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铁虫 (初入文坛)

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专业: 磁共振成像技术与造影剂

[交流] 低场核磁共振技术在多孔材料中的应用已有2人参与

简介
多孔材料中的孔从纳米到数百微米,大小不等,有一定分布范围。孔的类型也有多种,有开口的孔,也有封闭的孔。除绝对密实状态的材料外，所有的材料的许多性质如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性等与材料构造的疏密程度都有关系，除决定于孔隙率的大小以外，还与孔隙的构造特征（包括孔隙、是否连通、分布情况）密切相关。一般而言，同一材料，孔隙率越小连通孔越少，强度越高，吸水性越小，抗渗性及抗冻性越好，导热性就越大，吸声性能越小。
应用实例:
1. 混凝土孔隙测定
混凝土是一种典型的多孔介质材料，孔隙分布错综复杂，孔径尺寸跨越微观尺度和宏观尺度，对混凝土强度产生巨大影响，,如强度、变形、容重、导热性、吸水性、抗渗性及耐久性等。
压汞法测量材料的孔径分布是非常有效和实用的方法,但该方法的测量结果受到很多因素的影响：试样要有代表性，水泥混凝土中含有许多凝胶孔,孔内含有结构水,在干燥时,部分可蒸发的结构水逸出产生凝胶微晶孔。对于水泥样品取样后要立即中止水化,然后进行低温干燥；在实验中必须保持汞的洁净；压汞法测量的只能是开口的孔，测量出来的孔径分布将小于实际的孔径分布。汞压入法由于在检测过程中会接触到汞(剧毒) , 尤其汞具有很强的挥发性, 操作不当会对人体造成伤害, 因此, 应小心操作且按规定处理实验废弃物。
多孔材料在液体中饱和之后进行冷却，可以得出不同熔点所对应的孔隙分布曲线。核磁共振中弛豫技术被应用于解释水泥水化过程中硬化体微结构的变化过程。在室温下，运用NMR的弛豫技术，毛细孔中水的冰点与毛细孔的曲率半径有关，不同的凝结——融化温度所对应的NMR弛豫时间不同，利用吉布斯——开尔文公式可以换算出孔隙的分布。
NMR可以非常方便地用来测量50到1 000 A的孔隙，这种方法具有快速、精确、高重复性等特点。低场核磁共振弛豫分析技术可以容易地检测水泥基材料孔隙的分布，并具有HIP、SXRD等无可比拟的优越性。其样品处理过程简单，测试前样品不需要进行干燥处理，能很好的保持样品原貌。
2. 燃料电池薄膜
聚合物电解质燃料电池（PEFC）因其高能效和高功率，在汽车业和局部发电系统中有很广阔的应用前景。虽然燃料电池得到长足发展，但仍有一些技术难题制约着它的实际应用，其中之一是固态燃料电池薄膜中的水分管控。一旦水分减少，电池的离子传导率就会迅速降低，影响电池性能，所以控制薄膜的水和过程，了解水分传输是燃料电池薄膜的重要课题。
薄膜中水的扩散系数随水含量的升高而增大，成为核磁共振检测水分的对象，利用配备有梯度的脉冲核磁设备即可检测扩散系数。另外磁共振成像也是检测水分分布及迁移的好方法，能故实时动态观测水分含量。磁共振分析和成像技术对样品无损伤，无侵入性，可对同一个样品进行纵向观察，具有其他方法不可比拟的优点，我们相信磁共振技术会成为辅助燃料电池发展的有力推手。
3. 木材干燥
木材是人类最早应用的材料之一，与人类生活密不可分。为了方便储存或处理，通常会对其进行干燥以免腐烂。低场核磁共振弛豫技术已显示出其在水分相态检测和含量测定的优越性能，利用横向弛豫时间能够区分木材中各个相态的水分。通常三类不同的T2对应着三类不同的水分：长T2（导管中的流动水），中T2（纤维中的水）和短T2（束缚水或细胞壁水）。磁共振成像能提供形象的结构信息和组织内的水分分布。弛豫技术和成像技术准确度高，对样品无损伤，不需要其他实际不污染环境，是绿色环保的检测手段。
4. 土壤中未冻水含量研究
未冻水是影响冻土硬度的最主要指标，直接关系到周围建筑的坚固程度。相比于热量测定与时域反射技术，核磁的结果更准确可靠，而且在冻融过程中对样品毫无损伤。核磁中的自旋-自旋弛豫时间T2是测试的重要参数，自然土壤样品中含有自由水，毛细孔水和粘土结合水，他们的T2有差别，我们利用T2分布，就能确定各自的含量。

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