关键词： 电介质复合材料   结构设计   介电常数   储能密度  

摘要： 电介质电容器因其高功率密度、快速充放电效率等优点,被广泛应用于新能源汽车、光伏风力发电和脉冲武器系统等领域。随着电子器件趋向于小型化、集成化,传统电介质材料较小的储能密度难以满足实际应用需求,急需开发新型高储能密度电介质材料。在传统陶瓷/聚合物复合材料中存在陶瓷填料难以充分发挥本征高介电性能及介电常数与击穿强度之间倒置耦合的问题。针对以上问题,本论文从介电理论模型出发,通过设计调控复合材料结构,从电场和极化分布的角度明确了陶瓷填料结构与复合材料介电、击穿等性能之间的关系,揭示了提升陶瓷填料对介电常数贡献的关键因素,实现了介电常数大幅提高的同时保持较高击穿强度,从而获得储能密度的提高。论文主要研究内容及结果如下: （1）以理想并联模型为目标,采用双向冷冻工艺构建了平行结构BaTiO3骨架,进一步浸渍环氧树脂制备了平行结构BaTiO3/环氧树脂复合材料。当电场方向与BaTiO3填料排列方向平行时,复合材料基本实现了并联结构,介电常数大幅度提高。填料含量为59 vol%的复合材料在10～3Hz下表现出2017.6的超高介电常数和小于0.02的低介电损耗,即使在18 vol%的低填料含量下,复合材料仍具有高达489的介电常数。基于平行结构复合材料的超高介电常数,在4 MV/m的低电场强度下获得24.8μC/cm2的高极化强度和13.4×10-2J/cm3的高放电能量密度。通过有限元模拟研究了不同电场方向下复合材料内部的电场和极化分布,并结合实验证明了实现理想并联结构的关键因素是陶瓷填料沿电场方向的平行排列和相互连通,此时陶瓷填料可以充分发挥其本征高介电性能,大幅提高复合材料介电常数。 （2）选择低介电常数的氮化硼纳米片（BNNSs）为填料,通过双向冷冻和高温煅烧构建了层状结构BNNSs骨架,进一步浸渍环氧树脂制备了层状结构BNNSs/环氧树脂复合材料。当填料含量为10 wt%时,复合材料在10～3Hz的介电常数达到8.5,是纯环氧树脂的2.7倍。结合实验和有限元模拟证明了复合材料介电常数的明显提升是由于层状连通骨架和BNNSs表面引入羟基的协同作用导致的。当BNNSs堆积成层状连通骨架时,增加了其内部的电场强度和极化强度,同时高温煅烧过程在BNNSs表面引入了羟基,进一步增加了复合材料的极化,从而提高了复合材料的介电常数,并且通过调控骨架微结构证明了填料连通度的增加有利于介电常数的提升。 （3）采用静电纺丝和蒸气“焊接”工艺制备了三维连通Ba Zr0.2Ti0.8O3（BZT）纤维骨架及其聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(P（VDF-TrFE-CFE）)基复合材料。通过控制温度、蒸气压和时间可以对BZT纤维骨架微结构进行精细调控。当纤维相互连通时,复合材料的介电常数明显提高,填料含量为10 wt%的复合材料在10～3Hz时的介电常数达到74.3,是纯P（VDF-TrFE-CFE）的1.5倍。同时纤维连通缓解了复合材料击穿强度的恶化,获得了270.8 MV/m的击穿强度。由于介电常数的明显提高和击穿强度恶化的缓解,复合材料获得了24.1 J/cm3的高储能密度。有限元模拟证明了纤维连通对复合材料介电常数和击穿强度双重优化的机制,一方面,纤维相互连通提高了填料之间的连通度,增加了陶瓷填料内部的电场强度和极化强度,从而提高其对复合材料介电常数的贡献;另一方面,纤维相互连通调节了复合材料内部的电场强度分布,使电场均匀化,抑制了电场畸变,从而缓解了复合材料击穿强度的恶化。基于介电常数和击穿强度的双重优化,实现了复合材料储能密度的提升。

关键词： 电磁衰减   生物质碳材料   介磁协同   阴离子掺杂   碳纳米管  

摘要： 随着无线通信技术的快速发展和电子设备的高频化应用,电磁污染已成为影响精密仪器安全运行及人体健康的重大隐患,同时军事领域对高性能隐身技术的迫切需求,使得微波吸收材料的研究成为材料科学与电磁功能器件领域的核心课题之一。理想的微波吸收材料需兼具“薄厚度、轻重量、宽频带、强吸收”的综合性能,同时需在复杂环境中保持结构稳定性。然而,传统吸波材料受限于单一损耗机制、阻抗失配及环境耐受性不足等问题,难以满足实际应用需求。因此,以可再生、轻质、可调控性强的生物质衍生碳为基体,发展高性能微波吸收体展现出巨大潜力。本论文聚焦于生物质碳基衍生物。通过多尺度结构设计与磁电协同机制协同优化策略,开发了三种具有创新结构的复合吸波材料。 （1）针对阻抗匹配与介电损耗的协同调控难题,提出了一种多级中空多孔结构设计策略,成功制备了双金属硫化物@碳复合材料（Co3S4@NiCo2S4@BPC）。通过精准调控中空多孔微结构,有效降低了材料介电常数,实现了优异的阻抗匹配特性(填充率20 wt%时,2.3 mm厚度下最小反射损耗RLmin=–68.1 dB)。多组分异质界面（Co3S4@NiCo2S4和BPC）的构筑诱导界面极化效应,三维（3D）导电网络与碳骨架中的残余官能团（如C=O、C-O）及空位缺陷共同作用,显著增强了介电损耗能力。此外,生物质碳基体的疏水特性,赋予材料在潮湿环境中的稳定性,展现了其在恶劣环境下的实用潜力。 （2）基于阴离子掺杂工程与缺陷调控理念,通过原位氮和非原位硫/硒掺杂,设计了一种3D蜂窝状CuCo-MOF/SPA杂化气凝胶。较大原子半径的硒作为“缺陷引发剂”,在诱发双金属活性位点晶格畸变的同时,形成有效的空位缺陷,这些空位通常能够作为“电子陷阱”有效捕获自由载流子,促进界面电荷的局域化聚集与动态重排,从而增强多极偶极弛豫与界面极化响应。这赋予了Cu2Se/CoSe2/NC-Se杂化物在超薄厚度（1.8 mm）下实现–56.1 dB的有效衰减。同时,3D蜂窝骨架赋予材料优异的力学性能与环境适应性（疏水性、耐腐蚀性及隔热/阻燃性）,为多功能隐身涂层提供了新范式。 （3）采用金属催化工程策略,在前驱体碳微球表面定向构筑了Ni/Fe/CoNPs催化生长的碳纳米管（CNTs）网络。由于不同金属催化活性的差异,实现了不同尺度CNTs的梯度生长。适中尺度的CNTs作为“电磁平衡调节器”,优化了介电与磁损耗的协同效应;氮掺杂碳与CoNPs间形成的电子传输网络,显著提升了跨维度电荷迁移效率。实现了在2.0 mm厚度下出色的超宽频吸收性能(EABmax=8.24 GHz),突破了传统磁-介电复合材料频带窄的瓶颈。研究揭示了Ni/Fe/Co催化CNTs生长的动力学机制,提出了“催化剂尺寸-碳管形貌-电磁响应”的关系模型,为高性能吸波材料的调控奠定了理论基础。

关键词： 绿锈   Cr(Ⅵ)   NO3-   吸附   电催化   合成氨  

摘要： 绿锈（GR）是一种混合价态铁的层状双金属氢氧化物（LDH）,具有优异的吸附和电催化能力,通常用于去除重金属和电催化NO3-转为氨,然而存在稳定性和选择性低的局限性。为不被上述问题困扰,采取了复合物负载和添加第二种金属的方法:（1）通过将GR负载在纤维素-沸石咪唑酯骨架（ZIF8）复合材料(MCH-ZIF8@GR（Ⅱ）/Cu))上提高去除Cr（Ⅵ）时的稳定性。（2）添加Ni,并且以Ni为催化活性中心,提高电催化NO3-的氨选择性。此外,通过液相还原法制备了(MCH-ZIF8@GR（Ⅱ）/Cu),以及用联用偏硼酸钠和硼氢化钠法制备了硫酸盐绿锈/镍复合材料(GR（Ⅱ）/Ni),分别探究了对Cr（Ⅵ）的吸附性能和电催化NO3-转为氨性能。本文的主要研究结果如下: （1）通过XRD和SEM、HAADF-STEM、TEM分析了复合材料的物相成分和形貌结构,成功地制备出MCH-ZIF8@GR（Ⅱ）/Cu复合材料,且呈现出六边形的纳米片结构。通过XPS对材料表面的电子结构进行分析,发现复合材料中Fe、O、S符合GR（Ⅱ）中Fe、O、S的价态。探究添加的MCH-ZIF8、吸附剂剂量和Cr（Ⅵ）初始浓度对MCH-ZIF8@GR（Ⅱ）/Cu去除Cr（Ⅵ）的影响,以及研究其动力学和热力学。结果发现,添加的MCH-ZIF8提高了Cr（Ⅵ）的去除率,且复合材料的性能远胜活性炭、离子交换树脂和MCH材料。动力学和热力学上分别符合拟二级动力学和朗缪尔模型,结果表明其去除Cr（Ⅵ）主要为单层的化学吸附,因此受温度的影响较小,能够适应复杂的温度环境。材料的BET测试说明材料拥有表面积为244.336 m2/g,所以有更多的吸附位点去除吸附Cr（Ⅵ）。 （2）MCH-ZIF8@GR（Ⅱ）/Cu复合材料在pH 3-4范围内Cr（Ⅵ）去除率接近100%,p H 5-6时仍保持90%以上,即便在中性条件（p H=7）下仍具有约80%的显著去除率。且在去除Cr（Ⅵ）的过程中p H值是随着时间上升的,表明这一过程是消耗H+的。在Ca2+、Mg2+及CO32-共存体系中,其去除效率稳定在90%左右,显示出优异的抗干扰能力。经五次循环使用后,材料仍保持87.8%的Cr（Ⅵ）去除率,展现出卓越的循环稳定性。值得注意的是,在民用井水与巢湖水的实际水体的测试均未观察到去除效率显著衰减。据密度泛函理论（DFT）计算发现,Cr（Ⅵ）阴离子与MCH-ZIF8@GR（Ⅱ）/Cu中的SO42-发生交换时,其交换能为-0.38V,因此理论上的Cr（Ⅵ）阴离子完全可以与SO42-交换。结合实验,推测主要通过阴离子交换机制实现Cr（Ⅵ）去除。 （3）通过联用硼氢化钠和偏硼酸钠制备出了GR（Ⅱ）/Ni,并进行了XRD和SEM、TEM等表征。GR（Ⅱ）/Ni能够成功的通过电催化将NO3-转化为氨,从而实现污染物的资源化利用。通过LSV确定了在-0.6到-1.0 V（***）电压范围内,其电催化NO3-性能时的电流密度变化。发现当电位为-0.9 V（***）时,材料的氨产率为(3549.56ug·h-1·cm-2)和FE（87.52%）,这说明其具有良好的产氨性能和电子选择性。同时也对其可能的副产物NO2-和N2H4进行检测发现,电催化NO3-的过程中有NO2-的产生而没有N2H4,但是NO2-的FE均低于3%,说明电子主要是转移向氨的。根据上述的结果,同时结合XRD、XPS和FTIR等表征,推测了电催化NO3-转化氨的机理:（1）NO3-吸附到Ni表面活化为*NO3;（2）NO3-催化转化为NH3和NO2-;（3）NH3和NO2-溢出材料的表面。

关键词： 橙皮苷   溶菌酶   颗粒性质   Pickering乳液   纳米乳液  

摘要： 柑橘类水果是全球产量最大的水果类群,其果皮中富含多种促进健康的成分。橙皮素(Hpt)、橙皮苷(Hpd)等类黄酮是其中最主要的生物活性成分之一,具有抑制癌症发展、抑制炎症、控制血糖和血脂等生物活性功能。然而由于在水中的溶解度低,导致其在食品中的应用受到显著限制。 近年来,随着Pickering乳液、纳米乳液等先进递送系统的出现与发展,为拓展类黄酮的应用提供了新方向。在乳化剂研究与开发中,主要聚焦于蛋白质、多糖等天然生物大分子。但近年的研究表明,特定类黄酮不仅能够直接稳定乳液,还能与蛋白质协同作用,改善蛋白乳化表现,提升乳液体系性能。课题组前期发现Hpd具有一定乳化性。基于此,本研究选取了Hpt、Hpd、新橙皮苷(Neohpd)、新橙皮苷二氢查尔酮(Neohpddic)四种结构相似的类黄酮,评估其乳化能力,对成功构建的乳液进行表征,并深入挖掘乳液稳定机制。研究不仅有助于丰富乳液理论,也推动了新型食品级乳液的开发。本课题的主要研究内容和结论如下: (1)通过对Hpd、Hpt、Neohpd、Neohpddic进行系统的颗粒表征和乳化能力评估发现,其乳化能力:Hpd>Neohpd>Neohpddic>Hpt。进一步对Hpd稳定的乳液表征发现,添加量(w)和油相体积分数(φ)的适当增加对Pickering乳液凝胶的形成具有显著影响,当φ≥50%,w≥2%即可形成稳定乳液凝胶。微观结构分析显示,Hpd能够稳定O/W型Pickering乳液凝胶,且伴随着w和φ的增加,油滴间的聚集性和乳液的表观粘度增加,乳液更加稳定,乳液凝胶的力学性能得到显著提升。 (2)研究发现,橙皮苷甲基查尔酮(HMC)能够显著降低油/水界面张力,从而使HMC具有稳定纳米乳的潜力。分子动力学模拟进一步证实,HMC能够自发附在MCT/水界面,从而最小化界面张力。这是因为糖苷和苯环分别倾向于与水相和MCT相相互作用。在适当的HMC添加量和高压均质条件下,可以获得稳定的纳米乳。乳液液滴直径与HMC的添加量(w)、均质压力(p)、均质次数(n)直接相关。在w=1.0%、p=200 bar、n=6条件下,所构建的纳米乳体系展现出较强的抗氧化稳定性,较好的叶黄素保护作用,并显著提高了叶黄素的生物利用度。此研究不仅拓宽了HMC的应用范围,也为功能性纳米乳液的开发提供了新的思路。 (3)研究表明,Hpt、Hpd、Neohpd、Neohpddic四种类黄酮与溶菌酶(LY)在不同的质量比下混合后,表现出不同的乳化性能。Hpd与LY的混合物表现出最优的乳化性,其接触角较单一Hpd颗粒有所提升,能够直接构建高内相乳液凝胶(HIPEs)。进一步的研究发现,φ、w和k(质量比例)对HIPEs的形成及其性质都有显著影响。当φ=80%,w≥0.8%,k≥1:1时,可以构建稳定的HIPEs。伴随着w、φ和k的增加,液滴直径的变化与w呈负相关,而与φ和k呈正相关,HIPEs的力学性能也随之增强。此外,Hpd与LY混合物稳定的HIPEs展现出优异的叶黄素保护性和抗油脂氧化的能力。

关键词： CFRP轴   油膜失稳   特征融合   故障诊断  

摘要： 随着我国机械制造业的不断发展以及航空与汽车技术的突破,旋转机械的性能要求逐渐提升,轻质和高速成为当前旋转机械的核心特征。碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)具有轻质、高强度、高模量和耐疲劳等特点,使得CFRP制成的传动轴越来越广泛的运用在高转速传动系统。与金属传动轴相比,复合材料转子不仅可以减轻质量、提高传动效率,并且因其优异的力学性能和可设计性,能满足复杂的设计要求,使其在航空和汽车领域具有广阔的应用前景。然而,随着旋转机械向高速化、大功率方向发展,转子-轴承系统的振动及稳定性对机械设备的性能影响日益显著。油膜失稳作为转子-轴承系统中典型的故障之一,严重影响了旋转机械的稳定性与可靠性,因此开展CFRP传动轴早期故障的诊断意义重大。 本文针对复合材料转子-滑动轴承系统的油膜失稳故障诊断问题展开研究,其主要内容如下: 对复合材料转子-轴承系统进行非线性动力学建模。以复合材料传动轴和滑动轴承组成的转子系统为研究对象,基于复合材料Layer-wise理论和Capone轴承油膜力模型建立了动力学方程。从时域和频域方面分析了复合材料转子的动力学特性,得到了油膜失稳的故障振动机理。 设计并搭建了复合材料转子-轴承系统的实验平台,利用不同铺层参数的碳纤维复合材料轴进行实验,探讨了不同工况下系统振动特性,分析其铺层参数与油膜涡动间的规律,并对比了数学模型与实验结果的准确性,对数学模型仿真结果的可靠性与准确性进行验证,进而为复合材料转子-轴承系统实验提供实验数据支撑。 基于相关性分析与KPCA算法进行多特征融合。对采集的数据进行初步分析处理,选择出所需特征,利用皮尔逊相关性分析,通过分析各个特征之间的相关性,筛选出了高相关性的特征,建立了一种新的特征集,对新特征集利用KPCA算法实现多特征融合,并计算了融合后的特征贡献率。 采用BP算法进行系统故障诊断。通过对已有数据进行分集,将故障形式进行编码,根据对应的特征形式,来对故障形式进行预测分析。 本文研究内容为复合材料转子-滑动轴承系统的故障诊断提供了理论依据和实验支持,同时也为相关领域的研究提供了新的思路,具有重要的应用价值。

关键词： 聚合物纳米复合材料   柔性填料   拓扑互锁结构   力学增强机理   分子动力学模拟  

摘要： 聚合物纳米复合材料(PNCs)因其优异的力学性能与出色的耐疲劳特性,在航空航天、先进汽车智造等高端工程领域展现出广阔的应用前景。这些性能优势主要归因于纳米粒子(NPs)所带来的多尺度协同效应:一方面,NPs凭借其高比表面积以及可设计特性,可显著提升复合材料的力学强度,并赋予其新的功能特性。另一方面,NPs与聚合物基体之间的界面相互作用在调控复合材料微观结构及宏观力学行为方面有着至关重要的作用。尽管NPs在PNCs增强领域展现出巨大潜力,但仍面临诸多挑战。首先,NPs易发生团聚,导致局部应力集中,从而削弱增强效果。其次,填料-基体界面相容性不足可能引发界面滑移,增加能量耗散并提高滞后损失(HL)。此外,传统刚性NPs因其形变能力受限,使得复合材料在提升强度与保持柔韧性之间难以实现平衡。 针对上述挑战,本研究提出两种新型柔性纳米粒子:其一是软-硬Janus纳米粒子(JNPs),刚柔并济的双组分结构可通过调控界面相互作用优化体系的力学性能。其二是接枝团簇纳米粒子(GCPs),能够通过与基体链间形成拓扑互锁结构,有效提升复合材料的拉伸强度和耐疲劳性能。为深入理解这两种柔性填料的增强机制,本研究采用粗粒度分子动力学模拟,构建了相应的复合材料模型,并系统探讨了填充粒子的分散行为、基体链的动力学特性以及复合材料的力学增强机理。主要研究内容和结论概述如下: (1)软-硬Janus纳米粒子/聚合物纳米复合材料的分散、动力学和力学研究。通过将JNPs引入聚合物复合材料体系中,重点探讨截断半径(rcutoff)、界面相互作用强度(εnp)及JNPs粒径(Dnp)等参数对其分散状态、基体链动力学行为以及体系力学性能的影响。结果表明,在排斥体系中,JNPs易聚集形成团簇,且随着εnp的增大,体系内团簇数量增多。在吸引体系中,JNPs直接接触聚集,但可通过调控εnp有效改善其分散性。动力学分析显示,聚合物基体链的运动性受εnp变化影响较小,且存在一个临界粒径(Dnp≈5σ),使得基体链的运动性受限最为显著。力学性能方面,分散良好的JNPs可显著增强材料的拉伸强度,界面交联键的引入能够进一步增强力学性能并降低HL。此外,键取向及均方回转半径(Rg2)等微观结构分析揭示了 JNPs形变演化特征与力学增强机制之间的内在关联,进一步证实了其在改善复合材料力学性能方面的关键作用。 (2)接枝团簇纳米粒子/聚合物纳米复合材料的结构与性能研究。将GCPs引入聚合物复合材料体系,系统考察组装率(φasse)、聚合物基体链的刚度常数(k)以及εnp等参数对复合材料力学性能的影响。结果显示,较低的φasse有助于在中等应变范围内形成稳定的拓扑互锁结构,且存在最佳参数k和εnp(k=60ε/σ2,εnp=3.0),在该条件下互锁结构的形成最为充分。循环拉伸研究显示,环链体系因其稳定的拓扑互锁结构,展现出最高拉伸强度和最低滞后损失(HL<40%)。相较之下,尽管环接枝链体系在初始拉伸阶段表现出较高的拉伸应力,但随着循环次数增加,互锁结构逐渐解除,最终拉伸应力与线性接枝链体系趋于一致。动力学分析进一步证实,拓扑互锁结构显著抑制了基体链的运动自由度,其中环链体系受限程度最高,无法形成该结构的线性接枝链体系运动自由度最大,环接枝链体系介于二者之间。上述结果充分证明了拓扑互锁结构在提升复合材料的力学性能与抗疲劳能力方面具有关键性作用。