液相渗入-反应法制备木材结构SiC的研究(论文)
基于神经网络的混杂SiC_颗粒增强铝基复合材料力学性能预测
第16卷第4期精密成形工程2024年4月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING95基于神经网络的混杂SiC颗粒增强铝基复合材料力学性能预测李晓童1，庄乾铎1，牛志亮1，王锶杰1，邢正1，李赞2，岳振明1*（1.山东大学（威海）机电与信息工程学院，山东威海 264209；2.金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240）摘要：目的提高混杂SiC颗粒增强铝基复合材料的韧性，利用卷积神经网络预测其力学性能，以得到力学性能关键因素的影响规律。
方法首先，通过实验得到了铝基复合材料的力学性能数据。
其次，基于相场裂纹扩展本构，采用Python代码批量生成了不同构型参数的代表性体积单元，并利用Abaqus软件进行了有限元仿真（FEM）。
通过代码实现了建模与仿真的一体化构建，利用得到的仿真数据，建立了神经网络模型，并实现了对复合材料力学性能的预测。
建模前，对数据进行预处理和筛选，以提高数据质量并降低模型复杂度。
最后，建立卷积神经网络，并优化模型的超参数。
结果通过建立的神经网络模型，实现了对复合材料力学性能的有效预测。
极限强度的预测误差保持在−7%~8.5%，能耗的预测误差保持在−5%~6%，预测精度较高。
结论通过结合实验、仿真和卷积神经网络模型，可以更有效地预测混杂SiC颗粒增强铝基复合材料的力学性能，从而为材料设计和制备提供指导。
关键词：混杂SiC颗粒；铝基复合材料；卷积神经网络；力学性能预测；相场裂纹扩展本构DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2024.04.012中图分类号：TG1 文献标志码：A 文章编号：1674-6457(2024)04-0095-06Prediction of Mechanical Properties of Hybrid SiC Particle-reinforcedAluminum-based Composites Based on Neural NetworkLI Xiaotong1, ZHUANG Qianduo1, NIU Zhiliang1, WANG Sijie1, XING Zheng1, LI Zan2, YUE Zhenming1*(1. School of Mechanical, Electrical and Information Engineering, Shandong University (Weihai), Shandong Weihai 264209,China; 2. State Key Laboratory of Metal Matrix Composites, Shanghai 200240, China)ABSTRACT: The work aims to enhance the toughness of hybrid SiC particle-reinforced aluminum-based composites and pre-dict the mechanical properties of the composites by utilizing a convolutional neural network (CNN) to determine the key factors affecting their mechanical performance. Firstly, experimental data on the mechanical properties of the aluminum-based compos-ites were obtained. Then, based on the phase-field crack propagation constitutive model, representative volume elements (RVEs) with different configuration parameters were generated by Python code, and finite element simulations (FEM) were conducted收稿日期：2024-01-19Received：2024-01-19基金项目：国家自然科学基金（52175337，52192591）Fund：The National Natural Science Foundation of China (52175337, 52192591)引文格式：李晓童, 庄乾铎, 牛志亮, 等. 基于神经网络的混杂SiC颗粒增强铝基复合材料力学性能预测[J]. 精密成形工程, 2024, 16(4): 95-100.LI Xiaotong, ZHUANG Qianduo, NIU Zhiliang, et al. Prediction of Mechanical Properties of Hybrid SiC Particle-reinforced Aluminum-based Composites Based on Neural Network[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(4): 95-100.*通信作者（Corresponding author）96精密成形工程 2024年4月with Abaqus software. The integrated construction of modeling and simulation code was realized and the neural network model was constructed with the obtained simulation data, enabling the prediction of the mechanical properties of the com-posites. Prior to modeling, the data were preprocessed and selected to improve data quality and reduce model complexity. A convolutional neural network was established, and the hyperparameters of the model were optimized. The developed neural network model achieved effective prediction of the mechanical properties of the composites. The prediction error for ultimate strength ranged from −7% to 8.5%, and for energy absorption ranged from −5% to 6%, demonstrating high prediction accu-racy. By combining experiments, simulations, and convolutional neural network models, the mechanical properties of hybrid SiC particle-reinforced aluminum-based composites can be predicted more effectively, thereby providing guidance for mate-rial design and fabrication.KEY WORDS: hybrid SiC particles; aluminum-based composites; convolutional neural network; mechanical property predic-tion; phase-field crack propagation constitutive碳化硅颗粒（SiC p）是金属基复合材料的典型增强体[1-4]，具有高强度、高模量和耐磨损等优点，作为第二相增强体广泛应用于铝基复合材料中[5]。
间隙蒸煮过程优化(一)——初期木片药液渗入研究(发表)
间隙蒸煮过程优化（一）——初期木片药液渗入研究许向阳祝和云孙优贤（浙江大学工业控制研究所，杭州，310027）摘要：间隙蒸煮过程中，木片被药液浸没后，药液在木片中的渗入上受多种因素影响的。
渗入不完全往往造成蒸煮不均匀，影响浆的得率。
本文从机理上分析药液在木片中的渗入过程，研究在各种因素变化情况下对渗入的影响，建立渗入的数学模型，为蒸煮过程的优化作一定基础。
关键字：间隙蒸煮过程，渗透，扩散，渗入模型，毛细管一、引言有关蒸煮过程的工艺研究从本世纪初就有很多，人们在感性上对其已有较深的认识。
但由于蒸煮工艺的复杂性、多变性等原因，还未能很好地建立起一个完善的模型，并将其用于优化。
蒸煮过程所受到的工艺上的影响因素非常之多，如木片的大小尺寸、形状、均匀度、品种、老嫩、新旧、树皮和木节的含量、干湿情况、装锅情况（如蒸汽装锅、锅内堆积情况等）；药液浓度、温度、粘度、组分、药液循环情况、加热情况等。
过去人们所做的工作中，大多通过实验观察蒸煮结果，直接寻求某个因素的变化引起的蒸煮情况的变化规律[8~13]。
这些规律的获得为蒸煮过程的正确操作提供了很大的帮助，也为蒸煮建模提供丰富的数据资源。
但这些规律往往不能体现影响的内在机理。
也有人从机理上探求蒸煮的脱木素过程，如R.,R.,Gustafson等[4]建立的药液扩散模型具有较好的理论依据；Y.,L.,Sidrak [5]对连蒸过程建立模型后实现了优化。
但仅有的这些工作是有限的，模型中有较多简化，许多因素的影响都无法考虑。
蒸煮首先进行的是药液在木片中的渗入过程。
初期渗入进行的好坏直接影响到蒸煮的质量和产量；而渗入又很大程度地受到木片及药液等一些因素的影响，尤其是木片的尺寸、干燥程度、品种、老嫩，药液的浓度、组分和温度等。
在对蒸煮过程进行机理分析的时候必须分析药液渗入这一环节。
精确的渗入模型将为良好预测浆的质量和产量提供前提条件，本文正是出于这一目的，对药液在木片中的渗入过程进行较深入的研究，并由此建立起机理模型，用以分析各种变化因素对渗入带来的影响。
SiC多孔陶瓷的研究进展
SiC 多孔陶瓷的研究进展章林3 曲选辉 段柏华 何新波(北京科技大学材料科学与工程学院,北京 100083)摘 要: SiC 多孔陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、抗热震等优点,在冶金、化工、环保和能源等领域有广阔的应用前景。
本文综合评述了SiC 多孔陶瓷的制备技术及其性能;详细阐述了各种制备方法的原理、主要的影响因素和存在的问题;介绍了三个评估多孔陶瓷性能的模型;最后指出了SiC 多孔陶瓷的发展方向和应用前景。
关键词:碳化硅;多孔陶瓷;制备技术;模型Progress in research on porous silicon carbideZhang Lin ,Q u X u anhui ,Du an Bohu a ,H e Xinbo(School of Materials Science and Engineering ,University of Science and T echnology Beijing ,Beijing 100083,China )Abstract :Porous SiC ceramic has numerous applications such as catalyst supports ,hot -gas or molten -metal filters because of its good thermal -shock resistance ,excellent mechanical and chemical stability at elevated temperature 1The synthesis methods and their properties were introduced 1The principle of the fabrication process ,important factors and the main problems were investigated in detail 1Three kinds of models were introduced to predict the properties of the porous ceramic 1At last ,the research interests in the future were discussed 1K ey w ords :silicon carbide ;porous ceramic ;fabrication ;modelling3章林(1980-),男,博士研究生。
碳化硅铝复合材料的制备
论文题目：碳化硅铝复合材料的制备专业：材料科学与工程学生：段红伟签名:指导老师：王涛签名：摘要碳化硅颗粒增强铝基复合材料( SiCp / Al 复合材料) 具有高比强度和比刚度、耐磨、耐疲劳、低热膨胀系数、低密度、高微屈服强度、良好的尺寸稳定性和导热性、优异的力学性能和物理性能。
本文采用粉末冶金法制备SiCp复合材料。
使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)，抗折强度试验，洛氏硬度实验以及密度，吸水率，气孔率实验等方法研究碳化硅铝复合材料的微观结构、性能特点和机理。
得到实验结果为SiCp复合材料组织均匀，致密，无杂质，气孔少等优良特点。
随着SiC复合材料质量分数的增加，SiCp的密度、抗折强度、硬度均相应增大，而气孔率、吸水率随之减小。
SiC质量分数一定的情况下，随着烧结温度的升高试样的性能也越来越好。
关键字：粉末冶金法碳化硅铝复合材料制备性能研究类型：实验型Subject: Preparation of Silicon Carbide Reinforced Aluminum CompositeSpeciality: Materials Science and EngineeringName:Duan hongwei Signature: Instructor: Wang Tao Signature:AbstractSilicon carbide particles reinforced aluminum matrix composites (SiCp / Al matrix composite) with high specific strength and stiffness, wear and fatigue resistance, low thermal expansion coefficient, low density and high micro-yield strength, good dimensional stability and thermal conductivity , excellent mechanical properties and physical properties.In this paper, Using method of powder metallurgy to preparation SiCp composite materials. Using X-ray diffraction (XRD),Scanning electron microscopy (SEM), bending strength and Rockwell hardness test and the density, water absorption, porosity of experimental methods research aluminum silicon carbide composite material microstructure, properties and mechanism. The experimental results obtained for the SiCp homogeneous, compact, no impurities, porosity and less good features. With the increase of SiC quality score, SiCp density, flexural strength and hardness, and all relevant porosity, bibulous rate is then decreased.SiC quality score certain situations, the sintering temperature elevatory sample properties and strengthened.Key words :Method of powder metallurgy; SiCp / Al matrixcomposite;Preparation; Performance;Thesis type：Experimental目录目录 (1)1文献综述 (1)1.1复合材料概述 (1)1.1.1 复合材料的定义 (1)1.1.2复合材料的分类 (1)1.1.3复合材料的性能 (2)1.1.4复合材料的成型方法 (3)1.1.5复合材料的应用 (3)1.1.6复合材料的发展和应用 (3)1.2金属基复合材料 (5)1.2.1 金属基复合材料的定义 (5)1.2.2 金属基复合材料分类 (5)1.3碳化硅铝复合材料 (7)1.3.1碳化硅铝复合材料引言 (7)1.3.2国外开发及应用研究现状 (7)1.3.3碳化硅铝复合材料的制备方法 (8)1.3.4国内开发与应用中存在的问题 (10)1.3.5碳化硅铝复合材料今后发展趋势 (11)1.4本文研究内容 (11)1.5工艺流程 (12)2 实验方法及内容 (13)2.1实验方法 (13)2.1.1实验方法介绍 (13)2.1.2原料计算称量及配置 (13)2.1.3冷压成型 (13)2.1.4低温排胶 (14)2.1.5高温烧结 (14)2.2实验原料 (14)2.3 实验设备 (15)2.4实验过程 (15)2.4.1试验配方 (15)2.4.2原料混合 (16)2.4.3冷压成型 (16)2.4.4高温烧结 (17)2.5试样测试 (18)3实验结果与分析 (19)3.1试样的微观形貌分析 (19)3.2试样XRD成分分析 (20)3.3 试样的抗折强度 (21)3.3.1温度对抗折强度的影响 (21)3.3.2 SiC 含量对抗折强度的影响 (21)3.4试样密度、吸水率、气孔率的测试 (22)3.4.1测试方法 (22)3.4.2温度对试样密度、吸水率、气孔率的影响 (23)3.4.3 SiC含量对试样密度、吸水率、气孔率的影响 (24)3.5试样洛氏硬度的测试 (27)3.5.1 烧结温度对洛氏硬度的影响 (27)3.5.2 SiC含量对试样洛氏硬度的影响 (28)3.6粘结剂、Mg粉以及真空热压烧结的作用 (28)3.6.1粘结剂的作用 (28)3.6.2 Mg粉的作用 (29)3.6.3热压烧结的作用 (29)4结论 (30)致谢 (31)参考文献 (32)1文献综述1.1复合材料概述1.1.1 复合材料的定义复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。
预浸纳米SiO2溶液强化再生粗骨料混凝土力学性能试验
中，发现混凝土的界面过渡区变得更加密实，混凝
土抗压强度增幅25 % 左右 ; 罩 盛 昆 [ 11] 使 用 纳 米
Si02 榕液 浸 泡 强 化 再 生 粗 骨 料 和 直 接 掺 入 纳 米 Si02 对再生混 凝 土 进 行试验研究 ， 结果 表 明 两 种 方法对再生混凝土的改性有一定效果，但直接掺 入对混凝土抗压强度提 走去
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(a) 累积孔 隙体积
构混凝土中;杨青、钱晓倩[ 8 ] 等 利 用 高 活 性 纳 米
Si02 和纳米改性矿物掺合料对再生混凝土 进行 了 纳米复合强化试验;李文贵[町等在混凝土中添加 不同纳米材料分散液，结果发现纳米硅榕胶能够 很好地改善再生混凝土界面过渡区微观结构; Pal
la[ lO] 等利用 纳 米 Si02 直接掺入在 粉煤灰 混 凝 土
作者简介:黄伟，博士后，教授，淮南联合大学建筑与艺术学院 O研究方向:混凝土结构与材料。
基金项目:安徽省高校学科拔尖人才学术资助项目(项目编号: gxhj2022111 ) ;安徽省教育厅科学研究重点资助项目(项目编号: 2022AH052930) 0
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第 12 期
预漫纳米 Si02 溶液强化再生粗骨料混凝土力学性能试验
点 [ 1 -3] ， 在某种程度上影 响 和 限制 其广 泛使用 ， 为
【精品】液相浸渍法制备CC复合材料
液相浸渍法制备C/C复合材料002-1-78:30[关键词]炭素技术材料分析1、前言C/C复合材料具有耐高温、抗腐蚀、热膨胀系数低、热冲击性能好、比强度高、耐疲劳性能好等一系列优点，是固体火箭和航天飞行器理想的热结构材料，其应用已逐渐扩展到汽车刹车片、发热体、人体器官等重要民用领域及飞机盘式制动装置，其总量的60%以上用作飞机刹车盘，C/C复合材料刹车片的热容是钢刹车片的2.5倍以上，同时重量减轻40%，使用寿命延长一倍以上。
在C/C复合材料制备的初级阶段或在后来的炭化阶段，容易在样品中产生孔隙，在制备时，主要产生开孔，而在炭化过程中出现的孔隙是开孔或闭孔，复合材料中所有这些结构缺陷对它的性能产生有害的影响，因此需要通过化学气相沉积(CVD)或用液相浸渍炭化的方法来增密。
这些过程的目标是填充浸渍剂能达到的孔隙，而且必须重复几次才能达到要求的密度、要求的机械性能。
CVD是一种填充小孔的非常有效的工艺，然而，在有大孔的材料中这种技术的缺点是能产生闭孔，液相浸渍使用热固性树脂或煤焦油沥青作浸渍剂，是一种经济、简单的工艺，而且可能避免在加工过程中形成闭孔。
2、浸渍剂目前主要有二类浸渍剂：沥青类和树脂类。
液相浸渍的先驱体应有较高的残炭率，这意味着炭化过程中低的失重。
用于焦炭浸渍的液相先驱体应有较低粘度，对炭基质有很好的润湿性，并需要在炭化前固化，以限制进一步加热过程中液态沥青的流出，浸渍过程的一个重要因素是先驱体能润湿孔壁，沥青有这种性质，就树脂而言，缺少很好的粘结引起在高温处理后，从树脂形成的碳相与孔壁不接触，仅仅填充孔中心，因此需要多次浸渍和炭化完全填充孔隙，而沥青与气孔壁有良好的润湿的粘结性，炭化后残留的炭沿孔壁收缩，有利于二次再浸渍和再炭化。
研究表明：缩短C/C复合材料的耗能过程达到要求的机械性能的方法之一是同时使用这两种浸渍方法。
如果把孔壁上良好的粘结归于沥青、不好的粘结归于树脂，就过于简化了问题，更重要的是纤维的表面活性，可以理解需要多次的浸渍/炭化把孔隙填充完全。
第09讲 无机非金属材料 (练)-2023年高考化学一轮复习讲练测(新教材新高考)(解析版)
第09讲无机非金属材料1．《天工开物》记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无沙黏土而为之”，“凡坯既成，干燥之后，则堆积窑中燃薪举火”，“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”。
下列说法错误的是() A．黏土是制砖瓦和水泥的主要原料B．“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理化学变化C．沙子的主要成分为硅酸盐D．泥坯烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦【答案】C【解析】由题目的“择取无沙黏土而为之”，说明黏土是制砖瓦和水泥的主要原料，选项A 正确；“燃薪举火”是提供高温的环境，使黏土发生复杂的物理化学变化，选项B正确；沙子的主要成分为二氧化硅，选项C错误；黏土中有一定量的Fe元素，泥坯烧制后自然冷却成红瓦(含氧化铁)，浇水冷却时C与水反应得到CO和H2，将三价铁还原为二价铁，形成青瓦，选项D正确。
2.平昌冬奥会“北京8分钟”主创团队用石墨烯制作了－20 ℃能发热4 h的智能服饰；用铝合金管材和碳纤维制作了高2.35 m、重量仅为10 kg的熊猫木偶，向世界展现了新时代的中国形象。
下列说法中，不正确的是()A．石墨烯是能导热的金属材料B．铝合金是密度较小的金属材料C．碳纤维是耐低温的无机非金属材料D．新型材料种类多、用途广【答案】A【解析】石墨烯是无机非金属材料，A错误；铝合金是密度较小的金属材料，B正确；石墨烯可制作－20 ℃能发热4 h的服饰，能耐低温，C正确；新型材料种类多、用途广，D 正确。
3．硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤。
在无机非金属材料中，硅一直扮演着主角。
下列几种物质中含有硅单质的是()【答案】C【解析】玛瑙、光导纤维和水晶的主要成分都是SiO 2，硅单质可用来制造太阳能电池。
4．我国科学家合成的3 nm 长的管状碳纳米管，长度居世界之首。
这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小⎝⎛⎭⎫只有钢的14、熔点高，化学稳定性好的特点，因此被称为“超级纤维”。
下列对碳纤维的说法中不正确的是( )A ．它是制造飞机的理想材料B ．它的主要组成元素是碳元素C ．它的结构与石墨相似D ．碳纤维复合材料耐高温【答案】C【解析】石墨的内部结构是层状的，碳纳米管是管状的。
一种曲面透明木材的制备
专利名称：一种曲面透明木材的制备
专利类型：发明专利
发明人：殷学风,田杏欢,林涛,段敏,张希娟,范晶,李静,袁枚,田赵欢
申请号：CN201910033001.9
申请日：20190114
公开号：CN109702839B
公开日：
20220125
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种曲面透明木材的制备，将样品放入氢氧化钠溶液中预处理，洗至中性；再在酸性条件下用亚氯酸钠溶液处理，获得完整的脱木素木材基板样品；然后冷冻，干燥，弯曲塑型，获得曲面的脱木素木材基板；浸渍到折射率与纤维相近的高透光型聚合物中，再固化聚合获得一种曲面透明木材，所制曲面透明木材机械性能优异，曲率高，透光率可达85%以上，具有高的市场应用价值。
申请人：陕西科技大学
地址：710021 陕西省西安市未央区大学园区陕西科技大学
国籍：CN
代理机构：西安西达专利代理有限责任公司
代理人：郭秋梅
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装
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器
３
Ｔｂｍｐｅｒａｔｕｒｅ／℃ 图１ 椴木的ＴＧＡ曲线 Ｆｉｇ．１ Ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂａｓｓｗｏｏｄ
３．２ 椴木木炭和多孔ＳｉＣ的ＸＲＤ和ＳＥＭ分析 图２给出了椴木木炭和多孔ｓｉＣ的ｘＲＤ谱图。
圈３椴木木炭和多孔ｓｉｃ的ＳＥＭ照片
２ 实验方法
将椴木切成块状，１１０℃干燥２４ ｈ后放入真空炉 中，１ ２００℃碳化４ ｈ，升温速度小于５℃／ｍｉｎ，椴木转 变为木炭。然后将木炭包埋于粒径为２５５“ｍ的ｓｉ粉 中，在１ ６００℃，Ａｒ气氛下烧结３０ ｍｉｎ，再在１ ７００℃ 下排Ｓｉ ２ ｈ，随炉冷却，得到近净尺寸成形的多孔ｓｉｃ。
要４０ ｍｉｎ。可见，ＳｉＣ生成速率比Ｓｉ在木炭通道内的 传输速率慢约５个数量级，因而可以认为体系中各部
位的Ｓｉ和碳之间的反应是同时开始的，口．ＳｉＣ的生成 反应是木炭转变为ｓｉｃ陶瓷的控制步骤。
４结 论
１）向木炭中渗入反应性的ｓｉ制备具有木材管胞 结构的多孔ｓｉｃ是１种新型的多孔陶瓷制备方法。
２）木炭是无定形的非晶碳材料，多孔Ｓｉｃ是由主 晶相卢．ＳｉＣ和少量未反应ｃ组成的复合材料。在以木 炭为模板，液相Ｓｉ渗入一反应法制备多孔Ｓｉｃ陶瓷的 过程中，Ｓｉ与ｃ反应生成ｓｉｃ的过程是控制步骤。
由图２可知，椴木木炭是无定形的非晶碳材料。 当液相ｓｉ在毛细作用下沿通道渗入木炭并与之反应 生成ＳｉＣ陶瓷后，其ｘＲＤ谱图中存在∥．ｓｉＣ和未反应
７Ｉ’ａｂｌｅ １
表１ 多孔ｓｉｃ的基本性质 Ｔｈｅ ｐｒＯｐｅｒｔｉｅｓ Ｏｆ ｃｅＵｕｌａｒ ＳｉＣ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆ｝０ｍ ｂａｓｓｗＯＯｄ
ＣＢ－ｔｅｍｐｌａｔｅ Ｃｅｌｌｕｌａｒ ＳｉＣ
可见，渗Ｓｉ量的多少是由毛细管的几何形状和 ｓｉ的基本性质决定的。由于木材孔道的形状不太规则， ｒ＜Ｒ＜内，所以（一侬‰２）＜１。由文献【１６］给出的液相 ｓｉ（１ ６００℃）的ｙ，０和叩数据，就可以推算出ｓｉ在 木炭通道内渗入０．１ ｍ所需时间。若严Ｒ＝‰＝１“ｍ～ １０肛ｍ时，所需时间就在０．１ ｓ以内，这就意味着液相 Ｓｉ渗入木炭的速度是非常快的。
用Ｒｉｇａｋｕ Ｔｈｅｍａｌ型热分析仪研究椴木的热分解 行为。用Ｓ．２７００型扫描电子显微镜和Ｄ／ＭＡｘ．ＲＡ
（ｃｕ‰）型ｘ射线粉末衍射仪研究木炭和多孔ｓｉＣ
的微观结构和物相组成。用Ｉｎｓｔｒｏｎ １１９５型材料测试系 统测定了三点弯曲强度和压缩强度。用阿基米德法测 定多孔ｓｉＣ的密度和显气孔率。利用四电极法测定体 积电阻率。
呔ｉｃ≈√破ｆｆ，
（５）
Ｄ。ｆｆ＝Ｄ。ｅｘｐＩ善ｌ
（６）
＼』【』／
根据文献［１７】提供的数据：活化能Ｑ和扩散系数
Ｄｏ分别为１３２ ｋＪ．ｍｏｌ’１和２×１０‘６ ｃｍ２·ｓ～。这样就可以 得到１ ６００℃时的Ｄ。ｆｒ＝４．１６８×１０。１０ ｃｍ２·ｓ～，将其代入
式（３）就可以得到反应时间，与磙ｉｃ之间的具体关系 式，例如要获得厚度为１０“ｍ的ＳｉＣ层，反应时间需
或者Ｓｉｃ纤维发生位错或剥离行为，从而提高了韧性
和强度。
３．４ Ｓｉ在木炭中渗入．反应动力学
液相Ｓｉ能否自发渗入木炭中，取决于它在碳表面 上的润湿角ｐ。当ｐ＜＜９００时，ｓｉ可以自发渗入木炭中，
同时Ｓｉ与接触到的Ｃ反应生成口一ＳｉＣ。Ｓｉ在木炭上ｐ 的大小取决于碳的表面结构，通常碳结晶度的增加有
利于ｓｉ自发渗入。在１ ４５０℃时，ｓｉ在碳材料上的ｐ ～般小于５５“１４】。由木炭生成口。ｓｉＣ的方式有以下２
种，即固液反应和固气反应，反应分别如式（１）和式
（２）所示。
ＣＢ—ｔｅｍｐｌａｔｅ＋Ｓｉ（１）—＋∥一ＳｉＣ
（１）
ＣＢ—ｔｅｍｐｌａｔｅ＋Ｓｉ（ｇ）一声－ＳｉＣ
（２）
木炭转变为多孔ＳｉＣ陶瓷材料所需的时间，是受
ｓｉ渗入和ｓｉ与Ｃ反应动力学制约的。木材的轴向结
构可以理解为由一束平行的毛细管组成的，其有效流 动半径为ｒ，毛细作用保证了液相Ｓｉ的渗入。毛细管
用Ｒｉｇａｋｕ Ｔｈｅｒｍａｌ型热分析仪）研究了椴木的热分解行为，用ｘＲＤ和ｓＥＭ研究了椴木木炭和多孔ｓｉｃ陶瓷的物相组成
和微观结构，还探讨了ｓｉ向木炭中渗入．反应动力学和多孔ｓｉｃ的基本性能。结果显示，木炭为无定形的非晶碳材料，
多孔ｓｉｃ由主晶相∥．ＳｉＣ和少量未反应Ｃ组成的；多孔ＳｉＣ具有椴木的管胞结构，与木炭相比，力学性能得到显著改
万方数据
稀有金属材料与工程
３３卷
所示。通常，木材热解开始于２００℃以下，５００℃时热 解基本结束。木材的３种主要成分是纤维素、半纤维 素和木质素，其中纤维素的含量最大，文献【１３］对它们 的热解行为进行了详细分析。就椴木热解而言，２００℃ 以下的热质量是由木材中水分的脱除引起的，第２个 热质量损失台阶（２００℃～２８０℃）是半纤维素热解造成 的，此时碳氢结构开始形成，并释放出ｃ０２，ＣＯ和其 他有机气体，而２８０℃～５００℃范围内，纤维素和木质 素发生热解，对木材热质量损失贡献最大，释放出大 量气体，留下大量孔隙，尤其是３００℃以上，炭的生成 速率迅速增加，４００℃以上芳环结构开始形成，５００℃以 上继续深化，碳结构发生重排。在木材热解过程中， 还发生各向异性收缩，其轴向、径向和切向的线性收 缩率分别为１ １．４％，１６．３％和２２．４％。
Ｃ的衍射峰，表明多孔ＳｉＣ是由主晶相口．Ｓｉｃ和少量 第二相Ｃ组成的两相复合材料。由密度法测得多孔ＳｉＣ 中Ｃ的质量含量为１４．７％。
木炭和多孔ＳｉＣ的显微结构如图３所示。由图３ａ 可以看出，木炭具有拓扑均匀的微观结构，呈管状孔 结构，孔径范围为５ ｐｍ～４０“ｍ，与原始椴木的管胞结 构是一致的。木炭中的孔道来自木材的管胞结构，它 们构成了熔融Ｓｉ向木炭中渗入的主要通道。图３ｂ给 出了多孔ＳｉＣ的微观结构，浅色部位为生成的ＳｉＣ， 深色部位为未反应的Ｃ，而且多孔ＳｉＣ遗传了木炭的 微观结构，ｓｉｃ是在孔道内壁开始形成的。
善；碳纤维向ｓｉｃ纤维的转化及其对裂纹萌生、扩展的抑制作用和偏转作用是提高力学性能的主要机制。
关键词：碳化硅；木材陶瓷；环境材料；多孔陶瓷；木材；反应性渗入
中图法分类号：ＴＢ３８３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２．１８５Ｘ（２００４１１０．１０６５．０４
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
１前言
近年来，如何将生物有机材料转变为具有特殊结 构或功能的无机材料受到了越来越多的关注【ｌ】。其中， 将具有微米级管胞结构的木材转变为无机材料已成为 最为活跃的研究领域之一。木材由于具有优良的力学 性能，数千年来主要用作结构材料和燃料。然而，木 材陶瓷的出现，实现了木材从结构材料向结构．功能一 体化材料的飞跃。木材陶瓷是１种具有连续孔结构的新 型碳材料，通常是由浸渍了热固性树脂或液化木材【２］ 的木质材料在３００℃～２ ８００℃高温下真空碳化制成的， 并且遗传了原木质材料的结构。木材陶瓷具有很多优 异的性能，如良好的电学性能、消声性能、高比表面 积，以及耐热和耐磨等性能【３０】。因此，在许多工业领 域具有巨大的应用潜力，如用作吸附剂、催化剂载体、 隔热材料、自润滑材料、温度和湿度传感器和电磁屏 蔽材料等【６＇７ｌ。木材陶瓷原料来源广泛，如废纸、果渣、 废弃的植物纤维和木质材料等，有利于节约资源和保 护环境。因此，木质陶瓷也被称为“环境友好型材料”。 但是，木材陶瓷也有一些不足之处，如强度低、可靠 性差和耐高温性能差等，极大地限制了其应用范引８１。 已有研究表明，将木材制成碳化物陶瓷或氧化物陶瓷， 可以克服上述缺点。如Ｏｔａ【９】以木材为模板制成了具有 木材显微结构的多孔Ｔｉ０２陶瓷，ｓｕｎ【ｌ ｏ】等将钛酸酯真 空渗入松木炭中，依次经烧结和空气氧化后制成了具 有木材显微结构的ＴｉＣ陶瓷，Ｖｏｇｔ【１１１和Ｓｉｅｂｅｒ【１２】分别
流动的Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ方程如式（３）所示，ｓｉ在木炭通道
内渗入深度为ｘ时所需的时间ｆ由式（４）决定【１５】。
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（３）
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式中’，，ｐ和，７分别是液相ｓｉ的表面张力、润湿角和 粘度；ｒ，Ｒ和ｒ。分别为通道的有效流动半径、有效毛 细管半径和毛细管平均几何半径。
向木炭中渗入ｓｉ０２溶胶和ＣＨ３ｓｉｃｌ３制成了具有木材 显微结构的ＳｉＣ陶瓷。这些方法不仅大幅度提高了力 学性能，还保持了木材本身的管胞结构。本研究采用 高温炭化和反应性渗入方法制成了具有木材显微结构 的多孔Ｓｉｃ，对其显微结构和物相进行了表征和观察， 还对Ｓｉ向木炭中渗入．反应动力学和多孔Ｓｉｃ的基本 性能进行了探讨。
第３３卷 ２００４年
第１０期 ｌＯ月
稀有金属材料与工程
ＲＡＲＥ ＭＥＴＡＬ～哪ＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＪＮＧ
、，０１．３３．Ｎｏ．１０ ｏｃｔｏｂｅｒ ２００４
液相渗入一反应法制备木材结构ＳｉＣ的研究
钱军民，王继平，金志浩
（西安交通大学，陕西西安７１００４９）
摘要：椴木经高温炭化转变为木炭，经熔融硅反应性渗入后，生成具有椴木微观结构的多孔ｓｉｃ陶瓷。借助ＴＧＡ（采
行，这就造成多孔ＳｉＣ力学性能的各向异性，当施加
轴向压力时，材料变形是由纤维的塑性屈服／弯曲行 为控制的，而在横向加压时，材料变形是由纤维间的
损伤累积／剥离行为控制的，这也决定了多孔ＳｉＣ在 外力作用下不致于发生灾难性断裂。在木炭转变为
ｓｉｃ的过程中，由于熔融ｓｉ是沿着通道向木炭内部 渗入并与接触到的碳反应的，这样就造成通道内壁纤
维结合强度较大，而通道与通道之间的纤维结合相对
较弱。 从微观角度看（以单个通道为例），木炭向ＳｉＣ的
转变会带来体积膨胀，孔壁内层的ｓｉｃ层就对未反应
的Ｃ层产生压应力，给裂纹以闭合力，可以抑制Ｃ材 料中裂纹的萌生和发展。由于ｓｉｃ的强度和韧性比木