微孔無(wú)機(jī)單晶體力學(xué)性能的研究.pdf

1、微孔無(wú)機(jī)單晶體沸石分子篩以其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)特征廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械、農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)、環(huán)境等各領(lǐng)域中，由于它具有的物理特性和化工特性，常作為催化劑和吸附劑使用。但在制作和使用過(guò)程中，沸石分子篩時(shí)刻受到力的作用，最終導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的改變甚至破壞。其結(jié)果是影響了作為催化劑和吸附劑的使用效果，甚至改變了其固有的性能。另一方面，在一些潤(rùn)滑劑中加入沸石分子篩，可增強(qiáng)潤(rùn)滑脂的抗磨性，其中沸石分子篩的硬度對(duì)潤(rùn)滑脂的性能起著決定性的作用。 為了更加有

2、效的利用催化劑或吸附劑，提高催化、吸附和潤(rùn)滑脂的使用效果，使它們?cè)诟餍懈鳂I(yè)中發(fā)揮更大的作用，研究沸石分子篩的力學(xué)性能是非常必要的并具有實(shí)際意義。但由于沸石分子篩的小尺度(微米尺度)和實(shí)驗(yàn)條件的約束(通常能夠測(cè)量的是大尺度，即使小尺度也要毫米以上)，它的力學(xué)性能目前還沒(méi)有系統(tǒng)的研究過(guò)。本文通過(guò)納米壓痕實(shí)驗(yàn)、有限元數(shù)值模擬和數(shù)值反演三種方法，系統(tǒng)研究了沸石分子篩的力學(xué)性能，得到了它們的本構(gòu)關(guān)系，這對(duì)在實(shí)際應(yīng)用中具體選用哪一類沸石分子篩提供了

3、理論依據(jù)；利用分子力學(xué)理論推導(dǎo)出了沸石分子篩SOD的彈性模量和表示微觀結(jié)構(gòu)原子間鍵常數(shù)之間的聯(lián)系，搭起了宏觀特性和微觀特性之間的橋梁。 1、確定了測(cè)試沸石分子篩單晶體力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)方法—納米壓痕技術(shù)。用納米壓痕硬度計(jì)測(cè)試了三種沸石分子篩FER、SOD和ANA單晶體的力學(xué)行為，得到了載荷—位移曲線。根據(jù)Oliver-Pharr的方法和接觸剛度連續(xù)測(cè)量(continuousstiffnessmeasurement，CSM)的技術(shù)，得

4、到了隨壓痕深度連續(xù)變化的硬度—壓入深度曲線和彈性模量—壓入深度曲線圖。在得到沸石分子篩的硬度和彈性模量值后，討論了硬度、彈性模量與沸石分子篩晶體結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。沸石分子篩的硬度越大，其晶體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，越不易遭到破壞，在作為催化劑使用過(guò)程中使用重復(fù)的次數(shù)就越多，其效率就越高。另外，在潤(rùn)滑劑中加入沸石分子篩，增加了潤(rùn)滑脂的抗磨性，其中沸石分子篩的硬度決定著潤(rùn)滑脂的性能。針對(duì)沸石分子篩的這一特點(diǎn)，在制作和使用催化劑和吸附劑時(shí)可采用不同的手段使它

5、們更有效的利用，達(dá)到最佳效果。 2、用常規(guī)的INSTRON5544材料性能試驗(yàn)機(jī)對(duì)具有和沸石分子篩ANA單晶體相同結(jié)構(gòu)的方沸石ANA多晶粉餅進(jìn)行了力學(xué)性能的測(cè)試，得到多晶粉餅的彈性模量要比沸石單晶體的彈性模量小一個(gè)數(shù)量級(jí)，多晶的晶體結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生改變，得出了在通常情況下采用多晶較適用，在特殊條件如高溫高壓下用單晶作為催化劑和吸附劑更能提高它的使用價(jià)值這一結(jié)論。 3、因?yàn)閴汉圻^(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的接觸過(guò)程，屬于彈塑性大應(yīng)變靜

6、力問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)和解析解無(wú)法得到的許多信息用有限元數(shù)值模擬都可以得到，在納米壓痕實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元二維數(shù)值模擬找到了確定沸石分子篩本構(gòu)關(guān)系的方法。在假設(shè)材料為彈性線性強(qiáng)化模型的基礎(chǔ)上，使屈服應(yīng)力和強(qiáng)化模量在一定范圍內(nèi)進(jìn)行不同數(shù)據(jù)的匹配，通過(guò)大量的模擬計(jì)算，反復(fù)對(duì)比、修正，取得與實(shí)驗(yàn)較為一致的載荷—位移曲線，從而確定出三種沸石分子篩彈性線性模型的本構(gòu)關(guān)系。用數(shù)值模擬方法再現(xiàn)了納米壓痕的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，得到了表征沸石分子篩塑性性能的參數(shù)值。

7、 4、找到了確定沸石分子篩本構(gòu)關(guān)系的計(jì)算方法—有限元模擬的數(shù)值反演。本文從納米壓痕實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在假設(shè)材料為彈性線性強(qiáng)化模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)納米壓痕理論和無(wú)量綱分析方法，通過(guò)大量的納米壓痕有限元數(shù)值模擬計(jì)算，找出材料參數(shù)與數(shù)值模擬之間的關(guān)系，從而反演出材料的屈服應(yīng)力和強(qiáng)化模量。這是通過(guò)納米壓痕有限元數(shù)值模擬，能定量地得到沸石分子篩力學(xué)行為參數(shù)的又一方法。 5、結(jié)合分子力學(xué)理論，用能量方法把微觀世界中原子之間的化學(xué)鍵與表