ZnO、CoO及SiC/SiN系列生物形态材料的合成与表征

摘要

经亿万年的遗传、进化和演变，自然界中的植物结构呈现出一种天然的分级结构构造，具有多层次、多维、多组分的有序性组织形貌特征和优异的功能自适应性。在材料及其结构设计的过程中，自然界生物系统的这种自适应结构形态与性能给予了人们很多启示。 受自然界的启发，材料研究者一直以来都在研究天然材料的开发利用，探索钻研新型结构功能材料的设计和制备方法。近年来，材料研究者通过对植物材料的研究发现，利用天然植物系统的有序性优化结构形貌，通过工艺控制与复合，可以在不同程度及范围内制备出各类复合材料。但是，目前的研究工作仅是利用植物材料的宏观结构进行特殊处理制备材料，并未涉及从宏、微观角度和植物材料的整体结构对材料的设计、制备及其影响因素的研究分析，并且，植物材料原有的精细本征结构在制得的材料中往往已经消失或受到严重破坏，从而限制了其特殊结构性能的开发利用。 为此，本文系统研究了借用自然界经亿、万年优化的植物材料自身多层次、多维的本征结构和形貌作为模板，采用人工控制植物结构和形态的遗传、化学组分的变异处理，可制得保持有自然界植物材料精细结构和形貌的新型材料，同时，对采用不同制备工艺控制调节材料微观结构形貌进行了研究。由植物模板的结构和形貌向新型材料的转化和处理过程，称为生物形态的遗留过程，即为“材料的遗态过程”，得到的是生物形态的新型材料也可称之为“遗态材料”。 本文研究的是采用具有不同结构形貌特征的棉纤维和高粱秸秆为模板材料，通过制备工艺的控制，制备了SiC/Si3N4、ZnO和Co3O4生物形态材料，并运用热失重仪(TG)、差热分析仪(DTA)、X射线衍射仪(XRD)、傅立叶红外光谱仪、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、压汞仪、ZETA电位测试仪等分析仪器对生物形态转化过程中的化学变化、物相、微观组织结构及性能进行了研究。 所得主要研究结论如下： 1．以棉花纤维作为模板，通过选择性浸渍控制和自然气氛下的煅烧，经生物形态的转化过程，可制得纤维状氧化物材料。通过以Zn(NO3)2和蒸馏水配制的溶液浸渍棉纤维模板，可制得生物形态ZnO材料；通过以Co(NO3)2和蒸馏水配制的溶液浸渍棉纤维模板，可制得生物形态Co3O4材料。 2．采用不同棉花模板通过工艺控制可得到不同形态的生物形态氧化物材料。利用天然棉花作为模板通过工艺控制制得了中空的生物形态氧化物材料，利用脱脂棉纤维作为模板通过控制得到了实心但疏松的生物形态氧化物材料；烧结温度的改变对生物形态氧化物材料的比表面积和微孔结构的影响较大。不同的浸渍剂配比浓度对生物形态ZnO材料的宏观形貌、比表面积与微孔结构没有明显影响，对生物形态Co3O4宏观形貌、比表面积、微孔结构影响比较大。 3．利用高粱秸秆为模板，通过优化的生物形态转化工艺，可制得SiC/Si3N4生物形态多孔陶瓷复合材料。在宏、微观尺度上，SiC/Si3N4生物形态多孔陶瓷复合材料保持了高粱秸秆模板材料原有的有序多孔结构特征。在生物形态转化过程中，随着烧结温度的升高，沉积在模板材料中的浸渍剂自身发生化学变化，其分解产物不断向多孔模板的孔壁内层渗透扩散，并在1240℃时与外层孔壁的碳相发生反应，生成碳化物(主要是SiC)相。生成的碳化物相主要分布在SiC/Si3N4生物形态多孔陶瓷复合材料外层孔壁部分，孔径中沉积的Si相在1400℃以上与真空炉中的N2发生反应生成氮化物(Si3N4)相。SiC/Si3N4生物形态多孔陶瓷复合材料中的碳化物和氮化物比例含量，可以通过制备工艺来调节。而材料中未参与反应的Si和C可通过化学方法除去。 4．SiC/Si3N4生物形态多孔陶瓷复合材料继承了植物秸秆模板材料原有的形貌结构。不同的烧结温度对SiC/Si3N4生物形态多孔陶瓷复合材料宏观形貌的变化影响较小，而对复合材料的成份、比表面积、微孔结构的影响明显，特别是在相变温度时，比表面积和微孔数量大幅降低。浸渍时间的变化对制得的SiC/Si3N4生物形态多孔陶瓷复合材料的结构和形貌具有一定影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2植物材料的基本特征

1.3植物的仿生材料学研究

1.3.1竹子的结构及其仿生研究

1.3.2木材的结构及其仿生结构研究

1.3.3植物根系网状结构及其仿生结构研究

1.4植物材料的陶瓷复合化研究

1.4.1木材的无机改性研究

1.4.2木质陶瓷材料的研究

1.4.3复合陶瓷材料的研究

1.4.4其他植料的研究

1.5选题意义和研究内容

1.5.1选题意义

1.5.2研究内容

第二章实验方法

2.1实验仪器及设备

2.2实验原料

2.2.1生物形态氧化物实验原料

2.2.2生物形态碳化物/氮化物复合材料实验原料

2.3制备工艺

2.3.1生物形态氧化物材料的制备

2.3.2生物形态SiC/Si3N4多孔陶瓷复合材料的制备

2.4性能测试

2.4.1物相组成分析

2.4.2微观结构分析

2.4.3红外光谱及罗曼分析

2.4.4 Zeta电位测试

2.4.5 TEM分析

2.4.6孔径分析

2.4.7综合热分析

第三章生物形态氧化物材料的制备与研究

3.1引言

3.1.1氧化锌及传统制备方法

3.1.2氧化钴应用及传统制备方法

3.2结果与讨论

3.2.1模板的表征

3.2.2生物形态氧化物材料的表征及物相分析

3.2.3生物形态氧化物材料的微观结构分析

3.2.4生物形态氧化物材料TEM分析

3.2.5生物形态氧化物浸渍过程中的机理分析

3.2.6模板脱除及模板形态留存机理分析

3.2.7生物形态氧化物材料的催化性能

3.3本章小结

第四章SiC/Si3N4生物形态多孔陶瓷复合材料制备与研究

4.1引言

4.2结果与讨论

4.2.1模板的选择及表征

4.2.2组织分析与表征

4.2.3生物形态SiC/Si3N4复合材料生成机理分析

4.2.4展望

4.3本章小结

第五章结论与创新点

参考文献

致谢

附录A攻读硕士学位论文期间取得的成果