CFRP防撞梁低速碰撞渐进损伤及优化

黄德明; 朱孙科; 王秋林; 孙永刚; 郑佳秋

doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20210702.002

CFRP防撞梁低速碰撞渐进损伤及优化

1.
重庆交通大学　机电与车辆工程学院，重庆 400074
2.
成都航空职业技术学院，成都 610100
3.
桂林电子科技大学　机电工程学院，桂林 541010

基金项目: 重庆市自然科学基金(cstc2016jcyjA0467；cstc2017jcyjAX0248)；重庆市教委科学技术研究项目(KJQN201800718)

详细信息

通讯作者:
朱孙科，博士，副教授，研究方向为复合材料结构损伤　E-mail：suncobest@163.com

中图分类号: TH113.2；TB33
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出版历程
- 收稿日期: 2021-05-23
- 修回日期: 2021-06-21
- 录用日期: 2021-06-26
- 网络出版日期: 2021-07-01
- 刊出日期: 2022-05-31

Progressive damage and optimization of CFRP anti-collision beams in low-speed collision

1.
School of Mechatronics and Vehicle Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China
2.
Chengdu Vocational and Technical College of Aviation, Chengdu 610100, China
3.
School of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541010, China

摘要

摘要: 为预测和控制低速碰撞中碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)防撞梁损伤程度，建立了含CFRP防撞梁的有限元显式动力学碰撞模型，防撞梁层内采用实体复合材料模拟其力学特性，采用Cohesive单元模拟CFRP层间相互作用。发展了基于Tsai-Wu张量理论的VUSDFLD子程序用于判定碰撞过程中复合材料单元6个方向损伤，失效单元按照突降退化模型进行刚度折减，利用Johnson-Cook本构模型模拟铝合金强化层碰撞损伤，其失效单元采用线性连续退化模型进行刚度折减。通过[±45°/45°/0°/0°/90°/−45°/0°/0°/90°]_s和[±45°/45°/0°/0°/0°/−45°/90°/−45°/0°/0°/90°]_s两种CFRP防撞梁铺层结构碰撞结果与含铝合金强化层CFRP防撞梁碰撞结果对比可知，在层内单元数相同的情况下，CFRP防撞梁增设4层复合材料铺层后，失效单元数量降低明显；碰撞过程中含铝合金强化层的多材料混合防撞梁结构在质量基本不变的情况下，失效单元数显著降低。结果表明，所开发的VUSDFLD子程序能够用于复合材料防撞梁的显式动力学碰撞损伤模拟，基于碰撞损伤的计算结果为CFRP防撞梁的结构设计提供参考。
- CFRP /
- 显式动力学 /
- Tsai-Wu失效准则 /
- 铝合金材料 /
- 碰撞损伤
Abstract: In order to predict and control the damage degree of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) anti-collision beams in low speed collision, a finite element explicit dynamic collision model of CFRP anti-collision beams was established. Mechanical properties of CFRP anti-collision beams were simulated by solid composite materials, and the interlayer interaction of CFRP was simulated by cohesive element. A VUSDFLD subroutine based on Tsai-Wu tensor theory was developed to determine the damage of composite elements in six directions during the collision process. The stiffness of the failure elements was reduced according to the sudden degradation model. The Johnson-Cook constitutive model was used to simulate the impact damage of reinforced aluminum alloy layers. The stiffness reduction of the failure element was carried out by linear continuous degradation model. The collision results of two CFRP laminates ([±45°/45°/0°/0°/90°/45°/0°/0°/90°]_s and [±45°/45°/0°/0°/0°/45°/90°/45°/0°/0°/90°]_s) were compared with the collision results of CFRP anti-collision beam containing aluminum alloy reinforced layer. It can be seen that when the number of elements in the layer is the same, the number of failure elements decreases obviously by adding four layers of composite laminates to CFRP anti-collision beam. The number of failure elements of the multi-material hybrid anti-collision beam structure with reinforced aluminum alloy layer is significantly reduced under the condition that the mass of the beam is basically unchanged. The results show that the developed VUSDFLD subroutine can be used for the explicit dynamic collision damage simulation of composite anti-collision beams, and the results based on the collision damage simulation can provide a reference for the structural design of CFRP anti-collision beams.
- CFRP /
- explicit dynamics /
- Tsai-Wu failure criterion /
- aluminum alloy material /
- impact damage

HTML全文

涤纶(PET)纤维具有强度高、耐腐蚀、热塑性好、易洗快干等优点^[1-2]。随着经济社会的发展和生活水平提高，人们对纺织品的功能性要求日益提升，具有抗紫外、隔热、自洁性和抗菌性等特性的纺织品被广泛研究^[3]。利用光催化剂改性涤纶纤维材料，可以使自然界存在的光能转换成为化学反应所需的能量来产生催化作用，使周围的氧气及水分子激发成具有极强氧化力的自由基，从而到达降解细菌和污染物的效果^[4-5]。

抗菌纺织品通常是在纺织品表面负载抗菌剂制备而成，抗菌剂包括无机抗菌剂和有机抗菌剂，其中Ag纳米球(AgNPs)是纺织品中应用最广泛的抗菌整理剂。然而，AgNPs涂层不能在AgNPs与纤维表面之间形成共价键，且AgNPs具有一定的毒性^[6]。另一方面，有机抗菌剂也存在微生物非靶效应、环境毒性、耐久性差等缺点^[7]。

近年来，光催化剂产品因其生态友好性受到更多的关注。在众多光催化剂中，纳米TiO₂光催化剂具有较长的研究历史^[8]。纳米TiO₂因其杰出的光催化活性、无毒性、生物可相容性被广泛应用于功能化纺织品领域。但纳米TiO₂的禁带宽度为3.2 eV^[9]，对可见光利用率较低。

半导体元素掺杂改性TiO₂来构成异质结光催化剂成为研究热点，半导体掺杂改性是由n型半导体TiO₂元素和p型半导体复合形成p-n异质结，形成电势差，以此在催化剂自身电场作用下分离光生电子和空穴。n型半导体TiO₂也可以和其他n型半导体复合，利用载流子在不同带隙之间的转移作用提高光催化活性^[10]。

Se是一种重要的p型半导体，其能带隙约为1.7 eV。同时，Se也是一种很好的抗氧化剂，具有防潮性，其性能优于带隙相似的金属硫化物和硒化物。Se在光催化和废水处理领域有着广泛的应用^[11]。除此之外，Se纳米粒子(SeNPs)修饰的二氧化钛纳米管具有抗菌和抗炎特性被研究和报道^[12]。结果表明，Se纳米颗粒增强了二氧化钛纳米管的抗菌性能，使革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的菌落减少。因此，Se@TiO₂异质结的构建具有重要的研究价值^[13]，Se纳米材料的宽光谱响应对提高TiO₂光催化性能具有重要意义。但是，目前还没有关于Se@TiO₂光催化材料在功能性纺织品领域的应用。

本文采用等离子体技术对涤纶针织物进行表面预处理，在涤纶表面负载纳米TiO₂，然后通过分子组装法在TiO₂/PET表面生长Se纳米球(SeNPs)和Se纳米线(SeNWs)，在涤纶表面构筑Se@TiO₂二元复合结构。探索纳米Se粒子晶型对涤纶表面光催化性能及抗菌性能的影响及整理后涤纶的表面形貌、化学构成、润湿性能等的变化规律。

1. 实验材料及方法

1.1 原材料

织物：涤纶针织物，克重为 230 g/m²，江苏旷达科技集团股份有限公司。

TiO₂(分析纯，上海阿拉丁生化科技有限公司)、无水乙醇(分析纯，上海润捷化学试剂有限公司)、丙酮(分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司)、亚甲基蓝(分析纯，上海阿拉丁生化科技有限公司)。亚硒酸钠(99%，Alfa Aesar化学试剂)、抗坏血酸(分析纯，上海源叶生物科技有限公司)、葡萄糖(分析纯，北京伊诺凯科技有限公司)。

营养肉汤、营养琼脂(生物试剂，上海博微生物科技有限公司)；大肠杆菌、金黄色葡萄球菌(上海鲁微科技有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 试样预处理

乙醇、丙酮、去离子水1∶1∶1混合，室温下超声30 min，充分混合。将10 cm×10 cm的涤纶针织物置于混合溶液中，水浴振荡2 h，取出涤纶针织物，用离子水洗去溶液，置于烘箱中60℃烘干备用。

1.2.2 等离子体处理

将烘干后的涤纶针织物置于等离子清洗机(PDC-VCG-2，HARRICK PLASMA)的腔室内，打开真空泵，接入空气，处理2 min。等离子体电源电压为220 V，频率为50 Hz，处理功率为18 W。

1.2.3 纳米TiO₂负载

配制2 g/L的TiO₂悬浊液，超声分散30 min。将经过等离子体预处理的涤纶针织物置于分散的悬浊液中，60℃水浴振荡2 h，取出涤纶针织物，去离子水洗去表面未附着的TiO₂纳米颗粒，60℃烘干备用。

1.2.4 制备SeNPs@TiO₂/PET

配制3 mmol/L的Na₂SeO₃溶液，磁力搅拌30 min。配制C₆H₈O₆溶液，使C₆H₈O₆和Na₂SeO₃的摩尔比为6∶1，将C₆H₈O₆溶液磁力搅拌30 min。磁力搅拌结束后，将C₆H₈O₆溶液与Na₂SeO₃溶液混合，60℃下水浴振荡2 h，将经过等离子体和纳米TiO₂整理后涤纶针织物按照浴比1∶50置入振荡好的溶液中，60℃浸渍振荡2 h，60℃烘干备用。

1.2.5 制备SeNWs@TiO₂/PET

将0.52 g的Na₂SeO₃和2 g的C₆H₁₂O₆溶解在320 mL的去离子水中。在剧烈磁力搅拌下混合20 min，将混合溶液放入反应釜中85℃反应4 h。随后，通过离心收集产物，并用去离子水洗涤数次以去除杂质。将砖红色产物分散到无水乙醇中陈化4 h形成黑灰色固体。

将黑灰色固体烘干，加入50 mL去离子水，超声分散30 min，将经过等离子体和纳米TiO₂整理后涤纶针织物按照浴比1∶50置入溶液中，60℃水浴振荡2 h，60℃烘干备用。

1.3 测试与表征

1.3.1 扫描电镜和EDS分析

采用扫描电镜(ZEISS Gemini SEM 300，加速电压5 kV)对材料的表面形态进行观察。

采用X 射线能谱仪(型号JSM-6510，日本JEOL公司)对材料表面进行元素成分分析，利用不同元素的 X 射线光子特征能量的不同来进行元素成分分析。

1.3.2 X射线衍射分析(XRD)

使用X射线衍射仪(XRD，型号H-12，日本理学，扫描角度10°~80°)对材料的晶相结构进行分析。

1.3.3 X射线光电子能谱分析(XPS)

使用X射线光电子能谱仪(XPS，型号K-Alpha，美国Thermo Fisher Scientific公司，测试元素：C、Ti、O、Se)来分析材料表面的元素种类、化学组成及有关电子结构的信息。

1.3.4 亲水性测试

采用接触角测量仪(SDC-350，东莞晟鼎精密仪器有限公司)测量静态接触角和吸水时间，液滴大小为3 μL，记录液滴接触样品到完全浸润的时间，由此评估样品的亲水性能。根据杨氏-拉普拉斯方程测量接触角值，并采用轮廓拟合算法完成。

1.3.5 光催化性能测试

采用功率 300 W 的氙灯(PLS-SXE300+，北京泊菲莱科技有限公司)模拟太阳光，以30 mg/L的亚甲基蓝为有机污染物模型。

按照下式计算降解率：

$\eta=\frac{C_0-C}{C_0}\times100\text{%}$

(1)

式中：η为光催化降解率(%)；C₀为亚甲基蓝初始吸光度值；C为亚甲基蓝经过降解后的吸光度值。

1.3.6 抗菌性能测试

根据标准 FZ/T 73023—2006 ^[14]中振荡法来对材料的抗菌性能进行测试。测试菌种为革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌大肠杆菌。首先准备接种菌液，在37℃±1℃下，培养 20~24 h；再将培养好的菌液接种到试样上，以 24℃±1℃、150 r/min振荡 18 h；将菌液稀释在营养琼脂培养基中，以37℃±1℃培养 24 h；最后选取菌落数30~300之间的培养皿计数。

按照下式计算抑菌率：

$Y=\frac{{W}_{{\mathrm{a}}}-{W}_{{\mathrm{b}}}}{{W}_{{\mathrm{a}}}}\times 100{\text{%}}$

(2)

式中：Y为试样抑菌率(%)；W_a为标准空白试样振荡18 h后烧瓶内的活菌浓度(CUF/mL)；W_b为抗菌试样振荡接触18 h后烧瓶内的活菌浓度(CUF/mL)。

2. 结果与讨论

2.1 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的表面形貌

图1(a)是SeNPs@TiO₂/PET的扫描电镜图，图中可以看出Se纳米颗粒与TiO₂纳米颗粒均呈球形，均匀分散在PET纤维表面。图1(b) 为SeNWs@TiO₂/PET的扫描电镜图，PET纤维表面均匀分散着TiO₂球状纳米颗粒和Se纳米线。图1(c)是SeNPs的扫描电镜图片，粒径约在700~800 nm之间。图1(d)是SeNWs的扫描电镜图片，图中SeNWs的直径约200 nm，纵向长度达到10 μm，SeNWs的生成是由于随着溶液浓度和反应温度的升高，Se的还原速度加快，其晶型开始发生变化，起初合成的α-Se转化成t-Se，体系中的晶核较多，α-Se 沿着 t-Se 晶核的c轴生长，从而导致SeNWs的生成^[15]。

图 1 Se@TiO₂/PET材料的SEM图像：(a) Se纳米球(SeNPs)@TiO₂/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；(b) Se纳米线(SeNWs)@TiO₂/PET；(c) SeNPs；(d) SeNWs

Figure 1. SEM images of Se@TiO₂/PET materials: (a) Se nanospheres (SeNPs)@TiO₂/polyethylene terephthalate (PET); (b) Se nanowires (SeNWs)@TiO₂/PET; (c) SeNPs; (d) SeNWs

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图2为PET、SeNPs@TiO₂/PET及SeNWs@TiO₂/PET的表面各元素分布图，表1为材料表面各元素的相对含量，PET针织物表面的C元素和O元素相对含量为67.79wt%和32.21wt%，而SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET因引入Ti元素和Se元素，表面的C元素和O元素相对含量有所下降，Ti元素和Se元素都均匀分布在PET针织物表面。其中Ti元素来自于TiO₂纳米颗粒，Se元素的存在证明Se纳米颗粒成功负载到PET针织物表面。

图 2 Se@TiO₂/PET材料表面各元素分布图

Figure 2. Distribution map of various elements on the Se@TiO₂/PET material surface

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表 1 Se@TiO₂/PET材料表面各元素的相对含量

Table 1. Relative content of elements on the surface of Se@TiO₂/PET materials

Sample	Relative content of element/wt%
Sample	C	O	Ti	Se
PET	67.79	32.21	−	−
SeNPs@TiO₂/PET	60.83	37.47	0.69	1.01
SeNWs@TiO₂/PET	61.44	34.82	2.83	0.91

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2.2 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的结晶结构分析

PET、SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET材料结晶结构如图3所示，3条曲线在17.2°出现的衍射峰为涤纶的衍射峰，涤纶的XRD衍射谱型与文献[16]所述一致。TiO₂/PET在25.2°、37.5°、47.8°、53.5°、62.3°这5个位置出现了衍射峰。这些衍射峰对应 PDF#71-1168中的(101)、(004)、(200)、(105)、(204)晶面，为锐钛矿型TiO₂的衍射峰^[17]。在SeNPs@TiO₂/PET的曲线中同时出现涤纶的衍射峰和锐钛矿型TiO₂的衍射峰，但无定形Se的XRD衍射峰为一个宽广的峰^{[15, 18]}，因此在SeNPs@TiO₂/PET曲线中不明显展现。在SeNWs@TiO₂/PET的曲线中，除了出现锐钛矿相TiO₂的衍射峰之外，在23.5°、29.7°出现的衍射峰与PDF卡片#06-0362中的(100)、(101)晶面相对应，其晶胞参数a=b=0.43662 nm，c=0.49536 nm。由此可得产物为三方相Se^[19]。

图 3 PET、SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET的XRD图谱

Figure 3. XRD patterns of PET, SeNPs@TiO₂/PET and SeNWs@TiO₂/PET

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2.3 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的元素组成分析

图4是TiO₂/PET和Se@TiO₂/PET的XPS全谱图，图4(a)是TiO₂/PET和Se@TiO₂/PET的全峰，TiO₂/PET包含C1s轨道、O1s轨道和Ti2p轨道，而Se@TiO₂/PET包含C1s轨道、O1s轨道、Ti2p轨道和Se3d轨道。其中C元素和O元素的峰主要来自PET针织物^[20]，图4(b)为C1s的结合能，图中两条曲线出现的峰值分别对应PET中的O—C=O键、C—O—C键和C—C键。图4(c)为Ti元素的谱图，TiO₂/PET在463.33 eV和457.73 eV出现的峰分别表示的是Ti2p_1/2及Ti2p_3/2轨道，两轨道间结合能相差5.6 eV，说明材料中存在Ti⁴⁺^[21]。进行Se掺杂后，电子从 Ti⁴⁺向Se⁰转移，Ti2p_1/2和Ti2p_3/2轨道向高结合能方向偏移^[22]。由于Se的电负性(2.55)高于Ti的电负性(1.54)，Se占据TiO₂中Ti⁴⁺的位置后，电子会从Ti⁴⁺转移到Se⁰，因此TiO₂原子核周围的电子云密度降低，结合能升高。因此Ti2p结合能的偏移表明Se掺杂进TiO₂晶格中，并以Ti—O—Se的形式存在^[23]。图4(d)为O1s轨道的图谱，在531.52 eV和531.48 eV出现的峰为来自于样品中的 O^2–，说明 Se@TiO₂/PET 复合光催化剂中 O主要以负二价的形式存在。图4(e)为Se元素图谱，在55.13 eV出现的峰为Se3d_5/2轨道，55.99 eV处出现的峰为Se3d_3/2轨道，这两处结合能均为单质Se^[24]。XPS的结果分析表明TiO₂和Se单质已经成功负载在PET针织物表面。

图 4 Se@TiO₂/PET的XPS图谱：(a)全谱；(b) C1s；(c) Ti2p；(d) O1s；(e) Se3d

Figure 4. XPS spectra of Se@TiO₂/PET: (a) Wide spectrum; (b) C1s; (c) Ti2p; (d) O1s; (e) Se3d

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2.4 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的荧光光谱分析

图5为PET、SeNPs@TiO₂/PET及SeNWs@TiO₂/PET的光致发光光谱图，光致发光信号是光生电子和空穴复合的结果，它可以表征半导体中光生载流子的分离和复合的信息^[25-26]。当电子-空穴对的分离率提高时，光催化性能就会加强，从图5中可以看出，与PET相比，SeNPs@TiO₂/PET的荧光光谱谱型没有明显变化，且没有新的峰产生，但是光致发光强度有所降低，而SeNWs@TiO₂/PET的光致发光强度显著下降甚至消失，表明SeNWs@TiO₂/PET在光催化过程中电子/空穴的复合效率降低，其原因可能为沉积在TiO₂表面的Se能够捕获光生电子^[27]，阻碍电子-空穴对的复合，从而提高复合材料的光催化性能。

图 5 PET、SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET的光致发光光谱图

Figure 5. Photoluminescence spectra of PET, SeNPs@TiO₂/PET and SeNWs@TiO₂/PET

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2.5 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的紫外吸收光谱分析

图6(a)显示了不同材料的紫外-可见吸收光谱，与PET相比，SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET在整个光谱的吸收峰都有增强，且在可见范围内的吸光性能有大幅跃升。SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET的光学吸收带边出现红移，对可见光的利用范围得到极大提升，这是由于 SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET中导带和价带发生了变化^[28]。

图 6 PET、SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET的紫外-可见吸收光谱

hν—Photon energy; αhν—Product of the absorption coefficient and photon energy

Figure 6. UV-vis absorption spectra of PET, SeNPs@TiO₂/PET and SeNWs@TiO₂/PET

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光电效应公式如下^[29]：

${({\alpha h\nu })}^{{2}}{=A}{(}{h\nu-}{{E}}_{{{\mathrm{g}}}}{)}$

(3)

其中：A是常数；α是光吸收系数；h是普朗克常数；ν是光频率；E_g是材料的禁带宽度。绘制了 ${(\alpha h\nu )}^{\text{2}}$ 与 $h\nu$ 之间的关系图，并将图的线性部分外推到能量轴，以确定能带隙。SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET的相对禁带宽度分别为2.8 eV和2.7 eV。SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET的带隙变窄，这就使材料对光的吸收率变高，从而能提高织物的光催化性能。

2.6 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的表面润湿性能分析

通过静态水接触角测试，测定了PET、SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET复合材料的表面润湿性。图7为PET、SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET的静态接触角示意图，3种复合材料的接触角如表2所示，PET接触角为126.4°，呈疏水状态。SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET的接触角为0°，两种复合材料表面均呈现亲水状态。

图 7 PET、SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET的接触角

Figure 7. Contact angle diagrams of PET, SeNPs@TiO₂/PET and SeNWs@TiO₂/PET

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表 2 Se@TiO₂/PET材料的接触角及吸水时间

Table 2. Contact angle and water absorption time of materials

Sample	Contact angle	Water absorption time
PET	126.4°	n/a
SeNPs@TiO₂/PET	0°	>1 s
SeNWs@TiO₂/PET	0°	>1 s
Note: n/a denotes not applicable.

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2.7 Se@TiO₂/PET材料的光催化性能分析

模拟太阳光照射下，SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET对亚甲基蓝溶液的降解效率如图8所示，样品置于黑暗环境下磁力搅拌30 min，认为此时催化剂和亚甲基蓝溶液已达到吸附平衡。在无任何光催化材料的环境下，亚甲基蓝溶液几乎没有降解。加入PET后，经氙灯照射，亚甲基蓝的降解率没有发生明显变化。TiO₂/PET经过90 min照射后，对亚甲基蓝的降解率仅为73.9%。而SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET在氙灯照射90 min后，对亚甲基蓝的降解率可达97.3%和98.3%。两种材料均表现出优异的光催化活性，SeNWs@TiO₂/PET的催化效率更高，这是由于Se纳米线结构的单晶度，它可以促进内部电荷载流子转移^[30]，TiO₂也有过类似报道，由于界面电荷转移速率的提高，纳米棒的光催化活性高于纳米球^[31]。

图 8 模拟太阳光下SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET对亚甲基蓝的降解曲线

C₀ and C denote the reactant concentrations at time 0 min and t, respectively; MB—Methylene blue

Figure 8. Simulated degradation curves of methylene blue by SeNPs@TiO₂/PET and SeNWs@TiO₂/PET under visible light

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为了进一步证明SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET两种复合光催化材料的显著光催化性能，对图8中使用的SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET进行回收、洗涤和干燥。然后对烘干后的SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET在相同的条件下进行3次循环光催化降解亚甲基蓝实验，所得结果如图9所示。SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET在亚甲基蓝光降解过程中反复使用和回收3次后，其光催化活性没有明显的衰减，依然保持在90%以上。

图 9 模拟太阳光下SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET对亚甲基蓝的重复降解率

Figure 9. Simulates the repeated degradation rate of methylene blue by SeNPs@TiO₂/PET and SeNWs@TiO₂/PET under visible light

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2.8 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的抗菌性能分析

SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌图如图10所示。表3中，TiO₂/PET对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率较低，分别为59.19%和91.16%，在黑暗条件下，TiO₂也会对细菌产生毒性作用，推测可能与光催化起始前的平衡相有关^[32-33]。而SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET对金黄色葡萄球菌的抑菌率均可达到99.99%，对大肠杆菌的抑菌率，分别为92.03%和94.68%。由于硒纳米颗粒和TiO₂在生理pH下带负电，因此对带负电的大肠杆菌膜具有排斥作用^[34]。Se元素的引入增强了复合材料的抗菌性能。SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET对大肠杆菌的抑菌率普遍低于金黄色葡萄球菌，由于在革兰氏阳性细菌中，如金黄色葡萄球菌，其细胞壁结构不同，具有较厚的肽聚糖膜，而没有任何外部脂多糖膜。因此，Se通过化学吸附更容易渗透到金黄色葡萄球菌中^[35]。

图 10 SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌图

Figure 10. Antibacterial activity of SeNPs@TiO₂/PET and SeNWs@TiO₂/PET against E. coli and S. aureus

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表 3 SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率

Table 3. Antibacterial rates of SeNPs@TiO₂/PET and SeNWs@TiO₂/PET against E. coli and S. aureus

Sample	E. coli colony/ (CFU·mL⁻¹)	Bacteriostatic rate/%	S. aureus colony/(CFU·mL⁻¹)	Bacteriostatic rate/%
Blank	1.73×10⁶	n/a	0.95×10⁶	n/a
TiO₂/PET	7.06×10⁵	59.19	0.84×10⁵	91.16
SeNPs@TiO₂/PET	1.38×10⁵	92.03	1	99.99
SeNWs@TiO₂/PET	0.92×10⁵	94.68	1	99.99

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3. 结论

采用等离子体技术对涤纶针织物进行预处理，在涤纶针织物表面负载纳米TiO₂，后通过分子组装法在TiO₂/PET表面生长Se纳米球(SeNPs)和Se纳米线(SeNWs)，制备了SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET复合光催化材料。

(1)扫描电镜和EDS结果表明生成的SeNPs和SeNWs与TiO₂成功结合并均匀地负载在涤纶针织物表面。XRD结果表明生成的SeNPs的晶型为无定形Se即α-Se，SeNWs为t-Se，XPS结果表明涤纶针织物表面生成的为Se单质(Se⁰)。

(2) PL分析表明p型半导体Se与n型半导体TiO₂复合形成p-n异质结，产生电势差，在催化剂自身电场作用下分离光生电子和空穴。UV-vis分析表明，SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET两种材料的吸光性能均在可见光范围内有大幅度跃升。

(3)光催化结果表明模拟太阳光条件下，经过90 min降解，SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET对亚甲基蓝溶液的降解效率均可达到95%以上。

(4)抗菌结果表明SeNPs@TiO₂/PET和SeNWs@TiO₂/PET两种材料对金黄色葡萄球菌抗菌性能均可达到99%，对大肠杆菌的抑菌率可达90%以上。

图 1 复合材料刚度折减方式

Figure 1. Composite material stiffness reduction method

E—Elasticity modulus; σ—Stress vector

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图 2 内聚力单元双线性本构关系

${\sigma }_{\mathrm{C}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$ —Maximum traction; ${\delta }_{0}$ —Displacement at the beginning of the damage; ${\delta }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$ —Displacement at break; D—Degradation parameter of the cohesion unit

Figure 2. Bilinear constitutive relationship of cohesion unit

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图 3 Johnson-Cook模型的损伤演化规律

Figure 3. Damage evolution law of Johnson-Cook model

U—Displacement; U_max—Maximum displacement; $\bar D$ —Damage parameter

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图 4 CFRP试件载荷-时间曲线

Figure 4. Load-time curve of CFRP specimen

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图 5 CFRP试件应力-时间曲线

Figure 5. Stress-time curve of CFRP specimen

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图 6 CFRP防撞梁低速碰撞有限元模型

Figure 6. Finite element model of low-speed collision of CFRP anti-collision beam

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图 7 低速碰撞碰撞器尺寸标准

Figure 7. Low-speed collision collider size standard

R—Radius

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图 8 CFRP防撞梁第1层复合材料FV3方向损伤演化过程

Figure 8. Damage evolution process in FV3 direction of the first layer of composite material of CFRP anti-collision beam

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图 9 CFRP防撞梁第2层复合材料FV3方向损伤演化过程

Figure 9. Damage evolution process in the FV3 direction of the second layer of composite material of CFRP anti-collision beam

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图 10 多材料混合防撞梁第21层复合材料FV3方向损伤演化过程

Figure 10. Damage evolution process in FV3 direction of the 21st layer composite of multi-material hybrid anti-collision beam

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图 11 CFRP防撞梁24层复合材料防撞梁出现损伤时间对比

Figure 11. Comparison of damage time of 24-layer CFRP anti-collision beam

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图 12 嵌入铝合金材料防撞梁出现损伤时间对比

Figure 12. Comparison of damage time of anti-collision beams embedded in aluminum alloy materials

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图 13 三种防撞梁结构碰撞动能曲线对比

Figure 13. Comparison of collision kinetic energy curves of three anti-collision beam structures

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图 14 三种防撞梁结构弧形顶点处变形对比

Figure 14. Comparison of deformations at the arc vertices of three anti-collision beam structures

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表 1 碳纤维/环氧复合材料防撞梁材料参数

Table 1 Material parameters of carbon fiber/epoxy composite anti-collision beam

Elastic modulus/GPa	Poisson’s ratio	Density/(kg· ${\mathrm{m}}^{-3}$ )	Strength/MPa
${E}_{1}$ =114	${\gamma }_{12}$ = ${\gamma }_{13}$ =0.3	$\rho$ =1780	${X}_{\mathrm{T}}$ =2688	${Z}_{\mathrm{T}}$ =55.5
${E}_{2}$ = ${E}_{3}$ =8.61	${\gamma }_{23}$ =0.45		${X}_{\mathrm{C}}$ =1458	${Z}_{\mathrm{C}}$ =175
${G}_{12}$ = ${G}_{13}$ =4.16			${Y}_{\mathrm{T}}$ =69.5	${S}_{12}$ = ${S}_{13}$ =136
${G}_{23}$ =3.0			${Y}_{\mathrm{C}}$ =236	${S}_{23}$ =95.6

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表 2 碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)性能退化方式

Table 2 Performance degradation methods of carbon fiber reinforced polymer (CFRP)

Breaking mode	Breaking rule	Stiffness reduction
1 direction stretch	${\sigma }_{1}>{X}_{\mathrm{T}}$	$E=0.01\mathrm{\%}E$ $G=0.01\mathrm{\%}G$ $v =1\mathrm{\%}v$
1 direction compression	$-{\sigma }_{1}>{X}_{\mathrm{C}}$	$E=0.01\mathrm{\%}E$ $G=0.01\mathrm{\%}G$ $v =1\mathrm{\%}v$
2 direction stretch	${\sigma }_{2}>{Y}_{\mathrm{T}}$	${E}_{2}=1\%{E}_{2}$ ${G}_{12}=20\%{G}_{12}$ ${G}_{13}=20\%{G}_{13}$
2 direction compression	$-{\sigma }_{2}>{Y}_{\mathrm{C}}$	${E}_{2}=1\%{E}_{2}$ ${G}_{12}=20\%{G}_{12}$ ${G}_{13}=20\%{G}_{13}$
3 direction stretch	${\sigma }_{3}>{Z}_{\mathrm{T}}$	${E}_{3}=1\%{E}_{3}$ ${G}_{12}=20\%{G}_{12}$ ${G}_{13}=20\%{G}_{13}$
3 direction compression	${-\sigma }_{3}>{Z}_{\mathrm{C}}$	${E}_{3}=1\%{E}_{3}$ ${G}_{12}=20\%{G}_{12}$ ${G}_{13}=20\%{G}_{13}$
1-2 in-plane shear	$\left\|{\tau }_{12}\right\|>{S}_{12}$	${E}_{2}=1\%{E}_{2}$ ${G}_{12}=1\%{G}_{12}$
1-3 in-plane shear	$\left\|{\tau }_{13}\right\|>{S}_{13}$	${E}_{3}=1\%{E}_{3}$ ${G}_{13}=1\%{G}_{13}$
2-3 in-plane shear	$\left\|{\tau }_{23}\right\|>{S}_{23}$	${E}_{2}=1\%{E}_{2}{E}_{3}=1\%{E}_{3}$ $G=1\mathrm{\%}G$
Notes: E includes ${E}_{1}$ , ${E}_{2}$ and ${E}_{3}$ ; G includes ${G}_{12}$ , ${G}_{13}$ and ${G}_{23}$ ; $v$ includes ${v }_{1}$ , ${v }_{2}$ and ${ v }_{3}$ .

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表 3 黏结层Cohesive单元材料参数

Table 3 Material parameters of the cohesive element of the bonding layer

Parameter	${K}_{1}/(\mathrm{N}·{\mathrm{m}\mathrm{m}}^{-3})$	${K}_{2}/(\mathrm{N}·{\mathrm{m}\mathrm{m}}^{-3})$	${K}_{3}/(\mathrm{N}·{\mathrm{m}\mathrm{m}}^{-3})$	$N/\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}$	$S/\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}$	$T/\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}$	${G}_{1\mathrm{c}}/(\mathrm{N}·{\mathrm{m}\mathrm{m}}^{-1})$	${G}_{2\mathrm{c}}/(\mathrm{N}·{\mathrm{m}\mathrm{m}}^{-1})$	${G}_{3\mathrm{c}}/(\mathrm{N}·{\mathrm{m}\mathrm{m}}^{-1})$
Value	24000	24000	24000	60	70	70	3.84	3.84	1.88
Notes: K—Stiffness coefficients in different directions; N, S, T—Intensity in different directions; ${G}_{\mathrm{c}}$ —Fracture energies in different directions.

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表 4 6061-T6铝合金材料参数

Table 4 6061-T6 aluminum alloy material parameters

Parameter	Value	Parameter	Value	Parameter	Value
Density $\rho$ /(t· ${\mathrm{m}\mathrm{m}}^{-3}$ )	2.7×10⁻⁹	Material parameter c	0.2215	Damage parameter ${D}_{2}$	1.45
Elastic modulus $E/\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}$	7×10⁴	Material parameter n	0.34	Damage parameter ${D}_{3}$	−0.47
Poisson’s ratio $\gamma$	0.33	Material parameter m	1	Damage parameter ${D}_{4}$	0.011
Material parameter $A/\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}$	265	Reference strain rate ${\dot{\epsilon }}_{0}/\mathrm{S}$	1.34	Damage parameter ${D}_{5}$	1.6
Material parameter B $/\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}$	426	Damage parameter ${D}_{1}$	−0.77	Reference strain rate ${\dot{\epsilon }}_{0}/\mathrm{S}$	1

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表 5 6个CFRP试件的数据

Table 5 Data of 6 experimental CFRP specimens

Number	Maximum load/kN	Residual strength/MPa
1	56.92	419
2	54.39	400
3	57.22	421
4	55.87	406
5	61.04	441
6	54.19	399

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表 6 20层CFRP防撞梁复合材料层失效单元数统计

Table 6 Statistics on the number of failure units of 20 composite material layers of CFRP anti-collision beam

Concrete layer number	FV1	FV2	FV3	FV4	FV5	FV6	Total	Angle/(°)
1	0	187	213	0	5	202	607	45
2	0	147	227	0	5	178	557	−45
3	0	129	164	0	7	187	487	45
4	0	184	54	7	2	106	353	0
5	0	178	52	7	2	108	347	0
6	0	0	236	42	57	41	376	90
7	0	102	198	0	0	151	451	−45
8	0	181	91	13	5	108	398	0
9	0	184	102	14	4	90	394	0
10	0	0	122	44	56	119	341	90
11	0	0	134	45	54	133	366	90
12	0	136	103	10	6	97	352	0
13	0	129	97	10	6	105	347	0
14	0	138	236	0	11	193	578	−45
15	0	0	171	38	47	141	397	90
16	0	86	103	8	10	109	316	0
17	0	90	104	8	8	109	319	0
18	0	85	116	0	8	207	416	45
19	0	68	183	0	13	235	499	−45
20	0	112	159	0	15	218	504	45

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表 7 24层CFRP防撞梁复合材料层失效单元数统计

Table 7 Statistics on the number of failure units of 24 layers of composite material of CFRP anti-collision beam

Concrete layer number	FV1	FV2	FV3	FV4	FV5	FV6	Total	Angle/(°)
1	0	171	221	0	0	175	567	45
2	0	176	197	0	1	197	571	−45
3	0	145	171	0	2	177	495	45
4	0	226	65	9	6	20	326	0
5	0	207	51	8	8	21	295	0
6	0	185	36	9	4	20	254	0
7	0	152	143	0	2	87	384	−45
8	0	0	143	14	0	58	215	90
9	0	125	134	0	3	58	320	−45
10	0	184	42	5	7	25	263	0
11	0	178	52	3	7	28	268	0
12	0	0	106	15	0	112	233	90
13	0	0	15	13	0	155	183.	90
14	0	374	138	6	3	11	532	0
15	0	149	99	5	8	28	289	0
16	0	80	28	0	2	100	210	−45
17	0	0	12	6	0	153	171	90
18	0	66	20	0	0	123	209	−45
19	0	170	21	3	11	35	240	0
20	0	181	34	2	12	32	261	0
21	0	225	58	2	11	32	328	0
22	0	77	33	0	3	205	318	45
23	0	79	24	0	0	192	295	−45
24	0	90	53	0	3	213	359	45

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表 8 铝合金层和CFRP层失效单元数统计

Table 8 Statistics of the number of failure units of the aluminum alloy layer and the CFRP layer

Concrete layer number	FV1	FV2	FV3	FV4	FV5	FV6	Total	Angle/(°)
1	0	0	0	0	0	0	0(SDEG)	Aluminum alloy
2	0	0	0	0	0	0	0(SDEG)	Aluminum alloy
3	0	0	0	0	0	0	0(SDEG)	Aluminum alloy
4	0	103	5	4	2	23	137	0
5	0	17	1	4	2	20	44	0
6	0	1	1	4	2	20	28	0
7	0	36	26	0	0	30	92	−45
8	0	0	0	0	0	62	62	90
9	0	43	33	0	0	70	146	−45
10	0	71	41	0	4	17	133	0
11	0	80	0	1	5	17	103	0
12	0	0	0	0	0	173	173	90
13	0	0	0	0	0	176	176	90
14	0	0	0	0	0	0	0(SDEG)	Aluminum alloy
15	0	134	4	1	6	16	161	0
16	0	51	10	0	0	139	200	−45
17	0	0	5	0	0	198	203	90
18	0	55	13	0	0	140	208	−45
19	0	224	126	0	6	20	376	0
20	0	226	129	0	5	21	381	0
21	0	262	133	0	8	20	423	0
22	0	58	30	0	3	155	246	45
23	0	61	78	0	0	164	303	−45
24	0	73	47	0	3	197	320	45
Note: SDEG—Scalar stiffness degradation, when SDEG>1, the material fails.

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施引文献(1)

期刊类型引用(1)

彭晶. 服装用无机抗菌剂改性PET纤维研究进展. 合成树脂及塑料. 2025(01): 76-79+86 .

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图(14) / 表(8)

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1. 实验材料及方法
1.1 原材料
1.2 实验方法
1.2.1 试样预处理
1.2.2 等离子体处理
1.2.3 纳米TiO2负载
1.2.4 制备SeNPs@TiO2/PET
1.2.5 制备SeNWs@TiO2/PET
1.3 测试与表征
1.3.1 扫描电镜和EDS分析
1.3.2 X射线衍射分析(XRD)
1.3.3 X射线光电子能谱分析(XPS)
1.3.4 亲水性测试
1.3.5 光催化性能测试
1.3.6 抗菌性能测试
2. 结果与讨论
2.1 Se@TiO2/PET复合光催化材料的表面形貌
2.2 Se@TiO2/PET复合光催化材料的结晶结构分析
2.3 Se@TiO2/PET复合光催化材料的元素组成分析
2.4 Se@TiO2/PET复合光催化材料的荧光光谱分析
2.5 Se@TiO2/PET复合光催化材料的紫外吸收光谱分析
2.6 Se@TiO2/PET复合光催化材料的表面润湿性能分析
2.7 Se@TiO2/PET材料的光催化性能分析
2.8 Se@TiO2/PET复合光催化材料的抗菌性能分析
3. 结论

1. 实验材料及方法
1.1 原材料
1.2 实验方法
1.2.1 试样预处理
1.2.2 等离子体处理
1.2.3 纳米TiO₂负载
1.2.4 制备SeNPs@TiO₂/PET
1.2.5 制备SeNWs@TiO₂/PET
1.3 测试与表征
1.3.1 扫描电镜和EDS分析
1.3.2 X射线衍射分析(XRD)
1.3.3 X射线光电子能谱分析(XPS)
1.3.4 亲水性测试
1.3.5 光催化性能测试
1.3.6 抗菌性能测试
2. 结果与讨论
2.1 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的表面形貌
2.2 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的结晶结构分析
2.3 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的元素组成分析
2.4 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的荧光光谱分析
2.5 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的紫外吸收光谱分析
2.6 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的表面润湿性能分析
2.7 Se@TiO₂/PET材料的光催化性能分析
2.8 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的抗菌性能分析
3. 结论

参考文献(23)

施引文献

资源附件(0)

长摘要

创新点

CFRP防撞梁低速碰撞渐进损伤及优化

通讯作者: 朱孙科，博士，副教授，研究方向为复合材料结构损伤 E-mail：suncobest@163.com

计量

出版历程

Progressive damage and optimization of CFRP anti-collision beams in low-speed collision

1. 实验材料及方法

1.1 原材料

1.2 实验方法

1.2.1 试样预处理

1.2.2 等离子体处理

1.2.3 纳米TiO2负载

1.2.4 制备SeNPs@TiO2/PET

1.2.5 制备SeNWs@TiO2/PET

1.3 测试与表征

1.3.1 扫描电镜和EDS分析

1.3.2 X射线衍射分析(XRD)

1.3.3 X射线光电子能谱分析(XPS)

1.3.4 亲水性测试

1.3.5 光催化性能测试

1.3.6 抗菌性能测试

2. 结果与讨论

2.1 Se@TiO2/PET复合光催化材料的表面形貌

2.2 Se@TiO2/PET复合光催化材料的结晶结构分析

2.3 Se@TiO2/PET复合光催化材料的元素组成分析

2.4 Se@TiO2/PET复合光催化材料的荧光光谱分析

2.5 Se@TiO2/PET复合光催化材料的紫外吸收光谱分析

2.6 Se@TiO2/PET复合光催化材料的表面润湿性能分析

2.7 Se@TiO2/PET材料的光催化性能分析

2.8 Se@TiO2/PET复合光催化材料的抗菌性能分析

3. 结 论

期刊类型引用(1)

其他类型引用(0)

计量

出版历程

目录

1. 实验材料及方法

1.1 原材料

1.2 实验方法

1.2.1 试样预处理

1.2.2 等离子体处理

1.2.3 纳米TiO2负载

1.2.4 制备SeNPs@TiO2/PET

1.2.5 制备SeNWs@TiO2/PET

1.3 测试与表征

1.3.1 扫描电镜和EDS分析

1.3.2 X射线衍射分析(XRD)

1.3.3 X射线光电子能谱分析(XPS)

1.3.4 亲水性测试

1.3.5 光催化性能测试

1.3.6 抗菌性能测试

2. 结果与讨论

2.1 Se@TiO2/PET复合光催化材料的表面形貌

2.2 Se@TiO2/PET复合光催化材料的结晶结构分析

2.3 Se@TiO2/PET复合光催化材料的元素组成分析

2.4 Se@TiO2/PET复合光催化材料的荧光光谱分析

2.5 Se@TiO2/PET复合光催化材料的紫外吸收光谱分析

2.6 Se@TiO2/PET复合光催化材料的表面润湿性能分析

2.7 Se@TiO2/PET材料的光催化性能分析

2.8 Se@TiO2/PET复合光催化材料的抗菌性能分析

3. 结 论

通讯作者:
朱孙科，博士，副教授，研究方向为复合材料结构损伤　E-mail：suncobest@163.com

1.2.3 纳米TiO₂负载

1.2.4 制备SeNPs@TiO₂/PET

1.2.5 制备SeNWs@TiO₂/PET

2.1 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的表面形貌

2.2 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的结晶结构分析

2.3 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的元素组成分析

2.4 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的荧光光谱分析

2.5 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的紫外吸收光谱分析

2.6 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的表面润湿性能分析

2.7 Se@TiO₂/PET材料的光催化性能分析

2.8 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的抗菌性能分析

3. 结论

1.2.3 纳米TiO₂负载

1.2.4 制备SeNPs@TiO₂/PET

1.2.5 制备SeNWs@TiO₂/PET

2.1 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的表面形貌

2.2 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的结晶结构分析

2.3 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的元素组成分析

2.4 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的荧光光谱分析

2.5 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的紫外吸收光谱分析

2.6 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的表面润湿性能分析

2.7 Se@TiO₂/PET材料的光催化性能分析

2.8 Se@TiO₂/PET复合光催化材料的抗菌性能分析

3. 结论