选区激光熔化制备极小曲面Al/Cu多孔超材料研究

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超材料因其独特的物理性能,引起了人们的广泛关注。相比于材料的成分,结构对超材料的性能有着更加显著的影响。通过设计和应用各种单元结构,能赋予超材料优异的物理性能。三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surfaces,TPMS)具有表面光滑平顺、内部连通、结构稳定及平均曲率为零等特点,能在最大程度上消除材料在荷载下的应力集中,使其具有优异的力学性能,同时也是一种理想的超材料结构单元。当前,超材料的内部结构设计日趋复杂,结构单元尺寸也越来越小,传统的成型制备方法已无法满足超材料目前的发展需求。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)作为实际应用最为广泛的一种增材制造技术,在成型制备复杂结构材料方面具有显著的时间和成本优势,能轻易地制备出传统方法难以实现的复杂结构材料。基于此,本文先以金属铝粉为原料,采用SLM技术,制备了TPMS型铝多孔超材料,研究了不同TPMS型Al多孔超材料的力学性能和能量吸收性能;其次,研究了TPMS型Al多孔超材料水解反应制氢行为及性能,探明了镍盐添加量、反应温度和水醇比对其水解制氢性能的影响;最后,以Cu30Al70为原料,采用SLM技术,先成型了TPMS型Cu30Al70合金多孔超材料,再采用去合金化工艺制备了TPMS型铜基多孔超材料催化剂,研究了催化剂添加量、H2O2浓度、p H和温度等对其降解亚甲基蓝性能的影响。研究表明:(1)以铝粉为原料,采用SLM技术,在激光能量密度为60 J/mm~3时能成型制备出性能最佳的TPMS型Al多孔超材料。其中,F-RD(r)和Neovius型Al多孔超材料具有较高的杨氏模量,I-WP和Neovius型Al多孔超材料具有较高的屈服强度。F-RD(r)型Al多孔超材料具有优异的能量吸收性能。(2)少量乙醇的加入能显著提高Al多孔超材料的水解反应制氢速率,分别为纯水和纯醇体系的6.3倍和160倍。在所制备的TPMS型Al多孔超材料中,Diamond、F-RD(r)和F-K C(y)型Al多孔超材料具有较高的水解反应制氢速率。当Ni Cl2/Al摩尔比为47/53,水/乙醇摩尔比为89/11,反应温度为70℃时,Diamond型Al多孔超材料有最大的水解反应制氢速率,其值为468 m L-H2/(min·g Al)。当Ni Cl2/Al摩尔比为33/67时,81 wt%的Al多孔超材料可参与水解反应释放氢气。Al多孔超材料水解反应的表观活化能Ea=48.38 k J/mol。(3)以Cu30Al70粉体为原料,采用SLM技术制备了Cu30Al70多孔超材料。在50℃、2.8 M Na OH溶液中去合金化处理60 min后,制备了铜基多孔超材料催化剂。该催化剂催化降解亚甲基蓝降的表观活化能为56.38 k J/mol。当温度为25℃、H2O2浓度为1 m M、p H=1且催化剂添加量为4 g/L时,该催化剂能在15 min内完成对200 m L浓度为20 mg/L的亚甲基蓝溶液的降解,同时也可高效降解亚甲基蓝、甲基橙和罗丹明B的混合染料及四环素药物。
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