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材料研究与应用
材料研究与应用

梁振锋

季刊

1673-9981

gdys6108@163.net

020-61086285 37239026

510650

广州市天河区长兴路363号

材料研究与应用/Journal Materials Research and Application
查看更多>>本刊主要刊登有色和稀有金属的选矿与冶炼、金属材料与加工、粉末冶金、选冶药剂、分析检测、焊接技术、自动控制、节能技术等学科的学术论文、科研成果、理论探讨、专题性或综合性的动态评述等。
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    低碳节能背景下有机气凝胶的发展及应用

    翟文涛王俞舒江俊杰
    357-368页
    查看更多>>摘要：随着低碳节能可持续发展主题的提出,能源和环境问题逐渐在科研和工业领域中成为被关注的焦点.在实现节能减排和解决环保问题过程中,具备可再生性和环境友好性的材料显得尤为重要.气凝胶作为一种具有三维连续网络结构、比表面积大、孔隙率高和导热系数低等结构功能特性,以及多样的制备方法和种类的纳米材料,成为备受瞩目的新型材料之一.其中,有机气凝胶由于轻质、高比表面和易合成等独特性能,在保温隔热、阻燃、吸附和储能电容等领域中具有广泛的应用前景.从有机气凝胶的主要分类(多糖气凝胶、合成气凝胶等)出发,论述了近年来报道的几种典型有机气凝胶的研究热点、常见制备方法、基础材料性能、功能化改性及其应用研究现状.总结了气凝胶制备过程中,湿凝胶的制备方法和不同的干燥工艺的特性.同时,简要介绍了当前有机气凝胶不同的功能化改性方法,并探讨了在制备过程中可能存在的问题.归纳总结了不同改性制备工艺,所得的有机气凝胶在实际应用中适用的场景和应用方向.展望了有机气凝胶的未来发展方向,强调了进一步提高材料性能、优化制备工艺及拓展应用领域的重要性.希望通过对有机气凝胶研究的深入,推动其在可持续发展领域中更广泛地应用,为环境友好型材料的发展做出更大的贡献.

    有机气凝胶超临界干燥制备方法功能化改性多糖气凝胶合成气凝胶热力学冷冻干燥

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    可生物降解聚合物物理发泡研究进展

    田方伟黄瀚毅赵丹翟文涛...
    369-386页
    查看更多>>摘要：对比传统的聚合物发泡材料,可生物降解聚合物具有绿色环保和持续性的优点,广泛应用于农业、食品包装、生物医药领域中.通过物理发泡工艺制备的可生物降解聚合材料除具有自身的特性外,还兼具轻量化、绝热性和缓震性等优点,是传统石油基聚合物泡沫材料的潜在替代品.然而,可生物降解聚合物普遍存在分子链结构单一、熔体强度低和制备成本高等问题,并且在物理发泡过程中易发生泡孔破裂或熔并,从而导致基体收缩,泡孔结构难以保持.基于可生物降解聚合物物理发泡工艺的机理,对不同物理发泡方法进行了分类,并针对各类工艺的特点进行了全方位的阐述.随后,围绕几种典型的可生物降解聚合材料进行了发泡行为及参数关系的讨论,介绍了不同材料对发泡工艺及发泡剂的选择依据,综述了发泡条件对膨胀倍率和泡孔尺寸的影响规律.此外,对多种可生物降解聚合物在发泡过程中存在的问题给出了相应的解决方案,介绍了可生物降解聚合物泡沫在食品包装、电子电器、生物医疗材料领域中的功能应用,总结了发泡工艺、聚合物结晶行为及改性方法对可生物降解聚合物发泡过程的影响.最后,指出了可生物降解聚合物泡沫在未来发展中的方向与挑战.

    可生物降解聚合物物理发泡机理熔体强度泡孔结构材料改性功能应用绿色环保

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    微挤出发泡堆叠成型制备多孔聚酯弹性体制件及其性能研究

    王泽林周梦楠陈哔炽江俊杰...
    387-396页
    查看更多>>摘要：在聚合物弹性体内部及表面引入多孔结构能够显著提升其弹性,同时兼具轻质、高比表面积、多功能化等优点.开发更经济、环保、简便及满足多样化需求的多孔制件制备方法具有重要意义.与传统制造技术相比,3D打印技术具有更高的成型自由度,在多样化定制、精细制造及高尖端领域具有明显优势.微挤出发泡联合熔融沉积成型(FDM)3D打印技术和高压流体发泡技术能够实现复杂三维多孔制件的原位发泡制造,是制备多孔发泡制件的有效方法.采用微挤出发泡技术,以高压CO2作为物理发泡剂,制备了具有不同结构的多孔聚酯弹性体(TPEE)制件,并系统研究了多孔制件的弹性性能.研究结果表明,引入微发泡结构可使制品的减重最高达34.17%,通过针对性调节打印参数能够在长宽高方向实现FDM打印级别的精度水平.相较于未发泡制件,发泡多孔制件的落球回弹率明显增加,硬度和刚度大幅降低,制件柔软度和舒适性增加,压缩形变恢复率更高.采用微挤出发泡堆叠成型工艺制备的多孔制件内部及表面引入了微孔结构,增强了打印层之间的粘结强度,使其具有轻量化、高弹性、高柔软度和高精度成型的特点.此方法拓宽了多孔制件的应用领域,同时在低应力和应力敏感的应用场景显现潜在的应用前景.

    微挤出3D打印物理发泡堆叠成型聚酯弹性体多孔结构轻量化高精度成型

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    超临界CO2发泡技术精制TPU泡沫材料:泡孔结构、硬段结构对力学性能的影响研究

    王亮江俊杰赵丹翟文涛...
    397-408页
    查看更多>>摘要：热塑性聚氨酯弹性体(TPU)是热塑性弹性体(TPE)的代表,具有优异的回弹性、可熔融再加工、耐久性、耐磨性、柔韧性和拉伸性能等优点.TPU可根据化学结构差异分为芳香族、脂肪族和脂环族三类.物理发泡技术制备的轻质TPU泡沫,具有吸能减震、隔热等特性,在3C电子、运动防护、汽车制造、生物医学等领域应用广泛.然而,现有报道缺乏对其泡孔结构、硬段化学结构与弹性性能之间系统性关联的研究,制约了高性能TPU泡沫的开发和实际应用.利用超临界CO2物理发泡技术,制备了2种不同泡孔结构的TPU泡沫材料.采用红外光谱、核磁共振氢谱和扫描电镜技术表征了其微观泡孔与化学结构,采用差示扫描量热法分析了其热行为差异,利用万能试验机、回弹仪评估了其循环压缩性能和回弹率.结果表明,TPU泡孔尺寸及密度主要受饱和压力的调控,而其膨胀倍率主要依赖于饱和温度.随着饱和压力的增加,泡孔尺寸显著降低.TPU泡沫的压缩强度与泡孔尺寸成反比,压缩回弹性随泡孔尺寸的减小而增大.泡沫的压缩强度随膨胀倍率的增大而显著降低,而其压缩回弹性则随膨胀倍率的增大先上升后降低.TPU硬段分子结构的对称性对力学性能影响显著,使得脂肪族TPU泡沫的压缩强度和回弹性相较于芳香族TPU泡沫均有提高,最高提高了160%和82%.本研究深化理解了TPU微孔发泡材料的泡孔结构与硬段化学结构对其力学性能及回弹性的影响,为工业领域制备性能优异、成本效益高、功能更为复杂的TPU泡沫材料提供了理论基础.

    TPU超临界CO2物理发泡发泡行为泡孔结构化学结构循环压缩回弹率

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    PBAT/TPS共混体系模压发泡制备工艺、性能及成本研究

    田方伟赵文奇黄瀚毅赵丹...
    409-418页
    查看更多>>摘要：聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯(PBAT)作为一种可生物降解的环保塑料,具有优异的延展性、柔韧性和成膜性能等特性,并在国家政策推动下其应用得到迅猛的发展.然而,该材料存在熔体强度低、结晶能力弱的问题,在物理发泡过程中泡孔结构易破裂坍缩,进而导致基体收缩,因此对其发泡条件和设备要求较为苛刻.此外,PBAT原材料相对高昂的成本,也限制了其商业化发展.为此,利用便捷方法将PBAT与热塑性淀粉(TPS)熔融共混,采用超临界CO2 模压发泡法制备出低成本、抗收缩的PBAT/TPS泡沫.同时,研究了PBAT/TPS共混体系的热行为、流变行为,分析了不同TPS含量对PBAT/TPS泡沫的发泡行为和收缩恢复行为的影响,并针对多种典型聚合物进行成本核算比对.研究结果表明,随着TPS质量分数从10%增加至40%,TPS在PBAT/TPS共混体系中从分散相逐渐转变为连续相,TPS含量增加会导致PBAT/TPS共混体系结晶温度从40℃升高至74.5℃,平台模量增加约2个数量级,且线性黏弹区向低应变方向偏移,泡孔生长行为更容易产生.另外,TPS的加入能够提高PBAT/TPS共混体系的抗收缩能力,有利于制备成本的合理控制.当TPS的质量分数为 20%时,PBAT/TPS共混体系泡沫收缩速率仅为0.017 倍·min-1,稳定后膨胀倍率为4.7倍;相较于纯PBAT,共混体系的原料成本降低约16%.该研究为大规模商业化生产具有抗收缩的可生物降解聚酯泡沫塑料,提供了一种广泛适用的方法.

    PBAT/TPS共混体系结晶温度平台模量异相成核模压发泡流变行为抗收缩低成本

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    扩链改性对PBAT挤出发泡成型的影响研究

    黄瀚毅田方伟赵丹翟文涛...
    419-425页
    查看更多>>摘要：挤出发泡是一种可制备轻量化聚合物发泡材料如发泡网套、发泡片材等的连续加工工艺.近年来在"双碳"政策背景下,市面常见的水果网套原材料聚乙烯(PE),作为典型不可生物降解的石油基聚合物,已逐渐被可生物降解材料替代.聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)是一种高强高韧且可生物降解材料,其制品广泛应用于包装、农业等领域.探究了扩链改性对PBAT的流变行为、结晶行为以及挤出发泡成型过程的影响.结果表明,扩链改性使得支化结构逐渐增加并诱导PBAT链网络发生凝胶化,PBAT的基体模量增加.此外,扩链剂可以充当异相成核剂,导致扩链改性PBAT的结晶温度升高超30℃.挤出发泡成型结果表明,随着扩链剂含量增加,网套样品的膨胀倍率逐渐降低,横向延展性先增加后降低,横向拉伸断裂伸长率在扩链剂的质量分数为0.25%时达到600%.因此,在挤出发泡过程中,采用扩链改性的方法可以快速提高PBAT的熔体强度,提升PBAT基体在发泡膨胀过程限制气体快速逃逸的能力.同时,扩链改性可以快速提高PBAT在降温结晶过程的结晶温度,这有利于PBAT在口模处挤出后更快地结晶从而稳定泡孔.然而,过度的扩链改性将造成PBAT发泡网套的膨胀倍率过低.结合扩链改性对PBAT挤出发泡膨胀过程及降温结晶过程的影响,当扩链剂质量分数为0.25%、挤出发泡机加工温度分别为130℃(加料区)-180℃-180℃(进气口)-145℃-110℃-110℃-115℃(换网器)-115℃(模头)、进气压力约为 18 MPa时,PBAT网套的综合性能较为合适.其中,网套的密度为0.03 g·cm-3,发泡倍率φ约为36倍,横向拉伸断裂伸长率超过600%,具备实际应用价值.

    PBAT挤出发泡扩链改性结晶行为流变行为支化结构凝胶化力学性能

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    多孔材料润湿性设计与油水分离应用研究进展

    郭宇赵海滨
    426-436页
    查看更多>>摘要：清洁的水资源对人类社会生产发展至关重要,溢油事故和工业含油废水的排放等对水资源造成严重威胁,因此油水分离技术备受关注.传统的油水分离方法如生物处理、吸附、离心、气体浮选和原位燃烧等,存在程序复杂、能耗高、分离效率低等缺点,亟需开发更加环保高效的新方法.仿生材料的设计与制备是多功能材料的重要研究方向.受荷叶结构与功能启发,基于润湿性能调控的先进多孔材料的设计与开发已成为当前研究的热点之一,并在油水分离领域中展现出巨大的应用潜力.通过调控多孔材料的表面结构和化学状态,可实现对水相和油相的不同分离特性,进而选择性去除或者吸附水相或油相,甚至包括极其稳定的油包水或水包油乳液的分离.全面综述了多孔材料的制备方法,以及其在油水分离领域的最新研究与应用.重点介绍了疏水或超疏水/超亲油的多孔海绵、多孔棉织物、多孔木材、多孔泡沫、多孔气凝胶和多孔陶瓷等先进油水分离材料的制备方法和研究进展,旨在对功能性多孔材料的发展进行回顾和深入探讨,为多孔材料在油水分离方面的研究提供指导.总结了目前多孔材料研究存在的一些问题,探讨了该领域面临的挑战,并对其应用发展趋势进行了展望.

    多孔材料油水分离润湿性超疏水表面改性自清洁表面化学状态微纳层次化结构

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    热塑性夹芯结构复合材料制造及改性工艺研究进展

    赵京京赵海滨
    437-446页
    查看更多>>摘要：夹芯结构复合材料因具有轻质、高强、抗冲击及设计灵活性等特点,在航空航天、新能源汽车制造等领域中表现出优异的应用前景.以热塑性复合材料为原材料的热塑性夹芯结构复合材料具有设计灵活、方便、易成型和生产效率高,以及优异的刚性和抗冲击性能等优势,符合未来绿色制造的发展趋势,已成为复合材料领域中实现结构轻量化的研究热点.然而,热塑性夹芯结构复合材料在实际应用过程中常出现纤维断裂、分层或脱粘等问题,因此需对制造工艺进行探索.目前,热塑性夹芯结构复合材料制造工艺的开发主要着眼于结构功能一体化设计,以及更大发挥热塑性复合材料的抗疲劳、耐腐蚀和抗热性能等方面.针对热塑性夹芯结构复合材料的制造工艺,重点介绍了热压成型、3D打印和折叠法,通过对比热塑性夹芯结构复合材料的力学性能和破坏模式,分析了这些制造工艺的优缺点,并且展望了这3种制备工艺的未来发展趋势和应用前景.为进一步提高热塑性复合材料的综合性能,总结了增强增韧改性处理及面/芯界面增强对热塑性夹芯结构复合材料性能的影响,特别是吸能和抗冲击性能.为优化热塑性夹芯结构复合材料的制造工艺,提高结构材料的性能及新型轻量化结构设计,提供了有益参考.

    夹芯结构热塑性制造工艺改进工艺热压成型3D打印折叠法界面增韧

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    生物质基分级多孔碳材料的制备及新能源领域应用研究进展

    李慧明桂瑶李建法
    447-454页
    查看更多>>摘要：分级多孔碳材料(HPCs)具有不同尺寸的孔道结构,其中微孔提供大的比表面积和丰富的活性位点,而介孔和大孔为粒子传输提供所需的快速通道,在新能源领域中展现出卓越的应用潜力.目前,已开发的分级多孔碳材料种类很多,但是许多材料存在合成步骤繁琐、工艺复杂和原料或前体要求高等问题.因此,从科学和经济的角度来看,选取合适的碳源和简便绿色的制备方法对功能化多孔碳材料的合成尤为关键.生物质作为一种来源广泛、含碳丰富且可再生的资源,成为了制备分级多孔碳材料的理想前体.介绍了分级多孔碳材料的结构特征,综述了生物质基多孔碳材料的制备方法和原料种类.根据生物质原料自身具有的多样性,可设计多样化的孔结构,通过物理活化和化学活化提升多孔碳材料的比表面积和孔体积,并采用N2物理吸附仪、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及拉曼光谱仪(Raman)对材料结构进行表征.此外,综述了生物质基分级孔碳材料在超级电容器、锂离子电池等新能源领域中的应用前景,简述了多孔碳材料孔结构和比表面积在储氢及释氢中的影响,表明孔结构发达、比表面积更高的碳材料在实际应用中表现出更优异的性能.最后,展望了未来的研究方向,为后续高性能生物质基分级多孔碳的研究提供了指导.

    分级多孔碳生物质物理活化化学活化电极材料超级电容器储氢研究进展

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    多金属氧酸盐功能化金属有机框架材料的制备、吸附催化性能及在锂硫电池中的应用

    郭思嘉卢海斌谢琳
    455-462页
    查看更多>>摘要：锂硫电池因优异的理论比容量(1 675 mAh·g-1)和能量密度(2 600 Wh·kg-1),以及活性物质硫储量丰富、环境友好和低成本等优点,有望成为下一代储能电池.然而,在锂硫电池充放电过程中,可溶性多硫化锂极易溶解于电解液,导致氧化还原反应缓慢,且在溶度差作用下扩散到负极参与副反应,从而不可逆地降低了活性材料的含量,进而使锂硫电池出现放电容量低、容量衰减较快等问题.金属有机框架材料是一类以金属或金属团簇为中心、有机配体为连接单元,在共价键的作用下自组装形成的多孔晶体材料,具有较大的比表面积、高孔隙率和高度有序的孔结构及结构可调性等优点,且可被有效人为设计功能化特性.因此,设计了一种具有孔道缺陷的多金属氧酸盐功能化金属有机框架材料(Fe-NENU-5),用作高性能锂硫电池正极的硫载体.Fe-NENU-5的孔道缺陷,一方面可提供载硫与多硫化锂反应的空间,另一方面可使得缺陷孔道内的多金属氧酸盐能够有效吸附和催化转化多硫化锂,从而极大抑制了多硫化锂的穿梭效应,提高了活性物质的利用率.Fe-NENU-5/S正极所构建的锂硫电池在倍率性能和循环稳定性方面远优于NENU-5/S的锂硫电池,在电流密度1 C下循环500次后的放电比容量仍有617 mAh·g-1.此外,在高载量4.7 mg·cm-2下,锂硫电池放电容量可达3.1 mAh·cm-2.本研究为满足日益增长的能源储能需求,解决锂硫电池放电容量差及循环寿命低的问题提供了理论依据.

    金属有机框架材料多金属氧酸盐锂硫电池穿梭效应催化吸附正极高载量

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