功能材料

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功能材料. 2024, 55(11): 0-0.

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氧化石墨烯接枝碳纤维跨尺度增强体的电磁学特性研究

白二雷, 王志航, 刘俊良, 赵靖, 周俊鹏, 黄河

功能材料. 2024, 55(11): 11001-11008. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.001

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采用“grafting to”化学接枝法将碳纤维通过化学键键合接枝到碳纤维表面,制备氧化石墨烯接枝碳纤维跨尺度增强体(CF-GO)。通过测试碳纤维和CF-GO的单丝电导率和电磁参数,研究了接枝氧化石墨烯对碳纤维电磁学特性的影响。结果表明,与碳纤维相比,CF-GO的单丝电导率有所降低,但CF-GO的复介电常数实部、虚部和介电损耗角正切均有所增大。接枝氧化石墨烯可增强碳纤维的介电损耗能力,但对碳纤维的磁损耗能力没有影响。在0~18 GHz范围内,CF-GO的阻抗匹配率和衰减常数整体上较碳纤维大,其吸波性能更佳,碳纤维在高频段表现出较好的吸波性能。

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新型杂化结构发泡稳定剂多功能材料的制备及机理研究

张梦圆, 程柏杰, 光善仪, 徐洪耀

功能材料. 2024, 55(11): 11009-11016. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.002

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为了解决硬质聚氨酯发泡过程中存在塌泡、大孔等性能缺陷,通过绿色、简单的“硫醇-烯”点击反应一步制备了新型POSS基杂化硅氧烷泡沫稳定剂。通过调节疏水性基团TFEMA(甲基丙烯酸三氟乙酯)、CHE(环己烯)以及亲水性APEG(聚乙二醇单丙烯酸酯)基团之间的平衡探究具有最佳性能的新型泡沫稳定剂。核磁共振波谱及红外光谱证实了复合材料的成功制备,SEM表征以及乳白时间、流动性、压缩强度等测试表明结构易于设计与控制的POSS纳米材料,能有效促进组分之间有效互溶、降低表面能,末端羟基可有效化学连接到PU骨架结构,在泡孔形成过程中纳米无机POSS芯明显增强泡壁强度,有效抑制大孔的形成,这种无机纳米芯和低表面能分子设计产生的多功能协同,使得所制备的聚氨酯泡沫具有更加均匀的泡孔分布和出色的机械性能。研究为多功能泡沫稳定剂的分子设计和开发应用提供了新的启发和理论基础。

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构建方向对激光粉床熔化NiTi记忆合金微观组织和功能特性的影响

王成, 李昊航, 陈捷, 赵昆, 崔立山, 郝世杰

功能材料. 2024, 55(11): 11017-11023. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.003

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在激光粉床熔化(LPBF)技术制造三维金属构件过程中,构建方向导致的热历史差异可能会引起晶粒形态、缺陷数量和相组成的变化,从而影响构件的力学性能和功能特性。探讨了0°、45°和90° 3种构建方向对NiTi形状记忆合金微观组织和力学性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜、X射线衍射(XRD)和差示扫描量热法(DSC)分析了LPBF制备NiTi合金的微观组织和相变行为,并通过变温拉伸测试评估了NiTi合金在马氏体和奥氏体状态下的力学性能和功能特性。结果表明,0°、45°和90°样品的熔池类型分别为传导模式、混合模式和匙孔模式。在室温和100 ℃下,0°、45°和90°样品的拉伸应变分别为10.5%/8.5%、17%/11%和9.5%/5.5%。在室温下拉伸6%后,3组样品的可恢复应变分别为3.3%、3.4%和3.8%。

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过渡金属掺杂对二维TiSi₂N₄的电子结构及光学性质影响

李雷, 王一, 王广, 张正丽, 丁召

功能材料. 2024, 55(11): 11024-11030. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.004

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基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理研究Co、Fe、Ni替位掺杂2D TiSi₂N₄后的晶体结构、电学性质以及光学性质。本征2D TiSi₂N₄的带隙为2.799 eV,为间接带隙半导体,且通过3种金属掺杂后变为直接带隙半导体;自旋向下的能带主要贡献来自于N-p轨道,Co、Ni掺杂后的2D TiSi₂N₄在禁带中分别引入2条和4条施主杂质能级,使得禁带宽度变窄,增加载流子浓度,但并不影响2D TiSi₂N₄的导电性;通过Co、Fe、Ni掺杂后的TiSi₂N₄在可见光和部分紫外光波段吸收能力得到显著增强,对紫外光的反射能力有所减弱;另外,通过对Fe、Ni掺杂2D TiSi₂N₄的SLME效率的计算,发现二者均可作为1 μm厚度的太阳能电池中吸收层的可选材料。

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氧化镓粉体的电解法合成及性能研究

廖文琦, 徐华蕊, 陈彩明, 赵昀云, 龙神峰, 韦婷婷, 朱归胜

功能材料. 2024, 55(11): 11031-11037. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.005

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随着显示器件对导电薄膜的要求越来越高,高致密度、高电导率的IGZO靶材得以迅速发展。本文采用一种合Ga₂O₃的新方法电解法,以纯Ga金属片为阳极,以石墨棒为阴极,以NH₄Cl水溶液为电解液,成功合成了平均粒径约为580 nm的片层茧状GaOOH纳米颗粒。该纳米颗粒分别在500和800 ℃下煅烧3 h,获得α-Ga₂O₃和β-Ga₂O₃纳米粉体,并以该β-Ga₂O₃粉体为原料采用冷烧结工艺同高温烧结相结合制备β-Ga₂O₃靶材,并对β-Ga₂O₃靶材的烧结性能和微观结构进行了研究。结果表明,电流密度对GaOOH纳米颗粒的形貌和粒径具有显著影响,当电流密度为1 A/cm²时获得的GaOOH片层茧状纳米颗粒,其颗粒尺寸小且尺寸均匀。经冷烧结工艺-高温烧结获得更高密度的β-Ga₂O₃靶材,其相对密度达到98.91%,为后续制备高致密度、高电导率的IGZO靶材提供了参考。

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钨铼合金离子辐照行为的研究现状

南玲欣, 齐艳飞, 徐鹏飞, 李运刚, 顾家豪

功能材料. 2024, 55(11): 11038-11047. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.006

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在新能源中要实现受控热核聚变反应,面壁等离子体材料(PMFs)的使用寿命成为了关键问题。在聚变堆中氘氚聚变反应会释放高能中子,高能中子反应会使钨产生嬗变生成铼。该反应可以抑制气泡的生长,降低辐照硬化和脆化,因此钨铼(W-Re)合金具有良好的抗等离子体辐照能力。对钨(W)及W-Re合金在离子辐照下的损伤行为机制进行了详细阐述,并对近几年来有关领域的研究进展作出综述与展望,为后期W-Re合金在离子辐照方面的研究提供参考依据。

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纳米介孔氧化铁的研究进展

武泽卿, 龙海波, 于传顺, 刘凯璇, 付仲超

功能材料. 2024, 55(11): 11048-11053. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.007

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纳米介孔氧化铁具有丰富的孔道结构、较高的比表面积、可控的孔径分布等优势,在吸附、分离、催化等领域有着广泛的应用。然而,不同的制备方法往往会得到不同形貌乃至不同晶相的纳米介孔氧化铁材料,通过运用不同的制备方法并调整实验参数,可以控制产物孔道实现有目的地“造孔”,进而根据其性能应用到各个领域。综述了纳米介孔氧化铁的制备进展及应用现状,并对该领域的研究方向提出了自己的观点。

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响应面法改进磁性羟基磷灰石制备技术及其对Ni(Ⅱ)吸附机制研究

吴腾, 任捷, 李梦凡, 王磊, 王旭东, 吕永涛

功能材料. 2024, 55(11): 11054-11065. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.008

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采用响应面法对羟基磷灰石(HAP)进行磁性改进,以CaCl₂和KH₂PO₄为原材料,通过水热法制备羟基磷灰石(HAP),以FeSO₄·7H₂O和FeCl₃·6H₂O为磁源,采用共沉淀法,制备磁性羟基磷灰石(MP),通过响应面法获得优化的制备条件。通过扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)、磁强计(VSM)等对结构性能、磁学性能等进行表征,和物化性能的深入分析。探究了pH、初始浓度和投加量等因素对水中Ni(Ⅱ)吸附过程的影响。动力学分析表明其吸附过程更符合准二级动力学模型(R²=0.9991),吸附等温线则与Freundlich等温吸附模型(R²=0.998~0.999)拟合程度度更好,热力学分析表明MP吸附Ni(Ⅱ)是一个自发的、吸热的、熵增的过程。结果表明,改性后的MP有更好的分散性、更大的比表面积和良好的磁性,对水中Ni(Ⅱ)具有更高的吸附效率,吸附容量可达33.40 mg/L,对水中Ni(Ⅱ)的回收有良好的应用前景。

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NiSnO₃的储锂性能及第一性原理研究

陈俊杰, 张瑞丹, 陈越

功能材料. 2024, 55(11): 11066-11075. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.009

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利用一种简单的水热技术合成锡酸镍(NiSnO₃)纳米颗粒并作为锂离子电池(LIBs)负极材料,良好的可逆能力主要归因于NiSnO₃电极在首次放电形成的NiO、Sn和Li₂O可相互作为对方的缓冲基质,缓解了NiSnO₃电极在充放电反应过程中的体积变化。通过恒流间歇滴定法(GITT)获得NiSnO₃纳米材料在充放电过程中的锂离子扩散系数,可知NiSnO₃纳米材料具备较快的充放电速率,这主要归因于NiSnO₃纳米颗粒具备较高的比表面积(94.40 m²/g),同时较小的纳米颗粒尺寸(4~9 nm)有助于提高NiSnO₃电极表面与电解液之间的接触面积,缩小了锂离子扩散的距离。通过第一性原理进一步探索锂离子在NiSnO₃表面的吸附能(-2.93 eV)、差分电荷密度、内在电荷转移(1.01 e)、扩散势垒(0.112 eV)和扩散系数(1.73×10^-4 cm²/s),结果均表明锂离子与NiSnO₃表面之间存在强相互作用和较快的充放电速率。通过实验和理论双重角度证明NiSnO₃具备作为一种有前途的LIBs负极材料。

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APP/MPP/THEIC阻燃低密度聚乙烯制备及性能研究

刘孟龙, 欧红香, 冉镒柠, 薛洪来, 朱方

功能材料. 2024, 55(11): 11076-11083. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.010

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研究利用聚磷酸铵(APP)、三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)和三(2-羟乙基)异氰尿酸酯(THEIC)复配的无卤膨胀阻燃剂(IFR)与低密度聚乙烯(LDPE)经熔融共混制备膨胀阻燃LDPE材料。采用极限氧指数(LOI)、垂直燃烧、力学性能、热重分析和锥形量热等方法研究LDPE阻燃材料的性能。结果表明,当IFR的添加量为30%(质量分数),APP、MPP和THEIC的质量比为3∶1∶1时,复合材料LDPE3的LOI值为28.3%,UL-94达到V-0等级。锥形量热分析结果表明,与原始LDPE相比,LDPE3的热释放速率峰值(pHRR)和总放热量(THR)分别降低了62.2%和22.8%。在燃烧过程中,LDPE阻燃材料形成了致密稳定的炭层。由APP、MPP和THEIC组成的无卤膨胀型阻燃体系能有效提高LDPE复合材料的阻燃性。

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纳米钛酸钡浆料及流延成型制备与性能研究

黄涛, 徐华蕊, 赵昀云, 许凤, 徐堃, 冯中军, 邓最亮, 朱归胜

功能材料. 2024, 55(11): 11084-11089. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.011

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MLCC超薄介质的发展,对钛酸钡纳米粉体的分散性提出了新的挑战,纳米钛酸钡的尺寸效应、表面效应等因素又制约了粉体的分散。以平均粒径为100 nm钛酸钡为原料,通过研究不同球磨条件对粉体分散性的影响,获得了分散性优良的浆料,并经过流延、叠层、烧结、披银后测量介电性能。结果表明,通过提高粉体在溶剂中的分散性进而获得了分散性良好的钛酸钡浆料,由此流延所得生坯具有良好的均匀性和流延适应性,经烧结后的钛酸钡陶瓷介电常数达到了6 311,比商用亚微米级钛酸钡粉体所得陶瓷的介电常数提高了35%,为后续100 nm钛酸钡粉体工业化制备MLCC提供了参考。

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稀土离子掺杂NaGdF₄下转换发光材料的制备及发光性能研究

季喜燕, 杨坤

功能材料. 2024, 55(11): 11090-11095. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.012

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选择NaGdF₄作为基质材料,以Er³⁺、Yb³⁺为掺杂元素,采用水热法制备出了Er³⁺/Yb³⁺掺杂的NaGdF₄下转换发光材料,通过XRD、SEM、发射光谱、荧光衰减分析等对其进行了表征。结果表明,Er³⁺/Yb³⁺的掺杂没有改变NaGdF₄的晶格结构,未生成新的产物,样品具有较好的纯度,平均粒径尺寸在50~60 nm之间。以380 nm激发光照射样品,发射光谱出现了699,662,563和554 nm的发射峰,分别对应着Er³⁺离子的⁴I_9/2→⁴I_15/2、⁴F_9/2→⁴I_15/2、⁴S_3/2→⁴I_15/2和²H_11/2→⁴I_15/2能级跃迁。随着Yb³⁺掺杂浓度的增加,近红外光区的发光强度呈先上升后下降趋势,CIE色坐标表明样品的颜色由黄绿光区逐渐向蓝紫光区转变,当n(Er³⁺)∶n(Yb³⁺)=2∶2时,NaGdF₄发光材料在可见光区域的发射光谱强度最高。能量传递效率和量子效率随Yb³⁺浓度的增加而不断增大,当Yb³⁺的浓度达到6%(摩尔分数)时,样品寿命最低为7.70 μs,该掺杂浓度下的NaGdF₄具有最高的能量传递效率和量子效率,分别为81.19%和181.19%。

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垂直磁化NiCo₂O₄外延薄膜中的反常霍尔效应研究

王婷, 王平, 吴勇, 张鉴, 张德林, 姜勇

功能材料. 2024, 55(11): 11096-11100. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.013

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亚铁磁材料NiCo₂O₄具有高度可调的电荷、自旋、轨道、晶格和缺陷效应,其良好的室温垂直磁各向异性使其在自旋电子学器件中具有重要应用。研究采用磁控溅射法在MgAl₂O₄(001)衬底上制备了NiCo₂O₄薄膜,其具有平整的表面形貌和良好外延结构。12和16 nm的NiCo₂O₄薄膜均呈现良好的垂直磁各向异性,16 nm的NiCo₂O₄薄膜中还出现了非常规的电输运特性,从200 K开始,随温度上升,其反常霍尔效应曲线表现出多步磁矩翻转现象,这种变化是由于NiCo₂O₄中多个磁相的互相叠加。NiCo₂O₄优异的磁电特性及其高度可调性,为设计高性能自旋电子学器件提供了实验依据。

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碱金属(Li、Na、K)掺杂二维单层CrI₃的半金属铁磁性研究

张伟华, 李雨欣, 王朕, 骆逸夫, 刘祥林, 彭波, 丁守兵, 毋志民

功能材料. 2024, 55(11): 11101-11106. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.014

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基于第一性原理计算的方法,对二维单层CrI₃及碱金属(Li、Na、K)掺杂后的电荷布局、晶体稳定性、电子结构和居里温度进行了计算和分析。研究结果显示:在单层CrI₃和碱金属掺杂后,各原子之间的键合能力较强,体系表现出稳定的共价键晶体结构。在由I原子组成的八面体晶体场中,Cr原子发生自旋劈裂现象,使得单层CrI₃呈现磁性半导体性质。而碱金属的掺入增加了体系的载流子浓度,加强了Cr原子间的铁磁交换作用,使居里温度由46 K提高到95 K。此外,电子浓度的提升使得Cr-3d轨道的电子占据数增加,导致Cr原子的自旋磁矩增大。这使得掺杂体系呈现稳定的半金属性,具有100%自旋极化率,并具备较大的半金属能隙,分别为1.13 eV(Li掺杂)、1.26 eV(Na掺杂)和1.41 eV(K掺杂),能有效抑制热扰动及自旋翻转,是自旋电子学领域的潜在候选材料。

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中温固体氧化物燃料电池阴极材料Sr₂Fe_1.5Mo_0.5-xGa_xO_6-δ的结构和性能研究

张岩丽, 赵佳乐, 曾思梦, 林福华, 王波

功能材料. 2024, 55(11): 11107-11114. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.015

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采用柠檬酸-甘氨酸燃烧法合成了B位Ga元素掺杂的Sr₂Fe_1.5Mo_0.-xGa_xO_6-δ (SFMGx, x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)阴极材料,研究了Ga掺杂对材料晶体结构、电导率和电化学性能的影响。实验结果表明,Ga掺杂导致SFM晶格收缩,有效提高了电导率,掺杂后,氧空位浓度显著增加,导致氧还原反应催化活性增强。所有样品中SFMG0.3的极化阻抗值最小,在600 ℃时为0.624 Ω cm²,比SFM减小了80.57%,表现出最佳电化学性能。以上结果表明,在SFM中掺杂Ga可以显著提高其电化学性能。

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高性能聚苯乙烯磺酸钠纳滤膜的制备及I^-分离性能

罗巧裕, 邓慧宇, 王诗平, 聂亮, 陈庆春

功能材料. 2024, 55(11): 11115-11124. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.016

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水中存在的放射性碘离子或过量碘离子会极大危害自然环境,影响人类健康。本实验以聚砜超滤膜为基膜,采用原位紫外接枝法制备了聚苯乙烯磺酸钠纳滤膜,用于水中碘离子的脱除。通过改变接枝单体浓度、溶液用量、辐照时间和辐照距离等条件调节膜性能。结果表明,当基膜表面加入40 mL 0.5 mol/L苯乙烯磺酸钠(SS)溶液,用300 W紫外灯于4 cm高度辐照15 min后,制备的NF-4 cm膜在0.6 Mpa对100 mg/L I^-截留率达到92.6%,通量为47.7 L/m² h。辐照距离增加到10 cm后,制备的NF-10 cm膜由于孔径增大,分离层变薄导致通量明显增加,达到112.9 L/m² h,由于此时表面有效负电荷增多,所以截留率仅下降至82.9%。需要指出,增大操作压力,NF-4 cm膜通量增大,对I^-的截留率基本稳定在90%以上,对Cl^-的抗干扰能力较强,预示了该膜在含碘废水处理中具有良好的应用潜能。

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钴铁层状双金属氢氧化物的构筑及电催化分解水性能研究

黄雅荣, 于润泽, 关丽丽

功能材料. 2024, 55(11): 11125-11131. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.017

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由于与日俱增的能源污染以及不可再生化石燃料的大量消耗,探寻新的绿色清洁能源载体迫在眉睫。二维结构层状双金属氢氧化物在电催化分解水中表现出优异的电化学活性,但是导电性差、比表面小阻碍了性能的进一步提升。采用简便的水热法成功构筑了独特形貌的钴铁双金属层状氢氧化物(CoFe-LDHs),考察了催化剂电催化分解水性能。在1 mol/L KOH中,CoFe-LDHs-1∶1同时作为阴极和阳极在达到电流密度为10 mA/cm²时仅需要施加1.62 V电压,在电催化分解水稳定性测试中也表现出卓越的催化稳定性,50 h的稳定性测试中没有出现明显的性能衰减。

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Al、Mn掺杂对FeCoNiSiB高熵合金的非晶形成能力和磁性能的影响

吉丽, 杨斯蒙, 俞然, 欧阳跃

功能材料. 2024, 55(11): 11132-11136. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.018

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为进一步优化高熵非晶软磁合金的磁学性能,以FeCoNiSiB高熵非晶合金为基础,分析Al、Mn元素共同掺杂及Mn元素掺杂浓度对于合金的非晶形成能力和磁性能的影响规律。结果表明,含有Al元素的合金条带均发生了部分晶化的现象,当Al含量为10%(原子分数)时晶化最为严重,而晶化析出的α-Fe(Si)纳米晶粒尺寸要小于铁磁交换作用长度Lex,晶粒间的交换相互作用所产生的平滑效应失效,磁晶各向异性变大,导致其矫顽力相对较高;而单独添加Mn元素后所得的条带均为非晶态,Mn元素的掺杂使高熵非晶合金具有更加协调的原子构型,有效提高高熵合金的非晶形成能力和磁性能,当Mn掺杂量为10%和15%时,均具有相对较低的矫顽力(＜2 A/m)。

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MOF-808/AgBr的制备及光催化降解盐酸四环素性能研究

杜书雅, 王旭东, 董永浩, 吕嘉辰, 李洁

功能材料. 2024, 55(11): 11137-11146. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.019

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采用水热法和原位沉淀法合成了MOF/AgBr复合材料,应用于模拟太阳光照射下光催化降解盐酸四环素(TC-HCl)。结果表明,AgBr掺杂量为30%时,复合材料MOF/AgBr-3在可见光照射180 min后展示出较高的光催化活性,对TC-HCl的降解率达84.50%;拟一阶动力学拟合得出复合材料的反应速率常数约为0.0121/min,约为原始AgBr的6.1倍;MOF-808和AgBr之间构建的单光子激发途径提高了光生载流子传输和分离效率,拓宽了可见光响应范围,并实现了空穴(h⁺)和电子(e^-)在空间上的有效分离;超氧自由基(·O^-₂)和羟基自由基(·OH)是光催化反应的主要活性物种;该复合材料具有良好的稳定性,经5次循环后其光降解能力保持率高达84.35%;TC-HCl的降解途径包括自身的水解、脱氨基、去甲基、氧化和开环等过程。

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漂珠改性保温隔声砂浆的制备及性能研究

吴兵

功能材料. 2024, 55(11): 11147-11152. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.020

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以普通硅酸盐水泥、聚苯乙烯颗粒和聚丙烯纤维为原料,以漂珠取代砂浆中的水泥制备了保温隔声砂浆,研究了不同漂珠取代率对砂浆力学性能、微观形貌、保温性能和隔声性能的影响。结果表明,漂珠取代率的增加改善了混凝土的级配,减轻了破坏形态表面的脱落。随着漂珠取代率的逐渐增大,保温隔声砂浆的密度、抗压强度、抗折强度、压剪粘结强度和线收缩率均降低,而稠度增大。漂珠取代率20%的砂浆的密度最低为421 kg/m³,抗压强度和抗折强度最低为2.79和0.67 MPa,压剪粘结强度和线收缩率最低为0.41 MPa和0.216%。漂珠取代率的增大在保温隔声砂浆中形成了更多的空心结构,提高了砂浆的保温性能和隔声性能,漂珠取代率20%的砂浆的导热系数为最低值0.042 W/(m·K),保温性能最优。砂浆在8~16 kHz频段的撞击声压级较低,隔声能力较强,漂珠取代率20%的砂浆在16 kHz的撞击声压级为最低值31 HB。

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溶胶-凝胶法制备二氧化钛(TiO₂)颗粒及其在钙钛矿太阳能电池中的应用

李天晶, 颜婷, 王颖, 杨培宁, 谢宁, 郭婷婷, 孔林涛

功能材料. 2024, 55(11): 11153-11157. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.021

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在溶胶-凝胶法的基础上利用两种不同的方法制备了二氧化钛(TiO₂)颗粒,甲基橙降解实验表明两步乙醇法制备的TiO₂颗粒的催化降解性能优于一步法制备的TiO₂;通过扫描电子显微镜(SEM)对TiO₂的表面形貌进行了表征,并利用X射线衍射(XRD)以及钙钛矿光电器件性能的表征可知一步法制备的TiO₂颗粒主要呈现出锐钛矿相,在空气的环境下将其应用于钙钛矿太阳能电池中,电池的光电转化效率(PCE)达到12.7%,而两步法制备的TiO₂颗粒出现了锐钛矿、金红石两种衍射峰,混晶形式使得钙钛矿电池的PCE下降至9.4%,因此可得出一步法制备的TiO₂作为电子传输层时可以提高钙钛矿太阳能电池的性能。

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电沉积电位对镍钴合金超疏水镀层耐蚀性的影响

李宏亮, 刘胜达, 崔孟超, 曹丽丽

功能材料. 2024, 55(11): 11158-11163. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.022

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采用电化学沉积方法在碳钢表面制备了镍钴合金镀层。采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、接触角检测仪等研究了电化学沉积电位对镍钴合金镀层形貌、化学成分和疏水性的影响。利用电化学工作站,采用塔菲尔曲线外推法、交流阻抗法对不同电位下镀层经PFTEOS改性处理后样品进行耐蚀性检测。结果表明,随着沉积电位的提升,镀层表面颗粒逐渐增大,证明沉积速率随着电位的上升而增大,且镀层表面颗粒均匀性在不同电位下展现出不同的状态。在经过5%PFTEOS的乙醇溶液修饰后,在沉积电位为-1.4、-1.6 V下,样品表面达到了超疏水状态。电化学极化曲线测试和交流阻抗测试表明,在电沉积电位为-1.4 V时所获得的镍钴合金镀层在PFTEOS改性处理后的耐腐蚀最好。

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初始缺陷对非均质SFRCC单向受拉特性影响细观分析

康冠英, 柴军瑞, 杨毅, 覃源, 王文杰, 曹靖, 苏江霞

功能材料. 2024, 55(11): 11164-11173. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.023

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初始缺陷会对钢纤维增强水泥基复合材料(SFRCC)的力学性能产生较大影响。通过参数化语言,建立了由钢纤维、水泥砂浆基体及界面过渡区构成的二维SFRCC模型,布置了界面、砂浆、表面和三处同时存在的四种初始缺陷类型,并结合Weibull分布函数建立非均质模型,模拟了不同初始缺陷下非均质SFRCC试件单轴拉伸破坏的过程。结果表明:不同类型初始缺陷对不同平均方向效应系数SFRCC材料抗拉强度影响程度不同;探究了不同类型初始缺陷对SFRCC材料细观单元力学性能的影响;揭示了非均质SFRCC材料存在不同初始缺陷时的拉伸损伤过程及破坏机理。

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叠层氮化碳的制备及在织物柔顺护理的应用

谌凯, 肖凯军, 陈韬

功能材料. 2024, 55(11): 11174-11181. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.024

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首次研究了一种可用于织物柔顺护理的叠层氮化碳,通过氨基磺酸作为致孔剂,以双氰胺和尿素作为氮化碳基础构架,得到具有理想孔隙结构的堆叠氮化碳,可有效附着在织物衣物表面,通过其超薄的二维纳米大片层,对织物起到有效的润滑作用,捋顺毛躁。通过SEM、BET表征了氮化碳的微观孔隙结构和比表面积提升;FT-IR、XRD和XPS表征确认了氮化碳的基本理化性能。对氮化碳的粒径分析表明,接近3 μm的平均粒径的叠层氮化碳能发挥最佳的柔顺作用,粒径过大或过小都会导致其柔顺效果下降。氮化碳作为柔顺护理剂洗涤过后的织物手感顺滑、蓬松,抗静电性提升。氮化碳具有良好的化学稳定性,可以与各种洗涤体系兼容,进行同步的清洁和柔顺。研究首次采用纳米级的多孔氮化碳用于织物的柔顺护理,为利用纳米材料在织物整理提供了新的应用方向。

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B掺杂调控Si_0.85Ge_0.15合金的热电性能研究

景丹阳, 李杰, 程展旗, 况菁, 段兴凯

功能材料. 2024, 55(11): 11182-11187. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.025

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SiGe合金是重要的高温热电材料,其热电性能的优化一直备受关注。采用电弧熔炼和热压烧结成功制备了Si_0.85Ge_0.15B_x(x=0.01,0.015,0.04,0.045,0.05,0.06)合金。利用X射线衍射技术、扫描电子显微镜并结合能谱技术对样品的物相结构、微观形貌和化学成分进行了表征。研究了B掺杂对Si_0.85Ge_0.15合金的电热输运性能影响。研究表明,在300~950 K的温度范围内,塞贝克系数均为正值,表明了P型半导体特性,且随温度的升高,塞贝克系数增大。随着B掺杂浓度的增加,电导率逐渐增加,塞贝克系数则不断降低。在950 K时,Si_0.85Ge_0.15B_0.01样品的塞贝克系数最大,温度为750 K时,B掺杂含量为0.04的样品功率因子具有最大值,为1.72×10^-3 Wm^-1·K^-2,900 K时,B掺杂含量为0.04的样品ZT值达到了0.4,相比于B掺杂含量为0.01的样品,其热电性能提升了约1.5倍。

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光助动电位沉积黑色Ni-Ce氧化物复合涂层及其性能研究

秦自周, 杨雨萌, 晋通正, 蒋馨怡, 朱本峰, 卫国英

功能材料. 2024, 55(11): 11188-11195. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.026

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采用动电位法在Q235钢表面沉积了黑色Ni-Ce氧化物复合涂层,研究了光照条件对复合涂层性能的影响以及涂层自发产生疏水性变化的机制。结果表明,光照条件下制备的涂层沉积速率更快、涂层厚度更厚,光照对涂层的沉积具有积极作用。涂层在刚制备时为超亲水状态,在空气中放置15 d后转变为稳定的接近超疏水的状态,可能是由于涂层表面对空气中碳氢化合物的吸附以及结构变化的协同作用使涂层的疏水性发生转变。光照和暗态条件下制备的Ni-Ce氧化物复合涂层均具有较高的吸收率与发射率。

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核壳结构Al/B/Fe₂O₃铝热剂的制备及点火性能研究

谢强, 李慧, 刘磊, 杨永福, 王猛, 邹宗山, 王光兵, 王基禹

功能材料. 2024, 55(11): 11196-11202. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.027

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铝热剂,是一类富有前景的复合含能材料。其组分为由金属铝和金属氧化物或非金属氧化物经复合处理得到的金属基反应体系。为提升铝热剂的点火性能,通过表面功能化技术制备Al/B复合物,纳米铝粉与氧化剂提前反应,释放大量热量,为B粒子发火提供能量,同时作为第二能源提升所制得的核壳式铝热剂的反应速率和反应活性。基于此,采用乳液溶剂挥发法制备Al/B/Fe₂O₃核壳式铝热剂。对样品的形貌和结构进行表征,此外,对铝热剂进行点火性能测试与点火模拟实验。结果表明:组分配比为Fe₂O₃占比65%、粘合剂5%、Al/B复合物占比30%的铝热剂最小发火能量为389.04 J/g,其燃烧最高温度为950.9 ℃且能成功引爆废弃生物质基破岩型燃烧剂。

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rGO负载银包覆铜/n-Si的肖特基接触特性研究

冯伟, 张会, 李亚鹏, 王荟琪, 李仕琳, 武泽园, 杨旋

功能材料. 2024, 55(11): 11203-11208. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.028

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为获得整流特性好、性价比高的肖特基异质结,采用化学还原法制备还原氧化石墨烯负载银包覆铜纳米(rGO/Cu@AgNPs)复合材料,通过旋涂法制备出rGO/Cu@AgNPs/n-Si肖特基异质结,探究rGO/Cu@AgNPs作为电极材料的肖特基接触特性,采用XRD、FT-IR、SEM和EDS等方法进行测试分析。对rGO负载3种不同质量比的Cu@AgNPs进行对比分析,结果表明,当(Cu(NO₃)₂·3H₂O和AgNO₃的质量比为5∶1.5时,银颗粒对铜颗粒的包覆效果好,形成的包覆颗粒在石墨烯的表面和层间分散性较好,经电流-电压(I-V)测试分析及计算得出该肖特基异质结理想因子为1.43,势垒高度为0.642 eV,表明制备的异质结表现出良好的整流效果。

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海藻渣多孔炭的制备及其电化学性能研究

田宇红, 汤艺伟, 杜壮壮, 李林波

功能材料. 2024, 55(11): 11209-11217. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.029

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海藻渣作为海藻提取海藻酸钠的废弃物,来源广泛但是利用率不高。以海藻废渣为前驱体,提供炭源,以H₃PO₄为活化剂,采用一步炭化活化法制备海藻渣基多孔炭。当海藻渣与质量分数50%的H₃PO₄浸渍比为2∶1,活化温度450 ℃,活化时间120 min时,所制得的海藻渣基多孔炭材料孔隙结构最为丰富,其比表面积高达428.30 m²/g,总孔体积为0.56 cm³/g,微孔占比32.14%。对最优条件下制得的海藻渣基多孔炭电化学性能进行三电极体系测试,结果表明最大比电容为123.40 F/g,同时兼具良好倍率性能、低阻抗和循环稳定性。在此基础上,进一步组装了对称超级电容器,两电极体系的测试结果亦表现出良好的倍率性能与充放电可逆性,其中单个器件最大能量密度可达10.75 Wh/kg。可见,无论是三电极还是两电极体系,海藻渣基多孔炭材料的超级电容性能均具有较好的储能优势和实际应用潜能。

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热流密度对泡沫铜-石蜡强化传热的影响

桂金涛, 吕楠, 王子龙, 朱刘灿, 杨斌, 金谦

功能材料. 2024, 55(11): 11218-11226. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.030

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为探究热流密度对金属泡沫铜-石蜡复合相变储能材料强化传热的影响,设计并搭建了蓄热装置,分析了热流密度对相变材料融化过程的温度分布、温度不平衡效应、传热机制和蓄热性能的影响。实验结果表明,提高热流密度会加剧复合相变材料内部温度不均衡效应,当热流密度从3.6增加至10.9 kW/m²时,相变材料内部垂直方向上最大温差从12.16增加至32.97 K,加热壁面中部和顶部与之水平所对应的相变材料的中部和顶部中心位置处的最大温差分别从34.05增加至75.55 K和25.68增加至49.85 K。蓄热速率从11.32增加至37.56 J/s,蓄热量从18.59增加至24.64 kJ。此外,复合相变材料的等效导热系数和综合传热系数分别增加了61.06%和6.41%,此时,相变材料融化时传热机制中自然对流占比从0.207提高至0.313。

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双氰胺甲醛改性汉麻纤维吸附剂的制备及对阴离子染料的吸附

张洛红, 刘云姣, 胡议心, 兰一峰

功能材料. 2024, 55(11): 11227-11236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.031

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针对双氰胺甲醛(DDF)对染料废水脱色时pH适用范围狭窄、难分离回收等问题,采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)偶联剂将DDF接枝到汉麻纤维(HF)上,制备一种适用于去除阴离子染料的广域pH高效吸附剂(HF-APT-DDF)。考察了不同因素对单一组分和混合组分下刚果红(CR)、酸性兰9(AO 9)和活性嫩黄K-6G(RBY K-6G)3种染料吸附性能的影响。结果表明:HF-APT-DDF在pH=4～10的范围内均具有良好的脱色效果;在温度为298 K、染料初始浓度为20 mg/L、pH为8、吸附时间为1.5 h、投加量为1.0和1.4 g/L时,HF-APT-DDF对单一组分和混合组分染料的脱色率均超过97%,对CR、AO 9和RBY K-6G的最大吸附量分别为116.62,80.16和103.86 mg/g;5次循环使用后,HF-APT-DDF脱色率仍在80%以上;无机盐离子对吸附性能的影响从大到小为PO^3-₄>CO^2-₃>SO^2-₄> NO^-₃>Cl^-;HF-APT-DDF对染料的吸附是自发的放热过程,遵循准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型。

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2024年, 第55卷, 第11期　刊出日期：2024-11-30

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