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化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑制備研究

發(fā)布時間:2022-06-01所屬分類:農(nóng)業(yè)論文瀏覽:1

摘 要: 摘 要:隨著化學(xué)工業(yè)技術(shù)的進步與發(fā)展硅酸鹽粘結(jié)劑作為一種常見的無機膠其被廣泛的應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域之中在建筑、化工、包裝等行業(yè)中發(fā)揮著重要作用 目前雖然硅酸鹽粘結(jié)劑在材料性能上具有良好的環(huán)保性、抗腐蝕性、粘接性強等特點但是隨著硅酸鹽粘結(jié)劑粘接時間的推移其

  摘 要:隨著化學(xué)工業(yè)技術(shù)的進步與發(fā)展ꎬ硅酸鹽粘結(jié)劑作為一種常見的無機膠ꎬ其被廣泛的應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域之中ꎬ在建筑、化工、包裝等行業(yè)中發(fā)揮著重要作用ꎮ 目前ꎬ雖然硅酸鹽粘結(jié)劑在材料性能上具有良好的環(huán)保性、抗腐蝕性、粘接性強等特點ꎬ但是ꎬ隨著硅酸鹽粘結(jié)劑粘接時間的推移ꎬ其材料性能容易降低ꎬ尤其是對于一些陶瓷、玻璃、金屬等粘接要求高的產(chǎn)品ꎬ更無法充分發(fā)揮出硅酸鹽粘結(jié)劑的化學(xué)效能ꎮ 主要以 K2Ti6O13晶須為化學(xué)物ꎬ對硅酸鹽粘結(jié)劑進行一定的改良ꎬ通過硅酸鹽粘結(jié)劑的化學(xué)改良與制備ꎬ分析其改良后的綜合性能ꎬ以期促進硅酸鹽粘結(jié)劑更好的使用ꎮ

化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑制備研究

  關(guān)鍵詞:化學(xué)改性ꎻ硅酸鹽ꎻ材料特性ꎻ粘結(jié)劑ꎻ制備方法ꎻ粘接強度

  目前化工領(lǐng)域中ꎬ無機膠粘劑主要有硅酸鹽和磷酸鹽兩大體系ꎬ而硅酸鹽是無機膠粘劑類型中應(yīng)用最廣的材料ꎮ 從硅酸鹽的化學(xué)特性上來看ꎬ硅酸鹽是 Si 和 O 與 Al、Fe、Mg、Ca、Na、K、P、Ti 等結(jié)合而成的化合物ꎬ具有成分多變、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熔點較高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等顯著特點ꎮ 通過以硅酸鹽為主要原料制備而成的無機膠粘劑ꎬ具有較好的粘接性ꎬ能夠滿足一般陶瓷、玻璃、包裝材料、塑料、建筑材料、金屬等材質(zhì)的粘接需求ꎮ 但是ꎬ對于傳統(tǒng)的硅酸鹽粘接劑仍然存在著一些顯著性缺點ꎬ如耐水性差、固化條件高、粘接強度易隨時間推移而降低等等ꎮ 對此ꎬ通過對硅酸鹽粘接劑的性能進行化學(xué)改良ꎬ有利于增強硅酸鹽粘接劑的性能穩(wěn)定性ꎮ 而目前縱觀國內(nèi)對硅酸鹽粘接劑的改良方案ꎬ雖然實驗原料較為豐富ꎬ但是主要受行業(yè)歡迎的改性材料仍然屬 K2Ti6O13晶須ꎮ 本文以 K2Ti6O13晶須為改性輔助材料ꎬ通過對 K2Ti6O13晶須與硅酸鹽的結(jié)合制備ꎬ獲取化學(xué)改性后的硅酸鹽粘接劑ꎬ以期為我國化學(xué)工業(yè)研究硅酸鹽粘接劑領(lǐng)域提供參考ꎮ

  1 硅酸鹽及化學(xué)改性硅酸鹽粘接劑概述

  1.1 硅酸鹽

  硅酸鹽是 Si 和 O 與 Al、Fe、Mg、Ca、Na、K、P、Ti等結(jié)合而成的化合物ꎬ具有成分多變、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熔點較高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等顯著特點ꎮ 硅酸鹽是構(gòu)成地殼礦物和巖石的主要對象ꎬ也是硅酸鹽陶瓷、玻璃、耐火材料和水泥等工業(yè)制品的關(guān)鍵組分ꎬ還是制取單晶硅、多晶硅、二氧化硅氣凝膠以及各種硅系有機化合物等新型材料的重要材料ꎮ 硅酸鹽礦物的基本結(jié)構(gòu)是硅-氧四面體ꎻ在這種四面體內(nèi)ꎬ硅原子占據(jù)中心ꎬ4 個氧原子占據(jù) 4 角ꎮ 這些四面體ꎬ依著四面體ꎬ依著不同的配合ꎬ形成了各類的硅酸鹽ꎮ 硅酸鹽結(jié)構(gòu)眾多、種類繁多ꎬ有島狀的橄欖石、層狀的石英、環(huán)狀的蒙脫石等ꎮ 它們大多數(shù)熔點高ꎬ化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定ꎬ是硅酸鹽工業(yè)的主要原料[1] ꎮ

  1.2 化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑

  化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑是指以化學(xué)輔助原料與硅酸鹽結(jié)合后ꎬ通過一定的化學(xué)工藝制備而成的新的硅酸鹽粘結(jié)劑ꎮ 硅酸鹽雖能夠直接經(jīng)過加工制備得到無機膠ꎬ但在一些特殊情況下ꎬ仍無法發(fā)揮出原料的化學(xué)性能、物理特性ꎬ只有通過改性劑的改良ꎬ才能提高硅酸鹽粘接劑的綜合性能ꎮ 目前ꎬ化工領(lǐng)域中可用于硅酸鹽粘結(jié)劑改性的原料較多ꎬ如粘土、石棉粉、晶須等ꎮ 其中ꎬ晶須是近年硅酸鹽粘結(jié)劑改性的主要原料ꎬ它與粘土、石棉粉相比ꎬ其化學(xué)性能更加穩(wěn)定ꎬ尤其是晶須體系中的 K2 Ti6O13晶須ꎬ其具有無毒無害、化學(xué)性能穩(wěn)定、化學(xué)融合性強等特點ꎮ 本文主要以 K2Ti6O13晶須為改良劑ꎬ將其與硅酸鹽粘結(jié)劑結(jié)合ꎬ通過化學(xué)改性與制備ꎬ增強硅酸鹽粘結(jié)劑性能[2] ꎮ

  2 化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑的材料特性

  耐熱性與環(huán)保性是任何一種粘結(jié)劑關(guān)注的要點ꎬ目前ꎬ根據(jù)對硅酸鹽粘結(jié)劑的材料特性數(shù)據(jù)掌握程度來看ꎬ市場上主流的化學(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)劑都具備了良好的耐熱性與環(huán)保性ꎬ并且化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑往往具有高強度性、應(yīng)力小的特點ꎮ由于化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑是在硅酸鹽原料的基礎(chǔ)上加入一定量的改性劑ꎬ通過其他化學(xué)原料與硅酸鹽原料的結(jié)合ꎬ在化學(xué)工藝制備下ꎬ獲取新的硅酸鹽粘結(jié)劑ꎮ 因此ꎬ改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑往往具有化學(xué)穩(wěn)定性能強的特點ꎬ并且ꎬ該粘結(jié)劑的適用范圍較廣ꎬ不僅廣泛的適用于工業(yè)領(lǐng)域之中ꎬ更適用于生活的日常設(shè)備、物體粘接中ꎬ整體上具有顯著的粘接性能強、化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定性強、適用范圍廣、粘接時間長、經(jīng)濟實惠及易制備等特點[3] ꎮ

  3 化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑制備方法

  3.1 實驗原料與儀器

  在試驗原料的選取上ꎬ主要以 K2Ti6O13晶須為改性劑ꎮ 先取充足的純 TiO2和 K2CO3化學(xué)原料ꎬ按照晶須提純與提煉的化學(xué)方法ꎬ在標(biāo)準(zhǔn)的實驗環(huán)境下進行化學(xué)合成ꎬ將取得的 TiO2和 K2CO3兩種原料物質(zhì)進行研磨ꎬ過 60 目篩后將兩者按物質(zhì)的量比5􀆰 5 ∶ 1 配料ꎻ干燥后用 XA-1 型高速萬能粉碎機研磨干混ꎬ再將混合好的原料放人陶瓷坩堝中ꎬ在馬弗爐中于 1 000 ℃溫度下進行固相反應(yīng)ꎬ然后隨爐冷卻到室溫ꎬ從而獲取 K2Ti6O13晶須ꎮ 在試驗儀器上ꎬ主要選用了 XA-1 型高速萬能粉碎機及日本島津公司生產(chǎn)的 AG-250KNI 電子精密材料試驗機等等[4] ꎮ

  本文來源:《粘接》Adhesion magazine,創(chuàng)刊于1980年,是我國第一批公布的學(xué)術(shù)期刊,面向國內(nèi)外公開發(fā)行,注重國內(nèi)外粘接及化學(xué)、化工領(lǐng)域的新理論、新動態(tài)、新成果、新技術(shù)、新產(chǎn)品、新設(shè)備和新材料等前沿信息服務(wù),保障科學(xué)研究,服務(wù)現(xiàn)代社會為己任,始終堅持面向?qū)<覍W(xué)者,面向廠礦企業(yè),面向大專院校、面向社會大眾的服務(wù)宗旨,為我國化學(xué)工業(yè)學(xué)科的研究、學(xué)術(shù)交流和教育事業(yè)的發(fā)展正在全力以赴。

  3.2 化學(xué)實驗方法與制備流程

  首先ꎬ將獲取的 K2Ti6O13晶須作為改性劑ꎬ按照不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入到物質(zhì)量比為(0.4 ~ 0.7) ∶ 2 的混合填料中ꎬ混合填料的主要化學(xué)原料成分為金屬鋁粉與 A12O3 ꎬ通過 K2 Ti6O13晶須與混合填料的結(jié)合ꎬ獲取新的無機膠粘劑原料ꎬ然后再將新的混合化學(xué)物以 70% ~ 80%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入到模數(shù)為 3.1的硅酸鹽原料中ꎬ通過攪拌機對實驗樣品進行充分?jǐn)嚢?#41900;使得混合物的 pH 值大于 9ꎬ即獲取新的改性膠粘劑ꎮ 其次ꎬ固化劑優(yōu)化ꎬ粘結(jié)劑中最重要的化學(xué)物質(zhì)主體就是固化劑ꎬ通常情況下ꎬ固化劑在整個化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑制備中發(fā)揮著物質(zhì)固化與融合的作用ꎮ 以本實驗中化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑制備的需要ꎬ重點選取了二氧化硅固化劑ꎬ二氧化硅是一種常見的實驗試劑ꎬ也是化學(xué)實驗領(lǐng)域中的主要實驗室耗材ꎮ 根據(jù)以往的實驗研究經(jīng)驗ꎬ很多情況下由于對二氧化硅試劑選擇的不充分ꎬ導(dǎo)致化學(xué)實驗中斷與失敗ꎮ 因此ꎬ二氧化硅固化劑作為本次化學(xué)改性硅酸鹽制備流程中的主要化學(xué)原料ꎬ需要尤為注重試劑的選材ꎬ要做好二氧化硅固化劑的質(zhì)量檢測ꎬ在符合化學(xué)實驗標(biāo)準(zhǔn)的情況下進行使用ꎬ其取量標(biāo)準(zhǔn)為:每一固定單位的二氧化硅固化劑含 SiO2 ≥99.0%、Cl≤0. 005%、鹽酸可溶物≤0. 2%ꎮ 最后ꎬ考慮到化學(xué)改性硅酸鹽固化劑的增強需要、粘結(jié)劑化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定性ꎬ本次實驗方案中選取了 Al2O3粉末ꎮ Al2O3具有化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定性強、化學(xué)結(jié)合率高、試劑易收集的優(yōu)點ꎬ將其應(yīng)用于化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑的成品中ꎬ能夠大幅度的增強化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑的強度、力度ꎬ因此ꎬ將其作為粘結(jié)劑主體的骨架填料[5] ꎮ 另外ꎬ值得注意的是ꎬ在化學(xué)改性硅酸鹽制備的過程中ꎬ將涉及到化學(xué)物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化與反應(yīng)ꎬ因此ꎬ要做好化學(xué)改性硅酸鹽制備中安全事項的管理ꎮ 以二氧化硅固化劑與硅酸鹽物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)為例ꎬ由于二氧化硅本身具備很強的刺激性ꎬ一旦與實驗者的眼睛、皮膚觸碰后ꎬ就容易引起實驗受傷ꎮ 因此ꎬ整個化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑制備需要嚴(yán)格按照化學(xué)實驗流程實施ꎮ 通過 K2Ti6O13晶須為主要的改良劑ꎬ加之適應(yīng)的固化劑、填充料作化學(xué)材料輔助ꎬ將化學(xué)性能改良劑與原有的硅酸鹽粘結(jié)劑原理進行混合ꎬ在符合標(biāo)準(zhǔn)的機械儀器中進行制備ꎬ從而獲取改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑ꎮ

  3.3 實驗樣品的測試與表征分析

  首先ꎬ采用正交的實驗方法ꎬ對實驗樣品的性能與表征進行測試ꎮ 在化學(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)劑的粘接強度性能、抗壓性能分析上ꎬ主要采用 GB/ T 12833—2006標(biāo)準(zhǔn)ꎬ使用萬能試驗機測定(加載速率為 5 mm/ min)ꎮ其中ꎬ為了保證對化學(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)劑粘接強度的平均化測試ꎬ確保測試分值的穩(wěn)定ꎬ本研究采用了3 輪測試法ꎬ在 3 輪測試中ꎬ實驗樣品的標(biāo)準(zhǔn)有所差異ꎬ第一輪取含有 10%的 K2Ti6O13晶須的硅酸鹽粘結(jié)劑在標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境下進行固化ꎬ實驗樣品完全固化后ꎬ將硅酸鹽粘結(jié)劑樣品放入最大載荷可達(dá) 8.6 kN 的機械設(shè)備中進行壓力測試ꎬ通過對化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑的持續(xù)施壓ꎬ陸續(xù)記錄被施壓物的抗壓標(biāo)準(zhǔn)值ꎮ 第二輪與第三輪分別取含有 20%的 K2Ti6O13晶須、30%的 K2Ti6O13晶須重復(fù)第一輪步驟ꎮ 通過 3 輪壓力值的記錄ꎬ分析出化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑粘接強度值(見圖 1)ꎮ 其次ꎬ對化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑的耐水性進行測試ꎬ按照 GB/ T 1733—1993 標(biāo)準(zhǔn)進行測定ꎬ先將化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑樣品進行固化ꎬ將固化樣品放入到 1 000 mL 的水中ꎬ浸泡24 hꎬ其中ꎬ每隔 8 h 對固化樣品的變化特征記錄一次ꎬ將浸泡 24 h 之后的固化樣品取出ꎬ通過壓力器ꎬ測試其浸泡后的粘接強度值ꎬ分析水浸泡對化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑的性能影響ꎮ 最后ꎬ測量化學(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)劑的耐熱性、耐腐蝕性ꎬ其中ꎬ耐熱性按照 DSC ̄TGA(差示掃描量熱分析-熱失重分析)法進行表征(升溫速率為 15 K/ min)測量ꎬ即先將化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑樣品研磨至粉末ꎬ然后在不同標(biāo)準(zhǔn)的溫度下進行其耐熱性能的測試ꎬ通過實驗樣品的升溫速度來分析化學(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)劑的抗熱性能臨界值ꎮ 而抗腐蝕性能測試上ꎬ主要將樣鋼蠟封ꎬ面積留出 1 cm×l cmꎬ涂上膠液ꎬ試樣吲哚干燥后浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3. 5% NaCl 溶液中ꎬ采用三電極體系法進行測試[6] ꎮ

  4 化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑的制備結(jié)果與討論

  4.1 K2Ti6O13晶須含量對膠粘劑粘接性能的影響

  通過對化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑的粘接強度、抗壓強度、固化時間、耐水性能分析可知ꎬ不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 K2Ti6O13晶須對硅酸鹽粘結(jié)劑的綜合性能影響較大ꎮ 通過實驗分析可知ꎬ較佳的 K2 Ti6O13晶須添加量應(yīng)為硅酸鹽粘結(jié)劑化學(xué)總量的 9.6%ꎮ在 K2Ti6O13晶須的添加量不足硅酸鹽粘結(jié)劑總含量的 9.6%時ꎬ其粘接強度的變化明顯不高ꎬ抗壓性能也不理想ꎻ而當(dāng) K2Ti6O13晶須的添加量超過 9.6%時ꎬ則硅酸鹽粘結(jié)劑的粘接強度仍然停留在 9.6%的線值上ꎬ甚至出現(xiàn)了微許下降的態(tài)勢ꎮ 其中ꎬ在實驗分析中發(fā)現(xiàn)ꎬ硅酸鹽的種類、硅堿比、骨架材料的種類明顯影響硅酸鹽類膠粘劑的粘接性能與耐水性能[7] ꎮ 另外ꎬ骨架材料與被粘基材的配合骨架材料與被粘基材的熱膨脹系數(shù)也是影響無機膠材料抗腐蝕性能、耐熱性能、耐水性能的主要因素ꎮ 關(guān)于K2Ti6O13晶須對硅酸鹽粘結(jié)劑的綜合性能影響如圖 1 所示ꎮ

  4.2 化學(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)劑的材料性能

  化學(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)劑的耐熱性能ꎬ通過對實驗樣品的耐熱性測試可知ꎬ經(jīng)過化學(xué)改性后的硅酸鹽粘接性抗熱性直線上升ꎬ化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑的主要成分為硅鋁酸鹽等物質(zhì)ꎮ 由于硅鋁酸鹽等無機聚合物具有良好的抗熱性能ꎬ因此ꎬ將化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑放在 150 ℃的封閉空間中加熱處理ꎬ通過加熱處理ꎬ再對化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑的耐熱性測試ꎬ經(jīng)過測試可知ꎬ化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑的耐熱性可達(dá) 1 300 ℃ ꎬ并且線膨脹系數(shù)已經(jīng)與鋼鐵相近ꎬ電性能在常溫環(huán)境下絕緣性能良好ꎮ 因此ꎬ通過實驗測試可以得知ꎬ傳統(tǒng)的硅酸鹽粘結(jié)劑雖然具備了一定的抗熱性能ꎬ但是抗熱性往往達(dá)不到 100 ℃ 以上ꎬ在 100 ℃ 以上的高溫環(huán)境下ꎬ傳統(tǒng)的硅酸鹽粘結(jié)劑的粘接性能會持續(xù)下降ꎬ直至粘接實效ꎻ而經(jīng)過對原有的硅酸鹽粘結(jié)劑的化學(xué)改良ꎬ其抗熱性能大幅度增強ꎻ并且ꎬ也具備了良好的耐油、耐溶劑、耐藥品、耐水的特性ꎬ可以廣泛的適用于填充、密封、涂層等用途ꎬ更適用于發(fā)熱元件的密封、灌封ꎮ 另外ꎬ在化學(xué)改性后的硅酸鹽耐水性能方面ꎬ經(jīng)過實驗測試ꎬ本實驗化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑在-60 ℃的水中浸泡 24 hꎬ仍然能夠保證膠體的不收縮ꎮ 因此ꎬ對化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑加入一定量的 K2Ti6O13晶須之后ꎬ其制備成的粘結(jié)劑成品的耐水性提升明顯ꎬ化學(xué)改性后硅酸鹽粘結(jié)劑的粘接強度、耐熱性與耐水性模擬如圖 2 所示[8] ꎮ

  5 結(jié)語

  硅酸鹽粘接劑作為目前市場上常見的無機膠ꎬ經(jīng)過一定的化學(xué)改性后ꎬ不僅顯著增強了它的抗壓能力、粘接強度ꎬ更提高了粘接劑產(chǎn)品的耐腐蝕性、耐熱性、耐水性等ꎮ 本研究中ꎬ通過采用標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)制備方法ꎬ在規(guī)定的化學(xué)實驗環(huán)境與設(shè)備儀器輔助下ꎬ主要以 K2Ti6O13晶須為改性劑ꎬ加以其他粘結(jié)劑的加入ꎬ促進新的化學(xué)改性硅酸鹽粘結(jié)劑的形成ꎮ 通過對改性后硅酸鹽粘結(jié)劑綜合性能測評知ꎬ化學(xué)改性后的硅酸鹽粘結(jié)劑性能值提升明顯ꎮ 該制備方案與結(jié)果數(shù)據(jù)可供化工領(lǐng)域借鑒ꎬ更好的促進硅酸鹽粘結(jié)劑的研究與應(yīng)用ꎮ——論文作者:滕添志

  【參考文獻】

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