关键词： PVDF   ZnO   压力传感器   形貌调控  

摘要： 随着柔性电子与可穿戴设备的快速发展,高灵敏度、宽响应范围的柔性压力传感器成为研究热点。传统压电材料如无机陶瓷存在刚性大、加工复杂等缺陷,而聚偏氟乙烯(Poly(vinylidene fluoride),PVDF)虽具备优异的柔韧性和化学稳定性,但其压电性能不足限制了实际应用。通过引入氧化锌(Zinc Oxide,ZnO)纳米填料构建复合材料,可协同提升PVDF的压电响应,但ZnO形貌对复合材料性能的影响仍需系统探究。 本文以PVDF为基体,ZnO为功能填料,系统研究不同形貌ZnO和复合材料制备方法对PVDF复合薄膜压电性能的影响及传感应用。首先,采用溶剂热法与水热法分别制备了长径比为75的棒状的和厚度为50 nm的片状ZnO,并通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)等表征证实其单晶纤锌矿结构,沿c轴[0001]方向生长。随后,通过溶液流延法和墨水直写(Direct Ink Writing,DIW)法制备PVDF/ZnO复合薄膜。溶液流延法制备的片状ZnO复合薄膜(SC-S-15wt%)中PVDF的β相含量达77.5%;DIW法制备的片状ZnO复合薄膜(DIW-S-15wt%)因剪切应力诱导分子链取向,β相含量进一步提升至81.3%。 采用DIW-3D打印机制备银叉指电极,并通过与PVDF/ZnO复合薄膜的封装集成,成功构建了具有“三明治”结构的压电传感器。通过系统的压电性能表征发现:流延法制备的SC-S-15wt%传感器在15 N外力下输出电压与电流峰峰值分别为2.42 V与55.23 n A,灵敏度达110 m V/N,响应时间为50 ms;DIW法制备的DIW-S-15wt%传感器电输出性能更优,在15 N外力下输出电压与电流峰峰值达3.56 V与67.80 n A,灵敏度提升至140 m V/N,响应时间为90 ms。此外,SC-S-15wt%和DIW-S-15wt%传感器在1000次循环测试后输出电压的衰减均低于5%,展现出优异稳定性和耐久性。应用研究表明,SC-S-15wt%传感器可精准捕捉人体大尺度运动,在检测走路、高抬腿及跳跃等人体运动时电压峰峰值分别可达1.26V、2.83 V和3.86 V;而DIW-S-15wt%传感器可灵敏识别手部精细动作,在检测手指按压、握持水杯、指关节弯曲时电压峰峰值分别可达1.07 V、3.27 V和1.21 V。因此制备的传感器在可穿戴健康监测领域有巨大的潜力。

关键词： Pickering乳液   润湿性   刺激响应性   界面催化   反应应用  

摘要： 近年来，Pickering乳液因其制备简单和稳定性强等特点引起了人们的广泛关注。Pickering乳液是一种由固体颗粒稳定而成的乳液，其稳定性远超传统乳液，这些颗粒作为乳液体系的核心部分，在Pickering乳液体系的制备和应用中发挥着重要的作用。本综述主要介绍了不同单一刺激响应（pH、温度、CO2、氧化还原、光照射、磁场）和多重刺激响应对Pickering乳液体系稳定性和性能的影响以及Pickering乳液体系在氧化反应、还原反应、水解反应、缩合反应、酯化酯交换反应、级联反应等不同反应方面应用的最新研究及进展。

关键词： 评分机制   新能源材料与技术   课程建设  

摘要： 新形势下，评分机制成为教学改革的侧重点，是评价学生综合学习质量的重要途径之一，有助于教师针对性调整教学侧重点与教学方式，但具体实践阶段由于受到课程时间、教学任务、评价经验等方面的限制，导致评分结果客观化、片面化。本文以新能源材料与技术课程为例，从课程教学实际情况出发，指出评分机制的多元作用，并结合课程教材方向，提出评分机制的制定与实施路径，以期对相关工作有所帮助，提高学科教学质量。

关键词： 聚丙烯   碳酸钙填充   固相口模拉伸   复合材料  

摘要： 聚丙烯（PP）具有良好的综合性能且成本相对较低,在众多通用塑料材料中占据重要地位,被广泛应用于各个领域,包括汽车、家电、包装、建材等领域。无机物填充改性PP能提高材料刚性、降低生产成本,是聚丙烯改性中的常用手段,但这种方式往往会造成材料密度增大及强度、韧性下降等问题。针对这些问题,本课题研究将碳酸钙填充与固相口模拉伸技术相结合,构建包含填料含量、粒径及拉伸工艺参数、口模结构的多维度实验体系。探索高强轻量化聚丙烯/碳酸钙复合材料的制备机制,并研究了各项参数对材料性能的影响。主要研究内容如下: 1.固相口模拉伸过程分析及拉伸力影响因素研究 在自行设计的固相拉伸口模装置上,系统开展了PP/CaCO3复合材料口模拉伸实验,在此基础上,分析口模拉伸取向机理,并总结了关于拉伸力的经验公式,讨论了拉伸温度、拉伸速率和口模结构对拉伸力的影响规律,结果表明:温度与口模结构是影响拉伸力的主要因素,温度从110℃升高至140℃使拉伸力降低了50%;拉伸速率提升使实际拉伸比显著增大的同时,拉伸力也相应增加;标称拉伸比从2增加至8,拉伸力提升了93.7%。 2.复合材料密度的影响因素及调控措施 基于拉伸过程PP/CaCO3界面脱粘成孔及孔隙随应变生长机理,研究了CaCO3含量、粒径及固相口模拉伸工艺对材料密度的影响。结果表明:提高碳酸钙填充量及采用大粒径颗粒,有助于界面脱粘成孔,从而提高孔隙率,有效降低密度;低拉伸温度提高了基体模量,也能促进界面脱粘成孔,降低密度;提高实际拉伸比促进微孔扩展生长,对复合材料密度起决定作用。在最优条件下,复合材料密度最低可以降至0.736 g/cm3,与木材密度相当,密度较拉伸前型坯密度降低了39.5%,实现了材料轻量化的目标。 3.复合材料强度的影响因素及调控措施 从晶体结构、取向程度等结构演变出发,同时考虑材料孔隙率,研究了复合材料弯曲性能提升的影响因素,构建了填料含量和工艺参数与复合材料弯曲强度和模量的经验公式,为工业化技术开发提供理论指导。碳酸钙含量和粒径影响界面结合效应,含量和粒径增加会形成更高的孔隙率,在一定程度上对强度提高具有负作用;拉伸温度和实际拉伸比影响结晶和取向度,温度降低和增大实际拉伸比能显著提高材料取向度,从而提高弯曲强度和模量。实验最终获得了弯曲强度和模量高达126.44MPa、5.28 GPa的成型制品,分别较拉伸前的型坯提高了209%和94.8%,实现材料的高强度化。

关键词： 锂离子电池   负极材料   纳米硅   硅碳负极   碳包覆   单壁碳纳米管   石墨烯  

摘要： 锂离子电池（LIBs）具有比能量高、循环寿命长等诸多优点已被广泛应用于电子设备、电动工具及新能源汽车等领域,进一步提高能量密度升已成为目前LIBs发展的主要方向之一。硅基负极因具有极高的理论容量(4200 m Ah/g,Li15Si4),可有效提升LIBs的能量密度,但硅负极在储锂过程中高达300%的体积变化会引发材料颗粒的粉化、破碎及活性物质涂层脱离集流体,最终导致了循环性能的快速衰减,此外,硅负极较差的导电性不利于获得高倍率性能,这些问题阻碍了硅负极的商业化应用。对硅负极进行碳包覆以缓冲其储锂过程中的体积变化并提升材料的导电性能,可有效提升其电化学性能,因此,制备硅碳（Si/C）复合材料是改善硅负极性能的有效途径。本论文采用纳米Si作为活性材料,借助酚醛树脂（PF）基硬碳包覆层以缓冲Si的体积膨胀,通过掺入高导电的一维碳纳米管或二维石墨烯碳材料构建发达的电子/离子传输网络以实现快速的荷质传输,以制得到高比容量、长循环寿命和优异倍率性能的硅基负极材料。论文主要研究内容如下: （1）采用高速搅拌液相混合法,通过将纳米Si、PF和超低含量的单壁碳纳米管（SWCNT,使用量为0.05 wt.%）在超高搅拌速度（3000 rpm）下均匀混合,并通过进一步的碳化制备了3000-Si/SWCNT/C-5复合材料（3000-SSC-5）。该材料中,PF基硬碳包覆层可有效缓冲Si的体积膨胀并避免Si与电解液直接接触以减少界面副反应的发生,从而可有效提升循环性能。另一方面,SWCNT构建的导电网络不仅显著提升了复合材料的导电性,还能缓解储锂循环时产生的内应力并维持良好的导电接触,因而有效提升了循环性能与倍率性能。所制备的3000-SSC-5复合材料在0.5A g-1的电流密度下具有1164 m Ah g-1的可逆比容量,经过250次循环后具有884 m Ah g-1的可逆比容量,其容量保持率为75.9%,展现了稳定的循环性能。在0.1 A g-1的小电流密度下具有1497 m Ah g-1的可逆比容量,增大至4 A g-1后仍具有1114 m Ah g-1的可逆比容量,当电流密度降至0.1A g-1后可逆比容量恢复至1320 m Ah g-1,容量保恢复率为88.2%,展现出优异的倍率性能。 （2）在纳米Si与PF的液相混合中,分别引入超低含量的还原氧化石墨烯（rGO）、氧化石墨烯（GO）及rGO-GO的混合物,分别制备了三种Si/C复合材料（Si/rGO/C、Si/GO/C和Si/rGO/GO/C）,研究了rGO及GO的添加对Si/C复合材料电化学性能的影响。研究结果表明,rGO因其优异的导电性,可显著提升复合材料的倍率性能;GO表面因具有丰富的含氧基团,可在高温碳化时可与PF基硬炭及Si之间原位形成化学键合,获得高界面结合稳定性,从而有效缓冲Si的体积变化并保持材料结构完整性,对复合材料的长循环性能提升更为显著;rGO-GO混合添加可使复合材料兼具长循环稳定性和高倍率性能。所制备的Si/rGO/GO/C-60（STC-60）复合材料在0.5 A g-1下具有1109 m Ah g-1的可逆比容量,循环100圈后具有886 m Ah g-1可逆比容量,容量保持率为79.9%,展现了良好的循环性能。在0.1 A g-1的小电流密度下具有1453 m Ah g-1的可逆比容量,增大至4 A g-1后仍具有1132 m Ah g-1的可逆比容量,当电流密度降至0.1 A g-1后可逆比容量恢复至1327 m Ah g-1,容量恢复率为91.3%,展现出优异的倍率性能。 （3）在上述研究基础上,进行了3000-SSC-5复合材料的公斤级试制,并将其用于18650全电池,评价其在全电池中的电化学性能。在60 L纳米砂磨机、60 L双行星搅拌机、双锥回转干燥机、颚破机、气流粉碎机和箱式炉等大型设备上成功实现了3000-SSC-5复合材料的公斤级制备,验证了其规模化放大制备的潜力。使用该复合材料作为负极、商业化NCM811为正极,所组装的18650全电池化成后容量为3363 m Ah,在0.5C循环1000圈后容量保持有2769 m Ah,容量保持率高达82.3%。在3 C高倍率下的容量为2477 m Ah,恢复至0.2 C后容量回升至3347 m Ah（恢复率为99.5%）,展现出优异的循环稳定性和良好的倍率性能,验证了其作为高性能LIBs负极材料的应用潜力。

摘要： 申请公布号：CN 119264671A申请公布日：2025年1月7日申请人：山东大学发明人：龙腾、韩继源、王世豪本发明介绍了一种硅烷偶联剂改性碳气凝胶/硅橡胶双网络复合材料的制备方法及产品。采用硅烷偶联剂对碳气凝胶进行改性，通过真空辅助浸渍法将硅橡胶原料溶液填充入得到的改性碳气凝胶中，然后通过真空固化成型，得到硅烷偶联剂改性碳气凝胶/硅橡胶双网络复合材料。

关键词： 聚乳酸   阻燃性能   构效关系   生物基阻燃剂   涂层   光热转换  

摘要： 聚乳酸（PLA）因其生物可降解特性和优异的综合性能而备受关注,并已成为最成功的商业化合成生物基材料之一。遗憾的是PLA固有的易燃性导致相关产品存在着严重的火灾风险,因此PLA的阻燃研究引起了广泛关注,但是目前阻燃PLA材料面临效率低、功能单一以及力学性能大幅下降等问题,限制了其进一步应用与推广。 针对上述问题,本论文基于PLA的燃烧特性及不同阻燃体系的作用机制,构筑了多个阻燃策略,系统提升PLA塑料和无纺布的阻燃性能,对阻燃机理进行了深入探讨,开发了多种阻燃多功能体系。首先设计并合成了两种核壳结构添加剂并引入到PLA塑料中,增强了阻燃、抗紫外老化性能以及降解速率;其次合成了超支化聚磷酰胺液体阻燃剂,并构建了生物基多功能涂层,赋予PLA无纺布阻燃、紫外屏蔽和光热转换等性能;通过系列表征分析,探讨了各组分的作用机制,提出相应的阻燃机理。主要研究成果如下: 1.合成了微纳米尺寸核壳结构添加剂TA@HPDT,制备了阻燃抗紫外老化PLA复合材料。以六氯三聚磷腈（HCCP）、3,5-二氨基-1,2,4-三唑（DT）和单宁酸（TA）为原料合成了一种核壳结构添加剂（TA@HPDT）,并将其引入到PLA中以增强其阻燃和抗紫外老化性能。TA@HPDT表现出优异的阻燃效率,2 wt.%TA@HPDT的添加量下PLA复合材料通过垂直燃烧测试（UL-94）的V-0等级,极限氧指数（LOI）升至25.6%,热释放速率峰值（p HRR）和总热释放量（THR）分别降低了16.8%和16.7%。TA@HPDT显著提高了PLA的抗紫外老化性能,经过100 h的紫外老化后,PLA复合材料的质量保留率为93.3%。 2.利用有机无机杂化策略,基于聚磷酸铵（APP）、壳聚糖（CH）和金属有机骨架材料,开发了多层核壳结构阻燃添加剂ZIF-8@CH@APP。该添加剂具有出色的阻燃、抑烟、催化水解功能,与基体相容性好。当引入7 wt.%ZIF-8@CH@APP时,PLA复合材料表现出优异的阻燃性能。在UL-94测试中达到V-0等级,烟密度相比于PLA/7%APP降低了25.1%。APP经过包覆改性后,与基体的相容性进一步提高,PLA/7%ZIF-8@CH@APP的拉伸强度为53.2 MPa。此外,PLA/7%ZIF-8@CH@APP在碱性环境下常温常压可以实现快速降解。 3.采用绿色工艺合成了超支化聚磷酰胺液体阻燃剂TPDT,通过浸轧后整理技术成功制备了阻燃PLA无纺布。当TPDT的增重仅为7 wt.%时,PLA无纺布样品的LOI值达到32.3%,与对照PLA无纺布相比,PLA-17%TPDT的损毁面积减少了69.2%,p HRR和THR分别降低了51.4%和56.0%。此外,燃烧后残炭量从1.5 wt.%增加到31.1 wt.%。经过多次磨擦,PLA-17%TPDT仍保持出色的阻燃性能。TPDT的引入也提升了PLA无纺布的柔软性。 4.通过构筑类贻贝仿生多功能涂层,同时赋予PLA无纺布阻燃性能、光热转换以及紫外屏蔽能力。通过TA和3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）的自驱动聚合,并利用TA、植酸（PA）与Fe3+的螯合作用,成功构建了一种仿生多功能涂层（TANPs@Fe@PA）。该涂层有效提升了PLA无纺布的阻燃性能,PLA/TANPs@Fe@PA2的LOI值达到33.2%;涂层处理后的PLA无纺布展现出优异的光热转换能力,能够在寒冷气候下通过光照提供热舒适。在氙灯照射(100 m W·cm-2)下,PLA/TANPs@Fe@PA2可以在100 s内升温至60.0℃。此外,TANPs@Fe@PA涂层还赋予PLA无纺布出色的紫外屏蔽能力,使其紫外光波段透过率从100%降低至20%左右,同时保持良好的透气性。 5.利用生物基原料构筑阻燃涂层,实现PLA无纺布的阻燃、光热转换、抗冰及紫外屏蔽多功能化。从墨鱼汁中提取真黑素（ELN）纳米粒子,并利用PA和ELN纳米粒子在PLA无纺布表面构建生物基涂层,随后采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行封装,成功制备出多功能无纺布（PLA/PA/ELN/PDMS）。PLA/PA/ELN/PDMS的阻燃性能显著提升,其LOI提高至29.4%,实现离火自熄,并且无熔滴现象,p HRR降至129.4 k W·m-2,较对照PLA无纺布降低了35.0%。PLA/PA/ELN/PDMS展现出优异的光热转换能力,在100 m W·cm-2氙灯照射下,其表面温度升至66.1℃。涂层处理后PLA无纺布的疏水性增强,水接触角提升至143.5°;抗冰性能优异,在-20℃环境中放置12 h后,样品表面未形成冰霜,且温度仍保持在20.7℃;此外紫外屏蔽能力卓越,紫外线透过率降低至10%以下。

关键词： 镁基复合材料   SiC   Orowan强化   热错配强化   熔体浸渗法  

摘要： 镁基复合材料具有优异的综合性能，如低密度、高比强度和高比模量，被广泛应用于各个行业并对其开展了深度的研究。本文主要综述了增强体SiC对镁基复合材料的强化机制及研究进展，发现SiC能有效地平衡传统镁基复合材料中强度与塑性之间的矛盾关系，对镁基复合材料起到良好的增强效果。通过综述分析，SiC对镁基复合材料的强化方式主要有Orowan强化、细晶强化、热错配强化和载荷转移强化等；同时增强体颗粒的大小及分布情况对镁合金的强化起决定性作用并决定了强化方式，如颗粒增强体的添加量为1%时，对于多数镁合金来说效果最优；如微米和纳米尺度的SiC更能有效增强镁基复合材料的力学性能。而要获得优异的SiC镁基复合材料，当前最好的方法有熔体浸渗法、粉末冶金法、搅拌法以及高能超声处理法。纳米SiC增强体在镁基复合材料中的应用属于一项前沿的研究课题，通过精心的设计和制备，有望提高镁基复合材料的力学性能、耐磨性能和耐腐蚀性能，从而在航空航天、汽车和电子等领域具有广阔的应用前景。

关键词： 热塑性复合材料   熔体浸渍   空隙含量   树脂浸渍   模具温度   纤维速度   非牛顿行为   数学建模  

摘要： 热塑性复合材料因其优越的机械性能、热稳定性和可回收性,越来越多地应用于航空航天和汽车等行业。这些材料相比热固性复合材料提供了更轻便、环保的替代方案,且具有更易回收和再利用的优势。然而,生产高性能热塑性复合材料仍面临挑战。实现最佳的树脂浸渍和纤维-基体结合对于确保复合材料的强度、耐久性和性能至关重。这些参数受到模具温度和纤维牵引速度等关键加工因素的显著影响。浸渍过程涉及树脂渗透到纤维束中,这一过程由熔融树脂的流动过程决定。温度等参数会影响树脂的粘度,而纤维牵引速度则决定树脂与纤维之间的接触时间。过高的纤维牵引速度可能导致浸渍不完全和空隙含量增加,从而影响复合材料的质量;另一方面,温度不足可能导致树脂粘度过高,从而降低树脂的流动性和渗透性。像达西定律这样的模型在捕捉热塑性熔体的非牛顿行为(包括剪切稀化和粘弹性)方面有限。为了解决这些局限,本研究结合了先进的数学建模和实验验证,重点研究了玄武岩纤维-聚丙烯(BFPP)、玻璃纤维-聚丙烯(GFPP)和碳纤维-聚酰胺66(CFPA66)复合材料。 第一项研究集中于玄武岩纤维聚丙烯(BFPP)复合材料,结合数学模型预测树脂浸渍质量和纤维断裂概率。该模型结合了达西定律用于计算树脂浸渍纤维束的深度,雷诺方程用于计算单根纤维的压力分布,韦布尔分布(WD)用于断裂概率估算,粘结区模型(CZM)用于界面结合,格里菲斯准则用于裂纹扩展。实验中,使用双螺杆挤出机制备了BFPP复合材料样品,模具温度分别为240℃、250℃和260℃,纤维牵引速度分别为0.5、0.8、1.0和1.5 m/mi。扫描电子显微镜(SEM)和热重分析(TGA)验证了这些结果。结果显示,最佳浸渍和最小的纤维断裂发生在260℃和0.5 m/min时。数学模型与实验结果一致,为优化BFPP加工条件提供了坚实的框架。 第二项研究建立了一个数学模型,分析温度和压力对玻璃纤维增强聚丙烯(GFPP)复合材料中树脂粘度、纤维张力和浸渍质量的影响。该模型结合了基于阿伦尼乌斯方程的粘度公式、雷诺方程、达西定律和Oldroyd-B粘弹性模型,以预测熔融浸渍过程中树脂流动、压力分布和纤维张力的变化。在实验过程中,研究人员采用双螺杆熔融浸渍工艺制备GFPP复合材料,模具温度范围为220℃至250℃,纤维运行速度为0.7 m/min。扫描电子显微镜、热重分析和差示扫描量热法分析表明,较高温度(250℃)可显著降低树脂粘度,从而增强树脂渗透性,提高纤维润湿效果和纤维-基体结合强度。研究结果显示,温度升高会降低树脂粘度,使压力分布更均匀,同时减少纤维张力,从而优化浸渍质量。MATLAB仿真验证了该模型,理论预测值与实验数据的误差范围在2.5%–5.0%之间。最优加工温度(250℃)可显著提升GFPP复合材料的力学性能、热稳定性和结晶度,使其更适用于汽车和航空航天领域。 第三项研究调查了速度(0.5、0.8、1和1.5 m/min)对熔体浸渍楔形区域压力分布的影响,温度保持在250℃,使用玻璃纤维聚丙烯复合材料(GFPP)。为了验证实验结果,开发了一个非线性达西定律流动数学模型,通过该模型计算不同纤维牵引速度下楔形区域的压力,使用MATLAB进行模拟。根据MATLAB模拟和扫描电子显微镜(SEM)分析,与较低的纤维牵引速度相比,较高的速度,会使得浸渍质量更好,空隙含量最小,并且楔形区域的压力较低,因为低牵引速度使得树脂有更多时间渗透到纤维中。这种基于模型的方法为优化熔体浸渍参数提供了参考,并支持高质量热塑性复合材料的生产。 最后一项研究解决了达西定律在描述热塑性熔体的非牛顿行为(包括剪切稀化和粘弹性)方面的局限性,这限制了其优化浸渍过程的能力。本研究开发了一个综合的多物理场模型,将达西定律与Carreau-Yasuda粘度模型结合,用于预测树脂流动动力学、压力梯度和浸渍效率。使用碳纤维增强聚酰胺66(PA66)来验证该模型的实验结果,验证过程中温度变化为320℃和330℃,纤维速度为1.5 m/min和2 m/min。结果表明,最佳浸渍发生在330℃和1.5 m/min时,降低的粘度促进了树脂流动,最小化了空隙含量,并改善了碳纤维-聚酰胺66(CFPA66)的结合。实验结果与数学模型预测相符。