2023年 第40卷 第11期
2023, 40(11): 5977-5988.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230515.002
摘要:
金属有机框架(MOFs)因其具有比表面积大、孔隙度和孔径可调、表面修饰功能强、化学和热稳定性好等优点而被广泛应用于材料领域。然而，MOFs容易团聚，其固有的晶体结构导致其柔韧性、加工性和可回收性较差，严重限制了其应用。近年来，MOFs与环保可再生的生物质材料复合，不仅解决了上述问题，且兼有生物质和MOFs两种材料的优势，实现了其在新兴领域的应用。从不同生物质原料出发，介绍了MOFs/生物质基复合材料的种类、制备方法，详细综述了该材料在水体净化、气体分离、抗菌处理、电化学应用方面的研究进展，并针对制备和应用过程中存在的问题提出了建设性的意见，为研究者设计和开发高性能MOFs/生物质复合材料提供科学的依据。
金属有机框架(MOFs)因其具有比表面积大、孔隙度和孔径可调、表面修饰功能强、化学和热稳定性好等优点而被广泛应用于材料领域。然而，MOFs容易团聚，其固有的晶体结构导致其柔韧性、加工性和可回收性较差，严重限制了其应用。近年来，MOFs与环保可再生的生物质材料复合，不仅解决了上述问题，且兼有生物质和MOFs两种材料的优势，实现了其在新兴领域的应用。从不同生物质原料出发，介绍了MOFs/生物质基复合材料的种类、制备方法，详细综述了该材料在水体净化、气体分离、抗菌处理、电化学应用方面的研究进展，并针对制备和应用过程中存在的问题提出了建设性的意见，为研究者设计和开发高性能MOFs/生物质复合材料提供科学的依据。
2023, 40(11): 5989-6009.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230523.002
摘要:
钛/镁双金属复合材料兼具了钛和镁的优点，在航空航天、交通运输等领域具有巨大的潜在应用价值，近年来受到了国内外研究者的广泛关注。针对熔点差异大，弱反应，低互溶的钛、镁两种金属，采用中间层金属实现钛/镁界面冶金结合是典型的界面强化方法，界面冶金结合的调控是提高界面结合强度的核心，界面反应的控制和优化是界面强化的难点。本文综述了不同复合方法制备钛/镁双金属复合材料的研究进展，分析了界面组织演变对界面结合强度的影响；总结了在不同的复合方法下所采用的界面强化方法时，钛/镁双金属复合材料界面的失效强度；归纳了钛/镁双金属的界面强化机制，并对钛/镁双金属的界面强化后续研究进行展望。
钛/镁双金属复合材料兼具了钛和镁的优点，在航空航天、交通运输等领域具有巨大的潜在应用价值，近年来受到了国内外研究者的广泛关注。针对熔点差异大，弱反应，低互溶的钛、镁两种金属，采用中间层金属实现钛/镁界面冶金结合是典型的界面强化方法，界面冶金结合的调控是提高界面结合强度的核心，界面反应的控制和优化是界面强化的难点。本文综述了不同复合方法制备钛/镁双金属复合材料的研究进展，分析了界面组织演变对界面结合强度的影响；总结了在不同的复合方法下所采用的界面强化方法时，钛/镁双金属复合材料界面的失效强度；归纳了钛/镁双金属的界面强化机制，并对钛/镁双金属的界面强化后续研究进行展望。
2023, 40(11): 6010-6028.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230601.001
摘要:
在能源危机与生态环境持续恶化的大背景下，开发先进储能技术成为各国竞相研究的重点。将碳纤维作为多功能结构电极与聚合物电解质复合，制备兼具储能与结构承载的复合材料结构超级电容器(Structural supercapacitor composites，SSC)，有望满足现代装备对高效储能与轻量化结构的双重需求，在新能源汽车、航空航天等领域具有广泛应用前景。碳纤维电极是SSC的重要组件，承担着富集电荷与力学承载的双重任务，应具有高比表面积、优良的力学性能及树脂电解质浸润能力。然而常规碳纤维表面光滑，比表面积小，化学惰性大，不利于电荷的存储及树脂电解质的浸润，限制了高性能SSC的制备与应用，必须对其进行表面改性处理。本文介绍了SSC用碳纤维电极材料的研究现状，重点阐述了刻蚀活化改性、碳基活性材料修饰、纳米金属化合物活性材料修饰、聚苯胺修饰等改性方法，总结了不同碳纤维电极制备方法对SSC储能及力学性能的影响行为与机制，归纳了各自优缺点，并展望了SSC用碳纤维电极研制面临的挑战及发展趋势。
在能源危机与生态环境持续恶化的大背景下，开发先进储能技术成为各国竞相研究的重点。将碳纤维作为多功能结构电极与聚合物电解质复合，制备兼具储能与结构承载的复合材料结构超级电容器(Structural supercapacitor composites，SSC)，有望满足现代装备对高效储能与轻量化结构的双重需求，在新能源汽车、航空航天等领域具有广泛应用前景。碳纤维电极是SSC的重要组件，承担着富集电荷与力学承载的双重任务，应具有高比表面积、优良的力学性能及树脂电解质浸润能力。然而常规碳纤维表面光滑，比表面积小，化学惰性大，不利于电荷的存储及树脂电解质的浸润，限制了高性能SSC的制备与应用，必须对其进行表面改性处理。本文介绍了SSC用碳纤维电极材料的研究现状，重点阐述了刻蚀活化改性、碳基活性材料修饰、纳米金属化合物活性材料修饰、聚苯胺修饰等改性方法，总结了不同碳纤维电极制备方法对SSC储能及力学性能的影响行为与机制，归纳了各自优缺点，并展望了SSC用碳纤维电极研制面临的挑战及发展趋势。
2023, 40(11): 6029-6042.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230515.001
摘要:
阳离子掺杂措施被认为是调节优化铜锌锡硫硒薄膜(Cu2ZnSn(S, Se)4，CZTS(Se))太阳能电池有效措施之一，其中，二价阳离子掺杂措施是研究最多、应用最广的。本文从阳离子取代和阳离子额外添加两个方面详细介绍了二价阳离子掺杂措施在优化CZTS(Se)薄膜太阳能电池性能方面的研究进展，二价阳离子取代措施，如Cd2+取代Zn2+等，主要是可以有效降低CZTS(Se)薄膜太阳能电池吸收层的缺陷密度，提高结晶质量，解决吸收层和缓冲层之间界面能带偏移值较大的问题，从而减少电池器件的开路电压亏损，提高器件效率；二价阳离子的额外添加，如Co、Mn的额外添加，主要是优化薄膜的结晶性、帮助载流子的输运，提高吸收层薄膜的电学性能；最后，也总结两类阳离子掺杂措施的优缺点及应用前景。
阳离子掺杂措施被认为是调节优化铜锌锡硫硒薄膜(Cu2ZnSn(S, Se)4，CZTS(Se))太阳能电池有效措施之一，其中，二价阳离子掺杂措施是研究最多、应用最广的。本文从阳离子取代和阳离子额外添加两个方面详细介绍了二价阳离子掺杂措施在优化CZTS(Se)薄膜太阳能电池性能方面的研究进展，二价阳离子取代措施，如Cd2+取代Zn2+等，主要是可以有效降低CZTS(Se)薄膜太阳能电池吸收层的缺陷密度，提高结晶质量，解决吸收层和缓冲层之间界面能带偏移值较大的问题，从而减少电池器件的开路电压亏损，提高器件效率；二价阳离子的额外添加，如Co、Mn的额外添加，主要是优化薄膜的结晶性、帮助载流子的输运，提高吸收层薄膜的电学性能；最后，也总结两类阳离子掺杂措施的优缺点及应用前景。
2023, 40(11): 6043-6060.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230612.001
摘要:
随着电子设备朝着小型化、集成化和多功能化的趋势不断发展，实现电子材料的高导热性能对电子设备的稳定运行和使用寿命至关重要。聚酰亚胺(PI)因其优异的耐热性能和力学性能被广泛应用于热管理领域，然而传统PI的本征导热系数较低，难以满足电子器件的快速散热需求，发展新型高导热PI及PI复合材料成为目前国内外的研究重点。本文从PI分子链结构、分子链取向及分子间相互作用等方面阐述了非晶型与液晶型两类本征型导热PI的制备与性能调控，系统探讨了填料表面修饰、杂化改性、取向设计、三维网络构筑等方法对PI复合材料结构与性能的影响规律，最后对高导热PI及PI复合材料研究中面临的挑战进行了总结与展望。
随着电子设备朝着小型化、集成化和多功能化的趋势不断发展，实现电子材料的高导热性能对电子设备的稳定运行和使用寿命至关重要。聚酰亚胺(PI)因其优异的耐热性能和力学性能被广泛应用于热管理领域，然而传统PI的本征导热系数较低，难以满足电子器件的快速散热需求，发展新型高导热PI及PI复合材料成为目前国内外的研究重点。本文从PI分子链结构、分子链取向及分子间相互作用等方面阐述了非晶型与液晶型两类本征型导热PI的制备与性能调控，系统探讨了填料表面修饰、杂化改性、取向设计、三维网络构筑等方法对PI复合材料结构与性能的影响规律，最后对高导热PI及PI复合材料研究中面临的挑战进行了总结与展望。
2023, 40(11): 6061-6072.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230626.001
摘要:
由于碳纤维(CF)的化学惰性，导致了CF和聚醚酮酮(PEKK)的界面结合较差，限制了碳纤维增强聚醚酮酮(CF/PEKK)复合材料力学性能的发挥。本文通过将国产PEKK树脂进行磺化处理制备了磺化聚醚酮酮(SPEKK)水性上浆剂，以改善CF/PEKK复合材料的力学性能。通过调控SPEKK的磺化度使其能够形成稳定的水性乳液，对CF进行上浆改性，并通过真空热压制备了CF/PEKK复合材料。研究发现，当水性SPEKK乳液的浓度为0.5wt%时，改性后的CF/PEKK复合材料的弯曲强度、弯曲模量和层间剪切强度分别达到了1237 MPa、78 GPa和92 MPa，比未改性的CF/PEKK复合材料分别提升了35.5%、5.4%和26.0%。CF/PEKK复合材料力学性能的改善，可能归因于在CF表面引入的SPEKK通过与CF产生氢键、π-π相互作用及与PEKK树脂基体形成π-π相互作用、分子间扩散和缠结等显著增强了CF与PEKK的界面结合。采用水性SPEKK上浆剂对碳纤维表面处理，不会产生环境污染，工艺更加简单，且适合于碳纤维的工业化生产，对于发展国产高性能碳纤维增强热塑性复合材料具有重要意义。
由于碳纤维(CF)的化学惰性，导致了CF和聚醚酮酮(PEKK)的界面结合较差，限制了碳纤维增强聚醚酮酮(CF/PEKK)复合材料力学性能的发挥。本文通过将国产PEKK树脂进行磺化处理制备了磺化聚醚酮酮(SPEKK)水性上浆剂，以改善CF/PEKK复合材料的力学性能。通过调控SPEKK的磺化度使其能够形成稳定的水性乳液，对CF进行上浆改性，并通过真空热压制备了CF/PEKK复合材料。研究发现，当水性SPEKK乳液的浓度为0.5wt%时，改性后的CF/PEKK复合材料的弯曲强度、弯曲模量和层间剪切强度分别达到了1237 MPa、78 GPa和92 MPa，比未改性的CF/PEKK复合材料分别提升了35.5%、5.4%和26.0%。CF/PEKK复合材料力学性能的改善，可能归因于在CF表面引入的SPEKK通过与CF产生氢键、π-π相互作用及与PEKK树脂基体形成π-π相互作用、分子间扩散和缠结等显著增强了CF与PEKK的界面结合。采用水性SPEKK上浆剂对碳纤维表面处理，不会产生环境污染，工艺更加简单，且适合于碳纤维的工业化生产，对于发展国产高性能碳纤维增强热塑性复合材料具有重要意义。
2023, 40(11): 6073-6086.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230117.005
摘要:
聚合物与纤维之间的界面性能对提升复合材料力学性能尤为重要。本文采用异氰酸根(—NCO)封端的聚氨酯(PU)分子对纳米SiO2表面进行改性，同时采用KH550对碳纤维(CF)进行表面改性，利用—NH2与—NCO较高的反应活性，在CF和纳米SiO2粒子间通过PU分子链形成共价键连接。结果显示：PU极性分子链的引入，提高了CF的表面能，使其表面润湿性显著提高。相较于KH550直接接枝纳米粒子的碳纤维(CF-KH550-SiO2)，通过PU分子链接枝纳米粒子的碳纤维(CF-KH550-PU-SiO2)，其表面能提升23.0%，表面纳米SiO2粒子的接枝率和分散均匀性也明显提升。CF-KH550-PU-SiO2/环氧树脂(EP)的界面剪切强度(IFSS)和层间剪切强度(ILSS)相比未改性CF/EP分别提高72.9%和47.9%，相比CF-KH550-SiO2/EP分别提高17.3%和11.2%。
聚合物与纤维之间的界面性能对提升复合材料力学性能尤为重要。本文采用异氰酸根(—NCO)封端的聚氨酯(PU)分子对纳米SiO2表面进行改性，同时采用KH550对碳纤维(CF)进行表面改性，利用—NH2与—NCO较高的反应活性，在CF和纳米SiO2粒子间通过PU分子链形成共价键连接。结果显示：PU极性分子链的引入，提高了CF的表面能，使其表面润湿性显著提高。相较于KH550直接接枝纳米粒子的碳纤维(CF-KH550-SiO2)，通过PU分子链接枝纳米粒子的碳纤维(CF-KH550-PU-SiO2)，其表面能提升23.0%，表面纳米SiO2粒子的接枝率和分散均匀性也明显提升。CF-KH550-PU-SiO2/环氧树脂(EP)的界面剪切强度(IFSS)和层间剪切强度(ILSS)相比未改性CF/EP分别提高72.9%和47.9%，相比CF-KH550-SiO2/EP分别提高17.3%和11.2%。
2023, 40(11): 6087-6097.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230407.001
摘要:
作为装甲解决方案的一组重要材料，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强复合材料在冲击作用下主要的破坏模式之一是分层脱粘。针对UHMWPE复合材料层合板提出一种改进的双悬臂梁(DCB)试件，研究了其I型层间断裂韧性(GIC)和失效特性，分析了DCB试件厚度及纤维铺层方向对GIC的影响，讨论了层间断裂破坏机制及结构塑性对裂纹扩展过程的影响，评估了现有试验标准中层间断裂韧性计算方法的适用性。结果表明：较小厚度的DCB试件呈现明显的塑性行为，由此测得的层间断裂韧性受结构塑性的影响显著，适当增加试件厚度可有效避免塑性的影响。本文结果为UHMWPE复合材料进一步的动态层间性能及其理论模型的研究提供实验参考和数据支撑，对复合材料防护结构设计具有重要的工程意义。
作为装甲解决方案的一组重要材料，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强复合材料在冲击作用下主要的破坏模式之一是分层脱粘。针对UHMWPE复合材料层合板提出一种改进的双悬臂梁(DCB)试件，研究了其I型层间断裂韧性(GIC)和失效特性，分析了DCB试件厚度及纤维铺层方向对GIC的影响，讨论了层间断裂破坏机制及结构塑性对裂纹扩展过程的影响，评估了现有试验标准中层间断裂韧性计算方法的适用性。结果表明：较小厚度的DCB试件呈现明显的塑性行为，由此测得的层间断裂韧性受结构塑性的影响显著，适当增加试件厚度可有效避免塑性的影响。本文结果为UHMWPE复合材料进一步的动态层间性能及其理论模型的研究提供实验参考和数据支撑，对复合材料防护结构设计具有重要的工程意义。
2023, 40(11): 6098-6109.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230109.001
摘要:
通过环氧树脂基体增韧改性同时提升环氧树脂基复合材料层间力学性能和耐热性能的研究具有重要工程应用价值。对端羟基聚二甲基硅氧烷与环氧树脂进行缩合反应制备改性树脂(ES)，采用真空导入方法制备玻璃纤维增强改性环氧树脂基复合材料(ES-GF)。通过双悬臂梁和短梁剪切等实验对复合材料的层间力学性能进行测量，通过热失重和动态机械热测试对复合材料的耐热性能进行评价，相应的玻璃纤维增强未改性环氧基复合材料(EP-GF)的层间力学性能和耐热性能也被测试用于对比分析。为了对复合材料层间力学性能强化和耐热性提升的物理机制进行解析，改性前后的环氧树脂的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量、拉伸断裂延伸率、摆锤冲击强度和微观结构特征等也被测量和表征。实验结果表明：相比EP-GF，ES-GF的I型临界应变能释放率(断裂韧性)提升了98.1%，层间剪切强度提升13.3%，层间力学性能的强化归因于Si—O键柔性链段、“韧性点”发挥“钉锚”及纤维/基体浸润性提高的综合作用，其层间破坏模式由纤维基体脱粘转变为基体内聚破坏。ES的最大热失重速率降低了33.1%，800℃最终残余增加了13.5倍。在玻璃化转变温度Tg之前ES-GF的储能模量比EP-GF提高1.3 GPa，在Tg之后ES-GF的储能模量比EP-GF提高0.8 GPa左右，硅氧烷改性环氧树脂的玻璃化转变温度略有提高。
通过环氧树脂基体增韧改性同时提升环氧树脂基复合材料层间力学性能和耐热性能的研究具有重要工程应用价值。对端羟基聚二甲基硅氧烷与环氧树脂进行缩合反应制备改性树脂(ES)，采用真空导入方法制备玻璃纤维增强改性环氧树脂基复合材料(ES-GF)。通过双悬臂梁和短梁剪切等实验对复合材料的层间力学性能进行测量，通过热失重和动态机械热测试对复合材料的耐热性能进行评价，相应的玻璃纤维增强未改性环氧基复合材料(EP-GF)的层间力学性能和耐热性能也被测试用于对比分析。为了对复合材料层间力学性能强化和耐热性提升的物理机制进行解析，改性前后的环氧树脂的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量、拉伸断裂延伸率、摆锤冲击强度和微观结构特征等也被测量和表征。实验结果表明：相比EP-GF，ES-GF的I型临界应变能释放率(断裂韧性)提升了98.1%，层间剪切强度提升13.3%，层间力学性能的强化归因于Si—O键柔性链段、“韧性点”发挥“钉锚”及纤维/基体浸润性提高的综合作用，其层间破坏模式由纤维基体脱粘转变为基体内聚破坏。ES的最大热失重速率降低了33.1%，800℃最终残余增加了13.5倍。在玻璃化转变温度Tg之前ES-GF的储能模量比EP-GF提高1.3 GPa，在Tg之后ES-GF的储能模量比EP-GF提高0.8 GPa左右，硅氧烷改性环氧树脂的玻璃化转变温度略有提高。
2023, 40(11): 6110-6118.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230105.004
摘要:
在聚合物基体中构建由高导热填料相互连接而成的导热通路是提高复合材料导热性能的有效策略。本文采用共还原法，在Al2O3微球表面沉积低熔点纳米锡铋合金颗粒(Sn57Bi43)，制备杂化材料(Al2O3-Sn57Bi43)，用于环氧树脂的导热绝缘填料。当环氧树脂受热固化时，Al2O3-Sn57Bi43表面Sn57Bi43纳米颗粒熔融，将填料相互连接而形成有效的导热通路，提高复合体系导热性能。当填料体积含量为60vol%时，Al2O3-Sn57Bi43/环氧树脂复合材料的导热系数为2.95 W·(m·K)−1，比Al2O3/环氧树脂复合材料的导热系数(1.82 W·(m·K)−1)提高了62.1%。Fogyel及Agari模型分析表明，Al2O3表面沉积Sn57Bi43有利于降低填料间接触热阻，形成导热通路。与Al2O3/环氧树脂复合材料相比，Al2O3-Sn57Bi43/环氧树脂复合材料的介质损耗增加，介电强度及体积电阻率降低，但仍具有电绝缘性能。由于填料-基体间界面性能改善及Al2O3-Sn57Bi43形成的网链结构能起到传递应力，阻止裂纹扩张的作用，Al2O3-Sn57Bi43/环氧树脂复合材料的拉伸断裂强度提高。
在聚合物基体中构建由高导热填料相互连接而成的导热通路是提高复合材料导热性能的有效策略。本文采用共还原法，在Al2O3微球表面沉积低熔点纳米锡铋合金颗粒(Sn57Bi43)，制备杂化材料(Al2O3-Sn57Bi43)，用于环氧树脂的导热绝缘填料。当环氧树脂受热固化时，Al2O3-Sn57Bi43表面Sn57Bi43纳米颗粒熔融，将填料相互连接而形成有效的导热通路，提高复合体系导热性能。当填料体积含量为60vol%时，Al2O3-Sn57Bi43/环氧树脂复合材料的导热系数为2.95 W·(m·K)−1，比Al2O3/环氧树脂复合材料的导热系数(1.82 W·(m·K)−1)提高了62.1%。Fogyel及Agari模型分析表明，Al2O3表面沉积Sn57Bi43有利于降低填料间接触热阻，形成导热通路。与Al2O3/环氧树脂复合材料相比，Al2O3-Sn57Bi43/环氧树脂复合材料的介质损耗增加，介电强度及体积电阻率降低，但仍具有电绝缘性能。由于填料-基体间界面性能改善及Al2O3-Sn57Bi43形成的网链结构能起到传递应力，阻止裂纹扩张的作用，Al2O3-Sn57Bi43/环氧树脂复合材料的拉伸断裂强度提高。
2023, 40(11): 6119-6129.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230418.001
摘要:
由于碳纤维在高温含氧的环境下易被氧化，且与基体发生强界面反应而导致其性能劣化，影响了其在复合材料领域的应用。本文通过在碳纤维表面构筑聚丙烯腈(PAN)过渡层及有机聚硅氮烷(OPSZ)陶瓷前驱体层，经低温固化与高温裂解后形成C-Si3N4保护涂层，制备了具有高温抗氧化效能的PAN-OPSZ/碳纤维。扫描电镜与能谱仪的结果表明：PAN层的涂覆有助于Si元素在碳纤维表面附着，将PAN溶液的浓度从1%提高到3%，Si元素的相对含量随即从2.81%提高到了8.26%。采用PAN与OPSZ浓度为3wt%制备的PAN-OPSZ/碳纤维的拉伸强度仅比未涂层碳纤维降低了2.08%，表明其未对碳纤维力学性能造成明显降低。制备的PAN-OPSZ/碳纤维的抗氧化能力得到了显著提高，在700℃的空气气氛下失重率低于8wt%，而未涂层碳纤维的失重率高达70wt%。以上结果说明，PAN-OPSZ涂层能有效提高碳纤维的高温抗氧化性，在碳纤维增强复合材料领域具有十分广阔的应用前景。
由于碳纤维在高温含氧的环境下易被氧化，且与基体发生强界面反应而导致其性能劣化，影响了其在复合材料领域的应用。本文通过在碳纤维表面构筑聚丙烯腈(PAN)过渡层及有机聚硅氮烷(OPSZ)陶瓷前驱体层，经低温固化与高温裂解后形成C-Si3N4保护涂层，制备了具有高温抗氧化效能的PAN-OPSZ/碳纤维。扫描电镜与能谱仪的结果表明：PAN层的涂覆有助于Si元素在碳纤维表面附着，将PAN溶液的浓度从1%提高到3%，Si元素的相对含量随即从2.81%提高到了8.26%。采用PAN与OPSZ浓度为3wt%制备的PAN-OPSZ/碳纤维的拉伸强度仅比未涂层碳纤维降低了2.08%，表明其未对碳纤维力学性能造成明显降低。制备的PAN-OPSZ/碳纤维的抗氧化能力得到了显著提高，在700℃的空气气氛下失重率低于8wt%，而未涂层碳纤维的失重率高达70wt%。以上结果说明，PAN-OPSZ涂层能有效提高碳纤维的高温抗氧化性，在碳纤维增强复合材料领域具有十分广阔的应用前景。
2023, 40(11): 6130-6138.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230222.010
摘要:
蜂巢石与纳米水合氧化铁(NHFO)是水处理中常用的吸附剂，研究采用共沉淀法将NHFO负载到蜂巢石上，探究其对氨氮的吸附性能及机制。实验探究了初始氨氮浓度、初始pH值及共存阳离子(H+、Na+、K+、Mg2+)对NHFO@蜂巢石吸附氨氮的影响。采用SEM-EDS、XRD等手段表征NHFO@蜂巢石的形貌及结构。结果显示：氨氮初始浓度为20 mg/L，pH值7左右时具有较好的吸附能力；共存离子对氨氮的吸附有抑制作用，抑制强度为H+>Na+>K+>Mg2+。SEM-EDS、XRD、FTIR等表征手段证实了NHFO成功负载在蜂巢石上，吸附过程符合Langmuir吸附等温线(R2=0.9886)和准二级动力学模型(R2=0.9969)。研究表明：氨氮主要通过羟基和NH4+的静电作用、离子交换和孔隙吸附共同实现的。该研究为吸附法处理氨氮废水提供了理论依据。
蜂巢石与纳米水合氧化铁(NHFO)是水处理中常用的吸附剂，研究采用共沉淀法将NHFO负载到蜂巢石上，探究其对氨氮的吸附性能及机制。实验探究了初始氨氮浓度、初始pH值及共存阳离子(H+、Na+、K+、Mg2+)对NHFO@蜂巢石吸附氨氮的影响。采用SEM-EDS、XRD等手段表征NHFO@蜂巢石的形貌及结构。结果显示：氨氮初始浓度为20 mg/L，pH值7左右时具有较好的吸附能力；共存离子对氨氮的吸附有抑制作用，抑制强度为H+>Na+>K+>Mg2+。SEM-EDS、XRD、FTIR等表征手段证实了NHFO成功负载在蜂巢石上，吸附过程符合Langmuir吸附等温线(R2=0.9886)和准二级动力学模型(R2=0.9969)。研究表明：氨氮主要通过羟基和NH4+的静电作用、离子交换和孔隙吸附共同实现的。该研究为吸附法处理氨氮废水提供了理论依据。
2023, 40(11): 6139-6153.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230113.001
摘要:
核工业循环链中产生的大量含铀废水会对人类健康及生态环境造成损害，因此高效处理含铀废水是保障核工业可持续发展及人类生态安全的重要一环。以氧化石墨烯为前驱体自组装合成了聚乙烯亚胺(PEI)功能化的复合气凝胶(MGO/PEI)，并用于去除水溶液中的U(Ⅵ)。通过探究不同PEI投放量、稳定性、pH值、时间、U(Ⅵ)浓度及温度对U(VI)的去除影响。结果表明：在298 K、pH=6时，最大吸附量为1027.01 mg·g−1，符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型。热力学常数表明MGO/PEI对U(Ⅵ)的吸附是一个自发吸热的过程。XPS分析表明去除机制主要是由于氨基及含氧官能团与U(VI)的表面络合。
核工业循环链中产生的大量含铀废水会对人类健康及生态环境造成损害，因此高效处理含铀废水是保障核工业可持续发展及人类生态安全的重要一环。以氧化石墨烯为前驱体自组装合成了聚乙烯亚胺(PEI)功能化的复合气凝胶(MGO/PEI)，并用于去除水溶液中的U(Ⅵ)。通过探究不同PEI投放量、稳定性、pH值、时间、U(Ⅵ)浓度及温度对U(VI)的去除影响。结果表明：在298 K、pH=6时，最大吸附量为1027.01 mg·g−1，符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型。热力学常数表明MGO/PEI对U(Ⅵ)的吸附是一个自发吸热的过程。XPS分析表明去除机制主要是由于氨基及含氧官能团与U(VI)的表面络合。
2023, 40(11): 6154-6162.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230217.003
摘要:
随着工业生产的日益发展，对气体传感器的需求不断增长。鉴于三乙胺对人体容易造成危害，开发可以有效检测三乙胺的气体传感器具有重要意义。针对目前常见气体传感器存在工作温度高、耗能高的特性，本文制备了一种可以在室温条件下快速检测三乙胺的气体传感器材料。采用静电纺丝技术、高温热处理及原位化学氧化聚合相结合的方法，成功合成了组分含量可控的WO3@聚苯胺(PANI)无机有机复合纤维材料。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能量色散X射线光谱仪和傅里叶变换红外光谱对所制备的样品形貌结构、元素含量及官能团进行表征。所制备的复合材料整体呈现纤维形貌，PANI均匀分布在WO3纳米纤维表面，形成WO3@PANI核壳结构。WO3@PANI复合纳米纤维在室温工作条件下对三乙胺表现出良好的传感性能。此外，还实现了优异的三乙胺选择性、高湿度检测、高浓度检测范围(50~5000 μg/g三乙胺)及良好的响应恢复特性。相比于PANI和WO3纳米纤维纯相材料，WO3@PANI复合纳米纤维的传感性能增强主要归因于WO3和PANI之间形成的p-n异质结。
随着工业生产的日益发展，对气体传感器的需求不断增长。鉴于三乙胺对人体容易造成危害，开发可以有效检测三乙胺的气体传感器具有重要意义。针对目前常见气体传感器存在工作温度高、耗能高的特性，本文制备了一种可以在室温条件下快速检测三乙胺的气体传感器材料。采用静电纺丝技术、高温热处理及原位化学氧化聚合相结合的方法，成功合成了组分含量可控的WO3@聚苯胺(PANI)无机有机复合纤维材料。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能量色散X射线光谱仪和傅里叶变换红外光谱对所制备的样品形貌结构、元素含量及官能团进行表征。所制备的复合材料整体呈现纤维形貌，PANI均匀分布在WO3纳米纤维表面，形成WO3@PANI核壳结构。WO3@PANI复合纳米纤维在室温工作条件下对三乙胺表现出良好的传感性能。此外，还实现了优异的三乙胺选择性、高湿度检测、高浓度检测范围(50~5000 μg/g三乙胺)及良好的响应恢复特性。相比于PANI和WO3纳米纤维纯相材料，WO3@PANI复合纳米纤维的传感性能增强主要归因于WO3和PANI之间形成的p-n异质结。
2023, 40(11): 6163-6172.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230105.003
摘要:
二硫化钼(MoS2)在高温条件使用易发生氧化导致其摩擦学性能大幅劣化，表现出较高的摩擦系数。为了改善MoS2润滑剂在高温环境下的摩擦学性能，本文通过水热法和改良Stöber法生成核-壳MoS2@SiO2纳米复合材料。通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)及X射线衍射仪(XRD)等对制备的纳米材料的形态、尺寸和组成进行表征。微观结果显示了核-壳结构复合材料的成功制备，平均粒径250 nm。对制备的MoS2@SiO2固体润滑涂层进行高温摩擦实验，并以MoS2涂层作为对比。采用SEM、XRD等对涂层的形貌、结构进行了表征，采用三维轮廓仪对涂层磨损率进行表征。结果表明：MoS2@SiO2涂层在680℃下的摩擦系数为0.2且较平稳，MoS2涂层则迅速失效。MoS2@SiO2涂层耐磨性更好，磨损率比MoS2涂层低25.86%。摩擦实验后MoS2@SiO2涂层磨痕区域仍存在MoS2，有润滑膜覆盖；而MoS2涂层磨痕区的基体完全暴露。由此表明，SiO2外壳的包覆延缓了MoS2在高温下的迅速氧化，且两者协同润滑，延长了涂层的使用寿命。
二硫化钼(MoS2)在高温条件使用易发生氧化导致其摩擦学性能大幅劣化，表现出较高的摩擦系数。为了改善MoS2润滑剂在高温环境下的摩擦学性能，本文通过水热法和改良Stöber法生成核-壳MoS2@SiO2纳米复合材料。通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)及X射线衍射仪(XRD)等对制备的纳米材料的形态、尺寸和组成进行表征。微观结果显示了核-壳结构复合材料的成功制备，平均粒径250 nm。对制备的MoS2@SiO2固体润滑涂层进行高温摩擦实验，并以MoS2涂层作为对比。采用SEM、XRD等对涂层的形貌、结构进行了表征，采用三维轮廓仪对涂层磨损率进行表征。结果表明：MoS2@SiO2涂层在680℃下的摩擦系数为0.2且较平稳，MoS2涂层则迅速失效。MoS2@SiO2涂层耐磨性更好，磨损率比MoS2涂层低25.86%。摩擦实验后MoS2@SiO2涂层磨痕区域仍存在MoS2，有润滑膜覆盖；而MoS2涂层磨痕区的基体完全暴露。由此表明，SiO2外壳的包覆延缓了MoS2在高温下的迅速氧化，且两者协同润滑，延长了涂层的使用寿命。
2023, 40(11): 6173-6181.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230112.004
摘要:
高介电聚合物基复合材料因其介电性能优良、质轻、易加工等优点，在储能、传感和发电等领域具有广泛的应用前景。然而如何实现高介电常数和低介电损耗兼顾仍是目前该领域一项亟待解决的重要科学问题。为此，本文基于一种在填料与基体间“搭建桥梁”的策略，以氧化石墨烯(GO)为填料，环氧化天然橡胶(ENR)胶乳为基体，植酸(PA)为改性剂，通过乳液共混协同热压原位还原法制备了具有隔离结构的ENR基介电复合材料(P-rGO/ENR)。结果表明：PA作为“桥接”剂，分别与ENR和GO中的环氧基团发生了开环反应，大大增强了GO与ENR之间的界面作用。同时，在胶乳粒子的体积排斥效应下，GO纳米片自组装并包覆在ENR胶乳微球表面，最终GO相互连接并建立了良好的三维隔离网络。在100 Hz下，GO质量分数为2wt%时，P-rGO/ENR复合材料的介电常数高达569903，电导率也达到了10−4 S/cm，且介电损耗仍保持在较低水平(<5)。
高介电聚合物基复合材料因其介电性能优良、质轻、易加工等优点，在储能、传感和发电等领域具有广泛的应用前景。然而如何实现高介电常数和低介电损耗兼顾仍是目前该领域一项亟待解决的重要科学问题。为此，本文基于一种在填料与基体间“搭建桥梁”的策略，以氧化石墨烯(GO)为填料，环氧化天然橡胶(ENR)胶乳为基体，植酸(PA)为改性剂，通过乳液共混协同热压原位还原法制备了具有隔离结构的ENR基介电复合材料(P-rGO/ENR)。结果表明：PA作为“桥接”剂，分别与ENR和GO中的环氧基团发生了开环反应，大大增强了GO与ENR之间的界面作用。同时，在胶乳粒子的体积排斥效应下，GO纳米片自组装并包覆在ENR胶乳微球表面，最终GO相互连接并建立了良好的三维隔离网络。在100 Hz下，GO质量分数为2wt%时，P-rGO/ENR复合材料的介电常数高达569903，电导率也达到了10−4 S/cm，且介电损耗仍保持在较低水平(<5)。
2023, 40(11): 6182-6193.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230117.002
摘要:
盐酸四环素(TC-HCl)结构稳定，可通过排泄物释放到水环境，对水生系统和人体健康构成潜在威胁。BiOCl作为备受关注的光催化材料之一，太阳光利用率低和光生电子-空穴对复合率高的问题限制了其发展应用。本文在不添加表面活性剂的情况下，采用一锅溶剂热法合成了由二维纳米片自组装的Fe掺杂BiOCl多孔微球，研究其对TC-HCl的降解性能。结果表明：Fe掺杂缩小了BiOCl的禁带宽度，从而提高其光吸收强度并拓宽其光响应范围至可见光区；Fe掺杂加速了光生载流子的分离，提升了BiOCl的光催化性能。制得的0.15-Fe/BiOCl对TC-HCl (30 mg/L)的去除效果最佳，经暗吸附和光催化过程后去除率可达92%。本文结合实验结果阐述了Fe掺杂BiOCl在可见光下光催化降解TC-HCl的机制，分析了导致循环活性降低的原因，为制备具有高效光催化活性的过渡金属掺杂BiOCl材料提供了一种有前景的方法，并为改善材料循环活性提供了可行的见解。
盐酸四环素(TC-HCl)结构稳定，可通过排泄物释放到水环境，对水生系统和人体健康构成潜在威胁。BiOCl作为备受关注的光催化材料之一，太阳光利用率低和光生电子-空穴对复合率高的问题限制了其发展应用。本文在不添加表面活性剂的情况下，采用一锅溶剂热法合成了由二维纳米片自组装的Fe掺杂BiOCl多孔微球，研究其对TC-HCl的降解性能。结果表明：Fe掺杂缩小了BiOCl的禁带宽度，从而提高其光吸收强度并拓宽其光响应范围至可见光区；Fe掺杂加速了光生载流子的分离，提升了BiOCl的光催化性能。制得的0.15-Fe/BiOCl对TC-HCl (30 mg/L)的去除效果最佳，经暗吸附和光催化过程后去除率可达92%。本文结合实验结果阐述了Fe掺杂BiOCl在可见光下光催化降解TC-HCl的机制，分析了导致循环活性降低的原因，为制备具有高效光催化活性的过渡金属掺杂BiOCl材料提供了一种有前景的方法，并为改善材料循环活性提供了可行的见解。
2023, 40(11): 6194-6201.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230120.001
摘要:
作为高效析氧反应(OER)贵金属基电催化剂的潜在替代品，储量丰富、成本低廉的过渡金属基电催化剂已经受到广泛研究，但仍存在活性低和导电性较差的问题。本文设计了一种利用Co-MOF(ZIF-67)为前驱体，通过吸附氯化钨(WCl6)后进一步的高温热解制备了富含氧空位的以氮掺杂碳(NC)为基底的CoWO4 (CoWO4/NC)催化剂，对催化剂的投料比及煅烧温度进行了探索，测试了在碱性介质中的OER性能。测试结果表明：投料比为1∶1且煅烧温度为550℃时所制备的催化剂表现出较低的过电位(电流密度10 mA·cm−2对应的过电位为346 mV)、较低的塔菲尔斜率(65 mV·dec−1)及较高的导电性，采用计时电位法测试了在碱性条件下的稳定性，在22 h内性能没有明显衰减。该工作对过渡金属基催化剂的研究提供了新思路，对之后催化剂的设计具有一定指导意义。
作为高效析氧反应(OER)贵金属基电催化剂的潜在替代品，储量丰富、成本低廉的过渡金属基电催化剂已经受到广泛研究，但仍存在活性低和导电性较差的问题。本文设计了一种利用Co-MOF(ZIF-67)为前驱体，通过吸附氯化钨(WCl6)后进一步的高温热解制备了富含氧空位的以氮掺杂碳(NC)为基底的CoWO4 (CoWO4/NC)催化剂，对催化剂的投料比及煅烧温度进行了探索，测试了在碱性介质中的OER性能。测试结果表明：投料比为1∶1且煅烧温度为550℃时所制备的催化剂表现出较低的过电位(电流密度10 mA·cm−2对应的过电位为346 mV)、较低的塔菲尔斜率(65 mV·dec−1)及较高的导电性，采用计时电位法测试了在碱性条件下的稳定性，在22 h内性能没有明显衰减。该工作对过渡金属基催化剂的研究提供了新思路，对之后催化剂的设计具有一定指导意义。
2023, 40(11): 6202-6216.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230117.008
摘要:
3D打印技术为微波吸收结构提供了多尺度、多材料和多维度制造能力，可以充分发挥材料损耗和结构损耗相结合的优势。本文利用FeSiAl-MoS2-石墨烯(GN)/聚乳酸(PLA)复合线材制备了一种三层周期性十字交叉微波吸收结构，研究了各层材料组合和单元结构几何参数对复杂结构吸波性能的影响。仿真和实验结果表明：当介质层、吸收层和匹配层三层材料的石墨烯含量依次为0wt%、5wt%和4wt%时，吸波体的有效吸收带宽(EAB，反射损耗RL≤−10 dB)为12.7 GHz。同时当横电波(TE极化波)和横磁波(TM极化波)的入射角度分别小于40°和70°时，EAB均大于10 GHz。实验结果与仿真结果基本一致，本文为广角、宽频吸波体的设计和制造提供了理论和应用基础。
3D打印技术为微波吸收结构提供了多尺度、多材料和多维度制造能力，可以充分发挥材料损耗和结构损耗相结合的优势。本文利用FeSiAl-MoS2-石墨烯(GN)/聚乳酸(PLA)复合线材制备了一种三层周期性十字交叉微波吸收结构，研究了各层材料组合和单元结构几何参数对复杂结构吸波性能的影响。仿真和实验结果表明：当介质层、吸收层和匹配层三层材料的石墨烯含量依次为0wt%、5wt%和4wt%时，吸波体的有效吸收带宽(EAB，反射损耗RL≤−10 dB)为12.7 GHz。同时当横电波(TE极化波)和横磁波(TM极化波)的入射角度分别小于40°和70°时，EAB均大于10 GHz。实验结果与仿真结果基本一致，本文为广角、宽频吸波体的设计和制造提供了理论和应用基础。
2023, 40(11): 6217-6227.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230215.002
摘要:
为了满足对锂离子电池性能更好和更多样化的要求，研究了用于改善电池性能的电极材料，在众多电极材料中，钒基材料的价态变化丰富和种类繁多等优点使其适用于锂离子电池电极材料。以钒酸钠纳米线阵列为前驱体，采用离子交换法合成了钛箔上的钒酸镁(MgV2O6)-钒酸钠(NaV6O15)复合材料。后续在空气中煅烧，温度分别为300℃和500℃，随着煅烧温度的升高，纳米线的直径变大。对所制备样品的晶体结构、化学成分和微观形貌进行了详细的表征。其中，300℃煅烧制备的钒酸镁-钒酸钠复合材料的电化学储锂性能较好，在电流密度为50 mA·g−1下首次放电容量为1144 mA·h·g−1，经过100次循环后的放电比容量仍有837 mA·h·g−1，表现出良好的循环稳定性，较钒酸钠前驱体的储锂性能有大幅提升，为镁离子合成碱土金属钒酸盐应用于电化学储能领域的研究提供了新思路。
为了满足对锂离子电池性能更好和更多样化的要求，研究了用于改善电池性能的电极材料，在众多电极材料中，钒基材料的价态变化丰富和种类繁多等优点使其适用于锂离子电池电极材料。以钒酸钠纳米线阵列为前驱体，采用离子交换法合成了钛箔上的钒酸镁(MgV2O6)-钒酸钠(NaV6O15)复合材料。后续在空气中煅烧，温度分别为300℃和500℃，随着煅烧温度的升高，纳米线的直径变大。对所制备样品的晶体结构、化学成分和微观形貌进行了详细的表征。其中，300℃煅烧制备的钒酸镁-钒酸钠复合材料的电化学储锂性能较好，在电流密度为50 mA·g−1下首次放电容量为1144 mA·h·g−1，经过100次循环后的放电比容量仍有837 mA·h·g−1，表现出良好的循环稳定性，较钒酸钠前驱体的储锂性能有大幅提升，为镁离子合成碱土金属钒酸盐应用于电化学储能领域的研究提供了新思路。
2023, 40(11): 6228-6240.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230217.001
摘要:
柔性触觉传感器在电子皮肤、智能机器人、可穿戴电子设备和医疗健康等方面具有广阔的应用潜力。针对压阻型柔性触觉传感器灵敏度低和响应/恢复性能差等问题，提出一种近场电流体动力学直写方法制备基于醋酸纤维素(CA)/MXene多层纳米片复合纤维薄膜的柔性触觉传感器，以具有多孔结构的CA纤维作为桥联剂，将MXene纳米片组装成连续的具有孔隙结构的三维(3D)导电网络。与传统的柔性触觉传感器制备方法相比，该方法通过高压静电场作用有效提高CA/MXene复合纤维薄膜的电学性能，从而提高了柔性触觉传感器的传感性能。测试结果表明：柔性触觉传感器触觉压力感知范围为9 Pa~10.2 kPa，在9 Pa~5.6 kPa压力范围内，该传感器的灵敏度为17.36 kPa−1，并且具有快速的响应/恢复性能(60.31/74.35 ms)。实验结果表明该柔性触觉传感器能够识别手指的运动状态、呼吸状态和脉搏等信号，在人体运动检测和生理信号监测等方面具有广阔的应用前景。
柔性触觉传感器在电子皮肤、智能机器人、可穿戴电子设备和医疗健康等方面具有广阔的应用潜力。针对压阻型柔性触觉传感器灵敏度低和响应/恢复性能差等问题，提出一种近场电流体动力学直写方法制备基于醋酸纤维素(CA)/MXene多层纳米片复合纤维薄膜的柔性触觉传感器，以具有多孔结构的CA纤维作为桥联剂，将MXene纳米片组装成连续的具有孔隙结构的三维(3D)导电网络。与传统的柔性触觉传感器制备方法相比，该方法通过高压静电场作用有效提高CA/MXene复合纤维薄膜的电学性能，从而提高了柔性触觉传感器的传感性能。测试结果表明：柔性触觉传感器触觉压力感知范围为9 Pa~10.2 kPa，在9 Pa~5.6 kPa压力范围内，该传感器的灵敏度为17.36 kPa−1，并且具有快速的响应/恢复性能(60.31/74.35 ms)。实验结果表明该柔性触觉传感器能够识别手指的运动状态、呼吸状态和脉搏等信号，在人体运动检测和生理信号监测等方面具有广阔的应用前景。
2023, 40(11): 6241-6250.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230113.002
摘要:
高效稳定的正极对锂氧气电池至关重要。通过化学气相沉积、光还原两步合成工艺，将具有高催化活性的Au纳米粒子原位负载在具有三维贯穿结构的氮掺杂碳纳米管(N-CNT)/不锈钢(SS)网上，制备了具有互相渗透孔道的高性能一体化锂氧气电池正极Au-N-CNT/SS。通过SEM、TEM、XPS、XRD及Raman等表征手段对Au-N-CNT/SS的微观形貌、组成进行了考察。制备的Au-N-CNT/SS正极具有合适的孔道结构、高电导率、超强的力学性能、结构稳定性等，克服了传统电极机械稳定性差、碳电极易分解、副反应严重等问题。用作锂氧气电池正极，Au-N-CNT/SS一体化电极的设计避免了黏结剂的使用，极大地提高了电池的力学强度，有效降低了副反应，提升了电池的电化学/化学稳定性；正极的高导电率、充足的孔道结构提供了快速的电子输运和传质通道；Au纳米粒子高效催化剂有效提升了正极的氧还原/氧析出反应动力学，加快了放电产物的生成与分解，电池的倍率性能(1.0 mA·cm−2的高电流密度下放电电压保持在2.4 V)、放电容量(8.47 mA·h·cm−2)和循环性能(160圈)得到了较大提升。
高效稳定的正极对锂氧气电池至关重要。通过化学气相沉积、光还原两步合成工艺，将具有高催化活性的Au纳米粒子原位负载在具有三维贯穿结构的氮掺杂碳纳米管(N-CNT)/不锈钢(SS)网上，制备了具有互相渗透孔道的高性能一体化锂氧气电池正极Au-N-CNT/SS。通过SEM、TEM、XPS、XRD及Raman等表征手段对Au-N-CNT/SS的微观形貌、组成进行了考察。制备的Au-N-CNT/SS正极具有合适的孔道结构、高电导率、超强的力学性能、结构稳定性等，克服了传统电极机械稳定性差、碳电极易分解、副反应严重等问题。用作锂氧气电池正极，Au-N-CNT/SS一体化电极的设计避免了黏结剂的使用，极大地提高了电池的力学强度，有效降低了副反应，提升了电池的电化学/化学稳定性；正极的高导电率、充足的孔道结构提供了快速的电子输运和传质通道；Au纳米粒子高效催化剂有效提升了正极的氧还原/氧析出反应动力学，加快了放电产物的生成与分解，电池的倍率性能(1.0 mA·cm−2的高电流密度下放电电压保持在2.4 V)、放电容量(8.47 mA·h·cm−2)和循环性能(160圈)得到了较大提升。
2023, 40(11): 6251-6259.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230222.004
摘要:
光催化CO2还原技术既能实现节能减排，又能缓解能源短缺，符合当今绿色可持续发展的理念。本工作以静电纺丝技术制备的TiO2纳米纤维为基质，结合水热还原法制备Bi@Bi4O5Br2/TiO2复合纤维。利用XRD、SEM、HRTEM、XPS、UV-Vis和碳吸附等方法对其微观结构、形貌和光学性能进行表征。结果表明：TiO2 纳米纤维经Bi4O5Br2复合后，光谱响应范围拓展到可见光区，光生电子还原能力增强，可以将CO2还原成CH4和CO；金属Bi的富集不仅能提高催化剂对酸性CO2分子的吸附能力，增强CO2转化效率，而且能改变光催化反应路径，并有醇类物质(CH3OH)的生成。模拟太阳光照射3 h，Bi@Bi4O5Br2/TiO2光催化CO2还原生成CH4、CO和CH3OH的速率分别达到3.87、1.06和0.32 μmol·h−1·g−1。本文为探索高效二氧化碳光还原催化剂提供了新的机会。
光催化CO2还原技术既能实现节能减排，又能缓解能源短缺，符合当今绿色可持续发展的理念。本工作以静电纺丝技术制备的TiO2纳米纤维为基质，结合水热还原法制备Bi@Bi4O5Br2/TiO2复合纤维。利用XRD、SEM、HRTEM、XPS、UV-Vis和碳吸附等方法对其微观结构、形貌和光学性能进行表征。结果表明：TiO2 纳米纤维经Bi4O5Br2复合后，光谱响应范围拓展到可见光区，光生电子还原能力增强，可以将CO2还原成CH4和CO；金属Bi的富集不仅能提高催化剂对酸性CO2分子的吸附能力，增强CO2转化效率，而且能改变光催化反应路径，并有醇类物质(CH3OH)的生成。模拟太阳光照射3 h，Bi@Bi4O5Br2/TiO2光催化CO2还原生成CH4、CO和CH3OH的速率分别达到3.87、1.06和0.32 μmol·h−1·g−1。本文为探索高效二氧化碳光还原催化剂提供了新的机会。
2023, 40(11): 6260-6274.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230222.002
摘要:
为了研究低次数疲劳加载下短切钢纤维对碳纤维织物增强混凝土(C-TRC)力学性能的影响，通过万能试验机对不同短切钢纤维掺量(0vol%、0.5vol%、1.0vol%)的试件进行低次数疲劳加载实验和疲劳加载前后的准静态拉伸试验，并结合数字图像相关分析得到拉伸状态下裂纹与应变分布。结果表明：添加短切钢纤维能够增大C-TRC的拉伸强度、杨氏模量和韧性，降低试件的能量耗散及剩余累积应变，增加裂纹条数和裂纹宽度。疲劳荷载能够降低C-TRC的刚度、极限强度、峰值应变及韧性，加快C-TRC的破坏。添加短切纤维能够降低疲劳加载造成的性能损耗，且0.5vol%掺量的增强效果最佳。基于现有的剩余强度-剩余刚度关联模型和实验数据，改进了强度退化模型，对实验数据进行拟合并与现有模型进行对比，其结果与实验数据吻合更好。该成果对于织物增强混凝土(TRC)疲劳性能的评价具有指导意义。
为了研究低次数疲劳加载下短切钢纤维对碳纤维织物增强混凝土(C-TRC)力学性能的影响，通过万能试验机对不同短切钢纤维掺量(0vol%、0.5vol%、1.0vol%)的试件进行低次数疲劳加载实验和疲劳加载前后的准静态拉伸试验，并结合数字图像相关分析得到拉伸状态下裂纹与应变分布。结果表明：添加短切钢纤维能够增大C-TRC的拉伸强度、杨氏模量和韧性，降低试件的能量耗散及剩余累积应变，增加裂纹条数和裂纹宽度。疲劳荷载能够降低C-TRC的刚度、极限强度、峰值应变及韧性，加快C-TRC的破坏。添加短切纤维能够降低疲劳加载造成的性能损耗，且0.5vol%掺量的增强效果最佳。基于现有的剩余强度-剩余刚度关联模型和实验数据，改进了强度退化模型，对实验数据进行拟合并与现有模型进行对比，其结果与实验数据吻合更好。该成果对于织物增强混凝土(TRC)疲劳性能的评价具有指导意义。
2023, 40(11): 6275-6287.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230203.002
摘要:
纳米SiO2 (NS)可有效改善沥青的力学性能但价格高昂，气相SiO2 (FS)同样为纳米级材料且价格仅为NS的1/10。为评估FS代替NS的可行性，通过多重应力蠕变回复试验(MSCR)、线性振幅扫描试验(LAS)和弯曲梁流变试验(BBR)对比了普通SiO2 (OS)、FS、疏水纳米SiO2 (MNS)分别在掺量为3wt%时对基质沥青(Esso，ES)流变性能的影响。结果表明：FS对沥青高温抗车辙性能和中温抗疲劳性能的改善是三者中最好的，对低温抗裂性能的损害是最弱的。此外，借助SEM、变温红外光谱(VT-IR)、温度扫描(TeS)、TGA和DSC分析FS对沥青的改性机制，推断出FS特有的初级支化结构及其形成的“沥青-水团簇”体系是提升沥青性能的关键。因此，FS是一种性价比高的纳米级沥青改性材料。
纳米SiO2 (NS)可有效改善沥青的力学性能但价格高昂，气相SiO2 (FS)同样为纳米级材料且价格仅为NS的1/10。为评估FS代替NS的可行性，通过多重应力蠕变回复试验(MSCR)、线性振幅扫描试验(LAS)和弯曲梁流变试验(BBR)对比了普通SiO2 (OS)、FS、疏水纳米SiO2 (MNS)分别在掺量为3wt%时对基质沥青(Esso，ES)流变性能的影响。结果表明：FS对沥青高温抗车辙性能和中温抗疲劳性能的改善是三者中最好的，对低温抗裂性能的损害是最弱的。此外，借助SEM、变温红外光谱(VT-IR)、温度扫描(TeS)、TGA和DSC分析FS对沥青的改性机制，推断出FS特有的初级支化结构及其形成的“沥青-水团簇”体系是提升沥青性能的关键。因此，FS是一种性价比高的纳米级沥青改性材料。
2023, 40(11): 6288-6298.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230111.001
摘要:
为揭示弹性体复合材料在不同服役环境下力学性能的劣化规律，以促进其在无溶剂涂层领域的推广应用，制备了超高分子量聚乙烯/弹性体(UHMWPE/EL)复合材料，模拟了湿热老化、低温脆化与气候老化等应用场景，研究了不同场景下弹性体及其复合材料的各项力学性能演变过程及规律，评价了不同变形及环境温度下复合材料的形状自动回复能力损伤状况，最终探明了复合材料的耐久性及环境适应性。结果表明：UHMWPE/EL复合材料在不同应用环境连续暴露7天或81 h后的力学性能保持率均大于90%，满足规范要求；湿热、寒冷、气候老化等环境暴露30天后，复合材料力学性能衰减15%~20%；复合材料具有优异热稳定性与形状自动回复能力，拉伸、弯曲和扭转等不同变形方式下的回复率达90%以上。
为揭示弹性体复合材料在不同服役环境下力学性能的劣化规律，以促进其在无溶剂涂层领域的推广应用，制备了超高分子量聚乙烯/弹性体(UHMWPE/EL)复合材料，模拟了湿热老化、低温脆化与气候老化等应用场景，研究了不同场景下弹性体及其复合材料的各项力学性能演变过程及规律，评价了不同变形及环境温度下复合材料的形状自动回复能力损伤状况，最终探明了复合材料的耐久性及环境适应性。结果表明：UHMWPE/EL复合材料在不同应用环境连续暴露7天或81 h后的力学性能保持率均大于90%，满足规范要求；湿热、寒冷、气候老化等环境暴露30天后，复合材料力学性能衰减15%~20%；复合材料具有优异热稳定性与形状自动回复能力，拉伸、弯曲和扭转等不同变形方式下的回复率达90%以上。
2023, 40(11): 6299-6310.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230222.006
摘要:
为解决当前微生物载体与混凝土基体兼容性差和费用高等问题，提出了一种基于增强再生骨料固载混菌的裂缝自修复混凝土。首先明确再生骨料合理矿化增强时间及其对混凝土抗压强度的影响，然后考察基于增强再生骨料固载混菌的混凝土裂缝自修复效果及其裂缝填充物成分。试验结果表明：混菌矿化增强再生骨料的合理时间为7天，增强处理后再生粗骨料吸水率和压碎指标降低幅度分别达到27%和20%，混凝土抗压强度提高幅度达到12.9%；裂缝修复平均宽度和裂缝完全修复率经28天修复养护后均达到0.28 mm和60%以上，最大修复裂缝宽度达到1.26 mm；渗水系数比未修复时降低了99.7%以上；裂缝部位沉淀晶体呈规则方块状，晶体类型为方解石。
为解决当前微生物载体与混凝土基体兼容性差和费用高等问题，提出了一种基于增强再生骨料固载混菌的裂缝自修复混凝土。首先明确再生骨料合理矿化增强时间及其对混凝土抗压强度的影响，然后考察基于增强再生骨料固载混菌的混凝土裂缝自修复效果及其裂缝填充物成分。试验结果表明：混菌矿化增强再生骨料的合理时间为7天，增强处理后再生粗骨料吸水率和压碎指标降低幅度分别达到27%和20%，混凝土抗压强度提高幅度达到12.9%；裂缝修复平均宽度和裂缝完全修复率经28天修复养护后均达到0.28 mm和60%以上，最大修复裂缝宽度达到1.26 mm；渗水系数比未修复时降低了99.7%以上；裂缝部位沉淀晶体呈规则方块状，晶体类型为方解石。
2023, 40(11): 6311-6323.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230222.008
摘要:
针对海洋环境下使用的材料易产生腐蚀和磨损失效，采用激光熔覆技术在304不锈钢(304 ss)表面制备(CrFeNiAl)100–xMox高熵合金涂层。分别对涂层的物相组成、显微组织、硬度、耐磨性和耐蚀性进行分析。结果表明：涂层由体心立方晶格(BCC)相+B2相双相组成，随着Mo含量的增加，B2相的含量逐渐增加，在枝晶内部析出纳米级别的B2相。涂层的硬度随着Mo含量的增加逐渐提高，硬度最高达到HV0.2 636.6 ，耐磨性也逐渐提高。在3.5wt%NaCl溶液中，腐蚀电流密度随着Mo含量的增加，先减小后增大，表明涂层的耐蚀性先提高后降低。浸泡腐蚀结果表明涂层在枝晶间区域发生选择性溶解。(CrFeNiAl)92Mo8涂层的腐蚀电流密度和钝化电流密度均小于304不锈钢，耐蚀性最好，并且具有较好的耐磨性。添加适当 Mo 元素，能提高(CrFeNiAl)100–xMox涂层的耐磨和耐蚀性。
针对海洋环境下使用的材料易产生腐蚀和磨损失效，采用激光熔覆技术在304不锈钢(304 ss)表面制备(CrFeNiAl)100–xMox高熵合金涂层。分别对涂层的物相组成、显微组织、硬度、耐磨性和耐蚀性进行分析。结果表明：涂层由体心立方晶格(BCC)相+B2相双相组成，随着Mo含量的增加，B2相的含量逐渐增加，在枝晶内部析出纳米级别的B2相。涂层的硬度随着Mo含量的增加逐渐提高，硬度最高达到HV0.2 636.6 ，耐磨性也逐渐提高。在3.5wt%NaCl溶液中，腐蚀电流密度随着Mo含量的增加，先减小后增大，表明涂层的耐蚀性先提高后降低。浸泡腐蚀结果表明涂层在枝晶间区域发生选择性溶解。(CrFeNiAl)92Mo8涂层的腐蚀电流密度和钝化电流密度均小于304不锈钢，耐蚀性最好，并且具有较好的耐磨性。添加适当 Mo 元素，能提高(CrFeNiAl)100–xMox涂层的耐磨和耐蚀性。
2023, 40(11): 6324-6335.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230214.001
摘要:
为提高混凝土受弯构件的抗震性能，采用玻璃纤维增强树脂复合材料(Glass fiber reinforced plastic，GFRP)筋和钢筋梯级配置的方案，构建同外力分布相适配的承载能力梯级分布，以形成多塑性区。本文设计了5个具有不同梯级配筋参数的混凝土受弯试件，对比参数包括梯级高度、配筋种类、配筋量和配筋方式等，通过推覆(Pushover)试验对比分析各试件中多塑性区的产生情况和力学效果，研究多塑性区的形成机制。结果表明：合理的梯级配筋方案可以在混凝土受弯构件中形成多个塑性区，塑性区的个数和发展程度会显著影响构件的抗震行为。多塑性区形成的决定条件是构件中多个梯级段所受外弯矩介于其屈服弯矩与极限弯矩之间。通过调整梯级段长度与配筋参数，可有效地调控各塑性区的发展程度及构件的破坏位置和破坏模式。线弹性的GFRP筋为截面提供了较大的抗弯承载力屈服后增量，是多塑性区形成和调控的关键。
为提高混凝土受弯构件的抗震性能，采用玻璃纤维增强树脂复合材料(Glass fiber reinforced plastic，GFRP)筋和钢筋梯级配置的方案，构建同外力分布相适配的承载能力梯级分布，以形成多塑性区。本文设计了5个具有不同梯级配筋参数的混凝土受弯试件，对比参数包括梯级高度、配筋种类、配筋量和配筋方式等，通过推覆(Pushover)试验对比分析各试件中多塑性区的产生情况和力学效果，研究多塑性区的形成机制。结果表明：合理的梯级配筋方案可以在混凝土受弯构件中形成多个塑性区，塑性区的个数和发展程度会显著影响构件的抗震行为。多塑性区形成的决定条件是构件中多个梯级段所受外弯矩介于其屈服弯矩与极限弯矩之间。通过调整梯级段长度与配筋参数，可有效地调控各塑性区的发展程度及构件的破坏位置和破坏模式。线弹性的GFRP筋为截面提供了较大的抗弯承载力屈服后增量，是多塑性区形成和调控的关键。
2023, 40(11): 6336-6350.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230215.003
摘要:
为解决石墨烯(G)在水泥浆中均匀分散及其功能化水泥基材料时掺量过高的难题，选择一种兼顾高导电性与水溶性的石墨烯(G-SD)作为导电填料，研究了聚羧酸减水剂(PCE)存在时，木质素磺酸钠(MN)对G-SD在模拟水泥水化孔隙液的饱和氢氧化钙溶液(CH)中分散能力的影响及其对水泥净浆的导电性能、电热性能、融雪化冰和热电性能的影响。吸光度测试表明，当MN与G-SD质量比为3∶1时，G-SD的分散性最佳。电学性能测试发现，石墨烯水泥基材料的渗滤阀值为0.4%，阀值下试件的电热性能良好，在外加30 V电压下通电20 min，试件温度可达320℃，40 min内可将4 cm厚冰层完全融化，具有优异的融雪化冰潜力。热电性能研究表明，当G-SD掺量为0.1% 时，试件的Seebeck系数为154.4 μV/K。以上研究表明，G-SD能在极低掺量下赋予水泥基材料优异的电、热及热电等功能特性。
为解决石墨烯(G)在水泥浆中均匀分散及其功能化水泥基材料时掺量过高的难题，选择一种兼顾高导电性与水溶性的石墨烯(G-SD)作为导电填料，研究了聚羧酸减水剂(PCE)存在时，木质素磺酸钠(MN)对G-SD在模拟水泥水化孔隙液的饱和氢氧化钙溶液(CH)中分散能力的影响及其对水泥净浆的导电性能、电热性能、融雪化冰和热电性能的影响。吸光度测试表明，当MN与G-SD质量比为3∶1时，G-SD的分散性最佳。电学性能测试发现，石墨烯水泥基材料的渗滤阀值为0.4%，阀值下试件的电热性能良好，在外加30 V电压下通电20 min，试件温度可达320℃，40 min内可将4 cm厚冰层完全融化，具有优异的融雪化冰潜力。热电性能研究表明，当G-SD掺量为0.1% 时，试件的Seebeck系数为154.4 μV/K。以上研究表明，G-SD能在极低掺量下赋予水泥基材料优异的电、热及热电等功能特性。
2023, 40(11): 6351-6362.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230222.007
摘要:
采用热固性环氧斜纹编织预浸料、菱形的不锈钢丝网和铝合金丝网，制备了4种不同铺层结构的复合材料板。通过低速冲击和冲击后压缩(CAI)试验，研究混杂金属网结构在不同能级冲击下的损伤行为及冲击后的剩余压缩强度；同时采用双悬臂梁(DCB)拉伸和末端切口弯曲(ENF)试验，进而研究了金属网层对碳纤维复合材料层间断裂性能的影响。通过使用超声波扫描和二维虚拟图像关联(2D-VIC)测试系统对比了冲击后试件内部的损伤程度及冲击后压缩过程中变形云图，以揭示其增强机制。结果表明：金属网结构的引入可以改善面板的塑性和冲击能量影响范围，提高冲击能量吸收能力、CAI强度和层间剪切性能。此外，在混杂结构的ENF测试中，界面的破坏不仅有基体的破坏，还存在纤维的剪切断裂。
采用热固性环氧斜纹编织预浸料、菱形的不锈钢丝网和铝合金丝网，制备了4种不同铺层结构的复合材料板。通过低速冲击和冲击后压缩(CAI)试验，研究混杂金属网结构在不同能级冲击下的损伤行为及冲击后的剩余压缩强度；同时采用双悬臂梁(DCB)拉伸和末端切口弯曲(ENF)试验，进而研究了金属网层对碳纤维复合材料层间断裂性能的影响。通过使用超声波扫描和二维虚拟图像关联(2D-VIC)测试系统对比了冲击后试件内部的损伤程度及冲击后压缩过程中变形云图，以揭示其增强机制。结果表明：金属网结构的引入可以改善面板的塑性和冲击能量影响范围，提高冲击能量吸收能力、CAI强度和层间剪切性能。此外，在混杂结构的ENF测试中，界面的破坏不仅有基体的破坏，还存在纤维的剪切断裂。
2023, 40(11): 6363-6373.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221208.002
摘要:
采用升降法与成组法，对奥氏体不锈钢(316L)-马氏体不锈钢(2Cr13)多层不锈钢复合板、全316L及全2Cr13多层钢进行了应力比Rs=0.1的拉拉疲劳试验，获得了应力-寿命(S-N)曲线，且对断口进行了分析。结果表明：由于轧制态组织不均匀，多层钢的S-N曲线出现明显的水平段，有确定的疲劳极限，且316L-2Cr13多层不锈钢复合板的疲劳性能明显优于全316L或全2Cr13多层钢，在应力比为0.1时，疲劳强度可达286 MPa。316L-2Cr13多层不锈钢复合板综合组成材料的优点，2Cr13提供了较高的强度使试样裂纹扩展门槛值较高，从而防止试样快速起裂，316L提供了优异的塑性，阻碍裂纹的扩展。多层钢疲劳断口由起裂源区、裂纹扩展区、瞬断区组成，且裂纹都在应力集中处形核。在裂纹扩展区中，大量的疲劳辉纹存在于316L层，随后在疲劳辉纹中逐渐形成韧窝；而2Cr13层中观察到脆性穿晶断裂，在裂纹扩展后期主要由大块解理面构成。在316L-2Cr13多层不锈钢复合板的瞬断区中，2Cr13层呈现大量的解理面，316L则由大量韧窝构成，层与层之间由剪切韧窝连接。
采用升降法与成组法，对奥氏体不锈钢(316L)-马氏体不锈钢(2Cr13)多层不锈钢复合板、全316L及全2Cr13多层钢进行了应力比Rs=0.1的拉拉疲劳试验，获得了应力-寿命(S-N)曲线，且对断口进行了分析。结果表明：由于轧制态组织不均匀，多层钢的S-N曲线出现明显的水平段，有确定的疲劳极限，且316L-2Cr13多层不锈钢复合板的疲劳性能明显优于全316L或全2Cr13多层钢，在应力比为0.1时，疲劳强度可达286 MPa。316L-2Cr13多层不锈钢复合板综合组成材料的优点，2Cr13提供了较高的强度使试样裂纹扩展门槛值较高，从而防止试样快速起裂，316L提供了优异的塑性，阻碍裂纹的扩展。多层钢疲劳断口由起裂源区、裂纹扩展区、瞬断区组成，且裂纹都在应力集中处形核。在裂纹扩展区中，大量的疲劳辉纹存在于316L层，随后在疲劳辉纹中逐渐形成韧窝；而2Cr13层中观察到脆性穿晶断裂，在裂纹扩展后期主要由大块解理面构成。在316L-2Cr13多层不锈钢复合板的瞬断区中，2Cr13层呈现大量的解理面，316L则由大量韧窝构成，层与层之间由剪切韧窝连接。
2023, 40(11): 6374-6382.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230426.002
摘要:
同轴静电纺丝技术是基于传统静电纺丝技术改进，其制备的纤维材料不仅具有高比表面积，还具有特殊的核壳结构，能将活性分子等包覆在核内，保持其生物活性，达到缓释目的。本文通过同轴静电纺丝技术，制备具有核壳结构的明胶(Gelatin，GEL)@左旋聚乳酸(Poly(L-lactic acid)，PLLA)纳米纤维膜。利用扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)、拉伸测试及接触角测试等对纳米纤维膜的形貌结构和性能进行表征。探讨了静电纺丝工艺参数对纳米纤维形貌的影响，并考察了纳米纤维膜的生物相容性。结果表明：所制备的GEL@PLLA核壳纳米纤维表面光滑且有明显的核壳结构，增大核层与壳层流速比，纳米纤维的平均直径从231.41 nm增大到279.49 nm；增加纺丝电压，纤维直径逐渐减小；增加接收距离，纤维直径先减小后增大；核壳结构的GEL@PLLA纤维膜接触角为126.7°，与纯GEL纤维膜相比，表现为疏水性；力学测试结果显示GEL@PLLA核壳纳米纤维具有较好的柔性和弹性；体外细胞培养结果显示，第4代骨髓间充质干细胞(BMSCs)能在GEL@PLLA核壳纤维膜上黏附和增殖，表明该核壳纳米纤维膜具有较好的生物相容性。本文可为纤维膜进一步应用于药物控释系统及生物医用领域奠定基础。
同轴静电纺丝技术是基于传统静电纺丝技术改进，其制备的纤维材料不仅具有高比表面积，还具有特殊的核壳结构，能将活性分子等包覆在核内，保持其生物活性，达到缓释目的。本文通过同轴静电纺丝技术，制备具有核壳结构的明胶(Gelatin，GEL)@左旋聚乳酸(Poly(L-lactic acid)，PLLA)纳米纤维膜。利用扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)、拉伸测试及接触角测试等对纳米纤维膜的形貌结构和性能进行表征。探讨了静电纺丝工艺参数对纳米纤维形貌的影响，并考察了纳米纤维膜的生物相容性。结果表明：所制备的GEL@PLLA核壳纳米纤维表面光滑且有明显的核壳结构，增大核层与壳层流速比，纳米纤维的平均直径从231.41 nm增大到279.49 nm；增加纺丝电压，纤维直径逐渐减小；增加接收距离，纤维直径先减小后增大；核壳结构的GEL@PLLA纤维膜接触角为126.7°，与纯GEL纤维膜相比，表现为疏水性；力学测试结果显示GEL@PLLA核壳纳米纤维具有较好的柔性和弹性；体外细胞培养结果显示，第4代骨髓间充质干细胞(BMSCs)能在GEL@PLLA核壳纤维膜上黏附和增殖，表明该核壳纳米纤维膜具有较好的生物相容性。本文可为纤维膜进一步应用于药物控释系统及生物医用领域奠定基础。
2023, 40(11): 6383-6394.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230222.011
摘要:
广西大量的废弃杉木屑是放错位置的宝贵资源。为达到“以废治废”目的，本文以废弃杉木屑为原料制备合成了具有磁回收能力的生物炭复合材料，并研究其活化过一硫酸盐(Peroxymonosulfate，PMS)降解左氧氟沙星(Levofloxacin，LEV)抗生素的性能。通过对杉木屑生物炭(Fir sawdust biochar， BC)进行氮掺杂、Fe3O4负载制备出具有高效PMS活化能力和优异磁分离性能的磁性氮掺杂杉木屑生物炭(Magnetic nitrogen doped fir sawdust biochar， MNC)。相比BC，MNC的石墨化程度提高，缺陷活性位点增多，比表面积也得到显著改善，且具备超顺磁性和大的磁饱和强度，饱和磁化值达到10.45 emu·g−1；主要考察了PMS浓度、MNC投加量、溶液初始pH、无机阴离子与腐殖酸对MNC降解LEV的影响。研究表明：相较于BC、磁性生物炭(Magnetic fir sawdust biochar，MC)和氮掺杂生物炭(Nitrogen doped fir sawdust biochar，NC)，MNC活化PMS降解LEV的效率显著提升。当MNC投加量为1.0 g/L，PMS浓度为0.3 mmol/L，初始pH为7，LEV浓度为10 mg/L的条件下，LEV去除率在30 min达到84%；同等条件下，对双酚A(Bisphenol A，BPA)、罗丹明B(Rhodamine B，RhB)和四环素(Tetracycline，TC)的去除率分别为94%、98%和87%。Cl−、NO3−和腐殖酸(Humic acid，HA)对MNC活化PMS降解LEV无明显影响。淬灭实验证实，自由基途径和非自由基途径生成的O2−•与1O2主导了MNC/PMS体系对LEV的降解。此外，MNC循环使用4次后，活化PMS去除LEV的效率仍能达到75%左右。本文为废弃杉木屑高效、绿色的资源化利用提供了新策略和借鉴意义。
广西大量的废弃杉木屑是放错位置的宝贵资源。为达到“以废治废”目的，本文以废弃杉木屑为原料制备合成了具有磁回收能力的生物炭复合材料，并研究其活化过一硫酸盐(Peroxymonosulfate，PMS)降解左氧氟沙星(Levofloxacin，LEV)抗生素的性能。通过对杉木屑生物炭(Fir sawdust biochar， BC)进行氮掺杂、Fe3O4负载制备出具有高效PMS活化能力和优异磁分离性能的磁性氮掺杂杉木屑生物炭(Magnetic nitrogen doped fir sawdust biochar， MNC)。相比BC，MNC的石墨化程度提高，缺陷活性位点增多，比表面积也得到显著改善，且具备超顺磁性和大的磁饱和强度，饱和磁化值达到10.45 emu·g−1；主要考察了PMS浓度、MNC投加量、溶液初始pH、无机阴离子与腐殖酸对MNC降解LEV的影响。研究表明：相较于BC、磁性生物炭(Magnetic fir sawdust biochar，MC)和氮掺杂生物炭(Nitrogen doped fir sawdust biochar，NC)，MNC活化PMS降解LEV的效率显著提升。当MNC投加量为1.0 g/L，PMS浓度为0.3 mmol/L，初始pH为7，LEV浓度为10 mg/L的条件下，LEV去除率在30 min达到84%；同等条件下，对双酚A(Bisphenol A，BPA)、罗丹明B(Rhodamine B，RhB)和四环素(Tetracycline，TC)的去除率分别为94%、98%和87%。Cl−、NO3−和腐殖酸(Humic acid，HA)对MNC活化PMS降解LEV无明显影响。淬灭实验证实，自由基途径和非自由基途径生成的O2−•与1O2主导了MNC/PMS体系对LEV的降解。此外，MNC循环使用4次后，活化PMS去除LEV的效率仍能达到75%左右。本文为废弃杉木屑高效、绿色的资源化利用提供了新策略和借鉴意义。
2023, 40(11): 6395-6406.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230131.001
摘要:
生物炭是缺氧状态下生物质热解的产物；然而，常见的生物炭表面积小、孔隙结构不发达、表面活性基团少，吸附效果差。本文以高粱(GC)和柚子皮(YC)为原料，利用4种物质进行表面处理制备得到生物炭，其中制备的高粱/KOH(GC-KH)和柚子皮/KOH(YC-K)粉末表面孔状明显，证实了该工艺的可行性。GC-KH比表面积为2096.05 m2/g，平均孔径4.12 nm，在其表面含有丰富的含氧官能团，为吸附提供了良好的结构空间和活性位点。通过批量实验，探讨了不同因素对磷酸盐吸附的影响，评估了离子强度。等温线结果表明GC-KH对磷酸盐的吸附发生在单分子层表面，在pH值为7时GC-KH对磷酸盐最大吸附能力为74.73 mg/g，具有反应迅速等显著优势，为废水中磷酸盐的高效去除提供了创新路径。
生物炭是缺氧状态下生物质热解的产物；然而，常见的生物炭表面积小、孔隙结构不发达、表面活性基团少，吸附效果差。本文以高粱(GC)和柚子皮(YC)为原料，利用4种物质进行表面处理制备得到生物炭，其中制备的高粱/KOH(GC-KH)和柚子皮/KOH(YC-K)粉末表面孔状明显，证实了该工艺的可行性。GC-KH比表面积为2096.05 m2/g，平均孔径4.12 nm，在其表面含有丰富的含氧官能团，为吸附提供了良好的结构空间和活性位点。通过批量实验，探讨了不同因素对磷酸盐吸附的影响，评估了离子强度。等温线结果表明GC-KH对磷酸盐的吸附发生在单分子层表面，在pH值为7时GC-KH对磷酸盐最大吸附能力为74.73 mg/g，具有反应迅速等显著优势，为废水中磷酸盐的高效去除提供了创新路径。
2023, 40(11): 6407-6415.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230109.003
摘要:
随着5G通讯和可穿戴电子设备等高集成化和高功率化的快速发展，由电磁波引起的电磁干扰和电磁污染问题日益严重，亟需研发轻质高强且环境友好的电磁屏蔽复合材料。本文以生物质细菌纤维素(BC)为基体，导电Ti3C2Tx MXene为功能填料，通过液氮定向冷冻-冷冻干法制备轻质高强定向多孔结构MXene/BC复合气凝胶。深入研究了Ti3C2Tx MXene质量分数对复合气凝胶微观结构、导电性能、力学性能和电磁屏蔽性能的影响规律。结果表明：当Ti3C2Tx MXene质量分数为40wt%时，复合气凝胶的密度仅为18.3 mg/cm3，电导率和X波段电磁屏蔽效能 (EMI SE)均达到最大，分别为459.3 S/cm和72 dB (厚度为4 mm)。由于BC和Ti3C2Tx MXene之间存在丰富的氢键相互作用，复合气凝胶在30%应变下压缩强度达到38.3 kPa，较纯BC气凝胶提升了116.1%。
随着5G通讯和可穿戴电子设备等高集成化和高功率化的快速发展，由电磁波引起的电磁干扰和电磁污染问题日益严重，亟需研发轻质高强且环境友好的电磁屏蔽复合材料。本文以生物质细菌纤维素(BC)为基体，导电Ti3C2Tx MXene为功能填料，通过液氮定向冷冻-冷冻干法制备轻质高强定向多孔结构MXene/BC复合气凝胶。深入研究了Ti3C2Tx MXene质量分数对复合气凝胶微观结构、导电性能、力学性能和电磁屏蔽性能的影响规律。结果表明：当Ti3C2Tx MXene质量分数为40wt%时，复合气凝胶的密度仅为18.3 mg/cm3，电导率和X波段电磁屏蔽效能 (EMI SE)均达到最大，分别为459.3 S/cm和72 dB (厚度为4 mm)。由于BC和Ti3C2Tx MXene之间存在丰富的氢键相互作用，复合气凝胶在30%应变下压缩强度达到38.3 kPa，较纯BC气凝胶提升了116.1%。
2023, 40(11): 6416-6429.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230706.001
摘要:
对聚硅硼氮烷(PSNB)、三甲胺环硼氮烷(PBN)及混合先驱体陶瓷化过程分别进行了研究，掌握了热处理温度对先驱体转化陶瓷微结构及性能的影响规律。经NH3裂解后，聚合物转化陶瓷(PDC)-SiBN中形成了B—Si—O—N多元网络，具有良好的抗析晶能力，经过不超过1500℃的热处理后，陶瓷抗吸潮能力提升，介电常数在3.0~3.6之间，损耗约0.003。经NH3裂解的PDC-BN中形成了B—N—O结构，随温度升高逐渐分解，转变为BN。将先驱体按照一定比例混合，可以实现对聚合物转化陶瓷元素组分的调控。混合先驱体转化陶瓷中由于异质界面的存在及多元网络减少，陶瓷热稳定性及介电性能均介于单种先驱体转化陶瓷之间，具有一定的性能可设计性。
对聚硅硼氮烷(PSNB)、三甲胺环硼氮烷(PBN)及混合先驱体陶瓷化过程分别进行了研究，掌握了热处理温度对先驱体转化陶瓷微结构及性能的影响规律。经NH3裂解后，聚合物转化陶瓷(PDC)-SiBN中形成了B—Si—O—N多元网络，具有良好的抗析晶能力，经过不超过1500℃的热处理后，陶瓷抗吸潮能力提升，介电常数在3.0~3.6之间，损耗约0.003。经NH3裂解的PDC-BN中形成了B—N—O结构，随温度升高逐渐分解，转变为BN。将先驱体按照一定比例混合，可以实现对聚合物转化陶瓷元素组分的调控。混合先驱体转化陶瓷中由于异质界面的存在及多元网络减少，陶瓷热稳定性及介电性能均介于单种先驱体转化陶瓷之间，具有一定的性能可设计性。
2023, 40(11): 6430-6438.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230112.001
摘要:
原位自生TiB2/Al复合材料是一类新型铝基复合材料，结合了陶瓷材料高硬度、耐高温、耐腐蚀等和铝合金材料良好的韧性和塑性加工特性等的性能特点，具有高比强度、高比刚度、广泛的合金基体选择范围、原材料成本低、制造和热处理工艺多样化等优势。然而，目前原位自生TiB2/Al复合材料的疲劳研究多侧重于微观机制研究，疲劳特性鲜有涉及应力比和缺口敏感性的讨论。以体积分数为3.67vol%的原位自生TiB2颗粒增强7050铝基复合材料(in-situ TiB2/7050-Al)为研究对象，开展了其高周疲劳特性试验研究，并与不含颗粒的7050铝合金进行对比。试验结果表明：在相同的疲劳载荷下，in-situ TiB2/7050-Al的疲劳强度明显大于7050铝合金；应力比为0.1和0.5时，该复合材料的疲劳极限较7050铝合金分别提高了24.59%和13.56%。进行了不同应力集中系数下的疲劳寿命对比，结果表明颗粒引入后一定程度上限制了复合材料基体的塑性变形，提高了其缺口敏感性。尽管如此，in-situ TiB2/7050-Al在存在缺口情况下的疲劳寿命仍高于7050铝合金。in-situ TiB2/7050-Al作为一种新型轻量化结构材料，有望代替传统铝合金，实现结构静强度和疲劳性能的共同提升。
原位自生TiB2/Al复合材料是一类新型铝基复合材料，结合了陶瓷材料高硬度、耐高温、耐腐蚀等和铝合金材料良好的韧性和塑性加工特性等的性能特点，具有高比强度、高比刚度、广泛的合金基体选择范围、原材料成本低、制造和热处理工艺多样化等优势。然而，目前原位自生TiB2/Al复合材料的疲劳研究多侧重于微观机制研究，疲劳特性鲜有涉及应力比和缺口敏感性的讨论。以体积分数为3.67vol%的原位自生TiB2颗粒增强7050铝基复合材料(in-situ TiB2/7050-Al)为研究对象，开展了其高周疲劳特性试验研究，并与不含颗粒的7050铝合金进行对比。试验结果表明：在相同的疲劳载荷下，in-situ TiB2/7050-Al的疲劳强度明显大于7050铝合金；应力比为0.1和0.5时，该复合材料的疲劳极限较7050铝合金分别提高了24.59%和13.56%。进行了不同应力集中系数下的疲劳寿命对比，结果表明颗粒引入后一定程度上限制了复合材料基体的塑性变形，提高了其缺口敏感性。尽管如此，in-situ TiB2/7050-Al在存在缺口情况下的疲劳寿命仍高于7050铝合金。in-situ TiB2/7050-Al作为一种新型轻量化结构材料，有望代替传统铝合金，实现结构静强度和疲劳性能的共同提升。
2023, 40(11): 6439-6449.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221221.002
摘要:
钛/铝层状复合板兼具了钛合金高强耐腐蚀和铝合金轻质、价格低廉的多重优势，在航空航天、汽车制造、水下装备等领域具有广泛的潜在应用前景。为探究Ti/Al层状复合构件的连接行为，采用真空电子束焊(EBW)对Ti/Al层状复合板进行焊接，对焊接接头的微观组织、界面行为及力学性能进行了研究。研究结果表明：相比于单面焊，先Al后Ti双面焊可以有效提高Ti/Al层状复合板焊接接头的力学性能，焊接接头界面处无明显缺陷，在焊接接头Ti/Al界面处存在明显的金属间化合物(IMCs)层，化合物的形成顺序分别为TiAl3、TiAl、TiAl2。其中，TiAl2是TiAl作为中间物经过一系列反应的产物。在保持Al层电子束流为43 mA不变条件下，随着Ti层焊接电子束流的增大，焊接接头的抗拉强度和延伸率均呈现先增大后减小的趋势，抗拉强度和延伸率最高可达304.6 MPa和10.4%，达到了母材强度的57%，焊接接头的断裂机制主要为在IMCs位置产生的脆性断裂。
钛/铝层状复合板兼具了钛合金高强耐腐蚀和铝合金轻质、价格低廉的多重优势，在航空航天、汽车制造、水下装备等领域具有广泛的潜在应用前景。为探究Ti/Al层状复合构件的连接行为，采用真空电子束焊(EBW)对Ti/Al层状复合板进行焊接，对焊接接头的微观组织、界面行为及力学性能进行了研究。研究结果表明：相比于单面焊，先Al后Ti双面焊可以有效提高Ti/Al层状复合板焊接接头的力学性能，焊接接头界面处无明显缺陷，在焊接接头Ti/Al界面处存在明显的金属间化合物(IMCs)层，化合物的形成顺序分别为TiAl3、TiAl、TiAl2。其中，TiAl2是TiAl作为中间物经过一系列反应的产物。在保持Al层电子束流为43 mA不变条件下，随着Ti层焊接电子束流的增大，焊接接头的抗拉强度和延伸率均呈现先增大后减小的趋势，抗拉强度和延伸率最高可达304.6 MPa和10.4%，达到了母材强度的57%，焊接接头的断裂机制主要为在IMCs位置产生的脆性断裂。
2023, 40(11): 6450-6461.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230213.002
摘要:
本文旨在探讨碳纤维增强树脂(Carbon-fibre-reinforced polymer，CFRP)-铝合金-泡沫铝混杂管件在轴向(0°)和斜向(10°)荷载下的压溃变形特性和能量耗散机制。首先对纯碳纤维管(CF)、纯铝管(Al)、纯泡沫铝(Af)、Al-Af混杂管和CF-Al-Af混杂管进行了准静态压缩试验；在0°和10°的加载角下，Al-Af混杂管的能量吸收总是高于单一部件的能量吸收总量；与单一组分能量吸收之和相比，CF-Al-Af混杂管的能量吸收在0°加载角下减少，而在10°加载角时则显著提高。接着，在LS-DYNA中开发了混杂管件和相应的单一部件的数值模型，仿真结果表明，铝管能量吸收的提升促进了Al-Af和CF-Al-Af混杂管承载能力的提升，原因在于相比于单一铝管的“对称-钻石”混合变形，混杂管中的铝管发生了更稳定的对称变形，然而外部CF管能量吸收的降低主要削弱了CF-Al-Af混杂管的能量吸收，原因在于混杂管的CF管受到内部铝管的挤压出现了轴向撕裂失效。最后，建立了CF-Al-Af混合管和相应的单一管件在轴向荷载下的平均压溃载荷解析模型，结果表明，所开发的解析模型可以较好地预测混合管和单一部件的平均压溃载荷。
本文旨在探讨碳纤维增强树脂(Carbon-fibre-reinforced polymer，CFRP)-铝合金-泡沫铝混杂管件在轴向(0°)和斜向(10°)荷载下的压溃变形特性和能量耗散机制。首先对纯碳纤维管(CF)、纯铝管(Al)、纯泡沫铝(Af)、Al-Af混杂管和CF-Al-Af混杂管进行了准静态压缩试验；在0°和10°的加载角下，Al-Af混杂管的能量吸收总是高于单一部件的能量吸收总量；与单一组分能量吸收之和相比，CF-Al-Af混杂管的能量吸收在0°加载角下减少，而在10°加载角时则显著提高。接着，在LS-DYNA中开发了混杂管件和相应的单一部件的数值模型，仿真结果表明，铝管能量吸收的提升促进了Al-Af和CF-Al-Af混杂管承载能力的提升，原因在于相比于单一铝管的“对称-钻石”混合变形，混杂管中的铝管发生了更稳定的对称变形，然而外部CF管能量吸收的降低主要削弱了CF-Al-Af混杂管的能量吸收，原因在于混杂管的CF管受到内部铝管的挤压出现了轴向撕裂失效。最后，建立了CF-Al-Af混合管和相应的单一管件在轴向荷载下的平均压溃载荷解析模型，结果表明，所开发的解析模型可以较好地预测混合管和单一部件的平均压溃载荷。
2023, 40(11): 6462-6470.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230310.004
摘要:
复合材料由于其优异的性能已被广泛地应用于建筑、医学、航空航天等各个领域中，然而其损伤监测一直是国内外专家和学者关注的难点问题之一。本文将形状记忆合金(SMA)埋入到复合材料中，考虑了界面层的应变传递作用，利用SMA的电阻传感特性建立了基于应变传递的SMA复合材料塑性损伤监测模型，实现复合材料塑性损伤应变的实时监测。基于该监测模型讨论了不同材料参数条件对SMA和复合材料间平均应变传递率的影响，并讨论了SMA在不同初始状态和温度条件下损伤监测行为。研究结果表明：减小界面层厚度、增加界面层剪切模量及增加SMA的埋入长度均增加界面平均应变传递率，SMA电阻变化和复合材料塑性损伤应变呈分段线性关系。本文可为SMA复合材料损伤监测的进一步优化设计和应用提供理论基础。
复合材料由于其优异的性能已被广泛地应用于建筑、医学、航空航天等各个领域中，然而其损伤监测一直是国内外专家和学者关注的难点问题之一。本文将形状记忆合金(SMA)埋入到复合材料中，考虑了界面层的应变传递作用，利用SMA的电阻传感特性建立了基于应变传递的SMA复合材料塑性损伤监测模型，实现复合材料塑性损伤应变的实时监测。基于该监测模型讨论了不同材料参数条件对SMA和复合材料间平均应变传递率的影响，并讨论了SMA在不同初始状态和温度条件下损伤监测行为。研究结果表明：减小界面层厚度、增加界面层剪切模量及增加SMA的埋入长度均增加界面平均应变传递率，SMA电阻变化和复合材料塑性损伤应变呈分段线性关系。本文可为SMA复合材料损伤监测的进一步优化设计和应用提供理论基础。
