科教融合与“双碳”理念下材料综合实验教学改革——以“g-C_(3)N_(4)纳米片制备及其在光催化降解中的应用”为例

基于科研成果设计了g-C_(3)N_(4)纳米片制备及其光催化降解应用实验教学项目。该项目包含了g-C_(3)N_(4)纳米片的制备和表征,并探索了在不同条件下制备得到的g-C_(3)N_(4)纳米片对有机染料和抗生素的光催化降解效率。本实验项目内容可操作性强,设备及耗材要求低,绿色安全,并且通过该实验教学项目可以有效提升学生的创新能力及综合能力,在实验教学中也实现了科教融合及“双碳”理念的落实。

基于分形理论的旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面微观形貌

为了研究旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面的微观形貌,基于分形理论研究不同加工参数下Si_(3)N_(4)陶瓷表面微观形貌的变化。设计旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷正交试验,对比分析不同加工参数对Si_(3)N_(4)陶瓷表面分形维数和多重分形谱的影响,并设计单因素试验研究不同加工参数下Si_(3)N_(4)陶瓷表面的粗糙度、分形维数和多重分形谱。结果表明:旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面时,分形维数能更好地表征其加工表面的缺陷状态,多重分形谱则能更好地表征其加工表面缺陷的起伏程度变化。

造孔剂对多孔Si_(3)N_(4)陶瓷透气系数的影响

为改善多孔Si_(3)N_(4)陶瓷的透气性,以Si粉为原料,Y_(2)O_(3)和CaF_(2)为烧结助剂,粒径为5和20μm的聚甲基丙烯酸甲酯微球为造孔剂,先注凝成型再排胶,最后在氮气气氛中于1650℃保温3 h反应烧结,制备了多孔Si_(3)N_(4)陶瓷。研究了造孔剂粒径和添加量(体积分数分别为0、15%、30%、45%和60%)对多孔Si_(3)N_(4)陶瓷显气孔率、孔径分布、孔结构、透气系数等的影响。结果表明:1)添加造孔剂的试样呈堆积衍生孔和球形演化孔的二级孔结构,孔径呈双峰分布;2)在粒径相同时,随着造孔剂添加量的增加,试样的显气孔率和透气系数增大,而体积密度、弯曲强度、断裂韧性降低;3)相同添加量下,添加5μm的小粒径造孔剂的试样具有更高的显气孔率、透气系数和弯曲强度,采用较小粒径的造孔剂能减小孔壁的厚度,并扩大孔壁内堆积衍生孔的孔径,提高孔壁的渗透性;4)添加体积分数为60%的5μm造孔剂的试样综合性能最优,其显气孔率、透气系数和弯曲强度分别为55.1%、11.6×10^(-14)m^(2)和35.3 MPa。

CoS_(x)/g-C_(3)N_(4)纳米复合材料的合成及其光催化降解四环素性能

采用简便的低温(120℃)水热法成功合成出非晶相硫化钴/石墨相氮化碳(CoS_(x)/g-C_(3)N_(4))复合材料,利用自组装的方式,让CoS_(x)能够均匀地生长在g-C_(3)N_(4)纳米片上。通过XRD,SEM,FTIR,UV-Vis DRS,BET等测试方法对纳米复合材料的结构和性能进行表征,并在可见光(λ≥420 nm)光照条件下探究其光催化降解四环素的活性。结果表明:特殊的结构设计能够提高复合材料的光催化性能。其中1%CoS_(x)/g-C_(3)N_(4)在可见光照射40 min,四环素的降解率可以达到88.3%,CoS_(x)/g-C_(3)N_(4)复合材料的光催化能力和催化活性大大提高,表现出良好的可见光光催化降解四环素的性能和稳定性。

Ti-Si-Fe合金添加量对Si_(3)N_(4)结合SiC材料结构与性能的影响

为促进Si_(3)N_(4)结合SiC耐火材料的致密化,降低Si粉氮化温度,以SiC颗粒和细粉、Si粉为主要原料,利用从高钛型高炉渣提取的Ti-Si-Fe合金部分取代Si粉,在埋碳气氛下于1350℃反应烧结5 h,制备了Si_(3)N_(4)结合SiC耐火材料。研究了Ti-Si-Fe合金添加量(加入质量分数分别为0、1.8%、3.6%、5.4%、7.2%)对Si粉的氮化行为、材料力学性能和显微结构的影响,并探讨了氮化反应烧结机制。结果表明:1)随着Ti-Si-Fe合金添加量的增加,材料的常温力学性能和高温抗折强度明显改善,荷重软化温度均超过1700℃,Ti-Si-Fe合金添加量超过3.6%(w)后材料性能的增幅变缓;2)Ti-Si-Fe合金促进了Si粉在较低温度下的完全氮化和材料的反应烧结,Ti-Si-Fe合金中各物相及Si粉氮化反应的体积增加能够充填气孔,氮化产物改善骨料与基质、基质内部的结合状态,从而提高材料的致密化程度,改善力学性能;3)引入Ti-Si-Fe合金后,反应体系中形成了富含Ti、Si、N、Fe成分的液相,氮化物的形成除传统的VS、VLS机制外,溶解-沉淀机制在短柱状β-Si_(3)N_(4)、粒状TiN的形成中起到主导作用,交错连结的α-Si_(3)N_(4)晶须、短柱状β-Si_(3)N_(4)、粒状TiN对材料的力学性能起到增强作用。

化学气相沉积法合成Si_(3)N_(4)纳米带的研究

以Si粉、酚醛树脂和硝酸铁为原料,采用化学气相沉积法在氮气气氛下合成Si_(3)N_(4)纳米带。研究了热处理温度和硝酸铁添加量对合成Si_(3)N_(4)纯度和形貌的影响。结果表明,在非催化作用下,热处理温度升高有利于提高Si_(3)N_(4)纯度;温度为1500℃时,合成高纯Si_(3)N_(4),其中α-Si_(3)N_(4)和β-Si_(3)N_(4)生成量分别为91%和9%。添加催化剂显著影响Si_(3)N_(4)形貌,其形貌由直线形带状结构演变为蜷曲的带状结构,具有这种带状结构的Si_(3)N_(4)为α-Si_(3)N_(4);当硝酸铁添加量为5%时,α-Si_(3)N_(4)生成量较高,为95%。

高温环境Si_(3)N_(4)陶瓷与M50钢材料的球盘配副与润滑油量对摩擦学行为的影响研究

针对耐高温轴承的高温润滑问题,采用SRV-Ⅳ微动摩擦磨损试验机对轴承用材料Si_(3)N_(4)陶瓷和M50钢展开了高温控油摩擦磨损试验,之后对不同的配副方式进行了高温足量油、乏油的摩擦磨损对比试验.控油试验结果表明:200℃、足量油润滑条件下,Si_(3)N_(4)(球)-M50(盘)配副相较于M50钢自配副具有更低的摩擦系数和盘磨损率.M50钢自配副磨损率更容易受到润滑油量的影响.这是由于Si_(3)N_(4)(球)-M50(盘)配副的M50盘表面在摩擦过程中生成了稳定的含磷摩擦反应膜,而M50钢自配副的磨损以磨粒磨损为主,化学反应膜容易被破坏,且磨粒浓度会受到润滑油量的影响.不同配副对比试验结果表明:200℃、3μL油量下,仅M50(球)-Si_(3)N_(4)(盘)配副长摩1 h未发生润滑失效,且能够保持较低的磨损率,除摩擦过程中产生的反应膜能够起到保护作用外,M50钢球表面化学反应膜成膜面积更小,成膜不易受乏油条件的影响也是重要原因.

纳米Ag修饰S掺杂g-C_(3)N_(4)的制备及其光催化抗菌性能

光催化灭活是公认的控制病原微生物最具前景手段之一。本文以尿素和硫代巴比妥酸为起始原料,通过热聚合反应制备S掺杂g-C_(3)N_(4)(SCN),随后采用光还原法将Ag纳米粒负载于SCN表面获得新颖的可见光响应型Ag/SCN抗菌材料。对所制备纳米材料进行XRD、SEM、TEM、XPS及UV-Vis DRS表征,并深入探讨其在可见光下灭活大肠杆菌(E.coli)的性能和机制。结果表明,Ag纳米粒均匀且牢固地负载在SCN表面,纳米材料表现出显著增强的可见光响应能力。当负载量为6%时,Ag/SCN-6呈现出最佳的光催化灭菌活性,60 min内能够将6.2 lg CFU·mL^(-1)的E.coli全部灭活。自由基捕获实验结果表明,超氧自由基(·O-2)是灭活过程中最主要活性物种,它协同光生空穴(h+)和羟基自由基(·OH)主导了光催化抗菌的进程。

TiB_(2)添加量对Si_(3)N_(4)-SiC耐火材料性能的影响

以SiC颗粒和细粉、Si粉为原料,TiB_(2)细粉为添加剂,采用反应烧结法经1400℃保温2 h制备了Si_(3)N_(4)-SiC耐火材料,以期改善它的性能。通过MIP、XRD、SEM等研究了TiB_(2)细粉添加量(加入质量分数分别为0、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%)对反应烧结Si_(3)N_(4)-SiC耐火材料致密性、抗折强度、物相组成和显微结构的影响,并分析了致密化机制。结果表明:1)添加适量TiB_(2)有助于提高试样体积密度和高温抗折强度(1200℃),增加≤1μm小孔比例;2)随着TiB_(2)添加量的增加,Si_(2)N_(2)O杂相含量减小,Si粉氮化率提高,Si_(3)N_(4)开始为晶须状,后演变为发育良好的长棒状,最后异常长大;3)致密化机制为:添加少量TiB_(2)可增加SiO气相分压,促进Si_(3)N_(4)晶须遵循气固机制生长;当TiB_(2)添加量为0.6%(w)时,Si_(3)N_(4)在适量高温液相作用下发育为长棒状,形成三维交叉网络结构,继续增加TiB_(2)添加量至0.8%(w),试样中液相再次增多,棒状Si_(3)N_(4)异常长大;4)当TiB_(2)添加量为0.6%(w)时,试样综合性能最佳,其体积密度为2.75 g·cm^(-3),显气孔率为11.6%,常温抗折强度为40.2 MPa,1200℃高温抗折强度为47.4 MPa。

三维雕刻法制备定向结构Si_(3)N_(4)/Al电子封装基片研究

本文以三维雕刻法和铝合金穿孔熔渗工艺制备了定向结构Si_(3)N_(4)/Al电子封装基片,研究了不同定向孔直径对基片轴向导热系数和径向热膨胀系数的影响.微观形貌分析表明Si_(3)N_(4)陶瓷的烧结是主要包括聚团颗粒之间形成粘结和聚团颗粒内部生成β-Si_(3)N_(4)的过程,聚团颗粒尺寸是影响Si_(3)N_(4)陶瓷性能的主要因素.轴向热导率随着气孔尺寸增加呈增加趋势;气孔尺寸为0.8 mm时,Si_(3)N_(4)/Al电子封装基片导热系数随着温度增加呈减小趋势,最高达到107.1 W·m^(-1)·k^(-1),径向热膨胀系数变化不大.

欧冶炉竖炉围管用Si_(3)N_(4)结合SiC砖的损毁分析

为了解欧冶炉还原竖炉围管用Si_(3)N_(4)结合SiC砖的损毁情况,对使用了两年的Si_(3)N_(4)结合SiC砖进行取样,针对用后砖试样的外观、物相组成、显微结构、元素组成等进行了分析研究。结果表明:1)用后砖有明显的蚀损情况,蚀损面粗糙,蚀损率达50%;2)用后砖的体积密度下降,显气孔率降低,氧化程度随着距工作面距离的增大而减弱;3)Si_(3)N_(4)结合SiC砖被欧冶炉中的气体氧化,反应生成SiO_(2),不适宜作为竖炉围管的炉衬材料。

TiC晶须增韧Si_(3)N_(4)基复相陶瓷的显微组织与力学性能

以α-Si_(3)N_(4)为基体,TiC晶须(TiC whisker,简称TiC_(w))为增韧相,Al_(2)O_(3)、Y_(2)O_(3)和TiO_(2)为烧结助剂,采用热压烧结技术制备了Si_(3)N_(4)-TiC_(w)复相陶瓷材料,分析了TiC晶须含量对其显微组织及力学性能的影响。结果表明:Si_(3)N_(4)基体在烧结过程中α-Si_(3)N_(4)相部分转变为β-Si_(3)N_(4)相。TiC_(w)含量小于30 vol%时均匀分布在Si_(3)N_(4)基体中,与Si_(3)N_(4)具有良好的化学相容性。加入适量的TiC_(w)降低了Si_(3)N_(4)颗粒之间的表面扩散,抑制了Si_(3)N_(4)晶粒的异常长大,提高了复相陶瓷材料的致密度。当TiC_(w)含量为30 vol%时,Si_(3)N_(4)-TiC_(w)复相陶瓷材料的性能最佳,致密度达到97.71%,抗弯强度达到720.463 MPa,断裂韧性达到7.6 MPa·m^(1/2),维氏硬度达到18.412 GPa。

Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量对Si_(3)N_(4)陶瓷微观结构与力/热学性能的影响

Si_(3)N_(4)陶瓷具有优异的力学、化学、热学性能,在电子元器件散热与封装领域具有良好的应用前景。为制备高强度、高导热的Si_(3)N_(4)陶瓷,采用Y_(3)Si_(2)C_(2)-MgO二元复合烧结助剂,系统研究了Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量与保温时间对Si_(3)N_(4)陶瓷致密度、力学性能及热导率的影响规律,并基于微观结构和物相组成分析阐释了Si_(3)N_(4)陶瓷力/热学性能的优化机制。研究结果表明:随着Y_(3)Si_(2)C_(2)掺量的增加,Si_(3)N_(4)陶瓷试样(保温时间分别为4 h和12 h)的热导率和弯曲强度均呈现先增大后降低的变化规律;保温4 h所制Si_(3)N_(4)陶瓷的弯曲强度主要受致密度的影响,保温12 h所制Si_(3)N_(4)陶瓷的弯曲强度主要受微观结构的均匀度及晶粒尺寸的影响;保温时间的延长有利于气体排出和晶粒生长,从而促进Si_(3)N_(4)陶瓷的致密化及热导率的提升。利用气压烧结(1900℃保温12 h),掺加1.5 mol%的Y_(3)Si_(2)C_(2)可制得致密度为99.0%、热导率为(106.80±2.64)W·m^(−1)·K^(−1)、弯曲强度为(590.21±25.69)MPa的Si_(3)N_(4)陶瓷,其具有优良的力/热学综合性能,有利于提升Si_(3)N_(4)陶瓷封装电子元器件的服役安全性与可靠性。

高分散Ru/Si_(3)N_(4)催化剂的制备及其在CO_(2)加氢中的应用

氮化硅是一种良好的载体,具有较高的水热稳定性和机械稳定性,其表面的氨基基团能够较好地锚定金属,显著提高金属分散度。但是,商品氮化硅比表面积较低,对金属分散作用仍然有限。因此,以自制的高比表面积氮化硅(Si_(3)N_(4))为载体,通过浸渍法制备了不同Ru负载量(质量分数分别为0.5%、1.0%和2.0%)的催化剂(分别为0.5%Ru/Si_(3)N_(4)、1.0%Ru/Si_(3)N_(4)和2.0%Ru/Si_(3)N_(4)),并以商品氮化硅(Si_(3)N_(4)-C)为载体制备了2.0%Ru/Si_(3)N_(4)-C催化剂作为对照组。表征了催化剂的理化性质,测试了其在300℃、0.1 MPa下的CO_(2)加氢反应活性。结果显示,与Si_(3)N_(4)-C相比,Si_(3)N_(4)的比表面积较高(502 m^(2)/g),Si_(3)N_(4)作为载体显著提高了金属分散度,降低了金属粒径,催化剂暴露出更多的活性位点。0.5%Ru/Si_(3)N_(4)的金属粒径较小,展现出强的H_(2)吸附能力,H难以解吸,抑制了中间物种CO加氢生成CH_(4)。随着Ru负载量增加,金属粒径增大,催化剂的CH_(4)选择性更好。Ru/Si_(3)N_(4)系列催化剂中,2.0%Ru/Si_(3)N_(4)的CH_(4)选择性较高(98.8%)。空速为10000 m L/(g·h)时,0.5%Ru/Si_(3)N_(4)的CO选择性为88.2%。与2.0%Ru/Si_(3)N_(4)相比,2.0%Ru/Si_(3)N_(4)-C的金属粒径更大,活性位点较少,活性更低。2.0%Ru/Si_(3)N_(4)和2.0%Ru/Si_(3)N_(4)-C的CO_(2)转化率分别为53.1%和9.2%。Si_(3)N_(4)有效提高了金属分散度,提高了催化剂的CO_(2)加氢反应活性;通过调控Ru负载量控制催化剂金属粒径,可实现对产物CO或CH_(4)选择性的调控。

Si_(3)N_(4)和BN对铕掺杂硼硅酸盐玻璃发光性能的影响

铕离子在自然界中通常以Eu^(3+)存在,然而,铕离子单掺发光材料只有当Eu^(2+)和Eu^(3+)以合适浓度共存时才能实现白光发射。在还原气氛中制备铕掺杂硼硅酸盐玻璃时,很容易使得Eu^(3+)全部还原为Eu^(2+),因而很难获得Eu^(2+)和Eu^(3+)共存的发光材料。在空气氛围的烧成条件下对比研究了还原剂Si_(3)N_(4)和BN对铕掺杂硼硅酸盐玻璃发光性能的影响。结果表明,Si_(3)N_(4)和BN都能够在空气氛围下实现硼硅酸盐玻璃中铕离子的部分还原,且Si_(3)N_(4)的还原能力比BN更强。当Si_(3)N_(4)替代达到5 mol%,铕掺杂硼硅酸盐玻璃样品中Eu^(2+)浓度占优势,其CIE坐标为(x=0.29,y=0.34),表明以Si_(3)N_(4)还原铕掺杂硼硅酸盐玻璃在白光照明用荧光材料领域具有显著的应用潜力。

PECVD Si_(3)N_(4)薄膜淀积工艺

采用等离子增强化学气相淀积(PECVD)制备氮化硅(Si_(3)N_(4))薄膜作为光电器件的重要介质膜,其性能好坏直接影响器件的性能。淀积的Si_(3)N_(4)薄膜主要用作光电探测器的扩散膜和增透膜,击穿电压是该器件中比较重要的测试参数。应力、击穿电压变化量则是器件的重要指标。通过试验对比和调试,发现不同工艺Si_(3)N_(4)介质膜应力和击穿电压变化量不同,最终实现了低应力、稳定击穿电压的膜层生长。300℃/150 W无氨Si_(3)N_(4)的压应力为50 MPa,在光照10 min后的击穿电压变化量小于0.1 V@50 V。

Si_(3)N_(4)陶瓷关节轴承内圈外球面磨削研究

为探究氮化硅陶瓷关节轴承内圈外球面精密范成磨削方法,以表面粗糙度为主要评价指标,用立式五轴加工中心进行正交试验,确定各磨削参数对其表面粗糙度的影响顺序;再通过单因素试验探究磨削参数对其表面质量的影响规律,并用粒子群算法对陶瓷关节轴承内圈磨削表面粗糙度进行回归预测,最终获得最佳加工工艺参数。结果表明:砂轮粒度与砂轮进给速度对氮化硅关节轴承内圈外球面磨削表面的粗糙度影响最显著,砂轮线速度次之,工件线速度影响最小;陶瓷轴承内圈外球面表面粗糙度随进给速度的提高而增大,随砂轮线速度、工件线速度的提高先减小后增大。模型的预测值与实际测量值相对误差小于5%,表明该模型的预测效果较好,为实际加工选取磨削参数提供了理论依据。

Si_(3)N_(4)陶瓷球与8Cr4Mo4V轴承钢接触疲劳和摩擦性能研究

面向航空发动机对陶瓷球轴承的应用需求,本文中首先应用球棒式滚动接触疲劳试验机和UMT多功能摩擦磨损试验机,分别测试了4050航空润滑油润滑下Si_(3)N_(4)陶瓷和8Cr4Mo4V轴承钢摩擦配副的滚动接触疲劳与摩擦性能,获得了Si_(3)N_(4)陶瓷球和8Cr4Mo4V轴承钢摩擦配副的滚动接触疲劳威布尔概率寿命曲线,并对比分析了滴油润滑下Si_(3)N_(4)陶瓷球和8Cr4Mo4V轴承钢摩擦配副与8Cr4Mo4V钢球和8Cr4Mo4V轴承钢摩擦配副的摩擦损伤行为;然后采用力-热耦合接触分析方法,获取Si_(3)N_(4)球与8Cr4Mo4V钢盘的滑动摩擦以及8Cr4Mo4V钢球与8Cr4Mo4V钢盘滑动摩擦的力-热响应行为,并分析了滑动速度和接触应力对2种摩擦配副的摩擦热流分配和接触界面摩擦温升的影响作用.研究结果表明:Si_(3)N_(4)陶瓷球应力循环次数为8Cr4Mo4V棒2倍的条件下,8Cr4Mo4V棒仍先发生疲劳剥落,Si_(3)N_(4)陶瓷球未发生疲劳;滴油润滑条件下,与8Cr4Mo4V钢球和8Cr4Mo4V钢盘摩擦配副相比,Si_(3)N_(4)陶瓷球和8Cr4Mo4V钢盘摩擦副的滑动摩擦系数较低,表面磨损较轻,接触界面的最大温升也相对较小,表现出优良的接触疲劳和摩擦性能.

易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列制备及光催化和光电催化研究

在光催化降解领域,粉末g-C_(3)N_(4)光催化材料使用后在流体中分离和回收困难,同时也会产生二次污染。在氩气保护下,采用化学气相沉积法在三维碳纤维织物表面沉积g-C_(3)N_(4)纳米片,从而制备了易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料,研究了碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列的光学、电化学和光电催化性能。结果表明,g-C_(3)N_(4)纳米片可以吸收可见光产生光生电子和空穴,而碳纤维良好的导电性提高了易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料中光生电子/空穴的分离效率。降解240 min,易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料的电催化、光催化和光电催化对2,4-二硝基酚的降解率分别为20.7%、33.5%和99.5%。在光电催化过程中,外加偏电压加速了光生电子向阴极迁移,进一步提高了光生电子/空穴分离效率,使电催化和光催化存在协同效应。将粉末光催化材料与柔性碳纤维织物组合,提供了一种新的光催化材料组装方式,极大降低了粉末光催化材料的分离和回收成本。

SiC/SiBCN-Si_(3)N_(4)复合材料力学性能研究

为了深入了解SiC/SiBCN-Si_(3)N_(4)材料微观形貌与高温力学行为,建立科学可靠的定量表征方法,本文使用多种表征手段对SiC/SiBCN-Si_(3)N_(4)材料进行定量观测,首先进行材料孔隙率及密度的测试,随后进行材料高温原位力学性能测试并对材料损伤机理进行了分析,最后基于试验数据构建了一种可解释的深度学习模型,实现了材料高温非线性本构关系预测。样件力学性能分析结果表明:平均应力预测误差为0.27%~0.59%、平均应变预测误差为1.96%~3.41%;同时通过量化分析明确了影响力学性能的因素依次为温度、偏轴角度、孔隙率及密度。本文实现了不同环境温度、偏轴角度与外载荷作用下SiC/SiBCN-Si_(3)N_(4)宏观力学性能的预测,可为陶瓷基复合材料高温本构模型的建立提供新思路。