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2020年  42卷  第1期

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铝合金表面水滑石薄膜的制备及其耐蚀性研究进展
彭光春, 贾文超, 乔芊芊, 张展, 黄康, 张天翼, 方涛, 王怡, 张博威
2020, 42(1): 1-15. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.28.003
摘要:
铝合金具有密度小,比强度高等一系列优异的性能而受到研究者的关注,但其易腐蚀的特点严重制约了其应用范围,因此需要采取适当的方法增强其耐蚀性能。水滑石薄膜具有良好的耐蚀性与离子交换性能,近年来在铝合金表面改性技术的研究逐渐增多。本文介绍了多种制备水滑石薄膜的方法,探究不同实验条件对薄膜形貌与耐蚀性的影响;详述了几种常用的改性方法与原理,对目前研究中存在的局限性进行了讨论,并展望了未来研究的重点与发展方向。
钙钛矿太阳能电池稳定性研究进展
朱彧, 杜晨, 王硕, 马瑞新, 王成彦
2020, 42(1): 16-25. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.24.006
摘要:
从钙钛矿晶格结构和器件结构入手,介绍了钙钛矿电池的发展历程,总结了A位,B位及X位的组分调控方法、一步法、两步法及其他成膜方法,形貌控制方法,最后,详细讨论了钙钛矿太阳能电池稳定性的影响因素,光热湿等因素是引起钙钛矿晶体分解,导致电池性能下降的主要原因。最后,稳定性问题已经成为阻碍钙钛矿电池产业化的最大的障碍,介绍了钙钛矿太阳能电池当前稳定性问题的主要解决方案:开发更稳定的钙钛矿结构,开发用于控制晶粒生长的新添加剂,以及选择具有优异性能的空穴传输层和电子传输层。
多孔基定形复合相变材料传热性能提升研究进展
王静静, 徐小亮, 梁凯彦, 王戈
2020, 42(1): 26-38. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.001
摘要:
先进的相变储能材料是推动储能技术发展的核心和关键,在促进新能源开发和提高能源利用率中起着至关重要的作用。因在相变过程中具有高储能密度和小体积变化等优势,相变材料中应用最多的是固‒液相变材料。然而在其相变过程中会发生固态向液态的转变,为了避免其在液相状态下的泄露,需要加以定形才能使用。多孔基复合相变材料在有效防止固液相变发生泄露的同时,还需兼顾定形复合相变材料传热性能的提升。本文针对这个问题进行了大量的调研,对近年来国内外在提高多孔基定形复合相变材料传热性能方面的研究进行了综合分析,介绍了三种强化传热的方法,分别是使用高导热多孔材料做载体材料、掺杂高导热纳米材料做添加剂以及构筑高导热多级结构多孔材料,并对提升复合相变材料传热性能研究方法的前景作了展望。
聚酰亚胺气凝胶材料的制备及其应用
刘婷, 刘源, 王晓栋, 沈军, 张泽, 习爽, 刘群
2020, 42(1): 39-47. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.12.003
摘要:
聚酰亚胺(polyimide,PI)由于具有较好的力学性能、优异的耐化学性、良好的介电性能和高温稳定性,被认为是一种应用前景广泛的高温工程聚合物。聚酰亚胺的各类制品如薄膜、涂料、胶黏剂、光电材料、先进复合材料、微电子器件、分离膜以及光刻胶等已经被广泛应用于电子信息、防火防弹、航空航天、气液分离以及光电液晶等领域。聚酰亚胺气凝胶(PIA)是由聚合物分子链构成的相互交联的三维多孔材料,结合了聚酰亚胺和气凝胶的优异性能,使其不但具有聚酰亚胺的优异特性,而且具有气凝胶的轻质超低密度、高比表面积、低导热系数以及低介电常数等突出特点,因此聚酰亚胺气凝胶材料迅速发展成为性能优异的有机气凝胶之一,并且在航空航天、电子通讯、隔热阻燃、隔音吸声以及吸附清洁等领域展示出广阔的应用前景。鉴于该材料的这些特质,本文对聚酰亚胺气凝胶的制备方法、影响因素(溶剂效应、单体结构和固含量)以及应用进行了论述,并对聚酰亚胺气凝胶材料的未来发展进行了展望。
中锰钢塑性失稳现象的研究进展及未来研究展望
胡斌, 屠鑫, 王玉, 罗海文, 毛新平
2020, 42(1): 48-59. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.05.004
摘要:
中锰钢是近年来出现的新型钢铁材料,因为其优异的力学性能被认为是第三代汽车用钢,但是该钢的一个突出特点就是在拉伸变形时会发生塑性失稳,导致材料结构稳定性减弱甚至在某些情况下过早失效,这已然成为限制中锰钢商业化使用的关键问题。塑性失稳包括出现不连续屈服和屈服平台(吕德斯应变)以及流变应力锯齿(PLC效应)。两者都受到成分、晶粒形貌、退火工艺、组织构成等因素的影响,也均与拉伸变形过程中 奥氏体相变转变存在或强或弱的相关性,使得这一塑性失稳现象的机理更为复杂化,因而在近期各种观点迥异的理论解释也相继被提出。本文综述了相关研究中各种因素对吕德斯应变和PLC效应的影响结果及相关理论解释,并着重指出了各理论解释的局限性及未来的研究思路。最后,基于现有研究和预研实验对在保证中锰钢超高强度和优良塑性的前提下消除中锰钢塑性失稳现象的可行途径进行了展望。
微生物技术在稀土资源利用中的研究进展
刘晓璐, 赵子希, 桂子郁, 弓爱君
2020, 42(1): 60-69. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.12.003
摘要:
主要介绍了稀土资源的重要作用及利用现状,对我国的稀土矿分布及特征进行概述,并提出稀土开采存在的问题及微生物采矿的优势。回顾利用微生物进行稀土矿开采的发展进程,总结其研究进展,介绍微生物采矿作用机理的研究,主要包括微生物浸出、吸附和积累稀土元素机理的相关研究,以及稀土矿采矿微生物的分离方法及种属分布等。以中国白云鄂博矿床和澳大利亚Mount Weld矿床中的矿石为例,说明微生物对矿石中稀土元素的提取作用。简述微生物对废弃物中稀土元素的回收作用,及微生物利用稀土元素技术将面临的挑战,并对其未来进行了展望。
Pt涂层蜂窝金属和Ce改性Fe2O3催化CO的性能对比
周昊, 成毅, 周明熙, 倪玉国
2020, 42(1): 70-77. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.08.005
摘要:
铁矿石烧结烟气中含有较高浓度的CO(体积分数0.5%~2%),因此对其进行CO脱除意义重大。为了探究不同类型催化剂的催化效果,采用浸渍法制备了Pt涂层蜂窝金属催化剂和铁铈氧化物催化剂,并通过X射线荧光光谱分析(XRF)对其组分含量进行了分析。二者在模拟烧结烟气中进行CO脱除性能的对比实验,活性测试表明,不同CO初始体积分数、烟气温度以及水汽含量对CO催化氧化的脱除效率影响较大。当模拟烟气中不含水汽的时候,二者在180 ℃及更高温度下对CO的脱除效率均能达到60%以上。反应温度为180 ℃,水汽体积分数为11.7%时,Pt负载型催化剂中的CO转化率为63.9%,而该条件下Ce改性Fe2O3催化剂的CO转化率仅为34.9%。当温度在180~300 ℃范围内,Pt负载型催化剂具有较好的抗水性,且继续升高温度,水汽体积分数增加对催化剂效率的负面影响更显著。如水汽体积分数从0增加到27.1%时,与180 ℃时的催化效率相比,Pt负载型催化剂在240 ℃时的催化效率由73.9%降至62.3%,降幅远远增大。另外,对这两种催化剂进行了抗硫性测试。当水汽体积分数为0时,Ce改性Fe2O3催化剂抗硫性更佳,但当SO2和水汽同时存在的情况下,Pt负载型催化剂具有更好的抗硫性。因此,在实际烧结中建议采取高效的脱硫措施并布置脱水层以减少其对于催化剂的负面影响。
微波水热法快速合成氧化锌纳米棒及其光催化性能
李蕊, 夏仡, 许磊, 刘建华, 刚瑞奇, 罗铜
2020, 42(1): 78-83. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.25.003
摘要:
以硫酸锌、醋酸锌和氢氧化锌为原料,制备出氢氧化锌前驱体和氧化锌晶种,在微波水热条件下快速合成了氧化锌纳米棒。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和紫外−可见分光光度计(UV-vis)对氧化锌纳米棒的形貌、结构和光学性质等进行了表征,并通过降解罗丹明B(RhB)测试了样品的光催化性能,探讨了微波辐射作用对产物的催化活性的影响。实验结果表明,氢氧化锌作为前驱体在微波作用下30 min,生成为基于氧化锌纳米棒自组装的三维笼状结构,与常规方法制备的氧化锌纳米棒相比,微波辐射作用下生成的样品结晶度更高。紫外−可见分光光度计结果表明微波辐射会导致合成的氧化锌纳米棒吸收边红移,缩小带隙能量,从而提升氧化锌纳米棒的催化活性。光催化测试表明微波辅助合成的氧化锌纳米棒具有更好的可见光吸收特性,在紫外和可见光照射下,对罗丹明B都具有较好的降解效率,在紫外光照射下80 min内罗丹明B的降解率可达到98.5%。这种微波辅助的合成方法能够在短时间内合成大量的氧化锌纳米材料,具有高效批量制备、清洁环保等优点。
不同分子结构表面活性剂对低氧化度氧化石墨插层机理的探索
胡阳, 解鑫, 孙春宝, 寇珏
2020, 42(1): 84-90. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.03.001
摘要:
以人造石墨为原料制备了低氧化程度的氧化石墨(MOG),并研究了具有不同极性基团和不同碳链长度的表面活性剂对氧化石墨的插层机理。通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)和Zeta电位仪对插层前后的氧化石墨进行表征,探讨表面活性剂的分子结构对其插层能力的影响以及表面活性剂的插层机理。结果表明阳离子表面活性剂主要通过其极性端与氧化石墨的羧基、羟基之间的静电吸引作用进入氧化石墨层间进行插层,其插层效果优于阴离子表面活性剂,更容易增大氧化石墨的层间距。阴离子表面活性剂则通过与氧化石墨之间形成氢键和疏水作用力来进行插层。研究表明:表面活性剂极性基团的分子大小越大,非极性端的碳链越长,其插层能力越强。上述研究成果有助于深入认识表面活性在氧化石墨层间的插层机理,同时也对氧化石墨插层改性材料的制备和应用具有重要的指导意义。
一种高效双功能电催化剂CoP/Co@NPC@rGO的制备
黄康, 朱梅婷, 张飞鹏, 许志龙, 王洪涛, 肖葵, 吴俊升
2020, 42(1): 91-98. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.26.002
摘要:
简单的热处理和热处理磷化ZIF-67/氧化石墨烯(GO)前驱体得到具有典型的多孔碳结构特征的CoP/Co@NPC@rGO纳米复合材料电催化剂。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)和N2等温吸脱附曲线等对其形貌、成分和结构进行分析和表征。采用线性扫描伏安法、电化学阻抗谱和计时电位法探讨了CoP/Co@NPC@rGO纳米复合电催化剂对氢气析出反应(HER)和氧气析出反应(OER)的电催化活性和稳定性。结果表明,CoP/Co@NPC@rGO‒350在1.0 mol·L–1 KOH溶液中达到10 mA·cm‒2电流密度的析氢过电位仅127 mV;同时,在1.0 mol·L–1 KOH溶液中显示出优于贵金属RuO2的析氧性能,达到10 mA·cm‒2电流密度的过电位为276 mV,塔菲尔斜率仅为42 mV·dec‒1。这种高析氢和析氧电催化活性主要归因于高度石墨化的N掺杂多孔碳与N掺杂石墨烯之间的协同效应。CoP/Co@NPC@rGO是电催化全解水电催化剂的候选材料,且为基于金属有机骨架(MOFs)/氧化石墨烯复合材料的高效电催化剂的设计开辟了一条新的途径。
金属有机骨架与相变芯材相互作用的分子动力学
海广通, 薛祥东, 苏天琪, 魏永强, 高志猛, 马雨威, 王静静
2020, 42(1): 99-105. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.26.001
摘要:
金属有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)由于具有规整的孔道结构,较高的孔隙率十分适合作为相变材料的载体,从而实现对相变芯材的有效封装。本文采用分子动力学方法,对Cr-MIL-101负载十八烷,十八酸,十八胺和十八醇等不同芯材而构筑的复合相变材料的结构特性进行了研究,主要包括相变芯材和金属有机骨架基材之间的相互作用,芯材在金属有机骨架材料孔道内的扩散特性以及空间分布特性等。研究表明:十八酸和金属有机骨架基体之间的相互作用最强,十八醇和十八胺次之,十八烷最弱,具体体现在相变芯材分子与金属有机骨架材料之间的相互作用能,回转半径,分子动能,自扩散系数以及热容等众多方面,此外,当芯材分子间相互作用和金属有机骨架材料与芯材之间的相互作用达到平衡时,芯材分子在孔道内处于较为自由的状态,有利于扩散的进行,进而有利于芯材的结晶。
茄子衍生多孔碳负载聚乙二醇相变复合材料
李亚琼, 李洋, 席作帅, 杨虹, 黄秀兵
2020, 42(1): 106-112. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.06.001
摘要:
以茄子为原材料,通过水热处理–后续热解法及直接热解法分别制备出两种不同的茄子衍生多孔碳材料(HBPC和BPC)。以茄子衍生多孔碳材料为载体,采用真空浸渍法负载相变芯材聚乙二醇(PEG2000),制备出聚乙二醇/茄子衍生多孔碳材料复合相变材料。通过扫描电镜、拉曼光谱、压汞法、傅里叶变换红外光谱分析、X射线衍射仪、热重分析仪和差示扫描量热仪对其进行结构表征及性能测试。结果表明,通过直接热解法制得的茄子衍生多孔碳材料为载体的聚乙二醇/茄子衍生多孔碳材料复合相变材料具有更好的相变储热效果,负载聚乙二醇的质量分数高达90.60%,熔融潜热为133.98 J·g−1,达到了较好的定形相变效果及良好的循环稳定性。
生物质多孔碳基复合相变材料制备及性能
陶璋, 伍玲梅, 张亚飞, 高志猛, 杨穆
2020, 42(1): 113-119. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.06.002
摘要:
目前,通过多孔高导热载体与相变材料复合的方式提升有机复合相变材料综合性能的方法得到广泛应用。多孔碳作为负载能力强,导热性能良好的载体材料成为研究的热点,但如何绿色、廉价、简易地制备出该类载体仍是研究的难点。本文以天然生物质材料松木和竹木为碳源,在梯度温度和氮气气氛下热处理,使生物质材料碳化并进一步发生石墨化转变,制备出生物质天然孔道结构的多孔高导热碳基载体材料。采用真空熔融浸渍法将有机相变材料石蜡和多孔碳基载体材料进行高效复合,制备得到生物质多孔碳/石蜡复合相变材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱仪(FTIR)、同步热分析仪(TGA)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、压汞分析仪(MIP)、差示扫描量热仪(DSC)、激光导热仪对载体材料及复合相变材料进行结构表征和性能测试。测试结果表明:生物质多孔碳载体材料孔道结构保存完好,石墨化转变明显,保证了有机相变芯材的高效稳定负载。传热效率上,相比于纯石蜡芯材,以松木和竹木为碳源制得的多孔碳/石蜡复合相变材料热导率分别提高了100%和216%,达到了0.48 W·m‒1·K‒1和0.76 W·m‒1·K‒1。在此基础上,通过对比松木和竹木为原料制得的复合相变材料的芯材负载量,相变焓值,热导率的变化,进一步探讨了生物质结构对复合相变材料性能的影响机制。
羟基磷灰石气凝胶复合相变材料的制备及其性能
刘盼盼, 刘斯奇, 高鸿毅, 王静静, 高志猛, 罗雨欣
2020, 42(1): 120-127. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.29.002
摘要:
以相变材料为核心的潜热储存技术,对加快新能源开发和提高能源利用率起着关键性作用。以油酸钙为前驱体,通过水热法合成了具有自支撑网络结构的羟基磷灰石(HAP)气凝胶,并采用浸渍法制备出自支撑羟基磷灰石复合相变材料。通过扫描电镜、傅里叶红外光谱、X射线衍射、热重法、差示扫描量热法等手段对所制备复合相变材料的形貌、稳定性、热性能等进行了表征及测试。实验结果表明,负载石蜡或十八醇的羟基磷灰石气凝胶复合相变材料均具有良好的热性能,质量分数60%石蜡@HAP气凝胶复合相变材料的熔融焓和凝固焓测量值分别为85.10和85.30 J·g−1,结晶度为81.50%;质量分数60%十八醇@HAP气凝胶复合相变材料的熔融焓和凝固焓测量值为113.78和112.25 J·g−1,结晶度为86.20%,且具有很好的热稳定性和化学稳定性。此外,羟基磷灰石气凝胶载体材料阻燃性好,无腐蚀且安全环保,有效拓展了相变材料在智能保温纺织物和建筑材料等领域的实际应用。
高剂量氦离子辐照对新型中子增殖铍钨合金表面结构的影响
刘平平, 胡文, 宋健, 贾玉梅, 詹倩, 万发荣
2020, 42(1): 128-133. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.08.008
摘要:
为了确保未来核聚变反应堆的氘氚自持燃烧必需采用中子增殖材料来得到合适的氚增值比。金属铍被认为是最有前途的核聚变反应堆固态中子倍增材料,但其熔点低,高温抗辐照肿胀性能差,因此需要寻找和研发具有更高熔点和更耐辐照肿胀的新型中子增殖材料以满足更先进的聚变堆要求。本研究尝试提出并制备了一种更高熔点的铍钨合金(Be12W),通过X射线和扫描电子显微镜对它的相组成和表面结构进行分析。对新型铍钨合金进行高剂量的氦离子辐照,发现合金表面一次起泡的平均尺寸约为0.8 μm,面密度约为2.4×107 cm−2,而二次起泡的平均尺寸约为80 nm,面密度约为1.28×108 cm−2。分析氦辐照引起的表面起泡及其机制,并与纯铍和铍钛合金表面起泡的情况进行了对比。