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1. 难熔高熵合金性能调控与增材制造
孙博, 夏铭, 张志彬, 梁秀兵, 沈宝龙
材料工程    2020, 48 (10): 1-16.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000281
摘要1098)      PDF(pc) (3323KB)(532)    收藏
难熔高熵合金(refractory high-entropy alloys,RHEAs)通过添加多种难熔元素形成等原子比或近等原子比的多主元合金,具有简单的相结构和优异的高温性能,在高温合金领域具有极为广阔的应用前景。本文以难熔高熵合金的性能特点与制备工艺为基础,从合金制备与成形面临的挑战出发,综述了难熔高熵合金的性能调控方法与研究进展,介绍了增材制造难熔高熵合金实现的突破与面临的困境,对难熔高熵合金的成分设计及优化、材料制备与加工、增材制造成形进行了展望,并对其未来重点研究方向提出了如下建议:通过调控相结构和相界面克服难熔高熵合金的强韧制约;结合传统强韧化理论与难熔高熵合金自身性能特点进行材料设计;借助增材制造技术的工艺特征促进难熔高熵合金的形性调控;探究难熔高熵合金在高温及多场耦合环境下的使役性能与失效机制。
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2. 民用航空发动机树脂基复合材料应用进展
马绪强, 苏正涛
材料工程    2020, 48 (10): 48-59.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000440
摘要581)      PDF(pc) (6255KB)(248)    收藏
树脂基复合材料因其比强度比刚度高、可设计性好、阻尼减振性能优异、易于整体化成型等优点已成为新型航空发动机重要的结构材料。本文选取风扇叶片、包容机匣、声衬和衬套等典型航空发动机部件,介绍了树脂基复合材料在国外民用航空发动机的应用状况。之后论述了树脂基复合材料在航空发动机结构优化、经济性、环保性等方面的优势。基于微纳材料混杂技术、3D打印技术和超材料技术分析了航空发动机树脂基复合材料发展的新趋势。最后从"设计-材料-工艺-评价"角度就未来树脂基复合材料在我国民用航空发动机应用发展提出了一些思考。
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3. 高韧性三元层状陶瓷:从MAX相到MAB相
柏跃磊, 尹航, 宋广平, 赫晓东, 齐欣欣, 高进, 郝兵兵, 张金泽
材料工程    2021, 49 (5): 1-23.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.001171
摘要581)      PDF(pc) (33188KB)(145)    收藏
三元层状化合物MAX相和新近引起人们注意的MAB相以其兼具陶瓷和金属的共同特性成为结构陶瓷领域20余年的研究热点,而高损伤容限和高断裂韧度是其区别于传统陶瓷的本质特征。本文简要回顾了MAX相的整体发展脉络和MAB相的最新研究进展,重点分析了纳米层状结构对宏观力学行为的影响及其内在机制。基于第一性原理计算结果建立的键刚度模型在实现对化学键强度的定量表征基础上,更重要的是阐明了"足够"弱的层间结合是三元层状陶瓷表现出非凡力学性能的根本原因。而Fe 2AlB 2在室温附近所出现的磁热效应(MCE)则显示了MAB相化合物在功能领域的良好应用前景。经过20余年的持续研究,MAX相化合物的结构和性能逐渐变得清晰,目前针对具体场景的应用研究在世界各地蓬勃开展起来。然而,目前对MAB相化合物的认识还很有限。因此,合成和表征现有已知MAB相化合物的结构、力学性能、物理性能以及基于应用背景的使役行为是现阶段的重要任务。其中,基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理数值模拟可扮演重要角色,正如其在理解MAX相化合物的非凡性能和发现新型化合物时所起的重要作用一样。
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4. 含BCC/B2共格结构多主元合金研究进展
董亚光, 陈尚, 王俊升, 靳柯
材料工程    2021, 49 (2): 1-9.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000351
摘要532)      PDF(pc) (17073KB)(244)    收藏
引入共格析出相是强化合金的重要方式。近年来发现在BCC结构多主元合金中引入共格B2相可有效提升其力学性能,形成了一类重要的合金体系。本文综述了含BCC/B2共格结构多主元合金的研究现状,重点讨论这一系列新型合金在成分、组织形貌、结构稳定性以及力学性能等方面的特征,并指出此类合金在宽温域下强度较高、塑性因成分差异而不同的变化特点。目前,这类合金在高于500℃时的结构稳定性较差,无法满足工程应用的需求,而成分设计是解决此问题较为简单易行的方法。本文旨在为含BCC/B2共格结构多主元合金的设计提供参考。
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5. PAA类黏结剂在锂电池中电化学性能研究进展
刘梦如, 叶诚曦, 彭黎波, 翁景峥
材料工程    2021, 49 (2): 21-31.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000532
摘要501)      PDF(pc) (3241KB)(125)    收藏
黏结剂是维持极片完整性必不可少的部分,对电池比容量、循环稳定等性能的提高非常重要。聚丙烯酸(PAA)因含有较多极性官能团,可溶于水,而被用作锂电池正负极黏结剂。PAA黏附性好,但极性基团使得分子链间形成的氢键导致PAA链刚性较大,不利于维持充放电过程中极片的完整性,因此,控制PAA官能团数量、改变官能团种类及PAA分子链结构,对锂电池电性能的提高势在必行。本文综述了近几年锂电池用PAA黏结剂的研究进展,重点介绍了PAA黏结剂的结构特性、改性及应用方式及其对不同种锂电池首次库伦效率、循环稳定性和阻抗性能的影响,并对PAA黏结剂的未来改性研究热点做了展望,探索PAA引入不同结构的弹性或导电聚合物后,对于黏结剂本身性能的影响,改善界面性能,以适用于不同活性材料正负极,提高锂离子传输速率,更好地提高锂电池的使用性能。
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6. 高熵非晶合金耐腐蚀性能研究进展
张舒研, 高洋洋, 张志彬, 梁秀兵, 王立忠
材料工程    2021, 49 (1): 44-54.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000254
摘要475)      PDF(pc) (2343KB)(160)    收藏
高熵非晶合金是近年来发展起来的一种新型合金材料,因其兼具高熵合金和非晶合金优异的力学性能、耐腐蚀性能、磁性能等功能特性,引发了众多学者的广泛关注。本文简述了高熵非晶合金的含义与特点,介绍了高熵非晶材料的制备方法及组织与性能;归纳了该类材料的耐蚀机理与耐腐蚀性能的最新研究成果;展望了采用机器学习助力设计高熵非晶合金的新范式,并指出探究工况环境下的腐蚀失效机制、完善高熵非晶合金微观耐蚀机理与优化相关制备工艺是该材料广泛应用的前提条件。针对高熵非晶合金的开发及其耐腐蚀性开展的应用基础研究,将为我国海洋事业的"远洋化、深海化"提供先进的技术支撑和材料保障。
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7. NiTi基形状记忆合金弹热效应及其应用研究进展
朱雪洁, 钟诗江, 杨晓霞, 张学习, 钱明芳, 耿林
材料工程    2021, 49 (3): 1-13.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000780
摘要439)      PDF(pc) (7403KB)(211)    收藏
NiTi合金作为性能最优异的形状记忆合金之一,已经广泛应用于航空航天、电子、建筑、生物医学等领域。近年来,NiTi基合金极佳的力学性能、巨大的弹热效应和良好的机械加工性使其在弹热制冷领域引起了广泛关注。然而,传统NiTi二元合金超弹性应力滞后大,超弹性和弹热效应循环稳定性差,达不到实际应用所需的长期服役要求。本文介绍了NiTi基合金的弹热效应研究进展,从掺杂合金元素、热机械处理、改变制备方法等角度综述了近几年NiTi基合金弹热效应改进优化的研究进展,同时本文也简要介绍了已经开发的基于NiTi基合金的弹热装置或原型机。但是目前NiTi基合金弹热材料的研究和原型机的开发仍处于实验阶段,实现其商业化应用需要进一步深入研究和优化,未来前者研究重点将集中在材料小型化、合金化或特殊处理及改变循环方式等方面,后者也将从提高热量传输效率、加强热量交换、减小摩擦等损耗、改进机械负载和循环模式等方面不断优化和完善。
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8. 国产高性能碳纤维表征分析及复合材料力学性能研究
李国丽, 彭公秋, 钟翔屿
材料工程    2020, 48 (10): 74-81.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001104
摘要433)      PDF(pc) (5237KB)(162)    收藏
采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱仪(XPS)表征国产T800级碳纤维A和东丽T800H碳纤维的表面形貌与表面化学特性,对两种碳纤维增强高韧性环氧树脂基复合材料的力学性能进行研究。结果表明,碳纤维表面特性对复合材料界面性能具有显著影响;国产碳纤维A的表面粗糙度和表面化学活性均与东丽T800H碳纤维较为接近,室温条件下两种碳纤维复合材料的界面性能基本相当,说明国产碳纤维复合材料M-A具有良好的界面性能;在130℃湿态条件下,国产碳纤维复合材料M-A的层间剪切强度和90°拉伸强度保持率均略高东丽碳纤维复合材料M-T800H,说明国产碳纤维复合材料M-A的湿热性能良好。
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9. 光催化降解化学毒剂研究进展
李贺希, 陈静飞, 卢聪, 屈秀文, 项丰顺
材料工程    2020, 48 (11): 9-24.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000422
摘要432)      PDF(pc) (2828KB)(151)    收藏
光催化技术的飞速发展引起了化学毒剂(CWAs)洗消领域的关注,其高效广谱、绿色环保的特性可克服传统洗消技术所遇到的不少难题(如对土壤的腐蚀问题),适合用于CWAs的降解消除。就此研究者进行了大量的研究,也有相关综述对光催化降解毒剂的机理及应用进行详细论述,但关于传统光催化材料的文献较多,鲜有文献对新型光催化材料在降解CWAs方面的机理及应用进行总结。因此,本文对光催化降解CWAs的机理、光催化材料种类、光催化降解CWAs的应用,特别是对新型光催化材料(如金属-有机骨架)降解毒剂的研究进行详细总结。光催化技术在低浓度、难降解化学毒剂的处理上相对其他技术存在优势,但研究尚停留在实验室阶段且多为模拟剂实验,应用于真实化学毒剂降解时还存在阻碍。在未来,可穿戴的光催化防护材料值得进一步研究,同时光催化技术在大规模毒剂销毁已被证实具有一定潜力。
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10. 石墨烯改性碳纤维树脂基复合材料的制备和性能评价
陈宇, 张代军, 李军, 温嘉轩, 陈祥宝
材料工程    2020, 48 (10): 82-87.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000848
摘要429)      PDF(pc) (2245KB)(134)    收藏
以石墨烯预浸料作为功能层,铺贴在碳纤维预成型体表面,通过热压罐共固化成型的方法,制备石墨烯改性碳纤维树脂基复合材料。利用超声扫描、金相电镜、四探针、矢量网络分析仪和万能材料试验机等测试手段研究石墨烯预浸料对复合材料内部质量、电磁屏蔽性能和力学性能的影响。实验结果表明:石墨烯预浸料的加入,并不会影响到复合材料的内部质量,并且石墨烯功能层和碳纤维结构层之间具有良好的界面相容性。在此基础上,石墨烯预浸料作为功能层,利用其优异的导电性能,可以使得复合材料的电磁屏蔽性能显著提高。当加入G105/3234石墨烯预浸料时,复合材料的电磁屏蔽效能由27.7 dB提高到64.7 dB。与此同时,改性后的碳纤维树脂基复合材料仍然可以保持良好的力学性能。
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11. TiO 2薄膜型气敏传感器研究进展
金嘉炜, 李国臣, 张冶, 李公义, 楚增勇
材料工程    2020, 48 (10): 28-38.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000515
摘要422)      PDF(pc) (2863KB)(160)    收藏
TiO 2纳米薄膜型气敏传感器具有制备方法简单、灵敏度高、一致性好、小型化等优点,且由于TiO 2半导体的宽能带使其能够通过涂覆修饰其他元素使传感器性能得到大幅度提高,如今已经越来越受到研究者们的广泛关注。本文综述了当前国内外TiO 2气敏传感器的研究进展,重点介绍了TiO 2薄膜型气敏传感器在H 2,NH 3,H 2S,VOC,CO,SO 2六种常见还原性气体和CO 2,NO x两种常见氧化性气体检测方面的应用,就其传感性能、传感机理进行了讨论,并展望了TiO 2薄膜型气敏传感器研究的未来发展趋势,如通过向TiO 2中掺杂导电微粒、贵金属或金属氧化物等以改良其性能,以期为新型气敏传感器的研究提供参考。
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12. 新型二维层状纳米材料的抗菌研究进展
周璇, 郑云飞, 贾绮林, 张斐然
材料工程    2021, 49 (1): 55-64.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000360
摘要416)      PDF(pc) (6129KB)(115)    收藏
近年来,抗生素耐药菌在全球范围内得到迅速而广泛地传播,新型抗菌药物的开发刻不容缓。随着生物纳米技术的发展,二维层状纳米材料有望成为处理耐药菌的替代选择。本文综述了石墨烯及其衍生物(GMs)、过渡金属硫化物(TMDs)、层状双氢氧化物(LDHs)及MXenes二维层状纳米材料的结构特征及其抗菌应用的最新报道,讨论了材料的抗菌机制,例如物理/机械损伤、脂质提取、氧化应激和光热/光动力效应等。最后,本文针对二维层状纳米材料的抗菌应用前景进行了展望:(1)材料特有的空间结构及优异的生物相容性决定了其可以作为抗菌药物的理想载体;(2)优异的光动力和光热杀菌效应使它具有治疗局部皮肤感染的强大潜力;(3)拥有光催化抗菌特性的2D材料可制成抗菌涂层,实现简易的原位消毒,有望应用于无菌医疗设备中。
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13. 镁电池正极材料性能提升策略的研究进展
曾静, 武东政, 庄奕超, 赵金保
材料工程    2021, 49 (2): 10-20.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000357
摘要409)      PDF(pc) (13396KB)(100)    收藏
低成本、高能量密度、高安全性的镁电池有望应用在未来大规模储能和动力汽车等领域。然而,镁电池目前仍处于初步发展的阶段,正极是限制电池性能的关键原因。由于Mg 2+电荷密度高,在正极材料中扩散缓慢,因此如何提高正极材料的电化学性能是镁电池研究的重点与难点。本文通过分析正极材料的相关研究,总结出提升正极材料电化学性能的6种策略,分别为减小粒径、借助溶剂的屏蔽效应、增大层间距、调控阴离子、开发新结构和发展双离子电池。通过明确策略有效的根本原因、分析策略的优势与局限性,为高性能镁电池正极材料的开发提供有价值的指导。最后,对镁电池正极的发展现状进行总结,并对镁电池的正极及整个电池体系的未来发展趋势进行展望。
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14. 金属镁电化学腐蚀阳极析氢行为研究进展
刘玉项, 朱胜, 韩冰源
材料工程    2020, 48 (10): 17-27.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001078
摘要403)      PDF(pc) (2360KB)(208)    收藏
金属镁在水溶液中的阳极极化行为与金属腐蚀电化学理论相悖,表现出阳极析氢行为,而且析出的氢气量随着阳极极化电压的升高而增大。这种被称为"负差数效应"的现象一直是金属镁腐蚀电化学研究的热点。本文首先详述了"负差数效应"的内涵和本质,随后综述了揭示"负差数效应"机理的假设和理论,最后分析了当前的假设和理论存在的有关假设无法实验验证、理论无法自洽等问题。指出了未来研究的侧重点是通过原位电化学技术、修正电化学参数等方向上揭示阳极析氢行为的机理,以期完善金属腐蚀理论。
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15. 小角度晶界对DD5镍基单晶高温合金中、高温条件下力学性能的影响
秦健朝, 崔仁杰, 黄朝晖
材料工程    2020, 48 (10): 114-122.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000002
摘要403)      PDF(pc) (5476KB)(128)    收藏
采用双籽晶制备第二代镍基单晶高温合金DD5合金双晶试板并加工成力学试样,研究小角度晶界对DD5合金中、高温条件下拉伸、持久性能的影响。结果表明:在760℃拉伸条件下,晶界角度小于14.8°时,试样抗拉强度大于1100 MPa,伸长率大于8%,断面收缩率大于14%,晶界角度大于14.8°后,抗拉强度、伸长率以及断面收缩率随着晶界角度的增大而下降,屈服强度则没有显著变化;在980℃拉伸中,晶界角度小于19.4°时,试样抗拉强度大于760 MPa,屈服强度大于630 MPa,伸长率以及断面收缩率则随晶界角度的增大而快速下降,至19.4°时,伸长率下降至1.4%,断面收缩率下降至2.8%;在870℃/551 MPa持久条件下,当晶界角度小于7.8°时,试样持久寿命大于110 h,伸长率大于19.8%,断面收缩率大于23.1%,当晶界角度大于7.8°后,试样持久寿命、伸长率以及断面收缩率随晶界角度的增大而快速下降。
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16. 高导热碳/碳复合材料微观结构及导热性能
姚彧敏, 李红, 刘正启, 杨敏, 任慕苏, 孙晋良
材料工程    2020, 48 (11): 155-161.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000250
摘要400)      PDF(pc) (3731KB)(161)    收藏
采用国产沥青基碳纤维与中间相沥青制备多孔碳/碳(C/C)复合材料,通过化学气相渗透法(CVI)与前驱体浸渍裂解法(PIP)复合工艺增密,经不同温度高温热处理(HTT)后制备单向C/C复合材料和两向正交C/C复合材料。利用SEM,XRD对不同温度热处理的材料进行微观结构分析,并结合导热机理,分析材料导热性能。结果表明:2300℃热处理后,高导热C/C复合材料结构致密,单向C/C复合材料 X向(平行于碳纤维轴向)、两向正交C/C复合材料 X向、 Y向表现出优异的导热性能;3000℃热处理后,C/C复合材料石墨片层结构明显,石墨化度提高了18.84%,微晶尺寸增大,导热性能进一步提高。两向正交C/C复合材料 X向、 Y向导热系数可由单向C/C复合材料 X向、 Z向导热系数计算推导。
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17. 纤维增强热塑性树脂预浸料的制备工艺及研究进展
滕凌虹, 曹伟伟, 朱波, 秦溶蔓
材料工程    2021, 49 (2): 42-53.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000358
摘要400)      PDF(pc) (4799KB)(86)    收藏
热塑性复合材料因冲击韧性高、环境适应性强、可回收利用等优点,被广泛应用于汽车制造、航空航天、国防军工等领域。但因热塑性树脂加热熔融后较高的黏度使其很难与纤维充分浸渍。预浸料作为制造复合材料的中间材料,现阶段制备工艺已相对成熟,预浸料中纤维已被树脂浸润,因此通过预浸料制备的复合材料孔隙率较低。本文介绍了现阶段常用的热塑性预浸料制备方法及各自的优缺点,包括溶液浸渍法、熔融浸渍法、粉末浸渍法、薄膜叠层法、纤维混杂法以及反应链增长浸渍法。阐述了热塑性树脂熔体浸润纤维的浸渍机理,对浸渍机理的部分研究成果进行了概括。概述了浸渍温度、浸渍压力和牵引速率对预浸带性能的影响。最后指出了国内预浸料生产中存在的主要问题,未来可采用多学科结合、纤维树脂改性、对浸渍过程进行计算机模拟等方法促进热塑性预浸带的产业化发展。
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18. 自修复聚合物在电化学储能领域的研究进展
刘梓洋, 李杨, 刘兴江, 徐强
材料工程    2021, 49 (1): 1-10.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000194
摘要396)      PDF(pc) (10554KB)(157)    收藏
自修复聚合物材料能够自行修复在加工和使用过程中产生的微观或者宏观损伤,从而解决材料内部微裂纹难以检测和修复的问题,保持其结构和功能的完整性。将自修复聚合物应用于电化学储能器件中,可有效提升器件的安全可靠性和使用寿命,成为近年来的研究热点之一。本文概括介绍了外援型和本征型自修复聚合物材料的修复机理,着重总结了不需要修复剂、且可实现多次可逆修复的本征型自修复聚合物应用于电化学储能领域的研究进展,以储能器件的电极、电解质以及界面为出发点,综述了自修复功能聚合物分别作为高比能电极黏结剂、界面修饰层、可自修复电解质的研究进展,阐述了自修复机理及其对储能器件电化学性能的影响规律,探讨了自修复聚合物材料在储能领域未来的发展方向。
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19. CNTs-纤维增强树脂基复合材料纳米-介观尺度数值模拟研究进展
廖向娜, 贺雍律, 张鉴炜, 鞠苏, 江大志, 刘佳音, 刘钧
材料工程    2020, 48 (12): 1-11.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000154
摘要395)      PDF(pc) (10498KB)(305)    收藏
CNTs的高刚度、高强度使得其成为复合材料领域极有前景的纳米增强体之一。然而,单纯依靠实验获得CNTs对复合材料力学性能影响规律的方法是不可行的,需要辅之以合适有效的数值模拟方法去解理和分析CNTs各个因素对于复合材料力学性能的影响机制和规律。本文首先依据实验中真实存在的CNTs形态确定了模型为纳米-介观尺度模型,然后基于建模方式和研究对象的差异综述了三种常见的纳米-介观尺度模型数值模拟方法,最后根据目前的数值模拟结果,从CNTs本征性能,CNTs的含量和分布两大方面综述了CNTs对复合材料力学性能的影响机制,为数值模拟研究提供了可靠支撑,同时也为实验性研究提供了有力的理论依据。此外,由于数值模拟方法和CNTs变量的多样性,CNTs-纤维增强树脂基复合材料的数值模拟仍存在着巨大的研究潜力。
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20. 航天器用氰酸酯基胶黏剂的固化模型及固化工艺设计
何端鹏, 高鸿, 邢焰, 李岩, 王向轲
材料工程    2020, 48 (10): 60-67.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000931
摘要381)      PDF(pc) (2778KB)(123)    收藏
采用非等温DSC法对氰酸酯胶黏剂的固化反应行为以及固化动力学进行了研究。利用Kissinger和Flynn-Wall-Ozawa动力学模型计算得到体系固化反应的表观活化能分别为101.3 kJ·mol -1及99.4 kJ·mol -1,通过Crane模型计算出固化反应级数为0.92,并构建了体系固化度与温度及时间关系的固化模型。利用" T- β"及" t- β"外推法获得体系固化反应温度及固化时间,强度实验证实了工艺参数设计的有效性。研究结果可为氰酸酯基胶黏剂的固化工艺及应用提供理论指导。
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21. 三维机织复合材料/钛合金混杂板缝合连接剪切失效机理
卢轶榕, 郑华勇, 陈秀华, 汪海
材料工程    2020, 48 (11): 162-169.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001093
摘要379)      PDF(pc) (7072KB)(104)    收藏
为研究缝合密度、缝线纤维束规格以及钛合金板上预制的缝合孔直径对经过缝合的三维机织复合材料/钛合金混杂板缝合连接结构抗剪切能力的影响,对7组缝合参数各不相同的单搭接实验件进行剪切实验。通过加载条件下的原位细观实验观察,获得不同缝合参数下接头的失效模式,给出对应载荷-位移曲线上特征点的损伤形貌。结果表明:增加碳纤维缝线的丝束规格以及增加缝合密度均能提高混杂接头的失效载荷,且增加缝合密度比增加碳纤维缝线的丝束规格对提高失效载荷的效果更明显;缝合孔直径为2 mm或4 mm对结构承载能力无明显影响,当缝合孔直径达到6 mm时,承载能力明显降低;通过细观原位力学实验观察了三维机织复合材料/钛合金混杂板缝合结构剪切破坏过程;实验结果表明,搭接区的失效模式有缝线纯剪断、缝线抽出与剪断混合以及缝线挤出/剪断混合3种。缝合密度的变化是接头失效模式改变的主要因素。
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22. 非定向有机玻璃拉伸断口形貌与拉伸温度相关性分析
熊伟腾, 王云英, 范金娟, 肖淑华
材料工程    2020, 48 (10): 96-104.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000482
摘要376)      PDF(pc) (4306KB)(83)    收藏
为探究非定向有机玻璃断口定量表征方法及其断口形貌参数与拉伸温度的相关性,以航空有机玻璃YB-2为研究对象,首先采用体视显微镜和三维激光扫描仪测量了不同拉伸温度下的断口雾状区尺寸和表面粗糙度均值 R a,其次通过扫描电镜-盒维数法测算了断口雾状区的分形维数均值 D,最后通过两个假设推算了有机玻璃断裂形成雾状区时消耗的能量,并与断口雾状区的分形维数进行联系。结果得出:当拉伸速率一定时,拉伸温度由-55℃提升至60℃,断口雾状区的尺寸 l 3从1.257 mm升高至4.978 mm, R a从0.517 μm降低到0.330 μm, D从1.357升高至1.579,拉伸温度分别与断口雾状区尺寸、表面粗糙度、分形维数的拟合曲线的拟合度因子均高于0.9,拟合程度较高。研究表明:有机玻璃拉伸断口的形貌参数与其断裂条件存在一定的相关性,雾状区形成时消耗的能量与其分形维数呈正相关关系,该研究结果可为有机玻璃断口定量分析奠定一定的基础。
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23. 挥发性有机物治理技术研究现状
代雪萍, 王焱, 谢晓峰, 孙静
材料工程    2020, 48 (11): 1-8.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000275
摘要371)      PDF(pc) (1336KB)(338)    收藏
随着我国挥发性有机物(VOCs)排放量的快速增高,由此带来的大气环境污染问题日益严重,VOCs治理技术因此快速成为我国环保领域的应用研究热点之一。本文对销毁、回收和组合类VOCs治理技术研究现状进行了综述。传统的VOCs治理技术由于成本低、技术成熟、处理量大、效率高,是当前工业废气的主要处理方法;新兴技术具有净化效率高、无二次污染、能耗低等优点,尤其是新兴销毁技术,将是未来持续的研究热点。本文最后提出组合技术可突破单一技术的限制,利用协同作用,净化多组分VOCs,实现真正的末端治理。
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24. 锂离子印迹材料选择性提取锂的研究进展
梁琦, 赵宏, 刘伟峰, 张二辉, 闫光, 杨永珍, 刘旭光
材料工程    2020, 48 (10): 39-47.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000255
摘要370)      PDF(pc) (2859KB)(121)    收藏
离子印迹技术是对目标离子具有选择性分离的一种技术,具有高度预定性、识别性、稳定性及实用性等优点。采用离子印迹技术所制得离子印迹材料具有工艺简单、操作简便、稳定性好及选择性高的特点。为满足锂资源使用的需求,可将离子印迹材料用于成分复杂的含锂水样中锂资源的开发与利用。本文简要介绍了离子印迹材料的特点及其制备原理,针对Li +印迹材料制备体系的主要组成部分进行了概述,并综述了Li +印迹材料的研究进展,重点阐述了新型Li +印迹材料的研究现状。目前,新型Li +印迹材料主要是采用表面离子印迹聚合法结合吸附柱、磁分离、膜分离等新技术制备而得,可以提高对锂的识别选择性并方便吸附后的分离回收操作。最后,本文提出了Li +印迹材料在制备和应用过程中存在的问题,并展望了其未来的发展方向和应用前景。
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25. 氧化石墨烯在金属表面的应用及其机理研究进展
杜娟, 曹翔宇, 宋海鹏, 魏子明, 李香云, 杨涵清, 杨梓铭, 李伯阳, 李海龙
材料工程    2021, 49 (2): 32-41.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000488
摘要370)      PDF(pc) (8690KB)(97)    收藏
氧化石墨烯(GO)由于具有大的比表面积、优异的抗穿透性以及表面分布有大量官能团等特性,已成为防腐、渗透分离、涂层力学性能等领域的研究热点。本文综述了近年来GO应用在金属表面的研究进展,在综合国内外文献基础上,分别阐述了GO在金属表面用于防腐、渗透分离、涂层力学性能等方面的研究进展,并对其机理进行了总结与分析。防腐的作用机理主要为GO的物理屏障作用和具有对电活性介质的化学惰性;渗透分离的作用机理主要为GO的多层孔道结构和官能团的作用;涂层力学性能的作用机理主要为GO与涂层的相容性好及其表面官能团与金属基体可形成化学键。最后指出目前满足绿色环保、成本低廉且适合大规模工业化的GO复合材料制备工艺仍比较缺乏,其涉及的工艺参数、复合相体系设计等方面仍需进一步研究,并提出将其应用到金属防腐、油水分离、涂层力学性能等领域,以解决金属表面耐蚀性、油水渗透分离性能、涂层与金属基体间的黏结力等关键问题。
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26. 具有层片状α相组织的TB8钛合金热变形行为及本构方程
周亚利, 杨秋月, 张文玮, 刘田文, 何威, 吴珍, 伍铭, 谭元标
材料工程    2021, 49 (1): 75-81.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000307
摘要369)      PDF(pc) (4803KB)(124)    收藏
主要研究具有层片状α相组织的TB8钛合金在α+β双相区的热变形行为。结果表明,在应变速率为1 s -1时,变形温度为650℃的流变曲线展现出连续的流变软化,当温度高于650℃时,流变曲线呈现出不连续屈服现象。不连续屈服现象随变形温度的增加和应变速率的降低而消失。当应变速率为0.001 s -1时,750℃和800℃的流变曲线呈现出典型的动态再结晶特征。峰值应力 σ p,温度 T和应变速率 ε · 三者之间的关系已通过Arrhenius-type本构方程进行表征,建立了材料常数 αAnQ值与真应变之间的关系模型,并分析了应变对 αAnQ值的影响。 α值随真应变的增加而增加,而 AnQ的值随真应变的增加而逐渐降低。实验应力值和预测应力值之间的相关系数和平均相对误差参数分别为0.945和9.08%。这表明本工作建立的应变补偿的热变形本构方程能够很好地预测具有层片状α相组织的TB8钛合金在α+β双相区热变形过程中的流变应力。
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27. 激光增材制造24CrNiMo合金钢显微组织特征
徐昀华, 张春华, 张松, 乔瑞庆, 张静波
材料工程    2020, 48 (11): 147-154.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000184
摘要369)      PDF(pc) (5981KB)(110)    收藏
采用激光选区熔化技术和激光熔化沉积技术制备24CrNiMo合金钢单道和块体样品,研究两种激光辐照条件下24CrNiMo低合金钢的相组成、微观组织、织构特征和显微硬度。结果表明:两种方法制备的24CrNiMo合金试样的相组成均为α-Fe相以及少量的Fe 3C;SLM成形单道沉积样品的晶粒取向随机、无序,无明显的择优取向,而LMD成形单道沉积样品的择优取向为(110)〈101〉面织构;SLM成形块体样品的晶粒在平行于沉积方向上存在较弱的〈111〉织构,LMD成形块体样品的晶粒存在外延生长取向为〈111〉的强织构;SLM成形试样的显微组织主要为下贝氏体,而LMD成形试样的显微组织以板条贝氏体为主;具有细小晶粒和下贝氏体组织的SLM成形试样的平均显微硬度高于LMD试样。
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28. 基于数字体相关方法的3D打印材料内部变形测量
刘帅, 郭广平, 郝文峰, 杨洋, 张悦, 陈子木
材料工程    2020, 48 (10): 176-183.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000927
摘要368)      PDF(pc) (5628KB)(133)    收藏
采用工业CT设备获取3D打印材料试样受载变形前后的三维数字体图像,并使用数字体相关(digital volume correlation,DVC)方法计算出试样内部三维位移场和三维应变场,研究试样在载荷作用下的内部变形与损伤演化规律,通过设计制作具有1700 N拉压加载能力的原位加载装置,结合微纳CT设备建立拥有原位加载与观测能力的DVC方法实验装置,其最高成像分辨率可达10 μm。结果表明:对采用激光选区熔化(selective laser melting,SLM)工艺方法制作的3D打印铝合金试样进行原位拉伸实验,并使用DVC方法获取试样内部的全场位移与应变数据,测得的弹性模量数据与常规实验方法结果完全吻合,验证了使用DVC方法对内部位移场和应变场进行测量的有效性。
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29. AlN P/Al复合材料与6061Al低温连接组织演变机理及力学性能
林盼盼, 马典, 李昊岳, 王子鸣, 何鹏, 林铁松, 龙伟民
材料工程    2020, 48 (10): 133-140.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000691
摘要357)      PDF(pc) (3415KB)(148)    收藏
为了防止在高温下连接电子器件发生破坏,并改善常用的低温SnAgCu钎料对母材25%(体积分数) AlN P/Al复合材料与6061Al合金表面的润湿性,对母材表面进行磁控溅射Ni薄层或Ti/Ni双金属薄层的预金属化处理,再用SnAgCu钎料进行连接,可得到结合良好的接头。双金属化后接头两侧界面组成为母材/Ti-Al/Ti/Ti-Ni/Ni/Ni-Sn-Cu/β-Sn+Ag 3Sn。不同元素之间扩散速率的差异导致了界面反应层不同位置的物相成分差异,从镀Ni层向焊缝中心方向,反应层的物相呈(Ni,Cu) 3Sn,(Ni,Cu) 3Sn 2,(Ni,Cu) 6Sn 5,(Ni,Cu) 3Sn 4的变化趋势。Ti元素的加入可显著提高镀Ni层与母材的结合力,在250℃下保温1~5 min,钎焊双金属化处理后的母材所得接头抗剪强度可达28~35 MPa,断裂发生在β-Sn基体中。
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30. 缝合密度对缝合/VARI成型复合材料力学性能的影响
徐学宏, 郑义珠, 陈吉平, 宁博
材料工程    2020, 48 (10): 68-73.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000945
摘要351)      PDF(pc) (2532KB)(117)    收藏
采用改进锁式缝合和真空辅助树脂注射(VARI)成型工艺制备不同缝合密度的碳纤维/环氧树脂复合材料,研究缝合行距和缝合针距对复合材料力学性能的影响,得出最佳缝合密度。结果表明:随着缝合行距的增大,拉伸性能和弯曲性能均有所提升,层间剪切强度先增大后减小;随着缝合针距的增大,拉伸性能和弯曲性能均有提高的趋势;当缝合密度为5 mm×8 mm时,缝合复合材料具有最佳的综合力学性能,与未缝合复合材料相比,拉伸强度和模量分别下降了13.3%和12.7%,弯曲强度和模量分别下降了23.0%和25.2%,层间剪切强度提高了11.3%。
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31. 光交联羧甲基壳聚糖水凝胶的制备及药物缓释性能研究
候冰娜, 李进, 倪凯, 韩超越, 沈惠玲, 赵琳琳, 李征征
材料工程    2020, 48 (11): 76-84.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000025
摘要350)      PDF(pc) (3444KB)(97)    收藏
羧甲基壳聚糖是一种壳聚糖衍生物,具有良好的生物相容性和可降解性,在生物医药领域具有广泛的应用。本研究合成一种可光交联的水溶性羧甲基壳聚糖衍生物。通过对羧甲基壳聚糖进行双键修饰,合成甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的羧甲基壳聚糖(M-CMCS),并通过核磁共振氢谱( 1H-NMR)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对M-CMCS的结构进行表征。通过光引发M-CMCS交联制备具有不同交联度的M-CMCS水凝胶。通过扫描电子显微镜(SEM)、流变仪和紫外-可见分光光度计(UV-Vis)分别对M-CMCS水凝胶的微观形态、黏弹性能、溶胀性能、酶促降解性能和体外药物释放性能进行了研究。结果表明:随着甲基丙烯酸缩水甘油酯与羧甲基壳聚糖的氨基摩尔比的增加,产物的接枝度逐渐增加。M-CMCS水凝胶具有高度孔隙化且孔隙之间相互连通的结构特点,孔径在1~20 μm范围内。随着交联度的增大,M-CMCS水凝胶的溶胀比减小。M-CMCS水凝胶在溶菌酶作用下缓慢降解,随着交联度的增大,降解速率减慢。M-CMCS水凝胶对抗癌药物吉西他滨具有缓释作用,药物释放时间可达4天。光交联M-CMCS水凝胶在药物释放及组织工程领域具有重要的应用前景。
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32. 水铝英石/PEO/LiClO 4复合固态聚合物电解质中组分相互作用对PEO结晶的影响
吴浩, 邱锦, 陈卫星, 杨晶晶, 马爱洁, 蔡力帆
材料工程    2021, 49 (1): 35-43.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000174
摘要350)      PDF(pc) (12937KB)(125)    收藏
为解决现有锂离子电池的安全性问题,固态电解质的研究备受关注。以Na 2SiO 3和AlCl 3·6H 2O为原料,采用溶胶-凝胶法制备出水铝英石(AL);通过溶液共混法将其与聚环氧乙烷/高氯酸锂(PEO/LiClO 4)复合得到复合固态聚合物电解质。利用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、差示扫描量热分析仪(DSC)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)以及光学显微镜(OM)对样品进行结构分析及形貌表征。结果表明:水铝英石和LiClO 4与PEO间的非价键力相互作用(络合、氢键及Lewis酸-碱作用)显著抑制PEO的结晶。随着水铝英石含量的增加,PEO的结晶度呈现出先降低后增加的趋势;而随着锂盐含量的增加,PEO的结晶度持续降低,当EO/Li +摩尔比为10:1,水铝英石的含量为5%(质量分数)时,复合固态聚合物电解质的结晶度最低,仅为4.12%。
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33. 激光选区熔化AlSi7MgTi合金显微组织与性能
唐鹏钧, 房立家, 杨斌, 陈冰清, 李沛勇, 张学军
材料工程    2020, 48 (11): 116-123.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000152
摘要347)      PDF(pc) (5734KB)(118)    收藏
采用超音速气体雾化设备制备AlSi7MgTi合金粉末,利用激光选区熔化技术将其制成试块,并进行T6热处理。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪和拉伸实验研究成形态与T6态合金的显微组织、相组成、残余应力和力学性能。结果表明:成形态合金由过饱和α(Al)固溶体和Si相组成,组织形貌呈现出"鱼鳞状"熔池逐层堆叠和相互交织的特征,并表现出明显的各向异性。此外,Si相以网状共晶硅的形式存在,由块状和纤维状的共晶硅相互连接而成。熔池边界附近的共晶硅相对粗大,熔池内部的则较为细小。T6热处理促使合金中Si相析出,导致共晶硅发生Ostwald粗化,基本消除了熔池形貌和网状共晶硅组织,并使残余应力显著降低。成形态合金的抗拉强度与屈服强度分别达到420~430 MPa和280~300 MPa,伸长率为5.1%~11.0%;T6热处理后合金的抗拉强度降至360 MPa左右,屈服强度与成形态相当,伸长率提升至15.2%~16.5%。
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34. 复合材料层压板分层缺陷超声相控阵检测与评估
曹弘毅, 马蒙源, 丁国强, 姜明顺, 孙琳, 张雷, 贾磊, 田爱琴, 梁建英
材料工程    2021, 49 (2): 149-157.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000405
摘要346)      PDF(pc) (19319KB)(109)    收藏
针对碳纤维增强树脂基复合材料分层缺陷的无损检测与评估问题,通过制备预埋分层缺陷的标准试样,利用超声相控阵技术对缺陷进行无损检测与定量评估,并对测量误差进行分析。首先,在层压板铺层中间埋入聚酰亚胺薄膜制备分层缺陷试样;然后,对试样进行超声相控阵检测,通过超声S扫和C扫图像对缺陷进行定性分析与定量测量,并结合声场仿真对检测误差进行分析。结果表明:所制备试样内分层缺陷形状规则、埋深及大小与预设一致;超声相控阵步进方向检测尺寸比较准确,而扫查方向尺寸误差较大;超声相控阵技术能够准确识别分层缺陷的形状、尺寸及位置,具有很高的检测精度,对较小缺陷具有很好的检测效果。
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35. 热电材料β-Cu 2-xSe热传导性能模拟研究
虞兮凡, 赵伶玲
材料工程    2021, 49 (2): 121-126.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000077
摘要344)      PDF(pc) (6246KB)(70)    收藏
“声子液体”热电材料β-Cu 2-xSe具有优异的热电转换效率,采用分子动力学模拟的方法研究其热传导性能,分析了类“液态”离子的扩散能力和材料导热性能的相关性,并探究了材料加工处理手段(掺杂和空位)对材料热传导性能的影响。结果表明:类“液态”离子扩散能力和导热系数存在极强的相关性,β-Cu 2-xSe中Cu +移动能力的增强会增加晶格的非简谐振动,从而强化了声子散射,导致材料导热系数的降低。掺杂和空位对“声子液体”热传导性能有不同的影响:材料内部存在空位时,Cu +倾向于在晶格缺陷中移动,降低了与Se构成的固定亚晶格碰撞概率,造成声学支声子频率的下降,有效地降低了导热系数,提高了材料的热电转换效率;相比空位,掺杂对导热系数的影响不明显。
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36. TEMPO功能化锆基MOFs的合成及醇催化氧化性能
庄金亮, 刘湘粤, 杜嬛
材料工程    2020, 48 (10): 169-175.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000455
摘要344)      PDF(pc) (2690KB)(133)    收藏
采用有机骨架分子侧链嫁接有机小分子催化基团策略,合成出TEMPO自由基功能化的三联苯二羧酸有机配体H 2tpdc-TEMPO。利用醋酸为调节剂,H 2tpdc-TEMPO与ZrOCl 2溶剂热反应可获得TEMPO功能化的UiO-68-TEMPO纳米晶体。UiO-68-TEMPO为单分散八面体形貌纳米晶体,尺寸在800~1200 nm之间,BET比表面积高达1320 m 2/g,固态电子顺磁共振谱(EPR)谱证明UiO-68-TEMPO骨架含有大量TEMPO自由基。UiO-68-TEMPO纳米晶体可将各种芳香一级醇、二级醇和杂原子醇高效、高选择性氧化成相应的醇或者酮。UiO-68-TEMPO纳米晶体可重复使用4次仍保持75%以上的催化效率。最后,提出了UiO-68-TEMPO催化氧化苯甲醇的机理,即TBN作为助催化剂产生NO 2/NO氧化还原对,实现了O 2将TEMPO自由基氧化为鎓氧正离子,最终实现苯甲醇氧化成苯甲醛。
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37. 二氧化硅掺杂对二氧化钛晶型转变机理的影响
吴胜财, 罗弦, 龙永富, 张露, 徐本军, 黄润
材料工程    2020, 48 (11): 99-107.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000996
摘要342)      PDF(pc) (4774KB)(143)    收藏
不同物理混合SiO 2掺杂量下,通过高温原位XRD,TEM,Rietveld全谱拟合晶胞常数及XPS分析二氧化钛相变过程中化学键的变化规律,以及硅对锐钛矿到金红石(A→R)二氧化钛转变机理的影响。结果表明:其影响机理为畸变能和晶核形成共同控制,SiO 2掺杂量≤7.5%(质量分数,下同)时为抑制相变作用,此时,Si 4+会置换二氧化钛晶格中的Ti 4+,产生畸变,抑制二氧化钛的A→R型转变;SiO 2掺杂量>7.5%时为促进作用,此时多余的SiO 2会充当金红石型二氧化钛的晶核,从而促进二氧化钛的A→R型转变。
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38. 基于动态共价化学树脂及复合材料的研究进展
高亮, 霍红宇, 周典瑞, 张宝艳, 胡君
材料工程    2020, 48 (11): 68-75.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001138
摘要342)      PDF(pc) (1826KB)(239)    收藏
树脂基复合材料在航空航天等关键领域应用广泛,其用量已成为衡量装备先进性的重要标志。热固性树脂基复合材料难以反复加工和降解回收;热塑性树脂基复合材料成型温度高、工艺性差。基于动态共价化学的新型树脂可解决热固性和热塑性存在的上述问题,使树脂基复合材料实现颠覆性发展成为可能。本文概述了动态共价化学和共价自适应网络的基本原理,介绍了近年来动态共价化学在树脂基复合材料领域的主要研究工作,突出了基于动态共价化学的树脂基复合材料在可重塑、易回收、自修复以及智能驱动等方面的性能优势。最后对新型树脂基复合材料的发展提出建议,重点在于完善键交换反应机理和松弛模型;开发更多高性能、商业化体系;基于动态共价化学树脂,发展树脂基复合材料成型、连接、修补、回收技术,推进应用。
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39. 液相制备石墨烯/硫复合材料及其在锂硫电池正极中的应用
吴旭, 唐晓宁, 黄鑫威, 刘美丽, 周文华, 欧阳全胜
材料工程    2021, 49 (2): 114-120.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000379
摘要342)      PDF(pc) (12038KB)(89)    收藏
采用氧化石墨烯(graphene oxide,GO)作为制备石墨烯的前驱体,通过液相还原自组装过程与硫纳米颗粒进行复合,获得了高性能的还原氧化石墨烯/硫(rGO/S)复合正极材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱分析(XPS)等对材料微观形貌与结构进行表征。结果表明:硫纳米颗粒均匀分布在石墨烯片层间,并且硫纳米颗粒被石墨烯片层有效地封装,硫在35-rGO/S复合物中的质量分数高达83.6%。该35-rGO/S复合正极在0.2 C电流密度下初始放电容量可达1197.3 mAh·g -1,经过200次循环后容量仍保持在730 mAh·g -1左右,表现出优异的循环性能。
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40. 基于超材料的无标记光学生物传感
陶承东, 刘传宝, 李扬, 乔利杰, 周济, 白洋
材料工程    2021, 49 (4): 1-12.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000990
摘要342)      PDF(pc) (1273KB)(124)    收藏
超材料(metamaterials)因为能够在亚波长尺度范围内精细调控电磁波而受到人们广泛关注。超材料具有丰富的电磁模态,在表面支持高度局域场增强且对周围介电环境极其敏感,可应用于无标记光学生物传感领域。与传统光学生物传感器相比,超材料生物传感器具有小型化、集成化、高度灵敏、多功能可定制等突出优点。本文总结了近年来超材料生物传感器在可见光、近红外、中红外以及太赫兹波段的研究进展,包括折射率生物传感、表面增强拉曼散射、表面增强红外吸收和太赫兹生物传感等。
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