创新杯作品集 3

目录1低温共烧陶瓷微电路材料制备及性能12AB5合金球磨复合MG2NIH4对结构及电化学性能的影响133太阳能反射材料测试装置设计与应用234新型光固化材料的制备365磁驱动仿生纤毛的制备及光催化应用426AL2O3气凝胶的制备与表征547水泥熟料中硫铝酸钙的定量分析728利用BBD实验设计研究化学添加剂协同作用对水泥砂浆强度的影响869新型直立式浸胶装置的设计10010双金属复合管的制备工艺及其性能研究11111纸质文物清洗、脱酸、加固一体式保护应用及安全性研究13712可瓷化聚烯烃耐火电缆14413铈镱共掺YIG纳米晶/PMMA纳米复合磁光材料的制备研究15314纳米氧化铝对铝酸盐水泥基储热材料性能的影响15415纳米TIO2表面接枝丙烯酸丁酯复合材料的制备与性能研究15516硝酸盐系太阳能传热介质宽温度跨度研究15717钙钛矿型氧化物的光致热MOTTMIT转变性能研究15818一种光学响应的微型陶瓷条形码15919一种紫外激发式基于新型透明陶瓷荧光材料的白光LED器件162低温共烧陶瓷微电路材料制备及性能参赛人员陈龙作品分类（B）能源化工A能源B无机材料C高分子材料D金属材料作品撰写的目的和基本思路通过本实验，了解无源集成多层微电路基片的国内外研究现状与制备测试方法。制定复相玻璃陶瓷材料的配方，采用玻璃高温熔融法制备各玻璃粉料，调节复相玻璃粉料与有机流延体系配比的，结合流延工艺参数的优化，制备出厚度均匀、适合印制金属浆料的生料带。完成多层复相玻璃系生料带与金属微电路的有效共烧。作品的科学性、先进性及独特之处目前，低温共烧材料在采用烧结法制备钙硼硅玻璃陶瓷时，往往只注重烧结温度的降低、粉体制备方法的改进和介电损耗的降低，研究区域也仅仅局限于高硅区的个别配方点以及试样烧结后的性能，对钙硼硅三元体系缺乏整体性的把握和系列化的研究成果，对氧化硼挥发引起材料的稳定性、可靠性缺乏预测。因此探讨CBS三元体系玻璃的特点，从整体上把握CBS材料性能的变化范围及特点，开发出工艺稳定、拥有自主知识产权、超低损耗、系列化的LTCC瓷粉，是当务之急。作品的实际应用价值和现实意义小型、轻量、薄型、高性能是数字网络时代电子设备的发展趋势，用于电子产品的元器件，也必定朝着高可靠、微型化、薄膜化、多功能和高效能等方向发展，这要求电子基板要有优良的电性能、机械性能、热性能、化学稳定性等。低温共烧新型高性能陶瓷基板材料由于其介电常数可调、热膨胀系数与相关材料匹配、宽频性能优越等特点，在射频、微波、无线电通信等领域中有着广泛的应用，成为近年来研究的热点，应用前景广阔。学术论文文摘本实验讨论了CAOB2O3SIO2CBS三元体系的玻璃形成区，研究了“高硅、低硼”区内玻璃的稳定性。采用添加AL2O3改善了玻璃的失透，并对比了失透现象改善前后，CBS玻璃陶瓷性能的变化。研究了氧化硼变化对CBS玻璃陶瓷烧结性能、介电性能和微观结构的影响。在1500的熔融温度下，CBS三元体系的玻璃形成区域比较窄，向“高硼、中钙、低硅”方向延伸，玻璃形成的范围是B2O3为1075MOL、SIO2为045MOL、CAO为2555MOL。AL2O3可以明显改善玻璃的失透，扩大玻璃的形成范围。纯的CBS试样35号CBS玻璃陶瓷，在870的烧结温度下，R为643，TAN为09104，添加9WTAL2O3可使35号玻璃由失透变为透明，失透现象改善前后，CBS玻璃陶瓷的体积密度、介电性能变化不大。在低温烧结的情况下，添加9WT的AL2O3，不会改变原有试样中晶相的种类，但改变了CBS玻璃陶瓷中SIO2晶相含量，使试样的热膨胀系数，降低为1051061。作品在何时、何地、何种机构举行的会议上或报刊上发表及所获奖励2014年4月份，参加了南京工业大学材料学院开放课题交流报告会，评审专家一致好评，被推荐参加2014江苏省大学生创新项目申请。低温共烧陶瓷性能的影响1实验目的玻璃成分中挥发份的含量越多，其挥发量越高。王承遇1总结了富碱金属氧化物和无碱硼硅酸盐玻璃中B2O3的挥发量MGCM2H1与B2O3含量关系如图1。曲线1为富碱金属氧化物的硼硅酸盐玻璃，曲线2为无碱硼硅酸盐玻璃。由图可知，富碱金属氧化物的硼硅酸盐玻璃挥发量随B2O3含量增加而增加，基本成线性关系，无碱或者低碱硼硅酸盐玻璃的挥发量在B2O3小于20摩尔比时非常小，当大于20挥发量迅速增加，因此本实验重点研究B2O3大于20摩尔比时，硼挥发对CBS玻璃陶瓷性能的影响。图1B2O3挥发量与B2O3含量的关系FIG1THERELATIONBETWEENBORONVOLATILIZATIONANDBORONCONTENT2引言CBS玻璃的熔制阶段可以看成，配合料熔制成玻璃液和不均匀的玻璃液相互扩散的过程，玻璃熔制的这五个阶段，各有特点但又密不可分。但在实际熔制过程中并不严格按上述顺序逐步进行的，存在相互交叉的过程。本实验由于采用淬冷的方法得到玻璃粉以及采用等稳加热工艺，硅酸盐形成阶段和玻璃形成阶段的时间都比较短暂，所以CBS玻璃熔制时间主要是指玻璃的玻璃形成、澄清和均化这三个阶段的时间13。影响氧化硼挥发的其它因素还有熔制温度、熔制时间、玻璃的基础成分、原料挥发份的组成以及窑炉结构。在本实验中，实验室窑炉结构和坩埚容量是固定的，分析纯H3BO3以及二价碱土金属氧化物中的含水量非常少45，并且失固定不变的，所以本实验只考虑玻璃熔制温度、时间、B2O3含量对氧化硼挥发量的影响。3实验方法及过程31实验所用原料及设备本实验所用原料，流延法制备多层LTCC生料带所用化学试剂以及化学分析所用试剂的规格和生产厂家列于表1中，所用实验设备见表2。表1所用原料的规格和生产厂家TABLE1GRADESANDMANUFACTORIESOFRAWMATERIALS原料名称纯度生产厂家碳酸钙CACO3CP北京红星化工厂硼酸H3BO3CP上海凌峰化学试剂有限公司二氧化硅SIO2CP中国上海爱建试剂厂氧化铝AL2O3AR上海五四设计有限公司表2主要实验仪器TABLE2THEMAINEXPERIMENTEQUIPMENTS仪器名称仪器型号生产厂家普通电子天平电子分析天平MA110BS124S上海第二天平仪器厂北京赛多利斯仪器系统有限公司多辊距长轴球磨机南京华洲机械厂快速磨KM1山东淄博启明星有限公司硅钼棒高温升降炉JGMT江苏省宜兴电炉研究所箱式马弗炉TWC32B江苏省宜兴电炉研究所粉末压片机769YP15A天津市科器高新技术公司平板硫化机XLBD上海第一橡胶机械厂鼓风电热恒温干燥箱GZX9146MBE上海博迅实业有限公司热膨胀仪RPZ01洛阳耐火材料研究院32CBS基础玻璃及CBS玻璃陶瓷的制备321CBS基础玻璃及其干压片的制备实验采用ZHOUWC2提出的玻璃形成区探索方法，根据三元体系含两种玻璃形成体玻璃形成的范围3，设计并确定配方。在确定玻璃形成区以后，根据玻璃形成区内各点的性能，结合实验室已做配方，选择一配方点，进行纯三元体系CBS性能的研究，包括玻璃失透性能、玻璃中氧化硼含量的挥发、以及不同熔制时间、熔制温度对此配方性能的影响。整个实验包括玻璃的熔制和制备工艺，流延成型法制备多层陶瓷基片工艺，其工艺流程简图如下CACO3H3BO3SIO2按配方混合均匀，并在1500保温40MIN淬冷得到玻璃碎片烘干、磨细、过筛细粉料流延成型，制得生料带倒入磨具，并随室温冷却观察玻璃形成情况XRD干压成型干压片多层基片图2CBS玻璃陶瓷制备流程图FIG2FLOWCHARTFABRICATINGCBSGLASSCERAMICS将混合均匀的配合料在1500的硅钼棒高温升降炉中，玻璃熔制时间为40MIN，倒入铁制磨具中观察玻璃的形成情况。将1450的熔融玻璃液，倒入去离子水中，急冷，得到结构比较疏松的CBS玻璃碎片。把玻璃碎片烘干后，放入直径约为20CM的刚玉罐中，加入氧化锆球玻璃粉球质量比15滚磨后，过100目筛。然后放入快速磨中500RMIN1，以刚玉球为研磨介质，酒精为研磨助剂，料球酒精质量比12508，球磨2H，烘干后得到玻璃粉料的粒度分布，平均粒径为445M。取一定量的玻璃粉，加入去离子水混合均匀，然后在100MPA压强下，用压片机，压制成13MM2MM4MM的圆片，在8001000之间烧成，并保温15MIN，将烧成的试样经磨平，超声清洗、烘干后即制得CBS玻璃陶瓷干压片。05101520253035246分分DIAMETR/MVOLUMEFRACTION/02040608010ACUMLATEDISTRIBUTION/图3CBS玻璃粉的粒度分布FIG3PARTICLEDISTRIBUTIONOFCBSGLASSPOWDERS33CBS玻璃中B2O3含量的定量分析将磨细的玻璃粉放入镍坩埚中，经碱熔融固体NAOH和酸HCL中和后，溶液中的硼均转变为硼酸盐，加入碳酸钙使硼形成更易溶于水的硼酸钙与其他杂质元素分离。加入甘露醇使硼酸定量地转变为离解度较强的醇硼酸，以酚酞为指示剂，用氢氧化钠标准滴定溶液5滴定，实验步骤如下1称取约05G试样，精确至00001G，置于镍坩埚中，加入氢氧化钠34G，盖上坩埚盖，置电炉上加热，待熔化后，再熔融约20MIN，旋转坩埚，使熔融物均匀地附着于坩埚内壁，然后冷却。2用热水浸取熔块于250ML烧杯中，滴加盐酸中和，加入12滴甲基红指示剂，继续滴加盐酸至溶液呈红色，再过量12滴。3缓慢加入碳酸钙至红色消失，加盖表面皿，置低温电炉上微沸10MIN。趁热过滤，用热水洗涤烧杯及沉淀910次，将滤液及洗液置于250ML烧杯中。4滴加盐酸使滤液刚呈红色，置电炉上微沸，浓缩至体积约100ML，取下，迅速冷却。用氢氧化钠标准滴定溶液中和至溶液刚变黄色此时不计读数。5加入约1G甘露醇，10滴酚酞指示剂，用氢氧化钠标准滴定溶液滴定至溶液呈微红色，再加1G甘露醇，若红色消失，继续用氢氧化钠标准滴定溶液滴定，如此反复，直至加入甘露醇后试液红色不消失为终点，用公式计算B2O3在玻璃中的含量。三氧化二硼的百分含量按式计算MCVWTOB1034832式中V消耗氢氧化钠标准滴定溶液的体积，ML；C氢氧化钠标准滴定溶液的实际浓度，MOL/L；M试料的质量，G；003481与100ML氢氧化钠标准滴定溶液CNAOH1000MOL/L相当，以克表示的三氧化二硼的质量。4结果与讨论41不同氧化硼含量对玻璃陶瓷性能的影响玻璃的熔制温度越高，配合料中石英的熔化越充分，玻璃的稳定性就越好，但试样的烧结温度增加，而熔制温度在1400和1450的玻璃粉，试样烧结后的介电性能相对优越，结合其介电损耗，选择熔制温度在1450的35号玻璃陶瓷，继续研究在此配方附近，氧化钙与氧化硅的比例固定不变，氧化硼含量在30WT、35WT、40WT变化时，CBS玻璃陶瓷性能的变化。411不同氧化硼含量下玻璃陶瓷的密度从图4可以看出，B2O3含量在35WT的CBS玻璃陶瓷，烧结范围比较宽，在850时烧结密度达到最大，为254GCM3，而B2O3含量在30WT和40WT的CBS玻璃陶瓷，在830时的烧结密度达到最大，分别为241GCM3、247GCM3，在达到最佳烧结温度后，密度迅速降低。790808108208308408508608708021223242526DENSITY/GCM3SINTERIGTEMPERATURE/30540图4CBS玻璃陶瓷烧结性能FIG4SINTEREDPROPERTIESOFCBSGLASSCERAMICS412不同氧化硼含量下玻璃陶瓷的介电性能从图5可知，B2O3含量为35WT的CBS玻璃陶瓷在800的介电常数相对较高，这和它800时就有较高的烧结密度一致，随着烧结温度的增加介电常数均呈先增加后减小的趋势。在最佳烧结温度850下，CBS玻璃陶瓷的介电常数最大为642，介电损耗为00009。而B2O3含量分别为30WT和40WT的CBS玻璃陶瓷，在800时的烧结密度相对较低，在最佳烧结温度830下的介电常数分别为627、629，介电损耗相对较大分别为0024、0013，可见氧化硼含量过高或者过低都对介电性能不利。7908108230845086708559601623645SINTERIGTMPERATU/3054R79081082308450867081123456TAN102SINTERIGTMPERATU/3054图5CBS玻璃陶瓷在不同烧成温度下的介电性能FIG5DIELECTRICPROPERTIESOFCBSGLASSCERAMICSSINTEREDATDIFFERENTTEMPERATURE介电性能的变化还可以从物相分析和SEM照片中得到解释，图6为三种玻璃陶瓷的XRD图40WT的试样烧结温度为830，其它为850，从图中可以看出，玻璃陶瓷的晶相种类均由CAB2O4、CASIO3、SIO2三种组成，氧化硼含量由30WT到40WT变化时，各晶相的相对含量发生了变化。氧化硼含量的为40WT的玻璃陶瓷，其衍射峰相对于35WT和30WT的玻璃陶瓷，CASIO3和SIO2的衍射峰明显下降，由于其氧化硼含量的增加，使氧化硅和氧化钙的含量相对减少，CA2与硅氧四面体的结合几率变小，导致CAB2O4的衍射峰上升。氧化硼含量为35WT的玻璃陶瓷，衍射峰相对与30WT的玻璃陶瓷，CASIO3含量下降，也是由于氧化硼含量增加引起的。203040506030INTESITY/AU235CAB2O4SIAS30图6硼含量不同时CBS玻璃陶瓷的XRDFIG6XRDPATTERNSCBSGLASSCERAMICSATDIFFERENTBORONCONTENT结合图4、5，氧化硼含量为30WT时，玻璃陶瓷的烧结密度和介电常数最小，可能是是由于，当氧化硅和氧化钙的含量相对较高时，它们结合成介电常数比较低的硅灰石R54和SIO2R38，导致整体的介电常数不高，由于其气孔率为15335WT的玻璃陶瓷气孔率013，30WT的玻璃陶瓷气孔率153，40WT的玻璃陶瓷气孔率024相对较大，使气体电离的损耗就越大。氧化硼含量为40WT的玻璃陶瓷由于氧化硼含量过多，B3极化率为0003的极化能力相对与SI4极化率为0026，CA2极化率为0100比较弱，基础玻璃的极化能力降低，使整体的介电常数降低。413CBS玻璃陶瓷的微观结构图7为CBS玻璃陶瓷的SEM表面形貌图，其中A为30WT的试样烧结温度为850，B为35WT的试样烧结温度为850，C为40WT的试样烧结温度为830。从中可以看出，试样均由玻璃相、晶相、微气孔组成。A中晶体形貌不明显，晶粒尺寸小于1M，这些小晶体在玻璃陶瓷中占50体积比以上，气孔成连通状态，使玻璃陶瓷的介电损耗的较大。B中气孔较少大部分在1M以下，晶粒密集，尺寸小于1M，成团簇状，晶体在玻璃陶瓷中占的体积比明显高于试样A，是一种比较理想的微晶结构。C玻璃陶瓷大部分由玻璃相组成，晶相含量比较少，被酸腐蚀后，出现“凹坑”，可见过多的氧化硼不利用理想微晶结构的获得。ABC图7CBS玻璃陶瓷的SEM照片A30WT；B35WT；C40WTFIG7SEMMICROGRAPHSOFCBSGLASSCERAMICSA30WTB35WTC40WT氧化硼含量变化时玻璃熔制温度为1450，熔制时间为40MIN，在最佳烧结温度下，玻璃陶瓷的介电常数变化不大，处于6265之间。氧化硼含量过高或者过低都对介电损耗不利。氧化硼含量为30WT时，烧结后的玻璃陶瓷中存在连通气孔，介电损耗也比较大，在102数量级。氧化硼含量为40WT时，CAB2O4晶相增加，玻璃相较多，介电损耗较大，在102数量级。而氧化硼含量为35WT时，烧结后的玻璃陶瓷中晶粒密集、气孔较少，试样的介电损耗较小，在104数量级。烧结后试样的晶相组成均为CAB2O4、CASIO3、SIO2。5小结本实验讨论了氧化硼变化对CBS玻璃陶瓷烧结性能、介电性能和微观结构的影响，得出以下结论1、玻璃熔融温度为1450，熔制时间为40MIN时，CBS玻璃陶瓷的致密化温度比较低，在800趋于烧结致密。熔制时间为60MIN时，由于其玻璃的稳定性比较高，玻璃的缺陷较少，导致玻璃陶瓷的析晶温度偏高。过多增加熔制时间，可以使玻璃的缺陷减少、成分更均匀，但提高了玻璃粉在烧结过程的致密化温度，不利玻璃陶瓷的烧结。2、当熔制温度升高到1500时，玻璃的三种氧化物充分反应，玻璃粉中已不存在尚未熔融的石英，玻璃稳定性比较高，玻璃的特征更加明显，CBS玻璃陶瓷的致密化温度明显升高，在930密度为234GCM3，介电常数为591。当熔制温度在14001450时，玻璃粉中存在少量尚未熔融石英和不稳定型未知晶相，它们的存在，加速了试样的致密化烧结，在870左右，烧结体微观结构致密，气孔较少，晶粒细小、分布均匀，玻璃陶瓷的介电损耗均达到1103以下。3、氧化硼含量变化时玻璃熔制温度为1450，熔制时间为40MIN，在最佳烧结温度下，玻璃陶瓷的介电常数变化不大，处于6265之间。氧化硼含量过高或者过低都对介电损耗不利。氧化硼含量为30WT时，烧结后的玻璃陶瓷中存在连通气孔，介电损耗也比较大，在102数量级。参考文献1王承遇，陶瑛玻璃成分设计与调整M北京化学工业出版社，20062ZHOUWCMETHODFOREXPLORINGGLASSFORMINGREGIONSINNEWSYSTEMSJJOURNALOFNONCRYSTALLINESOLIDS，1996，2012562613姜中宏关于玻璃形成区及玻璃失透性能的一些问题J硅酸盐学报1981，9033233384胡晓侠，周洪庆，刘敏等LTCC基片流延浆料流变性能研究J电子元件与材料，2007，26543455GB/T6012002化学试剂标准滴定溶液的制备SAB5合金球磨复合MG2NIH4对结构及电化学性能的影响参赛人员方娇娇作品分类（A）能源化工A能源B无机材料C高分子材料D金属材料作品撰写的目的和基本思路镁基储氢材料由于放电容量高（MG2NIH4为965MAH/G）、资源丰富、价格低廉等优势被认为是最具潜力的镍氢电池用负极材料之一，但MG在碱液中耐腐蚀性能差，动力学性能不好，氢不易从晶格中扩散出来，自放电现象也比较严重。而AB5合金虽然放电量低（348MAH/G），成本高，但是耐腐蚀性能好，动力学性能较为稳定。本课题提出球磨复合这两种材料，研究改变球磨时间对球磨复合后复合材料的结构及性能的影响。作品的科学性、先进性及独特之处单位质量镁基氢化物放电容量高达700毫安时；该种复合体系是首次报道，并且出现有益效果AB5在氢化物放电过程中展现出良好的催化作用。作品的实际应用价值和现实意义镁基储氢材料理论电化学容量高，资源丰富，价格低廉，机械合金化或机械球磨制备镁基非晶材料可有效实现室温下的可逆充放电。氢化燃烧合成（HCS）与机械球磨（MM）复合制备镁基储氢电极材料，不仅发挥HCS法省能、省时、产物高纯度、高活性的优势，又实现了机械球磨法制备纳米晶或非晶态材料的效果，可在短时间低能耗条件下制备高容量高活性镁基储氢电极材料。学术论文文摘本课题通过氢化燃烧合成法制备出MG2NIH4，然后与AB5合金球磨复合，复合过程中混入石墨（MG2NIH457WT，AB5型合金40WT，石墨3WT）。研究球磨不同时间对复合材料的电化学性能的影响。实验表明，AB5合金球磨复合可以改善MG2NIH4的部分电化学性能，球磨过程中有新物相MG2NIH03、MGNI2产生。但是随着球磨时间的增长，放电容量逐渐降低由4359MAH/G降低到283MAH/G，抗腐蚀能力增强腐蚀电位由0923V增加到0867V，合金表面电荷转移速率和合金内部氢扩散能力均有不同程度降低RCT由6205M降低到5402M，然后增加到1423M；D（1011CM2/S）由320降低到194，从而使得合金的高倍率放电能力降低。AB5合金球磨复合MG2NIH4对结构及电化学性能的影响1样品制备将采用HCS法制备得到的MG2NIH4加入40WTMMNI38CO075MN04AL02（AB5）型合金以及3WT石墨，混合均匀后进行机械球磨包覆处理（MG2NIH4与AB5合金分别球磨复合1H、10H、20H、40H），机械球磨处理（MM）在QM1SP2行星式球磨机（南京大学仪器厂）上进行，球磨罐为100ML真空密封不锈钢罐，磨球材质与钢罐相同。球磨参数为转速400R/MIN，球磨时间5H，球料比401，保护气氛为01MPA氩气，采用正反交替式运行，每运行30MIN间歇6MIN。最后将样品压制成电极片，进行相关电化学储氢性能表征。21不同球磨时间对AB5/MG2NIH4复合物相结构的影响203040506070422211111133333INTESITYAU2THETADEGRE1MG2NIH422I033AB51H10H240H4MGNI2545图21MG2NIH440WTAB5球磨复合样品的XRD图谱（T1H、10H、20H、40H）FIG21XRDPATTERNSOFTHEMILLEDMG2NIH440WTAB5T1H、10H、20H、40HSAMPLES图21为MG2NIH4与AB5合金分别球磨复合1H、10H、20H、40H后样品的XRD图谱。从图中可以看出，机械球磨后有新物相MG2NIH03、MGNI2生成，原因可能是球磨后MG2NIH4结构失稳分解，产生MG2NIH03、MGNI2，出现未知峰的现象是因为MG2NIH4与AB5合金有一些反应仍然不能判断。随着球磨时间的延长，衍射峰出现不同程度的宽化，衍射峰相对强度不断减弱，说明球磨使得复合物晶粒细化，同时引入大量晶界和缺陷。当球磨时间达到40H时，MG2NIH4的衍射峰完全消失，说明其转变为纳米晶/非晶结构。22添加AB5型储氢合金球磨复合MG2NIH4对电化学性能的影响图22为MG2NIH4与AB5合金分别球磨复合1H、10H、20H、40H后样品的首次放电曲线，放电容量列于表21中。从图中可以发现，随着球磨时间的提高，样品的放电容量都出现不同程度的下降。通常电极的放电容量由两个因素决定，一个是有效电化学放氢物质的量，即活性物质的理论容量，由于AB5型合金添加量相同，首次放电中有效活性物质MG2NIH4的量相同，从而电极的理论容量相同；另一个是氢化物的电化学动力学性能。随着球磨时间变长，改变了电极的电化学动力学性能，从而导致电极首次放电容量逐渐降低。下文中将对电极的动力学性能进行深入研究。010203040500606507075080850909510POTENTIALVVSHG/ODISCHARGECAPCITYMAH/G1H02H40图22MG2NIH440WTAB5球磨复合样品首次放电曲线（T1H、10H、20H、40H）FIG22DISCHARGECURVESFORTHEMILLEDMG2NIH440WTAB5（T1H、10H、20H、40H）SAMPLES图23为MG2NIH4与AB5合金分别球磨复合1H、10H、20H、40H后样品的循环稳定性曲线，容量保持率S10列于表21。由图可见，电极第二次循环时容量衰减迅速，之后容量衰退趋于平缓。这是由于在循环初期合金中的MG在碱液中腐蚀氧化导致电极表面包裹MGOH2层，导致氢扩散系数降低；另一方面，部分的活性物质因受碱液的腐蚀而无法进行可逆吸放氢。之后容量衰退的原因是主要是因为合金颗粒的粉化，晶格吸氢膨胀，产生内应力，同时腐蚀更加严重。镁基合金氢化物与AB5型合金复合之后，随着球磨时间的增加，其10次循环保有率S10由244（T1H）提高到364（T40H）。为了进一步研究MG2NIH4与AB5球磨复合不同时间后电极的抗腐蚀能力，又对其进行了TAFEL极化测试，极化曲线如图24所示，最低点为腐蚀电位ECORR，列于表21中。与AB5合金球磨复合后，腐蚀电位ECORR都有不同程度正移。腐蚀电位反应了电极的抗腐蚀能力，一般而言，腐蚀电位越正，电极的抗腐蚀能力越强。随着研磨时间的增长，腐蚀电位在1H、10H、20H正移然后在40H时负移，出现这种现象可能是误差产生的，也可能存在一个最佳球磨时间。02468101020304050DISCHARGECAPCITYMAH/GCYCLENUMBER1H02H40图23MG2NIH440WTAB5球磨复合样品的循环稳定性曲线（T1H、10H、20H、40H）FIG23CYCLINGSTABILITYCURVESFORTHETHEMILLEDMG2NIH440WTAB5T1H、10H、20H、40HSAMPLES110090807060504350250150505432LOGIA/GPOTENTIALVVSHG/O11H2032H4401图24MG2NIH440WTAB5球磨复合样品的TAFEL极化曲线（T1H、10H、20H、40H）FIG24TAFELPOLARIZATIONCURVESOFTHEMILLEDMG2NIH440WTAB5T1H、10H、20H、40HSAMPLES表21MG2NIH440WTAB5球磨复合样品的电化学性能（T1H、10H、20H、40H）TABLE21ELECTROCHEMICALPROPERTIESOFTHEMILLEDMG2NIH440WTAB5T1H、10H、20H、40HSAMPLES放电容量与活性物质的理论容量和活性物质的动力学性能这两方面有关。球磨时间不同对动力学性能有影响，最直观的判断依据就是HRD。高倍率放电能力是反映储氢合金电极的动力学性能的重要指标之一。图25是MG2NIH4与AB5合金分别球磨复合1H、10H、20H、40H后样品的高倍率放电性能（HRD）曲线，在相同大电流密度下，HRD值越高，合金电极动力学性能越好。从测试结果来看，随着球磨复合时间的增加，电极的高倍率放电性能逐渐降低。储氢电极合金的高倍率放电性能主要由电极表面的电荷转移速率和氢在电极体内的扩散能力决定。因此，本文又对电极进行了线性极化、电化学交流阻抗以样品C10MAH/GS10RCTMI0MA/GEEORRVD1011CM2/S1H10H20H40H435939333428324423330036462055402884014234036392911040923091608670909320308204194及恒电位放电测试，分析合金表面的电荷转移速率和合金内部氢扩散的速率。0102030404050607080901043211H2032H440HRDDISCHARGEMA/G1图25MG2NIH440WTAB5球磨复合样品的高倍率放电性能（T1H、10H、20H、40H）FIG25HRDOFTHEMILLEDMG2NIH440WTAB5T1H、10H、20H、40HSAMPLES6420246128404812213CURENTDENSITYMA/GOVERPOTENTIALMV11H2032H4404图26MG2NIH440WTAB5球磨复合样品线性极化曲线（T1H、10H、20H、40H）FIG26LINEARPOLARIZATIONCURVESOFTHEMILLEDMG2NIH440WTAB5T1H、10H、20H、40HSAMPLES图26为MG2NIH4与AB5合金分别球磨复合1H、10H、20H、40H后合金电极在DOD50时的线性极化曲线。当电极过电位在很小的范围内变化时，电流与过电位成线性关系，通过公式FIRTO1可以算出电极表面交换电流密度I0，列入表21中。测试结果表明，随着球磨时间的增加，合金的交换电流密度先升高后降低。图27为MG2NIH4与AB5合金分别球磨复合1H、10H、20H、40H后样品的电化学阻抗谱（EIS）及其等效电路。从图中可以看出，所有EIS均由三部分组成高频区的小半圆、中低频区的大半圆、低频区的斜线。根据储氢合金的交流阻抗谱模型可知高频区、中低频半圆弧和低频斜线分别对应电极片与导电集流体之间、合金与导电剂之间和合金颗粒之间的接触阻抗（CPE1和RC），表面电荷转移阻抗（CPE2和RCT）和电极的扩散WARBURG阻抗（W）。其中接触阻抗（RC）主要是指镍粉与合金颗粒之间的接触阻抗以及电极片与泡沫镍之间的接触阻抗。通过对等效电路进行非线性最小二乘法拟合得到RCT并列于表21中。从测试结果可以看出随着球磨时间的增加，合金电极表面电荷转移电阻的值先降低后增加，RC也随着球磨时间的增加先降低后增加。表面电荷转移阻抗RCT的变化规律与图26现行计划测试结果中I0的变化规律相互印证。081216202428323600204060810121H02H40图27MG2NIH440WTAB5球磨复合样品的电化学阻抗谱及其等效电路（T1H、10H、20H、40H）FIG27ELECTROCHEMICALIMPEDANCESPECTRAANDCORRESPONDINGEQUIVALENTCIRCUITOFTHEMILLEDMG2NIH440WTAB5T1H、10H、20H、40HSAMPLES图28为满充状态下MG2NIH4与AB5合金分别球磨复合1H、10H、20H、40H后合金电极06V阶跃后的阳极电流与时间的变化关系图。由图中可以看出，放电初始阶段电流迅速下降，经过足够长时间后，LOGI与T呈现良好的线性关系，此时氢在合金体内扩散成为合金电极恒电位放电的速率控制步骤，通过对其线性部分的拟合并根据式2TADCDAFDIX20236LOG（11）计算得到的合金内部氢扩散系数D值列于表21。从测试结果可以看出，随着球磨时间的增加，合金中氢扩散系数逐渐降低。综上所述，球磨时间越长，MG2NIH4合金表面电荷转移速率越低，合金内部氢扩散能力越弱，合金的高倍率放电能力越低。050101502025030350151005005LOGIATIMES13211H2032H4404图28MG2NIH440WTAB5球磨复合样品的恒电位放电曲线（T1H、10H、20H、40H）FIG28POTENTIOSTATICDISCHARGECURVESOFTHEMILLEDMG2NIH440WTAB5T1H、10H、20H、40HSAMPLES3结论本章利用HCSMM工艺制备了MG2NIH440WTAB5（球磨时间T1H、10H、20H、40H）复合物，研究了添加不同量AB5型合金对复合物结构和电化学性能的影响。具体结论如下1球磨后，HCSMM产物的衍射峰明显宽化，产物呈现出纳米晶或非晶化结构特征，球磨过程中有新物相MG2NIH03、MGNI2产生。2与AB5型合金复合后，样品的放电容量都有不同程度的下降。并且随着球磨时间的增加容量逐渐降低。这是由活性物质MG2NIH4的含量和电极动力学性能共同决定的。3随着球磨时间的增加，样品循环稳定性先降低后提高，其10次循环容量保有率S10由244（T1H）降低到233（T10H），然后提高到364（T40H）。经过复合球磨后的合金电极腐蚀电位都有不同程度的正移，说明AB5合金球磨复合MG2NIH4后提高了合金的耐腐蚀性能。4添加一定量AB5型合金后随着球磨时间的增加，合金表面电荷转移速率和合金内部氢扩散能力均有不同程度降低，从而使得合金的高倍率放电能力降低，说明与AB5型合金复合后球磨时间的长短同时影响MG2NIH4合金表面电荷转移（与表面结构相关）和氢在合金体内的扩散能力（与体相结构相关），并由两者共同决定了合金电极的放电动力学性能。参考文献1GUOZP,HUANGZG,KONSTANTINOVK,ETALELECTROCHEMICALHYDROGENSTORAGEPROPERTIESOFNONSTOICHIOMETRICAMORPHOUSMGNI1XCARBONCOMPOSITESX00503JINTJHYDROGENENERGY,2006,3114203220392ZHENGG,POPOVBN,WHITEREELECTROCHEMICALDETERMINATIONOFTHEDIFFUSIONCOEFFICIENTOFHYDROGENTHROUGHALANI425AL075ELECTRODEINALKALINEAQUEOUSSOLUTIONJJELECTROCHEMSOC,1995阳能反射材料测试装置设计与应用参赛人员戚燕俐方悦韵作品分类（C）能源化工A能源B无机材料C高分子材料D金属材料作品撰写的目的和基本思路目的解决太阳能反射材料依靠UVPC测试其对太阳光谱反射率的现状，设计可以直接用于太阳能反射材料降温效果测试的装置。撰写思路针对测试装置内部温度受外界环境温度影响较小的要求，首先选择多种高分子材料、多孔高分子进行导热系数测试；根据理论公式计算两种三明治结构复合材料（平板式和圆筒式）的导热系数；设计、制作和验证该装置的效果。最后直接测试太阳能反射材料的降温效果，并与UVPC测试结果相比较。作品的科学性、先进性及独特之处采用两种三明治结构的复合材料，具有隔热效果好、制作方便、可直接测试太阳能反射材料的降温效果。作品的实际应用价值和现实意义现阶段对太阳能反射材料的测试主要材料紫外可见近红外分光光度计测试材料表面的太阳能反射率，但该课题会设计一种特殊三明治结构具有低导热系数的复合材料装置，该装置可直接测量太阳能反射材料的降温效果。学术论文文摘提出了一种三明治结构的太阳能反射测试装置，通过测试三明治结构的实验装置中各种材料的导热系数以及装置自身复合材料的导热系数，并对三明治结构实验装置进行隔热效果验证性实验，发现该装置整体导热系数较小，其装置内部温度受外界环境温度影响较小。最后采用该实验装置进行太阳能反射测试装置结构应用实验，发现掺入具有屏蔽紫外光作用的TIO2的HDPE薄膜能较好的降低实验装置内部温度，这也表明太阳能反射测试装置有较好的保温性能。作品在何时、何地、何种机构举行的会议上或报刊上发表及所获奖励材料学院第九届本科生论坛一等奖南京工业大学第九届本科生论坛能源化工组特等奖请提供对于理解、审查、评价所申报作品具有参考价值的现有技术及技术文献的检索目录肖兴良屋面材料反射性能的测试J价值工程20132587段恺，王玉龙等绝热反射膜的性能与在节能建筑中的应用建筑节能200644750申报材料清单（申报论文一篇，相关资料名称及数量）申报书一份申报论文一份太阳能反射材料测试装置与应用摘要提出了一种三明治结构的太阳能反射材料测试装置，通过测试三明治结构的实验装置中各种材料的导热系数以及装置自身复合材料的导热系数，并对三明治结构实验装置进行隔热效果验证性实验，发现该装置整体导热系数较小，其装置内部温度受外界环境温度影响较小。最后采用该实验装置进行太阳能反射材料测试装置结构应用实验，发现掺入具有屏蔽紫外光作用的TIO2的HDPE薄膜能较好的降低实验装置内部温度，这也表明太阳能反射材料测试装置有较好的保温性能。关键词太阳能反射测试装置导热系数保温性能1前言太阳能是一种绿色可再生能源，地球上万物生长都靠太阳。太阳能具有普遍性、无害性、长久性等优点。但不可避免的，太阳能分散性较强。尤其是在夏季天气较为晴朗的情况下，强烈的太阳辐射直接导致夏季炎热的天气，这给居住的人民带来不便。为此，在夏季，空调，风扇和淋雨等降温设备的使用量越来越多。这不仅带来一定的健康威胁，更会造成大量的能源浪费。为了应对这种现况，市面上纷纷出现了太阳能反射材料。这种材料能屏蔽紫外光，降低室内温度。但现在在这方面的研究主要是采用紫外可见红外分光光度计测试材料表面的太阳能反射率，对材料实际降温效果的测试并不多。本文先提出一种三明治结构的太阳能反射材料测试装置，先对该装置进行导热系数理论计算和导热系数效果测试，再把这种装置应用到太阳能反射材料测试装置的应用实验中进行效果测试。2太阳能反射材料测试装置材料选择与结构设计21材料选择本实验的实验原料为白色PVC管，灰色PVC管，天然橡胶发泡以及尼龙。这些原料都具有较好的隔热效果，并且应用范围广，且均已市场化，易采购。采用的玻璃为5MM厚的普通玻璃，温度计为量程为0100的普通温度计。22太阳能反射材料测试装置结构示意图图21太阳能反射材料测试装置结构示意图由此装置图可见，实验装置最外层为2MM后的白色PVC管，最里层为5MM厚的灰色PVC管，中间一层为天然橡胶发泡层，装置底部的三明治结构中最上层和最下层是厚度分别为8MM和5MM的尼龙层，中间一层为天然橡胶发泡层。并在距离装置顶部一定距离的地方钻孔插入温度计。3实验部分31原材料白色PVC管，灰色PVC管，橡胶，尼龙，温度计，玻璃均为市购。32仪器与设备开放式炼塑机（SK160B160320MM上海橡胶机械厂；平板硫化机（XLB3503502）中国上海轻工机械股份有限公司，上海第一橡胶机械厂；25吨平板硫化机（QLB3503502）上海第一橡胶机械厂；HOTDISK导热系数仪。33试样的制备331平板硫化机压制PVC、尼龙薄片将市购的PVC管剪成片状投入开放式炼塑机在180OC条件下熔融塑化；并将平板硫化机的NO1热板温度设为180OC，NO2热板温度设为180OC；将熔融塑化得的薄板剪成合适形状，填入模具（若有碎料，先将碎料填入模具，放在平板硫化机上在不加压条件下预热10MIN，再将预热的碎料取出，加入适量垫料）；平板硫化机上压力打至12MPA，热压10MIN,再将压力打至35MPA，热压10MIN，最后将压力打至58MPA，热压45MIN；最后将模具取出放置在25吨平板硫化机上冷压5MIN；之后取出模具，取出压片。332制作NBR薄片将市购的天然橡胶裁剪成60MM10MM的薄片，再将两片粘黏成一片。34太阳能反射材料测试装置导热系数与效果测试341导热系数测试将规格为60MM10MM的样品放在HOTDISK导热系数仪上测试其导热系数。342太阳能反射材料测试装置结构效果测试（1）实验装置装置1温度计，SANDWICH结构太阳能反射材料测试装置；装置2温度计，单层灰色PVC管；装置3温度计，单层白色PVC管；装置4温度计，白色PVC管和灰色PVC管组合起来的多层PVC管；装置5温度计，在实验装置4的基础上在固定灰色PVC管的橡皮圈中添加一个适合大小的圆形发泡橡胶。（2）实验方法将不同的实验装置组装好，并校正温度计。在做实验前，至少提前2小时把实验装置放置到室温为20的房间里，以便温度计示数能下降至室温。实验开始时，将箱子紧闭，迅速将箱子搬至实验地点，将箱子打开，开始计时并读下温度计示数。每隔5分钟记录下温度计示数，直至温度计示数大致相同为止。当每个实验装置的内部温度大致一致时，将箱子紧闭，迅速将箱子搬至室温为20的房间，将箱子打开，开始计时并读下温度计示数。每隔5分钟记录下温度计示数，直到温度计示数降为室温为止。实验组一采用1号，2号，3号实验装置实验组二采用1号，4号实验装置实验组三采用1号，5号实验装置35太阳能反射材料测试装置应用实验（1）实验分组实验组一装置1未安放HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置2安放未加入任何填料的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置3安放加入UV326的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置4安放加入ANATASE和UV326的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置5安放加入RUTILE和UV326的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；实验组二装置1未安放HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置2安放未加入任何填料的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置3安放加入UV531的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置4安放加入ANATASE和UV531的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置5安放加入RUTILE和UV531的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；实验组三装置1未安放HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置2安放未加入任何填料的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置3安放加入ANATASE的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置4安放加入RUTILE的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置5安放加入P25的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置6安放美国已商品化黄色屋面材料的实验装置；装置7安放美国薛特已商品化的绿色屋面材料的实验装置。（2）实验方法将不同的实验装置组装好，并校正温度计。在做实验前，把实验装置提前放入室温为25OC的房间。实验前2MIN将实验装置搬至顶楼，实验开始后，前10MIN每2MIN记录一次温度，后50MIN每5MIN记录一次温度。其中实验组三分别在春、秋、冬季进行。4结果与讨论41导热系数测试411太阳能反射材料测试装置各层材料导热系数表41各样品导热系数测试结果样品1234导热系数/WM1K10334035203460075备注1号样品白色PVC；2号样品灰色PVC；3号样品尼龙；4号样品天然橡胶发泡。由以上测试结果可以看出，PVC管和尼龙的导热系数相对来说都比较大，单独做成隔热装置隔热效果不佳，橡胶的导热系数虽然较小，但其刚性不够，因此，以上材料都不适合单独制作实验装置。412“三明治”组合结构的导热系数计算（采用理论公式计算）（1）SANDWICH结构太阳能反射材料测试装置底部为平板式（尼龙天然橡胶发泡尼龙）多层复合材料，如图图41SANDWICH结构太阳能反射材料测试装置底部剖面图其导热系数计算公式为/321KHKHH1；其中，H为总厚度，H1，H2，H3分别为三明治结构中每一层的厚度，K1，K2，K3分别为每一层的导热系数。带入测得的数据有K0187WM1K1。（2）SANDWICH结构太阳能反射材料测试装置管壁为圆柱式（白色PVC天然橡胶发泡灰色PVC）多层复合材料，如图图42SANDWICH结构太阳能反射材料测试装置管壁剖面图其导热系数公式为NIIIRIB11总2；其中，其中BI指每一层材料的厚度，I指相对应的每一层材料的导热系数，RI1、RI分别指相对应的每一层材料的外径和内径，导出公式计算结果为0109WM1K1。由以上计算结果可以看出，复合后的实验装置比单一的PVC，NBR和PA6好，此装置不仅具有较小的导热系数，保温效果好，并且具有一定的刚性，适合用于制作实验装置，具有可行性。42隔热效果测试实验组一图43为不同实验装置升温曲线图，实验装置1采用SANDWICH结构太阳能反射材料测试装置，实验装置2采用单层灰色PVC管，实验装置3采用单层白色PVC管。随着时间的增加，3个实验装置的温度都有不同程度的升高，最后大致趋于一致。在整个过程中，实验装置3的温度基本高于实验装置2的温度，实验装置2的温度高于实验装置1的温度。这是由于实验装置1主要采用三明治结构太阳能反射材料测试装置，该装置导热系数较小，因此环境温度对装置内部的温度影响较小。实验装置2和实验装置3虽同为PVC管，但灰色PVC管壁比白色PVC管壁厚3MM，因此实验装置2的温度变化较实验装置3的温度变化小。同理，在图44中，当温度降低至同一室温时，实验装置1温度变化最慢，实验装置3温度变化最快，实验装置2温度变化次之。图43不同实验装置升温测试结果图44不同实验装置降温测试结果实验组二图45为不同实验装置升温曲线图，