植物材料的遺態(tài)轉(zhuǎn)化及微觀組織研究.pdf

1、經(jīng)億萬年的遺傳、進化和演變，自然界中的植物結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一種天然的分級結(jié)構(gòu)構(gòu)造，具有多層次、多維、多組分的有序性組織形貌特征和優(yōu)異的功能自適應(yīng)性。在材料及其結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，自然界生物系統(tǒng)的這種自適應(yīng)結(jié)構(gòu)形態(tài)與性能給予了人們很多啟示。 受自然界的啟發(fā)，材料研究者一直以來都在研究天然材料的開發(fā)利用，探索鉆研新型結(jié)構(gòu)功能材料的設(shè)計和制備方法。近年來，材料研究者通過對植物材料的研究發(fā)現(xiàn)，利用天然植物系統(tǒng)的有序性優(yōu)化結(jié)構(gòu)形貌，通過工藝控制與

2、復(fù)合，可以在不同程度及范圍內(nèi)制備出各類復(fù)合材料。但是，目前的研究工作僅是利用植物材料的宏觀結(jié)構(gòu)進行特殊處理制備材料，并未涉及從宏、微觀角度和植物材料的整體結(jié)構(gòu)對材料的設(shè)計、制備及其影響因素的研究分析，并且，植物材料原有的精細本征結(jié)構(gòu)在制得的材料中往往已經(jīng)消失或受到嚴重破壞，從而限制了其特殊結(jié)構(gòu)性能的開發(fā)利用。為此，本文系統(tǒng)研究了借用自然界經(jīng)億、萬年優(yōu)化的植物材料自身多層次、多維的本征結(jié)構(gòu)和形貌作為模板，采用人工控制植物結(jié)構(gòu)和形態(tài)的遺傳、

3、化學(xué)組分的變異處理，可制得保持有自然界植物材料精細結(jié)構(gòu)和形貌的新型材料，同時，對采用不同制備工藝控制調(diào)節(jié)材料微觀結(jié)構(gòu)形貌進行了研究。由植物模板的結(jié)構(gòu)和形貌向新型材料的轉(zhuǎn)化和處理過程，稱為“材料的遺態(tài)過程”，得到的新型材料可稱為“遺態(tài)材料”。 本文研究采用具有不同結(jié)構(gòu)形貌特征的木材和棉纖維為模板材料，通過制備工藝的控制，制備了SiC/C、TiC/C、SnO2和Al2O3遺態(tài)材料，并運用熱失重儀、差熱分析儀、差示掃描量熱分析儀、X射

4、線衍射儀、傅立葉紅外光譜儀、掃描電鏡、透射電鏡、壓汞儀、物理吸附比表面儀、HWC-30A氣敏性測試系統(tǒng)和激光脈沖法熱擴散率測定儀等分析儀器對遺態(tài)轉(zhuǎn)化過程中的化學(xué)變化、物相、微觀組織結(jié)構(gòu)及性能進行了研究。所得主要研究結(jié)論如下： 1.利用木材結(jié)構(gòu)為模板，通過優(yōu)化的遺態(tài)轉(zhuǎn)化工藝，可制得SiC/C遺態(tài)多孔材料和TiC/C遺態(tài)多孔材料。在宏微觀尺度上，碳化物遺態(tài)材料保持了模板材料原有的有序多孔結(jié)構(gòu)特征。在遺態(tài)轉(zhuǎn)化過程中，隨著燒結(jié)溫度的升高

5、，沉積在模板材料中的浸漬劑發(fā)生自身化學(xué)變化，其分解產(chǎn)物不斷向多孔模板的孔壁內(nèi)層滲透擴散，并在1400℃時與外層孔壁的碳相發(fā)生反應(yīng)，生成碳化物(SiC或TiC)相。生成的碳化物相主要分布在遺態(tài)多孔材料的外層孔壁部分，內(nèi)層是未參與反應(yīng)的C相。遺態(tài)材料中碳化物相和碳的比例含量，可以通過制備工藝來調(diào)節(jié)。 2.以棉花作為纖維模板，通過選擇性浸漬控制，經(jīng)遺態(tài)轉(zhuǎn)化過程，可制得纖維狀氧化物遺態(tài)材料。通過以SnCl4和C2H5OH為主配制的溶液浸

6、漬棉纖維模板，可制得纖維狀SnO2遺態(tài)材料；通過以AlCl3和H2O為主配制的溶液浸漬棉纖維模板，可制得纖維狀A(yù)l2O3遺態(tài)材料。 3.不同的工藝可以控制纖維狀SnO2遺態(tài)材料的形貌特征。在浸漬工藝A控制下制得了纖維狀SnO2遺態(tài)管狀材料。燒結(jié)溫度的改變對遺態(tài)材料比表面積和微孔結(jié)構(gòu)的影響較大，700℃時制得的SnO2遺態(tài)管狀材料具有最大的比表面積和微孔孔容。不周的浸漬劑配比濃度對SnO2遺態(tài)纖維材料的比表面積與微孔結(jié)構(gòu)沒有明顯影

7、響。在浸漬工藝B控制下可制得具有實心結(jié)構(gòu)的纖維狀SnO2遺態(tài)材料。SnO2遺態(tài)管狀材料的氣敏性能研究結(jié)果表明：SnO2遺態(tài)管狀材料對C2H5OH、HCHO、90＃petrol和LPG具有良好的靈敏性。與氨水化學(xué)沉淀法制備的SnO2材料相比，700℃時制得的SnO2遺態(tài)管狀材料對90＃Petrol和C2H5OH的靈敏度都有所提高，其最大靈敏度值分別提高了1.3倍和1.6倍。 4.Al2O3遺態(tài)材料繼承了棉纖維模板材料原有的纖維狀形

8、貌結(jié)構(gòu)。不同的燒結(jié)溫度對Al2O3遺態(tài)材料宏觀形貌的變化影響較小，而對遺態(tài)材料的比表面積和微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化作用明顯，特別是在相變溫度時，比表面積和微孔數(shù)量大幅降低。浸漬劑配比濃度的變化對制得的Al2O3遺態(tài)纖維材料的結(jié)構(gòu)和形貌具有一定影響。纖維狀A(yù)l2O3遺態(tài)材料的導(dǎo)熱性能研究結(jié)果表明：在溫度由100℃升至800℃時，Al2O3遺態(tài)纖維材料的最佳導(dǎo)熱系數(shù)由0.042W/m·K升至0.103W/m·K。與離心甩絲法制備的常規(guī)Al2O3纖