以粉煤灰、铁尾矿为主要原料, 采用高温烧结活化-水热合成工艺制备了新型沸石化陶粒。利用高温烧结得到烧结陶粒的同时对原料中的莫来石等惰性相产生活化作用, 后续采用水热反应对基础陶粒进行沸石化改性, 增加其比表面积及吸附能力。研究表明最佳的制备工艺条件为:m(粉煤灰)∶m(铁尾矿)∶m(石英砂)=7∶1∶2, 烧结温度1 040 ℃, 烧结时间30 min, NaOH溶液浓度1.5 mol/L, 水热温度160 ℃, 水热时间12 h。XRD、SEM、FT-IR和Raman结果表明, 制备的沸石化陶粒的主晶相为P型沸石和方沸石, 其比表面积从基础陶粒的1068 m2/g增加至35.770 m2/g, 同时, 对NH+4-N离子的最大吸附容量由基础陶粒的1.82 mg/g增加至13.34 mg/g, 分别增加至基础陶粒的33.49倍和7.33倍, 结果表明沸石化陶粒在废水处理中具有潜在的应用前景。

通过β-Si3N4长柱状晶粒生长搭接构建材料微孔隙结构, 成功制备了兼具高孔隙率、小孔径及窄孔径分布的多孔氮化硅毛细芯, 研究了不同烧结温度、成型压力、造孔剂含量对材料孔隙参数的影响, 测试了环路热管多孔毛细芯的热力学性能。结果表明: 当烧结温度、成型压力、造孔剂含量作用于材料微孔隙结构调控时, 均呈现与孔径分布相关的规律; 随孔隙率增加, β-Si3N4柱状晶粒直径减小、长径比增加, 形成的搭接骨架趋于细密, 起到分割晶间孔隙的作用, 在一定范围内抵消了由孔隙率增加引起的孔径增大, 实现了材料小孔径和高孔隙率的协同, 呈现出与常规颗粒堆积烧结成孔材料时, 随孔隙率的增加孔径增大不一样的作用规律; 当所制备的典型多孔毛细芯材料孔隙率为540%时, 渗透率达6.5×10-14 m2, 平均孔径仅为0.3 μm, 且超过95%的孔隙孔径介于0.1~0.4 μm, 最大毛细力达62 kPa, 热负荷功率大于200 W。

以羧甲基纤维素(CMC)为黏结剂, 通过挤出成型的方式制备氮化硅陶瓷管材, 并研究了黏结剂含量对陶瓷管材生坯性能的影响, 烧结温度对氮化硅陶瓷相对密度、弯曲强度和微观形貌的影响, 以及氮化硅陶瓷的高温强度性能。结果表明: 黏结剂含量为7%(质量分数)时, 可制得干燥收缩均匀、表面光滑、无微裂纹的陶瓷管材生坯; 烧结温度在1 740 ℃时, 氮化硅陶瓷的相对密度和弯曲强度达到最大值, 分别为96%和(684±23) MPa, 其1 200 ℃时的弯曲强度达(380±21) MPa, 具有良好的高温强度性能。

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行过程中, 产生的自由基会攻击质子交换膜, 使其开裂或形成孔洞, 导致电池失效。常见的改性方法是在质子交换膜(PEM)中添加自由基清除剂材料。基于此, 本文合成了Sn掺杂CeO2自由基清除剂, 通过提高Ce3+浓度来增强其在PEMFC中自由基清除性能, 避免PEM厚度迅速减薄, 从而提高质子PEMFC的耐久性。密度泛函理论计算和试验结果表明, Sn掺杂会引起CeO2产生晶格畸变, 降低氧空位形成能, 促进CeO2中Ce3+的形成。同时, Sn2+的加入可将CeO2-Sn样品中的Ce4+还原为Ce3+, 提升Ce3+的浓度, 从而提高PEM的耐久性。单电池测试结果表明, 经70 h的开路电压衰减测试, CeO2-Sn-5%改性后的质子交换膜组装的单电池电压衰减率最低(18%), 且功率保留率(56%)比其他样品更高, 表明该样品具有更优异的耐久性。