活性炭疏水/超疏水改性技术研究进展

活性炭具有丰富的孔隙结构和表面官能团,广泛用于吸附污染环境中的各种有机物。由于活性炭表面富含亲水官能团,在潮湿环境下将优先吸附水分子,从而大幅度降低了对目标有机物的吸附容量,因此如何改善活性炭的防潮防水性能是其应用过程中亟待解决的问题。大量研究表明,活性炭经疏水/超疏水改性后,可有效隔绝水汽,显著提高其防潮、防水性能,这种特殊性能使疏水/超疏水活性炭在诸多领域都有着极高的应用前景和市场价值。基于活性炭的吸附机理,从活性炭的物理结构和表面化学性质2个角度出发,概述了活性炭的来源和形貌,着重介绍了不同的疏水/超疏水改性技术,包括高温加热处理、负载金属氧化物、有机分子改性、有机硅涂层、有机无机复合超疏水涂层的改性制备方法及相应的优缺点,并在此基础上分析了不同改性技术对活性炭的防潮、防水能力及吸附目标有机物的影响。进一步讨论了疏水/超疏水活性炭在不同领域(例如废水处理、废气处理及电化学催化等)的实际应用效果,并指出了现有技术存在的局限性,最后对活性炭的发展进行了展望。

基于多孔黏结层的超疏水复合涂层制备及其耐磨性研究

目的提高超疏水涂层的耐磨性。方法采用底面复合方法增强超疏水涂层的附着性和耐磨性,通过发泡剂在树脂底漆表面形成均匀孔隙结构,使喷涂于底漆表面的部分超疏水纳米颗粒嵌入孔隙中,通过硬化树脂的凸起结构有效保护超疏水纳米颗粒,从而提高涂层整体的耐磨性。在摩擦磨损试验机上开展橡胶磨损测试,综合评价涂层的耐磨性能,并通过扫描电子显微镜和同轴光学显微镜对涂层表面的原始形貌及磨损形貌进行分析,通过接触角测量仪对涂层磨损前后的表面润湿性进行测试。结果当异构十六烷的质量分数为50%、预热温度为130℃、预热时间为100 s时,在底漆表面可形成较深且分布均匀的孔隙结构,基于该底漆制备的超疏水复合涂层的耐磨性相对更好。在30 N载荷下,优化涂层经橡胶磨损700次后,仍能保持较好的疏水性。结论通过发泡剂对底面复合涂层进行改进,可有效提高超疏水纳米涂层与基底之间的黏结强度;底漆表面的孔隙结构有利于超疏水颗粒的嵌入,充分利用硬化树脂的凸起结构对嵌入的超疏水颗粒进行保护,可有效提高底面复合超疏水涂层的整体耐磨性。

基于变网格技术的枝晶组织数值模拟研究

针对元胞自动机(CA)模型采用均匀网格技术进行凝固组织模拟过程中存在计算效率较低等问题,提出了一种在固/液界面上划分细网格、在其他部分采用较大网格的变网格方法,对该模型进行改进,同时初步探讨了二维CA模型采用不同界面过渡带和粗网格系数等变网格参数时的模拟情况。研究结果表明,与均匀网格模拟相比,变网格技术可显著提高CA模型的计算效率,效率提高近60%,随着界面过渡带和粗网格系数的增加,计算精度提高。

基于变网格技术的凝固组织模拟研究

针对均匀网格技术在采用元胞自动机(CA)模型进行凝固组织模拟过程中存在计算效率较低等问题,提出一种在固/液界面上划分细网格、在其他部分采用较大网格的变网格方法,对该模型进行改进,同时初步探讨了二维CA模型在采用变网格技术时的模拟情况。研究结果表明,与均匀网格模拟相比,变网格技术可显著提高CA模型的计算效率,效率提高近50%。

泡沫铜纳米针超疏水表面电化学构建技术及其油水分离特性

采用电化学氧化法,在泡沫铜多孔材料表面构建了纳米针结构.利用扫描电子显微、X射线衍射图谱分析及油水测试方法研究了电流密度对表面微观形貌、组成成分、润湿性和油水分离特性的影响.结果表明,增大电流密度可促进Cu(OH)2纳米针绒毛状微米团簇的生成,形成微纳复合结构,使超浸润性和油水分离特性明显提高.当电流密度为6 m A/cm2时,泡沫铜表面具有微纳复合结构.表面经改性后,水滴的静态接触角为161°,滚动角为7.2°,油滴则在表面完全润湿铺展,油水分离效率高达98%.同时,此改性表面显示出良好的抗水冲击性和耐水压性.

冷拔高碳钢丝织构演变分析

利用电子背散射衍射分析(EBSD)方法对高碳钢丝拉拔及再结晶过程织构的演变过程及织构分布进行了研究.研究发现随钢丝应变量的增加,钢丝中除了典型的〈110〉丝织构外,还存在比较明显的〈112〉织构,并且随着应变量的增加〈110〉织构的强度逐渐增加;同时,在ε=1.9时,钢丝表层〈110〉强度及所占比例大于中心部分,而〈112〉织构强度弱于中心部分;在经过600℃退火再结晶后钢丝中产生的再结晶织构与形变织构相同,仍然为〈110〉和〈112〉织构,并且随退火时间延长,织构强度不断变弱.

纯Mg的蠕变行为研究

不同状态纯Mg试样在75—200℃,15—40 MPa条件下的蠕变实验表明:在等同条件下,铸态试样的晶粒粗大,蠕变速率较低;挤压态试样由于动态再结晶,晶粒变细,蠕变速率大幅上升;退火后由于晶粒长大,蠕变速率又呈下降趋势,根据应变速率幂指数公式,铸态纯Mg试样在较低应力时,应力指数n处于4.3—4,9的范围,在较高应力时,n>7;激活能在76.0—89.4 kJ/mol的范围.根据应力指数和激活能并结合蠕变过程中的组织分析,纯Mg的蠕变受位错攀移、晶界滑移以及孪生的共同作用,其中位错攀移和晶界滑移占主导地位.

Mo对TiC/Al复合材料组织和性能的影响

为了细化TiC/Al基复合材料中的增强颗粒,进一步提高TiC颗粒对基体的强化效果,在锻铝6A02基体中加入适量Mo元素,用原位合成的方法制备TiC/Al基复合材料.对制备得到的铸态和轧制态材料进行了显微组织观察、拉伸和磨损实验.结果表明,TiC颗粒可以作为异质形核核心起到细化基体组织的作用.TiC颗粒的引入提高了材料在室温和高温的抗拉强度和屈服强度,同时改善了材料的耐磨损性能,且随着载荷的增加,耐磨性能的提高越明显.当加入质量分数1.0%的Mo时,可改善基体对TiC颗粒的润湿性,细化TiC颗粒的尺寸(0.5μm),使TiC颗粒分布更为均匀,材料的力学性能和磨损性能得到提高.然而,过高的Mo含量将导致在组织中出现粗大的脆性Al5Mo相,同时使材料的力学性能和磨损性能有所降低.

热电材料β-FeSi_2机械合金化和热处理相变

用机械合金化法研制出了β-FeSi2热电材料.研究了球料比、球磨时间等机械合金化参数以及热处理工艺对Fe-Si合金相变的影响.采用X射线衍射仪(XRD)及扫描电子显微镜(SEM)分析了Fe-Si合金相组成及微观形貌.研究结果表明:在球料比为80∶1、球磨速度为450r/min的条件下,球磨5h后的粉体的组成相为α-Fe2Si5,β-FeSi2和ε-FeSi;随着球磨时间的延长,Fe-Si合金粉体的颗粒度变细,成分更加均匀,β-FeSi2的含量逐渐增多;增加球料比也能使Fe-Si合金粉体中的β-FeSi增多;经800℃热处理保温0.5h后可以获得单相β-FeSi.

原位合成TiC颗粒弥散强化2A50铝基耐磨材料

采用原位合成的方法制备30wt%TiC/Al中间合金,再以2A50铝合金为基体,通过搅拌铸造法加入一定量的中间合金制备TiC颗粒弥散强化2A50铝基耐磨材料。采用XRD和SEM研究了中间合金的显微组织和相组成以及TiC颗粒的加入对基体的组织及力学性能的影响。结果表明:TiC为原位合成反应的唯一生成产物,且颗粒细小分布均匀,TiC颗粒的加入能够细化基体的晶粒,显著提高基体合金的力学性能,尤其是耐磨损性能。

Sn-8Zn-3Bi-P焊料的高温氧化行为及其对性能的影响

通过增重法研究了250℃下微量合金元素P的添加对液态Sn-8Zn-3Bi焊料表面氧化行为的影响。试验借助扫描电镜(SEM)、俄歇电子能谱(AES)等分析方法探索磷的抗氧化机理。比较了氧化前后焊料的力学性能及铺展性能差异,探讨合金元素P的加入对焊料其它性能的影响。结果表明,磷的加入对Sn-8Zn-3Bi焊料的抗氧化性具有明显的改善作用。磷替代了锌优先被氧化,在焊料表面形成了易于挥发的P4O6氧化膜。当合金中P元素含量为0.2%(质量分数)时,焊料的综合性能最佳。

Ti-34Nb-4Zr-0.3O合金时效组织调控及其力学性能

采用真空电弧熔炼、单相区热锻以及冷轧等技术制备亚稳β型Ti-34Nb-4Zr-0.3O(质量分数/%)合金(TNZO),通过对冷轧态TNZO合金进行250℃和300℃的低温时效处理,揭示时效温度和时间对ω相析出行为与合金力学性能的影响规律。结果表明:低温时效使ω相呈纳米尺寸析出,导致合金的强度和弹性模量提高。300℃时效时,ω相易发生粗化和团聚,使合金的伸长率快速下降和脆化。250℃短时时效可使少量ω相弥散析出,使合金具备高强度、低模量、超高弹性和良好塑性的优异综合性能,在航空航天弹性钛合金和医用植入钛合金领域显示了广阔的应用前景。

Al对高速钢M_2C共晶碳化物的影响

研究Al对M2高速钢铸态组织,特别是M2C共晶碳化物形态及性质的影响,并对其形态变化机理进行了探讨。结果表明,Al提高基体合金固溶量,减少共晶莱氏体数量,使莱氏体网细化。Al改变了M2C共晶碳化物形态和成分,使其由弯曲棒状变为平直片层状,合金元素含量升高。片层状M2C高温加热不易断网和球化,对碳化物形态改善不利。M2C形态改变与Al元素引起的合金元素分布及凝固界面前沿成分过冷度变化有关。

Al对M2高速钢铸态组织的影响

试验M2高速钢(%:0.85C、5.92W、4.74Mo、3.86Cr、1.81V)由25 kg真空感应炉熔炼,并用砂型铸造成锭。研究了0～1.3%Al对钢铸态组织的影响。结果表明,加入0.6%Al,可细化共晶莱氏体网,改善碳化物分布;加入过量Al(1.3%),初生晶粒内部出现大量由δ铁素体通过共析转变产生的针状碳化物。Al促进M_2C共晶碳化物形态由弯曲棒状变为平直片层状,并提高其合金元素含量。与片层状M_2C相比,棒状M_2C在高温易分解成短棒状或球状碳化物,有利改善碳化物形态。

高等工程教育的创新型人才培养

21世纪是知识经济高速发展的时代,是人类更多地依靠知识创新和可持续发展的世纪,知识创新及其创造性应用将成为人类社会进步的不竭动力,成为国家和民族生存发展和竞争力的基础。于是人们将创新作为一个系统工程来对待,提出了创新工程的概念。在这样一个大的背景之下,高等教育中的创新人才培养受到越来越多人的关注,特别是工程创新人才。作为培养工程创新人才重要基地的高等工科院校,在清楚地了解创新及创新人才的基本概念之后,如何面对创新教育这样一个广泛的课题展开理论探讨,如何认清当前高等工程教育方面存在的诸多弊端,如何有针对性地进行改革实践,已成为人们关注的焦点。

基于MPI二元合金三维枝晶生长相场法的并行研究

在对Ni-Cu二元合金进行三维模拟时采用了目前最有效的微观组织数值模拟方法—相场法.但是随着空间维数的增多,计算规模小、计算时间长、计算效率低成为突出的问题.为了解决以上问题,探讨基于MPI并行算法求解Ni-Cu二元合金自由生长的三维相场模型,分别采用MPI中点对点通信和组通信对串行程序进行并行设计,并对2种通信模式的加速比进行比较.同时采用不同的划分方法对并行程序中计算域进行划分并比较并行效率.结果表明:MPI并行方法可以使计算规模扩大到1 000个×1 000个×500个网格;在规模相同的情况下,组通信的加速比相对串行程序最高可以达到15.45倍,要高于点对点通信的10.06倍最高加速比;无论计算规模大小,点对点通信均适用,组通信由于数据缓存区的限制,不适用于计算规模较大的情况;面向行划分方式的计算效率和安全性均高于面向块划分方式.

Pd基Heusler合金Pd_2CrGa和Pd_2FeGa的第一性原理研究

运用基因遗传算法的晶格结构预测技术预测Pd基Heusler合金Pd2MnSn、Pd2CrGa和Pd2FeGa的结构;采用基于密度泛函理论(DFT)的投影缀加波(PAW)方法研究Pd2CrGa和Pd2FeGa的四方变形、磁性、态密度、弹性常数和声子谱线,最后通过Helmholtz自由能的计算预测了Pd2CrGa和Pd2FeGa的相变温度。结构预测显示:极限条件0 K时,Pd2MnSn以L21立方结构稳定存在,而Pd2CrGa和Pd2FeGa均以四方结构稳定存在。四方变形中,Pd2CrGa、Pd2FeGa在c/a<1.0和c/a>1.0处均有一个能量的局域最小值,分别对应一个稳定的结构。Pd2CrGa、Pd2FeGa在两种状态下均表现为铁磁性,Cr原子和Fe原子是总磁矩的主要贡献者。弹性常数计算结果显示:Pd2CrGa和Pd2FeGa仅在四方结构时才满足稳定性判据。c/a≈1.24处的四方结构Pd2CrGa转变为立方结构的相变温度在350 K左右,c/a≈1.30处的四方结构Pd2FeGa转变为立方结构的相变温度在130 K左右。

纳米多孔阳极氧化铝膜形貌的控制研究

采用38g／L的草酸溶液为电解液，制备了孔洞规则有序，孔径和厚度均一可控的氧化铝模板，并研究了阳极氧化工艺对阳极氧化铝膜形貌的影响。实验结果表明，采用38g／L的草酸溶液作为电解液，经两步法阳极氧化可制得孔径均一，排列规则的多孔阳极氧化铝膜。随着氧化电流密度的升高，氧化膜孔径逐渐增大。电流密度过大，反应放热严重，氧化铝膜孔径均匀性，孔洞形状规则性和有序性都下降。在恒电流密度条件下，氧化膜厚度随着氧化时问的延长呈线性增长，但对氧化铝膜孔径影响较小。

仿生非均匀润湿性表面研究进展及应用现状

介绍了固体表面的典型润湿理论,主要包括Young’s方程、Wenzel模型、Cassie-Baxter模型、Wenzel-Cassie模型之间的转换理论以及动态润湿模型。对仿生非均匀润湿性表面的国内外发展动态、表面制备技术以及表面结露特性等进行了归纳总结。针对仿生非均匀润湿性表面在集水、换热、脱盐、微流体控制以及抗结冰等方面的应用现状及潜在应用前景进行了阐述,揭示了非均匀润湿性表面利于强化结露及提高换热效率的主要原因为:亲水微区强化了表面形核结露,疏水微区保证了露滴脱附性能,从而使表面结露及脱附达到相对平衡而保证总体效果。最后指出了仿生非均匀润湿性表面目前存在设备昂贵、制备工艺复杂以及成本较高等限制其批量化制备应用的问题,阐明了利于批量化制备应用的涂层调控技术在非均匀润湿性表面制备中的优势,并对非均匀润湿性表面的工业应用前景和发展方向作了展望。

仿蝉翼超疏水疏油玻璃防指纹特性研究

目的解决传统的全氟聚醚疏油防指纹涂层对提高触摸屏防指纹效果不明显的问题。方法基于对蝉翼表面纳米阵列微观结构形貌的表征,通过金快速热退火模板法和反应离子刻蚀技术,制备了仿蝉翼超疏水疏油防指纹表面。基于指纹图像阈值算法和表面粗糙度因子模拟计算,评价分析了其防指纹特性。结果仿蝉翼超疏水表面水接触角为(152±1)°,指纹油接触角为(118±2)°,十六烷接触角为(111±2)°,表面透光率为95.6%,展现出卓越的超疏水疏油特性和光学特性。同时,仿蝉翼超疏水疏油表面的抗指纹性相对于全氟聚醚改性平玻璃疏油表面提升了28.3%以上,表现出良好的防指纹特性。此外,按压指纹后的仿蝉翼超疏水疏油表面经过1次标准无纺布擦拭实验后,表面指纹率相对于擦拭前降低了40%,指纹降低率远高于改性平玻璃疏油表面,说明了其优异的指纹易擦洗特性。另外,经过20 min落砂实验后,仿蝉翼超疏水疏油表面仍然可以保持良好的抗指纹特性,说明其具有良好的耐机械磨损特性。结论仿蝉翼超疏水疏油表面具有优异的超疏水疏油特性和光学特性,同时,表面致密的纳米阵列赋予了其良好的抗指纹特性。经测试发现,该表面具有优异的指纹易擦洗特性和机械耐久性,为未来防指纹玻璃的设计提供了新的思路。