ZnO、Co-,3-O-,4-及SiC-Si-,3-N-,4-系列生物形態(tài)材料的合成與表征.pdf

1、經(jīng)億萬(wàn)年的遺傳、進(jìn)化和演變，自然界中的植物結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一種天然的分級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)造，具有多層次、多維、多組分的有序性組織形貌特征和優(yōu)異的功能自適應(yīng)性。在材料及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，自然界生物系統(tǒng)的這種自適應(yīng)結(jié)構(gòu)形態(tài)與性能給予了人們很多啟示。 受自然界的啟發(fā)，材料研究者一直以來(lái)都在研究天然材料的開(kāi)發(fā)利用，探索鉆研新型結(jié)構(gòu)功能材料的設(shè)計(jì)和制備方法。近年來(lái)，材料研究者通過(guò)對(duì)植物材料的研究發(fā)現(xiàn)，利用天然植物系統(tǒng)的有序性優(yōu)化結(jié)構(gòu)形貌，通過(guò)工藝控制與

2、復(fù)合，可以在不同程度及范圍內(nèi)制備出各類復(fù)合材料。但是，目前的研究工作僅是利用植物材料的宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊處理制備材料，并未涉及從宏、微觀角度和植物材料的整體結(jié)構(gòu)對(duì)材料的設(shè)計(jì)、制備及其影響因素的研究分析，并且，植物材料原有的精細(xì)本征結(jié)構(gòu)在制得的材料中往往已經(jīng)消失或受到嚴(yán)重破壞，從而限制了其特殊結(jié)構(gòu)性能的開(kāi)發(fā)利用。 為此，本文系統(tǒng)研究了借用自然界經(jīng)億、萬(wàn)年優(yōu)化的植物材料自身多層次、多維的本征結(jié)構(gòu)和形貌作為模板，采用人工控制植物結(jié)構(gòu)和形

3、態(tài)的遺傳、化學(xué)組分的變異處理，可制得保持有自然界植物材料精細(xì)結(jié)構(gòu)和形貌的新型材料，同時(shí)，對(duì)采用不同制備工藝控制調(diào)節(jié)材料微觀結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行了研究。由植物模板的結(jié)構(gòu)和形貌向新型材料的轉(zhuǎn)化和處理過(guò)程，稱為生物形態(tài)的遺留過(guò)程，即為“材料的遺態(tài)過(guò)程”，得到的是生物形態(tài)的新型材料也可稱之為“遺態(tài)材料”。 本文研究的是采用具有不同結(jié)構(gòu)形貌特征的棉纖維和高粱秸稈為模板材料，通過(guò)制備工藝的控制，制備了SiC/Si3N4、ZnO和Co3O4生物形態(tài)材

4、料，并運(yùn)用熱失重儀(TG)、差熱分析儀(DTA)、X射線衍射儀(XRD)、傅立葉紅外光譜儀、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、壓汞儀、ZETA電位測(cè)試儀等分析儀器對(duì)生物形態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的化學(xué)變化、物相、微觀組織結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了研究。 所得主要研究結(jié)論如下： 1．以棉花纖維作為模板，通過(guò)選擇性浸漬控制和自然氣氛下的煅燒，經(jīng)生物形態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，可制得纖維狀氧化物材料。通過(guò)以Zn(NO3)2和蒸餾水配制的溶液浸漬棉纖維模板

5、，可制得生物形態(tài)ZnO材料；通過(guò)以Co(NO3)2和蒸餾水配制的溶液浸漬棉纖維模板，可制得生物形態(tài)Co3O4材料。 2．采用不同棉花模板通過(guò)工藝控制可得到不同形態(tài)的生物形態(tài)氧化物材料。利用天然棉花作為模板通過(guò)工藝控制制得了中空的生物形態(tài)氧化物材料，利用脫脂棉纖維作為模板通過(guò)控制得到了實(shí)心但疏松的生物形態(tài)氧化物材料；燒結(jié)溫度的改變對(duì)生物形態(tài)氧化物材料的比表面積和微孔結(jié)構(gòu)的影響較大。不同的浸漬劑配比濃度對(duì)生物形態(tài)ZnO材料的宏觀形貌

6、、比表面積與微孔結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯影響，對(duì)生物形態(tài)Co3O4宏觀形貌、比表面積、微孔結(jié)構(gòu)影響比較大。 3．利用高粱秸稈為模板，通過(guò)優(yōu)化的生物形態(tài)轉(zhuǎn)化工藝，可制得SiC/Si3N4生物形態(tài)多孔陶瓷復(fù)合材料。在宏、微觀尺度上，SiC/Si3N4生物形態(tài)多孔陶瓷復(fù)合材料保持了高粱秸稈模板材料原有的有序多孔結(jié)構(gòu)特征。在生物形態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，隨著燒結(jié)溫度的升高，沉積在模板材料中的浸漬劑自身發(fā)生化學(xué)變化，其分解產(chǎn)物不斷向多孔模板的孔壁內(nèi)層滲透擴(kuò)散，

7、并在1240℃時(shí)與外層孔壁的碳相發(fā)生反應(yīng)，生成碳化物(主要是SiC)相。生成的碳化物相主要分布在SiC/Si3N4生物形態(tài)多孔陶瓷復(fù)合材料外層孔壁部分，孔徑中沉積的Si相在1400℃以上與真空爐中的N2發(fā)生反應(yīng)生成氮化物(Si3N4)相。SiC/Si3N4生物形態(tài)多孔陶瓷復(fù)合材料中的碳化物和氮化物比例含量，可以通過(guò)制備工藝來(lái)調(diào)節(jié)。而材料中未參與反應(yīng)的Si和C可通過(guò)化學(xué)方法除去。 4．SiC/Si3N4生物形態(tài)多孔陶瓷復(fù)合材料繼承