功能材料

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功能材料. 2024, 55(9): 0-0.

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自然环境老化ETFE薄膜单轴拉伸力学性能研究

张健, 胡建辉, 李瑞雄, 陈务军

功能材料. 2024, 55(9): 9001-9006. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.001

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ETFE薄膜在自然环境老化后的力学性能是ETFE结构长期使用性能评价的基础。选取在室外自然环境长期使用后的ETFE薄膜,开展了微观形貌表征和宏观力学性能试验,采用能量法确定了自然环境老化ETFE薄膜的屈服点及弹性模量,基于数理统计分析了材料力学参数标准值。研究结果表明,自然环境老化作用使ETFE薄膜材料表面微观形貌粗糙,截面褶皱纹理密集,晶粒尺寸增大了7.8%。老化ETFE薄膜破断强度下降显著,屈服应力及弹性模量降低较大,其标准值为11.73、703.2 MPa,降低了14.9%、13.5%。研究扩展了ETFE薄膜材料力学的研究范畴,可为准确评估ETFE结构长期使用性能提供重要的力学参数。

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WO₃/TiO₂纳米晶的火焰合成及其电致变色性能研究

顾莉, 何小乐, 孟钰枫, 胡彦杰

功能材料. 2024, 55(9): 9007-9013. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.002

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通过自行设计的火焰喷雾燃烧系统合成纯WO₃和Ti掺杂的WO₃/TiO₂纳米晶,采用旋涂法进行薄膜制备,并通过多种表征手段研究Ti掺杂量和退火温度对薄膜电致变色的影响。研究表明,Ti掺杂为薄膜提供更多的活性位点,增大离子迁移速率和电导率,WTi-6薄膜在633 nm处的最大光学调制为67.11%,着色效率也为纯WO₃薄膜的1.7倍。同时,400 ℃的退火处理增强了WTi-6薄膜和导电基材的附着力,薄膜的电化学性能得到提升, Li⁺在薄膜上嵌入/脱出的可逆性增强。相应地,退火后WTi-6薄膜获得较高光学调制范围(76.05%),响应速度加快,在着色时间和褪色时间也分别由未退火的5.7、10.4 s缩短为5.5 和8.2 s,着色效率提高至82.20 cm²/C。因此,通过火焰喷雾燃烧进行Ti掺杂改性和退火工艺精进,提高了WO₃薄膜电致变色性能,拓展了WO₃纳米晶的制备工艺,具有良好的应用前景。

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Ni替换Fe对FeNiSiB合金非晶形成能力和性能的影响

朱元坤, 王芳, 朱胜利, 崔振铎

功能材料. 2024, 55(9): 9014-9021. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.003

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利用单铜辊甩带法制备 (Fe_1-xNi_x)₈₃Si₁B₁₆(x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5)非晶合金带材,并进行退火处理。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)、振动样品磁强计(VSM)、直流/交流磁化特性自动测试分析仪(BH)、维氏硬度计、Instron 机械试验机分析研究不同的Fe/Ni比例对于FeNiSiB合金带材的非晶形成能力、软磁性能和力学性能的影响。结果表明随着Ni元素不断替换Fe元素,FeNiSiB合金带材会有晶化的趋势,并且有α-Fe相析出,第一晶化温度T_x1不断降低,力学性能有所提升,维氏硬度和抗拉强度分别高达770.0和2452 MPa。适当的Fe/Ni比例会使得材料的软磁性能显著提升,其中 (Fe_0.8Ni_0.2)₈₃-Si₁B₁₆在退火处理后饱和磁感应强度Bs为1.62 T,矫顽力Hc仅为0.5 A/m,初始磁导率μi为33 000。

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温度对铁基形状记忆合金回复应力与力学性能的影响

张耀文, 陈适才, 孔潇, 戎树伟, 王经臣

功能材料. 2024, 55(9): 9022-9030. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.004

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为研究温度对铁基形状记忆合金(Fe-SMA)回复应力的影响与力学特性,开展了Fe-SMA温度相关力学性能实验及其影响规律研究。首先,通过预拉伸、激活实验研究了不同激活温度对Fe-SMA棒材回复应力的影响规律,并在实验研究的基础上,建立了Fe-SMA回复应力-温度的经验本构模型;其次,进行二次加热实验研究了不同激活温度、附加荷载和暴露温度对Fe-SMA棒材回复应力的影响;最后,通过高温后的Fe-SMA棒材单调拉伸实验,研究其高温后的力学性能。研究结果表明,建立的Fe-SMA回复应力-温度的模型,可以有效地模拟Fe-SMA的回复应力与温度的关系;在二次加热过程中,当激活温度低于200 ℃时,Fe-SMA具有较高的应力保持比。Fe-SMA棒材的应力损失随着附加荷载和暴露温度的增加有所增大;在经历高温后,剩余的形状记忆效应使得Fe-SMA棒材的应力高于初始应力,并且其弹性模量和极限强度保持相对稳定,而屈服强度随着暴露温度的升高而略微增加。该研究可为Fe-SMA构件的抗火设计与应用提供参考依据。

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二酮吡咯并吡咯基半导体/碳量子点平面异质结光电晶体管的制备及性能研究

艾志强, 周涵, 钱勇, 程在天, 王辉, 张发培

功能材料. 2024, 55(9): 9031-9039. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.005

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采用二酮吡咯并吡咯基半导体聚合物PDVT-10与新型碳纳米材料碳量子点(CQDs)复合,通过溶液法制备了平面异质结薄膜有机光电晶体管(OPT)。PDVT-10/CQDs薄膜叠加了PDVT-10和CQDs的光学特性,在紫外至近红外的宽频范围显示了很高的光吸收能力。相较于纯PDVT-10光电晶体管,PDVT-10/CQDs平面异质结OPT展现出更优异的宽谱光电探测性能,在450 nm激光照射下,器件的光响应度达2.6×10⁴ A/W,比探测率达2.4×10¹³ Jones,最大光灵敏度超10⁴;在808 nm光照下,光响应度甚至高达4.4×10⁴ A/W,比探测率达1.2×10¹³ Jones。根据OPT光响应过程的探究,PDVT-10/CQDs异质结器件的性能提升源于界面处合适的能级排布增强了激子的解离效率、促进电荷分离,并有效减少了空穴-电子复合几率,同时PDVT-10高空穴迁移率有助于形成高效的电荷传输通路。研究为发展高性能有机光探测器件中提供了一条重要途径。

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光电催化中光电极基底材料的研究进展

杨小娜, 吴腾, 安家君, 王磊, 王旭东, 李洁

功能材料. 2024, 55(9): 9040-9052. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.006

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近年来,光电催化技术(PEC)因其融合了电化学与光催化技术的优势而备受瞩目。这一技术不仅展现了优良的催化性能,还解决了传统粉末光催化剂难以分离回收的难题。光电极的基底材料是PEC技术的核心,其显著影响着电子转移的效率、光生载流子的复合率以及光电极的稳定性。尽管PEC技术已取得诸多成果,但关于光电极基底材料的研究进展尚未得到充分的文献报道。鉴于此,在系统地对光电极基底材料进行分类,包括金属、导电玻璃、碳基材料以及其它新兴材料,并深入回顾近年来关于这些材料的研究进展。详细论述光电极的制备方法、性能表现以及作用机理,以期为读者提供一个全面而深入的理解。同时,我们也对光电极基底材料的未来研究方向提出了一些建议,希望能为该领域的进一步发展提供有益的参考。

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硅藻基相变储能材料的研究进展

刘萍, 谭浩若, 冯民生, 雷凡

功能材料. 2024, 55(9): 9053-9063. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.007

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硅藻基是一种天然的、具有良好热稳定性的非金属材料,是相变储能材料(phase change material,PCM)的优良载体,广泛应用于太阳能、建筑、节能等领域。介绍了硅藻土基相变储能材料和硅藻壳基相变储能材料。综述了硅藻土改性相变储能材料、导热增强硅藻土复合相变储能材料、光热转换硅藻土复合相变储能材料、硅藻壳改性相变储能材料的研究进展。硅藻基相变储能技术有望成为高效、环保的能源储存解决方案,为可再生能源的发展做出贡献。

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锂离子电池高镍三元正极材料改性研究进展

赵亮, 王甲泰, 张一博, 唐浩, 徐源, 胡雷雷, 吴熹, 康宇龙

功能材料. 2024, 55(9): 9064-9070. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.008

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高镍三元正极材料具有能量密度大,电压平台高,无记忆效应等优势,受到研究者们的广泛关注。但受限于其循环稳定性差,阳离子混排,热稳定性差等缺陷,高镍三元正极仍需进行广泛深入的研究。围绕高镍三元正极材料的不足,概括了近年来离子掺杂、表面包覆、共改性、浓度梯度、电解质改性和结构调控等改性策略的最新进展,并对未来的研究方向进行了探讨与展望。

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空心玻璃微珠在涂料中的应用与研究进展

王润庭, 高梦岩, 李海燕, 张建英, 曹仁伟, 宋慈, 孙坤, 邱家浩, 秦颖, 朱明绪

功能材料. 2024, 55(9): 9071-9077. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.009

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简述了空心玻璃微珠的表面改性方法以及在涂料中的应用情况,分类总结了其在隔热涂料、防火涂料、吸波涂料和防腐涂料中的最新研究进展,并对未来空心玻璃微珠在涂料中的应用方向拓展进行了展望。

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固体氧化物燃料电池Ruddlesden-Popper型氧化物阳极的研究进展

渠吉发, 王旭, 张静, 时焕岗, 谭文轶

功能材料. 2024, 55(9): 9078-9086. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.010

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Ruddlesden-Popper(RP)型钙钛矿氧化物具有独特的理化性质,被认为是一种极具潜力的固体氧化物燃料电池(SOFCs)阳极材料,但是多数现有RP型钙钛矿存在不耐还原、催化氧化活性或稳定性不足等问题。在简要介绍RP型氧化物的基础上,总结出其结构可调和性质特异的内在机理,基于材料微观结构的维度、离子取代位点、制备工艺特性等系统地介绍了近年其作为SOFCs阳极的研究进展,并对制备RP型材料使用的相转变法及提升催化活性的原位析出进行了梳理与探讨,重点分析了RP型钙钛矿氧化物用于SOFCs阳极的设计理念和目前仍然存在的问题。最后指出利用异价离子取代、理论实践结合、充分利用氧非计量比是开发耐还原且具有高催化活性和稳定性的新型RP阳极的重要策略。

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La-Cu/ZnO/ZrO₂催化剂上CO₂加氢合成甲醇性能研究

黄浩, 纳薇, 高文桂, 黄振辉

功能材料. 2024, 55(9): 9087-9093. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.011

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采用共沉淀法制备了不同含量La掺杂的Cu/ZnO/ZrO₂催化剂,并对其进行了关于CO₂加氢合成甲醇的实验研究。采用XRD、N₂物理吸附、N₂O化学吸附、XPS、H₂-TPR、CO₂-TPD等技术考察了La对于Cu/ZnO/ZrO₂催化剂的优势,并对La不同含量的影响进行了研究。详细讨论了不同掺杂量(0%~10%)La的加入对Cu平均粒径、聚集状态和元素间相互作用的影响。实验表明,掺杂的La后,Cu/ZnO/ZrO₂催化剂的比表面积和分散度显著提高,碱性位点的数量显著增加与未经改性的催化剂相比具有明显的甲醇选择性优势。La的掺杂促进了Cu-ZnO之间相互作用,提升了催化性能。适宜的La含量有利于Cu/ZnO/ZrO₂催化剂的催化性能,当La含量为5%时,在240 ℃、3 MPa的条件下CH₃OH的时空产率最高达到了0.35(g_(MeOH)/g_(cat)·h)。

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一锅法木质素基氮硫共掺杂活性炭的制备及其超级电容器和CO₂吸附性能研究

罗琳, 赵子雄, 申熠, 史晓凯, 崔静磊, 张慧荣

功能材料. 2024, 55(9): 9094-9101. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.012

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随着煤炭等不可再生资源的日益枯竭,生物基替代材料得到了广泛关注,木质素来源广泛,储量巨大,但全球仅有约5%得到了资源化利用。因此本研究采用一步法,以木质素磺酸钠为原料,FeCl₃作为活化剂,尿素为氮源,制备了一种分级多孔木质素基氮硫共掺杂活性炭,探究其在超级电容器和CO₂吸附领域的应用潜力,为木质素的资源化利用提供理论支持。研究发现在6 mol/L KOH为电解液的三电极体系中,AC-1-NS在0.5 A/g的电流密度下具有高达275 F/g的比电容,AC中丰富的孔结构和杂原子决定其优异的电化学性能,掺氮引入的N-5、N-6、N-Q,掺硫引入的-SOx-导致不同AC的比电容产生差距。AC-2-NS的比表面积达到1 510 m²/g、微孔率为75.8%,CO₂吸附量达到2.86 mmol/g,孔结构和杂原子掺杂共同决定其性能。

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环保型Al₂O₃纳米流体的氧化稳定性和黏度特性

龚湫, 吴张永, 朱启晨, 蒋佳骏, 谢志伟

功能材料. 2024, 55(9): 9102-9110. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.013

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玉米油作为纳米流体基液存在易氧化问题,特丁基对苯二酚的添加有望提高玉米油抗氧化性能。以玉米油作为基液,Al₂O₃作为纳米颗粒,以特丁基对苯二酚为抗氧化剂,制备新型环保型纳米流体,研究其沉降稳定性和抗氧化特性。从颗粒粒径、颗粒质量分数、抗氧化剂种类、抗氧化剂添加量等角度,研究不同时间下纳米流体的氧化产物含量与黏度。结果表明,不加入分散剂、100 mL玉米油、Al₂O₃纳米颗粒粒径为20 nm、颗粒质量分数为1.1083%,制得的纳米流体沉降稳定性最佳。添加0.7%特丁基对苯二酚的纳米流体具有最优的抗氧化性能,特丁基对苯二酚分子中存在2个酚羟基,2个酚羟基分别提供1个氢离子,在玉米油中形成稳定的醌类化合物,使得玉米油的氧化速率变缓。添加特丁基对苯二酚的含量在小于0.4%时,特丁基对苯二酚的含量不足以有效延缓油脂的氧化反应。当特丁基对苯二酚添加量超过0.7%时,仅能够小幅度的提高纳米流体的抗氧化性能,氧化诱导时间增长缓慢,相反会大幅度的增加纳米流体的黏度。制备的纳米流体具有环保、抗氧化性能好的特点,能够有效地减缓氧化物质的生成。此研究有助于环保型纳米流体抗氧化研究的进一步发展。

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镁空气电池阳极用Mg-Sr合金的放电性能研究

原宇坤, 栗东虎, 侯利锋, 杜华云, 王骞, 卫英慧

功能材料. 2024, 55(9): 9111-9117. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.014

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采用电化学技术和镁空气电池放电测试系统地研究了Mg-xSr(x=0.2%,0.5%,1%,2%和4%)(质量分数)5种合金作为镁空气电池阳极材料的耐蚀性及放电性能。结果表明,在镁合金中添加适量的Sr元素时,可以有效的增强合金的耐蚀性和电化学活性。在所研究的阳极里,Mg-2Sr阳极在所有电流密度下都具有最高且相对稳定的放电电压且表现出最好的放电性能,在40 mA/cm²下具有最高的阳极效率,为68%。随着Sr含量的进一步增加,过量的第二相加速了自腐蚀,合金的耐蚀性和放电性能下降。

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FeCoNiAl@C/CCB/NR吸波贴片的制备及微波吸收性能

申永前, 宋鹏飞, 韦丽君, 张桂彬, 高峰, 杜雪岩

功能材料. 2024, 55(9): 9118-9126. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.015

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近年来,橡胶吸波贴片由于具有优异的力学性能和吸波性能被广泛应用于各种电子设备,确保设备免受电磁波干扰而正常运行。采用机械搅拌法、碳热还原法以及密炼和硫化等工艺制备了具有优异力学性能和吸波性能的FeCoNiAl@C/导电炭黑(CCB)/天然橡胶(NR)吸波贴片,并调节FeCoNiAl@C的添加量,以调控贴片的力学性能和吸波性能。对FeCoNiAl@C复合材料的物相组成和微观形貌进行表征,并研究了吸波贴片微波吸收性能和吸波机理。结果表明,当FeCoNiAl@C添加量为5.0 g时,FeCoNiAl@C/CCB/NR吸波贴片在4.40 GHz、厚度5.0 mm处最小反射损耗(RL)可达-24.45 dB,有效吸收带宽(EAB)达到1.60 GHz;当厚度为1.5 mm时,EAB可达到3.04 GHz。吸波贴片良好的吸波性能源于吸波剂优异的阻抗匹配和多重损耗的协同作用。此研究为天然橡胶基吸波贴片的结构设计和实际应用提供了新的思路。

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内养护机制对再生混凝土材料宏、细观力学性能的影响研究

覃源, 闫鹏飞, 魏毅萌, 段明翰, 方建银

功能材料. 2024, 55(9): 9127-9138. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.016

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再生混凝土作为绿色生态混凝土,其在生态水利工程中的应用较为广泛。为提高其力学性能和耐久性,采用内养护方式将再生骨料预处理至干燥、半饱和、饱和状态,分别以50%、100%的取代率取代普通混凝土,并设置干燥状态的普通混凝土作为对照组,分析了不同取代率下含水量对再生混凝土宏细观性能的影响并对各参数进行相关性分析,通过建立再生骨料吸水、解吸模型从细观尺度诠释内养护作用机理。研究结果表明,同等取代率下,养护90 d时抗压强度较优异的是含水率50%的再生混凝土组。取代率增大,孔隙增多,养护90 d时,R50P、R100P的孔隙率比7 d时分别降低14.2%、10.3%,说明含水率50%的再生骨料能一定程度上改善孔隙和界面过渡区结构;骨料吸水、解吸过程中发挥的内养护作用机制是再生混凝土后期强度持续增长的主要原因。

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氮掺杂碳纳米线负载MnO纳米粒子作为水系锌离子电池正极的性能研究

何盈盈, 卢维鹏, 陈利君, 丁皓东, 余添

功能材料. 2024, 55(9): 9139-9148. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.017

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水系锌离子电池(AZIBs)因锌的氧化还原电位低、能量密度高而有巨大的应用前景,其中储存Zn²⁺的宿主正极决定了电池的放电性能和循环稳定性。以含有3个羧基的次氮基三乙酸(Nitrilotriacetic acid, NTA)为配体,通过简单的调整Mn²⁺: NTA的比例,制备了3种一维纳米线结构聚合物,并经煅烧处理中得到了3种氮掺杂碳纳米线负载不同粒径MnO材料MnO/NC-x。其中Mn²⁺∶NTA比例为0.5时制备的MnO/NC-0.5中MnO粒径最小,且均匀的分散于纳米线表面。该材料作为AZIBs正极展现了卓越的离子扩散性和导电性等动力学特征。在2 A/g的高电流密度下该材料显示出158 mAh/g的倍率性能,并在1 A/g的条件下经历1 000个循环后仍有96%的容量保持率,表现出卓越的循环稳定性。

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不同粒径石蜡微胶囊悬浮液的传热性能研究

邓卓夫, 贾莉斯, 陈颖, 莫松平, 王智彬, 黄志豪

功能材料. 2024, 55(9): 9149-9156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.018

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石蜡微胶囊悬浮液(MEPCMS)是石蜡微胶囊与传热流体混合形成的一种新型功能材料,依靠胶囊固-液相变吸收大量潜热的特性而具有强化传热能力,在电子电器、航空航天、新能源等领域的应用前景广阔。本文尝试从胶囊粒径入手,寻找促进MEPCMS安全高效传热的可靠途径。研究以正十八烷(C18)作芯材、三聚氰胺甲醛树脂(MF)作壁材,采用原位聚合法合成了粒径均匀的石蜡微胶囊;采用分散剂手段将胶囊添加进去离子水,获得了分散稳定的MEPCMS。在此基础上,围绕不同粒径MEPCMS的管内传热性能展开研究。结果表明,减小粒径是提升MEPCMS传热性能的有效途径。MEPCMS的粒径从20.0 μm减小至2.6 μm,其流动传热的平均努塞尔数(Nu)增加约20.3%,传热通道的温升降低约33.0%。

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Cu对Mg-6Al-1Zn-1.0Sn可溶镁合金组织和性能的影响

马巍, 陈百华, 马正青, 汪海

功能材料. 2024, 55(9): 9157-9163. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.019

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可溶镁合金作为油气田增效开采中的桥塞和压裂球材料,需兼具良好的强度、塑性和较快的溶解速度,目前应用的可溶镁合金存在力学性能和溶解性能较差等不足。以Mg-6Al-1Zn-1.0Sn合金为基体,添加不同含量的Cu元素,通过铸造、挤压法制备了Mg-6Al-1Zn-1.0Sn-xCu(x=0.5,1.5和2.5)合金。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、金相显微镜(OM)观察了Mg-6Al-1Zn-1.0Sn-xCu(x=0.5,1.5和2.5)合金的显微组织和形貌;利用塔菲尔曲线、腐蚀失重、室温拉伸等检测技术,研究了添加元素Cu对Mg-6Al-1Zn-1.0Sn-xCu(x=0.5,1.5和2.5)镁合金的溶解速度和力学性能的影响。结果表明,Cu元素的添加,形成了AlCuMg相,提高了合金凝固时的形核率,晶粒细化,改善了Mg-6Al-1Zn-1.0Sn-xCu(x=0.5,1.5和2.5)溶解均匀性;随铜含量增加、固溶处理温度升高,Mg-6Al-1Zn-1.0Sn-xCu(x=0.5,1.5和2.5)镁合金溶解速度增大、强度降低、延伸率增大。固溶温度为425 ℃+2 h、时效温度为180 ℃+24 h的Mg-6Al-1Zn-1.0Sn-0.5Cu合金抗拉强度为290 MPa,屈服强度为194 MPa,延伸率为14.0%,在60,90 ℃的3.5%(质量分数)KCl溶液中的溶解失重速度分别为28.65,32.52 mg/(h·cm²)。本研究为开发岩气开采可溶性镁合金材料提供了理论参考。

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聚苯颗粒复合保温砂浆的制备及性能研究

范晔

功能材料. 2024, 55(9): 9164-9171. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.020

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以聚苯乙烯颗粒(EPS)为砂浆的增强相,先通过三乙醇胺对聚苯颗粒进行表面处理,然后制备出聚苯颗粒复合保温砂浆,研究了三乙醇胺用量对聚苯颗粒水接触角的影响,并探究了其对复合保温砂浆力学性能、微观形貌、干缩性能和导热性能的影响。结果表明,三乙醇胺改性处理降低了聚苯颗粒的水接触角,聚苯颗粒由疏水性转变为亲水性。三乙醇胺用量的增加降低了复合保温砂浆的稠度,增大了干密度,EPS-5%试样的稠度最低为8.8 cm,干密度最高为237 kg/m³。随着三乙醇胺用量的增加,复合保温砂浆的吸水率先降低后逐渐趋于平稳,抗压强度、抗折强度、压剪粘接强度和软化系数均先增大后降低,干燥收缩率和导热系数先减小后增大。EPS-5%试样的吸水率最低为0.62%,软化系数最大为0.63,该试样在28 d龄期的抗压强度、抗折强度和压剪粘接强度达到最大值,分别为2.05,0.64和0.26 MPa。在7 d时,EPS-5%试样的干燥收缩率最低为0.0385%,导热系数最低为0.045 W/(m·K),保温性能最优。

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Ni₅₀Ti₄₉Nb₁合金的马氏体相变行为与超弹性

杨优奕, 李秋真, 崔立山, 于开元

功能材料. 2024, 55(9): 9172-9177. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.021

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通过室温拔丝与晶化退火工艺制得了不同晶粒尺寸的Ni₅₀Ti₄₉Nb₁和Ni₅₀Ti₅₀合金丝材。利用差示扫描量热仪(DSC)、电阻测试仪(ER)、X射线衍射仪(XRD)与透射电子显微镜(TEM)表征了样品的热致马氏体相变行为与微观组织结构,利用万能拉伸试验机测试了纳米晶样品在不同温度下的超弹特性。结果表明,两类合金的热致相变均随晶粒尺寸减小而愈发受制,当晶粒尺寸为纳米晶时,B19′相被完全抑制;低温时,纳米晶Ni₅₀Ti₄₉Nb₁样品R相受制更强。拉伸测试结果表明,纳米晶 Ni₅₀Ti₄₉Nb₁样品在218~398 K温域内展现超弹性,显著优于纳米晶Ni₅₀Ti₅₀合金;前者相变临界应力以及应力滞后与温度呈非线性相关,与后者显著不同。研究结果有助于理解微量Nb掺杂对NiTi基合金相变行为与超弹性的影响规律,并为新型超弹合金设计提供思路。

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以乙酸盐制备Cu/Zn催化剂在CO₂加氢制甲醇研究

周嘉斌, 陈志远, 王宇宁, 龚杰松, 纳薇, 高文桂

功能材料. 2024, 55(9): 9178-9183. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.022

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以乙酸盐为前驱体,采用水热法制备不同比例Cu/Zn催化剂,在未H₂预处理的情况下对其进行CO₂加氢制甲醇性能评价。采用XRD、TG-DSC、H₂-TPR、CO₂程序升温解吸和XPS等表征手段考察了不同Cu/Zn比对催化剂的晶相结构,表面性质和价态的影响,并对其活性位点进行研究。研究结果表明,以乙酸盐为前驱体制备的Cu/Zn催化剂,在未预处理的情况下进行CO₂加氢制甲醇活性评价,反应气(H₂∶CO₂=3∶1)中的H₂会将Cu/Zn催化剂的Cu²⁺还原成Cu⁰,形成新的Cu⁰-ZnO界面,使得其达到不错的性能,其中Cu/Zn45在3 MPa,240 ℃的条件下达到7.97 mmol/g·h的时空产率。

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F-POSS透明疏水抗菌涂层的制备及其性能

王志, 曾祥会, 张荭, 杨震, 方伟, 杜星, 王大珩, 赵雷, 陈辉

功能材料. 2024, 55(9): 9184-9190. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.023

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以物理气相沉积的方式,将聚合的笼型半硅氧烷材料(F-POSS)和抗菌剂吡啶硫酮锌沉积到玻璃表面,利用FT-IR、SEM、UV-Vis对其组成、形貌、光学性能进行表征,并通过对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行细菌计数分析,对样品的抗菌能力进行了评估。结果表明,所制备的涂层表面平整具有基体玻璃90%的透明度与118°的水接触角。涂层拥有优良的耐磨、冲击能力,具有一定自修复能力,并且对酸碱、高温等苛刻条件表现出了极佳的稳定性。同时,对常见的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都能在24 h内达到超过98%的杀菌能力。

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酒糟纤维素纳米晶的制备,表征及离子染料吸附研究

唐璐, 郝绍杰, 郜乾, 冯晓彬, 范蓓, 张亮, 王博, 王凤忠

功能材料. 2024, 55(9): 9191-9198. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.024

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为了探索酒糟纤维素纳米晶(Cellulose nanocrystals, CNCs)在废水处理领域的应用潜力,拓宽酒糟的高值化利用途径,研究通过洗涤、漂白和碱提等步骤制备酒糟纤维素,再以1∶20固液比加入50% (v/v)硫酸溶液水解纤维素制备酒糟纤维素纳米晶,并对其进行化学成分测定和结构表征,最后研究其对亚甲基蓝和刚果红水溶液的吸附能力。结果发现,制备的酒糟CNCs中的纤维素纯度超过90%,粒径分布集中在180~300 nm范围内,Zeta-电位值为-30.1 mV。酒糟CNCs对刚果红和亚甲基蓝染料的平衡吸附率分别达到75.5%和90.57%,展现出不同的吸附机制,分别对应一阶动力学模型和二阶动力学模型,表明酒糟CNCs对离子染料具有良好的吸附特性,为酒糟CNCs在工业废水处理领域的可持续应用提供了低成本且高效的新途径。

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聚乙烯蜡温拌再生沥青性能研究

马峰, 黄锐哲, 王昊宇, 史柯, 傅珍, 金彦鑫

功能材料. 2024, 55(9): 9199-9204. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.025

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聚乙烯蜡可提升沥青路用性能,同时具有良好的经济效益而受到研究人员的广泛关注。选取新聚乙烯蜡(NPEW)与回收聚乙烯蜡(RPEW)按照等比混掺的方式作为温拌剂(PEW),将PEW与再生剂(LBS)加入新旧共混沥青中制备了聚乙烯蜡温拌再生沥青,其中新旧共混沥青中分别含20%、30%、40%的老化SBS改性沥青(AAM),用于模拟实际路面再生过程中旧沥青比例。通过沥青三大指标、布氏黏度对不同PEW及AAM掺量下温拌再生沥青的感温性能、高低温性能及降黏效果进行分析。结果表明,AAM和PEW的添加可减少温拌再生沥青的温度敏感性;当温拌再生沥青中AAM掺量一定时,随着PEW掺量的增加,高温抗变形能力,低温抗裂性能均有显著提升;当温拌再生沥青中AAM掺量较低时,PEW的掺入可有效降低黏度;当AAM掺量30%,PEW掺量2%时,温拌再生沥青兼具最佳的路用性能及经济效益。

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硅藻土基自粘附超疏水防腐涂层的制备

杨磊, 陈世波, 张彦弛, 刘书佩, 张欣芳, 饶劲松

功能材料. 2024, 55(9): 9205-9213. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.026

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金属是工业和日常生活最常用的原材料之一,金属设备遍及生活的方方面面。但是随着使用时间的延长,这些设备将不可避免的发生锈蚀,严重降低设备性能、缩短服役寿命,甚至可能导致安全事故事故的发生,因此延缓金属的腐蚀至关重要。长久以来,涂覆有机涂层法是最便捷高效的防腐措施。超疏水涂层凭借独特的材料特性和巧妙的表面结构,不仅能够阻止腐蚀性介质的入侵,同时可以延缓污垢的附着。在这次研究中,以硅藻(DE)土为“桥梁”,将具有Cl^-固化效果的Ni-Co LDH和Fe₃O₄磁性纳米材料进行组装,并进行疏水改性,制备了磁性疏水Fe₃O₄/Ni-Co/DE磁性微胶囊填料,实现了硅藻微胶囊的Cl^-固化和疏水的协同防腐。另外,将获得的磁性疏水填料与聚偏二氟乙烯(PVDF)混合,制备了具有钢铁自粘附特性的疏水防护涂层。测试结果表明自粘附涂层最大疏水角为151.52°,在模拟海水中浸泡20 d后最优异自粘附涂层的阻抗模值仍然高达10¹¹ Ω·cm²,表现出优异的自清洁和防腐蚀性能。

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聚苯乙烯颗粒掺量对混凝土力学性能和保温性能的影响研究

严向阳, 夏慧芸

功能材料. 2024, 55(9): 9214-9221. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.027

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以聚苯乙烯颗粒(EPS)作为掺杂材料,通过不同的表面活性剂对其进行亲水改性,在此基础上将聚苯乙烯颗粒掺入到泡沫混凝土中,研究了亲水改性后的聚苯乙烯颗粒对混凝土力学性能和保温性能的影响。结果表明,未改性的聚苯乙烯属于憎水材料,接触角为112°,三乙醇胺改性后接触角降低至31°,具有优异的亲水性。泡沫混凝土具有多孔特征,孔径分布为20~230 μm,凝固时间随聚苯乙烯颗粒掺杂量的增多不断降低,流动度先增大后降低,EPS-0.9%的凝固时间为90 min,流动度最高为17.9 mm。随着EPS颗粒掺杂量的增多,泡沫混凝土的抗压强度持续降低,抗折强度先降低后轻微升高,导热系数和干密度先降低后增大,抗碳化性能持续降低。在28 d龄期时,EPS-1.2%试样的抗压强度达到最低值5.2 MPa,碳化深度达到最大值2.13 mm;EPS-0.6%试样的抗折强度达到最大值0.57 MPa;EPS-0.9%试样的干密度和导热系数达到最低值,分别为357 kg/m³和0.069 W/(m·K),保温性能最优。

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铌酸锂单晶薄膜化学机械抛光及极化研究

乔骁骏, 薛刚, 丑修建

功能材料. 2024, 55(9): 9222-9228. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.028

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使用化学机械抛光制备硅基铌酸锂单晶异质集成薄膜,研究了在薄膜制备过程中不同阶段下薄膜状态,利用原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱分析(XPS)对单晶铌酸锂的表面形貌与元素含量变化进行了表征,并通过高压极化装置对铌酸锂薄膜实现了大面积周期性极化。研究结果表明,随着研磨步骤的进行,样品表面粗糙度逐渐降低,完成最终抛光工艺后,样品表面均方根粗糙度基本达到初始样品水平;抛光过程会导致Li缺失,但是可以通过后续工艺进行修复,研磨过程中引入的杂质元素会随着工艺的进行逐渐被去除,最终得到高质量硅基铌酸锂单晶薄膜;使用高压极化装置对铌酸锂薄膜进行极化,得到周期极化的条形电畴反转单元结构。该研究对制造基于铌酸锂的高性能传感器件具有重要意义。

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多壁碳纳米管对粉煤灰混凝土的力学和耐久性能的影响

吴亚敏, 段君峰, 张莉, 侯风

功能材料. 2024, 55(9): 9229-9236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.029

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以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为分散剂,结合超声工艺对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行分散处理,配置出MWCNTs水性分散液,并将其作为掺杂相制备了粉煤灰混凝土,通过TEM、XRD、SEM、FT-IR、力学性能测试和快速冻融实验等方式研究了多壁碳纳米管掺量对粉煤灰混凝土的力学和耐久性能的影响。结果表明,PVP结合超声工艺能够有效分散MWCNTs,粉煤灰混凝土中加入MWCNTs能够加速水泥水化反应的进行,提高C-S-H和Ca(OH)₂等水化产物的生成量。适量的MWCNTs掺杂后能够细化水泥内部孔结构,减少裂纹和大尺寸孔洞的数量,使粉煤灰混凝土的破坏形式由脆性断裂转变为韧性断裂。MWCNTs-0.3%试样的载荷峰值和形变量达到最大值,分别为41.6 kN和2.92 mm;抗压强度和抗折强度达到最大值,分别为60.5 和11.2 MPa。经过100次快速冻融循环后,MWCNTs-0.3%试样的质量损失率为最低值0.271%,相对动弹性模量最大为84.34%,抗冻性能提升显著。

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2024年, 第55卷, 第9期　刊出日期：2024-09-30

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