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2025年 第31卷 第5期    刊出日期：2025-10-31

上一期   

材料科学

核辐射屏蔽材料研究进展:从传统单一功能到结构功能一体化设计

潘杰, 刘澳, 王梓榭, 孙泽渊, 李钧, 肖学山

2025, 31(5):  757-773.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2694

摘要 ( 14 )   PDF (671KB) ( 6 )  

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核能在高速发展的过程中会产生辐射危害,为了保护相关人员的身体健康以及周围环境的安全,必须装备核屏蔽材料.随着辐射防护需求的不断提升,传统单一屏蔽功能材料已无法满足使用需求.开发结构功能一体化且能够应对多种复杂场景的新型核屏蔽材料,并且实现核屏蔽材料的国产化至关重要.简述了新型核屏蔽材料的应用范围及设计要求,概述了目前常见的核屏蔽材料,总结了本课题组近年来开发的多种新型金属基核屏蔽材料.除了作为结构材料外,本课题组开发的核屏蔽材料所具有的中子慢化吸收一体化特性也将成为进一步开发研究的重点.

一种不含Nb的Zr-Sn系新型锆合金

徐诗彤, 姚美意, 周邦新

2025, 31(5):  774-788.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2708

摘要 ( 15 )   PDF (873KB) ( 4 )  

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在某些不配备加氢除氧的小型压水堆和单机功率更大的大型压水堆中可能存在燃料包壳处于富氧水质中的问题.目前大型核电站的核燃料包壳材料有ZIRLO、E110、E635、M5、N36等多种锆合金,均属于高Nb锆合金.高Nb锆合金的耐腐蚀性对水质中的溶解氧浓度非常敏感,在富氧水质中耐腐蚀性明显恶化,因此需要研发一种耐腐蚀性好、对水质中溶解氧浓度不敏感的新型锆合金包壳材料.概述了本团队研发的一种不含Nb的Zr-Sn系新型包壳材料JAZ锆合金.堆外高压釜腐蚀试验结果表明,JAZ锆合金在多种水化学环境中均表现出优异的耐腐蚀性,不仅优于Zr-Sn系的Zr-4合金,还优于商用的Zr-Nb和Zr-Sn-Nb系合金,并对水质中的溶解氧浓度不敏感.从锆合金中第二相的氧化行为、氧化膜显微组织的演化行为和氧化膜中应力的演变行为等方面揭示了腐蚀水质中溶解氧浓度对锆合金腐蚀行为的影响机制.

中间相沥青基碳纤维对碳/碳-铜复合材料的性能影响

姚敏, 李红, 阮家苗, 杨敏, 任慕苏, 孙晋良

2025, 31(5):  789-796.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2710

摘要 ( 16 )   PDF (379KB) ( 8 )  

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为探究引入中间相沥青基碳纤维(mesophase pitch basedcarbon fiber,MPCF)对碳/碳-铜(carbon/carbon-copper,C/C-Cu)复合材料的性能影响,以MPCF和聚丙烯腈基碳纤维(polyacrylonitrilebased carbon fiber,PANCF)为原料制备两种针刺预制体,采用化学气相渗透法(chemical vapor infiltration,CVI)、真空压力浸渍法制备两种C/C-Cu复合材料.对材料微观形貌、热物理性能和力学性能表征,结果表明:与PANCF针刺预制体相比,在预制体中加入MPCF提升了C/C-Cu复合材料$XY$向导热系数,降低了线膨胀系数;C/C-Cu复合材料弯曲强度、弯曲模量和$Z$向压缩强度分别增高20.4%、32.3%、27.7%.

高比能硅基负极结构调控及界面设计

施利毅, 许跃峰

2025, 31(5):  797-812.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2707

摘要 ( 11 )   PDF (646KB) ( 2 )  

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硅基负材料作为极具潜力的下一代负极候选材料,其理论比容量高达4 200 mAh$\cdot$g$^{-1}$,远超当前商用石墨负极材料(比容量仅为372 mAh$\cdot$g$^{-1}$).然而,硅基负极本征导电性差、巨大的体积膨胀效应以及表面副反应严重等问题,导致硅基负极循环稳定性差,且在高倍率等条件下性能不佳.在电池循环过程中,硅界面不稳定固体电解质界面(solid electrolyte interphase,SEI)膜的形成会严重导致电池内部极化增强、容量快速衰减以及循环寿命显著缩短,成为制约其应用的关键瓶颈.本文围绕硅材料现存问题,从结构调控与界面设计两方面介绍高比能硅基负极材料的构建,总结阐述了高比能硅基负极的设计思路与构建方法.通过深入研究硅负极材料和结构的设计原理,开发新材料、新技术和新工艺,解决上述问题,推动硅基负极向高倍率、长寿命、高安全性、宽温域的方向发展.

含磷聚间苯二甲酰间苯二胺的合成及性能

甄笑, 李娜, 于俊荣, 胡祖明, 王彦

2025, 31(5):  813-826.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2670

摘要 ( 11 )   PDF (552KB) ( 2 )  

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采用“一步法”合成了一种反应型含磷阻燃单体,通过低温溶液聚合将该单体引入聚间苯二甲酰间苯二胺分子结构中,获得了含磷聚间苯二甲酰间苯二胺,并就力学性能、热稳定性、阻燃性能展开了研究.结果表明,当含磷阻燃单体在二胺中的添加量达到5%(摩尔分数)时,含磷聚间苯二甲酰间苯二胺的拉伸强度为94.9 MPa,拉伸模量达到1 619.8 MPa,玻璃化转变温度达到270.4℃,热重测试残炭率提高至69.3%,极限氧指数达到42.8%;相较于聚间苯二甲酰间苯二胺,热释放能力下降41.1%,热释放速率峰值下降67.9%,热释放总量下降67.6%.因此,合成了一种高效率反应型含磷阻燃单体,并制备出了高阻燃性、高强度含磷聚间苯二甲酰间苯二胺.

碳纳米管改性酚醛树脂复合碳源对碳陶瓷电性能的增强

胡泰山, 胡上茂, 刘刚, 梅琪, 任鑫, 姚政

2025, 31(5):  827-835.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2704

摘要 ( 12 )   PDF (440KB) ( 2 )  

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研究采用碳纳米管改性酚醛树脂作为有机碳源增强碳陶瓷电性能的作用.通过扫描电镜表征碳陶瓷电阻的微观形貌,利用能谱分析仪表征碳元素在陶瓷中的分布状态,采用温度电阻系数仪评估其热稳定性,并用脉冲电压发生器测试电阻电压系数和能量耐受性.结果表明,引入碳纳米管改性酚醛树脂优化了复合材料的微观结构和性能,改善了其机械强度和热稳定性.制得复合材料的杨氏模量从214 GPa升至281 GPa,电阻温度系数从$-2 252$$\times$10$^{-6}$/℃降至$-$873$\times$10$^{-6}$/℃,电阻电压系数从$-1.06$降至$-0.32$%/(kV$\cdot$cm$^{-1}$),能量耐受性从200 J$\cdot$cm$^{-3}$升至450 J$\cdot$cm$^{-3}$.

共价有机骨架/石墨炔复合材料电化学性能的分子动力学模拟

徐毅, 徐莎贝, 王金龙, 严太翔, 周子恒, 袁彬

2025, 31(5):  836-847.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2705

摘要 ( 8 )   PDF (488KB) ( 2 )  

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针对共价有机骨架(covalent organic framework,COF)/石墨炔(graphyne,GY)复合材料(COF@GY)的电化学性能开展了分子动力学(moleculardynamics,MD)模拟研究.通过电子性质分析确定了COF@GY属于优良的半导体,且锂离子(Li$^{+}$)更倾向于被COF所吸附.在此基础上,明确了Li$^{+}$的吸附位点与吸附顺序,获得了Li$^{+}$吸附数量对其吸附能的影响规律,并观察到了COF@GY在储锂过程中的表观形貌变化,获得了其中的COF-GY间距.当Li$^{+}$吸附达到饱和状态时COF@GY的体积仅增大了29.06%,且平均电压降至1.02 V,表明COF@GY适用于锂离子电池的负极材料;在同等条件下,COF与GY之间的离子电导率最大.研究结果表明,此类物质具有良好的电化学性能.

基于相场-流场耦合模型的Phase Lab:多相生长与形核的微观结构演化模拟

胡祖徽, 况望望, 杨梦圆, 郭盼, 张辉, 王音, 任伟

2025, 31(5):  848-859.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2690

摘要 ( 9 )   PDF (461KB) ( 1 )  

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在介观尺度上建立的材料微观组织演化模拟技术,对于揭示材料组织与性能之间的关系意义重大,如今已成为材料加工以及性能研究领域的热门方向.在金属材料经历铸造、增材制造和焊接等工艺过程时,对流会对枝晶、共晶等组织的转变过程产生直接影响.因此,在对凝固组织进行模拟时,考虑对流作用下的多相形核与生长情况至关重要.基于Phase Lab软件的凝固相场模拟功能进行拓展,构建了多序参量相场方程,并引入纳维-斯托克斯(Navier-Stokes,N-S)方程来描述流场的演化,同时将流场与相场控制方程耦合,进而实现了对对流作用下凝固组织演化过程的模拟功能.更进一步,借助随机形核理论对凝固过程中多相、多位点的自发形核过程进行描述,从而成功实现对复杂凝固过程的模拟.该模型已成功应用于合金在过冷条件下的均质形核,随后的核枝晶生长过程、两固相竞争协作生长所形成的片层状共晶组织,以及流动中固体相对运动等典型现象的模拟.

新型循环浸泡法对饱水木材的保护

徐庆蒙, 朱金萌, 董文强, 罗宏杰

2025, 31(5):  860-871.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2703

摘要 ( 8 )   PDF (399KB) ( 3 )  

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开发了一种新型循环浸泡法(cyclic immersion method,CIM)以提高保护材料在饱水木材中的渗透效率,该方法通过对木材进行安全部分失水后,将其浸入保护材料中,并重复这一过程以增强材料渗透效果.实验选用3种常用保护材料:聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)、天然生物基材料颗粒状纤维素纳米晶(cellulose nanocrystal,CNC)和水溶性壳寡糖(chitooligosaccharide,COS).通过比较保护前后木材样品的外观形貌、增重率、体积收缩率、色差表征,并结合X 射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)和热重分析(derivative thermogravimetry,DTG)等手段,对CIM的有效性进行评估.结果表明,CIM 能显著提升保护材料在饱水木材中的渗透效果,其中PEG 尤为突出,增重率达102%,是传统浸泡法的2 倍以上,且木材收缩率极小,色差在可接受范围内.CIM 可提升保护材料在饱水木材中的渗透量,促进保护材料与饱水木材之间的相互作用,为保护材料在饱水木材中的高效渗透提供了一种有效方法.

连续碳纤维复合材料曲面随形五轴3D打印工艺

张志铭, 李茂, 胡庆夕, 张海光

2025, 31(5):  872-884.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2701

摘要 ( 12 )   PDF (695KB) ( 1 )  

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为提升3D 打印零件的综合性能与成形质量,提出了一项连续碳纤维复合材料曲面随形五轴3D 打印工艺.通过自主设计搭建的五轴双喷头3D 打印平台和打印路径规划,以连续碳纤维为增强材料,聚乳酸(polylactic acid,PLA)为基质材料,聚乙烯醇(polyvinyl alcohol PVA)为支撑材料,打印了碳纤维夹层结构形式的典型样件和曲面样件.对打印出的典型样件和曲面样件进行了力学性能测试,并与无夹层结构形式的样件进行了对比.结果表明:采用该工艺所打印的典型样件和曲面样件的力学性能及表面质量均得到了增强.这证明通过五轴双喷头3D打印平台实现的连续碳纤维复合材料曲面随形五轴3D 打印工艺,能够有效提升3D 打印零件的综合性能与成形质量.

基于YBCO超导线圈的磁耦合谐振式无线电能传输系统空间方位

颜志超, 郭艳群, 王东旭, 周迪帆, 陈明月, 赵苏串, 蔡传兵

2025, 31(5):  885-894.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2509

摘要 ( 10 )   PDF (445KB) ( 1 )  

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针对无人机(unmanned aerial vehicles,UAVs)中继站无线充电和水下无人潜艇(underwater unmanned submarines,UUSs)海底基站无线充电时经常出现的电磁线圈空间方位偏离等问题,搭建了基于超导线圈和铜制线圈的磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically coupled resonant wireless power transmission,MCR-WPT)系统.首先,对超导线圈和铜制线圈的品质因子和电阻进行了测量.然后,研究分析了在侧向空间偏离叠加空间方位偏转时的高温超导(high-temperature superconducting,HTS) MCR-WPT系统和铜实验系统传输效率的变化规律.结果表明:在不同侧向空间偏离下的空间方位偏转对无线电能传输系统传输效率的影响不同;同时应用超导线圈对全空间错位区间下MCR-WPT系统传输效率的增长率为15.6{%}$\sim$35.5{%}.这些优势和规律有助于为UAVs 和UUSs 等设备提供高效率及强空间错位下无线充电的稳定性创造良好的应用前景.

环境适应性高比能锂/氟化碳电池用高供体数溶剂的电解液

朱德伦, 袁经超, 戴扬, 彭雨晴, 李文荣, 李爱军

2025, 31(5):  895-906.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2538

摘要 ( 10 )   PDF (480KB) ( 4 )  

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为解决锂/氟化碳(Li/CF$_{x}$)电池电压平台低和低温性能差等问题,提出一种含1,3-二甲基-2-咪唑啉酮(1,3-dimethyl-2-imidazolidinone,DMI)高供体数(donor number,DN)溶剂的电解液,用于环境适应性高比能Li/CF$_{x}$电池.结果表明:环境适应性电解液具有低粘度、高浸润性和高离子电导率等特点;DMI具有高DN、高亲核性和强Li$^{+}$溶剂化能力,可降低C-F 断裂能垒;使用环境适应性电解液的Li/CF$_{x}$电池,在$-30$、25 和45 ℃分别具有2.34、2.61 和2.75 V 放电电压平台,最高比能量达到1 632、1 938 和2 155 W$\cdot $h/kg.

硫代乙酰胺对镀金滤膜微观结构及催化性能的影响

夏民强, 李拓, 莫庆生, 王玉, 李运波

2025, 31(5):  907-914.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2709

摘要 ( 9 )   PDF (354KB) ( 3 )  

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通过硫代乙酰胺对纳米金溶胶前处理,简单、快捷制备镀金滤膜,并对硝基苯酚进行催化降解.结果表明,经过硫代乙酰胺处理的金纳米粒子形貌发生较大变化,稳定性提高,可用比表面积增加,有利于提高其催化降解的活性.不同质量浓度的硫代乙酰胺对金纳米粒子催化性能的影响不同,硫代乙酰胺质量浓度为30 μg/mL 时,催化效率最高,催化时间最短,仅为210 s.对镀金滤膜催化剂的循环使用寿命测试发现,添加30 μg/mL的硫代乙酰胺处理的金纳米粒子,经过7 个循环测试实验后仍能保持90%的催化活性.这为制备绿色环保、简单快捷的新型膜催化剂提供了可行性依据.