石墨烯基高性能柔性锂硫电池的构建及性能研究结题摘要

锂硫电池具有理论能量密度高、环境友好、成本低廉等优点，但仍存在活性物质利用率低、循环稳定性和安全性差等问题，成为制约其实用化的瓶颈。本项目发展了新的锂离子-硫全电池体系，其中采用具有三明治和钢筋混凝土结构的硫电极作为正极，具有自支撑结构的预锂化石墨烯包覆硅-碳薄膜为负极。对于硫正极，纸团状石墨烯-硫杂化材料被PVP修饰的碳纳米管缠绕，并夹在两层由石墨烯构成的片层之间，构成具有三明治结构的硫正极。这种独特的结构不仅能够提供锂离子和电子的快速传输通道，并能有效的抑制多硫化物的穿梭效应和容纳充放电过程中硫的体积膨胀。对于负极，石墨烯紧密的包裹住由无定型碳包覆的硅颗粒，这可以有效的容纳硅充放电过程中的体积膨胀，并能提供良好的电子传输网络。当组装成硅-硫全电池时，在1C倍率下循环时，首次容量可达905 mAh g-1，经过800周循环后容量仍保持在650 mAh g-1，每周的容量损失率仅为0.035%，表现出良好的循环稳定性。此外，采用水热处理和离子交换方法制备得到还原石墨烯-双金属硫化物杂化材料，其中纳米双金属硫化物颗粒均匀的分散到石墨烯的片层上，确保良好的电接触。在这种杂化材料中，双金属硫化物纳米颗粒不仅能够通过化学键合作用来限制多硫化物的穿梭，更重要的是能在充放电过程中通过催化转化来促进多硫化物向不溶硫化物的转变。此外，还原石墨烯具有相对较高的比表面积可以提供良好的导电网络和结构稳定性。由于这种独特的结构设计和组分组成，该G-NCS杂化材料在负载81.5 wt%的硫作为活性物质，仍能展现出高的面积比容量、良好的倍率性能和增强的循环稳定性，高的活性物质利用率。这些为研究高安全性、长循环性能锂硫电池储能器件，提供了新思路和理论依据。 2100433B

本项目致力于从器件角度出发构建具有高能量密度、长循环寿命的柔性锂硫电池。项目首先发展了微观和宏观织构可控的低成本石墨烯制备及功能化调控技术，研究了三明治结构柔性硫正极、石墨烯基硅负极的不同制备工艺对电极结构和电化学性能的影响；深入研究了柔性硫正极、石墨烯基硅负极以及不同电解液体系对锂硫电池电化学性能特别是循环稳定性的影响，探讨了硫正极、硅负极及电解液与多硫化物之间的作用机制；优化石墨烯基柔性硅负极的预锂化工艺以及研究了不同工艺对硅负极结构及电化学性能的影响；最终设计和组装了柔性锂硫电池，探索并优化器件组装和制备工艺，得到具有高能量密度、长循环寿命的新型柔性锂硫电池。项目的实施将为石墨烯基材料的功能化设计、电极的可控构建提供思路和必要的科学基础；同时本项目将在保证正负极高倍率、长循环性能的基础上，优化锂硫电池各部分的匹配关系，最终促进柔性锂硫电池的广泛应用，推动锂硫电池的产业化和规模化。

《高性能耐磨铜基复合材料的制备与性能研究》由王德宝、吴玉程著。通过SEM、XRD、TEM和其他实验检测仪器对粉末的机械合金化过程，复合材料的微观组织特征以及机械、物理和摩擦磨损性能进行了系统研究，为拓展新型高性能铜基复合材料的应用领域打下坚实的基础。

《高性能耐磨铜基复合材料的制备与性能研究》以开发高性能导电（热）耐磨铜基复合材料为目标，通过成分和工艺优化，采用机械合金化（MA）、冷压成形和复压复烧工艺制备出了满足性能要求的颗粒增强Cu（—Cr）基复合材料，以寻求最佳的材料制备工艺，满足材料的高强度、高导电（热）性以及优良的摩擦磨损性能要求。

• 版次：1

• 商品编码：12795455

• 品牌：化学工业出版社

• 包装：平装

• 开本：32开

• 用纸：胶版纸

• 页数：190

• 正文语种：中文

内容简介

《石墨烯强韧化复相陶瓷刀具材料及性能研究》详细地分析了石墨烯强韧化氧化铝基陶瓷刀具材料的设计及性能：通过在氧化铝基陶瓷刀具材料中加入石墨烯来调节界面结构，借助计算力学技术和有限元分析技术，分析了陶瓷复合材料微观结构与宏观力学性能之间的关系，设计并构筑了石墨烯强韧化氧化铝-碳化钛复相陶瓷材料界面，引入多种强韧化机制，以显著提高陶瓷刀具材料的切削性能。这对提高淬硬钢等难加工材料的加工效率具有重要的实际意义，也对后续石墨烯的分散方式以及石墨烯的改性方式的研究提供理论依据。

本书可供刀具设计人员及高等院校相关专业院校师生参考。

目录

第1章陶瓷刀具材料概述1

1.1切削刀具材料1

1.2陶瓷刀具材料的发展及研究现状4

1.2.1陶瓷刀具材料的发展4

1.2.2陶瓷刀具材料的分类6

1.2.3陶瓷刀具材料强韧化机理8

1.2.4氧化铝陶瓷刀具研究现状13

1.2.5界面调控及其在复合材料中的应用14

1.2.6石墨烯-陶瓷复合材料研究现状16

1.3陶瓷刀具材料设计与研究方法19

1.3.1陶瓷材料设计方法19

1.3.2多尺度方法概述22

1.3.3基于计算几何的仿真技术26

第2章陶瓷刀具材料界面性质30

2.1材料计算概述31

2.2建模理论32

2.2.1CASTEP介绍32

2.2.2CASTEP的使用34

2.2.3密度泛函理论35

2.2.4基于密度泛函理论的计算方法38

2.3界面结构与材料性能的关系40

2.4晶体体性质的计算42

2.4.1能带理论42

2.4.2α-氧化铝的体性质44

2.4.3碳化钛的体性质49

2.4.4石墨烯的性质52

2.5晶面性质的计算54

2.5.1α-氧化铝表面性质的计算55

2.5.2碳化钛表面性质的计算57

2.6界面性质的计算59

2.6.1氧化铝和碳化钛界面61

2.6.2石墨烯与其他晶面的界面62

2.7界面结合强度计算63

第3章基于微观结构有限元分析模型的陶瓷刀具材料性能预报68

3.1模拟方法概述69

3.2材料微观结构有限元分析模型70

3.2.1代表性体积单元70

3.2.2微观结构几何模型72

3.2.3晶粒位向及材料各向异性76

3.2.4损伤和断裂准则78

3.3微观结构有限元模型仿真参数确定82

3.3.1内聚力单元刚度82

3.3.2晶粒形状86

3.3.3模型可靠性验证88

3.3.4含石墨烯的陶瓷刀具材料有限元分析模型88

3.4基于微观结构有限元模型的性能预报模型 91

3.4.1基于数值的均匀化方法简介91

3.4.2性能预报模型中宏、微观参数的关联92

3.4.3断裂韧性的预测模型及影响因素97

3.4.4抗弯强度的预测模型及影响因素106

第4章石墨烯强韧化复相陶瓷刀具材料制备及力学性能118

4.1刀具材料制备118

4.1.1原材料概述118

4.1.2材料相容性判定119

4.1.3石墨烯的分散121

4.1.4刀具材料的制备流程122

4.1.5材料的力学性能和微观结构测试方法124

4.2所制备材料的力学性能126

4.3复合陶瓷刀具材料微观结构分析127

4.3.1粉料微观形貌及烧结前后材料的成分对比127

4.3.2试样表面压痕裂纹分析130

4.3.3断口微观形貌分析132

4.3.4界面结构观察135

4.4石墨烯的作用机理分析138

4.4.1界面差分电子密度计算138

4.4.2强弱界面协同强韧化139

4.4.3石墨烯其他强韧化机理140

4.5石墨烯强韧化陶瓷刀具材料的各向异性141

第5章石墨烯强韧化复相陶瓷刀具切削性能147

5.1试验条件147

5.2切削过程与切屑形态150

5.3切削力与切削温度152

5.4石墨烯含量对陶瓷刀具损伤特征的影响156

5.5刀具寿命与刀具失效演变161

5.6刀具失效特征与失效机理167

参考文献173