2023年 第40卷 第9期
2023, 40(9): 4863-4879.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230509.002
摘要:
电致变色材料是一类光学特性随电压可逆调控的材料，在智能窗、显示器、汽车变色天幕、智能热管理、军事伪装等领域应用广泛。近年来基于金属氧化物纳米晶的电致变色材料，由于其优异的性能和成本优势，引起了研究者的广泛关注。本文首先介绍了电化学调控纳米晶局域表面等离子体共振(LSPR)的基本原理。然后，结合国内外研究现状，综述了金属氧化物纳米晶及其复合材料在传统电致变色和基于电化学调控纳米晶LSPR的新型电致变色领域中的最新研究进展。最后提出了基于金属氧化物纳米晶电致变色材料存在的问题和解决的途径，并对其发展前景进行了展望。
电致变色材料是一类光学特性随电压可逆调控的材料，在智能窗、显示器、汽车变色天幕、智能热管理、军事伪装等领域应用广泛。近年来基于金属氧化物纳米晶的电致变色材料，由于其优异的性能和成本优势，引起了研究者的广泛关注。本文首先介绍了电化学调控纳米晶局域表面等离子体共振(LSPR)的基本原理。然后，结合国内外研究现状，综述了金属氧化物纳米晶及其复合材料在传统电致变色和基于电化学调控纳米晶LSPR的新型电致变色领域中的最新研究进展。最后提出了基于金属氧化物纳米晶电致变色材料存在的问题和解决的途径，并对其发展前景进行了展望。
2023, 40(9): 4880-4892.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230428.001
摘要:
目的 吸波材料作为防雷达探测、电磁干扰和电磁污染的有效屏障得到了快速的发展。SiC是一种应用广泛的吸波材料，其具有一定的介电性能和出众的稳定性、耐腐蚀性，但也存在阻抗匹配不佳等缺点。构建SiC基复合吸波材料是提高其吸波性能的重要方法。本文综述了SiC的吸波性能和SiC基复合吸波材料的研究进展，并展望了SiC基复合吸波材料的发展方向。 方法 对SiC及其复合吸波材料的制备与性能进行归纳总结：(1)SiC的吸波性能和提高吸波性能的方法。SiC吸波材料主要依赖于介电损耗，内部缺陷、界面和表面、厚度和温度等因素会影响SiC的吸波性能。为克服SiC材料阻抗匹配不佳、损耗机制单一等不足，常用的方法有：掺杂改性和制备SiC复合材料。(2)SiC复合材料的制备策略：零维SiC纳米颗粒、一维SiC纳米线、三维结构SiC材料分别与导电材料、介电材料和磁性材料相复合，以提高SiC基材料的介电性能、丰富吸收机制、优化阻抗匹配，进而提高吸波性能。 结果 SiC的吸波性能主要来自于介电弛豫损耗，并受到内部缺陷、界面和表面、厚度和温度的影响：SiC内部缺陷作为极化中心引起极化弛豫，提高介电常数；SiC的比表面积增大，会增加偶极极化和界面极化，促进多次反射；吸收体厚度为1/4波长的奇数倍时会产生干涉而衰减电磁波；温度的升高会降低SiC电阻率，进而提高其对电磁波吸收率。为提高SiC的吸波性能，可采用掺杂改性和制备SiC复合材料的 方法 对SiC的掺杂改性可以调控载流子浓度、提高介电性能；SiC复合吸波材料可以调节电磁参数、优化阻抗匹配、丰富损耗机制，提高吸收强度。不同维度的SiC用于吸波材料的优势有：SiC纳米颗粒抗氧化性能更好，更耐高温，纳米颗粒有效改善了SiC的电磁特性且制备方法较为成熟；SiC纳米线具有一维结构，比表面积较大，易于形成三维导电网络，具有较高的介电性能；三维SiC材料可通过不同的实验方法制备，多孔网络结构对电磁波产生反射、散射、干涉作用引起衰减。按照损耗类型分类，SiC复合材料主要分为三类：SiC与导电材料复合、SiC与介电材料复合、SiC与磁性材料复合。①导电材料以碳材料为代表，具有导电性高、密度小、稳定性好、易于调控的优势。导电材料与SiC相复合，促进了异质界面的形成，引入了导电路径，可以丰富损耗机制，优化阻抗匹配。②介电材料包括各种陶瓷材料，大多具有较高的力学性能和耐腐蚀性能。介电材料与SiC相复合，可以调控材料的介电性能，进一步提高介电损耗，并有在高温下服役的潜力。③磁性材料包括金属微粉和金属氧化物等，通过涡流损耗和自然共振等方式进行磁损耗，有些磁性材料也同时具备介电损耗，具有很高的吸波特性。磁性材料与SiC相复合，可以丰富损耗机制，提高吸波性能。 结论 本文综述了SiC复合吸波材料的最新研究进展：介绍了SiC的结构、吸波机理和影响因素，并根据SiC材料维度和损耗机理对复合材料进行分类总结和分析。最后对SiC基复合吸波材料的发展前景进行了展望，这为SiC基复合吸波材料的研究提供参考。
2023, 40(9): 4893-4916.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230425.003
摘要:
水凝胶具有亲水三维网络结构，因其结构和功能与生物组织相似的特性，使其在生物医学等领域中得以广泛应用。蚕丝蛋白(Silk fibroin，SF)由于其资源丰富，具有良好的生物降解性和生物相容性，成为一种极具潜力的水凝胶基材。然而，由于在蚕丝蛋白制备过程中对蚕丝纤维天然层级结构的溶解和破坏，丧失了蚕丝纤维机械强度高的天然优势，导致力学性能差成为限制蚕丝蛋白基水凝胶广泛应用的主要原因之一，因此，研究者不断寻求策略制备蚕丝蛋白基高强度水凝胶(SF-high strength hydrogels，SF-HSHs)。本文首先介绍了SF的基本结构；然后阐述了SF水凝胶的制备方法和凝胶化机制；进而详细讨论了物理交联、双交联、双网络和复合SF-HSHs；最后简要分析了SF-HSHs的生物应用及其前景与挑战。
水凝胶具有亲水三维网络结构，因其结构和功能与生物组织相似的特性，使其在生物医学等领域中得以广泛应用。蚕丝蛋白(Silk fibroin，SF)由于其资源丰富，具有良好的生物降解性和生物相容性，成为一种极具潜力的水凝胶基材。然而，由于在蚕丝蛋白制备过程中对蚕丝纤维天然层级结构的溶解和破坏，丧失了蚕丝纤维机械强度高的天然优势，导致力学性能差成为限制蚕丝蛋白基水凝胶广泛应用的主要原因之一，因此，研究者不断寻求策略制备蚕丝蛋白基高强度水凝胶(SF-high strength hydrogels，SF-HSHs)。本文首先介绍了SF的基本结构；然后阐述了SF水凝胶的制备方法和凝胶化机制；进而详细讨论了物理交联、双交联、双网络和复合SF-HSHs；最后简要分析了SF-HSHs的生物应用及其前景与挑战。
2023, 40(9): 4917-4931.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230418.002
摘要:
电催化是未来新能源存储与转化技术的关键，主要应用于电解水制氢和燃料电池等氢能产业。MXene是二维层状过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化合物的统称，具备高电导率、大比表面积、良好的电荷转移能力及丰富可控的表面官能团，近年来被广泛应用于电化学催化领域。本文首先阐述了二维MXene的多种结构，其次总结了MXene基电催化材料在亲水性、导电性、离子传输及表面缺陷等方面的优势，重点综述了近年来MXene基材料在析氢反应(Hydrogen evolution reaction，HER)、析氧反应(Oxygen evolution reaction，OER)、氧还原反应(Oxygen reduction reaction，ORR)等催化反应中的应用和进展，揭示了MXene结构与性能之间的关系，最后总结并展望了未来的发展前景。
电催化是未来新能源存储与转化技术的关键，主要应用于电解水制氢和燃料电池等氢能产业。MXene是二维层状过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化合物的统称，具备高电导率、大比表面积、良好的电荷转移能力及丰富可控的表面官能团，近年来被广泛应用于电化学催化领域。本文首先阐述了二维MXene的多种结构，其次总结了MXene基电催化材料在亲水性、导电性、离子传输及表面缺陷等方面的优势，重点综述了近年来MXene基材料在析氢反应(Hydrogen evolution reaction，HER)、析氧反应(Oxygen evolution reaction，OER)、氧还原反应(Oxygen reduction reaction，ORR)等催化反应中的应用和进展，揭示了MXene结构与性能之间的关系，最后总结并展望了未来的发展前景。
2023, 40(9): 4932-4942.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230504.002
摘要:
太阳能蒸发技术被认为是一种绿色、可持续的缓解水资源短缺的技术。基底是太阳能蒸发器的重要组成部分，是影响蒸发效率的关键因素。水凝胶由于来源广泛、易于制备等特点成为当下的研究热点之一。本文综述了当前水凝胶材料在界面太阳能蒸发器中的研究进展，重点介绍了聚乙烯醇、壳聚糖、海藻酸钠、纤维素等水凝胶基底材料。分析了不同水凝胶与光热材料组合而成的太阳能蒸发器的各自特点与应用特性，对作为太阳能蒸发器基底的水凝胶提出相应建议，指出构造更有效接触面积的水凝胶基底，改善水凝胶的抗盐、抗污、抗菌性能，增强自修复能力，是基于水凝胶基太阳能蒸发器的重要发展方向。
太阳能蒸发技术被认为是一种绿色、可持续的缓解水资源短缺的技术。基底是太阳能蒸发器的重要组成部分，是影响蒸发效率的关键因素。水凝胶由于来源广泛、易于制备等特点成为当下的研究热点之一。本文综述了当前水凝胶材料在界面太阳能蒸发器中的研究进展，重点介绍了聚乙烯醇、壳聚糖、海藻酸钠、纤维素等水凝胶基底材料。分析了不同水凝胶与光热材料组合而成的太阳能蒸发器的各自特点与应用特性，对作为太阳能蒸发器基底的水凝胶提出相应建议，指出构造更有效接触面积的水凝胶基底，改善水凝胶的抗盐、抗污、抗菌性能，增强自修复能力，是基于水凝胶基太阳能蒸发器的重要发展方向。
2023, 40(9): 4943-4957.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230509.001
摘要:
随着我国“双碳”战略的稳步实施，发展具有“三高一长一低一环”(即高能量密度、高功率密度、高安全性、长循环稳定性、低成本及环保)的电池、超级电容器等能量存储设备，对助力可再生能源的高效存储与稳定输出、推动我国电力系统绿色转型具有重要意义。聚偏氟乙烯(PVDF)基含氟聚合物由于具有良好的力学性能、电学性能及化学稳定性等，已被广泛地用于电池及超级电容器的电极粘结剂、隔膜以及电解质材料。随着储能器件的快速发展，对PVDF基含氟聚合物进行功能化复合以满足对于电池、超级电容器“三高一长一低一环”的需求，成为PVDF基聚合物复合材料的发展重点。本文系统介绍了PVDF基聚合物及其复合材料分别作为粘结剂、电解质和隔膜材料应用于电池及超级电容器的情况，比较了不同功能化复合改性方法对PVDF基聚合物材料性能提升的作用机制，对PVDF基复合材料应用于储能领域的发展前景和挑战进行了展望。
随着我国“双碳”战略的稳步实施，发展具有“三高一长一低一环”(即高能量密度、高功率密度、高安全性、长循环稳定性、低成本及环保)的电池、超级电容器等能量存储设备，对助力可再生能源的高效存储与稳定输出、推动我国电力系统绿色转型具有重要意义。聚偏氟乙烯(PVDF)基含氟聚合物由于具有良好的力学性能、电学性能及化学稳定性等，已被广泛地用于电池及超级电容器的电极粘结剂、隔膜以及电解质材料。随着储能器件的快速发展，对PVDF基含氟聚合物进行功能化复合以满足对于电池、超级电容器“三高一长一低一环”的需求，成为PVDF基聚合物复合材料的发展重点。本文系统介绍了PVDF基聚合物及其复合材料分别作为粘结剂、电解质和隔膜材料应用于电池及超级电容器的情况，比较了不同功能化复合改性方法对PVDF基聚合物材料性能提升的作用机制，对PVDF基复合材料应用于储能领域的发展前景和挑战进行了展望。
2023, 40(9): 4958-4971.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230420.001
摘要:
随着社会飞速发展，潜伏的火灾隐患对社会安全造成巨大的威胁，使用防火隔热材料可以有效地进行火灾防控。气凝胶具有密度低、导热系数低、孔隙率高等特点，且呈现出优异的防火隔热性能。SiO2气凝胶是气凝胶材料的典型代表，目前在诸多行业被广泛应用。但是目前SiO2气凝胶仍存在力学性能较差的瓶颈问题，极大地限制了工程应用，因此需要通过引入增强体使SiO2气凝胶保持其本身优良特性的同时需增强其力学性能。本文对目前增强SiO2材料的研究现状进行了简述，并着重针对在制备SiO2气凝胶过程中通过优化工艺及添加纳米材料、纤维、成型体来提高力学性能的方法进行了讨论分析。最后提出了SiO2气凝胶未来的研究方向及发展的建议。
随着社会飞速发展，潜伏的火灾隐患对社会安全造成巨大的威胁，使用防火隔热材料可以有效地进行火灾防控。气凝胶具有密度低、导热系数低、孔隙率高等特点，且呈现出优异的防火隔热性能。SiO2气凝胶是气凝胶材料的典型代表，目前在诸多行业被广泛应用。但是目前SiO2气凝胶仍存在力学性能较差的瓶颈问题，极大地限制了工程应用，因此需要通过引入增强体使SiO2气凝胶保持其本身优良特性的同时需增强其力学性能。本文对目前增强SiO2材料的研究现状进行了简述，并着重针对在制备SiO2气凝胶过程中通过优化工艺及添加纳米材料、纤维、成型体来提高力学性能的方法进行了讨论分析。最后提出了SiO2气凝胶未来的研究方向及发展的建议。
2023, 40(9): 4972-4984.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230512.003
摘要:
致病微生物所引起的感染一直以来都威胁着全世界人类的健康，抗菌材料在某种情况下可以被视为抗生素的替代品，其中抗菌水凝胶就是一类重要的高分子抗菌材料。生物基抗菌水凝胶根据基体种类不同主要分为壳聚糖基、纤维素基、淀粉基、海藻酸钠基、蛋白质基等，这些基质在自然界具有高丰度，生物相容性及生物可降解性的优点，是制备抗菌水凝胶的理想材料。本文综述了近年来生物基抗菌水凝胶的发展现状及应用领域，着重从生物基抗菌水凝胶的种类、制备和应用3个方面来阐述，最后对生物基抗菌水凝胶所面临的挑战及未来的发展趋势进行了总结和展望。
致病微生物所引起的感染一直以来都威胁着全世界人类的健康，抗菌材料在某种情况下可以被视为抗生素的替代品，其中抗菌水凝胶就是一类重要的高分子抗菌材料。生物基抗菌水凝胶根据基体种类不同主要分为壳聚糖基、纤维素基、淀粉基、海藻酸钠基、蛋白质基等，这些基质在自然界具有高丰度，生物相容性及生物可降解性的优点，是制备抗菌水凝胶的理想材料。本文综述了近年来生物基抗菌水凝胶的发展现状及应用领域，着重从生物基抗菌水凝胶的种类、制备和应用3个方面来阐述，最后对生物基抗菌水凝胶所面临的挑战及未来的发展趋势进行了总结和展望。
2023, 40(9): 4985-5001.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230331.001
摘要:
与传统纳米催化剂相比，单原子催化剂(SACs)具有独特的结构、高活性和最大程度的原子利用率等特点，使SACs成为当前催化领域的研究热点。金属有机框架(Metal-organic frameworks，MOFs)中的金属离子节点是原子分散的、配位环境明确，且结构可调，是构筑单原子催化剂的理想前驱物。近年来，大量研究报道了通过热解MOFs制得性能优异的SACs。本文介绍了通过热解MOFs构建SACs的5种主要策略，包括直接热解MOFs策略、混合金属策略、混合配体策略、空间限域策略和其他策略及由热解MOFs制得的SACs在电解水、光解水和催化储氢小分子制氢中的应用。最后，指出了未来使用MOFs衍生物构建SACs的发展方向。
与传统纳米催化剂相比，单原子催化剂(SACs)具有独特的结构、高活性和最大程度的原子利用率等特点，使SACs成为当前催化领域的研究热点。金属有机框架(Metal-organic frameworks，MOFs)中的金属离子节点是原子分散的、配位环境明确，且结构可调，是构筑单原子催化剂的理想前驱物。近年来，大量研究报道了通过热解MOFs制得性能优异的SACs。本文介绍了通过热解MOFs构建SACs的5种主要策略，包括直接热解MOFs策略、混合金属策略、混合配体策略、空间限域策略和其他策略及由热解MOFs制得的SACs在电解水、光解水和催化储氢小分子制氢中的应用。最后，指出了未来使用MOFs衍生物构建SACs的发展方向。
2023, 40(9): 5002-5010.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221219.001
摘要:
含硅芳炔树脂(PSA)/石英纤维(QF)复合材料是极具潜力的新型耐高温透波材料，但由于PSA树脂质脆、极性低，加上石英纤维表面光滑，导致两者间界面粘结弱，突出表现为复合材料层间性能(如层间剪切强度)低。本文采用苯乙烯(ST)对含硅芳炔树脂进行改性，通过ST与PSA分子间发生共聚反应，降低体系的交联密度，均匀化其交联网络结构，提高树脂抗压损伤阻抗，最终达到了改善PSA基复合材料层间剪切强度的目的。通过DSC、TG、DMA等手段测试和表征了改性前后PSA树脂及其复合材料的固化反应性能、流变性能、耐热性能、介电性能和力学性能等，结果表明：添加苯乙烯不会影响PSA树脂的固化规律和工艺。随着ST添加量的增加，改性PSA树脂的耐热性有所下降，但其失重5wt%温度Td5均接近500℃，远高于应用要求的350℃。改性后复合材料保持了良好的介电性能，介电常数为3.09，损耗因子tanδ为2×10−3；在保持较高弯曲强度的同时，改性后复合材料层间剪切强度得到显著提升。当ST质量比为15%时，QF/PSA-15ST在室温下的层间剪切强度提高了53.0%，350℃下提高了98.3%；350℃下层间剪切强度保留率为78.3%，高于改性前的60.4%。
含硅芳炔树脂(PSA)/石英纤维(QF)复合材料是极具潜力的新型耐高温透波材料，但由于PSA树脂质脆、极性低，加上石英纤维表面光滑，导致两者间界面粘结弱，突出表现为复合材料层间性能(如层间剪切强度)低。本文采用苯乙烯(ST)对含硅芳炔树脂进行改性，通过ST与PSA分子间发生共聚反应，降低体系的交联密度，均匀化其交联网络结构，提高树脂抗压损伤阻抗，最终达到了改善PSA基复合材料层间剪切强度的目的。通过DSC、TG、DMA等手段测试和表征了改性前后PSA树脂及其复合材料的固化反应性能、流变性能、耐热性能、介电性能和力学性能等，结果表明：添加苯乙烯不会影响PSA树脂的固化规律和工艺。随着ST添加量的增加，改性PSA树脂的耐热性有所下降，但其失重5wt%温度Td5均接近500℃，远高于应用要求的350℃。改性后复合材料保持了良好的介电性能，介电常数为3.09，损耗因子tanδ为2×10−3；在保持较高弯曲强度的同时，改性后复合材料层间剪切强度得到显著提升。当ST质量比为15%时，QF/PSA-15ST在室温下的层间剪切强度提高了53.0%，350℃下提高了98.3%；350℃下层间剪切强度保留率为78.3%，高于改性前的60.4%。
2023, 40(9): 5011-5025.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230110.003
摘要:
碳纤维-环氧树脂复合材料具有高强高模、耐腐蚀、抗疲劳等优异性能，作为结构材料被广泛用于土木工程中。尼龙6具有良好的断裂韧性、自润滑性、减摩耐磨性等优点，将其作为填料加入至短切碳纤维-环氧树脂复合材料中有望大幅提升材料的力学和摩擦磨损性能。本文采用尼龙6改性短切碳纤维-环氧树脂复合材料，基于树脂基体优选方法制备了一种力学性能优异、耐高温且具有低摩擦系数和低磨损速率的高性能复合材料。试验研究了添加尼龙6对复合材料的热、力学及摩擦磨损性能的影响，结合微观形貌与结构分析，揭示了尼龙6对复合材料性能提升机制。研究发现，添加7.5wt%尼龙6后，复合材料的拉伸断裂韧性提升了199%，断裂破坏模式由脆性断裂转变为韧性断裂，拉伸断口形貌由“平原状”转变为“沟壑状”，玻璃化转变温度提升了15.2℃。添加10wt%尼龙6可以显著降低复合材料的摩擦系数(~80%)、磨损速率(~53%)、划痕宽度(~22%)、线粗糙度(~15%)，耐磨损性能提升机制归因于尼龙6可在摩擦表面协助形成一层均匀致密的润滑隔离膜，使磨损类型由严重的疲劳磨损变为轻微的粘着磨损或磨粒磨损。
碳纤维-环氧树脂复合材料具有高强高模、耐腐蚀、抗疲劳等优异性能，作为结构材料被广泛用于土木工程中。尼龙6具有良好的断裂韧性、自润滑性、减摩耐磨性等优点，将其作为填料加入至短切碳纤维-环氧树脂复合材料中有望大幅提升材料的力学和摩擦磨损性能。本文采用尼龙6改性短切碳纤维-环氧树脂复合材料，基于树脂基体优选方法制备了一种力学性能优异、耐高温且具有低摩擦系数和低磨损速率的高性能复合材料。试验研究了添加尼龙6对复合材料的热、力学及摩擦磨损性能的影响，结合微观形貌与结构分析，揭示了尼龙6对复合材料性能提升机制。研究发现，添加7.5wt%尼龙6后，复合材料的拉伸断裂韧性提升了199%，断裂破坏模式由脆性断裂转变为韧性断裂，拉伸断口形貌由“平原状”转变为“沟壑状”，玻璃化转变温度提升了15.2℃。添加10wt%尼龙6可以显著降低复合材料的摩擦系数(~80%)、磨损速率(~53%)、划痕宽度(~22%)、线粗糙度(~15%)，耐磨损性能提升机制归因于尼龙6可在摩擦表面协助形成一层均匀致密的润滑隔离膜，使磨损类型由严重的疲劳磨损变为轻微的粘着磨损或磨粒磨损。
2023, 40(9): 5026-5034.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221111.001
摘要:
随着环氧树脂基碳纤维复合材料的广泛应用，其废旧产品的回收成为低碳发展的重要问题。采用GC-MS、FTIR、XPS、SEM等表征方法研究了含酯键的环氧树脂基碳纤维复合材料的树脂降解机制及降解过程对回收碳纤维结构和性能的影响。研究结果表明：在苯甲醇用量120 mL、质量比W(NaOH)∶W(ZnCl2)=1∶1和降解温度190℃的前提下，最佳降解时间为1 h，较优的降解配方为NaOH和树脂均为1 g。降解得到的产物静置分层，上层清液的苯甲醇含量达99%；环氧树脂的降解机制为苯甲醇在碱性环境下电离生成苄氧基，苄氧基进攻环氧树脂中的酯键，发生酯交换反应，使酯键断裂实现降解，生成苯甲醇酯及醇阴离子，苯甲醇酯在碱性环境下发生皂化反应重新生成苯甲醇，酯交换反应和皂化反应重复进行，直至最终降解完成；回收碳纤维与原始碳纤维的表面O/C、表面光洁程度均在一个水平，回收碳纤维的强度保留率达97%。
随着环氧树脂基碳纤维复合材料的广泛应用，其废旧产品的回收成为低碳发展的重要问题。采用GC-MS、FTIR、XPS、SEM等表征方法研究了含酯键的环氧树脂基碳纤维复合材料的树脂降解机制及降解过程对回收碳纤维结构和性能的影响。研究结果表明：在苯甲醇用量120 mL、质量比W(NaOH)∶W(ZnCl2)=1∶1和降解温度190℃的前提下，最佳降解时间为1 h，较优的降解配方为NaOH和树脂均为1 g。降解得到的产物静置分层，上层清液的苯甲醇含量达99%；环氧树脂的降解机制为苯甲醇在碱性环境下电离生成苄氧基，苄氧基进攻环氧树脂中的酯键，发生酯交换反应，使酯键断裂实现降解，生成苯甲醇酯及醇阴离子，苯甲醇酯在碱性环境下发生皂化反应重新生成苯甲醇，酯交换反应和皂化反应重复进行，直至最终降解完成；回收碳纤维与原始碳纤维的表面O/C、表面光洁程度均在一个水平，回收碳纤维的强度保留率达97%。
2023, 40(9): 5035-5045.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221117.001
摘要:
具有非线性电导特性的电介质被广泛应用于解决许多领域的高能放电问题(如航天器充电和电机绝缘)。本文通过在含有SiC和蒙脱土(MMT)微纳米复合体系中继续添加零维或一维纳米材料来进一步优化复合材料的非线性电导特性及其他电学性能。通过X射线衍射仪对MMT有机化改性前后的层间距进行了表征；通过扫描电子显微镜对复合材料内部各填料的分散情况以及界面状态进行了表征；通过对复合材料进行电导、击穿和介电频谱测试来研究纳米填料的维度对电学性能的影响规律。实验结果表明，在MMT-SiC/EP复合体系中添加一维四针状氧化锌(T-ZnOw)比零维颗粒状ZnO，可以更加有效增加体系中界面重合率，更加容易在复合材料内部构成良好的载流通路，能够在有效降低复合材料的阈值场强，提高复合材料的电导率和非线性系数，使得复合材料具备优越非线性电导特性的同时，不仅可以保证击穿场强不会太低，还可以降低复合材料的相对介电常数和介质损耗角正切值。
具有非线性电导特性的电介质被广泛应用于解决许多领域的高能放电问题(如航天器充电和电机绝缘)。本文通过在含有SiC和蒙脱土(MMT)微纳米复合体系中继续添加零维或一维纳米材料来进一步优化复合材料的非线性电导特性及其他电学性能。通过X射线衍射仪对MMT有机化改性前后的层间距进行了表征；通过扫描电子显微镜对复合材料内部各填料的分散情况以及界面状态进行了表征；通过对复合材料进行电导、击穿和介电频谱测试来研究纳米填料的维度对电学性能的影响规律。实验结果表明，在MMT-SiC/EP复合体系中添加一维四针状氧化锌(T-ZnOw)比零维颗粒状ZnO，可以更加有效增加体系中界面重合率，更加容易在复合材料内部构成良好的载流通路，能够在有效降低复合材料的阈值场强，提高复合材料的电导率和非线性系数，使得复合材料具备优越非线性电导特性的同时，不仅可以保证击穿场强不会太低，还可以降低复合材料的相对介电常数和介质损耗角正切值。
2023, 40(9): 5046-5056.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221213.004
摘要:
为了获得具有良好分散性、填充性和阻隔性的纳米材料，同时将其作为填料以提升环氧树脂涂层对水泥砂浆试件的防护能力，本文制备了纳米聚多巴胺六方氮化硼–二氧化硅(PDABN-fSiO2)/环氧树脂涂层，涂覆于水泥砂浆试件表面，研究涂层对试件的防护效果。首先，利用盐酸多巴胺(DA)自聚合形成的聚多巴胺(PDA)与偶联剂(KH550)，分别修饰纳米六方氮化硼(hBN)与纳米二氧化硅(SiO2)，获得纳米聚多巴胺六方氮化硼(PDABN)与功能化的SiO2(fSiO2)；其次，经聚合以制备纳米PDABN-fSiO2；最后，将其作为填料改性环氧树脂，并涂覆于水泥砂浆表面。通过FTIR、SEM-EDS和XPS等微观表征，观察并研究了纳米材料的微观特征；开展了碳化试验和涂层透气性试验，分析了纳米PDABN-fSiO2对环氧树脂涂层的改性效果。结果表明：制备的纳米PDABN-fSiO2具有“片层+颗粒”特殊结构，且在涂层中具有良好的分散性，可有效减缓其涂层中CO2的渗透；同无填料涂层相比，涂覆有纳米PDABN-fSiO2/环氧树脂涂层的水泥砂浆试件，在碳化7天、14天和28天时的碳化深度分别下降了68.7%、72.9%和64.8%，其涂层在48 h的透气性降低了34.7%。因此，纳米PDABN-fSiO2掺入环氧树脂涂层后，明显地提高了涂层水泥砂浆试件的抗碳化能力，并降低了环氧树脂涂层的透气性。
为了获得具有良好分散性、填充性和阻隔性的纳米材料，同时将其作为填料以提升环氧树脂涂层对水泥砂浆试件的防护能力，本文制备了纳米聚多巴胺六方氮化硼–二氧化硅(PDABN-fSiO2)/环氧树脂涂层，涂覆于水泥砂浆试件表面，研究涂层对试件的防护效果。首先，利用盐酸多巴胺(DA)自聚合形成的聚多巴胺(PDA)与偶联剂(KH550)，分别修饰纳米六方氮化硼(hBN)与纳米二氧化硅(SiO2)，获得纳米聚多巴胺六方氮化硼(PDABN)与功能化的SiO2(fSiO2)；其次，经聚合以制备纳米PDABN-fSiO2；最后，将其作为填料改性环氧树脂，并涂覆于水泥砂浆表面。通过FTIR、SEM-EDS和XPS等微观表征，观察并研究了纳米材料的微观特征；开展了碳化试验和涂层透气性试验，分析了纳米PDABN-fSiO2对环氧树脂涂层的改性效果。结果表明：制备的纳米PDABN-fSiO2具有“片层+颗粒”特殊结构，且在涂层中具有良好的分散性，可有效减缓其涂层中CO2的渗透；同无填料涂层相比，涂覆有纳米PDABN-fSiO2/环氧树脂涂层的水泥砂浆试件，在碳化7天、14天和28天时的碳化深度分别下降了68.7%、72.9%和64.8%，其涂层在48 h的透气性降低了34.7%。因此，纳米PDABN-fSiO2掺入环氧树脂涂层后，明显地提高了涂层水泥砂浆试件的抗碳化能力，并降低了环氧树脂涂层的透气性。
2023, 40(9): 5057-5069.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221129.003
摘要:
钢桥面铺装层由于防水粘结层失效导致其使用寿命远远低于桥梁结构的使用年限。为了延长钢桥面铺装层的使用寿命，改善层间粘结状况，制备了一种耐久型聚合物防水粘结层。利用自由基溶液聚合法合成了一系列含氟量不同的聚丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸十二氟庚酯-甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯嵌段共聚物，将上述共聚物与双酚A型环氧树脂E-51物理共混得到5种自分层防水涂料，再将其涂覆于钢桥面板表面静置干燥即可得到防水粘结层。通过傅里叶变换红外光谱、静态接触角测试、扫描电子显微镜研究了涂料在固化阶段的自分层行为，利用表面能理论对自分层行为进行了理论验证。最后研究了不同含氟量粘结层的高低温性能、力学性能、不透水性能、粘结强度及紫外老化耐久性。结果表明：当含氟量为20wt%时，其拉伸强度与断裂伸长率达到最大值，分别可达到7.04 MPa，128.9%；同时表现出最佳的粘结强度与紫外老化耐久性，综合性能达到最优。
钢桥面铺装层由于防水粘结层失效导致其使用寿命远远低于桥梁结构的使用年限。为了延长钢桥面铺装层的使用寿命，改善层间粘结状况，制备了一种耐久型聚合物防水粘结层。利用自由基溶液聚合法合成了一系列含氟量不同的聚丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸十二氟庚酯-甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯嵌段共聚物，将上述共聚物与双酚A型环氧树脂E-51物理共混得到5种自分层防水涂料，再将其涂覆于钢桥面板表面静置干燥即可得到防水粘结层。通过傅里叶变换红外光谱、静态接触角测试、扫描电子显微镜研究了涂料在固化阶段的自分层行为，利用表面能理论对自分层行为进行了理论验证。最后研究了不同含氟量粘结层的高低温性能、力学性能、不透水性能、粘结强度及紫外老化耐久性。结果表明：当含氟量为20wt%时，其拉伸强度与断裂伸长率达到最大值，分别可达到7.04 MPa，128.9%；同时表现出最佳的粘结强度与紫外老化耐久性，综合性能达到最优。
2023, 40(9): 5070-5084.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221215.002
摘要:
以高热性能热塑性树脂—聚醚酮酮(PEKK)为基体与连续碳纤维(CCF)进行原位浸渍3D打印，制备连续碳纤维/聚醚酮酮复合材料(CCF/PEKK)，并系统研究了3D打印工艺参数中分层厚度、流量比、打印温度及成型方向对复合材料内部结构、基体结晶、表面质量及力学性能等方面的影响。通过扫描电子显微镜观察3D打印CCF/PEKK的微观结构，采用X射线衍射分析复合材料中基体的结晶性能，使用超景深显微镜观察分析3D打印CCF/PEKK的表面形貌，同时对复合材料进行弯曲性能和层间剪切性能测试。结果显示：当分层厚度为0.2 mm、流量比为85%、打印温度为395℃，并使用水平成型方向时，3D打印CCF/PEKK复合材料的综合性能最优，其中弯曲强度达302.0 MPa，层间剪切强度达24.1 MPa。CCF/PEKK的弯曲强度较3D打印纯PEKK提升194%，层间剪切强度较工艺调控前提升113%。表明在未使用任何附加优化手段的情况下，3D打印CCF/PEKK具备制造复杂结构工程零部件的潜力。
以高热性能热塑性树脂—聚醚酮酮(PEKK)为基体与连续碳纤维(CCF)进行原位浸渍3D打印，制备连续碳纤维/聚醚酮酮复合材料(CCF/PEKK)，并系统研究了3D打印工艺参数中分层厚度、流量比、打印温度及成型方向对复合材料内部结构、基体结晶、表面质量及力学性能等方面的影响。通过扫描电子显微镜观察3D打印CCF/PEKK的微观结构，采用X射线衍射分析复合材料中基体的结晶性能，使用超景深显微镜观察分析3D打印CCF/PEKK的表面形貌，同时对复合材料进行弯曲性能和层间剪切性能测试。结果显示：当分层厚度为0.2 mm、流量比为85%、打印温度为395℃，并使用水平成型方向时，3D打印CCF/PEKK复合材料的综合性能最优，其中弯曲强度达302.0 MPa，层间剪切强度达24.1 MPa。CCF/PEKK的弯曲强度较3D打印纯PEKK提升194%，层间剪切强度较工艺调控前提升113%。表明在未使用任何附加优化手段的情况下，3D打印CCF/PEKK具备制造复杂结构工程零部件的潜力。
2023, 40(9): 5085-5094.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221128.002
摘要:
利用功能助剂与普通碳钢钢渣进行混合，在超细立磨的作用下形成功能材料(简称盾粉)，将盾粉替代阻燃填料氢氧化铝制备盾粉/橡胶阻燃复合材料。测试其硫化性能、力学性能与燃烧性能，研究分析盾粉/橡胶阻燃复合材料燃烧过程中气、固相残余物，以揭示盾粉在橡胶体系中的阻燃机制。研究结果表明：以钢渣为原料制备的盾粉，一方面可以促进橡胶体系的硫化过程，缩短硫化时间，提高硫化速率指数；另一方面可以替代氢氧化铝作为橡胶体系的阻燃填料且对力学性能影响极小。盾粉/橡胶阻燃复合材料在燃烧过程中，盾粉所含Al2O3、MgO、SiO2、Fe2O3等形成物质间形成了具有协同增效作用的阻燃-消烟体系。盾粉/橡胶阻燃复合材料炭渣的主要矿物组成与盾粉替代氢氧化铝比例密切相关，即炭渣矿物成分以ZnS、FeS2为主，随着替代比例的增加，矿物成分新增SiO2与MnP。
利用功能助剂与普通碳钢钢渣进行混合，在超细立磨的作用下形成功能材料(简称盾粉)，将盾粉替代阻燃填料氢氧化铝制备盾粉/橡胶阻燃复合材料。测试其硫化性能、力学性能与燃烧性能，研究分析盾粉/橡胶阻燃复合材料燃烧过程中气、固相残余物，以揭示盾粉在橡胶体系中的阻燃机制。研究结果表明：以钢渣为原料制备的盾粉，一方面可以促进橡胶体系的硫化过程，缩短硫化时间，提高硫化速率指数；另一方面可以替代氢氧化铝作为橡胶体系的阻燃填料且对力学性能影响极小。盾粉/橡胶阻燃复合材料在燃烧过程中，盾粉所含Al2O3、MgO、SiO2、Fe2O3等形成物质间形成了具有协同增效作用的阻燃-消烟体系。盾粉/橡胶阻燃复合材料炭渣的主要矿物组成与盾粉替代氢氧化铝比例密切相关，即炭渣矿物成分以ZnS、FeS2为主，随着替代比例的增加，矿物成分新增SiO2与MnP。
2023, 40(9): 5095-5106.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221201.001
摘要:
将具有独特掺杂结构的聚吡咯(PPy)与丰富多孔结构的石墨烯(GE)气凝胶复合，可实现两种材料优势互补。通过一步水热法制备了曲利苯蓝(TB)掺杂GE/PPy复合气凝胶，采用SEM、FTIR、XRD、Raman和XPS对复合材料的形貌、化学结构、掺杂结构进行表征。结果表明，TB掺杂PPy/GE复合气凝胶呈现出三维多孔网络结构，复合气凝胶中氧化石墨烯(GO)被还原的同时，导电PPy被成功聚合，TB的引入有利于复合气凝胶掺杂水平的提高。电化学测试分析表明， TB掺杂浓度达到5 mmol·L−1时，复合气凝胶(TB-5/PPy-GO)可获得最高比电容(392 F·g−1)，10000次充/放电循环后，比电容保持率可达85%；将TB-5/PPy-GO、活性炭分别作为正、负极组装为非对称超级电容器，其在功率密度为400 W·kg−1时，能量密度高达35.89 W·h·kg−1，表现出良好的超电容特性。
将具有独特掺杂结构的聚吡咯(PPy)与丰富多孔结构的石墨烯(GE)气凝胶复合，可实现两种材料优势互补。通过一步水热法制备了曲利苯蓝(TB)掺杂GE/PPy复合气凝胶，采用SEM、FTIR、XRD、Raman和XPS对复合材料的形貌、化学结构、掺杂结构进行表征。结果表明，TB掺杂PPy/GE复合气凝胶呈现出三维多孔网络结构，复合气凝胶中氧化石墨烯(GO)被还原的同时，导电PPy被成功聚合，TB的引入有利于复合气凝胶掺杂水平的提高。电化学测试分析表明， TB掺杂浓度达到5 mmol·L−1时，复合气凝胶(TB-5/PPy-GO)可获得最高比电容(392 F·g−1)，10000次充/放电循环后，比电容保持率可达85%；将TB-5/PPy-GO、活性炭分别作为正、负极组装为非对称超级电容器，其在功率密度为400 W·kg−1时，能量密度高达35.89 W·h·kg−1，表现出良好的超电容特性。
2023, 40(9): 5107-5123.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221124.002
摘要:
锂离子筛的成型技术对于其在卤水中的工业化生产应用具有重要意义。以聚氯乙烯(PVC)为成膜材料，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚乙烯吡咯烷酮(PVPk30)为改性剂，制备了负载Li1.6Mn1.6O4的PVC锂离子筛前驱体膜，研究了膜经稀盐酸抽锂后得到的PVC锂离子筛膜对锂的吸附性能及循环吸附解吸性能等，并对离子筛膜进行了吸附动力学及吸附等温模型分析。结果表明：PVC浓度为10wt%，PMMA的添加量为6wt%，PVPk30的添加量为2wt%，Li1.6Mn1.6O4含量为20wt%联用时，制得的离子筛膜吸附量为1336.30 mg/m2。经0.1 mol·L−1 HCl溶液解吸，约2 h时解吸达到平衡，锰的溶损率为0.56%左右。在卤水中进行了10次循环吸附解吸过程，吸附量降至1294.16 mg/m2，吸附量仅损失了3%。在含有多种复杂离子如Na+、K+、Mg2+和Ca2+的卤水中，锂离子筛膜对Li+有很高的选择性。说明该PVC锂离子筛膜结构稳定，循环利用性能优异，有利于其工业化应用。PVC锂离子筛膜的吸附过程更符合伪二级动力学方程及Langmuir吸附等温模型，说明该吸附过程的吸附类型为单分子层化学吸附。膜状的离子筛对于从盐湖卤水等液态锂资源中提取锂具有很大的开发潜力。
锂离子筛的成型技术对于其在卤水中的工业化生产应用具有重要意义。以聚氯乙烯(PVC)为成膜材料，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚乙烯吡咯烷酮(PVPk30)为改性剂，制备了负载Li1.6Mn1.6O4的PVC锂离子筛前驱体膜，研究了膜经稀盐酸抽锂后得到的PVC锂离子筛膜对锂的吸附性能及循环吸附解吸性能等，并对离子筛膜进行了吸附动力学及吸附等温模型分析。结果表明：PVC浓度为10wt%，PMMA的添加量为6wt%，PVPk30的添加量为2wt%，Li1.6Mn1.6O4含量为20wt%联用时，制得的离子筛膜吸附量为1336.30 mg/m2。经0.1 mol·L−1 HCl溶液解吸，约2 h时解吸达到平衡，锰的溶损率为0.56%左右。在卤水中进行了10次循环吸附解吸过程，吸附量降至1294.16 mg/m2，吸附量仅损失了3%。在含有多种复杂离子如Na+、K+、Mg2+和Ca2+的卤水中，锂离子筛膜对Li+有很高的选择性。说明该PVC锂离子筛膜结构稳定，循环利用性能优异，有利于其工业化应用。PVC锂离子筛膜的吸附过程更符合伪二级动力学方程及Langmuir吸附等温模型，说明该吸附过程的吸附类型为单分子层化学吸附。膜状的离子筛对于从盐湖卤水等液态锂资源中提取锂具有很大的开发潜力。
2023, 40(9): 5124-5133.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221201.002
摘要:
工业含油废水的大量产生和漏油事故的频发，促使高效处理含油废水成为全球性问题。通过浸渍法将聚多巴胺(Polydopamine，PDA)和埃洛石纳米管(Halloysite nanotubes，HNTs)原位沉积在不锈钢网上，制备了超亲水/水下超疏油滤网(PDA-HNTs/SSM)并用于油水分离。利用SEM、EDS、FTIR、XRD、XPS和接触角仪表征了改性不锈钢网的表面形貌、化学组成和润湿性。结果表明，通过调整PDA与HNTs的浸渍周期可控制材料的润湿性和表面微/纳复合结构，10个浸渍周期得到的PDA-HNTs/SSM的超亲水性/水下超疏油性能最优，水下二氯甲烷接触角大于157°，滑动角小于5°。分别采用二甲苯、环己烷、正己烷、石油醚和二氯甲烷进行油水分离测试，PDA-HNTs/SSM的分离效率均大于99%，经50次循环使用后其分离效率在95.5%以上，且在浓度为1 mol/L的HCl、NaOH和NaCl溶液中静置7天或经砂纸摩擦10 m后，仍保持稳定的水下超疏油性和良好的油水分离能力。
工业含油废水的大量产生和漏油事故的频发，促使高效处理含油废水成为全球性问题。通过浸渍法将聚多巴胺(Polydopamine，PDA)和埃洛石纳米管(Halloysite nanotubes，HNTs)原位沉积在不锈钢网上，制备了超亲水/水下超疏油滤网(PDA-HNTs/SSM)并用于油水分离。利用SEM、EDS、FTIR、XRD、XPS和接触角仪表征了改性不锈钢网的表面形貌、化学组成和润湿性。结果表明，通过调整PDA与HNTs的浸渍周期可控制材料的润湿性和表面微/纳复合结构，10个浸渍周期得到的PDA-HNTs/SSM的超亲水性/水下超疏油性能最优，水下二氯甲烷接触角大于157°，滑动角小于5°。分别采用二甲苯、环己烷、正己烷、石油醚和二氯甲烷进行油水分离测试，PDA-HNTs/SSM的分离效率均大于99%，经50次循环使用后其分离效率在95.5%以上，且在浓度为1 mol/L的HCl、NaOH和NaCl溶液中静置7天或经砂纸摩擦10 m后，仍保持稳定的水下超疏油性和良好的油水分离能力。
2023, 40(9): 5134-5144.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221209.002
摘要:
采用一步水热法使固溶体BiOClxI1−x静电自组装在N掺杂的氮化碳(N-C3N4)表面，制备了N-C3N4/BiOClxI1−x S型异质结。通过XRD、XPS、SEM、TEM、FTIR、UV-Vis等技术对样品的晶型、形貌、结构、元素组成、表面官能团、光学性质等进行了表征，并考察了N-C3N4/BiOClxI1−x光催化氧化有机污染物与还原Cr(VI)的活性。结果表明，N-C3N4/BiOClxI1−x具有强的光吸收，在N-C3N4与BiOClxI1−x界面处形成的内电场抑制了电子-空穴对的复合。在可见光照射下，20%N-BiOCl0.5I0.5呈现出优异的光催化活性，2.5 h内苯酚的降解率达到98.53%；1 h内Cr(VI)的还原率达到99.11%。20%N-BiOCl0.5I0.5在5次循环后表现出良好的稳定性。3 h内20%N-BiOCl0.5I0.5可见光降解苯酚的总有机碳(TOC)去除率为80.21%。结合捕获实验、ESR、DFT计算等表明，N-C3N4/BiOClxI1−x活性归因于S型异质结的形成、N-C3N4和BiOClxI1−x之间的内部电场及能带弯曲和库仑力的存在，加速了光生载流子的空间分离和有序电子流。
采用一步水热法使固溶体BiOClxI1−x静电自组装在N掺杂的氮化碳(N-C3N4)表面，制备了N-C3N4/BiOClxI1−x S型异质结。通过XRD、XPS、SEM、TEM、FTIR、UV-Vis等技术对样品的晶型、形貌、结构、元素组成、表面官能团、光学性质等进行了表征，并考察了N-C3N4/BiOClxI1−x光催化氧化有机污染物与还原Cr(VI)的活性。结果表明，N-C3N4/BiOClxI1−x具有强的光吸收，在N-C3N4与BiOClxI1−x界面处形成的内电场抑制了电子-空穴对的复合。在可见光照射下，20%N-BiOCl0.5I0.5呈现出优异的光催化活性，2.5 h内苯酚的降解率达到98.53%；1 h内Cr(VI)的还原率达到99.11%。20%N-BiOCl0.5I0.5在5次循环后表现出良好的稳定性。3 h内20%N-BiOCl0.5I0.5可见光降解苯酚的总有机碳(TOC)去除率为80.21%。结合捕获实验、ESR、DFT计算等表明，N-C3N4/BiOClxI1−x活性归因于S型异质结的形成、N-C3N4和BiOClxI1−x之间的内部电场及能带弯曲和库仑力的存在，加速了光生载流子的空间分离和有序电子流。
2023, 40(9): 5145-5157.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230109.002
摘要:
探索具有优异性能的电磁波吸收材料是解决电磁污染的主要手段。然而，如何同时满足材料的高性能和实际应用要求仍然是一个挑战。本文采用溶胶凝胶法、塑炼、混炼及硫化等工艺制备了具有优异力学性能和吸波性能的导电炭黑(CCB)@纳米Fe3O4/天然橡胶(NR)吸波胶片，并通过调节CCB@Fe3O4的添加量来调控胶片的力学和吸波性能。CCB@Fe3O4复合材料的引入极大地改善了胶片的界面损耗和极化损耗，其中CCB可以在提高材料的介电常数和电导率的同时增强力学性能。当CCB@Fe3O4添加量为29wt%时，胶片达到−40.5 dB的最小反射损耗(RL)，有效吸收带宽(EAB)为2.4 GHz，厚度为5.0 mm，并展现出最佳的抗拉强度、硬度和磨耗性能。材料优异的吸波性能来源于电-磁损耗协同效应引起的阻抗匹配、强电磁波衰减和高传导损耗。本工作为天然橡胶基吸波胶片的结构设计和实际应用提供了新的思路。
探索具有优异性能的电磁波吸收材料是解决电磁污染的主要手段。然而，如何同时满足材料的高性能和实际应用要求仍然是一个挑战。本文采用溶胶凝胶法、塑炼、混炼及硫化等工艺制备了具有优异力学性能和吸波性能的导电炭黑(CCB)@纳米Fe3O4/天然橡胶(NR)吸波胶片，并通过调节CCB@Fe3O4的添加量来调控胶片的力学和吸波性能。CCB@Fe3O4复合材料的引入极大地改善了胶片的界面损耗和极化损耗，其中CCB可以在提高材料的介电常数和电导率的同时增强力学性能。当CCB@Fe3O4添加量为29wt%时，胶片达到−40.5 dB的最小反射损耗(RL)，有效吸收带宽(EAB)为2.4 GHz，厚度为5.0 mm，并展现出最佳的抗拉强度、硬度和磨耗性能。材料优异的吸波性能来源于电-磁损耗协同效应引起的阻抗匹配、强电磁波衰减和高传导损耗。本工作为天然橡胶基吸波胶片的结构设计和实际应用提供了新的思路。
2023, 40(9): 5158-5169.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221128.001
摘要:
基于半导体光催化还原的人工光合成技术可在室温常压下将CO2转化为碳基燃料，被认为是同时缓解能源短缺和环境危机的理想策略，但因已有光催化剂对太阳光利用不足、光生电荷复合快，致使CO2光还原能量转换效率仍较低。采用水热法并结合表面浸渍过程首次制备出无定型CoOx/WO3-x复合光催化剂，通过XRD、TEM、XPS、EPR和紫外-可见-近红外吸收光谱等测试技术对催化剂的晶相组成、微观形貌、光吸收特性与氧空位缺陷进行系统表征。CO2光还原实验结果表明可见-近红外光照射3 h后，WO3-x为催化剂仅可检测到3.2 μmol·g−1的CH4，复合CoOx可显著提升WO3-x的CO2光催化还原性能，相同条件下最优催化剂2.5wt%CoOx/WO3-x的CO与CH4产生量分别可达78.2和19.7 μmol·g−1。引入氧空位可在WO3-x的能带结构中形成一新的中间能级，增强近红外光吸收并使催化剂表面产生局部温升；复合CoOx可在调控WO3-x导带电势的同时，增强光生电荷的分离与迁移，光热效应和CoOx助催化剂的协同作用是CO2光催化转化性能增强的主要原因。此外，复合光催化剂CoOx/WO3-x具有优异的长期催化与结构稳定性。
基于半导体光催化还原的人工光合成技术可在室温常压下将CO2转化为碳基燃料，被认为是同时缓解能源短缺和环境危机的理想策略，但因已有光催化剂对太阳光利用不足、光生电荷复合快，致使CO2光还原能量转换效率仍较低。采用水热法并结合表面浸渍过程首次制备出无定型CoOx/WO3-x复合光催化剂，通过XRD、TEM、XPS、EPR和紫外-可见-近红外吸收光谱等测试技术对催化剂的晶相组成、微观形貌、光吸收特性与氧空位缺陷进行系统表征。CO2光还原实验结果表明可见-近红外光照射3 h后，WO3-x为催化剂仅可检测到3.2 μmol·g−1的CH4，复合CoOx可显著提升WO3-x的CO2光催化还原性能，相同条件下最优催化剂2.5wt%CoOx/WO3-x的CO与CH4产生量分别可达78.2和19.7 μmol·g−1。引入氧空位可在WO3-x的能带结构中形成一新的中间能级，增强近红外光吸收并使催化剂表面产生局部温升；复合CoOx可在调控WO3-x导带电势的同时，增强光生电荷的分离与迁移，光热效应和CoOx助催化剂的协同作用是CO2光催化转化性能增强的主要原因。此外，复合光催化剂CoOx/WO3-x具有优异的长期催化与结构稳定性。
2023, 40(9): 5170-5180.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221109.003
摘要:
为了提高热塑性聚氨酯弹性体(TPU)的阻燃抑烟性能，以废弃鸡蛋壳(CES)为原料，采用沸石咪唑酯骨架材料-8 (ZIF-8)对其改性，合成了ZIF-8-CES杂化物。与纯TPU相比，当TPU中添加20wt%膨胀型阻燃剂(IFR)和5wt%ZIF-8-CES时，TPU复合材料的热释放速率峰值(pHRR)和烟释放速率峰值(pSPR)分别降低到242 kW·m−2和0.151 m2·s−1，极限氧指数(LOI)值到达31.5%，垂直燃烧(UL-94)达到了V-0级，ZIF-8-CES与IFR在TPU中具有较好的协效阻燃效果。这主要是由于ZIF-8-CES与IFR在高温下生成氧化锌、磷酸钙和亚磷酸钙，起到催化成炭和增强炭层的作用，从而提高了TPU复合材料的阻燃、抑烟性能。
为了提高热塑性聚氨酯弹性体(TPU)的阻燃抑烟性能，以废弃鸡蛋壳(CES)为原料，采用沸石咪唑酯骨架材料-8 (ZIF-8)对其改性，合成了ZIF-8-CES杂化物。与纯TPU相比，当TPU中添加20wt%膨胀型阻燃剂(IFR)和5wt%ZIF-8-CES时，TPU复合材料的热释放速率峰值(pHRR)和烟释放速率峰值(pSPR)分别降低到242 kW·m−2和0.151 m2·s−1，极限氧指数(LOI)值到达31.5%，垂直燃烧(UL-94)达到了V-0级，ZIF-8-CES与IFR在TPU中具有较好的协效阻燃效果。这主要是由于ZIF-8-CES与IFR在高温下生成氧化锌、磷酸钙和亚磷酸钙，起到催化成炭和增强炭层的作用，从而提高了TPU复合材料的阻燃、抑烟性能。
2023, 40(9): 5181-5188.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230112.005
摘要:
为了研究碳纳米管(CNT)对丁腈橡胶(NBR) O型密封圈的力学及热稳定性能补强机制，利用机械共混法和热压成型法制备了1%CNT/NBR (CNT质量比)和2%CNT/NBR复合材料的O型密封圈，在表征CNT/NBR复合材料的截面SEM、EDS和FTIR基础上，测试了CNT/NBR复合材料O型密封圈的力学性能、热稳定性能和老化性能。研究结果表明，随着CNT含量的增加，CNT/NBR复合材质O型密封圈的弹性模量增大，刚性增强。1%CNT/NBR材质O型密封圈由于C—O键的形成，使其拉伸强度达到12.6 MPa。CNT在NBR基体中含量的增加可以提高CNT/NBR复合材质O型密封圈的热稳定性，2%CNT/NBR的相转变温度达到297℃。1%CNT/NBR复合材料具有优异的抗老化特性归因于CNT使NBR基体产生C≡N三键官能团。高性能CNT/NBR复合材料O型密封圈在航空密封件领域有一定的应用价值。
为了研究碳纳米管(CNT)对丁腈橡胶(NBR) O型密封圈的力学及热稳定性能补强机制，利用机械共混法和热压成型法制备了1%CNT/NBR (CNT质量比)和2%CNT/NBR复合材料的O型密封圈，在表征CNT/NBR复合材料的截面SEM、EDS和FTIR基础上，测试了CNT/NBR复合材料O型密封圈的力学性能、热稳定性能和老化性能。研究结果表明，随着CNT含量的增加，CNT/NBR复合材质O型密封圈的弹性模量增大，刚性增强。1%CNT/NBR材质O型密封圈由于C—O键的形成，使其拉伸强度达到12.6 MPa。CNT在NBR基体中含量的增加可以提高CNT/NBR复合材质O型密封圈的热稳定性，2%CNT/NBR的相转变温度达到297℃。1%CNT/NBR复合材料具有优异的抗老化特性归因于CNT使NBR基体产生C≡N三键官能团。高性能CNT/NBR复合材料O型密封圈在航空密封件领域有一定的应用价值。
2023, 40(9): 5189-5200.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221117.002
摘要:
以自制高导热中间相沥青基碳纤维(CFMP)为研究对象，采用M55J聚丙烯腈基碳纤维作为对照组，研究了CFMP在不同氧化温度和时间下的氧化行为。结果表明：CFMP表现出“外层褶皱辐射+内层洋葱皮”状结构特征，石墨微晶发育程度好，取向度高，发生氧化时氧气分子优先沿着CFMP褶皱辐射状炭织构之间的微裂纹或微孔扩散和反应，形成具有径向裂纹和局部凹坑的氧化特征。在低温氧化阶段，纤维的氧化行为受碳-氧化学反应控制，CFMP石墨微晶的活性位浓度低，所以起始反应温度比M55J高，氧化失重率比M55J低；在高温氧化阶段，纤维的氧化行为受扩散控制，CFMP内部的氧扩散路径多，所以氧化失重率比M55J高；同时氧化造成了CFMP微观缺陷尺寸更大、数量更多，氧化后纤维强度保留率仅为78%，低于M55J的85%。本文为高导热C/C复合材料的结构设计和实际服役提供一定的技术和理论参考。
以自制高导热中间相沥青基碳纤维(CFMP)为研究对象，采用M55J聚丙烯腈基碳纤维作为对照组，研究了CFMP在不同氧化温度和时间下的氧化行为。结果表明：CFMP表现出“外层褶皱辐射+内层洋葱皮”状结构特征，石墨微晶发育程度好，取向度高，发生氧化时氧气分子优先沿着CFMP褶皱辐射状炭织构之间的微裂纹或微孔扩散和反应，形成具有径向裂纹和局部凹坑的氧化特征。在低温氧化阶段，纤维的氧化行为受碳-氧化学反应控制，CFMP石墨微晶的活性位浓度低，所以起始反应温度比M55J高，氧化失重率比M55J低；在高温氧化阶段，纤维的氧化行为受扩散控制，CFMP内部的氧扩散路径多，所以氧化失重率比M55J高；同时氧化造成了CFMP微观缺陷尺寸更大、数量更多，氧化后纤维强度保留率仅为78%，低于M55J的85%。本文为高导热C/C复合材料的结构设计和实际服役提供一定的技术和理论参考。
2023, 40(9): 5201-5211.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221129.001
摘要:
氧化石墨烯(GO)拥有较大的比表面积，化学结构式中存在大量的含氧基团，使其在水泥基材料中具有出色的亲水性能和分散性能，可有效改善水泥基材料微观结构、增强其力学性能。本文基于Dinger-Funk模型进行3D打印水泥基材料配合比设计，研究了不同掺量GO对3D打印水泥基材料性能的影响。结果表明：添加0.03wt%~0.05wt%GO后，加速了水泥水化进程，有利于3D打印水泥基材料各个方向力学性能的增强。与未掺入GO组别相比，掺入0.03wt%GO后，打印试块X方向、Y方向、Z方向的28天抗压强度分别增长12.07%、11.93%、17.42%，28天抗折强度分别增长30.61%、21.13%、13.70%。3D打印试件孔隙在层间界面相对集中，呈现不规则的形状，造成3D打印试块力学性能各向异性行为，3D打印试块抗压强度的各向异性不明显，而抗折强度的各向异性行为显著。
氧化石墨烯(GO)拥有较大的比表面积，化学结构式中存在大量的含氧基团，使其在水泥基材料中具有出色的亲水性能和分散性能，可有效改善水泥基材料微观结构、增强其力学性能。本文基于Dinger-Funk模型进行3D打印水泥基材料配合比设计，研究了不同掺量GO对3D打印水泥基材料性能的影响。结果表明：添加0.03wt%~0.05wt%GO后，加速了水泥水化进程，有利于3D打印水泥基材料各个方向力学性能的增强。与未掺入GO组别相比，掺入0.03wt%GO后，打印试块X方向、Y方向、Z方向的28天抗压强度分别增长12.07%、11.93%、17.42%，28天抗折强度分别增长30.61%、21.13%、13.70%。3D打印试件孔隙在层间界面相对集中，呈现不规则的形状，造成3D打印试块力学性能各向异性行为，3D打印试块抗压强度的各向异性不明显，而抗折强度的各向异性行为显著。
2023, 40(9): 5212-5224.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230103.004
摘要:
为研究纤维增强复合材料(FRP)网格-工程用水泥基复合材料(ECC)复合加固方式对钢筋混凝土梁的挠度影响，对10根钢筋混凝土梁进行抗弯性能试验，分析了各试验变量对FRP网格-ECC复合材料加固钢筋混凝土梁挠度的影响，并推导加固梁挠度计算模型。试验结果表明：FRP网格-ECC复合加固方式能显著提升试验梁极限承载力和抗弯刚度，其中加固梁极限承载力提升27.9%~67.4%、跨中挠度降低30.7%~43.7%，且发生延性特征明显的适筋破坏；FRP网格对加固梁抗弯性能影响较大，网格厚度与加固效果成正比；ECC加固层的厚度、配合比和界面处理方式对加固梁抗弯性能影响较小，其中磨砂处理对加固层界面粘结性能提高较好；基于规范推导了加固梁挠度计算模型，其计算值与试验值吻合较好，该模型为FRP网格-ECC复合材料加固梁挠度计算提供一定的参考。
为研究纤维增强复合材料(FRP)网格-工程用水泥基复合材料(ECC)复合加固方式对钢筋混凝土梁的挠度影响，对10根钢筋混凝土梁进行抗弯性能试验，分析了各试验变量对FRP网格-ECC复合材料加固钢筋混凝土梁挠度的影响，并推导加固梁挠度计算模型。试验结果表明：FRP网格-ECC复合加固方式能显著提升试验梁极限承载力和抗弯刚度，其中加固梁极限承载力提升27.9%~67.4%、跨中挠度降低30.7%~43.7%，且发生延性特征明显的适筋破坏；FRP网格对加固梁抗弯性能影响较大，网格厚度与加固效果成正比；ECC加固层的厚度、配合比和界面处理方式对加固梁抗弯性能影响较小，其中磨砂处理对加固层界面粘结性能提高较好；基于规范推导了加固梁挠度计算模型，其计算值与试验值吻合较好，该模型为FRP网格-ECC复合材料加固梁挠度计算提供一定的参考。
2023, 40(9): 5225-5240.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221223.001
摘要:
基于体积排阻效应，采用导电性能优异的碳纳米管(CNT)和微尺度二氧化钛(TiO2)通过静电自组装技术制得CNT/TiO2复合填料并将其与水泥基材料复合，有望发展具有优异自感知性能的水泥基复合材料。为此，对静电自组装CNT/TiO2水泥基复合材料的电学性能及加载幅值、加载速率和含水率等不同环境条件下的自感知性能进行了研究，并分析了静电自组装CNT/TiO2复合填料对水泥基复合材料电学性能和自感知性能的改善机制，最后对比了不同环境因素对自感知性能的影响规律。研究结果表明，当CNT的体积掺量为2.40vol%时，静电自组装CNT/TiO2水泥基复合材料的电阻率降低了99.8%。在循环压缩荷载作用下，静电自组装CNT/TiO2水泥基复合材料的最大电阻率变化率达到49.23%，应力灵敏度和应变灵敏度分别达到8.21%/MPa和812。当加载幅值、加载速率及含水率不同时，静电自组装CNT/TiO2水泥基复合材料均表现出优异的感知性能，其中灵敏度随着加载幅值和加载速率的增加分别降低和提高，但最大电阻率变化率、应力灵敏度和应变灵敏度均随着含水率降低而提高。50℃全烘干状态时，静电自组装CNT/TiO2水泥基复合材料的最大电阻率变化率、应力和应变灵敏度分别达到74.36%、12.39%/MPa和1350。不同环境因素对静电自组装CNT/TiO2水泥基复合材料自感知性能的影响大小顺序为：含水率、加载幅值和加载速率。
基于体积排阻效应，采用导电性能优异的碳纳米管(CNT)和微尺度二氧化钛(TiO2)通过静电自组装技术制得CNT/TiO2复合填料并将其与水泥基材料复合，有望发展具有优异自感知性能的水泥基复合材料。为此，对静电自组装CNT/TiO2水泥基复合材料的电学性能及加载幅值、加载速率和含水率等不同环境条件下的自感知性能进行了研究，并分析了静电自组装CNT/TiO2复合填料对水泥基复合材料电学性能和自感知性能的改善机制，最后对比了不同环境因素对自感知性能的影响规律。研究结果表明，当CNT的体积掺量为2.40vol%时，静电自组装CNT/TiO2水泥基复合材料的电阻率降低了99.8%。在循环压缩荷载作用下，静电自组装CNT/TiO2水泥基复合材料的最大电阻率变化率达到49.23%，应力灵敏度和应变灵敏度分别达到8.21%/MPa和812。当加载幅值、加载速率及含水率不同时，静电自组装CNT/TiO2水泥基复合材料均表现出优异的感知性能，其中灵敏度随着加载幅值和加载速率的增加分别降低和提高，但最大电阻率变化率、应力灵敏度和应变灵敏度均随着含水率降低而提高。50℃全烘干状态时，静电自组装CNT/TiO2水泥基复合材料的最大电阻率变化率、应力和应变灵敏度分别达到74.36%、12.39%/MPa和1350。不同环境因素对静电自组装CNT/TiO2水泥基复合材料自感知性能的影响大小顺序为：含水率、加载幅值和加载速率。
2023, 40(9): 5241-5257.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221226.005
摘要:
针对混凝土在冻融环境中耐久性差及传统改善方法引起的成本问题，提出利用城市生活垃圾焚烧尾渣作为轻骨料，制备能够提高抗冻性降低成本的次轻混凝土。以水胶比0.3，尾渣轻骨料掺量为25wt%、50wt%和75wt%的次轻混凝土为研究对象，模拟严寒地区冻融环境。利用剥落量、质量损失、强度损失、动弹性模量损失等宏观指标探究次轻混凝土冻融劣化规律，从次轻混凝土吸水饱和度、孔结构特征、骨-浆界面等方面揭示了冻融劣化机制，最后建立基于损伤力学理论的次轻混凝土损伤劣化模型。结果表明：冻融循环侵蚀对普通混凝土造成的耐久性损伤程度比次轻混凝土更严重，普通混凝土表面产生了更多的砂浆剥落。尾渣轻骨料的掺入能够显著改善混凝土的抗冻性能。在冻融循环侵蚀条件下掺入25wt%、50wt%和75wt%尾渣轻骨料的次轻混凝土耐久性能分别比普通混凝土至少提高了15.2%、30.3%和33.3%。次轻混凝土的内养护作用加强、有益孔的数量增加和骨-浆界面强度增大等改善了孔隙结构和界面特征，提高了冻融侵蚀耐久性能。基于损伤力学建立的次轻混凝土劣化模型的拟合度为0.97以上，能够较好地研究次轻混凝土冻融变化规律和损伤程度。
针对混凝土在冻融环境中耐久性差及传统改善方法引起的成本问题，提出利用城市生活垃圾焚烧尾渣作为轻骨料，制备能够提高抗冻性降低成本的次轻混凝土。以水胶比0.3，尾渣轻骨料掺量为25wt%、50wt%和75wt%的次轻混凝土为研究对象，模拟严寒地区冻融环境。利用剥落量、质量损失、强度损失、动弹性模量损失等宏观指标探究次轻混凝土冻融劣化规律，从次轻混凝土吸水饱和度、孔结构特征、骨-浆界面等方面揭示了冻融劣化机制，最后建立基于损伤力学理论的次轻混凝土损伤劣化模型。结果表明：冻融循环侵蚀对普通混凝土造成的耐久性损伤程度比次轻混凝土更严重，普通混凝土表面产生了更多的砂浆剥落。尾渣轻骨料的掺入能够显著改善混凝土的抗冻性能。在冻融循环侵蚀条件下掺入25wt%、50wt%和75wt%尾渣轻骨料的次轻混凝土耐久性能分别比普通混凝土至少提高了15.2%、30.3%和33.3%。次轻混凝土的内养护作用加强、有益孔的数量增加和骨-浆界面强度增大等改善了孔隙结构和界面特征，提高了冻融侵蚀耐久性能。基于损伤力学建立的次轻混凝土劣化模型的拟合度为0.97以上，能够较好地研究次轻混凝土冻融变化规律和损伤程度。
2023, 40(9): 5258-5275.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221208.001
摘要:
双碳节约型经济大背景下，亟待开发面向复杂服役环境下基础设施修补用高性能修补防护砂浆。本文结合正交试验手段，综合探讨钢纤维(SF)掺量、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)乳胶粉掺量、高贝利特硫酸盐水泥和普通硅酸盐水泥比例对相应复配而成的纤维聚合物修补防护砂浆(SCPRM)的工作性能、力学性能、界面粘结性能和防水/抗渗耐久性能的影响规律。最优配比SCPRM的流动扩展度、凝结时间、抗折强度(ft)、抗压强度(fc)、14天粘结强度(fb14 d)、90天干燥收缩率、3天吸水率、接触角和氯离子渗透系数分别达226.0 mm、41 min/63 min(初凝/终凝时间)、5.2/17.1 MPa(ft1 d/ft28 d)、16.7/73.2 MPa(fc1 d/fc28 d)、3.61 MPa(fb14 d)、16.44×10−5、0.16%、70.04°和0.9486×10−12 m2·s−1。相应宏/微观结构显示SF分散均匀、EVA聚合物膜在水化产物中交替分布；FTIR揭示了复合胶凝体系水化特点与EVA对其水化影响机制。最终，制备出了一种综合性能优异，能够适应复杂服役环境的高性能修补防护砂浆。
双碳节约型经济大背景下，亟待开发面向复杂服役环境下基础设施修补用高性能修补防护砂浆。本文结合正交试验手段，综合探讨钢纤维(SF)掺量、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)乳胶粉掺量、高贝利特硫酸盐水泥和普通硅酸盐水泥比例对相应复配而成的纤维聚合物修补防护砂浆(SCPRM)的工作性能、力学性能、界面粘结性能和防水/抗渗耐久性能的影响规律。最优配比SCPRM的流动扩展度、凝结时间、抗折强度(ft)、抗压强度(fc)、14天粘结强度(fb14 d)、90天干燥收缩率、3天吸水率、接触角和氯离子渗透系数分别达226.0 mm、41 min/63 min(初凝/终凝时间)、5.2/17.1 MPa(ft1 d/ft28 d)、16.7/73.2 MPa(fc1 d/fc28 d)、3.61 MPa(fb14 d)、16.44×10−5、0.16%、70.04°和0.9486×10−12 m2·s−1。相应宏/微观结构显示SF分散均匀、EVA聚合物膜在水化产物中交替分布；FTIR揭示了复合胶凝体系水化特点与EVA对其水化影响机制。最终，制备出了一种综合性能优异，能够适应复杂服役环境的高性能修补防护砂浆。
2023, 40(9): 5276-5287.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230105.001
摘要:
为探究硫酸盐浸泡环境下碳纤维增强复合材料(CFRP)-粘土砖界面粘结性能退化规律，试验采用质量分数为10wt%的硫酸盐溶液对CFRP-粘土砖试件进行加速腐蚀，并对材料性能进行测定，通过采集应变、承载力等参数，分析CFRP与粘土砖界面承载力能力与粘结强度变化规律。研究表明：硫酸浸泡对CFRP片材和树脂胶的力学性能无显著影响，但对粘土砖的抗压强度有明显影响，经过180天硫酸盐浸泡后，粘土砖抗压强度下降了34.50%。对于CFRP-粘土砖界面的极限承载力与粘结强度，研究发现CFRP的宽度对界面承载力和粘结强度均有影响，增加界面的宽度，可以增加界面的承载能力，但界面粘结强度会因此而下降，且粘结宽度越大，在硫酸盐持续浸泡作用下界面粘结性能退化越显著。在试验基础上引入硫酸盐综合影响系数，并对其采用两种不同方式进行计算，建立考虑硫酸盐浸泡影响的CFRP-粘土砖界面承载力关系模型，通过与试验值对比，本文提出的CFRP-粘土砖界面承载力能关系模型能够很好地预测硫酸盐持续浸泡对CFRP-粘土砖界面承载力退化情况。
为探究硫酸盐浸泡环境下碳纤维增强复合材料(CFRP)-粘土砖界面粘结性能退化规律，试验采用质量分数为10wt%的硫酸盐溶液对CFRP-粘土砖试件进行加速腐蚀，并对材料性能进行测定，通过采集应变、承载力等参数，分析CFRP与粘土砖界面承载力能力与粘结强度变化规律。研究表明：硫酸浸泡对CFRP片材和树脂胶的力学性能无显著影响，但对粘土砖的抗压强度有明显影响，经过180天硫酸盐浸泡后，粘土砖抗压强度下降了34.50%。对于CFRP-粘土砖界面的极限承载力与粘结强度，研究发现CFRP的宽度对界面承载力和粘结强度均有影响，增加界面的宽度，可以增加界面的承载能力，但界面粘结强度会因此而下降，且粘结宽度越大，在硫酸盐持续浸泡作用下界面粘结性能退化越显著。在试验基础上引入硫酸盐综合影响系数，并对其采用两种不同方式进行计算，建立考虑硫酸盐浸泡影响的CFRP-粘土砖界面承载力关系模型，通过与试验值对比，本文提出的CFRP-粘土砖界面承载力能关系模型能够很好地预测硫酸盐持续浸泡对CFRP-粘土砖界面承载力退化情况。
2023, 40(9): 5288-5301.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230112.002
摘要:
采用圆锅造粒法，通过对微胶囊工艺与配方参数进行设计和优化，制备了以粘土固化剂、膨润土、MgO膨胀剂和微晶纤维素为芯材，以乙基纤维素(EC)为壁材的微胶囊，采用正交试验探索了微胶囊芯材组分对自修复微胶囊/水泥基复合材料自修复效果的影响并确定了微胶囊芯材的最佳组成为：粘土固化剂为10wt%、MgO膨胀剂为35wt%、微晶纤维素为6wt%，膨润土为49wt%。研究结果表明，随着微胶囊掺量的增加，自修复水泥基材料的抗压强度降低，当微胶囊掺量(占水泥质量)为3%时，自修复微胶囊/水泥基复合材料的抗压强度相较于空白组仅下降了4%且具有较高的强度恢复率为103.8%。通过数字散斑相关方法(DSCM)对加载过程中的自修复微胶囊/水泥基复合材料的变形行为进行了追踪测试。从应力-应变曲线、应变场分布、灰度相关系数特征值(Stc)和应变特征值(Sts)之间的变化规律，得出自修复微胶囊/水泥基复合材料的自修复机制，基于微胶囊破裂时产生了与水泥基同源物质钙钒石(AFt)和Mg(OH)2对裂纹进行填补，限制裂纹发展，达到修复裂纹的目的。
采用圆锅造粒法，通过对微胶囊工艺与配方参数进行设计和优化，制备了以粘土固化剂、膨润土、MgO膨胀剂和微晶纤维素为芯材，以乙基纤维素(EC)为壁材的微胶囊，采用正交试验探索了微胶囊芯材组分对自修复微胶囊/水泥基复合材料自修复效果的影响并确定了微胶囊芯材的最佳组成为：粘土固化剂为10wt%、MgO膨胀剂为35wt%、微晶纤维素为6wt%，膨润土为49wt%。研究结果表明，随着微胶囊掺量的增加，自修复水泥基材料的抗压强度降低，当微胶囊掺量(占水泥质量)为3%时，自修复微胶囊/水泥基复合材料的抗压强度相较于空白组仅下降了4%且具有较高的强度恢复率为103.8%。通过数字散斑相关方法(DSCM)对加载过程中的自修复微胶囊/水泥基复合材料的变形行为进行了追踪测试。从应力-应变曲线、应变场分布、灰度相关系数特征值(Stc)和应变特征值(Sts)之间的变化规律，得出自修复微胶囊/水泥基复合材料的自修复机制，基于微胶囊破裂时产生了与水泥基同源物质钙钒石(AFt)和Mg(OH)2对裂纹进行填补，限制裂纹发展，达到修复裂纹的目的。
2023, 40(9): 5302-5314.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221206.002
摘要:
利用形状记忆合金(SMA)的回复效应将预应力引入到纤维增强复合材料(FRP)中是一种新理念。本文将FRP与SMA复合，形成一种新的复合材料用于结构加固修复中，开展了FRP/SMA复合材料的力学性能和受限回复性能试验。在力学性能试验中，将SMA丝的数量和直径作为试验变量，分析它们对FRP/SMA复合材料拉伸性能的影响；在受限回复试验中，将SMA丝直径和预应变水平作为试验变量，分析其对SMA丝及FRP/SMA复合材料可回复性能的影响。在试验研究的基础上，给出了第一类FRP/SMA复合材料的材料强度、极限应变和弹性模量的预测模型和FRP/SMA复合材料回复应力-温度模型。试验结果表明，在一定掺量内，提高掺入SMA丝的数量能够提高复合材料的最大断裂应变和抗拉强度，掺入的丝数量越多，断后残余强度越大。SMA丝的直径显著影响复合材料试件的拉伸弹性模量。在受限回复性能试验中，FRP/SMA复合材料的回复应力在相变区间内随温度的升高呈明显的上升趋势，复合材料的最大回复应力将会随预应变水平的提高而增大。提出的基于Brinson模型的修正模型，预测值与试验值吻合较好，可以有效地预测SMA丝和FRP/SMA复合材料的回复应力与温度的关系。
利用形状记忆合金(SMA)的回复效应将预应力引入到纤维增强复合材料(FRP)中是一种新理念。本文将FRP与SMA复合，形成一种新的复合材料用于结构加固修复中，开展了FRP/SMA复合材料的力学性能和受限回复性能试验。在力学性能试验中，将SMA丝的数量和直径作为试验变量，分析它们对FRP/SMA复合材料拉伸性能的影响；在受限回复试验中，将SMA丝直径和预应变水平作为试验变量，分析其对SMA丝及FRP/SMA复合材料可回复性能的影响。在试验研究的基础上，给出了第一类FRP/SMA复合材料的材料强度、极限应变和弹性模量的预测模型和FRP/SMA复合材料回复应力-温度模型。试验结果表明，在一定掺量内，提高掺入SMA丝的数量能够提高复合材料的最大断裂应变和抗拉强度，掺入的丝数量越多，断后残余强度越大。SMA丝的直径显著影响复合材料试件的拉伸弹性模量。在受限回复性能试验中，FRP/SMA复合材料的回复应力在相变区间内随温度的升高呈明显的上升趋势，复合材料的最大回复应力将会随预应变水平的提高而增大。提出的基于Brinson模型的修正模型，预测值与试验值吻合较好，可以有效地预测SMA丝和FRP/SMA复合材料的回复应力与温度的关系。
2023, 40(9): 5315-5329.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221226.001
摘要:
探究纤维素纳米晶须(CNC)及其包覆聚乙烯(PE)纤维对砂浆性能的影响。采用XRD分析水化产物、核磁共振技术(NMR)测量试块孔隙率、SEM表征纤维水泥基复合材料界面、EDS测量水化硅酸钙(C-S-H)的钙硅比，使用分子动力学模拟(MD)分析两种官能化CNC和水泥基体间的吸附能、动力学特性和回转半径。 结果表明：CNC促进了水泥水化且增强了水化产物致密性，限制了基体的孔隙发育，提升了砂浆力学性能；不同官能团与水泥水化物之间的吸附存在差别，影响CNC的增强效果；CNC涂层可以增强纤维与水泥基体的界面粘结，提高复合材料协同工作性能。
探究纤维素纳米晶须(CNC)及其包覆聚乙烯(PE)纤维对砂浆性能的影响。采用XRD分析水化产物、核磁共振技术(NMR)测量试块孔隙率、SEM表征纤维水泥基复合材料界面、EDS测量水化硅酸钙(C-S-H)的钙硅比，使用分子动力学模拟(MD)分析两种官能化CNC和水泥基体间的吸附能、动力学特性和回转半径。 结果表明：CNC促进了水泥水化且增强了水化产物致密性，限制了基体的孔隙发育，提升了砂浆力学性能；不同官能团与水泥水化物之间的吸附存在差别，影响CNC的增强效果；CNC涂层可以增强纤维与水泥基体的界面粘结，提高复合材料协同工作性能。
2023, 40(9): 5330-5340.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221124.001
摘要:
由于具有优异的导电性、生物相容性、柔韧性和稳定性，聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)导电水凝胶被广泛用于生物传感、神经电极及可穿戴电子等领域。但是，目前合成PEDOT:PSS导电水凝胶大都是通过大幅增加离子强度和降低pH改变PEDOT:PSS的聚集状态使其成胶，条件较苛刻。本文发现一种温和的PEDOT:PSS成胶方法，即通过对牛血清白蛋白(BSA)进行解折叠，改变空间构象，随后充分暴露的多肽链能够原位诱导PEDOT:PSS一步快速形成PEDOT:PSS/BSA互穿网络导电水凝胶。研究表明，该水凝胶不仅保持了PEDOT:PSS网络优异的导电性，同时解折叠的BSA赋予凝胶优异的溶胀性、力学性能和热性能。水凝胶溶血率均低于5％,表明其具有良好的细胞相容性，同时观察到该互穿凝胶能够在人体皮肤、橡胶、塑料和玻璃等多种基底材料上进行黏附，而且由于网络中大量的非共价键存在，该凝胶展现出优异的自愈合性能。总之，本文提供的PEDOT:PSS/BSA互穿网络水凝胶的制备方法及优异性能使其在可穿戴电子及伤口敷料等领域具有良好的应用前景。
由于具有优异的导电性、生物相容性、柔韧性和稳定性，聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)导电水凝胶被广泛用于生物传感、神经电极及可穿戴电子等领域。但是，目前合成PEDOT:PSS导电水凝胶大都是通过大幅增加离子强度和降低pH改变PEDOT:PSS的聚集状态使其成胶，条件较苛刻。本文发现一种温和的PEDOT:PSS成胶方法，即通过对牛血清白蛋白(BSA)进行解折叠，改变空间构象，随后充分暴露的多肽链能够原位诱导PEDOT:PSS一步快速形成PEDOT:PSS/BSA互穿网络导电水凝胶。研究表明，该水凝胶不仅保持了PEDOT:PSS网络优异的导电性，同时解折叠的BSA赋予凝胶优异的溶胀性、力学性能和热性能。水凝胶溶血率均低于5％,表明其具有良好的细胞相容性，同时观察到该互穿凝胶能够在人体皮肤、橡胶、塑料和玻璃等多种基底材料上进行黏附，而且由于网络中大量的非共价键存在，该凝胶展现出优异的自愈合性能。总之，本文提供的PEDOT:PSS/BSA互穿网络水凝胶的制备方法及优异性能使其在可穿戴电子及伤口敷料等领域具有良好的应用前景。
2023, 40(9): 5341-5349.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221215.001
摘要:
玉米秸秆的高附加值利用既可以减轻污染和资源浪费，还对探索秸秆的工业化利用和农业可持续发展具有深远的意义。以玉米秸秆制备的微晶纤维素(CSMCC)为原料，1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([Bmim]Cl)为溶剂体系，蒲公英提取物(DE)和茶多酚(TP)为抗菌剂，通过共混法制备抗菌复合膜。通过FTIR、XRD、SEM和热重分析对复合膜的形貌和结构进行表征及对力学、光学、阻隔、抑菌等性能测试分析。结果表明：DE和TP与纤维素基膜较好地复合，复配抗菌剂DE-TP抗菌复合膜相比于DE、TP抗菌复合膜具有较优的拉伸强度((52.60±6.33) MPa)、氧气阻隔性能(氧气透过系数为(1.65±0.25)×10−11 cm3·cm/(cm2·s·Pa))，且对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有更好的抑制作用。同时DE-TP抗菌复合膜断裂伸长率相比于纤维素基膜提升了53.96%，透光率保持在(82.56±0.26)%，具有良好的力学性能和光学性能。为制备对控制食品腐败变质和生物资源高效利用具有重要意义的环境友好型抗菌复合膜的研发提供新思路。
玉米秸秆的高附加值利用既可以减轻污染和资源浪费，还对探索秸秆的工业化利用和农业可持续发展具有深远的意义。以玉米秸秆制备的微晶纤维素(CSMCC)为原料，1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([Bmim]Cl)为溶剂体系，蒲公英提取物(DE)和茶多酚(TP)为抗菌剂，通过共混法制备抗菌复合膜。通过FTIR、XRD、SEM和热重分析对复合膜的形貌和结构进行表征及对力学、光学、阻隔、抑菌等性能测试分析。结果表明：DE和TP与纤维素基膜较好地复合，复配抗菌剂DE-TP抗菌复合膜相比于DE、TP抗菌复合膜具有较优的拉伸强度((52.60±6.33) MPa)、氧气阻隔性能(氧气透过系数为(1.65±0.25)×10−11 cm3·cm/(cm2·s·Pa))，且对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有更好的抑制作用。同时DE-TP抗菌复合膜断裂伸长率相比于纤维素基膜提升了53.96%，透光率保持在(82.56±0.26)%，具有良好的力学性能和光学性能。为制备对控制食品腐败变质和生物资源高效利用具有重要意义的环境友好型抗菌复合膜的研发提供新思路。
2023, 40(9): 5350-5358.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230104.003
摘要:
三维(3D)电极材料因其独特的结构和优异的电化学性能而被认为是高性能超级电容器的理想候选者。纳米纤维素(CNF)和多壁碳纳米管(MWCNT)被广泛应用于电极材料的开发与设计，但如何利用它们独特的一维纳米结构和固有的物理特性来构筑高性能3D电极材料依然是一个巨大的挑战。采用“自下而上”的策略，以CNF/MWCNT冷冻干燥过程中自聚集形成的气凝胶薄片为填充物，镍泡沫(NF)的3D网状结构为骨架，巧妙构筑了一种具有独特“薄片填充-骨架支撑”结构的MWCNT/CNF-NF三维杂化材料。受益于NF三维骨架优异的导电性和增强作用及MWCNT/CNF气凝胶薄片高的比表面积，以MWCNT/CNF-NF为负载电活性物质聚吡咯(PPy)的平台，通过优化电沉积时间制备的PPy-MWCNT/CNF-NF自支撑电极具有良好的可弯曲性和优异的电化学特性。与预期一样，在5 mA·cm−2的电流密度下该电极的面积比容量高达2217.8 mF·cm−2 (869.9 F·g−1)，经过3000次循环后依然具有90.2%的高容量保持率。
三维(3D)电极材料因其独特的结构和优异的电化学性能而被认为是高性能超级电容器的理想候选者。纳米纤维素(CNF)和多壁碳纳米管(MWCNT)被广泛应用于电极材料的开发与设计，但如何利用它们独特的一维纳米结构和固有的物理特性来构筑高性能3D电极材料依然是一个巨大的挑战。采用“自下而上”的策略，以CNF/MWCNT冷冻干燥过程中自聚集形成的气凝胶薄片为填充物，镍泡沫(NF)的3D网状结构为骨架，巧妙构筑了一种具有独特“薄片填充-骨架支撑”结构的MWCNT/CNF-NF三维杂化材料。受益于NF三维骨架优异的导电性和增强作用及MWCNT/CNF气凝胶薄片高的比表面积，以MWCNT/CNF-NF为负载电活性物质聚吡咯(PPy)的平台，通过优化电沉积时间制备的PPy-MWCNT/CNF-NF自支撑电极具有良好的可弯曲性和优异的电化学特性。与预期一样，在5 mA·cm−2的电流密度下该电极的面积比容量高达2217.8 mF·cm−2 (869.9 F·g−1)，经过3000次循环后依然具有90.2%的高容量保持率。
2023, 40(9): 5359-5370.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230510.001
摘要:
碳纤维(Carbon fiber，CF)增强环氧树脂(Epoxy resin，EP)基复合材料因其优异的抗冲击性而被广泛应用在飞机结构件。考虑到飞机在飞行过程中部分结构会遭受多次冲击的工况，设计CF/EP复合材料层合板的多次冲击及冲击后压缩试验。通过对多次冲击的力学响应曲线分析及内部损伤图观测，得到不同冲击载荷对复合材料多次冲击的力学性能影响及多次冲击过程中的主要损伤机制和损伤传播模式。在此基础上，对冲击后的剩余压缩强度及失效形貌进行了分析，得到了CF/EP复合材料层合板在冲击后的损伤容限及失效模式。结果表明：冲击次数的提高将导致复合材料的吸能性下降，抗冲击性下降。在多次冲击过程中，复合材料层合板的损伤模式为自下而上。此外，随冲击能级变化，复合材料在冲击后压缩过程中的主要损伤模式有所变化。
碳纤维(Carbon fiber，CF)增强环氧树脂(Epoxy resin，EP)基复合材料因其优异的抗冲击性而被广泛应用在飞机结构件。考虑到飞机在飞行过程中部分结构会遭受多次冲击的工况，设计CF/EP复合材料层合板的多次冲击及冲击后压缩试验。通过对多次冲击的力学响应曲线分析及内部损伤图观测，得到不同冲击载荷对复合材料多次冲击的力学性能影响及多次冲击过程中的主要损伤机制和损伤传播模式。在此基础上，对冲击后的剩余压缩强度及失效形貌进行了分析，得到了CF/EP复合材料层合板在冲击后的损伤容限及失效模式。结果表明：冲击次数的提高将导致复合材料的吸能性下降，抗冲击性下降。在多次冲击过程中，复合材料层合板的损伤模式为自下而上。此外，随冲击能级变化，复合材料在冲击后压缩过程中的主要损伤模式有所变化。
2023, 40(9): 5371-5385.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221214.001
摘要:
平纹编织结构碳纤维增强树脂基复合材料(Plain-woven carbon fiber-reinforced plastic，PW-CFRP)展现出高损伤容限特性，在航空航天领域应用广泛，但PW-CFRP是一种多尺度复合材料，传统的微、宏观尺度并不能较好地去研究其切削机制，因此本文采用介观层面切削仿真手段对其切屑形成机制进行研究。本文根据PW-CFRP的几何结构特点建立介观尺度的三维正交切削仿真模型，同时开展正交切削试验，对仿真模型进行验证；研究了不同纤维编织方向PW-CFRP在切削加工中的材料去除机制。研究结果表明：在相同工艺参数条件下，切削力和表面损伤的仿真与实验结果最大相对误差不超过15%，仿真模型的可靠性得以验证；其中各纤维方向纤维束区域的最大损伤深度依次为0°<45°<90°<135°；经纬编织的平纹编织结构对切削加工损伤起到一定的抑制作用，相邻纤维束间的支撑约束作用阻碍了损伤扩展，其最大加工损伤深度不会超出纤维束截面最大宽度；纤维附近树脂层厚度是加工损伤形成的重要因素，树脂富集区域对纤维的支撑作用较好，可以有效抑制损伤，树脂薄弱区域对纤维支撑较弱，损伤容易扩展至此处，使材料表面损伤呈弧形分布。
平纹编织结构碳纤维增强树脂基复合材料(Plain-woven carbon fiber-reinforced plastic，PW-CFRP)展现出高损伤容限特性，在航空航天领域应用广泛，但PW-CFRP是一种多尺度复合材料，传统的微、宏观尺度并不能较好地去研究其切削机制，因此本文采用介观层面切削仿真手段对其切屑形成机制进行研究。本文根据PW-CFRP的几何结构特点建立介观尺度的三维正交切削仿真模型，同时开展正交切削试验，对仿真模型进行验证；研究了不同纤维编织方向PW-CFRP在切削加工中的材料去除机制。研究结果表明：在相同工艺参数条件下，切削力和表面损伤的仿真与实验结果最大相对误差不超过15%，仿真模型的可靠性得以验证；其中各纤维方向纤维束区域的最大损伤深度依次为0°<45°<90°<135°；经纬编织的平纹编织结构对切削加工损伤起到一定的抑制作用，相邻纤维束间的支撑约束作用阻碍了损伤扩展，其最大加工损伤深度不会超出纤维束截面最大宽度；纤维附近树脂层厚度是加工损伤形成的重要因素，树脂富集区域对纤维的支撑作用较好，可以有效抑制损伤，树脂薄弱区域对纤维支撑较弱，损伤容易扩展至此处，使材料表面损伤呈弧形分布。
2023, 40(9): 5386-5396.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221123.003
摘要:
纤维扭结是单向碳纤维复合材料(UD-CFRP)在受轴向载荷压缩下，由于纤维初始扭转而引起的一种破坏机制。对于此问题，以往的文献中提出了宏观模拟、微观模拟及解析法，但都存在一定的局限性。宏观模拟精度低，微观模拟计算量大，解析法无法进行有效几何分析。在以前的文献中作者开发了一种非线性平均场脱粘模型来研究单向复合材料的非线性力学行为，该模型不仅考虑了平均非对称基体塑性，还考虑了纤维-基体界面的脱粘失效等非线性特性。本文将首次在多尺度层面上进行单向复合材料的纤维扭结仿真。利用扭结模型来定义纤维初始扭转角并结合非线性平均场脱粘模型来研究纤维具有初始扭转角的扭结过程及纤维不同初始扭转角对应力应变响应的影响。结果表明，与其他数值模型及解析模型相比，非线性平均场脱粘模型能够从多尺度的层面达到同等精度但能更高效地预测扭结带的形成过程。
纤维扭结是单向碳纤维复合材料(UD-CFRP)在受轴向载荷压缩下，由于纤维初始扭转而引起的一种破坏机制。对于此问题，以往的文献中提出了宏观模拟、微观模拟及解析法，但都存在一定的局限性。宏观模拟精度低，微观模拟计算量大，解析法无法进行有效几何分析。在以前的文献中作者开发了一种非线性平均场脱粘模型来研究单向复合材料的非线性力学行为，该模型不仅考虑了平均非对称基体塑性，还考虑了纤维-基体界面的脱粘失效等非线性特性。本文将首次在多尺度层面上进行单向复合材料的纤维扭结仿真。利用扭结模型来定义纤维初始扭转角并结合非线性平均场脱粘模型来研究纤维具有初始扭转角的扭结过程及纤维不同初始扭转角对应力应变响应的影响。结果表明，与其他数值模型及解析模型相比，非线性平均场脱粘模型能够从多尺度的层面达到同等精度但能更高效地预测扭结带的形成过程。
2023, 40(9): 5397-5410.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221128.003
摘要:
针对盐湖地区建筑结构受到恶劣气候环境和腐蚀性离子双重侵害现象，采用镁水泥再生细骨料钢筋混凝土来缓减构筑物寿命退化速度。通过掺加不同量的再生细骨料并将其埋置在盐渍土中进行恒电流通电加速试验，借助电化学工作站、超声波无损检测技术及SEM、XRD分析微结构演变机制，最后引入两参数Weibull分布函数退化过程对评价指标腐蚀电流密度icorr、相对动弹性模量建模进行可靠度评价。结果表明：掺入质量比为15%、30%和45%的细骨料时，Cl−、CO3 2−和SO4 2−侵蚀性离子随着再生细骨料掺量的增多侵入试件几率增大，内部结构损伤程度更加显著；大片、块状的锈蚀产物逐渐疏松内部结构导致劣化程度加深，15%、30%掺量试件低腐蚀程度，45%掺量试件则处于严重腐蚀；以动弹模量作为退化参数得到15%、30%、45%再生细骨料掺量试件的服役寿命分别为10000天、7500天、6000天；以腐蚀电流密度icorr得到45%掺量试件的工作寿命为4000天，钢筋腐蚀电流密度耐久性退化相对动弹模量更加敏感，对于镁水泥再生细骨料钢筋混凝土构件的日常维护与检测具有可观的指导意义。
针对盐湖地区建筑结构受到恶劣气候环境和腐蚀性离子双重侵害现象，采用镁水泥再生细骨料钢筋混凝土来缓减构筑物寿命退化速度。通过掺加不同量的再生细骨料并将其埋置在盐渍土中进行恒电流通电加速试验，借助电化学工作站、超声波无损检测技术及SEM、XRD分析微结构演变机制，最后引入两参数Weibull分布函数退化过程对评价指标腐蚀电流密度icorr、相对动弹性模量建模进行可靠度评价。结果表明：掺入质量比为15%、30%和45%的细骨料时，Cl−、CO3 2−和SO4 2−侵蚀性离子随着再生细骨料掺量的增多侵入试件几率增大，内部结构损伤程度更加显著；大片、块状的锈蚀产物逐渐疏松内部结构导致劣化程度加深，15%、30%掺量试件低腐蚀程度，45%掺量试件则处于严重腐蚀；以动弹模量作为退化参数得到15%、30%、45%再生细骨料掺量试件的服役寿命分别为10000天、7500天、6000天；以腐蚀电流密度icorr得到45%掺量试件的工作寿命为4000天，钢筋腐蚀电流密度耐久性退化相对动弹模量更加敏感，对于镁水泥再生细骨料钢筋混凝土构件的日常维护与检测具有可观的指导意义。
2023, 40(9): 5411-5422.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221223.002
摘要:
低速冲击损伤区域的可视化和量化表征对提高三维编织复合材料构件可靠性和承载效率极具意义。以三维五向编织复合材料为研究对象，使用落锤冲击仪对20°和40°编织试样开展了100 J低速冲击试验。在此基础上，利用Micro-CT对内部损伤区域进行了图像采集，并建立了基于阈值的整体损伤自动提取方法。之后，沿面内两个方向将损伤分别分割8部分获取了各截面的正面凹坑深度、背面凸起高度、损伤扩展长度、损伤面积和损伤体积等数据，并进行了三维统计分析。结果表明，损伤沿着冲击中心向四周拓展并呈现对称性，主要损伤分布依次是纤维损伤、基体损伤和界面脱粘。同时，20°编织试样比40°编织试样损伤更严重，且沿着轴纱方向，两种编织角试样的损伤扩展值更大。其中， 20°样品轴向损伤扩展长度和损伤堆叠面积分别可达50.481 mm和437.039 mm2，均远超过对应横向的23.582 mm和104.004 mm2。
低速冲击损伤区域的可视化和量化表征对提高三维编织复合材料构件可靠性和承载效率极具意义。以三维五向编织复合材料为研究对象，使用落锤冲击仪对20°和40°编织试样开展了100 J低速冲击试验。在此基础上，利用Micro-CT对内部损伤区域进行了图像采集，并建立了基于阈值的整体损伤自动提取方法。之后，沿面内两个方向将损伤分别分割8部分获取了各截面的正面凹坑深度、背面凸起高度、损伤扩展长度、损伤面积和损伤体积等数据，并进行了三维统计分析。结果表明，损伤沿着冲击中心向四周拓展并呈现对称性，主要损伤分布依次是纤维损伤、基体损伤和界面脱粘。同时，20°编织试样比40°编织试样损伤更严重，且沿着轴纱方向，两种编织角试样的损伤扩展值更大。其中， 20°样品轴向损伤扩展长度和损伤堆叠面积分别可达50.481 mm和437.039 mm2，均远超过对应横向的23.582 mm和104.004 mm2。
2023, 40(9): 5423-5432.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221228.005
摘要:
通过静态三点弯和动态三点弯实验，研究了基于海螺壳和珍珠贝壳层的仿生混合设计复合材料在不同应变率下海螺壳单元倾斜角度对试样断裂行为的影响。使用软相和硬相两种基体材料通过3D打印技术制备4组试样，基于准静态和动态三点弯冲击实验，得到了4组试样的载荷-位移曲线和起裂功等参数。结果表明：不同应变率下结构发生不同的裂纹偏转路径，在较低的应变率下，45°样品强度高，吸能效果好，30°样品断裂韧性较好；在较高应变率下，45°样品强度与韧性较好。最后，通过落锤实验，研究了不同冲击速度对混合设计结构板破坏的影响，得到了临界破坏速度及两种破坏模式。落锤实验表明，当冲击速度达到1.8 m/s时，继续增加冲击速度至2.0 m/s对仿海螺壳-珍珠贝壳结构的动态响应无明显影响。结构起裂前吸收的能量和起裂后吸收的能量在总吸能中的占比趋于稳定。
通过静态三点弯和动态三点弯实验，研究了基于海螺壳和珍珠贝壳层的仿生混合设计复合材料在不同应变率下海螺壳单元倾斜角度对试样断裂行为的影响。使用软相和硬相两种基体材料通过3D打印技术制备4组试样，基于准静态和动态三点弯冲击实验，得到了4组试样的载荷-位移曲线和起裂功等参数。结果表明：不同应变率下结构发生不同的裂纹偏转路径，在较低的应变率下，45°样品强度高，吸能效果好，30°样品断裂韧性较好；在较高应变率下，45°样品强度与韧性较好。最后，通过落锤实验，研究了不同冲击速度对混合设计结构板破坏的影响，得到了临界破坏速度及两种破坏模式。落锤实验表明，当冲击速度达到1.8 m/s时，继续增加冲击速度至2.0 m/s对仿海螺壳-珍珠贝壳结构的动态响应无明显影响。结构起裂前吸收的能量和起裂后吸收的能量在总吸能中的占比趋于稳定。
2023, 40(9): 5433-5446.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221213.001
摘要:
疲劳分层是复合材料最常见、最危险的失效模式之一。本文建立了II型加载条件下复合材料疲劳分层扩展的模拟方法。基于对疲劳分层扩展提出的新的物理解释：疲劳分层扩展为一系列连续发生的疲劳分层起始扩展，将疲劳损伤累积描述为层间界面断裂韧性衰减，构建了新的疲劳内聚力单元模型。针对II型加载条件下的材料层间开裂变形场的特殊性，提出了用以描述II型加载条件的层间界面疲劳损伤累积的衰减法则，确立了依据应变能释放率-寿命(G-N)曲线的材料本构参数标定方法。引入疲劳内聚力单元模型，预测了复合材料II型疲劳分层扩展行为，与疲劳分层扩展实验所得Pairs' law能够很好地吻合。本文新提出的疲劳分层模拟方法相较于已有模型的优势在于：无需追踪裂纹扩展路径，降低了模型的应用难度，提高了计算效率；模型所需材料参数标定仅依赖于实验G-N曲线，无需实验Paris' law，参数标定所需的疲劳实验数量及时间大幅减少。
疲劳分层是复合材料最常见、最危险的失效模式之一。本文建立了II型加载条件下复合材料疲劳分层扩展的模拟方法。基于对疲劳分层扩展提出的新的物理解释：疲劳分层扩展为一系列连续发生的疲劳分层起始扩展，将疲劳损伤累积描述为层间界面断裂韧性衰减，构建了新的疲劳内聚力单元模型。针对II型加载条件下的材料层间开裂变形场的特殊性，提出了用以描述II型加载条件的层间界面疲劳损伤累积的衰减法则，确立了依据应变能释放率-寿命(G-N)曲线的材料本构参数标定方法。引入疲劳内聚力单元模型，预测了复合材料II型疲劳分层扩展行为，与疲劳分层扩展实验所得Pairs' law能够很好地吻合。本文新提出的疲劳分层模拟方法相较于已有模型的优势在于：无需追踪裂纹扩展路径，降低了模型的应用难度，提高了计算效率；模型所需材料参数标定仅依赖于实验G-N曲线，无需实验Paris' law，参数标定所需的疲劳实验数量及时间大幅减少。
