碳纳米材料的性能及应用作业.

第一篇：碳纳米材料的性能及应用作业.

碳纳米材料的性能及应用 Z09016114 蔡排枝

摘要:纳米材料被誉为21世纪的重要材料,而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性,在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景。本文依据目前碳纳米材料的研究发展现状,阐述了碳纳米材料碳60、碳纳米管及石墨烯的结构性能,并对其应用特性进行了初步探讨和分析。

一.引言

碳纳米材料是指材料微观结构在0-3维内其长度不超过100nm;由碳原子组成,材料中至少有一维处于纳米尺度范围0-100nm;具有纳米结构。它有四种基本类型:a.纳米粒子原子团如C 60(零维 b.碳纳米纤维和碳纳米管(1维 c.碳纳米层或膜材料石墨烯(2维 d.块体纳米材料如金刚石(3维。

由于碳纳米材料的独特结构,使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等,从而导致了碳纳米材料的力学性能、电磁性能、光学性能、热学性能等的改变,并使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药、日化诸多方面有重要价值,得到广泛的应用。由于石墨,金刚石并不是常用的碳纳米材料。

碳纳米材料中,目前应用最成熟的就是碳纳米管。碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料,由石碳原子层卷曲而成,管直径一般为几纳米到几十纳米,管厚度仅为几纳米,长度可达数微米。由于拥有潜在的优越能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料科学领域都将有大发展前景。比如在材料科学领域,碳纳米管的长度是直的几千倍,被称为“超级纤维”,其性质随直径和螺旋角的同有明显变化。近年来,美国、日本、德国和中国等国家相成立了纳米材料研究机构,使碳纳米管的研究进展随之加快并在制备及应用方面取得了突破性进展。

二.碳纳米材料的性能

2.1 C60的主要性质及应用

C60具有缺电子烯的性质,同时它又兼备给电子能力,六元环间的6:6双键为反应的活性部位,可发生诸如氢化、卤化、氧化还原、环加成、光化与催化及自由基加成等多种化学反应,并可参与配合作用。C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能,对它的研究已广泛开展。

(1超导体

超导现象是大约10年前第一次在一种电子搀杂的富勒烯C60中发现的。C60分子本身是不导电的绝缘体,但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后,C60与碱金属的系列化合物将转变为超导体如K3C60即为超导体,且具有很高的超导临界温度。

(2光学特性

由于C60分子中存在的三维高度非定域(电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性能。C60光激发后很容易形成电子一空穴对从而产生光电子转移,C60还具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点,可以预计C60将是很好的光电导材料、新型非线性光学材料,有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。

(3功能材料的制备

由于C60特殊笼形结构及功能,将C60作为新型功能基团引入高分子体系,得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。将富勒烯丰富的电子和电化学性质与富电子的过渡金属配合物Ru—bipy,Ru—terpy,二茂铁等电活性物种结合可用于新型分子电子器件的制备。华中科技大学刘晓国等人将纳米富勒烯与丙烯酸(酯单体在引发剂作用下共聚,用该聚和物与有机胺中和成盐使其水性化,制得水溶性纳米富勒烯一丙烯酸(酯高分子成膜材料,发现富勒烯对丙烯酸(酯聚和物具有独特的成膜改性功能。

(4新型催化剂

C60分子的电子亲和力较高(2.6—2.8 ev易于通过分子内或分子间的电子授受作用而发生氧化还原反应, 因此多数富勒烯或其衍生物的金属配合物均具有良好的催化性能,如C60Pdn 可在常温下催化苯乙炔的氢化, C60Pt(H h32、C60Pm对端烯烃的硅氢加成有良好的催化活性。

(5生物活性材料

Friedman 等人报道了水溶性二氨基二酸二苯基C60衍生物的合成方法,并证明它有抑制HIVP活性的功效,而艾滋病研究的关键是有效抑制的活性。Nakajima等人将他们合成的带聚乙二醇的C60~t 生物与 HelaS3 细胞共同培养并用光照射,结果呈现细胞毒性。

2.2 碳纳米管的结构性能及应用

由碳原子形成的石墨烯片层围成的一种管状结构,而且它们的直径很小,基本都在纳米尺度,所以称其为纳米碳管。在理想情况下,仅仅包含一层石墨烯的纳米碳管称为单壁纳米碳管。包含两层以上石墨烯片层的纳米碳管称为多壁纳米碳管,片层之间的距离为0.34-0.36nm。

碳纳米管是指由类似石墨的六边形网格组成的管状物,可以看作是石墨片层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成。管子一般由单层或多层组成,相应的纳米碳管就称为单壁纳米碳管(SWNT和多壁纳米碳管(MWNT。碳纳米管的直径在几微米到几十纳米之间,长度可达数微米,因此有较大的管径比。资料表明:碳纳米管的晶体结构为密排六方(hcp , a = 0.24568nm, c = 0.6852nm, c / a = 2.786,与石墨相比,a 值稍小而c 值稍大,预示着同一层碳管内原子间有更强的键合力,碳纳米管有极高的同轴向强度。多壁碳纳米管存在三种类型的结构,分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性纳米管。

碳纳米管具有很高的杨氏模量和抗拉强度,杨氏模量估计可高达5TPa;同时碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软。碳纳米管的导电性与本身的直径和螺旋度有

关,随着这些参数的变化可表现出导体或半导体性质.碳纳米管管壁在生长过程中有时会出现五边形和七边形缺陷,使其局部区域呈现异质结特性.不同拓扑结构的碳纳米管连接在一起会出现非线性结效应,有近乎理想的整流效应.在室温条件下,碳纳米管能够吸收较窄频谱的光波,能以新的频谱发射光波,还能发射与原来频谱完全相同的光波。可以有以下的应用。

(1纳米电子学方面

作为典型的一维量子输运材料,用金属性单层碳纳米管制成的三极管在低温下表现出典型的库仑阻塞和量子电导效应.碳纳米管既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中,也可以被制成新一代的量子器件.碳纳米管还可用作扫描隧道显微镜或原子力显微镜的探针。碳纳米管还为合成其它一维纳米材料的控制生长提供了一种模板或框架,碳纳米管在高温下非常稳定,利用碳纳米管的限制反应可制备其它材料的一维纳米结构.这一方法用于制备多种金属碳化物一维纳米晶体和制备氮化物的一维纳米材料。在硅衬底上生长碳纳米管阵列的工艺与现行的微电子器件的制备工艺完全兼容,这就为碳纳米管器件与硅器件的集成提供了可能。美国IBM公司于2001年用单分子碳纳米管成功制成了当时世界上最小的逻辑电路。美国IBM 于2002年成功开发出了当时最高性能的碳纳米管晶体管,比当时用硅制成的最先进的晶体管的速度还要快.(2信息科学方面

碳纳米管可制作碳纳米管场致发射显示器碳纳米管的顶端很细,有利于电子的发射,它可用做电子发射源,推动场发射平面显示发展.实验证明在硅衬底上可生长规则的碳纳米管阵列,采用蒸发和掩膜技术在硅表面形成铁的薄膜微观图形,利用乙烯做反应气体,在适当的反应条件下,碳纳米管可垂直于衬底表面生长,形成规则的阵列,阵列的形状由衬底上铁膜的微观图形决定.这种碳纳米管阵列的一个可能的直接应用是场发射平面显示.西安交通大学朱长纯教授领导的研究小组采用新的技术,引导碳纳米管有序、定向地生长在导电的硅片衬底上引,并且进一步研制出功能完备的场发射像素管0训,由于其纯度高、有序性好,场发射性能也大为提高。和传统显示

器比,这种显示器不仅体积小,重量轻,大大省电,显示质量好,而且响应时间仅为几微秒,从零下45℃到零上85℃都能正常工作.(3能源方面

由于碳纳米管具有独特的纳米级尺寸和空心结构,有较大的比表面积,比常用的吸附剂活性炭有更大的氢气吸附能力,非常适合作为储氢的材料.碳纳米管在储氢率方面有明显的优势,加之碳材料的价格低廉,化学性能稳定,密度较小,CNT 储氢的应用前景很好。中科院金属研究所青年研究员成会明博士研究小组, 在单壁纳米碳管的储氢研究方面取得显著成果,他们采用等离子体氢电弧法半连续大量制备出高质量单壁纳米碳管,其纯度高,纳米碳管的直径较粗.在室温下获得优异储氢性能,储氢量达4Wt%以上,其中约四分之三的储量可在室温和常压下放出.(4材料方面应用

碳纳米管的强度约比钢高100多倍,而比重却只有钢的1/6;同时碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软。它被认为是未来的“超级纤维”,是复合材料中极好的加强材料。目前已经用于纳米结构复合材料和混凝土的强化.对碳纳米管可控制生长技术、表征技术和应用的深入研究将会促进纳米科学和技术的发展,有助于发现新的效应,发展新的器件,以至于形成新的产业。

(5制备纳米材料的模板

一维纳米中空孔道赋予了纳米碳管独特的吸附、储气和浸润特性。根据理论计算,中空的纳米碳管具有毛细作用,纳米碳管为模板制备其它纳米线的研究工作。以纳米碳管为基础,利用它的中空结构和毛细作用可制备其它纳米结构。对纳米碳管进行B、N等元素掺杂已获得了一系列新型纳米管。以纳米碳管为母体,通过气相反应方法可以制备出SiC、GeO2、GaN等多种纳米棒以及各种金属的

纳米线。这些新的一维纳米材料的出现,必将对纳米材料的研究和发展产生积极的影响。

(6催化剂载体

纳米材料比表面积大,具有特殊的电子效应和表面效应。如气体通过纳米碳管的扩散速度为常规催化剂颗粒的上千倍,担载上催化剂后可极大地提高催化剂的活性和选择性,使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。

(7复合材料增强相

碳纳米管还有非凡的力学性质。理论计算表明,碳纳米管应具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小,使得结构中的缺陷不易存在,因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达5太帕,其强度约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6。因此,碳纳米管被认为是强化相的终级形式,人们估计碳纳米管在复合材料中的应用前景将十分广阔。

(8纳米器件

纳米碳管的电学性质与其结构密切相关。就其导电性而言,由于纳米碳管直径和螺旋角不同,可以是金属性的,也可以是半导体性的,甚至在同一根纳米碳管上的不同部位,由于结构的变化,也可以呈现出不同的导电性。纳米碳管中存在大量未成对电子,但其在纳米碳管中的径向运动却受到限制,表现出典型的量子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。因此,可以认为纳米碳管是一维量子导线。利用催化热解法成功地制备了纳米碳管-硅纳米线,测试表明,这种金属-半导体异质结具有二极管的整流作用。当一个金属性单层纳米碳管与一个半导体性单层纳米碳管同轴套构而形成一个双层纳米碳管时,两个单层管仍分别保持原来的金属性和半导体性,利用这一特性可制造具有同轴结构的金属-半导体器件。

纳米碳管的电学性能和所处气氛有关,在不同气体气氛下,其电阻会发生改变,根据这一现象有可能把纳米碳管用作体积很小而灵敏度极高的化学传感器。纳米碳管具有优异的场发射性能,而且在空气中稳定同时具有较低工作电压和大的发射电流等优点,直径细小的纳米碳管可以用来制作极细的电子枪,在室温及低于80伏的偏置

电压下,即可获得0.1~1微安的发射电流。有望在新一代冷阴极平面显示器中得到应用。

2.3 石墨烯的主要性质及应用

石墨烯除了有特殊的结构外,还具有一系列独特的性质。最显著的是它的导热性和机械强度。石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量,而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少;而它的强度可以和碳纳米管相媲美,理想强度可达110--130 GPa[6j。理想的单层石墨烯具有超大的比表面积(2 630m2/g17j,是很有潜力的储能材料;同时石墨烯又是一种非常优异的半导体材料,具有比硅高很多的载流子迁移率(2×105cm2/V,因为即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级。石墨烯还是目前已知在常温下导电性能最优秀的材料,电子在其中的运动速度远远超过了一般导体,达到了光速的1/300;这一特性使其在纳电子元件、传感器、晶体管及电池中有着巨大的应用前

景。石墨烯还具有良好的透光性,是传统 IT0 膜潜在替代产品。石墨烯可应用在以下方面。

(1锂离子电池中的应用

石墨烯作为电池电极材料以提高电池效率有着诱人的应用前景。单层或者多层石墨烯在锂离子电池里的应用潜力引起了各国学者的极大关注。Yoo 等人对应用于锂离子二次电池负极材料中石罢烯的性能进行了研究,发现其比容量可以达到540 mAh/g。如果在其中掺入C60 和碳纳米管后,负极的比容量分别可达784mAh /g和730mAh/g,Khan ~tha等人通过理论计算讨论了石墨烯的储锂机理。

(2计算机芯片材料中的应用

马里兰大学物理学家的研究表明,未来的计算机芯片材料中石墨烯可能取代硅。石墨烯具有远高于硅的载流子迁移率,并且从理论上说,它的电子迁移率和空穴迁移率两者相等.因此其 n 型场效应晶体管和 P 型场效应晶体管是对称的,因为其还具有零禁带特性,即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为

微米级,所以它是一种性能非常优异的半导体材料.专家指出硅基芯片在室温条件下的速度是有限的,很难再大幅提高;而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少,且石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量,由石墨烯制造的集成电路运行的速度将要快得多.据估计用石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到lT(1012Hz ,即比现在常见的 1G(109的计算机快1000 倍.(3减少纳米元件噪声领域的应用

普通的纳米元件随着尺寸越来越小,电噪声(电荷在材料中反弹导致各种各样的干涉,会变得越来越大,这种关系被称为“豪格规则 Hogue’Slaw”.因此,如何减小噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。美国蚴司[25-27J宣布,通过一层叠加在另一层上面的双层石墨烯来构建晶体管时,发现可大幅降低纳米元件特有的噪声。虽然这离其商品化生产还甚遥远,还有不少难题要克服,但降低噪声是石墨烯晶体管研制过程中迈出的重要一步。

三、总结

随着研究的不断深入,碳纳米材料的优异性能和潜在价值被逐步发掘出来,而其在复合材料、纳米器件、储氢材料,量子计算机以及超灵敏传感器等领域也受到了越来越多的关注。当前碳纳米材料的研究还主要集中在基础研究方面,如何大规模制备碳纳米材料如碳纳米管,石墨烯人是未来的一个研究重点。相信在不远的将来,碳纳米材料会给人类的生活,生产实践带来巨大的变化。

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第二篇：常用材料的性能及应用范围

公司常用原材料的种类、性能和应用范围

一、钢材的基础知识

1、钢材的化学成分：钢材的化学成分主要包括以下几种：C Si Mn Mo Cr Ni V Ti W Nb Cu Al P S，专门用途的钢材，在牌号前部加上代表该钢用途的代号。也有在钢材牌号后面加上A、E 等符号，这里的A、E不是钢材的化学元素符号，而是代表另外一种用途的钢种。例如：0Cr18Ni9、00Cr17Ni14Mo2、1Cr5Mo、35CrMoA、Y1Cr17。

2、钢材的机械性能（力学性能）：钢材的机械性能常用的主要有以下几种：抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率、冲击值、布氏硬度、铬氏硬度、维氏硬度。

a）抗拉强度：在用金属试样作拉伸试验时，在试样要拉断前所承受的最大负荷与试样原始截面之比，称为强度极限或抗拉强度，用“σb”表示，单位为“MPa”。

b）屈服强度：材料在拉伸过程中，当载荷达到某一值时，载荷不变而试样仍继续伸长的现象称为屈服。材料开始发生屈服时所对应的应力，称为屈服点、屈服强度或屈服极限，用 “σS”表示，单位“MPa”在进行阀门设计时，抗拉强度和屈服强度是选择阀门主要部件材料的主要依据。

c）延伸率：金属材料在作拉伸试验时，试样拉断后，其标距部分的总伸长△L与原标距长度L0之比的百分比，称为伸长率或延伸率，用“δ”表示。

d）断面收缩率：金属材料在拉断后，其缩径处横截面积的最大缩减量与原横截面积的百分比，称为断面收缩率，作“ψ”表示。延伸率和断面收缩率是检验金属材料塑性的主要依据。延伸率或断面收缩率太小，材料就成了脆性材料，如铸铁。

e）冲击韧性：用一定尺寸和形状的试样，在规定类型的试验机上，用大能量一次冲击，将冲断试样所消耗的功Ak除以缺口处的断面积Fo，即为冲击韧性，用“Ak”表示，单位为J/cm。

2f）布氏硬度、铬氏硬度、维氏硬度是三种不同的检验钢材硬度的的方法，单位分别为“HB”、“HRC”、“HV”。他们互相之间有一定的换算关系，同时他们与材料的抗拉强度也有一定的换算关系。

材料的机械性能除上面讲过的以外还有其他的几种如：（强度方面）疲劳极限、持久极限、蠕变极限；（塑性方面）冷弯性能、压扁试验；（韧性）应变时效冲击敏感性、脆性转变温度；（脆性）低温冷脆、应变时效脆性、回火脆性；（刚度）弹性模量E等。特别是在高温情况下使用的材料，这些性能就更为重要。

3、金属材料的腐蚀性能:

腐蚀的类型主要有: 点蚀：金属表面产生点状腐蚀，并从表面向内部扩展，形成孔穴。选择性腐蚀：金属中某些组分不按其在合金中所占的比例进行反应所发生的合金腐蚀。晶间腐蚀：沿着或紧挨着金属的晶粒边界发生的腐蚀。应力腐蚀：由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用所产生的材料破坏过程。龟裂：金属表面产生的网状细裂纹。氢脆：由于吸氢使金属的韧性和延伸性降低的过程。氢脆有时导致断裂。氢蚀：高温下（200℃以上）氢和钢中的渗碳体（Fe3C）发生还原作用生成甲烷导致沿金属晶界腐蚀的现象。

4、金属材料的金相组织状态：奥氏体：是碳在γ-Fe中的固溶体。在合金钢中则是碳和合金元素溶液于γ-Fe中所形成的固溶体。以大写字母A表示。铁素体：碳在α-Fe中的固溶体，通常以大写字母F表示。铁素体的性质接近纯铁，塑性、韧性高，强度低。渗碳体：铁和碳的化合物，用Fe3C表示，含碳量为6.69%其性能硬而脆,几乎没有塑性。殊光体：由铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织，按片间距的大小，分别称为珠光体、索氏体和屈氏体，以大写字母P、S、T表示。珠光体中的渗碳体呈粒状分布在铁素体基体上的组织，称为粒状珠光体。马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体，是钢通过淬火使奥氏体过冷到MS点以下转变而成的，用大写字母M表示。马氏体具有高硬度、但较脆、淬火后可使钢得到强化，低碳马氏体则具有高的硬度和韧性的良好的综合机械性能。贝氏体：奥氏体过冷到中温区间转变而成的产物，组织是过饱和铁素体和渗碳体的混合物。根据形成温度的高低分上贝氏体和下贝氏体。下贝氏体有较好的机械性能。

5、金属材料的热处理：

将固态金属或合金，在一定介质中加热，保温和冷却，以改变其整体或表面的组织状况（金相组织），从而获得所需性能的工艺过程，称为热处理。

重结晶：固态金属及合金，在加热或冷却通过临界点时，金属内部结构从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象儿为重结晶。

过热：金属或合金在热加工时，由于温度过高，晶粒长的很大，致使性能显著降低的现象，称为过热。过热的材料可以通过热处理的方法使其恢复。

过烧：金属或合金加热温度达到固相线附近时，发生晶界开始部分熔化或氧化的现象，称为过烧。过烧的金属或合金不能通过热处理的方法使其恢复。

时效：合金经固溶处理或冷变形后，性能随时间而变化的现象，称为时效。由固溶处理所引起的时效称为热时效或淬火时效，而由冷变形所引起的时效称为应变时效或机械时效。

退火：把钢加热到临界点（Ac1或Ac3）或再结晶温度以上，保温硬度时间，然后缓慢冷却，使组织达到接近平衡状态的热处理过程，称为退火。退火又可分为完全退火、去应力退火、再结晶退火等。

正火：将钢加热到Ac3（或Acm）以上30~50℃，保温后在空气中冷却，得到珠光体型组织的热处理操作过程称为正火。正火主要用于碳钢与低合金钢，细化晶粒，改善组织，提高其机械性能。

回火：钢淬火后为了消除残余应力及获得所需的组织性能，把以淬火的钢重新加热到AC1以下温度，保温后机械冷却的热处理工艺，称为回火。回火又分低温回火、中温回、高应回火。低温回火：回火后钢有较高的硬度和较好的耐磨性。（200~300℃），中温回火：回火后钢有足够的硬度和较高的弹性强度并保持一定的韧性。（400~600℃），高温回火：回火后钢既有较高的强度和硬度又有较好的韧性。（600℃以上）。

调质：淬火加高温回火（获得索氏体组织）获得强度和韧性相配合的综合机械性能。固溶处理：将合金加热到高温单相区，经过充分的保温，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的工艺过程。固溶处理改善了金属的塑性和韧性，并为进一步沉淀硬化处理准备条件。

沉淀硬化：从过饱和固溶体中析出弥散的碳化物或金属化合物等第二相而引起的硬化现象，称为沉淀硬化。金属经过固溶处理后加热到480~630℃保温一小时空冷，或获得HB900~1150状态的马氏体组织。

6、按金相组织区分的合金钢、不锈钢、耐热钢金属材料类型：珠光体型、马氏体型、铁素体型、奥氏体型、铁素体-奥氏体型、沉淀硬化型。

二、常用优质碳素钢

（一）20、20g、20G、20R号钢：20号钢是使用较多的低碳钢，也是优质碳素钢。主要用途是制作各种高压管件、水冷排等。焊接性能优良，因此广泛用于需要焊接的管件制作上。对于20号钢根据其用途的不同，可分为20、20g、20G、20R等几种，这四种材料的化学成份没用太大的区别，但是其机械性能有较大的区别。因此对这几种钢的冶炼方法，检验方法及热处理都有不同的要求。

（二）25、35、45号钢：25、35、45号钢是比较常用的优质碳素钢，按其含碳量的多少可知，25号钢为低碳钢，而35、45号钢为中碳钢。使用25号钢作碳钢高压阀门的阀体，具有优良的

工艺性能，焊接性好，通过正火又可以得到较好的综合机械性能，完全满足阀门设计的需要。

35、45号钢用来作阀体、法兰、螺栓、螺母、各种管件等。

三、常用低合金结构钢16Mn：具有低合金结构钢的特性，具有良好的综合机械性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性，冷冲压及切削性能好。广泛应用于石油化工设备。主要用来制作中、低压管件。

四、常用合金结构钢和耐热钢：具有良好的淬透性又有较高的强度、塑性和韧性，还具有一系列特殊的力学性能和物理性能，如抗蠕变和持久破断能力、抗松驰性、抗氧化性和介质腐蚀性能、组织稳定性等。这类钢与高合金钢相比，有冷热加工工艺性能优越，在工作条件范围内，力学性能高，属于比较经济的材料。

（一）常用合金结构钢40Cr、35CrMo：

40Cr是机械制造业常用的钢种，此钢具有良好的淬透性，有较高的疲劳强度。主要是作中低压阀门的阀杆。40Cr钢的焊接性能较差，有形成裂缝的倾向。如必须焊接要制定焊接工艺规范，焊前要预热，焊后要进行热处理。40Cr钢可进行正火、调质等各种形式的热处理，热处理的温度不同，可以得到所需的各种不同的机械性能。

25CrMo钢是常用的紧固件用合钢结构钢，在淬火高温回火后有很好的综合机械性能。此钢调质后有良好的抗松弛性、持久塑性和组织稳定性；有较高的疲劳极限和抗冲击的能力；在高温（550℃）条件下亦有较高的强度，因此该钢也是较常用的紧固件用耐热钢；此钢的低温韧性良好。常用此钢制造480℃以下使用的双头螺栓、510℃以下的螺母及温度低于400℃条件下工作的法兰、盲板等。

（二）常用耐热钢15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo、10MoWVNb、12SiMoVNb：

在高温条件下工作的部件用钢称为耐热钢。耐热钢通常应具备两种性能：一种是能在高温下长期工作而不致因介质的侵蚀导致破坏，即高温化学稳定性，适应这种性能的称为热稳定钢；另一种是在高温下仍具有较高的强度，在受载下不产生大的变形和破断，称为热强钢。可见，耐热钢应具备抗氧化性及高温力学性能。耐热钢不但在常温下有较好的机械性能，而且在高温工作条件下也要有较好的机械性能。因此，耐热钢除了具有常温用钢材的机械性能外，还应具备在高温条件下能正常工作所需的机械性能。选择含碳量低的钢或在钢中加入能形成稳定性高的碳化物的合金元素，如铬、钼、钨、钛、铌等是提高钢的抗氢腐蚀的主要措施。

12Cr1MoV钢有很好的高温力学性能，钢的组织稳定，在540℃条件下长期运行有很高的持久强度、蠕变强度和抗氧化性能。我国引进了美国标准TP304H（1Cr18Ni9）、TP347H等奥氏体热强钢，其性能更优于12Cr1MoV钢。该种钢材在电站用阀门、管件上还在广泛使用。

10MoWVNb与12SiMoVNb是我国自主研发的抗氢钢新钢种。这两种钢主要用于中置式锅炉系统有关设备，三十万吨合成氨装置开工加热炉，氨合成塔内件。炼油，石油化工加热炉及废热锅炉炉管等600~650℃以下耐热用钢；这些设备的管线、阀门、管件等均在高压（32MPa），中温（400℃），高温（600~650℃）氢、氮、氨介质条件下工作，不仅要求钢材有一定的综合机械性能，而且要求具有良好的耐氢、氮、氨腐蚀，抗中、高温的耐热强度，同时还要求加工制造和焊接性能好等。12SiMoVNb主要是用在中置锅炉（400℃），PN32MPa的加氢装置中，作抗氢钢使用。12SiMoVNb还具有较好的加工性能，可进行煨弯、锻造、车削、气割、机械加工、等各种加工形式，工艺性好。

常用美标低合金耐热钢：经常遇到的美标低合金耐热钢是F11、F12、F21、F22这几种型号，他们与国产12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo、有相同的方面，比如都是低合金耐热钢，都具有优良的工艺性能，焊接性好。在高温下工作有一定的热强性和抗氧化性。但是二者又不完全相同，美标低合金耐热钢的铬含量高于国产钢12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV，低于1Cr5Mo。

五、常用的不锈钢：

不锈钢的耐腐蚀性能，一般认为是由于在腐蚀介质中的作用下其表面形成了“钝化膜”的结果，而耐腐蚀的能力则取决于“钝化膜”的稳定性。这除了与不锈钢的化学成分有关外，还与腐蚀介质的种类、浓度、温度、压力、流动速度以及其他因素有关。不锈钢的种类很多，按照我国国家标准GB/T13304—91《钢分类》以及 国际上通用的分类方法是按钢的金相组织划分，分为5类即：马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢、沉淀硬化型不锈钢等五种。下面分别介绍我公司常用不锈钢：1Cr13、2Cr13、3Cr13、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo2Ti、00Cr17Ni14Mo2、0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Mn14Mo2N、00Cr22Ni5Mo3N等。

（一）马氏体不锈钢：1Cr13、2Cr13、3Cr13

具有良好的淬火性能、较高的韧性和冷变形性，通过淬火和高温回火可以得到优良的综合机械性能。有良好的耐蚀性；在淡水、蒸汽、湿大气条件下有足够的抗锈性和耐蚀性。这三种钢被

广泛用于阀门制造业，1Cr13钢热处理后，主要用来制造要求韧性较高、承受冲击载荷的零件，如水压机阀、紧固件等；2Cr13用的最多，它可以用作各种高压阀门的阀杆，高、中、低压阀门的阀瓣，阀座。如我公司生产的合成氨高压截止阀，抗氢钢截止阀等，阀杆全是2Cr13，他不但强度高，而且在425℃的温度下仍有较好的强度和耐腐蚀性；3Cr13主要用来制造要求强度较高的结构件，如螺栓、阀门阀瓣、阀座等。

（二）奥氏体不锈钢：奥氏体型不锈钢分为铬镍钢和铬锰钢两大类。1、18-8型奥氏体不锈耐酸钢：0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti

0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti都是典型的18-8型奥氏体不锈耐酸钢。与之为一个种族的还有1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti 等。18-8型钢具有较好的抗晶间腐蚀性能，优良的耐腐蚀性能和冷加工冲压性能。对硝酸有很强的抗腐蚀性；对碱溶液及大部分有机酸和无机酸都有一定的抗腐蚀能力。1Cr18Ni9Ti常用作酸容器和耐酸设备的衬里、输送管道，如氮肥工业用的吸收塔、热交换器等。我公司生产的各种耐酸、碱的阀门中，阀体材料以“P”为标志的都是以这两种材料为主。2、18-12型奥氏体不锈耐酸钢0Cr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti

在化肥行业，最早使用在尿素管路中的不锈耐酸钢就是0Cr18Ni12Mo2Ti，被化肥行业通称为Mo2Ti钢，随着不锈耐酸钢材料的发展，后来逐渐有了00Cr17Ni14Mo2，用以取代了0Cr18Ni12Mo2Ti。到现在随着国外材料的引进化肥厂生产效益的不断提高，人们越来越追求更加优良的钢种用于尿素生产设备，于是又出现了316L和尿素级不锈钢316LMod、25-22-2等等。

3、超低碳不锈钢00Cr17Ni14Mo2、00Cr17Ni14Mo3

这两种钢是广泛应用的超低碳不锈耐酸钢，对各种无机酸、有机酸、碱、盐类（如来硫酸、硫酸、磷酸、醋酸、甲酸、氯盐、卤素、来、亚硫酸盐）均有良好的耐蚀性，由于含碳低，因此晶间腐蚀倾向比0Cr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti钢小，有优良的焊接性能，适合于多层焊接，焊后无刀口腐蚀倾向。是制造合成纤维、石油化工、纺织、化肥、印染及原子能后处理等工业设备的重要耐蚀钢材料。00Cr17Ni14Mo2在我公司应用较多，主要是用来制造尿素装置用高压阀门和各种尿素装置用高压管件。它在尿素及甲胺液介质中的耐腐蚀性远高于0Cr18Ni12Mo2Ti。同时也用来制作尿塔衬里等。

（三）双相不锈钢

双相不锈钢是在其金相组织中即有奥氏体组织，也有铁素体组织的钢，如果以奥氏体为基体，则铁素体组织约占15%~50%；如果以铁素体为基体，则奥氏体组织约15%~50%即可称为双相不锈

钢。双相不锈钢即具有奥氏体钢的特点，又具有铁素体钢的特点，近些年来随着煤化工的发展，双相不锈钢的开发与使用越来越广泛。双相不锈钢如果以铬含量的多少来进行分类的话，可分为18%Cr系、22%Cr系、25%Cr系和28%Cr系。在双相不锈钢组织中，铬、钼、硅等铁素体元素浓缩在α相中，而镍、锰、碳和氮等奥氏体稳定元素浓缩在γ相中。

1、双相不锈钢有以下特点：

a、含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物腐蚀的性能。

b、含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能，相当于316L的耐孔蚀性能。含25%Cr的双相不锈钢的耐孔蚀性能超过316L。

c、双相不锈钢具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。

d、双相不锈钢具有良好的综合力学性能。有较高的持久强度和耐疲劳性能，其屈服强度是18-8型奥氏体不锈钢的2倍。经固溶处理后的双相不锈钢的延伸率达到25%、韧性值在100J以上。

e、双相不锈钢可焊性良好，热裂倾向小。一般焊前不需预热，可与碳钢及其他奥氏体钢异种焊接。

f、含低铬（18%Cr）的双相不锈钢热加工温度范围比18-8型奥氏体不锈钢宽，抗力小。j、与奥氏体不锈钢相比，导热系数大，线膨胀系数小。

h、有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，不宜用在高于300℃的工作条件下使用。

2、国产双相不锈钢

a、0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti（22%Cr系）这两种不锈钢都是我国为代替1Cr18Ni9Ti钢而设计的。他们比1Cr18Ni9T有更优良的机械性能，特别是强度高，广泛用于化学工业，食品工业和航空工业。这种钢我公司还没使用过，不作进一步介绍。

b、1Cr18Mn10Ni5Mo3N、0Cr17Mn14Mo2N（18%Cr系）这两种不锈钢是以Mn、N代Ni的双相不锈钢，具有良好的耐蚀性能，并有良好的机械性能和工艺性能，他们在制造丙烯腈和尿素等工业设备中用来代替0Cr18Ni12Mo2Ti、00Cr17Ni14Mo2具有良好的耐蚀性能。如在全循环法生产尿素的合成塔内件、蒸发器、甲铵泵等使用1Cr18Mn10Ni5Mo3N取得良好的效果。他们可以代替18-8型不锈钢使用。其中0Cr17Mn14Mo2N钢也称A4钢。近些年该钢在化工系统，特别在尿素生产设备（如合成塔、高压分离器等）上得到进一步利用。0Cr17Mn14Mo2N（A4钢）的晶间腐蚀试验采用T法,即硫酸铜加硫酸加铜屑法。650℃敏化处理时间为30分钟至一小时。此钢在适当的工艺条件下有良好的可焊性。

c、00Cr22Ni5Mo3N等仿美标准生产的双相不锈钢：这些双相不锈钢是我国仿照美国标准生产的钢种，其化学成分与机械性能及热处理与美国标准的双相不锈钢相同。

d、国产双相不锈钢的热处理及机械性能

00Cr22Ni5Mo3N等仿美标产品，大量用在煤气化工程中。由于国际上石油不断长价，因此我国好多企业利用我国煤碳资源丰富的特点，煤改油变成了油改煤。引进英国壳牌公司的技术，利用煤碳资源制造合成氨和生产甲醇。煤碳在粉碎、升温变成粉沫（粉煤灰）的过程中产生大量的H2S气体，对金属的腐蚀性十分严重。而双相不锈钢是耐H2S腐蚀的最好材料，同时其强度又比奥氏体不锈钢高，适应这种生产环境。因此被大量采用制造煤气化工程中的各种管件，阀门等。我公司2004~2006年曾为中国石化集团、柳化、洞氮化肥厂等多家企业设计制造双相不锈钢截止阀、球阀等。其中十英寸大口径双相不锈钢球阀为我公司独创。

沉淀硬化型不锈钢：0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH，S17400）是一种具备不锈钢特有的耐蚀性外，还可以通过进行时效处理（使钢中的碳化物沉淀析出），从而达到提高强度实现沉淀硬化的高强度不锈钢。沉淀硬化不锈钢分为马氏体系沉淀硬化不锈钢、半奥氏体系沉淀硬化不锈钢、奥氏体系沉淀硬化不锈钢、铁素体系沉淀硬化不锈钢、和奥氏体-铁素体系沉淀硬化不锈钢。我国钢材标准GB/T1220—1992中以经列入的这类钢有马氏体型0Cr17Ni4Cu4Nb、半奥氏体型0Cr15Ni7Mo2Al、0Cr17Ni7Al三种沉淀硬化不锈钢，此钢具有易强化又耐腐蚀的性能。

六、美国标准不锈钢简介

随着经济的发展和引进技术的增加，化工行业引进了大量的外国先进工艺和设备，有的成套引进外国设备，而这些外国设备中，使用的阀门、管件等产品，大量使用美国标准材料，其中我们大家比样熟悉的材料有304、304L、316、316L、316L Mod等等。美国钢铁牌号表示方法较多，但我们常见的主要是ASTM（美国试验和材料学会）表示方法。

1、奥氏体型不锈耐酸钢316L、316LMod

这两种钢都是为高压尿素工艺生产的需要而生产的特种不锈钢，由于工艺条件的强腐蚀性和腐蚀机制的复杂性，因此在开发316L的基础上调整了铬、镍、钼的含量并添加了氮后形成了316LMod尿素级不锈钢。对于316LMod除了化学成分及金相组织（铁素体含量最高为0.6%）有了更严格的限制以外，对其晶间腐蚀试验的取样方法和试验方法以及合格标准（最大腐蚀率为0.60mm/a）都有了比316L更严格的限制。

2、尿素级不锈钢的新钢种UNS N031050、U1、U2，（通常称为25/22/2）

尿素级316LMod 在尿素合成塔液相介质中使用多年后，仍存在晶间腐蚀的现象，这是因为316LMod 焊缝中存在少量铁素体，使其发生选择性腐蚀。同时316LMod 还存在缝隙腐蚀、点蚀、应力腐蚀等局部腐蚀形式。UNS N031050是高合金奥氏体钢，具有较强的耐腐蚀性。

我国钢铁研究总院也研制了与UNS N031050同一类型的钢种U1钢和U2钢，在尿素合成介质中，能使腐蚀率减小一半，国内尿素高压设备己逐渐采用，明显改善材料的抗晶间腐蚀的能力。这几种钢与316LMod相比，主要是含碳量明显减少，硫、磷含量控制更加严格，同时铬、镍含量明显提高。从而使其耐腐蚀性得到进一步提高。目前这两种钢还在试验阶段，相信很快就会得到大量的应用。

第三篇：碳晶电热板性能及优点

产品介绍

一、工作原理

碳晶电热板的制热原理：在电场的作用下，发热体中的碳分子团产生“布朗运动”，碳分子之间发生剧烈的摩擦和撞击，产生的热能以远红外辐射和对流的形式对外传递，其电能与热能的转换率高达98%以上。碳分子的作用使碳晶电热板表面温度迅速升高，将电热板安装在墙面上，热能就会源源不断地均匀传递到房间的每一个角落。

碳晶电热板之所以能够对空间起到迅速升温的作用，就在于其100%的电能输入被有效地转换成了超过65%的远红外辐射热能和30%的对流热能。

1.远红外辐射供暖

碳晶电热板在电场作用下，会辐射大量的波长在8-14微米之间的远红外线，受体接收远红外线后，能量被吸收转化为热能，使受体温度升高，其原理如同“阳光普照万物”的原理一样。这种供暖环境，使人体热感觉增强，这是因为远红外线直接到达人体，补偿人体表面散热。远红外线到达墙面和其它围护结构，加热速度快于空气加热，使环境温度更加均衡。

2.对流供暖

由于碳晶电热板表面材料对远红外能量的吸收作用，只要5-10分钟后，发热体与蓄热层即达到热态平衡，蓄热层将热能缓缓地向室内贴近墙面的空气传递。按“热空气轻、冷空气重”这一热工学原理的作用，紧贴墙面的空气受热后逐渐上升，冷空气不断补充到墙面被升温加热„„如此循环往复，最终空气的上下垂直对流作用带动室内环境温度的提升。

二．碳晶供暖系统的特征

1、碳晶低温辐射采暖系统，是基于碳晶电热材料开发的在平面供暖技术上的应用发展，它是以电为能源，通过红外线辐射传热的新型供暖方式，它是供暖技术的革命性转变。作为传统供暖方式的换代品，它具有恒温可调、单室可控、经济、舒适、寿命长、安全免修等优点，它是节能、舒适、无污染的绿色环保产品。该采暖系统发热面积大，热场均匀、温度效应好、节约能源、不消耗室内氧气、无燥热感、远红外线充沛、不向大气排放污染物。

以电为能源的采暖方式将成为今后的主要采暖方式之一，电能是最洁净、最环保、价格最稳定的能源，而随着煤炭、石油价格的进一步高涨，电能在这些方面优势会更加突出。在未来5年中，政府计划投入6000亿元人民币，建设更多发电厂。与此同时，中国国家电网公司计划在同期投入8000亿元，扩大和改进它的输电网。中国国家发展改革委员会正在制定中国核电发民用工业规划，到2020年中国将建成40座相当于大来湾那样的百万千瓦级的核电站，从而永远解决能源需求的矛盾。

2、碳晶墙面低温辐射采暖系统，实现了采暖行业的革命性跨越，它在采暖效果、节能效率、热面平衡、耐候指标、使用寿命和安装速度上全面超越了传统的水、电材料采暖技术。该碳晶供暖系统一经面世，便以其经济节能、舒适安全、健康环保等突出优势引人瞩目，倍受业内人士推崇和越来越多用户的青睐，目前，已成为居民住宅区、别墅、酒店、办公等场所采暖的首选。民用采暖行业是一个朝阳产业，碳晶采暖产品更因其突出的技术优势拥有广阔的市场前景。

碳晶电热板是一种改性提纯碳晶颗粒发热产品，它在发热均性、耐火性、安全性、耐候性、电热转换效率和红外辐射率等指标上均比普通碳纤维产品均有大幅度的改进和提高。较水暖、空调、发热电缆等其它采暖方式碳晶电热板具有以下创新点和先进性：

创新点：

（1）对碳纤维或碳素原料进行球磨加工改性后得到碳晶电热材料，以此生产出的碳晶电热板是碳纤维的下一代产品。该产品既能继承碳纤维材料的优点，又能克服其致命缺陷，能够广泛应用于民用采暖领域。

（2）作为一种新型采暖产品，碳晶电热板的诞生是一项划时代的改革，落后的各类采暖方式将被一种电热转化率高达98%、红外辐射、精确采暖的碳晶采暖产品所取代。

（3）碳晶电热板使用的是无污染的清洁能源—电能，随着“浩乐”碳晶电热板采暖产品的普及，人类将进入一个便捷高效、节能无污、精确采暖的时代。

先进性：

（1）面状发热、参数可调：根据要求，发热体功率、阻值及表面温度可任意设计调整。

（2）升温迅速：发热快。通电5分钟即可采暖。碳晶电热板直接对室内辐射热量，温度上升速度比传统的水暖和发热电缆快5倍以上。

（3）热效率高：是目前电热转换率最高的产品。

（4）保健理疗：碳晶电热板在制热的同时，向外辐射红外线，医学上称之为“生命光波”；对人体有极佳的保健效果，对病后调理，具有促进康复的作用；还可以改善人体的微循环，促进新陈代谢，提高人体免疫力，有益于健康。

（5）经济节能：日常运行费用是空调的三分之一，水暖和发热电缆的一半以下。

（6）安装简便、精确采暖：安装可根据您的喜好任意布置采暖区域，分区安装、分区控制、分区采暖、（7）安全可靠、使用寿命长：绝缘强度达到国家标准，其使用寿命可达100000小时，而且不脱落，不断裂，可防水、防潮。

（8）适应范围：碳晶电热板可应用于各类环境；其衍生产品使用面更广阔。

（9）规格、形状可变：根据使用要求、规格、形状可设计。

三、碳晶低温辐射采暖系统优点：

1、舒适性

碳晶低温辐射采暖系统是以红外线低温辐射为主要能量传递方式的产品。试验证明人体处在低温辐射环境中，就如同置于阳光下，人体的实感温度要高于室内空气温度2—3℃，从而提高了生活环境舒适度。同时在低温辐射条件下，室内空气的对流速度大幅度降低，使室内减少灰尘，无噪音，室内无冷点和热点，温度均衡，使人无燥热感，温度柔和如阳光般感觉。

碳晶电热板产生的远红外线波长在8—14微米区域内，人长期处在这样的环境中可以改善人体微循环，促进新陈代谢，增强细胞活力，同时有调节神经系统和呼吸系统，舒筋活血，提高人体免疫力等功能。

2、经济型

碳晶低温辐射采暖系统供暖效果好，升温快。由于实现了分户、分室供暖，可根据气温和需要随意调节各室温度，亦可节约运行费用。系统效率高，当室温设定为16℃时，能达到18℃的取暖效果，室温每降低一度可节约5%的能源。由于室内周围物体温度高于空气温度，在短期关闭供暖系统时，室内周围物体散发的热量会起到保持室温稳定的作用。试验表明低温辐射电热系统停电6小时，室温仅下降2℃。

3、安全性

碳晶电热板的生产符合GB/T4654-2008标准，并通过国家红外及工业电热产品质量监督检验中心质检，以及相关《家用和类似用途电器的安全通用要求》GB4706.1-2005、《家用和类似用途电器安全室内加热器的特殊要求》GB4706.23-2007标准的检验。产品绝缘强度高、阻燃、防水、防潮、耐腐蚀、免维修、使用寿命长（通过十万小时老化试验）。

4、简便性

碳晶电热板以国际先进的模块化理念进行产品设计、生产，结构合理，安装便捷。组合灵活，可以任意方式安装组合，无最小安装面积要求。本系统不占用室内使用空间，不需要维修，节约了其他供暖方式所需的维修和运营费用。

1、超环保：碳晶墙暖发热原片可释放大量负氧离子和远红外线，运行时具有杀菌、除异味、净化空气等作用，是一种环保绿色科技新品。

2、保健佳:碳晶墙暖发热原片释放的远红外线，可促进人体新陈代谢，活化水分子，降血脂提高免疫力等功效，远红外线在医学里被称谓 ”生命之光“。

3、高效率:碳晶墙暖电热转换达98%。

4、易安装:碳晶墙暖轻薄，安装便捷，不占空间。

5、升温快:一分钟快速升温，5分钟表面可达75±5℃，根据室内保温状况，采暖面积可达5-8㎡／片。

6、寿命长:天甲科技碳晶墙暖，采用高科技术与高聚合物 精制而成，一次安装使用寿命可达50年，无需 任何维护。

7、高质保:碳晶墙暖5年超长质保，彰显高端品质。碳晶7大特点

第四篇：纳米TiO2自清洁性及其应用

纳米TiO2自清洁性及其应用

201240720221刘婷 应化2班

摘 要：由于自洁净材料具有光催化、自清洁、抗菌等功能 ,人们对光催化自洁净材料的研究日益关注，市场对于自清洁薄膜产品的需求也日益增加，其发展前景非常乐观。本文主要概述了纳米二氧化钛自清洁材料的机理及应用。关键词：光催化；TiO2；自清洁；应用 引言

随着人类社会的发展，环境污染问题受到人们越来越多的关注，如何消除或减少工业生产对环境造成的污染已成为一个全球性的问题。TiO2能直接利用包括太阳光在内的各种途径的紫外光，在室温下对各种有机的或无机的污染物进行分解或氧化，从空气中清除这些污染物。该项技术具有能耗低、易操作、除净度高等特点，尤其对一些特殊的污染物具有比其他方法更突出的去污效果，而且没有二次污染等，成为多相光催化领域的研究热点，具有广泛的应用前景。2 自清洁机理 2.1 光催化机理

TiO2是一种n型半导体材料，有强的氧化性和还原性。在光化学反应中，以TiO2作催化剂，在太阳光，尤其是在紫外线的照射下，使TiO2固体表面生成空穴(h+)和电子(e-)。空穴(h+)使H2O氧化，电子(e-)使空气中的O2还原，使有机物氧化为CO2、H2O等简单的无机物[1]。光催化反应的机理模式如下: TiO2 + hγ → e-+ h+ h+ + H2O →·OH+ H+ e-+ O2 →·O2-·O2-+ H+ →HO2· 2HO2·→O2+H2O2 H2O2+·O2-→·OH +OH-1.2 亲水性机理

在紫外光照射的条件下，氧化钛表面的超亲水性是由于其表面的结构变化：在紫外光的照射下，氧化钛价带的电子被激发到了导带，电子和空穴向氧化钛表面迁移，在表面形成电子空穴对，电子与Ti4+反应，空穴则同薄膜表面的桥氧离子反应，分别生成Ti3+和氧空位，空气中的水分子与氧空位结合形成表面羟基,形成物理吸附水层, 其表面就会有极强的亲水性,与水的接触角减小到5°以下,甚至水滴可以完全浸润二

氧化钛薄膜表面，薄膜具有的这种性质称为超亲水性。

从实际应用角度看，薄膜所处的环境是复杂多变的，涉及到温度、空气的湿度、日照时间、空气中灰尘的浓度等因素。特别是空气中的灰尘，一旦积聚在薄膜表面并形成化学结合，必将大大减弱薄膜的亲水性能。TiO2薄膜必须不断进行光催化降解而除去这些污染物，才能达到自清洁的效果[2]。2 自清洁材料的应用

在室内环境净化研究中，利用纳米TiO2的光催化性和超亲水性, 将纳米TiO2负载在墙纸、日光灯、窗玻璃上，可以除去空气中的细菌和有机污染物；经纳米TiO2负载的抗菌陶瓷用品是医院、宾馆卫生设施抗菌除臭的理想材料；将纳米TiO2掺入建筑涂料中,可以提高涂料的防水性,防污性，而且对人体和环境无任何损害。将纳米TiO2膜用于建筑材料表面时,可使建材表面具有净化空气、杀菌、除臭、防污等环保功能，大大节省保洁费用。2.1 自清洁玻璃 2.1.1 自清洁玻璃的定义

自清洗玻璃是优质清洁玻璃基片镀膜后，经太阳光照射后，具有降解有机物和光诱导超亲水性，在雨水的洗刷下，能将污物松散和除去，达到玻璃表面的自洁净的玻璃[3]。

2.1.2 自清洁玻璃的机理

自清洁玻璃则是通过在玻璃表面镀制TiO2光催化涂层来实现的。该涂层在阳光中的紫外线的作用下，将其表面附着的有机物分解为H2O和无害的无机物, 使玻璃表面具有超亲水性，从而使玻璃变得易清洗、不结雾。当水在TiO2薄膜表面的接触角小于15°时具有高的水流动性，小于10°时有自清洁效果，小于7°时有防雾效果[4]。2.2 自清洁陶瓷

在陶瓷表面涂以TiO2的途层，可以使这些材料的表面经光照后具有防污垢沉积、易洗、易干等“自洁”功能。陶瓷的表面吸附了空气中的有机物和无机物后，有机物不溶于水，形成污垢，表面变脏，且有机污垢用水很难擦洗干净。如果这些材料表面涂敷-层TiO2薄膜，利用光催化作用，可以把吸附在表面的有机物分解成CO2和H2O，剩余的无机物可以被雨水冲刷干净，这个过程就是自清洁[5]。

日本ToTo公司在世界上首先开发出具有抗菌效果的建筑卫生陶瓷。目前我国在自洁净陶瓷的研究和开发方面也已取得了明显的进展。刘平等采用改进的Sol-Gel技术制备了负载型自清洁陶瓷,考察了热处理条件和膜厚度等光催化膜制备与反应条件对自清洁陶瓷光催化活性的影响,研究结果表明,灭菌效果和油酸光降解速度取决于负载光催化膜的晶相组成、晶粒大小及其比表面积。贺飞等采用溶胶-凝胶法,在自制的陶瓷釉体表面负载粒径大小为40～100 nm的TiO2晶粒 ,形成透明均一无“彩虹效应”的TiO2光催化薄膜型自洁功能陶瓷,具有超强亲水性和去污功能[6]。

2.3 自清洁涂料

自清洁涂料，也称自洁净涂料、光催化剂涂料等，在功能上与自清洁陶瓷或自清洁玻璃一样，利用了光催化材料的超级氧化，分解污物的能力和超亲水性。与自清洁瓷砖或玻璃不同的是，涂料可以在室温下成膜、可适用范围和场合更广、制作和运输更方便、价格更低廉[7]。

自清洁涂层能够使表面污染物或灰尘颗粒在重力、雨水、风力等外力作用下自动脱落或通过光催化降解而除去，具有节水、节能、环保等优点，在建筑、交通、新能源等行业具有重要的应用前景。近年来，它已成为先进功能涂料的研究热点。目前，基于不同的自清洁原理，已发展了两类自清洁涂层。一类是超疏水(水接触角>150°)自清洁涂层，它通过水滴滚动带走灰尘，实现类似于荷叶的自清洁功能。如在 2000 年，德国推出具有“荷叶自清洁”功能的硅树脂外墙涂料，墙面灰尘可通过雨水冲刷去除，达到自清洁效果。但现有超疏水涂层仍存在制备工艺复杂、制备面积小、力学性能差、耐油性污染物能力差等问题，缺乏实际使用价值。另一类是基于无机光催化半导体材料的自清洁涂层。在这一类自清洁涂层中，最为典型的是二氧化钛(TiO2)涂层材料[8]。2.4 自清洁纺织品

纺织品经常洗涤容易起毛起球和变形，既影响穿着舒适性又影响美观。因此，研究与开发出一种具有光催化自清洁功能的纳米自清洁纺织产品，将具有较大的实际意义，能产生较大的经济效益与社会效益。

经过纳米自清洁整理的羊绒织物纤维表面均匀分布了大量的纳米复合粉体颗粒。由于纳米材料粒径小，表面能高，因此它能牢而提高，这是因为增加纳米整理剂浓度的同时，吸附在羊绒针织品上的纳米TiO2复合粉体将会增加，当光子照射到织物表面的时候，就会激发出更多的高活性自由移动的光生电子(e-)和空穴(h+)，生成更多的超氧阴离子自由基(·O2-)和羟基自由基(·OH)，致使更有效地将有机油污直接氧化为CO2和 H2O等无机小分子[9]。

纳米TiO2用于对织物的整理,在日光照射或其他含有紫外光的光线照射下,织物中的纳米二氧化钛产生光催化作用,具有排除灰尘、气味、细菌、色泽污迹及分解有害有机物质如甲醛等物质的功能。2.5 自清洁绿色外墙瓷砖

外墙瓷砖在建筑上使用广泛，但其清洗维护则存在劳动强度大、环境污染重和成本费用高等问题。

绿色外墙瓷砖是指具有光催化性能和自清洁功能的环境友好型免维护外墙瓷砖，通常在普通外墙瓷砖表面通过物理或化学方法沉积一层坚硬牢固的光活性纳米二氧化钛膜层。二氧化钛膜层经过太阳光中的紫外线照射后，能够将表面附着的油污等有机污染物高效降解为二氧化碳和水。同时，无机污染物也不易附着在自洁净外墙瓷砖

表面，经紫外线照射的瓷砖表面具有良好的亲水性。雨水落在外墙瓷砖上面时，形成一层薄的水膜，而不是水珠，雨水不会聚集在一处而是扩散到整个表面,均匀地冲刷掉浮在瓷砖表面上的污迹，不会在普通外墙瓷砖上留下难看的条痕。通常自然的降雨就能够使绿色外墙瓷砖保持长期的清洁效果。在雨水稀少时，降解后的污迹颗粒能够被风吹掉，用清水简单地冲洗也能使外墙瓷砖保持洁净[10]。3 结语

研发具有抗菌和自净化功能的自清洁材料对保护环境和实现可持续发展具有重要意义,这类新型功能材料的使用面极广,具有广阔的发展和应用前景。但是,目前自清洁材料的产业化受到了一些技术上的制约:其在可见光下的光催化效率太低, TiO2膜的大面积制备技术也不够成熟,自清洁性能的持久性还有待提高等。今后的自清洁材料将会朝着光催化效率更高,自清洁性能更稳定的方向发展。同时,自清洁材料的应用领域还可以不断的拓宽,如空气净化、污水处理、光催化反应器和太阳能电池组件等。只有通过不断的研究和探索,才能更大的发挥光催化自洁净材料的作用,使它能满足人们对较高生活质量的追求。

参考文献：

[1]丁浩，童忠良，杜高翔．纳米抗菌技术[M]．北京：化学工业出版社，2008：101-101． [2]方敏，董如林，陈智栋，等.TiO2薄膜的亲水性及光催化自清洁效果[J]．常州大学学报（自然科学版），2012，24(2)：11-16．

[3]林改.掺杂光催化自清洁玻璃[J]．玻璃，2012，(7)：30-35．

[4]李海洋，陈耀存，杜湘琴，等.环保型低辐射-自清洁玻璃的研究[J]．广西轻工业，2007，(1)：33-34．

[5]杨华明，张向超，欧阳静．低维金属氧化物纳米材料[M]．北京：科学出版社，2012：245-245． [6]刘太奇，操彬彬，王晨.纳米TiO2自清洁材料的研究进展[J]．热加工工艺技术与材料研究，2010，(10)73-75．

[7]刘春艳．纳米光催化及光催化环境净化材料[M]．北京：化学工业出版社，2008：134-134． [8]周树学，杨玲.二氧化钛自清洁涂层的研究现状与评述[J]．现代涂层技术，2013，32(1)：57-61．

[9]胡海霞，孟家光，郝凤鸣．纳米自清洁羊绒针织品的研究与开发[J]．针织工业，2009，(6)：54-56．

[10]蔡弘华，李海洋，李润，等.绿色外墙瓷砖的光催化自清洁研究[J]．新型建筑材料，2007，(3)：63-65．

第五篇：碳纳米材料论文读书笔记（范文）

碳纳米管限域催化研究读书笔记

继2008年在英国Chem Comm发表特写论文（Feature Article）后，受美国化学会《化学研究报告》（Accounts of Chemical Research）邀请，中科院大连化学物理研究所潘秀莲研究员和包信和院士等近日撰写综述文章，详细报道在限域催化领域研究最新进展，完整诠释由该研究组发展起来的纳米限域催化新概念（Acc.Chem.Res.DOI 10.1021/ar100160t）。

碳纳米管可认为是石墨烯片层按一定规则卷曲形成纳米级管状结构的孔材料，是自上世纪90年代以来被广泛研究的碳材料家族中的重要成员。由于构成碳纳米管管壁的石墨片层具有一定的曲率，致使大π键发生畸变，管内外电子分布发生变化，管壁附近的电荷发生分离，从而形成了一种由管内指向管外的表观静电场。

包信和院士带领的研究小组，在大量系统、深入的实验和理论研究基础上，发明了一系列在管径小于10nm的多壁和单双壁碳纳米管内高效组装纳米金属和金属氧化物催化剂的新技术，并从理论和实验上充分证实了管腔不仅可以从几何上控制金属颗粒尺度，获得和稳定高分散的纳米催化剂粒子；而且纳米碳管管壁的卷曲结构导致的管腔内电子环境畸变，一方面改变了反应分子和产物在管道内的吸附和扩散行为，更重要的是修饰了限域在管腔内的催化剂纳米粒子的电子特性以及相关的催化性能。

近年来，这些概念在该研究组和国内外其他研究组包括合成气催化转化制液体燃料、乙醇合成、低碳烯烃合成、氨合成、氨分解、碳氢化合物的选择加氢、燃料电池电催化以及选择氧化反应等一系列催化体系中得到了初步验证。该研究小组的部分结果相继发表在Nature Materials，Journal of American Chemical Society 和Energy & Environmental Science 等相关刊物，并先后申报多件发明专利，初步形成了一个较为完整的概念体系，被国际同行评价为 “一个非常重要的发现，应该具有普遍意义和广泛应用”，“这个概念为调变金属催化剂的反应性能提供了一条新途径，而且这种作用可能推广并应用于更多的反应体系中”。