泡沫陶瓷的制备及其性能表征的研究

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毕 业 论 文 题 目 泡沫陶瓷的制备及其性能表征的研究 学院专业班级 材料化学09-1班 学 生 姓 名 姜峰 性别 男 指 导 教 师 赵苏 职称 教 授

2013年6月10日

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摘要

泡沫陶瓷材料的发展始于20世纪70年代，是一种具有高温特性的多孔材料。由于它具有气孔率高、比表面积大、抗热震、耐高温、耐化学腐蚀及良好的机械强度和过滤吸附性能，可广泛应用于热交换材料，布气材料，汽车尾气装置，净化冶金工业过滤熔融态金属，热能回收，轻工喷涂行业，工业污水处理等。

本文以以贝壳粉为造孔剂，研制氧化铝泡沫陶瓷。通过对制品体积密度、显气孔率、吸水率等性能的测试，分析了贝壳粉掺量对泡沫陶瓷性能的影响。实验表明，适量添加贝壳粉作造孔剂，可制得性能较好的氧化铝泡沫陶瓷。在本实验研究条件下，当贝壳粉掺量为10% 时，可制得外观良好、吸水率为29.92%，体积密度1.16g/cm3，显气孔率33.78% 的氧化铝泡沫陶瓷制品。

关键词：泡沫陶瓷;贝壳粉;制备;性能

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Abstract

Development of foam ceramics began in the nineteen seventies, is a kind of high temperature properties of porous materials. Because it has a high porosity, chemical corrosion resistance and good mechanical strength and adsorption filtration performance of large specific surface area, thermal shock resistance, high temperature resistance, and can be widely applied to the heat exchange materials, cloth material, automobile exhaust purification device, filtering molten metallurgical industrial metal, heat recovery, light industry and coating industry, industrial wastewater processing etc..

Foam ceramic can be made by adding shell powder as foaming agent to ceramic raw materials.The influence of the shell powder on the quality of foam ceramic was analyzed through their related properties such as bulk density, open pore porosity, water absorption and so on. It is found that by adding proper shell powder, the better quality foam ceramic can be made.On the condition of this experiment, when the shell powder content is 10%, can be obtained with good appearance, water absorption rate was 29.92%, 1.16g/cm3, bulk density, apparent porosity of alumina foam ceramic products 33.78%.

Key words: the foam ceramic; the fly ash; preparation; research

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目录

第一章 绪论 ............................................................................................................... 1

1.1泡沫陶瓷........................................................................................................... 1 1.2历史................................................................................................................... 1 1.3现状................................................................................. 错误！未定义书签。

1.3.1概况....................................................................... 错误！未定义书签。 1.3.2泡沫陶瓷国内外技术水平................................... 错误！未定义书签。 1.4意义................................................................................................................... 4

1.4.1................................................................................ 错误！未定义书签。 1.4.2.................................................................................................................. 7 1.4.3................................................................................ 错误！未定义书签。 1.4.4................................................................................ 错误！未定义书签。 1.4.5................................................................................ 错误！未定义书签。 1.5性能................................................................................................................... 7

1.5.1气孔率..................................................................................................... 7 1.5.2抗弯强度................................................................................................. 7 1.5.3泡沫玻璃作绿化用保水材料............................................................... 15 1.6.......................................................................................... 错误！未定义书签。

1.6.1................................................................................ 错误！未定义书签。 1.6.2 .............................................................................................................. 16 1.6.3................................................................................ 错误！未定义书签。 1.6.4................................................................................ 错误！未定义书签。

第二章 实验部分 ....................................................................................................... 17

2.1实验目的......................................................................................................... 18 2.2实验药品及仪器............................................................................................. 18 2.3试验方法......................................................................................................... 18 2.4实验过程......................................................................................................... 19

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2.4.1................................................................................ 错误！未定义书签。 2.4.2................................................................................ 错误！未定义书签。

第三章 实验结果及分析 ........................................................................................... 20

3.1实验结果......................................................................................................... 20 3.2数据处理......................................................................................................... 21 3.3实验结果分析................................................................. 错误！未定义书签。

3.3.1................................................................................ 错误！未定义书签。 3.3.2................................................................................................................ 24 3.3.3................................................................................ 错误！未定义书签。 3.3.4................................................................................ 错误！未定义书签。 3.3.5................................................................................ 错误！未定义书签。 3.4.......................................................................................... 错误！未定义书签。 第四章 结论 ...................................................... 27 参考文献 .......................................... 错误！未定义书签。 致谢

附录一 中文译文 附录二 英文原文

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第一章 前言

1.1泡沫陶瓷

泡沫陶瓷是一种造型上象泡沫状的多孔陶瓷，它是继普通多孔陶瓷、蜂窝多孔陶瓷之后，最近发展起来的第三代多孔陶瓷产品。这种高技术陶瓷其有三维连遗孔道，同时对其形状、孔尺寸、渗透性、表面积及化学性能均可进 行适度调整变化，制品就像是 “被钢化了的泡沫塑料”或 “被瓷化了的海绵体”。作为一种新型的无机非金属过滤材料，泡沫陶瓷具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、再生简单、使用寿命长及良好的过滤吸附性等优点。

泡沫陶瓷的气孔率高达70％-90％，体积密度只有0.3-0.6g/cm3 ，具有三维立体网络骨架和相互贯通气孔结构的泡沫陶瓷制品[3]。它除了具有耐高温、耐腐蚀等一般陶瓷所具有的性能外，且具有密度小、气孔率高、比表面积大，对流体自扰性强等特点。

泡沫陶瓷材料的发展始于2O世纪7O年代，是一种具有高温特性的多孔材料。其孔径从纳米级到微米级不等，气孔率在20％-95％之间，使用温度为常温-1600℃。

泡沫陶瓷一般可以分为两类，即开孔(网状)陶瓷材料以及闭孔陶瓷材料，这取决于各个孔穴是否具有固体壁面。如果形成泡沫体的固体仅仅包含于孔棱中，则称之为开孔陶瓷材料，其孔隙是相互连通的；如果存在固体壁面，则泡沫体称为闭孔陶瓷材料，其中的孔穴由连续的陶瓷基体相互分隔[7]。但大部分泡沫陶瓷既存在开孔孔隙又存在少量闭孔孔隙。一般来说孔隙的直径小于2nm的为微孔材料；孔隙在2-50nm之间的为介孔材料；孔隙在50nm以上的为宏孔材料。进入21世纪，可持续发展已成为全人类共同关注的话题，我国政府高度重视可持续发展，将可持续发展确定为国家的重大发展战略。如何开发新能源和新材料、减少已有能源与材料的消耗 是其中一个重要方面，已成为科技工作者共同努力的新课题，泡沫材料的开发就是在这种大背景下提出的 泡沫材料按材料性质分为泡沫金属材料和泡沫陶瓷材料，按使用状态又可分为泡沫结构材料和泡沫功能材料泡沫陶瓷材料

泡沫陶瓷也是一种新型陶瓷材料，也可称为泡沫功能陶瓷，其具有密度低、气孔率高、抗腐蚀、耐高温和使用寿命长等优点，能在较大温度范围内正常使用，适用于饮料、酿酒、医药、食用油、污水处理、石油化工、催化剂载体，以及环保等领域的各种超精

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密和无菌过滤。

实际上，人们在很早以前就已经开始使用猫猫陶瓷材料了。比如，人们使用活性碳吸附水分、吸附有毒气体，用硅胶做干燥剂，利用泡沫陶瓷做隔热耐火材料。在热工上利用其多孔、耐热、耐腐蚀等性能，用作隔热材料；在化工中用作催化载体、过滤及分离装置等。泡沫陶瓷成本低廉，制造工艺简单且性能优良，具有广阔的发展空间[13]。

泡沫陶瓷经过高温烧结，内部具有大量彼此连通孔或闭孔。随着制备方法的逐渐成熟和控制孔隙方法的不断改进，泡沫陶瓷独特的性质越来越受到人们的重视，并已经在不同领域得到应用：冶金方面作为过滤器可除去液态金属中的杂质；石化应用方面，因其优良的化学稳定性可作为催化剂载体；汽车行业用来吸收发动机排放的有害气体；医学领域，可作为骨移植材料等。泡沫陶瓷还可以作为吸音材料、隔热材料、敏感元件等。对于泡沫陶瓷的研究，国内外学者已经进行了大量的工作，包括泡沫陶瓷材料的概念研究、制备、基本性能与表征、应用领域等各个方面。

泡沫陶瓷具有独特的结构和性能，在工业中有着广泛的应用前景。泡沫陶瓷具有密度小、透气性高、耐高温、抗化学腐蚀等特性。这种材料比其它泡沫陶瓷材料具有更好的热化学性质[19]。这种材料可以用有机海绵浸浆获得，然后烧去海绵，留下泡沫陶瓷网。这种方法的优点是它包含了过程参数和陶瓷结构，同时合成物的烧结情况及其它条件的影响在文中也有阐述。

泡沫陶瓷是由陶瓷构成的泡沫体。它是由树脂堆积的空隙部分形成陶瓷，堆积部分形成空隙的烧结体。因此是气孔率非常高的多孔体。它具有如下特点：

a)通过流体时，压力损失小； b)表面积大，和流体的接触效率高； c)重量轻 。

1.2历史

泡沫陶瓷是 1978年由美国F．R．mouqird和N．Day idn等人首先研制成功用于铝合金浇注系统，并在1980年4月美国铸造年会上发表了他们的研究成果。用于熔融金属铸造过滤，可以显著提高铸件的质量，降低废品率。我国从80年代初开始研制泡沫陶瓷，目前已在有色合金、黑色合金以及气体净化催化剂载体等方面得到了大量的应用，取得了可观的经济效益和社会效益。

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自1978年美国发明了利用氧化铝、高岭土等陶瓷料浆成功研制出泡沫陶瓷，用于铝合金铸造过滤之后，英、日、德、瑞士等国家竞相开展了研究，生产工艺日益先进，技术装备越来越向机械化、自动化发展，已研制出多种材质，适合于不同用途的泡沫陶瓷过滤器[6]，如氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、硼化物等高温泡沫陶瓷，有的还加入了一定的矿物，如莫来石、堇青石、粉煤灰、煤矸石等，产品已系列化、标准化，形成了一个新兴产业 ，其分类如表1-1所示。

表1-1泡沫陶瓷分类(三线表)

材料类 高硅质碳酸盐材料 硅铝酸盐材料 刚玉金刚砂材料 硅藻土质

骨料 瓷渣 铝土材料 电容刚玉 粘土

耐蚀性 耐水性,耐酸性 耐弱碱,耐酸性 耐水性,耐酸性 耐水性,耐酸性

温度(℃) 700 1000 1600 低温

在70年代初欧美国家就已积极开展该工艺的研究，并研制出可过滤大多数有色金属和合金铸件的多种材质的泡沫陶瓷过滤器。。这些国家目前已有先进的成型、烧成设备和完善的生产工艺制度．可以实现大规模连续化生产。

1.3 现状

1.3.1 概况

时至今日，泡沫陶瓷在冶金铸造工业已获得广泛应用，美、日、德等国已实现陶瓷过滤片产品产业化、系列化。德国FOSECO公司的一个泡沫陶瓷工厂就达到了1亿片的生产规模，并已将这种材料成功用于各种有色金属及黑色金属的过滤净化技术。这些国家的使用表明，运用泡沫陶瓷过滤技术可使铸件夹杂物含量大幅降低、合格率大幅度提高(可提高50％)，可提高铸件的机械性能、延长金属切削加工刀具寿命。国外统计资料：某厂生产铸钢件在没有使用泡沫陶瓷过滤器时，每 500磅铸件的废品与返修费用为96美元，而使用泡沫陶瓷过滤器后，这笔费用降低至57．94美元 (其中包括陶瓷过滤器费用成本)；据估计，目前在全世界范围内每片尺寸为50cm3的金属液泡沫陶瓷过滤片每年销售量近l0亿片(每片价格为1-10马克)。

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在国内，由于受经济技术条件的制约，泡沫陶瓷过滤技术在冶金铸造工业方面的应用才刚刚起步。随着对金属制品纯度、性能等要求的提高，泡沫陶瓷过滤技术及其产品的应 用日益重要。例如，国内列车的大幅提速对车辆关键零部件夹杂物含量以及性能提出了越 来越高的要求。据统计，仅铁道部的客车、货车车辆部件弹簧、窑枕、侧架、承载鞍等钢铸 件浇铸过滤，每年对碳化硅泡沫陶瓷过滤器的需求就超过数千万片[20]。近年来，随着国外汽车制造商进入中国，精密铸造业获得高速发展，碳化硅泡沫陶瓷过滤器的应用也获得高速发展。目前我国由于熔融金属陶瓷过滤器产品质量不稳定，而且尚处于作坊式的小批量生产，远不能满足这个需求，基本上是依靠进口来解决。

我国在2O世纪80年代初开展泡沫陶瓷研究工作。近2O年来，先后有十几家科研机构和厂家报道了泡沫陶瓷制品的研究。但是我国的泡沫陶瓷从整体技术水平上与国外相比还有一定的差距。日本、德国及美国等工业发达国家早在20世纪70年代就已开始了泡沫陶瓷的研制工作，并相继在汽车尾气、冶金工业熔融金属夹杂质过滤及催化剂载体等方面获得了应用，取得了非常好的效果。我国也在20世纪80年代中期开始了此项研究工作，先后有近几十家科研机构采用多种制备工艺方法对泡沫陶瓷的制备进行了探索研究，研制的泡沫陶瓷在高温熔融金属、汽车尾气净化等应用领域达到了实用化技术水平。

根据使用目的和对材料性能的要求，人们已经成功地开发出多种制造泡沫陶瓷的生产工艺，如机械挤出成孔、添加造孔剂、发泡、有机泡沫体浸渍、溶胶一凝胶工艺等。如果泡沫陶瓷要具备匹配的其他性能，尤其是骨架性能，则还需从这种综合陶瓷材料的制备考虑。笔者利用普通陶瓷原料粉为主要原料，适当添加有机造孔剂和高温粘结剂，用普通烧结方法制备出气孔率大、气孔分布均匀、抗压强度大的泡沫陶瓷。

1.3.2 泡沫陶瓷国内外技术水平

(1)国外技术水平

自1978年美国发明了利用氧化铝、高岭土之类陶瓷料浆研制成功泡沫陶瓷用于铝合金铸造过滤。之后，英、日、俄、德、瑞士等国竞相开展了研究。生产工艺日益先进，技术装备越来越向机械化、自动化发展，已研制出多种材质、适合于不同用途的泡沫陶瓷过滤器，如A1 、Zr0、SiC、SiN等高温泡沫陶瓷，产品已系列化、标准化，形成了一个新兴产业[29]。目前世界上生产泡沫陶瓷最大的厂家美国Ar0和se1ee公司，自行生

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产泡沫塑料前驱体．采用浸渍辊压成形机成形，坯体为微波干燥，高温辊道窑采用计算

机监控连续烧成，检测及封装也均机械化，整个生产工艺达到了很高的技术水平。 泡沫陶瓷的应用领域已从金属熔体过滤发展到化工、环保、节能等方面，金属熔体过滤从铝合金发展到高温钢铁熔液的精炼过滤。目前．国际上工业较发达国家的铸造行业，已普遍采用金属熔体过滤工艺，获得了很好的效果。据莫斯科科技情报研究所报道，在产生铁铸件时，采用泡沫陶瓷过滤器，已使铸件的产品台格率提高到80％。当灰口铁和可煅铸铁采用泡沫陶瓷过滤器进行净化、生产汽车用曲柄轴时，仅就机械加工车间废品的数量就从35％降低到0.3％。在连续铸钢中，采用泡沫陶瓷过滤时，对不锈钢中非金属夹杂浸溃成形定形干燥物的含量大约减少20％。国外两个公司泡沫陶瓷的性能见表1-2、表1-3。

表1-2美国产滤片性能

材质

网络数 (孔/英寸)

体积密度 (g/cm3)

气孔率 (%)

抗弯强度 (MPa)

抗压强度 (MPa)

耐温 (℃)

氧化铝 20～45 0.35～0.45 85～90

0.9 1.27 1700

表1-3日本产品性能 材质

体积密度 (g/cm3)

堇青石

0.35

抗弯强度 (MPa) 1.1 1.5 1.8 1.85 2.95

膨胀系数 (×10/℃) 1.4-2.0 4.4 8.1 4.6 3.3

-6

耐温 （℃） 1200 1350 1500 1550 1550

堇青石-氧化铝质 0.35 氧化铝 碳化铝 氮化炉

0.35 0.35 0.35

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色泡沫状陶瓷,有少许裂纹。

3.2分析

3.2.1制品的性能

陶瓷制品或多或少含有大小不同、形状不一的气孔。浸渍时能被液体填充的气孔或和大气相通的气孔称为开口气孔；浸渍时不能被液体填充的气孔或不和大气相通的气孔称为闭口气孔。陶瓷体中所有开口气孔的体积与其总体积之比值称为显气孔率或开口气孔率；陶瓷体中所有闭口气孔的体积与其总体积之比值称为闭口气孔率；陶瓷体中所有开口气孔和闭口气孔的体积与其总体积之比值称为真气孔率，即总气孔率。

实验中，烧结体气孔率检测主要是利用煮沸法。具体过程如下： 1. 在试样中挑选大小，形状合格的样品。

2. 将样品放入烘箱进行多次烘干，直至前后2次样品质量相差不大于0.1%，并记录测量质量m。

3. 将选好的样品放入添加适量水的烧杯中，然后将其煮沸，再继续加热2小时。 4. 之后，停止加热，让其在室温条件下冷却，直至液体温度达到室温。

5. 取出试样，用滤纸吸取试样凸出表面多余的水分，测量样品质量，并纪录m1。 6. 用固体石蜡融化浸泡样品，使石蜡完全封住样品所有的孔洞，再利用排水法测量样品的总体积V，样品研磨成粉末，测定其真体积V3。 设水的密度为1g/cm3，则： 样品带有闭孔口的体积表示为：

V1=m1-m 3—1

开口孔体积V2表示为：

V2=V-V1 3—2

密度表示为：

ρ=m/V 3—3

表观密度表示为：

ρO=m/V2 3—4

气孔率表示为：

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P=（V-V3）/V ?100% 3—5

闭气孔率表示为：

P1=V1/V 3—6

开气孔率表示为：

P2=P-P1 3—7

保温30min后，对1、2、3、4组所做实验的结果如表3-1

表3-1泡沫陶瓷制品显气孔率、吸水率和体积密度等性能随造孔剂含量的变化关系

贝壳粉参量（%） 5 10 15 20

吸水率（%） 24.98 29.92 31.16 32.28 体积密度（g/ml） 1.14 1.16 1.06 1.01 开气孔率（%） 29.62 33.78 34.79 35.64 表3-1为泡沫陶瓷制品显气孔率、吸水率和体积密度等性能随造孔剂含量的变化关系。从表中可以看出，在骨料和造孔剂颗粒尺寸一定的条件下，随造孔剂含量的增加，吸水率和气孔率随之增大（如图1、图2 所示），而体积密度则随之下降（如图3所示）。

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图1 贝壳粉掺量对泡沫陶瓷制品吸水率的影响

图2 贝壳粉掺量对泡沫陶瓷制品显气孔率的影响

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图3 贝壳粉掺量对泡沫陶瓷制品体积密度的影响

3.2.2 造孔剂含量对泡沫陶瓷性能的影响

造孔剂的选择不仅要保证造孔剂在高温下被完全烧尽或完全分解为气相，还要考虑所形成的孔径尺寸与石英骨料堆积形成的孔径成梯度分布，本实验选用贝壳粉

表3—1为贝壳粉作造孔剂，在1650℃条件下保温30min的样品性能随造孔剂含量的变化关系。从表3—1中可以看出，在骨料和造孔剂颗粒尺寸一定的条件下，随造孔剂含量的增加，气孔率随之增大，而体积密度则随之下降。这是因为在泡沫陶瓷坯体的成形过程中，随着造孔剂含量的增大，在烧结后的坯体中留下的空隙和空洞的总体积也随之增加，颗粒间的堆积自然不够紧密，所以气孔率明显增大，而体积密度则必然减少。

上述测试表明，增加造孔剂的含量可提高泡沫陶瓷的气孔率，但样品的体积密度有逐渐降低的趋势。在本实验中，当造孔剂含量超过10％时，泡沫陶瓷制品开裂现象比较 明显，很难得到外表美观的泡沫陶瓷。因此配料中造孔剂的加入量不宜过高。

3.2.4 CMC含量对泥料性能的影响

本实验泡沫陶瓷制品的坯料配方中含有一定数量的CMC，CMC的存在一方面赋予

坯体在低温下具有一定的强度，另一方面，作为一种陶瓷结合剂材料，高温熔融或与其

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它原料共熔形成一定量的玻璃相而赋予制品更高的机械强度。在挤出成型工艺泥料制备过程中，CMC又是一种很好的塑化剂，可以有效地提高泥料的可塑性，便于成型。因此，在不影响制品性能的前提下，坯料配方中尽量引入CMC。当然引入CMC，坯体在干燥时，由于水分的排除会产生较大收缩，容易引起坯体变形开裂。为了降低挤出成型坯体在干燥和烧成时的收缩，在保证挤出成型时所要求塑性的前提下，CMC的加入量应尽量减少。

3.2.4保温时间对样品性能的影响

表3—(a)、(b)是贝壳粉含量为20%，固相体积分数为40%的陶瓷浆料经固化烧结。在1650℃的烧结温度下，同的保温时间制得的样品性能。

从表3—(a)、(b)中可以看出，随着保温时间的延长样品的孔隙率先升后降，而样品的体积密度却有相反的变化趋势，显然最佳烧成时间为30min。随着保温时间的延长。液相量增多，气孔逐渐排出和减少。足够长的保温时间下粘度大的熔融液相会填充因淀粉挥发而形成的微孔，从而导致孔隙率下降，但幅度不大。所以要得到性能优良的多孔陶瓷，保温时间要适宜，不能太长。

表3—2 保温时间对孔隙率的影响

保温时间(min) 孔隙率(%) 20 33 30 35 40 32 50 31

表3—3保温时间对体积密度的影响 保温时间(min) 体积密度(g/cm3) 20 1.08 30 1.01 40 1.07 50 1.09 3.2.5烧结温度对样品性能的影响

表3—4、表3-5是贝壳粉含量为20% ，固相体积分数为40%的陶瓷浆料经固化烧结，在不同烧结温度下制得的样品的性能。从中可以看出随着烧成温度的升高，样品的孔隙率降低，体积密度增大。当烧结温度12000℃时，样品的烧结程度低，体积密度很

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[40]陆佩文，等．硅酸盐物理化学[M] 东南大学出腹社1991

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致谢

经过三个多月的实验，论文终于顺利完成。感谢赵苏老师的精心指导。从论文的选题，研究计划的安排，具体的研究内容以及论文的撰写到修改和定稿的全过程，刘阳老师都给予了严格的要求和精心的指导。刘阳严谨的治学态度，广博的知识，扎实的工作作风，一丝不苟的处世态度，忘我的奉献精神，不仅给予我学术思想上的启迪，更给予我坚忍不拔的奋斗精神，尤其在学习和研究的关键时刻，老师更是给予我无私的帮助和鼓励。使我在学习知识的同时，学到了做人的美德，使我在实验过程中不知不觉地提高了自己。此外，还要感谢实验室众多老师在仪器和药品方面的大力帮助。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/06vg.html