【摘要】：TiAl多孔材料由于具有低的密度、高的彈性模量、優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、以及良好的抗氧化性,成為高溫、腐蝕環(huán)境下氣/固或液/固過濾應(yīng)用的首選材料。然而目前TiAl多孔材料仍然存在800℃以上抗氧化性不足以及過濾精度差的缺點(diǎn),極大地限制了其應(yīng)用范圍。因此,探索提高此類材料高溫抗氧化性與過濾精度的方法以及弄清其作用機(jī)制,對(duì)開發(fā)新一代高過濾精度的高溫過濾材料具有重要意義。本論文通過系統(tǒng)研究900℃/100h等溫氧化行為和氧化前后二元Ti-48Al(除特殊標(biāo)注外全為原子分?jǐn)?shù))、三元Ti-48Al-6Nb、四元Ti-40Al-10Nb-10Cr多孔材料以及六種高Nb-TiAl基納米復(fù)合多孔材料的微觀組織形貌以及相變規(guī)律,揭示了多元合金化與納米復(fù)合化對(duì)改善TiAl多孔材料高溫抗氧化性能以及過濾精度的作用機(jī)制,為新一代高溫過濾材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ),主要結(jié)果與創(chuàng)新如下:(1)二元Ti-48Al與三元Ti-48Al-6Nb多孔材料900℃/100h等溫氧化增重曲線表明,Ti-48Al多孔材料氧化增重量高達(dá)28.39g/m2,而Ti-48Al-6Nb多孔材料氧化增重量僅為14.47g/m2,這是由于Nb的加入降低了O向內(nèi)擴(kuò)散與Ti向外擴(kuò)散的速率,抑制了 Ti02的生長,促進(jìn)了Al2O3保護(hù)膜的形成,一定程度上提高了 TiAl多孔材料的高溫抗氧化性,等溫氧化處理后仍然有大量的孔道保留下來。(2)通過對(duì)比三元Ti-48Al-6Nb與四元Ti-40Al-10Nb-10Cr多孔材料900℃/100h等溫氧化動(dòng)力學(xué)曲線、氧化前后微觀組織形貌、相組成以及孔參數(shù)變化規(guī)律可以得出,四元Ti-40Al-10Nb-10Cr多孔材料的氧化增重量僅為8.52g/m2,明顯優(yōu)于三元Ti-48Al-6Nb多孔材料,這是由于Nb與Cr的雙重作用,Nb的加入抑制內(nèi)層TiO2非保護(hù)性膜的生長,而Cr的主要作用是進(jìn)一步促進(jìn)Al2O3的形成。此外,通過對(duì)四元Ti-40Al-10Nb-10Cr多孔材料進(jìn)行表面改性來提高其過濾精度,在模擬煙氣過濾的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)改性處理的樣品較原始樣品分離效率得到很大提高,Ca、Mg、Si三種元素的過濾效率分別從初始的 44.29%、47.26%、44.66%提高至 91.12%、95.21%、93.20%。(3)成功制備出微/納雙尺度孔徑分布的高Nb-TiAl基納米復(fù)合多孔材料,通過操控化學(xué)反應(yīng)在基體與基體表面優(yōu)先生成了大量的Al2O3顆粒,極大提升了其高溫抗氧化性。通過摻雜Nano-NiO使其與基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)獲得了新的高溫相Ni2Ti4O與Al2O3,這兩相作為擴(kuò)散障也極大的阻礙了 Ti原子的向外擴(kuò)散與O原子的向內(nèi)擴(kuò)散;而通過摻雜Nano-SiO2使其與基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)獲得了新的高溫相Ti5Si3與Al2O3,這兩相也會(huì)成為擴(kuò)散障進(jìn)一步阻礙Ti的向外擴(kuò)散與O的向內(nèi)擴(kuò)散。(4)通過調(diào)控?zé)Y(jié)溫度使五種納米粒子(Nano-SiO2/Nano-ZrO2/Nano-Y2O3/Nano-MgO/Nano-ZnO)與Ti、Al、Nb粉末優(yōu)先發(fā)生化學(xué)反應(yīng)成功制備五種高Nb-TiAl基納米復(fù)合多孔材料,較三元Ti-48Al-6Nb與四元Ti-40Al-10Nb-10Cr多孔材料表現(xiàn)出更加優(yōu)良的高溫抗氧化性。此外,五種納米復(fù)合多孔材料在新型納米污染物過濾方面表現(xiàn)出很強(qiáng)的過濾性能,在分離過濾模擬納米污染物Nano-TiO2的應(yīng)用中,Ti-48Al-6Nb多孔材料的分離效率僅為89.91%,而五種納米復(fù)合多孔材料分別實(shí)現(xiàn)了 99.91%(Nano-SiO2)、99.80%(Nano-ZrO2)、99.85%(Nano-Y2O3)、99.83%(Nano-MgO)、99.87%(Nano-ZnO)的TiO2納米污染物的有效分離,這是由于在高Nb-TiAl基納米復(fù)合多孔材料的制備過程中大量的Al2O3微粒形成并附著在基體表面與孔道內(nèi)部,顯著改善了多孔材料表面粗糙度與過濾精度。(5)利用微/納雙尺度孔徑分布的高Nb-TiAl基納米復(fù)合多孔材料和等離子協(xié)同催化,提出了“兩步法”策略用于高效降解高濃度的有機(jī)染料廢水,揭示了“兩步法”策略降解有機(jī)染料廢水的作用機(jī)制。研究結(jié)果表明,該方法對(duì)50mg/L的兩種染料廢水完全降解耗時(shí)不到6min,較目前的耗時(shí)72h的循環(huán)活性污泥法(CASS工藝),極大地提高了降解效率(第一步);然后采用高Nb-TiAl基納米復(fù)合多孔材料分離回收Au@SiO2催化劑,效率高達(dá)99.35%(第二步)。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.4
【圖文】：

屬醇鹽水解，生成相應(yīng)的金屬氧化物陶瓷粒子，這些粒子圍繞膠束生產(chǎn)，最逡逑后采用高溫?zé)Y(jié)或者有機(jī)溶液回流的方式除去模板膠束，即可得到多孔材料。逡逑如圖２－２所示，２０１５年北京科技大學(xué)的溫永強(qiáng)課題組采用十六烷基三甲基溴逡逑化銨（ＣＴＡＢ）為模板，通過調(diào)節(jié)醇水比獲得了形狀各異的膠束離子，然后在逡逑弱堿性條件下水解正硅酸乙酯（ＴＥＯＳ）來獲得Ｓｉ０２納米粒子，這些納米粒逡逑子圍繞離子膠束生長，最后通過在丙酮中高溫回流的方式去除離子膠束模板，逡逑獲得Ｓｉ０２多孔陶瓷材料。通過調(diào)節(jié)醇水比可獲得分散性較好的多孔陶瓷顆粒逡逑或者膜材料；通過添加擴(kuò)孔劑（均三甲苯）可獲得粒徑與孔徑較大的Ｓｉ０２多逡逑孔陶瓷材料，如圖２－２所示［６Ｑ］。此外，工業(yè)上常采用擠壓成型的方式制備多逡逑孔陶瓷膜材料，其主要工藝流程為原料＋水＋有機(jī)粘合劑—混合練混—擠壓成逡逑多孔形狀—通風(fēng)干燥—燒結(jié)—成品。該工藝雖然可以獲得孔形狀和大小可控逡逑的多孔陶瓷材料，然而這種工藝對(duì)成型物料塑性要求較高，獲得的孔結(jié)構(gòu)比逡逑較單一，難以獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多孔結(jié)構(gòu)。由于發(fā)泡成型工藝與造孔劑脫除法逡逑獲得的多孔陶瓷膜材料孔分布均勻性差

邐ＺｎＯ邋ｆｏｒｍａｔｉｏｎ邐Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ邋ｔｏ邋Ｚ１Ｆ逡逑圖２－１高選擇性高透過性ＺＩＦ－８膜的合成Ｍ逡逑２．２．２陶瓷多孔材料逡逑多孔陶瓷材料是一類具有耐高溫、耐高壓、耐酸堿特性的一類多孔膜材逡逑料，常見的陶瓷多孔膜材料主要由以下幾種材質(zhì)：Ｓｉ０２、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｚｒ0２、逡逑Ｔｉ０２、ＴｉＣ、Ａｌ２0３等，常被應(yīng)用于使用溫度高達(dá)１５００°Ｃ以上化工與石油化工逡逑領(lǐng)域。目前其制備方法主要包括如下幾種：溶膠－凝膠法、固體粒子燒結(jié)法、逡逑擠壓成型法、發(fā)泡法、造孔劑脫除法以及水熱－熱靜壓成型法等［？５９］。溶膠－凝逡逑膠法（Ｓｏｌ－ｇｅｌ）作為制備陶瓷多孔材料的主要方法，其主要作用機(jī)理是利用逡逑表面活性劑與醇和水混合作用形成離子膠束，然后通過調(diào)節(jié)ｐＨ溶液使得金逡逑屬醇鹽水解，生成相應(yīng)的金屬氧化物陶瓷粒子，這些粒子圍繞膠束生產(chǎn)，最逡逑后采用高溫?zé)Y(jié)或者有機(jī)溶液回流的方式除去模板膠束，即可得到多孔材料。逡逑如圖２－２所示，２０１５年北京科技大學(xué)的溫永強(qiáng)課題組采用十六烷基三甲基溴逡逑化銨（ＣＴＡＢ）為模板

（ＤＡ１含量對(duì)開孔率的影響曲線；（ｇ）燒結(jié)溫度對(duì)開孔率與最大孔徑的影響曲線；（ｈ，ｉ）逡逑樣品頂部與側(cè)邊的ＳＥＭ照片逡逑隨后，北京科技大學(xué)林均品教授課題組采用粉末冶金的方法，如圖２－５所逡逑示，以Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｂ三種元素粉為原料，通過控制燒結(jié)工藝成功制備了高Ｎｂ－逡逑ＴｉＡｌ多孔材料，并且給出了其相變機(jī)制以及孔形成規(guī)律：在１２０°Ｃ，壓坯中逡逑－１２－逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2798343