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遗态SiC纤维织物结构陶瓷的制备及形成机理分析

更新时间:2016-07-05

0 引 言

近些年,以各种木材、竹子、棉麻杆、甘蔗杆及经加工制得的纸张和纸板等制备遗态多孔SiC陶瓷受到广泛关注[1-6],与传统SiC陶瓷材料相比,仿生SiC陶瓷在很大程度上保留了原生物材料所具有的微观结构特征,而且其制备成本低,原料可再生,比较容易加工成复杂形状.因其具有低密度、高强度、耐腐蚀、耐磨损、抗氧化和生物相容性好等优点,因而在轻质结构材料、催化剂载体材料、热交换器材料、吸音材料、减震材料、隔热材料、电磁屏蔽材料和生物医疗器件等方面,具有广阔的应用前景[7-8].然而,由于生态陶瓷的性能与生物材料的结构,SiC的生长方向及体积分数有关,因此生态陶瓷仍然无法达到普通陶瓷的性能标准,生态陶瓷的结构和功能不一致严重限制其应用范围[9-12].SiC多孔陶瓷的性质除受本身影响外,孔隙率、孔径形状、大小及分布在很大程度上决定了SiC多孔陶瓷的性能和应用.而开发相应的制备技术,获得所需孔结构是制备高性能SiC多孔陶瓷的关键.

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目前有研究利用压制棉纤维板及竹纤维板等人工生物模板来解决生物陶瓷这一问题.所制备的人工生物模板不仅保留了生物材料的微观结构特征,而且表现出优异的机械性能[13-14].为此通过生物模板的选取、设计及加工,可获得一系列具有优异性能的生物结构陶瓷来满足不同领域的需求.与其他模板材料相比,苎麻纤维产量丰富且具有良好的浸渍均匀性和结构可控性,同时发现纤维内部分子倾向于沿着纤维轴呈直线排列,有序排列的自然纤维或合成纤维的性能优于随机排列的纤维.因此本文以苎麻纤维为原料,构造层状的纤维织物骨架,通过高温烧结,制备苎麻形态SiC纤维组成的织物陶瓷,研究织物结构陶瓷形成机理及性能,探索SiC陶瓷材料结构功能一体化的可行性.

1 实 验

1.1 原料与仪器

(1) 原料 苎麻纤维(湖南逐鹿苎麻有限公司);酚醛树脂(2130,安徽省蚌埠天星树脂有限公司);硅粉(Si含量>99%,西安化学试剂厂)和乙醇(分析纯,天津天泰精细化学品有限公司).

(2) 仪器 电子天平(JY2001, 上海浦春计量仪器有限公司);干燥箱(101-2, 上海市实验仪器总厂)及高温多气氛烧结炉(自制);游标卡尺(0~125 mm,上海量具刃具厂);X射线衍射仪(XRD-7000S型,日本岛津);电子扫描显微镜及自带的能谱仪(SEM,JSM-6700F型,日本电子公司);贝士德比表面仪(H-2000PS2型,贝士德仪器科技(北京)有限公司);微机控制电子万能试验机(SANS5105型,深圳新三思公司).

大白兔奶糖作为物质匮乏年代的甜蜜记忆,也是“上海情结”的载体,当这些老字号品牌上升到“情结”的高度,它便不会被轻易淡忘。尽管如今消费者可以买到全世界的进口化妆品、各色“网红”糖果点心,但这些都难以取代很多人心头的品牌情结。

1.2 材料制备

[9] PRESAS M,PASTOR J Y,LLORCA J,et al.Mechanical behavior of biomorphic Si/SiC porous composites[J].Scripta Materialia,2005,53(10):1175-1180.

在进行道床建设时,要保证材料符合相关的标准要求,加强道床施工的质量控制,保证其具有较高标准的承载力,可以在较长时间承载地铁的运行,有以下技术要点:①在道床施工中,要将预留缝隙与隧道结构缝控制在统一平面上;②在搭设与拆除脚手架时要与钢轨置离;③进行混凝土浇筑时要适当的分层,采用特殊的方法分台阶浇筑,保证其具有充足的承载力。

3) 预警的DCS实施工作。在DCS条件具备回写功能并充分验证了预警系统的情况下,将预警信息传送到DCS,发挥预警的作用,防止安全事故的发生。

[12] MAITY A,KALITA D,KAYAL T K,et al.Synthesis of SiC ceramics from processed cellulosic bio-precursor[J].Ceramics International,2010,36(1):323-331.

1.3 材料测试与表征

[3] MANDAL P K,MAJUMDAR R,MUKHERJEE K K,et al.Active cellular preform derived from stems of jute and sticks of cane and their suitability for bulk porous Si/SiC ceramics[J].Journal of Porous Materials,2009,16(2):157-163.

(a)1 400 ℃;(b) 1 450 ℃;(c) 1 500 ℃ 图 1 遗态SiC纤维织物陶瓷的X射线衍射图 Fig.1 XRD of morph-genetic SiC fiber fabric ceramic

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

[1] ORLOVA T S,POPOV V V,CANCAPA J Q,et al.Electrical properties of biomorphic SiC ceramics and SiC/Si composites fabricated from medium density fiberboard[J].Journal of the European Ceramic Society,2011,31(7):1317-1323.

白阳搞不懂那个年轻漂亮的富婆是怎么看上赵晓峰的,心甘情愿当小三不说,现在还要花大价钱拆散原配、自动转正。

2.2 SEM分析

图2为不同温度下遗态SiC纤维织物陶瓷的SEM图.生物陶瓷保留了完整的平面二维织物结构,织物空隙(箭头)在100 μm左右,在陶瓷纤维表层及空隙中粘附着疏松的颗粒及片状物质.对不同条件下陶瓷的表面进行面能谱分析发现织物结构陶瓷均由C、Si、Fe元素组成,与XRD结果一致.随着烧结温度升高,陶瓷纤维表层及空隙内部的疏松颗粒及片状物减少,织物结构清晰,这也表明残余的Si由于体积错配从陶瓷纤维表面和空隙脱落.硅含量的减少有利于陶瓷材料的纯化.在陶瓷纤维空隙之间还发现大量纳米线和晶须,此种纳米结构的形成是由于微量氧的存在,出现活性较强的氧化物发生复杂反应所致[16]

(a) 1 400 ℃ (b) 1 400 ℃(局部放大) (c) 1 450 ℃

(d) 1 450 ℃(局部放大) (e) 1 500 ℃ (f) 1 500 ℃(局部放大) 图 2 不同温度下遗态SiC纤维织物陶瓷的SEM图 Fig.2 SEM of morph-genetic SiC fiber fabric ceramic at different temperatures

2.3 形成机理分析

由液硅浸渗法制备遗态SiC陶瓷的形成机制分为几个阶段,开始阶段为碳在液硅中的溶解并反应,同时SiC在碳表面形核析出.SiC层的生长阶段是C或Si在形成的SiC扩散机制[17]还是碳在液硅中的溶解-析出机制[18-19],主要取决于碳壁厚度以及碳模板的密度及孔结构.Pampuch等[20-21]通过研究直径约4~6 μm的碳纤维与液硅的反应过程,发现碳在SiC层中的扩散速度远小于SiC生成速度,因此该过程属于溶解-析出机制.本文所采用的苎麻纤维为直径约30 μm,管壁厚约3~8 μm的中空管状结构[22],因此溶解-析出机制适合由薄壁管状纤维制备的生物陶瓷.

对于真空下液硅浸渗过程而言,在硅熔点温度下(<1 410 ℃),应为预浸渗阶段.炉内较低的蒸气压及少量氧导致部分硅及热解碳形成Si、SiO及CO等气相产物,这些反应物扩散到碳模板附近及开孔管道处发生以下反应:

Si(g)+C(s)→SiC(s)

(1)

SiO(g)+C(s)→SiC(s)+CO(g)

(2)

2SiO(g)+3CO(g)→SiC(s)+2CO2(g)

(3)

2SiO(g)→SiO2(s)+Si(g)

(4)

以气固机制形成SiC及SiO2纳米材料[17]

企业合并重组后,其成本支出将在短期内增加。造成这一问题的原因主要有两个方面。首先,合并企业的经营范围通常会存在一定的交集,因此其生产要素会部分重叠。在合理整合这部分生产要素前,企业必然会为其支付相应的开支。其次,合并重组后新企业的内部管理将进入磨合期,在这一过程中,企业的要素流转效率将进一步下降,其运营成本也将相应提高。总之,合并重组将改变企业的资源配置与运营结构,常态环境下的财务管理机制难以对各环节进行有效评价。

由于硅粉预先分散于苎麻形态碳表面,当硅熔融形成液硅后,分布不均的液硅导致遗态陶瓷最终相成分及结构各异.化学计算比发现,当m(C)m(Si)<3∶7时,随着硅的耗尽,生成的纳米级SiC颗粒难以形核析出,保留在C和粗大的SiC之间.由此形成包含C,纳米级SiC核及粗大的SiC的生态陶瓷,各相之间的体积错配极易导致裂纹,不利于生态陶瓷机械性能的优化.当m(C)m(Si)>3∶7时,液硅过量,遗态碳可完全转化为微米级SiC颗粒,在液硅中,SiC极易形核析出,发生重排形成更为密实的生态陶瓷.

2.融合发展与单向嵌入发展的扬弃。维护和实现国家统一必然涉及中央与相关地方之间相对特殊的关系,在经济社会发展过程中自然产生单向性嵌入发展的模式惯性,如对边疆民族地区的“援建”、对港澳台地区的单向投入等。此类单项式政策有较强的针对性并取得了一定效果。但从长远来看,双方互动发展的不足制约了发展的可持续性,也难以在利益的一体性上得到深入和拓展。在这个意义上,融合发展是对单向嵌入发展方式的扬弃。通过积极的双向互动,融合发展打破以往受惠方与施惠方之间简单的二元关系,各方作为共同发展的主体身份被明确。同时,各方成为共同发展的参与者、共同利益的分享者,各方休戚以共的命运共同体意识得以培育。

当温度高于硅熔点时,液硅浸渗真正开始,并发生C(s)+Si(l)=SiC(s)反应生成SiC晶粒.在毛细压力作用下,包裹在苎麻纤维表面的熔融硅形成流体并渗入已形成的纳米SiC及C模板空隙,这些SiC小颗粒在液硅中作为随后的SiC形核析出点;同时碳迅速溶解于硅熔体中并发生反应,生成的纳米SiC在两相界面处形核析出形成SiC/Si界面层.随后,液硅渗入空隙并占据溶解碳的位置.接下来形成的小SiC核继续在SiC晶体处析出,促进SiC层的生长.生成的SiC颗粒按照纤维结构进行重排堆积,形成具有生物结构的SiC陶瓷.这一过程重复进行直到碳源或硅源耗尽为止.

2.4 遗态SiC纤维织物陶瓷物理性能

表1为不同温度下遗态SiC纤维织物结构陶瓷的失重率、体积收缩率、显气孔率、表观密度及弯曲强度.遗态SiC纤维织物陶瓷的失重率在40%以上,而其收缩率却在23.6%~25.7%,与文献[24]中木材收缩率相比较小.陶瓷化过程中,织物结构不改变,仅成分发生变化,因此纤维束二维方向上的相互约束抑制试样的收缩,此外固化的酚醛树脂对纤维起到固定作用,同样降低试样的收缩率.织物结构SiC陶瓷具有低密度(1.02~1.27 g/cm3)、高气孔率(55.5%~71.6%),这是由于织物空隙及苎麻纤维的中空管状结构所致.陶瓷试样的失重率、体积收缩率及显气孔率均随温度升高而增大,这是反应烧结碳化硅过程中,液硅渗入热解的苎麻碳内部,残余硅填充在试样的孔隙所致.而随烧结温度的提高,液硅与生成的碳化硅润湿角较小,容易发生毛细润湿作用渗出,从而导致这一变化趋势.同时硅的去除有利于提高SiC陶瓷的力学等性能[6].不同温度下生物陶瓷的BET比表面积随温度升高有增大的趋势,这是由于温度越高,游离硅较少,晶态的SiC纳米线越易形成所致.

1 不同温度下试样的失重率体积收缩率显气孔率表观密度弯曲强度

Table 1 Weight loss ratio,volume shrinkage,apparent porosity, apparent density,bending strength of the samples at different temperatures

温度/℃失重率/%体积收缩率/%显气孔率/%表观密度/(g·cm-3)BET/(m2·g-1)弯曲强度/MPa140044 923 855 51 0211 92 39145041 623 663 71 2720 752 12150053 225 771 61 0531 683 21

2.5 遗态SiC纤维织物陶瓷弯曲强度

多孔陶瓷强度(σ)可由σ=σ0exp(-bP)计算得出.式中:σ0为致密陶瓷的强度;P为多孔陶瓷的气孔率;b为比例因数,受孔的几何参数影响,一般为5~7.致密SiC陶瓷的弯曲强度为15.5 MPa,b取5,不同温度下的计算强度分别为0.94 MPa,0.63 MPa和0.42 MPa,低于遗态SiC纤维织物结构陶瓷的弯曲强度(见表1).低强度是由遗态陶瓷的层状结构所致.同时理论计算表明多孔陶瓷强度随气孔率升高成指数下降,而遗态SiC纤维织物结构陶瓷的弯曲强度先减小后增大.这主要是陶瓷内多余的硅所致,烧结温度低于1 450 ℃时,多余的硅起到粘结SiC颗粒的作用;当烧结温度达到1 500 ℃时,熔融硅渗出,SiC颗粒间隙缩小,形成连续的网络结构导致强度增大.

3 结 论

(1) 采用苎麻织物、树脂及硅粉为原料,在真空条件下可制备低密度、高比表面的多孔SiC陶瓷,该陶瓷具有苎麻形态的SiC纤维组成的织物结构.

(2) 在遗态纤维上分布大量的纳米线,纳米线最终结构及形貌与晶体学、热力学及动力学有关.通过控制温度、时间及蒸汽分压可得到理想的纳米线修饰的遗态纤维织物结构SiC.

(3) 遗态织物结构陶瓷制备工艺简单、成本低,所制多孔陶瓷具有高比表面、形状复杂及分级多孔结构等特点,这种新型陶瓷在结构与功能一体化材料方面具有潜在的应用价值.

参考文献(References):

图1为不同温度下遗态SiC纤维织物陶瓷的X射线衍射图,其中(a)为1 400 ℃,(b)为1 450 ℃,(c)为1 500 ℃.2θ=35.87°,60.20°和71.98°附近位置的三强峰与标准卡片中立方结构相的(111),(220)和(311)衍射面对应,其d值分别为0.250 1 nm,0.153 6 nm,0.131 1 nm,而且衍射峰完整尖锐,因此可判定此相为立方结构的晶态β-SiC.在XRD图谱中还发现Si-Fe化合物衍射峰,这是由于硅粉中少量的铁与硅共熔析出所致,而Fe元素的存在不仅可以降低反应温度,同时有利于SiC的形核析出[15].对比不同温度下的XRD图谱发现部分温度下会检测到SiO2衍射峰,低真空下微量的氧会与Si反应所致.

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采用游标卡尺和电子天平测量试样烧结前后的尺寸及质量,根据试样烧结前后的体积变化及质量变化来计算陶瓷的体积收缩率和失重率,用排水法[13]测试材料的表观密度及显气孔率并表征和分析遗态陶瓷的制备工艺及缺陷;分别采用电子扫描显微镜及自带的能谱仪(EDS)和X射线衍射仪表征试样的微观结构及物相组成,并测试材料的BET比表面积及三点弯曲强度,据此分析遗态陶瓷形成过程及影响因素.

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WANG W,XUE T,JIN Z H,et al.Preparation and basic properties of a new porous SiC[J].Journal of Inorganic Materials,2008,23(1):109-113.

实验选择HWS模式,设置启动区间温度为92 ℃,台阶升温步长为5 ℃,启动区间恒温时间60 min,其他台阶恒温30 min。通过样品与炉体之间温度差来表征量热仪的绝热程度,实验结果如图8所示,可看出实际实验与仿真结果趋势是一致的。由此可知,本文提出对绝热加速量热仪反应过程中热电偶动态特性和炉体加热系统动态响应进行补偿的方法,一定程度上能提高系统的绝热性能。对补偿前后的实验数据进行反应热力学和动力学参数求解,结果如表5所示。

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将处理后的苎麻纤维经加捻后编织成平纹织物,叠层后将其浸渍在按质量比1∶2∶4的乙醇、酚醛树脂与硅粉的均匀混合物中,通过反复的挤压和浸渍,在80 ℃下干燥固化12 h后得到织物结构预制体.

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分别在不同温度下将织物结构预制体进行反应烧结,根据树脂及苎麻纤维热分解特性,控制升温速率,以缓慢升温方式烧结制备遗态结构碳化硅陶瓷.首先以3 ℃/min从室温升到400 ℃并保温1 h,脱除残余自由水,同时苎麻纤维进行热解炭化;随后以5 ℃/min升温速率从400 ℃升到800 ℃,保温0.5 h,使酚醛树脂充分热解炭化及缩聚;最后分别升温至1 400 ℃,1 450 ℃,1 500 ℃,保温2 h,硅熔融渗入织物内部,发生C(s)+Si(l)=SiC(s)反应形成纤维织物结构碳化硅陶瓷.

浙江大学宁波理工学院设立了创新创业实验班,学生主要学习如何创业。一些成功的企业家,甚至一些失败的企业家都将成为课堂上的老师。创新创业实验班主要讲授经济学、管理学、创新知识和创业意识的培养。学生在完成专业学习的同时,还将在一年半的时间里系统地学习创业和创业的秘诀。

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资源是图书馆提供信息服务的基石。在新媒体环境下,为了高质量地开展信息服务,满足读者多元化的信息需求,高校图书馆应在进行读者调研的基础上制定内容丰富、结构合理、载体形式多样的馆藏资源建设方案,实现馆藏结构、不同载体文献的和谐统一。而民族高校图书馆也担负着文化传承的使命,因此在资源建设方面除了常规资源建设意外,还应根据学校学科建设需求和民族特色文化,重点加强一批具有民族性、地域性的综合性特色数据库的建设,以便更好地服务于民族高校师生读者的科研需求。并在资源构建的基础上重点打造知识服务产品,基于资源进行知识内容的整合和有效的关联,以实现多层次、多方位、多形式的资源传播和信息服务。

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在该阶段,企业已知政府制定的针对新能源汽车的CAFC得分效率θ1,两企业决策自身的续航里程研发水平。在研发过程中,两企业可以开展合作和竞争两种模式,当两企业选择研发合作时,技术溢出率较高。在竞争模式下,两企业的技术溢出率为ω1、ω2;在合作模式下,两企业的技术溢出率为ω′1、 ω′2。 其中 0<ω1<ω′1<1, 0<ω2<ω′2 <1。

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在GPS测绘技术中,布网质量对测绘结果的精准度具有直接影响。因此在实际测绘期间,工作人员须采用点连式及或边连式测绘的方式对三个交互点图像图形进行测绘。在将GPS测绘技术用于工程枢纽施工时,可通过增加网格的精准度及强度方式保障测绘数据的准确性。不仅如此,由于GPS测绘技术可对地区特殊地质条件及环境进行模拟,更加适用于多领域工程前期勘探中,对提升工程测绘质量及效率具有重要意义。

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Western blot结果显示(图3B):APPsw质粒对照组APP695蛋白的表达水平较NC组明显升高,差异有统计学意义(P<0.05);尼可地尔处理组明显降低APP695蛋白的表达,差异有统计学意义(P<0.05),尼可地尔+格列本脲处理组与APPsw质粒对照组相比,差异无统计学意义(P>0.05)。

姜凤阳,刘江南,王俊勃,贺辛亥
《纺织高校基础科学学报》2018年第01期文献

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