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2024年 第41卷 第10期
2024, 41(10): 5125-5145.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240319.001
摘要:
碳纤维增强水泥基复合材料(Carbon fiber reinforced cement composite，CFRCC)以其高强度质量比、耐腐蚀性和耐久性而通常用于建筑、基础设施和土木工程等领域。对CFRCC而言，界面是联系基体与增强相的桥梁，界面性能、结构直接关系到复合材料粘结强度，从而直接影响到复合材料的各项宏观性能。然而，碳纤维的疏水性及其与水性悬浮液之间不充分的结合行为，限制了碳纤维在水泥和其他矿物建筑材料中的应用。为了解决这一问题，学者们研究了物理和化学改性方法，以加强从矿物基质到碳纤维的负载转移。本文介绍了碳纤维、CFRCC及CFRCC界面的性能及存在的问题。总结了近些年国内外学者对CFRCC及其界面改性方法，例如氧化、电泳沉积、等离子体和接枝处理等表面改性方法，并讨论了相关机制分析。还介绍了碳纤维本身的特性及其与水泥基质的结合行为的表征方法。
碳纤维增强水泥基复合材料(Carbon fiber reinforced cement composite，CFRCC)以其高强度质量比、耐腐蚀性和耐久性而通常用于建筑、基础设施和土木工程等领域。对CFRCC而言，界面是联系基体与增强相的桥梁，界面性能、结构直接关系到复合材料粘结强度，从而直接影响到复合材料的各项宏观性能。然而，碳纤维的疏水性及其与水性悬浮液之间不充分的结合行为，限制了碳纤维在水泥和其他矿物建筑材料中的应用。为了解决这一问题，学者们研究了物理和化学改性方法，以加强从矿物基质到碳纤维的负载转移。本文介绍了碳纤维、CFRCC及CFRCC界面的性能及存在的问题。总结了近些年国内外学者对CFRCC及其界面改性方法，例如氧化、电泳沉积、等离子体和接枝处理等表面改性方法，并讨论了相关机制分析。还介绍了碳纤维本身的特性及其与水泥基质的结合行为的表征方法。
2024, 41(10): 5146-5164.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240203.002
摘要:
由于社会的快速发展，人们对二次离子电池的要求日益提高。铝离子电池具有成本低、安全性高、循环性能好等优点，是未来替代锂离子电池的理想储能体系。电解质作为电池系统重要组成之一，起到传输离子、连通电路的作用，对电池性能具有直接影响。因此，设计和制备具有良好综合性能的电解质一直是铝离子电池领域的研究热点。本文对目前铝离子电池的液态电解质、无机固态电解质和聚合物电解质的研究现状进行了总结，从成本、电化学窗口、化学稳定性和离子电导率等方面对它们的性能进行了分析，并对未来铝离子电池电解质的发展方向进行了展望。
由于社会的快速发展，人们对二次离子电池的要求日益提高。铝离子电池具有成本低、安全性高、循环性能好等优点，是未来替代锂离子电池的理想储能体系。电解质作为电池系统重要组成之一，起到传输离子、连通电路的作用，对电池性能具有直接影响。因此，设计和制备具有良好综合性能的电解质一直是铝离子电池领域的研究热点。本文对目前铝离子电池的液态电解质、无机固态电解质和聚合物电解质的研究现状进行了总结，从成本、电化学窗口、化学稳定性和离子电导率等方面对它们的性能进行了分析，并对未来铝离子电池电解质的发展方向进行了展望。
2024, 41(10): 5165-5182.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240019.002
摘要:
世界经济迅速发展导致的环境污染和能源危机成为全球共同面对的威胁与挑战，光催化技术为该问题提供了高效的解决方案。氟氧化铋(BiOF)具有特殊的层状结构、低毒性、高稳定性、丰富的可调控性和良好的光催化性等优点，成为光催化研究领域的重要材料。然而BiOF带隙较大，导致其光生载流子易复合且电荷转移率低，因此寻求新的合成方式及改性修饰方法对提高BiOF光催化性能具有重要研究意义。本文介绍了近年来BiOF光催化剂的制备方法、改性策略、反应机制等方面的研究现状，综述分析其在降解污染物、CO2还原、电极与电池、纳米铝热剂等环境能源领域的应用，并对该类材料未来的发展与可能面临的挑战做出展望，旨在为开发新型高效的BiOF光催化剂提供理论借鉴与技术支撑。
世界经济迅速发展导致的环境污染和能源危机成为全球共同面对的威胁与挑战，光催化技术为该问题提供了高效的解决方案。氟氧化铋(BiOF)具有特殊的层状结构、低毒性、高稳定性、丰富的可调控性和良好的光催化性等优点，成为光催化研究领域的重要材料。然而BiOF带隙较大，导致其光生载流子易复合且电荷转移率低，因此寻求新的合成方式及改性修饰方法对提高BiOF光催化性能具有重要研究意义。本文介绍了近年来BiOF光催化剂的制备方法、改性策略、反应机制等方面的研究现状，综述分析其在降解污染物、CO2还原、电极与电池、纳米铝热剂等环境能源领域的应用，并对该类材料未来的发展与可能面临的挑战做出展望，旨在为开发新型高效的BiOF光催化剂提供理论借鉴与技术支撑。
2024, 41(10): 5183-5201.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240204.003
摘要:
随着工业化的不断发展，化石燃料的过度使用产生的CO2导致了温室效应等问题，已经引起国际社会的高度关注，并制定了一系列应对措施。因此，对大气中CO2的还原回收技术研发具有迫切性和重要意义。光电催化是目前可用于还原CO2的具有良好应用前景的技术之一，为了对该技术进行更深入的研究，推动其实际应用，本文首先阐述了光催化、电催化、光电催化还原CO2的基本原理和优缺点，并举例介绍了各类催化剂还原CO2的效率。由于光催化是光合作用中的重要步骤之一，接着重点分析了光合作用在还原CO2研究现状和前景，提出人工光合作用还原CO2可行性与潜力。本文旨在为人工光合作用还原CO2提供新思路和参考，为减少大气中CO2的积累和应对当前的环境挑战提供新的见解和视角。
随着工业化的不断发展，化石燃料的过度使用产生的CO2导致了温室效应等问题，已经引起国际社会的高度关注，并制定了一系列应对措施。因此，对大气中CO2的还原回收技术研发具有迫切性和重要意义。光电催化是目前可用于还原CO2的具有良好应用前景的技术之一，为了对该技术进行更深入的研究，推动其实际应用，本文首先阐述了光催化、电催化、光电催化还原CO2的基本原理和优缺点，并举例介绍了各类催化剂还原CO2的效率。由于光催化是光合作用中的重要步骤之一，接着重点分析了光合作用在还原CO2研究现状和前景，提出人工光合作用还原CO2可行性与潜力。本文旨在为人工光合作用还原CO2提供新思路和参考，为减少大气中CO2的积累和应对当前的环境挑战提供新的见解和视角。
2024, 41(10): 5202-5221.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240512.001
摘要:
离子交换聚合物/金属复合材料(IPMC)可作为柔性的驱动器与传感器，用于仿生机械、医疗器械等领域。驱动器是IPMC的主要应用，存在输出功率低、驱动不稳定等问题。传感器是IPMC的重要应用，存在感应电压低、干扰大等缺陷。优化电极、电解质膜、电解质溶液的材料组成有望解决上述问题。驱动器方面，本文梳理了不同聚合物电解质膜的改性技术及驱动特点，重点归纳了电解质膜的成分、结构制约其物理性能(如离子交换当量、含水量、力学性能)，进而制约其驱动性能(如位移、力输出)的规律。传感器方面，本文从电极形状、电解质膜结构、电解质离子尺寸3个方面，讨论了IPMC传感性能(如感应电压的幅值、稳定性)的优化技术。论文还展望了IPMC的未来发展方向。
离子交换聚合物/金属复合材料(IPMC)可作为柔性的驱动器与传感器，用于仿生机械、医疗器械等领域。驱动器是IPMC的主要应用，存在输出功率低、驱动不稳定等问题。传感器是IPMC的重要应用，存在感应电压低、干扰大等缺陷。优化电极、电解质膜、电解质溶液的材料组成有望解决上述问题。驱动器方面，本文梳理了不同聚合物电解质膜的改性技术及驱动特点，重点归纳了电解质膜的成分、结构制约其物理性能(如离子交换当量、含水量、力学性能)，进而制约其驱动性能(如位移、力输出)的规律。传感器方面，本文从电极形状、电解质膜结构、电解质离子尺寸3个方面，讨论了IPMC传感性能(如感应电压的幅值、稳定性)的优化技术。论文还展望了IPMC的未来发展方向。
2024, 41(10): 5222-5240.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240329.001
摘要:
作为研究最早和应用最广泛的陶瓷材料之一，氧化铝(Al2O3)陶瓷具有高强高硬、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等许多优异特性，已在国防工业、航空航天以及生物医疗等领域得到了广泛应用。然而，固有的脆性极大地限制了Al2O3陶瓷在众多领域中的进一步应用。增韧始终是陶瓷材料研究中的一个核心研究课题，引入增韧相材料是提高陶瓷材料韧性的主要途径。本文首先简要概述了陶瓷材料的增韧机制，随即综述了Al2O3陶瓷增韧的最新研究现状，分析了增韧方法中存在的关键问题，展望了Al2O3陶瓷增韧的发展方向，以期为后续Al2O3陶瓷增韧的发展提供借鉴。
作为研究最早和应用最广泛的陶瓷材料之一，氧化铝(Al2O3)陶瓷具有高强高硬、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等许多优异特性，已在国防工业、航空航天以及生物医疗等领域得到了广泛应用。然而，固有的脆性极大地限制了Al2O3陶瓷在众多领域中的进一步应用。增韧始终是陶瓷材料研究中的一个核心研究课题，引入增韧相材料是提高陶瓷材料韧性的主要途径。本文首先简要概述了陶瓷材料的增韧机制，随即综述了Al2O3陶瓷增韧的最新研究现状，分析了增韧方法中存在的关键问题，展望了Al2O3陶瓷增韧的发展方向，以期为后续Al2O3陶瓷增韧的发展提供借鉴。
2024, 41(10): 5241-5256.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240203.004
摘要:
钯复合膜由于其特殊的透氢机制−溶解/扩散机制，对氢具有极高的选择渗透性，是膜反应器中氢气分离的理想材料。为促进高透氢性、高稳定性钯复合膜的研究与应用，本文综述了钯复合膜的化学镀制备法和化学镀与其他方式结合的复合制备法以及不同类型的复合膜。化学镀是钯复合膜最常用的制备方法，通过与真空、连续流结合可提高钯膜的质量；VB族金属、多孔陶瓷和不锈钢作为化学镀钯膜的载体，可减小钯膜厚度，提高机械强度和透氢性能；在钯膜和多孔载体之间掺入难熔氧化物、沸石、天然矿物、聚合物，可进一步减小钯膜厚度，提高热稳定性和化学稳定性；与纯钯膜相比，Pd-Ag、Pd-Cu、Pd-Au二元合金膜和Pd-Au-Ag三元合金膜在低温下不发生氢脆，可不同程度地改善钯膜的透氢性和抗硫性。最后，对未来钯复合膜的研究方向进行了展望。
钯复合膜由于其特殊的透氢机制−溶解/扩散机制，对氢具有极高的选择渗透性，是膜反应器中氢气分离的理想材料。为促进高透氢性、高稳定性钯复合膜的研究与应用，本文综述了钯复合膜的化学镀制备法和化学镀与其他方式结合的复合制备法以及不同类型的复合膜。化学镀是钯复合膜最常用的制备方法，通过与真空、连续流结合可提高钯膜的质量；VB族金属、多孔陶瓷和不锈钢作为化学镀钯膜的载体，可减小钯膜厚度，提高机械强度和透氢性能；在钯膜和多孔载体之间掺入难熔氧化物、沸石、天然矿物、聚合物，可进一步减小钯膜厚度，提高热稳定性和化学稳定性；与纯钯膜相比，Pd-Ag、Pd-Cu、Pd-Au二元合金膜和Pd-Au-Ag三元合金膜在低温下不发生氢脆，可不同程度地改善钯膜的透氢性和抗硫性。最后，对未来钯复合膜的研究方向进行了展望。
2024, 41(10): 5257-5269.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240418.003
摘要:
餐厨垃圾和工业废水中油和水的高效分离仍具挑战性。传统的油水分离技术主要包括重力沉降、离心、吸附、浮选和电化学等，存在着分离效率低、分离不彻底等问题。如何高效且低成本地实现油水分离已成为当前研究的热点。木材是一种可持续发展的生物材料，并且自身具有多级孔隙结构和丰富羟基官能团，其衍生物具备超浸润特性，因此其有望成为一种新型的油水分离材料。通过优化木材内部细胞孔径，对其进行超疏水或超亲水表面润湿性改性，进而促进木质基复合材料对油水混合乳液的物理化学过滤和吸附，最终实现废水中油污的有效去除。本文对油水混合物及含油废水的特性及危害进行了概述，并系统综述了具有超浸润特性(超亲水/水下超疏油、超疏水/超亲油)的木基多孔过滤膜和吸附材料用于分离含油废水的构建策略，概述了近年来具有超浸润特性的木基生物质多孔材料在油水分离领域的研究进展，并总结了这种材料存在的问题，展望了未来潜在的研究方向。
餐厨垃圾和工业废水中油和水的高效分离仍具挑战性。传统的油水分离技术主要包括重力沉降、离心、吸附、浮选和电化学等，存在着分离效率低、分离不彻底等问题。如何高效且低成本地实现油水分离已成为当前研究的热点。木材是一种可持续发展的生物材料，并且自身具有多级孔隙结构和丰富羟基官能团，其衍生物具备超浸润特性，因此其有望成为一种新型的油水分离材料。通过优化木材内部细胞孔径，对其进行超疏水或超亲水表面润湿性改性，进而促进木质基复合材料对油水混合乳液的物理化学过滤和吸附，最终实现废水中油污的有效去除。本文对油水混合物及含油废水的特性及危害进行了概述，并系统综述了具有超浸润特性(超亲水/水下超疏油、超疏水/超亲油)的木基多孔过滤膜和吸附材料用于分离含油废水的构建策略，概述了近年来具有超浸润特性的木基生物质多孔材料在油水分离领域的研究进展，并总结了这种材料存在的问题，展望了未来潜在的研究方向。
2024, 41(10): 5270-5282.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240401.003
摘要:
传统塑料的大量使用及其废弃后无法降解给生态环境造成了严重污染，同时也给日益严峻的石化能源造成了巨大压力。薄膜材料是塑料的主要制品之一，其中生物降解薄膜因具有绿色环保、实现碳循环目标等优点，且能够在很大程度上改善全球环境污染和能源短缺的困境，被认为是当前薄膜发展的重要趋势。然而，生物降解薄膜也存在性能不理想、成本较高等问题，其较差的阻隔性更是限制了它在包装方面的应用。本文综述了纳米材料用于生物降解薄膜气体阻隔性的研究现状，主要从纳米材料的种类、组合方式以及生产纳米复合薄膜的加工方式三部分展开介绍，并对生物降解薄膜未来的研究发展做了展望。
传统塑料的大量使用及其废弃后无法降解给生态环境造成了严重污染，同时也给日益严峻的石化能源造成了巨大压力。薄膜材料是塑料的主要制品之一，其中生物降解薄膜因具有绿色环保、实现碳循环目标等优点，且能够在很大程度上改善全球环境污染和能源短缺的困境，被认为是当前薄膜发展的重要趋势。然而，生物降解薄膜也存在性能不理想、成本较高等问题，其较差的阻隔性更是限制了它在包装方面的应用。本文综述了纳米材料用于生物降解薄膜气体阻隔性的研究现状，主要从纳米材料的种类、组合方式以及生产纳米复合薄膜的加工方式三部分展开介绍，并对生物降解薄膜未来的研究发展做了展望。
2024, 41(10): 5283-5293.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240012.001
摘要:
为了研究长期水分-载荷耦合作用下2D编织复合材料的吸湿行为及性能劣化规律，设计了水分-载荷耦合环境老化装置，开展了不同应力水平下碳纤维增强环氧树脂(T300/H69)平纹编织复合材料的吸湿试验及吸湿后的拉伸试验。结果表明：T300/H69 编织复合材料的吸湿量与拉伸预应力总体上呈现正相关，随着拉伸预应力的增大而增大；相对于水分单独作用，水分-载荷耦合作用下材料的弹性模量和强度退化更明显，在140%σs (σs为屈服强度)预应力下作用432 h后，编织复合材料的弹性模量及失效强度分别下降达55.9%和35.4%。此外，通过宏微观断面分析，进一步揭示长期水分-载荷耦合作用下编织复合材料性能的退化机制，并基于Shiva剩余强度理论，改进了水分-载荷作用下复合材料的剩余强度模型，预测结果良好，为复杂环境下复合材料耐久性设计提供指导。
为了研究长期水分-载荷耦合作用下2D编织复合材料的吸湿行为及性能劣化规律，设计了水分-载荷耦合环境老化装置，开展了不同应力水平下碳纤维增强环氧树脂(T300/H69)平纹编织复合材料的吸湿试验及吸湿后的拉伸试验。结果表明：T300/H69 编织复合材料的吸湿量与拉伸预应力总体上呈现正相关，随着拉伸预应力的增大而增大；相对于水分单独作用，水分-载荷耦合作用下材料的弹性模量和强度退化更明显，在140%σs (σs为屈服强度)预应力下作用432 h后，编织复合材料的弹性模量及失效强度分别下降达55.9%和35.4%。此外，通过宏微观断面分析，进一步揭示长期水分-载荷耦合作用下编织复合材料性能的退化机制，并基于Shiva剩余强度理论，改进了水分-载荷作用下复合材料的剩余强度模型，预测结果良好，为复杂环境下复合材料耐久性设计提供指导。
2024, 41(10): 5294-5304.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240029.001
摘要:
冰射流清洗设备料仓表面的覆冰常造成设备停机维修，但如何降低料仓表面的覆冰粘附力是目前研究的难点。本文采用CO2激光刻蚀聚四氟乙烯(PTFE)获得超疏水表面，并设计了一种菱形支撑肋阵列结构提高超疏水PTFE表面的耐磨性。CO2激光刻蚀能在PTFE表面形成多层次交错堆叠纤维结构，且激光刻蚀后的表面化学成分无明显变化。在50 μm激光扫描线间距、300 mm/s扫描速度和9 W激光功率下，可获得164°接触角、4°滚动角的超疏水PTFE表面。设计的30°顶角角度、3 mm菱形边长和0.05 mm肋边宽度的菱形支撑肋阵列结构可有效提高超疏水PTFE表面的耐磨性。即使被砂纸摩擦6 m后，具有菱形支撑肋阵列结构的超疏水PTFE表面仍能保持良好的超疏水性，且覆冰粘附力仅为普通PTFE表面的50%。本耐磨防覆冰PTFE表面有望应用于冰射流清洗设备。
冰射流清洗设备料仓表面的覆冰常造成设备停机维修，但如何降低料仓表面的覆冰粘附力是目前研究的难点。本文采用CO2激光刻蚀聚四氟乙烯(PTFE)获得超疏水表面，并设计了一种菱形支撑肋阵列结构提高超疏水PTFE表面的耐磨性。CO2激光刻蚀能在PTFE表面形成多层次交错堆叠纤维结构，且激光刻蚀后的表面化学成分无明显变化。在50 μm激光扫描线间距、300 mm/s扫描速度和9 W激光功率下，可获得164°接触角、4°滚动角的超疏水PTFE表面。设计的30°顶角角度、3 mm菱形边长和0.05 mm肋边宽度的菱形支撑肋阵列结构可有效提高超疏水PTFE表面的耐磨性。即使被砂纸摩擦6 m后，具有菱形支撑肋阵列结构的超疏水PTFE表面仍能保持良好的超疏水性，且覆冰粘附力仅为普通PTFE表面的50%。本耐磨防覆冰PTFE表面有望应用于冰射流清洗设备。
2024, 41(10): 5305-5314.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240011.003
摘要:
氮化硼纳米片(BNNS)/聚合物复合材料因其高导热性能和电绝缘性能在热管理材料领域具有很大的潜力，但是由于BNNS表面化学惰性造成较高的界面热阻，导致BNNS 的优越性尚未得到充分发挥。通过高温碱处理结合液相辅助超声的方法成功制备羟基化氮化硼纳米片(BNNS-OH)，然后采用真空抽滤结合压制干燥方法将BNNS-OH与纤维素纳米纤维(CNF)结合制备BNNS-OH/CNF高导热复合材料。氮化硼纳米片表面修饰的羟基有利于增强与CNF之间的相容性和BNNS的分散性，从而减少界面热阻；并且一维结构的CNF不会完全覆盖导热填料，压制干燥方法可以进一步减少填料与聚合物之间的空隙，形成致密的层状结构，有利于填料间更好接触，形成连续热传导通道，这都有利于提高复合材料热导率。在负载30wt%BNNS-OH填料下，BNNS-OH/CNF的热导率高达14.571 W·m−1·K−1，比纯CNF薄膜大约高出819%。在实际散热应用中，与CNF薄膜相比，使用BNNS-OH/CNF复合薄膜的LED芯片在150 s内温度降低了29.5℃。
氮化硼纳米片(BNNS)/聚合物复合材料因其高导热性能和电绝缘性能在热管理材料领域具有很大的潜力，但是由于BNNS表面化学惰性造成较高的界面热阻，导致BNNS 的优越性尚未得到充分发挥。通过高温碱处理结合液相辅助超声的方法成功制备羟基化氮化硼纳米片(BNNS-OH)，然后采用真空抽滤结合压制干燥方法将BNNS-OH与纤维素纳米纤维(CNF)结合制备BNNS-OH/CNF高导热复合材料。氮化硼纳米片表面修饰的羟基有利于增强与CNF之间的相容性和BNNS的分散性，从而减少界面热阻；并且一维结构的CNF不会完全覆盖导热填料，压制干燥方法可以进一步减少填料与聚合物之间的空隙，形成致密的层状结构，有利于填料间更好接触，形成连续热传导通道，这都有利于提高复合材料热导率。在负载30wt%BNNS-OH填料下，BNNS-OH/CNF的热导率高达14.571 W·m−1·K−1，比纯CNF薄膜大约高出819%。在实际散热应用中，与CNF薄膜相比，使用BNNS-OH/CNF复合薄膜的LED芯片在150 s内温度降低了29.5℃。
2024, 41(10): 5315-5327.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240306.002
摘要:
随着高速列车的不断提速，特别是在通过隧道或会车时，气动载荷对蒙皮结构的强度特性提出了更高的要求。热塑性铝合金-玻纤/聚丙烯( Al-GF/PP)面板-三维中空夹层复合材料是一种以纤维金属层板为面板、三维中空复合复合材料为芯材的三明治夹层材料，具有轻质高强、隔音隔热等优势，可用于高速列车车门、裙板等蒙皮结构。通过比较不同高度(10~25 mm)的三维中空复合材料在平压、侧压及弯曲性能上的表现发现，随着厚度增加，其力学性能呈下降趋势，较厚的三维中空复合材料芯材弯矩较大，结构稳定性低。对Al-GF/PP面板-三维中空夹层复合材料进行了4 kPa、5 kPa、6 kPa、7 kPa的气动载荷测试。结果表明：当“8”形纤维受到垂直于面板方向的作用力时，纬向承担了主要载荷，这有助于减小纤维在加载方向上的位移量。芯材与上面板连接处承受的载荷应力最大，位移主要出现于结构的受载侧，最大位移值分别为1.80 μm、2.26 μm、2.72 μm和3.19 μm，该数量级的气动载荷不会导致试样出现宏观的变形失效。
随着高速列车的不断提速，特别是在通过隧道或会车时，气动载荷对蒙皮结构的强度特性提出了更高的要求。热塑性铝合金-玻纤/聚丙烯( Al-GF/PP)面板-三维中空夹层复合材料是一种以纤维金属层板为面板、三维中空复合复合材料为芯材的三明治夹层材料，具有轻质高强、隔音隔热等优势，可用于高速列车车门、裙板等蒙皮结构。通过比较不同高度(10~25 mm)的三维中空复合材料在平压、侧压及弯曲性能上的表现发现，随着厚度增加，其力学性能呈下降趋势，较厚的三维中空复合材料芯材弯矩较大，结构稳定性低。对Al-GF/PP面板-三维中空夹层复合材料进行了4 kPa、5 kPa、6 kPa、7 kPa的气动载荷测试。结果表明：当“8”形纤维受到垂直于面板方向的作用力时，纬向承担了主要载荷，这有助于减小纤维在加载方向上的位移量。芯材与上面板连接处承受的载荷应力最大，位移主要出现于结构的受载侧，最大位移值分别为1.80 μm、2.26 μm、2.72 μm和3.19 μm，该数量级的气动载荷不会导致试样出现宏观的变形失效。
2024, 41(10): 5328-5339.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240023.001
摘要:
为有效利用回收玻璃纤维，以正硅酸乙酯、偶联剂为前驱体，聚乙烯吡咯烷酮为成膜剂，在酸催化和不添加催化剂条件下，合成了两种聚乙烯吡咯烷酮水性杂化涂剂。利用制备的杂化涂剂分别对回收的玻璃纤维进行上浆处理，并对上浆处理后的回收玻璃纤维的性能进行研究。结果表明：与不添加催化剂条件下制备的杂化涂剂相比，经酸催化条件下制备的杂化涂剂上浆处理后的回收玻纤表面粗糙度更大；酸催化条件与不添加催化剂条件制备的杂化涂剂上浆处理后的回收玻璃纤维的单纤维拉伸强度分别为(1322.68 ±98.5) MPa、(1093.84 ±53.8) MPa，相比回收玻璃纤维的单纤维拉伸强度分别提高了39.8%和15.6%。利用单纤维碎断法评价回收玻璃纤维与环氧树脂的界面性能表明，经过酸催化条件与不添加催化条件制备的杂化涂剂上浆处理后的回收玻璃纤维制备的单纤维环氧树脂复合材料的界面剪切强度分别为53.5 MPa、35.7 MPa，比未经过上浆处理的回收玻璃纤维的单纤维环氧树脂复合材料的界面剪切强度分别提高了200.5%与100.8%，显示了在酸催化条件下制备的水性杂化涂剂用于回收玻璃纤维具有可行性。
为有效利用回收玻璃纤维，以正硅酸乙酯、偶联剂为前驱体，聚乙烯吡咯烷酮为成膜剂，在酸催化和不添加催化剂条件下，合成了两种聚乙烯吡咯烷酮水性杂化涂剂。利用制备的杂化涂剂分别对回收的玻璃纤维进行上浆处理，并对上浆处理后的回收玻璃纤维的性能进行研究。结果表明：与不添加催化剂条件下制备的杂化涂剂相比，经酸催化条件下制备的杂化涂剂上浆处理后的回收玻纤表面粗糙度更大；酸催化条件与不添加催化剂条件制备的杂化涂剂上浆处理后的回收玻璃纤维的单纤维拉伸强度分别为(
2024, 41(10): 5340-5350.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240012.003
摘要:
TiO2基的光催化剂已被广泛用于各种有机物污染物的光氧化和水中六价铬Cr(VI)的光还原。然而，对光催化还原硝基芳香化合物为胺基芳香化合物的研究鲜有报道。本文采用液相沉积(LPD)法将锐钛矿型TiO2沉积在非晶SiO2包覆的Fe3O4上，制备了核壳结构的Fe3O4@SiO2@TiO2磁性光催化剂。为进一步提高其光催化活性，将均匀分散的Au纳米粒子(Au NPs)修饰在其表面，以获得Fe3O4@SiO2@TiO2-Au纳米复合材料。对这两种TiO2基的磁性复合材料进行表征并将其用作光催化剂。在紫外光照射下，用HCOONH4作为空穴捕集剂和H源，以对硝基苯胺(p-NA)光催化还原至对苯二胺(p-PDA)作为模型反应，评价其光催化还原性能。结果表明：虽然两种光催化剂都能将p-NA完全还原成p-PDA，但Fe3O4@SiO2@TiO2-Au表现出比Fe3O4@SiO2@TiO2更优异的光催化活性。这是由于TiO2表面修饰的Au NPs能有效地促进光激发的电子从TiO2的导带转移到Au，最大限度地减少电子和空穴的复合率，延长光电子的寿命。此外，不可或缺的HCOONH4在p-NA的光催化还原中能有效地捕获光生空穴，极大地提高了其光催化还原效率。
TiO2基的光催化剂已被广泛用于各种有机物污染物的光氧化和水中六价铬Cr(VI)的光还原。然而，对光催化还原硝基芳香化合物为胺基芳香化合物的研究鲜有报道。本文采用液相沉积(LPD)法将锐钛矿型TiO2沉积在非晶SiO2包覆的Fe3O4上，制备了核壳结构的Fe3O4@SiO2@TiO2磁性光催化剂。为进一步提高其光催化活性，将均匀分散的Au纳米粒子(Au NPs)修饰在其表面，以获得Fe3O4@SiO2@TiO2-Au纳米复合材料。对这两种TiO2基的磁性复合材料进行表征并将其用作光催化剂。在紫外光照射下，用HCOONH4作为空穴捕集剂和H源，以对硝基苯胺(p-NA)光催化还原至对苯二胺(p-PDA)作为模型反应，评价其光催化还原性能。结果表明：虽然两种光催化剂都能将p-NA完全还原成p-PDA，但Fe3O4@SiO2@TiO2-Au表现出比Fe3O4@SiO2@TiO2更优异的光催化活性。这是由于TiO2表面修饰的Au NPs能有效地促进光激发的电子从TiO2的导带转移到Au，最大限度地减少电子和空穴的复合率，延长光电子的寿命。此外，不可或缺的HCOONH4在p-NA的光催化还原中能有效地捕获光生空穴，极大地提高了其光催化还原效率。
2024, 41(10): 5351-5360.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240018.001
摘要:
为了解决铁氧体吸波材料密度大、吸收带宽窄等问题，以芦苇茎秆为原料，采用常温浸渍及高温原位生长法制备了铁氧体/芦苇秆炭(Ferrite/RC，FRC)复合材料，通过调节碳化温度调控复合材料的电磁特性和电磁波吸收性能。SEM、TEM、XRD、VSM及VNA等结果表明：Ferrite/RC复合材料保留了芦苇秆天然的三维蜂窝状网络结构，Fe3O4及铁纳米颗粒均匀分布在芦苇秆碳壁与孔道中；提升碳化温度(650~690℃)可增大复合材料的电导率与介电损耗能力，但温度过高会导致材料阻抗失配从而降低电磁衰减能力。碳化温度为670℃时制备的复合材料(FRC-670)吸波性能最佳，它在匹配厚度仅为1.7 mm时反射损耗达到−45.7 dB，对应有效吸收带宽为3.4 GHz；在厚度为2 mm时有效吸收带宽为5.7 GHz (12.1~17.8 GHz)。其主要的电磁波衰减机制源于复合材料良好的电导损耗、极化弛豫损耗以及电损耗与磁损耗的协同作用。铁氧体/芦苇秆炭复合材料优异的吸波性能在电磁波吸收领域具有良好前景，可促进芦苇资源的高值化与功能化应用。
为了解决铁氧体吸波材料密度大、吸收带宽窄等问题，以芦苇茎秆为原料，采用常温浸渍及高温原位生长法制备了铁氧体/芦苇秆炭(Ferrite/RC，FRC)复合材料，通过调节碳化温度调控复合材料的电磁特性和电磁波吸收性能。SEM、TEM、XRD、VSM及VNA等结果表明：Ferrite/RC复合材料保留了芦苇秆天然的三维蜂窝状网络结构，Fe3O4及铁纳米颗粒均匀分布在芦苇秆碳壁与孔道中；提升碳化温度(650~690℃)可增大复合材料的电导率与介电损耗能力，但温度过高会导致材料阻抗失配从而降低电磁衰减能力。碳化温度为670℃时制备的复合材料(FRC-670)吸波性能最佳，它在匹配厚度仅为1.7 mm时反射损耗达到−45.7 dB，对应有效吸收带宽为3.4 GHz；在厚度为2 mm时有效吸收带宽为5.7 GHz (12.1~17.8 GHz)。其主要的电磁波衰减机制源于复合材料良好的电导损耗、极化弛豫损耗以及电损耗与磁损耗的协同作用。铁氧体/芦苇秆炭复合材料优异的吸波性能在电磁波吸收领域具有良好前景，可促进芦苇资源的高值化与功能化应用。
2024, 41(10): 5361-5374.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240003.007
摘要:
为了进一步改善MXene纳米材料对模拟放射性废水中U(VI)的吸附性能，利用天然资源酶水解木质素(EHL)作为生物表面活性剂对MXene进行表面功能化处理，采用SEM-EDS、XRD及FTIR对改性前后的材料进行了表征分析，并在吸附实验中探究了pH、温度、反应时间、干扰离子及不同初始U(VI)浓度等因素对除U(VI)效果的影响。结果表明，EHL阻止了MXene纳米片的聚集堆叠，并且引入了大量活性官能团，提高了EHL功能化MXene纳米片的吸附性能。在MXene与EHL的质量比为1∶5、投加量为0.1 g·L−1、pH为5、温度为303 K时，对U(VI)的最大吸附容量为231.95 mg·g−1。此外，吸附动力学和等温线分析表明，拟二级动力学模型和Freundlich等温线模型能很好地拟合此吸附过程，热力学分析表明其吸附过程是自发吸热的。经历5次循环再生后，对U(VI)的去除率仍在80%以上。表征分析结果表明，MX/EHL与U(VI)之间相互作用机制包括离子交换、静电吸引以及与含氧官能团之间的络合作用。基于此研究，MX/EHL作为一种环境友好型吸附材料，对去除废水中的U(VI)具有巨大潜力。
为了进一步改善MXene纳米材料对模拟放射性废水中U(VI)的吸附性能，利用天然资源酶水解木质素(EHL)作为生物表面活性剂对MXene进行表面功能化处理，采用SEM-EDS、XRD及FTIR对改性前后的材料进行了表征分析，并在吸附实验中探究了pH、温度、反应时间、干扰离子及不同初始U(VI)浓度等因素对除U(VI)效果的影响。结果表明，EHL阻止了MXene纳米片的聚集堆叠，并且引入了大量活性官能团，提高了EHL功能化MXene纳米片的吸附性能。在MXene与EHL的质量比为1∶5、投加量为0.1 g·L−1、pH为5、温度为303 K时，对U(VI)的最大吸附容量为231.95 mg·g−1。此外，吸附动力学和等温线分析表明，拟二级动力学模型和Freundlich等温线模型能很好地拟合此吸附过程，热力学分析表明其吸附过程是自发吸热的。经历5次循环再生后，对U(VI)的去除率仍在80%以上。表征分析结果表明，MX/EHL与U(VI)之间相互作用机制包括离子交换、静电吸引以及与含氧官能团之间的络合作用。基于此研究，MX/EHL作为一种环境友好型吸附材料，对去除废水中的U(VI)具有巨大潜力。
2024, 41(10): 5375-5388.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240024.003
摘要:
伴随着智能通信的迅猛发展，信息传输带来的电磁辐射问题愈发严峻，传统吸波材料存在衰减能力差、阻抗匹配难以调节等缺点，已不能满足实际应用。本文基于电磁损耗理论、多组分协同损耗和三维多孔气凝胶构筑的设计策略，应用水热合成法制备石墨烯气凝胶(GA)，在溶剂热反应中添加由MnO2包覆的镍锌铁氧体(NiZnFe2O4@MnO2)微球，与石墨烯介电材料复合，制备超蓬松磁掺杂石墨烯基复合气凝胶(NiZnFe2O4@MnO2/GA)粉体。实验测试了复合气凝胶的吸波特性，分析了热处理温度和磁掺杂量对复合气凝胶吸波性能的影响机制及规律。结果可知，热处理温度为300℃、镍锌铁氧体掺杂量为15wt%时，复合气凝胶吸波效果最优。其匹配厚度为2.9 mm时，在频率为8.72 GHz处，最小反射损耗(RLmin)达到了−47.27 dB，有效吸收带宽(EAB)为3.2 GHz，覆盖了X波段的大部分，且填料负载率仅为10wt%。本研究解决了材料阻抗匹配性差的问题，优化了吸波材料的介电损耗和磁损耗能力，满足了对吸波材料“薄、轻、宽、强”的应用要求。
伴随着智能通信的迅猛发展，信息传输带来的电磁辐射问题愈发严峻，传统吸波材料存在衰减能力差、阻抗匹配难以调节等缺点，已不能满足实际应用。本文基于电磁损耗理论、多组分协同损耗和三维多孔气凝胶构筑的设计策略，应用水热合成法制备石墨烯气凝胶(GA)，在溶剂热反应中添加由MnO2包覆的镍锌铁氧体(NiZnFe2O4@MnO2)微球，与石墨烯介电材料复合，制备超蓬松磁掺杂石墨烯基复合气凝胶(NiZnFe2O4@MnO2/GA)粉体。实验测试了复合气凝胶的吸波特性，分析了热处理温度和磁掺杂量对复合气凝胶吸波性能的影响机制及规律。结果可知，热处理温度为300℃、镍锌铁氧体掺杂量为15wt%时，复合气凝胶吸波效果最优。其匹配厚度为2.9 mm时，在频率为8.72 GHz处，最小反射损耗(RLmin)达到了−47.27 dB，有效吸收带宽(EAB)为3.2 GHz，覆盖了X波段的大部分，且填料负载率仅为10wt%。本研究解决了材料阻抗匹配性差的问题，优化了吸波材料的介电损耗和磁损耗能力，满足了对吸波材料“薄、轻、宽、强”的应用要求。
2024, 41(10): 5389-5399.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240022.002
摘要:
低成本、高性能和具有良好的环境稳定性是微波吸收剂实现应用的关键因素。本文以废弃梧桐飘絮生物质为碳源，煤矿废弃资源高岭岩为负载，通过优化界面作用并结合高温热解的方法合成了具有优异微波吸收性能的碳管/高岭岩双废复合材料。实验结果表明，经过酸改性的碳微米管(Acid-treatment carbon microtubes，CMT-ac)和碱改性的高岭岩(Alkali-treatment kaolin rock，KR-al)在高温碳化后结合良好，两者之间形成了大量的异质界面，且由于两者电导率的差异并在电磁波的辐照下容易形成界面极化效应，从而大大衰减电磁波。最终得到的KR-al@CMT-ac碳基矿物复合样品在仅在2.0 mm的匹配厚度下有效吸收带宽达到6.3 GHz (11.7~18.0 GHz)，厚度为3.0 mm时在8.08 GHz处达到最小反射损耗−51.5 dB。吸波性能的提升得益于增强的界面极化和本身高电导损耗的共同作用。本研究将为低成本和高性能的介电型吸波材料的设计提供有效的策略。
低成本、高性能和具有良好的环境稳定性是微波吸收剂实现应用的关键因素。本文以废弃梧桐飘絮生物质为碳源，煤矿废弃资源高岭岩为负载，通过优化界面作用并结合高温热解的方法合成了具有优异微波吸收性能的碳管/高岭岩双废复合材料。实验结果表明，经过酸改性的碳微米管(Acid-treatment carbon microtubes，CMT-ac)和碱改性的高岭岩(Alkali-treatment kaolin rock，KR-al)在高温碳化后结合良好，两者之间形成了大量的异质界面，且由于两者电导率的差异并在电磁波的辐照下容易形成界面极化效应，从而大大衰减电磁波。最终得到的KR-al@CMT-ac碳基矿物复合样品在仅在2.0 mm的匹配厚度下有效吸收带宽达到6.3 GHz (11.7~18.0 GHz)，厚度为3.0 mm时在8.08 GHz处达到最小反射损耗−51.5 dB。吸波性能的提升得益于增强的界面极化和本身高电导损耗的共同作用。本研究将为低成本和高性能的介电型吸波材料的设计提供有效的策略。
2024, 41(10): 5400-5411.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240203.003
摘要:
传统的载药纳米纤维存在药物负载不稳定、释放过快等问题。基于此，本文利用温敏聚合物包覆中空介孔二氧化硅纳米颗粒(HMSN)，将其作为药物载体与聚己内酯(PCL)纳米纤维复合，探究了复合纳米纤维膜的释药及抗菌性能。采用自由基聚合方法在HMSN表面接枝异丙基丙烯酰胺与丙烯酰胺的共聚物(P(NIPAM-co-AM))，将疏水性药物环丙沙星(CIP)负载到共聚物改性纳米粒子(PHMSN)中，利用SEM、TEM、TG、比表面积分析(BET)、FTIR及紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等手段表征了HMSN和PHMSN的微观结构和温度响应性能等。将PCL与载药PHMSN共混后利用静电纺丝技术制备了复合纤维膜(CIP@PHMSN-PCL)。CIP@PHMSN-PCL具有温度刺激响应的药物控释功能，在45℃和25℃下，72 h时CIP的累计释放率分别达到90.78%和72.67%。Korsmeyer-Peppas模型较好地描述了药物释放动力学，表明扩散是复合纤维膜释药的主要机制。45℃条件下，载药纤维膜对大肠杆菌(E. coil)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)的抑菌率均达到100%；而在25℃下，膜对两种菌的抑菌率仅为92.34%和95.83%，证明了不同温度下CIP@PHMSN-PCL膜释药性能的差异。总之，载药PHMSN复合纳米纤维膜具有环境温度调控的释药功能及优异的抗菌活性，在生物医学领域具有潜在的应用价值。
传统的载药纳米纤维存在药物负载不稳定、释放过快等问题。基于此，本文利用温敏聚合物包覆中空介孔二氧化硅纳米颗粒(HMSN)，将其作为药物载体与聚己内酯(PCL)纳米纤维复合，探究了复合纳米纤维膜的释药及抗菌性能。采用自由基聚合方法在HMSN表面接枝异丙基丙烯酰胺与丙烯酰胺的共聚物(P(NIPAM-co-AM))，将疏水性药物环丙沙星(CIP)负载到共聚物改性纳米粒子(PHMSN)中，利用SEM、TEM、TG、比表面积分析(BET)、FTIR及紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等手段表征了HMSN和PHMSN的微观结构和温度响应性能等。将PCL与载药PHMSN共混后利用静电纺丝技术制备了复合纤维膜(CIP@PHMSN-PCL)。CIP@PHMSN-PCL具有温度刺激响应的药物控释功能，在45℃和25℃下，72 h时CIP的累计释放率分别达到90.78%和72.67%。Korsmeyer-Peppas模型较好地描述了药物释放动力学，表明扩散是复合纤维膜释药的主要机制。45℃条件下，载药纤维膜对大肠杆菌(E. coil)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)的抑菌率均达到100%；而在25℃下，膜对两种菌的抑菌率仅为92.34%和95.83%，证明了不同温度下CIP@PHMSN-PCL膜释药性能的差异。总之，载药PHMSN复合纳米纤维膜具有环境温度调控的释药功能及优异的抗菌活性，在生物医学领域具有潜在的应用价值。
2024, 41(10): 5412-5422.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240022.003
摘要:
蛭石(VE)作为吸附剂具有很强的吸附性及离子交换能力，价格低廉、丰富易得，对环境无害。近年来，许多关于蛭石吸附的研究获得报道，但由于疏水性弱且缺乏活性位点使其在磷酸盐吸附方面表现不佳。本文制备了Le-Fe双金属改性蛭石提升对磷酸盐的吸附性能。结果表明：La、Fe原子比为1∶2时改性蛭石(La-Fe/VE-2)具有优异的磷吸附能力，最大吸附容量为185.09 mg P/g，且在pH=3~9的范围内能实现高效吸附。La-Fe/VE-2具有较强的抗阴离子干扰性能，在中低浓度磷酸盐溶液(50~100 mg P/L)条件下仍然保持较高的吸附率(>90%)。材料表征结果显示，La和Fe成功负载在蛭石上，静电吸附和配体交换是主要吸附机制。综上所述，双金属改性蛭石对磷酸盐亲和力强，是一种很有前途的除磷吸附剂。
蛭石(VE)作为吸附剂具有很强的吸附性及离子交换能力，价格低廉、丰富易得，对环境无害。近年来，许多关于蛭石吸附的研究获得报道，但由于疏水性弱且缺乏活性位点使其在磷酸盐吸附方面表现不佳。本文制备了Le-Fe双金属改性蛭石提升对磷酸盐的吸附性能。结果表明：La、Fe原子比为1∶2时改性蛭石(La-Fe/VE-2)具有优异的磷吸附能力，最大吸附容量为185.09 mg P/g，且在pH=3~9的范围内能实现高效吸附。La-Fe/VE-2具有较强的抗阴离子干扰性能，在中低浓度磷酸盐溶液(50~100 mg P/L)条件下仍然保持较高的吸附率(>90%)。材料表征结果显示，La和Fe成功负载在蛭石上，静电吸附和配体交换是主要吸附机制。综上所述，双金属改性蛭石对磷酸盐亲和力强，是一种很有前途的除磷吸附剂。
2024, 41(10): 5423-5433.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240305.001
摘要:
兼具低烟低热和薄壁阻燃的无卤无氟聚碳酸酯(PC)的制备是该领域面临的一个挑战。以八甲基环四硅氧烷和硼酸为原料，通过缩聚反应制备了一种聚硼硅氧烷(PBS)阻燃剂，将其与硼酚醛树脂(LPR)复配制备了PBS-LPR/PC复合材料。结果表明：在PBS和LPR总添加量为10wt%、质量比3∶1时，在PC中表现出最佳的协同阻燃效果，1.6 mm厚的PC样品能够通过UL-94垂直燃烧测试的V-0级别。与PC相比，该样品的峰值放热率(pHRR)、峰值产烟率(pSPR)、总热释放(THR)和总烟生成(TSP)分别降低了76%、64%、49%和65%。阻燃机制研究表明：PBS和PC的交联成炭以及LPR的原位成炭是阻燃性能提高的主要原因。7.5%PBS-2.5%LPR/PC的缺口冲击强度是PC的2.3倍，材料表现出高韧的特性。
兼具低烟低热和薄壁阻燃的无卤无氟聚碳酸酯(PC)的制备是该领域面临的一个挑战。以八甲基环四硅氧烷和硼酸为原料，通过缩聚反应制备了一种聚硼硅氧烷(PBS)阻燃剂，将其与硼酚醛树脂(LPR)复配制备了PBS-LPR/PC复合材料。结果表明：在PBS和LPR总添加量为10wt%、质量比3∶1时，在PC中表现出最佳的协同阻燃效果，1.6 mm厚的PC样品能够通过UL-94垂直燃烧测试的V-0级别。与PC相比，该样品的峰值放热率(pHRR)、峰值产烟率(pSPR)、总热释放(THR)和总烟生成(TSP)分别降低了76%、64%、49%和65%。阻燃机制研究表明：PBS和PC的交联成炭以及LPR的原位成炭是阻燃性能提高的主要原因。7.5%PBS-2.5%LPR/PC的缺口冲击强度是PC的2.3倍，材料表现出高韧的特性。
2024, 41(10): 5434-5442.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240312.002
摘要:
不锈钢衬底铜铟镓硒(CIGS)太阳电池因其优异的光电转换效率和可弯曲特性而被广泛应用。但在制备CIGS薄膜过程中，衬底中的Fe元素会向CIGS薄膜扩散，导致电池性能下降。因此，需要在不锈钢衬底与Mo薄膜之间插入阻挡层来抑制Fe元素的扩散。采用反应磁控溅射方法制备了不同O2流量条件下的Mo(N,O)薄膜，通过XRD、SEM及XPS研究了O2流量对Mo(N,O)薄膜的晶体结构、微观形貌及元素组分的影响，二次离子质谱(SIMS)测试表明插入Mo(N,O)薄膜后，CIGS薄膜中Fe元素的相对强度由无阻挡层时的30 counts降至2 counts。通过优化选用O2流量0.25 mL/min制备Mo(N,O)阻挡层，并制备了CIGS太阳电池，电流密度-电压(J-V)特性测试表明插入Mo(N,O)阻挡层后，电池效率由11.07%提高到14.34%。
不锈钢衬底铜铟镓硒(CIGS)太阳电池因其优异的光电转换效率和可弯曲特性而被广泛应用。但在制备CIGS薄膜过程中，衬底中的Fe元素会向CIGS薄膜扩散，导致电池性能下降。因此，需要在不锈钢衬底与Mo薄膜之间插入阻挡层来抑制Fe元素的扩散。采用反应磁控溅射方法制备了不同O2流量条件下的Mo(N,O)薄膜，通过XRD、SEM及XPS研究了O2流量对Mo(N,O)薄膜的晶体结构、微观形貌及元素组分的影响，二次离子质谱(SIMS)测试表明插入Mo(N,O)薄膜后，CIGS薄膜中Fe元素的相对强度由无阻挡层时的30 counts降至2 counts。通过优化选用O2流量0.25 mL/min制备Mo(N,O)阻挡层，并制备了CIGS太阳电池，电流密度-电压(J-V)特性测试表明插入Mo(N,O)阻挡层后，电池效率由11.07%提高到14.34%。
2024, 41(10): 5443-5449.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240009.001
摘要:
柔性压阻传感器在可穿戴式设备、电子皮肤、人机交互等领域有着极大的应用需求。常见的柔性压阻传感器导电敏感介质存在成本高、制备工艺复杂的问题，限制了其实用化进程和批量化生产。本文以明胶为牺牲剂制备了具有多孔结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体，再采用浸渍法获得了聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐) (PEDOT:PSS)和MXene复合修饰的PDMS柔性压阻传感器。实验表明，当PEDOT:PSS和MXene复合浓度分别为15 mg/mL和10 mg/mL时，传感器灵敏度获得最大值，在12~40 kPa压力范围内，灵敏度达29.1 kPa−1。经测试，所制备的传感器响应时间为0.36 s，回复时间为0.6 s。该传感器可以检测人体关节(手指、肘部、膝盖)运动，表明开发的压力传感器在智能衣物、柔性可穿戴电子设备及人机交互领域具有良好的应用前景。
柔性压阻传感器在可穿戴式设备、电子皮肤、人机交互等领域有着极大的应用需求。常见的柔性压阻传感器导电敏感介质存在成本高、制备工艺复杂的问题，限制了其实用化进程和批量化生产。本文以明胶为牺牲剂制备了具有多孔结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体，再采用浸渍法获得了聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐) (PEDOT:PSS)和MXene复合修饰的PDMS柔性压阻传感器。实验表明，当PEDOT:PSS和MXene复合浓度分别为15 mg/mL和10 mg/mL时，传感器灵敏度获得最大值，在12~40 kPa压力范围内，灵敏度达29.1 kPa−1。经测试，所制备的传感器响应时间为0.36 s，回复时间为0.6 s。该传感器可以检测人体关节(手指、肘部、膝盖)运动，表明开发的压力传感器在智能衣物、柔性可穿戴电子设备及人机交互领域具有良好的应用前景。
2024, 41(10): 5450-5457.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240022.001
摘要:
SnO2由于其高电子迁移率、优良的传导性和低温制备特性，在钙钛矿太阳能电池(PSCs)中得到广泛的应用。目前，制备SnO2最常用的两种方法是SnCl2水解氧化法和SnO2溶胶-凝胶法。然而，SnCl2水解氧化虽然可以产生结晶良好的SnO2，但其可控性较差，使得器件性能的重复性较低。另一方面，溶胶-凝胶法制备的基于SnO2电子输运层的器件具有良好的重复性，但结晶度较差，导致电子输运性能下降。在本文中，采用水解氧化和溶胶-凝胶相结合的方法制备了SnO2电子传输层。研究结果表明：采用SnCl2水解氧化法制备高质量的SnO2结晶层可以作为预生长模板，提高溶胶-凝胶法制备SnO2的结晶质量。此外，用溶胶-凝胶法制备的SnO2结晶层覆盖水解氧化SnO2层可以提高器件制备的重复性。由此方法制备的电子传递层可以有效地提高薄膜晶体的生长质量和电荷的提取能力，最终有助于提高器件的效率及稳定性并减少迟滞。
SnO2由于其高电子迁移率、优良的传导性和低温制备特性，在钙钛矿太阳能电池(PSCs)中得到广泛的应用。目前，制备SnO2最常用的两种方法是SnCl2水解氧化法和SnO2溶胶-凝胶法。然而，SnCl2水解氧化虽然可以产生结晶良好的SnO2，但其可控性较差，使得器件性能的重复性较低。另一方面，溶胶-凝胶法制备的基于SnO2电子输运层的器件具有良好的重复性，但结晶度较差，导致电子输运性能下降。在本文中，采用水解氧化和溶胶-凝胶相结合的方法制备了SnO2电子传输层。研究结果表明：采用SnCl2水解氧化法制备高质量的SnO2结晶层可以作为预生长模板，提高溶胶-凝胶法制备SnO2的结晶质量。此外，用溶胶-凝胶法制备的SnO2结晶层覆盖水解氧化SnO2层可以提高器件制备的重复性。由此方法制备的电子传递层可以有效地提高薄膜晶体的生长质量和电荷的提取能力，最终有助于提高器件的效率及稳定性并减少迟滞。
2024, 41(10): 5458-5467.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240617.004
摘要:
CeVO4因其对可见光较低的利用率和光生电子空穴对易于复合的缺点限制其在光催化领域中的应用。碳点(CDs)具有独特的π共轭结构赋予其优异的光生电子存储和转移能力。本研究采用水热和共沉淀两步法成功制备出CDs与CeVO4的纳米复合物(CDs/CeVO4)，在掺入CDs后，其光生载流子的转移和分离效率得到有效提高。在可见光照射下，CDs/CeVO4能高效活化过一硫酸盐(PMS)降解盐酸四环素(TC)，反应60 min后对TC的降解率达到90%。反应速率常数是CeVO4的4.1倍(0.03815 min−1)。XPS、紫外可见漫反射光谱和时间分辨荧光光谱测试结果表明，CDs/CeVO4相比于CeVO4带隙变窄，可见光吸收能力增强，荧光寿命是CeVO4的15.1倍(7.10 ns)。电子顺磁共振光谱(EPR)与XPS测试结果相互印证掺入CDs的纳米复合物中存在丰富的氧空位，进一步增强其活化PMS能力。活性物质捕获实验表明，h+、\begin{document}$\text{SO}_{4}^{-}{\text{•}} $\end{document}
CeVO4因其对可见光较低的利用率和光生电子空穴对易于复合的缺点限制其在光催化领域中的应用。碳点(CDs)具有独特的π共轭结构赋予其优异的光生电子存储和转移能力。本研究采用水热和共沉淀两步法成功制备出CDs与CeVO4的纳米复合物(CDs/CeVO4)，在掺入CDs后，其光生载流子的转移和分离效率得到有效提高。在可见光照射下，CDs/CeVO4能高效活化过一硫酸盐(PMS)降解盐酸四环素(TC)，反应60 min后对TC的降解率达到90%。反应速率常数是CeVO4的4.1倍(
2024, 41(10): 5468-5477.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240003.002
摘要:
全钒液流电池要求质子交换膜具备优良的离子选择性和理化稳定性。本研究分别采用微波法和传统水热法制备UIO-66-NH2，利用浇筑法制备了UIO-66-NH2/Nafion复合质子交换膜，对膜的理化性质和电池性能进行系统研究。结果表明，UIO-66-NH2在复合膜内形成的氢键网络、酸碱对和自身孔道协同强化了膜的离子选择性。基于微波法(M/N)和传统水热法(T/N)的复合膜综合性能均优于纯树脂膜(P-N)。在掺杂量为3wt%时，M/N-3膜拉伸强度达到27 MPa，质子传导率和钒离子透过率分别为122.18 mS·cm−1和0.83×10−7 cm2·min−1，离子选择性为15.6×105 S·min·cm−3，约为P-N膜的30倍，且其电池能量效率达到83.8%~71.7% (100~200 mA·cm−2)，优于T/N-3膜(82.7%~71.0%)和P-N膜(79.4%~69.0%)。同时，该电池也显示出更优的循环稳定性和容量保持率。因此，微波法合成的UIO-66-NH2可有效改善质子交换膜的综合性能，在提高钒液流电池性能方面前景较好。
全钒液流电池要求质子交换膜具备优良的离子选择性和理化稳定性。本研究分别采用微波法和传统水热法制备UIO-66-NH2，利用浇筑法制备了UIO-66-NH2/Nafion复合质子交换膜，对膜的理化性质和电池性能进行系统研究。结果表明，UIO-66-NH2在复合膜内形成的氢键网络、酸碱对和自身孔道协同强化了膜的离子选择性。基于微波法(M/N)和传统水热法(T/N)的复合膜综合性能均优于纯树脂膜(P-N)。在掺杂量为3wt%时，M/N-3膜拉伸强度达到27 MPa，质子传导率和钒离子透过率分别为122.18 mS·cm−1和0.83×10−7 cm2·min−1，离子选择性为15.6×105 S·min·cm−3，约为P-N膜的30倍，且其电池能量效率达到83.8%~71.7% (100~200 mA·cm−2)，优于T/N-3膜(82.7%~71.0%)和P-N膜(79.4%~69.0%)。同时，该电池也显示出更优的循环稳定性和容量保持率。因此，微波法合成的UIO-66-NH2可有效改善质子交换膜的综合性能，在提高钒液流电池性能方面前景较好。
2024, 41(10): 5478-5491.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231218.006
摘要:
我国西北地区昼夜温差大且存在大量盐渍土环境，因此西北地区的大量建筑无法避免地受到硫酸盐与冻融的耦合作用，使结构内部产生大量孔隙并最终导致其损伤失效。本文采用核磁共振(NMR)对硫酸盐与冻融耦合作用下机制骨料混凝土的孔径分布和孔隙率等孔结构参数进行分析，并探究了硫酸盐浓度、冻融循环次数以及石粉掺量对机制骨料混凝土孔结构的影响规律。结果表明：硫酸盐降低了机制骨料混凝土的冻融劣化速率，随着硫酸盐浓度的增加降低效果更显著；机制骨料混凝土的孔隙率随冻融循环次数增加而增大；机制骨料混凝土孔隙率随着石粉掺量的增多先减小后增大，当石粉掺量控制在10wt%左右时具有最佳的孔结构；硫酸盐冻融的耦合作用下的化学侵蚀产物除了钙矾石和石膏外还存在无水芒硝，但是低温抑制了硫酸盐的化学侵蚀使得物理侵蚀占据主导作用。
我国西北地区昼夜温差大且存在大量盐渍土环境，因此西北地区的大量建筑无法避免地受到硫酸盐与冻融的耦合作用，使结构内部产生大量孔隙并最终导致其损伤失效。本文采用核磁共振(NMR)对硫酸盐与冻融耦合作用下机制骨料混凝土的孔径分布和孔隙率等孔结构参数进行分析，并探究了硫酸盐浓度、冻融循环次数以及石粉掺量对机制骨料混凝土孔结构的影响规律。结果表明：硫酸盐降低了机制骨料混凝土的冻融劣化速率，随着硫酸盐浓度的增加降低效果更显著；机制骨料混凝土的孔隙率随冻融循环次数增加而增大；机制骨料混凝土孔隙率随着石粉掺量的增多先减小后增大，当石粉掺量控制在10wt%左右时具有最佳的孔结构；硫酸盐冻融的耦合作用下的化学侵蚀产物除了钙矾石和石膏外还存在无水芒硝，但是低温抑制了硫酸盐的化学侵蚀使得物理侵蚀占据主导作用。
2024, 41(10): 5492-5503.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240023.003
摘要:
为了研究钢纤维与玄武岩纤维(BFRP)网格对磷酸镁水泥砂浆(MPCM)力学性能的增强效果，制备了BFRP网格MPCM复合材料(GRMM)。通过轴向拉伸试验和四点弯曲试验，研究材料复合方式(钢纤维增强、BFRP网格增强、复合增强)、BFRP网格厚度(1 mm、2 mm、3 mm)和BFRP网格表面形式(未处理、粘砂)对复合材料拉伸应力-应变曲线、弯曲应力-挠度曲线与关键力学参数的影响规律，以及钢纤维、BFRP网格在GRMM中的作用机制。结果表明：钢纤维主要在GRMM受力前期发挥作用，可以有效地抑制裂缝的产生，起到了增强、增韧的作用，钢纤维的掺入使拉伸试件与弯曲试件承载力分别提高了24.23%与215.33%，并提高了两类试件的抗裂性能、变形与耗能能力；BFRP网格作为拉应力的主要承担者，作用于GRMM整个受力过程，使两类试件的峰值变形提升了70倍以上，但试件中BFRP网格与MPCM受力并不协调；两种材料复合增强下，GRMM综合了钢纤维对基体的增强效果与BFRP网格的良好变形性能，其抗裂性能、强度、变形性能及耗能能力均得到提升；随着BFRP网格厚度的增加，GRMM试件强度与耗能能力得到进一步提升；BFRP网格表面进行粘砂处理对GRMM各项性能影响并不明显。
为了研究钢纤维与玄武岩纤维(BFRP)网格对磷酸镁水泥砂浆(MPCM)力学性能的增强效果，制备了BFRP网格MPCM复合材料(GRMM)。通过轴向拉伸试验和四点弯曲试验，研究材料复合方式(钢纤维增强、BFRP网格增强、复合增强)、BFRP网格厚度(1 mm、2 mm、3 mm)和BFRP网格表面形式(未处理、粘砂)对复合材料拉伸应力-应变曲线、弯曲应力-挠度曲线与关键力学参数的影响规律，以及钢纤维、BFRP网格在GRMM中的作用机制。结果表明：钢纤维主要在GRMM受力前期发挥作用，可以有效地抑制裂缝的产生，起到了增强、增韧的作用，钢纤维的掺入使拉伸试件与弯曲试件承载力分别提高了24.23%与215.33%，并提高了两类试件的抗裂性能、变形与耗能能力；BFRP网格作为拉应力的主要承担者，作用于GRMM整个受力过程，使两类试件的峰值变形提升了70倍以上，但试件中BFRP网格与MPCM受力并不协调；两种材料复合增强下，GRMM综合了钢纤维对基体的增强效果与BFRP网格的良好变形性能，其抗裂性能、强度、变形性能及耗能能力均得到提升；随着BFRP网格厚度的增加，GRMM试件强度与耗能能力得到进一步提升；BFRP网格表面进行粘砂处理对GRMM各项性能影响并不明显。
2024, 41(10): 5504-5515.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231128.002
摘要:
为增强碳纤维/混凝土基体界面性能，探究氧化石墨烯接枝碳纤维增强体(CF-GO)对混凝土力学性能的影响规律，以氨基硅烷为桥接物，将碳纤维和氧化石墨烯通过化学键紧密结合，制备了CF-GO。利用扫描电子显微镜和红外光谱仪对CF-GO的微观形貌和官能团进行表征，确定了氧化石墨烯成功接枝到碳纤维表面，并测试了CF-GO的界面剪切强度。制备了CF-GO改性混凝土(CF-GO/C)，测试了其力学性能，并与碳纤维改性混凝土进行了对比。此外，分析了CF-GO对混凝土力学性能的改性机制。结果表明：CF-GO的界面剪切强度较碳纤维增大了25.37%。随着CF-GO掺量的增大，CF-GO/C的抗折和抗压强度均先增大后减小。CF-GO的最佳掺量为0.3vol%，碳纤维的最佳掺量为0.2vol%。在最佳掺量下，CF-GO/C的抗折和抗压强度分别增大了33.21%、24.63%。CF-GO表面的氧化石墨烯通过提高CF-GO与混凝土基体的机械咬合力和促进水化产物在CF-GO表面的生成，从物理和化学两方面增强CF-GO/混凝土基体界面。
为增强碳纤维/混凝土基体界面性能，探究氧化石墨烯接枝碳纤维增强体(CF-GO)对混凝土力学性能的影响规律，以氨基硅烷为桥接物，将碳纤维和氧化石墨烯通过化学键紧密结合，制备了CF-GO。利用扫描电子显微镜和红外光谱仪对CF-GO的微观形貌和官能团进行表征，确定了氧化石墨烯成功接枝到碳纤维表面，并测试了CF-GO的界面剪切强度。制备了CF-GO改性混凝土(CF-GO/C)，测试了其力学性能，并与碳纤维改性混凝土进行了对比。此外，分析了CF-GO对混凝土力学性能的改性机制。结果表明：CF-GO的界面剪切强度较碳纤维增大了25.37%。随着CF-GO掺量的增大，CF-GO/C的抗折和抗压强度均先增大后减小。CF-GO的最佳掺量为0.3vol%，碳纤维的最佳掺量为0.2vol%。在最佳掺量下，CF-GO/C的抗折和抗压强度分别增大了33.21%、24.63%。CF-GO表面的氧化石墨烯通过提高CF-GO与混凝土基体的机械咬合力和促进水化产物在CF-GO表面的生成，从物理和化学两方面增强CF-GO/混凝土基体界面。
2024, 41(10): 5516-5526.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240023.002
摘要:
为了研究钢纤维地聚物再生混凝土(SFGRC)孔隙特性与宏观性能的发展规律，测试了混凝土的内部孔隙结构、力学性能与干燥收缩性能，分析了再生骨料掺量和前驱体钙硅比对混凝土孔隙结构、力学性能与收缩性能的影响规律，基于分形理论建立了SFGRC孔隙结构和宏观性能关联模型。研究结果表明：再生骨料显著增大了SFGRC的孔隙率和有害孔占比，劣化了其力学性能。高掺量矿渣细化了SFGRC的孔隙结构，加大了材料的孔径与空间分布的复杂程度。两者均加剧了SFGRC的早期干燥收缩。SFGRC的孔结构表现出明显的分形特征，其分形维数在2.623~2.731，且与孔隙结构特征参数、力学性能具有很强的相关性，能够有效评价材料孔隙结构特征。采用 Bayesian-MCMC (Markov chain monte carlo)方法建立的基于分形维数的SFGRC弹性模量、极限应力、极限应变与干燥收缩应变等特征参数的预测模型，拟合优度为0.51~0.98，且具有较高的预测精度，为优化SFGRC孔隙结构和宏观性能提供了理论依据。
为了研究钢纤维地聚物再生混凝土(SFGRC)孔隙特性与宏观性能的发展规律，测试了混凝土的内部孔隙结构、力学性能与干燥收缩性能，分析了再生骨料掺量和前驱体钙硅比对混凝土孔隙结构、力学性能与收缩性能的影响规律，基于分形理论建立了SFGRC孔隙结构和宏观性能关联模型。研究结果表明：再生骨料显著增大了SFGRC的孔隙率和有害孔占比，劣化了其力学性能。高掺量矿渣细化了SFGRC的孔隙结构，加大了材料的孔径与空间分布的复杂程度。两者均加剧了SFGRC的早期干燥收缩。SFGRC的孔结构表现出明显的分形特征，其分形维数在2.623~2.731，且与孔隙结构特征参数、力学性能具有很强的相关性，能够有效评价材料孔隙结构特征。采用 Bayesian-MCMC (Markov chain monte carlo)方法建立的基于分形维数的SFGRC弹性模量、极限应力、极限应变与干燥收缩应变等特征参数的预测模型，拟合优度为0.51~0.98，且具有较高的预测精度，为优化SFGRC孔隙结构和宏观性能提供了理论依据。
2024, 41(10): 5527-5539.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240011.002
摘要:
为了研究高强钢筋与超高性能混凝土(UHPC) 的黏结性能，通过梁式搭接试验，设计制作了9根搭接梁，分析了钢筋搭接长度、钢纤维掺量、机械锚固措施对搭接梁中高强钢筋与UHPC黏结性能的影响。结果表明：采用UHPC连接的搭接梁，搭接段受拉钢筋与混凝土具有更优异的黏结性能；随着钢筋搭接长度的增加，搭接梁的峰值荷载提高，但平均黏结强度逐渐减小；搭接梁的峰值荷载和黏结强度随着钢纤维掺量的增大而增大；采用机械锚固措施处理后的搭接梁，具有更高的峰值荷载和黏结强度，其中采用弯钩处理的搭接梁峰值荷载和黏结强度提升最为明显，分别提高了212.4%、199.4%，并且搭接钢筋发生屈服。根据搭接梁达到峰值荷载时轴力和弯矩的平衡条件，计算出搭接梁中钢筋的最大拉应力，进一步建立钢筋与UHPC平均黏结强度的计算方法，并与中心拉拔试验、对拉搭接试验结果进行对比。
为了研究高强钢筋与超高性能混凝土(UHPC) 的黏结性能，通过梁式搭接试验，设计制作了9根搭接梁，分析了钢筋搭接长度、钢纤维掺量、机械锚固措施对搭接梁中高强钢筋与UHPC黏结性能的影响。结果表明：采用UHPC连接的搭接梁，搭接段受拉钢筋与混凝土具有更优异的黏结性能；随着钢筋搭接长度的增加，搭接梁的峰值荷载提高，但平均黏结强度逐渐减小；搭接梁的峰值荷载和黏结强度随着钢纤维掺量的增大而增大；采用机械锚固措施处理后的搭接梁，具有更高的峰值荷载和黏结强度，其中采用弯钩处理的搭接梁峰值荷载和黏结强度提升最为明显，分别提高了212.4%、199.4%，并且搭接钢筋发生屈服。根据搭接梁达到峰值荷载时轴力和弯矩的平衡条件，计算出搭接梁中钢筋的最大拉应力，进一步建立钢筋与UHPC平均黏结强度的计算方法，并与中心拉拔试验、对拉搭接试验结果进行对比。
2024, 41(10): 5540-5548.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240008.003
摘要:
为了考察石墨烯量子点(GQDs)作为外掺料改善蛇纹石混凝土性能的可行性，研究了25、150、300、450和600℃时GQDs掺量对蛇纹石混凝土强度、结晶水损失率和微结构的影响。结果表明：室温(25℃)下，蛇纹石混凝土强度随GQDs掺量的增加而提升，当掺量为0.12wt%时，改善效果最佳，其7天、28天抗压强度和28天劈裂抗拉强度分别较基准组提高了26.4%、20.9%和27.7%；加热期间，与未掺GQDs的蛇纹石混凝土相比，掺入0.12wt%的GQDs使蛇纹石混凝土结晶水损失率降低了1.8%~20.0%，抗压强度和劈裂抗拉强度分别增加了18.0%~34.0%和29.4%~39.8%；微观试验表明高温环境促使蛇纹石混凝土水化，而GQDs拥有较好的导热性和纳米填充性，在二者共同作用下显著提高了蛇纹石混凝土的微观致密度，且300℃时致密度最高。
为了考察石墨烯量子点(GQDs)作为外掺料改善蛇纹石混凝土性能的可行性，研究了25、150、300、450和600℃时GQDs掺量对蛇纹石混凝土强度、结晶水损失率和微结构的影响。结果表明：室温(25℃)下，蛇纹石混凝土强度随GQDs掺量的增加而提升，当掺量为0.12wt%时，改善效果最佳，其7天、28天抗压强度和28天劈裂抗拉强度分别较基准组提高了26.4%、20.9%和27.7%；加热期间，与未掺GQDs的蛇纹石混凝土相比，掺入0.12wt%的GQDs使蛇纹石混凝土结晶水损失率降低了1.8%~20.0%，抗压强度和劈裂抗拉强度分别增加了18.0%~34.0%和29.4%~39.8%；微观试验表明高温环境促使蛇纹石混凝土水化，而GQDs拥有较好的导热性和纳米填充性，在二者共同作用下显著提高了蛇纹石混凝土的微观致密度，且300℃时致密度最高。
2024, 41(10): 5549-5560.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231125.001
摘要:
基于纳米银颗粒(AgNPs)的抗菌导电水凝胶在可穿戴设备、电子皮肤、生物传感器等领域有重要应用，其绿色制造是目前的研究热点之一。纳米纤维素(CNF)因其独特的物理化学性质，在智能水凝胶的制备与应用中得到越来越多的关注。将 AgNPs 与 CNF 复合并应用到水凝胶中，有望制备具有良好力学性能的抗菌水凝胶，对水凝胶在智能可穿戴领域中的应用具有重要的指导意义。本文首先以2, 2, 6, 6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)氧化纳米纤维素(TOCNF)为复合基材，AgNO3为银源，通过水热法原位复合制备Ag-CNF复合材料。随后，将 Ag-CNF 和 单宁酸(TA) 作为功能性添加剂引入聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶中，制备了具有良好拉伸性能、粘附性、抗菌性和紫外屏蔽性的 Ag-CNF/PAM 水凝胶，并将Ag-CNF/PAM 水凝胶封装制备成应变响应传感设备，研究其电学和传感性能。Ag-CNF/PAM 水凝胶在 100% 的应变循环下能够保持稳定重复的电信号输出，也能够用于手腕动作和头部动作的动作检测，在应变响应传感领域具有良好的应用前景。
基于纳米银颗粒(AgNPs)的抗菌导电水凝胶在可穿戴设备、电子皮肤、生物传感器等领域有重要应用，其绿色制造是目前的研究热点之一。纳米纤维素(CNF)因其独特的物理化学性质，在智能水凝胶的制备与应用中得到越来越多的关注。将 AgNPs 与 CNF 复合并应用到水凝胶中，有望制备具有良好力学性能的抗菌水凝胶，对水凝胶在智能可穿戴领域中的应用具有重要的指导意义。本文首先以2, 2, 6, 6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)氧化纳米纤维素(TOCNF)为复合基材，AgNO3为银源，通过水热法原位复合制备Ag-CNF复合材料。随后，将 Ag-CNF 和 单宁酸(TA) 作为功能性添加剂引入聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶中，制备了具有良好拉伸性能、粘附性、抗菌性和紫外屏蔽性的 Ag-CNF/PAM 水凝胶，并将Ag-CNF/PAM 水凝胶封装制备成应变响应传感设备，研究其电学和传感性能。Ag-CNF/PAM 水凝胶在 100% 的应变循环下能够保持稳定重复的电信号输出，也能够用于手腕动作和头部动作的动作检测，在应变响应传感领域具有良好的应用前景。
2024, 41(10): 5561-5574.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240008.002
摘要:
四环素类抗生素因具有高效、低毒、广谱抑菌性等优点而被广泛使用，但随着抗生素的滥用致使大量的耐药菌出现，使四环素类抗生素的药用价值逐渐降低。超小粒径的纳米Ag虽可使细菌甚至耐药菌失活，但单独使用毒性较强，且易团聚。为此，本文利用Ag的d轨道为满电子结构，可与供电子基团配位的原理，设计了核壳型介孔Fe3O4@SiO2@mTiO2@Ag-四环素(FSmTA-T)复合材料用以解决抗生素耐药和纳米Ag团聚、强毒性问题。研究结果显示，制备的复合材料中纳米Ag量子点的粒径约为2.84 nm，可与四环素环3中的羰基键合，同时，相比四环素，复合材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、耐四环素沙门氏菌和白色念珠菌均具有较高的抑菌活性，并可有效破坏细菌细胞壁而使其死亡，且对哺乳细胞的毒性降低为原来的1/3。因此，其优越的抑菌活性可应用于污水处理领域。
四环素类抗生素因具有高效、低毒、广谱抑菌性等优点而被广泛使用，但随着抗生素的滥用致使大量的耐药菌出现，使四环素类抗生素的药用价值逐渐降低。超小粒径的纳米Ag虽可使细菌甚至耐药菌失活，但单独使用毒性较强，且易团聚。为此，本文利用Ag的d轨道为满电子结构，可与供电子基团配位的原理，设计了核壳型介孔Fe3O4@SiO2@mTiO2@Ag-四环素(FSmTA-T)复合材料用以解决抗生素耐药和纳米Ag团聚、强毒性问题。研究结果显示，制备的复合材料中纳米Ag量子点的粒径约为2.84 nm，可与四环素环3中的羰基键合，同时，相比四环素，复合材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、耐四环素沙门氏菌和白色念珠菌均具有较高的抑菌活性，并可有效破坏细菌细胞壁而使其死亡，且对哺乳细胞的毒性降低为原来的1/3。因此，其优越的抑菌活性可应用于污水处理领域。
2024, 41(10): 5575-5583.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240009.002
摘要:
为研制全生物降解地膜以减少传统塑料地膜的污染，以热塑性淀粉(TPS)和聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)为原料，制备了两种原料配比的生物降解地膜TPS/PBAT-A和TPS/PBAT-B，研究其在热老化(60℃、80℃、100℃)和多因素老化(温度、湿度、光照强度分别为40℃-65%-310 W/m2、60℃-65%-310 W/m2和60℃-65%-648 W/m2)的综合性能。未老化前，两种地膜TPS/PBAT-A和TPS/PBAT-B的拉伸强度分别为16.3 MPa 和20.8 MPa，断裂伸长率分别为1222.7 %和564.5%。高温热老化后两种地膜力学性能下降，经100℃热老化后，两种地膜TPS/PBAT-A和TPS/PBAT-B的拉伸强度分别降至11.2 MPa和18.2 MPa；TPS/PBAT-B地膜在热老化后表面缺陷相对较少，其性能保留较好。多因素老化下，光照强度对于两种地膜的力学性能的影响较大，在60℃-65%-310 W/m2和60℃-65%-648 W/m2的对比环境中，两种地膜在24天后拉伸强度分别下降23.0%和22.4%；两种地膜在老化时主要表现为地膜的非结晶区先分解，分子链结构遭到破坏，分子断裂后内部空隙的存在使结合质量下降，表面出现多处孔洞和裂纹。
为研制全生物降解地膜以减少传统塑料地膜的污染，以热塑性淀粉(TPS)和聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)为原料，制备了两种原料配比的生物降解地膜TPS/PBAT-A和TPS/PBAT-B，研究其在热老化(60℃、80℃、100℃)和多因素老化(温度、湿度、光照强度分别为40℃-65%-310 W/m2、60℃-65%-310 W/m2和60℃-65%-648 W/m2)的综合性能。未老化前，两种地膜TPS/PBAT-A和TPS/PBAT-B的拉伸强度分别为16.3 MPa 和20.8 MPa，断裂伸长率分别为
2024, 41(10): 5584-5598.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240223.001
摘要:
橡胶/钢帘线复合材料的传热与温度场分析对橡胶制品的硫化成型、热氧老化、热疲劳寿命研究具有重要意义。本文基于多尺度传热模型对不同钢帘线占比、排列角度和温升工况下的橡胶/钢帘线复合材料传热和散热机制进行研究，并通过实验验证。结果表明，橡胶/钢帘线复合材料呈现明显的各向异性传热行为，传热界面的热流聚集效应会加速热量的层间扩散，使温度分布更均匀。模拟计算得到的辐射散热发射率高达0.95，且随着钢帘线占比增大和温度升高，辐射散热行为越明显。对比串并联传热模型，多尺度传热模型预测误差从10.1%减小到2.5%。
橡胶/钢帘线复合材料的传热与温度场分析对橡胶制品的硫化成型、热氧老化、热疲劳寿命研究具有重要意义。本文基于多尺度传热模型对不同钢帘线占比、排列角度和温升工况下的橡胶/钢帘线复合材料传热和散热机制进行研究，并通过实验验证。结果表明，橡胶/钢帘线复合材料呈现明显的各向异性传热行为，传热界面的热流聚集效应会加速热量的层间扩散，使温度分布更均匀。模拟计算得到的辐射散热发射率高达0.95，且随着钢帘线占比增大和温度升高，辐射散热行为越明显。对比串并联传热模型，多尺度传热模型预测误差从10.1%减小到2.5%。
2024, 41(10): 5599-5606.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240012.004
摘要:
研究了750℃等温时效热处理对固溶态GH4650T在700℃拉伸性能及变形断裂机制的影响。实验发现，随着时效时间的延长，合金拉伸强度先升高后降低，而拉伸塑性表现出相反的变化趋势；时效48 h后，合金具有最佳的拉伸强度，而时效5 h后，合金拉伸伸长率最小。微观组织结构分析表明，时效过程中，γ′相粗化长大动力学遵循Lifshitz-Slyozov-Wagner熟化规律；等温时效过程中，随着γ′相颗粒尺寸的增加，合金主要变形机制由弱耦合位错对切割颗粒转变为强耦合位错对切割颗粒然后转变为Orowan绕过颗粒，而合金断裂的方式由塑性穿晶断裂转变为沿晶断裂然后转变为沿晶加穿晶混合型断裂，并且随着γ′相颗粒尺寸的增加，塑性穿晶断裂的方式越加明显。基于这些实验结果，讨论了合金拉伸性能与变形断裂机制之间的关系。
研究了750℃等温时效热处理对固溶态GH4650T在700℃拉伸性能及变形断裂机制的影响。实验发现，随着时效时间的延长，合金拉伸强度先升高后降低，而拉伸塑性表现出相反的变化趋势；时效48 h后，合金具有最佳的拉伸强度，而时效5 h后，合金拉伸伸长率最小。微观组织结构分析表明，时效过程中，γ′相粗化长大动力学遵循Lifshitz-Slyozov-Wagner熟化规律；等温时效过程中，随着γ′相颗粒尺寸的增加，合金主要变形机制由弱耦合位错对切割颗粒转变为强耦合位错对切割颗粒然后转变为Orowan绕过颗粒，而合金断裂的方式由塑性穿晶断裂转变为沿晶断裂然后转变为沿晶加穿晶混合型断裂，并且随着γ′相颗粒尺寸的增加，塑性穿晶断裂的方式越加明显。基于这些实验结果，讨论了合金拉伸性能与变形断裂机制之间的关系。
2024, 41(10): 5607-5621.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240131.001
摘要:
为了拓宽混凝土超材料的弹性波带隙宽度和数量，本文基于局域共振理论设计了一种新型二维三组元水泥基拟声子晶体。首先，采用有限元方法计算和研究了该新型二维三组元水泥基拟声子晶体的能带结构、振动模态、位移场和衰减特性。其次，分析了带隙形成机制和影响因素，并根据质量-弹簧系统模型推导了带隙范围的理论估计式。最后，将该水泥基拟声子晶体应用到地铁道床上，分析了水泥基拟声子晶体地铁道床的减振性能。结果表明：该新型二维三组元水泥基拟声子晶体在200 Hz频段内打开了5条低频带隙，在带隙频率范围内，衰减值大多都在10 dB以上，衰减效果较好；带隙的打开与各原胞的振动特征呈现出对应关系，因特定原胞的平移振动触发，由特定原胞与基体的耦合作用的强度所控制；散射体材料的密度、包裹层材料的弹性模量及厚度是影响其带隙的主要因素；由新型二维三组元水泥基拟声子晶体组成的水泥基拟声子晶体地铁道床在1~200 Hz频段内的振动加速度均小于普通混凝土地铁道床，最大插入损失为10.22 dB，插入损失平均值为8.76 dB，具有显著的减振性能。
为了拓宽混凝土超材料的弹性波带隙宽度和数量，本文基于局域共振理论设计了一种新型二维三组元水泥基拟声子晶体。首先，采用有限元方法计算和研究了该新型二维三组元水泥基拟声子晶体的能带结构、振动模态、位移场和衰减特性。其次，分析了带隙形成机制和影响因素，并根据质量-弹簧系统模型推导了带隙范围的理论估计式。最后，将该水泥基拟声子晶体应用到地铁道床上，分析了水泥基拟声子晶体地铁道床的减振性能。结果表明：该新型二维三组元水泥基拟声子晶体在200 Hz频段内打开了5条低频带隙，在带隙频率范围内，衰减值大多都在10 dB以上，衰减效果较好；带隙的打开与各原胞的振动特征呈现出对应关系，因特定原胞的平移振动触发，由特定原胞与基体的耦合作用的强度所控制；散射体材料的密度、包裹层材料的弹性模量及厚度是影响其带隙的主要因素；由新型二维三组元水泥基拟声子晶体组成的水泥基拟声子晶体地铁道床在1~200 Hz频段内的振动加速度均小于普通混凝土地铁道床，最大插入损失为10.22 dB，插入损失平均值为8.76 dB，具有显著的减振性能。
2024, 41(10): 5622-5633.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231218.005
摘要:
基于复合材料缠绕成型工艺过程，采用响应面法设计湿法缠绕成型试验，以缠绕制品的层间剪切强度、孔隙率为关键性能指标，根据试验结果建立缠绕张力、胶辊间隙、缠绕速度对缠绕制品性能的多元回归预测模型，并验证回归模型的准确性。结合回归模型与Morris法进行不同缠绕制品性能表征参数对各工艺参数的敏感度排序，并得到各工艺参数的相对稳定区间，通过缠绕成型试验验证敏感度分析的有效性。以缠绕制品的层间剪切强度大、孔隙率小为目标，通过主成分分析(PCA)得到层间剪切强度的贡献率为60.9%、孔隙率的贡献率为39.1%，利用NSGA-II算法获得工艺参数最优解集：缠绕张力为65.1 N、胶辊间隙为0.12 mm、缠绕速度为0.17 m/s，缠绕制品的层间剪切强度为54.4 MPa、孔隙率为1.24%、纤维体积分数为74.13vol%。
基于复合材料缠绕成型工艺过程，采用响应面法设计湿法缠绕成型试验，以缠绕制品的层间剪切强度、孔隙率为关键性能指标，根据试验结果建立缠绕张力、胶辊间隙、缠绕速度对缠绕制品性能的多元回归预测模型，并验证回归模型的准确性。结合回归模型与Morris法进行不同缠绕制品性能表征参数对各工艺参数的敏感度排序，并得到各工艺参数的相对稳定区间，通过缠绕成型试验验证敏感度分析的有效性。以缠绕制品的层间剪切强度大、孔隙率小为目标，通过主成分分析(PCA)得到层间剪切强度的贡献率为60.9%、孔隙率的贡献率为39.1%，利用NSGA-II算法获得工艺参数最优解集：缠绕张力为65.1 N、胶辊间隙为0.12 mm、缠绕速度为0.17 m/s，缠绕制品的层间剪切强度为54.4 MPa、孔隙率为1.24%、纤维体积分数为74.13vol%。
2024, 41(10): 5634-5645.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240320.002
摘要:
大范围纤维桥接是复合材料分层扩展中的一种重要的增韧机制，通常用R曲线和桥接牵引-分离定律表征。然而R曲线和桥接牵引-分离定律都与结构厚度有关，需用不同厚度试件分别进行实验测量。近期的研究指出：桥接现象的厚度相关性实质上是由于不同厚度结构弯曲刚度不同所造成的；将裂纹张开的转角引入，构建的桥接牵引-分离转角关系与厚度无关。但是，现有的构造方法需要试件预埋光纤测量应变，试验过程复杂。本文通过弹性约束梁模型解析推导双悬臂梁预制裂纹尖端张开位移和转角，并结合J-积分法构建桥接牵引-分离转角关系，通过实验验证该关系是厚度无关的。进一步基于这种厚度无关的桥接律，提出了一种根据单一厚度试验数据逆推其他任意厚度R曲线与桥接牵引-分离定律的方法。通过不同厚度的碳纤维/环氧树脂、芳纶纤维/环氧树脂复合材料层合板双悬臂梁试验，证明逆推出来的R曲线和桥接牵引-分离关系曲线与用试验直接测量的曲线吻合很好。本文方法基于解析模型，仅需测量载荷-位移曲线即可，避免了裂纹长度的测量以及不同厚度的多次试验，简化了试验流程，为复合材料结构性能表征提供了有力工具。
大范围纤维桥接是复合材料分层扩展中的一种重要的增韧机制，通常用R曲线和桥接牵引-分离定律表征。然而R曲线和桥接牵引-分离定律都与结构厚度有关，需用不同厚度试件分别进行实验测量。近期的研究指出：桥接现象的厚度相关性实质上是由于不同厚度结构弯曲刚度不同所造成的；将裂纹张开的转角引入，构建的桥接牵引-分离转角关系与厚度无关。但是，现有的构造方法需要试件预埋光纤测量应变，试验过程复杂。本文通过弹性约束梁模型解析推导双悬臂梁预制裂纹尖端张开位移和转角，并结合J-积分法构建桥接牵引-分离转角关系，通过实验验证该关系是厚度无关的。进一步基于这种厚度无关的桥接律，提出了一种根据单一厚度试验数据逆推其他任意厚度R曲线与桥接牵引-分离定律的方法。通过不同厚度的碳纤维/环氧树脂、芳纶纤维/环氧树脂复合材料层合板双悬臂梁试验，证明逆推出来的R曲线和桥接牵引-分离关系曲线与用试验直接测量的曲线吻合很好。本文方法基于解析模型，仅需测量载荷-位移曲线即可，避免了裂纹长度的测量以及不同厚度的多次试验，简化了试验流程，为复合材料结构性能表征提供了有力工具。
2024, 41(10): 5646-5656.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240201.002
摘要:
点阵结构与密实结构存在的力学性能差异之一表现在塑性屈服响应上，因此，研究其屈服行为可为点阵结构的设计和应用提供重要的理论依据。首先，对Gyroid点阵结构进行简化，并基于变形体功能原理建立其力学模型，得到Gyroid点阵结构塑性屈服强度与体积分数之间的映射关系；然后，基于有限元分析软件Abaqus对Gyroid点阵结构准静态压缩过程开展仿真实验，初步验证理论模型的准确性；最后，通过选择性激光熔化(SLM)制备不同体积分数316L不锈钢Gyroid点阵结构，进行单轴压缩实验，分析其变形机制与力学性能。结果表明：理论推导、有限元仿真结果与实验结果相比，误差在25%以内，且根据3种方法结果拟合得到的Gibson-Ashby模型系数具有较好的一致性，表明本文基于理论推导建立的Gyroid点阵结构塑性屈服强度预测模型的有效性。理论模型的构建方法可以转化到其他复杂类型点阵结构中，为快速核算点阵结构力学性能，并将其应用在工程装备中提供理论依据。
点阵结构与密实结构存在的力学性能差异之一表现在塑性屈服响应上，因此，研究其屈服行为可为点阵结构的设计和应用提供重要的理论依据。首先，对Gyroid点阵结构进行简化，并基于变形体功能原理建立其力学模型，得到Gyroid点阵结构塑性屈服强度与体积分数之间的映射关系；然后，基于有限元分析软件Abaqus对Gyroid点阵结构准静态压缩过程开展仿真实验，初步验证理论模型的准确性；最后，通过选择性激光熔化(SLM)制备不同体积分数316L不锈钢Gyroid点阵结构，进行单轴压缩实验，分析其变形机制与力学性能。结果表明：理论推导、有限元仿真结果与实验结果相比，误差在25%以内，且根据3种方法结果拟合得到的Gibson-Ashby模型系数具有较好的一致性，表明本文基于理论推导建立的Gyroid点阵结构塑性屈服强度预测模型的有效性。理论模型的构建方法可以转化到其他复杂类型点阵结构中，为快速核算点阵结构力学性能，并将其应用在工程装备中提供理论依据。
2024, 41(10): 5657-5672.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240019.001
摘要:
纤维增强复合材料(FRP)构件的接头部分是结构的潜在薄弱环节，在结构尺度计算中准确反映接头的全过程行为是FRP组合结构的设计难点。本文以压缩工况下拼装式玻璃纤维增强复合材料(GFRP)格构柱为结构背景，以拉挤GFRP方管型材的胶栓混合套管连接接头为研究对象，设计制备了4个胶栓混合连接试件和2个纯螺栓连接试件，开展了轴压静载试验，并建立了考虑胶层失效行为的实体有限元模型。结果表明：该连接形式具有二次承载特性，其整体力学行为源于胶层剪切传力机制和螺栓剪切传力机制的叠加结果；对于本文试件，二次极值荷载达到了首次极值荷载的92%，挤压破坏荷载相较于纯螺栓连接试件平均提升了49%。针对胶栓混合套管连接，提出了一种简化建模方法，并基于连续损伤模型和塑性势理论建立了以力和位移表述的宏观本构，提炼出了具有明确物理意义的本构参数，可在结构尺度计算中以较小的计算成本准确考虑接头的全过程行为。宏观本构模型的唯象属性使得简化建模方法对于接头的力学行为描述较为准确，计算成本较小，能够适用于压缩工况下拼装式GFRP格构柱的结构尺度计算分析。
纤维增强复合材料(FRP)构件的接头部分是结构的潜在薄弱环节，在结构尺度计算中准确反映接头的全过程行为是FRP组合结构的设计难点。本文以压缩工况下拼装式玻璃纤维增强复合材料(GFRP)格构柱为结构背景，以拉挤GFRP方管型材的胶栓混合套管连接接头为研究对象，设计制备了4个胶栓混合连接试件和2个纯螺栓连接试件，开展了轴压静载试验，并建立了考虑胶层失效行为的实体有限元模型。结果表明：该连接形式具有二次承载特性，其整体力学行为源于胶层剪切传力机制和螺栓剪切传力机制的叠加结果；对于本文试件，二次极值荷载达到了首次极值荷载的92%，挤压破坏荷载相较于纯螺栓连接试件平均提升了49%。针对胶栓混合套管连接，提出了一种简化建模方法，并基于连续损伤模型和塑性势理论建立了以力和位移表述的宏观本构，提炼出了具有明确物理意义的本构参数，可在结构尺度计算中以较小的计算成本准确考虑接头的全过程行为。宏观本构模型的唯象属性使得简化建模方法对于接头的力学行为描述较为准确，计算成本较小，能够适用于压缩工况下拼装式GFRP格构柱的结构尺度计算分析。
2024, 41(10): 5673-5686.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240507.002
摘要:
碳纤维增强复合材料(CFRP)因性能优异而广泛用于航天等领域，其在服役中会出现损伤。利用稀疏重建(SR)算法可对CFRP损伤进行成像，定位损伤位置，但因原子失配问题会造成伪影，甚至误判损伤。针对上述问题，提出一种最小方差无失真响应(MVDR)加权的稀疏重建成像法。将CFRP监测区域划分为若干网格点，基于Lamb波散射模型构造字典，与散射信号和稀疏解变量组成SR模型；其次用MVDR成像法进行成像，基于成像结果构建MVDR权重因子，以此对稀疏解变量进行加权；最后采用基追踪去噪算法求解加权SR模型，得到最优稀疏解并转换为像素值，实现CFRP的损伤成像。CFRP损伤成像实验结果表明：所提方法在相同正则化参数下成像效果均优于SR成像法，而在3种不同正则化参数下的定位误差相比SR成像法分别降低了72.9 mm、77.4 mm与14.7 mm；在4种不同损伤位置下，MVDR-SR成像法成像结果具有更少的伪影，损伤定位误差最大为7.9 mm，相比MVDR和SR成像法具有更好的成像性能，验证了所提方法的正确性和有效性。
碳纤维增强复合材料(CFRP)因性能优异而广泛用于航天等领域，其在服役中会出现损伤。利用稀疏重建(SR)算法可对CFRP损伤进行成像，定位损伤位置，但因原子失配问题会造成伪影，甚至误判损伤。针对上述问题，提出一种最小方差无失真响应(MVDR)加权的稀疏重建成像法。将CFRP监测区域划分为若干网格点，基于Lamb波散射模型构造字典，与散射信号和稀疏解变量组成SR模型；其次用MVDR成像法进行成像，基于成像结果构建MVDR权重因子，以此对稀疏解变量进行加权；最后采用基追踪去噪算法求解加权SR模型，得到最优稀疏解并转换为像素值，实现CFRP的损伤成像。CFRP损伤成像实验结果表明：所提方法在相同正则化参数下成像效果均优于SR成像法，而在3种不同正则化参数下的定位误差相比SR成像法分别降低了72.9 mm、77.4 mm与14.7 mm；在4种不同损伤位置下，MVDR-SR成像法成像结果具有更少的伪影，损伤定位误差最大为7.9 mm，相比MVDR和SR成像法具有更好的成像性能，验证了所提方法的正确性和有效性。
2024, 41(10): 5687-5699.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240008.001
摘要:
广泛应用于航空航天、交通运输等领域的复合材料层合板在实际应用中存在着承载能力和稳定性方面的挑战，为解决上述问题，采用自动铺丝可变刚度层合板，并对其力学特性及失效机制进行研究。首先，在线性变角度函数的基础上，提出一种新型周期线性延拓函数算法，以优化复合材料纤维铺放路径，实现更为详细和精确的纤维轨迹变化。其次，通过Python/Abaqus联合构建新型变刚度层合板有限元模型。最后，分析了定/变刚度层合板三点弯曲下的损伤机制，揭示了不同纤维铺放角对层合板力学特性、应力分布和损伤情况的影响。研究结果表明：三点工况下中心纤维取向角对弯曲性能产生显著影响，0°有利于性能提升，90°则导致性能下降；在中心纤维取向角为5°的基础上，采用变角度设计可以有效抑制弯曲损伤进一步扩展，均匀层合板面内应力分布，同时进一步提高弯曲极限应力，最大提升幅度为28.31%。本研究为后续复合材料层合板的抗弯曲设计和优化提供了重要的研究思路和流程，具有一定参考意义。
广泛应用于航空航天、交通运输等领域的复合材料层合板在实际应用中存在着承载能力和稳定性方面的挑战，为解决上述问题，采用自动铺丝可变刚度层合板，并对其力学特性及失效机制进行研究。首先，在线性变角度函数的基础上，提出一种新型周期线性延拓函数算法，以优化复合材料纤维铺放路径，实现更为详细和精确的纤维轨迹变化。其次，通过Python/Abaqus联合构建新型变刚度层合板有限元模型。最后，分析了定/变刚度层合板三点弯曲下的损伤机制，揭示了不同纤维铺放角对层合板力学特性、应力分布和损伤情况的影响。研究结果表明：三点工况下中心纤维取向角对弯曲性能产生显著影响，0°有利于性能提升，90°则导致性能下降；在中心纤维取向角为5°的基础上，采用变角度设计可以有效抑制弯曲损伤进一步扩展，均匀层合板面内应力分布，同时进一步提高弯曲极限应力，最大提升幅度为28.31%。本研究为后续复合材料层合板的抗弯曲设计和优化提供了重要的研究思路和流程，具有一定参考意义。
