连铸用铝碳耐火材料微结构调控研究进展

铝碳耐火材料是连铸高温功能部件的常用材料之一,但随着钢铁连铸技术的不断发展,传统材料已不能满足要求。因此研究者常通过对原料的设计和工艺参数的优化使耐火材料在一定温度下具有特定的碳质原料自身结构、衍生碳结构和原位生成陶瓷相结构,即通过微结构调控的方法使材料具备良好的力学性能和抗热震性能,从而使铝碳功能部件适应连铸技术的发展需要。铝碳耐火材料的碳质原料结构按照特征可分为宏观片状、蠕虫状、纳米球状、管状等众多类型。研究表明,虽然具体机制不同,但这些特殊结构的存在通常对材料抗热震性能的提升有一定积极作用。衍生碳结构根据产生途径可分为残留的碳原子聚集体和气相沉积而成的新碳结构。对于酚醛树脂产生的碳原子聚集体,其本身难以石墨化,因此研究主要集中在催化石墨化方向。对于气相沉积碳,因为其生成常需要催化剂,所以研究主要集中在催化剂的催化机理及其对沉积碳结构的调控方向。而研究亦发现石墨化碳和气相沉积碳的存在往往有利于材料力学性能和抗热震性能的提升。原位生成陶瓷相结构依据控制因素可分为遗传控制和条件控制两类。前者结构与反应物原结构类似,受限制较大。而后者结构受工艺条件的影响更显著,更满足微结构调控的需要。一般认为,各原位陶瓷相的存在均与力学性能的提升联系紧密。而材料的力学性能及抗热震性能除了受到微结构形态特性影响外,还受到结构的物相特性及其分布等因素的影响。因此,必须采用合适的原料和工艺手段对特定微结构的形态、物相和分布进行整体调控以确保材料性能的提升。本文归纳了连铸用铝碳耐火材料中微结构调控的研究进展,分别对碳质原料自身结构、衍生碳结构、原位生成陶瓷相结构以及影响材料力学等性能的其他因素等进行了介绍,分析了目前研究的不足并展望了未来的研究方向,以期为高性能连铸用铝碳耐火材料的设计提供参考。

聚醚砜中空纤维膜的制备及其微结构调控

以聚醚砜(PESU)为膜材料,聚乙烯吡咯烷酮为致孔剂,水为非溶剂,N,N-二甲基乙酰胺为溶剂,采用非溶剂致相分离的干喷湿纺法制备PESU中空纤维膜丝,探究了气隙湿度、PESU含量、牵伸倍数、喷板温度、凝固浴温度等因素对膜丝微结构的影响。使用扫描电子显微镜观察了膜丝截面形貌结构并对膜丝组件的牛血清蛋白(BSA)截留性能进行了表征。结果表明,在PESU质量分数为15%~18%、气隙湿度为60%、喷板温度为30℃、凝固浴温度为70℃及牵伸倍数为2.5~3倍的条件下可制得内皮层较薄、支撑层呈海绵孔结构的中空纤维膜;气隙湿度由50%增加至60%时,膜丝内皮层厚度占比由10.02%减小至4.07%;膜丝内皮层厚度占比随PESU含量的增大及喷板温度的提高而增加,随牵伸倍数的增大、气隙湿度的提升及凝固浴温度的升高而下降;所制得的带内皮层的截面海绵状结构中空纤维膜对BSA截留率皆在98%以上。

硼化物陶瓷:烧结致密化、微结构调控与性能提升

TiB2、ZrB2、HfB2、B4C及BN为代表的硼化物陶瓷具有优异的物理化学性能,在超高温、超硬以及超疏水等极限条件下有广阔的应用前景,但材料的烧结致密化困难、断裂韧性低等问题制约了它们更为广泛的应用.本文针对无压烧结在材料制备过程中的优势,探讨了影响硼化物陶瓷无压烧结的主要因素,总结了以"除氧"机制为代表的硼化物陶瓷无压烧结技术;针对硼化物陶瓷韧性低的不足,介绍了以"板晶增韧"、"纳米相增强"为代表的硼化物陶瓷微结构调控手段和强韧化措施.最后,文章还对硼化物陶瓷的织构化设计、制备方法与性能提升进行了简要介绍.

光催化材料微结构调控的研究

结合作者近几年的研究工作,从表面等离子增强光吸收,异质结材料,微观形貌调控和晶体形态调控三个方面,回顾和总结了目前在光催化材料研究领域的最新研究进展。并对未来光催化材料的发展进行了展望。

微结构调控对Dy^(3+)掺杂GeSe_2-Ga_2Se_3-CsI玻璃红外发光性能的影响

采用传统熔融-淬冷法制备了掺杂0.1mol%Dy3+的GeSe2-Ga2Se3-CsI玻璃,研究了其热稳定性、透过光谱和红外发射光谱,用拉曼光谱表征了玻璃结构。结果表明:在808nm激发下,玻璃近红外发射荧光中心位于1.3μm,荧光半峰宽约90nm;Dy3+的1.3μm发光性能(6F11/2·6H9/2→6H15/2跃迁)由玻璃Dy3+局域环境所决定。当I/Ga摩尔比固定为1时,Dy3+的1.3μm荧光寿命随着[Ge(Ga)IxSe4-x]、[Ge(Ga)I4]和[Ga2I7]-新的低声子能量基团的形成而增加;当I/Ga摩尔比变化时,微小的玻璃组分变化导致Dy3+局域环境晶体场的变化,从而引起Dy3+:1.3μm发光寿命急剧变化,其最大值可达到2885μs。Dy3+掺杂的GeSe2-Ga2Se3-CsI玻璃可通过微结构调控获得较优良的1.3μm红外光输出。

耦合相转化技术制备聚偏氟乙烯中空纤维膜及微结构调控

为考察热致相分离(TIPS)降温过程中非溶剂致相转化(NIPS)的作用及水溶性非稀释剂对中空纤维膜微结构的影响,以聚偏氟乙烯(PVDF)为原料,加入不同比例水溶性非稀释剂聚乙二醇(PEG400),利用TIPS与NIPS的耦合来制备中空纤维膜。利用热台偏光显微镜和差示扫描量热仪对铸膜液的成膜过程进行分析,通过扫描电子显微镜对膜微结构进行表征,并对中空纤维膜进行性能测试。结果表明:当稀释剂/PEG400质量比为10/9时,NIPS对膜微结构有较强的致孔作用,膜外表面出现了大量微孔,水通量达到最大值352L/(m^2·h),碳素墨水截留率接近100%,断裂应力为6.6MPa。

锐钛型TiO_2纳米管阵列的制备及微结构调控

采用阳极氧化法,系统考察了HF体系中氧化电压、氧化时间、质量分数、p H值和退火温度等对钛基表面二氧化钛纳米管阵列形成过程中物相和微观形貌的影响,探讨了制备规整性、均一性及微结构可控的二氧化钛纳米管阵列的主要和次要因素.研究结果表明:氧化电压、p H值是决定TiO_2纳米管阵列是否形成与规整性的决定因素.较小的p H值虽然有利于在较短的时间内制备TiO_2纳米管阵列,但容易导致基体表面TiO_2纳米管脱落,影响纳米管阵列的完整性和均一性.氧化电压在15~25 V,p H值为4~6内可以实现TiO_2纳米管阵列的微结构调控.氧化时间、电解液浓度主要影响TiO_2纳米管的管长、管径、管壁厚度,只要在合适的范围内可以通过微小的改变,实现微结构的调控.退火温度决定了TiO_2的晶相转变,不同的退火温度对TiO_2纳米管的管径、管壁、规整性、均一性影响较小,过快的升温和较高的温度不利于锐钛型TiO_2纳米管的形成,可以实现在较低温度下的晶相转化.

荷负电中空纤维膜的制备、微结构调控及渗透性能研究

以聚偏氟乙烯(PVDF)和苯乙烯-马来酸酐钠盐(SMA钠盐)为原料进行共混,经热致相分离技术制备"PVDF/SMA钠盐"中空纤维共混超滤膜,重点考察SMA钠盐的添加量对铸膜液体系成膜过程、膜微结构、亲水性和渗透性能的影响规律.结果表明,随着SMA钠盐添加量的增加,膜截面由球中带网结构逐渐转变为蜂窝孔结构,表明SMA钠盐具有非稀释剂的功效.同时,SMA钠盐与PVDF链段之间发生缠结并沉积在固化的PVDF表面以及膜孔内部,阻碍了PVDF的结晶从而降低了膜外皮层厚度,并且提高了膜表面的致密度、荷电性、亲水性,从而提高了渗透性能.当PVDF/SMA钠盐质量比为5/1时,膜纯水渗透率为1284 L/(m^(2)·h·MPa),对牛血清蛋白(BSA)的截留率高达96.1%,渗透率恢复率为84.2%.

光固化3D打印钇铝石榴石透明陶瓷及其微结构调控

成型是钇铝石榴石(YAG)透明陶瓷研制的关键环节,对透明陶瓷的致密化过程及其力学、热学和光学性能有重要影响。本工作围绕YAG透明陶瓷的基于数字光处理(DLP)技术的光固化3D打印成型,系统地开展了YAG陶瓷浆料的研制、陶瓷生坯的构筑及坯体脱脂和烧结工艺研究。采用流变仪分析了固含量对陶瓷浆料流变特性的影响,借助分析曝光参数对单层陶瓷膜特性的影响,确立了最佳的光固化工艺参数。结合TG–DTA分析,对陶瓷坯体脱脂制度进行了精准控制。采用真空高温烧结工艺制备得到高致密YAG透明陶瓷,讨论了固含量、烧结温度等工艺参数对YAG透明陶瓷微结构演变及光学质量的影响,基于DLP光固化成型技术成功制备出可见光透过率高达82.9%的高性能YAG透明陶瓷。

超高温陶瓷的无压烧结致密化与微结构调控

无压烧结,也称常压烧结,是获得致密且复杂形状的陶瓷材料最常用且经济的烧结方式。在无压烧结过程中,通过烧结助剂、工艺或制度对所获得陶瓷的微组成和结构进行调控,是提升陶瓷制品致密度和性能的关键。从超高温陶瓷材料的研究背景和意义出发,总结了国内外近年来超高温陶瓷的发展趋势,以及在超高温陶瓷无压烧结致密化和微结构调控方面的研究进展。陶瓷粉体的表面能大于多晶烧结体的晶界能,二者的差异是陶瓷烧结的驱动力。因此,加快陶瓷无压烧结致密化有两种途径,一种是增大原料粉体的表面能;另一种是降低多晶陶瓷的晶界能。以最重要的超高温陶瓷的体系二硼化锆(ZrB2)为例,展开论述。实现超高温陶瓷无压烧结致密化途径的主要方法有3种:(1)降低原料粒径,提高粉体表面能;(2)去除粉体表面氧污染,增大粉体的烧结活性;(3)引入能与陶瓷基体晶界润湿的液相,降低多晶陶瓷晶界能。文章围绕这些措施在实践中的具体应用而展开, ZrB2陶瓷的晶粒形态和尺寸也可以在这些过程中得以调控。最后,文章还对超高温陶瓷无压烧结的发展前景进行了展望。

木基材料自上而下多尺度结构设计研究进展

在全球气候变暖危机和“双碳”战略的大背景下,开发使用木基材料替代传统结构或功能材料,可以大大降低能源消耗,减少碳排放并增加碳封存量,对改善生态环境、实现绿色可持续发展具有重大意义.近年来,为了开发利用木质资源并提升传统木基材料的宏观性能,不少学者通过自上而下的“两步改性”策略实现了木材中从微观尺度到宏观尺度的多尺度结构设计调控,从而赋予了木基材料诸如高强度等不同的宏观性能,为开发设计可持续、绿色低碳的高性能木基材料开辟了新的天地.基于此,文章围绕木基材料中自上而下的多尺度结构设计策略进行了详细综述:首先简要概述了木材天然具备的跨尺度多层级结构,接着综述了微观尺度下木基材料中由纤维素主导的力学行为机制,其次从细胞壁工程的角度回顾了不同微结构调控策略以及得到的具有不同性能的木基材料,随后简要综述了近期木基材料的功能化应用新进展.最后总结了现有木基材料多尺度结构设计方面存在的不足并提出了相应的研究展望.

仿生层状骨架结构的可控构筑及其显微结构表征

发展兼具轻质、高强、高韧的高性能新材料始终是工程材料领域长期追求的目标之一。然而,高强和高韧、高强和轻质之间通常是相悖的。自然界中很多天然材料巧妙地解决了这一问题,受此启发,采用冰模板法实现了一系列仿生层状骨架结构的可控制备,并利用扫描电子显微镜对其显微结构进行了系统的结构表征,这些骨架结构有望成为新的结构增强基元,实现复合材料力学性能的提升。实验结果表明:与单向冰模板法相比,双向冰模板法制备的层状结构具有更高的有序度;通过精准调控浆料中氧化铝的含量,实现了层间次级结构从凸起、半连接到完全桥连的可控制备;同时,氧化铝层厚度可实现由8μm~20μm,层间距由65μm~50μm的连续可控调节;值得注意的是,双向冰模板法制备层状骨架的实验方法具有普适性,成功实现了多种层状陶瓷基、金属基骨架结构的可控制备。

TiO_(2)纳米棒阵列微结构的调控及其在AgSbS_(2)敏化太阳电池中的应用

通过保持水热生长温度与时间不变,改变水热生长液中钛酸四异丙酯的物质的量浓度,利用水热法在FTO/TiO_(2)致密层上制备了各种长度、直径、面密度的TiO_(2)纳米棒阵列(TiO_(2) NRA),成功地实现了对TiO_(2) NRA微结构的调控。使用Ag^(+)、Sb^(3+)与Tu配合物的DMF溶液作为前驱体溶液,通过旋涂热解法在所得TiO_(2) NRA上沉积了AgSbS_(2)薄膜,以Spiro-OMeTAD作为空穴传输层,组装了AgSbS_(2)敏化TiO_(2) NRA太阳电池,研究了TiO_(2) NRA微结构对相应太阳电池光伏性能的影响,结果表明,利用长度、直径、面密度为930nm、30nm、430μm^(-2)的TiO_(2) NRA所组装的AgSbS_(2)敏化太阳电池,其光电转换效率为1.43%。

复杂结构核-壳微颗粒的微流控制备方法

报道了一种基于微流控技术的复杂结构核-壳微颗粒的制备方法。对微流控装置进行模块化分析,组装了不同结构的微流控装置。装置具有成本低、易操作、扩展性强等优点。利用这些装置分别制备了包含不同尺寸或组分内液滴的W/O/W型复合乳液模板。之后结合紫外聚合反应,合成了包埋不同尺寸内核的核-壳微颗粒。此外,引入海藻酸水凝胶优化体系,解决了内核包埋物扩散问题,合成了包埋不同组分内核的核-壳微颗粒。对乳液模板及颗粒的形貌进行了表征,其具有单分散性高、结构均一性强的特点。此种复杂结构核-壳微颗粒在药物控释、微反应器、示踪颗粒等方面均有着极大的应用潜力。

电子束辐照构筑银基纳米结构

本文通过电子束流辐照(EBI)技术,以AgX(X=Cl^-, Br^-, etc.)为前驱体,构筑银基纳米复合结构以及单分散Ag纳米粒子。通过调节电子束流强度和电子辐照束流剂量实现了对产物组成及形貌控制,低束流强度电子辐照成功构筑了AgCl@Ag复合物,控制电子辐照剂量可以调控复合物中银单质和银盐的比例以及银纳米颗粒的介孔组装结构;高束流强度、大剂量电子辐照可以合成单分散的Ag纳米粒子,纳米粒子的粒径及形貌受束流强度大小控制。以长方体AgCl颗粒为模型,探讨了AgCl@Ag复合物组成的调控机理。

堇青石-YSZ复合中空纤维陶瓷膜的制备与油水分离性能研究

笔者采用相转化法制备了高渗透性、低成本堇青石基中空纤维陶瓷膜,研究了添加10wt%不同粒度的3mol%氧化钇稳定氧化锆(3YSZ)对制备的膜的结构、力学强度和油水分离性能等的影响。其结果表明,制备的堇青石膜呈现非对称结构,由指状孔层和外侧多孔分离层构成。在引入纳米3YSZ后,膜分离层厚度和孔径减小,形成更为均匀多孔的表面结构。添加纳米颗粒可在显著提高膜的抗弯强度的同时,不会明显降低膜的渗透性能,其中引入100nm^(3)YSZ的复合膜的抗弯强度和纯水通量分别可达120MPa和2.15m^(3)/(m^(2)·h·bar)。制备的堇青石-YSZ复合膜相对堇青石膜表现出更优的油水分离性能,油截留率可达到95.3%以上。

Janus材料微结构精细调控进展

Janus材料由于其拥有两个具有不同化学组成的表面而备受关注,其特殊的结构和性能已成为材料科学研究热点.如何实现Janus材料形貌可控、化学组成严格分区、不同位点复合功能分区、微结构精细调控和批量化制备是该研究方向中的重点和难点.针对上诉问题,基于本课题组研究工作,本文总结了Janus材料微结构精确控制和批量化制备的方法,为Janus材料大规模制备和应用提供新思路和新方法.

金属氧化物异质结气体传感器气敏增强机理

金属氧化物异质结由于费米能级效应、不同组分之间的协同作用,常被用来提高电阻型金属氧化物半导体气体传感器的气敏特性。本文简述了近年来国内外金属氧化物异质结材料的类别,主要分为混合氧化物结构、层状结构、第二相粒子修饰结构、一维纳米结构和核-壳结构;重点综述了金属氧化物异质结的气敏增强机理,包括异质结效应、协同效应、催化溢流效应、响应反型、载流子分离及微结构调控六大机理;分析了当前异质结气体传感器面临的瓶颈。最后对纳米异质结气体传感器的发展进行了展望,今后金属氧化物异质结气体传感器可以从明确异质结界面机理展开,这将为自下而上地设计出符合实际需要的气体传感器提供一定参考。

基于晶体学原理的高效光催化材料的设计与制备

光催化技术是一种将太阳能转换为化学能的新技术,基于该技术可利用半导体光催化材料实现光催化分解水制氢、二氧化碳还原制备有机物、降解有机污染物等,是解决未来能源和环境问题的潜在途径之一。然而,作为光催化技术的核心,光催化材料面临着光吸收范围窄、光生载流子分离效率低等问题,这些问题严重制约着光催化能量转化效率及其实际应用。针对制约光催化材料活性的关键科学问题,近年来本课题组从晶体学基本原理出发,基于半导体材料结构与性能的关系,通过对半导体材料的晶体结构、电子结构、微结构参数进行设计与调控,探索制备了一系列具有宽光谱响应范围、高载流子分离效率的新型高效光催化材料,为设计制备新型高效光催化材料提供了一些新的设计思路和材料制备方法。

特殊浸润性油水分离材料的研究进展

随着石油产业的快速发展,原油泄露和含油污水严重危害了生态环境和人类健康。因此,含油污水的有效处理成为目前亟待解决的关键问题之一。但传统的油水分离材料普遍存在着油水分离效率低、易造成二次污染、难以回收再利用等缺点,无法满足国家环保标准。近年来,特殊浸润性油水分离材料因具备特殊的选择渗透及吸附性得到了迅速发展。基于此,以表面特殊润湿性油水分离材料为研究基础,对固体表面浸润理论进行了分析,介绍了通过材料表面微观结构调控和化学改性的方法制备特殊浸润性油水分离材料的研究进展,并对特殊润湿性油水分离材料目前面临的挑战及未来的发展方向作了总结和展望。