本文關(guān)鍵詞：基于反應(yīng)—擴散的材料形貌調(diào)控研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：材料的形貌對其性能有重要的影響,對材料形貌的有效調(diào)控能極大地推動材料的工業(yè)應(yīng)用,發(fā)展調(diào)控材料形貌的新方法,不僅對材料學(xué)的發(fā)展有重要影響,也對人們深入認(rèn)識“結(jié)晶”這一古老的學(xué)科有重要意義。雖說人們發(fā)明了溶膠凝膠法、水熱法、模板法等多種調(diào)控材料形貌的方法,但是這些方法大多都不是基于材料生長的微觀機理,所以不易進行推廣應(yīng)用。近年來人們發(fā)現(xiàn),在不同的動力學(xué)條件下,材料的生長會沿不同的生長路徑進行,最終導(dǎo)致材料的形貌表現(xiàn)出不同于熱力學(xué)條件控制下的形貌。人們根據(jù)這一現(xiàn)象發(fā)明出調(diào)控材料形貌的動力學(xué)調(diào)控方法,動力學(xué)調(diào)控方法這幾年得到迅速發(fā)展,受到越來越多的重視。然而,人們對材料生長過程中的動力學(xué)過程認(rèn)識還不充分,當(dāng)前動力學(xué)方法的調(diào)控手段主要通過調(diào)節(jié)顆粒生長速率的快慢這一較為一般的動力學(xué)過程,以達到對材料形貌調(diào)控的目的。通過仔細(xì)分析,本文發(fā)現(xiàn)材料生長過程中,其生長界面存在著不同于宏觀結(jié)構(gòu)的介尺度結(jié)構(gòu),如表面輪廓的曲率、界面反應(yīng)物的濃場分布等,這些介尺度結(jié)構(gòu)直接決定著材料的形貌演化。反應(yīng)物向材料表面?zhèn)鬟f的速率和相互之間反應(yīng)的速率決定了材料生長中其表界面的介尺度結(jié)構(gòu)。所以說,材料生長過程中所涉及的反應(yīng)過程和擴散過程,是材料生長中最具代表性的兩個動力學(xué)過程,它們之間的相互協(xié)調(diào)是導(dǎo)致材料形貌多樣化的主要原因。傳統(tǒng)的溫度、濃度、pH值等參數(shù)的調(diào)控,無法實現(xiàn)傳遞和反應(yīng)速率的獨立控制,因而難以找到結(jié)構(gòu)演化的規(guī)律。所以本文提出基于反應(yīng)-擴散的調(diào)控材料形貌的新方法,實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)反應(yīng)和擴散這兩個動力學(xué)因素以達到調(diào)控材料形貌的目的。本文的主要發(fā)現(xiàn)如下：(1)反應(yīng)-擴散定性調(diào)控對碳酸鈣顆粒形貌的影響。通過對碳酸鈣沉淀反應(yīng)中的反應(yīng)速率和擴散速率的定性調(diào)控,本文發(fā)現(xiàn)：當(dāng)反應(yīng)速率較慢而擴散速率較快時,顆粒的生長在反應(yīng)受限的條件下進行,可得到球狀顆粒；當(dāng)反應(yīng)速率較快而擴散速率較慢時,顆粒的生長在擴散受限的條件下進行,可得到的碳酸鈣呈枝狀晶結(jié)構(gòu)；當(dāng)反應(yīng)速率和擴散速率達到相當(dāng)?shù)臓顟B(tài)時,本文得到了雪花狀碳酸鈣顆粒,這種形貌的碳酸鈣顆粒是主枝和側(cè)枝的生長處于動態(tài)平衡狀態(tài)下得到的,是顆粒生長的表界面處介尺度結(jié)構(gòu)動態(tài)演化的體現(xiàn)。通過蒙特卡洛模擬驗證了雪花狀碳酸鈣是反應(yīng)和擴散這兩個動力學(xué)因素相互協(xié)調(diào)的結(jié)果,證實了反應(yīng)-擴散的協(xié)調(diào)作用在顆粒形貌演化中的重要性。(2)反應(yīng)-擴散定量調(diào)控對銀顆粒形貌的影響。通過對銀顆粒生長過程中銀離子的還原反應(yīng)速率和體系中材料單元擴散速率的定量調(diào)控,本文發(fā)現(xiàn)反應(yīng)-擴散對材料生長過程的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一個是對顆粒生長方式的影響,一個是對顆粒生長方向的影響。反應(yīng)-擴散通過對這兩個方面的影響,起到對材料形貌的調(diào)控作用。對生長方式的影響：當(dāng)銀離子的擴散速率或反應(yīng)速率較低時,銀的晶核會通過相互碰撞聚集在一起,使銀顆粒的生長以聚集生長的方式進行,形成片狀和紡錘棒顆粒；當(dāng)Ag+的擴散速率或反應(yīng)速率較高時,Ag+會通過較快的擴散速率沉積到銀的晶核表面,使銀顆粒的生長以傳統(tǒng)的逐層生長的方式進行,形成多面體的小晶粒。對生長方向的影響主要針對的是以聚集生長方式生長的顆粒,擴散速率指構(gòu)筑單元的擴散速率,反應(yīng)速率指構(gòu)筑單元生成反應(yīng)的反應(yīng)速率,研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)構(gòu)筑單元的擴散速率或反應(yīng)速率較高時銀顆粒傾向于沿著各向同性的方向生長,形成長徑比較低的片狀顆粒；當(dāng)構(gòu)筑單元的擴散速率或反應(yīng)速率較低時,銀顆粒的生長方向表現(xiàn)出各向異性,沿長軸方向的生長較快,形成長徑比較高的紡錘棒顆粒。(3)反應(yīng)-擴散對材料形貌調(diào)控作用及機制的模擬研究。分別建立了基于反應(yīng)-擴散的材料生長模型,對雪花狀碳酸鈣和銀顆粒的生長進行了模擬,驗證了反應(yīng)-擴散對它們形貌的調(diào)控作用,發(fā)現(xiàn)了雪花狀顆粒和高長徑比的紡錘棒顆粒都是生長方向表現(xiàn)出各向異性的結(jié)果。而且通過計算雪花狀碳酸鈣顆粒和不同長徑比片狀銀顆粒周圍的濃度分布,發(fā)現(xiàn)了它們周圍的濃度分布也表現(xiàn)為各向異性,而且濃度分布的各向異性和它們生長方向的各向異性一致,在顆粒生長速率較快的方向上,濃度梯度較高。所以本文得出結(jié)論,顆粒周圍的濃度梯度是造成其各向異性生長的根本原因,反應(yīng)-擴散對材料生長方向的調(diào)控,是通過對材料周圍濃度梯度的影響而實現(xiàn)的,這種濃度梯度是材料表界面的動態(tài)結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)。這樣,本文將反應(yīng)-擴散對碳酸鈣和銀顆粒形貌的調(diào)控作用統(tǒng)一到了一個共同的機制上,證明了反應(yīng)-擴散調(diào)控方法對材料形貌的調(diào)控作用具有一定的普適性。
【關(guān)鍵詞】：形貌調(diào)控 動力學(xué) 反應(yīng) 擴散
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(過程工程研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB30
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-13
• 1 緒論13-47
• 1.1 課題背景13-14
• 1.2 材料形貌的重要性14-20
• 1.3 納米材料的生長理論20-29
• 1.3.1 經(jīng)典結(jié)晶理論20-23
• 1.3.2 介晶及非經(jīng)典結(jié)晶23-27
• 1.3.3 熱力學(xué)路徑和動力學(xué)路徑27-28
• 1.3.4 結(jié)晶理論與材料形貌調(diào)控的關(guān)系28-29
• 1.4 納米顆粒形貌調(diào)控方法29-44
• 1.4.1 晶種法30-32
• 1.4.2 模板法32-37
• 1.4.3 動力學(xué)調(diào)控37-44
• 1.5 本論文的研究思路和主要內(nèi)容44-47
• 2 反應(yīng)-擴散定性調(diào)控對碳酸鈣顆粒形貌的影響47-67
• 2.1 引言47-49
• 2.2 實驗及模擬部分49-54
• 2.2.1 試劑及合成裝置49-50
• 2.2.2 表征設(shè)備及手段50
• 2.2.3 合成方法50-51
• 2.2.4 模擬方法51-54
• 2.3 實驗結(jié)果及討論54-64
• 2.4 本章總結(jié)64-67
• 3 反應(yīng)-擴散定量調(diào)控對銀顆粒形貌的影響67-103
• 3.1 引言67-70
• 3.2 實驗部分70-73
• 3.2.1 試劑及實驗耗材70
• 3.2.2 表征設(shè)備及手段70-71
• 3.2.3 合成方法71
• 3.2.4 Ag~+在不同醇水比溶液中擴散速率的測量71-72
• 3.2.5 反應(yīng)速率的量化72
• 3.2.6 溶液中銀原子或團簇的量化72-73
• 3.3 實驗結(jié)果及討論73-100
• 3.3.1 反應(yīng)-擴散對銀顆粒生長方式的影響73-87
• 3.3.2 反應(yīng)-擴散對銀顆粒生長方向的影響87-100
• 3.4 本章總結(jié)100-103
• 4 反應(yīng)-擴散對材料形貌調(diào)控作用及機制的模擬研究103-133
• 4.1 引言103-104
• 4.2 雪花狀碳酸鈣生長的模擬104-111
• 4.2.1 模型假設(shè)104-106
• 4.2.2 模擬過程中各動力學(xué)過程的算法106-108
• 4.2.3 模擬結(jié)果與討論108-111
• 4.3 銀顆粒生長的模擬111-119
• 4.3.1 模型的理論基礎(chǔ)112-114
• 4.3.2 模擬的計算過程及算法114-115
• 4.3.3 模擬結(jié)果及分析115-119
• 4.4 碳酸鈣和銀兩體系形貌演化規(guī)律的統(tǒng)一119-131
• 4.4.1 兩體系形貌演化規(guī)律的一致性119-122
• 4.4.2 反應(yīng)-擴散對材料生長方向調(diào)控作用的深層機制122-129
• 4.4.3 表面重整作用對材料生長方向各向異性的影響129-131
• 4.5 本章總結(jié)131-133
• 5 結(jié)論與展望133-137
• 5.1 結(jié)論133-134
• 5.2 論文創(chuàng)新點134-135
• 5.3 展望135-137
• 參考文獻137-147
• 個人簡歷及發(fā)表論文目錄147-149
• 致謝149-150

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 曹艷麗;丁孝龍;李紅臣;伊兆廣;王祥夫;朱杰君;闞彩俠;;形貌可控貴金屬納米顆粒的合成、光學(xué)性質(zhì)及生長機制[J];物理化學(xué)學(xué)報;2011年06期

  本文關(guān)鍵詞：基于反應(yīng)—擴散的材料形貌調(diào)控研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

，

本文編號：295099