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金属基和陶瓷基复合材料
碳化硅颗粒增强石墨/铝复合材料的热物理性能
曾凡坤, 孟正华, 郭巍
2022, 39(10): 1-9. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211103.004
摘要:
片层石墨/铝复合材料具有低密度、高热导率的优点,但力学性能较差,目前无法作为一种可商业化应用的电子封装材料。为了改善片层石墨/铝复合材料的热物理性能,采用真空热压法制备了碳化硅颗粒增强石墨/铝复合材料,研究了碳化硅的含量对复合材料热导率、热膨胀系数和抗弯强度的影响。结果表明,经过高频振荡工艺,碳化硅-石墨/铝复合材料中石墨的排列取向良好。添加碳化硅颗粒能明显降低复合材料的热膨胀系数,提高抗弯强度,略微降低热导率。随着碳化硅颗粒体积分数增加,碳化硅-石墨/铝复合材料内部会逐渐出现孔洞缺陷,相对密度下降。当碳化硅和石墨的体积分数分别为15vol%、50vol%时,碳化硅-石墨/铝复合材料具有最优热物理性能,此时x-y方向热导率为536 W/(m·K)、热膨胀系数为6.4×10−6 m/K,抗弯强度为102 MPa,是一种十分具有商业前景的电子封装材料。
TaC对Ti(C0.7N0.3)基金属陶瓷的物相、显微结构和力学性能的影响
劳振勇, 郭伟明, 罗展鹏, 谭大旺, 林华泰
2022, 39(10): 1-8. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211115.004
摘要:
为了制备高硬度高韧性的Ti(C0.7N0.3)基金属陶瓷,采用1600℃真空无压烧结制备了含TaC的Ti(C0.7N0.3)-WC-Mo2C-VC-AlN-Ni/Co系金属陶瓷,研究了不同TaC 含量(0wt%、5wt%、10wt%、15wt%)对金属陶瓷的物相、显微结构、力学性能的影响。结果表明,随着TaC含量增加,Ti(C0.7N0.3) (200)主峰逐渐向低角度偏移,环形相的厚度逐渐增大,金属陶瓷的维氏硬度和断裂韧性均先增大后减小。当TaC含量为10wt%时,核芯相细化,尺寸离散度最小,环形相发育更完整且均匀,金属陶瓷获得最高的维氏硬度和断裂韧性,分别为(17.79±0.15) GPa和(10.20±0.39) MPa·m1/2
碳化硅-超高分子量聚乙烯纤维增强树脂基复合材料复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能及其损伤机制
贾楠, 焦亚男, 周庆, 何业茂, 陈利
2022, 39(10): 1-10. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210928.002
摘要:
以碳化硅陶瓷(SiC)作为面板材料,超高分子量聚乙烯纤维增强水性聚氨酯树脂基复合材料层压板(UHMWPE/WPU)作为背板材料,通过真空袋膜压工艺制备SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板。基于弹道冲击试验研究复合装甲板的结构参数对其抗穿甲弹侵彻性能的影响,采用X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography,CT)技术,研究复合装甲板在53式7.62 mm穿甲弹以弹速为(\begin{document}$ {808}_{-8}^{+7}) $\end{document} m/s进行多发弹道侵彻下的损伤模式。研究结果表明:SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的抗多发弹道侵彻能力随着UHMWPE/WPU厚度或SiC厚度的降低而逐渐下降,10 mm厚SiC+13 mm厚UHMWPE/WPU是试验中抗53式7.62 mm穿甲弹多发弹道侵彻的最佳工程应用结构;UHMWPE/WPU面密度的减少不仅影响UHMWPE/WPU的防护效率,其还通过降低对陶瓷面板的支撑作用,间接影响陶瓷的防护效率;弹道侵彻后的复合装甲板的损伤模式包括SiC碎裂、SiC与UHMWPE/WPU的界面破坏及UHMWPE/WPU的绝热剪切破坏、拉伸变形和分层破坏。
生物纳米复合材料
双醛纤维素/聚乙烯醇复合水凝胶的制备及其性能
杨明琰, 陈欣玥, 张笑, 管舒仪, 蔡晓丹, 张文博, 王福俊, 李鑫, 王新平
2022, 39(10): 1-9. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211018.002
摘要:
开发高性能功能性水凝胶并建立药物缓释模型对医用伤口创面材料的开发具有重要的意义。以小麦秸秆为原料通过对甲苯磺酸(p-TsOH)、高频超声、高碘酸盐氧化制备含木质素的生物交联剂双醛纤维素(2,3-dialdehyde cellulose,DAC);以DAC为交联剂与聚乙烯醇(PVA)通过羟醛缩合反应形成互穿网络结构的DAC/PVA复合水凝胶,研究了DAC含量对复合水凝胶的微观结构、吸水溶胀性能、抗压缩性能及热稳定性的影响;采用物理共混法包埋氨苄青霉素(AP)制备DAC/PVA-AP载药水凝胶并研究其药物释放过程、释放机制及抑菌作用。结果表明,DAC/PVA复合水凝胶的微观结构呈多孔3D网络立体结构,交联密度随DAC含量的增加而增加;复合水凝胶的含水量及溶胀率随着DAC含量的增加而减小,当DAC含量从0.8wt%增加至2.0wt%时,其吸水溶胀率从1823.54%±13.89%降至1105.41%±7.06%;在70%的应变下,1.0wt%DAC/PVA水凝胶的初始抗压强度达到5.765 MPa,抗压缩性能较强;经121℃高温湿热灭菌后,复合水凝胶均能保持完整的形貌,说明其具有优异的耐高温性能;DAC/PVA-AP载药水凝胶的释放模型符合Korsmeyer-Peppas模型,缓释溶液对测试细菌具有良好的抑菌作用。以小麦秸秆为原料制备的互穿网络结构DAC/PVA复合水凝胶具有力学性能好、能耐高温灭菌等优点,在伤口创面敷料等领域具有潜在的应用价值。
纸浆纤维/聚乳酸复合材料的力学和热学性能
佘亚楠, 付烨, 朱钦睿, 吴双双, 徐信武
2022, 39(10): 1-12. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211115.005
摘要:
生物质衍生填料增强的生物复合材料一直被认为是极具潜力的石油基产品的替代品。引入高含量漂白纸浆纤维(10wt%~50wt%),使用辊磨挤出法和密炼法两种预混工艺,采用马来酸酐接枝聚丙烯(MA-g-PP)为相容剂,制备了纸浆纤维/聚乳酸(PLA)复合材料。采用拉伸测试、SEM、FTIR、DMA和TGA表征,综合考察了制备工艺和纤维含量对复合材料的力学性能、热学性能和微观结构的影响。结果表明:密炼法比辊磨挤出法更有效地实现了纤维在基体中的良好分散(几乎定向排列)。50wt%纤维含量的密炼加工复合材料实现了最大的拉伸强度(50.49 MPa,略高于PLA)和最高的弹性模量值(2.56 GPa,比PLA高45.8%)。刚性填充的纸浆纤维降低了复合材料的阻尼性能,损耗因子tanδ峰值温度发生正迁移。纸浆纤维不会对热稳定性产生不利影响,复合材料的残留物含量提高。研究表明,漂白纸浆纤维增强改性PLA制造可生物降解的复合材料是可行的。
UiO-66/壳聚糖的制备及其对U(VI)的吸附机制
荣丽杉, 夏麟, 周书葵, 熊超凡, 段毅
2022, 39(10): 1-10. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211025.002
摘要:
铀矿开采和冶炼等工艺产生大量低浓度铀废水,危害着生态环境和人类健康,从含铀废水中去除铀(VI)迫在眉睫。本文以UiO-66、壳聚糖(CS)为原料,采用交联法制备UiO-66/CS新型复合材料,通过静态吸附实验,考察不同pH值、吸附剂投加量、吸附时间及铀初始浓度等外部因素对U(VI)去除率的影响。通过SEM、FTIR、XPS等对UiO-66/CS材料进行表征分析,揭示吸附剂去除U(VI)的机制。结果表明:在铀初始浓度为5 mg/L,温度为298 K,pH为5,投加量为0.15 g/L,吸附时间120 min条件下,UiO-66/CS对U(VI)的去除率可达90.24%。吸附过程符合准二级动力学模型和Freundlich等温吸附模型。U(VI)吸附去除机制主要是—NH、—COOH、Zr—O、—OH等官能团与U(VI)发生络合作用。
磁性γ-Fe2O3/玉米秸秆淀粉的制备及其对废水中U(VI)吸附性能
范甲, 胡世琴, 魏柏, 杨金辉, 曾倩, 杨芳婷
2022, 39(10): 1-10. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211124.001
摘要:
随着核能发展,放射性核素铀通过各种途径流入环境,对人类的身体健康构成潜在威胁。以废弃玉米秸秆为原料自制玉米秸秆淀粉(CSS),采用共沉淀法将磁性γ-Fe2O3包裹在CSS表面合成磁性γ-Fe2O3/CSS,并用于溶液中U(VI)的吸附。考察初始pH值、投加量、时间、初始浓度、温度和共存离子等因素对γ-Fe2O3/CSS吸附U(VI)性能的影响,并加以分析。采用SEM、FTIR、XPS对吸附前后的磁性γ-Fe2O3/CSS进行表征分析,深入研究其对吸附U(VI)的技术机制。结果表明:在适宜条件下,γ-Fe2O3/CSS对U(VI)的最大吸附量达到214.1 mg/g。准二级动力学模型更准确地描述其吸附过程即以化学吸附为主。磁性γ-Fe2O3/CSS对U(VI)吸附符合Langmuir模型和Freundlich模型。吸附机制主要为U(VI)与γ-Fe2O3/CSS的羟基、羧基发生络合反应与离子交换作用。通过4次吸附解吸实验表明,U(VI)吸附率仍在78.60%以上,说明磁性γ-Fe2O3/CSS具有一定的再生能力。
MXene/SA凝胶微球的制备及对U(VI)的吸附性能
李仕友, 胡俊毅, 贺俊钦, 汪杨, 乔记帅, 王国华
2022, 39(10): 1-11. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211116.003
摘要:
为了提高纳米材料MXene的吸附能力和可回收性,采用离子交联法将海藻酸钠(SA)和MXene混合,使Ti3C2Tx MXene纳米材料固定在SA凝胶基质上,经冷冻干燥后制备了MXene/SA凝胶微球。通过SEM-EDS、FTIR和XPS对凝胶微球结构进行了表征,并考察了不同因素影响下MXene/SA凝胶微球对水溶液中铀(VI)的吸附特性,并探究了其循环再生能力。结果表明,MXene/SA凝胶微球对铀吸附过程遵循拟二级动力学和Langmuir等温吸附模型,说明该吸附主要为单分子层化学吸附,且热力学参数表明其吸附过程是一个自发吸热的过程。在pH为4,温度为298 K时,MXene/SA凝胶微球对铀的最大吸附量为126.82 mg·g−1,其主要吸附机制是离子交换与络合作用。更重要的是该凝胶微球经5次循环后,去除率仍然保持在90%以上,说明吸附剂具有回收再生利用性能,且不会造成水环境的二次污染。因此,MXene/SA凝胶微球吸附剂在修复放射性核素铀废水污染方面表现出巨大潜力。
土木建筑复合材料
多壁碳纳米管增强混凝土的抗氯离子渗透性能
施韬, 赵启帆, 胡卓君, 刘艳明
2022, 39(10): 1-9. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211014.001
摘要:
采用快速氯离子迁移系数(RCM)法和自然浸泡法对多壁碳纳米管(MWCNTs)增强混凝土的抗氯离子渗透性能进行研究,测量混凝土试件纵向断面上的氯离子扩散深度,据此计算氯离子扩散系数。试验结果表明:当MWCNTs掺量为0.15wt%时,混凝土28天的氯离子扩散深度、氯离子扩散系数分别降低了25.7%、19.1%;在4种不同侵蚀龄期的自然浸泡下,掺入MWCNTs的混凝土,内部氯离子浓度始终低于对照组。结合两种方法分析得出:混凝土内部各深度的自由氯离子浓度随着MWCNTs掺量的增加而降低,致使氯离子扩散系数随着MWCNTs掺量的增加而变小,MWCNTs的掺入提高了混凝土的抗氯离子渗透性能。此外,通过SEM和压汞(MIP)测试进一步探究MWCNTs对混凝土抗氯离子渗透性能的微观增强机制,分析结果表明,MWCNTs具有一定的桥接和填充效应,这可能使混凝土裂缝扩展受到抑制、孔隙更加细化,从而改善混凝土的微观结构,提高混凝土的抗氯离子渗透性能。
硫酸盐侵蚀下掺稻壳灰混凝土的劣化性能及损伤模型
姚韦靖, 刘宜思, 庞建勇, 马芹永
2022, 39(10): 1-11. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210923.001
摘要:
为证实稻壳灰(RHA)对混凝土硫酸盐侵蚀性能的改善作用,优选出掺RHA混凝土配比,并与普通混凝土(NC)对比,研究质量分数5wt%的Na2SO4溶液侵蚀270天内,表观现象、抗压、抗拉强度、有效孔隙率、动弹性模量等性能指标劣化规律,利用SEM观察硫酸盐侵蚀前后试件微观结构变化。结果表明:随侵蚀时间增加,混凝土试件逐渐局部剥落、体积膨胀;抗压、抗拉强度先提高后急剧下降,有效孔隙率先降低后提高,相对动弹性模量先提高后下降;微观分析表明混凝土水化产物与侵蚀介质反应生成钙矾石和石膏,填充内部孔隙,而随侵蚀进行膨胀性钙矾石与石膏超过内部抗拉强度产生裂隙,引起结构膨胀破坏、力学性能劣化。而RHA掺入混凝土生成水化硅酸钙凝胶,提高材料强度和耐腐蚀性,各阶段掺RHA混凝土劣化程度均优于NC。最终建立损伤本构模型,并与实测值对比,准确性较高。
不同应变速率下CFRP约束混凝土方柱的力学性能
赵辉, 曹玉贵, 王攀峰, 赵立峰
2022, 39(10): 1-9. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211012.004
摘要:
为研究不同应变速率下碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)约束混凝土方柱的力学性能,本文采用CFRP约束倒角半径为15 mm、45 mm、60 mm的方形试件,进行应变速率为3.3×10−5 s−1、3.3×10−3 s−1的加载试验,分析了试件倒角半径和应变速率对CFRP约束混凝土方柱的应力-应变曲线、轴向应变-环向应变曲线和抗压强度的影响。结果表明,试件的应力-应变曲线的第二段斜率和抗压强度均随着试件倒角半径与应变速率的增加而增大;轴向应变-环向应变曲线的斜率随着应变速率的增加而增大,随着CFRP的层数增大而减小。最后基于试验数据对现有文献的模型进行评估,结果表明Lin等模型的预测结果与准静态下FRP约束混凝土方柱的轴向应变-环向应变关系曲线比较吻合,魏洋等模型能够预测FRP强弱约束状态,Cao等模型可以用于预测不同应变率下CFRP约束混凝土方柱的抗压强度。研究成果为CFRP约束混凝土方柱的进一步应用提供了试验依据与理论基础。
高温作用对应变硬化水泥基复合材料吸水性能及微结构演化特征的影响
高世壮, 薛善彬, 张鹏, 李春云, 王俊洁
2022, 39(10): 1-10. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220104.002
摘要:
在高温环境下,应变硬化水泥基复合材料(Strain hardening cementitious composites,SHCC)微结构发生破坏,进而导致其力学与抗渗性能及微结构的劣化。对比研究20℃(常温)、105℃、200℃、400℃、600℃及800℃高温作用后,不同纤维掺量的SHCC试件力学与吸水性能的演化规律,并利用低场核磁共振等技术从微观角度分析了材料宏观性能劣化机制。结果表明:当受热温度由20℃升高至105℃时,试件的动弹性模量有所下降,但抗压强度及抗折强度有所提高。当受热温度升至200℃时,SHCC抗压强度和动弹性模量变化不大,但受热温度高于400℃后,二者均迅速下降;受热温度由105℃升至200℃时,SHCC试件抗折强度显著降低;高于400℃后,抗折强度进一步劣化。纤维掺量对高温作用后的SHCC试件残余力学性能没有明显规律性的影响。另外发现,当受热温度低于200℃时,SHCC毛细吸水性能较差,具有一定的抗毛细入渗性能;400℃以上时,高温损伤能够显著促进SHCC试件的毛细吸水速度和吸水量。低于200℃时,较高纤维掺量的SHCC试件初始毛细吸水系数增加更为迅速,毛细吸水能力更强。加热温度不高于200℃时,SHCC试件的微结构较为密实;超过400℃后,SHCC试件内部纤维熔化、裂纹生成与扩展导致其力学性能显著劣化,毛细吸水性能提高。同时,高温后SHCC试件内部裂纹体积分数随纤维掺量的增加而升高。
PET FRP约束矩形RC柱中纵筋屈曲行为
白玉磊, 孙鹏轩, 贾俊峰
2022, 39(10): 1-14. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211019.002
摘要:
大应变纤维增强聚合物复合材料(LRS FRP)具有大断裂应变(大于5%)的特性,可能带来较高的结构延性,为钢筋混凝土(RC)柱的抗震加固提供了一种新的选择。外包FRP通过混凝土保护层为纵筋提供侧向支撑,防止或减缓纵筋的屈曲。但当箍筋间距较大时纵筋仍可能发生屈曲,尤其是在FRP不均匀约束的矩形柱中,纵筋的提前屈曲降低了柱子的承载能力。为研究不均匀约束情况下,FRP加固柱中钢筋的屈曲行为,本文共设计了28个聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET) FRP约束矩形试件,包括16个RC柱和12个素混凝土(PC)柱,对其进行单调轴压试验,研究FRP层数、箍筋间距和截面形状比对约束柱承载力和延性的影响;从试验结果中得到纵筋的平均应力-应变曲线,对FRP约束RC柱中纵筋的应力-应变关系进行定量分析。结果表明,PET FRP约束RC柱可提高其强度和延性,在一定范围内,当约束刚度越大、截面形状比越接近1时,约束效果越好;外包FRP的侧向支撑作用可将纵筋的屈曲推迟到较高的变形水平。
再生保温混凝土内部湿度与干燥收缩预测模型
黄嘉钰, 刘元珍, 王朝旭, 戴小伟
2022, 39(10): 1-13. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210928.003
摘要:
基于不同玻化微珠(GHBs)掺量下再生保温混凝土(RATIC)的干燥收缩和内部湿度试验结果,考虑GHBs内养护效应对混凝土产生的影响,通过回归分析提出了适用于预测RATIC的干燥收缩和内部湿度发展的理论模型,并对干燥收缩和内部湿度之间的关系进行了分析,并建立RATIC干燥收缩和内部湿度、GHBs掺量间的相互作用关系模型,为揭示RATIC收缩开裂现象的机制提供了理论基础和试验依据。研究表明,GHBs的掺入有利于延缓内部湿度的降低,进而延缓干燥收缩的发展,与再生混凝土(RAC)相比,90天龄期时GHBs掺量40、65、90 和 130 kg/m3的 40GHBs/RAC、65GHBs/RAC、90GHBs/RAC和130GHBs/RAC内部湿度衰减速率降低了19.57%、26.09%、30.43%和32.61%,干燥收缩分别降低了3.13%、4.69%、6.56%和10.31%;理论模型与试验结果的吻合度良好,可通过理论模型来预测RATIC干燥收缩和内部湿度的发展;内部湿度与干燥收缩间存在良好的相关性,可根据内部湿度的变化来评估干燥收缩的发展。
混凝土帆布与CFRP条带联合加固方形截面混凝土短柱轴心受压力学性能
相泽辉, 周杰, 牛建刚, 许文明
2022, 39(10): 1-15. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211115.006
摘要:
通过混凝土帆布(CC)与碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)条带联合加固混凝土方柱轴压试验,研究了纤维条带约束率、CFRP宽度与间距、层数对混凝土方柱轴压力学性能的影响,分析加固后混凝土方柱的破坏形态、承载力、耗能能力以及变形能力。研究结果表明:CC的加入可以缓解角部应力集中,明显提高试件的变形能力,改善柱的破坏形态;条带宽度与间距对试件承载力和耗能能力的影响归结于纤维条带约束率,随着纤维条带约束率与CFRP层数的增加,试件的承载能力与耗能能力不断提高;当纤维条带约束率为0.5、宽度与间距为50 mm时,承载力与耗能能力最大。在试验研究的基础上,对有效约束面积变化进行理论分析,得出CC在联合加固中起到的作用,并建立联合加固混凝土方柱轴心受压承载力模型,通过误差分析可知,该模型具有较高的预测精度。
石墨烯在水泥净浆中的分散特性
吕骄阳, 李思李, 田波, 权磊, 李立辉
2022, 39(10): 1-11. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211214.002
摘要:
为研究水泥净浆中石墨烯的分散方式和分散程度的评价方法,采用不同阴离子表面活性剂作分散助剂分散石墨烯材料,通过高速物理搅拌与超声分散方法制备石墨烯分散液。采用紫外-可见分光光度法、静置沉降法、电阻率、SEM及能谱测试观测石墨烯在碱性溶液、水泥净浆及其水泥净浆水化硬化产物中的分布方式,分析它们的分散均匀性。结果表明:在水泥基材料碱性环境中,具有耐碱性高亲油基团的分散剂,引入一定程度气泡微珠有助于提高石墨烯的分散均匀性和经时稳定性及削弱石墨烯在水泥净浆中的上浮效应,同时,其断面石墨烯分散均匀性能够提高30%。采用分光光度计法、静置法和电阻法评价石墨烯在碱性溶液中的分散效果,简单有效。
钢丝网或纤维网增强超高性能混凝土双向板弯曲性能
邓宗才, 鹿宇浩, 桂营金
2022, 39(10): 1-12. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211022.002
摘要:
为研究钢丝网或纤维网对混杂纤维超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)板弯曲性能的影响,进行了四边简支双向板弯曲试验。UHPC中短切纤维为:单掺钢纤维、钢纤维分别与聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维混掺等。研究参数为:钢丝网与玻璃纤维网层数、孔径、混掺纤维比例等。结果表明,单掺体积分数为1.5vol%的钢纤维时,铺设3层和4层钢丝网的UHPC板的极限承载力和25 mm挠度处的能量吸收值较2层分别提升14.9%、32.3%和14.1%、25.2%;孔径较小的钢丝网对UHPC板承载力和韧性提升明显。当混杂纤维总体积分数为1.5vol%且钢丝网2层时,混掺1.0vol%钢纤维和0.5vol%聚乙烯醇纤维对UHPC板增强增韧效果更好,0.5vol%钢纤维与1.0vol%玻璃纤维或玄武岩纤维混掺较0.5vol%钢纤维与1.0vol%聚乙烯醇纤维混掺对改善板峰后持荷能力更有利,即钢纤维与较高弹性模量非金属纤维混掺有利于提高裂后承载力。与玻璃纤维网相比,铺设钢丝网的UHPC板在峰后延性更好。提出了以素UHPC板峰值荷载挠度作为初裂挠度的韧性指标评定方法,该方法可表征网格和纤维对UHPC板裂后韧性的贡献。基于网格有效利用率概念,建立了板抗弯承载力计算方法,理论值与试验值吻合良好。
持续负温下入模温度对水泥水化热的影响及其预测模型
王小平, 张戎令, 段运, 郭海贞, 张家玮, 张学鹏
2022, 39(10): 1-14. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211011.002
摘要:
为了研究持续−5℃与20℃养护环境下,不同入模温度的水泥水化发展规律,开展了两种养护制度下,入模温度分别为5℃、10℃、15℃、20℃水泥净浆水化热试验,分析养护制度与入模温度对水泥净浆水化热作用机制,探究了负温下水泥内部自由水相变作用对其性能影响,建立了两种养护制度下考虑入模温度(5~20℃)的水化热预测模型。研究结果表明:养护制度一定时,随着龄期与入模温度增长,水泥净浆水化热与水化程度均逐渐增大;入模温度会使20℃养护与持续−5℃养护的水化热差值峰值与水化速率等值龄期发生提前;负温与低入模温度均会使水化进程出现龄期“滞后”现象,通过分析二者共同作用的水化热发展规律及其对水泥净浆微观作用机制,建议在负温环境下,可在合理范围内适当提高入模温度,以优化混凝土宏-微观性能。
三轴受压粉煤灰陶粒轻骨料混凝土力学性能试验
陈宇良, 朱玲, 吉云鹏, 吴辉琴, 叶培欢
2022, 39(10): 1-12. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211028.005
摘要:
以粉煤灰陶粒轻骨料浸泡时间、强度等级、侧向围压为变化参数,共设计120个粉煤灰陶粒轻骨料混凝土试件进行常规三轴受压试验,研究其在三轴应力状态下的力学性能。试验观察了轻骨料混凝土的破坏过程及破坏形态,获取了三轴受力状态下的应力-应变全过程曲线,分析了各变化参数对其三轴受压力学性能的影响规律。研究结果表明:随着围压值的增大,试件破坏由竖向劈裂破坏变为斜向剪切破坏,当围压值大于12 MPa时,试件则表现为外表无明显裂缝的鼓起破坏;应力-应变曲线受围压值影响较大,受骨料浸泡时间和强度等级的影响较小,围压值大于12 MPa后,曲线不再出现下降段;峰值应力随骨料浸泡时间、强度等级、侧向围压的增大而增大;峰值应变受陶粒浸泡时间的影响不大,随强度等级的增大而减小,随围压值的增大而增大;弹性模量随强度等级和围压值的增大而增大,受骨料浸泡时间的影响不显著。
氧化石墨烯对水泥基复合材料徐变的调控机制
徐亦冬, 王瑶
2022, 39(10): 1-8. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211101.004
摘要:
为了探明氧化石墨烯(GO)对水泥基复合材料徐变的调控机制,采用徐变加载架对不同GO掺量水泥胶砂的徐变进行了测试,并从水泥基复合材料的水化和微观结构入手,采用SEM、XRD、FTIR等研究了GO对水泥胶砂徐变的影响,并对调控机制进行了解释。结果表明:GO可以调节水泥基复合材料水化产物的形状与聚集态,降低宏观徐变。当GO掺量(与水泥质量比)大于0.02%时,水泥胶砂的徐变大幅度降低。GO的掺入促进了水化硅酸钙(CSH)对水分子的吸附与扩散,增加了内部CSH含量,使水化产物的结构更加致密。GO与CSH形成的氢键可提升二者之间的黏结力,并增强水分子在CSH-GO片层间的吸附,从而实现了对水泥胶砂徐变的调控。研究成果对于实现按终端用途进行水泥基复合材料设计具有重要的理论价值,并有望在预应力混凝土结构中得到应用。
复合材料细观力学
混杂纤维增强环氧树脂复合材料高速冲击损伤行为
曹俊超, 孙建波, 曹勇, 张晨旭, 杨智勇, 张超
2022, 39(10): 1-14. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211103.003
摘要:
开展了混杂纤维自动铺丝环氧树脂复合材料层合板高速冲击失效行为的研究。首先,测试了纯碳纤维增强环氧树脂层合板和纯芳纶纤维增强环氧树脂层合板的准静态力学性能,以获得其力学性能参数;然后,以芳纶纤维质量分数为基准,开展了不同混杂比层合板的钛合金弹体高速冲击试验,探究混杂比对混杂纤维增强环氧树脂复合材料抗冲击性能的影响;接着,建立了混杂纤维增强环氧树脂复合材料层合板的高速冲击有限元模型,基于Murakami-Ohno损伤演化理论建立了复合材料层合板的渐进损伤本构模型,并引入应变率效应系数以考虑应变率的影响,采用损伤变量和单元畸变协同控制单元删除。开展了不同混杂比层合板的高速冲击模拟,分别得到了相应的临界穿透速度。高速冲击试验结果表明,临界穿透速度随着混杂比的增加呈现逐渐增加的趋势,具有正混杂效应。通过与相应的准静态及高速冲击试验结果对比,该模型能够比较准确的预测混杂纤维增强环氧树脂复合材料层合板的准静态力学响应和高速冲击响应,临界穿透速度结果相差在4.5%以内。
不同骨料体积分数下混凝土增韧机制及细观断裂模拟
陈燕伟, 冯吉利, 朱天宇, 李凤晨
2022, 39(10): 1-16. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211022.003
摘要:
研究了不同骨料体积分数下的混凝土增韧机制,建立了II型断裂韧度KIIC的细观力学模型。对含有4种骨料体积分数(19vol%、25vol%、31vol%、37vol%)的混凝土试件,分别进行了楔入劈拉试验和无切口试件的II型断裂试验,并利用内聚力模型及点阵法对相关II型断裂试验开展了细观模拟。结果表明:随着骨料体积分数的增加,混凝土I型断裂韧度KIC和II型断裂韧度KIIC均明显提高,KIIC/KIC逐渐增大且与骨料体积分数之间存在对数函数关系;骨料的圈闭-桥联对混凝土增韧起着主导作用,其增韧效应远大于裂纹路径偏转或裂尖屏蔽引起的;给出了II型断裂韧度KIIC和骨料体积分数Va之间的细观力学关系,其预测值和试验值的符合性较好;混凝土II型断裂细观模拟的力学响应、断裂形态和试验结果表现出良好的一致性;内聚力单元的标量刚度退化(Scalar stiffness degradation,SDEG)值的变化,可用来表征混凝土在细观水平上的损伤演化,且对宏观断裂响应的预测有着重要作用。
复合材料压力容器金属内胆自紧后的屈曲可靠性分析
薛姝楠, 张国, 朱海洋, 王磊, 任明法
2022, 39(10): 1-9. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211015.002
摘要:
建立了一种针对复合材料压力容器金属内胆自紧后的局部屈曲可靠性分析方法。基于凹陷对内胆界面压力和残余弯矩影响的解析模型,结合有限元数值仿真分析方法,进行了金属内胆局部屈曲分析;基于蒙特卡洛算法,建立了分别针对复合材料压力容器内胆和缠绕层设计变量的抽样方法;采用径向基函数(Radial basic function,RBF)代理模型替代了内胆屈曲计算的有限元分析模型,建立了自紧后压力容器金属内胆局部屈曲可靠性问题的快速分析方法。以30L柱形纤维缠绕复合材料铝合金内胆压力容器为例,分析了内胆设计参数与缠绕层设计参数不确定性对内胆屈曲可靠性的影响。结果表明:在计算范围内内胆屈曲概率与自紧压力正相关;内胆厚度的随机性对压力容器内胆屈曲概率的影响随自紧压力增加呈近似直线增加;单独考虑内胆半径、缠绕层厚度及缠绕层模量,屈曲概率随自紧压力变化趋势为一条增速先缓再快再变为平缓的递增曲线。
考虑物理老化效应的树脂基复合材料长时黏弹性变形实验测试与建模分析
杨江艳, 马小飞, 王辉, 尚福林, 侯德门
2022, 39(10): 1-11. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211105.002
摘要:
为充分掌握碳纤维增强环氧树脂基(CF/EP) 复合材料的短时和长时变形特性,对一类碳纤维/环氧层合试样开展了蠕变试验研究。试验采用恒温、恒定载荷拉伸加载方式,获得了其在不同试验温度(25℃和50℃)、不同拉伸载荷水平(20%、30%和40%的拉伸极限强度值)下的应变变化规律。试验结果表明:该类材料的变形行为表现出显著的黏弹性特征,并且兼具蠕变温度效应与物理老化效应。加载初期的较短时间内,拉伸应变随时间逐渐增大,呈现出明显的蠕变变形第一、第二阶段特征;当加载时间超过其物理老化特征时间之后,在加载的大部分时间段内,这种与时间有关的变形则开始逐渐减小,呈现出清晰的物理老化特征。为了合理表征这种特殊的黏弹性变形行为,进一步构建了包含蠕变温度效应与物理老化效应的线性黏弹性理论模型。提出了可描述该复合材料黏弹性变形的本构关系,并给出了Prony级数近似解法,进而编写了相应的有限元材料子程序UMAT。仿真结果表明,所构建的理论模型能够合理地描述该类复合材料的黏弹性变形。
爆炸载荷下机织物的动态响应与失效行为
解江, 高斌元, 甄婷婷, 姜超, 冯振宇
2022, 39(10): 1-12. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211108.004
摘要:
为探究爆炸载荷下纤维织物的动态响应与失效行为,对3种平纹纤维织物进行了准静态及高应变率拉伸试验,获取了织物的力学性能参数,建立了织物材料的本构模型。采用任意欧拉-拉格朗日算法(ALE)算法,建立了织物爆炸冲击数值分析模型,研究了爆炸载荷下纤维织物的动态响应过程和失效模式,并与试验结果进行了对比,验证了模型的有效性,得到了织物的变形峰值与比例距离之间的关系以及混杂层叠织物中各织物的吸能量。结果表明,3种织物表现出不同程度的应变率敏感性,芳纶和超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维织物的失效应变和极限强度都随应变率的增加而增大,应变率效应明显,碳纤维织物的极限强度略有增加,应变率效应不明显。数值分析得到了与试验相同的织物失效模式:中心破孔和简支边界撕裂。在所研究工况范围内,织物的变形峰值与比例距离成反比例关系,且变形峰值超过39 mm时背爆面织物会发生失效;UHMWPE纤维织物层的比吸能达到24.7 J/g,分别是芳纶织物和碳纤织物的4.3倍和8.5倍。
考虑层间界面导电行为和电阻损耗的碳纤维增强树脂基复合材料结构电磁场扩散与衰减特性
徐笑娟, 罗进, 陈兆权, 冯德仁, 裘进浩
2022, 39(10): 1-12. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211028.006
摘要:
为满足碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)损伤涡流检测的应用需求,采用数值仿真和实验结合的方法对CFRP结构的电磁场扩散与衰减特性进行了研究。根据CFRP的结构特点,建立均质各向异性三维电磁场有限元模型,研究了层间界面的两种不同导电行为对CFRP板中涡流分布的影响,比较了界面不同导电行为下板中电磁场衰减特性及其与激励频率的关系。结果表明:界面电学行为对多向板涡流影响显著,不仅改变电流分布形式,还使电流强度降低,但单向板中涡流几乎不受界面导电行为的影响,其分布形式具有单一性;在界面不同导电行为下,单向板中电磁场衰减特性与频率无关,且电流衰减很快,多向板的电磁场衰减特性则与频率变化成正比,其电流衰减较为缓慢。通过电磁场能量守恒定律,分析了电阻损耗是影响单向板电流衰减的主导因素。最后,采用涡流检测实验半定量地验证了数值仿真结果和物理现象。
飞艇用织物膜材单轴拉伸蠕变强度试验与模型
宋寅搏, 陈务军, 高成军, 陈龙龙, 王晓情, 闫勇升
2022, 39(10): 1-8. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211116.001
摘要:
聚酯纤维织物类膜材因其轻质高强、耐候性好等特点常被用于飞艇结构的蒙皮材料,其在高应力水平下的蠕变失效行为决定飞艇结构长期安全性能,但目前尚未有相关的性能测试标准及研究。为研究此类膜材的蠕变性能,选用以Vectran纤维为基布材料的膜材在极限应力的85%、80%、75%、70%四组应力水平下进行单轴拉伸蠕变试验,分析了蠕变过程中膜材应变、模量以及蠕变破坏时间等参数随应力水平的变化规律,并给出基于应力水平的蠕变强度包络线拟合公式;通过牛顿迭代法建立了参数化的四单元蠕变模型及蠕变破坏准则,可以较为准确地反映材料在高应力水平下的蠕变破坏规律。
自润滑织物复合材料力学预测及实验验证
张容, 方琳, 梁磊, 任慕苏, 孙晋良, 俞鸣明
2022, 39(10): 1-9. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211025.004
摘要:
利用有限元模型对自润滑织物复合材料的拉伸强度进行预测,得到了复合材料的磨损率预测模型。采用TexGen建立了自润滑织物复合材料的单胞有限元模型,利用ABAQUS对复合材料的拉伸进行了有限元模拟,最后通过实验验证了复合材料的拉伸强度。结果表明复合材料经向模拟值与实验值差异率为6.71%,纬向差异率为5.51%,从而说明复合材料有限元模型具有较高的可靠性。从拉伸应力云图可得复合材料的拉伸强度由拉伸方向的纤维的弹性模量决定。在此基础上对自润滑织物复合材料的磨损率以及摩擦磨损机制分析,建立复合材料的拉伸强度与磨损率之间的映射关系,预测模型得到的磨损率预测值与实验结果的平均差异率为8.43%,表明体积磨损率预测模型的可靠性。
铝合金/碳纤维混合前纵梁的轴向冲击吸能特性
王振, 朱国华, 吴永强, 宋凯
2022, 39(10): 1-12. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210920.001
摘要:
为了揭示铝(Al)/碳纤维增强复合材料(CFRP)混合纵梁的吸能机制并提高其抗冲击性能,首先开展了空铝梁及内嵌碳纤维层合板的Al/CFRP混合纵梁动态轴向冲击实验,实验结果表明,相比于单一铝梁,Al/CFRP混合前纵梁的能量吸收(\begin{document}$ {W_{\text{e}}} $\end{document})和比吸能(\begin{document}$ {W_{\text{s}}} $\end{document})分别提高46.1%和17.5%。接着,采用MAT54材料模型,在LS-DYNA商用有限元软件中建立相应的有限元模型(FEM),并通过实验数据验证了模型的准确性,揭示了混合结构的能量提升机制及碳板的损伤模式,结果表明混合梁中铝梁和碳板的能量吸收分别比单一铝梁和碳板提高了30.7%和43.4%,混合梁的耗散能比单一组分的摩擦吸能之和提高了217.8%;利用理论模型预测了混合纵梁中铝梁、交互效应及整体的平均压溃反力(\begin{document}$ {P_{\text{c}}} $\end{document}),预测结果与仿真结果及实验结果均吻合较好。最后用有限元手段研究了铝梁壁厚、碳板厚度及碳板铺层角度对Al/CFRP混合结构的耐撞性影响,发现混合梁的能量吸收和峰值载荷随着铝梁厚度及碳板厚度的增加而提高。
含富树脂缺陷碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸性能及失效机制
葛立立, 俞鸣明, 方琳, 刘雪强, 任慕苏, 孙晋良
2022, 39(10): 1-11. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211116.004
摘要:
对含有因局部纤维断裂形成的富树脂缺陷的碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸性能进行研究,分析缺陷位置与试样拉伸性能的对应关系发现:当富树脂缺陷大小相同位置不同,拉伸强度从高到低分别是:缺陷位于试样1/3处,缺陷位于试样几何中心时,缺陷位于试样1/2处的边缘时。当缺陷位于同一位置时,拉伸强度随缺陷尺寸的增大而降低。通过计算机断层扫描技术(CT)检测缺陷实际尺寸位置,采用有限元仿真技术建立含缺陷的碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸强度性能预测模型,预测结果与实验值的误差小于10%,说明了该有限元模型的可靠性,并结合模拟结果分析复合材料的失效机制。
功能复合材料
各向异性导电PP-MWCNTs/HDPE复合材料的结构及性能
石素宇, 赵康, 张笑源, 罗飞, 王亚蒙
2022, 39(10): 1-7. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211028.002
摘要:
各向异性导电高分子复合材料(ACPCs)因其独特的各向异性导电特性在许多领域得到广泛应用。本文以高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)和多壁碳纳米管(MWCNTs)为原料,通过三层吹膜技术制备中间层导电、内外两层绝缘的三层复合膜,再利用热压成型技术制备具有交替微层结构的各向异性导电PP-MWCNTs/HDPE复合材料。综合利用DSC、偏光显微镜(POM)、SEM、TEM、拉伸性能及导电性能测试等手段研究了复合材料的结构和性能。结果表明:PP绝缘层和MWCNTs/HDPE导电层交替排列,没有分层、熔并等结构缺陷,界面结合良好;PP-MWCNTs/HDPE复合材料在X方向和Y方向具有优异的导电性能(电阻率低至1.6 Ω·m),比Z方向的电阻率低6~9个数量级;交替微层结构的存在增强了复合材料的力学性能,进一步拓宽了导电复合材料的应用范围。
水热法合成rGO/Mo0.7Co0.3S2高性能超级电容器电极复合材料
马金环, 魏智强, 梁家浩, 卢强, 李超, 李羚
2022, 39(10): 1-10. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211028.001
摘要:
氧化石墨烯(rGO)以广泛的比表面积(SSA)(2630 m2/g)、高电导率和化学稳定性及优异的力学、热和光学性能成为超级电容器中的佼佼者,但是氧化石墨烯本身导电性较差,因此本文通过rGO与Mo0.7Co0.3S2复合改善其性能,采用简单的水热法成功合成了rGO与Mo0.7Co0.3S2不同质量比的纳米复合材料rGO/Mo0.7Co0.3S2。通过XRD、SEM、HRTEM、EDS等手段对其物理结构进行表征。以泡沫镍为基底,聚偏氟氯乙烯为粘结剂,N-甲基吡咯烷酮作为辅助剂制作电极,在KOH为电解液的三电极电化学工作站上测试其电化学性能。实验结果表明, rGO/Mo0.7Co0.3S2纳米复合材料为六方结构,结晶良好,形貌主要为纳米花状微球结构,Mo0.7Co0.3S2纳米颗粒表面被一层纱似的rGO包裹着。rGO/Mo0.7Co0.3S2纳米复合材料表现出明显的赝电容行为,特别是rGO/Mo0.7Co0.3S2电极(rGO的含量为30wt%)表现出最大的比电容和最小的扩散阻抗,在电流密度5 A·g−1下循环3000次后rGO/Mo0.7Co0.3S2电极(rGO的含量为30wt%)的比电容值由1377.00 F·g−1降为1307.87 F·g−1,库伦效率为95%,这可能是由于Mo0.7Co0.3S2与rGO之间发生的耦合效应。
分子氧环氧化烯烃多相催化剂PCuMo11/富氮类共价有机骨架材料的制备及应用
高文秀, 吕杰琼, 邢树宇, 谢晖, 高永平, 娄大伟
2022, 39(10): 1-8. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211108.003
摘要:
环氧化合物是一类重要的有机合成中间体和化工原料,主要通过烯烃环氧化反应获得。制备在分子氧环境下高效、稳定、可重复使用的烯烃环氧化反应新型催化剂是一项十分有意义的工作。以富氮类共价有机骨架材料(PC)为载体,多金属氧酸盐PCuMo11为活性物质,制备了复合材料PCuMo11/PC。通过FT-IR、N2吸附脱附、XPS、TEM及EDS等测试对材料进行了表征,并将PCuMo11/PC应用于多相催化分子氧气氛下的烯烃(苯乙烯、1-辛烯、环辛烯和环十二烯)环氧化反应中,取得了较高的催化活性和选择性,循环使用5次以上催化活性没有明显下降。实验结果显示,二维层状富氮类共价有机骨架材料的高表面积及骨架中丰富的氮元素含量,有利于均匀地分散催化活性物质多金属氧酸盐,并与其建立相对稳定的化学链接,提高复合材料的催化活性及稳定性。
不同碳源包覆高电压LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的制备及其电化学性能
林晓燕, 孔志浩, 刘海志, 李艳, 王桢, 温广武
2022, 39(10): 1-10. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211108.002
摘要:
LiNi0.5Mn1.5O4正极材料由于其高电压、无钴和高能量密度优势而受到关注,但高电压下易受电解液腐蚀,循环稳定性差限制了其进一步应用。本文采用低温自蔓延法制备出高电压LiNi0.5Mn1.5O4材料,再使用不同糖类作为碳源进行包覆改性研究。结果表明,在400℃/Air条件下,以壳聚糖为碳源制备的LiNi0.5Mn1.5O4复合材料性能明显改善,在148 mA·h/g下循环400次后放电比容量仍有113.3 mA·h/g,容量保持率为91.07%。这主要归功于材料表面裂解的碳层提高了材料的导电性,缓解了电解液的侵蚀,降低了电极反应极化,提高了锂离子扩散速率。本文利用廉价的糖类作为碳源,合成工艺简单,为镍锰酸锂的应用提供了新的思路。
NaAlCl4/ZSM-5@γ-Al2O3核壳复盐催化剂的制备及其歧化性能
徐文媛, 黄鸿坤, 沈蒙莎, 程永兵, 陈曦, 杨绍明
2022, 39(10): 1-8. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211115.001
摘要:
针对氯硅烷残留物的危害性和资源化利用,通过歧化反应将副产物制备成经济效益更高的二甲基二氯硅烷。由田菁胶为粘结剂,以γ-Al2O3为壳,对ZSM-5分子筛表面进行修饰,构筑ZSM-5@γ-Al2O3核壳载体;然后,通过高温浸渍负载法,将NaAlCl4负载在ZSM-5@γ-Al2O3核壳载体表面。综合研究了不同Si/Al摩尔比的ZSM-5分子筛、不同NaAlCl4负载比例和AlCl3溶液浸渍时间对歧化制备反应二甲基二氯硅烷的影响。采用XRD、SEM、SEM-EDS、BET和FTIR对样品进行表征分析,结果表明,当温度为200℃,硅铝摩尔比为50,复盐NaAlCl4比例为8wt%,AlCl3浸渍时间为3 h时,催化剂活性达到最佳,产率为71.81%。通过NaAlCl4复盐负载ZSM-5@γ-Al2O3核壳表面,改善单一催化成分性能不稳定,提高催化效率,再分配氯硅烷副产品甲基三氯硅烷(M1)和三甲基氯硅烷(M3),得到商业价值较高的二甲基二氯硅烷(M2) ,实现变废为宝。
活化剂对大豆壳制备的多孔碳材料储锂性能的影响
李鑫, 王秋芬, 田会芳, 缪娟, 许卫国, 郑影, 曲志珂
2022, 39(10): 1-10. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211129.003
摘要:
生物质多孔碳材料因来源广泛、性价比高,被广泛应用在锂离子电池中,而制备过程中使用的活化剂对材料储锂性能影响较大。因此,以大豆壳为碳源,在不同工艺条件下制备多孔碳材料,通过结构表征和电化学性能测试,考察活化剂对多孔碳材料储锂性能的影响。研究表明:(1)当电流密度为185 mA·g−1,电压范围为0~3.0 V时,经CaCl2活化的多孔碳材料(DK-CaCl2)的首次放充电比容量为639.0/269.5 mA·h·g−1,而KOH活化的多孔碳(DK-KOH)的首次放充电比容量为986.7/307.5 mA·h·g−1;(2)大豆壳∶KOH的质量比分别为1∶2、1∶4和1∶8时,得到的多孔碳的首次放充电比容量为544.9/136.8、986.7/307.5和375.1/93.4 mA·h·g−1,200次循环后放电比容量分别为88.8、318.9和94.7 mA·h·g−1。这说明不同活化剂及不同活化比例制备的多孔碳材料储锂性能不同,这是由于材料的比表面积不同,导致了电化学性能的不同。
超声沉淀法制备Ti3C2/BiOI复合材料及其可见光催化性能
陈丹丹, 李燕, 王爱国, 詹璇
2022, 39(10): 1-9. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211101.003
摘要:
为提高BiOI在可见光下的光催化性能,采用氟化氢铵蚀刻碳钛化铝得到氧封端的Ti3C2,以五水合硝酸铋为铋源,碘化钾为碘源,利用超声沉淀法合成Ti3C2/BiOI复合材料。通过XRD、SEM、UV-vis、FTIR、EIS、I-t、PL等手段对材料的组成、形貌、结构、光吸收、电化学阻抗、瞬态光电流响应、光谱响应等方面进行表征和测试。以甲基橙(MO)为目标污染物,模拟可见光照射下研究Ti3C2/BiOI复合材料的光催化性能。结果表明:BiOI成功负载到Ti3C2上,在模拟太阳光照射下,Ti3C2/BiOI复合材料表现出较高的光催化降解能力。其中Ti3C2质量分数为6wt%的Ti3C2/BiOI复合粉的光催化效率最高,在光照0.5 h后降解率达到91.6%,较纯BiOI提高4.5倍。氧封端的Ti3C2作为助催化剂及时转移光生电子,在电荷耗尽层保持了电荷分离,极大提高了光催化性能。
Fe3O4/聚二甲基硅氧烷改性胶原海绵及其油水分离性能
郭晨晨, 张云龙, 王瑜, 丁翠翠, 黄六莲, 陈礼辉, 张敏
2022, 39(10): 1-12. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220506.001
摘要:
为发展一种原料丰富、绿色环保、易于在复杂环境中操控使用、循环使用性好的多功能油水分离用海绵材料,采用浸渍法对胶原海绵进行聚二甲基硅氧烷(PDMS)/四氧化三铁(Fe3O4)纳米颗粒复合改性,制备了超疏水胶原基复合海绵(Fe3O4/PDMS-COL),表征了改性后化学结构与微观结构的变化,研究了油水分离性能。通过接触角测量可知:当胶原(COL)浓度为10 mg/mL、PDMS浓度为15vol%时,复合海绵的水接触角为150.3°。FTIR、XPS、XRD及TG测试结果表明Fe3O4/PDMS与胶原海绵成功发生复合,FE-SEM观察结果表明Fe3O4纳米粒子的加入可有效构造表面粗糙结构。海绵可吸附多种不同类型的油相如苯、正己烷、乙酸乙酯、真空泵油、花生油等,其中对乙酸乙酯的吸附量达47 g/g,且对不同油相的分离效率在99%以上。以苯为吸附物,连续循环使用20次后,海绵的接触角与磁性均未发生明显下降。海绵还可有效分离水包油乳液。在外加磁场作用下实施多种场景下的油水分离实验,Fe3O4/PDMS-COL表现出良好的磁操控性。此外,海绵还具有较好的阻燃性能。利用近红外光热响应性,Fe3O4/PDMS-COL还具备了吸附分离复杂环境中固体状油脂/水体系的潜力。
类沸石咪唑酯骨架ZIF-L/PVA复合薄膜的制备与性能
王保营, 丁艳红, 李璐瑶, 郭冉冉, 夏知星, 张岩
2022, 39(10): 1-9. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211103.001
摘要:
类沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)因具有独特的结构和功能,使得利用ZIFs增强改性高分子材料的性能,制备新型功能复合材料,日益受到人们的重视。为研究ZIFs对聚乙烯醇(PVA)的增强改性作用,本研究以类沸石咪唑酯骨架ZIF-L为增强剂,采用溶液流延法制备了系列类沸石咪唑酯骨架ZIF-L/PVA复合薄膜,并对复合薄膜的结构、光学性能、力学性能、颜色、阻隔性能及热稳定性进行了表征。结果表明:ZIF-L的加入增强了复合薄膜的抗紫外性能;随着ZIF-L含量的增加,复合薄膜拉伸强度先增大后降低,水蒸气透过率及最大热分解温度先降低后升高,氧气透过量逐渐增大。当ZIF-L的质量分数为1wt%时,拉伸强度可提高约15%,水蒸气透过率降低1.8%,ZIF-L对PVA具有明显的增强作用,复合薄膜的综合性能较好;当ZIF-L的质量分数大于5wt%时,复合薄膜的最大热分解温度开始升高,最高可达297.84℃。制备的ZIF-L增强改性PVA复合材料为新型功能性包装复合薄膜的开发应用提供了有益借鉴。
用于可充电水性锌离子电池的先进Ti3C2@ε-MnO2电极
黄兰香, 罗旭峰
2022, 39(10): 1-11. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211123.002
摘要:
可充电水性锌-氧化锰(Zn-MnOx)电池具有成本低、安全性高、易于安装等特点,成为太阳能及风能储能装置的最佳选择。由于MnOx导电性欠佳,导致电池循环性能较差,为解决此问题,本文采用导电性优异、具有丰富化学终端(Tx,如=O、—F、—OH)的二维层状过渡金属碳化物(MXene) Ti3C2Tx材料作为MnOx颗粒的良好载体。基于化学终端的电负性,Mn2+能够与其产生强静电吸引,从而嵌入Ti3C2Tx MXene材料层间并吸附在其表面,使生成的Mn3O4颗粒牢牢地锚定在Ti3C2Tx MXene上,形成了Ti3C2@Mn3O4复合材料。当作为水性锌离子电池的正极材料时,Ti3C2@Mn3O4在第1次充电过程中,完全转化为Ti3C2@ε-MnO2。由于Ti3C2Tx MXene材料优异的导电性及层状结构,使Ti3C2@ε-MnO2电极展现出了优异的动力学和电化学性能,在0.2 C (1 C=308 mA·h·g−1)倍率下放电时,比容量高达440 mA·h·g−1,能量密度为607 W·h·kg−1,在1 C倍率下循环150次后,容量从270 mA·h·g−1增长至480 mA·h·g−1。优异的电池性能,简单的材料制备方法再加上低成本、高安全性及易于组装的特性,使可充电水性Zn-MnOx电池在大规模储能装置上的应用成为可能。
多孔木炭/Fe3O4复合吸波材料的制备与性能
杨喜, 曹敏, 简煜, 庞晓娜, 李贤军
2022, 39(10): 1-12. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211105.001
摘要:
为了改善Fe3O4吸波材料密度大和吸波频带窄等问题,以马尾松木材为原料,采用去木质素及高温原位生长法制备了多孔木炭(WPC)/Fe3O4复合材料,通过变化碳化温度来调控复合材料的电磁特性与微波吸收性能。微观形貌、结构和电磁参数等结果表明:WPC/Fe3O4复合材料保有木材天然的三维孔结构,Fe3O4粒子均匀负载于多孔木炭的炭壁与孔道中;升高碳化温度(630~690℃)可增强材料的电导率与电磁衰减能力,但温度过高会引起材料阻抗失配。670℃制备的复合材料微波衰减能力强且阻抗匹配特性好,最小反射损耗为−49.5 dB,有效吸收频宽为6.24 GHz(9.04~15.28 GHz),主要衰减机制归结于复合材料的电导损耗、极化弛豫及介电与磁损耗的协同作用。WPC/Fe3O4复合材料优异的吸波性能在电磁波吸收领域具有良好前景,可促进速生木材的高值化与功能化应用。
双缺陷调控的Z型BiVO4−x/g-C3N4−x异质结的制备及其光催化全解水
杨玉蓉, 王佳慧, 马远驰, 邱敏, 闫国民, 刘宇飞
2022, 39(10): 1-10. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210927.003
摘要:
为了获得高效的全解水光催化体系,采用固相烧结法和水热法制备了双缺陷调控的Z型BiVO4−x/g-C3N4−x异质结,对异质结的微观结构和光电特性进行了表征,测试了BiVO4−x/g-C3N4−x异质结的光催化全解水制氢、氧的性能。结果表明:丰富的氧空位和氮空位的引入、紧密连接的复合结构界面及直接Z型异质结的构筑,提高了材料对可见光的吸收,加快了光生电荷的分离和传输,从而导致材料具有高效的光催化活性。双缺陷调控的Z型BiVO4−x/g-C3N4−x异质结具有优异的光催化活性和稳定性,在可见光照射下,不添加任何吸收剂析氢速率可达654 μmol/(h·g),是g-C3N4−x前驱体的6.5倍,析氧速率可达302 μmol/(h·g),经过20 h的长时间可见光照射,样品的光催化活性没有下降。
氨基硫脲/季铵木质素对铂的吸附
张恒, 张保平, 肖煜坤, 王尹
2022, 39(10): 1-11. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211018.004
摘要:
木质素及其衍生物因具有经济高效和无污染等特点,在有价金属提取和有毒金属离子去除等领域具有广阔的应用前景。本研究采用氨基硫脲/季铵木质素吸附铂,通过FTIR分析揭示了吸附过程的机制,考察了盐酸浓度、Pt(IV)初始浓度、吸附时间和吸附剂用量对吸附效果的影响。结果表明,改性木质素中含有大量的酚羟基、胺基和季铵官能团,PtCl62−被氨基硫脲/季铵木质素中的酚羟基还原成PtCl42−后与胺基发生配合反应和氯离子发生离子交换反应,在盐酸浓度为0.5 mol·L−1、Pt(IV)初始浓度为1 170 mg·L−1和吸附时间为120 min的条件下,1 g·L−1氨基硫脲/季铵木质素对Pt(IV)的饱和吸附容量为267.80 mg·g−1,7 g·L−1时的最大吸附率为88.50%。吸附过程遵循Freundlich模型和准二级动力学模型,表明吸附过程为单分子层非均质的化学吸附。
超浸润性γ-氨丙基三乙氧基硅烷-TiO2包覆织物的制备及其水净化性能
陈迪, 黄杉, 杨园园, 张玉红
2022, 39(10): 1-11. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211025.001
摘要:
异向浸润性材料因其对油和水具有明显相反吸收特性成为油水分离研究的热点。本文通过将γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)与亲水纳米TiO2混合并作用于织物上,经过水解、交联制备了APTES-TiO2包覆的超亲水水下超疏油织物(APTES-TiO2@fabric)。采用接触角测量仪、FTIR、XPS、FESEM、XRD和EDS对改性织物进行表征。结果表明,APTES-TiO2成功包覆于织物表面,该织物在空气中具有0°的水接触角及在水中对所选用的油具有大于152°的油接触角。在油水分离测试中,对几种轻油的分离效率均在99%以上,且经过5次分离循环和酸碱盐溶液浸泡后依旧具有较好的分离效率。另外,织物还具有优异的光催化性能,在12 h的紫外照射下,能降解水中和吸附于自身的亚甲基蓝,达到净化水和自清洁的效果。结果表明,APTES-TiO2@fabric有良好的油水分离和光催化性能,对实际应用中水净化有借鉴意义。
树脂高分子复合材料
硫化DOPO衍生物阻燃环氧树脂的性能与阻燃机制
许志彦, 侯泽明, 叶小林, 张玉鹏, 侯学清, 张道海, 蔡晓东, 周国永, 谭芳, 宝冬梅
2022, 39(10): 1-13. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211228.001
摘要:
为了获得综合性能好的阻燃环氧树脂(EP)复合材料,将9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-硫化物(DOPS)的衍生物应用于EP。首先,通过DOPS和马来酸酐(MAH)反应合成磷杂菲衍生物马来酸酐-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-硫化物(MAH-DOPS),采用FTIR、1H NMR、31P NMR等手段确定其结构;其次,分别将DOPS和MAH-DOPS添加到EP中,通过共混制备复合材料DOPS/EP和MAH-DOPS/EP;再次,对比了DOPS/EP和MAH-DOPS/EP的热稳定性、阻燃性能和力学性能;最后,探讨了MAH-DOPS对EP的燃烧性能和热降解行为的影响,深入分析其阻燃机制。通过对比发现:阻燃剂DOPS的初始分解温度(T5%,205.4℃)低于MAH-DOPS(235.2℃),在添加相同质量分数的阻燃剂时,复合材料DOPS/EP的热稳定性也低于MAH-DOPS/EP,与阻燃剂热稳定性一致;阻燃剂DOPS和MAH-DOPS均能改善EP的阻燃性能,MAH-DOPS/EP具有更优异的阻燃效果。当阻燃剂添加量为15wt%时,MAH-DOPS/EP和DOPS/EP的极限氧指数(LOI) 值分别为28.6%和29.1%,分别达到UL-94 V-0级和V-1级。力学测试结果表明,与EP相比,MAH-DOPS/EP的弯曲强度提高了45.8%,而DOPS/EP下降了62.5%,DOPS/EP体系的力学性能下降明显,几乎失去使用价值。锥形量热测试表明,复合材料MAH-DOPS/EP的平均热释放速率(av-HRR)和总热释放量(THR)显著降低。TG-IR结果表明,MAH-DOPS/EP热解产生的含磷自由基捕捉了H•、O•或HO•等自由基,起到了自由基淬灭作用;SEM-EDS结果表明,MAH-DOPS/EP能够形成更加完整致密的炭层,炭层中P含量较高。研究表明,MAH-DOPS通过抑制火焰和成炭分别在气相和凝聚相发挥阻燃作用,并以气相阻燃机制为主。
双导热网络功能化氮化硼纳米片/聚氨酯复合材料的制备与导热性能
石林, 马忠雷, 景佳瑶, 向小莲, 李桢, 李运涛
2022, 39(10): 1-9. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211028.007
摘要:
研发低填充且高导热的聚合物基导热复合材料是目前亟需解决的瓶颈问题。基于层层氢键组装,以聚氨酯(PU)开孔泡沫为模板,以聚多巴胺功能化改性氮化硼纳米片(BNNS@PDA)为导热填料,采用浸涂-热压成型法制得低填充、高导热BNNS@PDA/PU复合材料。深入研究了BNNS@PDA和BNNS@PDA/PU复合材料的微观结构、导热性能和热稳定性等。结果表明,通过聚多巴胺(PDA)对BNNS进行表面功能化改性能够使其良好地负载于PU开孔泡沫的三维骨架表面。通过热压成型形成以PU骨架为主要导热网络、以PU骨架表面包覆的BNNS@PDA为次级导热网络的高效双重三维导热网络结构,从而降低导热复合材料的界面热阻。当BNNS@PDA填充量为16.3wt%时,双导热网络BNNS@PDA/PU复合材料的热导率达到0.783 W/(m·K),与单导热网络PU的热导率(0.387 W/(m·K))相比提高了102.3%。
碳化钛-二氧化锰/热塑性聚氨酯纳米复合材料的制备及阻燃性能
施永乾, 马苏宁, 杨晔, 刘川, 叶娅婷
2022, 39(10): 1-11. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211012.001
摘要:
热塑性聚氨酯(TPU)具有优良的性能,现已广泛应用于生产生活的各个领域。但该材料是一种有机高分子材料,具有高度易燃性,且燃烧时会发生熔融滴落现象,同时产生大量CO、CO2、NOx等有毒、窒息性气体,限制了TPU的应用。将层状碳化钛(Ti3C2Tx)与二氧化锰(MnO2)通过界面调控技术制备为MXene(一类二维无机化合物,碳化钛是其中的一种)基杂化阻燃剂(Ti3C2Tx-MnO2),然后再引入TPU材料形成MXene/TPU基杂化物纳米复合材料(Ti3C2Tx-MnO2/TPU),利用TGA、XRD、SEM等进行检测,结果显示,在Ti3C2Tx-MnO2/TPU纳米复合材料中,700℃时炭渣含量最大程度提高91.89%,总热释放量(THR)、总烟释放量(TSR)、CO释放总量(CO TY)和CO2释放总量(CO2 TY)相较于纯TPU分别最大程度降低了28.62%、33.41%、34.12%和29.77%。通过分析,MXene基杂化阻燃剂中Ti3C2Tx氧化为TiO2,并与MnO2协同催化成炭,大幅度提高纳米复合材料燃烧后炭层连续性和致密性,阻隔热量、阻挡氧气进入并抑制烟气释放。
光固化3D打印改性碳纤维/光敏树脂复合材料的制备与性能调控
王世崇, 陈彦羽, 侯阳, 邓浩宇, 刘晓暄, 向洪平, 彭忠泉, 容敏智, 章明秋
2022, 39(10): 1-9. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211109.001
摘要:
光固化3D打印技术因成型速度快、器件精度高、表面质量好,已成为3D打印快速制备高精尖器件的首选方法,但现有3D打印光敏树脂仍存在器件力学强度低、韧性差等问题。碳纤维因导电、导热、高比强度、高比模量等特性,已被广泛应用于各种结构或功能复合材料。为此,先采用化学氧化、硅烷偶联剂(KH580)改性等手段对短切碳纤维进行表面改性得到KH580改性碳纤维(MCF);再将MCF与3D打印光敏树脂(PR)复合得到改性碳纤维/光敏树脂(MCF/PR)复合材料,并对其光固化动力学和3D打印器件的力学性能进行了详细研究。结果表明:当MCF表面的KH580接枝量为0.5wt%、MCF添加量为0.15wt%时,虽然MCF与PR复合后使光敏树脂的黏度有所增大,但对光敏树脂的固化深度与临界曝光量影响较小,仍能满足光固化3D打印要求;利用立体光刻技术(Stereolithography,SLA)光固化3D打印工艺能很好地制造出各种MCF/PR器件,器件的拉伸强度可达70 MPa,与纯PR相比增加了约100%,冲击强度为1.91 kJ/m2,较PR提高了约60%,且3D打印器件在350℃下具有良好的热稳定性。
玻纤质量分数对短玻纤增强聚丙烯水辅助共注塑管件的影响
匡唐清, 朱瑶瑶, 柳和生, 赖家美, 钟罗浩
2022, 39(10): 1-10. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211101.001
摘要:
水辅助共注塑成型技术(Water-assisted co-injection molding,WACIM)是一种结合共注塑技术和水辅助注塑技术的新型注塑工艺。特定的工艺过程使得玻纤增强复合材料应用于WACIM工艺时具有特定的玻纤取向规律和增强特点。以纯聚丙烯(PP)为内层材料、不同质量分数的短玻纤增强聚丙烯(GF/PP)为外层材料制备系列WACIM管件,比较分析了实验条件下玻纤质量分数对管件壁厚、玻纤取向分布及拉伸强度的影响规律与机制。研究发现在玻纤质量分数不超过30wt%时,管件壁厚差异不明显,当玻纤质量增加到40wt%时,管件内外壁厚均增大;WACIM管件外层按玻纤取向的分布特点均可分为近界面层、中间层和近模壁层,玻纤沿流动方向的取向程度由内向外依次降低;管件的拉伸性能随着玻纤质量分数的增加呈先增后减的趋势,玻纤质量分数为30wt%时管件拉伸强度最好。与玻纤增强聚丙烯的水辅助注塑成型(WAIM)管件比较,发现两种工艺中玻纤质量分数对壁厚、玻纤取向分布和拉伸强度的影响有差异,影响机制有所区别。
聚酰亚胺纤维纬编织物增强橡胶基复合材料冲击性能
郭梦惟, 孙颖, 王昆, 冯亚, 刘梁森, 陈利
2022, 39(10): 1-8. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211027.002
摘要:
针对固体火箭发动机绝热层复合材料在冲击作用下因增强织物和橡胶基体变形不协调导致的破坏问题,基于罗纹纬编结构,设计制备了两种纤维细度、三种线圈长度和两种铺层结构的聚酰亚胺纤维纬编织物增强丁腈橡胶(NBR)复合材料,测试并分析了增强结构对复合材料低速冲击性能的影响。结果表明:选用大丝束纤维、长线圈及正交铺层的复合材料具有更高的冲击峰值载荷和吸能。采用轮廓仪和显微镜观测冲击损伤形貌,在20.1 J冲击能量下试样均未被穿透,基体沿纤维方向产生裂纹并沿厚度方向产生塑性变形是复合材料主要的损伤模式。
沥青增塑熔纺聚丙烯腈基碳纤维前驱体纤维的制备与性能
陈建永, 韩娜, 吴潮, 孙志恒, 吴宇通, 孙忠顺, 王乐军, 张兴祥
2022, 39(10): 1-11. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211119.002
摘要:
为了降低聚丙烯腈(PAN)的熔点和提升熔纺PAN纤维的性能,本文以各向同性萘沥青(INP)和煤焦油沥青(ICP)作为增塑剂,比较了二者对85∶14∶1 摩尔比的聚(丙烯腈-丙烯酸甲酯-4-丙烯酰氧基二苯甲酮)三元共聚物(P(AN-MA-ABP))的增塑效果。优选1wt%的INP与P(AN-MA-ABP)充分混合、熔融纺丝、牵伸制备了1wt%INP/P(AN-MA-ABP)共聚物纤维,并研究了紫外(UV)辐照时间对1wt%INP/P(AN-MA-ABP)共聚物纤维的影响。结果表明:相比于稠环结构的ICP,长链含硫杂环结构的INP具有良好的增塑效果。制备的1wt%INP/P(AN-MA-ABP)共聚物纤维直径约52 μm,拉伸强度约250 MPa,表面光滑,结构致密。UV辐照时间从0 min增加到60 min,纤维表面氧含量由17.3%提高到26.0%。氮气条件下,环化起始温度由303.8℃降到292.4℃,环化峰值温度由318.0℃降到308.8℃。空气条件下,环化起始温度由299.9℃降到295.0℃,环化峰值温度由316.4℃降到312.6℃。UV辐照20 min,氮气条件下800℃时纤维的碳收率由41.0%提高到43.4%。UV辐照降低了1wt%INP/P(AN-MA-ABP)共聚物纤维的环化起始温度、峰值温度、焓值,提高了碳收率,有利于后续热处理。