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  • 材料工程
      2016年, 第44卷, 第6期 刊出日期:2016-06-20 上一期    下一期
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    2016, 44 (6): 0-0.  
    摘要 ( 68 )   PDF (3879KB) ( 71 )   引文文本
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    材料与工艺
    3D氧化石墨烯纳米带-碳纳米管/TPU复合材料薄膜的制备与性能
    郑辉东
    2016, 44 (6): 1-8.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.001
    摘要 ( 397 )   HTML( PDF (12236KB) ( 194 )   引文文本
    利用溶液成型法制得3D功能化氧化石墨烯纳米带-碳纳米管(pGONRs-CNTs)/热塑性聚氨酯(TPU)复合材料薄膜。采用FTIR,XRD,XPS和TEM对所得pGONRs-CNTs的结构及性能进行表征,并结合所得TPU复合材料薄膜的氧气透过率和拉伸性能测试以及表面形貌观察,研究GONRs与CNTs的协同作用以及不同含量pGONRs-CNTs对TPU复合材料薄膜阻隔和力学性能的影响。结果表明:pGONRs-CNTs复合体具有独特的3D交织状结构,其中GONRs间通过CNTs链接,二者间较强的π-π键使得这种结合形态牢固紧密,同时CNTs的存在也起到支撑骨架的作用,防止GONRs的滑移与团聚;通过异氰酸苯酯的改性处理,pGONRs-CNTs复合体的亲油性得到明显提高,同时较为庞大的异氰酸根的引入,使得GONR-GONR间的层间距得到了进一步的提高,更有利于其在聚合物基体中实现均匀分散。当pGONRs-CNTs质量分数为0.5%时,pGONRs-CNTs/TPU复合材料薄膜的氧气透过率和拉伸强度相比纯TPU薄膜分别降低了63.08%和提高了46.55%,阻隔性能和力学性能均得到显著改善。
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    Al-4%Cu凝固过程枝晶生长的数值模拟
    张敏, 徐蔼彦, 汪强, 李露露
    2016, 44 (6): 9-16.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.002
    摘要 ( 322 )   HTML( PDF (13428KB) ( 130 )   引文文本
    改进了模拟枝晶生长常用的二维元胞自动机和有限差分(CA-FD)模型,新模型引入扰动函数来控制二、三次枝晶的生长;在枝晶生长过程中,将溶质浓度明确地分为液相溶质浓度和固相溶质浓度两部分;并在溶质再分配与扩散过程中采用八邻位差分以减少网格形状导致溶质扩散的各向异性。模拟了Al-4%Cu二元合金过冷熔体中,单个和多个等轴晶沿不同择优方向生长及单方向和多方向柱状树枝晶竞争生长过程中的枝晶形貌、液相溶质浓度和固相溶质浓度分布情况。模拟结果表明:扰动的引入能够促使枝晶产生分支,并控制二、三次枝晶的生长速率;液/固相溶质计算模型能够准确地模拟出枝晶生长过程中液/固相溶质分布;此外改进后的模型实现了枝晶沿任意方向的竞争生长。
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    钎焊过程原位合成Al-Si-Cu合金及接头性能
    龙伟民, 路全彬, 何鹏, 薛松柏, 吴铭方, 薛鹏
    2016, 44 (6): 17-23.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.003
    摘要 ( 280 )   HTML( PDF (15726KB) ( 87 )   引文文本
    Al-Si-Cu基钎料熔点低、强度高,非常适用于铝合金的钎焊。但位于三元共晶成分点附近的Al-Si-Cu合金由于含有大量的CuAl2脆性金属间化合物,无法采用常规塑性加工方法成形,因此限制了其使用范围。为克服上述不足,设计一种使用AlSi-CuAl复合焊丝在钎焊过程中原位合成Al-Si-Cu钎料的方法,并对其钎焊接头组织与性能进行研究。结果表明:采用的复合焊丝外层为AlSi合金,内层为CuAl合金粉,两者熔点接近。复合钎料的加工性能远优于同成分的Al-Si-Cu钎料。使用复合焊丝感应钎焊3A21铝合金,钎焊过程中两种合金几乎同时熔化,经瞬间保温后可充分熔合并形成Al-Si-Cu钎料,获得成分均匀、界面结合良好的钎缝,钎焊接头抗剪强度高于采用常规Al-Si-Cu钎料钎焊的接头抗剪强度。
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    超声铸造7085铝合金在热处理过程中的相变行为
    李瑞卿, 李晓谦, 陈平虎, 黄明哲, 董方
    2016, 44 (6): 24-30.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.004
    摘要 ( 266 )   HTML( PDF (10229KB) ( 182 )   引文文本
    采用OM,SEM,EDS和DSC等研究超声外场下凝固的结晶相在热处理过程中的相变行为,并利用扫描电镜原位加热台实时观察结晶相转变过程。结果表明:铝熔体经过超声外场处理后,晶粒组织由粗大树枝晶向细小等轴晶转变;超声铸锭的熔化焓为4.60J/g,低于常规铸锭的6.52J/g;超声外场处理后,铸锭中的θ相+T相共晶组织减少了29%;该铝合金铸锭中有θ相、T相、Al3Fe相及Mg2Si相4种结晶相,样品在DSC升温过程中,θ相颗粒逐渐溶入基体,T相转变成S相后在升温至高温峰时溶入基体,Al3Fe相在低温峰时转变成Al7Cu2Fe相残留在铸锭中,Mg2Si相未见明显变化。
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    沟槽型织构摩擦学性能的数值模拟与实验研究
    陈平, 项欣, 李俊玲, 邵天敏, 刘光磊
    2016, 44 (6): 31-37.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.005
    摘要 ( 303 )   HTML( PDF (14768KB) ( 94 )   引文文本
    为研究沟槽型织构角度及排布形式对接触表面摩擦学性能的影响,通过有限元分析软件对不同角度及排布形式的沟槽型织构进行数值模拟,利用YLP-20型激光加工系统在不锈钢圆盘表面加工沟槽型织构,并利用UMT-2摩擦磨损仪在旋转条件下进行摩擦实验。结果表明:沟槽型织构的数值模拟结果与实验结果基本吻合,加工有织构的摩擦副其摩擦学性能得到改善,且不同角度及排布形式的沟槽型织构对摩擦副的摩擦学性能影响不同,即当摩擦速率小于300r/min时0°平行织构的摩擦因数较小;摩擦速率大于300r/min时90°平行织构有更好的减摩能力,故应用中要根据不同工况条件选择不同排布形式的沟槽型织构。
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    高性能双马树脂底胶的性能
    李洪峰, 王德志, 曲春艳, 顾继友, 冯浩, 杨海冬, 肖万宝
    2016, 44 (6): 38-43.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.006
    摘要 ( 284 )   HTML( PDF (2093KB) ( 118 )   引文文本
    采用嵌段共聚物增韧双马来酰亚胺(BMI)树脂体系,制备双马来酰亚胺树脂底胶(双马底胶),该底胶的黏附性、铅笔硬度、抗冲击、耐环境、耐老化性能等技术指标满足GJB1388规范要求。采用DSC,TG,DMA测试对双马底胶性能热性能进行表征。结果表明:该底胶具有良好的耐热性,200℃固化后玻璃化转变温度为238℃,5%热失重温度为384℃,230℃热处理后玻璃化转变温度高达268℃,5%热失重温度为407℃。双马底胶和双马胶膜配合使用后粘接强度提高,当与J-188双马胶膜配合使用时,剥离强度提高到107%,常温和高温剪切强度可提高10%。该底胶也可与其他双马结构胶膜配合使用,适用于金属之间或双马复合材料与金属之间的粘接。
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    Zr元素对AlFeCrCoCuZrx高熵合金组织及腐蚀性能的影响
    谢红波, 刘贵仲, 郭景杰
    2016, 44 (6): 44-49.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.007
    摘要 ( 322 )   HTML( PDF (7714KB) ( 96 )   引文文本
    对铸态AlFeCrCoCuZrx (x=0, 0.5, 1)多组元高熵合金的微观组织、硬度及其在3.5%NaCl溶液中的耐腐蚀性能进行了研究。研究表明:合金微观组织为典型的树枝晶结构,随着Zr元素的加入,枝晶由单一的BCC相转变为由两相组成,而枝晶间由富Cu的FCC相组成并保持不变。合金硬度随Zr元素的增加而提高,AlFeCrCoCuZr合金的硬度达到698HV。合金在3.5%NaCl溶液中的耐蚀性能均优于304L不锈钢,但随着Zr含量的增加,合金的耐蚀性降低。
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    氧燃比对爆炸喷涂碳化钨涂层结构和性能的影响
    赵立英, 刘平安
    2016, 44 (6): 50-55.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.008
    摘要 ( 290 )   HTML( PDF (5779KB) ( 100 )   引文文本
    通过优化爆炸喷涂工艺制备硬度高、结构均匀致密的碳化钨涂层,用扫描电子显微镜(SEM)观察喷涂粉末的形貌、用显微硬度计测试涂层的维氏显微硬度、用光学显微镜、X射线衍射(XRD)和能谱仪(EDS)观察分析涂层的结构组成。结果表明:提高氧燃比,涂层的硬度和结合强度先增后降;孔隙率则先降后增。氧燃比较低,粒子飞行速率低和熔融不足是涂层致密性和力学性能下降的主要原因;氧燃比过高,粒子脱碳和黏结相在冷却过程中收缩不均匀是影响涂层结构和性能的决定因素。氧燃比为1.15时可有效减少涂层的氧化和脱碳,涂层的综合性能最优;截面维氏显微硬度HV0.3达到1178kg·mm-2、孔隙率为0.86%,涂层与基材间的结合强度达到152MPa。
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    第三组元对Mg-Sn合金铸态组织与力学性能的影响
    黄正华, 刘汪涵博, 戚文军, 徐静
    2016, 44 (6): 56-62.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.009
    摘要 ( 299 )   HTML( PDF (9296KB) ( 175 )   引文文本
    利用光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析Mg-3.52Sn-xM和Mg-6.54Sn-xM(M=Al,Zn,Nd,Gd)合金的铸态组织和相组成,测试其拉伸力学性能。结果表明:在Mg-3.52Sn合金中分别添加0.91% (质量分数,下同)Al和1.03%Zn后,粗大树枝晶有所细化,小块状Mg2Sn相极少;分别添加0.92%Nd和1.10% Gd后,树枝晶明显弱化,出现较多的小块状或细短杆状化合物Mg-Sn-Nd和Mg-Sn-Gd。在Mg-6.54Sn合金分别添加0.93%Al和1.08%Zn后,树枝晶明显细化,原先趋于连续网状分布的Mg2Sn相有所破碎;分别添加0.86%Nd和0.74%Gd后,树枝晶亦明显弱化,Mg2Sn相已完全破碎成小块状并呈弥散分布或出现明显破碎,同样出现较多的小块状或细短杆状化合物Mg-Sn-Nd和Mg-Sn-Gd。在Mg-3.52Sn和Mg-6.54Sn二元合金中添加约1%的Al和Zn能有效提高其室温和高温拉伸力学性能,而分别添加约1%的Nd和Gd则不能有效提高其室温和高温拉伸力学性能,且Nd的弱化效果更明显。
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    CMSs/PET微胶囊阻燃PET纤维制备与表征
    牛梅, 杨雅茹, 王欣, 薛宝霞, 张莹, 李京京, 戴晋明
    2016, 44 (6): 63-69.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.010
    摘要 ( 225 )   HTML( PDF (9865KB) ( 84 )   引文文本
    将采用原位聚合法自制的核-壳型碳微球(CMSs)/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)微胶囊(PCMSs)作为阻燃剂,采用熔融纺丝法制备阻燃PCMSs/PET功能纤维。通过扫描电镜、声速仪、强伸仪、极限氧指数仪等测试设备对添加不同质量分数的阻燃剂的阻燃功能纤维的结构及性能进行测试和表征。结果表明:当阻燃剂PCMSs的质量分数为0.6%时,PCMSs在PET纤维基体中的分散性和相容性良好,此时纤维表面较为光滑,同时具有优良的吸湿性能和阻燃性能,但其力学性能稍低于PCMSs质量分数为0.2%时的PCMSs/PET纤维。
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    焊后热处理对7A04铝合金水下搅拌摩擦焊接接头组织性能的影响
    郝亚鑫, 王文, 徐瑞琦, 乔柯, 李天麒, 王快社
    2016, 44 (6): 70-75.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.011
    摘要 ( 237 )   HTML( PDF (5145KB) ( 629 )   引文文本
    对7A04铝合金板进行水下搅拌摩擦焊接(Submerged Friction Stir Welding, SFSW),并对焊接接头进行焊后热处理(Post Weld Heat Treatments, PWHT),研究焊后热处理对接头组织性能的影响。结果表明:焊后热处理接头呈现出弥散分布的细小析出相形貌,明显优于SFSW接头呈现出的少量析出相分散分布的特征。与SFSW接头相比,焊后热处理明显改善接头的力学性能。接头焊核区的平均硬度值提高了39.7HV,抗拉强度提高了67MPa,达到母材抗拉强度的96.1%,接头的应变硬化能力增强,拉伸断口呈现微孔聚合和解理混合断裂特征。
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    溶致液晶模板法制备形貌可控的纳米氧化锆
    何伟艳, 张赫, 刘进荣
    2016, 44 (6): 76-83.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.012
    摘要 ( 206 )   HTML( PDF (6694KB) ( 101 )   引文文本
    以ZrOCl2·8H2O及NH3·H2O为原材料,采用SDS/TritonX-100/H2O构成的六角相为模板制备氧化锆纳米粉体,确定pH对模板稳定性的影响,讨论氯氧化锆浓度对所制备样品粒径及形貌的影响。利用偏光显微镜对模板的稳定性进行表征,利用粒度分析仪、SEM及TEM对所制备粉体粒径及形貌进行表征,利用XRD对样品的晶型及纯度进行表征,同时采用FT-IR对氧化锆纳米粒子的形成机理进行推导。结果表明:在碱性条件下,模板的稳定性不受影响,酸性条件下模板的六角相织构消失;氯氧化锆浓度对所制备样品的形貌及粒径影响很大,增大氯氧化锆的浓度,所制备的样品形貌从球形到棉絮状;通过机理分析推测样品的前驱体与模板并没有发生络合作用,样品在模板的水层中间成核及生长,模板起到限制的作用。
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    测试与表征
    GH4033涡轮叶片服役1600h后的显微组织及力学性能评价
    付超, 冯微, 童锦艳, 郑运荣, 冯强
    2016, 44 (6): 84-91.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.013
    摘要 ( 430 )   HTML( PDF (8366KB) ( 115 )   引文文本
    航空发动机涡轮叶片服役过程中将产生组织退化和性能降低,从而威胁其服役安全。已有研究中,对长时服役后的叶片组织退化和性能损伤的评价研究较少。本研究对服役1600h后的GH4033合金二级涡轮叶片进行金相解剖分析和物理化学相分析;同时观察并量化表征该二级涡轮叶片各部位晶粒组织,γ+γ'基体组织和晶界碳化物,测量不同部位的维氏硬度和持久性能,分析其组织退化与性能损伤规律。结果表明:服役后叶片各部位组织退化及性能损伤程度不明显,根据γ'相的量化表征结果推断该叶片最高服役温度应不高于700℃。叶身各部位持久性能及维氏硬度与榫头部位相当,均符合航空工业标准HB/Z 91-1985要求,因而判断该叶片仍可以继续使用。研究结果对低γ'相体积分数的变形高温合金航空发动机涡轮叶片的服役安全评价具有指导意义。
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    ZM5镁合金TIG焊接接头组织与力学性能
    秦仁耀, 孙兵兵, 肇恒跃, 郭绍庆, 唐思熠, 张学军
    2016, 44 (6): 92-97.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.014
    摘要 ( 367 )   HTML( PDF (7638KB) ( 100 )   引文文本
    采用TIG焊对ZM5镁合金进行焊接,利用光学显微镜、显微硬度仪和拉伸试验机对ZM5镁合金接头的组织特征和力学性能进行研究。结果表明:ZM5合金TIG焊接接头是由热影响区、部分重熔区和焊缝组成。热影响区组织是由初生α-Mg相基体和主要分布在晶界上的α-Mg+β-Mg17Al12共晶相组成;部分重熔区中共晶相不仅大量析出在晶界上,在晶内也呈现出较均匀的弥散析出,而且其β-Mg17Al12相出现显著长大;焊缝组织则是典型的树枝晶形貌,枝晶为初生α-Mg相,枝晶间是α+β共晶相。组织形貌的差异导致接头各区域有着不同的显微硬度,也使得接头的抗拉强度和塑性都低于母材。
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    孔边倒角和预腐蚀作用下航空铝合金疲劳性能及断裂机理研究
    周松, 王磊, 马闯, 杨林青, 许良, 回丽
    2016, 44 (6): 98-103.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.015
    摘要 ( 269 )   HTML( PDF (11341KB) ( 103 )   引文文本
    基于航空铝合金带孔结构材料在服役过程中常因腐蚀损伤而导致疲劳断裂问题,通过对未腐蚀和预腐蚀24h后的7075铝合金双孔未倒角和双孔倒角试样进行疲劳实验研究,分析腐蚀预损伤和孔边倒角对试件疲劳性能的影响及疲劳断裂特性差异。结果表明:腐蚀预损伤对7075铝合金材料疲劳寿命的影响显著,双孔未倒角和倒角试样预腐蚀24h后试样中值疲劳寿命比未腐蚀试样最大下降了31.74%和26.92%;孔边倒角对材料疲劳寿命有一定的影响,未腐蚀和预腐蚀24h孔边倒角试样中值疲劳寿命比未倒角试样最大下降了28.02%和15.36%,主要原因是由于孔边倒角过程中产生加工刀痕,引入了"预损伤",且倒角后疲劳裂纹萌生位置变多,导致材料发生疲劳断裂的概率变大。
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    N掺杂纳米TiO2/电气石复合材料的制备及其光催化性能
    刘欣伟, 陈勇, 陈昌兵, 张文通
    2016, 44 (6): 104-109.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.016
    摘要 ( 217 )   HTML( PDF (1721KB) ( 80 )   引文文本
    以钛酸丁酯为前驱体,尿素为N源,电气石为载体,采用超声辅助溶胶-凝胶法制备N掺杂纳米TiO2/电气石复合材料。采用XRD,FT-IR,UV-Vis DRS,SEM,EDS等测试技术对复合材料的结构和性能进行表征。分别考察煅烧温度、掺N量、电气石添加量、催化体系等因素对复合材料光催化性能的影响。结果表明:在煅烧温度为500℃,N掺杂量为5%(摩尔分数),电气石添加量为10%(质量分数),催化剂用量为3g/L,500W紫外灯照射条件下,N掺杂纳米TiO2/电气石复合材料光催化降解TNT(10mg/L)的效果最佳,且具有良好的再生利用性能。
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    激光熔覆WC/Ni基复合涂层高温滑动干摩擦磨损性能
    杨胶溪, 张健全, 常万庆, 王艳芳, 陈虹, 王喜兵
    2016, 44 (6): 110-116.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.017
    摘要 ( 350 )   HTML( PDF (13369KB) ( 132 )   引文文本
    利用激光熔覆技术制备微米团聚和块状两种不同类型WC/Ni基复合涂层。在MMG-10型摩擦磨损试验机上对涂层进行高温滑动干摩擦磨损实验,并用SEM和EDS对涂层进行磨损形貌观察和成分分析。结果表明,激光熔覆WC/Ni基复合涂层高温磨损性能随着WC含量增加而提高,WC形态为微米团聚质量分数为60%的复合涂层具有优良的高温耐磨性能。高温下60%WC/Ni基复合涂层主要磨损机制由低温下的磨料磨损转变为氧化磨损和磨料磨损复合作用。
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    CNTs-Al2O3多孔陶瓷复合材料的制备与性能
    彭美华, 程西云, 周彪, 严茂伟, 张建锋
    2016, 44 (6): 117-122.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.018
    摘要 ( 256 )   HTML( PDF (11252KB) ( 156 )   引文文本
    利用冰模板法制备一种具有高孔隙率的碳纳米管强化氧化铝(CNTs-Al2O3)多孔陶瓷复合材料。采用SEM,XRD及Raman对样品进行表征,研究碳纳米管(CNTs)含量对复合材料微观形貌、性能的影响。结果表明:随着CNTs含量的增大,复合材料的体积密度、孔隙率和抗压强度均发生改变;添加适量的CNTs能促进陶瓷孔壁烧结致密度,提高材料的抗压强度;但加入过量CNTs会导致CNTs团聚,嵌于陶瓷内壁形成微孔,反而降低了材料致密度与抗压强度;当CNTs含量达2.0%(质量分数)时,多孔陶瓷的抗压强度达到最大值4.52MPa,相对纯Al2O3多孔陶瓷提高了66%。
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    综述
    绿色无铅低熔点封接玻璃研究进展
    何鹏, 郭伟, 林铁松, 林盼盼
    2016, 44 (6): 123-130.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.06.019
    摘要 ( 471 )   HTML( PDF (952KB) ( 173 )   引文文本
    传统的封接玻璃由于含有重金属元素铅,对环境和人类健康有着极大的损害,目前已经被世界各国限制使用或者禁止使用,因此,低熔点封接玻璃的无铅化将会是今后的主要发展方向。本文以低熔点封接玻璃的无铅化为出发点,归纳总结低熔点封接玻璃的主要性能。首先介绍了包括磷酸盐玻璃,钒酸盐、硼酸盐、铋酸盐玻璃在内的低熔点封接玻璃的组成、结构特点、性能以及研究现状。其次,提出了封接玻璃的封接低温化和无铅化的发展方向。最后,针对低熔点封接玻璃研究中存在的不足,对玻璃粉添加颗粒进行复合改性、加强玻璃理论研究、研发制备新工艺,是今后研究应该着力的突破点。
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