功能材料

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石墨烯/蚕丝蛋白复合膜的构建、表征与生物相容性评估

梁岩冰, 李林昊, 王丽珍, 徐鹏, 高元明, 樊瑜波

功能材料. 2017, 48(7): 7001-7005. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.001

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以天然鳞状石墨为原料,采用化学氧化法合成氧化石墨烯,与脱胶后的蚕丝丝素蛋白按比例混合后通过真空抽滤构建1%,5%和10%(质量分数)不同丝素含量的氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜,并通过EDC/NHS进行化学共价键交联,最后采用氢碘酸对复合薄膜进行还原进而得到具有优良力学特性的“砖-泥”层状结构的无机/有机复合薄膜。研究分析了薄膜的亲疏水性、力学性能、形貌、结构与体内生物相容性。研究结果表明,丝素组分的添加与共价键化学交联作用不仅改善了复合薄膜的亲水性及力学性能,也增加了复合薄膜的体内生物相容性。这种基于石墨烯/丝素蛋白复合薄膜有望作为生物材料支架应用于组织工程与再生医学领域。

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滨海混凝土化学自修复微胶囊制备及性能研究

刘昱清, 丁蔚健, 董鹏, 韩世文, 李宏发, 陈仕仕, 洪舒贤, 董必钦, 邢锋

功能材料. 2017, 48(7): 7006-7011. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.002

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制备了两种基于单氟磷酸钠微胶囊和亚硝酸微胶囊的化学自修复系统,微胶囊以乙基纤维素作为主要的囊壁成份,囊芯材料则分别是亚硝酸钠和单氟磷酸钠,微胶囊平均粒径分别为270和410 μm。两种微胶囊按水泥质量的5%含量掺入钢筋砂浆样品中,并采用恒温50 ℃干湿循环进行锈蚀加速过程,之后进行线性极化(LSV)测试和X射线层析成像(X-ray μCT)测试及图像分析。空白样在72 h干湿循环后出现点蚀,而加入亚硝酸钠微胶囊的样品在576 h干湿循环后钢筋依旧保持光滑的表面,而加入了单氟磷酸钠微胶囊的样品则在432 h后才出现点蚀现象。结果表明,两套化学修复系统的锈蚀过程滞后于不加胶囊的空白样,表现出缓蚀的效果,化学自修复微胶囊体系能够对混凝土内部钢筋起到显著的保护作用。

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活性炭氟烷基化及PVDF混合基质疏水膜研制

孙学超, 武春瑞, 刘四华, 王中阳, 马忠, 王暄, 吕晓龙

功能材料. 2017, 48(7): 7012-7016. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.003

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通过酸化-酯化反应,在活性炭(AC)微粒上接枝十二氟烷基,进而将其引入聚偏氟乙烯(PVDF)膜本体,制备PVDF/AC-DFH混合基质膜。研究了改性AC与PVDF相容性,以及对膜的疏水性和膜蒸馏性能的影响。结果表明,经过氟烷基化改性之后,AC与膜之间的相容性得到有效提升;混合基质膜的疏水性有明显提高,水接触角达到128.2°;当掺杂碳含量为0.15%(质量分数)时,混合基质膜的膜蒸馏通量达到41.4 kg/(m²·h),相比于掺杂未改性AC的PVDF/AC膜,提高了38.9%。

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Ce/Fe/粉煤灰复合吸附材料的制备和表征

李北罡, 丁磊

功能材料. 2017, 48(7): 7017-7022. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.004

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粉煤灰(FA)经HCl处理并通过沉淀焙烧法制备了一种新型Ce/Fe/FA复合材料,采用SEM、XRD、EDS、FT-IR及N₂气吸附脱附技术进行了表征,并以直接桃红12B(DP 12B)和直接蓝2B(DB 2B)染料为吸附对象,考察了材料的制备条件和工艺参数。结果表明,FA用4 mol/L HCl于80 ℃处理60 min后加入一定浓度FeCl₃·6H₂O与Ce(SO₄)₂·4H₂O混合溶液(三者质量比为160:4:1),调节pH值为10,于40 ℃静置2 h后在300 ℃焙烧1 h即制得Ce/Fe/FA复合材料,对DP 12B和DB 2B具有最佳吸附效果,吸附量分别可达165.54和160.87 mg/g,比FA分别增大了6.26和7.81倍。表征结果说明铁铈氧化物成功负载于FA上,所得Ce/Fe/FA比表面积比FA增大了7.29倍,吸附性能显著增强,对高浓度直接染料废水可实现有效净化。

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仿生超疏水PVDF膜材的研究与制备

杨文芳, 张仲达, 张健飞, 赵晓明, 李庆梦, 梁庆忠

功能材料. 2017, 48(7): 7023-7027. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.005

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PVDF用于建筑膜材料的表层不能满足防污自洁要求。基于荷叶效应原理,采用模板法制备具有粗糙表面的PVDF膜,以CF₄为气氛采用低温等离子体技术对薄膜进行低表面能改性。结果表明,粗糙度对膜的疏水性有影响显著;等离子体改性后膜的疏水性能显著提高,达到静态接触角为166.1°,滚动角1.4°的超疏水;SEM图、AFM图显示膜表面具有类荷叶的微纳米分级结构;等离子改性的条件为处理时间5 min,压力60 Pa,功率200 W。

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非晶合金双极板在PEMFC环境下的耐腐蚀行为

梁丹, 魏先顺, 沈军

功能材料. 2017, 48(7): 7028-7034. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.006

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质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种清洁、高效的新型能源。双极板是燃料电池的关键部件之一,占据了燃料电池的主要成本和体积。在多种类型的双极板材料中,金属双极板因导电性能优异、机械强度高等优势成为传统石墨双极板的潜力替代材料,得到了广泛关注和研究。双极板的工作环境呈酸性,工作温度较高,提高金属双极板在PEMFC环境下的耐腐蚀能力仍是一个亟待解决的问题。低成本、高腐蚀耐性的非晶合金材料是近年来备受关注的双极板材料之一,对已报道的非晶材料在PEMFC环境下的耐腐蚀性研究做了全面的总结。

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多孔生物质碳材料的制备及应用研究进展

王晓丹, 马洪芳, 刘志宝, 陈张豪, 刘鑫鑫

功能材料. 2017, 48(7): 7035-7040. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.007

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多孔生物质碳材料是一种由糖类或含碳有机废弃物制备的新型功能材料,具有比表面积大,孔隙率高,性能稳定,绿色环保的优点。其常见的制备工艺有直接碳化法,水热法以及活化法等。近年来,多孔生物质碳材料在土壤改良剂、吸附剂和电极材料等领域的应用受到了研究人员的广泛关注。介绍了多孔生物质碳材料的原料来源、制备工艺和应用情况,并对该材料今后的研究方向提出了建议。

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PET/MWNT/CB纳米复合材料制备与性能研究

蒋圆, 丁长坤, 张晗, 程博闻, 田立斌

功能材料. 2017, 48(7): 7041-7044. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.008

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采用原位聚合方法制备了聚对苯二甲酸乙二醇酯/多壁碳纳米管/炭黑(PET/MWNT/CB)纳米复合材料,研究了MWNT与CB对复合材料导电性能、结晶性能和热稳定性的影响,考察了二者的协同导电效应。结果表明,当MWNT与CB复合填料含量为0.5%(质量分数)时,复合材料的表面电阻为10¹¹Ω。CB与MWNT在PET中能形成“共支撑”网络结构和复合导电通路,具有协同导电效应。二者对PET具有诱导成核与结晶作用,但CB的诱导能力要弱于MWNT。CB的添加对复合材料的热稳定性影响不大。

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钾铯基地聚合物前驱体水热合成块体铯榴石

李军, 侯莉, 卢忠远

功能材料. 2017, 48(7): 7045-7049. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.009

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以偏高岭土为铝、硅源,以硅酸钾铯溶液为碱激发剂,无需添加任何沸石晶种和表面活性剂,室温制备了钾铯基地聚合物前驱体。将所制备钾铯基地聚合物前驱体在密闭蒸压反应釜环境中(180 ℃,0.8 MPa)水热晶化8 h,制备得到了块体铯榴石。研究结果表明,钾铯基地聚合物前驱体为无定形物质;经水热晶化处理后,铯含量较高的样品中出现了铯榴石晶体,说明地聚合物凝胶原位转化为铯榴石晶体颗粒。原位转化生成的铯榴石晶体颗粒被地聚合物凝胶包裹和粘结,使得块体材料具有较高抗压强度。

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Zr-Sn-Nb合金第二相粒子结构特征及显微组织演变

周惦武, 刘金水, 毛建中, 宋建力

功能材料. 2017, 48(7): 7050-7056. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.010

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采用场发射扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪结合第一性原理计算,研究Zr-Sn-Nb合金成品带材第二相粒子的结构特征,采用卧式金相显微镜结合Zr-Nb二元合金相图,分析成品带材不同热处理温度条件下显微组织的演变规律。结果表明,Zr-Sn-Nb合金成品带材第二相粒子为椭圆形或圆形,在晶粒内部和晶界呈弥散均匀分布,平均尺寸80.7 nm;尺寸较小的第二相为立方结构的β-Nb,尺寸较大的第二相为具有ZrCr₂型六方晶体结构的Zr(Nb,Fe)₂,Nb倾向占据Cr(Ⅱ)位置,Fe倾向占据Cr(Ⅰ)位置;成品带材350 ℃时具有较好组织稳定性,590 ℃时显微组织为α-Zr +β-Nb+Zr-Nb-Fe粒子,650 ℃时显微组织为α-Zr +β-Zr+Zr-Nb-Fe粒子,800 ℃时显微组织为α-Zr +β-Zr,900 ℃时显微组织为β-Zr;由于Zr(Nb,Fe)₂第二相高温下结构不稳定,650～800 ℃发生溶解,β-Nb第二相随温度升高,其结构稳定性不及β-Zr,但优于α-Zr,因此 Zr-Sn-Nb合金成品带材温度较低时,显微组织中的基体相为α-Zr,随着温度的升高,Zr(Nb,Fe)₂、β-Nb第二相消失,基体相α-Zr逐渐被β-Zr取代。

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Co₃O₄/g-C₃N₄复合材料的制备及光催化降解甲基橙

毛娜

功能材料. 2017, 48(7): 7057-7061. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.011

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采用水热、煅烧制备Co₃O₄/g-C₃N₄复合催化剂。用IR、XRD、TEM、UV-Vis、电化学对复合材料分析结果表明,Co₃O₄均匀地附着在g-C₃N₄的表面,形成异质结。阻抗曲线表面异质结能够促进空穴和光生电子的转移和分离。在可见光照射下,当15% Co₃O₄/g-C₃N₄复合材料做为光催化剂,其光催化降解甲基橙的降解率可达90%,并拟合符合动力学一级方程,多次循环利用性能几乎不变。

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铯离子表面印迹聚合物的制备及其吸附性能研究

李生芳, 冯凯, 杨林, 孙春艳

功能材料. 2017, 48(7): 7062-7068. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.012

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采用表面印迹技术,以Cs(Ⅰ)为模板,壳聚糖为功能单体,在介孔材料SBA-15表面进行氨基化、醛基化修饰,并以HCl 为洗脱液,成功制备了铯离子表面印迹聚合物[Cs(Ⅰ)-IIP]。产物进行了FT-IR、EDS、XRD、SEM、TEM和N₂吸附-脱附等表征。结果表明,Cs(Ⅰ)被成功引入材料中,且Cs(Ⅰ)-IIP仍保持着有序介孔结构。研究了Cs(Ⅰ)-IIP对溶液中Cs(Ⅰ)的吸附性能,在25 ℃,pH值=5～6,吸附平衡时间为1 h,最大吸附量为36.19 mg/g,高于非印迹聚合物(NIP)。吸附动力学较好的符合准二级动力学模型,吸附等温符合Langmuir模型。Cs(Ⅰ)-IIP对Cs(Ⅰ)/Li(Ⅰ)、Cs(Ⅰ)/Na(Ⅰ)、Cs(Ⅰ)/K(Ⅰ)、Cs(Ⅰ)/Rb(Ⅰ)、Cs(Ⅰ)/Sr(Ⅱ)的选择性系数分别为1.50,2.00,2.22,1.32,4.00,表明合成的Cs(Ⅰ)-IIP具有良好的吸附选择性。此外,经5次吸附-解吸实验后,Cs(Ⅰ)-IIP的吸附量没有明显的下降,表明该材料具有一定的循环利用性能。

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导电钛白粉在水中的分散性及电化学性能研究

钱建华, 刘娇, 孙科, 邢锦娟, 唐克

功能材料. 2017, 48(7): 7069-7072. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.013

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利用水溶性高分子(聚乙烯吡咯烷酮、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠)对导电钛白粉进行表面包覆。通过FT-IR、UV-Vis、XRD、SEM对包覆前后的导电钛白粉进行了表征。结果表明,3种高分子材料包覆在导电钛白粉表面,且并不影响导电钛白粉基底结构;分散性实验结果表明高分子包覆后的导电钛白粉分散性提高,羧甲基纤维素钠的包覆效果最好。电化学研究结果说明包覆后的导电钛白粉氧化还原峰的形状没有随着扫描速率的增加发生明显的变化,该复合电极片具有较高的倍率性能以及较小的内阻;交流阻抗对比分析可得,羧甲基纤维素钠包覆后的产物高频区容抗弧半径最小,低频区斜率最大,导电性能最好。

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碳纳米管/碳纤维环氧树脂复合材料的制备及力学性能

李娜, 路鹏程, 王志平

功能材料. 2017, 48(7): 7073-7078. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.014

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对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行改性处理,得到表面接枝1,3,5-苯三甲酸的碳纳米管(B-MWCNTs)。分别将MWCNTs和B-MWCNTs分散在环氧树脂基体及上浆剂中,通过缠绕成型法制备含有MWCNTs的碳纤维增强环氧树脂预浸料,并采用热压成型工艺制备MWCNTs/碳纤维环氧树脂复合材料层合板。结果表明,B-MWCNTs在环氧树脂基体和上浆剂中的分散状态明显优于MWCNTs。添加B-MWCNTs后复合材料的玻璃化转变温度(T_g)和失重5%时对应的温度均有所提高。而且,添加B-MWCNTs可以明显提高碳纤维环氧树脂复合材料的力学性能。当MWCNTs含量为0.5%(质量分数)时,B-MWCNTs/碳纤维环氧树脂复合材料层合板的压缩强度、层间剪切强度和冲击后压缩强度(CAI)分别提高了14.3%,37.1%和23.4%。

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TiO₂球-管混合纳米流体的稳定性及导热性能

邵雪峰, 莫松平, 陈颖, 贾莉斯, 殷陶, 成正东

功能材料. 2017, 48(7): 7079-7083. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.015

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以TiO₂纳米球(TiNSs)和纳米管(TiNTs)为分散相,去离子H₂O为连续相,通过“两步法”制备混合TiO₂-H₂O纳米流体,研究了TiNSs和TiNTs浓度比以及纳米粒子总浓度对混合纳米流体稳定性和导热性能的影响。采用相对吸光度变化评价了混合纳米流体的稳定性,使用闪光法导热仪测量了混合纳米流体的导热系数。结果显示,混合纳米流体相对吸光度变化随TiNTs浓度增大先减小后增大,说明混合纳米流体稳定性先提高后下降;TiNSs和TiNTs浓度比相同时,混合纳米流体相对吸光度变化随纳米粒子总浓度增加而减小,说明其稳定性有所提高。制备完成后静置,混合纳米流体导热系数相比单组份TiNSs纳米流体下降幅度较小。从TiNSs和TiNTs间的空位作用力及粘度变化的角度分析了混合纳米流体稳定性变化的原因。

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染料N719和Q-PbS复合敏化Zn₂TiO₄纳米晶薄膜电极的研究

何祖明, 夏咏梅, 唐斌, 江兴方

功能材料. 2017, 48(7): 7084-7087. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.016

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为了有效的利用太阳能,提高纳米晶薄膜太阳能电池的效率,针对太阳的发射光谱和纳米薄膜的吸收光谱,设计出复合敏化的薄膜太阳能电池。采用溶胶-凝胶法在FTO玻璃上制备了Zn₂TiO₄纳米晶薄膜,用XRD和SEM分别对其物相及形貌进行了表征;以染料N719和Q-PbS为敏化剂,制备了多种Zn₂TiO₄纳米晶薄膜电极,分别测试了他们的UV-Vis吸收光谱;优选出敏化效果好的电极为光阳极组装了太阳能电池,并进行了光电性能测试。研究结果表明,纳米晶薄膜为尖晶石结构的Zn₂TiO₄,呈球形多孔,平均晶粒约80 nm;染料N719和Q-PbS敏化的电极,光响应范围均扩展到可见光区,出现了明显的红移,而且复合敏化的电极在可见光区具有较强的吸收;制备了多种染料敏化太阳能电池(DSSC),在模拟太阳光下,Zn₂TiO₄+Q-PbS(2 min)+N719薄膜电极组成的DSSC的性能最优,其开路电压0.65 V,电流密度3.3 mA/cm²,填充因子77%和转化效率达1.61%。

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共沉淀水热回流法中pH值对合成铈锆储氧材料的影响

郑勇, 蔡国辉, 郑瑛, 肖益鸿, 江莉龙

功能材料. 2017, 48(7): 7088-7092. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.017

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研究采用共沉淀水热回流法,在聚四氟乙烯反应器中合成系列铈锆固溶体储氧材料;研究水热回流时的pH值对合成铈锆固溶体储氧材料的影响。用XRD、低温N₂吸附-脱附和H₂-TPR等手段对合成样品的物化性能进行表征,结果表明,在研究的pH值范围内,控制水热回流时溶液的pH值为11时,合成铈锆固溶体的性能最佳,经600 ℃焙烧5 h后,其比表面积最高可达91.1 m²/g,孔半径集中分布在3.9 nm左右,总孔体积为0.22 cm³/g;且其具有最低的还原温度,储氧量为309 μmol/g。此外,经1 100 ℃焙烧5 h后仍无晶相分离现象,说明其具有良好的热稳定性能。

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冲击荷载下PZT5电畴翻转研究

钱霖, 张峰, 徐先洋, 陈江瑛

功能材料. 2017, 48(7): 7093-7097. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.018

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利用分离式霍普金森压杆(SHPB)测量装置,结合谐振频率、电滞回线、X射线衍射3种方法对PZT5在冲击荷载作用下的电畴翻转进行实验分析。研究表明,在冲击荷载作用下,PZT5的应力应变曲线和应力电位移曲线存在明显的相似性;冲击前后PZT5的谐振频率、矫顽电场的差值以及90°畴变百分比都随着应变率的增加而增加;压电陶瓷内部90°畴变百分比随着最大应力逐渐增加,当最大应力达到180 MPa左右,PZT5内部电畴翻转明显加剧。

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自形成CoFe₂O₄磁性液体的热效率

李强, 谭兴毅, 杨永明, 袁作彬

功能材料. 2017, 48(7): 7098-7103. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.019

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采用化学共沉淀法制备了自形成CoFe₂O₄磁性液体,对颗粒进行了表征并测量了磁性液体物理性能参数。分析了自形成CoFe₂O₄磁性液体的弛豫特性。研究了自形成CoFe₂O₄磁性液体的热效率与磁性液体粒径关系、热效率与磁场频率的关系,并与表面活性剂型CoFe₂O₄磁性液体进行了比较。其结果表明,在体积分数相同的情况下,用最可几粒径近似的单分散体系热效率比多分散体系的平均热效率高;当体积分数ϕ=0.071时,正十四碳烷基单分散体系表面活性剂型CoFe₂O₄磁性液体的最大热效率与水基自形成单分散体系CoFe₂O₄磁性液体的热效率基本一致。

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LiSi/FeS₂热电池正极活性材料利用率影响因素研究

王超, 崔艳华, 李立, 孟凡明, 刘效疆, 崔益秀

功能材料. 2017, 48(7): 7104-7108. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.020

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采用单体电池放电实验,研究了LiSi/FeS₂热电池中放电温度、FeS₂粒径和正极中电解质含量对正极活性材料FeS₂利用率的影响,并通过脉冲放电实验和场发射扫描电镜测试,从极化和微观形貌方面阐释了相关影响机理。研究结果表明,在450 ℃条件下,FeS₂利用率随着其粒径(小于250 μm)的减小和电解质含量(10%～30%)的升高而增大;在550 ℃条件下,当FeS₂粒径在120～250 μm时,FeS₂利用率随着电解质含量的增加而增大,当FeS₂粒径为75～120 μm和＜75 μm时,FeS₂利用率随着电解质含量的增加先增大后减小。

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同时具有高红外辐射率及高电导率的多孔镍镀层

徐文彬, 郭嘉成, 章志铖, 朱荣玉, 王正波, 奚昊敏, 李建, 郭兴伍

功能材料. 2017, 48(7): 7109-7114. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.021

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通过氢气泡模板法制备出了同时具备高电导率和高红外辐射率的多孔镍镀层,满足其在太空中散热以及电磁屏蔽的需要。分析研究了不同沉积时间、氯化铵和氯化镍浓度对多孔镍层孔径和红外发射率的影响。研究结果表明,随着孔洞投影面积比的增加,多孔镍层的红外发射率增加,通过工艺参数的优化,在不影响Ni镀层导电性能的前提下,制备出红外发射率为0.79的多孔镀镍膜层。

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铝源对介孔氧化铝结构和除As(Ⅴ)性能的影响

韩彩芸, 杨柳, 刘航, 罗永明

功能材料. 2017, 48(7): 7115-7119. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.022

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基于介孔结构有利于吸附质的吸附,采用非离子表面活性剂P123为模板剂,分别用异丙醇铝、单一硝酸铝、硝酸铝和偏铝酸钠为铝源来合成介孔氧化铝,所得材料依次标记为MA-I、MA-N和MA-S,并就3个材料的除As(Ⅴ)性能进行比较研究。结果表明,3种铝源所得材料均为介孔结构的γ-Al₂O₃,BET表面积大小依次为MA-N(173 m²/g)＜MA-S (252 m²/g)＜MA-I (312 m²/g);所含的介孔数量依次为MA-I＞MA-N＞MA-S;它们对As(Ⅴ)的最大理论吸附容量依次为MA-I (36.42 mg/g)＞MA-N (24.92 mg/g)＞MA-S (10.50 mg/g);影响介孔氧化铝吸附As(Ⅴ)的主要因素是吸附剂的介孔数量。

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无线电能传输系统中超磁致材料负载多场耦合建模研究

陈旭玲, 龚兴磊

功能材料. 2017, 48(7): 7120-7123. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.023

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以超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material,GMM)作为接收端负载的磁耦合谐振式(magnetically coupled resonant, MCR)WPT系统中存在电-磁-机多场耦合问题,由此增加了系统数学和电路建模复杂度。为解决上述问题,分析以GMM为负载的MCR WPT系统,构建其电路模型,采用多场耦合理论分析MCR WPT接收端负载GMM的阻抗特性。由分析结果可知,电磁线圈缠绕下的GMM阻抗特性为感性,其数值由电气部分和机械部分转换后共同组成。基于GMM的电气阻抗模型,对MCR WPT系统接收端模型进行仿真分析,并构建MCR WPT系统进行实验验证,实验结果与建模结果吻合,表明所提出的GMM负载多场耦合建模方法的正确性和有效性。

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掺石墨烯的高延性水泥基复合材料拉伸敏感性

张欢, 孙明清, 韦云雱, 王应军, 丁志胜

功能材料. 2017, 48(7): 7124-7129. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.024

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研究纳米石墨烯片(GnPs)或氧化石墨烯(GO)掺杂高延性水泥基复合材料(SHCC)的拉伸力学性能、导电性和拉伸机敏性。研究表明,当GnPs掺量低于0.8%时,GnPs-SHCC的拉伸强度高于SHCC,但对延性的影响不大。GnPs的掺入提高了材料的导电性,但在拉伸时电阻变化的灵敏度系数降低。GO在较小的掺量下(0～0.05%),与未掺加GO的SHCC相比GO-SHCC的拉伸强度和延性降低,但其对拉应变的敏感性提高,GO-SHCC的灵敏度系数为SHCC的8～9倍。

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ZrCuNiAlEr块体金属玻璃尺度效应的研究

李春燕, 尹金锋, 王铮, 寇生中, 赵燕春

功能材料. 2017, 48(7): 7130-7135. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.025

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通过磁悬浮熔炼-铜模吸铸法制备了直径为2,4,6 mm的(Zr_63.36/100Cu_14.25/100Ni_10.12/100Al_12/100)_100-xEr_x(x=0.5,1,1.5,2,2.5,3)块体金属玻璃棒状试样,研究了尺寸大小对合金力学性能的影响。结果表明,当x=2,2.5时,直径为2 mm的合金试样出现了大的压缩塑性变形,塑性变形量分别达到24.59%和24.93%。而Ø 4和6 mm合金试样的压缩塑性变形基本上无变化,这就说明该非晶合金的塑性随着尺寸的增大而下降,即非晶合金压缩塑性存在尺寸效应。弹性模量、屈服强度和断裂强度也随着合金尺寸的增加而下降,即随着非晶合金尺寸的增加其力学性能逐渐降低。

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铝共掺杂调制ZnO:Mn纳米棒阵列的磁学和电学特性

吴兆丰, 金成刚, 吴雪梅, 诸葛兰剑

功能材料. 2017, 48(7): 7136-7139. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.026

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采用磁控溅射方法制备了锰掺杂氧化锌和铝、锰共掺杂氧化锌纳米棒阵列并详细研究了它们的电学和磁学特性。微结构测试的结果表明,掺杂后的氧化锌纳米棒阵列保持了纤锌矿晶体结构,掺杂锰离子和铝离子占据了晶体中锌离子的位置实现了替位式掺杂。磁学性质测试结果表明铝、锰共掺杂氧化锌纳米棒在室温下具有明显的铁磁性,饱和磁矩为0.33 μ_B/Mn atom,是居里温度高于室温的一维稀磁半导体材料。电学性质测试结果表明铝的共掺杂可以使得锰掺杂氧化锌纳米棒的电阻率降低4个数量级,使得铝、锰共掺杂氧化锌纳米棒有可能在未来自旋电子器件中作为高效自旋注入元器件得到广泛应用。

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Eu(TTA)₃(TPPO)₂/PANI/PVP荧光导电双功能复合纳米纤维的合成及性能表征

师奇松, 谢瑛鸾, 戴晔, 穆睿

功能材料. 2017, 48(7): 7140-7144. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.027

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以2-噻吩甲酰三氟丙酮(TTA)为第一配体,三苯基氧磷(TPPO)为第二配体,通过与稀土铕离子进行配位,制备Eu(TTA)₃(TPPO)₂发红光的配合物;同时采用静电纺丝技术以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为载体基质,与樟脑磺酸(CSA)掺杂的导电聚苯胺(PANI)及荧光配合物Eu(TTA)₃(TPPO)₂制备出了一种新型的荧光导电纳米纤维Eu(TTA)₃(TPPO)₂/PANI/PVP。用扫描电镜(SEM)、荧光光谱仪(FL) 、宽频介电松驰谱仪对荧光导电纳米纤维的性能进行分析。结果显示,荧光导电纳米纤维具有优异的荧光性能及良好的导电功能。

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聚氨酯自修复薄膜材料的制备及研究

吴伟, 汤周, 耿桥, 刘江辉, 张晓云

功能材料. 2017, 48(7): 7145-7148. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.028

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以聚乙二醇(PEG-600)与2,4-甲苯二异氰酸酯(TDI)构建聚氨酯主链结构,在侧链引入呋喃甲胺(FMA)和4,4’-双马来酰亚胺基二苯甲烷(BMI)的Diels-Alder(DA)键,从而得到具有热致自修复性能的聚氨酯薄膜材料。该材料(0.47 mm厚度)在550 nm下具有较高的透明度(透光率82.0%)。当材料出现裂纹后,在120 ℃下加热5 min可完全修复,且材料的机械强度可恢复84.7%。

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2D/1D复合材料C₃N₄/CdS的构筑及其光催化制氢性能研究

王浩, 赵艺蒙, 王愉雄, 陈芳艳, 崔言娟

功能材料. 2017, 48(7): 7149-7153. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.029

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利用超声-沉积法将CdS纳米线复合到C₃N₄表面,制备出一系列2D/1D复合C₃N₄/CdS光催化剂。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、紫外可见漫反射(UV-Vis-DRS)和荧光光谱(PL)等手段对复合材料的晶体结构、微观形貌和光学性能进行了表征和分析。采用可见光光催化分解水产氢的方法对其光催化性能进行评价,考察了复合催化剂的构筑方法以及CdS含量对复合光催化剂活性的影响,同时对影响其光催化性能的因素和机理进行了探讨。研究结果表明,CdS纳米线的引入在C₃N₄表面形成了无机/有机异质结构,显著提高了光催化产氢活性,且复合物中CdS与C₃N₄质量比为0.1时的产物光催化活性较佳。

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缺陷调控对氧化锌纳米棒阵列光电响应与恢复性能的影响

彭慧琼, 谢长生, 朱强, 张春雷, 贾震

功能材料. 2017, 48(7): 7154-7158. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.030

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通过在空气和氮气中不同温度的退火处理对氧化锌内部缺陷进行调控,并研究了缺陷调控对氧化锌光电响应和恢复性能的影响。在空气气氛中,随着退火温度的升高,氧空位和锌空位的浓度逐渐增加。在氮气中高温退火后,氧空位浓度增加,锌空位却被湮灭。退火后的氧化锌纳米棒阵列比未退火的氧化锌纳米棒阵列表现出更显著的光电恢复效率(最高提高约40倍),然而,退火后的氧化锌纳米棒阵列对紫外光的光电响应速率却被减弱。

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Cu-Au-Ag三元去合金化制备纳米多孔金材料

谭秀兰, 汪建, 冯林, 牛高, 曾勇, 罗江山

功能材料. 2017, 48(7): 7159-7162. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.031

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采用磁控溅射镀铜金银多层膜,经过长时间高温热处理合金化制备前驱体三元合金,以不同的酸溶液自由腐蚀去合金化去除合金中的铜元素和银元素,成功制备出纳米多孔金薄膜。采用扫描电镜和X射线能谱仪对去合金腐蚀前后样品的形貌和成分进行了分析。结果表明,400 ℃,36 h热处理后铜金银多层膜完全合金化,获得了Au₃Ag_28.5Cu_68.5合金材料;FeCl₃+HCl溶液自由腐蚀去除铜可获得连续均匀的纳米尺寸孔隙结构,获得了几乎不含铜的样品;采用渐进浓度的硝酸自由腐蚀去合金化后去除银后获得了孔隙率约84%的纳米多孔金薄膜,其微观结构为连续的三维多孔结构,其系带尺寸10～35 nm,并且20～25 nm的系带分布达77%。

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AA2195铝合金圆柱体单向压缩热变形行为和微观组织演变

杨庆波, 李旭, 张飞, 向晨星, 张志清, 林林

功能材料. 2017, 48(7): 7163-7168. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.032

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在Gleeble-3500热模拟实验机上对AA2195铝合金进行圆柱体单向压缩实验,变形温度为400～500 ℃,应变速率为0.01～10 s^-1。通过金相(OM)以及电子背散射衍射(EBSD)技术研究了其热变形过程中显微组织的演变规律。研究结果表明,随着变形温度的升高和应变速率的降低,流变应力显著降低。当变形温度＞460 ℃,流变应力达到一个平台后,随应变增加,流变应力继续上升,这可能由动态再结晶内部位错密度的增加而导致。AA2195铝合金主要的再结晶方式为连续动态再结晶和不连续动态再结晶。变形温度的升高虽然抑制了连续动态再结晶,但是极大促进了不连续动态再结晶;应变速率的升高,连续动态再结晶和不连续动态再结晶体积分数都降低,且不连续动态再结晶主要集中在产生局部变形热的区域。

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PDC-SiCN陶瓷基无线无源温度传感器的制备

李来超, 余煜玺, 黄奇凡, 韩清凯

功能材料. 2017, 48(7): 7169-7172. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.033

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为了解决航空发动机的温度检测问题,提出了一种以聚合物先驱体陶瓷SiCN(PDC-SiCN)为传感器介质材料的无线无源温度传感器,并搭建了无线无源温度传感器的测试系统。PDC-SiCN陶瓷基无线无源温度传感器是以聚合物先驱体陶瓷SiCN(PDC-SiCN)作为传感器介质材料,以金属铂作为谐振腔材料。分析了PDC-SiCN陶瓷基无线无源温度传感器的谐振频率与测试温度之间的关系,传感器的测试温度达到了610 ℃。研究发现,PDC-SiCN陶瓷基无线无源温度传感器的谐振频率随测试温度升高呈单调递减变化,通过对传感器的谐振频率与温度的关系进行多项式拟合,610 ℃时传感器的灵敏度为0.4705 MHz/℃。PDC-SiCN陶瓷基无线无源传感器在高温恶劣环境具有广阔的应用前景。

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反应浓度对铝镁合金粉表面硅烷膜的形成及热性能的影响

赵然, 高欣宝, 鲁彦玲, 杜仕国, 张力

功能材料. 2017, 48(7): 7173-7177. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.034

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为避免雾化铝镁合金粉氧化,用不同浓度硅烷偶联剂对其进行包覆处理,利用热分析、扫描电镜、电子能谱、粒度分析等手段,对包覆处理后的样品进行分析,研究不同反应浓度对雾化铝镁合金粉表面硅烷膜的形成及热性能的影响。结果表明,硅烷偶联剂能够通过共价键作用,接枝在雾化铝镁合金粉表面,形成的硅烷膜具有很好的防氧化特性。当反应浓度达到2%时,75 μm雾化铝镁合金粉熔融吸热峰温度和吸热量最低,增重率最大,比1%,4%浓度包覆更具有应用价值。

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TMA脉冲和吹扫时间对原子层沉积的氧化铝薄膜的影响

李春亚, 张浩, 宋建涛, 丁星伟, 魏斌

功能材料. 2017, 48(7): 7178-7181. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.035

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采用原子层沉积技术(ALD)进行Al₂O₃薄膜工艺研究,获得85 ℃低温Al₂O₃薄膜ALD的最佳工艺条件。使用椭偏仪测试厚度,使用扫描探针显微镜对薄膜表面形貌进行分析,使用紫外-分光光度计对薄膜的透过率进行分析,所用水汽透过率测试仪器是自行开发的基于钙电学法的测试仪器。分析了在85 ℃低温下的生长工艺条件对薄膜性能的影响,从前驱体脉冲时间,吹扫时间等工艺条件,对Al₂O₃薄膜的工艺条件进行优化。以三甲基铝(TMA)和H₂O为前驱体制备的Al₂O₃薄膜:沉积速率为0.1 nm/cycle,表面粗糙度为0.46 nm,对550 nm波长光透过率为99.2%,薄膜厚度不均匀性为1.89%,200 nm的Al₂O₃薄膜的水汽透过率为1.55×10^-4 g/m²/day。

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碳纳米管表面C-N包覆Pt复合纳米材料(Pt@C-N/CNT)合成及电催化研究

郭凯, 张汝波, 郭建伟

功能材料. 2017, 48(7): 7182-7188. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.036

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通过可控原位氧化路线,首先得到Pt-PANI/CNT初级样品,并通过两步热处理制备出高电催化活性的20%Pt @C-N/CNT次生样品。进而,通过自发复合路线获得高Pt担载(42.8%～64.6%)的Pt @C-N/CNT次生样品,电极、燃料电池阳极应用均证实材料的高活性、高稳定性。通过“由下而上”的功能材料制备、开拓过程发现分子可控组装是实现高担载Pt、高Pt质量利用率的基础,针对反应的目标合成是认识功能材料动态行为的关键。

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双重致孔制备中空胶囊

赵林飞, 高国锋, 陈英波

功能材料. 2017, 48(7): 7189-7193. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.037

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高分子大胶囊在医疗、化工、环境、能源等领域都有着广泛的应用,目前的制备方法多是单纯的物理或化学方法,对胶囊的孔隙率,尺寸大小等结构的控制也较为困难。以N,N二甲基甲酰胺为溶剂,聚偏氟乙烯为成囊高分子,硼氢化钠为发泡剂,水为凝固浴,在相分离和硼氢化钠发泡的双重致孔作用下制备出了具有大囊腔高孔隙率的中空胶囊。同时,还研究了硼氢化钠的浓度、温度等因素对胶囊结构的影响,并提出了分相-发泡理论,为制备不同尺寸和孔隙率的胶囊提供了理论依据,也为胶囊进一步的广泛应用提供了可能。

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溶胶-凝胶法制备高锆含量PLZST反铁电陶瓷粉体

罗婷, 王武尚, 林建国

功能材料. 2017, 48(7): 7194-7197. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.038

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以三水合乙酸铅(Pb(CH₃COO)₂·3H₂O)、乙酸镧(La(CH₃COO)₃)、乙酸锡(Sn(CH₃COO)₄)、乙酸锆(Zr(CH₃COO)₄)、钛酸丁酯(C₁₆H₃₆O₄Ti)为原料,采用改进的溶胶-凝胶(sol-gel)工艺制备(Pb_0.97La_0.02)(Zr_0.95Sn_0.01Ti_0.04)O₃(简称PLZST)反铁电陶瓷粉。采用DSC-TGA差热分析研究PLZST干凝胶的分解性能,用XRD和SEM对不同温度煅烧的PLZST陶瓷粉进行表征,分析煅烧温度对产物的影响。实验结果表明,PLZST干凝胶在550 ℃以上达到完全分解;干凝胶粉体在850 ℃煅烧2 h,可生成较纯钙钛矿相的高锆含量PLZST陶瓷粉体,粉体颗粒呈球形,平均晶粒约为200 nm。

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具有梯度结构的三维IPMC的制备及表征

刘志刚, 于敏, 何青松, 杨旭, 汪磊

功能材料. 2017, 48(7): 7198-7204. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.039

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离子聚合物金属复合材料(ionic polymer metal composite,IPMC)是一种离子型电活性聚合物,具有驱动电压低、位移变形量大、反应迅速和质量轻等优点,作为新型的电致动材料具有广阔的应用前景。但是现有的IPMC电致动材料存在输出力小和非水工作时间短的缺点。通过制备厚度上具有梯度变化的三维IPMC来提高IPMC的驱动性能;采用不易电解挥发、稳定性较好的乙二醇作为IPMC的工作介质,延长IPMC的非水工作时间。研究结果表明,在相同幅值的正弦交流电压下,具有一定梯度结构的IPMC能够显著提高其形变位移和输出力,幅值为3.5 V时,形变位移和输出力较相同质量厚度的平面型IPMC分别提升了7.0%和47.9%;用乙二醇置换水作为工作介质的平面型IPMC,其非水工作时间得到大幅提升,从150 s延长至300 s。IPMC电机械输出性能的提升和非水工作时间的延长对于IPMC在驱动领域的进一步应用开发具有重要意义。

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FSSP制备SiC/H62铜合金组织及磨损性能分析

宋娓娓, 许晓静

功能材料. 2017, 48(7): 7205-7208. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.040

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采用搅拌摩擦表面加工技术在H62铜合金表面制备了SiC/H62铜合金表面改性层,并对改性层进行了微观组织、耐磨性和硬度等分析。结果显示,获得的改性层晶粒得到很好的细化,改性层表面无缺陷;改性层磨损形式主要是磨粒磨损和犁沟磨损,同时也伴随着少量的粘着磨损;改性层硬度明显高于母材。

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掺加铬对硼硅酸盐玻璃固化体结构影响

李江波, 李扬, 李宝军, 张华

功能材料. 2017, 48(7): 7209-7214. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.041

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动力堆乏燃料经后处理产生的高放废液中铬的含量比生产堆略高,为了尽可能提高玻璃固化体对有毒有害的重金属铬废物的包容能力,减少该类废物玻璃固化后最终废物体积,实验通过掺加不同量的氧化铬研究其对于硼硅酸盐玻璃(摩尔比n(SiO₂):n(B₂O₃):n(Na₂O):n(Li₂O)=1.03:0.32:0.18:0.18)包容模拟动力堆高放废液的量及玻璃样品结构的影响。六种玻璃样品的X射线衍射和拉曼光谱分析结果显示,废物包容量从10%增至20%(质量分数),硼硅酸盐玻璃样品的结构明显提高(Q¹比例降低,Q²等比例提高)。废物包容量增至20%(质量分数)情况下,铬的掺杂量可以达到0.5%(质量分数),玻璃样品没有出现结晶相,其结构比不掺加铬的样品更加稳定。同时,向废物包容量为20%(质量分数)的玻璃样品增加铬的掺杂量增至1%(质量分数),由于铬含量超出硼硅酸盐玻璃包容铬的限值而溢出,形成氧化铬晶相,降低了玻璃样品结构的稳定性和对废物包容的能力。PCT 测试结果和SEM分析结果同Raman和XRD分析结果一致。

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应变速率对Al-Zn-Mg合金室温拉伸性能的影响

张臻, 邓运来, 郭辉, 钱鹏传, 唐鸿远, 叶凌英

功能材料. 2017, 48(7): 7215-7220. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2017.07.042

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研究了应变速率对Al-Zn-Mg合金室温拉伸性能的影响。结果表明,随着试验过程中应变速率的增加,Al-Zn-Mg合金的极限抗拉强度(R_m)略有增加,屈服强度(R_P0.2)明显上升,伸长率(A%)显著下降。断口显微分析表明,在应变速率较低时,Al-Zn-Mg合金材料的断口中韧窝组织较多,主要以韧性断裂为主;随着应变速率不断增加,表现出韧性断裂和脆性断裂。金相显微分析表明,随着应变速率的增加,断口的纵剖面晶粒伸长减少,并出现一些细小的析出相。此外,基于Fields-Backofen本构方程模型,定量分析计算了应变速率对Al-Zn-Mg合金拉伸性能的影响。

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2017年, 第48卷, 第7期　刊出日期：2017-07-30

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