2021年 第38卷 第6期
2021, (6): 1-5.
摘要:
2021, 38(6): 1629-1650.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210107.002
摘要:
轻质复合材料壳体结构具有轻质、高强及可设计性等优点，被广泛地应用在航空航天结构中。轻质复合材料壳体结构包含网格壳体结构、加筋壳体结构和夹芯壳体结构。本文首先针对这几种轻质复合材料壳体结构从制备方法到力学性能表征方面进行概述，制备方法主要包括纤维缠绕工艺、模压工艺和嵌锁组装工艺等，力学性能方面包含失效模式、动力学性能和阻尼性能等。另外，对夹芯结构的多功能化和智能化进行了简要介绍。其次，总结了轻质壳体结构的应用现状，特别是在航空航天领域，包括火箭适配器、火箭级间段、卫星承力筒、导弹整流罩、飞机舱段等结构。最后对未来发展方向进行了探讨。
轻质复合材料壳体结构具有轻质、高强及可设计性等优点，被广泛地应用在航空航天结构中。轻质复合材料壳体结构包含网格壳体结构、加筋壳体结构和夹芯壳体结构。本文首先针对这几种轻质复合材料壳体结构从制备方法到力学性能表征方面进行概述，制备方法主要包括纤维缠绕工艺、模压工艺和嵌锁组装工艺等，力学性能方面包含失效模式、动力学性能和阻尼性能等。另外，对夹芯结构的多功能化和智能化进行了简要介绍。其次，总结了轻质壳体结构的应用现状，特别是在航空航天领域，包括火箭适配器、火箭级间段、卫星承力筒、导弹整流罩、飞机舱段等结构。最后对未来发展方向进行了探讨。
2021, 38(6): 1651-1668.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210106.001
摘要:
4D打印是一门新兴的制造技术，所打印结构的形状、属性或功能在外部环境的刺激下会随着时间的推移而变化。智能软物质材料由于变形大，激励响应机制多，响应速度快等特点被广泛使用于4D打印中，尤其是形状记忆水凝胶和形状记忆聚合物。目前对复合软材料的刚度和弯曲形状的控制是4D打印在应用上的两个难题，建立4D打印复合结构的等效模量和曲率预测模型对复合软材料的力学性能的设计具有指导意义。本文对现有的4D打印复合结构的等效模量及弯曲曲率模型进行了概述，首先介绍了4D打印结构在静态和动态下的弹性模量预测模型，然后，重点综述了Stoney理论，Timoshenko理论和复合材料力学在复合软材料弯曲曲率建模上的应用。最后探讨了现有4D打印复合软材料力学预测模型存在的问题及主要发展的方向。
4D打印是一门新兴的制造技术，所打印结构的形状、属性或功能在外部环境的刺激下会随着时间的推移而变化。智能软物质材料由于变形大，激励响应机制多，响应速度快等特点被广泛使用于4D打印中，尤其是形状记忆水凝胶和形状记忆聚合物。目前对复合软材料的刚度和弯曲形状的控制是4D打印在应用上的两个难题，建立4D打印复合结构的等效模量和曲率预测模型对复合软材料的力学性能的设计具有指导意义。本文对现有的4D打印复合结构的等效模量及弯曲曲率模型进行了概述，首先介绍了4D打印结构在静态和动态下的弹性模量预测模型，然后，重点综述了Stoney理论，Timoshenko理论和复合材料力学在复合软材料弯曲曲率建模上的应用。最后探讨了现有4D打印复合软材料力学预测模型存在的问题及主要发展的方向。
2021, 38(6): 1669-1677.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210223.004
摘要:
在复合材料的结构设计中，复合材料的许用值是关键参数之一。通常采用B基准值这一统计量作为复合材料的许用值，B基准值是具有95%置信度的90%置信下限。准确计算复合材料的B基准值是复合材料安全、可靠应用的保障。本文归纳总结了复合材料B基准值计算方法的研究进展，详细分析了单点法、多环境样本合并法的计算原理、计算过程、适用条件等。结合工程实例数据，分析了不同方法对B基准值计算结果的影响。最后，对复合材料B基准值计算方法的发展趋势及预期研究方向进行了展望。
在复合材料的结构设计中，复合材料的许用值是关键参数之一。通常采用B基准值这一统计量作为复合材料的许用值，B基准值是具有95%置信度的90%置信下限。准确计算复合材料的B基准值是复合材料安全、可靠应用的保障。本文归纳总结了复合材料B基准值计算方法的研究进展，详细分析了单点法、多环境样本合并法的计算原理、计算过程、适用条件等。结合工程实例数据，分析了不同方法对B基准值计算结果的影响。最后，对复合材料B基准值计算方法的发展趋势及预期研究方向进行了展望。
2021, 38(6): 1678-1690.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210210.004
摘要:
发展锂离子电池是缓解当前能源和环境问题的有力措施，但其能量密度已无法满足未来储能装置的高要求。发展高比能量型锂离子电池必须从提高电极材料的性能入手。硅基材料具有容量高、成本低、平台电压低等优点，被认为是最具潜力的负极材料。然而，该类材料在充放电过程中会发生巨大的体积变化(300%)，导致电池容量下降严重甚至失效。近年来，研究者们开始着眼于通过对电极中的粘结剂进行结构设计和复合改性来提升硅基负极的性能，并取得了显著的效果。基于硅基负极目前存在的问题，总结了适用于硅基负极的粘结剂类型，并从粘结剂分子链结构设计和增强电极微粒间作用力这两个方面综述了近年来硅基负极中粘结剂的设计改性进展，最终展望了硅基负极用粘结剂的发展趋势和未来前景。
发展锂离子电池是缓解当前能源和环境问题的有力措施，但其能量密度已无法满足未来储能装置的高要求。发展高比能量型锂离子电池必须从提高电极材料的性能入手。硅基材料具有容量高、成本低、平台电压低等优点，被认为是最具潜力的负极材料。然而，该类材料在充放电过程中会发生巨大的体积变化(300%)，导致电池容量下降严重甚至失效。近年来，研究者们开始着眼于通过对电极中的粘结剂进行结构设计和复合改性来提升硅基负极的性能，并取得了显著的效果。基于硅基负极目前存在的问题，总结了适用于硅基负极的粘结剂类型，并从粘结剂分子链结构设计和增强电极微粒间作用力这两个方面综述了近年来硅基负极中粘结剂的设计改性进展，最终展望了硅基负极用粘结剂的发展趋势和未来前景。
2021, 38(6): 1691-1702.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210108.001
摘要:
胶原蛋白(COL)是一种绿色可再生的有机天然高分子材料，具有优异的生物相容性、可生物降解性和低抗原性等特点，将具有独特功能特性的无机纳米材料引入其中，可以开发出兼具二者优异性能的新型COL基纳米复合材料。然而，无机纳米材料与有机COL之间的界面结合特性会显著影响所制备复合材料的性能。因而，有必要研究纳米材料与COL之间的界面结合特性。本文系统回顾了未改性/有机化改性纳米材料对COL基纳米复合材料性能影响的研究现状，重点阐述了通过现代仪器分析表征方法和分子动力学模拟两种方法对纳米材料与COL之间的界面研究进展，对比了两种方法的优缺点，展望了COL基纳米复合材料性能及界面研究未来可能的发展趋势，指出在COL中引入新型纳米材料制备绿色化、多功能化、高性能化、应用多元化的COL基纳米复合材料及利用多种现代仪器分析方法和计算机模拟相结合的手段进行界面研究是未来的主要研究方向。
胶原蛋白(COL)是一种绿色可再生的有机天然高分子材料，具有优异的生物相容性、可生物降解性和低抗原性等特点，将具有独特功能特性的无机纳米材料引入其中，可以开发出兼具二者优异性能的新型COL基纳米复合材料。然而，无机纳米材料与有机COL之间的界面结合特性会显著影响所制备复合材料的性能。因而，有必要研究纳米材料与COL之间的界面结合特性。本文系统回顾了未改性/有机化改性纳米材料对COL基纳米复合材料性能影响的研究现状，重点阐述了通过现代仪器分析表征方法和分子动力学模拟两种方法对纳米材料与COL之间的界面研究进展，对比了两种方法的优缺点，展望了COL基纳米复合材料性能及界面研究未来可能的发展趋势，指出在COL中引入新型纳米材料制备绿色化、多功能化、高性能化、应用多元化的COL基纳米复合材料及利用多种现代仪器分析方法和计算机模拟相结合的手段进行界面研究是未来的主要研究方向。
2021, 38(6): 1703-1723.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210118.002
摘要:
癌症是目前全球范围内引起死亡的主要疾病之一，受到人们的高度重视。然而传统的癌症治疗方法仍存在许多缺陷，严重影响了癌症治疗效果并给患者带来了许多不利影响。随着纳米材料的发展，光动力疗法(PDT)和光热疗法(PTT)等新型治疗方法有效弥补了传统治疗方法的不足。其中，将不同成分的纳米半导体材料组合成一个纳米结构的异质结在光动力疗法和光热疗法上有着优异的表现。异质结材料因其特有光学特性和结构设计性，在催化、检测、多模态成像和肿瘤的协同治疗领域中有很大的应用潜力。本文根据结构分类对不同种类异质结的原理进行了大致介绍，并对近年来异质结材料在肿瘤的单重治疗、协同治疗与诊疗一体化中的研究进展进行了系统性的综述，最后对异质结材料在癌症诊断治疗领域的未来发展方向进行了展望。
癌症是目前全球范围内引起死亡的主要疾病之一，受到人们的高度重视。然而传统的癌症治疗方法仍存在许多缺陷，严重影响了癌症治疗效果并给患者带来了许多不利影响。随着纳米材料的发展，光动力疗法(PDT)和光热疗法(PTT)等新型治疗方法有效弥补了传统治疗方法的不足。其中，将不同成分的纳米半导体材料组合成一个纳米结构的异质结在光动力疗法和光热疗法上有着优异的表现。异质结材料因其特有光学特性和结构设计性，在催化、检测、多模态成像和肿瘤的协同治疗领域中有很大的应用潜力。本文根据结构分类对不同种类异质结的原理进行了大致介绍，并对近年来异质结材料在肿瘤的单重治疗、协同治疗与诊疗一体化中的研究进展进行了系统性的综述，最后对异质结材料在癌症诊断治疗领域的未来发展方向进行了展望。
2021, 38(6): 1724-1733.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210210.007
摘要:
电致变色器件(ECDs)在外加电场下颜色可以发生可逆改变，通常ECDs需要接入外部电路提供驱动电压，这限制了ECDs的应用。近年来，研究者将供电器件与ECDs整合，制备成为自供能的ECDs，并取得了显著的进展。太阳能、化学能和力学能均可通过合理利用作为ECDs变色的驱动能源，有效满足了ECDs的实际使用需求，极大地促进了ECDs研究领域的发展。本文综述了近年来自供能ECDs的研究进展，并对未来自供能ECDs的实际应用进行了展望。
电致变色器件(ECDs)在外加电场下颜色可以发生可逆改变，通常ECDs需要接入外部电路提供驱动电压，这限制了ECDs的应用。近年来，研究者将供电器件与ECDs整合，制备成为自供能的ECDs，并取得了显著的进展。太阳能、化学能和力学能均可通过合理利用作为ECDs变色的驱动能源，有效满足了ECDs的实际使用需求，极大地促进了ECDs研究领域的发展。本文综述了近年来自供能ECDs的研究进展，并对未来自供能ECDs的实际应用进行了展望。
2021, 38(6): 1734-1753.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210302.005
摘要:
木塑复合材料(WPCs)已广泛应用于建筑外墙板、户外铺板、室内装饰、园林景观、汽车内饰等非承重结构材料领域，但由于线型或支链型热塑性聚合物固有的粘弹特性决定了WPCs在受到长期力载荷时易发生蠕变变形，严重影响其作为承重结构材使用。因此抗蠕变是木塑产业界面临的重大技术瓶颈，也是学术界关注的核心科学问题。为更好地了解并改善WPCs的蠕变现象，本文综述了WPCs蠕变行为的研究进展，讨论了原材料、结构和环境条件等因素对其抗蠕变性能的影响，并对WPCs抗蠕变的改进方法进行了总结和分析。WPCs长期蠕变行为测试是评价其耐久性和安全性的必要手段，但传统的长期蠕变测试方法耗时且成本高昂。通过蠕变与时间、温度和外界应力等因素存在的经验关系，可以实现蠕变的加速测试。最后讨论了玻耳兹曼叠加原理、时间-温度-应力叠加原理、分步等温度法和分步等应力法等加速测试方法在WPCs长期蠕变预测中的应用。
木塑复合材料(WPCs)已广泛应用于建筑外墙板、户外铺板、室内装饰、园林景观、汽车内饰等非承重结构材料领域，但由于线型或支链型热塑性聚合物固有的粘弹特性决定了WPCs在受到长期力载荷时易发生蠕变变形，严重影响其作为承重结构材使用。因此抗蠕变是木塑产业界面临的重大技术瓶颈，也是学术界关注的核心科学问题。为更好地了解并改善WPCs的蠕变现象，本文综述了WPCs蠕变行为的研究进展，讨论了原材料、结构和环境条件等因素对其抗蠕变性能的影响，并对WPCs抗蠕变的改进方法进行了总结和分析。WPCs长期蠕变行为测试是评价其耐久性和安全性的必要手段，但传统的长期蠕变测试方法耗时且成本高昂。通过蠕变与时间、温度和外界应力等因素存在的经验关系，可以实现蠕变的加速测试。最后讨论了玻耳兹曼叠加原理、时间-温度-应力叠加原理、分步等温度法和分步等应力法等加速测试方法在WPCs长期蠕变预测中的应用。
2021, 38(6): 1754-1766.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201223.002
摘要:
分别制备了磁性Fe3O4@聚丙烯酸(Fe3O4@PAA)红霉素分子印迹聚合物(ERYMIP)和光降解TiO2@PAA ERYMIP，以期更好地分离或降解红霉素，从而提高处理残留红霉素的能力。采用SEM、XRD、FTIR、TG和磁滞回线(MHL)等对两种印迹聚合物的形貌、结构和性能进行了表征。实验表明Fe3O4@PAA ERYMIP具有超顺磁性；TiO2@PAA ERYMIP具有一定的光降解性能。Fe3O4@PAA ERYMIP和TiO2@PAA ERYMIP对ERY的最大吸附量分别为958.4 mg·g−1和1 170.2 mg·g−1，与其它抗生素相比具有良好的选择性。等温吸附研究发现Fe3O4@PAA ERYMIP和TiO2@PAA ERYMIP对ERY吸附均符合Langmuir模型；动力学研究发现Fe3O4@PAA ERYMIP和TiO2@PAA ERYMIP对ERY的吸附过程分别符合准二级和准一级模型。
分别制备了磁性Fe3O4@聚丙烯酸(Fe3O4@PAA)红霉素分子印迹聚合物(ERYMIP)和光降解TiO2@PAA ERYMIP，以期更好地分离或降解红霉素，从而提高处理残留红霉素的能力。采用SEM、XRD、FTIR、TG和磁滞回线(MHL)等对两种印迹聚合物的形貌、结构和性能进行了表征。实验表明Fe3O4@PAA ERYMIP具有超顺磁性；TiO2@PAA ERYMIP具有一定的光降解性能。Fe3O4@PAA ERYMIP和TiO2@PAA ERYMIP对ERY的最大吸附量分别为958.4 mg·g−1和1 170.2 mg·g−1，与其它抗生素相比具有良好的选择性。等温吸附研究发现Fe3O4@PAA ERYMIP和TiO2@PAA ERYMIP对ERY吸附均符合Langmuir模型；动力学研究发现Fe3O4@PAA ERYMIP和TiO2@PAA ERYMIP对ERY的吸附过程分别符合准二级和准一级模型。
2021, 38(6): 1767-1774.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201209.001
摘要:
Octet-truss是一种兼具轻质构型和多功能特点的三维点阵结构，为分析和验证其抗压缩性能，提出了一种采用连续纤维制备Octet-truss点阵夹芯板的方法，该方法设计了一套Octet-truss结构成型工装，采用该工装，运用空间编织法及树脂固化工艺制备了不同类型的玻璃纤维和凯夫拉纤维试件，并对试件进行了轴压测试，实验结果表明该方法制备的不同材质、不同尺寸的夹芯板力学性能稳定，验证了其制备工艺的可靠性，结合实验过程与SEM图像分析了玻璃纤维试件主要失效模式为节点附近纤维杆因纤维微屈曲出现断裂，凯夫拉纤维试件主要失效模式为纤维杆欧拉屈曲而出现弯曲破坏。
Octet-truss是一种兼具轻质构型和多功能特点的三维点阵结构，为分析和验证其抗压缩性能，提出了一种采用连续纤维制备Octet-truss点阵夹芯板的方法，该方法设计了一套Octet-truss结构成型工装，采用该工装，运用空间编织法及树脂固化工艺制备了不同类型的玻璃纤维和凯夫拉纤维试件，并对试件进行了轴压测试，实验结果表明该方法制备的不同材质、不同尺寸的夹芯板力学性能稳定，验证了其制备工艺的可靠性，结合实验过程与SEM图像分析了玻璃纤维试件主要失效模式为节点附近纤维杆因纤维微屈曲出现断裂，凯夫拉纤维试件主要失效模式为纤维杆欧拉屈曲而出现弯曲破坏。
2021, 38(6): 1775-1783.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200909.004
摘要:
为充分利用红枣精深加工产生的废弃物，以枣核(JP)和低密度聚乙烯(LLDPE)为主要材料，采用注塑成型法制备JP/LLDPE复合材料，并对其静态力学性能(拉伸、弯曲和冲击)和动态力学性能(动态黏弹性、蠕变行为和应力松弛行为)进行系统测试分析。静态力学性能分析表明，随JP含量的增加，JP/LLDPE复合材料的拉伸强度和冲击强度逐渐降低，但复合材料的弯曲强度得到明显的提升。当JP添加量为20wt%时，JP/LLDPE复合材料的弯曲强度最高，较纯LLDPE的弯曲强度提高63.57%；动态力学分析表明，JP含量的增加有利于提高JP/LLDPE复合材料的刚性、抗蠕变性能和抗应力松弛性能，而温度的升高会对JP/LLDPE复合材料的抗蠕变性能和抗应力松弛性能产生不利的影响。
为充分利用红枣精深加工产生的废弃物，以枣核(JP)和低密度聚乙烯(LLDPE)为主要材料，采用注塑成型法制备JP/LLDPE复合材料，并对其静态力学性能(拉伸、弯曲和冲击)和动态力学性能(动态黏弹性、蠕变行为和应力松弛行为)进行系统测试分析。静态力学性能分析表明，随JP含量的增加，JP/LLDPE复合材料的拉伸强度和冲击强度逐渐降低，但复合材料的弯曲强度得到明显的提升。当JP添加量为20wt%时，JP/LLDPE复合材料的弯曲强度最高，较纯LLDPE的弯曲强度提高63.57%；动态力学分析表明，JP含量的增加有利于提高JP/LLDPE复合材料的刚性、抗蠕变性能和抗应力松弛性能，而温度的升高会对JP/LLDPE复合材料的抗蠕变性能和抗应力松弛性能产生不利的影响。
2021, 38(6): 1784-1794.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201118.001
摘要:
对比研究了热塑性层间增韧和碳纳米管(CNT)膜层间混杂碳纤维(CF)/双马来酰亚胺复合材料不同层间结构调控方法，分析了其复合材料的压缩、动态力学、导电和电磁屏蔽等性能的变化。结果表明，热密实可显著降低层间CNT膜的厚度，抑制其局部富树脂程度，CNT膜-CF混杂复合材料的压缩强度得以提升，其压缩断口形貌明显不同于初始的CF复合材料。对比而言，热塑性树脂层间增韧CF复合材料的压缩强度明显低于CNT膜/CF混杂复合材料。CNT膜的加入贯通了混杂复合材料的层间导电通路，其厚度方向电导率提高了3个数量级，然而不同复合材料的体积电导率则表现出明显的“木桶效应”。值得关注的是，CNT膜层间混杂对提高CF复合材料的电磁屏蔽特性作用显著，其中致密CNT膜混杂复合材料的电磁屏蔽效能可达到90 dB。
对比研究了热塑性层间增韧和碳纳米管(CNT)膜层间混杂碳纤维(CF)/双马来酰亚胺复合材料不同层间结构调控方法，分析了其复合材料的压缩、动态力学、导电和电磁屏蔽等性能的变化。结果表明，热密实可显著降低层间CNT膜的厚度，抑制其局部富树脂程度，CNT膜-CF混杂复合材料的压缩强度得以提升，其压缩断口形貌明显不同于初始的CF复合材料。对比而言，热塑性树脂层间增韧CF复合材料的压缩强度明显低于CNT膜/CF混杂复合材料。CNT膜的加入贯通了混杂复合材料的层间导电通路，其厚度方向电导率提高了3个数量级，然而不同复合材料的体积电导率则表现出明显的“木桶效应”。值得关注的是，CNT膜层间混杂对提高CF复合材料的电磁屏蔽特性作用显著，其中致密CNT膜混杂复合材料的电磁屏蔽效能可达到90 dB。
2021, 38(6): 1795-1808.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200826.004
摘要:
为研究铺放工艺参数对复合材料预浸料丝束曲线铺贴质量的影响规律及作用机制，首先自主设计并搭建了可模拟铺丝机曲线铺贴运动的试验平台，进行了变铺放工艺参数与变铺放半径的预浸料丝束曲线铺贴试验。通过测量计算有效贴合长度比、褶皱角度及曲率半径比，并结合变铺放工艺参数的单因素剥离试验对铺放质量进行了表征。结果表明：曲线铺贴质量与预浸料丝束黏结力及弯曲刚度密切相关；随铺放温度、压力和张力增大、铺放速率减小，丝束黏结力上升，曲线铺贴质量提高；铺放温度升高引起的丝束弯曲刚度下降可提升曲线铺贴准确性，但过高的铺放温度会导致丝束黏性下降，曲线铺贴缺陷显著；铺放张力会改变丝束的受力状态，进而影响曲线铺贴路径的准确性；此外，曲线铺贴半径越小，铺放质量对工艺参数的变化越敏感。
为研究铺放工艺参数对复合材料预浸料丝束曲线铺贴质量的影响规律及作用机制，首先自主设计并搭建了可模拟铺丝机曲线铺贴运动的试验平台，进行了变铺放工艺参数与变铺放半径的预浸料丝束曲线铺贴试验。通过测量计算有效贴合长度比、褶皱角度及曲率半径比，并结合变铺放工艺参数的单因素剥离试验对铺放质量进行了表征。结果表明：曲线铺贴质量与预浸料丝束黏结力及弯曲刚度密切相关；随铺放温度、压力和张力增大、铺放速率减小，丝束黏结力上升，曲线铺贴质量提高；铺放温度升高引起的丝束弯曲刚度下降可提升曲线铺贴准确性，但过高的铺放温度会导致丝束黏性下降，曲线铺贴缺陷显著；铺放张力会改变丝束的受力状态，进而影响曲线铺贴路径的准确性；此外，曲线铺贴半径越小，铺放质量对工艺参数的变化越敏感。
2021, 38(6): 1809-1816.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201130.001
摘要:
以聚醚砜(PES)作为第三组分及活化PES作为连续碳纤维(CCF)的表面改性剂制备CCF/聚醚醚酮(PEEK)复合材料，重点研究CCF/PEEK复合材料的制备工艺方法对其性能的影响。结果表明：PES作为第三组分制备的CCF/PEEK复合材料，当填充16wt%的CCF时，复合材料表面电阻降低到107~109 Ω，出现导电逾渗状态，此时摩擦系数降到最低(0.2430)。活化PES作为表面改性剂制备的CCF/PEEK复合材料，当填充30wt%的CCF时，复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度分别提高到236.2 MPa、345.1 MPa、12.3 kJ/m2，相比无PES改性的CCF30/PEEK复合材料分别提高了13.69%，21.70%，36.97%，其中PES起到显著的均匀分散CCF与界面粘结作用。摩擦学研究结果表明，复合材料的摩擦性能不仅取决于润滑材料CCF在基体中的分布还取决于CCF与基体的界面作用力。
以聚醚砜(PES)作为第三组分及活化PES作为连续碳纤维(CCF)的表面改性剂制备CCF/聚醚醚酮(PEEK)复合材料，重点研究CCF/PEEK复合材料的制备工艺方法对其性能的影响。结果表明：PES作为第三组分制备的CCF/PEEK复合材料，当填充16wt%的CCF时，复合材料表面电阻降低到107~109 Ω，出现导电逾渗状态，此时摩擦系数降到最低(0.2430)。活化PES作为表面改性剂制备的CCF/PEEK复合材料，当填充30wt%的CCF时，复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度分别提高到236.2 MPa、345.1 MPa、12.3 kJ/m2，相比无PES改性的CCF30/PEEK复合材料分别提高了13.69%，21.70%，36.97%，其中PES起到显著的均匀分散CCF与界面粘结作用。摩擦学研究结果表明，复合材料的摩擦性能不仅取决于润滑材料CCF在基体中的分布还取决于CCF与基体的界面作用力。
2021, 38(6): 1817-1824.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201015.002
摘要:
压电纤维复合材料驱动器应用于航天器件中时要经历严酷的环境载荷，其中温度对压电纤维复合材料驱动性能的影响至关重要。本研究制备了三种不同聚合物基压电纤维复合材料，并在−15~60℃的环境温度下测试了压电纤维复合材料的自由应变性能。结果表明，不同聚合物基压电纤维复合材料的自由应变性能均强烈依赖于环境温度，其自由应变性能均呈现随温度升高先增大后减小的趋势。在−500~1 000 V、0.1 Hz的正弦激励电压下，低玻璃化转变温度(Tg)环氧树脂基和高Tg环氧树脂基压电纤维复合材料均在40℃时具有最大纵向自由应变值1 416×10−6和1 060×10−6，聚氨酯基压电纤维复合材料则在30℃时具有最大纵向自由应变值2 361×10−6，相较前两种分别提高了66.7%和122.7%。低Tg环氧树脂基和聚氨酯基压电纤维复合材料在−15℃时的纵向自由应变值较40℃时均下降了约27.5%，而高Tg环氧树脂基压电纤维复合材料在−15~60℃温度范围内具有更高的温度稳定性，其纵向自由应变值仅下降了10.5%。
压电纤维复合材料驱动器应用于航天器件中时要经历严酷的环境载荷，其中温度对压电纤维复合材料驱动性能的影响至关重要。本研究制备了三种不同聚合物基压电纤维复合材料，并在−15~60℃的环境温度下测试了压电纤维复合材料的自由应变性能。结果表明，不同聚合物基压电纤维复合材料的自由应变性能均强烈依赖于环境温度，其自由应变性能均呈现随温度升高先增大后减小的趋势。在−500~1 000 V、0.1 Hz的正弦激励电压下，低玻璃化转变温度(Tg)环氧树脂基和高Tg环氧树脂基压电纤维复合材料均在40℃时具有最大纵向自由应变值1 416×10−6和1 060×10−6，聚氨酯基压电纤维复合材料则在30℃时具有最大纵向自由应变值2 361×10−6，相较前两种分别提高了66.7%和122.7%。低Tg环氧树脂基和聚氨酯基压电纤维复合材料在−15℃时的纵向自由应变值较40℃时均下降了约27.5%，而高Tg环氧树脂基压电纤维复合材料在−15~60℃温度范围内具有更高的温度稳定性，其纵向自由应变值仅下降了10.5%。
2021, 38(6): 1825-1837.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200827.001
摘要:
为研究玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)约束壁式钢管混凝土矩形短柱的轴压力学性能，对1组无GFRP约束试件和2组GFRP约束试件进行静力轴压试验；根据试验结果提出壁式柱的强弱约束模型，并基于双剪统一强度理论建立GFRP约束壁式钢管混凝土柱的轴压承载力计算公式；最后建立有限元模型，将计算结果与试验对比，并进行参数化分析，研究钢材屈服强度和混凝土强度对新型壁式钢管混凝土柱轴压性能的影响。结果表明：壁式钢管混凝土柱最终因柱中混凝土压碎、钢管屈曲、试件变形过大而失效；钢材在试件第二线性段起点处开始屈服，钢材强度得到充分发挥，GFRP能有效提高构件峰值承载力，但延性有所下降；理论公式计算结果与试验值吻合较好；混凝土强度及钢材屈服强度均能有效提高承载能力，且钢材屈服强度对承载力的影响明显大于混凝土强度的影响。
为研究玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)约束壁式钢管混凝土矩形短柱的轴压力学性能，对1组无GFRP约束试件和2组GFRP约束试件进行静力轴压试验；根据试验结果提出壁式柱的强弱约束模型，并基于双剪统一强度理论建立GFRP约束壁式钢管混凝土柱的轴压承载力计算公式；最后建立有限元模型，将计算结果与试验对比，并进行参数化分析，研究钢材屈服强度和混凝土强度对新型壁式钢管混凝土柱轴压性能的影响。结果表明：壁式钢管混凝土柱最终因柱中混凝土压碎、钢管屈曲、试件变形过大而失效；钢材在试件第二线性段起点处开始屈服，钢材强度得到充分发挥，GFRP能有效提高构件峰值承载力，但延性有所下降；理论公式计算结果与试验值吻合较好；混凝土强度及钢材屈服强度均能有效提高承载能力，且钢材屈服强度对承载力的影响明显大于混凝土强度的影响。
2021, 38(6): 1838-1846.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200810.001
摘要:
以杨木纤维(WF)为增强材料，以高密度聚乙烯(HDPE)为基体，马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)为偶联剂，采用熔融挤出法制备了WF/HDPE复合材料。选取WF含量、偶联剂添加量、挤出温度为自变量，试件的抗冲击强度、弯曲强度、拉伸强度为响应值，采用Box-Behnken Design方法设计实验并利用响应曲面法建立WF/HDPE复合材料力学强度的二次多项数学模型，对WF/HDPE复合材料的挤出工艺进行优化设计。结果表明，WF添加量、MAPE添加量和挤出温度的最佳水平为：47.37wt%、4.23wt%、173.69℃，此时WF/HDPE复合材料的抗冲击强度为4.06 kJ·m−2，弯曲强度为43.79 MPa，拉伸强度为28.59 MPa。模型预测值与实测值误差小于5%，较好地反映了WF/HDPE复合材料力学性能与挤出工艺因素间的关系。
以杨木纤维(WF)为增强材料，以高密度聚乙烯(HDPE)为基体，马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)为偶联剂，采用熔融挤出法制备了WF/HDPE复合材料。选取WF含量、偶联剂添加量、挤出温度为自变量，试件的抗冲击强度、弯曲强度、拉伸强度为响应值，采用Box-Behnken Design方法设计实验并利用响应曲面法建立WF/HDPE复合材料力学强度的二次多项数学模型，对WF/HDPE复合材料的挤出工艺进行优化设计。结果表明，WF添加量、MAPE添加量和挤出温度的最佳水平为：47.37wt%、4.23wt%、173.69℃，此时WF/HDPE复合材料的抗冲击强度为4.06 kJ·m−2，弯曲强度为43.79 MPa，拉伸强度为28.59 MPa。模型预测值与实测值误差小于5%，较好地反映了WF/HDPE复合材料力学性能与挤出工艺因素间的关系。
2021, 38(6): 1847-1858.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200824.001
摘要:
基于遗传算法对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)层合板单搭胶接结构进行了多目标优化，以提高其结构性能。首先，通过三维Hashin准则和三角形内聚力模型建立三维有限元模型来预测CFRP层内损伤过程、层间失效和胶层损伤过程，并通过试验验证其有效性。其次，利用拉丁超立方抽样(LHS)方法和二次多项式响应面法(RSM)，基于搭接长度、胶层厚度和被胶接件宽度等胶接参数建立以拉伸强度和剪切强度为目标函数的多目标优化代理模型。最后，基于遗传算法(GA)对拉伸强度和剪切强度代理模型进行优化，得出一组Pareto解集，并基于理想解排序方法(TOPSIS)对Pareto非劣解集进行折中处理，得到最好的胶接参数设计方案。结果表明：CFRP层合板单搭胶接结构的数值模拟结果与试验结果相比具有很高的吻合度，验证了有限元方法的可靠性；CFRP层合板单搭胶接结构的拉伸强度和剪切强度与搭接长度、胶层厚度和被胶接件宽度具有显著的关联性；二次响应面代理模型结果与数值模拟结果相比误差均小于2.3%；与常规的单搭胶接结构方案进行对比，搭接拉伸强度和剪切强度分别提高了2.65%和17.24%。
基于遗传算法对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)层合板单搭胶接结构进行了多目标优化，以提高其结构性能。首先，通过三维Hashin准则和三角形内聚力模型建立三维有限元模型来预测CFRP层内损伤过程、层间失效和胶层损伤过程，并通过试验验证其有效性。其次，利用拉丁超立方抽样(LHS)方法和二次多项式响应面法(RSM)，基于搭接长度、胶层厚度和被胶接件宽度等胶接参数建立以拉伸强度和剪切强度为目标函数的多目标优化代理模型。最后，基于遗传算法(GA)对拉伸强度和剪切强度代理模型进行优化，得出一组Pareto解集，并基于理想解排序方法(TOPSIS)对Pareto非劣解集进行折中处理，得到最好的胶接参数设计方案。结果表明：CFRP层合板单搭胶接结构的数值模拟结果与试验结果相比具有很高的吻合度，验证了有限元方法的可靠性；CFRP层合板单搭胶接结构的拉伸强度和剪切强度与搭接长度、胶层厚度和被胶接件宽度具有显著的关联性；二次响应面代理模型结果与数值模拟结果相比误差均小于2.3%；与常规的单搭胶接结构方案进行对比，搭接拉伸强度和剪切强度分别提高了2.65%和17.24%。
2021, 38(6): 1859-1869.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200825.001
摘要:
强震或强风下，建筑结构中的隔震或消能装置受力大、变形大，这就要求阻尼材料的阻尼系数高，适用温度与室外环境匹配，具有大阻尼温域。目前，聚氨酯阻尼材料难以同时满足上述诸多指标性能，因而无法广泛应用于建筑结构减震领域。本文选择了玻璃纤维、石墨烯、四脚状氧化锌晶须及受阻酚小分子四种增强填料，以同时提高聚氨酯材料的阻尼性能、力学性能并改变其温度特性。通过正交试验设计了不同用量的聚氨酯复合阻尼材料，并进行基本物理力学性能和动态力学性能试验。根据动态热机械分析(DMA)试验结果，利用田口法进行损耗因子峰值tanδmax、大阻尼温域ΔT0.5和玻璃化转变温度Tg三个动态力学性能指标的信噪比分析和方差分析，以获得各指标的稳健性。依据各指标的重要性进行权重赋值，由层次分析法(AHP)构建多指标赋权评价方法，得到优化方案。并通过验证试验可知，优化后聚氨酯材料tanδmax为1.24，ΔT0.5为57℃，Tg为21.8℃，与初始组相比，其tanδmax提高了16.98%，ΔT0.5拓宽了46.91%。
强震或强风下，建筑结构中的隔震或消能装置受力大、变形大，这就要求阻尼材料的阻尼系数高，适用温度与室外环境匹配，具有大阻尼温域。目前，聚氨酯阻尼材料难以同时满足上述诸多指标性能，因而无法广泛应用于建筑结构减震领域。本文选择了玻璃纤维、石墨烯、四脚状氧化锌晶须及受阻酚小分子四种增强填料，以同时提高聚氨酯材料的阻尼性能、力学性能并改变其温度特性。通过正交试验设计了不同用量的聚氨酯复合阻尼材料，并进行基本物理力学性能和动态力学性能试验。根据动态热机械分析(DMA)试验结果，利用田口法进行损耗因子峰值tanδmax、大阻尼温域ΔT0.5和玻璃化转变温度Tg三个动态力学性能指标的信噪比分析和方差分析，以获得各指标的稳健性。依据各指标的重要性进行权重赋值，由层次分析法(AHP)构建多指标赋权评价方法，得到优化方案。并通过验证试验可知，优化后聚氨酯材料tanδmax为1.24，ΔT0.5为57℃，Tg为21.8℃，与初始组相比，其tanδmax提高了16.98%，ΔT0.5拓宽了46.91%。
2021, 38(6): 1870-1881.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200904.001
摘要:
工程实际中，玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)-混凝土组合梁往往出现较大的损伤而破坏，有必要对其破坏过程进行研究。为了研究此类构件的损伤特性，通过声发射仪器对1片GFRP工字梁和6片不同螺栓连接的GFRP-混凝土组合梁的四点弯曲试验加载的全过程进行了监测。并基于分形理论对试验梁加载过程的声发射能量信号进行了相空间重构，计算了试验梁各加载阶段的声发射能量信号分形维数值。研究表明，试验梁的声发射能量时间序列具有分形特征，且关联维数可很好地描述GFRP-混凝土组合梁损伤破坏的整个阶段；归纳各试验梁的声发射能量时间序列分维曲线的演化模式：纯弯段区域的损伤演化模式为“早期峰”至“低幅波动”；剪跨区的损伤演化模式为“低幅波动”至“持续高幅波动”；将试验梁加载过程的试验现象与分维值的演化相对照，则可将分维值的“持续高幅波动”作为试验梁失稳的前兆。根据关联维数，提出“损伤预警”的可能。其相应的分维值出现“持续高幅波动”，则损伤“预警点”出现，结构的承载力已达到其极限的70%左右，需要加强监测。
工程实际中，玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)-混凝土组合梁往往出现较大的损伤而破坏，有必要对其破坏过程进行研究。为了研究此类构件的损伤特性，通过声发射仪器对1片GFRP工字梁和6片不同螺栓连接的GFRP-混凝土组合梁的四点弯曲试验加载的全过程进行了监测。并基于分形理论对试验梁加载过程的声发射能量信号进行了相空间重构，计算了试验梁各加载阶段的声发射能量信号分形维数值。研究表明，试验梁的声发射能量时间序列具有分形特征，且关联维数可很好地描述GFRP-混凝土组合梁损伤破坏的整个阶段；归纳各试验梁的声发射能量时间序列分维曲线的演化模式：纯弯段区域的损伤演化模式为“早期峰”至“低幅波动”；剪跨区的损伤演化模式为“低幅波动”至“持续高幅波动”；将试验梁加载过程的试验现象与分维值的演化相对照，则可将分维值的“持续高幅波动”作为试验梁失稳的前兆。根据关联维数，提出“损伤预警”的可能。其相应的分维值出现“持续高幅波动”，则损伤“预警点”出现，结构的承载力已达到其极限的70%左右，需要加强监测。
2021, 38(6): 1882-1889.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200922.005
摘要:
通过改变煅烧过程中的气氛条件，以简单的固相法合成工艺获得了优异性能的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)材料，并探究了不同O2流量对样品的结构和电化学性能的影响。结果表明，当O2流量为0.1 L/min时，所合成的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2样品具有最低的阳离子混乱程度和较大的晶面间距。该样品在1 C、4.3 V下循环100次后的放电容量为174 mA·h·g−1，容量保持率高达98.3%；在更高的2 C倍率下循环100次后的保持率也达96.8%，并在高截止电压条件下表现良好。从实验结果还可得出，过低的O2流量不利于Ni2+转化为Ni3+，从而造成较高的阳离子混排度，而过高的O2流量则会使所合成LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的晶胞体积减小，不利于Li+的脱嵌。
通过改变煅烧过程中的气氛条件，以简单的固相法合成工艺获得了优异性能的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)材料，并探究了不同O2流量对样品的结构和电化学性能的影响。结果表明，当O2流量为0.1 L/min时，所合成的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2样品具有最低的阳离子混乱程度和较大的晶面间距。该样品在1 C、4.3 V下循环100次后的放电容量为174 mA·h·g−1，容量保持率高达98.3%；在更高的2 C倍率下循环100次后的保持率也达96.8%，并在高截止电压条件下表现良好。从实验结果还可得出，过低的O2流量不利于Ni2+转化为Ni3+，从而造成较高的阳离子混排度，而过高的O2流量则会使所合成LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的晶胞体积减小，不利于Li+的脱嵌。
2021, 38(6): 1890-1904.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201010.001
摘要:
以竹粉为碳源、ZnCl2为锌源、六水合硝酸铈(Ⅲ)(Ce(NO3)3·6H2O)为铈源，采用一锅法制备得到新型竹炭负载Ce掺杂ZnO复合材料(Ce-ZnO/BC)。利用XRD、FTIR、SEM、EDS、BET、XPS、紫外-可见光漫反射光谱(DRS)及光致荧光光谱(PL)对所制备复合材料进行全面表征，并对其光催化降解有机染料性能进行了研究。获得了催化材料的最佳制备条件：ZnCl2与竹粉浸渍比为3∶10，煅烧温度为500℃，Ce(NO3)3·6H2O加入量为ZnCl2的2.5%。所得材料分别以日光和紫外光为光源，在暗处吸附20 min，光照120 min、亚甲基蓝(MB)溶液50 mL(10 mg·L−1)，催化剂用量为40 mg 条件下，对MB降解率分别为92.2%和93.7%。并且研究结果表明，其催化MB降解符合一级反应动力学原理，催化剂具有一定的重复使用性能。
以竹粉为碳源、ZnCl2为锌源、六水合硝酸铈(Ⅲ)(Ce(NO3)3·6H2O)为铈源，采用一锅法制备得到新型竹炭负载Ce掺杂ZnO复合材料(Ce-ZnO/BC)。利用XRD、FTIR、SEM、EDS、BET、XPS、紫外-可见光漫反射光谱(DRS)及光致荧光光谱(PL)对所制备复合材料进行全面表征，并对其光催化降解有机染料性能进行了研究。获得了催化材料的最佳制备条件：ZnCl2与竹粉浸渍比为3∶10，煅烧温度为500℃，Ce(NO3)3·6H2O加入量为ZnCl2的2.5%。所得材料分别以日光和紫外光为光源，在暗处吸附20 min，光照120 min、亚甲基蓝(MB)溶液50 mL(10 mg·L−1)，催化剂用量为40 mg 条件下，对MB降解率分别为92.2%和93.7%。并且研究结果表明，其催化MB降解符合一级反应动力学原理，催化剂具有一定的重复使用性能。
2021, 38(6): 1905-1913.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200923.002
摘要:
采用高温饱和蒸汽对高含水率新鲜毛竹竹材进行热处理，再通过辊轧制备竹材工艺纤维(由多根纤维组成)，并运用光学显微、纳米压痕(NI)等分析技术研究了提取的工艺纤维的微观结构、化学组分、力学性能及吸湿特性。研究结果表明：高温饱和蒸汽处理可使细胞壁中半纤维发生降解，薄壁细胞由于壁薄更易受到破坏，在机械外力下薄壁细胞和维管束成功分离。纤维细胞壁中无定形物质的降解，木质素相对含量的增加及纤维素相对结晶度(CrI)的提高，改善了竹材工艺纤维的吸湿性能和细胞壁力学性能。经过饱和蒸汽处理后，纤维细胞壁的弹性模量(Er)和硬度分别增加了14.7%~29.4%和14.9%~38.5%。饱和蒸汽处理未对工艺纤维的拉伸性能产生明显影响，分离出的竹材工艺纤维最大拉伸强度和模量分别达到了765 MPa和24.8 GPa。另外，在不同部位处提取的工艺纤维在性能上存在一定差异：外侧区域分离的工艺纤维尺寸大于内侧；而竹间分离的工艺纤维拉伸性能优于竹节处的，因此在实际应用中可考虑分层提取、分级利用。
采用高温饱和蒸汽对高含水率新鲜毛竹竹材进行热处理，再通过辊轧制备竹材工艺纤维(由多根纤维组成)，并运用光学显微、纳米压痕(NI)等分析技术研究了提取的工艺纤维的微观结构、化学组分、力学性能及吸湿特性。研究结果表明：高温饱和蒸汽处理可使细胞壁中半纤维发生降解，薄壁细胞由于壁薄更易受到破坏，在机械外力下薄壁细胞和维管束成功分离。纤维细胞壁中无定形物质的降解，木质素相对含量的增加及纤维素相对结晶度(CrI)的提高，改善了竹材工艺纤维的吸湿性能和细胞壁力学性能。经过饱和蒸汽处理后，纤维细胞壁的弹性模量(Er)和硬度分别增加了14.7%~29.4%和14.9%~38.5%。饱和蒸汽处理未对工艺纤维的拉伸性能产生明显影响，分离出的竹材工艺纤维最大拉伸强度和模量分别达到了765 MPa和24.8 GPa。另外，在不同部位处提取的工艺纤维在性能上存在一定差异：外侧区域分离的工艺纤维尺寸大于内侧；而竹间分离的工艺纤维拉伸性能优于竹节处的，因此在实际应用中可考虑分层提取、分级利用。
2021, 38(6): 1914-1921.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200928.006
摘要:
以Al2O3改性的膨胀珍珠岩(mEP)为载体，采用溶胶凝胶-浸渍沉积法制备Ag2CrO4-g-C3N4-TiO2/mEP漂浮型可见光催化材料。对制备的光催化材料使用XRD、N2吸附/脱附、FESEM-EDS、XPS和UV-vis DRS等分析方法进行材料表征。实验结果表明，不同的Ag2CrO4含量可对复合催化剂的晶型和比表面积产生影响，过高的Ag2CrO4可在催化剂的表面形成团聚颗粒不利于催化剂对藻细胞的吸附和光催化灭活。以铜绿微囊藻为处理对象，光催化剂中Ag2CrO4/TiO2的理论摩尔比为0.05，初始藻细胞浓度为2.75×106 cells/mL时，单纯暗吸附8 h藻细胞的去除率为10.3%，在吸附和光催化的协同作用下，藻细胞的去除率可达81.88%。光催化除藻过程中起主要作用的为光生空穴h+，该催化剂在重复利用三次后对藻细胞仍有72.19%的去除率，催化剂有较好的稳定性。
以Al2O3改性的膨胀珍珠岩(mEP)为载体，采用溶胶凝胶-浸渍沉积法制备Ag2CrO4-g-C3N4-TiO2/mEP漂浮型可见光催化材料。对制备的光催化材料使用XRD、N2吸附/脱附、FESEM-EDS、XPS和UV-vis DRS等分析方法进行材料表征。实验结果表明，不同的Ag2CrO4含量可对复合催化剂的晶型和比表面积产生影响，过高的Ag2CrO4可在催化剂的表面形成团聚颗粒不利于催化剂对藻细胞的吸附和光催化灭活。以铜绿微囊藻为处理对象，光催化剂中Ag2CrO4/TiO2的理论摩尔比为0.05，初始藻细胞浓度为2.75×106 cells/mL时，单纯暗吸附8 h藻细胞的去除率为10.3%，在吸附和光催化的协同作用下，藻细胞的去除率可达81.88%。光催化除藻过程中起主要作用的为光生空穴h+，该催化剂在重复利用三次后对藻细胞仍有72.19%的去除率，催化剂有较好的稳定性。
2021, 38(6): 1922-1928.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201030.001
摘要:
以二维过渡金属碳化物Ti3C2Tx MXene作为填料，非铁电、可生物降解的高分子物质聚乙烯醇(PVA)作为基体，通过溶液涂膜法制备了具有高介电常数的Ti3C2Tx MXene/PVA柔性复合材料。研究了Ti3C2Tx MXene充填量对复合材料介电性能的影响。Ti3C2Tx MXene/PVA复合材料的介电性能变化遵循逾渗规律，随着Ti3C2Tx MXene充填量的增加，Ti3C2Tx MXene/PVA复合材料的介电常数呈先增加后减小的变化规律，Ti3C2Tx MXene充填量为20wt%的Ti3C2Tx MXene/PVA复合材料介电常数在20 Hz时高达577.3，比纯PVA的介电常数(10.5)提升了5 398%。但是，当Ti3C2Tx MXene充填量超过20wt%后，Ti3C2Tx MXene/PVA复合材料的介电常数急剧下降，介电损耗快速上升，表现出明显的逾渗行为。
以二维过渡金属碳化物Ti3C2Tx MXene作为填料，非铁电、可生物降解的高分子物质聚乙烯醇(PVA)作为基体，通过溶液涂膜法制备了具有高介电常数的Ti3C2Tx MXene/PVA柔性复合材料。研究了Ti3C2Tx MXene充填量对复合材料介电性能的影响。Ti3C2Tx MXene/PVA复合材料的介电性能变化遵循逾渗规律，随着Ti3C2Tx MXene充填量的增加，Ti3C2Tx MXene/PVA复合材料的介电常数呈先增加后减小的变化规律，Ti3C2Tx MXene充填量为20wt%的Ti3C2Tx MXene/PVA复合材料介电常数在20 Hz时高达577.3，比纯PVA的介电常数(10.5)提升了5 398%。但是，当Ti3C2Tx MXene充填量超过20wt%后，Ti3C2Tx MXene/PVA复合材料的介电常数急剧下降，介电损耗快速上升，表现出明显的逾渗行为。
2021, 38(6): 1929-1938.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200924.001
摘要:
以海藻酸钠(SA)作为基体前驱材料，通过离子交联法包埋固化L-甲硫氨酸(L-met)和纳米Fe3O4形成磁性复合凝胶球SA@Fe3O4/L-met。实验探究了SA@Fe3O4/L-met在不同pH、投加量和初始离子浓度条件下对Pb(Ⅱ)吸附能力的影响。结果表明，在pH=5、投加量为0.5 g·L−1、初始浓度为20 mg·L−1时，SA@Fe3O4/L-met对Pb(Ⅱ)能达到较好的吸附效率，最大吸附量可达到328.02 mg·g−1，远大于Fe3O4@SA与SA的吸附量142.5 mg·g−1和152.8 mg·g−1。吸附动力学和热力学研究表明该吸附过程分别对准二级动力学方程和Langmuir方程的拟合程度更大，且反应过程是一个熵增吸热的过程。最后采用SEM、XPS、VSM等对SA@Fe3O4/L-met的结构与性能进行表征分析，发现SA@Fe3O4/L-met中的氨基和羧基通过配位反应与Pb(Ⅱ)结合，同时还存在着离子交换作用。经过5次解吸后SA@Fe3O4/L-met的吸附量仍能达到210.5 mg·g−1，是一种较理想的环保吸附剂。
以海藻酸钠(SA)作为基体前驱材料，通过离子交联法包埋固化L-甲硫氨酸(L-met)和纳米Fe3O4形成磁性复合凝胶球SA@Fe3O4/L-met。实验探究了SA@Fe3O4/L-met在不同pH、投加量和初始离子浓度条件下对Pb(Ⅱ)吸附能力的影响。结果表明，在pH=5、投加量为0.5 g·L−1、初始浓度为20 mg·L−1时，SA@Fe3O4/L-met对Pb(Ⅱ)能达到较好的吸附效率，最大吸附量可达到328.02 mg·g−1，远大于Fe3O4@SA与SA的吸附量142.5 mg·g−1和152.8 mg·g−1。吸附动力学和热力学研究表明该吸附过程分别对准二级动力学方程和Langmuir方程的拟合程度更大，且反应过程是一个熵增吸热的过程。最后采用SEM、XPS、VSM等对SA@Fe3O4/L-met的结构与性能进行表征分析，发现SA@Fe3O4/L-met中的氨基和羧基通过配位反应与Pb(Ⅱ)结合，同时还存在着离子交换作用。经过5次解吸后SA@Fe3O4/L-met的吸附量仍能达到210.5 mg·g−1，是一种较理想的环保吸附剂。
2021, 38(6): 1939-1949.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200922.004
摘要:
为探索利用农业废弃物玉米芯制备高效吸附材料去除水溶液中重金属离子的可行性。利用原子转移自由基聚合(ATRP)技术将大量对重金属离子具有较强亲和能力的羧基嫁接到玉米芯表面，制备出丙烯酸钠-玉米芯接枝共聚物(MC-g-PGMA-g-PAA-Na)，同时采用热重、FTIR、SEM、EDS和XPS对吸附Ni2+前后的吸附材料进行表征，研究其吸附机制。结果表明MC-g-PGMA-g-PAA-Na可以有效地去除水溶液中的Ni2+，其羧基含量达到6.02 mmol·g−1，是改性前的35.4倍。MC-g-PGMA-g-PAA-Na与含有Ni2+溶液接触后，主要是其含有的羧基吸附了溶液中Ni2+，并形成了羧酸镍，吸附前后Ni2+的价态没有发生变化，羧基与Ni2+的配位方式主要是双齿桥式。同时MC-g-PGMA-g-PAA-Na含有的Na+全部释放到溶液中，说明该吸附过程伴有Na+与Ni2+的阳离子交换。
为探索利用农业废弃物玉米芯制备高效吸附材料去除水溶液中重金属离子的可行性。利用原子转移自由基聚合(ATRP)技术将大量对重金属离子具有较强亲和能力的羧基嫁接到玉米芯表面，制备出丙烯酸钠-玉米芯接枝共聚物(MC-g-PGMA-g-PAA-Na)，同时采用热重、FTIR、SEM、EDS和XPS对吸附Ni2+前后的吸附材料进行表征，研究其吸附机制。结果表明MC-g-PGMA-g-PAA-Na可以有效地去除水溶液中的Ni2+，其羧基含量达到6.02 mmol·g−1，是改性前的35.4倍。MC-g-PGMA-g-PAA-Na与含有Ni2+溶液接触后，主要是其含有的羧基吸附了溶液中Ni2+，并形成了羧酸镍，吸附前后Ni2+的价态没有发生变化，羧基与Ni2+的配位方式主要是双齿桥式。同时MC-g-PGMA-g-PAA-Na含有的Na+全部释放到溶液中，说明该吸附过程伴有Na+与Ni2+的阳离子交换。
2021, 38(6): 1950-1959.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200921.001
摘要:
以三氟乙酸(TFA)、二氯甲烷(DCM)的复合溶液为溶剂，壳聚糖(CS)及聚乳酸(PLA)为溶质制备CS-PLA纺丝液，采用静电纺丝与模板卷取法制备CS-PLA复合神经导管，探究了静电纺CS-PLA复合材料的综合性能。通过表征复合材料的结构与性能，分析了CS与PLA体系内的分子作用，进一步通过复合神经导管与雪旺细胞的共培养实验，提出并验证了雪旺细胞在导管内壁生长黏附时的最佳体系组分。结果表明：复合材料中CS与PLA分子间以氢键结合，其中各种氢键贡献作用大小依次是OH…OH型>OH…N型>OH…醚O型。PLA含量增加，复合材料的热性能和热稳定性提高，断裂强度提升197.7%，断裂伸长率提高53.7%。CS含量增加，复合材料的亲水性和细胞相容性逐渐增加。在组分比例CS∶PLA(3∶1)时，凹槽及微孔的大小最有利于雪旺细胞的黏附。
以三氟乙酸(TFA)、二氯甲烷(DCM)的复合溶液为溶剂，壳聚糖(CS)及聚乳酸(PLA)为溶质制备CS-PLA纺丝液，采用静电纺丝与模板卷取法制备CS-PLA复合神经导管，探究了静电纺CS-PLA复合材料的综合性能。通过表征复合材料的结构与性能，分析了CS与PLA体系内的分子作用，进一步通过复合神经导管与雪旺细胞的共培养实验，提出并验证了雪旺细胞在导管内壁生长黏附时的最佳体系组分。结果表明：复合材料中CS与PLA分子间以氢键结合，其中各种氢键贡献作用大小依次是OH…OH型>OH…N型>OH…醚O型。PLA含量增加，复合材料的热性能和热稳定性提高，断裂强度提升197.7%，断裂伸长率提高53.7%。CS含量增加，复合材料的亲水性和细胞相容性逐渐增加。在组分比例CS∶PLA(3∶1)时，凹槽及微孔的大小最有利于雪旺细胞的黏附。
2021, 38(6): 1960-1973.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200928.002
摘要:
通过静电纺丝法，制备了MnO2-聚多巴胺(PDA)/聚乙烯醇(PVA)和MnO2-PDA-5-氟尿嘧啶(5-Fu)/PVA复合微球。具体地，在PVA溶液中依次加入多巴胺(DA)与KMnO4，在所得溶液中，DA与KMnO4发生氧化还原反应，原位聚合生成PDA，而KMnO4转变为MnO2，通过静电纺丝法制备了MnO2-PDA/PVA微球。向上述溶液中加入化疗药物5-Fu，通过静电纺丝法还可以制备MnO2-PDA-5-Fu/PVA微球。通过戊二醛交联赋予静电纺丝微球水稳定性。这一复合微球材料具有优异的光热转换性能、可控的药物缓释性能及良好的生物安全性，被应用于防止术后肿瘤的复发。一方面，在808 nm NIR激光照射下MnO2-PDA-5-Fu/PVA微球的光热转换效率可达到24.5%，实现高效的肿瘤热消融；另一方面，释放出来的5-Fu可杀死术后残余的肿瘤细胞。该研究论证了静电纺丝法制备复合微球的可行性，并证实了这种微球在防止肿瘤术后复发领域的应用潜力，为多功能复合微/纳米材料的设计提供了新策略。
通过静电纺丝法，制备了MnO2-聚多巴胺(PDA)/聚乙烯醇(PVA)和MnO2-PDA-5-氟尿嘧啶(5-Fu)/PVA复合微球。具体地，在PVA溶液中依次加入多巴胺(DA)与KMnO4，在所得溶液中，DA与KMnO4发生氧化还原反应，原位聚合生成PDA，而KMnO4转变为MnO2，通过静电纺丝法制备了MnO2-PDA/PVA微球。向上述溶液中加入化疗药物5-Fu，通过静电纺丝法还可以制备MnO2-PDA-5-Fu/PVA微球。通过戊二醛交联赋予静电纺丝微球水稳定性。这一复合微球材料具有优异的光热转换性能、可控的药物缓释性能及良好的生物安全性，被应用于防止术后肿瘤的复发。一方面，在808 nm NIR激光照射下MnO2-PDA-5-Fu/PVA微球的光热转换效率可达到24.5%，实现高效的肿瘤热消融；另一方面，释放出来的5-Fu可杀死术后残余的肿瘤细胞。该研究论证了静电纺丝法制备复合微球的可行性，并证实了这种微球在防止肿瘤术后复发领域的应用潜力，为多功能复合微/纳米材料的设计提供了新策略。
2021, 38(6): 1974-1983.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200831.002
摘要:
针对复合材料层合结构与模具在固化工艺中的相互作用进行研究以提高制备精度。考虑摩擦力和粘结力在模具和制件接触界面间的共同作用，改进一种复合材料层合结构固化应变及应力情况的数值计算模型并与已有实验结果进行比较。引入弹簧单元建立固化工艺有限元模型，并对解析模型进行验证。最后通过解析模型对固化变形的影响因素进行探究。结果表明：所建立的解析预报模型具有较高的计算精度及一定的实用性；考虑模具作用的有限元模型可以更好地对层合板的变形趋势进行预报和分析。通过解析模型探究发现层合板长度、模具材料和表面情况均会对固化过程中的层间滑移产生影响，对工艺条件制定具有更好的指导意义。
针对复合材料层合结构与模具在固化工艺中的相互作用进行研究以提高制备精度。考虑摩擦力和粘结力在模具和制件接触界面间的共同作用，改进一种复合材料层合结构固化应变及应力情况的数值计算模型并与已有实验结果进行比较。引入弹簧单元建立固化工艺有限元模型，并对解析模型进行验证。最后通过解析模型对固化变形的影响因素进行探究。结果表明：所建立的解析预报模型具有较高的计算精度及一定的实用性；考虑模具作用的有限元模型可以更好地对层合板的变形趋势进行预报和分析。通过解析模型探究发现层合板长度、模具材料和表面情况均会对固化过程中的层间滑移产生影响，对工艺条件制定具有更好的指导意义。
