2023年 第40卷 第3期
2023, 40(3): 1229-1247.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220815.001
摘要:
碳纤维增强热塑性复合材料(CRTP)因其具有众多优点而在航空航天、轨道交通、国防军工和风力发电等领域受到广泛的关注。本文总结了近年来国内外关于CRTP制备技术的研究进展，主要从预浸料制备工艺、碳纤维(CF)表面改性技术及CRTP成型工艺3个方面进行阐述，并详细介绍了不同预浸料制备工艺、CF表面改性技术和CRTP成型工艺的优缺点及对所制备CRTP性能的影响；最后对预浸料制备工艺、CF表面改性技术和CRTP成型工艺的发展方向进行了展望。
碳纤维增强热塑性复合材料(CRTP)因其具有众多优点而在航空航天、轨道交通、国防军工和风力发电等领域受到广泛的关注。本文总结了近年来国内外关于CRTP制备技术的研究进展，主要从预浸料制备工艺、碳纤维(CF)表面改性技术及CRTP成型工艺3个方面进行阐述，并详细介绍了不同预浸料制备工艺、CF表面改性技术和CRTP成型工艺的优缺点及对所制备CRTP性能的影响；最后对预浸料制备工艺、CF表面改性技术和CRTP成型工艺的发展方向进行了展望。
2023, 40(3): 1248-1262.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221008.001
摘要:
铜(Cu)基复合材料具有优异的力学、热学、电学及耐磨和耐腐蚀等性能，广泛应用于各种工业技术领域。石墨烯(Graphene，Gr)具有二维平面结构和优异的综合性能，是金属基复合材料理想的增强相。石墨烯增强铜基复合材料拓展了铜及其合金的应用范围，适当的制备方法可以使其在保持优异导电导热性能的同时拥有更好的力学性能。石墨烯在铜基体中的存在形式主要以还原氧化石墨烯、石墨烯纳米片或与金属氧化物/碳化物纳米颗粒连接，旨在增强两者之间的界面结合。因此，石墨烯在铜基体中的结构完整性及存在形式直接影响了其性能的优劣。本文综述了Cu/Gr复合材料的制备及模拟方法、复合材料的性能评价及力学性能与功能特性的相互影响规律。指明Cu/Gr复合材料的发展关键在于：(1) 分散性与界面结合；(2) 三维石墨烯结构的构建；(3) 界面结合对力学性能与功能特性的影响及两者间的相互协调。
铜(Cu)基复合材料具有优异的力学、热学、电学及耐磨和耐腐蚀等性能，广泛应用于各种工业技术领域。石墨烯(Graphene，Gr)具有二维平面结构和优异的综合性能，是金属基复合材料理想的增强相。石墨烯增强铜基复合材料拓展了铜及其合金的应用范围，适当的制备方法可以使其在保持优异导电导热性能的同时拥有更好的力学性能。石墨烯在铜基体中的存在形式主要以还原氧化石墨烯、石墨烯纳米片或与金属氧化物/碳化物纳米颗粒连接，旨在增强两者之间的界面结合。因此，石墨烯在铜基体中的结构完整性及存在形式直接影响了其性能的优劣。本文综述了Cu/Gr复合材料的制备及模拟方法、复合材料的性能评价及力学性能与功能特性的相互影响规律。指明Cu/Gr复合材料的发展关键在于：(1) 分散性与界面结合；(2) 三维石墨烯结构的构建；(3) 界面结合对力学性能与功能特性的影响及两者间的相互协调。
2023, 40(3): 1263-1273.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220608.001
摘要:
碳纤维复合材料结构锂离子电池是将结构件和储能系统相结合，在保持碳纤维力学性能的同时，赋予其优异的储能性能，使动力电池组在减重的同时简化结构设计，提高能量效率和结构效率。在低碳经济的大环境下，碳纤维复合材料结构锂离子电池作为一种新型储能器件引起了国内外学者的极大关注。本文综述了嵌入集成式结构电池和多功能复合材料结构电池的工作原理、制备工艺及储能性能等基础问题的研究现状，提出了全碳纤维固态结构电池的概念及其设计原型。同时简要介绍了现阶段碳纤维复合材料结构锂离子电池最具代表性的应用，并展望了其在航空航天和交通运输等领域的应用价值。
碳纤维复合材料结构锂离子电池是将结构件和储能系统相结合，在保持碳纤维力学性能的同时，赋予其优异的储能性能，使动力电池组在减重的同时简化结构设计，提高能量效率和结构效率。在低碳经济的大环境下，碳纤维复合材料结构锂离子电池作为一种新型储能器件引起了国内外学者的极大关注。本文综述了嵌入集成式结构电池和多功能复合材料结构电池的工作原理、制备工艺及储能性能等基础问题的研究现状，提出了全碳纤维固态结构电池的概念及其设计原型。同时简要介绍了现阶段碳纤维复合材料结构锂离子电池最具代表性的应用，并展望了其在航空航天和交通运输等领域的应用价值。
2023, 40(3): 1274-1284.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220715.001
摘要:
“30.60”双碳目标的提出，风电行业迎来新的发展机遇。随着中国风电进入平价时代，风电机组通过不断增加单机容量来降低度电成本，由此也对风电叶片长度提出了不断增加的要求。风电叶片面临着“大型化、轻量化与低成本”的矛盾，新材料和新工艺是推动叶片走向风电平价时代的重要手段。本文评述了风电叶片行业的发展与趋势，指出影响叶片性能和成本的关键原材料，系统性地分析了增强纤维、夹芯材料、基体树脂和结构胶4种材料在叶片上的应用现状和发展趋势；探讨了高质量和绿色环保条件下叶片大型化对工艺发展的新要求，新工艺中的预浸料和拉挤技术是未来大叶片应用发展的主要趋势。最后，文章对新材料和新工艺在叶片上的创新应用提出了一些思考与建议，为平价时代风电叶片的大型化发展提供了重要参考。
“30.60”双碳目标的提出，风电行业迎来新的发展机遇。随着中国风电进入平价时代，风电机组通过不断增加单机容量来降低度电成本，由此也对风电叶片长度提出了不断增加的要求。风电叶片面临着“大型化、轻量化与低成本”的矛盾，新材料和新工艺是推动叶片走向风电平价时代的重要手段。本文评述了风电叶片行业的发展与趋势，指出影响叶片性能和成本的关键原材料，系统性地分析了增强纤维、夹芯材料、基体树脂和结构胶4种材料在叶片上的应用现状和发展趋势；探讨了高质量和绿色环保条件下叶片大型化对工艺发展的新要求，新工艺中的预浸料和拉挤技术是未来大叶片应用发展的主要趋势。最后，文章对新材料和新工艺在叶片上的创新应用提出了一些思考与建议，为平价时代风电叶片的大型化发展提供了重要参考。
2023, 40(3): 1285-1299.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220629.002
摘要:
社会快速发展带来巨大经济效益的同时，也带来了一系列生态环境问题，如水污染、大气污染和污染物排放。催化降解被认为是处理各种污染的一种有效策略，相对于传统的光催化，压电催化是近几年提出的一种全新的催化方式。通过压电催化将机械能转化为化学能是解决当前水污染难题的一个有效手段，大量的压电材料被应用于压电催化降解的研究，其中BaTiO3基纳米粉体作为一种典型的压电材料，因具有成本低、压电活性强等优点，引起了研究者的广泛关注。本文首先对压电催化的理论和起源进行了概述，列举了一些常用的压电催化材料并针对其压电催化应用进行举例。围绕BaTiO3介绍了其基本结构、纳米BaTiO3粉体的常用制备方法和在压电催化领域的应用及一些典型的改性方法。最后对BaTiO3基纳米粉体在压电催化领域的未来发展趋势进行了展望。
社会快速发展带来巨大经济效益的同时，也带来了一系列生态环境问题，如水污染、大气污染和污染物排放。催化降解被认为是处理各种污染的一种有效策略，相对于传统的光催化，压电催化是近几年提出的一种全新的催化方式。通过压电催化将机械能转化为化学能是解决当前水污染难题的一个有效手段，大量的压电材料被应用于压电催化降解的研究，其中BaTiO3基纳米粉体作为一种典型的压电材料，因具有成本低、压电活性强等优点，引起了研究者的广泛关注。本文首先对压电催化的理论和起源进行了概述，列举了一些常用的压电催化材料并针对其压电催化应用进行举例。围绕BaTiO3介绍了其基本结构、纳米BaTiO3粉体的常用制备方法和在压电催化领域的应用及一些典型的改性方法。最后对BaTiO3基纳米粉体在压电催化领域的未来发展趋势进行了展望。
2023, 40(3): 1300-1310.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220612.001
摘要:
随着信息时代的到来，电磁波的泄漏给人类健康带来了严重的危害，因此，高性能电磁防护材料的设计迫在眉睫。静电纺丝技术制备的复合纳米纤维具有质量轻、成本低、比表面积大、易加工和物理化学性能稳定等优点，是近年来高性能电磁屏蔽及吸波材料研究的热点。本文首先介绍了电磁屏蔽及吸波的基本原理，并结合国内外研究现状，将市场上应用广泛的电磁屏蔽及吸波材料系统的分成了金属及金属氧化物、碳材料、导电聚合物和过渡金属碳化物4类，并进行了详细了介绍。同时，综述了各种填料对电磁屏蔽及吸波性能的影响及目前正面临的问题。
随着信息时代的到来，电磁波的泄漏给人类健康带来了严重的危害，因此，高性能电磁防护材料的设计迫在眉睫。静电纺丝技术制备的复合纳米纤维具有质量轻、成本低、比表面积大、易加工和物理化学性能稳定等优点，是近年来高性能电磁屏蔽及吸波材料研究的热点。本文首先介绍了电磁屏蔽及吸波的基本原理，并结合国内外研究现状，将市场上应用广泛的电磁屏蔽及吸波材料系统的分成了金属及金属氧化物、碳材料、导电聚合物和过渡金属碳化物4类，并进行了详细了介绍。同时，综述了各种填料对电磁屏蔽及吸波性能的影响及目前正面临的问题。
2023, 40(3): 1311-1327.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220527.001
摘要:
热固性树脂是一种能够在加热或辐射条件下发生交联反应而固化，逐渐硬化成型的树脂类材料，具有耐热性高，受压不易变形等优点，广泛应用于涂料、胶粘剂、电子封装等领域。现有研究表明，由于热固性树脂受热后的固化成型，可有效解决固-液相变材料相变储能过程中泄漏问题。本文从热固性树脂的分类出发，首次系统综述其在相变储能领域的应用研究现状，包括：(1) 基于酚醛树脂封装的定型相变材料研究进展；(2) 基于环氧树脂封装的定型相变材料研究进展；(3) 双环戊二烯石油树脂在相变储能领域应用的可能性。同时，从制备时改性与废弃时处置回收的角度，对热固性树脂强化的相变储能复合材料未来研究重点和发展趋势进行了展望，旨在为拓宽热固性树脂在相变储能领域的应用范围提供有益参考，为制备性能优异的定型相变材料提供更多研究思路。
热固性树脂是一种能够在加热或辐射条件下发生交联反应而固化，逐渐硬化成型的树脂类材料，具有耐热性高，受压不易变形等优点，广泛应用于涂料、胶粘剂、电子封装等领域。现有研究表明，由于热固性树脂受热后的固化成型，可有效解决固-液相变材料相变储能过程中泄漏问题。本文从热固性树脂的分类出发，首次系统综述其在相变储能领域的应用研究现状，包括：(1) 基于酚醛树脂封装的定型相变材料研究进展；(2) 基于环氧树脂封装的定型相变材料研究进展；(3) 双环戊二烯石油树脂在相变储能领域应用的可能性。同时，从制备时改性与废弃时处置回收的角度，对热固性树脂强化的相变储能复合材料未来研究重点和发展趋势进行了展望，旨在为拓宽热固性树脂在相变储能领域的应用范围提供有益参考，为制备性能优异的定型相变材料提供更多研究思路。
2023, 40(3): 1328-1339.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220628.002
摘要:
多孔炭由于其较大的比表面积、高耐久性和独特的内部结构而被广泛应用于储能领域的电极材料，但是发展新的储能系统需要可再生、低成本和对环境友好的电极材料。而生物质作为地球上最广泛的可再生资源之一，有着巨大的开发利用价值。目前在储能领域，生物质炭基超级电容器因其优异的性能而备受研究者的青睐。本文按照炭前驱体的来源对生物质衍生炭进行了分类，重点介绍了生物质衍生炭作为超级电容器电极材料方面的最新研究成果，最后讨论了生物质衍生炭材料在建设高效能源存储系统方面所面临的挑战。
多孔炭由于其较大的比表面积、高耐久性和独特的内部结构而被广泛应用于储能领域的电极材料，但是发展新的储能系统需要可再生、低成本和对环境友好的电极材料。而生物质作为地球上最广泛的可再生资源之一，有着巨大的开发利用价值。目前在储能领域，生物质炭基超级电容器因其优异的性能而备受研究者的青睐。本文按照炭前驱体的来源对生物质衍生炭进行了分类，重点介绍了生物质衍生炭作为超级电容器电极材料方面的最新研究成果，最后讨论了生物质衍生炭材料在建设高效能源存储系统方面所面临的挑战。
2023, 40(3): 1340-1353.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220623.008
摘要:
肾上腺素(AD)作为一种神经递质在人体内扮演重要角色，其含量的高低直接影响人体身体健康，因此对AD进行快速检测具有重要的实际意义。其检测方法中电化学方法具有灵敏度高、检测速度快、操作简便的优点，因而构建性能优异的肾上腺素电化学传感器成为研究热点。为提高传感器的电化学性能，碳纳米材料被采纳作为修饰传感器的新型材料而广泛应用，取得了检测限低、灵敏度高并有希望应用于临床检测的巨大进步。本文从碳点、石墨烯、碳纳米颗粒等碳纳米材料出发，分析AD在电极表面的电氧化还原机制，对近年来基于碳纳米材料的肾上腺素电化学传感器制备方法及检测结果进行分类统计，并对今后的检测提出展望，以期获得更有效的肾上腺素电化学传感器。
肾上腺素(AD)作为一种神经递质在人体内扮演重要角色，其含量的高低直接影响人体身体健康，因此对AD进行快速检测具有重要的实际意义。其检测方法中电化学方法具有灵敏度高、检测速度快、操作简便的优点，因而构建性能优异的肾上腺素电化学传感器成为研究热点。为提高传感器的电化学性能，碳纳米材料被采纳作为修饰传感器的新型材料而广泛应用，取得了检测限低、灵敏度高并有希望应用于临床检测的巨大进步。本文从碳点、石墨烯、碳纳米颗粒等碳纳米材料出发，分析AD在电极表面的电氧化还原机制，对近年来基于碳纳米材料的肾上腺素电化学传感器制备方法及检测结果进行分类统计，并对今后的检测提出展望，以期获得更有效的肾上腺素电化学传感器。
2023, 40(3): 1354-1364.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220511.001
摘要:
本文总结了近几年湿度响应致动器的研究进展，从湿度响应致动器分类和驱动原理出发，主要讨论了响应性材料和致动器结构设计，对湿度响应材料目前的发展现状和存在的关键科学难点进行了系统的总结，旨在为具有新颖功能的智能微型致动器提供新的设计思路。多刺激响应、可编程，多功能和驱动-传感-控制一体化等多学科交叉研究方向将是未来湿度响应致动器研究新的突破点。
本文总结了近几年湿度响应致动器的研究进展，从湿度响应致动器分类和驱动原理出发，主要讨论了响应性材料和致动器结构设计，对湿度响应材料目前的发展现状和存在的关键科学难点进行了系统的总结，旨在为具有新颖功能的智能微型致动器提供新的设计思路。多刺激响应、可编程，多功能和驱动-传感-控制一体化等多学科交叉研究方向将是未来湿度响应致动器研究新的突破点。
2023, 40(3): 1365-1380.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220819.001
摘要:
在全球变暖和能源危机的背景下，能源问题已成为全球各国战略安全的重要组成部分。氢能作为可持续的新型可再生清洁能源，对缓解全球性能源短缺具有重要意义。在众多制氢候选方案中，电解水制备氢气被认为是最可靠、最可行的途径之一。但在电解过程中，反应动力学极为迟缓的阳极析氧反应(Oxygen evolution reaction，OER)严重制约着整体反应效率。因此，开发成本相对低廉、催化剂性能优异、耐久性好的高效OER电催化剂，从而提高电解水制氢工艺技术的能源转换效果受到了广泛关注。本文首先简要阐述了析氧反应的反应机制及其性能的评价参数，接着对非贵金属催化剂的研究进行分类讨论，并列举了提高催化性能的策略和方法，最后对设计新型催化剂进行展望。
在全球变暖和能源危机的背景下，能源问题已成为全球各国战略安全的重要组成部分。氢能作为可持续的新型可再生清洁能源，对缓解全球性能源短缺具有重要意义。在众多制氢候选方案中，电解水制备氢气被认为是最可靠、最可行的途径之一。但在电解过程中，反应动力学极为迟缓的阳极析氧反应(Oxygen evolution reaction，OER)严重制约着整体反应效率。因此，开发成本相对低廉、催化剂性能优异、耐久性好的高效OER电催化剂，从而提高电解水制氢工艺技术的能源转换效果受到了广泛关注。本文首先简要阐述了析氧反应的反应机制及其性能的评价参数，接着对非贵金属催化剂的研究进行分类讨论，并列举了提高催化性能的策略和方法，最后对设计新型催化剂进行展望。
2023, 40(3): 1381-1394.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220424.002
摘要:
涂层是材料抵御外界应力损伤的重要屏障，且随着科技的发展，智能涂层可在原先的基础上赋予涂层荧光、抗菌、检测、传感等先进功能。然而，此类涂层在使用过程中不可避免会受到机械破坏(如擦痕、刮伤等)及与内部各组分应力不匹配引发的宏观或者微观损伤，导致裂纹甚至开裂，结构损伤会引起功能的减弱甚至消失。因此，对涂层结构稳定性和功能持续性提出了更高要求。基于动态共价交联网络的自修复涂层是以动态共价键可逆反应为基础，在一定的外界刺激下建立原料分子与产物分子之间的热力学平衡，通过动态网络“重组”实现对涂层自修复。动态网络活化能的大小不仅能直接反映修复难易程度(反应速率)，也能间接反映材料的力学表现。因此，本文将从化学热/动力学角度出发，分析自修复网络构筑与反应活化能之间的关系，并进一步概述基于动态共价交联网络的自修复涂层在传统涂料(层)、智能传感、光学变色、生物医药领域的应用。最后对动态共价自修复涂层目前存在的局限和未来的发展进行展望。
涂层是材料抵御外界应力损伤的重要屏障，且随着科技的发展，智能涂层可在原先的基础上赋予涂层荧光、抗菌、检测、传感等先进功能。然而，此类涂层在使用过程中不可避免会受到机械破坏(如擦痕、刮伤等)及与内部各组分应力不匹配引发的宏观或者微观损伤，导致裂纹甚至开裂，结构损伤会引起功能的减弱甚至消失。因此，对涂层结构稳定性和功能持续性提出了更高要求。基于动态共价交联网络的自修复涂层是以动态共价键可逆反应为基础，在一定的外界刺激下建立原料分子与产物分子之间的热力学平衡，通过动态网络“重组”实现对涂层自修复。动态网络活化能的大小不仅能直接反映修复难易程度(反应速率)，也能间接反映材料的力学表现。因此，本文将从化学热/动力学角度出发，分析自修复网络构筑与反应活化能之间的关系，并进一步概述基于动态共价交联网络的自修复涂层在传统涂料(层)、智能传感、光学变色、生物医药领域的应用。最后对动态共价自修复涂层目前存在的局限和未来的发展进行展望。
2023, 40(3): 1395-1405.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220415.003
摘要:
研发制备低成本、少缺陷及高效率的石墨烯纳米片杂化阻燃剂对实现复合材料多功能性具有重要意义。以三聚氰胺为助剥离剂将微粉石墨(GRA)经机械球磨后与磷酸液相反应得到一种阻燃导热的石墨烯纳米片杂化三聚氰胺磷酸盐(GMP)，在表征GMP形貌、结构、组成和热稳定性的基础上，研究了添加GMP环氧树脂(EP)复合材料的阻燃、热分解和导热性能。GMP的热失重分析结果表明：与三聚氰胺磷酸盐(MP)相比，初始分解温度提升了29.3℃，与环氧树脂的热分解温度更匹配，有助于提高阻燃效率。氧指数仪、锥形量热仪和导热性能研究表明，GMP添加30wt%时，EP复合材料的极限氧指数达到了30.4%，UL 94垂直燃烧达到V-0级，峰值热释放速率(PHRR)和峰值烟释放速率(PSPR)分别下降69%和74.0%；导热系数提升至2.10 W·m−1·K−1, 相对于EP提升了708%。这是由于GMP中石墨烯纳米片(GNPs)与MP的相互作用促进了EP形成了致密的膨胀炭层，有效提高了EP复合材料的阻燃性；随着GMP添加量的增加，GNPs和石墨微片传热通道的形成改善了EP复合材料的导热性。本文为解决EP复合材料因热沉积引发火灾危险的问题提供了兼具阻燃和导热性能的石墨烯纳米片杂化阻燃剂的设计和制备思路。
研发制备低成本、少缺陷及高效率的石墨烯纳米片杂化阻燃剂对实现复合材料多功能性具有重要意义。以三聚氰胺为助剥离剂将微粉石墨(GRA)经机械球磨后与磷酸液相反应得到一种阻燃导热的石墨烯纳米片杂化三聚氰胺磷酸盐(GMP)，在表征GMP形貌、结构、组成和热稳定性的基础上，研究了添加GMP环氧树脂(EP)复合材料的阻燃、热分解和导热性能。GMP的热失重分析结果表明：与三聚氰胺磷酸盐(MP)相比，初始分解温度提升了29.3℃，与环氧树脂的热分解温度更匹配，有助于提高阻燃效率。氧指数仪、锥形量热仪和导热性能研究表明，GMP添加30wt%时，EP复合材料的极限氧指数达到了30.4%，UL 94垂直燃烧达到V-0级，峰值热释放速率(PHRR)和峰值烟释放速率(PSPR)分别下降69%和74.0%；导热系数提升至2.10 W·m−1·K−1, 相对于EP提升了708%。这是由于GMP中石墨烯纳米片(GNPs)与MP的相互作用促进了EP形成了致密的膨胀炭层，有效提高了EP复合材料的阻燃性；随着GMP添加量的增加，GNPs和石墨微片传热通道的形成改善了EP复合材料的导热性。本文为解决EP复合材料因热沉积引发火灾危险的问题提供了兼具阻燃和导热性能的石墨烯纳米片杂化阻燃剂的设计和制备思路。
2023, 40(3): 1406-1416.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220509.001
摘要:
碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)因其耐腐蚀、轻质高强等特点被广泛应用于海洋环境，进而长期遭受湿热环境的考验。为了解湿热环境和极端温度对碳纤维增强乙烯基树脂复合材料的影响，测试了湿热老化前后和不同温度下CFRP的压缩性能、面内剪切性能和层间剪切强度变化。FTIR和SEM结果表明：纯树脂试样在湿热环境中发生了水解，使试样表面的微裂纹和孔隙不断扩展并向试样内部渗透；碳纤维的埋入抑制了水的扩散和水解，因而CFRP的吸湿曲线与Fickian模型高度吻合；纯树脂由于水解反应影响了吸湿通道使吸湿曲线偏离Fickian模型。力学性能表明：湿热老化90天后压缩强度和层间剪切强度分别降低7.6%、12.3%；试样在高温(70℃)下的压缩强度、面内剪切强度、层间剪切强度分别急剧降低36.2%、26.9%、37.4%，且高温对试样力学性能的影响具有部分可逆性。
碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)因其耐腐蚀、轻质高强等特点被广泛应用于海洋环境，进而长期遭受湿热环境的考验。为了解湿热环境和极端温度对碳纤维增强乙烯基树脂复合材料的影响，测试了湿热老化前后和不同温度下CFRP的压缩性能、面内剪切性能和层间剪切强度变化。FTIR和SEM结果表明：纯树脂试样在湿热环境中发生了水解，使试样表面的微裂纹和孔隙不断扩展并向试样内部渗透；碳纤维的埋入抑制了水的扩散和水解，因而CFRP的吸湿曲线与Fickian模型高度吻合；纯树脂由于水解反应影响了吸湿通道使吸湿曲线偏离Fickian模型。力学性能表明：湿热老化90天后压缩强度和层间剪切强度分别降低7.6%、12.3%；试样在高温(70℃)下的压缩强度、面内剪切强度、层间剪切强度分别急剧降低36.2%、26.9%、37.4%，且高温对试样力学性能的影响具有部分可逆性。
2023, 40(3): 1417-1429.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220428.002
摘要:
SiO2/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料的介电性能与纳米SiO2在LDPE基体中的分散性密切相关。为研究室温下拉伸处理对纳米SiO2颗粒在LDPE基体中分散性的作用机制，本文选取7 nm粒径的疏水型纳米SiO2与LDPE熔融共混制备SiO2/LDPE纳米复合材料。将制备好的纳米复合材料经过三次拉伸处理，利用SEM、DSC表征纳米粒子的分散性及复合材料的结晶度，利用热刺激电流法(TSC)测试分析复合材料的陷阱能级和陷阱密度。通过对纳米复合材料的空间电荷，电导电流，直流击穿强度进行实验测试，研究了拉伸对纳米粒子分散性的影响及其所导致的直流介电性能的改变。结果表明室温下拉伸有助于纳米粒子的分散，使纳米SiO2粒子的团聚尺寸从200 nm左右缩减到100 nm左右；但拉伸会破坏LDPE的结晶结构，劣化其性能；通过掺杂纳米SiO2引入深陷阱能级可以改善LDPE的直流介电性能。经过拉伸的SiO2/LDPE的空间电荷积累得到抑制，电导电流的机制发生改变。通过对电导电流的数据进行拟合处理，发现拉伸后的SiO2/LDPE的电导以离子跳跃电导为主，其跳跃距离减少到1.98 nm左右。SiO2/LDPE相比LDPE直流击穿强度提高约43%，室温拉伸处理后SiO2/LDPE击穿强度降低的主要原因是拉伸过程导致的LDPE基体结构缺陷。
SiO2/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料的介电性能与纳米SiO2在LDPE基体中的分散性密切相关。为研究室温下拉伸处理对纳米SiO2颗粒在LDPE基体中分散性的作用机制，本文选取7 nm粒径的疏水型纳米SiO2与LDPE熔融共混制备SiO2/LDPE纳米复合材料。将制备好的纳米复合材料经过三次拉伸处理，利用SEM、DSC表征纳米粒子的分散性及复合材料的结晶度，利用热刺激电流法(TSC)测试分析复合材料的陷阱能级和陷阱密度。通过对纳米复合材料的空间电荷，电导电流，直流击穿强度进行实验测试，研究了拉伸对纳米粒子分散性的影响及其所导致的直流介电性能的改变。结果表明室温下拉伸有助于纳米粒子的分散，使纳米SiO2粒子的团聚尺寸从200 nm左右缩减到100 nm左右；但拉伸会破坏LDPE的结晶结构，劣化其性能；通过掺杂纳米SiO2引入深陷阱能级可以改善LDPE的直流介电性能。经过拉伸的SiO2/LDPE的空间电荷积累得到抑制，电导电流的机制发生改变。通过对电导电流的数据进行拟合处理，发现拉伸后的SiO2/LDPE的电导以离子跳跃电导为主，其跳跃距离减少到1.98 nm左右。SiO2/LDPE相比LDPE直流击穿强度提高约43%，室温拉伸处理后SiO2/LDPE击穿强度降低的主要原因是拉伸过程导致的LDPE基体结构缺陷。
2023, 40(3): 1430-1437.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220419.007
摘要:
聚乳酸(PLA)作为新型的绿色友好材料有非常广阔的应用前景。为有效解决PLA韧性差、结晶速率低等问题，本文提出了以纤维素改性PLA的方法。首先以细菌纤维素(BC)为底物，使L-丙交酯(LLA)在其表面进行原位开环聚合，得到了BC-g-PLA接枝产物；然后将该接枝产物作为增韧剂添加到PLA中，采用溶液浇筑的方法制备得到复合薄膜材料。结果表明：溶液接枝法的反应效率比熔融接枝法更高，接枝率可达到76.60%；通过FTIR、核磁共振波谱仪与XRD对接枝产物进行结构测试，证实了PLA成功接枝到BC表面；通过偏光显微镜观察复合薄膜材料晶体形貌发现BC-g-PLA作为异相成核剂，添加量为0.6%时，对球晶的均匀细化程度最高；通过力学性能测试发现，PLA薄膜增韧改性后断裂伸长率可提高175%，拉伸强度可提高22.7%；通过差示扫描量热仪测试复合薄膜材料的结晶性能，结晶度从未改性的2.53%提高到13.26%，结晶速率也有所增加。
聚乳酸(PLA)作为新型的绿色友好材料有非常广阔的应用前景。为有效解决PLA韧性差、结晶速率低等问题，本文提出了以纤维素改性PLA的方法。首先以细菌纤维素(BC)为底物，使L-丙交酯(LLA)在其表面进行原位开环聚合，得到了BC-g-PLA接枝产物；然后将该接枝产物作为增韧剂添加到PLA中，采用溶液浇筑的方法制备得到复合薄膜材料。结果表明：溶液接枝法的反应效率比熔融接枝法更高，接枝率可达到76.60%；通过FTIR、核磁共振波谱仪与XRD对接枝产物进行结构测试，证实了PLA成功接枝到BC表面；通过偏光显微镜观察复合薄膜材料晶体形貌发现BC-g-PLA作为异相成核剂，添加量为0.6%时，对球晶的均匀细化程度最高；通过力学性能测试发现，PLA薄膜增韧改性后断裂伸长率可提高175%，拉伸强度可提高22.7%；通过差示扫描量热仪测试复合薄膜材料的结晶性能，结晶度从未改性的2.53%提高到13.26%，结晶速率也有所增加。
2023, 40(3): 1438-1445.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220516.005
摘要:
在液晶背光模组中通常使用扩散膜来提高光的散射效果，提高光的利用率。光散射粒子是影响光散射材料透光率和雾度的主要因素。有机硅微球由于热稳定性好，尺寸稳定性佳，粒径和折射率可以通过反应调控的特点，作为光扩散粒子应用于光扩散材料具有十分广阔的应用前景。本文通过在溶胶-凝胶法制备的聚硅氧烷微球上面沉淀一层被巯基聚硅氧烷包裹的硫化锌量子点(ZnS-Qds)，制得微米级ZnS-Qds@聚硅氧烷核-壳型光扩散杂化微球，并制备了添加不同质量分数的杂化微球的光扩散膜。采用TEM、TEM映射分析、荧光光度计等测试手段对所制备的杂化材料进行了表征，并对用该杂化粒子制备得到的光扩散膜进行了光学性能测试。结果表明，ZnS-Qds@聚硅氧烷光扩散杂化微球具有核壳结构，平均粒径约3.6 μm，壳层平均厚度为87.4 nm，平均粒径为2 nm的ZnS-Qds均匀地分散在壳层中。将该粒子添加到丙烯酸树脂中并涂覆在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上以制成光扩散膜，实验结果表明，当杂化粒子添加量从0wt%增加到20wt%时，光扩散膜的雾度从1.67%提高到91.11%，而光扩散膜的透光率仅从90.10%降低到 82.57%。
在液晶背光模组中通常使用扩散膜来提高光的散射效果，提高光的利用率。光散射粒子是影响光散射材料透光率和雾度的主要因素。有机硅微球由于热稳定性好，尺寸稳定性佳，粒径和折射率可以通过反应调控的特点，作为光扩散粒子应用于光扩散材料具有十分广阔的应用前景。本文通过在溶胶-凝胶法制备的聚硅氧烷微球上面沉淀一层被巯基聚硅氧烷包裹的硫化锌量子点(ZnS-Qds)，制得微米级ZnS-Qds@聚硅氧烷核-壳型光扩散杂化微球，并制备了添加不同质量分数的杂化微球的光扩散膜。采用TEM、TEM映射分析、荧光光度计等测试手段对所制备的杂化材料进行了表征，并对用该杂化粒子制备得到的光扩散膜进行了光学性能测试。结果表明，ZnS-Qds@聚硅氧烷光扩散杂化微球具有核壳结构，平均粒径约3.6 μm，壳层平均厚度为87.4 nm，平均粒径为2 nm的ZnS-Qds均匀地分散在壳层中。将该粒子添加到丙烯酸树脂中并涂覆在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上以制成光扩散膜，实验结果表明，当杂化粒子添加量从0wt%增加到20wt%时，光扩散膜的雾度从1.67%提高到91.11%，而光扩散膜的透光率仅从90.10%降低到 82.57%。
2023, 40(3): 1446-1454.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220406.003
摘要:
高温石墨化使高强高模碳纤维(CF)表面光滑，反应活性低，导致其复合材料界面粘接性能差。杂原子改性是改善CF表面反应活性的有效手段之一。采用循环伏安(CV)方法在有机复合电解液中对高强高模CF进行了表面氧化和氮化改性，采用CV优选的复合电解液进行恒流电化学氧化处理，研究了CV扫描次数和电解液中含氮有机物对CF表面化学组成的影响。电化学处理前后CF表面化学元素组成和微观形态变化通过XPS、SEM及拉曼光谱表征。基于实验数据探讨了CF表面含氮官能团的生成及转变机制。研究结果显示，有机溶剂、有机氮源和含硫铵盐的协同作用使CF表面N含量从0.28at%增至4.77at%。适量的水存在，可以使CF表面O含量显著提高。CF表面的含氧官能团可以与CO(NH2)2中的—NH2及电解液中的NH4+反应形成酰胺基团，随着反应时间延长，CF表面的酰胺N会先转变成氧化氮，随后转变成吡啶和吡咯N，并最终转换成石墨N。恒流电化学处理后CF/环氧树脂复合材料的层间剪切强度(ILSS)较未处理的提高了132%，同时CF拉伸强度略有提高，表明有机复合电解液是一种温和、有效的CF表面电化学处理液。
高温石墨化使高强高模碳纤维(CF)表面光滑，反应活性低，导致其复合材料界面粘接性能差。杂原子改性是改善CF表面反应活性的有效手段之一。采用循环伏安(CV)方法在有机复合电解液中对高强高模CF进行了表面氧化和氮化改性，采用CV优选的复合电解液进行恒流电化学氧化处理，研究了CV扫描次数和电解液中含氮有机物对CF表面化学组成的影响。电化学处理前后CF表面化学元素组成和微观形态变化通过XPS、SEM及拉曼光谱表征。基于实验数据探讨了CF表面含氮官能团的生成及转变机制。研究结果显示，有机溶剂、有机氮源和含硫铵盐的协同作用使CF表面N含量从0.28at%增至4.77at%。适量的水存在，可以使CF表面O含量显著提高。CF表面的含氧官能团可以与CO(NH2)2中的—NH2及电解液中的NH4+反应形成酰胺基团，随着反应时间延长，CF表面的酰胺N会先转变成氧化氮，随后转变成吡啶和吡咯N，并最终转换成石墨N。恒流电化学处理后CF/环氧树脂复合材料的层间剪切强度(ILSS)较未处理的提高了132%，同时CF拉伸强度略有提高，表明有机复合电解液是一种温和、有效的CF表面电化学处理液。
2023, 40(3): 1455-1467.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220424.003
摘要:
抗生素类药物因其抗菌效果好在人畜医疗等领域得到广泛应用，但其在环境中难以自然分解，光催化氧化技术在降解持久型有机物方面有着光明的应用前景。然而，常规的光催化材料光谱吸收范围不够宽、光生载流子复合率过高，严重制约了催化材料的应用推广。因此，亟待研发更有效安全的去除技术。本文利用光沉积法将Ag单质负载于BiOBr/WO3 p-n型异质结材料表面，构建出新型Ag-BiOBr/WO3材料，并将其用于光催化降解磺胺异噁唑。采用XRD、TEM、XPS、UV-vis DRS等技术对其进行表征表明，Ag的沉积拓展了材料的光响应范围，显著加快光生载流子的分离速度，从而提高了光催化性能。单质Ag含量为15wt%的材料为降解磺胺异噁唑效率最高的复合材料。当溶液中催化剂浓度为0.3 g/L，磺胺异噁唑浓度为5 mg/L，pH为7时，在60 min时光催化降解磺胺异噁唑的效率最高，可达98.1%，降解速率常数分别为BiOBr、WO3和BiOBr/WO3的28.79倍、36.37倍和7.59倍。经过5次循环实验后，15wt%Ag-BiOBr/WO3复合材料仍具备较高的光催化活性，表明材料可循环回收利用，具备良好的稳定性。淬灭实验和电子自旋共振(ESR)结果表明，•O2–为15wt%Ag-BiOBr/WO3体系中最活跃的自由基团，而1O2和h+发挥了次要作用。这为催化材料的制备和抗生素降解提供了理论基础。
抗生素类药物因其抗菌效果好在人畜医疗等领域得到广泛应用，但其在环境中难以自然分解，光催化氧化技术在降解持久型有机物方面有着光明的应用前景。然而，常规的光催化材料光谱吸收范围不够宽、光生载流子复合率过高，严重制约了催化材料的应用推广。因此，亟待研发更有效安全的去除技术。本文利用光沉积法将Ag单质负载于BiOBr/WO3 p-n型异质结材料表面，构建出新型Ag-BiOBr/WO3材料，并将其用于光催化降解磺胺异噁唑。采用XRD、TEM、XPS、UV-vis DRS等技术对其进行表征表明，Ag的沉积拓展了材料的光响应范围，显著加快光生载流子的分离速度，从而提高了光催化性能。单质Ag含量为15wt%的材料为降解磺胺异噁唑效率最高的复合材料。当溶液中催化剂浓度为0.3 g/L，磺胺异噁唑浓度为5 mg/L，pH为7时，在60 min时光催化降解磺胺异噁唑的效率最高，可达98.1%，降解速率常数分别为BiOBr、WO3和BiOBr/WO3的28.79倍、36.37倍和7.59倍。经过5次循环实验后，15wt%Ag-BiOBr/WO3复合材料仍具备较高的光催化活性，表明材料可循环回收利用，具备良好的稳定性。淬灭实验和电子自旋共振(ESR)结果表明，•O2–为15wt%Ag-BiOBr/WO3体系中最活跃的自由基团，而1O2和h+发挥了次要作用。这为催化材料的制备和抗生素降解提供了理论基础。
2023, 40(3): 1468-1476.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220516.006
摘要:
电阻法在碳纤维复合材料结构健康监测(SHM)中具有巨大应用前景。本文研究了碳纤维三维角联锁机织复合材料经向和纬向试件在弯曲作用下力-电阻响应，探究电阻变化与复合材料结构损伤的相关性。试验结果表明：经向和纬向试件在弯曲作用下电阻变化与试件主要承载纱线损伤情况具有相关性。准静态三点弯曲加载下，试件电阻变化可以反映试件承载能力变化：在最大载荷点之前，试件电阻基本不变；主要承载纱线发生断裂损伤时，电阻增加。弯曲疲劳加载下，试件电阻变化可以反映试件承载能力退化情况：在弯曲疲劳加载前期，三维角联锁机织复合材料呈现负压阻效应；随着循环次数增加，基体裂纹、界面脱粘等不可逆损伤不断累积，电阻缓慢增大；在弯曲疲劳加载后期，主要承载纱线断裂，电阻显著增加；试件最终疲劳失效时，电阻急剧增加。
电阻法在碳纤维复合材料结构健康监测(SHM)中具有巨大应用前景。本文研究了碳纤维三维角联锁机织复合材料经向和纬向试件在弯曲作用下力-电阻响应，探究电阻变化与复合材料结构损伤的相关性。试验结果表明：经向和纬向试件在弯曲作用下电阻变化与试件主要承载纱线损伤情况具有相关性。准静态三点弯曲加载下，试件电阻变化可以反映试件承载能力变化：在最大载荷点之前，试件电阻基本不变；主要承载纱线发生断裂损伤时，电阻增加。弯曲疲劳加载下，试件电阻变化可以反映试件承载能力退化情况：在弯曲疲劳加载前期，三维角联锁机织复合材料呈现负压阻效应；随着循环次数增加，基体裂纹、界面脱粘等不可逆损伤不断累积，电阻缓慢增大；在弯曲疲劳加载后期，主要承载纱线断裂，电阻显著增加；试件最终疲劳失效时，电阻急剧增加。
2023, 40(3): 1477-1483.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220425.001
摘要:
为了解决蜂窝夹层结构材料的开裂和分层问题，以玄武岩纤维长丝纱和碳纤维长丝纱为原料，在普通织机上，经合理设计，织造了顶层为透波层、中间层为吸波层和底面为反射层的蜂窝状三维整体机织结构型吸波织物；其次，以蜂窝状三维整体机织结构型吸波织物为增强体，双酚A型环氧树脂为基体，羰基铁粉(CIP)和炭黑(CB)为吸波剂，采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)成型工艺，制备了不同结构参数的蜂窝状三维整体机织结构型吸波复合材料；最后，采用矢量网络分析仪和万能试验机分别对蜂窝状三维整体机织结构型吸波复合材料的吸波性能和力学性能进行研究。研究表明，其有良好的整体性能，兼具吸波和承载能力。
为了解决蜂窝夹层结构材料的开裂和分层问题，以玄武岩纤维长丝纱和碳纤维长丝纱为原料，在普通织机上，经合理设计，织造了顶层为透波层、中间层为吸波层和底面为反射层的蜂窝状三维整体机织结构型吸波织物；其次，以蜂窝状三维整体机织结构型吸波织物为增强体，双酚A型环氧树脂为基体，羰基铁粉(CIP)和炭黑(CB)为吸波剂，采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)成型工艺，制备了不同结构参数的蜂窝状三维整体机织结构型吸波复合材料；最后，采用矢量网络分析仪和万能试验机分别对蜂窝状三维整体机织结构型吸波复合材料的吸波性能和力学性能进行研究。研究表明，其有良好的整体性能，兼具吸波和承载能力。
2023, 40(3): 1484-1493.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220414.002
摘要:
通过生物基可降解材料制造阻隔性包装的应用越来越受到人们的关注。然而，现有的技术仍较难同时实现纸基包装材料的高氧气阻隔性和水蒸气阻隔性。本研究以自制透明纸作为基底，采用天然高分子材料(淀粉、瓜尔胶)及环保水性防水剂为涂布层，通过涂布工艺制备了兼具高阻氧和阻水蒸气性能的透明纸基材料。结果表明，不同涂层之间充分发挥各自的阻隔作用，降低了外界水蒸气在纸基材料表面的吸附作用，同时增加了水分子和氧气分子在纸张内部的扩散难度；制得的透明纸基材料氧气透过率最低为2.46 cm3/(m2·day·0.1 MPa)，水蒸气透过率仅为107.09 g/(m2·day)，相比于未涂布的透明纸分别下降了92%和94%。同时，有防水层的透明纸基材料的纸与纸板表面吸水量(Cobb)值均小于1 g/m2，接触角大于90°，呈现出良好的疏水性和抗水特性。本文的制备工艺简便、制造成本较低、材料性能可控，有望在替塑包装中得到应用。
通过生物基可降解材料制造阻隔性包装的应用越来越受到人们的关注。然而，现有的技术仍较难同时实现纸基包装材料的高氧气阻隔性和水蒸气阻隔性。本研究以自制透明纸作为基底，采用天然高分子材料(淀粉、瓜尔胶)及环保水性防水剂为涂布层，通过涂布工艺制备了兼具高阻氧和阻水蒸气性能的透明纸基材料。结果表明，不同涂层之间充分发挥各自的阻隔作用，降低了外界水蒸气在纸基材料表面的吸附作用，同时增加了水分子和氧气分子在纸张内部的扩散难度；制得的透明纸基材料氧气透过率最低为2.46 cm3/(m2·day·0.1 MPa)，水蒸气透过率仅为107.09 g/(m2·day)，相比于未涂布的透明纸分别下降了92%和94%。同时，有防水层的透明纸基材料的纸与纸板表面吸水量(Cobb)值均小于1 g/m2，接触角大于90°，呈现出良好的疏水性和抗水特性。本文的制备工艺简便、制造成本较低、材料性能可控，有望在替塑包装中得到应用。
2023, 40(3): 1494-1500.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220410.001
摘要:
利用太阳能蒸发器进行水蒸发是生产清洁用水的重要途径之一。为了提高聚酰亚胺(PI)气凝胶的太阳能蒸发性能，本文通过添加多巴胺改性氮化硼(PDA@BN)和羟基化碳纳米管(CNT)，采用四定向冷冻干燥和亚胺化工艺制备了PDA@BN-CNT/PI复合气凝胶。研究了PDA@BN和CNT的加入对气凝胶的形貌结构、润湿性能、太阳能蒸发性能的影响。结果表明：PDA@BN-CNT/PI复合气凝胶不仅具有良好的亲水性和太阳能光热转换能力，而且其独特的低弯曲度管状结构促进了水在气凝胶内部的运输，提高了太阳能蒸发性能。该气凝胶在2 kW/m2光照下的蒸发速率为1.95 kg/(m2·h)，并展现出优异的循环使用性能、化学稳定性和高效的污水净化能力。
利用太阳能蒸发器进行水蒸发是生产清洁用水的重要途径之一。为了提高聚酰亚胺(PI)气凝胶的太阳能蒸发性能，本文通过添加多巴胺改性氮化硼(PDA@BN)和羟基化碳纳米管(CNT)，采用四定向冷冻干燥和亚胺化工艺制备了PDA@BN-CNT/PI复合气凝胶。研究了PDA@BN和CNT的加入对气凝胶的形貌结构、润湿性能、太阳能蒸发性能的影响。结果表明：PDA@BN-CNT/PI复合气凝胶不仅具有良好的亲水性和太阳能光热转换能力，而且其独特的低弯曲度管状结构促进了水在气凝胶内部的运输，提高了太阳能蒸发性能。该气凝胶在2 kW/m2光照下的蒸发速率为1.95 kg/(m2·h)，并展现出优异的循环使用性能、化学稳定性和高效的污水净化能力。
2023, 40(3): 1501-1511.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220424.001
摘要:
锂硫电池是传统锂离子电池最有前途的替代品之一，多硫化物的溶解和导电性差是制约锂硫电池应用的两个重要因素。通过水热法合成了Fe2O3-还原氧化石墨烯(RGO)-碳纳米管(CNT)复合载硫材料，并通过调节氨水浓度，实现了复合材料中Fe2O3的颗粒尺寸的有效调控，发现小尺寸的Fe2O3颗粒具有更好的吸附和催化作用。合成的Fe2O3-RGO-CNT-S正极材料在1 C倍率下首次放电容量为1286 mA·h/g，循环500圈后剩余718 mA·h/g，每圈的容量衰减率为0.08%。在0.2、0.5、1、2和4 C倍率下的平均比容量为983、825、769、673和604 mA·h/g，具有良好的倍率性能。在5 C倍率下循环500次仍剩余527 mA·h/g，具有良好的大电流循环性能。Fe2O3-RGO-CNT-S正极材料特别适用于高性能锂硫电池，具有优异的电化学性能主要是由于RGO和CNT三维导电网络提供了强电子传输路径、丰富的孔隙结构、硫与RGO和CNT构成的三维导电网络充分接触。
锂硫电池是传统锂离子电池最有前途的替代品之一，多硫化物的溶解和导电性差是制约锂硫电池应用的两个重要因素。通过水热法合成了Fe2O3-还原氧化石墨烯(RGO)-碳纳米管(CNT)复合载硫材料，并通过调节氨水浓度，实现了复合材料中Fe2O3的颗粒尺寸的有效调控，发现小尺寸的Fe2O3颗粒具有更好的吸附和催化作用。合成的Fe2O3-RGO-CNT-S正极材料在1 C倍率下首次放电容量为1286 mA·h/g，循环500圈后剩余718 mA·h/g，每圈的容量衰减率为0.08%。在0.2、0.5、1、2和4 C倍率下的平均比容量为983、825、769、673和604 mA·h/g，具有良好的倍率性能。在5 C倍率下循环500次仍剩余527 mA·h/g，具有良好的大电流循环性能。Fe2O3-RGO-CNT-S正极材料特别适用于高性能锂硫电池，具有优异的电化学性能主要是由于RGO和CNT三维导电网络提供了强电子传输路径、丰富的孔隙结构、硫与RGO和CNT构成的三维导电网络充分接触。
2023, 40(3): 1512-1521.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220424.005
摘要:
为了实现石墨烯类三维气凝胶在温和环境条件下的大面积可控制备和高性能化，本文应用水合肼作为还原剂，通过低温预冷冻结合室温自然干燥，实现了室温还原自组装法可控制备直径30 cm的大面积三维还原氧化石墨烯(3D-RGO)气凝胶。该方法制备条件温和，不需任何加热条件和特殊冷冻干燥设备。通过对气凝胶制备过程中还原时间、预冷冻时间、预冷冻温度和反应容器进行控制，可以有效调节气凝胶的形状、表面浸润性、体积收缩率等，实现3D-RGO气凝胶的可控制备。该气凝胶不会出现明显的体积收缩和结构破裂，为具有约500 μm的稳定孔径和3.8 mg/cm3的低密度的蜂窝状结构，并能够从90%的压缩应变下快速地恢复到初始状态，其干燥过程体积收缩率<5%；同时该石墨烯气凝胶展现良好稳定的导电性，在压缩应变从0%增加到90%时，其导电率从17.3 S/m增加至115.2 S/m。这种方法经济高效且易于制备出大面积的3D-RGO。
为了实现石墨烯类三维气凝胶在温和环境条件下的大面积可控制备和高性能化，本文应用水合肼作为还原剂，通过低温预冷冻结合室温自然干燥，实现了室温还原自组装法可控制备直径30 cm的大面积三维还原氧化石墨烯(3D-RGO)气凝胶。该方法制备条件温和，不需任何加热条件和特殊冷冻干燥设备。通过对气凝胶制备过程中还原时间、预冷冻时间、预冷冻温度和反应容器进行控制，可以有效调节气凝胶的形状、表面浸润性、体积收缩率等，实现3D-RGO气凝胶的可控制备。该气凝胶不会出现明显的体积收缩和结构破裂，为具有约500 μm的稳定孔径和3.8 mg/cm3的低密度的蜂窝状结构，并能够从90%的压缩应变下快速地恢复到初始状态，其干燥过程体积收缩率<5%；同时该石墨烯气凝胶展现良好稳定的导电性，在压缩应变从0%增加到90%时，其导电率从17.3 S/m增加至115.2 S/m。这种方法经济高效且易于制备出大面积的3D-RGO。
2023, 40(3): 1522-1533.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220510.001
摘要:
光催化CO2还原是实现CO2绿色转化利用的重要途径之一，但一直受其反应转化效率低的制约。开发新的CO2还原反应体系和提高光催化剂的可见光利用率及光生电子与空穴的分离效率是解决上述问题的有效方法。本文利用甲苯作为底物，构建了光催化CO2-甲苯耦合反应的新体系，并通过静电组装法合成了Ti1Li3Al2-层状双氢氧化物(LDHs)/石墨相氮化碳(g-C3N4)复合光催化剂。重点研究了该复合光催化剂的光电性质及在CO2-甲苯耦合反应体系中的光催化反应特性。结果表明，在光催化CO2-甲苯耦合体系中，Ti1Li3Al2-LDHs/g-C3N4作用下，CO2被还原为CO，甲苯被氧化为苯甲醇、苯甲醛及苯甲酸苄酯，其中苯甲醛和苯甲醇的含量可达到4.80和4.70 mmol/gcat。这主要归因于Ti1Li3Al2-LDHs/g-C3N4中，g-C3N4将Ti1Li3Al2-LDHs在紫外区的吸收扩展到了可见光区，并提高了Ti1Li3Al2-LDHs的分散性，从而为光催化反应提供更多的活性位点；Ti1Li3Al2-LDHs/g-C3N4的界面处形成了S型异质结，有利于界面处的光生电子的转移，提高了其光生电子与空穴的分离效率，而甲苯可作为有机底物加快空穴的消耗速度促进了CO2还原反应的进行。为CO2与小分子有机物协同转化提供了一种新思路。
光催化CO2还原是实现CO2绿色转化利用的重要途径之一，但一直受其反应转化效率低的制约。开发新的CO2还原反应体系和提高光催化剂的可见光利用率及光生电子与空穴的分离效率是解决上述问题的有效方法。本文利用甲苯作为底物，构建了光催化CO2-甲苯耦合反应的新体系，并通过静电组装法合成了Ti1Li3Al2-层状双氢氧化物(LDHs)/石墨相氮化碳(g-C3N4)复合光催化剂。重点研究了该复合光催化剂的光电性质及在CO2-甲苯耦合反应体系中的光催化反应特性。结果表明，在光催化CO2-甲苯耦合体系中，Ti1Li3Al2-LDHs/g-C3N4作用下，CO2被还原为CO，甲苯被氧化为苯甲醇、苯甲醛及苯甲酸苄酯，其中苯甲醛和苯甲醇的含量可达到4.80和4.70 mmol/gcat。这主要归因于Ti1Li3Al2-LDHs/g-C3N4中，g-C3N4将Ti1Li3Al2-LDHs在紫外区的吸收扩展到了可见光区，并提高了Ti1Li3Al2-LDHs的分散性，从而为光催化反应提供更多的活性位点；Ti1Li3Al2-LDHs/g-C3N4的界面处形成了S型异质结，有利于界面处的光生电子的转移，提高了其光生电子与空穴的分离效率，而甲苯可作为有机底物加快空穴的消耗速度促进了CO2还原反应的进行。为CO2与小分子有机物协同转化提供了一种新思路。
2023, 40(3): 1534-1540.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220415.001
摘要:
促进光催化过程中载流子的高效分离一直是困扰科研人员的难题。最近，利用压电效应抑制光生电子-空穴对复合从而提升光催化效率的策略引起了人们的广泛关注。在此，以制备的由g-C3N4包覆的一维NaNbO3纳米棒异质结材料作为研究对象，通过施加超声场引入压电效应，研究其在压电光催化过程中的性能增强机制。通过SEM及XPS等表征手段对材料的微观形貌和键合情况进行了考察。性能实验结果表明：在利用超声波引入压电效应后，NaNbO3@g-C3N4在压电光催化过程中(1.02 mmol·g−1·h−1)表现出比单一的光催化过程(0.49 mmol·g−1·h−1)更高的产氢速率，表明压电效应可极大促进NaNbO3@g-C3N4异质结材料在光催化过程中的载流子分离效率，抑制光生电子与空穴复合，提高其光催化性能。此外，在数据分析的基础上，本文提出了压电-光催化协同作用的机制，为高效压电光催化剂的设计和开发提供了参考。
促进光催化过程中载流子的高效分离一直是困扰科研人员的难题。最近，利用压电效应抑制光生电子-空穴对复合从而提升光催化效率的策略引起了人们的广泛关注。在此，以制备的由g-C3N4包覆的一维NaNbO3纳米棒异质结材料作为研究对象，通过施加超声场引入压电效应，研究其在压电光催化过程中的性能增强机制。通过SEM及XPS等表征手段对材料的微观形貌和键合情况进行了考察。性能实验结果表明：在利用超声波引入压电效应后，NaNbO3@g-C3N4在压电光催化过程中(1.02 mmol·g−1·h−1)表现出比单一的光催化过程(0.49 mmol·g−1·h−1)更高的产氢速率，表明压电效应可极大促进NaNbO3@g-C3N4异质结材料在光催化过程中的载流子分离效率，抑制光生电子与空穴复合，提高其光催化性能。此外，在数据分析的基础上，本文提出了压电-光催化协同作用的机制，为高效压电光催化剂的设计和开发提供了参考。
2023, 40(3): 1541-1551.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220515.001
摘要:
为改善铅炭电池的析氢缺陷，提高电池循环使用寿命，以尿素为前驱体制备层状石墨相氮化碳(g-C3N4)，并将其作为添加剂制备铅炭电池负极板，以活性炭(AC)为对照，研究了g-C3N4结构和添加量对铅炭电池电化学性能的影响。结果表明：g-C3N4的加入使析氢反应(HER)得到明显抑制，−1.5 V下1wt%g-C3N4负极板的析氢电流仅为AC负极板的5%。交流阻抗谱图显示1wt%g-C3N4和AC负极材料阻抗(Rs)为0.19868 Ω和1.749 Ω。更重要的是1wt%g-C3N4负极板比电容比1wt%AC负极板高344%。在5000 h高倍率部分荷电态(HRPSoC)下的电池循环寿命测试中，加入g-C3N4后电池寿命比加入AC提升62%。500次循环后，电池容量保持率仍有70%。g-C3N4可有效抑制析氢反应，提高比电容从而延长电池循环寿命，且成本低廉，可作为一种新的负极添加剂来改善铅炭电池性能。
为改善铅炭电池的析氢缺陷，提高电池循环使用寿命，以尿素为前驱体制备层状石墨相氮化碳(g-C3N4)，并将其作为添加剂制备铅炭电池负极板，以活性炭(AC)为对照，研究了g-C3N4结构和添加量对铅炭电池电化学性能的影响。结果表明：g-C3N4的加入使析氢反应(HER)得到明显抑制，−1.5 V下1wt%g-C3N4负极板的析氢电流仅为AC负极板的5%。交流阻抗谱图显示1wt%g-C3N4和AC负极材料阻抗(Rs)为0.19868 Ω和1.749 Ω。更重要的是1wt%g-C3N4负极板比电容比1wt%AC负极板高344%。在5000 h高倍率部分荷电态(HRPSoC)下的电池循环寿命测试中，加入g-C3N4后电池寿命比加入AC提升62%。500次循环后，电池容量保持率仍有70%。g-C3N4可有效抑制析氢反应，提高比电容从而延长电池循环寿命，且成本低廉，可作为一种新的负极添加剂来改善铅炭电池性能。
2023, 40(3): 1552-1559.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220510.002
摘要:
开发价格低廉、储量丰富、高效的析氧反应(OER)电催化剂对于可持续能源的转换具有重要意义。目前，虽然尖晶石型二元过渡金属氧化物表现出了很有潜力的OER活性，但其固有的低电导率一定程度上降低了其电化学性能。本文提出了一种通过金属有机框架(MOF)辅助合成表面部分暴露的CoFe2O4纳米颗粒负载在氮掺杂碳基底上(CoFe2O4@NC)的方法，且CoFe2O4@NC具有优良的催化活性。在碱性介质中，CoFe2O4@NC表现出了优异的OER活性，在10 mA·cm−2电流密度的过电势仅为1.517 V，Tafel斜率为87 mV·dec−1，这是由于CoFe2O4@NC具有足够暴露的活性位点和较高的电子转移能力。此外，CoFe2O4@NC能稳定运行15 h，具有出色的稳定性。该工作将为探索经济高效的OER电催化剂开辟一条新途径，替代贵金属在可再生能源转换中应用。
开发价格低廉、储量丰富、高效的析氧反应(OER)电催化剂对于可持续能源的转换具有重要意义。目前，虽然尖晶石型二元过渡金属氧化物表现出了很有潜力的OER活性，但其固有的低电导率一定程度上降低了其电化学性能。本文提出了一种通过金属有机框架(MOF)辅助合成表面部分暴露的CoFe2O4纳米颗粒负载在氮掺杂碳基底上(CoFe2O4@NC)的方法，且CoFe2O4@NC具有优良的催化活性。在碱性介质中，CoFe2O4@NC表现出了优异的OER活性，在10 mA·cm−2电流密度的过电势仅为1.517 V，Tafel斜率为87 mV·dec−1，这是由于CoFe2O4@NC具有足够暴露的活性位点和较高的电子转移能力。此外，CoFe2O4@NC能稳定运行15 h，具有出色的稳定性。该工作将为探索经济高效的OER电催化剂开辟一条新途径，替代贵金属在可再生能源转换中应用。
2023, 40(3): 1560-1568.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220513.003
摘要:
对用乳化沥青(Emulsified asphalt，EA)改善橡胶混凝土(Crumb rubber concrete，CRC)的力学性能进行了研究。通过抗压、抗折、劈裂抗拉和三点弯曲试验，研究了5%、10%和15% 3种橡胶掺量(等体积取代细骨料)下，EA理论计算成膜覆盖橡胶颗粒表面4层、6层和8层膜对应不同EA掺量对CRC力学性能的影响。试验结果发现，对比未预处理CRC和NaOH预处理CRC两个对照组：掺入不同掺量EA后，不同橡胶掺量的CRC的抗压强度和劈裂抗拉强度均有较大提高，CRC的峰值位移显著增大，弯曲弹性模量Eb明显降低；乳化沥青与橡胶质量比为0.15(6层EA膜)时，3种橡胶掺量下CRC较未预处理组相比抗压强度平均提高3.5%，峰值位移提高27.6%，Eb降低21.8%，乳化沥青橡胶混凝土具有较突出的力学性能复合效应。
对用乳化沥青(Emulsified asphalt，EA)改善橡胶混凝土(Crumb rubber concrete，CRC)的力学性能进行了研究。通过抗压、抗折、劈裂抗拉和三点弯曲试验，研究了5%、10%和15% 3种橡胶掺量(等体积取代细骨料)下，EA理论计算成膜覆盖橡胶颗粒表面4层、6层和8层膜对应不同EA掺量对CRC力学性能的影响。试验结果发现，对比未预处理CRC和NaOH预处理CRC两个对照组：掺入不同掺量EA后，不同橡胶掺量的CRC的抗压强度和劈裂抗拉强度均有较大提高，CRC的峰值位移显著增大，弯曲弹性模量Eb明显降低；乳化沥青与橡胶质量比为0.15(6层EA膜)时，3种橡胶掺量下CRC较未预处理组相比抗压强度平均提高3.5%，峰值位移提高27.6%，Eb降低21.8%，乳化沥青橡胶混凝土具有较突出的力学性能复合效应。
2023, 40(3): 1569-1585.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220422.001
摘要:
为研究玄武岩纤维增强泡沫混凝土的力学性能，共设计了52组试件，讨论了玄武岩纤维体积掺量和纤维长度对各密度试件的拉伸和压缩性能的影响。结果表明：玄武岩纤维可显著提高试件的抗拉峰值应力(最大提升达到737%)和峰值应变(最大提升达到833%)，可有效改善中高密度试件的受拉失效模式，使其出现伪应变硬化现象，提升了试件的抗拉承载能力和变形能力。试件抗拉峰值应力和峰值应变随纤维体积掺量增大而增大，随纤维长度增长先增大后降低；另一方面，玄武岩纤维能改变试件的受压破坏模式，使其从纵向劈裂破坏转变为斜向剪切破坏和横向压溃破坏，显著提高了中低密度试件的抗压承载力和吸能能力(最大提升达到328%)。试件的吸能能力随纤维体积掺量增大而增强，随纤维长度增长先提升后降低。
为研究玄武岩纤维增强泡沫混凝土的力学性能，共设计了52组试件，讨论了玄武岩纤维体积掺量和纤维长度对各密度试件的拉伸和压缩性能的影响。结果表明：玄武岩纤维可显著提高试件的抗拉峰值应力(最大提升达到737%)和峰值应变(最大提升达到833%)，可有效改善中高密度试件的受拉失效模式，使其出现伪应变硬化现象，提升了试件的抗拉承载能力和变形能力。试件抗拉峰值应力和峰值应变随纤维体积掺量增大而增大，随纤维长度增长先增大后降低；另一方面，玄武岩纤维能改变试件的受压破坏模式，使其从纵向劈裂破坏转变为斜向剪切破坏和横向压溃破坏，显著提高了中低密度试件的抗压承载力和吸能能力(最大提升达到328%)。试件的吸能能力随纤维体积掺量增大而增强，随纤维长度增长先提升后降低。
2023, 40(3): 1586-1597.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220429.002
摘要:
为探究聚合物改性碳纤维增强混凝土(PMCFRC)的动态压缩力学性能，利用直径Φ100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置，分别对碳纤维增强混凝土及聚合物体积分数为4vol%、8vol%、12vol%的PMCFRC进行了5组不同气压下的冲击压缩试验，获得了混凝土在不同应变率下的动态应力-应变曲线和破坏形态，分析了应变率和聚合物掺量对PMCFRC动态压缩强度、变形和韧性的影响规律。结果表明：PMCFRC的动态压缩强度、变形和韧性均具有明显的应变率强化效应，聚合物对PMCFRC的动态压缩力学性能既有强化效应，也有劣化效应。随着应变率的增大，PMCFRC的动态抗压强度、动态强度增长因子(DIF)、动态峰值应变、冲击韧性均逐渐增大。随着聚合物掺量的增大，PMCFRC的动态抗压强度、DIF、冲击韧性均先增大后减小，动态峰值应变不断增大。相同应变率水平下，4%PMCFRC的动态抗压强度、冲击韧性最大，破损程度最轻；8%PMCFRC的应变率敏感性最佳，DIF最大时达到1.94，对混凝土强度的增幅最大。聚合物一方面在混凝土基体中发挥着填充、阻裂、增韧作用，另一方面改善碳纤维-混凝土基体界面的粘结性能；聚合物掺量较大时，会在混凝土基体中形成“软夹层”。
为探究聚合物改性碳纤维增强混凝土(PMCFRC)的动态压缩力学性能，利用直径Φ100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置，分别对碳纤维增强混凝土及聚合物体积分数为4vol%、8vol%、12vol%的PMCFRC进行了5组不同气压下的冲击压缩试验，获得了混凝土在不同应变率下的动态应力-应变曲线和破坏形态，分析了应变率和聚合物掺量对PMCFRC动态压缩强度、变形和韧性的影响规律。结果表明：PMCFRC的动态压缩强度、变形和韧性均具有明显的应变率强化效应，聚合物对PMCFRC的动态压缩力学性能既有强化效应，也有劣化效应。随着应变率的增大，PMCFRC的动态抗压强度、动态强度增长因子(DIF)、动态峰值应变、冲击韧性均逐渐增大。随着聚合物掺量的增大，PMCFRC的动态抗压强度、DIF、冲击韧性均先增大后减小，动态峰值应变不断增大。相同应变率水平下，4%PMCFRC的动态抗压强度、冲击韧性最大，破损程度最轻；8%PMCFRC的应变率敏感性最佳，DIF最大时达到1.94，对混凝土强度的增幅最大。聚合物一方面在混凝土基体中发挥着填充、阻裂、增韧作用，另一方面改善碳纤维-混凝土基体界面的粘结性能；聚合物掺量较大时，会在混凝土基体中形成“软夹层”。
2023, 40(3): 1598-1610.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220509.003
摘要:
研究了木质素磺酸钠(MN)对氧化石墨烯(GO)在模拟水泥水化孔隙液中的分散能力的影响，并研究了MN分散的GO对水泥基渗透结晶型防水材料(CCCW)对水泥砂浆抗渗性能的影响。通过吸光度试验、Zeta电位及原子力显微镜(AFM)研究表明，当MN与GO的质量比为3∶1时，GO在饱和氢氧化钙溶液中的分散性最佳；砂浆力学强度测试表明，当GO掺量为水泥质量的0.03%时，3天、28天的抗折抗压强度相较于不掺入MN的GO砂浆分别提高了39.13%和39.37%、33.84%和33.48%；砂浆抗渗压力和氯离子扩散系数比标准砂浆试件分别提高了160.0%和下降了50.6%；抗渗性能测试表明，当GO掺量为水泥质量的0.03%时，GO改性CCCW涂层抗渗压力比含CCCW的涂层提高了116.7%；微观测试表明，GO促进了水化反应，并在砂浆基质中发挥了填充作用和模板作用，增强了水化产物的密实度，使得砂浆和CCCW抗渗性能增加了。本文提供了一种GO改性CCCW来提升水泥砂浆的抗渗性能，在涂层防水效果和降低CCCW材料成本等应用价值得到提升。
研究了木质素磺酸钠(MN)对氧化石墨烯(GO)在模拟水泥水化孔隙液中的分散能力的影响，并研究了MN分散的GO对水泥基渗透结晶型防水材料(CCCW)对水泥砂浆抗渗性能的影响。通过吸光度试验、Zeta电位及原子力显微镜(AFM)研究表明，当MN与GO的质量比为3∶1时，GO在饱和氢氧化钙溶液中的分散性最佳；砂浆力学强度测试表明，当GO掺量为水泥质量的0.03%时，3天、28天的抗折抗压强度相较于不掺入MN的GO砂浆分别提高了39.13%和39.37%、33.84%和33.48%；砂浆抗渗压力和氯离子扩散系数比标准砂浆试件分别提高了160.0%和下降了50.6%；抗渗性能测试表明，当GO掺量为水泥质量的0.03%时，GO改性CCCW涂层抗渗压力比含CCCW的涂层提高了116.7%；微观测试表明，GO促进了水化反应，并在砂浆基质中发挥了填充作用和模板作用，增强了水化产物的密实度，使得砂浆和CCCW抗渗性能增加了。本文提供了一种GO改性CCCW来提升水泥砂浆的抗渗性能，在涂层防水效果和降低CCCW材料成本等应用价值得到提升。
2023, 40(3): 1611-1623.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220630.002
摘要:
超高性能混凝土极低的水胶比和较高的水泥用量，使其在广泛应用中面临着水泥基体高自收缩和高成本等问题，而使用工业副产品或废弃物取代部分水泥是有效的解决方法之一。废品瓷砖已成为一种大宗工业废弃物，应用瓷砖粉在超高性能混凝土中可有效地解决水泥的高消耗和废弃瓷砖的堆积问题。因此，使用瓷砖粉取代水泥质量的10wt%、15wt%、20wt%和25wt%来制备新型绿色低碳超高性能混凝土，主要研究了瓷砖粉对超高性能混凝土抗压强度的影响规律，并采用修正Andreasen堆积模型、XRD分析、TG/DTG、SEM观察探讨了瓷砖粉对超高性能混凝土的改性机制，同时对瓷砖粉超高性能混凝土的环境足迹和成本进行了分析。研究结果表明，瓷砖粉的掺入对超高性能混凝土各龄期抗压影响在±10%以内，但对7~28天和28~60天的抗压强度发展影响显著，在25wt%掺量时抗压强度增长率分别达到了104.6%和51.8%。这主要是由于瓷砖粉的掺入提高了超高性能混凝土的堆积密实度，发生二次水化反应并生成了低钙硅比的水化硅酸钙凝胶，提高了水泥的水化程度，降低了界面过渡区的宽度。并且由环境影响和成本计算可知，瓷砖粉可有效降低超高性能混凝土的能耗、CO2排放量和成本。
超高性能混凝土极低的水胶比和较高的水泥用量，使其在广泛应用中面临着水泥基体高自收缩和高成本等问题，而使用工业副产品或废弃物取代部分水泥是有效的解决方法之一。废品瓷砖已成为一种大宗工业废弃物，应用瓷砖粉在超高性能混凝土中可有效地解决水泥的高消耗和废弃瓷砖的堆积问题。因此，使用瓷砖粉取代水泥质量的10wt%、15wt%、20wt%和25wt%来制备新型绿色低碳超高性能混凝土，主要研究了瓷砖粉对超高性能混凝土抗压强度的影响规律，并采用修正Andreasen堆积模型、XRD分析、TG/DTG、SEM观察探讨了瓷砖粉对超高性能混凝土的改性机制，同时对瓷砖粉超高性能混凝土的环境足迹和成本进行了分析。研究结果表明，瓷砖粉的掺入对超高性能混凝土各龄期抗压影响在±10%以内，但对7~28天和28~60天的抗压强度发展影响显著，在25wt%掺量时抗压强度增长率分别达到了104.6%和51.8%。这主要是由于瓷砖粉的掺入提高了超高性能混凝土的堆积密实度，发生二次水化反应并生成了低钙硅比的水化硅酸钙凝胶，提高了水泥的水化程度，降低了界面过渡区的宽度。并且由环境影响和成本计算可知，瓷砖粉可有效降低超高性能混凝土的能耗、CO2排放量和成本。
2023, 40(3): 1624-1636.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220428.003
摘要:
为研究二次受力对纤维织物增强高延性混凝土(TRHDC)加固钢筋混凝土(RC)梁受剪性能的影响，对8根TRHDC加固梁和1根对比梁进行了静载试验，分析了纤维织物层数、损伤程度及持载水平对梁破坏形态、荷载-挠度曲线、荷载-箍筋应变曲线及荷载-织物应变曲线的影响。试验结果表明：所有梁均发生了剪压破坏，仅一根梁出现剥离现象；TRHDC可有效限制斜裂缝的发展，延缓箍筋屈服和刚度退化；TRHDC加固显著地提高了梁的受剪承载力和变形能力，最高分别达67%和54%；加固效果未完全随纤维织物层数的增大而提高，与TRHDC面层利用率有关；原梁箍筋屈服之前，损伤程度对加固梁受剪性能的影响不明显，原梁箍筋屈服之后，加固梁受剪承载力随损伤程度的增大而降低；加固效果随持载水平的提高而降低；两层纤维织物的TRHDC可有效修复完全受损RC梁的受剪性能；建立了考虑二次受力的TRHDC加固RC梁受剪承载力的计算公式，且计算值与试验结果吻合较好。
为研究二次受力对纤维织物增强高延性混凝土(TRHDC)加固钢筋混凝土(RC)梁受剪性能的影响，对8根TRHDC加固梁和1根对比梁进行了静载试验，分析了纤维织物层数、损伤程度及持载水平对梁破坏形态、荷载-挠度曲线、荷载-箍筋应变曲线及荷载-织物应变曲线的影响。试验结果表明：所有梁均发生了剪压破坏，仅一根梁出现剥离现象；TRHDC可有效限制斜裂缝的发展，延缓箍筋屈服和刚度退化；TRHDC加固显著地提高了梁的受剪承载力和变形能力，最高分别达67%和54%；加固效果未完全随纤维织物层数的增大而提高，与TRHDC面层利用率有关；原梁箍筋屈服之前，损伤程度对加固梁受剪性能的影响不明显，原梁箍筋屈服之后，加固梁受剪承载力随损伤程度的增大而降低；加固效果随持载水平的提高而降低；两层纤维织物的TRHDC可有效修复完全受损RC梁的受剪性能；建立了考虑二次受力的TRHDC加固RC梁受剪承载力的计算公式，且计算值与试验结果吻合较好。
2023, 40(3): 1637-1648.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220420.001
摘要:
近年来，利用石墨烯及其衍生物改善水泥基复合材料性能受到了广泛关注。但是，关于石墨烯表面性质对水泥基材料的性能影响却鲜有报道。为此，采用不同浓度的L-抗坏血酸(10wt%、20wt%、30wt%、50wt%和70wt%)和还原时间(15 min、30 min、45 min和60 min)将氧化石墨烯(GO)转化为还原氧化石墨烯(rGO)，然后以相同剂量(水泥质量的0.05%)加入到水泥砂浆复合材料中，研究了不同还原程度的rGO对水泥砂浆力学性能的影响。测试结果表明，通过50wt%L-抗坏血酸还原30 min制备的rGO的加入使水泥砂浆28天抗压强度和抗折强度相比于普通试样分别提高了36.84%和43.24%。SEM等分析表明，GO和不同还原程度的rGO均可促进Ca(OH)2的结晶和水化硅酸钙凝胶(C-S-H)中二氧化硅四面体的形成，形成致密的微观结构。但存在一个最佳阈值(即通过50wt%的L-抗坏血酸还原30 min)，在该阈值下，有利于rGO表面官能团与水化产物的结合。
近年来，利用石墨烯及其衍生物改善水泥基复合材料性能受到了广泛关注。但是，关于石墨烯表面性质对水泥基材料的性能影响却鲜有报道。为此，采用不同浓度的L-抗坏血酸(10wt%、20wt%、30wt%、50wt%和70wt%)和还原时间(15 min、30 min、45 min和60 min)将氧化石墨烯(GO)转化为还原氧化石墨烯(rGO)，然后以相同剂量(水泥质量的0.05%)加入到水泥砂浆复合材料中，研究了不同还原程度的rGO对水泥砂浆力学性能的影响。测试结果表明，通过50wt%L-抗坏血酸还原30 min制备的rGO的加入使水泥砂浆28天抗压强度和抗折强度相比于普通试样分别提高了36.84%和43.24%。SEM等分析表明，GO和不同还原程度的rGO均可促进Ca(OH)2的结晶和水化硅酸钙凝胶(C-S-H)中二氧化硅四面体的形成，形成致密的微观结构。但存在一个最佳阈值(即通过50wt%的L-抗坏血酸还原30 min)，在该阈值下，有利于rGO表面官能团与水化产物的结合。
2023, 40(3): 1649-1654.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220512.003
摘要:
为拓展琼脂糖基冷冻凝胶的生物功能，本文秉承便捷环保的理念，将原位制备的植物多酚单宁酸(TA)-端氨基聚氧化丙烯(D400)纳米粒子的分散液与琼脂糖溶液简单共混，采用冷冻凝胶技术成功制备新型复合冷冻凝胶(ATD)，并研究TA-D400纳米粒子形成时间(0 h vs 24 h)对冷冻凝胶(即ATD-0和ATD-24)性能的影响。结果表明：ATD复合冷冻凝胶具有互通的大孔结构和粗糙的孔壁，纳米粒子均匀分散在琼脂糖基质中；冷冻凝胶ATD-0和ATD-24的储能模量分别为1.8 kPa和0.8 kPa，显著高于未复合的琼脂糖凝胶；优异的1, 1-二苯基-2-苦基肼(DPPH)自由基清除效果和铁离子还原/抗氧化能力分析法表征结果共同证实ATD的抗氧化功能。同时，在H2O2刺激成纤维细胞的实验中，ATD的抗氧化作用改善了细胞的存活率；此外，细胞黏附实验表明ATD支持成纤维细胞、前成骨细胞和原代皮质神经元等多种细胞的黏附。综上所述，TA-D400纳米粒子的引入实现了对琼脂糖凝胶的双重功能化，此类ATD复合冷冻凝胶有望成为组织工程领域的新型多孔支架材料。
为拓展琼脂糖基冷冻凝胶的生物功能，本文秉承便捷环保的理念，将原位制备的植物多酚单宁酸(TA)-端氨基聚氧化丙烯(D400)纳米粒子的分散液与琼脂糖溶液简单共混，采用冷冻凝胶技术成功制备新型复合冷冻凝胶(ATD)，并研究TA-D400纳米粒子形成时间(0 h vs 24 h)对冷冻凝胶(即ATD-0和ATD-24)性能的影响。结果表明：ATD复合冷冻凝胶具有互通的大孔结构和粗糙的孔壁，纳米粒子均匀分散在琼脂糖基质中；冷冻凝胶ATD-0和ATD-24的储能模量分别为1.8 kPa和0.8 kPa，显著高于未复合的琼脂糖凝胶；优异的1, 1-二苯基-2-苦基肼(DPPH)自由基清除效果和铁离子还原/抗氧化能力分析法表征结果共同证实ATD的抗氧化功能。同时，在H2O2刺激成纤维细胞的实验中，ATD的抗氧化作用改善了细胞的存活率；此外，细胞黏附实验表明ATD支持成纤维细胞、前成骨细胞和原代皮质神经元等多种细胞的黏附。综上所述，TA-D400纳米粒子的引入实现了对琼脂糖凝胶的双重功能化，此类ATD复合冷冻凝胶有望成为组织工程领域的新型多孔支架材料。
2023, 40(3): 1655-1662.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220524.001
摘要:
小干扰RNA(siRNA)由于其降低基因表达的能力，通常在基因治疗中充当重要的治疗剂。然而，siRNA的低细胞摄取限制了其在癌症治疗中的功效。本文报告了一种生物相容的纳米马达-水凝胶递送系统，使siRNA可在癌症靶向治疗中获得高细胞摄取率。首先通过层层自组装技术，以铂纳米粒子为核，使用聚乙烯亚胺(PEI)和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)制备载有siRNA的纳米马达(NM)。为了瘤内给药和缓释，将纳米马达装载在席夫碱水凝胶中，构建NM-hydrogel系统。肿瘤微环境具有弱酸性和高H2O2含量的特点。水凝胶响应弱酸性微环境释放纳米马达，释放的纳米马达可以通过过氧化氢的催化分解实现自驱动，其运动速度在1wt%H2O2下为1.78 µm/s(每秒约22.25个体长)。纳米马达的自驱动性能和由纳米马达上修饰的叶酸(FA)介导的特定内吞作用使NM-hydrogel系统具有63.8%的高细胞摄取率。同时，自驱动性能和PEI引起的质子海绵效应促进了纳米马达在肿瘤细胞中的深度渗透和长时间滞留，从而促进了NM-hydrogel系统的抗癌作用。结果表明：该体系在72 h时的抗癌活性为74.8%。同时，NM-hydrogel系统具有良好的生物相容性和生物降解性，为其未来在体内基因治疗中的应用奠定了基础。
小干扰RNA(siRNA)由于其降低基因表达的能力，通常在基因治疗中充当重要的治疗剂。然而，siRNA的低细胞摄取限制了其在癌症治疗中的功效。本文报告了一种生物相容的纳米马达-水凝胶递送系统，使siRNA可在癌症靶向治疗中获得高细胞摄取率。首先通过层层自组装技术，以铂纳米粒子为核，使用聚乙烯亚胺(PEI)和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)制备载有siRNA的纳米马达(NM)。为了瘤内给药和缓释，将纳米马达装载在席夫碱水凝胶中，构建NM-hydrogel系统。肿瘤微环境具有弱酸性和高H2O2含量的特点。水凝胶响应弱酸性微环境释放纳米马达，释放的纳米马达可以通过过氧化氢的催化分解实现自驱动，其运动速度在1wt%H2O2下为1.78 µm/s(每秒约22.25个体长)。纳米马达的自驱动性能和由纳米马达上修饰的叶酸(FA)介导的特定内吞作用使NM-hydrogel系统具有63.8%的高细胞摄取率。同时，自驱动性能和PEI引起的质子海绵效应促进了纳米马达在肿瘤细胞中的深度渗透和长时间滞留，从而促进了NM-hydrogel系统的抗癌作用。结果表明：该体系在72 h时的抗癌活性为74.8%。同时，NM-hydrogel系统具有良好的生物相容性和生物降解性，为其未来在体内基因治疗中的应用奠定了基础。
2023, 40(3): 1663-1675.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220406.002
摘要:
针对目前降解工业废水中4-硝基苯酚(4-NP)的催化剂效率低，催化活性差等问题，以桉木漂白化学浆为原料，通过超微粒研磨机和高压均质机处理制备得到直径50~100 nm和长度1500~2000 nm的纤维素纳米纤丝(CNF)，在其表面原位负载纳米氧化铜颗粒(CuO NPs)，并通过3-氯丙基三甲氧基硅烷(CPTES)与二乙醇胺(DEA)进行接枝反应制备得到复合催化材料-CuO NPs@CNF-Si-N(OH)2。探讨了DEA添加量对CuO NPs@CNF–Si–N(OH)2的性能影响，采用Zeta电位、FTIR、XRD、XPS、热重分析和形貌分析等方法对复合材料进行了表征。结果表明，CuO NPs被原位还原并成功负载在CNF表面，其直径约为3.84 nm，负载量为3.83wt%，通过硅烷化改性及接枝胺基可提高CuO NPs在复合材料表面的分散性及稳定性，进而增强了其催化活性。CNF基复合催化材料对4-NP的催化还原结果显示，DEA添加量为20wt%下的CuO NPs@CNF-Si-N(OH)2对4-NP催化还原性能最佳，在180 s内可催化还原98.39%的4-NP，且反应符合伪一级动力学模型，表观速率常数为5.50×10−3 s−1，转化效率为1723.41 h−1，研究结果可为高性能催化复合材料的制备提供新思路和新途径。
针对目前降解工业废水中4-硝基苯酚(4-NP)的催化剂效率低，催化活性差等问题，以桉木漂白化学浆为原料，通过超微粒研磨机和高压均质机处理制备得到直径50~100 nm和长度1500~2000 nm的纤维素纳米纤丝(CNF)，在其表面原位负载纳米氧化铜颗粒(CuO NPs)，并通过3-氯丙基三甲氧基硅烷(CPTES)与二乙醇胺(DEA)进行接枝反应制备得到复合催化材料-CuO NPs@CNF-Si-N(OH)2。探讨了DEA添加量对CuO NPs@CNF–Si–N(OH)2的性能影响，采用Zeta电位、FTIR、XRD、XPS、热重分析和形貌分析等方法对复合材料进行了表征。结果表明，CuO NPs被原位还原并成功负载在CNF表面，其直径约为3.84 nm，负载量为3.83wt%，通过硅烷化改性及接枝胺基可提高CuO NPs在复合材料表面的分散性及稳定性，进而增强了其催化活性。CNF基复合催化材料对4-NP的催化还原结果显示，DEA添加量为20wt%下的CuO NPs@CNF-Si-N(OH)2对4-NP催化还原性能最佳，在180 s内可催化还原98.39%的4-NP，且反应符合伪一级动力学模型，表观速率常数为5.50×10−3 s−1，转化效率为1723.41 h−1，研究结果可为高性能催化复合材料的制备提供新思路和新途径。
2023, 40(3): 1676-1685.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220616.001
摘要:
开发高性能功能性光热凝胶并建立药物控释模型对农药智能输送材料的开发具有重要意义。以酵母-壳聚糖水凝胶(YS-CS)为基体，引入光热材料纳米金刚石(DND)，通过碱凝胶法合成了纳米金刚石/酵母-壳聚糖(DND/YS-CS)交联网络结构复合凝胶微球，研究了复合微球的微观结构、力学性能和光热转换性能；以吲哚丁酸(IBA)为模型药物，探讨DND/YS-CS对IBA的负载性能和控释性能，揭示复合微球对IBA的光热控释机制。结果表明：复合微球具有良好的力学性能，在分别超声和离心1 h后，DND含量为2.0 mg/mL复合微球保水能力分别达到70.5%和74%；复合微球具有良好的光热转换能力，一个太阳光强度下，最高温度可达37.6℃；DND含量为1.2 mg/mL复合微球对IBA的吸附量最高，可达到41.73 μg/mg；微球在光下药物释放模式符合Korsmeyer-Peppas模型，在光下具有明显的刺激响应行为，药物释放呈现“开-关”模式。通过控制光的照射强度控制药物释放，在农业领域有广阔的应用前景。
开发高性能功能性光热凝胶并建立药物控释模型对农药智能输送材料的开发具有重要意义。以酵母-壳聚糖水凝胶(YS-CS)为基体，引入光热材料纳米金刚石(DND)，通过碱凝胶法合成了纳米金刚石/酵母-壳聚糖(DND/YS-CS)交联网络结构复合凝胶微球，研究了复合微球的微观结构、力学性能和光热转换性能；以吲哚丁酸(IBA)为模型药物，探讨DND/YS-CS对IBA的负载性能和控释性能，揭示复合微球对IBA的光热控释机制。结果表明：复合微球具有良好的力学性能，在分别超声和离心1 h后，DND含量为2.0 mg/mL复合微球保水能力分别达到70.5%和74%；复合微球具有良好的光热转换能力，一个太阳光强度下，最高温度可达37.6℃；DND含量为1.2 mg/mL复合微球对IBA的吸附量最高，可达到41.73 μg/mg；微球在光下药物释放模式符合Korsmeyer-Peppas模型，在光下具有明显的刺激响应行为，药物释放呈现“开-关”模式。通过控制光的照射强度控制药物释放，在农业领域有广阔的应用前景。
2023, 40(3): 1686-1695.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220429.003
摘要:
如何高效处理含油污水的问题，是如今世界科研人员共同关注的问题。聚乙烯醇(PVA)水凝胶作为高含水量及具有三维亲水网络的软材料在油水分离领域引起了广泛的关注。但是，和大多数具有超润湿性质的水凝胶一样，PVA水凝胶类油水分离材料不仅力学性能差，同时也存在化学稳定性差的问题。基于此，通过微波法制备了2D Ni-Fe金属-有机框架材料(MOF)-硅藻土(Dia)纳米材料及其PVA复合水凝胶。同时，不锈钢网经过浸泡2D Ni-Fe MOF-Dia/PVA水凝胶溶液得到2D Ni-Fe MOF-Dia/PVA水凝胶不锈钢筛网，表现出超亲水-水下超疏油性质。利用SEM、XPS分析2D Ni-Fe MOF-Dia及其复合水凝胶的化学组成和表面形貌。研究了2D Ni-Fe MOF-Dia/PVA复合水凝胶的力学性能及2D Ni-Fe MOF-Dia/PVA复合水凝胶不锈钢筛网的油水分离与乳液分离的分离效率及水通量，并对其耐盐性、耐酸耐碱性油水分离性能进行了测试。结果表明：2D Ni-Fe MOF-Dia/PVA复合水凝胶具有优异的力学性能，拉伸与压缩强度分别达到1.49 MPa及0.58 MPa，同时表现出超亲水-水下超疏油性质，2D Ni-Fe MOF-Dia/PVA不锈钢筛网的油水分离与乳液分离效率与通量分别可达99.2%和742.7 L·m−2·h−1。在酸性、碱性、盐性环境下均保持优异的分离效率与通量，并且在5次循环后，依旧保持稳定的分离效率与通量。
如何高效处理含油污水的问题，是如今世界科研人员共同关注的问题。聚乙烯醇(PVA)水凝胶作为高含水量及具有三维亲水网络的软材料在油水分离领域引起了广泛的关注。但是，和大多数具有超润湿性质的水凝胶一样，PVA水凝胶类油水分离材料不仅力学性能差，同时也存在化学稳定性差的问题。基于此，通过微波法制备了2D Ni-Fe金属-有机框架材料(MOF)-硅藻土(Dia)纳米材料及其PVA复合水凝胶。同时，不锈钢网经过浸泡2D Ni-Fe MOF-Dia/PVA水凝胶溶液得到2D Ni-Fe MOF-Dia/PVA水凝胶不锈钢筛网，表现出超亲水-水下超疏油性质。利用SEM、XPS分析2D Ni-Fe MOF-Dia及其复合水凝胶的化学组成和表面形貌。研究了2D Ni-Fe MOF-Dia/PVA复合水凝胶的力学性能及2D Ni-Fe MOF-Dia/PVA复合水凝胶不锈钢筛网的油水分离与乳液分离的分离效率及水通量，并对其耐盐性、耐酸耐碱性油水分离性能进行了测试。结果表明：2D Ni-Fe MOF-Dia/PVA复合水凝胶具有优异的力学性能，拉伸与压缩强度分别达到1.49 MPa及0.58 MPa，同时表现出超亲水-水下超疏油性质，2D Ni-Fe MOF-Dia/PVA不锈钢筛网的油水分离与乳液分离效率与通量分别可达99.2%和742.7 L·m−2·h−1。在酸性、碱性、盐性环境下均保持优异的分离效率与通量，并且在5次循环后，依旧保持稳定的分离效率与通量。
2023, 40(3): 1696-1706.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220407.001
摘要:
涡轮转子是燃气涡轮发动机的核心部件。针对SiC/SiC涡轮叶盘设计、制备与考核验证开展研究，采用蛛网仿形(SWS)SiC纤维预制体作为涡轮叶盘的增强体，预制体表面分别沉积BN界面相与SiC基体，通“在线加工”方式对SiC/SiC涡轮叶盘分别进行粗加工和精加工，采用大气等离子喷涂方法制备环境障碍涂层，形成满足设计要求的涡轮叶盘。采用CT对SiC/SiC涡轮叶盘进行无损检测，表征叶盘内部缺陷分布。针对制备的SiC/SiC涡轮叶盘开展性能评价、超转试验、台架试验等考核验证，研究表明：SiC/SiC涡轮叶盘最大破坏强度达到300 MPa；在室温超转试验中，当转速达到n=104166 r/min时，叶片发生断裂，当转速达到n=108072 r/min时，轮体发生破裂；在发动机台架试验中，累积完成了N=994次最高转速nmax=60000 r/min的循环载荷及N=100次最高转速nmax=70000 r/min的循环载荷试车考核。2022年1月1日，SiC/SiC涡轮叶盘在株洲成功完成了首次飞行试验验证，这也是国内陶瓷基复合材料转子首次配装平台的空中飞行试验，验证了SiC/SiC涡轮转子在航空发动机上应用的可行性。
涡轮转子是燃气涡轮发动机的核心部件。针对SiC/SiC涡轮叶盘设计、制备与考核验证开展研究，采用蛛网仿形(SWS)SiC纤维预制体作为涡轮叶盘的增强体，预制体表面分别沉积BN界面相与SiC基体，通“在线加工”方式对SiC/SiC涡轮叶盘分别进行粗加工和精加工，采用大气等离子喷涂方法制备环境障碍涂层，形成满足设计要求的涡轮叶盘。采用CT对SiC/SiC涡轮叶盘进行无损检测，表征叶盘内部缺陷分布。针对制备的SiC/SiC涡轮叶盘开展性能评价、超转试验、台架试验等考核验证，研究表明：SiC/SiC涡轮叶盘最大破坏强度达到300 MPa；在室温超转试验中，当转速达到n=104166 r/min时，叶片发生断裂，当转速达到n=108072 r/min时，轮体发生破裂；在发动机台架试验中，累积完成了N=994次最高转速nmax=60000 r/min的循环载荷及N=100次最高转速nmax=70000 r/min的循环载荷试车考核。2022年1月1日，SiC/SiC涡轮叶盘在株洲成功完成了首次飞行试验验证，这也是国内陶瓷基复合材料转子首次配装平台的空中飞行试验，验证了SiC/SiC涡轮转子在航空发动机上应用的可行性。
2023, 40(3): 1707-1717.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220530.002
摘要:
对无损伤及含冲击损伤的复合材料层合板进行了剪切稳定性试验，基于数字图像相关方法(Digital image correlation，DIC)对层合板屈曲后屈曲行为进行了实时测量。试验结果表明：引入冲击损伤后，复合材料层合板剪切屈曲波形、屈曲载荷无明显变化，失效模式转变，承载能力下降了9.69%。随后，基于断裂面失效理论，建立了考虑剪切非线性效应的复合材料渐进损伤失效模型，并对复合材料层合板剪切失效过程进行了模拟。模型采用软化夹杂法将冲击损伤等效简化，直接将损伤区的几何边界信息写入材料模型中，不需要对冲击损伤区进行切割，从而保证了整体网格质量。与试验结果对比发现：模型考虑剪切非线性对屈曲载荷预测无明显影响，对后屈曲承载能力的预测精度影响较大，不考虑剪切非线性效应时的误差可达20%以上；软化夹杂法可以有效地模拟冲击损伤，预测的含冲击损伤的复合材料层合板的屈曲载荷、破坏载荷误差分别为−3.17%、−1.27%。
对无损伤及含冲击损伤的复合材料层合板进行了剪切稳定性试验，基于数字图像相关方法(Digital image correlation，DIC)对层合板屈曲后屈曲行为进行了实时测量。试验结果表明：引入冲击损伤后，复合材料层合板剪切屈曲波形、屈曲载荷无明显变化，失效模式转变，承载能力下降了9.69%。随后，基于断裂面失效理论，建立了考虑剪切非线性效应的复合材料渐进损伤失效模型，并对复合材料层合板剪切失效过程进行了模拟。模型采用软化夹杂法将冲击损伤等效简化，直接将损伤区的几何边界信息写入材料模型中，不需要对冲击损伤区进行切割，从而保证了整体网格质量。与试验结果对比发现：模型考虑剪切非线性对屈曲载荷预测无明显影响，对后屈曲承载能力的预测精度影响较大，不考虑剪切非线性效应时的误差可达20%以上；软化夹杂法可以有效地模拟冲击损伤，预测的含冲击损伤的复合材料层合板的屈曲载荷、破坏载荷误差分别为−3.17%、−1.27%。
2023, 40(3): 1718-1728.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220409.001
摘要:
为了对比粘结层和预应力对碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)板加固损伤钢梁抗弯性能的影响，进行了5根H型损伤钢梁的抗弯试验，分析了特征荷载、荷载-挠度曲线、CFRP板应变及其强度利用率的变化。试验结果表明：有粘结和无粘结CFRP板具有相近的加固效果，特征荷载差值小于2%；非预应力CFRP板在正常使用阶段的加固效果很小，而预应力CFRP板加固钢梁的特征荷载比非预应力CFRP板提高了近30%。平截面假定适用于有粘结CFRP板-钢梁复合截面，而不适用于无粘结CFRP板-钢梁复合截面。相比于非预应力CFRP板，对CFRP板施加预应力可以显著提高CFRP板的强度利用率。建立的有限元模型可以较好地预测试件的抗弯性能，增加CFRP板的预应力、厚度和弹性模量可以提高损伤钢梁的抗弯加固效果。
为了对比粘结层和预应力对碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)板加固损伤钢梁抗弯性能的影响，进行了5根H型损伤钢梁的抗弯试验，分析了特征荷载、荷载-挠度曲线、CFRP板应变及其强度利用率的变化。试验结果表明：有粘结和无粘结CFRP板具有相近的加固效果，特征荷载差值小于2%；非预应力CFRP板在正常使用阶段的加固效果很小，而预应力CFRP板加固钢梁的特征荷载比非预应力CFRP板提高了近30%。平截面假定适用于有粘结CFRP板-钢梁复合截面，而不适用于无粘结CFRP板-钢梁复合截面。相比于非预应力CFRP板，对CFRP板施加预应力可以显著提高CFRP板的强度利用率。建立的有限元模型可以较好地预测试件的抗弯性能，增加CFRP板的预应力、厚度和弹性模量可以提高损伤钢梁的抗弯加固效果。
2023, 40(3): 1729-1739.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220429.001
摘要:
针对变刚度层合板在自动铺放制造过程中因间隙/重叠缺陷产生大量纤维面外起伏缺陷的问题，提出采用铺层偏移法与断送纱策略两种铺层优化策略来进行变刚度层合板的铺层设计，在研究过程中同时引入考虑间隙/重叠缺陷建模的方法。根据变刚度层合板铺层的特点提出缺陷重复单元的概念，通过对缺陷重复单元的分析来反映纤维面外起伏的影响，并提出通过纤维面外系数来表征变刚度层合板的纤维面外起伏尺度，最后对不同优化策略的变刚度层合板的屈曲性能进行分析。研究表明：基准设计方案、铺层偏移法与断送纱策略所对应的纤维面外起伏系数为0.83、0.95、0.93，所提出的优化策略对变刚度层合板的纤维面外起伏尺度有着明显的抑制作用。铺层偏移法优化后的[±<50/65>]6s变刚度层合板最大厚度超差为33%，所对应的屈曲载荷为9117.1 N，屈曲载荷提升17.6%；断送纱策略优化后的[±<50/65>]6s变刚度层合板最大厚度超差为50%，所对应的屈曲载荷为9716.3N，屈曲载荷提升25.3%。
针对变刚度层合板在自动铺放制造过程中因间隙/重叠缺陷产生大量纤维面外起伏缺陷的问题，提出采用铺层偏移法与断送纱策略两种铺层优化策略来进行变刚度层合板的铺层设计，在研究过程中同时引入考虑间隙/重叠缺陷建模的方法。根据变刚度层合板铺层的特点提出缺陷重复单元的概念，通过对缺陷重复单元的分析来反映纤维面外起伏的影响，并提出通过纤维面外系数来表征变刚度层合板的纤维面外起伏尺度，最后对不同优化策略的变刚度层合板的屈曲性能进行分析。研究表明：基准设计方案、铺层偏移法与断送纱策略所对应的纤维面外起伏系数为0.83、0.95、0.93，所提出的优化策略对变刚度层合板的纤维面外起伏尺度有着明显的抑制作用。铺层偏移法优化后的[±<50/65>]6s变刚度层合板最大厚度超差为33%，所对应的屈曲载荷为9117.1 N，屈曲载荷提升17.6%；断送纱策略优化后的[±<50/65>]6s变刚度层合板最大厚度超差为50%，所对应的屈曲载荷为9716.3N，屈曲载荷提升25.3%。
2023, 40(3): 1740-1750.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220516.002
摘要:
基于热塑性复合材料易修复的特性，开展了碳纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基复合材料修复技术研究。研究了工艺温度、压力和时间对复合材料力学性能的影响规律。结果表明：在200℃、0.75 MPa压力下保持10 min可以获得优化的复合材料力学性能。引入低速冲击损伤，使用热压修复工艺修复碳纤维增强PMMA基复合材料的损伤。通过X射线断层扫描测试、超声波无损检测技术和断面摄像方法评估了此复合材料的损伤行为和修复效果。结果表明：低速冲击对碳纤维增强PMMA基复合材料的损伤分为低变形量区域的纵向开裂与分层和高变形量区域的纤维断裂与基体失效的混合模式。碳纤维增强PMMA基复合材料损伤试样经过热压修复后，损伤外形恢复良好，损伤区域大小显著减少，内部的开裂和分层等损伤恢复良好，复合材料压缩强度从140 MPa恢复至263 MPa，达到未损伤复合材料压缩性能(307 MPa)的85.7%。
基于热塑性复合材料易修复的特性，开展了碳纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基复合材料修复技术研究。研究了工艺温度、压力和时间对复合材料力学性能的影响规律。结果表明：在200℃、0.75 MPa压力下保持10 min可以获得优化的复合材料力学性能。引入低速冲击损伤，使用热压修复工艺修复碳纤维增强PMMA基复合材料的损伤。通过X射线断层扫描测试、超声波无损检测技术和断面摄像方法评估了此复合材料的损伤行为和修复效果。结果表明：低速冲击对碳纤维增强PMMA基复合材料的损伤分为低变形量区域的纵向开裂与分层和高变形量区域的纤维断裂与基体失效的混合模式。碳纤维增强PMMA基复合材料损伤试样经过热压修复后，损伤外形恢复良好，损伤区域大小显著减少，内部的开裂和分层等损伤恢复良好，复合材料压缩强度从140 MPa恢复至263 MPa，达到未损伤复合材料压缩性能(307 MPa)的85.7%。
2023, 40(3): 1751-1763.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220420.002
摘要:
建立了确定显微计算机断层扫描技术(Micro-CT)扫描最合适分辨率的方法，并基于CT图像分析了3K五枚缎纹织物的结构，预测了渗透率。首先，将织物理想单胞模型转换为不同分辨率二维切片，考察分辨率对单胞结构、渗透率表征的影响，提出了确定Micro-CT扫描最合适分辨率的方法；其次，采用确定的分辨率对织物进行Micro-CT扫描，获取织物细观结构；最后，使用CT三维细观结构进行厚度方向渗透率数值预测，研究了织物结构的空间离散性对厚度方向渗透率的影响。结果表明：对于本文所用五枚缎纹织物，采用15 μm分辨率进行Micro-CT扫描最合适；通过Micro-CT可准确获取织物纤维束的路径及截面变化；多层织物的孔隙沿3个主方向均呈现周期性排布，且束间孔隙率均值为16.6%；使用真实CT模型的厚度方向渗透率预测结果与实验值具有良好的吻合性。
建立了确定显微计算机断层扫描技术(Micro-CT)扫描最合适分辨率的方法，并基于CT图像分析了3K五枚缎纹织物的结构，预测了渗透率。首先，将织物理想单胞模型转换为不同分辨率二维切片，考察分辨率对单胞结构、渗透率表征的影响，提出了确定Micro-CT扫描最合适分辨率的方法；其次，采用确定的分辨率对织物进行Micro-CT扫描，获取织物细观结构；最后，使用CT三维细观结构进行厚度方向渗透率数值预测，研究了织物结构的空间离散性对厚度方向渗透率的影响。结果表明：对于本文所用五枚缎纹织物，采用15 μm分辨率进行Micro-CT扫描最合适；通过Micro-CT可准确获取织物纤维束的路径及截面变化；多层织物的孔隙沿3个主方向均呈现周期性排布，且束间孔隙率均值为16.6%；使用真实CT模型的厚度方向渗透率预测结果与实验值具有良好的吻合性。
2023, 40(3): 1764-1772.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220518.002
摘要:
纤维增强纳米孔树脂基复合材料(IPC)是一类轻质高效防隔热一体化耐烧蚀材料，具有典型的非均质结构特征。在外加载荷下，内部的纳米孔隙将会衍生出微裂纹。裂纹的萌生、聚合和扩展对复合材料的强度、刚度、变形性等力学性能有着重要的影响。本文分别以石英纤维针刺网胎(NQF)、石英纤维针刺网胎/纤维布(NQCF)为增强体，制备得到不同纤维结构增强的纳米孔酚醛树脂(NPR)基复合材料(NQF/NPR、NQCF/NPR)，对比研究了材料拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率及拉伸疲劳性能，并采用CT原位拉伸装置表征了拉伸过程中复合材料的微观结构演变。结果表明：纤维布的引入极大提高了复合材料的力学性能，并且微裂纹首先在针刺区域边缘的树脂基体中出现。在裂纹扩展过程中，纤维结构对树脂基体的损伤起到了不同程度的阻碍作用。最后结合有限元法建立了NPR及纤维布的有限元模型，分析了不同尺度下材料的断裂机制。
纤维增强纳米孔树脂基复合材料(IPC)是一类轻质高效防隔热一体化耐烧蚀材料，具有典型的非均质结构特征。在外加载荷下，内部的纳米孔隙将会衍生出微裂纹。裂纹的萌生、聚合和扩展对复合材料的强度、刚度、变形性等力学性能有着重要的影响。本文分别以石英纤维针刺网胎(NQF)、石英纤维针刺网胎/纤维布(NQCF)为增强体，制备得到不同纤维结构增强的纳米孔酚醛树脂(NPR)基复合材料(NQF/NPR、NQCF/NPR)，对比研究了材料拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率及拉伸疲劳性能，并采用CT原位拉伸装置表征了拉伸过程中复合材料的微观结构演变。结果表明：纤维布的引入极大提高了复合材料的力学性能，并且微裂纹首先在针刺区域边缘的树脂基体中出现。在裂纹扩展过程中，纤维结构对树脂基体的损伤起到了不同程度的阻碍作用。最后结合有限元法建立了NPR及纤维布的有限元模型，分析了不同尺度下材料的断裂机制。
2023, 40(3): 1773-1784.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220513.002
摘要:
通过对工程水泥基复合材料(ECC)加固钢筋混凝土(RC)柱和未加固RC柱进行小偏心受压试验，研究ECC加固RC柱小偏心受压性能。试验结果表明，ECC加固层能有效约束核心混凝土；与未加固柱相比，加固柱的裂缝细而密，达到峰值荷载时受压区ECC尚未被压碎，破坏过程比较平缓，有较好的完整性，并表现出一定的延性特征；相对偏心距相同时，加固柱的开裂荷载、峰值荷载及延性相比未加固柱分别提高了107%~236%、45%~159%、37.4%~41.3%。依据试验结果，绘制出各加固柱跨中荷载-挠度曲线，可分为4个阶段：弹性阶段、裂缝稳定扩展阶段、最大荷载阶段及下降段。随着加固层厚度的增大，相同荷载下ECC竖向应变及钢筋应变越小；随着相对偏心距的增大，相同荷载下ECC竖向应变及钢筋应变越大。基于混凝土结构理论及力学原理，分析ECC加固层对核心混凝土柱的约束机制，提出ECC约束混凝土抗压强度和峰值应变的表达式，推导出加固柱受压承载力计算公式，承载力计算值与试验值相对误差在10%以内，二者吻合良好，为ECC加固混凝土柱在实际工程中的应用提供理论参考。
通过对工程水泥基复合材料(ECC)加固钢筋混凝土(RC)柱和未加固RC柱进行小偏心受压试验，研究ECC加固RC柱小偏心受压性能。试验结果表明，ECC加固层能有效约束核心混凝土；与未加固柱相比，加固柱的裂缝细而密，达到峰值荷载时受压区ECC尚未被压碎，破坏过程比较平缓，有较好的完整性，并表现出一定的延性特征；相对偏心距相同时，加固柱的开裂荷载、峰值荷载及延性相比未加固柱分别提高了107%~236%、45%~159%、37.4%~41.3%。依据试验结果，绘制出各加固柱跨中荷载-挠度曲线，可分为4个阶段：弹性阶段、裂缝稳定扩展阶段、最大荷载阶段及下降段。随着加固层厚度的增大，相同荷载下ECC竖向应变及钢筋应变越小；随着相对偏心距的增大，相同荷载下ECC竖向应变及钢筋应变越大。基于混凝土结构理论及力学原理，分析ECC加固层对核心混凝土柱的约束机制，提出ECC约束混凝土抗压强度和峰值应变的表达式，推导出加固柱受压承载力计算公式，承载力计算值与试验值相对误差在10%以内，二者吻合良好，为ECC加固混凝土柱在实际工程中的应用提供理论参考。
2023, 40(3): 1785-1796.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220516.001
摘要:
为探索先进预警机雷达罩石英纤维增强树脂复合材料中典型分层缺陷的智能化检测手段，将协作机器人与反射式太赫兹时域光谱系统相结合，搭建了一种基于光纤耦合的反射式太赫兹时域光谱扫查系统，测试所得信噪比的动态范围约60 dB。利用搭建系统对预埋模拟分层缺陷的曲面结构石英纤维增强树脂复合材料样件进行太赫兹无损检测，不同扫描区域获得的反射式太赫兹成像图中均能通过目视辨认出内部预埋缺陷。利用改进的YOLOv4算法在缺陷自动识别中获得90.18%的准确率和91.26%召回率，分别较原YOLOv4算法提高3.37%和4.01%，对小目标缺陷的检测效果良好。实验丰富了预警机雷达罩样件的设计和检测研究内容，探索了曲面结构石英纤维增强树脂复合材料缺陷太赫兹成像，为预警机雷达罩的无损检测提供了新的智能检测工艺，具备工程应用价值。
为探索先进预警机雷达罩石英纤维增强树脂复合材料中典型分层缺陷的智能化检测手段，将协作机器人与反射式太赫兹时域光谱系统相结合，搭建了一种基于光纤耦合的反射式太赫兹时域光谱扫查系统，测试所得信噪比的动态范围约60 dB。利用搭建系统对预埋模拟分层缺陷的曲面结构石英纤维增强树脂复合材料样件进行太赫兹无损检测，不同扫描区域获得的反射式太赫兹成像图中均能通过目视辨认出内部预埋缺陷。利用改进的YOLOv4算法在缺陷自动识别中获得90.18%的准确率和91.26%召回率，分别较原YOLOv4算法提高3.37%和4.01%，对小目标缺陷的检测效果良好。实验丰富了预警机雷达罩样件的设计和检测研究内容，探索了曲面结构石英纤维增强树脂复合材料缺陷太赫兹成像，为预警机雷达罩的无损检测提供了新的智能检测工艺，具备工程应用价值。
2023, 40(3): 1797-1806.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220419.006
摘要:
基于颗粒增强镍基复合材料优异的结构/功能特性，在航空航天、核电军工和电子电工等领域有着广泛的应用前景。本文选用机械球磨混粉+激光选区熔化方法(SLM)制备了碳化钨(WC)颗粒增强IN718复合材料(WC/IN718)，对复合材料内部异质界面连接机制、强化机制和断裂行为进行了分析。研究结果表明：随着WC颗粒含量的增加(0wt%~20wt%)，试件成形良好，WC颗粒均匀分布在基体内部，异质界面处无缺陷产生，界面处产生了贫碳的W2C层和碳化物层，基体合金主要呈柱状晶生长。由于熔池内部能量密度分布不同，低温位置WC颗粒的断裂方式为先形成界面反应层后由热应力引起断裂，高温位置WC颗粒优先发生断裂，断裂成小尺寸颗粒，后与熔化的基体合金形成界面反应层，弥散分布在基体内部。随着WC颗粒含量的增加，复合材料的强度呈现升高的趋势，而断裂韧性降低，抗拉强度最高可达1280 MPa，强化机制主要为载荷传递强化，断裂机制为WC颗粒的脆性断裂和基体合金的韧性断裂。
基于颗粒增强镍基复合材料优异的结构/功能特性，在航空航天、核电军工和电子电工等领域有着广泛的应用前景。本文选用机械球磨混粉+激光选区熔化方法(SLM)制备了碳化钨(WC)颗粒增强IN718复合材料(WC/IN718)，对复合材料内部异质界面连接机制、强化机制和断裂行为进行了分析。研究结果表明：随着WC颗粒含量的增加(0wt%~20wt%)，试件成形良好，WC颗粒均匀分布在基体内部，异质界面处无缺陷产生，界面处产生了贫碳的W2C层和碳化物层，基体合金主要呈柱状晶生长。由于熔池内部能量密度分布不同，低温位置WC颗粒的断裂方式为先形成界面反应层后由热应力引起断裂，高温位置WC颗粒优先发生断裂，断裂成小尺寸颗粒，后与熔化的基体合金形成界面反应层，弥散分布在基体内部。随着WC颗粒含量的增加，复合材料的强度呈现升高的趋势，而断裂韧性降低，抗拉强度最高可达1280 MPa，强化机制主要为载荷传递强化，断裂机制为WC颗粒的脆性断裂和基体合金的韧性断裂。
2023, 40(3): 1807-1817.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220419.002
摘要:
采用实验与数值分析相结合的手段对光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg grating sensor，FBGs)与基体间应变传递机制这一固化监测的基础问题进行了探索。首先，对树脂的固化动力学、热膨胀、化学收缩和玻璃化转变等物化变化进行了表征，然后，借助热电偶和FBGs开展了环氧树脂固化过程的温度和应变监测实验，最后，基于固化过程热-化-力多场耦合数值分析方法开展了固化过程模拟。通过对比纯树脂模型、界面采用绑定约束的含FBGs模型和界面采用内聚力行为的含FBSs模型分析结果，对界面传递机制进行了探讨。结果表明：固化前期界面处存在的剪滞效应和界面滑移行为导致FBGs监测应变相较树脂本体应变明显偏小，其中剪滞效应占主导作用。采用内聚力行为可以较好地描述固化过程界面应变传递机制，数值预测结果与实验值误差较小。
采用实验与数值分析相结合的手段对光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg grating sensor，FBGs)与基体间应变传递机制这一固化监测的基础问题进行了探索。首先，对树脂的固化动力学、热膨胀、化学收缩和玻璃化转变等物化变化进行了表征，然后，借助热电偶和FBGs开展了环氧树脂固化过程的温度和应变监测实验，最后，基于固化过程热-化-力多场耦合数值分析方法开展了固化过程模拟。通过对比纯树脂模型、界面采用绑定约束的含FBGs模型和界面采用内聚力行为的含FBSs模型分析结果，对界面传递机制进行了探讨。结果表明：固化前期界面处存在的剪滞效应和界面滑移行为导致FBGs监测应变相较树脂本体应变明显偏小，其中剪滞效应占主导作用。采用内聚力行为可以较好地描述固化过程界面应变传递机制，数值预测结果与实验值误差较小。
