2023年, 第54卷, 第12期　刊出日期：2023-12-30

  

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  本期中英文目录、封面

  功能材料. 2023, 54(12): 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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  相变材料储热在通信基站节能中的应用进展

  雷震霆, 郑凯, 赵汝和, 汤建庭, 孙姣姣, 张栋

  功能材料. 2023, 54(12): 1-11. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.001

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  在当今推动“碳中和”战略目标实现的背景下,用于通信基站节能的功能材料的研发具有重要意义。鉴于相变材料(phase change materials,简写为PCM)在储热方面的独特优势,对PCM的种类和它们各自的优缺点进行了罗列;针对3种不同应用场景的通信基站,全面综述了PCM储热在基站节能中应用的进展;从促进PCM储热在基站节能中普及的角度,介绍了PCM的导热率提升、封装技术、热循环稳定性提升方面的代表性研究成果。将为通信基站节能和PCM储热领域的未来研究方向提供参考。
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  纤维增强ZrO₂泡沫陶瓷的制备及导热性能

  赵海峰, 孙文聪, 周丽, 田文雪, 杨敏, 李春香

  功能材料. 2023, 54(12): 12-17. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.002

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  ZrO₂气凝胶具有比表面积大、吸附能力强、隔热等优异性质,在催化剂载体、气体过滤材料、高效隔热材料、高温构件等领域具有广阔的应用前景。然而,氧化锆气凝胶在高温环境下因晶型转变导致孔结构破坏、骨架结构坍塌而表现出较差的力学性能,使其在实际应用中受限。采用纤维增强方法,在高热稳定氧化锆气凝胶基础上,通过H₂O₂发泡法制备了高强度ZrO₂泡沫陶瓷,并对其进行了制备工艺以及高温热温度性、表观密度、气孔率、抗压强度和导热性能进行测试分析。测试结果表明,气凝胶与纤维增强结合的泡沫陶瓷经5 h、1 400 ℃高温处理后仍然保持四方晶相结构,表现出优良的高温热稳定性。当纤维含量为35%时,氧化锆泡沫陶瓷抗压强度最佳,为 15.3 MPa。当纤维含量为30%、H₂O₂与ZrO₂气凝胶质量比为4∶8时,泡沫陶瓷的表观密度最低,仅为1.104 g·cm^-3,气孔率为81.6%,且分别在室温、1 000 ℃条件下,泡沫陶瓷的导热系数分别为 0.451 和0.712W·K^-1·m^-1。
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  离子液体改性聚酰亚胺石墨膜的制备与性能研究

  赵晓君, 罗旭良, 翁梦蔓, 闵永刚

  功能材料. 2023, 54(12): 18-22. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.003

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  为确保电子设备的正常运行和安全工作,围绕电子元器件热管理的研究近年来热度持续升高,聚酰亚胺(PI)作为基材生产的石墨膜是一种重要的导热材料,且能通过掺杂改性提高石墨膜的导热性能。而相较于固体导热填料,离子液体与聚酰亚胺基体的相容性更好,已常见于气体分离膜、无色聚酰亚胺(CPI)等应用。以4,4′-二氨基苯酰替苯胺(DABA)与3,3′,4,4′-联苯四甲酸二酐(BPDA)作为单体,利用1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(IL)这一具有多个氢键位点的IL对PI薄膜进行改性,而后通过石墨化制备得高导热石墨膜。研究结果表明,IL含量为5.0%(质量分数)时,石墨膜晶粒尺寸为78.417 nm,石墨化程度达88%,导热系数达770 W/m·K,为纯PI基石墨膜的1.53倍。
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  硅纳米线的制备及其生长条件探究

  丁本远, 吴锂, 姚楚君, 李乐群, 刘煜, 吴嘉达, 许宁, 孙剑

  功能材料. 2023, 54(12): 23-28. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.004

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  Si纳米材料自问世以来便受到研究者的重视,其不同于宏观块体材料的特殊性质可使其应用于各个领域。如何制备形貌较好且具有良好光电性能的纳米材料是在纳米材料应用前必须解决的问题。以Ni膜作为催化剂直接在Si衬底上制备了密集的Si纳米线,获得了Si纳米线较强的蓝紫波段的发光,研究了退火温度、退火气氛N₂流速、Si膜厚度等制备条件对Si纳米线形貌、光致发光强度的影响,并讨论了双层膜制备Si纳米线形成和生长机理。实验结果显示,退火温度、N₂流速对Si纳米线的生长起到关键性的作用,N₂流速能够影响Si纳米线的光致发光强度,且较大的N₂流速能够使Si纳米线定向生长。而在Ni膜催化剂上预沉积一层适当厚度的Si膜也有助于Si纳米线的生长,且有效改善了Si纳米线的光致发光强度。
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  BiOBr/ Ti₃C₂ Mxene涂层赋予PEEK植入体声动力抗菌性能研究

  吴自翔, 孙学超, 王茜, 杨至恒, 刘锦隆, 邓怡, 张龙

  功能材料. 2023, 54(12): 29-36. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.005

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  骨缺损问题严重威胁着人们的生命健康。通过植入骨修复材料聚醚醚酮(PEEK)是治疗骨缺损问题的一种有效方法。然而,由于PEEK无抗菌活性而引起的感染制约了其在临床上的广泛应用。故本项目合成具有声动力性能的BiOBr/Ti₃C₂ Mxene(下称BTC),通过1,3-二苯基异苯并呋喃(DPBF)消耗,罗丹明B(RhB)消耗,谷胱甘肽(GSH)消耗等方式检验了其声动力性能,再将其涂敷在磺化PEEK上,组成SP@BTC材料。接着选取大肠杆菌(E.coli)及金黄色葡萄球菌(S.aureus)来分别代表革兰氏阴性菌与革兰氏阳性菌,通过稀释涂布平板、细菌活性氧(ROS)检测、细菌形貌观察等方式以探究材料抗菌性能与机理。最终结果表明,BTC具有优良声动力性能,进而使得SP@BTC具有优良抗菌性能。研究探索了BTC材料在声动力领域的应用,同时为解决PEEK细菌感染问题提供了新思路。
综述·进展
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  木质素基多孔碳材料的制备与改性研究进展

  付学强, 潘虹, 徐丽慧, 胡磊, 王以红, 王盟, 徐琼

  功能材料. 2023, 54(12): 37-44. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.006

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  化石能源的使用导致了环境污染和全球变暖,传统的多孔碳制备方法进一步加剧了这些问题。木质素是最丰富的天然芳香族聚合物,是一种很好的生物质碳源,将其替代传统化工原料制备碳材料,可以大大减少对化石资源的依赖。综述了木质素基多孔炭(LBPC)在制备和改性等方面的最新进展,旨在促进木质素基多孔炭(LBPC)在各个领域的应用。LBPC的广泛应用,能够缓解能源危机,有利于可持续发展。
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  多孔硅制备及在太阳能电池中的应用研究进展

  李浩杨, 任永生, 马文会, 詹曙, 曾毅, 刘国炎, 王正省, 王哲

  功能材料. 2023, 54(12): 45-55. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.007

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  多孔硅是通过对单晶硅片进行电化学腐蚀或适当的化学腐蚀而形成的一种纳米结构半导体材料。多孔硅纳米材料因其巨大的表面积、可调谐的光学性质和良好的相容性,被广泛应用于电子器件、生物传感、化学传感、药物传递、生物芯片等诸多领域。当前研究的挑战主要在于开发更简单高效的多孔硅纳米材料合成方法以及提高其在实际应用中的表现。综述了多孔硅纳米材料的制备方法及其光致发光在太阳能电池领域中的应用。
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  碳化钼基析氢反应电催化剂的制备及改性研究进展

  许邵帅, 崔文静, 白杰, 李春萍, 孙兴伟

  功能材料. 2023, 54(12): 56-67. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.008

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  碳化钼(Mo₂C)因其与铂(Pt)相似的d带电子结构、宽pH适用性、易于合成、低成本等优势,成为一种很有前途的电催化剂。然而,纯Mo₂C存在导电性差、界面反应动力学慢、Mo-H结合能太强等缺陷。近年来,许多研究报道了改性Mo₂C基催化剂来提升其电催化析氢性能,基于此,综述了Mo₂C常用的制备工艺以及提高Mo₂C析氢性能的各种不同改性策略,深入分析了不同改性方式对Mo₂C析氢性能提高的内在原因。最后,提出了Mo₂C基电催化剂目前面临的挑战和未来的发展方向。
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  碳壳型核壳结构微波吸收剂的研究进展

  徐小力, 蒲浩, 岳生金, 颜春, 祝颖丹, 徐海兵, 刘东, 虞筱琛

  功能材料. 2023, 54(12): 68-75. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.009

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  随着电子信息技术的发展,微波的应用领域越来越广泛,同时造成的电磁辐射污染也成为全球关注的问题。高效的微波吸收材料已成为解决电磁辐射污染的有效途径之一。以碳材料为壳的核壳结构微波吸收剂不仅可以优化阻抗匹配特性,而且可以调控微波吸收性能,已成为微波吸收材料的研究热点。介绍了核壳结构微波吸收剂的吸波机理,综述了不同结构组成的碳壳型核壳结构微波吸收剂的制备及微波吸收性能,阐述了其结构组成对提高其微波吸收性能的原因,分析了各种碳壳型核壳结构微波吸收剂的优缺点,进一步对核壳结构微波吸收剂的发展趋势进行了展望。
研究·开发
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  CoV氧化物催化剂制备及其逃逸氨脱除性能研究

  杜亚丽, 苗改琴, 马荣, 武鲜凤, 安霞, 吴旭

  功能材料. 2023, 54(12): 76-84. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.010

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  随着工业烟气NH₃-SCR技术的快速发展,研发匹配温窗的逃逸氨选择性氧化(NH₃-SCO)催化剂意义重大。基于钴、钒氧化物的优异特性,本文尝试借助不同方法(机械组装法、浸渍法、类水滑石模板法)协调组装Co、V制备优势钴钒氧化物(CoV-MEC、CoV-IMP、CoV-LDO),系统研究所制备CoV氧化物催化剂理化性质及NH₃-SCO性能。结果显示,相比机械组装和浸渍法,类水滑石前驱体衍生制得的CoV氧化物拥有更大的比表面积,更丰富的表面酸量和更适宜的氧化还原能力,150～360 ℃范围内更好地平衡了NH₃氧化活性和N₂选择性。当T=360 ℃时,NH₃去除效率近100%,氮气选择性70%,优异的性能和其表面吸附的NH₃可被O₂快速氧化生成NO,且反应遵循i-SCR机制有关。研究为构筑CoV基逃逸氨高效脱除催化剂提供了重要参考。
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  纳米氧化石墨烯复合材料的制备及重金属废水处理研究

  段翠清, 任珺, 陶玲

  功能材料. 2023, 54(12): 85-90. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.011

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  以改进的Hummers法制备了纳米氧化石墨烯(GO),以乙二胺四乙酸(EDTA)为改性剂,制备了功能化GO复合材料。通过XRD、SEM、FT-IR对功能化GO复合材料的晶格结构、微观形貌和官能团进行了表征,并以此作为吸附剂,测试了不同pH值、初始浓度、吸附时间等吸附环境对含Cd的重金属废水吸附性能的影响。结果表明,EDTA表面具有丰富的羟基、羧基等含氧基团,嫁接到GO表面后使GO表面的活性点位增多,Cd(Ⅱ)被功能化GO复合材料表面的活性点位所吸附后沉积在了原有的沟槽中,使复合材料的表面变得光滑。当pH=6时,功能化GO复合材料对含Cd重金属废水的吸附容量和去除率达到最大值,分别为45.8 mg/g和95.3%;在初始浓度为120 mg/L时,吸附容量和去除率达到了最大值,分别为66.5 mg/g和96.3%;在吸附时间为60 min时,可达饱和吸附,吸附容量和去除率达到最高值,分别为78.0 mg/g和98.5%。经过5次重复使用后,吸附容量可保持在23.8 mg/g,去除率保持在85.4%,具有优异的循环性能。
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  具有石墨碳骨架结构的硅碳负极材料的制备与电化学性能研究

  徐立环, 汪佳男, 苏畅

  功能材料. 2023, 54(12): 91-98. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.012

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  硅碳材料作为锂离子电池负极材料具有广阔地发展前景。利用水热法和高温碳化法制备了蔗糖碳/硅复合材料(SC/Si),并在此基础上与石墨复合制备出具有石墨导电骨架结构的蔗糖碳/硅-石墨复合材料(SC/Si-Gr),并探究其作为锂离子电池负极材料电化学和电池性能。结果表明,蔗糖碳均匀包覆在纳米硅表面,形成的蔗糖碳/硅复合材料的电化学性能和电池性能随着蔗糖碳含量增加而提高。随着石墨的引入,构建的SC/Si-Gr三元复合材料的电化学性能得到进一步提升。当蔗糖:硅:石墨投料质量比为1∶1∶0.5时,形成的SC/Si-Gr(1∶1∶0.5)复合材料,在电流密度为0.1 A/g条件下,第三圈稳定之后的放电比容量为1 005.1 mAh/g;循环100圈之后放电比容量为819 mAh/g,充放电库伦效率保持在98%左右。在1 A/g大电流密度下,平均放电比容量为437.91 mAh/g。这归功于石墨的加入形成有效的导电骨架结构,提高了首次循环库伦效率,加速锂离子的传输速率,使蔗糖碳/硅-石墨复合材料呈现出良好的循环稳定性和充放电倍率性能。
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  微弧氧化钛合金上聚乙烯醇/聚乙二醇/氧化石墨烯水凝胶的摩擦性能研究

  冯智, 王静, 刘择生, 金中浩, 陈剑, 陆海林

  功能材料. 2023, 54(12): 99-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.013

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  为了研究水凝胶与微弧氧化(MAO)陶瓷膜多孔结构结合后的摩擦学性能,在工业纯钛(TA2)表面通过MAO处理制备陶瓷膜,而后通过物理交联法制备聚乙烯醇(PVA)/聚乙二醇(PEG)/氧化石墨烯(GO)水凝胶,以该水凝胶为润滑剂,考察了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)与TA2表面陶瓷膜之间的摩擦学性能。利用多种表征手段对水凝胶和MAO陶瓷膜表面进行表征。摩擦学实验结果表明,TA2表面制备出的致密氧化陶瓷膜,在加入PVA/PEG/GO水凝胶的摩擦实验中能有效减少UHMWPE球的磨损,相比干摩擦和水润滑的实验结果表现出更好的耐磨性能。这表明添加PVA/PEG/GO水凝胶作为润滑剂有助于提高材料之间的摩擦学性能,为未来在医疗器械、机械制造等领域中的应用提供了重要的参考。
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  非对称POSS多功能纳米杂化材料制备与烟草抗湿性研究

  张劲, 程柏杰, 张晓宇, 鲍晨, 张梦圆, 光善仪, 徐洪耀

  功能材料. 2023, 54(12): 105-112. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.014

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  基于“硫醇-烯”点击化学的绿色合成技术,通过简单的一步法制备了一种新型POSS多功能纳米杂化新材料,该材料与新型烟草呈现较好结合性,易于表面成膜,经对烟草颗粒的改性处理,有效同时实现了新型烟草的抗潮解和保润性能。利用核磁共振和红外光谱对所制备的复合材料进行了化学结构表征,在不同湿度下对改性新型烟草的抗湿和保润性能进行了性能测试,基于材料溶解性、表面张力、接触角等详细探讨了材料对新型烟草的保润和抗潮机理,深入分析了材料结构对材料性能的影响规律。结果表明所制备的化合物能够在高湿度(RH=80%)改性烟草颗粒具有很好的康熙性能,在低湿度(RH=30%)的环境下改性烟草颗粒显现很好的保润性能。材料结构设计思路新颖,制备方法简单,该新型多功能材料的设计、性能与激励研究,为未来新材料的开发应用提供了重要的启发和试验基础。
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  基于SBS支链活性修复的老化沥青再生性能研究

  田耀刚, 卯爱军, 阎宝宝, 蒋静, 路鑫, 纪括, 张军

  功能材料. 2023, 54(12): 113-118. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.015

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  为解决常规再生无法修复老化SBS改性沥青中SBS断裂支链影响改性效果的问题,采用反应性化合物1,4-二环氧丙氧基丁烷(BDDE)、4,4′-亚甲基双异氰酸苯酯(MDI)和BDDE-MDI复合物对老化SBS改性沥青中SBS断裂支链进行活性再生修复研究,并通过再生SBS改性沥青性能、分子量及官能团变化研究其再生机制。结果表明,BDDE-MDI复合再生改善老化SBS改性沥青的低温韧性和抗高温变形效果最优,FT-IR和GPC分析显示活性反应再生能够通过官能团反应实现SBS支链的链接。
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  二氧化锰改性膨胀石墨及其吸波性能研究

  蒋旭, 罗威, 刘毅, 郭守武, 张利锋

  功能材料. 2023, 54(12): 119-124. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.016

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  膨胀石墨具有优异的各向异性导电性和疏松多孔的蠕虫状结构特征,是极具潜力的新型吸波剂材料。基于此,选取膨胀石墨为基体材料,采用水热法制备了一系列MnO₂改性膨胀石墨吸波剂,并对其微观结构和吸波性能进行研究。结果表明,MnO₂层改善了膨胀石墨的阻抗匹配,有助于介电损耗和磁损耗能力的提升。其中,150 ℃水热温度下制备的改性膨胀石墨具有最佳的吸波性能,其在厚度为1.14 mm时,最低反射损耗值为-50.01 dB;调整其厚度至1.86 mm时,最大有效吸收带宽可达5.12 GHz。
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  镀铜钢纤维增强废弃陶瓷粉超高性能混凝土的压敏性研究

  张立卿, 边明强, 肖振荣, 王云洋, 潘延念, 许开成, 黄宏

  功能材料. 2023, 54(12): 125-135. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.017

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  镀铜钢纤维具有良好的电学性能、力学性能和电导率,而废弃陶瓷粉具有内养护作用和低碳属性。在镀铜钢纤维分散良好的情况下,两者的协同作用易在混凝土基体中形成良好且化学稳定的增强、增韧和导电网络。采用均匀筛入法分散镀铜钢纤维,制备了镀铜钢纤维增强废弃陶瓷粉超高性能混凝土并研究了其压敏性能。研究结果表明,在不同镀铜钢纤维掺量、不同加载幅值和不同加载速率下,镀铜钢纤维均可提高废弃陶瓷粉超高性能混凝土的压敏性能,2.50%(体积分数)的镀铜钢纤维增强废弃陶瓷粉超高性能混凝土的电阻率变化率和应力/应变灵敏度相比于对照组分别提升了650.0%、614.3%和1 223.0%。相比纤维掺量和加载速率,加载幅值对压敏性能的影响最大。且由力-电模型表明,废弃陶瓷粉超高性能混凝土在循环荷载的电阻率变化率和应力/应变之间均服从指数函数关系,拟合度均在0.90以上。因此,通过测试镀铜钢纤维增强废弃陶瓷粉超高性能混凝土的电阻率即可实现混凝土结构的应力/应变监测。
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  碳纤维建筑节能保温砂浆的制备及其性能研究

  赵云丽, 侯风, 崔二江

  功能材料. 2023, 54(12): 136-141. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.018

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  为了获得优异保温性能和高强度的节能保温砂浆,以普通硅酸盐水泥 P.O 42.5作为基质材料,通过在砂浆中添加适量的碳纤维作为增强材料,以此制备了碳纤维建筑节能保温砂浆,研究了碳纤维的掺杂量对保温砂浆的力学性能、收缩率及保温性能的影响,并建立了保温砂浆导热系数和表观密度的关系式。结果表明,随着碳纤维掺杂量的增大,保温砂浆的表观密度先降低后轻微升高,稠度、抗压强度和抗折强度均先升高后降低。在28 d龄期,当碳纤维的掺杂量为0.5%(质量分数)时,保温砂浆中网状结构的致密性最好,抗压强度和抗折强度均达到最大值,分别为46.1和6.8 MPa,其中抗折强度提高了23.64%,改善效果高于抗压强度。随着碳纤维掺杂量的增大,保温砂浆的收缩率持续降低,导热系数先降低后增大,当碳纤维的掺杂量为0.5%(质量分数)时,保温砂浆的导热系数达到最低值为0.0583 W/(m·K),保温性能最佳。通过拟合保温砂浆的导热系数和表观密度发现两者为线性相关,方程的拟合度为98.4%。综合可知,碳纤维的最佳掺杂量为0.5%(质量分数)。
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  石墨烯掺杂的纳米金属复合材料的制备及其电化学性能研究

  姚悦, 王键, 何健明, 张宁

  功能材料. 2023, 54(12): 142-147. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.019

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  选择改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO),将GO进行高温热还原处理,形成还原氧化石墨烯(RGO),再以油酸作为表面活性剂,通过球磨法与金属氧化物正极材料LiFePO₄通过复合生成了LiFePO₄/RGO正极材料。采用XRD、TEM和电化学性能测试等手段对复合材料进行了表征。结果表明,RGO的掺杂没有影响LiFePO₄材料的晶体结构,没有产生新的产物,当RGO的掺杂量为6%(质量分数)时,复合材料中RGO和LiFePO₄分散较为均匀,形貌结构较好。随着RGO掺杂量的增加,复合材料的首次充放电比容量均先增大后减小,当RGO的掺杂量为6%(质量分数)时,复合材料的首次放电、充电比容量均达到最大值,分别为137.5和139.5 mAh/g。在0.2 C的倍率下循环30次后,6%(质量分数) RGO掺杂的复合材料的放电比容量的保持率最高可达86.1%,电荷转移电阻最小为512.70 Ω,电化学性能最佳。因此可知,RGO的最佳掺杂量为6%(质量分数)。
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  化学气相沉积法及机械混合法添加石墨烯对铜铬触头性能的影响^*

  陈华强, 陶应啟, 李晓静, 吴云洪, 王吉应, 叶墨稼, 余贤旺

  功能材料. 2023, 54(12): 148-153. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.020

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  随着电力系统发展,其主要电气控制设备断路器的功率不断提升。作为断路器的核心部件,电触头材料的研究得到了越来越广泛的关注。本文以铜粉、铬粉和石墨烯为原料,分别通过机械混合法和化学气相沉积法添加石墨烯,再通过压制-烧结-复压-复烧工艺制成石墨烯增强铜铬复合材料。研究了不同工艺添加石墨烯对铜铬复合材料组织及性能的影响。研究发现,通过化学气相沉积法添加的石墨烯在基体中分布均匀,电导率提升至40.64 MS/s、平均燃弧时间为5.37 ms、熔焊力变化范围为13.550~13.636 N,电导率、抗熔焊性能和耐烧蚀性能等得到了明显的提高,有利于其进一步扩大在电接触材料领域的应用范围。
工艺·技术
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  粉煤灰基固废胶凝材料流变特性机理研究

  张建俊, 王宝强, 蔡冀奇, 姜英杰, 冉佳莹

  功能材料. 2023, 54(12): 154-162. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.021

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  为研究适用于高浓度废弃尾矿砂浆充填体的胶凝材料,通过扩展度等试验检测不同粉煤灰掺量下砂浆流变特性,并分析试验方法的适用性;通过检测砂浆微观性质探究粉煤灰基胶凝材料作用机理。结果表明:扩展度与L管模型试验的相关性为0.985,说明扩展度可作为L管的预试验,协同表征砂浆流变性能;掺入10%粉煤灰的砂浆屈服应力降低了13.06%~24.74%,3 d强度提升了40%,7 d强度提升了9.9%,使固废综效得以充分发挥;随粉煤灰含量逐渐增加,浆液离子浓度逐渐降低,导致胶凝颗粒间斥力增加,颗粒更为分散;同时10%掺量粉煤灰的浆液3 d水化放热累计量261.696 J/g,提升了2.9%,孔隙率15.15%降低了4.02%,即粉煤灰的“滚珠”特性一定程度上改善了流动性并提升了硬化体强度。
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  偏压梯度TiAlN涂层高温氧化与抗高温粒子冲蚀性能

  曹鑫, 熊能, 李聪健, 王静静, 张鑫, 孙小川

  功能材料. 2023, 54(12): 163-168. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.022

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  采用连续偏压的沉积工艺与磁过滤阴极真空弧技术在TC4钛合金表面成功制备偏压梯度TiAlN涂层,对涂层的高温氧化性能与抗高温粒子冲蚀性能分别进行了考核,并对考核前后涂层的表面形貌、成分、相结构变化,以及冲蚀损伤特征进行了测试与表征。结果表明,400 ℃高温氧化后偏压梯度TiAlN涂层表面颜色加深,且保持完整平滑,无明显损伤;偏压涂层表面氧原子分数为20.9%,质量增加为0.81 μg/mm²,偏压涂层结构更加致密,抑制氧元素向内扩展,抗氧化性能较bias-50 TiAlN涂层更佳。400 ℃下高温粒子冲蚀条件下,偏压梯度TiAlN涂层在30°与90°冲蚀角度下的冲蚀率分别为0.26 mg/g、0.24 mg/g,低于bias-50 TiAlN涂层,表现出更加优异的抗高温粒子冲蚀性能;在400 ℃条件下,钛合金基体与TiAlN涂层未发生明显的氧化损伤,高温粒子冲蚀损伤均为冲蚀主导机制。
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  氨基酸和磺酸改性聚天冬氨酸的阻垢缓蚀性能研究

  余嵘, 许杨, 张弛, 段妍文

  功能材料. 2023, 54(12): 169-176. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.023

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  为了提高聚天冬氨酸(PASP)的阻垢缓蚀能力,采用色氨酸(Trp)及氨基甲磺酸(ASA)对PASP进行接枝改性,制备出改性PASP阻垢缓蚀剂Trp-ASA-PASP。利用红外光谱表征合成产物,碳酸钙临界过饱和法结合场发射扫描电镜(SEM)分析PASP与Trp-ASA-PASP的阻垢性能。结果显示随着阻垢剂投加量增加,Trp-ASA-PASP的相对过饱和值(Sr)始终高于PASP,说明Trp-ASA-PASP阻垢能力优于PASP。利用电化学法结合失重法评价Trp-ASA-PASP对A3碳钢的缓蚀性能;基于密度泛函理论使用量子化学计算方法,比较PASP和Trp-ASA-PASP的反应活性位点及轨道能量间隙(ΔE),及其与金属的吸附结合能力,从而进一步揭示Trp-ASA-PASP的缓蚀机理。结果显示,Trp-ASA-PASP是偏向阳极的阴阳混合型缓蚀剂,缓蚀率随其浓度的增大而增大;轨道能量间隙ΔE(Trp-ASA-PASP)为4.3482 eV小于ΔE (PASP)的6.9634 eV,说明Trp-ASA-PASP更易与金属作用,且Trp-ASA-PASP的反应活性位点主要位于侧链的磺酸基上,较PASP更容易接受来自金属表面的电子,与金属相互作用形成金属表面的保护膜从而达到缓蚀效果。
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  Ce掺杂对Fe₈₁Ga_15.5A1_3.5合金微观结构和磁性能的影响

  杜金超, 郝宏波, 李华, 焦佩英, 龚沛

  功能材料. 2023, 54(12): 177-182. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.024

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  以Fe₈₁Ga_15.5Al_3.5合金为基体向其中掺杂Ce元素,研究(Fe₈₁Ga_15.5Al_3.5)_100-xCe_x(x=0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0)合金微观结构和磁性能的变化。结果显示:Fe₈₁Ga_15.5Al_3.5合金的晶粒形状为柱状晶,加入Ce元素后,晶粒形状变为树枝晶。少量Ce元素加入时,(Fe₈₁Ga_15.5Al_3.5)_100-xCe_x合金的相结构仍以A2相为主;当x>0.8%时,合金的相结构由A2相和CeCa₂相组成。Ce元素的加入可以改变合金[100]晶向的取向性;合金的晶格常数随着Ce含量的增加而逐渐减小。在扫描电镜下,可以观察到Fe₈₁Ga_15.5Al_3.5合金基体内有深色的点状析出物呈无序分布,随着Ce元素加入,有白色析出物分布在基体内和晶界处。EDS成分分析表明,Ce元素难溶于基体相内,Ce元素会以CaCe₂相的形式存在晶界处,对(Fe₈₁Ga_15.5Al_3.5)_100-xCe_x金的磁致伸缩性能产生影响。在x=0.2%时,合金平行磁致伸缩系数(λ_//)达到182×10^-6,相比Fe₈₁Ga_15.5Al_3.5合金有小幅提升。并且作为软磁材料,该成分的合金兼备高饱和磁化强度(Ms)和低矫顽力(Hc)的特性,适合实际生产应用。
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  锆掺杂磷灰石型硅酸镧制备及其电导增强机理

  王棋昌, 黄志良

  功能材料. 2023, 54(12): 183-189. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.025

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  采用尿素-硝酸盐燃烧法在600 ℃下制备了Zr掺杂磷灰石型硅酸镧La_9.33Si_6-xZr_xO₆(x=0.00、0.05、0.10、0.15、0.20)(LSZO)。根据线收缩率、致密度和SEM形貌图确定了最佳烧结温度为1550 ℃;运用XPS和IR等表征手段确定了掺杂位点,Zr⁴⁺进入晶格内部取代部分Si⁴⁺形成[Si(Zr)O₄]四面体;EIS测试表明:Zr掺杂都能提高LSO的电导率,未掺杂的La_9.33Si₆O₂₆在600 ℃下的电导率为3.31×10^-5 S·cm^-1,La_9.33Si_5.90Zr_0.10O₂₆有着最佳电导,性能(600 ℃测试温度下电导率到达8.79×10^-4 S·cm^-1)活化能随着掺杂量的增加呈先减小后增大的趋势。XRD分析表明:掺杂后的晶体体积均比未掺杂的大,Zr掺杂扩大了间隙氧传导通道,因此,掺杂Zr的磷灰石型硅酸镧的电导增强机理为晶胞体积增强机理。当x≥0.15时,过量的Zr⁴⁺与晶格内部的间隙氧结合,生成ZrO₂,从而间隙氧的传输受阻,相对于x=0.10时,其活化能增加,电导率下降。
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  CoFe₂O₄-沸石复合催化剂的制备与优化

  严群, 苏晓洁, 龚鹏程, 温俊宇, 晏江广

  功能材料. 2023, 54(12): 190-198. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.026

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  采用溶剂热法制备CoFe₂O₄-沸石复合材料,通过构建高分散的小纳米粒径CoFe₂O₄-沸石复合催化剂以提升其催化性能,并优化其合成条件。为测试该催化剂的催化性能,以铬黑T(EBT)为目标污染物,分析CoFe₂O₄及CoFe₂O₄-沸石复合材料活化过一硫酸盐(PMS)的效果。结合材料表征手段分析合成的催化剂的物象组成和微观形貌结构。实验结果表明:50 mL乙二醇和0.03 mol乙酸钠的条件下制备所得CoFe₂O₄粒径尺寸最小,为10.647 nm,晶粒纯度高,且0.2 g/LCoFe₂O₄和0.15 g/L PMS在30 min内对200 mg/L EBT的去除率达到73.95%。CoFe₂O₄纳米颗粒能较好地分散负载在沸石表面,形成复合催化剂,其中0.2 g/L CoFe₂O₄∶沸石-1∶1复合催化剂和0.15 g/L PMS在30 min内对200 mg/L EBT的去除率达到89.75%,降解效果较好,且该催化剂能通过外部磁铁磁选回收。此外,催化体系对EBT的降解由自由基和非自由基途径共同决定。
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  Al、Si元素含量对高温低膨胀合金组织及性能的影响

  杨浩, 王方军, 刘海定, 赵莎莎, 黄海堂, 李三梅, 尹雪雪

  功能材料. 2023, 54(12): 199-205. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.027

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  研究了Al、Si元素微调对Incoloy909合金组织及性能的影响。结果表明:Si元素含量的提高,有利于合金中Laves相及ε相的析出,使得合金中晶粒分布更加细小均匀,提高了合金高温持久寿命。Al元素含量的提升,使得合金在双时效热处理后,析出更多γ′强化相,提升了合金的强硬度。Al、Si元素的微调对合金平均线膨胀系数影响不大,固溶+双时效热处理后合金内部位错密度降低,γ′强化相弥散析出,组织更加稳定,平均线膨胀系数有所降低。
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  早强型水下不分散水泥基复合材料的性能优化设计

  王杨凯, 柴丽娟, 刘占超, 张玉, 任镖锟

  功能材料. 2023, 54(12): 206-213. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.028

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  针对严酷服役环境条件中水下混凝土抗拉变形能力差、开裂引发的一系列病害,在水泥浆体中掺入抗分散剂UWB-Ⅲ、粉煤灰、减水剂、速凝剂、聚乙烯醇纤维、煤矸石等物质,研究各物质不同掺量对水泥基材料的抗分散性能、水陆强度、微观形貌的影响。结果表明,适量的UWB-Ⅲ可以显著改善浆体的抗分散性能,但过量使用UWB-Ⅲ会降低砂浆的流动性。当UWB-Ⅲ掺量为6.5%时,能够较好的兼顾抗分散性能和流动性。随着粉煤灰或煤矸石替代率的增加,材料抗压强度降低,悬浊物含量增大。随着减水剂、速凝剂、聚乙烯醇纤维等掺量的增加,材料抗压强度呈现先增大后减小的趋势。综合分析可知UWB-Ⅲ掺量6.5%,粉煤灰替代率20%,水胶比0.24,减水剂0.5%,速凝剂2%,纤维掺量2%,煤矸石替代率60%的水泥基复合材料具备早强、水下不分散等特点。研究可为水下混凝土开裂提供一种快速修补方法,也可对煤研石进行资源化利用。
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  不同制备工艺对硅橡胶智能复合材料应变传感肩峰现象研究

  万帮伟, 杨洋

  功能材料. 2023, 54(12): 214-218. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.029

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  导电聚合物复合材料通常使用弹性体作为应变传感材料的基体。然而,弹性聚合物复合材料在电阻-应变响应性能中通常表现出肩峰现象,从而限制应变传感材料的应用。以消除肩峰现象为目的,分别采用机械共混法与溶液共混法制备出多壁碳纳米管(MWCNT)/甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)导电纳米复合材料,研究不同制备工艺对复合材料微观形貌、导电性能、应变传感性能的影响。结果表明:机械共混法制备出的复合材料,渗流阈值更低、灵敏度更高,电阻响应信号更加稳定,即使在2 500次循环加载-卸载过程保持良好的稳定性及重复性,没有出现肩峰现象,同时解释了肩峰现象的机理。明确了该应变传感器具有对大变形隔震支座进行实时应变监测的潜力。
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  新型微波介质陶瓷HoVO₄

  张忠泉, 陈丽, 李波

  功能材料. 2023, 54(12): 219-224. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.030

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  采用固相法制备了新型微波介质陶瓷HoVO₄。研究了微波性能与微观形貌、致密度和拉曼半高宽之间的关系,并分析了拉曼光谱中化学键的振动模。HoVO₄在1 150 ℃烧结得到最优微波介电性能:ε_r=11.52,Q×f=27 271 GHz,τ_f=-22.39×10^-6/℃。选取正τ_f值的TiO ₂与负τ_f值的HoVO₄进行复合,得到谐振频率温度系数近零的微波陶瓷,当TiO₂掺杂量为6%、烧结温度为1 200 ℃时获得最佳微波介电性能为:ε_r=14.14,Q×f=18 978 GHz,τ_f=2.4324×10^-6/℃。
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  原位Al₃Ti颗粒增强Al-7Si合金纳米压入应变率敏感性

  邢学刚, 常超, 杨雪霞, 郝鑫, 王永胜

  功能材料. 2023, 54(12): 225-230. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.031

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  采用纳米压入方法研究了原位Al₃Ti颗粒增强Al-7Si合金室温压入应变率敏感性。控制压入应变率加载达到最大预设压入深度,基于连续刚度测量原理,研究不同加载应变率下压入硬度。结果表明,Sr元素添加将原位Al₃Ti颗粒增强铝合金中共晶Si相修饰为短纤维状。不同于铝合金基材,颗粒增强铝合金压入硬度表现出应变率敏感性。T6热处理后,共晶Si相球化为颗粒状,材料微观组织均匀性增强,压入应变率敏感性不明显。深冷处理后α-Al晶粒细化,共晶Si相尺寸进一步减小,材料应变率敏感性提高。
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  微晶纤维素对纸塑复合材料的性能影响

  陈杰, 龙柱, 朱丁, 司志昊, 陈秀, 周伟, 王文娟

  功能材料. 2023, 54(12): 231-236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.032

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  采用熔融挤压法制备微晶纤维素/热塑性淀粉(MCC/TPS)薄膜,并用热压法将MCC/TPS薄膜与纸张进行复合得到纸塑复合材料。结果表明,SEM图像表明了纸塑复合材料界面层具有良好的附着力。当MCC的添加量为5%(质量分数)时,TPS薄膜的机械性能提高,还延长了水蒸气通过TPS薄膜的路径,导致MCC/TPS/纸张复合材料的水蒸气透过率降低,进而提高纸塑复合材料的阻隔性能。TPS/纸张复合材料和MCC/TPS/纸张复合材料比单纯纸张具有更好的物理性能(即平滑性、柔韧性和耐折性)。因此,添加MCC可以改善纸塑复合材料的阻隔性能、机械性能等,满足食品包装行业对低水敏性材料的要求。