氧化铝多孔陶瓷膜支撑体制备的工艺过程和微观机制的综合评述

综合论述了氧化铝多孔陶瓷膜支撑体制备的工艺过程及过程中支撑体的孔径大小和分布、空隙率、强度等重要参数的变化规律，为得到高性能、无缺陷的氧化铝多孔陶瓷微滤和超滤膜提供了指导依据。着重探讨了不同的工艺条件对其微观机制的影响。     

矿渣基地质聚合物的吸水性能与孔结构分形特征研究

为了研究矿渣基地质聚合物多孔材料在不同孔隙率、孔径分布情况下的吸水性能及改善机理,以高炉矿渣、粉煤灰、水玻璃为主要原料,以过氧化氢为发泡剂进行矿渣基地质聚合物的吸水、释水性能实验,并结合图像分析软件和分形理论分析其微观形貌及孔结构分形特征。实验结果表明,随着发泡剂使用量的增加,多孔材料的孔隙率、最可几孔径和吸水率相应增大,而材料释去单位质量水所需时间和孔隙表面分形维数随之减少; 当发泡剂掺量为0.87 % 时,材料吸水率达到62 %,释去单位质量水仅需1.38 h,此时材料兼顾了吸水性能和释水性能。     

基于显微CT技术的滤饼微观孔隙结构研究

通过真空过滤试验考察了颗粒粒度对过滤速度的影响,使用X射线计算机断层扫描技术获取滤饼的微观结构细节,分析颗粒性质对滤饼孔隙结构的影响,并对孔隙度、孔径分布、连通性、迂曲度等一系列关键孔隙结构参数进行了定量表征。结果表明:当平均粒径从10μm增加到60μm时,其过滤速度明显增大,滤饼多孔介质的孔隙率由41.15%增大到50.27%,孔隙平均直径从19.27μm增大到31.15μm。此外,入料颗粒粒度较细时,滤饼孔隙连通性较差,流体运移的路径明显减少,导致过滤脱水困难。而且随着颗粒粒度的增大,滤饼孔隙的迂曲度显著下降,滤液通过滤饼孔道的阻力也随之减小,从而改善过滤效果。     

微波法制备纳米多孔石墨

介绍了微波法制备纳米级多孔石墨的过程 ,以及采用汞压入法测量该多孔石墨的孔结构。与高温电炉膨化法相比 ,微波法制备的多孔石墨具有很好的纳米孔隙 ,孔径分布基本上在 4～ 10 0nm范围内 ;而传统的高温电炉膨化的多孔石墨的孔隙直径分布 ,在纳米和微波之间的过渡区域 ,二者之间存在差别。同时 ,实验结果显示纳米多孔石墨的孔结构 ,受到石墨插层物制备时水洗次数 (水洗液的pH值 )、膨化过程的微波作用时间以及鳞片石墨细度的影响     

反应物浓度诱导CVD SiC结构的转变

利用低密度的C/C复合材料为沉积基体,通过化学气相沉积法制备气相生长SiC,分析并研究了不同沉积位置和反应物浓度下气相生长SiC的微观形貌和物相组成.结果表明,随着反应物气体浓度的降低,多孔C/C复合材料基体上气相生长的SiC的微观结构呈区域性变化,SiC薄膜依次向SiC薄膜和颗粒、SiC短棒、SiC纳米线转变.探讨了不同反应物浓度气氛中过饱和度诱导原子迁移和气相分子吸附的过程,并提出一个SiC的生长模型.     

不同碳基体CVD SiC涂层的制备及其微观结构研究

分别以高纯石墨、细颗粒石墨及低密度的C/C复合材料为基体,以MTS为SiC的先驱体原料,采用化学气相沉积工艺制备SiC涂层.通过扫描电镜(SEM)观察CVDSiC涂层的微观形貌,利用X射线衍射仪(XRD)分析其晶体结构.研究发现,在不同沉积基体上沉积的SiC晶体形貌不同.以高纯石墨为基体的试样表面基本不存在SiC晶须的生长特征;以细颗粒石墨为基体的试样的表面发现了SiC晶须的生长特征,且基体内部的SiC晶体具有一定的CVI特征,即靠近基体内部沉积的SiC晶体逐渐由SiC晶须变为SiC纳米线;以C/C复合材料为基体的试样内部和表面沉积的SiC晶体表现出多元化的形貌,以层状SiC晶体和SiC晶须为主,主要是由基体材料微观结构的多元化而导致沉积的微区气氛有所不同造成的.     

基于原子力显微镜观测的煤中显微组分微观形貌与孔隙结构

煤炭既是重要的能源资源,也是潜在的材料原料。作为能源时,煤的物理结构在其综合利用及转化中有不可忽视的作用,如煤中孔隙结构对煤层气的储存、吸附、运移、解吸等有关键性作用。作为材料原料时,能为高精尖产业提供优质原料来源,如煤基石墨、煤基石墨烯等。显微组分是煤的主要成分,对煤的属性及其应用贡献巨大。以榆横矿区小纪汗煤矿2号煤层样品（XJH）为研究对象,对煤中显微组分开展原子力显微镜（AFM）观测,分析镜质组、半丝质体和丝质体的微观形貌和孔隙结构特征,为该区煤的清洁高效利用夯实基础。结果显示,XJH煤显微组分的微观形貌以粒状结构为主,表面颗粒呈不同规则程度圆形或椭圆形随机分布;镜质组表面颗粒的功率谱密度分形维数Ds最大,颗粒空间充填能力和高低起伏程度大,随机性强,微观结构较复杂。半丝质体次之。丝质体Ds最小,颗粒分布较疏散,起伏程度较缓,微观结构较镜质组和半丝质体简单。孔隙结构方面,镜质组孔隙平均孔径和面积最小,但孔隙数量最多,且贡献主要来自孔径<2 nm的微孔,镜质组孔隙结构更利于煤层气的吸附和储存;惰质组平均孔径和面积大于镜质组,但孔隙数量更少,这是惰质组中孔径2～50 nm的介孔数...     

烧结助剂对多孔吸音陶瓷结构和性能的影响

以岩浆土和凝灰岩为原料,以玻璃粉、膨润土和氧化铝为烧结助剂制备多孔吸音陶瓷。在热分析基础上,研究了玻璃粉、膨润土和氧化铝用量对多孔吸音陶瓷吸音性能、抗压强度、显气孔率和孔径的影响。采用X-射线衍射和超景深显微技术分别对陶瓷的晶相结构和形貌进行表征。结果表明,在玻璃粉用量10%、膨润土用量10%和氧化铝用量1%时样品性能最优。此条件下,样品在500~6 300 Hz下平均吸音系数为0.51,样品抗压强度为4.01 MPa,样品显气孔率为40.03%,平均孔径为0.98 mm。     

褐煤在微波场下的孔隙结构及其分形维数变化特征

为了探究微波辐照对褐煤孔隙结构及表面形貌的影响,将低温氮吸附法和扫描电镜相结合。测定了煤样经微波辐照前后比表面积、孔容、平均孔径及分形维数的变化;通过扫描电镜清楚观察到煤样的孔隙形状及表面形貌。试验表明:随着微波辐照时间/功率的增加,煤样孔隙分形维数值逐渐减小;平均孔径逐渐减小,比表面积和孔容先明显减小随后略微增加;褐煤表面逐渐趋于平整光滑,孔洞收缩。     

TC4钛合金表面微弧氧化陶瓷涂层的摩擦学行为

在硅酸盐体系碱性溶液中,采用交流微弧氧化法在TC4钛合金基体上制备出氧化物陶瓷膜,并通过X射线衍射、扫描电镜分析了膜层的物相组成、微观结构和显微形貌。用HIT-2型球-盘摩擦磨损试验机对其耐磨性能进行了测试,分析陶瓷涂层的摩擦学行为。结果表明:微弧氧化陶瓷膜层同GCr15对摩钢球干摩擦时的摩擦系数仅为0.09左右,表面的磨损痕迹较轻微,磨损量较少,其磨损机制主要是磨粒磨损与黏着磨损;且由于在磨损过程中对摩材料转移到微弧氧化陶瓷层表面,在磨损后期呈现钢-钢对磨的规律;微弧氧化技术能够改善TC4钛合金基体的表面耐磨性。     

泡沫陶瓷孔密度对低浓度瓦斯燃烧特性影响分析

搭建了低浓度瓦斯在碳化硅泡沫陶瓷内燃烧的实验台,研究了碳化硅泡沫陶瓷孔密度对低浓度瓦斯燃烧特性的影响。结果表明:碳化硅泡沫陶瓷孔密度对瓦斯燃烧温度的影响并非线性,也非单向,在10 PPI和40 PPI孔密度下均出现了反常分布,孔密度由10 PPI增加至20 PPI时,泡沫陶瓷中温度增加,增加至30 PPI时温度反而降低,40 PPI的泡沫陶瓷温度又高于30 PPI的;20 PPI的碳化硅泡沫陶瓷综合换热效果最好,燃烧室整体温度水平较高;同一流速下,4种孔密度的碳化硅泡沫陶瓷内的CO浓度都随当量比的增大而减小,而且当量比由0.50上升到0.55时,CO排放急剧减小;CO排放也与孔密度有关,但规律并不明显,大体上可以看出,20 PPI的碳化硅泡沫陶瓷对应的CO排放浓度在所测当量比范围内普遍偏低,而10 PPI的碳化硅泡沫陶瓷对应的CO排放浓度略高;NO的排放规律与CO相反,NO的排放浓度随当量比的增大而不断增加,NO_x的排放趋势和NO的排放趋势大体一致。     

基于高岭土多孔基板的In2O3微米梳制备及其气敏性能

采用模压-烧结法制备高岭土多孔基板，考察烧结温度对高岭土多孔基板表面形貌与孔隙结构的影响，通过热蒸发法在高岭土多孔基板上制备出In₂O₃微米材料，并采用XRD、SEM、FTIR、阿基米德排水法等检测手段考察多孔基板及In₂O₃微米材料的形貌与结构。结果表明，在烧结温度1 200 ℃时所获高岭土多孔基板的孔径尺寸在45 μm左右，显气孔率为32.71%，体积密度为1.48 g/cm³，抗弯强度为15.08 MPa。在该多孔基板上所制备的In₂O₃产物呈梳状结构，梳齿直径和长度分别在1~10 μm和20~80 μm范围内，梳柄长度约为1 mm，结晶良好。对In₂O₃微米梳的气敏检测结果表明：In₂O₃微米梳对NO₂气体具有良好的选择性、可逆性和重复性；其对浓度为0.001%的NO₂气体的灵敏度随着工作温度的升高呈先升高后降低的趋势，响应时间和恢复时间随之减少，且在最佳工作温度200 ℃时达到最大值，为44.4，此时的响应时间和恢复时间分别为21 s和106 s；In₂O₃微米梳对NO₂气体的灵敏度随着NO₂浓度的增加而增加，两者之间呈线性相关，响应时间随着NO₂浓度的增加而缩短，恢复时间则随之增长。     

水热合成制度对水化硅酸钙孔结构的影响

研究了不同水热合成制度(钙硅摩尔比、水固比、合成温度和恒温时间)对合成水化硅酸钙孔结构的影响。运用SEM,氮吸附-脱附法和FHH模型分析了样品的微观结构,形貌,孔结构参数及表面分形特征。结果表明:随着钙硅摩尔比的增加,水化硅酸钙(CSH)的比表面积和累积孔体积先减小后增大,当钙硅比为0.5时达到最大值,但其平均孔径逐渐降低。随着水固比的提高,合成温度的升高和恒温时间的延长,水化硅酸钙的平均孔径变化有所不同。     

陶瓷填充床内H型翅片管换热特性实验研究

基于热逆流氧化床内置翅片换热器的取热过程,自行搭建陶瓷填充床内置翅片换热器稳态取热实验台,实验研究陶瓷多孔介质围成的狭小空间内H型翅片管的换热特性,并通过外壁镀银的方法分析传热方式对H型翅片管换热系数的贡献。结果表明:H型翅片管边缘的温度随入口温度增加最大增长264℃,随入口雷诺数增加最大仅增长35℃,且靠近基管管壁处温度随入口温度和入口雷诺数变化不大;蜂窝陶瓷的存在强化了H型翅片管外壁面的热辐射作用,同时减小了29. 80%的散热量,但在一定程度上抑制对流传热;辐射传热贡献度随入口温度增加从48. 17%增至60. 34%,随入口雷诺数增加从57. 2%降至55. 35%。对试验数据进行归纳分析,得到陶瓷氧化床内H型翅片管换热特性的试验关联式。     

攀西钒钛磁铁矿尾矿制备储水泡沫陶瓷的研究

以攀西钒钛磁铁尾矿和废玻璃为主要原料通过高温烧结法制备储水泡沫陶瓷，研究原料配比和发泡剂（SiC）添加量对材料性能的影响。结果表明:随着钒钛磁铁矿尾矿含量的增加，材料的体积密度及抗压强度逐渐增大，平均气孔孔径逐渐减小；当尾矿添加量为50 wt%，材料的体积吸水率出现极值。当SiC添加量为0.3 wt%，材料内部气孔分布均匀，平均孔径约为2.93 mm。最终以50.0 wt%的钒钛磁铁矿尾矿和50.0 wt%的废玻璃为原料，外加3.0 wt%的石英，0.3 wt%的SiC，3.0 wt%的Na3PO4，在1040℃下制得性能最优的储水泡沫陶瓷，材料的体积密度为0.26 g/cm-3、体积吸水率为56.5%和抗压强度为0.68 MPa。采用SEM、XRD等检测手段研究材料的微观形貌及物相组成，结果表明储水泡沫陶瓷内部由三维立体结构组成，有利于储存水分；材料主要物相包括硅灰石、长石、透辉石和钛铁矿。      

天然氧化锰矿烟气脱硫机理研究

采用2种不同品位的软锰矿在流化床反应器中对模拟工业烟气进行脱硫。通过X射线衍射、扫描电镜、比表面积及孔径分布测试等技术手段,对2种锰矿脱硫前后的样品进行分析表征,观察锰矿的表面形貌及微观结构变化,并研究了2种锰矿的脱硫效果。结果表明:低品位锰矿中MnO₂呈无定形结构,表面粗糙、多孔,比表面积大,具有更好的脱硫性能,反应初期脱硫率可达99%,穿漏硫容达186.60 mg/g;高品位锰矿表面相对较为平整,比表面积小,脱硫过程中矿物表面逐渐致密,比表面积及孔径逐渐变小,穿漏硫容为62.87 mg/g。     

闪热解对烟煤焦结构及活化过程孔隙生成的影响

采用闪热解方式在不同温度(500,800和1 000℃)和停留时间(10和40 min)条件下制备分级孔活性炭。使用SEM分析煤焦表面形貌,N_2吸附获得孔结构参数、XRD和Raman分别获得芳香层片尺寸和不同杂化炭结构参数。通过活化过程与慢速热解焦结构参数的变化进行对比,探究不同煤焦的碳损失与孔隙形成机制。研究结果表明,闪热解终温是控制中孔生成的主要因素,停留时间影响微晶形态及其空间结构的变化。慢速热解焦(M800-10)烧失率为53.6%时,其比表面积为663.19 m~2/g,微孔孔容为0.246 m~3/g,颗粒表面已被严重刻蚀。闪热解焦(K800-40)烧失率为25.2%时,比表面积为859.14 m~2/g,微孔孔容为0.34 m~3/g,具有明显分级孔结构特征,外部无明显刻蚀。在最佳的闪热解工况下制备前驱体煤焦,可有效消除活化气体和活化产物的内扩散阻力,使颗粒内部和表面同时发生烧失生成大量微孔,有效抑制了颗粒表面烧失并降低活性炭制备成本。     

生物反应器处理煤矿瓦斯气体工艺填料的选择

为给生物技术处理煤矿瓦斯气体的反应器选择一种合适的填料,以净化处于略大于瓦斯爆炸范围的甲烷含量为0~20 %的甲烷与空气的混合气体为研究对象,采用实验室规模的生物膜填料塔,对陶粒滤料、蛭石以及生物挂膜陶粒3种填料的挂膜性能进行了比较.结果表明：陶粒滤料挂膜效果最差,反应器处理甲烷的能力也最弱,而以蛭石作为填料的反应器的抗冲击能力最差.相对于陶粒滤料以及蛭石而言,挂膜生物陶粒以其适宜的比表面积、粒径以及密度,用其作为填料的反应器能得到较大的处理甲烷能力以及较强的抗冲击能力,较适合作为处理煤矿瓦斯的生物反应器的填料.     

颗粒过滤器除尘效率的实验研究与数学建模

为开发煤热解工艺的高温荒煤气脱尘技术,在错流式固定床颗粒过滤实验平台上测试了表观气速、粉尘浓度、过滤介质粒度和床层厚度等关键参数对除尘器除尘效率的影响。结果表明,粉尘浓度在10.0~96.8 g/m~3范围内增大且颗粒床表层过滤作用显著时,除尘器效率先增大后减小;大粒径瓷球对应的除尘效率较低,但压降降低显著;床层厚度增大,过滤器的除尘效率和压降均增大。过滤器运行初始状态,床层过滤过程属于深层过滤,随粉尘在床层内沉积,迎流面表层过滤作用增强,可直接脱除45.0%~52.0%的粉尘。建立了描述错流式颗粒过滤过程的一维非稳态数学模型,使之可以预测过滤平台在不同操作条件下的净床除尘效率和粉尘沉积率。应用该模型,预测热解气气氛下过滤器(床层厚度0.6 m,填充6 mm瓷球)的净床除尘效率有所下降,为82.94%。     

温度冲击下煤层内部孔缝结构演化特征实验研究

为研究温度冲击下煤层微观结构的变化特征,采用高低温试验系统对原煤进行了温度冲击实验,利用扫描电镜、工业显微CT、压汞实验和低温液氮吸附实验对温度冲击前后煤的孔隙裂隙结构的演化发展进行了联合表征。基于数字图像处理技术,对温度冲击前后煤层扫描电镜图像进行二值化处理,定性与定量地分析了煤层的裂隙宽度变化,并统计分析了温度冲击前后煤层中孔隙的比表面积和孔径变化。研究结果表明:温度冲击作用促使煤样内部大孔之间相互贯通并形成宏观裂缝,导致大孔体积相应减少,中孔和小孔的体积均增大;温度冲击试验测试过程中所产生的最大热应力位于煤样表面的切向方向,温度冲击所产生的热应力超过煤样抗拉强度是导致裂隙萌生、扩展和相互贯通的直接原因。研究结果可为煤层气高效开发和提高煤层瓦斯抽采率提供技术支撑。