泡沫金属的研究现状

泡沫金属的研究现状（共7篇）

泡沫金属的研究现状 篇1

随着我国建筑节能政策的出台以及墙体材料改革的推行, 节能型建材的开发和应用受到了人们的重视, 国家加大了发展节能、保温、利废、隔热、轻体等新型材料的力度.泡沫混凝土作为一种多孔的新型建材, 具有质轻、隔音、隔热、保温等优良性能, 而且可以大量利用工业废料、生产投资少, 在建筑领域中的应用越来越广泛。然而, 泡沫混凝土存在着强度偏低、易开裂、收缩率大、存水率和吸水率大等问题, 这些问题限制了它的广泛应用。

建筑工程纤维是一种细而长的聚合物, 其长径比一般在100以上, 具有一定的抗拉强度、弹性模量以及极限伸长率。纤维与水泥基材相结合, 可以改善水泥基材固有的弱点, 对其性能起到多方面的影响。为了弥补泡沫混凝土的不足, 许多科研工作者在泡沫混凝土中掺入纤维, 以改善泡沫混凝土的性能, 扩大泡沫混凝土的应用。

1 纤维对水泥基体的影响

对水泥机体性能的影响: (1) 减少水泥基体的沉降、分层、离析, 增加了水泥基体的和易性; (2) 增加了水泥基体的粘聚性, 降低了其坍落度。

对凝结、硬化后水泥基体性能的影响: (1) 有效抑制和减少水泥基体早期的塑性收缩裂缝; (2) 显著增加水泥基体的抗冲击性能; (3) 提高水泥基体的抗疲劳性能; (4) 在纤维掺量适当的情况下, 能使水泥基体的抗压、抗折强度有一定程度的增加;但当掺量不足时, 上述影响将不明显。

2 不同种类的纤维对泡沫混凝土性能的影响

2.1 聚丙烯 (PP) 纤维对泡沫混凝土性能的影响

聚丙烯纤维又叫PP纤维, 是由等规聚丙烯纺制成的合成纤维, 具有较强的耐碱性和分散性、较高的韧性和强度。

陈兵等[1]研究了聚丙烯纤维对密度为800 kg/m3~1 500 kg/m3泡沫混凝土的劈裂抗折强度、抗压强度、收缩性的影响, 结果表明:聚丙烯纤维能够显著提高泡沫混凝土的劈裂抗折强度和抗压强度, 泡沫混凝土的抗压强度会随着泡沫掺量的增加而有所提高, 最大可提高45%;聚丙烯纤维可以显著改善泡沫混凝土的干缩性, 对于相同配比的泡沫混凝土, 聚丙烯纤维的掺加, 使泡沫混凝土90 d的干缩值减小53.8%~64.7%。蔡娜在其他条件一定的情况下, 研究了聚丙烯纤维掺量对泡沫混凝土抗压强度、容重的影响, 结果表明:聚丙烯纤的维掺量在0.5%~2.0%时, 泡沫混凝土的容重会随着聚丙烯纤维掺量的增加而减小, 但减小的幅度较小;随着聚丙烯纤维的掺入, 泡沫混凝土的抗压强度有所增加, 但当掺量在1.2%~1.6%范围内, 其强度开始下降。高艳娜[2]对不同掺量、长度的聚丙烯纤维对高强泡沫混凝土抗压强度、抗折强度、干燥收缩性的影响进行了研究, 得出的结论为:掺加长度为9 mm的聚丙烯纤维时, 泡沫混凝土的7 d抗折强度最高, 其28 d的抗折强度仅次于掺加的纤维长度为6 mm泡沫混凝土的抗压强度.掺加长度为3 mm的聚丙烯纤维时, 泡沫混凝土7 d与28 d抗压强度最高, 不同长度的聚丙烯纤维对泡沫混凝土28 d抗压强度的影响不大;掺加3 mm长聚丙烯纤维的泡沫混凝土56 d干燥收缩值最大, 掺加12 mm长聚丙烯纤维的泡沫混凝土7 d干燥收缩值最大, 掺加9 mm长聚丙烯纤维的泡沫混凝土7 d干燥收缩值最小;随着聚丙烯纤维掺量的增加, 泡沫混凝土的抗折强度与抗压强度均有先增大后减小的规律。掺量为0.05%时, 泡沫混凝土的抗折、抗压强度同时达到最大值;泡沫混凝土的干燥收缩值随着聚丙烯纤维掺量的增加有先减小后增大的规律.掺量为0.1%时, 泡沫混凝土的干燥收缩值最小。周栋梁等研究了聚丙烯纤维掺量对泡沫混凝土吸声性能的影响, 结果表明:丙烯纤维掺量分别为0.50%、0.75%、1.00%时, 所对应的泡沫混凝土的吸声系数为0.61, 0.52, 0.56。在低于500 Hz的低频段内, 泡沫混凝土的吸声性能随着纤维掺量的增加而增强, 其平均吸声系数分别为0.34, 0.37, 0.43。

2.2 聚乙烯醇 (PVA) 纤维对泡沫混凝土性能的影响

聚乙烯醇纤维又叫PVA纤维, 是由聚乙烯醇纺制成的合成纤维, 具有很好的机械性能, 其强度高、模量高。

邓军等[3]对不同长度、掺量的聚乙烯醇纤维对密度为700kg/m3~800kg/m3泡沫混凝土抗压抗折强度、劈裂抗折强度、吸水率、收缩率的影响进行了研究, 得出的结论为:掺量为0.08%不同长度的聚乙烯醇纤维与不同掺量12 mm长的聚乙烯醇纤维对泡沫混凝土的吸水率和干重的影响不大;泡沫混凝土的抗压强度随着12 mm长聚乙烯醇纤维掺量的增加呈先降低后升高的趋势。当纤维掺量为0.23%时, 其28 d抗压强度可增大2.97%。聚乙烯醇纤维的掺入可以显著提高泡沫混凝土抗折强度, 长度为12 mm的纤维掺量为0.23%时, 其28 d抗折强度可增大43.24%。聚乙烯醇纤维掺量为0.08%时, 掺加6 mm长聚乙烯醇纤维的泡沫混凝土抗压抗折强度最高;聚乙烯醇纤维可以有效的改善泡沫混凝土的抗裂性能.掺入20 mm长的聚乙烯醇纤维, 泡沫混凝土的抗裂性能较好.掺量为0.15%的12 mm长聚乙烯醇纤维可以有效抑制泡沫混凝土早期的收缩.韩珀等研究了聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维对密度为500 kg/m3~1000 kg/m3泡沫混凝土的抗压抗弯性能的影响, 结果表明:纤维对泡沫混凝土的抗压性能有明显的影响, 可以提高泡沫混凝土抗压峰值荷载以后的承载力;纤维对泡沫混凝土的抗弯性能改善效果明显, 并且在抗弯峰值荷载以后仍保持一定承载力, 表现出了良好的延性;聚乙烯醇纤维与聚丙烯纤维对泡沫混凝土抗弯性能的改善效果类似。

2.3 玻璃纤维对泡沫混凝土性能的影响

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料, 它绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好, 机械强度高。

张喜等研究了不同掺量的高碱玻璃纤维对泡沫混凝土表观密度、抗压强度的影响, 研究表明:泡沫混凝土的表观密度随着高碱玻璃纤维掺量的增加而减小;在高碱玻璃纤维掺量在0~20%之间时, 泡沫混凝土的7 d、28 d抗压强度呈上升的趋势;当掺量超过20%时, 其7 d、28 d抗压强度呈下降的趋势, 并且小于标注泡沫混凝土抗压强度.詹炳根等[4]对不同掺量的玻璃纤维对泡沫混凝土抗压强度、导热性能、干缩率的影响进行了研究, 得出的结论为:与同湿密度等级的泡沫混凝土相比, 玻璃纤维的掺入, 使其抗压强度稍有提高, 抗折强度提高的较大.在灰砂比与干燥密度一定的情况下, 掺入玻璃纤维可使泡沫混凝土抗压强度最大增大30%, 抗折强度最大增大143%, 韧性最大提高8.1倍;对于相同密度的泡沫混凝土, 玻璃纤维的掺量对泡沫混凝土的导热系数影响不大。若不控制泡沫混凝土密度, 随着纤维掺量的增加, 其导热系数会降低;玻璃纤维对泡沫混凝土的干燥收缩有很好的抑制作用, 对其早期干燥收缩的控制效果更加明显。

2.4 玄武岩纤维对泡沫混凝土性能的影响

玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料, 其稳定性好, 而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能。

赵星等[5]研究了不同掺量、长度的玄武岩纤维对表观密度为900 kg/m3的泡沫混凝土抗压强度、抗折强度、吸水率及导热系数的影响, 结果表明:泡沫混凝土的抗折强度和抗压强度均随着玄武岩纤维掺量的增加而增加.当纤维掺量一定时, 其抗压强度和抗折强度均随着玄武岩纤维长度的增加而增加;随着泡沫混凝土容重的降低, 其吸水率会上升;泡沫混凝土的吸水率与玄武岩纤维加入的规格和加入的多少没有明显的相关性;玄武岩纤维的掺入会提高泡沫混凝土的导热系数, 泡沫混凝土的导热系数受玄武岩纤维掺量的影响较大。

3 结语

综上, 纤维的掺入, 一定程度上弥补了泡沫混凝土的不足, 改善了泡沫混凝土的多种性能。但目前国内仅研究了聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维这四种纤维对泡沫混凝土性能的影响, 而且对玄武岩纤维影响泡沫混凝土性能的研究较少。对掺入不同种类纤维的泡沫混凝土有待进行深入的研究, 以更好的改善泡沫混凝土的性能, 扩大泡沫混凝土的应用范围。

参考文献

[1]陈兵, 刘睫.纤维增强泡沫混凝土试验研究[J].建筑材料学报, 2010, 13 (3) .

[2]高艳娜.高密度泡沫混凝土的研究[D].重庆:重庆大学, 2012.

[3]邓军, 霍冀川, 宋言红, 高银, 赵星, 刘煦.聚乙烯醇纤维泡沫混凝土的性能试验[J].混凝土与水泥制品, 2012, 2 (2) .

[4]詹炳根, 郭建廷, 林兴胜.玻璃纤维增强泡沫混凝土性能试验研究[J].合肥工业大学学报, 2009, 32 (2) .

[5]赵星, 霍冀川, 高亚, 邓均, 刘煦.玄武岩纤维增强泡沫混凝土性能的研究[J].混凝土与水泥制品, 2012, 12 (12) .

泡沫玻璃的研究现状及前景展望 篇2

近年来, 随着科技水平的不断提高, 人们的环保意识的不断增强, 尤其是自然资源的紧缺, 迫使人们逐渐改变了“秦砖汉瓦”作为墙体材料的基本格局。在此过程中, 对废弃玻璃和工业废渣的再利用也格外受到了重视。

泡沫玻璃是一种新型节能环保建筑材料, 其原料包括碎玻璃、发泡剂、发泡促进剂和改性添加剂等。这些原料在细粉碎和均匀混合后, 经过高温熔化、发泡、退火等处理工艺制成泡沫玻璃。其内部充满微小的 (直径为1~2 mm) 、均匀连通或封闭的气孔, 它是一种人工制造的多孔材料。

泡沫玻璃能在易潮、易燃、绝热等苛刻环境下使用, 是因为它是一种具有防潮、防火、防腐特点的新型材料, 并且玻璃材料能够长期使用而且保持性能不劣化。泡沫玻璃还被称为绿色环保型绝热材料, 由于其内部充满均匀连通或封闭的气孔, 能有效地吸收声波、阻隔热传递等, 因此可广泛应用于墙体保温、吸声降噪、绿化用保水材料等领域。

1 泡沫玻璃的研究现状

1.1 国外微晶泡沫玻璃的研究进展

1935年, 法国Saint-Gobain公司用粉碎的玻璃粉作为原料, 以碳粉和碳酸钙作为发泡剂, 成功研制了首例泡沫玻璃。其制备工艺是将粉碎的玻璃粉与碳粉、碳酸钙混合之后放在耐热模具中加热, 加热到850~860℃, 使之发泡膨胀, 然后退火, 便制成了轻石状的材料。但由于其外观和性能不均匀, 只能用作混凝土的轻骨料, 从那时起就将其称为泡沫玻璃。这种方法从装料到退火是在同一窑炉和同一模具中进行, 也被称为“一步法”。

泡沫玻璃研制成功之后, 美国、德国、英国、前苏联等国也相继发表了许多关于泡沫玻璃的专利和研究报告。1941年, 美国匹茨堡-康宁 (PittsburghCorning) 公司采用“二步法”研制成功了闭孔型泡沫玻璃。其制造方法是利用碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和发泡促进剂等, 经过细粉碎和均匀混合后, 再经过高温熔化、发泡、退火而成。其处理工艺相当于将发泡好的半成品脱模, 然后再进行退火处理, 制成了具有封闭气孔的低密度泡沫玻璃。

目前, “二步法”被广泛应用于泡沫玻璃的生产和冷保温墙体、管道等领域。“二步法”具有发泡过程和退火阶段分别独立控制, 相互不受牵制影响, 并且可以大大节省模具材料的优点。应用发泡后脱模再退火的“二步法”后, 模具不必再经过长时间的退火周期, 可以减少用模数量, 降低生产成本。

1.2 国内微晶泡沫玻璃发展状况

我国对泡沫玻璃的研究始于1955年, 相继建设了数十个工厂生产泡沫玻璃, 并在沈阳陶瓷厂最先开始试制。但由于技术、管理等种种因素的制约, 生产规模一直处在较低水平, 甚至有部分厂家开始走向破产重组。从20世纪70年代中期到90年代中后期, 经历了20余年的发展, 泡沫玻璃的产品逐渐增多, 生产规模逐步扩大, 泡沫玻璃的应用领域也更加广泛。并且产品质量达到了美国ASTM标准, 不仅可满足国内市场的基本需求, 而且有少量产品出口到东南亚国家。

2 泡沫玻璃生产工艺

目前, 泡沫玻璃的生产大多是采用美国匹茨堡-康宁 (Pittsburgh-Corning) 公司的“两步法”进行生产。

匹茨堡-康宁 (Pittsburgh-Corning) 公司采用特殊设计并在一定温度下熔化的玻璃, 由于这种玻璃更为纯净, 使得泡沫玻璃产品的品质更高。该工艺是将玻璃原料在粉磨车间内与发泡剂、助剂等混合并磨成细粉, 加入模具中经过压实后, 再在发泡炉内于850~860℃温度下进行烧结和发泡。生产中通常在500~600℃进行充分预热, 然后再快速地进行升温, 使配合料均匀发泡。泡沫玻璃经过发泡和定型后再脱模, 泡沫玻璃毛坯经退火消除其热应力后, 即可进行加工制成泡沫玻璃成品, 并进行检验和包装。

3 泡沫玻璃的应用

3.1 保温玻璃

由于闭孔泡沫玻璃具有较低的传热系数, 可用于建筑墙体、化工保温冷冻等, 是一种性能良好的绝热保温材料。建筑所用的保温隔热泡沫玻璃, 其99%的化学组成为无机玻璃, 具有不吸水、不燃烧、不变形、不老化、无毒、无辐射、耐腐蚀性强、防潮、防蛀、强度高、尺寸稳定性好等优点, 是一种新型的绿色环境友好型材料, 不仅适合建筑外墙体, 还可用于屋面顶棚、地下室保温等。

3.2 吸声防潮玻璃

开孔型泡沫玻璃的气孔互相连通, 有良好的吸声消音特性, 能起到降噪的作用, 可用作吸声材料。开孔型泡沫玻璃可以砌筑成大截面通风消声器, 用于大型商场、展厅、候机楼、火车站候车厅等人流较多的地方。此外, 开孔型泡沫玻璃还具有优良的防腐防水等特性, 可用于地铁、地下商场、游泳馆等防潮的建筑中。

3.3 轻质混凝土骨料

粒状泡沫玻璃是一种环保、节能、价格低廉且具有不燃性的新型建筑节能材料, 主要用于轻质混凝土骨料。轻质混凝土具有密度小、质量轻、抗震等优点, 将其应用于建筑工程中不仅可降低运输费用, 减轻工人的劳动强度, 还可以节约资源, 并减少对环境的污染。

3.4 绿化用保水材料

泡沫玻璃也可应用于绿化工程。由于泡沫玻璃是一种具有良好的吸水保水性能的多孔材料, 可以将泡沫玻璃板作为保水材料固定在岩石基的斜坡上。这种板具有轻质、保水性能优良的特点, 当坡面因失水变干时, 泡沫玻璃板中储存的水分可继续供给土壤和树根。另外, 由于这些泡沫玻璃板是交错拼接的, 能有效地阻止水土流失。

4 泡沫玻璃的研究前景

目前, 我国生产泡沫玻璃的技术工艺尚处于发展阶段, 还不够成熟。在发展过程中, 尤其要重视发挥泡沫玻璃优良的环保节能和安全可靠等作用。泡沫玻璃的发展趋势主要体现在以下几个方面:

(1) 对固体废弃物料的有效利用。例如可以利用废弃的电视机屏幕等制作显像管的玻璃来生产微晶泡沫玻璃, 这一技术可以充分利用废弃玻璃产品, 值得推广。

(2) 在泡沫玻璃的生产工艺过程中, 应该在保证产品质量的前提下尽量采用“一步法”生产工艺, 这样可以简化工艺, 有效地节约成本。

(3) 进一步拓展泡沫玻璃的应用领域, 例如应用于绿化保水材料、生物材料载体等领域。

(4) 需要研究如何改进工艺参数, 设计更加合理的工艺路线, 以提高成品率。

(5) 在制备新型微晶泡沫玻璃时, 可以作为成核剂等加入。

(6) 对使用工业废渣生产泡沫玻璃还需进一步加强试验研究, 其方向是如何实现低温发泡, 为未来工业化生产时减少燃料消耗、降低成本进行探索。

5 结语

在可持续发展、环保节能和环境友好的大背景下, 新型的泡沫玻璃将以其保温隔热、吸声、轻质等特性, 广泛应用于隔热材料、保温材料以及防火材料和建筑吸声材料等领域, 具有广阔的市场发展空间。尽管目前国内泡沫玻璃的发展还不够成熟, 但人们对泡沫玻璃的需求将会与日俱增。现在迫切需要解决的问题是加强试验研究, 做进一步探索, 改进工艺参数, 合理组织生产, 节约生产成本。对于废弃玻璃的利用, 在对其进行充分利用的前提下也应深入研究, 进一步改进生产工艺, 以生产出性能优良的泡沫玻璃产品, 促进泡沫玻璃的发展。

参考文献

[1]葛伟青, 杨静.国内泡沫玻璃的研究现状及发展趋势[J].唐山学院学报, 2008, 21 (2) :66-67, 86.

[2]张雄, 曾珍.泡沫玻璃在工程上的应用现状[J].建筑材料学报, 2006, 9 (2) :177-182.

[3]顾永成.低密度泡沫玻璃的研究与应用[J].中国陶瓷, 2007, 43 (9) :51-54.

[4]施其祥.泡沫玻璃的用途及其制造方法[J].中国玻璃, 1997 (2) :18-21, 25.

[5]沈琪, 陈克荣, 吴义军, 等.泡沫玻璃和微晶泡沫玻璃的研制[J].南京大学学报:自然科学版, 1999, 35 (3) :373-377.

[6]徐锦新.开拓应用领域发展泡沫玻璃[J].上海建材, 1992 (2) :20-23.

[7]田英良, 顾闻周, 李文彪, 等.泡沫玻璃在建筑节能中的应用[J].保温材料与建筑节能, 2002 (6) :41-43.

[8]吴义军, 陈克荣.微晶泡沫玻璃的研制及其展望[J].江苏建材, 1996 (4) :17-19.

[9]李卫东, 李月强, 刘艳改, 等.新型建材——泡沫玻璃的发展与应用前景[J].中国陶瓷工业, 2007, 14 (1) :36-38.

泡沫金属的研究现状 篇3

对泡沫陶瓷的研究始于19世纪70年代,主要应用于铀提纯材料和细菌过滤材料。随着人们对泡沫陶瓷的研究不断深入和重视,其使用范围、应用领域不断地扩大,从最初的过滤、 热工等领域,已逐步扩展到隔热、吸音、光电、传感、环境生物等领域。而中国在20世纪80年代初才开始着手研究泡沫陶瓷,从近20年国内科研机构和厂家报道的有关泡沫陶瓷制品研究来看,中国的泡沫陶瓷无论是种类还是质量与国外相比还存在较大的差距。国内外对泡沫陶瓷材料的研究主要以开孔型为主,而对闭孔型来说,则基本处于一种前沿科技研究和高端应用状态,如高级保温、保冷集装箱、航天飞机的外壳隔热等。特别具有良好绿色特征,高效多功能,且能应用于建筑节能领域的闭孔泡沫陶瓷材料,在国际或国内都极少。

因此,闭孔泡沫陶瓷作为一种集隔热保温、隔音、耐腐蚀、防水等众多优点于一体的多功能材料,使用在建筑领域上将对我国节能环保有着重要的意义,目前已受到广大研究者的重视和关注[1,2,3,4]。本文主要介绍了国内外闭孔泡沫陶瓷的研究现状,对国内研究闭孔陶瓷存在的问题进行了分析,并对其在建筑领域的应用前景进行了展望。

1闭孔泡沫陶瓷的研究现状

泡沫陶瓷的制备工艺很多,传统的制备方法有发泡工艺、 添加造孔剂工艺、有机前驱体浸渍工艺、固体烧结法、溶胶凝胶法等,新兴的工艺有凝胶注模工艺、自蔓延高温合成工艺等[3],其中只有发泡工艺是目前制备闭孔泡沫陶瓷的较成熟一种方法[4]。

发泡法制备泡沫陶瓷具有较易获得一定形状、组成和密度的多孔陶瓷 的优点,国外很多 学者对此 进行了研 究,如Schuster等[5]采用硫化物和硫酸盐两种作为混合发泡剂与粘土质材料混合,不需预处理直接加热发泡,制成了各向同性的高性能多孔陶瓷; Kim YW等[6]以聚碳硅烷为原料,CO2为发泡剂,采用陶瓷先躯体聚合物溶液制得了孔结构分布均匀的多孔Si C陶瓷,其孔径范围为2 ~ 10 μm; Kim Y W等[7]也研究了采用聚硅氧烷和膨胀微球体来制造闭孔微孔陶瓷,此方法是将低沸点碳氢化合物包裹在热塑性聚合物外壳中,形成热膨胀性发泡微粒子,通过加热使低沸点碳氢化合物发生膨胀,同时热塑性外壳软化从而整体急速膨胀形成独立的中空气泡。通过控制微球的含量,其孔隙率可在70% ~ 87% 之间调整。Gonzenbach U T等[8]采用胶体颗粒作为泡沫稳定剂,用直接发泡法制得多孔Al2O3陶瓷,分析了不同的固结法和干燥法对制品的显微组织、孔隙度和抗压强度等性能的影响,发现在干燥前通过颗粒凝结固化 湿泡沫有 利于形成 闭孔结构,陶瓷的孔 隙度为86. 5% ,平均泡孔尺寸35 μm,抗压强度6. 3 MPa; 美国专利4451415[9]采用硅酸盐矿物为原料、六方结晶氮化硼为发泡剂, 通过加热熔融发生反应放出气体从而形成多孔结构,冷却后制成可用于建筑物隔热装置的多孔陶瓷。

国内研究相对较少,吴皆正等[10]以石英砂为原料,用十二烷基磺酸钠和碳酸钙为发泡剂,制成了气孔率为35% ~ 55% 、 孔径分布窄的微米级多孔陶瓷。王国梅等[11]利用地方瓷砂原料,添加废碎玻璃、Fe2O3发泡剂、碳粉来制备具有防水、保温功能的高温发泡陶瓷,主要分析了原料配方、烧成制度对制品性能 ( 导热系数、吸水率、密度和强度) 的影响; 孙国梁等[12,13]以石英为主要原料,钠长石或钾长石作熔剂,Ca CO3或Ca SO4为成孔剂,PVA为粘结剂,干压成型后于1600 ℃ 左右烧结成闭孔泡沫陶瓷,从原料及制备工艺对闭孔石英泡沫陶瓷的性能进行了研究,制备出了闭孔气孔率为58. 07% ,抗压强度为4. 56 MPa的样品。张小峰等[14]采用发泡法,以废石膏为发泡剂,通过干压成型工艺制备出了中铝质闭孔泡沫陶瓷砖,主要探讨了助烧熔剂和烧成制度等因素对闭孔泡沫陶瓷砖性能的影响,制备出了闭孔气孔率为57. 2% ,抗压强度为4. 82 MPa的样品。池跃章等[15]以抛光砖废渣和珍珠岩尾矿为基料, 探讨了不同发泡剂 ( 碳粉、Ca CO3、Fe2O3和废玻璃) 对制备闭孔发泡陶瓷性能的影响。发现在1160 ~ 1180℃ 烧成温度下, 掺入适量的碳粉、Ca CO3、Fe2O3和废玻璃均能提高发泡效果, 形成闭孔陶瓷,其中掺入不大于3% Fe2O3效果最佳,能制备出结构均匀性的闭孔陶瓷。崔崇等[16]公开了一种闭合气孔泡沫陶瓷的制备方法,采用高分解温度的硫酸钙发泡剂和无机高温氧化碳化硅造孔剂复合造孔,采用高铝质耐火砖,硬质粘土、 长石为原料,经过混合、球磨、压滤、干燥、陈腐后,机压成型,在1350 ~ 1400 ℃ 的空气气氛下烧结,冷却到室温制得闭合气孔率可高达75% 以上的泡沫陶瓷。

2存在的问题及解决措施

但从目前的研究与应用来看,一些问题还需要进一步解决:

( 1) 缺乏有效精确控制孔径的手段。如何控制孔径的大小、形态、数量以及分布已经成为提高泡沫陶瓷性能的关键。 虽可以通过选择发泡剂的种类和用量得到不同孔径和形状的制品,但如何通过优化工艺配方和工艺过程来提高材料气孔均匀性、制备高闭合气孔率的材料,还须进一步研究探讨。

( 2) 对多孔陶瓷孔结构的演变机理目前还是缺乏足够的了解,所以可以考虑通过计算机仿真技术进行模拟实验,从而对实验进行辅助、指导。

( 3) 目前制备闭孔陶瓷的方法主要是发泡法,如何寻找新的制备方法或采取发泡法和其他制备工艺相结合的方法是值得研究的,从而制备出高气孔率、高强度的闭孔陶瓷材料,以扩大闭孔陶瓷的应用领域。

( 4) 须进一步加大对闭孔陶瓷的应用研究及推广。从目前的文献来看,国内研究者大多比较重视材料本身性能的研究, 而对材料应用性能的研究却相对薄弱。今后应加强企业和研究单位之间的技术交流与合作,以促进研究成果的转化和应用, 从而提高闭孔陶瓷的产业化水平。

3闭孔泡沫陶瓷在建筑领域的应用前景

闭孔多孔陶瓷是一种具有吸能、隔热、抗冲击等优点的功能材料,据有关报道称世界上最好的绝热材料是 “真空闭孔泡沫陶瓷”,其传热系数比硬质聚甲酸乙酯泡沫材料还低上千倍, 有 “超级绝热材料”之称。保温绝热是闭孔泡沫陶瓷最主要、 最传统的应用之一,除了保温绝热,闭孔泡沫陶瓷还具有隔音、耐腐蚀、防水等其它性能,因此可作为复合功能材料进行应用,特别是在建筑节能领域中使用,如可作为墙体保温隔热、防火、防水、防腐、隔音一体化材料; 地下工程防水、防渗、防潮、防火、保温隔热一体化材料等等。

目前国内有些科研机构和企业已意识到闭孔泡沫陶瓷对于建筑节能的重要意义,开始关注这一新兴项目。2012年,在北流市就举行了闭孔泡沫陶瓷与建筑节能产业发展论坛第一届国际学术研讨会,在会议上来自建筑行业的专家学者等对闭孔泡沫陶瓷的产品研发、技术要求、市场前景进行了探讨,此举充分说明人们已认识到闭孔泡沫陶瓷对建筑节能的重要性。随着我国建筑业的迅速发展,建筑节能产业已成为我国经济转型、 结构性调整的重点工作,目前我国建筑能耗约占全社会总能耗的1 /3,如何降低建筑能耗,提高节能比例已经成为我国建筑行业迫切解决的问题。闭孔泡沫陶瓷具有良好的保温、绝热、 隔音、耐腐蚀、防水等性能,因此作为一种复合功能材料,相信在建筑节能领域中将有非常广阔的应用前景。

摘要：闭孔泡沫陶瓷由于结合了陶瓷材料自身的优异性能以及其特殊的多孔结构,从而具有良好的保温、绝热、隔音、耐腐蚀、防水等性能,可作为复合功能材料在建筑领域中应用,对环境保护、能源节约具有重要的意义,已得到了行业,科研机构的广泛关注。文章介绍了闭孔泡沫陶瓷的国内外研究现状,对其在制备工艺、成果推广等方面存在的问题进行了分析,对其应用前景进行了展望。

泡沫金属的研究现状 篇4

电子在石墨烯分子中的迁移速率可达15000cm2/V·s,而且迁移率几乎不随温度而发生变化[7],因而石墨烯具有优异的导电性能。石墨烯具备优良的导热特性,热导率在(4.84±0.44)~(5.30±0.48)×103W/(m·K)之间。单层石墨烯的吸光度只有2.3%[8]。用氧等离子体处理过的石墨烯能产生光致发光现象[9]。石墨烯是目前已知的强度最高的物质,其断裂强度为125GPa,杨氏模量为1TPa[10]。

目前,石墨烯的制备方法主要有剥离法、氧化还原法和化学气相沉积法等。剥离法工艺简单、制作成本低廉,是最经济的一种方法,主要有机械剥离、电化学剥离、热膨胀剥离和溶剂剥离法等[11]。机械剥离法最常用,可以获得比较完美晶体结构、缺陷含量较低的石墨烯层片,但最大的缺点是生产效率低,仅适用于实验室的基础研究。还原氧化法有高温热处理还原、催化还原、电化学还原、还原剂还原和溶剂热还原等方法[12,13]。制备氧化石墨的方法有Staudenmeier法、Brodie法和Hummers法3种[14]。氧化还原法在制备过程中往往对石墨的结构有一定的破坏,导致其性能特别是电性能明显下降[15]。化学气相沉积(CVD)法是反应物在高温和气态的条件下发生化学反应,使生成的物质沉积在加热的基体表面,从而制得薄膜材料的工艺方法[16]。该法是制备大面积、高导电率石墨烯的一种重要方法。常用的金属基底有镍和铜。铜基底上生长的石墨烯大多为单层石墨烯,镍基底上生长的石墨烯多为少层或多层。

2010年,Chen等[17]采用CVD法,以泡沫镍为模板,甲烷为碳源,氢气和氩气为保护气,HCl或FeCl3为刻蚀剂,制备了导电性能良好的三维多孔泡沫石墨烯(GF)。石墨烯以无缝连接的方式构成一个全连通的整体,具有优异的电荷传导能力、大的比表面积和高孔隙率以及优良的机械性能,还具有低的密度,在锂离子电池,燃料电池和太阳能电池等储能领域开辟了广阔的应用前景。同时,GF为和金属氧化物纳米材料结合提供了良好的平台。

1 GF在电池领域的研究现状

1.1 在锂离子电池中的应用

Li等[18]采用CVD法制备GF,其电导率高达约1000S/m,密度低约0.1mg/cm2,厚度仅100μm左右,约99.7% 的孔隙率和高的比表面积。通过原位水热法使LiFePO4(LEP)和Li4Ti5O12(LTO)沉积在GF的表面,分别制成锂离子电池的阳极和阴极。结果表明该电池的充放电率可达200C,可制备1个直径小于5mm的没有结构缺陷和能耗损失的高能效的锂离子电池。

Ji等[19]通过CVD法,以泡沫镍为模板,甲烷为碳源,制得了三维超薄泡沫石墨烯(UGF),其密度低约9.5mg/cm3,孔隙宽为50μm,孔隙大小200~500μm,导电率在室温下约1.3S/m。用滴落涂布法使UFG与锂铁磷酸盐(LFP)结合制成锂离子电池的阴极,实验表明在充放电电流密度为1280mA/g的条件下,UGF/LFP的充放电能力为70mAh/g,而Al/LFP的充放电能力则失效,UGF/LFP为阴极的电池的充放电能力要比Al/LFP阴极电池高出23%,比泡沫镍/LFP阴极电池高出170%。由此可知,UGF比铝箔和镍箔具有更稳定的电化学稳定性,适合用于制备锂离子电池的碳基板。而且制备方法与其他电化学材料相比,UGF电极的制备工艺简易、成本低廉。

Luo等[20]通过CVD法,以泡沫镍为模板,甲烷为碳源,氩气和氢气为保护气体,Fe(NO3)3/HCl混合溶液为刻蚀剂,得到GF;然后将GF放在等离子刻蚀(RIE)系统上,通入氧气流(100sccm),70MPa,100W的功率下5min;再通过原子层沉积(ALD)技术使氧化锌沉积在GF表面上;此时将氧化锌沉积的GF浸入到30mmol/L的FeCl3和30mmol/L的葡萄糖的混合溶液中24h,使氧化锌完全转化成FeOOH;最后将样品取出在氩气的保护下400℃ 热处理2h,使FeOOH转化成Fe3O4,葡萄糖转化成无定形碳,最终合成Fe3O4包覆的三维石墨烯(Fe3O4@GF)复合材料。将这种复合材料用作锂离子电池的阳极,发现其具有较高的可逆能力和快速的充放电能力,在不需要500 周期的衰变条件下就可以1C的速度达到785mAh/g的高容量。除此之外,当速度达到60C的时候表现出具有快速放电的潜力,这是至今报道性能最好的含Fe3O4的锂离子电池。

Goh等[21]首先将密度为380g/cm3、厚度为1.2m的泡沫镍放入直径2.2~3μm的镍粉和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的混合浆液中超声处理30min,使上述镍粉和PMMA的均质混合浆液慢慢溶于泡沫镍中,再将得到的泡沫镍的混合材料在80℃下焙干5h,然后在200℃下热处理10h后得到PMMA涂覆镍粉的泡沫镍(PMMA-Ni@泡沫镍);再采用CVD技术,将PMMA-Ni@泡沫镍放入石英炉中,其中PMMA可以作为固体碳源又可以起到使镍粉固定到泡沫镍中的作用,之后再将金属模板镍和镍粉刻蚀除去,得到三维蛋壳形貌的多孔泡沫石墨烯(GE@GF),石墨烯的孔径尺寸100~400μm。同时,Goh等也采用了CVD技术,以泡沫镍为模板和催化剂,制备了GF作为对照。将GF和GE@GF作为锂离子电池的阳极,经过实验测试结果表明,GF和GE@GF 2种材料电极的锂离子电池要比Li/Li+锂离子电池达到电位稳定时电压要高出0.75V;GF电极在进行了第一次放电后电容为557mAh/g,可逆容量为(370±5)mAh/g,再经过45个周期的循环充放电后电容为366mAh/g;而GE@GF电极在进行了第一次放电后电容为424mAh/g,可逆容量为328mAh/g,同样进行了45个周期的循环充放电后电容为368mAh/g。经过循环伏安测试表明,GE@GF电极的初始库伦效率增加了77.5%,而GF电极却增加了66.3%。当电流密度减少到初始37mAh/g值时,GE@GF电极仍然可以保持390mAh/g的电容,显示了良好的可逆性能力。总的来说,由于其独特的结构形貌,缩短了锂离子的扩散路径,增加了锂离子的扩散率,GE@GF作为锂离子电池具有更好的循环可逆性。

1.2 在燃料电池的应用

Yong等[22]采用CVD法以泡沫镍为模板放入1000℃ 的石英炉中,氢气和氩气为保护气体,10min后通入乙醇作为碳源,20min后停止通入乙醇,继续在氢气和氩气的保护下以100℃/min的速度快速冷却至室温,合成了石墨烯包覆的泡沫镍,再用3mol/L的HCl溶液在80℃条件下刻蚀掉镍,得到孔径100~300μm,比表面积约850m2/g的GF。通过原位聚合的方法使聚苯胺(PANI)沉积在GF的表面上,作为高效微生物燃料电池的阳极。由于这种电极特殊的三维结构和极大的比表面积,有效的促进了电子的迁移速率(EET),为电子提供了一条多重并且高导的通路。为微生物燃料电池的阳极设计提供了一个新的思路。

Qiu等[23]采用CVD技术,将0.5mm×0.5mm厚的泡沫镍作为催化剂和模板放入石英炉内,以50℃/min的速率快速升温到1000℃,并以氢气和氩气(H2∶Ar=25∶50)作为保护气,10min后通入乙醇作为碳源生长石墨烯,20min后停止通入乙醇并以100℃/min的速率,在氢气和氩气流的保护下迅速冷却到室温,得到石墨烯包覆泡沫镍生长的三维复合产物;将产物切割成1cm×1cm×0.5mm的试样,放入3mol/L的稀盐酸溶液中刻蚀去除模板镍,得到三维形貌的石墨烯。之后将24mmol/L的K2PtCl4溶液中加入经过甲酸法处理过的绿色铁球菌蛋白(apo-Ftn)溶液中(1mmol/L,pH=8.5),直到达到具有理论值的20 个铁原子为止,将混合物在室温下搅拌2h;接着,将10mmol/L的NaBH4溶液加入上述混合液中在室温下搅拌3h,即得到(Pt)Ftn溶液;将合成的1cm×1cm×0.5mm的三维(3D)石墨烯浸入在5mL 1.0mmol/L的(Pt)Ftn溶液中10h,得到了(Pt)Ftn/3D石墨烯复合材料;在彻底清洗(Pt)Ftn/3D石墨烯复合材料后,以5℃/min的速率加热到400℃,在氮气气氛中除去蛋白质壳,得到了Pt NP/3D石墨烯复合材料。再用Hummers方法制备氧化石墨(GO),再用N2H4使GO还原得到还原氧化石墨(r-GO),将3mg的r-GO加入5mL 1.0mmol/L的(Pt)Ftn溶液中混合10h后,将产物离心并加热至400℃,即得到Pt/r-GO复合材料。将得到的Pt NP/3D石墨烯复合材料作燃料电池的独立工作电极,并将Pt/r-GO和商业用的Pt/C(质量分数为20%的Pt沉积在石墨上)用质量分数为0.05%全氟磺酸溶液溶解在直径为4mm的玻碳电极上也作燃料电池的工作电极,与其形成一个对比。实验结果表明,Pt NP/3D石墨烯电极由于其独特的结构使其与其他2种电池相比具有更大的优势,在同样进行了2000个周期循环伏安测试(CV)后,石墨烯电极的电化学表面积(ES-EA)仍然保持初始值的65%,Pt/r-GO的ESEA保持初始值的57%,而Pt/C降低到只有初始值的45%。

1.3 在太阳能电池的应用

Bi等[24]首先将泡沫镍放入醋酸溶液中浸泡30min以除去表面上的氧化层,再放入异丙醇和丙酮的混合溶液中清洗10min,最后用去离子水清洗后干燥;然后以上述的泡沫镍为催化剂和模板放入1000℃的高温炉中,通入氢气和氩气作为保护气,40min后通入微量的甲烷气体作为碳源生长石墨烯,10~30min后停止通入甲烷将炉子温度以200℃/min的速度快速冷却至500℃,此时继续通入氢气和氩气;冷却到室温后,得到石墨烯包覆生长的泡沫镍;然后将得到的样品滴加4%的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在100℃ 的条件下加热2h,得到PMMA/石墨烯/泡沫镍复合材料;最后分别用5mol/L的HCl和热的丙酮去除镍和PMMA,得到GF。将该材料用于CdTe太阳能电池的工作电极,发现其具备优秀的电传输特性(Rs~0.45Ω/sq,δ~600S/cm),显著提高光伏发电效率9.1%。

2 结论

泡沫金属的研究现状 篇5

一、泡沫欠平衡钻井液在国内的应用现状

国内欠平衡钻井液应用并不多。中原油田使用清水混气钻井液成功实施2口井。其中, 实施的毛8井混气段机械钻速可达0.96m/h, 而该区域的定额机械钻速为0.27m/h。因此, 使用清水混气毛8井的混气段机械钻速与定额机械钻速相比, 钻速提高了近三倍。但使用清水混气钻井液, 当气水比达到12.5%时, 水与空气之间十分容易发生分离现象[1]。

吐哈地区在恰102井对泡沫欠平衡钻井进行了试验, 但是在起钻后, 发生了井下坍塌现象, 试验以失败告终, 但吐哈地区还是总结了相关经验, 并且取得了一定的试验成果。当其他钻井参数相同时, 采用泡沫欠平衡钻井液进行钻井, 其机械平均钻速可达8.61m/h, 而一般的钻井液的机械钻速仅为2.63m/h, 泡沫欠平衡钻井液的机械钻井速度比应用一般的钻井液机械钻速高出三倍多, 只是泡沫品质过高, 超过了97%, 导致泡沫流体雾化, 并不具有足够的携砂能力。因此, 应该应用于稳定性比较好的地层, 而且, 其泡沫品质应该维持在53%至96%之间。井底的泡沫品质也不应该低于53%。

二、泡沫欠平衡钻井液研究

泡沫钻井液是指气体介质在液体中分散后与稳泡剂和发泡剂或者粘土相结合而形成的一种分散体系, 一般会被应用于低压产层钻井中。泡沫欠平衡钻井液分为可循环硬胶泡沫和纯泡沫两类。其中, 可循环硬胶泡沫还可以称为微泡钻井液, 而纯泡沫还也称为稳定泡沫。硬胶泡沫是由粘土、气体、发泡剂与稳定剂组成的稳定的分散体系, 其特点是泡沫寿命长、携砂能力比较强。常用于对大直径钻井岩屑携带、清洗井底、防漏、堵水、堵漏等等。但硬胶泡沫对油品污染和电解质都比较敏感, 所以通常不适宜在油气井中应用。胜利油田广泛应用了可循环硬胶泡沫钻井液, 其他油田应用则较少。可循环硬胶泡沫的滤失量比较低, 固相含量也比较少, 而且泡沫具有较好的稳定性以及较高的强度, 同时还可以对其进行循环使用, 也不会对泵上水造成任何影响。另外, 可循环硬胶泡沫工艺比较简单, 而且投资比较少, 但效益却非常高。泡沫钻井液成本比较低, 但是粘切比较大, 会使得钻井液动态井底当量密度比较大, 气体和液体也不容易发生分离, 尤其是钻遇以天然气为主的油气层的时, 无法及时分离天然气, 从而加大了钻井危险。泡沫钻井液在胜利油田中应用效果比较好, 对其受压力与温度的影响情况也有一定研究, 只是所用井深都在三千米左右[2]。

纯泡沫钻井液则主要由气体、水、发泡剂和稳定剂以及其他化学助剂等组成。其中, 气体主要包括氮气、空气、天然气以及二氧化碳等。纯泡沫与硬胶泡沫钻井液不同, 它对各种原油、电解质以及钻井作业过程中产生的污染物并不敏感, 而且还可以与之配伍, 同时还能够对水进行处理。纯泡沫钻井液主要应用于对油气层损害的保护, 以及应用于低压油气层与枯竭层、地热井钻井、介于-20和-80摄氏度的永冻地区中。纯泡沫钻井液具有密度低、对油层伤害小、携岩能力较强等特点。如今泡沫欠平衡钻井液已经广泛应用在国内长庆、新疆、辽河、二连和华北等油田的低压油层钻井中, 而且取得了较好的效果。

三、泡沫欠平衡钻井液的应用前景

油层通常具有低渗、低压等地质特征, 可以应用与泡沫钻井液匹配的泡沫欠平衡钻井工艺来解决钻井过程中存在的问题, 合理利用泡沫欠平衡钻井液技术, 可以在很大程度上减少钻井液对油层的伤害。泡沫欠平衡钻井液的净化能力比较强, 特别是在实施水平井和大斜度井的钻井过程中, 有效解决了沉积在井眼下侧的岩屑床等问题。泡沫欠平衡钻井液能较好的适用于一些压力系数比较低的地层钻井过程中[3]。

泡沫欠平衡钻井液不但性能比较稳定, 而且携砂和携岩能力较强, 相当于清水的十倍左右, 其润滑性能、抗污染性能与岩屑清洁能力等方面都较好, 有利于对其进行分析, 防止油层坍塌或油气渗漏等现象发生。在一些裂缝发育或者漏失比较严重的地层、低压或者超低压的地层中, 应用泡沫欠平衡钻井液有利于降低事故发生率, 防止井壁坍塌等事件发生。泡沫欠平衡钻井液还可以满足地质录井的要求, 及时发现并且保护油气层。另外, 其成本较低, 不需要增加额外设备, 可以为整个钻井施工过程的高效优质提供保证。应用泡沫欠平衡钻井液钻井时, 会存在腐蚀工具和井壁稳定等问题。因此, 要配备专门设备以及水力学软件模型对岩石的机械特性等进行充分考虑。

结束语

综上所述, 使用欠平衡钻井液进行钻井, 具有保护油气层、提高产能以及降低成本等优点。因此, 相关部门应该加大对泡沫欠平衡钻井液的研究力度, 不断创新与欠平衡钻井液相匹配的关键技术, 为泡沫欠平衡钻井技术在国内钻井中的广泛应用打下良好的基础。

摘要：泡沫钻井液是欠平衡钻井技术中应用效果较好的一项技术, 欠平衡钻井技术的飞快发展推动了相应的欠平衡钻井液技术的不断更新与进步。本文主要对泡沫欠平衡钻井液在国内的相关研究现状进行了介绍, 并对其应用前景进行了相关探讨。

关键词：泡沫,欠平衡,钻井液,研究现状,应用前景

参考文献

[1]田中岚, 申瑞臣, 杨松.泡沫欠平衡钻井液研究与应用[J].钻采工艺, 2002 (11) :45-46.

[2]赵海洋, 郭宗诚, 周永章, 毛万明.欠平衡钻井液技术研究现状[J].石油钻探技术, 2002 (12) :58-59.

木陶瓷/金属复合材料的研究现状 篇6

木陶瓷(Woodceramics)自20世纪90年代初由冈部敏弘、斋藤幸司开发以来,作为一种典型的环境材料,就以其广泛的应用性和良好的环境协调性引起学术界的普遍关注[1]。木陶瓷是木质材料在热固性树脂中浸渍后真空碳化而成的新型多孔碳素材料,具有低密度、优异的耐磨和减磨性、优良的电磁屏蔽效应和远红外线放射特性等特点。但由于木质材料在绝氧碳化后转化为多孔的软质无定形碳,浸渍的热固性树脂生成了硬质的玻璃碳,该材料的力学性能(强度、韧性)、高温抗氧化性、导热和导电性能较差,阻碍了其应用[2]。以木陶瓷为模板,把具有可塑性、导热性、导电性优异的金属材料(如Al、Mg、Cu等)浸入到脆性大的木陶瓷生物组织互相贯通的孔隙中,获得一种具有两相或多相互穿网络结构的木陶瓷/金属复合材料,可以有效提高木陶瓷材料的性能,其中的陶瓷相可以提高材料的耐磨性、耐热性、耐蚀性或强度,并可以降低热膨胀系数和密度,而金属相可以改进材料的韧性、导热性和导电性等。这种复合材料以其良好的力学性能、热学性能、摩擦学性能、阻尼性能等受到了广泛关注,具有广阔的应用前景。

目前,对于木陶瓷/金属复合材料的研究还不深入,主要在材料制备工艺、材料性能和增韧增强机理等方面开展研究。对这种新型复合材料的低成本高效率制备方法与性能特点进行深入研究,并且探索可能的应用途径,将是近期研究的重点[3,4]。为此,本文就木陶瓷/金属复合材料的研究现状及发展趋势进行了综述,并提出了一种以麻纤维织物为模板制备纤维织物遗态陶瓷/金属复合材料的新思路。

1 木陶瓷/金属复合材料制备机理及制备方法

1.1 木陶瓷/金属复合材料的制备机理

木质材料是一种可再生的、天然多孔性高分子材料,其优异的结构形态为陶瓷基复合材料提供了成型的骨架[5]。木质材料主要由纤维素、半纤维素、木质素等生物高分子组成,具有显著的多层次复合结构。植物细胞死亡后留下的空隙和管道是木质材料的主要结构特征,具有很高的气孔率[6],其中空隙所占的体积比随木质材料的种类和相对密度的不同而不同[7]。绝大多数阔叶材有导管,按管孔大小分为小管孔(0.1mm以下)、中等管孔(0.1～0.3mm)、大管孔(0.3mm以上);针叶材管胞平均直径约为40μm[8];禾本科植物如竹材导管平均直径为100μm左右;韧皮科植物如苎麻纤维管胞直径为10～30μm。木陶瓷模板继承了木质材料的天然空隙和管道结构,烧结后获得了孔隙发达的碳模板,其孔隙有两种类型,即纤维素之间的间隙孔和纤维素内部的柱形孔,前者孔径大,在三维方向上容易互相连通呈网络状,能够构成熔融金属浸渍的主要通道;后者不易形成互相连通的结构,因此向木陶瓷模板的孔隙中浸渍金属材料可以获得两相或多相的木陶瓷/金属复合材料[9]。陶瓷相模板目前多为C基木陶瓷模板,也可以是Al2O3、SiC、TiC、Si3N4 和TiN等木陶瓷模板,金属相多选择轻质的铝合金、镁合金,也有铜合金、锌合金和铁合金。事实上选择这种复合材料的各相材质可以多种多样,因此,虽然木陶瓷的多孔隙结构为熔融金属的浸渍提供了通道,但是由于原料和浸渍物选取、制备工艺以及木陶瓷模板与金属的浸润性等方面的差异,所制备的木陶瓷/金属复合材料的结构性能也各有不同。

1.2 木陶瓷/金属复合材料的预制体模板制备方法

最初制备木陶瓷/金属复合材料预制体模板的方法是用木材、竹子、秸秆、棉花、甘蔗渣等各种纤维及废弃材料浸渍酚醛树脂或直接绝氧碳化制得多孔C基木陶瓷预制体模板[10],但由于C基木陶瓷模板的结构和性能不能满足实际应用的要求,随后进行了改性处理的研究:通过向木质材料或其C基木陶瓷模板中浸渍金属醇盐或其溶胶、金属无机盐或无机熔融硅等物质,在烧结工艺中浸渍物与基体材料发生反应制备出氧化物(如Al2O3、TiO2、ZrO2等)[11]、碳化物(如SiC、TiC)[12,13]和氮化物(如Si3N4 )木陶瓷模板[14]。以其作为预制体模板提高了木陶瓷/金属复合材料的性能,改善了陶瓷与金属的界面结合性。预制体模板的制备方法如图1所示。

1.3 木陶瓷/金属复合材料的制备方法

1.3.1 烧结法

首先将预制件骨架的颗粒在压力机上挤压成块或者用粉体浇注法并辅以特定的粘结剂加工成形,然后在烧结炉内以适当温度烧结而成。这种方法简单易行,成本低,但压实程度和孔隙尺寸分布不易控制[15]。

李淑君等[16]利用烧结法制备出了Fe、Zn粉末强化木陶瓷,其工艺流程为:木纤维→酚醛树脂浸渍→强化材料添加→成型、干燥→高温烧结。利用此方法获得了Fe、Zn粉末强化木陶瓷,提高了木陶瓷的硬度、耐磨性、电磁屏蔽性能。但此种方法并不能保证木纤维与强化材料混合均匀,造成木纤维聚集成团,对成板的性能和外观都产生了很大影响。同时他们分析强化木陶瓷微观结构时指出:采用Fe粉强化时,添加的Fe元素大部分以较大的颗粒状存在于样品中,未能均匀分布。

宋强等[17]以秸秆纤维为基体,不锈钢纤维材料为增强体,通过非织造加工,使两类材料间互相搭接、融合、交织,使其形成结构致密的预烧结非织造材料,然后采用酚醛树脂浸渍,再利用烧结工艺制备出了金属纤维增强的木陶瓷复合材料,研究了增强体对陶瓷成品力学性能的影响。

1.3.2 原位反应法

原位反应法主要运用木陶瓷/金属复合材料组成相的一部分或全部在浸渍过程中由浸渍物与基体发生原位反应或自身分解的原理,其特点是反应生成相与复合材料其它相的相容性好,界面结合稳定。

王俊勃等[18]公开了一种利用原位反应法制备麻纤维遗态结构C/Sn复合材料的专利技术。该技术以麻纤维为模板材料,向其或其C模板中浸渍纳米混杂SnO2前驱体水溶液,干燥成型后,置于真空热压炉或氮气保护热压炉内,制得具有麻纤维遗态结构的C/Sn复合材料。该材料具有质轻,消振、吸音和减摩耐磨性好的特点。

1.3.3 浸渗法

浸渗法就是熔融金属液填充到多孔木陶瓷的孔隙中,然后逐渐凝固成型的铸造过程。由于高温的作用,在金属与陶瓷的界面上不仅存在界面的机械结合和溶解扩散现象,也可能会发生各种化学反应。

(1)挤压浸渗法

挤压浸渗法就是利用挤压铸造技术,用挤压机将液态金属强行压入多孔陶瓷预制件中进行非反应挤压浸渗,并在压力下凝固,最终制成连续网络结构复合材料。此方法利用外加压力克服了毛细现象所产生的阻止液态金属浸渍到预制体陶瓷空隙中的附加压力,保证了液态合金充分浸渗预制体。挤压浸渗法要求预制件具有一定的机械强度,避免在压渗液态金属的过程中变形甚至垮塌。Zollfrank等[19]利用挤压浸渗法在65MPa的压力下把预加热到750℃的Al-Si合金压入到生态多孔SiC木陶瓷中,制备出了生态Si-SiC/Al-Si复合材料。

(2)真空压力浸渗法

真空压力浸渍法就是采用高压惰性气体将金属液体压入抽成真空的预制件中,在内外压力差的作用下凝固生成复合材料。用这种方法制备的复合材料组织致密。

谢贤清等[9,20]以木陶瓷为预制体骨架,利用真空压力浸渍炉,在750℃以9MPa的压力向炉内通入氩气,把熔融铝加压浸渍到木陶瓷预制件中,保持压力直到复合材料中的熔融铝液冷却并凝固,从而制备了具有网络互穿结构的WCMs/Al复合材料。研究表明,木陶瓷与Al复合后,与模板材料相比,WCMs/Al复合材料的密度略有增加,导热率显著提高,热膨胀系数明显增加,力学性能得到显著改善。利用上述工艺,谢贤清等[21]又把MB15合金浸渍到木陶瓷中,制备出了具有高温阻尼性能的WCMs/MB15复合材料;把ZK60A镁合金浸渍到木陶瓷孔隙中,制备出了两种连续相的网络互穿结构复合材料WCMs/ZK60A[22]。

文献[23]利用此工艺分别以柳安木C基木陶瓷、SiC木陶瓷为预制体骨架,利用真空压力浸渍炉,在720℃以8.5MPa的压力向炉内通入氮气,把熔融Al合金加压浸渍到木陶瓷预制件中,制备出了耐磨性良好的C/Al和(C+SiC)/Al复合材料。

(3)无压浸渗法

无压浸渗法是指在氮气气氛下不需施加任何压力靠毛细吸附作用将合金熔体渗透预制体模板中。这种方法受合金成分、浸渍温度、浸渍时间、大气成分的影响。Rambo等[24]利用该工艺向多孔碳模板中熔融渗入Ti-Cu合金制备了TiC/Ti-Cu复合陶瓷,其最终产物中包括TiCx (x=0.78)、Ti-Cu和未反应的碳,其中TiCx颗粒弥散在Ti-Cu基体材料中。目前制备木陶瓷/金属复合材料的方法还不是很成熟,常用方法是真空压力浸渗法。运用这种方法的前提是需制备出多孔木陶瓷预制体,并且需要较高的设备条件。因此,还有待寻求新的简单易行的制备方法满足不同预制体模板的浸渍要求,从而改善木陶瓷预制体与金属的润湿性、界面结合性和浸渍均匀性。

2 木陶瓷/金属复合材料的性能及应用

木陶瓷/金属复合材料的性能不仅依赖于预制体的材质、木陶瓷网络结构及其熔融金属的性能,更重要的是木陶瓷与金属的界面结合状况。木陶瓷与金属实现牢固界面结合的关键在于增强金属对木陶瓷材料的润湿与浸渗能力。而木陶瓷/金属复合材料的性能决定了其应用。

2.1 力学性能

木陶瓷/金属复合材料的力学性能与木陶瓷的力学性能相比,得到了较大提高,尤其是其强度和韧性。宋强等[17]对以秸秆纤维为基体,以不锈钢纤维为增强体制备木陶瓷的研究表明:采用秸秆纤维/金属纤维比采用秸秆纤维/酚醛树脂所制备的样品的浸渍率要高,大约为40%。而木质陶瓷密度随浸渍率的增加呈上升趋势,同时对烧结成型后的得碳率有重大影响,从而影响其性能。木质陶瓷密度的提高使得气孔尺寸和数量不断减少,从而降低了气孔作为裂缝源导致断裂的可能性,使得抗弯强度提高,弹性模量增大,损耗小,同时硬度也增大。这些都归功于增强材料和粘合剂对组织的加强作用,也就是对陶瓷成品力学性能的加强作用。

李淑君等[16]制备的Fe、Zn粉末强化木陶瓷与木陶瓷相比,硬度有明显提高,其中,酚醛树脂与木纤维质量比为1∶1时,添加木纤维质量的18%的Fe金属粉末,产品的硬度由8.45MPa提高到了13.60MPa,为原来的1.61倍。采用Zn金属粉末时,产品的硬度提高到9.80MPa,为原来的1.16倍。然而,平面抗拉强度和抗压强度的增强规律不明显,甚至下降。

谢贤清等[9]制备的WCMs/Al网络互穿结构复合材料的弯曲强度为128.4MPa,比木陶瓷(18.6MPa)增加6倍,压缩强度为17.83MPa,高于木陶瓷的35.8MPa。金属铝的加入还能有效阻碍木陶瓷内部裂纹的产生,韧性好的铝还能对裂纹的扩展起到桥接作用,阻碍裂纹的进一步扩展。用同样方法制备的WCMs/MB15复合材料[21]与木陶瓷相比,力学性能获得显著提高,MB15合金的加入使弯曲强度从木质陶瓷的25.6MPa提高到复合后的213.3MPa,增加了近8倍,压缩强度也从44.9MPa增加到391.8MPa,弹性模量在木质陶瓷的基础上增加了2倍。制得的WCMs/ZK60A复合材料的力学性能明显改善,抗压强度由45MPa提高到390MPa,抗弯强度由26MPa提高到210MPa,弹性模量是木陶瓷的2倍[22]。

Zollfrank等[19]利用挤压浸渗法制备的生态Si-SiC/Al-Si复合材料与SiC木陶瓷相比,力学性能有了明显提高,弯曲强度可达200MPa。基于该材料优良的力学性能可将其用作机床导轨结构材料、轴承材料等[25]。

研究者从不同角度对网络互穿结构陶瓷/金属复合材料比其基体的力学性能有大幅度提高的原因进行了研究。R.M.de Souza[26]认为,对于多孔陶瓷,在高压或高温下浸渍金属,不仅使孔隙中充满韧性金属,而且一些易导致脆性断裂的烧结缺陷(如微裂纹等)也会因韧性金属的浸渍而愈合,从而提高材料的力学性能。H.Prielipp[27]认为,影响网状结构复合材料力学性能的因素主要包括韧性相的体积分数和韧性相有效直径,当金属含量大于20%时,复合材料以穿晶断裂方式断裂,当金属含量小于10%时,复合材料以混合方式断裂。M.Knechtel[28]认为,在强界面结合时,复合材料组成相之间的相互作用力更大,不易发生界面脱粘,增加了单向屈服强度和金属韧性相对陶瓷相的闭合力。M.Chadwick[29]发现,复合材料的网络互穿结构在高温时能形成互锁态,有助于增强材料的高温蠕变抗力。

2.2 热学性能

由于木陶瓷/金属复合材料是在高温下制备,因此研究材料的热学性能尤为重要。Y.L.Shen[30]的研究表明,三维连续网络结构陶瓷/金属复合材料的热膨胀系数介于金属基和陶瓷基复合材料之间,接近于热膨胀系数较低的陶瓷基复合材料。

王天驰[31]对铝/生态陶瓷复合材料热膨胀性能和导热性的研究表明,热膨胀性能和导热性能随木材模板结构的不同而变化,其中木材模扳的孔隙率、管道的弯曲程度对复合材料导热系数有较大影响。Al/C复合材料的导热系数高于碳生态陶瓷,最高导热系数是碳生态陶瓷的49倍,为(17.8～21.5)×10-6 /K。SiC相的加入使Al/(SiC+C)复合材料热稳定性较Al/C复合材料有所提高,但导热系数略低于Al/C复合材料。

谢贤清[32]研究木质陶瓷/金属网络互穿结构复合材料的热膨胀系数时发现,生态陶瓷/金属复合材料的热膨胀系数随测试温度的升高而增加,且大于混合法则的理论计算值。这类复合材料的热循环曲线的升温段位于降温段的下部,并且在加热段的曲线上出现拐点。随着循环次数的增加,试样伸长量减小,封闭性提高,拐点消失。界面闭孔有助于降低热膨胀系数和热膨胀率。生态陶瓷/金属三维网络互穿结构复合材料热膨胀的实质是试样表层金属挤入挤出机理,因此可以通过有目的性地控制渗入金属的量来设计其热膨胀系数。

2.3 阻尼性能

现代高科技的发展要求材料具有良好的阻尼减振降噪能力。文献[21]指出火箭和卫星近2/3的事故是由振动和噪声引起的,高阻尼材料能够减少或降低不必要的机械振动和噪音。文献[21,22]利用木质陶瓷中碳化纤维素形成的三维互通孔隙,向其中浸渍低密、高塑性、高阻尼的镁合金制备的WCMs/ZK60A和WCMs/MB 15复合材料具有优异的阻尼性能,尤其是高温阻尼,阻尼值随温度的升高而增加,随频率的增加而降低。温度较低时WCMs/镁合金复合材料的阻尼来源于组成相阻尼和位错阻尼,而其高温阻尼机制为界面阻尼。WCMs/镁合金复合材料可作为航空航天结构材料、汽车构件抗弹防护材料等。

2.4 摩擦学性能

木陶瓷/金属复合材料继承了木陶瓷独特的摩擦学特性,其摩擦系数几乎不受对磨材料种类、粗糙度、润滑剂和滑动速度的影响。由于不断脱落碳层的自润滑作用及金属合金的导热作用,其摩擦系数和磨损率比合金材料的低且稳定,介于木陶瓷与金属之间。谢贤清等[33]研究了木陶瓷/Al-Si复合材料的干摩擦及磨损性能,发现木陶瓷/Al-Si复合材料的摩擦系数和磨损率都比金属合金的低,而且随着载荷及滑动速度的增加而增加,但摩擦系数较稳定,约为0.3,磨损率受载荷及滑动速度的影响较大。木陶瓷/金属复合材料的摩擦学性能使其在摩擦领域的应用具有可行性,可作为汽车离合器中的摩擦轴承、刹车盘和刹车片材料、浸油摩擦材料和轮胎防滑钉等。

此外,木陶瓷/金属复合材料还具有独特的电磁屏蔽性和导电性等,可用作抗静电、导电材料。但是,对于木陶瓷/金属复合材料的性能和应用研究还处于探索阶段,并且集中在性能的评价上,因此,今后还需要对其性能和应用开展大量深入的研究工作。

3 展望

由于木陶瓷骨架的刚性承载作用及金属相的增韧、导热和导电作用,木陶瓷/金属复合材料与木陶瓷相比,具有更为独特的力学、抗摩擦磨损、减震和热电学性能,可用作抗摩擦磨损材料、高阻尼减震材料、耐高温结构材料、电子封装材料等。进一步的开发和应用将带来巨大的经济和社会效益[4]。

金属氮化物富勒烯的研究现状 篇7

1 金属氮化物富勒烯的合成与分离

1.1 制备方法

自1990年Krastchmer等在低压氦气氛围下用石墨电极电弧放电合成出以C60为主要产物的富勒烯以来, 人们先后开发出多种制备富勒烯衍生物的方法, 常见的有模板法[2]、电弧放电法[3]、固态氮源法[4]、等离子体注入法[5]等。电弧法是制备金属氮化物富勒烯最常用的方法。该法将金属氧化物与石墨粉的混合物放在阳极石墨棒里, 抽真空并通入氮气 (氮源) , 接通电源, 碳电极在强电流作用下形成电弧, 电弧放电使混合物气化形成等离子体, 发生化学反应生成内嵌金属氮化物富勒烯。目前, 已用该方法制备了一系列金属氮化物富勒烯, 如ErxSc3-xN@C80 (x=0～3) 、MxSc3-xN@C68 (x=0～2, M=Tm、Er、Gd、Ho、La) 等。但是, 用该方法合成的金属氮化物内嵌富勒烯的产量非常低 (内嵌氮化物富勒烯的含量只有2%左右, 其它成分主要还是空心富勒烯) , 给后面金属氮化物富勒烯的分离、提纯、研究带来很大困难。进一步的研究发现采用不同的氮源时, 电弧法合成的内嵌金属氮化物富勒烯的产量明显变化。引入氨气作为反应性气体时, 其产量会明显提高, 这主要是因为氨气可直接提供氮离子 (N3-) , 在放电过程中氨气易与金属氧化物反应生成金属氮化物内嵌簇, 极大地促进了金属氮化物内嵌结构的形成。研究人员通过该法合成了一系列具有高产量的金属内嵌氮化物富勒烯, 如Sc3N@C70、Tb3N@C80、Tm3N@C80等。Yang S F等[6]在氨气气氛下通过电弧法合成的Dy3N@C2n (2n=39～44) 产量达98%。

1.2 高效液相色谱分离

通过电弧法所获得的内嵌金属氮化物富勒烯是混合物, 如何分离这些混合物成为人们关注的焦点。一般采用高效液相色谱法 (HPLC) [7]对富勒烯进行分离, 因为不同尺寸的金属氮化物富勒烯及其同分异构体具有不同的相对分子质量、尺寸、形状等, 导致固定相与流动相的结合力不同, 从而使其分离。对于含量较高的内嵌富勒烯可以直接运用单步HPLC进行分离, 一般分离后纯度可达到90%以上;对于一些含量较低的内嵌金属氮化物富勒烯可采用循环色谱法 (Recycling HPLC) 进行分离;此外, 循环色谱法还可以分离一些混合金属氮化物内嵌富勒烯 (AxB3-xNC2n) 。如Yang S F等[8]运用循环色谱法成功地分离了GdxSc3-xN@C80 (x=1, 2) 的两种同分异构体, 纯度达99%以上。

2 内嵌金属氮化物富勒烯的结构

2.1 Non-IPR结构的内嵌金属氮化物富勒烯

传统的空环富勒烯和单金属富勒烯 (MxC2n) 结构都能满足Isolated-pentagon rule (IPR) 规则, 即任意两个五边形都是不相邻的, 这是因为若五边形相邻会增加体系的张力, 使体系的稳定性降低。除了IPR规则的富勒烯外, 2000年Shinohara[9]合成了一种全新的金属富勒烯Sc2C66, 它的碳笼中含有3个相邻的五边形结构, 不同于传统意义上的孤立五角结构, 人们称这种富勒烯为non-IPR规则富勒烯。除了Sc2C66这种符合non-IPR规则的富勒烯外, 人们也相继发现和研究了Dy3N@C78[6]、Tm3N@C84[10] 、Sc3N@C70[11]等一系列符合non-IPR规则的内嵌金属氮化物富勒烯。

2.2 金属氮化物富勒烯的结构类型及表征

金属氮化物富勒烯的的结构类型可通过X射线衍射、NMR (核磁共振) 和红外光谱法结合DFT (密度泛函理论) 计算进行表征。研究人员利用X射线衍射对一系列金属氮化物富勒烯进行了研究 (如证明了Sc3N@C80[12]、 Gd3N@C68[13]、Sc3N@C78[14]的结构类型都是Ⅰh) 。除X射线衍射外还可以利用核磁共振对金属氮化物富勒烯进行结构分析, 如Lu2ScN@C80 (Ⅰ) [15]、LuSc2N@C80 (Ⅰ) 的核磁共振光谱 (13C NMR) 的两条化学位移线分别为144pm和137pm, 并且强度比为1∶3, 与Sc3N@C80 (Ⅰh) 相似, 说明LuSc2N@C80 (Ⅰ) 结构类型为Ⅰh。与NMR相比, 红外光谱法在表征富勒烯的结构时具有高的结构敏感性和高的时间分辨率等优点。结合DFT计算, 红外光谱法能很准确地确定内嵌金属氮化物簇富勒烯的结构。利用该方法, Yang S F等[16]成功地确定了DySc2N@C76 中C76碳笼结构为non-IPR规则的Cs。

2.3 内嵌簇的结构

研究富勒烯的内嵌簇结构非常重要, 因其影响着金属氮化物富勒烯的产量与尺寸分布。通过X射线研究发现:部分富勒烯的内嵌簇 (Sc3-N) 呈平面状, 即氮原子与钪原子共平面 (常见的有Sc3N@C80 (Ⅱ) 、Tb3N@C84) ;部分富勒烯的内嵌簇呈锥状, 即氮原子偏离金属原子平面 (常见的有Gd3N@C80、Gd2ScN@C80) 。影响内嵌金属氮化物簇形状的主要因素是金属原子半径, 这是因为随着金属离子半径增大所形成的相应氮化物簇体积也增大, 从而使在有限的碳笼空间结构内嵌较大体积的金属氮化物簇时, 需要通过N原子偏离3个金属原子M所构成的平面形成锥形原子簇才能更容易地内嵌到碳笼中形成氮化物簇富勒烯。

目前, 内嵌簇的结构主要是通过X单晶衍射来确定。此外还可以通过傅立叶红外光谱中的金属原子M与氮原子N的反对称伸缩振动频率来预测内嵌簇的结构类型[8,17,18]。

3 金属氮化物富勒烯的性质

3.1 磁性

目前对于金属氮化物富勒烯磁性的研究主要是内嵌镧系金属的氮化物富勒烯。内嵌金属氮化物富勒烯的一个显著的性质是由于镧系金属原子 (除Yb和Lu外) 具有未填满的4f轨道, 内嵌镧系金属原子的氮化物富勒烯通常具有很大的磁矩, 这决定金属氮化物富勒烯具有潜在应用价值。金属氮化物富勒烯的磁性受许多因素影响, 包括内嵌金属原子的种类、内嵌金属原子与碳笼的电荷传递量、内嵌簇的结构、内嵌金属原子的位置等。不过, 由于内嵌金属氮化物富勒烯极低的产率所限, 目前有关金属氮化物富勒烯磁性研究的报道很少。Tiwari A等[19]报道了ErSc2N@C80 和Er2ScN@C80 的磁性测量并与Er3N@C80作了比较, 发现ErSc2N@C80的磁性和单个Er3+的磁性很相似, 而对于Er2ScN@C80和Er3N@-C80, 随着Er3+数目的增多, 其磁性反而减小。这是因为Er3+内嵌在碳笼后被局域化而产生的晶体场效应以及对离子的角动量的局域化淬灭。Yang S F等[8]通过DFT理论计算研究了GdxSc3-xN@C80 (x=1～3) 的磁性, 预言Gd3N@C80 和 Gd2ScN@C80都存在弱的反铁磁耦合 (Antiferromagnetic coupling) 效应。

3.2 热稳定性

有些内嵌金属氮化物富勒烯, 不论是满足IPR规则, 还是满足non-IPR规则都具有高度的热稳定性, 这种热稳定甚至连传统的空环富勒烯和金属富勒烯都无法达到。通过实验与理论研究[20,21,22]发现, 内嵌金属氮化物富勒烯这种高稳定性主要是由于内嵌簇与碳笼之间发生电荷传递, 内嵌簇中的金属原子各提供1个电子给氮原子与之形成共价键, 并同时转移2个电子给碳环, 从而显著增大彼此间的键能, 使得破坏这种结构时需要更高的能量, 进而使内嵌金属氮化物富勒烯表现出高度的稳定性。

3.3 电化学性质

内嵌金属氮化物富勒烯特殊的电子结构和超分子结构使其具有特殊的电化学性质。目前, 通常采用循环伏安法来研究内嵌金属氮化物富勒烯的电化学性质。研究发现: (1) 当内嵌不同金属氮化物时, 其相应的内嵌金属氮化物富勒烯具有不同的电化学性质。Krause等[23] 通过循环伏安法发现Sc3N@C80 (Ⅰ, Ⅰh) 在氧化还原反应中有两个可逆的还原反应过程和一个可逆氧化反应过程, 首次氧化能为0.62V。Yang S F等[24]运用循环伏安法研究Dy3N@C80的电化学性质时发现, 它的氧化还原反应过程包含两个不可逆还原反应过程和一个可逆氧化反应过程, 首次氧化能为0.70V。这种电化学性质的差异主要是因为不同金属原子对金属氮化物富勒烯分子最高占据轨道 (HOMO) 的影响。 (2) 不同对称性的碳环结构会影响内嵌金属氮化物富勒烯的电化学性质。Yang S F等[24]发现Dy3N@C80 (Ⅰ, Ⅰh) 的首次氧化能为0.7V, 而它的同分异构体Dy3N@C80 (Ⅱ, D5h) 的首次氧化能为0.41V。这种降低金属氮化物富勒烯分子对称性所导致的氧化能的降低, 从本质上来看是由于不同对称性使电子结构发生变化, 从而造成氧化能的改变。 (3) 金属氮化物富勒烯分子的对称性对还原反应过程中的还原能影响不大, 但是其碳环尺寸改变会引起还原能显著变化。Yang S F等通过比较Dy3N@C80 (Ⅰ) (-1.37V) 、Dy3N@C80 (Ⅱ) (-1.40V) 、Dy3N@C78 (Ⅱ) (-1.54V) 的还原能发现, 还原能随着碳笼尺寸的减小而降低。

3.4 超导性

在富勒烯中嵌入碱金属或碱土金属时其导电性质会发生巨大变化, 具有超导性[25], 与其它超导体一样具有不稳定性, 超过临界转变温度时其超导性将消失。目前, 有关富勒烯超导性的报道还主要集中在传统的金属富勒烯上, 如K3@C60、Rb3@C60等在低温下具有一定的超导性。对于内嵌金属氮化物富勒烯, 通过理论计算发现有些内嵌金属氮化物富勒烯是有可能成为超导体的, 但当前有关内嵌金属氮化物富勒烯超导性的研究才刚刚开始, 还不成熟, 需要进一步探索。

4 金属氮化物富勒烯的应用

内嵌金属富勒烯的应用前景十分广阔, 可以用作医学上MRI诊断中的对比试剂[25]。与传统对比剂相比, 内嵌Gd金属原子的富勒烯对比剂具有更突出的优点:①顺磁性能可以有效提高弛豫能力;②由于金属Gd3+内嵌在富勒烯的碳笼中, 可以防止Gd3+中毒。金属富勒烯还可以用作放射性示踪剂和放射性药物。目前人们所用的放射性药物是一种络合物, 其动力学不稳定, 有时会释放少量金属离子, 对人体产生伤害。内嵌金属富勒烯不仅热力学、动力学稳定, 而且有可能制备出具有组织针对性的化合物, 从而避免了潜在的伤害。还可以用内嵌金属富勒烯填充碳纳米管制备生物传感器[26]。由于内嵌金属氮化物富勒烯及其衍生物具有超导、半导体、强磁性等特性, 在光、电、磁等领域也具有较广阔的应用前景。

5 结语