功能材料

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电声耦合效应对热界面材料导热性能影响的研究进展

陈于中, 宋成轶

功能材料. 2021, 52(1): 1001-1010. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.001

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随着摩尔定律的发展,在半导体器件、电池和生物医药器件尺度减小,结构精细,元器件的功率密度提高的趋势下,其对热界面材料的性能要求逐渐提高。微纳结构设计对材料的工作效率和使用寿命有很大影响。因此科研人员使用新的合成方案,结构设计,模拟及测量方法来改进热界面材料并提高电子器件的耐用持久性。本文综述了热界面材料的研究现状,分类总结了现有的几种热界面材料,如单一类型的热界面材料、含金属的热界面材料、无机-聚合物复合热界面材料等,详细介绍了应用电声耦合机理阐述微米纳米尺度复合材料热输运的进展,包括金属-金属界面、金属-非金属界面晶格振动、电子-声子耦合机制对微观热导率的影响,以及这些理论在钙钛矿电池、热界面材料设计和制备过程中的应用,以及测量界面热导率的设备和方法,如时域热反射测量系统、3ω法等,并展望了其未来发展方向。

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钡铁氧体/埃洛石复合材料的制备与性能调控

陈子豪, 穆大伟, 杨华明, 欧阳静

功能材料. 2021, 52(1): 1011-1016. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.002

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以Fe(NO₃)₃、Ba(NO₃)₂及埃洛石(Hal)为基本原料, 采用溶胶-凝胶法制备了M型钡铁氧体(BF)和BF@Hal复合材料,并对它们的磁性能进行了研究。使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和振动样品磁强计(VSM)来表征样品的结构、形貌及磁性能。研究结果表明BaFe₁₂O₁₉的最佳合成工艺条件是n(Ba²⁺)∶n(Fe³⁺)=1∶11.8、pH值为7.0、煅烧温度为950 ℃、保温时间为2 h;在BF@Hal磁性复合材料中,适量加入Hal可以提高该材料的磁性能,Hal的最佳加入量是0.05 g,埃洛石的适量加入使得BF@Hal复合材料的M_s和M_r值较单相的BF有了明显增大,Ms和Mr值分别由40.51和21.84 Am²/kg上升到 48.69和26.33 Am²/kg。

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稀土发光离子(Er³⁺,Dy³⁺, Eu³⁺)掺杂Ce_0.8Gd_0.2O_1.9光学性能的研究

刘媛媛, 韩雅宁, 李阳, 王岩, 赵文玉, 安胜利

功能材料. 2021, 52(1): 1017-1021. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.003

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通过甘氨酸-硝酸燃烧法双掺杂制备Ce_0.8Gd_0.95M_0.05O_1.9(M= Er³⁺,Dy³⁺,Eu³⁺)(CGMO)固体电解质。利用紫外可见分光光度计和分子荧光光度仪对3种掺杂不同稀土离子在不同烧结温度下得到的CGMO进行光学性能测试,并监测不同烧结温度下CGMO晶界的变化规律。测试结果表明,CGMO均在1673K时结晶程度最好,光子和电子传导能力最优。对比SEM形貌,Ce_0.8Gd_0.95Dy_0.05O_1.9电解质具有灵敏度高且可行性强的优势,对于改善GDC烧结条件有一定的指导意义。

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镁合金表面微弧氧化陶瓷涂层的制备及耐蚀性能

余灏勋, 马廷霞

功能材料. 2021, 52(1): 1022-1025. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.004

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利用微弧氧化法,在微弧氧化反应电解质中加入氟钛酸钾和GR/TiO₂粉末,在镁合金表面制备了MAO-GR/TiO₂涂层。采用SEM 和FT-IR分别对GR/TiO₂粉末的表面形貌和结构进行了研究,用SEM、XRD和元素线扫描对MAO-GR/TiO₂涂层的表面形貌、相结构和元素分布进行了研究,用三电极技术对MAO-GR/TiO₂涂层的耐腐蚀性能进行了研究。结果表明,通过溶胶-凝胶法可将纳米TiO₂接枝到GO表面,生成GR/TiO₂粉末;MAO-GR/TiO₂涂层主要由Mg₂TiO₄相、Mg₃(PO4)₂相、Mg和MgO相组成;以界面为分界线,涂层一侧Ti、P和O元素高于基体一侧,基体一侧Mg元素高于涂层一侧;MAO-GR/TiO₂涂层的腐蚀电位为-0.723 V,腐蚀电流密度为8.96×10^-8 A/cm²,相比镁合金基体和MAO涂层,腐蚀电位提高了48.3%和36.7%,表明MAO-GR/TiO₂涂层可以显著提高镁合金基体的耐蚀性能。

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溶剂热法制备羧基化超顺磁性Fe₃O₄纳米颗粒及其磁致变色研究

许培俊, 冯鑫, 王临江, 孟帅, 郭新良, 高尚林

功能材料. 2021, 52(1): 1026-1032. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.005

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超顺磁性Fe₃O₄纳米颗粒兼具磁性材料和纳米材料的独特优势,作为一种功能材料广泛应用于信息存储、催化剂、磁流体、生物医药等领域。以六水合三氯化铁和乙酸钠作为原料、乙二醇作为分散介质、柠檬酸三钠作为表面活性剂,采用溶剂热法制备超顺磁性Fe₃O₄纳米颗粒,研究反应时间、表面活性剂浓度对Fe₃O₄纳米颗粒粒径和形貌的影响。通过X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪、同步热分析仪、Zeta电位仪、扫描电子显微镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)等方式表征Fe₃O₄纳米颗粒的结构和物相组成。结果表明,表面活性剂柠檬酸三钠中的活性基团,键合至Fe₃O₄纳米颗粒表面提高其分散性和稳定性;Fe₃O₄纳米颗粒的粒径随反应时间的延长和表面活性剂浓度的增加逐渐减小;超顺磁性Fe₃O₄纳米颗粒在磁诱导吸引力和静电斥力的平衡作用下周期性排列形成光子晶体。同时,随着外加磁场强度逐渐减小,Fe₃O₄光子晶体反射峰发生红移,向长波长方向移动。

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聚乙烯吡咯烷酮用于药物递送载体材料的研究进展

詹世平, 刘思啸, 王景昌, 赵启成, 王卫京

功能材料. 2021, 52(1): 1033-1038. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.006

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高分子药物递送载体材料具有良好的生物相容性和生物可降解性,可以有选择性的释放药物,以提高药物利用率和降低药物的副作用,因此,高分子药物递送载体材料已成为当前的研究热点。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是一种绿色的高分子材料,具有优异的溶解性和低毒性,在医用材料领域具有广泛的应用。主要介绍了高分子药物递送载体材料的基本特性,并对聚乙烯吡咯烷酮的特性、合成、改性以及应用进行了较详细的论述,最后对其发展和应用前景进行了展望。

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二硫化钼对锂硫电池正极材料性能的影响机理

崔春娟, 刘艳云, 刘跃, 来园园, 王丛, 刘薇, 胡平, 魏剑

功能材料. 2021, 52(1): 1039-1046. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.007

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炭黑具有良好的导电性、价格较低、来源稳定、可大量制备等优点,可有效提高硫正极材料的导电性,改善电极的动力学性能。二维层状结构的二硫化钼(MoS₂)因其含有的金属-硫键可以与多硫化物通过静电作用或化学键作用结合,从而可以有效地抑制锂硫电池存在的穿梭效应,提高锂硫电池的倍率性能。本文采用球磨法和水热法制备了硫/炭黑复合材料以及类石榴状硫/炭黑/层状MoS₂复合正极材料,并研究了该复合正极材料的性能。研究结果表明,硫/炭黑/层状MoS₂复合正极材料有效提高了电池的比容量,改善了电池的倍率性能和循环稳定性。在0.2 A/g倍率下,初始放电容量可达767.9 mAh/g。

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过渡金属硫化物相变工程及应用的研究进展

李瀚潇, 刘帅, 王瑞雪, 陈国祥

功能材料. 2021, 52(1): 1047-1052. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.008

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物相是决定材料物理化学性质的重要因素。近年来,相变工程在过渡金属硫化物(TMDCs)的改性方面受到广泛关注。如何精确控制TMDCs的相变过程并提高各物相的稳定性,是调控材料性能亟待解决的关键科学问题。本文基于TMDCs相变工程的最新研究进展,系统讨论了直接合成、诱导相变等TMDCs物相调控的技术手段,阐述了相变对材料各项性能的影响机理,介绍了TMDCs相变工程在催化、电子器件及储能等领域的实际应用。最后简要分析了目前TMDCs相变工程中存在的挑战,并展望了该领域未来可能的发展趋势。

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荧光碳点的合成、性能及其应用

毛惠会, 薛茗月, 韩国成

功能材料. 2021, 52(1): 1053-1063. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.009

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碳点(Carbon dots,CDs)是指粒径一般小于10 nm的新型荧光碳纳米材料,与传统的量子点相比,具有制备简单、原料来源丰富、低细胞毒性、良好的水溶性和生物相容性、易于功能化改性、价格低廉、容易大规模合成等特性。由于其优越的性能,碳点在电化学分析和生物传感、荧光成像、药物传递、光电催化、发光器件、环境能源等领域表现出良好的潜在应用前景,研究人员对其进行了广泛的科学研究并取得了重要的进展。综述了近年来碳点绿色合成方法、形成机制方面的研究现状,以及在生物传感、生物成像、药物传递、发光材料和光催化等领域的应用进展,并展望了荧光碳点的发展方向。

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高镍三元正极材料镍钴铝酸锂的改性方法

周心安, 傅小兰, 王超, 王博, 赵冬妮, 张飞龙, 李世友

功能材料. 2021, 52(1): 1064-1069. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.010

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高镍三元正极材料镍钴铝酸锂(NCA)因具有较高的能量密度和较低的成本,而拥有广阔的应用前景,但也存在阳离子混排严重、易发生结构相变和安全性能不佳等问题。为了解决这些问题,近年来对NCA材料进行了大量的改性研究。综述了NCA材料表面包覆、体相掺杂、梯度化和单晶化等最新改性方法,并对其研究方向进行了展望。

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β-Ga₂O₃单晶制备工艺的研究进展

陈博利, 杨依帆, 冷国琴, 黄朝晖, 孙峙, 陶天一

功能材料. 2021, 52(1): 1070-1077. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.011

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β型氧化镓(β-Ga₂O₃)具有宽禁带、高击穿强度和低制造成本等优点,是制备第三代半导体的优质备选材料。制备β-Ga₂O₃材料的方法有直拉法、导模法、浮区法、布里奇曼法等。由于该材料在高温下易挥发,易产生较多杂质气体、晶体形状难以控制、单晶中产生较多缺陷等问题。对目前β-Ga₂O₃制备方法进行综述,对多种制备方法的工艺、原理以及相关应用进行介绍,并对这些方法及工艺的特点进行对比,分析产品低质量的主要原因并提出解决建议,为未来优化β-Ga₂O₃材料制备工艺的研究提供参考。

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功能化Lyocell纤维的研究进展

朱雪琪, 彭康, 张慧慧, 杨革生, 邵惠丽

功能材料. 2021, 52(1): 1078-1085. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.012

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Lyocell纤维以其原料绿色可再生、生产工艺流程环保、纺丝溶剂可循环等特点,受到越来越多人的关注,具有良好的市场前景,是极具发展前景的新型纤维材料之一。同时,随着人们对于功能化的纤维产品的需求日益提高,通过物理和化学的手段对Lyocell纤维进行改性处理,获得具有各类功能的差别化纤维产品,也是目前研究人员的主要研究方向。着重对功能化Lyocell纤维的最新研究进展进行了阐述,总结分析了功能化Lyocell纤维目前存在的主要问题以及未来发展趋势。

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过渡金属硫化物超级电容器电极材料的研究进展

张萌, 刘秀军, 张庆印

功能材料. 2021, 52(1): 1086-1090. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.013

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过渡金属硫化物因种类丰富、价格低廉、具有多重氧化态和高理论比容量而成为一种性能优越的新型超级电容器电极材料。首先介绍了目前过渡金属硫化物主要的制备方法,如水热法、电化学方法。然后从两方面阐述了提升其电化学性能的途径:一方面可控合成具有多孔结构及大表面积的纳米材料,通过结构调控来提高离子传输效率;另一方面通过过渡金属硫化物与碳材料、金属氧化物、导电聚合物等其他储能材料间的复合,充分发挥不同材料间的协同作用。最后结合研究现状进一步提出未来过渡金属硫化物电极材料的发展方向和面临的挑战,为继续深入研究提供一定的指导作用。

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新型二维层状材料MXene在超级电容器上的研究与应用进展

程培栋, 陈卫华, 艾云龙, 梁炳亮, 何文, 张建军

功能材料. 2021, 52(1): 1091-1103. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.014

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二维过渡族金属碳化物/氮化物(MXene)是二维材料家族的新兴成员,通过液相刻蚀等方法移除MAX相的A层得来。独特的二维结构及表面化学组成,使其表现出了良好的金属导电性、亲水性、优异的柔韧性及离子可插层性,在超级电容器研究与应用领域展现了巨大的潜力,受到了广泛关注。但是MXene仍存在诸多问题。首先,片层容易发生堆叠,极大降低了材料与电解液的有效接触面面积;在刻蚀过程中,化学键断裂处具有较高的活性,极易反应生成表面基团,表面基团的存在对电化学性能有较大影响;合成路线中强腐蚀液的使用也会造成安全、环境等诸多问题。对MXene的结构、性质、制备方法等进行了简要概述,总结了近年来MXene在超级电容器领域的研究进展和方向,旨在从中发现解决MXene诸多问题思路,以期为制备高性能MXene超级电容器电极材料提供参考。

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颗粒粒径对碳化钨/高强钢复合材料界面微观组织和元素扩散的影响

李刚, 张红梅, 赵大东, 王超, 李洪楠, 李娜, 孟令浩, 姜正义

功能材料. 2021, 52(1): 1104-1114. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.015

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利用“冷压成型-真空烧结法”制备了碳化钨/高强钢复合材料。结合光学显微镜、扫描电镜、超高温激光共聚焦显微镜和显微硬度计等分析测试手段对不同碳化钨(WC)颗粒粒径下获得的复合材料以及界面的显微组织和硬度进行了分析。实验结果表明,WC粉末颗粒粒径越小,WC平均晶粒尺寸越小;同时,WC致密度越高,当WC粉末颗粒粒径为100 nm,致密度达到91.22%;WC粉末颗粒粒径越小,复合材料中WC一侧的硬度越高。当WC粉末颗粒粒径为100 nm,烧结温度为1 320 ℃时,WC最高硬度值达1 680HV_0.1左右;且在靠近结合界面处WC硬度较其他位置更高;芯部的高速钢材料随WC颗粒粒径的变化不大,都在500HV_0.1左右。当WC粉末颗粒粒径为200 nm时,碳化钨与高强钢在界面处形成了一定宽度的过渡层,复合材料的结合为冶金结合;高强钢基体中的铁元素扩散到接触的碳化钨组织中,产生了一定宽度的熔合层,复合材料界面结合相对较好。在过渡区域内,W、Fe和Co元素在界面处都发生了明显的扩散;随着碳化钨颗粒粒径的增大,元素扩散趋势减弱。当WC粉末颗粒粒径为500 nm时,在复合材料界面处Fe元素和W元素未发生明显扩散现象,只有Co元素发生了一定程度的扩散。

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La、Sb共掺杂SnO₂电性能的第一性原理研究

梁雨婷, 王景芹, 朱艳彩, 孙绍琦, 张哲, 李昊天

功能材料. 2021, 52(1): 1115-1120. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.016

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基于密度泛函理论的第一性原理方法,使用软件构建了Sb、La单掺杂与共掺杂SnO₂的超晶胞模型,几何优化并计算分析其晶体结构、能带结构、态密度及布居。结果显示:与单掺杂比,La-Sb共掺后的热稳定性最高,仍是直接带隙材料。Sb的5s、5p态和La的5p态在导带底引入杂质能级,使得导带下移,带隙变小,载流子跃迁所需的能量减少;共掺杂时电子共有化程度最高,电子转移加剧。共掺杂后SnO₂材料的导电性能改善最好,分析结果可作为后续材料发展的理论依据。

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阳极氧化铝表面PTFE涂层的离心法制备与其性能的研究

马允赞, 陈锟, 刘克家, 刘琦

功能材料. 2021, 52(1): 1121-1126. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.017

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分别采用离心法和静态浸泡法辅助在阳极氧化铝(6063)表面制备了PTFE涂层,通过金相显微镜、显微硬度计、X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜及EDS面扫描分析、销盘式摩擦磨损试验机、电化学工作站等分析测试手段表征了涂层的微观结构和耐磨、耐腐蚀性能。结果表明,XRD物相证明了PTFE复合成功,与静态浸泡法制备的涂层相比,离心法制备的涂层的厚度为123 μm,硬度为512 HV,PTFE颗粒完全沉降表面膜孔内,实现了真正意思上的自润滑膜;摩擦系数下降了55.4%,低频区(10^-2 Hz)电阻抗提高2个数量级。摩擦系数降低、耐磨性和耐腐蚀性增强,显著改善了阳极氧化铝表面性能。采用离心法制备的PTFE涂层,能够较致密填充及被覆在多孔氧化膜孔内及表面,且具有高硬度和高耐磨性,同时兼具较高的自润滑性与耐腐蚀性能,本方法制备的铝合金复合自润滑膜具有一定的应用价值和应用前景。

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Sc₂W₃O₁₂的低温制备及其负热膨胀性能研究

张志萍, 袁晖, 雷洋, 邱建春, 张芳, 刘红飞

功能材料. 2021, 52(1): 1127-1132. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.018

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采用化学共沉淀法低温制备了Sc₂W₃O₁₂粉体。利用综合热分析仪(TG-DSC)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、能谱仪(EDX)、扫描电子显微镜(SEM) 分析了制备样品的物相组成、晶体结构和微观形貌;利用变温X射线衍射仪研究了样品的负热膨胀性能。研究结果表明,在溶液pH=7左右时,共沉淀合成的前驱体经200 ℃烘干后制备得到斜方相Sc₂W₃O₁₂粉体,实现低温制备,具有较高的纯度,在25~500 ℃温度范围内,表现出各向异性的负热膨胀特性,其沿a, b和c轴的热膨胀系数分别为s-8.21×10^-6 ℃^-1,1.13×10^-6 ℃^-1和-6.05×10^-6 ℃^-1,本征热膨胀系数α_V =-13.12×10^-6 ℃^-1,线性热膨胀系数α_l =-4.37×10^-6 ℃^-1(α_v=3α_l)。

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混杂纤维增强混凝土材料的力学性能和耐久性能研究

周美容, 张雪梅

功能材料. 2021, 52(1): 1133-1138. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.019

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采用聚丙烯纤维和碳纤维掺杂的方法制备了单纤维和混杂纤维增强混凝土材料。利用电子万能试验机对单纤维和混杂纤维增强混凝土材料样品进行了抗弯强度和劈裂抗拉强度试验;采用扫描电子显微镜(SEM)对样品的拉伸断口形貌进行了观察;采用NEL扩散试验测试了样品的氯离子扩散系数。结果表明,混杂纤维增强混凝土材料HFRC-B的抗弯性能、劈裂抗拉强度和耐久性能均优于单掺聚丙烯纤维增强混凝土PFRC-A和单掺碳纤维增强混凝土CFRC-B,HFRC-B样品的抗弯强度可达8.4 MPa,劈裂抗拉强度平均值可达3.78 MPa,氯离子扩散系数为2.26×10^-12 m²/s,综合性能优异;SEM分析表明,碳纤维、聚丙烯纤维与混凝土基体结合良好,碳纤维的拔出效应以及聚丙烯纤维自身的韧性保证了混杂纤维增强混凝土材料的高强度和高韧性,提升了混杂纤维增强混凝土材料的抗拉强度和抗弯性能;混杂纤维增强混凝土材料的耐久性能优于单纤维增强混凝土材料,显示了混杂纤维的正混杂效应,混杂纤维有效降低了混凝土中微裂纹的生成和扩展,改善了混凝土的阻裂效应,提高了混凝土材料的耐久性能。

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C-Nb掺杂TiO₂的电子结构与光学特性的第一性研究

朱海霞

功能材料. 2021, 52(1): 1139-1144. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.020

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运用第一性原理计算, 研究了C单掺杂TiO₂体系、C与双Nb掺杂TiO₂体系的电子结构和光学特性。构建了C、C与双Nb掺杂TiO₂体系。并比较多种C与双Nb掺杂TiO₂构型的总能,发现C与双Nb近邻补偿共掺构型最稳定。对于C原子单掺杂TiO₂,其带隙中出现主要由C-2p轨道构成的3个子带,但是存在电子部分占据带隙子带,这种半占据子带在光催化过程中会成为新的电子-空穴复合中心,降低了光生电子分离效率。对于C与双Nb补偿掺杂TiO₂体系,其带隙中出现主要由Nb-4d轨道和C-2p轨道耦合而构成的3个带隙态,此时,由于两个Nb原子提供了足够的电子用于补偿C原子的双受子行为,其带隙子带被电子完全所占据,消除了C单掺TiO₂存在的缺陷,进一步提高了光生电子的量子效率。最后,对纯TiO₂和C与双Nb掺杂TiO₂体系的光吸收谱进行了计算,其结果显示C与双Nb近邻共掺TiO₂体系的光吸收谱拓展到可见光区域。

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温度和加载率对Sn-58Bi合金力学性能影响试验研究

梁斌, 胡鹏, 聂源, 冯高鹏, 周婕群, 拜云山, 牛公杰, 牛伟, 周燕良

功能材料. 2021, 52(1): 1145-1155. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.021

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通过不同温度和加载率下拉伸试验,获得了Sn-58%(质量分数)Bi共晶合金的弹性模量、拉伸强度、断裂应变等主要力学参数;结合断口微观组织的观测,对Sn-58%Bi共晶合金拉伸变形特性进行了研究。分析了加载率和温度对Sn-Bi合金变形行为的影响。试验结果分析表明,合金延展性随温度升高而增大,随加载率增大而显著减小。断口微观组织观测分析表明,Sn-Bi合金在不同温度和加载率下,存在不同的变形机制。合金在低温和高加载速率下主要以断解理断裂为主。随温度增加,逐渐转变为韧窝、撕裂棱、解理面为主的准解理断裂,高加载率下以沿晶韧窝断裂和解理断裂为主的综合断裂。

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水洗时间对高镍LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂三元材料性能的影响研究

王恩通, 姜姗姗

功能材料. 2021, 52(1): 1156-1160. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.022

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利用溶液洗涤法和高温真空干燥处理法,在水溶液中对高镍LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(LNCM)三元材料进行洗涤,并进行高温真空干燥处理。通过化学分析法、BET测试仪、XPS和SEM分别对高镍LNCM三元材料的pH值、可溶锂含量、BET、物相结构和表面形貌进行了测试,重点研究了水洗时间对高镍LNCM三元材料物理和电化学性能的影响。结果表明,采用水洗和高温真空干燥处理工艺,可有效去除高镍LNCM三元材料表面残余Li₂CO₃和LiOH,其原理主要是基于Li₂CO₃和LiOH的溶解机理,而非物理摩擦洗涤机理;随着水洗时间继续延长,水洗液的pH值和材料的比表面积缓慢增加,而材料表面残碱、材料的放电容量、循环保持率和倍率性能却逐步降低。因此选择水洗时间为2 min最优,此时水洗液的pH值增加至12.04,材料的BET增加至0.3043 m²/g;材料表面的Li₂CO₃含量降低为0.1043%,LiOH含量降低为0.1382%;放电容量为203.8 mAh/g;1 C循环50圈后,材料的容量保持率为86.23%;5 C倍率下放电,仍保持有2 C初始容量的84.5%。

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水滑石的有机改性及吸附性能研究

罗丹丹, 原金海, 彭英, 莫丽琼, 许静, 奚锐, 周婧, 曾诚

功能材料. 2021, 52(1): 1161-1166. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.023

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采用十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)对镁铝水滑石(LDH)进行有机改性,通过XRD、SEM、Raman mapping等表征证明改性水滑石(C-LDH)具有良好的层间结构,改性剂CTMAB进入了水滑石内部。利用LDH和C-LDH分别对有机污染物(直接黑G)和重金属离子(Pb²⁺、Cr⁶⁺、Zn²⁺、Cu²⁺)的吸附能力进行考察,结果表明C-LDH对直接黑G和重金属离子吸附能力相比未改性前均有所提高。C-LDH对直接黑G和重金属离子同步吸附试验结果表明,其对直接黑G和Cr⁶⁺离子是协同吸附,对Pb²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺离子的是竞争吸附。通过C-LDH吸附过程的热力学和动力学模型分析,C-LDH对直接黑G、Pb²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺离子的吸附过程较符合Freundlich等温吸附模型,Cr⁶⁺离子的吸附过程符合Langmuir等温吸附模型;C-LDH对直接黑G和重金属离子的吸附行为符合准一级动力学方程。

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二维BN中四种本征带电缺陷电学和磁学性质第一性原理计算

刘雪飞, 吕兵, 罗子江

功能材料. 2021, 52(1): 1167-1172. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.024

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本征缺陷是半导体中最常见的缺陷,对本征缺陷在带电情况下的电学和磁学性质进行研究对深入理解半导体材料属性至关重要。本文基于密度泛函理论,首先对二维六方氮化硼(h-BN)的本征电子结构、载流子有效质量,弹性模量、杨氏模量和泊松比进行计算,发现其载流子有效质量具有各向异性,力学性质具有各向同性。然后对h-BN中最稳定价态下4种本征缺陷(V_B,V_N, B_N, N_B)的结构、电学和磁学性质进行深入讨论,结合电子配位构型和自旋态密度解释了各种缺陷在不同带电价态下的磁矩产生机制。

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基于粘塑性自洽模型AZ31镁合金塑性变形行为研究

苏辉, 楚志兵, 薛春, 李玉贵, 马立峰

功能材料. 2021, 52(1): 1173-1179. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.025

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以挤压态AZ31镁合金为研究对象,通过修正的VPSC模型,构建耦合滑移和孪生的晶体塑性力学模型,从微观变形机制的角度研究镁合金在不同加载方式下的塑性变形行为。通过EBSD等实验结果与模拟结果对比发现,轴向压缩过程中,协调变形的主要机制为拉伸孪生和基面滑移,拉伸孪晶的大量开启导致晶粒c-轴发生约90°的旋转,使得{0002}基面织构的极密度向挤压(ED)的正反方向偏移,{11-20}和{10-10}棱柱面织构的极密度逐渐向垂直于挤压方向的TD方向偏移;轴向拉伸过程中,变形初期的变形机制以基面滑移为主,棱柱面滑移为辅,随着变形的增加,主导变形机制变为棱柱面滑移;且无论变形百分比多少,{0002}和{11-20}极图基本没有发生变化,只是织构强度有所增加,而棱柱面滑移的大量开启,使得{10-10}棱柱面织构的极密度向ED方向偏移。

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Pt/α-Al₂O₃表面氢气的吸附、解离和传质的计算

李建飞, 吴亚云, 付笑盈, 王冰, 周仕学

功能材料. 2021, 52(1): 1180-1184. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.026

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基于第一性原理,研究了H₂分子在α-Al₂O₃表面负载的Pt原子以及Pt₄团簇上面的吸附、解离和传质。研究结果表明,Pt原子和Pt₄团簇在α-Al₂O₃表面形成稳定的化学吸附。在H₂分子的吸附过程中,H₂分子吸附在Pt原子上,自发解离,形成Pt-H键。这一过程Pt原子提供电子,H原子得到电子,Pt与H发生电子云重叠,形成PtH₂化合物。在单原子Pt上,H溢流到O原子上的能垒为1.46 eV,该过程强吸热,这说明H不容易溢流。形成PtH₂化合物以后,Pt原子失去了吸附解离H₂的作用。Pt₄团簇可以吸附解离多个H₂分子,H的最大溢流能垒为0.70 eV,该过程自发放热,远远低于单原子Pt上H的溢流能垒。原因在于Pt₄团簇中Pt-Pt之间的强相互作用力分散了Pt-H之间的相互作用,H容易溢流下来。H在α-Al₂O₃表面从O原子到O原子的传质过程中,α-Al₂O₃表面的Al原子对H的传质有强阻碍作用,H不容易在α-Al₂O₃稳定的表面传质。

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不同热处理工艺的大直径形状记忆合金棒力学性能试验研究

康莉萍, 钱辉, 郭院成, 李宗翱

功能材料. 2021, 52(1): 1185-1191. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.027

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试验研究了4种直径形状记忆合金棒材的力学性能,分析了热处理工艺、循环加卸载次数、应变幅值对棒材力学特性的影响,探讨了残余应变、单循环耗能、割线刚度和等效阻尼比等力学特征参数随循环次数和应变幅值的变化规律。研究结果表明,对于直径14 mm棒材,选择400 ℃保温15 min的热处理方案时相变应力最高;循环5次后,材料的各项力学性能基本稳定,在工程应用时应该予以考虑。试验的结果为大直径SMA棒材应用于自复位结构提供了依据。

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(1-x)Ca_0.61La_0.26TiO₃-xLa(Mg_0.5Ti_0.5)O₃陶瓷的微波烧结及微波介电性能研究

刘锦, 梁炳亮, 方财生, 何文, 陈卫华, 欧阳晟, 张建军, 艾云龙

功能材料. 2021, 52(1): 1192-1196. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.028

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采用微波烧结制备(1-x)Ca_0.61La_0.26TiO₃-xLa(Mg_0.5Ti_0.5)O₃[x=0.35~0.60,(1-x)CLT-xLMT]微波介质陶瓷,研究烧结工艺和成分配比对其物相组成、显微结构和微波介电性能的影响。结果表明,与常规烧结相比,(1-x)CLT-xLMT陶瓷的微波烧结温度低100 ℃,烧结时间缩短5/6;(1-x)CLT-xLMT陶瓷均形成了钙钛矿结构,随着x的增大其介电常数ε呈下降的趋势,Qf值则先增大至28 038 GHz后降至6 940 GHz,谐振频率温度系数τ_f不断减小。当x=0.40时其综合微波介电性能较佳:ε=47、Qf=19 257 GHz、τ_f=7.9×10^-6/℃,(1 575 ℃,30 min)。可应用于移动通讯领域。

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原位生长法制备CDC/SiC陶瓷基复合材料

罗清威, 焦菲, 邹祥宇, 卫学玲

功能材料. 2021, 52(1): 1197-1201. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.029

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碳化硅(SiC)陶瓷具有脆性大、冲击韧性低、加工性能差等缺点大大限制了其应用范围。碳化物衍生碳(CDC)的比表面积高、纳米孔结构发达、孔径分布窄且精确可调,使碳化物衍生碳材料在摩擦自润滑、超级电容器、气体储存、催化剂载体等领域显示了独特的性能优势和广阔的应用前景。原位生长技术具有成本低、易操作、适合工业上批量化生产等优点,采用原位生长法在SiC 陶瓷表面成功制备了CDC/SiC复合材料。通过激光共聚焦显微镜、高温摩擦磨损试验机、显微硬度仪、划痕仪等检测手段研究了CDC/SiC 复合材料性能与SiC陶瓷表面属性之间的关系。结果表明CDC/SiC复合材料的摩擦系数及表面粗糙度随SiC陶瓷基体表面粗糙程度的降低而减小,表面光滑平整,平均摩擦系数为0.136,明显提高SiC陶瓷基体的耐磨性;CDC/SiC 复合材料显微硬度约为348.6 HV,明显低于SiC 陶瓷的硬度。利用原位生长技术制备CDC涂层有望成为改善SiC陶瓷表面性能的有效途径。

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纤维混杂效应对混凝土复合材料的力学及耐久性能的影响

徐超

功能材料. 2021, 52(1): 1202-1207. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.030

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以研究混杂纤维增强混凝土复合材料的力学性能及耐久性能为出发点,利用碳纤维(CF)、钢纤维(UR)和玻璃纤维(SGF)3种纤维按照不同比例掺入混凝土中,制作了对比试件CF-1和混杂纤维混凝土试件CF-2、CF-3及CF-4。通过弯拉强度试验和弯曲韧性试验,分析了混杂纤维混凝土试件的抗折性能和抗弯性能;通过抗冻试验和抗渗试验,分析了混杂纤维混凝土试件的抗冻性和耐久性。结果表明,纤维种类的增加对混杂纤维混凝土试件的初始弯曲裂纹程度、极限抗折强度和混杂纤维混凝土试件开裂后的强度增长率均有所提升,试件CF-4相比CF-1分别提升了73.58%,157.39%和48.30%。纤维掺量的增加可提升混凝土试件的增韧效果和延性,抑制混凝土试件的初裂和裂缝扩展,提升混凝土材料的抗弯性能和抗折性能,试件CF-4的弯曲韧性系数最大为99.58、挠度最大为30 mm。纤维的掺入可降低混凝土试件在冻融循环过程中的质量损失率,增强混凝土试件的抗冻性能,在前160次冻融循环中,试件CF-3的质量损失率<1.5%。混凝土试件的抗渗性能随着纤维的掺入而提高,且3种纤维混杂对混凝土抗渗性能的提高高于单一纤维的掺入,混杂纤维可增强混凝土试件的耐久性。

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钢纤维和碳纤维的混合效应对高性能混凝土力学性能的影响

张雪梅, 周美容

功能材料. 2021, 52(1): 1208-1213. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.031

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通过在混凝土基体中加入一种纤维和混合纤维,制备了高性能混凝土试件和混合纤维高性能混凝土试件。通过劈裂抗拉强度试验和落锤冲击试验,研究了单掺钢纤维、单掺碳纤维和混合纤维对高性能混凝土试件劈裂抗拉强度和抗冲击性能的影响,分析了混合效应对试件力学性能的增强作用。劈裂抗拉强度试验结果表明,只掺入碳纤维,且碳纤维掺入量为1%时,试样劈裂抗拉强度的提升系数最多增加了50%;只掺入钢纤维时,钢纤维的掺入量越多,试样劈裂抗拉强度的提升系数越小,而且减小了基体高性能混凝土的劈裂抗拉强度;当钢纤维掺量为4.0%、碳纤维掺量为0. 5%时,试样的混合效应系数最大为1.35,此时产生正混合效应,提升了高性能混凝土试样的劈裂抗拉强度。抗冲击性能试验结果表明,单掺碳纤维减弱了高性能混凝土试件的抗压强度,单掺钢纤维虽然可以加强试件的抗压强度但试件的延性比提升率不高,而混合纤维比单一纤维有优势,更能够增强高性能混凝土试件的抗冲击性能。因此,钢纤维与碳纤维的混合效应提升了试件的劈裂抗拉强度与抗冲击性能,明显提升了高性能混凝土的力学性能。

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壳聚糖-白蛋白胶束用于构建血液接触材料表面仿生涂层

王倩, 李莉, 王焕然, 卞齐豪, 翁亚军, 陈俊英

功能材料. 2021, 52(1): 1214-1220. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.01.032

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血管破裂时,血液系统参与凝血反应,起到止血作用。当植入材料与血液接触时会导致凝血级联响应,因此生物材料的血液相容性至关重要。基于纳米材料的独特性能,本研究中,壳聚糖(CS)在交联剂三聚磷酸钠(TPP)的作用下自组装形成CS-TPP胶束,通过静电相互作用在CS-TPP胶束表面接枝牛血清白蛋白(BSA),使其在CS-TPP胶束表面形成一层蛋白膜,研究其血液相容性。通过调整投料比及反应条件,可实现对胶束尺寸的控制。材料学表征结果显示,CS-TPP-BSA胶束的尺寸均一,形态稳定,分散性良好。随后将CS-TPP-BSA胶束通过多巴胺接枝于材料表面,血液试验证实该胶束涂层能够显著提高血液接触材料的血液相容性。该研究为血液接触生物材料的表面改性提供了一种新的手段。

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2021年, 第52卷, 第1期　刊出日期：2021-01-30

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