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2025年, 第53卷,第8期  刊出日期:2025-08-20
  • 郝亚楠, 张茜, 路大治, 檀铭一, 谭业强
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2079-2085. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250309

    女性科技人才是无机非金属材料领域的重要力量,为领域发展做出了显著贡献。本文通过分析近年来国家自然科学基金委员会无机非金属材料学科(以下简称“学科”)对女性科技人才的支持政策,揭示其在项目申请、科研资助、职业晋升等方面的现状与挑战,剖析系列政策措施对于促进女性科技人才发展的成效,为学科政策制定与优秀女性科技人才持续发展提供支撑。未来,学科将进一步加强女性后备人才培养,持续推动科学基金深化改革,促进无机非金属材料领域女性科技人才的发展,提升女性对我国科技自立自强的创新贡献。

  • 支撑碳中和目标的新能源材料与器件循环利用专题—编者按
  • 任耀宇, 周光敏, 成会明, 南策文
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2086-2087.
  • 支撑碳中和目标的新能源材料与器件循环利用专题—研究论文
  • 章小明, 陈建安, 邓莘彦, 徐振华, 王馨, 黄国勇
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2088-2099. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20240857

    退役LiFePO4电池拆解得到的正极粉一般通过酸浸进行回收,但酸浸后还含有大量杂质,需再次进行除杂才能回收利用。本工作采用废LiFePO4含锂浸出液,通过还原除铜、中和除铁铝磷、碱化除镍钴锰、树脂除钙和吸附除氟,进行杂质的去除,得到可进行沉锂的净化液。结果表明:铁粉加入量为理论量的1.1倍,铜回收率达到99.95%。在最优实验条件下,用Ca(OH)2可将Fe、Al、P大部分除去,去除率分别为86.11%、70.75%和99.27%。同时,贵重金属Ni、Co、Mn损失低于5%。采用纯碱除杂,Ni、Co、Mn、Cu和Al等金属几乎沉淀完全,沉淀率均达99.5%以上,可以除到5 mg/L以下。50 ℃下HP4040树脂对Ca的单级吸附达91.6%以上。以廉价的β锂辉石为原料,制备的MgO修饰β锂辉石可进行除氟,对F的单次吸附率可达85.8%以上,为开发低成本深度除氟材料提供一条路径。

  • 支撑碳中和目标的新能源材料与器件循环利用专题—研究论文
  • 张源忠, 王建伟, 顾菁, 吴奔腾, 袁浩然
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2100-2108. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250120

    热解作为回收处理退役光伏层压件的有效手段,可以深度去除层压件中的封装剂(EVA)和含氟背板(TPT)。本工作对不同质量比例EVA和TPT共热解特性、动力学及热解机理进行了研究。结果表明:共热解质量损失率随TPT占比减少而增加,当EVA和TPT质量比为5∶1时,质量损失率最大,为97.9%。TPT会促进结焦,降低共热解程度,当EVA和TPT质量比为2∶1时,理论热解程度和实际热解程度的差值总体为负,拮抗作用最为明显,平均活化能为245.1 kJ/mol。通过Coats-Redfern法拟合,共热解过程均遵循扩散机理,其中EVA和TPT质量比为2∶1、3.4∶1.0和5∶1时分别遵循扩散机理中的D5、D3和D6机制。

  • 支撑碳中和目标的新能源材料与器件循环利用专题—研究论文
  • 李金辉, 任权兵, 龙光武, 邓方坤, 王爽, 李楠, 丁浩亮, 胡伟杰, 肖宇, 翁雅青
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2109-2114. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250196

    废旧锂离子电池不仅蕴含极高的有价金属资源,同时具备典型工业固废特征,针对传统湿法冶金工艺中存在的提锂流程长、锂元素损失、工序复杂等问题,以废旧锂离子电池正、负极混合料为原料,无须额外添加试剂,原位还原焙烧-水浸提锂工艺选择性提取锂。采用单因素实验确定最佳工艺条件,在焙烧温度600 ℃、焙烧时间30 min、搅拌时间4 h的条件下,Li的浸出率为72.23%,Ni、Co、Mn几乎不浸出,而不含杂质的商用纯三元废料(NCM)在相同条件下Li的浸出率达96.6%,Ni、Co、Mn几乎不浸出。

  • 支撑碳中和目标的新能源材料与器件循环利用专题—综合评述
  • 李家骏, 王俊雄, 周光敏
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2115-2132. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20240790

    随着电动汽车、电子设备和能源存储系统对锂电池需求的不增长,废旧锂电池的产量也呈现显著上升趋势。传统的锂电池回收方法,如湿法冶金和火法冶金,虽然能够有效回收锂电池中的有价值金属,但由于其高能耗、环境污染以及复杂的工艺流程,已逐渐难以满足日益严格的环保与经济要求。为此,绿色高效的回收技术应运而生,并成为当前研究的重点。这些技术通过减少环境负担、节约资源并提高回收经济性,为锂电池的可持续回收提供了新的解决方案。本文总结了近年来在锂电池正极材料回收领域的绿色回收技术进展,重点介绍了直接再生等创新方法。这些新型回收技术不仅有效降低了回收过程中的环境污染,还能显著提高资源的回收率,并具备较好的经济效益。然而,尽管这些技术在实验室研究中取得了较大的进步,它们在大规模应用和工业化过程中仍面临一定的技术和经济挑战,需要进一步的优化与提升。综上所述,未来锂电池回收技术的发展方向将集中于提升其工业化应用的可行性并降低成本,进一步优化其环境效益,以推动锂电池产业的可持续发展。

  • 支撑碳中和目标的新能源材料与器件循环利用专题—综合评述
  • 文云鹏, 曾子豪, 董泽宇, 曹林斌, 许伟, 葛鹏, 杨越
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2133-2147. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20240815

    随着电动汽车和储能产业的蓬勃发展,锂离子电池(LIBs)的产量和需求呈现爆发式增长。受限于LIBs有限的使用寿命,在未来会不可避免地产生大量的废旧LIBs。目前,废旧LIBs的回收方法主要分为元素提取和材料修复2类。无论采用哪种回收方法,将废旧LIBs正极活性材料与铝箔集流分离是资源化回收的关键环节之一。对正极材料的精准分离不仅可以提高材料的回收效率,而且能够降低杂质含量,促进废旧LIBs正极材料的清洁循环利用。本文介绍了正极材料与集流体的结合机理与分离方法,分析了现存方法的优势与不足,并对未来进行展望,旨在为废旧LIBs正极材料的高效再生利用提供参考。

  • 支撑碳中和目标的新能源材料与器件循环利用专题—综合评述
  • 陈立辉, 赖文斌, 罗奋强, 赖志颖, 方朝斌, 曾诗涵, 肖富玉, 钱庆荣, 陈庆华, 曾令兴
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2148-2165. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20240817

    随着中国新能源汽车退役高峰期的到来,废旧锂离子电池的回收已成为一个亟需解决的问题。废弃电极中富含锂、钴、镍等金属的正极材料具有极大的经济价值,发展高效的回收技术不仅有利于促进“双碳”目标推进,而且能够实现固体废弃物资源化与高值化转化。在各类回收技术中,湿法再生技术工艺成熟,回收效率高,是一种极具潜力的回收技术。在此,本文综述了湿法再生技术的发展,内容涵盖废弃正极材料的浸出、分离、提纯与再合成方法。首先,介绍了酸/氨/深共晶溶剂浸出、生物浸出与电化学浸出等湿法再生策略以及对应策略在浸出阶段的辅助方法。随后基于浸出液的分离与提纯技术,进一步概述了化学沉淀法、溶剂萃取法、离子交换法与膜分离法等提纯技术。针对正极材料再合成介绍了高温固相法与溶胶-凝胶法等策略。最后,总结了湿法再生技术的瓶颈并提供可能的解决方案,为湿法再生技术发展提供借鉴。

  • 支撑碳中和目标的新能源材料与器件循环利用专题—综合评述
  • 刘航, 李博约, 胡雪山, 邹智, 万佳雨
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2166-2183. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20240825

    在全球能源转型和碳中和目标的推动下,绿色储能技术的高效开发与资源循环利用已成为应对能源与环境挑战的重要途径。作为核心储能器件,电池及其技术的快速发展与广泛应用伴生了对其资源化利用的迫切需求,因此电池的高效回收与修复对资源节约、环境保护及新能源产业的可持续发展具有举足轻重的意义。超快合成技术凭借其极高的合成效率和能量利用率,能够在极短时间内完成材料修复、缺陷消除与性能优化,已成为电池材料修复领域的重要创新方法。相较于传统方法,超快合成技术显著提升了修复效率和经济性,同时有效避免了长期热处理可能导致的材料退化和高能耗问题。本文综述了电池修复技术与超快合成技术的研究现状及其技术进展,深入探讨了二者的结合潜力,突出超快合成技术在未来能源与环境领域的广阔应用前景。通过与人工智能的深度融合,超快合成技术有望实现从实验室到工业化的高效转化,为新能源材料的循环利用与产业升级提供强大支撑。

  • 支撑碳中和目标的新能源材料与器件循环利用专题—综合评述
  • 王宝龙, 李成良, 陈淳, 徐俊, 胡桢, 杨斌
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2184-2193. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20240841

    全球风电形势向好,风电行业快速发展,我国年新增装机量稳步增加。为应对风电行业低价时代的成本压力,风电机组不断大型化推动叶片重量逐年递增。随着早期服役的叶片批量退役,难以降解的废弃叶片给环境造成了巨大的压力。本文通过梳理退役风电叶片循环利用的关键问题与挑战,列举了目前主流的风电叶片回收处理技术,包括机械回收、热回收、化学回收及可回收叶片技术等,系统性分析了各回收技术的差异。站在风电行业及叶片企业的角度,提出了包括叶片延寿、部件回收和可回收技术等的回收技术发展建议。

  • 支撑碳中和目标的新能源材料与器件循环利用专题—综合评述
  • 者荣杰, 郑硕航, 张凯洋, 王晓彤, 吴兴隆
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2194-2209. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250081

    在全球加速推进能源转型的背景下,锂离子电池(LIBs)规模化应用导致退役电池数量激增。石墨具有高导电性、优异比容量和低成本等特性,被广泛用作锂离子电池负极材料。随着全球锂电装机量的快速增长,退役电池将产生大量废旧石墨(S-Gr),亟须开发高效回收技术以实现资源循环利用。本文聚焦兼具环境污染风险与资源回收价值的S-Gr,系统探讨其循环再生的策略与应用前景。首先基于石墨负极的失效机制,深入解析锂离子在多次嵌入/脱出过程中的结构演化规律及性能衰退机制,阐明影响再生效率的关键制约因素。继而从资源循环利用视角,全面评述当前主流的S-Gr再生技术体系:物理分选(浮选、筛分等)、湿法冶金(包括酸浸、碱处理等)、火法冶金(高温提纯)及湿法-火法联用等。在应用拓展方面,重点探讨再生石墨在新型储能器件(钠/钾/锂离子电池)、高附加值功能材料(氧化石墨烯、掺杂石墨)及环境催化/吸附领域的创新应用路径。最后,本文针对S-Gr回收领域的技术瓶颈与未来发展方向进行了展望,为构建动力电池产业链闭环和推进实现“双碳”战略目标提供了理论支撑与技术参考。

  • 研究论文
  • 于博政, 刘长洋, 卞刘振, 傅鹏, 彭继华, 安胜利, 彭军
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2210-2218. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250026

    固体氧化物电池(SOCs)在不改变电池结构条件下可以在燃料电池和电解池双重模式下工作,具有较高的转化效率。随着工作温度的降低,氧电极材料是电池性能及寿命的限制性环节。(La0.6Sr0.4)0.95Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)作为典型的SOCs氧电极材料,其催化活性和稳定性仍需要进一步改善。本工作制备了LSCF和Sm0.2Ce0.8O2-δ(SDC)复合电极材料,探究SDC的引入对材料晶体结构、电导率、热膨胀系数和电化学性能的影响。结果表明:复合量为6∶4的LSCF/40SDC氧电极具有更为匹配的热膨胀系数(TEC)和ORR/OER活性,在750 ℃的极化电阻仅为0.010 Ω·cm2。LSCF/40SDC单电池在750 ℃条件下的功率密度达到了1132 mW/cm2;1.3V下电解水的电流密度达到-875 mA/cm2。单电池在750 ℃和1000 mA/cm2的放电电流下稳定工作了400 h,电池的衰减率仅为7.15%/1000 h,表明LSCF/40SDC是一种很有潜力的SOCs氧电极材料。

  • 研究论文
  • 宋明, 夏凡辰, 王炳英, 张玉财, 汪玉, 吴琼
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2219-2228. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250030

    梯度孔隙阳极固体氧化物燃料电池(SOFC)的多物理场耦合行为对其长期高温服役性能具有重要影响。本工作构建了电化学-气体流动-物质传递-温度-固体力学耦合的多物理场模型,并结合蠕变延性耗竭理论开发了蠕变损伤计算方法,研究了不均匀温度场条件下一种梯度孔隙阳极的SOFC蠕变损伤演化与裂纹扩展机制。结果表明:均匀温度场假设低估了SOFC构件中的等效应力,并改变了应力分布特征;梯度孔隙阳极设计使SOFC上连接体在64 kh时首先达到临界损伤值,裂纹萌生于燃料出口40 mm肋外表面,呈表面裂纹形态,并在80 kh时裂纹长度扩展至32 mm。通过对不同阳极孔隙率设计的蠕变损伤分析表明,梯度孔隙阳极设计的SOFC相比阳极孔隙率分别为0.2、0.3和0.4的均匀孔隙阳极SOFC,其寿命分别提高了31.4%、26.4%和17.9%。研究结果揭示了此种梯度孔隙阳极在长期高温服役中的潜在优势,为SOFC的结构优化设计提供了理论依据。

  • 研究论文
  • 邹雪华, 黄爱娣, 韩正严, 陈进永, 周之琳, 王祁梦子, 钱玲娜, 刘海波, 陈天虎
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2229-2238. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20240809

    水钠锰矿具有良好的常温氧化降解甲醛活性,但单一水钠锰矿也暴露出表面活性位点不足,无法满足长期高效净化甲醛的需求。以不同温度煅烧针铁矿得到赤铁矿产物为载体,通过氧化还原法制备了系列赤铁矿复合六方水钠锰矿催化剂,探究了其在室温下氧化降解甲醛的性能及作用机制。采用X射线衍射仪、比表面积分析仪、X射线光电子能谱仪、拉曼光谱仪、透射电子显微镜和原位红外光谱仪等方法对样品进行表征。结果表明:对比赤铁矿和单一六方水钠锰矿,300 ℃煅烧针铁矿得到的赤铁矿复合水钠锰矿样品(K0.6hbir@Hem-300)室温下具有更优异的氧化降解甲醛活性,在甲醛初始浓度1 mg/L、空速为400 L/(g·h)和室温条件下,甲醛去除率在24 h内可维持在100%,且具有良好的循环稳定性。这是因为赤铁矿的引入增加了复合催化剂Mn(Ⅲ)和表面活性氧物种含量,提升了其催化氧化甲醛的能力。相较于六方水钠锰矿复合针铁矿材料,六方水钠锰矿复合赤铁矿对甲醛(10 mg/L)的氧化能力显著增强,CO2转化率约为55%,显著优于前者的40%,表明煅烧针铁矿得到的赤铁矿比原样更适合作为载体。原位红外及淬灭实验表明,在氧化降解甲醛过程中,·O2-促进DOM向甲酸盐的转化,而·OH影响中间产物向终产物CO2和H2O矿化。

  • 研究论文
  • 文浪, 赵天豪, 徐华蕊, 龙神峰, 吴芳洲, 许积文, 朱归胜, 黄誓成
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2239-2247. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250017

    高性能铟锡氧化物(ITO)靶材是平板显示、太阳能光伏电池的关键材料,制备出高致密、组织均匀的ITO素坯是制备高性能ITO靶材的关键,其中ITO靶材的成型尤为重要。本工作采用二元颗粒级配-喷雾造粒-冷等静压成型工艺,研究了不同颗粒级配比例、成型压力、保压时间和成型工艺对粉体、素坯和靶材性能的影响。结果表明:颗粒级配适当地提高了粉体密度,喷雾造粒适当地提高了粉体球形度,适当提高成型压力、延长保压时间能明显提升坯体密度。经复合式压制工艺在200 MPa保压9 min制备了相对密度为62.52%的素坯,通过烧结得到相对密度为99.85%、电阻率为1.333×10-4 Ω·cm的ITO管状靶材。

  • 研究论文
  • 王琦, 彭梦圆, 汪小鹏, 沙敏, 张丁, 姜标
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2248-2263. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250061

    超疏水性赋予各种基材惊人的多功能特性,然而,涂层和基材之间的脆弱连接限制了超疏水涂层的应用领域和使用寿命。采用2-(全氟己基)乙基甲基丙烯酸酯和三甲氧基氢硅烷反应生成含氟硅烷偶联剂,与有机聚硅氮烷(OPSZ)经过机械混合得到了含氟改性的OPSZ涂层材料,最后将其与微纳米SiO2颗粒掺杂后,使用普遍适用于各种基材的喷涂法制备了一种耐久性超疏水涂层。所制备的超疏水涂层在经历360 cm(载荷50 g)的砂纸摩擦或者12次胶带剥离测试(附着力1.75 N/cm)后,水接触角仍在150°以上,水滴可如荷叶表面般自由滚动。该工作为制备具有优异耐久性的疏水/超疏水涂层提供了一种简便的方法,在防污、防腐等方面具有潜在的应用前景。

  • 研究论文
  • 郭向柯, 吴庆亮, 周新显, 宋灿, 李伟华
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2264-2272. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250082

    利用碳纤维代替部分玄武岩纤维形成玄武岩-碳混杂纤维增强复合(HFRP)筋,以期提高玄武岩纤维增强复合(BFRP)筋在碱性海水海砂混凝土(SSSC)中的耐久性。研究不同碱度模拟SSSC孔溶液(pH=10.1,12.3,13.2)中BFRP筋和HFRP筋的力学性能时变规律,利用微观分析测试手段揭示其耐腐蚀性能提升机制。结果表明:BFRP和HFRP筋受拉伸和层间剪切失效模式基本相似;相比BFRP筋,HFRP筋初始拉伸性能得到明显提升,且界面性能并未弱化,腐蚀90 d后由于碱度提升致使拉伸强度和层间剪切强度衰减的最大幅度分别降低19.67%和23.43%;HFRP筋的劣化包括纤维刻蚀、树脂水解、纤维/树脂界面及BFRP/CFRP界面性能退化;由于碳纤维较小的直径、优异的耐腐蚀性能,以及BFRP/CFRP界面的屏障作用,延缓了水分和腐蚀离子在HFRP筋中的腐蚀和渗透,进而提高了其在高碱性SSSC环境中的耐久性。

  • 研究论文
  • 付军, 遆彦池, 秦宁辰, 丁庆军, 李百川
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2273-2286. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20240572

    轻质超高性能混凝土(LUHPC)表面粗糙化对异质铺装材料层间抗剪性能影响非常关键。如何高效地实现粗糙化表面制备,并考虑钢纤维影响,进而定量表征宏-微观纹理特性及粗糙度,关联异质铺装材料层间抗剪性能仍有待深入研究。通过抛丸打毛工艺实现煤矸石集料轻质UHPC的表面粗糙化,使用3D手持激光扫描仪获取试件表面的三维纹理数据;通过MATLAB软件采用高斯滤波的方法对点云数据进行滤波处理,并重构试件表面的三维形貌图,利用带通滤波器提取轻质UHPC的宏-微观纹理剖面数据,考虑到钢纤维对试件表面粗糙度的影响,基于铺砂法测量原理提出改进评价指标-扩展构造深度ETD;将宏观纹理参数轮廓断面算数平均偏差Ra、轮廓断面均方根偏差Rq、增强平均构造深度EMTD、增强平均断面深度EMPD和微观纹理参数CMT、均方根微观参数RMS与ETD的相关性进行分析,结合轻质UHPC-应力吸收层-高黏高弹改性沥青(SMA)复合试件的抗剪强度,将25 ℃和-10 ℃的抗剪强度与宏-微观指标参数结合,建立了单指标、多变量指标线性回归方程模型。结果表明:扩展构造深度ETD能够有效表征轻质UHPC表面粗糙度;对比相同温度、不同粗糙度下的抗剪性能,轻质UHPC表面粗糙度越大,ETD越大,其抗剪性能也越好,剪切强度25 ℃达到0.95 MPa,-10 ℃达到5.24 MPa。轻质UHPC推荐的扩展构造深度ETD为0.85~1.15 mm。

  • 研究论文
  • 覃源, 赵世龙, 周恒, 赵靖伟, 吴江江
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2287-2300. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20240762

    鉴于钢纤维混凝土衬砌(SFRC)在隧道等深基坑工程方面的应用价值,为探究钢纤维混凝土的断裂过程,以钢纤维和硅灰为控制变量,共设计9组正交配合比试件进行劈裂力学试验,采用数字图像相关技术(DIC)对试件在加载中的裂缝演化机制进行分析,同时利用超声波技术(UT)捕捉试件劈裂损伤过程中的声学特征变化。结果表明:SFRC具有较强的裂后承载能力,钢纤维掺量45 kg/m3,硅灰掺量6%,储能水平最高且劈裂强度可提高81.82%;钢纤维对胶凝材料的补强作用主要表现在线弹性阶段,90%峰值应力之后钢纤维的阻裂作用逐渐增强,裂缝主要以纵向微裂缝扩展,应力下降到70%峰值应力后,钢纤维的阻裂作用逐渐削弱,裂缝开始迅速横向扩展;此外,SFRC劈裂损伤过程中超声波速呈梯形分级衰减趋势。基于能量演化规律分析DIC与UT表征裂缝扩展具有强相关性和互补性。

  • 研究论文
  • 曾翔超, 余红发
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2301-2307. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20240786

    砖雕文物具有独特的文化属性,故对其进行原位修复的技术和材料有更高要求。针对砖雕修复过程中补砖和原位保护古灰浆的需要,首先采用碱式硫酸镁水泥基(镁基)、钙基水硬性石灰、硅基硅溶胶加固剂制作仿制砖,对3种仿制砖与古材的相容性、晶相组成、抗压强度、孔隙度特性、毛细吸水性能和耐腐蚀性等进行测试,发现镁砖性能最优;然后用黏结性和渗透加固性等指标来评价3种加固剂应用于砖雕文物修复的有效性,发现碱式硫酸镁水泥基加固剂含量为30%、含水量为44%~50%的渗透溶液加固效果最佳、体积稳定性好。本文能对碱式硫酸镁水泥基修复材料在砖石文化遗产修复领域的应用提供参考。

  • 研究论文
  • 赵宇, 沈光海, 朱伶俐, 丁亚红, 管学茂, 古立新
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2308-2319. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20240826

    基于智能建造领域和复杂载荷条件对高性能混凝土材料的迫切需求,将高强度高延性水泥基复合材料(HS-ECC)与3D打印智能建造技术相结合,通过系统研究聚乙烯(Polyethylene, PE)纤维的掺量(1.0%、1.5%、2.0%,体积分数)和长度(6、9、12 mm)对3D打印HS-ECC的硬化前、后宏观力学性能及微观结构的影响,揭示了纤维参数与打印工艺、材料性能之间的多尺度关联机制。结果表明:在纤维掺量为1.0%~2.0%、长度为6~12 mm的范围内,随着PE纤维掺量和长度的增加,3D打印HS-ECC的动、静态屈服应力和塑性黏度显著提高,同时其早期力学强度也呈现上升趋势。通过实际打印测试,发现材料的可打印性与流变性能具有一定的相关性,表明纤维的加入能够有效改善打印过程中的结构稳定性;随着纤维掺量和长度的增加,材料的抗压强度呈现下降趋势,而拉伸延性显著增强,主要归因于纤维的桥接效应及其对裂纹扩展的抑制作用;纤维掺量和长度的增加扩大了纤维-基体界面过渡区并诱发微裂纹,与宏观力学性能的演变规律一致;与纤维掺量为1%、纤维长度为6 mm的试验组相比,当纤维掺量增加至2.0%、纤维长度增加至12 mm时,3D打印HS-ECC的总孔隙率分别提高了21.75%和11.75%,进一步解释了3D打印HS-ECC试件力学性能降低的原因。为优化3D打印HS-ECC的材料设计和性能调控提供了理论依据和技术支持,推动了3D打印技术在建筑结构领域的创新应用。

  • 研究论文
  • 管佳男, 程博, 刘晓, 朱海堂, 钱珊珊, 石建军
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2320-2327. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250016

    聚羧酸减水剂(PCE)的侧链电离能力是影响其性能的关键结构参数,然而侧链电离能力发生变化导致PCE对硫酸盐在敏感性(硫酸盐耐受性)方面的影响尚不清楚。本工作基于非电离侧链PCE(NSC-PCE)和可电离侧链PCE(ISC-PCE),通过流动度、流变性能、流体力学半径(Rh)、吸附行为和Zeta电位测试,对比研究了硫酸盐对这两种PCE性能的影响规律。结果表明,提高PCE的侧链电离能力可显著提高其硫酸盐耐受性和浆体的分散稳定性,降低其对硫酸盐竞争吸附和离子强度的敏感性。在此基础上,定量评估了2种PCE的硫酸盐耐受性(ISC-PCE的硫酸盐抗性指数比NSC-PCE提高了32%),并通过全原子分子动力学模拟进行了验证。本研究结果不仅揭示了硫酸盐对PCE性能的影响,还为开发优异相容性的PCE提供了新的方向。

  • 研究论文
  • 鲍玖文, 单联飞, 刘鹏, 李冉, 孙建伟, 崔祎菲
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2328-2339. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250023

    在全珊瑚骨料海水海砂硫铝酸盐水泥混凝土(FCASS-CSAC)中用纤维增强复合材料(FRP)筋替换传统钢筋可有效解决钢筋锈蚀问题,但FRP筋与FCASS-CSAC的粘结机理尚不明晰。为了探明二者粘结性能退化规律,本工作对18个中心拉拔试件进行了测试,分析了FRP筋种类(BFRP和GFRP)和粘结长度(5d、7.5d、10d)对其粘结性能的影响。结果表明:对于直径d为10 mm的FRP筋材,在不考虑肋形的情况下,玄武岩FRP(BFRP)筋增强的粘结性能普遍优于玻璃FRP(GFRP)筋,其粘结强度总体比GFRP筋高约40%;当BFRP和GFRP筋的粘结长度为5d时粘结应力较高,其中BFRP粘结体系中5d粘结长度的强度比7.5d和10d的分别高出约30%和60%。结合试验结果,提出了考虑粘结长度影响的FRP筋与FCASS-CSAC的粘结强度预测公式,开展了其粘结性能的有限元仿真分析,并对不同加载速度和混凝土强度进行模拟预测,粘结-滑移曲线的预测分析结果均与试验结果吻合较好。

  • 青年视角
  • 于桢琪, 刘新, 邵丽静, 谢辉, 张艺, 王浩川, 冯攀
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2340-2350. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250043

    原位聚合改性水泥基复合材料(iPMCM)具有流动性好、韧性高、界面粘结性优等优势,在修补工程、3D打印等领域具有广泛应用前景。而聚合物对水泥水化的延缓作用导致其早期强度发展缓慢,限制了其进一步应用。采用纳米二氧化硅(NS)改性iPMCM,利用正交实验优选iPMCM的单体质量掺量、引发剂掺量及NS掺量,并探明NS对原位聚合改性水泥基材料水化动力学和微结构的影响规律,揭示NS的增强机理。研究发现,单体和NS分别为水泥质量分数的4.0%和0.3%、引发剂质量分数为单体的4%时,iPMCM的6 h抗压强度最优,比对照组提高了284%,且略微提高抗折强度。NS的成核效应促进水泥水化,优化孔结构,密实水泥微结构;同时,NS通过氢键与聚合物发生相互作用,可能作为交联点强化聚合物网络;单体聚合放热进一步促进了水泥的水化反应。两方面的协同作用优化了iPMCM的有机-无机网络结构,显著提升了iPMCM的早期力学性能,研究结果为拓展iPMCM的应用提供了参考。

  • 研究论文
  • 邱月, 兰燕, 游秀菲, 田野, 曾强
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2351-2361. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250063

    水泥基材料早龄期碳化通常能够提高材料工程性能,然而早龄期碳化后水泥基材料基体环境发生变化,如何影响钢筋锈蚀过程和机制仍不明晰。为此,以内置0.7 mm直径钢丝的硫铝酸盐-硅酸盐(CSA-PC)复合水泥砂浆样品为研究对象,设置拆模后经历4、24 h和72 h 3种碳化时长,通过酚酞显色测量碳化深度并利用显影增强X射线断层扫描技术(XCT)表征砂浆毛细吸水过程;标准养护至28 d后经历40次氯盐干湿循环,通过开路电位和腐蚀电流密度测量钢筋锈蚀过程;通过BSE-EDS和图像分析精细表征氯盐干湿作用后钢筋的腐蚀产物和微结构。结果表明:早龄期碳化降低了砂浆基体的碱度,标准养护至28 d,pH值仍低于钢筋形成钝化膜的碱度阈值;早龄期碳化能够提高砂浆基体抗渗性能,但显著降低开路电位,且腐蚀电流密度提高了近一个数量级;BSE-EDS分析显示,碳化后钢筋发生严重腐蚀,腐蚀坑深度最高达200 μm和腐蚀面积占钢筋截面的20%;腐蚀产物迁移并填充钢筋周围砂浆基体,体积膨胀导致形成基体裂缝。研究结果表明复合砂浆早龄期碳化加速了钢筋锈蚀。

  • 研究论文
  • 李粒珲, 王相权, 姚羿舟, 毛丽璇, 杨健
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2362-2373. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250074

    背散射电子(BSE)与能量色散X射线谱(EDS)图像分析技术凭借其出色的二维空间分辨能力,已成为表征土木工程材料微观结构的重要技术手段。本工作提出一种标准化的图像预处理策略,通过整合BSE图像和同视场的定性与定量EDS元素面谱,建立以超像素为基本分析单元的多模态数据集,有效克服孔隙存在及特征X射线与样品相互作用体积过大对物相识别的影响。结合降维和聚类算法,开发可解释的BSE-EDS图像分析模型,实现水泥矿渣复合胶凝体系物相组成的自动化分类。基于Glue平台构建多视图交互分析技术,实现化学元素特征、物相含量分布和离子迁移路径的可视化、同步、联动表征。基于PHATE(Potential of heat-diffusion for affinity-based trajectory embedding)图像构建物相网络拓扑图,通过节点-连接拓扑关系量化物相演化动态特征。最终形成以EDS图像为核心、BSE图像为辅助的智能分析范式,实现化学模态(元素组成、物相类别)与空间模态(孔隙分布、物相分布)的协同定量表征,达成“单次独立微观表征-多模态特征融合分析”的技术愿景,为胶凝体系反应机理研究及微观结构动态演化分析提供较为综合全面的技术支撑。

  • 综合评述
  • 李琴飞, 顾彬彬, 侯鹏坤, 陈衡, 赵鹏, 王琳, 程新
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2374-2387. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250075

    超细矿物掺合料凭借更高的比表面积和火山灰活性等优势,在改善混凝土工作性、早期力学性能和耐久性方面展现出显著的应用潜力。本文首先介绍了常见超细矿物掺合料的种类及其特性;随后,分别探讨了粉煤灰微珠、超细粉煤灰、超细矿渣粉这3种典型超细矿物掺合料对水泥混凝土各项性能的影响,并对比分析了其与传统矿物掺合料的性能差异;接着,阐述了超细复合矿物掺合料的性质、匹配设计及其对水泥混凝土性能的综合影响;最后,总结了超细矿物掺合料在水泥混凝土中的应用现状。本文聚焦于超细矿物掺合料的作用机理及其在实际工程中的应用前景,旨在为其功能化和高性能化应用提供理论支持和技术指导。

  • 综合评述
  • 张晓宇, 王子昂, 胡秀飞, 葛磊, 王英楠, 韩赛斌, 彭燕, 徐明升, 徐现刚
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2388-2409. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250078

    随着金刚石生长工艺的提升,金刚石加工面临更高要求,传统机械加工难以满足部分高精度需求。激光加工以其高精度、高效率、广泛适用性和可控性,已成为金刚石加工的主流技术。当前,激光在金刚石加工中的主要应用包括激光抛光、微通道、微孔加工、激光切割和激光剥离。本文系统阐述了激光与金刚石的加工机理,分析了不同类型激光的作用特点与优势,总结了近年来激光技术的发展现状,探讨了当前技术瓶颈与挑战,并展望了其未来发展方向。

  • 青年视角
  • 陈雨薇, 罗巍
    硅酸盐学报. 2025, 53(8): 2410-2418. doi: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250067

    高熵材料通常由复杂的多组元组成,凭借高构型熵及元素间的协同作用,展现出较传统非高熵材料更优异的物理和化学特性。针对固态电解质材料,高熵策略对于其结构的调控作用在优化固态电解质的离子传输特性上具有显著意义。高熵策略通过调节位点能量、优化离子分布状态、引入适度的结构无序以及调控微观形貌,有效提升了固态电解质的离子电导率及综合性能。本文对高熵型氧化物、硫化物和卤化物固态电解质的特性和性能提升机制进行了回顾和总结,为高熵固态电解质的开发提供参考,并对未来研究方向进行了展望。