功能材料

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MOF衍生多孔碳材料的制备以及在LIBs负极中的应用

顾涛, 任晶, 郑建勇, 任瑞鹏, 吕永康

功能材料. 2021, 52(10): 10001-10007. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.001

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金属有机骨架(MOFs)具有高表面积,可调结构,高度有序的孔隙以及出色的热/化学稳定性等优点,广泛用于衍生各种纳米多孔碳材料的前体和模板当中,而且在锂离子电池负极材料应用中表现出出色的电化学性能。本文中首先总结一些关于多孔碳材料储锂机制的假设,为衍生碳材料的合理设计提供指导。再介绍了MOF作为前体和模板制备多孔碳材料(NPC)的合成途径以及结构继承的策略。还概述了MOF衍生的多孔碳材料在锂离子电池负极材料中的应用研究。最后,讨论该研究领域面临的科学挑战,并对MOF衍生多孔碳材料的未来发展提出自己的看法。

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MNbO₄/生物质碳复合催化剂的制备和催化性能研究

王曦, 张永伟, 司艺铭, 王银号, 云斯宁

功能材料. 2021, 52(10): 10008-10015. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.002

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开发一种适用于非碘体系染料敏化太阳能电池(DSSC)的对电极(CE)催化剂对太阳能的开发利用具有重要的意义。在这项工作中,通过共沉淀法合成了铌基双金属氧化物(MNbO₄, M=Al, Fe)以及相应的与生物质衍生碳(BC)复合催化剂(MNbO₄/BC, M=Al, Fe)。采用X射线衍射仪和场发射扫描电子显微镜对制备的四种材料进行结构和形貌的表征。结果表明,AlNbO₄和FeNbO₄为高结晶度的单斜相;AlNbO₄/BC和FeNbO₄/BC是AlNbO₄和FeNbO₄与三维多孔BC骨架的复合材料。由电催化性能测试和光伏性能测试可知,AlNbO₄/BC和FeNbO₄/BC催化剂与Cu²⁺/Cu⁺电解液界面的电荷转移电阻(R_ct)比AlNbO₄和FeNbO₄小,分别为4.27 和11.21 Ω·cm²。此外,AlNbO₄/BC组装的DSSC获得了3.94%的光电能量转换效率,优于Pt基的DSSC(3.29%)。MNbO₄/BC复合催化剂在非碘体系的DSSC中被首次探究。

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石墨烯/杜仲胶吸波材料的制备及其性能研究

王振宇, 李东翰, 康海澜, 方庆红

功能材料. 2021, 52(10): 10016-10022. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.003

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通过液体法和机械共混法制备了GNPs/EUG复合材料,研究了复合材料厚度以及GNPs含量对复合材料吸波性能影响。研究结果表明,杜仲胶复合材料拥有优秀的吸波性能,随着复合材料中厚度的增加,反射率吸收峰向低频方向移动;随着复合材料中GNPs含量的增加,材料的吸波性能增强,其中,当GNPs含量为15 phr,厚度为4.5 mm时,材料在频率为14.91 GHz处有反射率的最小值为-43.97 dB,有效吸收(RL＜-10 dB)频宽为1.41 GHz(14.34~15.75 GHz)。同时,随着复合材料中GNPs含量的增加,复合材料抗拉强度提高,断裂伸长率降低。

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Fe-6.5wt%Si/纳米Fe₃O₄复合磁粉芯的组织结构及磁性能研究

杨天生, 卢克超, 王健, 郑志刚, 刘辛

功能材料. 2021, 52(10): 10023-10028. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.004

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采用Fe₃O₄磁性纳米颗粒掺杂法制备Fe-6.5wt%Si/Fe₃O₄微纳复合磁粉芯,研究了纳米Fe₃O₄添加量对Fe-6.5wt%Si/Fe₃O₄复合磁粉芯的相结构、微观形貌等组织结构特征,以及致密度、电阻率、有效磁导率、功率损耗等物理特性的影响规律。研究结果表明:添加适量磁性纳米Fe₃O₄填充Fe-6.5wt%Si微米颗粒间的孔隙,增加单位体积内磁性物质的量,能够明显削弱由非磁性树脂绝缘包覆所造成的磁稀释效应,且磁性纳米Fe₃O₄与Fe-6.5wt%Si颗粒相互作用实现相邻磁性颗粒间磁通的连续性,大幅度提高磁导率。特别是,当纳米Fe₃O₄添加量达3wt%时,复合磁粉芯的综合性能最优,其中密度从6.48 g/cm³提高至6.66 g/cm³,有效磁导率从72.8提升至81.7,且具有良好的频率稳定性。

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石墨烯功能表面润湿特性的研究与发展

白清顺, 窦昱昊, 沈荣琦, 郭万民, 郭永博

功能材料. 2021, 52(10): 10029-10038. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.005

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石墨烯独特的润湿特性使其作为功能材料已经在表面工程领域引起了广泛关注。介绍了石墨烯润湿性的模拟方法,归纳和总结了缺陷结构、表面形貌、表面污染物等因素对石墨烯润湿性的影响规律。在分析石墨烯的润湿透明现象研究观点的基础上,阐述了润湿透明现象产生的原因,归纳总结了石墨烯润湿透明性方面的研究成果。基于石墨烯和氧化石墨烯的两种不同涂层方式,探讨了石墨烯超疏水表面的构筑方法。根据石墨烯功能表面润湿性的研究与发展现状,提出了石墨烯润湿特性研究需要解决的关键科学问题,并对石墨烯润湿特性的未来发展趋势进行了展望。

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磁性生物炭的制备及其在环境修复中的研究进展

魏太庆, 王博, 艾丹, 孟阳

功能材料. 2021, 52(10): 10039-10047. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.006

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生物炭作为一种环境修复材料,其颗粒尺寸小且难以从环境中分离,可能导致二次污染问题,限制其在环境修复中的应用。解决这一问题的有效手段是通过引入磁性前驱体进入生物炭,制备易与固液分离的磁性生物炭,同时磁性生物炭对环境中的污染物也展现出明显的去除效果。本文综述了磁性生物炭制备原料与方法、理化特性,总结分析了磁性生物炭对环境中重金属、有机污染物以及富营养化物质的修复效果以及去除机理。同时从环境与资源可持续发展角度,探讨了磁性生物炭再生及重复利用。在此基础上,从扩展材料应用范围、厘清潜在生态环境风险、探明实际应用经济和技术可行性等方面提出了今后研究的方向,旨在为磁性生物炭基础科学研究与应用技术发展提供基础和参考。

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中低温固体氧化物燃料电池阴极材料研究进展

吴天琼, 南博, 郭新, 臧佳栋, 陆文龙, 杨廷旺, 张升伟, 卢亚, 张海波, 张扬军

功能材料. 2021, 52(10): 10048-10060. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.007

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固体氧化物燃料电池(SOFC)是将燃料的化学能直接转换为电能的固态发电装置。因其能量转换效率高、燃料适应性强、环境友好等优点而引起极大关注。传统的SOFC运行温度较高 (800~1 000 ℃),长期在高温下工作会导致电池材料性能衰减、连接体和密封剂的可用材料受限、成本高昂等诸多不足。因此,SOFC的中低温化成为其广泛应用的关键。但是,工作温度的降低会导致电解质的欧姆损耗和电极的极化损耗急剧增大,其中前者可通过减薄电解质的方法解决,故在中低温下,SOFC损耗的主要来源是阴极的极化损耗。因此,如何提高阴极材料在中低温条件下的性能是目前亟待解决的问题。综述了近年来SOFC阴极材料的研究进展,并总结了目前这些材料在中低温运行中存在的问题和未来的发展方向。

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磁性液体制备方法及几类特种磁性液体简介

韩世达, 崔红超, 张志力, 李德才

功能材料. 2021, 52(10): 10061-10068. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.008

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在新兴功能材料层出不穷的当代,纳米磁性颗粒的使用热度持续上升,以其为基础制成的磁性液体复合材料有着独特的物理化学性质以及广阔的应用范围,成为近年来研究的热点。着重介绍了磁性液体的发展,阐述了不同类型磁性液体所对应的制备方法,并对几类特种磁性液体进行了论述,最后提出磁性液体的制备及应用中存在的一些问题,并展望其未来发展的方向。

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刺激响应形状记忆材料的4D打印及其研究进展

王瑞晨, 刘秀军, 张静, 王帅达

功能材料. 2021, 52(10): 10069-10074. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.009

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4D打印是一种基于刺激响应材料的增材制造技术。4D打印主要以3D打印为基础,但被制造的物体不再是静态,在外界刺激下,打印对象的形状、属性或功能具有随时间变化的特性,如热、光、磁、电、pH等。基于4D打印的刺激响应形状记忆材料(SMMs)具有制造工艺简单、变形能力大和刺激形式多样等优点。综述了4D打印形状记忆合金(SMAs),形状记忆聚合物(SMPs),形状记忆水凝胶(SMHs)的研究进展。同时,讨论了4D打印技术存在的问题及其应用前景。

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高导热金刚石/Cu复合材料研究进展

彭卓豪, 王宗元, 王杰, 秦运, 季思源, 万维财

功能材料. 2021, 52(10): 10075-10082. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.010

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在电子信息产业的发展飞速时代,电子设备的使用功率也持续加大,随之产生了电子核心器件的封装和散热难题。金刚石具备优良的热学性质,而铜也具有极佳的导热性能和良好的加工塑性,因此将以上两者进行复合可以加工出具备优良热学性能的金刚石/Cu复合材料。本文综述了国内外关于金刚石/Cu复合材料的研究现状、制备方法、材料性能的影响因素,总结了金刚石/Cu的热导机理,进一步对金刚石/Cu的界面结合对热导性能的影响进行分析,且展望了金刚石/Cu复合材料的研究重心和发展方向。

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CoAl-LDHs基超级电容器电极材料研究进展

张勇, 薛顺昌, 杨净, 高海丽, 闫新华, 贾晓东, 曹阳, 王诗文, 罗河伟, 闫继

功能材料. 2021, 52(10): 10083-10091. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.011

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超级电容器具有高的功率密度、快速的充放电能力以及良好的循环稳定性等优点。而钴铝双金属氢氧化物(CoAl-LDHs)作为超级电容器的电极材料,具有良好的电化学稳定性,比如具有较好的电荷和质量输运性能以及较高的比电容和良好的循环稳定性等。本文综述了CoAl-LDHs超级电容器电极材料的不同制备方法及其性能,其中包括:水热法、共沉淀法、均匀沉淀法、溶胶-凝胶法以及离子交换法,还对不同的制备方法进行了比较。同时也总结了CoAl-LDHs不同的改性方法,包括:碳材料改性、金属掺杂改性、Ni(OH)₂改性以及MoS₂改性。通过比较不同制备方法的优缺点和所制备材料结构、电化学性能的差异,对CoAl-LDHs电极材料的相关研究进行系统的归纳总结,并对今后CoAl-LDHs超级电容器电极材料未来的发展方向进行了展望。

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基于非牛顿流体的聚乙烯材料介观蠕变机制研究

刘铭, 徐献忠, 刘梦云, 李晨阳

功能材料. 2021, 52(10): 10092-10097. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.012

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基于非牛顿流体Ostwald-de Waele方程和介观体系,提出了一种可用于分析聚乙烯材料蠕变特性的研究方法,探讨了聚乙烯材料的蠕变机制并对材料的微观形貌、力学性能和亲水性等进行了测试表征,验证了该研究方法的可行性。同时,利用稳态蠕变本构方程与幂律流体的一致性对粘弹性材料进行了力学分析。结果表明,模型参数与非牛顿流体系数具有相似的物理意义,聚乙烯材料蠕变的主要变形机制为界面滑移产生的粘性变形,而应力松弛则为界面滑移、粘滞力和单元弹性的共同作用。使用基于稳态蠕变方程的应力松弛模型,对聚乙烯材料的应力松弛行为进行了分析,结合材料蠕变机制,提出了聚乙烯材料的介观松弛机制。

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碳纤维增强高铝锌合金复合材料制备及摩擦性能研究

钟斌, 呼帅邦, 于正洋, 张林, 周龙龙, 梁靖松

功能材料. 2021, 52(10): 10098-10102. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.013

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针对碳纤维增强高铝锌合金复合材料制备过程中碳纤维与金属基体界面结合性以及提高复合材料的摩擦性能等问题,研究了碳纤维表面金属化工艺,并以高铝锌合金ZA27为研究对象,采用含量为3%(体积分数)表面金属化短切碳纤维为增强材料,通过冷压烧结技术,制备了一种新型高铝锌合金复合材料。借助扫描电子显微镜对表面金属化碳纤维及复合材料的微观形貌、物相组成进行表征,并利用直线往复式摩擦磨损试验机对复合材料进行摩擦学性能测试。结果表明,电镀铜层呈径向生长分布在碳纤维表面,将碳纤维完全包覆,并无明显脱落。镀铜碳纤维与基体材料结合紧密并整体弥散分布到基体材料中。碳纤维增强高铝锌合金复合材料优化了传统材料的摩擦性能具有比ZA27更低的摩擦系数。

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玉米淀粉掺杂沥青基活性炭的甲烷/氮气吸附分离性能

刘慧文, 胡晓滨, 郝文明, 崔杏雨, 程文萍

功能材料. 2021, 52(10): 10103-10109. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.014

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选用沥青为碳源,掺杂玉米淀粉,采用物理活化法制备沥青基活性炭,采用SEM、元素分析仪、FT-IR、77 K-N₂吸附脱附等温线和273 K-CO₂吸附等温线对活性炭的表面性质和孔结构进行分析,从而研究玉米淀粉掺杂量对沥青活性炭的表面性质、孔结构及CH₄/N₂吸附分离性能的影响,并采用Toth模型对298 K和100 kPa下CH₄和N₂吸附等温线进行拟合。结果表明,随着玉米淀粉掺杂量的增加,沥青活性炭的微孔体积从0.142 cm³/g提高到0.406 cm³/g,微孔比表面积从352 cm²/g提高到1015 cm²/g,且0.4~0.6 nm的微孔含量增加,玉米淀粉的加入提高了沥青活性炭的孔隙率。活性炭在298 K,100 kPa下的CH₄吸附量与0.4~1.0 nm范围内的微孔体积有关;CH₄/N₂的分离比是与0.4~0.6 nm范围内的微孔含量及表面含氧和含硫总量有关。玉米淀粉掺杂沥青基活性炭不仅具备纯玉米淀粉活性炭较高的CH₄吸附量,而且具备纯沥青活性炭良好的CH₄/N₂分离比。沥青基活性炭Y1(m(沥青)∶m(玉米淀粉)=2∶1)的CH₄吸附量达到21.7 cm³/g,CH₄/N₂的分离比达到3.8。

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石墨烯负银粉体材料的合成及光催化性能研究

刘禹, 张会, 李亚鹏, 冯俊俊, 段瑾瑜, 蒲卓林

功能材料. 2021, 52(10): 10110-10115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.015

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以氧化石墨烯(GO)、硝酸银(AgNO₃)为前驱体,水合肼(N₂H₄·H₂O)为还原剂,通过化学还原的方法成功合成了石墨烯负载银复合粉体材料(Ag/rGO),并对复合粉体进行了光催化研究。借助X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、透射电子显微镜(TEM)等测试手段,对Ag/rGO粉体材料结构和性能进行表征分析。结果表明,GO和Ag⁺在反应过程中可同时被N₂H₄·H₂O还原,获得的纳米银粒子(AgNPs)均匀分布于还原氧化石墨烯片层之间,粒径大小在30~50 nm之间;通过光催化测试,发现Ag/rGO可以高效地催化亚甲基蓝溶液(MB)进行光降解,催化降解30 min时的降解率比未使用催化剂的降解率高出一倍,催化降解90 min对MB的降解率可达到99.5%。

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Si含量对Al-Cu-Si复合材料组织及性能的影响

孟秋燕, 梁玉霞, 贾瑞红, 赵利军, 白硕

功能材料. 2021, 52(10): 10116-10120. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.016

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通过调整Si元素的含量,制备出一系列不同Si含量(0,0.3%,0.6%和0.9%质量分数)的Al-Cu-Si复合材料,研究了Si含量对Al-Cu-Si复合材料的硬度、断口形貌及力学性能的影响。结果表明,在引入Si元素后,所有复合材料的布氏硬度均得到了显著提高,且硬度随着Si掺量的增加而增加,当Si含量为0.9%(质量分数)时,硬度达到最大值为60.2 HB;随着Si元素的引入,Al-Cu-Si复合材料的抗拉强度和抗压强度均得到了提高,且随着Si含量的增加呈现出先升高后降低的趋势,在Si含量为0.6%(质量分数)时,试样的抗拉强度和抗压强度均达到了最大值,分别为143.5和327.1 MPa;随着Si含量的增加,复合材料的延伸率持续下降,但当Si含量>0.6%(质量分数)后,延伸率的下降幅度开始降低;Al-Cu-Si复合材料的冲击韧性在引入Si元素后得到了明显的提高,且随着Si含量的增加,冲击韧性呈现出先升高后略微降低的趋势,在Si含量为0.6%(质量分数)时,冲击韧性达到了最大值为30.4 J/cm²;SEM分析发现,未掺杂Si元素的Al-Cu基复合材料的晶粒尺寸约为40 μm,在引入Si元素后,试样的晶粒尺寸得到了明显的细化,由块状逐渐转化为条状颗粒,合金的组织更加均匀。整体分析可知,Si元素的掺量为0.6%(质量分数)时,Al-Cu-Si复合材料的综合性能最佳。

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ZnO/HNTs复合材料的制备及其光催化性能研究

徐伟, 徐丽慧, 柳杨春, 潘虹, 沈勇, 李凯

功能材料. 2021, 52(10): 10121-10127. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.017

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以硝酸锌为锌源,在埃洛石纳米管(HNTs)表面原位生长氧化锌(ZnO)纳米粒子,制备了ZnO/HNTs纳米复合材料。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、 X射线能谱仪、比表面积及孔隙度分析仪、紫外-可见-近红外漫反射测试仪、Zeta纳米粒度分析仪对复合材料进行了测试表征,在紫外光照射下研究了埃洛石(HNTs)、纳米ZnO和纳米ZnO/HNTs复合材料对亚甲基蓝(MB)的吸附及光催化降解性能。结果表明纳米ZnO均匀负载在HNTs表面,相比于ZnO纳米颗粒,复合材料比表面积高达44.305 m²/g,提高了1.2倍,1.5 h对15 mg/L亚甲基蓝降解率接近100%,远高于ZnO纳米颗粒对亚甲基蓝的降解率(80.2%),10次循环后降解率仍能达到80.4%,说明HNTs引入极大提高了ZnO/HNTs纳米复合材料的光催化活性。

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ATBC增塑剂对沥青及沥青混合料性能影响

马峰, 侯英杰, 傅珍, 刘松然, 杨希旺

功能材料. 2021, 52(10): 10128-10133. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.018

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为研究ATBC增塑剂对沥青及沥青混合料性能的影响,选用4种不同掺量对SK70#、SK90#、中海90# 3种基质沥青进行改性,通过三大指标试验和脆点试验探究其对沥青高低温性能和感温性能的作用,之后制成沥青混合料试件通过低温弯曲试验、车辙试验、浸水马歇尔和冻融劈裂试验研究其对路用性能的影响。结果表明,ATBC增塑剂能同时显著提高沥青低温性能和沥青混合料的低温抗裂性能,3.5%掺量使中海90#的5 ℃延度和当量脆点分别提高1 371.69%和下降132%,使沥青混合料最大弯拉应变提高13.74%,同时还能改善沥青感温性能和沥青混合料的水稳定性(3.5%掺量增加SK70#PI值86.4%,提升中海90#沥青混合料冻融劈裂强度8.58%)。但ATBC增塑剂的添加对沥青高温性能和沥青混合料高温稳定性呈不利影响,且这种不利变化会随ATBC增塑剂掺量的增加呈正相关。

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生长速率对CuFeO₂晶体微结构及磁性转变的影响

陈龙, 熊定康, 芦宇辰, 侯晶文, 徐守磊, 邓文

功能材料. 2021, 52(10): 10134-10138. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.019

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采用光学浮区法生长出了纯净不含杂相的CuFeO₂晶体,并探究了生长速率对晶体质量的影响;由于CuFeO₂的不一致熔融特性,低生长速率0.5 mm/h是必要的,且为了稳定融区,生长过程中灯的功率需要仔细调整。用XRD、SEM、PPMS对晶体样品进行了表征并与高温固相法所制得的样品进行了对比。XRD结果显示,由液相冷却制备得到的晶体样品为单一的铜铁矿结构,不含杂质相;SEM图像表明,晶体样品更加致密,样品无孔隙;M-T曲线显示出,相比于陶瓷样品,晶体样品反铁磁性稳定性和磁耦合相互作用被削弱。

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不同轴向压力下磁流变弹性体的剪切性能研究

李承洪, 杨帆, 钱文博

功能材料. 2021, 52(10): 10139-10144. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.020

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磁流变弹性体(MREs)是由分散在各种橡胶类基体中的磁性粒子在外加磁场下固化而成的一种新型智能材料。其刚度和阻尼等特性可通过调节磁场大小来实现控制,因此在隔振或吸振系统中具有广泛的应用前景。目前对磁流变弹性体材料的剪切力学性能研究主要是集中在恒压工况下,而在实际工作中,磁流变弹性体通常是在不同的轴向压力作用下进行剪切工作。基于此,通过实验研究了在相同配比、固化条件下,轴向压力对磁流变弹性体的剪切性能影响。测试结果表明,轴向压力对磁流变弹性体的剪切性能有较大的影响。在相同磁场强度下,磁流变弹性体的储能模量和耗能模量随着轴向压力的增大均呈现增大的趋势,且在高水平磁场强度下,这种趋势更为明显,但当磁场强度达到某一值后,会逐渐趋于饱和状态;应力-应变磁滞回线的面积和长轴斜率均随轴向压力的增大不断增大;但轴向压力的增大会导致磁流变弹性体的磁致效率降低。

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碳纤维改性酚醛泡沫材料的制备及其阻燃性能研究

程思远, 杜慧慧, 姚彦娜, 马瑞彦

功能材料. 2021, 52(10): 10145-10149. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.021

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以酚醛泡沫为基体材料,通过引入碳纤维制备了一系列不同碳纤维含量(0,3%,6%和9%)(质量分数)的改性酚醛泡沫材料。对碳纤维改性酚醛泡沫材料的密度、力学性能、微观形貌和阻燃性能等进行了研究。结果表明,随着碳纤维含量的增加,改性酚醛泡沫材料的密度呈现降低的趋势,当碳纤维的含量为9%(质量分数)时,密度达到最低值为21.9 g/cm³;随着碳纤维含量的增加,改性酚醛泡沫材料的尺寸稳定性呈现出先增高后减弱的趋势,当碳纤维的含量为6%(质量分数)时,试样的尺寸稳定性最佳;随着碳纤维含量的增加,改性酚醛泡沫材料的压缩强度呈现出先升高后降低的趋势,当碳纤维的含量为6%(质量分数)时,试样的压缩强度达到了最大值为0.48 MPa,相较于未掺杂碳纤维的试样,压缩强度提高了77.78%;随着碳纤维的掺入,所有改性酚醛泡沫材料的粉化率均出现降低;SEM分析发现,改性酚醛泡沫材料的气孔直径约为0.5 mm,掺入碳纤维后,气孔的分布变得更加均匀,破碎和缺口明显减少,气孔的尺寸整体降低;阻燃性能分析发现,随着碳纤维含量的增加,改性酚醛泡沫材料的氧指数呈现出先增加后降低的趋势,但均高于未掺杂碳纤维的试样,材料的耐火性能得到了改善,当碳纤维的含量为6%(质量分数)时,试样的氧指数达到最高为21.1,相比于未掺杂碳纤维的试样,提高了3.94%。

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基于热沉淀法制备的空心结构ZnFe₂O₄吸波性能研究

郝慧敏, 王黎明, 沈勇, 徐丽慧, 陈扣琴, 曹刘奇, 赖星, 李凯

功能材料. 2021, 52(10): 10150-10156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.022

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以FeCl₃·6H₂O、ZnCl₂分别为锌源和铁源,采用热沉淀法制备具有空心结构且吸波性能良好的ZnFe₂O₄,并通过SEM、TEM、XRD、XPS、BET、VSM、VNA等对其微观形貌、物相组成、比表面积及孔径分布、静磁性能、电磁性能等进行测试表征。结果表明,当涂层厚度为5.0 mm时,制备的空心结构ZnFe₂O₄在4.9 GHz有最小反射损耗-37.5 dB,小于-10 dB的有效频带宽度为3.9 GHz(3.5~6.9 GHz、17.1~17.6 GHz),其表现出的优异的吸波性能归因于独特的空心结构。研究的方法,可为具有优异吸波性能的轻质吸波材料的制备提供一种有效的思路。

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基于弯曲梁流变试验和黏弹性理论评价沥青低温性能研究

银花, 李凯

功能材料. 2021, 52(10): 10157-10165. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.023

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通过对长期老化状态下的90#基质沥青、SBS改性沥青、极寒沥青和橡胶沥青在不同低温(-12,-18,-24和-30℃)条件下进行低温弯曲梁流变(BBR)试验,分析了4种沥青60 s 时的蠕变劲度模量S和蠕变速率m随温度的变化规律;基于分数阶微分理论,证明了黏弹性材料的黏弹性行为分数阶演算,并采用分数阶导数黏弹性模型对沥青BBR蠕变劲度曲线进行拟合,确定了相关的模型参数和物理意义。同时,基于分数阶导数黏弹性模型构建了沥青低温蠕变劲度模量S和蠕变速率m之间的物理方程。结果表明,BBR试验了4种沥青60 s时的蠕变劲度模量S和蠕变速率m与温度的关系,由于沥青会发生玻璃化转变,在温度低于-18 ℃时,其4种沥青的蠕变劲度模量S和蠕变速率m往往会发生突变,不会呈现显著的线性变化;分数阶导数黏弹性模型能够更加精确地描述BBR试验中的沥青低温性能,模型参数A和分数阶导数阶次α具有物理意义。参数A表示沥青低温变形因子,参数A值越大4种沥青的低温抗裂性越好;分数阶导数阶次α表示沥青低温松弛因子,α值越大,4种沥青的沥青低温松弛能力越强,分数阶导数阶次α可较好地预估沥青的低温蠕变速率m;基于分数阶导数黏弹性模型,沥青低温蠕变劲度模量S和蠕变速率m之间的物理方程可以采用蠕变柔量速率J′(t)表征,并通过增大模型参数分数阶导数阶次α,可以得到更大的蠕变柔量速率J′(t),以提高沥青低温抗裂性能,故蠕变柔量速率J′(t)是一种能够很好地表征沥青低温性能的指标。

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纤维增强建筑复合保温发泡材料的制备及性能研究

白翔宇, 蔡韩英, 张利伟

功能材料. 2021, 52(10): 10166-10170. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.024

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保温材料的导热系数一般都不大于0.2 W/(m·K),因其具有良好的保温性能而被广泛用于建筑内外墙、屋顶和保温砂浆建筑领域。以酚醛树脂为基体,以短切玻璃纤维为改性材料,制备了不同纤维含量(0,3%,6%和9%)(质量分数)的纤维增强复合保温发泡材料。采用电子万能试验机、SEM和导热系数测试仪对复合保温发泡材料的力学性能、微观形貌和导热性能等进行了分析,结果表明,随着纤维含量的增加,纤维增强复合保温发泡材料的抗压强度和拉伸强度均呈现出先升高后降低的趋势,当纤维的含量为6%(质量分数)时,复合保温发泡材料的抗压强度和拉伸强度都达到了最大值,分别为0.241和0.115 MPa;随着纤维含量的增加,复合保温发泡材料的吸水率呈现出先降低后升高的趋势,当纤维的含量为6%(质量分数)时,吸水率达到最小值27.9%;随着纤维含量的增加,复合保温发泡材料的易脆率逐渐降低,韧性逐渐增强,当纤维的含量为9%(质量分数)时,复合保温发泡材料的易脆率最低为10.2%;当纤维的含量为6%(质量分数)时,复合保温发泡材料的气孔尺寸最小约300 μm,当纤维的含量增加到9%(质量分数)时,气孔数量有增多的趋势,且尺寸分布不均匀,有较大气孔出现;随着纤维含量的增加,复合保温发泡材料的导热系数呈现出先降低后升高的趋势,当纤维的含量为6%(质量分数)时,复合保温发泡材料的导热系数达到了最低值为0.033 W/(m·K)。总体分析可知,当纤维的含量为6%(质量分数)时,纤维增强复合保温发泡材料的综合性能最佳。

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冷冻干燥法制备聚酰亚胺气凝胶及其阻燃隔热性能表征

刘拓, 郭文文, 徐阳

功能材料. 2021, 52(10): 10171-10176. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.025

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以3,3,4,4-联苯四甲酸二酐(BPDA)和4,4-二氨基二苯(ODA)为原料合成聚酰胺酸盐(PAAs)溶液,并基于冷冻干燥技术和热酰亚胺反应成功了制备聚酰亚胺(PI)气凝胶。通过探究不同PAAs溶液浓度对制备的聚酰亚胺气凝胶材料的密度、收缩率、孔隙结构、压缩性能、隔热性能、阻燃性能的影响,来研究聚酰亚胺气凝胶的构效关系。发现聚酰亚胺气凝胶的孔洞直径随PAAs溶液浓度的增大而减小,收缩率亦随之减小。PI-4的压缩强度可达50 kPa,导热系数低至0.0309 W/(m·K),垂直燃烧试验中不熔融滴落,损毁长度仅为1.5 cm,具有最优的综合性能。

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混合盐辅助燃烧合成纳米ZrC粉体及影响机制

许珂, 占发琦, 张华, 安宁, 吴浩恺, 朱敏, 郑月红, 喇培清

功能材料. 2021, 52(10): 10177-10186. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.026

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采用新型的盐助燃烧合成工艺,在ZrO₂-Mg-C体系中,加入NaCl-KCl混合盐作为稀释剂,宏量制备出纯相的纳米级ZrC粉体,中位径D50=46 nm。通过计算该体系下的自由能和绝热温度,结合热力学和动力学分析,探究NaCl-KCl的加入量对ZrC粉体的纯度和粒度的影响规律及其作用机制。结果表明,当稀释剂含量w在0~30%(质量分数,下同)范围内,稀释剂NaCl-KCl的加入有利于获得纯相的ZrC,但在颗粒表面会吸附少量的游离碳,产物ZrC的纯度在90%以上。当NaCl-KCl的加入量为30%时,ZrC的纯度为97.26%。另外,随着NaCl-KCl含量的增加,ZrC颗粒的平均粒径从476 nm降至46 nm。其中较小的颗粒尺寸更容易被氧化,在颗粒表面形成2.9 nm的Zr(C_xO_y)壳层。NaCl-KCl的作用机理主要是相变吸热和加速形核,通过相变吸热降低绝热温度和体系的冷却速率,增加过冷度,从而增加了晶体的形核速率。另外,熔融盐提供液相环境加速物质传输,有利于生成纯相ZrC。

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低铂载量的空心碳球/管状碳复合催化剂的制备及其氧还原反应电活性

盛况, 陈阿玲, 闫宇惠, 易清风, 王跃冰, 欧阳田

功能材料. 2021, 52(10): 10187-10193. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.027

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氧还原反应(ORR)是一个动力学缓慢的过程,而Pt或Pt基材料是其有效的电催化剂。本文通过构建合理的空间结构来大幅提高Pt的质量活性,并通过引入过渡金属共掺杂来提高Pt的本征活性,制备得到了Pt含量在4%(质量分数)以下的Pt-Co-Ni共掺杂的空心碳球/管状碳复合催化剂Pt-Co-Ni/NHCS-TUC-600。ORR电化学活性测试表明,Pt-Co-Ni/NHCS-TUC-600在0.1 mol/LHClO₄中具有与商业Pt/C相当的起始电位(0.927 V vs RHE)和半波电位(0.867 V vs RHE),优于商业Pt/C的极限扩散电流密度(6.97 mA/cm²)。这些优异的ORR活性使得Pt-Co-Ni/NHCS-TUC-600具有广阔的应用前景,为低载量铂催化剂的研究与应用提供了新的可能。

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PSf-b-PEG嵌段共聚物的合成与结构调控

许兴民, 刘韬, 刘亚品, 李基兵, 胡云霞

功能材料. 2021, 52(10): 10194-10199. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.028

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通过一锅法亲核取代共缩聚反应合成系列聚砜-b-聚乙二醇嵌段共聚物。首先研究聚砜的合成动力学,揭示双酚A和4, 4′-二氯二苯砜的投料比与聚合时间对聚砜分子量的影响规律。其次,在聚砜聚合反应9 h时,选用不同链段长度的聚乙二醇作为封端剂,合成系列聚砜-b-聚乙二醇嵌段共聚物。采用核磁共振氢谱(¹H NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)、热重分析(TGA)、差式扫描量热(DSC)表征聚砜-b-聚乙二醇的分子结构与热稳定性能。结果表明,当采用分子量分别为400、2000、6000 Da的聚乙二醇封端剂时,所制得的聚砜-b-聚乙二醇嵌段共聚物分子量分别为3.9×10⁴、3.9×10⁴、4.4×10⁴ Da,PEG含量从1.3%(质量分数)增加到12.8%,其玻璃化转变温度从170.7 ℃降低到117.1 ℃。

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聚乙烯醇/聚苹果酸复合水凝胶的制备及性能研究

马争发, 谭维群, 余甜甜, 崔世煜, 廖秋香, 张丽杰

功能材料. 2021, 52(10): 10200-10206. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.029

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以PVA和PMLA为原料,采用冷冻-解冻法制备复合水凝胶,考察了复合水凝胶的凝胶分率、溶胀性、保湿性、力学性能,并验证了复合水凝胶的抗菌性和细胞毒性。通过红外吸收光谱证实复合水凝胶内PVA和PMLA的分子间以氢键结合,电镜扫描观察到复合水凝胶具有更大孔径的三维立体结构;随着PMLA的增加,复合水凝胶的凝胶分数和拉伸强度略有降低,但保湿性和断裂伸长率增加。当聚乙烯醇含量为5%(质量分数)、聚苹果酸含量为0.25%时,复合水凝胶24 h的溶胀率达到10倍左右;PVA/PMLA复合水凝胶对大肠杆菌和金黄葡萄球菌均具有较好的抑菌效果,随着PMLA增加抑菌性增强;且无细胞毒性,具有良好的生物相容性。

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TiO₂/石墨烯纳米复合材料的制备及催化降解VOCs研究

刘科

功能材料. 2021, 52(10): 10207-10211. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.030

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采用水热法制备了不同石墨烯含量(1%,2%,3%和4%)(质量分数)的TiO₂/石墨烯纳米复合材料。通过XRD、SEM、UV-Vis、拉曼光谱和降解效率测试等,对复合材料的物相结构、微观形貌、光学活性、分子结构和催化降解性能等进行了表征。结果表明,4种TiO₂/石墨烯纳米复合材料的衍射峰均为标准的锐钛矿型TiO₂衍射峰,整体峰值较为尖锐,结晶度较高,随着石墨烯含量的增加,衍射峰的强度降低,峰面积减小,且TiO₂的晶相含量减少;随着石墨烯含量的增加,复合材料中石墨烯的片层明显增多,附着在石墨烯表面上的TiO₂颗粒显得分散,继续增加墨烯的含量,出现了部分团聚现象,TiO₂的颗粒较少;掺入石墨烯后,所有复合材料在可见光区域的吸收强度都得到了明显的增强,从区域面积来看,石墨烯含量越多,复合材料的吸收强度增加得越多,并且在320 nm以上的吸收有红移现象;随着石墨烯含量的增加,复合材料中锐钛矿相TiO₂的特征峰呈现出逐渐减弱的趋势;石墨烯的掺入可以显著提高复合材料的催化降解效率,当石墨烯的含量为3%(质量分数)时,复合材料在100 min时催化降解已经达到了平衡状态,降解效率最高达到91%,但当石墨烯的含量再升高时,复合材料对VOCs的催化降解效率出现了降低。

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一步低温热解制备生物炭及其在染料废水处理中的应用

梁丽春, 李朝霞, 庞少峰, 康莉会, 曹世军, 王典, 王彦斌, 苏琼

功能材料. 2021, 52(10): 10212-10220. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.10.031

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采用农业废弃物核桃青皮(WP)作为原材料,通过磷酸活化,一步低温热解的方法制备低成本、高性能吸附剂用生物炭(WPBC)。该生物炭多孔,平均孔径为4.1 nm、比表面积为808.21 m²/g,且表面含有丰富的含氧官能团。以亚甲基蓝(MB)作为模型吸附剂,结果指出,吸附在60 min时,MB去除率可达99.88%,由Langmuir所得到的最大吸附量为228.75 mg/g。由低成本农业废弃物衍生的碳基吸附剂有望成为改善废水中染料污染的一种有前景的替代方法。

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2021年, 第52卷, 第10期　刊出日期：2021-10-30

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