电磁干扰屏蔽：通过测量、建模和仿真对机织面料和针织面料的比较研究

《Materials & Design》：Electromagnetic interference shielding: a comparative study of woven and knitted fabrics by measurement, modeling, and simulation

本研究采用模板复制与反应烧结结合工艺制备了SiC丝网结构填料，通过有限元模拟与实验优化了结构参数，发现插入平面层的复合结构可将抗压强度从1.8 MPa提升至21.4 MPa。该材料在强酸环境中展现出优异抗腐蚀性能，已在化工精馏塔中稳定运行超3年。

　　在化学工业中，用于分离和纯化过程的结构化填料是关键的传质组件。这些填料通常具有高孔隙率，以便促进气体和液体之间的高效传质，但这种设计也导致了材料的机械性能相对较弱。此外，传统的金属结构填料在面对氧化性或还原性酸性环境时表现出较差的耐腐蚀性，这限制了它们在高温或高流速条件下的应用。为了克服这些局限，研究团队开发了一种结合模板复制和反应烧结的混合工艺，成功制备了具有优异机械性能和抗酸腐蚀能力的碳化硅（SiC）线网结构填料。这项研究不仅优化了传统结构参数，还通过引入平面SiC片材增强了填料的机械强度，使压缩强度提升了12倍，从1.8 MPa提高至21.4 MPa。同时，SiC填料在抗酸腐蚀方面也表现出显著的优势，使其在化学工业中具有更广泛的应用潜力。

### 结构化填料的重要性与挑战

结构化填料是化学分离设备中不可或缺的组件，其主要作用是引导气液流动、提供分离界面并提高传质效率。早期的结构化填料由金属材料制成，如Sulzer公司于20世纪60年代推出的Mellapak。这类填料通常采用层叠式设计，由交错排列的波纹金属片组成，其高孔隙率和光滑的内部流道有助于降低压降，从而实现稳定和一致的分离效果。然而，高孔隙率也带来了诸多问题，如结垢、堵塞和清洁困难。更严重的是，为了维持毛细作用，填料的线径通常较小，这直接导致其机械强度不足。因此，结构化填料无法进行过多层叠，通常需要额外的支持结构以防止其因自重而塌陷。

为了提升结构化填料的性能，近年来的研究集中于调整其几何结构和拓扑特性。例如，通过改变孔的形状、大小和分布，可以显著增强填料的强度、刚度和耐久性。一些研究还结合了有限元分析（FEM）和实验验证，以优化结构参数。此外，一些团队尝试通过引入异质结构或功能性梯度设计，来改善填料的抗压能力。比如，通过在结构化填料中加入平面片材，可以有效增强其整体机械性能，同时减少对传质过程的负面影响。

### 碳化硅结构填料的优势与创新

碳化硅（SiC）作为一种高性能陶瓷材料，具有优异的机械性能和抗酸碱腐蚀能力，已被广泛应用于高温过滤、催化剂载体、膜接触器和高温换热器等领域。其高热导率、低热膨胀系数和优异的热震稳定性使其成为结构化填料的理想材料。然而，尽管SiC在许多方面表现出色，目前仍缺乏针对其结构化填料的系统研究，且尚未实现商业化生产。

本研究通过一种结合模板复制和反应烧结的混合工艺，成功制备了SiC线网结构填料。这种工艺首先利用模板复制技术制造出具有特定结构的填料原型，然后通过反应烧结将SiC粉末填充到这些模板中，最终形成具有优异性能的结构化填料。为了进一步提高填料的机械性能，研究团队在相邻的波纹层之间插入平面SiC片材，使填料的结构更加稳固。这种复合结构设计不仅提升了填料的压缩强度，还有效改善了其抗腐蚀能力。

### 结构优化与性能提升

为了系统地研究结构参数对填料性能的影响，研究团队采用有限元分析和实验测试相结合的方法。通过调整波纹片的叠层角度、波纹幅度和层数，以及平面片的孔径和厚度，可以优化填料的机械性能。实验结果显示，当叠层角度从0°增加到90°时，填料的压缩强度从24.6 MPa显著下降至1.9 MPa，而Young's模量也从34.5 GPa下降至1.3 GPa。这表明，在基本结构中，叠层角度对填料的机械性能具有重要影响。然而，当引入平面片材后，填料的压缩强度显著提升，例如在叠层角度为45°的情况下，填料的压缩强度从1.8 MPa增加至21.4 MPa，提升了约12倍。

在实验过程中，研究团队还发现，平面片材的几何参数对填料的性能有重要影响。例如，当平面片的孔径和线径发生变化时，填料的压缩强度和Young's模量也会随之改变。通过优化这些参数，可以实现填料的机械性能与传质能力之间的平衡。此外，研究团队还发现，当平面片的孔形状从菱形改为方形时，填料的机械性能得到了进一步提升，而传质能力未受到明显影响。这种结构优化策略为未来的填料设计提供了重要的参考。

### 实验验证与材料表征

为了验证有限元模拟的结果，研究团队进行了详细的实验测试。他们通过电子万能试验机测量了填料的压缩强度，并利用高速摄像技术记录了整个破坏过程。实验结果显示，填料在压缩过程中表现出不同的破坏模式，例如脆性断裂或非线性变形。在基本结构中，填料的破坏主要集中在某些区域，而引入平面片材后，破坏模式变得更加均匀，表明填料的整体结构更加稳定。

除了机械性能测试，研究团队还对填料的抗腐蚀能力进行了评估。他们将填料置于还原性酸和氧化性酸环境中，模拟实际工业条件下的腐蚀过程。结果显示，传统的金属填料在酸性环境中迅速被腐蚀，导致严重的重量损失和结构破坏。相比之下，SiC填料表现出极强的抗酸腐蚀能力，其重量损失率仅为0.0974%和0.035%。这表明，SiC填料在极端酸性环境下具有显著的耐久性。

此外，研究团队还对填料的微观结构进行了表征。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析，他们发现SiC填料主要由α-SiC和β-SiC组成，而残留的硅则分布在SiC颗粒之间的间隙中。这种微观结构不仅决定了填料的机械性能，也影响了其在酸性环境中的稳定性。通过优化模板设计和烧结工艺，可以进一步减少残留硅的含量，从而提升填料的整体性能。

### 工业应用与市场前景

本研究的成果不仅在实验室条件下验证了SiC线网结构填料的优异性能，还在实际工业环境中得到了应用。例如，研究团队将SiC填料应用于万华化学集团的硝酸净化工艺中，其在连续运行3年期间表现出良好的稳定性，没有出现明显的腐蚀或结构损坏。此外，SiC填料还被应用于其他化工生产过程，如醋酸蒸馏和有机多酸分离等，显示出其在不同应用场景中的广泛适用性。

目前，SiC填料的制备技术已经实现商业化，并且在实际工业应用中表现稳定。这不仅为化学工业提供了一种新的材料选择，也为其他高温和腐蚀性环境中的应用开辟了新的可能性。未来，研究团队计划进一步优化填料的结构设计，以提升其在不同工况下的适应能力，并探索其在更多工业领域的应用潜力。

### 研究意义与展望

本研究通过结合模板复制和反应烧结技术，成功制备了具有优异机械性能和抗酸腐蚀能力的SiC线网结构填料。这一成果不仅解决了传统金属填料在高温和腐蚀性环境中的局限性，还为化学工业提供了一种新的高性能填料解决方案。研究团队通过有限元分析和实验测试相结合的方法，系统地优化了填料的结构参数，使其在保持良好传质性能的同时，显著提升了机械强度和抗腐蚀能力。

此外，研究团队还发现，平面片材的引入不仅提高了填料的机械性能，还改善了其在酸性环境中的稳定性。通过调整平面片的孔径和厚度，可以有效减少对传质能力的影响，同时提升填料的整体性能。这一发现为未来的填料设计提供了重要的理论支持和实践指导。

总的来说，这项研究为化学工业中结构化填料的设计和制造提供了新的思路。通过优化材料和结构，SiC填料不仅克服了传统金属填料的局限性，还展现出更广泛的适用性和更高的可靠性。未来，随着材料科学和工程设计的进一步发展，SiC填料有望在更多高温、高压和腐蚀性环境中得到应用，为化学工业的可持续发展提供强有力的技术支持。