大孔_介孔分级孔结构炭材料制备及性能研究
第26卷 第2期 无 机 材 料 学 报
Vol. 26
No. 2 2011年2月
Journal of Inorganic Materials
Feb. , 2011
收稿日期: 2010-04-23; 收到修改稿日期: 2010-06-07
基金项目: 国家自然科学基金(90610003); 国家重点基础发展规划973项目(2004CB217603); 国家高技术研究发展计划863
项目(2009AA05Z318-2)
National Nature Science Foundation of China (90610003); 973 Program(2004CB217603); 863 Program (2009AA0- 5Z318-2)
作者简介: 周 颖(1961?), 女, 硕士, 副教授. E-mail: zhouying02@https://www.360docs.net/doc/2015167839.html, 通讯联系人: 邱介山, 教授. E-mail: jqiu@https://www.360docs.net/doc/2015167839.html,
文章编号: 1000-324X(2011)02-0145-04 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2011.00145
大孔?介孔分级孔结构炭材料制备及性能研究
周 颖, 王志超, 王春雷, 王六平, 许钦一, 邱介山
(大连理工大学 化工学院 精细化工国家重点实验室炭素材料研究室, 大连 116012)
摘 要: 以聚苯乙烯微球以及F127嵌段共聚物自组装结构为模板, 酚醛树脂低聚物为碳前驱体, 双模板法合成了大孔?介孔分级孔结构的炭材料. 对样品进行了X 射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和氮吸附?脱附测试, 并研究了样品的电化学性能. 结果表明, 利用这种简便的合成方法可以得到具有三维连通大孔以及二维有序介孔结构的分级孔结构炭材料, 大孔尺寸在1μm 左右, 介孔孔径集中分布在5nm, 比表面积为353.8m 2/g, 孔容0.36cm 3/g. 利用三电极体系测试了产品作为电化学双电层电容器电极材料的性能, 在50mA/g 的电流密度下, 放电质量比电容为40F/g.
关 键 词: 分级孔结构; 双模板; 电化学双电层电容器 中图分类号: TQ127 文献标识码: A
Synthesis and Properties of Hierarchical Macro-mesoporous Carbon Materials
ZHOU Ying, WANG Zhi-Chao, WANG Chun-Lei, WANG Liu-Ping, XU Qin-Yi, QIU Jie-Shan
(Carbon Research Laboratory, School of Chemical Engineering, State Key Lab of Fine Chemicals, Dalian University of Tech-nology, Dalian 116012, China)
Abstract: Hierarchical macro-mesoporous carbon material (HMMC) was synthesized successfully via a facile
dual-templating method using resols as carbon source, in which polystyrene (PS) colloid was selected as macro-porous template and Pluronic F127 as mesoporous template. After thermosetting treatment and carbonization step, HMMC can be obtained. The product was characterized by XRD, SEM, TEM and N 2 adsorption techniques. The electrochemical performance of HMMC was evaluated by cyclic voltammetry and galvanostatic charge/discharge methods using an electrochemical workstation and a battery testing system. Results show that HMMC material has three-dimensional connected macroporous structure with pore size of 1μm and ordered mesoporous windows with average pore size of approximately 5nm. BET surface area of the product is 353.8m 2/g and pore volume is 0.36cm 3/g. The CV curves of HMMC are quasi-rectangular, the specific capacitance of product is calculated to be about 40F/g at a constant current density of 50mA/g. It is anticipated that these novel materials synthesized by the simple methods have potential applications in electrode materials.
Key words: hierarchical porous carbon; dual-templating method; EDLCs
多孔炭是一种备受关注的新型炭材料, 其优异的孔结构、良好的物理性能和化学性能, 在催化剂载体、气体分离、电极材料等领域有着广阔的应用前景[1]. 其中大孔?介孔分级孔结构炭材料包含了两级尺寸的孔径, 且大孔和介孔以相互连通的方式规则排布, 能够同时提供优良的大分子通过性以及
发达的比表面积, 引起了广泛关注. Taguchi 等[2]利用十六烷基三甲基溴化铵和聚乙二醇制备了大孔?介孔多级孔道硅, 并以其为模板, 糠醇为碳源制备了大孔?介孔炭, 得到的炭材料具有无序的连通大孔和海绵状介孔结构. Chai 等[3]使用聚苯乙烯球和二氧化硅颗粒为模板, 二乙烯基苯(DVB)和偶氮二
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异丁腈(AIBN)混合物为碳源合成了有序大孔?介孔分级孔结构炭材料, 并将这种高比表高孔容的材料作为铂钌合金催化剂的载体应用于直接甲醇燃料电池, 其甲醇氧化活性优于商用的E-TEK 催化剂. 上述方法用二氧化硅作为硬模板, 需要大量的氢氟酸去除模板. Xue 等[4]通过在聚氨酯泡沫骨架上进行溶剂挥发诱导自组装, 使用酚醛树脂为碳源制备了大孔?介孔炭泡沫. 这种方法的优势在于模板的脱除是在高温炭化过程中实现, 大大地缩短了工艺流程, 避免了强酸的使用. 本工作使用一种简洁的合成方法, 利用聚苯乙烯微球以及嵌段共聚物自组装体系的双重空间限域作用合成了一种大孔?介孔分级孔结构炭材料(HMMC), 并测试了其作为电化学双电层电容器(EDLCs)电极材料的性能.
1 实验部分
1.1 主要试剂与材料
Pluronic F127(分子量MW=12600): Sigma-Al-drich; 苯乙烯: 天津市大茂化学试剂厂, 分析纯; 聚乙烯吡咯烷酮(PVP): 汕头市西陇化工厂, 分析纯; 偶氮二异丁腈(AIBN): 天津市科密欧化学试剂有限公司, 分析纯; 甲醛(37%): 沈阳联邦试剂厂, 分析纯; 苯酚: 沈阳新兴试剂厂, 分析纯; 无水乙醇: 天津市富宇精细化工有限公司, 优级纯.
1.2 HMMC 的合成
以聚苯乙烯微球以及F127嵌段共聚物自组装结构为模板, 酚醛树脂低聚物为碳前驱体, 双模板法合成大孔?介孔分级孔结构的炭材料. 单分散聚苯乙烯(PS)微球使用分散聚合法合成[5], 利用重力沉降法[6]在重力作用下自组装获得PS 胶体阵列, 并以该胶体阵列作为大孔模板. 碳源A 阶酚醛树脂的合成参考Zhao 等[7]报道的方法. 典型的合成HMMC 的步骤为: 取20wt%的酚醛树脂乙醇溶液4g, 与2.5g Pluronic F127的乙醇溶液(4.76wt ％)通过磁力搅拌混合均匀, 之后用该混合物溶液对PS 胶体模板进行浸渍, 浸渍后的混合物静置于培养皿中, 在55℃真空干燥以挥发乙醇溶剂进行溶剂蒸发引导的自组装(EISA). 溶剂挥发完全后, 将混合物在100℃烘箱内处理24h 使酚醛树脂发生交联. 最后在氮气气氛下炭化得到产品HMMC. 炭化升温程序为:
430min 180min 450min
120min 20450450900900????→????→????→????→℃℃℃℃℃
1.3 HMMC 的表征
炭材料的XRD 测试在Rigaku D-MAX2400 X
射线衍射仪上进行, 测试条件: Cu 靶, 工作电压40kV , 工作电流100mA, 小角扫描范围0.5°~5.0°, 广角扫描范围5°~80°. 产品微观形貌的表征在透射电镜(TEM, Philips Tecnai G 2 20, 工作电压200kV)以及扫描电镜(SEM, JEOL JSM-5600LV , 工作电压15kV)上进行. 材料的氮吸脱附等温线用Microme- ritics ASAP 2020物理吸附仪在77K 下测定, 测试前样品在真空条件下250℃脱气5h. 通过BET 法计算样品的比表面积, 用BJH 模型计算介孔的孔径分布.
1.4 HMMC 的电化学测试
以泡沫镍为集流体, 按w (炭材料): w (聚四氟乙烯(粘结剂))=19:1的配比组装成单电极, 在6mol/L 的KOH 电解质溶液中测试材料的电化学性能. 测试环境为三电极体系, 制备电极为工作电极, 铂电极和氧化汞电极分别为对电极和参比电极. 电化学测试前, 将工作电极放入电解质溶液中真空浸渍24h, 确保电解质溶液充分浸润炭材料的孔道. 利用电化学工作站CHI660C 和Land CT2001A 电池测试系统测试HMMC 的循环伏安和恒流充放电特性. 测试电压范围为?0.6~0.2V .
2 结果与讨论
单分散的PS 微球通过重力沉降能形成有序的PS 胶体晶体, 其内部三维连通的间隙为碳前驱体的渗入提供了空间; 三嵌段共聚物F127和酚醛树脂在氢键相互作用下, 溶剂挥发的过程中发生EISA 形成有序介孔体系[8]; A 阶酚醛树脂作为碳源, 经简单的热处理可以发生交联聚合转变为不熔的C 阶[9], 从而保证材料孔结构在炭化的过程中的稳定性; 模板PS 和F127嵌段共聚物为有机高分子材料, 高温炭化过程中发生分解留下孔道.
图1为大孔模板PS 球以及HMMC 的SEM 照片. 从图1(a)中可以看出, 自组装前的PS 球的颗粒直径约1μm, 球颗粒排列紧密; 从炭化后的材料图片图1(b)中观察到产品的大孔为三维网状结构, 且大孔的尺寸仍为1μm 左右, 这与模板PS 球的孔径尺寸相对应. 可见产品基本复制了自组装模板的结构, 且炭化过程孔收缩很小. 由于模板的PS 球之间排列紧密, 碳源只能进入到球的间隙中, 故得到反复制模板孔结构的产品为连通孔, 这种孔的存在能够为大分子的进出提供良好通路.
图2为产品HMMC 的XRD 图谱, 在小角度图谱中, 2θ为1°附近出现了与二维六方结构(100)晶面相对应的较强衍射峰[7]; 在广角XRD 图谱中(图2
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周 颖, 等: 大孔?介孔分级孔结构炭材料制备及性能研究 147
图1 PS 球(a)和HMMC(b)的SEM 照片
Fig. 1 SEM images of (a) PS beads and (b) HMMC
插图), 在2θ为22°和43°附近对应石墨化结构的(002)和(100)晶面的衍射峰处存在两个弥散的驼峰, 表明其结构的无序性. 由Bragg 公式计算层间距d 002大于理想石墨晶体的层间距, 也说明样品的石墨化程度较低.
用透射电子显微镜(TEM)研究了材料的微观结构形貌. 从图3可以看出, HMMC 具有排列有序、孔径均一的介孔结构, 这与XRD 的结果相互印证. 炭材料的孔径约为5nm, 孔壁厚度约为8nm. 在材
图2 HMMC 的XRD 图谱
Fig. 2 Small and wide angle (insert) XRD patterns of HMMC
料的制备中, 酚醛树脂和F127的混合物存在于PS 球间隙, EISA 过程发生在PS 颗粒表面, 炭化后PS 球去除形成大孔, 而形成的有序介孔出现在大孔孔壁位置, 从而得到具有有序介孔孔壁的大孔材料.
材料的孔隙结构不同将导致不同类型的吸附等温线. 图4(a)为HMMC 的氮气吸附?脱附等温线, 由图4(a)可以看出, 材料表现出典型的Ⅳ型等温线, 在相对压力为0.4~0.7之间有一明显的滞后环, 这是典型的介孔结构材料的吸附特征. 而在较低
(0.4~
图3 HMMC 的TEM 照片 Fig. 3
TEM image of HMMC
图4 HMMC 的N 2吸附?脱附曲线(a)和孔径分布曲线(b)
Fig. 4 N 2 adsorption-desorption isotherms (a) and pore size distribution curve (b) of HMMC
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0.7)和较高(>0.95)的相对压力下的较窄区间内, 都可以观察到氮气吸附量的阶跃增加, 表明存在两种尺寸的孔. 从吸附分支得到的BJH 孔径分布曲线图4(b)可以看出材料介孔孔径集中在5nm 左右, 呈单分布, 这与TEM 照片中显示的孔径信息相印证; 计算得到的BET 比表面积和孔容分别为353.8m 2/g 和0.36cm 3/g.
电化学电容器电极材料的电化学性能的优异与否与材料本身孔尺寸、结构以及其结晶状态等相 关[10-12]. HMMC 材料具有较大的比表面积以及大孔?介孔分级孔结构, 其三维连通的大孔内部空间可以在电解质溶液进入后形成离子缓冲区域, 减少离子的扩散距离; 介孔孔壁有利于减少电解质离子的 传输阻力, 为离子的进出提供低阻通路[13]. 针对HMMC 这种优良的孔结构特性, 利用三电极系统对材料进行了电化学性能测试. 图5是材料在不同扫描速率下的循环伏安曲线, 由图可见循环伏安曲线表现出很好的可逆性, 且曲线在各扫描速率下均呈准矩形, 说明样品较好的双电层性质. 图6为样品
图5 HMMC 在不同扫描速率下的循环伏安曲线
Fig. 5 CV curves of HMMC at sweep rates of 100, 50, 30, 20,
and 10mV/s
图6 HMMC 在50mA/g 电流密度下的计时电位曲线
Fig. 6 Galvanostatic charge/discharge curves measured at a constant current density of 50 mA/g of supercapacitor device fabricated from HMMC
在50mA/g 电流密度下的充放电曲线, 从放电曲线斜率计算得到材料的质量比电容为40F/g.
3 结论
以A 阶酚醛树脂为碳源, PS 微球为大孔模板, F127自组装结构为介孔模板, 双模板法合成了大孔?介孔分级孔结构炭. 所得炭材料很好复制了两种模板的孔结构: 大孔为1μm 孔径的三维连通结构, 介孔为有序二维结构, 孔径集中在5nm 左右. BET 比表面积为353.8m 2/g, 孔容为0.36cm 3/g. 材料作为电化学超级电容器的电极表现出较好的电化学特性, 在电解质为6mol/L 的KOH 溶液的三电极体系中, 50mA/g 的电流密度时放电质量比电容为40F/g.
参考文献:
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carbon materials. Adv. Mater ., 2006, 18(16): 2073?2094.
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hierarchical, fully interconnected porosity. Adv. Mater., 2003, 15(14): 1209?1211.
[3] Chai G S, Shin I S, Yu J S. Synthesis of ordered, uniform, macro-porous carbons with mesoporous walls templated by aggregates of polystyrene spheres and silica particles for use as catalyst supports in direct methanol fuel cells. Adv. Mater., 2004, 16(22): 2057?2061.
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graphitic carbon material for high-rate electrochemical capacitive energy storage. Angew Chem. Int. Ed., 2008, 47(2): 373?376.
《材料结构与性能》习题
《材料结构与性能》习题 第一章 1、一 25cm长的圆杆，直径 2.5mm，承受的轴向拉力4500N。如直径拉细成 2.4mm，问： 1)设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； 2)在此拉力下的真应力和真应变； 3)在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 2、举一晶系，存在S14。 3、求图 1.27 所示一均一材料试样上的 A 点处的应力场和应变场。 4、一陶瓷含体积百分比为95%的 Al 2O（3 E=380GPa）和 5%的玻璃相（ E=84GPa），计算上限及下限弹性模量。如该陶瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 5、画两个曲线图，分别表示出应力弛豫与时间的关系和应变弛豫和时间的 关系。并注出： t=0,t= ∞以及 t= τε（或τσ）时的纵坐标。 6、一 Al 2O3晶体圆柱（图1.28 ），直径 3mm，受轴向拉力 F ，如临界抗剪强度τ c=130MPa，求沿图中所示之一固定滑移系统时，所需之必要的拉力值。同时 计算在滑移面上的法向应力。
第二章 1、求融熔石英的结合强度，设估计的表面能为 1.75J/m 2；Si-O 的平衡原子间距为 1.6 ×10-8 cm；弹性模量值从60 到 75GPa。 2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ =1.56J/m 2；理论强度。如材料中存在最大长度为的内裂，且此内裂垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度折减系数。 3、证明材料断裂韧性的单边切口、三点弯曲梁法的计算公式： 与 是一回事。
4、一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图 2.41所示。如果 E=380GPa，μ =0.24 ，求 KⅠc值，设极限载荷达50 ㎏。计算此材料的断裂表面能。 5、一钢板受有长向拉应力350 MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的 中心穿透缺陷，长 8mm（=2c）。此钢材的屈服强度为 1400MPa，计算塑性区尺 寸 r 0及其与裂缝半长 c 的比值。讨论用此试件来求 KⅠc值的可能性。 6、一陶瓷零件上有以垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为：①2mm；②0.049mm；③ 2μ m，分别求上述三种情况下的临界应力。设此材料的断裂韧性为 2 1.62 MPa〃m。讨论诸结果。 7、画出作用力与预期寿命之间的关系曲线。材料系ZTA陶瓷零件，温度在 2 ，慢裂纹扩展指数-40 ，Y 取π 。设保 900℃， KⅠc为 10MPa〃m N=40，常数 A=10 证实验应力取作用力的两倍。 8、按照本章图 2.28 所示透明氧化铝陶瓷的强度与气孔率的关系图，求出经验公式。 9、弯曲强度数据为： 782，784，866，884，884，890，915，922，922，927，942， 944，1012 以及 1023MPa。求两参数韦伯模量数和求三参数韦伯模量数。 第三章 1、计算室温（ 298K）及高温（ 1273K）时莫来石瓷的摩尔热容值，并请和安杜龙—伯蒂规律计算的结果比较。 2、请证明固体材料的热膨胀系数不因内含均匀分散的气孔而改变。
工程材料分类
设工程技术与计量(安装工程部分) 第一讲安装工程常用材料基础知识 一、内容提要 这节课主要介绍安装工程技术与计量的第一章第一节安装工程常用材料基础知识。 二、重点、难点 熟悉金属材料、非金属材料、复合材料、常用材料等的分类及各种材料性能。 三、内容讲解 中国注册造价工程师考试网()提供、 大纲要求: 1、熟悉通用材料的分类、基本性能及用途。 2、熟悉型材、管材等常用材料的分类、性能及适用范围。 第一章基础知识 第一节安装工程常用材料基础知识 一、工程材料的分类 一般将工程材料按化学成分分为金属材料、非金属材料、高分子材料与复合材料四大类。 (一)金属材料 金属材料就是最重要的工程材料,包括金属与以金属为基的合金。工业上把金属与其合金分为两大部分: (1)黑色金属材料——铁与以铁为基的合金(钢、铸铁与铁合金)。 (2)有色金属材料——黑色金属以外的所有金属及其合金。 有色金属按照性能与特点可分为:轻金属、易熔金属、难熔金属、贵重金属、稀土金属与碱土金属。 (二)非金属材料 非金属材料包括耐火材料、耐火隔热材料、耐蚀(酸)非金属材料与陶瓷材料等。 (1)耐火材料。耐火材料就是指能承受高温下作用而不易损坏的材料。常用的耐火材料有耐火砌体材料、耐火水泥及耐火混凝土。 (2)耐火隔热材料。耐火隔热材料又称为耐热保温材料。常用的隔热材料有硅藻土、蛙石、玻璃纤维(又称矿渣棉)、石棉以及它们的制品。 (3)耐蚀(酸)非金属材料。耐蚀(酸)非金属材料的组成主要就是金属氧化物、氧化硅与硅酸盐等,在某些情况下它们就是不锈钢与耐蚀合金的理想代用品。常用的非金属耐蚀材料有铸石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材与玻璃等。
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第26卷 第2期 无 机 材 料 学 报 Vol. 26 No. 2 2011年2月 Journal of Inorganic Materials Feb. , 2011 收稿日期: 2010-04-23; 收到修改稿日期: 2010-06-07 基金项目: 国家自然科学基金(90610003); 国家重点基础发展规划973项目(2004CB217603); 国家高技术研究发展计划863 项目(2009AA05Z318-2) National Nature Science Foundation of China (90610003); 973 Program(2004CB217603); 863 Program (2009AA0- 5Z318-2) 作者简介: 周 颖(1961?), 女, 硕士, 副教授. E-mail: zhouying02@https://www.360docs.net/doc/2015167839.html, 通讯联系人: 邱介山, 教授. E-mail: jqiu@https://www.360docs.net/doc/2015167839.html, 文章编号: 1000-324X(2011)02-0145-04 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2011.00145 大孔?介孔分级孔结构炭材料制备及性能研究 周 颖, 王志超, 王春雷, 王六平, 许钦一, 邱介山 (大连理工大学 化工学院 精细化工国家重点实验室炭素材料研究室, 大连 116012) 摘 要: 以聚苯乙烯微球以及F127嵌段共聚物自组装结构为模板, 酚醛树脂低聚物为碳前驱体, 双模板法合成了大孔?介孔分级孔结构的炭材料. 对样品进行了X 射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和氮吸附?脱附测试, 并研究了样品的电化学性能. 结果表明, 利用这种简便的合成方法可以得到具有三维连通大孔以及二维有序介孔结构的分级孔结构炭材料, 大孔尺寸在1μm 左右, 介孔孔径集中分布在5nm, 比表面积为353.8m 2/g, 孔容0.36cm 3/g. 利用三电极体系测试了产品作为电化学双电层电容器电极材料的性能, 在50mA/g 的电流密度下, 放电质量比电容为40F/g. 关 键 词: 分级孔结构; 双模板; 电化学双电层电容器 中图分类号: TQ127 文献标识码: A Synthesis and Properties of Hierarchical Macro-mesoporous Carbon Materials ZHOU Ying, WANG Zhi-Chao, WANG Chun-Lei, WANG Liu-Ping, XU Qin-Yi, QIU Jie-Shan (Carbon Research Laboratory, School of Chemical Engineering, State Key Lab of Fine Chemicals, Dalian University of Tech-nology, Dalian 116012, China) Abstract: Hierarchical macro-mesoporous carbon material (HMMC) was synthesized successfully via a facile dual-templating method using resols as carbon source, in which polystyrene (PS) colloid was selected as macro-porous template and Pluronic F127 as mesoporous template. After thermosetting treatment and carbonization step, HMMC can be obtained. The product was characterized by XRD, SEM, TEM and N 2 adsorption techniques. The electrochemical performance of HMMC was evaluated by cyclic voltammetry and galvanostatic charge/discharge methods using an electrochemical workstation and a battery testing system. Results show that HMMC material has three-dimensional connected macroporous structure with pore size of 1μm and ordered mesoporous windows with average pore size of approximately 5nm. BET surface area of the product is 353.8m 2/g and pore volume is 0.36cm 3/g. The CV curves of HMMC are quasi-rectangular, the specific capacitance of product is calculated to be about 40F/g at a constant current density of 50mA/g. It is anticipated that these novel materials synthesized by the simple methods have potential applications in electrode materials. Key words: hierarchical porous carbon; dual-templating method; EDLCs 多孔炭是一种备受关注的新型炭材料, 其优异的孔结构、良好的物理性能和化学性能, 在催化剂载体、气体分离、电极材料等领域有着广阔的应用前景[1]. 其中大孔?介孔分级孔结构炭材料包含了两级尺寸的孔径, 且大孔和介孔以相互连通的方式规则排布, 能够同时提供优良的大分子通过性以及 发达的比表面积, 引起了广泛关注. Taguchi 等[2]利用十六烷基三甲基溴化铵和聚乙二醇制备了大孔?介孔多级孔道硅, 并以其为模板, 糠醇为碳源制备了大孔?介孔炭, 得到的炭材料具有无序的连通大孔和海绵状介孔结构. Chai 等[3]使用聚苯乙烯球和二氧化硅颗粒为模板, 二乙烯基苯(DVB)和偶氮二
一纳米氧化镁为模板一步法制备多级孔炭材料
第一部分文献综述 1.1 多孔炭的研究背景与意义 伴随着全球经济的快速发展和科技水平的进步，煤、石油和天然气等化石燃料消耗逐年增加，日渐枯竭，并且化石燃料的利用造成严重的环境污染，如温室效应、酸雨、大气颗粒物污染、臭氧层破坏和生态环境破坏等。人类正面临着资源短缺、环境污染、生态破坏等迫切需要解决的问题，全球经济和会的可持续发展也面临着严峻的考验。人们迫切需要开发利用新能源和可再生清洁能源来解决日趋短缺的能源问题和日益严重的环境污染。 化学储能装置具有使用方便，性能可靠，便于携带，容量、电流和电压可在相当大的范围内任意组合和对环境无污染等许多优点，在新能源技术的开发和利用中占有重要地位。储氢、储锂和超级电容器等储能装置的电极材料的研究成为材料研究中的热点。在所有的储能材料中，多孔碳材料由于具有大的比表面积，均一的孔径分布，孔结构可调等优点，是迄今为止最理想的储能材料。除此之外，多孔碳材料由于具有均匀的孔径分布，吸收储存气体和液体性能也非常优秀，常被应用于环境保护，制药和化工等领域，作为有毒气体和液体的净化吸收剂。 在近十几年间，有关多孔碳材料方面的报告和论文大批量在国际会议和国际学术刊物上发表，表明多孔碳材料已经成为当今科学界的研究热点。经过科研人员多年不断的试验研究，大批量孔径尺寸分布均匀且可以调控、结构组成可以变化、排列样式和孔道形态多种多样的多孔碳材料可以通过各种各样的合成方法被制备出来。尽管人们已经取得了许多成果，但是多孔碳材料仍然存在许多不足，需要我们去探索和解决，多孔碳材料的性能与实际应用有一定的差距，也有待进一步提高。未来仍然需要我们不断努力去开发成本低，制备过程
活性炭活化原理
活性炭的活化机理及应用 材研1407 朱明2014200483 活性炭是一种非常优良的吸附剂，它是利用植物原料(木屑、木炭、果壳、果核)、煤 和其它含碳工业废料作原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。根据活化介质的不同，活性炭活化方法分 为物理活化法、化学活化法和物理—化学复合活化法。物理活化水蒸汽、二氧化碳、空气 或它们的混合气体对环境污染小，因其依靠氧化碳原子形成孔隙结构，活化温度较高且活 性炭得率低。化学活化法活性炭得率较高，孔隙发达，吸附性能好。但此法对设备腐蚀性大，环境污染严重。热解能量循环利用困难。而且活性炭中残留化学药品．在应用方面受 到限制。 一．活性炭的活化机理 1.物理活化法 物理活化法一般分两步进行，先将原料在500℃左右炭化，再用水蒸汽或CO2 等气体在高温下进行活化。高温下，水蒸汽及二氧化碳都是温和的氧化剂，碳材料内部C原子与活化剂结合并以CO+H 2或CO的形式逸出，形成孔隙结构。物理活化法所需的活化温度一般较化学活化法高，而且活化所需的时间也更长，因此耗能比较大，成本高。尽管有这些缺点，物理活化法在实际生产中的应用仍然十分广泛，原因在于其制得的活性炭无需过多 的后处理步骤，不像化学活化法制得的活性炭需要除去残留的活化剂。 将炭化材料在高温下用水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体与炭材料发生反应，使炭材料中无序炭部分氧化刻蚀成孔，在材料内部形成发达的微孔结构。炭化温度一般在600℃，活化温度一般在800℃∽900℃。其主要化学反应式如下： C+2H2O 2H2+CO2 △H=18kcal C+H2O H2+CO △H=31kcal CO2+C 2CO △H=41kcal 上述三个化学反应均是吸热反应，即随着活化反应的进行，活化炉的活化反应区域温度将逐步下降，如果活化区域的温度低于800℃，上述活化反应就不能正常进行，所以在活化炉的活化反应区域需要同时通入部分空气与活化产生的煤气燃烧补充热量，或通过补充外加热源，以保证活化炉活化反应区域的活化温度。 活化反应属于气固相系统的多相反应，活化过程中包括物理和化学两个过程，整个过程包括气相中的活化剂向炭化料外表面的扩散、活化剂向炭化料内表面的扩散、活化剂被炭化料内外表面所吸附、炭化料表面发生气化反应生成中间产物（表面络合物）、中间产物分解
材料物理性能思考题
材料物理性能思考题 第一章：材料电学性能 1如何评价材料的导电能力？如何界定超导、导体、半导体和绝缘体材料？ 2 经典导电理论的主要内容是什么？它如何解释欧姆定律？它有哪些局限性？ 3 自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为？ 4 根据自由电子近似下的量子导电理论解释：准连续能级、能级的简并状态、 简并度、能态密度、k空间、等幅平面波和能级密度函数。 5 自由电子近似下的等能面为什么是球面？倒易空间的倒易节点数与不含自旋 的能态数是何关系？为什么自由电子的波矢量是一个倒易矢量？ 6 自由电子在允许能级的分布遵循何种分布规律？何为费米面和费米能级？何 为有效电子？价电子与有效电子有何关系？如何根据价电子浓度确定原子的费米半径？ 7 自由电子的平均能量与温度有何种关系？温度如何影响费米能级？根据自由 电子近似下的量子导电理论，试分析温度如何影响材料的导电性。 8 自由电子近似下的量子导电理论与经典导电理论在欧姆定律的微观解释方面 有何异同点？
9 何为能带理论？它与近自由电子近似和紧束缚近似下的量子导电理论有何关 系？ 10 孤立原子相互靠近时，为什么会发生能级分裂和形成能带？禁带的形成规律 是什么？何为材料的能带结构？ 11 在布里渊区的界面附近，费米面和能级密度函数有何变化规律？哪些条件下 会发生禁带重叠或禁带消失现象？试分析禁带的产生原因。 12 在能带理论中，自由电子的能量和运动行为与自由电子近似下有何不同？ 13 自由电子的能态或能量与其运动速度和加速度有何关系？何为电子的有效质 量？其物理本质是什么？ 14 试分析、阐述导体、半导体（本征、掺杂）和绝缘体的能带结构特点。 15 能带论对欧姆定律的微观解释与自由电子近似下的量子导电理论有何异同 点？ 16 解释原胞、基矢、基元和布里渊区的含义
汽车工程材料分类
·十种汽车材料 汽车工程材料分类 一、复合材料 在传统汽车上，只有1%的汽油用于运送乘客，其余都用于驱动汽车本身运动。所以降低汽车驱动运动的能量对于节省汽油十分有利。复合材料主要用于发动机罩、翼子板、车门、车顶板、导流罩、车厢后挡板等，甚至出现了全复合材料的卡车驾驶室和轿车车身。 解决方案：提高燃油效率+减轻汽车自重 方案一：采用轻质的碳复合材料取代钢铁，这种材料已经用于制造网球拍和高尔夫球球棒。
碳纤维的汽车能减轻一半以上的重量，因而燃油的效率也将提高一倍，也就是说使用同等重量的燃油可以运行以前两倍的距离。而且碳纤维汽车在碰撞后能保护乘客，因为材料会破碎成很小的碎片，从而减缓了撞击，这也是减轻汽车重量的好处之一。Fiberforge公司主管赖特-戴维斯（Dwight Davis）表示：“碳纤维汽车的碎片在经过缓冲器后已经失去了大部分能量，因此不会给用户造成很大的伤害。” 复合材料特征：1、复合材料是多相体系（由两种或两种以上的不同物质组成）； 2、它们的组合必须具有复合效果（即复合材料比单一组成的材料具有更好的综合性能），从而实现强－强联合。 https://www.360docs.net/doc/2015167839.html,/view/d050270d6c85ec3a87c2c567.html 复合材料主要由增强材料和基体材料两大部分组成； 增强材料：在复合材料中不构成连续相赋于复合材料的主要力学性能，如玻璃钢中的玻璃纤维，CFRP（碳纤维增强塑料）中的碳纤维素就是增强材料。 基体：构成复合材料连续相的单一材料如玻璃钢（GRP）中的树脂（环氧树脂）就是基体。 按基体不同，复合材料可分为三大类： 树脂复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料，如陶瓷基复合材料。 工艺 一、聚合物基复合材料成型加工技术 1、手糊成型（hand lay up）
碳材料科学-知识点总结
1、炭材料的多样性？（广义和狭义定义） 广义上看：金刚石、石墨、咔宾都属于炭材料，这是一个广义的定义，但由于金刚石和咔宾在自然界存在非常少，结构也单一，不像石墨那样具有众多的过渡态中间结构（如焦炭、CF煤炭、炭黑、木炭等）。 狭义上看：炭材料一般是指类石墨材料，即以 SP 杂化轨道为主构成的炭材料，从无定形炭到石墨晶体的所有中间结构物质（过渡态碳），它是由有机化合物炭化制得的人造炭。 补充：新型炭材料： 根据使用的目的，通过原料和工艺的改变，控制所得材料的功能，开发出新 用途的炭及其复合材料。大谷杉郎认为：新型炭材料可大致分为三类。 一是强度在100MPS以上，模量在10GPa以上使用时不必后加工的方法制得的新型炭成型物；二是以炭为主要构成要素，与树脂、陶瓷、金属等组成的各种复合材料；三是基本上利用炭结构的特征，由炭或炭化物形成的各种功能材料。 2、炭材料的基本性质？ 和金属一样具有导电性、导热性；和陶瓷一样耐热、耐腐蚀；和有机高分子一样质量轻，分子结构多样； 另外，还具有比模量、比强度高，震动衰减率小，以及生体适应性好，具滑动性和减速中子等性能。这些都是三大固体材料金属、陶瓷和高分子材料所不具备的。因此，炭及其复合材料被认为是人类必须的第四类原材料。 3、炭材料科学的主要研究内容？ 研究自然界中（广义）一切增炭化（富碳）物质的形成过程机理，特别是着重于它（包括原料经历部分炭化的中间产物）多层次的微观结构的形成，以及此结构在外界条件（如温度、压力）影响下的转变。此外，炭科学还研究炭集合体的各种物理与化学性质。 核心内容：自有机物前驱体出发，通过热处理使有机物转化成具有可被控制的微晶排列的炭固体，这一知识乃是炭材料科学的最核心部分。
模板法制备中孔碳材料
收稿:2007年10月,收修改稿:2007年12月 3国家自然科学基金项目(N o.20673092,50472080)资助33通讯联系人 e 2mail :wxiany ou @https://www.360docs.net/doc/2015167839.html, 模板法制备中孔碳材料 3 李 娜 王先友 33 易四勇 戴春岭 (湘潭大学化学化工学院 湘潭411105) 摘 要 模板法为各种中孔碳材料的可控和定向合成开辟了一条新的技术途径,近几年来已经成为国 内外材料制备领域研究的热点之一。中孔碳材料具有孔道排列规则有序、孔径分布窄和比表面积高等特点而被广泛应用于气体分离、催化剂载体、吸附、色谱分析、超级电容器以及燃料电池等很多方面。本文综述了近几年来国内外模板法制备中孔碳材料的研究进展,重点阐述了模板法的种类,中孔碳材料的合成机理、方法以及中孔碳材料在生物、催化和电子能源等领域的应用,并分析了模板法制备中孔碳材料的发展趋势,认为中孔分子筛模板法和软模板法是未来制备中孔碳材料的重要方向。 关键词 模板法 中孔碳材料 分子筛 孔径分布 超级电容器 中图分类号:T B383;T Q12711+ 1 文献标识码:A 文章编号:10052281X (2008)07Π821202206 Template Synthesis of Mesoporous C arbon Materials Li Na Wang Xianyou 33 Yi Siyong Dai Chunling (School of Chemistry and Chemical Engineering ,X iangtan University ,X iangtan 411105,China ) Abstract T em plate method provides a new technology for synthesizing various controllable and directional mes oporous carbon materials and has currently become one of the m ost popular topics in the advanced materials preparation at home and abroad.Due to their uniform and ordered pores ,narrow pore size distribution and high specific surface area ,mes oporous carbon materials have been widely used in gas separation ,catalyst support ,ads orption ,chromatographic analysis ,supercapacitors and fuel cells ,etc.Based on the recent research progress of the tem plate synthesis technology of mes oporous carbon ,we discuss the effect of different tem plate preparation technology on the performance of mes oporous carbon ,analyze mes oporous carbon πs formation mechanism and its application in biology ,catalysis ,electronic energy res ources areas.It is pointed out that preparing mes oporous carbon by tem plate technology is a promising method ,and in the future the mes oporous m olecular sieve tem plate method and s oft tem plate method should be em phasized for tem plate synthesis of mes oporous carbon materials. K ey w ords tem plate synthesis ;mes oporous carbon materials ;m olecular sieves ;pore size distribution ;supercapacitor 1 引言 多孔碳材料由于具有耐高温、耐酸碱、导电、导热等一系列优点而受到人们的密切关注,这些材料已经被应用于气体分离、水净化处理、催化剂载体、色谱分析、吸附、超级电容器以及燃料电池等领 域[1] 。国际纯粹与应用化学联合会(I UPAC 1972)根 据多孔碳材料的孔径(W )将其分为3类:W >50nm 的为大孔;2nm 《材料物理性能》教学大纲 教学内容: 绪论(1 学时) 《材料物理性能》课程的性质,任务和内容,以及在材料科学与工程技术中的作用. 基本要求: 了解本课程的学习内容,性质和作用. 第一章无机材料的受力形变(3 学时) 1. 应力,应变的基本概念 2. 塑性变形塑性变形的基本理论滑移 3. 高温蠕变高温蠕变的基本概念高温蠕 变的三种理论 第二章基本要求: 了解:应力,应变的基本概念,塑性变形的基本概念,高温蠕变的基本概念. 熟悉:掌握广义的虎克定律,塑性变形的微观机理,滑移的基本形态及与能量的关系.高温蠕变的原因及其基本理论. 重点: 滑移的基本形态,滑移面与材料性能的关系,高温蠕变的基本理论. 难点: 广义的虎克定律,塑性变形的基本理论. 第二章无机材料的脆性断裂与强度(6 学时) 1.理论结合强度理论结合强度的基本概念及其计算 2.实际结合强度实际结合强度的基本概念 3. 理论结合强度与实际结合强度的差别及产生的原因位错的基本概念,位错的运动裂纹的扩展及扩展的基本理论 4.Griffith 微裂纹理论 Griffith 微裂纹理论的基本概 念及基本理论,裂纹扩展的条件 基本要求: 了解:理论结合强度的基本概念及其计算;实际结合强度的基本概念;位错的基本概念,位错的运动;裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件熟悉:理论结合强度和实际结合强度的基本概念;位错的基本概念,位错的运动;裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件. 重点: 裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件难点: Griffith 微裂纹理论的 基本概念及基本理论 第三章无机材料的热学性能(7 学时) 1. 晶体的点阵振动一维单原子及双原子的振动的基本理论 2. 热容热容的基本概念热容的经验定律和经典理论热容的爱因斯坦模型热容的德拜模型 3.热膨胀热膨胀的基本概念热膨胀的基 简述制备中孔炭材料的两种及以上工艺方法,及其制备材料的用途. 中孔材料是指材料孔径在的。中孔炭(即介孔炭)材料既具有较大的孔径（2-50nm）、较高的比表面积、良好的机械性能，还具有耐酸碱、耐高温、高导热、高导电率等特性，成为炭材料科学的研究热点。中孔炭材料因为具有规则的孔道、窄孔径分布和高比表面积等特点，在大分子吸附、分离方面独树一帜；其孔结构可控，同时又兼具炭材料的良好热稳定性和化学稳定性，在储能材料、医药、化工等领域有广阔的应用前景。 一、催化活化法 催化活化法是最为常用的中孔炭材料制备方法。催化活化法是在炭材料中添加金属化合物组分，以增加炭材料微孔内部表面活性点，馥活化时，金属原子对结晶性较高的碳原子起选择性气化作用，从而使微孔扩充为中孔。 金属粒子周围均是碳原子发生气化反应的活性点，金属粒子周围的碳原予优先发生氧化作用，在炭材料中形成中孔。此外，气化产物向材料表面逃逸时形成的孔道也作为孔隙残留在最终的炭材料中。催化活化法是使炭材料获得中孔的有效途径之一哪。它可以在原材料中添加金属化合物，再碳化活化；也可以采用炭材料在金属无机盐溶液中浸渍后干燥除去溶剂，再经高温烘干或二次活化改变金属存在形态。 几乎所有的金属对炭都有催化活化作用。然而，根据活化剂的不同，其相应的催化活性也不同。各种类型的金属催化剂，诸如铁、镍、钴、稀土金属、二氧化钛、硼、硝酸盐、硼酸盐等都被用于制备中孔炭，其中过渡金属对炭材料的催化活化特别有利于中孔的形成。其方法有浸渍法、离子交换法、预混法。 Tamai等制备出具有较大中孔率的孔炭材料，其中孔率可达70％～80％，BET比表面积达1100～1400rn2／g，中孔的比表面积可达800～1000m2／g。 虽然催化活化是有前途的中孔制备方法之一，但是金属进入碳内部是不可避免的。当这种中孔碳在水溶液中使用时，金属阳离子可能洗脱进入溶液中，即使金属离子是痕量的，也有可能造成严重的问题。 掺杂稀土元素的酚醛树脂及其活性炭的制备： 1.将线型酚醛树脂和乙醇(质量比1：10)置入带有回流和机械搅拌装置的三颈烧瓶中， 65℃恒温、搅拌。 2.待线型酚醛树脂完全溶解后，滴入Y(NO3)3·6H2O醇溶液，继续搅拌5h一6h， 3.将溶液过滤、转移至蒸发皿中，并静置ld～2d使部分溶剂挥发。 《材料结构与性能》 习题 《材料结构与性能》习题 第一章 1、一25cm长的圆杆，直径2.5mm，承受的轴向拉力4500N。如直径拉细成2.4mm，问： 1)设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； 2)在此拉力下的真应力和真应变； 3)在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 2、举一晶系，存在S14。 3、求图1.27所示一均一材料试样上的A点处的应力场和应变场。 4、一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3（E=380GPa）和5%的玻璃相（E=84GPa），计算上限及下限弹性模量。如该陶瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 5、画两个曲线图，分别表示出应力弛豫与时间的关系和应变弛豫和时间的关系。并注出：t=0,t=∞以及t=τε（或τσ）时的纵坐标。 6、一Al2O3晶体圆柱（图1.28），直径3mm，受轴向拉力F ，如临界抗剪强度τc=130MPa，求沿图中所示之一固定滑移系统时，所需之必要的拉力值。同时计算在滑移面上的法向应力。 第二章 1、求融熔石英的结合强度，设估计的表面能为1.75J/m2；Si-O的平衡原子间距为1.6×10-8cm；弹性模量值从60到75GPa。 2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ=1.56J/m2；理论强度。如材料中存在最大长度为的内裂，且此内裂垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度折减系数。 3、证明材料断裂韧性的单边切口、三点弯曲梁法的计算公式： 与 是一回事。 4、一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图2.41所示。如果E=380GPa，μ=0.24，求KⅠc值，设极限载荷达50㎏。计算此材料的断裂表面能。 5、一钢板受有长向拉应力350 MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的中心穿透缺陷，长8mm（=2c）。此钢材的屈服强度为1400MPa，计算塑性区尺寸r0及其与裂缝半长c的比值。讨论用此试件来求KⅠc值的可能性。 工程材料的分类及性能 字体: 小中大 | 打印发表于: 2006-11-09 15:38 作者: xlktiancai 来源: 中国机械资讯网 材料的分类 材料的种类繁多，用途广泛。工程方面使用的材料有机械工程材料、土建工程材料、电工材料、电子材料等。在工程材料领域中，用于机械结构和机械零件并且主要要求机械性能的工程材料，又可分为以下四大类： 金属材料具有许多优良的使用性能（如机械性能、物理性能、化学性能等）和加工工艺性能（如铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机械加工性能等）。特别可贵的是，金属材料可通过不同成分配制，不同工艺方法来改变其内部组织结构，从而改善性能。加之其矿藏丰富，因而在机械制造业中，金属材料仍然是应用最广泛、用量最多的材料。在机械设备中约占所用材料的百分之九十以上，其中又以钢铁材料占绝大多数。 随着科学技术的发展，非金属材料也得到迅速的发展。非金属材料除在某些机械性能上尚不如金属外，它具有金属所不具备的许多性能和特点，如耐腐蚀、绝缘、消声、质轻、加工成型容易、生产率高、成本低等。所以在工业中的应用日益广泛。作为高分子材料的主体——工程塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS塑料、环氧塑料等）已逐渐替代一些金属零件，应用于机械工业领域中。古老的陶瓷材料也突破了传统的应用范围，成为高温结构材料和功能材料的重要组成部分。 金属材料和非金属材料在性能上各有其优缺点。近年来，金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料的出现，为集中各类材料的优异性能于一体开辟了新的途径，在机械工程中的应用将日益广泛。 9-1.gif 我也来说两句查看全部回复 最新回复 xlktiancai (2006-11-09 15:39:31) 材料的性能一、力学性能材料受力后就会产生变形，材料力学性能 是指材料在受力时的行为。描述材料变形行为的指标是应力ζ和应变ε，ζ是单位面积上的作用力，ε是单位长度的变形。描述材料力学性能的 主要指标是强度、延性和韧性。其中，强度是使材料破坏的应力大小的度 量；延性是材料在破坏前永久应变的数值；而韧性却是材料在破坏时所吸 收的能量的数值。设计师们对这些力学性能制订了各种各样的规范。例 如，对一种钢管，人们要求它有较高的强度，但也希望它有较高的延性，以增加韧性，由于在强度和延性二者之间往往是矛盾的，工程师们要做出 最佳设计常常需要在二者中权衡比较。同时，还有各种各样的方法确定材 料的强度和延性。当钢棒弯曲时就算破坏，还是必须发生断裂才算破坏？ 答案当然取决于工程设计的需要。但是这种差别表明至少应有两种强度判 据：一种是开始屈服，另一种是材料所能承受的最大载荷，这说明仅仅描 述材料强度的指标至少就有两个以上。一般来说，描述材料力学性能的指 标有以下几项： 1．弹性和刚度图1-6是材料的应力—应变图（ζ—ε 图）。（a）无塑性变形的脆性材料（例如铸铁）；（b）有明显屈服 点的延性材料（例如低碳钢）；（c）没有明显屈服点的延性材料（例如纯铝）。在图中的ζ—ε曲线上，OA段为弹性阶段，在此阶段，如卸去 载荷，试样伸长量消失，试样恢复原状。材料的这种不产生永久残余变形 的能力称为弹性。A点对应的应力值称为弹性极限，记为ζe。材料在弹 性范围内，应力与应变成正比，其比值E=ζ/ε（MN/m2）称为弹性模量。 碳材料孔控制研究进展 简要说明炭材料孔的形成、分类和描述，之后评述了控制碳材料孔结构技术的的重要性。评述了四种碳材料成孔机理和多种孔描述技术的优略，然后从VOC处理及回收利用、水净化、汽车尾气处理、CO2的可逆不可逆吸附和电极材料5个方面来说明在碳材料中孔结构控制的重要性。最后介绍了孔结构控制技术，包括大孔控制、中孔控制、微孔控制。Abstract: Techniques for controlling the pore structure and its importance in carbon materials are reviewed after a brief explanation on formation mechanism and classification and characterization of pores. The understanding of four kinds of pore-forming processes are reviewed and then five application areas are presented to show the importance of pore structure control in carbon materials, which included VOC treatment and recycling，Water purification，gasoline vapor adsorption, CO2 capture, and carbon electrodes for electric double layer capacitors. Pore structure control techniques are shown, including the macroporous control, mesoporous control and micropore control. 活性炭是一种具有丰富内部孔隙结构、高空隙率和较高比表面积的六方晶格型碳。因活性炭性价比高、化学稳定性好[1]、吸附性能优良、热稳定性好及便于再生利用和相当的硬度等优点而成为吸附技术中首选的吸附剂材料。活性炭广泛应用于食品、医药、电池、催化、电能储存、黄金提取和多成份有机气体分离[2]等，。对环境安全和污染控制关注的提高为活性炭吸附的应用开辟了新的领域，在很多化工厂，如印刷，涂料，纺织印染，聚合物加工等。活性炭孔隙分布规律性差，活性炭工业制作无法实现控制孔径大小及分布，当今科学、工程和技术一个特殊的应用需要一个特殊的孔结构[3–6]，有文献报道，当孔隙大小为吸附分子的2～4倍时最有利于吸附，可以根据吸附质分子选择吸附性能最好的活性炭，但一般活性炭的孔径并不均一，选择性吸附效果差。因此，精确控制活性炭的孔结构在不同应用领域有很强的需求。常规活性炭主要包含小孔，小孔也被IUPAC定义为微孔，即使他们只有纳米级尺寸（小于2nm），也已经吸引了注意和努力在孔尺寸和数量的控制。在最近的一些应用上即使较大的孔，被称为中孔（2～50nm）和大孔（大于50nm）都对活性炭的功能应用起作用，例如中孔在催化、净化、能源储存和碳化硅结构陶瓷制备等[3–13]，大孔在重油吸附上的应用等。并且，孔的数量和尺寸、同种尺寸和形态孔也需要控制。 为满足特殊应用的特殊需求，相关学者提出很多方法和技术用于创造拥有特定孔结构的活性炭材料，控制孔的尺寸和数量。这些技术措施可分为一下三种：一是选择特殊原料实现活性炭特殊孔隙结构及孔尺寸，二是通过活性炭制作过程控制孔的尺寸和数量，形成特殊孔隙结构。三是对制作完成的活性炭用修饰或填充等措施改变活性炭原有性质实现控制孔隙结构、孔的尺寸和数量孔。这些提出的工程和技术工艺似乎可以满足在孔结构方面的需求，但是这些技术应用于工业生产还需要一些突破。 1 孔的形成机理及分类 活性炭具有疏松多孔的结构，它的外表面和内表面均有很强的吸附作用。但是使用一段时间后，活性炭的毛细孔会被各种污物填满，处于饱和状态而失去净化能力。 失效的活性炭，经过酸洗、碱洗及水洗，能除去毛细孔中绝大多数不溶性的无机盐、油污等杂质，从而得以复活。 工具与材料 烧杯，玻璃棒，铁板，酒精灯，石棉网，铁架台，铁圈，量筒，滴管。 净水器中的失效活性炭，10％盐酸溶液，10％氢氧化钠溶液，蒸馏水，75％酒精，“甲土立定”试剂。 活动过程 一、酸洗 1．将失效的活性炭从净水器中取出，放入烧杯中，并注入10％盐酸溶液，使溶液浸没活性炭。 2．把烧杯放在铁架台的石棉网上，用酒精灯加热溶液至沸，同时用玻璃棒搅拌，使活性炭毛细孔中的绝大多数不溶性无机盐及其他杂质溶解在酸中。 二、碱洗 1．把经过酸洗的活性炭从烧杯中取出，用清水冲洗片刻后，重新放入烧杯中，注入10％氢氧化钠溶液，使碱液浸没活性炭。 2．用酒精灯加热溶液至沸，并用玻璃棒搅拌，除去活性炭毛细孔中的油污等物质。 三、烘干 从烧杯中取出经过碱洗的活性炭，用水冲洗后放在太阳下晒干，或放在一块铁板上，用酒精灯将其烘干。经以上处理的活性炭基本恢复了吸附能力。 四、检验 1．将“甲土立定”试剂溶解在10％盐酸溶液中，配成体积分数为0.1％的“甲土立定”溶液。 2．取活性炭已失效的净水器中流出的50mL水于一烧杯中，滴加2滴“甲土 立定”溶液，观察现象。 发现烧杯中的液体显黄色。 3．将经过本实验处理的活性炭装入净水器中，同样取净水器中流出的50mL 水，重复上述操作，观察现象。 发现烧杯中的液体近于无色。 上述现象说明，自来水中的氯已基本被除去，活性炭恢复了吸附能力。 说明与延伸 有效电子数：不是所有的自由电子都能参与导电，在外电场的作用下，只有能量接近费密能的少部分电子，方有可能被激发到空能级上去而参与导电。这种真正参加导电的自由电子数被称为有效电子数。 K状态：一般与纯金属一样，冷加工使固溶体电阻升高，退火则降低。但对某些成分中含有过渡族金属的合金，尽管金相分析和Ｘ射线分析的结果认为其组织仍是单相的，但在回火中发现合金电阻有反常升高，而在冷加工时发现合金的电阻明显降低，这种合金组织出现的反常状态称为K状态。X射线分析发现，组元原子在晶体中不均匀分布，使原子间距的大小显著波动，所以也把K状态称为“不均匀固溶体”。 能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。 禁带：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。 价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。 导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。 金属材料的基本电阻：理想金属的电阻只与电子散射和声子散射两种机制有关，可以看成为基本电阻，基本电阻在绝对零度时为零。 残余电阻(剩余电阻)：电子在杂质和缺陷上的散射发生在有缺陷的晶体中，绝对零度下金属呈现剩余电阻。这个电阻反映了金属纯度和不完整性。 相对电阻率：ρ (300K)／ρ (4.2K)是衡量金属纯度的重要指标。 剩余电阻率ρ’：金属在绝对零度时的电阻率。实用中常把液氦温度(4.2K)下的电阻率视为剩余电阻率。 相对电导率：工程中用相对电导率( IACS%) 表征导体材料的导电性能。把国际标准软纯铜(在室温20 ℃下电阻率ρ= 0 .017 24Ω·mm2/ m)的电导率作为100% , 其他导体材料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电导率。 马基申定则(马西森定则)：ρ＝ρ’＋ρ(T)在一级近似下，不同散射机制对电阻率的贡献可以加法求和。ρ’：决定于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的剩余电阻率。ρ(T)：取决于晶格热振动的电阻率(声子电阻率)，反映了电子对热振动原子的碰撞。 晶格热振动：点阵中的质点(原子、离子)围绕其平衡位置附近的微小振动。 格波：晶格振动以弹性波的形式在晶格中传播，这种波称为格波，它是多频率振动的组合波。 热容：物体温度升高1K时所需要的热量(J/K)表征物体在变温过程中与外界热量交换特性的物理量，直接与物质内部原子和电子无规则热运动相联系。 比定压热容：压力不变时求出的比热容。 比定容热容：体积不变时求出的比热容。 热导率：表征物质热传导能力的物理量为热导率。 热阻率：定义热导率的倒数为热阻率ω，它可以分解为两部分，晶格热振动形成的热阻(ωp)和杂质缺陷形成的热阻(ω0)。导温系数或热扩散率：它表示在单位温度梯度下、单位时间内通过单位横截面积的热量。热导率的单位：W/(m·K) 热分析：通过热效应来研究物质内部物理和化学过程的实验技术。原理是金属材料发生相变时，伴随热函的突变。 反常膨胀：对于铁磁性金属和合金如铁、钴、镍及其某些合金，在正常的膨胀曲线上出现附加的膨胀峰，这些变化称为反常膨胀。其中镍和钴的热膨胀峰向上为正，称为正反常；而铁和铁镍合金具有负反常的膨胀特性。 交换能：交换能E ex=－2Aσ1σ2cosφA—交换积分常数。当A＞0，φ＝0时，E ex最小，自旋磁矩自发排列同一方向，即产生自发磁化。当A＜0，φ＝180°时，E ex也最小，自旋磁矩呈反向平行排列，即产生反铁磁性。交换能是近邻原子间静电相互作用能，各向同性，比其它各项磁自由能大102～104数量级。它使强磁性物质相邻原子磁矩有序排列，即自发磁化。 磁滞损耗：铁磁体在交变磁场作用下，磁场交变一周，B-H曲线所描绘的曲线称磁滞回线。磁滞回线所围成的面积为铁 =? 磁体所消耗的能量，称为磁滞损耗，通常以热的形式而释放。磁滞损耗Q HdB 技术磁化：技术磁化的本质是外加磁场对磁畴的作用过程即外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向(和)或近似外磁场方向的过程。技术磁化的两种实现方式是的磁畴壁迁移和磁矩的转动。 请画出纯金属无相变时电阻率—温度关系曲线，它们分为几个阶段，各阶段电阻产生的机制是什么？为什么高温下电阻率与温度成正比？ 1—ρ电-声∝T( T > 2/ 3ΘD ) ； 2—ρ电-声∝T5 ( T< <ΘD )；材料物理性能及材料测试方法大纲、重难点
简述制备中孔炭材料的两种及以上工艺方法,及其制备材料的用途.
《材料结构与性能》习题复习课程
工程材料的分类及性能
活性炭孔结构对吸附性能影响的研究进展
活性炭具有疏松多孔的结构
材料物理性能测试思考题答案