TiCoSb Half-Heusler合金固有的高导热性,以及传统制备方法制备周期长、成本高等缺点限制了其商业化应用。采用微波合成与急速热压烧结相结合的方法成功制备了低热导率的Ti1-xNbxCoSb Half-Heusler合金,大大缩短了制备周期,同时提高了TiCoSb Half-Heusler合金的致密度。研究了Ti位Nb取代对Ti1-xNbxCoSb Half-Heusler热电材料的相组成、成分分布及热电输运性能的影响。在功率因子增加和晶格热导率降低的共同作用下,Ti1-xNbxCoSb样品的热电优值(ZT)得到显著优化。在725 K时,Ti0.93Nb0.07CoSb样品的最大ZT值为0.1,比相同工艺下制备的TiCoSb纯相样品高两个数量级。
采用单宁酸辅助液相剥离所制备的石墨烯,获得了比普通石墨烯更好的分散性,可以达到低成本、高产量和环保的要求。用硅烷偶联剂(KH550)改性处理的SiO2和单宁酸修饰的石墨烯发生反应形成强杂化键,成功得到石墨烯-SiO2杂化材料。研究了石墨烯-SiO2杂化材料在丁苯/顺丁橡胶复合材料中的力学性能,同时还研究了将导电炭黑与石墨烯-SiO2杂化材料共混后在丁苯/顺丁橡胶复合材料中的力学性能以及导电导热性能。结果表明:加入1份石墨烯-SiO2杂化材料时,丁苯/顺丁橡胶复合材料获得了相对良好的耐磨性;如果负载超过1份,石墨烯填料之间会很容易发生再聚集,导致磨损体积相比于空白对照组有所增加;加入8份自制石墨烯时,电阻值降低至2×106 Ω,橡胶复合材料的抗静电性能得到了明显的改善。
白炭黑(主要成分为纳米SiO2,nano-SiO2)由于易于制取、绿色环保等优点,现被广泛用于橡胶补强中,但是白炭黑因为结构上的特点,导致其在橡胶中的分散性和补强能力比炭黑差。利用硅烷偶联剂改善白炭黑在橡胶中的分散性,并研究改性白炭黑和石墨烯(GE)的协同补强作用对天然橡胶(NR)的影响。使用助分散剂单宁酸(TA)修饰的石墨烯与使用硅烷偶联剂KH570改性的白炭黑通过迈克尔加成反应得到杂化填料(KS-TGE),与天然橡胶充分混合制得KS-TGE/NR复合材料。经过测试,白炭黑经过改性后不仅改善了其在橡胶中的分散性,并且其和石墨烯制得的杂化填料与天然橡胶共混后,天然橡胶的力学性能得到提升。与未改性的nano-SiO2/NR相比,改性后的复合材料拉伸强度最高提升36.3%,断裂伸长率最高提升79.5%,此外KS-TGE/NR仍能保持优异的弹性和动态力学性能。
优化了乙二胺-N-丙基键合硅胶(PSA)键合量可控的制备工艺,考察了PSA制备的批次重复性,并进行PSA制备的中试放大实验。采用红外光谱、元素分析及电位滴定法对所制备的PSA进行性能评价,结果表明:在3 460 cm-1处出现了N—H伸缩振动峰,在2 960 cm-1和2 860 cm-1处出现了—CH的不对称和对称伸缩振动峰,708 cm-1处出现了—NH2的变形振动吸收峰,表明乙二胺-N-丙基成功接枝到硅胶表面;随着制备体系中硅烷化试剂比例的增加,碳、氮和氢元素的含量以及电位滴定法得到的离子交换容量均呈现上升趋势,说明乙二胺-N-丙基官能团的键合量逐渐增加。将制备的PSA填充成分离纯化小柱,考察了不同键合量PSA对银杏叶提取物中银杏酸的脱除效率,结果表明:PSA对银杏酸有强吸附能力,可应用于银杏叶提取物中银杏酸的脱除,2#、3#、4#和5#PSA分离纯化柱的最大上样体积分别为21、22、23、24 mL,且脱除效率随乙二胺-N-丙基键合量的增加而升高。
氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)发泡板材使用低聚合度PVC 挤出发泡制得,PVC发泡板材受环境变化易沿着分子链受力方向发生链段的卷曲运动,导致板材发生收缩变形。重质碳酸钙(HCC)作为原料,聚乙烯醇(PVA)、单宁酸(TA)作为改性剂,制备了改性HCC。将其与PVC结合,制备了PVC发泡板材。利用红外光谱仪、差示扫描量热仪、扫描电子显微镜、维卡软化点测定仪、万能电子拉伸机对发泡板材进行表征,探讨了改性剂用量对发泡板材的尺寸稳定性的影响。研究结果表明,当TA含量是HCC的3%时,PVC发泡板材的玻璃化温度是88.1 ℃,维卡软化点温度是75.21 ℃,PVC发泡板材具有优异的尺寸稳定性;同时泡孔结构稳定均一,具有最佳的拉伸强度,为6.17 MPa。改性HCC颗粒分散性好,与PVC结合能力强,高尺寸稳定性的PVC发泡板材可以代替木材在家装板材的使用,对保护环境具有重要的意义。
通过优选搭配不同功能的凉爽纤维,开发出一款夏季轻薄凉爽机织物。选择涤纶/薄荷纤维混纺纱作为经纱,选用不同锦纶纤维作为纬纱,选择平纹、斜纹、缎纹为织物组织,制备出了12种样品,探究不同纬纱和织物组织结构对面料热湿舒适性能的影响。结果表明,12种样品中缎纹织物热湿传递性能最好;平纹织物接触瞬间凉感较好;凉感锦纶确实增加了织物的凉爽性能,但是在结构较为紧密的组织中湿传递性能却较差;细旦锦纶的热湿传递性能与凉感锦纶相近,但透气性能较差;十字形截面锦纶在湿传递性能上较好,但是导热性较差。
CH3NH3PbI3(MAPbI3)钙钛矿电池的能量转换效率与钙钛矿薄膜质量密切相关。为了获得高质量的钙钛矿薄膜,通过优化薄膜制备方法和工艺流程,发现绿色反溶剂乙酸丙酯和丙二醇甲醚能促进PbI2粒子的成核,提供CH3NH3PbI3钙钛矿晶体的异相成核位点,从而促进钙钛矿晶体的快速生长。研究表明,与常用的有毒溶剂氯苯处理的钙钛矿薄膜相比,通过乙酸丙酯和丙二醇甲醚处理的薄膜晶粒较大,均方根值较低,表面粗糙度获得较大优化,可以获得晶粒尺寸均匀、接近钙钛矿载流子扩散长度的全覆盖钙钛矿薄膜。测试不同处理条件下的器件性能发现,与氯苯处理的CH3NH3PbI3钙钛矿太阳能电池(能量转换效率为17.86%)相比,绿色反溶剂丙二醇甲醚处理的器件的最佳效率为21.60%,提高近21%,该实验结果对今后获得环境友好的高质量钙钛矿型太阳能电池具有一定的参考价值和指导意义。
夹杂物对钢铁的疲劳强度以及疲劳寿命均会产生影响,但是大块试样中的夹杂物情况无法直接用X射线显微计算机断层扫描 (X射线显微CT)进行精确成像。为实现对大块试样中夹杂物的三维特征观察,采用非水溶液电解的方法获取大块试样中的夹杂物,利用扫描电镜对电解后的夹杂物进行观察和分析,将夹杂物聚合成为圆柱形样品,最后采用X射线显微CT对夹杂物进行三维扫描,得到了大块试样中夹杂物的三维信息,并对夹杂物的各项尺寸数据进行统计分析。该研究为获取大块钢铁试样中夹杂物的三维形貌提供了新思路。
依翡丝纤维是通过在纺丝原液中加入抗菌剂共混制得的具有细旦、抗菌特性的新型改性腈纶纤维。对比依翡丝纤维和普通腈纶纤维的表面形态、力学性能、吸湿性能、比电阻、摩擦性能以及卷曲性能,采用X射线光电子能谱(XPS)对两种纤维的组成和化学键进行分析,并对依翡丝混纺织物的吸湿快干性能和吸湿发热性能进行测试。结果表明:依翡丝纤维横截面为圆形,纵向表面粗糙,有较密的沟槽,具有线密度小、力学性能优异、可纺性高等优点;相比普通腈纶,依翡丝比电阻小,摩擦系数大,不易产生静电。通过XPS分析,得出依翡丝添加的抗菌剂为季铵盐类抗菌剂。依翡丝混纺织物的水分蒸发速率大于0.18 g/h,吸湿发热的最高温升值大于4 ℃,在吸湿快干和吸湿发热方面都有不错的表现,可用于开发多功能面料。
EKS纤维是一种具有显著吸湿发热性能的亚丙烯酸盐系纤维。对比了EKS纤维和腈纶纤维的表面形态,测试与分析了两种纤维的力学性能、摩擦性能、比电阻、卷曲性能、吸放湿性能及吸湿发热性能。结果表明,相比于腈纶纤维,EKS纤维横截面为圆形,纵向结构粗糙,具有断裂强度、摩擦系数、比电阻和卷曲率小,线密度、断裂伸长率和回潮率大等特点。EKS纤维的吸、放湿速率随时间呈指数形式衰减,纤维的初始吸、放湿速率分别为0.39% min-1、8.94% min-1,达到吸、放湿平衡所用时间比腈纶纤维长。EKS纤维具有较好的吸湿发热性,吸湿发热最高升温值为8.2 ℃,比腈纶纤维高4.7 ℃。
TiAl合金在高温下服役时,表面因受循环载荷而容易产生疲劳裂纹,因此有必要进行表面处理以改善其力学性能。使用直径0.2 mm钢丸在0.7 MPa气压下对TiAl合金进行室温喷丸实验,使用ABAQUS有限元分析软件进行喷丸仿真模拟研究。随后,对喷丸试样进行不同温度和保温时间的热处理。通过SEM观察TiAl合金纵截面的显微组织,使用X射线残余应力仪测量TiAl合金表面的残余压应力,使用显微硬度仪测量热处理后TiAl合金表面的显微硬度。结果发现,喷丸后TiAl合金表面出现许多凹坑和层片状突起,次表面处发生明显塑性变形并出现许多变形孪晶。热处理后TiAl合金表面残余压应力会随着保温时间的增加和热处理温度的升高而变小。硬度几乎表现出与残余应力相同的趋势,但当热处理温度为1 200 ℃时,因金相组织发生变化,α2相含量明显增多,导致硬度增加。
为探求高强度紧固螺栓发生断裂的原因,对某铁路钢桥上断裂的紧固螺栓进行了失效分析。利用扫描电子显微镜、能量色散X射线谱、金相显微镜、洛氏硬度仪、X射线荧光光谱仪、电子万能试验机等技术手段,对铁路钢桥失效螺栓的断口形貌、断口微区成分、显微组织、硬度、螺栓用钢的成分以及力学性能等方面进行分析与研究。结果显示:螺栓用钢的化学成分、硬度及力学性能均符合国家标准要求;螺栓断口起裂区存在树枝状裂纹,裂纹内部有含硫的腐蚀产物,且螺栓工作时所受外力为交变载荷。因此,螺栓的断裂是在交变载荷下发生的腐蚀疲劳断裂。螺栓断裂的初始裂纹源位于螺杆上螺纹的根部或螺柱与螺母连接位置的根部,为由硫元素引起的应力腐蚀裂纹。此研究为防止螺栓发生应力腐蚀裂纹及衍生病害提供了理论依据。
通过金相组织分析、扫描电子显微镜分析、X射线衍射、硬度、电导率、室温拉伸性能、断后伸长率和抗晶间腐蚀等微观组织观察及性能表征,研究了四种不同固溶制度对Al-5.6Cu-1.7Mg-0.2Zr-0.1Sr-0.6Ti合金微观组织和性能的影响。结果表明:随着固溶温度的升高,合金中的晶粒逐渐变大;当固溶温度低于520 ℃时,合金中的未溶相的数量和尺寸随着固溶温度的升高而减小;当固溶制度为510 ℃×2 h+520 ℃×2 h时,合金中的未溶相开始增多,合金出现轻微过烧,断后伸长率及抗晶间腐蚀性能变差,但抗拉强度最高,达到了490.14 MPa。合金的位错强度和位错贡献值随着固溶温度的升高而减小,合金中的强化效果主要来源于固溶强化和时效析出强化。合金在T6状态下,(490 ℃×2 h+500 ℃×2 h)和(500 ℃×2 h+510 ℃×2 h)两种不同固溶制度下的抗拉强度和断后伸长率等力学性能和抗晶间腐蚀性能都较优,这两种固溶制度均是适合Al-5.6Cu-1.7Mg-0.2Zr-0.1Sr-0.6Ti合金的固溶制度。
针对传统光催化剂可见光利用率低下以及体相/界面光生电子-空穴复合严重难题,利用水热法制备二维结构的Bi2WO6纳米片,为进一步改善光吸收,基于能级匹配原则,通过水热法在二维Bi2WO6纳米片表面原位生长Cu2S构建Bi2WO6-Cu2S异质结,基于二维Bi2WO6纳米片优良的压电性能以及Bi2WO6-Cu2S异质结良好的光吸收及载流子传输性能,构建光-电-压电三种效应协同催化体系,探索最优降解实验条件,并成功用于水中罗丹明B的降解中。结果表明在光-电-压电效应协同作用下,设计的Bi2WO6-Cu2S对罗丹明B的降解率在40 min内达到87%,为利用光电催化和压电催化的协同作用设计独特的异质结结构开辟了一条新途径。
凸轮轴在服役过程中工作表面容易发生磨损,严重影响机器的正常运转。采用冷焊设备修复凸轮轴工作表面点蚀坑,通过金相显微镜观察修复区域显微组织,利用X射线残余应力测试仪、硬度测试仪表征补焊点周围的残余应力分布以及硬度分布规律。结果表明,补焊点与基体结合良好,从奥氏体中析出的碳化物弥散分布于基体组织中,补焊点位置呈现出最小的残余应力以及最小的硬度值,补焊点对于残余应力以及硬度的影响维持在补焊点中心4 mm以内。经冷焊修复后的凸轮轴满足使用性能要求。
聚酰亚胺(polyimides,PI)是以二酐或二胺合成的耐高温聚合物,因其耐高温性能强成为使用温度最高的工业化聚合物材料之一。针对目前PI薄膜在强度方面存在的断裂延伸率低、拉伸强度低等问题,通过调节聚合物的质量浓度、比例、加料方式、加入生物质纤维等方式制得了不同强度的聚酰亚胺薄膜。以4,4-二氨基二苯醚和3,3,4,4-联苯四甲酸二酐作为反应的前驱体,在交联剂的存在下,采用正加料法制备聚酰胺酸(polymer polyacrylic acid, PAA),将制备好的PAA放置在表面铺有均匀藕丝的培养皿中,加热使其亚胺化,制得聚酰亚胺薄膜。结果表明含有藕丝的聚酰亚胺薄膜的断后标距和弹性模量均低于未掺杂藕丝的薄膜,其中PI-2%藕丝断裂延伸率为6.49%,抗拉强度达67.33 MPa,最大力数据为57.47 N,远高于未掺杂藕丝薄膜力学数据。研究表明藕丝纤维的加入在一定程度上增强了薄膜的力学性能。
使用锦纶66纤维开发高性能、高品质的牛仔面料,以粘胶为外包纤维,锦纶66或氨纶为芯丝制成36.4和28.0 tex的包芯纱为纬纱,使用剑杆织机使其与36.4和28.0 tex的纯棉纱线进行交织,制成牛仔面料。对锦纶66包芯纱和氨纶包芯纱所织制的6种牛仔面料进行色牢度、耐磨性、强力、弹性回复性、折皱回复性和弯曲性能等性能测试并进行对比分析,发现锦纶66包芯纱牛仔面料的弹性达到氨纶包芯纱牛仔面料的弹性水平,且其强力和柔软度更佳。以粘胶/锦纶66(3.33 tex/10 F)包芯纱织制面料比粘胶/锦纶66(3.33 tex/34 F)强力更大、弹性回复性更好,且更柔软。同时,采用36.4 tex纱线所织制的面料的强力、弹性和折皱回复性更好,但28.0 tex纱线所织制的面料更柔软。
湿度是仓储、民爆等领域一个重要的环境参量,湿敏材料感湿特性直接决定了传感器本身的性能优劣。选择光纤湿度传感器最常用的两种湿敏材料聚酰亚胺和聚乙烯醇作为研究对象,通过在光纤布拉格光栅表面涂覆两种不同的湿敏材料,分别对传感器的灵敏度、响应时间、长期稳定性进行测试。实验结果显示:涂覆聚酰亚胺的湿度传感器线性度可达99.98%,灵敏度为5.4 pm/%,响应时间为9.7 min,最大波长偏移量为5.6 pm;涂覆聚乙烯醇的湿度传感器在相对湿度60%~90%的高湿范围内具有更高的灵敏度,因此更适于高湿环境下的湿度测量。
由于水凝胶电解质的力学性能差且水在低温下会结冰,限制了水凝胶电解质在储能器件和电子导体方面的应用。加入大豆分离蛋白,以丙烯酰胺和甲基丙稀酰乙基磺基甜菜碱为单体,在二甲基亚砜/H2O的混合溶液和氯化锂的存在下,通过自由基聚合制备了高力学性能、高导电性的防冻有机水凝胶。其具有良好的电导率(最高37.5 mS/cm)、良好的力学性能(最大应力69 kPa,最大应变762.5%)、优良的韧性和抗疲劳性能,对应变和温度具有良好的响应性、宽的传感窗口及稳定性,具有应用于传感器领域的潜力。另外,所制备的超级电容器在20 ℃和-20 ℃均表现出良好的电化学性能,20 ℃时,0.2 A/g电流密度下,超级电容器的比电容为62.1 F/g,5 A/g 的高电流密度下,比电容仍有30 F/g;同时具有良好的抗冻性能和循环稳定性,-20 ℃时,0.5 A/g电流密度下,超级电容器循环10 000圈后仍能保持20 ℃下容量的92%。
利用光学显微镜、扫描电镜、万能试验机等分析测试设备研究了Sn对Mg-5Zn-2.5Al-xSn(x=0,1,2,3,4)(ZAT52x)合金组织结构及力学性能的影响。采用Thermo-Calc热力学软件计算了ZAT52x(x=0,2,4)3种合金在Scheil模型条件下液相质量分数与温度的关系以及凝固过程中的相变反应。研究发现,ZAT52x合金铸态组织中存在α-Mg固溶体、Mg2Sn(x=0时不析出)、φ-Mg21(Zn,Al)17、τ-Mg32(Zn,Al)49和MgZn相。随着Sn质量分数增加,合金熔点逐渐降低,第二相数量增多,铸态ZAT52x合金的拉伸强度和伸长率均呈先升高后降低趋势,ZAT522合金的性能最为优良,屈服强度、拉伸强度、伸长率分别为101.4 MPa、245.9 MPa、14.4%。挤压态ZAT52x合金屈服强度随Sn质量分数增加而增加,而拉伸强度、伸长率呈先升高后降低的趋势,其中,ZAT522合金拉伸强度和伸长率最高,分别为376.2 MPa和20.8%;ZAT524合金综合性能优良,拉伸强度和屈服强度达到363.7 MPa和260.4 MPa,伸长率为17.9%。
针对不同浓度硫酸盐侵蚀下混凝土损伤过程中孔结构退化规律问题,对混凝土进行不同质量分数硫酸盐的冻融循环试验。采用核磁共振技术对混凝土损伤过程中的孔结构变化以及试验过程中的质量和相对动弹性模量变化进行分析。结果表明:不同质量分数硫酸盐侵蚀下T2谱中第一峰变化明显,且同时期随着硫酸盐质量分数的增加,T2谱第一峰变化幅度增大;盐冻环境下T2谱第一峰面积与冻融循环次数之间符合指数关系,水冻环境下T2谱第一峰面积与冻融循环次数之间符合线性关系;微小孔隙率发展与冻融循环次数之间符合线性关系;孔隙率与冻融循环次数、硫酸盐质量分数之间符合显著的线性关系;混凝土的质量和相对动弹性模量损失随着硫酸盐质量分数的增加而增加。
研发了一种新型高效的瓷-铝复合太阳能板,由铝合金基体板、导流汇集管和纳米结构吸热涂层等组成。铝合金基体板为循环管与曲翅板集成化一体结构,采用6063耐蚀铝合金通过型材挤出机一次挤制成型;循环管和导流汇集管内壁涂覆厌水涂层,防止管道吸附水垢,增强耐蚀性能;将黑瓷粉、消光剂和树脂结合剂等原料粉末合成纳米黑瓷复合粉料,通过静电喷涂和高温固化工艺制成纳米结构吸热涂层,阳光吸收率高达0.96。实验结果表明,纳米结构吸热涂层热稳定性好,阳光长期照射下不会导致吸热涂层剥落;集成化结构的瓷-铝复合太阳能板导热性能优良,导热效率高达0.98;瓷-铝复合太阳能集热器的热效率约为43.6%,高于传统的太阳能集热器,制造成本比传统太阳能集热器平均低约14%。瓷-铝复合太阳能集热器在成本、寿命和效率方面更具优势,可用于建造大面积太阳能集热系统,能够满足当前太阳能产业发展的需要,具有良好的经济和社会效益,推广应用前景广阔。
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