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【科技成果推介】磁场-微波复合场催化技术

【科技成果推介】磁场-微波复合场催化技术

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  • Time of issue:2022-03-03
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【科技成果推介】磁场-微波复合场催化技术

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  电磁强化技术是一种在室温环境下,通过特定电磁场促进晶体微观缺陷重新分布,提升微观组织-力学均匀性,增加裂纹启裂及扩展阻力,综合改善材料抗磨损、抗疲劳及可靠性的材料处理技术。目前已在制造行业开展了大量应用,包括:在汽车制造、工程机械等装备制造领域,通过电磁强化提高机械加工刀具使用寿命,为企业降本增效;在航空航天领域,通过电磁强化提高航空切削刀具、特种螺栓、轴承等关键航空基础件的服役寿命和可靠性。
 


 

  我院刀具&轴承电磁强化技术研究所(以下简称“刀具所”)创新性提出了一种基于磁场-微波场的多场复合处理技术(简称“波-场处理技术”),该技术即可用于溶液物质又可用于固体物质的性能改善。接下来请一起看看该技术是如何实现性能改善的吧~

科技研发

  波-场处理技术是一种将特定频率的微波场和一定强度的磁场耦合的新兴处理技术,在化学反应处理、材料性能提升等方面有巨大的应用前景。微波和磁场如果处于恰当的匹配条件时,可以使低能级的电子恰好跃迁至高能级,从而使电子的自旋组态发生变化。以自由基反应为例,自由基对作为反应过程中的重要中间体,它的自旋组态影响了反应路径,在加入波-场处理后,能够通过影响自由基对的自旋组态来调控反应路径、产物分布以及反应速率等。
原理
  外加磁场可以通过Δg机制影响不同自旋态之间的系间窜越过程,进而导致化学反应的速率、反应产物分布改变。基于自由基对模型,外加磁场使得含有未成对电子的粒子产生塞曼分裂现象,使得具有不同自旋构型的粒子之间产生能量差ΔE,若此时在磁场垂直的方向加一微波场,并且微波频率恰好满足

hv=△E

  其中,h为普朗克常数,v为波场频率。
  那么处于低能级的电子便可以吸收微波能量跃迁到高能级,这一现象被称为电子顺磁共振现象。利用这一原理,磁场-微波复合处理可以进一步影响自由基反应过程和产率。
  实验中以二苯甲酮、异丙醇的光化学反应为研究对象,开展波-场技术对反应的催化作用,并就其机理进行讨论。二苯甲酮-异丙醇这一反应体系被置于不同的波-场工艺下发生反应,得到了不同工艺条件下的合成产物。通过对反应后溶液、产物进行分析可以得到反应物相对浓度以及产物质量随时间的变化关系。研究发现,在施加磁场和微波时,二苯甲酮-异丙醇体系的宏观反应速率显著增大,光化学反应加速,反应过程被“催化”,这一现象说明了使用波-场技术调控自由基反应的有效性。 

 

 
磁场与微波场耦合下自旋组态变化关系

多场复合作用下自由基反应试验  

科技创新

  发现此现象后,刀具所基于食品酿造领域,以白酒溶液为应用对象,利用波-场处理技术研究白酒的催陈过程,实现发现该技术可以催化白酒中各物质的物理化学反应,加速白酒陈化的进程,相关研究成果已发表在英格兰期刊《CyTA - Journal of Food》上,并获得了广泛关注。
  具体为:白酒溶液在波-场技术处理后,水-乙醇的氢键结构减弱,分子间的氢键在这个过程中发生扭曲甚至断裂,较大缔合分子的结构发生解聚,形成更多结构的极性分子缔合体,在氢键的缔合作用下可使白酒辛辣味减少,进而使白酒的气味和口感变得柔和。同时,磁场-微波作用下,提高酒体内分子活化能,并促进各种香味物质的化学反应的发生,使得白酒中多种醇类和酯类的浓度均有所增加,生成更多香味物质,使酒体更加醇厚香甜。

 


 

  技术创新为科技研发带来的更多可能性,波-场处理技术的应用积极促进了多个方向的科技研发与相关产业发展:
  拓展了电磁强化技术的应用范围,建立了特有磁场和固有频率微波下的化学催化模型,研究了复合场作用下自由基对自旋组态的变化规律。
  采用磁场-微波的非接触式工艺体系,进行食品酿造领域的应用尝试。在电磁场-微波耦合作用下,加快白酒缔合和酯化速度,可显著缩短人工催陈白酒生产周期。
  针对陶瓷材料,位错与障碍物之间形成类似自由基对的结构,磁场微波复合场作用下可影响其电子自旋行为,有可能成为陶瓷材料改性的全新工艺方案。

应用价值

01 食品酿造领域
  例如白酒领域,成品酒经磁场微波的复合场处理后,香味幽雅、有焦香味、酸度高,经一段时间的醒酒后香气更加平衡,入口饱满、酒体厚重,空杯留香较好,诸味协调。刀具所创新研发的波-场处理技术可应用于定制化设备及工艺处理服务,提升食品酿造品质,服务大众。
02 面向机械加工刀具领域
  在机械加工刀具中,尤其是陶瓷基刀具,波-场处理技术可针对精密陶瓷刀具、立方氮化硼刀具进行相应处理,以进一步提高刀具使用寿命,提高被加工件表面质量,为企业降本增效。

 

刀具&轴承电磁强化技术研究所
  刀具&轴承电磁强化技术研究所成立于2015年9月,专注电磁强化技术、电磁强化设备的研发和产业化应用工作,是国内领先的电磁强化技术研发与应用团队。电磁强化技术,源于清华二十多年的技术积累,是清华大学首先提出的可大幅提升合金与金属陶瓷构件的耐磨性、服役性能和可靠性的处理技术,该技术广泛适用于各种硬质合金、高速钢、金刚石、CBN等材料(含涂层)制成的机械加工刀具、轴承、螺栓、齿轮、液压泵阀及其他有摩擦磨损的关键构件,具有不改变元件外观与尺寸、无污染、高效、可带包装直接处理等特点,已经历了多行业、多批次的实践检验。研究团队主要为清华大学博士、硕士及经验丰富的工程师组成,团队成员热情而富有朝气,具有极强的创新意识和合作精神,并秉持诚信务实的理念,为广大客户提供优质的服务。

 

技术对接、业务洽谈
联系人:季文
联系电话:18810069596
邮箱:jiwen@tsinghua-tj.org

 

来源|刀具&轴承电磁强化技术研究所
编辑|张澍
以上相关技术最终解释权归刀具&轴承电磁强化技术研究所所有

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