功能材料

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功能材料. 2023, 54(6): 0-0.

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光/葡萄糖双响应的PLGA薄膜的构筑及其抗菌性能研究

杜炳文, 何帅, 廉晓克, 汪子又, 刘昱辰, 邓怡

功能材料. 2023, 54(6): 6001-6010. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.001

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糖尿病作为一种代谢性疾病,其体内的高血糖常会引发血管功能障碍和严重的伤口感染,从而导致糖尿病患者皮肤受损后易引发致病菌感染使其伤口难以愈合。针对该问题,研究以Ag₂S/液态金属复合物及葡萄糖氧化酶(GOx)为基础构建了一种光/葡萄糖双响应的聚乳酸-羟基乙酸共聚物薄膜(PLGA/Ag₂S@LM-GOx),以望能够高效地消灭病原体细菌从而缓解伤口感染情况。XRD、SEM、EDS和BCA蛋白检测分析等表征结果证明了Ag₂S@LM复合物及PLGA/Ag₂S@LM-GOx薄膜的成功制备;PL光谱结果证明了,相比于单一的Ag₂S,在形成Ag₂S@LM复合物后的光激发电子-空穴的分离效率有明显地提升;光热实验结果证明了,PLGA/Ag₂S@LM-GOx在NIR光的照射下能够将光能转化为热能;随后,光动力/化学动力学相关表征证明了PLGA/Ag₂S@LM-GOx在光激发和葡萄糖环境中能够产生活性氧(ROS),实现光/葡萄糖双响应的协同效应,具有对细菌造成氧化应激损伤的潜力。抗菌实验表明,PLGA/Ag₂S@LM-GOx薄膜在富含葡萄糖和NIR光激发的条件下下,能够高效地消灭金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus,S. aureus)和大肠杆菌(Escherichia coli,E. coli),证明了该种材料具有在光/葡萄糖双响应的协同杀菌能力。提供的方案不仅为治疗糖尿病患者伤口感染问题提供了一种新的方法和实验支撑,同时为新型薄膜材料的设计提供了一种新的思路。

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空心玻璃微球储氢研究进展

罗渊, 刘强, 王源鑫, 廖斌, 严开祺, 张敬杰

功能材料. 2023, 54(6): 6011-6020. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.002

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随着化石燃料的不断使用,CO₂的排放量显著上升,从而严重影响了当今生态环境,为了减少CO₂的排放,利用新能源代替化石燃料迫在眉睫。氢能源具有高热值、CO₂零排放的优点,是化石燃料的良好替代品,但是其密度小、沸点低导致其储存难度大,从而限制了其大规模应用。现阶段氢能源采用高压储氢罐进行储存,存在储氢容量低、运输成本高以及氢脆现象等缺点。新型储氢材料和技术的开发是氢能源大规模商业应用的关键。空心玻璃微球(Hollow Glass Microspheres, HGMs)作为一种中空小尺寸耐压材料,具有良好的稳定性、储氢容量大、成本低、无氢脆等优点,在储氢方面有着巨大的潜力。对空心玻璃微球储氢的进展进行综述,介绍空心玻璃微球储氢机理、影响因素等,并进一步重点介绍了氢气释放速率以及响应时间的研究。

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南极磷虾甲壳素纳米晶须的制备与应用

徐龙, 刘云, 吴志强, 姜国良

功能材料. 2023, 54(6): 6021-6027. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.003

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利用南极磷虾壳制备甲壳素,然后采用TEMPO氧化法将其制备成甲壳素纳米晶须,将不同添加量的甲壳素纳米晶须加入壳聚糖/鱼胶基体中,制备壳聚糖/鱼胶/甲壳素纳米晶须复合膜材料。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FTIR)对甲壳素纳米晶须进行分析;通过SEM、光透射率、 XRD、热重分析(TG)对复合膜材料进行检测;通过小鼠皮下埋植实验对复合膜材料的降解性进行测试。研究结果表明,利用南极磷虾壳所制备的甲壳素纳米晶须呈针状或纤维状,平均直径为17 nm;甲壳素纳米晶须能够均匀分散在复合膜材料中,当甲壳素纳米晶须的添加量为7%时,复合膜的拉伸强度达到最大为18.37 MPa,相比于壳聚糖/鱼胶膜提高了160%,这说明纳米晶须添加到复合膜中能显著提高其机械强度。小鼠皮下降解实验表明,添加纳米晶须的复合膜降解速度变慢,第九周时,添加7%纳米晶须的膜材料降解率为66.2%。

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基于DFT的液氧相容改性环氧树脂的化学特性研究

唐蓝天, 徐浩, 严佳, 高畅, 李娟子, 武湛君

功能材料. 2023, 54(6): 6028-6033. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.004

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通过化学改性的方式在环氧树脂里面引入磷元素可以有效提高其液氧相容性,但这同时也会改变环氧树脂的化学特性,而关于化学特性的变化还有待研究。由于实验研究难以表征相关化学特性,采用密度泛函理论(DFT)对10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(ODOPB)改性环氧树脂分子的化学特性做了深入研究。为了分析在环氧树脂分子上枝接ODOPB官能团对其化学特性的影响,同时还研究了未改性环氧树脂分子的相关特性并进行对比。研究结果发现,ODOPB改性后环氧树脂分子主链上的键解离能和拉普拉斯键级都有所增加,分子表面静电势和平均局部离子化能的最大值有所降低,表明枝接ODOPB可以提高环氧树脂的热稳定性,并有助于提高其液氧相容性。研究为从分子层面研究ODOPB改性环氧树脂的液氧相容机理提供了理论基础。

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生物炭改性在催化应用上的研究

汪杰, 刘建国

功能材料. 2023, 54(6): 6034-6042. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.005

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生物炭是从生物质中热解得到的一种中性富碳材料。它不仅是一种环境友好的吸附降解改良手段,还给碳捕获和碳储存提供了一种可行思路。重点介绍了生物炭的几种常用的改性方法,总结了其在有机无机污染物去除,多相催化,光催化和微生物燃料电池电极等方面的催化应用以及作用机制,提出了生物炭及其改性材料在催化挑战和实践中的困难,展望了未来的研究方向。

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三维MXene复合材料在微波吸收方面的研究进展

孙晨枫, 丁国新, 张敬程, 柏杨, 刘军, 胡跃祥

功能材料. 2023, 54(6): 6043-6055. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.006

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电子设备工作时会产生电磁波,当其强度超过一定范围时,就会造成电磁污染,对人们的健康和一些精密仪器造成一定的危害。为了消除电磁污染,吸波材料的研究就愈发重要。近些年,二维纳米材料家族中的MXene材料由于具有出色的分层结构、丰富的官能团和优良的导电性能,在微波吸收方面表现了巨大潜力。因此从MXene的制备和微波吸收机制入手,着重介绍了3D MXene复合材料的构建方法与它在微波吸收方向的最新进展,对未来MXene复合材料在微波吸收领域的发展趋势作出展望。

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高电子迁移催化材料制备方法研究进展

亓占丰, 高瑞, 王珍, 郭秀丽

功能材料. 2023, 54(6): 6056-6065. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.007

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通过提升材料的电子迁移率,可以提高材料的导电率,加速催化过程中氧化还原反应的进程,极大地提高催化活性。因此,高电子迁移催化材料的制备已经成为当前研究的热点。尽管诸多研究都认识到了催化材料电子迁移率提升对于催化性能的重要性,但是目前研究的系统性仍然不足,尤其是对固体表面催化领域电子迁移率如何影响材料催化性能的内在机理缺乏统一认识。亟待揭示电子迁移率与催化材料之间的构效关系,实现催化材料的可控制备。综述系统总结了高电子迁移催化材料的不同制备方法、化学物理机理、特性分析、面临的挑战,并对未来的发展方向进行了展望。重点阐述了材料的元素特性、导电特性和空间特性对高电子迁移催化材料制备的影响和限制。

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超疏水混凝土的制备及应用于防腐防冰领域的研究进展

崔琳晶, 陈德鹏, 吕忠, 项腾飞

功能材料. 2023, 54(6): 6066-6079. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.008

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混凝土是民用基础设施中应用最广泛的建筑材料,但由于其亲水多孔的表面结构促进了水的渗透和腐蚀性离子的侵蚀,使混凝土受到冻融破坏、膨胀和剥蚀等,进而导致混凝土结构安全性及耐久性严重下降。超疏水表面具有良好的拒水性并且可应用于混凝土,涂层或整体超疏水混凝土在过去十年中受到了相当大的关注,在防腐防冰领域也具有较好的应用价值。在此背景上,本文首先简要总结了混凝土具体情况下的基本润湿性模型。其次,回顾了已有的构建超疏水混凝土的先进策略,主要分为表面疏水改性和整体疏水改性,并总结了两种不同策略的优缺点。当混凝土处于寒冷和海洋环境等极端环境时,超疏水改性是否提升混凝土防腐防冰性能显得尤为重要,因此讨论了超疏水改性对混凝土防腐防冰性能性能的影响。此外,对超疏水改性技术用于混凝土防腐、防冰的理论基础进行了简述。最后,指出了超疏水混凝土目前制造和应用中的挑战以及解决这些问题的潜在解决方案。

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纤维素基膜材料的应用研究进展

李江琴, 姚凯利, 胡天丁, 陕绍云, 把明芳

功能材料. 2023, 54(6): 6080-6087. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.009

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纤维素具有可再生、可降解、环保和无污染等特点。以纤维素为原料,制备得到的纤维素基膜材料,具有优良的分离,吸附,导电,磁性和刺激响应等性能,被广泛应用于分离,导电,包装,吸附等研究领域。因此,主要综述了纤维素材料在分离膜、导电膜、包装膜以及吸附膜领域的应用研究进展,并对其未来的发展趋势进行了展望。

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新型水凝胶止血材料的研究进展

龚佳俊, 宋慧, 李佩炫, 王建南

功能材料. 2023, 54(6): 6088-6094. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.010

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伤口的快速止血和愈合对于治疗意外事故出血具有重要意义。水凝胶作为一类极为亲水的多维网络结构凝胶,以其出色的流变性、粘附性和可注射性在止血材料方面极具应用优势,尤其在不规则创面和较深层伤口处有着其它形态材料不可替代的止血效果。天然多糖聚合物、蛋白质及合成类高分子聚合物等水凝胶因具备高吸水性、生物相容性、血细胞黏附性或激活凝血因子等功能在止血材料领域的应用受到广泛的关注,同时取得了较大的研究进展。对近年来各种水凝胶止血材料的制备和最新的应用研究成果进行全面综述,并对水凝胶止血材料的发展前景进行展望。

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基于离子凝胶电解质的高稳定锌离子电池

江楠, 王宝俊, 侯成义, 张青红, 李耀刚, 秦宗益, 李克睿, 王宏志

功能材料. 2023, 54(6): 6095-6102. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.011

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锌离子电池因其安全性高和成本低而备受关注,然而严重的锌枝晶生长损害了电池性能的稳定性。在此,提出了将离子液体加入到聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(PVDF-HFP)基体中制备离子凝胶电解质,离子液体的阳离子能吸附在锌尖端形成屏蔽层达到使Zn²⁺均匀沉积的目的。选用了咪唑类离子液体1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐(EMIM(OTf))、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐(BMIM(OTf))和1-己基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐(HMIM(OTf)),探究其阳离子侧链长度对锌枝晶生长的抑制效果。实验证明,由阳离子侧链长度适中的BMIM(OTf)制备出的离子凝胶电解质不仅具有1.87 mS/cm的高离子电导率,还能有效抑制锌枝晶生长,实现了2 500 h锌金属负极的长循环稳定性,99.30%的高库伦效率,以及200次循环后全电池83.9%的容量保持率。该工作展示了离子液体凝胶聚合物电解质在高性能的锌离子电池领域的潜在应用价值。

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F43m-XP(X=B/Al/Ga/In)的电子结构和力学性质的理论研究

冯佳玉, 师小波, 李世娜

功能材料. 2023, 54(6): 6103-6110. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.012

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基于密度泛函理论(DFT)对第ⅢA族二元磷化物F43m-XP(X=B/Al/Ga/In)的电子结构和弹性力学特性进行模拟,探究原子半径的大小对其的影响。弛豫后F43m-XP(X=B/Al/Ga/In)的结构参数与实验数据相符。半导体材料F43m-XP(X=B/Al/Ga/In)的单晶独立弹性常数C_ij由能量与应变(E-S)和应力与应变(S-S)两种方法。材料的多晶弹性模量表明在0 GPa下,F43m-XP(X=B/Ga)为脆性共价化合物,而F43m-XP(X=Al/In)为韧性离子化合物。各向异性因子和不同方向上的弹性模量(E)、剪切模量(G)、线性压缩系数(β)及泊松比(σ)展示了材料的各向异性程度,F43m-InP相对于F43m-XP(X=B/Al/Ga)的各向异性较强。此外,F43m-XP(X=B/Al/Ga/In)的德拜温度和声速会随着原子半径的增大而减小。

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Cu₂O/CeO₂异质结的制备与光电化学性能研究

胡栋, 黄鹏达, 赵庆江, 李天保, 许并社

功能材料. 2023, 54(6): 6111-6120. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.013

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通过电化学法在铜片表面生长Cu(OH)₂纳米线阵列,在氮气氛围下将其进行退火处理得到Cu₂O纳米线阵列,然后采用电沉积法在电极上沉积Cu₂O阻挡层和CeO₂,制备得到Cu₂O/CeO₂异质结光阴极材料。利于扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)和X-射线光电子能谱(XPS)对材料的形貌和化学成分等进行表征,紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、线性扫描伏安法(LSV)和莫特肖特基曲线(M-S)等测试对其光电化学性能进行分析。实验数据结果表明,在0 V、RHE(可逆氢电极)下,Cu₂O/CeO₂光阴极的光电流密度达到-6.55 mA/cm²,相比仅Cu₂O的光电流密度(-3.67 mA/cm²)提升了1.78倍。随后,通过ALD(原子层沉积)制备TiO₂作为保护层,负载Pt作为析氢反应(HER)的助催化剂。最终Cu₂O/CeO₂/TiO₂/Pt光阴极的光电流密度达到-10.9 mA/cm²(0 V vs.RHE),应用偏压光子-电流效率(ABPE)达2.02%。实验的研究成果对Cu₂O基光阴极材料在光电化学水分解领域的广泛应用具有重要意义。

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PAN基碳纤维复合混凝土的制备及氯离子渗透性的影响

魏景, 张航

功能材料. 2023, 54(6): 6121-6127. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.014

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以聚丙烯腈(PAN)基碳纤维为无机填料,制备了PAN基碳纤维复合混凝土,研究了PAN基碳纤维掺量对混凝土力学性能、耐磨性能、抗冻性能等的影响。结果表明,PAN基碳纤维的添加加速了水化反应的进行,减少了混凝土结构中的孔隙数量,提高了混凝土的密实度。复合混凝土的抗压强度和抗折强度随PAN基碳纤维掺杂量的增大而先增大后减小,养护28 d,当PAN基碳纤维的掺杂量为0.8%(质量分数)时,抗压强度和抗折强度达到最大值,分别为50.73和5.58 MPa,这是由于PAN基碳纤维的添加使砂浆与集料之间的结合强度增加所致。养护28 d,当PAN基碳纤维的掺杂量为0.8%(质量分数)时,复合混凝土的单位面积磨损量最小为0.95 kg/m²,单位面积磨损量降低率最大为55.81%,冻融循环100次时质量损失率最低为1.14%,相对动弹性模量最高达95.03%,复合混凝土的氯离子扩散系数最低为8.1×10^-8 cm/s,具有优异的抗冻性能和抗氯离子侵蚀能力。

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Ni MOF对RE-Mg基储氢合金动力学性能的影响

于硕, 雍辉, 刘宝胜, 姚继伟, 徐先流, 张羊换

功能材料. 2023, 54(6): 6128-6133. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.015

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通过化学方法制备了一种高比表面和多孔的Ni MOF,并通过X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM)以及Sievert等体积方法系统地研究了不同含量的Ni MOF对Mg₉₀Ce₅Y₅合金储氢动力学的催化作用。结果表明,Ni MOF的添加大幅提高了Mg₉₀Ce₅Y₅的球磨效率,颗粒减小至其一半以下。此外,有效改善了合金的吸放氢动力学,降低合金的吸放氢活化能。当添加3%(质量分数)Ni MOF时,在3 MPa,473 K下吸氢量达到最大值的90 %仅需2 min;573 K下完全放氢仅需30 min,是Mg₉₀Ce₅Y₅放氢速度的10倍,活化能减小至69.1 kJ/mol。然而,随着添加含量的增多,会降低复合材料的最大储氢容量。

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改性三水醋酸钠的储能特性及温差发电研究

陈启阳, 盛鑫鑫, 徐政凯, 陈颖

功能材料. 2023, 54(6): 6134-6140. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.016

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三水醋酸钠(sodium acetate trihydrate, SAT)是一种可用太阳能光热转换和热能储热的固液相变材料。然而其过冷度的存在导致储存的潜热无法及时释放利用。采用十二水磷酸氢二钠(disodium hydrogen phosphate dodecahydrate, DSP)作为分子成核剂,当DSP的添加量为3%时,SAT的过冷度被降低至0.4 ℃,对应的相变焓值和热导率分别为226.08 J/g和0.63 W/(m·K)。将高太阳能吸收率的碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)与SAT/DSP蓄热单元结合后得到了具有太阳能光热转换和热能储存SAT/DSP/CNTs的装置,实现了太阳能温差发电。研究为三水醋酸钠在太阳能利用方面提供了一种可行和有效的方法。

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保温时间对ZnO压敏陶瓷电学性能的影响

朱桥, 曹文斌

功能材料. 2023, 54(6): 6141-6145. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.017

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采用固相烧结法制备了ZnO-Pr₆O₁₁-Co₂O₃-Cr₂O₃-Er₂O₃-SiO₂压敏陶瓷,并研究了保温时间对ZnO压敏陶瓷的物相、微观形貌、压敏特性和阻抗特性等的影响。结果表明:随着保温时间变长,平均晶粒尺寸逐渐增大。保温3 h的ZnO压敏陶瓷综合性能最好,非线性系数和晶界势垒高度均达到最大,分别为16.9和0.37 eV,击穿场强和晶界电阻率分别为384.3 V/mm和17 400 MΩ·cm,且漏电流最小,为1 μA。同时,晶界处带负电的Zn_1.9SiO₄相的存在对晶粒间双肖特基势垒的形成有重要影响。

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PAN/MXene复合纤维电极制备及性能研究

成丽媛, 代国亮, 屈芸, 王刚, 郭羽晴, 孙洁

功能材料. 2023, 54(6): 6146-6154. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.018

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采用单片层MXene与聚丙烯腈粉末(PAN)为原料制备纺丝液,经过湿法纺丝成型、高温碳化制备出PAN/MXene复合纤维电极;分析考察了MXene含量对纤维电极微观结构以及力学、电学、电化学等性能的影响规律。结果表明,当MXene含量为25%(质量分数)时,纤维电极的综合性能最佳,强度、电导率以及比电容可达到13.24 MPa、696.37 S/m和112.13 F/g,1 000次循环后电容保持率为95.83%。

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建筑节能用玻纤复合材料的制备及其性能研究

张新影, 王雪, 崔彦, 王冠明

功能材料. 2023, 54(6): 6155-6160. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.019

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选择以环氧树脂E51为基体,玻璃纤维为增强相,间苯二胺为固化剂,玻璃纤维掺杂量为环氧树脂和固化剂总质量的0,5%,10%,15%和20%,制备出了玻纤复合材料。研究了不同玻璃纤维掺杂量对玻纤复合材料微观形貌、孔径分布、力学性能及导热性能的影响。结果表明,掺入适量的玻璃纤维后提高了环氧树脂各部分与纤维之间的结合强度,从而改善了玻纤复合材料的致密性,减小了平均孔径、孔体积和孔隙。当玻璃纤维的掺杂量为15%(质量分数)时,玻纤复合材料的孔洞和缺陷数量最少,结合强度和致密性最佳,孔体积最小为0.95 cm³/g,平均孔径最小为26.3 nm,孔隙率最低为0.93%。随着玻璃纤维掺杂量的增加,玻纤复合材料的抗拉强度、断裂延伸率和抗折强度均先增高后降低,导热系数先降低后增大。当玻璃纤维的掺杂量为15%(质量分数)时,抗拉强度、断裂延伸率和抗折强度均达到最大值,分别为45.10 MPa,1.61%和39.60 MPa;导热系数最低为0.021 W/(m·K),保温性能最佳,在建筑节能材料的开发与应用方面具有广阔的前景。

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新型Cu²⁺比色探针RCAIM的制备与性能研究

沈思平, 徐培培, 张可振, 光善仪, 徐洪耀

功能材料. 2023, 54(6): 6161-6166. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.020

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以罗丹明B酰肼为荧光团,利用三聚氯氰和异佛尔酮为原料修饰荧光团,设计制备出了一种功能性有机小分子比色探针(RCAIM),该探针在乙醇与水溶液(v/v=95∶5)中能够特异性地识别Cu²⁺,与Cu²⁺结合形成配合物之后,溶液颜色从黄色变成红色。实验结果显示,将Cu²⁺加入探针溶液后,探针RCAIM与Cu²⁺以1∶2的方式形成配合物,配合物在吸收峰波长为555 nm处呈现出特异性较高的吸收,同时研究也证实探针RCAIM对Cu²⁺检测具有良好的专一选择性以及抗干扰能力;探针RCAIM对Cu²⁺的检出限为0.9×10^-6 mol/L,表明其具有高灵敏性。同时该探针也能应用于湖水和自来水水样中Cu²⁺的检测,检测结果灵敏度高,准确性强。并将该探针制备成便携试纸条,结果表明其能裸眼快速识别检测Cu²⁺。

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微波烧结温度对ZrO₂陶瓷复合材料微观结构及增韧机理研究

李杨, 卢红巧, 周灵, 欧阳丽君, 付莹欣, 王柏力

功能材料. 2023, 54(6): 6167-6171. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.021

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ZrO₂陶瓷具有高强度和高韧性的特点,在口腔修复材料方面具有广泛应用。以8%(摩尔分数)Y₂O₃为稳定剂,Al₂O₃为添加相,制备了ZrO₂陶瓷复合材料,研究了1 300~1 450 ℃微波烧结温度对ZrO₂陶瓷复合材料微观组织和力学性能的影响。结果表明,微波烧结制备出的ZrO₂陶瓷复合材料均为四方相结构,高温烧结后未出现新的产物,1 400 ℃烧结陶瓷的半峰宽最小,结晶度最高,且气孔数量最少,组织最为致密。随着微波烧结温度的升高,ZrO₂陶瓷复合材料的密度和硬度均先增大后减小,当微波烧结温度为1 400 ℃时,试样的密度和硬度均达到最大值,分别为5.46 g/cm³和14.15 GPa。抗弯强度和断裂韧性随微波烧结温度的增大先升高后降低,当微波烧结温度为1 400 ℃时,试样的抗弯强度和断裂韧性均达到最大值,分别为566.95 MPa和11.85 MPa·m^1/2。综合分析可知,1 400 ℃烧结的ZrO₂陶瓷复合材料具有较高的抗开裂的能力,在口腔修复材料方面有着广阔的应用前景。

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退火和时效工艺对富镍Ti-Ni形状记忆合金显微组织和相变行为的影响

贺志荣, 王芳

功能材料. 2023, 54(6): 6172-6178. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.022

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为了给富镍Ti-Ni形状记忆合金热处理工艺的优化提供依据,以Ti-50.8Ni合金丝为对象,用光学显微镜、透射电子显微镜和示差扫描量热仪研究了退火和时效工艺对富镍Ti-Ni合金显微组织、相变类型、相变温度和相变热滞的影响规律。Ti-50.8Ni合金丝经350~800 ℃+5~120 min退火处理后,随退火温度和时间增加,合金发生回复、再结晶和晶粒长大过程,再结晶温度在600 ℃左右,显微组织形态由纤维状向等轴状变化;冷却/加热相变类型由B2→R→B19′/B19′→R→B2型向B2→R→B19′/B19′→B2型向B2→B19′/B19′→B2型转变(B2-母相,CsCl型结构;R-R相,菱方结构;B19′-马氏体相,单斜结构);R相变温度θ_R先升后降,极大值35.2 ℃在400 ℃退火态合金中取得;马氏体(M)相变温度θ_M升高,M相变热滞Δθ_M降低,R相变热滞Δθ_R约为4 ℃。该合金经300~500 ℃+0.5~50 h 时效处理后,随时效温度和时间增加,合金中Ti₃Ni₄析出物形貌由细小颗粒状→针状→粗片状变化;300 ℃和500 ℃时效态合金的相变类型分别为B2→R→B19′/B19′→R→B2和B2→R→B19′/B19′→B2,400 ℃时效态合金的相变类型由B2→R→B19′/B19′→R→B2型向B2→R→B19′/B19′→B2型转变;θ_R300、θ_R400、θ_R500、θ_M300和θ_M500升高;θ_M400先降后升,极小值-121.4 ℃在400 ℃+1 h时效态合金中取得;Δθ_M300和Δθ_M400先升后降,极大值70.5 ℃和129.4 ℃分别在300 ℃+5 h和400 ℃+1 h时效态合金中取得;Δθ_M500降低,Δθ_R300和Δθ_R400约为4 ℃。

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钨面对等离子体材料表面喷丸强化性能分析

种法力, 廖凯

功能材料. 2023, 54(6): 6179-6183. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.023

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核聚变面对等离子体材料表面损伤、失效是其服役寿命的主要影响因素,利用喷丸技术增强钨面对等离子体材料表面性能。以纯钨为被喷丸强化材料,选择0.5 mm不锈钢丸料,在0.4 MPa喷丸压力、100 mm喷丸距离的喷丸参数下,研究不同喷丸时间(30,60,120,240 s)对钨材料表面增强效果,主要包括微观组织形貌和粗糙度、表面硬度及其分布、表面残余应力等。结果显示喷丸对钨表面造成损伤,喷丸弹坑直径约20 μm;表面粗糙度较原试样有所提高,但增加幅度不明显,不影响钨作为面对等离子体材料的性能;钨表面硬度从原试样的362HV_0.2提升到480HV_0.2,提升幅度达31%,硬化区厚度约40~50 μm;表面残余压应力提高到800 MPa,是原试样的5.9倍。喷丸技术能有效增强钨面对等离子材料的表面强度,提高钨疲劳性能,延长服役寿命。

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Al掺杂KIT-6材料的合成及其亚甲基蓝吸附性能

朱泽伟, 任丹, 崔静磊, 郭彦霞

功能材料. 2023, 54(6): 6184-6193. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.024

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KIT-6是典型的三维有序介孔氧化硅材料,在催化和吸附等领域具有广泛的用途。通过掺杂骨架Al赋予KIT-6材料酸性位,能显著提升Al-KIT-6材料的吸附性能;然而以无机硅源和铝源可控合成Al-KIT-6是难点。利用粉煤灰基硅酸钠溶液,通过pH值控制水热法诱导Al原子进入KIT-6材料的硅骨架,直接合成了一系列Al-KIT-6材料。通过N₂-物理吸附、XRD、TEM、Al核磁共振、XPS和NH₃-TPD表征了Al-KIT-6的织构性质;结果显示合成的Al-KIT-6保留了有序介孔结构;Al主要掺杂进入KIT-6材料骨架中,显著提升了KIT-6的酸量和强度。碱性亚甲基蓝分子的吸附实验表明,Al-KIT-6吸附材料的吸附容量随着Al掺入量的增加而变大。吸附动力学实验显示Al-KIT-6材料对亚甲基蓝的吸附过程符合拟二级动力学,吸附等温线模型拟合结果显示吸附过程符合Langmuir吸附模型。

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化学序对NiCoCr中熵合金力学性能影响的分子动力学模拟

郝士凯, 梁凯, 康恒, 潘少鹏, 牛晓峰, 乔珺威, 宋凯凯, 王伟民, 秦敬玉

功能材料. 2023, 54(6): 6194-6200. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.025

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采用蒙特卡洛和分子动力学模拟(MD)方法研究化学序(CSRO)对NiCoCr中熵合金(MEA)力学性能的影响规律。基于信息熵提出了一个描述化学序的参数S,其值越小体系的化学序越强。模拟结果表明体系平均原子体积和势能随着S减小而减小,且体系结构更加稳定。接着,对NiCoCr中熵合金进行压缩模拟,模型的屈服强度随着S的减小呈现增加趋势。进一步数据分析发现,Cr原子以及具有多配位Cr原子的中心原子更容易变形,而具有多配位Ni或Co原子的中心原子则倾向于更难变形。由此可知,通过改变化学序和Cr原子的含量能提升NiCoCr高熵合金的力学性能,此结果为实验制备具有更优异性能的高熵合金提供了有价值的参考。

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类铠甲化超疏水金属表面的简易制备及其性能

邓仲前, 潘梦瑶, 谌阳, 王德辉, 邓旭

功能材料. 2023, 54(6): 6201-6207. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.026

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通过在铝板表面喷砂以构建铠甲化的金属表面,并喷涂超疏水SiO₂和聚氨酯的混合液赋予铠甲化表面超疏水性能,制备出类铠甲化超疏水金属表面(armor-like superhydrophobic metal surface,ASMS)。利用SEM和接触角测量仪对ASMS的微观结构和浸润性进行了表征。同时,对ASMS的机械稳定性和化学稳定性进行了评估,并展示了其自清洁性能。结果表明,ASMS具有高达164°的静态水接触角和2°的滚动角。随后,分别在平均3.67 N外力往复摩擦磨损循环80次、胶带撕拉剥离循环100次、水流冲击50次等机械稳定性测试后,ASMS均能维持超疏水性能。同时,分别在强酸(pH=2)、强碱(pH=12)中浸泡72 h、紫外辐照(1.2 W/m²)72 h、200 ℃下保温2 h等化学稳定性测试后,ASMS也能维持超疏水性能。ASMS表面制备简单、成本低廉、易批量制备,在大规模生产超疏水金属材料领域有广泛的潜在应用。

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高热导率相变微胶囊的制备及性能

张广平, 李远红, 陈俊豪, 肖博, 莫松平, 贾莉斯, 陈颖

功能材料. 2023, 54(6): 6208-6214. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.027

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为提高相变微胶囊的热导率,以次磷酸钠为还原剂在盐酸多巴胺活化聚脲聚氨酯外壳相变微胶囊上进行化学镀铜。利用场发射扫描电子显微镜(SEM)观察微胶囊的形貌,通过X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对微胶囊进行晶体结构和元素表征。结果表明,在盐酸多巴胺浓度为6 g/L时,微胶囊表面镀铜的量随着CuSO₄·5H₂O溶液浓度的增加而增加。通过升温-降温循环试验证明了镀铜微胶囊的热循环稳定性,经过200次升温-降温循环后,熔融焓值仅下降4.97 J/g。通过Hot Disk热常数分析仪测量微胶囊的热导率,证明对微胶囊表面镀铜可提高其热导率,相比没有镀铜的微胶囊,在盐酸多巴胺浓度为6 g/L、CuSO₄·5H₂O溶液为40 g/L时制备的镀铜微胶囊的热导率提高了40.14%。将镀铜微胶囊应用于锂电池的热管理中,实验结果表明,在2C充电速率下充满电池,采用高热导率微胶囊热管理的锂电池表面温度降低了13.5 ℃。

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含金属Mg相的Mg₂(Sn,Si)薄膜的微观结构与热电性能

冉丽阳, 宋贵宏, 陈雨, 杨爽, 胡方, 吴玉胜, 尤俊华

功能材料. 2023, 54(6): 6215-6223. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.028

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利用高真空磁控溅射设备,采用Mg-Sn-Si合金靶材和纯Mg靶进行顺序沉积,在表面含有500 nm厚氧化硅的单晶Si(100)衬底上制备了不同Mg含量的Mg-Sn-Si薄膜。沉积Mg-Sn-Si薄膜的相组成、化学成分、表面和横截面形貌和热电性能被系统的测量、观察和分析。结果表明,制备的Mg-Sn-Si薄膜由Mg₂(Sn,Si)固溶体和金属Mg相组成。随着金属Mg相含量的增多,沉积薄膜载流子浓度升高,迁移率降低。沉积薄膜的电导率随着金属Mg相含量的增多而增大,而Seebeck系数降低。沉积薄膜的金属Mg相含量增加,虽然电导率增加,但因Seebeck系数急剧下降,最终导致功率因子下降。在所研究的金属Mg含量范围内,Mg₂(Sn,Si)固溶体薄膜含有部分金属Mg相,对提高复合薄膜的功率因子是不利的。

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基于太阳能电池用稀土掺杂量子点材料的制备及光电性能研究

潘婧, 苏丽君, 杜丽勇, 关欣, 张光华, Samira Agbolaghi

功能材料. 2023, 54(6): 6224-6229. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.029

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基于水热法和旋涂法制备了不同Eu掺杂浓度(0,0.05,0.10和0.15 mol/L)的ZnO量子点,在Eu掺杂ZnO量子点的基础上制备了光阳极薄膜,并以此为光阳极制备出量子点敏化太阳能电池。研究了Eu掺杂浓度对ZnO薄膜微观形貌、晶体结构、光谱性能及电池光电性能的影响。结果表明,水热法制备出的Eu掺杂ZnO纳米棒属于六方纤锌矿结构,Eu的掺杂未生成新的产物,但细化了ZnO纳米棒阵列的直径,直径分布为45~60 nm,高度约为1.2 μm,ZnO纳米棒的取向性和均匀性得到了改善。Eu掺杂后缩小了ZnO的禁带宽度,降低了ZnO的光致发光强度,提高了电子对的分离能力。当Eu掺杂浓度为0.10 mol/L时,ZnO的禁带宽度最小为3.09,且光致发光强度最低。Eu的掺杂改善了基于ZnO为对电极组装的量子点敏化太阳能电池的光电性能,当Eu掺杂浓度为0.10 mol/L时,光电转换效率最高可达4.03%,对电极的电荷传递阻抗最低为1.38 Ω,对应对电极的交换电流密度最大为9.92 mA/cm²,光电性能最佳。

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铁尾矿砂绿色混凝土的制备与性能研究

李致远, 陈峰

功能材料. 2023, 54(6): 6230-6236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.030

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以C40废弃混凝土为再生骨料,制备出了不同铁尾矿砂取代率的绿色混凝土,研究了铁尾矿砂的比例对绿色混凝土力学性能、微观形貌、耐久性的影响。结果表明,铁尾矿砂具有潜在火山灰活性,添加到混凝土中后没有生成新的水化产物,但促进了水泥熟料的消耗,加速了水化产物的生成,使过渡区形貌和水化产物的致密度得到改善,且提高了C-S-H凝胶的分布均匀性。随着铁尾矿砂取代率的增大,绿色混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度均表现出先增大后降低的趋势,当铁尾矿砂的取代率为60%时,绿色混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度达到最大值,分别为43.10,5.52和3.66 MPa。养护龄期28 d,当铁尾矿砂的取代率为60%时,绿色混凝土的碳化深度最低为5.2 mm,氯离子扩散系数最低为1.18×10^-8 cm²/s,收缩率最低为-0.207%,具有优异的耐久性。综合分析可知,铁尾矿砂取代率的最佳比例为60%。

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2023年, 第54卷, 第6期　刊出日期：2023-06-30

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