功能材料

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功能材料. 2024, 55(3): 0-0.

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水凝胶中的抗菌技术

陈雨默, 杨瑞昊, 吴勇杰, 张更鑫, 孙康, 陶可

功能材料. 2024, 55(3): 3001-3008. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.001

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细菌感染及其耐药性是当今世界面临的巨大健康难题之一,每年给全世界造成了巨大的人员伤亡和经济损失。水凝胶是一种三维聚合物网络结构胶体,其亲水性好,具备独特的三维网络、良好的生物相容和细胞粘附性,因而水凝胶是一种适用于抗菌领域的新型生物材料,也有望于成为解决抗生素耐药性的潜力抗菌材料。根据相应的抗菌方式,水凝胶中的抗菌技术可以大致归纳为以下几类:(i)负载抗菌物质水凝胶;(ii)具有固有抗菌活性水凝胶;(iii)利用光响应疗法的抗菌水凝胶。文章简略介绍各种水凝胶抗菌技术的基本原理,方法和应用,并对未来存在的困难和挑战进行初步探讨。

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偏高岭土对泡沫混凝土物理力学性能及微观结构的影响

王新泉, 孙强, 李枭

功能材料. 2024, 55(3): 3009-3016. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.002

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为探究偏高岭土对泡沫混凝土的影响规律,配制干密度为600 kg/m³的泡沫混凝土,通过偏高岭土取代水泥不同的质量分数(6%,12%,18%,24%,30%)来研究偏高岭土对泡沫混凝土的流动度、28天抗压抗折强度、吸水率和软化系数的影响,并采用X射线衍射和扫描电子显微镜研究偏高岭土掺量不同时物相组成、气孔结构和微观形貌结构的变化规律。试验及研究结果表明,偏高岭土能显著提高泡沫混凝土的抗压强度,对抗折强度、吸水率和软化系数都有适宜的掺量为12%,这些都能够由物相分析和微观形貌得到相互映照和改善机理的解释。微观结构分析表明,偏高岭土有着能提高密实度、改善孔隙结构等对泡沫混凝土的积极影响。

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石墨炔空心花球的制备及高选择性电催化氧还原过氧化氢

周友贵, 刘桐畅, 郭丽华, 商虹

功能材料. 2024, 55(3): 3017-3022. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.003

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石墨炔是一种能够在低温常压下合成的二维全碳材料,以其室温制备及性能为主线,利用铜纳米颗粒为生长基底及催化剂制备了石墨炔纳米花球,去除铜颗粒后得到石墨炔空心花球,对材料进行Raman,XRD,XPS,SEM,TEM等结构与形貌表征,证明了其成功制备。在不添加任何导电材料的情况下将石墨炔空心花球作为电催化剂,经测试得到其催化氧还原制备过氧化氢选择性达76%,验证了石墨炔空心花球高效电催化氧还原制备过氧化氢方面的优势。实验综合性较强,可作为研究前沿及课程思政元素引入至专业课程教学及创新实验。

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氧化石墨烯及其分散方法对水泥基材料微观结构和力学性能的影响研究进展

王月, 赵思毅, 俞佩瑶

功能材料. 2024, 55(3): 3023-3034. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.004

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氧化石墨烯(GO)因其出色的性能在改善水泥基材料微观结构、力学性能上均有很好的应用前景。然而,GO的增强效果很大程度上取决于其在水泥基体中的分散性。总结了近年来GO在水泥基材料中的研究成果,重点综述了GO的分散方式、分散机理以及相应的力学性能改善机理;对比了不同GO分散方式的优缺点,分析了GO分散前后对水泥基材料微观结构和力学性能的影响;提出了目前研究存在的问题,并对未来研究趋势进行展望;旨在为后续GO在水泥基材料中的稳定应用提供参考,以促进制备高效功能化的GO水泥基复合增强材料。

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热处理和泡沫铁对A356-SiC_p/Fe干滑动摩擦学性能的影响

黎若芸, 何国球, 刘晓山, 刘胤孚, 周志强, 廖逸平

功能材料. 2024, 55(3): 3035-3041. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.005

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采用真空辅助熔渗工艺制备泡沫铁骨架作为增强SiC_p/A359复合材料A359-SiC_p/Fe,对比进行泡沫铁增强前后和T6热处理前后,两种材料的显微硬度和高温磨损性能,明确泡沫铁和T6热处理对A359-SiC_p/Fe复合材料高温磨损性能增强的效果,并结合使用SEM与EDS对表面磨损形貌、磨屑形貌的观察表征,以探究该材料在不同温度下的高温磨损机理。结果表示,使用真空辅助熔渗工艺制备A359-SiC_p/Fe,Al-Fe界面结合良好,不仅形成了机械结合,还形成了化学冶金结合(靠近铝基体界面的相为Al₁₂Fe₅Si₃;靠近泡沫铁基体处为Fe₂Al₅相;远离泡沫铁组织,呈游离状态的合金相为Al₄FeSi)。A359-SiC_p/Fe在300~500 ℃的磨损量仅为未增强合金的25%~75%,有效将高温环境下的使用温度提升50~100 ℃以上。T6热处理能够明显提高Al基体的硬度以及Al-Fe界面的冶金结合程度,且在300~500 ℃时效果更明显,有效提高材料的高温耐磨性能。材料的磨削形式受温度影响,100 ℃时为磨粒磨损,摩擦温度到达350 ℃时表面出现分层和剥落,500 ℃时,开始粘着磨损。

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Fe基MOFs及其复合材料自组装与性能研究进展

徐敬礼, 李海建, 仪建华, 赵凤起, 郝玉成, 曹鑫

功能材料. 2024, 55(3): 3042-3050. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.006

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金属-有机骨架(metal-organic frameworks,MOFs)是一种通过有机配体连接的新兴多孔材料,在气体储存、药物运输、催化和化学传感等方面存在广泛的应用前景。概述了基于密度泛函理论(density functional theory,DFT)与机器学习(machine learning,ML)相结合预测与设计Fe基MOFs的最新研究进展,详细描述了当前主要的Fe基MOFs材料的合成方法,指出了该类材料的晶体结构及配位环境特点。通过将纳米粉体与Fe基MOFs材料相结合的方式对Fe基复合材料的合成方法进行概括。总结了Fe-MOFs及其复合材料在电催化固氮、吸附、导电、催化等性能的应用,并指出了当前Fe-MOFs及其复合材料在发展中存在的不足。最后,对Fe基MOFs及其复合材料进行总结与展望。

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生物质基碳材料的制备及其在超级电容器中的研究进展

李鑫蕊, 张金才, 宋慧平, 程芳琴

功能材料. 2024, 55(3): 3051-3063. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.007

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生物质基碳材料具有可再生性和灵活的微观结构可调性,作为高效、廉价的超级电容器电极材料受到越来越多的关注,但原生生物质衍生炭存在有低孔隙率、低比表面积和比电容不足等缺点。电极材料的比表面积、孔隙结构和导电性等都会影响超级电容器的储能性能,故如何制造具有高比电容、快速充放电且兼具一定柔性的电极材料成为了目前的研究重点。综述了超级电容器的类别、储能机理以及生物质基碳材料的制备方法和研究现状,分析了高质量负载电极的关键性能评价参数,并对其电化学性能影响因素进行了系统讨论,未来的发展趋势是将不同种类的储能器械集成复合型能源存储器械,以满足各领域需求。复合型的能源存储器械,大大提高了超级电容器的综合性能,因此研发高效、稳定的电能存储技术对于缓解能源短缺、减少环境污染和推动可持续发展具有重要的意义。

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新型电解质及添加剂对镁空气电池界面调控研究进展

仇帅帅, 曹献龙, 万涛, 李雨洹, 田维玮, 韦沿江, 邓洪达, 谭伯川, 余大亮, 兰伟

功能材料. 2024, 55(3): 3064-3072. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.008

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镁空气电池因其高能量密度和环境友好性而备受关注,但镁阳极/电解质界面存在不可逆的电解-沉积、阳极自腐蚀和氢气析出等问题,严重影响电池的稳定性、安全性、寿命和功率密度。电解质调控是改善阳极/电解质界面的性质进而提高镁空气电池的综合性能的重要手段,综述了最近用于镁空气电池的电解质添加剂及新型电解质的研究和开发进展。电解质添加剂涉及无机、有机和复合型三大类,它们可以抑制阳极腐蚀、增强离子电导率、提高阳极效率等;新型电解质主要包括新型水系电解质和凝胶电解质,前者可以削弱析氢等有害副反应,后者可以规避漏液且具有高离子导电率和较低漏电流等优点。未来开发更多新型电解质添加剂及新型电解质是提升镁空气电池性能和稳定性的有效途径。

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氧化石墨烯复掺纤维水泥基复合材料研究综述

韩雷莹, 王学志, 辛明, 王思月, 贺晶晶

功能材料. 2024, 55(3): 3073-3082. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.009

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氧化石墨烯(GO)作为石墨烯(G)的衍生物有着与石墨烯相类似的力学性能和导热性能等优异性能,并且其亲水性官能团使其相比于石墨烯来说更容易在水中分散从而更容易与水泥基相结合。大量研究已表明GO掺入水泥基中不但可以增强水泥基的力学性能和耐久性能还可以增强水泥基的电磁屏蔽性能、导热性能等性能,为多功能型、智能型混凝土的开发提供了可能。以GO复掺其他功能纤维材料在水泥基中的应用为中心,简述了GO的性能特点、结构特质从而表明GO在水泥基材料中应用的广度和范围,并重点综述了GO的分散性研究和GO复掺纤维水泥基的工作性能、水化过程、力学性能、耐久性能、功能性能的研究,并对未来GO复掺纤维水泥基材料研究的方向进行了展望。

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新型组元触点材料及其电弧侵蚀研究进展

王应, 王军, 王俊, 张文逸, 李智国, 张慧敏, 李嘉文

功能材料. 2024, 55(3): 3083-3093. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.010

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电触点材料广泛应用于电气开关、继电器、接触器以及断路器等各种低压开关器件中,其特性对整体电气系统的开关容量、可靠性、稳定性以及使用寿命具有极其重要意义。传统Ag基触点材料具有良好的抗熔焊及耐电弧烧蚀性能,但仍然存在接触电阻大、界面结合强度低、塑性差等缺陷,其应用也在一定程度上受到限制。近年来,国内外研究工作人员在传统Ag基触点材料的研究基础上报道了Ag-SnO₂-MeO、Ag-GNPs、Ag-MAX及Ag-RE等新型组元触点材料的研究工作。将从新型Ag基触点材料的发展背景出发,综述其组织与性能以及电弧侵蚀性能等方面的研究现状,最后总结新型Ag基触点材料面临的关键科学问题和挑战,并展望其未来的发展动向。

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PbTe/FeMn热电接头的界面性能及热稳定性研究

陈艺博, 樊文浩, 安德成, 陈少平

功能材料. 2024, 55(3): 3094-3101. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.011

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因热膨胀系数失配和机械咬合的界面连接方式,Fe/PbTe热电接头在服役中的力学性能和热稳定性较差。考虑到合金具有热膨胀系数可调性,在纯Fe中添加特定的活性元素,通过扩散和反应在界面处形成冶金结合,可提高界面连接性能。通过高通量实验快速筛选出合金电极Fe_100-xMn_x(x=0,5,10,15),利用放电等离子烧结(SPS)技术与n型Pb_0.98Ga_0.02Te热电材料连接。研究结果表明,FeMn合金电极的热膨胀系数随着Mn含量的升高与Pb_0.98Ga_0.02Te更加接近,有效降低了界面失配。时效15 d后界面出现Fe-Pb-Ga元素互扩散区,呈现冶金结合特征。其中Fe₉₀Mn₁₀/Pb_0.98Ga_0.02Te/Fe₉₀Mn₁₀时效15 d后的接触电阻率为10.12 μΩ·cm²,转换效率稳定在4.3%左右,剪切强度增加至21.44 MPa。上述基于高通量法筛选合金电极的技术路线也为热电界面的设计提供了新的思路。

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纳米填料改性环氧树脂建筑保温材料的制备及性能研究

翟思敏, 黄金霞

功能材料. 2024, 55(3): 3102-3106. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.012

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环氧树脂基混凝土作为一种绿色环保的建筑材料,在道路修补和保温建筑中应用广泛。以环氧树脂E44为原料,二甲苯为稀释剂,纳米玻璃纤维为填料,制备了复合环氧树脂基混凝土,研究了不同纳米玻璃纤维长度对混凝土微观形貌、力学性能和保温性能的影响。结果表明,纳米玻璃纤维的掺杂发挥了“晶种”作用,促进了水化反应的进行,提高了环氧树脂基混凝土的密实度。纳米玻璃纤维长度的适当增加提高了混凝土与纤维的结合强度,当纳米玻璃纤维长度为8 mm时,混凝土的形貌最佳。随着纳米玻璃纤维长度的增加,混凝土的抗压强度和抗折强度先增大后降低。养护28 d,当纳米玻璃纤维长度为8 mm时,混凝土的抗压强度和抗折强度均达到最大值,分别为21.93和4.59 MPa。纳米玻璃纤维的掺杂改善了混凝土的孔结构,降低了导热系数,提高了保温性能,当纳米玻璃纤维长度为8 mm时,混凝土导热系数最低为0.147 W/(m·K),保温性能最佳。

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冷喷涂Zn-Al合金涂层组织结构和力学性能研究

李瑞祺, 丁翔, 丁彰雄

功能材料. 2024, 55(3): 3107-3112. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.013

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以Q235钢为基体制备高压冷喷涂Zn-Al合金涂层,研究了基体粗糙度对冷喷涂Zn-Al合金涂层组织结构、显微硬度和结合强度的影响。研究表明,冷喷涂Zn-Al合金涂层具有致密的组织结构,涂层孔隙率在0.5%以下,并且在喷涂过程中没有产生粉末相变和氧化,随着基体粗糙度增加,涂层-基体界面的机械咬合得到明显改善。基体粗糙度对涂层显微硬度的影响主要集中在涂层-基体界面附近,随着基体粗糙度增加,该界面附近涂层的显微硬度随之增加,而远离该界面的涂层显微硬度受基体粗糙度的影响不大。基体粗糙度对涂层结合强度有显著影响,当基体粗糙度由1.6增加到10.2 μm时,涂层结合强度由7.5增加到46.4 MPa,拉伸断裂失效模式由粘着断裂转变为粘着断裂、粘聚断裂的复合失效模式。

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稀土元素Tm掺杂对Cu₂S热电性能影响研究

刘静, 李云凯, 王丽阁

功能材料. 2024, 55(3): 3113-3121. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.014

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Cu₂S具有较低的晶格热导率和窄禁带宽度,它热电性能优异、成本低廉且无毒等优点引起了热电材料相关研究领域的广泛关注。采用水热合成法与真空烧结法相结合的方式制备Cu₂S基热电材料,通过物相、成分表征和热电性能测试等手段,研究稀土元素Tm掺杂对Cu₂S基材料热电性能的影响规律,并采用第一性原理开展掺杂后Cu₂S能带结构和态密度计算。研究结果表明,水热合成法可以获得Cu₃₁S₁₆粉体,在真空烧结过程中物相发生了转变,从原来的Cu₃₁S₁₆转变为Cu₂S。掺杂Tm元素可显著提高Cu₂S粉体的结晶性能,随着掺杂含量的增加,Cu₂S团聚现象逐渐消失。Cu₂S塞贝克系数随Tm掺杂量的增加有所提升,其中掺杂2%Tm的Cu₂S在350 ℃处于相变温度,塞贝克系数达到峰值1589.71 μV/K;随掺杂元素的增加和温度的升高,Cu₂S电导率逐渐下降。Tm掺杂后的Cu₂S在中高温度范围内,热导率κ随着温度的上升呈现逐渐下降的趋势。结果表明掺杂2%Tm的Cu₂S热电优值从0.1增加到0.4,提高了300%。

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Ag₂S修饰TiO₂纳米管复合电极的制备及其析氢性能研究

刘文凯, 罗洁, 杨梓群, 张越纯

功能材料. 2024, 55(3): 3122-3127. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.015

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以硫化钠和硝酸银为原料,采用了化学浴沉积法将Ag₂S沉积在高度有序TiO₂纳米管(TNTs)上制备出Ag₂S/TNTs析氢电极。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)对电极进行表征,结果显示Ag₂S颗粒均匀的沉积在TiO₂纳米管表面,且没有破坏纳米管原有的形态结构。在0.5 mol/L H₂SO₄条件下,通过线性扫描伏安法(LSV)、塔菲尔曲线(Tafel)、双电层电容和电化学阻抗谱(EIS)等电化学测试分析了不同Ag₂S沉积圈数所得的复合电极的析氢性能。与TNTs相比,Ag₂S/TNTs显示出更优异的析氢性能。Ag₂S沉积圈数为9圈时制备出的复合电极在10 mA/cm²电流密度时,过电位达到了288.14 mV,Tafel斜率为61.8 mV/dec,双电层电容分别为54.7 mF/cm²,传荷内阻降低到0.7 Ω/cm²。

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多孔铝骨架/复合相变材料温控性能研究

胡智涵, 黄书烽, 范芳蕾, 史冬敏, 蓝宁

功能材料. 2024, 55(3): 3128-3137. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.016

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相变储能材料(PCM)具有储热密度大、储/放热过程几乎恒温性等优点,是解决电子器件狭小空间下高热流密度问题的理想方案,但相变材料本身的导热系数较低、传热效率差等特性却限制了其应用范围。针对上述难题,以石蜡作为相变材料,通过3D打印制备多孔铝骨架,再采用水浴灌注法将石蜡灌注到多孔铝骨架中,制备出多孔铝骨架/复合相变材料(AS-PCM)。通过实验探究了95%、85%、75%3种孔隙率的温控性能。实验结果表明,添加多孔铝骨架可增强PCM的热传递,从而降低热源温度。在较大的功率下,AS-PCM对传热的改善更为明显。熔化完成前,低孔隙率AS-PCM热沉的底部温度和温度梯度更低,使用多孔铝骨架代替泡沫金属,为提高PCMs的导热性能提供了了新的多孔金属基体。

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蒙烯玻璃纤维布的电加热性能研究

邹良宇, 顾伟, 姬仁浩, 袁昊, 金森林, 王强, 韩慧平

功能材料. 2024, 55(3): 3138-3143. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.017

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蒙烯玻璃纤维布是一种采用化学气相沉积技术将石墨烯薄膜包覆在玻璃纤维表面制成的复合材料,其电加热性能表现优异。为了研究蒙烯玻璃纤维布电加热性能,推动其在航空、航天、风电等领域的应用,对呈现不同面电阻阻值的蒙烯玻璃纤维布进行了电加热性能的测试。结果表明,在宏观层面上,蒙烯玻璃纤维布颜色均匀,无明显色差,编织丝束间呈方形孔,且孔径均一,分布均匀,单丝纤维直径7.5 μm,其中单束丝束共有312根单丝,丝束间方孔间距在430.27~438.34 μm,捻度控制在70捻左右;在微观层面上,通过场发射环境扫描电子显微镜(SEM)可以看到石墨烯均匀的覆盖在纤维布丝束表面,无起皮、包覆不完全、褶皱等现象,其单丝表面光滑洁净,而拉曼光谱仪(Raman)观察到了石墨烯明显的2D和G峰。通过施加直流电研究蒙烯玻璃纤维布的电加热性能,当施加相同的电压时,面电阻越低,升温速率越快,电加热温度稳定值也越高;在270 V直流电压下,150 Ω/□的蒙烯玻璃纤维布的电加热温度可以快速稳定在543 ℃,升温速率可达185.1 ℃/s;而对于面电阻较大的蒙烯玻璃纤维布来说,相同电压下温度稳定值和升温速率均呈大幅下降趋势,且不同面电阻规格的蒙烯玻纤布的面电阻与电加热温度呈负相关;在不同额定电压下的电加热性能显示,施加在蒙烯玻纤布上的输入电压与电加热温度呈正相关。

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D001型树脂对锰离子吸附及富集性能研究

宋小三, 岳子琳, 宋玺琛, 刘波, 张悦, 范吉硕

功能材料. 2024, 55(3): 3144-3149. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.018

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探究了D001型树脂对Mn²⁺的吸附和解吸性能。开展静态吸附实验探究Mn²⁺吸附等温模型与吸附动力学,在不同的流速、pH值和吸附时间下进行了动态吸附实验,又通过控制再生液流速和浓度研究了树脂对Mn²⁺的富集程度,并对吸附前后的树脂进行表征测试。结果表明,与Freundlich等温线相比,锰的吸附更符合Langmuir等温线,准一级动力学模型最能模拟锰吸附反应的动力学数据。动态吸附时进样流速保持8 m/h、 pH值为4、吸附时间为270 min吸附效果最好,再生液流速为1.5 m/h,浓度为3 mol/L时Mn²⁺的富集效果最佳可以达到原样的60倍。最后通过FT-IR证实了锰与磺酸基结合的吸附机理。

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石墨类导电混凝土电阻率及导电机理分析

赵燕茹, 姚波, 魏迪, 姜体标, 侯明良

功能材料. 2024, 55(3): 3150-3158. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.019

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将石墨类导电相材料代替细骨料制备功能型导电混凝土,可利用通电发热使得混凝土基体升温以达到融雪化冰的目的。电阻率是衡量混凝土导电性能的主要指标,易受到混凝土含水率和外界环境温度等因素的影响。采用石墨、石墨原矿以及石墨尾矿作为导电相制备导电混凝土,研究了3种石墨类导电相混凝土力学性能、不同温度、含水率下石墨类混凝土电阻率演化规律以及微观性能,并分析了石墨类混凝土的导电机理。结果表明,导电相掺量、温度及含水率的增加都使混凝土的电阻率降低,其中导电相的掺入对电阻率降低最为显著。此外,SEM和EDS测试结果发现不同掺量条件下,混凝土基体中碳元素含量明显增加,验证了石墨类材料的加入可促进混凝土的导电性能,但会造成混凝土基体内部出现孔洞和微裂缝,对石墨类混凝土强度产生不利的影响。

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稀土La掺杂TiO₂纳米纤维高响应光催化降解染料研究

葛烨倩, 徐佳琦, 曹琪, 张霞霞, 王益峰, 许福军

功能材料. 2024, 55(3): 3159-3164. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.020

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为了提高TiO₂光催化性能,并研究金属离子掺杂对TiO₂光催化性能的影响,采用静电纺丝技术和煅烧工艺制备稀土元素La掺杂TiO₂无机纳米纤维膜,通过SEM、XRD、FT-IR、TG测试对材料的形貌、结构进行表征,以亚甲基蓝为靶向降解剂,进一步深入研究La³⁺改性TiO₂光催化氧化降解染料的机理。结果表明,当染料浓度为10 mg/L,La³⁺掺杂改性纳米TiO₂纤维的浓度为15 mg/10 mL条件下,催化10 min的降解率为63.41%,催化70 min的降解率即可达到99.87%,比未掺杂TiO₂纳米纤维的降解率提高了6.36%,可见,La³⁺的掺杂提高了TiO₂光催化降解速率,所需要的时间减少了。

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铜选矿废水对碱激发粉煤灰/矿渣胶凝材料性能的影响

余梦龙, 李进, 谢剑凯, 王永辉, 赵成, 李祥坤

功能材料. 2024, 55(3): 3165-3169. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.021

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为加速铜选矿废水(CMw)的资源化利用,采用CMw作为拌合水制备碱激发粉煤灰/矿渣(AAFS)胶凝材料,研究了不同CMw掺量对AAFS凝结时间、水化特性、水化产物、孔结构和抗压强度的影响。结果表明:在AAFS中掺入CMw会略微延长其凝结过程,但略微促进AAFS的水化过程,这与CMw的酸性、有机药剂残留和金属离子有关。通过掺入不同量CMw,AAFS的凝胶孔不断增加,而过渡孔体积逐渐减小,抗压强度呈现出先增大后略微降低的趋势。当CMw掺量为50%时,AAFS的抗压强度提升幅度最大,分别为12.23%(3 d)、21.07%(7 d)、16.74%(28 d)。研究结果可为铜选矿废水的资源化利用提供新的思路和参考。

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粉煤灰掺量对轻烧氧化镁基制备3d打印用磷酸镁水泥性能的影响

李楠, 梁云, 钟建军, 李维红, 万德田

功能材料. 2024, 55(3): 3170-3177. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.022

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以实现轻烧氧化镁为原料制备低碳磷酸镁水泥材料的3d打印为目标,采用自主研发的混搅挤功能一化建筑3d打印设备,探究了不同粉煤灰掺量对以轻烧氧化镁为基制备磷酸镁水泥材料性能与打印性能的影响规律,并结合XRD与SEM微观试验进一步分析粉煤灰对其水化产物及晶体样貌的影响。结果表明:与重烧氧化镁相比,由轻烧氧化镁制备磷酸镁水泥的凝结时间大幅缩短;粉煤灰的加入对材料凝结时间影响较小,均在2~3 min左右,但对抗压强度与界面粘结强度有负面影响,当粉煤灰掺量为磷酸镁水泥质量的30%时,抗压强度及界面粘结强度分别下降约34.24%、48.94%;粉煤灰掺量在20%以内时,可有效改善轻烧氧化镁基磷酸镁水泥材料的干缩率,提高体积稳定性;粉煤灰中的活性物质参与水化反应,生成的水化产物与磷酸镁水泥展现出良好的化学相容性,使结构内部更为密实;当粉煤灰掺量为20%~25%时,制备的3d打印用轻烧氧化镁基磷酸镁水泥具有良好的工作性能、体积稳定性能、挤出性能以及建造性能,且满足3d打印对水泥基材料的力学要求。

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Au修饰ZnO纳米棒的制备及紫外探测性能研究

商世广, 郭帅, 李佳臻

功能材料. 2024, 55(3): 3178-3183. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.023

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采用磁控溅射技术和水热法制备金(Au)纳米颗粒修饰的氧化锌(ZnO)纳米棒材料。利用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪和荧光光谱仪等测试设备对不同溅射功率下的Au纳米颗粒修饰的ZnO纳米棒进行了表征分析。实验结果表明,不同溅射功率下的ZnO纳米棒均呈六方纤锌矿结构,沿晶面(002)择优生长,具有较高的结晶度;修饰后ZnO纳米棒表面附着Au纳米颗粒,能有效增强其紫外光激发强度;当射频溅射功率为80 W时,ZnO纳米棒表现出最佳的紫外探测性能,相比于未修饰的ZnO纳米棒,Au纳米颗粒能抑制ZnO纳米棒的持续光电导(PPC)效应,其紫外探测的响应/恢复时间分别降低了6.05和4.54 s,光暗电流比由9.31提升至32.40,光响应度达到1.94A/W,显著增强了ZnO纳米棒紫外探测的能力。

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生物油和活化胶粉共混改性老化沥青

胡春华, 孙兆斌

功能材料. 2024, 55(3): 3184-3190. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.024

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为改善再生沥青路面(RAP)的再生混合料性能,将不同掺量微波活化胶粉(ACR)和废食用油(WCO)加入到老化沥青中,对其进行流变性能、微观特性分析。结果表明:WCO不仅可以作为再生剂改善老化沥青,而且还可以作为增溶剂充分溶胀胶粉提升沥青的综合性能;荧光显微镜(FM)分析表明,适量WCO有助于提升胶粉在沥青中的相容性。傅立叶红外光谱(FTIR)结果表明,老化沥青再生过程为物理共混,而胶粉改性过程伴随着少量的化学反应。最后,结合改性再生沥青的流变结果与微观结构,建议WCO和ACR的最佳用量为10%和18%。

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高模量温拌改性剂对沥青基本指标和疲劳性能影响研究

尹应梅, 张奕康, 高宇灏, 汤良麒, 吕建兵

功能材料. 2024, 55(3): 3191-3197. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.025

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为评价高模量温拌改性剂对基质沥青基本指标和疲劳性能的影响,在70#基质沥青中掺入不同剂量改性剂,采用动态剪切流变仪(DSR)对试验沥青进行动态扫描试验研究。首先制备了不同掺量高模量温拌改性剂改性沥青,随后评价其基本性能,并通过布氏粘度试验分析不同沥青的拌和温度与压实温度;再采用DSR对不同掺量高模量温拌改性剂改性沥青进行线性振幅(LAS)扫描试验和时间扫描试验。通过LAS试验和粘弹性连续损伤(VECD)模型分析不同掺量(0%,2%,3%,4%)改性沥青和SBS改性沥青的疲劳特性;基于动态扫描试验,应用耗散能原理探究不同掺量改性剂对沥青疲劳性能,同时把不同掺量改性70#沥青与SBS改性沥青的试验结果进行比对,并分析了改性剂的作用机理。试验结果表明:随着高模量温拌改性剂掺量增加,软化点增加,针入度和延度减少,3%掺量改性沥青软化点稍优于SBS沥青;改性沥青粘度随着改性剂增加先减后增,改性后沥青的拌和、碾压温度与70#基质沥青相当,均远小于SBS改性沥青,即改性后的沥青有良好的温拌效果;高模量温拌改性剂可不同程度提高沥青的疲劳性能,合适掺量改性沥青疲劳性能可与SBS改性沥青相当,高模量温拌改性剂的建议掺量为3%;研究结果将为高模量温拌改性路面材料工程应用提供参考。

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三相导电混凝土掺料配比研究及评价

陈宁萱, 胡少伟, 田锌如

功能材料. 2024, 55(3): 3198-3205. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.026

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以钢纤维(Steel Fibre, SF)、碳纤维(Carbon Fibre, CF)、纳米炭黑(Nano-Carbon Black, NCB)为导电掺料,基于正交试验方法设计试验,测量每组配比下试件的电阻率与抗压强度,并采用层次分析法和灰色关联度法进行评价。结果表明,三相导电混凝土试件电阻率随SF、CF和NCB掺量的增加而降低;抗压强度随SF、CF掺量的增加而增加,而NCB反之;其中CF对电阻率和抗压强度的影响均最为显著。当SF、CF和NCB掺量分别为0.6%、0.3%(体积分数)和0.6%(质量分数)时导电混凝土达到渗流阈值;而综合评价后可知,当SF、CF和NCB掺量分别为0.9%、0.7%(体积分数)和0.6%(质量分数)时导电混凝土性能最好,其抗压强度提升31.8%,电阻率降低98.9%。

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膨胀石墨基相变储能材料的制备及性能研究

周丽, 刘杨

功能材料. 2024, 55(3): 3206-3212. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.027

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以膨胀石墨作为主导热材料,石蜡作为相变储热材料,通过真空浸渍法制备了膨胀石墨-石蜡复合相变储能材料,研究了石蜡质量分数对复合相变储能材料微观形貌、物相结构及热性能的影响。结果表明,膨胀石墨和石蜡反应后生成的复合相变储能材料主要依靠物理吸附结合,石蜡均匀覆盖在膨胀石墨的表面以及孔隙中,当石蜡质量分数为91%时,复合相变储能材料的密封性和结构致密性最佳,几乎不发生泄露。随着石蜡质量分数的增加,复合相变储能材料的熔点逐渐增大,热分解温度逐渐提高,石蜡质量分数91%的复合相变储能材料相比石蜡质量分数85%的相变材料热分解温度提高了约15 ℃。随着石蜡质量分数的增大,复合相变储能材料的导热系数和热扩散系数持续降低,密度先降低后增加,比热持续增大。当石蜡质量分数为94%时,复合相变储能材料的导热系数和热扩散系数均为最低值,分别为2.492 W/(m·K)和0.605 mm²/s;当石蜡质量分数为91%时,复合相变储能材料的密度为最小值0.794 g/cm³,对应比热为5.462 J/(g·K)。分析可得,石蜡质量分数为91%的复合相变储能材料的综合性能最佳。

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聚(3, 4-乙烯二氧噻吩)/MXene复合材料的制备及电容性能研究

刘娟娟, 轩晓蝶, 杜子富, 刘潞潞, 高楼军, 高晓明, 简选

功能材料. 2024, 55(3): 3213-3221. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.028

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MXene材料具有组分灵活可调、电容量较高等优势在超级电容器储能领域备受关注。采用电化学法制得聚3, 4-乙烯二氧噻吩/Nb₂CT_x MXene (PEDOT/MXene)复合电极材料。结果表明,在扫描速率为30 mV·s^-1时,PEDOT/MXene的面积比电容可达250.21 mF·cm^-2,当电流密度从0.1 mA·cm^-2增加到5 mA·cm^-2时,PEDOT/MXene的面积比电容保持率为83.5%,远优于PEDOT的64.1%,并且在100 mV·s^-1的扫描速率下循环测试1 000次后初始电容保持率可达84%,表现出良好的倍率性能和稳定性。工作为基于MXene基材料构筑高性能电化学储能界面提供了一定的借鉴。

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基于催化加氢与端基封端的老化沥青化学修复机制研究与效果评价

张敏, 汤雄

功能材料. 2024, 55(3): 3222-3228. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.029

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从沥青老化的本质出发,首先采用三乙氧基硅烷在催化条件下与老化沥青发生氢化还原反应,将老化沥青中强极性的羰基和亚砜基还原成低极性物质;考虑到老化沥青的活泼端基会诱导新沥青加速老化,采用自由基抑制剂异氰酸酯对老化沥青活泼端基进行封端。通过测试老化沥青催化加氢与端基封端前后化学结构与极性变化,探究其修复机理;进而以基质沥青为参比,分析测试催化加氢与端基封端前后老化沥青宏观性能的变化,评价催化加氢与端基封端对老化沥青的化学修复效果;最后通过红外光谱与低温弯曲试验结果联动分析,建立了老化沥青化学结构与低温性能之间的内在联系。结果表明,催化加氢与端基封端使老化沥青的化学结构发生了本质的变化,三乙氧基硅烷可将老化沥青中羰基和亚砜基转化成酯或者醚,异氰酸酯通过酯化反应将老化沥青羟基转化为酯,降低了端基活泼性和极性。经催化加氢与端基封端之后,老化沥青的介电常数下降到3.2,下降了27.3%,粘度下降了近20%,而对石灰石的粘附功提高了15.8%,低温劲度模量和蠕变速率对的变化幅度达到14.0%以上;表明催化加氢与端基封端引起了老化沥青极性的显著减弱,分子间作用力和粘度明显降低,粘附性和低温性能得以显著改善;劲度模量和蠕变速率与老化沥青的含氧官能团指数之间具有良好的对应关系。

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深共晶溶剂中电沉积制备Co-Fe-Gd/NF电极及其析氢性能研究

翟佳鑫, 陈必清, 景欣欣, 袁美玲

功能材料. 2024, 55(3): 3229-3236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.03.030

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为了制备出在碱性环境中具备高效能的廉价析氢电极催化剂,选择不同的沉积电位在氯化胆碱-尿素(ChCl-urea)中电沉积制备出五种Co-Fe-Gd/NF电极催化剂。通过扫描电镜(SEM)和光谱仪(EDX)对电极表面形貌、元素含量及分布情况进行表征,X射线光电子能谱(XPS)对电极表面化学性质进行表征。结合线性扫描伏安法(LSV)、电化学阻抗技术(EIS)和循环伏安法(CV)电化学测试结果,表明-1.24 V沉积电位下制备的Co-Fe-Gd/NF-3电极具备优异的析氢催化性能,在10 mA·cm^-2时的过电位仅为71 mV, 最小的塔菲尔斜率(45 mV·dec^-1)与电荷转移电阻(0.28503 Ω·cm^-2)表明其具备更快的析氢反应动力学过程,电化学活性表面积(ECSA)最大为390.5,为析氢过程提供更多的反应活性位点。对电极进行循环伏安耐久性测试与计时电流法(I-t)测试,结果表明Co-Fe-Gd/NF-3电极催化剂在碱性环境中稳定性良好。

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2024年, 第55卷, 第3期　刊出日期：2024-03-30

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