《材料工程》2021年第4期目录
综述
SPRING
基于超材料的无标记光学生物传感（点击“题目”可链接全文）
陶承东, 刘传宝, 李扬, 乔利杰, 周济, 白洋
2021, 49 (4): 1-12.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000990
摘要 超材料（metamaterials）因为能够在亚波长尺度范围内精细调控电磁波而受到人们广泛关注。超材料具有丰富的电磁模态，在表面支持高度局域场增强且对周围介电环境极其敏感，可应用于无标记光学生物传感领域。与传统光学生物传感器相比，超材料生物传感器具有小型化、集成化、高度灵敏、多功能可定制等突出优点。本文总结了近年来超材料生物传感器在可见光、近红外、中红外以及太赫兹波段的研究进展，包括折射率生物传感、表面增强拉曼散射、表面增强红外吸收和太赫兹生物传感等。
关键词 ： 超材料, 生物传感, 表面增强拉曼散射, 表面增强红外吸收, 太赫兹光谱
程玉桥, 路双, 冯喆, 赵文辉, 张治婷, 赵越
2021, 49 (4): 13-22.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000125
摘要 基于硅氧键特点以及不同条件的化学反应是构建结构迥异、性能独特的新型有机/无机硅氧功能材料的重要方法，近年来，引起了学术界的普遍关注。新型硅氧功能材料兼具有机/无机化合物性质，以其良好的生物相容性、耐高低温性以及电绝缘性能被广泛应用于众多领域。本文综述了硅氧烷化合物设计、合成与应用的研究领域及发展现状，重点介绍线性结构（一维结构）、非线性结构（二维结构）、多面体低聚倍半硅氧烷化合物（三维结构）以及有机/无机杂化硅氧烷化合物的设计及合成方法，并通过研究可拉伸聚硅氧烷弹性体、硅氧烷化合物涂层、新型驱油用硅氧功能材料等多种方式以增进硅氧烷化合物在生物医学、航空航天、功能材料及三次采油方面的应用进展。
关键词 ： 线性结构, 非线性结构, 多面体低聚倍半硅氧烷, 有机/无机杂化硅氧烷化合物, 合成方法
葛玉杰, 吴姣, 何志强, 王国华, 刘金香
2021, 49 (4): 23-33.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000285
摘要 石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种可见光响应型半导体材料，具有稳定性高、廉价、结构与性能可调控性高等优点。随着绿色环保、无二次污染的光催化技术的不断发展，g-C3N4光催化剂逐渐成为环境与能源科学领域的研究热点。而单一的g-C3N4存在光激发电子-空穴复合过快、可见光的利用率低等缺陷导致其光催化效率较低。在众多的改性方法中，异质耦合被认为是提高g-C3N4光催化性能的有效方法。近年来，研究者通过将不同的无机半导体、贵金属、碳材料等与g-C3N4进行异质耦合，提高了光电子在光催化体系中的转移效率，拓宽了g-C3N4基光催化剂对可见光的吸收范围，并且增强了g-C3N4催化剂稳定性与结构的可调控。本文总结了异质耦合光催化剂的催化机理，综述了以g-C3N4为基础的异质耦合光催化体系的构建，探讨了g-C3N4基异质结在处理环境污染物中的研究进展。最后，对如何设计性能优异的g-C3N4基光催化剂及在光催化降解染料、有机污染物以及有毒重金属等研究方向的发展提出展望。
关键词 ： 石墨相氮化碳, 异质耦合, 光催化, 环境污染物
王海博, 李春燕, 李金玲, 王顺平, 寇生中
2021, 49 (4): 34-51.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000953
摘要 非晶合金粉末是指快冷雾化合金液滴所制得的合金粉末，其中Fe基非晶合金粉末因具有生产成本低廉和应用前景广阔等优势，一直备受青睐。同时，Fe基非晶合金粉末的应用也为块体Fe基非晶合金应用难的问题提供了一条崭新的途径。本文综述了Fe基非晶合金粉末的研究进展，对其在涂层制备、磁性材料、激光3D打印、废水处理4个方面的研究现状进行了归纳分类与总结，并分析了Fe基非晶合金粉末在各领域的应用优势。最后指出Fe基非晶合金粉末在制备高质量涂层、老化磁性粉末再利用及增材制造领域的研究方向，并展望了作为传感、控制等功能性器件的应用前景。此外，在薄膜等小尺寸、低维材料及柔性电子领域也展现出巨大的应用潜力。
关键词 ：Fe基非晶合金粉末, 涂层制备, 磁性材料, 激光3D打印, 废水处理
杨鑫, 王犇, 谷文萍, 张兆洋, 刘世锋, 武涛
2021, 49 (4): 52-62.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000235
摘要 数值模拟可以高效、有针对性地对金属激光选区熔化成型过程中的温度场、熔池形状、残余应力和变形、凝固过程微观组织演变等过程建立相应的模型并对成形件的相关性能做出准确预测，为工艺优化提供科学的依据，显著降低工艺开发成本和缩短工艺开发周期，有力推动金属增材制造向工业级应用的转变。本文综述了金属激光增材制造过程中温度场、熔池动力学、成形件内部残余应力和变形、显微组织变化4个方面数值模拟的最新研究进展，概述了金属SLM过程数值模拟所取得的最新进展，分析了金属SLM数值模拟领域的研究热点和所存在的计算时间长、成本高等问题，最后提出金属SLM过程数值模拟应将3D打印过程中快速凝固、微熔池等特征与大数据、人工智能、深度学习等技术相结合，进一步提高数值模拟精度，拓宽金属激光增材制造加工窗口，为个性化产品开发提供指导。
关键词 ： 金属激光选区熔化, 数值模拟, 温度场, 熔池动力学, 残余应力及变形
研究论文
SPRING
岳晓岱, 李嘉荣, 刘世忠, 史振学, 王效光, 董建民
2021, 49 (4): 63-70.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000365
摘要 为研究高代单晶高温合金组织稳定性影响机制，制备含6%（质量分数，下同） Ru和4.5% Ru的两种单晶高温合金D1和D2，经完全热处理后在980℃下长期时效1000 h。观察不同尺度上的显微组织及合金元素分布，并结合热力学计算进行分析。结果表明：两种合金经完全热处理后仍有较高含量的高熔点合金元素偏析于枝晶干中，使枝晶干区域长期时效后均有较多TCP相析出；两种合金中，Ru和Re均为TCP相主要形成元素，Ru含量较高的D1合金中TCP相析出量多于Ru含量较低的D2合金；Ru和Re含量增加会使合金平均d轨道电子能级增大，增加合金TCP相析出倾向，但由于Ru可以降低Re在γ相中偏析程度，因此Ru含量增加又可以减少Re对合金组织稳定性的不良影响；在本研究中，Ru对TCP相析出的促进更为显著，因此，在980 ℃下长期时效1000 h后D1合金较D2合金析出更多TCP相。
关键词 ： 单晶高温合金, 钌, 铼, TCP相, 协同作用
臧金鑫, 邢清源, 陈军洲, 戴圣龙
2021, 49 (4): 71-77.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000241
摘要 采用硬度、电导率、室温拉伸测试方法，研究110~140 ℃范围内时效不同时间后新型铝合金性能的变化。利用透射显微镜（TEM）观察合金的组织形貌特征。结果表明：该新型铝合金最佳的时效工艺为110 ℃保温24 h，此条件下合金的抗拉强度，屈服强度和伸长率分别为808，785 MPa与6.9%。时效温度是影响合金析出相种类、密度和尺寸的主要因素。在110 ℃时效时，合金主要的析出相是GPⅠ区、GPⅡ区和亚稳η'相。110 ℃时长时间（直至96 h）时效后，GPⅠ区和GPⅡ区仍能稳定存在。与110 ℃时效相比，在140 ℃时效时，析出过程加速。当140 ℃时效4 h后，未观察到GP区的存在，主要的析出相为η'相；140 ℃时效24 h后，主要的析出相为η'相和η相。
关键词 ： 第五代铝合金, 超高强度铝合金, 800 MPa, 时效处理, 微观组织
冯靖凯, 张丁非, 陈霞, 赵阳, 蒋斌, 潘复生
2021, 49 (4): 78-88.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000617
摘要 为了通过细化晶粒提高镁合金综合力学性能，基于"工艺耦合，缩短流程"的想法，提出固液两相区挤压剪切复合成形工艺。以AZ31镁合金为研究对象，结合Anycasting技术，对固液两相区成形过程的浇铸过程及凝固过程进行模拟研究；结合实际实验选取合适的挤压参数，从而有效细化AZ31的组织并提高综合性能。结果表明：AZ31在变形区中因枝晶破碎和压力对过冷度的影响等促进了形核，在有效细化晶粒的基础上保证了尺寸的均匀性；且液相的存在有助于协调挤压过程中的变形，减少滑移和孪生变形对织构的影响，显著降低挤压织构的强度，180°角的基面宏观织构极值强度仅为5.3。剪切角能进一步细化晶粒，并提高综合力学性能；当剪切角度为150°时，综合力学性能最优，屈服强度为222 MPa，抗拉强度为309 MPa，伸长率为8%。
关键词 ：AZ31镁合金, 半固态成形, Anycasting, 模拟, 细化晶粒
刘敬勇, 卢磊, 钟政烨
2021, 49 (4): 89-94.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000288
摘要 在室温下对铸态高纯粗晶铝进行一道次高应变率动态等径角挤压（D-ECAP）变形，利用电子背散射衍射技术（EBSD）研究挤压过程中所形成的孪晶。结果表明：利用D-ECAP能够在粗晶铝中同时制备出形变孪晶和退火孪晶，但两者在形态、Kernel平均取向差（KAM）以及与相邻晶粒的取向差三个方面存在较大差异。D-ECAP高应变率和大剪切变形使高层错能铝中形成了百微米级的形变孪晶，形变孪晶的形态为透镜状，后续变形使得孪晶界偏离∑3 60°〈111〉取向关系且KAM值主要集中于0.6°~1.8°。高应变率剪切变形下形成的大量层错和复杂的位错组态以及高形变储存能在变形温升的作用下促进了退火孪晶的形成。退火孪晶的形态较不规则，但孪晶界的取向关系更接近于∑3 60°〈111〉且KAM值主要集中于0.2°~0.5°。
关键词 ： 高纯粗晶铝, 高应变速率, 等径角挤压, 形变孪晶, 退火孪晶
王玮, 郭恩宇, 王同敏
2021, 49 (4): 95-101.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000263
摘要 利用原位快速同步辐射计算机断层扫描技术，研究纳米颗粒增强Al-10%（质量分数）Cu复合材料的半固态压缩过程，并利用三维图像定量化分析其半固态压缩变形过程中微观组织结构，特别是微孔的演变过程。结果表明：纳米颗粒增强铝基复合材料在半固态压缩过程中的微孔演变可分为3个主要阶段，即微孔闭合阶段，微孔潜伏阶段和微孔的迅速长大阶段。通过对不同变形阶段微孔分布的定量化数据分析和组织观察，进一步分析纳米陶瓷颗粒增强铝基复材的半固态压缩变形机制。借助同步辐射原位成像技术开展铝基复材受载下的四维（三维+时间）研究，可为探究铝基复合材料的半固态变形行为提供参考。
关键词 ： 半固态压缩, 同步辐射, 计算机断层扫描, 定量化分析
赵家祥, 李建, 梁志鸿, 邱博, 阚前华
2021, 49 (4): 102-110.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000672
摘要 基于超弹性NiTi合金薄板在不同温度下的拉伸实验结果，采用三段线性弹塑性本构模型，通过热物理常数等效法考虑相变潜热对温升的影响，利用有限元软件ABAQUS对相变图案演化进行模拟，揭示相变图案演化的率相关性机理。模拟结果表明：超弹性NiTi合金在拉伸过程中发生应力诱发马氏体相变，宏观表现为局部相变带的萌生、扩展与合并；由于相变潜热的释放，相变带的萌生伴随着局部温升，温升的峰值与加载应变率密切相关；局部相变带与加载方向成一定夹角，角度为50°~65°；随着加载速率增加，试样从等温向绝热状态转变，相变应力与局部温升随之增加，相变更容易在低温区域萌生，导致相变带数量不断增加；模拟的超弹性NiTi合金在不同应变率下的相变图案及温度场演化与实验结果吻合较好，为阐明该合金的相变局部化演变过程提供了参考。
关键词 ： 超弹性, 相变图案, 率相关, 温升, 有限元模拟
刘悦, 吴红艳, 杜林秀
2021, 49 (4): 111-119.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000856
摘要 为开发新一代铁路车辆用高强耐候钢，采用两阶段轧制制备V-N-Cr微合金化Q690耐候钢，并进行组织观察和力学性能检测。采用周期浸润腐蚀实验对V-N-Cr微合金化Q690耐候钢与Q345钢进行腐蚀行为研究。结果表明：V-N-Cr微合金化Q690耐候钢的显微组织为多边形铁素体、针状铁素体、板条贝氏体以及少量的M/A岛，屈服强度及抗拉强度分别为695 MPa和815 MPa，冲击性能优异，通过大小角度晶界共同作用，有效阻碍裂纹扩展。两种钢的表面均生成了明显的锈层，腐蚀产物主要包含α-FeOOH，β-FeOOH，γ-FeOOH和Fe3O4。腐蚀360 h后Q345钢的平均腐蚀失重速率为1.83 g/（h·cm2），V-N-Cr耐候钢的腐蚀失重速率为0.96 g/（h·cm2），显著低于Q345钢。
关键词 ： 高强度, 耐候钢, 腐蚀行为, 锈层, 干/湿循环交替腐蚀实验
何沐, 王宇, 徐樑华
2021, 49 (4): 120-127.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000632
摘要 聚丙烯腈（PAN）预氧纤维在低温炭化阶段经热裂解重组而转化为具有乱层石墨结构雏形的低温炭化纤维，此阶段的温度调控对最终碳纤维的结构与性能有着重要影响。采用13C固体核磁共振谱图（13C-NMR）、拉曼光谱（Raman）、X射线衍射（XRD）和力学性能分析等手段，研究预氧纤维在低温炭化阶段的反应进程、温度梯度调控对预氧纤维的结构演变和碳纤维结构及性能的影响。结果表明：PAN预氧纤维在低温炭化过程中，经450 ℃热处理后碳结构的支链化程度达到最大值0.99，当处理温度达到550 ℃后，以芳环链段的重组交联为主要反应。低温炭化温度梯度影响预氧纤维的结构演变进程，当采用350—450—650 ℃的梯度升温模式时，先经450 ℃处理的低碳纤维中—C=C基团的13C-NMR位移最大，表明纤维内的支化交联反应最多，再经650 ℃处理的纤维d002以及相应高碳纤维的IA/IG达到最大，说明其无定形碳相对含量最多，因而最终碳纤维的力学性能最差；当采用350—550—650 ℃的梯度升温模式时，纤维内裂解与重组交联反应有序开展，低碳和高碳纤维的碳结构更优，最终碳纤维的致密性及力学性能得到提升。
关键词 ：PAN预氧纤维, 低温炭化, 温度梯度, 无定形碳, 结构演变
刘旭, 徐海, 徐立新, 张宏, 周琼
2021, 49 (4): 128-134.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000274
摘要 通过硝酸酸化处理及尼龙溶液浸渍上浆处理对碳纤维（CF）进行表面改性，制备高强度、高模量，同时具有低熔指和优异加工性能的CF增强尼龙6（PA6）复合材料。采用扫描电镜（SEM）、差示扫描量热仪（DSC）和熔融指数仪等方法，对复合材料的微观结构、力学性能和结晶行为进行测试和表征。结果表明，经过PA6溶液浸渍上浆处理后的CF表面形成了一层PA6薄膜覆盖层，大大增强了CF与PA6基体的结合力，改善了CF的分散性，提升了复合材料整体的强度与模量，改性CF加入量为8%（质量分数）时复合材料拉伸强度提升80.8%，弹性模量提升513.9%。进一步对复合材料结晶行为的分析表明，改性CF的加入能够促进PA6由γ晶型向更稳定的α晶型转变，提高其结晶温度及结晶速率，使复合材料的结晶更加均匀、完善，从而提高体系黏度，降低复合材料熔融指数，显著提升了复合材料的加工性能。
关键词 ： 尼龙6, 碳纤维, 挤出加工, 结晶行为
范泽文, 赵新宇, 邱帅, 王艳, 郭静, 权慧欣
2021, 49 (4): 135-149.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000217
摘要 聚乳酸（PLA）是一种应用广泛的生物高分子材料，但在应用过程中存在韧性、亲水性、生物活性差等缺点。用聚乙二醇（PEG）和羟基磷灰石（HA）对PLA进行改性。通过熔融共混制备不同质量比的PLA/PEG/HA复合3D打印线材，并通过分析PLA/PEG/HA线材的力学性能、结晶性能、热性能、流变性能等，筛选更适合熔融沉积成型（FDM）的3D打印成型线材，进而利用3D打印制备精度高的力学性能试样及生物相容性好、细胞可增殖和分化的生物多孔支架。结果表明：PEG的添加提高了PLA的韧性，降低了PLA的熔点。HA的添加则提高PLA/PEG/HA复合材料的弹性模量和冷结晶温度，同时HA也可以改善复合材料的加工性能。SEM与荧光标记结果表明多孔支架与细胞具有良好的生物相容性。生物支架对体外细胞的成功培养，为进一步发掘生物多孔支架在动物体内、生物医学及定制化应用方面提供了潜在可能。
关键词 ： 聚乳酸, 3D打印, 多孔支架, 生物相容性
郭小炜, 李玉妍, 王秀丽, 杨忠鑫, 陈南春, 解庆林
2021, 49 (4): 142-149.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000217
摘要 二甲酸钾（KDF）为抗生素的新型替代品，但在牲畜饲养中还未大量普及。采用水热法自制P型分子筛（Zeolite P），负载KDF分散在羧甲基纤维素（CMC）溶液中，与FeCl3交联，利用凝聚法制备壳聚糖-羧甲基纤维素-P型分子筛-二甲酸钾pH敏感水凝胶抗菌微球。通过FT-IR，TGA和SEM分析可知，壳聚糖（CS）和CMC通过离子键形成结构稳定的聚电解质复合物，Zeolite P镶嵌缠绕在CMC基质中。溶胀差异性表明水凝胶微球具有高pH敏感性，可以适用不同pH条件下的持续给药。缓释动力学研究表明：抗菌微球对KDF具有一定的缓释作用，且遵循一级动力学释放模型和Higuchi模型。体外抗菌实验发现，抗菌液浓度为24 mg/mL和48 mg/mL时对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有显著的抗菌性，可以有效地抑制细菌的生长。
关键词 ： 水凝胶, P型分子筛, pH敏感, 缓释, 抗菌
向小倩, 廖小刚, 李纲, 胡学步, 田甜
2021, 49 (4): 150-158.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000551
摘要 分别采用溶剂热法和草酸盐法制得具有分级微/纳结构但形貌迥异的两种ZnO材料，以亚甲基蓝溶液（MB）作为目标降解物对其光催化性能进行评价。结果表明：溶剂热法所制得的ZnO呈花状微球形貌，由纳米片自组装而成；草酸盐法所制得的ZnO为微米棒状形貌，以纳米颗粒为基本单元发展而来。草酸盐法ZnO材料具有更为优异的光催化性能，其对亚甲基蓝溶液的降解反应速率常数是溶剂热法ZnO材料的7.65倍。活性自由基物种鉴定结果证实，两种ZnO材料在受到紫外光激发时均能产生·OH和·O2-活性自由基。两种ZnO样品光催化性能的差别源于能带结构不同所引起的活性自由基生成数量上的差异。较之溶剂热法ZnO，草酸盐法ZnO在受紫外光激发时产生的·OH和·O2-数量更多，且以强氧化能力的·OH为主，因而表现出更为优异的光催化性能。
关键词 ：ZnO, 溶剂热法, 草酸盐法, 光催化, 氧空位
刘伟明, 李久勇, 张晓锋, 马一博, 韦友秀, 张旋, 颜悦
2021, 49 (4): 159-166.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000126
摘要 对于全固态锂离子电池，固态电解质是制约电池性能的最重要因素之一。以四氢呋喃为反应溶剂，以P2S5，Li2S和LiI为反应原材料，采用湿化学法及后续真空热反应方法成功制备出Li7P2S8I固态电解质。通过同步热分析仪、粉末X射线衍射、拉曼光谱、扫描电子显微镜和能谱仪对所制备电解质样品的形貌、元素分布和物相组成进行表征分析。利用交流阻抗测试、循环伏安法和直流极化等手段研究了Li7P2S8I固态电解质的电化学性能。不同温度对比分析结果表明Li7P2S8I固态电解质的最佳热处理温度为230 ℃，在此条件下的制备产物具有纳米多孔结构且组成元素分布均匀。电化学测试表明该电解质在25 ℃下的离子电导率为1.63×10-4 S·cm-1，活化能为0.388 eV，电化学窗口达到5 V，锂离子迁移数高于0.999。该电解质与锂金属组装的对称电池可充放电稳定循环>262次（525 h），表明以此方法制备的Li7P2S8I固态电解质与金属锂负极具有优异的电化学稳定性和化学相容性。
林珊, 袁红梅, 汪东, 陈淑卿, 章文贡, 陈礼辉
2021, 49 (4): 167-172.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000902
摘要 采用高温固相法制备钇钡铜氧（YBCO），研磨后超声分散在无水乙醇中得纳米YBCO/乙醇溶胶，再分别掺入苯胺和邻苯二胺，浓缩后真空干燥得有机物/YBCO杂化材料。采用傅里叶红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和振动样品磁强计（VSM）研究了有机物对YBCO化学组成、物相、元素价态和磁性性能的影响。结果表明，掺入0.05%~5%（质量分数，下同）范围内的苯胺、邻苯二胺不影响YBCO的红外吸收，但显著提高了其XRD衍射峰的强度。两种杂化材料中N-Y之间的相互作用比N-Ba或N-Cu强烈，N元素含量对杂化材料中YBCO的超导转变温度Tc和磁化强度M有显著影响，N元素含量超过1%，Tc明显降低，Mmin则相应提高。
关键词 ： 苯胺, 邻苯二胺, YBCO, 杂化