功能材料

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碳基及其复合材料SERS性能的研究进展

张鹏, 刘广强, 郭静, 周侠, 蔡伟平

功能材料. 2019, 50(6): 6001-6007. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.001

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由于碳基材料本身具有良好的力学性能、化学吸附性能,结构稳定性能等等,越来越受到科研工作者的关注,并且,在诸多方面已经展现出了巨大的应用价值。着重介绍碳基材料的一种新用途,即作为表面增强拉曼散射(SERS)基底中的应用,并对其SERS增强机制进行了详细的阐述;展望了碳基材料作为SERS基底的应用前景。

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膨胀石墨/石蜡复合相变材料的碳纳米管掺杂改性研究

任学明, 沈鸿烈, 杨艳

功能材料. 2019, 50(6): 6008-6012. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.002

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为了制备兼具高相变潜热和高导热系数的膨胀石墨/石蜡(EG/PA)复合相变材料,使用真空浸渍法并通过碳纳米管(CNTs)掺杂对复合相变材料进行了改性。导热性能测试分析发现,当复合相变材料中石蜡质量分数较高时,CNTs掺杂可以有效地增强复合相变材料的导热系数,并且随着CNTs掺杂含量的提高复合相变材料的导热系数也逐渐增大,但是当CNTs掺杂量高于0.8%(质量分数)时导热系数增大速度变慢,因此优化的CNTs掺杂含量为0.8%(质量分数)。在此优化参数下,复合相变材料的熔化潜热从145.27 J/g变到144.39 J/g几乎没有变化,而导热系数从2.141 W/(m·K)提升至4.106 W/(m·K),提升了约1倍,并且在100次热循环之后仍然保持很好的储热能力,具有较好的热循环稳定性。

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具有超高介电常数的海绵/炭黑-硼酸盐/硅橡胶复合材料

张红, 马传国, 黄婷, 戴培邦, 张坚

功能材料. 2019, 50(6): 6013-6018. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.003

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通过浸渍法制备了密胺海绵(MS)/导电炭黑-硼酸盐(CB@B)复合物,并进一步真空灌注硅橡胶(SR)后制备了MS/CB@B/SR复合材料。使用XRD、SEM对复合材料的物相、微观结构进行表征并测试了其导电与介电性能、压敏特性和吸波性能。研究发现,CB@B复合物利用MS模板在复合材料内部构建了三维逾渗网络,其导电逾渗阈值为1.48%(体积分数),CB与B对提高复合材料性能具有显著的协同作用。随着CB浓度提高,复合材料的导电性和介电常数逐步提高,当CB浓度为14 mg/mL时,复合材料的体积电阻率最低可达到6.7×10⁴ Ω·cm,介电常数在1 kHz时高达1.67×10⁴,当样品厚度为3 mm时,在30.97 GHz处出现最低反射率(RL=-33.17 dB),吸波带宽(RL＜-10 dB)为5.38 GHz。当CB浓度为10 mg/mL时,复合材料的电阻和介电常数还表现出较高的压缩应变灵敏度。

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新型Cu-IPMC的制备与性能测试及在软体驱动方面的应用

杨静, 田爱芬, 张东升, 张富强, 李泽州

功能材料. 2019, 50(6): 6019-6022. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.004

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面向正在到来的无人化时代,很多学者采用离子聚合物-金属复合材料(IPMC)作为软体驱动材料来研究软体机器人。目前的IPMC基本都采用铂电极,但铂电极比较昂贵,因此,探索采用价格便宜的铜来制备新型IPMC。首先通过化学镀的方法制备了铜型离子聚合物-金属复合材料(Cu-IPMC),并对其位移、力输出进行性能测试。结果表明,Cu-IPMC的耐受电压可达到10 V,远超Pt-IPMC;力输出也较传统Pt-IPMC有所提升,最大可达到17 mN;位移最大为30 mm。通过研究为Cu-IPMC替代传统Pt-IPMC在软体驱动方面的应用提供了依据。

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金属基纳米复合材料的研究进展

田雅琴, 朱书豪, 张小平

功能材料. 2019, 50(6): 6023-6027. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.005

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金属基纳米复合材料以其优异的性能和独特的组织结构受到越来越多的重视,成为了材料领域研究的热点并得到了越来越广泛的应用。对目前常见的金属基纳米复合材料按照不同标准进行了分类并介绍其分类的特点,叙述了金属基纳米材料在力学、电学、热学、光学、磁学、化学等方面的特征与优势,介绍了常用制备金属基纳米复合材料的方法,并对其应用、研究热点以及难点进行了分析,提出了未来的研究的内容与方向。

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生物质碳材料及其研究进展

卢清杰, 周仕强, 陈明鹏, 张瑾, 柳清菊

功能材料. 2019, 50(6): 6028-6037. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.006

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重点介绍了生物质碳材料各种维度的碳结构,综述了生物质碳材料的制备方法及其优缺点,对生物质碳材料在超级电容器和离子电池两个方向的应用与开发现状进行了归纳,分析了原子掺杂对生物质碳材料结构与性能的改良,并就原子掺杂的种类进行了总结。最后,对生物质碳材料的发展方向与应用前景进行了展望。

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低频宽带薄层吸波材料研究进展

张钊, 王峰, 张新全, 李维, 官建国

功能材料. 2019, 50(6): 6038-6045. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.007

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随着电子和通讯技术的快速发展以及军用雷达波频率不断向低频扩展,对低频宽带薄层吸波材料的需求与现有吸波材料相对较差的低频性能之间的矛盾日益突出。近年来,国内外针对低频宽带薄层吸波材料也开展了大量研究,包括基于各类新型高磁导率吸收剂的吸波涂层材料及新型的超材料。对该领域的重要研究成果和最新研究进展进行综述。

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磁流变液剪切特性的分子动力学模拟

王昭轩, 丁建国

功能材料. 2019, 50(6): 6046-6051. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.008

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磁流变液是一种高效可控的新型材料,研究其磁流变机理有着广阔的应用前景。目前学者对磁流变剪切特性的多因素分析研究较少。采用LAMMPS分子动力学的方法建立了磁流变液微观模型,分析了磁性颗粒间的相互作用,对磁流变液的剪切过程进行了二维状态下的微观数值模拟,并综合分析了影响剪切屈服应力的主要因素。模拟结果表明,磁性颗粒会沿着磁场方向形成若干条长链状结构,颗粒链受到剪切作用发生变形、倾斜甚至断裂;剪切速率较低时,剪切屈服应力保持稳定;随着颗粒体积百分率的增加,剪切屈服应力呈线性增加的趋势;低磁场强度时,剪切屈服应力随磁场强度增加而增长较快,较高磁场强度时,剪切屈服应力随磁场强度增加的增速放缓;在一定范围内颗粒半径越大,粒径分布越集中,剪切屈服应力越大;随着模拟温度的增加,剪切屈服强度先保持稳定,后下降逐渐明显。

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弥散强化Pt-10Rh合金高温微观组织结构研究

李凤, 杨晓亮, 唐会毅, 吴保安, 程小利, 罗维凡, 万伟建, 席铭泽, 王桂升

功能材料. 2019, 50(6): 6052-6055. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.009

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用金相显微镜、扫描电镜观测普通Pt-10Rh合金和弥散强化Pt-10Rh合金的微观组织结构,结果表明,普通Pt-10Rh合金在高温下晶粒长大趋势明显,且高温持久性低,而弥散强化Pt-10Rh合金中有强化颗粒氧化锆的存在,能减少晶界缺陷,提高晶界结合力,降低晶界的扩散速度,减缓位错攀移,有效阻止晶粒长大和晶界的滑移,从而提高材料的强度和使用寿命。

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磷石膏/粉煤灰复合粉体对铅离子的吸附研究

贾子龙, 刘志红

功能材料. 2019, 50(6): 6056-6060. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.010

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研究使用磷石膏与粉煤灰进行混合。火焰原子吸收分光光度计测定两者掺比为1∶1的条件下对铅离子的吸附率最好,吸附率达到74.03%。对最佳掺比条件下的混合物进行磨矿、煅烧,吸附率可达93.38%。研究了pH值、温度、吸附剂用量、吸附时间对铅离子吸附的影响。结果表明,最佳吸附pH值为7,吸附平衡时间为30 min,饱和吸附量为15.588 mg/g,125 ℃以下不会产生不利影响。吸附动力学遵循拟二级动力学模型。

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表面活性剂对纳米 ZnS 电极材料电化学性能的影响

王安耸, 陈秀娟, 周鹏程, 张鹏林

功能材料. 2019, 50(6): 6061-6065. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.011

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采用溶剂热法通过表面活性剂PVP改性所合成纳米ZnS电极材料。XRD、SEM、TEM测试结果表明,经表面活性剂PVP改性后的纳米ZnS结晶度明显提升,具有更完整的晶体结构;并且改性后产物晶粒尺寸更加均一,球形形貌更加完整,团聚现象明显改善。电化学性能测试结果表明,PVP改性后的纳米ZnS负极材料表现出更佳的循环稳定性,其首次可逆比容量可达到557.7 mAh/g,循环50次后可逆比容量仍保持在420 mAh/g,电化学性能明显高于改性前ZnS电极材料。

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多铁材料SmFe_1-xCr_xO₃陶瓷的介电特性及磁相变的研究

宋桂林, 方松科, 童金山, 吕世英, 苏健, 张娜

功能材料. 2019, 50(6): 6066-6074. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.012

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采用溶胶-凝胶法制备SmFe_1-xCr_xO₃(x=0～0.3)样品,研究Cr³⁺掺杂对SmFeO₃的晶体结构、介电特性及磁相变温度的影响。研究表明,所有样品的主衍射峰与SmFeO₃标准图谱相吻合且具有良好的晶体结构,Cr³⁺掺杂使其晶胞体积收缩,导致主衍射峰向衍射角(θ)较大的方向移动。SmFeO₃的介电常数(ε_r)随着掺杂量(x)的增加逐渐减小,介电损耗(tanδ)随着Cr³⁺的增加而增大,介电常数(ε_r)随频率(f)和掺杂量(x)的增加而逐渐减小的原因是由IBLC微观机制和偶极子取向极化机制两者共同作用的结果,其介电损耗主要是电导电流产生的损耗起主导作用,并发现SmFe_1-xCr_xO₃的介电损耗峰随掺杂量的增加向高频方向迁移。SmFeO₃的蜂腰状M-H随着Cr³⁺的掺杂而消失且磁性也有所减弱,其自旋重组相变温度(T_SR)和反铁磁相变温度(T_N)随着Cr³⁺的增加由原来的462,687 K降低到428和536 K。这主要是Cr³⁺掺杂使SmFeO₃晶格发生畸变,形成Fe³⁺-O^2--Cr³⁺磁交换作用,破坏了原有Fe³⁺-O^2--Fe³⁺反铁磁有序排列,降低了其G型反铁磁结构的稳定性,在宏观上表现为其铁磁性的减弱和磁相变温度T_SR和T_N的降低,进一步探讨了Cr³⁺掺杂对SFO的介电性及铁磁性影响的微观机理,使其在自旋电子器件、磁制冷领域及磁性开关器件等方面的应用成为可能。

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再生骨料高强混凝土材料的制备及性能研究

周黑撇

功能材料. 2019, 50(6): 6075-6078. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.013

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以精细再生骨料置换精细天然骨料为原料制备混凝土,设计制备精细再生骨料与精细天然骨料不同的置换比、水/水泥(W/C)不同混合比的混凝土标本,并评价其可加工性、密度、抗压强度及导电率等性能。结果表明,水/水泥比率、精细再生骨料对精细天然骨料的置换量率对混凝土标本的加工性没有影响,均可满足混泥土塌落度的要求;而在水/水泥比率为W/C=0.35,精细再生骨料与精细天然骨料的置换比为50%时,A50混凝土标本的密度较高,抗压强度达到61.34 MPa,电阻率达到14.08 kΩ·cm,满足高强度混凝土强度标准。由此可知,精细再生骨料置换比的最佳比例为50%左右,此比例不会影响混凝土标本的物理、机械性能和耐久性,制得的混凝土性能最优。

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石英纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料的疲劳特性

王婕, 周万城, 罗发, 朱冬梅, 黄智斌, 卿玉长

功能材料. 2019, 50(6): 6079-6082. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.014

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石英纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料具有比强度高、比刚度大、结构可设计性等很多优点,将在武器装备结构件领域广泛应用。对石英纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料的室温及高温拉伸性能进行了研究;对石英纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料的室温及高温拉-拉疲劳特性进行了研究。结果表明,复合材料的拉伸强度及弹性模量随着测试温度的升高而降低,并且在300 ℃时保留率分别是68%和80%。在相同应力水平下,复合材料的室温疲劳寿命比高温疲劳寿命高。在高温下,由于树脂软化,复合材料的经纱裂纹减缓。通过疲劳断裂的断口形貌和疲劳寿命变化,对复合材料损伤机制进行评估。

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基于流变学的SEBS/橡胶粉复合改性沥青低温性能研究

马峰, 董文豪, 傅珍, 代佳胜, 常晓绒, 王博雅

功能材料. 2019, 50(6): 6083-6087. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.015

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为提高橡胶沥青在寒冷地区的路用性能,选用SEBS改性剂对橡胶沥青进行复合改性,在保持橡胶粉掺量一定的情况下制备不同SEBS掺量的复合改性沥青,通过弯曲梁流变仪(BBR)对沥青低温性能进行测定,并引入蠕变速率劲度比(m/S)和低温连续分级温度(T_LC)对不同SEBS掺量的复合改性沥青低温性能进行评价。结果表明,SEBS改性剂可显著降低沥青蠕变劲度,使沥青低温柔性得到改善,且温度越低改善效果越明显;短期老化后复合改性沥青的柔性和应力松弛能力均未出现明显降低,表明短期老化后沥青仍能保持较好的低温性能,SEBS对沥青抗老化性能具有改善作用;掺加SEBS改性剂后,m/S值有所提高,低温连续分级温度显著降低,表明SEBS/橡胶粉改性沥青具有优越的低温性能,通过综合比选得出SEBS最佳掺量为6%。

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基底负偏压对CO₂气相反应溅射制备C∶TiO₂薄膜性能的影响研究

岳天峰, 刘嘉琪, 文峰, 马艳平, 丁春华, 姜宏

功能材料. 2019, 50(6): 6088-6094. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.016

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采用射频磁控溅射法,选择CO₂气相提供反应溅射时的碳和氧源,通过改变基底负偏压制备得到系列C掺杂TiO₂(C∶TiO₂)薄膜。紫外-可见分光光度计测定薄膜的透射率并用tauc作图法得到薄膜的带隙宽度,发现基底负偏压的增加有助于带隙宽度的窄化。拉曼光谱、X射线光电子能谱表征了C∶TiO₂薄膜的结构和成分及元素化学键合态,分析表明,C∶TiO₂薄膜主要为金红石相,C元素替代氧元素与Ti结合形成Ti—C键实现了C元素的掺杂。对甲基橙的光催化降解实验表明通过气相CO₂制备得到的C∶TiO₂薄膜具有较好的光催化活性,且随着基底负偏压值的增加,C∶TiO₂薄膜对甲基橙的光催化降解效率会达到一个相对峰值后开始下降。测试了薄膜表面3种标准液体的接触角并分别计算了表面能各分量,结果发现,C∶TiO₂薄膜受到紫外光照射后表面能中路易斯酸性分量有显著增加,这将有利于促进电子-空穴的有效分离。

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基于纳米银修饰的还原石墨烯和Mn₃O₄正极材料的镁空气电池研究

刘春晖, 李欣宇, 李晓干, 林仕伟, 李振峰, 陈汉德

功能材料. 2019, 50(6): 6095-6102. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.017

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以乙酸锰、乙酸银、氧化石墨烯为原料,采用一步水热法合成了二维的Ag-Mn₃O₄/rGO复合材料。在相同条件下,分别制得了Mn₃O₄/rGO、Ag/rGO、Ag-Mn₃O₄/rGO 3种复合材料,对所得产物形貌进行分析,研究比较3种复合材料的催化性能,并制备电极片成品,对电池性能和稳定性进行长时间监测。最后结果表明,Ag-Mn₃O₄与rGO共掺的复合材料的催化性能得到了很大的改善,氧还原峰向正偏移0.15 V且极化电流明显增大,电池稳定性较好,开路电压可达1.57 V,稳定工作时长可达到500 h。并可以实现给18650锂电池充电。

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基于极化曲线的磷酸镁水泥体系中钢筋锈蚀行为研究

李军, 刘雨

功能材料. 2019, 50(6): 6103-6108. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.018

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通过磷酸镁水泥体系和普通水泥中的钢筋锈蚀的对比实验,利用电化学工作站,分析钢筋锈蚀过程中的开路电位和极化曲线,研究了磷酸镁水泥体系的钢筋锈蚀行为。同时利用光学显微镜观察了不同龄期的磷酸镁水泥中钢筋的锈蚀形貌。结合磷酸镁水泥水化过程中pH值的变化和极化曲线理论深究了磷酸镁水泥体系抗钢筋锈蚀能力的机理。研究表明,磷酸镁水泥具有很强的抗钢筋锈蚀能力。磷酸镁水泥体系中的钢筋锈蚀行为虽然存在,但是其发展非常缓慢。磷酸镁水泥pH值的变化以及弱碱环境中磷酸铵金属络合物的形成是磷酸镁水泥抗钢筋锈蚀能力的控制因素。

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KMGd(MoO₄)₃∶Eu³⁺(M=Ca,Sr)红色荧光粉的制备、光谱及封装性能研究

宋明君, 台夕市, 张娜娜, 王林同

功能材料. 2019, 50(6): 6109-6115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.019

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采用高温固相法制备了两种新型的红色荧光粉KMGd_1-x(MoO₄)₃∶xEu³⁺(M=Ca、Sr),并研究了它们的结构、形貌、浓度与温度猝灭效应及封装后LED灯珠的发光特性。结果表明,KCaGd_1-x(MoO₄)₃∶xEu³⁺始终保持四方白钨矿结构,而KSrGd_1-x(MoO₄)₃∶xEu³⁺的晶体结构则随会着Eu³⁺离子掺杂浓度的增大而发生变化。两种荧光粉在394与465 nm处均具有较强的吸收,刚好与商用InGaN半导体芯片发射波长相匹配。在394 nm激发下,两种荧光粉的主发射峰均位于616 nm处,Eu³⁺离子的最佳掺杂浓度分别为80%(M=Ca)和90%(M=Sr)。基于横向穿越机制分析了荧光粉的热猝灭效应,热激活能分别为0.246 eV(M=Ca)和0.250 eV(M=Sr)。两种荧光粉的荧光衰减曲线均呈单指数变化,且荧光寿命受Eu³⁺浓度影响很小。

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石墨烯纳米片/聚四氟乙烯复合材料的制备及磨损性能研究

王英章

功能材料. 2019, 50(6): 6116-6119. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.020

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以石墨烯纳米片、聚四氟乙烯(PTFE)为原料,制备了石墨烯纳米片/聚四氟乙烯复合材料。研究了不同石墨烯纳米片含量(0,0.25%,0.50%,0.75%,1.00%,1.25%(质量分数))对复合材料导热性能、力学性能、摩擦磨损性能的影响。结果表明,随着聚四氟乙烯中石墨烯纳米片含量的增加,复合材料的微观结构趋于无序,其导热系数逐渐增大,导热性能逐步增强;当石墨烯纳米片含量为0.75%(质量分数)时,复合材料的抗拉强度和断裂伸长率最佳;当石墨烯纳米片含量为1.25%(质量分数)时,复合材料的摩擦系数最小,为0.195,磨损量最低,仅37 mg。磨损实验前后复合材料的碳结构发生了变化,磨损后复合材料的缺陷增大,石墨化程度大大降低,石墨烯纳米片/聚四氟乙烯复合材料具有良好的耐磨损性能。

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高分子包膜材料对抗凝冰剂缓释性能的影响

金爽, 赵苏, 马广一

功能材料. 2019, 50(6): 6120-6127. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.021

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抗凝冰剂是一种代替沥青混合料中不同粒径的矿料、使沥青路面具有主动除冰雪功能的一种外加剂。国内同类产品缓释性能差,普遍缺乏长效性。为增强抗凝冰剂的缓释效果,研究借鉴农药、化肥包膜技术,分别用聚苯乙烯、环氧树脂、水溶性酚醛树脂对大粒盐进行包膜,并对包膜方法、稀释比例、大粒盐粒径及固化温度等条件进行探究,得出如下结论,采用环氧树脂包膜,4.75～9.5 mm粒径大粒盐,环氧树脂与环己酮稀释比例为4∶1,加入环氧树脂质量30%的固化剂且在100 ℃下固化,溶液不掺加改性蓄盐载体,粒子表面裹一层改性蓄盐载体,以此条件下制备的抗凝冰剂缓释效果较好。

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变压和恒压加氢模式下CO₂杂质对镁储氢性能的影响

李辛元, 蒋瑞乾, 刘晓静, 刘培, 韩宗盈, 周仕学

功能材料. 2019, 50(6): 6128-6134. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.022

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金属镁资源丰富且储氢量大,是有大规模应用前景的储氢材料,但镁易与CO₂等杂质气体反应生成致密的MgO和碳薄膜覆盖在镁颗粒表面而阻碍吸氢,研究变压加氢和恒压加氢过程中钝化膜影响镁吸氢的机制对优化加氢操作有重要意义。等温吸附测试表明,在含1.0%(摩尔分数)CO₂杂质的氢气中于340 ℃、5 h恒压加氢时,吸氢量降至2.32%(质量分数),而变压加氢时吸氢量降至1.09%(质量分数)。XRD分析表明两种加氢模式下CO₂均会与Mg反应生成晶态MgO;HRTEM观测表明MgO膜紧密附着在镁颗粒表面;XPS分析表明除了生成MgO外,还有单质碳生成,以及C—O和CO基团化学吸附于镁颗粒表面。热力学计算表明,变压加氢过程中在低于吸氢平台压的低压阶段,CO₂与Mg反应生成致密的钝化膜,从而阻碍高压阶段Mg与H₂反应生成MgH₂,致使吸氢量较低;而恒压加氢时,初始氢压高于吸氢平台压,CO₂和H₂与Mg竞争反应,从而吸氢量高于变压加氢模式的吸氢量。

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4NiO-B₂O₃-V₂O₅低温烧结微波介质陶瓷的烧结特性、相结构和微波介电性能研究

卢承铭, 周焕福, 张海林, 李诗轩, 邓积极

功能材料. 2019, 50(6): 6135-6138. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.023

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以分析纯的B₂O₃、V₂O₅和NiO为原料,采用传统的固相反应法制备了4NiO-B₂O₃-V₂O₅微波介质陶瓷。利用SEM、XRD和微波网络分析仪分别对材料的烧结行为、微观结构、相变特性和微波介电性能进行了系统的研究。结果表明,4NiO-B₂O₃-V₂O₅陶瓷为复相结构。当烧结温度由575 ℃升高至675 ℃时,样品的体积密度、品质因素(Q×f)和谐振频率温度系数(τ_f)值呈现出先增大后减小的趋势,ε_r一直减小。当烧结温度为650 ℃时,陶瓷具有最佳的微波介电性能:Q×f=19 692 GHz,ε_r=4.9,τ_f=-20×10^-6/℃。低的烧结温度、优异的微波介电性能表明4NiO-B₂O₃-V₂O₅陶瓷可以作为滤波器、谐振器等微波器件的备选材料。

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Fe₃O₄化学修饰电极的制备及其在抗坏血酸中的电化学研究

段志虹, 田朝晖, 宋利君, 邓敏, 卢晓英, 江奇

功能材料. 2019, 50(6): 6139-6143. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.024

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为了解抗坏血酸有机酸类去污剂对核电站化学去污的电化学行为,提高其去污效果,通过Nafion溶液的固定作用,将核电站管道中的主要腐蚀产物Fe₃O₄制作成化学修饰电极。通过三电极体系研究其电化学行为,考察了其扫描速度的影响、溶液浓度的影响和反应的类型。同时进行了循环伏安曲线、极化曲线和交流阻抗等测试。分析了其电化学行为,得到了一系列电化学数据。

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阳极微生物的固定方式对微生物燃料电池性能的影响

邢达杰

功能材料. 2019, 50(6): 6144-6149. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.025

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研究了一种将微生物包埋在导电水凝胶中制备成微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)阳极的新方法,该方法可以增加阳极上微生物的数量,并使多数微生物处于分散状态以利于代谢的扩散。该方法构建的阳极用在MFC中,显示了良好的效果。其最高功率密度和工作电压分别为0.243 W/m²和0.350 V,比使用传统阳极的MFC分别高出89.843%和16.667%;其内阻则为263.780 Ω,比使用传统阳极的MFC低78.973%。

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叠片粉末冶金制备超细晶Al-4%Cu合金的组织与性能

王志卓, 袁超, 谭占秋, 郑权, 范根莲, 陈鸣亮, 李志强, 张荻

功能材料. 2019, 50(6): 6150-6154. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.026

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以纯铝、铜粉末为起始原料,采用叠片粉末冶金技术路线,通过球磨片化、复合造粒与扩散合金化,制备出了高强塑性匹配的超细晶Al-4%Cu合金。利用XRD、SEM及TEM,表征了合金相形成、演变及微观组织,并与采用球形铝粉的传统粉末冶金技术制备的Al-4%Cu合金进行了性能对比。结果表明,叠片粉末冶金能够获得拉长超细晶组织,引入的Al₂O₃纳米相使拉长晶在热变形加工过程得以保留;叠片粉末冶金所制备的Al-4%Cu合金屈服强度为378 MPa、抗拉强度达到527 MPa,分别比传统粉末冶金提高26.4%和19.2%,同时保持14.2%的延伸率,实现了强度和塑性的均衡匹配,为高强韧大块铝合金材料制备提供了新思路。

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环氧基团修饰多壁碳纳米管及其化学交联聚氨酯复合材料的性能

段华锋, 王少辉, 侯彩英, 马国章, 李莎莎, 郝晓刚

功能材料. 2019, 50(6): 6155-6161. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.027

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碳纳米管在高分子材料中的分散性能及其二者的界面结合力决定了其复合材料的性能。用H₂O₂-FeSO₄试剂处理多壁碳纳米管(MWCNTs)使其羟基化,再与硅烷偶联剂反应分别制备了缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷改性的MWCNTs(MWCNTs-KH560)和3-氨基丙基三乙氧基硅烷-环氧树脂改性MWCNTs(MWCNTs-E51),并和含羧基的聚氨酯(PU)混合制备了MWCNTs/PU复合材料,研究了不同链段环氧基团对复合材料性能的影响。结果表明,接枝环氧基团后,MWCNTs能明显地提高其复合材料的力学性能、热稳定性能和导电率。和MWCNTs-E51相比,MWCNTs-KH560/PU具有较高的上述性能,但断裂伸长率较低。分析认为,接枝的环氧基团可和PU链上的羧基发生开环反应而形成了化学交联结构,显著地提高了MWCNTs和PU之间的界面结合力。但MWCNTs-E51接枝的较长有机链段起增塑作用,且提高了MWCNTs之间的隧道电阻,从而降低了复合材料的力学性能和导电性能。

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温敏聚氨酯膜制备及性能研究

龙青, 卢立新, 潘嘹, 卢莉璟

功能材料. 2019, 50(6): 6162-6166. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.028

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以聚己内酯(PCL)、聚乙二醇(PEG)、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)等为主要原料,通过两步溶液嵌段共聚技术和干法转相技术制备了3种温敏聚氨酯(TSPU)膜TSPU(a)、TSPU(b)和TSPU(c)。采用傅里叶红外光谱法(FT-IR)、差示扫描量热法(DSC)、X射线衍射法(XRD)、扫描电镜法(SEM)等测试方法对TSPU膜的结构和性能进行表征并与普通聚氨酯(PU)膜进行比较。研究结果表明,PU膜无开关温度,TSPU(a)、TSPU(b)膜开关温度分别为54.8和31.17 ℃,TSPU(c)膜具有两个独立的开关温度,分别为35.3和57.0 ℃;TSPU膜表面光滑致密,截面为非对称的多孔结构;在开关温度前后,TSPU膜的透湿性和孔隙率发生了显著变化。当温度从25 ℃升高到35 ℃时,TSPU(c)的水蒸气透过量从70.49 g/m²·24 h上升到145.71 g/m²·24 h,增幅为106.71%;当温度从55 ℃升高至65 ℃时,其水蒸气透过量从306.32 g/m²·24 h上升到578.54 g/m²·24 h,增幅为88.87%。表明了研究中的TSPU具有温度响应特性。

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丁苯胶乳改性水泥混凝土的力学性能及耐久性实验分析

刘方, 王宝民, 袁晓洒, 王永刚, 李明

功能材料. 2019, 50(6): 6167-6173. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.029

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目前聚合物水泥混凝土已成为高性能混凝土研究的一个重要组成部分。中实验采用了一种聚合物乳液(丁苯胶乳)对高性能混凝土进行改性处理,研究不同丁苯胶乳掺加量对水泥混凝土基本力学性能、韧性、自收缩性能及抗氯离子渗透性能的影响。实验结果表明,丁苯胶乳改性水泥混凝土的抗压强度随着丁苯胶乳掺加量的增加有所降低;而丁苯胶乳的加入,对混凝土的劈裂抗拉强度、抗折强度及韧性有较大提高,且掺量为15%的增强效果最明显,劈裂抗拉强度和抗折强度的提升幅度分别达到17.4%和23.8%,;掺量为10%的情况下韧度指数最高,增加幅度达到71.1%;丁苯胶乳改性混凝土浇注24 h后的总收缩值,随着丁苯胶乳掺量的增加而逐渐减少,掺量为15%情况下的总收缩值降幅高达35%;同时,改性后水泥混凝土的抗氯离子扩散能力有所提高,抗渗性能也得到改善。

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高炉渣纤维酸碱腐蚀性及制品憎水性研究

张遵乾, 龙跃, 张玉柱

功能材料. 2019, 50(6): 6174-6177. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.030

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将酸度系数为1.2,1.4,1.6的高炉渣纤维分别浸入酸、碱溶液和去离子水中,浸泡24 h,研究了酸、碱环境对不同酸度系数的高炉渣纤维的影响,主要是质量变化和微观形貌变化。分别采用pH值=8的硅溶胶溶液和pH值=6的聚乙烯醇溶液为粘结剂制备了矿渣纤维板,测量了两种矿渣纤维板润湿角的大小。结果发现,高炉渣纤维的耐酸性较差,在pH值=0的酸性溶液中质量损失最大,纤维表面腐蚀严重,Mk值越小的纤维的耐腐蚀性越差。对比两种粘结剂制备的纤维板的润湿角发现,硅溶胶为粘结剂制备的纤维板润湿角为110.3°,憎水性较好,而聚乙烯醇为粘结剂制备的纤维板的润湿角为91.4°,憎水性较差,表明粘结剂的酸碱性会直接影响纤维制品的性能。

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蓝宝石衬底上石墨烯的制备研究

邹伟, 李多生, 洪跃, 叶寅, 林奎鑫, 熊财梓

功能材料. 2019, 50(6): 6178-6184. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.031

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开展了化学气相沉积(CVD)法在蓝宝石衬底上直接生长石墨烯的制备研究和模拟研究,研究衬底表面形貌和生长温度对石墨烯的影响。运用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、拉曼光谱(Raman)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等对石墨烯生长开展了微结构研究。模拟研究发现,氢气对衬底表面形貌具有重要影响,在H原子的作用下Al—O键被拉长了51.42%,近乎断裂,因而对蓝宝石衬底的表面粗糙度产生影响。实验发现H₂对蓝宝石衬底有刻蚀作用,刻蚀后的蓝宝石衬底表面粗糙度Ra变大,不易于石墨烯生长。随着生长温度的升高,生长的石墨烯质量也逐渐变好。

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Pt-Sn/Poly(triazine imide)-碳纳米管复合材料的电催化性能

管强强, 王勇, 赵强, 李晋平

功能材料. 2019, 50(6): 6185-6190. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.032

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以不同质量比poly(triazine imide) (PTI)-碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)复合物为载体,通过乙二醇还原Pt/Sn前驱体制备了Pt-Sn/PTI-CNTs催化剂。通过X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)对制备的催化剂结构、形貌和成分进行表征。结果表明,Pt-Sn纳米粒子在载体上高度分散,粒径分布在2.6～3.7 nm之间,其主要以金属Pt和SnO_x的形式存在。循环伏安(CV)测试表明,PTI的引入对Pt-Sn/PTI-CNTs复合物的催化活性具有明显提升作用,但是加入的量过多会导致电催化性能下降。当加入20%(质量分数)的PTI时,催化剂具有最大的电化学活性面积(ECSA)46.20 m²/g,乙醇电催化性能最佳。

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Si含量对(AlCrTiZrHf)-Si_x-N高熵薄膜微观结构和力学性能的影响

牛景锐, 李伟, 刘平, 张柯, 马凤仓, 刘新宽, 陈小红, 何代华

功能材料. 2019, 50(6): 6191-6196. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.033

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采用自制的复合靶材,通过直流磁控溅射技术,在单晶Si基片上沉积一系列不同Si含量的(AlCrTiZrHf)-Si_x-N高熵薄膜,并依次采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高透射电子显微镜(HRTEM)和纳米压痕仪对薄膜进行表征和测试,研究Si含量对其微观结构和力学性能的影响。实验结果显示,(AlCrTiZrHf)N薄膜成柱状晶生长,并具有(111)晶面的择优取向。Si元素的掺入,使得原薄膜的(111)峰消失,(AlCrTiZrHf)-Si_x-N薄膜晶粒得到细化,同时生成网状非晶相,从而形成非晶包裹纳米晶的纳米复合结构。随着Si含量的增加,薄膜力学性能先上升后下降,这种趋势归因于所形成的纳米复合结构,并且当Si含量为8%(体积比)时,薄膜的硬度和弹性模量最高,分别为26.6和250.9 GPa。

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聚氨酯预聚物改性沥青的制备及其流变行为

方滢, 谢玮珺, 杨建华

功能材料. 2019, 50(6): 6197-6205. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.034

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为了赋予基质沥青良好的物化性能,增强其在不同环境条件下的适应性,采用聚氨酯预聚物对基质沥青进行改性。基于选择的原材料,首先采用正交试验和直观分析法确定了聚氨酯预聚物改性沥青的最佳制备工艺参数,在此基础上,通过分析聚氨酯预聚物掺量对改性沥青3大指标、韧性、存储稳定性和粘度指标的影响,确定了聚氨酯预聚物改性剂的最佳掺量。其次,借助动态剪切流变试验(DSR)和弯曲梁流变试验(BBR),对比分析了聚氨酯预聚物改性沥青、SBS改性沥青、SBR改性沥青和基质沥青的流变行为。试验结果表明,聚氨酯预聚物改性沥青的最佳制备工艺参数为单位制备量400 g、剪切速率4 000 r/min、剪切温度150 ℃和剪切时间40 min;综合考虑改性沥青3大指标、韧性、存储稳定性、粘度指标和经济性,推荐聚氨酯预聚物改性剂最佳掺量为6%;较其它3种沥青,聚氨酯预聚物改性沥青在52～82 ℃温度区间内具有最优的高温性能,但其对温度的敏感性最强。同时,聚氨酯预聚物改性沥青在交变应力作用下的弹性性能略低于弹性性能最优的SBS改性沥青。此外,聚氨酯预聚物改性沥青的低温流变性能略低于低温性能最优的SBR改性沥青。

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固液火箭发动机钨渗铜喉衬的烧蚀形貌及性能研究

朱阳, 孙建涛, 闫联生, 崔红

功能材料. 2019, 50(6): 6206-6210. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.035

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以固体和液体混合燃料作为推进动力的固液火箭发动机具有特殊的高温、高压、氧化、粒子冲刷的燃烧环境。钨渗铜是一种自发汗冷却型高温材料,常用于发动机喷管的耐烧蚀部件。采用高温烧结-熔渗法制成钨渗铜合金喉衬,通过固液火箭发动机地面热试车考核,结果表明,钨渗铜喉衬在固液火箭发动机中最大平均线烧蚀率为0.151 mm/s。喉衬不同部位的形貌与烧蚀环境有关:收敛部分大量燃气组分以颗粒形态附着并形成层状结构;喉部区域包含燃气组分颗粒堆积和钨渗铜基体裸露两种形态;扩张部分形成均匀的烧蚀表面。收敛部分检出大量燃料元素(Al、Mg);喉部存在W和Cu的区域,其它区域为燃料粒子沉积;扩张部分存在大量背衬材料中引入的Si。

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改性花青素涂覆聚丙烯新鲜度指示膜的制备与研究

贾代涛, 卢立新, 潘嘹, 卢莉璟

功能材料. 2019, 50(6): 6211-6215. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.036

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以乙酸为酰化剂对玫瑰茄花青素改性处理制得新鲜度指示剂,选用聚乙烯醇(PVA)为基液,与改性花青素共混制得新鲜度指示液,以聚丙烯(PP)为基膜采用旋涂法制备食品新鲜度指示膜。对改性花青素进行红外光谱及紫外-可见光光谱分析,对指示膜pH响应性、热稳定性和光照稳定性进行了研究。结果表明,红外光谱显示玫瑰茄花青素成功引入酰基;紫外-可见光谱显示改性后的花青素溶液在可见光区域最大吸收峰下的吸光度突变区间由pH值2～3迁移到pH值3～4;指示膜pH响应测试显示随着pH值升高指示膜由红变浅粉再变绿;所制备改性花青素指示膜在光照和不同温度下的颜色稳定性均高于未改性花青素指示膜。

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CuFeO₂纳米粒子的制备及其聚合物复合涂层的抗细菌粘附性

吴永忍, 陈顺, 陈卓, 冯锐, 董丽杰

功能材料. 2019, 50(6): 6216-6220. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.037

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铜基纳米材料在催化、能量储存与转换、生物学传感等诸多领域具有广阔的应用价值,其中,CuFeO₂纳米材料的尺寸调控与形貌控制成为该领域的研究热点之一。采用水热合成法,以二价、三价铁盐和二价铜盐为金属离子源,通过柠檬酸钠和乙酸钠等有机小分子的调控,制备了有机分子修饰且单分散性良好的CuFeO₂纳米粒子,研究了反应时间及Cu²⁺离子浓度对CuFeO₂纳米粒子形貌的影响。结果表明,反应8和10 h的CuFeO₂纳米粒子结晶性良好,随着Cu²⁺离子浓度增加CuFeO₂纳米粒子的结晶性变差,Cu²⁺离子浓度为2.8 g/L时,CuFeO₂纳米粒子尺寸均一、结晶性好。最后,探究了有机分子修饰的CuFeO₂纳米粒子复合涂层的抗细菌粘附性能,结果表明其对大肠杆菌具有良好的抗细菌粘附性。

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2019年, 第50卷, 第6期　刊出日期：2019-06-30

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