功能材料

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功能材料. 2024, 55(4): 0-0.

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不同生物油再生沥青性能比选

傅珍, 王涛, 刘松然, 唐钰杰

功能材料. 2024, 55(4): 4001-4006. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.001

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为确定生物油对老化沥青性能的恢复能力,比选出再生能力较强的一种生物油并确定其最佳掺量,采用植物沥青、餐厨废弃油脂和工业用动物油3种生物油作为再生剂,分别对老化SBS改性沥青进行再生,通过测定生物油再生沥青的针入度、延度、软化点和布氏黏度并进行薄膜加热试验,研究生物油种类和掺量对老化沥青各项性能的影响规律。结果表明,3种生物油对老化SBS改性沥青的基础性能和耐老化性均有一定的恢复能力,其中餐厨废弃油脂对老化沥青再生能力较强,并且社会和经济效益较高,植物沥青和工业用动物油次之;餐厨废弃油脂被选为最佳再生生物油,掺量为4%时能够使老化SBS改性沥青的黏滞性和高温性能得到完全恢复,因此被确定为最佳掺量。

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Al改性MgB₂材料与金属界面特性及其超导性能研究

唐诗雨, 何佳, 黎学明, 杨文静, 王爱峰, 倪子惠, 周善彬

功能材料. 2024, 55(4): 4007-4012. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.002

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针对MgB₂超导材料用于液氢液位传感器的临界转变温度与液氢液化温度差异大和原始粉末与金属护套界面反应导致测量控制难的问题,研究了降低MgB₂临界转变温度的改性技术,以及改性后粉末与金属护套Fe、Monel反应产物及退火温度对其超导转变宽度的影响。结果表明,当掺杂量x=0.15时,Mg_1-xAl_xB₂多晶样品的临界转变温度为30 K左右,满足液氢液位传感器使用环境。金属护套Fe、Monel与前驱体粉末Mg、Al之间都有不同程度的扩散界面发生,Fe金属护套样品扩散层厚度较小,大约为25 μm,更适合于Al掺杂MgB2超导线材的制备护套材料。不同退火温度下的带金属护套的Fe、Monel改性MgB₂样品仍具有明显的超导转变,且超导转变温度满足液氢液位计使用环境。

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PMMA模板制备LaMnO₃及其电化学性能研究

张悦, 陈璐, 俞小花, 李永刚, 沈庆峰

功能材料. 2024, 55(4): 4013-4018. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.003

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采用PMMA(聚甲基丙烯酸乙酯)根据Stober-Frink法制备出PMMA微球,并将其作为模板剂,以柠檬酸为络合剂,乙醇和蒸馏水为溶剂,通过混合搅拌、沉淀和去除模板剂等过程来制备得到LaMnO₃。利用粉末X射线衍射技术(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、N₂吸附-脱附等手段表征分析了催化剂样品LaMnO₃,并对其进行了电化学性能测试。结果表明,以PMMA微球为模板可制备出球形空洞的多孔LaMnO₃,其具有良好的氧还原反应(ORR)活性和氧析出反应(OER)活性,23.005 m²/g的比表面积远大于由共沉淀法制备的LaMnO₃,当作为铝空气电池阴极催化剂材料时,相比于共沉淀法制备的LaMnO₃其恒流放电稳定、放电电压高。

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基于稻壳基无定形碳的负极材料对锂离子电池低温性能的影响

穆泊源, 杨宗松, 董伟, 王宗花

功能材料. 2024, 55(4): 4019-4028. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.004

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碳基材料是目前锂离子电池最常用的电极材料,然而低温使基于碳基电极的锂离子电池(LIB)容量损失巨大。本文将农业废弃物——稻壳通过高温碳化制得多孔碳,多孔为锂离子(Li⁺)提供更多传输路径及活性位点,并促进Li⁺在低温下的传输与扩散。研究发现,不同碳化温度对稻壳衍生活性炭(RHC) 的微观结构有影响,基于不同RHC电极构建的电池性能也不同。其中,碳化温度为1 000 ℃获得的RHC-10负极具有最高的剩余可逆比容量,在0.2 C和2 C倍率下循环100圈后可达230和147 mAh/g;在不同倍率下循环10圈后再次在0.2C倍率下循环时,仍能保持最高的可逆比容量;在-20和-40 ℃可逆比容量分别可达175和98 mAh/g,表现出优异的低温充放电性能。

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激光熔覆功率对FeCrNiCoMoBSi高熵合金涂层电化学腐蚀性能的影响

解芳, 翟长生, 荣海松, 郑红星, 周宏胭, 武冰冰, 张欣, 张拯恺

功能材料. 2024, 55(4): 4029-4036. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.005

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探讨了FeCrNiCoMoBSi高熵合金(HEA)激光熔覆涂层的微观结构以及激光功率对涂层物相和电化学腐蚀性能的影响。研究结果显示,HEA涂层由底部的柱状晶带、顶部的等轴晶带以及中间混晶带(由柱状晶和等轴晶混合组成)构成。采用3 000 W功率制备的HEA涂层表现出最低的自腐蚀电流密度(0.425 μA/cm²)、最高的自腐蚀电位(-0.16852 V)以及最大的极化阻抗(69 616 Ω),其阻抗模值Z为1 143 Ω·cm²,分别是1 800,2 500和4 500 W功率激光熔覆涂层的8.65倍、4.91倍和7.14倍,且其最大相位角为76.23°,均高于其它三种涂层。综合评估显示,采用3 000 W功率制备的HEA涂层具有出色的电化学腐蚀性能。这是由于其单一的FCC晶体结构、抗腐蚀的铁镍合金相和单质铬相、良好的晶体结晶度、细化的晶粒尺寸以及卓越的钝化效应,使其电化学腐蚀性能显著优于其他功率制备的涂层。

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碳纳米管杂化结构增强复合材料电学和力学性能研究进展

唐延洪, 龚俊, 刘愚, 李业军, 宋鹏, 李俊雄

功能材料. 2024, 55(4): 4037-4050. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.006

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碳纳米管作为一维纳米材料,具有优异的电学、热学、力学等性能,被广泛地用作复合材料的增强剂。根据碳纳米管杂化结构类型,综述了碳纳米管/颗粒材料、碳纳米管/纤维材料、碳纳米管/片层材料、碳纳米管/轻质泡沫材料等结构在电学性能和力学性能方面的研究进展,阐述了各种杂化结构的电学性能和力学性能增强机理,分析了各种杂化结构的优势,为碳纳米管杂化材料的构建和设计提供了依据。

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功能性复合防腐涂层研究进展

齐昱, 白佳乐, 吴鹏, 王雨, 张琰图, 李雪礼

功能材料. 2024, 55(4): 4051-4061. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.007

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防腐涂层作为一种关键的防护手段,被广泛应用于延长材料和结构的寿命,保护其免受腐蚀和损害。然而,单一防腐涂层常常难以满足复杂环境中的多重挑战。为了克服传统防腐涂层的限制,人们开始寻求新的防腐涂层技术,功能性复合防腐涂层应运而生。介绍了防腐涂层的研究现状、制备方法、性能以及在实际应用中的表现。阐述了功能性复合防腐涂层的种类和组成,对当下的功能性复合防腐涂层现状进行了分析总结,并对其应用前景进行了展望。

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模板法合成g-C₃N₄基复合材料及其光催化性能的研究进展

唐浩宇, 刘成宝, 陈丰, 钱君超, 邱永斌, 孟宪荣, 陈志刚

功能材料. 2024, 55(4): 4062-4071. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.008

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石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为一种新型非金属高聚物半导体,具有易于合成、无毒无害、耐酸碱腐蚀、环境亲和性好等性质。独特的层状结构赋予了其较高的比表面积,适中的禁带宽度给予了其较好的光催化性能,使得其在光催化领域受到了广泛的关注。然而,纯相g-C₃N₄存在着比表面积小、活性位点不足、载流子复合过快和氧化还原能力偏弱等缺点,制约了其光催化领域的有效应用。研究表明,使用模板诱导工艺对g-C₃N₄进行结构调控可以有效解决上述问题。综述了目前常用于制备石墨相氮化碳的模板法(即硬模板法、软模板法和生物模板法),扩展讨论了多相复合工艺的进展情况,并归纳总结了g-C₃N₄基材料在光催化降解、CO₂转化和制氢等方面的应用情况。

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生物炭特性及其促进厌氧消化效率的研究进展

钱璟俐, 嵇华忠, 李雅婕, 洪耀良

功能材料. 2024, 55(4): 4072-4079. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.009

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厌氧消化是处理污水污泥和有机废弃物的有效方式之一,能够产生丰富的清洁能源。但在实际运行中也存在一些问题,例如消化器不稳定,易出现氨、酸抑制等现象。生物炭作为一种吸附剂被广泛应用在去除废水中有毒金属、有机污染等方面,并且通过加生物炭,可有效缓解酸积累和氨抑制,提高厌氧消化产甲烷能力。分析生物炭的理化性质及其表面特性,探究生物炭提升厌氧消化体系缓冲能力、缓解氨抑制的原理,论述了生物炭在厌氧消化体系中对微生物群落结构的影响。

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非晶电机定子铁芯的制备工艺及最新研究进展

施飞, 罗剑, 安静, 赵晨阳, 牟星, 徐立红, 郭世海

功能材料. 2024, 55(4): 4080-4093. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.010

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非晶合金凭借优异的综合软磁性能,尤其是在高频下有着极低的损耗而在高速电机领域备受关注。概述了非晶电机的优势和类型,综述了非晶定子铁芯的关键制备工艺,对比了径向叠压和轴向卷绕铁芯、模块拼接和整体成型铁芯以及有槽和无槽铁芯的各自优缺点。从退火处理、浸胶固化以及加工成型方式的角度总结了上述制备工艺对非晶带材和铁芯的性能影响。最后,结合非晶电机的最新研究进展,分析了当前非晶合金应用于电机定子铁芯存在的问题,并对未来非晶电机定子铁芯加工方法的发展进行了展望。

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铬铁复合掺杂锂离子筛的制备及其吸附性能研究

李珍, 高建明, 赵茜, 郭彦霞

功能材料. 2024, 55(4): 4094-4101. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.011

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利用具有选择性高、吸附容量大、吸附速率快的锂离子筛从低浓度液相中吸附和分离锂已成为最有前途的方法之一,但锂锰氧化物锂离子筛因其Mn溶损率大、循环性能差在工业应用中受到限制。以LiOH·H₂O、MnO₂、Fe₂O₃、Cr₂O₃为原料,通过高温固相法制备了尖晶石型铬铁复合掺杂锂离子筛。重点研究了Cr掺杂量和煅烧温度对锂离子筛结构、吸附性能和Mn溶损率的影响。结果表明,当锂、锰、铁、铬的摩尔比为1∶2∶0.05∶0.05、煅烧温度为550 ℃时,合成的锂离子筛饱和吸附容量为27.30 mg/g,Mn溶损率仅为0.43%。选择吸附实验表明该锂离子筛对Li⁺具有优异的选择性能。此外,经过5次循环实验后,铬铁复合掺杂锂离子筛的饱和吸附容量仍能保持第二次循环的89%,为18.51 mg/g,优于未掺杂锂离子筛的56%。

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Cu(110)晶面催化还原CO₂制备甲酸机理的第一性原理研究

张旭昀, 汤静, 常庆, 王勇, 谭秀娟

功能材料. 2024, 55(4): 4102-4110. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.012

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铜基催化剂是一种高效还原CO₂为甲酸的绿色催化剂,明确不同晶面的还原机理对催化剂的设计及开发具有重要指导意义,但Cu(110)晶面的催化机理尚不明确。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对Cu(110)表面的还原机理进行了研究,系统研究了不同中间产物的吸附相关性质并探讨了相关的吸附机理。吸附能结果表明,CO₂在Cu(110)表面无法发生化学吸附,而^*COOH、^*HCOO、HCOOH分子和H原子的最稳定吸附位点分别为长桥位点、短桥位点、顶位点和HCP位点。布居数结果表明,^*HCOO和HCOOH分子在吸附过程中与Cu(110)表面的Cu原子形成离子键,H原子和Cu原子之间存在氢键作用,^*COOH分子中的C和Cu原子形成共价键。此外,电子态密度结果表明^*HCOO基团和Cu原子之间形成O—Cu键,^*COOH基团中的C和Cu原子形成C—Cu键,HCOOH分子中的O和Cu原子形成O—Cu键。相比于^*COOH/Cu(110)体系,^*HCOO/Cu(110)吸附体系的电荷密度、电荷转移量和成键能力均较强,说明CO₂在Cu(110)还原过程中中间体^*HCOO更稳定,合成路径属于更加高效的:CO₂→^*HCOO→HCOOH路径。

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微纳结构对混凝土PTFE超疏水涂层性能影响研究

索智, 巩梦洋, 胡佳恒, 邓欣然, 闫实

功能材料. 2024, 55(4): 4111-4120. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.013

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为了探究微纳米粗糙结构对水泥混凝土基聚四氟乙烯(PTFE)超疏水涂层性能的影响。研究考虑了混凝土表面的粗糙结构及微米级金刚石、碳化硅、刚玉粉末与纳米级疏水二氧化硅粉末构筑的微纳米粗糙结构。利用接触角测量仪和扫描电子电镜(SEM)对各种粗糙结构下PTFE涂层的湿润性和微观形貌进行了表征。同时,还评价了涂层抗滑性和耐磨耗性。结果表明:两步法制备工艺,先构筑微纳米粗糙结构再修饰PTFE涂层,能获得最强超疏水性能。微米级与纳米级粉末复配使用效果最佳,且随用量增加而增强,推荐比例1∶1,粒径比控制在60~120倍间为宜。不同粗糙结构中,金刚石效果最佳,其次是碳化硅和刚玉,混凝土凿毛处理后其抗滑性均满足规范要求,采用湿轮磨耗仪在试件表面往复摩擦1 000次后也均可保持85%以上的疏水性。该研究深入揭示了微纳米粗糙结构对涂层性能的影响机制,可指导实用型高性能PTFE超疏水涂层的制备。

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建筑用不同取代率粉煤灰再生混凝土的力学性能及耐久性能研究

翟思敏, 黄金霞

功能材料. 2024, 55(4): 4121-4126. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.014

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以废弃混凝土为再生骨料,采用湿法粉磨处理I级粉煤灰,制备出不同取代率粉煤灰再生混凝土,通过XRD、SEM、力学性能测试、干缩率测试等手段,研究了不同取代率的I级粉煤灰对再生混凝土的力学性能和耐久性能的影响。结果表明,湿法粉磨处理后的粉煤灰表面玻璃体被破坏,火山灰效应增强,从而提高了再生混凝土的水化速率,使水化产物C—S—H和AFt数量增加,混凝土密实度增大。粉煤灰再生混凝土的抗压强度随粉煤灰取代率的增大先增大后降低,粉煤灰取代率45%的混凝土的抗压强度最大为42.05 MPa,其水化产物Ca(OH)₂的含量最多为11.742%。挠度测试表明,粉煤灰取代率45%的混凝土屈服阶段对应的载荷为217 N,挠度最大为1.7 mm,在28 d时粉煤灰取代率45%的混凝土的干缩率最低为1.021×10^-4。综合可知,粉煤灰取代率45%的混凝土性能最优。

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低温相变V_1-xMo_xO_2-yF_y(M)的固相合成及其光学隔热性能研究

刘党豪, 孟晓荣, 张丽萍, 吴娇, 杜金晶, 王斌, 朱军

功能材料. 2024, 55(4): 4127-4134. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.015

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为解决低温热致相变性VO₂(M)智能窗材料实际应用对绿色节能生产技术的需求,借助偏心振动磨作为预处理分散设备,以V₂O₅和酸为原料,优化了固相法合成VO₂(M)的合成工艺,研究了Mo/F共掺型低温热致相变V_1-xMo_xO_2-yF_y材料的制备工艺及Mo/F掺量对VO₂(M)的相变调控规律,评价了其光学及隔热性能。结果显示10 min/10.0 g原料的研磨时间和750 ℃的焙烧温度下可获得纯相VO₂(M)。以钼酸铵和氟化铵为Mo/F共掺原料,可获得相变温度随掺量呈规律性下降的低温热致相变V_1-xMo_xO_2-yF_y(M),2%Mo和3%F掺杂后VO₂(M)相变温度降低至38.20 ℃。VO₂(M)和V_1-xMo_xO_2-yF_y(M)粒径在300 nm左右,热致回宽(ΔT_c)介于之间6.1～7.9 ℃之间,显示了灵敏的热致相变能力。V_1-xMo_xO_2-yF_y(M)/PVB复合薄膜可见光透过率48.7%,具有良好的隔热效果。

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MnFe_1-xTi_xP_0.77Ge_0.23化合物的结构与磁性

王欣宁, 迪立新, 伊博乐, 欧志强, 哈斯朝鲁, 李英杰, 特古斯

功能材料. 2024, 55(4): 4135-4141. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.016

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利用高能球磨法和粉末烧结法制备了MnFe_1-xTi_xP_0.77Ge_0.23(x=0.03, 0.04, 0.06, 0.08, 0.09)系列化合物。室温X射线衍射结果表明化合物均呈现Fe₂P型六角结构,随着Ti含量的增加,晶格常数a、b减小,晶格常数c增大,晶胞体积有所增大。变温X射线衍射实验结果表明,MnFe_0.94Ti_0.06P_0.77Ge_0.23化合物在305~350 K温度区间内发生铁磁到顺磁的相转变,存在磁弹耦合现象。MnFe_1-xTi_xP_0.77Ge_0.23(x=0.03, 0.04, 0.06, 0.08, 0.09)化合物的磁性测量结果表明随着Ti含量增加化合物的居里温度降低,热滞变大,最大等温磁熵变减小。

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污泥陶粒的功能化改性及含磷废水处理研究

郝禅光, 李春立, 李权, 邢丽静, 梁欢, 徐峥

功能材料. 2024, 55(4): 4142-4151. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.017

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随着城市规模的高速发展,市政污水的处理量陡增,导致污泥固废的处置问题日益显著。以污泥为主要原料,添加粉煤灰、蒙脱石为辅料制备多孔陶粒(SC),采用共沉淀法进行功能化改性,制备得到镧改性污泥陶粒(L-SC)和镧铁改性污泥陶粒(LF-SC)。以pH值、投加量以及干扰阴离子为实验因素考察对模拟含磷废水中磷吸附的性能,通过分析表征讨论对磷的吸附机理。结果表明,L-SC和LF-SC具有致密的孔结构,S_BET分别为17 148.7和17 439.2 cm²·g^-1,改性陶粒的吸附性能明显优于SC,在pH=5时L-SC对磷的去除率最高可达93.74%,而LF-SC对磷的去除率更高且吸附效果受pH影响较小,在5≤pH≤9时磷去除率均在97%以上,拟二级动力学模型和Freundlich模型能较好地描述改性陶粒对磷的吸附。FTIR和SEM-EDS结果显示,过渡金属Fe对稀土金属La具有明显的活化作用,极大提高了陶粒的吸附性能,吸附磷酸盐的主要机制为静电引力和配体交换形成稳定络合物。

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简易合成MgCo₂O₄纳米线及其电化学性能研究

倪航, 胡谭伟, 唐梦凡, 丁悦, 田玉, 朱小龙, 郑广

功能材料. 2024, 55(4): 4152-4160. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.018

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通过水热路径引入表面活性剂十二烷基磺酸钠在泡沫镍上成功合成出比表面积较大、超薄多孔的MgCo₂O₄纳米线。研究表明,MgCo₂O₄纳米线展示出紧密交织透明的网格状结构且在5 A/g的电流密度下,比电容高达2128 F/g。在40 A/g的情况下循环6000周次后,比电容保持了原始容量的98.4%。将该纳米线和活性炭分别作为正极和负极组装成非对称超级电容器,其比电容可达65.32 F/g且在功率密度为338.95 W/kg下能量密度可达20.41 Wh/kg。上述结果表明该非对称超级电容器是一个较好的储能装置,在实际应用中拥有良好的潜力。

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3D打印铸造铝合金表面楔形织构的摩擦性能

程家豪, 陈文刚, 陈红艳, 郭思良, 袁浩恩, 魏北朝, 张露漫

功能材料. 2024, 55(4): 4161-4166. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.019

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实验对活塞-缸套使用较多材料铸造铝合金(AlSi10Mg)进行3D打印,研究其摩擦磨损性能。在内燃机实际运行条件下活塞裙部通常会发生严重的摩擦和磨损。表面织构已成为现代减摩抗磨的有效方式之一,并成功应用于许多领域。利用3D打印技术加工出两种不同面积占有率楔形凹坑表面试样与光滑表面试样。在立式万能摩擦磨损试验机上进行销-盘回转实验,采用三维形貌仪、同轴显微镜以及扫描电子显微镜观察试样工作表面的磨损形貌。通过Fluent流体分析软件模拟仿真润滑油内部压力,并对仿真结果进行验证。研究结果表明,与光滑无织构试样对比,楔形织构试样对提升活塞裙部摩擦学性能起着积极的作用,且当织构面积占有率为7.01%时对减少摩擦系数降低磨损质量的效果更加显著,提升了活塞裙部的摩擦学性能。

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纯水相Ag⁺/TiO₂溶液的制备及其抗菌性能研究

吴世斌, 谢镇泽, 王景光, 杜昶

功能材料. 2024, 55(4): 4167-4173. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.020

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采用低温液相法制备了纯水相纳米TiO₂溶液,然后在纳米TiO₂表面沉积Ag⁺获得了纯水相Ag⁺/TiO₂溶液。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、紫外-可见光吸收光谱仪(UV-Vis)和荧光光谱仪(PL)进行表征。经过各项表征分析可知,Ag⁺/TiO₂粒子是粒径10 nm的球形颗粒,XRD特征峰为锐钛矿二氧化钛和硫酸银的叠加峰。此外,沉积的Ag以+1的价态存在,且提高了纳米TiO₂的光催化活性,产生了协同效应。抗菌测试结果表明,制备的纯水相Ag⁺/TiO₂溶液在不同菌种和不同应用环境下均表现优异的抗菌性能,说明了Ag⁺/TiO₂抗菌的高效性和广谱性,具有极大的市场应用价值。

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NiCoTe₂电极材料制备及其电化学性能研究

仲为礼, 唐立丹, 王冰, 汪洋

功能材料. 2024, 55(4): 4174-4178. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.021

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采用二次水热合成方法,以硝酸钴、硝酸镍、氟化铵,尿素为原材料,二氧化碲为碲源,泡沫镍为基底制备NiCoTe₂电极材料。利用XRD、SEM分别对材料结构和形貌进行了表征,并使用循环伏安测试、恒流充放电测试和交流阻抗测试进行了材料的电化学性能研究。结果表明,随着水热温度的增加,电极材料的纳米针/棒状形貌直径变大,并且有纳米颗粒附着表面,增加了电极材料与电解液接触的表面积和活性位点的暴露;当水热温度为140 ℃时制备的材料电化学性能最佳,电极材料内阻为0.63 Ω,当电流密度为1 A/g时,质量比电容可达到781.5 F/g。

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Mg-Al水滑石的制备及对水中氟离子的吸附效果研究

邹志鑫, 李敏, 任晓影, 刘佳惠, 焦桂萍, 赵瀛

功能材料. 2024, 55(4): 4179-4184. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.022

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通过共沉淀法制备了Mg-Al水滑石,研究了镁铝摩尔比对Mg-Al水滑石的晶格结构、微观形貌、光谱性能的影响。以NaF溶液为模拟含氟废水,测试了Mg-Al水滑石对水中氟离子的吸附量和去除率,通过吸附模型研究了相应的吸附过程和机理。结果表明,Mg-Al水滑石外观为片层状结构,片层之间相互交叉堆积,镁铝比增大时,Mg-Al水滑石的层间距增大。水滑石对氟离子的饱和吸附量和去除率随着镁铝比的增大表现出先增大后减小的趋势,在吸附80 min时吸附量接近饱和,3Mg-Al水滑石的饱和吸附量达到最大值43.16 mg/g,去除率在120 min时达到最大值90.5%,经过5次吸附再生循环使用后,3Mg-Al水滑石对氟离子的去除率降至69.4%,保持率达到76.69%,具有良好的可重复利用性能。通过对Mg-Al水滑石吸附氟离子的数据进行拟合,发现Mg-Al水滑石吸附氟离子的过程更符合准二级动力学模型,主要以化学吸附作用为主。

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碳纳米管/天然橡胶热界面材料制备及热管理性能研究

安东, 陈嘉祺, 贺日臻

功能材料. 2024, 55(4): 4185-4190. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.023

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热界面材料是解决现代高功率和高集成化电子器件热量聚集和耗散的有效手段。基于三维网络结构调控导热性能的策略,以三聚氰胺泡沫(MF)为骨架,采用化学表面改性制备碳纳米管三维网络结构(CNT),并采用真空浸润法制备碳纳米管/天然橡胶热界面复合材料(CNT/NR),研究CNT含量对材料微观结构、导热性能和热管理性能的影响。结果表明,当CNT的含量为2.2%(质量分数)时,CNT可附着于MF骨架并呈现完整连续的三维网络结构,其热界面复合材料垂直面外的导热率为1.58 W m^-1 K^-1,拉伸强度为12.9 MPa,断裂伸长率为489%,并具有显著的热管理性能,这表明CNT/NR热界面复合材料有望成为一种机具应用价值的热管理材料。

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儿茶酚基团改性冷水鱼皮明胶组织粘合剂的制备及性能评价

纪倩, 张可, 魏振宇, 陈曦

功能材料. 2024, 55(4): 4191-4200. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.024

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以冷水鱼皮明胶(FSGltn)为主体材料,通过定量修饰制备儿茶酚基团(CAT)改性明胶(CAT-FSGltn),再将CAT-FSGltn与葡聚糖二醛(DDA)原位混合交联,构建在湿润环境下具有高粘附性的组织粘合剂(CAT-FSGltn/DDA)。发现CAT-FSGltn/DDA能够在60 s内成胶。充分交联的CAT-FSGltn/DDA水凝胶在PBS溶液中浸泡超过80 h后无明显质量损失。将CAT-FSGltn/DDA粘附在模拟组织膜的橡胶薄膜上,当薄膜被拉伸至原长度的两倍时,水凝胶仍未断裂。利用体外模型评价组织粘合剂的耐压强度,结果显示CAT-FSGltn/DDA的耐压强度可达到105.7 mmHg,大于人体舒张压,表明CAT-FSGltn/DDA具有较强的内聚力和粘附力。组织切片显示固化30 min的CAT-FSGltn/DDA与肠衣表面贴合紧密,水凝胶/肠衣的界面在水流冲击后保持完好。细胞实验结果显示L929细胞的存活率在80%以上,CAT-FSGltn/DDA水凝胶的生物相容性良好。

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基于高岭土增韧环氧树脂水泥基材料的多强度组合指标配比优化法

沈才华, 曾志康, 赵嘉俊, 洪晶晶

功能材料. 2024, 55(4): 4201-4208. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.025

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煅烧高岭土能有效改善环氧树脂水泥基材料的力学性能,实验表明:煅烧高岭土可大大提高环氧树脂水泥基材料的3 d早期抗折、抗压强度,当高岭土掺量为30%时,改性环氧树脂水泥基材料的抗折及抗压强度分别提高了134.28%、106.25%;当高岭土掺量小于30%时,改性环氧树脂水泥基材料具有二次抗折强度,且抗折强度残余率大于50%。根据不同高岭土掺量对改性环氧树脂水泥基材料抗压强度、抗折强度、二次抗折强度的影响规律,提出了适用于不同结构工程受力特点的多强度组合指标配比优化法,获得了考虑二次抗拉强度影响的不同最大拉应力和最大压应力组合条件下最优的高岭土配比,为实际不同结构体不同部位不同受力特征的高岭土改性环氧树脂水泥基材料制备提供了理论依据。

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缓慢水解法制备纳米TiO₂及其作为锂离子电池负极材料的电化学性能研究

闫蓓蕾, 王俊, 朱学军, 马光强, 邓林

功能材料. 2024, 55(4): 4209-4213. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.026

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以四氯化钛为原料,在冰水浴,弱碱性条件下,将TiCl₄配制为0.5 mol/L水溶液,低温水解得到沉淀产物,将此沉淀在80 ℃的真空烘箱中干燥;低温400 ℃下焙烧12 h得到白色粉末。通过X射线衍射(XRD)进行结构表征;通过扫描电子显微镜(SEM)透射电镜(TEM)进行形貌表征。得到的烧结产物,结合金属锂对电极材料和聚乙稀隔膜搭建半电池系统,进行电池性能测试。结果表明,以四氯化钛为原料在低温的条件下实现缓慢水解,再经过长时间低温焙烧得到白色粉末为纳米级金红石型和锐钛矿型TiO₂的混合相,且具有粒径小、分散性好、粒径分布窄、球形度较好等优点;此产品在0.05充放电时首次放电比容量为370 mAh/g,5 C的放电比容量达到69 mAh/g,容量保持率分别为91.69%,电化学性能远高于商业化TiO₂。研究表明,基于缓慢水解低温烧结机制制备TiO₂的方法是一种简单、低成本、适用于大规模生产的工艺。

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TiO₂/石墨烯基复合材料的制备及光催化降解染料研究

齐俊红, 王黎明, 徐丽慧, 潘虹, 董潇远

功能材料. 2024, 55(4): 4214-4222. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.027

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采用改进Hummers法制备氧化石墨烯(GO)和水解法制备的TiO₂及溶剂热法制备了还原氧化石墨烯(rGO)和一系列不同浓度的rGO/TiO₂纳米复合材料(0、5%、10%、15%、20%质量分数),并对合成产物进行SEM、XRD、XPS、DRS、Raman等表征,研究不同实验条件下纯TiO₂和rGO/TiO₂复合催化剂对亚甲基蓝染液(MB)的降解效果。结果表明,复合光催化剂中TiO₂主要为锐钛矿相,溶剂热合成引入的还原氧化石墨烯(rGO)对TiO₂的物相没有产生影响,rGO的引入使得rGO/TiO₂吸收带发生一定红移,TiO₂禁带宽度由3.23降低至3.09 eV;合成的(15%质量分数)rGO/TiO₂具有最佳的光催化效果,光催化活性最高,在100 W高压汞灯照射下70 min对20 mg/L的亚甲基蓝染料的降解率达97.6%;在500 W氙灯光源下照射70 min对20 mg/L亚甲基蓝染料的降解率达到93.2%,(15%质量分数)rGO/TiO₂复合光催化剂具有良好的光催化降解性及循环稳定性,5次循环光催化降解后,rGO/TiO₂有86.1%的降解效率。表现出了优异的吸附和光催化性能,这可为光催化处理废液提供了一种有效的方法。

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KH-560处理时间对PAN基碳纤维沥青复合材料性能的影响

曹国斌, 张燕

功能材料. 2024, 55(4): 4223-4229. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.028

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以硅烷偶联剂KH-560改性的PAN基碳纤维为添加材料,制备了不同KH-560处理时间的PAN基碳纤维沥青复合材料。通过车辙试验、冻融劈裂试验和间接拉伸疲劳试验等研究了KH-560处理时间对沥青复合材料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、疲劳性能和吸声性能的影响。结果表明,经过KH-560处理后的PAN基碳纤维表面的粗糙度增加,当KH-560处理时间为2 h时,纤维凹槽较深,与沥青的作用面积增大,纤维在复合材料中形成了致密网状结构,增强了PAN基碳纤维复合材料的稳定性。当KH-560处理时间为2 h时,PAN基碳纤维沥青复合材料的高温性能、低温抗裂性能、水稳定性和疲劳性能均最佳,此时其45和60 min的变形量、破坏劲度模量达到最小值,分别为1.851和2.117 mm、2 201 MPa;动稳定度、劈裂抗拉强度和破坏拉伸应变达到最大值,分别为3 077 次/mm、4.6 MPa和3479 με。在250~1 000 Hz和1 000~1 600 Hz范围内,当KH-560处理时间为2 h时,沥青复合材料的平均吸声系数均达到最大值,分别为0.116和0.127,较未处理的沥青复合材料分别提高了39.76%和45.98%,吸声降噪性能提升显著。综上可知,KH-560的最佳处理时间为2 h。

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锂硫电池正极富氮粘结剂的制备与性能研究

江晴, 曾蓉, 李宏焱, 那兵, 邹淑芬, 刘景彬, 林珊

功能材料. 2024, 55(4): 4230-4236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.04.029

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理想的锂硫电池正极用聚合物粘结剂不仅应具有良好的粘附性能,还应有丰富的极性基团以吸附多硫化物,抑制穿梭效应。通过壳聚糖(CS)与含大量氨基的聚乙烯亚胺(PEI)通过氢键作用结合,合成了一种富氮粘结剂(CS&PEI)。结果表明,与未改性的CS粘结剂相比,CS&PEI粘结剂具有更好的粘结性能和对多硫化物的吸附性能。使用CS&PEI粘结剂组装的锂硫电池具有更加优异的倍率性能和长循环稳定性。在0.2 C循环150次后,锂硫电池的比容量仍然保持为814 mAh/g。

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2024年, 第55卷, 第4期　刊出日期：2024-04-30

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