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2018年  第33卷  第5期

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Graphical Contents
2018, 33(5): .
摘要(111) PDF(136)
摘要:
碳基功能材料在海洋领域中的应用进展
张辰, 唐全骏, 陶莹, 吴红兵, 凌国维, 杨全红
2018, 33(5): 385-391.
摘要(532) PDF(562)
摘要:
"海洋战略"是中国重要的国家发展战略，海洋资源开发与环境保护、海上运输、海港和海防建设、海洋工程装备、海洋探测设备都需要大量的新型功能材料。碳基材料，已在诸多科学和工程领域显示出良好的应用前景。本文系统评述了碳基功能材料在海洋科学领域的应用进展，重点对环境应急材料、防腐涂料、结构材料、海水淡化等领域的应用进行了评述，并对碳基功能材料在海洋储能等新兴方向的应用进行了展望。
聚苯并噁嗪基硫,氮共掺杂多孔炭的制备及其对CO2的吸附性能
金祖儿, 王建龙, 赵日杰, 管涛涛, 张东东, 李开喜
2018, 33(5): 392-401. doi: 10.1016/S1872-5805(18)60347-6
摘要(379) PDF(203)
摘要:
采用原位合成法，以对氰基苯酚、硫脲和甲醛为原料制备了聚苯并噁嗪基树脂，经炭化、活化得到相应的含硫，氮共掺杂的多孔炭。对样品的物理结构和表面化学性质进行了表征，结果表明活化后活性炭比表面积为1 512~2 385 m2 g-1，孔结构以微孔为主，且含有一定硫，氮元素。在1 bar和0、25℃条件下，未加造孔剂600℃活化样品的CO2的吸附容量最高分别为6.96 mmol g-1、4.55 mmol g-1，且具有一定的选择性和良好的循环稳定性。通过对CO2吸附热及酸化实验分析，发现吸附过程同时存在物理吸附和化学吸附，且以有效的微孔结构物理吸附为主，硫/氮官能团的化学吸附为辅。
以氯化铵为成孔助剂两步法制备玉米芯基活性炭
魏庆玲, 陈志敏, 王晓峰, 杨晓敏, 王子忱
2018, 33(5): 402-408. doi: 10.1016/S1872-5805(18)60348-8
摘要(365) PDF(232)
摘要:
采用玉米芯为原料，氯化铵为成孔助剂，KOH为活化剂，经水热法制备出活性炭。考察制备条件对活性炭碘值和产率的影响，并采用SEM，TG和XRD等手段对材料进行表征。结果表明，氯化铵的加入有助于活性炭多孔结构的形成。以氯化铵作为成孔助剂所制玉米芯基活性炭电极的比容量为175 F·g-1，电流密度由0.5 A·g-1升至20 A·g-1时，电极的容量保持率为73.0%；在10 000圈的恒流充放电过程中，比容量由175 F·g-1降至173 F·g-1。
超声引入酸浸渍过程对活性炭性能的影响
张宗波, 刘晓杨, 李大伟, 高田田, 雷宇奇, 吴宝贵, 赵佳伟, 王延奎, 魏令
2018, 33(5): 409-416. doi: 10.1016/S1872-5805(18)60349-X
摘要(474) PDF(204)
摘要:
在磷酸法制备活性炭的浸渍阶段引入超声，研究超声浸渍对活性炭孔结构、微观形貌、表面官能团、碘值和亚甲基蓝值的影响。结果表明，超声浸渍能够增大活性炭的比表面积、总孔容、微孔孔容、中孔孔容、极微孔孔容、碘值和亚甲基蓝吸附值，但长时间超声浸渍并无必要。最佳超声浸渍条件为：在45 min的总浸渍时间内引入5 min超声浸渍。在该条件下制得的活性炭比表面积达1 504 m2/g，超过了文献中生物质基磷酸法活性炭的诸多相应值。另外，与静置浸渍相比，超声浸渍使制备最高碘值样品所需的总浸渍时间减少了85%。
稻壳基活性炭负载镍催化剂的制备及在香草醛加氢脱氧反应中的催化性能
陈志浩, 晁威, 丰祎, 金璐, 朱燕超, 杨晓敏, 王子忱
2018, 33(5): 417-423.
摘要(380) PDF(204)
摘要:
以稻壳活性炭作为碳源，硝酸镍为金属前驱体，采用浸渍法结合碳热还原和催化石墨化的方法制备了具有良好香草醛加氢脱氧催化性能的稻壳基活性炭负载镍催化剂。在催化剂的制备过程中，稻壳活性炭作为金属前驱体的还原剂，金属镍作为稻壳活性炭催化石墨化的催化剂。以生物油模型化合物香草醛加氢脱氧制备4-甲基愈创木酚为探针反应，考察制得催化剂的加氢脱氧反应性能。采用X射线衍射、高分辨透射电镜、拉曼光谱仪、氮气吸附仪等手段对催化剂中Ni的价态、粒径和分散情况，石墨化程度、比表面积、孔径等进行表征。结果表明，催化剂的结构和其催化性能存在密切联系。随着碳热还原温度的升高，催化剂的催化活性出现了先降低而后提高的趋势。这是由于较高的碳热还原温度引起镍纳米粒子的聚集和长大，不利于其催化性能；同时较高的碳热还原温度促使催化剂石墨化程度的提高，对其催化性能起到促进作用。
自由取向炭/炭复合材料的新型制备及工艺优化
Thakur Sudesh Kumar Raunija, Rajeev K. Gautam, Sharad Chandra Sharma, Anil Verma
2018, 33(5): 424-433. doi: 10.1016/S1872-5805(18)60350-6
摘要(356) PDF(257)
摘要:
采用在炭纤维束的内部浸润熔融沥青的传统方法制备得到的炭/炭（C/C）复合材料难以实现细旦化水平，这是因为单束丝中含有数千根丝，经浸渍后沥青附着，从而引起沥青局部渗出，以及因不均匀沥青稳定性而导致微观结构不均匀。本文通过稳定的中间相沥青和分散的短切炭纤维混合、热压和炭化过程制备出细旦化水平的C/C复合材料。探讨了工艺参数对中间相沥青残炭率的影响。通过残炭率/工艺时间、残炭率×（表观密度/实密度）来优化工艺参数。结果表明，通过此法得到了细旦化水平的中间相沥青与炭纤维复合材料。中间相沥青的残炭率随加热升温速率、沥青/炭纤维质量比的增加而降低；随热压压力而增加。在高压力和高质量比下，发生沥青局部渗出。通过调控得到最佳的C/C复合材料制备工艺参数为：热压压力15 MPa，升温速率0.2℃/min及沥青/炭纤维质量比1：1。
稀土镧催化热解二甲苯制备炭/炭复合材料的烧蚀与氧化性能
邓海亮, 郑金煌, 曹军宁, 姚冬梅, 崔红, 张晓虎, 苏红
2018, 33(5): 434-441.
摘要(345) PDF(164)
摘要:
采用薄膜沸腾（CVI）法，以LaCl3催化热解二甲苯、浸渍树脂及热处理后获得密度为1.72~1.73 g/cm3的炭/炭（C/C）复合材料。应用氧-乙炔火焰和静态空气氧化法测试材料的烧蚀与氧化性能，XRD、SEM研究烧蚀及氧化面的物相组成与形貌。结果表明，随着催化剂含量由0升高至15 wt%，材料的烧蚀和氧化失重率先减小后增大。高温氧化环境中表面形成的La2O3层可减缓材料的氧化，催化生长的纳米丝状碳增强了基体抗剥蚀能力，使得催化剂添加后材料的质量和线烧蚀率较未添加时分别降低7.6%~15.2%和10.7%~20.0%，氧化失重率减少17.7%~38.5%。催化剂含量6 wt%和10 wt%下材料的性能较佳；含量超过10 wt%后，基体中各向同性结构热解炭较厚，导致材料抗烧蚀氧化性能降低。热处理温度由1 800℃升高至2 250℃时，材料的抗烧蚀氧化性能提高。
喷管热环境对碳基材料喉衬烧蚀率的影响
苏君明, 周绍建, 薛宁娟, 肖春, 孙建涛, 李瑞珍, 崔红
2018, 33(5): 442-448.
摘要(813) PDF(254)
摘要:
采用装有羟基聚丁二烯（HTPB）与高能推进剂的多种规格固体火箭发动机，对工程应用的5种炭/炭（C/C）复合材料和2种石墨喉衬进行地面点火试验。揭示碳基材料喉衬烧蚀率与喷管热环境的燃气特性、燃烧室压强，以及材料本体特性等三要素的关联度，并与其他国家同类型材料进行了对比。结果表明，喷管热环境的燃气氧化性组分浓度和燃烧室压强对碳基材料喉衬烧蚀率有较大影响。压强是影响烧蚀率的第一要素，压强增加1倍，烧蚀率增大1.8~2.6倍；燃气氧化性组分浓度是影响烧蚀率的第二要素，HTPB H2O的摩尔浓度比高能推进剂高1.26倍，因而烧蚀率增大51.6%~65.1%。在碳基材料喉衬中烧蚀率最低的是热解石墨；其次是整体毡C/C、针刺炭纤维C/C、轴编4D C/C、绕纱（穿刺）3D C/C及T705石墨等处于同一水平；而径编4D C/C喉衬烧蚀率偏高。整体而言，中国碳基喉衬材料与其他国家同类材料相比，其烧蚀率基本相当或略优。
机械剥离过程中石墨晶体结构内能量相互作用的机理分析
尹力, 邓钏, 邓斐, 葛晓陵
2018, 33(5): 449-459. doi: 10.1016/S1872-5805(18)60351-8
摘要(250) PDF(146)
摘要:
通过分析机械剥离过程中石墨颗粒的厚度方向和横向尺寸分布变化，建立了计算石墨片体与石墨片单层之间能量相互作用的机械模型。表征分析了剥离过程中石墨晶体结构的变化趋势。分别分析计算了石墨片剥落过程中的范德华能、石墨片单层断裂过程中的共价键能、片体以及片单层各自团聚过程中的势能。结果表明，两个石墨片单层之间的范德华力作用是导致片单层团聚的关键因素；随着剥离过程的进行，团聚现象逐渐超过剥离现象。石墨片单层剥离过程中的范德华能是片单层团聚过程中的势能的1/4，并且比石墨块体断裂过程中的共价键能小2个数量级。随着剥离出的石墨片体和片单层数量的增加，由于晶体结构间范德华能的释放而导致团聚现象急剧增加；剥离过程中的库伦能比较微小可以忽略不计。该机械模型对于制备高纵横比和无团聚的石墨片层材料具有重要意义。
负载辛伐他汀的氧化石墨烯/丝素蛋白屏障膜的制备及其生物学性能
赵彬, 武峰, 白莹莹, 方敏, 王璐
2018, 33(5): 460-468.
摘要(323) PDF(123)
摘要:
通过冷冻干燥技术制备负载辛伐他汀（Simvastatin，SIM）的氧化石墨烯/丝素蛋白（Graphene oxide/silk fibroin，GO/SF）复合屏障膜，并研究其体外细胞相容性及其在引导性骨组织再生中的可应用性。采用扫描电镜、X-射线衍射、紫外分光光度计检测GO/SF屏障膜的形貌、凝聚态结构以及释药性能；激光共聚焦显微镜、CCK-8实验评价小鼠胚胎成骨细胞前体细胞（MC3T3-E1）在屏障膜上的粘附与增殖情况；将GO/SF/SIM膜组、GO/SF膜组、SF/SIM膜组以及SF膜组分别覆盖于SD大鼠颅骨缺损处，术后12周取材分析各组新骨形成情况及GO对大鼠重要脏器的影响。结果显示，GO/SF屏障膜具有表面致密、内部疏松的双层结构，凝聚态结构表现为稳定的Silk Ⅱ结构；体外释放实验表明该屏障膜具有缓释效果，药物可在15天内被缓慢释放；同时GO/SF屏障膜可很好的支持MC3T3-E1细胞的粘附、生长与增殖，负载SIM后的材料表现出更好的细胞相容性；体内实验结果表明GO/SF/SIM膜组具有最优的骨缺损修复效果，局部应用GO短期观察对大鼠重要脏器（肝、脾、肾）无损害。
一种基于Boltzmann方程的碳基复合材料氧化烧蚀微观界面的追踪方法
袁经超, 朱子镝, 张方舟, 张丹, 张伟刚, 李爱军
2018, 33(5): 469-475.
摘要(354) PDF(175)
摘要:
针对碳基复合材料的非均相特点，构建环境-纤维-中间相-基体多相单胞烧蚀模型，应用非平衡统计物理学的Boltzmann方程，求解该扩散-表面非均相氧化反应体系中各相的空间演化过程，实现对介尺度下烧蚀界面的精确追踪。本文先对两相单胞模型进行了求解，获得了与解析解一致的结果，验证了模型。再对三相单胞模型的烧蚀过程进行了数值模拟。结果表明，氧化烧蚀界面的形貌主要取决于相邻两相之间的状态；气相浓度的线性化假设在远离界面处具有合理性，但在界面附近气相浓度呈非线性分布。由于扩散的限制，纤维与基体之间的界面相在氧化烧蚀过程中存在最大烧蚀深度。通过数值模拟给出了烧蚀深度与舍伍德数、纤维半径和反应速率比之间的函数关系，提出的界面追踪算法在求解过程中表现出了很好的稳定性。
基于化学掺杂的碳纳米管二极管
宋传娟, 杨俊茹, 廖成浩, 刘晓东, 王英, 贺蓉, 董续盛, 钟汉清, 刘一剑, 张丽英, 陈长鑫
2018, 33(5): 476-480.
摘要(299) PDF(175)
摘要:
本文制备了一种基于局部化学掺杂的单壁碳纳米管（SWCNT） p-i-n结二极管。在此器件中，单根SWCNT沟道的两端分别被掺杂成p型和n型，沟道中段保留为本征状态，从而在SWCNT中形成具有较强内建电场的p-i-n结，表现出二极管特性。所制二极管器件具有高的器件性能，其整流比可达103数量级、反向饱和电流仅为23 pA。此外，简要探讨了该结构二极管的工作原理。

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