功能材料

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功能材料. 2024, 55(10): 0-0.

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铁尾矿制备介孔硅酸锌复合材料及其对亚甲基蓝的高效吸附

汪冬梅, 丁开振, 徐光青, 郭敏娜, 韩渺, 吕珺

功能材料. 2024, 55(10): 10001-10007. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.001

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铁尾矿转化为高附加值产品的功能化利用越来越受关注和期待。本文以铁尾矿为原料,引入锌离子水热合成了介孔硅酸锌复合材料,包括由层状纳米片组装而成的花瓣状硅酸锌类物质(zincsilite)和异晶锌(hemimorphite)复合材料,以及由短棒组装而成的椭球状硅锌矿(willemite)复合材料。其中,花瓣状异晶锌复合材料具有典型的片状粒子聚集形成的狭缝孔结构,孔隙宽度约为3.385 nm,比表面积为96.15 m²/g。该复合材料对染料亚甲基蓝(MB)有高效吸附效应,10 min内去除率接近100%,在染料废水处理领域具有潜在的应用前景。

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金刚石/铝复合材料的制备及其扩热可靠性研究

王翔宇, 李海珠, 范德松

功能材料. 2024, 55(10): 10008-10012. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.002

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金刚石/铝复合材料具有高导热和低密度等优点,是理想的航天电子器件散热材料。然而,目前对影响金刚石/铝复合材料热导率的影响因素和可靠性研究仍有不足。采用放电等离子烧结法,综合考虑了烧结温度、保温时间和金刚石粒径组合的影响,制备了热导率为462 W/(m·K)的金刚石/铝复合材料。同时,验证了复合材料在高低温和振动环境中的扩热可靠性。结果表明,当热流密度为70 W/cm²时,与铝合金扩热板相比,金刚石/铝复合材料将带动热源温度下降13 ℃,在高低温和振动环境中仍具有热物理性质稳定性和结构可靠性,有效提升了电子设备的总体散热能力,为航空航天电子器件的发展提供了一种稳定、可靠的散热方案。

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光交联聚乙烯醇/银纳米线复合透明导电薄膜的稳定性研究

郭沛怡, 季书林

功能材料. 2024, 55(10): 10013-10021. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.003

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通过简单的溶液工艺将水溶性光交联聚乙烯醇-苯乙烯基吡啶盐(SbQ-PVA)溶液涂敷至银纳米线(AgNWs)薄膜上形成SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜,分析了不同面密度的AgNWs薄膜在涂敷SbQ-PVA前后的光电性能和形貌,对比了AgNWs裸膜和SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜的机械和环境稳定性。结果表明,SbQ-PVA涂层不影响银纳米线网络的导电性,还能起到减小光散射和减反增透的作用,复合薄膜方阻低至约20 Ω/sq时,也具有约90%的高透过率。同时,相比于AgNWs薄膜,SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜具有更优异的稳定性,其对外部刺激(5 000次弯曲、3B铅笔刮擦、空气老化、酸碱盐溶液腐蚀)的抵抗力显著提升。此外,SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜能够在去离子水超声处理中保持稳定,利用此特点配合光掩模进一步实现了银纳米线薄膜的图案化。

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基于Giannakoopulou模型的MWCNT/GF/EP复合材料微波吸收性能研究

文湘隆, 陈凯, 廖思凡, 宋春生, 张锦光

功能材料. 2024, 55(10): 10022-10029. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.004

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探究了加入不同质量分数多壁碳纳米管的多壁碳纳米管/玻璃纤维/环氧树脂复合材料在X波段的电磁波吸收性能,基于Giannakoopulou模型引入透波层,研究了吸波层和透波层两者的比例和分布状态对吸波材料整体的吸波性能影响。结果表明,加入多壁碳纳米管质量分数为2%的多壁碳纳米管/玻璃纤维/环氧树脂复合材料在厚度为3.0 mm时,最大反射损耗为-44.5 dB,有效吸收带宽为3.3 GHz(8.2～11.5 GHz);通过合理设计吸波层和透波层两者的比例和分布状态,得到具有不同有效吸收带宽和吸收损耗峰值的吸波材料,反射损耗峰值最高达到-62.1 dB,有效吸收带宽为3.1 GHz。

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纳米增韧陶瓷涂层的研究进展

段元旭, 刘敬, 章健, 路小江, 王金涛, 夏修杰, 宋哲鹏

功能材料. 2024, 55(10): 10030-10037. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.005

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纳米陶瓷涂层是一种采用不同纳米增韧方法和制备工艺获得的陶瓷涂层,纳米结构的引入能够在一定程度上改善陶瓷涂层的脆性。介绍了纳米结构增韧陶瓷涂层的常用增韧方法及其增韧机理,包括晶须增韧、纳米线增韧、碳纳米管增韧、纳米颗粒增韧、纳米多层膜增韧、纳米超晶格增韧以及仿生结构增韧,简述了近几年纳米增韧陶瓷涂层的主要制备工艺,主要有溶胶-凝胶法、气相沉积法、热喷涂技术(如等离子喷涂、超音速喷涂)以及磁控溅射等。最后,总结了不同纳米增韧陶瓷涂层制备过程中存在的难题与挑战,并对纳米增韧陶瓷涂层的研究方向与应用前景进行了展望。

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相变混凝土复合材料的性能研究综述及展望

龙国文, 曾开华, 谢帮华, 田海, 邱智坚

功能材料. 2024, 55(10): 10038-10046. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.006

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相变混凝土(phase change concrete,PCC)是一种新型建筑材料,在相变温度范围内吸收或释放大量热量,在节能和环保方面体现了优异性能。首先综述了相变混凝土的基本原理及其发展应用概况;其次分析了相变混凝土材料性能、力学性能、热学性能的研究现状,指出了当前研究中存在的问题与挑战;最后总结了相变混凝土的试验研究与工程实际应用,并提出了基于相变混凝土复合材料的智能化发展建议。

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紫外光照对氮化硼/碳纳米管/聚乙烯醇缩丁醛复合材料导热性能的影响

申福花, 张媛娟, 徐锦波, 张立军, 肖贵勇, 林欢

功能材料. 2024, 55(10): 10047-10052. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.007

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以PVB为基底,碳纳米管和氮化硼为填料,采用溶液共混法制备成复合材料,并针对波长范围、照射时长和辐照强度3种影响因素,开展了人工紫外照射实验,通过瞬态电热技术测量了不同波长、不同照射时长和不同辐照强度下复合材料的热扩散系数和导热系数。结果表明,氮化硼/碳纳米管/聚乙烯醇缩丁醛复合材料对波长为340 nm的光照射线更为敏感,且随着照射时间的增长或者辐照强度的增大,材料内部结构会发生断裂和降解,使得其热扩散系数呈不断下降的趋势。

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纤维素醚改性粉煤灰基薄喷材料性能研究

王予, 陈杰, 黄庆享, 武奇猛, 刘纯, 贺剑

功能材料. 2024, 55(10): 10053-10058. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.008

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采用纤维素醚(羟乙基纤维素醚、羟丙基甲基纤维素醚)对粉煤灰基薄喷材料的粘结性能进行改性研究,研究了纤维素醚的黏度、取代基对粉煤灰基薄喷材料粘结强度、稠度及其抗拉强度、抗压强度的影响规律。采用扫描电子显微镜研究了纤维素醚掺入前后粉煤灰基薄喷材料28 d试样的微观结构,揭示了纤维素醚对薄喷材料粘结性能改性机理。结果表明,加入纤维素醚后,薄喷材料的粘结强度显著提高。相同取代基下,掺入低黏度的纤维素醚试样的粘结性能更高。不同取代基下,羟乙基纤维素醚试样粘结强度更高,对力学性能的不良影响更小。掺入0.05%(占胶凝材料质量分数)羟乙基纤维素醚的粉煤灰基薄喷材料28 d粘结强度达到1.67 MPa,抗压强度为11.4 MPa。

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不同衬底对金刚石-石墨烯复合薄膜场发射性能影响研究

韦庆红, 张文, 官磊, 吴晓雪, 刘辉强, 汪建, 王兵, 熊鹰

功能材料. 2024, 55(10): 10059-10063. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.009

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金刚石薄膜因其高导热性、负电子亲和势、低功函数和长期稳定性的特点被认为是一种很有潜力的场电子发射阴极材料。金刚石薄膜沉积在衬底上后,在不破坏金刚石薄膜自身结构完整性的前提下很难将其剥离。因此在场发射性能测试中一般是将金刚石薄膜和衬底作为整体测试,而衬底和金刚石薄膜间存在界面势垒,界面势垒对场发射性能的影响不可忽略。目前针对金刚石薄膜与衬底界面对场发射性能影响的研究相对较少,需要更多的关注和研究。分别以单晶硅、金属铌、金属钼为衬底,采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法生长制备了金刚石-石墨烯复合薄膜。对金刚石-石墨烯复合薄膜微观形貌、成分含量等进行了表征并研究了其场发射性能。研究结果表明,不同衬底对复合薄膜场发射性能影响显著,以金属铌衬底制备的复合薄膜表现出低开启场(E₀=2.5 V/μm)和较高发射电流密度(J@5.3 V/μm=1.9 mA/cm²)。此研究为获得更优场发射性能的金刚石-石墨烯复合薄膜提供了新的思路。

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V含量对AlCrTiNbV_xN薄膜结构和摩擦学性能影响

阎红娟, 米智丰, 程方赢, 司丽娜, 豆照良, 刘峰斌

功能材料. 2024, 55(10): 10064-10070. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.010

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为了探究V含量对AlCrTiNbV_xN薄膜结构和摩擦学性能的影响,使用磁控溅射仪在304不锈钢基体上制备AlCrTiNbV_xN薄膜。使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)等分析薄膜结构,使用纳米压痕仪、材料表面综合测试仪等表征薄膜力学性能和摩擦学性能。结果表明,AlCrTiNbV_xN薄膜均呈面心立方结构,在(200)晶面呈择优取向,衍射角向右偏移。AlCrTiNbV_1.0N薄膜在(200)晶面的偏移角度最大,晶面间距最小。随着V含量的增加,AlCrTiNbV_xN薄膜的硬度和弹性模量先增大后减小,AlCrTiNbV_xN的摩擦系数和磨痕宽度先减小后增大。AlCrTiNbV_1.0N薄膜具有最大的薄膜硬度和弹性模量,最小的摩擦系数和磨痕宽度,摩擦学性能最好。主要磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损。

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聚氨酯/纳米ZnO复合改性沥青及其混合料性能研究

田小革, 高凯, 李光耀, 陈功

功能材料. 2024, 55(10): 10071-10077. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.011

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为提升沥青路面的路用性能,选用聚氨酯、纳米ZnO和基质沥青制备聚氨酯/纳米ZnO复合改性沥青。以针入度、软化点、延度和135 ℃运动黏度为评价指标,研究改性剂对沥青性能的影响,采用软化点差值评价储存稳定性,并制备3种复合改性沥青AC-13C混合料进行车辙试验、小梁弯曲试验和浸水马歇尔试验,研究改性沥青混合料的性能。结果表明,聚氨酯和纳米ZnO的掺入能显著改善基质沥青的高低温性能,且储存稳定性符合规范要求。复合改性沥青混合料能够满足沥青路面的路用性能,5%聚氨酯复配3%纳米ZnO掺量的改性沥青混合料改善高温性能和水稳性能效果最好,与基质沥青混合料相比其动稳定度提高了2.32倍,残留稳定度上升了9.0%,最大弯拉应变(-10 ℃)提升了8.3%。综合考虑路用性能改善效果,推荐选用5%聚氨酯复配3%纳米ZnO为复合改性沥青及其混合料的最佳掺量。

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PDA@Ag-Amoxicillin复合材料的合成及协同抗菌效果研究

邱莹, 梁犇, 杨骏鹏, 丁超, 张立珺, 穆承谦, 王嘉伟, 郭少波, 宋凤敏, 史娟, 张田雷

功能材料. 2024, 55(10): 10078-10087. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.012

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由于抗菌剂的不当使用和微生物的自然选择过程,抗生素耐药性已成为挑战人类健康的一个严重问题。将两种不同的杀菌剂整合到一个基质中是一种提高抗菌效率的可行方法。通过将聚多巴胺修饰的银纳米粒子(PDA@Ag)与阿莫西林(AMOX)共轭,合成了一种高效的抗菌纳米复合材料。利用TEM、UV-Vis和FT-IR等来表示PDA@Ag-AMOX(PAA)的结构。与PDA@Ag相比,PAA对大肠杆菌的抑制率提高了33.3%,对枯草杆菌的抑制率提高了31.3%,对沙门氏菌的抑制率提高了28.6%。据推测,其抗菌机理是PAA中的Ag⁺与重要酶和蛋白质的官能团反应,以及AMOX对细菌细胞壁合成和结合蛋白的羧肽酶活性的抑制作用。PAA既具有良好的协同抗菌活性,又具有较高的生物相容性,这为今后抗菌剂之间的组合和探索更多的协同治疗方案奠定了基础。

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双炭复合材料的制备及电化学性能研究

张永明, 韩立新, 李志强, 陈萧, 戴磊, 龙柱

功能材料. 2024, 55(10): 10088-10094. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.013

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酚醛树脂是一种成本低、含碳量丰富的常用炭前驱体。然而,酚醛树脂热解炭具有结构规定性较高、层间空间较小的特点,导致电化学储锌能力较差。具有分级多孔结构的植物纤维衍生炭是实现电解质快速扩散和提高电容器性能的理想材料。在此,以漂白针叶木浆作为纤维原料、酚醛树脂粉末作为填料,采用湿法造纸技术和热解炭化工艺成功制备了由针叶木纤维衍生炭和酚醛树脂热解炭构成的炭复合材料,并将其用作锌离子混合电容器自支撑正极材料。研究表明,针叶木纤维衍生炭赋予电极较高的比容量;酚醛树脂热解炭能够提高电极的循环稳定性。所组装的电容器具有优异的倍率性能和循环稳定性。在1 A/g的电流密度下的初始比容量为101.0 mAh/g,经过2 500次循环以后,比容量为91.0 mAh/g,容量保持率为90%。

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等离子体电弧法制备硅锡复合纳米材料及电化学性能研究

张勇, 荆旭, 葛泽龙, 薛明虎, 李树

功能材料. 2024, 55(10): 10095-10101. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.014

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硅作为锂离子电池的负极材料在脱出/嵌入锂时会产生巨大的体积膨胀,使自身发生粉化现象,从而造成容量的快速衰减。现有研究表明Si纳米化、合金化后能够缓解体积变形所导致的破碎效应。为了高效制备纳米级Si-Sn粉体材料,采用等离子体电弧作为热源对Si进行纳米化处理,之后通过等离子体电弧实现Si-Sn粉体材料的纳米合金化,研究等离子体电流对Si及Si-Sn纳米粉体材料制备特性的影响。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)检测制备的物相,通过电池测试系统和电化学工作站检测硅纳米线作为负极材料时的电化学特性。结果表明使用等离子体电弧能够实现硅纳米线的高效制备,添加低熔点的Sn有利于硅纳米线管径尺度的均匀化。两组硅纳米线在第三次充放电循环后的效率均可保持在90％左右,其中Sn的加入能进一步提高硅负极的导电性和稳定性,循环60次后,电池的比容量为117.5 mAh/g。

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钐铁氮(SmFeN)含量对等离子喷涂SmFeN/LaMA复合材料涂层组织及电磁损耗性能的影响

张千喜, 刘春忠, 张洪宁, 邹兵林, 卢天倪, 李娜, 黄震威

功能材料. 2024, 55(10): 10102-10111. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.015

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观察并分析了在35 kW条件下等离子喷涂的不同质量比(2∶1,1∶1,1∶2)Sm₂Fe₁₇N_X(SmFeN)/LaMgAl₁₁O₁₉(LaMA)复合吸波涂层样品的相结构以及样品在0~18 GHz电磁波频率波段内的电磁参数(ε′、ε″、μ′、μ″)和电磁波反射率RL值,并对其电磁损耗机理进行了研究。结果表明,SmFeN含量会对喷涂样品的相组成和吸波性能产生较大影响。喷涂样品包含Fe₈N、Fe₁₆N₂、Al₂O₃、AlN、Fe₁₂Sm、La₃MgAlO₇、LaMgAl₁₁O₁₉多种相,SmFeN质量比增大使Fe₈N、Fe₁₆N₂相相对含量升高,使Fe₁₂Sm、La₃MgAlO₇、LaMgAl₁₁O₁₉相相对含量降低,AlN相相对含量较为稳定;高温下出现非晶相,温度上升使非晶相的相对强度增大,导致样品在高温下吸波性能变差。LaMgAl₁₁O₁₉相对含量升高使样品的ε′,ε″降低,优化了喷涂样品的阻抗匹配;AlN相对含量升高使样品ε′的波谷、ε″的波峰向高频方向移动。性能最佳的喷涂样品质量比为m(SmFeN)∶m(LaMA)=1∶2:在4.24 GHz,4.83 mm下反射率达到-40.31 dB,达到有效吸收(RL<-10 dB)的带宽和厚度范围分别为3.61~6.94 GHz,2.93~5 mm和8.4~12.2 GHz,1.98~3.45 mm。40,400,700 ℃下1∶1比例喷涂样品在8~18 GHz波段内最低反射率分别为-5.46,-3.62,-0.37 dB,经弓形梁室温测试值与计算值对比证实,计算值与测试值较为符合。

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纳米复合磁流变液制备与流变特性研究

朱启晨, 吴张永, 蒋佳骏

功能材料. 2024, 55(10): 10112-10120. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.016

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利用纳米磁流体作为磁流变液的基础载液是提高磁流变效应的有效手段。然而,高稳定纳米复合磁流变液的制备仍然是一大难题,包括纳米磁流体的制备与复合颗粒的团聚问题。研究以硅烷偶联剂KH550为分散剂,制备了Fe₃O₄硅油基纳米磁流体,并通过分散剂共包覆工艺得到了新型纳米复合磁流变液。利用XRD、FI-IR、TEM、FE-SEM、VSM等手段对表面形貌、物相构成和磁性能进行了表征分析。研究了新型纳米复合磁流变液沉降稳定性和再分散性。结果表明,微米级颗粒的表面改性明显改善了纳米复合磁流变液的稳定性与再分散性,当纳米颗粒体积分数为8%时,沉降稳定性和再分散性达到最佳;新型纳米复合磁流变液表现出更佳的耐温性能,可在-40~120 ℃的温度范围内长期稳定。研究了新型纳米复合磁流变液的流变特性。结果表明,与传统磁流变液相比,纳米复合磁流变液表现出更高的离态粘度和磁流变效应,静态屈服应力和动态屈服应力均随纳米颗粒浓度和磁场强度的增大而增大。

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Ag/Ag₃PO₄/CNTs复合材料的光催化杀菌性能及机理

尹艳菲, 霍敬豪, 李海帅, 史慧贤

功能材料. 2024, 55(10): 10121-10126. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.017

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工农业污水排放是引起水污染的重要因素之一,污水中的致病性微生物对生态环境和人类健康有极大危害。因此,研究新型复合光催化材料实现清除水中病原微生物具有重要意义。采用沉积-原位还原联合的方法制备了具有优异光催化性能的Ag/Ag₃PO₄/CNTs复合材料,采用多种表征手段对复合材料的形貌特征、晶体结构、元素组成以及光电性能等进行详细分析表征。通过平板涂布法评估了Ag/Ag₃PO₄/CNTs复合材料在可见光下的杀菌性能。Ag/Ag₃PO₄/CNTs复合材料在可见光照射下,20 min内可将10⁷ cfu/mL的大肠杆菌全部灭活,且对金黄色葡萄球菌(10⁷ cfu/mL)灭活率达到92.0%。SEM结果显示,经Ag/Ag₃PO₄/CNTs-光照体系中处理的金黄色葡萄球菌表面出现明显塌陷皱缩。对细胞内的遗传物质(DNA)含量进行了分析,结果表明,经过Ag/Ag₃PO₄/CNTs和光照处理后的金黄色葡萄球菌内的DNA含量显著降低,说明Ag/Ag₃PO₄/CNTs在光照下产生的活性氧可有效破坏细菌DNA。Ag/Ag₃PO₄/CNTs复合材料的构建为可见光下有效清除病原微生物提供了新思路。

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纤维增强树脂矿物复合材料的细观力学特性及损伤机理

李有堂, 武彤, 李武强

功能材料. 2024, 55(10): 10127-10133. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.018

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纤维增强树脂矿物复合材料因优异的力学性能得到广泛应用,但有关材料损伤机理的研究仅停留在宏观层面,较少关注损伤过程中材料的细观力学特性和微裂纹演化规律。针对这一问题,基于颗粒流离散元技术建立了纤维树脂矿物复合材料的细观模型,分析了材料应力-应变曲线的变化规律,揭示了材料的微裂纹萌生扩展机制和其破坏失效形式。结果表明,相比于树脂矿物复合材料,纤维增强树脂矿物复合材料的抗压强度更高,起裂应力和损伤应力更大;骨料颗粒形状对纤维的增强增韧作用影响较小;纤维对树脂矿物复合材料具有增韧阻裂的作用。研究从细观角度揭示了纤维增强树脂矿物复合材料的损伤性能,能够为该材料的推广应用提供指导。

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氮化硼负载BT@PANI核壳粒子协同改善复合材料介电与导热性能

王海燕, 黄齐格, 咸龙帝, 杨千, 贾晓松, 白得辉

功能材料. 2024, 55(10): 10134-10141. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.019

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采用原位聚合法对氮化硼纳米片(BNNS)进行了聚多巴胺(PDA)的表面修饰,利用PDA的粘附性在BNNS表面负载钛酸钡@聚苯胺(BT@PANI)核壳粒子制备了分级结构复合填料。结果显示,BNNS单片的BT@PANI负载量对复合材料介电和导热性能影响显著; 与BT@PANI/PVDF复合材料比较,所得复合材料的介电性能随频率变化的稳定性得到明显改善。BNNS单片BT@PANI负载量最大的复合材料界面极化最弱,介电性能表现出更好的频率稳定性,20%(质量分数)的复合材料介电常数和损耗值分别是14.8和0.082(10⁵ Hz),热导率降到了最低的0.64 W/mK。频率高于10³ Hz,这种新型复合材料介电损耗下降幅度是介电常数的2倍以上。该工作同步实现了聚合物基复合材料的介电常数提高、介电损耗抑制及导热性能提升,为储能聚合物基复合电介质的发展提供了新思路。

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氨基功能化SiO₂负载磷钼酸催化氧化碘离子性能研究

卢林, 郭军, 张丹, 邱双艳, 张以菊

功能材料. 2024, 55(10): 10142-10150. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.020

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将Cu取代的磷钼酸(PMo₁₂)通过静电作用锚定在氨基功能化的SiO₂(NH₂-SiO₂)表面,制备出非均相催化剂PMo₁₁Cu/NH₂-SiO₂。运用PXRD(X射线粉末衍射)、FT-IR(傅里叶变换红外光谱)、UV-Vis DRS(紫外-可见漫反射光谱)、SEM(扫描电子显微镜)、EDX(X射线能谱仪)和XPS(X射线光电子能谱)等对该催化剂的结构和组成进行表征;探索了其催化过氧化氢(H₂O₂)氧化碘离子(I^-)性能,结果表明,在T=25 ℃,c(I^-)=2.5×10^-3 mol/L,c(H₂O₂)=2.0×10^-3 mol/L,pH=2.4,PMo₁₁Cu/NH₂-SiO₂催化碘离子反应速率v=8.87×10^-6 mol/L·s ,比空白实验提高了616倍,且在前10次循环中都能保持优异的催化活性和稳定性。

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基于反应性水汽高阻隔环烯烃共聚物复合膜的制备和多性能优化

顾宁, 刘子萱, 吴栋创, 王妍, 何欢, 姚俊儒, 曹杨, 孙友谊

功能材料. 2024, 55(10): 10151-10156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.021

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针对现有柔性高分子复合膜水汽阻隔性能偏低,且水汽透过率、机械力学强度和光学透过率等多性能难以同时优化的矛盾问题,开发了一种新型氧化镁掺杂环烯烃共聚物复合膜(MgO/COC)。探索了MgO含量对复合膜力学性能、热性能、疏水性能以及水蒸气阻隔性能的影响。研究结果表明,MgO在COC复合膜中具有良好的分散性。当1% (质量分数)MgO掺杂COC时,接触角达到最高(106.8°),表明MgO/COC复合膜具有良好的疏水特性。复合膜的水蒸气阻隔性能比纯COC膜提高了63.1%,最小水汽透过率达到0.21 g/(m²·d),是目前公开报道掺杂型高分子复合膜水汽透过率的最低值。优异的水汽阻隔性能归因于MgO与水汽反应特性形成了氢氧化镁,同时氢氧化镁具有优异水汽阻隔性能。该复合膜双机制水汽阻隔特性为食品包装和医药包装的水汽阻隔设计提供新的思路。

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道路石油沥青基碳包覆Fe₃O₄复合材料及其储锂性能研究

傅孝良, 胡单单, 赵磊, 毛霖, 袁小亚

功能材料. 2024, 55(10): 10157-10164. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.022

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选取廉价的乳化沥青作为碳前驱体、以柠檬酸铁铵为铁源、氯化钠为模板,通过模板辅助法高温热解法制备了沥青衍生碳纳米片包覆Fe₃O₄复合材料(C@Fe₃O₄)。通过扫描电镜 (SEM)、透射电镜(TEM)、X 射线衍射(XRD)、X 射线光电子能谱(XPS)等手段表征C@Fe₃O₄ 复合材料的化学组成和微观结构形貌,并通过恒电流充放电测试、倍率测试、电化学阻抗、电流间歇滴定技术(GITT)等测试表征其电化学性能。结果表明,由柠檬酸铁铵在热解中产生的Fe₃O₄纳米颗粒均匀地包裹在石墨化沥青衍生碳纳米笼中;作为锂离子电池的负极时,优化的C@Fe₃O₄-3复合材料在0.1 A/g的电流密度下循环100次后保持有910.85 mAh/g的优异可逆容量,且在1 A/g的大电流密度下循环240次后仍可以保留517.76 mAh/g的可逆容量。如此出色的循环稳定性主要得益于其精心设计的结构:高度石墨化石油沥青基碳纳米笼不仅提高了Fe₃O₄材料的导电性,还有效抑制了Fe₃O₄在充放电循环过程中的体积膨胀,提供了增强的电化学稳定性。这项工作不仅实现了低成本道路石油沥青的高附加值利用,而且可以推广到应用其他氧化物负极。

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焦磷酸哌嗪/壳聚糖膨胀阻燃聚丙烯制备及性能研究

李明, 欧红香, 冉镒柠, 薛洪来, 朱方

功能材料. 2024, 55(10): 10165-10171. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.023

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采用焦磷酸哌嗪(PAPP)和壳聚糖(CS)复配构建环保膨胀阻燃剂、经熔融共混制备膨胀阻燃聚丙烯复合材料(IFR/PP)。通过氧指数、锥形量热仪、热重分析、力学性能测试等研究IFR/PP的阻燃性能及机理。结果表明,膨胀阻燃剂的总添加量为30%(质量分数),PAPP与CS质量比为5∶1时,IFR/PP的LOI值为35.5%,UL-94达到V-0级别,800 ℃时的残留物为13.34%,热释放速率峰值(pHRR)由纯聚丙烯的1 345.01 kW/m²降至83.04 kW/m²,拉伸强度降低了39.9%。残炭SEM测试结果表明CS的加入促进了膨胀炭层的形成,材料燃烧形成更致密且均匀的炭层,提高了阻燃性能和抑烟能力。PAPP与CS具有良好的协效阻燃作用。

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MOF衍生碳复合电极材料制备及电化学性能研究

王佩佩, 朱归胜, 徐华蕊, 赵昀云, 蒋坤朋

功能材料. 2024, 55(10): 10172-10179. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.024

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针对活性炭比电容低的问题,利用金属有机骨架(MOFs)大的比表面积和丰富孔隙结构,研究了一种协同双电层机制与赝电容特性的MOFs衍生多孔碳与活性炭的杂化复合材料。通过设计不同的Zn/Co比和碳化温度,制备了N掺杂多孔碳复合材料。ZCPC@AC-800经三电极体系测试,以6 mol/L KOH为电解质,在0.5 A/g时,比电容为327.5 F/g,高于单金属原子生成的MOF衍生多孔碳复合材料,这是由于纳米复合材料中双金属MOF在热解过程中能提供更加多样的活性位点。此外,在电位窗口为0～1.5 V的3 mol/L KOH电解液中组装的对称超级电容器(ZCPC@AC-800∥ZCPC@AC-800)在375 W/kg的功率密度下,具有21 Wh/kg的能量密度。经循环测试,5 A/g时充放电5 000次后,其初始比电容仍保持80%。

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双重动态键协同增强聚芳醚腈复合材料的制备及性能研究

何星, 杨宇浓, 吴静菊, 王犁, 来婧娟, 颜贵龙, 李振宇, 武元鹏

功能材料. 2024, 55(10): 10180-10188. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.025

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通过动态硼氧键和氢键的共价/非共价协同增强的方法制备了动态硼氧键交联聚芳醚腈(PEN-COOH-B₃O₃)/聚乙烯吡咯烷酮(PVPON)复合材料。并用万能拉伸试验机,差示扫描量热仪等仪器手段对复合材料的力学性能,形状记忆功能,热稳定性,自愈合性能和循环回收性能进行了一系列表征与研究。利用PEN-COOH-B₃O₃/PVPON之间的氢键作用制备的复合材料强度可达102.5 MPa,弹性模量达3 455.7 MPa,玻璃化转变温度T_g达180.3 ℃。动态硼氧键的加入使得复合材料具有优异的溶剂辅助自修复和回收性能,在经过常温(25 ℃)自愈合24 h后愈合效率达98.7%,经历五次循环回收力学性能无损失。同时,利用动态硼氧键的刺激响应性,该复合材料表现出良好的形状记忆行为。

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高性能PPS网基PSF-ZrO₂复合隔膜的制备及其性能研究

李为鑫, 孙兆策, 叶献民, 何国强

功能材料. 2024, 55(10): 10189-10195. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.026

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聚苯硫醚(PPS)网基聚砜(PSF)-氧化锆(ZrO₂)复合隔膜作为一种新型的高性能碱性水电解制氢隔膜,具有良好机械性能、低面电阻和高化学稳定性等优点。采用预热压成型和浸没沉淀相转换法制备出复合隔膜,研究了铸膜液中PSF、ZrO₂纳米颗粒、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)含量对隔膜性能的影响。分析比较了复合隔膜(命名为PPZS)和商业化Zirfon UTP 500隔膜的性能。结果显示PPZS复合隔膜的抗拉强度达到36.36 MPa,面电阻达到0.21 Ω·cm²,泡点压力达到0.268 MPa,表现出优异的碱性水电解制氢综合性能。

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CoV-LDH@NiCo-LDH材料制备及赝电容储能性能研究

邓渝, 蒋佳余, 陈云霞, 赵晓琳, 刘成林, 杜天伦, 陈金龙, 单书馨, 蒲洪, 胡兵兵

功能材料. 2024, 55(10): 10196-10204. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.027

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钴钒层状双金属氢氧化物(CoV-LDH)具有丰富的电化学活性位点,但仍然存在着低价钒源昂贵、制备困难、钒溶解等问题。研究采用电化学阴极还原法制备三维多孔状CoV-LDH电极材料,为提高CoV-LDH在碱性电解液中的稳定性,通过二次电沉积构建核壳结构CoV-LDH@NiCo-LDH 复合材料,具有纳米球包覆纳米片微观形貌,且Ni、Co、V三元素分布均匀,增加了材料的活性位点与电解液的接触面积,降低了材料界面阻抗,赝电容储能性能有较大的提升。在 1A/g电流密度下,CoV-LDH@NiCo-LDH比电容可达到 995.8 F/g,远优于CoV-LDH 的比电容(575.2 F/g ),比电容显著提高了73.1%,具有优异的倍率性能,在50 mV/s扫速下,赝电容占比85%。在经过2 000 次循环后,循环稳定性可达85%。分析NiCo-LDH@CoV-LDH电极材料的反应动力学及能量储存机制,其不仅表现出电池型法拉第行为,而且表现出电容特性。将正极材料与活性炭(AC)负极组装形成CoV-LDH@NiCo-LDH∥AC非对称超级电容器,在1 A/g 的电流密度下,比电容可达 222.2 F/g;功率密度为222.2 W/kg时的能量密度为30.86 Wh/kg,该工作为钒基双金属氢氧化物材料的制备与储能应用奠定基础。

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密胺树脂微胶囊/环氧树脂复合材料的制备及摩擦性能

丁海华, 蒋丽萍, 王凯, 尹乐, 周海骏

功能材料. 2024, 55(10): 10205-10210. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.028

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以白油为芯材,密胺树脂为壁材,采用原位聚合法制备了白油-密胺树脂微胶囊。采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)及热重分析(TG)等对其性能进行表征。以制备的微胶囊为改性剂,采用本体浇铸法制备了密胺树脂微胶囊/环氧树脂复合材料。研究了密胺树脂微胶囊的加入量、磨损速度等对环氧树脂复合材料摩擦性能的影响,并对其力学性能及磨损表面形貌进行分析。结果表明,密胺树脂微胶囊的加入能显著改善环氧树脂的摩擦磨损性能,当密胺树脂微胶囊的加入量为3%,转速为0.2 m/s时,环氧树脂复合材料具有最低的摩擦系数,为达到0.057;转速为0.1 m/s时,具有最小的磨损率,为0.454×10^-7 cm³/Nm,下降了76.5%。

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双表面活性剂软模板制备超级电容器用聚苯胺/碳纳米管复合材料

梁华彬, 何明基, 钟新仙, 杨智斌, 梁世洪, 李庆余, 梁敏

功能材料. 2024, 55(10): 10211-10219. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.029

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采用乳液聚合法,以十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和吐温-80(Tween-80)作为软模板,过硫酸铵(APS)为氧化剂,并掺入适量的碳纳米管(CNTs),制备得到PANI/CNTs复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)和傅里叶红外光谱仪(FT-IR)等分析技术对复合材料进行了表征。结果表明,PANI/CNTs为核壳结构的复合材料,呈纤维状,PANI均匀包覆CNTs。电化学测试结果表明,在1.0 A/g的电流密度下,PANI/CNTs电极比电容是478.48 F/g;1 000次循环后PANI/CNTs比电容保持率是70.01%,而传统方法制得的PANI只有49.10%。该方法制得的PANI/CNTs复合材料较传统方法获得的PANI单一材料的比电容高,且循环寿命明显提升。该方法为高性能超级电容器电极材料制取提供重要途径。

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TiO₂-SiO₂复合材料的制备及其光催化性能研究

李康宁, 丁庆伟, 秦荔妍, 李凯, 马骏

功能材料. 2024, 55(10): 10220-10225. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.030

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采用溶胶凝胶法制备了一种新型的TiO₂-SiO₂复合材料,并考察了其光催化降解染料废水中罗丹明B(RhB)的效率。通过X射线衍射(XRD),透射电子显微镜(TEM),扫描电子显微镜(SEM),X射线光电子能谱(XPS),光致发光光谱(PL)等仪器对制备的样品进行表征。结果表明,TiO₂与SiO₂的结合抑制了锐钛矿向金红石的转变,从而减小了电子-空穴的复合几率。研究发现,当SiO₂含量为40%,煅烧温度为800 ℃时,TiO₂-SiO₂复合材料具有最高的光催化活性。此外,复合材料具有良好的催化稳定性,在光催化降解RhB过程中·O^2-是主要的活性物种。

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磁控Fe₃O₄排布改性石蜡基相变材料的制备及性能

刘华萱, 丘晓琳, 潘嘹, 韩宇

功能材料. 2024, 55(10): 10226-10236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.031

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为探究纳米填料排布对相变材料导热性能的影响,以石蜡为相变材料基材,以自制的Fe₃O₄纳米颗粒为导热纳米填料,在外部磁场的调控下制备了具有不同纳米填料排布特征的复合相变材料。通过XRD、FTIR、SEM对制备的Fe₃O₄纳米颗粒和复合相变材料的化学结构与微观形貌进行了表征,并测定了复合相变材料的热性能。通过影像测量仪和能谱仪观察纳米填料的排布情况,并构建了具有不同纳米填料排布特征的复合相变材料的有限元模型,计算探究纳米填料的不同排布对复合相变材料导热性能的影响。结果表明,Fe₃O₄纳米颗粒粒径为40~50 nm,磁性响应性能优异。复合相变材料相变温度变化较小,相变潜热在134.3~148.1 J/g范围内。Fe₃O₄纳米填料在磁场调控下形成的“山峰”排布区域高度越高,面积越大,复合相变材料的导热系数越大,且导热系数最高提升了34%。采用有限元仿真模拟相变材料传热过程温度场,进一步验证了优化Fe₃O₄纳米填料分布可提高相变复合材料的导热性能。

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2024年, 第55卷, 第10期　刊出日期：2024-10-30

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