基于沙漠红柳的木质陶瓷制备工艺与性能研究

发布时间：2017-06-18 12:22

  本文关键词：基于沙漠红柳的木质陶瓷制备工艺与性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：多孔陶瓷由于其高孔隙率、大的比表面积、耐酸碱腐蚀、吸声、电磁屏蔽等特点,在多个领域都有着十分广阔的应用。随着对多孔材料性能的深入研究,内部具有不同孔道尺寸结构的分级多孔陶瓷,往往具有传统的多孔材料所不具备的性能,但传统的方法制备的多孔陶瓷,孔道结构和尺寸往往非常单一,已无法满足先进对于对孔陶瓷性能的研究。科研工作者们发现木材内部天然具有结构复杂、尺寸不一的分级孔道结构,这为学者们制备具有分级多孔材料提供了新思路,即对木材进行高温烧结,从而获得具有木材空间孔道结构的木质陶瓷。本文从仿生结构的角度出发,选取了在沙漠地区生长的沙漠红柳作为研究对象,这是由于沙漠地气候干旱,风沙严重,沙漠红柳为了适应这一生存条件,进化出了优异的储水性能与力学性能,而这些都将直接影响烧结所得木质陶瓷的性能。本文使用体视显微镜及扫描电子显微镜对沙漠红柳横切面及弦切面的孔道结构进行了观察,获得了红柳内部空间孔道结构的尺寸及分布规律。利用排水法对沙漠红柳木材的孔隙率进行了测定,发现红柳木材内部的孔隙率约为50%,并使用万能试验机对沙漠红柳木材和垂柳木材的抗弯强度进行了测试,发现红柳木材的抗弯强度明显大于垂柳。本文采用一步烧结法,经预处理、真空浸渍正硅酸乙酯前驱体溶液、高温烧结三个步骤,基于沙漠红柳烧结了内部含有SiC的木质陶瓷。预处理是为了清除木材孔道内部的杂质,使得木材更易于浸渍正硅酸乙酯前驱体溶液,通过对红柳木材处理前后接触角的测量,发现预处理后红柳木材的浸渍性明显提高。浸渍正硅酸乙酯前驱体溶液,是利用正硅酸乙酯前驱体溶液的水解反应,在红柳木材内部生成SiO2。通过对红柳木材进行热失重分析,确定了红柳木材的炭化过程,进而制定烧结温度。利用正交试验,对预处理时碱溶液的浓度、预处理时间、正硅酸乙酯前驱体溶液浓度进行了优化,当预处理过程中稀的碱溶液的浓度为0.2mol/L,预处理的时间为360min,真空浸渍时所使用的正硅酸乙酯前驱体溶液中0.1mol/L的稀盐酸与正硅酸乙酯的体积比为2:1时,沙漠红柳木材试样的浸渍效率是最高的。本文利用扫描电镜分析了木质陶瓷的形貌结构,木质陶瓷基本成功复制了沙漠红柳木材的内部空间孔道结构,但木质陶瓷出现了一定程度的开裂。通过计算木质陶瓷的得炭率,分析了温度对木质陶瓷得炭率的影响。通过XRD对木质陶瓷成分的检测,分析了温度对木质陶瓷内部成分的影响。通过排水法计算了木质陶瓷的孔隙率,分析了温度对木质陶瓷孔隙率的影响。通过万能试验机测试了木质陶瓷的弯曲强度,分析了温度对木质陶瓷弯曲强度的影响。通过酸碱腐蚀后红柳木材与木质陶瓷的失重率,发现烧结后的木质陶瓷耐酸碱腐蚀性明显提高。本文使用国际上较为前沿的无损三维测试仪器——X射线三维显微镜,对沙漠红柳木材本身及以在1650℃下烧结成功的木质陶瓷的内部孔道结构进行表征,并尝试分析其内部结构特征、碳化硅陶瓷分布规律。旨在为今后的多孔陶瓷研究提供一种新的测试方法。
【关键词】：沙漠红柳 木质陶瓷 多孔陶瓷 仿生学
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 选题背景与意义13-14
• 1.2 传统的多孔陶瓷的制备方法14-17
• 1.2.1 机械成型法14
• 1.2.2 机械搅拌法14-15
• 1.2.3 颗粒堆积法15
• 1.2.4 发泡法15-16
• 1.2.5 有机泡沫烧结法16
• 1.2.6 化学气相沉积法16-17
• 1.2.7 冻干法17
• 1.2.8 溶胶-凝胶法17
• 1.3 木质陶瓷的制备17-20
• 1.3.1 木质材料的选择18-19
• 1.3.2 浸渍物的选择19
• 1.3.3 影响木质陶瓷性能的因素19-20
• 1.4 主要研究内容20-21
• 第2章 沙漠红柳的生态学特性及内部结构21-39
• 2.1 前言21
• 2.2 红柳的植物学分类21-22
• 2.3 红柳的地理分布22-23
• 2.4 沙漠红柳的优异特性23-24
• 2.4.1 沙漠红柳的耐旱性23-24
• 2.4.2 沙漠红柳的耐风沙冲蚀性24
• 2.5 沙漠红柳孔道形态结构研究24-30
• 2.5.1 试验设备25-26
• 2.5.2 沙漠红柳木材的切面26
• 2.5.3 沙漠红柳木材横切面的形态结构26-28
• 2.5.4 沙漠红柳木材弦切面的形态结构28-30
• 2.6 沙漠红柳木材的气孔率测定30-33
• 2.6.1 阿基米德排水法测沙漠红柳木材孔隙率的原理31
• 2.6.2 沙漠红柳木材的孔隙率测定31-33
• 2.7 沙漠红柳木材的三点弯曲试验33-36
• 2.7.1 试验仪器33-34
• 2.7.2 木材试样的制备34-35
• 2.7.3 三点弯曲试验过程及结果讨论35-36
• 2.8 本章小结36-39
• 第3章 木质陶瓷的制备工艺研究39-57
• 3.1 前言39
• 3.2 木质陶瓷的制备工艺流程39-40
• 3.3 试验材料40-43
• 3.4 试验原理43-53
• 3.4.1 预处理的原理43-45
• 3.4.2 真空浸渍正硅酸乙酯前驱体溶液的原理45-47
• 3.4.3 高温烧结的原理47-49
• 3.4.4 试验参数的优化设计49-53
• 3.5 试验方法53-55
• 3.5.1 沙漠红柳木材的预处理53-54
• 3.5.2 正硅酸乙酯的浸渍54-55
• 3.5.3 高温烧结55
• 3.6 本章小结55-57
• 第4章 木质陶瓷的性能表征57-71
• 4.1 前言57
• 4.2 木质陶瓷的得炭率分析57-58
• 4.3 木质陶瓷的陶瓷化程度的XRD分析58-61
• 4.3.1 试验仪器58-59
• 4.3.2 试验材料59
• 4.3.3 木质陶瓷的XRD分析59-61
• 4.4 木质陶瓷的SEM分析61-63
• 4.4.1 木质陶瓷横切面的形态结构61-62
• 4.4.2 木质陶瓷弦切面的形态结构62-63
• 4.5 木质陶瓷的孔隙率分析63-64
• 4.6 木质陶瓷的弯曲强度分析64-66
• 4.7 木质陶瓷的耐酸碱腐蚀性分析66-68
• 4.8 本章小结68-71
• 第5章 木质陶瓷的X射线三维扫描分析71-83
• 5.1 前言71
• 5.2 X射线三维显微技术介绍71-73
• 5.3 X射线三维显微扫描试验73-75
• 5.3.1 试验仪器73-74
• 5.3.2 试验样品74-75
• 5.3.3 试验步骤75
• 5.4 X射线三维显微扫描图像分析75-78
• 5.4.1 X射线三维显微扫描切片的弦切面分析76-77
• 5.4.2 X射线三维显微扫描切片的横切面分析77
• 5.4.3 基于灰度分割的碳化硅陶瓷三维展示77-78
• 5.5 基于最大球算法的孔道结构分析78-81
• 5.5.1 应用最大球算法的处理过程78-79
• 5.5.2 最大球算法的结果及讨论79-81
• 5.6 本章小结81-83
• 第6章 结论与展望83-87
• 6.1 结论83-84
• 6.2 创新点84-85
• 6.3 展望85-87
• 参考文献87-93
• 导师及作者简介93-95
• 致谢95

【参考文献】

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