2022年 第39卷 第3期
2022, 39(3): 863-883.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211027.004
摘要:
碳纳米管(Carbon nanotubes，CNTs)具有优异的力学、热学和电磁学性能，重要用途之一是改性传统的连续纤维增强树脂基复合材料，赋予其更佳的机械强度和多功能性。针对连续纤维增强树脂基复合材料，综述了多种引入CNTs的方法，并就CNTs对连续纤维增强树脂基复合材料性能的影响展开评述，重点介绍了CNTs聚集体改性连续纤维增强树脂基复合材料层间性能的最新研究进展，并展望了未来发展方向。
碳纳米管(Carbon nanotubes，CNTs)具有优异的力学、热学和电磁学性能，重要用途之一是改性传统的连续纤维增强树脂基复合材料，赋予其更佳的机械强度和多功能性。针对连续纤维增强树脂基复合材料，综述了多种引入CNTs的方法，并就CNTs对连续纤维增强树脂基复合材料性能的影响展开评述，重点介绍了CNTs聚集体改性连续纤维增强树脂基复合材料层间性能的最新研究进展，并展望了未来发展方向。
2022, 39(3): 884-895.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210816.001
摘要:
碳点(Carbon dots，CDs)因其合成方法简单、原料来源广泛、光致发光性能优异、生物相容性好等优点，在生物成像、荧光探针等方面引起了广泛的研究兴趣。然而，CDs仍存在荧光量子产率低、聚集诱导荧光猝灭等不足，限制了其在光电器件领域中的应用。有机硅烷功能化CDs (SiCDs)不仅具有良好的液态荧光，而且能够保持其固态荧光性能，对拓展CDs的应用领域具有重要意义。综述了近年来国内外 SiCDs 的制备方法、性能调控与应用，总结了 SiCDs 在发展中存在的问题，并对 SiCDs 的发展方向进行了展望。
碳点(Carbon dots，CDs)因其合成方法简单、原料来源广泛、光致发光性能优异、生物相容性好等优点，在生物成像、荧光探针等方面引起了广泛的研究兴趣。然而，CDs仍存在荧光量子产率低、聚集诱导荧光猝灭等不足，限制了其在光电器件领域中的应用。有机硅烷功能化CDs (SiCDs)不仅具有良好的液态荧光，而且能够保持其固态荧光性能，对拓展CDs的应用领域具有重要意义。综述了近年来国内外 SiCDs 的制备方法、性能调控与应用，总结了 SiCDs 在发展中存在的问题，并对 SiCDs 的发展方向进行了展望。
2022, 39(3): 896-906.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210820.005
摘要:
石墨烯被认为是一种极具前景的气体阻隔填料，完整的单层石墨烯可以阻挡绝大多数气体小分子通过其表面，因此石墨烯被广泛用作提高聚合物气密性的填料。本论文综述了近几年石墨烯及其衍生物增强聚合物气密性的研究进展，介绍了石墨烯的特征以及其在聚合物基体中起到的阻隔机制，根据小分子渗透理论模型来讨论影响层状石墨烯/聚合物纳米复合材料阻隔性的主要因素；重点分类介绍了石墨烯及其衍生物增强不同聚合物气密性的方法，并分析了这些方法对聚合物气密性的提高效果。最后，对石墨烯及其衍生物增强聚合物气密性的研究进行了总结并展望了未来的发展方向。
石墨烯被认为是一种极具前景的气体阻隔填料，完整的单层石墨烯可以阻挡绝大多数气体小分子通过其表面，因此石墨烯被广泛用作提高聚合物气密性的填料。本论文综述了近几年石墨烯及其衍生物增强聚合物气密性的研究进展，介绍了石墨烯的特征以及其在聚合物基体中起到的阻隔机制，根据小分子渗透理论模型来讨论影响层状石墨烯/聚合物纳米复合材料阻隔性的主要因素；重点分类介绍了石墨烯及其衍生物增强不同聚合物气密性的方法，并分析了这些方法对聚合物气密性的提高效果。最后，对石墨烯及其衍生物增强聚合物气密性的研究进行了总结并展望了未来的发展方向。
2022, 39(3): 907-925.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210830.001
摘要:
固化成型模具是诱导热固性树脂基复合材料构件制造变形的关键因素之一。大型航空用复合材料构件整体化、批量化及高精度高性能发展趋势对固化用模具提出了更高的精度及寿命要求，推动了模具材料、设计及制造工艺方面的新发展，但目前相关研究尚缺乏系统梳理。因此，针对航空用大型复合材料构件对高精度模具的广泛需求，综述了模具对复合材料构件成型精度的影响和作用机制，固化用模具材料及其设计与制造技术现状。重点详述了在制造精度、效率及成本综合考虑下，从模具材料到制造工艺的发展。最后，对当前大型复合材料构件高精度模具在材料、设计及制造技术方面的发展现状进行了总结，并对未来主要研究方向提出了明确建议。
固化成型模具是诱导热固性树脂基复合材料构件制造变形的关键因素之一。大型航空用复合材料构件整体化、批量化及高精度高性能发展趋势对固化用模具提出了更高的精度及寿命要求，推动了模具材料、设计及制造工艺方面的新发展，但目前相关研究尚缺乏系统梳理。因此，针对航空用大型复合材料构件对高精度模具的广泛需求，综述了模具对复合材料构件成型精度的影响和作用机制，固化用模具材料及其设计与制造技术现状。重点详述了在制造精度、效率及成本综合考虑下，从模具材料到制造工艺的发展。最后，对当前大型复合材料构件高精度模具在材料、设计及制造技术方面的发展现状进行了总结，并对未来主要研究方向提出了明确建议。
2022, 39(3): 926-941.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210902.004
摘要:
为解决钢筋锈蚀和资源短缺问题，具有轻质高强、耐腐蚀特点的纤维增强聚合物(FRP)筋以及与普通骨料力学性能相近的珊瑚骨料成为近年来人们研究的新材料。本文从FRP与珊瑚骨料的材料特性及珊瑚骨料混凝土力学性能、FRP筋与珊瑚骨料混凝土黏结性能以及耐久性、FRP筋海水珊瑚骨料混凝土梁、柱构件的受力性能三个方面，对国内外相关研究进行对比分析，归纳出现有研究成果，认为FRP筋与珊瑚骨料混凝土有较好的协调工作性，并且可以有效增强珊瑚骨料混凝土结构的性能。此外总结出目前FRP筋、珊瑚骨料等材料的局限性以及FRP珊瑚骨料混凝土构件使用性能、耐久性能和设计方法研究还存在的不足，为FRP筋海水珊瑚骨料混凝土这种新型结构的继续研究提供参考。
为解决钢筋锈蚀和资源短缺问题，具有轻质高强、耐腐蚀特点的纤维增强聚合物(FRP)筋以及与普通骨料力学性能相近的珊瑚骨料成为近年来人们研究的新材料。本文从FRP与珊瑚骨料的材料特性及珊瑚骨料混凝土力学性能、FRP筋与珊瑚骨料混凝土黏结性能以及耐久性、FRP筋海水珊瑚骨料混凝土梁、柱构件的受力性能三个方面，对国内外相关研究进行对比分析，归纳出现有研究成果，认为FRP筋与珊瑚骨料混凝土有较好的协调工作性，并且可以有效增强珊瑚骨料混凝土结构的性能。此外总结出目前FRP筋、珊瑚骨料等材料的局限性以及FRP珊瑚骨料混凝土构件使用性能、耐久性能和设计方法研究还存在的不足，为FRP筋海水珊瑚骨料混凝土这种新型结构的继续研究提供参考。
2022, 39(3): 942-955.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211018.001
摘要:
信息时代迅猛发展的同时也给人们带来了日益严重的电磁污染问题，发展先进微波吸收材料不仅可以减少电磁波污染，也对军事安全有着重要意义。MXene是一种新型二维材料，独特的二维结构、丰富且可控的表面官能团、高比表面积、高导电率和低密度等特点使其成为一种理想的高性能微波吸收材料。本文讨论了MXene及其复合吸波材料的制备方法，介绍了和吸波性能密切相关的MXene的电磁性能，然后按照损耗机制对MXene及其复合材料的吸波性能进行总结与分析。最后从种类、结构、应用方面对MXene及其复合吸波材料的发展方向进行了展望。
信息时代迅猛发展的同时也给人们带来了日益严重的电磁污染问题，发展先进微波吸收材料不仅可以减少电磁波污染，也对军事安全有着重要意义。MXene是一种新型二维材料，独特的二维结构、丰富且可控的表面官能团、高比表面积、高导电率和低密度等特点使其成为一种理想的高性能微波吸收材料。本文讨论了MXene及其复合吸波材料的制备方法，介绍了和吸波性能密切相关的MXene的电磁性能，然后按照损耗机制对MXene及其复合材料的吸波性能进行总结与分析。最后从种类、结构、应用方面对MXene及其复合吸波材料的发展方向进行了展望。
2022, 39(3): 956-968.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211015.001
摘要:
随着对新型高导热、高绝缘热界面材料需求的显著增加，具有多种优异性能的环氧树脂(EP)已被广泛用作导热复合材料的基体，然而其固有的低热导率限制了其实际应用。通过向EP中引入具有高导热系数及高绝缘性的氮化硼纳米片(BNNS)可有效弥补EP的缺陷，从而显著提高复合材料的综合性能。基于国内外研究，介绍了BNNS的不同制备方法，并对这些方法的优缺点进行总结；对提高BNNS/EP复合材料导热性能的策略进行了综述，包括BNNS的表面改性、BNNS与不同维度填料之间的复合以及3D-BNNS导热网络的构筑；提出了制备高导热BNNS/EP复合材料所存在的关键问题；最后对BNNS/EP复合材料的发展趋势进行了展望。
随着对新型高导热、高绝缘热界面材料需求的显著增加，具有多种优异性能的环氧树脂(EP)已被广泛用作导热复合材料的基体，然而其固有的低热导率限制了其实际应用。通过向EP中引入具有高导热系数及高绝缘性的氮化硼纳米片(BNNS)可有效弥补EP的缺陷，从而显著提高复合材料的综合性能。基于国内外研究，介绍了BNNS的不同制备方法，并对这些方法的优缺点进行总结；对提高BNNS/EP复合材料导热性能的策略进行了综述，包括BNNS的表面改性、BNNS与不同维度填料之间的复合以及3D-BNNS导热网络的构筑；提出了制备高导热BNNS/EP复合材料所存在的关键问题；最后对BNNS/EP复合材料的发展趋势进行了展望。
2022, 39(3): 969-980.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211115.003
摘要:
可再生纳米纤维素近年来备受关注，纳米纤维素的优势在于来源广泛、制备方法多样、可生物降解、安全无毒、高比表面积、较高强度、较低密度和良好的热稳定性等。本论文主要针对纳米纤维素的制备方法、基于纳米纤维素制备的2D膜材料传感器与3D凝胶材料传感器的应用研究进展进行分析，重点介绍了纳米纤维素基传感器在接近传感、pH传感、电化学传感、葡萄糖传感以及离子传感检测等方面的应用。研究结果表明，纳米纤维素基传感器在灵敏度、力学性能、稳定性、特异性和环境友好性等方面优于一些传统材料制备的传感器，纳米纤维素基传感器具有广阔的潜在应用前景。
可再生纳米纤维素近年来备受关注，纳米纤维素的优势在于来源广泛、制备方法多样、可生物降解、安全无毒、高比表面积、较高强度、较低密度和良好的热稳定性等。本论文主要针对纳米纤维素的制备方法、基于纳米纤维素制备的2D膜材料传感器与3D凝胶材料传感器的应用研究进展进行分析，重点介绍了纳米纤维素基传感器在接近传感、pH传感、电化学传感、葡萄糖传感以及离子传感检测等方面的应用。研究结果表明，纳米纤维素基传感器在灵敏度、力学性能、稳定性、特异性和环境友好性等方面优于一些传统材料制备的传感器，纳米纤维素基传感器具有广阔的潜在应用前景。
2022, 39(3): 981-992.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211117.001
摘要:
纺织基能源存储是柔性可穿戴纺织品微电子信号收集系统重要的供能元件。从纤维、纱线、织物多角度总结现阶段柔性超级电容器的研究进展，对不同基体类型的超级电容器的制备方法及优缺点进行归纳总结。聚焦纺织超级电容器的工艺特点，深入分析材料性能改进提升应采取的方式方法。最后，针对纺织基超级电容器发展存在的问题进行说明并对未来需要攻克的重点难点进行分析及展望。
纺织基能源存储是柔性可穿戴纺织品微电子信号收集系统重要的供能元件。从纤维、纱线、织物多角度总结现阶段柔性超级电容器的研究进展，对不同基体类型的超级电容器的制备方法及优缺点进行归纳总结。聚焦纺织超级电容器的工艺特点，深入分析材料性能改进提升应采取的方式方法。最后，针对纺织基超级电容器发展存在的问题进行说明并对未来需要攻克的重点难点进行分析及展望。
2022, 39(3): 993-1004.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210909.003
摘要:
纤维素是一种来源广泛、比表面积大、多羟基且环境友好型的生物高分子材料，其水悬浮液可形成三维网络缠结结构，从而为具有催化活性的金属纳米粒子提供负载位点，使其均匀分散并固定于基底内部或表面构建复合催化剂材料，进而有效提高催化性能。本文综述了纤维素基金属纳米粒子复合催化剂的制备及应用的相关研究，重点介绍了不同纤维素基材料作为基底制备金属纳米粒子复合催化剂的方法及其优缺点，归纳了金属纳米粒子在纤维素基材料中的负载途径及原理，重点阐述了纤维素基材料在复合催化剂中的主要作用，最后对纤维素基材料在金属纳米粒子复合催化剂领域的研究工作进行了总结与展望，为纤维素基复合催化剂材料的制备和应用提供参考。
纤维素是一种来源广泛、比表面积大、多羟基且环境友好型的生物高分子材料，其水悬浮液可形成三维网络缠结结构，从而为具有催化活性的金属纳米粒子提供负载位点，使其均匀分散并固定于基底内部或表面构建复合催化剂材料，进而有效提高催化性能。本文综述了纤维素基金属纳米粒子复合催化剂的制备及应用的相关研究，重点介绍了不同纤维素基材料作为基底制备金属纳米粒子复合催化剂的方法及其优缺点，归纳了金属纳米粒子在纤维素基材料中的负载途径及原理，重点阐述了纤维素基材料在复合催化剂中的主要作用，最后对纤维素基材料在金属纳米粒子复合催化剂领域的研究工作进行了总结与展望，为纤维素基复合催化剂材料的制备和应用提供参考。
2022, 39(3): 1005-1016.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210701.001
摘要:
与单一的二维材料MoS2和MXene相比，MoS2/MXene纳米复合物具有优异且稳定的物理化学性能，受到了国内外研究者的广泛关注。本论文对MoS2/MXene纳米复合物的最新研究现状进行了综述。首先，阐述MoS2/MXene纳米复合物的制备方法及其优缺点，包括水热法、插层法和热退火法等。其次，介绍MoS2/MXene纳米复合物在各领域中的应用，包括储能、催化、传感器等。最后，对MoS2/MXene纳米复合物的未来发展和应用进行了展望。
与单一的二维材料MoS2和MXene相比，MoS2/MXene纳米复合物具有优异且稳定的物理化学性能，受到了国内外研究者的广泛关注。本论文对MoS2/MXene纳米复合物的最新研究现状进行了综述。首先，阐述MoS2/MXene纳米复合物的制备方法及其优缺点，包括水热法、插层法和热退火法等。其次，介绍MoS2/MXene纳米复合物在各领域中的应用，包括储能、催化、传感器等。最后，对MoS2/MXene纳米复合物的未来发展和应用进行了展望。
2022, 39(3): 1017-1025.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210830.003
摘要:
将壳聚糖改性与磁性材料复合制备得到的改性壳聚糖磁性纳米材料，保留了壳聚糖与金属离子极强螯合能力的特性，并具备较好的再生性，极大扩展了壳聚糖的应用前景。本论文重点介绍了改性壳聚糖磁性纳米材料的制备方法，以及在废水处理、活性物质的固定化、医药医疗等应用领域的最新研究与应用进展，以期对壳聚糖资源的开发利用提供一定的理论支撑。
将壳聚糖改性与磁性材料复合制备得到的改性壳聚糖磁性纳米材料，保留了壳聚糖与金属离子极强螯合能力的特性，并具备较好的再生性，极大扩展了壳聚糖的应用前景。本论文重点介绍了改性壳聚糖磁性纳米材料的制备方法，以及在废水处理、活性物质的固定化、医药医疗等应用领域的最新研究与应用进展，以期对壳聚糖资源的开发利用提供一定的理论支撑。
2022, 39(3): 1026-1035.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210608.003
摘要:
采用溶胶-凝胶法在黄麻纤维表面获得了纳米SiO2(n-SiO2)沉积层，经过模压工艺，制备了n-SiO2沉积的黄麻纤维/聚丙烯复合材料(n-SiO2@黄麻纤维/PP复合材料)。通过分子动力学(MD)模拟建立了n-SiO2@黄麻纤维/PP复合材料多相界面的分子模型，结合复合材料冲击性能与断口形貌的分析，揭示了此类混杂型复合材料的多相界面结构与增韧机制。黄麻纤维经过n-SiO2沉积处理，其增强PP复合材料的冲击韧性提高了54.87%。n-SiO2沉积层通过与黄麻纤维之间的C—O—Si化学键作用及其与PP基体分子链之间的机械锁结作用，在黄麻纤维与PP基体之间形成了界面相，使得黄麻纤维/PP复合材料的界面结合能提高了27.22%。当复合材料发生冲击破坏时，n-SiO2界面相将引发“银纹效应”，使得裂纹的传播方向发生倾斜或扭转，延长了裂纹的扩展路径，消耗了裂纹传播的能量，减缓了裂纹的扩展速度。此外，在冲击失效过程中，结合性能良好的多相界面不仅能够诱导PP基体产生塑性变形，吸收大量的冲击能量，而且可将部分冲击能量传递至黄麻纤维内部，使得微纤之间发生界面脱黏。由于黄麻纤维/PP基体界面结合强度小于黄麻纤维内部微纤之间的界面结合强度，因此微纤之间的界面脱黏将会消耗更多的冲击能量。
采用溶胶-凝胶法在黄麻纤维表面获得了纳米SiO2(n-SiO2)沉积层，经过模压工艺，制备了n-SiO2沉积的黄麻纤维/聚丙烯复合材料(n-SiO2@黄麻纤维/PP复合材料)。通过分子动力学(MD)模拟建立了n-SiO2@黄麻纤维/PP复合材料多相界面的分子模型，结合复合材料冲击性能与断口形貌的分析，揭示了此类混杂型复合材料的多相界面结构与增韧机制。黄麻纤维经过n-SiO2沉积处理，其增强PP复合材料的冲击韧性提高了54.87%。n-SiO2沉积层通过与黄麻纤维之间的C—O—Si化学键作用及其与PP基体分子链之间的机械锁结作用，在黄麻纤维与PP基体之间形成了界面相，使得黄麻纤维/PP复合材料的界面结合能提高了27.22%。当复合材料发生冲击破坏时，n-SiO2界面相将引发“银纹效应”，使得裂纹的传播方向发生倾斜或扭转，延长了裂纹的扩展路径，消耗了裂纹传播的能量，减缓了裂纹的扩展速度。此外，在冲击失效过程中，结合性能良好的多相界面不仅能够诱导PP基体产生塑性变形，吸收大量的冲击能量，而且可将部分冲击能量传递至黄麻纤维内部，使得微纤之间发生界面脱黏。由于黄麻纤维/PP基体界面结合强度小于黄麻纤维内部微纤之间的界面结合强度，因此微纤之间的界面脱黏将会消耗更多的冲击能量。
2022, 39(3): 1036-1043.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210528.001
摘要:
随着5G时代的来临，各类电子元器件发热功率明显增大。因此，电子元器件及设备的散热问题亟待解决，使得对高导热材料的需求日益迫切。为此，利用化学刻蚀法制备二维MXene材料(Ti3C2Tx)，采用标准溶液共混法，将制备得到的MXene与硅橡胶复合，得到MXene/硅橡胶复合材料，研究了MXene添加量对MXene/硅橡胶导热性能的影响。使用SEM和XRD对MXene进行结构表征，并测试纯硅橡胶与MXene/硅橡胶复合材料的力学性能、导热导电性能和热稳定性等。结果表明：化学刻蚀法成功制备了呈经典“手风琴”层状结构的MXene，当MXene添加量为2.00wt%时，MXene/硅橡胶复合材料的热导率最高可达1.32 W/(m·K)，是纯硅橡胶的4.55倍，此时，体积电阻率降低4个数量级，力学性能和热稳定性也得到了显著提高。
随着5G时代的来临，各类电子元器件发热功率明显增大。因此，电子元器件及设备的散热问题亟待解决，使得对高导热材料的需求日益迫切。为此，利用化学刻蚀法制备二维MXene材料(Ti3C2Tx)，采用标准溶液共混法，将制备得到的MXene与硅橡胶复合，得到MXene/硅橡胶复合材料，研究了MXene添加量对MXene/硅橡胶导热性能的影响。使用SEM和XRD对MXene进行结构表征，并测试纯硅橡胶与MXene/硅橡胶复合材料的力学性能、导热导电性能和热稳定性等。结果表明：化学刻蚀法成功制备了呈经典“手风琴”层状结构的MXene，当MXene添加量为2.00wt%时，MXene/硅橡胶复合材料的热导率最高可达1.32 W/(m·K)，是纯硅橡胶的4.55倍，此时，体积电阻率降低4个数量级，力学性能和热稳定性也得到了显著提高。
2022, 39(3): 1044-1054.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210514.001
摘要:
提出一种超声振动+超低温液氮+由超低温环境形成的冰冻支撑层(Ultrasonic vibration+Cryogenic liquid nitrogen+Frozen support layer，UCF)来辅助碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer， CFRP)钻削制孔，有效降低钻削缺陷的加工方法。该方法的基本原理为：利用超声作用下的钻头高频振动实现轴向钻削力的弱化，利用超低温液氮以及形成的冰冻支撑层来实现钻削出口侧材料的约束和支撑，并有效降低加工过程的钻削热影响。基于UCF的基本原理，开展了相应的UCF辅助加工实验，通过微观检测表征和缺陷因子计算等手段，与传统钻削模式(Traditional drilling， TD)、低温液氮+冰冻支撑模式(Cryogenic liquid nitrogen +Freezing support，CF)下的CFRP制孔质量进行了对比分析。结果表明，采用UCF模式和CF模式均会引起轴向力增加，但UCF模式下的最大轴向力增幅相对较小；与TD模式相比，采用UCF辅助加工方法最大可使CFRP钻削出口的毛刺因子降低75%，撕裂因子降低8.9%，分层因子降低34.6%，孔壁表面粗糙度Ra降低53.6%。
提出一种超声振动+超低温液氮+由超低温环境形成的冰冻支撑层(Ultrasonic vibration+Cryogenic liquid nitrogen+Frozen support layer，UCF)来辅助碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer， CFRP)钻削制孔，有效降低钻削缺陷的加工方法。该方法的基本原理为：利用超声作用下的钻头高频振动实现轴向钻削力的弱化，利用超低温液氮以及形成的冰冻支撑层来实现钻削出口侧材料的约束和支撑，并有效降低加工过程的钻削热影响。基于UCF的基本原理，开展了相应的UCF辅助加工实验，通过微观检测表征和缺陷因子计算等手段，与传统钻削模式(Traditional drilling， TD)、低温液氮+冰冻支撑模式(Cryogenic liquid nitrogen +Freezing support，CF)下的CFRP制孔质量进行了对比分析。结果表明，采用UCF模式和CF模式均会引起轴向力增加，但UCF模式下的最大轴向力增幅相对较小；与TD模式相比，采用UCF辅助加工方法最大可使CFRP钻削出口的毛刺因子降低75%，撕裂因子降低8.9%，分层因子降低34.6%，孔壁表面粗糙度Ra降低53.6%。
2022, 39(3): 1055-1067.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210601.006
摘要:
针对现有功能梯度材料制备技术存在低黏度液体难以精准控形、层间结合强度差、成形结构单一等方面的不足和局限性，提出了一种基于多材料3D打印和约束牺牲层连续功能梯度材料-结构一体化制造新工艺，实现了聚合物基连续功能梯度材料的全新制备。通过理论分析和实验研究，揭示了挤出速度、打印速度、线间距等主要工艺参数对打印连续功能梯度材料质量和性能的影响规律。利用自主搭建的实验装置制备的石墨烯/光敏树脂介电功能梯度材料(d-FGM)，实现了聚合物基连续功能梯度绝缘子的一体化制造，与均质光敏树脂相比，介电常数增加了1倍，电阻率降低了93.3%，沿面电场强度提升幅值超过了14%。Al2O3/聚二甲基硅氧烷（Al2O3/PDMS）连续变刚度功能梯度材料，相较于单一PDMS材料，质量分数为40wt%的Al2O3一侧刚度增加了1倍，实现了Al2O3粉末的连续梯度分布。该3D打印工艺为聚合物基连续功能梯度材料的制备提供了一种低成本、高效率的解决方案。
针对现有功能梯度材料制备技术存在低黏度液体难以精准控形、层间结合强度差、成形结构单一等方面的不足和局限性，提出了一种基于多材料3D打印和约束牺牲层连续功能梯度材料-结构一体化制造新工艺，实现了聚合物基连续功能梯度材料的全新制备。通过理论分析和实验研究，揭示了挤出速度、打印速度、线间距等主要工艺参数对打印连续功能梯度材料质量和性能的影响规律。利用自主搭建的实验装置制备的石墨烯/光敏树脂介电功能梯度材料(d-FGM)，实现了聚合物基连续功能梯度绝缘子的一体化制造，与均质光敏树脂相比，介电常数增加了1倍，电阻率降低了93.3%，沿面电场强度提升幅值超过了14%。Al2O3/聚二甲基硅氧烷（Al2O3/PDMS）连续变刚度功能梯度材料，相较于单一PDMS材料，质量分数为40wt%的Al2O3一侧刚度增加了1倍，实现了Al2O3粉末的连续梯度分布。该3D打印工艺为聚合物基连续功能梯度材料的制备提供了一种低成本、高效率的解决方案。
2022, 39(3): 1068-1078.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210603.001
摘要:
碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料具有力学性能优异、质量轻、耐腐蚀等特点，但成本高、废弃物环境影响大等问题制约了其进一步应用。现有方法回收的再生碳纤维(RCF)多为蓬松状的短纤维束，纤维互相缠绕，其优异的力学性能难以得到充分的利用。采用湿法纤维取向技术对不同长度的RCF进行重新取向排布，得到了相应的取向纤维毡，并用模压法制备了RCF/EP复合材料试样。利用二维方向张量对RCF的取向度(DPA)进行评价，采用SEM和力学性能测试表征复合材料的结构与性能。结果表明，RCF长度越长，取向越困难；RCF长度和DPA的增加使复合材料的力学性能得到提高；与2 mm RCF相比，6 mm RCF的DPA降低了约11%，而RCF/EP的拉伸强度和模量、弯曲强度和模量分别提升了63.6%、91.5%、48.8%、43.0%。
碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料具有力学性能优异、质量轻、耐腐蚀等特点，但成本高、废弃物环境影响大等问题制约了其进一步应用。现有方法回收的再生碳纤维(RCF)多为蓬松状的短纤维束，纤维互相缠绕，其优异的力学性能难以得到充分的利用。采用湿法纤维取向技术对不同长度的RCF进行重新取向排布，得到了相应的取向纤维毡，并用模压法制备了RCF/EP复合材料试样。利用二维方向张量对RCF的取向度(DPA)进行评价，采用SEM和力学性能测试表征复合材料的结构与性能。结果表明，RCF长度越长，取向越困难；RCF长度和DPA的增加使复合材料的力学性能得到提高；与2 mm RCF相比，6 mm RCF的DPA降低了约11%，而RCF/EP的拉伸强度和模量、弯曲强度和模量分别提升了63.6%、91.5%、48.8%、43.0%。
2022, 39(3): 1079-1090.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210513.005
摘要:
选用聚多巴胺(PDA)和十八烷基异氰酸酯分别改性钛酸钡纳米线(BTW)和氮化硼纳米片(BNNSs)来构筑D@BTW-fBNNSs高介电导热填料。研究了D@BTW-fBNNSs高介电导热填料对芳香族聚酰胺(PMIA)基复合电介质介电性能、击穿强度和导热性能的影响。结果表明：随着复合电介质中D@BTW-fBNNSs含量的增加，PMIA基复合电介质的介电常数提升明显；当D@BTW-fBNNSs含量为15wt%时，PMIA基复合电介质在103 Hz时的介电常数相较于PMIA基体提高了75%，同时在高温环境中(>150℃)PMIA基复合电介质的介电性能保持稳定，能够满足高温环境的使用要求。此外，D@BTW-fBNNSs还明显改善了PMIA基复合电介质的导热性能；含有15wt%D@BTW-fBNNSs的PMIA基复合电介质，其导热系数相较于PMIA基体提升了1.5倍。本研究将为设计具有高介电常数、低热效应的耐高温聚合物基电介质提供新的方法和思路。
选用聚多巴胺(PDA)和十八烷基异氰酸酯分别改性钛酸钡纳米线(BTW)和氮化硼纳米片(BNNSs)来构筑D@BTW-fBNNSs高介电导热填料。研究了D@BTW-fBNNSs高介电导热填料对芳香族聚酰胺(PMIA)基复合电介质介电性能、击穿强度和导热性能的影响。结果表明：随着复合电介质中D@BTW-fBNNSs含量的增加，PMIA基复合电介质的介电常数提升明显；当D@BTW-fBNNSs含量为15wt%时，PMIA基复合电介质在103 Hz时的介电常数相较于PMIA基体提高了75%，同时在高温环境中(>150℃)PMIA基复合电介质的介电性能保持稳定，能够满足高温环境的使用要求。此外，D@BTW-fBNNSs还明显改善了PMIA基复合电介质的导热性能；含有15wt%D@BTW-fBNNSs的PMIA基复合电介质，其导热系数相较于PMIA基体提升了1.5倍。本研究将为设计具有高介电常数、低热效应的耐高温聚合物基电介质提供新的方法和思路。
2022, 39(3): 1091-1101.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210609.003
摘要:
科技发展对材料性能提出越来越高的要求，通过对材料内部结构进行有序排列使其在特定方向上实现性能最佳发挥是目前解决高性能应用需求的一个有效的方法。传统单向冷冻技术无法实现二维有序结构的制备。通过双向冷冻方法制备了厘米级的单取向碳化硼(B4C)层状结构支架，在其层间填充聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备出具有各向异性的碳化硼-有机硅二维层状复合材料。复合材料的A生长面为PDMS和B4C骨架的交替排列结构，B生长面为海浪状的堆叠结构，且层状支架在复合材料中保持着明显的二维有序层状结构。复合材料面内最大动态模量各向异性比可达12.9，动态模量表现出明显的佩恩效应。这种方法为二维层状有序复合材料的制备提供新思路。
科技发展对材料性能提出越来越高的要求，通过对材料内部结构进行有序排列使其在特定方向上实现性能最佳发挥是目前解决高性能应用需求的一个有效的方法。传统单向冷冻技术无法实现二维有序结构的制备。通过双向冷冻方法制备了厘米级的单取向碳化硼(B4C)层状结构支架，在其层间填充聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备出具有各向异性的碳化硼-有机硅二维层状复合材料。复合材料的A生长面为PDMS和B4C骨架的交替排列结构，B生长面为海浪状的堆叠结构，且层状支架在复合材料中保持着明显的二维有序层状结构。复合材料面内最大动态模量各向异性比可达12.9，动态模量表现出明显的佩恩效应。这种方法为二维层状有序复合材料的制备提供新思路。
2022, 39(3): 1102-1109.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210513.004
摘要:
防覆冰现已成为飞机结构、输电线路、制冷器械等设备上亟待解决的问题。对自主研发的三种疏水/超疏水复合涂层的防覆冰特性进行了综合对比研究，重点分析了各涂层在机械耐久性及超低温条件下除冰性的优势。测试结果表明：底漆-面漆复合超疏水涂层具备较优异的机械耐久性，在磨耗仪250 g载荷下磨耗40次后及冻融循环100次后冰剪切强度均小于30 kPa；而疏水纳米颗粒-润滑脂复合涂层超低温−150℃下的除冰性能表现优异，其初始冰层剪切力仅为11.5 kPa。本文研究成果将为疏水/超疏水涂层在防覆冰领域的应用提供有益的理论和实际指导。
防覆冰现已成为飞机结构、输电线路、制冷器械等设备上亟待解决的问题。对自主研发的三种疏水/超疏水复合涂层的防覆冰特性进行了综合对比研究，重点分析了各涂层在机械耐久性及超低温条件下除冰性的优势。测试结果表明：底漆-面漆复合超疏水涂层具备较优异的机械耐久性，在磨耗仪250 g载荷下磨耗40次后及冻融循环100次后冰剪切强度均小于30 kPa；而疏水纳米颗粒-润滑脂复合涂层超低温−150℃下的除冰性能表现优异，其初始冰层剪切力仅为11.5 kPa。本文研究成果将为疏水/超疏水涂层在防覆冰领域的应用提供有益的理论和实际指导。
2022, 39(3): 1110-1119.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210506.001
摘要:
制备高活性和高稳定性的电催化剂复合材料一直是燃料电池与金属-空气电池的重要研究内容。以双氰胺作为碳氮源，通过酞菁钴和二茂铁提供金属纳米颗粒，对其混合物进行简单的高温热解得到负载铁钴合金的氮掺杂碳纳米片(Fe1-Co1-N/C)；最后利用沉积法将少量铂引入到Fe1-Co1-N/C上，得到负载铂铁钴三金属合金的氮掺杂碳纳米片(Fe1-Co1-Pt-N/C)。酸性介质中催化剂的氧还原反应(ORR)测试结果表明，Fe1-Co1-N/C本身对ORR具有较强的电活性，而2.36%~3.58%铂的加入显著提升了催化剂的电催化性能，其ORR起始电位、半波电位和极限扩散电流均可与商业Pt/C(40%)媲美，且具有优异的稳定性，可作为氧还原催化剂良好的候选材料。
制备高活性和高稳定性的电催化剂复合材料一直是燃料电池与金属-空气电池的重要研究内容。以双氰胺作为碳氮源，通过酞菁钴和二茂铁提供金属纳米颗粒，对其混合物进行简单的高温热解得到负载铁钴合金的氮掺杂碳纳米片(Fe1-Co1-N/C)；最后利用沉积法将少量铂引入到Fe1-Co1-N/C上，得到负载铂铁钴三金属合金的氮掺杂碳纳米片(Fe1-Co1-Pt-N/C)。酸性介质中催化剂的氧还原反应(ORR)测试结果表明，Fe1-Co1-N/C本身对ORR具有较强的电活性，而2.36%~3.58%铂的加入显著提升了催化剂的电催化性能，其ORR起始电位、半波电位和极限扩散电流均可与商业Pt/C(40%)媲美，且具有优异的稳定性，可作为氧还原催化剂良好的候选材料。
2022, 39(3): 1120-1130.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210623.001
摘要:
随着现代科技的快速发展及人们生活水平的提高，柔性压阻传感器在人体健康监测、智能机器人、可穿戴电子设备和人机交互等方面展现了巨大应用潜力。本文采用Hummer’s法制备了还原氧化石墨烯(rGO)，其后通过静电组装将碳纳米管(CNT)负载在rGO的表面上，并将其引入热塑性聚氨酯(TPU)基体中制备成导电纳米复合材料。此外，采用逐次双向拉伸技术实现了基体中纳米填料的进一步分散和平行取向，并基于所获得的复合薄膜研制出了一种可监测微小应变的高性能柔性压阻传感器。研究发现，rGO-CNT/TPU4×4传感器(拉伸比为4×4)在保持高灵敏度(1.5%应变的情况下灵敏度(GF)=46.7)和高线性度(R2=0.98)的同时，能够适用于不同应变和频率变化，并且在循环加载测试中展出优异的稳定性和可重复性。该柔性压阻传感器可以用于识别细微的人体生理活动，包括脉搏和呼气等。此外，还设计制备了一个可压缩的传感器阵列来监测在不同压力下的信号变化情况。本研究对于高性能柔性压阻应变传感器的快速宏量制备及结构与性能调控具有重要的科学指导意义。
随着现代科技的快速发展及人们生活水平的提高，柔性压阻传感器在人体健康监测、智能机器人、可穿戴电子设备和人机交互等方面展现了巨大应用潜力。本文采用Hummer’s法制备了还原氧化石墨烯(rGO)，其后通过静电组装将碳纳米管(CNT)负载在rGO的表面上，并将其引入热塑性聚氨酯(TPU)基体中制备成导电纳米复合材料。此外，采用逐次双向拉伸技术实现了基体中纳米填料的进一步分散和平行取向，并基于所获得的复合薄膜研制出了一种可监测微小应变的高性能柔性压阻传感器。研究发现，rGO-CNT/TPU4×4传感器(拉伸比为4×4)在保持高灵敏度(1.5%应变的情况下灵敏度(GF)=46.7)和高线性度(R2=0.98)的同时，能够适用于不同应变和频率变化，并且在循环加载测试中展出优异的稳定性和可重复性。该柔性压阻传感器可以用于识别细微的人体生理活动，包括脉搏和呼气等。此外，还设计制备了一个可压缩的传感器阵列来监测在不同压力下的信号变化情况。本研究对于高性能柔性压阻应变传感器的快速宏量制备及结构与性能调控具有重要的科学指导意义。
2022, 39(3): 1131-1140.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210517.003
摘要:
通过原位自由基溶液聚合法制备了聚(3, 4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)/聚(丙烯酰胺-甲基丙烯酸)(P(AAM-MAA))导电水凝胶。采用FTIR、Raman、TGA和SEM分别表征了PEDOT:PSS/P(AAM-MAA)的组成与形貌，测定了PEDOT:PSS/P(AAM-MAA)的透光率、电导率、拉伸性能、力敏性能及传感性能。结果表明：PEDOT:PSS均匀地分散在P(AAM-MAA)水凝胶体系中，使PEDOT:PSS/P(AAM-MAA)具有较好的电导率和透明性(>50%)，MAA的引入既提升了PEDOT:PSS/P(AAM-MAA)的电导率，也改善了其拉伸性能和力敏性能。当导电水凝胶中MAA的含量从0wt%增加到2.52wt%时，PEDOT: PSS/P(AAM-MAA)的电导率从0.043 S·m−1增加到0.060 S·m−1，其拉伸强度、断裂伸长率分别从46 kPa、76%增长到68 kPa、129%。PEDOT:PSS/P(AAM-MAA)也表现出良好的线性灵敏度(R2>0.983)(应变：0%~70%)。电阻变化曲线表明制备的水凝胶可作为传感器通过电阻信号变化来监测人体的各种微小运动。
通过原位自由基溶液聚合法制备了聚(3, 4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)/聚(丙烯酰胺-甲基丙烯酸)(P(AAM-MAA))导电水凝胶。采用FTIR、Raman、TGA和SEM分别表征了PEDOT:PSS/P(AAM-MAA)的组成与形貌，测定了PEDOT:PSS/P(AAM-MAA)的透光率、电导率、拉伸性能、力敏性能及传感性能。结果表明：PEDOT:PSS均匀地分散在P(AAM-MAA)水凝胶体系中，使PEDOT:PSS/P(AAM-MAA)具有较好的电导率和透明性(>50%)，MAA的引入既提升了PEDOT:PSS/P(AAM-MAA)的电导率，也改善了其拉伸性能和力敏性能。当导电水凝胶中MAA的含量从0wt%增加到2.52wt%时，PEDOT: PSS/P(AAM-MAA)的电导率从0.043 S·m−1增加到0.060 S·m−1，其拉伸强度、断裂伸长率分别从46 kPa、76%增长到68 kPa、129%。PEDOT:PSS/P(AAM-MAA)也表现出良好的线性灵敏度(R2>0.983)(应变：0%~70%)。电阻变化曲线表明制备的水凝胶可作为传感器通过电阻信号变化来监测人体的各种微小运动。
2022, 39(3): 1141-1151.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210518.002
摘要:
针对传统贵金属析氧反应(OER)电催化剂的电导率较低、催化活性较差、成本高等问题，开发高效耐久、低成本且具有高暴露活性表面和优良导电性的电催化剂已迫在眉睫。通过冷冻干燥法合成银纳米线@聚吡咯(AgNWs@PPy)气凝胶，然后使用溶剂热法在AgNWs@PPy气凝胶骨架表面生长纳米CoNi合金，获得了OER电催化性能良好的AgNWs@PPy@CoNi气凝胶。结果表明，随着Co2+、Ni2+浓度的增加，AgNWs@PPy@CoNi气凝胶的催化性能先增强后减弱，当Co2+、Ni2+浓度为0.0175 mol/L制备的AgNWs@PPy@CoNi气凝胶在电流密度10 mA·cm−2时，过电位为346 mV，Tafel斜率为86.25 mV·dec−1，在恒定电压下经过10 h的稳定性测试，电流保持率达93.9%，具有良好的稳定性。三维独立型AgNWs@PPy气凝胶提供优良的导电性，CoNi合金提供丰富的活性位点，二者的共同作用表现出优异的OER催化性能，将有望替代贵金属催化剂而成为新型的OER催化材料。
针对传统贵金属析氧反应(OER)电催化剂的电导率较低、催化活性较差、成本高等问题，开发高效耐久、低成本且具有高暴露活性表面和优良导电性的电催化剂已迫在眉睫。通过冷冻干燥法合成银纳米线@聚吡咯(AgNWs@PPy)气凝胶，然后使用溶剂热法在AgNWs@PPy气凝胶骨架表面生长纳米CoNi合金，获得了OER电催化性能良好的AgNWs@PPy@CoNi气凝胶。结果表明，随着Co2+、Ni2+浓度的增加，AgNWs@PPy@CoNi气凝胶的催化性能先增强后减弱，当Co2+、Ni2+浓度为0.0175 mol/L制备的AgNWs@PPy@CoNi气凝胶在电流密度10 mA·cm−2时，过电位为346 mV，Tafel斜率为86.25 mV·dec−1，在恒定电压下经过10 h的稳定性测试，电流保持率达93.9%，具有良好的稳定性。三维独立型AgNWs@PPy气凝胶提供优良的导电性，CoNi合金提供丰富的活性位点，二者的共同作用表现出优异的OER催化性能，将有望替代贵金属催化剂而成为新型的OER催化材料。
2022, 39(3): 1152-1162.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210616.002
摘要:
随着无线信息技术的飞速发展，电磁干扰问题日益突出，引起了全球的广泛关注。人体长时间暴露于电磁辐射下，会对中枢神经系统、心血管系统和视觉系统等造成不同程度的损伤。解决这一问题的关键在于开发能够吸收电磁波的材料。为了改善还原氧化石墨烯(RGO)的微波吸收性能，采用感应加热的方式成功获得四面体针状氧化锌(ZnO)，并通过简单水热法制备了不同比例的ZnO@RGO复合材料。利用SEM、XRD和Raman分别对ZnO@RGO复合材料的形貌、尺寸和结构进行了分析，并且探讨了ZnO含量和石蜡填充量对其电磁参数和吸波性能的影响。ZnO∶GO质量比为3∶1时的ZnO@RGO复合材料拥有最为优异的吸波性能(−44.5 dB; 3 mm)。电磁参数表明ZnO@RGO复合材料的衰减机制可以归结为电导损耗和极化效应。ZnO@RGO复合材料具有较低的反射损耗值和较薄的厚度，在军事隐身领域具有很大的潜力。
随着无线信息技术的飞速发展，电磁干扰问题日益突出，引起了全球的广泛关注。人体长时间暴露于电磁辐射下，会对中枢神经系统、心血管系统和视觉系统等造成不同程度的损伤。解决这一问题的关键在于开发能够吸收电磁波的材料。为了改善还原氧化石墨烯(RGO)的微波吸收性能，采用感应加热的方式成功获得四面体针状氧化锌(ZnO)，并通过简单水热法制备了不同比例的ZnO@RGO复合材料。利用SEM、XRD和Raman分别对ZnO@RGO复合材料的形貌、尺寸和结构进行了分析，并且探讨了ZnO含量和石蜡填充量对其电磁参数和吸波性能的影响。ZnO∶GO质量比为3∶1时的ZnO@RGO复合材料拥有最为优异的吸波性能(−44.5 dB; 3 mm)。电磁参数表明ZnO@RGO复合材料的衰减机制可以归结为电导损耗和极化效应。ZnO@RGO复合材料具有较低的反射损耗值和较薄的厚度，在军事隐身领域具有很大的潜力。
2022, 39(3): 1163-1172.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210616.001
摘要:
铬是一种常见的重金属污染物，广泛用于各种工业过程。采用溶剂热法制备了不同CNFs(活性纳米碳纤维)含量的CuS-Bi2WO6/CNFs复合光催化剂，改善可见光照射下六价铬的还原。通过XRD、SEM、TEM、FTIR、XPS、UV-Vis、PL和光电流等技术对样品的晶型、形貌、结构、元素组成、表面官能团、光学性质等进行了测试与表征，并考察了CuS-Bi2WO6/CNFs光催化还原Cr(VI)的活性。结果表明，CuS-Bi2WO6/CNFs复合材料的光催化活性明显高于CuS、Bi2WO6和CuS-Bi2WO6。在可见光照射下，1%CuS-Bi2WO6/CNFs对Cr(VI)还原表现出优异的光催化活性，在3 h内还原率为98%。1%CuS-Bi2WO6/CNFs复合材料在4次循环后也表现出良好的稳定性和可回收性。此外，活性基团捕获实验表明，羟基自由基(•OH)、光生空穴(h+)和超氧自由基(•O2−)参与了CuS-Bi2WO6/CNFs对Cr(VI)的还原，而•O2−是该体系的主要活性组分，并在此基础上初步探讨了光催化反应机制。本文的研究结果表明，通过简单可控的溶剂热法，可以实现CuS-Bi2WO6/CNFs的制备，并且证实了CuS-Bi2WO6/CNFs复合材料在六价铬处理方面的良好前景。
铬是一种常见的重金属污染物，广泛用于各种工业过程。采用溶剂热法制备了不同CNFs(活性纳米碳纤维)含量的CuS-Bi2WO6/CNFs复合光催化剂，改善可见光照射下六价铬的还原。通过XRD、SEM、TEM、FTIR、XPS、UV-Vis、PL和光电流等技术对样品的晶型、形貌、结构、元素组成、表面官能团、光学性质等进行了测试与表征，并考察了CuS-Bi2WO6/CNFs光催化还原Cr(VI)的活性。结果表明，CuS-Bi2WO6/CNFs复合材料的光催化活性明显高于CuS、Bi2WO6和CuS-Bi2WO6。在可见光照射下，1%CuS-Bi2WO6/CNFs对Cr(VI)还原表现出优异的光催化活性，在3 h内还原率为98%。1%CuS-Bi2WO6/CNFs复合材料在4次循环后也表现出良好的稳定性和可回收性。此外，活性基团捕获实验表明，羟基自由基(•OH)、光生空穴(h+)和超氧自由基(•O2−)参与了CuS-Bi2WO6/CNFs对Cr(VI)的还原，而•O2−是该体系的主要活性组分，并在此基础上初步探讨了光催化反应机制。本文的研究结果表明，通过简单可控的溶剂热法，可以实现CuS-Bi2WO6/CNFs的制备，并且证实了CuS-Bi2WO6/CNFs复合材料在六价铬处理方面的良好前景。
2022, 39(3): 1173-1179.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210414.002
摘要:
为提高TiO2在可见光下的光催化性能，通过二次水热反应在FTO导电玻璃上制备获得了高度有序的β-FeOOH/TiO2复合薄膜材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)及红外光谱(FTIR)对其表面形貌、晶体结构及物相组成进行了分析。采用紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)对其光吸收性能进行了测试。最后以甲基橙(MO)为模拟污染物，考察了复合薄膜材料在可见光下的光催化活性。结果表明：TiO2与β-FeOOH之间通过Fe—O—Ti键连接，成功制备出的β-FeOOH/TiO2复合薄膜材料具有较好的结构稳定性。β-FeOOH/TiO2复合薄膜材料由于其构造的异质结和合适的能带结构，有效的提高光生载流子的迁移效率，并使其光响应范围成功扩展到540 nm左右。β-FeOOH/TiO2复合薄膜材料在可见光下展现出了优异的光催化性能，其光催化效率比未改性的TiO2样品提高60.6%，经过六次光催化降解循环试验，复合薄膜仍保持良好的连续性，且光催化降解MO的性能仍保持在94%左右。
为提高TiO2在可见光下的光催化性能，通过二次水热反应在FTO导电玻璃上制备获得了高度有序的β-FeOOH/TiO2复合薄膜材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)及红外光谱(FTIR)对其表面形貌、晶体结构及物相组成进行了分析。采用紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)对其光吸收性能进行了测试。最后以甲基橙(MO)为模拟污染物，考察了复合薄膜材料在可见光下的光催化活性。结果表明：TiO2与β-FeOOH之间通过Fe—O—Ti键连接，成功制备出的β-FeOOH/TiO2复合薄膜材料具有较好的结构稳定性。β-FeOOH/TiO2复合薄膜材料由于其构造的异质结和合适的能带结构，有效的提高光生载流子的迁移效率，并使其光响应范围成功扩展到540 nm左右。β-FeOOH/TiO2复合薄膜材料在可见光下展现出了优异的光催化性能，其光催化效率比未改性的TiO2样品提高60.6%，经过六次光催化降解循环试验，复合薄膜仍保持良好的连续性，且光催化降解MO的性能仍保持在94%左右。
2022, 39(3): 1180-1185.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210414.003
摘要:
针对引入蒙皮材料导致吸波蜂窝26.5~40 GHz频段吸波性能退化的问题，对蒙皮的结构进行了改进设计，研究了A型蒙皮结构对多层蜂窝吸波性能的影响机制及规律，并得到了最优的蒙皮结构参数。研究结果表明，设计的A型结构，可有效改善蒙皮的高频段透波性能。随着A型蒙皮中透波蜂窝厚度的增加，复合吸波蜂窝在2~18 GHz频段内的吸波性能保持在相当的水平，在26.5~40 GHz波段吸波性能先升高后降低，透波蜂窝的最优厚度为2 mm。基于5种不同电磁特性的吸波蜂窝片材料，设计制备的具有0.3 mm石英布/2 mm透波蜂窝/0.3 mm石英布蒙皮结构的复合蜂窝在2~18 GHz及26.5~40 GHz的超宽频带内具备优异的吸波性能，与仿真优化结果保持一致。
针对引入蒙皮材料导致吸波蜂窝26.5~40 GHz频段吸波性能退化的问题，对蒙皮的结构进行了改进设计，研究了A型蒙皮结构对多层蜂窝吸波性能的影响机制及规律，并得到了最优的蒙皮结构参数。研究结果表明，设计的A型结构，可有效改善蒙皮的高频段透波性能。随着A型蒙皮中透波蜂窝厚度的增加，复合吸波蜂窝在2~18 GHz频段内的吸波性能保持在相当的水平，在26.5~40 GHz波段吸波性能先升高后降低，透波蜂窝的最优厚度为2 mm。基于5种不同电磁特性的吸波蜂窝片材料，设计制备的具有0.3 mm石英布/2 mm透波蜂窝/0.3 mm石英布蒙皮结构的复合蜂窝在2~18 GHz及26.5~40 GHz的超宽频带内具备优异的吸波性能，与仿真优化结果保持一致。
2022, 39(3): 1186-1193.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210517.004
摘要:
以聚(乙烯-乙烯醇)(EVOH)，锂基蒙脱土(Li-OMMT)为主要原料，先合成了一种离子型树脂，后与锂基蒙脱土复合以制备一种全新的有机-无机杂化材料EVOLi-OMMT。采用高压静电纺丝法，将其制成锂离子电池用无纺布隔膜。先用红外表征了杂化材料的键接结构，又用SEM表征了隔膜的微观结构，后将合成的两种复合隔膜与Celgard 隔膜进行了吸液率、孔隙率、热性能和电性能的对比。结果表明，EVOLi与OMMT之间生成了新的化学键，形成了插层交联结构，隔膜力学强度比EVOLi提升了68.12%，隔膜孔径均一，改性后的隔膜孔隙率和吸液率分别达457%和73%，初始温度较高，可达270℃，可耐175℃不发生皱缩；电化学测试结果表明改性过后的隔膜离子界面迁移阻抗小，可低至96.59 Ω；100次0.1 C循环以后容量保持率可达93.4%，并在循环测试中表现出优异的倍率性能。
以聚(乙烯-乙烯醇)(EVOH)，锂基蒙脱土(Li-OMMT)为主要原料，先合成了一种离子型树脂，后与锂基蒙脱土复合以制备一种全新的有机-无机杂化材料EVOLi-OMMT。采用高压静电纺丝法，将其制成锂离子电池用无纺布隔膜。先用红外表征了杂化材料的键接结构，又用SEM表征了隔膜的微观结构，后将合成的两种复合隔膜与Celgard 隔膜进行了吸液率、孔隙率、热性能和电性能的对比。结果表明，EVOLi与OMMT之间生成了新的化学键，形成了插层交联结构，隔膜力学强度比EVOLi提升了68.12%，隔膜孔径均一，改性后的隔膜孔隙率和吸液率分别达457%和73%，初始温度较高，可达270℃，可耐175℃不发生皱缩；电化学测试结果表明改性过后的隔膜离子界面迁移阻抗小，可低至96.59 Ω；100次0.1 C循环以后容量保持率可达93.4%，并在循环测试中表现出优异的倍率性能。
2022, 39(3): 1194-1204.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210512.001
摘要:
通过碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)筋与海水海砂混凝土的中心及偏心拉拔试验，对比了CFRP筋在不同条件下拔出时的粘结应力及滑移值大小，得到完整的CFRP筋/海水海砂混凝土粘结-滑移曲线，同时分析了CFRP筋在混凝土中发生滑移时会产生的若干破坏模式，在此基础上对粘结-滑移曲线不同受力阶段特点进行了分析。同时，采用正交试验的方式，获得了不同因素对CFRP筋/混凝土粘结强度的影响程度。试验表明，CFRP筋/混凝土粘结力中摩擦力的占比较大，且粘结强度最主要的影响因素是混凝土的强度等级。除了传统拉拔试验中会出现的受力筋拉出破坏和混凝土劈裂破坏外，CFRP筋还会由于自身的外形、工艺及力学性能的影响，发生自身破坏。对不同破坏模式、受力筋外形的三种CFRP筋/海水海砂混凝土粘结-滑移曲线，采用多种理论表达式进行对比，最终得到不同条件下CFRP/海水海砂混凝土的粘结-滑移本构关系表达式。
通过碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)筋与海水海砂混凝土的中心及偏心拉拔试验，对比了CFRP筋在不同条件下拔出时的粘结应力及滑移值大小，得到完整的CFRP筋/海水海砂混凝土粘结-滑移曲线，同时分析了CFRP筋在混凝土中发生滑移时会产生的若干破坏模式，在此基础上对粘结-滑移曲线不同受力阶段特点进行了分析。同时，采用正交试验的方式，获得了不同因素对CFRP筋/混凝土粘结强度的影响程度。试验表明，CFRP筋/混凝土粘结力中摩擦力的占比较大，且粘结强度最主要的影响因素是混凝土的强度等级。除了传统拉拔试验中会出现的受力筋拉出破坏和混凝土劈裂破坏外，CFRP筋还会由于自身的外形、工艺及力学性能的影响，发生自身破坏。对不同破坏模式、受力筋外形的三种CFRP筋/海水海砂混凝土粘结-滑移曲线，采用多种理论表达式进行对比，最终得到不同条件下CFRP/海水海砂混凝土的粘结-滑移本构关系表达式。
2022, 39(3): 1205-1214.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210520.005
摘要:
为研究纳米SiO2溶液和水泥净浆改性再生粗骨料后，掺入聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol, PVA)纤维再生混凝土的基本力学性能和动态力学性能，分别对不同浓度的纳米SiO2溶液和不同水灰比的水泥净浆进行再生骨料浸泡预试验，选定浓度为2wt%的纳米SiO2溶液和水灰比为0.5的水泥净浆，对改性后再生混凝土的力学性能进行对比试验。选取再生粗骨料取代率、PVA纤维掺量和应变率为变量，静力学性能采用万能压力机进行，动态力学性能采用霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar, SHPB)进行。测试试件28天立方体抗压强度、轴心抗压强度和抗折强度，得到了不同应变率条件下试件的应力-应变曲线，分析了试件静力性能、动态抗压强度、动态增长因子(Dynamic increase factor, DIF)、动态峰值应变和比吸能随变量的变化规律。结果表明：随取代率增加，试件基本力学性能降低，增加PVA纤维掺量，试件抗压强度降低而抗折强度提高；随取代率和PVA纤维掺量增加，试件动态峰值应力呈下降趋势，而动态峰值应变呈增长趋势；取代率的增加提升了试件的DIF值，而PVA纤维对DIF值影响并不明显；应变率的提高增强了试件的动态强度和应变，而水泥净浆改性再生混凝土比纳米SiO2改性再生混凝土具备更高的比吸能。
为研究纳米SiO2溶液和水泥净浆改性再生粗骨料后，掺入聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol, PVA)纤维再生混凝土的基本力学性能和动态力学性能，分别对不同浓度的纳米SiO2溶液和不同水灰比的水泥净浆进行再生骨料浸泡预试验，选定浓度为2wt%的纳米SiO2溶液和水灰比为0.5的水泥净浆，对改性后再生混凝土的力学性能进行对比试验。选取再生粗骨料取代率、PVA纤维掺量和应变率为变量，静力学性能采用万能压力机进行，动态力学性能采用霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar, SHPB)进行。测试试件28天立方体抗压强度、轴心抗压强度和抗折强度，得到了不同应变率条件下试件的应力-应变曲线，分析了试件静力性能、动态抗压强度、动态增长因子(Dynamic increase factor, DIF)、动态峰值应变和比吸能随变量的变化规律。结果表明：随取代率增加，试件基本力学性能降低，增加PVA纤维掺量，试件抗压强度降低而抗折强度提高；随取代率和PVA纤维掺量增加，试件动态峰值应力呈下降趋势，而动态峰值应变呈增长趋势；取代率的增加提升了试件的DIF值，而PVA纤维对DIF值影响并不明显；应变率的提高增强了试件的动态强度和应变，而水泥净浆改性再生混凝土比纳米SiO2改性再生混凝土具备更高的比吸能。
2022, 39(3): 1215-1227.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210426.005
摘要:
为推广使用海洋资源，采用海砂代替硅砂制备工程水泥基复合材料(Engineering cementitious composites, ECC)。将海砂ECC与玄武岩纤维增强树脂复合材料(Basalt fiber reinforced polymer, BFRP) 筋结合，充分发挥两种材料的优点，以获得更强的耐腐蚀性能及更为优异的拉伸性能。通过单轴拉伸及四点弯曲试验，研究了不同侵蚀制度及配筋率对BFRP筋增强海砂ECC的拉伸性能及弯曲性能的影响，并与未配筋的海砂ECC作比较。结果表明，BFRP筋增强海砂ECC的极限拉应力与海砂ECC相比提升了2.46~4.92倍，极限拉应变提升了1.40~2.94倍，干湿循环作用下BFRP筋增强海砂ECC的极限荷载是海砂ECC极限荷载的3.14~4.29倍。不同侵蚀制度下，BFRP筋增强海砂ECC的最佳配筋率均为0.67%。研究的BFRP筋增强海砂ECC可为桥面无缝连接板等设计提供参考。
为推广使用海洋资源，采用海砂代替硅砂制备工程水泥基复合材料(Engineering cementitious composites, ECC)。将海砂ECC与玄武岩纤维增强树脂复合材料(Basalt fiber reinforced polymer, BFRP) 筋结合，充分发挥两种材料的优点，以获得更强的耐腐蚀性能及更为优异的拉伸性能。通过单轴拉伸及四点弯曲试验，研究了不同侵蚀制度及配筋率对BFRP筋增强海砂ECC的拉伸性能及弯曲性能的影响，并与未配筋的海砂ECC作比较。结果表明，BFRP筋增强海砂ECC的极限拉应力与海砂ECC相比提升了2.46~4.92倍，极限拉应变提升了1.40~2.94倍，干湿循环作用下BFRP筋增强海砂ECC的极限荷载是海砂ECC极限荷载的3.14~4.29倍。不同侵蚀制度下，BFRP筋增强海砂ECC的最佳配筋率均为0.67%。研究的BFRP筋增强海砂ECC可为桥面无缝连接板等设计提供参考。
2022, 39(3): 1228-1238.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210520.002
摘要:
采用快速碳化的方法研究了玄武岩纤维（BF）掺量和再生粗骨料（RCA）取代率对再生混凝土（RAC）抗碳化性能的影响，实测了3天、7天、14天、28天的碳化深度，对随碳化天数的增加，碳化深度与BF掺量、RCA取代率之间的关系进行了分析。结果表明，RAC的碳化与天然混凝土（NAC）类似，其碳化深度均随碳化天数的增加而增加，随着RCA取代率的增加，RAC的碳化深度先降后增，当RCA的质量取代率为50%时，RAC的抗碳化性能最佳，掺入BF可以有效地提高RAC的抗碳化性能，随着BF掺量的增加，RAC的抗碳化性能先增后减，最佳掺量为2 kg/m3。另外，采用扫描电子显微镜对BF/RAC的微观结构进行观测，结合扩散理论，揭示了碳化损伤机制。利用试验数据进行拟合，建立了BF/RAC的碳化深度模型。研究成果对今后开展BF/RAC抗碳化性能的研究及工程应用具有一定的参考价值。
采用快速碳化的方法研究了玄武岩纤维（BF）掺量和再生粗骨料（RCA）取代率对再生混凝土（RAC）抗碳化性能的影响，实测了3天、7天、14天、28天的碳化深度，对随碳化天数的增加，碳化深度与BF掺量、RCA取代率之间的关系进行了分析。结果表明，RAC的碳化与天然混凝土（NAC）类似，其碳化深度均随碳化天数的增加而增加，随着RCA取代率的增加，RAC的碳化深度先降后增，当RCA的质量取代率为50%时，RAC的抗碳化性能最佳，掺入BF可以有效地提高RAC的抗碳化性能，随着BF掺量的增加，RAC的抗碳化性能先增后减，最佳掺量为2 kg/m3。另外，采用扫描电子显微镜对BF/RAC的微观结构进行观测，结合扩散理论，揭示了碳化损伤机制。利用试验数据进行拟合，建立了BF/RAC的碳化深度模型。研究成果对今后开展BF/RAC抗碳化性能的研究及工程应用具有一定的参考价值。
2022, 39(3): 1239-1248.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210609.006
摘要:
由于臭氧层的破坏及塑料污染，研发具有紫外光屏蔽性能的纤维素基薄膜材料引起广泛重视。为实现紫外光屏蔽剂-木质素与纤维素均匀分散，提出了一种利用高压均质法来实现木质素颗粒及羧甲基化纤维均匀混合的方法，随后结合真空抽滤、热压干燥等工艺制得复合薄膜材料。实验中，对木质素-纳米纤维素(Lignin-CNF，L-CNF)复合膜的微观形貌及成形过程进行了深入分析，同时也研究了不同木质素添加量对复合膜透光率、紫外光屏蔽性能及表面色度值(L*a*b*值)的影响规律。结果表明，随木质素添加量的增大，复合膜在600 nm处的透光率有所降低，而在紫外光两个主要波段(UVA：320~400 nm，UVB：280~320 nm)的屏蔽效率显著增加。当木质素添加量达到12wt%时，L-CNF复合膜仍具有40%的透光率，而且在UVA及UVB波段的紫外光屏蔽效率分别达到98%和100%，紫外光屏蔽性能优异。通过合理调控木质素的添加量，L-CNF复合膜有望实现在光敏材料覆膜、食品包装材料等领域的应用价值。
由于臭氧层的破坏及塑料污染，研发具有紫外光屏蔽性能的纤维素基薄膜材料引起广泛重视。为实现紫外光屏蔽剂-木质素与纤维素均匀分散，提出了一种利用高压均质法来实现木质素颗粒及羧甲基化纤维均匀混合的方法，随后结合真空抽滤、热压干燥等工艺制得复合薄膜材料。实验中，对木质素-纳米纤维素(Lignin-CNF，L-CNF)复合膜的微观形貌及成形过程进行了深入分析，同时也研究了不同木质素添加量对复合膜透光率、紫外光屏蔽性能及表面色度值(L*a*b*值)的影响规律。结果表明，随木质素添加量的增大，复合膜在600 nm处的透光率有所降低，而在紫外光两个主要波段(UVA：320~400 nm，UVB：280~320 nm)的屏蔽效率显著增加。当木质素添加量达到12wt%时，L-CNF复合膜仍具有40%的透光率，而且在UVA及UVB波段的紫外光屏蔽效率分别达到98%和100%，紫外光屏蔽性能优异。通过合理调控木质素的添加量，L-CNF复合膜有望实现在光敏材料覆膜、食品包装材料等领域的应用价值。
2022, 39(3): 1249-1258.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210518.006
摘要:
纤维含量是影响真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)技术制备高性能纤维复合材料的关键因素之一，通过考察竹纤维(BF)含量对VARTM成型过程中环氧树脂(EP)浸渍BF效果及BF/EP复合材料性能的影响，为竹纤维复合材料实际应用提供理论支撑。利用湿法层铺工艺将竹纤维束制作成竹纤维毡，再利用VARTM成型工艺制备出BF含量为0wt%、15wt%、25wt%、35wt%和45wt%的BF/EP复合材料。采用ESEM、超景深显微镜、力学试验机、TG、DMA对BF/EP复合材料的树脂浸渍纤维效果、吸水性、力学性能和耐热性能进行表征。研究结果表明：EP注射难度随BF含量增加而增大，BF/EP复合材料的吸水率随BF含量的增加逐步增加，35wt%时显著增加。随着BF含量的增加BF之间机械互锁性更强，能有效分散复合材料破坏应力，45wt%的BF/EP复合材料与15wt%相比弯曲强度、弯曲模量、剪切强度和冲击韧性分别提升了84%、64%、103%和101%。BF含量的增加使BF/EP复合材料在380℃之前热解速率加快，在此之后热解速率减缓，当BF含量多于35wt%时，BF/EP复合材料中的BF热分解剩余的无定形碳作为保护层能减少挥发性降解产物渗透到BF/EP复合材料中延缓热解反应。BF含量为45wt%时，致密的竹纤维毡能够限制树脂分子链段运动从而提高BF/EP复合材料的耐热性。当有高性能、低成本、使用场景为室内需求时可采用BF含量为45wt%制备BF/EP复合材料。
纤维含量是影响真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)技术制备高性能纤维复合材料的关键因素之一，通过考察竹纤维(BF)含量对VARTM成型过程中环氧树脂(EP)浸渍BF效果及BF/EP复合材料性能的影响，为竹纤维复合材料实际应用提供理论支撑。利用湿法层铺工艺将竹纤维束制作成竹纤维毡，再利用VARTM成型工艺制备出BF含量为0wt%、15wt%、25wt%、35wt%和45wt%的BF/EP复合材料。采用ESEM、超景深显微镜、力学试验机、TG、DMA对BF/EP复合材料的树脂浸渍纤维效果、吸水性、力学性能和耐热性能进行表征。研究结果表明：EP注射难度随BF含量增加而增大，BF/EP复合材料的吸水率随BF含量的增加逐步增加，35wt%时显著增加。随着BF含量的增加BF之间机械互锁性更强，能有效分散复合材料破坏应力，45wt%的BF/EP复合材料与15wt%相比弯曲强度、弯曲模量、剪切强度和冲击韧性分别提升了84%、64%、103%和101%。BF含量的增加使BF/EP复合材料在380℃之前热解速率加快，在此之后热解速率减缓，当BF含量多于35wt%时，BF/EP复合材料中的BF热分解剩余的无定形碳作为保护层能减少挥发性降解产物渗透到BF/EP复合材料中延缓热解反应。BF含量为45wt%时，致密的竹纤维毡能够限制树脂分子链段运动从而提高BF/EP复合材料的耐热性。当有高性能、低成本、使用场景为室内需求时可采用BF含量为45wt%制备BF/EP复合材料。
2022, 39(3): 1259-1267.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210521.001
摘要:
为高效去除污水中的有机染料，以废旧棉织物为纤维素原材料，碱/尿素为溶解体系，N, N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)作为交联剂，通过冷冻干燥技术制备了废棉纤维素气凝胶(WCCA)，在其表面原位生成钴基沸石咪唑酯有机框架(ZIF-67)，制备了ZIF-67/WCCA，用于吸附孔雀石绿(MG)和催化过硫酸氢钾(PMS)降解亚甲基蓝(MB)。借助SEM和XRD对ZIF-67/WCCA的结构和成分进行表征，并探讨了影响其染料吸附和催化降解性能的条件。结果表明，具有菱形十二面体结构的ZIF-67负载于WCCA网络框架上；在室温下，对MG吸附量达到1474.01 mg·g−1；在100 s左右催化PMS对MB的降解率可达100%。ZIF-67/WCCA可应用于污水中染料吸附和催化降解。
为高效去除污水中的有机染料，以废旧棉织物为纤维素原材料，碱/尿素为溶解体系，N, N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)作为交联剂，通过冷冻干燥技术制备了废棉纤维素气凝胶(WCCA)，在其表面原位生成钴基沸石咪唑酯有机框架(ZIF-67)，制备了ZIF-67/WCCA，用于吸附孔雀石绿(MG)和催化过硫酸氢钾(PMS)降解亚甲基蓝(MB)。借助SEM和XRD对ZIF-67/WCCA的结构和成分进行表征，并探讨了影响其染料吸附和催化降解性能的条件。结果表明，具有菱形十二面体结构的ZIF-67负载于WCCA网络框架上；在室温下，对MG吸附量达到1474.01 mg·g−1；在100 s左右催化PMS对MB的降解率可达100%。ZIF-67/WCCA可应用于污水中染料吸附和催化降解。
2022, 39(3): 1268-1279.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210520.001
摘要:
研究以竹浆纤维为原料，在氢氧化钠和尿素溶解体系中加入氧化石墨烯，经过凝胶、热解制备还原氧化石墨烯(rGO)/竹纤维素基炭气凝胶。以此作为导电基质，采用水热法负载δ-MnO2纳米片，研究了MnO2负载量对复合材料的电化学性能影响，探讨了复合材料的储能机制。结果显示，随着MnO2负载量的增加，复合材料的电化学性能呈先提高后降低的趋势。当初始参与反应的KMnO4含量为0.005 mol时，复合材料比电容可达330 F/g。将其作为正极材料组装的非对称超级电容器在0.5 A/g的电流密度下，比电容高达68.8 F/g；在功率密度为163 W/kg时，能量密度高达16.2 W•h/kg；在2 A/g电流密度下循环8000次后仍能保持94%的初始容量。
研究以竹浆纤维为原料，在氢氧化钠和尿素溶解体系中加入氧化石墨烯，经过凝胶、热解制备还原氧化石墨烯(rGO)/竹纤维素基炭气凝胶。以此作为导电基质，采用水热法负载δ-MnO2纳米片，研究了MnO2负载量对复合材料的电化学性能影响，探讨了复合材料的储能机制。结果显示，随着MnO2负载量的增加，复合材料的电化学性能呈先提高后降低的趋势。当初始参与反应的KMnO4含量为0.005 mol时，复合材料比电容可达330 F/g。将其作为正极材料组装的非对称超级电容器在0.5 A/g的电流密度下，比电容高达68.8 F/g；在功率密度为163 W/kg时，能量密度高达16.2 W•h/kg；在2 A/g电流密度下循环8000次后仍能保持94%的初始容量。
2022, 39(3): 1280-1290.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210607.004
摘要:
为提高纤维素对金属离子污染物的吸附能力，本实验通过选择性氧化体系制备C6位羧基微晶纤维素(CMCC)，利用现代测试表征技术分析了CMCC的氧化过程和氧化机制，并研究了CMCC对Cu2+吸附性能。结果表明，NMR和FTIR测试说明HNO3/H3PO4-NaNO2氧化体系可将微晶纤维素(MCC)大分子中吡喃葡萄糖环上C6位伯羟基选择性氧化成羧基。氧化反应对MCC表面产生一定程度的刻蚀，制备的CMCC吸湿性高、结晶度低，同时氧化会造成MCC热稳定性降低。Cu2+吸附实验显示CMCC吸附行为遵循准二级动力学模型和Langmuir等温线，对Cu2+的饱和吸附容量高达165.5 mg/g。吸附热力学分析发现，CMCC对Cu2+的吸附方式主要是通过羧基和金属离子化学反应的结合。实验表明该含有活性羧基的功能性纤维素可作为一种高效的吸附剂，广泛应用在金属离子污染物处理领域。
为提高纤维素对金属离子污染物的吸附能力，本实验通过选择性氧化体系制备C6位羧基微晶纤维素(CMCC)，利用现代测试表征技术分析了CMCC的氧化过程和氧化机制，并研究了CMCC对Cu2+吸附性能。结果表明，NMR和FTIR测试说明HNO3/H3PO4-NaNO2氧化体系可将微晶纤维素(MCC)大分子中吡喃葡萄糖环上C6位伯羟基选择性氧化成羧基。氧化反应对MCC表面产生一定程度的刻蚀，制备的CMCC吸湿性高、结晶度低，同时氧化会造成MCC热稳定性降低。Cu2+吸附实验显示CMCC吸附行为遵循准二级动力学模型和Langmuir等温线，对Cu2+的饱和吸附容量高达165.5 mg/g。吸附热力学分析发现，CMCC对Cu2+的吸附方式主要是通过羧基和金属离子化学反应的结合。实验表明该含有活性羧基的功能性纤维素可作为一种高效的吸附剂，广泛应用在金属离子污染物处理领域。
2022, 39(3): 1291-1299.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210819.001
摘要:
为了研究还原氧化石墨烯(RGO)对壳聚糖(CS)薄膜性能的影响，以氧化石墨和CS为原料，通过超声分散和真空诱导自组装法制备了还原氧化石墨烯-壳聚糖薄膜(RGO-CS)，研究了薄膜的各项性能，最后分别将CS和RGO用作表面施胶剂，研究二者对瓦楞纸耐水性能的影响。结果表明：成功制备了RGO-CS薄膜；通过SEM观察到RGO-CS薄膜表面平整；未经过还原的GO-CS复合薄膜的电阻率最高，达到了17310 mΩ·cm，而RGO-CS的电阻率仅为52.7 mΩ·cm左右。将RGO-CS和RGO作为助剂对瓦楞纸进行涂布，与空白样对比后发现耐水性显著提高，施胶度分别达到78 s和74 s，接触角最高分别达到112°和110°。
为了研究还原氧化石墨烯(RGO)对壳聚糖(CS)薄膜性能的影响，以氧化石墨和CS为原料，通过超声分散和真空诱导自组装法制备了还原氧化石墨烯-壳聚糖薄膜(RGO-CS)，研究了薄膜的各项性能，最后分别将CS和RGO用作表面施胶剂，研究二者对瓦楞纸耐水性能的影响。结果表明：成功制备了RGO-CS薄膜；通过SEM观察到RGO-CS薄膜表面平整；未经过还原的GO-CS复合薄膜的电阻率最高，达到了17310 mΩ·cm，而RGO-CS的电阻率仅为52.7 mΩ·cm左右。将RGO-CS和RGO作为助剂对瓦楞纸进行涂布，与空白样对比后发现耐水性显著提高，施胶度分别达到78 s和74 s，接触角最高分别达到112°和110°。
2022, 39(3): 1300-1307.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210520.003
摘要:
鉴于江河湖库有害藻华现象频发，目前较多使用的是高效絮凝剂与天然粘土矿物联合除藻，但存在着用量大、淤泥多、使底泥增厚、沉下去的藻类仍会伺机爆发等缺点，无法达到令人满意的除藻效果。本文使用轻质漂浮矿物浮石作为载体，制备一种不产生底泥的壳聚糖/浮石浮上式复合除藻材料，以铜绿微囊藻为受试对象，研究了物料配比、投加量、藻悬液pH、反应时间等因素对其絮凝除藻性能的影响，对复合除藻材料的表面形貌及成分进行了SEM和XRF表征，并通过Zeta电位方法探讨了该材料的除藻机制。结果表明：其最佳制备和使用条件为：壳聚糖/浮石配比为10∶1，当藻悬液pH为7，100 mL藻悬液中投加复合除藻材料6 g，反应时间180 min时，复合材料对浊度(NTU)去除率最高为94%，对叶绿素Chlorophyll a(Chl-a)的去除率可达98%；其性能优良的原因在于，该材料的表面凹凸不平，表面积大，且其Zeta电位为正值，极易与带负电的藻发生吸附絮凝和电荷中和，使藻细胞不断聚集形成大絮体，表现出良好的除藻效果。
鉴于江河湖库有害藻华现象频发，目前较多使用的是高效絮凝剂与天然粘土矿物联合除藻，但存在着用量大、淤泥多、使底泥增厚、沉下去的藻类仍会伺机爆发等缺点，无法达到令人满意的除藻效果。本文使用轻质漂浮矿物浮石作为载体，制备一种不产生底泥的壳聚糖/浮石浮上式复合除藻材料，以铜绿微囊藻为受试对象，研究了物料配比、投加量、藻悬液pH、反应时间等因素对其絮凝除藻性能的影响，对复合除藻材料的表面形貌及成分进行了SEM和XRF表征，并通过Zeta电位方法探讨了该材料的除藻机制。结果表明：其最佳制备和使用条件为：壳聚糖/浮石配比为10∶1，当藻悬液pH为7，100 mL藻悬液中投加复合除藻材料6 g，反应时间180 min时，复合材料对浊度(NTU)去除率最高为94%，对叶绿素Chlorophyll a(Chl-a)的去除率可达98%；其性能优良的原因在于，该材料的表面凹凸不平，表面积大，且其Zeta电位为正值，极易与带负电的藻发生吸附絮凝和电荷中和，使藻细胞不断聚集形成大絮体，表现出良好的除藻效果。
2022, 39(3): 1308-1321.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210423.002
摘要:
针对弹性阻尼螺旋金属丝网夹芯结构界面连接性能不明确的问题，分别采用真空钎焊和胶结两种典型连接工艺，进行了面内压缩和拉伸剪切力学性能试验，结合SEM和EDS等材料微观表征方法，展开夹芯结构界面结合的物理机制和力学特性的研究。研究结果表明：钎焊连接界面相对胶结更均匀连续，钎料中Ni、Si元素与芯材、面板中的Fe、Cr元素扩散现象明显，形成良好的冶金结合。在压缩载荷作用下，钎焊夹芯板和胶结夹芯板的损耗因子最高分别达到了0.194和0.128，两种方式制备的夹芯板都具有较大的能量耗散能力。钎焊和胶结夹芯板的拉伸剪切载荷峰值分别达到了2 589 N和1 302 N，前者峰值载荷随芯材密度的增加而增加，而后者却与之相反；两种工艺在拉伸剪切过程中的失效破坏形式明显不同，胶结表现为面板与芯材的脱粘失效，钎焊主要发生芯材金属丝网的裂纹扩展和断裂失效，未发生面/芯分离。本研究对金属多孔夹芯结构的连接和力学性能分析具有一定的理论和应用指导意义。
针对弹性阻尼螺旋金属丝网夹芯结构界面连接性能不明确的问题，分别采用真空钎焊和胶结两种典型连接工艺，进行了面内压缩和拉伸剪切力学性能试验，结合SEM和EDS等材料微观表征方法，展开夹芯结构界面结合的物理机制和力学特性的研究。研究结果表明：钎焊连接界面相对胶结更均匀连续，钎料中Ni、Si元素与芯材、面板中的Fe、Cr元素扩散现象明显，形成良好的冶金结合。在压缩载荷作用下，钎焊夹芯板和胶结夹芯板的损耗因子最高分别达到了0.194和0.128，两种方式制备的夹芯板都具有较大的能量耗散能力。钎焊和胶结夹芯板的拉伸剪切载荷峰值分别达到了2 589 N和1 302 N，前者峰值载荷随芯材密度的增加而增加，而后者却与之相反；两种工艺在拉伸剪切过程中的失效破坏形式明显不同，胶结表现为面板与芯材的脱粘失效，钎焊主要发生芯材金属丝网的裂纹扩展和断裂失效，未发生面/芯分离。本研究对金属多孔夹芯结构的连接和力学性能分析具有一定的理论和应用指导意义。
2022, 39(3): 1322-1331.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210415.001
摘要:
采用反应合成法结合塑性变形工艺制备了不同SnO2含量的AgCuOIn2O3SnO2电触头材料，在JF04C触点材料测试机上对不同SnO2含量的电触头材料进行电接触实验，研究了该材料的接触电阻、抗熔焊性和材料转移特性，并通过扫描电镜对试样阴/阳表面电侵蚀下的微观形貌进行了分析。结果表明AgCuOIn2O3SnO2触头材料接触电阻小，当测试电压不超过12 V时，接触电阻随测试次数的增加呈现缓慢下降最后趋于稳定的趋势，当电压增大到18 V时，各试样的接触电阻均增大，且增幅程度不一。对于SnO2含量不变的试样，熔焊力随着测试次数的增加呈现先增大后减小的趋势，材料的燃弧能量随电压的增大而增大，随着测试次数的增加呈锯齿形波动。电接触过程材料主要为阴极转移，材料的损耗量随SnO2量的增多先增大后减小，阴/阳极触头表面呈凸凹状，且表面存在熔融金属液凝固状花样, 材料转移主要以熔桥方式进行，当SnO2含量在0.5wt%~1.0wt%时，电接触性能最为优异。
采用反应合成法结合塑性变形工艺制备了不同SnO2含量的AgCuOIn2O3SnO2电触头材料，在JF04C触点材料测试机上对不同SnO2含量的电触头材料进行电接触实验，研究了该材料的接触电阻、抗熔焊性和材料转移特性，并通过扫描电镜对试样阴/阳表面电侵蚀下的微观形貌进行了分析。结果表明AgCuOIn2O3SnO2触头材料接触电阻小，当测试电压不超过12 V时，接触电阻随测试次数的增加呈现缓慢下降最后趋于稳定的趋势，当电压增大到18 V时，各试样的接触电阻均增大，且增幅程度不一。对于SnO2含量不变的试样，熔焊力随着测试次数的增加呈现先增大后减小的趋势，材料的燃弧能量随电压的增大而增大，随着测试次数的增加呈锯齿形波动。电接触过程材料主要为阴极转移，材料的损耗量随SnO2量的增多先增大后减小，阴/阳极触头表面呈凸凹状，且表面存在熔融金属液凝固状花样, 材料转移主要以熔桥方式进行，当SnO2含量在0.5wt%~1.0wt%时，电接触性能最为优异。
2022, 39(3): 1332-1342.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210518.007
摘要:
在纤维增强树脂复合材料结构中，褶皱缺陷的物理形态及其空间分布通常具有分散性，如果仅追踪某个单一褶皱缺陷的行为演化，则不能有效控制复合材料批量构件性能的一致性。本论文提出了一种褶皱缺陷分散性模型，该模型包括褶皱形态的正态分布和空间位置的随机分布，以及将该模型植入自主开发的有限元程序的算法实现。由于计算程序中考虑了褶皱缺陷的概率分布，每进行一次力学响应计算就相当于进行一次复合材料结构虚拟测试，计算程序运行多次即可获得结构响应的上、下限，在设计阶段就可以预测褶皱缺陷分散性对结构宏观力学响应的影响，并在缺陷的统计指标和构件的力学性能之间建立量化关系。所建立的虚拟测试方法是复合材料创新设计方法的关键，能有效减少工程实践中复合材料结构对大批量试验的依赖。
在纤维增强树脂复合材料结构中，褶皱缺陷的物理形态及其空间分布通常具有分散性，如果仅追踪某个单一褶皱缺陷的行为演化，则不能有效控制复合材料批量构件性能的一致性。本论文提出了一种褶皱缺陷分散性模型，该模型包括褶皱形态的正态分布和空间位置的随机分布，以及将该模型植入自主开发的有限元程序的算法实现。由于计算程序中考虑了褶皱缺陷的概率分布，每进行一次力学响应计算就相当于进行一次复合材料结构虚拟测试，计算程序运行多次即可获得结构响应的上、下限，在设计阶段就可以预测褶皱缺陷分散性对结构宏观力学响应的影响，并在缺陷的统计指标和构件的力学性能之间建立量化关系。所建立的虚拟测试方法是复合材料创新设计方法的关键，能有效减少工程实践中复合材料结构对大批量试验的依赖。
2022, 39(3): 1343-1352.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210518.004
摘要:
提出了一种复合材料压力容器含凹陷金属内胆屈曲的三维有限元分析方法。基于平面应变假设，建立了含凹陷半圆环收缩屈曲分析模型，通过修改有限元模型中内胆的节点坐标，将内胆初始凹陷引入模型中，采用非线性迭代法逐步增大面内载荷，实现了含凹陷半圆环的收缩屈曲分析。在此基础上，建立复合材料压力容器含凹陷内胆的三维有限元分析模型，同时考虑自紧工艺后内胆残余应力的环向分量与轴向分量，实现了复合材料压力容器自紧工艺后含凹陷内胆的屈曲分析。以130 L球形封头薄壁铝合金内胆全缠绕复合材料压力容器为例，分析了含凹陷内胆的临界屈曲载荷以及屈曲发生时内胆的应力及变形。结果显示，含初始缺陷的内胆在自紧工艺之后屈曲模式为局部屈曲；初始凹陷深度越大，临界屈曲载荷越低；与直筒段中部的距离为凹陷轴向宽度1/2的区域和直筒段靠近封头的金属内胆区域存在凹陷易发生屈曲，是金属内胆的薄弱环节。
提出了一种复合材料压力容器含凹陷金属内胆屈曲的三维有限元分析方法。基于平面应变假设，建立了含凹陷半圆环收缩屈曲分析模型，通过修改有限元模型中内胆的节点坐标，将内胆初始凹陷引入模型中，采用非线性迭代法逐步增大面内载荷，实现了含凹陷半圆环的收缩屈曲分析。在此基础上，建立复合材料压力容器含凹陷内胆的三维有限元分析模型，同时考虑自紧工艺后内胆残余应力的环向分量与轴向分量，实现了复合材料压力容器自紧工艺后含凹陷内胆的屈曲分析。以130 L球形封头薄壁铝合金内胆全缠绕复合材料压力容器为例，分析了含凹陷内胆的临界屈曲载荷以及屈曲发生时内胆的应力及变形。结果显示，含初始缺陷的内胆在自紧工艺之后屈曲模式为局部屈曲；初始凹陷深度越大，临界屈曲载荷越低；与直筒段中部的距离为凹陷轴向宽度1/2的区域和直筒段靠近封头的金属内胆区域存在凹陷易发生屈曲，是金属内胆的薄弱环节。
2022, 39(3): 1353-1362.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210512.002
摘要:
选取两种先进轻质复合材料：碳纤维增强酚醛树脂复合材料(CF/S-157)与碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/TDE-85)，开展模拟海洋环境实验室盐雾老化、湿热老化和盐水浸泡环境长达9600 h加速试验。基于各种力学性能(拉伸强度、弯曲强度、压缩强度及层间剪切强度)开展材料老化行为规律研究，利用傅立叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)分析方法对树脂基体在各种加速环境中的分子链段与官能团变化情况进行分析，得到树脂基体的失效模式；利用外观、超声扫描成像、SEM分析树脂/纤维界面的变化情况，明确了树脂/纤维界面的破坏方式；利用差示扫描量热分析(DSC)与热重分析(TG)分析各种加速老化方式对碳纤维增强树脂复合材料的玻璃化转变温度Tg与热失重的影响。结果表明，三种老化方式对树脂基体的老化影响顺序依次为70℃/95%RH (Relative humidity)湿热、35℃盐雾、常温盐水浸泡。得到了先进轻质树脂基复合材料的模拟海洋环境老化行为和失效机制、失效模式，为实现高性能树脂基复合材料的环境适应性评价和使用寿命预测奠定基础。
选取两种先进轻质复合材料：碳纤维增强酚醛树脂复合材料(CF/S-157)与碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/TDE-85)，开展模拟海洋环境实验室盐雾老化、湿热老化和盐水浸泡环境长达9600 h加速试验。基于各种力学性能(拉伸强度、弯曲强度、压缩强度及层间剪切强度)开展材料老化行为规律研究，利用傅立叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)分析方法对树脂基体在各种加速环境中的分子链段与官能团变化情况进行分析，得到树脂基体的失效模式；利用外观、超声扫描成像、SEM分析树脂/纤维界面的变化情况，明确了树脂/纤维界面的破坏方式；利用差示扫描量热分析(DSC)与热重分析(TG)分析各种加速老化方式对碳纤维增强树脂复合材料的玻璃化转变温度Tg与热失重的影响。结果表明，三种老化方式对树脂基体的老化影响顺序依次为70℃/95%RH (Relative humidity)湿热、35℃盐雾、常温盐水浸泡。得到了先进轻质树脂基复合材料的模拟海洋环境老化行为和失效机制、失效模式，为实现高性能树脂基复合材料的环境适应性评价和使用寿命预测奠定基础。
