第一篇：燃料電池的研究進展及應用前景

燃料電池的研究進展及應用前景

王興娟，王坤勛，劉慶祥

（1.國家知識產權局專利審查協作中心，北京100083；2.中國石油大學（北京）重質油實驗室，北京102200； 3.濰坊市產品質量監督檢驗所，山東 濰坊261000）

摘要：燃料電池的特點決定了它具有廣闊的應用前景。目前燃料電池的研究與開發集中在4個方面：即電解質膜、電極、燃料、系統結構。固體氧化物燃料電池在應用上雖然還存在一些問題（如電極材料、制造成本、操作溫度過高等），但這并未影響其開發研究以及商業化，固體氧化物燃料電池是當今世界能源電池發展的主方向。

關鍵詞：燃料電池；能源；固體氧化物；研究進展

中圖分類號：TM911.4 文獻標識碼：B 文章編號：1671-4962（2011）01-0006-04

能源問題近些年一直受到廣泛的關注。隨著三大化石能源的不斷使用，能源儲備、過度開采，環境問題越來越嚴重。世界能源組織調查顯示，包括煤、石油、天然氣等在內的礦物質能源將在未來的100~200年內耗盡，新的能源利用技術將被不斷的開發并利用起來。燃料電池就是一種潛力巨大的新能源。1 燃料電池概述

燃料電池是一種使用燃料進行化學反應產生電能的裝置。所用燃料包括純氫氣、甲醇、乙醇、天然氣，以及現在運用最廣泛的汽油。最常見是以氫氧為燃料的質子交換膜燃料電池，由于燃料價格便宜，無化學危險、對環境無污染，發電后產生純水和熱，這是目前其它所有動力來源無法做到的。

由于燃料電池產生的電量較小，無法瞬間提供大量電能，因此只能用于平穩供電。目前一些筆記本電腦開始研究使用燃料電池。將燃料電池作為汽車的動力，已被公認為是21世紀的必然趨勢。

燃料電池用可燃性的燃料與氧反應產生電力。通常可燃性燃料如瓦斯、汽油、甲烷、乙醇、氫等這些可燃性物質都要經過燃燒來加熱水，使水沸騰產生水蒸汽并推動渦輪進行發電。這種轉換方式大部分的能量通常都轉為無用的熱能，轉換效率相當的低，只有30%左右；而燃料電池則是以特殊催化劑使燃料與氧發生反應產生二氧化碳和水，因無需推動渦輪機等發電器具，也不需要將水加熱成水蒸氣再經散熱變回水，所以能量轉換效率高達70%左右，比一般的能源利用方式高出40%，且二氧化碳排放量比一般方法低許多，水又是無害的產物，因此也是一種低污染性的能源。2 燃料電池的分類

（1）按燃料電池的運行機理可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。

（2）按電解質的種類不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池等。在燃料電池中，磷酸燃料電池、質子交換膜燃料電池可以冷起動和快起動，可以作為移動電源，滿足特殊情況的使用要求，更加具有競爭力。

（3）按燃料類型分，有氫氣、甲烷、乙烷、丁烯、丁烷和天然氣等氣體燃料；甲醇、甲苯、汽油、柴油等有機液體燃料。有機液體燃料和氣體燃料必須經過重整器“重整”為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。

（4）按燃料電池工作溫度分，有低溫型，工作溫度低于200 ℃；中溫型，工作溫度為200～750 ℃；高溫型，工作溫度高于750 ℃。

在常溫下工作的燃料電池，例如質子交換膜燃料電池，這類燃料電池需要采用貴金屬作為催化劑。燃料的化學能絕大部分都能轉化為電能，只產生少量的廢熱和水，不產生污染大氣環境的氮氧化物。不需要廢熱能量回收裝置，體積較小，質量較輕。但催化劑鉑會與工作介質中的一氧化碳發生作用后產生“中毒”現象而失效，使燃料電池效率降低或完全損壞，而且鉑的價格很高，增加了燃料電池的成本。

另一類是在高溫（600~1 000 ℃）下工作的燃料電池，例如熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池，這類的燃料電池不需要采用貴金屬作為催化劑。但由于工作溫度高，需要采用復合廢熱回收裝置來利用廢熱，體積大，質量重，只適合用于大功率的發電廠中。3 燃料電池的研究進展 3.1 國內的研究現狀

早在20世紀50年代，我國就開展燃料電池方面的研究，在燃料電池關鍵材料、關鍵技術的創新方面取得了許多突破。政府十分注重燃料電池的研究開發，陸續開發出30 kW級氫氧燃料電極、燃料電池電動汽車等。燃料電池技術特別是質子交換膜燃料電池技術也得到了迅速發展，相繼開發出60 kW、75 kW等多種規格的質子交換膜燃料電池組。開發出電動轎車用凈輸出40 kW、城市客車用凈輸出100 kW燃料電池發動機，使中國的燃料電池技術跨入世界先進國家行列。

國內對質子交換膜燃料電池的各個組件的開發研究都取得了較大的進展。其中對于催化劑方面：清華大學科研人員研制出新型鉑/碳電極催化劑。將碳載體在使用前置于一氧化碳中活化處理，即將碳載體置于流動的一氧化碳氣中加熱到350~900 ℃，活化處理l~12 h，再用沉淀法把Pt負載到碳載體上，得到Pt/C催化劑；長春應用化學研究所研制出納米級高活性電催化劑用作陽極催化劑。該催化劑粒度均勻，粒徑約（4±0.5）nm，電化學性能優于國際同類產品；復旦大學利用沉淀方法在表面活性劑存在時，制得納米負載壁鉑/碳催化劑，該催化劑使用效果非常好；此外，我國科研人員在研究催化劑時普遍把粉末狀活性炭加入氯鉑酸溶液，再加入過量甲醛還原，反應中采用軟脂酸、硬脂酸或硅油作為表面活性劑，摻雜組分是Pd、Ir、Ru等金屬元素或非金屬物質之一。

在電極組合件方面：北京世紀富原燃料電池有限公司開發出橫板涂敷法，在一片質子交換膜上制作多個膜電極的燃料電池，由一片質子交換膜、多個催化層和多個擴散層組成多個膜電極，由多個膜電極和多個導流板組成多個發電單元；北京太陽能新技術公司研制出陶瓷型無機復合材料厚膜電極，材料中組分質量百分含量為：石墨25％~30％、Ag 25％~30％、PbO 30％~35％、BO 6％~8％、SiO22％~4％，將金屬或非金屬與導電粉末等氧化物組成的無機粘結劑摻合，絲網印刷，燒結，形成微觀網絡式導電通道。

在質子交換膜方面：清華大學研制出聚偏氟乙烯接枝聚苯乙烯磺酸PEM。聚偏氟乙烯溶于甲基吡咯烷酮溶劑中，將該高分子溶液加熱至甲基吡咯烷酮的沸騰溫度，在該溫度下回流0.5~5 h，溫度降至90 ℃，然后向溶液中加入引發劑，在90 ℃保溫1~5 h后降至室溫，再向溶液中加入三氯甲烷，直至不溶性固體全部沉淀，將固體取出，加引發劑，再經處理便制得此種質子交換膜。

在雙極板方面：天津電源研究所研制出實用新型雙極板，它包括金屬板氣體反應區域、氣體進口、氣體出口。金屬板上、下面氣體反應區域周圍分別設有凹槽，氣體進口、氣體出口與氣體反應區域之間分別設置有暗孔道。該設計改善了電池組的密封性，延長了其壽命，提高了性能；大連化學物理研究所研制出的雙極板由3層薄金屬板構成，中間為導電流不透氣液的分隔板，兩邊分別置有帶條狀溝槽的導流板，條狀溝槽占整個工作面積的50％~80%。這種新穎的設計提高了反應氣的利用率，從而提高了電池性能。

在電解質方面：吉林大學研制出固體復合電解質，它由基體材料Ce1-xRexO2-d和Ni、Al、Co、Na、Ca、K的金屬化合物或NiAl化合物添加劑合成，經過混合、研磨、燒結、冷卻、粉碎、研磨等工藝制成。它是用模具直接壓制成薄片，燒結后強度可達到10 MPa。用它作PEMFC電解質，可使用甲醇、乙醇、甲烷和乙烷等多種燃料；上海交通大學研制出新型電解質—帶磺酸鹽側基、羧酸鹽側基的聚芳醚酮，該聚合物可作為PEM的陽離子組分。3.2 國外的研究現狀

發達國家都將大型燃料電池的開發作為重點研究項目，企業界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術的研究與開發，現在已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統發電機及內燃機而廣泛應用于發電及汽車上。值得注意的是這種重要的新型發電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應、電網調峰問題，2 MW、4.5 MW、11 MW成套燃料電池發電設備已進入商業化生產，各等級的燃料電池發電廠相繼在一些發達國家建成。

燃料電池的高效率、無污染、建設周期短、易維護以及低成本的潛能將引爆21世紀新能源與環保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規模應用的階段，將成為21世紀繼火電、水電、核電后的第4代發電方式。燃料電池技術在國外的迅猛發展必須引起我們的足夠重視，現在它已是能源、電力行業不得不正視的課題。

由于堿性燃料電池在實際使用中，往往采用空氣作為氧化劑，會受CO2毒化而大大降低效率和使用壽命，因此，人們認為堿性燃料電池不適合作為汽車動力等方面，并將研究重點轉向了質子交換膜燃料電池，只有少數機構還在對堿性燃料電池進行研究。為了解決堿性燃料電池這一問題國外進行了大量的研究工作。

E.Gulzow等研究發現：當電極采用特殊方法制備時，可以在CO2含量較高的條件下正常運行而不受毒化。在電極制備中，催化劑材料與PTFE（聚四氟乙烯）細顆粒在高速下混合，粒徑小于1mm的PTFE小顆粒覆蓋在催化劑表面，增加了電極強度，同時也避免了電極被電解液完全淹沒，減小了碳酸鹽析出堵塞微孔及對電極造成機械損害的可能性。此外，還允許氣體進入電極，在發生電化學反應的區域形成1個3相區；S.Rahman等將通常電極制備的干法和濕法相結合，提出了過濾法，通過控制PTFE的含量和碾磨時間來優化電極的性能。研究表明：當PTFE的含量為8％（質量分數）、碾磨時間為60 s時，電極性能最好。通過新的電極制備方法，堿性燃料電池可承受較高的CO2濃度；E.Gulzow等在氧氣中加入5％的CO2，對堿性燃料電池電極進行連續3 500 h的實驗，未發現CO2對電極的壽命和性能帶來影響，說明新的電極制備方法可解決電極CO2毒化的問題。

另外也有人提出采用氨作為氫源，避免CO2的毒化問題。氨在室溫下僅需8~9 MPa就可被液化，不需較高能量消耗，且價格低，已有比較完善的生產、運輸體系，而氫的使用則需要較長時間進行基礎設施建設。氨具有強烈刺鼻的氣味，其泄漏很容易檢測。和其它燃料相比，氨更為清潔，不會對土地造成破壞。氨的爆炸范圍比較小，僅15％~28％（體積分數），相對安全。在堿性燃料電池使用中，只需在燃料入口增加1個重整器，將NH3分解為N2和H2即可。所以NH3將有望在堿性燃料電池中廣泛使用，具有較好的發展前景。3.3 燃料電池最新成果

Mobion燃料電池使用了MTIMicro公司的Mobion專利芯片來簡化燃料電池內部的復雜結構，這樣也可以有效降低燃料電池的成本。這種芯片集成了1個流質的能源模塊，可以讓燃料電池在0~40 ℃之間的溫度條件下和任何濕度條件下使用。Mobion芯片采用了100%甲醇設計，并使用了被動直接甲醇燃料電池技術。整個芯片的體積只有9 cm3，可以輕松地被嵌入到各種便攜式電子產品中。MTIMicro公司表示，Mobion燃料電池可以提供0.050 W/cm2和1.4（W·h）/cm3的能量，并且整個芯片的重量不足29 g。4 燃料電池的應用前景

燃料電池的特點決定了它具有廣闊的應用前景。它可以用作小型發電設備；作為長效電池；應用在電動汽車上。

燃料電池用作發電設備，是因為其價格有可能與一般的發電設備相競爭。但燃料電池在電動汽車上的商業應用前景是遠期的，因為汽車需要的是發電機，發電機的價格遠比燃料電池要便宜，因此在短期內，燃料電池汽車在價格上難以與其他汽車相競爭。

目前燃料電池研究與開發集中在4個方面：（1）電解質膜；（2）電極；（3）燃料；（4）系統結構。日美歐各廠家開發面向便攜電子設備的燃料電池，尤其重視（1）~（3）方面的材料研究與開發。第4方面的研究課題是燃料電池的系統結構，前3個方面是構成燃料電池的必要準備，而系統結構是燃料電池的最終結果。

燃料電池，特別是固體氧化物燃料電池的開發研究以及商業化，是解決世界節能和環保的重要手段，受到了包括美國、歐洲、日本、澳大利亞、韓國等世界諸多國家的普遍重視。盡管目前固體氧化物燃料在應用中還存在一些問題，如電極材料、制造成本、操作溫度過高等等問題，但瑕不掩瑜，加快固體氧化物燃料電池發展必然是世界能源發展的總趨勢。

降低電池操作溫度和微型化是固體氧化物燃料電池的發展趨勢。其關鍵部件的材料制備成為制約固體氧化物燃料電池發展的瓶頸。應突破的關鍵技術主要有：（1）高性能電極材料及其制備技術；（2）新型電解質材料及電極支撐電解質隔膜的制備技術；（3）電池結構優化設計及其制備技術；（4）電池的結構、性能與表征的研究。5 結束語

燃料電池的研究與發展，為便攜式電子設備帶來一場深刻的革命，并且還會波及到汽車業、住宅以及社會各方面的集中供電系統。它將把人們由集中供電帶進分散供電的新時代。因為太陽能供電雖然能替代部分能源，但它受天氣與氣候的制約，核能利用又存在安全問題。而燃料電池供電，沒有二氧化碳的排放，解決了火力發電使全球環境污染的問題，是純正的綠色清潔能源。

隨著燃料電池關鍵技術瓶頸得以解決，以及新技術開發研究和商業化運作，發展中的燃料電池技術必將能夠加快我國經濟建設與可持續化發展步伐。

參考文獻：

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第二篇：燃料電池技術

燃料電池技術

發 展 動 態

北京天恒可持續發展研究所

2000年7月

目錄

為開發生物質燃料電池，ERC在中國建立合資企業.........................................................................3 通用電氣公司和PLUG POWER公司將提供住宅用燃料電池..........................................................3 燃料電池機車比傳統電氣化鐵路的經濟性更好嗎？...........................................................................3 09/15/98Texaco公司說：“傳統”石油公司將被淘汰。

休斯敦-據路透社報道，Texaco主席兼首席執行官Peter Bijur在出席在休斯敦召開的世界能源理事會第17次會議上發表這番評論說：“傳統石油公司的日子已經屈指可數了，其中一個原因是諸如燃料電池的先進技術不斷涌現。”“我相信我們正在與傳統石油公司共度最后時光”，Bijur說。他認為當前石油工業面臨的壓力來自于新的運輸技術，例如用燃料電池驅動運輸車輛，而不再使用汽油，以及那些據Bijur預計“將對自然資源加強控制”的國家。他預測，未來的石油公司提供更多的專業技術，而不是在新地方開采石油。Bijur說：“一個石油公司的價值將不再是其儲量的價值，而是其技術的價值。”

Energy Partners公司發布其第一個燃料電池組

Energy Partners公司最近向燃料電池研究開發市場介紹了其研制的NG2000型先進質子交換膜(PEM)燃料電池組，并向Virginia Tech公司提供了NG2000-20燃料電池組，這個電池組的功率為20千瓦，將安裝在混合動力汽車(HEV)上。Energy Partners公司的質子交換膜燃料電池技術和Virginia Tech公司的混合動力汽車將參加1999年6月美國能源部的未來汽車的挑戰展示會。該燃料電池公司還宣布將提供5千瓦、10千瓦和20千瓦的型號以滿足燃料電池測試、開發和示范項目的需求。Energy Partners公司希望在明年早些時候推出新型的NG2000可變燃料電池組。(BUSINESS WIRE: 10/15)

Edison Technology Solutions對燃料電池與燃氣輪機聯合發電系統進行示范 洛杉磯-Edison Technology Solutions是Edison國際公司的一個下屬單位，4 也是南加利福尼亞Edison公司的母公司。上個星期三，該公司宣布他們研究開發成功功率為250千瓦的聯合發電站。公司說這個發電站將把燃料電池和燃氣輪機結合在一起。這種發電站的成本比單純的燃料電池系統低，而效率是單純的微型燃氣輪機的兩倍。Edison Technology公司總裁Vikram Budhraja在說明中說：“最根本的改變在于發電過程，原有的規模效益被制造效益取代。”他還說，由于效率提高意味著燃料成本降低并能夠防止價格波動，同時排放減少將減輕當地的關注程度，小規模的發電站將能夠吸引大批的用戶。該公司宣布第一個發電站由200千瓦增壓固體氧氣燃料電池和50千瓦使用天然氣為燃料的燃氣輪機組成，并將于1999年中期安裝在加利福尼亞大學。(C)Reuters Limited 1998.東芝和UTC聯合開發燃料電池技術

東芝公司將與美國的聯合技術公司(UTC)合作開發用于電動汽車的小型燃料電池。這兩個公司已經在美國建立了合資企業，并希望在2003年以前能夠實現商業化。新公司為國際燃料電池公司，其90%的股份由飛機零部件制造商UTS掌握，其余部分由東芝公司掌握。兩公司宣布這個建于康涅狄格州的合資企業在2000年以前將開發功率為50千瓦的小型節能燃料電池。東芝公司和UTC已經合作開發了用作工廠或辦公樓發電機的200千瓦燃料電池。早時候的公司還為美國國家航空和宇宙航行局提供了航天飛機上使用的燃料電池。東芝公司說未來10年內燃料電池驅動汽車市場的年銷售額預計將達到8,000億日元(55億美元)。據稱，新型燃料電池的效率為汽油發動機的兩倍。(ASIA PULSE: 8/2)

福特、Ballard和戴姆勒-奔馳成立新合資公司

福特、Ballard和戴姆勒-奔馳三家公司公布了其聯合企業的新名稱和標志，這個聯合企業將為燃料電池汽車的汽車開發動力傳動系統。去年4月，福特、Ballard動力系統和戴姆勒宣布建立全球聯盟，旨在成為在全世界范圍內領先的燃料電池驅動轎車、卡車和大客車的動力傳動系統和配件的生產商，Ecostar是 5 那時建立的兩個企業之一。新的合作企業將為電池驅動和混合動力汽車開發先進的電力驅動系統，以及非汽車方面應用，如固定式的發電站。公司宣布他們的目標是建立生產這些配件的基地并最終實現商業化生產。福特是Ecostar公司的主要持股人，而Ballard擁有21%的股份，戴姆勒-奔馳擁有17%。DDB燃料電池發電機GmbH公司是合資企業中的第二個，主要持股人是戴姆勒-奔馳公司，而Ballard和福特分別擁有27%和22%的股份。DDB公司負責開發燃料電池系統。福特、Ballard和戴姆勒-奔馳三家公司一共已經為聯盟投資超過7億美元，其中福特公司投入4.2億美元的現金、技術和資產。該公司宣布其目標為在2004年之前使燃料電池動力系能夠支持燃料電池汽車的商業化生產。(FORD RELEASE: 8/6)

殼牌公司計劃開發氫技術

殼牌(英國)有限公司的主席兼首席執行官Chris Fay說，殼牌(英國)有限公司支持對氫作為運輸燃料的開發，并已經決定投入資金對氫驅動汽車技術進行研究。Chris Fay 說：“殼牌公司已經與其它公司合作建立了專門研究氫生產和新型燃料電池技術的發展機會的氫經濟研究小組。”他還說：“我們相信氫燃料電池驅動的汽車很可能會在2005年之前進入歐洲和美國的汽車市場”。“在殼牌公司，我們確信，氫與液化氣類似，代表著明天的燃料。”德國寶馬汽車公司也同意殼牌在支持氫作為替代推進系統的首選燃料的立場。寶馬公司已經示范了一個自動化加注高度冷卻液氫的加油站。ZEVCO 報紙評論說：“殼牌石油公司正在開始其應用于運輸行業的氫氣供應和銷售的業務。”“這標志著氫不再僅僅是一種工業氣體，也將成為(運輸)燃料，而且隨著生產成本降低，大規模生產也將呼之欲出。”(HART'S EUROPEAN FUELS NEWS: 8/5)

殼牌公司和戴姆勒-奔馳汽車公司聯合研究氫驅動電動汽車

殼牌公司最近宣布將與戴姆勒-奔馳公司的一個子公司合作開發新一代氫燃料汽 6 車。殼牌公司希望利用DDB燃料電池發電機GmbH 中采用的燃料電池新技術把氫氣轉化為電能并用于未來的電動汽車中。這兩個公司在聲明中說：“結果將是汽車既具有燃料電池動力所帶來的環保優勢，又能夠方便地在已有的加油站中添加燃料。”殼牌公司正在試驗把DDB燃料電池與本公司的可以把液體燃料轉化為富氫氣體的催化劑部分氧化技術相結合。殼牌公司相信燃料電池可以象汽油和柴油一樣驅動發動機，而且排放和噪音都很小。殼牌公司說：“戴姆勒-奔馳公司已經開發了使用車載氫氣為燃料的汽車和使用在汽車內部甲醇轉化的氫氣為燃料的汽車。”(REUTERS: 8/17)

美國通用汽車公司與Ballard動力系統公司簽訂協議

作為正在進行的燃料電池驅動電動汽車的研究開發項目的一部分，通用汽車公司最近為Ballard動力系統公司提供了價值70萬美元的協議。Ballard公司總裁Firoz Rasul 說：“Ballard公司珍視與通用汽車公司目前的關系，購買燃料電池測試設備和相關服務表明通用汽車公司對燃料電池汽車的一貫興趣和貢獻。”Ballard公司的燃料電池可以把天然氣、甲醇或氫燃料在不經過燃燒的情況下轉化為電能，在過程中不產生任何污染排放。(BALLARD RELEASE: 8/14)

電力公司建設歐洲第一座質子交換膜燃料電池發電站

四個德國電力公司和一個法國電力公司將于明年在德國柏林建設歐洲第一個質子交換膜燃料電池發電站。這座250千瓦的發電站將在1999年下半年安裝，并預計在安裝另一套熱電聯產設備后馬上開始發電。發電站將由法國GEC Alsthom公司的德國子公司Alstom Energietechnik建設和安裝，法國GEC Alsthom公司在今年早些時候與Ballard發電系統公司建立了伙伴關系。另外，漢堡的HEW公司，漢諾威的PreussenElektra公司，柏林的VEAG公司和Bewag公司，法國巴黎的Electricite公司也將參加這個項目。這個投資417萬美元的項目將建在原東德所屬柏林的Treptowq區的一個熱力發電站旁邊。根據HEW公司提供的信息，歐盟將負擔項目總投資額的40%。Bewag公司說在歐洲其它 地區也將建設燃料電池發電站。這個公司說，五個電力公司將“鼓勵在示范項目框架內的燃料電池開發”，在柏林的這個項目是多公司合作研究的第一個項目。(HYDROGEN & FUEL CELL LETTER: SEPTEMBER 1998)

NABI將引進燃料電池公共汽車

北美公共汽車工業(NABI)宣布其將在明年向公眾展示新一代用先進材料建造并由天然氣燃料電池驅動的輕型公共汽車。預計于明年5月在美國面世的燃料電池公共汽車將包括長度為40英尺的低頂公共汽車、45英尺長的長途汽車，和長度為30英尺的低頂混合動力公共汽車，這些型號都由使用壓縮天然氣為燃料的燃料電池來驅動。(NATURAL GAS FUELS: SEPTEMBER 1998)

燃料電池汽車－下一代 競賽正在繼續。全世界的汽車生產商都在開發無污染排放的新型發動機。燃料電池發動機技術看起來處于領先地位。美國通用汽車公司的全球替代推進中心主任Byron McCormick說：“在所有技術之中，燃料電池汽車看起來是最有發展前途的，很有可能成為下一代批量生產的汽車。”戴姆勒-奔馳汽車公司和通用汽車公司的燃料電池汽車都使用液體甲醇為燃料，把甲醇轉化為氫氣并通過燃料電池發電來驅動汽車。另外，兩種汽車都有車載制氫設備和電池。豐田汽車公司及其競爭對手本田汽車公司都計劃在2003年之前把燃料電池汽車投放市場。汽車生產商一致認為氫燃料電池汽車的性能與傳統汽車近似，但是效率更高，而且沒有污染排放。但是，燃料電池的成功將取決于其成本。戴姆勒-奔馳汽車公司的發言人說：“我們的目標是在2004年能夠把成本可以與柴油機汽車相競爭的燃料電池汽車商業化。我們發現消費者不愿意為環保原因而支付額外費用，他們的決定取決于成本。”(REUTERS: 9/17)

日本公司開發燃料電池汽車

利于環保的先進技術汽車的未來應該包括燃料電池，尤其是當燃料電池變得更小、效率更高時。世界上的汽車制造商準備最早在2004年推出燃料電池汽車，8 日本Asahi 化學工業公司和日產汽車公司取得的技術進步將使燃料電池汽車成為現實。燃料電池汽車技術所面臨的挑戰包括尺寸和效率。一般來說，當燃料電池的尺寸縮小到適合于汽車時，其動力輸出只有汽油發動機的一半。Asahi化學工業公司與Dow化學公司合作，已經開發出一種方法能夠把燃料電池的單位體積發電功率提高一倍。這種技術利用了改進的電極材料，而且對單個電池的測試表明一個小的電池組可以提供與傳統汽油發動機相等的動力。日產汽車公司開發了一種當置于電極之間可以加快燃料電池內化學反應的特殊聚合膜。這種膜幾乎可以把氫離子的運動速度提高一倍，這樣就可以把燃料電池的總體尺寸降低，而又不犧牲動力輸出。另外，Asahi化學工業公司與Noguchi研究所合作已經發現了解決一氧化碳雜質問題的辦法，即使一氧化碳的濃度只有100ppm，燃料電池動力輸出也會降低一半。公司已經開發成功了可以把用于發電的氫氣中一氧化碳雜質完全消除的特殊催化劑。(ASIA PULSE: 9/24)

Medis El公司將獲得燃料電池技術

Medis El有限公司最近宣布其子公司將從兩個以色列科學家那里獲得極其先進的用于移動電話、傳呼設備和計算機、并最終能夠應用于汽車的燃料電池技術。如果一切順利，這兩個發明家及其助手將獲得Medis El有限公司這家子公司的30%股份。發明者之一，Mikhael Khidekel在前蘇聯開發并生產了高導電性聚合體(HECP)。他還開發了一種新型的據稱延展性極好的高導電性聚合體,使用這種材料可以降低燃料電池中電極設計和生產的重量和體積。Medis El公司說，另一個發明者Gannady Finkelstein開發了可以大幅度降低鉑涂層材料但又能夠保持高質量的燃料電池電極電鍍過程。公司表示要采用其在以色列航空工業(IAI)開發的航天密封技術方面的科學知識來解決燃料電池泄漏的問題。燃料電池將在Medis El公司的主要持股人以色列航空工業擁有的工廠進行開發。Medis El公司主席Robert Lifton說：“為開發應用于電動汽車、家庭和其它用途的燃料電池已經投入了上億美元，我們相信Khidekel教授和Finkelstein工程師開發的高導電性聚合體和先進的電鍍技術加上Medis El公司的自身能力將有助 于燃料電池在所有這些方面應用的發展。” 聯系人: Robert Lifton, Medis El, 電話：212-935-8484.(MEDIS EL RELEASE: 9/28)

APCI公司和HCI公司開發氫氣加油站

氣體產品和化學有限公司(APCI)與氫氣開發有限公司(HCI)合作，為芝加哥的燃料電池公共汽車示范項目設計并建設了氫氣加油站。這個燃料添加系統包括接收、儲存、壓縮和氣化液氫的燃料準備系統和用于向公共汽車上的合成燃料箱添加氣體氫氣的傳遞系統。為盡可能地降低泄漏，在可能的情況下使用焊管系統取代螺紋連接系統。操作人員選擇盡可能高的加注壓力，而且加注系統要確保不能夠超過燃料箱的壓力和溫度限制。這種系統還具有許多自動的超壓關閉開關和減壓閥門。為確保公共汽車不發生移動，輪胎要固定在凹槽中，而且司機必須拉緊汽車的手剎車。如果其它系統不能夠保持汽車固定，脫逃雙重關閉裝置可以作為一種安全措施。到目前為止，加油站在示范期間運行良好。項目中的所有三輛公共汽車都可以在15分鐘內完成燃料添加。聯系人: APCI, 電話：610-481-8336.(THE CLEAN FUELS REPORT: SEPTEMBER 1998)

通用汽車公司向公眾展示燃料電池驅動的面包車

通用汽車公司在上周的巴黎汽車展上展示了燃料電池版的Zafira面包車，這表明其已經進入了燃料電池載客汽車市場。致力于燃料電池技術商業化的獨立非盈利組織Fuel Cells 2000的執行主任Bob Rose說：“我們為通用汽車公司的最新成果向他們表示祝賀。”通用汽車公司已經在燃料電池用于運輸用途進行了幾十年的工作。但是Zafira面包車使這一概念成為入門關注的焦點。這輛由通用汽車公司在歐洲的子公司歐寶公司生產的面包車由以甲醇轉化的氫氣為燃料的50千瓦質子交換膜燃料電池驅動。通用汽車公司稱這輛車“幾乎完全不排放氮氧化物，二氧化碳排放量只相當于汽油發動機的一半”。而且，通用公司還稱這輛燃料電池汽車的駕駛范圍與常規汽車相似。Rose說：“在燃料電池汽車尚處于發展階段時，通用汽車公司加入到載客汽車競賽令人興奮，而且意義重大，也使人確信燃料電池汽車是下一代汽車的有力競爭者。”通用汽車公司稱，他們計劃在2004年前完成可以商業化的燃料電池汽車。聯系人：Fuel Cells 2000, 電話：202-785-9620，傳

真

：

202-785-9529，網

址

：

http://www.tmdps.cn.(FUEL CELLS 2000 RELEASE: 10/1)

豐田汽車公司和戴姆勒-奔馳汽車公司討論環境問題

據來自東京的消息，日本豐田汽車公司和德國戴姆勒-奔馳汽車公司將就合作開發下一代有利于環保的汽車和零配件回收技術進行談判。這將是豐田公司和戴姆勒-奔馳公司首次建立這種關系。自8月份來說，兩家汽車公司已經在德國和日本進行了工作級會談。根據日本的消息，兩家公司在環境問題將是引導未來全球汽車市場的決定因素方面持有一致意見。預計這項運動將有助于為汽車生產建立與環境相關的技術的全球標準。兩家公司研究了讓通用汽車公司加入協議的計劃。通用汽車公司和豐田汽車公司已經聯合開發了電動汽車的電池充電裝置。但是有消息稱，通用公司加入改協議的計劃已經被取消了。豐田公司已經開始批量生產利于環保的混合動力電動汽車和低排放直燃汽油發動機。戴姆勒-奔馳公司正在與福特汽車公司聯合開發下一代燃料電池電動汽車，這將使戴姆勒-奔馳公司與豐田公司進行直接競爭。(KYODO: 10/8)

H Power公司從NIST獲得316萬美元資金

H Power公司最近宣布其從商業部下屬的國家標準和技術研究所(NIST)獲得316萬美元資金，用于H Power公司及其合資伙伴Epyx/Arthur D.Little 有限公司進行的以丙烷為燃料的燃料電池動力系統項目。H Power公司首席執行官H.Frank Gibbard說：“我們非常高興國家標準和技術研究所能夠認識到我們的建議可以應用于很多用途，并作出回應。” “在國家標準和技術研究所的先進技術計劃下，H Power公司和Epyx/Arthur D.Little 有限公司將開發以廉價并容易獲得的丙烷為燃料驅動燃料電池的技術。這項技術將使燃料電池在通訊后備電源方面及其它工業或生活用途完全實現商業化。”為替代通訊應用中的充電電池和其它動力來源，H Power公司要制造尺寸與谷物箱相近的燃料電池，重量僅14磅。以丙烷為燃料的燃料電池的使用壽命預計是相同重量的電池的4倍。公司希望燃料電池在通訊行業中的成功可以帶動燃料電池在其它方面的應用，包括緊急動力設備、小型海陸車輛推進系統和手提式發電機。(H POWER RELEASE: 11 10/8)

通用汽車公司可以使用卡迪拉克汽車作為燃料電池平臺

通用汽車公司最近宣布其正計劃使用其豪華汽車－卡迪拉克牌轎車來開發技術先進而且有利于環保的動力系統。燃料電池驅動的發動機是被考慮的先進技術之一。公司希望卡迪拉克可以率先成為環保型汽車。通用公司稱其正在向對成本不很關心的消費者介紹可以降低對汽油的依賴程度的高技術發動機。通用公司認為卡迪拉克汽車的購買者與通用公司其它品牌汽車的購買者相比，對價格比較不敏感。另外，公司相信卡迪拉克汽車的購買者將愿意為成為第一批使用不對環境產生危害的先進技術而支付稍多的費用。燃料電池把氫氣轉化為電能來驅動汽車，而水蒸汽是唯一的副產品。(EV WORLD: 10/14)

日本日產汽車公司計劃在2005年以前實現燃料電池汽車商業化

日產汽車公司最近宣布其計劃在2003年到2005年間開始銷售以甲醇為燃料的小型燃料電池驅動的汽車。燃料電池由加拿大的Ballard動力系統公司開發。(ASIA PULSE: 9/2)

倫敦展示新型燃料電池出租汽車

Zevco公司制造的氫燃料出租汽車采用了Zevco公司的子公司Elenco公司為有人駕駛太空應用開發的技術。原型車由通過混合空氣中的氧氣和車載壓縮燃料箱中的氫氣來工作的燃料電池來驅動。(FINANCIAL TIMES: 7/30)12

第三篇：陶瓷材料應用及其前景（范文模版）

陶瓷材料應用及其前景

摘要：根據陶瓷材料的不同特性及用途對其進行了較為準確的分類，并對各類陶瓷的應用進行了概述。通過對各類陶瓷特性及應用領域的總結，對陶瓷材料未來的發展作出了新的展望，揭示了陶瓷材料的應用方向及發展趨勢。一.陶瓷的分類及性質 1.1氧化物陶瓷 1.2非氧化物陶瓷 1.3納米陶瓷 1.4陶瓷基復合材料 1.5電子陶瓷 1.6熱、光學功能陶瓷 1.7生物、抗菌陶瓷和多孔陶瓷 二.陶瓷的生產 三.陶瓷材料的性能特點 四.陶瓷材料的發展趨勢和前景 五.結 束 語 六.參考文獻

一.陶瓷的分類及性質

陶瓷材料優異的特性在于高強度、高硬度、高的彈性模量、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、抗震性、高導熱性能、低膨脹系數、質輕等特點，因而在很多場合逐漸取代昂貴的超高合金鋼或被應用到金屬材料所不可勝任的的場合，如發動機氣缸套、軸瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。結構陶瓷可分為三大類：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、陶瓷基復合材料。

1.1氧化物陶瓷

氧化物陶瓷主要包括氧化鎂陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鈹陶瓷、、氧化鋯陶瓷、氧化錫陶瓷、二氧化硅陶瓷、莫來石陶瓷，氧化物陶瓷最突出的優點是不存在氧化問題。

氧化鋁陶瓷，利用其機械強度較高，絕緣電阻較大的性能，可用作真空器件、裝置瓷、厚膜和薄膜電路基板、可控硅和固體電路外殼、火花塞絕緣體等。利用其強度和硬度較大的性能，可用作磨料磨具、紡織瓷件、刀具等。

氧化鎂陶瓷具有良好的電絕緣性，屬于弱堿性物質，幾乎不被堿性物質侵蝕，對堿性金屬熔渣有較強的抗侵蝕能力。不少金屬如鐵、鎳、鈾、釷、鉬、鎂、銅、鉑等都不與氧化鎂作用。因此，氧化鎂陶瓷可用作熔煉金屬的坩堝，澆注金屬的模子，高溫熱電偶的保護管，以及高溫爐的爐襯材料等。

氧化鈹陶瓷具有與金屬相似的良好的導熱系數，約為209.34W/（m.k），可用來做散熱器件；氧化鈹陶瓷還具有良好的核性能，對中子減速能力強，可用作原子反應堆的減速劑和防輻射材料；另外，利用它的高溫比體積電阻較大的性質，可用來做高溫絕緣材料；利用它的耐堿性，可以用來作冶煉稀有金屬和高純金屬鈹、鉑、釩的坩堝。

1.2非氧化物陶瓷

非氧化物陶瓷包括碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷等。非氧化物陶瓷不同于氧化物陶瓷，在自然界中存在的很少，需要人工來合成原料，然后再按陶瓷工藝制成成品。氮化物、碳化物、硫化物的標準生成自由焓一般都大于相應氧化物，說明生成的氧化物更為穩定。所以，在原料的合成和陶瓷燒結時，易生成氧化物。氧化物原子間的化學鍵主要是離子鍵，非氧化物之間一般是鍵性很強的共價鍵，因此，非氧化物陶瓷難熔、難燒結。

碳化硅陶瓷共價鍵性極強，在高溫下仍保持高的鍵和強度，強度降低不明顯，且膨脹系數小，耐蝕性優良，可作高溫結構零部件。碳化硅陶瓷由于熔點高、硬度大主要用作超硬材料、工具材料、耐磨材料，以及高溫結構材料；利用它導熱系數高、膨脹系數低的特點，可作導熱材料、發熱材料等。碳化硅陶瓷主要應用于石油工業、化學工業、汽車、飛機、火箭、機械礦業、造紙工業、熱處理、核工業、微電子工業、激光等行業。

氮化物陶瓷種類很多，它包括氮化硅陶瓷、氮化鋁陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化鈦陶瓷等。氮化硅陶瓷具有耐高溫、耐磨性，在陶瓷發動機中用于燃氣輪機的轉子、錠子和渦形管；由于抗震性好、耐腐蝕、摩擦系數小、熱膨脹系數小等特點，廣泛應用于冶金和熱加工工業中。

氮化鋁陶瓷可作為熔融金屬用坩堝、保護管、真空蒸度用容器，還可用作真空中蒸鍍Au的容器、耐熱轉、耐熱夾具等。電絕緣電阻高、優良的介電系數和低的介電損耗，機械性能好，耐腐蝕，透光性強，根據以上特性可用作高溫構件、熱交換材料、澆注模具材料以及非氧化電爐的爐襯材料等。

氮化硅陶瓷硬度高、熔點高、化學穩定性好且具金黃色金屬光澤是一種較好的耐熔耐磨材料，代金裝飾材料。在機械加工工業中，在刀具上涂TiN涂層，提高耐磨性。

1.3納米陶瓷

納米陶瓷又稱納米結構材料，納米復合材料是21世紀的新材料。它的研究是從微米復合向納米復合方向發展，納米陶瓷材料不僅能在低溫條件下象金屬材料那樣任意彎曲而不產生裂紋，而且能夠象金屬材料那樣進行機械切削加工甚至可以做成陶瓷彈簧。納米陶瓷可作防護材料、高溫材料、人工器官的制造、臨床應用、以碳化硅為吸收劑的吸收材料、以陶瓷粉末為吸收劑的吸收材料、以及壓電性能的應用。它的應用領域為微包覆、超級過濾、吸附、除臭、觸媒、固定氧、傳感器、光學功能元件、電磁功能元件等。

1.4陶瓷基復合材料

復合材料是兩種或兩種以上不同化學性質或不同組織相的物質，以微觀或宏觀形式組合而成的材料。基于提高韌性的陶瓷基復合材料可分為兩類：氧化鋯相變增韌和陶瓷纖維強化復合材料。

1.5電子陶瓷

電子陶瓷包括絕緣陶瓷、介電陶瓷、鐵電陶瓷、壓電陶瓷、熱釋電陶瓷、敏感陶瓷、磁性材料及導電、超導陶瓷。根據電容器陶瓷的介電特性將其分為六類：高頻溫度補償型介電陶瓷、高頻溫度穩定型介電陶瓷、低頻高介電系數型介電陶瓷、半導體型介電陶瓷、疊層電容器陶瓷、微波介電陶瓷。其中微波介電陶瓷，具有高介電常數、低介電損耗、諧振頻率系數小等特點，廣泛應用于微波通信、移動通信、衛星通信、廣播電視、雷達等領域。

1.6熱、光學功能陶瓷

耐熱陶瓷、隔熱陶瓷、導熱陶瓷是陶瓷在熱學方面的主要應用。其中，耐熱陶瓷主要有Al2O3、ZrO2、MgO、SiC等，由于它們具有高溫穩定性、可作為耐火材料應用到冶金行業及其他行業。隔熱陶瓷具有很好的隔熱效果，被廣泛應用于各個領域。

陶瓷材料在光學方面包括吸收陶瓷、陶瓷光信號發生器和光導纖維，利用陶瓷光系數特性在生活中隨處可見，如涂料、陶瓷釉。核工業中，利用含鉛、鋇等重離子陶瓷吸收和固定核輻射波在核廢料處理方面廣泛應用。

1.7生物、抗菌陶瓷和多孔陶瓷

生物陶瓷材料可分為生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，生物陶瓷除了用于測量、診斷、治療外，主要是用于作生物硬質組織的代用品，可應用于骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科及普通外科等方面。

抗菌材料主要應用于家庭用品、家用電器、玩具及其他領域，家用電器是目前應用最廣泛，使用量最大的行業之一。近幾年來我國的抗菌材料行業發展很快，在無機抗菌劑、有機抗菌劑、光催化型抗菌劑的產業化及應用開發等領域迅速發展。

多孔陶瓷具有透光率高、比表面積大、低密度、低傳導率、耐高溫、耐腐蝕等優點被應用于汽車尾氣處理，工業污水處理，熔融金屬過濾，催化劑載體，隔熱、隔音材料等。近幾年，多孔陶瓷的應用擴展到了航空領域、電子領域、醫用材料領域及生物領域等，已引起全球材料界的高度重視，并迅速發展。

二.陶瓷的生產

(1)原料制備（揀選，破碎，磨細，混合）

普通陶瓷（粘土，石英，長石等天然材料）

特種陶瓷（人工的化學或化工原料---各種化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形，注漿成形，壓制成形）(3)燒成或燒結

三.陶瓷材料的性能特點

眾所周知，金屬材料(純金或合金)的化學健大都是金屬鍵，是由金屬鍵和充滿其間的電子云所組成，金屬鍵沒有方向性．因此金屬有很好的塑性變形性能。而作為無視非金屬化合物的陶瓷來講，其化學定是高于健和共價鍵。這種化學性有很強的方向性和很高的結合能。因此，陶瓷材料很難產生塑性變形．脆性大，裂紋敏感性強。這就是陶瓷材料的致命弱點。但也正是由于它具有這種化學健類型，使結構陶瓷具有一系列比金屬材料優異的特殊性能。①高硬度，決定了它具有優異的耐磨性； ②高焰點。決定了它具有杰出的耐熱性；

③高化學穩定性．決定了它具有良好的耐蝕性。盡管陶瓷材料有如此優異的特殊性能．但由于其致命的缺點——脆性，因而限制了其特性的發揮和實際應用。因此，陶瓷的韌化使成為世界矚目的陶瓷材料研究領域的核心課題。(1)硬度 是各類材料中最高的。（高聚物<20HV，淬火鋼500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)剛度 是各類材料中最高的（塑料1380MN/m2，鋼207000MN/m2)(3)強度 理論強度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，實際強度比理論值低的多。（E/1000--E/100）。耐壓（抗壓強度高），抗彎（抗彎強度高），不耐拉（抗拉強度很低，比抗壓強度低一個數量級）較高的高溫強度。(4)塑性： 在室溫幾乎沒有塑性。

(5)韌性差，脆性大。是陶瓷的最大缺點。

(6)熱膨脹性低。導熱性差，多為較好的絕熱材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K）(7)熱穩定性—抗熱振性（在不同溫度范圍波動時的壽命）急冷到水中不破裂所能承受的最高溫度。陶瓷的抗熱振性很低（比金屬低的多，日用陶瓷220℃）

(8)化學穩定性：耐高溫，耐火，不可燃燒，抗蝕（抗液體金屬、酸、堿、鹽）(9)導電性—大多數是良好的絕緣體，同時也有不少半導體（NiO，Fe3O4等）(10)其它：不可燃燒，高耐熱，不老化，溫度急變抗力低

四.陶瓷材料的發展趨勢和前景 4.1納米陶瓷材料

“納米”(nm)是一個尺度的度量，1nm=0.000000001m,即10-9 m。納米材料就是材料中至少有一相的晶粒尺寸小于100nm的材料。納米陶瓷是納米材料的一個分支，是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。納米陶瓷除了保持陶瓷耐磨損、耐腐蝕等優良性能外，還賦予陶瓷高的韌性，將徹底改變陶瓷為“易碎品”的形象。納米陶瓷的燒結性能極佳，其燒結溫度比普通陶瓷粉體的低幾百度。不少納米陶瓷已實現在1000℃以下致密化，而且有可能繼續降低。低溫燒結可以節省能源，有利于環境的凈化，還可以用于陶瓷材料的連接，使陶瓷材料的物理化學性能甚至力學性能都保持一致。納米陶瓷的顯微硬度極高。納米陶瓷在功能方面也有著重要的應用。如納米氧化鋅陶瓷的非線性伏安特性。

4.2.梯度材料

為適應同一時間內不同的使用環境，在同一材料內從不同方向上由一種功能逐步連續分布為另一種功能的材料稱為梯度功能材料，簡稱梯度材料。

4.3.智能材料

同時具備自檢查功能（傳感器功能）、信息處理功能以及指令和執行功能的材料。它具有自診斷、自調節、自修復等功能。

4.4納米材料的發展前景

近幾十年來，陶瓷材料的應用及發展是非常迅速的，陶瓷材料作為繼金屬材料、高分子材料后最有潛力的發展材料之一，它在各方面的綜合性能明顯優于現在使用的金屬材料和高分子材料。陶瓷材料的應用前景還是相當廣闊的，尤其是能源、信息、空間技術和計算機技術的快速發展，更加拉動了具有特殊性能材料的應用。先進陶瓷材料的制備技術日新月異，世界科學技術的發展令人矚目，展望未來，納米陶瓷材料的發展已經取得驚人的成績，有了重大突破。相信在不久的將來，陶瓷材料會有更好、更快的發展，展示出其重要的應用價值。

五.結 束 語 通過一個學期對新材料的學習，拓展了我的知識面，使我重新認識了不少東西，陶瓷材料的發展，超導材料的用途，高分子材料在各個方面的應用，納米材料的好處與發展前景，合金的優越性，汽車材料應用前景、研究現狀，還有我國材料學的發展狀況。所以以后還得在平時的學習生活中多多了解一些有關材料的知識。

六.參考文獻: 1.張里德、牟季美，納米材料和納米結構，北京：科學出版社2002 2.高濂，李尉，納米陶瓷，北京：化學工藝出版社2002 3.李世譜，特種陶瓷工藝學，武漢：武漢理工大學出版社2007 4.郭衛紅，汪濟奎，現代功能材料及其應用，北京：化學工業出版社2002 5.劉維良，李佑華，先進陶瓷工藝學，武漢：武漢理工大學出版社2004

第四篇：水性涂料的應用及研究進展

九江學院化學與環境工程學院專科論文

JIU JIANG UNIVERSITY

畢 業 論 文

題 目 水性涂料的應用及研究進展

英文題目 Application and research progress of Waterborne Coatings

院 系 化學與環境工程學院 專 業 精細與化學品生產技術 姓 名 汪洋 年 級 B1311 指導教師 付小蘭

二零 15 年 11 月

目錄

九江學院化學與環境工程學院專科論文

摘要

低碳環保是現今社會都在追求潮流，水性涂料及其產品符合低碳環保的要求所以發展潛力巨大。與傳統溶劑型涂料相比，水性涂料具有環保和性能優異等特點，成為涂料工業的發展主流。隨著環保概念的普及，環保涂料已經成為家具市場新的選擇，水性涂料將會得到越來越多消費者的認可，但是因其價格、裝飾效果等諸多原因影響，水性涂料未能夠成為市場上的主流產品，而其助劑是水性涂料不可缺少的組分，助劑的產品質量和發展水平也從一個側面反映涂料產品質量和水平。本文分別從概念、發展歷程、工藝流程、應用、發展趨勢幾方面對水性涂料進行了說明和總結,同時指出了水性涂料存在的問題，并對我國的水性涂料前景進行了展望。

關鍵詞：低碳環保 ；水性涂料；溶劑涂料；樹脂

九江學院化學與環境工程學院專科畢業論文（設計）水性涂料的簡介

凡是用水作溶劑或者作分散介質的涂料，都可稱為水性涂料，又稱水基涂料。水性涂料的組成為水性樹脂、顏填料助劑、中和劑、水等。水性涂料與溶劑型涂料的組成大體相同，但水性涂料需用的助劑更多，配方更復雜。由于水作為分散劑或溶劑，水性涂料存在如下優點：（1）節約資源，消除了施工時的火災危險性，降低了對環境的污染。（2）在溫表面和潮濕環境中可直接涂覆施工。（3）電泳涂裝使涂膜均勻、平整、展開性好，具有很好的防護性能。（4）涂裝工具可用水清洗，能大大減少清洗溶劑的消耗[4]。

1.1 水性涂料的發展歷程

涂料工業屬于近代工業，但涂料本身卻有著悠久的歷史。中國是世界上使使用天然樹脂作為成膜物質的涂料——大漆最早的國家。早期的畫家使用的礦物顏，是水的懸浮液伙食用水或清蛋白來調配的，這就是最早的水性涂料。真正懂得使用溶劑，用溶劑來溶解固體的天然樹脂，制得快干的涂料是19世紀中葉才開始的[5]。所以從一定意義上講，溶劑型涂料的使用歷史遠沒有水性涂料那么久遠。最簡單的水性涂料是石灰乳液，大約在一百年前就曾有人計劃向其中加入乳化亞麻仁油進行改良，這恐怕就是最早的乳膠漆。從20世紀30年代中期開始，德國開始把聚乙烯醇作為保護膠的聚醋酸乙烯酯乳液作為涂料展色使用。

到了50年代，純丙烯酸酯乳液在歐洲和美國就已經有限售，但是由于價格昂貴，其產量沒有太大增加。進入60年代，在所有發展的乳狀液中，最為突出的是醋酸乙烯酯-乙烯，醋酸乙烯酯與高級脂肪酸乙烯共聚物也有所發展，產量有所增加。70年代以來，由于環境保護法的制定和人們環境保護意識的加強、各國限制了有機溶劑及有害物質的排放，從而使油漆的使用受到種種限制。75%的制造油漆的原料來自石油化工，由于西方工業國家的經濟危機和第三世界國家調整石油價格所致，在世界范圍內，普遍要求解約能源和解約資源。基于上述原因，水性涂料，特別是乳膠漆，作為代油產品越來越引起人們的重視。水性涂料的制備技術進步很快，特別是乳液合成技

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度。但是近年來，隨著我國經濟的迅速發展，開放程度的進一步提高，與世界經濟的接軌和資源日趨緊張，以及人們對環保和身體健康的重視，水性涂料在我國已面臨良好的發展機遇。

1.2 水性涂料生產工藝流程

水性涂料的生產過程就是將各種組分的原材料按一定的順序投入，分散均勻的過程，一般乳膠漆的生產工藝包括3個部分：

1.漿料的制備：首先將水、分散劑、消泡劑、防腐劑等液體物料投入分散罐中，攪拌均勻，在攪拌狀態下將著色顏料和體質顏料依次投入，并加速分散20~40分鐘； 2.水性涂料配制：在調漆罐中投入乳液，再加入增稠劑、PH調節劑、防凍劑、成膜助劑、消泡劑等助劑，攪拌15分鐘左右，至完全均勻后，檢測出料[7]； 3.涂料過濾及產品包裝：在乳膠漆的生產過程中，由于少部分顏（填）料尚未被分散，或因破乳化成顆粒，或有雜質存在于涂料中，因此此時的涂料需經過濾除去粗顆粒和雜質才能獲得質量好的產品，可根據產品的要求不同，選用不同規格的篩網及不同容器包裝，并做好計量，這樣才能得到最終的產品。

水性涂料配制中的要點：

1.配方材料應盡可能選用分散性好的顏料和超細填充料，從而在穩定提高產品質量的前提下，取消研磨作業，簡化生產工藝，提高生產效率；

2.在前期分散階段，可預先投入適量HEC，不僅有助于分散，同時防止或減少漿料沾壁現象，改善分散效果；

3.在液體增稠劑加入之前，應盡量用3~5倍水調稀后，在充分攪拌下緩慢加入，從防局部增稠劑濃度過高使乳液結團或形成膠束，增稠劑可放在漿料分散后投入到漿料中充分攪拌以免出現上述問題；

4.消泡劑的加入方式一半加到漿料中去，另一半加到配漆過程中，這樣能使消泡效果更好；調漆過程中，攪拌轉速應控制在200~400r/min以防生產過程中引入大量氣泡，影響涂料質量。

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交聯型，都存在單組分與雙組分兩種體系。水性聚氨脂涂料除具備溶劑型聚氨脂涂料的優良性能外，還具有難燃、無毒無污染、易貯運、使用方便等優點．

目前，水性聚氨脂涂料的發展主要還受到原材料、固化劑、封閉劑、交聯劑等的限制．因此，研制相應的原材料和助劑也是發展水性聚氨脂涂料的關鍵．

2.水性環氧樹脂涂料工業[16]

水性環氧樹脂涂料是由雙組份組成：一組份為疏水性環氧樹脂分散體（乳液）；另一組份為親水性的胺類固化劑，其中的關鍵在于疏水性環氧樹脂的乳化．美國一家公司生產一種KNT501水性環氧-聚酯涂料．該涂料施工方法簡單，可在流水線上作業，特別適合于大槽浸涂．槽液無結皮現象、漆膜平整光滑、豐滿度高、具耐鹽霧性，可防護涂飾件的內腔腐蝕．水性環氧樹脂涂料可廣泛地用作高性能涂料、設備底漆、工業廠房地板漆、運輸工具底漆、汽車維修底漆、工業維修面漆等。

九江學院化學與環境工程學院專科畢業論文（設計）

3.3水性金屬防腐涂料[19]

目前，溶劑型金屬防腐涂料仍占重要地位。基于環境保護的要求，水性金屬防腐涂料發展非常迅速。金屬防腐涂料重點在于解決提高面層涂料的耐火和超厚型涂裝。防腐涂料對成膜物有較高的要求，包括化學穩定性，漆膜結構，柔韌的機械性能等。要求樹脂對金屬腐蝕的相對指數盡可能高。美國防腐涂料用樹脂的比例最高是環氧樹脂，環氧樹脂是最重要的防腐涂料基料，防腐效果最理想。環氧樹脂在防腐涂料中的用量約占40%。其它樹脂占60%，包括聚氨醋、無機硅和乙烯樹脂等。環氧樹脂的主要缺點是低溫不固化，不利于低溫施工。聚氨醋樹脂可以低溫固化，性能比較全面，是很有發展前景的防腐涂料樹脂基料。

3.4水性木器涂料[20]

木器漆從桐油開始，具有長久歷史。后來發展了樹脂漆。包括聚氨酷漆、硝基漆、酚醛漆和不飽和聚醋漆等。國外水性木器漆研究較早，品種較多。美國威特克公司研制成功一種高固體分水性聚氨醋分散體，用于木質地板，高耐磨，含固40%。德國專利報導一種用于木器的含季銨基團的水溶性聚丙烯酸漆，氨基樹脂固化的丙烯酸樹脂木器用水性涂料。歐洲專利報導了作清漆的聚氨酯改性丙烯酸水性分散體。廣州市堅紅化工廠和廣州市涂料研究所開展了木器水性涂料的研制工作，研究了常溫交聯的，耐候的，防污染的，強附著力的，裝飾性優良的各種性能配方。并推出單組分門窗漆，雙組分交鏈型木器清漆和色漆以及地板漆等產品，其光澤，耐高溫、耐水及干燥速度等各項指標均接近國外同類產品水平，在國內處于領先地位。

1九江學院化學與環境工程學院專科畢業論文（設計）

參 考 文 獻

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第五篇：無機非金屬材料的研究進展及應用

無機非金屬材料的研究進展及應用

學號：1203031001

姓名：彭沖

班級：無機非金屬（1）班

摘要：無機非金屬材料的高硬度、低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨和優異的環保性能以及特殊的光聲、電等性能，在航空航天、兵器、艦船等國防領域得到了越來越多的應用，如陶瓷基復合材料、結構陶瓷、特種功能陶瓷、人工晶體等已成為武器裝備中不可或缺的關鍵材料。本文著重介紹了無機材料的研究進展和應用。在材料學飛速發展的今天，無機非金屬材料有這廣闊的應用前景和良好的就業形勢。

關鍵詞：無機非金屬材料

應用

前景

引言：傳統無機非金屬材料，新型無機非金屬材料和無機非金屬基復合材料組成了龐大的無機非金屬材料體系。其中以硅酸鹽為基礎的陶瓷、玻璃和水泥已經形成相當規模的產業，被廣泛應用于工業、農業、國防和人們的生產生活中，成為國民經濟的支柱產業之一。新型無機非金屬材料因具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、多功能等多種優越性能，其中一些已在各個工業部門以及近幾十年發展起來的空間技術、電子技術、激光技術、光電子技術、紅外技術發展方面發揮了重要作用[1]。因此，無機非金屬材料的發展必將大大的促進現代科學技術的進步和人類文明程度的提高。本文將主要介紹：無機非金屬材料的分匪類，無機非金屬材料的地位（在材料中的地位、在國民經濟中的地位），無機非金屬材料的發展過程，無機非金屬材料的應用，無機非金屬材料企業的崗位設置，無機非金屬材料的發展趨勢以及無機非金屬材料發展中遇到的問題。

1.無機非金屬材料的特點及分類

無機非金屬材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質組成的材料。是除有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統稱。無機非金屬材料的提法是20世紀40年代以后，隨著現代科學技術的發展從傳統的硅酸鹽材料演變而來的。無機非金屬材料是與有機高分子材料和金屬材料并列的三大材料之一[2]。在晶體結構上,無機非金屬的晶體結構遠比金屬復雜，并且沒有自由的電子。具有比金屬鍵和純共價鍵更強的離子鍵和混合鍵。這種化學鍵所特有的高鍵能、高鍵強賦予這一大類 材料以高熔點、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強度和良好的抗氧化性等基本屬性,以及寬廣的導電性、隔熱性、透光性及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性。

無機非金屬材料品種和名目極其繁多,用途各異,因此,還沒有一個統一而完善的分類方法。通常把它們分為普通的(傳統的)和先進的(新型的)無機非金屬材料兩大類[3]。

普通無機非金屬材料的特點是：耐壓強度高、硬度大、耐高溫、抗腐蝕。此外，水泥在膠凝性能上，玻璃在光學性能上，陶瓷在耐蝕、介電性能上，耐火材料在防熱隔熱性能上都有其優異的特性，為金屬材料和高分子材料所不及。但與金屬材料相比，它抗斷強度低、缺少延展性，屬于脆性材料。與高分子材料相比，密度較大，制造工藝較復雜。特種無機非金屬材料的特點是：（1）各具特色。例如：高溫氧化物等的高溫抗氧化特性；氧化鋁、氧化鈹陶瓷的高頻絕緣特性；鐵氧體的磁學性質；光導纖維的光傳輸性質；金剛石、立方氮化硼的超硬性質；導體材料的導電性質；快硬早強水泥的快凝、快硬性質等。（2）各種物理效應和微觀現象。例如：光敏材料的光－電、熱敏材料的熱－電、壓電材料的力－電、氣敏材料的氣體-電、濕敏材料的濕度-電等材料對物理和化學參數間的功能轉換特性。（3）不同性質的材料經復合而構成復合材料。例如：金屬陶瓷、高溫無機涂層，以及用無機纖維、晶須等增強的材料。

2.無機非金屬材料材料的發展現狀

傳統的無機非金屬材料是工業和基本建設所必需的基礎材料。如水泥是一種重要的建筑材料；耐火材料與高溫技術，尤其與鋼鐵工業的發展關系密切;各種規格的平板玻璃、儀器玻璃和普通的光學玻璃以及日用陶瓷、衛生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和電瓷等與人們的生產、生活休戚相關。它們產量大，用途廣。其他產品，如搪瓷、磨料(碳化硅、氧化鋁)、鑄石(輝綠巖、玄武巖等)、碳素材料、非金屬礦(石棉、云母、大理石等)也都屬于傳統的無機非金屬材料。新型無機非金屬材料是20世紀中期以后發展起來的,具有特殊性能和用途的材料。它們是現代新技術、新產業、傳統工業技術改造、現代國防和生物醫學所不可缺少的物質基礎[4]。主要有先進陶瓷、非晶態材料、人工晶體、無機涂層、無機纖維等。

20世紀以來，隨著電子技術、航天、能源、計算機、通信、激光、紅外、光電子學、生物醫學 和環境保護等新技術的興起，對材料提出了更 高的要求，促進了特種無機非金屬材料的迅速發展。30～40年代出現了高頻 絕緣陶瓷、鐵電陶瓷和壓電陶瓷、鐵氧體（又稱磁性瓷）和熱敏電阻陶瓷等。50～60年代開發了碳化硅和氮化硅等高溫結構陶瓷、氧化鋁透明陶瓷、β－氧化鋁快離子導體陶瓷、氣敏和濕敏陶瓷等[5]。至今，又出現了變色玻璃、光導纖維、電光效應、電子發射及高溫超導等各種新型無機材料。

3.無機非金屬材料材料的發展前景

近些年，隨著科學技術的進步，無論是傳統無機非金屬材料，還是無機非金屬材料都有了一些新的發展趨勢。

3.1生態與環保意識加強，建立科學的評價體系，實現可持續發展

西方發達國家在促進傳統無機非金屬材料產業健康、可持續發展方面的采取了許多重要措施。世界發達國家十分重視建材工業的可持續發展與綠色評價。生態評價也成為世界可持續發展的一個重要手段。目前，許多國家正在進行“生態城市”的建設與實踐，推廣建筑節能技術材料，使用可循環材料等，改善城市生態系統狀況。由此，提出了綠色建材、環保建材與節能建材的概念，并開展了大量的研究與實踐工作。與西方發達國家相比，我國還存在很大的差距，特別是缺乏立法支持與技術標準的指導以及相應組織的管理與監督，使我國的傳統無機非金屬材料工業發展還有很大的提升空間。面對資源和環境對我國經濟發展的嚴峻考驗，國民經濟的可持續發展戰略顯得愈加重要[6]。

3.2向著節能、降耗的方向發展

傳統的無機非金屬材料工業是能源消耗大戶，在世界能源日益短缺的今天,如何生產節能、降耗,以及如何生產出高質量的建筑節能、保溫產品是建材工業發展的重要趨勢。選擇資源節約型、污染最低型、質量效益型、科技先導型的發展方式。新型墻體材料、高質量門窗、中空玻璃將大量應用。向著提高材料性能、使用壽命的方向發展。低壽命設計、大量重復建設已經嚴重制約城市建設的發展。現代化建筑需要高性能建筑材料的支持,而提高建筑的耐久性又對建筑材料的使用壽命提出了更高的要求。

3.3單線生產能力向大型化發展

無論是水泥工業、玻璃工業，還是陶瓷工業，單條生產線的生產能力有大型化的趨勢。生產線的大型化可以有效提高產品的質量，降低能源消耗[7]。

3.4向著智能化方向發展

建筑的智能化需要建筑材料的支持。隨著技術的進步和生活水平的提高,建筑材料的安全性智能診斷等智能技術將更多的應用于建筑中。

3.5向著復合化、多功能化方向發展

復合材料具有單一材料所無法滿足的使用功能，是建筑材料的發展趨勢，對建筑材料的功能要求越來越趨向于多功能化。

在美國、日本、西歐等所有發達國家在其科技發展戰略中都把無機非金屬新材料的發展放在優先發展的重要位置。例如，美國為了保持在高技術和軍事裝備方面的領先地位，在先后制定的《先進材料與技術計劃（AMPP）》和《國家關鍵技術報告》中，新材料為六大關鍵技術之首，而無機非金屬新材料占有相當比例；日本發表的《21世紀初期產業支柱》所列的新材料領域的14項基礎研究計劃中，其中七項涉及無機非金屬新材料的研究領域[8]。

未來科學技術的發展，對各種無機非金屬材料，尤其是對特種新型材料提出更多更高的要求。材料學科有廣闊的發展前景，復合材料、定向結晶材料、增韌陶瓷以及各種類型的表面處理和涂層的使用，將使材料的效能得到更大發揮[9]。由于對材料科學基礎研究的日益深入，各種精密測試分析技術的發展，將有助于按預定性能設計材料的原子或分子組成及結構形態的早日實現。

結束語：

21世紀無機非金屬材料的主要應用領域為信息、能源、交通、生物醫學、生態環境和國防。新材料的發展將會對上述各領域產生深遠的影響。

參考文獻

[1]國家自然科學基金委員會.工程與材料科學部編著.無機非金屬材料科學.科學出版社,2006.[2]盧安修編著,無機非金屬材料導論.中南大學出版社,2003.[3]王培銘主編.無機非金屬材料學.同濟大學版社,1999.[4]李世普主著.特種陶瓷工藝學.武漢:武漢工業出版社,1992.[5}邱關明著.新型陶瓷.北京:兵器工業出版社,1993.[6]張玉軍、張偉儒等編著.結構陶瓷及其應用.化學工業出版社.2005.