多针状氧化锌晶须的等效电磁建模及仿真_赵雨辰

多针状氧化锌晶须的等效电磁建模及仿真赵雨辰;万国宾【摘要】T he unique three-dimensional structure of M ulti-needle Zinc Oxide w hisker (M-ZnOw ) brings difficulty and complexity to its equivalent electromagnetic modeling .Based on the consistency of macroscopic electromagnetic response ,an equivalent spherical particle model is presented to predict the equivalent electromagnetic parameters of M-ZnOw .According to the simulation analysis of composite materials filled with different shape particles ,the expression of upper and lower bounds of effective electromagnetic parameters of M-ZnOw is derived by using HS variational theory and core shell particle theory .And the effective permeability prediction value and the experimental value of Tetrapod-needle zinc oxide whisker (T-ZnOw ) with magnetic loss coating layer are compared to verify the theoretical model .The results shows that when the particles are lossy ,M-ZnOw and spherical particle have similar response macroscopic electromagnetic ,and the proposed equivalent spherical particle model can predict the effective permittivity and effective permeability of M-ZnOw . Compared with the experimental results ,in the frequency range of 2~18 G Hz ,prediction error of real part of permeability of composites filled with T-ZnOw particles coating with Fe is less than0 .3 ,and prediction error of imaginary part of is less than 0 .1 .%针对多针状氧化锌晶须（M-ZnOw ）等效电磁建模的难度和复杂度，文中基于宏观电磁响应的一致性，提出了一种预测M-ZnOw 等效电磁参数的等效球形粒子模型．通过对不同形状粒子填充复合材料的宏观电磁响应的仿真分析，结合Hashin-Shtrikman （HS）变分理论以及核壳粒子理论，推导了多针状氧化锌晶须等效电磁参数的上下界表达式，并将等效磁导率的理论预测值与具有磁损耗层的四针状氧化锌晶须（T-ZnOw ）的实验值进行了对比．结果表明：当粒子有耗时，M-ZnOw 与等效球形粒子具有相似的宏观电磁响应，采用等效球形粒子能够预测M-ZnOw 的等效电磁参数；与实验结果相比，在2～18 G Hz频段内，对涂覆 Fe 的 T-ZnOw 粒子填充的复合材料的磁导率实部预测值误差小于0．3，虚部预测值误差小于0．1．【期刊名称】《西安工业大学学报》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】6页(P498-503)【关键词】多针状氧化锌晶须;四针状氧化锌晶须;等效电磁模型;等效球形粒子【作者】赵雨辰;万国宾【作者单位】西北工业大学电子信息学院，西安710129;西北工业大学电子信息学院，西安710129【正文语种】中文【中图分类】O441四针状氧化锌晶须（T－ZnOw）是最早由日本松下产业株式会社于1989年研制成功的，其形状与过去的晶须完全不同，为立体四针状单晶体，其多方面的功能已引起材料界的高度重视［1］.经过多年的发展，目前ZnOw主要有纤维状、多针状这两大类.纤维状ZnOw也称为一维纳米ZnOw材料，近十几年来，研究人员利用各种方法陆续合成了多种一维纳米ZnOw材料［2］.而作为多针状氧化锌晶须（M－ZnOw）的典型代表，T－ZnOw由于其独特的空间三维立体构型和良好的单晶性，不仅拥有其他材料难以比拟的丰富多样的优秀性能，同时由它组成的复合材料呈各向同性，性能远优于由单一纤维状晶须组成的复合材料，具有增强耐磨、防滑、降噪及吸波等优良的综合性能，是目前氧化锌晶须研究的热点［3］.M－ZnOw是在 T－ZnOw基础上发展起来的具有更复杂三维形状的氧化锌晶须.研究人员由乙二胺辅助的水热过程中制备出了形态更为复杂的氧化锌晶须，并系统地研究了其生长机理，形态调制和微波吸收性能，结果显示相比于单针状的ZnOw，多针状ZnOw吸波性能要更为优异［4］.具体到吸波材料领域，由于具有高介电损耗、低电阻率、抗菌、高强高模和耐高温等特性，ZnOw是一种理想的功能材料和结构材料，因此许多研究人员都通过实验的方式，对不同条件下不同形态ZnOw，特别是T－ZnOw的微波吸收性能，微波－热转换特性等性能进行了研究［5-7］.目前对于ZnOw的吸波特性实验研究较多，而理论建模研究较少，直到2010年Fang等人从微观结构的电磁响应出发，推导了T－ZnOw对于入射电磁波吸收的表达式，才对T－ZnOw的微波能量衰减的定量分析进行了较为详细的阐述［8］.而由于ZnOw可以通过物理化学的方法制备成多种形态的晶须，而不仅仅限于四针状，因此对于M－ZnOw吸波特性的理论建模还有待进一步的完善.文中采用等效电磁参数的研究思路，即采用宏观电磁响应的一致性近似而非具体微观结构电磁响应的理论推导的方式，对M－ZnOw复合材料的等效电磁参数提取理论进行了研究.对不同形状填充粒子的宏观电磁响应进行建模和分析，通过引入等效球形粒子得到了M－ZnOw的等效电磁参数的上下界闭式表达式，通过与实验数据的对比验证了所建立的表达式的有效性，并讨论了涂覆层参数的影响.1 复合材料仿真建模与分析1.1 复合材料仿真模型的建立文献［8］中T－ZnOw复合材料可以被认为是包含一个四针状晶须的立方体单胞按周期排列所组成的周期结构，因此这里采用Ansoft公司的高频电磁仿真软件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）对不同形状粒子填充的复合材料建立其周期结构模型，包括球形粒子、多针状粒子以及条形粒子，如图1所示.在建立模型时，将不同形状填充粒子的体积设置为相同的，即复合材料各组分材料的占空比不变，并将基体材料的介电常数设为2，磁导率设为1.图1 复合材料仿真模型Fig.1 Simulation model of composite1.2 宏观电磁响应的对比和分析由于填充粒子的特性，包括材料、形状等是影响复合材料的宏观电磁响应的重要因素，因此这里对不同特性的三种形状粒子填充的复合材料的宏观电磁响应S11进行了对比.图2是强散射粒子填充的情况，三种不同形状粒子材料均设为理想电导体（Perfect Electronic Conductor，PEC）.入射电场方向由Floquet端口的模式所确定，图2（a）和图2（b）分别对入射电场极化方向为x方向和y方向时的S11进行对比，其中re表示实部，imag表示虚部.从图2可知，当入射电场极化方向为x方向时，三种不同形状粒子填充的复合材料其S11曲线各不相同，说明此时三种复合材料对于入射电磁波的宏观响应各不相同.由于各组分材料的本征电磁参数和占空比并未改变，所以粒子形状的影响是造成宏观电磁响应不同的主要原因.当入射电场极化方向为y方向时，一方面对于球形和多针形粒子填充的复合材料，S11曲线与x方向极化时并无明显差别，说明所填充的粒子对这两个方向的极化的电磁波而言具有各向同性性质，或者更准确地来说，在所建立的模型中，多针状粒子具有准各向同性性质；另一方面条形粒子填充时的S11曲线发生了较明显的变化，从数值上来看更接近于多针形粒子填充时的结果，这是因为在y方向两者形状上更为接近.图3是有损耗粒子填充的情况，三种不同形状粒子材料均设为FR4，其介电常数为4.4（1－j0.02）.从图中可以看出，当填充的粒子具有一定的损耗时，不论入射电场极化方向是x方向还是y方向，三种不同形状粒子填充的复合材料其S11曲线基本相同，但相对于y方向极化的入射波，条形粒子对x方向极化的入射波的宏观响应与其它两种粒子有一定差距.这是由于当填充粒子不再具有强散射特性，而是具有一定的电损耗时，其对于入射电磁波具有一定的衰减作用，此时由其组成的复合材料中粒子与粒子之间的相互作用将会比填充强散射粒子时小很多，于是在各组分材料的本征电磁参数和占空比并未改变的情况下，复合材料的宏观电磁响应受到粒子形状的影响并不大.通过以上分析发现，填充粒子具有一定的损耗时，球形粒子和多针状粒子填充的复合材料具有基本一致的宏观电磁响应，而实际中的M－ZnOw本身就具有一定的电磁波吸收能力，因此在建立其等效电磁参数的闭式表达式时，可以采用等效的球形粒子来简化其特殊的三维结构.图2 PEC粒子填充的情况Fig.2 Filled with PEC particle图3 有损耗粒子填充的情况Fig.3 Filled with lossy particle2 M－ZnOw的等效电磁参数提取理论2.1 等效球形粒子半径引入的等效球形粒子与M－ZnOw具有相同体积，因此不会改变填充颗粒的体积分数.定义l和d分别表示M－ZnOw每根针的长度和根部的半径，Num表示针的数目，而M－ZnOw核心部分可以看成是一个直径为D的球形，因此等效球形粒子的半径可以表示为对于T－ZnOw，Num ＝4.2.2 HS变分理论假设复合材料是由N种均匀粒子组成的，并且粒子都具有各态遍历特性，记复合材料中各种粒子的占空比分别为f（p）（p＝1，2，…，N），根据HS变分理论，对于具有各态遍历性的复合材料，可选取一参考媒质，其介电常数可以取为基体材料的介电常数，即ε（0）＝ε（1），这里记基体材料的介电常数为ε（1）.于是，根据HS变分理论复合材料等效介电常数张量的表达式为S表示几何因子.从ε（0）≤min｛ε（p）｝时式（2）给出了等效介电常数的下界表达式，当时ε（0）≥max｛ε（p）｝，则给出上界表达式其中fm和fc分别表示基体和填充粒子的占空比，εm和εc分别是基体和等效球形粒子的介电常数，下标U和L分别表示上界和下界.由于是球形粒子，推导时S取1／3.等效磁导率的计算公式和等效介电常数相同.2.3 核壳粒子理论虽然T－ZnOw有许多优点，但其吸波性能仍然具有一定的局限性，通过在T－ZnOw表面采用物理化学的方法涂覆一层具有磁损耗的材料，可以提高其吸波性能，并且已经有了用Fe包覆TZnOw的相关实验研究［7］.从等效球形粒子的角度看，包覆了Fe的T－ZnOw可以等效为具有核壳结构的球形粒子，定义t表示涂覆Fe的厚度，核的半径记为R1，可由式（1）求得，则壳的半径为R2＝R1＋t，若记ε1为核的介电常数，ε2为壳的介电常数.于是可得核壳粒子的等效介电常数εc为3 理论的验证与分析3.1 等效理论的验证为了验证所建立的等效电磁参数预测公式，将计算结果与文献中已有的实验结果进行对比.文献［7］中通过实验的手段测量了涂覆Fe的T－ZnOw与石蜡复合材料等效磁导率，其中填充的TZnOw／Fe粒子的占空比为0.75.根据式（4）采用等效球形粒子的近似方法计算了T－ZnOw／Fe复合材料的等效磁导率.Fe的本征磁导率取自文献［9］，而T－ZnOw和石蜡的磁导率均取1，T－ZnOw／Fe粒子的几何参量l，d，t和D 分别取5，1，100 μm和1.2μm，计算结果与实验结果的对比如图4所示.图4 与实验结果的对比Fig.4 Comparison with experimental results从图中可以看出理论计算结果与实验结果吻合较为良好，其中等效磁导率实部在2GHz和18 GHz附近与实验结果较为接近，在10GHz左右与实验结果具有一定的差距，数值上大约比实验结果小0.3左右，而等效磁导率虚部的吻合程度要比等效磁导率实部好.3.2 涂覆层参数的影响分析由于T－ZnOw和石蜡的磁导率均为1，所以复合材料的磁导率主要取决于涂覆Fe的厚度和参数.因此在验证了理论预测公式的准确性后，进一步分析了不同情况下涂覆层，即壳的参数的影响.在图5中，对涂覆Fe的厚度分别为100nm和400 nm时的理论预测值进行了分析，计算时各组分的磁导率取2GHz时的值.从图中可以看出，当Fe的厚度较薄时，上下界计算的结果比较接近，而当Fe的厚度增加时，下上界之间的差距就随之增大，这是由于在计算时T－ZnOw和石蜡的磁导率均为1，所以在Fe含量较小时，上下界的差别也很小.图6在填充粒子的占空比分别为0.15，0.35，0.55和0.75的情况下，研究了壳的磁导率对最终计算的等效磁导率的影响.从图中可以看出，等效磁导率随着壳的磁导率的增加而快速增加，但当壳的磁导率进一步增加时，上界表达式所预测的等效磁导率的增加幅度不变，而下界的开始放缓，并且当填充粒子的占空比越小时，其对应曲线的斜率也越小.图5 涂覆层厚度的影响Fig.5 Influence of coating thickness图6 涂覆层渗透性的影响Fig.6 Influence of permeability of coating layer4 结论1）对于填充不同粒子的复合材料，填充粒子的散射特性和形状都会对其宏观电磁响应产生影响，当粒子具有一定的损耗时，具有准各向同性性质的粒子和标准的球形粒子具有相近的宏观电磁响应.2）由于具有相似的宏观电磁响应，以T－ZnOw为代表的具有准各向同性性质的M－ZnOw粒子可以通过一个等效的球形粒子来表示，简化了其几何结构的复杂性.3）在使用等效球形粒子简化T－ZnOw的基础上，采用核壳粒子等效理论和HS 变分理论可以较为准确地预测T－ZnOw／Fe复合材料的等效电磁参数，与实验结果相比，在2～18GHz频段内，对复合材料的磁导率实部预测值误差小于0.3，虚部预测值误差小于0.1.【相关文献】［1］ZENG A，ZHENG Y，GUO Y，et al.Effect of Tetra－Needle－Shaped Zinc Oxide Whisker（T－ZnOw）on Mechanical Properties and Crystallization Behavior of Isotactic Polypropylene［J］.Materials ＆ Design，2012，34：691.［2］张雪川，张跃，袁洪涛，等.MOCVD法制备一维定向ZnO晶须阵列及掺杂研究［J］.人工晶体学报，2005，34（6）：972.ZHANG Xue－chuan，ZHANG Yue，YUAN Hongtao，et al.Study on One－dimension Well－Aligned ZnO Whiskers and Doping by MOCVD ［J］.Journal of Synthetic Crystals，2005，34（6）：972.（in Chinese）［3］郭岚，傅敏恭，万益群，等.四针状氧化锌晶须的制备及其吸波性能的研究［J］无机化学学报，2007，23（7）：1251.GUO Lan，FU Min－gong，WAN Yi－qun，et al.Tetrapod－shaped ZnO Whiskers：Preparation and Microwave Absorption Behaviors ［J］. Chinese Journal of Inorganic Chemistry，2007，23（7）：1251.（in Chinese）［4］HU Q，TONG G X，WU W H，et al.Selective Preparation and Enhanced Microwave Electromagnetic Characteristics of Polymorphous ZnO Architectures Made from a Facile One－Step Ethanediamine－Assisted Hydrothermal Approach［J］.CrystengComm，2013，15（7）：1314.［5］YUAN F Y，ZHANG H B，LI X F，et al.Synergistic Effect of Boron Nitride Flakes and Tetrapod－Shaped ZnO Whiskers on the Thermal Conductivity of Electrically Insulating Phenol Formaldehyde Composites［J］.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2013，53：137.［6］KONG L，YIN X W，YE F，et al.Electromagnetic Wave Absorption Properties of ZnO －Based Materials Modified with ZnAl2O4Nanograins［J］.The Journal of Physical Chemistry C，2013，117（5）：2135.［7］夏宁博，刑欣，司亚凯，等.四针状氧化锌晶须吸波性能的改进［J］.安全与电磁兼容，2009，21（1）：57.XIA Ning －bo，XING Xin，SI Ya －kai，et al.Improvement on Microwave Absorption Property of Tetrapod－Shaped ZnO Whiskers［J］.SAFETY ＆EMC，2009，21（1）：57.（in Chinese）［8］FANG X Y，CAO M S，SHI X L，et al.Microwave Responses and General Model of Nanoteraneedle ZnO： Integration of Interface Scattering，Microcurrent，Dielectric Relaxation and Microantenna［J］.Journal of Applied Physic，2010，107：054034.［9］彭伟才，陈康华.磁性纤维随机混合媒质等效电磁参数的计算［J］.稀有金属材料与工程，2005，34（9）：1407.PENG Wei－cai，CHEN Kang－hua.Calculation of Effective Electromagnetic Parameters in Random Mixture Media of Magnetic Iron Fiber［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2005，34（9）：1407.（in Chinese）。

四针状氧化锌晶须制备工艺及其抗菌性能的研究的开题报告题目：四针状氧化锌晶须制备工艺及其抗菌性能的研究一、选题背景及意义氧化锌是一种广泛应用的半导体材料，在光学、电子、光电子、化学、生物医学等领域都有着广泛的应用。

其中，氧化锌晶须是一种具有较高比表面积的特殊形态的氧化锌，因其良好的吸附、催化、光学和电化学性能，近年来在气体传感、光电器件等领域得到了广泛关注。

然而，传统的制备氧化锌晶须的方法需要在高温下进行，且制备过程复杂，成本高昂。

近年来，四针状氧化锌晶须的制备方法得到了广泛关注，并被证明比传统方法更简单、更经济、更环保。

另外，由于氧化锌晶须具有较高的比表面积和可调控的表面化学活性，因此其在抗菌方面也有着广泛的应用前景。

因此，通过研究四针状氧化锌晶须的制备工艺及其抗菌性能，能够对该材料的应用进行深入的探究，拓宽其应用范围，为解决一些实际问题提供技术支持。

二、研究内容及方法本研究将从以下几个方面展开：1.制备四针状氧化锌晶须的不同方法比较分析，选取最优工艺进行进一步研究。

2.研究四针状氧化锌晶须的形貌和结构特征，并分析其与制备工艺的关系。

3.研究四针状氧化锌晶须的抗菌性能，包括不同菌种的抑菌率、最小抑菌浓度等指标的测定，并分析其抗菌机理。

4.对四针状氧化锌晶须在实际应用中的可能性进行探讨，并提出一些应用前景和建议。

在实验研究方面，本研究将采用高温水热法、微波辅助水热法等方法制备四针状氧化锌晶须，并通过扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪等手段分析其形貌和结构特征；通过细菌抑制试验、菌落计数等方法测试其抗菌性能，并探究其抗菌机理。

三、研究意义及预期成果本研究将在四针状氧化锌晶须制备工艺及其抗菌性能方面进行深入的研究，将会对氧化锌晶须的制备、应用和商业化开发等方面提供有力支持，同时也将对探索抗菌材料的研究提供一些思路和经验。

预期成果包括：1.根据实验结果，找到一种较优的四针状氧化锌晶须制备工艺，并得到制备方法的优化。

四脚状氧化锌晶须的制备及微观形态研究
陈尔凡;田雅娟;程远杰;周本廉
【期刊名称】《高等学校化学学报》
【年(卷),期】2000(021)002
【摘要】研究了以锌粉为原料,白碳黑为催化剂,高温气相氧化反应制备任意两针夹角为109°的四脚状氧化锌(T-ZnO)晶须的条件及形态.表面能谱证实产物为纯氧化锌,X射线衍射结果表明,该晶体属六方晶系纤锌矿结构.扫描电镜研究结果表明,模型催化剂白碳黑及气相反应体系的过饱和度对产物四脚状氧化锌晶须的形态影响很大.【总页数】5页(P172-176)
【作者】陈尔凡;田雅娟;程远杰;周本廉
【作者单位】沈阳化工学院高分子材料与工程系,沈阳,110021;中国科学院沈阳金属研究所,沈阳,110015;沈阳化工学院高分子材料与工程系,沈阳,110021;沈阳化工学院高分子材料与工程系,沈阳,110021;中国科学院沈阳金属研究所,沈阳,110015【正文语种】中文
【中图分类】TB323
【相关文献】
1.四脚状氧化锌晶须在抑菌纸制备中的应用研究 [J], 陈晓宇;钱学仁
2.真空度控氧制备四脚状纳米氧化锌晶须及影响因素 [J], 杜媛媛;丘克强;曾恒志
3.四脚状氧化锌晶须的制备及其应用 [J], 于化江;刘忠才
4.高岭土催化制备四脚状氧化锌晶须 [J], 陈尔凡;陈东
5.利用锌浮渣制备四脚状氧化锌晶须 [J], 周建萍;丘克强;傅万里;陈启元
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四针状氧化锌晶须的制备及应用Ξ杜　娜,　吴英绵,　于海军,　刘书志,　张丽云(石家庄职业技术学院化工系,河北石家庄　050081)摘要:叙述了结构独特、性能优异的四针状氧化锌晶须的结构特点、制备方法、生长机理、应用等方面的现状,探讨了该晶须的发展潜力和今后的研究方向.关键词:四针状氧化锌;晶须;制备;应用中图分类号:O 614.24+1 文献标识码:A 文章编号:100025854(2010)022*******氧化锌晶须(ZnOw )可分为针状和四针状2种.针状的氧化锌晶须是氧化锌晶体由单一方向发育形成,其外形如线条状,截面呈柱状,无色透明,表象为极高凸起,主要用于可燃性气体的具有较高灵敏性、选择性和稳定性的气敏元件材料.四针状的氧化锌晶须(T -ZnOw )在20世纪40年代被发现,是晶须家族中唯一具有三维空间结构的晶须.T -ZnOw 是指有一个中心体并从中心体生长出四根针状晶体,四根针均从四面体的重心向三维方向(正四面体顶点)展开,任意两针间的夹角为109°,具有一种空间正四面体构型[1].晶体的中心体直径为0.7～1.4μm ,针状体根部为0.5～14.0μm ,针状体长度为3～300μm.T -ZnOw 的这一真正形态是在20世纪90年代才被揭示出来,此后才开始进行四针状晶须的生产研究.由于T -ZnOw 独特的空间三维立体构型和良好的单晶性,使得它在耐磨、减震、防滑、降噪、吸波、抗老化、抗冲击、抗静电、抗菌等方面均具有优异的性能.近年来有关T -ZnOw 的制备和应用成为目前研究的热门.本文中,笔者介绍了T -ZnOw 的制备方法,阐述了氧化锌晶须的生长机理和应用前景.1　制　备1.1　气相法1.1.1　预氧化法将表面覆盖有氧化膜的锌粉在含氧气氛中直接加热(1000℃加热1h )可得四针状氧化锌晶须.使用该方法的T -ZnOw 产量为原料的40%以上,生成的晶须中,T -ZnOw 晶须一般占60%～97%.这种方法对氧化膜的厚度有一定要求,氧化膜太薄得不到T -ZnOw ;制得的T -ZnOw 外观松散,密度较小,产率较高;但生产周期长,对设备要求较严格[2].Y oshinaka 等[3]将表面覆盖有氧化膜的锌粉与沸石混合后,在含氧的气氛中加热气化,也可制备T -ZnOw.制得的氧化锌晶须针体尾部尺寸约100nm 左右的长尾晶须,纯度高,产率可达95%以上.1.1.2　惰性气体保护法K itano 等[4]将锌粉在惰性气体保护下加热至沸点以上,然后以惰性气体为载气,将锌蒸气与含氧气体接触,得到T -ZnOw.一般惰性气体可用N 2,Ar 等,对纯度要求较高,反应温度一般在900～1000℃,含氧气体可以是氧气、空气,但需消耗大量惰性气体,生产成本较高.1.1.3　高温催化法文献[526]报道了以锌粉为原料,以氧气或空气为反应气体,高温气相氧化制备T -ZnOw.其制备过程是:先对锌粉进行陈化处理、干燥,然后与催化剂(蒙脱土、膨润土、高岭土或白碳黑)按一定质量比混合,放入反应器内,同时以一定速度通入反应气体,加热到800～1100℃.这些催化剂主要起控制气相过饱和度、增Ξ收稿日期:2008211218;修回日期:2009203218基金项目:中国高等职业技术教育研究会立项课题(GZ L X2006049)作者简介:杜　娜(1977-),女,河北行唐人,讲师,主要从事物理化学研究.通讯作者:吴英绵(1964-),女,教授,研究方向为精细化学品合成.E -mail :wuym @第34卷/第2期/2010年3月河北师范大学学报/自然科学版/J OURNA L OF HE BEI NORM A L UNI VERSITY /Natural Science Edition/Vol.34No.2Mar.2010加气体扩散路径和成核的作用.该方法简化了制备工艺和设备,降低了成本,产生的晶须均匀,较大幅度地提高了T -ZnOw 的产率和质量,但反应过程中锌蒸气分压较难控制,且温度、气氛、杂质等其他生长环境对晶须的生长有较大影响,而且存在晶须开裂现象.1.1.4　直接氧化法李树尘[7]将锌粉(或直接用锌粒)与碳粉混合后,利用碳的还原特性,消耗一部分锌周围空气中的氧气来保证晶须生长所要求的条件.此法产品收率可达90%以上,产品中95%以上为T -ZnOw.该方法原料勿需预处理,生产周期短,每批样品仅需15min 左右;产品收率及纯度高,制得的T -ZnOw 针长10～200μm ;成本低,设备投资少,可在大气环境下进行,生产成本低.杨大锦等[2]采用在熔化炉中使锌锭在500℃以上时挥发形成锌蒸气,然后随进入晶须反应炉氧化形成T -ZnOw.其产物随反应残余的气体(如N 2)带出,进入晶须收集装置中收集下来.此法空气量、锌浓度对产物的形貌都有影响.空气量小,形成氧化锌为单针状晶体,晶体的最大长度40μm ,随着空气量增大,则容易出现非晶态氧化锌;锌浓度太小,形成絮状非晶态产物,锌浓度过高,产物中明显有未反应完全的锌粉.1.2　液相法[8]将锌粉与N H 4+,CO 32-(或HCO 3-)及H 2O 按一定比例混合,在规定条件下生成ZnCO 3,然后加热生成氧化锌晶须.原料简单,但收率低,不利于连续化生产.在ZnCl 2的溶液中加入适量的氨水制得Zn (OH )2沉淀胶体做前驱物,在不同介质中进行水热反应,生成T -ZnOw.1.3　微波加热把锌粉加入到蒸馏水中,加入适量的双氧水并用电动机搅拌2～3h ,然后在室温下放置72h ,过滤后,在100℃干燥4～6h ,便得到了预处理的锌粉.把得到的锌粉置于微波炉中,调节微波功率和辐射时间,辐射一段时间就可以得到团聚少和结构规整的T -ZnOw.与传统制备方法相比,此法具有制备时间短、能耗低、制备工艺简单的特点.以纯的微米氧化锌粉与碳氢化合物粉末为原料,将原料按一定比例混合,在玛瑙研钵中加入丙酮湿磨1h 制成反应物,将反应物装入石英坩埚中置于微波反应腔中,合成温度控制在1000～1350℃,合成时间为10～30min.在1040℃掺入碳氢化合物粉末,可以得到T -ZnOw.此法采用微波加热,节能、无污染,而且是一种可控制生成晶体形貌的方法[9].1.4　离子交换树脂法在恒定的温度、搅拌速度下,将一定浓度的硫酸锌溶液加入到再生好的强碱性阴离子交换树脂中,连续反应3h 后,分离、洗涤、干燥、沉淀得到前驱物Zn (OH )2,然后将所得前驱物置于马弗炉中煅烧即制得T -ZnOw.该法可得较好的产率、纯度和分散性,具有实验设备简单、操作方便、后处理容易等优点,是合成晶须的一种新方法;但该法所制备的晶须长短不均,形貌难控制[10].在此领域,能够产业化生产T -ZnOw 晶须的企业只有2家:一家是日本松下电器公司,另一家是中国成都交大晶宇有限公司.2　生长机理关于T -ZnOw 晶须的生长机理和生长模型还没有定论,迄今为止讨论较多的是以下3种.2.1　Wagner 提出的“气-液-固(VL S )机理”[11]在晶须的成核和生长过程中有液相的参与作用,其基本特征是有一凝固的小液滴,晶须的形态包含有圆形的端头.按该机理生长的晶体是没有位错的.2.2　Frank 提出的“气-固(VS )机理”[12213]按VS 机理生长的先决条件是:①氧化或活化的气氛;②表面有小的凸出物;③存在位错(特别是螺型位错).2.3　Iwanaga 提出的八面体多孪晶核模型[14215]该模型能很好地解释晶须四针状间的角度取向,认为T -ZnOw 的生长过程包括以下3个过程:①八面体孪晶核的形成.纤锌矿结构的八面体晶核由8个反演孪晶组成.②应力释放.八面体孪晶核中的某些孪晶晶界由于存在较大的失配角,释放应变能而开裂.③针体的生长.四根针体在八面体孪晶核的+C 方向上优・602・先生长,即针体在垂直于4个正面上优先生长,最后形成T -ZnOw 晶须[16].3　应　用3.1　增强复合材料T -ZnOw 晶须的强度和模量均接近材料的理论值,力学性能十分优异,可作为复合材料的补强增韧剂[17218].将T -ZnOw 分散到金属、合金、陶瓷、塑料、橡胶、树脂等基体材料中,即得到晶须增强的复合材料.T -ZnOw 很容易在基体材料中实现均匀的三维分布,使材料的各向异性可忽略,从而使复合材料的各种物理性能得到各向同性的改善.另外,氧化锌晶须价格相对低廉,这些优点都是其他晶须所无法比拟的.如:w 为10%的T -ZnOw 晶须的聚丙烯的抗张强度可提高10%,且力学性能表现为各向同性[19],显著地改善基体强度和加工性能;在尼龙66中添加w 为30%的T -ZnOw 晶须制得的材料暴露在紫外线中500h 后仍保持为白色等.3.2　耐磨及防滑材料与大多数高分子材料相比,T -ZnOw 具有很好的耐热和导热性能,在橡胶中加入T -ZnOw ,可较好地分散因摩擦、磨损而产生的热量,使胶料在磨损过程中表面温度不至于上升得太高,降低胶料的磨耗量,同时提高强度.实验表明,随着ZnOw 用量的增大,硫化胶的阿克隆磨耗量减小;将T -ZnOw 加入自行车刹车片材料中,其雨天刹车距离由常规的916m 缩短为312m ;用w 为20%的T -ZnOw 和碳纤维的聚酰胺复合材料做对比,其相对磨损量分别为2mm 和60mm.3.3　抗静电材料高分子材料因其独特的绝缘性,给材料的使用带来了负面效应,即静电问题.ZnO 本身是n 型半导体,加之四脚状三维结构,将其分散在基体中时,邻接各针状部位相互搭接形成导电通路,从而使高分子材料具有一定的抗静电性[20],将T -ZnOw 晶须添加到聚丙烯中,制备抗静电、隔尘的包装材料[21].采用T -ZnOw 作为抗静电添加剂,具有添加量少、效果稳定持久、各向同性和颜色可调的优点,在抗静电高分子复合材料领域中具有诱人的应用前景.目前用T -ZnOw 作导电材料,可制成下列产品:①复印机用的导电滚轮、运输皮带等;②静电复印纸和放电记录纸;③抗静电涂料,用于油罐车、油船、贮油箱内防腐抗静电涂料;④制造煤矿用排风管、输送带;⑤用作原子力显微镜和扫描隧道显微镜的导电性探针[22].3.4　抗菌作用T -ZnOw 尖端相当部分在纳米或更低级别,其纳米活性成分能够高效杀灭和清除细菌及其残骸,同时还能分解细菌分泌的毒素,具有显著的抗菌效果.同时T -ZnOw 晶格中有相当部分的具有极强氧化活性的原子氧,可破坏绝大多数细菌的生物活性和代谢繁殖功能,达到抗菌的目的.楚珑晟等[23]以T -ZnOw 为主要活性成分,配以纳米ZnO 和TiO 2制备了一种抗菌剂.测试效果表明含该抗菌剂2%(质量分数)的塑料薄膜对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白假丝酵母菌和鼠伤寒沙门氏菌24h 抑菌率分别高达99.93%,99.99%,99.86%和99.99%.成都交大晶宇公司已成功开发了T -ZnOw 复合抗菌系列产品,取得良好效果.3.5　吸波材料T -ZnOw 晶须是一种介电损耗材料,具有优异的吸波性能.T -ZnOw 晶须能吸收微波,将压实的T -ZnOw 晶须置于家用微波炉中,10s 之内即可达到炽热状态.加之它有良好的耐热性,又能反复使用,是微波加热器很好的发热材料.T -ZnOw 晶须能作为电波的吸收体,在5～10GHz 阶段,其吸波量可达到16.68dB.作屏蔽涂层防止雷达反射,也可作为暗室的电波吸收体和开发隐身材料.3.6　涂　料T -ZnOw 晶须加到涂料中可改善涂料的工艺性能及提高强度,使涂层表面光滑平整,提高涂层的机械性能.在马来化聚丁二烯基涂料中加入30%的T -ZnOw 晶须比加入ZnO 粉的涂料具有更好的防锈及抗冲击性[24].在蜜胺树脂固化的环氧涂料中加入T -ZnO 晶须表现出良好的抗冲击、抗龟裂及耐起泡性[25].3.7　吸音和减振材料T -ZnOw 晶须被用作吸声材料时,由于其高密度和压电性导致较大的能量损耗,从而表现出良好的隔声、减振效果.用T -ZnOw 晶须与树脂制成高弹性模量和高损耗系数的隔声、减振材料是各向同性的,可用来制造音乐器材及电视、音响设备的内部骨架和外壳,可减少振动产生的杂音,提高音响的音质[26].・702・3.8　其他用途T -ZnOw 晶须还有很多其他用途,尤其对提高粘合剂的粘接强度十分有效.如用含1%T -ZnOw 晶须的环氧粘合剂用于粘合陶瓷瓦与灰泥,在20℃经1d 后其粘结强度达0.42MPa ,而未加者其强度只有0.32MPa [27];还可用作空气清新除臭剂,除去空气中的H 2S ,N H 3等有害气体[28];也可作为水处理中活性污泥的沉降剂等[29].4　结　论T -ZnOw 无论作为结构材料还是功能材料都有很大的应用潜力和勿容置疑的市场前景.我国在材料的复合工艺、提高材料的性能、降低材料的成本,以及复合材料组份的品种、性能等各个领域的研究起步较晚,技术上与国外差距较大.所以,尽快探明T -ZnOw 的成核和生长机理,掌握控制晶须成长的工艺关键,是今后T -ZnOw 研究的重点.为了加快其开发应用,还需加强T -ZnOw 的分级、分散、改性和应用等方面的实验和理论研究.我国是锌资源和锌冶炼大国,搞好T -ZnOw 的研究开发工作,有着十分重要的意义.参考文献:[1]　戴英,张跃,方圆,等.高品质四针状氧化锌晶须的结构及生长机理[J ].北京科技大学学报,2002,24(2):2002202.[2]　李荣兴,谢刚,杨大锦.四针状氧化锌晶须的开发研究[J ].有色金属,2006(3):45247.[3]　Y OSHINA K A M.Method of Producting Z inc Oxide Whiskers :日本,378995[P].1990201216[2009204209].http ://202.206.81.202/kns50/detail.as px ?QueryID =237&CurRec =1.[4]　KITANO M ,HAMABE T ,MAEDA S ,et al.Growth of Large Tetrapod ZnO Crystals (1)[J ].J Crystal Growth 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are obtained .K ey w ords :δ(n ,d ,k )matrix ;d 2disjunct matrix ;d 2separable matrix ;Hamming distance ;error 2detect 2ing ;error 2correcting(责任编辑　白占立)・902・。

2011年2月第36卷第2期润滑与密封L UBR I CAT I ON ENG I NEER I NGFeb .2011V ol 136N o 12DO I :1013969/j 1issn 10254-0150120111021009*基金项目:湖南省国际合作重点项目(2007WK 2006);湖南省重点实验室开放课题资助项目(K Z0705002).收稿日期:2010-09-17作者简介:戴春霞(1970)),女,硕士,副教授,主要从事高分子材料改性及加工.E -m ai:l dcx l zy103@si na 1co m .四针状氧化锌晶须增强聚醚醚酮复合材料的正交试验研究*戴春霞1李 洁2粟 洋3龙春光3(11长沙理工大学化学与生物工程学院 湖南长沙410114;21中南大学化学化工学院 湖南长沙410083;31长沙理工大学汽车与机械工程学院 湖南长沙410114)摘要:利用正交试验方法和模压成型工艺制备四针状氧化锌晶须增强聚醚醚酮复合材料,通过极差分析和方差分析对材料的耐磨性能进行研究,并用扫描电镜对磨损表面形貌进行观察和分析。

研究结果表明,四针状氧化锌晶须的加入能够明显改善复合材料的摩擦磨损性能,其改善程度同晶须的质量分数相关,当晶须的质量分数约为10%时,聚醚醚酮复合材料的耐磨性最好;纯PEE K 的主要磨损机制为黏着磨损,填充T -Zn Ow 后磨损机制转化为磨粒磨损与疲劳磨损。

关键词:聚醚醚酮;四针状氧化锌晶须;摩擦学性能;正交试验中图分类号:TQ 32511 文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2011)2-035-3Ort hogonal Experi m e nts of T -ZnOw /PEEK Co mpositesDai Chunx i a 1 L i Ji e 2 Su Yang 3 Long Chunguang 3(11Institute of Che m i cal and B i olog ical Engineeri ng ,Cha ngsha Un i versity of Scie nce and T echnology ,ChangshaH unan410114,China ;21School of Che m istry a nd Che m ical Eng i neeri ng ,Central South U niversity ,Changsha Hunan 410083,Chi na ;31Instit ute of A uto m obile and M echanical Eng i neeri ng ,Changsha U ni versity of Science and T echnology ,Changsha Huna n 410114,Chi na)Abstract :T -ZnOw /PEEK co mposite was prepare d by orthogonal e xperm i ent design and co mpressi on m oldi ng .The w ear resistance of t he co m posite w as studied by the analysis of vari ance and range .The wear surface w as observed and analyzed by the SEM techn i que .R esu lts sho w that the wear resistance propert i es are si gn ificantly m i proved by addi ng T-Zn O Wh isk -er ,a nd t he effect is cl osel y related to the we i ght percent ofwh i sker .The PEEK co mpositew ith 10%o fT-Zn O W hisker has the best w ear resi stance perfor m ance .T hem ainw earm echanis m of PEEK is adhesive wear ,and it tur ns to be abrasi vew ear and fatigue w ear when the T -ZnOw was filled .K eywords :PEEK;T -ZnOw;tri bo l og ical pr operties ;orthogonal test 聚醚醚酮(PEEK )是英国I CI 公司于1977年开发成功并于20世纪80年代初期由英国V ictrex 公司实现工业化生产的一种高性能特种工程塑料,被称为塑料工业的金字塔尖[1]。

ZnO多角晶须的制备及表征*冯立兵,刘爱华,刘 玫,马玉英,满宝元(山东师范大学物理与电子科学学院,山东济南250014)摘 要: 采用脉冲激光沉积技术先在Si(111)衬底上制备Zn薄膜,然后在石英炉中热蒸发金属锌粉的方法制备了ZnO晶须。

分别用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(T EM)、高分辨透射电子显微镜(H RT EM)和光致发光(PL)谱对样品的结构、成分、形貌和光学特性进行了表征。

结果表明,采用此方法得到的ZnO多角晶须为六方纤锌矿结构,其根部直径大约在100~500nm之间,尖部直径大约为40nm左右,长约几个微米。

Zn薄膜能够有效地促使晶核的形成与长大从而促进了ZnO晶须的形成。

最后,简单讨论了ZnO纳米晶须的生长机制。

关键词: ZnO;晶须;X射线衍射;光致发光中图分类号: TN304文献标识码:A 文章编号:1001 9731(2010)06 1064 041 引 言氧化锌(ZnO)是一种十分优异的直接带隙宽禁带半导体材料,室温下的带隙宽度为3.37eV,比传统半导体材料的禁带宽度更宽,其激子结合能高达60m eV,在紫外波段具有强的自由激子跃迁发光,是继GaN之后国际上又一研究热点。

近年来,由于在基础研究和新一代的纳米器件制备方面的潜在应用价值,以及在发展新型电子器件和量子尺寸效应等方面的优势,一维ZnO纳米结构,特别是ZnO纳米线和纳米棒的制备和生长机理研究成为非常热门的方向,引起了人们的广泛关注。

很多新技术新方法已被用于制备ZnO纳米结构,如化学气相沉积法(CVD)[1]、有机金属化学气相沉积法(MOCVD)[2]、脉冲激光沉积法(PLD)[3]、化学溶液沉积法(CBD)[4]、模板辅助法[5]、VLS辅助法[6]、水热法[7]等。

在上述制备方法中,有的方法依靠模板限制作用,有的方法借助于催化剂的催化作用,不可避免的在产物中引入杂质,影响了纳米结构的应用。

四针状氧化锌晶须研究掺杂改性及其功能特性研究--国家自然
科学基金项目(50272056)
周祚万
【期刊名称】《学术动态（成都）》
【年(卷),期】2005(000)002
【摘要】@@ 1 氧化锌晶须掺杂金属离子rn通过对氧化锌晶须生长动力学、热力学和晶须生长过程的结构研究和控制,提出并发明了平衡气量控制法制备具有四针状结构的氧化锌晶须,已发表了十多篇SCI论文,获得国家发明专利2篇.在此基础上,本年度又开展了在氧化锌晶须品格中掺杂铝、铜、铁、铬、银、锰、锡等金属离子的研究工作,并分别研究了后期掺杂和晶体共生长过程中掺杂(即原位共生掺杂)的效果和对氧化锌晶格的影响.
【总页数】2页(P24-25)
【作者】周祚万
【作者单位】材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】O6
【相关文献】
1.铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的相变特性和掺杂改性研究进展 [J], 吴浪;肖定全;孙勇;陈敏;赁敦敏;朱建国
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3.钇掺杂改性PbTiO_3纳米陶瓷介电特性及复阻抗研究 [J], 余大书;张明福;韩杰才
4.宽温特性BaTiO_3瓷料的掺杂改性研究 [J], 李玲霞;张平;明翠;李慧灵
5.南昌工程学院科研项目介绍国家自然科学基金项目煤系软岩力学特性及其边坡失稳机理宏细观研究(项目批准号:52068053) [J],
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