ZnO、Co-,3-O-,4-及SiC-Si-,3-N-,4-系列生物形態(tài)材料的合成與表征.pdf

1、經(jīng)億萬年的遺傳、進化和演變，自然界中的植物結構呈現(xiàn)出一種天然的分級結構構造，具有多層次、多維、多組分的有序性組織形貌特征和優(yōu)異的功能自適應性。在材料及其結構設計的過程中，自然界生物系統(tǒng)的這種自適應結構形態(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，探索鉆研新型結構功能材料的設計和制備方法。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)化結構形貌，通過工藝控制與

2、復合，可以在不同程度及范圍內(nèi)制備出各類復合材料。但是，目前的研究工作僅是利用植物材料的宏觀結構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構對材料的設計、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構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構性能的開發(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、多維的本征結構和形貌作為模板，采用人工控制植物結構和形

3、態(tài)的遺傳、化學組分的變異處理，可制得保持有自然界植物材料精細結構和形貌的新型材料，同時，對采用不同制備工藝控制調(diào)節(jié)材料微觀結構形貌進行了研究。由植物模板的結構和形貌向新型材料的轉(zhuǎn)化和處理過程，稱為生物形態(tài)的遺留過程，即為“材料的遺態(tài)過程”，得到的是生物形態(tài)的新型材料也可稱之為“遺態(tài)材料”。 本文研究的是采用具有不同結構形貌特征的棉纖維和高粱秸稈為模板材料，通過制備工藝的控制，制備了SiC/Si3N4、ZnO和Co3O4生物形態(tài)材

4、料，并運用熱失重儀(TG)、差熱分析儀(DTA)、X射線衍射儀(XRD)、傅立葉紅外光譜儀、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、壓汞儀、ZETA電位測試儀等分析儀器對生物形態(tài)轉(zhuǎn)化過程中的化學變化、物相、微觀組織結構及性能進行了研究。 所得主要研究結論如下： 1．以棉花纖維作為模板，通過選擇性浸漬控制和自然氣氛下的煅燒，經(jīng)生物形態(tài)的轉(zhuǎn)化過程，可制得纖維狀氧化物材料。通過以Zn(NO3)2和蒸餾水配制的溶液浸漬棉纖維模板

5、，可制得生物形態(tài)ZnO材料；通過以Co(NO3)2和蒸餾水配制的溶液浸漬棉纖維模板，可制得生物形態(tài)Co3O4材料。 2．采用不同棉花模板通過工藝控制可得到不同形態(tài)的生物形態(tài)氧化物材料。利用天然棉花作為模板通過工藝控制制得了中空的生物形態(tài)氧化物材料，利用脫脂棉纖維作為模板通過控制得到了實心但疏松的生物形態(tài)氧化物材料；燒結溫度的改變對生物形態(tài)氧化物材料的比表面積和微孔結構的影響較大。不同的浸漬劑配比濃度對生物形態(tài)ZnO材料的宏觀形貌

6、、比表面積與微孔結構沒有明顯影響，對生物形態(tài)Co3O4宏觀形貌、比表面積、微孔結構影響比較大。 3．利用高粱秸稈為模板，通過優(yōu)化的生物形態(tài)轉(zhuǎn)化工藝，可制得SiC/Si3N4生物形態(tài)多孔陶瓷復合材料。在宏、微觀尺度上，SiC/Si3N4生物形態(tài)多孔陶瓷復合材料保持了高粱秸稈模板材料原有的有序多孔結構特征。在生物形態(tài)轉(zhuǎn)化過程中，隨著燒結溫度的升高，沉積在模板材料中的浸漬劑自身發(fā)生化學變化，其分解產(chǎn)物不斷向多孔模板的孔壁內(nèi)層滲透擴散，

7、并在1240℃時與外層孔壁的碳相發(fā)生反應，生成碳化物(主要是SiC)相。生成的碳化物相主要分布在SiC/Si3N4生物形態(tài)多孔陶瓷復合材料外層孔壁部分，孔徑中沉積的Si相在1400℃以上與真空爐中的N2發(fā)生反應生成氮化物(Si3N4)相。SiC/Si3N4生物形態(tài)多孔陶瓷復合材料中的碳化物和氮化物比例含量，可以通過制備工藝來調(diào)節(jié)。而材料中未參與反應的Si和C可通過化學方法除去。 4．SiC/Si3N4生物形態(tài)多孔陶瓷復合材料繼承