持续攀升 2022年 第39卷 第5期
2022, 39(5): 1-2.
摘要:
2022, 39(5): 1847-1858.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220302.001
摘要:
太阳能是清洁无污染的可再生能源，对其进行高效开发利用是推进国家“双碳”工作的重要举措。利用光伏电池将太阳能转化为电能是利用太阳能的重要方式之一。本论文总结了光伏电池材料的研究进展、行业政策与商业模式及发展应用前景。首先，阐述了各类光伏电池的效率、成本、优缺点及应用场景受材料因素的影响，并结合最新的研究进展分析了各类光伏电池未来的发展方向。其次，结合光伏产业的商业模式及扶持政策，探讨光伏电池材料及产业发展受政策驱动机制的影响。最后，以光伏电池材料的研究进展及光伏产业的发展方向为基础，对该领域了进行总结与展望，分析在“双碳”愿景下光伏产业如何助力国家“双碳”工作。
太阳能是清洁无污染的可再生能源，对其进行高效开发利用是推进国家“双碳”工作的重要举措。利用光伏电池将太阳能转化为电能是利用太阳能的重要方式之一。本论文总结了光伏电池材料的研究进展、行业政策与商业模式及发展应用前景。首先，阐述了各类光伏电池的效率、成本、优缺点及应用场景受材料因素的影响，并结合最新的研究进展分析了各类光伏电池未来的发展方向。其次，结合光伏产业的商业模式及扶持政策，探讨光伏电池材料及产业发展受政策驱动机制的影响。最后，以光伏电池材料的研究进展及光伏产业的发展方向为基础，对该领域了进行总结与展望，分析在“双碳”愿景下光伏产业如何助力国家“双碳”工作。
2022, 39(5): 1859-1869.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220120.003
摘要:
铯基无机钙钛矿(CsPbX3)因其耐热性好、低成本和带隙可调等优点，近年来备受关注，并广泛用于制备新型薄膜太阳能电池。目前，虽然具有倒置结构的无机钙钛矿太阳能电池(PSC)更稳定且有望应用于构筑叠层电池的顶电池，其性能仍落后于正置结构的电池。因此，倒置电池的结构，特别是其界面层亟待进一步优化。近年来，研究者们设计和开发了一系列有机、无机界面层(包括空穴传输层和电子传输层)，尝试优化基于无机钙钛矿的倒置电池。本综述针对这一现状，从材料和制备工艺的角度出发，综述了基于有机、无机材料体系的多种界面层的制备和应用进展，总结各类界面层材料的特点，讨论目前界面层的瓶颈问题和潜在的解决方案。
铯基无机钙钛矿(CsPbX3)因其耐热性好、低成本和带隙可调等优点，近年来备受关注，并广泛用于制备新型薄膜太阳能电池。目前，虽然具有倒置结构的无机钙钛矿太阳能电池(PSC)更稳定且有望应用于构筑叠层电池的顶电池，其性能仍落后于正置结构的电池。因此，倒置电池的结构，特别是其界面层亟待进一步优化。近年来，研究者们设计和开发了一系列有机、无机界面层(包括空穴传输层和电子传输层)，尝试优化基于无机钙钛矿的倒置电池。本综述针对这一现状，从材料和制备工艺的角度出发，综述了基于有机、无机材料体系的多种界面层的制备和应用进展，总结各类界面层材料的特点，讨论目前界面层的瓶颈问题和潜在的解决方案。
2022, 39(5): 1870-1889.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220422.002
摘要:
新型太阳能电池包括有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和量子点太阳能电池等，是一类十分有前景的光伏器件，目前有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的能量转换效率分别超过了19%和25.6%。富勒烯材料具有较高的电子迁移率和良好的电子特性，被广泛应用于有机太阳能电池活性层、界面层，钙钛矿太阳能电池活性层和中间层等。在有机太阳能电池中，富勒烯材料作为活性层受体，可以提高器件电子传输能力；作为界面修饰层，可以有效降低接触电阻，抑制载流子的复合。在钙钛矿太阳能电池中，富勒烯材料作为活性层添加剂能钝化钙钛矿缺陷，抑制迟滞效应；作为中间层能优化界面形貌，促进电荷的提取与输运。本文综述了富勒烯材料在各个组成部分中的研究进展，并展望了富勒烯材料在各个组成部分中的发展前景，在此基础上，提出了未来的研究方向。
新型太阳能电池包括有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和量子点太阳能电池等，是一类十分有前景的光伏器件，目前有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的能量转换效率分别超过了19%和25.6%。富勒烯材料具有较高的电子迁移率和良好的电子特性，被广泛应用于有机太阳能电池活性层、界面层，钙钛矿太阳能电池活性层和中间层等。在有机太阳能电池中，富勒烯材料作为活性层受体，可以提高器件电子传输能力；作为界面修饰层，可以有效降低接触电阻，抑制载流子的复合。在钙钛矿太阳能电池中，富勒烯材料作为活性层添加剂能钝化钙钛矿缺陷，抑制迟滞效应；作为中间层能优化界面形貌，促进电荷的提取与输运。本文综述了富勒烯材料在各个组成部分中的研究进展，并展望了富勒烯材料在各个组成部分中的发展前景，在此基础上，提出了未来的研究方向。
2022, 39(5): 1890-1906.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211118.001
摘要:
为了实现绿色可持续发展，降低CO2的排放量，大力发展和利用光伏等清洁能源技术已成为未来能源发展的新趋势。最近，以有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池为代表的新一代光伏电池具有成本低、轻薄、制造简单等特点，符合未来发展的需求而备受关注。有机-无机卤化物钙钛矿材料是带隙可调的直接带隙半导体，具有较低的激子结合能、较长的载流子寿命和扩散长度以及较高的缺陷容忍度等优点，目前该类电池器件最高效率已经超过25%。但材料自身的不稳定性以及对水、热、氧、紫外光等环境因素的敏感已经成为限制其进一步发展的首要问题。而二维卤化物钙钛矿以其超高的湿度稳定性引起了各国研究者的注意，然而二维卤化物钙矿电池的效率与传统三维卤化物钙钛矿电池相比，还存在较大的差距。因此，在保持其良好稳定性的前提下提升电池的效率，是二维钙钛矿电池研究面临的关键问题。本文主要围绕二维钙钛矿的结构和制备方法讨论，针对稳定性和效率问题展开了讨论，致力于为发展制备出高效、稳定的二维卤化物钙钛矿太阳能电池提供指导。
为了实现绿色可持续发展，降低CO2的排放量，大力发展和利用光伏等清洁能源技术已成为未来能源发展的新趋势。最近，以有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池为代表的新一代光伏电池具有成本低、轻薄、制造简单等特点，符合未来发展的需求而备受关注。有机-无机卤化物钙钛矿材料是带隙可调的直接带隙半导体，具有较低的激子结合能、较长的载流子寿命和扩散长度以及较高的缺陷容忍度等优点，目前该类电池器件最高效率已经超过25%。但材料自身的不稳定性以及对水、热、氧、紫外光等环境因素的敏感已经成为限制其进一步发展的首要问题。而二维卤化物钙钛矿以其超高的湿度稳定性引起了各国研究者的注意，然而二维卤化物钙矿电池的效率与传统三维卤化物钙钛矿电池相比，还存在较大的差距。因此，在保持其良好稳定性的前提下提升电池的效率，是二维钙钛矿电池研究面临的关键问题。本文主要围绕二维钙钛矿的结构和制备方法讨论，针对稳定性和效率问题展开了讨论，致力于为发展制备出高效、稳定的二维卤化物钙钛矿太阳能电池提供指导。
2022, 39(5): 1907-1923.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210609.002
摘要:
将可持续的纤维素材料与电子器件结合是当今学术界的研究热点。高雾度透明纤维素薄膜是一种具有特殊光学性能的纸张。它除了具有普通纸张的优点(可降解、成本低、柔性、质轻等)外，还呈现出高的透光率和优异的光散射性能，可作为绿色光学透明材料应用于太阳能电池，提升电池的光电转化效率。本文首先简要介绍了高雾度透明纤维素薄膜的发展历程；接着，详细总结了高雾度透明纤维素薄膜的制备方法及其性能(如光学、力学、热稳定性、耐水等)；然后论述了现阶段这类薄膜在太阳能电池中的应用进展；最后，总结了高雾度透明纤维素薄膜存在的科学技术问题，并对其今后的研究方向以及应用前景进行了展望。
将可持续的纤维素材料与电子器件结合是当今学术界的研究热点。高雾度透明纤维素薄膜是一种具有特殊光学性能的纸张。它除了具有普通纸张的优点(可降解、成本低、柔性、质轻等)外，还呈现出高的透光率和优异的光散射性能，可作为绿色光学透明材料应用于太阳能电池，提升电池的光电转化效率。本文首先简要介绍了高雾度透明纤维素薄膜的发展历程；接着，详细总结了高雾度透明纤维素薄膜的制备方法及其性能(如光学、力学、热稳定性、耐水等)；然后论述了现阶段这类薄膜在太阳能电池中的应用进展；最后，总结了高雾度透明纤维素薄膜存在的科学技术问题，并对其今后的研究方向以及应用前景进行了展望。
2022, 39(5): 1924-1936.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211215.001
摘要:
钙钛矿太阳能电池因为其高效率、易制备和低成本等优点，近年来发展迅速。在钙钛矿器件的多层薄膜结构制备和调控中，研究者们关注最多的是钙钛矿吸光层和电荷传输层。而顶电极部分的问题，由于蒸镀Au电极作为实验室阶段标准研究方法的成功使用，而容易被人们忽略。然而，蒸镀贵金属电极的生产设备和原材料成本问题，在钙钛矿太阳能电池未来的大面积器件制备、大范围应用中将是难以避免的。为此，研究者开发了导电膜转移法、导电浆料涂布法等非蒸镀工艺，尝试解决这些问题。本综述针对这一现状，从工艺方法的角度出发，介绍包括金属、聚合物、碳等多种材料体系的顶电极的转移法应用进展，总结具有普遍性的原理、规律，讨论目前技术的缺陷、瓶颈问题和潜在的解决方案。
钙钛矿太阳能电池因为其高效率、易制备和低成本等优点，近年来发展迅速。在钙钛矿器件的多层薄膜结构制备和调控中，研究者们关注最多的是钙钛矿吸光层和电荷传输层。而顶电极部分的问题，由于蒸镀Au电极作为实验室阶段标准研究方法的成功使用，而容易被人们忽略。然而，蒸镀贵金属电极的生产设备和原材料成本问题，在钙钛矿太阳能电池未来的大面积器件制备、大范围应用中将是难以避免的。为此，研究者开发了导电膜转移法、导电浆料涂布法等非蒸镀工艺，尝试解决这些问题。本综述针对这一现状，从工艺方法的角度出发，介绍包括金属、聚合物、碳等多种材料体系的顶电极的转移法应用进展，总结具有普遍性的原理、规律，讨论目前技术的缺陷、瓶颈问题和潜在的解决方案。
2022, 39(5): 1937-1955.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220303.001
摘要:
铅卤钙钛矿太阳能电池因其优良的光电转换效率以及相对低廉的制备成本而受到广泛关注。然而铅卤钙钛矿太阳能电池的长期稳定性限制了其商业化的进程。界面非辐射复合导致铅卤钙钛矿太阳能电池产生能量损失、影响器件稳定性，是造成器件性能恶化的主要原因。界面工程作为一种有效的策略被用于抑制界面非辐射复合，在制备高效稳定的铅卤钙钛矿太阳能电池方面取得了切实的成效。本文阐述了铅卤钙钛矿太阳能电池的工作原理以及界面上的非辐射复合过程，分析了界面非辐射复合产生的原因，总结了近期n-i-p正式结构铅卤钙钛矿太阳能电池中界面工程的研究进展，讨论了其作用机制。基于目前铅卤钙钛矿太阳能电池中的界面工程发展现状，对其未来的发展方向进行了展望。
铅卤钙钛矿太阳能电池因其优良的光电转换效率以及相对低廉的制备成本而受到广泛关注。然而铅卤钙钛矿太阳能电池的长期稳定性限制了其商业化的进程。界面非辐射复合导致铅卤钙钛矿太阳能电池产生能量损失、影响器件稳定性，是造成器件性能恶化的主要原因。界面工程作为一种有效的策略被用于抑制界面非辐射复合，在制备高效稳定的铅卤钙钛矿太阳能电池方面取得了切实的成效。本文阐述了铅卤钙钛矿太阳能电池的工作原理以及界面上的非辐射复合过程，分析了界面非辐射复合产生的原因，总结了近期n-i-p正式结构铅卤钙钛矿太阳能电池中界面工程的研究进展，讨论了其作用机制。基于目前铅卤钙钛矿太阳能电池中的界面工程发展现状，对其未来的发展方向进行了展望。
2022, 39(5): 1956-1966.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211209.001
摘要:
通过将生物质在惰性气体保护下高温热解/活化制备多孔碳材料，具有成本低，工艺简单等优点，并且是一种废物利用，减少环境污染的有效途径。将三种不同生物质通过高温热解/活化制备了多孔碳材料，将其与市售导电碳浆复合制成碳浆料后应用于钙钛矿太阳能电池(PSCs)背电极，研究了不同生物质多孔碳材料的形貌、结构和比表面积等对器件光电性能的影响。结果表明，基于不同生物质多孔碳材料的PSCs的光电性能取决于生物质多孔碳材料的形貌、结晶度、比表面积和形态以及钙钛矿/碳电极的界面接触。基于生物质多孔碳的复合碳电极结合研磨工艺制备的碳基PSCs，由于具有良好的界面性能获得最高10.18％的光电转换效率(PCE)(未复合生物质碳的PSCs的PCE为6.39%)，室温下保存60天后，仍保留了初始PCE的96％。
通过将生物质在惰性气体保护下高温热解/活化制备多孔碳材料，具有成本低，工艺简单等优点，并且是一种废物利用，减少环境污染的有效途径。将三种不同生物质通过高温热解/活化制备了多孔碳材料，将其与市售导电碳浆复合制成碳浆料后应用于钙钛矿太阳能电池(PSCs)背电极，研究了不同生物质多孔碳材料的形貌、结构和比表面积等对器件光电性能的影响。结果表明，基于不同生物质多孔碳材料的PSCs的光电性能取决于生物质多孔碳材料的形貌、结晶度、比表面积和形态以及钙钛矿/碳电极的界面接触。基于生物质多孔碳的复合碳电极结合研磨工艺制备的碳基PSCs，由于具有良好的界面性能获得最高10.18％的光电转换效率(PCE)(未复合生物质碳的PSCs的PCE为6.39%)，室温下保存60天后，仍保留了初始PCE的96％。
2022, 39(5): 1967-1975.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210426.001
摘要:
功能无机材料氧化镍(NiOx)作为钙钛矿太阳能电池中最有前途的空穴传输材料之一，其有着高空穴迁移率、良好的稳定性、易于加工以及适合的费米能级等优点。但是，由于NiOx自身固有电导率低，Ni空位的电离能相当大，未掺杂的NiOx中空穴密度受到很大限制，加上孔洞的积累增加了载流子复合的可能，从而降低了有效的电荷收集。因此，优化NiOx薄膜的成膜质量是解决上述问题的关键。本文通过溶液法使用乙二醇甲醚(MEA)、乙醇(EA)和去离子水作为溶液，分别制备了DME-NiOx、EA-NiOx和NCs-NiOx薄膜，并在浓度调节范围内对基于NiOx的钙钛矿器件进行优化，最终得到了光电转化效率(PCE)为18.50%，开路电压(Voc)为1.034 V，短路电流(Jsc)为22.94 mA/cm2，填充因子(FF)为78%的最佳器件。
功能无机材料氧化镍(NiOx)作为钙钛矿太阳能电池中最有前途的空穴传输材料之一，其有着高空穴迁移率、良好的稳定性、易于加工以及适合的费米能级等优点。但是，由于NiOx自身固有电导率低，Ni空位的电离能相当大，未掺杂的NiOx中空穴密度受到很大限制，加上孔洞的积累增加了载流子复合的可能，从而降低了有效的电荷收集。因此，优化NiOx薄膜的成膜质量是解决上述问题的关键。本文通过溶液法使用乙二醇甲醚(MEA)、乙醇(EA)和去离子水作为溶液，分别制备了DME-NiOx、EA-NiOx和NCs-NiOx薄膜，并在浓度调节范围内对基于NiOx的钙钛矿器件进行优化，最终得到了光电转化效率(PCE)为18.50%，开路电压(Voc)为1.034 V，短路电流(Jsc)为22.94 mA/cm2，填充因子(FF)为78%的最佳器件。
2022, 39(5): 1976-1985.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220428.001
摘要:
发展有机太阳能电池的印刷法制备技术是实现有机光伏产业化的关键。在有机光伏器件中，氧化锌是常用的电子传输层材料。氧化锌纳米粒子在印刷过程中的自聚集，以及大面积薄膜干燥的不均匀，严重影响了大面积印刷有机光伏器件的性能。通过调控氧化锌墨水溶剂和引入墨水分散添加剂，获得一种适用于大面积涂布的氧化锌纳米墨水。其中复合溶剂的使用调控了氧化锌墨水的流变特性，进而改善了涂布薄膜中的边缘效应；而乙醇胺添加剂的引入解决了墨水在存放和印刷过程中的聚集问题。该墨水具有18个月以上保存稳定性，以及优异的狭缝涂布适印性。基于上述墨水，采用狭缝涂布方法制备获得的100×100 mm2尺寸的大面积涂布薄膜具有优异的均匀性。将印刷的大面积氧化锌薄膜作为柔性有机太阳能电池的电子传输层，获得1 cm2柔性有机太阳能电池的效率超过了14%，同时表现优异的重复性。
发展有机太阳能电池的印刷法制备技术是实现有机光伏产业化的关键。在有机光伏器件中，氧化锌是常用的电子传输层材料。氧化锌纳米粒子在印刷过程中的自聚集，以及大面积薄膜干燥的不均匀，严重影响了大面积印刷有机光伏器件的性能。通过调控氧化锌墨水溶剂和引入墨水分散添加剂，获得一种适用于大面积涂布的氧化锌纳米墨水。其中复合溶剂的使用调控了氧化锌墨水的流变特性，进而改善了涂布薄膜中的边缘效应；而乙醇胺添加剂的引入解决了墨水在存放和印刷过程中的聚集问题。该墨水具有18个月以上保存稳定性，以及优异的狭缝涂布适印性。基于上述墨水，采用狭缝涂布方法制备获得的100×100 mm2尺寸的大面积涂布薄膜具有优异的均匀性。将印刷的大面积氧化锌薄膜作为柔性有机太阳能电池的电子传输层，获得1 cm2柔性有机太阳能电池的效率超过了14%，同时表现优异的重复性。
2022, 39(5): 1986-1994.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220222.001
摘要:
活性层形貌对有机太阳电池的器件效率有着重要的影响。调控活性层中的分子取向是优化其形貌的方式之一。本文旨在采用Layer-by-Layer (LbL)的方法调控有机太阳电池活性层中分子的取向，进而提升电池器件的效率。通过向电子受体中加入不同的添加剂实现活性层中受体分子(Y6)的取向调节，优化后器件的能量转换效率达到16.2%。利用椭圆偏振光谱和掠入射广角X射线散射(GIWAXS)技术对活性层薄膜进行了表征，结果表明，向受体中加入1, 8-二碘辛烷(DIO)作为添加剂后，活性层中的Y6分子倾向水平取向，向受体中加入氯萘(CN)作为添加剂后，Y6分子倾向于垂直取向。电学和光学表征结果表明，Y6的水平取向增加了器件内激子的分离效率，进而提升了器件的能量转换效率。
活性层形貌对有机太阳电池的器件效率有着重要的影响。调控活性层中的分子取向是优化其形貌的方式之一。本文旨在采用Layer-by-Layer (LbL)的方法调控有机太阳电池活性层中分子的取向，进而提升电池器件的效率。通过向电子受体中加入不同的添加剂实现活性层中受体分子(Y6)的取向调节，优化后器件的能量转换效率达到16.2%。利用椭圆偏振光谱和掠入射广角X射线散射(GIWAXS)技术对活性层薄膜进行了表征，结果表明，向受体中加入1, 8-二碘辛烷(DIO)作为添加剂后，活性层中的Y6分子倾向水平取向，向受体中加入氯萘(CN)作为添加剂后，Y6分子倾向于垂直取向。电学和光学表征结果表明，Y6的水平取向增加了器件内激子的分离效率，进而提升了器件的能量转换效率。
2022, 39(5): 1995-2013.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210922.001
摘要:
富镍锂过渡金属氧化物正极具有高容量及高工作电压的优点，是理想的高能量动力电池材料。富镍锂过渡金属氧化物正极的性能主要受其氢氧化物前驱体的结构、形貌、粒径等因素影响。一次晶粒和二次颗粒形貌与尺寸可控的球形氢氧化物前驱体是制备优异电化学性能的富镍正极材料的关键。氢氧化物前驱体沉淀结晶过程中工艺参数会影响前驱体性能，其生长机制对于调控沉淀结晶具有指导意义。本论文首先介绍了沉淀结晶相关基础理论，其次探讨了富镍正极材料氢氧化物前驱体沉淀结晶生长机制和沉淀反应因素对氢氧化物物理及化学性能影响，最后介绍了合成单晶、放射状和核壳结构等特殊富镍正极材料的前驱体。
富镍锂过渡金属氧化物正极具有高容量及高工作电压的优点，是理想的高能量动力电池材料。富镍锂过渡金属氧化物正极的性能主要受其氢氧化物前驱体的结构、形貌、粒径等因素影响。一次晶粒和二次颗粒形貌与尺寸可控的球形氢氧化物前驱体是制备优异电化学性能的富镍正极材料的关键。氢氧化物前驱体沉淀结晶过程中工艺参数会影响前驱体性能，其生长机制对于调控沉淀结晶具有指导意义。本论文首先介绍了沉淀结晶相关基础理论，其次探讨了富镍正极材料氢氧化物前驱体沉淀结晶生长机制和沉淀反应因素对氢氧化物物理及化学性能影响，最后介绍了合成单晶、放射状和核壳结构等特殊富镍正极材料的前驱体。
2022, 39(5): 2014-2033.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211106.001
摘要:
碳纤维增强碳基复合材料(C/C)具有热膨胀系数低、耐腐蚀、抗热冲击、耐磨损等特点，在武器装备、航空航天、汽车制造等领域得到日益广泛的应用。传统加工技术难以实现对C/C复合材料的高精度加工。激光加工技术对加工对象的尺寸、材质和形状要求低，易与其他先进加工技术相结合，具有其他加工方法所不具备的优势。本论文主要对C/C复合材料的制备、应用和加工方式进行了论述，详细阐述了激光加工C/C复合材料的原理机制和工艺特点，以及不同应用场合下加工工艺的选择策略。通过传统加工方法和特种加工方法的对比，概述了加工C/C复合材料所面临的问题和挑战，提出了C/C复合材料激光加工与其他先进制造技术相结合的发展趋势。
碳纤维增强碳基复合材料(C/C)具有热膨胀系数低、耐腐蚀、抗热冲击、耐磨损等特点，在武器装备、航空航天、汽车制造等领域得到日益广泛的应用。传统加工技术难以实现对C/C复合材料的高精度加工。激光加工技术对加工对象的尺寸、材质和形状要求低，易与其他先进加工技术相结合，具有其他加工方法所不具备的优势。本论文主要对C/C复合材料的制备、应用和加工方式进行了论述，详细阐述了激光加工C/C复合材料的原理机制和工艺特点，以及不同应用场合下加工工艺的选择策略。通过传统加工方法和特种加工方法的对比，概述了加工C/C复合材料所面临的问题和挑战，提出了C/C复合材料激光加工与其他先进制造技术相结合的发展趋势。
2022, 39(5): 2034-2048.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210824.001
摘要:
近代工业的快速发展造成大量难降解的新型有机污染物进入水体，亟需经济、高效的难降解有机污染物污染控制和削减技术。近年来，基于硫酸根自由基(SO4•–)的高级氧化技术(SR-AOPs)具有强氧化性、宽pH耐受性以及方便操作性等优势而备受关注。不同种类的金属氧/硫化物、碳基材料、金属-非金属复合材料以及有机金属材料等被用来活化过硫酸盐产生活性氧，从而实现对有机污染物的氧化降解和进一步矿化。其中，层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxides, LDHs)因其独特的层状结构优势、阴离子可交换性和客体分子可调节性，在活化过硫酸盐方面表现出优良的反应活性和催化优势。本论文从催化剂类型、催化性能与机制以及降解体系影响因素等方面，综述了LDHs及其复合材料作为非均相催化剂活化过硫酸盐的研究现状，并对催化体系持续改进以及未来发展提出相关展望。
近代工业的快速发展造成大量难降解的新型有机污染物进入水体，亟需经济、高效的难降解有机污染物污染控制和削减技术。近年来，基于硫酸根自由基(SO4•–)的高级氧化技术(SR-AOPs)具有强氧化性、宽pH耐受性以及方便操作性等优势而备受关注。不同种类的金属氧/硫化物、碳基材料、金属-非金属复合材料以及有机金属材料等被用来活化过硫酸盐产生活性氧，从而实现对有机污染物的氧化降解和进一步矿化。其中，层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxides, LDHs)因其独特的层状结构优势、阴离子可交换性和客体分子可调节性，在活化过硫酸盐方面表现出优良的反应活性和催化优势。本论文从催化剂类型、催化性能与机制以及降解体系影响因素等方面，综述了LDHs及其复合材料作为非均相催化剂活化过硫酸盐的研究现状，并对催化体系持续改进以及未来发展提出相关展望。
2022, 39(5): 2049-2059.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211009.001
摘要:
二维纳米材料具有片层结构、致密的六方晶格、大的比表面积和优异的热化学稳定性等特点，是作为防腐涂层填料的最佳选择。本论文综述了二维纳米材料在腐蚀防护复合涂层领域的应用。首先介绍了二维纳米材料在环氧树脂防腐涂料的屏障保护作用、抑制保护作用和牺牲保护作用，然后阐述了常见二维纳米材料在环氧树脂防腐涂料中的应用途径和方式。此外，本论文还总结了二维纳米材料在防腐涂料应用中存在的分散、取向以及与金属基体的附着力等问题及其解决办法。最后，对二维纳米材料在环氧树脂防腐涂料中的应用进行了总结和展望。
二维纳米材料具有片层结构、致密的六方晶格、大的比表面积和优异的热化学稳定性等特点，是作为防腐涂层填料的最佳选择。本论文综述了二维纳米材料在腐蚀防护复合涂层领域的应用。首先介绍了二维纳米材料在环氧树脂防腐涂料的屏障保护作用、抑制保护作用和牺牲保护作用，然后阐述了常见二维纳米材料在环氧树脂防腐涂料中的应用途径和方式。此外，本论文还总结了二维纳米材料在防腐涂料应用中存在的分散、取向以及与金属基体的附着力等问题及其解决办法。最后，对二维纳米材料在环氧树脂防腐涂料中的应用进行了总结和展望。
2022, 39(5): 2060-2072.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210901.001
摘要:
散热困难已成为制约微电子器件和电气绝缘设备日趋微型化的关键问题和技术瓶颈。传统导热环氧复合材料因热导率 (k) 与介电强度 (Eb) 之间难以协同提升及联调的矛盾而无法适应大功率、超高频微电子器件及高电压电力设备的绝缘封装的散热需求，而基于液晶 (LCE) 基元调控交联网络的结构有序性来提高k值而制备的本征导热环氧 (ITCE) 则同时具备高k及Eb性能。本论文分析了液晶环氧的微结构及本征导热机制，综述和归纳了基于不同结构液晶基元的ITCE的研究进展，系统分析了本征k的影响因素，探讨了液晶环氧及固化剂结构、温度、液晶基元含量及晶粒尺寸、外场辅助加工等因素对固化环氧的本征k的影响机制，阐述了提高液晶环氧的有序结构及本征k的途径和方法。最后，探讨了当前ITCE研究中存在的问题及展望了ITCE的未来发展方向。相比常规环氧，综合性能优异的ITCE代表了导热环氧的未来发展方向，基于ITCE的导热环氧复合材料在高频、高密度、微电子、高电压及大功率电力设备等领域具有潜在的重要用途。
散热困难已成为制约微电子器件和电气绝缘设备日趋微型化的关键问题和技术瓶颈。传统导热环氧复合材料因热导率 (k) 与介电强度 (Eb) 之间难以协同提升及联调的矛盾而无法适应大功率、超高频微电子器件及高电压电力设备的绝缘封装的散热需求，而基于液晶 (LCE) 基元调控交联网络的结构有序性来提高k值而制备的本征导热环氧 (ITCE) 则同时具备高k及Eb性能。本论文分析了液晶环氧的微结构及本征导热机制，综述和归纳了基于不同结构液晶基元的ITCE的研究进展，系统分析了本征k的影响因素，探讨了液晶环氧及固化剂结构、温度、液晶基元含量及晶粒尺寸、外场辅助加工等因素对固化环氧的本征k的影响机制，阐述了提高液晶环氧的有序结构及本征k的途径和方法。最后，探讨了当前ITCE研究中存在的问题及展望了ITCE的未来发展方向。相比常规环氧，综合性能优异的ITCE代表了导热环氧的未来发展方向，基于ITCE的导热环氧复合材料在高频、高密度、微电子、高电压及大功率电力设备等领域具有潜在的重要用途。
2022, 39(5): 2073-2088.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211011.001
摘要:
随着能源枯竭和环境污染问题日益严重，人们不得不将目光转向更加清洁环保的氢能源。光解水制氢技术是一种获取氢能源经济且清洁的理想方式，通过光催化手段将太阳能转化为化学能也是一种很有前景的技术手段。然而如何选取高效、经济的光催化剂是制氢最关键的环节。金属-有机框架(Metal-organic frameworks, MOFs)由于比表面积大、孔尺寸可调节、结构易于修饰及活性位点丰富等特点，使其成为光解水制氢理想的光催化剂候选材料。国内外学者就MOFs光解水制氢开展了大量的研究，并且取得了丰硕的成果。本论文综述了MOF基材料作为催化剂在光解水制氢领域的研究进展，总结了MOFs作为催化剂的优点和局限性，并对MOFs及其相关材料在光催化水解制氢领域的发展前景提出展望，以期对未来研究提供参考。
随着能源枯竭和环境污染问题日益严重，人们不得不将目光转向更加清洁环保的氢能源。光解水制氢技术是一种获取氢能源经济且清洁的理想方式，通过光催化手段将太阳能转化为化学能也是一种很有前景的技术手段。然而如何选取高效、经济的光催化剂是制氢最关键的环节。金属-有机框架(Metal-organic frameworks, MOFs)由于比表面积大、孔尺寸可调节、结构易于修饰及活性位点丰富等特点，使其成为光解水制氢理想的光催化剂候选材料。国内外学者就MOFs光解水制氢开展了大量的研究，并且取得了丰硕的成果。本论文综述了MOF基材料作为催化剂在光解水制氢领域的研究进展，总结了MOFs作为催化剂的优点和局限性，并对MOFs及其相关材料在光催化水解制氢领域的发展前景提出展望，以期对未来研究提供参考。
2022, 39(5): 2089-2105.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211106.002
摘要:
基于纳米二氧化钛 (TiO2) 作为添加剂制备的复合材料具有优异的耐温性、抗老化性等，而且由于其特殊的光催化活性，在通过吸收紫外光能量后具有较强的抗菌杀菌能力，因此在涂料、化妆品和医学等领域具有广泛的应用。然而，受纳米尺寸效应影响，纳米TiO2在聚合物基体中存在易团聚、难分散的缺点，使其应用受到限制。因此，需要通过多种表面改性方法调控纳米TiO2的表面性质，增强其与聚合物基体相容性。本论文首先详细阐述了纳米TiO2的制备、表面改性方法及机制，并综述了近期纳米TiO2改性聚合物基复合材料方面的研究进展。最后，讨论了纳米TiO2聚合物复合材料研究中存在的主要问题，并展望了其未来的发展方向。
基于纳米二氧化钛 (TiO2) 作为添加剂制备的复合材料具有优异的耐温性、抗老化性等，而且由于其特殊的光催化活性，在通过吸收紫外光能量后具有较强的抗菌杀菌能力，因此在涂料、化妆品和医学等领域具有广泛的应用。然而，受纳米尺寸效应影响，纳米TiO2在聚合物基体中存在易团聚、难分散的缺点，使其应用受到限制。因此，需要通过多种表面改性方法调控纳米TiO2的表面性质，增强其与聚合物基体相容性。本论文首先详细阐述了纳米TiO2的制备、表面改性方法及机制，并综述了近期纳米TiO2改性聚合物基复合材料方面的研究进展。最后，讨论了纳米TiO2聚合物复合材料研究中存在的主要问题，并展望了其未来的发展方向。
2022, 39(5): 2106-2120.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210701.002
摘要:
锂电池新能源产业的快速发展刺激了锂需求量呈指数级增长，带动了锂产业链的变革和技术升级。盐湖卤水中拥有丰富的锂资源，已逐渐取代锂辉石成为原料锂的最主要来源。综合比较卤水提锂采用的沉淀法、吸附法、煅烧浸取法、萃取法、膜分离法等各种工艺，膜分离方法具有常温下无相变、高效、节能、环保的特点，成为提锂工业最有前景的新技术。目前，具有锂分离效果的膜过程研究主要有膜-吸附、膜-溶剂萃取和膜-电渗析等，其中又以膜-电渗析技术较为成熟，在工业上已经成功应用于盐湖卤水提锂。但目前采用的有机聚合物膜存在的膜堵塞、有机物溶损、环境污染等问题，限制了膜-电渗析法在提锂产业的推广。无机陶瓷膜按孔径分为微滤、超滤和纳滤，分离过程主要基于“物理筛选”理论，并且无机陶瓷膜材料具有化学结构稳定、力学性能好、制备过程简单、耐高温、孔径均匀、孔径分布范围窄、寿命长等众多优点，因此新型无机膜材料开发引起了学界的广泛关注，成为膜法提锂研究的热点问题。
锂电池新能源产业的快速发展刺激了锂需求量呈指数级增长，带动了锂产业链的变革和技术升级。盐湖卤水中拥有丰富的锂资源，已逐渐取代锂辉石成为原料锂的最主要来源。综合比较卤水提锂采用的沉淀法、吸附法、煅烧浸取法、萃取法、膜分离法等各种工艺，膜分离方法具有常温下无相变、高效、节能、环保的特点，成为提锂工业最有前景的新技术。目前，具有锂分离效果的膜过程研究主要有膜-吸附、膜-溶剂萃取和膜-电渗析等，其中又以膜-电渗析技术较为成熟，在工业上已经成功应用于盐湖卤水提锂。但目前采用的有机聚合物膜存在的膜堵塞、有机物溶损、环境污染等问题，限制了膜-电渗析法在提锂产业的推广。无机陶瓷膜按孔径分为微滤、超滤和纳滤，分离过程主要基于“物理筛选”理论，并且无机陶瓷膜材料具有化学结构稳定、力学性能好、制备过程简单、耐高温、孔径均匀、孔径分布范围窄、寿命长等众多优点，因此新型无机膜材料开发引起了学界的广泛关注，成为膜法提锂研究的热点问题。
2022, 39(5): 2121-2132.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210707.002
摘要:
开发低介电常数、低介电损耗和同时兼具耐温、高力学强度的聚合物介电材料对于满足5G领域的高性能介电材料具有重要的研究意义。采用含氟1H,1H,2H,2H-全氟取代癸基三乙氧基硅烷(PTES)对空心SiO2纳米粒子(HS)进行表面改性，并基于含氟聚芳醚腈共聚物(PEN-F)，分别以流延法和相转换法制备了两种PTES改性HS填充的PEN-F复合材料(HS@PTES/PEN-F)。采用FTIR和1H NMR证实了PEN-F共聚物的成功合成；通过FTIR、TGA和XPS等技术手段表征了PTES改性的HS结构和形貌；同时研究了HS@PTES/PEN-F复合材料的介电性能、力学强度和热稳定性等。研究结果表明，经PTES改性后的HS纳米粒子在PEN-F基体树脂中具有较好的分散性与界面相容性。在介电性能方面，当改性SiO2纳米粒子填充含量为7wt%时，通过流延法制备的HS@PTES/PEN-F复合膜在1 kHz时介电常数达2.88，介电损耗为0.0198；通过相转换法制备的HS@PTES/PEN-F复合膜在1 kHz时介电常数达1.19，介电损耗为0.0043。在力学性能方面，以相转换法为例，改性SiO2纳米粒子填充含量为5wt%时，其拉伸强度和弹性模量分别达到10.34 MPa和365.32 MPa。此外，HS@PTES/PEN-F复合膜的玻璃化转变温度可达到160℃，具有较好的热稳定性。
开发低介电常数、低介电损耗和同时兼具耐温、高力学强度的聚合物介电材料对于满足5G领域的高性能介电材料具有重要的研究意义。采用含氟1H,1H,2H,2H-全氟取代癸基三乙氧基硅烷(PTES)对空心SiO2纳米粒子(HS)进行表面改性，并基于含氟聚芳醚腈共聚物(PEN-F)，分别以流延法和相转换法制备了两种PTES改性HS填充的PEN-F复合材料(HS@PTES/PEN-F)。采用FTIR和1H NMR证实了PEN-F共聚物的成功合成；通过FTIR、TGA和XPS等技术手段表征了PTES改性的HS结构和形貌；同时研究了HS@PTES/PEN-F复合材料的介电性能、力学强度和热稳定性等。研究结果表明，经PTES改性后的HS纳米粒子在PEN-F基体树脂中具有较好的分散性与界面相容性。在介电性能方面，当改性SiO2纳米粒子填充含量为7wt%时，通过流延法制备的HS@PTES/PEN-F复合膜在1 kHz时介电常数达2.88，介电损耗为0.0198；通过相转换法制备的HS@PTES/PEN-F复合膜在1 kHz时介电常数达1.19，介电损耗为0.0043。在力学性能方面，以相转换法为例，改性SiO2纳米粒子填充含量为5wt%时，其拉伸强度和弹性模量分别达到10.34 MPa和365.32 MPa。此外，HS@PTES/PEN-F复合膜的玻璃化转变温度可达到160℃，具有较好的热稳定性。
2022, 39(5): 2133-2140.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210812.001
摘要:
采用粉末叠层方法和热压工艺制备了还原氧化石墨烯改性碳纤维/聚苯硫醚(RGO-CF/PPS)复合材料，考察了复合材料在室温干态和湿热处理两种条件下的层间剪切性能和微观形貌及RGO对复合材料界面性能的影响。结果表明，室温干态0.1%RGO-CF/PPS的层间剪切强度(ILSS)比CF/PPS的提高了18.4%；湿热处理后RGO-CF/PPS的ILSS发生了下降，且湿热处理RGO-CF/PPS的ILSS强度保持率均低于CF/PPS；复合材料的动态热机械行为结果表明，RGO有助于改善复合材料的界面黏结性能；微观形貌分析表明RGO使复合材料中裂纹更易发生偏转从而提高室温干态复合材料的ILSS。
采用粉末叠层方法和热压工艺制备了还原氧化石墨烯改性碳纤维/聚苯硫醚(RGO-CF/PPS)复合材料，考察了复合材料在室温干态和湿热处理两种条件下的层间剪切性能和微观形貌及RGO对复合材料界面性能的影响。结果表明，室温干态0.1%RGO-CF/PPS的层间剪切强度(ILSS)比CF/PPS的提高了18.4%；湿热处理后RGO-CF/PPS的ILSS发生了下降，且湿热处理RGO-CF/PPS的ILSS强度保持率均低于CF/PPS；复合材料的动态热机械行为结果表明，RGO有助于改善复合材料的界面黏结性能；微观形貌分析表明RGO使复合材料中裂纹更易发生偏转从而提高室温干态复合材料的ILSS。
2022, 39(5): 2141-2152.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210805.003
摘要:
聚合物/无机物纳米复合材料由于其独特的性能成为目前材料研究的热点之一。为得到疏水性能及防腐性能俱优的碳化硅 (SiC) 防腐复合涂层材料，利用硅烷偶联剂 (KH-550) 对碳化硅 (SiC) 纳米粒子进行氨基化处理，然后以苯胺、氨基苯磺酸和氨基化SiC纳米粒子为原料，通过一步法氧化聚合反应合成共价功能化碳化硅-磺化聚苯胺 (SiC-NH2-SPANI) 复合材料，采用FT-IR、UV-vis、XRD 和SEM对复合材料的微观结构和形貌进行表征分析。最后通过喷涂法将SiC-NH2-SPANI复合涂层材料涂覆于基材上并对其进行性能测试，主要研究涂层的疏水性能和防腐性能；并探讨了不同SiC纳米粒子和过硫酸铵(APS)的反应量以及复合材料加入量对共价功能化碳化硅-磺化聚苯胺/环氧树脂 (SiC-NH2-SPANI/EP) 防腐复合涂层的影响。研究结果表明，加入质量分数为3wt%SiC-NH2-SPANI的复合涂层具备较优的疏水性能，接触角(CA)值达到99.87°。SiC纳米粒子和过硫酸铵反应量对涂层防腐性能研究结果表明，当SiC-NH2用量为15wt%时，采用过硫酸铵与含氨基单体(苯胺和氨基苯磺酸)摩尔比为1∶1时所制备的SiC-NH2-SPANI/EP涂层的防腐性能最好。掺杂不同材料的复合涂层 (SiC/EP、SiC-NH2/EP和SiC-NH2-SPANI/EP) 中，SiC-NH2/EP涂层的接触角最大，疏水性能最好，防腐性能表现最好。由此也说明涂层疏水性能与防腐性能存在关系，疏水性能越好，防腐性能越好。随浸泡时间增加，质量分数为3wt%SiC-NH2-SPANI/EP复合涂层展现出更优异的长期稳定性和防腐性能。
聚合物/无机物纳米复合材料由于其独特的性能成为目前材料研究的热点之一。为得到疏水性能及防腐性能俱优的碳化硅 (SiC) 防腐复合涂层材料，利用硅烷偶联剂 (KH-550) 对碳化硅 (SiC) 纳米粒子进行氨基化处理，然后以苯胺、氨基苯磺酸和氨基化SiC纳米粒子为原料，通过一步法氧化聚合反应合成共价功能化碳化硅-磺化聚苯胺 (SiC-NH2-SPANI) 复合材料，采用FT-IR、UV-vis、XRD 和SEM对复合材料的微观结构和形貌进行表征分析。最后通过喷涂法将SiC-NH2-SPANI复合涂层材料涂覆于基材上并对其进行性能测试，主要研究涂层的疏水性能和防腐性能；并探讨了不同SiC纳米粒子和过硫酸铵(APS)的反应量以及复合材料加入量对共价功能化碳化硅-磺化聚苯胺/环氧树脂 (SiC-NH2-SPANI/EP) 防腐复合涂层的影响。研究结果表明，加入质量分数为3wt%SiC-NH2-SPANI的复合涂层具备较优的疏水性能，接触角(CA)值达到99.87°。SiC纳米粒子和过硫酸铵反应量对涂层防腐性能研究结果表明，当SiC-NH2用量为15wt%时，采用过硫酸铵与含氨基单体(苯胺和氨基苯磺酸)摩尔比为1∶1时所制备的SiC-NH2-SPANI/EP涂层的防腐性能最好。掺杂不同材料的复合涂层 (SiC/EP、SiC-NH2/EP和SiC-NH2-SPANI/EP) 中，SiC-NH2/EP涂层的接触角最大，疏水性能最好，防腐性能表现最好。由此也说明涂层疏水性能与防腐性能存在关系，疏水性能越好，防腐性能越好。随浸泡时间增加，质量分数为3wt%SiC-NH2-SPANI/EP复合涂层展现出更优异的长期稳定性和防腐性能。
2022, 39(5): 2153-2160.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210716.002
摘要:
植物纤维增强复合材料正广泛应用于生活中各领域，但亲水性增强体与疏水性基体之间界面不相容的问题限制了复合材料的力学性能，本论文通过羧基化碳纳米管 (c-MWCNTs) 改性洋麻纤维，探究洋麻纤维/环氧树脂复合材料的界面改善机制。首先利用水和NaOH对洋麻纤维进行预处理，通过观测纤维直径变化、红外光谱图和纤维束断裂强度变化，探讨不同预处理方式对c-MWCNTs接枝洋麻纤维的效果影响；然后使用含量分别为0.5wt%、1wt%和3wt%的c-MWCNTs改性洋麻纤维，通过单纤维抽拔实验，探讨洋麻纤维/环氧树脂复合材料的界面剪切强度 (IFSS) 变化。结果表明，与原洋麻纤维和水预处理过的洋麻纤维相比，经过NaOH处理后的洋麻纤维，直径变化幅度和纤维束断裂强度降低幅度最小，复合材料的尺寸稳定性较高；通过单纤维抽拔实验证明，洋麻纤维/环氧树脂复合材料的界面剪切强度逐渐升高，但是有效性逐渐降低，当c-MWCNTs质量分数为0.5wt%时，c-MWCNTs处理洋麻纤维的有效性最高，达到45.09%；洋麻纤维/环氧树脂复合材料的界面性能得到改善，c-MWCNTs的存在增强了纤维与树脂基体间的机械锁结作用。
植物纤维增强复合材料正广泛应用于生活中各领域，但亲水性增强体与疏水性基体之间界面不相容的问题限制了复合材料的力学性能，本论文通过羧基化碳纳米管 (c-MWCNTs) 改性洋麻纤维，探究洋麻纤维/环氧树脂复合材料的界面改善机制。首先利用水和NaOH对洋麻纤维进行预处理，通过观测纤维直径变化、红外光谱图和纤维束断裂强度变化，探讨不同预处理方式对c-MWCNTs接枝洋麻纤维的效果影响；然后使用含量分别为0.5wt%、1wt%和3wt%的c-MWCNTs改性洋麻纤维，通过单纤维抽拔实验，探讨洋麻纤维/环氧树脂复合材料的界面剪切强度 (IFSS) 变化。结果表明，与原洋麻纤维和水预处理过的洋麻纤维相比，经过NaOH处理后的洋麻纤维，直径变化幅度和纤维束断裂强度降低幅度最小，复合材料的尺寸稳定性较高；通过单纤维抽拔实验证明，洋麻纤维/环氧树脂复合材料的界面剪切强度逐渐升高，但是有效性逐渐降低，当c-MWCNTs质量分数为0.5wt%时，c-MWCNTs处理洋麻纤维的有效性最高，达到45.09%；洋麻纤维/环氧树脂复合材料的界面性能得到改善，c-MWCNTs的存在增强了纤维与树脂基体间的机械锁结作用。
2022, 39(5): 2161-2171.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210722.001
摘要:
基于短切碳纤维增强尼龙复合材料(MarkForged Onyx)，采用熔融丝制造工艺(FFF)制备了负刚度蜂窝单胞结构。为分析其打印性能和压缩性能，进行负刚度蜂窝单胞结构试样压缩试验，试验分析了堆叠方式、填充图案及壁厚层数三种打印工艺参数对该结构打印性能和压缩性能的影响机制。结果表明：水平堆叠方式、六边形填充图案、一层壁厚打印工艺参数组合有效减少结构的打印时间、打印成本。水平堆叠方式结构的压缩性能优于侧立和正立方向；与四边形、六边形填充图案相比，三角形填充图案明显提高结构的吸能能力；二层的壁厚层数对结构抗压强度的提高最显著。在加载过程中，单胞结构呈现出显著的负刚度特性，能量吸收效率约达70%，力阈值约为185 N；循环试验后，仅存在6%的压缩变形量，实现了基于MarkForged Onyx短切碳纤维增强尼龙复合材料负刚度蜂窝芯结构的可恢复能量吸收。
基于短切碳纤维增强尼龙复合材料(MarkForged Onyx)，采用熔融丝制造工艺(FFF)制备了负刚度蜂窝单胞结构。为分析其打印性能和压缩性能，进行负刚度蜂窝单胞结构试样压缩试验，试验分析了堆叠方式、填充图案及壁厚层数三种打印工艺参数对该结构打印性能和压缩性能的影响机制。结果表明：水平堆叠方式、六边形填充图案、一层壁厚打印工艺参数组合有效减少结构的打印时间、打印成本。水平堆叠方式结构的压缩性能优于侧立和正立方向；与四边形、六边形填充图案相比，三角形填充图案明显提高结构的吸能能力；二层的壁厚层数对结构抗压强度的提高最显著。在加载过程中，单胞结构呈现出显著的负刚度特性，能量吸收效率约达70%，力阈值约为185 N；循环试验后，仅存在6%的压缩变形量，实现了基于MarkForged Onyx短切碳纤维增强尼龙复合材料负刚度蜂窝芯结构的可恢复能量吸收。
2022, 39(5): 2172-2182.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210615.001
摘要:
氧化石墨烯(GO)和多壁碳纳米管(MWCNTs)因其良好的力学性能和导热性能，被广泛应用于橡胶填料。为了提高硫化效率，改善天然橡胶的物理性能，本论文将不同配比的GO和MWCNTs与橡胶混炼制备了一种GO/MWCNTs橡胶复合材料。通过测试混炼胶以及硫化胶的各项物理性能得出结论，GO填料与MWCNTs填料二者存在协同作用，并且不同配比的GO与MWCNTs对胶料性能的影响也不同，当MWCNTs填料定量加入6wt%时，随着GO含量的增加：硫化胶的最大转矩MH与交联密度ΔM值呈增大趋势；焦烧时间tc10和正硫化时间tc90先降低，在3wt%后tc90略有回升，且当GO与MWCNTs含量分别为3wt%和6wt%时，对硫化效率的提升最为明显；当二者同时加入6wt%时，混炼胶与硫化胶的导热率分别提高了25.1%和23.3%；硫化胶的100%定伸应力、300%定伸应力出现升高趋势，在3wt%之后略微下降。综合来看，当GO与MWCNTs添加量分别为3wt%与6wt%时，填料粒子对橡胶的补强效果最佳，其良好的导热性能增强了硫化反应的均匀性，实现了硫化过程的节能减耗。
氧化石墨烯(GO)和多壁碳纳米管(MWCNTs)因其良好的力学性能和导热性能，被广泛应用于橡胶填料。为了提高硫化效率，改善天然橡胶的物理性能，本论文将不同配比的GO和MWCNTs与橡胶混炼制备了一种GO/MWCNTs橡胶复合材料。通过测试混炼胶以及硫化胶的各项物理性能得出结论，GO填料与MWCNTs填料二者存在协同作用，并且不同配比的GO与MWCNTs对胶料性能的影响也不同，当MWCNTs填料定量加入6wt%时，随着GO含量的增加：硫化胶的最大转矩MH与交联密度ΔM值呈增大趋势；焦烧时间tc10和正硫化时间tc90先降低，在3wt%后tc90略有回升，且当GO与MWCNTs含量分别为3wt%和6wt%时，对硫化效率的提升最为明显；当二者同时加入6wt%时，混炼胶与硫化胶的导热率分别提高了25.1%和23.3%；硫化胶的100%定伸应力、300%定伸应力出现升高趋势，在3wt%之后略微下降。综合来看，当GO与MWCNTs添加量分别为3wt%与6wt%时，填料粒子对橡胶的补强效果最佳，其良好的导热性能增强了硫化反应的均匀性，实现了硫化过程的节能减耗。
2022, 39(5): 2183-2191.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210903.003
摘要:
双酚A环氧树脂(EP)因其具有优异电绝缘性能而被广泛应用于电子器件中，但EP的热导率较低，通过填充高导热无机填料而构建导热通路是当前提高聚合物复合材料热导率的有效策略。本文综合利用溶液共混与热压工艺制备得到了六方氮化硼(h-BN)-四针状氧化锌晶须(T-ZnOw)/EP复合材料，并对复合材料的微观形貌与物相结构、导热性能及绝缘性能进行了系统表征与分析。结果表明，复合填充h-BN-T-ZnOw/EP复合材料兼具良好的导热性和绝缘性，当h-BN-T-ZnOw的填充含量为30wt%/5wt%时，25℃下热导率为0.55 W/(m·K)，相比于纯EP提升了2.9倍，同时复合材料体积电阻率大于1015 Ω·m，表现出良好的绝缘性。
双酚A环氧树脂(EP)因其具有优异电绝缘性能而被广泛应用于电子器件中，但EP的热导率较低，通过填充高导热无机填料而构建导热通路是当前提高聚合物复合材料热导率的有效策略。本文综合利用溶液共混与热压工艺制备得到了六方氮化硼(h-BN)-四针状氧化锌晶须(T-ZnOw)/EP复合材料，并对复合材料的微观形貌与物相结构、导热性能及绝缘性能进行了系统表征与分析。结果表明，复合填充h-BN-T-ZnOw/EP复合材料兼具良好的导热性和绝缘性，当h-BN-T-ZnOw的填充含量为30wt%/5wt%时，25℃下热导率为0.55 W/(m·K)，相比于纯EP提升了2.9倍，同时复合材料体积电阻率大于1015 Ω·m，表现出良好的绝缘性。
2022, 39(5): 2192-2200.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210726.002
摘要:
聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PBT) 是半结晶热塑性聚合物，具有出色的尺寸稳定性、高的刚度和硬度、良好的耐化学性、力学性能和可加工性等优良特点。但其抗冲击性较低、韧性较差。采用将PBT与具有优异韧性的聚(丁二酸丁二醇-co-二苯醚二甲酸丁二醇)酯 (PBSO) 进行熔融共混以改善PBT的韧性。首先以二苯醚二甲酸 (OBBA)、丁二酸 (SA) 和丁二醇 (BDO) 为单体，以钛酸四丁酯为催化剂，采用先酯化后缩聚的两步法合成了PBSO。然后将不同质量比的PBSO与PBT 进行熔融挤出共混，研究复合材料的力学韧性、PBSO与PBT的相容性、结晶行为、热稳定性以及流变性能等。FT-IR、1H NMR、GPC测试分析了所合成PBSO的结构。力学性能测试表明，20wt%PBSO/PBT复合材料的拉伸强度为40.3 MPa，断裂伸长率达到82.1%，断裂能增加到24.7 MPa，冲击强度达到较大值23.2 kJ/m2，具有较高的拉伸强度和良好的韧性。动态热机械分析 (DMA) 和SEM结果发现，PBSO对PBT具有增容效果，PBSO/PBT是部分相容共混体系。差示扫描量热 (DSC) 和广角X射线衍射(WAXD) 结果显示，非晶聚合物PBSO的加入，降低了PBT的结晶度，但未改变PBT的晶体结构。热重分析 ( TGA)分析可知，PBSO/PBT复合材料具有良好的加工热稳定性。
聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PBT) 是半结晶热塑性聚合物，具有出色的尺寸稳定性、高的刚度和硬度、良好的耐化学性、力学性能和可加工性等优良特点。但其抗冲击性较低、韧性较差。采用将PBT与具有优异韧性的聚(丁二酸丁二醇-co-二苯醚二甲酸丁二醇)酯 (PBSO) 进行熔融共混以改善PBT的韧性。首先以二苯醚二甲酸 (OBBA)、丁二酸 (SA) 和丁二醇 (BDO) 为单体，以钛酸四丁酯为催化剂，采用先酯化后缩聚的两步法合成了PBSO。然后将不同质量比的PBSO与PBT 进行熔融挤出共混，研究复合材料的力学韧性、PBSO与PBT的相容性、结晶行为、热稳定性以及流变性能等。FT-IR、1H NMR、GPC测试分析了所合成PBSO的结构。力学性能测试表明，20wt%PBSO/PBT复合材料的拉伸强度为40.3 MPa，断裂伸长率达到82.1%，断裂能增加到24.7 MPa，冲击强度达到较大值23.2 kJ/m2，具有较高的拉伸强度和良好的韧性。动态热机械分析 (DMA) 和SEM结果发现，PBSO对PBT具有增容效果，PBSO/PBT是部分相容共混体系。差示扫描量热 (DSC) 和广角X射线衍射(WAXD) 结果显示，非晶聚合物PBSO的加入，降低了PBT的结晶度，但未改变PBT的晶体结构。热重分析 ( TGA)分析可知，PBSO/PBT复合材料具有良好的加工热稳定性。
2022, 39(5): 2201-2214.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210702.003
摘要:
为了研制一种兼具阻燃性及疏水性并有优良力学性能的可再生复合纸板，本研究以聚磷酸铵(APP)-卡拉胶(KC)构建了膨胀型阻燃体系(IFR)，以正硅酸乙酯(TEOS)-甲基三甲氧基硅烷 (MTMS)@氢氧化镁铝(MAH)作为协同阻燃剂、以硅烷偶联剂KH550(AEMO)@SiO2作为疏水性填料、以可再生纸浆为基材，制备了APP-KC-[(TEOS-MTMS)@MAH]-(AEMO@SiO2)复合纸板，并测得其力学性能；采用垂直燃烧实验和极限氧指数(LOI)表征纸板的阻燃效果；采用FE-SEM表征微观形貌；通过FTIR分析燃烧前后功能团变化；利用TG分析其热稳定性；采用接触角(CA)测试、滚动角(SA)测试等来测定其疏水性能。测试结果发现，复合纸板吸水率为1.78 g·m−2、戳穿强度为6.4 J；边压强度为8.3 kN·m−1、平压强度为360 kPa。采用优选配方(APP、KC、MTH、ATH的质量比为3∶2∶1∶1)时LOI达到32%；燃烧实验后得炭化长度为19 mm，续焰时间为0.5 s，灼焰时间为3 s。TG结果表明其残炭量为37.5%。SEM结果表明燃烧后的复合纸板表面具有发泡炭层且纤维完整。CA达110.2°，SA为12°，含水率较原纸版降低232%。APP-KC-[(TEOS-MTMS)@MAH]-(AEMO@SiO2)复合纸板具有良好阻燃性、疏水性及力学性能。
为了研制一种兼具阻燃性及疏水性并有优良力学性能的可再生复合纸板，本研究以聚磷酸铵(APP)-卡拉胶(KC)构建了膨胀型阻燃体系(IFR)，以正硅酸乙酯(TEOS)-甲基三甲氧基硅烷 (MTMS)@氢氧化镁铝(MAH)作为协同阻燃剂、以硅烷偶联剂KH550(AEMO)@SiO2作为疏水性填料、以可再生纸浆为基材，制备了APP-KC-[(TEOS-MTMS)@MAH]-(AEMO@SiO2)复合纸板，并测得其力学性能；采用垂直燃烧实验和极限氧指数(LOI)表征纸板的阻燃效果；采用FE-SEM表征微观形貌；通过FTIR分析燃烧前后功能团变化；利用TG分析其热稳定性；采用接触角(CA)测试、滚动角(SA)测试等来测定其疏水性能。测试结果发现，复合纸板吸水率为1.78 g·m−2、戳穿强度为6.4 J；边压强度为8.3 kN·m−1、平压强度为360 kPa。采用优选配方(APP、KC、MTH、ATH的质量比为3∶2∶1∶1)时LOI达到32%；燃烧实验后得炭化长度为19 mm，续焰时间为0.5 s，灼焰时间为3 s。TG结果表明其残炭量为37.5%。SEM结果表明燃烧后的复合纸板表面具有发泡炭层且纤维完整。CA达110.2°，SA为12°，含水率较原纸版降低232%。APP-KC-[(TEOS-MTMS)@MAH]-(AEMO@SiO2)复合纸板具有良好阻燃性、疏水性及力学性能。
2022, 39(5): 2215-2225.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210730.001
摘要:
为了有效去除废水中的染料，本论文以海藻酸钠 (SA) 和氧化石墨烯 (GO) 为原料，采用一步水热法制备海藻酸钠/氧化石墨烯 (SA/GO) 复合水凝胶，并通过冷冻干燥法得SA/GO复合气凝胶。利用FT-IR、XRD、SEM、TEM、N2等温吸附-脱附、接触角来表征SA/GO复合气凝胶并研究其吸附性能。结果表明，SA/GO复合气凝胶是具有三维立体结构的多孔材料，BET比表面积约为580.54 m2·g−1。讨论了SA/GO复合气凝胶对亚甲基蓝 (MB) 溶液吸附过程的影响因素，在碱性条件下，吸附效果最好，吸附率可达99.41%，吸附量可达248.53 mg·g−1，并表现出优异的循环再生性。
为了有效去除废水中的染料，本论文以海藻酸钠 (SA) 和氧化石墨烯 (GO) 为原料，采用一步水热法制备海藻酸钠/氧化石墨烯 (SA/GO) 复合水凝胶，并通过冷冻干燥法得SA/GO复合气凝胶。利用FT-IR、XRD、SEM、TEM、N2等温吸附-脱附、接触角来表征SA/GO复合气凝胶并研究其吸附性能。结果表明，SA/GO复合气凝胶是具有三维立体结构的多孔材料，BET比表面积约为580.54 m2·g−1。讨论了SA/GO复合气凝胶对亚甲基蓝 (MB) 溶液吸附过程的影响因素，在碱性条件下，吸附效果最好，吸附率可达99.41%，吸附量可达248.53 mg·g−1，并表现出优异的循环再生性。
2022, 39(5): 2226-2237.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210820.002
摘要:
为开发一种高性能、可回收、低成本的光催化剂，本论文使用水热法制备了多孔结构的ZnO纳米片复合MoS2 (MoS2-ZnO) 光催化材料。通过XRD、SEM、光致发光光谱(PL)、XPS等手段对样品的形貌、光学性质等进行了测试表征。结果表明，所制备的MoS2-ZnO样品为多孔片状结构；这种复合结构中MoS2不仅有助于增强ZnO中光生载流子的分离效率，而且还能增强可见光区的吸收，从而提高光催化和气敏性能。在模拟太阳光下，MoS2-ZnO纳米复合材料对高浓度(15 mg/L)的亚甲基蓝染液(MB)表现出较高的光催化降解活性。同时，MoS2-ZnO制备的气敏传感器对低浓度(2.05 mg/m3)NO2还具有较高的灵敏度。本工作为制备高效太阳能驱动的光催化剂和气体传感器提供了重要参考。
为开发一种高性能、可回收、低成本的光催化剂，本论文使用水热法制备了多孔结构的ZnO纳米片复合MoS2 (MoS2-ZnO) 光催化材料。通过XRD、SEM、光致发光光谱(PL)、XPS等手段对样品的形貌、光学性质等进行了测试表征。结果表明，所制备的MoS2-ZnO样品为多孔片状结构；这种复合结构中MoS2不仅有助于增强ZnO中光生载流子的分离效率，而且还能增强可见光区的吸收，从而提高光催化和气敏性能。在模拟太阳光下，MoS2-ZnO纳米复合材料对高浓度(15 mg/L)的亚甲基蓝染液(MB)表现出较高的光催化降解活性。同时，MoS2-ZnO制备的气敏传感器对低浓度(2.05 mg/m3)NO2还具有较高的灵敏度。本工作为制备高效太阳能驱动的光催化剂和气体传感器提供了重要参考。
2022, 39(5): 2238-2248.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210715.001
摘要:
为了解决MoS2吸波材料电导率低的问题，以柚子皮(SP)为原料，采用一锅水热及高温煅烧法制备了MoS2/生物质碳(BC)复合材料。通过调节初始Mo源、S源的含量来调控该复合材料中MoS2的含量。微观形貌、结构和电磁参数结果表明，随着复合材料中MoS2含量的增加，MoS2在BC表面由片状零散分布转变为花状包覆，MoS2/BC复合材料的电导率和复介电常数逐渐降低。通过调节MoS2与BC的比例，实现对MoS2/BC复合材料电磁参数的有效调控，进而优化其阻抗匹配特性。MoS2的花状结构有利于促进电磁波的多重反射/散射。同时，MoS2与BC之间存在丰富界面，有利于促进界面极化，增强MoS2/BC复合材料对电磁波的衰减能力。所制备的MoS2/BC-0.8最小反射率损失(RL)值为−40.1 dB，有效吸收带宽为5.9 GHz(11.1~17.0 GHz)。
为了解决MoS2吸波材料电导率低的问题，以柚子皮(SP)为原料，采用一锅水热及高温煅烧法制备了MoS2/生物质碳(BC)复合材料。通过调节初始Mo源、S源的含量来调控该复合材料中MoS2的含量。微观形貌、结构和电磁参数结果表明，随着复合材料中MoS2含量的增加，MoS2在BC表面由片状零散分布转变为花状包覆，MoS2/BC复合材料的电导率和复介电常数逐渐降低。通过调节MoS2与BC的比例，实现对MoS2/BC复合材料电磁参数的有效调控，进而优化其阻抗匹配特性。MoS2的花状结构有利于促进电磁波的多重反射/散射。同时，MoS2与BC之间存在丰富界面，有利于促进界面极化，增强MoS2/BC复合材料对电磁波的衰减能力。所制备的MoS2/BC-0.8最小反射率损失(RL)值为−40.1 dB，有效吸收带宽为5.9 GHz(11.1~17.0 GHz)。
2022, 39(5): 2249-2257.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210709.001
摘要:
两种半导体材料合成的复合材料由于电子亲合能和带隙宽度差形成了同型异质或异型异质结，利用异质结界面形成的费米能级效应可以提高界面载流子迁移率，从而有效改善气体传感器的气敏性能。本文采用自行设计开发的多层同轴静电纺丝装置，构筑了同轴异质复合纳米纤维In2O3/SnO2。所构筑的同轴异质复合纤维In2O3/SnO2外层较大的In2O3纳米颗粒附着在内层较小SnO2纳米颗粒表面，形成中空的分级纤维结构。同轴异质复合纤维In2O3/SnO2中由于存在大量的N-N同型异质结界面，电子迁移率增强，表面活性增强，吸附氧含量增加，对甲醛表现出良好的气敏性能。在250℃环境下，同轴复合纤维In2O3/SnO2气敏元件对50×10-6的甲醛响应为14.12，分别是SnO2、In2O3和混合异质In2O3/SnO2气敏元件对甲醛响应的3.22倍、3.84倍和1.51倍。同轴异质复合纤维In2O3/SnO2气敏元件对甲醛、乙醇、丙酮、甲苯和甲醇表现出良好的交叉选择性。利用同轴静电纺丝法构筑同轴异质复合纤维中提高半导体功能器件性能具有巨大的应用潜力和发展前景。
两种半导体材料合成的复合材料由于电子亲合能和带隙宽度差形成了同型异质或异型异质结，利用异质结界面形成的费米能级效应可以提高界面载流子迁移率，从而有效改善气体传感器的气敏性能。本文采用自行设计开发的多层同轴静电纺丝装置，构筑了同轴异质复合纳米纤维In2O3/SnO2。所构筑的同轴异质复合纤维In2O3/SnO2外层较大的In2O3纳米颗粒附着在内层较小SnO2纳米颗粒表面，形成中空的分级纤维结构。同轴异质复合纤维In2O3/SnO2中由于存在大量的N-N同型异质结界面，电子迁移率增强，表面活性增强，吸附氧含量增加，对甲醛表现出良好的气敏性能。在250℃环境下，同轴复合纤维In2O3/SnO2气敏元件对50×10-6的甲醛响应为14.12，分别是SnO2、In2O3和混合异质In2O3/SnO2气敏元件对甲醛响应的3.22倍、3.84倍和1.51倍。同轴异质复合纤维In2O3/SnO2气敏元件对甲醛、乙醇、丙酮、甲苯和甲醇表现出良好的交叉选择性。利用同轴静电纺丝法构筑同轴异质复合纤维中提高半导体功能器件性能具有巨大的应用潜力和发展前景。
2022, 39(5): 2258-2268.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210701.003
摘要:
艾草是一种常见的中草药，其提取物−艾草精油存在挥发快、无法长期保持抑菌性等问题已成为制约其产业化应用的瓶颈。为解决上述问题，本论文利用水溶性艾草粉末，通过静电纺丝方法制备艾草/聚丙烯腈复合纳米纤维，并通过在线工艺与熔喷、热风非织造材料进行复合制备稳定性好、抑菌长久的复合过滤材料。对复合材料的润湿性、抗菌性、透气过滤效率以及单向导湿等性能进行了测试，并与添加艾草精油材料进行了比较。结果表明：艾草粉末的添加使得复合材料具有超亲水性，相比纯聚丙烯腈纳米纤维材料润湿时间缩短126倍；当艾草与聚丙烯腈质量比达到15∶15时，存放2个月后样品的抑菌性测试发现其对金黄色葡萄球菌的抑菌率达到99.5%，而相同条件下艾草精油挥发较快，抗菌性能和持久性较低，可以看出艾草纳米纤维材料具有优异的抗菌和阻隔性能；熔喷材料与艾草/聚丙烯腈纳米纤维材料复合，单向导湿指数可高达988.96%。有望解决纤维材料夏天热集中、冬天湿冷和细菌繁殖等问题，在口罩、敷料和医用防护服等领域上有着广阔应用前景。
艾草是一种常见的中草药，其提取物−艾草精油存在挥发快、无法长期保持抑菌性等问题已成为制约其产业化应用的瓶颈。为解决上述问题，本论文利用水溶性艾草粉末，通过静电纺丝方法制备艾草/聚丙烯腈复合纳米纤维，并通过在线工艺与熔喷、热风非织造材料进行复合制备稳定性好、抑菌长久的复合过滤材料。对复合材料的润湿性、抗菌性、透气过滤效率以及单向导湿等性能进行了测试，并与添加艾草精油材料进行了比较。结果表明：艾草粉末的添加使得复合材料具有超亲水性，相比纯聚丙烯腈纳米纤维材料润湿时间缩短126倍；当艾草与聚丙烯腈质量比达到15∶15时，存放2个月后样品的抑菌性测试发现其对金黄色葡萄球菌的抑菌率达到99.5%，而相同条件下艾草精油挥发较快，抗菌性能和持久性较低，可以看出艾草纳米纤维材料具有优异的抗菌和阻隔性能；熔喷材料与艾草/聚丙烯腈纳米纤维材料复合，单向导湿指数可高达988.96%。有望解决纤维材料夏天热集中、冬天湿冷和细菌繁殖等问题，在口罩、敷料和医用防护服等领域上有着广阔应用前景。
2022, 39(5): 2269-2279.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210916.004
摘要:
过渡金属氧化物MnO2因其制备工艺简单、储量丰富、环保且具有较高的理论比容量，在电池储能方面有较大潜力。本论文借助溶胀法对水热合成的δ-MnO2进行剥离制得MnO2纳米片。再利用紫外光照以及NaBH4的还原作用在MnO2纳米片表面负载Ag纳米颗粒，从而得到Ag/MnO2复合材料。对Ag/MnO2复合材料进行了结构和形貌表征以及电化学性能测试。结果表明，作为锂离子电池负极材料，Ag/MnO2的电化学性能明显优于纯相δ-MnO2。Ag/MnO2在100 mA/g电流密度下的首次可逆比容量达到1001.1 mA·h/g，库伦效率为79.9%；在0.1、0.2、0.5、1.0、2.0 A/g电流密度下的平均可逆比容量分别为936.3、607.5、429.5、351.1和278 mA·h/g，当电流密度重新回到0.1 A/g时，其平均可逆比容量仍可达到658.7 mA·h/g。MnO2电化学性能的改善归因于均匀负载的导电Ag颗粒，使得电极材料的导电性显著提升，利于带电粒子的传输。此外，Ag/MnO2复合材料的纳米结构使得锂离子在固相中的传输路径缩短，进而提高了锂离子扩散速率。
过渡金属氧化物MnO2因其制备工艺简单、储量丰富、环保且具有较高的理论比容量，在电池储能方面有较大潜力。本论文借助溶胀法对水热合成的δ-MnO2进行剥离制得MnO2纳米片。再利用紫外光照以及NaBH4的还原作用在MnO2纳米片表面负载Ag纳米颗粒，从而得到Ag/MnO2复合材料。对Ag/MnO2复合材料进行了结构和形貌表征以及电化学性能测试。结果表明，作为锂离子电池负极材料，Ag/MnO2的电化学性能明显优于纯相δ-MnO2。Ag/MnO2在100 mA/g电流密度下的首次可逆比容量达到1001.1 mA·h/g，库伦效率为79.9%；在0.1、0.2、0.5、1.0、2.0 A/g电流密度下的平均可逆比容量分别为936.3、607.5、429.5、351.1和278 mA·h/g，当电流密度重新回到0.1 A/g时，其平均可逆比容量仍可达到658.7 mA·h/g。MnO2电化学性能的改善归因于均匀负载的导电Ag颗粒，使得电极材料的导电性显著提升，利于带电粒子的传输。此外，Ag/MnO2复合材料的纳米结构使得锂离子在固相中的传输路径缩短，进而提高了锂离子扩散速率。
2022, 39(5): 2280-2287.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210721.001
摘要:
为了检测水果表面农药残留，通过化学沉积-原位生长法制备Ag/棉签柔性可擦拭表面增强拉曼光谱(SERS)基底。通过调控生长介质中硝酸银的浓度，得到了银纳米粒子紧密堆积的Ag/棉签复合材料。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、红外光谱仪、热重分析仪对Ag/棉签复合材料的形貌、结构及其性能进行表征。利用尼尔兰作为探针分子表征了Ag/棉签复合材料的SERS性能，实现了对水果表面农药残留福美双的快速检测。结果表明，银纳米粒子直径分布在50~70 nm之间。Ag/棉签复合材料表现出优异的光谱均一性，相对标准偏差为3.72%。对尼尔兰的检出限低于10−7 mol/L。通过简单的擦拭直接检测梨不规则表面上的福美双农药残留，检出限达到10−6 mol/L。该制备方法可以简单地扩展到其他纤维素化合物，例如吸棉花和纸等。本研究提出了一种简单快速的方法用于制备廉价、环保的柔性SERS基底。
为了检测水果表面农药残留，通过化学沉积-原位生长法制备Ag/棉签柔性可擦拭表面增强拉曼光谱(SERS)基底。通过调控生长介质中硝酸银的浓度，得到了银纳米粒子紧密堆积的Ag/棉签复合材料。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、红外光谱仪、热重分析仪对Ag/棉签复合材料的形貌、结构及其性能进行表征。利用尼尔兰作为探针分子表征了Ag/棉签复合材料的SERS性能，实现了对水果表面农药残留福美双的快速检测。结果表明，银纳米粒子直径分布在50~70 nm之间。Ag/棉签复合材料表现出优异的光谱均一性，相对标准偏差为3.72%。对尼尔兰的检出限低于10−7 mol/L。通过简单的擦拭直接检测梨不规则表面上的福美双农药残留，检出限达到10−6 mol/L。该制备方法可以简单地扩展到其他纤维素化合物，例如吸棉花和纸等。本研究提出了一种简单快速的方法用于制备廉价、环保的柔性SERS基底。
2022, 39(5): 2288-2298.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210813.001
摘要:
为了解决水滑石型(LDH)吸附剂在污水处理中难回收的问题，采用双滴沉淀法将磁性Fe3O4颗粒与具有吸附性能的Ni-Mg-Al-LDH水滑石相结合，合成了Fe3O4@Ni-Mg-Al-LDH磁性水滑石复合吸附材料，利用SEM、XRD、FT-IR和氮气吸附脱附等表征对Fe3O4@Ni-Mg-Al-LDH材料的形貌和结构进行测试，并将其用于曙红Y染料废水处理。结果表明，Fe3O4@Ni-Mg-Al-LDH对曙红Y染料的吸附在20 min内较为迅速，120 min后吸附趋于平衡，且随着曙红Y初始浓度的升高，Fe3O4@Ni-Mg-Al-LDH对曙红Y染料的吸附量也逐渐增加，最大吸附量达到108.6 mg·g−1。同时，Fe3O4@Ni-Mg-Al-LDH对曙红Y的吸附过程符合Langmuir等温吸附模型和伪二级动力学方程，表明该吸附过程以单分子层化学吸附为主，且表面扩散和颗粒内扩散共同控制吸附速率。经五次循环后，吸附剂对曙红Y染料的去除率仍能保持80%以上，且吸附后易于磁分离，说明所制备的Fe3O4@Ni-Mg-Al-LDH磁性水滑石材料是一种良好的染料废水吸附剂。
为了解决水滑石型(LDH)吸附剂在污水处理中难回收的问题，采用双滴沉淀法将磁性Fe3O4颗粒与具有吸附性能的Ni-Mg-Al-LDH水滑石相结合，合成了Fe3O4@Ni-Mg-Al-LDH磁性水滑石复合吸附材料，利用SEM、XRD、FT-IR和氮气吸附脱附等表征对Fe3O4@Ni-Mg-Al-LDH材料的形貌和结构进行测试，并将其用于曙红Y染料废水处理。结果表明，Fe3O4@Ni-Mg-Al-LDH对曙红Y染料的吸附在20 min内较为迅速，120 min后吸附趋于平衡，且随着曙红Y初始浓度的升高，Fe3O4@Ni-Mg-Al-LDH对曙红Y染料的吸附量也逐渐增加，最大吸附量达到108.6 mg·g−1。同时，Fe3O4@Ni-Mg-Al-LDH对曙红Y的吸附过程符合Langmuir等温吸附模型和伪二级动力学方程，表明该吸附过程以单分子层化学吸附为主，且表面扩散和颗粒内扩散共同控制吸附速率。经五次循环后，吸附剂对曙红Y染料的去除率仍能保持80%以上，且吸附后易于磁分离，说明所制备的Fe3O4@Ni-Mg-Al-LDH磁性水滑石材料是一种良好的染料废水吸附剂。
2022, 39(5): 2299-2307.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210804.002
摘要:
为研究胶粘剂连接的重组竹-混凝土界面粘结性能及构建粘结-滑移本构模型，对44个重组竹-混凝土粘结试件进行单剪试验，并考虑了粘结长度、重组竹粘结宽度与厚度、混凝土强度及胶层厚度等因素对粘结性能的影响。研究结果表明：在不同影响因素下，试件破坏模式基本相同，均为混凝土表面发生剥离破坏，粘结界面间裂缝从加载端产生并向自由端发展，破坏过程分为弹性阶段、软化阶段和脱粘平台阶段；界面峰值剪应力随重组竹厚度、混凝土强度、胶层厚度增加而增大，随粘结宽度增加而减小。根据试验粘结-滑移曲线，建立了重组竹-混凝土界面粘结-滑移本构模型，与实验结果进行对比，该模型能较好地反映重组竹-混凝土界面剪应力与滑移量间的关系。
为研究胶粘剂连接的重组竹-混凝土界面粘结性能及构建粘结-滑移本构模型，对44个重组竹-混凝土粘结试件进行单剪试验，并考虑了粘结长度、重组竹粘结宽度与厚度、混凝土强度及胶层厚度等因素对粘结性能的影响。研究结果表明：在不同影响因素下，试件破坏模式基本相同，均为混凝土表面发生剥离破坏，粘结界面间裂缝从加载端产生并向自由端发展，破坏过程分为弹性阶段、软化阶段和脱粘平台阶段；界面峰值剪应力随重组竹厚度、混凝土强度、胶层厚度增加而增大，随粘结宽度增加而减小。根据试验粘结-滑移曲线，建立了重组竹-混凝土界面粘结-滑移本构模型，与实验结果进行对比，该模型能较好地反映重组竹-混凝土界面剪应力与滑移量间的关系。
2022, 39(5): 2308-2317.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210804.001
摘要:
在新型复合材料“高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料(ECC) (简称HSME)”的力学性能和约束素混凝土受压性能研究基础上，将钢筋混凝土(RC)短柱配筋率和混凝土强度以及加固层的ECC强度和横向钢绞线配筋率作为参数，试验研究高强不锈钢绞线网增强ECC加固RC短柱轴心受压性能。结果表明，和未加固RC短柱相比，HSME加固RC短柱不仅承载力大幅度提升，而且破坏时裂而不碎、具有明显的延性破坏特征，开裂荷载、峰值荷载及峰值位移显著提高；荷载达峰值荷载80%左右和峰值荷载时，试件表面最大裂缝宽度仅为0.09 mm和0.25 mm，表现出优良的多缝开裂和裂缝控制能力。HSME加固RC短柱荷载-位移曲线属于偏态的单峰曲线，包含弹性、裂缝发展、最大荷载和承载力下降四个阶段。随着ECC抗压强度和横向不锈钢绞线配筋率增大，HSME加固柱开裂荷载和峰值荷载均明显增大；增大RC柱配筋率和混凝土强度可提高加固柱峰值荷载和延性。
在新型复合材料“高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料(ECC) (简称HSME)”的力学性能和约束素混凝土受压性能研究基础上，将钢筋混凝土(RC)短柱配筋率和混凝土强度以及加固层的ECC强度和横向钢绞线配筋率作为参数，试验研究高强不锈钢绞线网增强ECC加固RC短柱轴心受压性能。结果表明，和未加固RC短柱相比，HSME加固RC短柱不仅承载力大幅度提升，而且破坏时裂而不碎、具有明显的延性破坏特征，开裂荷载、峰值荷载及峰值位移显著提高；荷载达峰值荷载80%左右和峰值荷载时，试件表面最大裂缝宽度仅为0.09 mm和0.25 mm，表现出优良的多缝开裂和裂缝控制能力。HSME加固RC短柱荷载-位移曲线属于偏态的单峰曲线，包含弹性、裂缝发展、最大荷载和承载力下降四个阶段。随着ECC抗压强度和横向不锈钢绞线配筋率增大，HSME加固柱开裂荷载和峰值荷载均明显增大；增大RC柱配筋率和混凝土强度可提高加固柱峰值荷载和延性。
2022, 39(5): 2318-2328.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210809.001
摘要:
钢筋-玻璃纤维增强树脂复合材料 (GFRP)筋增强混凝土 (RC) 梁设计结合了钢筋和GFRP筋的优点，可以提高构件承载力，同时改善纯纤维增强复合材料 (FRP) 筋构件使用性能存在的问题，但是关于其疲劳性能的研究十分有限。因此，本论文进行了7根钢筋-GFRP筋增强RC梁的疲劳试验，研究参数包括疲劳荷载幅、有效配筋率、配筋面积比。结果表明，钢筋-GFRP筋增强RC梁疲劳破坏始于钢筋的疲劳断裂，钢筋疲劳断口光滑平整，显著区别于静力拉伸破坏断口。疲劳加载过程中，截面平截面假定仍然满足。疲劳荷载幅对疲劳寿命有显著影响，随着疲劳荷载幅的增大，梁中钢筋、GFRP筋和混凝土应力和应力幅均随之增大，疲劳寿命减小。增大有效配筋率，跨中挠度和最大裂缝宽度均减小，正常使用性能改善。配筋面积比(Af/As)的增加不利于构件抵抗疲劳荷载，Af/As由0.25增大到2.0，疲劳寿命从36.6万次降低到8.3万次。对比了各种疲劳挠度计算公式，CEB-FIP 2010规范的预测结果较好，误差范围在7%以内，推荐作为钢筋-GFRP筋增强RC梁疲劳挠度的计算公式。
钢筋-玻璃纤维增强树脂复合材料 (GFRP)筋增强混凝土 (RC) 梁设计结合了钢筋和GFRP筋的优点，可以提高构件承载力，同时改善纯纤维增强复合材料 (FRP) 筋构件使用性能存在的问题，但是关于其疲劳性能的研究十分有限。因此，本论文进行了7根钢筋-GFRP筋增强RC梁的疲劳试验，研究参数包括疲劳荷载幅、有效配筋率、配筋面积比。结果表明，钢筋-GFRP筋增强RC梁疲劳破坏始于钢筋的疲劳断裂，钢筋疲劳断口光滑平整，显著区别于静力拉伸破坏断口。疲劳加载过程中，截面平截面假定仍然满足。疲劳荷载幅对疲劳寿命有显著影响，随着疲劳荷载幅的增大，梁中钢筋、GFRP筋和混凝土应力和应力幅均随之增大，疲劳寿命减小。增大有效配筋率，跨中挠度和最大裂缝宽度均减小，正常使用性能改善。配筋面积比(Af/As)的增加不利于构件抵抗疲劳荷载，Af/As由0.25增大到2.0，疲劳寿命从36.6万次降低到8.3万次。对比了各种疲劳挠度计算公式，CEB-FIP 2010规范的预测结果较好，误差范围在7%以内，推荐作为钢筋-GFRP筋增强RC梁疲劳挠度的计算公式。
2022, 39(5): 2329-2339.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210622.005
摘要:
碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢板时，往往只将CFRP粘贴于钢板的局部，容易遭受由于试件偏心和搭接边缘应力集中所产生的剥离应力的影响，而粘贴方式采用全覆盖时能大幅度减小剥离应力。开展了30个CFRP全覆盖胶粘加固带缺陷钢板的轴向拉伸试验，并设置了单向防剥离夹具，研究了胶粘剂类型、缺陷长度和碳纤维板厚度对加固效果及破坏模式的影响。结果表明：CFRP板加固效果显著，试件的抗拉强度明显提高；不同胶粘剂对试件的破坏模式影响较大，由HJY胶制作的试件主要为被粘物的破坏，而SIKA30胶及WSB胶均出现了胶粘剂/钢脱粘的现象；而随着缺陷长度的增加，破坏模式有明显的变化，由CFRP板破坏变为CFRP板、钢板破坏或胶粘剂/钢脱粘，而试件的抗拉强度受胶粘剂类型影响较小，受缺陷的大小影响较大，当缺陷增大时，试件的抗拉强度明显降低；基于内聚力模型对静力力学试验进行了数值模拟；通过有限元分析得知，胶粘剂的破坏是先由缺陷附近破坏，再扩展至两端；而增加CFRP板的厚度能显著提高试件的抗拉强度。
碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢板时，往往只将CFRP粘贴于钢板的局部，容易遭受由于试件偏心和搭接边缘应力集中所产生的剥离应力的影响，而粘贴方式采用全覆盖时能大幅度减小剥离应力。开展了30个CFRP全覆盖胶粘加固带缺陷钢板的轴向拉伸试验，并设置了单向防剥离夹具，研究了胶粘剂类型、缺陷长度和碳纤维板厚度对加固效果及破坏模式的影响。结果表明：CFRP板加固效果显著，试件的抗拉强度明显提高；不同胶粘剂对试件的破坏模式影响较大，由HJY胶制作的试件主要为被粘物的破坏，而SIKA30胶及WSB胶均出现了胶粘剂/钢脱粘的现象；而随着缺陷长度的增加，破坏模式有明显的变化，由CFRP板破坏变为CFRP板、钢板破坏或胶粘剂/钢脱粘，而试件的抗拉强度受胶粘剂类型影响较小，受缺陷的大小影响较大，当缺陷增大时，试件的抗拉强度明显降低；基于内聚力模型对静力力学试验进行了数值模拟；通过有限元分析得知，胶粘剂的破坏是先由缺陷附近破坏，再扩展至两端；而增加CFRP板的厚度能显著提高试件的抗拉强度。
2022, 39(5): 2340-2355.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210716.005
摘要:
多壁碳纳米管(MWCNTs)对水泥基材料可起到增强增韧的作用。但MWCNTs易在水泥浆体中团聚，目前国内外对如何深化氧化石墨烯(GO)在水泥浆体中分散MWCNTs的报道较为罕见。采用吸光度试验考察了木质素磺酸钠(MN)存在时，GO对MWCNTs在模拟水泥水化孔隙液的饱和氢氧化钙溶液(CH)中分散性能的影响，并研究了GO对MWCNTs掺配砂浆力学性能、电热性能、电阻率及压敏性的影响。吸光度测试表明MN、GO、MWCNTs质量比为3∶1∶9时，MWCNTs分散达到最佳，力学性能测试表明当MWCNTs、GO最佳掺量分别为0.45wt%、0.05wt%时，28天抗折抗压强度比相同MWCNTs掺量的试件分别提高了27.3%、20.9%，电阻率降低了18.2%，电阻变化率提高了72.6%。微观结构测试表明GO能进一步促进MWCNTs在水泥基材料中分散，促进水泥水化进程，密实了水泥石结构，对MWCNT掺配砂浆强度有协同增长作用，提高了压敏性能。本研究采用GO分散MWCNT的方法可扩展到其他碳基纳米增强剂，并为发展自感知智能化水泥基材料提供了一种新的途径。
多壁碳纳米管(MWCNTs)对水泥基材料可起到增强增韧的作用。但MWCNTs易在水泥浆体中团聚，目前国内外对如何深化氧化石墨烯(GO)在水泥浆体中分散MWCNTs的报道较为罕见。采用吸光度试验考察了木质素磺酸钠(MN)存在时，GO对MWCNTs在模拟水泥水化孔隙液的饱和氢氧化钙溶液(CH)中分散性能的影响，并研究了GO对MWCNTs掺配砂浆力学性能、电热性能、电阻率及压敏性的影响。吸光度测试表明MN、GO、MWCNTs质量比为3∶1∶9时，MWCNTs分散达到最佳，力学性能测试表明当MWCNTs、GO最佳掺量分别为0.45wt%、0.05wt%时，28天抗折抗压强度比相同MWCNTs掺量的试件分别提高了27.3%、20.9%，电阻率降低了18.2%，电阻变化率提高了72.6%。微观结构测试表明GO能进一步促进MWCNTs在水泥基材料中分散，促进水泥水化进程，密实了水泥石结构，对MWCNT掺配砂浆强度有协同增长作用，提高了压敏性能。本研究采用GO分散MWCNT的方法可扩展到其他碳基纳米增强剂，并为发展自感知智能化水泥基材料提供了一种新的途径。
2022, 39(5): 2356-2368.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210622.002
摘要:
为了研究冻融循环后的聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料在冻结状态下的抗压服役情况，设计了冻结聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料抗压试验，先对试样进行0~300次的冻融循环，冻融循环试验后在−18℃的持续低温环境下对试样进行抗压试验，分析试样的抗压应力-应变关系及影响机制。在此基础上，结合等效应力原理和统计损伤理论，建立了冻结状态聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料抗压本构模型，讨论了损伤变量随冻融循环次数的演化特征。结果表明：随着冻融循环次数的增加，冻结状态下聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料的抗压峰值强度降低，峰值应变增加，极限破坏时脆性特征显著，高冻融循环次数下试样的弹性模量主要由试样中的孔隙冰来提供。建立的模型可以较好地预测实际经受冻融循环作用后的聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料在冻结状态下的抗压应力-应变关系，冻融损伤变量和总损伤变量与冻融次数有显著相关性。
为了研究冻融循环后的聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料在冻结状态下的抗压服役情况，设计了冻结聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料抗压试验，先对试样进行0~300次的冻融循环，冻融循环试验后在−18℃的持续低温环境下对试样进行抗压试验，分析试样的抗压应力-应变关系及影响机制。在此基础上，结合等效应力原理和统计损伤理论，建立了冻结状态聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料抗压本构模型，讨论了损伤变量随冻融循环次数的演化特征。结果表明：随着冻融循环次数的增加，冻结状态下聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料的抗压峰值强度降低，峰值应变增加，极限破坏时脆性特征显著，高冻融循环次数下试样的弹性模量主要由试样中的孔隙冰来提供。建立的模型可以较好地预测实际经受冻融循环作用后的聚乙烯醇纤维/水泥基复合材料在冻结状态下的抗压应力-应变关系，冻融损伤变量和总损伤变量与冻融次数有显著相关性。
2022, 39(5): 2369-2377.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210608.002
摘要:
以煅烧后的自来水厂污泥粉 (CWTS) 取代部分水泥制备大掺量污泥粉混凝土，研究了大掺量 CWTS对于混凝土强度、孔结构和纳米力学性能的影响。结果表明：尽管大掺量CWTS不利于混凝土的28天抗压强度发展，但是20wt%和40wt%的CWTS能够增强混凝土的90天抗压强度；由于CWTS的火山灰活性和填充作用，掺有20wt%~40wt%CWTS的混凝土90天孔结构被明显细化，大于1 µm的孔隙含量明显减少；同时，从纳米尺度特征中观察到掺加20wt%CWTS能够明显降低基体中孔隙相和未水化相含量，并提高C—S—H相的体积分数，特别是高密度C—S—H相；此外，掺加20wt%的CWTS能够使界面过渡区(ITZ)宽度相对降低20%，并且掺加40wt%CWTS的实验组与对照组 (0wt%CWTS) 具有相似的ITZ宽度。由此可见，使用大掺量 (20wt%~40wt%) CWTS取代水泥制备混凝土，不仅具备较好的经济和环境效应，也有益于其90天力学性能和微结构的改善。
以煅烧后的自来水厂污泥粉 (CWTS) 取代部分水泥制备大掺量污泥粉混凝土，研究了大掺量 CWTS对于混凝土强度、孔结构和纳米力学性能的影响。结果表明：尽管大掺量CWTS不利于混凝土的28天抗压强度发展，但是20wt%和40wt%的CWTS能够增强混凝土的90天抗压强度；由于CWTS的火山灰活性和填充作用，掺有20wt%~40wt%CWTS的混凝土90天孔结构被明显细化，大于1 µm的孔隙含量明显减少；同时，从纳米尺度特征中观察到掺加20wt%CWTS能够明显降低基体中孔隙相和未水化相含量，并提高C—S—H相的体积分数，特别是高密度C—S—H相；此外，掺加20wt%的CWTS能够使界面过渡区(ITZ)宽度相对降低20%，并且掺加40wt%CWTS的实验组与对照组 (0wt%CWTS) 具有相似的ITZ宽度。由此可见，使用大掺量 (20wt%~40wt%) CWTS取代水泥制备混凝土，不仅具备较好的经济和环境效应，也有益于其90天力学性能和微结构的改善。
2022, 39(5): 2378-2386.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210730.002
摘要:
在高速飞行的过程中飞行器温度急速上升，飞行器舱段间的密封材料不仅要具有优异的耐高温性能，同时要具有较低的导热系数辅助参与阻隔舱段间的热量传递，并且要具有优异的力学性能使其不被破坏。以中空陶瓷微球为骨料，加入酚醛树脂及磷酸盐固化体系制备有机/无机杂化耐高温韧性复合材料，并对复合材料进行高温处理，研究复合材料在高温处理前后的变化。通过力学性能测试、SEM观察以及XRD和FT-IR测试对复合材料高温处理前后的抗压强度、压缩形变能力、微观结构以及组分变化进行表征，并通过火焰燃烧对复合材料耐高温性能进行测试。结果表明，所制备的复合材料具有较高的抗压强度以及优异的韧性，1000℃高温处理600 s复合材料的宏观形貌未受到影响，具有较高的热稳定性。导热系数测试结果表明，中空陶瓷微珠含量的增加、酚醛树脂的添加以及高温处理均会导致复合材料导热系数降低，最低的导热系数低至0.16 W/(m·K)。
在高速飞行的过程中飞行器温度急速上升，飞行器舱段间的密封材料不仅要具有优异的耐高温性能，同时要具有较低的导热系数辅助参与阻隔舱段间的热量传递，并且要具有优异的力学性能使其不被破坏。以中空陶瓷微球为骨料，加入酚醛树脂及磷酸盐固化体系制备有机/无机杂化耐高温韧性复合材料，并对复合材料进行高温处理，研究复合材料在高温处理前后的变化。通过力学性能测试、SEM观察以及XRD和FT-IR测试对复合材料高温处理前后的抗压强度、压缩形变能力、微观结构以及组分变化进行表征，并通过火焰燃烧对复合材料耐高温性能进行测试。结果表明，所制备的复合材料具有较高的抗压强度以及优异的韧性，1000℃高温处理600 s复合材料的宏观形貌未受到影响，具有较高的热稳定性。导热系数测试结果表明，中空陶瓷微珠含量的增加、酚醛树脂的添加以及高温处理均会导致复合材料导热系数降低，最低的导热系数低至0.16 W/(m·K)。
2022, 39(5): 2387-2397.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210629.003
摘要:
本文通过二维平纹编织C/SiC复合材料的准静态单轴拉伸试验的数字图像相关(DIC)技术分析，研究损伤与应变的关系及最大应变处与断裂位置的关系。通过对材料的孔隙分析及断口分析，探究材料在损伤演化过程中内部结构的变化。结果表明，拉伸载荷作用下，材料的应变并不均匀。而层与层间损伤差异及相互影响导致最大应变位置一直变化。随着损伤的不断累积，最大应变位置处先发生断裂；材料的断裂失效位置往往与其结构薄弱程度及应力应变水平密切相关；断裂瞬间，多重拔出机制及各层结构差异性导致层与层的失效位置不同，造成分层失效。
本文通过二维平纹编织C/SiC复合材料的准静态单轴拉伸试验的数字图像相关(DIC)技术分析，研究损伤与应变的关系及最大应变处与断裂位置的关系。通过对材料的孔隙分析及断口分析，探究材料在损伤演化过程中内部结构的变化。结果表明，拉伸载荷作用下，材料的应变并不均匀。而层与层间损伤差异及相互影响导致最大应变位置一直变化。随着损伤的不断累积，最大应变位置处先发生断裂；材料的断裂失效位置往往与其结构薄弱程度及应力应变水平密切相关；断裂瞬间，多重拔出机制及各层结构差异性导致层与层的失效位置不同，造成分层失效。
2022, 39(5): 2398-2404.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210615.002
摘要:
玻纤滤材具有过滤精度高和纳污量大等优点，但其耐折和耐压性能较差，需要与非织造布复合以提高其加工性和使用寿命，但传统的上胶复合工艺容易造成玻纤复合滤材透气性下降。将热熔胶树脂颗粒通过熔喷技术以超细纤维形式均匀负载到纺粘布上，进一步利用热轧复合技术与玻纤滤材复合，得到了剥离强力高、透气性基本不变的玻纤/纺粘复合滤材。通过对比复合玻纤滤材的剥离强度和透气性变化，发现超细纤维负载量对复合滤材的性能影响最大，当负载量为8 g/m2时，复合滤材剥离强度即可达到要求，对透气性也不会造成明显影响。综合考虑产品性能与生产实际，建立了最佳复合工艺为上胶量8 g/m2、辊间距0.3 mm、热轧温度120℃、热轧速度15 m/min，在此工艺下玻纤滤材和纺粘布间达到了较好的粘合效果，且复合滤材透气性变化较小。
玻纤滤材具有过滤精度高和纳污量大等优点，但其耐折和耐压性能较差，需要与非织造布复合以提高其加工性和使用寿命，但传统的上胶复合工艺容易造成玻纤复合滤材透气性下降。将热熔胶树脂颗粒通过熔喷技术以超细纤维形式均匀负载到纺粘布上，进一步利用热轧复合技术与玻纤滤材复合，得到了剥离强力高、透气性基本不变的玻纤/纺粘复合滤材。通过对比复合玻纤滤材的剥离强度和透气性变化，发现超细纤维负载量对复合滤材的性能影响最大，当负载量为8 g/m2时，复合滤材剥离强度即可达到要求，对透气性也不会造成明显影响。综合考虑产品性能与生产实际，建立了最佳复合工艺为上胶量8 g/m2、辊间距0.3 mm、热轧温度120℃、热轧速度15 m/min，在此工艺下玻纤滤材和纺粘布间达到了较好的粘合效果，且复合滤材透气性变化较小。
2022, 39(5): 2405-2411.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210805.004
摘要:
为了制备性能优异的高熵硼化物陶瓷，通过硼热/碳热还原法与放电等离子烧结技术 (SPS) 结合制备(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Ti0.2Me0.2)B2(Me=V, W) 高熵硼化物陶瓷，研究V和W对高熵硼化物陶瓷物相组成、形貌和力学性能的影响。结果表明，在1600℃合成的(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Ti0.2Me0.2)B2(Me=V, W)高熵硼化物粉末均未形成单相固溶体，经2000℃烧结后(Hf0.2Zr0.2Ta0.2V0.2Ti0.2)B2形成了完全固溶体，但是(Hf0.2Zr0.2Ta0.2W0.2Ti0.2)B2样品中还检测到WB相。(Hf0.2Zr0.2Ta0.2V0.2Ti0.2)B2样品致密度(93.1%)低于(Hf0.2Zr0.2Ta0.2W0.2Ti0.2)B2(96.7%)，但其晶粒尺寸显著小于(Hf0.2Zr0.2Ta0.2W0.2Ti0.2)B2。(Hf0.2Zr0.2Ta0.2W0.2Ti0.2)B2具有较高的硬度(24.0 GPa)，但断裂韧性低于 (Hf0.2Zr0.2Ta0.2V0.2Ti0.2)B2(3.32 MPa·m1/2)。
为了制备性能优异的高熵硼化物陶瓷，通过硼热/碳热还原法与放电等离子烧结技术 (SPS) 结合制备(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Ti0.2Me0.2)B2(Me=V, W) 高熵硼化物陶瓷，研究V和W对高熵硼化物陶瓷物相组成、形貌和力学性能的影响。结果表明，在1600℃合成的(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Ti0.2Me0.2)B2(Me=V, W)高熵硼化物粉末均未形成单相固溶体，经2000℃烧结后(Hf0.2Zr0.2Ta0.2V0.2Ti0.2)B2形成了完全固溶体，但是(Hf0.2Zr0.2Ta0.2W0.2Ti0.2)B2样品中还检测到WB相。(Hf0.2Zr0.2Ta0.2V0.2Ti0.2)B2样品致密度(93.1%)低于(Hf0.2Zr0.2Ta0.2W0.2Ti0.2)B2(96.7%)，但其晶粒尺寸显著小于(Hf0.2Zr0.2Ta0.2W0.2Ti0.2)B2。(Hf0.2Zr0.2Ta0.2W0.2Ti0.2)B2具有较高的硬度(24.0 GPa)，但断裂韧性低于 (Hf0.2Zr0.2Ta0.2V0.2Ti0.2)B2(3.32 MPa·m1/2)。
2022, 39(5): 2412-2420.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210616.004
摘要:
为获得满足高温合金单晶叶片熔模精密铸造用高性能陶瓷型芯，本论文采用超声振动和机械搅拌将短切碳纤维(Csf)均匀分散在SiO2基陶瓷浆料中，通过压注法制备型芯生坯并分别在空气和氮气中烧结。观察并分析升温过程中型芯的组织演变及物相转化规律，揭示两种气氛下Csf增强型芯的烧结致密化行为。结果表明，立体互锁Csf网络可以增加陶瓷颗粒之间传质距离，在提供碳源生成原位SiC晶体的同时影响方石英析晶，进而抑制高温下固相的扩散和迁移以及液相的黏性流动。在两种烧结气氛下，随Csf含量的增加，硅基陶瓷型芯的气孔率逐渐上升，收缩率逐渐下降。当Csf含量为1.5vol%时，空气和氮气气氛烧结试样获得的开气孔率最大值为42.95%、39.50%，而最低的收缩率分别为0.64%、0.48%，证实了Csf及高熔点晶体对型芯烧结的致密化行为影响显著。
为获得满足高温合金单晶叶片熔模精密铸造用高性能陶瓷型芯，本论文采用超声振动和机械搅拌将短切碳纤维(Csf)均匀分散在SiO2基陶瓷浆料中，通过压注法制备型芯生坯并分别在空气和氮气中烧结。观察并分析升温过程中型芯的组织演变及物相转化规律，揭示两种气氛下Csf增强型芯的烧结致密化行为。结果表明，立体互锁Csf网络可以增加陶瓷颗粒之间传质距离，在提供碳源生成原位SiC晶体的同时影响方石英析晶，进而抑制高温下固相的扩散和迁移以及液相的黏性流动。在两种烧结气氛下，随Csf含量的增加，硅基陶瓷型芯的气孔率逐渐上升，收缩率逐渐下降。当Csf含量为1.5vol%时，空气和氮气气氛烧结试样获得的开气孔率最大值为42.95%、39.50%，而最低的收缩率分别为0.64%、0.48%，证实了Csf及高熔点晶体对型芯烧结的致密化行为影响显著。
2022, 39(5): 2421-2429.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210609.005
摘要:
水合盐相变储热材料普遍存在的过冷和相分离现象是影响其热稳定性和热性能的关键问题。以中低温水合盐相变储热材料MgCl2∙6H2O(MCH)和MgSO4∙7H2O(MSH)为研究对象，以活性炭(ACC)为添加剂，采用熔融共混法制备了MCH-MSH-ACC混合体系，并以石蜡(PA)为调节剂，制备了MCH-MSH-ACC/PA复合材料相变体系。研究了PA对复合相变体系的相变焓、相变温度、过冷度及相分离的影响。结果表明：微量PA的添加有助于提升MSH-MCH-ACC/PA体系的相变储热性能，和其他PA含量体系相比较，PA含量为0.5wt%的体系在储热阶段所需时间最短，而放热阶段持续时间最长，其初始相变焓值可达到321.75 kJ/kg，循环试验后相变焓稳定在310.25 kJ/kg。所制备的新型共混MSH-MCH-3wt%ACC/0.5wt%PA复合相变体系具有良好的储热性能和循环稳定性能。
水合盐相变储热材料普遍存在的过冷和相分离现象是影响其热稳定性和热性能的关键问题。以中低温水合盐相变储热材料MgCl2∙6H2O(MCH)和MgSO4∙7H2O(MSH)为研究对象，以活性炭(ACC)为添加剂，采用熔融共混法制备了MCH-MSH-ACC混合体系，并以石蜡(PA)为调节剂，制备了MCH-MSH-ACC/PA复合材料相变体系。研究了PA对复合相变体系的相变焓、相变温度、过冷度及相分离的影响。结果表明：微量PA的添加有助于提升MSH-MCH-ACC/PA体系的相变储热性能，和其他PA含量体系相比较，PA含量为0.5wt%的体系在储热阶段所需时间最短，而放热阶段持续时间最长，其初始相变焓值可达到321.75 kJ/kg，循环试验后相变焓稳定在310.25 kJ/kg。所制备的新型共混MSH-MCH-3wt%ACC/0.5wt%PA复合相变体系具有良好的储热性能和循环稳定性能。
2022, 39(5): 2430-2440.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210604.001
摘要:
相较于传统直线铺层设计的复合材料筒壳结构，变刚度复合材料筒壳结构通过曲线纤维路径铺层，可以极大地增加复合材料的设计空间，进而获得更优的抗屈曲能力。为了准确描述曲线纤维路径，需要针对变刚度复合材料筒壳建立精细有限元模型，因此对屈曲分析和优化效率带来了较大的挑战。本论文以变刚度复合材料筒壳结构的线性屈曲及后屈曲承载力快速预测为目标，提出了一种变保真度迁移学习模型的构建方法。首先，针对变刚度复合材料筒壳结构建立合适的高保真度、低保真度模型；然后，基于大量低保真度样本数据作为源域样本集建立并训练深度神经网络，得到预训练模型；最后，以少量高保真度样本数据作为目标域样本集对最后一层神经网络参数进行微调，训练得到变保真度迁移学习模型。变刚度复合材料筒壳线性屈曲和后屈曲算例结果表明，在达到相同的预测精度水平时，变保真度迁移学习模型比直接采用高保真度样本数据构建的代理模型分别节约了47.7%和62.3%的计算成本，验证了提出方法的高效率优势。同时，与基于桥函数构建的变保真度代理模型和Co-Kriging进行比较，所提出方法在不同高保真度、低保真度样本数据组合下均具有更优精度，验证了提出方法的高精度优势。
相较于传统直线铺层设计的复合材料筒壳结构，变刚度复合材料筒壳结构通过曲线纤维路径铺层，可以极大地增加复合材料的设计空间，进而获得更优的抗屈曲能力。为了准确描述曲线纤维路径，需要针对变刚度复合材料筒壳建立精细有限元模型，因此对屈曲分析和优化效率带来了较大的挑战。本论文以变刚度复合材料筒壳结构的线性屈曲及后屈曲承载力快速预测为目标，提出了一种变保真度迁移学习模型的构建方法。首先，针对变刚度复合材料筒壳结构建立合适的高保真度、低保真度模型；然后，基于大量低保真度样本数据作为源域样本集建立并训练深度神经网络，得到预训练模型；最后，以少量高保真度样本数据作为目标域样本集对最后一层神经网络参数进行微调，训练得到变保真度迁移学习模型。变刚度复合材料筒壳线性屈曲和后屈曲算例结果表明，在达到相同的预测精度水平时，变保真度迁移学习模型比直接采用高保真度样本数据构建的代理模型分别节约了47.7%和62.3%的计算成本，验证了提出方法的高效率优势。同时，与基于桥函数构建的变保真度代理模型和Co-Kriging进行比较，所提出方法在不同高保真度、低保真度样本数据组合下均具有更优精度，验证了提出方法的高精度优势。
2022, 39(5): 2441-2448.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210604.003
摘要:
针对传统基于模型的硅泡沫材料长时使用寿命评估方法存在的物理模型解释性差、预测精度不高等问题，本文提出了一种双指数粒子滤波模型的剩余寿命预测方法。选取硅泡沫结构的载荷保持率作为特征量，基于硅泡沫材料的应力松弛失效机制，建立了更具解释性的双指数应力退化模型。首先利用最小二乘法对观测数据进行拟合，初始化模型参数和健康状态，然后通过贝叶斯理论对历史样本进行状态跟踪建模，更新状态传递函数，实现载荷保持率退化趋势预测和剩余寿命评估。通过仿真和实验验证了双指数粒子滤波模型预测硅泡沫材料剩余寿命的泛化适用性和准确性，同时与传统指数模型预测结果进行了对比，结果表明本文所提方法预测精度和稳定性更优。
针对传统基于模型的硅泡沫材料长时使用寿命评估方法存在的物理模型解释性差、预测精度不高等问题，本文提出了一种双指数粒子滤波模型的剩余寿命预测方法。选取硅泡沫结构的载荷保持率作为特征量，基于硅泡沫材料的应力松弛失效机制，建立了更具解释性的双指数应力退化模型。首先利用最小二乘法对观测数据进行拟合，初始化模型参数和健康状态，然后通过贝叶斯理论对历史样本进行状态跟踪建模，更新状态传递函数，实现载荷保持率退化趋势预测和剩余寿命评估。通过仿真和实验验证了双指数粒子滤波模型预测硅泡沫材料剩余寿命的泛化适用性和准确性，同时与传统指数模型预测结果进行了对比，结果表明本文所提方法预测精度和稳定性更优。
2022, 39(5): 2449-2459.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210616.007
摘要:
复合材料干涉连接结构由于能够显著降低孔周应力集中，提高结构承载能力和疲劳寿命，而成为一种先进的连接形式。但是由于复合材料层间强度低的特点，不合理的干涉螺栓连接结构形式、尺寸以及安装方式很容易引起孔壁分层，降低结构承载能力。针对该问题，本论文提出了一种基于衬套螺栓的干涉连接结构，并对该结构开展了安装过程中承载机制的试验和有限元研究。试验中测量了插钉力变化和孔壁损伤情况，有限元模型中充分考虑了层内损伤和层间分层因素，建立了基于复合材料渐进损伤和内聚力单元的损伤预测模型。通过干涉量为2.2%的衬套螺栓安装过程中的插钉力和损伤的有限元模型与试验结果对比分析发现，二者拟合度良好，证明模型的准确性。通过不同干涉量下的分层情况对比分析以及临界干涉量求解，解释了衬套螺栓提高孔壁质量的原因并提出了可靠干涉量范围。
复合材料干涉连接结构由于能够显著降低孔周应力集中，提高结构承载能力和疲劳寿命，而成为一种先进的连接形式。但是由于复合材料层间强度低的特点，不合理的干涉螺栓连接结构形式、尺寸以及安装方式很容易引起孔壁分层，降低结构承载能力。针对该问题，本论文提出了一种基于衬套螺栓的干涉连接结构，并对该结构开展了安装过程中承载机制的试验和有限元研究。试验中测量了插钉力变化和孔壁损伤情况，有限元模型中充分考虑了层内损伤和层间分层因素，建立了基于复合材料渐进损伤和内聚力单元的损伤预测模型。通过干涉量为2.2%的衬套螺栓安装过程中的插钉力和损伤的有限元模型与试验结果对比分析发现，二者拟合度良好，证明模型的准确性。通过不同干涉量下的分层情况对比分析以及临界干涉量求解，解释了衬套螺栓提高孔壁质量的原因并提出了可靠干涉量范围。
2022, 39(5): 2460-2469.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210617.005
摘要:
准确预测和控制变刚度结构的固化变形是合理进行变刚度设计的关键环节，复合材料结构的固化变形不仅会影响结构的刚度强度特性、同时会对结构的装配性能产生影响。基于自动铺放技术，提出面向过程的丝束-路径-面板多级三维变刚度有限元模型算法。结合Kamal自催化固化动力学模型和广义Maxwell黏弹性本构模型进行热-化学-力多场耦合分析，计算固化过程中结构内部温度场、固化度场和残余应力场的变化，最终得到变刚度层合板的固化变形特性。通过参数化分析，研究了自动铺放过程中轨迹控制参数T0、T1和覆盖法则对结构固化变形产生的影响。研究结果表明：T0=45°时，当T1<T0变刚度结构的固化变形随着T1的增大而增大，当T1>T0，变刚度结构的固化变形随着\begin{document}$ {T_1}$\end{document} ![]()
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准确预测和控制变刚度结构的固化变形是合理进行变刚度设计的关键环节，复合材料结构的固化变形不仅会影响结构的刚度强度特性、同时会对结构的装配性能产生影响。基于自动铺放技术，提出面向过程的丝束-路径-面板多级三维变刚度有限元模型算法。结合Kamal自催化固化动力学模型和广义Maxwell黏弹性本构模型进行热-化学-力多场耦合分析，计算固化过程中结构内部温度场、固化度场和残余应力场的变化，最终得到变刚度层合板的固化变形特性。通过参数化分析，研究了自动铺放过程中轨迹控制参数T0、T1和覆盖法则对结构固化变形产生的影响。研究结果表明：T0=45°时，当T1<T0变刚度结构的固化变形随着T1的增大而增大，当T1>T0，变刚度结构的固化变形随着
2022, 39(5): 2470-2481.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210601.005
摘要:
通过非等温差示扫描量热法，结合黏度测试和傅里叶红外光谱分析，研究了不同超声波振动条件下环氧树脂体系的固化特性。基于Flynn-Wall-Ozawa/FWO、Kissinger-Akahira-Sunose/KAS和Boswell积分型动力学模型，计算了不同超声波振动下环氧树脂体系的活化能。结合Malek最大概然函数法，得到了超声振动下树脂体系的固化反应动力学方程，并与实测固化度对比进行了验证。研究表明，超声振动振幅越大，树脂体系黏度降低越明显，较小的超声波振幅振动下树脂体系活化能增大，而振幅增大后活化能有明显的降低。固化物的红外光谱分析表明，随着超声振幅的增大，羟基吸收峰减弱，表明超声效应加速了胺基加成反应或者羟基醚化反应。超声振动条件下的树脂固化反应模型符合自催化模型形式，但超声振动并不能改变树脂体系的固化反应机制。以上研究结果对设计和优化碳纤维增强树脂复合材料超声振动辅助树脂传递模塑成型(RTM)工艺具有一定的指导意义。
通过非等温差示扫描量热法，结合黏度测试和傅里叶红外光谱分析，研究了不同超声波振动条件下环氧树脂体系的固化特性。基于Flynn-Wall-Ozawa/FWO、Kissinger-Akahira-Sunose/KAS和Boswell积分型动力学模型，计算了不同超声波振动下环氧树脂体系的活化能。结合Malek最大概然函数法，得到了超声振动下树脂体系的固化反应动力学方程，并与实测固化度对比进行了验证。研究表明，超声振动振幅越大，树脂体系黏度降低越明显，较小的超声波振幅振动下树脂体系活化能增大，而振幅增大后活化能有明显的降低。固化物的红外光谱分析表明，随着超声振幅的增大，羟基吸收峰减弱，表明超声效应加速了胺基加成反应或者羟基醚化反应。超声振动条件下的树脂固化反应模型符合自催化模型形式，但超声振动并不能改变树脂体系的固化反应机制。以上研究结果对设计和优化碳纤维增强树脂复合材料超声振动辅助树脂传递模塑成型(RTM)工艺具有一定的指导意义。
2022, 39(5): 2482-2494.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210630.001
摘要:
建立了一个同时考虑复合材料非线性力学响应、应变率效应和损伤累积导致材料属性退化的弹塑性三维损伤本构模型。采用改进的塑性力学模型表征材料在动态荷载下的非线性力学行为。为准确预测复合材料在动态荷载下的弹塑性力学响应，引入了率相关放大系数对准静态下的塑性强化函数进行修正。采用“断裂带模型”对已开发的本构模型软化段进行规则化，以减轻有限元分析结果的网格敏感性。采用分区反抛物线插值法对基体损伤初始断裂面角度及纤维扭结/劈裂平面角度进行求解。开发包含数值积分算法的用户材料自定义子程序VUMAT，并嵌于有限元程序ABAQUS V6.14中，对力学行为展现显著非线性力学效应和应变率效应的IM7/8552碳纤维/环氧树脂复合材料层合板进行了渐进失效分析，验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示，预测结果与已报道的试验结果吻合良好，表明已建立的率相关三维弹塑性损伤本构模型能准确预测此类复合材料层合板的在动态荷载下的力学行为，为复合材料构件及其结构设计提供了一种有效的分析方法。
建立了一个同时考虑复合材料非线性力学响应、应变率效应和损伤累积导致材料属性退化的弹塑性三维损伤本构模型。采用改进的塑性力学模型表征材料在动态荷载下的非线性力学行为。为准确预测复合材料在动态荷载下的弹塑性力学响应，引入了率相关放大系数对准静态下的塑性强化函数进行修正。采用“断裂带模型”对已开发的本构模型软化段进行规则化，以减轻有限元分析结果的网格敏感性。采用分区反抛物线插值法对基体损伤初始断裂面角度及纤维扭结/劈裂平面角度进行求解。开发包含数值积分算法的用户材料自定义子程序VUMAT，并嵌于有限元程序ABAQUS V6.14中，对力学行为展现显著非线性力学效应和应变率效应的IM7/8552碳纤维/环氧树脂复合材料层合板进行了渐进失效分析，验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示，预测结果与已报道的试验结果吻合良好，表明已建立的率相关三维弹塑性损伤本构模型能准确预测此类复合材料层合板的在动态荷载下的力学行为，为复合材料构件及其结构设计提供了一种有效的分析方法。
2022, 39(5): 2495-2503.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210616.006
摘要:
采用非平衡分子动力学(NEMD)方法，以二元硝酸盐Solar salt(NaNO3和KNO3质量比为6∶4) 为基体，石墨烯为填料，研究了石墨烯取向对石墨烯/硝酸盐复合材料界面热导的影响。研究发现，随着石墨烯平面与热流方向夹角的减小，体系热流密度升高、温差下降，界面热导从46.36 MW·m−2·K−1提升至80.03 MW·m−2·K−1。对复合材料中的原子振动态密度和微观结构进行表征，结果发现，随着石墨烯与热流夹角减小，界面处的热流从跨石墨烯平面运输转变为沿石墨烯平面的高效率运输，且加入石墨烯后硝酸盐会形成密度较大的致密层结构。同时，采用有效介质理论拟合了微观尺寸的石墨烯/硝酸盐复合材料热导率，结果表明，石墨烯平行于热流方向时复合材料热导率最高，且增加石墨烯体积分数及长度均有助于复合材料热导率的增强。
采用非平衡分子动力学(NEMD)方法，以二元硝酸盐Solar salt(NaNO3和KNO3质量比为6∶4) 为基体，石墨烯为填料，研究了石墨烯取向对石墨烯/硝酸盐复合材料界面热导的影响。研究发现，随着石墨烯平面与热流方向夹角的减小，体系热流密度升高、温差下降，界面热导从46.36 MW·m−2·K−1提升至80.03 MW·m−2·K−1。对复合材料中的原子振动态密度和微观结构进行表征，结果发现，随着石墨烯与热流夹角减小，界面处的热流从跨石墨烯平面运输转变为沿石墨烯平面的高效率运输，且加入石墨烯后硝酸盐会形成密度较大的致密层结构。同时，采用有效介质理论拟合了微观尺寸的石墨烯/硝酸盐复合材料热导率，结果表明，石墨烯平行于热流方向时复合材料热导率最高，且增加石墨烯体积分数及长度均有助于复合材料热导率的增强。
2022, 39(5): 2504-2514.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210622.004
摘要:
纤维增强复合材料层合板由于层间力学性能弱，容易出现分层损伤。分层的扩展往往伴随着纤维桥联效应，纤维桥联能显著增大层合板尤其是多向层合板分层扩展的阻力。考虑纤维桥联效应的三线性内聚力模型能表征分层扩展实验中断裂韧性的“R曲线”特征，比传统的双线性模型能更为准确地描述复合材料的分层扩展行为。本论文基于三线性内聚力模型，对含圆形分层复合材料层合板的轴向压缩进行数值模拟，探讨纤维桥联效应对分层扩展及后屈曲行为的影响规律。研究结果发现，纤维桥联对层合板的屈曲载荷影响较小；混合屈曲模式下，三线性模型预测的上下子板相对法向位移明显低于双线性模型；相同分层深度下，三线性模型预测的层合板后屈曲更早转变为整体屈曲模式。随着分层深度的增加，层合板的屈曲模式由局部屈曲逐步过渡为混合屈曲和整体屈曲；当分层深度较浅时，I型分层扩展占主导；随着分层深度的增加，I型分层逐渐减弱，而II型和III型分层扩展则显著增强；当分层接近板中面时，I型分层停止扩展，以II型及III型分层为主。
纤维增强复合材料层合板由于层间力学性能弱，容易出现分层损伤。分层的扩展往往伴随着纤维桥联效应，纤维桥联能显著增大层合板尤其是多向层合板分层扩展的阻力。考虑纤维桥联效应的三线性内聚力模型能表征分层扩展实验中断裂韧性的“R曲线”特征，比传统的双线性模型能更为准确地描述复合材料的分层扩展行为。本论文基于三线性内聚力模型，对含圆形分层复合材料层合板的轴向压缩进行数值模拟，探讨纤维桥联效应对分层扩展及后屈曲行为的影响规律。研究结果发现，纤维桥联对层合板的屈曲载荷影响较小；混合屈曲模式下，三线性模型预测的上下子板相对法向位移明显低于双线性模型；相同分层深度下，三线性模型预测的层合板后屈曲更早转变为整体屈曲模式。随着分层深度的增加，层合板的屈曲模式由局部屈曲逐步过渡为混合屈曲和整体屈曲；当分层深度较浅时，I型分层扩展占主导；随着分层深度的增加，I型分层逐渐减弱，而II型和III型分层扩展则显著增强；当分层接近板中面时，I型分层停止扩展，以II型及III型分层为主。
