农田负压灌水器的材料学基础与制备工艺研究

The watering efficiency of negative pressure irrigation is low, which is difficult to meet the watering requirements for crop growth. Increasing the hydraulic conductivity of the porous ceramic body on emmiter is an effective way in increasing the watering efficiency of negative pressure irrigation. By this mean the dimension of emmiter may also be decreased, which is helpful for reducing the cost of emmiter. In this study, from the microscopic point of view, the pore size of the porous ceramic will be optimized by chemical vapour deposition, the porous ceramic body will be increased in hydraulic conductivity and reliability at the same time, the watering efficiency of negative pressure irrigation will be improved. Based on the existing synthesis methods of porous ceramics and techniques of chemical vapour deposition, explore the synthesis technique of porous ceramic with gradient pore size, study the effect of gradient pore size on the watering flow and reliability, reveal the mechanism of gradient pore size in improving the watering flow and reliability of porous ceramic body. The results obtained in this research is helpful for expanding the approach of optimizing negative pressure irrigation, reducing the fabrication cost of emmiter, eliminating the contradiction between watering flow and reliability.

负压灌溉出水效率低，难以满足作物生长所需灌溉要求。增大负压灌水器上微孔陶瓷体的导水度可提高负压灌溉的出水效率，同时减小灌水器的尺寸，降低灌水器的成本。本项研究拟从材料学的微观角度入手，采用化学气相沉积法对微孔陶瓷体的孔径进行设计优化，在不降低其可靠性的同时增大其导水度，达到提高负压灌溉出水效率的目的。在研究过程中，基于已有的微孔陶瓷制备方法和化学气相沉积工艺，探索孔径渐变微孔陶瓷的制备工艺，研究孔径渐变对微孔陶瓷负压灌水器出水流量和可靠性的影响，揭示孔径渐变对微孔陶瓷负压灌水器出水流量和可靠性的改善机理。本研究的成果有助于拓展负压灌溉的优化途径，降低负压灌水器的制造成本，消除负压灌水器出水流量和可靠性之间的矛盾。

干旱缺水严重影响着我国西北地区农业的发展，采用节水、节能的灌溉方法是缓解水资源危机和保证粮食安全的必然选择，其中渗灌由于其显著的经济效益、社会效益和生态效益，受到人们的瞩目。负压灌溉作为一种新型的渗灌方式，具有结构简单、成本低廉，能够自动、精准、高效满足作物需水要求的特点。负压灌溉的优点已从理论和实验上得到了验证，但该灌溉技术的主体部件—微孔陶瓷灌水器的规范化制备工艺研究不足，其详细的水力性能影响因素的实验研究难以系统开展。本项目首先从材料学的基础研究入手，以廉价易得的粘土和炉渣作为主要原料，以硅藻土、硫酸钙、硅溶胶等作为性能改良剂，探索了多套渗灌用微孔陶瓷材料的规范化制备工艺；详细研究了各种微孔陶瓷的微观结构、物理和力学性能；通过改变原料的配比，对微孔陶瓷的孔隙率和孔径进行了调节。然后，从灌溉水力学研究方面，将微孔陶瓷制成灌水器，详细研究了微孔陶瓷的厚度、孔隙率和孔径对其渗透系数和灌水器水力性能的影响规律，建立了微孔陶瓷的物理特性与渗流特性的对应关系，揭示微孔陶瓷灌水器的渗流特性和渗流机理。最后，基于微孔陶瓷灌水器的水力性能研究，拟合了满足作物需水要求的关于灌水器的出流量、微孔陶瓷的厚度、孔隙率和渗水面积以及灌溉系统水头五个因素之间的关系函数，为微孔陶瓷灌水器在渗灌过程中的科学应用提供了指导。本项目的研究成果，为微孔陶瓷灌水器的规范化制备提供了实践依据，有助于拓展其它节水灌溉技术的研究和发展思路。通过种植番茄，测试粘土基微孔陶瓷灌水器在负压灌溉上的应用效果，探索了灌溉系统的水头变化对土壤含水率、番茄的产量以及水分利用效率的影响规律，为微孔陶瓷灌水器的实际应用积累了经验。