持续攀升 当期目录
2024年 第41卷 第8期
2024, 41(8): 3839-3865.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240015.003
摘要:
铝离子电池具有高理论比容量、安全性高、低成本、原料来源充足等优势，被认为是锂离子电池的潜在替代品。但正极材料固有特性的不足极大地限制了铝离子电池的进一步发展。本文总结了正极材料在铝离子电池应用领域所发挥的重要作用，综述了铝离子电池正极材料的作用机制和研究进展，概述了碳基、过渡金属氧化物、硫化物、有机材料、金属有机骨架化合物等正极材料对铝离子电池电化学性能的影响。最后，对正极材料在铝离子电池领域亟需解决的问题进行了探讨，对未来铝离子电池正极材料的发展方向提出了展望。
铝离子电池具有高理论比容量、安全性高、低成本、原料来源充足等优势，被认为是锂离子电池的潜在替代品。但正极材料固有特性的不足极大地限制了铝离子电池的进一步发展。本文总结了正极材料在铝离子电池应用领域所发挥的重要作用，综述了铝离子电池正极材料的作用机制和研究进展，概述了碳基、过渡金属氧化物、硫化物、有机材料、金属有机骨架化合物等正极材料对铝离子电池电化学性能的影响。最后，对正极材料在铝离子电池领域亟需解决的问题进行了探讨，对未来铝离子电池正极材料的发展方向提出了展望。
2024, 41(8): 3866-3882.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240407.005
摘要:
随着现代科学技术的迅速发展，电子信息设备的普及极大改善了人们的生活质量，但随之也带来了电磁干扰与电磁辐射等安全问题，尤其是对于国防军工领域，雷达测试技术的改进升级使武器装备的生存力面对巨大威胁。因此迫切需要开发高性能的电磁吸波材料来抑制电磁干扰与辐射，防止信息泄露。本文以吸波材料与吸波结构应用为切入点，对各种吸波材料的电磁波损耗机制进行了系统地整理，同时探讨了吸波结构的主要应用手段，并以此为基础阐述了吸波材料与吸波结构的研究现状与发展趋势，进一步分析了目前研究发展中吸波材料与吸波结构具备的优势与不足，最后提炼出了吸波领域未来需要解决的关键科学问题，针对现今吸波材料与结构功能一体化研究的不足，提出了关于未来研究方向的关键性建议。在此所讨论的方法与提出的策略有望对未来吸波-承载结构创新型设计提供一定的指导。
随着现代科学技术的迅速发展，电子信息设备的普及极大改善了人们的生活质量，但随之也带来了电磁干扰与电磁辐射等安全问题，尤其是对于国防军工领域，雷达测试技术的改进升级使武器装备的生存力面对巨大威胁。因此迫切需要开发高性能的电磁吸波材料来抑制电磁干扰与辐射，防止信息泄露。本文以吸波材料与吸波结构应用为切入点，对各种吸波材料的电磁波损耗机制进行了系统地整理，同时探讨了吸波结构的主要应用手段，并以此为基础阐述了吸波材料与吸波结构的研究现状与发展趋势，进一步分析了目前研究发展中吸波材料与吸波结构具备的优势与不足，最后提炼出了吸波领域未来需要解决的关键科学问题，针对现今吸波材料与结构功能一体化研究的不足，提出了关于未来研究方向的关键性建议。在此所讨论的方法与提出的策略有望对未来吸波-承载结构创新型设计提供一定的指导。
2024, 41(8): 3883-3896.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240229.003
摘要:
在防腐领域，环氧树脂防腐复合涂层是防止金属腐蚀的优良材料。环氧树脂涂层在金属和腐蚀性离子之间形成了屏障，但环氧树脂在固化期间，由于机械破裂和微孔的形成，防腐效果并不持久。本文介绍了纳米粒子改性环氧树脂防腐涂层、微/纳米容器改性环氧树脂防腐涂层、生物基材料改性环氧树脂防腐涂层这3种提高环氧树脂防腐性能的策略，综述了环氧树脂防腐复合涂层改性的研究进展，并展望了环氧树脂防腐复合涂层未来的发展方向，未来应该开发出兼具智能自预警与自修复、多功能化、成本效益的绿色环氧防腐复合涂层。
在防腐领域，环氧树脂防腐复合涂层是防止金属腐蚀的优良材料。环氧树脂涂层在金属和腐蚀性离子之间形成了屏障，但环氧树脂在固化期间，由于机械破裂和微孔的形成，防腐效果并不持久。本文介绍了纳米粒子改性环氧树脂防腐涂层、微/纳米容器改性环氧树脂防腐涂层、生物基材料改性环氧树脂防腐涂层这3种提高环氧树脂防腐性能的策略，综述了环氧树脂防腐复合涂层改性的研究进展，并展望了环氧树脂防腐复合涂层未来的发展方向，未来应该开发出兼具智能自预警与自修复、多功能化、成本效益的绿色环氧防腐复合涂层。
2024, 41(8): 3897-3909.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240412.001
摘要:
植物纤维作为天然生物质材料，在绿色环保材料开发和应用方面备受关注。植物基微纳米纤维具有高比表面积、高强度、高模量等优异特性，利用其构建绿色环保结构材料，在替代部分不可生物降解塑料材料及产品方面具有巨大潜力。本文综述了目前植物纤维自结合成型环保材料研究进展，主要讨论了植物微米纤维成型材料、植物纳米纤维素结构材料和植物微纳米纤维结构材料的制备工艺及性能表现，展望了未来植物纤维自结合成型环保材料的重点研究方向，为促进植物纤维在结构材料领域发展和应用提供一定的参考。
植物纤维作为天然生物质材料，在绿色环保材料开发和应用方面备受关注。植物基微纳米纤维具有高比表面积、高强度、高模量等优异特性，利用其构建绿色环保结构材料，在替代部分不可生物降解塑料材料及产品方面具有巨大潜力。本文综述了目前植物纤维自结合成型环保材料研究进展，主要讨论了植物微米纤维成型材料、植物纳米纤维素结构材料和植物微纳米纤维结构材料的制备工艺及性能表现，展望了未来植物纤维自结合成型环保材料的重点研究方向，为促进植物纤维在结构材料领域发展和应用提供一定的参考。
2024, 41(8): 3910-3934.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240304.005
摘要:
为解决电子信息技术带来的电磁波污染问题，碳基复合吸波材料受到了广泛的关注。生物质衍生碳复合材料不仅具有优异的电磁波吸收能力，还具有密度小、来源广泛和成本低等优点。本文首先阐述了生物质衍生碳的制备方法及过程；其次，依据生物科学分类法系统归纳了植物界类、真菌类、原生生物界类的3种生物质衍生碳的结构形貌特征，对生物质衍生碳基复合吸波材料近些年的研究成果进行了总结与综述；接着，对不同分类的吸波材料的结构形貌与电磁波吸收性能进行了对比，并分析了各类材料的吸波机制。最后，分析了目前生物质衍生碳基复合材料的吸波性能及其缺点，并对未来发展方向进行展望。本文为推进非动物类生物质衍生碳复合吸波材料的研究提供了较全面的归纳、分类、分析与理论支持，为其未来发展提供了思路。
为解决电子信息技术带来的电磁波污染问题，碳基复合吸波材料受到了广泛的关注。生物质衍生碳复合材料不仅具有优异的电磁波吸收能力，还具有密度小、来源广泛和成本低等优点。本文首先阐述了生物质衍生碳的制备方法及过程；其次，依据生物科学分类法系统归纳了植物界类、真菌类、原生生物界类的3种生物质衍生碳的结构形貌特征，对生物质衍生碳基复合吸波材料近些年的研究成果进行了总结与综述；接着，对不同分类的吸波材料的结构形貌与电磁波吸收性能进行了对比，并分析了各类材料的吸波机制。最后，分析了目前生物质衍生碳基复合材料的吸波性能及其缺点，并对未来发展方向进行展望。本文为推进非动物类生物质衍生碳复合吸波材料的研究提供了较全面的归纳、分类、分析与理论支持，为其未来发展提供了思路。
2024, 41(8): 3935-3949.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240314.004
摘要:
随着石油资源的逐渐枯竭，生物质基阻隔包装材料作为传统石油基塑料包装的绿色替代品受到越来越多重视。木质素作为自然界中第二丰富的天然高分子聚合物，也是唯一富含重复苯环结构单元的可再生资源，具有生物可降解性、生物相容性和出色的加工性等优势。现阶段，大部分木质素仍作为工业副产物被焚烧处理，其高值化利用程度较低。虽然木质素独特的化学结构和耐水、耐溶剂、抗老化、抗紫外等功能特性，使其在制备生物基阻隔材料方面具有巨大潜力。但木质素的结构、木质素基阻隔材料的多重阻隔性能、构效关系及应用场景仍需深入思考。鉴于此，本文对木质素基功能材料在阻隔包装纸中的应用研究进展进行了系统总结和全面评述。首先，简述了木质素的结构和来源。其次，详细概括了木质素基功能材料在阻隔包装纸上的应用现状，重点介绍了木质素基功能材料在包装纸阻隔水、气体、油脂、紫外线及阻燃方面的应用进展。最后，探讨了木质素基功能材料在阻隔包装纸应用中面临的主要挑战和未来的发展方向。本文将为木质素基功能材料在制备具有单一或多重阻隔性能包装纸的应用研究领域提供理论参考，对工业化生产木质素基高附加值产品具有实际意义。
随着石油资源的逐渐枯竭，生物质基阻隔包装材料作为传统石油基塑料包装的绿色替代品受到越来越多重视。木质素作为自然界中第二丰富的天然高分子聚合物，也是唯一富含重复苯环结构单元的可再生资源，具有生物可降解性、生物相容性和出色的加工性等优势。现阶段，大部分木质素仍作为工业副产物被焚烧处理，其高值化利用程度较低。虽然木质素独特的化学结构和耐水、耐溶剂、抗老化、抗紫外等功能特性，使其在制备生物基阻隔材料方面具有巨大潜力。但木质素的结构、木质素基阻隔材料的多重阻隔性能、构效关系及应用场景仍需深入思考。鉴于此，本文对木质素基功能材料在阻隔包装纸中的应用研究进展进行了系统总结和全面评述。首先，简述了木质素的结构和来源。其次，详细概括了木质素基功能材料在阻隔包装纸上的应用现状，重点介绍了木质素基功能材料在包装纸阻隔水、气体、油脂、紫外线及阻燃方面的应用进展。最后，探讨了木质素基功能材料在阻隔包装纸应用中面临的主要挑战和未来的发展方向。本文将为木质素基功能材料在制备具有单一或多重阻隔性能包装纸的应用研究领域提供理论参考，对工业化生产木质素基高附加值产品具有实际意义。
2024, 41(8): 3950-3967.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240314.003
摘要:
随着材料工程和涂料工业的发展，具有耐腐蚀、自清洁、防雾、减阻或抗结冰等性能的超疏水涂层由于能够满足不同应用领域的功能需求，越来越受到研究人员的关注。此外，通过进一步在涂层内部引入隔热、防冰、阻燃、防腐等功能填料可赋予其多功能性，极大地拓宽了超疏水涂层的应用领域。本文首先对超疏水涂层的原理进行了梳理；进一步阐述了超疏水涂层的经典润湿理论，包括杨氏模型、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型；随后分析了超疏水涂层不同制备方法的特点，并对各方法的优缺点进行了对比；最后通过介绍掺杂功能填料的多功能超疏水涂层研究进展，指出超疏水涂层存在的主要问题，并对其发展方向进行了展望。
随着材料工程和涂料工业的发展，具有耐腐蚀、自清洁、防雾、减阻或抗结冰等性能的超疏水涂层由于能够满足不同应用领域的功能需求，越来越受到研究人员的关注。此外，通过进一步在涂层内部引入隔热、防冰、阻燃、防腐等功能填料可赋予其多功能性，极大地拓宽了超疏水涂层的应用领域。本文首先对超疏水涂层的原理进行了梳理；进一步阐述了超疏水涂层的经典润湿理论，包括杨氏模型、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型；随后分析了超疏水涂层不同制备方法的特点，并对各方法的优缺点进行了对比；最后通过介绍掺杂功能填料的多功能超疏水涂层研究进展，指出超疏水涂层存在的主要问题，并对其发展方向进行了展望。
2024, 41(8): 3968-3986.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240314.002
摘要:
相变材料(PCM)可以弥合热能供需在时间和空间上的差距，被广泛应用于热能存储和热管理系统中。然而，单一的PCM具有易泄漏、体积变化、相分离和腐蚀等缺陷，因此，通过微胶囊技术将PCM封装制备微胶囊复合相变材料(MEPCM)，并通过不同纳米填料增强其性能，既可以有效克服以上缺陷，又能提高其热性能和运行稳定性。本文首先介绍了MEPCM的芯材和壳体的选择原则、MEPCM的组成及制备策略，着重阐述了不同维度纳米填料对MEPCM热性能的影响，总结了MEPCM在建筑、纺织品及热管理等领域中的应用，最后，展望了纳米填料在合理设计和构建高性能MEPCM方面的未来研究方向和挑战。
相变材料(PCM)可以弥合热能供需在时间和空间上的差距，被广泛应用于热能存储和热管理系统中。然而，单一的PCM具有易泄漏、体积变化、相分离和腐蚀等缺陷，因此，通过微胶囊技术将PCM封装制备微胶囊复合相变材料(MEPCM)，并通过不同纳米填料增强其性能，既可以有效克服以上缺陷，又能提高其热性能和运行稳定性。本文首先介绍了MEPCM的芯材和壳体的选择原则、MEPCM的组成及制备策略，着重阐述了不同维度纳米填料对MEPCM热性能的影响，总结了MEPCM在建筑、纺织品及热管理等领域中的应用，最后，展望了纳米填料在合理设计和构建高性能MEPCM方面的未来研究方向和挑战。
2024, 41(8): 3987-4003.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240321.001
摘要:
陶瓷基复合材料是一种典型的难加工材料，除了各向异性的特点外，其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼。航空发动机热端部件内嵌孔(气膜孔等)是陶瓷基复合材料部件的基本结构，对陶瓷基复合材料构件制备成型和服役性能的发挥具有重要意义。本文给出了陶瓷基复合材料热端部件内嵌孔的分类及用于加工陶瓷基复合材料内嵌孔的方法，包括常规机械加工方法、超声振动辅助加工方法、激光加工方法等，阐述了上述加工方法的加工原理、工艺特征、工艺参数的选取及加工缺陷特征、形成机制等，给出了不同直径、深径比陶瓷基复合材料内嵌孔加工工艺的建议。
陶瓷基复合材料是一种典型的难加工材料，除了各向异性的特点外，其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼。航空发动机热端部件内嵌孔(气膜孔等)是陶瓷基复合材料部件的基本结构，对陶瓷基复合材料构件制备成型和服役性能的发挥具有重要意义。本文给出了陶瓷基复合材料热端部件内嵌孔的分类及用于加工陶瓷基复合材料内嵌孔的方法，包括常规机械加工方法、超声振动辅助加工方法、激光加工方法等，阐述了上述加工方法的加工原理、工艺特征、工艺参数的选取及加工缺陷特征、形成机制等，给出了不同直径、深径比陶瓷基复合材料内嵌孔加工工艺的建议。
2024, 41(8): 4004-4025.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240315.001
摘要:
反蛋白结构(IO)是光子晶体的一种典型的空间结构构型。IO除了具有相互连通、高度规整有序的均孔结构外，还具有光子晶体的慢光效应、多次散射效应和放大光子吸收、发射的特性等。近年来，对IO的应用包括均孔膜、光子墨水、电池电极、传感器等。本文首先简述了IO的构建策略，分为“三步法”和“两步法”。进而详细总结了IO在水处理领域的研究进展，包括过滤筛分、高效吸附、催化降解、水质检测4个方面。最后，对IO材料在水处理领域中现有的局限性和未来的发展趋势进行了阐述和展望。
反蛋白结构(IO)是光子晶体的一种典型的空间结构构型。IO除了具有相互连通、高度规整有序的均孔结构外，还具有光子晶体的慢光效应、多次散射效应和放大光子吸收、发射的特性等。近年来，对IO的应用包括均孔膜、光子墨水、电池电极、传感器等。本文首先简述了IO的构建策略，分为“三步法”和“两步法”。进而详细总结了IO在水处理领域的研究进展，包括过滤筛分、高效吸附、催化降解、水质检测4个方面。最后，对IO材料在水处理领域中现有的局限性和未来的发展趋势进行了阐述和展望。
2024, 41(8): 4026-4038.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231220.002
摘要:
由近红外二区(NIR-II，1000 ~1350 nm)光触发光热剂进行光热治疗是一种新兴的肿瘤治疗方式，具有良好的应用前景。过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化合物(MXenes)具有超薄层状结构、独特的电子性质、比表面积大、光热转换效率高、良好的亲水性及易于表面功能化等优点，可作为一类具有优良性质的光热剂应用于NIR-II区肿瘤光热治疗。本文介绍了NIR-II区光热治疗的优势，概括了MXenes的光热性能和MXenes胶体溶液稳定性，重点总结了MXenes在NIR-II区肿瘤光热诊疗的研究进展，并阐述了该领域未来发展所面临的挑战和机遇。
由近红外二区(NIR-II，
2024, 41(8): 4039-4057.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231117.002
摘要:
针对飞行器的极端防隔热承载需求，以正交三向石英纤维预制体为增强体、高强度纳米孔酚醛树脂为基体，制备出正交三向纤维增强纳米孔树脂基复合材料(3DIPC)。所制备的3DIPC具有中等密度(~1.46 g·cm−3)、较低的室温热导率(<0.30 W·(m·K)−1)和线烧蚀率(~0.15 mm·s−1)及优异的力学性能(拉伸强度>400 MPa，压缩强度>390 MPa，弯曲强度>300 MPa，层间剪切强度>30 MPa)。通过调整不同方向纱线的细度，系统地研究了纤维预制体细观结构改变对3DIPC力学性能的影响。结果表明：增大Z纱的细度可以提高3DIPC的压缩模量和层间剪切强度，但会导致其拉伸性能与压缩强度的降低；增大经纱的细度可以提高材料经向的拉伸与弯曲性能，但纬向的拉伸与弯曲性能呈降低趋势。最后，基于3DIPC的实际形貌建立了包含表面与内部结构的细观有限元模型，并结合复合材料的渐进损伤模型，采用ABAQUS有限元软件模拟了3DIPC的拉伸失效行为。结果表明：3DIPC的损伤始于纱线中的基体处，并随应变的增加扩展至纯基体与纤维。3DIPC的经纬向拉伸失效分别是由经向和纬向纤维断裂主导的，且表面Z纱和表面纬纱的纤维断裂是造成3DIPC在纬向拉伸前期损伤的主要原因。
针对飞行器的极端防隔热承载需求，以正交三向石英纤维预制体为增强体、高强度纳米孔酚醛树脂为基体，制备出正交三向纤维增强纳米孔树脂基复合材料(3DIPC)。所制备的3DIPC具有中等密度(~1.46 g·cm−3)、较低的室温热导率(<0.30 W·(m·K)−1)和线烧蚀率(~0.15 mm·s−1)及优异的力学性能(拉伸强度>400 MPa，压缩强度>390 MPa，弯曲强度>300 MPa，层间剪切强度>30 MPa)。通过调整不同方向纱线的细度，系统地研究了纤维预制体细观结构改变对3DIPC力学性能的影响。结果表明：增大Z纱的细度可以提高3DIPC的压缩模量和层间剪切强度，但会导致其拉伸性能与压缩强度的降低；增大经纱的细度可以提高材料经向的拉伸与弯曲性能，但纬向的拉伸与弯曲性能呈降低趋势。最后，基于3DIPC的实际形貌建立了包含表面与内部结构的细观有限元模型，并结合复合材料的渐进损伤模型，采用ABAQUS有限元软件模拟了3DIPC的拉伸失效行为。结果表明：3DIPC的损伤始于纱线中的基体处，并随应变的增加扩展至纯基体与纤维。3DIPC的经纬向拉伸失效分别是由经向和纬向纤维断裂主导的，且表面Z纱和表面纬纱的纤维断裂是造成3DIPC在纬向拉伸前期损伤的主要原因。
2024, 41(8): 4058-4072.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231218.004
摘要:
类玻璃体(Vitrimer)在保持交联的状态下还具有塑性变形能力，意味着传统的热固性树脂具有了二次热加工成型的能力，有效地减少废品率，从源头减少垃圾。利用Vitrimer具有的塑性变形能力也可以进行材料自修复而延长使用寿命，从而对环境保护、减排作出贡献。本文以异辛酸亚锡为催化剂、酚醛树脂为改性剂制备了环氧 Vitrimer 材料。研究结果表明：催化剂含量的增加会使体系固化更加完全，因此对材料弯曲强度有一定的改善，最高可达到 87.5 MPa。引入酚醛树脂后弯曲强度由改性前的 87.5 MPa 提高到 126.9 MPa，拉伸强度达 63.3 MPa。但酚醛树脂的加入量过高时，材料的交联密度有所降低，其力学性能在达到顶点后出现下降趋势。对酸酐固化的环氧 Vitrimer 体系松弛过程研究表明：增加催化剂含量和提高温度都可以降低材料的松弛时间，但是高温后固化会抑制松弛过程，影响自焊接强度。酚醛改性后材料的应力松弛明显快于纯酸酐固化的环氧试样。10mol%催化剂试样在180℃至190℃松弛速率产生一个突变，190℃明显加快，而酚醛的引入则可以将突变温度Ts提前到180℃。在无压力条件下，样品可以实现划痕的修复。在松弛的突变温度以上修复的试样剪切强度和划痕修复效果明显提高。相对未加酚醛样品，酚醛改性样品修复效果更好。催化剂对试样修复强度和修复速度有明显影响。
类玻璃体(Vitrimer)在保持交联的状态下还具有塑性变形能力，意味着传统的热固性树脂具有了二次热加工成型的能力，有效地减少废品率，从源头减少垃圾。利用Vitrimer具有的塑性变形能力也可以进行材料自修复而延长使用寿命，从而对环境保护、减排作出贡献。本文以异辛酸亚锡为催化剂、酚醛树脂为改性剂制备了环氧 Vitrimer 材料。研究结果表明：催化剂含量的增加会使体系固化更加完全，因此对材料弯曲强度有一定的改善，最高可达到 87.5 MPa。引入酚醛树脂后弯曲强度由改性前的 87.5 MPa 提高到 126.9 MPa，拉伸强度达 63.3 MPa。但酚醛树脂的加入量过高时，材料的交联密度有所降低，其力学性能在达到顶点后出现下降趋势。对酸酐固化的环氧 Vitrimer 体系松弛过程研究表明：增加催化剂含量和提高温度都可以降低材料的松弛时间，但是高温后固化会抑制松弛过程，影响自焊接强度。酚醛改性后材料的应力松弛明显快于纯酸酐固化的环氧试样。10mol%催化剂试样在180℃至190℃松弛速率产生一个突变，190℃明显加快，而酚醛的引入则可以将突变温度Ts提前到180℃。在无压力条件下，样品可以实现划痕的修复。在松弛的突变温度以上修复的试样剪切强度和划痕修复效果明显提高。相对未加酚醛样品，酚醛改性样品修复效果更好。催化剂对试样修复强度和修复速度有明显影响。
2024, 41(8): 4073-4083.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231219.002
摘要:
单向热固性预浸料的面内剪切变形对最终复合材料构件的成型质量和力学性能有着显著影响。对此，本文研究了单向热固性预浸料在不同成型温度和加载速率下的面内剪切及应力松弛行为。结果表明：单向热固性预浸料呈现出与温度和加载速率强相关的非线性面内剪切变形行为，剪切变形对加载速率的敏感性随着温度的升高而降低，应力松弛速度随着温度的升高而加快，温度越高将会越快处于应力松弛稳定状态。基于单向热固性预浸料的面内剪切及应力松弛行为，构建了精准追踪纤维方向变化的广义Maxwell黏弹性本构模型，并编写VUMAT用户材料子程序，对单向热固性预浸料的偏轴拉伸阶梯加载应力松弛进行模拟，与试验结果表现出较好的一致性，证明了该本构模型的有效性和正确性。
单向热固性预浸料的面内剪切变形对最终复合材料构件的成型质量和力学性能有着显著影响。对此，本文研究了单向热固性预浸料在不同成型温度和加载速率下的面内剪切及应力松弛行为。结果表明：单向热固性预浸料呈现出与温度和加载速率强相关的非线性面内剪切变形行为，剪切变形对加载速率的敏感性随着温度的升高而降低，应力松弛速度随着温度的升高而加快，温度越高将会越快处于应力松弛稳定状态。基于单向热固性预浸料的面内剪切及应力松弛行为，构建了精准追踪纤维方向变化的广义Maxwell黏弹性本构模型，并编写VUMAT用户材料子程序，对单向热固性预浸料的偏轴拉伸阶梯加载应力松弛进行模拟，与试验结果表现出较好的一致性，证明了该本构模型的有效性和正确性。
2024, 41(8): 4084-4093.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240228.002
摘要:
采用准静态轴向压缩实验和有限元仿真相结合的方法，对三维编织(3D)-单向铺层(Unidirectional ply，UD)混合的碳纤维复合材料管的轴向压缩性能和破坏机制进行了研究。实验结果表明，3D-UD混合管具有更稳定的压缩吸能模式；相比UD管，混合管的峰值载荷、总吸能和比吸能分别提高了20.3%、109.2%和67.1%。进一步对3D-UD混合管的破坏过程进行了有限元仿真分析，得到的载荷-位移曲线与实验结果吻合较好，验证了仿真模型的有效性。结合实验结果与混合管损伤变形的仿真分析发现，外层3D和内层3D对夹层UD的束缚和支撑作用抑制了UD管管壁因弯折过大而断裂，而夹层UD管的稳定破坏吸能使得3D管未发生严重的编织层卷曲现象，因此3D-UD混合管可以有效抵抗管壁变形，提高轴向压缩下的稳定性和吸能性。
采用准静态轴向压缩实验和有限元仿真相结合的方法，对三维编织(3D)-单向铺层(Unidirectional ply，UD)混合的碳纤维复合材料管的轴向压缩性能和破坏机制进行了研究。实验结果表明，3D-UD混合管具有更稳定的压缩吸能模式；相比UD管，混合管的峰值载荷、总吸能和比吸能分别提高了20.3%、109.2%和67.1%。进一步对3D-UD混合管的破坏过程进行了有限元仿真分析，得到的载荷-位移曲线与实验结果吻合较好，验证了仿真模型的有效性。结合实验结果与混合管损伤变形的仿真分析发现，外层3D和内层3D对夹层UD的束缚和支撑作用抑制了UD管管壁因弯折过大而断裂，而夹层UD管的稳定破坏吸能使得3D管未发生严重的编织层卷曲现象，因此3D-UD混合管可以有效抵抗管壁变形，提高轴向压缩下的稳定性和吸能性。
2024, 41(8): 4094-4102.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240229.004
摘要:
随着碳纤维增强树脂基复合材料在航天领域中的广泛应用，结构/功能一体化碳纤维(CF)复合材料将发挥出重要作用。本文采用功能化层间技术(Functional interlayer technology，FIT)制备了高导热沥青基碳纤维增强氰酸酯复合材料。在短切碳纤维薄膜表面电泳沉积石墨烯片(GNPs)和Al2O3制备薄膜材料GNPs-Al2O3/CF作为多功能插层结构，以其取代纤维层之间的富树脂层区域。后者表现出良好的导热性能，正交铺层复合材料的面内热导率和面外热导率分别提高了123.1%和77.5%，准各向同性铺层复合材料的面内热导率和面外热导率分别提高了119.0%和50.0%。此外，多功能插层结构的加入可以阻碍裂纹的扩展，改善复合材料层间韧性。因此，多功能插层结构既能在层间形成有效的导热网络结构，改善复合材料面内和面外热导率，又能提高层间区域的增韧效率。
随着碳纤维增强树脂基复合材料在航天领域中的广泛应用，结构/功能一体化碳纤维(CF)复合材料将发挥出重要作用。本文采用功能化层间技术(Functional interlayer technology，FIT)制备了高导热沥青基碳纤维增强氰酸酯复合材料。在短切碳纤维薄膜表面电泳沉积石墨烯片(GNPs)和Al2O3制备薄膜材料GNPs-Al2O3/CF作为多功能插层结构，以其取代纤维层之间的富树脂层区域。后者表现出良好的导热性能，正交铺层复合材料的面内热导率和面外热导率分别提高了123.1%和77.5%，准各向同性铺层复合材料的面内热导率和面外热导率分别提高了119.0%和50.0%。此外，多功能插层结构的加入可以阻碍裂纹的扩展，改善复合材料层间韧性。因此，多功能插层结构既能在层间形成有效的导热网络结构，改善复合材料面内和面外热导率，又能提高层间区域的增韧效率。
2024, 41(8): 4103-4112.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240003.004
摘要:
环氧树脂为交通电气化进程提供了优异的绝缘、支撑和保护功能，但传统环氧树脂难以回收，这不符合绿色交通的可持续发展目标。现有的可回收环氧树脂综合性能较差，限制了其在交通电气化进程中的应用，亟需开发高性能可回收的环氧树脂。本文提出了光敏油基树脂和环氧树脂的光-热双固化方法，利用酯交换机制，在无催化剂的高温高压环境下实现了双固化环氧树脂的回收，同时回收树脂仍保持出色的理化和电气性能。结果表明：回收前双固化环氧树脂的综合性能良好；回收树脂的粒径越小、热压压强越大，回收后树脂的理化和电气性能越好，在220℃、10 MPa的环境下热压3 h后回收树脂的综合性能较优，弯曲和拉伸强度恢复率分别为92.0%和93.7%，工频下介电常数和介质损耗与回收前相差不大，击穿强度恢复率达到98.4%。该树脂在推进交通电气化的过程中具有一定潜力和应用前景。
环氧树脂为交通电气化进程提供了优异的绝缘、支撑和保护功能，但传统环氧树脂难以回收，这不符合绿色交通的可持续发展目标。现有的可回收环氧树脂综合性能较差，限制了其在交通电气化进程中的应用，亟需开发高性能可回收的环氧树脂。本文提出了光敏油基树脂和环氧树脂的光-热双固化方法，利用酯交换机制，在无催化剂的高温高压环境下实现了双固化环氧树脂的回收，同时回收树脂仍保持出色的理化和电气性能。结果表明：回收前双固化环氧树脂的综合性能良好；回收树脂的粒径越小、热压压强越大，回收后树脂的理化和电气性能越好，在220℃、10 MPa的环境下热压3 h后回收树脂的综合性能较优，弯曲和拉伸强度恢复率分别为92.0%和93.7%，工频下介电常数和介质损耗与回收前相差不大，击穿强度恢复率达到98.4%。该树脂在推进交通电气化的过程中具有一定潜力和应用前景。
2024, 41(8): 4113-4123.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240008.007
摘要:
飞机、卫星等飞行器装载有多种关键电子元器件，易受强电磁场环境干扰；同时飞行器的部分结构在工作中需满足大形变、可拉伸等力学要求，因此高导电、可拉伸电磁屏蔽材料受到广泛关注。以氧化石墨烯为原料，通过流延法和高温石墨化处理制备了厚度为13.5 μm的高导电柔性石墨烯薄膜(GP-4)，其电导率和电磁屏蔽效能分别为6010 S/cm和68.4 dB。以预拉伸的波纹状聚二甲基硅烷(PDMS)为基底，制备了具有双层结构的GP-4/PDMS-50.5复合膜，轴向拉伸应变高达50.5%。当GP-4/PDMS-50.5复合膜轴向拉伸应变为50.5%及拉伸循环次数为500时，该复合膜仍能保持优异的导电性能和电磁屏蔽性能。其中，复合膜的电阻与GP-4薄膜基本一致，分别为1.04 Ω和1.06 Ω；复合膜的电磁屏蔽效能高达68.5 dB 和67.7 dB。这些优良性能表明了GP-4/PDMS-50.5复合膜在柔性电子设备的电磁屏蔽领域具有巨大应用前景。
飞机、卫星等飞行器装载有多种关键电子元器件，易受强电磁场环境干扰；同时飞行器的部分结构在工作中需满足大形变、可拉伸等力学要求，因此高导电、可拉伸电磁屏蔽材料受到广泛关注。以氧化石墨烯为原料，通过流延法和高温石墨化处理制备了厚度为13.5 μm的高导电柔性石墨烯薄膜(GP-4)，其电导率和电磁屏蔽效能分别为
2024, 41(8): 4124-4133.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231220.003
摘要:
随着高频通信技术的快速发展，由电磁波造成的电磁干扰问题日益严重，亟需开发针对5G频段的电磁屏蔽材料。以两次激光诱导法直接在固体材料上快速制备了银纳米颗粒/多孔石墨烯柔性复合薄膜：首次激光制备的亲水性激光诱导石墨烯(LIG)能够高效吸附AgNO3溶液，二次激光照射实现了银纳米粒子在多孔石墨烯上的原位生成和均匀负载。进一步研究了不同AgNO3浓度对所制得Ag/LIG材料的微观形貌、结构性质和导电特性的影响。结果表明：当AgNO3浓度为0.5 mol/L时，复合薄膜中银纳米颗粒保持小尺寸的同时分散性最好，其展现出2788 S/m的高电导率；同时，材料屏蔽效能从LIG的18~26 dB增加到复合材料的36~40 dB。在26 GHz频段处，Ag/LIG的屏蔽效能达到38 dB，经200次弯曲循环后效能保有率在90%以上。
随着高频通信技术的快速发展，由电磁波造成的电磁干扰问题日益严重，亟需开发针对5G频段的电磁屏蔽材料。以两次激光诱导法直接在固体材料上快速制备了银纳米颗粒/多孔石墨烯柔性复合薄膜：首次激光制备的亲水性激光诱导石墨烯(LIG)能够高效吸附AgNO3溶液，二次激光照射实现了银纳米粒子在多孔石墨烯上的原位生成和均匀负载。进一步研究了不同AgNO3浓度对所制得Ag/LIG材料的微观形貌、结构性质和导电特性的影响。结果表明：当AgNO3浓度为0.5 mol/L时，复合薄膜中银纳米颗粒保持小尺寸的同时分散性最好，其展现出
2024, 41(8): 4134-4145.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240003.003
摘要:
智能食品包装能够在实时质量监测方面弥补传统包装的不足，开发一种低成本、对人类健康无害和绿色环保的食品新鲜度智能指示标签，对食品安全有重要意义。本文基于再生纤维素(RC)膜，利用从紫甘蓝中提取的花青素和纳米SiO2，制备了一种可生物降解的智能比色传感膜(SiO2-PCE/RCG)。该膜具有良好的力学性能(承受最大应力为67.1 MPa，最大拉伸应变为45.50%)和超疏水性(水接触角为152.8°)，且对紫外线有一定的阻隔能力，可用于生鲜类食品新鲜度的实时监测。通过测定总挥发性盐基氮(TVBN)和pH值，验证了该膜应用于虾新鲜度监测的有效性，其颜色明显由品红色变为水红色，再变为紫灰色，最后变为灰绿色，有效地指示了虾腐败。本文所开发的比色传感膜将有望作为具有良好力学性能和超疏水性的智能比色标签，并且应用于可对食品进行实时新鲜度监测的智能包装中。
智能食品包装能够在实时质量监测方面弥补传统包装的不足，开发一种低成本、对人类健康无害和绿色环保的食品新鲜度智能指示标签，对食品安全有重要意义。本文基于再生纤维素(RC)膜，利用从紫甘蓝中提取的花青素和纳米SiO2，制备了一种可生物降解的智能比色传感膜(SiO2-PCE/RCG)。该膜具有良好的力学性能(承受最大应力为67.1 MPa，最大拉伸应变为45.50%)和超疏水性(水接触角为152.8°)，且对紫外线有一定的阻隔能力，可用于生鲜类食品新鲜度的实时监测。通过测定总挥发性盐基氮(TVBN)和pH值，验证了该膜应用于虾新鲜度监测的有效性，其颜色明显由品红色变为水红色，再变为紫灰色，最后变为灰绿色，有效地指示了虾腐败。本文所开发的比色传感膜将有望作为具有良好力学性能和超疏水性的智能比色标签，并且应用于可对食品进行实时新鲜度监测的智能包装中。
2024, 41(8): 4146-4159.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231214.002
摘要:
导电聚合物复合材料(CPC)因其耐腐蚀性好、比强度高、成本低和易加工等良好的综合性能，被广泛用于制备电磁屏蔽材料。本文采用简单的刮膜法和热酰亚胺化法制备了综合性能良好的MXene-羧基化碳纳米管/聚酰亚胺(MXene-CCNT/PI)复合薄膜。MXene和CCNT协同作用构筑了良好的导电网络，赋予薄膜高效的电磁屏蔽效能(EMI SE)，当MXene和CCNT含量均为12.5wt%，膜厚度为80 μm时，电导率和EMI SE分别为5.88 S/cm和26.49 dB，电磁屏蔽效能与厚度的比值(EMI SE/t)为331.13 dB/mm。并且在极端恶劣环境下(酸-碱处理、高低温处理和重复弯曲)显示出持久而稳定的EMI SE。与此同时，MXene-CCNT/PI薄膜仍具有53.17 MPa的拉伸强度、优异的热稳定性(＞500℃)和阻燃性能。实现了聚合物基电磁屏蔽复合材料的便捷、高效制备，同时兼顾其优异的力学性能和耐热性能。
导电聚合物复合材料(CPC)因其耐腐蚀性好、比强度高、成本低和易加工等良好的综合性能，被广泛用于制备电磁屏蔽材料。本文采用简单的刮膜法和热酰亚胺化法制备了综合性能良好的MXene-羧基化碳纳米管/聚酰亚胺(MXene-CCNT/PI)复合薄膜。MXene和CCNT协同作用构筑了良好的导电网络，赋予薄膜高效的电磁屏蔽效能(EMI SE)，当MXene和CCNT含量均为12.5wt%，膜厚度为80 μm时，电导率和EMI SE分别为5.88 S/cm和26.49 dB，电磁屏蔽效能与厚度的比值(EMI SE/t)为331.13 dB/mm。并且在极端恶劣环境下(酸-碱处理、高低温处理和重复弯曲)显示出持久而稳定的EMI SE。与此同时，MXene-CCNT/PI薄膜仍具有53.17 MPa的拉伸强度、优异的热稳定性(＞500℃)和阻燃性能。实现了聚合物基电磁屏蔽复合材料的便捷、高效制备，同时兼顾其优异的力学性能和耐热性能。
2024, 41(8): 4160-4170.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231215.003
摘要:
水体富营养化导致的有害藻华(HABs)爆发日益严重，对水环境和人类健康构成了巨大的威胁。本文采用简单的水热法制备了磁性可回收的镍掺杂 ZnFe2O4 (Ni-ZFO)吸附剂，用于去除水体中的铜绿微囊藻。通过 SEM、XRD、EDS、XPS 和振动样品磁力计(VSM)对材料进行了表征。在 30 min内，Ni-ZFO 复合材料的藻细胞去除率最高可达 99.09%，在 25℃、pH= 3~8 的条件下，去除率保持在 90.41% 以上。此外，Ni-ZFO的饱和磁化强度为67.93 emu/g，比ZnFe2O4 (ZFO)高10.74 emu/g，便于回收利用。吸附过程中藻胆蛋白含量并未增加，藻细胞在吸附过程中不会破裂，这就避免了藻毒素进入水环境而造成的二次污染。经过4次循环使用后除藻率仍保持在75%以上。本文合成的 Ni-ZFO 吸附剂对藻细胞具有较强的去除效率，且不会造成二次污染，在缓解水体富营养化的实际应用中显示出巨大的潜力，同时也充实了改性ZFO在吸附领域的应用。
水体富营养化导致的有害藻华(HABs)爆发日益严重，对水环境和人类健康构成了巨大的威胁。本文采用简单的水热法制备了磁性可回收的镍掺杂 ZnFe2O4 (Ni-ZFO)吸附剂，用于去除水体中的铜绿微囊藻。通过 SEM、XRD、EDS、XPS 和振动样品磁力计(VSM)对材料进行了表征。在 30 min内，Ni-ZFO 复合材料的藻细胞去除率最高可达 99.09%，在 25℃、pH= 3~8 的条件下，去除率保持在 90.41% 以上。此外，Ni-ZFO的饱和磁化强度为67.93 emu/g，比ZnFe2O4 (ZFO)高10.74 emu/g，便于回收利用。吸附过程中藻胆蛋白含量并未增加，藻细胞在吸附过程中不会破裂，这就避免了藻毒素进入水环境而造成的二次污染。经过4次循环使用后除藻率仍保持在75%以上。本文合成的 Ni-ZFO 吸附剂对藻细胞具有较强的去除效率，且不会造成二次污染，在缓解水体富营养化的实际应用中显示出巨大的潜力，同时也充实了改性ZFO在吸附领域的应用。
2024, 41(8): 4171-4179.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231214.003
摘要:
以相变微胶囊(MPCM)为储能基元与脱硫石膏复合，研究了MPCM对脱硫石膏基复合材料力学性能、热性能和热循环稳定性的影响规律。结果表明：MPCM的潜热储能作用可调节料浆的水化温升，起到缓凝作用，同时赋予复合材料储能调温功效；然而掺入MPCM对复合材料强度不利。MPCM掺量为50wt%时复合材料综合性能较好。此时，相变温度24.51℃，相变焓28.47 J·g−1，储热温峰和温峰出现时间较纯石膏分别降低和延迟了6.4℃、980 s，储热控温作用明显；导热系数0.451 W·(m·K)−1；28天抗压强度25.05 MPa；250次冷热循环质量损失率、相变温度变化率和相变焓变化率分别为0.67%、0.08%和2.3%，热循环稳定性良好。该复合材料力学性能、热性能和热循环稳定性良好，在建筑储能围护体系中应用前景广阔。
以相变微胶囊(MPCM)为储能基元与脱硫石膏复合，研究了MPCM对脱硫石膏基复合材料力学性能、热性能和热循环稳定性的影响规律。结果表明：MPCM的潜热储能作用可调节料浆的水化温升，起到缓凝作用，同时赋予复合材料储能调温功效；然而掺入MPCM对复合材料强度不利。MPCM掺量为50wt%时复合材料综合性能较好。此时，相变温度24.51℃，相变焓28.47 J·g−1，储热温峰和温峰出现时间较纯石膏分别降低和延迟了6.4℃、980 s，储热控温作用明显；导热系数0.451 W·(m·K)−1；28天抗压强度25.05 MPa；250次冷热循环质量损失率、相变温度变化率和相变焓变化率分别为0.67%、0.08%和2.3%，热循环稳定性良好。该复合材料力学性能、热性能和热循环稳定性良好，在建筑储能围护体系中应用前景广阔。
2024, 41(8): 4180-4188.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240010.001
摘要:
碳/碳复合材料以其优异的性能广泛应用于航空航天、装备等领域，但碳纤维预制体成本高等因素限制了碳/碳复合材料的发展。碳泡沫具有三维网状结构，其韧带表现出与碳纤维相似的性质，可以作为增强相制备新型碳/碳复合材料。本文以酚醛树脂作为碳源，NaCl作为造孔剂，制备出不同碳纤维体积含量(0vol%、1vol%、3vol%、5vol%、7vol%)的碳泡沫作为碳/碳复合材料预制体，利用热梯度化学气相渗积(TG-CVI)快速致密化技术制备碳/碳复合材料，考察了碳纤维含量对碳纤维/碳泡沫预制体及其致密化后密度、微观结构和力学性能的影响。结果表明：随着碳纤维含量的增加，碳纤维/碳泡沫预制体中的微裂纹数量明显增加，密度由0.51 g/cm3逐渐降低至0.31 g/cm3，抗压强度由51.33 MPa下降至1.35 MPa，抗弯强度由42.53 MPa下降至6.32 MPa。致密化之后碳/碳复合材料抗压强度与抗弯强度显著提升，最高分别为183.67 MPa和123.46 MPa，其密度为1.09 g/cm3，因此具有高比强度。致密化后复合材料的热导率从0.298 W/(m·K)(致密化前)增大到2.484 W/(m·K)，提升了734%，这是由于致密化后碳纤维与热解碳形成了三维导热网络。
碳/碳复合材料以其优异的性能广泛应用于航空航天、装备等领域，但碳纤维预制体成本高等因素限制了碳/碳复合材料的发展。碳泡沫具有三维网状结构，其韧带表现出与碳纤维相似的性质，可以作为增强相制备新型碳/碳复合材料。本文以酚醛树脂作为碳源，NaCl作为造孔剂，制备出不同碳纤维体积含量(0vol%、1vol%、3vol%、5vol%、7vol%)的碳泡沫作为碳/碳复合材料预制体，利用热梯度化学气相渗积(TG-CVI)快速致密化技术制备碳/碳复合材料，考察了碳纤维含量对碳纤维/碳泡沫预制体及其致密化后密度、微观结构和力学性能的影响。结果表明：随着碳纤维含量的增加，碳纤维/碳泡沫预制体中的微裂纹数量明显增加，密度由0.51 g/cm3逐渐降低至0.31 g/cm3，抗压强度由51.33 MPa下降至1.35 MPa，抗弯强度由42.53 MPa下降至6.32 MPa。致密化之后碳/碳复合材料抗压强度与抗弯强度显著提升，最高分别为183.67 MPa和123.46 MPa，其密度为1.09 g/cm3，因此具有高比强度。致密化后复合材料的热导率从0.298 W/(m·K)(致密化前)增大到2.484 W/(m·K)，提升了734%，这是由于致密化后碳纤维与热解碳形成了三维导热网络。
2024, 41(8): 4189-4199.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231214.004
摘要:
为提高光致变色涂层织物耐用性能，采用光致变色微胶囊(PM)与两性离子聚氨酯(ZPU)制备PM/ZPU薄膜，并热压到棉织物上得到自修复光致变色PM/ZPU复合织物。对PM/ZPU复合织物的结构和形貌进行表征，并详细探讨了PM/ZPU复合织物的光致变色性能、自修复及回收利用能力。结果表明：经紫外光照射后，PM/ZPU复合织物的最大吸收波长由470 nm转移到530 nm，颜色由黄橙色变为红褐色，且具有良好的耐疲劳性能；基于两性离子的动态可逆性，PM/ZPU复合织物划痕可以在80℃下完全修复，断裂的复合织物在60℃下的粘合强度达到1.47 MPa，展现了优异的自修复性能；通过简单的溶解法可将废弃织物上的涂层进行回收并再利用，重新制备PM/ZPU复合织物依然具有良好的光致变色性能。
为提高光致变色涂层织物耐用性能，采用光致变色微胶囊(PM)与两性离子聚氨酯(ZPU)制备PM/ZPU薄膜，并热压到棉织物上得到自修复光致变色PM/ZPU复合织物。对PM/ZPU复合织物的结构和形貌进行表征，并详细探讨了PM/ZPU复合织物的光致变色性能、自修复及回收利用能力。结果表明：经紫外光照射后，PM/ZPU复合织物的最大吸收波长由470 nm转移到530 nm，颜色由黄橙色变为红褐色，且具有良好的耐疲劳性能；基于两性离子的动态可逆性，PM/ZPU复合织物划痕可以在80℃下完全修复，断裂的复合织物在60℃下的粘合强度达到1.47 MPa，展现了优异的自修复性能；通过简单的溶解法可将废弃织物上的涂层进行回收并再利用，重新制备PM/ZPU复合织物依然具有良好的光致变色性能。
2024, 41(8): 4200-4210.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231205.004
摘要:
随着通信网络、无线设备及航空航天的快速发展，电磁波危害日益加剧，因而亟需电磁屏蔽性能更优异的复合材料。本文采用MXene (Ti3C2Tx)、银纳米线(AgNWs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)构建了双层的高导电三维(导电率最高为1.4×104 S·m−1)网络电磁屏蔽复合薄膜(Ti3C2Tx MXene基功能复合薄膜)。特别是采取真空辅助抽滤法(VAF)将10 mL AgNWs及15 mL Ti3C2Tx MXene的水溶液吸附于聚偏氟乙烯(PVDF)/MWCNTs复合薄膜之上，制备出的Ti3C2Tx MXene基功能复合薄膜的总电磁干扰屏蔽效能(EMI SET)高达69.0 dB，比商用标准(20 dB)高出245%，其中吸收损耗效能(SEA)占比85.1%。说明Ti3C2Tx MXene基功能复合薄膜主要的电磁损耗机制为吸收损耗，比电磁屏蔽效能(SSE/t)最高可达2719.8 dB/(cm−2·g)。这项工作为新型MXene材料在电磁屏蔽复合材料中的应用提供了结构设计和研究思路。
随着通信网络、无线设备及航空航天的快速发展，电磁波危害日益加剧，因而亟需电磁屏蔽性能更优异的复合材料。本文采用MXene (Ti3C2Tx)、银纳米线(AgNWs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)构建了双层的高导电三维(导电率最高为1.4×104 S·m−1)网络电磁屏蔽复合薄膜(Ti3C2Tx MXene基功能复合薄膜)。特别是采取真空辅助抽滤法(VAF)将10 mL AgNWs及15 mL Ti3C2Tx MXene的水溶液吸附于聚偏氟乙烯(PVDF)/MWCNTs复合薄膜之上，制备出的Ti3C2Tx MXene基功能复合薄膜的总电磁干扰屏蔽效能(EMI SET)高达69.0 dB，比商用标准(20 dB)高出245%，其中吸收损耗效能(SEA)占比85.1%。说明Ti3C2Tx MXene基功能复合薄膜主要的电磁损耗机制为吸收损耗，比电磁屏蔽效能(SSE/t)最高可达
2024, 41(8): 4211-4224.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231129.001
摘要:
为了研究不同树脂(环氧树脂、呋喃树脂、乙烯基树脂)涂层及海水浸泡对玄武岩纤维织物增强海水海砂混凝土(BTR-SSC)力学性能的影响，采用万能试验机对各树脂涂层纤维束和海水浸泡不同时间下BTR-SSC试件进行静态拉伸试验，并通过拔出试验评估纤维-基体界面粘结性能。结合数字图像相关分析得到裂纹与应变分布，并采用扫描电镜分析损伤机制。通过界面粘结强度计算公式实现以裂纹分布和基体强度评估界面长期性能。结果表明：3种树脂对纤维束的增强效果显著且相近(32%左右)，均可显著提升BTR-SSC力学性能，乙烯基树脂涂层表现最佳，抗拉性能和界面粘结性能分别提升77%和180%。海水浸泡下BTR-SSC试件力学性能明显劣化，未处理试件仅高温浸泡14天后便脆断，环氧树脂、呋喃树脂和乙烯基树脂涂层试件浸泡7天时相对未处理试件抗拉强度分别提升81%、48%和94%，浸泡28天时仍呈多裂缝开展，界面粘结性能分别损失64%、57%和55%。该成果将有助于提升BTR-SSC在海洋环境中长期性能并促进其在海工结构中的应用。
为了研究不同树脂(环氧树脂、呋喃树脂、乙烯基树脂)涂层及海水浸泡对玄武岩纤维织物增强海水海砂混凝土(BTR-SSC)力学性能的影响，采用万能试验机对各树脂涂层纤维束和海水浸泡不同时间下BTR-SSC试件进行静态拉伸试验，并通过拔出试验评估纤维-基体界面粘结性能。结合数字图像相关分析得到裂纹与应变分布，并采用扫描电镜分析损伤机制。通过界面粘结强度计算公式实现以裂纹分布和基体强度评估界面长期性能。结果表明：3种树脂对纤维束的增强效果显著且相近(32%左右)，均可显著提升BTR-SSC力学性能，乙烯基树脂涂层表现最佳，抗拉性能和界面粘结性能分别提升77%和180%。海水浸泡下BTR-SSC试件力学性能明显劣化，未处理试件仅高温浸泡14天后便脆断，环氧树脂、呋喃树脂和乙烯基树脂涂层试件浸泡7天时相对未处理试件抗拉强度分别提升81%、48%和94%，浸泡28天时仍呈多裂缝开展，界面粘结性能分别损失64%、57%和55%。该成果将有助于提升BTR-SSC在海洋环境中长期性能并促进其在海工结构中的应用。
2024, 41(8): 4225-4235.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240013.001
摘要:
碱-硅酸反应(ASR)是混凝土中碱性孔隙溶液和骨料中反应性非结晶SiO2之间的反应，会导致混凝土膨胀和开裂及力学性能下降。本文基于巴氏芽孢杆菌微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术，采用不同处理次数及方式(表面处理潜在活性骨料及其制成的砂浆棒)，综合评价MICP对ASR的抑制规律与机制。结果表明：MICP处理可以在骨料及砂浆棒表面形成具有黏附作用的致密CaCO3层，从而阻止碱性离子和水的入侵，且抑制效果随处理次数的增多而变强；与对照组相比，处理砂浆棒时，力学性能最大提升了13.8%，膨胀率下降了35%；处理骨料时，由于表面CaCO3层可同时阻隔孔隙溶液中已有及外部入侵的碱性离子与水分，其力学性能提升了25.3%，膨胀率下降了59.6%，具有更好的抑制效果。微观结构和成分分析表明，经MICP处理后骨料表面Si和Na原子比例分别下降了69.6%和88.9%，表明ASR凝胶显著减少。
碱-硅酸反应(ASR)是混凝土中碱性孔隙溶液和骨料中反应性非结晶SiO2之间的反应，会导致混凝土膨胀和开裂及力学性能下降。本文基于巴氏芽孢杆菌微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术，采用不同处理次数及方式(表面处理潜在活性骨料及其制成的砂浆棒)，综合评价MICP对ASR的抑制规律与机制。结果表明：MICP处理可以在骨料及砂浆棒表面形成具有黏附作用的致密CaCO3层，从而阻止碱性离子和水的入侵，且抑制效果随处理次数的增多而变强；与对照组相比，处理砂浆棒时，力学性能最大提升了13.8%，膨胀率下降了35%；处理骨料时，由于表面CaCO3层可同时阻隔孔隙溶液中已有及外部入侵的碱性离子与水分，其力学性能提升了25.3%，膨胀率下降了59.6%，具有更好的抑制效果。微观结构和成分分析表明，经MICP处理后骨料表面Si和Na原子比例分别下降了69.6%和88.9%，表明ASR凝胶显著减少。
2024, 41(8): 4236-4245.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231109.001
摘要:
为了研究玄武岩纤维增强泡沫混凝土的细观结构特征和不同纤维掺量对其损伤特性的影响，本文对密度等级1000 kg/cm3的玄武岩纤维增强泡沫混凝土开展了X-CT试验及单轴压缩-声发射联合试验，基于Avizo图像处理及声发射bi值(改进版b值)等参数分析了纤维及孔隙的细观结构特征及材料损伤演化特性。结果表明：掺入玄武岩纤维可有效改善泡沫混凝土力学性能，掺入0.5vol%、1.5vol%、2.5vol%纤维后试件平均抗压强度分别提升了1.37 MPa、4.58 MPa、2.77 MPa；2.5vol%掺量的试件中纤维分形维数主要在1.0~1.3，纤维团聚明显，纤维角度集中，试件性能较1.5vol%掺量有所降低；掺入玄武岩纤维后试件声发射bi值趋势更平缓，玄武岩纤维可有效抑制裂纹发育。
为了研究玄武岩纤维增强泡沫混凝土的细观结构特征和不同纤维掺量对其损伤特性的影响，本文对密度等级
2024, 41(8): 4246-4258.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240008.005
摘要:
设计制作了18组54个纤维缠绕玻璃纤维增强复合材料(GFRP)管约束混凝土圆柱试件，参数包括纤维层数(6、10)、纤维角度(\begin{document}$ \pm 45^\circ $\end{document} \begin{document}$ \pm 60^\circ $\end{document} \begin{document}$ \pm 80^\circ $\end{document} \begin{document}$ \pm 60^\circ $\end{document} \begin{document}$ \pm 80^\circ $\end{document} \begin{document}$ \pm 45^\circ $\end{document}
设计制作了18组54个纤维缠绕玻璃纤维增强复合材料(GFRP)管约束混凝土圆柱试件，参数包括纤维层数(6、10)、纤维角度(
2024, 41(8): 4259-4271.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231215.002
摘要:
为研究聚丙烯纤维珊瑚海水混凝土(PPF/CAC)在循环受压荷载作用下的力学行为，以聚丙烯纤维体积分数和加载方式为变化参数，设计了20个圆柱体试件进行单轴受压及单轴循环受压试验。试验观察了PPF/CAC的破坏形态，获取了应力-应变全曲线及峰值应力-应变、塑性应变等重要指标，深入分析了PPF/CAC在单轴循环受压作用下的应力-应变行为和损伤演化。结果表明：与单调加载相比，循环加载试件的强度退化了1.21%~3.67%，聚丙烯纤维能有效延缓强度退化；聚丙烯纤维体积分数为0.15vol%时珊瑚混凝土的峰值应力和峰值应变增幅最大，分别为10.45%和6.45%，改性效果最好；此外，聚丙烯纤维体积分数的增加可显著降低塑性应变的积累，提高弹性刚度比。本文根据试验结果定义了滞回曲线的4个特征点：卸载点、公共点、残余点和终点，并建立了残余应变、公共点应变和终点应变与卸载应变的关系。最后，提出了PPF/CAC在循环荷载作用下的应力-应变本构方程和损伤本构模型，且基于损伤演化规律简化后的应力-应变本构方程可以有效地预测其在循环荷载作用下的应力-应变行为。
为研究聚丙烯纤维珊瑚海水混凝土(PPF/CAC)在循环受压荷载作用下的力学行为，以聚丙烯纤维体积分数和加载方式为变化参数，设计了20个圆柱体试件进行单轴受压及单轴循环受压试验。试验观察了PPF/CAC的破坏形态，获取了应力-应变全曲线及峰值应力-应变、塑性应变等重要指标，深入分析了PPF/CAC在单轴循环受压作用下的应力-应变行为和损伤演化。结果表明：与单调加载相比，循环加载试件的强度退化了1.21%~3.67%，聚丙烯纤维能有效延缓强度退化；聚丙烯纤维体积分数为0.15vol%时珊瑚混凝土的峰值应力和峰值应变增幅最大，分别为10.45%和6.45%，改性效果最好；此外，聚丙烯纤维体积分数的增加可显著降低塑性应变的积累，提高弹性刚度比。本文根据试验结果定义了滞回曲线的4个特征点：卸载点、公共点、残余点和终点，并建立了残余应变、公共点应变和终点应变与卸载应变的关系。最后，提出了PPF/CAC在循环荷载作用下的应力-应变本构方程和损伤本构模型，且基于损伤演化规律简化后的应力-应变本构方程可以有效地预测其在循环荷载作用下的应力-应变行为。
2024, 41(8): 4272-4286.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231129.003
摘要:
基于高聚物加固砂土展开抗剪和抗压试验，分析了高聚物掺量、养护时间和干密度对加固砂土强度和变形特征的影响，并阐明其相关性，最后结合SEM图像揭示了高聚物加固砂土的破坏机制。结果表明：(1) 3个研究变量对加固砂土抗压和抗剪强度有显著促进作用，其中高聚物含量和养护时间对抗剪强度的影响主要体现在黏聚力上，并且强度与养护时间强正相关，与高聚物含量和干密度中等正相关，可用对数函数(或线性函数)表示其关系；(2) 3个研究变量增加时，试样剪切特征由剪切硬化型转变为剪切软化型、破坏位移逐渐减小(干密度减小时)，轴向应力-应变曲线表现明显的峰后缓和现象并产生明显的变化，破坏模式以鼓胀并伴有裂缝为主，形态由E型逐渐变为G型(干密度减小时)；(3) 加固砂土变形特征与养护时间强正相关，与干密度中等负相关，而与高聚物含量相关性不显著，峰值应变与3个研究变量呈多项式(或线性)关系；(4) 对于高聚物加固砂土，最佳掺量为约2%，养护24 h及以上时效果显著；(5) 高聚物通过吸附、粘结和填充作用在砂粒间形成有效稳定的三维网状膜结构，从而改良砂土微观结构，高聚物在荷载下的变化类型占比决定了加固砂土的变形能力和破坏模式，而这与高聚物掺量、养护时间和干密度密切相关。
基于高聚物加固砂土展开抗剪和抗压试验，分析了高聚物掺量、养护时间和干密度对加固砂土强度和变形特征的影响，并阐明其相关性，最后结合SEM图像揭示了高聚物加固砂土的破坏机制。结果表明：(1) 3个研究变量对加固砂土抗压和抗剪强度有显著促进作用，其中高聚物含量和养护时间对抗剪强度的影响主要体现在黏聚力上，并且强度与养护时间强正相关，与高聚物含量和干密度中等正相关，可用对数函数(或线性函数)表示其关系；(2) 3个研究变量增加时，试样剪切特征由剪切硬化型转变为剪切软化型、破坏位移逐渐减小(干密度减小时)，轴向应力-应变曲线表现明显的峰后缓和现象并产生明显的变化，破坏模式以鼓胀并伴有裂缝为主，形态由E型逐渐变为G型(干密度减小时)；(3) 加固砂土变形特征与养护时间强正相关，与干密度中等负相关，而与高聚物含量相关性不显著，峰值应变与3个研究变量呈多项式(或线性)关系；(4) 对于高聚物加固砂土，最佳掺量为约2%，养护24 h及以上时效果显著；(5) 高聚物通过吸附、粘结和填充作用在砂粒间形成有效稳定的三维网状膜结构，从而改良砂土微观结构，高聚物在荷载下的变化类型占比决定了加固砂土的变形能力和破坏模式，而这与高聚物掺量、养护时间和干密度密切相关。
2024, 41(8): 4287-4298.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240008.004
摘要:
为研究微硅粉(Micro silicon powder，MP)-橡胶/水泥砂浆的力学性能，试验设计了16组试件，通过单轴抗压试验与抗冲击试验(分离式霍普金森压杆(SHPB))分析不同微硅粉掺量、橡胶粒径和养护龄期试件的峰值应力、峰值应变、弹性模量、抗冲击强度、破坏形态与应力-应变曲线。单轴抗压试验表明：在相同的养护龄期下，橡胶颗粒的加入使砂浆试件的抗压强度与弹性模量降低，峰值应变增加，加入微硅粉后试件的强度与弹性模量会有所回升。抗冲击试验表明：橡胶会降低砂浆的抗冲击强度，但能改善砂浆的破坏形态，而微硅粉不仅能增强这种改善作用，还能提升橡胶/水泥砂浆的抗冲击强度，另外加入微硅粉后，试件的应力-应变曲线的峰值荷载会由于其弹性变形与弹塑性变形阶段的缩短而向左偏移，但破坏阶段明显延长。
为研究微硅粉(Micro silicon powder，MP)-橡胶/水泥砂浆的力学性能，试验设计了16组试件，通过单轴抗压试验与抗冲击试验(分离式霍普金森压杆(SHPB))分析不同微硅粉掺量、橡胶粒径和养护龄期试件的峰值应力、峰值应变、弹性模量、抗冲击强度、破坏形态与应力-应变曲线。单轴抗压试验表明：在相同的养护龄期下，橡胶颗粒的加入使砂浆试件的抗压强度与弹性模量降低，峰值应变增加，加入微硅粉后试件的强度与弹性模量会有所回升。抗冲击试验表明：橡胶会降低砂浆的抗冲击强度，但能改善砂浆的破坏形态，而微硅粉不仅能增强这种改善作用，还能提升橡胶/水泥砂浆的抗冲击强度，另外加入微硅粉后，试件的应力-应变曲线的峰值荷载会由于其弹性变形与弹塑性变形阶段的缩短而向左偏移，但破坏阶段明显延长。
2024, 41(8): 4299-4309.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231129.005
摘要:
利用纤维素和无机物模仿天然贝壳中高度有序的“砖-砂浆”结构制备高强度功能复合材料，是制备绿色包装膜的优秀选择，二者的界面结合是获得理想结构与性能的关键。本文以羧基化纤维素纳米纤维(CNFMG)和蒙脱土(MTM)纳米片制备膜材料，采用壳聚糖(CS)通过静电作用增强界面结合。研究了CS与CNFMG和MTM之间的静电相互作用对纳米复合材料结构、力学性能和热稳定性的影响。结果表明：复合膜中MTM以纳米片状形态有序地分散于CNFMG网络间。与CNFMG-MTM二元膜相比，CS加入后的三元膜拉伸强度达到119.2 MPa，强度提升1倍；断裂能达到10.9 MJ/m3，韧性提升5.4倍。复合膜为半透明状，具有良好的紫外屏蔽性，CS的加入也提升了复合膜的热稳定性。本文的研究结果可为纤维素基珍珠层仿生材料的研究和应用提供思路。
利用纤维素和无机物模仿天然贝壳中高度有序的“砖-砂浆”结构制备高强度功能复合材料，是制备绿色包装膜的优秀选择，二者的界面结合是获得理想结构与性能的关键。本文以羧基化纤维素纳米纤维(CNFMG)和蒙脱土(MTM)纳米片制备膜材料，采用壳聚糖(CS)通过静电作用增强界面结合。研究了CS与CNFMG和MTM之间的静电相互作用对纳米复合材料结构、力学性能和热稳定性的影响。结果表明：复合膜中MTM以纳米片状形态有序地分散于CNFMG网络间。与CNFMG-MTM二元膜相比，CS加入后的三元膜拉伸强度达到119.2 MPa，强度提升1倍；断裂能达到10.9 MJ/m3，韧性提升5.4倍。复合膜为半透明状，具有良好的紫外屏蔽性，CS的加入也提升了复合膜的热稳定性。本文的研究结果可为纤维素基珍珠层仿生材料的研究和应用提供思路。
2024, 41(8): 4310-4323.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231218.003
摘要:
近年来，磷酸氯喹(Chloroquine phosphate，CQP)作为治疗新冠的特效药得到广泛应用，并且由于其具有优异的抗炎症和抗疟疾能力，在疫情结束后仍发挥着重要作用。磷酸氯喹的大量使用对环境造成严重的潜在危害。将废弃的木屑资源化利用，通过共沉淀-无氧煅烧法制备出具有磁回收能力的铁酸镍负载杉木屑生物炭复合材料(Nickel ferrate loaded biochar，NiFe2O4@BC)，并研究其活化过一硫酸盐(Peroxymonosulfate，PMS)降解CQP的性能。利用多种表征对NiFe2O4@BC复合材料的组成结构、表面官能团和石墨化程度进行分析，相较于未改性的杉木屑生物炭(Fir sawdust biochar，BC)，将具有磁性NiFe2O4的负载在生物炭上，使复合材料的石墨化程度提高，缺陷活性位点也得到增多，对CQP的去除效果得到巨大提高。主要考察了NiFe2O4@BC投加量、PMS浓度、溶液初始pH、共存无机阴离子与腐殖酸在降解CQP过程中的影响。研究表明：当NiFe2O4@BC投加量为0.5 g/L，PMS浓度为1.0 mmol/L，CQP浓度为10 mg/L的条件下，CQP去除率在120 min达到89%。在偏酸性或者偏碱的条件下更有利于CQP的降解，腐殖酸(Humic acid，HA)对NiFe2O4@BC活化PMS降解CQP具有促进作用。淬灭实验证实，自由基途径和非自由基途径生成的•OH与1O2主导了NiFe2O4@BC/PMS体系对CQP的降解。在同等条件下，对多种污染物均能达到80%以上的降解效果。此外，NiFe2O4@BC循环使用5次后，活化PMS去除CQP的效率仍能达到74%左右。本文为废弃杉木屑高效、绿色的资源化利用提供了新策略和借鉴意义。
近年来，磷酸氯喹(Chloroquine phosphate，CQP)作为治疗新冠的特效药得到广泛应用，并且由于其具有优异的抗炎症和抗疟疾能力，在疫情结束后仍发挥着重要作用。磷酸氯喹的大量使用对环境造成严重的潜在危害。将废弃的木屑资源化利用，通过共沉淀-无氧煅烧法制备出具有磁回收能力的铁酸镍负载杉木屑生物炭复合材料(Nickel ferrate loaded biochar，NiFe2O4@BC)，并研究其活化过一硫酸盐(Peroxymonosulfate，PMS)降解CQP的性能。利用多种表征对NiFe2O4@BC复合材料的组成结构、表面官能团和石墨化程度进行分析，相较于未改性的杉木屑生物炭(Fir sawdust biochar，BC)，将具有磁性NiFe2O4的负载在生物炭上，使复合材料的石墨化程度提高，缺陷活性位点也得到增多，对CQP的去除效果得到巨大提高。主要考察了NiFe2O4@BC投加量、PMS浓度、溶液初始pH、共存无机阴离子与腐殖酸在降解CQP过程中的影响。研究表明：当NiFe2O4@BC投加量为0.5 g/L，PMS浓度为1.0 mmol/L，CQP浓度为10 mg/L的条件下，CQP去除率在120 min达到89%。在偏酸性或者偏碱的条件下更有利于CQP的降解，腐殖酸(Humic acid，HA)对NiFe2O4@BC活化PMS降解CQP具有促进作用。淬灭实验证实，自由基途径和非自由基途径生成的•OH与1O2主导了NiFe2O4@BC/PMS体系对CQP的降解。在同等条件下，对多种污染物均能达到80%以上的降解效果。此外，NiFe2O4@BC循环使用5次后，活化PMS去除CQP的效率仍能达到74%左右。本文为废弃杉木屑高效、绿色的资源化利用提供了新策略和借鉴意义。
2024, 41(8): 4324-4333.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240003.001
摘要:
为了高效吸附水中的恩诺沙星(EFA)，本文通过球磨法和KOH活化对椰壳进行改性制备椰壳生物炭(BM-KOH-BC)，并在吸附EFA方面进行深入研究。通过扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱和X射线衍射等方法对BM-KOH-BC进行表征，结果揭示了KOH活化和球磨改性显著提高了BM-KOH-BC的孔隙结构和比表面积。在优化条件下(初始EFA浓度为80 mg·L−1时，在pH值为7，温度为25℃，吸附剂剂量为0.14 g·mg·L−1，搅拌速度为200 r/min、接触时间为35 h的条件下，BM-KOH-BC表现出良好的吸附性能，去除率达77.4%，最大吸附容量为481.1 mg·g−1。吸附过程符合二级动力学模型和Freundlich等温线模型。此外，BM-KOH-BC在5次吸附-解吸循环后仍保持高效的EFA去除率。这一低成本、高效吸附和可循环利用的特性使BM-KOH-BC在处理水体中的EFA方面展现出潜在的应用前景。
为了高效吸附水中的恩诺沙星(EFA)，本文通过球磨法和KOH活化对椰壳进行改性制备椰壳生物炭(BM-KOH-BC)，并在吸附EFA方面进行深入研究。通过扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱和X射线衍射等方法对BM-KOH-BC进行表征，结果揭示了KOH活化和球磨改性显著提高了BM-KOH-BC的孔隙结构和比表面积。在优化条件下(初始EFA浓度为80 mg·L−1时，在pH值为7，温度为25℃，吸附剂剂量为0.14 g·mg·L−1，搅拌速度为200 r/min、接触时间为35 h的条件下，BM-KOH-BC表现出良好的吸附性能，去除率达77.4%，最大吸附容量为481.1 mg·g−1。吸附过程符合二级动力学模型和Freundlich等温线模型。此外，BM-KOH-BC在5次吸附-解吸循环后仍保持高效的EFA去除率。这一低成本、高效吸附和可循环利用的特性使BM-KOH-BC在处理水体中的EFA方面展现出潜在的应用前景。
2024, 41(8): 4334-4343.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231211.001
摘要:
为了改善TC4钛合金表面硬度、耐磨性较差的缺点，本文提出了基于超快高温烧结(UHS)工艺的快速渗氮处理(HSNT)表面处理方法。对TC4钛合金表面进行HSNT，利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜研究试样的微观组织，采用维氏显微硬度计和摩擦磨损试验装置对试样进行力学性能测试。2 min即可在TC4钛合金表面形成改性层，改性层由两部分组成，最表层为氮化物层，厚度10 μm，平均显微硬度为 HV0.1 973.55，主要成分为TiN；次表层为渗氮层，厚度10 μm，平均显微硬度为HV0.1 774.53 ，截面显微硬度整体呈现出阶梯分布的趋势。摩擦磨损试验发现，在20 N载荷下，经过HSNT的TC4的摩擦系数为0.406，降低了24.4%，经过HSNT的TC4的磨损体积为0.302 mm3，降低了86.7%。不同载荷下经过HSNT的TC4的摩擦系数和磨损体积始终小于TC4钛合金，且均随着载荷的增加而增大。在20 N载荷下，TC4的磨损机制主要表现为磨粒磨损和氧化磨损，经过HSNT的TC4的磨损机制主要表现为粘着磨损和氧化磨损。经过HSNT的TC4钛合金的性能得到了明显的改善，弥补了TC4硬度低、耐磨性差的缺点。
为了改善TC4钛合金表面硬度、耐磨性较差的缺点，本文提出了基于超快高温烧结(UHS)工艺的快速渗氮处理(HSNT)表面处理方法。对TC4钛合金表面进行HSNT，利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜研究试样的微观组织，采用维氏显微硬度计和摩擦磨损试验装置对试样进行力学性能测试。2 min即可在TC4钛合金表面形成改性层，改性层由两部分组成，最表层为氮化物层，厚度10 μm，平均显微硬度为 HV0.1 973.55，主要成分为TiN；次表层为渗氮层，厚度10 μm，平均显微硬度为HV0.1 774.53 ，截面显微硬度整体呈现出阶梯分布的趋势。摩擦磨损试验发现，在20 N载荷下，经过HSNT的TC4的摩擦系数为0.406，降低了24.4%，经过HSNT的TC4的磨损体积为0.302 mm3，降低了86.7%。不同载荷下经过HSNT的TC4的摩擦系数和磨损体积始终小于TC4钛合金，且均随着载荷的增加而增大。在20 N载荷下，TC4的磨损机制主要表现为磨粒磨损和氧化磨损，经过HSNT的TC4的磨损机制主要表现为粘着磨损和氧化磨损。经过HSNT的TC4钛合金的性能得到了明显的改善，弥补了TC4硬度低、耐磨性差的缺点。
2024, 41(8): 4344-4352.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240025.001
摘要:
针对石墨膜/铝复合材料纵向导热能力不足的缺点，本文采用高导热金刚石穿透铝层，连接上下两层石墨膜，成功在石墨膜/铝复合材料内部构建了导热通道，为复合材料提供纵向导热路径，从而有效提高复合材料纵向热传导效率。为了改善金刚石与铝基的界面结合，使用物理气相沉积(PVD)技术对金刚石表面进行镀钨处理，随后采用快速热压烧结法(FHP)制备金刚石增强石墨膜/铝复合材料。研究了界面结合质量和金刚石体积分数对复合材料热导率性能的影响。研究表明：当镀钨金刚石体积分数为10vol%，复合材料面内热导率达到峰值658 W/(m·K)，相较于未镀金刚石增强复合材料提升了7%。当镀钨金刚石体积分数超过10vol%时，复合材料面内热导率呈现下降趋势。对于镀钨金刚石高体积分数(30vol%)的复合材料而言，其面内热导率降低至535 W/(m·K)。然而，随着金刚石体积分数的增加，复合材料内部导热通道数量增加，纵向热导率达到最高值177 W/(m·K)，相较于未镀金刚石增强复合材料提升了34%。结果表明通过在石墨膜/铝之间引入金刚石导热通道，可有效提高复合材料的纵向导热能力。
针对石墨膜/铝复合材料纵向导热能力不足的缺点，本文采用高导热金刚石穿透铝层，连接上下两层石墨膜，成功在石墨膜/铝复合材料内部构建了导热通道，为复合材料提供纵向导热路径，从而有效提高复合材料纵向热传导效率。为了改善金刚石与铝基的界面结合，使用物理气相沉积(PVD)技术对金刚石表面进行镀钨处理，随后采用快速热压烧结法(FHP)制备金刚石增强石墨膜/铝复合材料。研究了界面结合质量和金刚石体积分数对复合材料热导率性能的影响。研究表明：当镀钨金刚石体积分数为10vol%，复合材料面内热导率达到峰值658 W/(m·K)，相较于未镀金刚石增强复合材料提升了7%。当镀钨金刚石体积分数超过10vol%时，复合材料面内热导率呈现下降趋势。对于镀钨金刚石高体积分数(30vol%)的复合材料而言，其面内热导率降低至535 W/(m·K)。然而，随着金刚石体积分数的增加，复合材料内部导热通道数量增加，纵向热导率达到最高值177 W/(m·K)，相较于未镀金刚石增强复合材料提升了34%。结果表明通过在石墨膜/铝之间引入金刚石导热通道，可有效提高复合材料的纵向导热能力。
2024, 41(8): 4353-4365.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240012.002
摘要:
为改善Ti2AlNb合金的本征脆性且不牺牲其高温性能，将其与高温钛合金TA15进行复合，采用真空热压法制备了Ti2AlNb/TA15叠层复合材料，研究了不同热压温度对其微观组织及其拉伸性能的影响。研究结果表明：界面层的孔洞缺陷随热压温度的升高逐渐减少，热压温度在1050 ℃及以上时可以获得无缺陷冶金结合界面。界面反应层厚度随热压温度的升高而增加，且在1050 ℃及以上的扩散温度条件下，反应区和Ti2AlNb层间形成了一定宽度的过渡层，提升了界面结合性能。拉伸实验结果表明，相较于Ti2AlNb合金，Ti2AlNb/TA15叠层复合材料的室温和高温拉伸性能均有显著的提升。其中1050 ℃热压温度条件下的叠层复合材料具有较好的综合性能，650℃高温抗拉强度和应变分别为667.85 MPa和16.2%。
为改善Ti2AlNb合金的本征脆性且不牺牲其高温性能，将其与高温钛合金TA15进行复合，采用真空热压法制备了Ti2AlNb/TA15叠层复合材料，研究了不同热压温度对其微观组织及其拉伸性能的影响。研究结果表明：界面层的孔洞缺陷随热压温度的升高逐渐减少，热压温度在
2024, 41(8): 4366-4374.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231214.005
摘要:
为获得满足钛合金熔模精密铸造使用的高惰性陶瓷型芯，采用Y2O3作为骨料，引入Al粉作为矿化剂，基于热压注法制备陶瓷型芯。研究了Al粉含量对Y2O3基陶瓷型芯致密化特性、力学性能、微观结构及相组成的影响。结果表明：随Al粉含量增加，Y2O3基陶瓷型芯的烧结收缩率和高温挠度逐渐减小；Al粉氧化膨胀有利于抵御型芯的烧结收缩，基于Al粉的液相烧结协同Al-Y2O3的界面反应烧结和Al2O3-Y2O3扩散烧结机制，促进了型芯的致密化。Al粉与基体生成Al2Y4O9晶体抑制了晶间细小Y2O3颗粒的二次烧结，提升了型芯的高温抗变形能力。引入少量Al粉，型芯中生成Al2Y4O9和Y2Al晶体并附着于基体颗粒表面，基于第二相强化晶间结合强度得到提升；加入2wt%Al粉时型芯获得最佳抗弯强度，约为34.38 MPa，相比纯钇基陶瓷型芯提升了49.15%，表现为穿晶断裂。但过量Al粉氧化产生的膨胀量扩大了骨料颗粒间距，一定程度上削弱了晶间结合强度，型芯出现沿晶脆性断裂的倾向，导致承载能力下降。
为获得满足钛合金熔模精密铸造使用的高惰性陶瓷型芯，采用Y2O3作为骨料，引入Al粉作为矿化剂，基于热压注法制备陶瓷型芯。研究了Al粉含量对Y2O3基陶瓷型芯致密化特性、力学性能、微观结构及相组成的影响。结果表明：随Al粉含量增加，Y2O3基陶瓷型芯的烧结收缩率和高温挠度逐渐减小；Al粉氧化膨胀有利于抵御型芯的烧结收缩，基于Al粉的液相烧结协同Al-Y2O3的界面反应烧结和Al2O3-Y2O3扩散烧结机制，促进了型芯的致密化。Al粉与基体生成Al2Y4O9晶体抑制了晶间细小Y2O3颗粒的二次烧结，提升了型芯的高温抗变形能力。引入少量Al粉，型芯中生成Al2Y4O9和Y2Al晶体并附着于基体颗粒表面，基于第二相强化晶间结合强度得到提升；加入2wt%Al粉时型芯获得最佳抗弯强度，约为34.38 MPa，相比纯钇基陶瓷型芯提升了49.15%，表现为穿晶断裂。但过量Al粉氧化产生的膨胀量扩大了骨料颗粒间距，一定程度上削弱了晶间结合强度，型芯出现沿晶脆性断裂的倾向，导致承载能力下降。
2024, 41(8): 4375-4385.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240202.001
摘要:
后高温热处理对反应熔融浸渗法(RMI)制备C/C-SiC复合材料的微观结构与性能有着至关重要的影响。为研究后高温热处理对RMI制备C/C-SiC复合材料微观结构和力学性能影响及机制，本文通过等温化学气相渗透法(CVI)工艺，以天然气为碳源气体，氮气为载气和稀释气体，在碳纤维预制体内部沉积热解碳基体，制得密度为1.2 g/cm3的C/C多孔体，然后通过RMI制备出C/C-SiC复合材料，研究了不同后高温热处理温度对C/C-SiC复合材料相组成、内应力及力学性能的影响。将制备得到的C/C-SiC复合材料分别在1300 ℃、1500 ℃和1700 ℃下进行后高温热处理，研究了后高温热处理对C/C-SiC复合材料密度、孔隙率、基体成分、内应力及对弯曲性能的影响。结果表明：经1300 ℃、1500 ℃及1700 ℃后热处理后，C/C-SiC复合材料的密度降低，开孔率增加，SiC基体含量上升，SiC基体的分布更为广泛，同时还伴随有残余Si挥发产生的大孔，残余Si含量显著降低。在1300 ℃、1500 ℃和1700 ℃的后热处理导致弯曲强度先增加后减小，1500 ℃后处理时弯曲强度最大为296.52 MPa，随着后处理温度提高，弯曲模量降低，1700 ℃后热处理下降程度最大。
后高温热处理对反应熔融浸渗法(RMI)制备C/C-SiC复合材料的微观结构与性能有着至关重要的影响。为研究后高温热处理对RMI制备C/C-SiC复合材料微观结构和力学性能影响及机制，本文通过等温化学气相渗透法(CVI)工艺，以天然气为碳源气体，氮气为载气和稀释气体，在碳纤维预制体内部沉积热解碳基体，制得密度为1.2 g/cm3的C/C多孔体，然后通过RMI制备出C/C-SiC复合材料，研究了不同后高温热处理温度对C/C-SiC复合材料相组成、内应力及力学性能的影响。将制备得到的C/C-SiC复合材料分别在
2024, 41(8): 4386-4397.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231206.002
摘要:
本文利用自洽聚类分析(Self-consistent clustering analysis，SCA)方法研究了2D C/SiC在单轴压缩载荷下的渐进损伤行为，SCA方法通过应变集中张量对网格单元进行聚类，在不显著降低计算精度的前提下，大幅度降低了模型的自由度，使模型的计算效率得以提高。整个方法由离线和在线两个阶段组成：离线阶段，利用k-means算法对高保真度的复合材料单胞进行分解、聚类并计算不同聚类间的相互作用张量，最终生成降阶模型；在线阶段，基于降阶模型求解离散的Lippmann-Schwinger方程组获取力学响应。将SCA方法应用于2D C/SiC压缩强度的预报，当聚类总数量为64时，与试验相比，压缩强度求解的计算精度与传统有限元相比降低了1%，但整体计算效率提升了34倍。当不考虑离线阶段花费的聚类时间，即事先已知材料的细观构型对其力学行为进行求解时，其一次在线计算的时间仅为6 s，计算效率比传统有限元提升了104倍，在结构性能快速设计、结构状态快速预报等领域，有着广阔的应用前景。
本文利用自洽聚类分析(Self-consistent clustering analysis，SCA)方法研究了2D C/SiC在单轴压缩载荷下的渐进损伤行为，SCA方法通过应变集中张量对网格单元进行聚类，在不显著降低计算精度的前提下，大幅度降低了模型的自由度，使模型的计算效率得以提高。整个方法由离线和在线两个阶段组成：离线阶段，利用k-means算法对高保真度的复合材料单胞进行分解、聚类并计算不同聚类间的相互作用张量，最终生成降阶模型；在线阶段，基于降阶模型求解离散的Lippmann-Schwinger方程组获取力学响应。将SCA方法应用于2D C/SiC压缩强度的预报，当聚类总数量为64时，与试验相比，压缩强度求解的计算精度与传统有限元相比降低了1%，但整体计算效率提升了34倍。当不考虑离线阶段花费的聚类时间，即事先已知材料的细观构型对其力学行为进行求解时，其一次在线计算的时间仅为6 s，计算效率比传统有限元提升了104倍，在结构性能快速设计、结构状态快速预报等领域，有着广阔的应用前景。
2024, 41(8): 4398-4407.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240018.002
摘要:
多层复合材料筒状结构的残余应力可造成内部分层、结构失稳等，有必要结合理论和实验等研究其内部应力形成机制。基于各向异性线弹性本构和平面应力假设，建立了温度载荷作用下多层复合材料筒状结构内部应力的预测模型，并通过有限元仿真和热膨胀变形测试对模型有效性进行了校核和验证。结果表明：筒状结构环向的热膨胀变形从内层到外层逐渐增大，其中内层附近环向热膨胀系数低于面内热膨胀系数、外层附近环向热膨胀系数则高于面内热膨胀系数。在此基础上，结合模型理论分析揭示了层间应力对多层复合材料筒状结构的热膨胀变形行为的影响机制。在筒状结构形式下，温度加载引起的层间应力由一个涉及热膨胀系数和弹性参数的热力耦合项决定；由于多层复合材料面内与面外热膨胀系数存在差异，该应力耦合项不为0，从而在温度加载下形成了层间应力并影响了环向膨胀变形行为。基于上述认识，提出了调控多层复合材料筒状结构层间应力的有效措施。本文对揭示多层复合材料筒状结构的层间开裂物理机制、优化其热力匹配设计等具有重要意义。
多层复合材料筒状结构的残余应力可造成内部分层、结构失稳等，有必要结合理论和实验等研究其内部应力形成机制。基于各向异性线弹性本构和平面应力假设，建立了温度载荷作用下多层复合材料筒状结构内部应力的预测模型，并通过有限元仿真和热膨胀变形测试对模型有效性进行了校核和验证。结果表明：筒状结构环向的热膨胀变形从内层到外层逐渐增大，其中内层附近环向热膨胀系数低于面内热膨胀系数、外层附近环向热膨胀系数则高于面内热膨胀系数。在此基础上，结合模型理论分析揭示了层间应力对多层复合材料筒状结构的热膨胀变形行为的影响机制。在筒状结构形式下，温度加载引起的层间应力由一个涉及热膨胀系数和弹性参数的热力耦合项决定；由于多层复合材料面内与面外热膨胀系数存在差异，该应力耦合项不为0，从而在温度加载下形成了层间应力并影响了环向膨胀变形行为。基于上述认识，提出了调控多层复合材料筒状结构层间应力的有效措施。本文对揭示多层复合材料筒状结构的层间开裂物理机制、优化其热力匹配设计等具有重要意义。
2024, 41(8): 4408-4417.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240019.004
摘要:
断裂相场法被广泛应用于各向同性和复合材料的断裂分析之中。目前，针对各向异性材料和复合材料的断裂问题仍然是断裂相场法的研究重点。本文基于应力拉压的球偏分解方式对弹性应变能进行分解，排除了压缩体积应变能造成的裂纹扩展，并考虑材料拉、压本构关系的非对称情况，建立了一个针对正交各向异性材料断裂问题的相场分析模型。为了验证模型的可靠性，分别对各向同性材料、正交各向异性材料的单边开口板的拉伸和剪切问题进行了分析。对单向纤维夹杂的复合材料板，应用Hashin准则对损伤裂纹驱动力进行了修正，并对不同碳纤维铺设方向复合材料板的拉伸问题进行了模拟。本文建立的模型能够模拟各向异性材料和单向纤维夹杂复合材料的裂纹扩展问题。对于各向同性材料和正交各向异性材料，模拟得到的裂纹扩展路径与现有模型一致，复合材料中裂纹扩展方向和纤维铺设方向平行，预测结果和实验结果吻合良好。
断裂相场法被广泛应用于各向同性和复合材料的断裂分析之中。目前，针对各向异性材料和复合材料的断裂问题仍然是断裂相场法的研究重点。本文基于应力拉压的球偏分解方式对弹性应变能进行分解，排除了压缩体积应变能造成的裂纹扩展，并考虑材料拉、压本构关系的非对称情况，建立了一个针对正交各向异性材料断裂问题的相场分析模型。为了验证模型的可靠性，分别对各向同性材料、正交各向异性材料的单边开口板的拉伸和剪切问题进行了分析。对单向纤维夹杂的复合材料板，应用Hashin准则对损伤裂纹驱动力进行了修正，并对不同碳纤维铺设方向复合材料板的拉伸问题进行了模拟。本文建立的模型能够模拟各向异性材料和单向纤维夹杂复合材料的裂纹扩展问题。对于各向同性材料和正交各向异性材料，模拟得到的裂纹扩展路径与现有模型一致，复合材料中裂纹扩展方向和纤维铺设方向平行，预测结果和实验结果吻合良好。
2024, 41(8): 4418-4433.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240015.002
摘要:
本文基于内聚力双线性本构关系，建立考虑疲劳损伤的内聚力模型，结合有限元分析技术，建立复合材料层合板疲劳分层扩展行为数值分析方法，分别对准静态和疲劳加载下平面机织复合材料II型分层扩展行为进行仿真分析，准静态加载下的载荷-位移曲线仿真结果与试验结果吻合良好，疲劳加载下的分层扩展速率-应变能释放率变程曲线仿真结果与试验结果吻合良好，验证了模型和方法的有效性。在此基础上，建立适用于平面机织复合材料的疲劳失效准则，结合层内渐进疲劳损伤分析模型，建立含初始分层损伤平面机织复合材料层合结构剩余寿命预测方法，预测了含初始分层损伤层合板的剩余寿命和渐进损伤过程，剩余寿命仿真结果与试验结果吻合良好，此外，结果表明疲劳损伤从初始分层损伤处起始，并逐渐向边缘扩展，紧邻初始分层损伤的两层(0°/90°)单层板较早出现层内经向损伤和纬向损伤，单层板中(0°/90°)层较(±45°)层损伤更多，最后(0°/90°)层以经向损伤为主导失效模式，(±45°)层则以纬向损伤为主导失效模式，各层间界面均出现大面积损伤。
本文基于内聚力双线性本构关系，建立考虑疲劳损伤的内聚力模型，结合有限元分析技术，建立复合材料层合板疲劳分层扩展行为数值分析方法，分别对准静态和疲劳加载下平面机织复合材料II型分层扩展行为进行仿真分析，准静态加载下的载荷-位移曲线仿真结果与试验结果吻合良好，疲劳加载下的分层扩展速率-应变能释放率变程曲线仿真结果与试验结果吻合良好，验证了模型和方法的有效性。在此基础上，建立适用于平面机织复合材料的疲劳失效准则，结合层内渐进疲劳损伤分析模型，建立含初始分层损伤平面机织复合材料层合结构剩余寿命预测方法，预测了含初始分层损伤层合板的剩余寿命和渐进损伤过程，剩余寿命仿真结果与试验结果吻合良好，此外，结果表明疲劳损伤从初始分层损伤处起始，并逐渐向边缘扩展，紧邻初始分层损伤的两层(0°/90°)单层板较早出现层内经向损伤和纬向损伤，单层板中(0°/90°)层较(±45°)层损伤更多，最后(0°/90°)层以经向损伤为主导失效模式，(±45°)层则以纬向损伤为主导失效模式，各层间界面均出现大面积损伤。
