2022年, 第53卷, 第9期　刊出日期：2022-09-30

  

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  本期中英文目录、封面

  功能材料. 2022, 53(9): 0.

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  基于离子键-共价键杂化交联丁腈橡胶的制备及其性能研究

  方文航, 齐鹏飞, 许燕, 李宁, 邱碧薇

  功能材料. 2022, 53(9): 9001-9007. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.001

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  基于离子键和共价键双交联,以NBR为基体,DCP为引发剂,熔融共混AMPS和不同含量的ZnO或CuO,制备了高性能、高修复效率的杂化交联NBR,研究了金属氧化物含量和种类对材料结构-性能的影响。结果表明,AMPS上的磺酸基团与金属离子形成离子键,DCP引发NBR共价交联。随着金属氧化物含量增多,杂化交联NBR交联密度增大,拉伸强度提高近4倍;受力时键能较低的离子键优先断裂耗散能量,使得断裂伸长率提高近3倍。相比锌,铜离子与磺酸基团形成离子键的活化能更大,因此提升橡胶韧性更有效。离子键的可逆性赋予了橡胶自修复能力,等待修复时间越长材料的自修复效率越高。
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  超稳定金属有机框架吸附剂的结构调控及水捕获性能研究

  赵赛, 付茂, 董应超

  功能材料. 2022, 53(9): 9008-9012. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.002

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  淡水短缺是威胁人类生存的全球性挑战,特别是对生活在干旱地区的人们。捕获空气中的水是解决这一问题的一种很有吸引力的方法。然而,由于露点低、吸附剂吸水能力较低、水吸附动力学慢、高能耗等问题,目前空气水捕获技术在低湿度干旱条件下的吸附水性能较差。针对这一问题,我们通过调节超稳定金属有机框架MOF-801材料的合成温度、合成时间、物料配比和溶剂配比等因素,可以实现MOF-801晶体形貌及尺寸的有效调控。在DMF(N,N-二甲基甲酰胺)/甲酸溶剂体积配比从20/20增加到37/2.5时,水吸附性能从0.229 kg/kg增加到0.34 kg/kg,性能提升了48.5%,优于大部分文献报道的MOF吸附剂。机理研究结果表明,MOF-801孔腔对于水吸附起到决定性作用。这一研究为空气捕获水提供更多的科学与技术参考。
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  烧结温度对Zn-Bi系压敏陶瓷晶界的影响

  刘建科, 李智智, 陈姣姣, 刘士花, 徐荣凯

  功能材料. 2022, 53(9): 9013-9017. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.003

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  采用传统的固相烧结法制备了Zn-Bi-Mn-Cr-Si(ZBMCS)压敏陶瓷样品,研究了烧结温度对ZBMCS压敏陶瓷相组成、微观结构、电学性能的影响。烧结温度的持续升高使得样品平均晶粒尺寸逐渐增大,压敏场强逐渐减小。对不同烧结温度下样品EDS分析可知,烧结温度的升高显著降低了Bi的含量,Mn, Cr、Si参与了Zn₂SiO₄和其他第二相的形成过程。当烧结温度为990 ℃时,样品的综合性能达到最好,此时非线性系数最大值为43.36,漏电流密度最小值为1.89 μA/cm²,击穿场强为435.10 V/mm,在10³～10⁶ Hz外电场作用下其损耗角正切值最大仅为0.07。
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  柔性基底上原子层热电堆热流敏感薄膜制备研究

  夏涛, 赵睿鹏, 陈曦, 李禛哲, 陶伯万

  功能材料. 2022, 53(9): 9018-9024. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.004

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  针对航空航天高温异构件表面高频热流信号测量难题,提出了一种柔性原子层热电堆热流传感器的解决方案。以镍基合金柔性基带为衬底,通过倾斜基底沉积技术(ISD)生长出了具有倾斜织构的MgO薄膜,并在其上以金属有机物化学气相沉积技术(MOCVD)成功外延生长出了倾斜且织构良好的YBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO)热电薄膜。利用脉冲激光对其热电性能进行了测试,其响应时间达到196 ns。
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  新型二维材料Ti₃C₂T_x的合成及其在电池中的应用研究进展

  陈逸钊, 刘存生, 成伟翔, 李越珠, 黄兴文, 崔帅甫, 刘浩华, 舒绪刚, 廖松义, 闵永刚

  功能材料. 2022, 53(9): 9025-9034. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.005

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  MXene(Ti₃C₂T_x)是于2011年新发现的一种新型二维过渡族金属碳化物／氮化物,因其具有独特的类石墨烯层状结构、良好的金属导电性、优异的亲水性、可调控的层间距等优点,近年来在电池领域备受关注。主要总结了MXene(Ti₃C₂T_x)及其复合材料的合成策略及制备方法,并对Ti₃C₂T_x复合材料在电池领域中的应用研究进展进行了归纳和展望,希望能为高性能MXene电极材料的制备及其在离子电池中的应用提供科学参考及理论借鉴。
综述·进展
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  中低温固-液相变潜热储热材料研究进展

  唐婷, 张伟丽, 高宁, 温翊, 李素兰, 李又兵

  功能材料. 2022, 53(9): 9035-9041. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.006

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  相变储能材料作为新型材料在建筑节能、生态可持续等方面有着不可替代的优势和应用价值。由于固液相变材料易泄露问题在一定程度上限制了固液相变复合材料的推广应用。围绕中低温固液相变材料的封装技术,介绍了中低温相变潜热储热材料及其相变封装技术的研究现状,重点概述了硅藻土、膨胀蛭石和膨胀珍珠岩等多孔矿物基吸附相变材料,膨胀石墨为主的多孔碳基相变复合材料,以及气凝胶相变复合材料的制备技术,对相变复合材料在相变材料负载能力、相变热性能、导热性能进行了介绍。在此基础上,提出了固液相变复合材料未来研究工作方向,以期为固液相变材料的应用和推广提供一定的借鉴。
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  页岩油体积压裂原位生成支撑剂材料研究进展

  唐梅荣, 赵振峰, 陈文斌, 杜赞康, 吕东梅, 丁书江

  功能材料. 2022, 53(9): 9042-9050. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.007

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  页岩油水平井体积压裂形成的复杂裂缝系统,需要有效支撑才能最大化发挥体积改造的作用,但因现有的支撑剂密度高、粒径大,很难运移到主缝远端和微缝内部。为了实现体积压裂全尺度裂缝的支撑,研究者们提出通过压裂液与岩矿原位反应生成支撑剂的技术思路,实现压裂液到哪里、支撑剂就到哪里的目的。本文综述了两类在地层温度、压力条件下原位生成支撑剂方法的最新进展:一类是利用地层高温高压水热合成无机矿物颗粒支撑剂,另一类是形成对温度压力敏感的高分子聚合物颗粒支撑剂。在介绍原位支撑剂颗粒生成的方法和原理基础上,将其性能与传统支撑剂进行比较,并且探讨了原位生成支撑剂的应用前景。新型压裂液地层条件下原位生成固体支撑剂可能对整个油气工业,乃至能源领域带来一场全新的变革。希望可以引起研究者们更广泛的关注。
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  硅/金属氧化物复合负极材料研究进展

  唐梦, 王帅, 吴沁宇, 马扬洲, 宋广生

  功能材料. 2022, 53(9): 9051-9060. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.008

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  硅以其脱锂电位(约为0.4 V)低、理论比容量(4 200 mAh/g)高、资源丰富和环境友好等优点而被广泛关注,但硅材料在脱嵌锂的过程中存在严重的体积膨胀(>300%),从而导致循环性能差和库伦效率低,以至于阻碍了其实际应用。据报道采用硅和金属氧化物进行复合处理的新策略来制备硅基负极复合材料,可使其电化学性能得到了明显改善。对此分别从金属氧化物对硅进行表面包覆以及与硅发生原位固态反应引进硅化物和金属颗粒的角度,综述了近几年这两方面研究的相关成果,并阐述了用金属氧化物改性硅负极材料尚待解决的问题和未来发展趋势。
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  纤维素提取及其膜制备方法研究进展和应用综述

  湛丹亚, 余琼粉, 李明, 樊杰, 陈杰, 李胤凝, 李爱民, 朱蓉, 王云峰

  功能材料. 2022, 53(9): 9061-9072. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.009

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  鉴于纤维素的优点及其应用广泛性,如何从生物质中获取纤维素,并将其制成与目标应用场景相吻合的结构形式至关重要。本文总结了纤维素的提取方法,包括酸碱法、臭氧溶解法、离子液体法、深层共晶溶剂法、有机溶剂法和蒸汽爆破法,并分析了各种提取方式的优缺点;阐述了制备纤维膜的方法,包括静电纺丝、熔融纺丝和湿法纺丝,其中静电纺丝是一种简单、廉价的技术,该方法可以制备出具有高比表面积的纳米级纤维,有望对许多性能做出贡献,并对应产生积极的影响;综述了近年来纤维膜材料在物质分离、光电、医学及织物等领域的应用进展;最后概述了纤维素提取、纤维膜制备的应用前景和面临的挑战。
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  铁基软磁材料的制备与性能研究现状

  付玉田, 李慧, 梁精龙, 张胜, 李昊天

  功能材料. 2022, 53(9): 9073-9079. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.010

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  介绍了不同软磁材料的分类,并对其相关性能以及应用领域进行了简要介绍。在此基础上针对目前铁基软磁材料不同的制备方法进行了概括与总结,并简要概述了目前提升软磁性能的主要研究方法,最后针对不同的工艺技术特点进行了简要概括并做出展望。
研究·开发
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  环氧树脂对透水混凝土的力学性能和渗透性能的影响研究

  赵静, 王昳昀, 孙慧斌

  功能材料. 2022, 53(9): 9080-9084. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.011

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  在制备透水混凝土时引入环氧树脂(E42型),通过改变环氧树脂的掺杂含量,制备出一系列不同含量环氧树脂(0,1%,3%和5%(质量分数))的透水混凝土,对其力学性能、透水系数、微观形貌和孔隙率等进行了表征。结果表明,当环氧树脂的掺杂含量为3%(质量分数)时,样品7和28 d的抗压强度达到了最大值,分别为9.66和11.41 MPa;样品28 d的抗折强度达到了最大值,为1.92 MPa;样品的透水系数和孔隙率均达到了最低值,分别为4.70 mm/s和22.7%。SEM分析发现,未掺杂环氧树脂的透水混凝土有明显的孔洞,当环氧树脂的掺杂含量为3%(质量分数)时,基本无明显的孔洞裂痕,断裂面也较为平整,说明掺入适量的环氧树脂后,明显改善了透水混凝土的微观形貌,使水化产物之间的结合更紧密,在受到载荷时各颗粒间的强结合不会使其轻易产生裂痕,从而提高了透水混凝土的力学性能。 综合分析可知,环氧树脂的最佳掺杂量为3%(质量分数)。
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  N型Bi₂Te_2.7-zS_zSe_0.3热电材料的微观组织与热电性能

  马正青, 杨明杰

  功能材料. 2022, 53(9): 9085-9090. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.012

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  通过真空熔炼、快速凝固、球磨制粉、冷压成形和常压烧结工艺,制备了Bi₂Te_2.7-zS_zSe_0.3热电材料,表征了Bi₂Te_2.7-zS_zSe_0.3热电材料晶体结构、微观形貌、塞贝克系数、热导率、热电优值和功率因子等热电性能。研究了掺杂S的Bi₂Te_2.7-zS_zSe_0.3 热电材料热电性能与机理。结果表明,Bi₂Te_2.7-zS_zSe_0.3热电材料晶体结构为R-3m空间群斜方晶系的六面体层状结构;掺杂S的Bi₂Te_2.7-zS_zSe_0.3 热电材料,生成较Bi-Te化学键强的Bi-S,V¨Te空位形成能E_v(Bi-Te)降低,Bi′_Te位缺陷形成能E_AS(Bi-Te)增加,抑制反位缺陷Bi′_Te,降低了格热导率和双极扩散热导率。同时使Bi₂Te_2.7Se_0.3热电费米能级向导带移动,能带间隙增大,提高本征激发温度,减少少数载流子浓度,态密度(DOS)有效质量增大,塞贝克系数和功率因子增大。300～400 K,Bi₂Te_2.62S_0.08Se_0.3热电材料的塞贝克系数约:-224 μV/K,热电优值(ZT)约:0.85,功率因子约:1.48 mW/(m·K²) ,对开发低温制冷和温差发电材料具有一定实际意义。
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  微波法快速可控合成红光发射的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺上转换纳米材料

  康春杨, 左显维, 韩根亮, 宋青, 陈云琳

  功能材料. 2022, 53(9): 9091-9097. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.013

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  采用单模微波法快速合成了红光发射的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺上转换纳米材料,探讨了反应温度、反应时间、反应溶剂以及掺杂离子浓度对目标产物合成的影响,并通过TEM,XRD和荧光光谱对所得样品的形貌、结构及发光性能进行了表征。结果表明,该方法能高效制备平均粒径为50 nm、具有立方相结构的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺上转换纳米材料, 其在980 nm激光激发下,当Yb³⁺和Er³⁺掺杂浓度为20%和2%时,呈现强红光发射。通过创新发光材料的合成方法实现了强红光发射上转换纳米材料在10 min内的简单快速合成,显著提高了材料的合成效率。该研究合成的纳米材料在生物标记、细胞成像、生物检测等领域也具有巨大的应用前景。
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  聚吡咯-苯胺改性核桃青皮复合材料及其对布洛芬的吸附性能研究

  曹世军, 苏琼, 王彦斌, 魏帅, 李朝霞, 庞少峰, 梁丽春, 康莉会, 王典

  功能材料. 2022, 53(9): 9098-9107. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.014

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  以核桃青皮为原料,采用原位化学氧化法对其进行改性,制备聚苯胺-聚吡咯改性生物质复合材料(PPMBC)。利用傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和EDS能谱仪对PPMBC和核桃青皮进行表征分析。研究了PPMBC剂量、接触时间、pH、初始浓度和温度因素对布洛芬(IBU)吸附效果的影响。实验结果显示,在IBU初始浓度为50 mg/L、PPMBC剂量2 g/L、pH=3、温度303 K、反应时间为80 min时,吸附容量达到17 mg/g。吸附动力学拟合结果显示PPMBC对IBU的吸附过程跟伪二级动力学模型相契合,吸附热力学拟合结果显示反应是吸热的,熵增且自发进行的,吸附等温线拟合结果反映出Temkin模型可以更好地拟合反应过程。为含布洛芬废水的处理提供一种绿色高效,经济节约的方式。
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  基于流变特性的复合相变调温沥青性能评估

  马峰, 祝崇鑫, 傅珍, 纪续, 温雅噜, 刘健

  功能材料. 2022, 53(9): 9108-9114. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.015

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  为了研究相变调温沥青的性能,采用原位聚合法制备出十四烷-正辛酸复合相变微胶囊(T-OAPCMs),将其分别掺入基质沥青和SBS改性沥青中制备不同掺量的相变沥青及相变改性沥青。通过三大指标、布氏旋转黏度测试相变沥青基本物理性能,并采用动态剪切流变仪(DSR)进行温度扫描试验研究相变沥青高温流变性能。结果表明,掺入T-OAPCMs后相变沥青的延度显著增加,低温性能得到改善。当T-OAPCMs掺量增加,相变沥青的布氏黏度μ和复数剪切模量G*减小,车辙因子G*/sin δ降低82%～97%左右,临界温度T_HS降低6~19 ℃,高温抗车辙性能明显下降。相变沥青的疲劳因子G*·sin δ减小,抗疲劳性能得到改善。T-OAPCMs掺量超过10%后,温度变化对沥青抗疲劳性能影响不明显。
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  尺寸可控的二氧化锰纳米花的制备及降解RhB性能研究

  郝新丽, 赵敬哲, 李林怡, 常硕硕, 李路锋

  功能材料. 2022, 53(9): 9115-9121. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.016

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  利用液相合成的方法,在90 ℃下,高锰酸钾在酸性条件下发生自分解反应制备了水钠锰矿型二氧化锰(Bir-MnO₂)纳米花。利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜等手段,对制备的Bir-MnO₂纳米花的结构与形貌进行了表征。在合成反应中通过控制油酸钠的加入量制备出不同尺寸的纳米花,其原理是油酸钠与高锰酸钾反应生成Bir-MnO₂晶核,在锰含量一定的条件下晶核越多纳米花的尺寸越小。对制备的Bir-MnO₂纳米花进行了降解罗丹明B(RhB)性能的研究,考察了纳米花尺寸、pH值对降解性能的影响以及循环降解的能力。实验结果表明,Bir-MnO₂纳米花尺寸越小,降解RhB的性能越好;体系pH值是降解反应的控制因素,pH值在4以下Bir-MnO₂纳米花降解RhB性能最佳,RhB的降解率可达到92.4%;制备的Bir-MnO₂纳米花经过5次循环降解,RhB降解率均在85%以上。
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  SiO₂气凝胶隔热材料的制备及其导热性能研究

  丁勇花, 庞玉玲

  功能材料. 2022, 53(9): 9122-9126. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.017

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  选择MTMS为硅源,以0.5 mol/L的草酸溶液作为酸催化剂,不同浓度(1,3,5和7 mol/L)的氨水作为碱催化剂,采用酸碱两步溶胶-凝胶法和常压干燥工艺制备出一系列不同氨水浓度的SiO₂气凝胶隔热材料。通过XRD、SEM、FT-IR等研究了氨水浓度对SiO₂气凝胶晶体结构、微观形貌、物理性能和导热性能的影响。结果表明,制备的SiO₂气凝胶隔热材料均为无定型非晶结构,其二级粒子尺寸约为200 nm左右;氨水浓度的适量增加会提高SiO₂气凝胶颗粒分布的均匀性,而氨水浓度过大后,会出现团聚板结现象;随着氨水浓度的增加,SiO₂气凝胶的孔径变化较小,凝胶时间、孔隙率和孔体积先减少后增加,密度先升高后降低,导热系数先降低后升高。当氨水浓度为5 mol/L时,SiO₂气凝胶的凝胶时间最短为13.2 min,密度最大为0.14 g/cm³,孔隙率最小为92.34%,导热系数最低为0.021 W/(m·K),且颗粒分布均匀、形貌最佳,具有良好的隔热保温性能,在节能建筑材料方面具有广阔的应用前景。
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  聚乙烯亚胺稳定聚吡咯纳米颗粒的制备及其光热抗菌性能研究

  王燕, Gnanasekar Sathishkumar, Kasi Gopinath, 何晓东, 张凯, 徐立群

  功能材料. 2022, 53(9): 9127-9133. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.018

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  目前,抗生素药物的不良反应和多重耐药(MDR)菌株的出现严重威胁着人们的生命健康,迫切需要开发新的治疗细菌,尤其是耐药菌感染的方法。利用简单的化学反应制备了聚乙烯亚胺稳定的聚吡咯纳米颗粒(PPy-PEI NPs),并通过调节吡咯单体的组分获得一系列不同尺寸的纳米颗粒。采用动态光散射(DLS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见吸收光谱分析了PPy-PEI NPs的物理和化学特性。此外,研究了PPy-PEI NPs对大肠杆菌(E. coli)、铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)、金黄色葡萄球菌(S. aureus)和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的光热抗菌活性。研究结果表明,在808 nm近红外光照射下,合成的PPy-PEI NPs能够完全抑制病原菌的生长。因此,PPy-PEI NPs是优良的有机纳米光热剂,并在光热抗菌治疗领域具有良好的应用前景。
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  联合应用成核剂与增稠剂改善二元糖醇的相变特性

  单少飞, 莫松平, 贾莉斯, 陈颖

  功能材料. 2022, 53(9): 9134-9140. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.019

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  为改善二元糖醇的相变特性,本文在甘露醇和肌醇二元糖醇中添加成核剂氧化铝纳米粒子和增稠剂海藻酸钠,使用差式扫描量热仪研究二元糖醇及其复合材料的相变特性。实验结果表明,氧化铝纳米粒子和少量的海藻酸钠促进了二元糖醇的成核结晶;联合应用氧化铝纳米粒子和海藻酸钠相比单独添加氧化铝纳米粒子或海藻酸钠进一步改善了二元糖醇的成核结晶,当氧化铝纳米粒子和海藻酸钠的质量分数分别为3.0%和0.5%时,样品的过冷度最小,相变焓最大,相比纯二元糖醇过冷度降低了22.0 ℃,熔化焓和凝固焓分别提高了8.9%和29.7%。
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  新型SiAsP二维Janus材料电子结构和光吸收性质的第一性原理研究

  岳子豪, 张会

  功能材料. 2022, 53(9): 9141-9146. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.020

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  基于密度泛函理论的第一性原理计算,通过对最新报道出的二维材料单层SiP₂进行原子替换,预测出单层SiAs₂, α-SiAsP, β-SiAsP 3种新型二维材料,并对3种材料的晶体结构、稳定性、电子能带结构和光学性质进行分析验证。通过静电势计算验证出3种材料在与平面垂直的方向具有非对称性,是Janus材料;声子谱计算结构表明3种材料具有良好的结构稳定性;电子结构计算结果表明上述材料为间接带隙半导体,带隙大小分别为2.21,2.43,1.76 eV;吸收光谱计算结果表明3种材料可以有效地吸收可见光和紫外光,其中β-SiAsP甚至可以吸收近红外光。因此,预测出单层SiAs2, α-SiAsP和β-SiAsP二维Janus材料在光学和电子领域具有一定的应用前景。
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  油基TiO₂纳米流体的制备及流变性研究

  侯献军, 苏达, 王友恒, 叶心雨, 江华

  功能材料. 2022, 53(9): 9147-9153. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.021

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  采用“两步法”制备了稳定性良好的油基TiO₂纳米流体,并使用旋转黏度计对纳米流体黏度和剪切应力进行了测量,探究了黏度计剪切速率、纳米颗粒浓度以及温度对纳米流体黏度的影响。结果表明,纳米TiO₂流体具有剪切变稀的特性,随温度升高该特性逐渐减弱,同时其黏度随浓度的增加而增大,随温度的上升以指数形式迅速减小。通过对实验数据的分析,并结合传统指数型粘温关系式,提出了涉及温度和颗粒浓度的油基TiO₂纳米流体黏度计算经验公式。
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  高性能SiO₂气凝胶材料的制备及其保温隔热性能研究

  王景, 张驿宾

  功能材料. 2022, 53(9): 9154-9158. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.022

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  以正硅酸乙酯为硅源,去离子水为溶剂,草酸溶液为酸催化剂,采用溶胶-凝胶法制备了不同草酸用量(0.5,1.0,1.5和2.0 mL)的SiO₂气凝胶材料,研究了草酸用量对气凝胶材料晶体结构、微观形貌和导热性能的影响。结果表明,制备出的SiO₂气凝胶为非晶体结构,由颗粒相互连接堆积形成,颗粒尺寸约为70~90 nm;草酸用量的增加提高了气凝胶的结晶度,但没有改变SiO₂气凝胶的主体结构;随着草酸用量的增加,SiO₂气凝胶的密度和导热系数呈现出先降低后升高的趋势,孔隙率、总孔容和比表面积则呈现出先升高后降低的趋势,而孔径分布受草酸用量变化的影响不大;当草酸用量为1.5 mL时,SiO₂气凝胶的密度和导热系数均达到最低值,分别为0.1021 g/cm³和0.019 W/(m·K),孔隙率、总孔容和比表面积达到了最大值,分别为95.86%、0.6773 cm³/g和261.4 m²/g。综合可知,当草酸用量为1.5 mL时,SiO₂气凝胶材料具有优异的保温隔热性能,在保温建筑材料领域具有较大的应用潜力。
工艺·技术
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  深冷处理粉末对冷喷涂层的沉积和磨损性能影响

  王强, 毛轩, 牛文娟, 韩鹏

  功能材料. 2022, 53(9): 9159-9165. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.023

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  对铁基非晶合金粉末进行循环深冷处理增强其塑性变形能力,采用冷喷涂技术在AZ31B镁合金、6061铝合金以及Q235碳钢等具有不同性能的基体材料表面制备非晶涂层,研究深冷处理铁基非晶粉末在不同基体表面的沉积行为、涂层与基体间的界面结合状态以及涂层的摩擦磨损性能。结果表明,基体的硬度、导热系数和弹性模量会影响颗粒的应变条件、散热速率和回弹能量,进而影响涂层的变形状态、致密程度和沉积效率;深冷处理提高了非晶涂层的沉积效率,涂层的沉积厚度均大于原始非晶涂层。在摩擦磨损过程中,随着基体硬度的上升,基体及涂层的摩擦系数增大,磨损率降低。与基体相比,铁基非晶合金颗粒有效抑制了磨球的切削作用,原始非晶涂层的摩擦系数减小,磨损率降低;与原始非晶涂层相比,深冷处理非晶涂层更加致密,其摩擦系数曲线更加平稳,磨损率进一步降低。镁合金基体和非晶涂层的磨损机制都为磨粒磨损和氧化磨损;铝合金基体的磨损机制为粘着磨损和疲劳磨损以及氧化磨损,非晶涂层的磨损机制都为磨粒磨损和氧化磨损;碳钢基体和非晶涂层的磨损机制都为疲劳磨损和氧化磨损。
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  Ni含量对Y-Mg-Ni基合金储氢性能的影响

  姚继伟, 季燕全, 雍辉, 王帅, 胡季帆, 张羊换

  功能材料. 2022, 53(9): 9166-9174. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.024

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  采用真空熔炼炉成功制备了标称成分为Y₅Mg_95-xNi_x(x=5,10,15)的合金。合金与氢反应前后的微观结构及成分通过XRD衍射、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和能谱分析进行了表征。并在五次活化处理后,采用Sievert仪对实验合金的等温加氢、脱氢动力学进行了测试。结果表明,Ni的加入细化了晶粒,增加了合金与H₂接触的表面积,同时显著提高合金在低温下的吸氢与脱氢反应速率,元素取代后,合金表面氢解离率提高,Mg-H键减弱,活化能降低,明显改善了储氢动力学,但对合金的储氢热力学并没有太大的影响,对改善合金热力学性能还有待深入研究。
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  冲击加载下氟化锂晶体热导率的第一性原理研究

  杨陈, 王艳, 陈南迪, 余柏树, 曾召益, 刘勋

  功能材料. 2022, 53(9): 9175-9180. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.025

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  氟化锂晶体是冲击波物理中典型的窗口材料,其冲击加载下的热导率一直是研究热点。基于第一性原理晶格动力学方法,获得了Hugoniot物态方程。通过求解声子的玻耳兹曼输运方程,准确计算了100 GPa,2 000 K范围内氟化锂晶体的晶格热导率。结果显示,在计算的压力温度范围内氟化锂晶体结构一直保持稳定;Hugoniot物态方程与实验数据吻合。最后预测的氟化锂晶体沿Hugoniot线的晶格热导率将为冲击波温度测量提供重要的参考数据。
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  氟盐反应温度、超声波对Al-5Ti-1B晶粒细化剂第二相及细化性能的影响

  郭路, 刘志鸿, 左孝青, 黎平, 周芸, 闫敬明

  功能材料. 2022, 53(9): 9181-9188. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.026

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  采用氟盐反应法制备了Al-5Ti-1B细化剂,对氟盐反应温度及超声波对Al-Ti-B细化剂第二相及细化性能的影响进行了研究,结果表明:在760 ℃~820 ℃范围内,随温度升高,氟盐反应常数k增大,Ti、B元素收得率提高,第二相TiAl₃与TiB₂的平均尺寸减小,反应温度800 ℃时分别为15及3 μm,反应温度超过800 ℃后,氟盐反应自由能变化提高,第二相数量减少、尺寸增大。超声波的声流效应使铝熔体形成环流,可使氟盐反应更充分、第二相含量提高;同时,超声波的空化效应使第二相弥散化,并将TiAl₃及TiB₂的平均尺寸分别细化至10及1.23 μm。在反应温度800 ℃、超声波3 min的条件下,得到具有最佳细化效果的Al-5Ti-B细化剂,可将工业纯铝的平均晶粒尺寸细化至102 μm,较国产细化剂细化效果提高了15%,接近进口细化剂细化水平。
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  Sn(HPO₄)₂纳米片/Sn锂离子电池负极材料的制备及性能

  于萍, 马美, 李欢, 于滨豪

  功能材料. 2022, 53(9): 9189-9194. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.027

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  随着移动便携式电子设备的更新换代,人们对于锂离子电池性能的提升有了更高的要求,而作为影响其储锂电化学性能的关键因素--负极材料,其最新研究动态已经成为人们广泛关注的热点。通过插层法将α-Sn(HPO₄)₂·H₂O剥离成Sn(HPO₄)₂纳米片(SNS),在保留其层状晶体结构的同时暴露出更多的储锂活性位点,并进一步利用化学镀法将剥离得到的SNS与具有高储锂比容量的金属Sn纳米颗粒进行复合。研究表明,制得的Sn/SNS复合材料具有显著优于SNS的综合储锂电化学性能,其中,Sn/SNS-Ⅲ在0.1 A/g电流密度下的比容量为475.7 mAh/g,在0.2 A/g电流密度下经过500次循环后比容量为449.5 mAh/g,在5 A/g电流密度下经过1000次循环后容量保持率仍为63.49%。这主要归因于均匀分布在SNS表面的Sn纳米颗粒(~10 nm)能够提供额外的储锂位点,同时SNS对Sn纳米颗粒的有效支撑能够抑制其团聚并缓解其在充放电过程中的体积膨胀,因此,Sn/SNS复合材料表现出高的储锂容量和良好的循环稳定性。
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  高延性水泥基复合材料弯曲性能的率效应

  刘明辉, 余志辉, 张聪

  功能材料. 2022, 53(9): 9195-9200. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.028

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  探究了不同加载速率(0.1、1、10和50 mm/min)、不同PVA纤维掺量(体积分数1.5%、1.75%、2%)以及混杂使用PVA纤维与碳酸钙晶须对高延性水泥基复合材料(High Ductility Cementitious Composites, HDCC)弯曲性能的影响。试验结果表明:随着加载速率的提高,HDCC的抗弯强度呈上升趋势,但试件的能量吸收能力下降,弯曲韧性降低。PVA纤维对HDCC的抗弯性能起控制作用,在相同加载速率下,HDCC的抗弯性能随PVA掺量的降低而劣化。相比于单掺1.75%或1.5%PVA纤维,混杂使用碳酸钙晶须提高了HDCC在不同加载速率下的抗弯强度、弯曲韧性和能量吸收能力。而相比于单掺2%PVA纤维,在不同加载速率下混杂使用1.75%PVA纤维和1%碳酸钙晶须并没有引起HDCC弯曲性能明显的劣化,但降低了HDCC成本,提高了性价比。
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  高稳定性超疏水水泥基材料涂层制备及性能研究

  孔祥清, 杜昊然, 殷胜光, 章文姣, 申宜丹, 付莹

  功能材料. 2022, 53(9): 9201-9208. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.029

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  通过改性铜网复刻和SiO₂相结合共同作用构建水泥基材料微纳米粗糙表面,并采用十八胺接枝腐殖酸作为低表面能物质修饰该表面制备出高稳定性超疏水水泥基材料涂层。研究了涂层中掺入不同浓度SiO₂及改性铜网复刻对其疏水性能的影响,并测定出SiO₂掺入最佳浓度。此外,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱仪(FT-IR)等对水泥基材料表面形貌结构及键合情况进行了表征,同时对超疏水水泥基材料的吸水性和涂层稳定性进行综合评估。结果表明,当SiO₂浓度为2.5% 时,采用浸渍法处理改性铜网复刻过的水泥基材料表面接触角达到峰值158.6°,滚动角低至5.5°;吸水量下降73.5%。此后,经过反复30次胶带剥离表面测试以及刀刮测试涂层仍保持超疏水状态(接触角为150.2°,滚动角为8.2°),证实了该方法处理的涂层表面具有超疏水性以及良好的稳定性。
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  粉煤灰/不同骨料对纤维自密实再生混凝土力学性能影响

  王晋浩, 郑传磊, 金宝宏, 赵亚娣, 李淑翔, 李新正, 杨保明, 候玉飞

  功能材料. 2022, 53(9): 9209-9218. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.030

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  基于正交试验对比16组C30纤维自密实再生混凝土,研究聚乙烯醇纤维(PVA)、钢渣石、粉煤灰和包浆再生骨料对纤维自密实再生混凝土力学性能的影响。结果表明:粉煤灰对抗压强度、劈拉强度和弯折强度影响都显著,最大分别提升了34.4%、21.6%和16.9%;PVA对劈拉强度有一定影响,最高提升了9.1%;钢渣石和包浆再生骨料对3种强度都不显著,钢渣石对劈拉和弯折强度显著性高于包浆再生骨料,对于抗压强度则反之;采用功效系数法对4种因素进行综合评分,得到最优配合比为:1%(体积分数)的PVA,10%(质量分数)的钢渣石,30%的粉煤灰和50%的包浆再生骨料;引入其他学者的研究结果,对力学试验数据进行非线性回归分析,验证新换算关系式相关性良好。对包浆工艺的工业化生产提出建议。
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  铜合金表面微弧氧化膜的制备及其耐蚀绝缘性能研究

  彭振军, 徐惠, 罗兰, 梁军

  功能材料. 2022, 53(9): 9219-9225. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.031

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  采用铝酸盐电解液体系在铜合金表面成功制备了微弧氧化膜,并考察了其腐蚀防护与绝缘性能。通过扫描电子显微镜(SEM),X射线能量色散谱仪(EDS),X射线衍射仪(XRD)表征了氧化膜的微观形貌及结构组成。利用电动位极化曲线、电化学阻抗谱及盐雾试验箱综合评价了氧化膜的腐蚀防护性能。通过耐压测试仪测试了氧化膜在交流和直流模式下的电压与漏电流关系曲线。结果表明,铜合金表面微弧氧化膜生长以向外生长的化合物沉积为主,呈现明显的边缘效应,并随氧化电压的升高,铜合金基体参与氧化成膜的程度越高,氧化膜的厚度也越大,其腐蚀电流密度相较于铜基材降低了3个数量级,中性盐雾测试732 h后无明显腐蚀产物,在直流和交流模式下的耐击穿电压分别提升至750 V和600 V,说明铜合金微弧氧化膜在高电压下具有较快的生长速度和优异的耐腐蚀与绝缘性能。
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  碳添加以及退火处理对Fe₈₄Si₂P₃B_10.5-xC_xCu_0.5(x=0、0.5、1、1.5、2、2.5)非晶合金非晶形成能力和软磁性能的影响

  万媛, 张聪, 唐一川, 梁晓晗, 黄靖骞, 唐成颖

  功能材料. 2022, 53(9): 9226-9230. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.032

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  在不损坏软磁特性的前提下增强非晶形态形成能力,并研究生产新型Fe₈₄Si₂P₃B_10.5-xC_xCu_0.5(x=0、0.5、1、1.5、2、2.5)软磁合金。研究Fe₈₄Si₂P₃B_10.5-xC_xCu_0.5软磁合金的热稳定性以及磁性能,结果分析显示,随着C含量的增加,合金的非晶态形成能力逐渐增强,饱和磁感应强度(Bs)明显提升,软磁特性也有了明显提高。在x=1.5时,Fe₈₄Si₂P₃B_10.5-xC_xCu_0.5性能最佳,Bs为1.75 T,矫顽力为2.1 A/m。在653 K温度下等温退火300 s后,随着α-Fe相的析出,整个合金体系的Bs增加,从1.48 T-1.75 T增加到1.64 T-1.83 T。在773 K等温退火300 S后,Bs从1.48 T~1.75 T增加到1.67 T~1.80 T。晶化处理后,Fe-(B,P)硬磁相析出,Hc也有所升高。
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  高性能环氧树脂透水混凝土的制备及其性能研究

  李争, 李宏亮, 孙晋明

  功能材料. 2022, 53(9): 9231-9236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.033

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  以不同质量分数(0,1%,2%,3%)的水性环氧树脂为改性剂,制备了高性能环氧树脂透水混凝土,研究了环氧树脂掺杂量对透水混凝土力学性能、透水性能、抗冻性能和微观形貌的影响。结果表明,适量的环氧树脂掺入透水混凝土后,可以增加骨料与砂浆之间的粘度,并提高其结合强度,从而提高了改性透水混凝的力学性能、透水性能和抗冻性能;随着环氧树脂掺杂量的增加,改性透水混凝土的抗压强度和抗折强度先增大后减小,透水系数和质量损失率先减小后轻微增大;当环氧树脂的掺杂量为2%(质量分数)时,28 d的抗压强度和抗折强度达到最大值,分别为13.17和1.26 MPa,透水系数和质量损失率(60次冻融循环下)达到了最小值,分别为4.84 mm/s和 0.3233%;环氧树脂的掺杂提高了透水混凝土的结构致密性,当环氧树脂的掺杂量为2%(质量分数)时,改性透水混凝土的结构致密性最高,微裂纹较少,抗冻性能最佳。