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  • 材料工程
      2018年, 第46卷, 第3期 刊出日期:2018-03-20 上一期    下一期
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    2018, 46 (3): 0-0.  
    摘要 ( 138 )   PDF (4952KB) ( 113 )   引文文本
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    锂离子电池专栏
    静电纺丝与静电喷雾技术共纺制备PPESK/PVDF复合锂电池隔膜
    龚文正, 周晶晶, 阮诗伦, 申长雨
    2018, 46 (3): 1-6.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000934
    摘要 ( 878 )   HTML( PDF (1565KB) ( 294 )   引文文本
    为了改善传统静电纺丝无纺布纤维膜力学性能较差的缺点,采用静电纺丝和静电喷雾技术相结合的方法,同时进行静电纺PPESK浓溶液和PVDF稀溶液,制备得到PPESK纤维/PVDF珠粒复合锂电池隔膜,并在160℃进行热压后处理。通过扫描电子显微镜、万能拉伸试验机、电化学工作站及充放电测试仪等表征复合锂电池隔膜的微观结构、力学性能、离子电导率和相应的电池充放电性能。结果表明,该复合隔膜具有良好的电解液润湿性,室温下离子电导率达到1.92mS·cm-1,PVDF珠粒均匀地分布在PPESK纤维中,珠粒经热压产生微熔融有效增强了纤维之间的黏结力,使复合膜的力学强度提高到13.2MPa。此外,使用复合隔膜装配的电池展现出较高的放电比容量和稳定的循环性能。
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    EVOH-SO3Li/PET电纺锂离子电池隔膜电化学性能
    巩桂芬, 王磊, 兰健
    2018, 46 (3): 7-12.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000232
    摘要 ( 391 )   HTML( PDF (1936KB) ( 216 )   引文文本
    采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)与乙烯-乙烯醇共聚物的磺化物(EVOH-SO3Li)进行交替静电纺丝,制备EVOH-SO3Li/PET复合锂离子电池隔膜,通过扫描电子显微镜对隔膜的微观形貌进行观察,并利用IM6型电化学工作站对隔膜的电化学性能进行分析测试。结果表明:EVOH-SO3Li/PET纤维膜的平均直径为387nm,两种纤维均呈现均匀的网状结构。相比纯EVOH-SO3Li纤维,改性后EVOH-SO3Li/PET复合纤维之间粘连现象明显降低,且纤维表面更加光滑,纤维间孔隙增大;组装的锂离子电池的电化学稳定窗口为5.3V,界面阻抗降至212.31Ω,离子电导率则提高至2.347×10-3S/cm,与EVOH-SO3Li隔膜相比各项性能均有所提高。
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    3D打印柔性可穿戴锂离子电池
    王一博, 赵九蓬
    2018, 46 (3): 13-21.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001029
    摘要 ( 976 )   HTML( PDF (5896KB) ( 690 )   引文文本
    利用挤出式3D打印技术制备纺织物结构的自支撑柔性锂离子电池电极的新方法,并采用高浓度的聚偏氟乙烯(PVDF)作为黏度调节剂、碳纳米管(CNT)作为导电剂、磷酸铁锂或钛酸锂作为电极活性材料,配制了具有可打印性的"墨水",其表观黏度接近105Pa·s,该"墨水"表现出明显的剪切变稀行为,同时存储模量平台值也高达105Pa,其优异的流变学性质对于打印和固化过程十分有利。电化学测试结果表明,两种打印电极具有稳定且十分匹配的充放电比容量,因此由二者组装的软包袋装全电池也具有高达~108mAh·g-1的放电比容量(50mA·g-1),弯曲后,在同样的电流密度下其放电比容量约为111mAh·g-1
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    研究论文
    放电等离子烧结对TiB2/AlCoCrFeNi复合材料组织与性能的影响
    肖代红, 刘彧, 余永新, 周鹏飞, 刘文胜, 马运柱
    2018, 46 (3): 22-27.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000769
    摘要 ( 472 )   HTML( PDF (3346KB) ( 217 )   引文文本
    采用放电等离子烧结方法(SPS),制备体积分数5% TiB2的等摩尔AlCoCrFeNi高熵合金基复合材料。通过密度测试、X射线衍射、扫描电镜及力学性能测试等方法,研究SPS烧结温度及烧结压力对复合材料的微结构演变与力学性能影响。结果表明:随着SPS烧结温度及烧结压力的增加,复合材料的硬度及抗压强度得到明显提高。在1200℃/30MPa进行SPS烧结后,复合材料的致密度达99.6%,抗压强度达2416MPa,屈服强度达1474MPa,硬度超过470HB。烧结过程中,复合材料的基体高熵合金发生相变,1200℃及30~45MPa烧结时,复合材料由BCC,B2,FCC,σ及TiB2相组成。
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    不同填料复配对尼龙6/石墨烯复合材料导热性能的影响
    宋娜, 崔思奇, 焦德金, 侯兴双, 刘建影, 丁鹏, 施利毅
    2018, 46 (3): 28-33.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000904
    摘要 ( 559 )   HTML( PDF (2660KB) ( 526 )   引文文本
    高分子材料的绝热特性极大地限制了其作为导热材料在工业中的应用。选用多层石墨烯作为导热填料,并分别与导热填料氧化铝(Al2O3)和碳化硅(SiC)复配,探究导热填料的复配对尼龙6(PA6)复合材料导热性能的影响。加入质量分数为3%石墨烯时,PA6复合材料的热导率为0.548W·m-1·K-1,相比PA6基体提高161%。通过调节石墨烯与Al2O3和SiC复配的比例以及复合填料量,PA6复合材料的热导率可控在0.653~4.307W·m-1·K-1之间,最高是PA6基体的20倍。为拓展石墨烯在导热材料方面的应用及PA6导热材料在工业上应用提供了有价值的实验依据。
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    骨组织工程用硅胶/掺锶β-磷酸三钙/硫酸钙复合多孔支架的制备与性能研究
    秦晓素, 黄洁, 郭华超, 杨泽斌, 陈庆华, 颜廷亭
    2018, 46 (3): 34-40.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001098
    摘要 ( 340 )   HTML( PDF (2504KB) ( 233 )   引文文本
    以掺锶β-磷酸三钙/硫酸钙为原料,利用搅拌喷雾干燥法制备出掺锶β-磷酸三钙/硫酸钙复合小球,再将硅胶与制备的复合小球复合,通过在模具中堆垛聚集的方法,制备出硅胶/掺锶β-磷酸三钙/硫酸钙复合生物支架。采用XRD,SEM,FT-IR等方法分析制得复合多孔支架的成分、形貌以及结构特征,并研究复合生物支架的降解性、孔隙率、力学性能和细胞毒性等。结果表明:该复合多孔生物支架具有一定的不规则孔洞结构,小球与小球之间的孔隙约为0.2~1mm,而每个小球上也有大量的微孔,孔径在50~200μm之间,且平均孔隙率达到62%,基本能满足骨组织工程支架对孔隙率的要求;该复合多孔支架无细胞毒性,其降解周期约为80天,抗压强度约为0.1MPa,因此该支架在非承重骨组织修复方面具有良好的应用前景。
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    树脂基Fe纳米粒子及碳纤维复合吸波平板的制备与性能
    周远良, 赛义德, 张黎, 贾韦迪, 段玉平, 董星龙
    2018, 46 (3): 41-47.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000848
    摘要 ( 447 )   HTML( PDF (4413KB) ( 195 )   引文文本
    以Fe纳米粒子(Fe NPs)为吸波剂,偶联剂KH550为表面改性剂,碳纤维(CFs)作为增强及电磁波反射相,环氧树脂(ER)作为基体,制备多种吸波平板并对其综合性能及相关机制进行研究。结果表明:平板的吸波性能随Fe NPs和CFs含量的增加而提高,吸收剂浓度梯度分布有助于形成特定频段的共振吸收;平板对电磁波损耗具有明显的各向异性,表现为CFs垂直电磁波入射方向时性能优于平行情况,当Fe NPs的含量为30%(质量分数,下同),CFs为5.52%,板厚为4.56mm时,最小反射损耗为-26.8dB(4.9GHz);同时,CFs可改善平板的抗弯性能,当Fe NPs为30%时,弯曲强度相比于纯树脂时仅降低了5.81%。
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    B4CP/PI聚酰亚胺复合薄膜耐高温及热中子辐照屏蔽性能研究
    李晓敏, 吴菊英, 唐昶宇, 袁萍, 邢涛, 张凯, 梅军, 黄渝鸿
    2018, 46 (3): 48-54.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001076
    摘要 ( 371 )   HTML( PDF (2595KB) ( 200 )   引文文本
    以耐高温型聚酰亚胺为基体,微米碳化硼(B4C)为热中子吸收剂,采用粉体表面改性及超声湿混-热亚胺化成膜工艺成功制备了一系列B4CP/PI聚酰亚胺复合薄膜,重点探讨了不同B4C含量条件下复合薄膜的耐热性能和力学性能以及不同B4C含量、不同复合薄膜厚度条件下复合材料的热中子屏蔽性能。研究表明:采用上述工艺,B4C功能粒子在聚酰亚胺基体中可均匀分散;B4CP/PI复合薄膜的耐热性随B4C含量的增加显著提高,力学性能则呈相反趋势;所制备的B4CP/PI复合薄膜表现出优异的热中子屏蔽性能,中子透射率I/I0随复合薄膜厚度增加及B4C含量增加呈指数变化规律。据此,可通过材料结构设计,满足不同领域对该类耐高温中子防护材料的应用需求。
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    搅拌摩擦焊辅助Al/Zn/Mg接头扩散连接
    金玉花, 甘瑞根, 陈飞, 邵庆丰, 王希靖, 郭廷彪
    2018, 46 (3): 55-60.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000426
    摘要 ( 364 )   HTML( PDF (4384KB) ( 217 )   引文文本
    对2mm厚的AZ31B镁合金和6061铝合金平板进行添加夹层Zn的搅拌摩擦诱导扩散连接实验。通过SEM,EPMA,XRD,拉伸实验和维氏硬度测试研究Al/Zn/Mg搭接接头显微组织和力学性能。结果表明:当旋转速率合适时,扩散层存在Al富集区,Al5Mg11Zn4层及Mg-Zn共晶区;而旋转速率较低时,扩散层存在残留的Zn层;旋转速率过大时,扩散层出现Al-Mg系金属间化合物。由于扩散层主要为金属间化合物,其显微硬度明显高于母材。Zn箔的加入提高了Al/Mg搭接接头的力学性能。断口观察分析表明,接头失效发生在靠近Al侧的扩散层上。
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    紫铜/Al2O3陶瓷/不锈钢复合结构钎焊接头残余应力研究
    刘多, 刘景和, 周英豪, 宋晓国, 牛红伟, 冯吉才
    2018, 46 (3): 61-66.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000484
    摘要 ( 381 )   HTML( PDF (3520KB) ( 199 )   引文文本
    采用有限元数值模拟的方法研究AgCuTi钎焊紫铜/Al2O3陶瓷/不锈钢复合结构的形变和残余应力分布情况,并对模拟结果进行实验验证。结果表明:残余应力主要分布在接头区,并且该区形变较小。陶瓷端的残余应力对接头性能影响较大,由于线膨胀系数差异过大,不锈钢陶瓷侧易产生裂纹缺陷,接头倾向于在该区域断裂,紫铜侧陶瓷端TiO反应层的形成导致该区域裂纹的出现,降低了接头的性能。研究各应力分量对最终残余应力的贡献,结果显示环向应力和轴向应力在陶瓷端所产生的拉应力是造成接头强度降低的主要因素。接头拉剪实验表明,接头主要在靠近不锈钢侧的陶瓷端断裂,验证了模拟结果的准确性。
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    锌基体疏液表面的制备及润湿行为
    韩祥祥, 于思荣, 李好
    2018, 46 (3): 67-73.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001523
    摘要 ( 316 )   HTML( PDF (2192KB) ( 179 )   引文文本
    采用盐酸水溶液化学刻蚀和水热反应的方法在锌基体上构建微纳米粗糙结构,再经全氟辛酸修饰,制备疏液表面。通过X射线衍射仪、扫描电镜、红外光谱仪和接触角测量仪对试样表面的相组成、微观形貌、化学成分及润湿性进行表征。结果表明:试样的亚微米结构表面生长出一层ZnO纳米棒,在低表面能物质的共同作用下表现出良好的抗水流冲击性和稳定性。当盐酸浓度为1.0mol/L,水热反应温度为95℃时,ZnO纳米棒的生长形态最优,水和花生油在疏液表面的最大接触角分别为154.65°和144.65°,滚动角小于10°。
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    脉冲宽度对激光熔覆FeSiB涂层组织与硬度的影响
    龚玉兵, 王善林, 李宏祥, 柯黎明, 陈玉华, 马彬
    2018, 46 (3): 74-80.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001443
    摘要 ( 275 )   HTML( PDF (3768KB) ( 137 )   引文文本
    以FeSiB非晶带材为熔覆材料,采用激光熔覆在低碳钢表面制备高致密度涂层,利用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度仪等研究不同脉冲宽度对激光熔覆涂层成形、组织特征及硬度的影响。结果表明:随脉冲宽度增大,涂层稀释率升高;裂纹倾向增加,裂纹源萌生由表面到界面处;晶化程度升高,结晶相为α-Fe,Fe2B和Fe3Si;熔合区宽度增大,柱状晶沿外延生长趋势更大;显微硬度先增加后减小。当脉冲宽度为3.2ms时,涂层结构致密,无孔洞缺陷,界面呈良好的冶金结合,稀释率低,为23.2%,涂层平均显微硬度达1192HV,约为基材的10倍。
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    双向脉冲快速电沉积非晶态Ni-P/Al2O3复合镀层
    彭秋艳, 费敬银, 陈居田, 赵非凡, 冯旭
    2018, 46 (3): 81-90.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000119
    摘要 ( 292 )   HTML( PDF (5320KB) ( 138 )   引文文本
    采用双向脉冲电沉积法制备出高P非晶态Ni-P/Al2O3复合镀层,利用扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)方法考察镀层的微观形貌和化学组成,采用X射线衍射技术(XRD)表征镀层的相结构,并通过分析金属镀层和复合镀层的电化学测试结果,评价不同种类镀层的耐腐蚀能力。结果表明:与直流电沉积法相比,双向脉冲电沉积法可将镀层中的P含量提高至12.06%(质量分数),有利于非晶态Ni-P合金镀层的形成。采用双向脉冲法制备的Ni-P/Al2O3复合镀层比直流电沉积法制备的Ni-P/Al2O3复合镀层更平整、结晶更致密。脉冲电沉积法制备的非晶态Ni-P合金镀层具有更好的耐蚀性,而且复合微粒Al2O3的加入,对进一步提高非晶态Ni-P合金镀层的耐蚀性有积极作用。
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    Zn-Al-Mg-RE涂层在含SRB海水中的耐腐蚀性与机理
    龙伟漾, 吴玉萍, 高文文, 洪晟
    2018, 46 (3): 91-97.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001024
    摘要 ( 319 )   HTML( PDF (3266KB) ( 161 )   引文文本
    利用高速电弧喷涂技术在Q235钢基体上制备Zn-Al-Mg-RE涂层,采用环氧改性有机硅树脂对涂层进行封孔,在含硫酸盐还原菌(SRB)海水中浸泡后,采用EIS,PC等方法研究Zn-Al-Mg-RE涂层在SRB一个生长周期内的腐蚀行为,并对涂层进行表面微观形貌和化学成分分析,探讨其腐蚀机理。结果表明:封孔和未封孔的Zn-Al-Mg-RE涂层在含SRB海水中的腐蚀速率均呈先增大后减小的趋势;封孔后Zn-Al-Mg-RE涂层的耐腐蚀性得到较大提高。经过浸泡后的Zn-Al-Mg-RE涂层表面覆盖了一层微生物和腐蚀产物组成的混合物层和钝化膜层,避免了涂层进一步遭受损坏。
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    稀土元素对原位合成TiB2/Al复合材料组织和性能的影响
    屈敏, 刘鑫, 崔岩, 刘峰斌, 焦志伟, 刘园
    2018, 46 (3): 98-104.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001122
    摘要 ( 404 )   HTML( PDF (3928KB) ( 238 )   引文文本
    采用原位合成法研究稀土元素Ce,Sc,Er对TiB2/Al复合材料TiB2颗粒和基体组织的影响,并对复合材料的拉伸性能进行分析。结果表明,稀土元素的添加显著改善了复合材料的组织和性能。添加0.3%(质量分数)Sc和Er的复合材料的TiB2颗粒分布相对均匀,稀土元素Er对基体合金的组织细化效果最显著,其次是Sc。添加稀土Sc和Er元素的复合材料拉伸强度较好,分别提高了32%和31%,添加稀土Er元素的复合材料伸长率最佳,提高了85%,因此,其拉伸性能也最佳。添加稀土元素Sc和Er后,复合材料的断裂形式为微孔聚集型的韧性断裂。稀土元素对复合材料的作用机理表现在两方面:一是稀土元素的添加改善了复合材料的润湿性,并抑制了TiB2颗粒的团聚;另一方面,稀土元素的添加使得基体合金组织细化,从而提高了复合材料的拉伸强度。
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    微量Ce对亚快速凝固Al-Zn-Mg-Cu合金组织与性能的影响
    黄高仁, 孙乙萌, 张利, 刘玉林
    2018, 46 (3): 105-111.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000869
    摘要 ( 268 )   HTML( PDF (4906KB) ( 204 )   引文文本
    通过DSC,XRD,SEM,EDS,静拉伸实验等材料分析方法研究了Ce对亚快速凝固方式铸造Al-Zn-Mg-Cu合金显微组织与力学性能的影响,探求合理的均匀化热处理工艺。结果表明,添加Ce能减小合金枝晶间距,细化晶粒,消除分散缩孔,起到细晶和净化的作用。添加Ce使合金低熔点共晶相的初熔温度降低3℃,相同均匀化条件下微量Ce能促进低熔点共晶相溶入基体,改善合金的均匀化效果。合金A的均匀化温度应低于480℃,合金B的均匀化温度应低于470℃,添加Ce降低了合金的均匀化温度,提高均匀化效率。添加Ce还大幅度提高了合金抗拉强度。
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    基于Zc参数的HP耐热合金高温蠕变及持久寿命的预测方法
    李会芳, 赵杰, 程从前, 闵小华, 曹铁山, 许军
    2018, 46 (3): 112-116.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000354
    摘要 ( 365 )   HTML( PDF (2496KB) ( 165 )   引文文本
    通过研究HP耐热合金的高温蠕变实验数据,提出一种基于Zc参数的高温蠕变变形预测方法,并且利用该方法对HP耐热合金的高温蠕变性能进行预测和分析。结果表明:在1000,980℃和930℃下,蠕变应变分别为0.5%和1%时,预测数据与HP耐热合金的蠕变实验数据符合较好。同时利用基于Zc参数的高温蠕变变形预测方法对HP耐热合金的高温持久寿命进行了评估,结果表明由该方法得到的预测主曲线与耐热合金的持久实验数据吻合较好。
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    升温速率对2219铝合金蠕变时效行为的影响
    刘凌峰, 湛利华, 李文科
    2018, 46 (3): 117-123.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001189
    摘要 ( 483 )   HTML( PDF (4196KB) ( 258 )   引文文本
    研究2219铝合金在蠕变时效成形过程中,升温速率对其蠕变行为及力学性能的影响规律。实验模拟构件在热压罐中的升温条件,降低材料的升温速率(0.75℃/min),延长其升温时间至4h(某典型构件真实蠕变时效升温时间),分别在0,150,210MPa 3种应力条件及不同的时效时间下进行蠕变实验,并对材料拉伸力学性能和微观组织(TEM)进行分析。结果表明:对比在材料尺度下0.5h的升温条件(5.5℃/min),升温速率的降低,在一定程度上提高了材料的力学性能,并且延长了材料强度达到峰值的时间;铝合金析出相的形状因子随着时效时间呈现先增长,到达峰值后下降的趋势;降低升温速率,材料在升温阶段即已发生了显著蠕变形变,在150MPa和210MPa应力条件下升温阶段的蠕变量分别占总蠕变量的29.28%和21.56%,且蠕变变形量和稳态蠕变速率会随着应力的升高而增加;由此,基于材料尺度(标准蠕变试样)的蠕变时效研究,用于表征构件尺度蠕变时效行为时,须进一步考虑升温速率对其成形及性能演变的影响。
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    湿热环境下复合材料层板拉-压性能
    许良, 费昺强, 马少华, 回丽, 黄国栋
    2018, 46 (3): 124-130.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000632
    摘要 ( 272 )   HTML( PDF (5440KB) ( 202 )   引文文本
    通过对碳纤维环氧复合材料试样进行不同湿热环境下的拉伸和压缩实验,分析其吸湿特性、拉压力学性能、破坏后断口形貌以及动态力学性能,探讨湿热对该复合材料的拉伸和压缩性能的影响。结果表明:碳纤维环氧复合材料的吸湿过程满足Fick定律,饱和吸湿率约为0.86%。吸湿后材料表面变得光滑,有少量纤维拔出和树脂破坏发生,但吸湿后没有发生化学反应和新物质生成。吸湿后在130℃下,复合材料的拉伸性能保持率为96%,而压缩性能保持率仅为69%。吸湿后玻璃化转变温度比干态时下降了33℃。
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    综述
    软材料表面形貌调控与应用研究进展
    汤超, 陈花玲, 李博, 刘学婧
    2018, 46 (3): 131-141.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000989
    摘要 ( 445 )   HTML( PDF (6468KB) ( 469 )   引文文本
    自然界不同生物表面形貌的特殊功能与作用吸引了众多学者的研究兴趣,而基于软硬材料层状复合结构的表面形貌调控近年来也成为一个研究热点。本文首先介绍了软材料表面形貌形成的几种常用方法,包括预拉伸法、热处理法、溶剂溶胀法,为表面形貌的产生提供了途径。然后对软材料表面形貌在众多工程领域,包括流体动力学、光学等方面的应用做了简介,为其更广阔的工程应用提供了借鉴。在此基础上,对表面形貌的产生方法以及软材料在表面形貌主动调控方面的应用发展趋势进行了展望。
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    钙钛矿太阳能电池材料的研究进展
    邱婷, 苗晓亮, 宋文佳, 楼冬, 张树芳
    2018, 46 (3): 142-150.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001329
    摘要 ( 1266 )   HTML( PDF (3160KB) ( 1251 )   引文文本
    钙钛矿太阳能电池的研究在近5年内迅速发展,已经成为非常有活力的研究领域,在较短的时间内电池的效率得到了显著的提升。钙钛矿太阳能电池中钙钛矿材料的研究对于提高电池的效率有着重要的意义。本文综述了近年来在钙钛矿层制备方法、新材料的合成等方面存在的主要问题和研究进展。对各种制备方法的特点及改进优化进行了详细的介绍,并分析了新材料合成的必要性和所面临的问题。最后,指出了在降低钙钛矿毒性、大面积制备钙钛矿太阳能电池,以及降低成本等方面的研究前景,为今后高效、稳定的钙钛矿太阳能电池的研究提供方向。
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