植物材料的遗态转化及微观组织研究

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“材料的遗态过程”，得到的新型材料可称为“遗态材料”。 本文研究采用具有不同结构形貌特征的木材和棉纤维为模板材料，通过制备工艺的控制，制备了SiC/C、TiC/C、SnO2和Al2O3遗态材料，并运用热失重仪、差热分析仪、差示扫描量热分析仪、X射线衍射仪、傅立叶红外光谱仪、扫描电镜、透射电镜、压汞仪、物理吸附比表面仪、HWC-30A气敏性测试系统和激光脉冲法热扩散率测定仪等分析仪器对遗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.利用木材结构为模板，通过优化的遗态转化工艺，可制得SiC/C遗态多孔材料和TiC/C遗态多孔材料。在宏微观尺度上，碳化物遗态材料保持了模板材料原有的有序多孔结构特征。在遗态转化过程中，随着烧结温度的升高，沉积在模板材料中的浸渍剂发生自身化学变化，其分解产物不断向多孔模板的孔壁内层渗透扩散，并在1400℃时与外层孔壁的碳相发生反应，生成碳化物(SiC或TiC)相。生成的碳化物相主要分布在遗态多孔材料的外层孔壁部分，内层是未参与反应的C相。遗态材料中碳化物相和碳的比例含量，可以通过制备工艺来调节。 2.以棉花作为纤维模板，通过选择性浸渍控制，经遗态转化过程，可制得纤维状氧化物遗态材料。通过以SnCl4和C2H5OH为主配制的溶液浸渍棉纤维模板，可制得纤维状SnO2遗态材料；通过以AlCl3和H2O为主配制的溶液浸渍棉纤维模板，可制得纤维状Al2O3遗态材料。 3.不同的工艺可以控制纤维状SnO2遗态材料的形貌特征。在浸渍工艺A控制下制得了纤维状SnO2遗态管状材料。烧结温度的改变对遗态材料比表面积和微孔结构的影响较大，700℃时制得的SnO2遗态管状材料具有最大的比表面积和微孔孔容。不周的浸渍剂配比浓度对SnO2遗态纤维材料的比表面积与微孔结构没有明显影响。在浸渍工艺B控制下可制得具有实心结构的纤维状SnO2遗态材料。SnO2遗态管状材料的气敏性能研究结果表明：SnO2遗态管状材料对C2H5OH、HCHO、90＃petrol和LPG具有良好的灵敏性。与氨水化学沉淀法制备的SnO2材料相比，700℃时制得的SnO2遗态管状材料对90＃Petrol和C2H5OH的灵敏度都有所提高，其最大灵敏度值分别提高了1.3倍和1.6倍。 4.Al2O3遗态材料继承了棉纤维模板材料原有的纤维状形貌结构。不同的烧结温度对Al2O3遗态材料宏观形貌的变化影响较小，而对遗态材料的比表面积和微孔结构参数的变化作用明显，特别是在相变温度时，比表面积和微孔数量大幅降低。浸渍剂配比浓度的变化对制得的Al2O3遗态纤维材料的结构和形貌具有一定影响。纤维状Al2O3遗态材料的导热性能研究结果表明：在温度由100℃升至800℃时，Al2O3遗态纤维材料的最佳导热系数由0.042W/m·K升至0.103W/m·K。与离心甩丝法制备的常规Al2O3纤维棉材料相比，Al2O3遗态纤维材料在100℃和800℃时的导热系数分别降低了约53﹪和46﹪，表现出良好的保温隔热性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：上海交通大学学位论文答辩决议书

上海交通大学学位论文原创性声明及上海交通大学学位论文版权使用授权书

第一章绪论

第二章碳化物遗态材料的制备及微观组织

第一节实验方法

第二节SiC/C遗态材料的制备及微观组织

第三节TiC/C遗态材料的制备及微观组织

第四节小结

参考文献

第三章碳化物遗态材料的化学转化过程

第四章氧化物遗态材料的制备及微观组织

第一节实验方法

第二节SnO2遗态材料的制备及微观组织

第三节Al2O3遗态材料的制备及微观组织

第四节小结

参考文献

第五章氧化物遗态材料的化学转化过程

第六章氧化物遗态材料的性能研究

第七章结论与创新点

致谢

作者攻读博士学位期间发表论文与申请专利目录

攻读博士学位期间获奖情况