.22%；通过Han曲线发现，在SMA含量较低时，共混物更接近均质物，随着SMA含量提高，共混物的弹性行为增强；SMA能够提高PLA/PBAT共混物的拉伸性能，随着SMA含量增加，拉伸强度与断裂伸长率都呈现先增大后减小的趋势，但总体高于未加SMA时的拉伸强度与断裂伸长率，SMA含量为1.5wt%时，拉伸强度相对于未添加SMA时，从18.1 MPa增加到21.8 MPa，提高了21%，断裂伸长率在SMA含量为1wt%时达到最大，为433.7%，相对未添加SMA时提高了25%。
聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯(PBAT)具有很好的延展性，但其强度较低，而聚乳酸(PLA)高模量可以解决PBAT的缺陷。以苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)为增容剂，通过双螺杆挤出机制备了PLA/ PBAT共混物，研究了不同含量的SMA对PLA/PBAT共混物的结晶性能、热性能、流变行为及拉伸性能的影响。结果表明：SMA能显著降低分散相PLA的粒径大小，在SMA含量为1.5wt%时变化最明显，PLA的粒径从1.75 μm降低到0.60 μm；SMA能促进PBAT的结晶，随着SMA含量增加，PBAT的结晶度呈现先增大后降低的趋势，当SMA含量为2wt%时，PBAT的结晶度达到最大为9.22%；通过Han曲线发现，在SMA含量较低时，共混物更接近均质物，随着SMA含量提高，共混物的弹性行为增强；SMA能够提高PLA/PBAT共混物的拉伸性能，随着SMA含量增加，拉伸强度与断裂伸长率都呈现先增大后减小的趋势，但总体高于未加SMA时的拉伸强度与断裂伸长率，SMA含量为1.5wt%时，拉伸强度相对于未添加SMA时，从18.1 MPa增加到21.8 MPa，提高了21%，断裂伸长率在SMA含量为1wt%时达到最大，为433.7%，相对未添加SMA时提高了25%。
2023, 40(4): 2107-2118.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220622.001
摘要:
随着社会的发展，人们对无毒环保食品包装材料的需求不断增加。现阶段，兼顾防水防油性能的无氟食品包装纸研究较少。本文以壳聚糖溶液与海藻酸钠溶液为原料，通过阿魏酸交联制备复合防油剂，并涂布在食品包装原纸上，制备防油纸；然后以巴西棕榈蜡与纳米二氧化硅为原料，制备复合防水剂，采用浸渍的方法，制备防水防油纸，探究不同配比及涂布量对纸张防水防油效果与纸张性能的影响。结果表明：当壳聚糖与海藻酸钠复配质量比为8∶2、涂布量为4 g/m2时，防油纸可达到最高防油等级(12级)；当巴西棕榈蜡与纳米二氧化硅复配质量比为4∶3、浸渍量为3 g/m2时，纸张表面吸水量(Cobb)值为5.93 g/m2，水接触角为158.40°，显著提升了原纸的防油性能与防水性能。此外，与未涂布纸相比，防水防油纸的抗张强度提升了30%，透气度下降了60%。本文制备工艺简单、原材料无氟环保、纸张防水防油性能较好，有望在食品包装得到应用。
随着社会的发展，人们对无毒环保食品包装材料的需求不断增加。现阶段，兼顾防水防油性能的无氟食品包装纸研究较少。本文以壳聚糖溶液与海藻酸钠溶液为原料，通过阿魏酸交联制备复合防油剂，并涂布在食品包装原纸上，制备防油纸；然后以巴西棕榈蜡与纳米二氧化硅为原料，制备复合防水剂，采用浸渍的方法，制备防水防油纸，探究不同配比及涂布量对纸张防水防油效果与纸张性能的影响。结果表明：当壳聚糖与海藻酸钠复配质量比为8∶2、涂布量为4 g/m2时，防油纸可达到最高防油等级(12级)；当巴西棕榈蜡与纳米二氧化硅复配质量比为4∶3、浸渍量为3 g/m2时，纸张表面吸水量(Cobb)值为5.93 g/m2，水接触角为158.40°，显著提升了原纸的防油性能与防水性能。此外，与未涂布纸相比，防水防油纸的抗张强度提升了30%，透气度下降了60%。本文制备工艺简单、原材料无氟环保、纸张防水防油性能较好，有望在食品包装得到应用。
2023, 40(4): 2119-2130.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220610.001
摘要:
为了进一步提高环氧树脂的阻燃性能，采用微流控技术制备了以乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(ETPTA)为壳，高效磷-氮阻燃剂(FR-PN)为芯材的FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊，并将其运用于环氧树脂(EP)中；对比了FR-PN/EP、FR-PN@ETPTA/EP的热稳定性、阻燃性能和力学性能；探讨了FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊对EP的燃烧性能和热降解行为的影响，揭示了FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊的阻燃机制。试验结果表明：FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊能够改善EP的阻燃性能，当阻燃微胶囊添加量为10wt%时，树脂的极限氧指数 (LOI) 值增加至37.3%，UL-94等级达到V-0级。环氧树脂中添加FR-PN阻燃剂或FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊会降低树脂的拉伸性能和弯曲性能，但加入阻燃微胶囊试件的拉伸性能和弯曲性能优于加入阻燃剂的试件，且添加10wt%阻燃微胶囊后，树脂的冲击强度比纯EP增加了39%。研究表明，阻燃微胶囊改性环氧树脂的阻燃机制是气相阻燃与凝聚相阻燃相结合。
为了进一步提高环氧树脂的阻燃性能，采用微流控技术制备了以乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(ETPTA)为壳，高效磷-氮阻燃剂(FR-PN)为芯材的FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊，并将其运用于环氧树脂(EP)中；对比了FR-PN/EP、FR-PN@ETPTA/EP的热稳定性、阻燃性能和力学性能；探讨了FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊对EP的燃烧性能和热降解行为的影响，揭示了FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊的阻燃机制。试验结果表明：FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊能够改善EP的阻燃性能，当阻燃微胶囊添加量为10wt%时，树脂的极限氧指数 (LOI) 值增加至37.3%，UL-94等级达到V-0级。环氧树脂中添加FR-PN阻燃剂或FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊会降低树脂的拉伸性能和弯曲性能，但加入阻燃微胶囊试件的拉伸性能和弯曲性能优于加入阻燃剂的试件，且添加10wt%阻燃微胶囊后，树脂的冲击强度比纯EP增加了39%。研究表明，阻燃微胶囊改性环氧树脂的阻燃机制是气相阻燃与凝聚相阻燃相结合。
2023, 40(4): 2131-2139.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220519.001
摘要:
为加快实现农业新旧动能转换，建设现代农业强国，转光农膜一直被作为“光学农业”领域的重要研究方向之一。转光农膜的制备需要具有良好耐候性和优异转光特性的转光剂，但是现有的转光剂存在发射光谱单一和发射范围窄的问题，这导致转光剂的发射光谱与植物光合作用吸收光谱匹配度较差，严重限制了转光农膜的发展。本文合成了一类以水杨酸和邻菲啰啉为配体、多种稀土离子(Sm3+、Eu3+和Y3+)掺杂的有机配合物(转光剂)发光材料。数据表明，通过Sm3+的掺入显著拓宽了该类转光剂的荧光光谱。利用吹塑法将合成的转光剂掺入乙烯-1-己烯共聚物(PO)薄膜中，制备了具有紫外光转红光作用的转光农膜。采用FTIR和XPS确定转光剂的成分和结构组成。同时利用TGA55和组合式瞬态/稳态荧光光谱仪(FLS920)对转光剂和转光农膜的热稳定性和光学性质进行表征。测试结果表明，合成的转光剂可以吸收紫外光(波长λ=250~400 nm)并发射出红光(λ=610~660 nm)，该光谱性质与植物光合作用在红光区的吸收光谱匹配性较高，并且利用该类转光剂制备的转光农膜仍旧保持了良好的发光性能，这将有利于转光剂在农膜领域中的推广和应用。本文为拓宽转光剂荧光发射范围，提高与植物光合作用在红光波段吸收光谱的匹配度，提供了一种切实可行的方法，并将转光剂成功应用于制备转光农膜，达到了较好的紫外转红光的目的。
为加快实现农业新旧动能转换，建设现代农业强国，转光农膜一直被作为“光学农业”领域的重要研究方向之一。转光农膜的制备需要具有良好耐候性和优异转光特性的转光剂，但是现有的转光剂存在发射光谱单一和发射范围窄的问题，这导致转光剂的发射光谱与植物光合作用吸收光谱匹配度较差，严重限制了转光农膜的发展。本文合成了一类以水杨酸和邻菲啰啉为配体、多种稀土离子(Sm3+、Eu3+和Y3+)掺杂的有机配合物(转光剂)发光材料。数据表明，通过Sm3+的掺入显著拓宽了该类转光剂的荧光光谱。利用吹塑法将合成的转光剂掺入乙烯-1-己烯共聚物(PO)薄膜中，制备了具有紫外光转红光作用的转光农膜。采用FTIR和XPS确定转光剂的成分和结构组成。同时利用TGA55和组合式瞬态/稳态荧光光谱仪(FLS920)对转光剂和转光农膜的热稳定性和光学性质进行表征。测试结果表明，合成的转光剂可以吸收紫外光(波长λ=250~400 nm)并发射出红光(λ=610~660 nm)，该光谱性质与植物光合作用在红光区的吸收光谱匹配性较高，并且利用该类转光剂制备的转光农膜仍旧保持了良好的发光性能，这将有利于转光剂在农膜领域中的推广和应用。本文为拓宽转光剂荧光发射范围，提高与植物光合作用在红光波段吸收光谱的匹配度，提供了一种切实可行的方法，并将转光剂成功应用于制备转光农膜，达到了较好的紫外转红光的目的。
2023, 40(4): 2140-2154.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220509.002
摘要:
综合储能性能(充电能量密度、放电能量密度和储能效率)较低是储能陶瓷领域亟待解决的关键科学问题。同时提高陶瓷的极化差(ΔP)和击穿场强(BDS)，是提高陶瓷综合储能性能的重要方法。以BaTiO3(BT)为主晶相，K0.5Na0.5NbO3(KNN)为包覆剂、助烧剂和添加剂，合成了晶粒尺寸为100 nm和200 nm的BT-KNN陶瓷。结果表明：BT-KNN陶瓷具有明显的纳米畴、弛豫行为和介电温度稳定性，且兼具高ΔP和高BDS。相比晶粒尺寸为100 nm的BT-KNN陶瓷，晶粒尺寸为200 nm的BT-KNN陶瓷具有更加优异的综合储能性能，包括较高的充电能量密度W (2.50 J·cm−3)、放电能量密度Wrec (2.08 J·cm−3)和储能效率η (83.2%)。该研究可为高综合储能性能陶瓷的合成提供一定的理论依据。
综合储能性能(充电能量密度、放电能量密度和储能效率)较低是储能陶瓷领域亟待解决的关键科学问题。同时提高陶瓷的极化差(ΔP)和击穿场强(BDS)，是提高陶瓷综合储能性能的重要方法。以BaTiO3(BT)为主晶相，K0.5Na0.5NbO3(KNN)为包覆剂、助烧剂和添加剂，合成了晶粒尺寸为100 nm和200 nm的BT-KNN陶瓷。结果表明：BT-KNN陶瓷具有明显的纳米畴、弛豫行为和介电温度稳定性，且兼具高ΔP和高BDS。相比晶粒尺寸为100 nm的BT-KNN陶瓷，晶粒尺寸为200 nm的BT-KNN陶瓷具有更加优异的综合储能性能，包括较高的充电能量密度W (2.50 J·cm−3)、放电能量密度Wrec (2.08 J·cm−3)和储能效率η (83.2%)。该研究可为高综合储能性能陶瓷的合成提供一定的理论依据。
2023, 40(4): 2155-2168.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220512.001
摘要:
高效析氢反应(HER)电催化剂的制备对氢能的大规模推广具有重大的意义。本文以羧甲基纤维素钠(CMC-Na)和RuCl3为原料，利用Ru离子与CMC-Na在溶液中配位制备了Ru-CMC-Na水凝胶，随后通过冷冻干燥、高温退火和酸洗制备了多孔碳负载Ru单原子和Ru纳米团簇的催化剂RuSA+NC/C-2。催化剂RuSA+NC/C-2在酸性和碱性电解质中都具有优异的HER活性和稳定性，达到10 mA·cm−2电流密度，所需过电位分别20 mV和23 mV，经过12 h的恒电位测试其活性未见明显衰减。催化剂RuSA+NC/C-2中Ru的含量为5.52wt%，在1 mol/L KOH电解质中，过电位为0.05 V时，催化剂的质量活性是商业Pt/C的5.8倍。通过对催化剂RuSA+NC/C-2的物理表征测试发现，催化剂RuSA+NC/C-2的多孔结构和大比表面积，可以暴露更多的活性位点。Ru单原子与Ru纳米团簇结构提高了Ru原子的利用率。通过XPS分析，Ru与碳载体间存在强相互作用，形成了缺电子态的Ru，从而提高了催化剂的HER活性。
高效析氢反应(HER)电催化剂的制备对氢能的大规模推广具有重大的意义。本文以羧甲基纤维素钠(CMC-Na)和RuCl3为原料，利用Ru离子与CMC-Na在溶液中配位制备了Ru-CMC-Na水凝胶，随后通过冷冻干燥、高温退火和酸洗制备了多孔碳负载Ru单原子和Ru纳米团簇的催化剂RuSA+NC/C-2。催化剂RuSA+NC/C-2在酸性和碱性电解质中都具有优异的HER活性和稳定性，达到10 mA·cm−2电流密度，所需过电位分别20 mV和23 mV，经过12 h的恒电位测试其活性未见明显衰减。催化剂RuSA+NC/C-2中Ru的含量为5.52wt%，在1 mol/L KOH电解质中，过电位为0.05 V时，催化剂的质量活性是商业Pt/C的5.8倍。通过对催化剂RuSA+NC/C-2的物理表征测试发现，催化剂RuSA+NC/C-2的多孔结构和大比表面积，可以暴露更多的活性位点。Ru单原子与Ru纳米团簇结构提高了Ru原子的利用率。通过XPS分析，Ru与碳载体间存在强相互作用，形成了缺电子态的Ru，从而提高了催化剂的HER活性。
2023, 40(4): 2169-2175.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220518.001
摘要:
性能卓越的光电极材料的设计制备对光电化学(PEC)技术的发展与应用至关重要。近年来，纸基光敏材料以其比表面积大、环境友好且成本低的优点被广泛研究。其中，作为一种高光电活性、高电子迁移率、无毒的光电极材料，纸基ZnO纳米棒被认为具有广阔的应用前景。然而，高载流子复合率及光腐蚀现象严重制约其光电性能的进一步提升。为降低光生载流子复合率并抑制光腐蚀，采用水热法在纸基ZnO表面原位组装沸石咪唑酯骨架材料-8 (ZIF-8)，制备纸基一维ZnO/ZIF-8纳米棒阵列光电极。结果显示：ZIF-8均匀、致密分布在纸基ZnO表面，二者界面处无缝结合，利于促进界面电荷传输。同时，原位组装ZIF-8过程中，聚集大量氧空位的ZnO表面被刻蚀并转化为ZIF-8，利于抑制光腐蚀。此外，ZnO与ZIF-8能级匹配，二者结合形成异质结，可实现光生电子与空穴的双向传输，从而有效促进光生载流子分离。与纯ZnO纳米棒相比，纸基ZnO/ZIF-8复合材料展现出更高的光生载流子分离与传输效率、更大的光电流密度及更好的光稳定性。
性能卓越的光电极材料的设计制备对光电化学(PEC)技术的发展与应用至关重要。近年来，纸基光敏材料以其比表面积大、环境友好且成本低的优点被广泛研究。其中，作为一种高光电活性、高电子迁移率、无毒的光电极材料，纸基ZnO纳米棒被认为具有广阔的应用前景。然而，高载流子复合率及光腐蚀现象严重制约其光电性能的进一步提升。为降低光生载流子复合率并抑制光腐蚀，采用水热法在纸基ZnO表面原位组装沸石咪唑酯骨架材料-8 (ZIF-8)，制备纸基一维ZnO/ZIF-8纳米棒阵列光电极。结果显示：ZIF-8均匀、致密分布在纸基ZnO表面，二者界面处无缝结合，利于促进界面电荷传输。同时，原位组装ZIF-8过程中，聚集大量氧空位的ZnO表面被刻蚀并转化为ZIF-8，利于抑制光腐蚀。此外，ZnO与ZIF-8能级匹配，二者结合形成异质结，可实现光生电子与空穴的双向传输，从而有效促进光生载流子分离。与纯ZnO纳米棒相比，纸基ZnO/ZIF-8复合材料展现出更高的光生载流子分离与传输效率、更大的光电流密度及更好的光稳定性。
2023, 40(4): 2176-2186.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220525.003
摘要:
将机械能转换为电能的压电能量收集器可为便携式可穿戴电子器件提供持续、独立的供电方案，促进柔性电子技术向智能化、集成化、多功能化方向发展。本文采用光还原法制备了Ag纳米颗粒修饰的铌酸钾钠(KNN)颗粒并将其与聚偏氟乙烯(PVDF)复合，得到Ag-KNN/PVDF压电复合薄膜。采用热压法在两层PVDF中复合Ag-KNN/PVDF薄膜，得到三明治结构的柔性复合压电薄膜(PAKP)及压电柔性能量收集器。研究结果表明：当Ag摩尔分数为1%时，PAKP柔性复合薄膜的极性β相最大，且压电输出性能最佳，输出电压可达6.39 V，是无Ag修饰样品的1.43倍，器件的最大瞬时功率为150.5 nW。经过3000次循环测试后，器件的电压输出幅度无明显变化。将其固定于自行车车架上，收集自行车行进中的机械能可使220 nF电容在200 s内充电至1.2 V，表明其在低功耗电子器件自供电领域具有良好的应用前景。
将机械能转换为电能的压电能量收集器可为便携式可穿戴电子器件提供持续、独立的供电方案，促进柔性电子技术向智能化、集成化、多功能化方向发展。本文采用光还原法制备了Ag纳米颗粒修饰的铌酸钾钠(KNN)颗粒并将其与聚偏氟乙烯(PVDF)复合，得到Ag-KNN/PVDF压电复合薄膜。采用热压法在两层PVDF中复合Ag-KNN/PVDF薄膜，得到三明治结构的柔性复合压电薄膜(PAKP)及压电柔性能量收集器。研究结果表明：当Ag摩尔分数为1%时，PAKP柔性复合薄膜的极性β相最大，且压电输出性能最佳，输出电压可达6.39 V，是无Ag修饰样品的1.43倍，器件的最大瞬时功率为150.5 nW。经过3000次循环测试后，器件的电压输出幅度无明显变化。将其固定于自行车车架上，收集自行车行进中的机械能可使220 nF电容在200 s内充电至1.2 V，表明其在低功耗电子器件自供电领域具有良好的应用前景。
2023, 40(4): 2187-2198.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220607.006
摘要:
单一的磷杂菲、磷腈类阻燃剂的阻燃效果有限，为了改善9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-硫化物(DOPS)对环氧树脂(EP)的阻燃效果，将DOPS和六苯氧基环三磷腈(HPCTP)复配应用于EP。在总含P量为1.2wt%时，通过调整磷杂菲和磷腈阻燃剂中含P量的比例，将DOPS和HPCTP复配添加到EP中，制备EP复合材料。利用极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)、热重(TG)、锥形量热(CONE)、扫描电镜-能量色散X射线谱(SEM-EDS)、热重-红外光谱联用(TG-IR)等测试手段研究不同比例的磷杂菲和磷腈基团对EP热稳定性和阻燃性能的影响，探究双基协同阻燃规律和机制。研究结果表明：P、S元素之间存在协同阻燃作用，当总含P量为1.2wt%时，复合体系中随着含S量的增加，HPCTP-DOPS/EP的LOI值和UL-94等级逐渐升高，当HPCTP和DOPS中的含P量比为0.2∶1时，HPCTP-DOPS/EP的LOI值为30.4%，达到UL-94 V-0级，总热释放量(THR)和热释放速率峰值(PHRR)显著降低，燃烧后形成了更加致密、稳定的膨胀炭层，优于两种阻燃剂单独使用对EP的阻燃效果，即磷腈和磷杂菲两种阻燃剂之间存在着协同阻燃效应。从阻燃机制看，DOPS和HPCTP分别在气相和凝聚相发挥协同阻燃作用。
单一的磷杂菲、磷腈类阻燃剂的阻燃效果有限，为了改善9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-硫化物(DOPS)对环氧树脂(EP)的阻燃效果，将DOPS和六苯氧基环三磷腈(HPCTP)复配应用于EP。在总含P量为1.2wt%时，通过调整磷杂菲和磷腈阻燃剂中含P量的比例，将DOPS和HPCTP复配添加到EP中，制备EP复合材料。利用极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)、热重(TG)、锥形量热(CONE)、扫描电镜-能量色散X射线谱(SEM-EDS)、热重-红外光谱联用(TG-IR)等测试手段研究不同比例的磷杂菲和磷腈基团对EP热稳定性和阻燃性能的影响，探究双基协同阻燃规律和机制。研究结果表明：P、S元素之间存在协同阻燃作用，当总含P量为1.2wt%时，复合体系中随着含S量的增加，HPCTP-DOPS/EP的LOI值和UL-94等级逐渐升高，当HPCTP和DOPS中的含P量比为0.2∶1时，HPCTP-DOPS/EP的LOI值为30.4%，达到UL-94 V-0级，总热释放量(THR)和热释放速率峰值(PHRR)显著降低，燃烧后形成了更加致密、稳定的膨胀炭层，优于两种阻燃剂单独使用对EP的阻燃效果，即磷腈和磷杂菲两种阻燃剂之间存在着协同阻燃效应。从阻燃机制看，DOPS和HPCTP分别在气相和凝聚相发挥协同阻燃作用。
2023, 40(4): 2199-2208.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220623.007
摘要:
基于电致变色薄膜在军事伪装、建筑节能、汽车等工业领域具有重要研发前景，研究通过硅烷偶联剂KH-550对氧化镧(La2O3)表面进行修饰(f-La2O3)，并与导电聚合物聚苯胺(PANI)复合制备f-La2O3/PANI电致变色材料。利用XRD、FTIR、SEM-EDS、UV-vis、电化学工作站对f-La2O3/PANI电极与纯PANI电极进行对比分析，重点研究f-La2O3掺入量对PANI结构形貌、电化学性能及电致变色性能的影响。研究结果表明：f-La2O3的掺入使PANI纤维有向细小化方向变化的趋势，其复合材料较纯PANI具有更高的结晶度和分子链取向；f-La2O3会打破PANI的网络交联结构导致复合材料的电化学性能有所降低，但可以加快PANI质子化和脱质子化的转变进程，并有效抑制薄膜电致变色过程中PANI的氧化降解；当镧胺比1∶3.5时，f-La2O3/PANI复合材料的电致变色性能达到最佳，波长570 nm处的着色效率(CE)为22.81 cm2·C−1，褪色、着色响应时间(τb/τc)分别为1.29 s、1.33 s，经320次着褪色循环后薄膜电化学活性保持在初始的50%左右。
基于电致变色薄膜在军事伪装、建筑节能、汽车等工业领域具有重要研发前景，研究通过硅烷偶联剂KH-550对氧化镧(La2O3)表面进行修饰(f-La2O3)，并与导电聚合物聚苯胺(PANI)复合制备f-La2O3/PANI电致变色材料。利用XRD、FTIR、SEM-EDS、UV-vis、电化学工作站对f-La2O3/PANI电极与纯PANI电极进行对比分析，重点研究f-La2O3掺入量对PANI结构形貌、电化学性能及电致变色性能的影响。研究结果表明：f-La2O3的掺入使PANI纤维有向细小化方向变化的趋势，其复合材料较纯PANI具有更高的结晶度和分子链取向；f-La2O3会打破PANI的网络交联结构导致复合材料的电化学性能有所降低，但可以加快PANI质子化和脱质子化的转变进程，并有效抑制薄膜电致变色过程中PANI的氧化降解；当镧胺比1∶3.5时，f-La2O3/PANI复合材料的电致变色性能达到最佳，波长570 nm处的着色效率(CE)为22.81 cm2·C−1，褪色、着色响应时间(τb/τc)分别为1.29 s、1.33 s，经320次着褪色循环后薄膜电化学活性保持在初始的50%左右。
2023, 40(4): 2209-2215.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220701.001
摘要:
近年来，刺激响应型液体注入式超润滑多孔表面(SLIPS)在微流体操控领域受到广泛关注。然而，大多数报道的刺激响应型SLIPS都是在室温或相对高温下实现液滴操控，难以满足更广泛的应用场景。本文利用飞秒激光正交扫描方法制备了一种双重响应超润滑表面(DRSS)。通过温度场和力场的共同作用，实现了微液滴在DRSS上滑动/钉扎行为的动态控制。系统研究了润滑油注入量、沟槽深度和间距等实验参数对液滴临界滑动体积的影响规律，揭示了液滴钉扎/滑动动力学机制。这种双物理场调控下的超润滑表面液滴操控方法有望用于芯片实验室、微流体反应器等相关领域。
近年来，刺激响应型液体注入式超润滑多孔表面(SLIPS)在微流体操控领域受到广泛关注。然而，大多数报道的刺激响应型SLIPS都是在室温或相对高温下实现液滴操控，难以满足更广泛的应用场景。本文利用飞秒激光正交扫描方法制备了一种双重响应超润滑表面(DRSS)。通过温度场和力场的共同作用，实现了微液滴在DRSS上滑动/钉扎行为的动态控制。系统研究了润滑油注入量、沟槽深度和间距等实验参数对液滴临界滑动体积的影响规律，揭示了液滴钉扎/滑动动力学机制。这种双物理场调控下的超润滑表面液滴操控方法有望用于芯片实验室、微流体反应器等相关领域。
2023, 40(4): 2216-2223.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220520.001
摘要:
随着电子行业的迅速发展，电子器件正朝着小型化、集成化和高频化方向发展。磁粉芯材料会因应用频率提高引起磁损耗剧烈增加和严重发热而出现磁性能下降，磁粉芯材料的高频应用对其损耗特性和可靠性提出更高的要求。本文通过磷化处理和双马来酰亚胺树脂(BMI)包覆制备出了具有磷化-双马来酰亚胺@Fe结构的高性能磁粉芯，并研究了包覆方式对磁粉芯可靠性的影响。当BMI树脂添加量为2wt%，压制压力为800 MPa时，磁粉芯的综合磁性能最佳，有效磁导率为32.2，50 mT@200 kHz条件下的总损耗为1181 kW/m3，1 MHz条件下的品质因数Q可达到46.2。BMI树脂包覆形成的绝缘层可以起到应力缓冲的作用，减少压制过程中的内应力形成，降低磁粉芯的总损耗。傅里叶红外光谱分析证明磁粉芯的老化是由磁粉的氧化引起的，通过磷化处理和BMI树脂包覆能有效减缓磁粉氧化并提高磁粉芯的高温可靠性，经过180℃长期加速老化试验后，磁性能保持稳定。
随着电子行业的迅速发展，电子器件正朝着小型化、集成化和高频化方向发展。磁粉芯材料会因应用频率提高引起磁损耗剧烈增加和严重发热而出现磁性能下降，磁粉芯材料的高频应用对其损耗特性和可靠性提出更高的要求。本文通过磷化处理和双马来酰亚胺树脂(BMI)包覆制备出了具有磷化-双马来酰亚胺@Fe结构的高性能磁粉芯，并研究了包覆方式对磁粉芯可靠性的影响。当BMI树脂添加量为2wt%，压制压力为800 MPa时，磁粉芯的综合磁性能最佳，有效磁导率为32.2，50 mT@200 kHz条件下的总损耗为1181 kW/m3，1 MHz条件下的品质因数Q可达到46.2。BMI树脂包覆形成的绝缘层可以起到应力缓冲的作用，减少压制过程中的内应力形成，降低磁粉芯的总损耗。傅里叶红外光谱分析证明磁粉芯的老化是由磁粉的氧化引起的，通过磷化处理和BMI树脂包覆能有效减缓磁粉氧化并提高磁粉芯的高温可靠性，经过180℃长期加速老化试验后，磁性能保持稳定。
2023, 40(4): 2224-2239.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220623.001
摘要:
为了研究高温后玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋与海水珊瑚混凝土的残余粘结性能，对54个GFRP筋珊瑚混凝土试件及钢筋珊瑚混凝土对比试件进行了高温作用后的中心拔出试验，最高温度为350℃，混凝土强度等级考虑C20~C30。观察了高温后试件的表观变化及粘结破坏形态，获取了各试件的粘结-滑移曲线、粘结强度、粘结刚度和峰值滑移量，分析了不同温度、GFRP筋直径、海水珊瑚混凝土强度等因素对高温后GFRP筋与海水珊瑚混凝土粘结性能的影响。基于烧失率和XRD分析，剖析了GFRP筋海水珊瑚混凝土的高温劣化机制。最后，提出高温后GFRP筋与珊瑚混凝土的剩余粘结强度计算式和粘结-滑移本构模型。研究结果表明：高温作用后，尽管GFRP筋与珊瑚混凝土的粘结破坏形态与常温相似，GFRP筋的碳化和珊瑚混凝土的分解使得二者界面发生显著劣化；随着温度的提高，GFRP筋与珊瑚混凝土的粘结强度逐渐降低，峰值滑移量增大；GFRP筋直径越小，高温后的剩余粘结强度和剩余粘结刚度越小；珊瑚混凝土强度等级越高，剩余粘结刚度越大，峰值滑移量越小。所提出的高温后GFRP筋与珊瑚混凝土剩余粘结强度和粘结-滑移本构关系计算结果与试验结果均能较好吻合。
为了研究高温后玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋与海水珊瑚混凝土的残余粘结性能，对54个GFRP筋珊瑚混凝土试件及钢筋珊瑚混凝土对比试件进行了高温作用后的中心拔出试验，最高温度为350℃，混凝土强度等级考虑C20~C30。观察了高温后试件的表观变化及粘结破坏形态，获取了各试件的粘结-滑移曲线、粘结强度、粘结刚度和峰值滑移量，分析了不同温度、GFRP筋直径、海水珊瑚混凝土强度等因素对高温后GFRP筋与海水珊瑚混凝土粘结性能的影响。基于烧失率和XRD分析，剖析了GFRP筋海水珊瑚混凝土的高温劣化机制。最后，提出高温后GFRP筋与珊瑚混凝土的剩余粘结强度计算式和粘结-滑移本构模型。研究结果表明：高温作用后，尽管GFRP筋与珊瑚混凝土的粘结破坏形态与常温相似，GFRP筋的碳化和珊瑚混凝土的分解使得二者界面发生显著劣化；随着温度的提高，GFRP筋与珊瑚混凝土的粘结强度逐渐降低，峰值滑移量增大；GFRP筋直径越小，高温后的剩余粘结强度和剩余粘结刚度越小；珊瑚混凝土强度等级越高，剩余粘结刚度越大，峰值滑移量越小。所提出的高温后GFRP筋与珊瑚混凝土剩余粘结强度和粘结-滑移本构关系计算结果与试验结果均能较好吻合。
2023, 40(4): 2240-2250.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220725.001
摘要:
对不同龄期、不同钢纤维掺量的钢纤维/混凝土(SFRC)单轴压缩过程中声发射(AE)和微震(MS)信号进行分析，探究SFRC的声震信号特征及裂纹扩展规律。结果表明：(1) SFRC加载过程中裂纹扩展可分为裂纹压密(I)、裂纹稳定发育(II)、裂纹急速扩展(III)和峰后破坏(IV) 4个阶段；(2) 随龄期增加，第I、第II阶段中AE、MS的能率、振率及微观裂纹和细、宏观裂纹的整体扩展速率均逐渐降低；第III、第IV阶段中AE、MS的能率、振率及微观裂纹及细、宏观裂纹的整体扩展速率均逐渐增大；(3) 随钢纤维掺量增加，除第I阶段外，其余3个阶段的AE能率和振率、微观裂纹整体扩展速率均逐渐增大；各个阶段的MS能率和振率逐渐减小，MS能量突增点的时间比逐渐增大，表明细、宏观裂纹整体扩展速率降低，破坏时间延迟；(4) SFRC失稳前，AE、MS的能率和振率、MS能量占比均出现明显陡增，可作为SFRC的失稳前兆指标。
对不同龄期、不同钢纤维掺量的钢纤维/混凝土(SFRC)单轴压缩过程中声发射(AE)和微震(MS)信号进行分析，探究SFRC的声震信号特征及裂纹扩展规律。结果表明：(1) SFRC加载过程中裂纹扩展可分为裂纹压密(I)、裂纹稳定发育(II)、裂纹急速扩展(III)和峰后破坏(IV) 4个阶段；(2) 随龄期增加，第I、第II阶段中AE、MS的能率、振率及微观裂纹和细、宏观裂纹的整体扩展速率均逐渐降低；第III、第IV阶段中AE、MS的能率、振率及微观裂纹及细、宏观裂纹的整体扩展速率均逐渐增大；(3) 随钢纤维掺量增加，除第I阶段外，其余3个阶段的AE能率和振率、微观裂纹整体扩展速率均逐渐增大；各个阶段的MS能率和振率逐渐减小，MS能量突增点的时间比逐渐增大，表明细、宏观裂纹整体扩展速率降低，破坏时间延迟；(4) SFRC失稳前，AE、MS的能率和振率、MS能量占比均出现明显陡增，可作为SFRC的失稳前兆指标。
2023, 40(4): 2251-2260.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220617.002
摘要:
为研究带裂服役超高性能混凝土(UHPC)的自愈合及抗冻性能，对混杂钢纤维UHPC试件预加0.05%和0.1%两种应变损伤，置于水中养护28天自愈合后进行300次冻融循环试验。通过单轴拉伸性能、裂缝特征、质量损失及超声波脉冲速率(UPV)指标综合评价UHPC的自愈合及抗冻性能，并利用扫描电子显微镜和能谱仪(SEM-EDS)分析微观结构和愈合产物。结果表明：28天水养后，预损伤0.05%试件表现出较好的自愈合性能，抗拉强度、拉伸应变和应变能均高于参照试件，表面所有裂缝全部愈合；预损伤0.1%试件的拉伸性能低于参照试件，表面最大裂缝(宽度为69 μm)并未完全愈合。300次冻融循环后，两种预损伤试件的初裂强度和抗拉强度均进一步增加，而拉伸应变和应变能均有所减小。相对质量与UPV的变化趋势能够很好地反映两种预损伤试件的再水化效应。SEM-EDS结果显示：距裂缝较近部位的纤维-基体粘结更牢固；裂缝表面的愈合产物主要为Ca(OH)2和CaCO3，内侧主要为水化硅酸钙(C-S-H)凝胶。
为研究带裂服役超高性能混凝土(UHPC)的自愈合及抗冻性能，对混杂钢纤维UHPC试件预加0.05%和0.1%两种应变损伤，置于水中养护28天自愈合后进行300次冻融循环试验。通过单轴拉伸性能、裂缝特征、质量损失及超声波脉冲速率(UPV)指标综合评价UHPC的自愈合及抗冻性能，并利用扫描电子显微镜和能谱仪(SEM-EDS)分析微观结构和愈合产物。结果表明：28天水养后，预损伤0.05%试件表现出较好的自愈合性能，抗拉强度、拉伸应变和应变能均高于参照试件，表面所有裂缝全部愈合；预损伤0.1%试件的拉伸性能低于参照试件，表面最大裂缝(宽度为69 μm)并未完全愈合。300次冻融循环后，两种预损伤试件的初裂强度和抗拉强度均进一步增加，而拉伸应变和应变能均有所减小。相对质量与UPV的变化趋势能够很好地反映两种预损伤试件的再水化效应。SEM-EDS结果显示：距裂缝较近部位的纤维-基体粘结更牢固；裂缝表面的愈合产物主要为Ca(OH)2和CaCO3，内侧主要为水化硅酸钙(C-S-H)凝胶。
2023, 40(4): 2261-2272.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220607.002
摘要:
为解决珊瑚混凝土的脆性与耐久性问题，采用岛礁地域性原材料制备了海水珊瑚砂高延性水泥基材料(Seawater coral sand engineered cementitious composites，SCECC)。试验研究了不同骨料种类、最大粒径和细度模数对ECC抗压、抗拉力学性能和裂缝控制能力的影响。结果表明：随珊瑚砂细度模数减小，SCECC抗压强度先增后降，最大粒径2.36 mm的特细砂SCECC达到最高(63.3 MPa)；降低珊瑚砂最大粒径，SCECC拉伸性能参数不同程度地提升。最大粒径0.60 mm的SCECC拉伸性能最优，其初裂强度、抗拉强度和极限拉应变分别为2.29 MPa、4.11 MPa和5.15%，临近破坏时的平均裂纹宽度可控制在81 μm。相比于淡水石英砂ECC，SCECC抗压强度高且早期强度发展快(7天抗压强度可达28天的73%~78%)。两种ECC的骨料破坏和聚乙烯醇(PVA)纤维失效模式不同，SCECC拉伸强度、弹性模量及峰值应变附近的裂纹控制能力略低，但延性明显更优。
为解决珊瑚混凝土的脆性与耐久性问题，采用岛礁地域性原材料制备了海水珊瑚砂高延性水泥基材料(Seawater coral sand engineered cementitious composites，SCECC)。试验研究了不同骨料种类、最大粒径和细度模数对ECC抗压、抗拉力学性能和裂缝控制能力的影响。结果表明：随珊瑚砂细度模数减小，SCECC抗压强度先增后降，最大粒径2.36 mm的特细砂SCECC达到最高(63.3 MPa)；降低珊瑚砂最大粒径，SCECC拉伸性能参数不同程度地提升。最大粒径0.60 mm的SCECC拉伸性能最优，其初裂强度、抗拉强度和极限拉应变分别为2.29 MPa、4.11 MPa和5.15%，临近破坏时的平均裂纹宽度可控制在81 μm。相比于淡水石英砂ECC，SCECC抗压强度高且早期强度发展快(7天抗压强度可达28天的73%~78%)。两种ECC的骨料破坏和聚乙烯醇(PVA)纤维失效模式不同，SCECC拉伸强度、弹性模量及峰值应变附近的裂纹控制能力略低，但延性明显更优。
2023, 40(4): 2273-2284.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220607.001
摘要:
为研究喷嘴行进速度、喷嘴高度等打印参数对3D打印混凝土力学性能的影响，制备了相同配合比的浇筑试块和不同打印参数组合下的打印试块，通过混凝土立方体抗压试验、棱柱体轴心抗压试验和立方体劈裂抗拉试验，考察了其受力破坏过程和破坏形态，分析了喷嘴行进速度、喷嘴高度对3D打印混凝土力学性能的影响，得到了3D打印混凝土轴心受压应力-应变曲线，建立了3D打印混凝土各强度之间的关系。结果表明：3D打印混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度均随喷嘴行进速度的加快、喷嘴高度的升高而降低，且喷嘴高度对强度的不利影响强于喷嘴行进速度；在较优打印参数组合下，打印试块的抗压强度高于浇筑试块，但因打印试块存在层间粘结弱面，其劈裂断面在其层间界面处，致使断面明显平滑，劈裂抗拉强度低于浇筑试块；通过回归分析，建立了3D打印混凝土各强度与打印参数间的函数关系及轴心抗压强度、劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之间的换算关系。
为研究喷嘴行进速度、喷嘴高度等打印参数对3D打印混凝土力学性能的影响，制备了相同配合比的浇筑试块和不同打印参数组合下的打印试块，通过混凝土立方体抗压试验、棱柱体轴心抗压试验和立方体劈裂抗拉试验，考察了其受力破坏过程和破坏形态，分析了喷嘴行进速度、喷嘴高度对3D打印混凝土力学性能的影响，得到了3D打印混凝土轴心受压应力-应变曲线，建立了3D打印混凝土各强度之间的关系。结果表明：3D打印混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度均随喷嘴行进速度的加快、喷嘴高度的升高而降低，且喷嘴高度对强度的不利影响强于喷嘴行进速度；在较优打印参数组合下，打印试块的抗压强度高于浇筑试块，但因打印试块存在层间粘结弱面，其劈裂断面在其层间界面处，致使断面明显平滑，劈裂抗拉强度低于浇筑试块；通过回归分析，建立了3D打印混凝土各强度与打印参数间的函数关系及轴心抗压强度、劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之间的换算关系。
2023, 40(4): 2285-2295.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220623.006
摘要:
通过无侧限抗压强度试验和三轴剪切试验对生物聚合物(XG)/砂土复合材料强度特性进行研究，分析不同XG含量(与砂土质量比)和不同干湿循环次数对XG/砂土的强度特性的影响，并利用扫描电子显微镜和低场核磁共振分析仪对不同XG/砂土的微观结构进行分析与研究。研究结果表明：随着XG含量的增加，XG/砂土的无侧限抗压强度、峰值偏应力和黏聚力均发生增强，内摩擦角在27°~32°范围内变化。随着干湿循环的次数的增加，XG/砂土的无侧限抗压强度、峰值偏应力和黏聚力均发生一定的减小。当经历4次干湿循环时，XG/砂土的强度降幅为28.57%。随着干湿循环次数的继续增加，强度的降幅趋于平缓。生物聚合物可以在砂土表面和孔隙中形成大量的网状结构，大量的网状结构相互连接为网状膜将砂土连接为一个整体。环境中水分的变化会使得网状膜产生一定的损伤，使得XG/砂土的力学性质降低。但相较于未经改良的砂土，XG/砂土仍然拥有较强的结构性能和力学性能。
通过无侧限抗压强度试验和三轴剪切试验对生物聚合物(XG)/砂土复合材料强度特性进行研究，分析不同XG含量(与砂土质量比)和不同干湿循环次数对XG/砂土的强度特性的影响，并利用扫描电子显微镜和低场核磁共振分析仪对不同XG/砂土的微观结构进行分析与研究。研究结果表明：随着XG含量的增加，XG/砂土的无侧限抗压强度、峰值偏应力和黏聚力均发生增强，内摩擦角在27°~32°范围内变化。随着干湿循环的次数的增加，XG/砂土的无侧限抗压强度、峰值偏应力和黏聚力均发生一定的减小。当经历4次干湿循环时，XG/砂土的强度降幅为28.57%。随着干湿循环次数的继续增加，强度的降幅趋于平缓。生物聚合物可以在砂土表面和孔隙中形成大量的网状结构，大量的网状结构相互连接为网状膜将砂土连接为一个整体。环境中水分的变化会使得网状膜产生一定的损伤，使得XG/砂土的力学性质降低。但相较于未经改良的砂土，XG/砂土仍然拥有较强的结构性能和力学性能。
2023, 40(4): 2296-2307.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220623.004
摘要:
研究了氧化石墨烯(GO)纳米片层在水相及分散剂作用下的存在状态及分散行为，发现GO在水泥基材料中存在掺量大、成本高及应用效果不稳定不显著的主要原因是：GO纳米片层容易团聚导致其在水泥基体中分散不均匀。为此制备了两性聚羧酸分散剂(APC)及与GO的复合物(APC-GO)，研究发现GO在APC-GO复合物中不再以团簇式聚集态存在，而是主要吸附在APC多支链分子上并呈现多支链状的分散状态，通过掺入APC-GO复合物引入与水泥质量比为0.0003%的超低掺量GO，能够显著提高水泥基材料的力学性能和耐久性。SEM显示掺入APC-GO的水泥基材料具有规整致密的微观结构形貌，说明了GO在水泥基体中能够均匀分散，且对水泥水化产物的形貌和结构具有规整性调控效果，研究结果对GO在水泥基材料中的应用具有指导意义。
研究了氧化石墨烯(GO)纳米片层在水相及分散剂作用下的存在状态及分散行为，发现GO在水泥基材料中存在掺量大、成本高及应用效果不稳定不显著的主要原因是：GO纳米片层容易团聚导致其在水泥基体中分散不均匀。为此制备了两性聚羧酸分散剂(APC)及与GO的复合物(APC-GO)，研究发现GO在APC-GO复合物中不再以团簇式聚集态存在，而是主要吸附在APC多支链分子上并呈现多支链状的分散状态，通过掺入APC-GO复合物引入与水泥质量比为0.0003%的超低掺量GO，能够显著提高水泥基材料的力学性能和耐久性。SEM显示掺入APC-GO的水泥基材料具有规整致密的微观结构形貌，说明了GO在水泥基体中能够均匀分散，且对水泥水化产物的形貌和结构具有规整性调控效果，研究结果对GO在水泥基材料中的应用具有指导意义。
2023, 40(4): 2308-2320.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220607.005
摘要:
为了实现长江下游疏浚砂的综合利用，拓展细骨料来源，研究不同养护温度对不同疏浚砂掺量砂浆特性的影响。以疏浚砂为原料，设计了3种不同疏浚砂掺量的砂浆配合比，研究了40、60、80、90℃ 4种养护温度对不同龄期抗压、抗折强度的影响，并结合X射线衍射、热重-差示扫描量热、扫描电镜、压汞测试，分析了不同养护温度及不同疏浚砂掺量砂浆的微观结构。研究结果表明：随着养护温度升高，砂浆内部水化产物分布不均匀，阻碍了后续的水化反应，砂浆的抗压、抗折强度总体上先增大后减小，养护温度越高，蒸养损伤越大；疏浚砂颗粒粒径极小，具有良好的填充效果，适量掺入疏浚砂能提高体系的密实度，同时还能减少有害孔和多害孔的数量，进而提高砂浆的力学性能；蒸养条件下，砂浆孔结构缺陷增多，疏浚砂的优化作用被放大，一定程度上可以抵消蒸养带来的部分不利影响，随养护温度的升高，疏浚砂对抗压强度的提升率逐渐降低，最大能提升31.35%，对抗折强度的提升率先增大后减小，最大能提升14.29%。
为了实现长江下游疏浚砂的综合利用，拓展细骨料来源，研究不同养护温度对不同疏浚砂掺量砂浆特性的影响。以疏浚砂为原料，设计了3种不同疏浚砂掺量的砂浆配合比，研究了40、60、80、90℃ 4种养护温度对不同龄期抗压、抗折强度的影响，并结合X射线衍射、热重-差示扫描量热、扫描电镜、压汞测试，分析了不同养护温度及不同疏浚砂掺量砂浆的微观结构。研究结果表明：随着养护温度升高，砂浆内部水化产物分布不均匀，阻碍了后续的水化反应，砂浆的抗压、抗折强度总体上先增大后减小，养护温度越高，蒸养损伤越大；疏浚砂颗粒粒径极小，具有良好的填充效果，适量掺入疏浚砂能提高体系的密实度，同时还能减少有害孔和多害孔的数量，进而提高砂浆的力学性能；蒸养条件下，砂浆孔结构缺陷增多，疏浚砂的优化作用被放大，一定程度上可以抵消蒸养带来的部分不利影响，随养护温度的升高，疏浚砂对抗压强度的提升率逐渐降低，最大能提升31.35%，对抗折强度的提升率先增大后减小，最大能提升14.29%。
2023, 40(4): 2321-2330.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220519.002
摘要:
废旧轮胎的弃置会导致诸多环境问题，而粉碎制得的橡胶粉可在建筑砂浆中替代细骨料。砂浆中橡胶骨料的掺量和粒径是橡胶混凝土强度的主要影响因素，利用碱激发矿渣材料可替代普通硅酸盐水泥，提升砂浆的环境友好性。研究多因素耦合作用对橡胶骨料砂浆抗压性能的影响，通过测试砂浆的抗压强度，对试验结果进行显著性分析及多元非线性回归，建立了多因素与砂浆抗压强度的多元非线性回归模型。对砂浆试样进行细观孔隙测量和SEM表征，探究橡胶骨料对砂浆抗压强度的劣化机制。结果表明：砂浆中橡胶骨料掺量的提升会造成砂浆抗压强度的下降，40vol%骨料替代率下碱激发类砂浆抗压强度均值相比对照组降低了49.93%，硅酸盐类降低了66.62%；在碱激发类砂浆的高碱性环境下，使用0.38 mm粒径橡胶骨料的砂浆抗压强度均值为对照组的69.65%，取得试验组中最优值；而在硅酸盐类砂浆的低碱性环境中，随着橡胶骨料粒径的减小，砂浆抗压强度均值由对照组的61.46%降至37.98%。
废旧轮胎的弃置会导致诸多环境问题，而粉碎制得的橡胶粉可在建筑砂浆中替代细骨料。砂浆中橡胶骨料的掺量和粒径是橡胶混凝土强度的主要影响因素，利用碱激发矿渣材料可替代普通硅酸盐水泥，提升砂浆的环境友好性。研究多因素耦合作用对橡胶骨料砂浆抗压性能的影响，通过测试砂浆的抗压强度，对试验结果进行显著性分析及多元非线性回归，建立了多因素与砂浆抗压强度的多元非线性回归模型。对砂浆试样进行细观孔隙测量和SEM表征，探究橡胶骨料对砂浆抗压强度的劣化机制。结果表明：砂浆中橡胶骨料掺量的提升会造成砂浆抗压强度的下降，40vol%骨料替代率下碱激发类砂浆抗压强度均值相比对照组降低了49.93%，硅酸盐类降低了66.62%；在碱激发类砂浆的高碱性环境下，使用0.38 mm粒径橡胶骨料的砂浆抗压强度均值为对照组的69.65%，取得试验组中最优值；而在硅酸盐类砂浆的低碱性环境中，随着橡胶骨料粒径的减小，砂浆抗压强度均值由对照组的61.46%降至37.98%。
2023, 40(4): 2331-2342.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220607.004
摘要:
研究风积沙混凝土盐冻劣化规律，揭示劣化机制对其推广应用有重要指导意义。基于室内快速冻融试验及力学特性试验研究了风积沙混凝土盐冻劣化规律，结合SEM、NMR、XRD等表征技术及损伤力学理论从多尺度揭示了盐冻劣化机制。结果表明：风积沙影响混凝土的抗冻性，100%掺量风积沙混凝土强度低，但抗冻性最好。混凝土质量损失率及抗压强度损失率均随盐冻循环次数的增加而增大，相对动弹性模量随盐冻循环次数的增大而减小。风积沙混凝土的盐冻损伤是一个物理-化学过程，界面过渡区(ITZ)骨-浆剥离及附近砂浆基质开裂是导致其宏观物理、力学性能退化的主要原因。风积沙可以改变混凝土内部的孔隙结构及水分传输路径，进而影响孔隙饱和度及混凝土的抗盐冻性能。
研究风积沙混凝土盐冻劣化规律，揭示劣化机制对其推广应用有重要指导意义。基于室内快速冻融试验及力学特性试验研究了风积沙混凝土盐冻劣化规律，结合SEM、NMR、XRD等表征技术及损伤力学理论从多尺度揭示了盐冻劣化机制。结果表明：风积沙影响混凝土的抗冻性，100%掺量风积沙混凝土强度低，但抗冻性最好。混凝土质量损失率及抗压强度损失率均随盐冻循环次数的增加而增大，相对动弹性模量随盐冻循环次数的增大而减小。风积沙混凝土的盐冻损伤是一个物理-化学过程，界面过渡区(ITZ)骨-浆剥离及附近砂浆基质开裂是导致其宏观物理、力学性能退化的主要原因。风积沙可以改变混凝土内部的孔隙结构及水分传输路径，进而影响孔隙饱和度及混凝土的抗盐冻性能。
2023, 40(4): 2343-2354.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220623.002
摘要:
为研究再生聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料骨料砂浆(RPAM)的弯曲韧性及阻尼特性，利用废弃PET塑料制备再生PET塑料骨料(RPA)，以RPA取代率为参变量，开展了RPAM三点弯曲加载试验和悬挂梁弯曲自由振动试验，分析了三点弯曲RPAM荷载-挠度全曲线与弯曲韧性、弯曲振动一阶阻尼比与频率随RPA取代率的演变规律，并通过SEM测试RPA界面特征，分析其阻尼机制。结果表明：随RPA取代率增加RPAM延性增加，荷载-挠度曲线上升段和下降段斜率逐渐降低，初裂强度和抗弯强度降低；RPA的掺入使得RPAM破坏更具延性，初裂挠度和峰值挠度均明显增大，韧性指数I5、I10 、I20分别比普通砂浆提高4.17倍、5.65倍、5.89倍，且RPAM的剩余强度随RPA取代率增加逐渐增大；随RPA取代率增加，RPAM一阶频率降低9.0%~25.9%，阻尼比增加11.3%~58.1%；RPA与水泥基体之间的界面过渡区(ITZ)微观结构疏松，ITZ界面滑移与摩擦作用及RPA的黏性增加了RPAM的阻尼耗能；RPA最佳用量为15.5vol%~17.2vol%。
为研究再生聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料骨料砂浆(RPAM)的弯曲韧性及阻尼特性，利用废弃PET塑料制备再生PET塑料骨料(RPA)，以RPA取代率为参变量，开展了RPAM三点弯曲加载试验和悬挂梁弯曲自由振动试验，分析了三点弯曲RPAM荷载-挠度全曲线与弯曲韧性、弯曲振动一阶阻尼比与频率随RPA取代率的演变规律，并通过SEM测试RPA界面特征，分析其阻尼机制。结果表明：随RPA取代率增加RPAM延性增加，荷载-挠度曲线上升段和下降段斜率逐渐降低，初裂强度和抗弯强度降低；RPA的掺入使得RPAM破坏更具延性，初裂挠度和峰值挠度均明显增大，韧性指数I5、I10 、I20分别比普通砂浆提高4.17倍、5.65倍、5.89倍，且RPAM的剩余强度随RPA取代率增加逐渐增大；随RPA取代率增加，RPAM一阶频率降低9.0%~25.9%，阻尼比增加11.3%~58.1%；RPA与水泥基体之间的界面过渡区(ITZ)微观结构疏松，ITZ界面滑移与摩擦作用及RPA的黏性增加了RPAM的阻尼耗能；RPA最佳用量为15.5vol%~17.2vol%。
2023, 40(4): 2355-2364.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220812.001
摘要:
热塑性复合材料预制体的赋形质量直接影响结构件的制造质量。由于热塑性基体具有较高的熔融温度和黏度，赋形工艺温度设计不合理会导致褶皱等赋形缺陷，给热塑性复合材料结构高质量成型带来了挑战。现有的热塑性预浸料热成型研究主要基于连续介质力学、离散元、半离散元法，通过建立多机制耦合的本构模型分析热塑性预浸料的各向异性大变形行为，未充分考虑工艺调控对赋形宏观变形过程中褶皱缺陷的影响。发展了一种热塑性预浸料宽温域赋形褶皱缺陷仿真方法。通过表征热塑性机织物预浸料在不同温度、载荷下的力学性能，获取宽温域热塑性预浸料本构参数，基于非正交本构模型，提出了温度对热塑性预浸料赋形褶皱缺陷的作用规律，揭示了赋形过程中宽温域褶皱缺陷的变形机制，获得了赋形温度优化调控方案。研究结果表明：褶皱缺陷的萌生和演化过程由不同温度下的面内剪切和压缩变形行为共同影响，预浸料的褶皱缺陷变形程度随温度的增加而减弱，非正交本构模型的模拟结果与实验结果基本一致。
热塑性复合材料预制体的赋形质量直接影响结构件的制造质量。由于热塑性基体具有较高的熔融温度和黏度，赋形工艺温度设计不合理会导致褶皱等赋形缺陷，给热塑性复合材料结构高质量成型带来了挑战。现有的热塑性预浸料热成型研究主要基于连续介质力学、离散元、半离散元法，通过建立多机制耦合的本构模型分析热塑性预浸料的各向异性大变形行为，未充分考虑工艺调控对赋形宏观变形过程中褶皱缺陷的影响。发展了一种热塑性预浸料宽温域赋形褶皱缺陷仿真方法。通过表征热塑性机织物预浸料在不同温度、载荷下的力学性能，获取宽温域热塑性预浸料本构参数，基于非正交本构模型，提出了温度对热塑性预浸料赋形褶皱缺陷的作用规律，揭示了赋形过程中宽温域褶皱缺陷的变形机制，获得了赋形温度优化调控方案。研究结果表明：褶皱缺陷的萌生和演化过程由不同温度下的面内剪切和压缩变形行为共同影响，预浸料的褶皱缺陷变形程度随温度的增加而减弱，非正交本构模型的模拟结果与实验结果基本一致。
2023, 40(4): 2365-2376.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220530.006
摘要:
羊角因其独特的管状微观结构显示出优异的抗冲击性能。本文从羊角微观结构汲取灵感，设计了仿羊角管状结构。基于3D打印熔融沉积技术，采用短切碳纤维增强尼龙复合材料制备了仿羊角管状结构(HTS)。冲击实验结果表明HTS试样的冲击载荷-位移曲线中存在较长的高载荷平台区，在此阶段吸收了大量的冲击能量，较非仿生样品吸能提升了143.9%，比吸能值提升了178.8%。提出了HTS冲击有限元模型，仿真预测结果和实验获得的冲击响应及裂纹扩展路径结果吻合较好，验证了该模型的有效性。采用该模型分析发现：在冲击过程中细管周围产生较大的应力集中，使裂纹发生偏转进而捕获裂纹，并在细管其他位置重新萌生新的裂纹并朝下一个细管扩展，这个过程不断重复，从而吸收了大量的冲击能量。最后，基于该有限元模型探索了几何参数和材料性能对HTS冲击吸能的影响规律。该研究探索了仿羊角管状复合材料结构冲击吸能特性和吸能机制，对新型抗冲击装备的设计和制备具有重要意义。
羊角因其独特的管状微观结构显示出优异的抗冲击性能。本文从羊角微观结构汲取灵感，设计了仿羊角管状结构。基于3D打印熔融沉积技术，采用短切碳纤维增强尼龙复合材料制备了仿羊角管状结构(HTS)。冲击实验结果表明HTS试样的冲击载荷-位移曲线中存在较长的高载荷平台区，在此阶段吸收了大量的冲击能量，较非仿生样品吸能提升了143.9%，比吸能值提升了178.8%。提出了HTS冲击有限元模型，仿真预测结果和实验获得的冲击响应及裂纹扩展路径结果吻合较好，验证了该模型的有效性。采用该模型分析发现：在冲击过程中细管周围产生较大的应力集中，使裂纹发生偏转进而捕获裂纹，并在细管其他位置重新萌生新的裂纹并朝下一个细管扩展，这个过程不断重复，从而吸收了大量的冲击能量。最后，基于该有限元模型探索了几何参数和材料性能对HTS冲击吸能的影响规律。该研究探索了仿羊角管状复合材料结构冲击吸能特性和吸能机制，对新型抗冲击装备的设计和制备具有重要意义。
2023, 40(4): 2377-2389.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220513.001
摘要:
为验证基于丝束曲线铺放的变刚度设计在改善典型航空结构屈曲性能中的应用潜力，设计并制造了变刚度复合材料平板和开孔板试件。通过应变片和非接触式三维光学测量系统，全面地测量了试件受单轴压缩载荷过程中的面外位移和载荷方向应变。试验结果表明：变刚度平板和开孔板较同构型直线铺层试件屈曲载荷分别提升53.4%和46.6%；试件力学响应相似，均为线性加载至屈曲载荷后刚度大幅折减，变刚度试件后屈曲阶段呈近似线性，而直线铺层试件则连续变化。根据试验方案细化了数值模型，屈曲载荷、面外位移及应变的计算结果与试验结果基本吻合。在此基础上，提取了数值模型中的刚度分布和加载截面载荷分布，阐明了变刚度设计的抗屈曲机制。对于本文试件，采用变刚度设计还可显著提高破坏载荷，并降低侧边载荷，缓解应力集中。
为验证基于丝束曲线铺放的变刚度设计在改善典型航空结构屈曲性能中的应用潜力，设计并制造了变刚度复合材料平板和开孔板试件。通过应变片和非接触式三维光学测量系统，全面地测量了试件受单轴压缩载荷过程中的面外位移和载荷方向应变。试验结果表明：变刚度平板和开孔板较同构型直线铺层试件屈曲载荷分别提升53.4%和46.6%；试件力学响应相似，均为线性加载至屈曲载荷后刚度大幅折减，变刚度试件后屈曲阶段呈近似线性，而直线铺层试件则连续变化。根据试验方案细化了数值模型，屈曲载荷、面外位移及应变的计算结果与试验结果基本吻合。在此基础上，提取了数值模型中的刚度分布和加载截面载荷分布，阐明了变刚度设计的抗屈曲机制。对于本文试件，采用变刚度设计还可显著提高破坏载荷，并降低侧边载荷，缓解应力集中。
2023, 40(4): 2390-2404.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220623.003
摘要:
为研究超高性能混凝土(UHPC)管替代碳纤维增强聚合物(CFRP)-钢管混凝土组合柱中钢管的可行性，提出一种外部缠绕CFRP的UHPC预制管、内部现浇填充普通混凝土的新型CFRP-UHPC组合管混凝土(Concrete-filled CFRP-UHPC tube，CFFUT)柱。对10个CFFUT圆柱(包含2个对比柱)进行了单调轴压试验，研究了UHPC管壁厚度、CFRP环向包裹层数和核心混凝土强度等的影响规律。结果表明：CFRP-UHPC管可以有效提高组合柱的承载力、变形能力和延性；CFFUT圆柱破坏形态为核心混凝土压溃、UHPC管开裂和CFRP拉断，破坏后整体性较好，属延性破坏模式；CFFUT圆柱的极限承载力与UHPC管壁厚度、CFRP层数和核心混凝土强度呈正相关；延性系数随UHPC管壁厚度、CFRP层数增加而提高，随核心混凝土强度增加先提高后降低。揭示了CFFUT柱的界面增强作用机制，CFFUT柱极限承载力与同等截面普通混凝土柱相比提高93.9%~203.5%，且CFFUT柱极限承载力一定程度上与CFRP-钢管混凝土柱相当。建立了CFFUT圆柱轴压极限承载力理论计算模型，并通过有限元模拟验证，理论值、模拟值和试验结果吻合较好。
为研究超高性能混凝土(UHPC)管替代碳纤维增强聚合物(CFRP)-钢管混凝土组合柱中钢管的可行性，提出一种外部缠绕CFRP的UHPC预制管、内部现浇填充普通混凝土的新型CFRP-UHPC组合管混凝土(Concrete-filled CFRP-UHPC tube，CFFUT)柱。对10个CFFUT圆柱(包含2个对比柱)进行了单调轴压试验，研究了UHPC管壁厚度、CFRP环向包裹层数和核心混凝土强度等的影响规律。结果表明：CFRP-UHPC管可以有效提高组合柱的承载力、变形能力和延性；CFFUT圆柱破坏形态为核心混凝土压溃、UHPC管开裂和CFRP拉断，破坏后整体性较好，属延性破坏模式；CFFUT圆柱的极限承载力与UHPC管壁厚度、CFRP层数和核心混凝土强度呈正相关；延性系数随UHPC管壁厚度、CFRP层数增加而提高，随核心混凝土强度增加先提高后降低。揭示了CFFUT柱的界面增强作用机制，CFFUT柱极限承载力与同等截面普通混凝土柱相比提高93.9%~203.5%，且CFFUT柱极限承载力一定程度上与CFRP-钢管混凝土柱相当。建立了CFFUT圆柱轴压极限承载力理论计算模型，并通过有限元模拟验证，理论值、模拟值和试验结果吻合较好。
2023, 40(4): 2405-2414.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220618.001
摘要:
利用碳纤维织物与树脂薄膜制备了0.2 mm、0.3 mm与0.5 mm 3种不同厚度的碳纤维感应元件，并开展碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon fiber reinforced thermoplastic composite，CFRTP)感应焊接建模仿真与工艺试验。观察CFRTP感应焊接接头成形形貌，开展接头拉伸剪切强度测试与断口形貌分析，着重探究感应元件厚度对接头力学性能与断裂形式的影响。研究结果表明：碳纤维感应元件能在不引入异质材料的前提下实现CFRTP的高质量感应焊接，但接头界面温度分布具有明显的不均匀性；随着感应元件厚度的增加，过量的树脂会降低接头的成形效果、连接质量与力学性能，同时界面的有效连接面积也随之减小；当感应元件厚度为0.2 mm时，焊接接头的拉伸剪切强度最高可达23.77 MPa；焊接接头的断裂形式包括感应元件内聚破坏、母材表层自破坏、界面破坏和混合破坏，造成接头失效的断裂机制根据感应元件厚度的改变而发生变化。
利用碳纤维织物与树脂薄膜制备了0.2 mm、0.3 mm与0.5 mm 3种不同厚度的碳纤维感应元件，并开展碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon fiber reinforced thermoplastic composite，CFRTP)感应焊接建模仿真与工艺试验。观察CFRTP感应焊接接头成形形貌，开展接头拉伸剪切强度测试与断口形貌分析，着重探究感应元件厚度对接头力学性能与断裂形式的影响。研究结果表明：碳纤维感应元件能在不引入异质材料的前提下实现CFRTP的高质量感应焊接，但接头界面温度分布具有明显的不均匀性；随着感应元件厚度的增加，过量的树脂会降低接头的成形效果、连接质量与力学性能，同时界面的有效连接面积也随之减小；当感应元件厚度为0.2 mm时，焊接接头的拉伸剪切强度最高可达23.77 MPa；焊接接头的断裂形式包括感应元件内聚破坏、母材表层自破坏、界面破坏和混合破坏，造成接头失效的断裂机制根据感应元件厚度的改变而发生变化。
2023, 40(4): 2415-2426.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220419.009
摘要:
以T800碳纤维/X850环氧树脂复合材料T型制件为结合对象，利用COMSOL Multiphysics仿真软件，建立了反映复合材料制件单馈口谐振腔体微波固化的有限元仿真模型，研究了微波腔体和制件内部的电磁场、温度场、固化度场的分布规律及其与微波输入功率的映射关系。结果表明：在微波腔体内和制件内存在相反的电场强度分布，在复合材料制件内，远离微波馈入端口的区域的电场强度要高于近馈入端口区域，且在制件棱角区域，电场强度存在较强的尖端效应；随微波输入功率增加，微波腔体及制件内部的电场强度均随之增加，制件内电场强度最大值出现在上、下表面，且下表面温度明显较上表面高；提高微波输入功率会导致制件升温过快，进而诱发温度及固化度梯度。在升温中后期的制件厚度方向，温度和固化度梯度较明显。本文推荐微波输入功率应控制在500 W以内。
以T800碳纤维/X850环氧树脂复合材料T型制件为结合对象，利用COMSOL Multiphysics仿真软件，建立了反映复合材料制件单馈口谐振腔体微波固化的有限元仿真模型，研究了微波腔体和制件内部的电磁场、温度场、固化度场的分布规律及其与微波输入功率的映射关系。结果表明：在微波腔体内和制件内存在相反的电场强度分布，在复合材料制件内，远离微波馈入端口的区域的电场强度要高于近馈入端口区域，且在制件棱角区域，电场强度存在较强的尖端效应；随微波输入功率增加，微波腔体及制件内部的电场强度均随之增加，制件内电场强度最大值出现在上、下表面，且下表面温度明显较上表面高；提高微波输入功率会导致制件升温过快，进而诱发温度及固化度梯度。在升温中后期的制件厚度方向，温度和固化度梯度较明显。本文推荐微波输入功率应控制在500 W以内。
2023, 40(4): 2427-2440.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220624.001
摘要:
纤维嵌入水泥基材料中的界面黏结力学性能对纤维增强混凝土材料的力学性能起着重要作用。单纤维拉拔试验可以较好地模拟纤维与水泥基体材料界面间的受力条件，因此考虑3种纤维直径(0.2 mm、0.6 mm、0.8 mm)、3种纤维埋置长度(10 mm、20 mm、30 mm)和3种纤维表面性状(压痕型、波浪型、光圆型)与3种水泥砂浆基体水胶比(0.66、0.51、0.41)影响因素，进行了单根粗聚丙烯纤维从水泥砂浆基体中的拔出试验，使用SEM观测了纤维被拔出后的形貌特征，通过ABAQUS有限元建立了纤维拔出过程的数值模型，以研究单根纤维与水泥基界面间的剪切应力。同时将试验结果和模拟结果进行了数值拟合，得到了各因素对界面黏结力学性能的影响规律：(1) 水泥砂浆的最佳水胶比为0.41~0.49；(2) 合成粗聚丙烯纤维埋置长度最佳为8~10 mm，最佳纤维直径在0.26~0.39 mm范围；(3) 纤维表面性状为压痕型时，纤维在水泥基材料中的利用率较大，并且与水泥砂浆的界面黏结性能良好。
纤维嵌入水泥基材料中的界面黏结力学性能对纤维增强混凝土材料的力学性能起着重要作用。单纤维拉拔试验可以较好地模拟纤维与水泥基体材料界面间的受力条件，因此考虑3种纤维直径(0.2 mm、0.6 mm、0.8 mm)、3种纤维埋置长度(10 mm、20 mm、30 mm)和3种纤维表面性状(压痕型、波浪型、光圆型)与3种水泥砂浆基体水胶比(0.66、0.51、0.41)影响因素，进行了单根粗聚丙烯纤维从水泥砂浆基体中的拔出试验，使用SEM观测了纤维被拔出后的形貌特征，通过ABAQUS有限元建立了纤维拔出过程的数值模型，以研究单根纤维与水泥基界面间的剪切应力。同时将试验结果和模拟结果进行了数值拟合，得到了各因素对界面黏结力学性能的影响规律：(1) 水泥砂浆的最佳水胶比为0.41~0.49；(2) 合成粗聚丙烯纤维埋置长度最佳为8~10 mm，最佳纤维直径在0.26~0.39 mm范围；(3) 纤维表面性状为压痕型时，纤维在水泥基材料中的利用率较大，并且与水泥砂浆的界面黏结性能良好。
2023, 40(4): 2441-2450.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220630.003
摘要:
针对小型简易爆炸装置，设计了芳纶和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维织物防爆袋，开展了织物袋内爆试验，同时建立了织物袋内爆数值分析模型。从外部超压和临界厚度两个角度对比了两种材料织物袋的抗爆能力，分析了初始内爆距离和织物袋厚度对织物袋抗爆性能的影响。结果表明：内爆载荷下织物袋的主要失效模式为中心区域破孔和封口拉链失效。在20~100 g药量范围内，织物袋的临界厚度与药量近似呈线性增长关系。同一药量下，芳纶织物袋的临界厚度明显大于UHMWPE织物袋，在不考虑爆炸火球对织物烧蚀的影响时，UHMWPE织物袋具有更好的抗爆效果。厚度相同时，芳纶织物袋外部的超压峰值更小，表明芳纶织物袋的超压衰减能力更强。随着织物袋初始内爆距离的增大，织物袋的临界厚度减小。织物袋外部一定范围内存在高于人体能够承受的超压，以30 g TNT、3 mm厚芳纶织物袋为例，在距织物袋中心665 mm处的超压为34.2 kPa，超过鼓膜损伤阈值。
针对小型简易爆炸装置，设计了芳纶和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维织物防爆袋，开展了织物袋内爆试验，同时建立了织物袋内爆数值分析模型。从外部超压和临界厚度两个角度对比了两种材料织物袋的抗爆能力，分析了初始内爆距离和织物袋厚度对织物袋抗爆性能的影响。结果表明：内爆载荷下织物袋的主要失效模式为中心区域破孔和封口拉链失效。在20~100 g药量范围内，织物袋的临界厚度与药量近似呈线性增长关系。同一药量下，芳纶织物袋的临界厚度明显大于UHMWPE织物袋，在不考虑爆炸火球对织物烧蚀的影响时，UHMWPE织物袋具有更好的抗爆效果。厚度相同时，芳纶织物袋外部的超压峰值更小，表明芳纶织物袋的超压衰减能力更强。随着织物袋初始内爆距离的增大，织物袋的临界厚度减小。织物袋外部一定范围内存在高于人体能够承受的超压，以30 g TNT、3 mm厚芳纶织物袋为例，在距织物袋中心665 mm处的超压为34.2 kPa，超过鼓膜损伤阈值。
