2022年 第39卷 第12期
2022, 39(12): 5665-5677.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211228.004
摘要:
为了改善环氧树脂(EP)涂层防腐性能，采用笼形聚倍半硅氧烷(POSS)修饰的六方氮化硼(h-BN)和苯胺三聚体(AT)作为填料加入环氧固化体系中进行共掺杂，研究两种POSS分子、两种添加方式以及不同添加量对复合涂层的性能影响。首先通过高温剥离六方氮化硼得到羟基化氮化硼(OH-BN)，而后采用硅烷偶联剂KH-560对其表面进行乙氧基功能化修饰，再分别将氨丙基七异丁基POSS(APS)和八氨苯基POSS(OAPPS)与之接枝，经反应合成出两种新型的POSS杂化氮化硼功能助剂APS-BN和OAPPS-BN；进一步将它们和AT通过π-π相互作用共混，以不同的添加比例分散到环氧树脂中制备有机无机杂化的环氧复合防腐涂层材料，最后表征涂层的交流阻抗谱、塔菲尔曲线、盐雾试验、接触角、热性能和力学性能等。结果表明，与纯环氧涂层相比，掺杂0.5wt% OAPPS-BN-AT的环氧复合涂层性能提升幅度最大，阻抗值为1.27×1011 Ω·cm2；腐蚀电位提高了0.35 V，达到−0.052 V；耐盐雾性能也有明显提高，30天未出现点蚀和起泡。此外，基于POSS杂化氮化硼功能助剂中POSS表面迁移作用和h-BN屏障作用，复合涂层铅笔硬度提高到3H级别；表面疏水性有所提升，接触角从纯环氧涂层的67.1°增大到93.2°，并且还显示出优良的附着力、耐冲击性、柔韧性和耐热性能，说明0.5wt%OAPPS-BN-AT/EP防腐涂层在金属腐蚀与防护领域将具有一定的潜在应用前景。
为了改善环氧树脂(EP)涂层防腐性能，采用笼形聚倍半硅氧烷(POSS)修饰的六方氮化硼(h-BN)和苯胺三聚体(AT)作为填料加入环氧固化体系中进行共掺杂，研究两种POSS分子、两种添加方式以及不同添加量对复合涂层的性能影响。首先通过高温剥离六方氮化硼得到羟基化氮化硼(OH-BN)，而后采用硅烷偶联剂KH-560对其表面进行乙氧基功能化修饰，再分别将氨丙基七异丁基POSS(APS)和八氨苯基POSS(OAPPS)与之接枝，经反应合成出两种新型的POSS杂化氮化硼功能助剂APS-BN和OAPPS-BN；进一步将它们和AT通过π-π相互作用共混，以不同的添加比例分散到环氧树脂中制备有机无机杂化的环氧复合防腐涂层材料，最后表征涂层的交流阻抗谱、塔菲尔曲线、盐雾试验、接触角、热性能和力学性能等。结果表明，与纯环氧涂层相比，掺杂0.5wt% OAPPS-BN-AT的环氧复合涂层性能提升幅度最大，阻抗值为1.27×1011 Ω·cm2；腐蚀电位提高了0.35 V，达到−0.052 V；耐盐雾性能也有明显提高，30天未出现点蚀和起泡。此外，基于POSS杂化氮化硼功能助剂中POSS表面迁移作用和h-BN屏障作用，复合涂层铅笔硬度提高到3H级别；表面疏水性有所提升，接触角从纯环氧涂层的67.1°增大到93.2°，并且还显示出优良的附着力、耐冲击性、柔韧性和耐热性能，说明0.5wt%OAPPS-BN-AT/EP防腐涂层在金属腐蚀与防护领域将具有一定的潜在应用前景。
2022, 39(12): 5678-5687.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211207.002
摘要:
树脂基水合氧化铁(Hydrated ferric oxide，HFO)复合吸附剂以磷吸附容量大、吸附速率快、洗脱率高等特点，受到广泛关注，但不同NaOH浓度制备的复合吸附剂结构和吸附性能是否一样尚不清楚。通过考察NaOH浓度对树脂基HFO复合吸附剂的结构和除磷性能影响，为优化D213-HFO复合吸附剂制备提供依据。结果表明，NaOH浓度从1 mol·L−1增加至6 mol·L−1，复合吸附剂的HFO负载量(约为16wt%，以Fe质量分数计)和晶体结构无显著差异，但复合吸附剂负载纳米HFO颗粒团聚程度降低，分布更均匀。此外，随着NaOH浓度增加，复合吸附剂的磷吸附容量先增加后稳定(18 mg·g−1)。另外，复合吸附剂吸附磷的平衡时间为240 min，更符合准一级动力学模型(R2 > 0.99)，最佳吸附pH为6~8，相同浓度时共存离子对磷吸附影响程度为SO42−>Cl−>NO3−。在连续5个吸附洗脱周期内，复合吸附剂的磷洗脱率均接近100%。实验表明，随NaOH浓度增加，复合吸附剂负载HFO颗粒分布更均匀，磷吸附容量先增加后稳定，但晶体结构、吸附平衡时间、最佳pH范围、共存离子影响趋势及洗脱效果均无显著差异。
树脂基水合氧化铁(Hydrated ferric oxide，HFO)复合吸附剂以磷吸附容量大、吸附速率快、洗脱率高等特点，受到广泛关注，但不同NaOH浓度制备的复合吸附剂结构和吸附性能是否一样尚不清楚。通过考察NaOH浓度对树脂基HFO复合吸附剂的结构和除磷性能影响，为优化D213-HFO复合吸附剂制备提供依据。结果表明，NaOH浓度从1 mol·L−1增加至6 mol·L−1，复合吸附剂的HFO负载量(约为16wt%，以Fe质量分数计)和晶体结构无显著差异，但复合吸附剂负载纳米HFO颗粒团聚程度降低，分布更均匀。此外，随着NaOH浓度增加，复合吸附剂的磷吸附容量先增加后稳定(18 mg·g−1)。另外，复合吸附剂吸附磷的平衡时间为240 min，更符合准一级动力学模型(R2 > 0.99)，最佳吸附pH为6~8，相同浓度时共存离子对磷吸附影响程度为SO42−>Cl−>NO3−。在连续5个吸附洗脱周期内，复合吸附剂的磷洗脱率均接近100%。实验表明，随NaOH浓度增加，复合吸附剂负载HFO颗粒分布更均匀，磷吸附容量先增加后稳定，但晶体结构、吸附平衡时间、最佳pH范围、共存离子影响趋势及洗脱效果均无显著差异。
2022, 39(12): 5688-5698.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211213.001
摘要:
干法缠绕是缠绕成型工艺的重要分支，其缠绕过程含胶量均匀、缠绕效率高、环境污染小，更容易实现工业自动化生产。开发具有良好加工性能的预浸纱，对干法缠绕的推广应用具有重要意义。通过动态DSC和恒温DSC，结合流变测试，研究了所用环氧树脂体系固化特性，基于自催化模型建立树脂固化反应动力学方程，并与实测固化度对比验证。搭建预浸纱制备平台，采用改进热熔法制备干法缠绕用预浸纱，分析制备过程中不同固化度对预浸纱表面质量的影响。在此基础上通过响应面法分析不同工艺参数(纱架张力、收卷速率、烘道温度)对预浸纱含胶量的影响。结果表明：自催化模型与实验结果基本吻合，适用于干法缠绕预浸纱最佳固化度范围为5%~10%，对含胶量影响最大的因子是收卷速率，其次是放纱张力，烘道温度影响最小。综合考虑各工艺参数影响规律，获得优化的制备工艺参数：烘道温度为180℃，收卷速率为8 m/min，放纱张力为6 N，此时树脂含胶量为30.1wt%。NOL环拉伸强度可达2536.1 MPa，拉伸模量为162.3 GPa，层间剪切强度为57.3 MPa。
干法缠绕是缠绕成型工艺的重要分支，其缠绕过程含胶量均匀、缠绕效率高、环境污染小，更容易实现工业自动化生产。开发具有良好加工性能的预浸纱，对干法缠绕的推广应用具有重要意义。通过动态DSC和恒温DSC，结合流变测试，研究了所用环氧树脂体系固化特性，基于自催化模型建立树脂固化反应动力学方程，并与实测固化度对比验证。搭建预浸纱制备平台，采用改进热熔法制备干法缠绕用预浸纱，分析制备过程中不同固化度对预浸纱表面质量的影响。在此基础上通过响应面法分析不同工艺参数(纱架张力、收卷速率、烘道温度)对预浸纱含胶量的影响。结果表明：自催化模型与实验结果基本吻合，适用于干法缠绕预浸纱最佳固化度范围为5%~10%，对含胶量影响最大的因子是收卷速率，其次是放纱张力，烘道温度影响最小。综合考虑各工艺参数影响规律，获得优化的制备工艺参数：烘道温度为180℃，收卷速率为8 m/min，放纱张力为6 N，此时树脂含胶量为30.1wt%。NOL环拉伸强度可达2536.1 MPa，拉伸模量为162.3 GPa，层间剪切强度为57.3 MPa。
2022, 39(12): 5699-5710.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211221.001
摘要:
通过提高聚酰亚胺(PI)的耐热性和导热性，从而提高其高温摩擦学性能。首先选择笼形聚倍半硅氧烷(POSS)和SiO2提升其耐高温性能，碳纳米管(CNTs)和Cu粉提升热导率。然后选择分子模拟和实验相结合的方法研究各组分对其性能的影响。结果表明，POSS和SiO2能够提升PI的耐高温性能和杨氏模量，但降低了热导率和冲击强度。Cu提高了PI的耐高温性能和热导率，但降低了力学性能。低含量的CNTs改性效果良好，但高含量时表现不佳。随后根据单组分改性实验的结果设计了多组分复合改性PI复合材料。结果表明，改性配比为3wt% POSS、3wt% SiO2、0.5wt% CNTs和3wt% Cu的复合材料综合性能最优，在高温下的摩擦性能表现最佳，200℃时的摩擦系数为0.65，比纯PI降低了27.8%；磨损率为5.11×10−5 mm3/(N·m)，降低了19.3%。
通过提高聚酰亚胺(PI)的耐热性和导热性，从而提高其高温摩擦学性能。首先选择笼形聚倍半硅氧烷(POSS)和SiO2提升其耐高温性能，碳纳米管(CNTs)和Cu粉提升热导率。然后选择分子模拟和实验相结合的方法研究各组分对其性能的影响。结果表明，POSS和SiO2能够提升PI的耐高温性能和杨氏模量，但降低了热导率和冲击强度。Cu提高了PI的耐高温性能和热导率，但降低了力学性能。低含量的CNTs改性效果良好，但高含量时表现不佳。随后根据单组分改性实验的结果设计了多组分复合改性PI复合材料。结果表明，改性配比为3wt% POSS、3wt% SiO2、0.5wt% CNTs和3wt% Cu的复合材料综合性能最优，在高温下的摩擦性能表现最佳，200℃时的摩擦系数为0.65，比纯PI降低了27.8%；磨损率为5.11×10−5 mm3/(N·m)，降低了19.3%。
2022, 39(12): 5711-5726.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211217.002
摘要:
为了研究水滑石复合材料的力学性能、热稳定性、动态热机械性能、结晶行为和界面相容性等，通过共沉淀法制备镁铝水滑石，再将水滑石进行焙烧，得到焙烧镁铝水滑石，以控制变量法考察温度和时间对水滑石层间结构的影响，利用TG、SEM、XRD分别表征测试了300℃下焙烧后的水滑石(LDHs(300))的形貌和热稳定性，证实其层间水已经大部分除去，且保持层状结构而不损害其原有的性能。利用FTIR、XRD表征测试了十二烷基苯磺酸钠(SDBS)能成功插层改性焙烧后的水滑石。再采用熔融共混法，将不同表面改性的水滑石颗粒添加到聚乳酸-马来酸酐接枝聚丙烯(PLA-PP-g-MAH)得到不同的复合材料。结果表明，焙烧改性后的水滑石复合材料的性能最优。通过SEM进行的形态分析表明，随着水滑石添加到PLA-PP-g-MAH中，PP-g-MAH颗粒相畴尺寸显著减小，PP-g-MAH相具有更好的润湿性，从而产生更高的冲击强度，冲击性能与纯PLA相比提高了37.72%。从流变行为发现，焙烧改性后的水滑石复合材料的流变性能比PLA显著增加。DMA表明，在PLA-PP-g-MAH共混物中添加焙烧改性后的水滑石，PLA的玻璃化转变温度\begin{document}$ \left({T}_{\mathrm{g}}\right) $\end{document} ![]()
![]()
\begin{document}$ {(T}_{\mathrm{c}\mathrm{c}}) $\end{document} ![]()
![]()
为了研究水滑石复合材料的力学性能、热稳定性、动态热机械性能、结晶行为和界面相容性等，通过共沉淀法制备镁铝水滑石，再将水滑石进行焙烧，得到焙烧镁铝水滑石，以控制变量法考察温度和时间对水滑石层间结构的影响，利用TG、SEM、XRD分别表征测试了300℃下焙烧后的水滑石(LDHs(300))的形貌和热稳定性，证实其层间水已经大部分除去，且保持层状结构而不损害其原有的性能。利用FTIR、XRD表征测试了十二烷基苯磺酸钠(SDBS)能成功插层改性焙烧后的水滑石。再采用熔融共混法，将不同表面改性的水滑石颗粒添加到聚乳酸-马来酸酐接枝聚丙烯(PLA-PP-g-MAH)得到不同的复合材料。结果表明，焙烧改性后的水滑石复合材料的性能最优。通过SEM进行的形态分析表明，随着水滑石添加到PLA-PP-g-MAH中，PP-g-MAH颗粒相畴尺寸显著减小，PP-g-MAH相具有更好的润湿性，从而产生更高的冲击强度，冲击性能与纯PLA相比提高了37.72%。从流变行为发现，焙烧改性后的水滑石复合材料的流变性能比PLA显著增加。DMA表明，在PLA-PP-g-MAH共混物中添加焙烧改性后的水滑石，PLA的玻璃化转变温度
2022, 39(12): 5727-5735.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211221.003
摘要:
超级电容器具有充放电快、比电容高、循环稳定性好等优点，已成为一种重要的储能器件，其性能主要取决于电极材料的电化学性能。具有高比表面积和环境友好性的复合纳米材料，是超级电容器的理想电极材料。本文首先采用水热法在碳布基底上制备了氢氧化钴纳米线，并以纳米线为基体，在其上二次水热合成镍钼氢氧化物纳米片，再经过低温退火和磷化，最终获得了CoO@NiMo-O(P)分级复合纳米材料。利用SEM、TEM及XPS等技术对样品形貌、结构和元素化合价进行了表征和分析。电化学测试结果表明：该分级复合纳米材料具有良好的电容性能，在1 A/g的电流密度下比电容可达1304.55 F/g，且在10 A/g的电流密度下经过1000次充放电后，比电容保持率高达87%，表现出了良好的循环特性。
超级电容器具有充放电快、比电容高、循环稳定性好等优点，已成为一种重要的储能器件，其性能主要取决于电极材料的电化学性能。具有高比表面积和环境友好性的复合纳米材料，是超级电容器的理想电极材料。本文首先采用水热法在碳布基底上制备了氢氧化钴纳米线，并以纳米线为基体，在其上二次水热合成镍钼氢氧化物纳米片，再经过低温退火和磷化，最终获得了CoO@NiMo-O(P)分级复合纳米材料。利用SEM、TEM及XPS等技术对样品形貌、结构和元素化合价进行了表征和分析。电化学测试结果表明：该分级复合纳米材料具有良好的电容性能，在1 A/g的电流密度下比电容可达1304.55 F/g，且在10 A/g的电流密度下经过1000次充放电后，比电容保持率高达87%，表现出了良好的循环特性。
2022, 39(12): 5736-5746.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211202.002
摘要:
氢能以其高效、清洁、可再生的优点成为化石能源的有效替代者，而可逆固体氧化物电池(RSOC)既可利用氢气输出电能，也可电解H2O产生氢气，对其研究具有十分重要的意义。本文对RSOC的氧电极进行了研究，在La0.65Sr0.35MnO3(LSM)氧电极的基础上，采用溶液交替浸渍法将Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)和Sm0.5Sr0.5CoO3−δ(SSC)纳米粒子引入LSM氧电极中。800℃时，交替浸渍1次的LSM-SDC-SSC1氧电极的极化电阻为0.49 Ω·cm2，是纯LSM电极(1.12 Ω·cm2)的43%。SDC和SSC的浸渍顺序对电极形貌和性能的影响随着浸渍次数的增加逐渐减弱，交替浸渍2次的LSM-SDC-SSC2氧电极具有最低的极化过电位和极化电阻。800°C时，Ni-(Y2O3)0.08(ZrO2)0.92(YSZ)/YSZ/LSM-SDC-SSC2单电池在固体氧化物燃料电池(SOFC)模式下的最大功率密度为870 mW·cm−2，是纯LSM电池的6.3倍，在固体氧化物电解池(SOEC)模式下的最大电解电流密度为−1150 mA·cm−2，具有良好的可逆电池输出性能。
氢能以其高效、清洁、可再生的优点成为化石能源的有效替代者，而可逆固体氧化物电池(RSOC)既可利用氢气输出电能，也可电解H2O产生氢气，对其研究具有十分重要的意义。本文对RSOC的氧电极进行了研究，在La0.65Sr0.35MnO3(LSM)氧电极的基础上，采用溶液交替浸渍法将Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)和Sm0.5Sr0.5CoO3−δ(SSC)纳米粒子引入LSM氧电极中。800℃时，交替浸渍1次的LSM-SDC-SSC1氧电极的极化电阻为0.49 Ω·cm2，是纯LSM电极(1.12 Ω·cm2)的43%。SDC和SSC的浸渍顺序对电极形貌和性能的影响随着浸渍次数的增加逐渐减弱，交替浸渍2次的LSM-SDC-SSC2氧电极具有最低的极化过电位和极化电阻。800°C时，Ni-(Y2O3)0.08(ZrO2)0.92(YSZ)/YSZ/LSM-SDC-SSC2单电池在固体氧化物燃料电池(SOFC)模式下的最大功率密度为870 mW·cm−2，是纯LSM电池的6.3倍，在固体氧化物电解池(SOEC)模式下的最大电解电流密度为−1150 mA·cm−2，具有良好的可逆电池输出性能。
2022, 39(12): 5747-5757.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211231.001
摘要:
为了改善铅酸电池负极不可逆硫酸盐化及析氢问题，通过原位化学聚合的方法制备导电炭黑/氧化铟表面包覆聚吡咯[PPy@(C/In2O3)]复合材料，采用SEM、FTIR、BET和XRD等表征手段分别对复合材料的微观形貌和结构进行分析；通过循环伏安法(CV)和线性扫描法(LSV)测试了复合材料的电化学性能。最后，将PPy@(C/In2O3)复合材料添加到铅酸电池负极活性材料中，探究PPy@(C/In2O3)对铅酸电池高倍率部分荷电状态(HRPSoC)循环寿命及放电容量的影响。结果表明：PPy@(C/In2O3)保留了导电炭黑的基本结构特征，具有较大比表面积；同时具有较高析氢过电位及较大比容量。当将PPy@(C/In2O3)复合材料添加到铅酸电池负极活性材料中，不仅可以降低负极板内阻抑制电池的负极硫酸盐化问题，而且可以减弱电池负极析氢问题，在提高铅酸电池放电容量同时，显著提高了铅酸电池高倍率部分荷电状态循环寿命。最终，含有PPy@(C/In2O3)的负极板的铅酸电池显示出了优异的HRPSoC循环寿命，较空白组电池循环寿命提高了1.78倍。
为了改善铅酸电池负极不可逆硫酸盐化及析氢问题，通过原位化学聚合的方法制备导电炭黑/氧化铟表面包覆聚吡咯[PPy@(C/In2O3)]复合材料，采用SEM、FTIR、BET和XRD等表征手段分别对复合材料的微观形貌和结构进行分析；通过循环伏安法(CV)和线性扫描法(LSV)测试了复合材料的电化学性能。最后，将PPy@(C/In2O3)复合材料添加到铅酸电池负极活性材料中，探究PPy@(C/In2O3)对铅酸电池高倍率部分荷电状态(HRPSoC)循环寿命及放电容量的影响。结果表明：PPy@(C/In2O3)保留了导电炭黑的基本结构特征，具有较大比表面积；同时具有较高析氢过电位及较大比容量。当将PPy@(C/In2O3)复合材料添加到铅酸电池负极活性材料中，不仅可以降低负极板内阻抑制电池的负极硫酸盐化问题，而且可以减弱电池负极析氢问题，在提高铅酸电池放电容量同时，显著提高了铅酸电池高倍率部分荷电状态循环寿命。最终，含有PPy@(C/In2O3)的负极板的铅酸电池显示出了优异的HRPSoC循环寿命，较空白组电池循环寿命提高了1.78倍。
2022, 39(12): 5758-5767.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211217.001
摘要:
含油废水的处理海上溢油问题及含油废水的排放对经济与环境带来了巨大的破坏。利用聚多巴胺将自制的双尺度ZIF-8/TiO2纳米粒子黏附到聚氨酯海绵，通过十八胺改性制备出超疏水油水分离海绵，通过FTIR、XRD等对其结构进行了表征分析；利用ZIF-8和TiO2两种纳米粒子构建双尺度粗糙结构，并深入探究了两种粒子的用量对复合涂层表面性能的影响。结果表明当纳米粒子ZIF-8和TiO2添加摩尔比为2∶1时，接触角达到最大值153°；复合海绵有良好的油水分离性能，吸收能力是其自重的40至118倍，分离效率平均在96%以上；在808 nm激光照射下10 s内温度可升高55.9℃，有良好的光热转换性能。
含油废水的处理海上溢油问题及含油废水的排放对经济与环境带来了巨大的破坏。利用聚多巴胺将自制的双尺度ZIF-8/TiO2纳米粒子黏附到聚氨酯海绵，通过十八胺改性制备出超疏水油水分离海绵，通过FTIR、XRD等对其结构进行了表征分析；利用ZIF-8和TiO2两种纳米粒子构建双尺度粗糙结构，并深入探究了两种粒子的用量对复合涂层表面性能的影响。结果表明当纳米粒子ZIF-8和TiO2添加摩尔比为2∶1时，接触角达到最大值153°；复合海绵有良好的油水分离性能，吸收能力是其自重的40至118倍，分离效率平均在96%以上；在808 nm激光照射下10 s内温度可升高55.9℃，有良好的光热转换性能。
2022, 39(12): 5768-5777.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211207.001
摘要:
镍铁水滑石(LDH)(Ni7Fe1)易于合成、来源丰富、价格低廉，是目前催化体系中性能优良的催化剂之一，可望用于替代成本高昂的贵金属催化剂。采用原位聚合法将二维层状结构的Ni7Fe1与聚S,S-二氧-二苯并噻吩(PDBTSO)复合，制备了无机/有机复合材料Ni7Fe1/PDBTSO，并验证了其光催化性能。实验得到：复合材料15-Ni7Fe1/PDBTSO相较于添加3wt% Pt助催化剂PDBTSO的光催化产氢效率提高了22.6%，其产氢效率达到36.8 mmol·g−1·h−1且具有良好的循环稳定性，表明Ni7Fe1为替代光催化制氢反应中贵金属助催化剂理想的候选材料之一。结合XRD、FTIR、TEM和XPS等手段进一步讨论了复合材料光催化产氢的机制。Ni7Fe1/PDBTSO高效的光催化制氢性能及低成本的制备方法为光催化制氢领域提供了新的思路。
镍铁水滑石(LDH)(Ni7Fe1)易于合成、来源丰富、价格低廉，是目前催化体系中性能优良的催化剂之一，可望用于替代成本高昂的贵金属催化剂。采用原位聚合法将二维层状结构的Ni7Fe1与聚S,S-二氧-二苯并噻吩(PDBTSO)复合，制备了无机/有机复合材料Ni7Fe1/PDBTSO，并验证了其光催化性能。实验得到：复合材料15-Ni7Fe1/PDBTSO相较于添加3wt% Pt助催化剂PDBTSO的光催化产氢效率提高了22.6%，其产氢效率达到36.8 mmol·g−1·h−1且具有良好的循环稳定性，表明Ni7Fe1为替代光催化制氢反应中贵金属助催化剂理想的候选材料之一。结合XRD、FTIR、TEM和XPS等手段进一步讨论了复合材料光催化产氢的机制。Ni7Fe1/PDBTSO高效的光催化制氢性能及低成本的制备方法为光催化制氢领域提供了新的思路。
2022, 39(12): 5778-5791.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211206.001
摘要:
光催化降解是一种很有应用前景的污染物处理方法。采用溶剂热法制备了3D/2D二硫化钼负载氧掺杂石墨相氮化碳(MoS2/O-g-C3N4)复合材料，通过XRD、XPS、SEM、TEM、FTIR和PL等表征了MoS2与O-g-C3N4之间Z型异质结的成功构建。在模拟太阳光下，当MoS2的负载量为0.2%时，MoS2/O-g-C3N4的光催化活性最高，双酚A (BPA)的降解率为92.6%，是纯g-C3N4的7倍。此外，MoS2和O-g-C3N4之间界面的紧密接触和相互的协同效应，显著增强了光催化反应活性位点和可见光吸收能力，有效提高了光生载流子的分离。根据液相质谱联用仪(LC-MS)和自由基捕获实验，提出了0.2%MoS2/O-g-C3N4异质结复合材料降解BPA可能的光催化降解机制。本研究为制备高效异质结光催化剂提供了新的方法。
光催化降解是一种很有应用前景的污染物处理方法。采用溶剂热法制备了3D/2D二硫化钼负载氧掺杂石墨相氮化碳(MoS2/O-g-C3N4)复合材料，通过XRD、XPS、SEM、TEM、FTIR和PL等表征了MoS2与O-g-C3N4之间Z型异质结的成功构建。在模拟太阳光下，当MoS2的负载量为0.2%时，MoS2/O-g-C3N4的光催化活性最高，双酚A (BPA)的降解率为92.6%，是纯g-C3N4的7倍。此外，MoS2和O-g-C3N4之间界面的紧密接触和相互的协同效应，显著增强了光催化反应活性位点和可见光吸收能力，有效提高了光生载流子的分离。根据液相质谱联用仪(LC-MS)和自由基捕获实验，提出了0.2%MoS2/O-g-C3N4异质结复合材料降解BPA可能的光催化降解机制。本研究为制备高效异质结光催化剂提供了新的方法。
2022, 39(12): 5792-5802.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211214.001
摘要:
为满足可穿戴智能纺织品微电子功能元件的供能需求，柔性储能器件成为研究的重点。电极是储能器件重要组成部分，决定了器件能量存储的大小。本文以导电镀银锦纶织物为基体，采用磁控溅射技术将金属锌(Zn)负载在织物表面，再通过化学聚合和电化学聚合两种方式构筑导电高分子聚吡咯(PPy)。分别对Zn@PPy/织物电极的表观形貌、电学性能和电化学性能进行评价，并探究化学聚合和电化学聚合PPy及磁控溅射时间对织物电极性能的影响。结果表明：采用磁控溅射镀技术可在织物表面实现Zn膜的均匀生长，表面方阻为1.51 Ω；制备的Zn@PPy/织物电极比电容高达1185 mF/cm2，是PPy/织物电极的4.21倍。该织物电极制备方法简单，在可穿戴纺织品微电子供能领域具有潜在的应用前景。
为满足可穿戴智能纺织品微电子功能元件的供能需求，柔性储能器件成为研究的重点。电极是储能器件重要组成部分，决定了器件能量存储的大小。本文以导电镀银锦纶织物为基体，采用磁控溅射技术将金属锌(Zn)负载在织物表面，再通过化学聚合和电化学聚合两种方式构筑导电高分子聚吡咯(PPy)。分别对Zn@PPy/织物电极的表观形貌、电学性能和电化学性能进行评价，并探究化学聚合和电化学聚合PPy及磁控溅射时间对织物电极性能的影响。结果表明：采用磁控溅射镀技术可在织物表面实现Zn膜的均匀生长，表面方阻为1.51 Ω；制备的Zn@PPy/织物电极比电容高达1185 mF/cm2，是PPy/织物电极的4.21倍。该织物电极制备方法简单，在可穿戴纺织品微电子供能领域具有潜在的应用前景。
2022, 39(12): 5803-5815.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211216.003
摘要:
为充分利用金属-有机框架化合物(MOF)丰富的多孔结构与导电聚合物的独特掺杂结构，研究掺杂剂对MOF/导电聚合物复合材料的结构及电化学性能的影响，以实现稳定的化学掺杂。通过调控Co2+与2-甲基咪唑的摩尔配比常温反应制备得到三维花状结构的ZIF-67(命名为Z8)；利用简便的原位聚合反应制备得到5-磺基水杨酸(5-SSA)掺杂聚吡咯(PPy)/Z8复合材料。Z8的引入能在一定程度上减少PPy微球的堆积，其与5-SSA之间的多重氢键、共轭效应等有利于PPy实现稳定的化学掺杂，其有利于电子及电解质离子的快速传输，并为PPy提供支撑。电化学测试结果表明，所有的复合材料中，PPy/10wt%Z8可获得最佳的电化学性能，其在1 A·g−1的电流密度下的比电容可达300 F·g−1。以PPy/10wt%Z8为正极，活性炭为负极，柔性碳布作为支撑体，聚乙烯醇(PVA)-H2SO4为电解质组装得到柔性非对称超级电容器，在1 mA·cm−2的电流密度下，其比电容为200 mF·cm−2，能量密度为71 μW·h·cm−2，功率密度为800 μW·cm−2，并且在10 mA·cm−2电流密度下循环10000次后，器件的电容保持率为80.2%，表现出良好的超电容特性。
为充分利用金属-有机框架化合物(MOF)丰富的多孔结构与导电聚合物的独特掺杂结构，研究掺杂剂对MOF/导电聚合物复合材料的结构及电化学性能的影响，以实现稳定的化学掺杂。通过调控Co2+与2-甲基咪唑的摩尔配比常温反应制备得到三维花状结构的ZIF-67(命名为Z8)；利用简便的原位聚合反应制备得到5-磺基水杨酸(5-SSA)掺杂聚吡咯(PPy)/Z8复合材料。Z8的引入能在一定程度上减少PPy微球的堆积，其与5-SSA之间的多重氢键、共轭效应等有利于PPy实现稳定的化学掺杂，其有利于电子及电解质离子的快速传输，并为PPy提供支撑。电化学测试结果表明，所有的复合材料中，PPy/10wt%Z8可获得最佳的电化学性能，其在1 A·g−1的电流密度下的比电容可达300 F·g−1。以PPy/10wt%Z8为正极，活性炭为负极，柔性碳布作为支撑体，聚乙烯醇(PVA)-H2SO4为电解质组装得到柔性非对称超级电容器，在1 mA·cm−2的电流密度下，其比电容为200 mF·cm−2，能量密度为71 μW·h·cm−2，功率密度为800 μW·cm−2，并且在10 mA·cm−2电流密度下循环10000次后，器件的电容保持率为80.2%，表现出良好的超电容特性。
2022, 39(12): 5816-5826.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220105.002
摘要:
光催化技术绿色环保，近年来在氢能开发、污染净化、医疗保健等领域具有一定的应用前景，有望成为解决环境和能源问题的有效途径。通过控制煅烧条件成功转变相结构，制备了两种不同晶相结构的硒化钴(CoSe2)，即正交相硒化钴(o-CoSe2)与立方相硒化钴(c-CoSe2)。选择半导体CdS进行复合，发现两种助催化剂均对光催化降解及制氢有良好的促进作用。通过莫特肖特基曲线(MS)、固体紫外吸收光谱(UV-vis DRS)、稳态荧光光谱(PL)和光电性能表征发现c-CoSe2比o-CoSe2具有更强的导电性及更高效的电荷传输能力，这理论上更利于光催化反应的进行。以乳酸为牺牲剂，o-CoSe2质量分数为10wt%的o-CoSe2/CdS和c-CoSe2质量分数为10wt%的c-CoSe2/CdS为最优负载量的制氢效率分别为9006.2 μmol·g−1·h−1和7151.2 μmol·g−1·h−1，较CdS单体而言分别提升了20倍和15倍，接近甚至超过了同条件下贵金属铂(Pt)负载的制氢活性。最优负载o-CoSe2质量分数为10wt%的o-CoSe2/CdS在含硫废水亚甲基蓝(MB)降解及协同产氢测试中兼顾了降解和产氢性能。结合光催化反应步骤及理论计算分析，发现o-CoSe2金属钴位点上有更合适的氢吸附自由能，是其具有最佳助催效果的关键原因。
光催化技术绿色环保，近年来在氢能开发、污染净化、医疗保健等领域具有一定的应用前景，有望成为解决环境和能源问题的有效途径。通过控制煅烧条件成功转变相结构，制备了两种不同晶相结构的硒化钴(CoSe2)，即正交相硒化钴(o-CoSe2)与立方相硒化钴(c-CoSe2)。选择半导体CdS进行复合，发现两种助催化剂均对光催化降解及制氢有良好的促进作用。通过莫特肖特基曲线(MS)、固体紫外吸收光谱(UV-vis DRS)、稳态荧光光谱(PL)和光电性能表征发现c-CoSe2比o-CoSe2具有更强的导电性及更高效的电荷传输能力，这理论上更利于光催化反应的进行。以乳酸为牺牲剂，o-CoSe2质量分数为10wt%的o-CoSe2/CdS和c-CoSe2质量分数为10wt%的c-CoSe2/CdS为最优负载量的制氢效率分别为9006.2 μmol·g−1·h−1和7151.2 μmol·g−1·h−1，较CdS单体而言分别提升了20倍和15倍，接近甚至超过了同条件下贵金属铂(Pt)负载的制氢活性。最优负载o-CoSe2质量分数为10wt%的o-CoSe2/CdS在含硫废水亚甲基蓝(MB)降解及协同产氢测试中兼顾了降解和产氢性能。结合光催化反应步骤及理论计算分析，发现o-CoSe2金属钴位点上有更合适的氢吸附自由能，是其具有最佳助催效果的关键原因。
2022, 39(12): 5827-5834.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220110.001
摘要:
为了制备出具有可控润湿性的不锈钢滤网，并根据其相关特性用于研究油水分离性能，本文通过水热法在不锈钢表面生长一层氧化锌，构造微纳米粗糙度，随后用不同链长的脂肪酸改性的方法，成功制备出具有可控润湿性的不锈钢滤网。采用接触角测量仪、FTIR、SEM及XRD等分别对样品的润湿性和表面形貌及成分进行分析，采用油水分离装置表征样品的油水分离效率及重复使用性。结果表明依据不同链长的脂肪酸改性的样品出现了从超亲水到超疏水的润湿性变化，范围为0°~158°，油始终保持在0°。油水分离效率在92%~98%，重复使用50次后，仍然具有油水分离的性能。因此，制备的不锈钢滤网具有优异的油水分离性能和良好的重复使用性能。
为了制备出具有可控润湿性的不锈钢滤网，并根据其相关特性用于研究油水分离性能，本文通过水热法在不锈钢表面生长一层氧化锌，构造微纳米粗糙度，随后用不同链长的脂肪酸改性的方法，成功制备出具有可控润湿性的不锈钢滤网。采用接触角测量仪、FTIR、SEM及XRD等分别对样品的润湿性和表面形貌及成分进行分析，采用油水分离装置表征样品的油水分离效率及重复使用性。结果表明依据不同链长的脂肪酸改性的样品出现了从超亲水到超疏水的润湿性变化，范围为0°~158°，油始终保持在0°。油水分离效率在92%~98%，重复使用50次后，仍然具有油水分离的性能。因此，制备的不锈钢滤网具有优异的油水分离性能和良好的重复使用性能。
2022, 39(12): 5835-5845.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211223.003
摘要:
着眼医疗保健、软机器人和人机交互等领域柔性应变传感器需兼备高灵敏和宽工作应变范围，本文设计基于纳米银颗粒-聚多巴胺-碳纳米管(AgNPs-PDA-CNT)的敏感材料体系，制备一种层层包覆型三明治结构柔性应变传感器。材料表征和特性测试结果表明：借助PDA黏附性和还原性，AgNPs均匀分散且固定在PDA-CNT表面。独特制备工艺使AgNPs-PDA-CNT导电材料紧密结合硅橡胶毛细管内壁和聚二甲基硅氧烷(PDMS)，AgNPs-PDA-CNT渗入PDMS且浓度呈梯度分布。传感器具有高灵敏系数(GF)和宽工作应变范围(0%~44%时GF为69.04，44%~66%时GF为253.13，66%~76%时GF为1253.8)、快速响应(75 ms)和恢复(90 ms)、良好稳定性和重复性。将传感器应用于人体运动精确监测、软体手指本体感知与软抓手抓取行为监测，取得良好应用效果。
着眼医疗保健、软机器人和人机交互等领域柔性应变传感器需兼备高灵敏和宽工作应变范围，本文设计基于纳米银颗粒-聚多巴胺-碳纳米管(AgNPs-PDA-CNT)的敏感材料体系，制备一种层层包覆型三明治结构柔性应变传感器。材料表征和特性测试结果表明：借助PDA黏附性和还原性，AgNPs均匀分散且固定在PDA-CNT表面。独特制备工艺使AgNPs-PDA-CNT导电材料紧密结合硅橡胶毛细管内壁和聚二甲基硅氧烷(PDMS)，AgNPs-PDA-CNT渗入PDMS且浓度呈梯度分布。传感器具有高灵敏系数(GF)和宽工作应变范围(0%~44%时GF为69.04，44%~66%时GF为253.13，66%~76%时GF为1253.8)、快速响应(75 ms)和恢复(90 ms)、良好稳定性和重复性。将传感器应用于人体运动精确监测、软体手指本体感知与软抓手抓取行为监测，取得良好应用效果。
2022, 39(12): 5846-5855.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211216.004
摘要:
CO缓释材料对CO药用价值研究具有重要意义。本文以二甲基乙酰胺、丙酮为溶剂，铁化合物[Fe(η5-Cp)(CO)2I]为铁基一氧化碳释放剂(FeCORM)，醋酸纤维素(CA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为基体聚合物，通过静电纺丝技术制备了不同FeCORM含量的微纳米复合纤维材料，并通过ATR-FTIR、UV-vis DRS、SEM等技术对有关材料进行了表征。研究了这些材料在不同光源(蓝、绿、红)照射下CO释放行为，分析了其CO释放动力学，并定量分析了不同材料释放CO的量。结果表明：复合纤维材料释放CO的速率与FeCORM含量及光源波长有关，一般含量越低、波长越短则释放速率越快；其释放过程符合一级动力学模型，表观速率常数(kobs)在1.59~0.11 min−1之间、半衰期t1/2在0.4~6.3 min左右。复合纤维材料释放CO的剂量y与FeCORM的质量百分含量x间呈良好线性依赖关系，满足方程式y=0.0284x−0.0158。
CO缓释材料对CO药用价值研究具有重要意义。本文以二甲基乙酰胺、丙酮为溶剂，铁化合物[Fe(η5-Cp)(CO)2I]为铁基一氧化碳释放剂(FeCORM)，醋酸纤维素(CA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为基体聚合物，通过静电纺丝技术制备了不同FeCORM含量的微纳米复合纤维材料，并通过ATR-FTIR、UV-vis DRS、SEM等技术对有关材料进行了表征。研究了这些材料在不同光源(蓝、绿、红)照射下CO释放行为，分析了其CO释放动力学，并定量分析了不同材料释放CO的量。结果表明：复合纤维材料释放CO的速率与FeCORM含量及光源波长有关，一般含量越低、波长越短则释放速率越快；其释放过程符合一级动力学模型，表观速率常数(kobs)在1.59~0.11 min−1之间、半衰期t1/2在0.4~6.3 min左右。复合纤维材料释放CO的剂量y与FeCORM的质量百分含量x间呈良好线性依赖关系，满足方程式y=0.0284x−0.0158。
2022, 39(12): 5856-5867.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211116.002
摘要:
性能优异的功能纳米材料的设计构筑对于光催化应用而言至关重要。基于模板自刻蚀机制，利用两步溶剂热技术，以一维ZnO纳米棒为模板，在无需附加酸刻蚀的条件下成功制备一维圆顶状ZnO@SnO2异质结纳米管复合材料(Heterojunction domed nanotubes，HDNs)。由于ZnO与SnO2具有匹配的能级结构，在纳米管界面处可形成促进载流子分离的内建电场，赋予该材料优异的光催化与稳定性能。通过控制实验过程中自产生的碱性强弱，实现两性氧化物ZnO的自刻蚀，从而实现ZnO@SnO2 HDNs的管壁厚度可控调控与催化性能的调节。借助SEM、TEM、STEM及PL等表征手段对材料的微观形貌、元素组成、生长机制与性能进行了考察。以甲基橙、亚甲基蓝、曙红等为污染物模型，光催化污染物降解实验结果表明，获得的ZnO@SnO2 HDNs具有优良的光催化性能，光照60 min内对亚甲基蓝、曙红的降解率可达到95%，表明构筑的纳米管异质结极大地促进了载流子的分离，抑制其复合，提高了光催化性能。同时，循环稳定性能测试说明构建的异质结纳米管催化剂具有良好的稳定性能，在染料降解方面具有广阔的应用前景。
性能优异的功能纳米材料的设计构筑对于光催化应用而言至关重要。基于模板自刻蚀机制，利用两步溶剂热技术，以一维ZnO纳米棒为模板，在无需附加酸刻蚀的条件下成功制备一维圆顶状ZnO@SnO2异质结纳米管复合材料(Heterojunction domed nanotubes，HDNs)。由于ZnO与SnO2具有匹配的能级结构，在纳米管界面处可形成促进载流子分离的内建电场，赋予该材料优异的光催化与稳定性能。通过控制实验过程中自产生的碱性强弱，实现两性氧化物ZnO的自刻蚀，从而实现ZnO@SnO2 HDNs的管壁厚度可控调控与催化性能的调节。借助SEM、TEM、STEM及PL等表征手段对材料的微观形貌、元素组成、生长机制与性能进行了考察。以甲基橙、亚甲基蓝、曙红等为污染物模型，光催化污染物降解实验结果表明，获得的ZnO@SnO2 HDNs具有优良的光催化性能，光照60 min内对亚甲基蓝、曙红的降解率可达到95%，表明构筑的纳米管异质结极大地促进了载流子的分离，抑制其复合，提高了光催化性能。同时，循环稳定性能测试说明构建的异质结纳米管催化剂具有良好的稳定性能，在染料降解方面具有广阔的应用前景。
2022, 39(12): 5868-5878.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220117.003
摘要:
为解决单相光催化材料结构和性能上的缺陷，通过二次煅烧法获得二维石墨相氮化碳g-C3N4，通过光沉积法获得Ag/g-C3N4，选择SnS2与Ag/g-C3N4通过简单的超声和蒸发溶剂的方法制备了三相复合材料SnS2-Ag/g-C3N4，成功构建了n-n型异质结，并对材料的微观形貌、相结构、光响应能力和孔隙结构等进行了详尽表征。结果表明：材料依然保留了片层状结构并构建了浪花状形貌，各相结晶度较高且界面构建良好，形成了类似三明治结构的2D-0D-2D形貌，复合材料较单相材料具有更高的比表面积和更强的可见光响应性能。当SnS2的含量为10wt%时，所合成SnS2-Ag/g-C3N4复合材料对罗丹明B的光催化降解效率达到最高的95.6%，降解速率最快且为g-C3N4的3.5倍，经4次循环后材料的光催化效率仍然保持在85.3%以上。
为解决单相光催化材料结构和性能上的缺陷，通过二次煅烧法获得二维石墨相氮化碳g-C3N4，通过光沉积法获得Ag/g-C3N4，选择SnS2与Ag/g-C3N4通过简单的超声和蒸发溶剂的方法制备了三相复合材料SnS2-Ag/g-C3N4，成功构建了n-n型异质结，并对材料的微观形貌、相结构、光响应能力和孔隙结构等进行了详尽表征。结果表明：材料依然保留了片层状结构并构建了浪花状形貌，各相结晶度较高且界面构建良好，形成了类似三明治结构的2D-0D-2D形貌，复合材料较单相材料具有更高的比表面积和更强的可见光响应性能。当SnS2的含量为10wt%时，所合成SnS2-Ag/g-C3N4复合材料对罗丹明B的光催化降解效率达到最高的95.6%，降解速率最快且为g-C3N4的3.5倍，经4次循环后材料的光催化效率仍然保持在85.3%以上。
2022, 39(12): 5879-5891.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220120.010
摘要:
为设计一种对伤口无损伤、抗菌效果好、促进伤口愈合的新型伤口敷料，选择聚乙烯醇(PVA)、羧甲基壳聚糖(CMCS)和海藻酸钠(SA)作为原料，将纳米银复合到PVA-CMCS-SA水凝胶中，基于3D打印构建载银PVA-CMCS-SA水凝胶伤口敷料，对水凝胶伤口敷料的微观形貌、力学性能、吸水保湿率、生物相容性、抗菌性能、体外凝血性能等进行研究。结果表明：3D打印制备的水凝胶伤口敷料具有良好的尺寸结构稳定性，力学性能良好，最大抗拉强度可达到1000 kPa左右，循环拉伸和循环压缩性能均表现良好；由于3D打印出的网格结构，3D打印水凝胶伤口敷料的吸水性、保湿性、体外凝血性能、透气性及抗菌性能均表现良好；对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率最高分别可达到64%和54%；具有低的细胞毒性和良好的生物相容性；3D打印的方法能够将水凝胶与创可贴结合，保证了伤口敷料的实用性。研究表明3D打印载银水凝胶PVA-CMCS-SA可作为一种良好的伤口敷料材料。
为设计一种对伤口无损伤、抗菌效果好、促进伤口愈合的新型伤口敷料，选择聚乙烯醇(PVA)、羧甲基壳聚糖(CMCS)和海藻酸钠(SA)作为原料，将纳米银复合到PVA-CMCS-SA水凝胶中，基于3D打印构建载银PVA-CMCS-SA水凝胶伤口敷料，对水凝胶伤口敷料的微观形貌、力学性能、吸水保湿率、生物相容性、抗菌性能、体外凝血性能等进行研究。结果表明：3D打印制备的水凝胶伤口敷料具有良好的尺寸结构稳定性，力学性能良好，最大抗拉强度可达到1000 kPa左右，循环拉伸和循环压缩性能均表现良好；由于3D打印出的网格结构，3D打印水凝胶伤口敷料的吸水性、保湿性、体外凝血性能、透气性及抗菌性能均表现良好；对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率最高分别可达到64%和54%；具有低的细胞毒性和良好的生物相容性；3D打印的方法能够将水凝胶与创可贴结合，保证了伤口敷料的实用性。研究表明3D打印载银水凝胶PVA-CMCS-SA可作为一种良好的伤口敷料材料。
2022, 39(12): 5892-5900.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220105.001
摘要:
将杜仲橡胶(EUG)与丁苯橡胶(SBR)共混，制备了EUG-SBR橡胶复合材料。通过剥离实验和拉伸实验表征其共硫化的情况；通过拉伸实验，SEM、DMA和XRD研究了EUG含量对复合材料动静态性能的影响。结果表明，硫化体系：促进剂N, N-二环己基-2-苯并噻唑磺酰胺(DZ)的质量比为1.0%(以EUG-SBR的质量为基准，下同)、促进剂二硫化四甲基秋兰姆(TMTD) 0.1%、硫磺1.5%可以使两种橡胶达到更好的共硫化，剥离强度达到4.2 kN/m，EUG-SBR(EUG∶SBR质量比为70∶30)复合材料的拉伸强度达到6.3 MPa。复合材料中的EUG晶区主要以β晶型存在，随着EUG含量增多，复合材料的结晶度和熔融温度明显提高。EUG相的引入会使复合材料的损耗因子峰值tanδmax下降，同时大幅提高复合材料的储能模量，在10℃时EUG-SBR复合材料的储能模量会从质量比5%EUG时的3.0×106 Pa提高到35%EUG时的1.7×107 Pa。同时晶区的存在起到物理交联点的作用，提升复合材料的拉伸强度和定伸应力。
将杜仲橡胶(EUG)与丁苯橡胶(SBR)共混，制备了EUG-SBR橡胶复合材料。通过剥离实验和拉伸实验表征其共硫化的情况；通过拉伸实验，SEM、DMA和XRD研究了EUG含量对复合材料动静态性能的影响。结果表明，硫化体系：促进剂N, N-二环己基-2-苯并噻唑磺酰胺(DZ)的质量比为1.0%(以EUG-SBR的质量为基准，下同)、促进剂二硫化四甲基秋兰姆(TMTD) 0.1%、硫磺1.5%可以使两种橡胶达到更好的共硫化，剥离强度达到4.2 kN/m，EUG-SBR(EUG∶SBR质量比为70∶30)复合材料的拉伸强度达到6.3 MPa。复合材料中的EUG晶区主要以β晶型存在，随着EUG含量增多，复合材料的结晶度和熔融温度明显提高。EUG相的引入会使复合材料的损耗因子峰值tanδmax下降，同时大幅提高复合材料的储能模量，在10℃时EUG-SBR复合材料的储能模量会从质量比5%EUG时的3.0×106 Pa提高到35%EUG时的1.7×107 Pa。同时晶区的存在起到物理交联点的作用，提升复合材料的拉伸强度和定伸应力。
2022, 39(12): 5901-5911.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211119.004
摘要:
水凝胶材料具有独特的仿生结构、性能及生物相容性，在可穿戴应变传感器中的应用越来越广泛。然而，制备出具有良好的力学性能和高电导率的水凝胶传感器仍然是一项很大的挑战。本文通过简单的两步法，制备了完全物理交联的、高强度和敏感性的聚丙烯酸-Al3+/壳聚糖复合双网络水凝胶传感器。首先将壳聚糖(CS)、聚丙烯酸(PAA)和离子交联剂Al3+在水中物理混合为预凝胶，然后用预凝胶进行无机盐溶液浸泡而制备出所提出的水凝胶传感器。所得的离子水凝胶传感器显示出优异的力学性能(抗拉强度高达765.4 kPa，断裂伸长率至1025%，韧性为4.13 MJ/m³)。同时，基于该水凝胶应变传感器表现出较出色的拉伸灵敏度(灵敏因子约为1.54)，使其能够重复稳定地检测人体大应变和微小应变。因此，通过金属盐的作用引入物理交联网络可以提高水凝胶的性能，为多功能材料的设计及在电子皮肤、可穿戴设备和生物传感器上的应用提供了新的视角。
水凝胶材料具有独特的仿生结构、性能及生物相容性，在可穿戴应变传感器中的应用越来越广泛。然而，制备出具有良好的力学性能和高电导率的水凝胶传感器仍然是一项很大的挑战。本文通过简单的两步法，制备了完全物理交联的、高强度和敏感性的聚丙烯酸-Al3+/壳聚糖复合双网络水凝胶传感器。首先将壳聚糖(CS)、聚丙烯酸(PAA)和离子交联剂Al3+在水中物理混合为预凝胶，然后用预凝胶进行无机盐溶液浸泡而制备出所提出的水凝胶传感器。所得的离子水凝胶传感器显示出优异的力学性能(抗拉强度高达765.4 kPa，断裂伸长率至1025%，韧性为4.13 MJ/m³)。同时，基于该水凝胶应变传感器表现出较出色的拉伸灵敏度(灵敏因子约为1.54)，使其能够重复稳定地检测人体大应变和微小应变。因此，通过金属盐的作用引入物理交联网络可以提高水凝胶的性能，为多功能材料的设计及在电子皮肤、可穿戴设备和生物传感器上的应用提供了新的视角。
2022, 39(12): 5912-5921.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220105.003
摘要:
为改善多孔羟基磷灰石(HA)生物复合材料的生物活性和成骨诱导能力，本文利用放电等离子烧结(SPS)技术制备了ZnO、MgO质量分数分别为1.3wt%、8.4wt%的多孔ZnO-MgO/HA生物复合材料，研究了不同烧结温度下多孔复合材料微观结构、孔隙特征、体外矿化及降解行为的变化规律并对比分析了活性陶瓷相加入对多孔HA材料体外生物学性能的影响及机制。结果表明：烧结后的多孔复合材料主要由HA相及ZnO、MgO相组成，烧结温度超过950℃后，出现了少量HA分解产物Ca3(PO4)2相；随烧结温度的升高，多孔复合材料孔隙率缓慢下降，孔径尺寸呈逐渐减小的趋势；不同烧结温度下多孔复合材料在模拟体液中均具有良好的类骨磷灰石形成能力，而降解率随温度提高先增大后减小；综合分析，950℃下制备的多孔ZnO-MgO/HA复合材料具有适宜的孔隙特征(孔隙率(34.7±0.2)%，孔径尺寸150~400 μm占比65.5%)，同时与多孔HA材料相比，还具有优异的类骨磷灰石形成能力、高的降解率((11.3±0.2)%)和细胞增殖率((91.7±2.1)%)及低的细胞凋亡率((2.3±0.2)%)，表明ZnO和MgO活性陶瓷相的加入明显提高了多孔HA材料的成骨诱导能力与生物相容性。
为改善多孔羟基磷灰石(HA)生物复合材料的生物活性和成骨诱导能力，本文利用放电等离子烧结(SPS)技术制备了ZnO、MgO质量分数分别为1.3wt%、8.4wt%的多孔ZnO-MgO/HA生物复合材料，研究了不同烧结温度下多孔复合材料微观结构、孔隙特征、体外矿化及降解行为的变化规律并对比分析了活性陶瓷相加入对多孔HA材料体外生物学性能的影响及机制。结果表明：烧结后的多孔复合材料主要由HA相及ZnO、MgO相组成，烧结温度超过950℃后，出现了少量HA分解产物Ca3(PO4)2相；随烧结温度的升高，多孔复合材料孔隙率缓慢下降，孔径尺寸呈逐渐减小的趋势；不同烧结温度下多孔复合材料在模拟体液中均具有良好的类骨磷灰石形成能力，而降解率随温度提高先增大后减小；综合分析，950℃下制备的多孔ZnO-MgO/HA复合材料具有适宜的孔隙特征(孔隙率(34.7±0.2)%，孔径尺寸150~400 μm占比65.5%)，同时与多孔HA材料相比，还具有优异的类骨磷灰石形成能力、高的降解率((11.3±0.2)%)和细胞增殖率((91.7±2.1)%)及低的细胞凋亡率((2.3±0.2)%)，表明ZnO和MgO活性陶瓷相的加入明显提高了多孔HA材料的成骨诱导能力与生物相容性。
2022, 39(12): 5922-5933.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211217.003
摘要:
为了将具有更高效率、更低功耗的紫外光交联技术用于三元乙丙橡胶(EPDM)电缆绝缘层生产，以达到节能减排、高效生产的目标，需研发低固体填料配方体系的EPDM绝缘材料。本文分别通过添加线性低密度聚乙烯(LLDPE)和少量纳米SiO2两种方法对EPDM进行补强。设计了可光交联的EPDM绝缘材料配方，并系统研究了紫外光交联EPDM材料的力学性能、交联性能、电学性能。结果表明，随着辐照时间的延长，EPDM力学性能明显下降，交联度迅速上升。与EPDM相比，LLDPE/EPDM材料交联程度和力学性能明显升高，当LLDPE含量为10wt%时，LLDPE/EPDM材料断裂伸长率为539%，拉伸强度为12 MPa，邵氏硬度为80 A，可以满足使用要求。对于SiO2/EPDM材料，当SiO2含量为4%(与橡胶的质量比，下同)时，力学性能最优，断裂伸长率为596%，拉伸强度为14 MPa。与EPDM相比，SiO2/EPDM复合材料的硬度变化不大，但交联程度降低，当辐照时间为12 s时，延伸率为40%，但仍可满足使用要求。添加0.5%抗氧剂1010可以抑制材料辐照交联过程中的降解，复合材料的力学性能大幅度提升，同时可以为EPDM绝缘材料提供较好的耐热老化性能。两种适用于紫外光交联技术的EPDM电缆绝缘材料均可满足电缆绝缘使用要求。其中，LLDPE补强材料的交联度和电学性能更优，但是对材料的硬度影响较大，而SiO2对复合材料的硬度几乎没有影响，但是交联度与电学性能略有下降。
为了将具有更高效率、更低功耗的紫外光交联技术用于三元乙丙橡胶(EPDM)电缆绝缘层生产，以达到节能减排、高效生产的目标，需研发低固体填料配方体系的EPDM绝缘材料。本文分别通过添加线性低密度聚乙烯(LLDPE)和少量纳米SiO2两种方法对EPDM进行补强。设计了可光交联的EPDM绝缘材料配方，并系统研究了紫外光交联EPDM材料的力学性能、交联性能、电学性能。结果表明，随着辐照时间的延长，EPDM力学性能明显下降，交联度迅速上升。与EPDM相比，LLDPE/EPDM材料交联程度和力学性能明显升高，当LLDPE含量为10wt%时，LLDPE/EPDM材料断裂伸长率为539%，拉伸强度为12 MPa，邵氏硬度为80 A，可以满足使用要求。对于SiO2/EPDM材料，当SiO2含量为4%(与橡胶的质量比，下同)时，力学性能最优，断裂伸长率为596%，拉伸强度为14 MPa。与EPDM相比，SiO2/EPDM复合材料的硬度变化不大，但交联程度降低，当辐照时间为12 s时，延伸率为40%，但仍可满足使用要求。添加0.5%抗氧剂1010可以抑制材料辐照交联过程中的降解，复合材料的力学性能大幅度提升，同时可以为EPDM绝缘材料提供较好的耐热老化性能。两种适用于紫外光交联技术的EPDM电缆绝缘材料均可满足电缆绝缘使用要求。其中，LLDPE补强材料的交联度和电学性能更优，但是对材料的硬度影响较大，而SiO2对复合材料的硬度几乎没有影响，但是交联度与电学性能略有下降。
2022, 39(12): 5934-5945.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211129.004
摘要:
铀矿开采与水冶过程产生大量铀废水，对周边生态环境造成污染，因此高效绿色治理是保障核工业可持续发展及生态安全的重要基础。本文以向日葵叶为原料绿色合成生物炭负载纳米铁颗粒(GN-FeNPs/BC)，并用于去除水中的U(VI)。利用向日葵叶制备植物提取液，然后将残渣热解制备成生物炭，最后将七水硫酸亚铁溶液、生物炭和植物提取液混合，成功制备出绿色纳米铁复合材料。探究了生物炭碳化温度、铁碳比、pH值、温度、时间和U(VI)浓度对除铀的影响。在298 K、pH=5时，最大吸附量为96.43 mg·g−1，并进行动力学和热力学研究。结果表明，准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型拟合良好。热力学常数表明GN-FeNPs/BC对U(VI)的吸附是一个自发吸热的过程。XPS分析表明去除机制包括吸附作用和还原作用。
铀矿开采与水冶过程产生大量铀废水，对周边生态环境造成污染，因此高效绿色治理是保障核工业可持续发展及生态安全的重要基础。本文以向日葵叶为原料绿色合成生物炭负载纳米铁颗粒(GN-FeNPs/BC)，并用于去除水中的U(VI)。利用向日葵叶制备植物提取液，然后将残渣热解制备成生物炭，最后将七水硫酸亚铁溶液、生物炭和植物提取液混合，成功制备出绿色纳米铁复合材料。探究了生物炭碳化温度、铁碳比、pH值、温度、时间和U(VI)浓度对除铀的影响。在298 K、pH=5时，最大吸附量为96.43 mg·g−1，并进行动力学和热力学研究。结果表明，准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型拟合良好。热力学常数表明GN-FeNPs/BC对U(VI)的吸附是一个自发吸热的过程。XPS分析表明去除机制包括吸附作用和还原作用。
2022, 39(12): 5946-5957.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220506.002
摘要:
本文针对环氧树脂基类超疏水防腐涂层的物理损伤修复速度较慢，并结合不锈钢金属长期处于高湿高盐等环境下高效防腐与保护的实际应用需求，以微晶蜡强化的形状记忆环氧树脂涂层(SMEP)为底层，以超疏水材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)@ZnO@SiO2(PZS)为表层，基于双层设计制备了一种较快修复机械损伤、不锈钢持久防腐的自修复超疏水涂层SMEP/PDMS@ZnO@SiO2(SMEP/PZS)，并着重对其修复前后SMEP/PZS涂层的润湿性、耐蚀性及其自修复与防腐机制等进行了深入探讨。结果表明，SMEP/PZS涂层具有良好的超疏水性及自清洁等相关性能，其超疏水性随着低表面能物质全氟癸基三甲氧基硅烷 (PFDTMS)含量增加而增强，水接触角、滚动角最佳可达157.6°和2.6°。其次，SMEP/PZS涂层有较快的自修复能力，将该机械模拟的受损涂层于85℃下在20 min较短时间内进行修复，其最佳机械划痕由45 μm缩小至1.0 μm，修复率达97.8%。此外，SMEP/PZS涂层表现良好的耐蚀性，且将修复后的该涂层置于3.5wt% NaCl溶液中浸泡14天后，其耐腐蚀性接近于原始涂层。将SMEP/PZS涂层涂覆在不锈钢基底上，在3.5wt% NaCl溶液中所测点蚀电位Eb与裸不锈钢的相比正移近10倍，维钝电流密度Ip下降2个数量级，对304不锈钢基底具有相对更为持久的防腐与保护。最后，进一步探讨了SMEP/PZS涂层的自修复与防腐蚀机制。
本文针对环氧树脂基类超疏水防腐涂层的物理损伤修复速度较慢，并结合不锈钢金属长期处于高湿高盐等环境下高效防腐与保护的实际应用需求，以微晶蜡强化的形状记忆环氧树脂涂层(SMEP)为底层，以超疏水材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)@ZnO@SiO2(PZS)为表层，基于双层设计制备了一种较快修复机械损伤、不锈钢持久防腐的自修复超疏水涂层SMEP/PDMS@ZnO@SiO2(SMEP/PZS)，并着重对其修复前后SMEP/PZS涂层的润湿性、耐蚀性及其自修复与防腐机制等进行了深入探讨。结果表明，SMEP/PZS涂层具有良好的超疏水性及自清洁等相关性能，其超疏水性随着低表面能物质全氟癸基三甲氧基硅烷 (PFDTMS)含量增加而增强，水接触角、滚动角最佳可达157.6°和2.6°。其次，SMEP/PZS涂层有较快的自修复能力，将该机械模拟的受损涂层于85℃下在20 min较短时间内进行修复，其最佳机械划痕由45 μm缩小至1.0 μm，修复率达97.8%。此外，SMEP/PZS涂层表现良好的耐蚀性，且将修复后的该涂层置于3.5wt% NaCl溶液中浸泡14天后，其耐腐蚀性接近于原始涂层。将SMEP/PZS涂层涂覆在不锈钢基底上，在3.5wt% NaCl溶液中所测点蚀电位Eb与裸不锈钢的相比正移近10倍，维钝电流密度Ip下降2个数量级，对304不锈钢基底具有相对更为持久的防腐与保护。最后，进一步探讨了SMEP/PZS涂层的自修复与防腐蚀机制。
2022, 39(12): 5958-5965.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220105.004
摘要:
借鉴硬骨鱼鳞片的多级结构，采用软硬复合防护理念，本文提出了一种新型双层式柔性防护装具。该仿生防护装具的上层采用周期性叠加的复合鳞片构建鳞片层，下层采用多层超高分子量聚乙烯(UHMWPE)无纺布作为垫层。根据GJB 4300A—2012标准 III 级要求，对防护装具进行弹道测试和有限元仿真，验证了防护装具的抗穿甲燃烧弹性能和有限元模型的可靠性。结果表明：复合鳞片的陶瓷层厚度是影响防护装具抗侵彻性能的主要因素之一，在总厚度不变的情况下，复合鳞片的层厚比为2∶1时满足防护要求，倾斜复合鳞片对子弹的钝化作用及子弹的横向偏转，叠加鳞片的整体协同能量耗散及UHMWPE垫层的能量分散作用都是决定仿生装具防护能力的重要作用机制。
借鉴硬骨鱼鳞片的多级结构，采用软硬复合防护理念，本文提出了一种新型双层式柔性防护装具。该仿生防护装具的上层采用周期性叠加的复合鳞片构建鳞片层，下层采用多层超高分子量聚乙烯(UHMWPE)无纺布作为垫层。根据GJB 4300A—2012标准 III 级要求，对防护装具进行弹道测试和有限元仿真，验证了防护装具的抗穿甲燃烧弹性能和有限元模型的可靠性。结果表明：复合鳞片的陶瓷层厚度是影响防护装具抗侵彻性能的主要因素之一，在总厚度不变的情况下，复合鳞片的层厚比为2∶1时满足防护要求，倾斜复合鳞片对子弹的钝化作用及子弹的横向偏转，叠加鳞片的整体协同能量耗散及UHMWPE垫层的能量分散作用都是决定仿生装具防护能力的重要作用机制。
2022, 39(12): 5966-5972.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211230.002
摘要:
刺激变色材料的动态透明-不透明转变行为使其具有太阳光调制能力，可以降低建筑物的能源消耗。然而，这些材料通常涉及高生产成本、操作复杂性及额外电能消耗等问题。在此，通过分散聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)凝胶微球到卡拉胶(KCA)基质中，制备一种低成本且具有优异太阳光调制能力和高稳定性的复合凝胶(KCA/PNIPAM)。其中，KCA具有多孔的3D网络结构，可以有效管控PNIPAM微球，实现PNIPAM在凝胶体系中的均匀分散，并能够抑制PNIPAM微球的团聚沉降行为。KCA/PNIPAM凝胶展示出优异的太阳光调制能力(ΔT=86%，不同温度下透光率之差)，在暴露到氙灯和太阳光照射中，KCA/PNIPAM智能窗较普通玻璃窗可分别降低温度5℃和4℃。总之，KCA/PNIPAM具有响应温度低(31.7℃)、太阳光调制能力优异、稳定性持久、成本低及制造简单等优点，使之能够成为节能建筑材料的潜在候选者。
刺激变色材料的动态透明-不透明转变行为使其具有太阳光调制能力，可以降低建筑物的能源消耗。然而，这些材料通常涉及高生产成本、操作复杂性及额外电能消耗等问题。在此，通过分散聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)凝胶微球到卡拉胶(KCA)基质中，制备一种低成本且具有优异太阳光调制能力和高稳定性的复合凝胶(KCA/PNIPAM)。其中，KCA具有多孔的3D网络结构，可以有效管控PNIPAM微球，实现PNIPAM在凝胶体系中的均匀分散，并能够抑制PNIPAM微球的团聚沉降行为。KCA/PNIPAM凝胶展示出优异的太阳光调制能力(ΔT=86%，不同温度下透光率之差)，在暴露到氙灯和太阳光照射中，KCA/PNIPAM智能窗较普通玻璃窗可分别降低温度5℃和4℃。总之，KCA/PNIPAM具有响应温度低(31.7℃)、太阳光调制能力优异、稳定性持久、成本低及制造简单等优点，使之能够成为节能建筑材料的潜在候选者。
2022, 39(12): 5973-5983.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211129.002
摘要:
为了获得综合性能优良的聚乳酸基生物可降解复合材料，利用二甲基双十八烷基氯化铵有机改性蒙脱土(OMMT)作为非反应型增容剂，通过直接熔融共混法制备了有机改性蒙脱土/聚乳酸-聚丁二酸丁二醇酯(OMMT/PLA-PBS)复合材料，研究了OMMT含量对PLA-PBS共混体系的增容效果及其对力学性能的影响规律。微观结构表明，OMMT能够显著降低分散相PBS的粒径和均匀粒径分布，分布在PLA与PBS相界面处的OMMT，起到了类似嵌段共聚物的增容作用，增加了PLA与PBS之间的黏结力。动态流变结果表明，当OMMT含量为3wt%时，OMMT在PLA-PBS共混物中形成三维网络结构。动态热机械性能结果显示，添加OMMT后，OMMT/PLA-PBS复合材料中PLA相与PBS相对应的玻璃化转变温度相互靠拢，当OMMT含量为1wt%时，PLA与PBS的玻璃化转变温度相互靠拢的幅度最大，增容效果最好。热性能数据表明，加入OMMT后，复合材料中PLA的结晶度出现先增加后降低的变化趋势，在OMMT含量为1wt%时，PLA结晶度达到最大值12.7%。力学性能结果表明，当OMMT含量为1wt%时，OMMT/PLA-PBS复合材料的综合力学性能达到最佳，拉伸强度和冲击强度分别为62.5 MPa和12.6 kJ/m2，较PLA-PBS共混物分别提高了32.1%和80%。
为了获得综合性能优良的聚乳酸基生物可降解复合材料，利用二甲基双十八烷基氯化铵有机改性蒙脱土(OMMT)作为非反应型增容剂，通过直接熔融共混法制备了有机改性蒙脱土/聚乳酸-聚丁二酸丁二醇酯(OMMT/PLA-PBS)复合材料，研究了OMMT含量对PLA-PBS共混体系的增容效果及其对力学性能的影响规律。微观结构表明，OMMT能够显著降低分散相PBS的粒径和均匀粒径分布，分布在PLA与PBS相界面处的OMMT，起到了类似嵌段共聚物的增容作用，增加了PLA与PBS之间的黏结力。动态流变结果表明，当OMMT含量为3wt%时，OMMT在PLA-PBS共混物中形成三维网络结构。动态热机械性能结果显示，添加OMMT后，OMMT/PLA-PBS复合材料中PLA相与PBS相对应的玻璃化转变温度相互靠拢，当OMMT含量为1wt%时，PLA与PBS的玻璃化转变温度相互靠拢的幅度最大，增容效果最好。热性能数据表明，加入OMMT后，复合材料中PLA的结晶度出现先增加后降低的变化趋势，在OMMT含量为1wt%时，PLA结晶度达到最大值12.7%。力学性能结果表明，当OMMT含量为1wt%时，OMMT/PLA-PBS复合材料的综合力学性能达到最佳，拉伸强度和冲击强度分别为62.5 MPa和12.6 kJ/m2，较PLA-PBS共混物分别提高了32.1%和80%。
2022, 39(12): 5984-5995.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211201.003
摘要:
为研究不同钛合金基材对激光熔覆自润滑耐磨涂层组织与性能的影响，采用同轴送粉技术，在Ti811合金和TC4合金表面分别熔覆TC4、Ni45、Al2O3、MoS2和稀土氧化物Y2O3混合粉末，用渗透测试观察熔覆层表面裂纹分布，利用SEM、EDS、XRD等测试技术分析激光熔覆层的元素分布及物相组成，并表征熔覆层的显微硬度和摩擦磨损性能。基材元素成分不同导致涂层物相差异，V元素含量高的TC4合金涂层α-Ti的析出比Ti811合金的少；并且基材的热物理性能对涂层裂纹分布、组织形貌与性能具有显著影响，导热系数低且密度高的TC4合金激光熔覆温度梯度较小，涂层裂纹面积较小，稀释率大，涂层组织更粗大；由于Ti811合金导热性好，冷却速度高，涂层组织更细小，硬度更高，平均硬度达到1303.5 HV0.5。两种熔覆层磨损量降低，摩擦系数均降至0.3以下。硬质相强化和软质相润滑的共同作用可提高熔覆表面的耐磨性能。
为研究不同钛合金基材对激光熔覆自润滑耐磨涂层组织与性能的影响，采用同轴送粉技术，在Ti811合金和TC4合金表面分别熔覆TC4、Ni45、Al2O3、MoS2和稀土氧化物Y2O3混合粉末，用渗透测试观察熔覆层表面裂纹分布，利用SEM、EDS、XRD等测试技术分析激光熔覆层的元素分布及物相组成，并表征熔覆层的显微硬度和摩擦磨损性能。基材元素成分不同导致涂层物相差异，V元素含量高的TC4合金涂层α-Ti的析出比Ti811合金的少；并且基材的热物理性能对涂层裂纹分布、组织形貌与性能具有显著影响，导热系数低且密度高的TC4合金激光熔覆温度梯度较小，涂层裂纹面积较小，稀释率大，涂层组织更粗大；由于Ti811合金导热性好，冷却速度高，涂层组织更细小，硬度更高，平均硬度达到1303.5 HV0.5。两种熔覆层磨损量降低，摩擦系数均降至0.3以下。硬质相强化和软质相润滑的共同作用可提高熔覆表面的耐磨性能。
2022, 39(12): 5996-6003.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211026.001
摘要:
晶须在强化陶瓷材料强度和韧性的同时能显著提高材料硬度，在解决陶瓷硬度不足上具有突出优势。针对目前实验法研究晶须增强陶瓷材料中存在组分设计盲目性大、试样制备耗时费力等问题，以β-Si3N4晶须(β-Si3N4w)增强Si3N4陶瓷为对象，提出了一种计算晶须泊松比的双向随机建模方法，并基于密度泛函理论(DFT)框架下平面超软赝势法和广义梯度近似(GGA)中的Perdew-Wang 91(PW91)函数，对β-Si3N4超晶胞泊松比进行了计算。以此为基础，提出了运用德劳内(Delaunay)三角剖分法和伪随机函数法建立β-Si3N4w增强Si3N4陶瓷微观结构模型的方法，对模型硬度进行了预报并对β-Si3N4w增硬机制进行了探讨。结果表明，β-Si3N4w泊松比约为0.27。β-Si3N4w增强Si3N4陶瓷硬度预报值与相关实验测试值存在较好一致性，这表明了晶须泊松比计算模型和晶须强韧陶瓷微观结构建模法的有效性。在β-Si3N4w含量为3wt%时，硬度达到最大值22.80 GPa。应力分析表明β-Si3N4w各向分布性分散了应力集中作用区并依靠β-Si3N4w高强度特性承载了大量应力的作用，这是硬度提高的主要原因。
晶须在强化陶瓷材料强度和韧性的同时能显著提高材料硬度，在解决陶瓷硬度不足上具有突出优势。针对目前实验法研究晶须增强陶瓷材料中存在组分设计盲目性大、试样制备耗时费力等问题，以β-Si3N4晶须(β-Si3N4w)增强Si3N4陶瓷为对象，提出了一种计算晶须泊松比的双向随机建模方法，并基于密度泛函理论(DFT)框架下平面超软赝势法和广义梯度近似(GGA)中的Perdew-Wang 91(PW91)函数，对β-Si3N4超晶胞泊松比进行了计算。以此为基础，提出了运用德劳内(Delaunay)三角剖分法和伪随机函数法建立β-Si3N4w增强Si3N4陶瓷微观结构模型的方法，对模型硬度进行了预报并对β-Si3N4w增硬机制进行了探讨。结果表明，β-Si3N4w泊松比约为0.27。β-Si3N4w增强Si3N4陶瓷硬度预报值与相关实验测试值存在较好一致性，这表明了晶须泊松比计算模型和晶须强韧陶瓷微观结构建模法的有效性。在β-Si3N4w含量为3wt%时，硬度达到最大值22.80 GPa。应力分析表明β-Si3N4w各向分布性分散了应力集中作用区并依靠β-Si3N4w高强度特性承载了大量应力的作用，这是硬度提高的主要原因。
2022, 39(12): 6004-6016.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211228.002
摘要:
金刚石/铜复合材料具有密度低、热导率高及热膨胀系数(CTE)可调等优点，与核心芯片具有良好的热匹配性能，在高热流密度电子封装领域具有广泛的应用前景。然而，金刚石与铜界面润湿性差，限制了其应用。为了改善金刚石与铜之间的润湿性，采用真空微沉积技术在金刚石表面沉积钨膜，并结合放电等离子烧结(SPS)技术制备了金刚石/铜复合材料。研究了金刚石(100)和(111)面钨镀层的形成、结构、复合材料断口形貌、致密性(RD)及导热性能(TC)。结果表明：在1050℃高温下，当沉积时间为60 min时，镀层表面较均匀、光滑、致密性高，且金刚石(100)面镀层的形成优先于(111)面。镀层外延生长在金刚石表面，生成了WC-W2C-W的梯度结构。复合材料的断裂由金刚石颗粒与铜基体的脱黏及铜基体的韧性断裂组成，界面结合紧密。在沉积工艺为1050℃且50 min时，镀钨金刚石颗粒镀层厚度为331.46 nm，制备的金刚石/铜复合材料致密度与导热率最高，分别为99.71%和459 W/(m·K)。
金刚石/铜复合材料具有密度低、热导率高及热膨胀系数(CTE)可调等优点，与核心芯片具有良好的热匹配性能，在高热流密度电子封装领域具有广泛的应用前景。然而，金刚石与铜界面润湿性差，限制了其应用。为了改善金刚石与铜之间的润湿性，采用真空微沉积技术在金刚石表面沉积钨膜，并结合放电等离子烧结(SPS)技术制备了金刚石/铜复合材料。研究了金刚石(100)和(111)面钨镀层的形成、结构、复合材料断口形貌、致密性(RD)及导热性能(TC)。结果表明：在1050℃高温下，当沉积时间为60 min时，镀层表面较均匀、光滑、致密性高，且金刚石(100)面镀层的形成优先于(111)面。镀层外延生长在金刚石表面，生成了WC-W2C-W的梯度结构。复合材料的断裂由金刚石颗粒与铜基体的脱黏及铜基体的韧性断裂组成，界面结合紧密。在沉积工艺为1050℃且50 min时，镀钨金刚石颗粒镀层厚度为331.46 nm，制备的金刚石/铜复合材料致密度与导热率最高，分别为99.71%和459 W/(m·K)。
2022, 39(12): 6017-6027.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220711.001
摘要:
采用双丝等离子实现了TC4与TA2交替沉积的异质层状钛合金构件的增材制造，构件具有良好的沉积形貌及力学性能。采用了OM、SEM、背散射电子衍射技术(EBSD)、XRD等方法对构件进行了微观组织表征，并结合显微硬度和压缩性能测试了其力学性能。研究结果表明：TA2和TC4区域主要组织分别是由片层α相和α+β的网篮组织/集束组织组成。各区域晶粒沿着热流反方向凝固生长，TC4区域与TA2区域的晶界特征和晶体取向具有相似规律，但由于异质材料相生长差异，层与层之间β相晶粒生长方向发生改变，TC4区域的原始β相会沿着已沉积TA2区域晶粒某一择优取向生长，进而限制了β相连续生长为粗大柱状晶。层状结构中TC4区域的硬度明显高于TA2区域，并沿着沉积方向硬度呈现增加的趋势。增材构件沿着不同方向具有接近的抗压强度，近2.0 GPa，但是TC4和TA2交替形成的层状特殊结构，其沿着沉积方向具有高的断裂应变(0.33)，沿着扫描方向具有高的屈服强度(1133 MPa)。
采用双丝等离子实现了TC4与TA2交替沉积的异质层状钛合金构件的增材制造，构件具有良好的沉积形貌及力学性能。采用了OM、SEM、背散射电子衍射技术(EBSD)、XRD等方法对构件进行了微观组织表征，并结合显微硬度和压缩性能测试了其力学性能。研究结果表明：TA2和TC4区域主要组织分别是由片层α相和α+β的网篮组织/集束组织组成。各区域晶粒沿着热流反方向凝固生长，TC4区域与TA2区域的晶界特征和晶体取向具有相似规律，但由于异质材料相生长差异，层与层之间β相晶粒生长方向发生改变，TC4区域的原始β相会沿着已沉积TA2区域晶粒某一择优取向生长，进而限制了β相连续生长为粗大柱状晶。层状结构中TC4区域的硬度明显高于TA2区域，并沿着沉积方向硬度呈现增加的趋势。增材构件沿着不同方向具有接近的抗压强度，近2.0 GPa，但是TC4和TA2交替形成的层状特殊结构，其沿着沉积方向具有高的断裂应变(0.33)，沿着扫描方向具有高的屈服强度(1133 MPa)。
2022, 39(12): 6028-6041.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220223.003
摘要:
针对2.5维碳纤维增强碳化硅陶瓷基(C/SiC)复合材料凹槽在激光加工后存在一定的烧蚀氧化层、侧壁倾斜、底面不平坦和磨削加工后易出现破碎、纤维断裂、刀具磨损、形状精度低、效率低等问题，提出激光-磨削复合加工的方法。为探索激光-磨削复合加工2.5维C/SiC复合材料凹槽的可行性，进行了激光加工、磨削加工和激光-磨削复合加工凹槽的对比实验。研究表明：激光加工后的凹槽侧壁倾斜约23°，底面和侧壁表面质量均较差，但加工效率高；磨削加工后的凹槽表面质量得到一定提升，但是由于砂轮磨损剧烈，使磨削后的凹槽形状精度极差，且加工效率较低；而激光-磨削复合加工后的凹槽侧壁倾斜度被去除，砂轮磨损大幅降低，表面质量显著提升，凹槽表面粗糙度比磨削后的表面粗糙度提高了1.27~1.96倍，加工时间约为磨削加工的0.3倍。因此，激光-磨削复合加工不仅能克服激光加工和磨削加工的缺点，还能发挥激光加工效率高和磨削加工精度高的特点，同时兼顾了2.5维C/SiC复合材料凹槽加工的质量和效率。该研究结果可为2.5维C/SiC复合材料凹槽的高效、精密、低损伤加工提供理论支持。
针对2.5维碳纤维增强碳化硅陶瓷基(C/SiC)复合材料凹槽在激光加工后存在一定的烧蚀氧化层、侧壁倾斜、底面不平坦和磨削加工后易出现破碎、纤维断裂、刀具磨损、形状精度低、效率低等问题，提出激光-磨削复合加工的方法。为探索激光-磨削复合加工2.5维C/SiC复合材料凹槽的可行性，进行了激光加工、磨削加工和激光-磨削复合加工凹槽的对比实验。研究表明：激光加工后的凹槽侧壁倾斜约23°，底面和侧壁表面质量均较差，但加工效率高；磨削加工后的凹槽表面质量得到一定提升，但是由于砂轮磨损剧烈，使磨削后的凹槽形状精度极差，且加工效率较低；而激光-磨削复合加工后的凹槽侧壁倾斜度被去除，砂轮磨损大幅降低，表面质量显著提升，凹槽表面粗糙度比磨削后的表面粗糙度提高了1.27~1.96倍，加工时间约为磨削加工的0.3倍。因此，激光-磨削复合加工不仅能克服激光加工和磨削加工的缺点，还能发挥激光加工效率高和磨削加工精度高的特点，同时兼顾了2.5维C/SiC复合材料凹槽加工的质量和效率。该研究结果可为2.5维C/SiC复合材料凹槽的高效、精密、低损伤加工提供理论支持。
2022, 39(12): 6042-6053.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211228.003
摘要:
基于非测地线缠绕和纤维滑移理论，提出采用非测地线缠绕成型一体化复合材料传动轴。设计了多组不同比例纤维变角度过渡区复合材料传动轴，并利用有限元分析和扭转实验深入研究了传动轴的扭转性能及其失效机制。结果表明，含有的变角度过渡区比例越大，传动轴扭转性能越好，过渡区从20%提高到80%，传动轴的失效载荷提高111%，峰值载荷提高90.7%。随着过渡区占比的提高，屈曲形变导致的损伤失效得到有效缓解，损伤扩展角度降低了54.5%。结合有限元仿真和扭转实验分析可知，过渡区纤维角度的增加抑制了屈曲形变，减少了分层损伤带来的界面上力学传导失效，提高了轴管承载能力。
基于非测地线缠绕和纤维滑移理论，提出采用非测地线缠绕成型一体化复合材料传动轴。设计了多组不同比例纤维变角度过渡区复合材料传动轴，并利用有限元分析和扭转实验深入研究了传动轴的扭转性能及其失效机制。结果表明，含有的变角度过渡区比例越大，传动轴扭转性能越好，过渡区从20%提高到80%，传动轴的失效载荷提高111%，峰值载荷提高90.7%。随着过渡区占比的提高，屈曲形变导致的损伤失效得到有效缓解，损伤扩展角度降低了54.5%。结合有限元仿真和扭转实验分析可知，过渡区纤维角度的增加抑制了屈曲形变，减少了分层损伤带来的界面上力学传导失效，提高了轴管承载能力。
2022, 39(12): 6054-6064.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211213.003
摘要:
复杂应力状态下韧性材料的变形和断裂行为与单轴加载通常具有很大差别，因此近年来失效判据的发展及其在仿真领域的应用得到广泛关注，分析不同失效判据模型在较宽应力状态范围内的适用性差异，并选择合适的模型对于精准地预测工程材料断裂行为至关重要。为了探究原位自生TiB2/Al复合材料的断裂行为，在不同应力状态(应力三轴度−0.82~1.03，Lode角参数−1~1)下进行了系统的断裂试验和微观分析，结果表明该材料的断裂行为和微观机制与应力状态密切相关；除了应力三轴度外，失效判据模型中应该进一步考虑Lode角参数影响以更精确预测宽应力状态下的断裂行为。基于系统的试验结果，对5种典型的失效判据模型参数进行标定，并详细对比和评价了这些模型在宽应力状态范围内对断裂行为的预测能力。结果表明，全面考虑应力三轴度、Lode角参数和截断值的失效判据模型能够更准确地描述复合材料在复杂应力状态下的断裂行为。
复杂应力状态下韧性材料的变形和断裂行为与单轴加载通常具有很大差别，因此近年来失效判据的发展及其在仿真领域的应用得到广泛关注，分析不同失效判据模型在较宽应力状态范围内的适用性差异，并选择合适的模型对于精准地预测工程材料断裂行为至关重要。为了探究原位自生TiB2/Al复合材料的断裂行为，在不同应力状态(应力三轴度−0.82~1.03，Lode角参数−1~1)下进行了系统的断裂试验和微观分析，结果表明该材料的断裂行为和微观机制与应力状态密切相关；除了应力三轴度外，失效判据模型中应该进一步考虑Lode角参数影响以更精确预测宽应力状态下的断裂行为。基于系统的试验结果，对5种典型的失效判据模型参数进行标定，并详细对比和评价了这些模型在宽应力状态范围内对断裂行为的预测能力。结果表明，全面考虑应力三轴度、Lode角参数和截断值的失效判据模型能够更准确地描述复合材料在复杂应力状态下的断裂行为。
2022, 39(12): 6065-6077.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211125.001
摘要:
为探明桥梁用碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)预紧力齿连接破坏模式和承载性能，以预紧力(23 MPa、34.6 MPa、53 MPa、64.5 MPa)、齿深(0.5 mm、1 mm、2 mm)、齿长(8 mm、16 mm、24 mm)和齿数(1道齿、3道齿和6道齿)为变化参数, 进行了共计68个预紧力齿连接接头拉伸试验。根据荷载-位移曲线、应变及破坏模式的测试结果，分析了各参数变化对复合材料预紧力齿连接接头力学性能的影响。研究结果表明：CFRP预紧力齿连接接头存在4种破坏模式−剪切破坏、压溃破坏、纵向劈裂和纤维拉断；接头荷载-位移曲线有两种特征，荷载在达到极值后突然下降及荷载在达到极值后缓慢下降，前者接头发生剪切或纤维拉断破坏，后者接头发生压溃或劈裂破坏；预紧力多齿接头荷载分配不均匀，发生压溃破坏的接头比发生剪切破坏的接头内力分配更均匀，不管接头发生压溃破坏还是剪切破坏，第一道齿承担的载荷分配比最大，齿数越多，接头的最大载荷分配比越小，当预紧力超过53 MPa时，预紧力变化对接头破坏时第一道齿的影响不明显；当预紧力、齿深和齿长分别小于53 MPa、2 mm和16 mm时，接头连接强度分别随预紧力、齿深和齿长的增加而增加，当预紧力和齿长分别超过53 MPa和16 mm时，接头连接强度变化不大，在6齿范围内，接头连接强度随齿数的增加而增加。
为探明桥梁用碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)预紧力齿连接破坏模式和承载性能，以预紧力(23 MPa、34.6 MPa、53 MPa、64.5 MPa)、齿深(0.5 mm、1 mm、2 mm)、齿长(8 mm、16 mm、24 mm)和齿数(1道齿、3道齿和6道齿)为变化参数, 进行了共计68个预紧力齿连接接头拉伸试验。根据荷载-位移曲线、应变及破坏模式的测试结果，分析了各参数变化对复合材料预紧力齿连接接头力学性能的影响。研究结果表明：CFRP预紧力齿连接接头存在4种破坏模式−剪切破坏、压溃破坏、纵向劈裂和纤维拉断；接头荷载-位移曲线有两种特征，荷载在达到极值后突然下降及荷载在达到极值后缓慢下降，前者接头发生剪切或纤维拉断破坏，后者接头发生压溃或劈裂破坏；预紧力多齿接头荷载分配不均匀，发生压溃破坏的接头比发生剪切破坏的接头内力分配更均匀，不管接头发生压溃破坏还是剪切破坏，第一道齿承担的载荷分配比最大，齿数越多，接头的最大载荷分配比越小，当预紧力超过53 MPa时，预紧力变化对接头破坏时第一道齿的影响不明显；当预紧力、齿深和齿长分别小于53 MPa、2 mm和16 mm时，接头连接强度分别随预紧力、齿深和齿长的增加而增加，当预紧力和齿长分别超过53 MPa和16 mm时，接头连接强度变化不大，在6齿范围内，接头连接强度随齿数的增加而增加。
2022, 39(12): 6078-6087.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211126.002
摘要:
在室温下制备碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-铝合金单搭接胶接试样。利用电子万能试验机和电液伺服疲劳试验机进行准静态拉伸和拉-拉疲劳试验，基于疲劳试验结果和双参数威布尔分布方法，采用多种函数模型对接头应力-寿命(S-N)曲线进行拟合。同时，利用三维数字图像相关技术(3D digital image correlation，3D-DIC)和SEM等设备，获得接头应变分布云图和失效形貌，揭示CFRP-铝合金胶接接头在循环载荷下的破坏机制。结果表明，幂函数对CFRP-铝合金单搭接胶接接头S-N曲线拟合度最高，相关系数R2为0.987，且接头疲劳寿命随着载荷水平的降低逐渐提高，变异系数逐渐增大。载荷水平为25%和35%失效载荷时，CFRP-铝合金单搭接接头破坏模式主要为胶层内聚破坏和铝合金-胶层界面破坏，且随着载荷水平的升高内聚破坏面积逐渐增加，载荷水平达到75%失效载荷时，CFRP-铝合金单搭接接头只发生胶层内聚破坏。在载荷水平为25%失效载荷下，接头由于内部温度上升主要发生韧性断裂，且随载荷水平上升至75%失效载荷时，接头由于受到较大拉应力逐渐向脆性断裂转变。
在室温下制备碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-铝合金单搭接胶接试样。利用电子万能试验机和电液伺服疲劳试验机进行准静态拉伸和拉-拉疲劳试验，基于疲劳试验结果和双参数威布尔分布方法，采用多种函数模型对接头应力-寿命(S-N)曲线进行拟合。同时，利用三维数字图像相关技术(3D digital image correlation，3D-DIC)和SEM等设备，获得接头应变分布云图和失效形貌，揭示CFRP-铝合金胶接接头在循环载荷下的破坏机制。结果表明，幂函数对CFRP-铝合金单搭接胶接接头S-N曲线拟合度最高，相关系数R2为0.987，且接头疲劳寿命随着载荷水平的降低逐渐提高，变异系数逐渐增大。载荷水平为25%和35%失效载荷时，CFRP-铝合金单搭接接头破坏模式主要为胶层内聚破坏和铝合金-胶层界面破坏，且随着载荷水平的升高内聚破坏面积逐渐增加，载荷水平达到75%失效载荷时，CFRP-铝合金单搭接接头只发生胶层内聚破坏。在载荷水平为25%失效载荷下，接头由于内部温度上升主要发生韧性断裂，且随载荷水平上升至75%失效载荷时，接头由于受到较大拉应力逐渐向脆性断裂转变。
2022, 39(12): 6088-6095.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211208.001
摘要:
复合材料船体结构主要由纵向或横向加筋板架构成，复合材料加筋板设计可以近似处理成正交异性板，需要定量计算复合材料加筋板的等效刚度。利用卡氏定理推导了复合材料帽型加筋层合板的纵向和横向弯曲刚度，给出了等效层合板弯曲刚度的解析表达式。通过复合材料帽型加筋层合板纵向和横向三点弯曲试验实测梁的跨中挠度并与等效弯曲刚度对应的解析解比较；用ABAQUS有限元软件计算三点弯曲纵向和横向复合材料帽型加筋梁和四边简支复合材料帽型加筋板中心点的挠度并与等效弯曲刚度对应的解析解比较。结果表明：解析解与数值计算及试验结果对比，吻合较好，验证了等效弯曲刚度解析表达式的正确性，且具有较好的计算精度，可作为复合材料帽型加筋板设计的计算依据。
复合材料船体结构主要由纵向或横向加筋板架构成，复合材料加筋板设计可以近似处理成正交异性板，需要定量计算复合材料加筋板的等效刚度。利用卡氏定理推导了复合材料帽型加筋层合板的纵向和横向弯曲刚度，给出了等效层合板弯曲刚度的解析表达式。通过复合材料帽型加筋层合板纵向和横向三点弯曲试验实测梁的跨中挠度并与等效弯曲刚度对应的解析解比较；用ABAQUS有限元软件计算三点弯曲纵向和横向复合材料帽型加筋梁和四边简支复合材料帽型加筋板中心点的挠度并与等效弯曲刚度对应的解析解比较。结果表明：解析解与数值计算及试验结果对比，吻合较好，验证了等效弯曲刚度解析表达式的正确性，且具有较好的计算精度，可作为复合材料帽型加筋板设计的计算依据。
2022, 39(12): 6096-6108.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211108.001
摘要:
金属-复合材料混合结构在热模压成形中将不可避免地出现材料破裂、回弹、分层、厚度减薄及起皱等缺陷，同时织物增强复合材料在热模压过程受到压边力的约束还会发生纤维剪切变形，上述工艺缺陷和纤维剪切变形行为都将对后续的结构性能造成显著影响。然而，混合结构在成形过程中的缺陷无法直接观测，成形后采用机械切割方法探究成形缺陷可能造成材料二次损伤。更重要的是，切割后的试件无法继续开展后续的结构性能测试，导致成形性能与结构性能分析孤立开展，大大增加了产品失效的风险。本文针对铝合金(Al)-碳纤维增强聚丙烯(Carbon fiber reinforced polypropylene，CF/PP)混合帽型梁的热模压成形特性及三点弯曲特性进行了实验研究。利用X射线扫描断层(X-ray computed tomography，X-ray CT)无损检测技术从纤维夹角变化、厚度变化、分层和回弹变形4个方面探究了混合结构的成形性特性，进一步又通过静态三点弯曲实验探究了成形后混合帽型结构的抗弯曲性能。结果表明，Al-CF/PP在热模压过程中受到压边力的限制，CF/PP的纤维夹角将从初始的正交构型变换为非正交构型；厚度增加和厚度减薄的现象都有发生；圆角过渡区域分层现象十分明显；结构整体无明显的回弹变形；弯曲实验中混合结构发生了显著的塑性变形，实验结束时Al和CF/PP均出现了明显的断裂失效。
金属-复合材料混合结构在热模压成形中将不可避免地出现材料破裂、回弹、分层、厚度减薄及起皱等缺陷，同时织物增强复合材料在热模压过程受到压边力的约束还会发生纤维剪切变形，上述工艺缺陷和纤维剪切变形行为都将对后续的结构性能造成显著影响。然而，混合结构在成形过程中的缺陷无法直接观测，成形后采用机械切割方法探究成形缺陷可能造成材料二次损伤。更重要的是，切割后的试件无法继续开展后续的结构性能测试，导致成形性能与结构性能分析孤立开展，大大增加了产品失效的风险。本文针对铝合金(Al)-碳纤维增强聚丙烯(Carbon fiber reinforced polypropylene，CF/PP)混合帽型梁的热模压成形特性及三点弯曲特性进行了实验研究。利用X射线扫描断层(X-ray computed tomography，X-ray CT)无损检测技术从纤维夹角变化、厚度变化、分层和回弹变形4个方面探究了混合结构的成形性特性，进一步又通过静态三点弯曲实验探究了成形后混合帽型结构的抗弯曲性能。结果表明，Al-CF/PP在热模压过程中受到压边力的限制，CF/PP的纤维夹角将从初始的正交构型变换为非正交构型；厚度增加和厚度减薄的现象都有发生；圆角过渡区域分层现象十分明显；结构整体无明显的回弹变形；弯曲实验中混合结构发生了显著的塑性变形，实验结束时Al和CF/PP均出现了明显的断裂失效。
2022, 39(12): 6109-6118.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211216.001
摘要:
为提高复合材料帽形加筋板蒙皮局部屈曲的工程分析方法精度，对典型复合材料帽形加筋板进行了轴压稳定性试验，提出了一种基于弯曲刚度比的复合材料帽形加筋板局部屈曲工程简化分析修正方法，所预测的屈曲载荷与轴压稳定性试验值误差在3%以内。采用有限元方法(FEM)及本文方法对两种构型的带筋条下缘条帽形加筋板进行了对比分析，本文方法与FEM计算误差在10%以内，表明本文提出的修正方法合理有效，满足工程精度要求。采用工程简化分析方法、能量法及本文方法对公开文献的试验数据进行了对比分析，结果表明采用本文方法可将工程简支屈曲分析误差和工程固支屈曲分析误差分别从41.5%、5.3%降低至3.8%，为复合材料帽形加筋板结构初步设计与分析提供了一种新的快速分析思路。
为提高复合材料帽形加筋板蒙皮局部屈曲的工程分析方法精度，对典型复合材料帽形加筋板进行了轴压稳定性试验，提出了一种基于弯曲刚度比的复合材料帽形加筋板局部屈曲工程简化分析修正方法，所预测的屈曲载荷与轴压稳定性试验值误差在3%以内。采用有限元方法(FEM)及本文方法对两种构型的带筋条下缘条帽形加筋板进行了对比分析，本文方法与FEM计算误差在10%以内，表明本文提出的修正方法合理有效，满足工程精度要求。采用工程简化分析方法、能量法及本文方法对公开文献的试验数据进行了对比分析，结果表明采用本文方法可将工程简支屈曲分析误差和工程固支屈曲分析误差分别从41.5%、5.3%降低至3.8%，为复合材料帽形加筋板结构初步设计与分析提供了一种新的快速分析思路。
2022, 39(12): 6119-6129.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211125.002
摘要:
通过试验和数值模拟对铝蜂窝夹芯板的面外剪切行为和力学性能进行了研究，讨论了其失效模式，提取了典型荷载-位移曲线，分析了面板厚度、蜂窝胞元尺寸和芯层厚度对夹芯板极限承载力和吸能能力的影响。结果表明，铝蜂窝夹芯板面外剪切破坏过程大致经历弹塑性变形阶段、上面板损伤失效、芯层致密和下面板损伤失效4个阶段，呈现出整体性失效和阶段性失效两种失效模式。失效模式类型主要受到面板厚度和胞元尺寸的相对关系影响，增加面板厚度或胞元尺寸都会使破坏模式从整体性失效向阶段性失效转变，阶段性失效模式吸能能力比整体性失效模式提高。剪切强度和吸能能力随面板厚度增加而提高，随胞元尺寸增大而降低，剪切强度受芯层厚度的影响很小，夹芯板吸能能力随芯层厚度增加而提高。数值模拟与试验结果吻合程度较好，充分验证了有限元模型的可靠性。
通过试验和数值模拟对铝蜂窝夹芯板的面外剪切行为和力学性能进行了研究，讨论了其失效模式，提取了典型荷载-位移曲线，分析了面板厚度、蜂窝胞元尺寸和芯层厚度对夹芯板极限承载力和吸能能力的影响。结果表明，铝蜂窝夹芯板面外剪切破坏过程大致经历弹塑性变形阶段、上面板损伤失效、芯层致密和下面板损伤失效4个阶段，呈现出整体性失效和阶段性失效两种失效模式。失效模式类型主要受到面板厚度和胞元尺寸的相对关系影响，增加面板厚度或胞元尺寸都会使破坏模式从整体性失效向阶段性失效转变，阶段性失效模式吸能能力比整体性失效模式提高。剪切强度和吸能能力随面板厚度增加而提高，随胞元尺寸增大而降低，剪切强度受芯层厚度的影响很小，夹芯板吸能能力随芯层厚度增加而提高。数值模拟与试验结果吻合程度较好，充分验证了有限元模型的可靠性。
2022, 39(12): 6130-6138.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211116.005
摘要:
聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维表面粘结能力弱，其与树脂复合后界面强度低，影响复合材料力学性能。采用静电纺丝的方法在PBO平纹织物上覆一层聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜，再将其进行铺层固化得到复合材料，在PBO纤维与环氧树脂之间构成了梯度界面层结构，以提高复合材料界面强度。使用万能试验机对复合材料进行短梁剪切测试，通过改变纺丝电压来确定最佳的层间性能增强效果。采用原子力显微镜获得界面相对刚度图像探究界面增强机制。结果表明，在保证注射泵推速和收集辊转速不变的情况下，当纺丝电压为20 kV时，复合材料层间性能增强效果最明显。相较于纯PBO纤维增强复合材料，表面覆膜的PBO纤维增强复合材料的层间剪切强度提高了40.1%；梯度界面结构有助于应力从树脂基体向纤维增强体均匀地传递，提高复合材料力学性能。
聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维表面粘结能力弱，其与树脂复合后界面强度低，影响复合材料力学性能。采用静电纺丝的方法在PBO平纹织物上覆一层聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜，再将其进行铺层固化得到复合材料，在PBO纤维与环氧树脂之间构成了梯度界面层结构，以提高复合材料界面强度。使用万能试验机对复合材料进行短梁剪切测试，通过改变纺丝电压来确定最佳的层间性能增强效果。采用原子力显微镜获得界面相对刚度图像探究界面增强机制。结果表明，在保证注射泵推速和收集辊转速不变的情况下，当纺丝电压为20 kV时，复合材料层间性能增强效果最明显。相较于纯PBO纤维增强复合材料，表面覆膜的PBO纤维增强复合材料的层间剪切强度提高了40.1%；梯度界面结构有助于应力从树脂基体向纤维增强体均匀地传递，提高复合材料力学性能。
2022, 39(12): 6139-6156.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211222.002
摘要:
为了解决纤维增强树脂复合材料(FRP)圆管在工程中热变形和热残余应力的问题，提出了一种针对任意铺层FRP圆管等效热膨胀系数和热残余应力的计算方法，该方法是综合考虑了层合效应、各向异性材料三维本构关系的三维弹性理论。通过与本文试验和ANSYS数值模型的多组数据进行对比分析，验证了理论的正确性。并以此理论模型为基础，首先对多种铺层FRP圆管等效热膨胀系数进行研究，其次结合Hashin失效准则的强度比方程，对由热残余应力引起FRP圆管强度失效进行分析。结果表明：FRP圆管铺层角度对等效热膨胀系数的影响在热缩阶段、热胀阶段表现不同，且存在等效热膨胀系数为0的铺层方式；径厚比仅对等效径向热膨胀系数影响较大，对等效轴向热膨胀系数无影响；温差大小及温差方向影响FRP圆管的破坏模式及破坏位置，热残余应力引起的FRP圆管的强度破坏均为基体破坏。
为了解决纤维增强树脂复合材料(FRP)圆管在工程中热变形和热残余应力的问题，提出了一种针对任意铺层FRP圆管等效热膨胀系数和热残余应力的计算方法，该方法是综合考虑了层合效应、各向异性材料三维本构关系的三维弹性理论。通过与本文试验和ANSYS数值模型的多组数据进行对比分析，验证了理论的正确性。并以此理论模型为基础，首先对多种铺层FRP圆管等效热膨胀系数进行研究，其次结合Hashin失效准则的强度比方程，对由热残余应力引起FRP圆管强度失效进行分析。结果表明：FRP圆管铺层角度对等效热膨胀系数的影响在热缩阶段、热胀阶段表现不同，且存在等效热膨胀系数为0的铺层方式；径厚比仅对等效径向热膨胀系数影响较大，对等效轴向热膨胀系数无影响；温差大小及温差方向影响FRP圆管的破坏模式及破坏位置，热残余应力引起的FRP圆管的强度破坏均为基体破坏。
2022, 39(12): 6157-6167.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220112.003
摘要:
通过三点弯动态冲击实验和数值模拟，研究了仿生螺旋结构复合材料的动态断裂韧性，该结构是基于Bouligand结构设计的仿生复合结构。首先使用软硬两种基体通过3D打印技术制备了8组不同角度的试样，使用改进的分离式Hopkinson杆完成了动态三点弯冲击实验，得到了试样的位移-载荷曲线、起裂时间和起裂功，并对试样最终断裂形态进行分析。随后在ABAQUS软件中完成了试样断裂全过程的数值模拟，对裂纹的萌生和扩展过程进行了分析。实验和数值模拟结果都表明螺旋角对试样的断裂韧性有很大的影响，在螺旋角度0°~75°的范围内，随着角度的增加试样的断裂韧性增强，而螺旋角度为90°时试样的断裂韧性急剧下降。实验过程中观察到试样在动态断裂过程中存在裂纹偏转现象。最后考察了裂纹偏转对动态断裂的影响机制，结果显示裂纹偏转改变了复合材料的局部断裂模式，增加了断裂面积，从而提升了材料的断裂韧性。
通过三点弯动态冲击实验和数值模拟，研究了仿生螺旋结构复合材料的动态断裂韧性，该结构是基于Bouligand结构设计的仿生复合结构。首先使用软硬两种基体通过3D打印技术制备了8组不同角度的试样，使用改进的分离式Hopkinson杆完成了动态三点弯冲击实验，得到了试样的位移-载荷曲线、起裂时间和起裂功，并对试样最终断裂形态进行分析。随后在ABAQUS软件中完成了试样断裂全过程的数值模拟，对裂纹的萌生和扩展过程进行了分析。实验和数值模拟结果都表明螺旋角对试样的断裂韧性有很大的影响，在螺旋角度0°~75°的范围内，随着角度的增加试样的断裂韧性增强，而螺旋角度为90°时试样的断裂韧性急剧下降。实验过程中观察到试样在动态断裂过程中存在裂纹偏转现象。最后考察了裂纹偏转对动态断裂的影响机制，结果显示裂纹偏转改变了复合材料的局部断裂模式，增加了断裂面积，从而提升了材料的断裂韧性。
2022, 39(12): 6168-6176.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211213.002
摘要:
为研究纤维布、剪切面、温度对多轴向拉挤复合材料抗剪性能的影响，对短切毡(剪切面垂直于或平行于纤维方向)增强的传统拉挤复合材料及90°单轴布和±45°/90°三轴布增强的多轴向拉挤复合材料，进行了常温及高温下的面内抗剪试验。结果表明，破坏模式主要为斜对角方向的微屈曲、脱层和剪切失效，并取决于纤维布和剪切面。纤维布对抗剪性能有着重要影响，常温下三轴布增强试件的平均抗剪强度为67.5 MPa，远远好于单轴布及短切毡增强试件(44.4 MPa和45.2 MPa)。剪切面对抗剪性能有一定的影响，常温下剪切面垂直于纤维方向的短切毡增强试件的平均抗剪强度好于平行于纤维方向的强度(38.9 MPa)。然而，随着温度的升高，各组试件的抗剪性能迅速降低，同时各组抗剪性能的差异也逐渐减小。基于热动力学理论和并联定律的单向复合材料抗剪性能计算模型总体上也适用于多轴向拉挤复合材料。最后，在相关试验的基础上提出了适用于高温下多轴向拉挤复合材料抗剪强度、剪切模量的计算公式。研究结果可为高温下的多轴向拉挤复合材料抗剪设计提供依据。
为研究纤维布、剪切面、温度对多轴向拉挤复合材料抗剪性能的影响，对短切毡(剪切面垂直于或平行于纤维方向)增强的传统拉挤复合材料及90°单轴布和±45°/90°三轴布增强的多轴向拉挤复合材料，进行了常温及高温下的面内抗剪试验。结果表明，破坏模式主要为斜对角方向的微屈曲、脱层和剪切失效，并取决于纤维布和剪切面。纤维布对抗剪性能有着重要影响，常温下三轴布增强试件的平均抗剪强度为67.5 MPa，远远好于单轴布及短切毡增强试件(44.4 MPa和45.2 MPa)。剪切面对抗剪性能有一定的影响，常温下剪切面垂直于纤维方向的短切毡增强试件的平均抗剪强度好于平行于纤维方向的强度(38.9 MPa)。然而，随着温度的升高，各组试件的抗剪性能迅速降低，同时各组抗剪性能的差异也逐渐减小。基于热动力学理论和并联定律的单向复合材料抗剪性能计算模型总体上也适用于多轴向拉挤复合材料。最后，在相关试验的基础上提出了适用于高温下多轴向拉挤复合材料抗剪强度、剪切模量的计算公式。研究结果可为高温下的多轴向拉挤复合材料抗剪设计提供依据。
