2023年 第40卷 第5期
2023, 40(5): 2465-2479.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220804.005
摘要:
纤维增强树脂基复合材料具有轻质量、高强度、耐腐蚀和抗疲劳等优点，被广泛地应用在航空航天、风电及汽车等领域。然而纤维树脂复合材料是各向异性的非均质材料，属于典型的难加工材料，现有的加工技术存在热影响区过大、分层、起毛等问题，成为航空航天工业领域的精密加工技术瓶颈。超短脉冲激光加工作为一种新型加工技术，具有无热传递、不受物质种类限制、微小尺度、可控性强、非接触等优点，有望实现纤维复合材料的精细加工。本文在介绍目前激光加工纤维复合材料研究工作的基础上，讨论了超短脉冲激光加工以碳纤维增强树脂基复合材料为主的纤维复合材料的作用机制和提高加工质量的几种方法，指出了以突破航天工业高精度加工技术瓶颈为目的的超短脉冲激光精细加工纤维增强树脂基复合材料的研究方向、内容和科学问题，为后续实现符合航天工业高精度及大尺度要求的精密加工提供了技术路线和可能的解决方案。
纤维增强树脂基复合材料具有轻质量、高强度、耐腐蚀和抗疲劳等优点，被广泛地应用在航空航天、风电及汽车等领域。然而纤维树脂复合材料是各向异性的非均质材料，属于典型的难加工材料，现有的加工技术存在热影响区过大、分层、起毛等问题，成为航空航天工业领域的精密加工技术瓶颈。超短脉冲激光加工作为一种新型加工技术，具有无热传递、不受物质种类限制、微小尺度、可控性强、非接触等优点，有望实现纤维复合材料的精细加工。本文在介绍目前激光加工纤维复合材料研究工作的基础上，讨论了超短脉冲激光加工以碳纤维增强树脂基复合材料为主的纤维复合材料的作用机制和提高加工质量的几种方法，指出了以突破航天工业高精度加工技术瓶颈为目的的超短脉冲激光精细加工纤维增强树脂基复合材料的研究方向、内容和科学问题，为后续实现符合航天工业高精度及大尺度要求的精密加工提供了技术路线和可能的解决方案。
2023, 40(5): 2480-2494.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220809.003
摘要:
维持热舒适是人体进行正常生命活动的基本条件，传统暖通空调系统调节温度能效较低，同时产生大量碳足迹。基于红外辐射调控的个人热管理材料通过人体自身及局部微环境热管理实现个性化温度调节，为缓解日益紧张的能源负担、维持人体热舒适提供了新途径。本文基于红外辐射调控的个人热管理材料最新研究进展，分室内和室外两种环境阐述辐射降温、辐射保温机制，并介绍辐射降温/保温一体的温度调节模式。论述基于红外辐射调控的个人热管理材料相关设计思路、制备方法、微观结构和温控效果，分析个人热管理材料发展趋势。
维持热舒适是人体进行正常生命活动的基本条件，传统暖通空调系统调节温度能效较低，同时产生大量碳足迹。基于红外辐射调控的个人热管理材料通过人体自身及局部微环境热管理实现个性化温度调节，为缓解日益紧张的能源负担、维持人体热舒适提供了新途径。本文基于红外辐射调控的个人热管理材料最新研究进展，分室内和室外两种环境阐述辐射降温、辐射保温机制，并介绍辐射降温/保温一体的温度调节模式。论述基于红外辐射调控的个人热管理材料相关设计思路、制备方法、微观结构和温控效果，分析个人热管理材料发展趋势。
2023, 40(5): 2495-2506.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220818.001
摘要:
预测复合材料的失效行为，对复合材料结构设计具有重要意义。由于其失效模式和失效机制较复杂，传统的计算断裂力学方法和基于损伤力学的数值方法在对其进行失效分析存在一定困难。相场法结合了断裂力学和损伤力学的优点，无需额外的判据便可精确捕捉裂纹的萌生、扩展和扭结行为，近年来被广泛地应用于复合材料的失效分析。本文首先简要介绍相场法的基本理论，给出了基本的断裂能模型和控制方程。然后着重介绍了基于相场法的复合材料失效分析的研究进展，梳理了相场法在复合材料领域的应用范围。最后，对相场法模拟复合材料在疲劳、疲劳湿热环境下和冲击下的损伤进行了展望。
预测复合材料的失效行为，对复合材料结构设计具有重要意义。由于其失效模式和失效机制较复杂，传统的计算断裂力学方法和基于损伤力学的数值方法在对其进行失效分析存在一定困难。相场法结合了断裂力学和损伤力学的优点，无需额外的判据便可精确捕捉裂纹的萌生、扩展和扭结行为，近年来被广泛地应用于复合材料的失效分析。本文首先简要介绍相场法的基本理论，给出了基本的断裂能模型和控制方程。然后着重介绍了基于相场法的复合材料失效分析的研究进展，梳理了相场法在复合材料领域的应用范围。最后，对相场法模拟复合材料在疲劳、疲劳湿热环境下和冲击下的损伤进行了展望。
2023, 40(5): 2507-2524.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220909.001
摘要:
纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和高比刚度等优异特性，被广泛应用于汽车领域以实现汽车轻量化。然而，纤维织物的多尺度特性使其在复杂形状的车身零部件成型中变形机制十分复杂，极易产生成型缺陷，削弱成型后的复合材料力学性能。表征织物变形特性，揭示织物变形机制，是准确预测织物复杂形状成型，指导织物成型工艺参数合理设计的重要基础。因此，本文针对织物在成型过程中的压缩、剪切、弯曲和滑移4种关键变形特性及在复杂几何形状中成型特性的研究进展进行综述，详细介绍了织物上述变形和成型特性的研究方法及研究热点。本文将为织物的变形机制研究、复杂形状成型精准预测和工艺参数合理设计提供指导，推动复合材料在汽车领域中的大规模应用。
纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和高比刚度等优异特性，被广泛应用于汽车领域以实现汽车轻量化。然而，纤维织物的多尺度特性使其在复杂形状的车身零部件成型中变形机制十分复杂，极易产生成型缺陷，削弱成型后的复合材料力学性能。表征织物变形特性，揭示织物变形机制，是准确预测织物复杂形状成型，指导织物成型工艺参数合理设计的重要基础。因此，本文针对织物在成型过程中的压缩、剪切、弯曲和滑移4种关键变形特性及在复杂几何形状中成型特性的研究进展进行综述，详细介绍了织物上述变形和成型特性的研究方法及研究热点。本文将为织物的变形机制研究、复杂形状成型精准预测和工艺参数合理设计提供指导，推动复合材料在汽车领域中的大规模应用。
2023, 40(5): 2525-2535.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220907.002
摘要:
晶粒辐射状组装的富镍正极具有较常规无序多晶更优的断裂韧性和Li+扩散速率，是快充长寿命锂离子电池理想的正极材料。近年来，部分研究者报道了系列富镍正极晶粒形态及组装方式调控研究进展，所开发的辐射状富镍正极性能优异，代表着全球顶尖水平，且相关技术应用于韩国电池巨头LG化学。然而，高度辐射状富镍正极材料的合成在国内尚处于起步阶段，且尚无合成辐射状富镍正极所需晶粒形态及组装方式调控的系统阐述。本文首先介绍富镍正极晶粒形态及组装方式调控的必要性；再综述了晶粒辐射状富镍正极所需前驱体沉淀结晶与其受控锂化的研究进展，并对沉淀及高温煅烧结晶调控晶粒形态及组装方式所涉及机制进行了分析，以期为国内相关专业人员开发高端富镍正极材料提供参考。
晶粒辐射状组装的富镍正极具有较常规无序多晶更优的断裂韧性和Li+扩散速率，是快充长寿命锂离子电池理想的正极材料。近年来，部分研究者报道了系列富镍正极晶粒形态及组装方式调控研究进展，所开发的辐射状富镍正极性能优异，代表着全球顶尖水平，且相关技术应用于韩国电池巨头LG化学。然而，高度辐射状富镍正极材料的合成在国内尚处于起步阶段，且尚无合成辐射状富镍正极所需晶粒形态及组装方式调控的系统阐述。本文首先介绍富镍正极晶粒形态及组装方式调控的必要性；再综述了晶粒辐射状富镍正极所需前驱体沉淀结晶与其受控锂化的研究进展，并对沉淀及高温煅烧结晶调控晶粒形态及组装方式所涉及机制进行了分析，以期为国内相关专业人员开发高端富镍正极材料提供参考。
2023, 40(5): 2536-2549.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221019.002
摘要:
微流控纺丝技术融合了微流控技术和纺丝技术的优点，可设计制备常规纺丝技术难以实现的复杂结构微纤维。通过对微尺度流体流动的精确调控及利用微通道内流体的层流流动特性，微流控纺丝技术制备的多元结构功能微纤维在生物医学、柔性电子、分析化学等领域具有广泛应用。本文系统介绍了微流控纺丝技术的纺丝装置及固化机制，综述了实心/多孔纤维、中空/核壳纤维、Janus/双组分/多组分纤维、纺锤状纤维、螺旋纤维等多元结构纤维的制备方法、结构特点及其在柔性可穿戴中的应用，最后分析了微流控纺丝技术在制备微纤维中的优势与不足，并对微流控纺丝技术的应用前景进行展望。
微流控纺丝技术融合了微流控技术和纺丝技术的优点，可设计制备常规纺丝技术难以实现的复杂结构微纤维。通过对微尺度流体流动的精确调控及利用微通道内流体的层流流动特性，微流控纺丝技术制备的多元结构功能微纤维在生物医学、柔性电子、分析化学等领域具有广泛应用。本文系统介绍了微流控纺丝技术的纺丝装置及固化机制，综述了实心/多孔纤维、中空/核壳纤维、Janus/双组分/多组分纤维、纺锤状纤维、螺旋纤维等多元结构纤维的制备方法、结构特点及其在柔性可穿戴中的应用，最后分析了微流控纺丝技术在制备微纤维中的优势与不足，并对微流控纺丝技术的应用前景进行展望。
2023, 40(5): 2550-2565.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220929.002
摘要:
钴基材料作为非贵金属材料中重要的一员，因其具有较高理论容量、良好的催化活性及出色的热/化学稳定性，被广泛应用在超级电容器(SCs)和电催化等电化学能源储存与转化领域中。然而目前在钴基材料的应用中还存在诸多缺陷，如导电性偏低，活性位点暴露的不充分，测试过程中活性组分易团聚、分解，结构稳定性较差等。近年来，许多研究报道了改性钴基材料来提升其电化学性能，基于此，本综述详细介绍了近几年对钴基材料的改性研究，主要包括形貌调控、元素掺杂、构筑异质结、缺陷工程及与载体材料复合。然后，对其在SCs、电催化氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)及析氢反应(HER)中的应用进行系统性的总结。最后，提出钴基材料当前存在的问题和未来的发展方向。
钴基材料作为非贵金属材料中重要的一员，因其具有较高理论容量、良好的催化活性及出色的热/化学稳定性，被广泛应用在超级电容器(SCs)和电催化等电化学能源储存与转化领域中。然而目前在钴基材料的应用中还存在诸多缺陷，如导电性偏低，活性位点暴露的不充分，测试过程中活性组分易团聚、分解，结构稳定性较差等。近年来，许多研究报道了改性钴基材料来提升其电化学性能，基于此，本综述详细介绍了近几年对钴基材料的改性研究，主要包括形貌调控、元素掺杂、构筑异质结、缺陷工程及与载体材料复合。然后，对其在SCs、电催化氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)及析氢反应(HER)中的应用进行系统性的总结。最后，提出钴基材料当前存在的问题和未来的发展方向。
2023, 40(5): 2566-2574.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221107.001
摘要:
近年来，植物纤维增强复合材料因具有绿色环保、高比模量和低成本等优点被国内外广泛关注，改善其易燃和易吸水特性成为这些年的研究热点。为研究阻燃植物纤维增强复合材料的吸水特性，以亚麻纤维增强酚醛复合材料(Flax/Phenolic，FP)为研究对象，利用甲基膦酸二甲酯(Dimethyl methylphosphonate，DMMP)接枝的方法对亚麻纤维进行阻燃处理，探索最佳处理工艺。研究DMMP接枝阻燃复合材料的吸水性及吸水对于复合材料阻燃性能和拉伸性能的影响，并与物理浸渍法进行对比。结果表明：DMMP接枝法具有更高的阻燃效率和更好的抗吸水性能。相较于DMMP物理浸渍，由DMMP接枝亚麻纤维所形成的化学键难以被水分子所破坏，吸水30天后，DMMP接枝的复合材料的极限氧指数(LOI)、垂直燃烧性能、放热和烟雾释放相较于吸水前并未发生明显改变，吸水后阻燃性能保持良好。另一方面，接枝法对于吸水后复合材料的拉伸性能的负面影响也低于物理浸渍法。
近年来，植物纤维增强复合材料因具有绿色环保、高比模量和低成本等优点被国内外广泛关注，改善其易燃和易吸水特性成为这些年的研究热点。为研究阻燃植物纤维增强复合材料的吸水特性，以亚麻纤维增强酚醛复合材料(Flax/Phenolic，FP)为研究对象，利用甲基膦酸二甲酯(Dimethyl methylphosphonate，DMMP)接枝的方法对亚麻纤维进行阻燃处理，探索最佳处理工艺。研究DMMP接枝阻燃复合材料的吸水性及吸水对于复合材料阻燃性能和拉伸性能的影响，并与物理浸渍法进行对比。结果表明：DMMP接枝法具有更高的阻燃效率和更好的抗吸水性能。相较于DMMP物理浸渍，由DMMP接枝亚麻纤维所形成的化学键难以被水分子所破坏，吸水30天后，DMMP接枝的复合材料的极限氧指数(LOI)、垂直燃烧性能、放热和烟雾释放相较于吸水前并未发生明显改变，吸水后阻燃性能保持良好。另一方面，接枝法对于吸水后复合材料的拉伸性能的负面影响也低于物理浸渍法。
2023, 40(5): 2575-2586.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220822.002
摘要:
环氧树脂基碳纤维增强复合材料因其优异的力学、热学性能已广泛应用于航天航空等领域。环氧树脂由三维共价交联网络组成，难以被降解。工业中通常需高温(300~800℃)、高压(3~27 MPa)等严苛环境或有毒催化剂来破坏树脂基体，以回收复合材料废弃物中昂贵的碳纤维，这一过程往往会造成纤维性能的严重损失。本文利用环氧树脂与醇溶剂之间的动态键交换反应，将工业中常用的高性能环氧树脂降解为低聚物，降解条件温和(200℃、0 MPa)，且无需额外催化剂。通过树脂降解，回收得到结构完整的碳纤维织物，其强度保持在94%以上，可继续用于制备复合材料。将低聚物作为反应物制备新的环氧树脂，称为再制造环氧树脂。当再制造环氧树脂中低聚物的含量为20wt%时，其强度与原环氧树脂相当，而断裂伸长率提高了20%。用再制造环氧树脂制备碳纤维复合材料，其强度与原环氧基复合材料相当，同时断裂伸长率提高了50%。本文实现了工业用环氧树脂及其复合材料从制造到回收到再制造过程，即闭环回收再制造。同时，本文新提出了一种绿色、简单、有效的环氧树脂增韧方法。
环氧树脂基碳纤维增强复合材料因其优异的力学、热学性能已广泛应用于航天航空等领域。环氧树脂由三维共价交联网络组成，难以被降解。工业中通常需高温(300~800℃)、高压(3~27 MPa)等严苛环境或有毒催化剂来破坏树脂基体，以回收复合材料废弃物中昂贵的碳纤维，这一过程往往会造成纤维性能的严重损失。本文利用环氧树脂与醇溶剂之间的动态键交换反应，将工业中常用的高性能环氧树脂降解为低聚物，降解条件温和(200℃、0 MPa)，且无需额外催化剂。通过树脂降解，回收得到结构完整的碳纤维织物，其强度保持在94%以上，可继续用于制备复合材料。将低聚物作为反应物制备新的环氧树脂，称为再制造环氧树脂。当再制造环氧树脂中低聚物的含量为20wt%时，其强度与原环氧树脂相当，而断裂伸长率提高了20%。用再制造环氧树脂制备碳纤维复合材料，其强度与原环氧基复合材料相当，同时断裂伸长率提高了50%。本文实现了工业用环氧树脂及其复合材料从制造到回收到再制造过程，即闭环回收再制造。同时，本文新提出了一种绿色、简单、有效的环氧树脂增韧方法。
2023, 40(5): 2587-2597.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220906.002
摘要:
高性能热塑性聚醚醚酮树脂基复合材料具有高韧性、耐疲劳、原材料可长期贮存、成型速度快、可重复加工和回收再利用等独特优势，在航空航天等工业领域应用广泛。粉末悬浮法通过将聚醚醚酮细粉配制成水基悬浮液实现对纤维充分浸渍，现已成为制备连续纤维增强热塑性预浸料的重要方式。本文重点开展反气相色谱法研究聚醚醚酮表面性质，并结合微观形貌、粒径分布等方面对比国内外聚醚醚酮树脂的差异。研究表明：进口聚醚醚酮树脂色散表面能(19.2 mJ/m2)明显低于同级别国产树脂(41.1 mJ/m2)；极性探针分子吸附于聚醚醚酮表面的驱动力主要是酸碱作用力，表面总体表现为碱性。进口聚醚醚酮树脂相比于国产具有更高的极性，使其更容易分散在水中；而国产聚醚醚酮树脂微观形貌、表面性质则更加均匀。表面性质研究指导水基悬浮液配制，制备的连续纤维增强热塑性预浸料质量优异，孔隙率低于0.5%且纤维排布整齐，热塑性复合材料层压板层间剪切强度平均值达109 MPa，与传统热熔浸渍方法相比提升30%以上。
高性能热塑性聚醚醚酮树脂基复合材料具有高韧性、耐疲劳、原材料可长期贮存、成型速度快、可重复加工和回收再利用等独特优势，在航空航天等工业领域应用广泛。粉末悬浮法通过将聚醚醚酮细粉配制成水基悬浮液实现对纤维充分浸渍，现已成为制备连续纤维增强热塑性预浸料的重要方式。本文重点开展反气相色谱法研究聚醚醚酮表面性质，并结合微观形貌、粒径分布等方面对比国内外聚醚醚酮树脂的差异。研究表明：进口聚醚醚酮树脂色散表面能(19.2 mJ/m2)明显低于同级别国产树脂(41.1 mJ/m2)；极性探针分子吸附于聚醚醚酮表面的驱动力主要是酸碱作用力，表面总体表现为碱性。进口聚醚醚酮树脂相比于国产具有更高的极性，使其更容易分散在水中；而国产聚醚醚酮树脂微观形貌、表面性质则更加均匀。表面性质研究指导水基悬浮液配制，制备的连续纤维增强热塑性预浸料质量优异，孔隙率低于0.5%且纤维排布整齐，热塑性复合材料层压板层间剪切强度平均值达109 MPa，与传统热熔浸渍方法相比提升30%以上。
2023, 40(5): 2598-2608.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220809.009
摘要:
为了研究不同微观形貌的纳米导电粒子对低密度聚乙烯(LDPE)直流介电性能的影响，本文采用软模板法制备了直径约100 nm的聚吡咯(PPy)纳米球和纳米线，并将其与LDPE熔融共混制备得到了PPy/LDPE纳米复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)观察了PPy纳米粒子的微观形貌及其在PPy/LDPE纳米复合材料中的分散结构，并测试了复合材料的结晶度、空间电荷分布、介电谱、不同温度下的直流电导电流及直流击穿强度等介电性能。结果表明：PPy纳米粒子的加入可以提高LDPE的结晶度，抑制LDPE中空间电荷的累积，降低其相对介电常数、直流电导电流和直流击穿强度，其中PPy纳米球的加入可在不同温度下使LDPE直流电导电流降低1个数量级以上，而对其直流击穿强度的影响较小，并且在较高温度下可将LDPE的直流击穿强度提升4.4%。PPy纳米球对LDPE绝缘材料直流介电性能的改善效果要优于PPy纳米线。
为了研究不同微观形貌的纳米导电粒子对低密度聚乙烯(LDPE)直流介电性能的影响，本文采用软模板法制备了直径约100 nm的聚吡咯(PPy)纳米球和纳米线，并将其与LDPE熔融共混制备得到了PPy/LDPE纳米复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)观察了PPy纳米粒子的微观形貌及其在PPy/LDPE纳米复合材料中的分散结构，并测试了复合材料的结晶度、空间电荷分布、介电谱、不同温度下的直流电导电流及直流击穿强度等介电性能。结果表明：PPy纳米粒子的加入可以提高LDPE的结晶度，抑制LDPE中空间电荷的累积，降低其相对介电常数、直流电导电流和直流击穿强度，其中PPy纳米球的加入可在不同温度下使LDPE直流电导电流降低1个数量级以上，而对其直流击穿强度的影响较小，并且在较高温度下可将LDPE的直流击穿强度提升4.4%。PPy纳米球对LDPE绝缘材料直流介电性能的改善效果要优于PPy纳米线。
2023, 40(5): 2609-2620.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220705.001
摘要:
为改善硅橡胶芯模辅助成型中调型孔工艺窗口过窄，导致复合材料帽型件成型质量对其敏感性过高问题，提出硅橡胶芯模&真空袋气囊组合新方法，并对不同调型孔硅橡胶芯模&真空袋气囊下成型的复合材料帽型件固化过程中压力分布和固化后成型精度、微观结构与力学性能进行了研究。结果表明：未开设调型孔&真空袋气囊，构件内部压力大小波动明显且不均分布，随着孔占比XS的增大，在XS=0.40~0.53内，构件内部压力均匀且稳定在所需压力0.6 MPa，同时，构件厚度和型腔高度平均差值仅为0.046 mm和0.40 mm，其三角区域微观结构质量较高，平均拉脱性能和增幅分别为3.42 MPa和23.02%。本文提出的方法具有更宽的调型孔工艺窗口，在复合材料帽型件固化成型领域具备一定应用潜力。
为改善硅橡胶芯模辅助成型中调型孔工艺窗口过窄，导致复合材料帽型件成型质量对其敏感性过高问题，提出硅橡胶芯模&真空袋气囊组合新方法，并对不同调型孔硅橡胶芯模&真空袋气囊下成型的复合材料帽型件固化过程中压力分布和固化后成型精度、微观结构与力学性能进行了研究。结果表明：未开设调型孔&真空袋气囊，构件内部压力大小波动明显且不均分布，随着孔占比XS的增大，在XS=0.40~0.53内，构件内部压力均匀且稳定在所需压力0.6 MPa，同时，构件厚度和型腔高度平均差值仅为0.046 mm和0.40 mm，其三角区域微观结构质量较高，平均拉脱性能和增幅分别为3.42 MPa和23.02%。本文提出的方法具有更宽的调型孔工艺窗口，在复合材料帽型件固化成型领域具备一定应用潜力。
2023, 40(5): 2621-2627.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220704.002
摘要:
以天然淀粉为原料制备的热塑性淀粉(TPS)具有可完全生物降解及与传统塑料类似的热塑加工性能，但力学性能和耐水性能较差限制了其发展。本文首先用含有环氧和乙烯基团的甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)在可生物降解的聚乙烯醇纤维(PVAF)表面接枝改性，进一步经过双螺杆挤出加工过程，使淀粉大分子上的羟基和PVAF表面接枝GMA (GMA-PVAF)中的环氧基团发生化学反应，形成交联结构，从而提高热塑性淀粉塑料的力学性能。结果表明：GMA-PVAF出现了明显的包覆层，具有GMA中酯羰基和环氧基团的特征红外吸收峰，结晶度显著降低，玻璃化转变温度由95.8℃提高到100.7℃，热重分析计算表明包覆层质量分数约为8.77wt%；当GMA-PVAF的含量为1.5wt%时，复合材料GMA-PVAF/TPS的拉伸强度由纯TPS的3.00 MPa提高到4.99 MPa，断裂伸长率为146.84%，弯曲强度由1.82 MPa提高到11.62 MPa，力学性能显著提高。
以天然淀粉为原料制备的热塑性淀粉(TPS)具有可完全生物降解及与传统塑料类似的热塑加工性能，但力学性能和耐水性能较差限制了其发展。本文首先用含有环氧和乙烯基团的甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)在可生物降解的聚乙烯醇纤维(PVAF)表面接枝改性，进一步经过双螺杆挤出加工过程，使淀粉大分子上的羟基和PVAF表面接枝GMA (GMA-PVAF)中的环氧基团发生化学反应，形成交联结构，从而提高热塑性淀粉塑料的力学性能。结果表明：GMA-PVAF出现了明显的包覆层，具有GMA中酯羰基和环氧基团的特征红外吸收峰，结晶度显著降低，玻璃化转变温度由95.8℃提高到100.7℃，热重分析计算表明包覆层质量分数约为8.77wt%；当GMA-PVAF的含量为1.5wt%时，复合材料GMA-PVAF/TPS的拉伸强度由纯TPS的3.00 MPa提高到4.99 MPa，断裂伸长率为146.84%，弯曲强度由1.82 MPa提高到11.62 MPa，力学性能显著提高。
2023, 40(5): 2628-2638.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220901.001
摘要:
针对舱段的结构特点设计了一种预浸料-树脂传递模塑(RTM)成型工艺。研究了预浸料树脂(AC631)与RTM树脂(6421A)的流变特性，结果表明两种树脂体系具有良好的共成型工艺基础。结合舱段结构设计、铺层设计、模具设计，开展了基于预浸料-RTM共成型技术的复合材料纵横加筋舱段一体化制备工艺验证，结果表明舱段结构具有良好的表观质量、尺寸精度及内部质量。常温、高温两种条件静强度试验验证了其使用强度，高温破坏试验研究了其失效机制与破坏模式。常温力学试验结果表明：在125%严酷机械载荷下，复合材料舱段能够保持良好的结构完整性，其最大应变仅为−1283×10−6 ，满足常温静强度设计要求。100℃下静强度试验结果显示，舱段在125%严酷机械载荷下未出现失稳、破坏等异常状态，最大应变仅为−1315 ×10−6，满足热力耦合工况条件下的强度设计要求。150℃高温破坏试验结果显示，舱段在143.2%严酷机械载荷下，加载侧纵向加强筋发生断裂破坏，裂纹向两侧延伸，舱段丧失承载能力，破坏模式为轴向筋条断裂导致蒙皮局部屈曲失稳破坏。
针对舱段的结构特点设计了一种预浸料-树脂传递模塑(RTM)成型工艺。研究了预浸料树脂(AC631)与RTM树脂(6421A)的流变特性，结果表明两种树脂体系具有良好的共成型工艺基础。结合舱段结构设计、铺层设计、模具设计，开展了基于预浸料-RTM共成型技术的复合材料纵横加筋舱段一体化制备工艺验证，结果表明舱段结构具有良好的表观质量、尺寸精度及内部质量。常温、高温两种条件静强度试验验证了其使用强度，高温破坏试验研究了其失效机制与破坏模式。常温力学试验结果表明：在125%严酷机械载荷下，复合材料舱段能够保持良好的结构完整性，其最大应变仅为−1283×10−6 ，满足常温静强度设计要求。100℃下静强度试验结果显示，舱段在125%严酷机械载荷下未出现失稳、破坏等异常状态，最大应变仅为−1315 ×10−6，满足热力耦合工况条件下的强度设计要求。150℃高温破坏试验结果显示，舱段在143.2%严酷机械载荷下，加载侧纵向加强筋发生断裂破坏，裂纹向两侧延伸，舱段丧失承载能力，破坏模式为轴向筋条断裂导致蒙皮局部屈曲失稳破坏。
2023, 40(5): 2639-2652.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220718.001
摘要:
为探究静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱耐压壳的极限强度，以湿法缠绕工艺制备中厚玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)圆柱耐压壳结构模型，对其初挠度进行测试，并开展静水压破坏试验，分析了结构的极限承载能力、应变响应和破坏模式。基于实测初挠度及破坏模式，建立含缺陷复合材料圆柱壳的非线性分析有限元模型，同时考虑壳体几何缺陷及承压过程中的复合材料面内损伤，编制ABAQUS接口子程序USDFLD，对模型的损伤过程进行数值模拟，获得静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱壳的渐进失效过程，并与试验结果对比验证。研究表明：在静水压下中厚GFRP圆柱壳结构在破坏前载荷几乎呈线性增加，最终破坏模式为材料的压缩破坏，整体屈曲破坏模式不明显。考虑结构的几何缺陷和材料损伤演化后，采用非线性有限元模拟得到的壳体极限强度与试验结果吻合良好，可以作为预测含缺陷中厚复合材料圆柱壳极限强度的方法。采用该方法对影响中厚复合材料圆柱耐压壳极限强度的关键参数进行了研究，为深海复合材料耐压壳的研究设计提供参考。
为探究静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱耐压壳的极限强度，以湿法缠绕工艺制备中厚玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)圆柱耐压壳结构模型，对其初挠度进行测试，并开展静水压破坏试验，分析了结构的极限承载能力、应变响应和破坏模式。基于实测初挠度及破坏模式，建立含缺陷复合材料圆柱壳的非线性分析有限元模型，同时考虑壳体几何缺陷及承压过程中的复合材料面内损伤，编制ABAQUS接口子程序USDFLD，对模型的损伤过程进行数值模拟，获得静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱壳的渐进失效过程，并与试验结果对比验证。研究表明：在静水压下中厚GFRP圆柱壳结构在破坏前载荷几乎呈线性增加，最终破坏模式为材料的压缩破坏，整体屈曲破坏模式不明显。考虑结构的几何缺陷和材料损伤演化后，采用非线性有限元模拟得到的壳体极限强度与试验结果吻合良好，可以作为预测含缺陷中厚复合材料圆柱壳极限强度的方法。采用该方法对影响中厚复合材料圆柱耐压壳极限强度的关键参数进行了研究，为深海复合材料耐压壳的研究设计提供参考。
2023, 40(5): 2653-2669.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220913.001
摘要:
为提高普通水性聚氨酯(WPU)耐热性、阻燃性和力学性能等，本文以9, 10-二氢-9-氧-10-磷菲-10氧化物(DOPO)和2, 2′-二烯丙基双酚A(DABA)为原料，通过“一步法”化学合成了双DOPO悬垂型阻燃剂DDBA，采用红外光谱(FTIR)和核磁共振(NMR)表征了其化学结构，并用其化学修饰WPU制备新型水性聚氨酯(DDBA/WPU)。研究了DDBA对DDBA/WPU胶膜材料耐水性、耐热性、阻燃性及力学性能的影响。通过水接触角、吸水率、热失重(TG)、锥形量热(CONE)、电镜扫描(SEM)、氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)、万能试验机等评价胶膜的相关性能。研究结果表明：随着DDBA添加量的增大，胶膜的耐水性、耐热性、阻燃性及力学性能不断提升，当DDBA的添加质量比为20%时，水接触角可达134.56°，提高了106.06%，吸水率降低了33.29%。耐受温度提高了60℃，LOI值为35.9%，烟气释放总量(TSP)和平均有效燃烧热(AEHC)分别减小了85.42%和55.76%，最大热释放速率(pHRR)、总释放热(THR)、CO2的释放量分别下降了35.40%、51.20%、58.49%，点燃时间延长了15 s，CO释放量提高了163.46%，拉伸强度可达25.7 MPa，约为改性前WPU的9.51倍。
为提高普通水性聚氨酯(WPU)耐热性、阻燃性和力学性能等，本文以9, 10-二氢-9-氧-10-磷菲-10氧化物(DOPO)和2, 2′-二烯丙基双酚A(DABA)为原料，通过“一步法”化学合成了双DOPO悬垂型阻燃剂DDBA，采用红外光谱(FTIR)和核磁共振(NMR)表征了其化学结构，并用其化学修饰WPU制备新型水性聚氨酯(DDBA/WPU)。研究了DDBA对DDBA/WPU胶膜材料耐水性、耐热性、阻燃性及力学性能的影响。通过水接触角、吸水率、热失重(TG)、锥形量热(CONE)、电镜扫描(SEM)、氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)、万能试验机等评价胶膜的相关性能。研究结果表明：随着DDBA添加量的增大，胶膜的耐水性、耐热性、阻燃性及力学性能不断提升，当DDBA的添加质量比为20%时，水接触角可达134.56°，提高了106.06%，吸水率降低了33.29%。耐受温度提高了60℃，LOI值为35.9%，烟气释放总量(TSP)和平均有效燃烧热(AEHC)分别减小了85.42%和55.76%，最大热释放速率(pHRR)、总释放热(THR)、CO2的释放量分别下降了35.40%、51.20%、58.49%，点燃时间延长了15 s，CO释放量提高了163.46%，拉伸强度可达25.7 MPa，约为改性前WPU的9.51倍。
2023, 40(5): 2670-2679.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220620.001
摘要:
柔性抓手能够在外部刺激下发生形变，在货物运输等领域有较好的应用。然而，目前使用的柔性抓手响应速度慢，对货物的形态和质量都有着较高要求，无法像人手一样适配绝大多数场景，因此有必要开发一种响应速度快、适配各种货物的柔性抓手。本文将硬磁材料——钕铁硼粉末(NdFeB)与硅橡胶(Room temperature vulcanized rubber，RTV橡胶)进行共混复合，形成了一种可打印的磁响应NdFeB-RTV橡胶复合材料。通过对墨水直写3D打印技术的制造工艺参数的探索和优化，将NdFeB-RTV橡胶复合材料的前驱体墨水打印成型。该材料固化后呈现出优异的力学性能—断裂伸长率接近300%，抗拉强度为1.03 MPa，拉伸杨氏模量为1.27 MPa，弯曲强度为78.06 MPa，弯曲模量为160.96 MPa。最后，本文采用墨水直写3D打印技术，设计制造了磁响应的四臂抓手机器人。利用机器人的磁致动与柔韧特性，实现了灵活变形、快速抓取、平稳运输等功能。
柔性抓手能够在外部刺激下发生形变，在货物运输等领域有较好的应用。然而，目前使用的柔性抓手响应速度慢，对货物的形态和质量都有着较高要求，无法像人手一样适配绝大多数场景，因此有必要开发一种响应速度快、适配各种货物的柔性抓手。本文将硬磁材料——钕铁硼粉末(NdFeB)与硅橡胶(Room temperature vulcanized rubber，RTV橡胶)进行共混复合，形成了一种可打印的磁响应NdFeB-RTV橡胶复合材料。通过对墨水直写3D打印技术的制造工艺参数的探索和优化，将NdFeB-RTV橡胶复合材料的前驱体墨水打印成型。该材料固化后呈现出优异的力学性能—断裂伸长率接近300%，抗拉强度为1.03 MPa，拉伸杨氏模量为1.27 MPa，弯曲强度为78.06 MPa，弯曲模量为160.96 MPa。最后，本文采用墨水直写3D打印技术，设计制造了磁响应的四臂抓手机器人。利用机器人的磁致动与柔韧特性，实现了灵活变形、快速抓取、平稳运输等功能。
2023, 40(5): 2680-2687.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220705.004
摘要:
近年来柔性电容压力传感器因兼具优异的力学性能和良好的灵敏性，广泛应用于医学诊断、电子皮肤、人工智能等重要领域。本文围绕提升电容式柔性传感器的灵敏度为目标，设计了一种基于多向冷冻工艺构筑的三维交联网络结构多壁碳纳米管(MWCNTs)/聚二甲基硅烷(PDMS)海绵为介质层的柔性电容式压力传感器，并对该传感器的制造过程、传感机制、响应性能和人体适用性进行表征。结果表明：通过多向冷冻法可成功构建三维网络结构MWCNTs/PDMS海绵介质层，且此介质层组装的柔性电容式压力传感器具有较高灵敏度(~1.94 kPa−1)、低检测限(~4 Pa)、快响应时间(~250 ms)、良好稳定性及人体适用性。该柔性传感器在可穿戴电子产品中具有良好的应用前景。
近年来柔性电容压力传感器因兼具优异的力学性能和良好的灵敏性，广泛应用于医学诊断、电子皮肤、人工智能等重要领域。本文围绕提升电容式柔性传感器的灵敏度为目标，设计了一种基于多向冷冻工艺构筑的三维交联网络结构多壁碳纳米管(MWCNTs)/聚二甲基硅烷(PDMS)海绵为介质层的柔性电容式压力传感器，并对该传感器的制造过程、传感机制、响应性能和人体适用性进行表征。结果表明：通过多向冷冻法可成功构建三维网络结构MWCNTs/PDMS海绵介质层，且此介质层组装的柔性电容式压力传感器具有较高灵敏度(~1.94 kPa−1)、低检测限(~4 Pa)、快响应时间(~250 ms)、良好稳定性及人体适用性。该柔性传感器在可穿戴电子产品中具有良好的应用前景。
2023, 40(5): 2688-2698.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221207.001
摘要:
为解决5G毫米波带来的电磁辐射及现有电磁屏蔽材料造成的环境二次污染、高雷达散射截面、光学不透明和难以共形等问题，本文以超材料吸波体为基础，提出了一个满足绿色屏蔽指数gs≥1的低雷达散射截面、光学透明和柔性多性能电磁屏蔽材料。该电磁屏蔽材料属于人工可设计的多层结构，使用透明导电材料氧化铟锡作为周期性谐振单元结构和底层铺地所用材料，透明材料聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氯乙烯作为介质层。仿真和实验结果一致性表明：该屏蔽材料在22~30 GHz频段内可实现未共形与共形角度60°状态>30 dB的绿色有效电磁屏蔽及>5 dB的雷达散射截面(RCS)缩减。理论推导的等效电路、等效参数和场分布论证了吸收屏蔽的原理。该绿色多性能电磁屏蔽材料精确覆盖了毫米波n257、n258和n261频段，可有效解决这些频段带来的电磁干扰问题。
为解决5G毫米波带来的电磁辐射及现有电磁屏蔽材料造成的环境二次污染、高雷达散射截面、光学不透明和难以共形等问题，本文以超材料吸波体为基础，提出了一个满足绿色屏蔽指数gs≥1的低雷达散射截面、光学透明和柔性多性能电磁屏蔽材料。该电磁屏蔽材料属于人工可设计的多层结构，使用透明导电材料氧化铟锡作为周期性谐振单元结构和底层铺地所用材料，透明材料聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氯乙烯作为介质层。仿真和实验结果一致性表明：该屏蔽材料在22~30 GHz频段内可实现未共形与共形角度60°状态>30 dB的绿色有效电磁屏蔽及>5 dB的雷达散射截面(RCS)缩减。理论推导的等效电路、等效参数和场分布论证了吸收屏蔽的原理。该绿色多性能电磁屏蔽材料精确覆盖了毫米波n257、n258和n261频段，可有效解决这些频段带来的电磁干扰问题。
2023, 40(5): 2699-2708.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220630.004
摘要:
羟基锡酸盐是近些年来人们日益关注的新型阻燃剂。本文从阻燃设计入手，通过化学共沉淀法合成了亚微米级羟基锡酸钙(CSH)立方体，并通过高倍模拟体液法原位快速包覆羟基磷灰石(HA)，得到羟基磷灰石包覆的羟基锡酸钙(CSH@HA)复合微纳米阻燃剂，并应用于软质聚氯乙烯(PVC)的阻燃研究。研究结果表明：CSH@HA对PVC展现出优异的阻燃效果。极少量的CSH@HA即能显著提高PVC的极限氧指数(LOI)，降低PVC燃烧时的热释放速率、热释放量、烟释放量和CO排放量。CSH@HA在PVC降解过程中通过与HCl反应，保护内层CSH，将PVC转化为更稳定的炭层结构。低填充量CSH@HA还在保持PVC的力学性能的同时提升材料的韧性。本文得到的CSH@HA复合阻燃剂为高效环保阻燃剂的开发提供了思路。
羟基锡酸盐是近些年来人们日益关注的新型阻燃剂。本文从阻燃设计入手，通过化学共沉淀法合成了亚微米级羟基锡酸钙(CSH)立方体，并通过高倍模拟体液法原位快速包覆羟基磷灰石(HA)，得到羟基磷灰石包覆的羟基锡酸钙(CSH@HA)复合微纳米阻燃剂，并应用于软质聚氯乙烯(PVC)的阻燃研究。研究结果表明：CSH@HA对PVC展现出优异的阻燃效果。极少量的CSH@HA即能显著提高PVC的极限氧指数(LOI)，降低PVC燃烧时的热释放速率、热释放量、烟释放量和CO排放量。CSH@HA在PVC降解过程中通过与HCl反应，保护内层CSH，将PVC转化为更稳定的炭层结构。低填充量CSH@HA还在保持PVC的力学性能的同时提升材料的韧性。本文得到的CSH@HA复合阻燃剂为高效环保阻燃剂的开发提供了思路。
2023, 40(5): 2709-2721.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220627.001
摘要:
将甲烷选择性转化为平台分子甲醇是有效利用天然气资源的理想途径之一，低碳排放的光催化技术可在室温常压下活化与转化甲烷，但水相光催化体系的甲烷转化性能仍较低。采用水热法首先合成富含氧缺陷的氧化钨(WO3-x)，借助聚四氟乙烯浓缩液(PTFE)将WO3-x负载至碳纤维(CFs)表面制备WO3-x/CFs三相光催化剂，改变PTFE添加量可调控WO3-x/CFs的表面浸润性，通过XRD、SEM、水接触角、电子顺磁共振波谱仪(EPR)和低温氮吸脱附等测试技术对催化剂的形貌、结构与表面特性进行系统表征。可见光催化实验结果表明：WO3-x/CFs三相体系可显著提升甲烷至甲醇的转化性能，最优催化剂WO3-x/CFs-0.3的甲烷转化量为2522.20 μmol·g−1，分别为WO3-x/氧化铟锡导电玻璃(Glas)与粉末WO3-x两相体系的1.76倍和2.48倍；相应的甲醇产生量为1918.83 μmol·g−1，分别为WO3-x/Glas与粉末WO3-x体系的2.81倍和4.69倍，同时三相体系的甲醇选择性高达76.76%。WO3-x/CFs光催化性能增强主要源于疏水性催化剂形成的气-液-固三相界面，消耗的甲烷可经CFs气体传输通道直接传质至催化界面，促进甲烷分子活化与转化。此外，三相光催化体系循环稳定性优异，WO3-x/CFs-0.3经6次循环后甲醇产生量仍可达1506.98 μmol·g−1。
将甲烷选择性转化为平台分子甲醇是有效利用天然气资源的理想途径之一，低碳排放的光催化技术可在室温常压下活化与转化甲烷，但水相光催化体系的甲烷转化性能仍较低。采用水热法首先合成富含氧缺陷的氧化钨(WO3-x)，借助聚四氟乙烯浓缩液(PTFE)将WO3-x负载至碳纤维(CFs)表面制备WO3-x/CFs三相光催化剂，改变PTFE添加量可调控WO3-x/CFs的表面浸润性，通过XRD、SEM、水接触角、电子顺磁共振波谱仪(EPR)和低温氮吸脱附等测试技术对催化剂的形貌、结构与表面特性进行系统表征。可见光催化实验结果表明：WO3-x/CFs三相体系可显著提升甲烷至甲醇的转化性能，最优催化剂WO3-x/CFs-0.3的甲烷转化量为2522.20 μmol·g−1，分别为WO3-x/氧化铟锡导电玻璃(Glas)与粉末WO3-x两相体系的1.76倍和2.48倍；相应的甲醇产生量为1918.83 μmol·g−1，分别为WO3-x/Glas与粉末WO3-x体系的2.81倍和4.69倍，同时三相体系的甲醇选择性高达76.76%。WO3-x/CFs光催化性能增强主要源于疏水性催化剂形成的气-液-固三相界面，消耗的甲烷可经CFs气体传输通道直接传质至催化界面，促进甲烷分子活化与转化。此外，三相光催化体系循环稳定性优异，WO3-x/CFs-0.3经6次循环后甲醇产生量仍可达1506.98 μmol·g−1。
2023, 40(5): 2722-2730.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220705.002
摘要:
对于高性能储能设备的迫切需求，使得理论能量密度达到2600 W·h/kg的锂硫电池(LSBs)变得极具吸引力。然而，低的容量可逆性和硫自身绝缘性的天然缺陷制约了其商业化进程。为了有效改善硫的导电性能，同时抑制多硫化物的穿梭效应，达到提高LSBs电化学性能的目的。本文采用逐层涂覆法在膨胀石墨(EG)/硫(S)复合正极极片表面涂覆氟化气相沉积碳纤维(FVGCF)，通过首次放电至2.5 V实现FVGCF嵌锂，在EG/S正极极片表面形成LiF和FVGCF复合层。电化学性能测试和形貌表征结果表明：采用FVGCF新型正极材料具有最佳的循环寿命，EGS-FVGCF在1 C电流密度下的初始放电比容量为691.8 mA·h/g，100次循环之后剩余比容量为549.5 mA·h/g。相对于EGS涂覆的单层结构，在EGS上面涂覆FVGCF的双层电池性能具备极大应用优势，放电过程中生成的LiF能够抑制多硫化物从正极到负极的穿梭。同时，放充电后的电极形貌表征发现FVGCF层的加入减少了极片表面的裂纹，表明FVGCF层在一定程度上缓冲了硫正极的体积膨胀。这种简单易操作的复合结构为开发高性能LSBs提供了一定参考。
对于高性能储能设备的迫切需求，使得理论能量密度达到2600 W·h/kg的锂硫电池(LSBs)变得极具吸引力。然而，低的容量可逆性和硫自身绝缘性的天然缺陷制约了其商业化进程。为了有效改善硫的导电性能，同时抑制多硫化物的穿梭效应，达到提高LSBs电化学性能的目的。本文采用逐层涂覆法在膨胀石墨(EG)/硫(S)复合正极极片表面涂覆氟化气相沉积碳纤维(FVGCF)，通过首次放电至2.5 V实现FVGCF嵌锂，在EG/S正极极片表面形成LiF和FVGCF复合层。电化学性能测试和形貌表征结果表明：采用FVGCF新型正极材料具有最佳的循环寿命，EGS-FVGCF在1 C电流密度下的初始放电比容量为691.8 mA·h/g，100次循环之后剩余比容量为549.5 mA·h/g。相对于EGS涂覆的单层结构，在EGS上面涂覆FVGCF的双层电池性能具备极大应用优势，放电过程中生成的LiF能够抑制多硫化物从正极到负极的穿梭。同时，放充电后的电极形貌表征发现FVGCF层的加入减少了极片表面的裂纹，表明FVGCF层在一定程度上缓冲了硫正极的体积膨胀。这种简单易操作的复合结构为开发高性能LSBs提供了一定参考。
2023, 40(5): 2731-2740.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220728.002
摘要:
可充电水系锌锰电池以高安全、低成本和对环境友好的特性在大规模储能领域有广泛的应用前景，但由于锰氧化合物自身导电差且在电池充放电过程中发生歧化反应在水中溶解，导致电池容量低、循环稳定性差。本文采用双针头对纺静电纺丝技术，结合预氧化、高温退火工艺，通过掺杂碳纳米管(CNTs)和导电炭黑(Super-P)对碳纳米纤维表面进行修饰，制备出具有凸起结构和导电网络的碳纳米纤维(CSCNFs)复合材料，再结合电化学沉积工艺，在纤维表面负载α-MnO2活性物质制备得到MnO2@CSCNFs阴极。其中，CNTs和Super-P协同构建了具有节点结构的导电网络通道，实现高效电子-离子协同传输。以MnO2@CSCNFs为阴极的电化学性能得到明显改善，初始容量达到784.8 mA·h·g−1，100圈循环后仍保持500 mA·h·g−1的放电比容量，2 A·g−1的大电流密度下仍保持290.8 mA·h·g−1的放电比容量，且当电流密度恢复到0.1 A·g−1时容量回复率高达96.33%。
可充电水系锌锰电池以高安全、低成本和对环境友好的特性在大规模储能领域有广泛的应用前景，但由于锰氧化合物自身导电差且在电池充放电过程中发生歧化反应在水中溶解，导致电池容量低、循环稳定性差。本文采用双针头对纺静电纺丝技术，结合预氧化、高温退火工艺，通过掺杂碳纳米管(CNTs)和导电炭黑(Super-P)对碳纳米纤维表面进行修饰，制备出具有凸起结构和导电网络的碳纳米纤维(CSCNFs)复合材料，再结合电化学沉积工艺，在纤维表面负载α-MnO2活性物质制备得到MnO2@CSCNFs阴极。其中，CNTs和Super-P协同构建了具有节点结构的导电网络通道，实现高效电子-离子协同传输。以MnO2@CSCNFs为阴极的电化学性能得到明显改善，初始容量达到784.8 mA·h·g−1，100圈循环后仍保持500 mA·h·g−1的放电比容量，2 A·g−1的大电流密度下仍保持290.8 mA·h·g−1的放电比容量，且当电流密度恢复到0.1 A·g−1时容量回复率高达96.33%。
2023, 40(5): 2741-2748.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220727.003
摘要:
作为锂离子电池的负极材料，Co3O4因其具有890 mA·h/g的高理论比容量而备受关注。本文通过简单的化学溶液法和热处理制备了Co3O4与膨胀石墨(EG)自组装的多面体复合材料(Co3O4-EG)。当用作锂离子电池的负极材料时，EG与Co3O4质量比为1∶3的Co3O4-EG复合材料电极在0.1 C的电流倍率下经过400次循环后的可逆容量仍高达418 mA·h/g，高于其他Co3O4-EG复合材料(质量比1∶4循环190圈后容量为273 mA·h/g，质量比1∶5循环135圈后的容量为329 mA·h/g)，且所有Co3O4-EG复合材料的放电容量均高于纯Co3O4(400圈循环后容量为40 mA·h/g)。Co3O4的纳米结构、EG的优良导电性及自组装后的多面体结构的协同作用使Co3O4-EG复合材料具有优异的储锂性能。
作为锂离子电池的负极材料，Co3O4因其具有890 mA·h/g的高理论比容量而备受关注。本文通过简单的化学溶液法和热处理制备了Co3O4与膨胀石墨(EG)自组装的多面体复合材料(Co3O4-EG)。当用作锂离子电池的负极材料时，EG与Co3O4质量比为1∶3的Co3O4-EG复合材料电极在0.1 C的电流倍率下经过400次循环后的可逆容量仍高达418 mA·h/g，高于其他Co3O4-EG复合材料(质量比1∶4循环190圈后容量为273 mA·h/g，质量比1∶5循环135圈后的容量为329 mA·h/g)，且所有Co3O4-EG复合材料的放电容量均高于纯Co3O4(400圈循环后容量为40 mA·h/g)。Co3O4的纳米结构、EG的优良导电性及自组装后的多面体结构的协同作用使Co3O4-EG复合材料具有优异的储锂性能。
2023, 40(5): 2749-2758.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220824.001
摘要:
太阳能界面水蒸发技术在解决目前人类所面临的能源和淡水资源短缺方面具有广阔的应用前景。水输运是太阳能水蒸发过程中十分重要的一环。理想状态下的水输运是输送适量的水来维持太阳能蒸发层高效、稳定的水蒸发。而蒸发层所拥有的多孔结构所产生的毛细管作用力决定了其水输运的能力。因此，蒸发层内部的孔隙结构非常重要。本文以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体，借助碳纳米管(CNTs)的优异光吸收能力，通过羟乙基纤维素(HEC)掺杂并与戊二醛进行交联制备了可用于太阳能界面水蒸发的CNTs-HEC/PVDF多孔复合膜。CNTs-HEC/PVDF复合膜的多孔结构形成的微通道提高了水输运和蒸汽逸出能力，从而增强了太阳能界面水蒸发性能。在1 kW·m−2的太阳光照射下，其水蒸发速率达到1.81 kg·m−2·h−1，相应的光热转化效率为95%。相关实验结果还展现出该复合膜具有优异的循环使用性能、化学稳定性和高效的污水净化能力。
太阳能界面水蒸发技术在解决目前人类所面临的能源和淡水资源短缺方面具有广阔的应用前景。水输运是太阳能水蒸发过程中十分重要的一环。理想状态下的水输运是输送适量的水来维持太阳能蒸发层高效、稳定的水蒸发。而蒸发层所拥有的多孔结构所产生的毛细管作用力决定了其水输运的能力。因此，蒸发层内部的孔隙结构非常重要。本文以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体，借助碳纳米管(CNTs)的优异光吸收能力，通过羟乙基纤维素(HEC)掺杂并与戊二醛进行交联制备了可用于太阳能界面水蒸发的CNTs-HEC/PVDF多孔复合膜。CNTs-HEC/PVDF复合膜的多孔结构形成的微通道提高了水输运和蒸汽逸出能力，从而增强了太阳能界面水蒸发性能。在1 kW·m−2的太阳光照射下，其水蒸发速率达到1.81 kg·m−2·h−1，相应的光热转化效率为95%。相关实验结果还展现出该复合膜具有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(5): 2759-2771.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220727.002
摘要:
3D打印技术在快速制造复杂形状零件方面获得了越来越多的关注。将锰锌铁氧体(MZF)作为增强体填充到聚乳酸(PLA)中，通过球磨混合和熔融挤出法制备出MZF/PLA复合线材，利用熔融沉积成形(FDM)制备出MZF/PLA复合材料。采用XRD、 SEM和矢量网络分析仪对不同复合比例的MZF/PLA复合材料的微观形貌、力学性能和电磁性能进行表征，并计算不同厚度的反射损耗，研究MZF的含量对复合材料吸波性能的影响。结果表明：当MZF含量为10wt%时，MZF/PLA复合材料的拉伸强度相比纯PLA提升了17.6%，随着MZF含量的提升，复合材料的吸波性能随之增强。当MZF的含量达到50wt%，在12.7 GHz处，厚度为7.4 mm时反射率达到最小值−55.3 dB，在厚度为7.9 mm时，有效吸波频带宽为4.5 GHz。因此，基于FDM制备的3D打印MZF/PLA复合材料具有良好的吸波性能和承载能力，是一种非常有前途的3D打印微波吸收材料。
3D打印技术在快速制造复杂形状零件方面获得了越来越多的关注。将锰锌铁氧体(MZF)作为增强体填充到聚乳酸(PLA)中，通过球磨混合和熔融挤出法制备出MZF/PLA复合线材，利用熔融沉积成形(FDM)制备出MZF/PLA复合材料。采用XRD、 SEM和矢量网络分析仪对不同复合比例的MZF/PLA复合材料的微观形貌、力学性能和电磁性能进行表征，并计算不同厚度的反射损耗，研究MZF的含量对复合材料吸波性能的影响。结果表明：当MZF含量为10wt%时，MZF/PLA复合材料的拉伸强度相比纯PLA提升了17.6%，随着MZF含量的提升，复合材料的吸波性能随之增强。当MZF的含量达到50wt%，在12.7 GHz处，厚度为7.4 mm时反射率达到最小值−55.3 dB，在厚度为7.9 mm时，有效吸波频带宽为4.5 GHz。因此，基于FDM制备的3D打印MZF/PLA复合材料具有良好的吸波性能和承载能力，是一种非常有前途的3D打印微波吸收材料。
2023, 40(5): 2772-2782.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220616.002
摘要:
由于形状记忆聚合物(SMP)较低的力学强度，不足以满足现今大多数商用复合材料的使用标准，严重限制了其在许多高级应用中的使用。因此，为制备高性能SMP复合材料，利用聚多巴胺(PDA)对纳米SiO2进行表面改性，制备了一种新型纳米填料SiO2@PDA，并通过SEM、XPS和FTIR对其结构和性能进行了表征。将SiO2和SiO2@PDA作为纳米填料填充到反式-1, 4-聚异戊二烯(TPI)中，制备了TPI形状记忆复合材料，系统的研究了TPI/SiO2和TPI/SiO2@PDA复合材料的热稳定性、力学性能和形状记忆性能。结果表明：PDA修饰增强了SiO2在TPI基体中的分散性和界面相互作用，从而使TPI/SiO2@PDA复合材料的热稳定性、力学性能得到提升的同时仍能够保持良好的形状记忆性能。当SiO2@PDA含量为1.5% (以TPI的质量为基准，下同)时，TPI复合材料的冲击强度和拉伸强度达到最大值，分别比纯TPI提高了43.5%和25%。此外，复合材料固定率(Rf)和回复率(Rr)均超过97%。
由于形状记忆聚合物(SMP)较低的力学强度，不足以满足现今大多数商用复合材料的使用标准，严重限制了其在许多高级应用中的使用。因此，为制备高性能SMP复合材料，利用聚多巴胺(PDA)对纳米SiO2进行表面改性，制备了一种新型纳米填料SiO2@PDA，并通过SEM、XPS和FTIR对其结构和性能进行了表征。将SiO2和SiO2@PDA作为纳米填料填充到反式-1, 4-聚异戊二烯(TPI)中，制备了TPI形状记忆复合材料，系统的研究了TPI/SiO2和TPI/SiO2@PDA复合材料的热稳定性、力学性能和形状记忆性能。结果表明：PDA修饰增强了SiO2在TPI基体中的分散性和界面相互作用，从而使TPI/SiO2@PDA复合材料的热稳定性、力学性能得到提升的同时仍能够保持良好的形状记忆性能。当SiO2@PDA含量为1.5% (以TPI的质量为基准，下同)时，TPI复合材料的冲击强度和拉伸强度达到最大值，分别比纯TPI提高了43.5%和25%。此外，复合材料固定率(Rf)和回复率(Rr)均超过97%。
2023, 40(5): 2783-2793.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220628.001
摘要:
TiO2/Bi2WO6异质结复合材料是可见光响应光催化活性最高的物质之一，其界面结构和微观形貌是影响光催化性能的重要因素。但是，如何可控“裁剪”TiO2/Bi2WO6异质结复合材料的界面结构与微观形貌仍面临巨大的挑战。本文采用缺陷诱导可控合成TiO2/Bi2WO6异质结复合材料，研究了TiO2基底表面缺陷尺寸、分布密度等对TiO2/Bi2WO6复合材料微观结构和光催化性能的影响。结果表明：热腐蚀合成温度、腐蚀时间是影响TiO2纳米带基底表面缺陷尺寸和分布的关键因素。TiO2纳米带基底表面的缺陷尺寸为26 nm，缺陷分布密度为12个/μm2，有利于合成界面结合良好的TiO2/Bi2WO6异质结复合材料。所得TiO2/Bi2WO6异质结复合材料在可见光辐照12 min后使罗丹明B(RhB)完全降解，辐照20 min后使亚甲基蓝(MB)完全降解，辐照70 min后对苯酚的降解率达43.8%。
TiO2/Bi2WO6异质结复合材料是可见光响应光催化活性最高的物质之一，其界面结构和微观形貌是影响光催化性能的重要因素。但是，如何可控“裁剪”TiO2/Bi2WO6异质结复合材料的界面结构与微观形貌仍面临巨大的挑战。本文采用缺陷诱导可控合成TiO2/Bi2WO6异质结复合材料，研究了TiO2基底表面缺陷尺寸、分布密度等对TiO2/Bi2WO6复合材料微观结构和光催化性能的影响。结果表明：热腐蚀合成温度、腐蚀时间是影响TiO2纳米带基底表面缺陷尺寸和分布的关键因素。TiO2纳米带基底表面的缺陷尺寸为26 nm，缺陷分布密度为12个/μm2，有利于合成界面结合良好的TiO2/Bi2WO6异质结复合材料。所得TiO2/Bi2WO6异质结复合材料在可见光辐照12 min后使罗丹明B(RhB)完全降解，辐照20 min后使亚甲基蓝(MB)完全降解，辐照70 min后对苯酚的降解率达43.8%。
2023, 40(5): 2794-2803.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220705.003
摘要:
为解决Cd0.5Zn0.5S易光腐蚀的缺点，两步水热法制备了坡缕石(PGS)负载Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe 层状双金属氢氧化物(LDH)复合材料(PGS-Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH)，通过Zn-Fe LDH和PGS提高光生载流子的分离效率。利用XRD、SEM、TEM、UV-Vis DRS和PL对材料的结构、形貌及光学性能进行了表征。电镜图像显示，片状Zn-Fe LDH表面附着针状PGS与颗粒状Cd0.5Zn0.5S。紫外-可见漫反射光谱表明PGS-Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH吸光区域比Cd0.5Zn0.5S宽，吸收边缘从560 nm红移至605 nm。PGS-Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH在光催化降解结晶紫(CV)中表现出良好的光催化活性，催化活性高于Cd0.5Zn0.5S和Zn-Fe LDH。当PGS 与Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH质量比为50%时，可见光照射60 min， 20 mg PGS-Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH对20 mg/L结晶紫溶液的去除率为97.5%，\begin{document}${\text{•}} {\rm{O}}_2^{-}$\end{document} ![]()
![]()
为解决Cd0.5Zn0.5S易光腐蚀的缺点，两步水热法制备了坡缕石(PGS)负载Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe 层状双金属氢氧化物(LDH)复合材料(PGS-Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH)，通过Zn-Fe LDH和PGS提高光生载流子的分离效率。利用XRD、SEM、TEM、UV-Vis DRS和PL对材料的结构、形貌及光学性能进行了表征。电镜图像显示，片状Zn-Fe LDH表面附着针状PGS与颗粒状Cd0.5Zn0.5S。紫外-可见漫反射光谱表明PGS-Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH吸光区域比Cd0.5Zn0.5S宽，吸收边缘从560 nm红移至605 nm。PGS-Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH在光催化降解结晶紫(CV)中表现出良好的光催化活性，催化活性高于Cd0.5Zn0.5S和Zn-Fe LDH。当PGS 与Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH质量比为50%时，可见光照射60 min， 20 mg PGS-Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH对20 mg/L结晶紫溶液的去除率为97.5%，
2023, 40(5): 2804-2817.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220729.001
摘要:
为富集回收低浓度矿山尾水中稀土资源，采用溶胶-凝胶法和水热法制备了纤维状外壳的磁性二氧化钛复合材料Fe3O4@fTiO2，利用SEM、TEM、XPS、FTIR和XRD对材料进行表征，考察了Fe3O4@fTiO2对稀土La3+的吸附行为。结果表明：Fe3O4@fTiO2是外壳为纤维状的核壳结构磁性复合材料；吸附剂具有良好的超顺磁性，饱和磁化强度高达30.81 emu·g−1；在15℃、pH=5的酸性条件下，Fe3O4@fTiO2对稀土La3+在15 min内达到吸附平衡，且符合伪一级动力学模型；Langmuir等温吸附模型能较好地描述吸附La3+过程，理论吸附容量为142.88 mg·g−1；Fe3O4@fTiO2在NaOH的再生下循环利用5次时的吸附量为110 mg·g−1，是首次吸附容量的73.8%，表现出良好的循环利用性。
为富集回收低浓度矿山尾水中稀土资源，采用溶胶-凝胶法和水热法制备了纤维状外壳的磁性二氧化钛复合材料Fe3O4@fTiO2，利用SEM、TEM、XPS、FTIR和XRD对材料进行表征，考察了Fe3O4@fTiO2对稀土La3+的吸附行为。结果表明：Fe3O4@fTiO2是外壳为纤维状的核壳结构磁性复合材料；吸附剂具有良好的超顺磁性，饱和磁化强度高达30.81 emu·g−1；在15℃、pH=5的酸性条件下，Fe3O4@fTiO2对稀土La3+在15 min内达到吸附平衡，且符合伪一级动力学模型；Langmuir等温吸附模型能较好地描述吸附La3+过程，理论吸附容量为142.88 mg·g−1；Fe3O4@fTiO2在NaOH的再生下循环利用5次时的吸附量为110 mg·g−1，是首次吸附容量的73.8%，表现出良好的循环利用性。
2023, 40(5): 2818-2826.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221213.002
摘要:
基于CsPbI2Br的全无机碳基钙钛矿太阳能电池由于碳电极与钙钛矿层间接触性能较差和能带不匹配等问题，导致其光电转化效率较低。本文采用简单的葡萄糖还原法结合煅烧技术制备了两种不同形貌和结构的规则八面体构型CuxO，将之作为无机空穴传输材料，制备了结构为导电玻璃(FTO)/SnO2/CsPbI2Br/CuxO/C的碳基钙钛矿太阳能电池，研究了CuO和Cu2O的形貌、结构对光电性能的影响机制。结果显示：CuO和Cu2O皆具有良好的化学稳定性和p型载流子传输特性，可有效增强CsPbI2Br钙钛矿层与碳电极层之间的界面接触，改善载流子传输性能，减少电荷复合，延长光电子寿命。基于Cu2O和CuO的CsPbI2Br基碳基钙钛矿太阳能电池(C-PSC)器件的光电转换效率最高分别为11.62%和13.22%，分别比空白对照器件的光电转化效率提高了19.5%和36.0%。此外，通过添加Cu2O和CuO，器件在空气中的长期稳定性也得到明显改善，该工作为提高碳基CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池的光电性能提供了一种简单有效的方法。
基于CsPbI2Br的全无机碳基钙钛矿太阳能电池由于碳电极与钙钛矿层间接触性能较差和能带不匹配等问题，导致其光电转化效率较低。本文采用简单的葡萄糖还原法结合煅烧技术制备了两种不同形貌和结构的规则八面体构型CuxO，将之作为无机空穴传输材料，制备了结构为导电玻璃(FTO)/SnO2/CsPbI2Br/CuxO/C的碳基钙钛矿太阳能电池，研究了CuO和Cu2O的形貌、结构对光电性能的影响机制。结果显示：CuO和Cu2O皆具有良好的化学稳定性和p型载流子传输特性，可有效增强CsPbI2Br钙钛矿层与碳电极层之间的界面接触，改善载流子传输性能，减少电荷复合，延长光电子寿命。基于Cu2O和CuO的CsPbI2Br基碳基钙钛矿太阳能电池(C-PSC)器件的光电转换效率最高分别为11.62%和13.22%，分别比空白对照器件的光电转化效率提高了19.5%和36.0%。此外，通过添加Cu2O和CuO，器件在空气中的长期稳定性也得到明显改善，该工作为提高碳基CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池的光电性能提供了一种简单有效的方法。
2023, 40(5): 2827-2835.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220704.003
摘要:
电解水制氢绿色无污染，或将成为日益紧张的能源问题与碳中和战略的重要突破方向。目前，贵金属稀缺，以Pt/C为代表的贵金属析氢(HER)催化剂不适宜长久使用。泡沫铁(IF)结构稳定、来源广泛，以IF作为基底，采取简单的浸泡方法在IF上原位生长针形片状的羟基氧化铁(FeOOH/IF)，然后通过真空处理制备含有氧空位的四氧化三铁(Ov-Fe3O4/IF)，进一步磷化掺杂，制备出氧空位和磷原子掺杂协同调控的四氧化三铁(P-Ov-Fe3O4/IF)纳米针。磷原子的掺杂可以优化铁原子周围电子环境，激活Fe3O4的催化活性；氧空位可以增强材料的导电性，并提供缺陷，更有助于磷原子的掺杂。结果表明：P-Ov-Fe3O4/IF析氢性能优异，在−10 mA·cm−2时，过电位仅40.96 mV，塔菲尔斜率为70.93 mV·dec−1，表现出类Pt/C性能，并且在不同电流下连续运作96 h后，电压变化基本忽略不计，稳定性优异。氧空位和磷原子掺杂可共同促进铁基材料的电催化析氢性能，本文为非贵金属电催化材料的制备提供了新的思路和策略。
电解水制氢绿色无污染，或将成为日益紧张的能源问题与碳中和战略的重要突破方向。目前，贵金属稀缺，以Pt/C为代表的贵金属析氢(HER)催化剂不适宜长久使用。泡沫铁(IF)结构稳定、来源广泛，以IF作为基底，采取简单的浸泡方法在IF上原位生长针形片状的羟基氧化铁(FeOOH/IF)，然后通过真空处理制备含有氧空位的四氧化三铁(Ov-Fe3O4/IF)，进一步磷化掺杂，制备出氧空位和磷原子掺杂协同调控的四氧化三铁(P-Ov-Fe3O4/IF)纳米针。磷原子的掺杂可以优化铁原子周围电子环境，激活Fe3O4的催化活性；氧空位可以增强材料的导电性，并提供缺陷，更有助于磷原子的掺杂。结果表明：P-Ov-Fe3O4/IF析氢性能优异，在−10 mA·cm−2时，过电位仅40.96 mV，塔菲尔斜率为70.93 mV·dec−1，表现出类Pt/C性能，并且在不同电流下连续运作96 h后，电压变化基本忽略不计，稳定性优异。氧空位和磷原子掺杂可共同促进铁基材料的电催化析氢性能，本文为非贵金属电催化材料的制备提供了新的思路和策略。
2023, 40(5): 2836-2846.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220803.005
摘要:
以新型二维材料氧化石墨烯和金属有机框架化合物ZIF-67为前驱体，通过溶剂热反应和高温焙烧过程，制备了一种三维交联石墨烯负载CoO纳米粒子(3D G/CoO)的复合催化剂材料。XRD、XPS、紫外可见漫反射、SEM和TEM等结构和形貌分析结果表明：平均粒径约为34.5 nm的CoO粒子均匀负载在三维交联石墨烯体相骨架中。三维石墨烯特有的光致热电子发射性能及两种材料间的协同作用，赋予了复合材料优异的光催化分解水制氢性能。在300 W氙灯照射下，催化分解水制氢速率为10.1 mmol·gcat−1·h−1；在520 nm波长可见光照射下，获得了7.77%的表观量子效率。催化剂循环使用5次，活性保持率为88%。此高性能可见光响应的三维复合催化剂材料的研究，对光催化领域中新型高效催化剂的开发和应用具有重要意义。
以新型二维材料氧化石墨烯和金属有机框架化合物ZIF-67为前驱体，通过溶剂热反应和高温焙烧过程，制备了一种三维交联石墨烯负载CoO纳米粒子(3D G/CoO)的复合催化剂材料。XRD、XPS、紫外可见漫反射、SEM和TEM等结构和形貌分析结果表明：平均粒径约为34.5 nm的CoO粒子均匀负载在三维交联石墨烯体相骨架中。三维石墨烯特有的光致热电子发射性能及两种材料间的协同作用，赋予了复合材料优异的光催化分解水制氢性能。在300 W氙灯照射下，催化分解水制氢速率为10.1 mmol·gcat−1·h−1；在520 nm波长可见光照射下，获得了7.77%的表观量子效率。催化剂循环使用5次，活性保持率为88%。此高性能可见光响应的三维复合催化剂材料的研究，对光催化领域中新型高效催化剂的开发和应用具有重要意义。
2023, 40(5): 2847-2858.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220826.001
摘要:
构建具有高效电荷转移途径的异质结材料是光催化降解水体复合污染物的关键。采用凝胶限域法将CdS量子点(CdS QDs)分散在金属有机凝胶MOX(Al)中，制备出CdS QDs@MOX(Al)异质结光催化剂。通过 XRD、TEM、XPS、N2吸附-脱附等温曲线、UV-Vis DRS、瞬态光电流(TPC)响应和电化学阻抗谱(EIS)等手段对样品的组成结构和界面电荷传输效率进行了表征及分析，并探讨了在可见光下协同降解诺氟沙星(NF)和还原Cr(VI)的催化活性和机制。结果表明：1.0-CdS QDs@MOX(Al)对NF/Cr(VI)复合污染物体系表现出优异的光催化活性，降解过程符合伪一级动力学模型，表观速率常数k分别是纯MOX(Al)和CdS的6.1(8.5)倍和5.3(3.5)倍。与单一污染物体系相比，CdS QDs@MOX(Al)对NF/Cr(VI)复合污染物体系的光催化效率显著提高。活性物种捕获实验证实h+和•O2−为主要活性物种，光催化活性的增强主要归因于MOX(Al)和CdS QDs间形成的Type-II型异质结构，加速了光生电荷在异质结构界面处的有效分离和转移。
构建具有高效电荷转移途径的异质结材料是光催化降解水体复合污染物的关键。采用凝胶限域法将CdS量子点(CdS QDs)分散在金属有机凝胶MOX(Al)中，制备出CdS QDs@MOX(Al)异质结光催化剂。通过 XRD、TEM、XPS、N2吸附-脱附等温曲线、UV-Vis DRS、瞬态光电流(TPC)响应和电化学阻抗谱(EIS)等手段对样品的组成结构和界面电荷传输效率进行了表征及分析，并探讨了在可见光下协同降解诺氟沙星(NF)和还原Cr(VI)的催化活性和机制。结果表明：1.0-CdS QDs@MOX(Al)对NF/Cr(VI)复合污染物体系表现出优异的光催化活性，降解过程符合伪一级动力学模型，表观速率常数k分别是纯MOX(Al)和CdS的6.1(8.5)倍和5.3(3.5)倍。与单一污染物体系相比，CdS QDs@MOX(Al)对NF/Cr(VI)复合污染物体系的光催化效率显著提高。活性物种捕获实验证实h+和•O2−为主要活性物种，光催化活性的增强主要归因于MOX(Al)和CdS QDs间形成的Type-II型异质结构，加速了光生电荷在异质结构界面处的有效分离和转移。
2023, 40(5): 2859-2875.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220706.001
摘要:
粘结滑移本构模型可以反映两种材料界面协同工作的性能，国内外对于玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋/普通混凝土的粘结滑移研究较多，对GFRP筋与工程用水泥基复合材料(ECC)的研究较少，尤其是盐碱或冻融环境下。共制作了66个GFRP筋/混凝土拉拔试件，对比了普通环境、盐碱和冻融循环条件下，GFRP筋表面形式、基体类型和混凝土强度等因素变化时，试件的破坏形式、粘结机制及粘结滑移曲线的差异。研究结果表明：带肋GFRP筋/ECC试件主要发生拔出且带缝破坏；冻融循环后的带肋GFRP筋/普通混凝土试件由劈裂破坏变为拔出且带缝破坏；冻融循环使试件的粘结滑移曲线斜率变小；发生拔出破坏和拔出且带缝破坏的试件残余段曲线呈波浪式衰减，且残余应力峰值之间的滑移量约为一个肋间距。与现有粘结滑移模型进行拟合，根据拟合结果和GFRP筋/ECC材料在3种环境下实际粘结滑移特点，提出了包含参数A、B、α的粘结滑移曲线模型，与试验结果拟合相关系数R2均在0.9以上，得到参数A、B、α的取值分别集中在−0.6~0.2，−0.1~0.1和−0.6~−0.3之间。并根据不同学者的试验结果进一步验证了建议模型的可行性和普适性。
粘结滑移本构模型可以反映两种材料界面协同工作的性能，国内外对于玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋/普通混凝土的粘结滑移研究较多，对GFRP筋与工程用水泥基复合材料(ECC)的研究较少，尤其是盐碱或冻融环境下。共制作了66个GFRP筋/混凝土拉拔试件，对比了普通环境、盐碱和冻融循环条件下，GFRP筋表面形式、基体类型和混凝土强度等因素变化时，试件的破坏形式、粘结机制及粘结滑移曲线的差异。研究结果表明：带肋GFRP筋/ECC试件主要发生拔出且带缝破坏；冻融循环后的带肋GFRP筋/普通混凝土试件由劈裂破坏变为拔出且带缝破坏；冻融循环使试件的粘结滑移曲线斜率变小；发生拔出破坏和拔出且带缝破坏的试件残余段曲线呈波浪式衰减，且残余应力峰值之间的滑移量约为一个肋间距。与现有粘结滑移模型进行拟合，根据拟合结果和GFRP筋/ECC材料在3种环境下实际粘结滑移特点，提出了包含参数A、B、α的粘结滑移曲线模型，与试验结果拟合相关系数R2均在0.9以上，得到参数A、B、α的取值分别集中在−0.6~0.2，−0.1~0.1和−0.6~−0.3之间。并根据不同学者的试验结果进一步验证了建议模型的可行性和普适性。
2023, 40(5): 2876-2884.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220726.001
摘要:
将再生混凝土视为由砂浆相、再生骨料相和二者砂浆之间的界面过渡区相(ITZ-2)组成的非均质复合材料，其中砂浆相由细骨料、细骨料-新砂浆界面过渡区(ITZ-1)、硬化水泥浆体三相组成，而再生骨料相由旧骨料、附着砂浆及旧骨料与旧砂浆的界面(ITZ-3)三相组成。基于N层球夹杂理论，考虑微观相的影响，建立了再生混凝土有效氯离子扩散系数预测的五相多尺度模型，通过硬化水泥浆体、砂浆和再生混凝土的稳态扩散系数实测值与模型预测值对比分析，验证其模型的准确性和有效性；最后，进一步讨论了氯离子侵蚀时间、再生骨料体积分数和附着砂浆含量等关键参数对其有效扩散系数的影响。结果表明：有效扩散系数预测值与试验值吻合较好，说明模型对预测再生混凝土的有效氯离子扩散系数具有普适性，为氯盐环境下再生混凝土耐久性评估与寿命预测提供理论依据。
将再生混凝土视为由砂浆相、再生骨料相和二者砂浆之间的界面过渡区相(ITZ-2)组成的非均质复合材料，其中砂浆相由细骨料、细骨料-新砂浆界面过渡区(ITZ-1)、硬化水泥浆体三相组成，而再生骨料相由旧骨料、附着砂浆及旧骨料与旧砂浆的界面(ITZ-3)三相组成。基于N层球夹杂理论，考虑微观相的影响，建立了再生混凝土有效氯离子扩散系数预测的五相多尺度模型，通过硬化水泥浆体、砂浆和再生混凝土的稳态扩散系数实测值与模型预测值对比分析，验证其模型的准确性和有效性；最后，进一步讨论了氯离子侵蚀时间、再生骨料体积分数和附着砂浆含量等关键参数对其有效扩散系数的影响。结果表明：有效扩散系数预测值与试验值吻合较好，说明模型对预测再生混凝土的有效氯离子扩散系数具有普适性，为氯盐环境下再生混凝土耐久性评估与寿命预测提供理论依据。
2023, 40(5): 2885-2896.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220811.004
摘要:
为提高金属圆管组合挂板的吸能性能，提出一种填充泡沫混凝土铝管组合挂板。在铝管中分别填充不同密度(300 kg/m3、700 kg/m3、1100 kg/m3)的泡沫混凝土，并对单根填充泡沫混凝土铝管和填充泡沫混凝土铝管组合挂板在准静态压缩下的变形模式、力学性能和吸能性能进行试验研究。结果表明：与单根空铝管相比，填充300 kg/m3泡沫混凝土会小幅降低填充铝管的吸能性能，随着填充物密度增加至700 kg/m3和1100 kg/m3，填充铝管的吸能性能大幅提升，能量吸收总量分别提高286%和815%；与单根铝管压缩相比，组合挂板中填充铝管产生的挤压作用会大幅提升空铝管和填充300 kg/m3泡沫混凝土铝管组合挂板的比吸能，分别提升28.6%和68.9%，而降低填充700 kg/m3和1100 kg/m3泡沫混凝土铝管组合挂板的比吸能，分别降低42.7%和38.1%。因此，考虑组合挂板实际应用，当泡沫混凝土填充物密度较小时，建议选择较小铝管间距；当泡沫混凝土填充物密度较大时，建议选择较大铝管间距防止芯层铝管发生挤压。
为提高金属圆管组合挂板的吸能性能，提出一种填充泡沫混凝土铝管组合挂板。在铝管中分别填充不同密度(300 kg/m3、700 kg/m3、1100 kg/m3)的泡沫混凝土，并对单根填充泡沫混凝土铝管和填充泡沫混凝土铝管组合挂板在准静态压缩下的变形模式、力学性能和吸能性能进行试验研究。结果表明：与单根空铝管相比，填充300 kg/m3泡沫混凝土会小幅降低填充铝管的吸能性能，随着填充物密度增加至700 kg/m3和1100 kg/m3，填充铝管的吸能性能大幅提升，能量吸收总量分别提高286%和815%；与单根铝管压缩相比，组合挂板中填充铝管产生的挤压作用会大幅提升空铝管和填充300 kg/m3泡沫混凝土铝管组合挂板的比吸能，分别提升28.6%和68.9%，而降低填充700 kg/m3和1100 kg/m3泡沫混凝土铝管组合挂板的比吸能，分别降低42.7%和38.1%。因此，考虑组合挂板实际应用，当泡沫混凝土填充物密度较小时，建议选择较小铝管间距；当泡沫混凝土填充物密度较大时，建议选择较大铝管间距防止芯层铝管发生挤压。
2023, 40(5): 2897-2912.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220706.003
摘要:
考虑玄武岩纤维体积分数和长径比两个主要因素，通过直接拉伸试验，研究玄武岩纤维对混凝土轴心受拉破坏形态、应力-应变全曲线、受拉荷载变形性能和韧性的影响。结果表明：玄武岩纤维增强混凝土单轴受拉破坏呈明显的塑性特征，玄武岩纤维显著增强了混凝土在轴心受拉荷载作用下的韧性；与普通混凝土(NC)相比，随着玄武岩纤维增强因子的提高，轴心受拉应力-应变全曲线特征点和断裂能均呈先增大后减小的趋势；基于轴心受拉应力-应变全曲线分析，提出关于纤维体积分数和长径比的玄武岩纤维混凝土轴心受拉应力-应变本构模型，可供玄武岩纤维混凝土结构和构件的非线性分析和工程设计参考。对比分析拉压比、折压比和单轴拉伸破坏断裂能3种韧性指标，发现断裂能可以准确评价玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)受拉韧性，BFRC韧性较NC最大提升率为43.0%。
考虑玄武岩纤维体积分数和长径比两个主要因素，通过直接拉伸试验，研究玄武岩纤维对混凝土轴心受拉破坏形态、应力-应变全曲线、受拉荷载变形性能和韧性的影响。结果表明：玄武岩纤维增强混凝土单轴受拉破坏呈明显的塑性特征，玄武岩纤维显著增强了混凝土在轴心受拉荷载作用下的韧性；与普通混凝土(NC)相比，随着玄武岩纤维增强因子的提高，轴心受拉应力-应变全曲线特征点和断裂能均呈先增大后减小的趋势；基于轴心受拉应力-应变全曲线分析，提出关于纤维体积分数和长径比的玄武岩纤维混凝土轴心受拉应力-应变本构模型，可供玄武岩纤维混凝土结构和构件的非线性分析和工程设计参考。对比分析拉压比、折压比和单轴拉伸破坏断裂能3种韧性指标，发现断裂能可以准确评价玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)受拉韧性，BFRC韧性较NC最大提升率为43.0%。
2023, 40(5): 2913-2925.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220721.001
摘要:
为研究刻槽构造对钢绞线网增强工程用水泥基复合材料(High strength steel wire mesh reinforced engineered cementitious composites，HSSWM-ECC)与混凝土界面粘结性能的影响，考虑刻槽数量、刻槽深度、钢绞线直径、纵向钢绞线配筋率及ECC抗拉强度等因素，对设计制作的12组36个梁铰式试件进行了界面粘结性能试验。结果表明：HSSWM-ECC与混凝土界面粘结破坏形态有界面剥离破坏和钢绞线断裂破坏两种；在刻槽参与受力总宽度20 mm及槽深5 mm范围内，增加刻槽数量和刻槽深度均能有效提高界面粘结性能；而纵向钢绞线配筋率和ECC抗拉强度与界面粘结性能指标(粘结应力及对应滑移量)呈线性相关性。基于刻槽界面粘结机制分析，建立了考虑界面键槽特征(刻槽数量、槽深)及HSSWM-ECC层强度特征(钢绞线配筋率、钢绞线直径、ECC抗拉强度等)的刻槽处理界面抗剪承载力预测模型。经验证分析，该界面受剪承载力计算模型与试验结果吻合良好。
为研究刻槽构造对钢绞线网增强工程用水泥基复合材料(High strength steel wire mesh reinforced engineered cementitious composites，HSSWM-ECC)与混凝土界面粘结性能的影响，考虑刻槽数量、刻槽深度、钢绞线直径、纵向钢绞线配筋率及ECC抗拉强度等因素，对设计制作的12组36个梁铰式试件进行了界面粘结性能试验。结果表明：HSSWM-ECC与混凝土界面粘结破坏形态有界面剥离破坏和钢绞线断裂破坏两种；在刻槽参与受力总宽度20 mm及槽深5 mm范围内，增加刻槽数量和刻槽深度均能有效提高界面粘结性能；而纵向钢绞线配筋率和ECC抗拉强度与界面粘结性能指标(粘结应力及对应滑移量)呈线性相关性。基于刻槽界面粘结机制分析，建立了考虑界面键槽特征(刻槽数量、槽深)及HSSWM-ECC层强度特征(钢绞线配筋率、钢绞线直径、ECC抗拉强度等)的刻槽处理界面抗剪承载力预测模型。经验证分析，该界面受剪承载力计算模型与试验结果吻合良好。
2023, 40(5): 2926-2937.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220707.003
摘要:
高延性混凝土(High ductile fiber-reinforced concrete，HDC)具有良好的变形能力，用其替代普通混凝土，与高强钢筋结合形成构件，可使高强钢筋的强度利用率有效提高。本文基于我国《混凝土结构设计规范》(GB/T 50010—2010)中钢筋混凝土构件正截面承载力计算方法，对高强钢筋混凝土构件和高强钢筋HDC构件的正截面承载力进行分析，推导了相对界限受压区高度、最大与最小配筋率、受压区高度取值范围和轴压比限值等系数，研究了不同强度等级的钢筋、混凝土和HDC对各计算系数的影响，给出高强钢筋HDC构件正截面承载力计算方法，其计算结果与试验结果误差的平均值在12.5%以内。
高延性混凝土(High ductile fiber-reinforced concrete，HDC)具有良好的变形能力，用其替代普通混凝土，与高强钢筋结合形成构件，可使高强钢筋的强度利用率有效提高。本文基于我国《混凝土结构设计规范》(GB/T 50010—2010)中钢筋混凝土构件正截面承载力计算方法，对高强钢筋混凝土构件和高强钢筋HDC构件的正截面承载力进行分析，推导了相对界限受压区高度、最大与最小配筋率、受压区高度取值范围和轴压比限值等系数，研究了不同强度等级的钢筋、混凝土和HDC对各计算系数的影响，给出高强钢筋HDC构件正截面承载力计算方法，其计算结果与试验结果误差的平均值在12.5%以内。
2023, 40(5): 2938-2950.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220804.004
摘要:
设计了常温(25℃)、200℃、400℃和600℃四个工况，通过模型试验方法探究了玄武岩纤维增强树脂复合材料(Basalt fiber reinforced polymer，BFRP)筋钢-混组合梁高温后的破坏形态和力学性能。通过分析试验梁裂缝开展、挠度变形、温度场和破坏过程规律，研究BFRP筋和普通钢筋钢-混组合梁的破坏模式和承载能力。结果表明：经历400℃高温后，BFRP筋劣化导致力学性能大幅降低；筋体膨胀导致混凝土板开裂，其裂缝开展与普通钢筋钢-混组合梁显著不同，主裂缝沿横向筋材规律开展，且裂缝较宽。温度低于400℃时，由于混凝土的包裹，BFRP筋未达到劣化温度，两种钢-混组合梁承载能力和外观差别较小；600℃后，BFRP筋劣化，削弱了混凝土板刚度和强度，导致BFRP筋钢-混组合梁承载能力比普通钢筋钢-混组合梁降低更多；BFRP筋钢-混组合梁因整体刚度较小，加载后变形更大。高温后两种钢-混组合梁破坏模式相似，均为剪切破坏，有明显弹性、弹塑性和破坏阶段；600℃时，两种钢-混组合梁延性大幅降低，塑性变形减少，破坏较为突然。研究成果可为BFRP筋在钢-混组合梁中的应用提供参考。
设计了常温(25℃)、200℃、400℃和600℃四个工况，通过模型试验方法探究了玄武岩纤维增强树脂复合材料(Basalt fiber reinforced polymer，BFRP)筋钢-混组合梁高温后的破坏形态和力学性能。通过分析试验梁裂缝开展、挠度变形、温度场和破坏过程规律，研究BFRP筋和普通钢筋钢-混组合梁的破坏模式和承载能力。结果表明：经历400℃高温后，BFRP筋劣化导致力学性能大幅降低；筋体膨胀导致混凝土板开裂，其裂缝开展与普通钢筋钢-混组合梁显著不同，主裂缝沿横向筋材规律开展，且裂缝较宽。温度低于400℃时，由于混凝土的包裹，BFRP筋未达到劣化温度，两种钢-混组合梁承载能力和外观差别较小；600℃后，BFRP筋劣化，削弱了混凝土板刚度和强度，导致BFRP筋钢-混组合梁承载能力比普通钢筋钢-混组合梁降低更多；BFRP筋钢-混组合梁因整体刚度较小，加载后变形更大。高温后两种钢-混组合梁破坏模式相似，均为剪切破坏，有明显弹性、弹塑性和破坏阶段；600℃时，两种钢-混组合梁延性大幅降低，塑性变形减少，破坏较为突然。研究成果可为BFRP筋在钢-混组合梁中的应用提供参考。
2023, 40(5): 2951-2959.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220712.002
摘要:
为研究稻壳灰橡胶混凝土(RRC)的抗冻融性能，对比分析在氯盐环境下冻融循环后，普通混凝土(Normal concrete，NC)、橡胶混凝土(Rubber concrete，RC)和RRC的质量损失、相对动弹模量损失、强度损失及微观结构特征，同时对相对动弹模量与相对抗压强度的关系进行拟合分析。结果发现：随冻融循环次数增加，稻壳灰橡胶混凝土表面坑蚀愈明显，内部孔隙增多，微裂缝发展并贯通，宏观强度显著降低，相对动弹模量与抗压强度有良好相关性，拟合结果较优。橡胶的高弹性和稻壳灰极高的火山灰效应有效缓解了冻胀力带来的损伤，各冻融阶段RRC的损伤程度均明显优于NC，其中以稻壳灰掺量(占胶凝材料质量比)为10%、橡胶掺量(等体积取代砂)为10%时的RRC力学性能与抗冻融性能综合最优，经历120次冻融循环后，其抗压强度损失率较NC降低了18%。
为研究稻壳灰橡胶混凝土(RRC)的抗冻融性能，对比分析在氯盐环境下冻融循环后，普通混凝土(Normal concrete，NC)、橡胶混凝土(Rubber concrete，RC)和RRC的质量损失、相对动弹模量损失、强度损失及微观结构特征，同时对相对动弹模量与相对抗压强度的关系进行拟合分析。结果发现：随冻融循环次数增加，稻壳灰橡胶混凝土表面坑蚀愈明显，内部孔隙增多，微裂缝发展并贯通，宏观强度显著降低，相对动弹模量与抗压强度有良好相关性，拟合结果较优。橡胶的高弹性和稻壳灰极高的火山灰效应有效缓解了冻胀力带来的损伤，各冻融阶段RRC的损伤程度均明显优于NC，其中以稻壳灰掺量(占胶凝材料质量比)为10%、橡胶掺量(等体积取代砂)为10%时的RRC力学性能与抗冻融性能综合最优，经历120次冻融循环后，其抗压强度损失率较NC降低了18%。
2023, 40(5): 2960-2971.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220707.002
摘要:
通过向蒸养混凝土中掺入橡胶颗粒制备蒸养橡胶混凝土来抑制蒸养过程中混凝土产生的热损伤。通过试验测试了蒸养橡胶混凝土的抗压强度；建立了考虑界面过渡区的橡胶混凝土随机骨料模型，基于ABAQUS，模拟研究了橡胶颗粒对降温阶段混凝土温度损伤应力的影响，从细观角度研究橡胶颗粒抑制蒸养混凝土中微裂纹发展规律，并将温度损伤应力作为初始缺陷，模拟了橡胶混凝土的抗压性能，验证了模拟结果的可靠性；通过压汞(Mercury intrusion porosimetry，MIP)测试研究了橡胶颗粒对蒸养混凝土孔结构的影响；通过超景深显微镜研究了橡胶与水泥石之间的结合情况。研究结果表明：橡胶颗粒掺入可以抑制蒸养混凝土的热损伤，减少强度损失。橡胶颗粒可以有效降低蒸养混凝土试件的总孔隙率，蒸养橡胶混凝土试件有害孔径较未掺加橡胶颗粒的普通蒸养混凝土下降了3.1%，同时改善了橡胶和水泥基体的粘结状况。
通过向蒸养混凝土中掺入橡胶颗粒制备蒸养橡胶混凝土来抑制蒸养过程中混凝土产生的热损伤。通过试验测试了蒸养橡胶混凝土的抗压强度；建立了考虑界面过渡区的橡胶混凝土随机骨料模型，基于ABAQUS，模拟研究了橡胶颗粒对降温阶段混凝土温度损伤应力的影响，从细观角度研究橡胶颗粒抑制蒸养混凝土中微裂纹发展规律，并将温度损伤应力作为初始缺陷，模拟了橡胶混凝土的抗压性能，验证了模拟结果的可靠性；通过压汞(Mercury intrusion porosimetry，MIP)测试研究了橡胶颗粒对蒸养混凝土孔结构的影响；通过超景深显微镜研究了橡胶与水泥石之间的结合情况。研究结果表明：橡胶颗粒掺入可以抑制蒸养混凝土的热损伤，减少强度损失。橡胶颗粒可以有效降低蒸养混凝土试件的总孔隙率，蒸养橡胶混凝土试件有害孔径较未掺加橡胶颗粒的普通蒸养混凝土下降了3.1%，同时改善了橡胶和水泥基体的粘结状况。
2023, 40(5): 2972-2987.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220629.003
摘要:
为探究掺入青稞秸秆灰(HBSA)对氯氧镁水泥(MOC)的耐久性能与孔隙结构的影响，采用HBSA来改善MOC的耐久性能，制备青稞秸秆灰-氯氧镁水泥复合材料。对不同HBSA掺量的氯氧镁水泥砂浆(MOCM)分别在盐湖卤水侵蚀、冻融循环侵蚀及盐冻耦合侵蚀条件下的耐久性能进行研究，采用相对质量评价参数、相对动弹性模量评价参数及相对抗压强度评价参数3种耐久性评价指标来反映MOCM的耐久性能劣化规律，并确定HBSA的最佳掺量。通过表观形貌分析及孔隙结构测试，揭示不同侵蚀环境下MOCM的耐久性损伤劣化程度及孔隙结构特征。结果表明：冻融循环侵蚀对MOCM造成的耐久性损伤程度比盐卤侵蚀及盐冻耦合侵蚀更严重，MOCM试件表面产生了更多的宏观裂缝。HBSA掺入能够显著改善MOCM的耐久性能。当HBSA掺量为10wt%时，MOCM在盐湖卤水侵蚀、冻融循环侵蚀及盐冻耦合侵蚀条件下的耐久性能分别比未掺HBSA时提高了21.24%、23.48%和18.91%。掺入10wt%HBSA的MOCM的开口孔隙率减小，比表面积增大，最可几孔径和平均孔径减小，细化了MOCM的孔隙结构，提高了耐久性能。
为探究掺入青稞秸秆灰(HBSA)对氯氧镁水泥(MOC)的耐久性能与孔隙结构的影响，采用HBSA来改善MOC的耐久性能，制备青稞秸秆灰-氯氧镁水泥复合材料。对不同HBSA掺量的氯氧镁水泥砂浆(MOCM)分别在盐湖卤水侵蚀、冻融循环侵蚀及盐冻耦合侵蚀条件下的耐久性能进行研究，采用相对质量评价参数、相对动弹性模量评价参数及相对抗压强度评价参数3种耐久性评价指标来反映MOCM的耐久性能劣化规律，并确定HBSA的最佳掺量。通过表观形貌分析及孔隙结构测试，揭示不同侵蚀环境下MOCM的耐久性损伤劣化程度及孔隙结构特征。结果表明：冻融循环侵蚀对MOCM造成的耐久性损伤程度比盐卤侵蚀及盐冻耦合侵蚀更严重，MOCM试件表面产生了更多的宏观裂缝。HBSA掺入能够显著改善MOCM的耐久性能。当HBSA掺量为10wt%时，MOCM在盐湖卤水侵蚀、冻融循环侵蚀及盐冻耦合侵蚀条件下的耐久性能分别比未掺HBSA时提高了21.24%、23.48%和18.91%。掺入10wt%HBSA的MOCM的开口孔隙率减小，比表面积增大，最可几孔径和平均孔径减小，细化了MOCM的孔隙结构，提高了耐久性能。
2023, 40(5): 2988-3001.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220809.005
摘要:
通过表面疏水性能试验、力学性能试验、界面粘结性能试验和混凝土盐冻试验，研究了无机矿物对水性氟碳涂料性能的影响，研究了盐冻环境下无机矿物氟碳复合涂料附着力变化，分析了其对混凝土单位面积剥落量的影响，结合微观形貌变化和孔结构变化，分析了混凝土抗盐冻性能提升机制。结果表明：单掺硅溶胶时，氟碳复合涂料水接触角较氟碳涂料增大了10.2%，其铅笔硬度高达3 H；三掺硅溶胶、海泡石粉和铁尾矿粉时，氟碳复合涂料铅笔硬度高达3 H，其附着力增大了44.2%；复掺硅溶胶和海泡石粉时，氟碳复合涂料性能介于两者之间。盐冻环境下单掺硅溶胶氟碳复合涂料残余附着力最大。无机矿物氟碳复合涂料能显著改善混凝土抗剥蚀性能，但改善效果较氟碳涂料不显著。盐冻环境下水性氟碳涂料产生部分微孔，孔结构粗化，而单掺硅溶胶氟碳复合涂料微观结构仍较致密，其最可几孔径略有增大，涂料仅略有损伤。单掺硅溶胶氟碳复合涂料防护下混凝土微观结构更致密，其单位面积剥落量较未防护时降低幅度高达81.2%。为寒冷地区盐冻环境下混凝土防护涂料的设计提供了试验和理论依据。
通过表面疏水性能试验、力学性能试验、界面粘结性能试验和混凝土盐冻试验，研究了无机矿物对水性氟碳涂料性能的影响，研究了盐冻环境下无机矿物氟碳复合涂料附着力变化，分析了其对混凝土单位面积剥落量的影响，结合微观形貌变化和孔结构变化，分析了混凝土抗盐冻性能提升机制。结果表明：单掺硅溶胶时，氟碳复合涂料水接触角较氟碳涂料增大了10.2%，其铅笔硬度高达3 H；三掺硅溶胶、海泡石粉和铁尾矿粉时，氟碳复合涂料铅笔硬度高达3 H，其附着力增大了44.2%；复掺硅溶胶和海泡石粉时，氟碳复合涂料性能介于两者之间。盐冻环境下单掺硅溶胶氟碳复合涂料残余附着力最大。无机矿物氟碳复合涂料能显著改善混凝土抗剥蚀性能，但改善效果较氟碳涂料不显著。盐冻环境下水性氟碳涂料产生部分微孔，孔结构粗化，而单掺硅溶胶氟碳复合涂料微观结构仍较致密，其最可几孔径略有增大，涂料仅略有损伤。单掺硅溶胶氟碳复合涂料防护下混凝土微观结构更致密，其单位面积剥落量较未防护时降低幅度高达81.2%。为寒冷地区盐冻环境下混凝土防护涂料的设计提供了试验和理论依据。
2023, 40(5): 3002-3017.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220622.002
摘要:
自然界超疏水现象因独特的润湿性能被广泛关注，超疏水涂层的制备与应用尤为迫切。采用硝酸铈六水合物(Ce(NO3)3·6H2O)共沉淀法于纤维素纳米纤维(CNFs)表面合成二氧化铈(CeO2)，通过十八烷基三甲基硅氧烷(OTMS)对其进行疏水改性，喷涂构筑得到超疏水涂层。探讨了CNFs、Ce(NO3)3·6H2O和OTMS不同质量比对超疏水涂层形貌和疏水性能的影响。结果表明：CNFs和Ce(NO3)3·6H2O质量比为1∶5和1∶7涂层具有实现超疏水特性的微/纳结构，其中CNFs、Ce(NO3)3·6H2O和OTMS质量比为1∶5∶10涂层接触角为(159.7±1.1)°，滚动角为(5.7±1.8)°，经过150°C高温处理3 h和UV照射36 h后接触角仍大于150°，同时具有良好的pH稳定性和一定的力学强度。涂层应用于玻璃、纸、木材和海绵等基体均可构筑超疏水表面并赋予其优异的自清洁性能，其中超疏水玻璃涂层对UV-A和UV-B紫外透过率分别为12.6%和0.1%，超疏水海绵吸油效率达94%左右。该超疏水涂层有望被用作保护材料并且拓展了稀土金属氧化物在纤维素基超疏水涂层领域的应用。
自然界超疏水现象因独特的润湿性能被广泛关注，超疏水涂层的制备与应用尤为迫切。采用硝酸铈六水合物(Ce(NO3)3·6H2O)共沉淀法于纤维素纳米纤维(CNFs)表面合成二氧化铈(CeO2)，通过十八烷基三甲基硅氧烷(OTMS)对其进行疏水改性，喷涂构筑得到超疏水涂层。探讨了CNFs、Ce(NO3)3·6H2O和OTMS不同质量比对超疏水涂层形貌和疏水性能的影响。结果表明：CNFs和Ce(NO3)3·6H2O质量比为1∶5和1∶7涂层具有实现超疏水特性的微/纳结构，其中CNFs、Ce(NO3)3·6H2O和OTMS质量比为1∶5∶10涂层接触角为(159.7±1.1)°，滚动角为(5.7±1.8)°，经过150°C高温处理3 h和UV照射36 h后接触角仍大于150°，同时具有良好的pH稳定性和一定的力学强度。涂层应用于玻璃、纸、木材和海绵等基体均可构筑超疏水表面并赋予其优异的自清洁性能，其中超疏水玻璃涂层对UV-A和UV-B紫外透过率分别为12.6%和0.1%，超疏水海绵吸油效率达94%左右。该超疏水涂层有望被用作保护材料并且拓展了稀土金属氧化物在纤维素基超疏水涂层领域的应用。
2023, 40(5): 3018-3025.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220804.006
摘要:
热固性复合材料拥有优异的力学性能、耐热性和耐化学性，但存在原料不可再生、使用后无法回收、纤维与树脂不易降解等问题。本文分别以微米级竹粉(BP)和厘米级竹纤维(BF)为增强体，以含动态硼酸酯的二硫醇固化环氧大豆油(ESOBV)为树脂基体，采用模压成型技术制备可循环回收的竹纤维增强大豆油基类玻璃高分子复合材料，同时表征了生物质复合材料的拉伸性能、动态力学性能、松弛行为、界面结合、可重塑回收性及可降解性。结果表明：纤维形态显著影响复合材料的力学性能，复合材料的拉伸强度和拉伸模量随着BP含量的增加而降低，但随着BF含量的增加而增加；因ESOBV基体中动态键的存在，复合材料高温下具有明显的应力松弛现象，其松弛时间随BP或BF含量的增加而增加；BP增强复合材料可在高温下进行回收重塑，重塑后复合材料的拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率分别达到原始材料的91.0%、96.3%和110.7%；在100°C、常压下，ESOBV基体中的硼酸酯基可与甘油分子发生交换反应，因此基体经甘油降解后可回收BF，且回收的纤维形态不受损坏。
热固性复合材料拥有优异的力学性能、耐热性和耐化学性，但存在原料不可再生、使用后无法回收、纤维与树脂不易降解等问题。本文分别以微米级竹粉(BP)和厘米级竹纤维(BF)为增强体，以含动态硼酸酯的二硫醇固化环氧大豆油(ESOBV)为树脂基体，采用模压成型技术制备可循环回收的竹纤维增强大豆油基类玻璃高分子复合材料，同时表征了生物质复合材料的拉伸性能、动态力学性能、松弛行为、界面结合、可重塑回收性及可降解性。结果表明：纤维形态显著影响复合材料的力学性能，复合材料的拉伸强度和拉伸模量随着BP含量的增加而降低，但随着BF含量的增加而增加；因ESOBV基体中动态键的存在，复合材料高温下具有明显的应力松弛现象，其松弛时间随BP或BF含量的增加而增加；BP增强复合材料可在高温下进行回收重塑，重塑后复合材料的拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率分别达到原始材料的91.0%、96.3%和110.7%；在100°C、常压下，ESOBV基体中的硼酸酯基可与甘油分子发生交换反应，因此基体经甘油降解后可回收BF，且回收的纤维形态不受损坏。
2023, 40(5): 3026-3036.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220830.001
摘要:
为解决有机固-液相变材料(PCMs)导热系数低和相变易泄漏的难题，利用丹宁酸刻蚀ZIF-67制备碳基骨架作为支撑体(HX-C)，硬脂酸(SA)为相变芯材，采用真空熔融吸附法构筑导热增强型定形相变材料(SA/HX-C)。为评估其储热能力，对热稳定性、储热性能、导热系数、定形能力及光热转换能力进行研究。同时，借助氮气等温吸附-脱附、傅里叶红外光谱、X-射线衍射和扫描电子显微镜进行表征。结果表明：丹宁酸刻蚀ZIF-67可实现对其碳化衍生物的扩孔作用，提高SA/HX-C的定形能力。所制备的SA/HX-C具有良好的储热性能、导热能力及光热转换性能。其中，刻蚀时间为6 min的复合相变材料(SA/H6-C)的储热效率可达80.84%，光热转化效率高达76.29%，导热系数(0.461 W/(m·K))相比于SA提高了156.11%。SA/H6-C在相变过程中无任何形貌变化和泄漏，重复循环储/放热100次后仍然具有良好的储热能力。
为解决有机固-液相变材料(PCMs)导热系数低和相变易泄漏的难题，利用丹宁酸刻蚀ZIF-67制备碳基骨架作为支撑体(HX-C)，硬脂酸(SA)为相变芯材，采用真空熔融吸附法构筑导热增强型定形相变材料(SA/HX-C)。为评估其储热能力，对热稳定性、储热性能、导热系数、定形能力及光热转换能力进行研究。同时，借助氮气等温吸附-脱附、傅里叶红外光谱、X-射线衍射和扫描电子显微镜进行表征。结果表明：丹宁酸刻蚀ZIF-67可实现对其碳化衍生物的扩孔作用，提高SA/HX-C的定形能力。所制备的SA/HX-C具有良好的储热性能、导热能力及光热转换性能。其中，刻蚀时间为6 min的复合相变材料(SA/H6-C)的储热效率可达80.84%，光热转化效率高达76.29%，导热系数(0.461 W/(m·K))相比于SA提高了156.11%。SA/H6-C在相变过程中无任何形貌变化和泄漏，重复循环储/放热100次后仍然具有良好的储热能力。
2023, 40(5): 3037-3046.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220809.004
摘要:
为了探究助熔剂对树脂基复合材料高温性能及微观结构的影响，以低熔点玻璃料(GF)为助熔剂，Si3N4颗粒为耐高温陶瓷填料，采用模压工艺制备GF-Si3N4改性高硅氧玻璃纤维增强硼酚醛树脂复合材料(GF-Si3N4/BPR)，研究GF对复合材料高温性能及介电性能的影响。结果表明：引入的GF促进了复合材料表面液相的形成和陶瓷层的致密化，抑制了热氧对复合材料的进一步侵蚀，复合材料高温性能明显提高。1200℃处理后，其弯曲强度与纯树脂试样(BPR)和未添加GF的试样(Si3N4/BPR)相比，分别提高了81.3%和14.9%；质量烧蚀率分别降低了73.1%和55.1%。此外，在8.2 GHz下，复合材料的介电常数(ε)和损耗角正切值(tanδ)随温度的升高逐渐增大。而在800℃以上，生成的玻璃相有效遏制了树脂裂解产生的游离碳与孔洞、裂纹对材料介电性能的不利影响。所制备的复合材料具有优良的高温性能和介电性能，有望应用在高温透波领域。
为了探究助熔剂对树脂基复合材料高温性能及微观结构的影响，以低熔点玻璃料(GF)为助熔剂，Si3N4颗粒为耐高温陶瓷填料，采用模压工艺制备GF-Si3N4改性高硅氧玻璃纤维增强硼酚醛树脂复合材料(GF-Si3N4/BPR)，研究GF对复合材料高温性能及介电性能的影响。结果表明：引入的GF促进了复合材料表面液相的形成和陶瓷层的致密化，抑制了热氧对复合材料的进一步侵蚀，复合材料高温性能明显提高。1200℃处理后，其弯曲强度与纯树脂试样(BPR)和未添加GF的试样(Si3N4/BPR)相比，分别提高了81.3%和14.9%；质量烧蚀率分别降低了73.1%和55.1%。此外，在8.2 GHz下，复合材料的介电常数(ε)和损耗角正切值(tanδ)随温度的升高逐渐增大。而在800℃以上，生成的玻璃相有效遏制了树脂裂解产生的游离碳与孔洞、裂纹对材料介电性能的不利影响。所制备的复合材料具有优良的高温性能和介电性能，有望应用在高温透波领域。
2023, 40(5): 3047-3059.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220617.001
摘要:
高熵合金拓宽了复合材料中金属基体的选用范围。本文通过外加碳化物陶瓷颗粒，利用电弧熔炼技术制备Fe49.5Mn30Co10Cr10X0.5 (X=B4C、ZrC和TiC)等3种高熵合金复合材料，系统研究3种碳化物陶瓷颗粒对双相高熵合金基复合材料微观组织和力学性能的影响。研究结果表明：掺杂碳化物陶瓷颗粒均可细化高熵合金基体的晶粒尺寸，稳定fcc相，抑制hcp相形成，其中B4C陶瓷颗粒细化晶粒和稳定fcc相效果最显著。掺杂ZrC和B4C陶瓷颗粒样品，力学性能低于高熵合金基体样品，归因于ZrC和B4C陶瓷颗粒与基体之间的界面结合情况不佳，界面处出现孔洞性缺陷；而掺杂TiC陶瓷颗粒样品，其强韧化效果显著，归因于良好的界面结合、细晶强化、弥散强化及颗粒承载强化等。
高熵合金拓宽了复合材料中金属基体的选用范围。本文通过外加碳化物陶瓷颗粒，利用电弧熔炼技术制备Fe49.5Mn30Co10Cr10X0.5 (X=B4C、ZrC和TiC)等3种高熵合金复合材料，系统研究3种碳化物陶瓷颗粒对双相高熵合金基复合材料微观组织和力学性能的影响。研究结果表明：掺杂碳化物陶瓷颗粒均可细化高熵合金基体的晶粒尺寸，稳定fcc相，抑制hcp相形成，其中B4C陶瓷颗粒细化晶粒和稳定fcc相效果最显著。掺杂ZrC和B4C陶瓷颗粒样品，力学性能低于高熵合金基体样品，归因于ZrC和B4C陶瓷颗粒与基体之间的界面结合情况不佳，界面处出现孔洞性缺陷；而掺杂TiC陶瓷颗粒样品，其强韧化效果显著，归因于良好的界面结合、细晶强化、弥散强化及颗粒承载强化等。
2023, 40(5): 3060-3074.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220706.002
摘要:
以铝蜂窝夹层板为对象，通过低速落锤试验及包含面板、胶层及蜂窝的细节仿真模型，探究了蜂窝胞元直径、蜂窝壁厚、面板厚度及冲头半径参数影响下低速冲击响应曲线及损伤模式的变化情况，确定在试验工况下的3种损伤模式：芯层屈曲、芯层剪切及夹层板穿透，其中芯层剪切模式具有更好的吸能分布。结果表明：蜂窝胞元直径与蜂窝壁厚对冲击响应与损伤模式具有类似的影响，面板厚度增加可以较大程度地提升抗冲击性能，冲头半径的大小会显著影响损伤模式。在此基础上建立与上述参数相关的损伤模式极限载荷公式，绘制相应的损伤模式图，为铝蜂窝夹层板的抗冲击设计提供参考。
以铝蜂窝夹层板为对象，通过低速落锤试验及包含面板、胶层及蜂窝的细节仿真模型，探究了蜂窝胞元直径、蜂窝壁厚、面板厚度及冲头半径参数影响下低速冲击响应曲线及损伤模式的变化情况，确定在试验工况下的3种损伤模式：芯层屈曲、芯层剪切及夹层板穿透，其中芯层剪切模式具有更好的吸能分布。结果表明：蜂窝胞元直径与蜂窝壁厚对冲击响应与损伤模式具有类似的影响，面板厚度增加可以较大程度地提升抗冲击性能，冲头半径的大小会显著影响损伤模式。在此基础上建立与上述参数相关的损伤模式极限载荷公式，绘制相应的损伤模式图，为铝蜂窝夹层板的抗冲击设计提供参考。
