第一篇：08化本班 黃榕 05號 淺談我國表面工程技術發展現狀及趨勢[推薦]

淺談我國表面工程技術發展現狀及趨勢

黃榕

（瓊州學院理工學院 海南 五指山 572200）

摘要：表面工程技術的發展對工業生產和國民經濟建設具有重大意義。本文簡要介紹了表面工程技術的概念也特點以及我國表面工程技術發展現狀及趨勢。關鍵詞：表面工程技術;發展現狀

0 引言

表面工程是個涉及面極其廣泛的綜合性邊緣學科，它的發展不僅在學術上豐富了材料科學、冶金學、機械學、電子學、物理學、化學、摩擦學等基礎學科，開辟了新的研究領域，而且在實際應用上，為工業生產和國民經濟建設做出了重要貢獻。

現代工業的發展，對各種設備零部件表面性能的要求越來越高，材料的失效，如，疲勞、磨損、腐蝕、氧化、燒損以及輻射損傷等，一般都是從表面開始的，表面的局部損壞又很快造成整個零件失效，最終導致設備停產。由表面失效帶來的破壞和損失是很驚人的。中國機械工業每年所用的鋼材，約有1/2是消耗在備件的生產上，備件中的大部分是由于磨損壽命不高而失效的。因此，采用表面技術，根據需要，改善材料的表面性能，會有效地延長使用壽命，節約資源，提高生產力，減少環境污染。

另一方面，表面工程技術也逐步發展成為新型材料制備工藝，其中，既有作為體材料的制備工藝，如，電鑄成型、氣相沉積特種材料(熱解石墨、六方氮化硼、碳化硅)、噴射成型等，又有薄膜和微細加工工藝。后一類技術正致力于向更低的特征尺寸擴展，使得先進的微小尺度特征表面工程技術正在逐步成為支撐IC產業發展的微/納技術的重要組成部分。

表面工程具有學科的綜合性、手段的多樣性、廣泛的功能性、潛在的創新性、環境 的保護性、很強的實用性和巨大的增效性，是當代材料科學技術、低溫等離子體、真空科技等高技術的重要交叉領域和發展前沿。先進表面工程技術已成為現代制造業中一個重要的分支。

[1]1 表面工程

1.1 表面工程的概念與特點

表面工程，是經表面預處理后，通過表面涂覆、表面改性或多種表面工程技術復合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態、化學成分、組織結構和應力狀態等，以獲得所需要表面性能的系統工程。表面工程是由多個學科交叉、綜合而發展起來的新興學科，它以“表面”為研究核心，在有關學科理論的基礎上，根據零件表面的失效機制，以應用各種表面工程技術及其復合為特色，逐步形成了與其它學科密切相關的表面工程基礎理論。表面工程的最大優勢是能夠以多種方法制備出優于本體材料性能的表面功能薄層，賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射等性能，這層表面材料與制作部件的整體材料相比，厚度薄，面積小，但卻承擔著工作部件的主要功能。

國家的節能節材“九五”規劃中曾將表面工程應用作為重大措施之一，并列為節能、節材示范項目。材料表面改性作為傳統材料性能優化的基礎研究也被列入國家自然科學基金“九五”、“十五”優先資助域。由于表面工程的顯著作用和重要地位，許多先進的表面工程技術及其基礎理論研究被列入了國家“973”項目、國家重大技術創新項目、國家重點科技攻關項目等。例如，全軍裝備維修表面工程研究中心研究開發的高速電弧噴涂技術已經被列入國家重大技術創新項目和國家“九五”重點科技攻關項目。表面工程適合當今國際社會技術和經濟發展的要求，符合可持續發展戰略，體現了科技盡快轉化為生產力的要求。近年來，復合表面工程和納米表面工程已成為表面工程領域新的研究發展方向。1.2 表面工程技術體系

20世紀60—70年代，電子束、激光束、離子束技術的實用化并進入材料表面界面加工技術領域，使表面技術發生了突破性的進展。表面工程技術在機械制造、冶金、電子、汽車與船舶制造、能源與動力航空航天工業等領域中均起到了舉足輕重的作用。表面工程已成為世界上20世紀80年代10項關鍵技術之一及20世紀90年代加強研究的9項科技項目之一，并形成了跨多種學科的一門邊緣科學，成為涵蓋材料科學、物理、化學、冶金、機械、電子與生物等領域的新型的交叉科學。

表面工程技術的體系如下圖：

[3][2]我國表面工程技術發展

表面工程技術的應用，至今已經歷了數千年的歷史。中國在戰國時代已經開始對鋼進行淬火，并利用大豆中分解出來的N，C元素富化燒紅的鐵劍表面，以增強其強度和韌性。但總體上看，表 面技術的發展是緩慢的，種技術也局限于具體的應用中而互不關聯沒有形成完整的學科系統。直至20世紀后半葉，隨著世界經濟與技術的迅速發展，新型的表面技術蓬勃發展，各種學科和技術相互交叉滲透，表面工程學應運而生。目前，表面技術在制造業中舉足輕重，已成為當今世界的關鍵技術之一。[1]2.1 復合表面工程技術

表面工程技術的復合，能夠形成新的涂層體系，并建立表面工程新領域。單一的表面工程技術由于其固有的局限性，往往不能滿足日益苛刻工況條件的要求。隨著科學技術的進步，又發展了綜合運用兩種或多種表面工程技術的復合表面工程技術，或稱為第 2 代表面工程技術，這種復合表面工程技術，通過最佳協同效應，獲得了“1+1>2”的效果，解決了一系列高新技術發展中特殊的工程技術難題。

目前，復合表面工程技術的研究和應用已取得了重大進展，如熱噴涂與激光重熔的復合、熱噴涂與刷鍍的復合、化學熱處理與電鍍的復合、表面強化與噴丸強化的復合、表面強化與固體潤滑的復合、多層簿膜技術的復合、金屬材料基體與非金屬材料涂層的復合等，復合技術使本體材料的表面簿層，具有了更加卓越的性能。采用金屬―油漆涂層，可以在不需要維修的情況下使用25—40年，使油漆層獲得最充分的應用年限；此外還有，對金屬基體進行先期淬火滲碳處理，然后在滲碳層表面再進行鈦沉積；采用加熱和熱化學的方法對表面淬火層進行拋光；綜合應用滲氮處理和滲硼處理；采用PVD和CVD的方法進行真空沉積涂層，并同時進行離子注入；等離子加熱與滲碳結合同時用于處理材料的表面等復合技術。

復合表面工程技術將在新世紀中不斷得到發展，今后將根據產品的需要，進一步研究運用各種表面工程技術綜合或復合，以達到最佳的優化效果。2.2 納米表面工程技術

在理論研究與實踐應用的基礎上，“納米表面工程”的新領域應運而生。納米表面工程是以納米材料和其它低維非平衡材料為基礎，通過特定的加工技術或手段，對固體表面進行強化、改性、超精細加工或賦予表面新功能的系統工程。表面工程中納米材料研究的基礎問題：①納米材料覆層與基體的表面、界面問題；②納米材料在表面工程覆層制備動態過程中的冶金、化學、物理等過程；③表面覆層中納米材料與其它材料之間的協同效應。

從1997年開始，全軍裝備維修表面工程研究中心在國內首先提出了“納米表面工程” 的概念，并開展了納米粉末表面工程的研究工作，主要包括：納米粘接劑技術、納米電刷鍍技術、納米添加劑技術、納米固體潤滑干膜技術、納米熱噴涂技術和納米涂料技術等。2.2.1 納米熱噴涂技術

熱噴涂技術在表面工程領域中應用十分廣泛,如超音速火焰噴涂(HVOF)、高速電弧噴涂、氣體爆燃式噴涂、電熔爆炸噴涂、超音速等離子噴涂和真空等離子噴涂等。納米熱噴涂技術就是以現有熱噴涂技術為基礎，通過噴涂納米材料而得到納米涂層。

熱噴涂納米涂層可分三類：單一納米材料涂層體系；兩種(或多種)納米材料構成的復合涂層體系；添加納米顆粒材料的復合體系，其中添加陶瓷或金屬陶瓷顆粒的復合體系較容易實現。目前，完全的納米材料涂層由于技術繁雜、難度大，離應用還有相當距離。大部分的研究開發工作集中在第三種，即在傳統涂覆層技術基礎上，添加復合納米材料，可在較低成本下，使涂覆層功能得到顯著提高。

納米熱噴涂技術為零件表面強化提供了最新技術手段，提升了裝備再制造的技術水平，擴大了裝備再制造的使用范圍，使重要裝備關鍵零部件的再制造成為可能，效果非常顯著。

[5]

[4]2.2.2 納米電刷鍍技術

電刷鍍技術具有設備輕便、工藝靈活、鍍覆速度快和鍍層種類多等優點，被廣泛應用于機械零件表面修復與強化，尤其適用于現場及野外搶修。納米電刷鍍就是在鍍液中添加了特種納米顆粒的新型電刷鍍技術。裝備再制造技術國防科技重點實驗室的研究表明，納米電刷鍍復合涂層可顯著提高材料的摩擦學性能，尤其提高了耐高溫磨損及抗接觸疲勞性能。例如在快速鎳鍍層中添加經改性處理的納米Al2O3、SiC和金剛石粉后，其顯微硬度和抗微動磨損性能明顯高于傳統快速鎳刷鍍層。納米電刷鍍層的硬度是不含納米顆粒電刷鍍層的1.5—1.7倍，耐磨性是1.6—2.5倍，抗接觸疲勞壽命由105周次提高到106周次，可服役溫度由200℃提高到400℃。納米電刷鍍技術已在裝備再制造中得到具體運用，解決了重載車輛、艦船和飛機發動機再制造中的一些關鍵技術難題。2.2.3 納米固體潤滑技術

固體潤滑是指利用固體材料本身的潤滑性來減輕接觸表面之間磨損程度的潤滑方式，它是對流體潤滑的有力補充，一般用于高溫、高負荷、超低溫、超高真空、強氧化和強輻射等特殊工況。固體潤滑不僅可用于無油潤滑的千摩擦場合，也可以廣泛用于有油潤滑的情況，形成潤滑效果更好的“流體+固體”的混合潤滑。對黑色金屬材料進行低溫離子滲硫處理，可在材料表面得到厚度不超過10um，并具有納米結構特征的FeS固體潤滑涂層。納米固體潤滑技術已用于發動機缸套一活塞環、噴油嘴針閥及滾動軸承等精密偶件的減摩，壽命延長均在1倍以上。2.2.4 納米粘接技術

納米粘接技術是指將特殊功能納米顆粒和常規填料(如石墨、二硫化鉬、陶瓷粉末等)與高分子聚合物相混合并涂敷于零件表面實現特定用途(如耐磨、抗蝕等)的一種表面工程技術。例如，含納米金剛石的膠粘劑具有優異的耐磨性和很高的膠接強度，耐磨性和膠接強度隨著納米金剛石粉在膠粘劑中加入量的增加而增加，當加入量為8％時，耐磨性是未添加的2.2倍，拉伸強度可達50 MPa，比未添加的提高27.5％。[7]

[6]3 表面工程技術發展趨勢

3.1 不斷將各種先進技術應用到表面工程領域

為了追趕世界科技發展速度，使我國的科技發展立于世界科技發展的前沿，我國不僅要把先進制造技術列入國家“十五”科技計劃體系，實現制造強國和制造大國的目標，而且針對我國國情，更要進一步把“再制造工程”列入國家重要科技發展專項計劃中，才能真正使這項利國、利民、功在當代、利在千秋的任務落實在實處。要促進表面工程的發展，就必須將相關領域的最新研究成果不斷應用于表面工程技術領域。

隨著計算機的廣泛應用和推廣，在表面工程領域中將不斷應用該領域的研究成果。例如發展數值模擬的方法設計表面工程技術，并完善表面工程技術設計。

推廣機械化、自動化的表面涂層制備方法，特別在加工復雜形狀零件及危害操作者的身體健康時，推廣將十分有益。

3.2 發展節能、節材、降耗、少污染的表面工程技術

20世紀全球經濟高速發展，與此同時，對自然資源的任意開發和對環境的無償利用，造成全球生態破壞、資源浪費和短缺、環境污染等重大問題。其中機電產品制造業是最大的資源使用者，也是最大的環境污染源之一。據統計，1996年全球有2 400萬輛汽車報廢 到，2000年全球將有2000萬臺計算機被淘汰。隨著21世紀到來以優質、高效、節能、節材為目標的先進制造技術得到了快速發展，發展節能、節材、降耗、少污染的表面工程技術成為社會的重要課題。

低能耗的表面工程技術，例如通過大氣或真空等方法代替鹽浴池處理；采用高能量（但能耗低），光束方法及技術（如激光、電子、離子、等離子體），在表面工程技術中盡量減少涂層材料及基體材料的消耗。[4]4 總結

隨著人們對低成本、高性能產品的追求，對產品外觀的美、對環境協調美以及生態平衡美的追求，21世紀任何工程、任何產品的設計將會也必然會將表面設計納入總體設計中，表面工程技術也將會充分發揮其獨特的作用。同時，這種理念也將進一步反作用于表面工程學，使其自身得以更為迅猛的發展。[3]參考文獻：

[1] 梁文萍,繆強,張平則,姚正軍.先進表面工程技術的發展前沿[A].山西能源與節能 2010(4):72-86.[2] 徐濱士.表面工程和再制造工的現狀及展望[A].材料工程 2003:1-6.[3] 孫宜華.材料的表面工程技術[A].中國資源綜合利用 2002(11):42-44.[4] 俆濱士,張振學,馬世寧,劉世參,朱勝,張偉.新世紀表面工程展望[J].中國表面工程2000(1):2-6.[5] 徐濱士,馬世寧,梁秀兵,董世運.表面工程的進展[A].金屬熱處理 2002,27(7):1-3.[6] 徐濱士,劉世參,梁秀兵.納米表面工程的進展與展望[J].機械工程學報 2003,39(10):21-26.[7] 海斗,莊大明,王昆林等．高速鋼離子滲硫層的千摩擦學性能研究[J].摩擦學學報 2002(4)：250-253.

第二篇：08化本班 05號 黃榕 我國綠色化學學科發展

我國綠色化學學科發展現狀

黃榕

（瓊州學院理工學院 海南 五指山 572200）

摘要：綠色化學是知識經濟時代化學工業發展的必然趨勢，是我國化學研究的前沿領域。本文介紹了近年來我國綠色化學學科在可再生資源、原子經濟反應、環境友好或可循環使用的新材料、環保新汽油等方面的發展。

關鍵字：綠色化學；研究；發展現狀

1.引言

化學是中心科學,它聯系自然科學的方方面面,包括數學、物理、生物與生命、能源和環境、地質和礦產等；一些重大的工業生產過程(如冶金、陶瓷、聚合物、化肥、醫藥、化妝品等),甚至是火箭和衛星的發射,都是基于化學反應的過程。全球化學工業每年有18410億歐元的交易額，占全球貿易額的9%，創造著全球收入的4%～5%。化學為整個自然科學和社會科學的進步、全球經濟發展、社會進步和人類生活水平的提高作出了重大貢獻[1]。

目前,化學已經滲透到人類生產、生活和國民經濟的各個領域。在化學科學和化學知識為人類帶來無數便利和希望的同時,它也帶給了人類濃濃的煙塵、形形色色的廢棄物, 還有看不見的毒物。

人類正面臨有史以來最嚴重的環境危機,環保問題成為影響經濟與社會發展的重要問題之一。發達國家對環境的治理,已開始從治標,即從末端治理污染轉向治本,即開發清潔工業技術,消減污染源頭,生產環境友好產品。“綠色技術”已成為21世紀化工技術與化學研究的熱點和重要科技前沿。2.綠色化學概念及意義

綠色化學設計研究沒有或盡可能小的環境副作用，并在技術上、經濟上可行的化學品和化學過程。它是實現污染預防的基本和重要的科學手段。綠色化學研究的內容顯然要包括化學反應(化工生產)過程的三個基本要素: 一是研究、變換、設計、選擇對人類健康和環境友好的原材料或起始物；二是研究最好的轉換反應和催化劑；三是設計或重新設計對人類健康和環境更安全的目標化合物(產品)。目前綠色化學的研究重點是:(1)設計或重新設計對人類健康和環境更安全的化合物，這是綠色化學的關鍵部分；(2)探求新的、更安全的、對環境更友好的化學合成路線和生產工藝，這可從研究、變換基本原料和起始化合物以及引入新試劑入手；(3)改善化學反應條件, 降低對人類健康和環境的危害, 減少廢棄物的產生和排放[2]。3.我國綠色化學的研究重點

近年來我國在綠色化學方面的活動也逐漸活躍。1995年，中國科學院化學部確定了《綠色化學與技術一推進化工生產可持續發展的途徑》的院士咨詢課題，并建議“國家科技部組織調研，將綠色化學與技術研究工作列入‘九五’基礎研究規劃”；1996年，召開了“工業生產中綠色化學與技術”研討會，并出版“綠色化學與技術研討會學術報告匯編”。1997年國家自然科學基金委員會與中國石油化工集團聯合資助了“九五”重大基礎研究項目“環境友好石油化工催化化學與化學反應工程”；中國科技大學綠色科技與開發中心在該校舉行了主題討論會，并出版了“當前綠色科技中的一些重大問題”論文集；香山科學會議以“可持續發展問題對科學的挑戰--綠色化學”為主題召開了第72次學術討論會。1998年，在合肥舉辦了首屆國際綠色化學高級研討會；《化學進展》雜志出版“綠色化學與技術”專集；四川聯合大學也成立了綠色化學與技術研究中心，1999年，國家自然科學基金委設立了“用金屬有機化學研究綠色化學中的基本問題”的重點項目。5月，在成都舉辦了第二屆國際綠色化學高級研討會，出版了《綠色化學與技術》專著。12月，在北京九華山莊舉行了第16次九華科學論壇，會議從科學發展和國家長遠需求的戰略高度，對綠色化學的基本科學問題進行了充分的研討和論證，初步提出了綠色化學近期研究工作重點，即：(1)綠色合成技術、方法學和過程的研究，主要包括反應方法學特別是原子經濟反應和高選擇性、高轉化率反應；高效均相和多相的不對稱催化反應；酶催化和仿生催化；環境友好介質和原料等；（2）可再生資源的利用和轉化中的基本科學問題，包括生物質和酶分子“手性”和類似手性的空間構型選擇性的化學物理本質；主要生物質和酶分子在酶催化轉化過程中“構一效關系”；生物質各種成分的分級多層次轉化機理、途徑及其高效綜合利用；天然高分子的化學與物理改性，制備與環境相容的可生物降解新材料等。（3）綠色化學在礦物資源高效利用中的關鍵科學問題。包括復雜礦物的相結構、性能及多組元間相互作用與自催化特性；多元素擬均相“原子經濟”反應及高選擇性分離；生物分離提取礦物的選擇性催化與生物轉化機制；介質和工業代謝產物的循環再生及零排放系統設計等[3]。4.我國綠色化學發展現狀

綠色化學化工研究所追求的目標是: 淘汰有毒原材料，探求新的合成路線，采用無污染的反應途徑和工藝，能最大限度地減少“三廢”，并實行“原材料遴選——產品生成——產品使用——循環再利用”全過程控制。綠色化學技術的發展和應用不但能提高生產效率和優化產品, 而且能提高資源和能源的利用率, 減輕污染負荷, 從而大幅度提高生產的社會和經濟效益。因此，綠色化學與技術的推廣應用使環境—經濟性(而不再僅是經濟性)成為技術創新的主要推動力。近十多年來，綠色化學在生物質的利用、原子經濟性工藝設計等諸多領域取得了一系列研究成果[4]。4.1 可再生資源——生物質的利用

地球上的植物通過光合作用每年生產2000億噸的生物質，其中被人類利用的僅占3%～4%。生物質的利用對可持續發展和降低全球溫室效應起著重要的作用。它的兩個主要的開發領域是: ①生物質直接或間接地用作能源； ②生物質用作化學品、材料或產品的資源。對化學工業來說，目前集中在三個研究、開發領域: ①取代石化原料用作可再生的原料；②生物過程取代傳統的化學過程制備有機物和其他化學品； ③開發新的生物產品。以生物質為原料、酶為催化劑，生產有機化合物，因其條件溫和、設備簡單、選擇性好、無污染，已成為綠色化學研究的重點之一[5]。液體生物燃料，例如由菜油生產的生物柴油、由植物糖類生產的生物乙醇及其衍生物ETBE以及從木質纖維素生產的生物甲醇及其衍生物MTBE，是可再生的燃料，所占比重逐年增加。4.2 原子經濟反應

我國石油化工科學院[6]采用空心結構的HTS型鈦硅分子篩催化劑和“單釜連續淤漿床反應器——無機膜過濾”新工藝，由環己酮一步合成環己酮肟，實現了原子經濟反應, 70ktpa的工業裝置已經投產。山東魯北化工廠堪稱全國實施綠色化學、清潔生產的典范, 例如, 該廠由磷礦石與硫酸反應制成磷酸和硫酸鈣, 磷酸與氨反應制成磷酸氫銨復合肥, 而硫酸鈣經加熱分解成二氧化硫和氧化鈣，前者經催化氧化、水合制成硫酸, 后者與采用劣質煤的發電廠產生的爐渣混合制成水泥，現已形成30萬t/a復合肥、40萬t/a硫酸(廠內自用)、60萬t/a水泥的產能, 原材料中的每種元素都得到合理利用, 除電廠排出的CO2 外, 再無廢渣廢氣排放。4.3 環境友好或可循環使用的新材料

過去的10年里,由難降解塑料制品造成的“白色污染”已殃及土壤、水面和城市環境, 光降解塑料、生物降解塑料或光—生物降解塑料的推廣應用已迫在眉睫。廢舊塑料的回收、催化裂解、再利用, 既保護了環境,又合理利用了資源。應用廣泛的洗滌劑也要逐漸向水質保護型發展。自四聚丙烯烷基苯磺酸鈉被淘汰后,大量洗滌劑改用三聚磷酸鈉作表面活性劑,結果造成我國水質磷污染,富營養化, 80%以上河段不能飲用,也不能養魚。而中國的無磷洗衣粉進入市場不久,僅占洗衣粉總產量的3% ,實現綠色洗滌在中國還任重而道遠。4.4 環保新汽油

為實現新汽油的限制要求,在煉油技術中要做以下工藝改進和更新:催化裂化由單一生產高辛烷值汽油,轉向既生產高辛烷值汽油,又生產異丁烯、異戊烯等醚化原料。催化裂化汽油是我國催化裂化領域生產規模最大的燃料油品,在我國成品油市場占80%以上。催化裂化汽油烯烴含量一般在40%～50%之間,加工石蠟基油和摻煉渣油比例高的裝置, 烯烴含量超過60% ,遠遠超過質量指標。為了提高我國汽油質量,一要降低汽油的烯烴含量,二是確保汽油原有的辛烷值不降低。為此較好的方法是將汽油中的直鏈烯烴轉化為異構烷烴和部分芳烴,以彌補大量降低烯烴引起的辛烷值損失,增加汽油穩定性。降烯烴目前主要有兩個發展方向,一是催化裂化生產中開發降烯烴技術,但由于受催化裂化反應本質的限制,雖然取得了一定效果,但不能從根本上解決問題；二是催化裂化汽油降烯烴改質技術。探索低烯烴催化裂化汽油生產技術與催化裂化汽油降烯烴改質技術成為煉油企業可持續發展的關鍵。大連理工大學王祥生[7]等用新合成方法合成的20～50nm的ZSM-5分子篩為活性組分,采用水熱處理、負載金屬活性組分改性的組合改性方法制備的催化汽油改質催化劑使催化汽油的烯烴降低到20%左右,除少量的烯烴裂解為C2、C3外, 大部分烯烴通過異構化、芳構化以及烷基化等反應途徑轉化為高辛烷值的汽油組分,催化劑同時具有降烯、除苯和部分脫硫的綜合性能,有效地改善了催化汽油的品質。4.5 造紙工業中的綠色化學問題

造紙工業是我國污染最嚴重的產業之一,每年有害廢水排放量高達50億噸,約占全國廢水的1/6,其中主要是制漿黑液和漂白廢水。開發無污染的制漿技術是解決制漿黑液污染的關鍵, 其中包括生化法、催化氧化降解法和機械制漿法。生化法制漿是從眾多的微生物中篩選出能高效、專一地分解纖維的菌種,經生物技術處理使之適應大規模生產,目前尚在實驗階段, 缺點是占地面積較大[1]。5.結語

綠色化學已成為當今化學發展的主要方向。在綠色化學研究中,應充分利用可再生資源——生物質,其中以生物質為原料、酶為催化劑,生產有機化合物,因其條件溫和、設備簡單、選擇性好、無污染,已成為綠色化學研究的重點之一,有良好的開發前景。利用原子經濟反應進行綠色設計,采用無毒、無害的原料和環境友好或可循環使用的新材料等研究, 以及對能源工業中汽油的催化降烯烴和造紙工業中的催化氧化降解法研究,均取得了可喜的進展,并對環境保護將產生有益的、深遠的影響。

參考文獻：

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第三篇：08化本班 05號 黃榕 納米材料在陶瓷領域的應用新進展

納米材料在陶瓷領域的應用新進展

黃榕

（瓊州學院理工學院 海南 五指山 572200）

摘要:納米陶瓷是近幾年來發展起來的先進材料,受納米微粒基本物理效應的作用,在力、光、電、熱、磁等方面具有許多優異性能,特別是室溫超塑性、高韌性、低溫易燒結等潛在性能將大大拓寬陶瓷材料的應用領域[1]。

關鍵詞:納米陶瓷;性能;應用

1.引言

先進陶瓷材料在高溫、強腐蝕等苛刻的環境下起著其他材料不可替代的作用，然而，脆性是陶瓷材料難以克服的弱點。英國材料學家Cahn曾評述，通過改進工藝和化學組分等方法來克服陶瓷脆性的嘗試都不太理想，無論是固溶摻雜的氮化硅、相變增韌的氧化鋯要在實際中作為陶瓷發動機材料還不能實現。納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰略途徑之一[2]。隨著納米技術的廣泛應用,納米陶瓷隨之產生,希望以此來克服傳統陶瓷的脆性,使其具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。與傳統陶瓷相比，納米陶瓷的原子在外力變形條件下自己容易遷移，因此表現出較好的韌性與一定的延展性，因而從根本上解決了陶瓷材料的脆性問題。2.納米技術與納米陶瓷

利用納米技術開發的納米陶瓷材料-納米氧化鋯（VK-R50）是指陶瓷材料的顯微結構中，晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸都限于100nm以下，是上世紀80年代中期發展起來的新型陶瓷材料。由于納米陶瓷晶粒的細化，晶界數量大幅度增加，可使材料的韌性和塑性大為提高并對材料的電學、熱學、磁學、光學等性能產生重要的影響，從而呈現出與傳統陶瓷不同的獨特性能，為替代工程陶瓷的應用開拓了新領域[3]。

2.1 納米陶瓷的性能

(1)納米陶瓷材料具有極小的粒徑、大的比表面積和高的化學性能，可以降低材料的燒結致密化程度、節約能源；

(2)使材料的組成結構致密化、均勻化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性；(3)可以從納米材料的結構層次(1～100 nm)上控制材料的成分和結構，有利于充分發揮陶瓷材料的潛在性能，而使納米材料的組織結構和性能的定向設計成為可能。

另外，陶瓷是由陶瓷原料成型后燒結而成的，而且陶瓷粉料的顆粒大小決定了陶瓷材料的微觀結構和宏觀性能。如果粉料的顆粒堆積均勻、燒成收縮一致且晶粒均勻長大，則顆粒越小產生的缺陷就越小，所制備的材料的強度就相應越高，這就可能出現一些大顆粒材料所不具備的獨特性能。納米陶瓷最重要的特性主要在于力學性能方面，包括納米陶瓷材料的硬度、斷裂韌度和低溫延展性等，特別是在高溫下使硬度、強度得以較大的提高[4]。

2.2 納米陶瓷的研發

納米陶瓷具有類似于金屬的超塑性是納米材料研究中令人注目的焦點。例如，納米氟化鈣和納米氧化鈦陶瓷在室溫下即可發生塑性形變，180℃時，塑性形變可達100%。存在預制裂紋的試樣在180℃下彎曲時，也不發生裂紋擴展。九十年代初，日本的新原皓一（Niihara）報道用納米SiC顆粒復合氧化鋁材料的強度可達到1GPa以上，而常規的氧化鋁基陶瓷強度只有350-600MPa。Al2O3/SiC納米復合材料在1300℃氬氣中退火2小時后強度提高到1.5GPa，它的高力學性能是與納米復相陶瓷的精細顯微結構直接相關的。德國馬普冶金材料研究所的科研人員將聚甲基硅氮烷在高溫下裂解后，制得的?-Si3N4微米晶與?-SiC納米晶復合陶瓷材料。它具有良好的高溫抗氧化性能，可在1600℃的高溫使用（氮化硅材料的最高使用溫度一般為1200-1300℃）。他們最新進展是通過添加硼化物提高材料的熱穩定性，利用生成BN的包覆作用穩定納米氮化硅晶粒，將這種Si-B-C-N陶瓷的使用溫度進一步提高到2000℃，這是迄今國際上使用溫度最高的塊體陶瓷材料[2]。3.納米陶瓷的應用

3.1 納米陶瓷在軍事領域中的應用及趨勢

雖然納米陶瓷還有許多關鍵技術需要解決，但其優良的室溫和高溫力學性能、拉彎強度、斷裂韌性使其在切削工具、軸承、發動機部件等諸多方面都有廣泛的應用，并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊的應用前景。

3.1.1 防護材料

普通陶瓷在被用作防護材料時，由于其韌性差，受到彈丸撞擊后容易在撞擊區出現顯微破壞、垮晶、界面破壞、裂紋擴展等一系列破壞過程，從而降低了陶瓷材料的抗彈性能。納米陶瓷高活性和耐沖擊的性能，可有效提高主戰坦克復合裝甲的抗彈能力；增強速射武器陶瓷襯管的抗燒蝕性和抗沖擊性；由防彈陶瓷外層和碳納米管復合材料作襯底，可制成堅硬如鋼的防彈背心；在高射武器方面如火炮、魚雷等，納米陶瓷可提高其抗燒結沖擊能力，延長使用壽命。目前，國外復合裝甲已經采用高性能的高彈材料。在未來的戰爭中，若能把納米陶瓷用于車輛裝甲防護，會具有更好抗彈、抗爆震、抗擊穿的能力，提供更為有力的保護。3.1.2 吸波材料

陶瓷材料除具有優良的力學性能和熱物理性能外，高的機械強度、化學穩定性好，同時又具有吸波功能，能滿足隱身要求，已被廣泛用作吸收劑。據報道，F-117隱身飛機的尾噴管上用的就是陶瓷吸波材料，可以承受1093℃的高溫，法國采用陶瓷復合纖維也制造出了無人駕駛的隱身飛機。隨著技術的進步，吸波材料向“薄”、“輕”化發展；兼容吸收毫米波、厘米波和米波；追求寬頻帶吸收。而納米材料在這方面具有得天獨厚的條件：良好的吸波性能；寬頻帶、兼容性好、質量輕、厚度薄等特點，使得納米陶瓷材料成為陶瓷吸波材料研究重要方向之一。目前研究較多的納米碳化硅陶瓷吸波材料，不僅吸波性能好、能減弱發動機紅外信號，而且具有密度小、強度高、韌性好、電阻率大等特點，是國內外發展很快的吸收劑之一[5]。3.2 納米陶瓷粉體在日用功能制品領域中的應用

高性能的納米陶瓷粉體材料具有其多種奇特和優良的功能特性，在國外最先應用于軍事領域，或以軍事為背景的電子、信息、航空和航天等領域，隨后逐漸向民用領域發展，在軍事、能源、化學化工、敏感材料、光電、環保食品和生物醫藥等國民經濟的各個領域有著十分廣闊的應用前景，在人們的日用生活制品領域可涉及衣、食、住、行的各個方面，可顯著地改善人們的生活環境、身體健康和生活質量。目前在紡織纖維、塑料橡膠、日用化學、飲食容器、建筑涂料、家用電器和陶瓷制品中，已有許多相關納米陶瓷功能產品問世并開始銷售。這些產品大多由于采用納米材料，其納米效應（量子尺寸效應等）使得其制品具有奇異和優良的光電特性和化學活，如電飯煲、電壓力鍋的內鍋需要采用納米陶瓷涂料。該項目研制的涂料采用無機質的陶瓷經過納米技術處理和機能性添加劑結合，加水分解和縮合過程后，最終形成精密的、高強度的納米陶瓷涂料，以金屬為基質的內鍋表面經過超硬化處理后，在低溫下（200攝氏度以下）固化成形，表面硬度高，無任何毒性和腐蝕性物質，無任何氣味，具有節能、耐高溫、不粘、安全等特點。采用紋路技術的電飯煲、電壓力鍋的風鍋，其特征在于鍋體內壁均布多邊形或圓形或橢圓形凹槽，特點是內鍋加熱輻射面積增加，擴大內鍋受熱面積，節約熱源。大米或烹飪的食物與鍋體均布有間隙，水填充其中，加熱時水汽傳熱更充分，底部受熱均勻，不糊底[6]。

3.3 納米陶瓷在汽車工業中的應用 納米陶瓷不僅由于其燒成溫度降低數百度而使能耗大幅度減少，成本降低，有利于推廣應用，還因為納米陶瓷有其獨特的與傳統陶瓷無與倫比的優良性能而將會被廣泛應用。比如，納米陶瓷由于具有高硬度、低溫、超塑性、高韌性、耐磨性以及耐高溫高壓性、抗腐性、氣敏性、易加工可切削性等性能而拓展了它在汽車工業中應用的領域。

(l)納米陶瓷既可作連桿、推桿、軸承、氣缸內襯、活塞頂等材料，又可作氧傳感器材料以用于檢測汽車尾氣，還可制造用于燃料電池汽車中的高溫燃料電池。如納米ZrO陶瓷材料等。用納米陶瓷作為氣缸內襯材料時，因耐高溫且高溫高強，可促使燃料燃燒，使燃料的熱效率提高。

(2)納米陶瓷作為汽車發動機的零部件材料和抗腐蝕材料，如納米Si3N;陶瓷等。(3)納米陶瓷粒子涂覆于汽車玻璃表面可起到防污和防霧、隔熱作用，還具有保潔殺菌功能。

(4)納米陶瓷粒子摻入高分子塑料和橡膠中能顯著提高拉伸強度、沖擊韌性、彈性模量、靜電屏蔽性和耐老化性、阻燃自熄滅性，不僅汽車內飾材料輕便化、抗菌自潔、抗靜電、防變脆，降低材料破壞速率和摩擦磨損，還可以阻燃防火，使輪胎使用壽命延長;摻入油漆中，不僅能抗老化變脆、防脫落，極大地提高粘接性能、耐污染性能和汽車面漆的耐候性能，而且還具有吸波隱身功能和自修補功能。

(5)納米陶瓷具有特殊的的磁學性能，可作為磁致冷的工作物質。

(6)納米陶瓷粉體引起耐磨損、減摩擦等性質，可作抗磨減磨的潤滑材料，且潤滑效果很好[7]。

3.4 納米陶瓷在軸承工業中的應用

軸承在機械工業中的應用極其廣泛.傳統的軸承材料多為金屬，以油作為潤滑介質.但上述材料和工況下的軸承有許多缺點，如成本高、結構復雜、污染環境等，已愈來愈不能滿足實際工作的需要.陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕、剛度高、熱膨脹系數小、導熱性好、比重小、耐磨等諸多優點，和傳統軸承材料相比，它特別適用于高溫、高速、強磁場及腐蝕性環境等特殊場合.目前，陶瓷材料己被成功地用來制造機床的滾動軸承、水泵的滑動軸承等.如水泵中的陶瓷滑動軸承，由于它能夠在含有泥沙類固相顆粒的液體中運轉，并且具有良好的耐腐蝕性，因而對于直接輸送海水或江水的船用泵來說，具有特別重要的意義;加之良好的導熱性能，使泵在一定的干運轉期間，不會因過高的溫升而發生燒毀.為使陶瓷材料在軸承工業中得到更廣泛地應用，除了良好自潤滑效果外，關鍵問題就是提高陶瓷材料的韌性.使用納米陶瓷就是提高陶瓷材料韌性(同時提高強度等綜合性能)的有效辦法之一目前納米陶瓷在軸承中的應用主要有以下幾個方面: l)制成全陶瓷的納米陶瓷，使制品與常規陶瓷材料相比，其綜合性能，尤其是斷裂韌性有大幅度的提高;2)將納米陶瓷添加到橡膠等軸承材料中，改善原材料的強度和耐磨性;3)通過在原軸承材料表面涂覆納米陶瓷涂層，提高原軸承材料的耐磨性和使用壽命[8]。

4.結語

納米陶瓷作為一種新型高性能陶瓷，是近年發展起來的一門全新的、將成為新世紀重要的高新技術產品產業，越來越受到世界各國科學家的關注。納米陶瓷的研究與發展必將引起陶器工業的發展與變革。目前，國外納米陶瓷已開始產業化，但我國還處于陶瓷納米粉體的研制階段。納米陶瓷要真正使產業化，還需社會各界共同努力，產學研共攜手。加快科技成果的轉化。納米陶瓷以其巨大的潛在的優異性能，特別是超塑性，高韌性以及低溫燒結性等，給陶瓷工業注入了新的活力。如納米陶瓷在建筑行業、電子領域、生物領域、軍事領域、精密設備領域、環保領域以及在某些領域中的抗菌方面都有廣泛的應用。隨著社會對高性能陶瓷的要求，納米陶瓷將具有令人矚目的前景，市場潛力巨大。

參考文獻：

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