2024年 第41卷 第2期
2024, 41(2): 533-547.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230724.002
摘要:
4D打印是一种新兴技术，旨在赋予增材制造所得的物体随时间变化形状或功能的能力，由于其可以将平面前驱图案转换为具有复杂几何形状的3D结构，4D打印为制造领域提供了一种灵活高效的制造方式。4D打印中前驱结构的设计是影响形状转换效果的关键因素之一，本文从前驱结构设计的角度，对基于应变失配原理驱动变形下4D打印的发展进行综述。首先对4D打印的研究现状作了简要概述，再从不同维度下的前驱结构展开，对结构设计相关的研究进行分类，全面梳理了不同维度前驱结构驱动下的4D打印。同时，对于前驱结构的设计，讨论了几种辅助设计方法，有预测变形的理论计算模型和仿真分析及可用来相对精确设计前驱结构的逆向设计工具。最后，对4D打印的应用前景及面临的挑战进行了总结和展望。
4D打印是一种新兴技术，旨在赋予增材制造所得的物体随时间变化形状或功能的能力，由于其可以将平面前驱图案转换为具有复杂几何形状的3D结构，4D打印为制造领域提供了一种灵活高效的制造方式。4D打印中前驱结构的设计是影响形状转换效果的关键因素之一，本文从前驱结构设计的角度，对基于应变失配原理驱动变形下4D打印的发展进行综述。首先对4D打印的研究现状作了简要概述，再从不同维度下的前驱结构展开，对结构设计相关的研究进行分类，全面梳理了不同维度前驱结构驱动下的4D打印。同时，对于前驱结构的设计，讨论了几种辅助设计方法，有预测变形的理论计算模型和仿真分析及可用来相对精确设计前驱结构的逆向设计工具。最后，对4D打印的应用前景及面临的挑战进行了总结和展望。
2024, 41(2): 548-560.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230815.001
摘要:
随着信息技术的发展，电磁污染问题日益严重，开发具有“薄、轻、宽、强”特性的高性能吸波材料成为当务之急。石墨烯高电导率、高比表面积、低密度的优良特性受到研究人员的广泛关注。为解决单一石墨烯材料易引起的阻抗失配及损耗机制单一问题，引入其他组分制备多元复合材料，改善阻抗匹配、创造多样化的损耗机制是通用的设计方案。本文简要讨论了吸波机制，分述了介电型、磁复合型、有序型、压力诱导型4个类别，并通过材料选择(金属、陶瓷、铁氧体、导电聚合物、生物质材料等)、结构设计、机制分析等角度，结合领域内近年来的研究成果，总结了石墨烯基气凝胶吸波材料的研究进展，并对未来研究方向进行展望。
随着信息技术的发展，电磁污染问题日益严重，开发具有“薄、轻、宽、强”特性的高性能吸波材料成为当务之急。石墨烯高电导率、高比表面积、低密度的优良特性受到研究人员的广泛关注。为解决单一石墨烯材料易引起的阻抗失配及损耗机制单一问题，引入其他组分制备多元复合材料，改善阻抗匹配、创造多样化的损耗机制是通用的设计方案。本文简要讨论了吸波机制，分述了介电型、磁复合型、有序型、压力诱导型4个类别，并通过材料选择(金属、陶瓷、铁氧体、导电聚合物、生物质材料等)、结构设计、机制分析等角度，结合领域内近年来的研究成果，总结了石墨烯基气凝胶吸波材料的研究进展，并对未来研究方向进行展望。
2024, 41(2): 561-571.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230714.001
摘要:
本文综述了过去十年间在提升碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料热导性能方面取得的进展。具体从聚合物复合材料的导热原理入手，重点分析了碳纤维(CFs)自身对CFRP复合材料热导率的影响，包括含量、长度、取向等。此外，综述了提升CFRP复合材料热导率的4种方法，包括CFs表面改性、CFs定向处理、加入导热填料及构建三维连续导热通道等策略对改善CFRP复合材料热导率的作用。最后进行了展望，将CFs同向排列并与多种形状尺寸的高热导率填料耦合构建连续的导热通道，制备低负载填料、高热导率的CFRP复合材料将成为未来的研究方向，为下一代导热材料的开发和优化提供指导。
本文综述了过去十年间在提升碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料热导性能方面取得的进展。具体从聚合物复合材料的导热原理入手，重点分析了碳纤维(CFs)自身对CFRP复合材料热导率的影响，包括含量、长度、取向等。此外，综述了提升CFRP复合材料热导率的4种方法，包括CFs表面改性、CFs定向处理、加入导热填料及构建三维连续导热通道等策略对改善CFRP复合材料热导率的作用。最后进行了展望，将CFs同向排列并与多种形状尺寸的高热导率填料耦合构建连续的导热通道，制备低负载填料、高热导率的CFRP复合材料将成为未来的研究方向，为下一代导热材料的开发和优化提供指导。
2024, 41(2): 572-591.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230530.003
摘要:
为了深入了解电磁屏蔽导电涂料的制备与性能，促进高性能、低成本的电磁屏蔽导电涂料研究与应用发展，本文首先介绍了涂料的导电机制和电磁屏蔽基本原理。其次，以不同类别的导电填料和树脂基体为重点，系统介绍了各类材料结构、性能的差异对涂料整体性能的影响，综述了当前的研究进展及针对实际应用进行的多功能改良。最后，针对电磁屏蔽涂料目前在填料结构、填料合成、聚合物基体与填料的相容性的问题进行了总结及表达了对未来产业发展的展望。
为了深入了解电磁屏蔽导电涂料的制备与性能，促进高性能、低成本的电磁屏蔽导电涂料研究与应用发展，本文首先介绍了涂料的导电机制和电磁屏蔽基本原理。其次，以不同类别的导电填料和树脂基体为重点，系统介绍了各类材料结构、性能的差异对涂料整体性能的影响，综述了当前的研究进展及针对实际应用进行的多功能改良。最后，针对电磁屏蔽涂料目前在填料结构、填料合成、聚合物基体与填料的相容性的问题进行了总结及表达了对未来产业发展的展望。
2024, 41(2): 592-608.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230802.004
摘要:
微胶囊相变材料解决了相变材料易泄露、易腐蚀的问题，被广泛应用在太阳能利用、调温纤维与织物、节能建筑和传热流体等领域。但常规相变微胶囊由于芯壳结构，削弱了光热转换性能，存在光热转换性能差的问题，通过添加光热材料对相变微胶囊改性可以有效提高光热转换性能。本文首先总结了相变微胶囊芯材、壳材的选择及各类材料的特点。重点阐述了有机光热材料、碳基材料、半导体材料、金属基材料等光热材料的特点及其光热转换机制。同时，引入光热转换效率，概述了不同改性材料对相变微胶囊光热性能的提升。最后展望了光热转换改性相变微胶囊未来的发展方向。
微胶囊相变材料解决了相变材料易泄露、易腐蚀的问题，被广泛应用在太阳能利用、调温纤维与织物、节能建筑和传热流体等领域。但常规相变微胶囊由于芯壳结构，削弱了光热转换性能，存在光热转换性能差的问题，通过添加光热材料对相变微胶囊改性可以有效提高光热转换性能。本文首先总结了相变微胶囊芯材、壳材的选择及各类材料的特点。重点阐述了有机光热材料、碳基材料、半导体材料、金属基材料等光热材料的特点及其光热转换机制。同时，引入光热转换效率，概述了不同改性材料对相变微胶囊光热性能的提升。最后展望了光热转换改性相变微胶囊未来的发展方向。
2024, 41(2): 609-624.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230817.001
摘要:
碱激发泡沫混凝土是结合碱激发材料和泡沫混凝土性能优势发展的一种绿色低碳节能材料。与普通硅酸盐水泥水化产物和孔隙分布的差异使碱激发材料具有高收缩的缺点，限制了其应用和发展。本综述分析了毛细管张力理论、表面张力理论、分离压力理论和层间水迁移理论4种干燥收缩机制和影响因素，对比了碱激发泡沫混凝土与水泥基材料、碱激发材料收缩机制的异同。同时，总结了碱激发泡沫混凝土抑制收缩的最新研究进展。碱激发材料相较于水泥基材料干燥收缩更大的原因是水化产物的不同，碱激发泡沫混凝土的干燥收缩最主要与泡沫量有关，浆体越少干燥收缩值越小。最后，指出了碱激发泡沫混凝土未来发展和研究方向，为其绿色低碳化发展提供一有效途径。
碱激发泡沫混凝土是结合碱激发材料和泡沫混凝土性能优势发展的一种绿色低碳节能材料。与普通硅酸盐水泥水化产物和孔隙分布的差异使碱激发材料具有高收缩的缺点，限制了其应用和发展。本综述分析了毛细管张力理论、表面张力理论、分离压力理论和层间水迁移理论4种干燥收缩机制和影响因素，对比了碱激发泡沫混凝土与水泥基材料、碱激发材料收缩机制的异同。同时，总结了碱激发泡沫混凝土抑制收缩的最新研究进展。碱激发材料相较于水泥基材料干燥收缩更大的原因是水化产物的不同，碱激发泡沫混凝土的干燥收缩最主要与泡沫量有关，浆体越少干燥收缩值越小。最后，指出了碱激发泡沫混凝土未来发展和研究方向，为其绿色低碳化发展提供一有效途径。
2024, 41(2): 625-639.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230926.004
摘要:
目前以石油化工产物为主要原料的工业用合成树脂胶黏剂占市场主导地位，不可持续发展，并且在其合成和使用过程中释放有机挥发物，带来环境污染问题。利用可再生生物质资源开发环保胶黏剂具有重大研究意义和发展前景。但生物质胶黏剂普遍存在黏度大、施胶性能差、耐水性差、产品稳定性差等缺点制约其实际应用。对此，广大研究者采用物理化学手段进行改性研究，以提高胶黏剂胶接和使用性能，其中受自然界启发，利用仿生手段改性胶黏剂是研究热点之一。本文综述了仿生改性在大豆蛋白胶黏剂、木质素胶黏剂、单宁胶黏剂、糖基胶黏剂的研究进展，探讨了生物质胶黏剂仿生改性研究前景，并对其应用进行展望，以期对生物质胶黏剂改性和性能提高提供研究思路和方法，推动生物质胶黏剂的规模化应用。
目前以石油化工产物为主要原料的工业用合成树脂胶黏剂占市场主导地位，不可持续发展，并且在其合成和使用过程中释放有机挥发物，带来环境污染问题。利用可再生生物质资源开发环保胶黏剂具有重大研究意义和发展前景。但生物质胶黏剂普遍存在黏度大、施胶性能差、耐水性差、产品稳定性差等缺点制约其实际应用。对此，广大研究者采用物理化学手段进行改性研究，以提高胶黏剂胶接和使用性能，其中受自然界启发，利用仿生手段改性胶黏剂是研究热点之一。本文综述了仿生改性在大豆蛋白胶黏剂、木质素胶黏剂、单宁胶黏剂、糖基胶黏剂的研究进展，探讨了生物质胶黏剂仿生改性研究前景，并对其应用进行展望，以期对生物质胶黏剂改性和性能提高提供研究思路和方法，推动生物质胶黏剂的规模化应用。
2024, 41(2): 640-655.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231018.001
摘要:
医用镁合金耐腐蚀性能和强度相较于传统医用金属材料较差，严重限制了其在医疗器械领域中的应用。研究表明，合金化可以显著改善医用镁合金的性能，但是由于不同合金元素的加入对镁合金力学性能、耐腐蚀性能和生物相容性的影响不同，并且元素对合金的改善效果也存在差异。因此，研究不同元素的添加对医用镁合金性能影响具有重要的意义。本文首先综述了近年来对镁基合金力学性能、腐蚀降解性能及其生物相容性的综合研究，其次分析了镁基合金在添加了不同合金元素下的性能差异，并针对合金化后医用镁基合金材料的局限性，提出了未来发展建议，期望为今后的临床应用提供宝贵经验。
医用镁合金耐腐蚀性能和强度相较于传统医用金属材料较差，严重限制了其在医疗器械领域中的应用。研究表明，合金化可以显著改善医用镁合金的性能，但是由于不同合金元素的加入对镁合金力学性能、耐腐蚀性能和生物相容性的影响不同，并且元素对合金的改善效果也存在差异。因此，研究不同元素的添加对医用镁合金性能影响具有重要的意义。本文首先综述了近年来对镁基合金力学性能、腐蚀降解性能及其生物相容性的综合研究，其次分析了镁基合金在添加了不同合金元素下的性能差异，并针对合金化后医用镁基合金材料的局限性，提出了未来发展建议，期望为今后的临床应用提供宝贵经验。
2024, 41(2): 656-671.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231007.002
摘要:
超材料混凝土作为一种具有振动衰减效应的新型材料，由包裹弹性软涂层的金属重芯取代天然粗骨料，与砂浆搅拌而形成。当受动力作用时，超材料混凝土能够利用人工骨料局部共振产生的带隙，衰减混凝土的振动响应。近年来，超材料混凝土因其在高频动力作用下显著的减振性能，在结构抗爆抗冲击领域受到了高度关注，通过改变人工骨料的结构，已经研发出多种形式的超材料混凝土，并针对其振动衰减性能开展了系统的理论分析、数值模拟和试验研究。为推动超材料混凝土在土木工程领域的研究和应用，该研究对超材料混凝土减振性能的研究工作进行了系统地归纳总结，探讨了超材料混凝土在工程性能方面存在的问题和瓶颈，并对超材料混凝土减振性能的研究方向和应用前景进行了展望。
超材料混凝土作为一种具有振动衰减效应的新型材料，由包裹弹性软涂层的金属重芯取代天然粗骨料，与砂浆搅拌而形成。当受动力作用时，超材料混凝土能够利用人工骨料局部共振产生的带隙，衰减混凝土的振动响应。近年来，超材料混凝土因其在高频动力作用下显著的减振性能，在结构抗爆抗冲击领域受到了高度关注，通过改变人工骨料的结构，已经研发出多种形式的超材料混凝土，并针对其振动衰减性能开展了系统的理论分析、数值模拟和试验研究。为推动超材料混凝土在土木工程领域的研究和应用，该研究对超材料混凝土减振性能的研究工作进行了系统地归纳总结，探讨了超材料混凝土在工程性能方面存在的问题和瓶颈，并对超材料混凝土减振性能的研究方向和应用前景进行了展望。
2024, 41(2): 672-684.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230918.001
摘要:
随着石油化工、纺织工业、钢铁等行业的飞速发展，产生了大量的含油废水而严重破坏了人类的生存环境，并造成了水资源短缺问题的加剧。在碳达峰、碳中和全球共识下，如何有效分离油水混合物成为当前的研究热点。特殊浸润性纳米纤维素基气凝胶具有对油水两相浸润性不同的特点，同时有高效的油水分离效果，在油水分离领域有广阔的应用前景。本文系统总结了几种浸润模型和基本作用机制，重点围绕纳米纤维素基气凝胶在油水分离领域的应用和制备工艺进行分析和介绍，探讨了当前特殊浸润性纳米纤维素基气凝胶在研发中面临的问题，并对其未来的发展趋势做出展望。
随着石油化工、纺织工业、钢铁等行业的飞速发展，产生了大量的含油废水而严重破坏了人类的生存环境，并造成了水资源短缺问题的加剧。在碳达峰、碳中和全球共识下，如何有效分离油水混合物成为当前的研究热点。特殊浸润性纳米纤维素基气凝胶具有对油水两相浸润性不同的特点，同时有高效的油水分离效果，在油水分离领域有广阔的应用前景。本文系统总结了几种浸润模型和基本作用机制，重点围绕纳米纤维素基气凝胶在油水分离领域的应用和制备工艺进行分析和介绍，探讨了当前特殊浸润性纳米纤维素基气凝胶在研发中面临的问题，并对其未来的发展趋势做出展望。
2024, 41(2): 685-693.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230524.002
摘要:
树脂传递模塑(RTM)成型工艺是一种液体闭模成型工艺，成品表面光滑、安全环保、成本较低，极具发展潜力。硅炔杂化树脂是一种耐高温性能优异的有机无机杂化树脂，在航空航天领域均有广泛应用，但其与纤维的结合性能较差，复合材料力学性能不佳，成为制约其发展应用的主要因素。本文以苯并噁嗪树脂(PBZ)和氨基稀释剂(PAD)共混改性聚(间二乙炔基苯-甲基氢硅烷)树脂(PSA)，制备了适用于RTM成型工艺的改性硅炔杂化树脂(PPA)。通过DSC、FTIR、流变仪、旋转黏度计和热重等方法对PPA树脂的RTM成型工艺、固化行为及耐热性能进行分析。结果表明：PPA树脂的加工窗口宽，可以实现RTM成型的目标，但固化温度高于PSA树脂；PPA树脂的耐热性能优异，其中PPA-1 (PSA∶PBZ∶PAD质量比为5∶1∶2)树脂在氮气和空气中质量损失5%的温度(Td5)分别为585.4℃和568.3℃，1000℃质量保留率分别为88.3% 和26.0%。复合材料力学性能测试表明，石英纤维增强PPA树脂复合材料(QF/PPA)力学性能随PBZ含量的增加而逐渐升高，其中QF/PPA-1常温下弯曲强度为346.2 MPa，层间剪切强度为21.4 MPa，较QF/PSA复合材料分别提高了120.6%和72.6%，400℃热老化2 h后的弯曲强度和层间剪切强度分别为256.5 MPa和17.1 MPa，400℃热老化2 h后的力学性能保留率超过70%。
树脂传递模塑(RTM)成型工艺是一种液体闭模成型工艺，成品表面光滑、安全环保、成本较低，极具发展潜力。硅炔杂化树脂是一种耐高温性能优异的有机无机杂化树脂，在航空航天领域均有广泛应用，但其与纤维的结合性能较差，复合材料力学性能不佳，成为制约其发展应用的主要因素。本文以苯并噁嗪树脂(PBZ)和氨基稀释剂(PAD)共混改性聚(间二乙炔基苯-甲基氢硅烷)树脂(PSA)，制备了适用于RTM成型工艺的改性硅炔杂化树脂(PPA)。通过DSC、FTIR、流变仪、旋转黏度计和热重等方法对PPA树脂的RTM成型工艺、固化行为及耐热性能进行分析。结果表明：PPA树脂的加工窗口宽，可以实现RTM成型的目标，但固化温度高于PSA树脂；PPA树脂的耐热性能优异，其中PPA-1 (PSA∶PBZ∶PAD质量比为5∶1∶2)树脂在氮气和空气中质量损失5%的温度(Td5)分别为585.4℃和568.3℃，1000℃质量保留率分别为88.3% 和26.0%。复合材料力学性能测试表明，石英纤维增强PPA树脂复合材料(QF/PPA)力学性能随PBZ含量的增加而逐渐升高，其中QF/PPA-1常温下弯曲强度为346.2 MPa，层间剪切强度为21.4 MPa，较QF/PSA复合材料分别提高了120.6%和72.6%，400℃热老化2 h后的弯曲强度和层间剪切强度分别为256.5 MPa和17.1 MPa，400℃热老化2 h后的力学性能保留率超过70%。
2024, 41(2): 694-701.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230627.002
摘要:
聚乳酸因其优异的性能广泛应用在骨折内固定领域，但其存在降解速度过快导致的弯曲和剪切性能下降问题，因此复合改性是提高其性能的途经之一。本文采用三维编织技术制备了玻璃纤维(GF)和聚乳酸(PLA)混编预制体，并采用偶联剂KH550对预制体进行改性处理。采取热压成型工艺制备复合材料。在37℃条件下将复合材料浸泡在磷酸盐缓冲溶液(PBS)中进行体外降解实验。结果显示：GF质量分数增加会降低复合材料的质量损失率及吸水率。降解28天后，GF质量分数为40wt%的结晶度较GF质量分数为30wt%的试样增加了12.3%，GF质量分数为30wt%、35wt%和40wt%时，弯曲强度分别下降了32.3%、28.13%和16.16%，剪切强度分别下降了53.74%、51.1%和47.18%。说明提高GF质量分数有助于维持复合材料的力学性能，缓解因降解引起的界面损伤。KH550的引入使降解介质(PBS缓冲液) pH值下降幅度小。降解28天后，改性复合材料弯曲强度下降了22.85%，剪切强度下降了56.11%。结合SEM图像，发现降解第7天时GF质量分数为30wt%的试样出现细小沟壑，第28天时表面损伤明显。而GF质量分数为40wt%的试样降解损伤较小。可见，GF对PLA复合材料的力学性能和结晶度起到促进作用，同时抑制了PLA的降解。KH550改善了GF和PLA的界面，对降解介质pH值变化影响较小。
聚乳酸因其优异的性能广泛应用在骨折内固定领域，但其存在降解速度过快导致的弯曲和剪切性能下降问题，因此复合改性是提高其性能的途经之一。本文采用三维编织技术制备了玻璃纤维(GF)和聚乳酸(PLA)混编预制体，并采用偶联剂KH550对预制体进行改性处理。采取热压成型工艺制备复合材料。在37℃条件下将复合材料浸泡在磷酸盐缓冲溶液(PBS)中进行体外降解实验。结果显示：GF质量分数增加会降低复合材料的质量损失率及吸水率。降解28天后，GF质量分数为40wt%的结晶度较GF质量分数为30wt%的试样增加了12.3%，GF质量分数为30wt%、35wt%和40wt%时，弯曲强度分别下降了32.3%、28.13%和16.16%，剪切强度分别下降了53.74%、51.1%和47.18%。说明提高GF质量分数有助于维持复合材料的力学性能，缓解因降解引起的界面损伤。KH550的引入使降解介质(PBS缓冲液) pH值下降幅度小。降解28天后，改性复合材料弯曲强度下降了22.85%，剪切强度下降了56.11%。结合SEM图像，发现降解第7天时GF质量分数为30wt%的试样出现细小沟壑，第28天时表面损伤明显。而GF质量分数为40wt%的试样降解损伤较小。可见，GF对PLA复合材料的力学性能和结晶度起到促进作用，同时抑制了PLA的降解。KH550改善了GF和PLA的界面，对降解介质pH值变化影响较小。
2024, 41(2): 702-711.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230812.001
摘要:
随着超大规模集成电路的迅速发展，微型集成化高密度半导体元件迫切需要低介电材料。本文合成了具有笼型结构的环氧基倍半硅氧烷(EOVS)，并与环氧树脂E51共混得到纳米多孔EOVS/E51复合材料。改性后，EOVS在E51基体中均匀分散。随着EOVS的增多，其笼型结构引入的纳米孔隙使EOVS/E51复合材料的自由体积增大，单位体积内极化分子的密度降低，EOVS含量为15wt%时，介电常数由4.21下降至2.51(1 MHz)。但是，EOVS上的环氧基团提供了新的反应位点，EOVS/E51复合体系的交联密度随EOVS增多而增大，EOVS含量达20wt%时，复合材料的自由体积减小，介电常数转而增大。此外，EOVS中Si—O—Si键的疏水性使复合材料的耐湿性增强，而无机骨架的热稳定性及纳米增韧效应导致复合材料的耐热性和抗冲性能明显提升，在微电子领域应用前景广阔。
随着超大规模集成电路的迅速发展，微型集成化高密度半导体元件迫切需要低介电材料。本文合成了具有笼型结构的环氧基倍半硅氧烷(EOVS)，并与环氧树脂E51共混得到纳米多孔EOVS/E51复合材料。改性后，EOVS在E51基体中均匀分散。随着EOVS的增多，其笼型结构引入的纳米孔隙使EOVS/E51复合材料的自由体积增大，单位体积内极化分子的密度降低，EOVS含量为15wt%时，介电常数由4.21下降至2.51(1 MHz)。但是，EOVS上的环氧基团提供了新的反应位点，EOVS/E51复合体系的交联密度随EOVS增多而增大，EOVS含量达20wt%时，复合材料的自由体积减小，介电常数转而增大。此外，EOVS中Si—O—Si键的疏水性使复合材料的耐湿性增强，而无机骨架的热稳定性及纳米增韧效应导致复合材料的耐热性和抗冲性能明显提升，在微电子领域应用前景广阔。
2024, 41(2): 712-722.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230629.003
摘要:
环氧树脂(EP)凭借其良好的化学稳定性、电气性能、粘接性能及机械强度，广泛地应用于国民生产和生活的各个领域。但其易燃的特性给人们的生命和财产安全带来了威胁，因此，对环氧树脂进行阻燃改性一直是人们的研究热点。以3-氨基酚、4-硝基邻苯二甲腈、4-甲酰苯硼酸及9, 10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)为原料，分别通过取代、缩合和加成等反应合成了一种具有自交联能力的阻燃剂(DBPN)，并将其用于固态环氧树脂的阻燃，系统研究了环氧树脂复合材料的热稳定性、阻燃性能及阻燃机制。结果表明：添加6.4wt%的DBPN，环氧树脂的初始热分解温度由纯EP的372.6℃提前至351.5℃，这有利于在燃烧过程中提前形成阻隔性炭层，隔绝传质传热过程；其UL-94垂直燃烧测试由N.R提升至V-2级，热释放速率峰值(PHRR)、总热释放量(THR)、烟生成速率峰值(PSPR)和总烟释放量(TSP)则较纯EP分别下降了34.2%、29.5%、20.8%和17.8%；通过对残炭的分析，提出了环氧树脂复合材料的阻燃机制。该工作为新型无卤阻燃剂的制备提供了创新思路。
环氧树脂(EP)凭借其良好的化学稳定性、电气性能、粘接性能及机械强度，广泛地应用于国民生产和生活的各个领域。但其易燃的特性给人们的生命和财产安全带来了威胁，因此，对环氧树脂进行阻燃改性一直是人们的研究热点。以3-氨基酚、4-硝基邻苯二甲腈、4-甲酰苯硼酸及9, 10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)为原料，分别通过取代、缩合和加成等反应合成了一种具有自交联能力的阻燃剂(DBPN)，并将其用于固态环氧树脂的阻燃，系统研究了环氧树脂复合材料的热稳定性、阻燃性能及阻燃机制。结果表明：添加6.4wt%的DBPN，环氧树脂的初始热分解温度由纯EP的372.6℃提前至351.5℃，这有利于在燃烧过程中提前形成阻隔性炭层，隔绝传质传热过程；其UL-94垂直燃烧测试由N.R提升至V-2级，热释放速率峰值(PHRR)、总热释放量(THR)、烟生成速率峰值(PSPR)和总烟释放量(TSP)则较纯EP分别下降了34.2%、29.5%、20.8%和17.8%；通过对残炭的分析，提出了环氧树脂复合材料的阻燃机制。该工作为新型无卤阻燃剂的制备提供了创新思路。
2024, 41(2): 723-734.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230707.001
摘要:
具有丰富多孔结构的金属有机框架(MOF)差的导电性限制了其在超级电容器电极材料中的实际应用。将MOF晶体材料内嵌于石墨烯(GE)气凝胶三维网络结构中，协同聚吡咯(PPy)的共轭长链构筑3D分级多孔结构的同时可实现导电PPy的高水平及稳定掺杂，进一步提高复合气凝胶的超电容性能。首先以Co(NO3)2·6H2O和Ni(NO3)2·6H2O为金属源，均苯三甲酸 (H3BTC)为有机配体，水热制备得到单金属Co-MOF、Ni-MOF和双金属CoNi-MOF晶体材料；然后将MOF晶体材料与吡咯(Py)、氧化石墨烯(GO)通过一步水热法制备得到MOF/PPy/GE三元复合气凝胶，采用SEM、TEM、FTIR、XRD、Raman和XPS等技术对复合材料的形貌、化学结构、掺杂结构进行表征。结果表明：双金属CoNi-MOF材料更易内嵌于气凝胶三维网络结构中，与石墨烯片层和PPy共轭长链共同构筑稳定的三维多孔网络结构，可有效抑制GE片层的堆积。电化学测试结果表明，CoNi-MOF/GE/PPy复合气凝胶(GPMOF-CoNi)比电容可达447 F/g，且循环10000圈电容保持率高达97%，表现出良好的超电容特性。
具有丰富多孔结构的金属有机框架(MOF)差的导电性限制了其在超级电容器电极材料中的实际应用。将MOF晶体材料内嵌于石墨烯(GE)气凝胶三维网络结构中，协同聚吡咯(PPy)的共轭长链构筑3D分级多孔结构的同时可实现导电PPy的高水平及稳定掺杂，进一步提高复合气凝胶的超电容性能。首先以Co(NO3)2·6H2O和Ni(NO3)2·6H2O为金属源，均苯三甲酸 (H3BTC)为有机配体，水热制备得到单金属Co-MOF、Ni-MOF和双金属CoNi-MOF晶体材料；然后将MOF晶体材料与吡咯(Py)、氧化石墨烯(GO)通过一步水热法制备得到MOF/PPy/GE三元复合气凝胶，采用SEM、TEM、FTIR、XRD、Raman和XPS等技术对复合材料的形貌、化学结构、掺杂结构进行表征。结果表明：双金属CoNi-MOF材料更易内嵌于气凝胶三维网络结构中，与石墨烯片层和PPy共轭长链共同构筑稳定的三维多孔网络结构，可有效抑制GE片层的堆积。电化学测试结果表明，CoNi-MOF/GE/PPy复合气凝胶(GPMOF-CoNi)比电容可达447 F/g，且循环10000圈电容保持率高达97%，表现出良好的超电容特性。
2024, 41(2): 735-747.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230825.001
摘要:
开发高分散性及吸附性能良好的纳米复合材料对水体中重金属离子的去除具有重要的意义。以混酸氧化多壁碳纳米管(AO-MWCNTs)为基体，引入羟基磷灰石(HAP)，通过微波/光波组合加热辅助化学沉淀法分步制备氟碳掺杂的羟基磷灰石(FCHAP)，并将其负载到AO-MWCNTs上，合成FCH/AO-MWCNTs复合材料。将制备材料在含Mn(II)废水中进行去除效果实验，结果表明，FCH/AO-MWCNTs对Mn(II)的理论最大吸附量为317.5 mg/g，高于AO-MWCNTs及各制备中间体。结合材料的SEM-EDS、FTIR、XPS、Zeta、BET等表征结果推测，新材料FCH/AO-MWCNTs形成更丰富的孔隙结构及吸附位点，且其分散性及稳定性能表现优异，同时新材料在去除其他重金属及再生利用方面也具有一定的应用前景。
开发高分散性及吸附性能良好的纳米复合材料对水体中重金属离子的去除具有重要的意义。以混酸氧化多壁碳纳米管(AO-MWCNTs)为基体，引入羟基磷灰石(HAP)，通过微波/光波组合加热辅助化学沉淀法分步制备氟碳掺杂的羟基磷灰石(FCHAP)，并将其负载到AO-MWCNTs上，合成FCH/AO-MWCNTs复合材料。将制备材料在含Mn(II)废水中进行去除效果实验，结果表明，FCH/AO-MWCNTs对Mn(II)的理论最大吸附量为317.5 mg/g，高于AO-MWCNTs及各制备中间体。结合材料的SEM-EDS、FTIR、XPS、Zeta、BET等表征结果推测，新材料FCH/AO-MWCNTs形成更丰富的孔隙结构及吸附位点，且其分散性及稳定性能表现优异，同时新材料在去除其他重金属及再生利用方面也具有一定的应用前景。
2024, 41(2): 748-760.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230629.002
摘要:
罗勒精油(Basil essential oil，BEO)是一种绿色、安全的抑菌剂。然而，BEO的强挥发性限制了其在抑菌伤口敷料领域的应用。本文采用纳米沉淀法制备了纳米罗勒精油(BEO@Zein(玉米醇溶蛋白))，然后将其负载在以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚乙烯醇(PVA)为基材的水凝胶上，通过冻融循环形成了BEO@Zein/PVP-PVA水凝胶伤口敷料，对BEO@Zein和水凝胶的微观形貌和结构进行表征，对水凝胶的抑菌性能、力学性能、溶胀保湿性、降解性、血液相容性进行研究。结果表明：BEO@Zein形成了以BEO为核、Zein为壳的纳米球形结构(平均粒径为56.3 nm)，显著降低了BEO挥发性。BEO@Zein/PVP-PVA水凝胶可以缓慢释放BEO，从而表现出优异的缓释抑菌性能。因此，BEO@Zein/PVP-PVA水凝胶具有良好的抑菌持久性(超过72 h)。此外，水凝胶还表现出显著的抗细菌生物膜性能。BEO@Zein/PVP-PVA水凝胶的力学性能、溶胀保湿性、降解性和血液相容性均表现良好。研究表明：BEO@Zein/PVP-PVA水凝胶是一种良好的伤口敷料材料。
罗勒精油(Basil essential oil，BEO)是一种绿色、安全的抑菌剂。然而，BEO的强挥发性限制了其在抑菌伤口敷料领域的应用。本文采用纳米沉淀法制备了纳米罗勒精油(BEO@Zein(玉米醇溶蛋白))，然后将其负载在以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚乙烯醇(PVA)为基材的水凝胶上，通过冻融循环形成了BEO@Zein/PVP-PVA水凝胶伤口敷料，对BEO@Zein和水凝胶的微观形貌和结构进行表征，对水凝胶的抑菌性能、力学性能、溶胀保湿性、降解性、血液相容性进行研究。结果表明：BEO@Zein形成了以BEO为核、Zein为壳的纳米球形结构(平均粒径为56.3 nm)，显著降低了BEO挥发性。BEO@Zein/PVP-PVA水凝胶可以缓慢释放BEO，从而表现出优异的缓释抑菌性能。因此，BEO@Zein/PVP-PVA水凝胶具有良好的抑菌持久性(超过72 h)。此外，水凝胶还表现出显著的抗细菌生物膜性能。BEO@Zein/PVP-PVA水凝胶的力学性能、溶胀保湿性、降解性和血液相容性均表现良好。研究表明：BEO@Zein/PVP-PVA水凝胶是一种良好的伤口敷料材料。
2024, 41(2): 761-774.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230616.004
摘要:
聚丙烯腈基高模碳纤维(HMCFs)具有高比强度、高比模量、低热膨胀系数等优异性能，在航空航天、高端运动器材等领域应用广泛，但因其表面呈现极高惰性而难以与树脂基体有效结合，直接影响了复合材料性能。目前，电化学氧化是唯一实现在线配套的碳纤维表面改性工艺，而有关高模碳纤维表面的电化学氧化研究尤其是电解质溶液对HMCF表面的氧化机制尚缺乏系统研究。通过采用具有4种不同酸碱性特征的铵盐溶液对HMCF进行电化学氧化处理，表征并分析了处理前后纤维表面结构、力学性能及复合材料界面性能变化。结果表明：碳纤维经铵类电解质溶液处理后，表面发生氧化的同时引入N元素、产生含氮官能团，纤维表面无序化程度及含氧量随电解质溶液酸碱性的增强而增加；电化学处理后纤维模量都有不同程度地提高，而只有弱碱性的NH4HCO3和酸性的NH4H2PO4电解质溶液处理后的纤维拉伸强度出现增加，分别从处理前的4.21 GPa提升到4.82 GPa和4.75 GPa，并且其复合材料界面剪切强度相对于从未处理碳纤维的复合材料分别提高了49.86%和49.02%，证明电化学氧化过程中适度的氧化刻蚀能够在纤维表面改性的同时提高纤维拉伸强度。
聚丙烯腈基高模碳纤维(HMCFs)具有高比强度、高比模量、低热膨胀系数等优异性能，在航空航天、高端运动器材等领域应用广泛，但因其表面呈现极高惰性而难以与树脂基体有效结合，直接影响了复合材料性能。目前，电化学氧化是唯一实现在线配套的碳纤维表面改性工艺，而有关高模碳纤维表面的电化学氧化研究尤其是电解质溶液对HMCF表面的氧化机制尚缺乏系统研究。通过采用具有4种不同酸碱性特征的铵盐溶液对HMCF进行电化学氧化处理，表征并分析了处理前后纤维表面结构、力学性能及复合材料界面性能变化。结果表明：碳纤维经铵类电解质溶液处理后，表面发生氧化的同时引入N元素、产生含氮官能团，纤维表面无序化程度及含氧量随电解质溶液酸碱性的增强而增加；电化学处理后纤维模量都有不同程度地提高，而只有弱碱性的NH4HCO3和酸性的NH4H2PO4电解质溶液处理后的纤维拉伸强度出现增加，分别从处理前的4.21 GPa提升到4.82 GPa和4.75 GPa，并且其复合材料界面剪切强度相对于从未处理碳纤维的复合材料分别提高了49.86%和49.02%，证明电化学氧化过程中适度的氧化刻蚀能够在纤维表面改性的同时提高纤维拉伸强度。
2024, 41(2): 775-786.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230614.007
摘要:
保温隔热对节能减排、减少能源消耗有着重大战略意义。本文以勃姆石溶胶对空心玻璃微球(Hollow glass microspheres，HGMs)进行表面改性，引入气腔结构以提高涂层保温隔热性能，制备可连续生产的高性能水性复合涂层。通过FTIR、XRD、SEM等表征手段对复合微球的微观形貌及结构进行分析。采用热失重分析、热导率、红外热成像等技术手段，系统研究涂层的微观结构、综合性能、保温隔热机制。结果表明：勃姆石溶胶成功对HGMs进行表面改性，HGMs@Al2O3保留HGMs的基本结构与特征，增强与水性聚合物基体的界面相容性，解决HGMs与水性基体界面粘结性差、致使其热导率波动大的实际问题。与未添加隔热填料的复合涂层相比，当HGMs@Al2O3含量为7wt%时达逾渗阈值，涂层综合性能最佳，显著提高复合涂层保温隔热性，导热系数降低58.7%；复合涂层最大热分解温度提高11%，在100℃热场环境下，能达到温度差为18.1℃的隔热效果，应用潜力及商业化前景巨大。
保温隔热对节能减排、减少能源消耗有着重大战略意义。本文以勃姆石溶胶对空心玻璃微球(Hollow glass microspheres，HGMs)进行表面改性，引入气腔结构以提高涂层保温隔热性能，制备可连续生产的高性能水性复合涂层。通过FTIR、XRD、SEM等表征手段对复合微球的微观形貌及结构进行分析。采用热失重分析、热导率、红外热成像等技术手段，系统研究涂层的微观结构、综合性能、保温隔热机制。结果表明：勃姆石溶胶成功对HGMs进行表面改性，HGMs@Al2O3保留HGMs的基本结构与特征，增强与水性聚合物基体的界面相容性，解决HGMs与水性基体界面粘结性差、致使其热导率波动大的实际问题。与未添加隔热填料的复合涂层相比，当HGMs@Al2O3含量为7wt%时达逾渗阈值，涂层综合性能最佳，显著提高复合涂层保温隔热性，导热系数降低58.7%；复合涂层最大热分解温度提高11%，在100℃热场环境下，能达到温度差为18.1℃的隔热效果，应用潜力及商业化前景巨大。
2024, 41(2): 787-794.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230625.002
摘要:
为实现锌-空气电池工业化生产，优化其空气扩散电极性能，使其有利于气体的扩散，并形成更多的三相界面。导电水凝胶是由导电材料和交联聚合物网络组成，聚合物网络提供支架，而导电材料赋予水凝胶良好的导电性。多孔的结构可以给气体更多的扩散通路，也有利于催化层的负载，形成更多的三相界面。本文采用聚丙烯酰胺基水凝胶，以聚乙二醇-2000 (PEG2000)为制孔剂，合成多孔聚丙烯酰胺/碳纳米管-聚乙二醇(PAM/CNTs-PEG)导电水凝胶。将制备的PAM/CNTs-PEG导电水凝胶浸泡于乙醇溶液中，可形成不同数量的介孔。本文研究了不同浸泡时间对于多孔PAM/CNTs-PEG导电水凝胶在柔性锌空电池中的性能影响。实验结果表明：乙醇浸泡5 h的导电凝胶电化学性能最好。当电压从1 mA/cm2 时的1.23 V到5 mA/cm2时的1.11 V，仅衰减了0.12 V。8.5 mA/cm2时产生最大功率密度为77.35 mW/cm2，且放电时具有1104.85 mA·h/g的高克容量，远高于其他导电凝胶。且有较好的导电性和应变灵敏度，可应用于传感等领域。
为实现锌-空气电池工业化生产，优化其空气扩散电极性能，使其有利于气体的扩散，并形成更多的三相界面。导电水凝胶是由导电材料和交联聚合物网络组成，聚合物网络提供支架，而导电材料赋予水凝胶良好的导电性。多孔的结构可以给气体更多的扩散通路，也有利于催化层的负载，形成更多的三相界面。本文采用聚丙烯酰胺基水凝胶，以聚乙二醇-2000 (PEG2000)为制孔剂，合成多孔聚丙烯酰胺/碳纳米管-聚乙二醇(PAM/CNTs-PEG)导电水凝胶。将制备的PAM/CNTs-PEG导电水凝胶浸泡于乙醇溶液中，可形成不同数量的介孔。本文研究了不同浸泡时间对于多孔PAM/CNTs-PEG导电水凝胶在柔性锌空电池中的性能影响。实验结果表明：乙醇浸泡5 h的导电凝胶电化学性能最好。当电压从1 mA/cm2 时的1.23 V到5 mA/cm2时的1.11 V，仅衰减了0.12 V。8.5 mA/cm2时产生最大功率密度为77.35 mW/cm2，且放电时具有1104.85 mA·h/g的高克容量，远高于其他导电凝胶。且有较好的导电性和应变灵敏度，可应用于传感等领域。
2024, 41(2): 795-803.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230627.001
摘要:
水资源短缺和人类生产生活需水量的增加使污水净化处理这一话题变热。高级氧化工艺因其高效、环境友好且没有二次污染成为一种行之有效的处理污水方法。其中最具代表性的就是光催化技术和芬顿技术。通过调整工艺参数，采用水热法和煅烧法制备了3种不同形貌的ZnFe2O4纳米晶，即微球状(ZFO-1)、空心球状(ZFO-2)和正六边形状(ZFO-3)。通过XRD、SEM、HRTEM、UV-vis、电化学阻抗谱(EIS)和瞬态光电流响应测试等，对样品的微观结构、形貌、元素组成和光电化学性能进行表征。此外，ZnFe2O4纳米晶光芬顿性能是通过对罗丹明B (RhB)的降解所得出的。结果表明：所制备的3种ZnFe2O4纳米晶均具有立方尖晶石结构和良好的结晶度。ZFO-2表现出优异的可见光吸收能力和最窄的带隙，并发生红移现象。EIS测试表明，ZFO-2的转移内阻最小且瞬态光电流最大，具有优异的光生载流子的迁移和分离能力。ZFO-1、ZFO-2、ZFO-3催化剂的光芬顿降解效率依次为88.2%、97.6%和48.1%，表明具有良好的降解性能。综合得到，ZFO-2具备优异的光降解性能。并探讨了可能的光芬顿降解RhB催化机制。
水资源短缺和人类生产生活需水量的增加使污水净化处理这一话题变热。高级氧化工艺因其高效、环境友好且没有二次污染成为一种行之有效的处理污水方法。其中最具代表性的就是光催化技术和芬顿技术。通过调整工艺参数，采用水热法和煅烧法制备了3种不同形貌的ZnFe2O4纳米晶，即微球状(ZFO-1)、空心球状(ZFO-2)和正六边形状(ZFO-3)。通过XRD、SEM、HRTEM、UV-vis、电化学阻抗谱(EIS)和瞬态光电流响应测试等，对样品的微观结构、形貌、元素组成和光电化学性能进行表征。此外，ZnFe2O4纳米晶光芬顿性能是通过对罗丹明B (RhB)的降解所得出的。结果表明：所制备的3种ZnFe2O4纳米晶均具有立方尖晶石结构和良好的结晶度。ZFO-2表现出优异的可见光吸收能力和最窄的带隙，并发生红移现象。EIS测试表明，ZFO-2的转移内阻最小且瞬态光电流最大，具有优异的光生载流子的迁移和分离能力。ZFO-1、ZFO-2、ZFO-3催化剂的光芬顿降解效率依次为88.2%、97.6%和48.1%，表明具有良好的降解性能。综合得到，ZFO-2具备优异的光降解性能。并探讨了可能的光芬顿降解RhB催化机制。
2024, 41(2): 804-815.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230703.003
摘要:
探索和开发高效且低成本的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)电催化剂，对于解决能源危机和环境污染至关重要但仍具有挑战性。本文在三维的泡沫镍基底上设计并制备了一种由超薄的氧化铈和磷化钴纳米片组成的自支撑电极(CeO2-CoP/NF)。当电流密度为10 mA·cm−2时，CeO2-CoP/NF在1 mol/L KOH和0.5 mol/L H2SO4中的析氢过电位分别为124 mV和142 mV；CeO2-CoP/NF也能呈现优越的OER活性，电流密度为100 mA·cm−2时，在1 mol/L KOH中呈现的析氧过电位为328 mV，并且具有更优越的循环稳定性。实验结果表明：CeO2的引入能够减少电解液的侵蚀和提升CoP材料的电解水催化性能。这项工作为高性能的水裂解电催化剂的发展提供了新的见解。
探索和开发高效且低成本的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)电催化剂，对于解决能源危机和环境污染至关重要但仍具有挑战性。本文在三维的泡沫镍基底上设计并制备了一种由超薄的氧化铈和磷化钴纳米片组成的自支撑电极(CeO2-CoP/NF)。当电流密度为10 mA·cm−2时，CeO2-CoP/NF在1 mol/L KOH和0.5 mol/L H2SO4中的析氢过电位分别为124 mV和142 mV；CeO2-CoP/NF也能呈现优越的OER活性，电流密度为100 mA·cm−2时，在1 mol/L KOH中呈现的析氧过电位为328 mV，并且具有更优越的循环稳定性。实验结果表明：CeO2的引入能够减少电解液的侵蚀和提升CoP材料的电解水催化性能。这项工作为高性能的水裂解电催化剂的发展提供了新的见解。
2024, 41(2): 816-826.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230703.001
摘要:
近年来，H2S作为哮喘和慢阻肺的新型生物标志物对人体健康监测具有重要意义，因此人们对低功耗、高选择性、低检出限和高稳定性H2S传感器的研究显得十分迫切。通过两步原位生长的方式合成了Co(CO3)0.5(OH)·0.11H2O/WO3纳米材料。以原位水热法合成的WO3纳米片为基底，通过调控水浴反应时间，在WO3纳米片上原位生长了不同的Co(CO3)0.5(OH)·0.11H2O/WO3纳米材料。利用FE-SEM、FTIR、XRD和TG等方法对复合材料进行表征和气敏性能测试。结果表明：反应20 min所制得的Co(CO3)0.5(OH)·0.11H2O/WO3复合材料具有最优异的气敏性能，在最佳工作温度(90℃)下对浓度为50×10−6 H2S气体的响应值高达109，响应和恢复时间分别为130 s和182 s，对H2S气体表现出优异的选择性。该复合材料在低浓度H2S (3×10−6) 氛围中，仍具有良好的响应恢复曲线。在一个月内进行的3次重复测试中，表现出较好的重复性和长期稳定性。Co(CO3)0.5(OH)·0.11H2O/WO3气敏材料的原位制备及气敏性能研究为气敏传感器器件的制备提供了新思路，为气敏材料的多样性提供了新途径。在环境检测和智能医疗方面有着潜在的应用价值。
近年来，H2S作为哮喘和慢阻肺的新型生物标志物对人体健康监测具有重要意义，因此人们对低功耗、高选择性、低检出限和高稳定性H2S传感器的研究显得十分迫切。通过两步原位生长的方式合成了Co(CO3)0.5(OH)·0.11H2O/WO3纳米材料。以原位水热法合成的WO3纳米片为基底，通过调控水浴反应时间，在WO3纳米片上原位生长了不同的Co(CO3)0.5(OH)·0.11H2O/WO3纳米材料。利用FE-SEM、FTIR、XRD和TG等方法对复合材料进行表征和气敏性能测试。结果表明：反应20 min所制得的Co(CO3)0.5(OH)·0.11H2O/WO3复合材料具有最优异的气敏性能，在最佳工作温度(90℃)下对浓度为50×10−6 H2S气体的响应值高达109，响应和恢复时间分别为130 s和182 s，对H2S气体表现出优异的选择性。该复合材料在低浓度H2S (3×10−6) 氛围中，仍具有良好的响应恢复曲线。在一个月内进行的3次重复测试中，表现出较好的重复性和长期稳定性。Co(CO3)0.5(OH)·0.11H2O/WO3气敏材料的原位制备及气敏性能研究为气敏传感器器件的制备提供了新思路，为气敏材料的多样性提供了新途径。在环境检测和智能医疗方面有着潜在的应用价值。
2024, 41(2): 827-838.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230608.001
摘要:
对4种不同密度的泡沫混凝土试样进行了冻融循环试验，借助X-CT设备扫描了泡沫混凝土的孔隙结构，并使用声发射装置测试了泡沫混凝土单轴压缩过程中的声发射特征。结果表明：泡沫混凝土在单轴压缩过程中的应力-应变关系曲线具有明显的阶段性，单轴压缩过程中的声发射事件主要集中在接触期和陡增期。冻融循环后，泡沫混凝土的孔隙率和平均孔隙直径均增大，孔径分布更离散，孔隙壁厚度不断减小，引起力学性能的下降；冻融循环降低了试样的脆性，使其声发射累计振铃计数曲线更光滑，信号的活跃度随冻融次数的增加而降低；密度为1000 kg/m3的试样在冻融循环100次后，其大部分孔径在1000 μm以下，抗压强度只降低了23.7%，具有良好的抵抗冻融侵蚀的能力。
对4种不同密度的泡沫混凝土试样进行了冻融循环试验，借助X-CT设备扫描了泡沫混凝土的孔隙结构，并使用声发射装置测试了泡沫混凝土单轴压缩过程中的声发射特征。结果表明：泡沫混凝土在单轴压缩过程中的应力-应变关系曲线具有明显的阶段性，单轴压缩过程中的声发射事件主要集中在接触期和陡增期。冻融循环后，泡沫混凝土的孔隙率和平均孔隙直径均增大，孔径分布更离散，孔隙壁厚度不断减小，引起力学性能的下降；冻融循环降低了试样的脆性，使其声发射累计振铃计数曲线更光滑，信号的活跃度随冻融次数的增加而降低；密度为1000 kg/m3的试样在冻融循环100次后，其大部分孔径在1000 μm以下，抗压强度只降低了23.7%，具有良好的抵抗冻融侵蚀的能力。
2024, 41(2): 839-857.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230531.001
摘要:
为改善薄壁金属管件的力学及吸能性能，提出了一种泡沫混凝土填充旋转薄壁多胞方管负泊松比结构(RSTFC)。对薄壁多胞方管(TMST)、旋转薄壁多胞方管(RTMST)和RSTFC试件进行准静态面内压缩试验，研究了3类不同试件的变形模式、载荷-位移曲线和吸能性能。试验结果表明：TMST、RTMST和RSTFC试件均表现为压缩破坏；对比于TMST试件，RTMST试件因发生旋转变形可有效降低载荷峰值，同时吸收更多能量，压溃力效率和能量吸收分别增大了73.2%和33.6%；泡沫混凝土的存在促使铝管在试件旋转过程中发生了一定程度的变形及泡沫混凝土不断压缩变形，因此填充有200 kg/m3泡沫混凝土RSTFC试件的压溃力效率和能量吸收较RTMST试件分别增大了22.5%和8.9%。基于试验验证的数值结果表明：铝管和泡沫混凝土之间承载能力的相互匹配决定了RSTFC试件的力学及吸能性能，可通过调整泡沫混凝土密度、铝管壁厚和泡沫混凝土填充方式等实现对RSTFC试件变形模式、载荷传递与吸能性能的调控。因两个周期性结构试件具有相对更高的比吸能和压溃力效率，建议在实际工程中应用。
为改善薄壁金属管件的力学及吸能性能，提出了一种泡沫混凝土填充旋转薄壁多胞方管负泊松比结构(RSTFC)。对薄壁多胞方管(TMST)、旋转薄壁多胞方管(RTMST)和RSTFC试件进行准静态面内压缩试验，研究了3类不同试件的变形模式、载荷-位移曲线和吸能性能。试验结果表明：TMST、RTMST和RSTFC试件均表现为压缩破坏；对比于TMST试件，RTMST试件因发生旋转变形可有效降低载荷峰值，同时吸收更多能量，压溃力效率和能量吸收分别增大了73.2%和33.6%；泡沫混凝土的存在促使铝管在试件旋转过程中发生了一定程度的变形及泡沫混凝土不断压缩变形，因此填充有200 kg/m3泡沫混凝土RSTFC试件的压溃力效率和能量吸收较RTMST试件分别增大了22.5%和8.9%。基于试验验证的数值结果表明：铝管和泡沫混凝土之间承载能力的相互匹配决定了RSTFC试件的力学及吸能性能，可通过调整泡沫混凝土密度、铝管壁厚和泡沫混凝土填充方式等实现对RSTFC试件变形模式、载荷传递与吸能性能的调控。因两个周期性结构试件具有相对更高的比吸能和压溃力效率，建议在实际工程中应用。
2024, 41(2): 858-870.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230612.002
摘要:
为明确冲击荷载作用下，碳纤维增强复合材料(Carbon fiber-reinforced polymer，CFRP)筋与超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)粘结界面间化学粘结力和摩擦力的应变率效应，以锚固长度和荷载类型为参数，对8组共计24个采用UHPC作为粘结介质锚固的CFRP光圆筋试件(锚固长度分别为20d~35d，d为CFRP筋材直径)，分别进行了静力拉拔和筋材应变速率约为4.0 s−1的纵向冲击试验。结果表明：静力和纵向冲击试件均发生了光圆筋拔出的滑移破坏，相较于冲击试件，静力加载后CFRP光圆筋的表面损伤更明显。冲击荷载作用下，CFRP光圆筋与UHPC间界面的化学粘结强度和峰值粘结强度均呈现正的应变率效应，分别较相应的静力强度提高了约53%和17%；而峰值后界面的残余粘结强度即滑动摩擦阻力则表现为负的应变率效应，较相应的静力值降低约38%。基于试验结果，建立了冲击作用下CFRP光圆筋与UHPC间界面动态粘结强度的预测公式。
为明确冲击荷载作用下，碳纤维增强复合材料(Carbon fiber-reinforced polymer，CFRP)筋与超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)粘结界面间化学粘结力和摩擦力的应变率效应，以锚固长度和荷载类型为参数，对8组共计24个采用UHPC作为粘结介质锚固的CFRP光圆筋试件(锚固长度分别为20d~35d，d为CFRP筋材直径)，分别进行了静力拉拔和筋材应变速率约为4.0 s−1的纵向冲击试验。结果表明：静力和纵向冲击试件均发生了光圆筋拔出的滑移破坏，相较于冲击试件，静力加载后CFRP光圆筋的表面损伤更明显。冲击荷载作用下，CFRP光圆筋与UHPC间界面的化学粘结强度和峰值粘结强度均呈现正的应变率效应，分别较相应的静力强度提高了约53%和17%；而峰值后界面的残余粘结强度即滑动摩擦阻力则表现为负的应变率效应，较相应的静力值降低约38%。基于试验结果，建立了冲击作用下CFRP光圆筋与UHPC间界面动态粘结强度的预测公式。
2024, 41(2): 871-883.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230530.001
摘要:
端部嵌贴预应力碳纤维增强复合材料(CFRP)板加固混凝土结构是一种高效经济的新型混凝土结构加固方法，端部嵌贴段的CFRP与混凝土的粘结性能是锚固预应力CFRP、确保加固效果充分发挥的关键因素。为确定端部嵌贴段中斜向嵌贴段CFRP-混凝土的界面粘结性能，本文开展9个单剪拔出试验，研究了斜嵌段的粘结性能。通过设计混凝土棱柱试件，研究了斜槽角度、CFRP板埋深、CFRP板粘结长度对斜向嵌贴界面粘结性能的影响，并基于试验结果构建了CFRP板-混凝土局部界面的粘结-滑移关系模型。试验结果表明：随斜槽角度增大，试件的承载力及CFRP-混凝土局部界面断裂能也在逐渐增大。CFRP-混凝土界面粘结性能随CFRP埋深比增加而明显增加，并在埋深比为50%时达到最大，此后不再明显变化。基于试验结果所建立的粘结-滑移模型能较准确地模拟出CFRP板在混凝土斜槽中的受力过程。
端部嵌贴预应力碳纤维增强复合材料(CFRP)板加固混凝土结构是一种高效经济的新型混凝土结构加固方法，端部嵌贴段的CFRP与混凝土的粘结性能是锚固预应力CFRP、确保加固效果充分发挥的关键因素。为确定端部嵌贴段中斜向嵌贴段CFRP-混凝土的界面粘结性能，本文开展9个单剪拔出试验，研究了斜嵌段的粘结性能。通过设计混凝土棱柱试件，研究了斜槽角度、CFRP板埋深、CFRP板粘结长度对斜向嵌贴界面粘结性能的影响，并基于试验结果构建了CFRP板-混凝土局部界面的粘结-滑移关系模型。试验结果表明：随斜槽角度增大，试件的承载力及CFRP-混凝土局部界面断裂能也在逐渐增大。CFRP-混凝土界面粘结性能随CFRP埋深比增加而明显增加，并在埋深比为50%时达到最大，此后不再明显变化。基于试验结果所建立的粘结-滑移模型能较准确地模拟出CFRP板在混凝土斜槽中的受力过程。
2024, 41(2): 884-897.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230531.002
摘要:
为探究低温作用对改性骨料-钢纤维再生混凝土弯曲性能的影响，将再生骨料通过水泥净浆改性处理后，分别设置30wt%、60wt%再生骨料取代率，掺入适量钢纤维制成净浆改性再生混凝土(CRAC)，以我国北方寒区温度为背景设置20℃、0℃、−20℃、−40℃、−60℃的温度梯度，将CRAC经低温作用进行抗压强度及四点弯曲性能试验，对其进行等效弯曲强度及弯曲韧性分析，同时结合SEM从微观结构角度揭示其宏观性能改变机制，在此基础上给出了低温作用下再生混凝土的纤维增强效应表达式。结果表明：经低温作用CRAC弯拉强度显著提升，较常温最大可提升约168%；随温度的进一步降低，受冰晶生长作用及改性骨料特性影响，再生骨料取代率为60wt%的CRAC耗能能力较30wt%表现更优；同时低温作用下钢纤维体积掺量为1.5vol%的CRAC强度及韧性性能提升效果最佳，研究结论为低温作用下再生混凝土的性能优化设计及推广应用提供参考。
为探究低温作用对改性骨料-钢纤维再生混凝土弯曲性能的影响，将再生骨料通过水泥净浆改性处理后，分别设置30wt%、60wt%再生骨料取代率，掺入适量钢纤维制成净浆改性再生混凝土(CRAC)，以我国北方寒区温度为背景设置20℃、0℃、−20℃、−40℃、−60℃的温度梯度，将CRAC经低温作用进行抗压强度及四点弯曲性能试验，对其进行等效弯曲强度及弯曲韧性分析，同时结合SEM从微观结构角度揭示其宏观性能改变机制，在此基础上给出了低温作用下再生混凝土的纤维增强效应表达式。结果表明：经低温作用CRAC弯拉强度显著提升，较常温最大可提升约168%；随温度的进一步降低，受冰晶生长作用及改性骨料特性影响，再生骨料取代率为60wt%的CRAC耗能能力较30wt%表现更优；同时低温作用下钢纤维体积掺量为1.5vol%的CRAC强度及韧性性能提升效果最佳，研究结论为低温作用下再生混凝土的性能优化设计及推广应用提供参考。
2024, 41(2): 898-910.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230531.004
摘要:
再生混凝土骨料中往往会混有再生砖骨料难以分离，将再生砖与再生混凝土骨料混合利用更加符合实际情况。本文以不同水胶比(0.3和0.4)、不同再生骨料取代率(体积法取代0%、50%、100%)为控制参数，研究了8组不同配合比的再生砖混骨料混凝土的抗压、劈裂抗拉、抗折和棱柱体抗压强度及单轴受压应力-应变关系。结果表明：与天然骨料混凝土相比，不同配合比再生混凝土力学性能有不同程度的下降，其中随着再生砖骨料含量的增加，其力学性能下降较显著，砖骨料替代率达到100%时抗压强度下降高达29.9%，但是仍能保证一定的力学性能储备。文中探究了水胶比与再生砖骨料掺量对混凝土力学性能的影响机制，并以试验数据为基础，建立了再生砖混骨料混凝土单轴受压本构模型和再生砖混骨料混凝土力学性能换算公式，研究结果可对此类再生混凝土结构的分析与设计提供参考。
再生混凝土骨料中往往会混有再生砖骨料难以分离，将再生砖与再生混凝土骨料混合利用更加符合实际情况。本文以不同水胶比(0.3和0.4)、不同再生骨料取代率(体积法取代0%、50%、100%)为控制参数，研究了8组不同配合比的再生砖混骨料混凝土的抗压、劈裂抗拉、抗折和棱柱体抗压强度及单轴受压应力-应变关系。结果表明：与天然骨料混凝土相比，不同配合比再生混凝土力学性能有不同程度的下降，其中随着再生砖骨料含量的增加，其力学性能下降较显著，砖骨料替代率达到100%时抗压强度下降高达29.9%，但是仍能保证一定的力学性能储备。文中探究了水胶比与再生砖骨料掺量对混凝土力学性能的影响机制，并以试验数据为基础，建立了再生砖混骨料混凝土单轴受压本构模型和再生砖混骨料混凝土力学性能换算公式，研究结果可对此类再生混凝土结构的分析与设计提供参考。
2024, 41(2): 911-924.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230613.001
摘要:
超高性能纤维增强混凝土的单轴本构关系是认识其材料特性和非线性结构设计的基础。本文从本构方程函数模型建立的角度梳理了现有超高性能纤维增强混凝土单轴本构关系的相关研究；发现本构关系经验模型适用于结构设计计算，其中轴拉和轴压本构方程式均宜采用有理分式；本构关系简化模型适用于简化受力分析和数值模拟，其中轴拉宜采用三折线模型，轴压宜采用双折线模型；本构关系损伤模型适用于材料特性研究，其损伤演化函数较多采用Weibull分布。此外，还发现现有各种研究所得的本构方程中均不包含纤维相关参数，不能充分体现钢纤维的重要影响。因此，针对3种长径比、6种体积率的超高性能纤维增强混凝土进行轴拉和轴压试验，分析纤维对本构关系的影响。结果表明：超高性能纤维增强混凝土的轴拉和轴压本构关系经验模型均采用有理分式更适合，结合试验与收集的文献数据分析了纤维对经验模型本构方程系数的影响，提出了单轴本构关系经验模型的方程式；还探究了钢纤维参数对单轴损伤本构关系的影响，试验结果表明，钢纤维增强因子与损伤模型的控制系数间存在较强相关性，以试验数据为基础，数值分析得到钢纤维参数与本构方程控制系数间的关系式，进而提出包含钢纤维参数的轴拉和轴压损伤本构方程；并收集文献数据进行验证和修正，结果表明本文提出的本构方程与试验结果更吻合。
超高性能纤维增强混凝土的单轴本构关系是认识其材料特性和非线性结构设计的基础。本文从本构方程函数模型建立的角度梳理了现有超高性能纤维增强混凝土单轴本构关系的相关研究；发现本构关系经验模型适用于结构设计计算，其中轴拉和轴压本构方程式均宜采用有理分式；本构关系简化模型适用于简化受力分析和数值模拟，其中轴拉宜采用三折线模型，轴压宜采用双折线模型；本构关系损伤模型适用于材料特性研究，其损伤演化函数较多采用Weibull分布。此外，还发现现有各种研究所得的本构方程中均不包含纤维相关参数，不能充分体现钢纤维的重要影响。因此，针对3种长径比、6种体积率的超高性能纤维增强混凝土进行轴拉和轴压试验，分析纤维对本构关系的影响。结果表明：超高性能纤维增强混凝土的轴拉和轴压本构关系经验模型均采用有理分式更适合，结合试验与收集的文献数据分析了纤维对经验模型本构方程系数的影响，提出了单轴本构关系经验模型的方程式；还探究了钢纤维参数对单轴损伤本构关系的影响，试验结果表明，钢纤维增强因子与损伤模型的控制系数间存在较强相关性，以试验数据为基础，数值分析得到钢纤维参数与本构方程控制系数间的关系式，进而提出包含钢纤维参数的轴拉和轴压损伤本构方程；并收集文献数据进行验证和修正，结果表明本文提出的本构方程与试验结果更吻合。
2024, 41(2): 925-936.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230614.006
摘要:
粘结界面是碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构的薄弱环节，受胶粘剂和温度影响显著。为深入了解自研高性能胶胶粘CFRP-钢界面性能的温度影响机制，制作了28个CFRP-钢双搭接试件，开展了自研高性能胶粘剂G3和典型商品胶粘剂Sika30分别在7种环境温度下(−20℃、−5℃、10℃、25℃、40℃、55℃和70℃)的拉伸剪切试验。分析了试件的破坏模式、极限承载力、荷载-位移曲线、界面剪应力及粘结-滑移曲线等。结果表明：随温度升高，胶粘剂强度降低，韧性增加；当温度接近或超过胶粘剂玻璃转化温度，胶体性能急剧下降，搭接试件的破坏模式由CFRP层离破坏变为钢-胶界面破坏，界面性能显著降低；G3试件的低温性能与Sika30试件相当，但G3胶粘剂试件的高温性能显著优于Sika30胶粘剂试件；试件在低温环境下的界面性能较25℃显著降低，胶粘CFRP加固钢结构需考虑低温下加固系统脆化产生的不利影响。
粘结界面是碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构的薄弱环节，受胶粘剂和温度影响显著。为深入了解自研高性能胶胶粘CFRP-钢界面性能的温度影响机制，制作了28个CFRP-钢双搭接试件，开展了自研高性能胶粘剂G3和典型商品胶粘剂Sika30分别在7种环境温度下(−20℃、−5℃、10℃、25℃、40℃、55℃和70℃)的拉伸剪切试验。分析了试件的破坏模式、极限承载力、荷载-位移曲线、界面剪应力及粘结-滑移曲线等。结果表明：随温度升高，胶粘剂强度降低，韧性增加；当温度接近或超过胶粘剂玻璃转化温度，胶体性能急剧下降，搭接试件的破坏模式由CFRP层离破坏变为钢-胶界面破坏，界面性能显著降低；G3试件的低温性能与Sika30试件相当，但G3胶粘剂试件的高温性能显著优于Sika30胶粘剂试件；试件在低温环境下的界面性能较25℃显著降低，胶粘CFRP加固钢结构需考虑低温下加固系统脆化产生的不利影响。
2024, 41(2): 937-951.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230614.005
摘要:
为研究无机增殖剂(CCCA)对聚乙烯(PE)纤维增强高延性水泥基复合材料(ECC)力学、抗氯离子渗透及自愈合性能的影响，以PE/ECC为对照组，分别掺入不同质量分数的CCCA (2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%)，通过抗压、抗折、抗拉、电通量法及预加应变损伤法对PE/ECC力学、抗氯离子渗透及自愈合性能进行研究，并利用XRD、SEM-EDS对其自愈合产物进行物相成分、微观形貌及元素组成分析。结果表明：随着CCCA掺量的增加，PE/ECC力学和抗氯离子渗透性能呈先增后减趋势，当CCCA掺量为4wt%时，CCCA对PE/ECC力学和抗氯离子渗透性能整体提升最为明显，抗压、抗折、极限抗拉强度分别提升了55.5%、10.8%、79.4%，极限拉应变变化不大，电通量下降了38.6%。自愈合试验表明，掺入CCCA后，PE/ECC抗拉强度和应变能的恢复率有明显提升，自愈合性能得到了增强。当预损伤应变为0.5%时，掺CCCA的PE/ECC试件抗拉强度和应变能在养护84天后均高于原始基体，较原始基体分别提高10.41%和2.83%。未掺CCCA的PE/ECC试件在3种应变损伤下的抗拉强度和应变能均低于原始基体。XRD和SEM-EDS结果显示，掺CCCA的PE/ECC水化产物中CaCO3、水化硅酸钙(C-S-H)、钙矾石(AFt)衍射峰值强度有所增长，自愈合产物主要是C-S-H晶体，且掺CCCA的PE/ECC中分布更密集。
为研究无机增殖剂(CCCA)对聚乙烯(PE)纤维增强高延性水泥基复合材料(ECC)力学、抗氯离子渗透及自愈合性能的影响，以PE/ECC为对照组，分别掺入不同质量分数的CCCA (2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%)，通过抗压、抗折、抗拉、电通量法及预加应变损伤法对PE/ECC力学、抗氯离子渗透及自愈合性能进行研究，并利用XRD、SEM-EDS对其自愈合产物进行物相成分、微观形貌及元素组成分析。结果表明：随着CCCA掺量的增加，PE/ECC力学和抗氯离子渗透性能呈先增后减趋势，当CCCA掺量为4wt%时，CCCA对PE/ECC力学和抗氯离子渗透性能整体提升最为明显，抗压、抗折、极限抗拉强度分别提升了55.5%、10.8%、79.4%，极限拉应变变化不大，电通量下降了38.6%。自愈合试验表明，掺入CCCA后，PE/ECC抗拉强度和应变能的恢复率有明显提升，自愈合性能得到了增强。当预损伤应变为0.5%时，掺CCCA的PE/ECC试件抗拉强度和应变能在养护84天后均高于原始基体，较原始基体分别提高10.41%和2.83%。未掺CCCA的PE/ECC试件在3种应变损伤下的抗拉强度和应变能均低于原始基体。XRD和SEM-EDS结果显示，掺CCCA的PE/ECC水化产物中CaCO3、水化硅酸钙(C-S-H)、钙矾石(AFt)衍射峰值强度有所增长，自愈合产物主要是C-S-H晶体，且掺CCCA的PE/ECC中分布更密集。
2024, 41(2): 952-964.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230529.001
摘要:
为研究高性能地聚物混凝土的早期收缩性能，进行系列试验研究与分析。研究表明：在试验掺量变量范围内，硅灰掺量及水玻璃模数对高性能地聚物混凝土早期干燥收缩影响一致，均先减小后增大；硅灰掺量及钢纤维掺量对高性能地聚物混凝土早期自收缩影响一致，均先增大后减小，之后再增大。在水玻璃模数范围内，水玻璃模数对高性能地聚物混凝土早期自收缩均为负面影响，增大水玻璃模数，高性能地聚物混凝土早期自收缩均依次增大。在试验钢纤维掺量范围内，钢纤维掺量对高性能地聚物混凝土早期干燥收缩均为正面影响，增加钢纤维掺量，高性能地聚物混凝土早期干燥收缩均依次降低。高性能地聚物混凝土试件早期干燥收缩均在1411×10−6~4387×10−6之间，早期自收缩均在856×10−6~1188×10−6之间。随龄期增长，高性能地聚物混凝土干燥收缩初期增长较快，自收缩先略微减小后快速增长，之后均逐渐趋于平缓，并可将早期收缩曲线分为3个阶段(快速增长段、缓慢增长段和稳定段)。基于早期干燥收缩实测值，验证了GL2000模型对高性能地聚物混凝土早期干燥收缩曲线的适用性。
为研究高性能地聚物混凝土的早期收缩性能，进行系列试验研究与分析。研究表明：在试验掺量变量范围内，硅灰掺量及水玻璃模数对高性能地聚物混凝土早期干燥收缩影响一致，均先减小后增大；硅灰掺量及钢纤维掺量对高性能地聚物混凝土早期自收缩影响一致，均先增大后减小，之后再增大。在水玻璃模数范围内，水玻璃模数对高性能地聚物混凝土早期自收缩均为负面影响，增大水玻璃模数，高性能地聚物混凝土早期自收缩均依次增大。在试验钢纤维掺量范围内，钢纤维掺量对高性能地聚物混凝土早期干燥收缩均为正面影响，增加钢纤维掺量，高性能地聚物混凝土早期干燥收缩均依次降低。高性能地聚物混凝土试件早期干燥收缩均在1411×10−6~4387×10−6之间，早期自收缩均在856×10−6~1188×10−6之间。随龄期增长，高性能地聚物混凝土干燥收缩初期增长较快，自收缩先略微减小后快速增长，之后均逐渐趋于平缓，并可将早期收缩曲线分为3个阶段(快速增长段、缓慢增长段和稳定段)。基于早期干燥收缩实测值，验证了GL2000模型对高性能地聚物混凝土早期干燥收缩曲线的适用性。
2024, 41(2): 965-977.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230616.001
摘要:
利用温差发电的热电水泥基复合材料可以实现热能与电能的相互转换来降低城市环境温度和资源消耗，但热电转换效率过低及易受环境影响等问题制约了它的大规模应用。针对这个问题，本文提出了在高Seebeck系数的硼掺杂碳纳米管(Boron-doped carbon nanotubes，B-CNTs)基础上，添加高导电的膨胀石墨(Expanded graphite，EG)，通过B-CNTs和EG多尺度混杂协同作用，整体提高水泥基复合材料的功率因数，相比于未添加膨胀石墨的水泥基复合材料功率因数提升了10倍，为1.49 μW·m−1·℃−2。冻融循环后的EG-B-CNTs/水泥复合材料导致孔隙率增加和水分的存在，引入了固-固、液-固等高密度缺陷界面，使载流子散射强度增加，出现水泥基复合材料冻融循环Seebeck系数强化现象。当冻融循环15次时，10.0wt%EG-5.0wt%B-CNTs/水泥复合材料功率因数为1.54 μW·m−1·℃−2。本文研究为改善热电水泥基复合材料性能及环境条件对于未来可行性应用提供了理论基础。
利用温差发电的热电水泥基复合材料可以实现热能与电能的相互转换来降低城市环境温度和资源消耗，但热电转换效率过低及易受环境影响等问题制约了它的大规模应用。针对这个问题，本文提出了在高Seebeck系数的硼掺杂碳纳米管(Boron-doped carbon nanotubes，B-CNTs)基础上，添加高导电的膨胀石墨(Expanded graphite，EG)，通过B-CNTs和EG多尺度混杂协同作用，整体提高水泥基复合材料的功率因数，相比于未添加膨胀石墨的水泥基复合材料功率因数提升了10倍，为1.49 μW·m−1·℃−2。冻融循环后的EG-B-CNTs/水泥复合材料导致孔隙率增加和水分的存在，引入了固-固、液-固等高密度缺陷界面，使载流子散射强度增加，出现水泥基复合材料冻融循环Seebeck系数强化现象。当冻融循环15次时，10.0wt%EG-5.0wt%B-CNTs/水泥复合材料功率因数为1.54 μW·m−1·℃−2。本文研究为改善热电水泥基复合材料性能及环境条件对于未来可行性应用提供了理论基础。
2024, 41(2): 978-989.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230616.002
摘要:
本文将重组竹与钢管复合形成新型钢管约束重组竹。对24个新型钢管约束重组竹圆柱试件进行了轴压试验，研究了钢管厚度和加载方式(全截面与核心加载)对其轴压性能的影响。试验结果表明：外加钢管能够有效地提高结构承载力和变形能力；钢管约束重组竹圆柱主要破坏形态为剪切破坏；结构的峰值应力、峰值应变均与钢管厚度呈正相关，随着钢管厚度增加，试件的峰值应力最大增长22.4%，峰值应变最大增长6.1%；核心受压钢管重组竹较全截面受压试件展现了更好的承载潜力和变形能力。根据全截面受压和核心受压的曲线不同，考虑了钢管套箍系数，分别提出了两种加载方式下新型钢管约束重组竹的极限应力、极限应变和峰值应力、峰值应变的预测模型，应力计算模型误差均在10%以内。最后建议了应力-应变全曲线模型，预测了不同加载方式下新型钢管约束重组竹的应力-应变变化规律。
本文将重组竹与钢管复合形成新型钢管约束重组竹。对24个新型钢管约束重组竹圆柱试件进行了轴压试验，研究了钢管厚度和加载方式(全截面与核心加载)对其轴压性能的影响。试验结果表明：外加钢管能够有效地提高结构承载力和变形能力；钢管约束重组竹圆柱主要破坏形态为剪切破坏；结构的峰值应力、峰值应变均与钢管厚度呈正相关，随着钢管厚度增加，试件的峰值应力最大增长22.4%，峰值应变最大增长6.1%；核心受压钢管重组竹较全截面受压试件展现了更好的承载潜力和变形能力。根据全截面受压和核心受压的曲线不同，考虑了钢管套箍系数，分别提出了两种加载方式下新型钢管约束重组竹的极限应力、极限应变和峰值应力、峰值应变的预测模型，应力计算模型误差均在10%以内。最后建议了应力-应变全曲线模型，预测了不同加载方式下新型钢管约束重组竹的应力-应变变化规律。
2024, 41(2): 990-1000.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230625.003
摘要:
通过短期(500 h)拉伸蠕变试验，研究了不同应力水平下集成竹顺纹拉伸蠕变行为及变化规律，采用了Findley蠕变模型对蠕变曲线进行模拟；通过阶梯等温法加速蠕变试验，对集成竹顺纹拉伸长期蠕变行为进行了加速表征，构建了跨度50年的蠕变主曲线。结果表明：不同应力水平下，集成竹拉伸蠕变曲线具有初始蠕变和稳态蠕变两个阶段；集成竹拉伸蠕变行为符合线性黏弹性，在任意时刻，其蠕变变形基本与应力水平成正比；根据蠕变主曲线，在60%极限荷载下，集成竹约在104天发生蠕变断裂，呈现脆性破坏形态；Findley蠕变模型不仅能较好地模拟集成竹短期拉伸蠕变行为，其外推结果与加速蠕变试验所得主曲线吻合良好。基于上述试验结果与分析，建立了考虑材料蠕变效应的等时应力-应变曲线，进一步讨论了针对不同设计使用年限的集成竹弹性模量调整系数，并与GB/T 50005—2017《木结构设计标准》建议值进行了对比。
通过短期(500 h)拉伸蠕变试验，研究了不同应力水平下集成竹顺纹拉伸蠕变行为及变化规律，采用了Findley蠕变模型对蠕变曲线进行模拟；通过阶梯等温法加速蠕变试验，对集成竹顺纹拉伸长期蠕变行为进行了加速表征，构建了跨度50年的蠕变主曲线。结果表明：不同应力水平下，集成竹拉伸蠕变曲线具有初始蠕变和稳态蠕变两个阶段；集成竹拉伸蠕变行为符合线性黏弹性，在任意时刻，其蠕变变形基本与应力水平成正比；根据蠕变主曲线，在60%极限荷载下，集成竹约在104天发生蠕变断裂，呈现脆性破坏形态；Findley蠕变模型不仅能较好地模拟集成竹短期拉伸蠕变行为，其外推结果与加速蠕变试验所得主曲线吻合良好。基于上述试验结果与分析，建立了考虑材料蠕变效应的等时应力-应变曲线，进一步讨论了针对不同设计使用年限的集成竹弹性模量调整系数，并与GB/T 50005—2017《木结构设计标准》建议值进行了对比。
2024, 41(2): 1001-1010.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230616.003
摘要:
为降低水泥行业的碳足迹同时回收利用电石渣，本文将电石渣作为掺合料加入碳化养护水泥中，研究了碳化养护对掺电石渣水泥石抗压强度、干燥收缩、氯离子渗透等性能的影响，并利用X射线衍射、热分析、压汞法、扫描电镜等测试手段对水泥石的微观结构进行了分析。结果表明：碳化养护提高了掺电石渣水泥石的抗压强度及抗氯离子侵蚀性能，使其电通量降低了38.17%~50.08%，56天干燥收缩率降低了8.8%~25.2%，细化了其孔结构。在保证水泥石强度不降低的前提下，约10%的电石渣可以被资源化利用，同时水泥石的固碳率可达11.19%~15.87%。利用碳化养护达到了捕捉固化二氧化碳、资源化利用电石渣、提升水泥石性能的目的。
为降低水泥行业的碳足迹同时回收利用电石渣，本文将电石渣作为掺合料加入碳化养护水泥中，研究了碳化养护对掺电石渣水泥石抗压强度、干燥收缩、氯离子渗透等性能的影响，并利用X射线衍射、热分析、压汞法、扫描电镜等测试手段对水泥石的微观结构进行了分析。结果表明：碳化养护提高了掺电石渣水泥石的抗压强度及抗氯离子侵蚀性能，使其电通量降低了38.17%~50.08%，56天干燥收缩率降低了8.8%~25.2%，细化了其孔结构。在保证水泥石强度不降低的前提下，约10%的电石渣可以被资源化利用，同时水泥石的固碳率可达11.19%~15.87%。利用碳化养护达到了捕捉固化二氧化碳、资源化利用电石渣、提升水泥石性能的目的。
2024, 41(2): 1011-1020.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230607.002
摘要:
植/介入手术是心血管疾病最主要的治疗手段。器械植入时与血液直接接触及对植入部位造成损伤，从而引起血栓和炎症等并发症。对材料进行表面改性是提高材料生物相容性的主要方法之一。本文通过在碱活化Ti表面固定树状大分子聚酰胺胺(Polyamido amine，PAMAM)，利用PAMAM的氨基基团接枝抗炎、抗氧化分子吡咯喹啉醌(Pyrroloquinoline quinone， PQQ)，构建了PAMAM-PQQ功能层，并探究了不同浓度PQQ对材料表面生物相容性的影响。FTIR、XPS和氨基定量证明了PQQ成功接枝到材料表面。SEM、水接触角检测证明了材料表面具有多孔网状结构和高度亲水性。血液实验显示功能层降低了血小板的粘附数量和激活程度，表现出较好的抗凝血能力，其中PQQ浓度为300 nmol/mL时效果最优。细胞静态培养结果显示功能层均提高了内皮细胞和心肌细胞的活性及促进两种细胞的增殖与迁移。氧化损伤实验显示功能层能降低H2O2对内皮细胞和心肌细胞损伤，当PQQ浓度为300 nmol/mL时对两种细胞保护效果最佳。综上所述，在钛表面成功构建了PAMAM-PQQ功能层，该功能层具有良好的血液相容性、细胞相容性及抗氧化损伤能力，有望用于心内植入器械表面改性的研发及应用。
植/介入手术是心血管疾病最主要的治疗手段。器械植入时与血液直接接触及对植入部位造成损伤，从而引起血栓和炎症等并发症。对材料进行表面改性是提高材料生物相容性的主要方法之一。本文通过在碱活化Ti表面固定树状大分子聚酰胺胺(Polyamido amine，PAMAM)，利用PAMAM的氨基基团接枝抗炎、抗氧化分子吡咯喹啉醌(Pyrroloquinoline quinone， PQQ)，构建了PAMAM-PQQ功能层，并探究了不同浓度PQQ对材料表面生物相容性的影响。FTIR、XPS和氨基定量证明了PQQ成功接枝到材料表面。SEM、水接触角检测证明了材料表面具有多孔网状结构和高度亲水性。血液实验显示功能层降低了血小板的粘附数量和激活程度，表现出较好的抗凝血能力，其中PQQ浓度为300 nmol/mL时效果最优。细胞静态培养结果显示功能层均提高了内皮细胞和心肌细胞的活性及促进两种细胞的增殖与迁移。氧化损伤实验显示功能层能降低H2O2对内皮细胞和心肌细胞损伤，当PQQ浓度为300 nmol/mL时对两种细胞保护效果最佳。综上所述，在钛表面成功构建了PAMAM-PQQ功能层，该功能层具有良好的血液相容性、细胞相容性及抗氧化损伤能力，有望用于心内植入器械表面改性的研发及应用。
2024, 41(2): 1021-1029.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230822.003
摘要:
天然蜘蛛丝具有优越的力学性能，其多种剂型具有优异的抗菌活性、生物相容性及良好的导热性。开发具有良好生物相容性的纯天然生物载药材料，对于降低患者的强烈免疫原性反应具有重要意义。通过对蛛丝在不同溶剂中溶解及成膜方式的探索，优化反应条件：以六氟异丙醇做溶解溶剂，以1∶1 (mg∶mL)的料液质量体积比进行投料，在60℃条件下溶解8 h，通过溶剂浇铸法成膜，并结合相关表征探索其以罗丹明B为模型药物的体外释药规律。通过浸提法测试材料细胞毒性，将蛛丝丝素蛋白膜浸提液与细胞共培养显示其对小鼠胚胎成骨细胞无潜在细胞毒性。制得的载药蛛丝丝素蛋白膜产率高、厚度均一、操作简单，为天然蜘蛛丝丝素蛋白的溶解及其膜剂的制备提供了一项简单易行的技术。
天然蜘蛛丝具有优越的力学性能，其多种剂型具有优异的抗菌活性、生物相容性及良好的导热性。开发具有良好生物相容性的纯天然生物载药材料，对于降低患者的强烈免疫原性反应具有重要意义。通过对蛛丝在不同溶剂中溶解及成膜方式的探索，优化反应条件：以六氟异丙醇做溶解溶剂，以1∶1 (mg∶mL)的料液质量体积比进行投料，在60℃条件下溶解8 h，通过溶剂浇铸法成膜，并结合相关表征探索其以罗丹明B为模型药物的体外释药规律。通过浸提法测试材料细胞毒性，将蛛丝丝素蛋白膜浸提液与细胞共培养显示其对小鼠胚胎成骨细胞无潜在细胞毒性。制得的载药蛛丝丝素蛋白膜产率高、厚度均一、操作简单，为天然蜘蛛丝丝素蛋白的溶解及其膜剂的制备提供了一项简单易行的技术。
2024, 41(2): 1030-1037.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230614.003
摘要:
60 NiTi (60wt%Ni-40wt%Ti)合金具有高硬度、高弹性模量及优异的耐磨和耐腐蚀性能，在许多领域有潜在的应用价值。本文对激光熔覆方法在316L不锈钢表面制备NiTi涂层的微观组织结构和物相组成进行了分析。结果表明：基材中主要成分Fe和Cr扩散到熔覆涂层中并显著地影响了镍钛涂层的组织结构和性能。熔覆涂层主要组成相为NiTi和Ni3Ti，提高Ni含量可抑制NiTi2析出。第一性原理计算结果显示，Fe和Cr元素易于固溶在B2结构的NiTi相中，并且都倾向于置换晶胞中的Ni原子。Ni3Ti晶胞结构中的Ni和Ti原子各有2个不同的晶位，Fe原子倾向于置换晶胞中Ni-1晶位的Ni原子，而Cr原子倾向于置换晶胞中Ni-2晶位的Ni原子。根据涂层的成分分析结合模拟可知，镍钛合金涂层中NiTi和Ni3Ti相的化学式分别为Ni5Ti8Fe2Cr和Ni9Ti4Fe2Cr。
60 NiTi (60wt%Ni-40wt%Ti)合金具有高硬度、高弹性模量及优异的耐磨和耐腐蚀性能，在许多领域有潜在的应用价值。本文对激光熔覆方法在316L不锈钢表面制备NiTi涂层的微观组织结构和物相组成进行了分析。结果表明：基材中主要成分Fe和Cr扩散到熔覆涂层中并显著地影响了镍钛涂层的组织结构和性能。熔覆涂层主要组成相为NiTi和Ni3Ti，提高Ni含量可抑制NiTi2析出。第一性原理计算结果显示，Fe和Cr元素易于固溶在B2结构的NiTi相中，并且都倾向于置换晶胞中的Ni原子。Ni3Ti晶胞结构中的Ni和Ti原子各有2个不同的晶位，Fe原子倾向于置换晶胞中Ni-1晶位的Ni原子，而Cr原子倾向于置换晶胞中Ni-2晶位的Ni原子。根据涂层的成分分析结合模拟可知，镍钛合金涂层中NiTi和Ni3Ti相的化学式分别为Ni5Ti8Fe2Cr和Ni9Ti4Fe2Cr。
2024, 41(2): 1038-1046.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230710.001
摘要:
三维针刺SiO2f/SiO2复合材料是一种理想的耐高温透波材料，对其开展了600℃和800℃下的拉-拉疲劳试验和疲劳加载后的剩余强度拉伸试验，得到相应的应力-应变曲线。通过分析材料在不同循环次数下的滞回环形状和大小及模量随循环次数的变化规律，探究了三维针刺SiO2f/SiO2复合材料的高温拉-拉疲劳力学行为。结果表明：温度对三维针刺SiO2f/SiO2复合材料所承受的疲劳应力大小有很大影响，试件在600℃和800℃下表现出不同的疲劳性能；大部分试件的模量随循环次数的增加而逐渐下降，但出现部分试件的模量随着循环加载而波动变化。
三维针刺SiO2f/SiO2复合材料是一种理想的耐高温透波材料，对其开展了600℃和800℃下的拉-拉疲劳试验和疲劳加载后的剩余强度拉伸试验，得到相应的应力-应变曲线。通过分析材料在不同循环次数下的滞回环形状和大小及模量随循环次数的变化规律，探究了三维针刺SiO2f/SiO2复合材料的高温拉-拉疲劳力学行为。结果表明：温度对三维针刺SiO2f/SiO2复合材料所承受的疲劳应力大小有很大影响，试件在600℃和800℃下表现出不同的疲劳性能；大部分试件的模量随循环次数的增加而逐渐下降，但出现部分试件的模量随着循环加载而波动变化。
2024, 41(2): 1047-1057.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230609.002
摘要:
不锈钢极薄带这一新型精密带材具有质量轻(厚度仅为0.01~0.1 mm)、强度高、易成型、耐腐蚀等诸多优点，是一种极具应用前景的轻质高强材料。为了探讨不锈钢极薄带作为纤维金属层板组分材料的可行性及评估其力学性能优劣，通过对比6种不同的不锈钢极薄带表面处理工艺，探明了6种工艺中机械打磨+丙酮清洗+10wt%氢氧化钠溶液腐蚀+1wt%偶联剂是不锈钢极薄带与碳纤维预浸料复合的最优表面处理工艺，其单搭接拉伸剪切强度值为21.3 MPa。基于该工艺，采用T700碳纤维单向预浸料、T300编织布预浸料及0.1 mm厚软态、半硬态与硬态不锈钢极薄带分别制备出含不同层数与不同类型不锈钢极薄带的纤维金属层板。并通过三点弯曲实验对所制层板的弯曲性能与变形失效机制进行了系统研究。结果表明：碳纤维/不锈钢极薄带纤维金属层板弯曲失效模式主要受钢带强韧性变化影响，弯曲变形主要受钢带含量影响。
不锈钢极薄带这一新型精密带材具有质量轻(厚度仅为0.01~0.1 mm)、强度高、易成型、耐腐蚀等诸多优点，是一种极具应用前景的轻质高强材料。为了探讨不锈钢极薄带作为纤维金属层板组分材料的可行性及评估其力学性能优劣，通过对比6种不同的不锈钢极薄带表面处理工艺，探明了6种工艺中机械打磨+丙酮清洗+10wt%氢氧化钠溶液腐蚀+1wt%偶联剂是不锈钢极薄带与碳纤维预浸料复合的最优表面处理工艺，其单搭接拉伸剪切强度值为21.3 MPa。基于该工艺，采用T700碳纤维单向预浸料、T300编织布预浸料及0.1 mm厚软态、半硬态与硬态不锈钢极薄带分别制备出含不同层数与不同类型不锈钢极薄带的纤维金属层板。并通过三点弯曲实验对所制层板的弯曲性能与变形失效机制进行了系统研究。结果表明：碳纤维/不锈钢极薄带纤维金属层板弯曲失效模式主要受钢带强韧性变化影响，弯曲变形主要受钢带含量影响。
2024, 41(2): 1058-1069.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230613.002
摘要:
为了改善因通信和电子设备的快速发展而造成的日益严重的电磁污染，解决磁性碳基吸波材料制备方法繁杂、能耗高等问题。提出了一种新型铁基碳纤维吸波材料的开发方法，以空心杨絮纤维为载体，Fe3+为金属源，采用湿式化学吸附和高温碳热还原的方法，得到了具有优良微波吸收性能的Fe-FexOy/C复合材料。实验结果表明：随煅烧温度升高，铁组分与杨絮中含氧基团结合生成不同的铁的氧化物(Fe/Fe3O4/FeO)，材料的矫顽力和饱和磁化强度增强，铁磁特性明显；Fe-FexOy/C-600吸收剂厚度为3 mm 时，有效吸收带宽可达 8.4 GHz (7.2~15.6 GHz) ，复合材料优异的吸波性能归因于适宜的阻抗匹配和介电损耗与磁损耗的协同增强，相互搭载的纤维结构为电磁波构筑了适宜的衰减空间，并在碳纤维导电网络中快速衰减，研究将为新型铁基碳纤维吸波材料的设计开发提供借鉴。
为了改善因通信和电子设备的快速发展而造成的日益严重的电磁污染，解决磁性碳基吸波材料制备方法繁杂、能耗高等问题。提出了一种新型铁基碳纤维吸波材料的开发方法，以空心杨絮纤维为载体，Fe3+为金属源，采用湿式化学吸附和高温碳热还原的方法，得到了具有优良微波吸收性能的Fe-FexOy/C复合材料。实验结果表明：随煅烧温度升高，铁组分与杨絮中含氧基团结合生成不同的铁的氧化物(Fe/Fe3O4/FeO)，材料的矫顽力和饱和磁化强度增强，铁磁特性明显；Fe-FexOy/C-600吸收剂厚度为3 mm 时，有效吸收带宽可达 8.4 GHz (7.2~15.6 GHz) ，复合材料优异的吸波性能归因于适宜的阻抗匹配和介电损耗与磁损耗的协同增强，相互搭载的纤维结构为电磁波构筑了适宜的衰减空间，并在碳纤维导电网络中快速衰减，研究将为新型铁基碳纤维吸波材料的设计开发提供借鉴。
2024, 41(2): 1070-1079.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230920.003
摘要:
复合材料复杂构件成型过程中极易产生褶皱，影响构件成型质量和承载性能，因而迫切需要建立成型工艺参数对预浸料褶皱的定量映射关系，支撑构件的低缺陷成型制造。本文发展了一种多工艺参数耦合的热塑性预浸料褶皱缺陷全局灵敏度分析方法。基于非正交本构模型发展了热塑性预浸料宽温域赋形变形有限元仿真方法，将预浸料与模具的距离和预浸料面外弯曲的曲率相结合，提高了褶皱缺陷定量表征的可靠性，最终采用基于方差的 Sobol全局灵敏度指标，建立了一套能够定量计算赋形工艺参数对褶皱缺陷影响程度的全局灵敏度分析方法。通过典型平纹碳纤维/聚碳酸酯(CF/PC)材料单穹顶成型过程验证，结果表明: 在200~250℃温度范围和0.2~2.0 kPa压强范围内，赋形温度对CF/PC 预浸料褶皱缺陷的影响大于赋形压强，而且赋形过程中存在温度和压强的双参数耦合作用。
复合材料复杂构件成型过程中极易产生褶皱，影响构件成型质量和承载性能，因而迫切需要建立成型工艺参数对预浸料褶皱的定量映射关系，支撑构件的低缺陷成型制造。本文发展了一种多工艺参数耦合的热塑性预浸料褶皱缺陷全局灵敏度分析方法。基于非正交本构模型发展了热塑性预浸料宽温域赋形变形有限元仿真方法，将预浸料与模具的距离和预浸料面外弯曲的曲率相结合，提高了褶皱缺陷定量表征的可靠性，最终采用基于方差的 Sobol全局灵敏度指标，建立了一套能够定量计算赋形工艺参数对褶皱缺陷影响程度的全局灵敏度分析方法。通过典型平纹碳纤维/聚碳酸酯(CF/PC)材料单穹顶成型过程验证，结果表明: 在200~250℃温度范围和0.2~2.0 kPa压强范围内，赋形温度对CF/PC 预浸料褶皱缺陷的影响大于赋形压强，而且赋形过程中存在温度和压强的双参数耦合作用。
2024, 41(2): 1080-1091.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230614.002
摘要:
针对当前大多数复合材料剩余强度模型通用化程度低、试验成本高的问题，本文提出了一个计及应力水平效应且独立于应力水平的剩余强度概率模型。首先，给出归一化强度储备的定义，并根据归一化强度储备推导出确定性剩余强度模型。然后，将一个疲劳寿命概率模型耦合进确定性剩余强度模型，进而衍生出一个新的剩余强度概率模型。最后，利用文献中的恒幅与变幅剩余强度试验数据对所提出的剩余强度概率模型的准确性和适用性进行验证。结果表明：几乎所有的恒幅试验数据点都分布在预测曲线的95%置信上限与5%置信下限之间，且50%可靠度的预测曲线对试验数据具有高拟合优度值：0.94、0.84及0.97。所提出的模型在充分考虑了复合材料剩余强度统计特征的前提下，仅用一组模型参数即可准确描述多个应力水平下的强度退化。在变幅工况下，所提出模型在升序与降序变幅加载中的预测值与试验值的相对误差均低于6%。
针对当前大多数复合材料剩余强度模型通用化程度低、试验成本高的问题，本文提出了一个计及应力水平效应且独立于应力水平的剩余强度概率模型。首先，给出归一化强度储备的定义，并根据归一化强度储备推导出确定性剩余强度模型。然后，将一个疲劳寿命概率模型耦合进确定性剩余强度模型，进而衍生出一个新的剩余强度概率模型。最后，利用文献中的恒幅与变幅剩余强度试验数据对所提出的剩余强度概率模型的准确性和适用性进行验证。结果表明：几乎所有的恒幅试验数据点都分布在预测曲线的95%置信上限与5%置信下限之间，且50%可靠度的预测曲线对试验数据具有高拟合优度值：0.94、0.84及0.97。所提出的模型在充分考虑了复合材料剩余强度统计特征的前提下，仅用一组模型参数即可准确描述多个应力水平下的强度退化。在变幅工况下，所提出模型在升序与降序变幅加载中的预测值与试验值的相对误差均低于6%。
