国防科技大学 空天科学学院, 新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室, 长沙 410073
陶瓷基多孔结构既继承致密陶瓷材料耐高温、电绝缘、化学稳定的优异性能, 又兼具多孔结构低密度、高比表面积、低热导率的独特优势, 已被广泛应用于隔热、骨组织工程、过滤及污染物清除、电子元器件等领域。但是, 陶瓷基多孔结构的传统成孔方法在宏观尺度创造复杂几何外形与微纳尺度调控孔结构形态方面仍面临巨大挑战。近几十年来, 研究人员一直致力于创新陶瓷基多孔结构的加工成型方法, 以直写3D打印为代表的增材制造技术成为当前研究的热点, 并迅速发展出一系列成熟理论与创新方法。本文首先概述了陶瓷基多孔结构的传统成孔方法与增材制造成孔方法, 进一步详细介绍了直写组装成孔工艺过程, 主要包括假塑性墨水配方、固化策略、干燥及后处理, 分析了传统成孔方法与直写3D打印二者的组合技术在构筑陶瓷基多级孔结构方面的可行性, 总结了直写3D打印技术在制造复杂陶瓷基多孔结构领域的新观点、新进展和新发现, 最后结合陶瓷基多孔结构实际应用现状对直写3D技术的未来发展与挑战进行了展望。
增材制造 直写3D打印 陶瓷 多孔材料 功能应用 综述 additive manufacturing direct-ink-writing 3D printing ceramic porous material functional application review
安徽工业大学材料科学与工程学院, 马鞍山 243002
以矿渣微粉为主要原料, 硅酸钠和氢氧化钠混合溶液为碱性激发剂, 铝粉为发泡剂, 制备地质聚合物基轻质多孔材料, 系统研究了发泡剂、水灰比以及萘系减水剂对材料孔结构与物理性能的影响。结果表明, Al粉在碱性激发剂作用下快速反应生成H2, 促使地质聚合物浆体泡沫化形成多孔材料, 且材料的干密度和抗压强度随Al粉掺量的增加迅速降低。当Al粉掺量超过0.40%(质量分数, 下同), 泡孔急剧增大, 导致泡孔聚并, 强度显著降低。提升水灰比可降低泡孔生长阻力, 促使密度快速减小。但水灰比＞0.40后, 浆体黏度和激发剂浓度显著降低, 凝结时间延长, 孔径增大, 结构劣化, 其最优水灰比为0.35。此外, 萘系减水剂可有效调节多孔地质聚合物的孔结构, 仅添加0.4%的萘系减水剂即可促使孔径分布均一, 孔壁完整性提升, 试样抗压强度提升。
地质聚合物 多孔材料 矿渣微粉 孔结构 力学性能 萘系减水剂 geopolymer porous material slag micronized powder pore structure mechanical property naphthalene water reducer
海南大学材料科学与工程学院, 南海海洋资源利用国家重点实验室, 海口 570228
硼碳氮(BCN)多孔材料因其具有高的比表面积、优异的化学稳定性而被认为是一种优异的吸附材料。本文以废弃椰壳、硼酸(H3BO3)和尿素(CO(NH2)2)为原料, 采用冷冻干燥法制备多孔生胚, 并在NH3气氛下通过高温固相反应法在不同的反应温度下合成BCN多孔材料。结果表明, 随着反应温度的升高, BCN多孔材料孔径逐渐变大, 当反应温度为950 ℃时平均孔径为2.1 nm。将BCN多孔材料用于吸附水中孔雀石绿(MG)有机染料, 其最大吸附量可达1 239.8 mg·g-1, 5次循环再生后吸附量平均值仍高达1 138.6 mg·g-1, 说明BCN多孔材料具有优异的循环吸附性能。采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型、准一级和准二级吸附动力学模型研究了浓度、吸附时间和平衡吸附量之间的关系。结果表明, BCN多孔材料的吸附与准二级吸附动力学模型吻合, 其对MG的吸附属于均匀表面单层分子的Langmuir等温吸附。BCN多孔材料展现出优异的吸附能力, 是一种非常有应用前景的新型吸附剂。
硼碳氮多孔材料 椰壳 冷冻干燥法 固相反应 吸附 孔雀石绿 循环再生 boron carbonitride porous material coconut shell freeze-drying method solid-state reaction adsorption malachite green recycling
1 中材高新氮化物陶瓷有限公司, 淄博 255000
2 北京中材人工晶体研究院有限公司, 北京 100018
氮化硅陶瓷不仅具有较高的力学性能还具有良好的透波性能、导热性能以及生物相容性能, 是公认的综合性能最优的陶瓷材料。作为轴承球的致密氮化硅陶瓷广泛应用在机械领域; 作为透波材料的多孔氮化硅陶瓷广泛应用在航空航天领域; 随着对氮化硅陶瓷材料的深入研究, 其在导热性和生物相容性方面的优异特性逐渐被科研工作者认识并得到开发和应用。本文详细阐述了氮化硅粉体的制备方法, 并综述了氮化硅陶瓷作为结构陶瓷在机械领域和航空航天领域的研究进展, 此外还介绍了其作为功能陶瓷在半导体领域、生物制药领域的研究和应用现状,最后对其未来发展进行了展望。
氮化硅陶瓷 轴承球 透波材料 氮化硅基板 生物陶瓷 多孔材料 silicon nitride ceramic bearing ball wave-transmitting material silicon nitride substrate bioceramics porous material
1 丽水学院工学院，丽水 323000
2 河南城建学院数理学院，建筑光伏一体化河南省工程实验室，平顶山 467036
3 石家庄铁道大学材料科学与工程学院，石家庄 050043
采用水热法在碳布基底上沉积了前驱体，然后在Ar气气氛中加热并用次磷酸钠在300~350 ℃磷化得到了纳米针阵列多孔材料3D CoP@CC，并分析了所得样品的物相、微观结构和电催化性能。XRD分析结果表明所得材料本体为正交结构的CoP，SEM分析结果表明所得阵列结构纳米针的直径在100 nm以下，长度约为10 μm。电催化性能分析结果表明，制备所得该3D CoP@CC作为催化材料在0.5 mol/L硫酸溶液中表现出优异的电催化析氢性能，当电流密度为10 mA?cm-2时，过电位为124 mV。Tafel斜率为84.9 mV/dec，说明该3D CoP-CC电催化析氢的控速步为Volmer反应。从阻抗图谱可以看出有两个不完整的半圆弧，表明其具有两个时间常数，CPE2-P=0.501 9意味着粗糙和多孔的电极表面产生了双层电容，电荷较难穿透，表明了阻抗的来源主要是传质与传荷。
多孔材料 纳米针阵列 水热法 电催化析氢 CoP@CC CoP@CC porous material arrays of nano-needle structure hydrothermal method electrocatalytic hydrogen evolution reaction
1 材料科学与工程学院 华北理工大学
2 河北省无机非金属材料重点实验室
3 唐山市环境功能材料重点实验室, 唐山 063210
本文以LaCl3、ZrClO2·8H2O为原料, 乙醇和去离子水为溶剂, 采用溶胶-凝胶法制得烧绿石型的锆酸镧粉体, 并引入模板剂P123调控粉体中的孔道结构。采用XRD、SEM和BET研究了粉体的结构和形貌, 并采用荧光光谱仪测量了Eu 3+掺杂的锆酸镧粉体的发光性能。研究表明, 模板剂P123的引入有助于提高大孔数量, 当溶液中P123含量为6.56 g·mL -1时, 得到的锆酸镧颗粒中孔道丰富, 平均孔径为43 nm, 孔容为0.15 cm 3·g -1, 在该锆酸镧粉体中掺杂Eu 3+后样品的发光性能显著增强, 且猝灭浓度从9mol%提高到11mol%。
锆酸镧 多孔材料 掺杂 发光性能 lanthanum zirconate porous material doping luminescence property
中国海洋大学光学光电子实验室, 山东 青岛 266100
为了快速检测水中痕量多环芳烃(PAHs),制备了一种高灵敏度的三维表面增强拉曼散射(SERS)基底。将GMA-EDMA多孔材料与参数优化的金纳米颗粒相结合,形成了高灵敏度三维SERS活性基底。相比仅用参数优化的金溶胶SERS基底,该三维SERS基底的信号强度有近一个数量级的增强,相比未调pH值的金溶胶基底,增强效果有2~3个数量级的提高,且具有良好的重复性,该基底内探测相对标准偏差(RSD)为4.78%~9.27%,基底间RSD为2.05%。利用该基底对三种较有代表性的多环芳烃菲、芘、苯并(k)荧蒽进行了SERS光谱探测,得到检测限分别为9.0×10
-10, 2.3×10
-10, 5.9×10
-10 mol·L
-1。结果表明,这种检测方法操作简便、重复性好、灵敏度高,可以实现水中多环芳烃的痕量检测。
表面光学 表面增强拉曼散射 多环芳烃 多孔材料 三维基底
1 电子科技大学 机械电子工程学院, 四川 成都 611731
2 中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所, 四川 绵阳 621999
为提高多孔质材料渗透系数的理论计算精度, 本文基于分形理论建立了渗透系数求解模型, 并基于图像处理优化了分形维数的求解方法。首先, 利用扫描电子显微镜拍取4种多孔材料表面图像后, 使用盒维法求解分形维数并研究多孔材料图像大小和放大倍数对分形维数求解准确性的影响。其次, 基于气体Darcy定律、分形理论及修正的Hagen-Poiseulle气体方程建立了无修正系数的渗透系数求解方程, 从而完善了多孔材料分形理论计算公式。最后搭建渗透系数测量平台, 基于流动状态的判定结果, 验证了理论推导的正确性。结果表明: 图像越大、放大倍数越低, 分形维数越趋近于真实值; 通过建立材料的最大孔径、最小孔径、迂曲度及分形维数与渗透系数间的无经验参数的理论关系, 可使渗透系数理论计算值更加准确。通过对比渗透系数理论计算值及实验值可知, 误差值为5%～8%, 满足材料渗透系数测量的误差要求。本文研究为材料渗透系数的准确获取提供了新的途径。
静压支承 多孔材料 分形 渗透系数 aerostatic support porous material fractal permeability coefficient
北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
受化学氧碘激光器(COIL)高效率小型化及新型压力恢复技术发展的推动，考虑COIL中气体氧的低温吸附问题。从质量守恒观点出发考察了气体流过沸石多孔床的压力与速度的关系，建立了吸附剂吸收的物质与气流中物质关系的吸附平衡方程。由吸附物较少的特点，得出在确定的压力梯度下速度为常数的近似。由吸附平衡方程与吸附速率方程，构成低温吸附模型方程，其中，亨利等温线方程作为辅助关系。对低温吸附模型方程作数值求解，得到了气流中氧质量浓度及吸收的氧质量浓度随时间变化的规律，以及这些质量浓度分布的长时间渐近特征。
低温吸附 多孔介质 化学氧碘激光器 数值计算 cryosorption porous material chemical oxygen iodine laser numerical computation 强激光与粒子束
2014, 26(9): 091016
华东理工大学上海市功能材料性化学重点实验室, 上海 200237
本文提出了一种新型的基于银修饰的氨基改性粉末多孔材料的表面增强拉曼光谱(SERS)检测方法, 以乐果为探针分子, 分析了银溶胶的量和反应时间对基底SERS活性的影响。乐果和水胺硫磷在以银溶胶为基底时, 分别只能检测到100 mg/L和7 mg/L, 而以银修饰的氨基改性粉末多孔材料为基底时, 乐果和水胺硫磷的最低检测浓度分别达到0.5 mg/L和0.14 mg/L, 说明该基底具有很好的增强效果。此外, 检测低浓度下乐果和水胺硫磷的混合农药溶液, 各农药的特征峰在谱图中仍然能清晰可辨。根据实验结果可以推测, 银修饰的氨基改性粉末多孔材料作为SERS基底, 可以有效地应用于有机磷农药残留的检测。
表面增强拉曼光谱(SERS) 多孔材料 氨基改性 有机磷 乐果 水胺硫磷 混合农药 surface-enhanced raman scattering porous material amino-modified organophosphorus dimethoate isocarbophos mixed pesticides
