持续攀升 2022年 第39卷 第7期
2022, 39(7): 3029-3043.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220325.004
摘要:
先进树脂基复合材料技术是空天往返飞行器轻量化结构系统设计与研制的重要基础支撑。本文首先阐述了国外空天往返飞行器用先进树脂基复合材料类型及性能，典型轻质复合材料结构制造工艺应用及发展情况，然后介绍了世界主要国家空天往返飞行器的复合材料结构研制应用进展情况，包括美国X系列飞行器、日本HOPE-X空天飞行器的复合材料应用情况，最后介绍了飞行器复合材料结构的技术发展趋势。
先进树脂基复合材料技术是空天往返飞行器轻量化结构系统设计与研制的重要基础支撑。本文首先阐述了国外空天往返飞行器用先进树脂基复合材料类型及性能，典型轻质复合材料结构制造工艺应用及发展情况，然后介绍了世界主要国家空天往返飞行器的复合材料结构研制应用进展情况，包括美国X系列飞行器、日本HOPE-X空天飞行器的复合材料应用情况，最后介绍了飞行器复合材料结构的技术发展趋势。
2022, 39(7): 3044-3058.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220228.001
摘要:
面芯界面性能是复合材料夹芯结构发挥其力学/多功能优势的关键，热塑性树脂具有可熔融再造的特点，使热塑性复合材料夹芯结构(TPCSS)可在不引入新材料的前提下，形成连续可靠的面芯界面。对近年来热塑性复合材料夹芯结构熔融连接研究进展进行了梳理，总结了常见构型与所用材料，重点归纳了主要的熔融连接方法，包括热板焊接、模压成型、连续热压、面芯共编和增材制造等。基于国内外研究和应用现状，展望了熔融连接热塑性复合材料夹芯结构的未来发展趋势和应用前景。
面芯界面性能是复合材料夹芯结构发挥其力学/多功能优势的关键，热塑性树脂具有可熔融再造的特点，使热塑性复合材料夹芯结构(TPCSS)可在不引入新材料的前提下，形成连续可靠的面芯界面。对近年来热塑性复合材料夹芯结构熔融连接研究进展进行了梳理，总结了常见构型与所用材料，重点归纳了主要的熔融连接方法，包括热板焊接、模压成型、连续热压、面芯共编和增材制造等。基于国内外研究和应用现状，展望了熔融连接热塑性复合材料夹芯结构的未来发展趋势和应用前景。
2022, 39(7): 3059-3083.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220321.001
摘要:
木质素是自然界中储量最大的可再生芳香生物质资源，其大分子是由苯丙烷结构单元(愈创木基、紫丁香基和对羟基苯基)通过醚键和碳-碳键连接聚合而成，具有天然的生物活性、亲疏水性、纳米尺度的可调节性、分子结构设计的灵活性以及生物相容性等特点。围绕木质素的分子结构特性，重点综述了近年来国内外在木质素功能材料方面的研究成果与进展。首先从木质素化学组成和分布等角度探讨了木质素的分子结构特性；然后从基于原生木质素结构特点的直接功能应用、基于木质素分子结构调控的材料创制和应用以及基于木质素碳材料的开发和应用三个方面出发，系统讨论了木质素功能材料的研究现状和亟需突破的瓶颈；最后，简述了木质素在其他领域的应用进展，并展望了木质素功能应用工作中的重点以及未来的发展方向。
木质素是自然界中储量最大的可再生芳香生物质资源，其大分子是由苯丙烷结构单元(愈创木基、紫丁香基和对羟基苯基)通过醚键和碳-碳键连接聚合而成，具有天然的生物活性、亲疏水性、纳米尺度的可调节性、分子结构设计的灵活性以及生物相容性等特点。围绕木质素的分子结构特性，重点综述了近年来国内外在木质素功能材料方面的研究成果与进展。首先从木质素化学组成和分布等角度探讨了木质素的分子结构特性；然后从基于原生木质素结构特点的直接功能应用、基于木质素分子结构调控的材料创制和应用以及基于木质素碳材料的开发和应用三个方面出发，系统讨论了木质素功能材料的研究现状和亟需突破的瓶颈；最后，简述了木质素在其他领域的应用进展，并展望了木质素功能应用工作中的重点以及未来的发展方向。
2022, 39(7): 3084-3103.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220301.001
摘要:
凝胶(水凝胶与气凝胶)是一种具有多孔结构的三维材料，其在诸多领域具有广泛应用。纤维素的可降解性及生物相容性等特性使其在凝胶材料设计中备受关注，前景巨大。纤维素及其衍生物通常可通过溶解或在水溶液中均匀分散形成稳定的体系，再经适当交联制成水凝胶。纤维素气凝胶一般是由水凝胶经超临界干燥或冷冻干燥处理制得。系统总结了纤维素基水凝胶的制备方式及机制，分析了气凝胶不同的干燥制备方式对其形态结构的影响，并重点讨论了纤维素基凝胶材料在环境保护、生物医学、能源存储等领域的应用进展，最后指出了该领域研究存在的问题并进行了展望。
凝胶(水凝胶与气凝胶)是一种具有多孔结构的三维材料，其在诸多领域具有广泛应用。纤维素的可降解性及生物相容性等特性使其在凝胶材料设计中备受关注，前景巨大。纤维素及其衍生物通常可通过溶解或在水溶液中均匀分散形成稳定的体系，再经适当交联制成水凝胶。纤维素气凝胶一般是由水凝胶经超临界干燥或冷冻干燥处理制得。系统总结了纤维素基水凝胶的制备方式及机制，分析了气凝胶不同的干燥制备方式对其形态结构的影响，并重点讨论了纤维素基凝胶材料在环境保护、生物医学、能源存储等领域的应用进展，最后指出了该领域研究存在的问题并进行了展望。
2022, 39(7): 3104-3120.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210919.001
摘要:
石墨烯量子点(GQDs)因其优异的光学性质和生物相容性而受到了广泛的关注。通过改性可以改变其表面结构共轭体系，调节电子空穴对分离速率、光学带隙和发光特性，进而拓宽其在生物成像、化学传感和光催化等方面的应用。简单介绍了GQDs的制备方法，包括自上而下法和自下而上法；重点综述了不同元素掺杂GQDs的方式和效果、基于表面官能团的接枝改性以及构筑GQDs与其他半导体的复合材料等内容；并总结了石墨烯量子点复合材料在生物成像、荧光传感和光催化等相关领域的应用；最后从制备方法、机制探究、性能调控及应用效果等方面对GQDs未来的研究方向进行了展望。
石墨烯量子点(GQDs)因其优异的光学性质和生物相容性而受到了广泛的关注。通过改性可以改变其表面结构共轭体系，调节电子空穴对分离速率、光学带隙和发光特性，进而拓宽其在生物成像、化学传感和光催化等方面的应用。简单介绍了GQDs的制备方法，包括自上而下法和自下而上法；重点综述了不同元素掺杂GQDs的方式和效果、基于表面官能团的接枝改性以及构筑GQDs与其他半导体的复合材料等内容；并总结了石墨烯量子点复合材料在生物成像、荧光传感和光催化等相关领域的应用；最后从制备方法、机制探究、性能调控及应用效果等方面对GQDs未来的研究方向进行了展望。
2022, 39(7): 3121-3130.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220314.001
摘要:
纤维素具有来源广泛、绿色可再生、生物相容性好等诸多优点，但是纤维素由于热塑性能差、亲水性过强及机械强度不足等问题难以作为单一材料应用于生产生活中。从纤维素材料的增塑改性、疏水改性与增强改性三方面出发，对现阶段国内外开展的纤维素改性研究工作的进展进行了论述与分析，并对纤维素基材料的未来研究方向和研究重点进行了展望。
纤维素具有来源广泛、绿色可再生、生物相容性好等诸多优点，但是纤维素由于热塑性能差、亲水性过强及机械强度不足等问题难以作为单一材料应用于生产生活中。从纤维素材料的增塑改性、疏水改性与增强改性三方面出发，对现阶段国内外开展的纤维素改性研究工作的进展进行了论述与分析，并对纤维素基材料的未来研究方向和研究重点进行了展望。
2022, 39(7): 3131-3143.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210906.001
摘要:
制备具有垂直方向高导热、低压缩应力松弛的柔性导热复合材料，并将其应用于大功率电子元器件的导热垫片，对大幅度提升电子器件垂直散热能力具有重要的意义。本文基于冰模板法设计了自下而上垂直定向排列的导热网络来实现高热导率。首先，利用多巴胺改性的羟基化氮化硼纳米片并负载银纳米颗粒(BNNS@PDA/Ag)作为杂化导热填料，再与纤维素纳米纤维(Cellulose nanofiber，CNF)进行复合，采用半导体制冷台为冷源进行定向冷冻，对冷冻后的样品进行冷冻干燥形成气凝胶，再真空浇筑聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)后制得具有高导热和低应力松弛的BNNS@PDA/Ag-PDMS导热垫片。结果表明，理论松弛时间损失随着银纳米颗粒(Ag NPs)含量的提升先减小后增大，气凝胶质量分数达到19.7wt%时，在20%的形变下，3wt%Ag NPs含量对应的导热垫片的理论松弛时间达到32204 s，导热垫片的垂直方向热导率达到3.23 W/(m·K)。利用冰模板法可以制备具有高度取向的垂直填料导热网络，在导热垫片领域具有很好的应用前景。
制备具有垂直方向高导热、低压缩应力松弛的柔性导热复合材料，并将其应用于大功率电子元器件的导热垫片，对大幅度提升电子器件垂直散热能力具有重要的意义。本文基于冰模板法设计了自下而上垂直定向排列的导热网络来实现高热导率。首先，利用多巴胺改性的羟基化氮化硼纳米片并负载银纳米颗粒(BNNS@PDA/Ag)作为杂化导热填料，再与纤维素纳米纤维(Cellulose nanofiber，CNF)进行复合，采用半导体制冷台为冷源进行定向冷冻，对冷冻后的样品进行冷冻干燥形成气凝胶，再真空浇筑聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)后制得具有高导热和低应力松弛的BNNS@PDA/Ag-PDMS导热垫片。结果表明，理论松弛时间损失随着银纳米颗粒(Ag NPs)含量的提升先减小后增大，气凝胶质量分数达到19.7wt%时，在20%的形变下，3wt%Ag NPs含量对应的导热垫片的理论松弛时间达到32204 s，导热垫片的垂直方向热导率达到3.23 W/(m·K)。利用冰模板法可以制备具有高度取向的垂直填料导热网络，在导热垫片领域具有很好的应用前景。
2022, 39(7): 3144-3155.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210820.003
摘要:
二维编织碳纤维增强树脂复合材料的铺层展开质量对铺覆过程和产品质量有直接且显著的影响。本文针对二维编织碳纤维增强树脂复合材料铺层展开问题进行了研究，建立复合材料材料、随体和全局坐标系，并基于连续介质理论根据坐标系间的转换关系构建了非正交各向异性本构模型；完成了二维编织碳纤维增强树脂复合材料力学性能试验，包括测量复合材料拉伸性能的单向拉伸试验和测量剪切性能的镜框剪切试验；开发了二维编织碳纤维增强树脂复合材料一步法铺层展开算法并基于FORTRAN语言编写了自主可控的一步法铺层展开求解器。计算了口盖零件展开构型，展开构型轮廓线与实验结果分布趋势相同且最大误差仅为5.0 mm，相对误差仅为1.9%；剪切角计算结果与实验分布趋势一致且最大误差仅为4°，验证了一步法铺层展开算法和求解器的有效性。
二维编织碳纤维增强树脂复合材料的铺层展开质量对铺覆过程和产品质量有直接且显著的影响。本文针对二维编织碳纤维增强树脂复合材料铺层展开问题进行了研究，建立复合材料材料、随体和全局坐标系，并基于连续介质理论根据坐标系间的转换关系构建了非正交各向异性本构模型；完成了二维编织碳纤维增强树脂复合材料力学性能试验，包括测量复合材料拉伸性能的单向拉伸试验和测量剪切性能的镜框剪切试验；开发了二维编织碳纤维增强树脂复合材料一步法铺层展开算法并基于FORTRAN语言编写了自主可控的一步法铺层展开求解器。计算了口盖零件展开构型，展开构型轮廓线与实验结果分布趋势相同且最大误差仅为5.0 mm，相对误差仅为1.9%；剪切角计算结果与实验分布趋势一致且最大误差仅为4°，验证了一步法铺层展开算法和求解器的有效性。
2022, 39(7): 3156-3166.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210916.006
摘要:
聚合物的填充改性及共混改性是通用塑料高性能化的重要方法。界面相容性是聚合物改性通常遇到的问题，如何提高复合材料界面相容性以及探索界面相容性和泊松比相关性仍然是聚合物改性重要的话题。采用固相法制备三元单体接枝聚丙烯(GPP)，与玻璃纤维和聚丙烯共混制备聚丙烯-玻璃纤维(PP-GF)复合材料。采用视频引伸计、差示扫描量热法、扫描电镜、红外光谱、动态流变测试、万能拉力试验等分析测试方法表征复合材料的结构与性能。结果表明，GPP的加入提高PP-GF复合材料界面强度。随着GPP增加，储能模量(G')和损耗模量(G'')都在增加，G'增加的幅度大于G''，因此复合材料体系表现出弹性行为要明显大于粘性行为。添加7wt%GPP的PP-GF复合材料力学性能最佳，通过Cole-Cole曲线得到了验证。红外光谱和扫描电镜结果表明，GPP和玻璃纤维形成了界面层，改善了树脂与玻璃纤维界面相容性，提高了玻璃纤维在聚丙烯中应力传递。GPP作为PP-GF复合材料提高界面相容性改性剂，PP-GF复合材料拉伸时形成了更大的横向应变，且泊松比变小，提高了复合材料的力学性能。
聚合物的填充改性及共混改性是通用塑料高性能化的重要方法。界面相容性是聚合物改性通常遇到的问题，如何提高复合材料界面相容性以及探索界面相容性和泊松比相关性仍然是聚合物改性重要的话题。采用固相法制备三元单体接枝聚丙烯(GPP)，与玻璃纤维和聚丙烯共混制备聚丙烯-玻璃纤维(PP-GF)复合材料。采用视频引伸计、差示扫描量热法、扫描电镜、红外光谱、动态流变测试、万能拉力试验等分析测试方法表征复合材料的结构与性能。结果表明，GPP的加入提高PP-GF复合材料界面强度。随着GPP增加，储能模量(G')和损耗模量(G'')都在增加，G'增加的幅度大于G''，因此复合材料体系表现出弹性行为要明显大于粘性行为。添加7wt%GPP的PP-GF复合材料力学性能最佳，通过Cole-Cole曲线得到了验证。红外光谱和扫描电镜结果表明，GPP和玻璃纤维形成了界面层，改善了树脂与玻璃纤维界面相容性，提高了玻璃纤维在聚丙烯中应力传递。GPP作为PP-GF复合材料提高界面相容性改性剂，PP-GF复合材料拉伸时形成了更大的横向应变，且泊松比变小，提高了复合材料的力学性能。
2022, 39(7): 3167-3177.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210914.001
摘要:
采用树脂传递模塑 (Resin transfer molding，RTM)工艺方法制备了三维角联锁机织铺层复合材料，着重探讨了单层厚度对复合材料拉伸性能以及失效机制的影响。结果表明，复合材料的拉伸强度随着单层厚度的增大而显著增加，纤维体积含量相同时单层厚度对拉伸模量影响较小；在拉伸断裂过程中，各层断裂不同步，单层厚度的增加会加深各单层之间破坏应变的差异；失效试样分层现象显著，单层内未出现明显裂纹，经纱脆性断裂显著，层间伴随着大量基体碎屑，失效模式主要涵盖了纤维断裂和抽拔、界面脱黏、基体开裂以及分层。
采用树脂传递模塑 (Resin transfer molding，RTM)工艺方法制备了三维角联锁机织铺层复合材料，着重探讨了单层厚度对复合材料拉伸性能以及失效机制的影响。结果表明，复合材料的拉伸强度随着单层厚度的增大而显著增加，纤维体积含量相同时单层厚度对拉伸模量影响较小；在拉伸断裂过程中，各层断裂不同步，单层厚度的增加会加深各单层之间破坏应变的差异；失效试样分层现象显著，单层内未出现明显裂纹，经纱脆性断裂显著，层间伴随着大量基体碎屑，失效模式主要涵盖了纤维断裂和抽拔、界面脱黏、基体开裂以及分层。
2022, 39(7): 3178-3190.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210804.004
摘要:
利用球磨法制备了纳米黑磷(BP)与羟基锡酸锌(ZHS)复合的纳米复合阻燃剂ZHS-BP，将ZHS-BP通过熔融共混方式添加到聚丙烯(PP)中，研究了复合材料的热稳定性、燃烧性能和力学性能。结果表明BP和ZHS的加入都可以提高PP的热解残炭。仅添加2wt% BP可以使PP材料的极限氧指数由19.7%提高至23.8%，同时，BP的添加可以有效降低PP材料燃烧时的热释放速率峰值(PHRR)和总热释放量(THR)，对比纯PP分别降低32.52%和17.80%。但是，BP的添加会导致PP有毒烟气释放的增加，通过引入ZHS作为抑烟剂，制备了ZHS-BP/PP复合材料，其烟气平均比消光面积 (av-SEA) 和CO释放较BP/PP分别降低了15.42%和29.76%。材料的力学性能测试表明，加入单一的BP或ZHS会降低PP的力学性能，而ZHS-BP复合体系的加入可以有效提高复合材料的力学性能。与BP/PP相比，ZHS-BP/PP复合材料的拉伸强度和断裂拉伸率分别提高了12.51%和4.04%。
利用球磨法制备了纳米黑磷(BP)与羟基锡酸锌(ZHS)复合的纳米复合阻燃剂ZHS-BP，将ZHS-BP通过熔融共混方式添加到聚丙烯(PP)中，研究了复合材料的热稳定性、燃烧性能和力学性能。结果表明BP和ZHS的加入都可以提高PP的热解残炭。仅添加2wt% BP可以使PP材料的极限氧指数由19.7%提高至23.8%，同时，BP的添加可以有效降低PP材料燃烧时的热释放速率峰值(PHRR)和总热释放量(THR)，对比纯PP分别降低32.52%和17.80%。但是，BP的添加会导致PP有毒烟气释放的增加，通过引入ZHS作为抑烟剂，制备了ZHS-BP/PP复合材料，其烟气平均比消光面积 (av-SEA) 和CO释放较BP/PP分别降低了15.42%和29.76%。材料的力学性能测试表明，加入单一的BP或ZHS会降低PP的力学性能，而ZHS-BP复合体系的加入可以有效提高复合材料的力学性能。与BP/PP相比，ZHS-BP/PP复合材料的拉伸强度和断裂拉伸率分别提高了12.51%和4.04%。
2022, 39(7): 3191-3201.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210831.002
摘要:
以T300碳纤维为增强纤维材料，环氧树脂为树脂基体，采用树脂膜熔渗(Resin film infusion，RFI)工艺制备碳纤维三轴机织物/环氧树脂(Triaxial woven fabric/epoxy resin，TWF/EP)复合材料。通过三点弯曲试验和拉伸试验研究了复合材料试样的面内弯曲性能和面内拉伸性能，采用3D轮廓仪观察拉伸试验后试样的损伤形貌，并分析其损伤机制。研究结果表明：TWF/EP复合材料的弯曲弹性模量表现为准各向同性，复合材料的孔洞率、碳纤维束规格与弯曲弹性模量呈现显著正相关性，与拉伸模量呈现负相关性。在拉伸载荷作用下，TWF/EP复合材料的主要失效模式包括纤维束断裂、纤维束拔出和交错失效，拉伸断裂机制主要为纯剪切破坏、扭转剪切破坏、拉剪耦合破坏。此外，在渐进损伤过程中，应变集中区发生在纱线交织点处。
以T300碳纤维为增强纤维材料，环氧树脂为树脂基体，采用树脂膜熔渗(Resin film infusion，RFI)工艺制备碳纤维三轴机织物/环氧树脂(Triaxial woven fabric/epoxy resin，TWF/EP)复合材料。通过三点弯曲试验和拉伸试验研究了复合材料试样的面内弯曲性能和面内拉伸性能，采用3D轮廓仪观察拉伸试验后试样的损伤形貌，并分析其损伤机制。研究结果表明：TWF/EP复合材料的弯曲弹性模量表现为准各向同性，复合材料的孔洞率、碳纤维束规格与弯曲弹性模量呈现显著正相关性，与拉伸模量呈现负相关性。在拉伸载荷作用下，TWF/EP复合材料的主要失效模式包括纤维束断裂、纤维束拔出和交错失效，拉伸断裂机制主要为纯剪切破坏、扭转剪切破坏、拉剪耦合破坏。此外，在渐进损伤过程中，应变集中区发生在纱线交织点处。
2022, 39(7): 3202-3211.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210909.008
摘要:
碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板在航天、汽车等领域应用广泛，使用中难免遇到低速冲击事件(生产使用过程中工具坠落等)产生安全隐患，分层破坏是其受到低速冲击后的主要损伤形式，会严重影响复合材料层合板的强度和使用寿命。为提高其抗冲击性能，通过短纤维增韧的方式探究超高分子量聚乙烯短纤维的铺层数量和铺层位置对复合材料层合板低速冲击性能的影响。研究结果表明：添加6层短纤维的复合材料层合板最大载荷由3.19 kN增加到4.86 kN，吸收能量由18.27 J增加到28.89 J，分别提高了52.3%和58.12%。冲击后剩余强度明显提高，两层短纤维铺层增韧方式的复合材料层合板冲击后剩余强度最大，为164.73 MPa，相比原样提高95%。超高分子量聚乙烯短纤维加入后复合材料层合板的冲击损伤阻抗提高，冲击后的凹痕深度下降，并且抗分层能力提升。其增韧机制是断裂面表面能增加，冲击使部分纤维被拔出，出现纤维桥联现象，拔出的纤维会降低分层前沿的应力集中，增大分层扩展的阻力，使分层破坏在扩展过程中需要消耗更多的能量，有效阻碍了裂纹的传播。
碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板在航天、汽车等领域应用广泛，使用中难免遇到低速冲击事件(生产使用过程中工具坠落等)产生安全隐患，分层破坏是其受到低速冲击后的主要损伤形式，会严重影响复合材料层合板的强度和使用寿命。为提高其抗冲击性能，通过短纤维增韧的方式探究超高分子量聚乙烯短纤维的铺层数量和铺层位置对复合材料层合板低速冲击性能的影响。研究结果表明：添加6层短纤维的复合材料层合板最大载荷由3.19 kN增加到4.86 kN，吸收能量由18.27 J增加到28.89 J，分别提高了52.3%和58.12%。冲击后剩余强度明显提高，两层短纤维铺层增韧方式的复合材料层合板冲击后剩余强度最大，为164.73 MPa，相比原样提高95%。超高分子量聚乙烯短纤维加入后复合材料层合板的冲击损伤阻抗提高，冲击后的凹痕深度下降，并且抗分层能力提升。其增韧机制是断裂面表面能增加，冲击使部分纤维被拔出，出现纤维桥联现象，拔出的纤维会降低分层前沿的应力集中，增大分层扩展的阻力，使分层破坏在扩展过程中需要消耗更多的能量，有效阻碍了裂纹的传播。
2022, 39(7): 3212-3223.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210911.001
摘要:
引起植入体无菌松动的主要原因是植入体与骨组织之间的微动磨损。通过层叠法制备了碳纤维(CF)增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料，在模拟体温37℃、模拟体液(SBF)润滑条件下，探究CF/PEEK复合材料的基本力学性能和截面微动摩擦学性能。通过改变法向载荷和位移幅值，建立了摩擦力(Ft)-位移幅值(D)曲线、微动运行工况图和摩擦系数曲线，通过三维白光干涉仪、扫描电子显微镜(SEM)对CF/PEEK复合材料进行磨损机制探究。结果表明：随着法向载荷的减少和位移幅值的增加，微动由部分滑移区、混合区向滑移区转变。摩擦系数曲线整体较为平稳，摩擦系数随着法向载荷的增加而降低，随着位移幅值的增加而增加，磨损体积随着载荷和位移幅值的增加而增加。且CF/PEEK复合材料截面也有较好的微动性能，磨损机制主要为磨粒磨损和疲劳磨损。通过对复合材料截面摩擦学特性分析，为CF/PEEK复合材料替代金属植入体提供一定的理论基础。
引起植入体无菌松动的主要原因是植入体与骨组织之间的微动磨损。通过层叠法制备了碳纤维(CF)增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料，在模拟体温37℃、模拟体液(SBF)润滑条件下，探究CF/PEEK复合材料的基本力学性能和截面微动摩擦学性能。通过改变法向载荷和位移幅值，建立了摩擦力(Ft)-位移幅值(D)曲线、微动运行工况图和摩擦系数曲线，通过三维白光干涉仪、扫描电子显微镜(SEM)对CF/PEEK复合材料进行磨损机制探究。结果表明：随着法向载荷的减少和位移幅值的增加，微动由部分滑移区、混合区向滑移区转变。摩擦系数曲线整体较为平稳，摩擦系数随着法向载荷的增加而降低，随着位移幅值的增加而增加，磨损体积随着载荷和位移幅值的增加而增加。且CF/PEEK复合材料截面也有较好的微动性能，磨损机制主要为磨粒磨损和疲劳磨损。通过对复合材料截面摩擦学特性分析，为CF/PEEK复合材料替代金属植入体提供一定的理论基础。
2022, 39(7): 3224-3231.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211018.006
摘要:
环氧树脂质脆需要增韧才能满足应用要求，以天然原儿茶酸(Protocatechuic acid，PA)和环氧氯丙烷为原料，通过两步法反应合成原儿茶酸环氧树脂(PA-EP)，并将其作为特种环氧树脂用于双酚A环氧树脂(E-51)的改性研究。采用傅里叶红外光谱仪(FTIR)、核磁共振(1HNMR)、电位滴定仪和黏度仪对产物进行结构表征和性能测试。FTIR和1HNMR分析表明成功合成目标产物，环氧值为0.73 eq/100 g，25℃下黏度为43.2 Pa·s。力学性能分析表明，当PA-EP与E-51质量比为10%时，PA-EP/E-51固化物的力学性能最佳，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度比纯E-51分别提升了37.4%、17.2%和82.9%。冲击断面的扫描电子显微镜(SEM)结果表明，10%PA-EP/E-51固化物呈现良好的韧性断裂特征。动态机械分析(DMA)和热重分析(TG)结果表明，随着PA-EP含量的增加，固化物的玻璃化转变温度(Tg)由纯E-51的116.0℃提高到12.5%PA-EP/E-51的137.3℃，失重10%的温度和最大分解速率的温度都略微下降，但800℃残渣量由纯E-51的5.9%提高到12.5% PA-EP/E-51的9.8%。
环氧树脂质脆需要增韧才能满足应用要求，以天然原儿茶酸(Protocatechuic acid，PA)和环氧氯丙烷为原料，通过两步法反应合成原儿茶酸环氧树脂(PA-EP)，并将其作为特种环氧树脂用于双酚A环氧树脂(E-51)的改性研究。采用傅里叶红外光谱仪(FTIR)、核磁共振(1HNMR)、电位滴定仪和黏度仪对产物进行结构表征和性能测试。FTIR和1HNMR分析表明成功合成目标产物，环氧值为0.73 eq/100 g，25℃下黏度为43.2 Pa·s。力学性能分析表明，当PA-EP与E-51质量比为10%时，PA-EP/E-51固化物的力学性能最佳，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度比纯E-51分别提升了37.4%、17.2%和82.9%。冲击断面的扫描电子显微镜(SEM)结果表明，10%PA-EP/E-51固化物呈现良好的韧性断裂特征。动态机械分析(DMA)和热重分析(TG)结果表明，随着PA-EP含量的增加，固化物的玻璃化转变温度(Tg)由纯E-51的116.0℃提高到12.5%PA-EP/E-51的137.3℃，失重10%的温度和最大分解速率的温度都略微下降，但800℃残渣量由纯E-51的5.9%提高到12.5% PA-EP/E-51的9.8%。
2022, 39(7): 3232-3241.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210827.001
摘要:
以苯丙乳液、矿渣地聚物、导热石墨粉为原料，利用化学发泡原理制备出一种具有自流平、成膜固化快、高弹、高导热等特点的泡沫复合材料。详细研究了H2O2掺量、导热石墨粉掺量及其粒度分布对泡沫复合材料传热性能、材料力学性能及压缩变形性能的影响规律。研究结果表明，随H2O2掺量的增加，泡沫复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、压缩强度、导热系数均降低，弹性恢复率增加；随导热石墨粉掺量增加，拉伸强度先增加后降低，断裂伸长率降低，压缩强度增加，弹性恢复率小幅波动，导热系数增大；随导热石墨粉平均粒径增大，拉伸强度减小，压缩强度增大，导热系数先增大后减小；导热石墨粉的颗粒级配对其导热性具有重要影响，相比粗、细颗粒，适中的颗粒级配可使其形成更有效的导热网络获得更高导热系数。
以苯丙乳液、矿渣地聚物、导热石墨粉为原料，利用化学发泡原理制备出一种具有自流平、成膜固化快、高弹、高导热等特点的泡沫复合材料。详细研究了H2O2掺量、导热石墨粉掺量及其粒度分布对泡沫复合材料传热性能、材料力学性能及压缩变形性能的影响规律。研究结果表明，随H2O2掺量的增加，泡沫复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、压缩强度、导热系数均降低，弹性恢复率增加；随导热石墨粉掺量增加，拉伸强度先增加后降低，断裂伸长率降低，压缩强度增加，弹性恢复率小幅波动，导热系数增大；随导热石墨粉平均粒径增大，拉伸强度减小，压缩强度增大，导热系数先增大后减小；导热石墨粉的颗粒级配对其导热性具有重要影响，相比粗、细颗粒，适中的颗粒级配可使其形成更有效的导热网络获得更高导热系数。
2022, 39(7): 3242-3250.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210905.001
摘要:
自然生物体由于多级有序的结构、复杂的有机/无机界面相互作用使其具有优异的力学性能，而合成材料仅通过组分和结构的模拟通常无法实现强度、韧性、断裂伸长率的同步提升。基于此，本文通过静电自组装结合溶剂蒸发获得了蒙脱土-纤维素纳米晶/聚乙烯醇(MMT-PCNC/PVA)层状结构复合膜，利用TEM跟踪组装体的形成过程，结合FTIR图谱结果显示复合膜中存在静电、氢键等多重弱相互作用。系统研究了组装体中MMT与聚乙烯亚胺(PEI)修饰的PCNC之间的质量比例对PVA膜力学性能的影响。结果表明，相较纯的PVA膜，不同MMT、PCNC质量比例的组装体对PVA膜的力学性能均有提升作用。其中二者质量比例为1∶1、1∶2时最为明显，1MMT-1PCNC/PVA复合膜的拉伸强度提升了196%；1MMT-2PCNC/PVA复合膜的断裂伸长率、韧性分别提升了175%和900%。这些均得益于复合膜内部的弱相互作用，给应力的传递提供了有效的途径，同时引起裂纹偏转，达到消耗能量的目的，使其在拉伸强度提高的同时韧性也得到提升。
自然生物体由于多级有序的结构、复杂的有机/无机界面相互作用使其具有优异的力学性能，而合成材料仅通过组分和结构的模拟通常无法实现强度、韧性、断裂伸长率的同步提升。基于此，本文通过静电自组装结合溶剂蒸发获得了蒙脱土-纤维素纳米晶/聚乙烯醇(MMT-PCNC/PVA)层状结构复合膜，利用TEM跟踪组装体的形成过程，结合FTIR图谱结果显示复合膜中存在静电、氢键等多重弱相互作用。系统研究了组装体中MMT与聚乙烯亚胺(PEI)修饰的PCNC之间的质量比例对PVA膜力学性能的影响。结果表明，相较纯的PVA膜，不同MMT、PCNC质量比例的组装体对PVA膜的力学性能均有提升作用。其中二者质量比例为1∶1、1∶2时最为明显，1MMT-1PCNC/PVA复合膜的拉伸强度提升了196%；1MMT-2PCNC/PVA复合膜的断裂伸长率、韧性分别提升了175%和900%。这些均得益于复合膜内部的弱相互作用，给应力的传递提供了有效的途径，同时引起裂纹偏转，达到消耗能量的目的，使其在拉伸强度提高的同时韧性也得到提升。
2022, 39(7): 3251-3261.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211126.001
摘要:
为了制备兼具优异力学性能和电磁干扰屏蔽效能的结构功能一体化耐高温热塑性复合材料，对添加不同组分碳纳米管(CNT)的连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CF-CNT/PEEK)的力学性能、电导率以及电磁干扰屏蔽效能(EMI SE)进行了研究。考察用上浆后的CNT (SCNT)作为导电填料制备的SCF-SCNT/PEEK层合板力学性能、界面形貌和屏蔽效能，并与不进行表面修饰、仅活化的CNT (ACNT)的效果做对比实验。结果表明，适量的CNT会使CF/PEEK层合板的力学性能、电导率和EMI SE得到提高；SCNT比ACNT更容易在PEEK中均匀分散，且与SCF和PEEK的结合更好。所有样品中，仅添加1wt%SCNT的SCF-SCNT/PEEK层合板与不添加CNT的层合板相比，拉伸强度提高了20.8%，达到778 MPa；弯曲强度提高了25.9%，达到1684 MPa；电导率提升5倍，达到0.15 S/cm；电磁干扰屏蔽效能提升69.76%，平均值达到34.97 dB。
为了制备兼具优异力学性能和电磁干扰屏蔽效能的结构功能一体化耐高温热塑性复合材料，对添加不同组分碳纳米管(CNT)的连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CF-CNT/PEEK)的力学性能、电导率以及电磁干扰屏蔽效能(EMI SE)进行了研究。考察用上浆后的CNT (SCNT)作为导电填料制备的SCF-SCNT/PEEK层合板力学性能、界面形貌和屏蔽效能，并与不进行表面修饰、仅活化的CNT (ACNT)的效果做对比实验。结果表明，适量的CNT会使CF/PEEK层合板的力学性能、电导率和EMI SE得到提高；SCNT比ACNT更容易在PEEK中均匀分散，且与SCF和PEEK的结合更好。所有样品中，仅添加1wt%SCNT的SCF-SCNT/PEEK层合板与不添加CNT的层合板相比，拉伸强度提高了20.8%，达到778 MPa；弯曲强度提高了25.9%，达到1684 MPa；电导率提升5倍，达到0.15 S/cm；电磁干扰屏蔽效能提升69.76%，平均值达到34.97 dB。
2022, 39(7): 3262-3270.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210906.005
摘要:
环己烷选择性氧化生成的环己醇和环己酮是己内酰胺合成中的重要中间体，在尼龙生产中具有重要作用，但工业路线条件苛刻，效率低。温和条件下环己烷选择性氧化引起极大关注，而光催化在低温环境压力下的饱和C—H活化和氧化具有独特优势。本文采用水热法制备了一系列Bi2O3-TiO2复合催化剂，对其结构、形貌、光学与光电化学性质通过多种方法包括SEM、XRD、N2吸脱附、UV-Vis、光致发光光谱、瞬态光电流响应等进行详细表征。在室温、0.1 MPa氧气为氧化剂、500 W氙灯模拟太阳光条件下比较了纯TiO2、Bi2O3和Bi2O3-TiO2复合物对环己烷选择性氧化的催化性能，结果表明，复合Bi2O3后提高了TiO2的催化活性，其中9%Bi2O3-TiO2的活性最高，在反应条件下，转化率达13.32%；环己酮/醇总选择性为95.5%，其中环己酮的选择性为57.3%、环己醇的选择性为38.2%、酮醇比为1.5。表征结果证实复合催化剂具有更宽的光吸收频率范围，能有效促进光生电子-空穴分离；同时，比表面积表征也表明复合催化剂比表面积比TiO2和Bi2O3更高，有利于增加表面活性中心浓度。
环己烷选择性氧化生成的环己醇和环己酮是己内酰胺合成中的重要中间体，在尼龙生产中具有重要作用，但工业路线条件苛刻，效率低。温和条件下环己烷选择性氧化引起极大关注，而光催化在低温环境压力下的饱和C—H活化和氧化具有独特优势。本文采用水热法制备了一系列Bi2O3-TiO2复合催化剂，对其结构、形貌、光学与光电化学性质通过多种方法包括SEM、XRD、N2吸脱附、UV-Vis、光致发光光谱、瞬态光电流响应等进行详细表征。在室温、0.1 MPa氧气为氧化剂、500 W氙灯模拟太阳光条件下比较了纯TiO2、Bi2O3和Bi2O3-TiO2复合物对环己烷选择性氧化的催化性能，结果表明，复合Bi2O3后提高了TiO2的催化活性，其中9%Bi2O3-TiO2的活性最高，在反应条件下，转化率达13.32%；环己酮/醇总选择性为95.5%，其中环己酮的选择性为57.3%、环己醇的选择性为38.2%、酮醇比为1.5。表征结果证实复合催化剂具有更宽的光吸收频率范围，能有效促进光生电子-空穴分离；同时，比表面积表征也表明复合催化剂比表面积比TiO2和Bi2O3更高，有利于增加表面活性中心浓度。
2022, 39(7): 3271-3280.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210909.001
摘要:
针对太阳能转化应用，溴氧化铋(BiOBr)光催化性能优异，但其光热性能及应用有待研究开发。首先采用水热法制备了BiOBr纳米片粉末，然后利用硼氢化钠(NaBH4)对BiOBr粉末进行化学还原。样品表征结果显示，随着硼氢化钠浓度增加，致密的BiOBr纳米片首先转变为BiOBr/Bi复合多孔纳米片，然后转变为金属Bi多孔纳米片。金属Bi及多孔结构的形成有助于提升材料的光吸收性能及比表面积。经过20 g·L−1 NaBH4溶液还原得到的BiOBr/Bi多孔纳米片具有最优的光吸收性能和比表面积，且润湿性能优异。光热驱动水蒸发测试结果表明，20 g·L−1 NaBH4还原得到的BiOBr/Bi复合多孔纳米片具有最优的光热驱动水蒸发性能，水蒸发速率可达2.18 kg·m−2·h−1，为纯BiOBr纳米片的2倍。
针对太阳能转化应用，溴氧化铋(BiOBr)光催化性能优异，但其光热性能及应用有待研究开发。首先采用水热法制备了BiOBr纳米片粉末，然后利用硼氢化钠(NaBH4)对BiOBr粉末进行化学还原。样品表征结果显示，随着硼氢化钠浓度增加，致密的BiOBr纳米片首先转变为BiOBr/Bi复合多孔纳米片，然后转变为金属Bi多孔纳米片。金属Bi及多孔结构的形成有助于提升材料的光吸收性能及比表面积。经过20 g·L−1 NaBH4溶液还原得到的BiOBr/Bi多孔纳米片具有最优的光吸收性能和比表面积，且润湿性能优异。光热驱动水蒸发测试结果表明，20 g·L−1 NaBH4还原得到的BiOBr/Bi复合多孔纳米片具有最优的光热驱动水蒸发性能，水蒸发速率可达2.18 kg·m−2·h−1，为纯BiOBr纳米片的2倍。
2022, 39(7): 3281-3291.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211129.001
摘要:
为获得具有优异电化学性能的超级电容器电极材料，首先依次对实验合成的聚吡咯(PPy)纳米管进行碳化处理和活化处理来制备层级多孔碳纳米管(PCNTs)。然后用一步溶剂热法将9,10-菲醌(PQ)分子通过 π-π 堆积作用进一步修饰到PCNTs表面得到PQ分子非共价修饰的PCNTs复合材料(PQ/PCNTs)。不仅对合成的复合材料进行了形貌表征，而且还通过循环伏安法(CV)、恒电流充放电(GCD)和电化学阻抗谱(EIS)研究了具有不同PQ分子负载率的复合材料(PQ/PCNTs)的超级电容性能。实验结果表明：PQ分子与PCNTs质量比为5∶5的复合材料的电化学性能最好，在1 A∙g−1的电流密度下的比容量可以达到407.7 C∙g−1。同时复合材料表现出优异的倍率性能(电流密度为50 A∙g−1 时的比容量为307.3 C∙g−1)和循环稳定性能(在10 A∙g−1 电流密度下循环10,000次后电容保持率为91.4%)。为了进一步研究复合材料的实际应用性能，以
为获得具有优异电化学性能的超级电容器电极材料，首先依次对实验合成的聚吡咯(PPy)纳米管进行碳化处理和活化处理来制备层级多孔碳纳米管(PCNTs)。然后用一步溶剂热法将9,10-菲醌(PQ)分子通过 π-π 堆积作用进一步修饰到PCNTs表面得到PQ分子非共价修饰的PCNTs复合材料(PQ/PCNTs)。不仅对合成的复合材料进行了形貌表征，而且还通过循环伏安法(CV)、恒电流充放电(GCD)和电化学阻抗谱(EIS)研究了具有不同PQ分子负载率的复合材料(PQ/PCNTs)的超级电容性能。实验结果表明：PQ分子与PCNTs质量比为5∶5的复合材料的电化学性能最好，在1 A∙g−1的电流密度下的比容量可以达到407.7 C∙g−1。同时复合材料表现出优异的倍率性能(电流密度为50 A∙g−1 时的比容量为307.3 C∙g−1)和循环稳定性能(在10 A∙g−1 电流密度下循环10,000次后电容保持率为91.4%)。为了进一步研究复合材料的实际应用性能，以
2022, 39(7): 3292-3302.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210819.008
摘要:
为了提高单一磁性吸波材料的吸波性能，以聚乳酸(PLA)作为基体材料，将磁性材料羰基铁粉(CIP)与石墨烯(RGO)进行复合，制备RGO-CIP/PLA复合材料。通过TG、XRD等多种测试手段对复合材料的结构、形貌等进行表征。同时使用矢量网络分析仪对复合材料的电磁参数进行测试，计算出不同厚度的吸波性能，研究了RGO的添加量对RGO-CIP/PLA复合材料的吸波性能影响。结果表明：当RGO质量分数为4wt%，CIP质量分数为20wt%时，RGO-CIP/PLA复合材料吸波性能最优；吸收厚度为3 mm时，达到了−27.25 dB最小的RL值，同时其吸收带宽为2.922 GHz (7.227~10.149 GHz)。同时，随着其吸收厚度的增加，有效吸收带宽(RL＜−10 dB)会移动至较低的频带。
为了提高单一磁性吸波材料的吸波性能，以聚乳酸(PLA)作为基体材料，将磁性材料羰基铁粉(CIP)与石墨烯(RGO)进行复合，制备RGO-CIP/PLA复合材料。通过TG、XRD等多种测试手段对复合材料的结构、形貌等进行表征。同时使用矢量网络分析仪对复合材料的电磁参数进行测试，计算出不同厚度的吸波性能，研究了RGO的添加量对RGO-CIP/PLA复合材料的吸波性能影响。结果表明：当RGO质量分数为4wt%，CIP质量分数为20wt%时，RGO-CIP/PLA复合材料吸波性能最优；吸收厚度为3 mm时，达到了−27.25 dB最小的RL值，同时其吸收带宽为2.922 GHz (7.227~10.149 GHz)。同时，随着其吸收厚度的增加，有效吸收带宽(RL＜−10 dB)会移动至较低的频带。
2022, 39(7): 3303-3316.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210903.004
摘要:
发展轻量化、宽频带的微波吸收材料来应对严重的电磁污染是一个巨大的挑战。本文通过熔融沉积成形(FDM)工艺制备出石墨烯(GR)-铁镍合金(FeNi50)-聚乳酸(PLA)复合材料，采用XRD、Raman、SEM和矢量网络分析仪(VNA)对复合材料的物相结构、微观形貌和电磁性能进行表征分析，并讨论了GR-FeNi50质量比对复合材料吸波性能的影响。结果表明，与未添加GR的复合材料相比，复合材料内部形成了触发极化损耗的异质界面，并产生了丰富的褶皱和孔隙，从而增强了微波的多次反射和散射；随着GR-FeNi50质量比的增加，吸波性能先增强、后减弱，当GR-FeNi50质量比为4∶20时，吸波性能最佳，最小反射损耗达到−40.5 dB，有效吸收带宽为4.7 GHz(13.28~18 GHz)。其优异的吸波性能归因于良好的阻抗匹配和界面极化损耗、偶极极化损耗、电导损耗、磁损耗之间的协同作用。此外，与湿化学法制备的吸波材料相比，GR-FeNi50-PLA复合材料在环保、易加工和规模化生产方面具有优势。
发展轻量化、宽频带的微波吸收材料来应对严重的电磁污染是一个巨大的挑战。本文通过熔融沉积成形(FDM)工艺制备出石墨烯(GR)-铁镍合金(FeNi50)-聚乳酸(PLA)复合材料，采用XRD、Raman、SEM和矢量网络分析仪(VNA)对复合材料的物相结构、微观形貌和电磁性能进行表征分析，并讨论了GR-FeNi50质量比对复合材料吸波性能的影响。结果表明，与未添加GR的复合材料相比，复合材料内部形成了触发极化损耗的异质界面，并产生了丰富的褶皱和孔隙，从而增强了微波的多次反射和散射；随着GR-FeNi50质量比的增加，吸波性能先增强、后减弱，当GR-FeNi50质量比为4∶20时，吸波性能最佳，最小反射损耗达到−40.5 dB，有效吸收带宽为4.7 GHz(13.28~18 GHz)。其优异的吸波性能归因于良好的阻抗匹配和界面极化损耗、偶极极化损耗、电导损耗、磁损耗之间的协同作用。此外，与湿化学法制备的吸波材料相比，GR-FeNi50-PLA复合材料在环保、易加工和规模化生产方面具有优势。
2022, 39(7): 3317-3329.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210906.003
摘要:
为了采用一系列工艺对煤矸石进行提纯，采用硼氢化钠化学液相还原法制备了煤矸石负载的Fe/FeOx纳米颗粒(nFe/FeOx-Gangue)，用于吸附水中重金属离子Cd(II)。在均匀设计的基础上，考察了铁与煤矸石质量比、硼铁摩尔比、还原速度等因素对nFe/FeOx-Gangue的影响。采用XRD、TEM、BET和TGA-DSC对合成的样品进行了表征，发现Fe/FeOx纳米颗粒或独立存在于煤矸石表面，或串联成链吸附在矿物表面、尖锐的边缘和角缘，其中固定在粘土矿物表面的颗粒大部分呈球形，分散良好，偶有少量球状或块状聚集体。多个样品比对结果显示，铁与煤矸石质量比(g/g)应保持在1.6，合适的硼铁摩尔比为4或4.5。吸附结果显示，nFe/FeOx-Gangue对Cd(II)的去除效果在很大程度上取决于pH值，pH值为5，室温条件下接触10 min后，nFe/FeOx-Gangue对Cd(II)的去除率达83%，再生的nFe/FeOx-Gangue在5.0 mg/L溶液中连续第6次吸附Cd(II)效率达99.12%，煤矸石负载的Fe/FeOx纳米颗粒可应用于水中重金属离子的吸附。
为了采用一系列工艺对煤矸石进行提纯，采用硼氢化钠化学液相还原法制备了煤矸石负载的Fe/FeOx纳米颗粒(nFe/FeOx-Gangue)，用于吸附水中重金属离子Cd(II)。在均匀设计的基础上，考察了铁与煤矸石质量比、硼铁摩尔比、还原速度等因素对nFe/FeOx-Gangue的影响。采用XRD、TEM、BET和TGA-DSC对合成的样品进行了表征，发现Fe/FeOx纳米颗粒或独立存在于煤矸石表面，或串联成链吸附在矿物表面、尖锐的边缘和角缘，其中固定在粘土矿物表面的颗粒大部分呈球形，分散良好，偶有少量球状或块状聚集体。多个样品比对结果显示，铁与煤矸石质量比(g/g)应保持在1.6，合适的硼铁摩尔比为4或4.5。吸附结果显示，nFe/FeOx-Gangue对Cd(II)的去除效果在很大程度上取决于pH值，pH值为5，室温条件下接触10 min后，nFe/FeOx-Gangue对Cd(II)的去除率达83%，再生的nFe/FeOx-Gangue在5.0 mg/L溶液中连续第6次吸附Cd(II)效率达99.12%，煤矸石负载的Fe/FeOx纳米颗粒可应用于水中重金属离子的吸附。
2022, 39(7): 3330-3338.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210913.001
摘要:
石墨烯和六方氮化硼(h-BN)层状材料的垂直堆叠组成的范德瓦尔斯异质结构，是制造高质量石墨烯器件的理想模型。我们提出了一种新型压力传感器的结构，在Si/SiO2衬底上用石墨烯/h-BN异质结构作为压力敏感薄膜。通过分子动力学模拟的方法，从分子原子层面得到了石墨烯和石墨烯/ h-BN异质结构的应力-应变关系，发现单层石墨烯的弹性模量约为907 GPa，随着温度的升高，弹性模量数值会变小。进而分析了石墨烯/h-BN异质结构的力学特性和温度特性，得出异质结构的弹性模量为1343 GPa，异质结构的力学参数对温度的敏感性比石墨烯低。其次，根据密度泛函理论和CASTEP分析了石墨烯/h-BN异质结构键合时的能量变化以及三种不同构型的几何优化，得出AB型(一个碳在氮上，另一个在六方氮化硼的中心)为最优构型，带隙打开最大为3.803 eV。计算得到了此构型的能带结构与态密度。这些结果为石墨烯/h-BN异质结构压力传感器的设计与制作提供了一定的理论基础与依据。
石墨烯和六方氮化硼(h-BN)层状材料的垂直堆叠组成的范德瓦尔斯异质结构，是制造高质量石墨烯器件的理想模型。我们提出了一种新型压力传感器的结构，在Si/SiO2衬底上用石墨烯/h-BN异质结构作为压力敏感薄膜。通过分子动力学模拟的方法，从分子原子层面得到了石墨烯和石墨烯/ h-BN异质结构的应力-应变关系，发现单层石墨烯的弹性模量约为907 GPa，随着温度的升高，弹性模量数值会变小。进而分析了石墨烯/h-BN异质结构的力学特性和温度特性，得出异质结构的弹性模量为1343 GPa，异质结构的力学参数对温度的敏感性比石墨烯低。其次，根据密度泛函理论和CASTEP分析了石墨烯/h-BN异质结构键合时的能量变化以及三种不同构型的几何优化，得出AB型(一个碳在氮上，另一个在六方氮化硼的中心)为最优构型，带隙打开最大为3.803 eV。计算得到了此构型的能带结构与态密度。这些结果为石墨烯/h-BN异质结构压力传感器的设计与制作提供了一定的理论基础与依据。
2022, 39(7): 3339-3346.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210816.003
摘要:
声学超表面是一种能够调节声波反射、透射和吸收特性的超薄人工结构，对于空间受限的应用领域具有重要价值，目前声学超表面主要借助超构材料来实现。提出一种非超构材料的新型声学超表面，采用单向纤维周期复合材料对声波进行调制，实现了声波的定向反射调控。借助复合材料细观力学方法，采用均匀化理论和优化方法设计周期复合材料单胞的组分，使单胞具有特定的等效力学性能与声学性能，并满足特性阻抗匹配，从而形成超表面所需的声速梯度分布。通过能带分析获得了单胞纵波波速与频率的关系，显示出复合材料超表面的宽频特性。定向反射仿真展示了复合材料超表面操控声波的有效性，并验证了对于垂直入射声波纵波是影响波控性能的主要因素。研究工作为声学超表面及其他声学波控装置的设计提供了一种新途径。
声学超表面是一种能够调节声波反射、透射和吸收特性的超薄人工结构，对于空间受限的应用领域具有重要价值，目前声学超表面主要借助超构材料来实现。提出一种非超构材料的新型声学超表面，采用单向纤维周期复合材料对声波进行调制，实现了声波的定向反射调控。借助复合材料细观力学方法，采用均匀化理论和优化方法设计周期复合材料单胞的组分，使单胞具有特定的等效力学性能与声学性能，并满足特性阻抗匹配，从而形成超表面所需的声速梯度分布。通过能带分析获得了单胞纵波波速与频率的关系，显示出复合材料超表面的宽频特性。定向反射仿真展示了复合材料超表面操控声波的有效性，并验证了对于垂直入射声波纵波是影响波控性能的主要因素。研究工作为声学超表面及其他声学波控装置的设计提供了一种新途径。
2022, 39(7): 3347-3355.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210818.001
摘要:
羟基氧化镓(GaOOH)是一类宽带隙的半导体材料，在光催化降解有机染料、甲醇燃料电池、锂离子电池和生物光学成像方面有着潜在的应用前景。本研究以乙二胺四乙酸二钠(Na2Y)为模板剂，选取醋酸锌和硝酸镓为反应源，在简便易操作的水热条件下制备了Zn2+/GaOOH纳米线。采用XRD、SEM、HRTEM、EDS对材料进行了物相、成分、形貌与微结构表征。所制备的Zn2+/GaOOH纳米线长度达数十微米、直径约为100 nm，粗细均匀；Zn2+/GaOOH晶体呈现单晶的特性，纳米线沿<110>晶向生长。反应源及其摩尔量强烈地影响着产物的物相和形貌。当控制硝酸镓为1.5 mmol不变，Zn(Ac)2为1.0 mmol，Na2Y为0.5 mmol时，生成ZnGa2O4；Na2Y为1.0~1.7 mmol时，生成Zn2+/GaOOH纳米线。改变Zn(Ac)2为2.0 mmol，当Na2Y 为1.5 mmol时，得到尖晶石型结构的ZnGa2O4。详细探究了Zn∶Ga∶Y摩尔量比例影响产物的物相和形貌的规律，结果显示当控制Zn∶Ga∶Y=2∶3∶3时，可以得到相纯均一的Zn2+/GaOOH纳米线。荧光测试表明，紫外光照射Zn2+/GaOOH纳米线，在蓝绿光区域的469 nm 波长处有很强的发射峰，归因于阴离子空位缺陷激发重组后的发射。随着激发波长蓝移，其发射峰强度增加，214 nm时强度最大。相对于ZnGa2O4纳米颗粒而言，在226 nm激发波长下，Zn2+/GaOOH纳米线在469 nm 波长处有更高的发射峰强度，Zn2+/GaOOH纳米线比ZnGa2O4纳米颗粒具有更好的荧光性能。
羟基氧化镓(GaOOH)是一类宽带隙的半导体材料，在光催化降解有机染料、甲醇燃料电池、锂离子电池和生物光学成像方面有着潜在的应用前景。本研究以乙二胺四乙酸二钠(Na2Y)为模板剂，选取醋酸锌和硝酸镓为反应源，在简便易操作的水热条件下制备了Zn2+/GaOOH纳米线。采用XRD、SEM、HRTEM、EDS对材料进行了物相、成分、形貌与微结构表征。所制备的Zn2+/GaOOH纳米线长度达数十微米、直径约为100 nm，粗细均匀；Zn2+/GaOOH晶体呈现单晶的特性，纳米线沿<110>晶向生长。反应源及其摩尔量强烈地影响着产物的物相和形貌。当控制硝酸镓为1.5 mmol不变，Zn(Ac)2为1.0 mmol，Na2Y为0.5 mmol时，生成ZnGa2O4；Na2Y为1.0~1.7 mmol时，生成Zn2+/GaOOH纳米线。改变Zn(Ac)2为2.0 mmol，当Na2Y 为1.5 mmol时，得到尖晶石型结构的ZnGa2O4。详细探究了Zn∶Ga∶Y摩尔量比例影响产物的物相和形貌的规律，结果显示当控制Zn∶Ga∶Y=2∶3∶3时，可以得到相纯均一的Zn2+/GaOOH纳米线。荧光测试表明，紫外光照射Zn2+/GaOOH纳米线，在蓝绿光区域的469 nm 波长处有很强的发射峰，归因于阴离子空位缺陷激发重组后的发射。随着激发波长蓝移，其发射峰强度增加，214 nm时强度最大。相对于ZnGa2O4纳米颗粒而言，在226 nm激发波长下，Zn2+/GaOOH纳米线在469 nm 波长处有更高的发射峰强度，Zn2+/GaOOH纳米线比ZnGa2O4纳米颗粒具有更好的荧光性能。
2022, 39(7): 3356-3368.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210929.002
摘要:
为进一步开拓吸能材料在道路领域的全新应用，调控制备了兼具优异力学性能与吸能缓力特性的新型路用吸能材料，确定了材料适宜养生时间，明确了不同类型路用吸能材料的力学性能、吸能特性与缓力功效，在此基础上，建立了基于多指标决策的路用吸能材料综合性能评价体系，采用Ⅱ型弹性体聚合物(EP-Ⅱ)作为基础吸能材料，推荐了路用吸能材料组成配比最佳方案，为吸能材料在道路工程中的进一步推广应用奠定坚实基础。结果表明：聚乙烯醇(PVA)纤维与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)微粉均能有效改善Ⅱ型弹性体聚合物材料的力学性能与吸能特性，但后者效果更佳；两者能够协同增强基础吸能材料的各项性能，对于拉伸、撕裂、吸能等性能分别提升127.4%~129.11%、34.04%与101.65%；综合考虑工作性能及经济效益，推荐路用吸能材料最佳配方为：1.0wt%PVA-3wt%UHMWPE/EP-Ⅱ，其相应各项工作性能指标为：拉伸强度14.29 MPa、断裂伸长率703.36%、撕裂强度79.27 N/mm、吸收转化能量1.73 J、最小缓冲系数10.21。
为进一步开拓吸能材料在道路领域的全新应用，调控制备了兼具优异力学性能与吸能缓力特性的新型路用吸能材料，确定了材料适宜养生时间，明确了不同类型路用吸能材料的力学性能、吸能特性与缓力功效，在此基础上，建立了基于多指标决策的路用吸能材料综合性能评价体系，采用Ⅱ型弹性体聚合物(EP-Ⅱ)作为基础吸能材料，推荐了路用吸能材料组成配比最佳方案，为吸能材料在道路工程中的进一步推广应用奠定坚实基础。结果表明：聚乙烯醇(PVA)纤维与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)微粉均能有效改善Ⅱ型弹性体聚合物材料的力学性能与吸能特性，但后者效果更佳；两者能够协同增强基础吸能材料的各项性能，对于拉伸、撕裂、吸能等性能分别提升127.4%~129.11%、34.04%与101.65%；综合考虑工作性能及经济效益，推荐路用吸能材料最佳配方为：1.0wt%PVA-3wt%UHMWPE/EP-Ⅱ，其相应各项工作性能指标为：拉伸强度14.29 MPa、断裂伸长率703.36%、撕裂强度79.27 N/mm、吸收转化能量1.73 J、最小缓冲系数10.21。
2022, 39(7): 3369-3375.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210927.001
摘要:
开发可见光响应型金属有机框架材料(MOFs)异质结，有望高效利用太阳能进行催化降解/减毒环境污染物。以氯化锆(ZrCl4)和2-氨基对苯二甲酸(2-ATA)为原料，用溶剂热法制备了NH2-UiO-66(Zr)作为基底MOFs，采用对离子沉淀法在其表面负载AgI，制备一系列AgI/NH2-UiO-66(Zr)异质结复合光催化剂。通过XRD、BET、TEM、UV-Vis DRS、FT-IR、TGA及光电化学测试等手段对材料进行结构和光电响应性质表征。以Cr(VI)为模型污染物，探究复合材料在可见光照射下的光催化性能，以及影响其性能的各种因素：pH、初始Cr(VI)浓度、催化剂投加量、捕获剂种类及浓度。实验结果显示：当AgI负载量为20%时，优选得到的AgI/NH2-UiO-66(Zr)具有最佳的光催化性能，可见光照射120 min后，Cr(VI)还原率为97.8%，远高于纯AgI和NH2-UiO-66(Zr)，拟合的一级动力学常数k分别是AgI和NH2-UiO-66(Zr)体系的7.9倍和7.4倍。此外，异质结催化剂循环使用稳定性良好，循环5次后对Cr(VI)还原率仍保持在90%左右。
开发可见光响应型金属有机框架材料(MOFs)异质结，有望高效利用太阳能进行催化降解/减毒环境污染物。以氯化锆(ZrCl4)和2-氨基对苯二甲酸(2-ATA)为原料，用溶剂热法制备了NH2-UiO-66(Zr)作为基底MOFs，采用对离子沉淀法在其表面负载AgI，制备一系列AgI/NH2-UiO-66(Zr)异质结复合光催化剂。通过XRD、BET、TEM、UV-Vis DRS、FT-IR、TGA及光电化学测试等手段对材料进行结构和光电响应性质表征。以Cr(VI)为模型污染物，探究复合材料在可见光照射下的光催化性能，以及影响其性能的各种因素：pH、初始Cr(VI)浓度、催化剂投加量、捕获剂种类及浓度。实验结果显示：当AgI负载量为20%时，优选得到的AgI/NH2-UiO-66(Zr)具有最佳的光催化性能，可见光照射120 min后，Cr(VI)还原率为97.8%，远高于纯AgI和NH2-UiO-66(Zr)，拟合的一级动力学常数k分别是AgI和NH2-UiO-66(Zr)体系的7.9倍和7.4倍。此外，异质结催化剂循环使用稳定性良好，循环5次后对Cr(VI)还原率仍保持在90%左右。
2022, 39(7): 3376-3387.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210916.005
摘要:
1,3-丁二烯选择性加氢是石油化工中有效脱除1,3-丁二烯的方法。选用金属有机骨架ZIF-67作为载体，通过浸渍和H2还原法控制合成了Pd/ZIF-67和PdCu/ZIF-67复合纳米催化剂。采用XRD、氮气低温物理吸附、TEM、EDS、XPS等方法对Pd/ZIF-67和PdCu/ZIF-67进行了系统的物理化学性质表征，并在石英微型固定床上探索了其在1,3-丁二烯加氢反应中的催化活性、选择性和稳定性。结果表明，Pd/ZIF-67和PdCu/ZIF-67(1∶1)中Pd和Cu分别以Pd2+和Cu2+存在，Pd纳米粒子和Pd–Cu纳米粒子高度分散在ZIF-67上。由于金属Pd–Cu和载体ZIF-67之间的相互作用以及Pd和Cu双金属间的几何效应，PdCu/ZIF-67(1∶1)的催化活性低于Pd/ZIF-67。Pd/ZIF-67在50℃催化1, 3-丁二烯加氢时，1,3-丁二烯的转化率和总丁烯的选择性分别为99.9%和79.6%。PdCu/ZIF-67(1∶1)在130℃催化反应7 h后1,3-丁二烯的转化率和总丁烯的选择性分别为93.2%和64.3%。提高Cu的含量，PdCu/ZIF-67对于1,3-丁二烯的转化率降低，而对总丁烯的选择性提高。PdCu/ZIF-67(1∶1)比Pd/ZIF-67具有更高的稳定性，可以连续运行50 h，催化活性和丁烯选择性几乎保持不变。研究结果为新型高效加氢催化剂的设计制备提供了启示和参考。
1,3-丁二烯选择性加氢是石油化工中有效脱除1,3-丁二烯的方法。选用金属有机骨架ZIF-67作为载体，通过浸渍和H2还原法控制合成了Pd/ZIF-67和PdCu/ZIF-67复合纳米催化剂。采用XRD、氮气低温物理吸附、TEM、EDS、XPS等方法对Pd/ZIF-67和PdCu/ZIF-67进行了系统的物理化学性质表征，并在石英微型固定床上探索了其在1,3-丁二烯加氢反应中的催化活性、选择性和稳定性。结果表明，Pd/ZIF-67和PdCu/ZIF-67(1∶1)中Pd和Cu分别以Pd2+和Cu2+存在，Pd纳米粒子和Pd–Cu纳米粒子高度分散在ZIF-67上。由于金属Pd–Cu和载体ZIF-67之间的相互作用以及Pd和Cu双金属间的几何效应，PdCu/ZIF-67(1∶1)的催化活性低于Pd/ZIF-67。Pd/ZIF-67在50℃催化1, 3-丁二烯加氢时，1,3-丁二烯的转化率和总丁烯的选择性分别为99.9%和79.6%。PdCu/ZIF-67(1∶1)在130℃催化反应7 h后1,3-丁二烯的转化率和总丁烯的选择性分别为93.2%和64.3%。提高Cu的含量，PdCu/ZIF-67对于1,3-丁二烯的转化率降低，而对总丁烯的选择性提高。PdCu/ZIF-67(1∶1)比Pd/ZIF-67具有更高的稳定性，可以连续运行50 h，催化活性和丁烯选择性几乎保持不变。研究结果为新型高效加氢催化剂的设计制备提供了启示和参考。
2022, 39(7): 3388-3403.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210909.009
摘要:
内置复材约束的T形截面钢管混凝土组合柱(T-section concrete filled steel and GFRP tubular composite column，T-SCFC)包括外部钢管、夹层混凝土、玻璃纤维增强树脂复合材料(Glass fiber reinforced polymer，GFRP)管和核心混凝土。对14根不同截面形式的约束混凝土短柱和3组内置不同复材管壁厚的T形截面钢管混凝土组合柱进行轴压试验，对比分析了方钢管混凝土短柱(Square concrete filled steel tube，CFST)、复材管约束混凝土短柱(Concrete filled GFRP tube，CFFT)、内置复材约束方钢管混凝土短柱(Steel-concrete-GFRP-concrete tube，SCFC)和T-SCFC柱在轴压荷载作用下的力学性能。建立与试件同尺寸的有限元模型，并开展数值参数分析，研究不同钢管壁厚和核心混凝土强度对T-SCFC柱轴心受压性能的影响。结果表明：内置约束复材管可以明显提高方钢管混凝土短柱的受压性能，显著延缓SCFC短柱在轴压荷载作用下的钢材屈服和鼓曲；T-SCFC柱在达到峰值荷载前，荷载-轴向位移曲线呈双线性增长，复材断裂后试件保持较高的残余承载力呈延性破坏，可以将复材断裂作为该类组合柱的失效点，增加复材管壁厚可以明显提高试件承载力；有限元模型计算结果与试验吻合较好；增加钢管壁厚可明显提高试件的承载力，提高试件核心混凝土强度仅对试件的等效屈服荷载有一定提高作用，对试件峰值承载力的影响较小。
内置复材约束的T形截面钢管混凝土组合柱(T-section concrete filled steel and GFRP tubular composite column，T-SCFC)包括外部钢管、夹层混凝土、玻璃纤维增强树脂复合材料(Glass fiber reinforced polymer，GFRP)管和核心混凝土。对14根不同截面形式的约束混凝土短柱和3组内置不同复材管壁厚的T形截面钢管混凝土组合柱进行轴压试验，对比分析了方钢管混凝土短柱(Square concrete filled steel tube，CFST)、复材管约束混凝土短柱(Concrete filled GFRP tube，CFFT)、内置复材约束方钢管混凝土短柱(Steel-concrete-GFRP-concrete tube，SCFC)和T-SCFC柱在轴压荷载作用下的力学性能。建立与试件同尺寸的有限元模型，并开展数值参数分析，研究不同钢管壁厚和核心混凝土强度对T-SCFC柱轴心受压性能的影响。结果表明：内置约束复材管可以明显提高方钢管混凝土短柱的受压性能，显著延缓SCFC短柱在轴压荷载作用下的钢材屈服和鼓曲；T-SCFC柱在达到峰值荷载前，荷载-轴向位移曲线呈双线性增长，复材断裂后试件保持较高的残余承载力呈延性破坏，可以将复材断裂作为该类组合柱的失效点，增加复材管壁厚可以明显提高试件承载力；有限元模型计算结果与试验吻合较好；增加钢管壁厚可明显提高试件的承载力，提高试件核心混凝土强度仅对试件的等效屈服荷载有一定提高作用，对试件峰值承载力的影响较小。
2022, 39(7): 3404-3414.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210729.002
摘要:
工程水泥基复合材料(ECC)多用于结构的抗震补强，其疲劳性能是工程中关注的重点。利用疲劳试验机对ECC试件进行单轴拉伸循环加载试验，分析了动力变形、损伤模型和疲劳寿命的发展规律。结果表明：单向拉伸疲劳荷载下，ECC应力-应变曲线呈疏-密-疏特点；残余应变呈三阶段发展，采用六次多项式进行拟合描述，相关系数基本大于0.9；针对第二阶段定义应变率及应变增长率两个物理量，发现拉应力比越高，应变率越大，第二阶段循环比越短；应变增长率在0.0028~0.0098之间变化，其随着拉应力比的增加而减小。用疲劳变形模量定义损伤变量，建立以循环寿命比n/N=0.7为分界点的两阶段疲劳损伤演变方程。针对应力比S=0.85进行验证，评估疲劳损伤程度并预估剩余寿命，其与试验结果对比相关性较高。
工程水泥基复合材料(ECC)多用于结构的抗震补强，其疲劳性能是工程中关注的重点。利用疲劳试验机对ECC试件进行单轴拉伸循环加载试验，分析了动力变形、损伤模型和疲劳寿命的发展规律。结果表明：单向拉伸疲劳荷载下，ECC应力-应变曲线呈疏-密-疏特点；残余应变呈三阶段发展，采用六次多项式进行拟合描述，相关系数基本大于0.9；针对第二阶段定义应变率及应变增长率两个物理量，发现拉应力比越高，应变率越大，第二阶段循环比越短；应变增长率在0.0028~0.0098之间变化，其随着拉应力比的增加而减小。用疲劳变形模量定义损伤变量，建立以循环寿命比n/N=0.7为分界点的两阶段疲劳损伤演变方程。针对应力比S=0.85进行验证，评估疲劳损伤程度并预估剩余寿命，其与试验结果对比相关性较高。
2022, 39(7): 3415-3427.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210804.003
摘要:
研究废旧轮胎颗粒材料改良方法及强度特性是将其用于寒区桩基抗冻性能改善的基础。首先，按橡胶∶砂∶聚氨酯=3∶2∶1的质量比制作了若干复合材料试样；其次，通过静三轴试验，获得了不同温度、冻融循环次数及围压下试样的应力-应变曲线。试验结果表明：橡胶-砂-聚氨酯复合材料的应力-应变曲线无明显峰值点，具有显著的应变强硬化特征；试样破坏强度随温度降低而增加；冻结状态下，试验温度每降低5.0℃，其破坏强度约增加15.0%；试样破坏强度随冻融循环次数增加而降低，但平均降幅不足5.0%；围压对20.0℃常温试样破坏强度的影响幅度达15.0%，而对冻结试样破坏强度的影响幅度不足5.0%。敏感性分析显示：温度对试样破坏强度的影响最大，围压及冻融循环次数的影响相对较小，说明橡胶-砂-聚氨酯复合材料具有强度适中、结构稳定和抗冻融等特性。在此基础上，建立了考虑温度、围压和冻融循环的橡胶-砂-聚氨酯复合材料应力-应变本构模型，验证了模型参数拟合公式的合理性。
研究废旧轮胎颗粒材料改良方法及强度特性是将其用于寒区桩基抗冻性能改善的基础。首先，按橡胶∶砂∶聚氨酯=3∶2∶1的质量比制作了若干复合材料试样；其次，通过静三轴试验，获得了不同温度、冻融循环次数及围压下试样的应力-应变曲线。试验结果表明：橡胶-砂-聚氨酯复合材料的应力-应变曲线无明显峰值点，具有显著的应变强硬化特征；试样破坏强度随温度降低而增加；冻结状态下，试验温度每降低5.0℃，其破坏强度约增加15.0%；试样破坏强度随冻融循环次数增加而降低，但平均降幅不足5.0%；围压对20.0℃常温试样破坏强度的影响幅度达15.0%，而对冻结试样破坏强度的影响幅度不足5.0%。敏感性分析显示：温度对试样破坏强度的影响最大，围压及冻融循环次数的影响相对较小，说明橡胶-砂-聚氨酯复合材料具有强度适中、结构稳定和抗冻融等特性。在此基础上，建立了考虑温度、围压和冻融循环的橡胶-砂-聚氨酯复合材料应力-应变本构模型，验证了模型参数拟合公式的合理性。
2022, 39(7): 3428-3440.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210816.004
摘要:
为研究高强钢绞线网增强工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites，ECC)加固钢筋混凝土(Reinforced concrete，RC)梁的受弯性能，考虑钢绞线直径、纵向钢绞线配筋率、ECC配方及端部锚固4个影响因素，对7个加固无损RC梁试件进行受弯试验。结果表明，在采用合理加固层端部锚固措施的情况下，通过高强钢绞线网增强ECC抗弯加固RC梁可显著提升其受弯承载力、延性、抗裂性，有效约束原RC梁的裂缝发展并减小裂缝宽度；纵向高强钢绞线配筋率的增大会提高加固梁的受弯开裂荷载、承载力、控裂能力、刚度，但试件配置过量的纵向高强钢绞线会降低加固梁的延性、韧性；在纵向高强钢绞线配筋率接近的情况下，采用直径较大的高强钢绞线，会在一定程度上降低加固梁的延性、韧性、控裂能力；加固梁的受弯开裂荷载、承载力、刚度随着ECC的弹性模量及抗拉强度的提高而增大；加固梁的控裂能力、延性、韧性随ECC极限拉应变提高而增大。
为研究高强钢绞线网增强工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites，ECC)加固钢筋混凝土(Reinforced concrete，RC)梁的受弯性能，考虑钢绞线直径、纵向钢绞线配筋率、ECC配方及端部锚固4个影响因素，对7个加固无损RC梁试件进行受弯试验。结果表明，在采用合理加固层端部锚固措施的情况下，通过高强钢绞线网增强ECC抗弯加固RC梁可显著提升其受弯承载力、延性、抗裂性，有效约束原RC梁的裂缝发展并减小裂缝宽度；纵向高强钢绞线配筋率的增大会提高加固梁的受弯开裂荷载、承载力、控裂能力、刚度，但试件配置过量的纵向高强钢绞线会降低加固梁的延性、韧性；在纵向高强钢绞线配筋率接近的情况下，采用直径较大的高强钢绞线，会在一定程度上降低加固梁的延性、韧性、控裂能力；加固梁的受弯开裂荷载、承载力、刚度随着ECC的弹性模量及抗拉强度的提高而增大；加固梁的控裂能力、延性、韧性随ECC极限拉应变提高而增大。
2022, 39(7): 3441-3450.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210916.002
摘要:
在过去的几十年中，超疏水表面由于其特殊的性能而受到极为广泛的关注，但是在室外应用中，受环境中各种因素的影响，大多数超疏水表面很轻易会失去其超疏水性。采用简单的两步浸涂法制备得到一种表面坚固的可修复超疏水涂层。以聚硅氧烷与无水乙醇混合制得涂层底层；中性硅酮玻璃胶、纳米SiO2、微米级凹凸棒土(ATP)粉末以及聚硅氧烷共混制得涂层面层。利用扫描电子显微镜(SEM)、接触角测量仪、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对涂层的微观形貌、润湿性、分子结构进行表征。确定了中性硅酮玻璃胶的最佳用量，考察了涂层的耐磨性能、自清洁性能以及机械磨损与酸碱环境下的自修复性能。结果表明：中性硅酮玻璃胶添加量在质量分数为1wt%时涂层疏水能力最佳，水接触角达到153.5°±1.5°。在50 g砝码(1.03 kPa)下经过360 cm的机械磨损，涂层仍具备140°以上的水接触角。并且涂层在受到一定程度的机械磨损或是酸碱破坏后，都可以通过高温加热实现涂层超疏水性能的修复，此外涂层还具备一定的耐水稳定性以及优异的自清洁能力。
在过去的几十年中，超疏水表面由于其特殊的性能而受到极为广泛的关注，但是在室外应用中，受环境中各种因素的影响，大多数超疏水表面很轻易会失去其超疏水性。采用简单的两步浸涂法制备得到一种表面坚固的可修复超疏水涂层。以聚硅氧烷与无水乙醇混合制得涂层底层；中性硅酮玻璃胶、纳米SiO2、微米级凹凸棒土(ATP)粉末以及聚硅氧烷共混制得涂层面层。利用扫描电子显微镜(SEM)、接触角测量仪、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对涂层的微观形貌、润湿性、分子结构进行表征。确定了中性硅酮玻璃胶的最佳用量，考察了涂层的耐磨性能、自清洁性能以及机械磨损与酸碱环境下的自修复性能。结果表明：中性硅酮玻璃胶添加量在质量分数为1wt%时涂层疏水能力最佳，水接触角达到153.5°±1.5°。在50 g砝码(1.03 kPa)下经过360 cm的机械磨损，涂层仍具备140°以上的水接触角。并且涂层在受到一定程度的机械磨损或是酸碱破坏后，都可以通过高温加热实现涂层超疏水性能的修复，此外涂层还具备一定的耐水稳定性以及优异的自清洁能力。
2022, 39(7): 3451-3461.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210716.006
摘要:
通过对10组配置菱形、十字形复合箍筋的超高性能混凝土(UHPC)短柱和1组未配置钢筋的UHPC短柱进行轴压承载力试验，研究了其破坏过程和破坏形态，分析了箍筋间距、纤维掺量和箍筋形式对其轴向应变-轴向荷载曲线和应力-应变曲线的影响。结果表明，箍筋形式的闭合环数和纤维掺量对UHPC短柱的变形能力有一定程度的改善作用。箍筋间距和纤维掺量对试件轴压承载力及相应轴向峰值应变有显著的影响，箍筋间距对轴向峰值应变的影响更大。相同箍筋间距的菱形复合箍筋(DC)较十字形复合箍筋(CC)试件的峰值荷载有所提高。随着箍筋间距的减小，各试件归一化应力-应变曲线上升段斜率增大，但其下降段却表现出更大差异。纤维掺量和箍筋类形对UHPC试件的应力-应变归一化曲线影响较小。考虑箍筋约束效应及纤维约束效应，建立了复合箍筋约束UHPC短柱轴心受压承载力计算公式；计算结果与试验结果比较，吻合较好。
通过对10组配置菱形、十字形复合箍筋的超高性能混凝土(UHPC)短柱和1组未配置钢筋的UHPC短柱进行轴压承载力试验，研究了其破坏过程和破坏形态，分析了箍筋间距、纤维掺量和箍筋形式对其轴向应变-轴向荷载曲线和应力-应变曲线的影响。结果表明，箍筋形式的闭合环数和纤维掺量对UHPC短柱的变形能力有一定程度的改善作用。箍筋间距和纤维掺量对试件轴压承载力及相应轴向峰值应变有显著的影响，箍筋间距对轴向峰值应变的影响更大。相同箍筋间距的菱形复合箍筋(DC)较十字形复合箍筋(CC)试件的峰值荷载有所提高。随着箍筋间距的减小，各试件归一化应力-应变曲线上升段斜率增大，但其下降段却表现出更大差异。纤维掺量和箍筋类形对UHPC试件的应力-应变归一化曲线影响较小。考虑箍筋约束效应及纤维约束效应，建立了复合箍筋约束UHPC短柱轴心受压承载力计算公式；计算结果与试验结果比较，吻合较好。
2022, 39(7): 3462-3468.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210906.006
摘要:
为满足可穿戴电子设备日益提升的要求，低成本、高性能柔性超级电容器成为研究的热点。在玉米苞叶纤维(CHF)基材表面原位生长聚苯胺(PANI)，继而以聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)作为凝胶，通过简单的冻融法制备聚苯胺-玉米苞叶纤维柔性自支撑电极(PANI-CHF-GEL)。PANI-CHF-GEL显示出优异的力学性能(断裂强度为259 kPa，断裂伸长率为121%)和较好的韧性(断裂能为0.167 MJ·cm−3)。采用PVA/H2SO4 凝胶作为电解质组装得到的PANI-CHF-GEL//PANI-CHF-GEL对称固态超级电容器具有优越的电化学储能性能：在3.00 mA·cm−2的电流密度下，面积比电容高达1789.74 mF·cm−2，功率密度为0.34 mW·cm−2，能量密度为3.51 mW·h·cm−2。此外，该器件还显示出良好的柔性，弯曲90° 时仍能保持其初始性能，表明了其在可穿戴电子设备潜在的应用前景。
为满足可穿戴电子设备日益提升的要求，低成本、高性能柔性超级电容器成为研究的热点。在玉米苞叶纤维(CHF)基材表面原位生长聚苯胺(PANI)，继而以聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)作为凝胶，通过简单的冻融法制备聚苯胺-玉米苞叶纤维柔性自支撑电极(PANI-CHF-GEL)。PANI-CHF-GEL显示出优异的力学性能(断裂强度为259 kPa，断裂伸长率为121%)和较好的韧性(断裂能为0.167 MJ·cm−3)。采用PVA/H2SO4 凝胶作为电解质组装得到的PANI-CHF-GEL//PANI-CHF-GEL对称固态超级电容器具有优越的电化学储能性能：在3.00 mA·cm−2的电流密度下，面积比电容高达1789.74 mF·cm−2，功率密度为0.34 mW·cm−2，能量密度为3.51 mW·h·cm−2。此外，该器件还显示出良好的柔性，弯曲90° 时仍能保持其初始性能，表明了其在可穿戴电子设备潜在的应用前景。
2022, 39(7): 3469-3477.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211014.002
摘要:
肿瘤是世界上死亡率最高的疾病，研制新型肿瘤药物也是一项极具开发性的研究。首先制备纺锤状羟基氧化铁纳米粒子(FeOOH NPs)并作为模板，与吡咯(Py)聚合得到纺锤状羟基氧化铁@聚吡咯(FeOOH@PPy)复合纳米粒子。采用FTIR、DLS、TEM和UV-vis等测试方法对FeOOH@PPy进行了结构、性质表征，通过光热转换实验证明了该复合纳米粒子具有优异的光热转换性能，探究了复合纳米粒子的生物相容性以及肿瘤治疗中的应用潜力。结果表明，所得到的复合纳米粒子平均粒径100 nm左右，且分布均一，粒子呈纺锤状结构，在水溶液中具有良好的稳定性。FeOOH@PPy复合纳米粒子可以吸收808 nm的近红外光，并将其转化为足够的热量，使肿瘤细胞凋亡；在为期14天的4T1细胞的小鼠模型体内治疗实验中，FeOOH@PPy复合纳米粒子治疗组表现出优异的治疗肿瘤效果，组织分析表明FeOOH@PPy复合纳米粒子对小鼠正常组织无明显影响，具有作为光热治疗剂的潜力。
肿瘤是世界上死亡率最高的疾病，研制新型肿瘤药物也是一项极具开发性的研究。首先制备纺锤状羟基氧化铁纳米粒子(FeOOH NPs)并作为模板，与吡咯(Py)聚合得到纺锤状羟基氧化铁@聚吡咯(FeOOH@PPy)复合纳米粒子。采用FTIR、DLS、TEM和UV-vis等测试方法对FeOOH@PPy进行了结构、性质表征，通过光热转换实验证明了该复合纳米粒子具有优异的光热转换性能，探究了复合纳米粒子的生物相容性以及肿瘤治疗中的应用潜力。结果表明，所得到的复合纳米粒子平均粒径100 nm左右，且分布均一，粒子呈纺锤状结构，在水溶液中具有良好的稳定性。FeOOH@PPy复合纳米粒子可以吸收808 nm的近红外光，并将其转化为足够的热量，使肿瘤细胞凋亡；在为期14天的4T1细胞的小鼠模型体内治疗实验中，FeOOH@PPy复合纳米粒子治疗组表现出优异的治疗肿瘤效果，组织分析表明FeOOH@PPy复合纳米粒子对小鼠正常组织无明显影响，具有作为光热治疗剂的潜力。
2022, 39(7): 3478-3484.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210817.002
摘要:
为了提高热塑性淀粉(TPS)的力学和耐水性能，用硅烷偶联剂KH550及丁二酸酐对纳米SiO2微球(SM-COOH)表面进行羧基化改性以提高界面结合力，并通过挤出注塑工艺制备SM-COOH/TPS复合材料，研究了不同含量的SM-COOH对复合材料力学、动态热力学、热稳定、表面耐水及流变加工性能的影响。结果表明：SM-COOH的加入可显著提高TPS的性能。当SM-COOH含量为2.0wt%时，复合材料的拉伸强度及冲击强度分别达到最大值12.71 MPa和15.918 kJ/m2，相比纯TPS，分别提高近4倍和2.6倍；复合材料的热稳定性能达到最大值，最大分解速率所对应的温度为322.1℃；此时，复合材料的峰值和平衡扭矩适中，也具有较好的流变加工性能。此外，复合材料的转变温度和表面接触角则随着SM-COOH含量的增加而提高。因此，羧基化表面改性纳米SiO2是一种能有效提高SM-COOH/TPS复合材料的力学和耐水等性能的方法，在淀粉基生物降解塑料领域具有广阔的发展和应用前景。
为了提高热塑性淀粉(TPS)的力学和耐水性能，用硅烷偶联剂KH550及丁二酸酐对纳米SiO2微球(SM-COOH)表面进行羧基化改性以提高界面结合力，并通过挤出注塑工艺制备SM-COOH/TPS复合材料，研究了不同含量的SM-COOH对复合材料力学、动态热力学、热稳定、表面耐水及流变加工性能的影响。结果表明：SM-COOH的加入可显著提高TPS的性能。当SM-COOH含量为2.0wt%时，复合材料的拉伸强度及冲击强度分别达到最大值12.71 MPa和15.918 kJ/m2，相比纯TPS，分别提高近4倍和2.6倍；复合材料的热稳定性能达到最大值，最大分解速率所对应的温度为322.1℃；此时，复合材料的峰值和平衡扭矩适中，也具有较好的流变加工性能。此外，复合材料的转变温度和表面接触角则随着SM-COOH含量的增加而提高。因此，羧基化表面改性纳米SiO2是一种能有效提高SM-COOH/TPS复合材料的力学和耐水等性能的方法，在淀粉基生物降解塑料领域具有广阔的发展和应用前景。
2022, 39(7): 3485-3497.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210902.006
摘要:
为研究热辊轧制对层状复合材料组织性能的影响，本文采用多道次热辊轧制工艺制备了Al/AZ31B/Al多层复合板材，通过OM、XRD、SEM及设计模具测试，分析了不同压下率、退火温度对复合板材界面微观形貌和结合性能的影响规律。结果表明：热辊轧制兼具变形和促进扩散层的形成双重作用，大压下率复合板材结合界面形成不连续的扩散层。随着压下率增加，结合面由平直逐渐呈显著的“波浪”型，相近的剪切坡度成对出现且角度相近，过大压下率导致异质材料变形过程难以协调，镁层厚度方向减薄明显的部分区域出现裂纹。退火后Al/Mg结合界面形成了更有效的冶金结合，随着退火温度的升高，扩散层厚度不断增加且有分层现象，金属间化合物为Al3Mg2(β相)和Mg17Al12(γ相)。剥离形貌为准解理断裂，退火温度过高时，板条状的金属间化合物变得更加粗大，两金属板材会从金属间化合物层开裂。在压下率为60%~70%，退火温度为200~250℃时有利于热辊轧制复合板材的结合强度提升。
为研究热辊轧制对层状复合材料组织性能的影响，本文采用多道次热辊轧制工艺制备了Al/AZ31B/Al多层复合板材，通过OM、XRD、SEM及设计模具测试，分析了不同压下率、退火温度对复合板材界面微观形貌和结合性能的影响规律。结果表明：热辊轧制兼具变形和促进扩散层的形成双重作用，大压下率复合板材结合界面形成不连续的扩散层。随着压下率增加，结合面由平直逐渐呈显著的“波浪”型，相近的剪切坡度成对出现且角度相近，过大压下率导致异质材料变形过程难以协调，镁层厚度方向减薄明显的部分区域出现裂纹。退火后Al/Mg结合界面形成了更有效的冶金结合，随着退火温度的升高，扩散层厚度不断增加且有分层现象，金属间化合物为Al3Mg2(β相)和Mg17Al12(γ相)。剥离形貌为准解理断裂，退火温度过高时，板条状的金属间化合物变得更加粗大，两金属板材会从金属间化合物层开裂。在压下率为60%~70%，退火温度为200~250℃时有利于热辊轧制复合板材的结合强度提升。
2022, 39(7): 3498-3509.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210915.001
摘要:
通过向镍铜(NiCu)合金中添加不同粒径的WC研究对涂层的微观组织、显微硬度、耐磨性和电化学腐蚀性能的影响规律，以期解决NiCu合金表面硬度较低、耐磨性较差的问题。采用激光熔化沉积技术在A3钢板表面制备了NiCu合金涂层、60wt%粗粒径WC/NiCu复合涂层和60wt%细粒径WC/NiCu复合涂层，采用扫描电子显微镜、X射线光谱仪、光学显微镜表征其样品表面形貌，用显微硬度测试计和磨损试验机测定了熔覆层的显微硬度和耐磨性能，用电化学工作站分别对NiCu合金涂层和复合涂层的电化学腐蚀性能进行测试和分析。在合适的工艺参数下，三种涂层均与基体形成了良好的冶金结合，无明显的裂纹气孔等缺陷。熔覆层的组织以等轴晶和柱状晶为主，WC的加入使晶粒尺寸明显变小。在相同工艺参数下，加入60wt%粗粒径WC、60wt% 细粒径WC的涂层硬度分别提高了62.1%、81.1%，磨损量分别降低了84.8%、94.3%，磨损机制以磨粒磨损为主。在3.5wt%NaCl溶液中，复合涂层的自腐蚀电流密度与NiCu合金涂层相比分别降低了61%和49%。WC的加入显著提高了NiCu合金涂层的性能，细粒径WC对显微硬度、耐磨性提升效果更加明显，粗粒径WC对电化学腐蚀性能提升明显。
通过向镍铜(NiCu)合金中添加不同粒径的WC研究对涂层的微观组织、显微硬度、耐磨性和电化学腐蚀性能的影响规律，以期解决NiCu合金表面硬度较低、耐磨性较差的问题。采用激光熔化沉积技术在A3钢板表面制备了NiCu合金涂层、60wt%粗粒径WC/NiCu复合涂层和60wt%细粒径WC/NiCu复合涂层，采用扫描电子显微镜、X射线光谱仪、光学显微镜表征其样品表面形貌，用显微硬度测试计和磨损试验机测定了熔覆层的显微硬度和耐磨性能，用电化学工作站分别对NiCu合金涂层和复合涂层的电化学腐蚀性能进行测试和分析。在合适的工艺参数下，三种涂层均与基体形成了良好的冶金结合，无明显的裂纹气孔等缺陷。熔覆层的组织以等轴晶和柱状晶为主，WC的加入使晶粒尺寸明显变小。在相同工艺参数下，加入60wt%粗粒径WC、60wt% 细粒径WC的涂层硬度分别提高了62.1%、81.1%，磨损量分别降低了84.8%、94.3%，磨损机制以磨粒磨损为主。在3.5wt%NaCl溶液中，复合涂层的自腐蚀电流密度与NiCu合金涂层相比分别降低了61%和49%。WC的加入显著提高了NiCu合金涂层的性能，细粒径WC对显微硬度、耐磨性提升效果更加明显，粗粒径WC对电化学腐蚀性能提升明显。
2022, 39(7): 3510-3517.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210817.001
摘要:
直写成型技术是一种基于浆料挤出的3D打印技术，具有设备简单、投入低，可在温和条件下制备出精细复杂的三维结构的优点，在先进陶瓷制备领域潜力巨大。但直写成型技术目前面临材料缺乏、浆料制备困难等难题。为此，首先自主研发了一种基于气压式的新型直写成型3D打印机。在此基础上，以二氧化钛为原料，选用聚乙烯醇(PVA)作为流动助剂和粘结剂，制备了适用于直写成型的二氧化钛陶瓷浆料，研究了PVA含量对浆料流变行为及其直写成型可打印性的影响。在此基础上，打印加工了具有复杂形状和结构的二氧化钛制件，考察了其断面形貌、打印精度，并进一步分析了其烧结后的性能等。结果表明PVA的加入有效的降低浆料的黏度，提高其流动性，有助于其3D打印，改善了打印制件层与层之间的粘结情况，但PVA含量大于10wt%后，会导致浆料在沉积阶段出现坍塌现象。此外，PVA含量增加后，会导致烧结件硬度降低，收缩率增加。
直写成型技术是一种基于浆料挤出的3D打印技术，具有设备简单、投入低，可在温和条件下制备出精细复杂的三维结构的优点，在先进陶瓷制备领域潜力巨大。但直写成型技术目前面临材料缺乏、浆料制备困难等难题。为此，首先自主研发了一种基于气压式的新型直写成型3D打印机。在此基础上，以二氧化钛为原料，选用聚乙烯醇(PVA)作为流动助剂和粘结剂，制备了适用于直写成型的二氧化钛陶瓷浆料，研究了PVA含量对浆料流变行为及其直写成型可打印性的影响。在此基础上，打印加工了具有复杂形状和结构的二氧化钛制件，考察了其断面形貌、打印精度，并进一步分析了其烧结后的性能等。结果表明PVA的加入有效的降低浆料的黏度，提高其流动性，有助于其3D打印，改善了打印制件层与层之间的粘结情况，但PVA含量大于10wt%后，会导致浆料在沉积阶段出现坍塌现象。此外，PVA含量增加后，会导致烧结件硬度降低，收缩率增加。
2022, 39(7): 3518-3529.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210716.004
摘要:
采用掺杂改性的方式改善AgSnO2复合触头材料的电性能和加工性能。基于密度泛函理论的第一性原理，对掺杂Cr-Y、Cr-Ce的SnO2超晶胞进行弹性常数的仿真计算，筛选出力学性能较好的稀土元素Y进行电性能的仿真与实验。从能带结构和态密度分析Cr、Y单掺杂和共掺杂对SnO2电子结构的影响，结果表明，掺杂后SnO2能带隙减小，电子跃迁所需能量降低。采用溶胶凝胶法制备掺杂的SnO2粉末，并应用XRD对其进行物相结构分析，验证了掺杂离子进入SnO2晶格，形成固溶体，能实现仿真建立的替代掺杂模型。采用粉末冶金法制备掺杂的AgSnO2复合触头材料，测量其密度、硬度和电导率，掺杂后AgSnO2触头材料电导率提高，其中Cr、Y共掺时物理性能最优，验证了仿真结果。使用JF04D型电接触触头材料测试系统对触头材料进行电接触性能试验，试验结果表明，掺杂Cr、Y可有效降低AgSnO2触头材料的燃弧能量，改善抗电弧侵蚀性，抑制电弧对触头的烧蚀，稳定触头材料的抗电弧侵蚀性能、抗熔焊性能。
采用掺杂改性的方式改善AgSnO2复合触头材料的电性能和加工性能。基于密度泛函理论的第一性原理，对掺杂Cr-Y、Cr-Ce的SnO2超晶胞进行弹性常数的仿真计算，筛选出力学性能较好的稀土元素Y进行电性能的仿真与实验。从能带结构和态密度分析Cr、Y单掺杂和共掺杂对SnO2电子结构的影响，结果表明，掺杂后SnO2能带隙减小，电子跃迁所需能量降低。采用溶胶凝胶法制备掺杂的SnO2粉末，并应用XRD对其进行物相结构分析，验证了掺杂离子进入SnO2晶格，形成固溶体，能实现仿真建立的替代掺杂模型。采用粉末冶金法制备掺杂的AgSnO2复合触头材料，测量其密度、硬度和电导率，掺杂后AgSnO2触头材料电导率提高，其中Cr、Y共掺时物理性能最优，验证了仿真结果。使用JF04D型电接触触头材料测试系统对触头材料进行电接触性能试验，试验结果表明，掺杂Cr、Y可有效降低AgSnO2触头材料的燃弧能量，改善抗电弧侵蚀性，抑制电弧对触头的烧蚀，稳定触头材料的抗电弧侵蚀性能、抗熔焊性能。
2022, 39(7): 3530-3541.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210820.004
摘要:
碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢层状结构在实际运营过程中，脆性碳纤维层容易出现划痕等表面损伤，因此为了保障损伤后复合结构的安全运行，需要对其进行损伤容限研究。基于边界效应理论模型(Boundary effect model，BEM)，建立了表面划痕损伤后的CFRP-钢层状结构三点弯曲断裂强度解析模型，并在CFRP表面分别预制了0.2 mm和0.4 mm深度的表面初始划痕缺陷，通过三点弯曲梁的成组试验验证了理论模型的可行性。研究结果表明：(1)利用金相显微镜观测了CFRP-钢层状结构三点弯曲极限荷载时的断裂特征，确定了表面划痕损伤后CFRP的结构特征参数Cch，代入解析模型获得了CFRP层的拉伸强度，并与CFRP直接拉伸试验测试的拉伸强度对比，两者偏差小于10%；(2)该解析模型为“断裂荷载=拉伸强度×等效面积”的线性方程形式，“等效面积”仅与CFRP-钢层状结构和表面裂纹的几何参数有关，因此，通过CFRP的直接拉伸强度可以预测表面损伤后CFRP-钢层状结构的断裂强度，实现损伤容限设计。
碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢层状结构在实际运营过程中，脆性碳纤维层容易出现划痕等表面损伤，因此为了保障损伤后复合结构的安全运行，需要对其进行损伤容限研究。基于边界效应理论模型(Boundary effect model，BEM)，建立了表面划痕损伤后的CFRP-钢层状结构三点弯曲断裂强度解析模型，并在CFRP表面分别预制了0.2 mm和0.4 mm深度的表面初始划痕缺陷，通过三点弯曲梁的成组试验验证了理论模型的可行性。研究结果表明：(1)利用金相显微镜观测了CFRP-钢层状结构三点弯曲极限荷载时的断裂特征，确定了表面划痕损伤后CFRP的结构特征参数Cch，代入解析模型获得了CFRP层的拉伸强度，并与CFRP直接拉伸试验测试的拉伸强度对比，两者偏差小于10%；(2)该解析模型为“断裂荷载=拉伸强度×等效面积”的线性方程形式，“等效面积”仅与CFRP-钢层状结构和表面裂纹的几何参数有关，因此，通过CFRP的直接拉伸强度可以预测表面损伤后CFRP-钢层状结构的断裂强度，实现损伤容限设计。
2022, 39(7): 3542-3553.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210905.002
摘要:
轻质隔热材料已在飞行器动力装置热防护系统中获得广泛应用，但现有的工艺技术难以实现高承载、轻质、隔热等多个技术目标的协同。基于微热压增材制造成形技术原理快速制备了一种轻质、高强度、低导热碳化硅/石墨复合材料。研究了不同成形密度下复合材料的抗压强度和导热系数变化规律，通过改变材料配方组成(包括热固性酚醛树脂粉末、高纯硅粉和可膨胀石墨质量分数)实现了复合材料的抗压强度和导热系数正反向调节，揭示了其内在机制。研究发现当酚醛树脂粉末、高纯硅粉、可膨胀石墨质量分数分别为30wt%、30wt%、2wt%时，所制备的碳化硅/石墨隔热复合材料兼具低密度(＜1.2 g/cm3)、高抗压(＞15 MPa)和低导热(＜1 W/(m·K))性能，该复合材料在航空航天具有良好的应用前景。
轻质隔热材料已在飞行器动力装置热防护系统中获得广泛应用，但现有的工艺技术难以实现高承载、轻质、隔热等多个技术目标的协同。基于微热压增材制造成形技术原理快速制备了一种轻质、高强度、低导热碳化硅/石墨复合材料。研究了不同成形密度下复合材料的抗压强度和导热系数变化规律，通过改变材料配方组成(包括热固性酚醛树脂粉末、高纯硅粉和可膨胀石墨质量分数)实现了复合材料的抗压强度和导热系数正反向调节，揭示了其内在机制。研究发现当酚醛树脂粉末、高纯硅粉、可膨胀石墨质量分数分别为30wt%、30wt%、2wt%时，所制备的碳化硅/石墨隔热复合材料兼具低密度(＜1.2 g/cm3)、高抗压(＞15 MPa)和低导热(＜1 W/(m·K))性能，该复合材料在航空航天具有良好的应用前景。
2022, 39(7): 3554-3563.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211020.001
摘要:
陶瓷增强铝基复合材料是轻量化结构件的较理想材料，但随着陶瓷增强相含量的增加，复合材料的韧性会降低，导致复合材料服役过程中安全性的下降。因此如何实现复合材料高强韧性的匹配是制备陶瓷增强铝基复合材料一直存在的难题。根据仿生学思想，采用冷冻铸造及压力浸渗技术制备了不同陶瓷初始固相含量(20vol%、30vol%、40vol%)的TiB2/Al-Cu层状复合材料。采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)和力学性能测试研究了不同陶瓷初始固相含量对于TiB2/Al-Cu层状复合材料微观组织和力学性能的影响。实验结果表明，随着陶瓷初始固相含量的提升，复合材料中陶瓷片层厚度增加，金属片层厚度减小，复合材料的抗压强度有所提升但抗弯强度和断裂韧性下降。其中，20vol%陶瓷初始固相含量的TiB2/Al-Cu层状复合材料拥有较优的断裂韧性，达到了(20.59±1.5) MPa·m1/2；40vol%陶瓷初始固相含量制备的TiB2/Al-Cu层状复合材料拥有较优的抗压强度，达到了(670±20) MPa。这主要是因为随着复合材料中陶瓷初始固相含量的提升，层状复合材料更容易发生界面脱层，层状复合材料通过合金塑性变形等增韧效果减弱；同时，裂纹偏折、界面剥落、裂纹分支等增韧效果也降低。
陶瓷增强铝基复合材料是轻量化结构件的较理想材料，但随着陶瓷增强相含量的增加，复合材料的韧性会降低，导致复合材料服役过程中安全性的下降。因此如何实现复合材料高强韧性的匹配是制备陶瓷增强铝基复合材料一直存在的难题。根据仿生学思想，采用冷冻铸造及压力浸渗技术制备了不同陶瓷初始固相含量(20vol%、30vol%、40vol%)的TiB2/Al-Cu层状复合材料。采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)和力学性能测试研究了不同陶瓷初始固相含量对于TiB2/Al-Cu层状复合材料微观组织和力学性能的影响。实验结果表明，随着陶瓷初始固相含量的提升，复合材料中陶瓷片层厚度增加，金属片层厚度减小，复合材料的抗压强度有所提升但抗弯强度和断裂韧性下降。其中，20vol%陶瓷初始固相含量的TiB2/Al-Cu层状复合材料拥有较优的断裂韧性，达到了(20.59±1.5) MPa·m1/2；40vol%陶瓷初始固相含量制备的TiB2/Al-Cu层状复合材料拥有较优的抗压强度，达到了(670±20) MPa。这主要是因为随着复合材料中陶瓷初始固相含量的提升，层状复合材料更容易发生界面脱层，层状复合材料通过合金塑性变形等增韧效果减弱；同时，裂纹偏折、界面剥落、裂纹分支等增韧效果也降低。
2022, 39(7): 3564-3569.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210906.002
摘要:
以采用硼热/碳热还原反应自合成的(Me1/3Hf1/3Nb1/3)B2 (Me=Ti, Zr, Ta) 为原料，通过放电等离子烧结制备了(Me1/3Hf1/3Nb1/3)B2陶瓷，系统研究了其相组成、致密度、显微结构和力学性能。结果表明，(Ti1/3Hf1/3Nb1/3)B2和(Zr1/3Hf1/3Nb1/3)B2陶瓷具有较高的致密度(~98%)，而(Ta1/3Hf1/3Nb1/3)B2陶瓷的致密度较低(~93%)。(Ti1/3Hf1/3Nb1/3)B2的晶粒较粗，而(Zr1/3Hf1/3Nb1/3)B2和(Ta1/3Hf1/3Nb1/3)B2的晶粒相对较小，并且在(Ta1/3Hf1/3Nb1/3)B2中Nb元素出现局部偏析。(Ti1/3Hf1/3Nb1/3)B2陶瓷具有较优异的力学性能，硬度和韧性分别为(20.08±0.81) GPa和(2.52±0.15) MPa·m1/2，而(Zr1/3Hf1/3Nb1/3)B2陶瓷的力学性能较差，硬度和断裂韧性分别为(17.21±0.63) GPa和(1.50±0.18) MPa·m1/2。
以采用硼热/碳热还原反应自合成的(Me1/3Hf1/3Nb1/3)B2 (Me=Ti, Zr, Ta) 为原料，通过放电等离子烧结制备了(Me1/3Hf1/3Nb1/3)B2陶瓷，系统研究了其相组成、致密度、显微结构和力学性能。结果表明，(Ti1/3Hf1/3Nb1/3)B2和(Zr1/3Hf1/3Nb1/3)B2陶瓷具有较高的致密度(~98%)，而(Ta1/3Hf1/3Nb1/3)B2陶瓷的致密度较低(~93%)。(Ti1/3Hf1/3Nb1/3)B2的晶粒较粗，而(Zr1/3Hf1/3Nb1/3)B2和(Ta1/3Hf1/3Nb1/3)B2的晶粒相对较小，并且在(Ta1/3Hf1/3Nb1/3)B2中Nb元素出现局部偏析。(Ti1/3Hf1/3Nb1/3)B2陶瓷具有较优异的力学性能，硬度和韧性分别为(20.08±0.81) GPa和(2.52±0.15) MPa·m1/2，而(Zr1/3Hf1/3Nb1/3)B2陶瓷的力学性能较差，硬度和断裂韧性分别为(17.21±0.63) GPa和(1.50±0.18) MPa·m1/2。
2022, 39(7): 3570-3580.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210729.003
摘要:
提出一种可变弧边内凹多胞蜂窝负泊松比结构。利用能量法得到了二维结构的等效泊松比和等效弹性模量的解析公式，讨论了弧角对等效泊松比和等效弹性模量的影响，解析解与有限元结果吻合较好，说明了该方法的有效性。利用ABAQUS研究了三维结构的冲击动力学特性，分析了蜂窝结构受冲击时的变形失效模式，讨论了冲击速度、结构应变和曲边弧角对动应力-应变曲线、能量吸收率和平台应力的影响规律。所得结果为该类机械超材料的冲击变形失效和吸能效果研究提供了力学依据。
提出一种可变弧边内凹多胞蜂窝负泊松比结构。利用能量法得到了二维结构的等效泊松比和等效弹性模量的解析公式，讨论了弧角对等效泊松比和等效弹性模量的影响，解析解与有限元结果吻合较好，说明了该方法的有效性。利用ABAQUS研究了三维结构的冲击动力学特性，分析了蜂窝结构受冲击时的变形失效模式，讨论了冲击速度、结构应变和曲边弧角对动应力-应变曲线、能量吸收率和平台应力的影响规律。所得结果为该类机械超材料的冲击变形失效和吸能效果研究提供了力学依据。
2022, 39(7): 3581-3589.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210806.001
摘要:
连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)具有抗冲击、易修复、耐高温等优异特性，是新一代航空航天热端结构的优选材料。PEEK基体的结晶特性使其在高于玻璃化转变温度(143℃左右)时仍具有较强承载能力，因此，CF/PEEK复合材料能够在200℃条件下长期服役。然而，CF/PEEK复合材料的成型温度域宽、服役温度范围广，高温条件下PEEK树脂会逐渐松弛，导致CF/PEEK复合材料呈现出与时间、温度、加载历史相关的各向异性黏弹性，对复合材料结构成型过程与服役历史的精细化设计带来了挑战。现有复合材料高温预测模型主要基于弹塑性本构的刚度折减方法，未充分考虑材料的各向异性松弛行为。发展了一种描述CF/PEEK复合材料力学性能随时间、温度演化的各向异性黏弹本构模型。通过表征热塑性PEEK树脂的松弛模量主曲线，基于广义Maxwell黏弹模型，获取泛温度域(25~200℃)热塑性PEEK的黏弹性本构参数，结合复合材料等效力学性能的半经验解法，给出了三维复合材料各向异性黏弹本构模型。通过与CF/PEEK复合材料的横向高温松弛实验和代表性体积单元(RVE)仿真模拟结果比较，证明了该模型的有效性。这一本构模型可用于CF/PEEK复合材料结构的成型过程仿真和高温力学性能设计。
连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)具有抗冲击、易修复、耐高温等优异特性，是新一代航空航天热端结构的优选材料。PEEK基体的结晶特性使其在高于玻璃化转变温度(143℃左右)时仍具有较强承载能力，因此，CF/PEEK复合材料能够在200℃条件下长期服役。然而，CF/PEEK复合材料的成型温度域宽、服役温度范围广，高温条件下PEEK树脂会逐渐松弛，导致CF/PEEK复合材料呈现出与时间、温度、加载历史相关的各向异性黏弹性，对复合材料结构成型过程与服役历史的精细化设计带来了挑战。现有复合材料高温预测模型主要基于弹塑性本构的刚度折减方法，未充分考虑材料的各向异性松弛行为。发展了一种描述CF/PEEK复合材料力学性能随时间、温度演化的各向异性黏弹本构模型。通过表征热塑性PEEK树脂的松弛模量主曲线，基于广义Maxwell黏弹模型，获取泛温度域(25~200℃)热塑性PEEK的黏弹性本构参数，结合复合材料等效力学性能的半经验解法，给出了三维复合材料各向异性黏弹本构模型。通过与CF/PEEK复合材料的横向高温松弛实验和代表性体积单元(RVE)仿真模拟结果比较，证明了该模型的有效性。这一本构模型可用于CF/PEEK复合材料结构的成型过程仿真和高温力学性能设计。
2022, 39(7): 3590-3602.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210903.001
摘要:
纤维增强树脂复合材料在制造和服役过程中会不可避免地产生各类缺陷，且缺陷种类多、特征尺寸分散，检测难度大。缺陷检测的最终目的是对含缺陷构件的机械力学性能给出适应性评价，为此提出了一种特别适合于纤维增强树脂复合材料的集缺陷检测和性能评价为一体的微应力无损检测方法。该方法对构件施加一定的载荷使其处于微应力状态，结合全场位移的光学测量技术，捕捉缺陷导致的异常响应，以褶皱缺陷为例给出了具体的实施过程。首先基于褶皱缺陷特征响应的预测结果设计了特定的检测方案，并基于光栅投影测量技术创新性地提出了一种测量离面位移的新方法。试验结果表明，在轴向微应力加载下，利用提出的光栅投影测量方法可以探测到褶皱缺陷导致的离面位移畸变，畸变的位置和大小反映了缺陷的位置和严重程度。同时由于使用了光-力学的综合检测方法，可以跨越对缺陷具体形貌尺寸的探查，直接获得含缺陷构件在给定工况下的力学行为响应，为构件适应性评价提供参考依据。
纤维增强树脂复合材料在制造和服役过程中会不可避免地产生各类缺陷，且缺陷种类多、特征尺寸分散，检测难度大。缺陷检测的最终目的是对含缺陷构件的机械力学性能给出适应性评价，为此提出了一种特别适合于纤维增强树脂复合材料的集缺陷检测和性能评价为一体的微应力无损检测方法。该方法对构件施加一定的载荷使其处于微应力状态，结合全场位移的光学测量技术，捕捉缺陷导致的异常响应，以褶皱缺陷为例给出了具体的实施过程。首先基于褶皱缺陷特征响应的预测结果设计了特定的检测方案，并基于光栅投影测量技术创新性地提出了一种测量离面位移的新方法。试验结果表明，在轴向微应力加载下，利用提出的光栅投影测量方法可以探测到褶皱缺陷导致的离面位移畸变，畸变的位置和大小反映了缺陷的位置和严重程度。同时由于使用了光-力学的综合检测方法，可以跨越对缺陷具体形貌尺寸的探查，直接获得含缺陷构件在给定工况下的力学行为响应，为构件适应性评价提供参考依据。
2022, 39(7): 3603-3615.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210805.001
摘要:
基于扩展逐层理论(Extended layerwise method，XLWM)、离散损伤模型(Discrete damage zone model，DDZM)和Peerlings损伤定律，建立了可以分析复合材料结构分层损伤疲劳扩展的疲劳渐进扩展逐层方法(Fatigue progressive extended layerwise method，FPXLWM)。首先对HTC/6736A碳纤维双悬臂梁进行分析，施加恒定弯矩，验证该方法的正确性；然后通过计算多组Paris曲线，确定模型的疲劳参数，对HTC/6736A碳纤维双悬臂梁分层疲劳扩展机制进行深入探讨。
基于扩展逐层理论(Extended layerwise method，XLWM)、离散损伤模型(Discrete damage zone model，DDZM)和Peerlings损伤定律，建立了可以分析复合材料结构分层损伤疲劳扩展的疲劳渐进扩展逐层方法(Fatigue progressive extended layerwise method，FPXLWM)。首先对HTC/6736A碳纤维双悬臂梁进行分析，施加恒定弯矩，验证该方法的正确性；然后通过计算多组Paris曲线，确定模型的疲劳参数，对HTC/6736A碳纤维双悬臂梁分层疲劳扩展机制进行深入探讨。
2022, 39(7): 3616-3628.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210819.004
摘要:
针对Ф150 mm非等极孔复合材料缠绕壳体，开展了水压爆破试验研究，并通过建立基于三维Hashin失效准则的壳体精细化渐进损伤有限元模型，对壳体复合材料失效模式、爆破位置以及爆破压强进行了准确预测，以验证有限元模型的可靠性。以此为基础，根据壳体封头应力分布状态，建立了基于多岛遗传算法的封头分区补强优化模型，对补强层数和补强角度进行优化，揭示了不同分区补强角度及其耦合作用对封头纤维应力的影响机制，继而获得不同分区最优的补强角度及补强层数，并通过分区补强试验进行验证。结果表明，封头赤道圆至金属接头肩部区域补强角度对纤维应力的影响更为显著，宜采用小角度进行补强；而接头肩部至极孔范围内需采用较大角度分别对轴向和环向进行补强。通过分区补强水压爆破试验结果可知，壳体爆压提高了37.5%，壳体特性系数提高16.6%，说明该优化模型是准确且可靠的。
针对Ф150 mm非等极孔复合材料缠绕壳体，开展了水压爆破试验研究，并通过建立基于三维Hashin失效准则的壳体精细化渐进损伤有限元模型，对壳体复合材料失效模式、爆破位置以及爆破压强进行了准确预测，以验证有限元模型的可靠性。以此为基础，根据壳体封头应力分布状态，建立了基于多岛遗传算法的封头分区补强优化模型，对补强层数和补强角度进行优化，揭示了不同分区补强角度及其耦合作用对封头纤维应力的影响机制，继而获得不同分区最优的补强角度及补强层数，并通过分区补强试验进行验证。结果表明，封头赤道圆至金属接头肩部区域补强角度对纤维应力的影响更为显著，宜采用小角度进行补强；而接头肩部至极孔范围内需采用较大角度分别对轴向和环向进行补强。通过分区补强水压爆破试验结果可知，壳体爆压提高了37.5%，壳体特性系数提高16.6%，说明该优化模型是准确且可靠的。
2022, 39(7): 3629-3640.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210823.002
摘要:
新型防弹头盔虽然能有效减少手枪弹穿透性损伤，但头盔内表面变形(Back face deformation，BFD)仍有可能对人体头部造成损伤。为准确模拟防弹头盔受到子弹冲击时的瞬态力学响应，基于Abaqus的用户材料子程序VUMAT编写了适用于模拟复合材料防弹头盔力学性能的渐进损伤本构模型，建立了9 mm铅芯手枪弹以343 m/s侵彻PASGT芳纶防弹头盔的有限元模型，从头盔BFD曲线和内表面鼓包形态两方面验证了数值模拟的准确性。防弹头盔失效模式表明，头盔主要发生纤维拉伸、基体压缩和分层失效；子弹侵彻防弹头盔的过程中，头盔上的应力云图在初期呈现较为规则的菱形，然后再慢慢向四周扩散演化为圆形；子弹以三种不同入射角(30°、45°、60°)冲击头盔顶部时均出现了跳弹，反跳后的速度分别为72.9 m/s、165.5 m/s和240.1 m/s。最后采用钝性准则对头盔内表面变形可能造成的颅骨骨折概率进行了估算。
新型防弹头盔虽然能有效减少手枪弹穿透性损伤，但头盔内表面变形(Back face deformation，BFD)仍有可能对人体头部造成损伤。为准确模拟防弹头盔受到子弹冲击时的瞬态力学响应，基于Abaqus的用户材料子程序VUMAT编写了适用于模拟复合材料防弹头盔力学性能的渐进损伤本构模型，建立了9 mm铅芯手枪弹以343 m/s侵彻PASGT芳纶防弹头盔的有限元模型，从头盔BFD曲线和内表面鼓包形态两方面验证了数值模拟的准确性。防弹头盔失效模式表明，头盔主要发生纤维拉伸、基体压缩和分层失效；子弹侵彻防弹头盔的过程中，头盔上的应力云图在初期呈现较为规则的菱形，然后再慢慢向四周扩散演化为圆形；子弹以三种不同入射角(30°、45°、60°)冲击头盔顶部时均出现了跳弹，反跳后的速度分别为72.9 m/s、165.5 m/s和240.1 m/s。最后采用钝性准则对头盔内表面变形可能造成的颅骨骨折概率进行了估算。
2022, 39(7): 3641-3651.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210903.005
摘要:
利用落锤冲击试验研究了X型点阵夹芯结构局部冲击动态特性，并分析了不同参数对其冲击性能的影响。结果表明，冲击失效过程大致经历整体受力、上面板破坏、下面板受力强化和下面板破坏四个典型阶段，冲击速度和面板厚度对X型点阵夹芯结构的冲击极限荷载和吸能量影响较大，芯子厚度对X型点阵夹芯结构的冲击极限荷载和吸能量影响较小，而芯子角度对X型点阵夹芯结构的冲击极限荷载和吸能量有一定影响。利用有限元对X型点阵夹芯结构的局部冲击动态行为进行了数值模拟，通过破坏形态和荷载-时间曲线的对比分析验证了有限元模型的可靠性。
利用落锤冲击试验研究了X型点阵夹芯结构局部冲击动态特性，并分析了不同参数对其冲击性能的影响。结果表明，冲击失效过程大致经历整体受力、上面板破坏、下面板受力强化和下面板破坏四个典型阶段，冲击速度和面板厚度对X型点阵夹芯结构的冲击极限荷载和吸能量影响较大，芯子厚度对X型点阵夹芯结构的冲击极限荷载和吸能量影响较小，而芯子角度对X型点阵夹芯结构的冲击极限荷载和吸能量有一定影响。利用有限元对X型点阵夹芯结构的局部冲击动态行为进行了数值模拟，通过破坏形态和荷载-时间曲线的对比分析验证了有限元模型的可靠性。
2022, 39(7): 3652-3662.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210819.006
摘要:
石墨烯作为一种新型增强材料，在增强金属的力学性能方面有广阔的应用前景。利用分子动力学模拟，计算了单晶铝(Al)及单、双层石墨烯涂层铝(Gr/Al)的纳米压痕响应。研究了Al和Gr/Al在球形压头下的压痕性能，并对其压痕力学行为进行分析，以探究压痕作用下Gr涂层对Al基体性能的影响。结果表明，Gr涂层显著增强了Al基体的承载能力，并且提高了其硬度和折合弹性模量。通过分析材料变形行为、内部应力及位错扩展发现，Gr提高Al基体压痕性能的原因主要有两个：一是Al基体在Gr涂层的“托举作用”下承载面积的大幅增加；二是Gr涂层改变了Al基体中位错的扩展。通过对比单、双层Gr涂层下Al基体的压痕性能，发现增加Gr层数可以提高整个系统的承载能力，但减小了系统的临界压深。
石墨烯作为一种新型增强材料，在增强金属的力学性能方面有广阔的应用前景。利用分子动力学模拟，计算了单晶铝(Al)及单、双层石墨烯涂层铝(Gr/Al)的纳米压痕响应。研究了Al和Gr/Al在球形压头下的压痕性能，并对其压痕力学行为进行分析，以探究压痕作用下Gr涂层对Al基体性能的影响。结果表明，Gr涂层显著增强了Al基体的承载能力，并且提高了其硬度和折合弹性模量。通过分析材料变形行为、内部应力及位错扩展发现，Gr提高Al基体压痕性能的原因主要有两个：一是Al基体在Gr涂层的“托举作用”下承载面积的大幅增加；二是Gr涂层改变了Al基体中位错的扩展。通过对比单、双层Gr涂层下Al基体的压痕性能，发现增加Gr层数可以提高整个系统的承载能力，但减小了系统的临界压深。
