多孔金属间化合物/陶瓷复合材料

多孔材料是指以一定体积分数的孔隙为有益组元，孔隙与连续均质或异质基体复合而成的一类新型材料。相对于连续介质的致密材料，多孔材料由于具有一定孔径范围分布的孔隙、较大的比表面积、吸附容量和许多特殊的性能，可实现过滤、分离、催化、隔声、抗震、吸附等多种功能，广泛应用于环保、能源、化工、冶金、生物、医药等各个领域，在科学技术和国民经济建设中发挥越来越重要的作用。
近些年来，随着环境、资源和能源压力的加剧，多孔材料研究工作十分活跃。无论是新型材料开发，还是制备技术的创新以及性能的研究和应用，都取得了长足的进步和突破性成就。总体来说，多孔材料朝向高稳定性、高孔隙率、孔结构均匀可控方向发展。金属间化合物材料的性能介于金属和陶瓷之间，综合了金属的强韧性、高导电导热性和陶瓷的热稳定性、耐高温性，是极具发展前景的结构功能材料。将金属间化合物与陶瓷材料复合，可进一步提高材料的综合性能，扩展应用领域。本书作者对多孔材料的研究始于2000年，从自蔓延燃烧反应合成方法制备多孔金属间化合物、陶瓷材料入手，扩展到针对不同应用需求，在多孔材料基础上搭建各类异质结构，调控性能。本书综合了课题组多年来的研究成果，重点介绍了反应合成多孔Ni-Al金属间化合物、陶瓷及其复合材料的制备工艺、相组成、组织结构、孔结构特征及影响因素，探索了多孔材料在污染物处理、光热海水淡化、光解水产氢产氧等领域的应用，希望能对从事多孔金属间化合物/陶瓷材料研究的科技工作者和部门有所帮助。
本书由崔洪芝教授主持撰写，共分为8章。第1章为绪论，第2章、第3章、第4章分别介绍了多孔Ni-Al金属间化合物、多孔TiB2-TiC复相陶瓷材料、多孔Al2TiO5及Al2TiO5-SiC陶瓷材料的制备工艺、物相组成、孔型结构、组织结构及演化机理、孔结构形成及演化机理、性能测试的相关内容。第5章、第6章、第7章分别介绍了多孔NiAl-TiB2-Al2O3、NiAl-TiB2-TiC、NiAl-Al2TiO5复合材料。第8章主要对多孔TiB2-TiC的复相陶瓷材料在光催化降解污染物、产氢产氧以及海水淡化领域的应用进行介绍。崔洪芝教授撰写了第1章至第5章，魏娜撰写了第6章至第8章，参加本书资料整理的有曹丽丽、李健、张国松、宋晓杰。此外，还要感谢作者课题组全体师生，是他们的辛勤付出，才有了这些丰富的研究成果。
本书是根据作者近几年在实验室的研究成果撰写而成，作者的思路比较明确，针对各种材料的工艺-结构-性能之间的关系，探索高效的合成工艺及在环境净化、能源方面的应用，为科研工作者研究和开发高性能多孔金属间化合物、多孔陶瓷复合材料及其应用提供参考依据。但是，由于制备、表征和测试条件以及研究能力、基础等限制，很多研究还有待完善、深入、系统，如：多孔材料的形成机理，多孔材料的孔结构参数与过滤净化性能、光热海水淡化效率、产氢产氧速率的构效关系等。
由于本书涉及的内容广泛，撰写时参考了国内外相关领域一些最新资料和成果，在此谨向有关文献作者表示诚挚的谢意！最后感谢国家自然科学基金（51072104、51272141、51772176）、山东省泰山学者工程（tspd20161006）、国家863计划（2006AA06Z381）对研究工作的大力资助！ 
由于作者水平有限，书中难免存在不足和疏漏之处，希望广大同仁和读者不吝赐教。

作者
2020年10月

崔洪芝，女，博士、教授，新世纪百千万人才工程、享受国务院特贴专家、山东省泰山学者攀登计划专家。山东科技大学材料学院院长、中国海洋大学筑峰工程第1层次教授。
主要研究方向为耐磨蚀材料、多孔材料、高能束表面强化。主持国家863计划、国家自然基金、国际合作等省部级以上项目13项。以首位2008年获国家科技进步二等奖、2019年获国家技术发明二等奖。获发明专利47项，发表SCI论文213篇，拥有软件著作权3项。

多孔材料是典型的结构功能一体化材料，具有优异的物理性能和力学性能，在环境、能源、冶金、交通、军事、建筑、海洋等领域应用广泛。《多孔金属间化合物/陶瓷复合材料》系统介绍了多孔材料的种类、特点、制备方法、主要参数、应用，特别是针对典型的金属间化合物多孔材料，从理论和实验两个方面介绍了制备工艺、结构、性能之间的关系，以探索高效、实用的合成制备技术，促进工程化应用。本书主要内容包括多孔Ni-Al金属间化合物,多孔TiB2-TiC复相陶瓷材料,多孔Al2TiO5及Al2TiO5-SiC陶瓷材料,多孔NiAl-TiB2-Al2O3、NiAl-TiB2-TiC、NiAl-Al2TiO5复合材料的制备工艺、物相组成、孔型结构、组织结构和孔结构演化机理、性能测试等。针对高稳定性多孔TiB2-TiC复相陶瓷材料，介绍了其在光催化降解污染物、产氢产氧以及海水淡化领域的应用。
本书可供高等院校及科研单位从事多孔材料研究与开发的技术人员以及广大材料专业工作者参考，也可作为高等院校材料、化学及相关专业高年级本科生、研究生的专业读物。

第1章绪论1
1.1多孔材料概述2
1.2多孔材料类型3
1.2.1多孔金属材料3
1.2.2多孔陶瓷材料4
1.2.3多孔金属间化合物材料4
1.2.4其他新型多孔材料5
1.3多孔材料的制备技术6
1.3.1烧结法6
1.3.2熔体凝固法8
1.3.33D打印技术8
1.3.4自蔓延高温合成技术9
1.4多孔材料的表征14
1.4.1孔隙率测试定义15
1.4.2显微分析法16
1.4.3气泡法16
1.4.4压汞法16
1.4.5气体吸附法17
1.4.6核磁共振法17
1.4.7小角度X射线散射法17
1.4.8流体透过法17
1.5多孔材料的应用18
1.5.1汽车尾气处理18
1.5.2水资源再利用21

第2章反应合成多孔NiAl金属间化合物24
2.1多孔NiAl制备工艺26
2.2多孔NiAl物相组成28
2.2.1Ni与Al比例对物相组成影响28
2.2.2造孔剂对物相组成影响30
2.3多孔NiAl孔型结构31
2.3.1Al含量对孔洞形貌的影响31
2.3.2造孔剂对孔洞形貌的影响33
2.4多孔NiAl组织结构35
2.4.1多孔NiAl组织结构35
2.4.2NiAl-Ni3Al组织形成过程36
2.4.3热爆合成NiAl组织结构38
2.5多孔NiAl孔结构形成与演化机理43
2.5.1NiAl体系反应过程43
2.5.2NiAl体系孔洞形成机理46
2.6多孔NiAl性能48
小结50

第3章反应合成多孔TiB2-TiC复相陶瓷52
3.1多孔TiB2-TiC制备工艺54
3.1.1高温反应烧结55
3.1.2自蔓延高温合成56
3.1.3等离子辅助自蔓延高温合成56
3.1.4多孔TiB2-TiC-SiC复合材料制备工艺57
3.2多孔TiB2-TiC物相组成58
3.2.1Ti、B4C粉末粒度对物相组成影响58
3.2.2Ti含量对物相组成影响61
3.2.3C含量对物相组成影响62
3.2.4成型压力对物相组成影响63
3.2.5SiCp和SiCw对物相组成影响64
3.3多孔TiB2-TiC孔型结构65
3.3.1B4C粒度对孔结构的影响65
3.3.2Ti粒度对孔型结构的影响68
3.3.3Ti含量对孔洞形貌影响69
3.3.4C含量对孔洞形貌影响72
3.3.5成型压力对孔洞形貌影响72
3.3.6SiCw和SiCp对孔洞形貌影响73
3.4多孔TiB2-TiC组织结构75
3.4.1B4C粒度对组织结构形成的影响75
3.4.2Ti粒度对组织结构形成的影响78
3.4.3Ti含量对组织结构形成的影响79
3.4.4不同制备工艺对组织结构形成的影响81
3.4.5不同Ti源对组织结构形成的影响85
3.4.6SiCp和SiCw对组织结构形成的影响91
3.5多孔TiB2-TiC孔结构形成与演化机理92
3.5.1Ti-B4C体系通孔形成机理92
3.5.2Ti-B4C体系闭孔形成机理93
3.6多孔TiB2-TiC孔隙率100
3.6.1B4C粒度及成型压力对孔隙率影响100
3.6.2Ti含量对孔隙率影响101
3.6.3C含量对孔隙率影响102
3.6.4SiCp和SiCw对孔隙率影响103
小结104

第4章反应合成多孔Al2TiO5及Al2TiO5-SiC陶瓷材料106
4.1多孔Al2TiO5及Al2TiO5-SiC制备工艺108
4.1.1多孔Al2TiO5制备工艺108
4.1.2多孔Al2TiO5-SiC制备工艺110
4.2Al2TiO5的合成及其影响因素研究112
4.2.1合成Al2TiO5的热力学计算112
4.2.2Al2TiO5的形成机理113
4.2.3Al2TiO5的合成方法及其改性113
4.2.4Al2TiO5的热分解116
4.3多孔Al2TiO5陶瓷117
4.3.1未添加添加剂对Al2TiO5的影响117
4.3.2添加Fe2O3对Al2TiO5的影响119
4.3.3添加SiO2对Al2TiO5的影响121
4.3.4添加MgO对Al2TiO5的影响124
4.3.5复合添加剂对Al2TiO5的影响127
4.3.6造孔剂对Al2TiO5的影响131
4.4多孔Al2TiO5-SiC陶瓷138
4.4.1SiC颗粒（SiCp）对增强多孔Al2TiO5的影响138
4.4.2SiC晶须（SiCw）对增强多孔Al2TiO5的影响151
4.4.3SiCp+SiCw对增强Al2TiO5基复合材料的影响161
4.4.4PMMA造孔剂对多孔Al2TiO5基复合材料的影响164
小结179

第5章反应合成多孔NiAl-TiB2-Al2O3复合材料182
5.1多孔NiAl-TiB2-Al2O3制备工艺183
5.1.1小孔径多孔NiAl-TiB2-Al2O3制备工艺183
5.1.2大孔径NiAl-TiB2-Al2O3制备工艺185
5.1.3直通孔NiAl-TiB2-Al2O3制备工艺188
5.2多孔NiAl-TiB2-Al2O3物相组成189
5.3多孔NiAl-TiB2-Al2O3孔型结构191
5.3.1小孔径多孔NiAl-TiB2-Al2O3孔洞形貌191
5.3.2大孔径NiAl-TiB2-Al2O3孔洞形貌192
5.3.3直通孔NiAl-TiB2-Al2O3孔洞形貌193
5.4多孔NiAl-TiB2-Al2O3组织结构和形成过程194
5.4.1多孔NiAl-TiB2-Al2O3组织结构194
5.4.2多孔NiAl-TiB2-Al2O3典型组织形成过程196
5.5多孔NiAl-TiB2-Al2O3孔结构形成与演化机理198
5.5.1Al-B2O3-TiO2体系反应过程198
5.5.2Ni-Al-B2O3-TiO2体系反应过程201
5.5.3NiAl-B2O3-TiO2体系孔洞形成机理206
5.6多孔NiAl-TiB2-Al2O3性能207
5.6.1孔隙率207
5.6.2抗压强度209
小结215

第6章反应合成多孔NiAl-TiB2-TiC复合材料218
6.1多孔NiAl-TiB2-TiC制备工艺219
6.2多孔NiAl-TiB2-TiC物相组成219
6.2.1Ni-Al含量对物相组成影响220
6.2.2B4C粒度对物相组成影响220
6.2.3TiB2-TiC不同添加方式对物相组成影响222
6.3多孔NiAl-TiB2-TiC孔型结构223
6.3.1Ni-Al含量对孔洞形貌影响223
6.3.2B4C粒度对孔洞形貌影响226
6.3.3成型压力对孔洞形貌影响227
6.3.4TiB2-TiC不同添加方式对孔洞形貌影响229
6.4多孔NiAl-TiB2-TiC组织结构232
6.4.1NiAl含量对多孔NiAl-TiB2-TiC组织结构影响232
6.4.2TiB2-TiC不同添加方式对孔洞形貌影响237
6.4.3NiAl-TiB2-TiC组织结构形成过程240
6.5多孔NiAl-TiB2-TiC孔结构形成与演化机理242
6.6多孔NiAl-TiB2-TiC孔隙率和抗压强度243
6.6.1多孔NiAl-TiB2-TiC孔隙率243
6.6.2多孔NiAl-TiB2-TiC抗压强度246
小结250

第7章反应合成多孔NiAl-Al2TiO5复合材料252
7.1多孔NiAl-Al2TiO5制备工艺253
7.2多孔NiAl-Al2TiO5热力学计算255
7.3NiAl含量对Al2TiO5基材料的影响256
7.4多孔NiAl-Al2TiO5性能分析267
小结269

第8章多孔TiB2-TiC在环境净化中的应用研究270
8.1制备工艺及性能检测271
8.1.1TiB2-TiC的制备271
8.1.2TiB2-TiC/TiO2复合材料的制备272
8.1.3硼碳元素掺杂的TiO2复合材料的制备272
8.1.4光催化降解污染物性能测试273
8.1.5光解水产氢产氧性能测试274
8.1.6选择性催化还原测试275
8.1.7光热海水淡化性能测试275
8.2多孔TiB2-TiC及TiB2-TiC/TiO2复合材料微观结构276
8.2.1多孔TiB2-TiC复合材料的微观结构276
8.2.2多孔TiB2-TiC/TiO2复合材料的成分分析278
8.2.3多孔TiB2-TiC/TiO2复合材料的形貌特征281
8.2.4多孔TiB2-TiC/TiO2纳米结构的形成机理286
8.3TiB2-TiC/TiO2的光催化降解污染物性能288
8.3.1TiB2-TiC/TiO2的光催化降解性能288
8.3.2TiB2-TiC/TiO2复合材料的光催化性能表征及机理290
8.4硼碳元素掺杂的TiO2复合材料的微观结构293
8.4.1成分及形貌表征293
8.4.2TiO2复合材料的光催化降解污染物性能301
8.4.3TiO2复合材料的光解水产氢产氧性能303
8.5多孔TiB2-TiC复合材料催化转化效率的影响307
8.6多孔TiB2-TiC光吸收体的制备及光热海水淡化性能310
8.6.1多孔TiB2-TiC复合材料的微观结构310
8.6.2TiB2-TiC复合材料的光热海水淡化性能313
小结315

参考文献318