2024年6月10日发(作者：公丽雅)
中国科学 E辑 工程科学 材料科学 2004, 34(7): 721~729 721
遗态材料的制备及微观组织分析
*
张 荻
**
孙炳合 范同祥
(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室, 上海 200030)
摘要 通过选用以白松、黑胡桃木和水曲柳等植物结构为模板, 预处理后经硅
树脂和钛酸丁酯等物质的浸渍与耦合处理, 制备了具有保持植物纤维原始形态
的多孔碳化物遗态材料. 研究结果表明: 制备得到的遗态材料均为多孔材料, 其
组织特征继承了所选用的天然植物模板材料的原有组织形态, 具有不同尺寸层
次的孔径分布结构.
关键词 植物模板 遗态材料 微观结构 孔径分布
自然界在长期进化演变过程中, 形成了各种完美独特的结构组态及优异性
能. 受自然界的启发, 材料研究者试图揭示生物系统中的结构特征与形成机制,
从而进一步应用于材料设计与制备. 由此发展了以研究生物系统的结构和性质
并为工程技术提供设计思想及工作原理的仿生学
[1~9]
. 近年来, 研究者发现: 可
以利用天然生物系统中的有机组织, 例如: 木材、黄麻、硅藻土及鱼鳞等, 通过
工艺控制, 直接转化为复制了原有结构形态的无机陶瓷材料, 在导电、导热、耐
磨、耐腐蚀及吸附性能等方面显示了良好的应用性能, 是传统材料制备方法所不
能及的
[10~17]
. 同时, 国内外研究者还采用了多种不同的浸渍熔融物, 如无机熔融
硅、液化木材、金属及磁性物质等材料, 在各种不同工艺控制下与木质材料复合
制备了不同种类的复合陶瓷材料, 以期实现天然材料的高性能化和功能化, 例如:
高强度、耐磨性、抗阻尼及保温性能等
[18~25]
. 为了达到不同应用性能的要求, 研
究者对天然材料进行了不同的工艺处理, 例如组织密实化及多孔结构优化等. 这
一研究领域的发展体现了人类向大自然学习层次的不断深入, 即借用自然界经
亿万年优化的生物自身多层次、多维的本征结构和形貌作为模板, 采用人工耦合
处理, 通过生物结构和形态的遗传, 化学组分的变异, 制备既保持自然界生物精
2003-11-15收稿, 2004-05-27收修改稿
“863”计划(批准号: 2002AA334030)、上海市基础研
*
国家自然科学基金(批准号: 50271041, 50371055)、
究重点项目(批准号: 03JC14044)、霍英东基金(批准号: 94010)和教育部优秀青年教师资助计划资助项目
**E-mail: zhangdi@
SCIENCE IN CHINA Ser. E Engineering & Materials Science
722 中国科学 E辑 工程科学 材料科学 第34卷
细形貌和结构, 又有人为赋予特性和功能的新型材料. 由生物的形貌和结构向新
型材料的转化和处理过程, 称为材料的遗态过程, 得到的新型材料可称为遗态材
料.
本文中选用具有多孔结构的木材为生物模板材料, 如白松、黑胡桃木及水曲
柳等, 通过不同浸渍剂的选择与工艺处理, 制备了具有高度保持生物模板材料原
有分级多孔结构的SiC/C和TiC/C遗态陶瓷材料, 并对其制备前后的微观结构等
特征变化进行了讨论分析.
1 实验方法
选用具有不同结构特征的木材, 如
白松、黑胡桃木及水曲柳等作为模板,
分别采用硅树脂(20℃时黏度6～25
mPa·s, 固体含量27.5～32.5%)及钛酸
丁酯(化学纯, 浓度>98.0%, 密度
0.999～1.003 g/mL)作为浸渍溶液. 根据
图1给出的遗态陶瓷材料制备工艺, 制
备了SiC/C和TiC/C遗态陶瓷材料.
采用X射线衍射(XRD, Cu-Kα,
Rakaku-D/ maxAIIIX)检测了材料的相组
成, 用扫描电子显微镜(SEM, HITACHI,
S-520)、透射电子显微镜(TEM, H800, 加
速电压200kV)和高分辨电子显微镜
图1 制备工艺流程
(HRTEM, H9000, 加速电压300 kV)观
察了遗态陶瓷材料制备前后的微观组织
结构变化, 并用压汞仪(AutoPoreIV 9500, Micromeritics)研究了材料的孔径分布
等特征.
2 结果与讨论
2.1 SEM分析
将选用的木材炭化, 在不同方向上(轴向、径向和切向)会产生不同程度的收
缩, 但其孔隙率一般比炭化前增加20～30%. 炭化后, 木材原有的纳米到微米尺
度范围内的分级结构保留了下来, 疏松多孔的结构更加有利于浸渍物的渗透
[11]
.
图2~4显示了不同木材结构在经不同浸渍物浸渍烧结后制备SiC/C和TiC/C遗态陶
瓷材料前后的微观组织结构. 从炭化后木材模板的原始微观组织结构(图2)可以
发现, 不同木材具有迥异的结构形态, 它们主要由孔径较大的导管与较小的纤
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2024年6月10日发(作者：公丽雅)
中国科学 E辑 工程科学 材料科学 2004, 34(7): 721~729 721
遗态材料的制备及微观组织分析
*
张 荻
**
孙炳合 范同祥
(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室, 上海 200030)
摘要 通过选用以白松、黑胡桃木和水曲柳等植物结构为模板, 预处理后经硅
树脂和钛酸丁酯等物质的浸渍与耦合处理, 制备了具有保持植物纤维原始形态
的多孔碳化物遗态材料. 研究结果表明: 制备得到的遗态材料均为多孔材料, 其
组织特征继承了所选用的天然植物模板材料的原有组织形态, 具有不同尺寸层
次的孔径分布结构.
关键词 植物模板 遗态材料 微观结构 孔径分布
自然界在长期进化演变过程中, 形成了各种完美独特的结构组态及优异性
能. 受自然界的启发, 材料研究者试图揭示生物系统中的结构特征与形成机制,
从而进一步应用于材料设计与制备. 由此发展了以研究生物系统的结构和性质
并为工程技术提供设计思想及工作原理的仿生学
[1~9]
. 近年来, 研究者发现: 可
以利用天然生物系统中的有机组织, 例如: 木材、黄麻、硅藻土及鱼鳞等, 通过
工艺控制, 直接转化为复制了原有结构形态的无机陶瓷材料, 在导电、导热、耐
磨、耐腐蚀及吸附性能等方面显示了良好的应用性能, 是传统材料制备方法所不
能及的
[10~17]
. 同时, 国内外研究者还采用了多种不同的浸渍熔融物, 如无机熔融
硅、液化木材、金属及磁性物质等材料, 在各种不同工艺控制下与木质材料复合
制备了不同种类的复合陶瓷材料, 以期实现天然材料的高性能化和功能化, 例如:
高强度、耐磨性、抗阻尼及保温性能等
[18~25]
. 为了达到不同应用性能的要求, 研
究者对天然材料进行了不同的工艺处理, 例如组织密实化及多孔结构优化等. 这
一研究领域的发展体现了人类向大自然学习层次的不断深入, 即借用自然界经
亿万年优化的生物自身多层次、多维的本征结构和形貌作为模板, 采用人工耦合
处理, 通过生物结构和形态的遗传, 化学组分的变异, 制备既保持自然界生物精
2003-11-15收稿, 2004-05-27收修改稿
“863”计划(批准号: 2002AA334030)、上海市基础研
*
国家自然科学基金(批准号: 50271041, 50371055)、
究重点项目(批准号: 03JC14044)、霍英东基金(批准号: 94010)和教育部优秀青年教师资助计划资助项目
**E-mail: zhangdi@
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722 中国科学 E辑 工程科学 材料科学 第34卷
细形貌和结构, 又有人为赋予特性和功能的新型材料. 由生物的形貌和结构向新
型材料的转化和处理过程, 称为材料的遗态过程, 得到的新型材料可称为遗态材
料.
本文中选用具有多孔结构的木材为生物模板材料, 如白松、黑胡桃木及水曲
柳等, 通过不同浸渍剂的选择与工艺处理, 制备了具有高度保持生物模板材料原
有分级多孔结构的SiC/C和TiC/C遗态陶瓷材料, 并对其制备前后的微观结构等
特征变化进行了讨论分析.
1 实验方法
选用具有不同结构特征的木材, 如
白松、黑胡桃木及水曲柳等作为模板,
分别采用硅树脂(20℃时黏度6～25
mPa·s, 固体含量27.5～32.5%)及钛酸
丁酯(化学纯, 浓度>98.0%, 密度
0.999～1.003 g/mL)作为浸渍溶液. 根据
图1给出的遗态陶瓷材料制备工艺, 制
备了SiC/C和TiC/C遗态陶瓷材料.
采用X射线衍射(XRD, Cu-Kα,
Rakaku-D/ maxAIIIX)检测了材料的相组
成, 用扫描电子显微镜(SEM, HITACHI,
S-520)、透射电子显微镜(TEM, H800, 加
速电压200kV)和高分辨电子显微镜
图1 制备工艺流程
(HRTEM, H9000, 加速电压300 kV)观
察了遗态陶瓷材料制备前后的微观组织
结构变化, 并用压汞仪(AutoPoreIV 9500, Micromeritics)研究了材料的孔径分布
等特征.
2 结果与讨论
2.1 SEM分析
将选用的木材炭化, 在不同方向上(轴向、径向和切向)会产生不同程度的收
缩, 但其孔隙率一般比炭化前增加20～30%. 炭化后, 木材原有的纳米到微米尺
度范围内的分级结构保留了下来, 疏松多孔的结构更加有利于浸渍物的渗透
[11]
.
图2~4显示了不同木材结构在经不同浸渍物浸渍烧结后制备SiC/C和TiC/C遗态陶
瓷材料前后的微观组织结构. 从炭化后木材模板的原始微观组织结构(图2)可以
发现, 不同木材具有迥异的结构形态, 它们主要由孔径较大的导管与较小的纤
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