功能材料

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氧化锌@石墨烯/环氧导热绝缘复合材料的制备及性能研究

刘蓉, 李良锋, 陈果, 高鹏飞, 马雪, 王玉平

功能材料. 2021, 52(6): 6006-6012. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.002

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以氧化石墨烯(GO)为载体,醋酸锌为锌源,采用溶胶-凝胶法成功制备了氧化锌@石墨烯(ZnO@rGO)复合填料并利用傅里叶变换红外光谱 (FTIR)、拉曼光谱仪 (Raman)、扫描电子显微镜 (SEM)对复合填料的结构及微观形貌进行表征。然后以ZnO@rGO作为导热填料,制备了系列环氧树脂(ZnO@rGO/EP)导热绝缘复合材料,研究了填料含量对复合材料性能的影响。结果表明,复合填料能较均匀地分散于环氧树脂基体中,随填量的增加,ZnO@rGO(O₂)/EP复合材料的热导率不断增加,冲击强度先提高后降低。当添加22.04%(体积分数)的ZnO@rGO(O₂)填料时,复合材料的热导率达到0.58 W/(m·K),与纯环氧树脂材料相比提高了205.3％,而冲击强度由纯环氧树脂的15.9 kJ/m²提高到25.0 kJ/m²且该复合材料仍保持良好绝缘性能。

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电解质对Fe₃O₄/石墨烯复合材料电化学性能影响的研究

李宇杰, 廖俊杰, 吕龙飞, 鲍卫仁, 常丽萍

功能材料. 2021, 52(6): 6013-6018. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.003

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采用溶剂热法制得Fe₃O₄纳米片层垂直均匀生长在石墨烯表面的Fe₃O₄/石墨烯复合材料,并用XRD、BET、SEM、TEM等表征手段对复合材料的结构进行表征,用CV和GCD等方法对复合材料在KOH、Na₂SO₃和Na₂SO₄水溶液中的电化学性能进行测试,分析考察了电解质种类和浓度对Fe₃O₄/石墨烯复合材料电化学性能的影响。结果显示,不同种类的电解质具有不同的离子半径,离子半径的大小通过影响离子在电极材料中嵌入/嵌出,进而使得Fe₃O₄/石墨烯复合材料在不同种类电解质中的比电容大小不同,3种电解质中比电容的大小顺序依次为KOH电解质>Na₂SO₃电解质>Na₂SO₄电解质,且在0.9 mol/L KOH电解质中比电容达到最大值(330 F/g,电流密度0.4 A/g);不同浓度的KOH电解质具有不同的粘度和电导率,电解质的粘度和电导率将影响离子的迁移速度,进而对Fe₃O₄/石墨烯复合材料的电容性能产生影响。

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共晶盐/陶瓷复合相变材料的制备和性能研究

冉晓峰, 王浩然, 卢林远, 仲亚娟, 林俊, 邹华

功能材料. 2021, 52(6): 6019-6025. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.004

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选取NaCl-MgCl₂共晶盐为相变材料(PCM),α-Al₂O₃为封装材料,采用放电等离子烧结(SPS)工艺制备了6种不同质量比的NaCl-MgCl₂共晶盐/α-Al₂O₃陶瓷中高温复合相变材料(CPCM)。借助SEM、EPMA、XRD、TG-DSC和高温激光热导仪等测试方法,分析了CPCM的微观结构和热力学性能。利用有限元模拟分析了CPCM的吸放热速率。结果表明,CPCM的微观结构致密,各元素的分布比较均匀,盐的共晶性好。CPCM各物质没有发生化学反应,具有很好的化学稳定性。550 ℃烧结后,α-Al₂O₃陶瓷有效地降低了NaCl-MgCl₂共晶盐在高温下的失重率。CPCM的整体热导率有了明显的提高,加快了吸放热速率。CPCM的熔点为408.7 ℃,相变潜热为142.6 J/g,500～650 ℃有良好的热稳定性。为共晶盐/陶瓷CPCM的制备和表征提供了新颖的实验依据。

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石墨烯/碳纳米管复合气凝胶制备及其光热蒸发性能评价

张欢, 薄玉琴, 刘欣, 娄国生, 陈爽, 刘会娥

功能材料. 2021, 52(6): 6026-6032. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.005

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石墨烯作为一种二维碳基纳米材料,具有宽光吸收范围、高的比表面积、优异的导热导电性及机械性能,在光热转换应用方面具有良好前景。为进一步增强石墨烯的吸光性能,减少石墨烯片层间的团聚,引入一维的碳纳米管,采用简单的水热还原法制备了石墨烯/碳纳米管复合气凝胶三维光热材料,其比表面积显著增强、表面更加粗糙,且具有开放的微观孔道结构。扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)等表征发现,石墨烯与碳纳米管实现了有效复合。以紫外-可见-近红外分光光度计(UV-vis-NIR)对材料进行了光吸收能力评价,结果证明石墨烯/碳纳米管复合气凝胶在200~2 500 nm区间内吸光度可达92%。将复合气凝胶置于人工海水上进行光热蒸发评价,发现对人工海水的蒸发速率可达2.287 kg·m^-2·h^-1,光热转换效率达96.88%,说明该石墨烯/碳纳米管复合气凝胶具有良好的光热转化性能,在海水淡化方面具有广阔的应用前景。

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铜铟硫三元量子点的合成及在生物领域的应用

刘美娜, 马小芳, 李程豪, 童金辉, 周桂江, 关晓琳

功能材料. 2021, 52(6): 6033-6046. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.006

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量子点(quantum dots, QDs)是一种尺寸在1~10 nm的半导体纳米晶体,具有特殊的光、电、磁学性质,在定量分析、生物医学、太阳能电池等领域前景巨大。其中铜铟硫(CuInS₂)三元QDs因其不含毒性重金属元素镉或铅,且荧光性质稳定,从而被认为是一种理想的绿色环保型荧光纳米材料。详细介绍了CuInS₂三元QDs的研究进展,从基本性质出发,阐述了其光学特性,重点介绍CuInS₂三元QDs在有机相和水相中不同的合成方法,以及如何通过表面修饰功能分子的方法增强其水溶性和生物相容性,满足生物医学应用的要求。同时,总结了CuInS₂三元QDs在生物分子定量检测、体外细胞成像和体内生物成像多领域的研究进展情况,并对该类材料在发展过程中有待解决的问题进行了展望。

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离子键型石墨层间化合物及其应用于碱金属离子电池的研究进展

柳小玄, 李铮, 韩飞, 刘洪波, 刘金水

功能材料. 2021, 52(6): 6047-6058. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.007

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离子键型石墨层间化合物(GICs)是一种性能优异的层状材料,因其具有高的电子传导率、较好的热稳定性以及较大的层间空间而广泛应用于储能、催化、吸附、超导等领域。离子键型GICs分为供电子型GICs和受电子型GICs,这两类离子键型GICs的典型代表分别是碱金属-GICs和金属氯化物-GICs。近年来,碱金属/金属氯化物-GICs在二次电池领域不断取得新的应用突破。围绕碱金属(Li,Na,K)-GICs的形成过程和金属氯化物-GICs对碱金属离子(Li⁺,Na⁺,K⁺)的存储机制两个方面进行综述。前者通过比较三种碱金属离子(Li⁺,Na⁺,K⁺)嵌入石墨的插层行为,阐明碱金属客体(Li,Na,K)与石墨宿主之间的相互作用关系。后者通过讨论金属氯化物-GICs应用于碱金属离子(Li⁺,Na⁺,K⁺)电池负极材料领域的优良表现和修饰改性后电化学性能的提高,指出金属氯化物-GICs在储能领域面临的挑战。最后,对离子键型GICs的研究趋势和应用前景进行了展望。

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过渡金属磷化物用于电解水析氢反应的研究进展

陈香平, 苏丽荣, 吴燕霞, 王庆涛, 任书芳

功能材料. 2021, 52(6): 6059-6068. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.008

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氢能是一种很有发展前景的可替代化石燃料的清洁能源,电解水制氢技术是最有希望实现能源可持续发展和零排放的制氢途径,而设计开发储量丰富、成本低廉以及高效稳定的电催化剂是电解水高效制氢的关键。过渡金属磷化物(TMPs)作为一种非贵金属催化剂,因具有天然丰度高、成本低、导电性好以及催化性能稳定等优势,近年来被广泛应用于电解水析氢反应的研究领域。概述了电解水析氢反应机理,介绍了TMPs的制备方法、常见的改性方法及其在电解水析氢反应中的应用,总结了TMPs电催化剂目前所存在的问题和面临的挑战并对其进行了展望。

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环氧树脂防腐涂料的研究进展及发展趋势

张治财, 齐福刚, 赵镍, 欧阳晓平, 唐俊, 周遨, 谭雅莉

功能材料. 2021, 52(6): 6069-6075. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.009

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材料腐蚀与防腐一直是材料研发与应用中不可缺少的部分,而环氧树脂由于优异的防腐能力、粘结力、机械强度使其在防腐方面应用非常广泛。但是随着涂料领域的快速发展,环氧树脂的一些缺点暴露出来:脆性大、耐温能力不足、存在孔隙等。针对这些缺点,总结了近年来国内外的研究人员对环氧树脂涂料进行的各类改性研究。首先,主要从改性材料的选取、研究方法的创新上综述了当前国内外主流的研究方向:针对存在孔隙,采取掺杂具有特定功能(如耐磨、耐温、耐酸碱等)的微纳米无机物;针对耐温性能差、脆性高等,对环氧树脂在分子层面上进行改进设计以提高相关的性能或使环氧树脂具备独特的功能;对于特殊适用场景,采用仿生设计使涂层具备疏水、杀菌等防污功效且对环境无污染。其次,还介绍了每种改进方法使涂层能达到的最佳防腐效果,并横向对比了各自的优缺点。最后探讨了环氧树脂防腐涂料的未来发展趋势,并分析了每种改性方案其在未来应用中的可行性。

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固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展

尚凤杰, 李沁兰, 石永敬, 刘海定, ShigengSong

功能材料. 2021, 52(6): 6076-6083. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.010

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固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能量转换效率高、环境友好和燃料灵活的全固态发电设备,为能源资源的可持续发展提供选择。氧离子在固体电解质中是通过氧空位传导的,即增大氧空位浓度是提高离子电导率的关键,而高离子电导率的电解质材料促进了SOFC发展。综述了固体电解质的离子传输机制和ZrO₂基电解质、CeO₂基电解质、Bi₂O₃基电解质和LaGaO₃基电解质材料的结构、研究进展以及优缺点,并对未来电解质材料的研究发展趋势进行了展望。

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Li₂MSiO₄(M = Mn,Fe,Co)力学性能对电化学特性的影响

郑寿红, 李伟, 姜茗浩, 闫小童, 侯育花, 陶小马

功能材料. 2021, 52(6): 6084-6089. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.011

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由于硅酸盐类正极材料Li₂MSiO₄(M = Mn,Fe,Co)较高的理论放电比容量使得其受到广泛的关注,然而其在电化学特性及循环稳定性上的不足,限制了其进一步的发展。采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,结合Hubbard修正的广义梯度近似(GGA+U),系统地研究了Li₂MSiO₄(M = Mn,Fe,Co)体系的力学性能对其电化学特性的影响。计算结果表明Li₂MSiO₄(M = Mn,Fe,Co)体系均具有良好的韧性,其中Li₂FeSiO₄的力学性能最佳,与Li₂FeSiO₄具备优异循环稳定性的实验报道符合较好。此外,研究发现Li₂CoSiO₄具有最高的杨氏模量E与德拜温度θ_D,这与其具备较高的放电电压和Li⁺从Li₂CoSiO₄中脱离较难的事实是相符合的。

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聚多巴胺对氧化钨膜电致变色性能的影响探究

张旭, 岳惠娟, 卢迎习, 杜芳林

功能材料. 2021, 52(6): 6090-6096. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.012

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通过恒定电压电化学沉积的方法在氧化铟锡(ITO)玻璃表面制备了氧化钨(WO₃)与聚多巴胺(PDA)复合膜材料,研究了电解液中加入不同体积PDA对复合膜材料电致变色性能的影响。采用红外光谱仪(FT-IR),原子力显微镜(AFM),X射线光电子能谱(XPS),循环伏安(CV)等测试手段对复合膜材料的结构和性能进行了表征;将电化学工作站和紫外-可见吸收光谱联用,在-1.0~+0.8 V的电压范围内,对不同PDA添加量的复合膜材料的电致变色性能进行研究。研究结果表明,25 mL过钨酸电解液中含1.17 μg/mL PDA时所制备的复合膜材料性能较为理想,透过率变化为77%,着色时间为7.0 s,褪色时间为5.5 s,运行1200周期后透过率变化为第1周期的80%,循环稳定性好,实现了从无色到蓝色,再恢复为无色的可逆颜色变化,可以作为将自修复性能引入WO₃电致变色复合膜的途径进行下一步研究。

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纤维参数对聚酯纤维板吸声性能的影响研究

李涛, 何宇辰, 姚智敏, 蔡俊, 李华

功能材料. 2021, 52(6): 6097-6101. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.013

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纤维材料是目前常用的吸声材料。而作为纤维材料的原料,纤维的参数差异将决定纤维材料的吸声性能好坏。为此,本研究制备了不同纤维参数的聚酯纤维板,开展了纤维截面形状、纤维细度和纤维长度对聚酯纤维板吸声性能的影响分析,采用响应面法优化得到了最佳纤维参数的聚酯纤维板。研究结果表明,异形聚酯纤维的吸声性能在中频阶段较优于普通圆形聚酯纤维,其中扁平形截面纤维性能最优。纤维细度小的聚酯纤维吸声性能相对更好,而纤维长度对吸声性能没有明显影响。响应面优化分析得到的最优纤维参数为纤维截面扁平,纤维细度3 D、纤维长度65 mm,在此参数条件下制备的8 mm聚酯纤维板后留20 mm空腔的平均吸声系数达到0.54。

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石蜡-泡沫铜复合相变蓄热材料热特性的研究

宋瀚文, 王子龙, 闫勤学, 朱孟帅, 张华

功能材料. 2021, 52(6): 6102-6109. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.014

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采用石蜡和泡沫金属铜,制备了泡沫金属铜填充量为15%的复合相变蓄热材料,并搭建了一套可视化实验系统,研究了复合相变蓄热材料在熔化过程中固液界面的变化过程。基于焓-多孔介质模型,对复合相变蓄热材料的熔化过程进行了数值模拟。研究结果表明:泡沫金属铜强化了复合相变蓄热材料的导热性能,复合相变蓄热材料的熔化时间较纯石蜡缩短了3.44%。泡沫金属的加入减小了复合相变材料的瑞利数,抑制了石蜡熔化过程的自然对流,但强化了底部导热性能,缩短了整体熔化时间,因此本文所研究的复合相变材料的熔化过程由导热和层流主导。模拟与实验结果吻合较好,纯石蜡与复合相变材料模型熔化时间分别快于实验结果19 s和28 s。均方根误差(RMSE)分别为0.0223和0.0179。

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丝素/细菌纤维素/羟基磷灰石骨仿生支架的制备及性能研究

谷敏婧, 赵飞翔, 范苏娜, 马凯, 姚响, 张耀鹏

功能材料. 2021, 52(6): 6110-6115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.015

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将丝素蛋白(SF)、细菌纤维素纳米纤维束(BCNR)和不同比例的纳米羟基磷灰石(nHAp)搅拌混合均匀,通过冷冻干燥法制备骨仿生支架。利用SEM、FTIR、电子万能材料试验机等设备对复合支架的结构和性能进行表征,选用骨髓间充质干细胞和CCK-8试剂表征细胞在典型支架材料上的黏附和扩增水平。结果表明,骨活性成份nHAp的引入促进了骨髓间充质干细胞的黏附和增殖,加入30% nHAp的SF/BCNR/nHAp三元复合支架具有较好的骨片层仿生结构、较大的孔径和较高的孔隙率,综合力学性能亦可较好地匹配松质骨要求,在骨组织工程修复领域显示了良好的应用前景。

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Fe掺杂g-C₃N₄/MoS₂复合材料的制备及其光催化性能的研究

焦玉荣, 袁晨曦, 张亚, 马亚军, 相玉琳, 弓莹, 刘侠, 韩志萍

功能材料. 2021, 52(6): 6116-6119. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.016

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利用高温煅烧和水热法以三聚氰胺、钼酸铵和硫脲为原材料制备纳米g-C₃N₄(GCN)、MoS₂及二元负载g-C₃N₄/MoS₂(GCN/MoS₂)层状材料和Fe掺杂GCN/MoS₂的三元(Fe/GCNM)杂化结构的材料。通过SEM、TEM、FT-IR和DRS等表征手段分别对制备的纳米材料的形貌和尺寸、结构进行分析。以甲基橙溶液(MO)为降解目标,用降解MO溶液前后的浓度比值(C/C₀)为评价指标,对催化剂的种类和催化剂的用量进行了优化。实验表明,与纯GCN相比,GCN/MoS₂和Fe/GCN显著提高了对MO的降解能力,C/C₀分别为0.38、0.23和0.17。此外,Fe/GCN的反应速率常数(k)远高于GCN、GCNM和Fe/GCN,这是由于Fe和MoS₂与GCN合成促进了光生电子空穴对的分离,提高了其催化性能。

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ZnO@ZIF-8作锂离子电池负极材料的电化学性能研究

徐丹, 陈秀娟, 范影强, 余淑荣, 吴明亮

功能材料. 2021, 52(6): 6120-6125. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.017

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采用简单的水热法制备了ZnO@ZIF-8电极材料,XRD、SEM、TEM等测试表征表明,所制备的ZnO@ZIF-8电极材料具有较好的形貌及晶体结构,与纯相ZnO对比,形貌发生明显改变,电化学性能测试表明,制备的ZnO@ZIF-8具有较好的循环稳定性以及倍率性能,其首次可逆比容量为1136 mAh/g,循环50次后可逆比容量为412.3 mAh/g,电化学性能较纯ZnO有明显的提高。

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锆系MOFs制备强碱型氧化物催化MPV还原反应的研究

范敏杰, 李丛珊, 戴亚东, 孟腾飞, 赵宇培, 王鹏

功能材料. 2021, 52(6): 6126-6132. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.018

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Meerwein-Ponndorf-Verley(MPV)还原反应由于反应条件温和,不需要高温高压和还原性气氛,其研究受到广泛关注。研究以金属有机框架材料为前驱体,担载碱金属硝酸盐之后煅烧,制备出了具有大量强碱性中心的氧化锆型固体碱。该催化剂在含羰基底物的MPV还原反应中表现出优良的催化活性,在温和的反应条件下(160 ℃,无须外加氢气),6 h内即可实现苯甲醛的完全转化。而通过与弱碱性固体碱的对比反应发现,催化剂性能决定于强碱性中心的数量,而不是总碱量。此外,与氧化铝类固体碱的对比反应也证明了酸碱协同效应对于催化性能的提升。以多孔的MOFs为前驱体,能够高效地制备活性物种均匀分布的氧化物型催化剂。

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钛基表面CNTs/Ti激光熔覆层的摩擦磨损研究

杨立军, 文品, 石丹玉, 任学壮, 朱阳洋

功能材料. 2021, 52(6): 6133-6137. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.019

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将碳纳米管引用到金属基复合材料中,使材料无论在硬度、强度、热稳定性及磨损性能等都得到提高,使金属基复合材料的研究逐渐受到重视。首先,对激光加工形成的不同深度、宽度及间距的沟槽表面进行摩擦磨损实验,得到最优结构参数;其次,采用电化学沉积法,在TC4钛合金表面制备了一层均匀致密的CNTs预覆层;最后利用光纤激光器在TC4钛合金表面加工最优结构进行表面改性,并对表面进行了摩擦磨损实验。研究了在激光作用下,表面CNTs涂层对熔覆层磨损性能的影响。实验结果表明:随着CNTs含量的增加,摩擦系数呈现先减小后增大的趋势,经过激光熔覆CNTs加工的钛合金表面,其耐磨性能显著提高,磨损系数可达0.3,为未处理试样的32%,硬度最高可达410 HV,提升了35%左右。

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混杂纳米填料增强环氧树脂复合材料的制备及性能研究

贺冉, 胡张齐, 刘洋, 王雨河

功能材料. 2021, 52(6): 6138-6144. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.020

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通过改变混杂纳米填料的含量,分别制备出了不同含量纳米填料(0,0.1%,0.2%,0.5%,1.0%,2.0%,4.0%和7.0%(质量分数))的环氧树脂复合材料。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、热重分析(TG)、X射线衍射图谱(XRD)、电导率仪等方式对其热学性能和电学性能进行了表征。结果表明,环氧树脂复合材料的断面形貌与纯环氧树脂基本一致,呈现出不规则的状态以及粗糙裂纹特征;当混杂纳米填料的含量逐渐增加时,石墨烯结构从二维转变为三维状态,复合材料的热扩散系数和热导率也不断增加,且材料的热稳定性明显增强,当混杂纳米填料的含量为7%(质量分数)时,复合材料的热导率达到0.33 W/(m·K),相比纯环氧树脂,增加了65.0%;不同含量混杂纳米填料的环氧树脂复合材料在不同频率下均呈现出绝缘性质,复合材料自身具备介电性,当混杂纳米填料处于分散均匀状态时,对应的复合材料会呈现出常规的介电常数。

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铅锌渣生态胶凝材料的制备及水化特性研究

赵启亮, 李辉, 刘文欢, 赵忠忠

功能材料. 2021, 52(6): 6145-6151. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.021

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铅锌冶炼渣经高温熔融,水淬急冷会形成玻璃形态物料,在碱性条件下具有一定的活性,可用于生产建材掺合料和胶凝材料。以铅锌渣为主原料,添加少量水氯镁石、钙基固废和水泥作为激发剂,成功制备了铅锌渣生态胶凝材料。通过电子万能试验机、X射线衍射仪(XRD)分析了胶凝材料的力学性能和水化产物特征;通过正交试验的方法研究了胶凝材料力学性能的变化;并通过扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、压汞仪(MIP)等方法分析了胶凝材料水化产物的微观形貌及结构特征。结果表明,当水氯镁石掺量为3%(质量分数),固废总掺量为70%(质量分数),水灰比为0.4,钙基固废掺量为16%(质量分数)时,制备出的铅锌渣生态胶凝材料性能最优,其28 d抗压强度达到9.73 MPa,且水灰比为影响抗压强度的第一因素;XRD分析表明,胶凝材料发生了聚合反应,生成了-Si-O-Si-的结构;SEM分析表明,胶凝材料水化产物微观下呈现蜂窝状结构,这种结构激发了其潜在水化活性,提升了材料的力学性能;FT-IR分析表明,Si-O键逐渐聚合为Si-O-Si键,C-S-H中硅氧四面体聚合度增加;MIP分析表明,胶凝材料的孔径较小,硬化体结构密实,强度较大。

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热储能相变PW/GO/水泥复合材料的力学和热性能研究

郑海, 杨红霞

功能材料. 2021, 52(6): 6152-6156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.022

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利用混合法,将石蜡(PW)和石墨烯(GO)混合,制备了PW/GO相变材料;然后将PW/GO相变材料和普通水泥复合,制备了PW/GO/水泥复合材料。采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对PW/GO相变材料的表面形貌进行表征;采用傅里叶红外光谱(FT-IR)对PW/GO相变材料的分子结构进行表征;采用力学万能试验机对PW/GO/水泥复合材料试样进行抗压性能、抗弯性能测试;采用差示扫描量热仪对复合材料进行热性能分析,并采用自制装置对复合材料的热调节能力进行了研究。SEM和FT-IR分析可知,PW/GO相变材料在多层GO缝隙中填充了大量的PW,两者成功进行了复合,但并未改变两者的分子结构;加入PW/GO相变材料可以提高水泥基材料的热能储存效率,30%(质量分数)PW/GO含量的水泥复合材料的抗压强度和抗弯强度分别可达33.2和5.5 MPa,熔融值(ΔH_m )和结晶值(ΔH_f)分别可达34.02和33.85 J/g;PW/GO相变材料的掺入降低了室内的温度波动,提供了良好的温度舒适度,表现出良好的应用潜力。

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Y(In、Zn、Cu)掺杂Ⅷ型Sn基笼合物Ba₈Ga₁₆Sn₃₀的第一性原理研究

姚昱岑, 龙勇, 李金, 武欢, 何晔, 谭宁会, 李璐, 程江

功能材料. 2021, 52(6): 6157-6161. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.023

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Ⅷ型笼合物因独特的结构表现出电子晶体-声子玻璃特性,通过元素掺杂,笼合物热电性能可获得进一步提升。元素掺杂可以优化材料能带结构和态密度分布,但对于热电性能提升机制并不明确。根据第一性原理对Ⅷ型Sn基笼合物晶格参数、能带结构、态密度等进行计算,同时结合In、Zn、Cu等元素对笼合物掺杂计算的结果,从能带结构角度阐明元素掺杂对笼合物材料热电性能的影响。研究表明,In、Zn、Cu等元素掺杂都提高了材料的体模量,降低了材料的带隙,In、Zn、Cu的掺杂在引入杂质能级的同时改变了材料框架原子的电子分布,从而优化了材料的热电性能。然而不同掺杂元素在s、p、d层的电子分布不同导致材料总体能带结构差异明显。

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正交试验法分析ZM5镁合金无熔剂重熔工艺

李红成, 张娜, 董含武, 罗素琴, 詹俊, 叶小舟, 蒋斌, 陈先华, 潘复生

功能材料. 2021, 52(6): 6162-6167. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.024

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基于镁合金熔炼铸造提出的高效节能、批量化、稳定供应以及环保需求,确定无熔剂重熔条件下的镁合金组织和性能的变化。以ZM5镁合金为研究对象,对其进行无熔剂重熔,采用正交试验和方差的方法,对ZM5镁合金进行无熔剂重熔工艺参数的分析。分析表明:熔体保温时间对力学性能影响最大,熔体保温温度次之,气体搅拌时间影响最小。获得良好力学性能的最佳工艺参数为:熔体保温时间是40 min,熔体保温温度为740 ℃,气体搅拌时间是3 min。同时对ZM5镁合金的微观组织结果进行分析。结果表明:ZM5镁合金原始铸锭的晶粒非常大且枝晶丰富。无熔剂重熔后ZM5镁合金杂质中除了合金本体的元素之外,还含有O、C、Si等杂质元素。无熔剂重熔对ZM5镁合金的凝固过程不会产生明显的影响并且重熔后ZM5镁合金基本上不存在组织遗传性。

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新型镍基耐蚀合金在模拟后处理废液中的腐蚀

邹兴政, 李方, 刘海定, 李晓涛, 黄杰, 王东哲

功能材料. 2021, 52(6): 6168-6173. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.025

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采用离子溶出法、晶间腐蚀试验等方法,使用金相显微镜、电子探针等仪器研究了新型耐蚀合金在模拟后处理废液中的耐腐蚀性能。结果表明该耐蚀合金为奥氏体组织,在模拟废液中具有优良的耐腐蚀性能,经110 ℃连续腐蚀实验,发生了均匀腐蚀,未发现点蚀现象。在室温下年腐蚀速率为0.004 mm/a, 110 ℃工作环境下年腐蚀速率为0.007 mm/a,其焊接试样室温下的年腐蚀速率为0.005 mm/a,110 ℃工作环境下年腐蚀速率为0.010 mm/a,均大幅优于现役316L。该新型耐蚀合金可应用于高寿命设计的后处理容器与设备。

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纳米银线柔性导电薄膜的抗菌性分析及毒性评估

徐家星, 张俊武, 马红艳

功能材料. 2021, 52(6): 6174-6179. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.026

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随着柔性导电薄膜应用发展到材料医学领域,其抗菌性和生物安全性的研究就显得尤为重要,目前却鲜有报道。研究目的是探究银纳米线柔性导电薄膜的抗菌性能及细胞毒性。首先,通过多元醇还原法制备了纳米银线(AgNWs);借助凹槽模具,采用喷涂法制备了AgNWs含量不同的柔性导电薄膜并探究了其对大肠杆菌(Escherichia coli)、金黄色葡萄球菌(Stephylococcus aureus)和铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的抗菌作用以及其银释放规律和对人真皮成纤维细胞的细胞形态影响。结果表明制得的纳米银线/聚二甲基硅氧烷(AgNWs/PDMS)柔性导电薄膜对以上3种致病菌的抗菌效果明显,对人真皮成纤维细胞形态无明显影响且细胞毒性在(0~1级)安全范围内。

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新型偕胺肟基改性β-环糊精聚合物对Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)的吸附

赖志文, 徐梦雅, 胡志鹏, 江洪流

功能材料. 2021, 52(6): 6180-6189. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.027

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以β-环糊精(β-CD)为单体,四氟对苯二腈为交联剂,合成了交联β-环糊精聚合物(CDP-CN)。并进一步与羟胺反应,得到偕胺肟基改性β-环糊精聚合物吸附剂(CDP-AM)。研究了CDP-AM对Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)两种金属离子的吸附效果。通过FT-IR、TGA、SEM、XPS表征了聚合物吸附剂结构,并通过ζ电位研究了质子化程度。考察了溶液的pH、初始浓度和吸附时间对吸附Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的影响。结果显示,吸附过程符合Langmuir等温模型和伪二阶模型。Pb(Ⅱ),Cu(Ⅱ)在30 ℃时的最大吸附容量分别为281.69和273.97 mg/g。在聚合物表面上的重金属离子吸附过程是吸热和自发过程。吸附去除效率为Pb(Ⅱ)> Cu(Ⅱ),CDP-AM可以通过静电、螯合作用高效率的去除重金属离子的吸附剂,并在5次吸附-解吸循环后保持较高效率。研究表明,CDP-AM聚合物有望开发成用于去除重金属可再生的吸附剂。

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BiOCl/ZnO复合光催化剂的制备及其光催化性能

牛凤兴, 蒋帅, 高晓明, 张雪梅

功能材料. 2021, 52(6): 6190-6194. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.028

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以Zn(NO₃)₂·6H₂O,NaOH和KCl以及一定量的Bi(NO₃)₃·5H₂O为起始原料,采用水热法制备不同比例的BiOCl/ZnO复合光催化剂。采用X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等测试手段对BiOCl/ZnO进行表征。结果表明,BiOCl/ZnO比纯BiOCl的吸收强度和吸收范围增大,BiOCl与ZnO的协同催化作用,促进了光生电子/空穴的分离和迁移。以邻苯二酚为研究对象,考察BiOCl/ZnO光催化剂的光催化性能。结果表明,1∶1BiOCl /ZnO复合催化剂显示出最佳的催化活性,在400 金卤灯光照反应120 min后使10 g/L邻苯二酚降解率达到95.7%,速率常数分别是纯ZnO和纯BiOCl的6.09和4.19倍,且稳定性良好,重复使用4次后降解率仍在90.0%以上。

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共价有机骨架材料(COFs)对Cr(Ⅵ)的吸附行为分析

马蕴杰, 丁思文, 张成格, 张伟, 李芊, 王绍艳

功能材料. 2021, 52(6): 6195-6199. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.029

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以三醛基间苯三酚为一种合成单体采用水热合成法制备了两种共价有机骨架材料(TpBD COFs和MICOFs)并将其作为重金属离子Cr(Ⅵ)的吸附剂考察共价有机骨架材料的吸附行为。结果表明:水热合成法成功制备了两种有机共价材料,且材料具备丰富的孔道,比表面积分别为81.461和110.500 m²/g。对铬离子的吸附结果表明TpBD COFs、MICOFs材料的平衡吸附时间分别为20 min、10 min,静力学吸附行为均符合单分子层表面吸附的Langmuir等温吸附模型,动力学吸附行为均符合准一级动力学行为,两种材料的吸附时间短,吸附效果理想,具备将其用于废水中重金属离子富集净化的可行性。

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硫锌双修饰磁性Fe₃O₄的制备及对铀酰离子的吸附

刘孟清, 霍婷婷, 董发勤, 边亮, 王欢博, 李宇, 万秋月, 蒋璐蔓, 杜康婷

功能材料. 2021, 52(6): 6200-6207. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.030

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纳米Fe₃O₄作为典型的磁性吸附材料可应用于放射性废水处理,为进一步提高其吸附性能,本文通过Zn和S双修饰Fe₃O₄制备出纳米磁性S-ZnFe₂O₄,并通过SEM、XRD、EDS、FT-IR、Raman等手段对比表征了Fe₃O₄及S-ZnFe₂O₄的结构及形貌,研究了pH对其吸附铀酰离子(UO²⁺₂)效果的影响,并基于变量接触时间及初始浓度探索了其吸附动力学及热力学规律。结果表明:Zn和S的双修饰后,纳米材料对UO²⁺₂的吸附量显著增加,从27.12 mg/g增加至51.68 mg/g;纳米Fe₃O₄和S-ZnFe₂O₄吸附UO²⁺₂的最佳pH为6.0,吸附过程均符合伪二阶动力学模型;纳米Fe₃O₄的吸附过程同时符合Langmuir和Freundlich吸附模型,纳米S-ZnFe₂O₄的吸附过程符合Langmuir等温吸附模型。本研究对开发新型高效含铀废水处理用吸附材料具有重要指导意义。

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纤维素/ZnO压电纸的制备与性能

秦东磊, 史宝利

功能材料. 2021, 52(6): 6208-6212. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.031

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采用粉碎和溶解的方式制备了两种不同的纤维素/ZnO压电纸。通过SEM和压电性能测试对压电纸进行分析,探究了两种压电纸的结构与性能的差别。讨论了ZnO添加量、压电纸的厚度以及压力对压电性能的影响,并与购买的聚偏氟乙烯(PVDF)膜的压电性能进行对比。结果表明,利用溶解的方式制备的压电纸的纤维更加光滑,与ZnO结合的更加紧密,使ZnO均匀的包覆在纤维素表面。压力越大,压电性能越高。压电纸越厚,压电性能越高。用溶解的方式制备的ZnO添加量为20%的压电纸具有较高的压电性能,最大输出电流为52.36 nA/cm²。压电纸的压电性能与购买的PVDF膜相当。

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Ni-P过渡层厚度对不锈钢表面制备Ni/Ni-P/Ni-P-PTFE梯度涂层性能的影响

金海阳, 李伟, 杨溪, 马迅, 刘平, 王静静

功能材料. 2021, 52(6): 6213-6220. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2021.06.032

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为了探究Ni-P过渡层厚度对不锈钢表面制备Ni-P-PTFE涂层的影响。采用电镀结合化学镀的方法,在不锈钢表面制备了Ni/Ni-P/Ni-P-PTFE三层结构梯度涂层。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪、纳米压痕仪、摩擦磨损试验机、划痕仪、接触角测试仪分别对梯度涂层的微观结构、机械性能、结合力、抗粘连性能进行表征和测试。结果发现,随着Ni-P过渡层沉积时间的增加,过渡层逐渐增厚,Ni-P-PTFE涂层中PTFE含量先下降后上升,硬度与结合力先上升后下降;在20 min时硬度、结合力分别达到最大值4.18 GPa和13.49 N;在25 min时,摩擦系数达到最小值0.17,Ni-P-PTFE层表面与水性、油性介质的接触角分别达到最大值101.1°和60.06°,此时Ni-P-PTFE涂层表现出优异的抗粘连性能。

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2021年, 第52卷, 第6期　刊出日期：2021-06-30

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