2021年 第38卷 第8期
栏目
2021, (8): 1-5.
摘要:
2021, 38(8): 2694-2705.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201102.001
摘要:
将硬脂酸钠改性四针状氧化锌晶须(Sodium stearate-T-ZnOw)超声分散液引入天然胶乳(NRL)基体中，制备了绿色环保的Sodium stearate-T-ZnOw/橡胶(NR)抗菌医用复合材料。系统研究了Sodium stearate-T-ZnOw/NR复合材料的综合力学性能、抗菌性能和热稳定性能。结果表明：当Sodium stearate-T-ZnOw含量达3wt%时，Sodium sterate-T-ZnOw/NR复合材料的综合力学性能，相比纯胶，邵尔A硬度，300%定伸应力，拉伸强度，撕裂强度，断裂伸长率，提高了8.6%、25.4%、20.3%、25.6%、6.4%。此时，复合材料的热稳定性能也达到了最大值，相比纯胶，复合材料的起始热降解温度(T0)和终止热降解温度(Tf)分别比纯胶的T0和Tf提高了21.2℃和5.9℃。当Sodiumstearate-T-ZnOw含量超过3wt%时，其能在天然胶乳中充分发挥抑制大肠杆菌、金葡萄球菌、鲍曼不动杆菌、表皮葡萄球菌生长的能力，它可以进入细菌细胞，导致细胞壁被破坏，细胞内成分泄漏，细胞死亡。
将硬脂酸钠改性四针状氧化锌晶须(Sodium stearate-T-ZnOw)超声分散液引入天然胶乳(NRL)基体中，制备了绿色环保的Sodium stearate-T-ZnOw/橡胶(NR)抗菌医用复合材料。系统研究了Sodium stearate-T-ZnOw/NR复合材料的综合力学性能、抗菌性能和热稳定性能。结果表明：当Sodium stearate-T-ZnOw含量达3wt%时，Sodium sterate-T-ZnOw/NR复合材料的综合力学性能，相比纯胶，邵尔A硬度，300%定伸应力，拉伸强度，撕裂强度，断裂伸长率，提高了8.6%、25.4%、20.3%、25.6%、6.4%。此时，复合材料的热稳定性能也达到了最大值，相比纯胶，复合材料的起始热降解温度(T0)和终止热降解温度(Tf)分别比纯胶的T0和Tf提高了21.2℃和5.9℃。当Sodiumstearate-T-ZnOw含量超过3wt%时，其能在天然胶乳中充分发挥抑制大肠杆菌、金葡萄球菌、鲍曼不动杆菌、表皮葡萄球菌生长的能力，它可以进入细菌细胞，导致细胞壁被破坏，细胞内成分泄漏，细胞死亡。
2021, 38(8): 2706-2714.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201011.003
摘要:
通过水热法在导电凹凸棒石(C-ATP)表面原位生长TiO2纳米棒制得毛虫状结构的TiO2/C-ATP复合材料，然后以TiO2/C-ATP为载体，在TiO2纳米棒表面进一步复合g-C3N4量子点(CNQD)成功制备了多级结构的CNQD-TiO2/C-ATP异质结光催化材料。利用XRD、FTIR、SEM/TEM、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis-DRS)、荧光发射光谱(PL)、BET比表面积分析仪和光电化学等技术对样品进行表征。在可见光照射下，考察了样品对盐酸四环素(TC)的光催化降解能力。结果表明：与TiO2/C-ATP和CNQD相比，CNQD-TiO2/C-ATP大幅提高了可见光响应、吸收能力和光生电子-空穴对的分离效率。当光照时间为120 min时，CNQD-TiO2/C-ATP对TC去除率可达88%。
通过水热法在导电凹凸棒石(C-ATP)表面原位生长TiO2纳米棒制得毛虫状结构的TiO2/C-ATP复合材料，然后以TiO2/C-ATP为载体，在TiO2纳米棒表面进一步复合g-C3N4量子点(CNQD)成功制备了多级结构的CNQD-TiO2/C-ATP异质结光催化材料。利用XRD、FTIR、SEM/TEM、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis-DRS)、荧光发射光谱(PL)、BET比表面积分析仪和光电化学等技术对样品进行表征。在可见光照射下，考察了样品对盐酸四环素(TC)的光催化降解能力。结果表明：与TiO2/C-ATP和CNQD相比，CNQD-TiO2/C-ATP大幅提高了可见光响应、吸收能力和光生电子-空穴对的分离效率。当光照时间为120 min时，CNQD-TiO2/C-ATP对TC去除率可达88%。
2021, 38(8): 2715-2723.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201113.001
摘要:
通过一种异氰酸酯基团(—NCO)质量分数为14.5wt%的高活性聚氨酯(PU)包覆剂对竹纤维(BF)进行表面包覆获得包覆型竹纤维(PUBF)，采用原位聚合法制备了包覆型竹纤维增强浇注型聚氨酯(PUBF/PU)弹性体复合材料。采用FTIR、SEM、XRD及接触角测试仪对PUBF及BF进行了表征。结果表明，BF表面成功包覆了具有活性氨基(—NH2)封端的PU薄层，改善了BF与浇注型聚氨酯PU间的界面相容性及界面结合。复合材料中的PUBF质量分数为3wt%时，80℃下预聚体黏度仅为2.2 Pa·s，与纯预聚体黏度接近；对应PUBF/PU复合材料的拉伸和撕裂强度分别为38.0 MPa和82.9 kN/m，比纯浇注型PU分别提高51.6%和25.6%。高活性PU包覆剂预先包覆BF适合制备PUBF/PU复合材料。
通过一种异氰酸酯基团(—NCO)质量分数为14.5wt%的高活性聚氨酯(PU)包覆剂对竹纤维(BF)进行表面包覆获得包覆型竹纤维(PUBF)，采用原位聚合法制备了包覆型竹纤维增强浇注型聚氨酯(PUBF/PU)弹性体复合材料。采用FTIR、SEM、XRD及接触角测试仪对PUBF及BF进行了表征。结果表明，BF表面成功包覆了具有活性氨基(—NH2)封端的PU薄层，改善了BF与浇注型聚氨酯PU间的界面相容性及界面结合。复合材料中的PUBF质量分数为3wt%时，80℃下预聚体黏度仅为2.2 Pa·s，与纯预聚体黏度接近；对应PUBF/PU复合材料的拉伸和撕裂强度分别为38.0 MPa和82.9 kN/m，比纯浇注型PU分别提高51.6%和25.6%。高活性PU包覆剂预先包覆BF适合制备PUBF/PU复合材料。
2021, 38(8): 2724-2736.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201013.001
摘要:
为探明因素间交互作用对充填体强度性能的影响机制及揭示胶凝材料水化产物作用机制，以水泥、石灰、石膏添加量为自变量影响因子，胶结体抗压强度为响应目标值，采用Box-Behnken响应面法(RSM)设计试验，建立二次多项式回归模型，结合Numencial功能优化模型自变量参数。最后，利用XRD、SEM、EDS分析手段，探讨净浆试样水化产物组成及微观结构形貌。研究结果表明∶方差分析及模型响应曲面共同诠释了水泥和石灰添加量的交互作用是影响充填体强度性能的关键性因素。对复合充填料浆配合比寻优可得，在水泥∶石灰∶石膏∶矿渣∶甲酸钙=30∶15∶1∶50∶4最优条件下，胶结体3天和7天抗压强度为1.19 MPa和2.17 MPa，模型验证试验相对误差为3.25%和0.93%，表明模型精确度高，可靠性强。复合胶凝体系水化产物主要为钙矾石(AFt)和C-S-H凝胶，随着龄期的延长，AFt和C-S-H凝胶交错生长，紧密搭接，形成致密的三维空间网络结构支撑体系，是胶结充填体具备强度性能的主要来源。
为探明因素间交互作用对充填体强度性能的影响机制及揭示胶凝材料水化产物作用机制，以水泥、石灰、石膏添加量为自变量影响因子，胶结体抗压强度为响应目标值，采用Box-Behnken响应面法(RSM)设计试验，建立二次多项式回归模型，结合Numencial功能优化模型自变量参数。最后，利用XRD、SEM、EDS分析手段，探讨净浆试样水化产物组成及微观结构形貌。研究结果表明∶方差分析及模型响应曲面共同诠释了水泥和石灰添加量的交互作用是影响充填体强度性能的关键性因素。对复合充填料浆配合比寻优可得，在水泥∶石灰∶石膏∶矿渣∶甲酸钙=30∶15∶1∶50∶4最优条件下，胶结体3天和7天抗压强度为1.19 MPa和2.17 MPa，模型验证试验相对误差为3.25%和0.93%，表明模型精确度高，可靠性强。复合胶凝体系水化产物主要为钙矾石(AFt)和C-S-H凝胶，随着龄期的延长，AFt和C-S-H凝胶交错生长，紧密搭接，形成致密的三维空间网络结构支撑体系，是胶结充填体具备强度性能的主要来源。
2021, 38(8): 2737-2746.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210430.001
摘要:
针对大掺量高吸附性石粉高强机制砂混凝土早期易发生收缩开裂的问题，开展了掺加膨胀剂、减缩剂、聚乙烯醇(PVA)纤维、高吸水树脂(SAP)混凝土的早期收缩、抗裂和力学试验，并利用核磁共振仪和扫描电子显微镜对混凝土孔结构和微观形貌进行了测试，揭示抑制收缩开裂的机制。试验结果表明：掺入膨胀剂、减缩剂、PVA纤维、预吸水SAP均能有效抑制混凝土早期收缩和开裂，其中掺预吸水SAP降低早期收缩的效果最好，收缩应变可降低93%，PVA纤维抑制早期开裂的作用最明显，总开裂面积可降低68.26%，同时，掺入两者会使混凝土力学性能提高，而掺入膨胀剂和减缩剂会使混凝土力学性能降低。SEM图像表明，SAP能将预吸收的水分释放到混凝土中，促进水泥水化反应，而PVA纤维的掺入改善了混凝土内部孔隙结构，有良好的填充作用和桥接作用。核磁共振试验表明，抑制收缩开裂的机制是通过改善混凝土孔隙结构，增强界面密实度，从而减小早期收缩，进而提高抗裂性能。
针对大掺量高吸附性石粉高强机制砂混凝土早期易发生收缩开裂的问题，开展了掺加膨胀剂、减缩剂、聚乙烯醇(PVA)纤维、高吸水树脂(SAP)混凝土的早期收缩、抗裂和力学试验，并利用核磁共振仪和扫描电子显微镜对混凝土孔结构和微观形貌进行了测试，揭示抑制收缩开裂的机制。试验结果表明：掺入膨胀剂、减缩剂、PVA纤维、预吸水SAP均能有效抑制混凝土早期收缩和开裂，其中掺预吸水SAP降低早期收缩的效果最好，收缩应变可降低93%，PVA纤维抑制早期开裂的作用最明显，总开裂面积可降低68.26%，同时，掺入两者会使混凝土力学性能提高，而掺入膨胀剂和减缩剂会使混凝土力学性能降低。SEM图像表明，SAP能将预吸收的水分释放到混凝土中，促进水泥水化反应，而PVA纤维的掺入改善了混凝土内部孔隙结构，有良好的填充作用和桥接作用。核磁共振试验表明，抑制收缩开裂的机制是通过改善混凝土孔隙结构，增强界面密实度，从而减小早期收缩，进而提高抗裂性能。
2021, 38(8): 2747-2757.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201116.006
摘要:
为了研究典型2.5D机织复合材料的压缩性能，开展了复合材料单胞结构的经向和纬向压缩实验，并通过对材料编织结构的细观表征，建立了细观尺度的单胞有限元模型来模拟压缩载荷下单胞内部的变形及渐进失效过程。结果表明，2.5D机织复合材料在受压时表现出明显的非线性力学响应，材料沿经向的压缩模量和强度均高于纬向；经向压缩时材料的主要破坏模式有经纱的横向开裂、纤维束间的界面分层破坏、纬纱的压溃及基体的开裂，纬向压缩时出现的主要破坏模式是纬纱的压溃、纬纱纤维束的断裂及基体开裂；通过对比试验与有限元结果，认为所建立的细观有限元模型能够准确预测材料单胞在压缩载荷下的应力-应变响应，并且能够模拟编织结构中的损伤起始和演化过程。
为了研究典型2.5D机织复合材料的压缩性能，开展了复合材料单胞结构的经向和纬向压缩实验，并通过对材料编织结构的细观表征，建立了细观尺度的单胞有限元模型来模拟压缩载荷下单胞内部的变形及渐进失效过程。结果表明，2.5D机织复合材料在受压时表现出明显的非线性力学响应，材料沿经向的压缩模量和强度均高于纬向；经向压缩时材料的主要破坏模式有经纱的横向开裂、纤维束间的界面分层破坏、纬纱的压溃及基体的开裂，纬向压缩时出现的主要破坏模式是纬纱的压溃、纬纱纤维束的断裂及基体开裂；通过对比试验与有限元结果，认为所建立的细观有限元模型能够准确预测材料单胞在压缩载荷下的应力-应变响应，并且能够模拟编织结构中的损伤起始和演化过程。
2021, 38(8): 2383-2395.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201214.003
摘要:
石墨烯(Gr)具有优异的光学、电学和力学等特性，在材料、能源或生物医学领域具有重要的应用前景，特别是Gr具有超隔离性，当将其用作涂料填料使用时，可极大提高涂层的防腐性能。但是由于Gr的高比表面积及层间的范德华力，又使其非常容易团聚，限制了其实际使用。对Gr进行分散改性，促进其在基体中的均匀分布，对扩大Gr的应用范围和提高材料的性能具有重要意义。本文主要介绍了Gr及其衍生物的共价改性、非共价改性、掺杂改性和原位聚合改性等方法，通过增加Gr层间位阻效应，改变Gr表面的双亲性，增强其与涂料聚合物基之间的相容性，从而提高其在涂料中的分散性。此外，本文还分析了各种改性方法的优缺点，提出了进一步提高Gr及其衍生物分散性的改性方向；总结了Gr及其衍生物在防腐涂料中的作用机制，建议今后在实验探索的基础上，加强对防腐机制的研究。
石墨烯(Gr)具有优异的光学、电学和力学等特性，在材料、能源或生物医学领域具有重要的应用前景，特别是Gr具有超隔离性，当将其用作涂料填料使用时，可极大提高涂层的防腐性能。但是由于Gr的高比表面积及层间的范德华力，又使其非常容易团聚，限制了其实际使用。对Gr进行分散改性，促进其在基体中的均匀分布，对扩大Gr的应用范围和提高材料的性能具有重要意义。本文主要介绍了Gr及其衍生物的共价改性、非共价改性、掺杂改性和原位聚合改性等方法，通过增加Gr层间位阻效应，改变Gr表面的双亲性，增强其与涂料聚合物基之间的相容性，从而提高其在涂料中的分散性。此外，本文还分析了各种改性方法的优缺点，提出了进一步提高Gr及其衍生物分散性的改性方向；总结了Gr及其衍生物在防腐涂料中的作用机制，建议今后在实验探索的基础上，加强对防腐机制的研究。
2021, 38(8): 2396-2403.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210507.001
摘要:
金属-有机骨架(MOFs)抗菌材料因其具有比表面积大、孔隙率高且孔径可调及良好的生物相容性等优点而备受关注，是开发高效可循环使用抗菌医护口罩的热点材料。本文首先分析了MOFs抗菌复合材料的特点及其抗菌机制，然后综述了Ag、Cu、Zn基几类常用MOFs抗菌复合材料及其纤维的研究进展，最后探讨了MOFs抗菌功能纺织品在医疗卫生方面的应用，展望了MOFs抗菌复合纤维在医护口罩方面的潜在应用价值。
金属-有机骨架(MOFs)抗菌材料因其具有比表面积大、孔隙率高且孔径可调及良好的生物相容性等优点而备受关注，是开发高效可循环使用抗菌医护口罩的热点材料。本文首先分析了MOFs抗菌复合材料的特点及其抗菌机制，然后综述了Ag、Cu、Zn基几类常用MOFs抗菌复合材料及其纤维的研究进展，最后探讨了MOFs抗菌功能纺织品在医疗卫生方面的应用，展望了MOFs抗菌复合纤维在医护口罩方面的潜在应用价值。
2021, 38(8): 2404-2417.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210408.001
摘要:
5G电子消费产品日益普及，给人们的生活带来便利的同时也存在一些问题，如电磁干扰(EMI)风险大幅度提高，5G网络耗电速度快等。因此需要开发具有高EMI屏蔽性能的膜材料和高容量的电极材料来解决这些问题。作为一种新型二维材料，过渡金属碳化物、氮化物或氮碳化物(称为MXene)具有出色的导电性、低密度、亲水性表面、二维层状形态和可调节的表面化学性质等诸多优势。此外，由于MXene具有容易成膜的特点，在EMI屏蔽和储能设备等领域具有巨大的应用潜力。目前已经报道了很多基于MXene复合薄膜的工作，本文首先介绍了MXene纳米片的合成方法，然后讨论了MXene基复合薄膜的制备方法，目的是总结制备MXene复合薄膜的各种方法及其优缺点。其次，分别介绍了MXene在锂离子电池和超级电容器及EMI屏蔽膜中的应用，分析了目前的发展趋势，并且对目前主流的复合材料进行了对比，归纳了MXene复合薄膜在结构和性能上的特点和优势。最后，提出了目前MXene复合薄膜的发展所存在的问题，并对未来发展进行了展望。
5G电子消费产品日益普及，给人们的生活带来便利的同时也存在一些问题，如电磁干扰(EMI)风险大幅度提高，5G网络耗电速度快等。因此需要开发具有高EMI屏蔽性能的膜材料和高容量的电极材料来解决这些问题。作为一种新型二维材料，过渡金属碳化物、氮化物或氮碳化物(称为MXene)具有出色的导电性、低密度、亲水性表面、二维层状形态和可调节的表面化学性质等诸多优势。此外，由于MXene具有容易成膜的特点，在EMI屏蔽和储能设备等领域具有巨大的应用潜力。目前已经报道了很多基于MXene复合薄膜的工作，本文首先介绍了MXene纳米片的合成方法，然后讨论了MXene基复合薄膜的制备方法，目的是总结制备MXene复合薄膜的各种方法及其优缺点。其次，分别介绍了MXene在锂离子电池和超级电容器及EMI屏蔽膜中的应用，分析了目前的发展趋势，并且对目前主流的复合材料进行了对比，归纳了MXene复合薄膜在结构和性能上的特点和优势。最后，提出了目前MXene复合薄膜的发展所存在的问题，并对未来发展进行了展望。
2021, 38(8): 2418-2427.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210402.002
摘要:
细菌纤维素(Bacterial cellulose, BC)是一种由微生物发酵产生的细胞外多糖，作为一种新型的环境友好生物材料，细菌纤维素具有高纯度、高吸水性，优异的机械强度及生物相容性高等优点，在生物医学、化工及食品等诸多领域展现出广阔的应用前景。本文系统性地介绍了BC的结构和特性，对BC的制备工艺和影响因素进行了总结，并分析了化学改性、原位改性和纳米材料复合改性等改性方法对BC的结构与特性的影响，对BC在环境处理技术(吸附、过滤、光催化)中的应用进展进行了概述，最后对BC的研究进展及其发展方向进行了总结和展望。
细菌纤维素(Bacterial cellulose, BC)是一种由微生物发酵产生的细胞外多糖，作为一种新型的环境友好生物材料，细菌纤维素具有高纯度、高吸水性，优异的机械强度及生物相容性高等优点，在生物医学、化工及食品等诸多领域展现出广阔的应用前景。本文系统性地介绍了BC的结构和特性，对BC的制备工艺和影响因素进行了总结，并分析了化学改性、原位改性和纳米材料复合改性等改性方法对BC的结构与特性的影响，对BC在环境处理技术(吸附、过滤、光催化)中的应用进展进行了概述，最后对BC的研究进展及其发展方向进行了总结和展望。
2021, 38(8): 2428-2445.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210425.001
摘要:
纤维素是自然界中含量丰富且可再生、可降解的天然材料。本文综述了物理、化学、生物或相结合的技术对纤维素的影响作用及可制备的纤维素基元材料，例如纤维素纤维、纳米纤维素和纤维素分子。基于纤维素纤维，利用湿法造纸技术可以生产具有高孔隙率的纤维素纸张基底；基于纳米纤维素，利用真空抽滤或涂布等方式可制备具有低表面粗糙度及高透明度的纳米纤维素膜基底；基于纤维素分子，利用涂布或铸涂等方式可生产具有均一的表面形态及高透明度的再生纤维素膜基底。本文进一步分析了常用的导电材料(金属导电材料、聚合物导电材料及碳基导电材料等)及其与纤维素基底结合的方法(涂布、沉积、原位聚合、自组装等)，进而可以制备柔韧轻质的纤维素导电基底。基于高性能的纤维素导电基底可以组装柔性电子器件，在光电转化、能量储存及电磁屏蔽等领域展现了广阔的应用前景。总之，利用天然纤维素制备柔性电子器件对于扩大纤维素的应用范围、提升纤维素的利用价值及推动柔性电子器件的进一步发展具有重要意义。
纤维素是自然界中含量丰富且可再生、可降解的天然材料。本文综述了物理、化学、生物或相结合的技术对纤维素的影响作用及可制备的纤维素基元材料，例如纤维素纤维、纳米纤维素和纤维素分子。基于纤维素纤维，利用湿法造纸技术可以生产具有高孔隙率的纤维素纸张基底；基于纳米纤维素，利用真空抽滤或涂布等方式可制备具有低表面粗糙度及高透明度的纳米纤维素膜基底；基于纤维素分子，利用涂布或铸涂等方式可生产具有均一的表面形态及高透明度的再生纤维素膜基底。本文进一步分析了常用的导电材料(金属导电材料、聚合物导电材料及碳基导电材料等)及其与纤维素基底结合的方法(涂布、沉积、原位聚合、自组装等)，进而可以制备柔韧轻质的纤维素导电基底。基于高性能的纤维素导电基底可以组装柔性电子器件，在光电转化、能量储存及电磁屏蔽等领域展现了广阔的应用前景。总之，利用天然纤维素制备柔性电子器件对于扩大纤维素的应用范围、提升纤维素的利用价值及推动柔性电子器件的进一步发展具有重要意义。
2021, 38(8): 2446-2458.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210426.004
摘要:
伴随着现代电子科技领域的蓬勃发展，大量电子垃圾的产生给环境带来了巨大压力。以纤维素为主的柔性导电复合材料具有与传统石油基导电产品不可比拟的优点，如轻质、可降解、可再生、生物相容性好等。近年来，纸基柔性导电材料逐步成为该领域研究的热点。本文综述了近些年来国内外纸基柔性导电材料的研究进展，描述了柔性导电材料的工作原理，详细概述了纸基导电材料的制备方法与相关应用，对纸基柔性导电材料亟待解决的问题及未来发展趋势进行了总结和展望。
伴随着现代电子科技领域的蓬勃发展，大量电子垃圾的产生给环境带来了巨大压力。以纤维素为主的柔性导电复合材料具有与传统石油基导电产品不可比拟的优点，如轻质、可降解、可再生、生物相容性好等。近年来，纸基柔性导电材料逐步成为该领域研究的热点。本文综述了近些年来国内外纸基柔性导电材料的研究进展，描述了柔性导电材料的工作原理，详细概述了纸基导电材料的制备方法与相关应用，对纸基柔性导电材料亟待解决的问题及未来发展趋势进行了总结和展望。
2021, 38(8): 2459-2478.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210419.001
摘要:
三维编织复合材料因其结构整体性好、综合性能优异，已成为航天、航空、国防领域部分主承力构件和高功能制件的首选材料。然而，三维编织复合材料结构件在服役过程中不可避免地处于高温、低温或温度急剧变化等恶劣环境，由于三维编织复合材料增强体和基体热物理性能的巨大差异将严重威胁结构尺寸的稳定性及结构使用寿命。本文主要从实验、理论和数值仿真研究三方面，综述了近年来国内外对三维多向编织复合材料热物理性能和温度效应影响下力学性能的研究成果及研究进展。首先分析了现有研究中编织工艺、编织参数、环境温度、界面、缺陷等因素对三维多向编织复合材料热传导性能和热膨胀性能的影响规律。其次以细观结构、全尺寸、多尺度模型为主分析了不同结构几何模型的区别与联系。最后探讨了高、低温环境温度和不同载荷形式对三维多向编织复合材料组分材料损伤、失效形态及热力耦合行为的影响机制，并同时总结了现有研究工作中的重点与发展方向。
三维编织复合材料因其结构整体性好、综合性能优异，已成为航天、航空、国防领域部分主承力构件和高功能制件的首选材料。然而，三维编织复合材料结构件在服役过程中不可避免地处于高温、低温或温度急剧变化等恶劣环境，由于三维编织复合材料增强体和基体热物理性能的巨大差异将严重威胁结构尺寸的稳定性及结构使用寿命。本文主要从实验、理论和数值仿真研究三方面，综述了近年来国内外对三维多向编织复合材料热物理性能和温度效应影响下力学性能的研究成果及研究进展。首先分析了现有研究中编织工艺、编织参数、环境温度、界面、缺陷等因素对三维多向编织复合材料热传导性能和热膨胀性能的影响规律。其次以细观结构、全尺寸、多尺度模型为主分析了不同结构几何模型的区别与联系。最后探讨了高、低温环境温度和不同载荷形式对三维多向编织复合材料组分材料损伤、失效形态及热力耦合行为的影响机制，并同时总结了现有研究工作中的重点与发展方向。
2021, 38(8): 2479-2488.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201030.008
摘要:
反渗透膜技术作为脱盐的核心技术，在海水和苦咸水淡化、超纯水制备、污水回水等领域具有广泛应用前景，但其渗透性-选择性之间的 “trade-off” 效应仍是限制反渗透技术发展的一大挑战。本研究将表面功能化(接枝巯基官能团)的氧化石墨烯(GO)掺入间苯二胺水相溶液中，通过水相间苯二胺和有机相均苯三甲酰氯界面聚合的方法制备出巯基接枝氧化石墨烯(GO-SH)/聚酰胺(PA)反渗透复合膜。利用TEM、SEM、EDS、FTIR和NMR对接枝后粉体进行表征，利用2 g·L−1 NaCl水溶液测试膜的脱盐性能，优化了界面聚合水相pH和反应时间的设定。研究结果表明，GO-SH能够更均匀地分散在PA中，优化后的pH为11，反应时间为4 min，当改性后粉体含量为0.09wt%时，复合膜水通量可达48 L·m−2·h−1，脱盐率达到99.6%，相较于本实验接枝前纳米材料复合的PA膜分别提高了30% 和2.54%。表面功能化的GO有效地解决了无机纳米粒子和有机聚合物的相容性，提高膜脱盐性能，有望进一步降低反渗透项目的运行成本。
反渗透膜技术作为脱盐的核心技术，在海水和苦咸水淡化、超纯水制备、污水回水等领域具有广泛应用前景，但其渗透性-选择性之间的 “trade-off” 效应仍是限制反渗透技术发展的一大挑战。本研究将表面功能化(接枝巯基官能团)的氧化石墨烯(GO)掺入间苯二胺水相溶液中，通过水相间苯二胺和有机相均苯三甲酰氯界面聚合的方法制备出巯基接枝氧化石墨烯(GO-SH)/聚酰胺(PA)反渗透复合膜。利用TEM、SEM、EDS、FTIR和NMR对接枝后粉体进行表征，利用2 g·L−1 NaCl水溶液测试膜的脱盐性能，优化了界面聚合水相pH和反应时间的设定。研究结果表明，GO-SH能够更均匀地分散在PA中，优化后的pH为11，反应时间为4 min，当改性后粉体含量为0.09wt%时，复合膜水通量可达48 L·m−2·h−1，脱盐率达到99.6%，相较于本实验接枝前纳米材料复合的PA膜分别提高了30% 和2.54%。表面功能化的GO有效地解决了无机纳米粒子和有机聚合物的相容性，提高膜脱盐性能，有望进一步降低反渗透项目的运行成本。
2021, 38(8): 2489-2496.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201030.005
摘要:
从滤料表面改性的角度对提高滤料在高湿环境中运行的稳定性进行研究。以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)滤料为基材、正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体、甲基三乙氧基硅烷(MTES)为低表面能物质，采用溶胶-凝胶法，在滤料表面原位生成SiO2纳米粒子，制备改性SiO2凝胶涂层滤料。采用FESEM- EDS、FTIR和接触角测量仪分析了PET滤料表面化学成分、润湿性能及表面形貌的变化。结果表明：整理后PET滤料表面生成SiO2纳米粒子，经MTES改性处理后滤料表面布满疏水的甲基基团，滤料疏水性能显著提高，其表面水接触角达154.11°。SiO2颗粒在滤料表面均匀分布，凝胶聚合物仅在纤维交叉处沉积，使滤料透气性得以保证，过滤效率由97.0595%增加到99.2028%，过滤品质因数由0.02124增加到0.02761，提升了30%。
从滤料表面改性的角度对提高滤料在高湿环境中运行的稳定性进行研究。以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)滤料为基材、正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体、甲基三乙氧基硅烷(MTES)为低表面能物质，采用溶胶-凝胶法，在滤料表面原位生成SiO2纳米粒子，制备改性SiO2凝胶涂层滤料。采用FESEM- EDS、FTIR和接触角测量仪分析了PET滤料表面化学成分、润湿性能及表面形貌的变化。结果表明：整理后PET滤料表面生成SiO2纳米粒子，经MTES改性处理后滤料表面布满疏水的甲基基团，滤料疏水性能显著提高，其表面水接触角达154.11°。SiO2颗粒在滤料表面均匀分布，凝胶聚合物仅在纤维交叉处沉积，使滤料透气性得以保证，过滤效率由97.0595%增加到99.2028%，过滤品质因数由0.02124增加到0.02761，提升了30%。
2021, 38(8): 2497-2504.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201111.002
摘要:
采用高压釜间歇式发泡法，结合超临界CO2微孔发泡技术制备了发泡木粉-纳米蒙脱土(NMMT)/聚丙烯(PP)复合材料。通过对复合材料的结晶行为、流变性能、泡孔形貌及压缩性能进行分析，主要研究了NMMT对其微孔结构及力学性能的改善作用。结果表明：NMMT的引入使木粉/PP复合材料中PP基体的结晶速率加快，结晶度减小，有利于发泡均相体系的形成和泡孔生长；PP分子链的运动受到NMMT片层的抑制作用，导致木粉/PP复合材料的熔体弹性提高，泡孔合并与塌陷的现象减少，发泡材料的平均泡孔直径从30.4 μm降低至20.3 μm，并且泡孔尺寸的均匀性得到明显改善，压缩强度和模量分别提高了187%和223%。
采用高压釜间歇式发泡法，结合超临界CO2微孔发泡技术制备了发泡木粉-纳米蒙脱土(NMMT)/聚丙烯(PP)复合材料。通过对复合材料的结晶行为、流变性能、泡孔形貌及压缩性能进行分析，主要研究了NMMT对其微孔结构及力学性能的改善作用。结果表明：NMMT的引入使木粉/PP复合材料中PP基体的结晶速率加快，结晶度减小，有利于发泡均相体系的形成和泡孔生长；PP分子链的运动受到NMMT片层的抑制作用，导致木粉/PP复合材料的熔体弹性提高，泡孔合并与塌陷的现象减少，发泡材料的平均泡孔直径从30.4 μm降低至20.3 μm，并且泡孔尺寸的均匀性得到明显改善，压缩强度和模量分别提高了187%和223%。
2021, 38(8): 2505-2516.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201110.002
摘要:
以实验室自制的三聚氰胺植酸(MEL-PA)为阻燃剂，采用一步法全水发泡工艺制备一系列三聚氰胺植酸/硬质聚氨酯泡沫(MEL-PA/RPUF)复合材料。采用热重分析(TG)与热分析动力学研究复合材料热稳定性，揭示其降解机制。研究表明，随着MEL-PA负载量的增加，MEL-PA/RPUF在700 ℃的残炭率逐渐提升。结合TGA数据，通过Coats-Redfern和Horowitz-Metzger积分法计算复合材料主要降解阶段的反应等级n、活化能E及指前因子A。结果表明，空气氛围中MEL-PA促进了复合材料的初始降解，而在高温阶段使复合材料具有更高的热稳定性，并且两种计算方法具有相同规律。N2氛围中，MEL-PA30/RPUF(MEL-PA质量分数为10.3wt%)与RPUF相比，n增大，E升高。表明MEL-PA30/RPUF的反应更为复杂，热稳定性更高。通过Criado法进行数学模型与实验分析，验证了Coats-Redfern法的可行性。MEL-PA/RPUF复合材料的热氧化降解动力学研究结果为分析不同阻燃体系的RPUF的阻燃性能提供参考依据。
以实验室自制的三聚氰胺植酸(MEL-PA)为阻燃剂，采用一步法全水发泡工艺制备一系列三聚氰胺植酸/硬质聚氨酯泡沫(MEL-PA/RPUF)复合材料。采用热重分析(TG)与热分析动力学研究复合材料热稳定性，揭示其降解机制。研究表明，随着MEL-PA负载量的增加，MEL-PA/RPUF在700 ℃的残炭率逐渐提升。结合TGA数据，通过Coats-Redfern和Horowitz-Metzger积分法计算复合材料主要降解阶段的反应等级n、活化能E及指前因子A。结果表明，空气氛围中MEL-PA促进了复合材料的初始降解，而在高温阶段使复合材料具有更高的热稳定性，并且两种计算方法具有相同规律。N2氛围中，MEL-PA30/RPUF(MEL-PA质量分数为10.3wt%)与RPUF相比，n增大，E升高。表明MEL-PA30/RPUF的反应更为复杂，热稳定性更高。通过Criado法进行数学模型与实验分析，验证了Coats-Redfern法的可行性。MEL-PA/RPUF复合材料的热氧化降解动力学研究结果为分析不同阻燃体系的RPUF的阻燃性能提供参考依据。
2021, 38(8): 2517-2526.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201022.002
摘要:
以十二酸十二酯作为相变材料(PCM)，以聚乙烯醇(PVA)作为支撑材料，通过乳液静电纺丝技术制备十二酸十二酯@PVA蓄热调温纤维。应用SEM、TEM、DSC、TGA、迷你温度记录仪和红外热成像仪等研究了纺丝液组成及静电纺纤维的表面形貌、潜热值、热稳定性、调温性能、力学性能和水溶性。结果表明，当PVA浓度为10.0wt%、十二酸十二酯∶PVA质量比为50%时，纺丝液具有较好的稳定性和可纺性。十二酸十二酯@PVA静电纺纤维具有明显的芯-鞘结构，纤维中PCM的热分解温度比纯PCM提高了20℃，具有良好的热稳定性。十二酸十二酯@PVA静电纺纤维的潜热值在63 J/g左右，在降温冷却和热红外成像测试中，显示出良好的蓄热调温性能。经戊二醛交联后，静电纺纤维中支撑材料的热稳定性显著增强，而且，纤维的力学性能和水溶解性得到明显改善。
以十二酸十二酯作为相变材料(PCM)，以聚乙烯醇(PVA)作为支撑材料，通过乳液静电纺丝技术制备十二酸十二酯@PVA蓄热调温纤维。应用SEM、TEM、DSC、TGA、迷你温度记录仪和红外热成像仪等研究了纺丝液组成及静电纺纤维的表面形貌、潜热值、热稳定性、调温性能、力学性能和水溶性。结果表明，当PVA浓度为10.0wt%、十二酸十二酯∶PVA质量比为50%时，纺丝液具有较好的稳定性和可纺性。十二酸十二酯@PVA静电纺纤维具有明显的芯-鞘结构，纤维中PCM的热分解温度比纯PCM提高了20℃，具有良好的热稳定性。十二酸十二酯@PVA静电纺纤维的潜热值在63 J/g左右，在降温冷却和热红外成像测试中，显示出良好的蓄热调温性能。经戊二醛交联后，静电纺纤维中支撑材料的热稳定性显著增强，而且，纤维的力学性能和水溶解性得到明显改善。
2021, 38(8): 2527-2537.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201116.002
摘要:
以不同粒径的羧基封端生物降解聚酯弹性体粒子(CBEP)改性聚乳酸(PLA)制备了CBEP/PLA复合材料，对复合材料的力学、结晶与降解等性能进行了测试，并研究了CBEP对PLA性能的影响及作用机理。结果表明，CBEP可显著提高PLA的韧性，复合材料样条在拉伸时出现了颈缩现象，尤其是添加了7.5% (与PLA的质量比)粒径在200 nm的CBEP-a的复合材料的断裂伸长率由纯PLA的4.6%提高至155%，而复合材料的缺口冲击强度最高达到了纯PLA的2倍。同时CBEP可提高PLA的结晶性能，其中添加7.5%粒径在200 nm的CBEP-a的复合材料的等温结晶半结晶时间较纯PLA缩短了21.4%。而降解实验结果表明，添加了10%粒径在200 nm的CBEP-a的复合材料在脂肪酶环境下与土壤掩埋环境下的降解质量损失率分别由纯PLA的0.34%与0.25%，提高至2.52%与1.20%。CBEP/PLA复合材料在生物医药与环保材料等领域具有广阔的发展与应用前景。
以不同粒径的羧基封端生物降解聚酯弹性体粒子(CBEP)改性聚乳酸(PLA)制备了CBEP/PLA复合材料，对复合材料的力学、结晶与降解等性能进行了测试，并研究了CBEP对PLA性能的影响及作用机理。结果表明，CBEP可显著提高PLA的韧性，复合材料样条在拉伸时出现了颈缩现象，尤其是添加了7.5% (与PLA的质量比)粒径在200 nm的CBEP-a的复合材料的断裂伸长率由纯PLA的4.6%提高至155%，而复合材料的缺口冲击强度最高达到了纯PLA的2倍。同时CBEP可提高PLA的结晶性能，其中添加7.5%粒径在200 nm的CBEP-a的复合材料的等温结晶半结晶时间较纯PLA缩短了21.4%。而降解实验结果表明，添加了10%粒径在200 nm的CBEP-a的复合材料在脂肪酶环境下与土壤掩埋环境下的降解质量损失率分别由纯PLA的0.34%与0.25%，提高至2.52%与1.20%。CBEP/PLA复合材料在生物医药与环保材料等领域具有广阔的发展与应用前景。
2021, 38(8): 2538-2545.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201030.009
摘要:
提出了以苯乙烯、二乙烯基苯和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)为单体，通过伴随着溶胶-凝胶反应的悬浮聚合法一步制备表面构筑有SiO2粗糙结构的交联聚苯乙烯微球(SiO2/聚苯乙烯疏水复合微球)。研究了油相组成、KH570用量和溶胶-凝胶反应条件对SiO2/聚苯乙烯疏水复合微球强度和疏水性能的影响。结果表明，当弃除油相中的溶剂甲苯，在50℃的恒温反应阶段采用氨水调控体系pH值为10~11时可以获得兼具持久疏水性能、高强度和超低密度的SiO2/聚苯乙烯疏水复合微球。SiO2/聚苯乙烯疏水复合微球的表观密度约0.9917 g∙cm−3，69 MPa的闭合压力下破碎率低至2.53%，表面静态水接触角高达140.7°，耐热性能优异(玻璃化转变和分解温度分别高达160℃和390℃)。尤其是，在涠州X油田A5井的螯合酸HD和FA中持续回流30天的过程中，SiO2/聚苯乙烯疏水复合微球表面的接触角变化仍分别保持在±10%和±7%以内。SiO2/聚苯乙烯疏水复合微球具备作为深部储层开采用支撑剂的极大潜力，也可用作封隔体控水工艺中的充填材料。
提出了以苯乙烯、二乙烯基苯和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)为单体，通过伴随着溶胶-凝胶反应的悬浮聚合法一步制备表面构筑有SiO2粗糙结构的交联聚苯乙烯微球(SiO2/聚苯乙烯疏水复合微球)。研究了油相组成、KH570用量和溶胶-凝胶反应条件对SiO2/聚苯乙烯疏水复合微球强度和疏水性能的影响。结果表明，当弃除油相中的溶剂甲苯，在50℃的恒温反应阶段采用氨水调控体系pH值为10~11时可以获得兼具持久疏水性能、高强度和超低密度的SiO2/聚苯乙烯疏水复合微球。SiO2/聚苯乙烯疏水复合微球的表观密度约0.9917 g∙cm−3，69 MPa的闭合压力下破碎率低至2.53%，表面静态水接触角高达140.7°，耐热性能优异(玻璃化转变和分解温度分别高达160℃和390℃)。尤其是，在涠州X油田A5井的螯合酸HD和FA中持续回流30天的过程中，SiO2/聚苯乙烯疏水复合微球表面的接触角变化仍分别保持在±10%和±7%以内。SiO2/聚苯乙烯疏水复合微球具备作为深部储层开采用支撑剂的极大潜力，也可用作封隔体控水工艺中的充填材料。
2021, 38(8): 2546-2553.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201105.002
摘要:
通过纳米复合的方式，将微胶囊化的膨胀型阻燃体系—聚磷酸铵(APP)-季戊四醇(PER)与有机改性的片层蒙脱土(OMMT)用于协效阻燃乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)。采用XRD、TEM、TGA、极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)、锥形量热仪、烟密度和动态机械热分析对微胶囊化APP(MCAPP)-微胶囊化PER(MCPER)-OMMT/EVA复合材料的结构与性能进行研究。研究结果表明，OMMT被完全剥离开，并以层离或插层的状态分散在EVA中；MCAPP-MCPER与OMMT之间存在明显的协效阻燃作用，用3wt%OMMT代替MCAPP-MCPER后，MCAPP-MCPER-OMMT/EVA复合材料的LOI值从25.5vol%提高到29.5vol%，垂直燃烧结果由V-2上升到V-0级别，残炭量也由14.5wt%增大到15.9wt%，烟密度由154.7 g/s降低到97.5 g/s，材料的阻燃性能得到有效提高。此外，万能拉伸测试及动态机械热分析测试表明，通过纳米复合制备的阻燃MCAPP-MCPER-OMMT/EVA复合材料具有更好的力学和动态热机械性能。
通过纳米复合的方式，将微胶囊化的膨胀型阻燃体系—聚磷酸铵(APP)-季戊四醇(PER)与有机改性的片层蒙脱土(OMMT)用于协效阻燃乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)。采用XRD、TEM、TGA、极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)、锥形量热仪、烟密度和动态机械热分析对微胶囊化APP(MCAPP)-微胶囊化PER(MCPER)-OMMT/EVA复合材料的结构与性能进行研究。研究结果表明，OMMT被完全剥离开，并以层离或插层的状态分散在EVA中；MCAPP-MCPER与OMMT之间存在明显的协效阻燃作用，用3wt%OMMT代替MCAPP-MCPER后，MCAPP-MCPER-OMMT/EVA复合材料的LOI值从25.5vol%提高到29.5vol%，垂直燃烧结果由V-2上升到V-0级别，残炭量也由14.5wt%增大到15.9wt%，烟密度由154.7 g/s降低到97.5 g/s，材料的阻燃性能得到有效提高。此外，万能拉伸测试及动态机械热分析测试表明，通过纳米复合制备的阻燃MCAPP-MCPER-OMMT/EVA复合材料具有更好的力学和动态热机械性能。
2021, 38(8): 2554-2567.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201209.003
摘要:
目前我国在高性能碳纤维研发生产方面已取得了突破性的进展。本文选用不同批次和牌号的国产ZT7H碳纤维，对其进行去浆和上浆处理，并制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料，探究国产H1型上浆剂对ZT7H碳纤维表面形貌和微观界面性能的影响及不同牌号碳纤维复合材料界面性能的差异。研究表明，H1上浆剂增加了碳纤维表面粗糙度和极性组分含量，增强了湿热老化前后复合材料的微观界面力学性能。同时，碳纤维织物的编织方式对其复合材料的静态力学性能和界面性能有很大影响。实验证明，国产ZT7H碳纤维的性能已超过东丽T700碳纤维，但其加工工艺性仍有待提升。
目前我国在高性能碳纤维研发生产方面已取得了突破性的进展。本文选用不同批次和牌号的国产ZT7H碳纤维，对其进行去浆和上浆处理，并制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料，探究国产H1型上浆剂对ZT7H碳纤维表面形貌和微观界面性能的影响及不同牌号碳纤维复合材料界面性能的差异。研究表明，H1上浆剂增加了碳纤维表面粗糙度和极性组分含量，增强了湿热老化前后复合材料的微观界面力学性能。同时，碳纤维织物的编织方式对其复合材料的静态力学性能和界面性能有很大影响。实验证明，国产ZT7H碳纤维的性能已超过东丽T700碳纤维，但其加工工艺性仍有待提升。
2021, 38(8): 2568-2577.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201015.004
摘要:
离位复合增韧技术是本征脆性的热固性树脂基纤维复合材料提高韧性的有效解决方案，为了更好地结合离位增韧技术和树脂传递模塑(RTM)工艺制备高性能双马来酰亚胺(BMI)树脂基复合材料，本文面向新型热塑性联苯聚芳醚酮(PAEK-B)，研究了PAEK-B在BMI树脂及碳纤维复合材料中的分相行为及PAEK-B/BMI复合树脂的流变特性。结果表明，PAEK-B在BMI树脂的注射窗口温度保持一定时间后会发生分相行为，并在RTM工艺制备的碳纤维(CF)/PAEK-B/BMI复合材料中保持了分相结构。BMI树脂的注射温度会影响到PAEK-B在其中的溶解特性，注射温度升高会使BMI树脂的初始黏度变小，但PAEK-B/BMI复合树脂的黏度拐点时间会缩短；PAEK-B/BMI复合树脂符合Winter-Chambon准则，复合树脂的tanδ对频率没有依赖性，且复合树脂的凝胶活化能随着PAEK-B含量的增加逐渐增大。
离位复合增韧技术是本征脆性的热固性树脂基纤维复合材料提高韧性的有效解决方案，为了更好地结合离位增韧技术和树脂传递模塑(RTM)工艺制备高性能双马来酰亚胺(BMI)树脂基复合材料，本文面向新型热塑性联苯聚芳醚酮(PAEK-B)，研究了PAEK-B在BMI树脂及碳纤维复合材料中的分相行为及PAEK-B/BMI复合树脂的流变特性。结果表明，PAEK-B在BMI树脂的注射窗口温度保持一定时间后会发生分相行为，并在RTM工艺制备的碳纤维(CF)/PAEK-B/BMI复合材料中保持了分相结构。BMI树脂的注射温度会影响到PAEK-B在其中的溶解特性，注射温度升高会使BMI树脂的初始黏度变小，但PAEK-B/BMI复合树脂的黏度拐点时间会缩短；PAEK-B/BMI复合树脂符合Winter-Chambon准则，复合树脂的tanδ对频率没有依赖性，且复合树脂的凝胶活化能随着PAEK-B含量的增加逐渐增大。
2021, 38(8): 2578-2585.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201015.001
摘要:
碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)是一种高性能热塑性复合材料，在航空航天领域有着广阔的应用前景。由于PEEK具有温度和应变率相关的非线性行为，导致CF/PEEK复合材料在基体主导的面内剪切方向也有类似的力学行为。本文在不同的温度和应变率下对CF/PEEK复合材料试件进行了剪切实验，将应力-应变曲线分为线性与非线性部分，发现温度和应变率对CF/PEEK复合材料的屈服应力有着较大的影响。随着温度从20℃升高到130℃屈服应力下降了66%左右，下降速度先快后慢，随着应变率从10−5 s−1提高到0.1 s−1屈服应力均匀增大了35%左右。将所得规律拟合背应力经验公式，修改了经典的热塑性复合材料本构模型的屈服函数。并编写VUMAT用户子程序对CF/PEEK复合材料剪切实验进行数值分析，与实验结果对比发现非线性阶段的剪切应力-应变关系及屈服点的剪切应力吻合良好，但是由于纤维和PEEK基体的浸润性较差，导致CF/PEEK复合材料内部存在孔隙缺陷，影响了CF/PEEK复合材料的初始剪切弹性行为，导致加载初始阶段存在偏差。
碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)是一种高性能热塑性复合材料，在航空航天领域有着广阔的应用前景。由于PEEK具有温度和应变率相关的非线性行为，导致CF/PEEK复合材料在基体主导的面内剪切方向也有类似的力学行为。本文在不同的温度和应变率下对CF/PEEK复合材料试件进行了剪切实验，将应力-应变曲线分为线性与非线性部分，发现温度和应变率对CF/PEEK复合材料的屈服应力有着较大的影响。随着温度从20℃升高到130℃屈服应力下降了66%左右，下降速度先快后慢，随着应变率从10−5 s−1提高到0.1 s−1屈服应力均匀增大了35%左右。将所得规律拟合背应力经验公式，修改了经典的热塑性复合材料本构模型的屈服函数。并编写VUMAT用户子程序对CF/PEEK复合材料剪切实验进行数值分析，与实验结果对比发现非线性阶段的剪切应力-应变关系及屈服点的剪切应力吻合良好，但是由于纤维和PEEK基体的浸润性较差，导致CF/PEEK复合材料内部存在孔隙缺陷，影响了CF/PEEK复合材料的初始剪切弹性行为，导致加载初始阶段存在偏差。
2021, 38(8): 2586-2594.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201117.002
摘要:
以溴化聚苯乙烯(BPS)为阻燃剂，Sb2O3纳米颗粒(nano-Sb2O3)为协效阻燃剂，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)为基体，热塑性聚氨酯弹性体(TPU)为增韧组分，采用球磨分散和熔融共混的方法制备出TPU/nano-Sb2O3-BPS-PBT阻燃复合材料。通过DSC、拉伸、冲击和极限氧指数(LOI)等性能测试，研究了TPU质量分数对TPU/nano-Sb2O3-BPS-PBT阻燃复合材料力学性能与阻燃性能的影响。研究结果表明：TPU的加入可改善TPU/nano-Sb2O3-BPS-PBT阻燃复合材料的韧性；随着TPU质量分数的增加，TPU/nano-Sb2O3-BPS-PBT阻燃复合材料的缺口冲击强度上升，当TPU质量分数为9wt%时，其冲击强度相比于纯PBT提高了137%，断裂伸长率相比于纯PBT提高了340%，但该复合材料的拉伸强度有所下降。当TPU质量分数为3wt%时，该复合材料的拉伸强度大于纯PBT，冲击强度相比于纯PBT提高了52%，同时达到了难燃等级。此时，TPU/nano-Sb2O3-BPS-PBT阻燃复合材料表现出优异的综合性能。
以溴化聚苯乙烯(BPS)为阻燃剂，Sb2O3纳米颗粒(nano-Sb2O3)为协效阻燃剂，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)为基体，热塑性聚氨酯弹性体(TPU)为增韧组分，采用球磨分散和熔融共混的方法制备出TPU/nano-Sb2O3-BPS-PBT阻燃复合材料。通过DSC、拉伸、冲击和极限氧指数(LOI)等性能测试，研究了TPU质量分数对TPU/nano-Sb2O3-BPS-PBT阻燃复合材料力学性能与阻燃性能的影响。研究结果表明：TPU的加入可改善TPU/nano-Sb2O3-BPS-PBT阻燃复合材料的韧性；随着TPU质量分数的增加，TPU/nano-Sb2O3-BPS-PBT阻燃复合材料的缺口冲击强度上升，当TPU质量分数为9wt%时，其冲击强度相比于纯PBT提高了137%，断裂伸长率相比于纯PBT提高了340%，但该复合材料的拉伸强度有所下降。当TPU质量分数为3wt%时，该复合材料的拉伸强度大于纯PBT，冲击强度相比于纯PBT提高了52%，同时达到了难燃等级。此时，TPU/nano-Sb2O3-BPS-PBT阻燃复合材料表现出优异的综合性能。
2021, 38(8): 2595-2604.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201019.002
摘要:
为优化丙烯酸树脂基水合氧化铁(Hydrated ferric oxide，HFO)复合吸附剂的负载量，调节FeCl3浓度制备出5种复合吸附剂(HFO负载量分别为5.3wt%、8.6wt%、12.1wt%、14.9wt%和18.5wt%，以Fe质量分数计)，分析其结构性能，并考察D213-HFO复合吸附剂对磷的吸附等温线、吸附动力学、pH和共存离子影响及洗脱效果。结果表明，复合吸附剂负载HFO颗粒为纳米无定型HFO，在直径方向呈U型分布。此外，随HFO负载量增加，磷吸附容量先升高后下降，负载量为14.9wt%的复合吸附剂吸附容量最大(19.04 mg·g−1)。复合吸附剂吸附磷在240 min达到平衡，更符合准一级动力学模型(R2>0.99)。磷吸附最佳pH为6~8，当SO42−≥600 mg·L−1树脂对磷无吸附效果，而负载HFO吸附磷不受影响。在连续4个吸附-洗脱周期内，5wt%的NaOH和5wt%的NaCl溶液对磷的洗脱率均接近100%。实验表明，复合吸附剂的吸附容量随HFO负载量增加先升高后下降，而结构性能、吸附平衡时间、pH适应范围、共存离子影响及洗脱效果无显著差异。
为优化丙烯酸树脂基水合氧化铁(Hydrated ferric oxide，HFO)复合吸附剂的负载量，调节FeCl3浓度制备出5种复合吸附剂(HFO负载量分别为5.3wt%、8.6wt%、12.1wt%、14.9wt%和18.5wt%，以Fe质量分数计)，分析其结构性能，并考察D213-HFO复合吸附剂对磷的吸附等温线、吸附动力学、pH和共存离子影响及洗脱效果。结果表明，复合吸附剂负载HFO颗粒为纳米无定型HFO，在直径方向呈U型分布。此外，随HFO负载量增加，磷吸附容量先升高后下降，负载量为14.9wt%的复合吸附剂吸附容量最大(19.04 mg·g−1)。复合吸附剂吸附磷在240 min达到平衡，更符合准一级动力学模型(R2>0.99)。磷吸附最佳pH为6~8，当SO42−≥600 mg·L−1树脂对磷无吸附效果，而负载HFO吸附磷不受影响。在连续4个吸附-洗脱周期内，5wt%的NaOH和5wt%的NaCl溶液对磷的洗脱率均接近100%。实验表明，复合吸附剂的吸附容量随HFO负载量增加先升高后下降，而结构性能、吸附平衡时间、pH适应范围、共存离子影响及洗脱效果无显著差异。
2021, 38(8): 2605-2615.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201203.001
摘要:
为了研究泡沫填充褶皱夹芯结构低速冲击响应特性与损伤机制，采用热压法制备了玻璃纤维增强S型褶皱夹芯板，并使用聚氨酯泡沫进行了填充，通过落锤试验机对夹芯板节点与基座两个位置进行了冲击试验。研究表明，冲击位置对泡沫填充褶皱夹芯板的失效模式存在影响。当冲击位置为节点时，夹芯板芯子以凸侧面曲面壁压溃断裂失效为主，泡沫的填充起到了提供力矩的作用。当冲击位置为基座时，夹芯板芯子以凹侧面曲面壁撕裂和凸侧面曲面壁压溃失效为主，夹芯板损伤沿板厚度方向扩展充分，导致冲击载荷均匀化。在相同冲击能量下，节点与基座冲击相比，夹芯板的最大载荷力提高，并且比较稳定。此外，节点载荷峰值产生的冲击位移较低于基座冲击。
为了研究泡沫填充褶皱夹芯结构低速冲击响应特性与损伤机制，采用热压法制备了玻璃纤维增强S型褶皱夹芯板，并使用聚氨酯泡沫进行了填充，通过落锤试验机对夹芯板节点与基座两个位置进行了冲击试验。研究表明，冲击位置对泡沫填充褶皱夹芯板的失效模式存在影响。当冲击位置为节点时，夹芯板芯子以凸侧面曲面壁压溃断裂失效为主，泡沫的填充起到了提供力矩的作用。当冲击位置为基座时，夹芯板芯子以凹侧面曲面壁撕裂和凸侧面曲面壁压溃失效为主，夹芯板损伤沿板厚度方向扩展充分，导致冲击载荷均匀化。在相同冲击能量下，节点与基座冲击相比，夹芯板的最大载荷力提高，并且比较稳定。此外，节点载荷峰值产生的冲击位移较低于基座冲击。
2021, 38(8): 2616-2624.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200927.001
摘要:
以船舶结构优化设计为背景，针对目前结构安全余量过高导致加筋板板筋刚度过匹配现状，提出板筋刚度匹配临界刚度的概念，推导了板筋刚度比关系式。以T型复合材料筋材为对象，建立优化模型，基于Isight软件平台对设计变量进行灵敏度分析，简化设计变量。采用多岛遗传算法对筋材开展多变量优化设计，结合工程实际在筋材优化结果基础上确定设计方案，并开展复合材料加筋板力学性能试验研究，验证了多变量优化设计方法的可行性。研究表明：利用提出的加筋板板筋刚度比关系式，可以指导板筋刚度匹配设计；对T型复合材料筋材进行优化设计时，提升腹板高度对优化目标影响最明显；在等刚度约束前提下，提出的T型筋材优化设计方案能够较好地实现优化目标，同时保证了较优的经济性。
以船舶结构优化设计为背景，针对目前结构安全余量过高导致加筋板板筋刚度过匹配现状，提出板筋刚度匹配临界刚度的概念，推导了板筋刚度比关系式。以T型复合材料筋材为对象，建立优化模型，基于Isight软件平台对设计变量进行灵敏度分析，简化设计变量。采用多岛遗传算法对筋材开展多变量优化设计，结合工程实际在筋材优化结果基础上确定设计方案，并开展复合材料加筋板力学性能试验研究，验证了多变量优化设计方法的可行性。研究表明：利用提出的加筋板板筋刚度比关系式，可以指导板筋刚度匹配设计；对T型复合材料筋材进行优化设计时，提升腹板高度对优化目标影响最明显；在等刚度约束前提下，提出的T型筋材优化设计方案能够较好地实现优化目标，同时保证了较优的经济性。
2021, 38(8): 2625-2634.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201019.001
摘要:
研究了碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料感应焊接中厚度方向及焊接面内的温度分布及调控。基于对温度分布结果的分析，使用导热板结合真空袋压的方式对CF/PEEK进行感应焊接，结合使用合适的功率及加热时间，测试了焊接件的单搭接强度，观测分析了焊接件的断裂形貌。结果表明，导热板对层合板表层和边缘均有良好的散热效果；焊接功率越低，焊接面的加热均匀性增加，但是会延长加热时间。在真空袋中对层合板上表面和两侧添加导热板，在输出功率示数为600时感应焊接300 s，焊接件的单搭接剪切强度达到41.57 MPa。
研究了碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料感应焊接中厚度方向及焊接面内的温度分布及调控。基于对温度分布结果的分析，使用导热板结合真空袋压的方式对CF/PEEK进行感应焊接，结合使用合适的功率及加热时间，测试了焊接件的单搭接强度，观测分析了焊接件的断裂形貌。结果表明，导热板对层合板表层和边缘均有良好的散热效果；焊接功率越低，焊接面的加热均匀性增加，但是会延长加热时间。在真空袋中对层合板上表面和两侧添加导热板，在输出功率示数为600时感应焊接300 s，焊接件的单搭接剪切强度达到41.57 MPa。
2021, 38(8): 2635-2645.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201109.001
摘要:
传统椭圆概率损伤成像使用信号幅值差或能量差作为特征参量，对损伤识别不够敏感且抗噪性能较差。为提高损伤识别的敏感程度，提出采用小波包能量比变化率偏差(Energy relative variation deviation，ERVD)作为损伤因子。选取合适的探头入射倾斜角度，使用空气耦合超声探头在复合材料层板中激励单一的Lamb波模态，对采集的扫查信号进行小波包分解，根据结构损伤前后的信号特征变化选取特征频带，计算损伤指数进行椭圆概率损伤成像，并模拟不同噪声环境对比不同损伤因子的成像效果差异。实验结果表明，选取小波包能量比变化率偏差作为损伤因子，具有较强的损伤识别敏感性和抗噪性能。使用此损伤因子进行空气耦合超声概率损伤成像，可提高复合材料损伤的定位和成像效果。
传统椭圆概率损伤成像使用信号幅值差或能量差作为特征参量，对损伤识别不够敏感且抗噪性能较差。为提高损伤识别的敏感程度，提出采用小波包能量比变化率偏差(Energy relative variation deviation，ERVD)作为损伤因子。选取合适的探头入射倾斜角度，使用空气耦合超声探头在复合材料层板中激励单一的Lamb波模态，对采集的扫查信号进行小波包分解，根据结构损伤前后的信号特征变化选取特征频带，计算损伤指数进行椭圆概率损伤成像，并模拟不同噪声环境对比不同损伤因子的成像效果差异。实验结果表明，选取小波包能量比变化率偏差作为损伤因子，具有较强的损伤识别敏感性和抗噪性能。使用此损伤因子进行空气耦合超声概率损伤成像，可提高复合材料损伤的定位和成像效果。
2021, 38(8): 2646-2654.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201111.004
摘要:
根据能带理论，以Bi(NO3)3·5H2O为铋源，采用水热煅烧法制备了Bi2O3-Bi2WO6复合光催化材料，SEM、XRD、XPS、紫外可见漫反射(UV-vis DRS)、电化学阻抗(EIS)等表征手段对材料进行表征与分析，以U(VI)为目标污染物，在可见光下进行光催化还原U(VI)的性能研究。结果表明：与纯Bi2WO6相比，Bi2O3-Bi2WO6复合材料具有较高的光催化活性，当Bi2O3与Bi2WO6的摩尔比为2.4∶1时，Bi2O3-Bi2WO6的光催化活性最好，光催化活性增强归因于Bi2O3的加入，在Bi2O3与Bi2WO6界面形成的直接Z-scheme异质结，提高了光生电子-空穴的传输速率，降低了其复合率；另一方面，Bi2O3的加入使Bi2WO6带隙变小，扩大对可见光的响应范围，从而提高了Bi2O3-Bi2WO6光催化剂的活性。本研究为设计和合成具有高可见光活性的光催化剂和了解增强U(VI)光催化还原机理提供了新的思路。
根据能带理论，以Bi(NO3)3·5H2O为铋源，采用水热煅烧法制备了Bi2O3-Bi2WO6复合光催化材料，SEM、XRD、XPS、紫外可见漫反射(UV-vis DRS)、电化学阻抗(EIS)等表征手段对材料进行表征与分析，以U(VI)为目标污染物，在可见光下进行光催化还原U(VI)的性能研究。结果表明：与纯Bi2WO6相比，Bi2O3-Bi2WO6复合材料具有较高的光催化活性，当Bi2O3与Bi2WO6的摩尔比为2.4∶1时，Bi2O3-Bi2WO6的光催化活性最好，光催化活性增强归因于Bi2O3的加入，在Bi2O3与Bi2WO6界面形成的直接Z-scheme异质结，提高了光生电子-空穴的传输速率，降低了其复合率；另一方面，Bi2O3的加入使Bi2WO6带隙变小，扩大对可见光的响应范围，从而提高了Bi2O3-Bi2WO6光催化剂的活性。本研究为设计和合成具有高可见光活性的光催化剂和了解增强U(VI)光催化还原机理提供了新的思路。
2021, 38(8): 2655-2665.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201116.003
摘要:
为研究粉煤灰空心球/Al(Fly ash cenosphere/aluminum syntactic foam，FAC/Al)复合泡沫材料静力性能，采用万能试验机对铝基复合泡沫材料进行了准静态轴向压缩性能试验，考察了不同空心球平均粒径(分别为150、200和300 μm)对铝基复合泡沫材料变形失效模式及力学性能的影响，并获取了具有不同空心球粒径的复合材料在准静态下的应力-应变曲线，在此基础上分析了空心球粒径大小对复合材料能量吸收性能的影响。试验结果表明，在准静态荷载作用下，随着空心球粒径的增大，复合材料的压缩屈服强度、吸能能力及理想吸能效率有着明显的降低。此外，在获得的应力-应变曲线基础上，采用最小二乘法拟合得到了铝基复合泡沫在准静态荷载作用下的本构方程，并对其进行了验证，结果表明该方程具有较好的拟合度。
为研究粉煤灰空心球/Al(Fly ash cenosphere/aluminum syntactic foam，FAC/Al)复合泡沫材料静力性能，采用万能试验机对铝基复合泡沫材料进行了准静态轴向压缩性能试验，考察了不同空心球平均粒径(分别为150、200和300 μm)对铝基复合泡沫材料变形失效模式及力学性能的影响，并获取了具有不同空心球粒径的复合材料在准静态下的应力-应变曲线，在此基础上分析了空心球粒径大小对复合材料能量吸收性能的影响。试验结果表明，在准静态荷载作用下，随着空心球粒径的增大，复合材料的压缩屈服强度、吸能能力及理想吸能效率有着明显的降低。此外，在获得的应力-应变曲线基础上，采用最小二乘法拟合得到了铝基复合泡沫在准静态荷载作用下的本构方程，并对其进行了验证，结果表明该方程具有较好的拟合度。
2021, 38(8): 2666-2675.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201110.003
摘要:
采用原位化学气相沉积、短时球磨和填加造孔剂法相结合的工艺制备了碳纳米管(CNTs)/Al复合泡沫，研究了其在压缩-压缩循环载荷下的力学性能及失效机制。结果表明，CNTs/Al复合泡沫的应变-循环次数曲线经历线弹性、应变硬化及应变快速增长三个阶段。不同于泡沫铝的逐层坍塌变形失效模式，CNTs/Al复合泡沫疲劳失效的主要原因是大量剪切变形带的形成，试样出现快速的塑性变形。此外，CNTs含量为2.5wt%、孔隙率为60%的复合泡沫试样的疲劳强度相比于泡沫铝提高了92%。CNTs的均匀分布及增强相与基体材料之间良好的界面结合性保证了疲劳载荷能够以剪切力的形式从基体传递到CNTs上，使其充分发挥自身高强度、高韧性的特点，进而提高了疲劳性能。
采用原位化学气相沉积、短时球磨和填加造孔剂法相结合的工艺制备了碳纳米管(CNTs)/Al复合泡沫，研究了其在压缩-压缩循环载荷下的力学性能及失效机制。结果表明，CNTs/Al复合泡沫的应变-循环次数曲线经历线弹性、应变硬化及应变快速增长三个阶段。不同于泡沫铝的逐层坍塌变形失效模式，CNTs/Al复合泡沫疲劳失效的主要原因是大量剪切变形带的形成，试样出现快速的塑性变形。此外，CNTs含量为2.5wt%、孔隙率为60%的复合泡沫试样的疲劳强度相比于泡沫铝提高了92%。CNTs的均匀分布及增强相与基体材料之间良好的界面结合性保证了疲劳载荷能够以剪切力的形式从基体传递到CNTs上，使其充分发挥自身高强度、高韧性的特点，进而提高了疲劳性能。
2021, 38(8): 2676-2683.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201019.003
摘要:
将粒径为1~2 mm的ZrO2增韧Al2O3陶瓷颗粒(ZTAp)、高铬合金粉末和黏结剂混合真空烧结制备蜂窝状预制体，再浇注高铬铸铁液制备出ZTAp增强高铬铸铁基复合材料。采用SEM、EDS、XRD分析复合材料的界面微观结构和物相组成，通过三体磨损试验评价复合材料的耐磨性能。结果表明，烧结高铬铸铁基体在铸造过程中发生重熔，与铸造高铬铸铁基体呈冶金结合，ZTAp与金属基体界面结合致密，无裂纹、气孔等缺陷。复合材料三体耐磨性能达到高铬铸铁的3倍以上。将该复合材料应用于制备磨辊件，经过5 000 h服役，柱状区和复合区在磨辊半径方向上的磨损量分别为8.2 mm、5.9 mm，预计寿命可达到高铬铸铁磨辊的2倍以上。
将粒径为1~2 mm的ZrO2增韧Al2O3陶瓷颗粒(ZTAp)、高铬合金粉末和黏结剂混合真空烧结制备蜂窝状预制体，再浇注高铬铸铁液制备出ZTAp增强高铬铸铁基复合材料。采用SEM、EDS、XRD分析复合材料的界面微观结构和物相组成，通过三体磨损试验评价复合材料的耐磨性能。结果表明，烧结高铬铸铁基体在铸造过程中发生重熔，与铸造高铬铸铁基体呈冶金结合，ZTAp与金属基体界面结合致密，无裂纹、气孔等缺陷。复合材料三体耐磨性能达到高铬铸铁的3倍以上。将该复合材料应用于制备磨辊件，经过5 000 h服役，柱状区和复合区在磨辊半径方向上的磨损量分别为8.2 mm、5.9 mm，预计寿命可达到高铬铸铁磨辊的2倍以上。
2021, 38(8): 2684-2693.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210513.008
摘要:
掩体作为战场中指挥、防御、观察、射击的综合性军事工事，其观察口为薄弱点，防护能力的大小关系着其内部人员是否安全。本文以防护轻武器为设计目标，设计、制作一种纤维/陶瓷层间混杂复合材料，并对其防弹能力进行测试。首先，基于显式有限元软件ABAQUS/Explicit，建立弹体冲击纤维/陶瓷层间混杂复合材料防护甲板的数值模型，研究混杂纤维与同种纤维、混杂纤维的不同比例及纤维的铺设角度对复合材料防护甲板抗冲击性能的影响。结果表明：两种纤维混杂且混杂比例为0.3~0.7、纤维铺设角度为：0°/30°/60°/90°/−60°/−30°/0°时防护效果最好。其次，根据模拟结果，利用缠绕成型和手糊工艺相结合的方式将高强玻璃纤维S-2/TDE-85环氧树脂复合材料层合板、SiC陶瓷及凯芙拉49纤维/TDE-85环氧树脂复合材料层合板依次堆叠，制作纤维/陶瓷层间混杂复合材料防护甲板试件。最后，利用改进的霍普金森压杆装置进行防护甲板的弹体冲击试验。结果表明：设计的防护甲板能够抵挡住平均速度为500 m/s子弹的贯穿，与理论计算的结果相符合。
掩体作为战场中指挥、防御、观察、射击的综合性军事工事，其观察口为薄弱点，防护能力的大小关系着其内部人员是否安全。本文以防护轻武器为设计目标，设计、制作一种纤维/陶瓷层间混杂复合材料，并对其防弹能力进行测试。首先，基于显式有限元软件ABAQUS/Explicit，建立弹体冲击纤维/陶瓷层间混杂复合材料防护甲板的数值模型，研究混杂纤维与同种纤维、混杂纤维的不同比例及纤维的铺设角度对复合材料防护甲板抗冲击性能的影响。结果表明：两种纤维混杂且混杂比例为0.3~0.7、纤维铺设角度为：0°/30°/60°/90°/−60°/−30°/0°时防护效果最好。其次，根据模拟结果，利用缠绕成型和手糊工艺相结合的方式将高强玻璃纤维S-2/TDE-85环氧树脂复合材料层合板、SiC陶瓷及凯芙拉49纤维/TDE-85环氧树脂复合材料层合板依次堆叠，制作纤维/陶瓷层间混杂复合材料防护甲板试件。最后，利用改进的霍普金森压杆装置进行防护甲板的弹体冲击试验。结果表明：设计的防护甲板能够抵挡住平均速度为500 m/s子弹的贯穿，与理论计算的结果相符合。
