2022年, 第53卷, 第10期　刊出日期：2022-10-30

  

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  功能材料. 2022, 53(10): 0.

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热点·关注（2021年度重庆市出版专项资金资助项目）
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  用于光储一体化器件的低内阻电极材料研究

  郭秉霖, 高屹豪, 李永越, 米倡华, 吕小军, 李美成

  功能材料. 2022, 53(10): 10001-10007. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.001

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  光储一体化器件能够将太阳能转化后直接以化学能的形式储存在储能材料中,实现对太阳能的直接利用。提升光储一体化器件的总能量转化效率是目前一大研究重点。研究制备了还原氧化石墨烯(rGO)原位负载氢氧化镍纳米颗粒低内阻复合材料用于超级电容器正极并组装光储一体化器件。该电极在2和20 A/g的电流密度下放电比容量分别为1 586.4和1 108 F/g,保持率高达70.0%。而未经负载的纯氢氧化镍电极在2和20 A/g的电流密度下放电比容量分别为622.8和304 F/g,保持率仅为48.8%。另外,在2 A/g电流密度下,复合电极的库仑效率为96.5%,而纯氢氧化镍电极的库仑效率仅为48.4%。复合电极中的薄片状氢氧化镍纳米颗粒相较于纯氢氧化镍具备更大的电极-电解液界面,有利于电子、质子在界面处地快速交换;同时,复合电极中的rGO能够在充放电过程中迅速将电子导出,降低电极内阻。将复合电极材料用于光储一体化器件,获得高达14.21%的总能量转换效率。对光储器件中储能材料的设计提供新思路。
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  天然革屑支撑发泡聚氨酯涂层的构建及表征

  张建, 付纪文, 乐园, 陈建峰

  功能材料. 2022, 53(10): 10008-10015. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.002

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  提出了以特定尺寸天然革屑填料作为合成革聚氨酯发泡层的支撑材料,用以解决发泡涂层在烘干过程中的扁平化问题。此外,在复合涂层中,革屑还起到水汽通道及力学增强等作用。在此复合发泡层制备过程中,选取尺寸与发泡层初始厚度相仿的革屑填料,使得其能够支撑于发泡层上下两面。在干燥之后,该发泡涂层厚度保持率达到了96%,相较于纯PU发泡层提升17%。同时革屑的加入大大降低了涂层的泡孔直径与壁厚,分别达到了57与20 μm,仅为纯聚氨酯发泡层的43%与24%。当m(革屑)∶m(聚氨酯)=1∶8时,成品革的透水汽性能与拉伸强度分别达到了368 mg/10 cm²·24 h与11.45 MPa,相较于纯发泡PU合成革提升232%与85%。
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  铁锌合金在离子液体中的电沉积行为及其在Hank's溶液中腐蚀性能研究

  崔祥忠, 王伟强, 于凤云, 许雅南, 齐民

  功能材料. 2022, 53(10): 10016-10021. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.003

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  探究在氯化胆碱-尿素低共熔溶剂(ChCl-Urea DES)中电沉积制备铁锌合金的可行性。使用循环伏安法 (CV) 和计时电流法 (CA)研究Fe-Zn合金的还原行为和成核行为。使用电子探针 (EPMA),X射线衍射仪 (XRD) 以及扫描电镜 (SEM)研究沉积电位对Fe-Zn合金镀层的元素含量、相组成和微观形貌的影响。使用极化曲线对Fe-Zn合金的腐蚀行为进行研究。在含两种金属盐离子电解液中测得的CV结果说明,Fe(Ⅱ)与Zn(Ⅱ)可以在ChCl-Urea DES中共沉积。CA曲线的拟合结果表明,Fe-Zn合金的成核方式符合Scharifker-Hill三维成核模型且形核机制为三维渐进成核。EPMA结果显示沉积电位为-1.35 V时合金中Zn的含量最高为7.4%。XRD结果显示Fe-Zn合金在不同沉积电位下均为α-Fe相。SEM结果显示,低电势下合金晶粒呈半球状生长,高电势下合金晶粒呈不规则团簇状生长。极化曲线结果表明Fe-Zn合金的腐蚀电流密度(J_corr)大于纯Fe,其中Zn含量为4.3%的Fe-Zn合金的J_corr最大达5.70 μA/cm²。Fe(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)在ChCl-Urea DES中可以实现共沉积并形成固溶体合金,且Fe-Zn合金的腐蚀速率比纯Fe快。
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  N掺杂TiO₂纳米管阵列的制备及光电化学检测性能的研究

  杨振宇, 沈子函, 徐光青, 吕珺, 崔接武, 吴玉程

  功能材料. 2022, 53(10): 10022-10031. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.004

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  采用阳极氧化结合液相处理成功制备了N掺杂TiO₂纳米管阵列,研究N掺杂对TiO₂纳米管阵列光电化学性能的影响。通过X射线衍射及扫描电子显微镜表征了N掺杂TiO₂纳米管阵列的形貌与结构,并采用X射线光电子能谱、傅里叶红外光谱及拉曼光谱分析了N在TiO₂中的存在状态。采用恒电位计时电流法测试了掺杂样品在紫外光及可见光照射下的光电化学性能,并以葡萄糖为模拟有机物进行TiO₂(N) NTAs的光电化学检测水体有机物的研究。研究结果表明,N掺杂后样品的光电流均得到明显的提升,最优化的TiO₂(N40) NTAs的紫外光电流由180.4 μA增加到256.8 μA。对有机物的检测灵敏度由0.061 μA/(μmol/L)增至0.134 μA/(μmol/L)。通过对样品的光学性能、载流子复合几率及电化学性能的测试,研究了样品光电化学性能提高的机理。光响应范围的增加及光生载流子的有效分离,使得N掺杂TiO₂ NTAs的光电化学性能得到极大的改善。
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  载银/钴β-磷酸三钙的抗菌性能评估及其应用于感染性骨缺损治疗研究

  何帅, 刘昱辰, 韩秋阳, 汪寿腾, 谢克难, 谢璐, 邓怡, 杨为中

  功能材料. 2022, 53(10): 10032-10038. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.005

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  由外伤、骨髓炎和骨肉瘤切除手术等引起的骨缺损问题正在全球范围内威胁着患者的健康。目前,植入骨修复材料以填充缺损部位是治疗骨缺损的主流方法。然而,由于传统的骨植入材料抗菌能力差,易受到病原体入侵,易发生植入体周围感染(IAI),从而导致手术失败并对患者造成继发性损伤。为解决这个问题,研究中通过压制成型及聚多巴胺辅助改性构建了由钴、银纳米颗粒和生物陶瓷β-磷酸三钙(β-TCP)组成的新型多功能植入物(Ag@Co/β-TCP)。由于Ag⁺和Co²⁺的固有杀菌能力,Ag@Co/β-TCP植入体对革兰氏阳性(金黄色葡萄球菌)和革兰氏阴性(大肠杆菌)病原菌表现出优异的抗菌性能。此外,体外细胞实验表明Ag@Co/β-TCP具有良好的生物相容性和促细胞生长能力。这些优点可使功能化生物陶瓷Ag@Co/β-TCP在不使用抗生素的条件下达到抗菌和成骨的目的,以期解决植入手术过程中所引发的IAI问题。
综述·进展
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  卤族钙钛矿材料相变变色特性的研究进展

  范吉超, 吴新栋, 刘晓霖

  功能材料. 2022, 53(10): 10039-10045. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.006

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  卤族钙钛矿材料以其优异的发光以及多变的变色发光性能在光电领域的应用中脱颖而出,这主要是由于卤族钙钛矿材料及其衍生物丰富的相变现象导致的。介绍由材料相变所导致的卤族钙钛矿材料及其衍生物材料的多种变色性质,包括光致变色、压致变色和热致变色等现象,着重分析了各种外界因素诱导的变色性质的内在相变机理,以及各种材料变色性质的优劣比较。最后讨论了卤族钙钛矿材料变色性质未来的研究与应用前景。
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  TiC的制备方法及应用研究进展

  田方, 胡途, 张利波, 杨黎

  功能材料. 2022, 53(10): 10046-10053. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.007

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  碳化钛作为一种陶瓷材料, 因为良好地化学稳定性和耐磨性而被广泛应用。结合近年来TiC材料的研究进展,简述了各项应用和国内外超细TiC粉体的制备方法,包括碳热还原法、自蔓延高温合成法、冲击波合成法等。分析了各项技术的原理和工艺特性并讨论了存在的问题。经济、有效的制备技术将使TiC粉末具有更广阔的工业应用前景。
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  耐高温透明材料的研究进展

  王衍行, 杨鹏慧, 李现梓, 韩韬, 张运生

  功能材料. 2022, 53(10): 10054-10061. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.008

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  耐高温透明材料作为高温条件下与外界光电信息传输的重要窗口,主要用于空间飞行器、高超音速导弹、高温高压容器和激光等新兴领域。目前,耐高温透明材料主要包括耐高温有机材料、晶体材料和钢化玻璃等。钢化玻璃是目前最常用的耐高温透明材料,相比于化学钢化玻璃而言,物理钢化玻璃具有较高的耐温特性,但都存在高温下钢化应力衰减问题。钢化玻璃典型产品有物理钢化无碱铝硅玻璃和化学钢化锂铝硅玻璃。最后,展望了耐高温透明材料的发展趋势。
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  多孔轻骨料自修复水泥基材料研究进展

  吕忠, 刘子言, 宋羿昊, 项腾飞, 郭明磊, 陈德鹏

  功能材料. 2022, 53(10): 10062-10070. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.009

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  混凝土材料在荷载和环境作用下容易发生开裂,影响结构的耐久性以及强度。受胶囊法自修复体系的启发,以多孔轻骨料为载体,研究人员提出内置封装修复剂材料的轻骨料自修复体系。评述了近年来国内外有关轻骨料自修复水泥基材料的发展状况,阐述无机多孔轻骨料的破裂方式以及修复剂释放机理,对比分析内置修复剂轻骨料水泥基材料裂缝愈合前后的基体力学性能和耐久性能,以及裂纹愈合程度和愈合效率的评价方法,总结了轻骨料自修复水泥基材料裂缝修复研究所存在的主要问题,展望了其研究趋势和发展前景。
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  粉末冶金颗粒增强铝基复合材料的制备及研究进展

  黄颖, 李育川, 雷波, 郝刚领, 汪聃, 王新福

  功能材料. 2022, 53(10): 10071-10086. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.010

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  铝基颗粒增强复合材料因其独特的质量、经济及性能优势,已成为世界各国复合材料研究的焦点。粉末冶金法具有增强相选择灵活、含量精确可控、可设计性强等优势,是目前制备颗粒增强铝基复合材料的常用方法之一,受到广大学者的青睐。首先对铝基复合材料的发展历程做了简要回顾,其次针对铝及其合金粉末冶金的特点对其致密化成型技术和烧结工艺进行了归纳总结,重点对颗粒增强铝基复合材料成分设计(增强相种类、含量、粒径大小、分布等),界面润湿性及其控制,组织特征与力学性能间的联系及其强化机制等方面加以阐述,最后分析了粉末冶金颗粒增强铝基复合材料所面临的问题和挑战,并对其发展前景进行了展望。
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  UiO系列金属有机骨架的合成方法及其吸附应用

  张静, 刘洁

  功能材料. 2022, 53(10): 10087-10094. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.011

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  金属有机骨架(MOFs),是由金属离子或金属团簇和有机配体通过配位键组成的一种新型的纳米多孔材料。由于其较高的比表面积、高孔隙率、优异的结晶度以及良好的化学/热稳定性,近年来在环境分析化学中引起了广泛的关注,并且得到飞速的发展。主要综述了近年来常用的UiO系列金属有机骨架材料的合成方法及其在吸附方面的应用,介绍了包括水热法、微波辅助合成、机械研磨法以及电化学合成法等合成方法的反应条件及其优缺点。阐述了UiO系列MOFs作为一种新型吸附材料,由于其具有较高的热稳定性、化学稳定性等被广泛地应用于重金属离子的去除、有机物的降解及气体的吸附分离等方面。同时,根据UiO系列MOFs的研究现状对其未来的发展趋势做出了展望。
研究·开发
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  氧化石墨烯增强水性环氧涂层的防腐性能研究

  官冀原, 李多生, 叶寅, 龙思海, 王凯

  功能材料. 2022, 53(10): 10095-10103. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.012

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  传统的环氧富锌涂料在使用过程中会释放VOC等有害物质,污染环境,对人体造成极大危害。通过添加氧化石墨烯(GO)对水性环氧涂层进行改性,提高涂层的防腐能力。通过傅里叶红外光谱仪(FTIR)和扫描电镜(SEM)对GO的结构和形貌进行表征和分析。将GO引入到水性环氧涂层中,制备出氧化石墨烯增强水性环氧涂层。采用SEM研究涂层的表面形貌,采用盐雾试验、电化学阻抗谱(EIS)和极化曲线开展涂层的耐腐蚀性能研究。GO表面含有亲水性的含氧官能团,GO的加入可以明显提高涂层体系的分散性,使得涂层的锌粉分布更均匀。添加0.3%GO的水性环氧涂层,在盐雾240h后表面腐蚀产物最少,具有更好的耐蚀性。在3.5%(质量分数)NaCl溶液中,添加0.1%～0.4%(质量分数)GO的涂层比未添加GO的涂层有更高的阻抗模量,且在GO的添加量为0.3%时,涂层的阻抗模量最大,防腐性能最好。涂层在盐溶液中浸泡55 d后,添加0.3%GO涂层的阻抗模量(5.64×10⁵ Ω·cm²)比于未添加GO的涂层的阻抗模量(1.12×10⁵ Ω·cm²)增大了404.57%。涂层在盐溶液中浸泡55 d后的极化曲线表明,未添加GO的涂层具有最大的J_corr值(608.5 nA/cm²)、最小的E_corr(-0.654 V)和R_p值(0.074 kΩ·cm²),防腐性能最差;而添加有0.3%GO的涂层具有最大的E_corr(-0.521 V)和R_p值(0.592 kΩ·cm²)、最小的J_corr值(74.5 nA/cm²),具有最佳的防腐性能。添加0.3%GO的水性环氧涂层的防腐性能最佳。
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  泡沫金属-石蜡非稳态传热强化机理研究

  孙向昕, 张华, 王子龙, 豆斌林, 张冠华

  功能材料. 2022, 53(10): 10104-10110. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.013

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  为探究泡沫金属填充率对相变材料融化过程中传热机理的影响,设计并搭建了一套半圆柱体式蓄热装置,制备了填充率为0.43%,1.28%和2.15% 3种复合相变材料。通过实验研究了填充率对复合相变材料温度分布、液相率、融化过程中导热和对流换热强度以及蓄热性能的影响。实验结果表明,随着泡沫铜填充率增大,复合相变材料融化时间缩短;当填充率为0.43%时,自然对流作用占融化过程的68%,当填充率为2.15%时,自然对流占比减少至17%;当泡沫铜的填充率为0.86%时,蓄热量和蓄热速率均比纯石蜡提高0.96%,复合相变蓄热材料的蓄热性能较好。
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  FeGa/PZT圆柱体磁电复合材料在8/20 μs雷电激励下磁电响应仿真分析

  李跃, 肖小兵, 蔡永翔, 张紫嫣, 鲁彩江

  功能材料. 2022, 53(10): 10111-10115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.014

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  目前,雷击故障以成为线路的主要故障之一。8/20 μs雷电流是电力系统实验中典型的冲击电流波形。借助有限元仿真分析软件COMSOL,分析FeGa/PZT圆柱体磁电复合材料在8/20 μs雷电激励下磁电响应,为磁电复合材料在雷电测量领域提供理论分析基础。仿真中,采用二维轴对称结构建立了FeGa/PZT圆柱体磁电复合材料的模型;首先,对复合材料在正弦激励下的磁电效应进行了仿真,得知结构主振模态为一阶纵波振动,频率为100.36 kHz。其次,采用双指数函数模型模拟8/20 μs雷电流瞬态激励电流,对结构瞬态磁电响应进行了仿真分析。结果表明,FeGa/PZT圆柱体磁电复合材料输出电压可以有效跟随8/20 μs雷电流变化过程,但以频率100.36 kHz进行阻尼振荡;在峰值为0.5 A~10 kA的8/20 μs雷电流测量范围内,FeGa/PZT磁电复合材料对8/20 μs雷电流幅值测量灵敏度达到1.8 mV/A,线性度达到98.55%。以上结果证明,FeGa/PZT磁电复合材料在雷电流测量领域有良好的应用前景。
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  废机油再生沥青的流变性研究

  崔亚楠, 杜春晓, 郭立典

  功能材料. 2022, 53(10): 10116-10121. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.015

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  为探讨废机油作为再生剂的可行性,对比XT-1再生剂和废机油对老化沥青的再生效果,从实验角度对其再生效果进行评价,并研究其再生的机理。研究选用90#沥青,采用实验室模拟的方式制备老化沥青,老化方式为复合紫外老化、复合水老化。通过动态剪切流变(DSR)试验、弯曲梁流变(BBR)试验对再生沥青流变性能进行评价;采用原子力显微镜(AFM)试验,通过微观力学指标的变化研究沥青的再生机理。结果表明,在DSR试验中,改进车辙因子G^*/(sinδ)⁹和疲劳因子G^*·sinδ显示随着再生剂和废机油掺量的增加,均可提高再生沥青的流变性,而废机油可以更有效地提高老化沥青的抗车辙性能和抗疲劳性能。在BBR试验中也可以发现适宜掺量的XT-1再生剂和废机油可以较好的改善老化沥青的低温性能,而废机油改善效果更明显。AFM试验中DMT模量和粘附力两个指标显示废机油对再生沥青粘弹性能有更好的恢复效果。
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  丙烯酸乳液/青稞秸秆灰改性氯氧镁水泥的耐水性能研究

  曹锋, 乔宏霞, 李双营, 喇世仁, 邵亚飞

  功能材料. 2022, 53(10): 10122-10129. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.016

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  氯氧镁水泥具有较好的抗盐卤侵蚀性能,但耐水性能差限制了其在盐湖及盐渍土地区的普遍应用。为了提高氯氧镁水泥砂浆(MOCM)的耐水性能,将丙烯酸乳液(AE)和青稞秸秆灰(HBSA)分别以单掺和复掺的方式掺入MOCM中,采用软化系数来表征耐水性能的高低。采用气体吸附技术对MOCM的孔隙结构进行分析,采用傅里叶红外光谱(FT-IR)和X射线衍射技术(XRD)对MOCM的微观结构进行表征,进而揭示AE和HBSA影响MOCM耐水性能的作用机理。研究结果表明,单掺1%AE时MOCM的耐水性能显著增加,但其力学性能显著下降。复掺1%AE和15%HBSA的MOCM耐水性能比未掺时增加了18.43%,而且力学性能最高。AE掺入MOCM中形成了丙烯酸镁凝胶,有效填充了孔隙,增加了结构的密实性,提高了耐水性能;但是抑制了5相晶体的形成,使得力学性能显著下降。MOCM中掺入HBSA生成了水化硅酸镁(M-S-H)凝胶,填充了5相晶体与固体颗粒之间的有害孔隙,优化了孔隙结构,提高了MOCM的力学及耐水性能。
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  Cu含量对磁控溅射Ti-Cu纳米复合涂层抗菌性能的影响

  程培雪, 马迅, 李伟, 刘剑楠, 刘平, 王静静, 陈田田, 杨旭, 滕海森

  功能材料. 2022, 53(10): 10130-10136. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.017

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  钛基金属因其良好的力学性能和生物相容性,在口腔种植领域得到广泛的应用,然而钛基金属本身并不具备抗菌性能,为改善钛种植体表面的抗菌性,采用磁控溅射技术在纯Ti表面制备Ti-Cu纳米复合涂层,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、界面张力测量仪对涂层的微观形貌、粗糙度、疏水性进行了表征;采用CCK-8法检测材料的细胞毒性;将样品与Fn共培养,检测其抗菌性能。结果表明,载Cu复合涂层成功沉积在Ti片表面,并且随着纳米Cu含量的增加,样品的表面粗糙度和水接触角均增大。该Ti-Cu纳米复合涂层对小鼠成纤维细胞未表现出细胞毒性,符合生物安全材料的标准。抗菌实验结果表明,随着纳米Cu含量的增加,涂层的抗菌效果也越来越好。结论,Ti-Cu纳米复合涂层可有效抑制Fn的生长,有望提高钛种植体的抗菌性能,为其在口腔植入领域的运用奠定了实验基础。
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  Fe/Zn改性市政污泥生物质炭对四环素的吸附性能研究

  张宏, 贺丹丹, 王九玲, 张宇鹏, 岳辰, 张文博

  功能材料. 2022, 53(10): 10137-10145. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.018

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  采用了KOH活化和Fe/Zn改性制备了一种全新的KOH-Fe/Zn生物炭(KOH-Fe/Zn-BC),以去除四环素。利用FTIR、SEM-EDS、N₂吸附等温线和XPS,对吸附剂的化学、形态和结构特征都进行了表征。通过EDS图像可以看出,对比吸附前后材料表面元素分布,Si、Fe和Zn的元素含量减少了,这与XPS的分析结果一致,元素与TC分子发生了相互作用。BET结果表明,KOH-Fe/Zn-BC的比表面积达191.47 m²/g。即使在外部离子和pH的干扰下,吸附剂仍然具有良好的吸附能力,在298 K下对TC的吸附量可达230.77 mg/g。吸附过程符合准二级动力学和Langmuir等温线。对KOH-Fe/Zn-BC的吸附机理进行了评估,并将其归因于静电吸引作用、氢键相互作用以及物理吸附和化学吸附的协同作用。研究结果为市政污泥生物质炭去除水体中四环素提供了理论依据。
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  油酸包覆的Fe₃O₄纳米颗粒与DPPG单层膜的相互作用

  王益祎, 朱华泽, 刘鑫鑫

  功能材料. 2022, 53(10): 10146-10156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.019

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  纳米技术的迅速发展增加了纳米颗粒与人类和环境接触的可能,为生物和环境安全带来了风险。纳米颗粒会通过呼吸作用到达肺泡表面,因此探索纳米颗粒与肺表面活性膜中磷脂分子之间的相互作用是十分必要的。利用Langmuir技术测绘了空气-水界面上油酸包覆的Fe₃O₄磁性纳米颗粒(OA-Fe₃O₄ MNPs)与二棕榈酰磷脂酰甘油(DPPG)分子间相互作用的表面压-平均分子面积(π-A)等温线、表面压-时间(Δπ-t)曲线、压缩-扩张曲线和振荡曲线,同时利用布鲁斯特角显微镜(BAM)实时监测DPPG单层膜的表面形貌特征。研究表明,当界面上DPPG分子数一定时,随着OA-Fe₃O₄ MNPs浓度的增加,π-A等温线向分子面积增大的方向移动;高浓度的OA-Fe₃O₄ MNPs易使DPPG分子与纳米颗粒形成复合体,致使单层膜的表面压显著升高,膜的压缩模量(C^-1_s)显著降低;与纯DPPG单层膜相比,OA-Fe₃O₄ MNPs的存在使得单层膜的表面压在1 h内明显下降;OA-Fe₃O₄ MNPs浓度增加后,DPPG单层膜的扩张曲线存在明显滞后现象;表面压为25 mN/m时,DPPG单层膜对5％的正弦应变扰动具有非线性响应特征,OA-Fe₃O₄ MNPs并未改变DPPG单层膜的粘弹性特征以及弛豫过程的时间尺度。BAM图像支持了Langmuir技术的研究结果。
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  聚酯丙烯酸酯/环氧丙烯酸酯4D打印形状记忆聚合物的研究

  张静, 刘秀军, 王瑞晨, 王帅达

  功能材料. 2022, 53(10): 10157-10161. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.020

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  4D打印形状记忆聚合物是在3D打印的基础上,物体形状可随时间改变的智能材料。利用聚酯丙烯酸酯改善丙烯酸酯基形状记忆聚合物的形状记忆性能,制备了聚酯丙烯酸酯/环氧丙烯酸酯形状记忆聚合物打印样品,系统地研究了预聚物比例以及稀释剂添加量对形状记忆性能和机械性能的影响。结果表明,聚酯丙烯酸酯/双酚A型环氧丙烯酸酯为1∶2时,拉伸强度最高达到30.5 MPa,杨氏模量为286.38 MPa。当预聚物比例为1∶2,稀释剂质量分数为50％(质量分数)时,在14次折叠水浴实验中,形状记忆聚合物的形状恢复率稳定保持在99.3%～99.8％;在85 ℃水浴温度中,4D打印样品4 s就可以恢复到180°,具有良好的形状记忆性能。
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  Eu³⁺掺杂γ-Al₂O₃粉末的结构及其发光性能

  刘建科, 徐荣凯, 谢鑫, 曹文斌

  功能材料. 2022, 53(10): 10162-10166. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.021

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  通过化学沉淀法得到γ-Al₂O₃:Eu³⁺发光粉末,并分析其结构和发光特性。经研究得出:(1)掺杂Eu³⁺会抑制氧化铝的结晶过程,γ-Al₂O₃的禁带宽度随着掺杂浓度的增加而降低,最佳的Eu³⁺掺杂浓度为4%(摩尔分数),浓度继续增加时,会发生淬灭现象,使得发光强度降低;(2)在396 nm监测波长下,最强发射峰约为618 nm,对不同发射峰的比值得,在γ-Al₂O₃晶格中,Eu³⁺掺杂进入后大多数占据的位置是是非中心对称;(3)对于纯氧化铝粉末中的Cr³⁺杂质,在未掺杂时出现发射峰,但由于量少,与Eu³⁺的发射峰发生重合,只在695 nm有一发光强度极低的发射峰。
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  钢渣固化土的性能研究及其固化机理的解耦分析

  张亚军, 杨寅, 陈潇

  功能材料. 2022, 53(10): 10167-10179. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.022

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  钢渣颗粒硬度大、模量高,具有一定胶凝活性,可作为固化土壤材料。对当前钢渣对土壤力学性能影响规律及其作用机理尚不明确的问题,研究了钢渣掺量、钢渣粒级对土壤的加州承载比(CBR)值、吸水量、膨胀率、抗压强度的影响规律,通过解耦计算钢渣对土壤改性的综合、物理及化学效应指数,阐述钢渣对土壤的固化机理。此外,采用XRD、IR、SEM-EDS微观测试手段,揭示钢渣对土壤化学改性的作用机理。结果表明,钢渣对土壤具有显著的物理和化学改性效应,土壤的力学性能随着钢渣掺量的增大而改善,随着钢渣粒级的增大而减弱。掺量为8%时,0～0.6 mm钢渣对土壤的固化效果显著,其CBR值与 无侧限抗压强度(UCS)较素土分别提高了1 014.4%和180.0%,吸水量和膨胀率分别降低了53.0%和45.4%。解耦分析表明钢渣对土壤的改性效应是由物理和化学改性效应综合影响的,其中物理改性效应远弱于化学改性效应,化学改性效应占钢渣综合改性效应的主导地位。0～0.6 mm钢渣的4 d化学改性作用贡献权值可达72.2%,而物理改性作用贡献权值仅为27.8%。此外,随着龄期增加,化学改性作用贡献权值进一步提高。0～0.6 mm钢渣的28和90 d化学改性作用贡献权值分别增加至78.7%和86.3%。微观测试结果表明钢渣掺入土壤后发生了水化反应和离子交换反应。在XRD测试结果中可以发现C—S—H峰,在IR测试结果中可以观察到Al³⁺阳离子配位的振动峰的增强。从SEM测试结果中可以看到絮状的C—S—H凝胶状物质,孔隙数量较素土明显减少,结构变得更加密实,与宏观力学性能相符。
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  纳米纤维素/壳聚糖气凝胶对六价铬的吸附性能

  张春梅, 杨婷婷, 陆桂花, 叶秋艳, 付秋平, 罗军, 翟天亮

  功能材料. 2022, 53(10): 10180-10184. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.023

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  气凝胶具有低密度、高比表面积、高孔隙率等特性,在水污染处理领域具有广阔的应用前景。以天然绿色高分子材料纤维素纳米晶(CNC)和壳聚糖(CS)为原料,通过冷冻干燥法和固相交联技术制备了具有良好水溶液稳定性的CNC/CS气凝胶。采用扫描电子显微镜(SEM)对气凝胶表观形貌进行了表征,采用分光光度法考察了气凝胶对水中六价铬离子(Cr(Ⅵ))的吸附性能,并对吸附结果进行了拟一级和拟二级动力学拟合。结果表明,CNC含量为50%时气凝胶的水稳定性最好,在去离子水中48 h震荡后的质量残留率达到93.8%。气凝胶具有丰富的蜂窝状孔结构,对Cr(Ⅵ)的吸附容量最高可达67.377 mg/g。气凝胶对Cr(Ⅵ)具有较快的吸附速率,当Cr(Ⅵ)溶液浓度低于60 mg/L时能够在24 h内达到吸附平衡。吸附动力学拟合结果表明CNC(50%)/CS气凝胶对Cr(Ⅵ)的吸附行为符合拟二级吸附动力学模型,说明吸附过程以化学吸附为主。
工艺·技术
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  掺氮超纳米金刚石-石墨烯杂化薄膜的制备及其生长机理研究

  官磊, 张文, 王兵, 熊鹰

  功能材料. 2022, 53(10): 10185-10189. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.024

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  金刚石-石墨烯杂化/复合材料兼具金刚石和石墨烯的优异性能,在储能、光电、生物传感器等领域有着重要的应用。近年来,大量的研究致力于这类材料的形成过程,但其生长机理仍不清楚。采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,以有机小分子二异丙胺作为唯一碳、氮源制备了氮掺杂超纳米金刚石-石墨烯杂化薄膜。采用SEM、TEM、Raman、XRD等手段详细分析了杂化薄膜的微观形貌以及物相组成,并结合等离子体发射光谱(OES)对生长时基团种类及含量变化的原位测量,提出了可能的生长机理,为调控氮掺杂超纳米金刚石-石墨烯杂化薄膜的微观结构和性能提供理论依据。
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  化学发泡法调控细菌纤维素/二氧化硅复合隔膜形态结构及锂电池性能

  谢友森, 朱海峰, 刘艳, 那兵, 张帅程, 陈传红

  功能材料. 2022, 53(10): 10190-10195. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.025

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  隔膜是制约高性能锂离子电池发展的一个重要组件。具有生物降解性和电解液亲和性的高性能纤维素隔膜发展前景良好。然而,纤维素纳米纤维之间强烈的氢键作用通常导致形成致密的膜而不是理想的多孔膜。提出一个新的策略,通过化学发泡结合纳米二氧化硅颗粒杂化调控细菌纤维素(CF&SiO₂)复合隔膜形态结构,制备出具有核壳结构的CF&SiO₂隔膜。该隔膜具有出色的热稳定(200 ℃)和1.44 mS/cm的高离子电导率。由LiFePO₄阴极和锂阳极组装的纽扣式电池在5 C下具有优越的循环稳定性,300次循环后仍保持124.7 mAh/g的高比容量。
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  Si₃N₄/MoSi₂/SiC_w复合陶瓷刀具材料力学性能及其摩擦磨损性能

  周后明, 周金虎, 刘刚, 陈皓月

  功能材料. 2022, 53(10): 10196-10202. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.026

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  采用真空热压烧结技术,在1 650 ℃下制备了不同MoSi₂、SiC_w含量的Si₃N₄/MoSi₂/SiC_w(SMC)复合陶瓷刀具材料。研究了粘结相MoSi₂及增强相SiC_w含量对Si₃N₄/MoSi₂/SiC_w复合陶瓷刀具微观组织、力学性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明,随着粘结相MoSi₂含量的增加,陶瓷刀具材料的抗弯强度不断增加,抗磨损能力逐渐下降,磨损形式由磨粒磨损逐渐向黏着磨损转变;随着增强相SiC_w含量的增加,陶瓷刀具材料的断裂韧性不断增加,抗磨损能力显著提升,磨损形式由黏着-磨粒复合磨损逐渐向磨粒磨损转变。当MoSi₂与SiC_w含量同时为10%(质量分数)时,晶粒尺寸较小,材料的致密度较高,增强了晶须的桥接与拔出效应,因此力学性能较好。此时,抗弯强度为888.21 MPa,断裂韧性为10.22 MPa·m^1/2,硬度为19.17 GPa。
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  Au/rGO修饰的单壁碳纳米管柔性电极的制备及其在生物传感器中的应用

  文可彬, 朱天翔, 赵新洛, 盛雷梅, 安康

  功能材料. 2022, 53(10): 10203-10211. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.027

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  柔性可穿戴生物传感器对于慢性病人的健康监测具有重要意义。由单壁碳纳米管制成的巴基纸具备柔性好、导电性高及生物相容性强等特点,是制备柔性生物传感器电极的理想材料。由于单壁碳纳米管本身不具备催化活性,有必要使用活性材料对巴基纸进行修饰。本研究首次将单壁碳纳米管巴基纸与一步法还原的金纳米颗粒/还原氧化石墨烯溶液通过简单的真空抽滤形成双层结构的柔性电极。通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪、紫外分光光度计、拉曼光谱仪对制备的柔性电极进行了形貌与结构的表征,结果表明金和氧化石墨烯被还原,其中金纳米颗粒的粒径大小为80~100 nm左右,且密集地修饰在还原氧化石墨烯上。探究了该柔性电极对葡萄糖和H₂O₂的电化学行为,结果表明该电极对葡萄糖和H₂O₂表现出优异的电催化活性,在检测浓度范围内呈现良好的线性关系,其中H₂O₂检测灵敏度高达1533 μA·(mmol/L)^-1cm^-2,说明单壁碳纳米管巴基纸在柔性生物传感器领域具备较高的潜在价值。
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  PDVB-POSS协同膨胀阻燃低密度聚乙烯制备及性能研究

  潘梦丽, 欧红香, 徐家成, 薛洪来, 翁云宣

  功能材料. 2022, 53(10): 10212-10221. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.028

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  为提高低密度聚乙烯(LDPE)的阻燃性能,以水热合成法制备的聚二乙烯苯多面体低聚倍半硅氧烷(PDVB-POSS)为阻燃协效剂,经熔融共混制备膨胀阻燃LDPE复合材料,采用多种方法研究了PDVB-POSS对LDPE复合材料阻燃性能以及力学性能等的影响。结果表明,当加入5.0%(质量分数)的PDVB-POSS时,极限氧指数(LOI)增加到32.4%,UL-94达到了V-0,同时拉伸强度达到17.7 MPa,断裂伸长率增至596%。烟密度测试结果表明复合材料燃烧后烟气释放量降低,随着协效剂的增加,透光率增加。拉曼测试和扫描电镜证实燃烧后残炭石墨化程度和残炭量明显提高。研究表明PDVB-POSS可有效提高LDPE复合材料的阻燃性能和热稳定性,改善阻燃剂与基体材料之间的相容性。
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  多巴胺及二乙烯三胺对PVDF膜亲水化改性及其油水分离性能

  杜国勇, 袁巧

  功能材料. 2022, 53(10): 10222-10228. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.029

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  亲水疏油材料对于低浓度的含油废水具有较好的分离效果。将疏水性PVDF膜浸渍于一定质量比例的盐酸多巴胺(DA)/二乙三胺(DETA)混合溶液中,从而制备出了超亲水-水下超疏油PVDF/聚多巴胺/二乙烯三胺(PVDF/PDA/DETA)膜。采用傅里叶红外光谱仪(FTIR)、X射线光电子能谱仪(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)对制备的改性膜进行了表征。结果表明,PDA和DETA已成功负载到PVDF膜表面。探究了浸渍时间和DA与DETA的质量比对膜表面润湿性的影响,并测试了改性膜的纯水通量、油水分离效率、重复使用率以及稳定性。结果表明,当浸渍时间为12 h,DA与DETA的质量比为1∶1时所制备的改性膜具有最优异的超亲水-水下超疏油性能,水下柴油和正己烷的接触角分别达到146.1°和151.6°,与原始PVDF膜相比纯水通量提高了12.67倍,对多种油水混合物表现出优异的分离性能,经过5次油水分离后,分离效率仍可达95%以上,该膜在不同pH值溶液中浸泡12 h后,水下柴油接触角仍大于140°,表现出优异的重复使用性能和稳定性能。
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  微集料增强粉煤灰泡沫混凝土配合比试验

  郝贠洪, 孙浩, 秦立达, 邬卓轩, 慈天义, 郭晓梅

  功能材料. 2022, 53(10): 10229-10236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.030

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  以水泥、粉煤灰、石英粉和石英砂为原材料,H₂O₂溶液为发泡剂,采用化学发泡的方法制备密度等级为A12的泡沫混凝土。通过单因素试验确定水胶比、粉煤灰掺量、微集料掺量的适宜范围,设计正交试验优化材料配比,并利用极差法分析各因素对材料抗压强度、抗折强度和导热系数的影响,建立其基本力学性能与主要影响因素的关系模型,最后采用扫描电子显微镜(SEM)观察不同微集料掺量的粉煤灰泡沫混凝土微观形貌,分析材料强度提升的原因。结果表明:微集料增强粉煤灰泡沫混凝土配比适宜的范围为水胶比0.4～0.5、粉煤灰掺量30%～50%、微集料掺量60%～80%。微集料增强粉煤灰泡沫混凝土3 d抗压强度影响因素的主次关系为:水胶比>粉煤灰掺量>微集料掺量>聚丙稀纤维掺量>减水剂掺量;7与28 d抗压强度影响因素主次关系均为:水胶比>微集料掺量>粉煤灰掺量>聚丙稀纤维掺量>减水剂掺量;28 d抗折强度影响因素主次关系为:水胶比>粉煤灰掺量>聚丙稀纤维掺量>微集料掺量>减水剂掺量;导热系数影响因素主次关系为:水胶比>粉煤灰掺量>微集料掺量>减水剂掺量>聚丙烯纤维掺量。优化配比为水胶比0.5,粉煤灰掺量40%,微集料掺量70%,聚丙稀纤维掺量0.1%,减水剂掺量0.8%,28 d抗压强度、抗折强度和导热系数分别为19.05 MPa、2.66 MPa和0.3615 W/(m·K)。