1 燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004
2 河北省计算机虚拟技术与系统集成重点实验室，河北 秦皇岛 066004
激光诱导荧光（LIF）技术是一种主动式的遥感光学探测技术。土壤是常见的天然多孔介质，与石油混合后油滴会进入其孔隙内部，其独特的结构可以使光线发生多次反射和吸收，这种现象导致LIF探测土壤石油污染物获得的荧光分布具有差异性。笔者根据土壤含油量的多少以及分布特点，将土壤石油污染物分为油泥与含油土壤，基于蒙特卡罗方法和多孔介质的隐函数表示法，分别建立油泥和含油土壤的荧光仿真模型，采用荧光转换效率（接收荧光功率与发射激光功率的比值）表征荧光强度，从不同出射方向分析发射出土壤的荧光分布情况。通过模拟不同油品污染的油泥和含油土壤在不同入射天顶角、孔隙率、孔隙密度下的荧光转换效率，分析不同油品、LIF系统参数和土壤因素对荧光分布的影响。仿真结果表明：对于同种石油污染的油泥和含油土壤，油泥因较高的含油量导致荧光信号强于含油土壤；当激光垂直入射时，LIF系统收集的荧光信号强度最高，入射角度增大会导致荧光信号强度逐渐减弱；土壤石油污染物的荧光强度会随着孔隙率的增大而增大，随着孔隙密度的增大而减小；在激光照射下，轻质原油污染的土壤由于吸收系数较低，产生的荧光信号要弱于重质石油污染的土壤。本研究为LIF探测陆地溢油污染提供了理论和技术支持。
光谱学 激光诱导荧光 蒙特卡罗 多孔介质 土壤石油污染物 荧光仿真
1 上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240
2 上海航天控制技术研究所，上海 201109
采用脉宽为8 ps的超快激光器，结合高速相机原位观测，研究了超快激光作用G5级多孔玻璃过程中的材料去除行为。研究结果表明：在超快激光作用下，多孔玻璃材料出现剥离去除现象，加工过程中有大量粒径为几十微米的颗粒飞溅，材料去除效率约为K9玻璃的16.2倍。分析了扫描策略和加工余量对多孔玻璃微锥阵列形貌特征的影响，实现了高一致性和大锥顶锐度微锥阵列加工，平均锥顶尺寸达到20 μm。组装后的电喷雾推力器能够在3 kV电压下获得单个发射极90 μN的推力。
激光技术 多孔玻璃 超快激光 微锥阵列 电喷雾发射极
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
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
1 中材人工晶体研究院(山东)有限公司，济南250200
2 北京中材人工晶体研究院有限公司，北京100018
3 中材高新材料股份有限公司，北京100021
SiC是新一代射频器件和功率器件的理想材料，电阻式物理气相传输法由于具有温度均匀性，成为生长大尺寸SiC单晶的有效方法。近年来，多孔石墨等的使用提高了SiC晶体的质量和产量，而关于其机理的研究却相对较少。本文使用数值模拟的方法系统研究了多孔石墨对SiC晶体生长的影响，并进行了晶体生长验证。模拟结果表明：多孔石墨的使用提高了原料区域的温度及温度均匀性，增大了坩埚内轴向温差，对减弱原料表层的重结晶也具有一定作用；在生长腔内，多孔石墨改善了物质流动在整个生长过程中的稳定性，提高了生长区域的C/Si比，有助于减小相变发生概率，同时多孔石墨对晶体界面也起到改善作用。晶体生长结果实际验证了多孔石墨在提高传质均匀性、降低相变发生率和改善晶体外形上的作用。本文结果对于理解多孔石墨的作用机理以及改善SiC晶体生长条件具有实际意义。
碳化硅 多孔石墨 数值模拟 晶体生长 电阻加热 物理气相传输 silicon carbide porous graphite numerical simulation crystal growth resistance heating physical vapor transport
东北林业大学 生物质材料科学与技术教育部重点实验室, 哈尔滨 150040
以木糖为碳源, 利用嵌段共聚物聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷 (P123)/十二烷基硫酸钠(SDS)混合乳液构筑微反应器, 水热炭化制备马蹄形中空多孔炭。研究表明木糖在微反应器与溶液界面发生水热反应, 160 ℃水热条件下P123的亲水聚环氧乙烷嵌段(PEO)亲水性下降并向乳液内部增溶, 使乳液逐渐润胀和破裂。P123/SDS质量比会影响微反应器的完整度, 而水热时间可以调控微反应器的开口角度和空腔直径。开放性空腔能储存更多电荷和离子并缩短传输距离, 使多孔炭的比电容和能量密度增大且与空腔直径呈正相关关系。当P123/SDS质量比为1.25 : 1、水热时间为12 h时, 马蹄形中空多孔炭的开口角度(63°)和空腔直径(80 nm)最大、电化学性能最佳, 在6 mol·L-1 KOH三电极体系中电流密度1 A·g-1时比电容达292 F·g-1; 在两电极体系中电流密度0.2 A·g-1时比电容达185 F·g-1, 能量密度达6.44 Wh·kg-1; 电流密度5 A·g-1时5000次充放电循环后电容保持率达94.83%。
马蹄形 中空多孔炭 木糖 水热炭化 模板 界面 horseshoe-shape hollow porous carbon xylose hydrothermal carbonization template interface
1 1.武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070
2 2.武汉理工大学 纳微结构研究中心, 武汉 430070
锂硫电池(LSBs)因能量密度高、原料储量丰富、环境友好等优点引起了广泛关注。然而, 多硫化物的穿梭效应、反应过程中较大的体积膨胀以及硫较差的电子电导率等缺点极大地限制了其发展。本研究设计了一种SnS2纳米颗粒与ZIF-8衍生的花状二维多孔碳纳米片/硫复合材料(ZCN-SnS2-S), 并研究了其作为锂硫电池正极的电化学性能。其独特的二维花状多孔结构不仅有效缓解了反应过程中的体积膨胀, 而且为Li+和电子的传输提供了快速通道, 杂原子N也促进了对多硫化物的吸附作用。并且负载的极性SnS2纳米颗粒极大地增强了对多硫化物的吸附, 从而使ZCN-SnS2-S复合材料表现出优异的电化学性能。在0.2C(1C=1675 mA·g-1)电流密度下, ZCN-SnS2-S电极循环100次后仍能保持948 mAh·g-1的高可逆比容量, 容量保持率为83.7%。即使在2C的高电流密度下循环300圈, ZCN-SnS2-S电极仍具有546 mAh·g-1的可逆比容量。
锂硫电池 二维多孔氮掺杂碳纳米片 SnS2 多硫化物 穿梭效应 lithium-sulfur battery 2D porous nitrogen-doped carbon nanosheet SnS2 polysulfide shuttle effect
1 山西工程技术学院材料科学与工程系, 阳泉 045000
2 山西省阳泉市水文水资源勘测站, 阳泉 045000
对粉煤灰基多孔陶瓷的有效利用不但能够减少粉煤灰对环境的污染, 而且在废水处理等领域表现出较高的应用价值。本文以粉煤灰为主要原料, 膨润土为黏结剂, 活性炭为造孔剂, 采用直接成型烧结工艺制备了一种性能优异的多孔陶瓷材料, 并研究了烧结温度和活性炭用量对多孔陶瓷结构与性能的影响。结果表明, 粉煤灰/膨润土烧结形成陶瓷骨架, 活性炭氧化形成孔洞结构, 在两者协同作用下形成多孔陶瓷材料。随着烧结温度的升高和活性炭用量的减少, 多孔陶瓷材料的显气孔率和吸水率减小, 体积密度和抗压强度增大。当烧结温度为1 100 ℃和活性炭用量为60%(质量分数)时, 所制备的多孔陶瓷综合性能更优, 显气孔率为6175%, 体积密度为093 g·cm-3, 吸水率为 6348%, 抗压强度为429 MPa, 对浓度为100 mg·L-1的Pb2+溶液的去除率为984%, 饱和吸附量高达4579 mg·g-1。
粉煤灰 活性炭 多孔陶瓷 去除率 吸附量 fly ash activated carbon porous ceramics Pb2+ Pb2+ removal rate adsorption capacity
1 东北大学冶金学院, 沈阳 110819
2 材料先进制备技术教育部工程研究中心, 沈阳 110819
3 抚顺天成环保科技有限公司, 抚顺 113001
目前, 工业除尘滤袋的工作温度不高于280 ℃, 通常在过滤前需先将高温烟气进行降温处理。为了制备高效且耐温性良好的新型过滤材料, 本文以粉煤灰为主要原料, 以H2O2为发泡剂, 通过聚合反应制备了多孔地聚物, 并对其形貌、孔结构、抗折强度和过滤性能进行了表征。结果表明: H2O2的最佳添加量为0.98％(质量分数), 此时多孔地聚物下表面与内部的平均孔径分别为17.3和171.5 μm, 孔隙率为56.2％, 常温下抗折强度为2.2 MPa, 过滤阻力为6.2×10-3 MPa, 对PM10和PM2.5的过滤效率分别为98.2％和93.3％, 经800 ℃的热处理后, 抗折强度增加到3.4 MPa, 对PM10和PM2.5的过滤效率均保持在90％以上, 过滤阻力增加了1×10-3 MPa。因此, 以粉煤灰基多孔地聚物作为高温烟气过滤材料具有良好的应用前景。
粉煤灰 多孔地聚物 高温处理 过滤性能 孔结构 抗折强度 fly ash porous geopolymer high temperature treatment filtering performance pore structure flexural strength
