2023年, 第54卷, 第3期　刊出日期：2023-03-30

  

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  本期中英文目录、封面

  功能材料. 2023, 54(3): 0-0.

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热点·关注 (2022年度重庆市出版专项资金资助项目)
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  人工软骨支架材料、结构设计与制备技术研究进展

  刘天, 王臻, 储彬, 陈昌盛, 赵小文, 邢璐, 左佳盛, 王松, 刘伟强

  功能材料. 2023, 54(3): 3001-3011. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.001

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  骨软骨是一种半透明状组织,主要功能是传递、吸收应力和减少摩擦。由于结构和功能复杂性,软骨一旦受损很难修复和再生,软骨缺损治疗仍是一大临床难题。随着再生医学蓬勃发展,组织工程人工软骨技术有望在软骨修复和治疗领域发挥重要作用。首先介绍了天然关节软骨不同分层的解剖结构和功能特征,然后重点从人工软骨支架构建材料、结构设计和制备技术等方面系统地综述了人工软骨组织工程技术的最新进展,最后讨论了人工软骨支架当前面临主要问题和未来发展方向,以期为相关研究提供参考。
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  淀粉胶材料的应用及性能研究

  陈磊, 王子青, 刘胜东, 黄万君, 赵莉, 闵永刚, 刘屹东

  功能材料. 2023, 54(3): 3012-3018. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.002

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  随着国内限塑令的发布,可降解塑料成为当前研究热点。应用广泛的可降解塑料如PLA、PBAT等塑料母料制成包装袋成本较高,不能良好适应现有市场规则。对PBS塑料进行发泡处理,利用TPU和淀粉使其粘附于纸质材料上,制备出一种新型可降解包装袋。此新型可降解包装袋单面回弹力最高可达到153 N、45天相对降解率达52.6%,环保无毒,是一种推广可降解塑料的良好选择。
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  CaF₂:Yb³⁺/Er³⁺/X(X= Li⁺, Na⁺, K⁺)近红外二区发光性能研究

  卢照, 魏慧欣, 翟春鹏

  功能材料. 2023, 54(3): 3019-3023. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.003

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  利用热分解法制备了CaF₂:Yb³⁺/Er³⁺纳米颗粒,通过改变Yb³⁺和Er³⁺的掺杂浓度对其近红外二区(NIR-II)发光性能进行调节,研究结果表明,当Yb³⁺掺杂浓度为20%,Er³⁺掺杂浓度为2%时,在980 nm光源激发下,NIR-II发光性能最强,且纳米颗粒分散性良好,尺寸均匀。然后,进一步研究了不同的碱金属离子(Li⁺、Na⁺、K⁺)共掺杂对其NIR-II发光性能的影响,研究结果表明,Li⁺掺杂因不利于纳米颗粒成核导致NIR-II发光性能降低,Na⁺和K⁺掺杂均有利于NIR-II发光性能提升。相比而言,K⁺离子半径更大,更有利于破坏晶体场的局部对称性,因此,在K⁺共掺杂的情况下NIR-II发光性能最强。
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  燃料电池空压机箔片气体轴承涂层摩擦学性能研究

  张帅帅, 王晓力, 胡燕强, 李志浩, 王晨飞

  功能材料. 2023, 54(3): 3024-3028. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.004

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  为了降低燃料电池空压机箔片气体轴承启停阶段的磨损,需在顶箔表面制备自润滑软涂层,但现有的聚四氟乙烯(PTFE)基或环氧树脂基软涂层仍存在摩擦系数较大或磨损率较高的问题。为此,在镍基高温合金箔片上制备聚酰亚胺(PI)基固体润滑涂层,研究涂层厚度、MoS₂纳米粒子掺杂含量和温度对涂层摩擦学性能的影响,并与商用PTFE涂层进行对比。结果表明,随着PI涂层厚度增加,其摩擦系数呈现先基本不变后增大的规律,且存在使摩擦系数最低的最佳涂层厚度。随着MoS₂纳米粒子掺杂含量增大,PI复合涂层摩擦系数和磨损率均呈现先减小后增大的规律,当掺杂含量为2.5%时,PI复合涂层摩擦系数低至0.173,磨损率低至9.14×10^-6 mm³/(Nm)。随着温度增加,PI复合涂层摩擦系数和磨损率呈现先减小后增大的规律,其摩擦系数在0.081~0.173范围,磨损率在3.77×10^-6~9.14×10^-6 mm³/(Nm)范围,相较于商用PTFE涂层,PI复合涂层摩擦系数最大降低幅度为43.4%,而磨损率更是降低了近两个数量级。
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  FeCoNiMnY高熵薄膜的软磁性能及噪声抑制特性

  邬园园, 朱颖丽, 李享成, 陈平安, 朱伯铨

  功能材料. 2023, 54(3): 3029-3033. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.005

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  采用电化学沉积法制备了FeCoNiMnY高熵薄膜,利用XRD、VSM和VNA等测试手段对其性能进行表征,并研究了不同Y元素浓度对高熵薄膜晶体结构、软磁性能和噪声抑制特性的影响。结果表明,Y的添加一方面粗化了晶粒尺寸,增加了合金矫顽力(从12.09 kA/m增加至21.7 kA/m);另一方面,元素Y的添加引起的晶格畸变提高了高熵薄膜的电阻率(高达336 μΩ·mm)。FeCoNiMnY高熵薄膜的最大功率损耗比在6.1 GHz处可达到0.84。上述结果表明,FeCoNiMnY噪声抑制片在千兆赫频率下的抗电磁干扰应用中具有很大的潜力。
综述·进展
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  Co₃O₄/碳复合超级电容器材料的研究进展

  胡文全, 吴文龙, 李想, 王晓亮, 孟超, 王鸣, 杨绍斌, 王学雷

  功能材料. 2023, 54(3): 3034-3041. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.006

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  Co₃O₄作为超级电容器材料,因具有理论比容量高、价格成本低、无毒环保、储量丰富等优点而备受关注,但制备出电化学性能优异的Co₃O₄超级电容器材料仍是个巨大的挑战。通过与导电性突出的碳材料复合,增加了电子/离子的传输速度,提高了Co₃O₄超级电容器材料电化学性能。综述了Co₃O₄/碳复合超级电容器材料的合成方法,归纳了各个方法的优缺点,分析了影响Co₃O₄/碳复合超级电容器电化学性能的因素,最后,指出了Co₃O₄/碳复合超级电极材料所面临的问题和发展前景。
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  用于自组装三维石墨烯的交联剂的研究进展

  雷雪, 刘宁, 毕辉, 冯鹤, 张志军, 万冬云

  功能材料. 2023, 54(3): 3042-3051. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.007

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  三维石墨烯不仅保持了二维石墨烯的优良特性,还具有密度低、孔隙率高、比表面积大等优点。但是随着石墨烯基复合材料的不断开发,迫切需要在三维石墨烯结构的基础上注入新型的功能成分,以实现不同领域的应用。交联剂的使用使宏观的三维石墨烯具有特殊的结构和优异的性能,以及多样化的应用前景。从交联机理、交联剂的种类以及交联剂对三维石墨烯性能的影响这三个主要方面综述了用于制备三维石墨烯复合材料的交联剂的研究进展。最后,总结了交联剂所面临的问题并对交联剂的未来发展方向进行了展望,期望能为研究人员探索新型交联剂提供参考作用。
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  四吡咯基有机多孔材料的制备及在电池中性能研究进展

  李春花, 郝昕萌, 商虹

  功能材料. 2023, 54(3): 3052-3059. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.008

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  基于四吡咯化合物的有机多孔材料,具有可调的孔隙度、可修饰骨架、均匀的活性位点等优点。由于其电子结构可控优势,四吡咯基有机多孔材料在各种电化学储能器件的电子/离子存储和传输方面的性能引起了广泛关注。对四吡咯基有机多孔材料的分类及其制备方法进行了总结,并对其在提升电池电化学性能方面的应用进行了综述。
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  生物质发泡材料研究进展

  袁文彬, 曹明, 杜官本, 周晓剑

  功能材料. 2023, 54(3): 3060-3070. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.009

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  我国农林生物质资源丰富,但利用率低,造成了极大地浪费。随着石化资源日渐枯竭,生物质材料越加成为人们关注的对象,各种生物质替代品被逐步发掘研究,越来越多的绿色环保泡沫材料因其质轻、性优而被广泛使用。主要介绍了以生物质材料(淀粉、木质素、纤维素、植物油、单宁)代替不可再生的石油资源制备发泡材料,总结了各类泡沫的主要发泡机理、研究进展和潜在应用领域。
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  4D打印刺激响应形状记忆智能材料的研究现状与展望

  祁忻, 李昊, 陈文刚, 张伟, 高朋, 王远

  功能材料. 2023, 54(3): 3071-3078. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.010

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  4D打印技术是一种可变特性快速成型技术,主要以 3D 打印为基础,使用智能材料对所需物体进行增材制造,成型固件可在外界环境的刺激下,就其形状、结构或功能发生时间维度上的改变。该技术被提出以来,便受到广大学者的关注。随着对4D打印技术研究的不断深入,该技术在学科交叉融合中发挥着显著优势。首先对4D打印中的形状记忆智能材料的研究现状进行综述,其次阐述了基于形状记忆智能材料的4D打印技术在医疗,仿生,军事以及生活产品制造领域的应用研究,最后展望了4D打印形状记忆智能材料在未来发展中的潜在应用及挑战。
研究·开发
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  Sr、Nb掺杂(Bi_0.5Na_0.5)_0.94Ba_0.06TiO₃陶瓷的介电性能研究

  卢荣华, 纪红芬, 麻仙蕾, 潘子岳, 阳志强, 庞利霞

  功能材料. 2023, 54(3): 3079-3086. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.011

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  采用固相反应法制备Sr、Nb掺杂BNBT无铅压电陶瓷,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和介电谱仪表征了样品的晶体结构,表面形貌及介电性能,研究了陶瓷的相结构,微观形貌和介电响应。结果表明,BNBT陶瓷为单一的钙钛矿结构,而BNBT-3SN、BNBT-3SN-3Sr和BNBT-3SN-1Nb陶瓷除了主相钙钛矿结构,存在少量第二相。形貌结构显示出样品相对比较致密,晶粒尺寸分布均匀。SrNb₂O₆的引入使介电峰T_s向低温方向移动,增强弛豫相变程度从而提高了陶瓷基体的介电温度稳定性,BNBT-3SN陶瓷在40～406 ℃内表现出良好的温度稳定性。通过阻抗图谱分析可知,所有样品主要为晶界传导机制。而且研究表明Sr、Nb掺杂可通过对BNBT-3SN陶瓷氧空位浓度的作用,实现对电导率的调控。随着Sr²⁺的增加,样品的氧空位浓度增加,电导率增大;而Nb⁵⁺的增加,填充了氧空位导致氧空位浓度减小促使电导率降低。
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  模板法制备非晶态CoFe(OH)_x的电催化材料的研究

  周治宇, 陈俊雪, 李义兵, 蒋学先

  功能材料. 2023, 54(3): 3087-3091. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.012

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  开发具有高效、持久活性析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)的过渡金属电催化剂对于清洁制氢生产有重要意义。利用模板法制备非晶态的二元金属氢氧化合物CoFe(OH)_x。利用X射线粉末衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、激光拉曼共聚焦显微镜拉曼光谱仪(Raman)对催化剂的相结构和微观形貌等进行表征,标准三电极的电化学系统在饱和N₂气氛的1 mol/L KOH碱性溶液中,考察催化剂在析氧反应中催化性能。得益于非晶态结构存在大量缺陷和反应活性位点以及金属间的协同作用,通过电化学测试CoFe(OH)_x/65在电流密度在10 mA/cm²下,过电位为288 mV;此外,其稳定运行14 h内无明显削弱,表现出良好的OER稳定性。
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  GR@Ni复合电极的制备及电化学性能研究

  晏生龙, 乔志军, 张志佳, 于镇洋, 苟金龙, 王文强, 庞志恒

  功能材料. 2023, 54(3): 3092-3098. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.013

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  采用非溶剂致相分离法(NIPS)、高温烧结和化学气相沉积法(CVD)相结合的方法制备了石墨烯/多孔镍复合电极(3DPNGNs),明确了烧结温度和C₂H₂气流量对电极性能的影响。镍膜生坯经850 ℃烧结后,C₂H₂气流量为2 mL/min时,催化生长出石墨烯能均匀包覆在多孔镍膜上。结果表明,3DPNGNs作为钠离子电池负极材料展现了良好的电化学性能,在100 mA/g的电流密度下,循环100次后可逆比容量可达260 mA/g,循环500次后,其比容量保持率仍可达84％。当电流密度增大到1 A/g时,循环500次,比容量可达150 mA/g。
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  立方Mg₃P₂弹性性质的理论计算研究

  秦祯鑫, 师小波, 李世娜

  功能材料. 2023, 54(3): 3099-3105. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.014

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  在密度泛函理论(DFT)的基础上,通过第一性原理计算方法在理论上研究了磷化镁(Mg₃P₂)立方Ia3相的弹性性质。运用应变能-应变(E-S)和应力-应变(S-S)两种计算方法获得了立方Ia3Mg₃P₂的单晶独立弹性常数和弹性柔顺常数。S-S方法与文献值吻合更好,在此方法的基础上获得了其多晶弹性模量,如弹性模量E、剪切模量G等,还获得了B/G、泊松比、各向异性因子等一系列物理参数。表明立方Ia3Mg₃P₂是处于力学稳定状态,同时反映出其具有韧性的特点。表示弹性性质对晶体方向依赖性的杨氏模量及线性压缩系数等的三维曲面图像直观反映出立方Ia3Mg₃P₂的各向异性程度较弱与各向异性因子反映出的信息一致。此外,计算了Ia3Mg₃P₂的德拜温度及不同方向上的声速,结果给出Ia3Mg₃P₂原子间作用力弱,且在零温零压下,纵波沿[111]方向传播最快,横波沿[110]方向最慢。
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  TDA-HDA/膨胀石墨复合相变材料的制备及性能研究

  张万鑫, 孙志高

  功能材料. 2023, 54(3): 3106-3112. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.015

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  脂肪胺作为有机相变材料有着相变焓高、无毒低腐蚀、化学性质稳定等特点,在建筑围护结构的中低温相变储能领域有着广泛的应用前景。利用高导热率的膨胀石墨作为多孔介质,吸附十四胺-十六胺二元共晶相变材料制备了复合相变材料,膨胀石墨质量分数分别为5%、10%、15%和20%,定型后的密度分别为600,700,800和900 kg/m³。采用扫描电镜、DSC、步冷曲线、导热系数测定仪和TG测试仪等对十四胺-十六胺/膨胀石墨复合相变材料的性能进行表征。实验结果表明膨胀石墨质量分数为10%时能完全吸附十四胺-十六胺二元相变材料,融化和凝固温度分别为27.48和21.86 ℃,相变焓为226.7 W/g,约为十四胺-十六胺相变焓(249 W/g)的90%,导热率可提高到十四胺-十六胺的373%～500%。当密度达到800 kg/m³以后,导热率随密度变化幅度减小。热循环实验表明十四胺-十六胺/膨胀石墨复合相变材料的热稳定性良好。红外光谱测试结果表明二元相变材料与膨胀石墨为物理结合,不存在化学反应;TG测试结果显示在常温范围内,相变材料的存在稳定,适用于建筑围护结构的温度范围。
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  不锈钢纤维毡负载二硫化钼的制备及性能研究

  甘淑萍, 王义安, 林华, 肖玲, 杨佩汶

  功能材料. 2023, 54(3): 3113-3122. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.016

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  采用水热合成法在不锈钢纤维毡(SSFF)上负载二硫化钼(MoS₂)以形成SSFF-MoS₂。探究(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O的浓度、钼硫原子比、反应时间和反应温度对SSFF-MoS₂电化学性能的影响,并通过扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线谱仪(EDS)、全自动比表面及孔隙度分析仪(BET)、傅立叶红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射谱仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)进行物理表征,以揭示SSFF-CK与在最佳条件下制备的SSFF-MoS₂之间的差异。结果表明,在(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O浓度为0.005 mol/L、钼硫原子比为1∶4、反应时间为24 h和反应温度为180 ℃下制备的SSFF-MoS₂,具有更强的电流响应、更低的内阻以及更高的交换电流密度。物理表征结果表明MoS₂成功负载于SSFF表面,并在最佳条件下制备的SSFF-MoS₂复合材料的比表面积是SSFF-CK的2.14倍。研究有望将SSFF-MoS₂作为微生物燃料电池(MFC)的阴极材料以提高MFC的阴极性能。
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  针状镍线自修复聚氨酯的制备及性能研究

  蒋日家, 郑翔宇, 周兴

  功能材料. 2023, 54(3): 3123-3127. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.017

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  通过水热法制备了针状镍线,采用XRD和SEM研究了其内部结构和微观形貌。结果表明,样品主要成分为镍,镍线直径为1.16 μm,每根镍线由200 nm的针状纳米镍组成。然后,以镍线为导电填料和增强材料掺杂到自修复聚氨酯中,研究了微纳米针状镍线改性自修复聚氨酯的力学性能,自修复性能和导电性能。结果表明,掺入镍线的自修复聚氨酯的力学性能提升了52%,自修复效率达到78%,电阻率缩减到4 Ω·mm。综合分析可知,镍线的掺入不仅增强了自修复聚氨酯机械性能,还提高了自修复聚氨酯的导电性。
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  CoFeB纳米带中自旋波驱动横向畴壁移动动力学研究

  纪越, 王旭, 张德林, 姜勇

  功能材料. 2023, 54(3): 3128-3133. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.018

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  CoFeB具有较大的饱和磁化强度和较低的阻尼系数,适合制备可控畴壁移动器件。通过微磁模拟,探究CoFeB纳米带中自旋波与横向畴壁间的动力学相互作用。模拟结果表明畴壁移动的速度和方向不仅受到自旋波频率的影响,而且和外加磁场强度、纳米带宽度等参数密切相关。当自旋波频率较低时畴壁难以被驱动,随着自旋波频率的升高,畴壁开始移动且移动方向与自旋波的传播方向相反。随着外加磁场强度的增大,畴壁反向移动速度先增大后减小,直至变为正向移动。当自旋波频率高于7 GHz时,畴壁的移动方向与自旋波的传播方向相同,并且畴壁速度随自旋波频率的变化呈现多峰结构,最大速度为384 m/s。畴壁正向移动时,其速度随外加磁场强度的增加逐渐变大。当纳米带的宽度增加时,畴壁有效场的不均匀性和质量都会增大,使畴壁移动的最大速度先增大后减小。使用CoFeB纳米带可以有效提高畴壁的移动速度,并且外加磁场强度与纳米带宽度对畴壁速度有显著的影响,为优化器件性能提供了新思路。
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  基于Weibull分布的不同冻融介质下再生骨料透水混凝土耐久性能研究

  乔宏霞, 苏睿, 李琼, 孙鑫

  功能材料. 2023, 54(3): 3134-3142. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.019

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  为探究不同环境下再生骨料透水混凝土(RPC)耐久性变化规律,以3种再生骨料替代率(0、30%、50%)和4种冻融介质(H₂O、3.5%NaCl、5%Na₂SO₄、3.5%NaCl+5% Na₂SO₄)为变量进行冻融试验。定期测定RPC质量损失率和相对抗压强度损失率,对RPC取样并进行扫描电镜(SEM)分析,以冻融试验下RPC相对抗压强度损失率为依据,利用Weibull函数对RPC进行寿命预测。结果表明,同一环境下,RPC质量损失率和相对抗压强度损失率随着再生骨料替代率的增加而增加;同一再生骨料替代率下,3.5%NaCl、5%Na₂SO₄、3.5%NaCl+5% Na₂SO₄均加速RPC冻融破坏,3.5%NaCl+5% Na₂SO₄对RPC质量损失率和相对抗压强度损失率影响最严重。由SEM分析可知RPC内部孔隙和侵蚀产物数量均因循环次数和冻融介质的变化呈现明显的差异性,NaCl和Na₂SO₄对RPC侵蚀破坏起着相互促进的作用。由寿命预测结果可知,H₂O中RPC-0可靠度退化持续时间最长,即预测寿命最长,为4 675 h左右,3.5%NaCl+5%Na₂SO₄溶液中RPC-50可靠度退化持续啥时间最短,为2 200 h左右,表明NaCl和Na₂SO₄对RPC侵蚀作用较为严重。
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  铁尾矿砂再生混凝土的力学及耐久性能研究

  陶亚平 , 赖天文

  功能材料. 2023, 54(3): 3143-3148. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.020

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  以C30混凝土为再生粗骨料,采用铁尾矿砂取代天然河砂,制备出不同铁尾矿砂取代率(0,25%,50%,75%和100%(质量分数))的再生混凝土。研究了不同铁尾矿砂取代率对再生混凝土力学性能、微观形貌、耐久性能的影响。结果表明,随着铁尾矿砂取代率的增加,再生混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度均表现出先增高后降低的趋势,50%(质量分数)铁尾矿砂取代率的再生混凝土力学性能最佳;掺入适量的铁尾矿砂能够填充再生混凝土骨料之间的裂缝和孔隙,提高再生混凝土的结构致密性,改善混凝土的微观结构;50%(质量分数)铁尾矿砂取代率的再生混凝土在碳化处理28 d后的碳化深度最低为4.1 mm,抗碳化性能最优;冻融循环80次后,50%(质量分数)铁尾矿砂取代率的再生混凝土的相对动弹性模量最大为94.53%,质量损失率最低为-0.11%,抗冻性能最佳。综合可知,当铁尾矿砂的取代率为50%(质量分数)时,可以有效改善再生混凝土的力学性能、微观形貌和耐久性能。
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  MoS₂/Mo_xN异质结构的制备及其电催化析氢性能研究

  黄誓成, 郝炜倩, 黄作, 张芮嘉, 张倍维, 周钰龙

  功能材料. 2023, 54(3): 3149-3155. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.021

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  二硫化钼纳米片(MoS₂)是一种有望取代贵金属材料、非常有前景的电催化析氢材料。MoS₂不足在于导电性较差,析氢反应(HER)能垒较高。为了克服这一缺点,我们引入制备简单、导电性良好的Mo₂N作为基体。通过水热法,将MoS₂纳米片均匀生长在Mo₂N颗粒表面,一方面增加了材料导电性,另一方面MoS₂与Mo₂N形成MoS₂/Mo_xN异质结构有效增强水分子的解吸,从而提高HER性能。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、电化学工作站对MoS₂/Mo_xN进行结构、形貌以及性能的表征。实验结果表明,MoS₂纳米片均匀生长在Mo₂N颗粒表面,形成异质结构,水热12 h所得材料性能最佳。以MoS₂/Mo_xN作为工作电极,碳棒与Ag/AgCl电极分别作为对电极和参比电极,进行HER测试。在-10 mA/cm²下过电位仅为248 mV,Tafel斜率为93.5 mV/dec,稳定性良好。
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  CaCl₂·6H₂O/膨胀石墨复合相变材料的制备及研究

  胡明玉, 吴琼, 胡佳乐, 李东旭

  功能材料. 2023, 54(3): 3156-3161. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.022

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  以CaCl₂·6H₂O为相变材料、膨胀石墨(EG)为载体,采用多孔基质吸附法制备CaCl₂·6H₂O/EG复合相变材料。通过试验研究材料的性能和组成结构。结果表明EG对CaCl₂·6H₂O负载率可达90%,CaCl₂·6H₂O/EG的相变温度和相变潜热分别为29.78 ℃和128.43 J/g。EG的微孔隙表面对CaCl₂·6H₂O的约束作用,可提高热循环过程中CaCl₂·6H₂O结构的稳定,维持其相变温度和相变潜热的基本稳定。小室试验表明,采用CaCl₂·6H₂O/EG材料隔墙的试验小室可有效降低小室的最高温度,大大延缓小室达到最高温度的时间,减缓小室温度波动。因此,CaCl₂·6H₂O/EG复合相变材料对建筑节能具有重要意义。
工艺·技术
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  稀土Y元素掺杂对PrBaCo₂O_5+δ陶瓷热电性能影响

  王娇, 王菲菲, 郝好山, 王远, 刘少辉

  功能材料. 2023, 54(3): 3162-3166. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.023

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  利用传统陶瓷烧结工艺制备出不同浓度稀土Y元素掺杂PrBaCo₂O_5+δ氧化物热电陶瓷,采用XRD和热电材料性能测试系统等设备研究了稀土Y元素掺杂对PrBaCo₂O₅氧化物热电陶瓷晶体结构、热电性能的影响。测试结果表明:Pr_1-xY_xBaCo₂O_5+δ热电陶瓷均为双层钙钛矿结构,没有形成新的杂相;在测试温度范围内,Pr_1-xY_xBaCo₂O_5+δ (x=0,0.25,0.5,0.75)热电陶瓷的Seebeck系数均为正值,表明该材料导电载流子为以空穴,为 p 型半导体;稀土Y元素掺杂可以明显提高Pr_1-xY_xBaCo₂O_5+δ热电陶瓷的电导率,与电导率相反,稀土元素Y掺杂的导致Pr_1-xY_xBaCo₂O_5+δ热电陶瓷的Seebeck系数降低;Pr_0.25Y_0.75BaCo₂O_5+δ热电陶瓷在1 073 K有最大的功率因子79.4μW/(m·K²)。
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  基于改性碳纳米管的有机硅导热复合材料的制备及其性能

  吴志军, 周小松, 刘灿群

  功能材料. 2023, 54(3): 3167-3173. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.024

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  通过3,4-二氟苯基双环己基乙烯(ECFB)液晶对碳纳米管(MWCNTs)进行功能化改性,并将ECFB-MWCNTs作为有机硅树脂的填料制备得到有机硅纳米复合材料。采用紫外-可见分光光度计(UV-Vis)、差示扫描量热仪(DSC)、X-射线衍射仪(XRD)等多种表征方法,完整揭示了ECFB与MWCNTs之间的非共价键作用,采用扫描电子显微镜(SEM)、导热系数仪等对样品进行性能表征。结果表明ECFB液晶有利于改善MWCNTs在有机硅复合材料中的分散性,提高与有机硅基体之间的界面作用,进而有效提高有机硅纳米复合材料的导热性能。当碳纳米管质量分数为11%时,ECFB-MWCNTs/有机硅复合材料的导热系数为0.8101 W/(m·K),是纯有机硅橡胶的5.3倍,是相同比例的MWCNTs/有机硅材料的2.3倍,这也说明通过液晶对碳纳米管进行修饰改性在纳米复合导热材料中具有广阔的应用前景。
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  建筑用聚酯玻纤复合材料的制备与性能分析

  孙亚颇

  功能材料. 2023, 54(3): 3174-3178. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.025

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  选择不饱和聚酯树脂为基体材料,以玻璃纤维为增强相,采用模压成型工艺制备了不同玻璃纤维掺杂量(0,5%,10%,15%和20%(质量分数))的聚酯玻纤复合材料,分析了玻璃纤维含量对复合材料的微观形貌、热稳定性、拉伸性能和弯曲性能的影响。结果表明,聚酯玻纤复合材料中玻璃纤维和不饱和聚酯主要以物理作用为主,适量的玻璃纤维掺杂后能与聚酯基材紧密结合,分布具有方向性。随着玻璃纤维掺杂量的增大,聚酯玻纤复合材料的分解温度先增大后减小,且耐热性能提高,当玻璃纤维的掺杂量为15%(质量分数)时,复合材料的T_50%达到最大值368.47 ℃。力学性能测试表明,随玻璃纤维掺杂量的增大,复合材料的拉伸强度和冲击强度先增大后减小,断裂延伸率和弯曲强度持续降低,当玻璃纤维的掺杂量为15%(质量分数)时,复合材料的力学性能最优,拉伸强度最大为26.1 MPa,断裂延伸率为2.6%,冲击强度达到最大值8.1 MPa,弯曲强度为30.5 MPa。
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  (La_0.88Yb_0.10Ho_0.02)₂W₂O₉荧光粉的上转换发光及双模式荧光测温

  龚长帅, 薛绪岩, 冯晓雯, 王建通, 王渤文, 王雪娇

  功能材料. 2023, 54(3): 3179-3186. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.026

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  采用共沉淀法制备了Yb-Ho共掺的La₂W₂O₉纳米晶。采用X射线衍射(XRD),场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和荧光光谱(PL/PLE)对前驱体及产物进行表征。系统地研究了样品包括功率/温度依赖发射光谱、潜在上转换发光机制、主发射的衰减动力学、发光颜色等上转换发光特性及荧光测温性能。结果表明在不同功率980 nm光源激发下,(La_0.88Yb_0.1Ho_0.02)₂W₂O₉荧光粉在654 nm出现最强发射峰,对应于Ho³⁺离子的⁵F₅→⁵I₈跃迁。在298-548 K温度范围内的上转换发光性能研究表明所得荧光粉可通过荧光强度比模式(FIR)和荧光寿命模式(FL)实现双模式荧光测温。在980 nm光源激发下,所得荧光粉可基于Ho³⁺的最强发射峰⁵F₅→⁵I₈(654 nm)与(⁵F₄,⁵S₂)→⁵I₈(544 nm)和(⁵F₄,⁵S₂)→⁵I₇(759 nm)两发射峰的荧光强度比(FIR)进行荧光测温。I₆₅₄/I₇₅₉荧光强度比模式测温最大绝对灵敏度(S_A)及相对灵敏度(S_R)分别为266×10^-4和3266×10^-4 K^-1,I₆₅₄/I₅₄₄荧光强度比模式测温的最大绝对灵敏度(S_A)为81×10^-4,最大相对灵敏度(S_R)为3427×10^-4 K^-1。随着温度的升高,所得荧光粉的发光颜色发生人眼可见的明显变化,从室温的绿色变为高温的橙红色。此外,本工作荧光粉可基于主发射峰的荧光寿命进行测温,在298-548 K范围内主发射峰荧光寿命与温度呈指数减小关系,通过FL模式测温S_A、S_R最大值分别为997×10^-4 K^-1、1184×10^-4 K^-1。
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  单极性脉冲磁控溅射MoS₂涂层制备及性能研究

  但敏, 陈伦江, 贺岩斌, 万俊豪, 张虹, 张珂嘉, 杨莹, 金凡亚

  功能材料. 2023, 54(3): 3187-3193. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.027

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  为满足ITER屏蔽包层中第一壁连接组件的固体润滑要求,采用单极性脉冲磁控溅射方法,在A286镍基合金基体上制备了不同脉冲偏压及不同占空比下MoS₂低摩擦系数涂层。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、原位纳米力学测试系统研究涂层的微观组织、形貌及力学性能受工艺参数的影响规律;利用球-盘式摩擦磨损试验机考察涂层在大气环境下的摩擦学性能。结果表明,随偏压的增加,MoS₂涂层择优取向发生了(002)向(100)转变,又恢复(002)择优取向的过程,晶粒尺寸呈先增大后减小趋势,不同脉冲偏压下,晶粒尺寸随占空比增加呈现不同的趋势;其中S-2样品具有较好的承载性能及弹性恢复能力,弹性模量为63.45 GPa,硬弹比为0.80;接触赫兹应力为1 500 MPa时,该涂层在大气环境下具有最低的平均摩擦系数(0.054)和最低的磨损率[2.11×10^-5 mm³/(Nm],仅为基体的5.49%。
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  碳化硅掺杂改善二元糖醇纳米胶囊的性能

  单少飞, 张广平, 莫松平, 贾莉斯, 陈颖

  功能材料. 2023, 54(3): 3194-3200. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.028

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  甘露醇和肌醇作为具有较高潜热的糖醇相变材料,在中温储热方面具有广阔的应用前景。二元糖醇的相变温度可以通过改变糖醇各组分的比例来调节,因而其应用温度范围与单糖醇相比较宽。糖醇在热循环中存在泄漏、氧化和过冷等问题,对糖醇进行微纳胶囊化和添加成核剂是有效解决措施。采用溶胶-凝胶法制备糖醇胶囊制备了碳化硅掺杂甘露醇和肌醇二元糖醇纳米胶囊,采用差示扫描量热仪、扫描电子显微镜、热重分析仪和热循环试验研究了纳米胶囊的相变特性和热稳定性,探讨了碳化硅的影响。结果表明,纳米胶囊具有较高的相变焓值、包封率和储能效率,热分解温度相比二元糖醇提高了,经过热循环后胶囊的过冷度相对于二元糖醇降低了32.2 ℃。
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  稀土铝酸锶对木基复合材料储热过程的影响及模拟

  王铭婕, 万倩, 何正斌, 伊松林

  功能材料. 2023, 54(3): 3201-3207. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.029

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  蓄热技术(thermal energy storage,TES)可有效改善建筑材料的热性能,用于TES的相变材料具有较高的储热量和良好的生物相容性,但导热系数低,传热效率不高。通过TES技术,以脱木素木材(delignified wood,DW)为载体,聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)为储热材料,稀土铝酸锶(SrO·Al₂O₃:Eu2+,Dy³⁺,SAED)为导热材料制备了不同SAED含量的新型木基复合材料,同时探究了SAED含量对木基复合材料热性能的影响,结合实际工艺建立了其储热过程的传热模型并进行求解。结果表明,40%SAED/PEG/DW的导热系数和升温速率相较于纯PEG/DW分别提高了57.14%和29.76%;建模求解纯PEG/DW,20%、30%和40%SAED/PEG/DW的储热过程,对比实际值和模拟预测值,其标准误差SE分别为1.35、1.92、1.73和1.35 ℃,预测误差PE分别为2.82%、-0.41%、-0.19%和-0.55%,模拟结果与实测结果吻合较好,可有效预测其储热过程的温度变化情况,用于指导实际生产。
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  碳线圈阵列的无催化剂制备与微波吸收性能

  王志俊, 刘兴龙, 吴智清, 曹若昭, 刘浩, 陶锋

  功能材料. 2023, 54(3): 3208-3216. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.030

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  轻质高性能碳基吸波材料的高效低成本制备是一个巨大的挑战。研究以生物质体内的维管束为模板,在无催化剂条件下成功制备了一种新型碳微米线圈阵列吸波剂。这种碳微米线圈阵列由碳微米线圈取向排列而成,包含有大孔通道、螺旋狭缝孔以及表面微孔构成的分级多孔结构。这种独特的多孔阵列结构体现了良好阻抗匹配性,有利于入射电磁波充分进入吸波体内部,增大电耦合和磁耦合作用面积,同时增加电磁波的反射和散射损耗路径,有利于电磁波吸收损耗。碳线圈表面富氧官能团提高了丰富的极化中心,增强了微波吸收的极化损耗。吸波性能结果表明,碳微米线圈阵列是一种轻质、强吸收的微波吸收体,在填料比为10%(质量分数)时,其最大有效吸收带宽(f_e)可达5.5 GHz;而填料比为15%(质量分数)时,最大反射损耗(RL_min)为-45.09 dB。这种维管束基碳线圈阵列的无催化剂制备方法可以在其他生物质中应用。
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  环氧树脂改性水泥混凝土的制备及耐久性实验分析

  梁学杰

  功能材料. 2023, 54(3): 3217-3223. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.031

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  针对水泥混凝土存在的抗折强度不足、耐久性能偏低等问题,以环氧树脂为掺杂相,制备了不同环氧树脂掺量(0%,3%,6%,9%(质量分数))的改性水泥混凝土,分析了环氧树脂对水泥混凝土力学性能、微观形貌、耐久性能的影响。结果表明,环氧树脂的掺杂加速了水化反应的进行,混凝土的裂纹和孔隙数量减少,致密度提高。混凝土的抗压强度和抗折强度均随环氧树脂掺杂量的增大而先增大后减小,6%(质量分数)环氧树脂掺杂量的混凝土在养护28 d时抗压强度和抗折强度分别达到最大值43.8和7.9 MPa,相比未掺杂环氧树脂的混凝土分别提高了18.70%和29.51%。随着环氧树脂掺杂量的增大,混凝土的氯离子扩散系数先降低后增高,6%(质量分数)环氧树脂掺杂量的混凝土养护28 d的氯离子扩散系数最低为7.7×10^-8 cm/s,抗氯离子腐蚀性能最佳。在冻融循环次数达到80次时,6%(质量分数)环氧树脂掺杂量的混凝土的质量损失率最低为-0.13%,相对动弹性模量最大为94.86%,磨损量最低为0.66 kg/m²,磨损量降低率达到46.77%,具有优异的耐久性能。
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  Cr³⁺、In³⁺、Sb³⁺离子掺杂BiVO₄电催化氧化水产过氧化氢

  谢银琼, 夏利鑫, 卢珠菁, 连欣, 郭文龙, 刘玺

  功能材料. 2023, 54(3): 3224-3230. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.032

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  过氧化氢(H₂O₂)作为一种环境友好的化学品被广泛应用于多个领域。相对于传统的蒽醌法,基于双电子水氧化过程电催化制备H₂O₂具备反应过程简单、毒副产物少、可原位合成等优点。采用旋涂法制备掺杂不同浓度、不同种类金属离子(Cr³⁺、In³⁺、Sb³⁺)的钒酸铋(BiVO₄)薄膜,并系统探究其电催化氧化水产H₂O₂性能。实验结果表明,掺杂Cr³⁺可以提高BiVO₄的电流密度,其中3%Cr:BiVO₄在3.08 V vs RHE 偏压下的电流密度约为 29 mA/cm²;掺杂In³⁺和Sb³⁺可以提高BiVO₄对双电子水氧化反应的选择性。
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  磁控溅射制备AlTiCrNiTa/(AlTiCrNiTa)N多层涂层的力学性能及微结构分析

  何恒基, 赵莎, 刘春海, 刘素娟, 易军, 常鸿

  功能材料. 2023, 54(3): 3231-3236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.033

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  利用反应磁控溅射N₂流量灵活可调的特点,在Zr-4基底上,制备了由AlTiCrNiTa高熵合金和(AlTiCrNiTa)N高熵合金氮化物交替调制的多层结构涂层。利用场发射扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、自动划痕法(Automatic Scratch)和纳米压痕(Nanoindentation)等表征与测试手段,对调制周期为2、4、8和20的多层涂层微观形貌、晶体结构、纳米硬度和结合力进行了分析。实验结果表明,多层涂层由非晶态的AlTiCrNiTa和FCC的 (AlTiCrNiTa)N组成,涂层纳米硬度随层数增加而先降后升,调制周期为20时达到52.31 GPa。此外,所有多层涂层与基底的结合强度均大于100 N。