持续释放氧气的有机/无机复合支架能够输送骨髓间充质干细胞（BMSCs），从而促进脊髓损伤的修复

《Materials & Design》：Sustained oxygen release Organic/Inorganic composite scaffold Delivers BMSCs to promote spinal cord injury repair

本研究采用模板复制与反应烧结相结合的混合工艺制备了SiC wire-mesh structured packings，通过在传统波纹片层间插入平面SiC片，使抗压强度从1.8 MPa提升至21.4 MPa，增强12倍。实验证明，新型结构在保持高比表面积和低压降的同时，展现出优异的抗酸碱腐蚀性能，优于传统金属材料（如Hastelloy、Ni80Cr20合金等）。工业应用表明，该材料在3年以上运行中保持稳定，成功替代传统金属 packing。

　　这项研究介绍了一种新型的硅碳化硅（SiC）结构化填料，该填料通过结合模板复制和反应烧结工艺制备，具有出色的机械性能和抗酸腐蚀能力。这种填料广泛应用于化学工业和热能工程领域，尤其是在高温和腐蚀性液体的环境下，传统金属填料通常面临机械强度不足和腐蚀风险的问题。而SiC材料以其优异的耐腐蚀性和机械性能，被认为是替代传统金属填料的理想材料。然而，目前市场尚无成熟的SiC结构化填料产品，因此，这项研究的成果具有重要的应用价值。

在传统金属结构化填料中，由于其高孔隙率的设计，虽然在传质和流体流动方面表现出色，但在机械性能方面却存在一定的缺陷。例如，金属填料的孔隙率通常较高，导致其结构较为脆弱，容易在使用过程中发生弯曲、断裂等问题。此外，金属填料在酸性环境中容易发生腐蚀，影响其使用寿命和分离效率。为了克服这些问题，研究人员提出了一种创新的结构设计，即在传统结构化填料的基础上，插入平面SiC片，从而形成一种“波纹-平面”复合结构。这种设计不仅提升了填料的机械强度，还保持了其优良的传质性能，使得填料在高温和强酸性环境下能够稳定运行。

通过有限元分析（FEM）和实验验证相结合的方法，研究人员对不同结构参数对SiC填料机械性能的影响进行了系统研究。在FEM模拟中，研究人员构建了多种结构模型，包括基本配置模型和“波纹-平面”复合配置模型。这些模型通过改变波纹角度、波纹振幅、层数、以及平面片的厚度和直径等参数，评估了其对压缩强度和弹性模量的影响。结果表明，当波纹角度增加时，填料的压缩强度和弹性模量均显著下降，这说明在实际应用中，需要合理选择波纹角度，以平衡填料的机械性能和传质效率。而通过调整平面片的参数，研究人员发现，在保持相同体积分数的情况下，减小波纹片的直径并增大平面片的直径，可以显著提升填料的压缩强度。这一发现为优化填料结构提供了重要的理论依据。

在实验验证阶段，研究人员采用电子万能试验机对填料的压缩强度进行了测试，结果显示，添加平面片的填料其平均压缩强度达到了21.4 MPa，是未添加平面片填料（1.8 MPa）的12倍。这一显著的提升表明，通过结构优化可以有效改善填料的机械性能，从而提高其在复杂工业环境中的适用性。此外，研究人员还对填料的微观结构进行了分析，发现其内部孔隙结构在反应烧结过程中得到了优化，既保持了高比表面积，又增强了结构的稳定性。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等手段，研究人员确认了填料的微观结构和化学组成，进一步验证了其在高温和腐蚀性环境下的稳定性。

为了进一步评估填料的抗酸腐蚀能力，研究人员在还原性酸和氧化性酸环境中对填料进行了长期的腐蚀实验。实验结果显示，SiC填料在还原性酸（如甲酸和盐酸）和氧化性酸（如硫酸和硝酸）中均表现出优异的抗腐蚀性能。与传统的金属填料（如哈氏合金、纯镍、蒙乃尔合金、钛合金、304不锈钢和316不锈钢）相比，SiC填料的重量损失率极低，仅在还原性酸环境中为0.0974%，在氧化性酸环境中为0.035%。相比之下，金属填料在相同条件下表现出明显的腐蚀现象，如表面出现裂纹、腐蚀产物沉积等。这些实验结果充分证明了SiC填料在酸性环境中的优越性，使其成为一种极具潜力的新型填料材料。

此外，研究人员还探讨了不同孔隙形状对填料性能的影响。在“波纹-平面”复合配置中，平面片的孔隙形状被设计为正方形，以增强结构的稳定性。实验结果显示，正方形孔隙的填料相比传统的菱形孔隙填料，其机械性能得到了显著提升，同时对传质性能的影响较小。这一发现表明，在设计填料结构时，应优先考虑孔隙形状和尺寸的优化，以实现机械性能和传质性能的平衡。

本研究的成果不仅在实验室条件下得到了验证，还在实际工业应用中得到了成功推广。研究人员将这种新型SiC结构化填料应用于多个化工生产流程中，包括硝酸净化、醋酸精馏、有机多酸分离等。这些填料在实际运行中表现出良好的稳定性和耐用性，能够长期保持其结构完整性和传质效率。特别是在万华化学集团的硝酸净化过程中，填料的运行时间超过了3年，表现出优异的性能。这一实际应用的成功，进一步证明了该填料在化工行业中的广阔前景。

在研究过程中，研究人员还发现，填料的性能不仅依赖于其几何结构，还受到材料制备工艺的影响。通过模板复制和反应烧结相结合的方法，研究人员成功制备了具有高孔隙率和优良机械性能的SiC结构化填料。在制备过程中，模板的选择和处理是关键步骤之一，通过控制模板的孔隙率和形状，可以有效优化填料的结构特性。此外，反应烧结过程中，硅的渗透和与碳的反应是填料形成的重要机制，这一过程不仅提高了填料的密度，还增强了其机械强度和耐腐蚀性。

总的来说，这项研究通过结构优化和材料创新，成功开发了一种新型的SiC结构化填料。这种填料不仅在机械性能上显著优于传统金属填料，还在抗酸腐蚀方面表现出色，为化工行业提供了一种更加可靠和耐用的填料选择。此外，研究结果表明，通过合理的几何设计和材料处理，可以进一步提升填料的性能，满足不同工业环境下的需求。未来的研究方向包括进一步优化填料的结构设计，探索其在更广泛的应用场景中的潜力，并提高其在实际应用中的稳定性与可靠性。