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2021年  第38卷  第3期

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综述
珍珠母及其仿生复合材料力学行为的研究进展
卢子兴, 崔少康, 杨振宇
2021, 38(3): 641-667. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201208.002
摘要:
珍珠母是由天然文石晶片和有机基质构成的一种两相生物复合材料。其中,文石晶片通过典型交错层叠方式镶嵌在连续的有机基质中,形成高度有序的分级结构,使珍珠母呈现出远优于其组份材料的力学性能。因此,受到力学、材料学和生物学领域研究学者们的广泛关注。本文首先介绍了珍珠母材料的微结构特征及其基本变形机制和力学性能,然后分别从理论分析、数值模拟和实验制备三个角度出发综述了仿珍珠母复合材料的研究进展,重点讨论了这类仿生复合材料在变形过程中的强韧化机制,并分析了结构-性能之间的关系,最后对其可能的发展方向进行了展望。
超高温氧化物陶瓷激光增材制造技术与缺陷控制研究进展
申仲琳, 苏海军, 刘海方, 刘园, 赵迪, 郭敏, 张军, 刘林, 傅恒志
2021, 38(3): 668-679. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201022.001
摘要:
超高温氧化物陶瓷具有高强度、高硬度、天然杰出的抗氧化和抗腐蚀性能,被认为是极端氧化腐蚀环境下长期服役的理想高温结构材料。激光增材制造 (LAM) 技术以其特有的高效、快速、无需模具、柔性制造等优点,成为近年来直接快速制备高性能复杂结构陶瓷构件最具潜力的近净成形技术。本文概述了陶瓷材料LAM技术的原理,重点阐述了高性能氧化物陶瓷及其复合材料选择性激光烧结、选择性激光熔化和激光近净成形三种代表性的LAM技术成形特点、优势及应用,并探究了超高温氧化物陶瓷LAM中的缺陷控制方法。最后,展望了LAM高性能复杂结构超高温氧化物陶瓷的发展趋势和突破点。
石墨烯基聚合物复合电解质的设计、性能及其应用研究进展
杨富杰, 王亮, 阮文红, 章明秋, 容敏智
2021, 38(3): 680-697. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201126.002
摘要:
固态电化学器件具有柔性好、安全性能高及能量密度高等优点,属于极有前景的新一代化学能源器件。固态电解质是实现电化学器件固态化的关键,其中石墨烯基聚合物复合电解质由传统聚合物电解质发展而来,是一类含有石墨烯纳米填料和聚合物基体的新型固态电解质,具有较高的离子电导率、良好的加工性能及优异的界面特性,现已成为固态电化学器件研发中备受关注的电解质材料。本文着重讨论了近年来石墨烯基聚合物复合电解质的结构设计、性能机制及在各种电化学储能器件中应用的研究进展。
纤维增强形状记忆聚合物复合材料及其航天应用
张豆, 刘彦菊, 冷劲松
2021, 38(3): 698-711. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201224.002
摘要:
形状记忆聚合物(SMP)是一种能够保持临时形状,并在外界刺激下自发回复到其初始形状的智能材料,具有高形状固定率、高形状回复率、转变温度可调、变形能力强、质量轻等优点,但其应用受到响应方式单一和承载能力差的限制,通过向聚合物中添加功能颗粒或增强纤维制成形状记忆聚合物复合材料(SMPC),可有效解决这一问题。首先介绍了SMP形状记忆效应的原理,然后阐述了纤维增强型SMPC有限变形过程中纤维的微屈曲行为。最后对可变形结构在航天领域的应用进行了论述。
量子点/TiO2复合光催化材料的研究进展
卫思颖, 马建中, 范倩倩
2021, 38(3): 712-721. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201106.003
摘要:
近年,光催化技术已被广泛应用于污水处理、CO2还原、制氢等多个领域。在光催化材料中,TiO2由于具有化学稳定性高、来源广泛、价格低廉等优点,应用最广泛。但较宽的带隙及较高的电子及空穴复合效率使TiO2的光催化性能受到极大限制。量子点(QDs)作为一种受量子约束效应影响的纳米尺度粒子,具有载流子易调控和表面位点丰富等优势。因此,研究人员采用不同方法将TiO2与QDs复合,以增强TiO2的光催化性能,获得了系列具有优异光催化性能的QDs/TiO2复合光催化材料。本文主要综述了QDs/TiO2复合光催化材料的研究进展。首先,阐述了QDs/TiO2复合光催化材料的制备方法,并就QDs对TiO2光催化性能的增强机制进行了剖析;然后,总结了QDs/TiO2复合光催化材料在有机污染物降解、制氢及CO2还原方面的应用研究进展;最后,围绕QDs/TiO2复合光催化材料现阶段研究中的关键问题及未来的研究前景进行了展望。
树脂基复合材料
石墨烯纳米片/(酚酞聚芳醚酮-环氧树脂)双逾渗导热复合材料的制备和性能
欧阳泽宇, 王珂珂, 饶琼, 张志龙, 扶碧波, 彭雄奇
2021, 38(3): 722-731. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200806.003
摘要:
为在较低的导热填料含量下提高环氧树脂(EP)的热导率,通过溶液法制备了石墨烯纳米片/(酚酞聚芳醚酮-EP) (GNP/(PEK-C-EP))复合材料。基于接触角测量计算并预测了GNP的选择性分布,并通过SEM和激光闪光法研究了GNP和PEK-C含量对GNP/(PEK-C-EP)复合材料的微观结构和热导率的影响。结果表明,当PEK-C的含量为20wt%时,GNP选择性分布在PEK-C中,形成了双逾渗结构的GNP/(PEK-C-EP)复合材料,从而构建了连续导热通道。当GNP含量为1wt%时,GNP/EP复合材料导热率最高达0.375 W(m·K)−1。当GNP含量为0.5wt%时,GNP/(PEK-C-EP)复合材料导热率最高达0.371 W(m·K)−1,较GNP含量为0.5wt%的GNP/EP复合材料热导率高48%,与GNP含量为1wt%的GNP/EP复合材料的热导率基本相同。表明GNP/(PEK-C-EP)复合材料的填料量减少了50%,利用双逾渗效应可以有效减少导热填料用量。此外,比较了纯EP和GNP/(PEK-C-EP)复合材料的玻璃化转变温度、热稳定性和热膨胀系数,结果表明,GNP/(PEK-C-EP)复合材料的热性能优于纯EP。
聚酰亚胺颗粒层间增韧碳纤维/邻苯二甲腈树脂复合材料
赵泽华, 孙劲松, 郭颖, 李丽英, 李峥, 王国勇, 杨亚聃, 周恒, 李敏, 赵彤
2021, 38(3): 732-740. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201030.004
摘要:
邻苯二甲腈树脂是一种新型的高性能热固性树脂,具有优良的力学性能和耐高温性能,而邻苯二甲腈树脂本身的脆性限制了其用作结构材料方面的应用。本文采用热塑性聚酰亚胺(PI)颗粒对邻苯二甲腈树脂复合材料进行层间增韧改性,研究改性前后复合材料的耐热性能和力学性能。研究发现,使用PI对邻苯二甲腈复合材料进行改性时,随着掺入量的增加,复合材料的玻璃化转变温度降低。PI颗粒的引入会显著提高复合材料韧性,10wt% PI改性复合材料层间剪切强度提高了41.2%,15wt% PI改性复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性提高了156.3%。复合材料的层间能够清晰地观察到颗粒的存在;PI的质量分数进一步提高时,出现粒子团聚缺陷,导致复合材料的层间剪切强度下降。此外PI增韧邻苯二甲腈树脂复合材料在380℃下的层间剪切强度与未改性复合材料数值相当,该温度下PI颗粒的含量已不是影响复合材料韧性的主要因素。
电纺制备聚丙烯腈/聚偏氟乙烯复合纤维膜及其空气过滤性能
李俊, 伍文静, 孙金玺, 钱琦一, 唐逸飞, 张明洋
2021, 38(3): 741-748. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200814.001
摘要:
以聚偏氟乙烯(PVDF)为芯层,聚丙烯腈(PAN)为皮层,通过同轴法静电纺丝技术制备PAN/PVDF纳米复合纤维膜。通过向纤维膜的皮层中加入纳米硅粉、气相白炭黑、硅溶胶三种不同的纳米粒子和改变皮芯层溶液挤出速度对PAN/PVDF纳米纤维膜进行结构优化。同时,采用BET、SEM、水接触角、纤维强度仪等对纤维膜的孔结构参数、表面形貌、亲水性、力学性能等进行研究。结果表明:在皮层中加入硅溶胶后的溶液导电能力达到32.90 μL/cm,PAN/PVDF纤维膜力学性能最好,纵向断裂强度达到13.02 MPa。含有硅溶胶的口罩布的品质因子达到0.0236,远大于纯聚丙烯(PP)无纺布的品质因子(0.0127),过滤性显著提高。
改性剂对纳米片状羟基磷灰石/聚乳酸复合材料性能的影响
黄梽焕, 万怡灶, 朱享波, 张全超, 杨志伟, 罗红林
2021, 38(3): 749-760. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201028.001
摘要:
分别采用硅烷偶联剂(SC)和硬脂酸(SA)对纳米层片状羟基磷灰石(LHAp)进行表面改性,并通过挤塑工艺制备未改性和两种改性纳米片状羟基磷灰石(np-HAp)增强聚乳酸(PLA) (np-HAp/PLA、SC-np-HAp/PLA和SA-np-HAp/PLA)复合材料。比较了三种复合材料的微观结构、力学性能、热稳定性、结晶性及润湿性。利用XRD、FTIR、XPS、SEM、TGA、DSC、力学性能测试和接触角测试对复合材料的理化性能进行表征。研究发现,np-HAp、SA-np-HAp与PLA界面处存在相分离,而SC-np-HA与PLA两相界面结合紧密;与np-HAp/PLA复合材料相比,SC-np-HAp/PLA复合材料的压缩屈服强度和拉伸强度分别提高了9.4%和6.6%,而SA-np-HAp/PLA复合材料的压缩屈服强度和拉伸强度则出现减小;此外,与np-HAp/PLA复合材料相比,SC-np-HAp/PLA和SA-np-HAp/PLA复合材料的初始分解温度分别提高了7.4%和5.6%,SC-np-HAp/PLA复合材料的结晶度提高了6.7%,SA-np-HAp/PLA复合材料的结晶度则减小了3.5%。水接触角测试结果表明,与np-HAp/PLA复合材料和SA-np-HAp/PLA复合材料相比,SC-np-HAp/PLA复合材料具有更为优异的亲水性。上述结果表明,经SC改性后的np-HAp具有与PLA基体更好的界面结合能力,为制备性能优异的骨植入复合材料提供借鉴。
抗氧剂/光稳定剂对3D打印光致变色木塑复合材料性能的影响
杨海英, 郭蕊, 任泽春, 许民
2021, 38(3): 761-769. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200617.002
摘要:
功能性光致变色木塑复合材料(PWPC)使用寿命通常较短,因此本研究将抗氧剂1010和光稳定剂770引入到PWPC中,以改善复合材料的力学和耐光疲劳等性能。采用熔融共混法制得杨木粉/聚乳酸(WF/PLA)基光致变色复合材料,通过熔融沉积技术(FDM)打印成型,对制备的WF/PLA复合材料力学、界面相容性、热稳定性和耐光疲劳性能进行分析表征。与WF/PLA复合材料相比,当只添加抗氧剂1010时,WF/PLA复合材料拉伸、弯曲和冲击强度分别提高了42.58%、23.25%、6.52%;只添加光稳定剂770时,WF/PLA复合材料拉伸强度提高,弯曲强度和冲击强度均下降。当抗氧剂1010与光稳定剂770以质量比为1∶1添加到WF/PLA复合材料中时,在这两种助剂的协同作用下,WF/PLA复合材料的拉伸强度提高了1.8%,弯曲和冲击强度分别减小了9.3%和22.1%,相比于其他复配体系样品,力学性能降低幅度最低。此外,与WF/PLA复合材料相比,抗氧剂1010与光稳定剂770质量比为1∶1的WF/PLA复合材料的热降解性能和耐光变疲劳性能得到改善,质量损失为5%时的温度为219.84℃。老化第10天,其表面颜色变化值ΔE由5.3增至6.7,增加了26.7%。
多壁碳纳米管-聚氨酯/聚丙烯复合材料导电网络结构的演变与性能调控
赵中国, 艾桃桃, 刘国瑞, 吴佩军, 贾仕奎, 申思扬
2021, 38(3): 770-779. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200622.001
摘要:
为研究多壁碳纳米管(MWCNTs)和热塑性弹性对MWCNTs-聚氨酯/聚丙烯(MWCNTs-TPU/PP)复合材料结晶性能、导电性能、拉伸性能及外场响应行为,通过溶液-熔融法制备了MWCNTs-TPU/PP复合材料。MWCNTs的引入能够提高MWCNTs-TPU/PP复合材料的导电性能和结晶性能,导电逾渗值质量分数约为1.9wt%,开始结晶温度从117.5℃提高到131.2℃。通过电阻仪和温控装置的联用在线表征了在不同热处理温度下导电网络的构建和破坏过程,随着热处理温度从110℃提高到175℃,MWCNTs-TPU/PP复合材料的导电性能和结晶度得到改善;TPU的引入能够显著降低MWCNTs-TPU/PP复合材料对温度的反应时间从约10 min缩短到约3 min,温度响应行为得到显著改善。通过拉伸数据分析表明,MWCNTs含量的增加能够提高MWCNTs-TPU/PP复合材料的拉伸强度和断裂伸长率,MWCNTs添加量为2.5wt%时,复合材料的拉伸强度从~35 MPa提高到~47 MPa;应变-电阻数据表明,TPU的引入能够改善MWCNTs-TPU/PP复合材料在循环拉伸过程中应变的可回复性和导电网络结构的稳定性。
碳纤维/聚醚醚酮单向带各向异性导电行为的尺度效应
张金纳, 王朝阳, 朱世杰, 杨向涛, 吴海宏, 黄明
2021, 38(3): 780-787. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200713.004
摘要:
具有导电各向异性的高分子复合材料(ACPCs)在场发射装置及传感器设计领域具有重要应用。常规的ACPCs很难获得超大导电各向异性系数,且力学性能有限。本文采用碳纤维(CF)宽展、表面浸润与树脂复合一体化超薄热塑性单向带制备方法,制备厚度为0.04 mm和0.1 mm的CF增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料单向带,以PEEK纤维为纬线制备CF/PEEK复合材料单向编织布,采用热成型工艺制备CF/PEEK复合材料单向层合板。利用数字万用表和霍尔效应系统测试层合板面内及厚度方向的电阻率和面内的电子迁移率;采用超景深显微镜观察CF/PEEK复合材料单向层合板面内和厚度方向的纤维排列形貌。结果表明,超薄CF/PEEK复合材料单向层合板面内(纤维方向与横向)导电率之比高达377,而面内横向和厚度方向的导电率之比接近1,表明CF/PEEK复合材料获得了良好的横观各向同性;超薄化CF/PEEK复合材料的面内电子迁移行为同样具有巨大的各向异性,这一结果为CF/PEEK复合材料在场发射器件、传感器设计及其灵敏度调控方面提供了实验基础。
微胶囊层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的超声导波评价
王奔, 于晓启, 赵国旗, 骆英, 郝文峰
2021, 38(3): 788-796. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200619.002
摘要:
选用微胶囊作为改性材料,采用热压机层压成型工艺制备出微胶囊层间增韧T300碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料。通过双悬臂梁(DCB)Ⅰ型层间断裂试验评估了CF/EP复合材料的增韧效果。利用超声导波技术对普通CF/EP复合材料和增韧CF/EP复合材料层间力学性能进行评价。通过SEM对CF/EP复合材料层间断面微观形貌进行观察,以揭示微胶囊的增韧机制,同时对超声导波检测结果进行辅助说明。结果表明,微胶囊以团聚形式分布在层间基体中,可以有效提高CF/EP复合材料的层间断裂韧性。微胶囊的填充改变了CF/EP复合材料层间基体特性,增加了导波传播过程中的衰减,导致响应信号峰值降低。同时,团聚的微胶囊改变了CF/EP复合材料对于中心频率125 kHz五峰波激励的振动响应,导致中心频率在信号频谱中的幅值低于普通CF/EP复合材料。
碳纤维增强环氧树脂复合材料金字塔点阵夹芯假脚结构在竖向载荷下的力学性能
唐玉玲, 陈浩, 平学成, 张琰
2021, 38(3): 797-808. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200717.002
摘要:
对碳纤维增强树脂复合材料金字塔点阵夹芯假脚结构在竖向载荷下的力学性能进行研究。制备了三种不同相对密度的假脚,并进行了竖向载荷压缩试验。结果表明,相对密度对结构力学性能的影响显著,载荷-位移曲线呈非线性,峰值载荷和刚度值随相对密度的增加而增大,三种相对密度的破坏模式均为节点的失效和面板的皱曲,结构具有一定的能量吸收能力。建立了金字塔点阵夹芯假脚结构的理论强度预报模型,给出了结构在竖向载荷作用下的挠度响应,获得了四种失效模式和临界破坏载荷。对比了理论计算与试验的峰值载荷、破坏模式和挠度,得到较好的一致性。给出假脚结构参数(面板厚度、杆件角度和杆件直径)对破坏模式和破坏临界载荷的影响,并绘制了结构失效机制图。
树脂传递模塑成型复合材料机翼干斑成因及控制方法
宋国莲, 郑锡涛, 刘振东, 陈牛
2021, 38(3): 809-815. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201030.003
摘要:
基于树脂传递模塑成型(RTM)工艺制作了整体成型的复合材料机翼,并针对机翼出现的干斑缺陷,采用PAM-RTM软件对干斑的成因进行分析,一方面由于上下翼面和前缘交接区域的纤维体积分数较高,导致该区域的树脂渗透率低于其他区域,从而出现包络现象,形成干斑;另一方面由于边缘效应的影响,使机翼内产生树脂快速流动通道,造成气泡包裹形成干斑。提出了有效减小干斑缺陷的控制方法,即设计两种改进的注胶方案来减小干斑区域。通过对比发现,前缘线注射方式产生的干斑区域明显较小,但注胶时间增加;通过提高树脂注射温度可降低树脂黏度,从而减少充模时间,同时通过控制出胶口的开闭可进一步减少注胶时间。
金属和陶瓷基复合材料
纳米核壳型Ag@Fe3O4复合材料的制备、催化及抑菌性能
郭少波, 梁艳莉, 季晓晖, 兰阿峰, 黄佩, 杜全超, 马剑琪
2021, 38(3): 816-823. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200623.001
摘要:
采用“一锅法”制备纳米核-壳结构的Ag@Fe3O4复合材料。利用TEM、XRD、UV-vis DRS、振动探针式磁强计(VSM)对Ag@Fe3O4复合材料进行表征。以甲基橙为目标污染物,研究Ag@Fe3O4复合材料在过量NaBH4介质中加氢还原的催化活性,并探讨其催化机制;以单质Ag和Fe3O4作参比,研究Ag@Fe3O4复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌性能。结果表明,在10 min内,Ag@Fe3O4复合材料对甲基橙的加氢还原催化率为98%以上,且活性Ag转移电子至甲基橙的N=N键,使其断裂还原成对氨基苯磺酸钠和对二氨基苯;抑菌实验表明,Ag@Fe3O4复合材料比单质Ag具有更强的抑菌活性,并对细胞壁中含有更薄的磷脂双分子层的大肠杆菌更为敏感。
不连续界面相Al4C3对SiC/Al复合材料界面结合影响的第一性原理及实验
邹爱华, 周贤良, 康志兵, 吴开阳, 苏玉琴
2021, 38(3): 824-831. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200713.002
摘要:
采用密度泛函理论的第一性原理及实验相结合的方法,探讨了不连续界面相Al4C3对SiC/Al复合材料界面结合的影响,并与无界面新相生成时进行对比。研究表明,当Al(111)表面吸附C原子时,在Bridge位置上吸附C原子最为稳定;随着C覆盖率的增加,C原子吸附能逐渐减小;当界面相呈不连续分布时,界面由原来的SiC/Al转变为(SiC+Al4C3)/Al,界面黏着功由原来的0.851 J/m2增加至1.231 J/m2,这主要由于当C原子在Al表面吸附时,C原子和Al原子间形成共价键和离子键,且与界面处的Si原子也形成共价键,从而促进界面结合。利用第一性原理计算的SiC/Al和(SiC+Al4C3)/Al体系黏着功与实验值较为接近,且变化规律相同,具有较高的参考价值。
可循环利用BiOBr/石墨烯水凝胶复合材料的制备及其对丁基钠黄药的降解性能
常亮亮, 于艳, 曹宝月, 乔成芳
2021, 38(3): 832-842. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200703.002
摘要:
本文利用水热法合成BiOBr/石墨烯(BiOBr/RGO)水凝胶复合材料,采用XRD、SEM等手段表征复合材料的组成、形貌特征,并探究了BiOBr/RGO水凝胶复合材料对正丁基钠黄药的降解性能。结果表明,成功制备出有利于回收利用的三维宏观BiOBr/RGO水凝胶复合材料;50 mL浓度为25 mg/L的正丁基钠黄药溶液,降解时间为85 min时,10 mg BiOBr/RGO水凝胶复合材料(BiOBr质量分数为92wt%)对黄药的降解率可达96.69%,而纯BiOBr降解率仅为44.84%。总之,RGO的引入可以提升BiOBr的光催化性能,且宏观材料有利于回收再利用。
用于空气过滤的改性大豆蛋白-细菌纤维素复合材料的制备及性能
贺玮, 刘晓彤, 郑裕东, 王慧颖, 谢亚杰, 冯照喧, 王岩森, 刘晓冰
2021, 38(3): 843-853. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200727.001
摘要:
采用大豆蛋白和细菌纤维素(BC)为原材料,制备环保型空气过滤复合材料,用于过滤污染空气。首先,采用Nagano法对大豆蛋白进行提纯和成分分离,得到溶解度较高的7S和11S成分。然后,用丙烯酸对大豆分离蛋白(SPI)、7S和11S进行改性处理,使埋藏于大豆蛋白内部的官能团充分暴露。最后,将处理后的大豆蛋白与BC复合,制备出改性大豆蛋白-BC (MSPI-BC、M7S-BC和M11S-BC)复合材料。评估了改性大豆蛋白-BC复合材料的微观形貌及其对污染空气的过滤效率、吸附性能和透气性等。结果表明,MSPI在BC中分布极为不均匀,在多处产生聚集;而M7S和M11S蛋白均匀包覆在BC表面,无聚集现象。MSPI-BC、M7S-BC和M11S-BC复合材料对PM2.5的过滤效率分别为73.07%±0.02%、82.13%±0.01%和85.44%±0.02%。与MSPI-BC复合材料相比,M7S-BC和M11S-BC复合材料对空气中颗粒污染物的吸附量更大。本文制备出的改性大豆蛋白-BC复合材料结构稳定,具有较高的过滤效率,且环保无污染,在空气过滤领域有广阔的应用价值。
超浸润性可逆切换的超双疏复合海绵材料的制备及油水分离应用
何影格, 陈媛媛, 刘维仪, 张延宗
2021, 38(3): 854-862. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200709.001
摘要:
通过简单的溶胶-凝胶法制备了全氟癸基三甲氧基硅烷(PFDMS)-正癸酸(DA)-TiO2溶液,经浸泡后得到PFDMS-DA-TiO2超双疏海绵。PFDMS-DA-TiO2超双疏海绵在质量分数为25wt%~28wt%的氨气诱导下,表面浸润性由超双疏切换为超亲水-空气中超疏油。利用FTIR和SEM对改性前后PFDMS-DA-TiO2海绵表面进行表征,分析其化学组成和表面形貌,研究了DA的体积比对PFDMS-DA-TiO2超双疏海绵表面浸润性可逆切换效果的影响,并对其耐盐性、耐磨性及油水分离性能进行了测试。结果表明:DA的最佳体积比为5.8%,其油水分离效率与通量分别可达99.6%、4775 L/(m2·h)。PFDMS-DA-TiO2超双疏海绵经磨损实验及在质量分数为3.5wt%的NaCl溶液中浸泡12 h后,均保持优异的超双疏性能,表现出较高的耐磨性和耐盐性。经氨气诱导,其表面浸润性在超双疏与超亲水-空气中超疏油之间可逆切换20次后,两种润湿性能仍能各自保持稳定,可用于实际工业中高效可控地分离油水混合物。
Sn量子点/石墨烯复合材料的合成及储锂性能
沈丁, 储诚议, 王来贵, 董伟, 刘耀汉, 李明月, 杨绍斌
2021, 38(3): 863-870. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200826.003
摘要:
Sn基材料是目前高容量锂离子电池电极材料研究的热点,但循环性能较差阻碍了其大规模应用。以氧化石墨烯为载体,通过化学还原法在载体表面成功均匀负载<10 nm的Sn量子点,合成Sn量子点/石墨烯(SnQds/rGO)复合电极材料。结果表明,Sn质量分数为90wt%的SnQds/rGO复合材料具有良好的综合电化学性能,首次放电容量和库伦效率分别为939 mAh/g和66.6%,经过200次循环后容量可达621 mAh/g,容量保持率为66.1%。小尺寸的Sn量子点与石墨烯复合能够增强电极材料的结构稳定性和降低阻抗,改善电极材料的循环性能和倍率性能,但会导致首次库伦效率有所降低。
高性能自支撑CuS/SnS2锂电池负极材料
张鹏, 刘洋, 陈明华, 孙凤莲
2021, 38(3): 871-878. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200921.002
摘要:
过渡金属硫化物作为锂电池负极材料具有极高比容量,但其制备的电极普遍存在导电性差、体积变化大等问题,本研究设计了一种新型的自支撑CuS/SnS2镂空片状锂电池负极材料,以导电碳布作为基底,生长包覆CuS/SnS2镂空纳米片,具备特殊的纳米包覆结构及双金属协同效应,使其在保持较高比容量的同时具备良好的循环稳定性,整体电化学性能优异。研究不同Cu/Sn含量对CuS/SnS2负极材料电化学性能的影响,最佳配比的CuS/SnS2负极材料在0.2 A·g−1电流密度下循环50次后比容量为1480 mAh·g−1,库伦效率稳定在99.5%,在2 A·g−1电流密度下循环200次后比容量仍能保持在697 mAh·g−1,库伦效率为99.8%。
消泡剂和增稠剂复掺对模袋混凝土抗冻性的影响
于峰, 娄宗科, 姚汝方, 谢天逸
2021, 38(3): 879-890. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200713.001
摘要:
为使模袋混凝土在大流动性下达到高抗冻性,应用正交试验法研究了含气量、消泡剂和增稠剂对混凝土工作性和抗冻性的影响。结果表明,含气量和消泡剂掺量是影响模袋混凝土相对动弹性模量的显著因素,且含气量影响效果显著大于消泡剂掺量,增稠剂掺量对相对动弹性模量的提高幅度较小。消泡剂和增稠剂复掺能够达到协同改善模袋混凝土工作性、孔结构和抗冻性的效果,当含气量为5vol%~6vol%时,0.15wt%消泡剂和0.03wt%增稠剂复掺使模袋混凝土含气量损失率减小了64.28%、扩展度损失率减小了55.04%;主要消除有害大气泡数量达81.38%,增加小气泡数量达14.89%,使气泡间距系数减小了11.54%,气泡比表面积减小了20.49%,相对动弹性模量增大了11.97%。气泡间距系数和气泡比表面积均与相对动弹性模量具有良好的相关性;当气泡间距系数不大于361 μm、气泡比表面积不小于16.13 mm−1时,模袋混凝土抗冻等级可达F300。通过对试验结果的回归分析,建立了模袋混凝土抗冻性预测模型。
聚丙烯纤维增强水泥复合材料抗冲蚀性能及冲蚀机制
郝贠洪, 刘艳晨, 李永贵, 高峰
2021, 38(3): 891-901. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200723.006
摘要:
针对内蒙古中西部地区风沙环境特征,利用模拟风沙环境侵蚀试验系统,研究了不同聚丙烯(PP)纤维掺量的PP纤维/水泥复合材料在风沙环境中的抗冲蚀性能,并利用SEM观测冲蚀后微观形貌,探究其冲蚀机制。结果表明:不同PP纤维掺量的PP纤维/水泥复合材料冲蚀率大小为:普通水泥砂浆>PP纤维质量比为1.5%的PP纤维/水泥复合材料>PP纤维质量比为0.5%的PP纤维/水泥复合材料(PP与胶凝材料的质量比),且在一定的冲蚀时间范围内,冲蚀损伤演化特征发生显著变化;不同PP纤维掺量的PP纤维/水泥复合材料冲蚀率随冲蚀角度的增加而增大,且在冲蚀角度为90°时出现不同的峰值,符合脆性材料特征;分析材料表面受粒子冲蚀过程的表面接触应力,结合冲蚀后微观形貌,表明适量PP纤维的掺入有助于提高PP纤维/水泥复合材料的密实程度,增加韧性,过量PP纤维的掺入会造成分散不均匀,降低砂浆密实度和抗冲蚀能力;通过合理匹配PP纤维掺量可制备出具有优异抗冲蚀性能的PP纤维/水泥复合材料。
聚乙烯醇纤维增强水泥复合材料板的冲切性能
李安令, 张朝辉, 郭帅成, 朱德举
2021, 38(3): 902-910. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200616.001
摘要:
利用MTS试验机对聚乙烯醇纤维(PVA)/水泥复合材料板进行准静态冲切试验,研究了不同PVA纤维掺量对其破坏形态和承载力的影响。结果表明:掺入PVA纤维能够将水泥基板的破坏形态由脆性破坏转为延性破坏。PVA/水泥复合材料板的冲切极限荷载和耗能能力均随PVA纤维掺量增加而增大,其中耗能能力的增大更显著。进一步采用Instron 落锤冲击系统对PVA纤维体积分数为2vol%的PVA/水泥复合材料板进行动力冲切试验,研究冲切速度(2.0~4.2 m/s)对PVA/水泥复合材料板的破坏形态、初裂荷载、极限荷载、初始刚度及耗能性能的影响。结果表明:与准静态试验相比,冲切荷载作用下PVA/水泥复合材料板的极限荷载增大,而耗能减少;此外相对初裂荷载和耗能,极限荷载的冲切速度相关性最显著。基于上述结果,构建了纤维增强水泥复合材料四线型拉伸本构模型,并通过反算模型和塑性铰线方法对纤维增强水泥复合材料板的冲切力学性能进行模拟,并得到材料的本构参数。本研究可以为PVA/水泥复合材料的抗冲切设计提供技术支撑。
用于低温贮箱的铝合金-硬质聚氨酯泡沫夹芯共底设计与分析
李克诚, 杨雷, 高东岳, 柳敏静, 徐新生, 武湛君
2021, 38(3): 911-919. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200714.002
摘要:
采用铝合金面板-硬质聚氨酯泡沫夹芯的复合式夹层构型,设计了一种用于低温火箭推进剂贮箱的共底结构,其具有轻量化、易于制造、承载/隔热一体化的特点。通过数值模拟手段,对该共底的隔热效果、结构稳定性及热力耦合问题进行分析。结果表明,该共底满足低温液氢/液氧贮箱隔热要求,在0.342 MPa压差下不失稳,单箱打压低于0.5 MPa时材料不失效。此结构的设计分析可为新型低温贮箱共底的设计提供技术支持。
偏心受拉作用下预应力CFRP筋-型钢混凝土构件抗裂试验
张鹏, 桂金洋, 邓宇, 沈民合, 孙飞, 赵晓冬
2021, 38(3): 920-931. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200710.001
摘要:
为解决我国型钢混凝土桁架转换层拉杆及低层角柱在正常使用阶段易出现大面积拉裂缝的问题,以轻质高强、防腐的碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)筋为预应力筋,提出可有效控制裂缝的预应力CFRP筋-型钢混凝土结构体系,并对其偏心受拉作用下的抗裂性能进行系统研究。以预应力水平、偏心距、纵筋直径及型钢翼缘厚度为主要参数制作11个构件,通过自行研发的拉-压转换桁架实现偏拉加载。结果表明:引入CFRP筋后CFRP筋-型钢混凝土构件抗裂度大幅提升,相较于普通偏拉构件,预应力大偏拉构件开裂荷载提高了64.8%~102.3%,预应力小偏拉构件提高了61.7%~117%,其抗裂性能与预应力水平、纵筋直径和型钢翼缘厚度正相关,与偏心距负相关。参照组合结构设计规范,提出构件开裂阶段中和轴的三种位置分布,并推导出开裂荷载公式,与试验值比较吻合度较高,可为其他复合材料筋在预应力偏拉体系的应用提供参考。
考虑拉伸刚化效应的FRP筋/混凝土轴拉构件变形计算方法
范兴朗, 黄俊超, 吴熙, 周欣竹
2021, 38(3): 932-943. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200623.003
摘要:
考虑拉伸刚化效应是精确计算纤维增强树脂复合材料(FRP)筋/混凝土构件变形和裂缝的基础。提出了考虑拉伸刚化效应的FRP筋/混凝土拉伸构件变形计算的解析方法。首先,对修正Eligehausen黏结滑移模型(修正BPE模型)进行简化提出四线性黏结-滑移模型。根据该模型推导了拉伸构件在不同拉伸荷载阶段的FRP筋、混凝土应力和变形及黏结力和滑移量的分布表达式。结合混凝土开裂判别方法,提出了FRP筋/混凝土拉伸构件的全过程变形计算方法。通过与已有文献试验结果对比验证了本文方法的准确性。对影响拉伸刚化的一些参数进行了敏感性分析。结果表明,混凝土强度和配筋率对拉伸刚化效应影响不大,FRP筋弹性模量是影响拉伸刚化效应的主要因素。
重组竹顺纹受压蠕变性能及预测模型
陈思, 魏洋, 赵鲲鹏, 杭晨, 赵康
2021, 38(3): 944-952. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200615.002
摘要:
为研究重组竹顺纹受压蠕变性能,对12个重组竹受压试件进行了蠕变试验,通过分析蠕变增长率和Burgers模型中各参数,得到重组竹受压试件受压蠕变变化规律。结果表明,重组竹在持续受压荷载作用下,应力水平较低时,蠕变变形发展稳定,不会发生承载力破坏;应力水平较大时(达到60%极限载荷水平),将会直接导致重组竹受压屈曲破坏,蠕变变形呈非稳定性增长;重组竹受压蠕变应变增长率随时间增加而逐渐增大,其增长速率则呈减速状态,受压蠕变的应变增长率随应力比增加而增大。基于试验结果,分析了重组竹受压蠕变试验的弹性变形、黏弹性变形和黏性变形的变化规律,对不同荷载水平的Burgers模型参数进行确定,并进一步推导了Burgers模型参数随应力水平的变化规律。基于此,建议考虑荷载水平的重组竹受压蠕变预测模型,模型预测结果与试验曲线一致。
冻融循环作用下玄武岩纤维-矿渣粉-粉煤灰混凝土压拉强度试验与细观结构
吴倩云, 马芹永, 王莹
2021, 38(3): 953-965. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200722.002
摘要:
对玄武岩纤维-矿渣粉-粉煤灰混凝土(BF-SP-FAC)进行了单轴抗压试验、劈裂抗拉试验、冻融循环试验、气孔结构测试试验和SEM分析。研究了不同冻融次数下BF-SP-FAC冻融损伤量、抗压强度、抗拉强度的变化,分析了气孔结构参数(含气量、气孔比表面积、气泡间距系数和气泡平均弦长)与BF-SP-FAC抗压强度、抗拉强度、冻融损伤量的关系,运用灰关联熵分析法讨论了BF-SP-FAC气孔结构参数对抗压强度、抗拉强度、冻融损伤量影响的主次关系。结果表明:相同冻融次数下,与其他纤维掺量相比,玄武岩纤维掺量为0.18vol%时,BF-SP-FAC抗冻性能较好,抗压强度和抗拉强度最高;在相同玄武岩纤维掺量下,随含气量、气泡间距系数、气泡平均弦长的增大,BF-SP-FAC抗压强度和抗拉强度减小,而冻融损伤量增大;随气孔比表面积的增加,BF-SP-FAC抗压强度和抗拉强度增大,而冻融损伤量减小。气孔比表面积是影响BF-SP-FAC强度的最主要因素,而气泡平均弦长是影响BF-SP-FAC冻融损伤量的主要因素,最小灰熵关联度分别为0.998和0.993。气孔结构参数与强度、冻融损伤关系的建立,可预估混凝土的强度与冻融损伤。
硫酸盐环境中CFRP约束劣化混凝土柱的力学性能
张家玮, 邵利君, 刘生纬, 罗方余, 杨治国, 张戎令
2021, 38(3): 966-978. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201210.002
摘要:
为研究碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固经硫酸盐腐蚀劣化后混凝土柱的力学性能,构建CFRP约束劣化混凝土的力学模型,采用CFRP约束普通混凝土后腐蚀和CFRP约束劣化混凝土两种工况进行试验,在试验研究基础上,引入损伤率及强度保持率作为损伤的量化指标,建立两者之间的关系;通过对CFRP约束混凝土强度及应变规律的回归分析,建立适用于硫酸盐环境下CFRP约束劣化混凝土的极限强度、应变模型及应力-应变关系模型。结果表明:随侵蚀时间增长,两种工况下CFRP约束混凝土极限强度和应变的变化规律及劣化速度均不同。预劣化的混凝土柱虽然进行了表面处理,但内部已经存在损伤,在侵蚀环境中采用CFRP加固混凝土柱时,应该考虑混凝土初始损伤的影响。