1 1.东华大学 1. 材料科学与工程学院, 纤维改性国家重点实验室
2 2.功能材料研究中心, 上海 201620
热电材料能够实现热能与电能之间直接转换, 在绿色制冷、废热回收等领域具有广阔的应用前景。目前, 对热电材料的研究主要集中在无机半导体材料和导电高分子材料上, 虽然取得了很大进展, 但探索其它新型热电材料仍具有重要意义。金属-有机框架(Metal-Organic frameworks, MOFs)是一种由有机配体和金属离子或团簇通过配位键形成的晶态多孔材料, 具有独特的多孔结构以及组分结构可调等优势, 在一定程度上可以满足“电子晶体-声子玻璃”的要求。本研究采用导电客体分子促进电荷传输的策略, 将导电高分子聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)原位聚合到锆基MOFs材料UiO-67中, 利用MOFs的有序孔道对PEDOT分子链的限域作用, 提升复合材料的电子传导能力。制备得到的PEDOT/UiO-67的电学性能研究表明, 该复合材料室温电导率最高可达5.96×10−3 S·cm−1, 比PEDOT高出1个数量级。同时, 该材料具有热电性能响应, 室温功率因子(Power Factor, PF)最高可达3.67×10−2 nW·m−1·K−2。本工作以MOF的有序孔道为反应平台, 通过简单的原位聚合合成方法构建了导电聚合物/ MOFs导电材料, 为进一步开发MOFs基热电材料提供了参考。
金属-有机框架 聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT) 电子传输 热电性能 metal-organic framework poly(3,4-ethyldioxythiophene) electrical conductivity thermoelectric property
1 三峡大学石墨增材制造技术与装备湖北省工程研究中心，湖北 宜昌 443002
2 三峡大学机械与动力学院，湖北 宜昌 443002
传统成型工艺制备的导电复合材料内部导电通路分布不可控，且难以实现复合材料的电学与力学性能的匹配。利用选择性激光烧结技术快速制备了类金刚石结构石墨骨架素坯，并经过二次固化、真空压力浸渍酚醛树脂溶液以及高温碳化等后处理工艺改善石墨骨架电学以及力学性能，并将环氧树脂与之“复合”，制备了石墨/环氧树脂复合导电材料。通过正交试验，研究了石墨骨架结构特征参数对导电复合材料的电导率和抗弯强度的影响。研究结果表明：键半径R为决定复合材料电导率的主要因素，但对于其抗弯强度为较次要因素；键长L对复合材料的电导率和抗弯强度皆为较主要因素；当键长为6 mm、键半径为1.4 mm、键角为120°时，可获得力学性能和导电性能相协同的新型导电复合材料。
选择性激光烧结 导电复合材料 正交试验 电导率 抗弯强度 selective laser sintering conductive composity orthogonal test electrical conductivity bending strength
1 河海大学力学与材料学院，南京 211100，中国
2 江苏省建筑科学研究院有限公司，高性能土木工程材料国家重点实验室，南京 210008，中国
3 纽约州立大学布法罗分校机械与航空航天工程学院，布法罗 14260-4400，美国
4 东南大学材料科学与工程学院，南京 211189，中国
5 北京理工大学机电学院，北京 100081，中国
介电性能描述了水泥基材料中的极化现象，即正负电荷中心发生分离的现象。目前，国内外学者针对通用硅酸盐水泥基材料的低频介电性能开展了大量研究，涉及水泥基材料的微结构、水泥水化过程、受力状态等，但缺少对最新成果的归纳整理和综合评述。本文通过综述近20年来国内外学者对通用硅酸盐水泥基材料低频介电性能的最新研究成果，对介电常数的测量方法进行介绍，分析了通用硅酸盐水泥基材料中的极化机理，讨论了骨料、水灰比、应力/应变和温度等因素对通用硅酸盐水泥基材料介电性能的影响规律。结果表明：孔隙溶液中的离子是影响通用硅酸盐水泥基材料介电性能的主要原因，通过离子的移动形成的电偶极子以串联的方式连接。骨料和外掺物通过影响微结构影响介电性能。温度升高和压应力会增强介电性能，温度降低和拉应力会减弱介电性能。最后针对今后需要深入开展的相关研究提出建议。
水泥基材料 介电性能 介电常数 极化 电导率 cement-based materials dielectric behavior electrical permittivity polarization electrical conductivity
1 西安建筑科技大学材料科学与工程学院, 西安 710055
2 西部绿色建筑国家重点实验室, 西安 710055
3 西安建筑科技大学材料科学与工程学院, 西安 71005
4 西安建筑科技大学土木工程学院, 西安 710055
针对现代工业中大量废弃碳纤维亟需回收再利用问题, 将废弃碳纤维与高强水泥基材料(HSCBM)相结合, 研究了回收碳纤维(RCF)及其改性对HSCBM流动性、力学性能和导电性能的影响。结果表明: 掺入RCF降低了HSCBM流动性, RCF经NaOH溶液和HNO3溶液改性后HSCBM流动性最高可提升7.74%; 不同水胶比下掺入未改性及改性RCF会降低HSCBM抗压强度, 但提升了HSCBM抗折强度, 经NaOH溶液、HNO3溶液改性后HSCBM抗折强度最高可提升30.61%、24.46%; 水胶比过低(0.20)时, 掺RCF的HSCBM不具备导电能力, 水胶比增至0.25时掺入RCF可显著提升HSCBM导电性, 但其强度会大幅下降, RCF经NaOH溶液和HNO3溶液处理后使HSCBM导电性能进一步提升, 掺量达到渗滤阀值(0.6%)时, 其7、28 d电阻率分别降低了81.41%和82.23%、94.88%和96.15%。研究结果可为HSCBM具有功能性和RCF循环利用提供新思路。
回收碳纤维 改性处理 高强水泥基材料 力学性能 导电性 recycled carbon fiber modification treatment high-strength cement-based material mechanical properties electrical conductivity
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, School of Physics and Electronic Science, East China Normal University, Shanghai 200062, China
2 Huawei Technologies Co, Ltd., Bantian Longgang District, Shenzhen 518129, China
3 Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
This paper reports the fabrication of regular large-area laser-induced periodic surface structures (LIPSSs) in indium tin oxide (ITO) films via femtosecond laser direct writing focused by a cylindrical lens. The regular LIPSSs exhibited good properties as nanowires, with a resistivity almost equal to that of the initial ITO film. By changing the laser fluence, the nanowire resistances could be tuned from 15 to 73 kΩ/mm with a consistency of ±10%. Furthermore, the average transmittance of the ITO films with regular LIPSSs in the range of 1200–2000 nm was improved from 21% to 60%. The regular LIPSS is promising for transparent electrodes of nano-optoelectronic devices—particularly in the near-infrared band.
transparent nanowires periodic surface nanostructures femtosecond laser direct writing ITO film anisotropic electrical conductivity Opto-Electronic Science
2023, 2(1): 220002
1 1.东华大学 材料科学与工程学院, 纤维改性国家重点实验室
2 2.东华大学 功能材料研究中心, 上海 201620
制备硒化银(Ag2Se)薄膜材料对于组装微型器件至关重要, 目前大部分制备方法难以精确控制薄膜尺寸并进行图案化设计, 喷墨打印技术成为解决这一问题的有效方法, 实现其与Ag2Se材料的组合具有重要意义。本工作通过溶剂热法制备了Ag2Se纳米颗粒, 再与不同分散剂混合以筛选出适用于喷墨打印的稳定墨水, 进一步调节喷射参数以优化打印过程中墨滴的形态, 提高打印质量。将墨水打印至聚酰亚胺衬底上, 经热处理后制备得到Ag2Se薄膜。使用不同手段对其物相与微结构进行表征, 并测试不同打印层数薄膜的电学性能。结果表明: 随着墨水固含量与打印层数增加, Ag2Se薄膜的结晶度和致密度得到明显提升, 电导率也得到相应提高, 这主要源于薄膜内部Ag2Se纳米颗粒沉积量与堆积密集程度增加。当使用固含量为5 mg·mL-1的墨水进行打印, 打印层数为40层时, Ag2Se薄膜的电导率达到399 S·cm-1, 表现出较高的导电性能。本研究为制备Ag2Se基薄膜材料与器件提供了新的方向。
喷墨打印 Ag2Se 墨水 电导率 inkjet printing Ag2Se ink electrical conductivity
1 1. 东南大学 材料科学与工程学院, 先进金属材料重点实验室, 南京 211189
2 2. 安徽工业大学 材料科学与工程学院, 马鞍山 243002
3 3. 先进金属材料绿色制备与表面技术教育部重点实验室(安徽工业大学), 马鞍山 243002
银基电触头在低压开关领域扮演重要角色。作为一种具有良好导电导热性能的新型二维碳化物材料,MXene家族典型代表材料(Ti3C2Tx)在多个领域显示出极大的应用潜力。Ti3C2Tx有望作为一种新型环保银基电触头增强相材料。本研究采用粉末冶金法制备了Ag/Ti3C2Tx复合材料,并对Ti3C2Tx和Ti3AlC2的物相和微观结构进行表征。同时研究了Ti3C2Tx增强Ag基复合材料的综合性能,包括电阻率、显微硬度、机械加工性能、抗拉强度和抗电弧侵蚀性能,并与Ti3AlC2增强Ag基复合材料进行了比较。Ag/Ti3C2Tx的电阻率(30×10 -3 μΩ·m)相对于Ag/Ti3AlC2(42×10 -3 μΩ·m)降低了29%。Ag/Ti3C2Tx硬度适中(64 HV),具有良好的可加工性,作为无毒电触头材料应用前景广阔。Ag/Ti3C2Tx复合材料导电性能的提高主要归因于Ti3C2Tx本身优异的金属性以及由Ti3C2Tx微观结构特征带来的可变形性。由于缺乏Al-Ag相互扩散,Ag/Ti3C2Tx复合材料的拉伸强度(32.77 MPa)明显低于Ag/Ti3AlC2复合材料(145.52 MPa)。正因为缺失Al层,Ag/Ti3C2Tx的抗电弧侵蚀性能也无法与Ag/Ti3AlC2相媲美。尽管Ag/Ti3C2Tx的抗电弧侵蚀性能有待进一步提高,但优异的导电性使其有望替代当下有毒的Ag/CdO电接触材料。该研究结果为开发新型环保电触头材料提供了新的探索方向。
电接触材料 MAX相陶瓷 MXene 导电性 力学性能 抗电弧侵蚀性能 electrical contact material MAX phase ceramic MXene electrical conductivity mechanical property anti-arc erosion performance
南京工业大学材料科学与工程学院，南京 211816
开发具有优异电化学活性的阴极材料对中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)的应用至关重要。采用固相法制备无钴阴极材料Bi1-xCaxFeO3-δ (BCFx，x=0.1、0.2和0.3)，通过该体系材料的物相结构、电导率、氧传输特性以及电化学性能研究表明，950 ℃时可以合成具有单相钙钛矿结构的Bi1-xCaxFeO3-δ (x=0.1、0.2和0.3)阴极粉体。BCFx阴极材料中，样品BCF0.2具有较高的电化学催化活性，750 ℃时，对称电池极化阻抗为0.06 Ω·cm2，Ni-(Y2O3)0.08(ZrO2)0.92 (Ni-8YSZ)阳极支撑单电池最大功率密度为730 mW/cm2。由电导弛豫结果得知，BCF0.2阴极良好的氧还原催化活性主要归因于其较高的氧扩散系数和表面交换系数。氧还原反应动力学研究表明，样品BCF0.2阴极氧还原反应的速率控制步骤为吸附氧的解离过程。
固体氧化物燃料电池 阴极 电导弛豫 电化学性能 solid oxide fuel cell cathode electrical conductivity relaxation electrochemical performance
为优化水泥基复合材料的电学性能, 以碳纤维(CF)和钢纤维(SF)为导电材料, 通过抗压强度试验、交流阻抗测试、扫描电镜测试和升温试验, 研究了碳纤维和钢纤维的体积掺量对水泥基复合材料抗压强度和电学性能的影响。结果表明, 碳纤维-钢纤维水泥基复合材料的抗压强度随碳纤维掺量增大呈先增大后减小的趋势。碳纤维、钢纤维的渗滤阈值分别为0.35%和0.6%(均为体积分数), 复掺碳纤维和钢纤维使水泥基复合材料的导电性能大幅增强, 产生了明显的正向混杂效应, 碳纤维和钢纤维体积掺量达到渗滤阈值后, 继续增大纤维掺量对导电性能的提升作用不大。用ZSimp Win软件拟合得到等效电路各电路元件数值, 并结合SEM照片分析了导电机制。碳纤维-钢纤维水泥基复合材料具有良好的电热性能, 当输入功率为7.9 W, 通电30 min、60 min、90 min后, 其平均温度可达到33 ℃、43 ℃、50 ℃, 通过曲线拟合得到了温度随时间变化的回归方程。
水泥基复合材料 碳纤维 钢纤维 交流阻抗谱 导电性能 微观结构 电热性能 cement matrix composite carbon fiber steel fiber AC impedance spectrum electrical conductivity microstructure electrothermal performance
1 国网宁夏电力有限公司超高压公司，宁夏 银川 750001
2 浙江工业大学机械工程学院，浙江 杭州 310023
采用激光辅助低压冷喷涂（CS）技术在Cu基体上制备石墨/Cu复合涂层，研究了不同石墨含量的复合涂层微观特性以及导热导电性能。研究结果表明，复合涂层中石墨颗粒和Cu颗粒均发生了明显的塑性变形，塑性变形的石墨颗粒嵌入到塑性变形的Cu颗粒中形成复合涂层。在激光加热的辅助下，石墨/Cu复合涂层中颗粒之间结合良好，具有较好的致密性。在激光加热的辅助作用下，CS-Cu涂层的热导率和电导率分别从66.2 W/（m·K）和7.12 MS/m提升至136.6 W/（m·K）和14.65 MS/m。涂层中添加质量分数为5%的石墨时，复合涂层的热导率可进一步提升至209.8 W/（m·K）。但随着复合涂层中石墨含量的继续增加，涂层内界面数量增加，界面热阻及对电子的散射作用增强，导致复合涂层的热导率和电导率下降。
激光光学 低压冷喷涂 石墨/Cu复合涂层 微观特性 导热/导电 激光与光电子学进展
2022, 59(17): 1714001
