用粉煤灰合成不同组成的Sialon环境材料

以粉煤灰和炭黑为原料,采用碳热还原氮化法在1 350~1 550℃下保温6 h合成出不同组成的Sialon环境材料.研究了合成温度对材料相组成的影响,观察了其显微结构,并分析了粉煤灰的碳热还原氮化过程.研究结果表明：合成温度对材料的相组成影响显著;提高合成温度有利于莫来石的分解和Sialon的生成,通过控制加热温度可以合成不同组成的Sialon材料;1 350~1 400℃,1 450~1 500℃和1 550℃保温6 h可以分别合成（O′＋β）-Sialon/莫来石、（X＋β）-Sialon/刚玉和β-Sialon材料;在1 550℃下合成β-Sialon的平均粒径约为2~3μm.粉煤灰的碳热还原氮化过程包括O′-Sialon,X-Sialon和β-Sialon的氮化生成过程,以及O′-Sialon向X-Sialon和β-Sialon的转化与X-Sialon向β-Sialon的转化过程.

ISO14009:2020《环境管理体系在设计和开发中引入材料循环的指南》国际标准分析研究

ISO 14009:2020《环境管理体系在设计和开发中引入材料循环的指南》国际标准于2020年12月由ISO/TC 207/SC 1正式发布,该项国际标准为组织的材料循环战略提供指南,并将材料循环引入环境管理体系的设计和开发。本文重点介绍了ISO 14009:2020国际标准的总体框架,阐释了关键术语和定义,并对重点技术内容进行了研究分析,旨在使我国组织更好地理解ISO 14009:2020国际标准的核心思想与技术要旨,从而有助于相关组织依据ISO 14009:2020国际标准所提供的指南方法,在其环境管理体系的设计和开发活动中有效引入材料循环的理念和实践,从而在环境管理体系实施过程中更好地提高产品的材料效率和实现其他环境目标。

湿热环境下复合材料含孔层合板静力拉伸性能及工程估算模型

湿热环境下的复合材料结构件力学性能预测对其工程应用具有重要意义。文中针对复合材料层合板静力拉伸性能和强度预测问题,开展6种湿热环境下复合材料含孔层合板的静力拉伸试验,分析其结构失效响应及损伤表征。基于应力场强法建立湿热环境下复合材料含孔层合板工程估算模型,与有限元渐进损伤模型和试验结果进行对比,分析了湿热环境对含孔层合板力学性能和拉伸失效的影响。结果表明,工程估算模型预测结果与有限元及试验结果误差范围较小,可用于预测温度和吸湿率对含孔层合板拉伸失效强度的影响;相比于室温干态,75℃吸湿饱和态下试件拉伸失效强度下降了6.1%;25℃干态和75℃吸湿饱和态下含孔层合板0°铺层出现最为严重的纤维拉伸失效,90°铺层出现最为严重的基体拉伸失效,纤维拉伸失效和基体拉伸失效为层合板主要破坏模式;通过扫描电镜对75℃吸湿饱和态下层合板厚度方向微观形貌进行分析,发现试件0°方向纤维与树脂的脱粘程度加重且出现明显的裂痕,90°方向纤维分布较为齐整,但黏附的树脂较少。

典型压电材料在液氮低温环境下的压电性能

对压电材料进行阻抗测试可以获取压电振子等效电路的谐振频率和模型参数。对压电材料在室温及液氮低温下的性能进行测试。结果表明:不同压电材料在室温与液氮低温下的谐振频率、介电常数、机电耦合系数、介质损耗等参数存在较大的差异;在液氮低温环境下,压电材料的谐振电阻、谐振频率、介质损耗都存在不同程度的增大,介电常数、平面机电耦合系数均存在不同程度的减小,液氮低温环境会对BaTiO3及钛酸锶钡的介质损耗造成不可逆的影响。

复合材料复杂环境效应加速试验设计及评估方法

目的指导复合材料在复杂湿热环境下环境适应性摸底与评价试验的开展,分析评估复合材料在复杂综合应力下的激活能参数。方法分析装备全寿命周期复杂自然环境剖面及各环境因素影响效应,确定复合材料各工作阶段敏感应力类型及条件,基于应力加速模型及累积损伤等原理,制定复合材料复杂环境效应综合加速试验剖面。构建复合材料复杂环境条件下的动力学模型,并提出相应参数估计方法。开展复合材料加速试验,并基于实测数据开展复合材料性能退化建模与评估。结果分析了复合材料全寿命周期环境影响因素及环境效应,明确了各工作阶段敏感应力主要有温度、湿度、太阳辐照、温度交变、振动以及冲击等。依据实际环境数据,设计并开展了3组不同湿热条件(80℃/75%RH、80℃/85%RH、80℃/95%RH)的综合试验,收集得到复合材料拉伸强度、拉剪强度、径向弯曲强度以及纬向弯曲强度等4种性能指标的试验数据。试验数据表明,拉剪强度(最大相对退化速率为0.1773/循环)、径向弯曲强度(最大相对退化速率为0.1292/循环)以及纬向弯曲强度(最大相对退化速率为0.2610/循环)等性能参数可用于产品退化建模与评估。通过参数估计,进一步确定了退化速率与湿热应力的关系,并针对当前试验提供了改进依据。结论复杂环境效应综合加速试验对装备复合材料产品经历复杂环境条件的模拟效果和加速效果较好,试验可实施性较强。提出的改进广义Eyring模型可涵盖温度应力与湿热应力的加速效应,并综合考虑多种应力的相互作用,通过少量组合试验便可量化评估激活能等参数。所建模型指出当前基于激活能参考值(Ea=0.7eV)试验方案可由不同温度应力的综合试验数据进一步修正与优化,且所提试验与分析方法主要针对大部分树脂基复合材料产品,并可依据需要推广至电子产品、机电产品等试验对象。

湿热环境下端径比对复合材料螺栓连接结构静力拉伸失效的影响

为研究湿热环境下复合材料螺栓连接结构的静力拉伸性能,通过对七种不同端径比的T300碳纤维复合材料单钉单剪螺栓连接结构进行静力拉伸试验,得到不同端径比的连接结构在25℃干态(RTD)和70℃平衡吸湿(ETW)环境下极限失效载荷和破坏强度的变化规律,揭示了接头的破坏模式;建立复合材料单钉单剪螺栓连接有限元模型,对比不同端径比的连接结构试验的极限失效载荷,得到最优端径比为3;研究了湿热环境下最优端径比的连接结构不同铺层的损伤形式。结果表明,端径比从1增大到3时,RTD和ETW环境下连接结构的极限失效载荷分别增加了1.1倍和1倍,破坏强度均增加了1倍,当端径比从3增大到4时,RTD和ETW环境下极限失效载荷分别降低了6.56%和9.08%,破坏强度分别降低了6.83%和9.35%;在最优端径比下,与RTD环境下相比,ETW环境下连接结构的极限失效载荷和破坏强度分别下降了9.25%和9.52%,并且层合板孔周的压缩损伤更严重,存在更明显的纤维束拔起及纤维碎裂。

全球治理视角下印染行业中生态友好材料的环境影响与生命周期评估

随着全球环境问题的日益严峻,环保意识的增强和可持续发展的需求推动了全球范围内对环境治理的关注。印染行业作为资源消耗较大的行业之一,面临着越来越多的环境保护法规和市场压力,迫切需要采用更加环保的生产方式和材料。在全球治理视角下,探讨印染行业中生态友好材料的环境影响,并对生态友好材料在印染行业的生命周期环境表现进行深入分析,有利于减少环境影响,提高资源效率。研究以期为行业内外的政策制定者和企业提供理论参考。

OBE理念和课程思政融合的教学改革与实践——以“生态环境材料”课程为例

在新时代生态文明建设背景下,材料专业“生态环境材料”课程亟待开展教学改革与实践更新。教学团队融入“OBE理念”和课程思政要求,优化重构课程目标和教学内容,改变传统课堂教学模式,尝试突破既往僵化、固化的课程评价标准及体系,以学生为本,以最大限度激发和发掘学生潜力,助力其实现可持续发展为最终教学目标,取得了显著成效。教学改革与实践对“生态环境材料”课程的提质增效及材料专业人才的培养具有较大的促进作用。

碳化硅陶瓷基复合材料表面环境障涂层结合强度

SiC陶瓷基复合材料(SiC-based ceramic matrix composites,SiC-CMC)是发展高推重比航空发动机理想的高温结构材料。为了防止发动机服役环境下燃气(富含H2O和O_(2))对SiC-CMC的腐蚀,需要在其表面制备抗水氧腐蚀、抗燃气冲刷和抗热冲击性能优异的环境障涂层(environmental barrier coatings,EBCs)。在评价EBCs性能的诸多因素中,其与SiC-CMC基体之间的结合强度是一个重要技术指标,但结合强度的极限值一直未被探究清楚。本工作研究影响结合强度的主要因素,包含SiC-CMC基体状态、单晶Si的拉伸强度极限,以及Si黏结层的制备工艺等,获得了制备最高结合强度的有效途径。在EBCs与SiC-CMC组成的体系中,基体内部SiC纤维布之间的界面是结合强度最薄弱的部位,其次是EBCs的Si层。整个体系的结合强度极限值是15 MPa,它是单晶Si在[400]晶向的拉伸强度极限。采用大气等离子喷涂或者超音速火焰喷涂的Si黏结层结合强度相似,均低于同样工艺制备的莫来石或Yb2Si2O7涂层。

四种环境材料单施对煤矿区土壤结构和性状的影响研究

为解决煤矿区土地复垦中表层土壤结构差、持水能力低和养分贫瘠等问题,通过土壤培养模拟试验,研究了单施聚丙烯酸钾、黑矾、生化腐植酸和煤基腐植酸等4种材料对土壤改良的效果,并确定了适宜的施用量。结果表明:与对照(CK)相比,4种材料中聚丙烯酸钾能显著降低土壤容重,提高孔隙度和田间持水量,其添加量5 g·kg^(-1)施用7 d时,容重较CK降低了14.02%,孔隙度、田间持水量分别提高了28.31%、54.32%;黑矾能降低土壤pH和速效养分,当添加量5 g·kg^(-1)施用25 d时,pH、有效磷、碱解氮和速效钾较CK分别降低了0.21、30.24%、56.81%、9.77%;两种腐植酸对土壤容重、田间持水量、pH、速效养分均有影响,添加8 g·kg^(-1)生化腐植酸作用25 d时,有效磷和碱解氮较CK提高了15.18%、55.83%,pH降低了0.38,而添加5 g·kg^(-1)煤基腐植酸时,有效磷、碱解氮和速效钾较CK分别提高了12.38%、28.72%、11.47%。研究表明,4种材料能不同程度改善土壤结构、提升水分保持能力、增加速效养分含量。

植物生物质纳米材料在环境污染物吸附去除中的研究进展

重金属、农兽药、染料等环境污染物具有富集毒性与不可降解性,对整个生态系统乃至人类的健康与安全都存在着巨大的潜在危害。植物生物质作为一种新兴的制备纳米材料的来源,因具有来源广泛、可生物降解、可再生的特点,以及含有丰富的孔状结构与官能团,能够吸附一些污染物,已广泛用于制备纳米材料。简要介绍了植物生物质的各种来源、分类和现有利用技术,阐述了植物生物质纳米材料制备和改性的策略,综述了其在环境污染物吸附去除中的最新研究进展,并对其应用前景进行了展望。

典型海洋环境碳纤维增强树脂基复合材料老化规律研究

目的研究典型海洋大气环境下碳纤维增强树脂基复合材料的老化规律。方法针对一种典型舰船用碳纤维增强树脂基复合材料,在青岛、厦门和三亚海洋大气环境下开展0.5、1、1.5、2a的自然曝晒试验。基于拉伸、弯曲和剪切强度等力学性能演变数据,采用灰关联分析方法构建环境损伤因子Rr,以综合评价其性能退化情况。结合形貌与傅里叶红外光谱,分析其老化损伤机制。结果及结论海洋大气环境下,碳纤维复合材料表层树脂发生老化降解,该过程主要源于酯基的水解,水解产物有多元醇类和多元羧酸类化合物等,这导致复合材料内部纤维外露,且随时间增加和纬度降低,表面降解减薄程度增大。各地的环境损伤因子Rr表明,经青岛和厦门长周期暴露试验后,在光氧老化和湿热老化等环境“损伤效应”主导作用下,其力学性能随时间呈下降趋势;三亚恶劣海洋环境则更早地对复合材料造成老化损伤,0.5 a起力学性能即单调下降。

天然多孔矿物材料的环境属性及在农业生产中的应用

这是一篇陶瓷及复合材料领域的论文。天然多孔矿物具有孔道结构、表面效应、环境水合效应、离子交换特性和良好的吸附能力等环境属性,对地球的生态环境具有良好的协调性,并能应用于农业肥料、土壤改良、饲料养殖等多个农业生产方面。基于天然多孔矿物及其矿物材料的环境属性,开发其在农业生产和农业生态环境的特殊功能应该得到研究者的重视。天然多孔矿物自净化功能是大自然赋予地球生物生存发展的一种潜在功能,其资源特性和环境属性非常适合于我国土壤修复和绿色农业生产的应用条件,具有重要的研究和经济意义。

湿热环境对复合材料层间断裂韧性的影响规律及其机理

层间断裂韧性是表征复合材料抗层间分层扩展能力的主要指标,湿热环境是飞机复合材料结构面临的主要严酷环境,研究湿热环境下的层间断裂韧性在航空领域具有重要意义。通过不同湿热环境条件下的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性实验,分析其微观结构,获取湿热环境对树脂基复合材料层间断裂韧性的影响规律和湿热环境对层间断裂韧性的影响机制。结果表明:湿热环境会对树脂基复合材料Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性产生截然相反的影响,随着温度上升,树脂基复合材料层压板Ⅰ型层间断裂韧性呈上升趋势,而Ⅱ型层间断裂韧性呈下降趋势;Ⅰ型分层时会出现大量纤维桥联现象,湿热环境下树脂发生软化,纤维桥联现象增多,导致Ⅰ型层间断裂韧性随温度升高而增大;湿热环境下随着温度的升高,树脂的剪切强度会逐渐降低,树脂与纤维的界面剪切强度也会逐渐降低,导致Ⅱ型层间断裂韧性随温度升高而降低。

水环境下酚醛树脂基滑动轴承材料组分和摩擦学性能的优化

针对酚醛树脂(PF)基潜水泵滑动轴承材料存在吸水率过大、摩擦性能不足的问题开展了性能优化研究。以酚醛树脂为基体,添加石墨(Gr)、聚四氟乙烯(PTFE)、玻璃纤维(GF)、剑麻纤维(SF)、硫酸钡(BaSO_(4))对酚醛树脂进行改性,利用热压成形制备复合材料。通过正交试验设计,讨论了各填料不同含量对复合材料吸水率、体积膨胀率及摩擦学性能的影响。结果表明:复合材料吸水率和体积膨胀率的影响因素从大到小依次为GF:SF,PTFE,Gr,BaSO_(4);通过分析吸水率和体积膨胀率的均值,发现随着玻璃纤维含量的提高,复合材料吸水率和体积膨胀率降低;水环境下复合材料平均摩擦系数的影响因素从大到小依次为PTFE,Gr,BaSO_(4),GF:SF;复合材料磨损率的影响因素从大到小依次为GF:SF,Gr,BaSO_(4),PTFE。通过试验求得水环境下性能最优的复合材料配方为3%Gr,8%PTFE,20%GF,10%SF,16%BaSO_(4),43%PF。

海洋环境下腐蚀后钢管桩材料性能退化研究

钢管桩作为钢栈桥的重要组成构件,在海洋环境下会受到严重的腐蚀威胁。研究了东海某钢栈桥经历5年海洋自然腐蚀后钢管桩的材料性能。从钢管桩的浪溅区、潮差区和全浸区共加工16个拉伸试件,分析各区域的退化力学性能,根据试验数据建立弹性模量、屈服强度、应变硬化指数和强度系数等参数与平均厚度剩余率相关的回归方程,依据三线型本构模型建立3个区域真实应力-应变曲线的拟合公式。结果表明:浪溅区受腐蚀影响最严重,各区域钢材力学性能均存在一定损失;回归方程可以较好地预测3个区域的屈服强度;通过比较各区域的平均厚度剩余率适用范围,可知三线型本构拟合公式适用于腐蚀较为严重的钢管桩。

石墨烯族纳米材料调控骨再生微环境的研究进展

石墨烯族纳米材料(graphene‐family nanomaterials,GFNs)以其卓越的机械性能、生物相容性和促进干细胞成骨分化的能力而在骨组织工程领域备受关注。GFNs在调控骨再生微环境中发挥了多方面的作用。首先,GFNs本身微观形态能够激活黏着斑激酶/细胞外调节蛋白激酶(focal adhesion kinase/extracellular regulated protein kinase,FAK/ERK)信号通路,促进成骨相关基因的表达。其次,GFNs适应骨组织的机械强度,有助于维持骨整合,并通过调整细胞外基质的硬度,借助黏着斑(focal adhesions,FAs)将基质的力学信号传递到胞内,创造良好的理化微环境;此外,它们还能调节骨缺损部位的免疫微环境,引导巨噬细胞向M2型极化,并影响相关细胞因子的分泌。GFNs还可作为生物活性分子的缓释载体,兼具促进血管形成和抗菌能力,从而加速骨缺损的修复过程。同时,GFNs通过多种形式调控骨再生微环境,包括支架材料、水凝胶、生物薄膜和植入物涂层等。尽管GFNs在骨组织工程领域引起广泛关注,但其在骨组织再生方面的应用仍处于基础实验阶段。为了推动GFNs进入临床应用阶段,需要提供更充分的生物相容性证据,明确诱导干细胞成骨分化的机制,并开发更高效的材料应用形式。

生物质衍生碳材料去除水环境中新污染物研究进展

水体中新污染物具有环境持久性、易累积性等特点,对人体和环境存在潜在的生态风险。随着新污染物的频繁检出,实现对新污染物的高效治理引起广泛关注。生物质衍生碳材料由于成本低廉、比表面积较大、孔隙率较高和吸附性能优异的特性,逐渐成为去除水体新污染物的重要选择。文章对由生物质(植物躯体、甲壳类动物外壳及污泥等)构建生物碳材料过程进行了系统综述,从吸附和催化两个方面分析了不同生物质衍生碳材料去除新污染物的作用机制。阐述了生物质衍生碳材料的应用局限性,并从提升生物碳材料对新污染物的选择性去除和循环回用2个方面对生物质衍生碳材料领域进行了展望。

湿热环境对道路用碳纤维基复合材料的老化影响研究进展

随着现代交通基础设施的快速发展,碳纤维基复合材料(CFRP)以其高强度、轻质和优良的耐腐蚀性能,在道路建设中的应用前景日趋广阔。然而,这些材料在实际应用中常常暴露于湿热环境中,导致性能逐渐退化,影响道路的安全性和使用寿命。该文总结了CFRP的湿热老化机理,综述了湿热老化对CFRP力学性能影响的研究进展,并探讨了可能的改进措施和未来的研究方向。

高温燃气环境下SiCf/SiC和SiC_(f)/SiC-EBC复合材料力学性能及损伤

航空发动机中的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC_(f)/SiC)因承受高温高速燃烧气体的氧化腐蚀而发生损伤甚至失效。本工作利用燃气发生装置模拟航空发动机中复杂燃气环境,将以一定比例混合后的航空煤油与液氧燃料点燃,形成高温高速燃烧气体对材料进行考核。对SiC_(f)/SiC复合材料分别进行1200℃燃气环境10 h氧化实验和1000次热冲击实验,探究环境屏障涂层(environmental barrier coating,EBC)对SiC_(f)/SiC复合材料的防护作用。对燃气环境考核后的SiC_(f)/SiC复合材料和SiC_(f)/SiC-EBC复合材料进行单轴拉伸强度测试,并利用扫描电镜对其断口及截面微观形貌进行观察。结果表明:在燃气环境下氧化10 h后,SiC_(f)/SiC复合材料和SiC_(f)/SiC-EBC复合材料内部没有发生明显的界面层及纤维氧化,单轴拉伸强度下降不到2%;在燃气环境下经过1000次热冲击后,在SiC_(f)/SiC复合材料内部形成多处微裂纹并发生了界面层的氧化腐蚀,单轴拉伸强度下降41.3%;EBC涂层可以有效保护SiC_(f)/SiC复合材料免受高温燃气的氧化腐蚀,SiC_(f)/SiC-EBC复合材料在经过1000次热冲击后的单轴拉伸强度下降16.6%。