张超, 邓智聪, 马蕾, 刘超, 陈宇宁, 汪智斌, 贾子健, 王香港, 贾鲁涛, 陈春, 孙正明, 张亚梅

2021, 40(6): 1769-1795.

摘要 ( 586 )

PDF (37036KB) ( 793 )

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近年来,3D打印混凝土技术凭借着免模板、高自动化与智能化的优势,吸引了越来越多的关注,在建筑工程等领域出现了诸多的成功应用案例。但是,3D打印工艺对混凝土的流变性能提出了更高的要求,而当前的混凝土相关标准与规范无法指导3D打印混凝土的设计。同时,受打印工艺的影响,3D打印混凝土的硬化性能和配筋技术也与传统混凝土有所差异。因此,本文从流变与可打印性能、配合比设计与制备、硬化性能及特点,以及配筋技术四个方面对3D打印混凝土的研究进展进行了综述。此外,为了全面展示3D打印混凝土技术的发展与应用,本文针对不同类型的3D打印混凝土工程案例以及特殊类型的3D打印混凝土进行了简要介绍,希望为3D打印混凝土的后续发展与研究提供参考。

3D打印建筑技术及其水泥基材料研究进展评述

张翼, 朱艳梅, 任强, 蒋正武

2021, 40(6): 1796-1807.

摘要 ( 212 )

PDF (3785KB) ( 197 )

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3D打印技术具有数字化、自动化、快速高效、无模、节省材料等特点,是一种低能耗、低排放的制造技术,也是制造业升级改革的关键技术。3D打印技术在传统建筑领域具有广阔的应用前景,能够极大缩短工程建设周期、提升建筑结构可设计性,它还是一种极端环境下极具潜力的施工技术。因此,3D打印建筑技术不仅受到科研工作者的青睐,更是得到国家的大力支持。本文系统评述了国内外基于水泥基材料的3D打印建筑技术的研究进展:首先介绍了基于水泥基材料的3D打印建筑技术的起源、发展及应用;然后从可打印性能、力学性能及耐久性能三个方面对3D打印水泥基材料研究进展进行了介绍;最后提出了关于3D打印建筑技术的思考与建议,并对其发展方向进行了展望。

3D打印混凝土技术在澳大利亚的最近研究进展

刘俊力, 任杰, Jonathan Phuong Tran

2021, 40(6): 1808-1813.

摘要 ( 99 )

PDF (5514KB) ( 96 )

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3D打印,又被称为增材制造,是通过逐层累积叠加制造三维物体的一种技术手段。过去几年中,这种技术吸引了越来越多来自建筑业的关注。与传统混凝土浇筑技术相比,3D打印混凝土的应用可以实现更加高效的自由建筑制造,同时减小对人工劳动力的依赖。在全球范围内,由于相关高校和科研单位的积极参与,关于3D打印混凝土的研究工作取得了巨大的进展,其中包括澳大利亚的相关研究。本文主要对澳大利亚在3D打印混凝土研究方面有代表性的两所高校的最新进展进行介绍,两所学校分别是皇家墨尔本理工大学(RMIT大学)和斯威本科技大学。本文首先介绍了两所高校的打印设备及其特点,随后讨论了具体研究领域和近期发表的相关文章。RMIT大学主要侧重于研究纤维增强对3D打印混凝土力学性能方面的影响,而斯威本科技大学则着重研究3D打印地聚物混凝土的性能。本文旨在促进相关领域研究人员对澳大利亚3D打印混凝土研究团队和研究进展的理解。

水泥基复合材料3D可打印性的量化、优化及标准化

王里, 李丹利, 叶珂含, 关景元, 冯舵

2021, 40(6): 1814-1820.

摘要 ( 113 )

PDF (940KB) ( 112 )

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水泥基复合材料的3D可打印性与打印工艺的协调兼容是无模快速建造成型的关键。然而,3D打印原材料和配合比多样,打印设备不同,成型工艺各异,且3D可打印性的量化与评估尚未形成统一标准,为该技术的工程应用和推广带来不便。本文分析了3D可打印性的影响因素,综述了混凝土3D可打印性的量化评价方法,总结分析了六种3D可打印性的优化提升方法,并给出了标准化推广的建议,对混凝土3D打印技术的工程应用具有实践指导价值。

3D打印混凝土材料可打印性的影响因素与测试方法

焦泽坤, 王栋民, 王启宝, 黄天勇, 王吉祥, 李林坤

2021, 40(6): 1821-1831.

摘要 ( 245 )

PDF (8469KB) ( 165 )

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混凝土3D打印作为近年来发展出的高新技术,受到了广泛的关注,并取得了许多研究成果,但目前对材料特性的测试方法没有形成统一的认识。本文从流动性、凝结时间、流变特性、可挤出性和可建造性五个方面综述了3D打印混凝土的研究进展。流动度试验可以用来快速筛选出不适合打印的材料。从长远来看,凝结时间短的材料更有潜力。流变特性可以定量化分析材料性能,但静态屈服应力随时间的演变缺少研究。目前可挤出性仍由观察法来评判,可以使用空隙率来将可挤出性定量表示。由于坍塌方式不同,可建造性需要将打印层数与试件形变结合起来评价。本文还总结了近年来可打印性的测试方法,对其优缺点进行分析,并对可打印性的量化与评估提供了一些建议,以便研究者借鉴。

混凝土3D打印材料及3D打印模板技术应用进展

孙凯利, 吴翔强, 蔺喜强, 李国友, 李新健, 孙志鹏

2021, 40(6): 1832-1843.

摘要 ( 109 )

PDF (18957KB) ( 225 )

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混凝土3D打印是现代数字化制造的典型代表,因其智能化、个性化、绿色建造的工艺优势受到广泛关注。作为一种新型建造方式,3D打印为建筑业带来了颠覆性的影响,并对传统混凝土材料提出了全新的挑战。如何提升混凝土材料与3D打印技术的适应性,实现3D打印技术在建筑中的广泛应用是人们普遍关注的焦点。本文概述了混凝土3D打印技术的发展历程,系统论述了混凝土3D打印材料在流变性、可挤出性、可建造性以及力学性能方面的研究现状,同时,介绍了3D打印模板技术在装饰及异型构筑物上的典型应用,以期为混凝土3D打印的研究与未来工程发展提供一定的参考与借鉴。

3D打印混凝土性能要求及相关外加剂研究进展

王瑜玲, 王春福, 张飞燕

2021, 40(6): 1844-1854.

摘要 ( 144 )

PDF (6310KB) ( 124 )

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3D打印混凝土特殊的施工工艺对混凝土材料提出了新的要求。从混凝土外加剂出发,合理选择外加剂的种类及用量可以有效调节3D打印混凝土的流变性、凝结特性、强度及耐久性,保证3D打印混凝土的可建造性及使用性。本文以3D打印混凝土的性能要求为基础,分析可以改善3D打印混凝土相关性能潜在外加剂的作用机理及使用情况,为3D打印混凝土在外加剂的选择上提供理论建议,并提出3D打印混凝土外加剂未来的发展方向。

纳米二氧化硅对白水泥基3D打印材料结构变形、流变及力学性能的影响

金源, 徐嘉宾, 孙登田, 陈明旭, 黄永波, 芦令超, 程新

2021, 40(6): 1855-1862.

摘要 ( 79 )

PDF (10390KB) ( 119 )

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与传统建筑材料相比,3D打印建筑材料的结构建立对打印材料的流变性能具有更高的要求。通过引入纳米二氧化硅来调控白水泥基3D打印材料的流变性能,旨在稳定打印后的浆体结构和改善材料的力学性能。研究表明,纳米二氧化硅的掺入可以明显缩短浆体的凝结时间,改善其早期力学性能。同时,纳米二氧化硅的掺入能够提高浆体的屈服应力和弹性模量,这有利于浆体抵抗自身的重力,降低打印结构变形。此外,当纳米二氧化硅掺量达到0.5%(质量分数)时,白水泥基3D打印材料的3 d抗压强度和抗折强度分别可以达到46.9 MPa和6.1 MPa。从流变参数的相关性分析可以看出,动态屈服性能对打印结构变形的影响较小,静态屈服应力对打印结构变形的影响较大。综上所述,在白水泥基3D打印材料中引入纳米二氧化硅可以很好地调控浆体的流变性能,改善3D打印结构和早期力学性能。

氧化铁红颜料对白水泥基3D打印材料流变及可打印性能的影响

徐嘉宾, 金源, 赵智慧, 陈明旭, 芦令超, 程新

2021, 40(6): 1863-1869.

摘要 ( 60 )

PDF (8278KB) ( 64 )

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目前3D打印技术在建筑材料领域的研究主要集中在大型结构的建立和力学性能上,而对异形装饰及景观构件的研究还很少。本文采用白色硅酸盐水泥作为胶凝材料,并引入亚微米级粒度氧化铁红颜料来制备彩色水泥基3D打印材料,并研究氧化铁红颜料对白水泥基3D打印材料流变性能、可打印性能及力学性能的影响。结果表明,低掺量的颜料可以降低白水泥基3D打印浆体的动态流变性能,改善浆体的挤出性能。此外,颜料的掺入能够明显提高浆体的静态屈服应力,使得结构变形率从11.38%降低至4.03%。同时,颜料的掺入能够改善浆体的早期力学性能,其3 d抗压和抗折强度最高可达到48.56 MPa和5.07 MPa。总的来说,氧化铁红颜料可调控白水泥基3D打印材料流变性能和优化材料微观结构。

纤维对3D打印混凝土打印性能与力学性能的影响

张超, 邓智聪, 汪智斌, 侯泽宇, 贾子健, 王香港, 贾鲁涛, 陈春, 孙正明, 张亚梅, 潘金龙

2021, 40(6): 1870-1878.

摘要 ( 154 )

PDF (15312KB) ( 119 )

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为了研究纤维掺入对3D打印混凝土(3DPC)性能的影响,通过掺入聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯(PP)纤维以及剑麻纤维,探究了纤维对3DPC流变性能、打印性能、力学性能以及孔结构的影响规律。流变性能测试结果表明,3DPC的静态屈服应力与三种纤维的掺量均呈线性上升关系,但纤维对3DPC流变性能的影响程度有所差异。打印性能测试结果表明PVA纤维的掺入会降低3DPC的可挤出性,但能明显提高挤出后混凝土的尺寸均匀性。力学性能与孔结构的测试结果表明,PP纤维对3DPC抗压强度有明显的提升效果,剑麻纤维对3DPC抗折强度有最显著的增强效果,而纤维掺量提高会降低3DPC表观密度,使内部孔隙率增加,从而导致高掺量纤维的增强效果弱于低掺量纤维。

湿度变化对交替3D打印试件微结构及力学性能的影响研究

曹乾菲, 崔冬, 史晓晗, 万逸, 左晓宝, 赖建中

2021, 40(6): 1879-1888.

摘要 ( 88 )

PDF (14722KB) ( 90 )

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本文提出一种全新的硅酸盐水泥(PC)与碱激发矿渣(AAS)交替3D打印工艺,并基于该工艺打印了硅酸盐水泥-碱激发矿渣复合试件。在试件干燥前后,分别采用X射线断层扫描成像技术(CT)分析了各复合试件以及碱激发矿渣打印试件的微观结构,并测试了各试件干燥前后的抗折与抗压强度。结果表明,碱激发矿渣与硅酸盐水泥的抗干缩性能不同,在内部湿度下降时,两种材料的打印界面容易因干缩不一致而开裂,引起打印成品微结构劣化以及力学性能下降。尽管如此,采用交替3D打印工艺,硅酸盐水泥有效弥补了碱激发矿渣强度的不足,打印成品的抗折与抗压强度均高于碱激发矿渣打印试件。对比逐层交替与逐列交替两种3D打印方法,逐层打印试件的抗折强度更高,而逐列打印试件的抗压强度更高。上述研究成果对3D打印混凝土技术的推广运用有一定指导意义。

耐碱玻璃纤维掺量对3D打印砂浆性能的影响研究

肖博丰, 李古, 张广虎

2021, 40(6): 1889-1894.

摘要 ( 68 )

PDF (2594KB) ( 62 )

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耐碱玻璃纤维作为一种性能优良的无机非金属纤维材料,在土木工程领域有很好的研究价值和应用潜力。而3D打印作为新兴技术,在土木工程领域有较高匹配度和广阔应用前景。本文通过在3D打印砂浆中掺入不同掺量的耐碱玻璃纤维并调节减水剂用量,制备一系列打印性能良好的砂浆,探究耐碱玻璃纤维掺量对砂浆力学性能的影响。试验结果表明:要获得良好的打印性能,跳桌试验流动度建议在180~220 mm之间;砂浆抗折强度随耐碱玻璃纤维掺量增加而提高,强度增幅最多可达99.2%;砂浆抗压强度随耐碱玻璃纤维掺量增加先提升后降低,纤维最优掺量为0.25%(质量分数)。

喷射3D打印磷酸镁水泥与混凝土界面粘结性能研究

刘雄飞, 李琦, 王里, 王楠

2021, 40(6): 1895-1904.

摘要 ( 106 )

PDF (16140KB) ( 175 )

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本文结合喷射3D打印全角度智能建造与磷酸镁水泥(MPC)快硬早强、高粘结性能,研究喷射3D打印MPC与混凝土界面粘结性能。通过掺加偏高岭土(MK)和粉煤灰(FA)调控MPC凝结时间、流变和力学性能,研发可喷射3D打印MPC,分析喷射3D打印MPC与混凝土界面粘结强度和微观结构变化规律。结果表明:MK通过降低MPC水化放热速率可明显提高MPC凝结时间,FA可缩短MPC初凝与终凝时间差,进而提高喷射3D打印MPC稳定性;MPC抗折强度随MK掺量先增大后降低,FA可进一步提高MPC抗折强度;随MK掺量增加,MPC静态屈服应力逐渐提高,FA对MPC屈服应力作用不明显,但可显著降低MPC塑性粘度,当掺加30%MK和15%FA时,可保证MPC良好可喷射3D打印建造性和泵送性;喷射3D打印通过高速喷射挤压作用,提高MPC与混凝土界面以及MPC层间粘结强度,使喷射3D打印MPC层间及其与混凝土微观界面粘结密实。

3D打印混凝土空腹重力坝的静力学数值模拟探讨

刘晓蓬, 冯竟竟, 刘仲秋, 周晶

2021, 40(6): 1905-1910.

摘要 ( 60 )

PDF (4764KB) ( 56 )

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目前关于3D打印混凝土技术在水利工程中的应用相对较少,本文以某一10 m高的小型空腹重力坝为研究对象,基于ANSYS软件模拟并探讨了在自重压力和静水压力作用下3D打印混凝土空腹重力坝的承载能力问题,讨论了层间弱面对水工结构承载能力的影响。结果表明:在自重压力和静水压力作用下,该10 m高的3D打印混凝土小型空腹重力坝未发生大变形,能够发挥其正常使用功能;在该空腹重力坝的上游坝踵位置出现超应力区,但范围极小且可以通过加设钢筋等措施予以解决;在空腹部分靠近上游面的位置出现了超过层间弱面抗拉强度的拉应力值,须采取增强层间弱面粘结能力或设置钢结构桁架抵消拉应力等措施来保证坝体安全可靠。

纳米氧化铝对硅酸盐水泥浆体流变、水化和硬化强度的影响

谢晓杰, 王申

2021, 40(6): 1911-1917.

摘要 ( 90 )

PDF (2632KB) ( 65 )

参考文献 | 相关文章 | 计量指标

本文研究了纳米氧化铝(NA)对硅酸盐水泥浆体的早期流变性、中期水化特性和后期力学性能的影响,并且分析了三个阶段之间参数的相关性。结果表明,NA的掺入增大了新拌水泥浆体的屈服应力和塑性黏度,且当NA掺量范围为3%~5%时,屈服应力和塑性黏度最大增幅均超过110%。在水泥浆体中掺入NA明显改变了硅酸盐水泥早期的水化放热速率和放热量,并且使得浆体在各龄期的抗压强度和抗折强度有所增长。对于该复合胶凝体系,早期的水化放热量与流变参数呈指数增长的变化趋势,而放热峰值速率与抗压强度则存在近似线性的函数关系。

基于浆料形态的陶瓷3D打印技术的浆料体系研究进展

刘文进, 周国相, 林坤鹏, 张砚召, 赵哲, 杨治华, 贾德昌, 周玉

2021, 40(6): 1918-1926.

摘要 ( 210 )

PDF (3794KB) ( 305 )

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3D打印技术因其操作简单便捷、成型快速灵活、可制备复杂结构的器件等优点,在精密陶瓷零件制造方面具有广泛应用。本文根据3D打印陶瓷的材料形态综述不同3D打印技术在陶瓷制备方面的特点,重点介绍了陶瓷3D打印成型技术中直写式3D打印、光固化3D打印、喷墨3D打印等技术所涉及的粘结剂、分散剂等组分的应用及作用机理,并对水基和非水基两种类型的添加剂组分进行总结和探讨,以期为3D打印技术制备高性能陶瓷样件提供参考。

凝胶3D打印制备细晶氧化铝陶瓷研究

郭金玉, 谢呵瀚, 杨小乐, 刘月明, 马征宇, 杨现锋, 谢志鹏

2021, 40(6): 1927-1936.

摘要 ( 97 )

PDF (27625KB) ( 102 )

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本文采用溶胶-凝胶法制备了适用于直写打印的拟薄水铝石凝胶,通过改变拟薄水铝石含量以及羟乙基纤维素含量来调控凝胶的流变性,并评价了凝胶的打印性能。针对凝胶坯体干燥所面临的挑战,创新性地提出了多步液相介质干燥方法,采用低分子量聚乙二醇作为干燥介质,乙酸乙酯作为萃取剂,在26 h内实现了厚度为10 mm的凝胶坯体的干燥,并且有效地避免了干燥缺陷的产生,这是传统的低温高湿干燥方法所难以实现的。常压烧结后,成功制备出了平均晶粒尺寸约为1.5 μm、相对密度为99%、弯曲强度为(351±53) MPa的致密氧化铝陶瓷零件。

立体光固化3D打印成型碳化硅陶瓷的烧结特性

崔聪聪, 李珊, 李伟, 包建勋, 张舸, 王功

2021, 40(6): 1937-1942.

摘要 ( 121 )

PDF (8604KB) ( 70 )

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立体光固化(SLA)作为碳化硅陶瓷材料3D打印的主流方法之一,具有广泛的应用前景。本文针对立体光固化成型的碳化硅素坯,进行了脱脂与反应熔渗试验,通过烧结过程中密度、强度、收缩率、微观结构的变化,研究了立体光固化成型碳化硅素坯的烧结特性。结果表明:脱脂后样品具有较低的烧结收缩率,特别是增材方向,为0.88%,脱脂后的坯体强度为0.26 MPa;光敏(UV)树脂的残留热解碳(PyC)呈网状结构连接碳化硅颗粒,热解碳局部出现断裂,同时样品沿打印层间出现微裂纹;反应熔渗后残留热解碳与硅反应生成β-SiC,连续相硅填充孔隙与层间微裂纹,样品体积密度为2.79 g/cm³,抗弯强度为183.99 MPa。

大壁厚3D打印SiO₂陶瓷快速制备技术研究

王守兴, 李伶, 毕鲁南, 刘时浩, 王营营, 鲍晓芸, 韩卓群, 屈忠宝, 吕佳琪

2021, 40(6): 1943-1949.

摘要 ( 105 )

PDF (4550KB) ( 78 )

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选用复合分散剂制备低粘度陶瓷料浆,采用自主研发的陶瓷3D打印机,以DLP(digital light processing)工艺制备出了大壁厚(>3 mm)SiO₂空心内六角陶瓷部件,坯体精度均在50 μm内。分析了3D打印陶瓷素坯在空气气氛和氩气气氛下的热分解过程,研究了气氛对大壁厚(>3 mm)SiO₂陶瓷部件脱脂与烧结的影响。结合扫描电子显微镜(SEM)分析了大壁厚(>3 mm)3D打印SiO₂陶瓷坯体快速脱脂烧结的工艺,氩气气氛有利于大壁厚SiO₂陶瓷快速脱脂烧结。氩气气氛下,控制气流量,进行了大壁厚(>3 mm)SiO₂陶瓷部件的快速制备,脱脂烧结周期大大缩短,为21.8 h,较自国外某公司进口的料浆及其工艺的制备周期(以进口的该公司料浆及工艺制备的相同产品制备周期为283 h)缩短92.3%,较公开报道的3D打印相同工艺制备的SiO₂陶瓷空心叶片制备周期缩短82%以上。

环氧树脂含量对激光选区烧结制备多孔煤系高岭土陶瓷性能的影响

何逸宁, 戴高尚, 吴甲民, 张洁, 潘明珠, 陈敬炎, 陈颖, 王永均, 张红星

2021, 40(6): 1950-1956.

摘要 ( 56 )

PDF (10830KB) ( 38 )

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目前,我国对煤系高岭土资源的整体深加工技术水平较低,导致了资源浪费和环境污染。本文分别以煅烧煤系高岭土和环氧树脂为原料和粘结剂,利用激光选区烧结工艺制备多孔煤系高岭土陶瓷,研究了环氧树脂含量对多孔煤系高岭土陶瓷性能的影响。研究表明,制备的多孔煤系高岭土陶瓷主要物相为莫来石和方石英,其孔隙分布均匀。随着环氧树脂质量分数从10%增大到25%,多孔煤系高岭土陶瓷素坯的抗弯强度由0.17 MPa增大到0.32 MPa,多孔煤系高岭土陶瓷的抗弯强度由2.81 MPa减小到0.82 MPa,其气孔率由50.37%增大到59.69%。以煤系高岭土为原料,采用激光选区烧结工艺制备多孔陶瓷对煤系高岭土资源的开发利用具有较为重要的意义。

Si₃N₄粉体的表面改性及其对立体光刻成型的影响

陈汝菲, 段文艳, 王功, 刘兵山, 刘晓冬, 李鑫

2021, 40(6): 1957-1964.

摘要 ( 89 )

PDF (13471KB) ( 77 )

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传统的陶瓷加工技术成本高、周期长、缺陷多,难以生产高性能陶瓷,立体光刻技术是制造形状复杂陶瓷零件的一种高效手段。纯Si₃N₄粉体的折射率(n=2.1)与树脂(n=1.49)的折射率相差较大,光散射严重,导致其陶瓷浆料的固化深度较低,很难直接利用立体光刻技术成型Si₃N₄陶瓷零件。为解决Si₃N₄粉体难以光固化的难题,本研究采用表面包覆有机物和表面氧化两种方式改性Si₃N₄粉体,并对比两种方式对Si₃N₄粉体光固化特性的影响规律。结果表明,包覆实验后,有机物单体经过一定反应时间后可均匀附着在Si₃N₄粉体表面;氧化处理后,Si₃N₄粉体表面形成非晶SiO₂层,该层均匀附着在粉体表面上。原始Si₃N₄粉体的固化深度仅为20 μm,经过包覆改性和800 ℃氧化4 h后,Si₃N₄粉体的固化深度分别可提高到40 μm和50 μm,两种方式均能有效提高原始Si₃N₄粉体的固化深度。

光固化ZrO₂陶瓷料浆的流变性能研究

韩卓群, 李伶, 刘时浩, 邱坤, 王守兴, 刘福田

2021, 40(6): 1965-1971.

摘要 ( 89 )

PDF (9270KB) ( 56 )

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围绕陶瓷粉体在光敏树脂中的分散,研究了粉体性质、分散剂种类及其掺加量、固含量对光固化ZrO₂陶瓷料浆流变性能的影响。结果表明:粉体性质对料浆的流变性能有着显著影响,比表面积小、球形度高的ZrO₂陶瓷粉体更有利于配制低粘度、高固含量的料浆;料浆的流变性能以及稳定性主要受分散剂种类及其掺加量的控制,以相对粉体质量4%的X-100分散剂制备的陶瓷料浆的流变性及稳定性更佳;固含量与粘度之间的关系满足Krieger-Dougherty模型。本文对分散剂的作用机理进行了分析探讨,为光固化ZrO₂陶瓷料浆高精度固化成型提供了试验基础。

高磁性能铁氧体的3D打印及其应用研究

魏相霞, 解娅男

2021, 40(6): 1972-1978.

摘要 ( 87 )

PDF (7850KB) ( 39 )

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针对传统陶瓷成型方式难以甚至无法制备高性能复杂结构的不足和局限性,采用一种直写陶瓷3D打印技术,通过配制可打印的陶瓷浆料实现陶瓷结构近净尺寸成型。研究了锌含量对镍锌铁氧体微观形貌、结晶结构及磁性能的影响,结果表明,锌含量x=0.4(Ni_1-xZn_xFe₂O₄)时,由于阳离子分布效应,铁氧体饱和磁场强度(M_s)可达到76.3 emu/g。此外还研究了陶瓷浆料的配制,并利用直写3D打印技术得到复杂三维网状结构,结果表明,烧结后可制备软磁性镍锌铁氧体三维网状致密结构。最后研究了该结构在低磁场下分离磁性颗粒的效果,结果表明,3D打印铁氧体网状结构能够作为导磁介质增强磁通密度,可有效提高磁性颗粒的分离效率,并通过有限元数值仿真进行验证。

高强石膏3D打印浆体材料的制备与性能研究

黄彦敏, 毛岩鹏, 王旭江, 李敬伟, 王文龙, 马怡荻

2021, 40(6): 1979-1986.

摘要 ( 68 )

PDF (4507KB) ( 62 )

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使用预先混合的高强石膏浆体材料进行3D打印的工艺具有制品强度高、打印周期短等优点,但仍存在石膏初凝时间过短、浆体可堆叠性不足等问题。在此基础上研究了植物蛋白类缓凝剂和多聚磷酸盐缓凝剂对材料抗压强度、流动性和可打印时间的影响,并研究了增塑剂羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)对浆体流变性能和3D打印构件体积稳定性的影响。结果表明,两种缓凝剂对石膏水化的延缓机理不同,植物蛋白类缓凝剂可以延长流动度的稳定时期,多聚磷酸盐缓凝剂则不能很好地增加可打印时间,浆体在初凝前8~12 min就已失去流动性。HPMC的加入可显著提升浆体材料的表观粘度和屈服应力并消除缓凝剂造成的泌水现象,但对塑性粘度增幅不大,且会降低材料的抗压强度。高HPMC掺量下的高强石膏3D打印构件的体积稳定性较好,在0.020%(质量分数)植物蛋白类缓凝剂和0.60%(质量分数)HPMC掺量下3D打印构件的体积变形率为0.09。

凹凸棒土与纳米二氧化硅对高强石膏浆体3D可打印性的影响

余越, 贾军红, 段斌, 王宽, 洪正东, 曹若钰, 黄健

2021, 40(6): 1987-1996.

摘要 ( 69 )

PDF (11842KB) ( 47 )

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本文研究了凹凸棒土(ATP)和纳米二氧化硅(NS)对3D打印用α半水石膏浆体泵送性、流变性、支撑性等可打印性及固化体力学强度的影响。结果表明,掺入ATP后,泵送力维持在(0.57±0.02) kN,浆体剪切应力与剪切应变曲线不随掺量增加而发生明显变化,0 h、4 h打印体坍塌角分别从空白组的24°、32°降至掺量为2.8%(质量分数,下同)时的8°、11°。与ATP相比,打印浆体掺加NS后泵送力明显增加,掺加2.8%NS浆体的泵送力是同掺量ATP浆体的近2倍,浆体剪切初始应力随NS掺量增加而增大。虽然掺加NS使浆体泵送阻力增大,NS较ATP对打印体的支撑性却明显提升,掺加2.8%NS打印体0 h、4 h均无明显坍塌。ATP和NS在1%~2%掺量时浆体均可打印,且固化打印体抗压强度均有所增加,但层间粘结强度均削弱约2/3。

一种双低聚物3D打印用光敏树脂的制备与性能研究

尤晓萍, 于仙, 梁雯

2021, 40(6): 1997-2002.

摘要 ( 51 )

PDF (1226KB) ( 43 )

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随着光固化3D打印技术的发展,制备收缩率小、凝胶含量高,性能符合使用要求的光敏树脂极为重要,以纯丙烯酸酯(2官能度,2-AE)、聚氨酯丙烯酸酯(6官能度,6-PUA)为低聚物,二缩三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)为稀释剂,2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦(TPO)为光敏剂,利用正交试验法配制光敏树脂溶液并通过3D打印完成样品制备。以收缩率、凝胶含量、黏度及硬度为评价指标,通过综合平衡法对测试结果进行分析,研究结果表明,光敏树脂溶液制备的最佳配方为:两种低聚物(纯丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯)质量比为2∶1,稀释剂质量分数为57.6%,光敏剂质量分数为3%。样品性能参数为:收缩率4.7%,凝胶含量96.6%(质量分数),黏度105 mPa·s,邵氏硬度80 HD。

Al₂O₃掺杂对γ-C₂S碳化性能的影响

明心昭, 刘志超, 王发洲, 胡曙光, 胡传林

2021, 40(6): 2003-2010.

摘要 ( 66 )

PDF (9330KB) ( 30 )

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本文研究了Al₂O₃掺杂对γ-C₂S熟料粒径、微观结构和力学性能的影响。试验结果表明:Al₂O₃掺杂不会改变γ-C₂S的晶型,但显著改变了其形貌;纯相γ-C₂S颗粒表面褶皱较多,颗粒尺寸较大,掺杂Al₂O₃后γ-C₂S颗粒表面褶皱消失而变得光滑;γ-C₂S碳化体的抗压强度与碳化程度随着Al₂O₃掺量的提高逐渐增加。通过碳化反应温升并结合碳酸钙衍射峰的半峰宽和X射线衍射仪(XRD)定量分析表明,Al₂O₃掺杂延缓了碳化放热,有利于碳化反应的持久进行,同时促进了碳酸钙晶粒的生长和数量的增加,从而使碳化程度更高,基体结构更加密实,因而抗压强度更高。

基于骨料-浆体两相组成的混凝土细观结构定量研究

许海铭, 许晓明, 牛贺洋, 许鸽龙, 蔡基伟, 田青

2021, 40(6): 2011-2018.

摘要 ( 66 )

PDF (4705KB) ( 37 )

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骨料间浆体层厚度或距离是混凝土性能研究和配合比设计中的重要参数,其定量方法一般包括两类浆体层厚度的计算模型、平均自由程模型以及图像分析法。本文使用以上方法计算、测量了24组混凝土试样的浆体层厚度和骨料间自由程,通过对比试样结果间的差异与关系,来说明不同方法的适用性。结果表明:不同方法所得浆体层厚度与骨料体积分数之间呈幂函数关系,且不同方法的计算值或测量值之间具有较好的线性关系,说明它们均可用于定性分析混凝土性能与细观结构之间的关系;通过对比不同浆体层厚度定量模型的推导过程,得到了修正的浆体层厚度(MAPT_Ⅱ)模型,相比最大/平均浆体层厚度(MPT/APT_Ⅰ)模型,其具有更好的便利性和精确程度。

干湿循环作用下氯离子在聚丙烯纤维混凝土中传输性能研究

解国梁, 申向东, 姜伟, 张斌

2021, 40(6): 2019-2025.

摘要 ( 62 )

PDF (1062KB) ( 33 )

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为探究干湿循环作用下聚丙烯纤维混凝土中氯离子的传输规律,设计了四种掺量的聚丙烯纤维混凝土,对其在不同干湿循环周期下的自由氯离子含量和总氯离子含量进行测量,分析聚丙烯纤维掺入对混凝土氯离子结合性能及氯离子扩散系数的影响。结果表明:0.15%(体积分数,下同)聚丙烯纤维的掺入可以增加混凝土密实度,降低自由氯离子含量;而大量纤维的掺入(＜0.45%)导致混凝土内部自由氯离子含量增加,增大了混凝土的氯离子结合能力。聚丙烯纤维掺量0%~0.45%范围内,氯离子结合能力与纤维掺量存在二次函数关系。聚丙烯纤维的掺入降低了干湿循环后期氯离子扩散系数,增大了时间依赖系数m,有利于提高混凝土抗氯离子侵蚀能力。

早期受冻损伤混凝土应力-应变试验研究

连海东, 田青青, 徐存东, 高懿伟

2021, 40(6): 2026-2033.

摘要 ( 59 )

PDF (1076KB) ( 41 )

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北方地区混凝土冬季施工过程,新浇筑混凝土容易因突然降温而遭受早期损伤。为研究早期受冻对混凝土单轴受压状态下力学性能的影响,通过对不同冻结温度(-5 ℃、-10 ℃)、不同起冻时刻(1.0 h、3.5 h、8.0 h、24.0 h)养护条件下的混凝土进行单轴受压试验,获得了应力-应变全曲线,拟合得到了适用于早期受冻混凝土的单轴受压本构方程。结果表明:早期受冻后混凝土应力-应变曲线在下降段更为陡峭,延性和塑性变形能力降低;冻结温度对峰值应力和峰值应变影响不明显;随起冻时刻的延后,峰值应力先下降后上升,峰值应变先上升后下降,初凝后至终凝前受冻混凝土力学性能损伤最为严重;基于过镇海教授模型拟合得到的早期受冻后混凝土应力-应变曲线方程与试验曲线吻合较好;对早期受冻混凝土峰值应力、峰值应变及延性和塑性变形能力最不利的起冻时刻均在养护4 h前后。

凝结硬化期扰动对混凝土受压声发射特性的影响

司秀勇, 户伟华, 潘慧敏

2021, 40(6): 2034-2041.

摘要 ( 56 )

PDF (3028KB) ( 26 )

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为了解凝结硬化期间的扰动对混凝土损伤的影响,对处于初凝至终凝阶段的混凝土进行了模拟扰动试验,全程采集了受扰混凝土受压破坏过程产生的声发射信号。通过比较不同试件的声发射特征参数,研究了不同受扰龄期的混凝土在单轴受压条件下的声发射特性,并基于水泥混凝土结构形成动力学对受扰混凝土损伤机理进行了分析。结果表明:扰动使混凝土内部产生了不同程度的损伤,其中凝结硬化中期的扰动对混凝土性能影响较大,使混凝土峰值应力降低25.1%,损伤度达到14.2%,临近初凝和终凝的扰动对混凝土影响较小;与基准混凝土相比,受扰试件在加载初期声发射能量释放率较小,声发射活跃区间出现在加载后期。对于凝结硬化中期受扰的混凝土试件,在相对应力水平小于50%时,未采集到明显的声发射信号,此试件其声发射速率参数a值最小,过程参数b值最大。

重金属污染土壤修复研究进展

任志盛, 刘数华

2021, 40(6): 2042-2051.

摘要 ( 120 )

PDF (1006KB) ( 138 )

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世界范围内的土壤中广泛存在重金属污染,正确认识土壤中重金属的存在形式有利于采取适当的方式进行土壤修复。现有技术中,根据修复原理可分为物理、化学、生物、电气和热修复五种,具体方法为覆盖、封装、填埋、土壤冲洗、电动萃取、稳定化/固化、玻璃化、植物修复及微生物修复。这些技术具有相应的优缺点和适用性,覆盖、封装和填埋适用于污染严重面积小的区域;土壤冲洗工程量大,需要对螯合剂进行处理;电动萃取适用于浅层、低浓度污染场地,处理时间长;稳定化/固化应用广泛但不能从土壤中根除重金属;植物修复需提高效率。合适的修复技术对于重金属污染土壤再利用至关重要,需结合污染的类型和程度、修复目标、场地特征、成本效益、修复时间。

固硫灰渣的基本特性及其作水泥混合材的关键问题研究进展

刘虎林, 王昭, 伍媛婷, 任思谦, 王巍, 韩桂英

2021, 40(6): 2052-2061.

摘要 ( 90 )

PDF (5590KB) ( 50 )

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固硫灰渣是循环流化床燃煤技术的主要副产物,如何高效、清洁地利用这一类固体废弃物是一个亟待解决的问题。本文根据近年来国内外对固硫灰渣的研究成果,从化学组成、矿物组成、微观结构、典型特性等方面综述了固硫灰渣的主要特征。相较于粉煤灰等其他燃煤副产物,固硫灰渣中存在游离氧化钙、硫酸钙和无定形铝硅酸盐物质,且颗粒疏松多孔,这导致其具有明显的火山灰活性、自硬性和水化膨胀性等特性。同时本文分析了固硫灰渣作为水泥混合材使用时需要注意的几个关键问题。结果表明,固硫灰渣特殊的组成、微结构和性质导致其作为水泥混合材使用时,必须考虑使用合适的激发剂提高灰渣活性,调整养护工艺、用水量等条件提高制品的安定性,并以添加减水剂等方式控制水泥制浆中的需水量,提高水泥石强度。这为有效实现固硫灰渣的建材资源化利用提供一定指导。

碱刻蚀玄武岩纤维对地质聚合物基木材胶黏剂胶接性能的影响

邓穆玲, 张扬, 潘大卫, 叶翰舟, 张娜

2021, 40(6): 2062-2069.

摘要 ( 48 )

PDF (7801KB) ( 25 )

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作为新型环保无机胶凝材料,地质聚合物在人造板产业中具有巨大的应用潜力,但地质聚合物的脆性不利于其与木材胶接。本文以改善地质聚合物基体的脆性,增强其与木材胶接强度为目的,采用不同浓度及温度的NaOH溶液对玄武岩纤维(BF)进行碱刻蚀,将碱刻蚀玄武岩纤维(HAF)与碱激发剂共混,制备碱刻蚀玄武岩纤维掺杂的地质聚合物(HAFMG),探究碱刻蚀方法对HAFMG的力学性能及HAFMG与木材胶接强度的影响。结果表明:碱刻蚀处理可溶解BF表面的硅铝组分,提高BF表面粗糙程度及其与地质聚合物基体的界面结合,最终提高地质聚合物与木材的胶接强度。掺入HAF(100 ℃、0.5 mol/L NaOH)可提高地质聚合物基体的韧性,相较于纯地质聚合物,其抗折强度提高了154%,压折比降低了41%。HAF(100 ℃、0.5 mol/L NaOH)掺杂后的地质聚合物与木材的剪切强度相比于纯地质聚合物提高了121%。

钛精矿重选分离含硅物相影响因素研究

林银河, 李京伟, 王哲, 唐勇, 程相魁, 黄晓丽

2021, 40(6): 2070-2074.

摘要 ( 52 )

PDF (5740KB) ( 30 )

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针对四川某钛精矿中存在的硅含量过高的问题,提出了摇床重选法分离二氧化硅的方法。通过球磨工艺获得不同粒径颗粒,然后采用摇床进行重选,研究粒径大小、粒径组分占比、冲程等因素对钛精矿含硅相的分离效果。结果表明,随着磨矿时间的增加,-200目(＜75 μm)钛精矿占比逐渐增加。当研磨时间为8 min时,-200目钛精矿的占比为83.0%(质量分数)。随着冲程的增大,SiO₂的品位和TiO₂的回收率均呈逐渐增大的趋势。当冲程为15 mm时,SiO₂的品位由2.46%(质量分数)降低至1.07%。重选分离后原矿分为三部分,TiO₂品位:钛精矿>中矿>尾矿,SiO₂品位:钛精矿<中矿<尾矿。当-200目铁精矿占比85.5%(质量分数)时,重选后SiO₂的含量最低可降至0.93%(质量分数)。

硼硅酸盐玻璃浸出前后结构变化的研究

张晓阳, 卯江江, 陈丽婷, 茆亚南, 王天天, 孙梦利, 彭海波, 王铁山

2021, 40(6): 2075-2082.

摘要 ( 111 )

PDF (8554KB) ( 47 )

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硼硅酸盐玻璃作为最具工业化应用前景的高放射性废物的固化基材,其中的放射性核素主要以浸出方式进入生物圈。本工作采用了MCC-1静态浸泡法对在90 ℃去离子水中浸泡28 d后的硼硅酸盐玻璃的浸出行为进行了研究。借助电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、傅里叶红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)以及掠入射X射线衍射(GIXRD)等方法对玻璃的浸出性能及微观结构进行研究。此外,还使用了扫描电镜观测了浸出样品的截面。FTIR、Raman及GIXRD结果表明,浸出后,样品表层中的Si-O-Si结构明显增多,而硼结构单元则消失,表层的微观结构与熔融石英的结构较为相似。此外,在扫描电镜中观察到浸出7 d后的样品表面出现腐蚀层,同时在玻璃基底和腐蚀层中间出现裂隙,由此导致了浸出表面积的增加,从而最终引起浸出7 d时元素归一化标准浸出率的异常增大。

MgO含量对RSCAF体系微晶玻璃析晶行为的影响

徐国梁, 罗云龙, 王辅, 刘来宝, 廖其龙

2021, 40(6): 2083-2089.

摘要 ( 68 )

PDF (5100KB) ( 50 )

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采用MgO取代R₂O-SiO₂-CaO-Al₂O₃-F(RSCAF)体系中的部分CaO制备了微晶玻璃,系统研究了MgO含量对该微晶玻璃析晶行为的影响。结果表明,RSCAF体系中不含MgO时(CaO含量为16.5%,质量分数,下同),经过热处理后微晶玻璃的主晶相为硅碱钙石,微观形貌中结晶相呈犬牙交错状,微晶玻璃的密度小于基础玻璃。当RSCAF体系中MgO的含量为0%~3%时,微晶玻璃的结晶度随着CaO含量的减少而降低;随着体系中MgO含量的进一步增加以及CaO含量的减少,微晶玻璃的主晶相由硅碱钙石逐渐向透辉石转变,微观形貌中呈柱状、片状的透辉石相增多,密度也逐渐增加;当体系中MgO的含量增加到4%(CaO含量降低至12.5%)时,微晶玻璃的主晶相完全转变为透辉石,且透辉石的结晶度相对主晶相为硅碱钙石时有所增加,微晶玻璃的密度大于基础玻璃。

Zn²⁺掺加的包覆型Fe₂O₃/SiO₂颜料的制备及其呈色性能

冯晋阳, 赵珂楠, 范艺鋆, 李凝芳

2021, 40(6): 2090-2095.

摘要 ( 46 )

PDF (6329KB) ( 41 )

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包覆型Fe₂O₃/SiO₂颜料由于包覆完整性并不理想,该颜料高于800 ℃时呈色会产生变黑、变暗的问题。采用溶胶-凝胶法制备包覆型Fe₂O₃/SiO₂颜料,研究催化剂浓度、反应温度、硅/铁质量比等因素对包覆型Fe₂O₃/SiO₂颜料呈色性能的影响。在此基础上,通过掺加Zn²⁺,进行了Zn²⁺掺加的包覆型Fe₂O₃/SiO₂颜料的呈色性能研究。研究表明,当催化剂(氨水)浓度为0.75 mol/L,反应温度为40 ℃,硅/铁质量比m(SiO₂)/m(Fe₂O₃)为0.20,铁/锌摩尔比n(Fe)/n(Zn)为4时,制备得到的Zn²⁺掺加的包覆型Fe₂O₃/SiO₂颜料的呈色耐热性能获得明显提升,样品在850 ℃煅烧后仍然呈现出明亮的红橙色色调。

电缆用陶瓷化硅橡胶复合带性能的研究

王新古, 孙光华, 常锦涛, 李秀峰

2021, 40(6): 2096-2103.

摘要 ( 89 )

PDF (6230KB) ( 38 )

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采用熔融共混法制备了可陶瓷化硅橡胶复合材料,对其进行了拉伸性能、阻燃性能和体积电阻率测试。结果表明:随着助熔剂用量的增加,复合材料的拉伸性能下降,由于引入了更多的杂质离子,复合材料的电导率提升;SiO₂的加入增大了填料网络结构的紧密性,复合材料的弹性形变和拉伸强度增大,载流子的迁移受到了阻碍,材料的体积电阻率提高;多种无机填料的协同作用使复合材料具有较好的阻燃性能,当玻璃粉/SiO₂填充质量份数为40/40时,材料的氧指数最高,热释放速率峰值和烟生成速率峰值最低,火灾危险性较小;EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)与硅橡胶的共混提高了复合材料的刚性和塑性形变,填料的分散状态发生改变,局部堆积的填料充当了杂质离子,导致材料的电阻率降低。

TiO₂的添加对铝铬固溶体烧结动力学的影响

李人骏, 张玲, 张晓序, 王志刚, 胡於江

2021, 40(6): 2104-2109.

摘要 ( 58 )

PDF (7200KB) ( 31 )

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铝铬固溶体被广泛应用于耐火材料,其烧结致密化较难,添加一定量的烧结助剂有利于提高铝铬固溶体的致密程度,但对于致密化过程中的晶粒生长规律尚不清楚。在本工作中以纳米η-Al₂O₃和工业铬绿为原料,加入烧结助剂TiO₂,并以PVA作为结合剂,经过冷等静压成型后在常压下1 400~1 700 ℃进行固相烧结制备摩尔比1∶1的烧结铝铬固溶体。利用Archimedes法、XRD、SEM、Nano measurer等手段分析了烧后试样的致密度、物相组成、显微结构和平均晶粒尺寸,在此基础上进一步计算研究了TiO₂的添加对铝铬固溶体的烧结动力学的影响。结果表明:在烧结过程中,Al₂O₃-Cr₂O₃和Al₂O₃-Cr₂O₃-2%TiO₂烧结体系的晶粒生长指数和晶粒生长活化能均随温度升高而减小;Al₂O₃-Cr₂O₃体系晶粒生长主要受原子随机越过晶界和体积扩散两种机制控制,Al₂O₃-Cr₂O₃-2%TiO₂体系晶粒生长主要受体积扩散控制;对比两种体系发现TiO₂的添加能使样品的晶粒生长指数和晶粒生长活化能下降,促进晶粒生长发育。

四元相变材料的制备及改性研究

肖力光, 尚晓月

2021, 40(6): 2110-2117.

摘要 ( 69 )

PDF (12379KB) ( 36 )

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为探究与制备更加适用于太阳能储能应用的四元相变材料,以Na₂HPO₄·12H₂O为主储热剂,Na₂SO₄·10H₂O,Na₂CO₃·10H₂O,Na₂S₂O₃·5H₂O与CH₃COONa·3H₂O为辅储热剂,在四种辅储热剂中任取三种与主储热剂按照设计的配比进行混合,制备四元相变储能材料,并选取纳米TiO₂,ZnO,Al₂O₃以及Na₂SiO₃和Na₂B₄O₇·10H₂O作为成核剂分别对其进行改性,通过步冷曲线、DSC、SEM、IR、XRD对样品进行数据分析。结果表明,Na₂HPO₄·12H₂O/Na₂CO₃·10H₂O/Na₂SO₄·10H₂O/Na₂S₂O₃·5H₂O为四元PCMs的最佳组合,其最佳配比(质量分数)分别为60%、10%、20%、10%(60/10/20/10)。在多种成核剂中掺加氧化锌的效果最好,当掺量10%(质量分数)时,四元PCMs的过冷度由3.0 ℃降低到0.2 ℃,相变焓由95.11 J/g升至472.39 J/g,相变温度区间从15.44~39.90 ℃改变至50.79~129.64 ℃,且无相分离。

乙醇辅助氨基改性NCR-MCM-48分子筛的制备及其对Cr(VI)的吸附性能

崔艳红, 孙鹏, 汪颖军, 所艳华, 张微, 王彦宏

2021, 40(6): 2118-2128.

摘要 ( 58 )

PDF (12948KB) ( 38 )

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以稻壳灰提纯出的硅胶为无机组装硅源,乙醇为辅助试剂,通过水热合成法制备了CR-MCM-48分子筛,并对其氨基改性接枝制备NCR-MCM-48介孔分子筛。实验探讨了硅钠比、晶化温度、晶化时间及乙醇含量对CR-MCM-48介孔结构和形貌的影响。通过X射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、N₂吸附-脱附曲线和红外光谱(FT-IR)对合成材料进行了结构和形貌表征,并对NCR-MCM-48介孔材料吸附水溶液中Cr(VI)的性能进行了评价。结果表明,当物料摩尔比n(Si)∶n(CTAB)∶n(H₂O)∶n(NaOH)∶n(C₂H₅OH)=1.0∶0.65∶62∶0.625∶0.25,晶化温度为393 K,晶化时间为72 h,焙烧温度为823 K时,组装合成的CR-MCM-48介孔材料有序度最好。热力学分析结果表明,NCR-MCM-48对Cr(VI)的吸附是自发、吸热反应。在吸附温度为308 K、pH=2.0、吸附时间为150 min的条件下,NCR-MCM-48吸附剂对Cr(VI)的最大吸附容量为88.9 mg·g^-1。

3D 打印混凝土材料与结构国际会议-2021在南京召开

2021, 40(6): 1795-1795.

摘要 ( 57 )

PDF (621KB) ( 33 )

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