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网络环境下的教学是以网络为教学支撑环境,形成教师与学生 之间的稳定关系和活动进程的结构形式。网络教学模式突出网络在师生教学活动中的重要地位和作用,结构合理的网络教学模式不仅可以充分发挥网络的优势,还可以有效提高学生的学习效果,网络教学模式体现出自身的特征,这主要表现在:教师角色、学生地位、教学过程、媒体作用等几个方面。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:材料科学基础实验课程的网络化教学模式与实践研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
随着多媒体技术和网络技术的快速发展,网络化教育已经发展为现代化教育的主要模式。无论是哪一层次的教育者都能够利用网络技术对各种教学资源进行很好的设计、组织和传播。通过网络来传授知识的教学手段更为学习者提供了非常有弹性而且很具创造性的学习环境。这样就能够实现以学习者为主体,通过他们对网络知识的感知和认知以及和教育者的及时互动的这种全新的教育手段得以实现。使得学习者在很好的获取知识的同时锻炼自己的交流能力和分析能力。因此探讨网络化教学方式具有非常重要的意义。
许多高等学校的教师已经非常重视运用网络技术,无论是在教学中还是科研都取得了良好的效果。但是不可避免地带来一些问题,也就是如何很好的把现代化教学手段与传统的教学手段结合起来,扬长避短,相互结合和补充。因而众多高校在教学改革中面临的全新问题是网络技术条件下的教学模式如何很好的搭建。
金属材料工程专业材料科学基础实验课程长期以来主要采用教学模式是教师讲授为主,但随着近几年高等学校招生规模的不断扩大, 发现这种传统的教学模式仍然存在一些弊端。导致本门课程最终实验教学效果不理想,学生收获不大。总体上来说主要存在以下问题:
1.1 部分演示实验效果不好
在材料科学基础实验中有些实验设备是大型仪器而且有的很娇贵,不可能让每一个学生去动手操作。在这种情况下有些实验主要以教师演示为主,学生大多数是机械性的重复这些实验的内容。甚至有的学生只是看而不动手。所以就不可能真正起到对学生的动手能力和实验技能的培养。况且有些演示实验的直观性较差。在演示时不能很好的激发学生的求知欲。
1.2 理论与实践脱节
材料科学基础实验学时数较多,要求学生掌握的内容也就比较大。光凭借单纯的理论授课学生不容易接受,使得很多学生在实验完成后往往收获不大,不能很好的解决实际中遇到的问题。大多数学生在许多专业课程结束以后的综合实验和毕业论文中,就不能够联系书本知识,把所学内容和实践有机联系在一起。甚至相互间发生严重抄袭。分析这一现象的主要原因是实验课程学时的压缩以及实验场地和条件的限制,使得学生不能很好的分析所遇到的问题,最终导致理论与实践相脱节。
1.3 实验教学方法组织的不恰当
随着招生规模扩大, 金属材料专业专业学生人数教多,再加上由于受到实验室场地以及实验仪器数量的限制,通常需要将每个班学生进行分组实验。也就是说将一个班级的学生分批到相应的实验室做相应的实验内容。即使分组也不可能做到每人使用一套仪器设备,通常要多人使用一套仪器设备。因此就有一些学生浑水摸鱼,甚至有学生就不动手实验。实验教师为了保证学生实验的成功率,通常会再三地强调实验的注意事项和实验步骤等,这样就会占去一部分实验时间。从而使得学生真正动手实验和分析问题的时间相应的就变得少了。就会使得学生在实验过程中的一些问题没有足够的时间去思考讨论,和老师的交流也就相应的少了。也就说学生只能勉强按时完成有关实验项目。就谈不上学生实验操作技能的提高了。
传统的材料科学基础实验课程由于以上问题使得该课程的实验教学效果不如人意,这在在很大程度上影响了学生的学习实验课程的兴趣。学生对实验课程的学习兴趣的减少和实验效果的不理想,使得教师的教学积极性也受到很大的影响。材料科学基础实验教学平台的构建能够很好的提高学生学习实验课程的兴趣,是对现场实验的补充,最终能达到很好的实验效果。
(1)在网络化教学模式中,教师通过情境设置、实验模拟以及动画演示,对学生学习起到外部刺激的作用。这样就能激发学生的学习兴趣,使得他们能够能积极主动地同这些外部环境发生交互作用。学生可以在实验课前利用网络学习的平台进行预习,这样现场实验时就能够熟练操作,不至于在有限的时间内被动的完成有关实验项目。
(2)在网络化模式中还提供各种各样的学习资源库,方便学生利用这些资源库进行自主学习, 及时解决自己所遇到的问题。同时学生还可以利用资源库进行小组和作活动,在资源库中找到相关资料,最终得出解决问题的方案。
(3)与面授实验教学互为补充。可以弥补教师在有限实验时间传授知识不全面的缺点。对于不能面授的远程学生来说可以利用网络课程进行学习。他们可以自身的特点选择性的进行学习。
(4)网络化教学方式不受时间和空间的限制。学生可以在任何时间、任何地点进行学习。所以凭借网上教学模式,一方面使得学生可以直接进行课堂教学,另一方面又可以对课堂教学进行补充。
总之,材料科学多媒体网络模式的建立为学习者提供了良好的学习环境,而且学习者能随时随地的进行调控。所以该模式的建立改变了传统实验教学中教师满堂灌传授知识的教学方法。通过材料科学基础网络教学模式的实践,我校金属材料工程专业的学生在实验课程方面的积极性有了很大提高,并能够做到课前提前上网预习,课后有问题及时反馈给教师。使得这门课程实验的学习效果有了明显的提高。
网络化教学模式的实践弥补了传统实验教学手段的缺陷,给学生提供了非常丰富且极具创意的学习的平台。由传统的老师单方面的教学方式变成学生积极主动参与的多方面的互动式的教学方法。但其中仍然存在一些问题:首先,要求学生必须具备一定的学习主动性和积极性,能够利用现有的网络平台进行自主学习。其次,要求实验教师要及时上网关注学生的学习动态,及时和学生进行交流。最后,进一步优化现有网络资源,做好网络平台的安全防护, 使得实验教学网络平台更加贴近实际,能很好的被学习者所使用,同时安全性也大大提高。
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采用表面修饰技术和原位还原碳化技术制备了纳米碳化钨(WC)/碳纳米管(CNT)纳米复合材料,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和热重-差热分析(TG-DTA)等手段对WC/CNT纳米复合材料的晶相组成、形态结构和热稳定性进行了表征,结果显示样品是由WC和CNT两相构成,纳米WC颗粒均匀地分散在碳纳米管上,粒径细小;在空气气氛中,WC/CNT纳米复合材料在470℃以下保持稳定。采用循环伏安法研究了WC/CNT纳米复合材料对硝基苯的电催化活性和电化学稳定性。结果表明,WC/CNT纳米复合材料对硝基苯的电催化活性优于纳米WC和CNT,且WC/CNT纳米复合材料在硝基苯电还原过程中保持良好的化学稳定性。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:碳化钨与蒙脱石纳米复合材料的制备与电催化活性研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:具有类铂催化性能的碳化钨(WC)催化材料是当前研究的热点与难点.本文以六氯化钨为钨源,用剥离后的蒙脱石片层为载体,将化学浸渍法与原位还原碳化法技术相结合制备了碳化钨与蒙脱石纳米复合材料;复合材料由碳化钨、碳化二钨(W2C)和蒙脱石(MMT)组成,碳化钨呈颗粒状分散或呈层状负载于MMT外表面;样品的晶相组成与其还原碳化时间有关;样品的微结构特征与前驱体中钨与蒙脱石的比例有关.采用三电极体系和循环伏安法测试了样品在酸性溶液中对甲醇的电催化氧化性能,结果表明,碳化钨与蒙脱石复合之后对甲醇的电催化性能明显提升,并具有类铂电催化活性;当钨与蒙脱石质量比为4的前驱体经5 h还原碳化后,样品中WC占绝对主导,WC和W2C的质量分数分别为82%和18%,两者的比值为4.556,且在MMT外表面形成均匀的负载层.此时样品的电催化活性最高.这为制备具有类铂催化活性的高性能碳化钨催化材料奠定了坚实基础.
【关键词】:碳化钨 蒙脱石 纳米复合材料 电催化活性 类铂催化性能
碳化钨(WC)的核外电子排布因与铂类似而具有类铂催化性能,1 可用作电化学领域的催化剂,2,3 且由于具有优越的抗H2S和CO中毒能力等特点4而成为当今研究的热点, 但是其电催化活性远不如铂等贵金属催化剂.5,6 因此, 提高活性是WC替代或部分替代铂等贵金属催化剂的关键和面临的技术难题.研究表明, 结构和形貌调控,7,8 碳包覆9-15及与其它载体复合16是提高WC活性的有效技术手段. 本课题组在这方面也开展一些有针对性的研究工作,如制备WC/CNT、17 WC/TiO218和WC/天然沸石纳米复合材料,19 以及WC/Fe3W3C 核壳结构复合材料20等. 以上方法虽然在一定程度提高了WC的催化活性, 但均未能制备出具有类铂催化活性的碳化钨基催化剂.
选择蒙脱石(MMT)为碳化钨的载体, 制备碳化钨与蒙脱石复合催化材料, 并研究其性能, 是因为MMT具有2:1 型层状结构, 是一种天然的硅酸盐层状结构材料, 具有表面电负性强、比表面积大、吸附性强及阳离子交换性能好等特点;21 研究还表明, 将Pt2+引入到MMT的层间, 再利用NaBH4还原可得到Pt-MMT催化剂, 它对对硝基苯酚具有很好的催化活性与稳定性;22 将Ru、23 Au、24 CdTe25和Fe26等多种纳米微粒负载在MMT上, 不仅体现出良好的分散性, 还具有很好的催化性能. 这是由于MMT的纳米片层表面带有永久性负电荷, 电荷的相斥作用导致复合催化剂具有很好的分散性; Aihara 等27进一步认为, 为了降低表面能, 纳米颗粒吸附于MMT的片层上, 致使MMT片层对纳米颗粒具有很好的分散作用; Kawabata 等28 也认为MMT作为催化剂的载体, 对纳米微粒具有很好的分散与稳定作用, 并可保持复合催化剂的稳定性. 因此, 将具有类铂催化活性的碳化钨负载于MMT纳米片层之上必可得到性能良好的催化剂.
基于上述因素, 本文以蒙脱石为载体, 采用离子交换法将W6+引入到MMT表面及层间, 再利用原位还原碳化技术获得了碳化钨与蒙脱石纳米复合材料, 研究了其对甲醇的电催化性能, 报道了具有类铂电催化活性的碳化钨基催化材料, 揭示了复合材料的电催化性能与其物相组成和微结构之间的关系, 为制备具有类铂催化活性的碳化钨基电催化材料探索了一条新的途径.
2.1 前驱体制备
三氧化钨(WO3) 与蒙脱石复合前驱体(WO3/MMT)的制备分为两步完成: (1) MMT 剥离; (2)WO3/MMT制备.
(1) MMT剥离: 将一定量的MMT加入到浓度为8 mol∙L-1的LiCl 溶液中, 搅拌和超声分散10 min后转入水热反应釜中, 在140 °C下水热反应24 h, 过滤后再用50%的乙醇溶水液洗涤滤饼, 经离心和干燥后获得剥离MMT (E-MMT).
(2) WO3/MMT 制备: 分别称取1.836 g WCl6 和1.000 g E-MMT, 先将WCl6溶于50 mL无水乙醇中,再将E-MMT加入上述溶液中, 超声分散10 min, 将体系置于30 °C的水浴中恒温搅拌24 h, 然后静置、过滤、洗涤、干燥和研磨后获得WO3/MMT前驱体.
2.2 样品制备
将适量的WO3/MMT前驱体装于石英舟内并置于管式电炉中, 通氮气(N2) 30 min 后, 改通CH4和H2混合气体(CH4:H2的体积比为1:4), 同时将管式炉的温度升高至400 °C保持30 min, 再升高至800 °C保温一段时间, 然后在N2保护下冷却至室温, 即获得碳化钨与MMT纳米复合材料.
2.3 样品表征
采用荷兰的PANalytical 公司生产的X'PertPRO型X射线衍射(XRD)仪对样品的结构及物相组成进行表征. 实验采用Cu Kα靶, λ=0.154056 nm, 管电流40 mA, 管电压45 kV, 步长0.04°, 2θ的扫描速率为2.4 (°)∙min-1, 扫描范围为5°-80°; 采用配备有X射线能量散射谱(EDS)仪的HitachiS-4700Ⅱ型场发射扫描电镜来观察样品的表面形貌; 采用荷兰Philips-FEI 公司的300 kV 高分辨透射电子显微镜(TecnaiG2 F30 S-Twin)对样品的形貌特征和显微结构进行表征.
2.4 电催化性能测试
样品的电催化性能测试采用CHI620B 型电化学工作站(上海辰华仪器公司), 测试在298 K下采用循环伏安法和三电极体系进行. 其中, 工作电极为粉末微电极, 辅助电极为1 cm×1 cm 的99.99% Pt片, 参比电极为饱和甘汞电极(SCE), 工作电极与辅助电极之间用多孔陶瓷隔膜隔开.
样品电催化性能对比用碳载铂(Pt/C)电催化材料从浙江省冶金研究院有限公司购买, 其铂含量为5% (w), 标记为Pt/C(5%).
3.1 XRD分析
EMMT与WO3/MMT 在2θ小于10°的范围内均具有较强的衍射峰, 可归属于MMT(001)晶面的特征峰(PDF: 13-0259). 与E-MMT相比, WO3/MMT中(001)晶面的2θ值向左偏移,这说明负载WO3 后MMT 的(001)晶面间距扩大了. 这可能与WO3/MMT制备过程中少量钨离子插入蒙脱石层间有关. WO3/MMT经还原碳化后, 样品的物相组成主要是WC (PDF: 51- 0939)、W2C(PDF: 35- 0776) 和MM. 比较上述四个样品的XRD 衍射结果可发现, 随着还原碳化时间的增加,MMT(001)晶面的衍射峰逐渐减弱, 当还原碳化时间超过5 h, MMT(001) 晶面的衍射峰基本消失,MMT的其他衍射峰也逐渐减弱. 这说明随着还原碳化时间的增加, MMT片层结构的有序度降低, 甚至被破坏或向非晶态转变.
当还原碳化时间为3 和4 h 时, WC的各主要晶面(001)、(100)和(101), 以及W2C的(101)晶面的衍射峰较弱. 这说明此时WC及W2C的结晶度不高; 当还原碳化时间增加到5 h 后,样品的物相主要是WC, 且其衍射峰明显增强; 当还原碳化时间增加到6 h 时, WC 的衍射峰变弱, 而W2C的衍射峰增强. 上述结果表明, WC的结晶程度随着还原碳化时间的增加由弱到强, 再由强到弱,而W2C 的结晶程度由强到弱, 再由弱到强, 即两者的结晶程度呈互补关系. 这反映还原碳化过程中WC与W2C 是一种动态平衡关系, 即W2C→WC⇌W2C.为进一步验证上述关系, 基于XRD 分析结果,应用X'PertPRO 型X射线衍射仪自带的专业软件对样品中WC和W2C 的质量分数及其晶粒度进行了计算. 表中WC和W2C的晶粒度分别对应各自最强衍射峰的晶面, 即分别为(100)和(101)晶面.当还原碳化时间为3 h时, 样品中WC和W2C的含量分别为39%和61%, 两者的比值为0.641, 即W2C的含量约为WC的1.5 倍;
当还原碳化时间为4 h 时, WC和W2C的含量分别为34%和66%, 两者的比值为0.515, 即W2C 的含量约为WC的2.0 倍. 这说明还原碳化3 和4 h 时,样品的物相以W2C为主. 当还原碳化时间为3 h 时, 两者的晶粒度有一定的差异; 当还原碳化时间为4 h 时, 两者的晶粒度基本一致. 当还原碳化时间为5 h 时, 样品中WC与W2C的含量分别为82%和18%, 两者的比值明显变大, 由0.515(4 h)增大至4.556(5 h), 晶粒度变化不明显. 此时样品的物相以WC为主, 粒径没有明显变化. 当还原碳化时间为6 h 时, 样品中WC与W2C的含量分别为48%和52%, 两者的比值又变小, 由4.556(5 h)变小至0.923(6 h), 此时样品的物相以W2C 为主, 粒径略有增加. 这说明还原碳化时间由5 到6 h, 样品的物相由以WC为主, 转变为WC与W2C 的含量基本相当, 且W2C 的含量略高. 比较不同还原碳化时间样品的XRD分析结果可发现, 随着还原碳化时间的增加, WC与W2C之间可发生转变,先是部分W2C 转变成WC, 然后是部分WC转化为W2C, 且还原碳化5 和6 h 样品中WC和W2C的结晶度明显优于还原碳化3 和4 h 时样品中的WC 和W2C.
3.2 SEM分析
剥离前MMT片层状结构不明显, 剥离后片层状结构明显, 其长度达到了几微米, 厚度仅为十几纳米, 片层边缘呈现卷曲状. 这说明经剥离后, MMT形成了分散性良好的片层状结构, 其表面积明显增大. 这为后续氧化钨的吸附与分散, 即前驱体的制备奠定了良好的基础.
3.3 TEM及STEM
为了解E-MMT与碳化钨的晶粒大小, 选择还原碳化时间为5 h 的样品进行了高分辨透射电子显微镜(TEM)和扫描透射电镜(STEM)分析.
样品片层状结构明显, 片层厚度较薄, 结合SEM 结果, 片层状颗粒为E-MMT,黑色颗粒均匀地分散于E-MMT的表面.样品局部放大及晶格像. 黑色细小颗粒经放大后用Digital Micrograph 软件精确测量其晶面间距约为0.2455 nm. 这与WC(100) 的晶面间距0.2517 nm(PDF: 51-0939)接近.黑色颗粒经放大后,其晶面间距约为0.2489 与0.2506 nm, 均与WC(100)的晶面间距接近. 这说明照片中的黑色颗粒为WC.晶面间距实测值与标准卡片值的差异可能是由于晶面拍摄角度以及系统误差所致.灰黑色颗粒表面分布灰白色亮点. 由于碳化钨比蒙脱石具有更强的电子衍射,灰白色亮点是碳化钨颗粒, 灰黑色区域为E-MMT片层, 并采用X射线能谱仪对上述结论进行了验证. WC颗粒均匀分布于E-MMT片层的表面, 分散性较好, 团聚现象不明显, 颗粒大小大约在10 nm 左右. 这与XRD的计算结果吻合.
3.4 EDX分析
C、O、Mg、Al、W、Si 元素的谱峰. 其中, O、Mg、Al、Si 和Ca 为MMT中的元素所致, W 和C 谱峰的存在说明样品中存在碳化钨物相. 这与XRD 的分析结果相符. 这在一定程度上说明所制备的样品为WC/MMT复合材料.
3.5 电催化性能
样品在酸性甲醇溶液(0.1 mol ∙ L-1CH3OH+0.5 mol∙L-1 H2SO4)中的循环伏安曲线. 样品3 在0.5 mol∙L-1 H2SO4溶液中出现了一组对称的氧化还原峰, 其氧化和还原峰峰电位分别为0.531 和0.426 V; 在正扫过程中, 四个样品均在0.7 V左右出现第一个氧化峰; 在负扫过程中,四个样品均在0.508-0.535 V范围内出现第二个氧化峰. 样品3 在硫酸溶液中并未出现双氧化峰, 而是一个氧化峰和一个还原峰. 这说明上述双氧化峰是样品对甲醇的电催化氧化, 也充分说明WC/MMT系列样品对甲醇的电催化氧化性能与贵金属催化剂铂的特征相似.为便于对比.
在正扫描过程中, 样品1、2、3 和4 的峰电位分别为0.702、0.707、0.707 和0.696 V, 峰电流密度分别为8.05、6.09、16.40 和6.64μA∙cm-2. 即4 个样品的峰电位非常接近, 峰电流有明显的差异, 以样品3 的峰电流密度最大; 负扫描过程中, 样品1、2、3 和4 的峰电位分别为0.532、0.535、0.508 和0.515 V, 峰电流密度分别为5.42、4.24、10.20和3.95 μA∙cm-2. 即4 个样品的峰电位比较接近, 以样品3 的峰电位最负, 峰电流也有明显的差异, 以样品3 的峰电流密度最大. 由于氧化峰的峰电位越负,其电催化氧化活性越高. 因此可认为样品3 的电催化活性相对较好, 即还原碳化时间为5 h 所制备样品的电催化活性最好. 4 个样品的正扫峰电位与负扫描峰电位的比值存在一定的差异, 且样品4 的比值明显大于其它三个样品的比值.
正扫描时, 样品3 在硫酸溶液中的循环伏安曲线在电势为0.1 V左右均出现一个宽泛的氧化峰. 这应该是氢的脱附峰.3 氢脱附峰的形成是因为酸性溶液中含有大量的H+离子, 样品中MMT表面具有永久性负电荷, 这必然导致H+离子大量吸附于MMT表面, 随电位正移, H+离子从MMT表面脱附, 在循环伏安曲线上显示阳极电流和相应的电流峰.
甲醇在样品的电催化过程中能够出现双氧化峰是因为甲醇的电催化氧化总反应方程式:
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O (1)
在酸性条件下, 其正极反应:
3O2+12e-+12H+→6H2O (2)
负极反应:
2CH3OH-12e-+2H2O→12H++2CO2 (3)
而在实际反应过程中, 甲醇的电催化氧化是分步进行的.30 即在电位正向扫描过程中, 甲醇发生电催化氧化, 但随着电流的正移, 催化剂表面产生的氧化物或溶液中硫酸根离子吸附抑制了甲醇的进一步吸附和氧化, 所以会产生第一个氧化峰; 当电位负向扫描时, 在正向扫描产生的氧化物被还原,且吸附的硫酸根离子也发生脱附, 此两个过程使得催化剂表面恢复活性, 所以甲醇可以进一步发生氧化, 从而形成第二个氧化峰. 这就是形成双氧化峰的根本原因.
不同钨与蒙脱石比的前驱体经5 h 还原碳化所制备的样品在酸性溶液(0.1 mol∙L-1 CH3OH+0.5 mol∙L-1 H2SO4)中循环伏安曲线. 从图7 中可看出, 所有样品在酸性甲醇溶液中均出现了双氧化峰, 一个是在正扫过程中, 且峰电位均在0.7 V左右,另一个在负扫过程中, 峰电位为0.5 V. 上述结果说明, 四个样品均对甲醇具有良好的电催化活性, 且其循环伏安曲线的双氧化峰特征与贵金属Pt 的电催化特征相类似.29 这充分说明碳化钨与蒙脱石纳米复合材料具有类Pt 的催化活性. 为了更好地对比样品的电催化活性.
正扫描过程中, 4 个样品的峰电位高低顺序为: 样品8>样品7>样品6>样品5. 由于氧化电位越低, 其电催化氧化活性越好, 越容易发生电催化氧化反应. 因此, 正扫描过程中, 样品5 的电催化活性最高. 正扫描过程中, 4 个样品的峰电流密度大小顺序为: 样品8>样品6>样品5>样品7. 其中, 样品8 的电流密度值明显大于其它样品的电流密度值; 样品7 的电流密度值明显小于其它样品的电流密度值. 负扫描过程中, 4 个样品的峰电位高低顺序为: 样品7>样品6>样品5>样品8, 样品8 的电催化活性最高. 4 个样品的峰电流密度大小顺序和特征与正扫一致. 从表3 中还可看出, 4 个样品的正扫峰电位与负扫峰电位的比值随着负载量的增大而减小, 即两个氧化峰的电位比值大小与负载量之间存在一定的相关性.
样品3 与碳载铂[Pt/C(5%)]在酸性甲醇溶液中的循环伏安曲线对比图.样品3 与Pt/C(5%)在酸性溶液中对甲醇的电催化均出现了双氧化峰. 为便于对比, 在相同的测试条件下, 与Pt/C(5%)的第一个和第二个氧化峰电位相比, 样品3 的第一个和第二个氧化峰电位明显负移. 由于氧化峰的峰电位越负, 其电催化氧化活性越高. 这说明碳化钨与蒙脱石构成复合材料后, 在高电流密度下其电催化活性高于Pt/C(5%), 即其电催化活性得到了明显的提升.
从表4 中还可看出, 与文献报道的WC与W2C复合材料31 和碳载铂(Pt/Vulcan XC-72R)电催化材料32的第一个和第二个氧化峰电位相比, 样品3 的第一个和第二个氧化峰电位明显负移; 与文献报道的碳载铂(Pt/Vulcan XC-72R)电催化材料32相比, 正扫时, 样品3 对甲醇电催化氧化第一个峰的峰电位明显正移, 第二个峰的峰电位相同. 这也从侧面说明将碳化钨复合于蒙脱石上之后, 其对甲醇的电催化活性得到显著的提高.
综合分析, 不同钨与蒙脱石比值的前驱体经5 h还原碳化所制备的样品中, 样品3, 即当前驱体的钨与蒙脱石比值为4 时, 样品在酸性溶液中对甲醇电催化氧化活性最好. 结合样品的XRD表征结果, 样品3 中的碳化钨物相组成为WC与W2C, 且WC与W2C 的比值达4.649, 即样品中以WC为主导, 而其它3 个样品的物相虽然也由WC与W2C组成, 但WC与W2C的比值均小于1, 即样品中碳化钨的物相以W2C为主. 这充分说明WC与W2C对甲醇的电催化氧化均具有一定的活性,31 但构成复合材料后两者的比例对样品的性能有较大影响, 即以WC为主的样品对甲醇的电催化性能好于以W2C 为主的样品的性能.
从TEM照片中可看出, 样品3 中碳化钨颗粒均匀地分布于MMT外表面, 并形成了较为完整的负载层; 虽然样品2 中碳化钨也较均匀地分布于MMT外表面, 但没有形成完整的负载层; 样品1 和4则是碳化钨颗粒均匀地分布于MMT 外表面, 在MMT外表面的碳化钨没有形成连续的层状结构.这充分说明样品的微结构特征对其电催化活性具有较大影响. 基于上述结果和分析可得出结论: 碳化钨与蒙脱石纳米复合材料对甲醇的电催化活性不仅与其物相组成和相对含量有关, 还与其微结构特征有关.
以六氯化钨为钨源, 以剥离后的蒙脱石片层为载体, 将化学浸渍法与原位还原碳化技术结合可制备出碳化钨与蒙脱石纳米复合材料; 复合材料中碳化钨由WC与W2C组成, 调节还原碳化时间可获得具有不同物相组成的复合材料, 即可控制WC 与W2C 的比值; 调节前驱体中的钨与蒙脱石比例, 可获得具有不同结构特征的碳化钨与蒙脱石的纳米复合材料; 当前驱体中钨与蒙脱石的比例适中时,碳化钨均匀地负载于蒙脱石片层的外表面, 形成良好的负载层; 当前驱体中钨与蒙脱石的比值过低或过高时, 碳化钨以微粒形式复合于蒙脱石片层的外表面. 其中, 当比值低时, 碳化钨纳米颗粒均匀地分散于蒙脱石的外表面, 晶粒的尺寸在10 nm左右, 当比值过高时, 碳化钨纳米颗粒在蒙脱石的表面分布不均匀, 颗粒明显增大(60-100 nm), 团聚明显.
碳化钨与蒙脱石纳米复合材料在酸性体系中对甲醇具有良好的电催化活性, 并具有类铂催化性能, 其电催化活性不仅与复合材料的物相组成有关, 还与复合材料的微结构特征有关. 当复合材料中碳化钨的物相由WC和W2C构成, 并以WC占绝对多数, 且两者在蒙脱石片层外表面形成均匀的负载层时, 复合材料对甲醇的电催化活性最好, 且类铂电催化性能最强.
上述充分说明, 蒙脱石片层是碳化钨良好的载体, 不仅可很好地分散碳化钨纳米颗粒, 也可构成负载层状结构, 两者复合后还可获得具有类铂催化性能的碳化钨基电催化材料. 这为制备具有类铂电催化性能的碳化钨基催化材料奠定了坚实的基础,为碳化钨基催化材料的制备与应用研究, 尤其是碳化钨替代铂等贵金属催化剂指明了方向.
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手绘是从事建筑,服饰陈列设计、橱窗设计、家居软装设计、空间花艺设计、美术、园林、环艺、摄影、工业设计、视觉传达等专业学习的学生一门重要的专业必修课程。在效果图的学习过程中,临摹是一个非常重要的内容与环节。它是衡量大学生手绘能力的重要指标。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:环境艺术设计手绘表现技法研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
手绘效果图是环境艺术设计中设计者徒手绘制的一种表现性图纸,不仅具有艺术性,同时还集科学性、说明性与文化性于一身,并且能够在短时间内较为直观、快捷地表达出设计者的设计意图和对设计方案进行沟通,是广大艺术设者对设计方案进行比较、分析以及展现创意设计作品的法宝。在环境艺术设计中,手绘表现技法的高低直接影响到手绘效果的设计成果,设计者通过对进行空间透视、空间构图、线条、造型以及造型等方面的训练可以提高手绘表现的技法与技巧。由于手绘表现技法形式种类繁多,需要设计者扎实掌握绘画基本功,长期坚持训练,达到质的飞越,才能设计出精美而极具魅力的手绘图纸。
环境艺术设计工作主要是通过一些表现手法来展示艺术形象,而手绘就是其中一种有效的表现手法。通过手绘可以把部分空间环境中所蕴含的内容生动形象地呈现出来,在创意方面发挥着重要作用,能够传达出设计者的设计理念,也是设计者和客户之间进行沟通的一种形式,是设计者向客户表达设计思想的语言媒介。[1]通过手绘能在短时间内更为快捷、直观地表达出设计构思与方案,是对设计方案进行对比、分析和进行创意设计的快捷高效方式。
2.1 手绘表现技法的特点
手绘效果图通过对空间、物质形态、色彩、结构、线条等具体的呈现,把设计对象的艺术形象展的淋漓尽致。由于其中蕴含了作者的情感,使艺术形象的存在形式更加形象。设计者在手绘探索与创作过程中,将激情融入了作品中。因而,手绘能够直接传达出创作者的理念与风格,生动、亲切、形象,使人有回归自然的感受。[2]
2.2 手绘表现的价值
(1)市场价值。社会经济的快速发展,人们对活动空间和居住环境的设计要求也逐步提高。设计者们在考虑空间设计形式美与使用基本功能的同时,也需要在较短时间内,准确地向客户传达出自己个性化的设计风格与理念,快速让客户了解到设计者的设计构思,从而能够满意的接受设计方案。由此看来,设计者需要熟练掌握手绘表现技能,利用手绘图,缩短与客户沟通设计方案的时间,争取提高设计者设计方案的成功率。通过设计者对极具表现力的设计效果图的展示,客户能够深刻、直观地感受到设计方案的魅力所在。
(2)艺术价值。手绘效果图除了具有较高的市场价值以外,还具有极强的艺术价值。作为一种特殊艺术的表现手法,它具有多种表现形式,如钢笔淡彩、透明水色、水彩、水粉、喷笔、色粉以及马克笔等表现途径,无论何种表现,都具有较强的观赏性,成了室内装饰中的重要装饰品。手绘效果图作为一种独特的艺术作品,艺术价值不可估量。
2.3 手绘表现的风格
手绘表现作为一种特殊形式的艺术,由于表现形式多种多样,因而表现效果也各不相同。无论哪种表现形式,都具有自己独特的风格。艺术本来就没有固定的形式,因而手绘表现创作中也不要受多方面的束缚与限制,设计人员也要摆脱陈旧思想观念的束缚,充分利用自己的知识技能,有效整合多种资源,大胆地进行艺术创作,经过艺术加工,将构思用手绘图完成呈现。在手绘过程中,要整体把握,调整好局部与局部、局部与整体之间的关系,掌握整体统一环境,同时也要处理好环境空间中近景、中景、远景等各层次之间的关系,正确理解色彩与色调,努力使环境氛围与艺术效果之间达到平衡,整个创作设计规划安排合理,使感性表现和理性表现相辅相成,达到形神兼备,使手绘表现风格迥异,独具特色,展现出高端的时代艺术气息。
当今社会瞬间万变,设计方法与表现手段随之发生改变,而在环境艺术设计领域,电脑的出现,逐渐弱化了传统手绘表现形式的使用频率。电脑设计技术在艺术设计中的应用,缩短了设计工作时间,降低了工作强度。但是随着电脑设计软件和设计技术的普及,为手绘表现注入了新鲜活力,逼真的材质、绚丽的灯光效果,让人叹为观止。
但是另一方面,电脑设计技术的出现,对传统手绘表现方式造成了一定程度的冲击。尽管电脑设计技术的应用,提高了设计工作的效率,完成许多用手绘方式无法完成的工作,但这并不意味着电脑能够取代手绘的位置。目前,一些设计者对电脑设计的依赖,只是阶段性的,而且过分应用电脑进行艺术设计的弊端已经出现。由于电脑是一种电子智能工具,它是程序化与命令化的集成,因而,通过采用电脑进行设计,很多情况下,会出现千篇一律的设计效果。
一个完美的艺术设计作品,能够体现出设计者的个性与风格,但是电脑艺术作品的效果中往往使这一点变得模糊。很多情况下,手绘设计和电脑设计在某些特定意境下,会呈现出语言和观念上的矛盾与冲突。手绘设计在表现方式上,一定程度上对传统设计思想观念和画面语言表达进行了继承,而电脑设计突出了时代特性,但是也不能说手绘设计作品就是传统的,电脑设计作品就是现代的,判断艺术作品的现代性与传统性,主要取决于设计观念与意识。如果一味对继承传统手绘方式,并未从本质上进行创新与改造,必然会造成设计上的断层,使设计作品在语言和形式上形成较为单一的局面。
当前,很多设计者已经忽略了手绘的重要作用,在某种程度上,已经形成了错误认识,特别是对于年轻设计者和设计初学者,他们认为电脑能够完全替代手绘的设计方式,甚至还不会对手绘方式进行研究与创作,这些思想都会对环境艺术设计产生不利影响。因而,在艺术设计中,要对手绘表现技法形成正确的认识,需要从传统手绘研究开始,对艺术设计的发展历程进行重新审视,充分理解与掌握手绘表现技法的精髓,认识到设计手段最终是为设计观念服务,无论是手绘方式还是电脑设计,都需要立足实际,与时俱进,不断创新,手绘表现与电脑设计并重才是环境艺术设计的未来发展之路。
随着我国设计行业的不断发展壮大、人们审美水平和要求的提升,环境艺术设计中的表现手段也在发生变化,尽管手绘表现在艺术设计方案表现中不占据主导地位,但是也对环境艺术设计表现产生深远影响。我们需要对于手绘表现技法进行研究,并要不断创新,应用是长期进行。我们需要对手绘表现技法有清晰认识,在继承传统手绘表现技法精髓的同时,需要与时俱进,对手绘表现技法进创新,体现出时代特色。不能完全依赖电脑设计,要把手绘设计和电脑设计进行有机结合,与行业接轨,通过精湛的方案设计展示手绘表现技法的艺术魅力。总而言之,在广阔的艺术海洋中,设计者需要不断探索与追求,采取成熟的手绘表现技法,促进环境艺术设计行业的发展。
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实验教学法是随着近代自然科学的发展兴起的。学生在教师的指导下,使用一定的设备和材料,通过控制条件的操作过程,引起实验对象的某些变化,从中获取新知识或验证知识的教学方法。
今天读文网小编要与大家分享的是:材料物理实验教学研究相关论文。具体内容如下,欢迎参考阅读:
材料物理实验教学研究
材料是社会进步、国家安全和国民经济发展的重要物质基础和先导。材料技术业已成为国防科技、现代工农业生产和高科技发展的基础技术,与信息、能源一起成为二十一世纪社会发展的三大支柱,且新能源产业和信息技术的发展又是以各种新材料作为支撑和基础的。
材料领域科学技术的迅猛发展,向担负基础教育和前沿研究的高等院校提出严峻的挑战,普通高等院校的教学与科研工作者一直就如何培养适应材料科学与工程领域高速发展需求、具有新的知识结构的创新型高素质人才进行教学探索。
材料物理是材料学专业的一门重要专业基础课,在整个材料化学专业教学计划中占有相当重要的地位。教学内容通常被分为理论和实践两大部分。理论教学结合建筑类普通高校教学的特点,利用多媒体技术,讲述案例并结合教师的前沿领域科学研究,讲授材料物理性能及原理、新材料及其应用等。实验教学作为另一组成部分,依据建筑类普通高校本科生的培养目标和以土木为特色的学科发展目标,以素质教育为中心, 启发学生的创造性设计思维,为培养创新型人才构建新的实践教学体系。
实验教学法是随着近代自然科学的发展兴起的。学生在教师的指导下,使用一定的设备和材料,通过控制条件的操作过程,引起实验对象的某些变化,从中获取新知识或验证知识的教学方法。通过实验教学,可以使学生把直观的实践知识与材料物理性能知识联系起来,不仅能激发学生学习兴趣,又能全面了解知识,培养了学生独立探索能力、实验操作能力和创新意识。因此,在教学中,应更重视让学生独立设计和实验。具体体现在以下方面。
教材的生命在于质量。然而,国内目前尚未出版材料物理性能实验课程的教材或辅导书,主要是由于很多高校均是根据自身实验条件开设实验, 且专业规划和发展方向有所不同,导致同一课程实验内容相差很大。因此, 撰写一部针对性强、效果好、质量高的实验教材是成功实施创新能力培养的基本条件。
结合吉林建筑大学材料化学专业的发展方向和基本条件, 组织经验丰富的教师以加强基础、紧跟前沿为前提,选择有建筑和土木特色的实验选题,实验过程设计充分提高学生的动手能力,实验指导书的撰写摒弃“仪器说明书”式的教条,以引导学生自主设计、创新和思考为目标[3]。现已撰写了一部实验指导书, 2009届开始试用,并以不断完善,提高教材质量作为教研永恒的主题。
在实验教学中,我们结合我国1/3老旧建筑物要进行节能施工及旧房节能改造,保温板市场前景非常可观这一背景,以酚醛泡沫保温板为样品,使学生在学习掌握与材料热学性能相关的知识点和基本测试技术的同时,拓宽认知了建筑领域目前市场对酚醛树脂的认知度低,其轻质、防火、无烟、无毒、无滴落等优点尚未被民用建筑商接受,影响市场需求持续快速增长的现实,引发学生对先进建筑材料如何与现实的市场经济相接轨的思考。
通过实验教学不仅使学生对材料导热机理有了更直观的认识和深入的理解,也使学生对开发新材料并推广应用进入市场服务社会产生强烈的渴望,有力的提高了他们的专业使命感及认同感。
教师前沿领域的科研活动,使现代材料科学与技术发展中的新知识、新技术和新理论有效结合。引导学生参与教师的科研工作,就可以是学生充分接触实验技术的现代性。通过鼓励学生加入高强度混凝土的制备及表征课题组,其通过高强度混凝土材料的制备、强度性能测试及微观结构表征环节,既进行了综合实验能力的训练,又接触到了最新材料之一的碳纤维。使实验教学内容深度增加,广度适宜,体现了知识多元化与教学渗透理念。
实验成绩考核采取“课程实验-综合测试”方式。课程实验认真执行课前预习制度;课堂中要求学生分工协作,认真操作;课后提交实验目的、原理、实验步骤和实验结果完整的实验报告,尤其注重要求学生抓住完成实验的核心问题,找出影响实验成败的主要因素并能对实验遇到的问题进行分析,教师按学生的实验操作和实验报告情况综合打分。综合测试作为实验操作考试安排在学期末进行,主要考察学生将所学的各种材料物理性能得以综合运用,应用各种物理性能解决实际问题的能力和创新能力。实验的最终成绩由课程实验(70%)和综合测试(30%)组成,以求客观真实反映学生理论与实践结合能力、动手能力和创新能力。
总之,材料物理的实验教学活动是材料物理课程教学的重要组成部分,可使学生加深对材料物理性能的基本理论、分析手段和实验技能的理解。在实验教学中优化教材、精心设计实验,体现建筑特色、开展探索性实验、完善考核手段,是培养具有创新精神及严肃认真、实事求是科学作风的新型高素质人才的重要途径。同时,在教学中,要不断更新教学内容,改善实验教学理念,以提高综合运用所学知识解决实际问题为己任,是材料专业教师应尽的义务和责任。
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纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:纳米材料的研究现状及未来趋势探讨相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
近年来,科学技术发生了飞速发展,各种新兴产业和新兴科学技术应运而生,为了满足各个领域的快速发展,纳米材料受到越来越多的关注和重视,各国科学家都在研究纳米技术的基础理论知识,同时相关纳米技术在许多行业中已经得到广泛应用和实施,比如:电子电子行业、医疗行业等等,并向产业化的方向逐渐迈进。在美国、日本等国家纳米材料已经得到批量的生产,但是纳米材料的未来发展还需要科学家们不懈的努力和研究,研发和发展的道路任重而道远,尤其是纳米医疗诊断材料和纳米生物材料还需要不断的创新和发展。相关机构曾这样预测过:不到十年的时间,全世界纳米新材料市场便会达到87 亿美元的规模,整个行业便会有24.6%的年增长率。
社会对纳米材料的需求不断增加的同时,世界各国纷纷投入到纳米材料的研发中, 政府和企业大量人力和物力的投入,使纳米材料的发展达到了一个新的高度,纳米材料的市场规模不断的扩大。
在美国,纳米材料被广泛应用在军事、国防、航空航天等多个领域,因而美国将纳米材料的研究和发展作为一种国家战略层面的科研项目。事实证明,纳米材料具有优良的性能,已经被社会各界认可,随着纳米材料的不断研发,农业、医疗、生物等领域正在逐渐实施纳米技术,创造巨大的经济效益。
在世界各国中,我国对于纳米技术的研究并不算晚,当前,我国共有一百多个研发机构在进行纳米材料基础和应用的相关研究。这些研发机构主要是我国的一些高校和研究所,其中高校中开展较早的主要有:清华大学、东北大学、吉林大学等经典大学,研究所中开展较早的有:长春感光化学研究所、应用化学研究所等。通过各界不谢的努力和研究,近几年来,我国纳米材料的发展有了新的突破和发展, 并取得了丰硕的研究成果。研发过程中,应用的方法主要有物理法、化学法及多种方法相结合的复合法,从而研发出一系列金属和合金的氮化物和氧化物的纳米颗粒; 同时我国向纳米材料研发先进的国家学习,不仅学习其完善的纳米技术,而且引进我国不能自主生产但对于纳米材料的生产和发展不可或缺的设备,对纳米材料的颗粒大小进行微细的调控, 将这些研发成果广泛应用到生产当中,从而生产出相应的高科技纳米产品,比如:纳米块材、纳米薄膜等等;对纳米材料进行广泛生产的同时,又积极发掘原有纳米材料的新特性,在各个角度对纳米材料进行创新和发展,收到了成效,比如:我国已经成功研发出纳米陶瓷,这种纳米陶瓷具有优良的性能,密度高且结构复杂;同时,对于超塑性形变现象的发现,我国在世界上属于先锋,超塑性形变现象即在拉伸疲劳应力集区所表现出的纳米氧化铝晶粒特性;另外,我国在其他纳米材料的相关研究中也取得了不错的成绩,比如:我国深入研究功能纳米材料,并看到了相应的成效。
随着社会对纳米材料需求的不断增加,我国在"八五"研究工作的基础之上,又建立了许多研发基地,其中最重要的主要有:中科院金属所、南京大学、中科院物理所、清华大学及国防科技大学等。这些纳米材料基地的建立为我国纳米技术的发展提供了基础条件。通过近几年来不懈的努力和研发,我国在纳米材料的研发领域取得了一定的成果,在众多的发达国家中,我国已经具有一席之地。新的时期,我国的科研院校和研究所对纳米材料的研发做出了重要贡献,不仅提供生产纳米材料的技术,同时提供高质量的科研学者, 使纳米材料更加广泛的应用于生产中,促进了科研成果向工作和生产中的转化。在未来的发展中,这些科研院校和研究所是我国纳米材料发展的动力。
2.1 纳米技术与信息产业的融合
进入二十一世纪后,信息产业在社会的发展中具有不可替代的作用。到2010 年,信息产业在我国GDP 中所占的利润已经达到10%。将纳米技术融入到信息产业主要表现在以下几个方面:近年来网络通讯、高清晰度数字显示技术及芯片技术飞速发展,便相应的推动了纳米技术的发展。而且在未来几年中,世界对于网络通讯和显示集成等方面的设备性能要求会不断的增加,许多国家已经开始研发纳米材料,并有了不错的成效。再者, 我国在网络通讯方面跟其他发达国家还存在一定的差距,应该对网络通讯的关键零件进行研发,比如:微电容、谐振器及微电极等,在进行纳米材料的研发过程中应提高这些零件的性能,我国在网络通讯方面上的不足为纳米技术和信息产业的融合提供了合理的空间。
2.2 纳米技术与环境产业的融合
随着科学技术的不断发展,环境污染问题已经成为世界各国关注的话题,纳米技术可以有效应用在污染物的降解及空气的净化上, 因而纳米技术在环境的保护方面有着重大的意义。近几年来,随着我国污染程度的加大,已经研发出了可以成功降解氮氧化物、甲醛等污染物的相应纳米设备,空气的污染程度大为降低,将空气中的有害成分从10ppm 降到了0.1ppm。同时纳米技术也应用到了水污染的治理当中,很多企业应用纳米技术的光催化性质使污染的水质得到净化, 在未来的发展中,纳米技术在环境污染上的应用将会更加普遍。
2.3 纳米技术与生物医药产业的融合
进入世贸组织对我国许多行业造成了不同程度的影响,尤其是医药行业,在纳米技术的研发背景下,我国决定不断发展,奋起直追。纳米生物技术在医药上的研发主要是:在动植物中提取有益于人类健康的材料,再经过纳米技术,使这种材料的作用充分发挥出来。同时在医药行业应用纳米技术,可以使纳米技术的适用层次得到提高。
2.4 纳米技术与能源环保产业的融合
随着世界人口的不断增加, 各种能源逐渐出现耗竭的状态。因而, 目前我国最重要的工作便是合理有效的使用和开发资源,同时研发出能够取而代之的新能源。在传统能源方面,应该运用纳米技术使其充分利用,同时减少相应废弃物的排放。在新能源的研发方面,在借鉴发达国家先进纳米技术的同时,也要不断的创新,开发出一系列可燃气体等较清洁的能源,较少传统资源的过度使用和浪费,使新资源广泛的应用于人们的日常生活当中。
2.5 运用纳米技术对传统产业进行改造
运用纳米技术对传统产业进行改造并完美结合,是当前传统行业再度复兴的希望。比如,我国传统的纺织行业,国际上激烈的竞争已经严重打压了我国的纺织业,因而纳米技术应该应用在纺织材料领域, 这样才能使衣服的品质和质量得到提高,使我国的纺织行业在国际上占有一席之地。
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表面处理是在基体材料表面上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法。表面处理的目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。 对于金属铸件,我们比较常用的表面处理方法是,机械打磨,化学处理,表面热处理,喷涂表面,表面处理就是对工件表面进行清洁、清扫、去毛刺、去油污、去氧化皮等。以下是读文网小编为大家精心准备的:表面处理对碳纤织物增强环氧树脂复合材料界面及性能影响研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
金属背衬型聚合物自润滑复合材料因具有减摩、耐磨等优点,在机械设备、船舶等重载摩擦副上得到了广泛应用。碳纤织物增强环氧树脂基自润滑复合材料作为衬层型重载摩擦副用材料,以其优异的力学性能和摩擦学性能、良好的自粘接性以及成型工艺简单等特性已成为当前国内外研究的热点之一。在纤维增强树脂基复合材料中,主要承载组元为纤维,树脂基体将纤维粘接固定并将载荷传递到每根纤维,因此复合材料的界面特性对其力学性能有着重大影响。但是,由于碳纤维表面缺少活性基团呈化学惰性,且其表面光滑,导致碳纤织物与基体浸润性差,不能与基体进行有效结合。因此,要获得力学性能优良的碳纤织物增强复合材料,必须对其进行表面处理,改善其表面浸润性、粗糙程度,产生适合于聚合物粘接的表面形态,从而提高碳纤织物增强复合材料的力学性能。
目前,提高碳纤织物增强复合材料界面性能主要从以下两方面着手: 一是增加纤维表面活性官能团,二是增大纤维表面粗糙度。在对碳纤织物进行表面处理时,以上2 个因素往往同时出现并对碳纤织物增强复合材料的界面性能的改善起协同作用。为了探索提高碳纤织物增强环氧树脂复合材料的力学性能,寻求简单有效的碳纤织物表面处理工艺,在已有研究和前期大量实验基础上,本文研究比较了空气氧化处理、浓硝酸氧化处理、偶联剂涂覆处理、气液双效处理和液相双效处理等表面处理方法对碳纤织物表面及复合材料界面和性能的影响,以此来探索一种工艺简单、环境友好且可显著提高复合材料性能的碳纤织物表面处理工艺。
1. 1 实验材料
碳纤织物( 1K/T300) : 日本东丽; 环氧树脂E51( 环氧值0. 53 ) : 巴陵石化公司; 环氧丙烷丁基醚( 501) : 纯度大于等于99. 5%,广州江盛华工科技有限公司; 邻苯二甲酸二丁酯: 纯度大于99. 0%,天津市富宇精细华工有限公司; 105 缩胺环氧固化剂( 缩胺105) : 苏州光福材料厂; 偶联剂Y-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷( KH-560) : 东莞市信康有机硅材料有限公司。
1. 2 实验过程
碳纤织物在使用前,首先在丙酮溶液中浸泡48 h,再放入恒温真空干燥箱中100 ℃干燥3 h,以除去其表面的预浸胶料、污染物等,记为未处理碳纤织物; 然后分别采用空气氧化( 450 ℃ /45min) 、浓硝酸氧化( 95℃ /90min) 、偶联剂涂覆( 3% KH560 /10min) 、气液双效处理( 空气氧化450 ℃ /45min + 偶联剂涂覆3%KH560 /10min) 、液相双效处理( 浓硝酸95 ℃ /90min +偶联剂涂覆3% KH560 /10min) 对碳纤织物进行表面处理。
检测分析试样采用手糊模压法制备,将配制好的环氧树脂胶体通过手糊法涂覆于碳纤织物表面,然后放置于采用螺栓加压固定的模具中,在真空度为- 100kPa 的真空箱中常温固化24 h,获得表面平整、无气泡、裂纹、分层等缺陷的试样。
1. 3 测试与表征
利用日本日立S-3400N 型扫描电子显微镜进行断口形貌与碳纤织物表面形貌分析; 采用美国安捷伦5100 原子力显微镜对碳纤织物进行表面形貌分析并计算其表面粗糙度; 采用德国Elementar 公司VarioELIII型元素分析仪对碳纤进行元素分析,分析处理前后碳纤织物中C,O,N 元素变化; 采用美国Nicolet6700傅里叶红外光谱仪对处理前后碳纤表面进行分析; 复合材料力学性能测试在WDW3005 电液伺服万能实验机上进行,各测试试样按照国家相关标准制备; 根据GB /T 3855 - 2005《碳纤维增强塑料树脂含量试验方法》,采用称量法进行复合材料含胶量测试,称量精确至0. 1 mg。力学性能与含胶量实验过程中每个实验重复3 个试样,结果取平均值。
2. 1 碳纤表面形貌
未经表面处理和分别经过空气氧化、浓硝酸氧化、偶联剂涂覆、气液双效和液相双效处理后的碳纤表面形貌图。从Fig. 1 中可以看出,对市场上购买的经丙酮清洗并烘干后的碳纤织物,即实验中未处理的碳纤,其表面光滑平整,仅有轻微的纵向沟槽,根据原子力显微镜检测、计算结果,其表面粗糙度平均为12. 8 nm; 采用空气氧化处理后,碳纤被氧化,出现剥落、凸起现象,且表面纵向沟槽加宽加深,同时附着有少量颗粒物,其表面粗糙度平均为52. 5 nm; 浓硝酸氧化处理后,纤维表面呈现明显的沟槽状刻蚀,并伴随有颗粒状附着物,其表面粗糙度平均为39. 5 nm; 采用偶联剂涂覆处理的碳纤,在纤维表面形成一层比较均匀的偶联剂覆盖层,同时纤维本身基本未受到损伤; 而对于采用气液双效和液相双效处理的碳纤,由于碳纤在氧化处理过程中,在表面形成了较深的刻蚀,表面粗糙度增加,从而与偶联剂之间的粘着性增强,所以在又经偶联剂处理后,表面偶联剂粘附明显增加。
这表明,与未处理碳纤相比,氧化处理可增加碳纤维表面粗糙度,能增大碳纤与基体之间的接触面积,从而有效提高纤维与基体之间的粘接性能; 偶联剂处理后,在碳纤表面形成一层偶联剂粘附层,使碳纤表面活性增加,也可以增加碳纤与基体之间的粘着力。但氧化处理会对碳纤产生一定的刻蚀,从而会对碳纤本身力学性能产生不利影响,可能会降低复合材料的性能,因此,在选择碳纤表面处理方法时需综合其对复合材料性能的影响。
同时,由于采用偶联剂处理,在碳纤表面形成的偶联剂涂覆层会影响表面粗糙度的测量,因此,实验中未对偶联剂处理的碳纤进行表面粗糙度测量。
2. 2 复合材料含胶量
在纤维增强复合材料中,胶体含量的多少对材料的性能有着重要影响,也是材料制备工艺控制的目标之一。相同制备工艺条件下,未处理和经不同表面处理后碳纤织物增强环氧树脂基复合材料胶体含量。所制备的碳纤织物增强环氧树脂复合材料含胶量为30% 左右,其中碳纤织物未处理的复合材料含胶量最高,为33. 7%; 而经不同表面处理后的复合材料,含胶量略低,其中液相双效处理含胶量最低为29. 9%,较未处理的降低了11. 3%。这可能是因为,未处理的碳纤织物与胶体之间浸润性较差,胶体易于聚集,在模压成型过程中难以流动,从而导致含胶量较高; 而经表面处理后,胶体与碳纤织物之间的浸润性得到改善,胶体易于均匀填充、分布于碳纤织物之间,从而在加压过程中易于流出,所以胶体含量略低。这同时也说明,实验中所采用的复合材料材料制备工艺在胶体控制方面,具有较好的一致性和可重复性,从而也基本消除了含胶量对不同碳纤织物表面处理方法复合材料力学性能的影响。
2. 3 复合材料力学性能
未经表面处理和分别经过不同表面处理方法处理后的碳纤织物增强环氧树脂复合材料层间剪切强度。对于未经表面处理的碳纤织物,所制备复合材料层间剪切强度平均仅为21. 5 MPa; 经表面处理后,其层间剪切强度均得到显著提高,其中空气氧化处理提高幅度最低,平均为33. 1MPa; 偶联剂涂覆处理平均为43. 2 MPa; 采用气液双效处理的层间剪切强度最高,平均达44. 3 MPa,与未经表面处理的碳纤织物相比,提高1 倍多。这表明,对碳纤织物进行表面处理,无论是采用增加纤维表面活性官能团的偶联剂涂覆和双效处理,还是采用增加纤维表面粗糙度的氧化法,均可有效提高复合材料层间剪切强度。
这是因为对于纤维增强环氧树脂复合材料,层间剪切强度主要取决于基体和界面的性能,其剪切破坏主要是由基体剪切破坏、纤维断裂和复合界面脱粘引起,因此,在基体材料一定的情况下,纤维及纤维与基体之间的结合界面就对复合材料层间剪切强度产生重要影响。虽然实验中对碳纤织物进行表面处理后,纤维本身会受到损伤尤其是氧化法,导致纤维强度降低,但表面处理的复合材料层间剪切强度均得到明显提高,这也表明表面处理对碳纤织物增强环氧树脂复合材料层间剪切强度的重要有利作用。
同时,经表面处理的碳纤织物复合材料层间剪切强度值离散性小于未处理的,这表明表面处理后复合材料性能更加均匀一致,可能是因为表面处理增强了碳纤织物与聚合物之间的浸润性与粘接均匀性,这对提高复合材料性能均匀性和可靠性十分有利。
为了进一步研究不同碳纤织物表面处理方法对复合材料力学性能的影响, 给出了未经表面处理和分别经过上述不同方法表面处理后的碳纤织物增强环氧树脂复合材料的弯曲、拉伸、压缩强度和冲击韧性。从中可以看出,与未处理碳纤织物相比,经不同方法处理后,复合材料的弯曲强度、压缩强度和冲击韧性均有明显提高,尤其是弯曲强度得到大幅度提高,其中采用偶联剂处理的,其弯曲强度为1088. 9MPa,较未处理的533. 6 MPa 提高104. 1%。而拉伸强度,采用偶联剂处理的试样达538. 1 MPa,与未经处理的413. 9 MPa 相比,提高30. 3%; 而经其它方法处理后的试样,则有所降低或提高不大。
由此可知,与采用未经处理的碳纤织物制备的复合材料相比,经表面处理后的碳纤织物复合材料,其性能可得到有效提高; 综合考虑各项性能指标,以偶联剂处理效果最佳。这主要是因为偶联剂作为一种改善纤维表面活性官能团的处理方法,一方面能增大纤维表面活性,提高纤维与树脂基体之间的粘接性,另一方面,偶联剂处理不会对纤维表面产生破坏,从而不降低纤维本身力学性能。经氧化处理后,碳纤维中C 含量由未经处理的90. 9% ( 质量分数) 降低为空气氧化处理的90. 7% 和硝酸氧化处理的86. 0%,而O含量由未经处理的1. 3% 分别增加至1. 5% 和8. 4%,N含量则由7. 8% 分别变化至7. 7% 和5. 6%。这表明经过空气氧化和硝酸氧化处理后,碳纤表面O,N 元素与C 元素比例得到明显提高,即含氧官能团和含氮官能团得到了有效增加。所以双效处理后,偶联剂与碳纤表面含氧官能团和含氮官能团进行化学作用,同时偶联剂的环氧端基扩散到聚合物基体中形成化学键,从而使其一些性能指标得到进一步提高。但是由于氧化处理会不同程度的损伤碳纤,从而影响碳纤织物增强复合材料力学性能,这也是空气氧化、硝酸氧化以及气液双效和液相双效处理后复合材料一些性能指标低于单独偶联剂处理的原因。
为了进一步探索偶联剂涂覆处理对碳纤表面的影响,Fig. 4 给出了未经表面处理和经偶联剂涂覆处理后,碳纤表面傅里叶红外光谱分析结果。从图中可以看出,经偶联剂涂覆处理后,在3440 cm - 1 和1645cm - 1处结合峰显著加宽,同时在2360 cm - 1 处结合峰显著增强,这表明处理后的碳纤表面活性官能团显著增加,从而有利于增强碳纤与环氧树脂基体的粘接性,进而使复合材料的力学性能得到有效改善。
2. 4 断口分析
由以上实验结果可知,实验条件下,碳纤织物采用偶联剂涂覆表面处理,对复合材料性能提高最大。为了进一步分析表面处理对复合材料性能影响的机理,分别对未处理和偶联剂涂覆处理碳纤层间剪切强度测试单丝表面形貌进行了分析。未处理的碳纤表面光滑,层间剪切破坏后,碳纤表面仅有少量聚合物粘附物; 而偶联剂涂覆处理的碳纤表面则粘附有大量的聚合物。这表明表面处理后,碳纤与聚合物之间粘接性大大提高,从而使其层间剪切强度得到有效提高。这是因为,当碳纤织物增强环氧树脂复合材料受到外力作用时,聚合物作为传力组元,若聚合物与碳纤之间不能良好的粘接,则难以使其负荷得到有效传递,从而易于产生应力集中,导致其内部裂纹快速扩展,性能大大降低。
碳纤织物未处理和偶联剂涂覆处理后复合材料压缩断口扫描形貌。从可以看出,碳纤织物未处理的复合材料压缩断口碳纤分布散乱且长短不一,同时聚合物分布不均,存在明显的聚集; 经偶联剂涂覆处理的复合材料压缩断口平整光滑,聚合物分布比较均匀,每根碳纤周围较均匀地被聚合物包覆且结合良好。这表明偶联剂涂覆处理可有效增加碳纤织物与聚合物之间的粘附性,也有利于碳纤织物与聚合物之间良好浸润,使其组织更加均匀,从而其力学性能得到有效提高。
综上所述,碳纤织物表面处理可有效提高复合材料的力学性能。空气氧化法和硝酸氧化法以及由二者与偶联剂涂覆结合的双效处理法,虽然可使复合材料一些性能指标得到提高,但在氧化过程中,会使碳纤受到损伤,从而对复合材料一些性能产生不利影响; 而偶联剂涂覆处理作为一种增加碳纤表面活性官能团的处理方法,既不降低碳纤力学性能又可提高碳纤与聚合物之间的粘接强度,综合考虑其对复合材料各项性能指标的影响,实验条件下,偶联剂涂覆处理是一种比较理想的碳纤织物表面处理方法,同时还具有工艺简单易行的优点。
( 1) 未处理的碳纤表面光滑平整,其表面粗糙度平均为12. 8 nm,经氧化法处理碳纤表面被明显刻蚀,表面粗糙度增加; 偶联剂处理的碳纤在其表面形成一层均匀的偶联剂覆盖层。
( 2) 与未处理的碳纤织物相比,气液双效处理表面处理后碳纤织物增强环氧树脂复合材料层间剪切强度得到明显提高,由未处理的21. 5 MPa 增大到44. 3MPa。
( 3) 经偶联剂涂覆处理的碳纤织物,其复合材料具有较佳的综合力学性能,其弯曲强度为1088. 9MPa,拉伸强度为538. 1 MPa,压缩强度为551. 3 MPa,冲击韧性为72. 2 kJ /m2,而未处理则分别仅为533. 6MPa,413. 9 MPa,417. 8 MPa 和47. 9 kJ /m2。
( 4) 断口形貌分析表明,碳纤未处理的复合材料断口碳纤杂乱,胶体分布不均; 偶联剂涂覆处理的复合材料断口光滑平齐,胶体均匀包覆于碳纤周围。
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一个艺术家通常都是具有天赋的。当然,从最开始的时候,艺术家都要经历学习绘画,不断创作来发展自己的艺术特长。但是,艺术家最本质的价值在于其与生俱来的天赋。可以这么说,好的艺术家一定具有设计技巧,但拥有好的设计技巧却不一定能够成为艺术家。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:民间绘画色彩在现代艺术设计中的应用研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘 要】传统艺术和民间绘画色彩在中国现代艺术设计中的应用,有利于我们借鉴民间绘画色彩所特有的表现手法,实现具有现代审美特点的艺术设计作品,从而寻求具有强烈的民族特点的现代艺术设计道路。本文中,笔者主要对民间绘画色彩在现代艺术设计中的应用进行了研究与分析。
【关键词】 民间绘画色彩;现代艺术设计
随着全球化发展,越来越多海外的艺术元素流入我国,与我国传统艺术相互融合、相互影响,优化艺术设计领域的进化与发展。我国人民自古对艺术创造有很高的天赋,有尤其是在绘画方面,结合了天人合一的道家思想,民间绘画作品色彩自然、纯粹、鲜明,令人看来眼前一亮、心旷神怡。在当代艺术创作中,设计者要想突破固态思维、扩宽设计思路,可以将我国传统绘画用色方法应用于艺术设计,实现继承与突破。
我国是拥有五千年灿烂文明的国家,在文学、科学和艺术领域都有十分深厚的文化基础,尤其是在艺术领域,数千年间,我国产生了许多绘画艺术流派,创作了许多杰出的工艺、艺术作品,艺术对我国的民间生活有十分深重的影响。经过长年发展和累积,我国民间绘画艺术已经形成了固定而独特风格,中国民间绘画风格与模式自成一派,绘画作品中包含着我国人民独特的审美理念和传统文化,明显区别于其他国家的美术作品[1]。
我国传统绘画在用色上具有色彩艳丽、对比明朗、层次丰富等特点,而不同时期、不同流派的绘画在用色上也有不同特色,例如唐宋时期绘画作品,色彩丰富艳丽、着色大起大落,凸显盛世景象,而明清时期的绘画作品笔触细腻、画工精致,色彩淡雅素净,符合明清时代特点。
虽然我国许多民间艺术家和画师对色调、用色的理论知识知之甚少,但通过传统文化氛围的熏陶,画师同样可以通过经验与才智,对色彩进行划分,将分红、嫩黄、蔚蓝等柔和的色彩划分为软色,而将墨绿、深红、大紫、靛色等浓重的色彩划分为硬色,我国传统绘画艺术,在配色方面,注重和谐、中庸,通常不会大幅倾向软色或硬色,而习惯于将软硬色彩结合使用,创造出配色鲜明、层次丰富的画作,给人以无限的想象和视觉冲击。民间绘画创作,为了凸显色彩的冲击力,通常会运用到大量的互补色彩,例如,墨绿与深红的组合、浅黄与天蓝的组合[2]。这样的色彩搭配体现了民间画师对大自然的崇拜、对市井生活的热情,因此作品往往给人的第一感觉就是平和、纯真、朴素。
2.1 扩展设计的用色思路
艺术作品的用色,不但能表现作品内容,更是作者内心情感的真实写照。通常,内心开朗的设计者其作品用色往往大起大落、不拘一格,偏向明亮与轻快。
色彩是人们对艺术作品基调最直观的感受,会对人们的心理造成很大的影响和刺激[3]。优秀的作品的色彩,往往富有层次感能激发观看者的想象,让观看者能顺利接受到作者通过作品传达的信息。因此,当代设计时再进行艺术创作时,要结合传统文化拓宽设计思路,将民间艺术真挚、淳朴、天然的用色方式与艺术创作相结合,赋予作品深厚的民俗内涵。结合了传统绘画色彩的艺术设计作品,不但能因其国人的共鸣,提高国人对设计的认同感,还能吸引国际友人的注意,提高外国人民对我国传统绘画艺术的了解。
2.2 将传统绘画用色方式应用于时装设计
选用何种色彩是奠定服装风格的基础,鲜艳纯粹的颜色往往显得青春而富有活力,而深沉浓重的色彩则显得庄重沉稳。因此在进行服装设计时,选择何种色彩是最需深重思考的问题质疑其。在当今社会,时装更新淘汰的频率日渐提高,设计师要想掌握潮流的变化方向,首先必须要拥有能引领潮流的设计能力,在实践中探索出创新设计的方法。近年来,随着复古风潮席卷全球,正是将中国传统艺术与时装相结合的最佳时机。
其中,我国的传统绘画色彩特点鲜明,历久弥新、永不过时,因此设计师再进行服装设计时,应该多引用传统绘画用色,例如,我国明代青花瓷器绘画用色,将青色与纯白结合淳朴自然,简洁大方。在设计服装时,可以在现代服装款式的基础上使用青、白两种色彩,不另外增加其他杂色,并结合青花绘画图案,设计出既符合时代潮流,又富有传统色彩的服装,将现代服装设计与传统绘画用色相结合,创造具有设计师自身风格的作品。
2.3 将传统绘画用色方式应用于平面设计
纵观当代商品包装、商标、城市国家标识设计,凡是在世界范围广受好评的作品,大多都结合了设计师所在国家的传统文化。这样的作品之所以能吸引国内外人民的喜爱,其根本原因就是正是由于作品本身富有民族特色,给国人熟悉亲切的感觉,同时给国际友人眼前一亮的新鲜感。例如,我国奥林匹克运动会的吉祥物―福娃,就是结合了民间绘画色彩特点的杰出平面设计作品。五个福娃是五种典型的动物形象,分别为纯正的黄、白、青、红、黑色,这五种颜色是大自然最基本的颜色,是构成世间万物色彩的原色,符合我国崇尚自然的传统理念[4]。
总而言之,民间绘画具有鲜明的艺术特点,对我国国民的审美观念影响深重,随着全球化发展,民间艺术的影响力不断向海外辐射,越来越多的外国友人都对中国民间绘画怀着浓厚的兴趣。在当代,设计师要想拓宽设计思路,创作出不落俗套、别具一格的平面、装饰设计作品,就要对我国民间绘画进行探索,将传统绘画的用色特点应用于现代艺术设计,创造符合国人和国际友人审美的艺术作品。
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机械设计是机械工程的重要组成部分,是机械生产的第一步,是决定机械性能的最主要的因素。机械设计的努力目标是:在各种限定的条件(如材料、加工能力、理论知识和计算手段等)下设计出最好的机械,即做出优化设计。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:机械设计中的材料选择及应用研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
材料的选择与应用在机械设计中是至关重要的一环,材料选择的好,机械的设计就成功了一半,在之后的机械制造中就会更加顺利。所以,我们要重视机械设计中的材料选择和应用,促进机械设计的可持续发展。
我国的工业化步伐大大加快,对于机械的使用需求越来越大,对于机械材料的需求更是日益增多,这导致了机械设计材料的稀缺,人们寻求更经济、更环保、更适用的机械设计材料成了当务之急。为了更好地满足人们日益需求的物质文化和精神文化需求,这就需要机械设计的材料朝着更加经济、环保、适用的方向发展,在社会各种发展都对材料进行大规模使用的激烈的市场竞争中,若想获得一线的发展,就要充分利用目前拥有的材料,利用有限的资源,对机械设计的材料进行选择和应用,进而进一步地加大对于机械设计的使用和机械设计的工作,为我国机械行业和我国经济的可持续发展做出应有的贡献。
2.1满足机械零件应用的要求
机械设计必须要考虑到机械的负载能力,如果机械的负载能力差,就会使整个机械的零件失效,达不到机械进行正常工作的要求。所以,在对机械进行设计时的材料选择时,一定要结合机械所要进行的工作,考虑到机械所要承受的负载,然后对材料进行选择,以此作为机械设计的材料选择进行可靠性实验的标准。如果机械零件在受到重压的时候产生扭曲或者弯曲的情况,这种变形有时候是可以恢复的,但有时却是永久性的,这就使得机械受到损伤,不能进行工作。所以,为了避免上述情况的发生,我们在对机械设计进行材料的选择时,一定要确保零件不会发生扭曲,确保它的实用性,采用较为坚固的材料进行设计,以便能够均匀机械的受力,改善材料的抗变形性能。比如,在对机械进行设计加工时,可以采用中碳调制或低碳钢渗碳的加工方式,用此来提高材料的性能,从而满足机械零件应用的要求。
2.2满足经济性的要求
每一个企业进行运营都是为了盈利,获得企业的收入,所以对机械设计材料进行选择也必须要满足这个条件。尤其是在当前我国经济迅速发展的今天,人们对于机械的需求量加大,但是日益突出的资源缺乏的问题却给机械设计的材料选择带来了巨大的困难。企业一方面要考虑到对于企业自身的经济效益,又要保证机械设计的质量,所以在对机械设计的材料选择上就要更加仔细慎重,既不能造成材料的浪费,又要尽可能地满足机械在性能上的一切需求。
例如,我们要选择一种材料,这种材料要具有一定的硬度,这就需要企业对于一切可以进行机械设计的材料进行权衡,根据材料具体的形状和机械零部件的尺寸大小以及零件需要满足的硬度进行选择,选择的材料要尽可能满足机械的各种性能,所需的材料数量也要进行严格的计算,避免产生浪费现象,造成对材料的采用过多,从而造成了企业的机械设计成本的增加。如果在设计中有效截面的面积小于50mm,那么企业就可以选择20Cr;如果有效截面面积是50~150mm之间,并且它的重量又不重,小于50kg,那么企业就可以选择20Cmnti,诸如此类的做法,这样企业就可以对机械设计的材料的选择进行合理的优化与改进,避免出现浪费的现象造成资源缺失的进一步加大,从而造成企业的成本大大增加,达不到企业盈利的目的。
2.3满足环保性的要求
目前,由于工业发展给环境造成的破坏已经成了一个不争的事实,如工业生产产生的废料垃圾、工业垃圾和一些白色污染。这些都是工业发展带给环境的巨大污染,是人们最近以来普遍关注的问题,也是急需解决的环境问题。从工业生产的源头,即机械的设计的材料选择上把好关,选择对环境具有环保效果的、没有危害的材料,这样才能够促进环境的可持续发展,保持生态平衡,从而推动企业经济效益的稳步持续发展,推动我国经济的可持续发展。
在这一过程中,担任机械设计的设计人员也是至关重要的,机械设计人员要掌握多方面的知识,需要对机械设计的材料进行多方面的分析和研究,最终进行慎重的选择。可以说机械设计工作是一项任重而道远的事业,机械设计是一切工作顺利进行的前提,企业生产取决于设计的好坏,所以为了追求企业的最大利润,就要加大机械设计对于环境保护的要求,遵循保护环境与生态平衡的原则,对人类赖以生存和发展的家园进行有效的保护,从而实现材料选择和应用满足环保性要求的目的。
3.1实用性材料的选择与应用
机械设计中材料的选择与应用主要是为了满足机械在实际操作中的使用,所以机械设计的材料必须要有实用性。首先,在对机械材料的应用上要以工艺生产为指标,对材料所要使用的范围和用途进行系统的了解后,对材料进行铸造、切割等操作,以满足不同设计的需求。其次,机械的不同零件对于材料的需求也不同,这要充分考虑材料的具体使用,例如制造哪个零件,然后再对材料进行强度和耐磨性的选择,对于有特殊要求的材料要进行特殊处理。
3.2载荷类型材料的选择与应用
在机械的使用过程中,如果材料没有较好的荷载能力,就会造成机械无法使用以及被压坏的现象,所以对于材料的要求应格外注意它的荷载能力。如在机械的使用过程中,会在正常的时候突然出现抑制失效的情况,这都是荷载出现了问题。所以,在选择和应用材料时,一定要估算材料的荷载能力,从而完善机械在工作中的使用状况。
3.3低消耗材料的选择与应用
随着国家对于环保工作的强力推进,机械设计也要遵循国家可持续发展的理念,在机械设计上要尽可能地减少污染和资源的浪费。一方面,要尽可能减少热处理技术的使用,因为这项技术对材料的寿命是有一定影响的,同时也会带来较大的环境污染。所以,我们为了有效减少这种现象的发生,可以进行热轧状态和冷轧状态下发挥性能的材料。另一方面,如果不能避免热处理,就要选择进行热处理较少的材料,降低消耗,促进机械行业的可持续发展。
3.4无害材料的选择与应用
在人们的日常生活中出现了许多有害的物质,这也加强了企业在机械设计材料选择上的注意。所以,机械设计的材料要尽可能地选择一些无害的材料,否则就会给人体带来一些危害。比如,Ni元素,这种元素对于人体的危害是十分巨大的,同时它还会给环境带来极大的污染。要对材料进行慎重选择,防止选择有害的材料,就要加大对材料的监测和管理,避免有害材料进入到机械设计中来。总之,这是现阶段机械设计中一个十分重要的问题。
总而言之,我们对于机械设计中的材料选择和应用要更加符合现代社会对于环保和经济、实用与可持续的要求,从而为机械设计行业的稳步持续发展提供切实有力的保障。
【机械设计中的材料选择及应用研究】相关
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目前,我国正处于城镇化建设的关键阶段,建筑工程项目的数量持续增加,对各类资源的需求量也较为庞大。因此,在建筑行业中推行节能技术就具有十分重要的现实意义。在建筑行业中推行节能技术,不仅可以实现资源的有效利用,同时还可以缓解资源短缺的问题,在一定程度上有助于减少建筑污染,使人们的生活条件及生活环境得以改进。与此同时,推行建筑节能对于促进我国经济的发展和扩大内需也有着积极作用。就目前我国建筑行业的发展现状来看,在国家相关部门的推动下,节能技术在建筑领域中已经逐步得到了较为广泛的应用,并且取得了显著的成就。根据国家有关部门的统计,仅2013年推行建筑节能技术所实现的能源节约总量,相当于每年冬季吉林省供暖所需消耗的煤炭资源的总量。除此之外,建筑节能技术的应用还在一定程度上推动了建筑行业的技术创新及发展,使得建筑行业的施工整体水平得到了大幅度提升,真正实现了我国国民经济的可持续发展,且有效促使建筑行业中浪费现象的减少,由此降低了工程的总成本,为相关企业赢得更多的经济效益和良好的社会效益。
在建筑节能材料的应用中,外墙保温材料是非常重要的组成部分,能起到很好的节能效果。在外墙保温材料方面,根据材料的化学组成通常把材料分为无机材料、有机材料和复合材料。在很长的一段时间内,我国建筑施工多使用无机材料为主,但随着行业发展,普通无机材料无法适应时代发展的要求,因此,在外墙保温材料方面要加以的改进。近年来出现的复合型保温墙体材料具有很多优良的性能,此类材料在建筑外围护结构尤其是外墙保温及饰面系统中应用广泛,也具有很多的优点。其优点主要体现在:在主体结构方面,要使其更牢固的固定在建筑外墙上,并保证长期的使用性能及与气候相适应的耐久性;在中间部分,一般多应用保温板;同时在围护结构最外层通常是起到美化作用和保护作用。
建筑节能门窗的利用有利于提高建筑工程的质量安全,同时提高工程的经济性,因为门窗材料在很大程度上影响到建筑物整体的热传导,也就是说,门窗能耗占建筑整体耗能的比重较大。因此,切实优化建筑门窗工程的节能对于整个建筑装饰施工行业水平的提高也非常有意义。而门窗节能的关键在于设计、材料选择和施工工艺三个方面,其中选择新型的节能型门窗材料就是一个得力措施。例如,以新型隔热材料来连接铝合金型材而制成的复合窗框材料可以显著提高门窗的热阻,达到节能降耗的目的。同时,窗框与门窗洞口之间的缝隙应采用具有良好的保温、防潮功能的材料填充,常用的填缝材料则有聚氨酯泡沫填缝剂、保温防水砂浆等。
建筑屋面作为建筑工程中耗能较大的部分,对屋面工程施工时注重节能型新材料的使用可提高屋面的保温性能,且降低了资源消耗量和减轻对环境的污染。通常来说,良好的保温性能要求建筑屋面构件的导热系数小,并将其铺设在屋面结构层和防水层之间才能够获得最佳的处理效果。发展到目前为止,多种类型的保温板都已经应用到建筑屋面工程中,主要包括聚苯板、水泥膨胀蛭石、膨胀珍珠岩以及水泥聚苯板等,这些新型材料在屋面工程施工中已取得了一定的成效,有利于建筑工程质量的提高,切实提升了建筑工程的整体效益。
环保材料在建筑装饰当中的应用大致可以划分为以下三个类型:一是天然环保材料,这些建筑装饰材料本身就没有毒或者是毒害性质非常小,通常在实际应用环境下只需要进行简单的加工以后就可以应用到建筑装饰施工当中去,主要包括建筑装饰木材、石膏以及天然石材等;二是合成类环保材料,这些建筑装饰材料本身可能存在一定的毒害性质,但是可以通过现有的成熟技术或者是手段来进行加工和合成,经过处理之后的材料就能够实现材料内毒害物质的集聚或者是缓慢释放,以此使得这些材料可以在建筑装饰当中加以利用,通常将其称作为低毒、低排放的材料,对于人类健康的威胁影响并不大,该类型的建筑装饰材料主要就是一些甲醛含量符合国家标准的大芯板和纤维板等;三是化学合成材料,这种类型的建筑装饰材料相对而言毒害性质要大一些,主要是一些环保型乳胶漆和油漆等,我们国家目前的科学技术水平和检测手段还很难对这些材料的毒害性质进行确定,因此在具体的应用过程当中就应多加注意,当然我们相信,随着现代科学技术的飞速发展,对于这些材料的准确认识以及科学界定还是可以实现的。
走可持续发展道路是我国长期坚持的一项重要决策。因此,我国对于建筑节能新型材料也会大力发展、大力推广。目前,由于传统建材的生产导致我国耕地面积极速减少,目前我国剩余耕地面积仅占国土面积的10%,而近年来,我国的房屋建筑却在逐渐增加,其墙体材料主要以粘土砖为主,这样一来,粘土砖的生产就会快速消耗我国粘土资源,而且在生产过程中也会消耗很多煤炭资源,这样不仅浪费了很多土地资源,而且对于环境污染也较为严重。运用实心粘土砖,不仅浪费资源,而且还会增加建筑的采暖耗能。因此在以后的建设过程中,要积极发展新型节能材料,以此保证环境污染的大大减少,并减少不必要的能源消耗。例如,加气混凝土砌块、石膏复合墙板等大量的新型节能墙体材料的使用,他们有着能够更充分地利用资源、变废为宝,节能降耗等共同优点,这些新材料的使用将对我国的建筑材料行业发展引向轻质高强、绿色环保护的新时期。
我国建筑行业未来的发展趋势一定是绿色环保的,建筑节能不仅能够保护耕地资源、缓解能源供给的紧张局面,而且还能保护环境,改善人们的生活质量。因此,对于建筑节能的新型材料也会利用到各个地方。我国应大力发展科技,研制出符合社会需要的新型节能材料。具体可以在实际的工作中将废弃的塑料泡沫发展成为保温绝热的墙体板材,以此既节约了成本,又能对材料二次利用,还能将其变废为宝;可以将无用的玻璃实现回收,将其作为生产的贴面材料,研制出热反射镀膜玻璃、低辐射镀膜玻璃等,以此有效减少垃圾的排放并节约资源;通过科技研制出免烧水泥,在工程中利用这种新型水泥进行施工,可以有效的降低生产水泥所需要的能源,而且在一定程度上减少污染;研制免振混凝土,将其运用到施工建筑中,该种材料在施工建筑中不振捣,不仅能够减少噪音污染,而且也大大减少了能源消耗。而在建筑的节能规划设计工作中,对于建筑外墙、门窗、屋顶以及地板的保温隔热性和气密性也都有了新的要求,低碳环保已经大势所趋。因此,发展新型节能建筑材料是对环境破坏一种强有力的回应,不仅要提高建筑物自身绝热和保温的效果,还要大力降低采暖空调能源消耗,以此切实改善人们的生活环境和居住质量。
总言之,随着现阶段我国房屋建筑面积的不断增加,建筑行业发展非常迅速,其能源消耗量较大,因此发展建筑节能技术就显得尤为重要。在过去几年,由于建筑行业能源消耗量大,但对能源节约问题没有足够的重视,以此造成我国经济发展过程中出现很多问题。这就要求我们在以后的建筑工程施工中,要及时应用新技术和新材料,以此保证建筑工程的绿色、健康发展,有效促进我国经济的可持续发展。
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水泥路面为我国高等级路面的关键模式之一,水泥混凝土路面直接受到多种自然条件、承受车辆荷载等影响,一些路面将出现早期裂缝,就是需要及进实施修补,避免路面损坏的最大化发展。而补修路其裂隙的修补材料亦露于路面,修补材料即需满足“强度与需久性”等要求,还需具良好的粘接性、流动性及变形性[1]。目前,用于水泥混凝土路面缝隙修补的材料不是造价过高就是耐久性及防水性不佳,不能长期使用。因聚合物可改善水泥材料的耐久性能及力学性能,高效减水剂量可显著提升水泥浆体的流动性,于水泥净浆里加入高效减水剂与聚合物等,为研制路面缝隙修补的新材料。
选取的原材料,要针对修补材料的“良好耐久性及工作性、和旧混凝土的相容性、良好的粘接性与变形水平、经济环保、强力抗弯强度”等因素。依此选取下列原材料:(1)水泥。基质材料选取陕西某厂生产的42.5R硅酸盐水泥。(2)聚合物乳液。其为修补材料的“改性材料”,需能改善水泥界面粘结、塑性变形、耐久性等水平。此本修补材料选用“聚丙烯酸、聚醋酸乙烯、丁苯乳液、苯丙乳液”。(3)外加剂。修补材料选用的外加剂类型有“消泡剂、减水剂、膨胀剂、早强剂”。消泡剂:消除搅拌时聚合物生成的所泡,提升材料紧密度;减水剂:主要起到提升浆体流动性的作用,这又利于缝隙灌浆,能改善水泥制品的耐久性及力学强度;膨胀剂:其水化硬化中随之自身体积膨胀,可降低水泥混凝土因水分蒸发等因素导致的开裂;早强剂:早强剂可调节材料强度形成时间。
水灰比、减水剂与聚合物掺量、聚合物种类为修补材料性能的四大要素,此四个参考将影响修补材料性能。本次正交实验实施结果表明,水灰比宜控制在0.5左右,聚合物掺量控制在10%左右,减水剂掺量宜控制在0.2%左右。影响修被材料流动度的因素顺序为:减水剂掺量(C)→水灰比(A)→聚合物种类(D)→聚合物掺量(C)(见表1)。
水泥路面裂隙小且不规则,流变性能直接影响修补材料的修补效果。浆体流动于裂隙中时,受自身粘性及阻力作用,要求修补材料务必具有好的流动性,方可确保灌满裂隙。并且,还要求修补材料具有好的体积稳定性。交通条件对“凝结时间”也有要求,浆体凝结时间如果过长,将有很大影响。所以修补材料的工作性能指标主要有:流动性、稳定性、可灌性、凝结时间。经对聚合物改性水泥浆工作性能测试,得出下列结论:(1)经对裂隙可灌性测试,235 mm的流动度可灌入(1~3) mm缝隙。水泥浆体流动度若>235 mm,便可完满灌入(1~3) mm缝隙,若反之则不能。(2)聚合物可提升水泥浆体稳定性,水泥浆体掺加适量的聚合物后其析水率仅为基准水泥浆体的50%左右。(3)水泥凝结时间因聚合物的加入延长,常规下24 h内皆可实现终凝。(4)经水泥流动损失测试结果,聚合物掺量控制于10%左右,与前一节结论相合。
修补材料在灌入缝隙的同时,还要求有与路面结构一致的“力学性能及耐久性能”等路用性能。为确保修补材料的“修复效果”,还需有极佳“粘结、形变”的性能。否则修补材料将可能与基质材料产生脱离从而造成修复失败。所以,修补材料在应具备优良的“工作性能及路用性能”,这样才能可保证修补材料在“实际工程”里的应用效果。
此次对聚合物改性水泥“耐久、形变、界面粘结、力学”四类性能进行测试,得出下列结论:(1)于水泥内单一个掺加聚合物,于28d时也许其抗折抗压强度要低于不掺加聚合物试样。故此,采取两种混合手术掺加聚合物,力学强度上要较基准试样高,实现了规范要求。试件力学强度最好的时机,这时聚合物的配合比是聚合物乳液B/C共混,它的共混比例为3/2~2/3。(2)掺加聚合物可减少水泥材料(10~15)%的刚度,提升了柔性,加大了冲击荷载的承受力,耐久性提升。(3)对修被界面粘结性能的“粘结拉伸、劈裂抗拉粘结、粘折抗折”等强度的测试,当聚合物乳液B/C共混比率3/2~2/3时,三种粘结强度水平皆较高,皆>基准试样的1.5~2.5倍。(4)测试了修被材料耐久性能的“耐磨性、抗渗性及耐腐蚀性”,测试结果显示,掺入聚合物的水泥试样耐久性比基准试件高过很多。聚合物乳液B/C共混比例不同,对耐麻性与耐腐蚀性都产生重要影响,但对抗渗性无显著影响。聚合物乳液B/C共混的推荐比例是3/2~2/3。(5)掺加膨胀剂,可显著减少水泥试样的体积收缩,还可有微膨胀的发生,可提升基质混凝土与修补材料间界面粘结效果。(6)综合评价修被材料的工作性能及路用性能后,加之对经济性因素的考虑,最优配比为乳液B/C共混配比3/2。
常用混凝土路面,要承受车辆等静载作用,还要受着冲击、振动、疲劳、磨损等作用。这就要求路面要具备一定的抗压强度及抗弯强度,方可承受载重力。修补材料对界面粘结性、拉伸强度、抗折强度、劈拉强度等都提出要求。只有满足了路面混凝土的要求标准,修补材料方能达到预期效果。同时,对裂隙修补材料的研究,需关注裂隙种类及宽度、温度、湿度等应用条件,依此来研发适宜不同条件的“修补材料”。要进行水泥与新型外加剂之间的相容性研究,以利于依材料市场供应情况进行“修补材料”的优化调整及配比,力求满足水泥路面裂隙各种等级的修补需求。
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摘 要:文章介绍了碳纳米管的结构和性能,综述了碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法及其聚合物结构复合材料和聚合物功能复合材料中的应用研究情况,在此基础上,分析了碳纳米管在复合材料制备过程中的纯化、分散、损伤和界面等问题,并展望了今后碳纳米管/聚合物复合材料的发展趋势。
关键词:碳纳米管;复合材料;结构;性能
自从 1991 年日本筑波 NEC 实验室的物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)[1]首次报道了碳纳米管以来,其独特的原子结构与性能引起了科学工作者的极大兴趣。按石墨层数的不同碳纳米管可以 分 为单壁碳 纳 米管(SWNTs) 和多壁碳 纳 米管(MWNTs)。碳纳米管具有极高的比表面积、力学性能(碳纳米管理论上的轴向弹性模量与抗张强度分别为 1~2 TPa 和 200Gpa)、卓越的热性能与电性能(碳纳米管在真空下的耐热温度可达 2800 ℃,导热率是金刚石的 2 倍,电子载流容量是铜导线的 1000 倍)[2-7]。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件,采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件,并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构,从而降低生产成本。因此,聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。
根据不同的应用目的,聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年,人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料,并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究,对这些研究结果分析表明:聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素,如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管),形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述,并对其所面临的挑战进行讨论。
聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法主要有三种:液相共混、固相共融和原位聚合方法,其中以共混法较为普遍。
溶液法是利用机械搅拌、磁力搅拌或高能超声将团聚的碳纳米管剥离开来,均匀分散在聚合物溶液中,再将多余的溶剂除去后即可获得聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法的优点是操作简单、方便快捷,主要用来制备膜材料。Xu et al[8]和Lau et al.[9]采用这种方法制备了CNT/环氧树脂复合材料,并报道了复合材料的性能。除了环氧树脂,其它聚合物(如聚苯乙烯、聚乙烯醇和聚氯乙烯等)也可采用这种方法制备复合材料。
熔融共混法是通过转子施加的剪切力将碳纳米管分散在聚合物熔体中。这种方法尤其适用于制备热塑性聚合物/碳纳米管复合材料。该方法的优点主要是可以避免溶剂或表面活性剂对复合材料的污染,复合物没有发现断裂和破损,但仅适用于耐高温、不易分解的聚合物中。Jin et al.[10]采用这种方法制备了 PMMA/ MWNT 复合材料,并研究其性能。结果表明碳纳米管均匀分散在聚合物基体中,没有明显的损坏。复合材料的储能模量显著提高。
将碳纳米管分散在聚合物单体,加入引发剂,引发单体原位聚合生成高分子,得到聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法被认为是提高碳纳米管分散及加强其与聚合物基体相互作用的最行之有效的方法。Jia et al.[11]采用原位聚合法制备了PMMA/SWNT 复合材料。结果表明碳纳米管与聚合物基体间存在强烈代写论文的黏结作用。这主要是因为 AIBN 在引发过程中打开碳纳米管的 π 键使之参与到 PMMA 的聚合反应中。采用经表面修饰的碳纳米管制备 PMMA/碳纳米管复合材料,不但可以提高碳纳米管在聚合物基体中的分散比例,复合材料的机械力学性能也可得到巨大的提高。
碳纳米管因其超乎寻常的强度和刚度而被认为是制备新一代高性能结构复合材料的理想填料。近几年,科研人员针对聚合物/碳纳米管复合材料的机械力学性能展开了多方面的研究,其中,最令人印象深刻的是随着碳纳米管的加入,复合材料的弹性模量、抗张强度及断裂韧性的提高。
提高聚合物机械性能的主要问题是它们在聚合物基体内必须有良好的分散和分布,并增加它们与聚合物链的相互作用。通过优化加工条件和碳纳米管的表面化学性质,少许的添加量已经能够使性能获得显著的提升。预计在定向结构(如薄膜和纤维)中的效率最高,足以让其轴向性能发挥到极致。在连续纤维中的添加量,单壁碳纳米管已经达到 60 %以上,而且测定出的韧度相当突出。另外,只添加了少量多壁或单壁纳米管的工程纤维,其强度呈现出了较大的提升。普通纤维的直径仅有几微米,因此只能用纳米尺度的添加剂来对其进行增强。孙艳妮等[12]将碳纳米管羧化处理后再与高密度聚乙烯(HDPE)复合,采用熔融共混法制备了碳纳米管/高密度聚乙烯复合材料,并对其力学性能进行了研究。结果表明:碳纳米管的加入,提高了复合材料的屈服强度和拉伸模量,但同时却降低了材料的断裂强度和断裂伸长率。Liu 等[13]采用熔融混合法制得了 MWNT/PA6(尼龙 6)复合材料,结果表明,CNTs 在 PA6基体中得到了非常均匀的分散,且 CNTs 和聚合物基体间有非常强的界面粘接作用,加入 2 wt%(质量分数)的 MWNTs 时,PA6 的弹性模量和屈服强度分别提高了 214 %和 162 %。总之,碳纳米管对复合材料的机械性能的影响,在很大程度上取决于其质量分数、分散状况以及碳纳米管与基质之间的相互作用。其他因素,比如碳纳米管在复合材料中的取向,纤维在片层中的取向,以及官能团对碳纳米管表面改性的不均匀性,也可能有助于改善复合材料的最终机械性能。
聚合物/碳纳米管导电复合材料是静电喷涂、静电消除、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料。GE 公司[14]用碳纳米管制备导电复合材料,碳纳米管质量分数为 10 %的各种工程塑料如聚碳酸酯、聚酰胺和聚苯醚等的导电率均比用炭黑和金属纤维作填料时高,这种导电复合材料既有抗冲击的韧性,又方便操作,在汽车车体上得到广泛应用。LNP 公司成功制备了静电消散材料,即在 PEEK 和 PEI 中添加碳纳米管,用以生产晶片盒和磁盘驱动元件。它的离子污染比碳纤维材料要低65 %~90 %。日本三菱化学公司也成功地用直接分散法生产出了含少量碳纳米管的 PC 复合材料,其表面极光洁,物理性能优异,是理想的抗静电材料[15]。另外,聚合物/碳纳米管导电复合材料的电阻可以随外力的变化而实现通-断动作,可用于压力传感器以及触摸控制开关[16];利用该材料的电阻对各种化学气体的性质和浓度的敏感性,可制成各种气敏探测器,对各种气体及其混合物进行分类,或定量化检测和监控[17];利用该材料的正温度效应,即当温度升至结晶聚合物熔点附近时,电阻迅速增大几个数量级,而当温度降回室温后,电阻值又回复至初始值,可应用于电路中自动调节输出功率,实现温度自控开关[18]。
许多研究工作证明,碳纳米管是迄今为止人们所知的最好的导热材料。科学工作者预测,单壁碳纳米管在室温下的导热系数可高达 6600 W/mK[19],而经分离后的多壁碳纳米管在室温下的导热系数是 3000~6600 W/mK。由此可以想象,碳纳米管可显著提高复合材料的导热系数及在高温下的热稳定性[20]。Wu 等[21]制 备 了 多 壁 碳 纳 米 管 / 高 密 度 聚 乙 烯(MWNTs/HDPE)复合材料,并对其热性能进行了深入的研究,实验结果表明:导热系数随着 MWNTs 含量的增加而升高。当MWNTs 的质量分数达到 38 h,混合材料的导热系数比纯HDPE 的高三倍多。徐化明等[22]采用原位聚合法制备的阵列碳纳米管/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料,在氮气和空气气氛下,复合材料的热分解温度比基体材料分别提高了约 100 和60 ℃。在导热性能上,阵列碳纳米管的加人使得复合材料的导热系数达到 3.0 W/mK,比纯 PMMA 提高了将近 13 倍。
在碳纳米管/聚合物功能复合材料方面最近有南昌大学纳米技术工程研究中心[23]研制的一种多壁碳纳米管/环氧树脂吸波隐身复合材料。通过对多壁碳纳米管进行高温 NaOH 处理,使碳管在其表面产生较多的孔洞,提高碳纳米管的表面活性;制备的吸波隐身复合材料具有良好的雷达吸波效果和可控吸收频段,这种吸波复合材料的体积电阻率在 106~107 ·cm 数量级,具有优良的抗静电能力,这对于调整雷达吸波材料的吸波频段和拓宽吸波频宽有着重要意义。美国克莱姆森大学Rajoriat[24]用多壁碳纳米管对环氧树脂的阻尼性能进行了研究,发现碳纳米管树脂基复合材料比纯环氧树脂的阻尼比增加了大约 140 %。
碳纳米管的长径比大,表面能高,容易发生团聚,使它在聚合物中难以均匀分散。如何让碳纳米管在聚合物基体中实现均匀分散是当前需要解决的首要难题。经表面改性的碳纳米管可均匀分散在聚合物基体中,可以利用化学试剂或高能量放电、紫外线照射等方法处理碳纳米管,引入某些特定的官能团。Liu J 等[25]首先采用体积比为 3∶1 的浓硫酸和浓硝酸对単壁碳纳米管进行氧化处理,得到了端部含羧基的碳纳米管,提高其在多种溶剂中的分散性。ChenQD[26]将碳纳米管用等离子射线处理后引入了多糖链。还可运用机械应力激活碳纳米管表面进行改性,通过粉碎、摩擦、超声等手段实现。
碳纳米管在聚合物中的取向应符合材料受力的要求,研究表明,通过一定的加工例如机械共混剪切可以改善碳纳米管在聚合物中的取向,从而进一步改善复合材料的性能。Jin L[27]将多壁碳纳米管溶解于一种热塑性聚合物溶液中,蒸发干燥制备出碳纳米管呈无序分散状态的薄膜,然后在其软化温度之上加热并用恒定负荷进行机械拉伸,使其在负荷下冷却至室温,发现通过机械拉伸复合物可以实现碳纳米管在复合物中的定向排列。
当前碳纳米管/聚合物复合材料的成型一般采取模压、溶液浇铸等手段,模压操作简单、易于工业化,但在降温过程中,样品由于内外温差较大会发生表面开裂等问题;溶液浇铸形成的样品不受外界应力等因素的影响,但除去溶剂过程较长,碳纳米管易发生团聚。
此外,聚合物进行增强改性所用的填料由原来微米级的玻璃纤维、有机纤维等发展到如今的碳纳米管,填料尺寸上的变化使复合物材料原有的加工技术和表征手段都面临着新的挑战,需要在今后大力发展原子水平的新型加工技术和表征手段,以适应碳纳米管聚合物复合材料发展的需要。
碳纳米管以其独特的性能正在越来越多领域得到应用,随着科学技术的进步当前碳纳米管复合材料制备过程中存在的各种问题会逐渐得到解决,总有一天纳米技术会真正走到人们的现实生活当来,给人们的生活带来翻天覆地的改变。
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