- Ei，ESCI收录期刊
- 中国科学引文数据库(CSCD)核心期刊
- 中文核心期刊
- 文摘与引文数据库(Scopus)
- 剑桥科学文摘(CSA)
MXenes是一类通过选择性刻蚀MAX相材料制得的新型二维层状过渡金属碳化物和氮化物。由于其卓越的物理、电子和化学性能等，MXenes已经被广泛应用于电磁屏蔽、生物医药、能源储存、传感器和水净化等领域。同时MXenes及其复合材料由于其大比表面积、优异的导电性和稳定性等特点，可以有效提高贵金属催化剂的催化效率或直接作为一类非贵金属催化剂，被视为当前极具前途的一类燃料电池电催化剂或载体。本文详细介绍MXenes的结构、性质及其制备方法，综述MXenes及其复合材料在氧还原、甲酸氧化、甲醇氧化和乙醇氧化反应领域的最新应用研究成果，指出MXenes材料目前存在的主要问题(如难以制备分散均匀的多层MXenes薄片或少层甚至单层MXenes薄片，由于较高的表面能容易重新堆积等)，提出制备更多的新型MXenes并将其与各类材料进行复合，促进MXenes及其复合材料在燃料电池领域的应用。
碳化钛(Ti3C2Tx)作为一种MXene材料，具有独特的结构和优良的导电性、稳定性以及优越的电化学性能，常被用作超级电容器电极材料。本文结合碳化钛(Ti3C2Tx)材料层状结构的特性，梳理了超级电容器电极用Ti3C2Tx基复合材料的研究进展，重点阐述了Ti3C2Tx材料的结构、性能、制备以及通过不同技术手段与多类材料复合后的电化学性能；归纳了Ti3C2Tx基复合材料性能提升的原因，包括增大层间距、提供更多活性位点、提高坚韧性等；最后指出Ti3C2Tx基复合材料的未来研究重点，如探究新的基体母相、丰富刻蚀方法、改进现有复合材料、探究更多更高效的复合材料等。
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)通常需活化才能发挥其最佳性能。与传统的活化方法相比，电化学氢泵可以节约时间和氢气成本。电化学氢泵是一种使氢气在阳极氧化成质子，然后质子在外加电场作用下迁移到阴极并且被还原成氢气的方法。借助极化曲线测试、交流阻抗测试和循环伏安测试等方法研究电化学氢泵活化后PEMFC的发电性能、内部阻抗和催化剂电化学活性比表面积(electrochemical specific area，ECSA)的变化，进而分析其活化机理。此外，研究不同电流密度、进气湿度和活化温度对氢泵活化效果的影响。结果表明：氢泵活化后，燃料电池发电性能显著提升，Tafel斜率降低，电荷传输阻抗和质量传输阻抗降低，欧姆阻抗基本不变，ECSA增加，因此氢泵活化机制与催化剂活性物种数量、催化层微观结构有关。在电流密度200 mA·cm-2下氢泵活化的效果强于100 mA·cm-2。在进气湿度为150%RH下氢泵活化的效果强于100%RH和200%RH。另外，活化温度对氢泵活化效果的影响不大，在常温下氢泵活化30 min即可使燃料电池完全活化。
锂离子电容器作为新一代电化学储能系统，结合高能量和高功率密度的优势，满足多功能电子设备和电网侧储能的迫切需求。然而，电池型负极和电容型正极之间的动力学不匹配严重制约了其电化学性能。为解决这一瓶颈，制备一种高性能双碳锂离子电容器，该器件采用乙二胺四乙酸铁钠盐(EDTA-Na-Fe)衍生而成的碳材料同时作为正、负极。通过简单的煅烧，EDTA-Na-Fe可直接转化为氮掺杂碳骨架(NCF)，该碳骨架具有较高的可逆容量和良好的电化学性能。使用NCF同时作为锂离子电容器的正、负极，能够在0.5~4.0 V的电压区间工作，并且由于使用同样的正负极材料，简化器件的构筑流程；在225 W·kg-1的功率密度下，所构筑器件的能量密度能达到193.4 Wh·kg-1。这种合理的动力学匹配策略为进一步发展高性能锂离子电容器开辟一条新的途径。
可承受大而复杂变形的能量存储设备的开发对于新兴可穿戴电子设备至关重要。目前，由导电聚合物制成的水凝胶在加工过程中实现了高电导率和多功能性的融合。利用简单的两步共聚方法成功构建了一种具有丰富微孔结构的水凝胶超级电容器：聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酰胺(PAM)形成双交联网络水凝胶，赋予刚性聚苯胺柔性，此外，聚丙烯酰胺提高了聚苯胺基水凝胶的机械强度，使得聚苯胺基(NPP)水凝胶具有良好的力学和电化学性能，在1 A·g-1其抗拉强度和比电容分别为0.3 MPa与269.12 F·g-1。聚苯胺(PANI)的添加减小了聚乙烯醇和聚丙烯酰胺双交联网络水凝胶(PP)电极的内阻，其修饰后的电阻值为39.184 Ω，这使得NPP水凝胶实现了较高的电子传输能力。这种水凝胶的灵活开发集成为能源系统提供了一种替代策略，适合于超级电容器等多种应用。
采用固相反应法制备0.7BiFeO3-0.3BaTiO3+0.35%(摩尔分数，下同)MnO2+x%LiF(BF-BT-MN-xLF)压电陶瓷。采用XRD，SEM，铁电测试系统和精密阻抗分析仪测试陶瓷的物相组成、显微结构和铁电、压电性能。结果表明：LiF掺杂加强晶格畸变，促进烧结和晶粒生长，改善压电性能的温度稳定性。Li+和F-不等价取代A/B位产生的复合缺陷偶极子，转向速度滞后于外加电场的变化，导致电滞回线呈现夹持现象。同时，对BF-BT-MN-xLF陶瓷的退极化行为以及居里温度变化的研究表明，LiF掺杂显著提高陶瓷的居里温度Tc和退极化温度Td，Tc和Td分别由500 ℃和410 ℃(x=0)升高到550 ℃和505 ℃(x=0.50)。当LiF掺杂量为0.50%时，在860~1020 ℃温度范围内烧结的陶瓷始终保持较高的压电系数，d33=176~202 pC/N。x=0.50的陶瓷样品在960 ℃烧结表现出最佳的压电性能：d33=202 pC/N，kp=34%，Tc≈550 ℃，Td1≈505 ℃。
微针是一种微凸起阵列组成的微创装置, 能够穿透角质层到达表皮及真皮层, 具有安全、无痛、微创、自我给药及便捷等优点。作为一种新型微针, 水凝胶微针因其优良的性能在医学领域备受关注。水凝胶微针具有良好的生物相容性及力学性能, 在皮肤作用之后可以被完整取下而不会在体内残留聚合物; 其特有的溶胀性可以实现人体检测物微创提取及药物缓释, 未来可以在个人身体健康监测及药物控释领域发挥巨大作用。本文围绕水凝胶微针的作用机理、微针设计、制备方法及应用进展进行了综述, 重点探讨了水凝胶微针的设计参数及其在药物递送、提取监测及伤口愈合领域的应用现状, 并指出水凝胶微针在皮肤感染风险、药代动力学及佩戴舒适性等方面存在的问题。未来的重点研究方向应是与智能设备相结合, 在微针贴片上同时实现人体监测与药物智能控释。
开发具有高电磁屏蔽效能的材料, 对于减少电磁干扰和电磁辐射危害具有重要意义。采用对位芳纶织物为基体材料, 通过在其表面构筑聚苯胺(PANI)纳米线和纳米银, 制备高电磁屏蔽效能的Ag/PANI/芳纶电磁屏蔽织物。聚苯胺纳米线的存在不仅增加了芳纶表面的粗糙度, 而且聚苯胺与银离子之间的相互协同作用增加了银镀层的牢度。结果表明: 制备的Ag/PANI/芳纶电磁屏蔽织物具有良好的电磁屏蔽效能, 最高可达61.0 dB, 而且在经受洗涤、1000次弯曲后织物仍保持良好的导电性和高的电磁屏蔽效能, 证实表面构筑的Ag/PANI层具有很好的牢度。同时, 制备的Ag/PANI/芳纶电磁屏蔽织物具有良好的耐热性和耐腐蚀性。
采用硝酸银(AgNO3)和4, 4'-二氨基二苯醚(ODA)对碳纳米管进行功能化改性, 制备银修饰的氨基化碳纳米管(MWCNTs-ODA/Ag)。ODA和均苯四甲酸二酐(PMDA)为聚酰亚胺(PI)单体, MWCNTs-ODA/Ag作为纳米填料, 经过原位聚合、涂膜和热亚胺化, 得到MWCNTs-ODA/Ag/PI复合薄膜。分析不同纳米填料含量对复合薄膜性能的影响, 结果表明: 当MWCNTs-ODA/Ag的添加量为3%(质量分数, 下同)时, Ag/PI-3%薄膜的拉伸强度为123.0 MPa, 相比Ag/PI-0%薄膜提升了17.9%;导热系数达到0.55 W·m-1·K-1, 为Ag/PI-0%薄膜的5倍, 复合薄膜导热性能得到很大提高, 同时兼具优异的力学性能和耐热性能。
采用原位观测疲劳实验方法, 对激光选区熔化(selective laser melting, SLM)TC4合金的三维小裂纹扩展行为开展研究, 并通过降载法测定同等实验条件下的长裂纹扩展曲线。结果表明: 在小裂纹扩展的早期阶段, 其扩展速率受到微观组织结构的影响而明显波动, 裂纹扩展路径曲折, 随着裂纹长度的增加, 微观结构影响降低, 裂纹扩展路径平直, 扩展速率随裂纹长度稳定增加。内部缺陷仍然能够降低合金疲劳寿命。比较小裂纹与长裂纹扩展数据, SLM TC4合金小裂纹在长裂纹扩展门槛值下仍能扩展, 同时在同一应力强度因子幅值下, 小裂纹扩展速率要高于长裂纹, 存在典型的"小裂纹效应", 因此在对合金进行疲劳寿命预测时要考虑材料的小裂纹行为。
采用真空电弧熔炼炉制备Fe40Cr25Ni25Al5Ti5(原子分数/%)中熵合金，利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)及拉伸试验机研究合金固溶态和退火态的微观组织、力学性能、强化机制及变形机制。结果表明：Fe40Cr25Ni25Al5Ti5中熵合金固溶态为FCC+BCC1+BCC2三相固溶体组织，屈服强度为520 MPa，断裂强度为852 MPa，伸长率为13%。经600 ℃退火2 h，合金相组成未改变，颗粒状BCC2相尺寸增大，FCC区与BCC区体积分数无明显变化，屈服强度为668 MPa，断裂强度达1029 MPa，伸长率降低至9%。Fe40Cr25Ni25Al5Ti5合金的强度源于共格应变强化、固溶强化及界面强化的协同作用，位错滑移为合金主要的变形机制。
采用硬度测试、拉伸测试、扫描电镜和透射电镜系统研究微量In添加与不同预时效工艺对Al-Mg-Si合金微观结构和力学性能的影响。结果表明: 添加0.1%(质量分数) In的Al-Mg-Si合金在100 ℃/3 h预时效下, 同时具有较低的T4P态硬度以及更高的烘烤硬度(118.56HV, 相比于无预时效的Al-Mg-Si合金硬度提高了15.08%)和抗凹陷性。这说明预时效处理和In微合金化的复合作用能够抑制自然时效的有害影响, 并提高合金的烘烤硬化性。微量In添加能够细化Al-Mg-Si合金中的含Fe相, 促进合金时效过程中β″相的形成, 从而提高合金的硬度。但是, In元素添加降低了Al-Mg-Si合金的伸长率, 这是由In在铝基体中固溶度较低, 形成了In颗粒导致的。
Ni-Mn-Sn合金被认为是最具潜力的制冷工质、传感器、驱动器材料之一，但由于金属间化合物的本征脆性很大程度阻碍了其实际应用。采用扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)、电子万能力学试验机和电化学工作站系统研究了Ni45Co5Mn38Sn12-xGdx (x = 0.3, 0.6, 1, 1.5，原子分数/%，下同)磁性形状记忆合金的微观组织、马氏体相变、力学性能和耐海水腐蚀性。结果发现，稀土元素Gd含量为0.3%时，出现了斑状析出相，同时在斑状析出相周围还发现一种颗粒状析出相，随着Gd掺杂量的不断增加，两种析出相逐渐增多并连接在一起呈网状分布。Gd的掺杂使合金基体价电子浓度升高，进而使得合金相变温度升高。同时，Gd含量增多会提高合金的力学性能，Gd含量为1.5%时，合金的压缩断裂强度可达1258 MPa，压缩断裂应变可达13.7%。此外，Ni-Co-Mn-Sn-Gd合金的耐海水腐蚀性能优于304不锈钢，而且随着Gd含量的增加，合金的耐腐蚀性能也逐渐增强。
通过高真空电弧熔炼炉和熔体抽拉液态成形设备制备Ni-Mn-Ga和Ni-Mn-Ga-Fe纤维，并对纤维进行阶梯式有序化热处理。利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、射线衍射仪(XRD)对其微结构和相结构进行表征；利用差示扫描量热仪(DSC)对纤维的马氏体相变过程进行分析；利用动态机械分析仪对纤维的超弹性进行测试。结果表明：有序化热处理后纤维内部原子排列有序性提高，相邻孪晶间沿近90°大角度晶界方向生长，晶界处平直。Fe掺杂使得纤维内部晶粒细化，晶格体积缩小，纤维整体致密性提高。Fe掺杂使得晶格内自由电子数量增多，电子浓度升高，致使马氏体相变(martensitic transformation, MT)的相变温度(Ms)明显提高；通过有序化热处理，高温下的自由电子自由排列，形成有差异性的新布里渊区，构成新的孪晶界，进一步提高晶格内部的致密程度。同时Fe具备耐高温、抗拉强度高的特性，Fe掺杂的Ni-Mn-Ga纤维降低了其本征脆性。超弹性曲线显示了热弹性马氏体相变的两个基本特征：完全超弹性(superelasticity, SE)和低温恢复特性。在超弹性实验中，Ni50Mn25Ga20Fe5纤维在355 K测试温度时达到完全SE；在测试温度Ttest>Ms+8 K时，达到100%的应变恢复率(strain recovery rate)，较Ni-Mn-Ga纤维(≈90%)有所提高。与其他合金(如Ti-Ni和Cu-Al-Ni合金)相比，Ni-Mn-Ga-Fe纤维显示出更大的临界应力值和更宽的SE温度空间。
基于Thermo-Calc热力学模拟设计，结合扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子探针(EPMA)、背散射电子衍射(EBSD)及透射(TEM)技术，分析Mn含量对Fe-xMn-3.4Al-0.34C(x=4~8)实验钢相变温度、物相分布和微观组织的影响。结果表明：随着Mn的质量分数从4%增至8%，奥氏体开始转变温度(Ae1)从703.7 ℃持续降至501.2 ℃，奥氏体完全转变温度(Ae3)从1005.6 ℃近似线性地降至863.0 ℃；随着Mn含量增加，残余奥氏体由不可探测逐渐增加至12.6%；显微组织从渗碳体(θ)+高温铁素体(δ)双相逐渐转变为高温铁素体(δ)+马氏体(α′)+残余奥氏体(γ)，残余奥氏体分布于δ铁素体边界处和马氏体板条中。
在(NaPO3)6, Na2SiO3-NaOH和NaAlO2-NaOH三种电解液中, 采用微弧氧化技术在SiCp/Al基复合材料表面制备微弧氧化膜层。使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)对膜层组织结构及相组成进行表征, 并通过摩擦磨损实验及电化学工作站分析基体及膜层的耐磨性和耐蚀性。结果表明: 三种电解液中均能制备出均匀的微弧氧化膜层, NaAlO2-NaOH中制备的膜层粗糙度和厚度最大。三种电解液中制备的膜层物相有差异。微弧氧化提高SiCp/Al基复合材料的显微硬度, 其中NaAlO2-NaOH中制备的膜层硬度达到1125HV。微弧氧化可降低SiCp/Al基复合材料的摩擦因数, 综合摩擦因数及磨损情况, NaAlO2-NaOH中制备的微弧氧化膜层的耐磨性较好。三种电解液中制备的微弧氧化膜层均能改善SiCp/Al基复合材料的耐蚀性, 其中Na2SiO3-NaOH中制备的膜层耐蚀性优异, 腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-0.6122 V和2.704×10-7 A·cm-2。
针对酚醛树脂(RF)耐热性不足、抗烧蚀性能差, 且SiO2粒子与酚醛树脂相容性的问题, 采用共凝胶法制备纳米级的SiO2/RF杂化气凝胶, 通过构建凝胶网络互穿结构, 增加两相相容性, 探究SiO2/RF杂化气凝胶的微观结构、化学结构和热物理性能。制备得到硅改性酚醛/碳纤维复合材料, 并对改性前后复合材料的烧蚀性能进行比较。结果表明, 不同硅含量的杂化气凝胶具有凝胶骨架和孔隙双连续的结构特性, 密度分别在0.145~0.160 g/cm3之间。随着硅含量提高, 杂化气凝胶残留率增加, Si—O键吸收振动峰更明显, 但XRD无衍射峰。综合考虑孔径分布及热物理性能, 选取性能最优的杂化气凝胶制备硅改性酚醛/碳纤维复合材料, 改性后复合材料的质量烧蚀率为0.046 g/s, 线烧蚀率为0.074 mm/s。与未改性的复合材料相比, 质量烧蚀率降低了20.7%, 线烧蚀率降低了21.3%, 改性后材料的抗氧化性和烧蚀后的残留率得到明显提升。
研究了新型碳纤维增强Vitrimer环氧树脂复合材料(V-CFRP)的层间修复性能和热塑成型工艺，并分析了热压修复与热塑成型机理。结果表明：新型Vitrimer环氧树脂的玻璃化转变温度(Tg)为92.8 ℃，其高于Tg温度下表现出显著的应力松弛行为，应力松弛时间与温度呈现线性关系；采用三点弯曲实验研究了V-CFRP复合材料的热压修复行为与热塑成型能力，热压修复研究发现在180~220 ℃，5 MPa条件下热压1.5~2.0 h可实现复合材料层间破坏近乎100%的修复；热压成型研究表明，V-CFRP复合材料在180~220 ℃预加热5~30 min，其弯曲模量和弯曲强度下降超过80%，弯曲模量的大幅下降意味着V-CFRP适于热压再成型；并采用模塑热压方法，在200 ℃，5 MPa和2 h热压条件下，实现了V-CFRP板材热塑成型制备具有三维特征的结构件，证明了V-CFRP复合材料的热压模塑成型能力。
通过超声和机械振动耦合场辅助, 采用原位反应法制备了Al3Ti/Al-Mg-Mn复合材料, 研究了反应温度和耦合场作用时间对其组织演变和室温力学性能的影响。结果表明: 超声和机械振动耦合场可以促进原位反应的进行, 分散细化Al3Ti颗粒。经760 ℃耦合场处理10 min后, Al3Ti/Al-Mg-Mn复合材料室温抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为222, 119 MPa和8.1%, 相比于Al-Mg-Mn基体, 室温抗拉强度和屈服强度分别提高了17.5%和25.2%, 伸长率由8.7%降低至8.1%。室温力学性能的提升, 主要归因于Al3Ti增强相引起的细晶强化、载荷传递强化和热错配强化, 其中热错配强化对于复合材料强度的提升贡献最大。
通过改进现有制备方法, 合成了一种高热稳定性的聚焦磷酸哌嗪(PAPP), 并将其与埃洛石纳米管(HNTs)、三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)复配为P-N-Si系膨胀型阻燃剂, 协效阻燃环氧树脂(EP)。通过极限氧指数、垂直燃烧、锥形量热仪、SEM等测试方法, 考察了膨胀型阻燃剂对EP阻燃性能的影响。结果表明, 复配阻燃剂的引入形成了致密、连续的膨胀型炭层, 从凝聚相和气相分别提高了环氧树脂的阻燃效率, 有效降低了环氧树脂的放热速率和放热量, 以及有毒气体的释放, 当PAPP/HNTs/MCA配比为7∶1∶2时, 极限氧指数达34.3%, UL-94达V-0级, 相比于纯EP, 残炭量显著增加, 热释放速率(HRR)峰值下降了60.56%, 总热释放量(THR)及有毒气体的排出大幅度减少。热重分析结果表明, 阻燃改性后EP的初始分解温度降幅ΔT为4.4%, 改性后的EP仍具有较高的热稳定性。
