1 1.西北工业大学 材料学院, 西安 710072
2 2.陕西省石墨烯新型炭材料及应用工程实验室, 西安 710072
环氧树脂基泡沫炭是一种具有三维海绵状结构的新型炭材料, 独特的网状泡孔结构使其具有高孔隙率、耐高温、耐腐蚀、导电/导热可调等性能, 应用前景广阔。但是环氧树脂的石墨化困难, 本工作以石墨烯为异质成核改性剂, 用以提高环氧树脂泡沫炭的石墨化程度、电导率和力学性能。采用简单的发泡、炭化和石墨化工艺制备了石墨烯改性环氧树脂泡沫炭。石墨烯异质成核剂诱导了泡沫炭碳微晶生长, 增加了碳晶格条纹长度, 减少了碳晶体混乱。研究表明, 不含或含质量分数0.05%石墨烯改性泡沫炭的晶面间距、晶粒堆垛高度、石墨化度分别为0.343 nm、3.35 nm、8.42%和0.342 nm、10.22 nm、23.2%。此外, 石墨烯作为晶胞成核位点会影响泡沫炭的平均晶胞尺寸, 随着石墨烯含量的增加, 泡沫炭平均晶胞尺寸先减小后增大。同时, 石墨烯改性增大了泡沫炭的有序结构, 提高了其导电性, 当石墨烯的质量分数为0.05%时, 泡沫炭电导率为53.8 S·m-1。相对于纯泡沫炭(压缩应变为0.0096%), 质量分数0.01%、0.02%、0.05%和0.10%的石墨烯改性泡沫炭压缩应变增加至0.208%、0.228%、0.187%和0.1146%。本研究为碳纳米材料/泡沫炭制备、碳结构和性能调控提供了新的研究方法。
泡沫炭 石墨烯 异质成核 石墨化 机械性能 carbon foam graphene heterogeneous nucleation graphitization mechanical property
1 1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院, 轨道车辆安全监测与健康管理研究中心, 北京 100044
2 2.北京建筑材料科学研究总院有限公司 固废资源化利用与节能建材国家重点实验室, 北京 100041
为拓展铁尾矿的资源化利用途径, 本研究分别以细颗粒高硅铁尾矿、铁尾矿+石墨粉以及铁尾矿+石墨粉+碳化硅粉为原料, 采用泡沫注凝成形-常压烧结、泡沫注凝成形-反应烧结和模压成形-反应烧结工艺制备了铁尾矿多孔陶瓷和三种以碳化硅为主晶相的多孔陶瓷。通过DSC-TG和XRD分析, 研究了铁尾矿自身的烧结过程以及铁尾矿与石墨之间的碳热还原反应烧结过程, 对比分析了四种多孔陶瓷材料的孔隙率、压缩强度、热导率等性能。结果表明, 以铁尾矿为原料可制备具有较高孔隙率(87.2%)、压缩强度(1.37 MPa)和低热导率(0.036 W/(m·K))的铁尾矿多孔陶瓷, 它是一种高效保温隔热材料; 利用铁尾矿与石墨之间的碳热还原反应可获得碳化硅多孔陶瓷, 其热导率显著提高, 但强度偏低; 而在原料中加入部分碳化硅, 可以明显改善多孔陶瓷的压缩强度, 获得具有高孔隙率(91.6%)、较高压缩强度(1.19 MPa)和热导率(0.31 W/(m·K))的碳化硅多孔陶瓷, 它可作为轻质导热材料或复合相变材料的载体使用; 与泡沫注凝成形工艺相比, 采用模压成形工艺制备的碳化硅多孔陶瓷虽然孔隙率有所降低(79.3%), 但热导率得到显著提升(1.15 W/(m·K)), 同时原料和生产成本大幅降低, 有利于实现产品的工业化生产。
铁尾矿 多孔陶瓷 碳化硅 反应烧结 泡沫注凝成形 iron tailing porous ceramics SiC reactive sintering foam gel-casting
1 河南大学土木建筑学院，河南 开封 475004绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024安徽省建设领域碳达峰碳中和战略研究院，合肥 230601
2 河南大学土木建筑学院，河南 开封 475004绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024
3 河南大学土木建筑学院，河南 开封 475004绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024，
采用物理发泡法以再生微粉和矿渣为主要原料，NaOH溶液为碱激发剂，制备了泡沫保温材料，通过测试泡沫的失活过程与浆体的流变特性，并结合硬化后试件的物理力学性能，探讨了碱激发剂掺量、CaCl2·6H2O掺量以及预制泡沫掺量对泡沫保温材料性能的影响，并借助图像分析法与X射线衍射分析了其微观结构及反应机理。结果表明：试样的抗压强度随碱激发剂掺量的增加先增大后减小，并在碱掺量为5%时达到最大值，但碱掺量对孔隙率与干密度的影响较小。CaCl2·6H2O的加入显著缩短了浆体的凝结时间，使得浆体与预制泡沫达到较好的匹配状态，可有效细化孔隙并提高试件的抗压强度与热惰性。改变泡沫掺量可有效调控材料的密度等级，随着泡沫掺量的增加，孔隙分布逐渐粗化，抗压强度及导热系数不断下降。矿渣与再生微粉的活性皆可被有效激发，两者可起到协调补充的作用，达到协同利用固废的效果。
再生微粉 矿渣 碱激发 泡沫保温材料 recycled powder ground granulated blast furnace slag alkali-activate foam insulation material
福州大学物理与信息工程学院，福建福州 350108
为减少浮选气泡合并、破碎等变化对泡沫表面流动特征提取的影响，提出了一种非下采样剪切波变换（Nonsubsampled Shearlet Transform，NSST）域红外目标分割及改进加速鲁棒特征（Speeded Up Robust Features，SURF）匹配的泡沫表面流速检测方法。首先，对相邻两帧泡沫红外图像 NSST分解，在多尺度域构建图割能量函数的边界、亮度、显著性约束项实现对合并、破碎气泡的分割；然后，对分割后的背景区域进行 SURF特征点检测，通过统计扇形区域内的尺度相关系数确定特征点主方向，采用特征点邻域的多方向高频系数构造特征描述符；最后，对相邻两帧泡沫红外图像进行特征点匹配，根据匹配结果计算泡沫流速的大小、方向、加速度、无序度。实验结果表明，本文方法能有效分割出合并、破碎的气泡，具有较高的分割精度，提升了 SURF算法的匹配精度，流速检测受气泡合并、破碎的影响小，检测精度和效率较现有方法有一定提升，能准确地表征不同工况下泡沫表面的流动特性,为后续的工况识别奠定基础。
泡沫红外图像 流速检测 非下采样剪切波变换 红外目标分割 SURF匹配 foam infrared images, flow velocity detection, non
1 中国地质调查局西安矿产资源调查中心, 陕西 西安 710100
2 西北大学地质学系, 陕西 西安 710127
以金矿石中的金元素为研究对象, 基于灰色关联度和RSM模型提出原子吸收光谱法分析Au测定条件参数的多目标优化模型。 选取泡塑预处理方式、 振荡时间、 王水浓度和硫脲浓度为优化目标, 确定测量结果相对误差的绝对值为质量指标； 建立基于信噪比的正交设计试验, 分析试验结果的质量指标及对应的信噪比并进行量纲化处理, 计算灰色关联系数和关联度； 确定优化目标的极差分别为0.026、 0.116、 0.176、 0.375, 定性判断泡塑处理方式目标最不显著。 根据RSM模型确定王水浓度、 振荡时间、 硫脲浓度为单因素的Box-Behnken方法试验, 采用三因素三水平曲面设计对测定结果相对误差的绝对值进行分析, 制作显著水平表并完成响应曲面试验； 建立二次多项式回归方程的预测模型并进行显著性分析, 其F=217.24, p<0.000 1表明该模型具有高度的显著性, 模型的相关系数为0.996 9, 校正决定系数为0.992 4, 表明该模型可以解释超过99%的响应值变化； 绘制响应曲面图和等高线图对试验数据进行回归拟合, 通过响应曲面的形状和等高线的陡峭程度进行判定分析, 最终寻找最优化目标参数为王水浓度、 振荡时间、 硫脲浓度分别为11.33%、 27.39 min和0.97%时, 样品测量结果的相对误差最小。 模型验证结果表明, 在最优化目标参数条件组合下选择不同质量浓度的金矿石国家标准物质进行样品制备, 测定结果的正确度和精密度均符合DZ/T 0130.3—2006(地质矿产实验室测试质量管理规范), 表明基于灰色关联度-RSM模型对原子吸收光谱法分析金矿石中金元素的多目标优化参数准确可靠, 验证了该方法的科学性和正确性, 能够被应用于实际的生产中去。 该方法对于定性判断各条件参数间的主次关系, 定量计算各条件参数的最佳组合水平具有独特优势, 有望在寻找多目标优化设计参数领域的平台上发挥作用, 更加有效地确定最佳目标组合。
金矿石 聚氨酯泡塑 灰色关联度 RSM模型 原子吸收光谱法 Gold ore Polyurethane foam Gray correlation degree RSM Model AAS 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3117
为研究铁尾砂泡沫混凝土抗冻融性能, 制备了5组目标密度为900 kg/m3的泡沫混凝土, 在硫酸盐环境下冻融循环后, 对比分析不同铁尾砂掺量泡沫混凝土的质量损失、强度损失、孔隙面积率和微观结构。以质量损失和强度损失为衡量指标, 评选最优配合比, 基于Wiener退化过程进行可靠度分析并预测剩余寿命。结果表明: 在硫酸盐冻融循环过程中, 泡沫混凝土表面损伤, 内部孔隙连通形成裂缝, 各试件质量呈先增加后减少的趋势; 抗压强度和孔隙面积率持续下降, 细粒径铁尾砂的掺入有效缓解了泡沫混凝土的损伤。其中, 20%(质量分数)铁尾砂掺量的泡沫混凝土抗冻融能力最强, 试件经过约300次冻融循环后失效。本研究可为泡沫混凝土在冻土地区的应用提供思路。
铁尾砂 泡沫混凝土 冻融循环 硫酸盐环境 Wiener退化过程 iron tailings sand foam concrete freeze-thaw cycle sulfate environment Wiener degradation process
1 武汉理工大学材料科学与工程学院, 武汉 430070
2 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室, 武汉 430070
为了研究循环流化床(CFB)飞灰对泡沫混凝土性能的影响，选择两种不同的CFB飞灰以及普通粉煤灰(FA)，通过测量泡沫混凝土的抗压强度、流动度、孔结构和吸水率，研究飞灰掺量和种类对泡沫混凝土性能的影响，并通过扫描电子显微镜和X射线衍射仪对泡沫混凝土的微观形貌和物相组成进行表征。结果表明，CFB飞灰较高的硫钙含量和不规则的颗粒形貌会对泡沫混凝土的工作性造成不良影响。掺入低硫钙型CFB飞灰时，泡沫混凝土的强度随着CFB飞灰掺量增加而提高，50%(质量分数，下同)掺量时，7和28 d抗压强度均达到最大值，分别为130和225 MPa；掺入高硫钙型CFB飞灰时，泡沫混凝土的强度随着CFB飞灰掺量增加呈先增加后降低的趋势，7和28 d抗压强度分别在CFB飞灰掺量20%和10%时达到最大值，分别为1.42和2.00 MPa。CFB飞灰水化过程中生成的钙钒石和C-S-H凝胶能够填充孔隙，增加小孔占比，降低孔隙率，有利于泡沫混凝土抗压强度的提高和吸水率的降低。
泡沫混凝土 CFB飞灰 钙钒石 抗压强度 微观形貌 foam concrete CFB fly ash ettringite compressive strength micromorphology
1 河南大学土木建筑学院,开封 475004
2 绿色建筑材料国家重点实验室,北京 100024
3 安徽省建筑领域碳达峰碳中和战略研究院,合肥 230601
固体废弃物的再生利用除了向更广的维度扩展,还需要向高附加值的深度进行延伸。泡沫陶瓷的科学制备与广泛应用使得大量消纳固体废弃物的同时能够充分发挥固体废弃物的潜在价值,因而受到了国内外学者的极大关注。本文详细介绍了泡沫陶瓷的组分作用及发泡原理,深入分析了其热变过程及微观机制,总结归纳了不同因素的影响效应,最后阐述了泡沫陶瓷发展面临的挑战,并对需进一步研究的方向提出了建议,旨在为泡沫陶瓷的高效利用与深入研究提供借鉴与参考。
泡沫陶瓷 固体废弃物 组分作用 发泡原理 热变过程 foam ceramics solid waste component effect foaming principle thermal transformation process
1 武汉科技大学城市建设学院,武汉 430065
2 武汉科技大学高性能工程结构研究院,武汉 430065
3 城市更新湖北省工程研究中心,武汉 430065
通过正交试验,研究了聚丙烯泡沫混凝土(PPFC)的基本力学性能及应力-应变本构关系。研究表明: 在试验变量范围内,增加聚丙烯纤维(PP)体积掺量(0.5%、1.0%和1.5%),PPFC试件立方体抗压、轴心抗压和劈裂抗拉强度均依次降低; 增大PP长度(3、6和9 mm),PPFC试件立方体抗压、轴心抗压和劈裂抗拉强度均先增大后减小; PPFC试件立方体抗压强度随粉煤灰(FA)质量掺量(40%、45%和50%)增加先增大后减小,轴心抗压强度和劈裂抗拉强度随FA掺量增加均依次减小。基于直观分析法,可得正交试验最优配合比组合为A1B2C2,即PP体积掺量为0.5%,PP长度为6 mm,FA质量掺量为45%。PPFC受压试件破坏形态均为压剪破坏,破坏裂缝主要为斜裂缝,并伴有竖向裂缝,破坏面一般为斜面破坏; 劈裂受拉试件破坏形态均为劈裂破坏,破坏裂缝均为沿荷载施加方向的竖向裂缝。基于单因素变量法可得,增加PP体积掺量(0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%),PPFC试件立方体抗压、轴心抗压和劈裂抗拉强度均先增大后减小,当PP体积掺量为0.2%时,PPFC试件立方体抗压、轴心抗压和劈裂抗拉强度均达到最大值,分别为16.00、14.56和1.96 MPa。表观密度和PPFC试件立方体抗压、轴心抗压、劈裂抗拉强度基本呈线性关系。采用分段式表达式建立了PPFC应力-应变本构模型。
聚丙烯纤维 粉煤灰 泡沫混凝土 基本力学性能 应力-应变曲线 本构模型 polypropylene fiber fly ash foam concrete basic mechanical property stress-strain curve constitutive model
1 建筑材料工业技术监督研究中心, 北京 100024
2 东南大学材料科学与工程学院, 南京 211189
3 建材行业水泥基建筑节能材料重点实验室, 北京 100024
4 建筑材料工业技术情报研究所, 北京 100024
制备相变石蜡水性分散体乳液并将其引入化学发泡过程中制得相变泡沫混凝土, 通过试验研究相变泡沫混凝土的干密度、抗压强度、体积吸水率、保温性能、相变稳定性能及微观状态。结果表明: 相变石蜡乳液对化学发泡过程和材料抗压强度均有不利影响, 相变石蜡乳液掺量在干粉料质量的40%以内能够稳定制得相变泡沫混凝土; 相变石蜡以微小颗粒分散在泡沫混凝土基体中, 掺入40%干粉料质量的相变乳液会引起泡沫混凝土抗压强度下降35%~47%、体积吸水率降低19%~30%; 相变石蜡能够在一定温度范围内提高泡沫混凝土的保温性能, 材料相变稳定性良好, 石蜡不易渗漏。
泡沫混凝土 相变材料 石蜡乳液 化学发泡 保温性能 foam concrete phase change material paraffin emulsion chemical foaming thermal insulation property
