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新型无氟环保耐腐蚀超疏水涂层的制备、性能及应用研究

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新型无氟环保耐腐蚀超疏水涂层的制备、性能及应用研究

作者：田光元太原理工大学

学位级别：硕士

21世纪以来,金属材料仍将是人类社会发展中重要的结构材料与功能材料。然而若其长时间暴露于腐蚀性介质中,会受到严重的腐蚀。近年来,受“莲花效应”的启发,仿生超疏水表面在金属防腐蚀、自清洁、油水分离等应用领域备受关注。由于腐蚀... 详细信息

21世纪以来,金属材料仍将是人类社会发展中重要的结构材料与功能材料。然而若其长时间暴露于腐蚀性介质中,会受到严重的腐蚀。近年来,受“莲花效应”的启发,仿生超疏水表面在金属防腐蚀、自清洁、油水分离等应用领域备受关注。由于腐蚀是在水性介质与基材之间的界面上引发的,因此超疏水表面可有效抵抗腐蚀,延长使用寿命。在油水分离方面,许多超疏水材料成本高,制备过程繁琐,或使用含氟等有危害物质造成二次污染。因此,本研究从低成本、环保、易于制备与应用的角度出发,制备了无氟环保且耐腐性高的超疏水材料。本文采用低成本,制备条件易于控制的电沉积方法,在金属基材表面制备了具有微纳米粗糙结构的高粘附性、均匀、致密的金属合金涂层,随后利用无氟环保的低表面能物质进行表面修饰,获得相应的超疏水表面。对所制备的超疏水涂层进行了结构表征和耐腐蚀性等性能测试,并研究了超疏水表面的形成机理。同时,对超疏水涂层在油水分离方面的应用进行了研究。主要研究内容如下:(1)以锌盐和铁盐为基础原料,在碱性无氰的甘油电解浴中通过恒电位极化电沉积在碳钢表面获得Zn–Fe合金涂层,经低表面能十四酸表面修饰后获得水接触角(WCA)达166°的超疏水表面。所制备的超疏水涂层具有自清洁、防污、抗冲击、高附着力和良好的耐腐蚀性。电化学测试中,试样的腐蚀电流(i)和腐蚀速率(CR)由裸钢的1.66×10 A?cm和1.95mm?a分别降低到2.65×10 A?cm和0.02 mm?a,表现出良好的耐腐蚀性。计算了超疏水涂层的界面自由能,探讨了超疏水涂层的形成机理。(2)将超疏水Zn–Fe合金涂层应用于泡沫铁表面,制备了无氟、机械稳定、耐久性和高油水分离效率的超疏水泡沫铁(WCA:158°)。电化学测试中,具有耐腐蚀性的超疏水泡沫铁的i和CR由原始泡沫铁的1.27×10 A?cm和14.95 mm?a分别降低到1.01×10 A?cm和1.18 mm?a。在油水分离测试中,所制备的超疏水泡沫铁油水分离效率高达99.3%,同时,研究了超疏水泡沫铁的形成机理。此外,设计了一种可用于连续性油水分离的装置。(3)为了进一步提高超疏水泡沫铁的耐腐蚀性,在泡沫铁表面制备了Zn–Fe–Co–Ni–Mn高熵合金涂层,经超疏水处理后用于油水分离。电化学测试表明,所制备的超疏水高熵合金涂层相对于超疏水Zn–Fe合金涂层,具有更低的腐蚀电流和腐蚀速率(i:2.28×10 A?cm,CR:0.27 mm?a),表现出优异的耐腐蚀性。同时,研究了超疏水高熵合金涂层的自清洁、润湿性、油水分离效率等性能,探讨了超疏水高熵合金涂层的形成机理。

关键词：超疏水 Zn–Fe合金高熵合金油水分离耐腐蚀性自清洁

耐腐蚀镁锂合金的腐蚀与防护及其性能研究进展

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中国腐蚀与防护学报 2023年

作者：田光元严程铭杨智皓王俊升北京理工大学前沿交叉学院北京理工大学材料学院

高比强度和高比刚度镁锂合金，由于其出色的减重效果，是理想的航空航天金属结构工程材料。然而，由于其耐腐蚀性能较差，严重制约了在一些服役环境中的广泛应用。因此，耐腐蚀镁锂合金的成分、工艺研制是未来发展的重要方向。本文综述... 详细信息

高比强度和高比刚度镁锂合金，由于其出色的减重效果，是理想的航空航天金属结构工程材料。然而，由于其耐腐蚀性能较差，严重制约了在一些服役环境中的广泛应用。因此，耐腐蚀镁锂合金的成分、工艺研制是未来发展的重要方向。本文综述了其腐蚀机理及不同类型表面防护方法（金属涂层、阳极氧化、导电性-屏蔽性聚合物涂层和智能涂层）、研究现状与未来应用。同时，分析了不同类型腐蚀防护方法的优势与局限性问题，讨论了耐腐蚀镁锂合金腐蚀与防护的未来研究趋势，以期为耐腐蚀镁锂合金开发提供新思路。

关键词：镁锂合金腐蚀防护智能涂层超疏水

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金属光固化3D打印研究现状

工程科学学报 2023年第12期45卷 2037-2048页

作者：严程铭薛程鹏田光元杨智皓刘晓光王俊升北京理工大学材料科学与工程学院北京100081 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 北京理工大学前沿交叉科学研究院北京100081

通过对金属光固化3D打印的研究结果和工艺流程进行总结,划分了四种主要的实现途径,即固化烧结法、固化镀膜法、混合固化法和固化模具法,其中固化烧结法是制备金属零件的主要方法,固化镀膜法常用于制备精密电磁设备元件,而混合固化法通... 详细信息

通过对金属光固化3D打印的研究结果和工艺流程进行总结,划分了四种主要的实现途径,即固化烧结法、固化镀膜法、混合固化法和固化模具法,其中固化烧结法是制备金属零件的主要方法,固化镀膜法常用于制备精密电磁设备元件,而混合固化法通常直接固化浆料而无需经过烧结使零件一步成型;归纳了金属光固化3D打印所使用的光敏树脂成分和所制备零件的性能;指出了该技术目前发展还存在浆料中金属与聚合物性质差异、工艺参数研究不足、光敏树脂配方较少等亟待解决的关键科学问题;从研究工艺参数对零件性能的影响、开发新型光敏树脂配方和发明更适用于金属光固化3D打印的设备方面展望了其未来的发展方向.

关键词：金属材料增材制造 3D打印光固化智能制造

耐腐蚀Mg-Li合金的腐蚀与防护及其性能研究进展

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中国腐蚀与防护学报 2023年第6期43卷 1255-1263页

作者：田光元严程铭杨智皓王俊升北京理工大学材料学院北京100081 北京理工大学前沿交叉学院北京100081

高比强度和高比刚度Mg-Li合金,由于其出色的减重效果,是理想的航空航天金属结构工程材料。然而,由于其耐腐蚀性能较差,严重制约了其在一些服役环境中的广泛应用。因此,耐腐蚀Mg-Li合金的成分、工艺研制是未来发展的重要方向。本文综述... 详细信息

高比强度和高比刚度Mg-Li合金,由于其出色的减重效果,是理想的航空航天金属结构工程材料。然而,由于其耐腐蚀性能较差,严重制约了其在一些服役环境中的广泛应用。因此,耐腐蚀Mg-Li合金的成分、工艺研制是未来发展的重要方向。本文综述了其腐蚀机理及不同类型表面防护方法(金属涂层、阳极氧化、导电性-屏蔽性聚合物涂层和智能涂层)、研究现状与未来应用。同时,分析了不同类型腐蚀防护方法的优势与局限性问题,讨论了耐腐蚀Mg-Li合金腐蚀与防护的未来研究趋势,以期为耐腐蚀Mg-Li合金开发提供新思路。

关键词： Mg-Li合金腐蚀防护智能涂层超疏水

黄花菜秸秆的营养价值及其对绵羊瘤胃发酵参数的影响

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中国畜牧杂志 2022年第10期58卷 276-281页

作者：田光元郝小燕焦帅武喜明耿海霞张洪亮张建新山西农业大学动物科学学院山西晋中030801 山西安弘检测技术有限公司山西太原030000

试验旨在研究黄花菜秸秆的营养价值及其对瘤胃发酵参数的影响。应用饲料常规检测技术及尼龙袋技术比较黄花菜秸秆与其他3种常用秸秆(大豆秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆)的营养价值及其瘤胃降解参数;选取12只1.5岁左右健康、体况良好且体重(5... 详细信息

试验旨在研究黄花菜秸秆的营养价值及其对瘤胃发酵参数的影响。应用饲料常规检测技术及尼龙袋技术比较黄花菜秸秆与其他3种常用秸秆(大豆秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆)的营养价值及其瘤胃降解参数;选取12只1.5岁左右健康、体况良好且体重(50.00±3.5)kg的安装永久性瘤胃瘘管的杜×寒杂交F1代肉用羯羊,应用体外产气法研究黄花菜秸秆:玉米秸秆为0:100(对照组)、25:75、50:50、75:25和100:0的组合对绵羊瘤胃发酵参数的影响。结果表明:黄花菜秸秆粗蛋白质(CP)含量与小麦秸秆差异不显著,粗脂肪(EE)含量高于其他3种秸秆(P<0.05),且中性洗涤纤维(NDF)含量低于小麦秸秆和玉米秸秆(P<0.05),酸性洗涤纤维(ADF)含量高于小麦秸秆(P<0.05);黄花菜秸秆干物质(DM)有效降解率与小麦秸秆差异不显著,NDF和ADF有效降解率低于大豆秸秆(P<0.05),CP有效降解率高于小麦秸秆和玉米秸秆(P<0.05);黄花菜秸秆与玉米秸秆组合比例为50:50时各个时间产气量高于其他试验组和对照组(P<0.05);各组间pH、微生物蛋白(MCP)及甲烷(CH4)浓度均无显著差异;与对照组相比,试验组氨态氮(NH3-N)浓度呈线性降低,且100:0组低于对照组(P<0.05);各组间挥发性脂肪酸(VFA)浓度无显著差异。由上可见,黄花菜秸秆的营养价值与小麦秸秆、玉米秸秆相近,但低于大豆秸秆,具有作为粗饲料资源在肉羊生产中应用的潜力。

关键词：黄花菜秸秆营养价值羊尼龙袋瘤胃发酵

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镁合金腐蚀行为与防护技术研究进展

航空制造技术 2021年第19期64卷 59-70页

作者：李鑫张弛王俊升田光元北京理工大学材料学院北京100081 北京理工大学前沿交叉科学研究院北京100081

由于镁电极电势较低,造成耐腐蚀性能较差,已经成为制约其大规模工程应用的核心难题。探索镁表面的腐蚀机理以及经过表面转化与涂镀之后表面的腐蚀速率变化,可为研发耐腐蚀镁合金及其表面防护技术提供重要的理论支撑。总结了镁合金腐蚀... 详细信息

由于镁电极电势较低,造成耐腐蚀性能较差,已经成为制约其大规模工程应用的核心难题。探索镁表面的腐蚀机理以及经过表面转化与涂镀之后表面的腐蚀速率变化,可为研发耐腐蚀镁合金及其表面防护技术提供重要的理论支撑。总结了镁合金腐蚀的特征及其防护方法,概括了镁合金耐腐蚀技术研究进展,展望了未来镁合金表面防护的研究方向。此外,重点突出了计算机模拟方法在腐蚀机理研究领域的潜力。

关键词：镁合金腐蚀表面防护润湿计算机模拟

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耐腐蚀镁合金的成分设计方法研究进展

航空制造技术 2023年第6期66卷 85-98,118页

作者：张弛王俊升李鑫田光元王硕苏辉北京理工大学材料学院北京100081 北京理工大学前沿交叉科学研究院北京100081

镁合金因其密度低,轻量化效果明显,矿产资源丰富,在航空航天等领域得到了广泛的应用,成为“21世纪新型绿色材料”。但镁的电化学活性强,耐腐蚀性能差,一直限制着镁合金的大规模应用。目前,探索镁合金的腐蚀机理,设计新型耐蚀镁合金的成... 详细信息

镁合金因其密度低,轻量化效果明显,矿产资源丰富,在航空航天等领域得到了广泛的应用,成为“21世纪新型绿色材料”。但镁的电化学活性强,耐腐蚀性能差,一直限制着镁合金的大规模应用。目前,探索镁合金的腐蚀机理,设计新型耐蚀镁合金的成分已经引起人们的广泛关注。本文以耐腐蚀镁合金的成分设计方法研究进展为题进行了讨论,主要阐述了镁的腐蚀反应机理和异常析氢现象等镁合金腐蚀机制,以及电偶腐蚀、点蚀、丝状腐蚀、应力腐蚀等腐蚀类型,并总结了不同合金元素对镁合金耐腐蚀性能的影响。重点概述了第一性原理模型、分子动力学以及X射线计算机断层扫描技术(X-CT)在镁合金腐蚀方面的应用,期望能够为耐腐蚀镁合金的成分设计提供帮助。

关键词：镁合金腐蚀合金元素第一性原理分子动力学 X-CT

饲粮中添加姜黄素对舍饲羔羊生长性能、营养物质表观消化率、能氮代谢和血清生化指标的影响

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动物营养学报 2022年第9期34卷 5964-5973页

作者：田光元郝小燕任国栋张暄梓王兴岗张建新山西农业大学动物科学学院晋中030801

本试验旨在研究饲粮中添加姜黄素(CUR)对舍饲羔羊生长性能、营养物质表观消化率、能氮代谢和血清生化指标的影响。采用单因素完全随机试验设计,将48只体重[(20.89±1.15)kg]相近的4月龄左右的杜泊×小尾寒羊杂交1代公羔随机分为4组,每... 详细信息

本试验旨在研究饲粮中添加姜黄素(CUR)对舍饲羔羊生长性能、营养物质表观消化率、能氮代谢和血清生化指标的影响。采用单因素完全随机试验设计,将48只体重[(20.89±1.15)kg]相近的4月龄左右的杜泊×小尾寒羊杂交1代公羔随机分为4组,每组12只。各组分别在基础饲粮中添加0(对照组)、300(300CUR组)、600(600CUR组)、900 mg/kg(900CUR组)CUR。试验期90 d,其中预试期15 d,饲养试验60 d,消化代谢试验15 d。结果表明:1)300CUR组和600CUR组终末体重显著高于对照组(P<0.05),300CUR组平均日增重(ADG)显著高于对照组(P<0.05),300CUR组料重比(F/G)显著低于对照组和600CUR组(P<0.05)。以1~60 d总增重为评价指标,通过回归分析得出饲粮中CUR适宜添加量为487.5 mg/kg。2)300CUR组中性洗涤纤维(NDF)表观消化率显著高于对照组(P<0.05)。3)300CUR组沉积氮和氮表观消化率显著高于对照组(P<0.05)。4)300CUR组甲烷能显著低于对照组(P<0.05),300CUR组和600CUR组消化能和代谢能显著高于对照组(P<0.05),300CUR组总能代谢率显著高于对照组和900CUR组(P<0.05)。5)300CUR组血清甘油三酯含量显著低于对照组(P<0.05),600CUR组血清一氧化氮合酶活性显著低于对照组、300CUR组和900CUR组(P<0.05)。综上所述,饲粮中添加CUR可提高舍饲羔羊NDF表观消化率和氮代谢、能量代谢水平,降低血清甘油三酯含量,从而促进生长性能。通过回归分析得出,饲粮中CUR适宜添加量为487.5 mg/kg。

关键词：姜黄素生长性能营养物质表观消化率羔羊血清生化指标

胍基乙酸和甜菜碱对羔羊生长性能、瘤胃发酵和血液代谢的影响

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中国农业科学 2023年第4期56卷 766-778页

作者：任国栋郝小燕张暄梓刘森张宏祥田光元张建新山西农业大学动物科学学院山西祥和岭上农牧开发股份有限公司

【目的】研究饲粮中添加胍基乙酸和甜菜碱对羔羊生长性能、瘤胃发酵及血清生化指标的影响，为胍基乙酸和甜菜碱在反刍动物生产中的应用提供理论依据。【方法】试验选用48只体重相近(22.03±1.30)kg、3月龄左右的杜泊×小尾寒羊杂种公羔... 详细信息

【目的】研究饲粮中添加胍基乙酸和甜菜碱对羔羊生长性能、瘤胃发酵及血清生化指标的影响，为胍基乙酸和甜菜碱在反刍动物生产中的应用提供理论依据。【方法】试验选用48只体重相近(22.03±1.30)kg、3月龄左右的杜泊×小尾寒羊杂种公羔，采用2×2因子完全随机试验设计，试验因素为胍基乙酸(guanidineacetic acid,GAA)(0或900 mg·kg-1)和甜菜碱(betaine,BT)(0或5 g·d-1)。试验羔羊随机分为4组，每组12只。分别为对照组、GAA组、BT组和GAA+BT组。试验期共75 d，其中预试期15 d，正试期60 d。正试期第1天晨饲前称量体重作为初始体重(IBW)，正试期内记录每只羊的日采食量、剩料量；正试期结束当日晨饲前先采血后空腹称重，作为终末体重(finwal body eight,FBW)，计算平均日增重(ADG)、平均日采食量(ADFI)和饲料效率(FE)；血清用于肌酸代谢指标、同型半胱氨酸(Hcy)和乳酸含量测定。试验结束当天正常饲喂试验羊，3h后采集瘤胃液，测定瘤胃发酵参数、消化酶活性以及功能微生物菌群定量。【结果】(1)饲粮中添加GAA日增重(ADG)较对照组有所提高，但无显著差异(P>0.05)，添加BT则显著提高了ADG(P0.05)。(3)饲粮中添加GAA或BT显著提高羔羊瘤胃液中黄色瘤胃球菌、产琥珀酸丝状杆菌、溶纤维丁酸弧菌和栖瘤胃普雷沃氏菌的数量(P0.05)。(4)饲粮中添加GAA或BT显著提高瘤胃蛋白酶活性(P0.05)。【结论】饲粮中添加GAA或BT可以促进瘤胃发酵，增加瘤胃功能微生物菌群数量，提高瘤胃微生物酶活性，提高血清中肌酸含量，并降低同型半胱氨酸的浓度。但与单独添加GAA或BT相比，GAA和BT组合添加对羔羊的生长性能没有进一步的提高。

关键词：胍基乙酸甜菜碱羔羊生长性能瘤胃发酵