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2022年 第39卷  第8期

树脂高分子复合材料
低密度纤维增强酚醛气凝胶复合材料的力学特性及断裂机制
张鸿宇, 钱震, 牛波, 张亚运, 龙东辉
2022, 39(8): 3663-3673. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210909.002
摘要:
分别以低密度玻璃纤维、石英纤维、碳纤维针刺预制体为增强体,制备出不同的纤维针刺预制体增强酚醛气凝胶复合材料(NF/PA),研究了纤维种类对材料力学性能及断裂行为的影响。结果表明:酚醛气凝胶与纤维预制体形成良好的界面结构,微观上呈现“珠串”状三维开孔网络结构特征,因而复合材料具有较低的密度(0.45 g/cm3)和室温热导率(0.046~0.067 W/(m·K))。在拉伸与压缩过程中,基于NF/PA明显的塑性形变现象,分析了裂纹扩展过程中材料所吸收的能量,发现纤维种类会显著影响界面特性进而影响材料断裂和失效机制。其中,碳纤维的界面结合强度小于酚醛气凝胶极限剪切应力,在断裂过程中纤维先与酚醛气凝胶脱粘,表现为“滑脱界面”;玻璃纤维与石英纤维界面结合强度大于酚醛气凝胶极限剪切应力,在断裂过程中酚醛气凝胶先被破坏,表现为“粘性界面”。相较于玻璃纤维、石英纤维,碳纤维对NF/PA增韧、补强效果较优。
短纤维插层碳纤维/环氧树脂复合材料层间性能
郑昊, 李岩, 涂昊昀
2022, 39(8): 3674-3683. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211025.003
摘要:
碳纤维/环氧树脂复合材料因具有高的比强度、比模量、抗疲劳性好等优点,已在航空航天、轨道交通、汽车等领域得到越来越广泛的应用。然而作为碳纤维/环氧树脂复合材料的主要结构形式之一的层合板结构,由于厚度方向没有纤维,导致层间性能最弱,极易发生分层破坏,影响结构的承载性能。短纤维层间插层增韧是改善碳纤维/环氧树脂复合材料层间性能的有效手段,近年来,国内外学者开展了大量的相关研究工作,但仍缺乏短纤维层间插层增韧的系统研究。本论文选用碳纤维、亚麻纤维及Kevlar纤维作为插层短纤维,系统地分析和讨论了短纤维种类、插层面密度和纤维长度对碳纤维/环氧树脂复合材料层间增韧效果的影响。结果表明,对于不同的短纤维插层,均存在着随着短纤维长度和插层面密度的增加,复合材料层间断裂韧性先上升后下降的趋势。在此基础上揭示了不同种类纤维的增韧机制,纤维桥联、裂纹扩展路径改变、纤维多层级破坏及纵向撕裂等均有助于复合材料层间断裂韧性的提高,研究结果为短纤维插层增韧复合材料的结构设计奠定了基础。
碳纤维增强聚醚酮酮模压复合材料结构与性能调控
陆承志, 赵乐, 杨雪勤, 张伊帆, 任宏亮, 刘勇, 张辉, 俞建勇
2022, 39(8): 3684-3694. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210928.004
摘要:
为探究模压工艺参数对碳纤维增强聚醚酮酮复合材料(CF/PEKK)结构与性能的影响规律,采用真空模压工艺制备CF/PEKK复合材料层压板,系统讨论了模压温度和压力对树脂与纤维的界面结构、PEKK凝聚态结构及复合材料力学性能的影响,通过扫描电镜分析了复合材料的微观结构,讨论了复合材料的失效形式,采用X射线衍射观察了复合材料中PEKK的晶体结构,使用动态热机械分析研究了复合材料界面阻尼与模压成型工艺的关系。研究结果表明,在365℃的模压温度和5.0~6.0 MPa模压压力下,CF/PEKK复合材料的综合力学性能最优,其中拉伸强度达到965 MPa,弯曲强度849 MPa,层间剪切强度59 MPa,复合材料的断裂失效形式以树脂开裂与层间Z形断裂为主。
基于分子动力学的ODOPB环氧树脂体系微观破坏行为摸拟
牛慕绮, 严佳, 徐浩, 武湛君
2022, 39(8): 3695-3702. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211110.001
摘要:
将磷元素引入到环氧树脂体系可以有效改善其液氧相容性,但同时对其常低温力学性能的影响还有待研究。由于固化后的含磷环氧树脂体系具有复杂的无定形非晶交联网状结构,影响其力学性能的因素众多且相互关联,实验研究难以表征其微观破坏行为。本论文基于分子动力学(MD)研究,模拟出10-(2, 5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(ODOPB)与环氧氯丙烷反应得到的环氧树脂与固化剂4, 4'-二氨基二苯甲烷(DDM)的固化交联过程,计算了该树脂体系的热力学参数与微观破坏行为,揭示其断裂过程下的微观力学响应机制,并与2wt%含磷量下的ODOPB改性环氧树脂体系进行对比。分析结果为耐极端环境高性能环氧树脂与复合材料的设计与性能优化提供参考。
三维机织双层间隔复合材料的压缩性能
陈龙, 张昆, 郑连刚, 许福军
2022, 39(8): 3703-3711. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210913.004
摘要:
为了增强三维机织间隔复合材料的压缩强度及提高其压缩能量吸收能力,受多层夹芯结构的设计理念启发,本论文设计并制备了柱纱高度为(6+6) mm及(4+8) mm的三维机织双层间隔复合材料。通过与柱纱高度为12 mm的单层间隔复合材料进行对比,研究了复合材料的平压、侧压性能及其破坏模式。结果表明,两种双层间隔复合材料的平压强度、侧压强度及能量吸收值相较于单层间隔复合材料都显著提高,其中柱纱高度为(6+6) mm的双层间隔复合材料的平压强度 (11.5 MPa) 提高了57.5%,平压比吸能值 (6983.7 J/kg) 提高了152.4%;此外,双层间隔复合材料的平压破坏模式为柱纱的逐层断裂,侧压破坏模式为面板裂纹扩展,表现出更大的吸能特性。双层间隔结构设计不仅显著增强了间隔复合材料的平压和侧压性能,而且改善了其破坏模式,提高了其在实际应用中的安全性,并为较高柱纱高度以及多层间隔复合材料的结构设计提供了新的思路。
Ti3C2Tx-MXene上浆剂表面改性高模量碳纤维及其环氧树脂基复合材料界面性能
董玉双, 张学军, 田艳红, 黄玲
2022, 39(8): 3712-3722. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210918.001
摘要:
为了改善高模量碳纤维(HMCF)表面润湿性及增强其复合材料界面性能,本文采用机械共混法,将尺寸为100~500 nm的少层Ti3C2Tx-MXene水分散液与水性环氧乳液上浆剂进行复配,制备了适用于HMCF的Ti3C2Tx-MXene/环氧树脂(EP)改性环氧乳液复合上浆剂,并以连续上浆技术在HMCF表面构筑了富含Ti3C2Tx-MXene的特性涂层,以期改善HMCF/EP复合材料的界面结合性能。通过SEM、XPS和动态接触角测试对HMCF的表面形貌、表面化学状态和表面润湿性能进行了表征,并以层间剪切强度(ILSS)和断面形貌测试对HMCF/EP复合材料的界面结合状况进行了分析表征,最后以复合材料的剪切破坏模型对Ti3C2Tx-MXene/EP复合上浆剂改性的HMCF/EP复合材料的界面增强机制进行了探讨。结果表明,经Ti3C2Tx-MXene/EP复合上浆剂表面处理后,HMCF表面的O/C(原子比)提高,并赋予其一定量的纳米尺度小凸起微机械结构,改善了HMCF的表面润湿性。当环氧乳液上浆剂固含量为0.8%,Ti3C2Tx-MXene浓度为1.0 mg/mL时,HMCF/EP复合材料的ILSS值提高了23.8%,达到85.9 MPa。
纳米SiO2-硅烷协同改性对玄武岩纤维/环氧树脂复合材料力学性能及蠕变性能的影响
别依诺, 朱四荣, 贺攀, 陆士平
2022, 39(8): 3723-3732. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210928.001
摘要:
分别采用硅烷偶联剂和纳米SiO2粒子-硅烷偶联剂对玄武岩纤维(BF)进行表面改性,通过缠绕成型工艺制备了玄武岩纤维/环氧树脂(BF/EP)复合材料。采用万能材料试验机测定了BF的拉伸性能和BF/EP复合材料的弯曲性能,借助FESEM观察了纤维表面及其复合材料弯曲断裂断口的形貌,自制三点弯曲蠕变测试装置测定了BF/EP复合材料2544 h的长期蠕变性能,采用万能材料试验机在不同应力水平下测定了BF/EP复合材料6000 s的短时蠕变性能,并分析了纤维表面改性对各项力学性能的影响。结果表明,在BF上浆剂中引入纳米SiO2粒子后,纤维的拉伸性能、BF/EP复合材料的弯曲性能均得到有效改善。FESEM形貌显示BF的协同改性提高了纤维与树脂界面的粘结性能;2544 h的低应力长期蠕变实验及6000 s的不同应力水平短时蠕变实验中,均表现出蠕变柔量及其增长速率的显著降低;在20%、30%、40%及50%初始弯曲强度加载时的短时蠕变实验中,由蠕变曲线重合的应力值,可大致得到材料线性蠕变的应力阈值。使用Hooke-Kelvin-Kelvin (HKK)模型可有效描述BF/EP复合材料在低应力水平下的长期蠕变性能,由此可进行其蠕变性能指标的长期预测。
氟掺杂多孔聚合物的制备及其吸附性能
赵宏伟, 陈广, 彭琪, 王瑞元, 曹新秀, 刘欢, 刘清泉
2022, 39(8): 3733-3746. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220302.002
摘要:
共轭微孔聚合物(CMPs)由于其稳定的孔隙结构、多样的合成方法及在气体吸附、废水染料吸附等领域的应用受到了广泛关注。设计并合成了两种氟掺杂共轭微孔聚合物:首先合成了两种含氟构筑单元1,3,5-三氟-2,4,6-三乙炔基苯(FAB)和5,10,15,20-四(2-氟-4-乙炔基苯基)卟啉(TFPP)。分别以FAB和TFPP为构筑单元,以1,1’-二溴二茂铁(Fc(Br)2)为链接单元,基于Sonogashira偶联反应,成功制备了两种氟掺杂多孔聚合物氟掺杂多孔聚合物二茂铁基(Fc)-FAB-CMP 和 Fc-TFPP-CMP。并进一步对两种多孔聚合物的化学结构、热稳定性、孔隙结构、气体及染料吸附性能等方面进行了详细的分析。结果表明,两种聚合物均表现出良好的热稳定性。Fc-FAB-CMP和 Fc-TFPP-CMP的BET比表面积分别为302.89 m2/g和125.2 m2/g,其中Fc-FAB-CMP表现出更加优异的气体吸附性能。此外,二茂铁单元与氟取代基的引入可成为阳离子染料甲基紫(MV)的吸附位点,Fc-FAB-CMP相较于许多更高比表面积的聚合物表现出对MV更优异的吸附能力,最大吸附量可达318 mg/g。
功能化碳化硅纳米线/液晶环氧复合材料的制备与导热性能
向小莲, 马忠雷, 石林, 韩浪, 宋晓宁, 邵亮
2022, 39(8): 3747-3756. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211008.003
摘要:
高导热聚合物基复合材料在电子设备领域具有重要的应用价值。本论文基于“本征-填充”协同作用,以合成的本征型导热液晶环氧树脂为基体,以液晶环氧功能化改性碳化硅纳米线(SiCNWs-LCE)为高导热填料,采用液相共混法制得低填充且高导热SiCNWs-LCE/液晶环氧复合材料。分析了合成液晶环氧树脂的化学结构和结晶行为,以及功能化改性SiCNWs的微观形貌、化学结构和热稳定性等,深入研究了SiCNWs-LCE含量对SiCNWs-LCE/液晶环氧复合材料导热性能和热稳定性的影响规律。结果表明:采用硅烷偶联剂和液晶环氧功能化改性后的SiCNWs具有良好的分散性;“本征-填充”的协同作用使SiCNWs-LCE/液晶环氧复合材料具有良好的导热性能;复合材料的导热性能随着SiCNWs-LCE含量的增加而提高。与纯的液晶环氧树脂相比较,SiCNWs-LCE/液晶环氧复合材料热导率由0.33 W/(m·K)增加至0.72 W/(m·K),提升了118%。
石墨烯/正十八烷复合相变材料在Cu纳米表面的分子动力学模拟
周艳, 王万权, 张树坤, 李慧芳, 何燕
2022, 39(8): 3757-3766. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210913.002
摘要:
为了探究提高石蜡基相变材料热物理性能的途径与机制,通过引入Cu纳米表面建立了Cu纳米表面-无定型正十八烷复合体系以及Cu纳米表面-石墨烯/正十八烷复合体系,并采用分子动力学模拟的方法对两复合体系进行了模拟分析。结果表明,在体系中添加金属纳米颗粒来提高相变材料的热物理性能的微观机制在于不仅其本身具有极高的导热系数,而且金属纳米表面与烷烃分子的相互作用促使了烷烃分子在纳米表面的定向结晶。石墨烯作为一种性能优良的高导热碳纳米材料,可以进一步促进复合体系中烷烃分子的定向结晶,进而提高整个体系中复合相变材料的导热性能。
聚醚砜超细纤维无纺布层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料制备与表征
张代军, 包建文, 钟翔屿, 王德辉, 张天骄, 陈祥宝
2022, 39(8): 3767-3775. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210909.004
摘要:
为提高环氧树脂基复合材料的冲击后压缩强度,采用更适用于批量化制备的聚醚砜-尼龙6(PES-PA6)共混纺丝溶解剥离法制备PES超细纤维无纺布,并将该无纺布用于碳纤维增强环氧树脂基复合材料的层间增韧,通过测试复合材料增韧前后的I型层间断裂韧性(GIC)、II型层间断裂韧性(GIIC)和冲击后压缩强度(CAI),并表征复合材料层间断裂微观形貌,研究该无纺布对复合材料层间韧性的影响与复合材料超细纤维无纺布层间增韧机制。结果表明,采用无纺布层间增韧环氧树脂复合材料后,其GIC性能由增韧前的289 J/m2提升到增韧后的312 J/m2GIIC性能由增韧前的1391 J/m2提升到增韧后的3649 J/m2。试样冲击后损伤面积由增韧前的1050 mm2降低到增韧后的204 mm2,相应的冲击后压缩强度由增韧前的228 MPa提升到增韧后307 MPa。
基于BP神经网络的聚偏氟乙烯/聚丙烯梯度复合滤料工艺优化
康乐, 王立志, 高晓平
2022, 39(8): 3776-3785. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210913.005
摘要:
口罩是防止病毒通过呼吸系统和黏膜进入人体的重要防疫屏障。一次性口罩存在过滤效率随静电衰减下降快、呼吸阻力大、使用寿命短等问题。将静电纺纳米纤维膜与熔喷布复合,减少颗粒物过滤性能对静电作用的依赖,实现长效过滤。以N, N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,基于静电纺丝技术制备聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维膜,与聚丙烯(PP)熔喷基布覆合,制备PVDF/PP纳/微米复合纤维膜。实验研究静电纺丝工艺参数对复合结构纤维膜气溶胶过滤性能的影响规律。建立三元二次多项式模型优化纺丝工艺,同时构建反向传播(BP)神经网络模型,预测不同工艺下的纤维膜过滤阻力。结果表明,电压、接收距离、注射速度、纺丝液浓度和纤维膜面密度对过滤效率和过滤阻力有着一致的影响规律。纺丝液浓度为15wt%、面密度为3 g/m2时,优化纺丝工艺参数为:电压30 kV,接收距离16.8 cm,注射速度1.6 mL/h。应用多项式模型预测的过滤阻力值为76.79 Pa,相对误差为9.23%,误差变异系数(CV)值为59%。BP神经网络预测的过滤阻力值为81.25 Pa,相对误差为1.99%,误差CV值为48%。实验证明,三元二次模型和BP神经网络具有较高的预测准确度。
CFRP索阻燃防火措施
朱元林, 刘礼华, 黄盛彬, 朱维军, 朱小芳
2022, 39(8): 3786-3793. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210909.007
摘要:
为解决碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)索的火灾问题,开发了一种CFRP索的阻燃防火措施。对桥梁缆索用CFRP筋开展高温拉伸试验研究,并比较阻燃防火涂层、石棉、陶瓷纤维布的阻燃防火效果。结果显示,筋材高温剩余强度随温度升高呈线性下降趋势,210℃加热3 h,筋材剩余强度最低为2245.8 MPa,比原始强度下降26.13%;筋材高温加热再冷却后强度会存在一定程度的可逆性恢复,剩余强度均能达到2800 MPa以上,但较原始强度呈略微下降趋势,且加热温度越高,剩余强度越低;通过比较阻燃防火涂层具有较好效果,经2 h灼烧索股聚乙烯(PE)护套,内表面最高温度为206℃;阻燃防火涂层越厚,防护时间越长,刷有2 mm厚度阻燃防火涂层的索股在长达6 h的火焰灼烧下,PE护套内表面最高温度为245℃,PE护套未发生破坏,仅发生软化。研究表明,采用阻燃防火涂层可有效保护CFRP索,火灾2 h内,索股仍可承载,剩余强度>2245 MPa。
功能复合材料
氧化热处理温度对多孔镍泡沫微观结构及吸波性能的影响
叶信立, 张俊雄, 项俊锋, 蒋云, 谢发勤
2022, 39(8): 3794-3803. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211103.002
摘要:
为了探究多孔镍泡沫在电磁污染环境应用的可能性,根据多孔镍泡沫在空气下的热重曲线图,采用不同氧化热处理温度对其进行高温处理,借助TG-DSC、XRD、SEM、矢量网络分析仪研究氧化热处理温度对多孔镍泡沫的微观结构和电磁波吸收性能的影响关系。结果表明,当氧化热处理温度超过600℃时,多孔镍泡沫骨架表面产生明显变化,当氧化热处理为900℃时,表面形成大量孔洞,而当氧化热处理温度到达1200℃时,表面呈熔融状。通过物相分析表明,随着氧化热处理温度升高,多孔镍泡沫骨架表面生成氧化镍。对X波段的电磁吸波性能进行测试可以发现,经900℃氧化热处理得到的多孔镍泡沫具有最优异的微波吸收性能,并在10.88 GHz处反射损耗到达最小值−19.66 dB,表明一定的氧化热处理可以有效改善多孔镍泡沫的吸波性能。
柔性可弯曲高容量复合织物电极的制备及性能
杨超, 夏兆鹏, 王思雨, 李婷, 王亮, 刘雍
2022, 39(8): 3804-3814. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211008.002
摘要:
随着科学技术的飞速发展,各种可穿戴智能电子设备随之兴起。这些电子设备对化学电源的性能提出了更高要求,如安全高效且柔性的电化学储能装置。目前,大量的研究致力于柔性储能器件,以满足各种可穿戴智能电子设备供能的需求。本文通过调控甲醇相法的沉积时间,将具有高比表面、高孔隙率的钴基金属有机框架(Co-MOF)和镍钴双氢氧化物(NiCo DH)巧妙地结合在镀镍织物(NF)上,制备出了高性能的柔性复合电极。该电极具有高比容量(22.6 μA·h·cm−2 (323 mA·h·g−1))、优异的循环性能(2 000次充放电后容量保持率为56%)及良好的倍率性能(电流增大50倍容量保持率为60%),并且该电极拥有优异的柔韧性,经过多次弯折,该电极的电性能几乎没有大的变化,能够满足服装的各类变形。因此,本文为可穿戴电子设备的能源供应提高了一条新的思路,在智能可穿戴领域有着广阔的前景。
石墨烯功能化改性聚偏氟乙烯介电复合材料的制备及其性能
罗睿, 黄娇, 杨尚科, 严磊, 张兆鑫, 张迅韬, 蔺海兰, 卞军, 陈代强
2022, 39(8): 3815-3827. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210916.001
摘要:
为获得高介电性能的复合材料,以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体,首先以离子液体功能化改性的氧化石墨烯(GO-IL)为填料制备了不同GO-IL含量的GO-IL/PVDF二元介电复合材料,在此基础上引入羟基化钛酸钡(BT-OH)通过溶液共混制备了不同比例的BT-OH-GO-IL/PVDF三元介电复合材料。分别采用FTIR、FESEM、XRD、拉伸性能测试、电性能测试、DSC等方法系统研究了填料GO-IL和BT-OH的含量对所得复合材料的热性能、力学性能和电性能等的影响。FITR和XRD测试表明,IL成功接枝于GO上,GO-IL的加入促进了PVDF中β晶的生成。DSC测试进一步表明,GO-IL的加入提高了复合材料的结晶度,含2wt%GO和2wt%GO-IL的复合材料结晶度分别达到了35.3%和36.9%。电性能测试表明,GO-IL更容易在PVDF基中构成局部导电网络,促进电子位移极化,进而提高复合材料的介电常数。在GO-IL/PVDF复合材料中,当GO-IL填料含量为2wt%时,复合材料的介电常数达到了24.28,是纯PVDF的2.6倍。但当填料含量达8wt%时,复合材料的介电常数达到了78.46,同时介电损耗也大幅增大,达到了2.25。电阻相比于纯PVDF下降了1~2个数量级。三元复合材料中,当GO-IL含量为2wt%、BT-OH填料含量为20wt%时,复合材料的综合性能最好,介电常数达到了40.32,介电损耗为0.38。
二氧化钒-荧光增白剂-有机聚合物三层多功能复合薄膜
高迎, 秦成远, 聂永, 呼啸, 徐慧妍, 苗金玲, 蒋绪川
2022, 39(8): 3828-3844. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211027.003
摘要:
二氧化钒(VO2)是一种典型的热致变色材料,用于智能窗可有效降低建筑能耗。然而,VO2智能玻璃的颜色和稳定性问题限制了其大规模应用。本文报道一种VO2基三层荧光复合膜,包括VO2@SiO2热致变色层、荧光增白剂分子层和有机聚合物层。VO2@SiO2层可根据外界温度变化,调控太阳光的摄入量,起到冬暖夏凉的作用,其核壳结构有利于提高VO2的稳定性;荧光分子层在太阳光照射下,吸收紫外光,发射蓝色荧光,从而改善VO2涂层固有的棕黄色;有机聚合物层作为最上层,能有效保护下层的VO2@SiO2层和中间的荧光分子层,增加复合薄膜的稳定性。与纯VO2膜相比,这种复合膜不但保持了较高的可见光透过率和太阳光调制能力,而且在太阳光下颜色可逆地从棕黄色变为蓝色,同时稳定性和紫外阻隔能力明显提升,有利于VO2基智能窗的推广和应用。
Bi2MoS2O4改性g-C3N4光催化降解罗丹明B
王晓爽, 李育珍, 易思远, 高利珍
2022, 39(8): 3845-3851. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210917.002
摘要:
为了降低石墨相氮化碳(g-C3N4)电子空穴的复合率,采用浸渍法成功制备了Bi2MoS2O4/g-C3N4异质结,并对其光催化性能进行了研究。紫外-可见漫反射光谱测得改性后的催化剂的吸收边由原来的470 nm红移至490 nm。探讨了负载比、催化剂投加量和pH对罗丹明B可见光降解率的影响。当Bi2MoS2O4占g-C3N4质量分数为18wt%、催化剂投加量为0.36 g/L时,该催化剂可在15 min内完全降解罗丹明B。自由基捕获实验和能带分析结果表明,该体系形成了一种II型电子转移机制,其主要活性物种为•O2
SnO2/C3N4二维复合光催化剂的制备及其光催化还原性能
崔言娟, 徐红赟, 祝玉鑫, 李雪, 宋艳华
2022, 39(8): 3852-3862. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211028.004
摘要:
可见光响应型二维复合半导体材料是光催化领域研究的重要内容,构建稳定有效的异质结以促进界面电荷传输是二维复合材料研究的关键。将氮化碳纳米片(C3N4)和SnO2纳米片通过煅烧法设计合成面-面堆叠式2D-2D SnO2/C3N4复合半导体。该复合材料保留稳定的C3N4和SnO2的主体结构,同时在界面处形成稳定的异质结。光解水制氢(H2)和活化氧(O2)制过氧化氢(H2O2)的性能测试结果表明,在可见光照射下,SnO2纳米片含量为5wt%的复合样品SnO2/C3N4-5%具有显著提升的制H2活性(54.9 µmol·h−1),约是C3N4纳米片的2.1倍,且具有良好的活性稳定性;在无牺牲剂和助催化剂条件下,SnO2/C3N4-5%活化O2制H2O2的活性达78.9 µmol·L−1·h−1,约是C3N4纳米片的11.9倍。结构表征及电化学测试结果表明,异质结的建立有利于C3N4光生电子向SnO2表面快速转移,抑制了激发电子空穴的复合率,从而大幅提升了光催化还原性能。
聚吡咯均苯三酸铜复合材料的制备、表征与分离产物聚吡咯的CO2吸附性能
田俐, 李祯, 王会锋, 韩长新, 刘强, 毕晨昊, 胡苑桢
2022, 39(8): 3863-3870. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211028.003
摘要:
聚吡咯的合成方法不同,得到的聚吡咯的分子结构和性能都会有明显的差异。因此,以金属有机框架材料均苯三酸铜(Cu-BTC)为主体材料,采用碘氧化法在其三维孔道内实现了吡咯(Py)的自由基氧化聚合,得到了聚吡咯PPy@Cu-BTC复合材料。采用粉末XRD、SEM、FTIR、TG及N2吸脱附等方法对Cu-BTC、Py@Cu-BTC、PPy@Cu-BTC进行表征,证明孔内聚合的成功进行。Cu-BTC在聚合过程中保持了结构的稳定,其形貌也未发生改变。所制备的PPy@Cu-BTC复合材料基于主客体之间的电荷转移和π-π键的相互作用,其电导率为10−4 S/cm,相对于块体PPy及Cu-BTC模板至少提高四个数量级,是一种半导体材料。N2吸脱附表明,除去模板后分离得到的PPy具有多孔性,对CO2有着较好地吸收能力,其最大吸收值约为16 cm3/g,相对于块状聚吡咯,其吸收能力翻了一倍。
铁锰层状双氢氧化物的制备及其对废水中Sb(III)的吸附行为
杨金辉, 李聪, 谢水波, 杨斌, 魏柏, 田追
2022, 39(8): 3871-3881. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210910.002
摘要:
为更好地处理水环境中的锑(III)污染问题,本论文采用超声共沉淀法制备了铁锰层状双氢氧化物(Fe-Mn LDH),并研究初始pH、投加量、共存离子、吸附时间及温度等因素对Fe-Mn LDH去除废水中Sb(III)的影响。通过SEM、EDS、XRD、XPS和FTIR等表征手段对材料晶体结构、形貌、吸附机制等进行了表征及分析。结果表明,Fe-Mn LDH去除Sb(III)的适宜条件为:pH=5、投加量为0.4 g/L、吸附时间150 min;在此条件下,在温度45℃时最大吸附量为77.39 mg/g。吸附过程符合拟二级动力学模型,Freundich吸附等温线模型能够很好地描述Fe-Mn LDH对Sb(III)的吸附行为。Sb(III)吸附去除机制主要为离子交换、配位络合和静电吸附。通过四次吸附-解析实验发现,Sb(III)去除率在83.03%以上,表明Fe-Mn LDH具备处理与修复含Sb(III)废水污染的潜力。
熔盐电解法制备NbS2@MoS2复合材料及其电催化析氢性能
张爽, 王子鸣, 卢雅宁, 唐梦, 王英财, 柳玉辉
2022, 39(8): 3882-3890. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210923.002
摘要:
电解水制氢(HER)相比于传统的制氢方式具有更广阔的研究前景,但由于其动力学过程缓慢,因此价格低廉且高效的电催化剂在HER中尤为重要。通过一步熔盐电解法制备了具有纳米花和纳米片形貌的NbS2@MoS2。采用XRD、SEM、HRTEM、XPS、SAED等手段表征催化剂的物理化学特性。结果表明,NbS2@MoS2纳米花催化剂表现出薄膜花状结构的多晶态,Nb元素均匀分布在MoS2表面。通过电化学测试来验证其HER性能,测试结果表明纳米花结构在HER中表现出优异的电催化性能,在1 mol/L KOH溶液中,电流密度10.0 mA·cm−2下其过电位为292.9 mV,塔菲尔斜率为107.0 mV·dec−1,电荷传递阻抗为31.0 Ω,电化学活性表面积为13.7 mF·cm−2。并且经过20 h催化后仍能保持较好的电催化活性。Nb沉积在MoS2表面形成缺陷,同时在表面形成NbS2,提供了更多的活性位点,从而进一步增强了水分解性能。高温熔盐电结晶为催化材料的合成提供了一种新方法。
石墨烯量子点/Ce-2-甲基咪唑的制备及其宽光谱抗菌性能
张柯杰, 张晨诚, 傅炀杰, 谭盟, 毛惠秀, 姬云, 王齐
2022, 39(8): 3891-3897. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210927.002
摘要:
光催化作为一种新型抗菌方式引起广泛关注,开发高效可见光催化剂是热点研究方向之一。本文通过一种绿色化学法合成了石墨烯量子点(GQDs),并在室温下以GQDs、硝酸铈、2-甲基咪唑(2MI)为原料,采用一锅沉淀法合成了GQDs/Ce-2MI。调整GQDs的起始添加量,得到不同GQDs负载量的复合光催化剂,通过光电化学测试发现,25vol%GQDs/Ce-2MI样品具有高的光电流响应。进一步固定2MI为有机配体,制备不同中心金属离子(Mn+: Co2+、Fe2+、Fe3+)的M-2MI,并进行对比。在可见光照射下,以大肠杆菌(E. coli)为目标菌种,考察了不同催化剂的抗菌性能。研究发现,GQDs/Ce-2MI的抗菌性能最佳,可见光照射60 min后,实现超过99%的灭菌效果。以优选GQDs/Ce-2MI为光催化剂,研究了光源波长、不同菌种的影响。结果表明,GQDs/Ce-2MI在较宽光谱范围内有较好的抗菌能力,对金黄色葡萄球菌(S. aureus)也具有普适性抗菌效果。通过猝灭剂实验推测对E. coli消灭的主要活性物种为空穴(h+)和羟基自由基(•OH)。
石墨烯/二氧化锰复合材料的储能机制及其电化学性能
唐晓宁, 刘珺楠, 龚海锋, 吴晓艺, 吉贵平
2022, 39(8): 3898-3905. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220120.006
摘要:
超级电容器因具有高功率密度、长使用寿命等优点备受关注,而电极材料是决定其电化学性能的主要因素。以氧化石墨烯(GO)为碳源,H2O2和KMnO4为MnO2的前驱体,通过一步水热法制备了石墨烯/二氧化锰复合材料(RGO/MnO2)。采用XRD、Raman和SEM对复合材料进行微观结构表征。结果表明,复合材料中球状MnO2分布于RGO片层上。分析了RGO/MnO2的储能机制,证明其储能过程主要是受表面电容控制。在5 mV·s−1时,表面电容占总电容的86.2%,当扫速增加到200 mV·s−1时,表面电容可以占到总电容的97.3%。为提高器件的能量密度,以RGO/MnO2为正极、RGO为负极,组装了RGO/MnO2//RGO非对称超级电容器(ASC)。在功率密度为100 W·kg−1时,其能量密度高达72.8 W·h·kg−1
掺钯/镍对超级电容器碳纳米管电极材料电化学性能的影响
梁志奇, 侯从聪, 常春蕊, 张志明, 安立宝
2022, 39(8): 3906-3914. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210930.002
摘要:
面向将具有高长径比、高比表面积和高电导率的碳纳米管用于超级电容器领域,并改善其与金属电极之间存在的接触电阻。应用无电沉积法对碳纳米管进行过渡金属钯的掺杂,以金属有机骨架为媒介对碳纳米管进行过渡金属镍的掺杂。分别将掺杂钯、掺杂镍的碳纳米管与聚乙烯醇复合,修饰玻碳电极和碳布,并将修饰的碳布作为电极材料组装成超级电容器。分别对所修饰玻碳电极与超级电容器进行循环伏安和交流阻抗测试。掺钯与掺镍碳纳米管修饰玻碳电极的比电容分别为9.89 F/g和5.99 F/g,掺钯与掺镍碳纳米管修饰碳布组装超级电容器的比电容分别为175.77 mF/g和61.92 mF/g。可见掺钯降低碳纳米管修饰玻碳电极和超级电容器内阻、提高电化学性能的效果优于掺镍,这为掺杂碳纳米管在超级电容器等储能领域的应用起到借鉴作用。
Ag6Si2O7-TiO2/PP复合光催化材料的制备及其抗菌性能
樊婷玥, 任煜, 赵紫瑶, 莫慧琳, 李美贤
2022, 39(8): 3915-3921. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211018.005
摘要:
为了研究改性TiO2在聚丙烯(PP)材料表面的光催化抗菌性能,本文通过原位沉积法制备出焦硅酸银-二氧化钛(Ag6Si2O7-TiO2)光催化剂,采用硅烷偶联剂KH-560对PP非织造材料进行预处理,再使用浸渍法将光催化剂负载到PP非织造材料的表面。通过SEM、XRD、XPS、UV-vis和光致发光光谱(PL)对材料的晶相结构、表面形态及化学组成等进行表征。结果表明,成功制备出Ag6Si2O7-TiO2/PP复合光催化材料,其中Ag6Si2O7的质量分数为1wt%,负载PP非织造材料浓度为2 g/L。为研究Ag6Si2O7-TiO2/PP光催化降解染料性能,以甲基橙溶液作为降解物,以300 W氙灯作为光源对Ag6Si2O7-TiO2/PP处理120 min,结果其降解率达到95.6%。为研究Ag6Si2O7-TiO2/PP抗菌性能,对比了Ag6Si2O7-TiO2/PP在可见光和无光条件下对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌效果,结果显示其在可见光下对两种细菌抑菌率均达到99.99%以上。
SrTiO3/TiO2复合薄膜的制备及其光电化学阴极保护性能
许进博, 董晓珠, 孔存辉, 赵英娜, 王建省, 曾雄丰
2022, 39(8): 3922-3928. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210903.002
摘要:
由于TiO2存在禁带宽度大、光生载流子分离率低等缺点,限制了其光电化学阴极保护性能。为解决此问题,首先采用水热法制备TiO2纳米阵列,然后通过超声喷雾热解法制备了SrTiO3/TiO2复合薄膜。通过XRD、SEM、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、荧光光谱(PL)对样品物相结构、微观形貌、光吸收性能等特征进行表征。最后以304不锈钢(304 SS)为被保护基体,考察了SrTiO3/TiO2复合薄膜的光电化学阴极保护性能。结果表明,通过超声喷雾热解法制备得到的SrTiO3/TiO2复合薄膜,其光吸收范围为415 nm以下,进入可见光区;SrTiO3/TiO2复合薄膜相比于TiO2纳米阵列,具有更好的光吸收特性;光生电子-空穴对分离率提高,且光生电子迁移率提高;在3.5wt%NaCl溶液中,SrTiO3/TiO2复合薄膜使304不锈钢腐蚀电位负移至–0.45 V,负移了近270 mV,而TiO2纳米阵列仅能负移210 mV,性能提升了28.5%。经过四次开光与闭光循环测试,SrTiO3/TiO2复合薄膜性能稳定。
土木建筑复合材料
海水海砂ECC梁的抗剪性能试验及有限元模拟
廖桥, 苏元瑞, 余江滔, 王义超
2022, 39(8): 3929-3939. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210911.002
摘要:
为研究海水海砂高延性纤维增强水泥基复合材料(SSE)梁的抗剪性能,进行了SSE材料的研制,并对玄武岩纤维增强树脂复合材料(Basalt fiber reinforced polymer,BFRP)筋增强海水海砂高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)梁(BFRP/SSE梁)进行剪切试验,分析了配箍率和剪跨比对梁抗剪性能的影响。试验结果表明:SSE的单轴受拉应变最大可达8.3%,平均裂缝宽度约为0.2 mm。BFRP/SSE梁剪切破坏时没有发生剥落破坏。在正常使用极限状态下,BFRP/SSE梁裂缝宽度小于0.3 mm,满足相关规范要求。在少箍筋和无箍筋的情况下,采用SSE制备的梁抗剪承载力反而提高59.32%~99.25%和6.37%~73.68%不等,且刚度也有一定程度的提升。在BFRP/SSE梁的结构设计中可以考虑不设置最小配箍率。采用有限元软件进行数值模拟,探讨了SSE的力学性能对无腹筋BFRP/SSE梁抗剪承载力的影响规律。计算结果表明,随SSE抗压强度提高抗剪承载力增加明显;随SSE抗拉强度提高抗剪承载力缓慢增加;SSE拉伸应变能力对梁抗剪承载力基本没有影响。本研究可为海水海砂ECC梁的工程应用提供参考依据。
复合外加剂对充填浆体固化前后性能的影响规律
李浩, 王洪江
2022, 39(8): 3940-3949. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210902.003
摘要:
为了提高煤矿充填浆体固化前后的性能,利用硫酸钠和聚羧酸减水剂复掺制备成复合外加剂,通过宏观实验探究其对充填浆体固化前后工作性能和力学性能的影响,并结合微观实验分析其影响机制。实验表明,0.5wt%硫酸钠与0.2wt%聚羧酸减水剂复掺的充填浆体,其水泥用量可减少2%,塌落度可增加4.1 cm,初凝时间和终凝时间可缩短20 min,减水率可提高7.7%,3天和28天单轴抗压强度最高可增加22%和42%。分析表明,硫酸钠的早强机制、聚羧酸减水剂的静电斥力作用和空间位阻作用及二者的互促作用是影响充填浆体固化前工作性能的主要原因,而针状性产物钙矾石和白色纤维状物质水化硅酸钙是影响充填浆体固化后力学性能的主要物质,二者的生成提高了充填膏体的单轴抗压强度。
FRP筋与全珊瑚骨料海水混凝土界面粘结-滑移本构关系
李雨珊, 尹世平, 刘运超
2022, 39(8): 3950-3964. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210927.004
摘要:
纤维增强树脂复合材料(Fiber reinforced polymer,FRP)具有优良的抗腐蚀性能,用其代替普通钢筋能够很好地解决钢筋锈蚀问题。同时我国的珊瑚和海水资源丰富,用其代替传统砂石骨料是解决海岛建设中传统材料稀缺问题的有效方法之一。FRP筋与珊瑚骨料海水混凝土之间的粘结性能是决定其是否能像普通钢筋混凝土一样在实际工程中应用的重要因素之一。目前,关于FRP筋全珊瑚骨料海水混凝土结构的界面粘结性能研究很少,尤其是理论方面。于是,通过试验和数值模拟验证了简化双线性模型的合理性,并在此基础上推导了FRP筋全珊瑚骨料海水混凝土的界面粘结应力τ(x)和相对滑移量s(x)表达式,绘制了界面相对滑移和界面粘结应力的分布图。将采用表达式所得到的理论解与试验和模拟结果进行对比分析,其结果表明:通过理论计算所得的理论解与试验结果吻合度较高;FRP筋直径和粘结长度的增加会导致界面粘结应力和相对滑移的分布更加不均匀;珊瑚骨料混凝土强度的改变对界面粘结应力和相对滑移的分布影响不大;玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋和玄武岩纤维增强树脂复合材料(BFRP)筋珊瑚骨料海水混凝土的界面粘结应力和相对滑移的分布相类似,与碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)筋珊瑚骨料海水混凝土相比,前者的分布更加均匀。
格构腹板增强泡沫夹芯复合材料准静态压缩吸能特性
徐佳佳, 方海, 韩娟, 祝露, 王健
2022, 39(8): 3965-3981. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211117.002
摘要:
复合材料夹芯结构具有较高的比强度和比刚度、优异的耐腐蚀性能、良好的抗疲劳性能、简单的成型工艺等特点。以聚氨酯(Polyurethane,PU)泡沫作为芯材,玻璃纤维增强树脂复合材料(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)作为面层和腹板,制备了空间格构腹板增强泡沫夹芯复合材料试件。保持试件的几何尺寸不变,改变竖直格构腹板的空间位置,将竖直格构腹板优化设计为双层正交格构腹板、双层错位格构腹板和三层错位格构腹板。对试件开展准静态压缩试验,对比研究其破坏形式与吸能特性。发现三层错位格构腹板试件具有较理想的荷载-位移曲线。改变格构腹板的空间位置后,试件的弹性行程延长,同时,试件的承载能力也有所提升。与竖直格构腹板相比,三层错位格构腹板试件的能量吸收值提升91.9%。运用等效十字模型计算了双层正交格构腹板试件的面内等效弹性压缩刚度,可知双层正交格构腹板试件的弹性刚度受格构压缩模量影响较大。利用ANSYS/LS-DYNA对试件进行数值模拟,对比试验研究得到的材料特性和破坏模式,验证了数值模拟的准确性,进而运用数值模拟对各试件的GFRP腹板和泡沫芯材吸收能量的情况进行对比和分析。
圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土柱轴压性能试验研究
王高飞, 魏洋, 缪坤廷, 董峰辉, 郑开启
2022, 39(8): 3982-3993. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210909.012
摘要:
为了将原状海水海砂珊瑚混凝土更好地直接应用于海洋工程,对12根碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱和2根纯钢管约束海水海砂珊瑚混凝土柱进行了单调轴压试验,主要研究参数为钢管径厚比、CFRP层数,得到了试件的轴向应力-应变关系曲线。试验结果表明,试件在轴压作用下,最终呈现柱身有明显剪切滑移线的剪切破坏形式;CFRP的约束作用对试件初始截面刚度影响不明显,对试件线性强化阶段刚度影响显著;随着CFRP层数的增加,试件的极限应力和极限应变均显著提高;随着钢管径厚比的减小,试件的力学性能也相应地提高;结合试验数据对已有FRP-钢复合管约束混凝土强度计算模型进行评估。
钢管高强再生混凝土叠合柱轴压性能
牛海成, 高锦龙, 吉珈琨, 王兴国, 张向冈
2022, 39(8): 3994-4004. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210902.002
摘要:
以混凝土种类、钢管截面形状和方钢管内是否设置十字形拉结筋为主要变化参数,完成了2个钢管高强普通混凝土叠合柱(CFSTRCC)和3个钢管高强再生CFSTRCC轴心受压试验,研究了钢管高强再生混凝土叠合柱与钢管高强普通混凝土叠合柱轴心受压性能差异。研究结果表明,钢管高强再生混凝土叠合柱损伤发展过程和破坏形态与钢管高强普通混凝土叠合柱相似,钢管高强再生混凝土叠合柱承载力较高,耗能能力较强,但外围钢筋混凝土剥落程度严重,延性较差。在方钢管内设置十字形拉结筋后,拉结筋增强了方钢管对核心混凝土的约束,延性得到显著改善,承载力和耗能亦提高显著,同时峰值荷载对应更大的峰值应变,材料利用更充分。在钢管截面积相等、材料强度接近的条件下,内置圆钢管的CFSTRCC与内置方钢管的CFSTRCC相比,具有更高的承载能力和耗能能力,表现出更好的延性。根据国内外相关规程对26个钢管再生CFSTRCC进行轴压承载力计算,结果表明CFSTRCC轴压承载力计算结果与实测结果吻合较好。
钢纤维再生混凝土三轴受压力学性能试验
陈宇良, 吉云鹏, 陈宗平, 叶培欢, 吴辉琴
2022, 39(8): 4005-4016. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210903.006
摘要:
为了研究钢纤维再生混凝土(SFRAC)的三轴受压力学性能,以侧向围压、再生骨料取代率和钢纤维体积掺量为参数,设计了168个圆柱体试件进行常规三轴受压试验。试验观察了SFRAC的破坏形态,获取了应力-应变全曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量等重要指标,深入分析了不同变化参数对其力学性能的影响规律。结果表明,三轴受压下试件主要发生斜向劈裂破坏;随着围压值增大,应力-应变曲线峰部抬高,下降段变缓,峰值应力、峰值应变和弹性模量均显著增大;钢纤维可提高试件单轴受压时的残余强度,使其应力-应变曲线的下降段变缓;再生骨料取代率增加,试件的峰值应力与弹性模量降低,峰值应变增大;三轴受压状态下,钢纤维对SFRAC的峰值应力影响不大,钢纤维体积分数为1vol%时对SFRAC变形性能的改性效果最优。最后,提出了SFRAC三向受压时峰值应力、峰值应变及弹性模量的计算公式。
低周反复荷载下预应力CFRP筋-型钢/混凝土偏拉构件抗裂性能试验
张鹏, 花东升, 邓宇
2022, 39(8): 4017-4027. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210924.001
摘要:
为研究预应力碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)筋-型钢/混凝土(SRC)偏拉构件的抗裂性能,以不同的预应力张拉水平、偏心距、预应力筋类型及竖向拉力等参数制作了11个试件,并对其进行低周反复加载试验。结果表明:相比于普通SRC偏拉构件,预应力SRC偏拉构件的抗裂度和裂缝控制能力显著提升,其开裂荷载提高约1.5倍,抗裂性能与预应力张拉水平正相关,与偏心距负相关,预应力筋类型对开裂荷载影响不大。另外直径7 mm的预应力CFRP筋在控制构件裂缝数量方面强于直径15 mm的预应力精轧螺纹钢筋,适当增大竖向拉力可提高试件抗裂性能。参照现有理论和试验结果,推导出试件开裂荷载的计算公式,其计算结果与试验值吻合度较高。
生物纳米复合材料
生物质基多级孔活性炭-聚苯胺复合材料的合成及其电化学储能性能
韦会鸽, 彭紫芳, 陈安利, 李桂星, 崔大鹏, 王晖
2022, 39(8): 4028-4036. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210928.005
摘要:
为制备高性能、低成本的储能器件,本文通过简单的一步原位化学聚合的方法制备了生物质基多级孔活性炭-聚苯胺复合材料(HAC-PANI),并探讨了其在超级电容器(SCs)及锌离子混合超级电容器(ZHSCs)领域的应用。研究结果表明,复合材料中HAC的分级多孔结构和高的比表面积为PANI提供了生长位点,有效减少了PANI的团聚现象,并能促进电化学储能过程中电解质离子的传输,降低界面电荷传递电阻。当HAC与苯胺单体(AN)的质量比为1∶2时,PANI纳米颗粒均匀生长在HAC基底上,所得复合电极材料(HAC-2PANI)的电化学储能性能达到最佳,在三电极体系下质量比电容高达415.6 F·g−1(@1 A·g−1)。二电极体系下,基于HAC-2PANI的全固态超级电容器(s-HAC-PANI-SC)质量比电容为217.4 F·g−1(@1 A·g−1)、能量密度为26.5 W·h·kg−1、功率密度为1875.0 W·kg−1。由于PANI中赝电容的引入,以HAC-2PANI为阴极、Zn箔为阳极所构建的锌离子混合超级电容器(HAC-PANI-ZHSC)在0.2 A·g−1的电流密度下呈现出高的比容量(91.8 mA·h·g−1)、能量密度(64.3 W·h·kg−1)和功率密度(140.0 W·kg−1),并具有良好的倍率性能和循环稳定性,表明了生物质基活性炭复合材料在高性能、低成本电化学储能器件中潜在的应用前景。
BiOBr@CdS/聚氨酯-蚕丝蛋白纳米复合膜的制备及其可见光催化性能
蹇建, 杨德兴, 邝丹妮, 袁正求, 艾秋红, 周虎
2022, 39(8): 4037-4048. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211012.002
摘要:
粉末形态的纳米光催化剂在催化降解污染物过程中存在颗粒易团聚、与水体难分离导致二次污染等问题。本文采用共混-湿法相转化-原位合成法制备了系列BiOBr@CdS/聚氨酯-蚕丝蛋白(BiOBr@CdS/PU-SF)纳米复合膜材料,利用XRD、FTIR、SEM、XPS、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和光致发光光谱(PL)等表征技术对其物相结构、微观形貌、元素价态和光学性能等进行表征分析。研究结果表明,BiOBr@CdS/PU-SF复合膜中BiOBr与CdS形成的半导体纳米复合物,不仅显著提升了单一半导体的可见光吸收能力,且有效抑制了光生载流子的复合。通过可见光照射下降解以盐酸四环素(TC)为模型的抗生素废水评价其光催化性能,其中Bi与Cd物质的量比为1:1时的(1:1)BiOBr@CdS/PU-SF复合膜对TC的去除率最高,为70.3%,分别是BiOBr/PU-SF和CdS/PU-SF复合膜的1.33倍和2.45倍。另外,该复合膜无需离心与过滤即可实现分离和回收,并且循环使用五次后仍然保持原降解率的80%以上。
具有不同拓扑结构的海藻酸钠-明胶复合水凝胶的3D打印制备及其性能
孙士儒, 刘阳, 王景辉, 连小洁, 安美文
2022, 39(8): 4049-4056. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210917.001
摘要:
模拟皮肤真皮胶原蛋白纤维多角度排列的结构—3D打印相邻两层纤维夹角分别为45°、60°和90°三种拓扑结构的海藻酸钠(SA)-明胶(GEL)复合支架,研究拓扑结构对水凝胶支架性能的影响。SEM表征支架的微观结构,测量各组支架的含水率、孔隙率、力学性能、溶胀率和体外降解率,FTIR测试SA、GEL和复合水凝胶的官能团,细胞计数试剂盒(CCK-8)和免疫荧光染色检测支架对成纤维细胞(HFb)的毒性与支架的生物相容性进行表征。结果表明:各组支架拓扑结构清晰;FTIR图谱中吸收峰的相对位置提供了支架材料的化学结构;三组支架含水率和孔隙率均大于80%;45°、60°和90°支架的压缩弹性模量分别为(3.57±0.14) kPa、(3.18±0.31) kPa和(2.03±0.29) kPa。CCK-8结果表明,三组支架上细胞活性均保持在无支架对照组的90%以上。微丝和核染色结果显示,HFb接种第1天时在45°支架上的铺展优于其他两组,随着时间增加,HFb在三组支架上明显增殖,表明支架具有良好的细胞相容性。本文设计与表征了不同拓扑结构SA-GEL支架的性能,并为后续组织工程真皮的构建及在三维基质上分析HFb集体迁移的研究提供了重要基础。
木基柔性电子复合膜的制备及其在传感器中的应用
王怡仁, 周彤, 王露臻, 吴启静, 李大纲, 金永灿, 陈楚楚
2022, 39(8): 4057-4064. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211027.001
摘要:
为拓展木材多功能化及高值化应用,以轻木为原料,通过脱基质工艺去除木材基质,随后干燥处理获得轻木骨架(WF),进一步乙酰化改性后干燥可制得乙酰化轻木骨架(AWF)。利用浸渍法,将聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体分别引入WF与AWF制备木基复合薄膜材料(PDMS/WF与PDMS/AWF)。系统性研究乙酰化改性对复合膜形貌特征、力学性能、化学组分及表面亲水性等的影响。结果表明,乙酰化处理能够有效促进PDMS分布于轻木骨架的孔隙结构中,二者结合紧密,界面结合性提高。同时,制得的PDMS/AWF木基复合膜具备较好的柔韧性,沿纤维生长方向断裂拉伸强度达176 MPa,韧性约6.58 MJ/m3,几乎是PDMS/WF复合膜的两倍。进一步将该PDMS/AWF木基复合膜作为柔性基材,组装柔性传感器件,在多种形变下表现出稳定及可重复的相对电阻值变化。预期在智能家居、软体机器人及柔性可穿戴电子等智能响应器件研究领域具有潜在的应用。
梯度结构对竹束纤维复合材料界面失效的影响
顾少华, 陈季荷, 张文福, 王翠翠, 王戈, 程海涛
2022, 39(8): 4065-4073. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210917.003
摘要:
为研究竹材梯度结构对竹束纤维复合材料性能的影响,以竹束纤维(BF)为增强相,环氧树脂-甲基四氢邻苯二甲酸酐(EP-MeTHPA)体系为基体相,采用热压成型制备竹束纤维增强环氧树脂-甲基四氢邻苯二甲酸酐复合材料体系(BF/EP-MeTHPA)。通过改变BF单元—竹青侧束纤维(BF-GS)和竹黄侧束纤维(BF-YS),研究梯度结构对BF/EP-MeTHPA界面失效的影响。在分析复合材料力学性能的基础上,通过动态热机械分析(DMA)、原位加载、FTIR等纳、微观试验手段,对纤维-树脂结合状态、界面微区力学、热分析和宏观力学表征等进行研究。实验结果表明,由于BF-GS中纤维含量与强度较高,在EP-MeTHPA体系中的增强效果与分布均匀性优于BF-YS,弯曲呈现韧性阶梯状破坏;但其浸润性与界面性能却低于竹黄侧束纤维增强环氧树脂-甲基四氢邻苯二甲酸酐复合材料体系(BF-YS/EP-MeTHPA)。通过对竹材结构进行观察,发现BF-YS残留了更多的薄壁细胞,粗糙表面有利于EP的浸润与黏附,因此在接触角测试中,BF-YS的浸润力约为BF-GS的60%。FTIR显示,MeTHPA可与BF羟基反应生成新的酯键,使得BF与EP-MeTHPA体系形成化学键,提高界面稳定性,而BF-YS中非结晶区的暴露使其极性更强(106.5 mN/m),各特征峰相对面积变化量也大于BF-GS,更容易形成化学键合,其稳定性也会提高。
金属基和陶瓷基复合材料
石墨烯纳米片对Ni-W-ZrO2复合镀层性能的影响
张兰, 詹卓一, 成德森, 马会中
2022, 39(8): 4074-4084. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210916.007
摘要:
为提高Ni-W-ZrO2复合镀层的显微硬度和耐蚀性,通过电沉积方法在7075铝合金上制备Ni-W-ZrO2-石墨烯纳米片(GNPs)复合镀层,利用GNPs来改善Ni-W-ZrO2复合镀层表面性能不足的问题。利用正交试验对实验工艺条件进行优选:电流密度为10 A/dm2,搅拌速度为250 r/min,温度为60℃。在优选工艺条件下,ZrO2纳米颗粒保持10 g/L,改变GNPs的含量(1、2、3、4 g/L),寻求最佳GNPs添加量的Ni-W-10 g/L ZrO2-GNPs复合镀层。通过显微硬度计及旋转摩擦试验仪,研究显微硬度和耐磨性,通过SEM、EDS、XRD和AFM进行微观表征。通过电化学方法研究Ni-W-ZrO2-GNPs复合镀层在质量分数为3.5wt%NaCl溶液中的耐蚀性。结果表明:GNPs和ZrO2纳米颗粒均匀共沉积在镍钨镀层中,GNPs的掺入对Ni-W-ZrO2复合镀层微观形貌、晶粒大小、显微硬度、摩擦性能及耐蚀性均有显著影响,当GNPs添加量为3 g/L时,镍(钨)基体的晶粒尺寸最小,显微硬度(HV 942)最高,平均摩擦系数(0.1981)最小;当GNPs添加量为2 g/L时,Ni-W-ZrO2-GNPs复合镀层的耐蚀性(电荷转移电阻Rct:9532 Ω·cm2)相较Ni-W-ZrO2复合镀层的耐蚀性(Rct:1766 Ω·cm2)改善明显。
热压烧结制备碳纤维/氧化铝陶瓷复合材料的负介电行为
刘元会, 石少杰, 曹宇航, 康帅, 李润茁, 夏世超, 程传兵
2022, 39(8): 4085-4092. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211012.003
摘要:
超材料具有负参数的物理特性,其材料本征性质的负介电行为值得进一步探究,系统研究化学组成对其介电性能的影响规律,探究负介电行为的实现和调控机制。采用热压烧结工艺制备了碳纤维/氧化铝(CF/Al2O3)陶瓷复合材料,研究了不同CF含量对复合材料的微观形貌及电学性能的影响。通过调节复合材料中CF的含量,在1 kHz~10 MHz的频率范围内实现了负介电行为,同时复合材料的导电机制由跳跃电导转变为类金属电导。研究发现,增多的CF在复合材料中形成三维联通网络;复合材料的负介电常数由三维CF网络中自由电子的等离子体振荡引起;随着CF含量的增加,负介电常数的绝对值变大,相关频散特性符合Drude模型。
不同方式电沉积Ni-纳米TiC复合镀层的微观结构与性能
任鑫, 张雨辰, 田佳茹, 王浩鑫, 柴博天, 孟超
2022, 39(8): 4093-4101. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211018.003
摘要:
为改善电沉积Ni-纳米TiC复合镀层的质量,利用电沉积技术在Q235钢表面制备出Ni-纳米TiC复合镀层,对比分析了直流、单脉冲和双脉冲三种不同电沉积方式对复合镀层的微观组织与表面性能的影响。通过SEM/EDS分析镀层的表面形貌和元素分布,利用XRD研究镀层的物相和估算晶粒大小,分别采用显微硬度计和电化学工作站测试其硬度和腐蚀行为。研究表明,按照直流、单脉冲和双脉冲电沉积方式,复合镀层的致密性和显微硬度依次增加,孔隙率、镀速和晶粒尺寸依次减小。脉冲沉积复合镀层中TiC含量明显少于直流电沉积镀层中的TiC含量。双脉冲电沉积复合镀层的显微硬度为 HV 740.5,比直流电沉积镀层高67%。与直流和单脉冲沉积镀层相比,双脉冲电沉积复合镀层在3.5wt%NaCl 溶液中的自腐蚀电流密度降低了一个数量级(5.275×10−6 A·cm−2),自腐蚀电位明显正移(−0.113 V),电荷转移电阻为最大,表现出最好的耐蚀性。
复合材料细观力学
飞机复合材料壁板装配中临时紧固件数量与布局优化方法
黎雪婷, 安鲁陵, 岳烜德, 周来水, 卫炜
2022, 39(8): 4102-4116. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210913.003
摘要:
在飞机装配中,广泛采用安装临时紧固件的方式,对构件进行预连接,以固定构件之间的相对位置,并起到消除构件接触面间的间隙、增强结构稳定性等作用。针对飞机复合材料壁板装配,为了提升预连接效率与装配质量,结合有限元法与遗传算法,提出了一种考虑复合材料损伤的临时紧固件数量与布局优化方法。该优化方法以提高复合材料壁板与骨架间的间隙消除率、减少临时紧固件安装数量为优化目标,以临时紧固件的安装数量、布局与预紧力为控制变量,并根据三维Hashin准则预测复合材料壁板损伤状态,以复合材料壁板不发生损伤为约束条件。并通过复合材料壁板预连接实验,证明该优化方法能在避免复合材料壁板损伤的前提下,用较少数量的临时紧固件实现较高的间隙消除率。
碳纤维复合材料双箭头波纹拉胀结构的振动行为及减振性能
刘彦佐, 李振羽, 杨金水
2022, 39(8): 4117-4128. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211019.001
摘要:
复合材料负泊松比结构具有优异的力学性能,近年来受到了国内外学者的广泛关注。运用模压成型工艺和热压罐工艺制备了梯形和正弦形二维双箭头碳纤维增强复合材料多孔拉胀夹芯结构,使用振动台装置对结构进行扫频试验,获得了结构的振动频响曲线。建立了结构的三维有限元模型,并与试验结果对比,验证了仿真模型的准确性。基于此,系统研究了单胞厚度、角度、拓扑构型和厚度梯度等参数对结构的振动特性及减振性能的影响。结果表明,随着芯子单胞厚度和角度的增加,结构的固有频率上升,加速度响应峰值下降,结构的减振性能提高。相比于正弦形结构,梯形结构通常具有更高的固有频率和更好的减振性能。相比其他均匀和梯度结构,渐弱结构具有较好的减振性能。
基于Micro-CT技术的3D机织预制件细观结构分析
邵梦洁, 谢军波, 杨志, 焦伟, 郭珍珍, 陈利, 杜雪菲
2022, 39(8): 4129-4138. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211102.001
摘要:
基于微计算机断层扫描(Micro-CT)技术重构了纤维预制件的3D细观结构,提出了两个表征纤维预制件几何结构变形的量化指标,研究了纬纱密度和厚度对3D机织预制件细观结构的影响机制。结果表明:Micro-CT技术能够有效表征3D机织预制件内部纱线的截面形态和空间路径;当纬纱密度为2.0根/cm时,预制件试样均表现出明显的变形,不适合实际工程应用;随着纬纱密度的增加,纤维预制件的内部结构趋于稳定;10 mm试样的内部结构比5 mm试样更稳定,但表面纱线的横截面和路径仍然呈现较大的变形。
Kevlar纤维增强树脂基复合材料纳秒激光加工理论建模及试验
苏飞, 李文毅, 董国军, 郑雷, 陈冰
2022, 39(8): 4139-4151. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210909.011
摘要:
纳秒激光加工在纤维增强树脂基复合材料的加工中应用广泛,但在对温度较敏感的Kevlar纤维增强树脂基复合材料(KFRP)的激光加工中,极易产生不可控的热损伤。针对KFRP的纳秒激光切割,分析激光加工过程中的温度演变过程,根据激光加工烧蚀阈值理论,分析KFRP的烧蚀阈值及烧蚀机制,并基于热传导中的能量守恒定律、质量守恒及动量守恒,分别建立Kevlar纤维和树脂基体热影响区的损伤预测模型。结果表明,KFRP激光加工热影响区存在显著差异,可以通过切削温度变化规律明显区分激光加工不同损伤区域;Kevlar纤维的烧蚀阈值为0.01 J·cm−2,环氧树脂基体的烧蚀阈值为0.005 J·cm−2;切缝宽度、切缝深度、炭化区宽度的理论预测模型与实验结果基本吻合,激光加工工艺参数对热影响区影响显著,其中,激光功率对切缝宽度的影响最大,扫描速度对切缝深度、炭化区宽度的影响最显著,但脉冲宽度和重复频率对热影响区影响较小。
可快速精确定位CFRP板冲击损伤的等时周向轨迹法
刘海龙, 王晓煜, 张树森, MUHAMMADQaisar, 林盛
2022, 39(8): 4152-4163. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210915.002
摘要:
考虑碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)板的纤维铺层对称性和导波传播各项异性,提出一种快速、定位精确的CFRP冲击损伤的等时周向轨迹定位方法。以损伤指数与仿真计算的方式,确定CFRP板周向导波传播速度与损伤反射波的飞行时间后,依据换能器、传感器与损伤位置之间的三角函数关系,计算既满足CFRP板中导波各个方向的传播速度又满足飞行时间的似然点。线性拟合似然点形成等时周向轨迹曲线样条,根据CFRP板的铺层对称性,镜像了轨迹曲线样条形成闭合的等时周向轨迹曲线,以三曲线交点实现损伤定位。以四点矩形阵列斜对角激励的方式进行CFRP板的冲击损伤检测实验。其实验结果表明,损伤引起损伤指数值的增幅显著,损伤反射波飞行时间可准确获得。拟合轨迹所需似然点数仅为155个,具有较小的计算量。等时周向轨迹定位法的定位误差可控,在期望误差下定位精度良好,未超出损伤区域。
基于红外热成像的CFRP复合材料低速冲击损伤表征
朱笑, 袁丽华
2022, 39(8): 4164-4171. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210831.001
摘要:
采用红外热成像检测技术对20 J、40 J冲击载荷下的碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料层合板表面与内部损伤进行识别。针对内部缺陷定量提取不准确的问题,通过分析红外图像空域特征,提出一种多尺度八方向边缘检测图像分割算法。首先依据敏感区域最大标准差法选取最优图像并采用模糊C均值聚类算法对红外缺陷图像进行预分割获取先验信息,然后构建圆形卷积模板对红外图像进行多尺度八方向卷积运算,引入OTSU算法分割梯度图像,结合形态学运算得到缺陷边缘图,对目标区域进行连通域分析,实现缺陷特征的定量提取。研究结果表明,本文算法提高了损伤区域弱边缘的检测能力,保证了缺陷边缘的完整性与连通性,相较于传统图像分割方法在缺陷面积、长径、短径的检测精度上分别提升了20.41%、5.61%、9.77%以上。
基于非协调广义部分混合元的层合板边界效应分析
王燮, 卿光辉
2022, 39(8): 4172-4178. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210915.003
摘要:
就层合板的自由边界效应分析而言,采用位移实体单元获得的结果通常无法保证面外应力满足层间的连续要求,并且表面的面外应力值与实际状态不符,数值结果精确性低。本文基于非协调广义混合变分原理,提出了非协调广义部分混合元,对不同铺层的层合板模型进行了自由边界效应分析。利用非协调广义部分混合元可同时引入位移和应力边界条件、同时求解位移和面外应力的特点,使用较少的计算成本,获得了自由边界处更精确的面外应力结果。实例证明,在网格较稀疏的情况下,非协调广义部分混合元有效地捕捉了面外应力在自由边界附近的高应力梯度特性,同时有关奇异性的精确度明显优于文献的结果。