08化本班 黄榕 05号 浅谈我国表面工程技术发展现状及趋势[推荐]

第一篇：08化本班 黄榕 05号 浅谈我国表面工程技术发展现状及趋势[推荐]

浅谈我国表面工程技术发展现状及趋势

黄榕

（琼州学院理工学院 海南 五指山 572200）

摘要：表面工程技术的发展对工业生产和国民经济建设具有重大意义。本文简要介绍了表面工程技术的概念也特点以及我国表面工程技术发展现状及趋势。关键词：表面工程技术;发展现状

0 引言

表面工程是个涉及面极其广泛的综合性边缘学科，它的发展不仅在学术上丰富了材料科学、冶金学、机械学、电子学、物理学、化学、摩擦学等基础学科，开辟了新的研究领域，而且在实际应用上，为工业生产和国民经济建设做出了重要贡献。

现代工业的发展，对各种设备零部件表面性能的要求越来越高，材料的失效，如，疲劳、磨损、腐蚀、氧化、烧损以及辐射损伤等，一般都是从表面开始的，表面的局部损坏又很快造成整个零件失效，最终导致设备停产。由表面失效带来的破坏和损失是很惊人的。中国机械工业每年所用的钢材，约有1/2是消耗在备件的生产上，备件中的大部分是由于磨损寿命不高而失效的。因此，采用表面技术，根据需要，改善材料的表面性能，会有效地延长使用寿命，节约资源，提高生产力，减少环境污染。

另一方面，表面工程技术也逐步发展成为新型材料制备工艺，其中，既有作为体材料的制备工艺，如，电铸成型、气相沉积特种材料(热解石墨、六方氮化硼、碳化硅)、喷射成型等，又有薄膜和微细加工工艺。后一类技术正致力于向更低的特征尺寸扩展，使得先进的微小尺度特征表面工程技术正在逐步成为支撑IC产业发展的微/纳技术的重要组成部分。

表面工程具有学科的综合性、手段的多样性、广泛的功能性、潜在的创新性、环境 的保护性、很强的实用性和巨大的增效性，是当代材料科学技术、低温等离子体、真空科技等高技术的重要交叉领域和发展前沿。先进表面工程技术已成为现代制造业中一个重要的分支。

[1]1 表面工程

1.1 表面工程的概念与特点

表面工程，是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获得所需要表面性能的系统工程。表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来的新兴学科，它以“表面”为研究核心，在有关学科理论的基础上，根据零件表面的失效机制，以应用各种表面工程技术及其复合为特色，逐步形成了与其它学科密切相关的表面工程基础理论。表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能，这层表面材料与制作部件的整体材料相比，厚度薄，面积小，但却承担着工作部件的主要功能。

国家的节能节材“九五”规划中曾将表面工程应用作为重大措施之一，并列为节能、节材示范项目。材料表面改性作为传统材料性能优化的基础研究也被列入国家自然科学基金“九五”、“十五”优先资助域。由于表面工程的显著作用和重要地位，许多先进的表面工程技术及其基础理论研究被列入了国家“973”项目、国家重大技术创新项目、国家重点科技攻关项目等。例如，全军装备维修表面工程研究中心研究开发的高速电弧喷涂技术已经被列入国家重大技术创新项目和国家“九五”重点科技攻关项目。表面工程适合当今国际社会技术和经济发展的要求，符合可持续发展战略，体现了科技尽快转化为生产力的要求。近年来，复合表面工程和纳米表面工程已成为表面工程领域新的研究发展方向。1.2 表面工程技术体系

20世纪60—70年代，电子束、激光束、离子束技术的实用化并进入材料表面界面加工技术领域，使表面技术发生了突破性的进展。表面工程技术在机械制造、冶金、电子、汽车与船舶制造、能源与动力航空航天工业等领域中均起到了举足轻重的作用。表面工程已成为世界上20世纪80年代10项关键技术之一及20世纪90年代加强研究的9项科技项目之一，并形成了跨多种学科的一门边缘科学，成为涵盖材料科学、物理、化学、冶金、机械、电子与生物等领域的新型的交叉科学。

表面工程技术的体系如下图：

[3][2]我国表面工程技术发展

表面工程技术的应用，至今已经历了数千年的历史。中国在战国时代已经开始对钢进行淬火，并利用大豆中分解出来的N，C元素富化烧红的铁剑表面，以增强其强度和韧性。但总体上看，表 面技术的发展是缓慢的，种技术也局限于具体的应用中而互不关联没有形成完整的学科系统。直至20世纪后半叶，随着世界经济与技术的迅速发展，新型的表面技术蓬勃发展，各种学科和技术相互交叉渗透，表面工程学应运而生。目前，表面技术在制造业中举足轻重，已成为当今世界的关键技术之一。[1]2.1 复合表面工程技术

表面工程技术的复合，能够形成新的涂层体系，并建立表面工程新领域。单一的表面工程技术由于其固有的局限性，往往不能满足日益苛刻工况条件的要求。随着科学技术的进步，又发展了综合运用两种或多种表面工程技术的复合表面工程技术，或称为第 2 代表面工程技术，这种复合表面工程技术，通过最佳协同效应，获得了“1+1>2”的效果，解决了一系列高新技术发展中特殊的工程技术难题。

目前，复合表面工程技术的研究和应用已取得了重大进展，如热喷涂与激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合、表面强化与喷丸强化的复合、表面强化与固体润滑的复合、多层簿膜技术的复合、金属材料基体与非金属材料涂层的复合等，复合技术使本体材料的表面簿层，具有了更加卓越的性能。采用金属―油漆涂层，可以在不需要维修的情况下使用25—40年，使油漆层获得最充分的应用年限；此外还有，对金属基体进行先期淬火渗碳处理，然后在渗碳层表面再进行钛沉积；采用加热和热化学的方法对表面淬火层进行抛光；综合应用渗氮处理和渗硼处理；采用PVD和CVD的方法进行真空沉积涂层，并同时进行离子注入；等离子加热与渗碳结合同时用于处理材料的表面等复合技术。

复合表面工程技术将在新世纪中不断得到发展，今后将根据产品的需要，进一步研究运用各种表面工程技术综合或复合，以达到最佳的优化效果。2.2 纳米表面工程技术

在理论研究与实践应用的基础上，“纳米表面工程”的新领域应运而生。纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术或手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。表面工程中纳米材料研究的基础问题：①纳米材料覆层与基体的表面、界面问题；②纳米材料在表面工程覆层制备动态过程中的冶金、化学、物理等过程；③表面覆层中纳米材料与其它材料之间的协同效应。

从1997年开始，全军装备维修表面工程研究中心在国内首先提出了“纳米表面工程” 的概念，并开展了纳米粉末表面工程的研究工作，主要包括：纳米粘接剂技术、纳米电刷镀技术、纳米添加剂技术、纳米固体润滑干膜技术、纳米热喷涂技术和纳米涂料技术等。2.2.1 纳米热喷涂技术

热喷涂技术在表面工程领域中应用十分广泛,如超音速火焰喷涂(HVOF)、高速电弧喷涂、气体爆燃式喷涂、电熔爆炸喷涂、超音速等离子喷涂和真空等离子喷涂等。纳米热喷涂技术就是以现有热喷涂技术为基础，通过喷涂纳米材料而得到纳米涂层。

热喷涂纳米涂层可分三类：单一纳米材料涂层体系；两种(或多种)纳米材料构成的复合涂层体系；添加纳米颗粒材料的复合体系，其中添加陶瓷或金属陶瓷颗粒的复合体系较容易实现。目前，完全的纳米材料涂层由于技术繁杂、难度大，离应用还有相当距离。大部分的研究开发工作集中在第三种，即在传统涂覆层技术基础上，添加复合纳米材料，可在较低成本下，使涂覆层功能得到显著提高。

纳米热喷涂技术为零件表面强化提供了最新技术手段，提升了装备再制造的技术水平，扩大了装备再制造的使用范围，使重要装备关键零部件的再制造成为可能，效果非常显著。

[5]

[4]2.2.2 纳米电刷镀技术

电刷镀技术具有设备轻便、工艺灵活、镀覆速度快和镀层种类多等优点，被广泛应用于机械零件表面修复与强化，尤其适用于现场及野外抢修。纳米电刷镀就是在镀液中添加了特种纳米颗粒的新型电刷镀技术。装备再制造技术国防科技重点实验室的研究表明，纳米电刷镀复合涂层可显著提高材料的摩擦学性能，尤其提高了耐高温磨损及抗接触疲劳性能。例如在快速镍镀层中添加经改性处理的纳米Al2O3、SiC和金刚石粉后，其显微硬度和抗微动磨损性能明显高于传统快速镍刷镀层。纳米电刷镀层的硬度是不含纳米颗粒电刷镀层的1.5—1.7倍，耐磨性是1.6—2.5倍，抗接触疲劳寿命由105周次提高到106周次，可服役温度由200℃提高到400℃。纳米电刷镀技术已在装备再制造中得到具体运用，解决了重载车辆、舰船和飞机发动机再制造中的一些关键技术难题。2.2.3 纳米固体润滑技术

固体润滑是指利用固体材料本身的润滑性来减轻接触表面之间磨损程度的润滑方式，它是对流体润滑的有力补充，一般用于高温、高负荷、超低温、超高真空、强氧化和强辐射等特殊工况。固体润滑不仅可用于无油润滑的千摩擦场合，也可以广泛用于有油润滑的情况，形成润滑效果更好的“流体+固体”的混合润滑。对黑色金属材料进行低温离子渗硫处理，可在材料表面得到厚度不超过10um，并具有纳米结构特征的FeS固体润滑涂层。纳米固体润滑技术已用于发动机缸套一活塞环、喷油嘴针阀及滚动轴承等精密偶件的减摩，寿命延长均在1倍以上。2.2.4 纳米粘接技术

纳米粘接技术是指将特殊功能纳米颗粒和常规填料(如石墨、二硫化钼、陶瓷粉末等)与高分子聚合物相混合并涂敷于零件表面实现特定用途(如耐磨、抗蚀等)的一种表面工程技术。例如，含纳米金刚石的胶粘剂具有优异的耐磨性和很高的胶接强度，耐磨性和胶接强度随着纳米金刚石粉在胶粘剂中加入量的增加而增加，当加入量为8％时，耐磨性是未添加的2.2倍，拉伸强度可达50 MPa，比未添加的提高27.5％。[7]

[6]3 表面工程技术发展趋势

3.1 不断将各种先进技术应用到表面工程领域

为了追赶世界科技发展速度，使我国的科技发展立于世界科技发展的前沿，我国不仅要把先进制造技术列入国家“十五”科技计划体系，实现制造强国和制造大国的目标，而且针对我国国情，更要进一步把“再制造工程”列入国家重要科技发展专项计划中，才能真正使这项利国、利民、功在当代、利在千秋的任务落实在实处。要促进表面工程的发展，就必须将相关领域的最新研究成果不断应用于表面工程技术领域。

随着计算机的广泛应用和推广，在表面工程领域中将不断应用该领域的研究成果。例如发展数值模拟的方法设计表面工程技术，并完善表面工程技术设计。

推广机械化、自动化的表面涂层制备方法，特别在加工复杂形状零件及危害操作者的身体健康时，推广将十分有益。

3.2 发展节能、节材、降耗、少污染的表面工程技术

20世纪全球经济高速发展，与此同时，对自然资源的任意开发和对环境的无偿利用，造成全球生态破坏、资源浪费和短缺、环境污染等重大问题。其中机电产品制造业是最大的资源使用者，也是最大的环境污染源之一。据统计，1996年全球有2 400万辆汽车报废 到，2000年全球将有2000万台计算机被淘汰。随着21世纪到来以优质、高效、节能、节材为目标的先进制造技术得到了快速发展，发展节能、节材、降耗、少污染的表面工程技术成为社会的重要课题。

低能耗的表面工程技术，例如通过大气或真空等方法代替盐浴池处理；采用高能量（但能耗低），光束方法及技术（如激光、电子、离子、等离子体），在表面工程技术中尽量减少涂层材料及基体材料的消耗。[4]4 总结

随着人们对低成本、高性能产品的追求，对产品外观的美、对环境协调美以及生态平衡美的追求，21世纪任何工程、任何产品的设计将会也必然会将表面设计纳入总体设计中，表面工程技术也将会充分发挥其独特的作用。同时，这种理念也将进一步反作用于表面工程学，使其自身得以更为迅猛的发展。[3]参考文献：

[1] 梁文萍,缪强,张平则,姚正军.先进表面工程技术的发展前沿[A].山西能源与节能 2010(4):72-86.[2] 徐滨士.表面工程和再制造工的现状及展望[A].材料工程 2003:1-6.[3] 孙宜华.材料的表面工程技术[A].中国资源综合利用 2002(11):42-44.[4] 俆滨士,张振学,马世宁,刘世参,朱胜,张伟.新世纪表面工程展望[J].中国表面工程2000(1):2-6.[5] 徐滨士,马世宁,梁秀兵,董世运.表面工程的进展[A].金属热处理 2002,27(7):1-3.[6] 徐滨士,刘世参,梁秀兵.纳米表面工程的进展与展望[J].机械工程学报 2003,39(10):21-26.[7] 海斗,庄大明,王昆林等．高速钢离子渗硫层的千摩擦学性能研究[J].摩擦学学报 2002(4)：250-253.

第二篇：08化本班 05号 黄榕 我国绿色化学学科发展

我国绿色化学学科发展现状

黄榕

（琼州学院理工学院 海南 五指山 572200）

摘要：绿色化学是知识经济时代化学工业发展的必然趋势，是我国化学研究的前沿领域。本文介绍了近年来我国绿色化学学科在可再生资源、原子经济反应、环境友好或可循环使用的新材料、环保新汽油等方面的发展。

关键字：绿色化学；研究；发展现状

1.引言

化学是中心科学,它联系自然科学的方方面面,包括数学、物理、生物与生命、能源和环境、地质和矿产等；一些重大的工业生产过程(如冶金、陶瓷、聚合物、化肥、医药、化妆品等),甚至是火箭和卫星的发射,都是基于化学反应的过程。全球化学工业每年有18410亿欧元的交易额，占全球贸易额的9%，创造着全球收入的4%～5%。化学为整个自然科学和社会科学的进步、全球经济发展、社会进步和人类生活水平的提高作出了重大贡献[1]。

目前,化学已经渗透到人类生产、生活和国民经济的各个领域。在化学科学和化学知识为人类带来无数便利和希望的同时,它也带给了人类浓浓的烟尘、形形色色的废弃物, 还有看不见的毒物。

人类正面临有史以来最严重的环境危机,环保问题成为影响经济与社会发展的重要问题之一。发达国家对环境的治理,已开始从治标,即从末端治理污染转向治本,即开发清洁工业技术,消减污染源头,生产环境友好产品。“绿色技术”已成为21世纪化工技术与化学研究的热点和重要科技前沿。2.绿色化学概念及意义

绿色化学设计研究没有或尽可能小的环境副作用，并在技术上、经济上可行的化学品和化学过程。它是实现污染预防的基本和重要的科学手段。绿色化学研究的内容显然要包括化学反应(化工生产)过程的三个基本要素: 一是研究、变换、设计、选择对人类健康和环境友好的原材料或起始物；二是研究最好的转换反应和催化剂；三是设计或重新设计对人类健康和环境更安全的目标化合物(产品)。目前绿色化学的研究重点是:(1)设计或重新设计对人类健康和环境更安全的化合物，这是绿色化学的关键部分；(2)探求新的、更安全的、对环境更友好的化学合成路线和生产工艺，这可从研究、变换基本原料和起始化合物以及引入新试剂入手；(3)改善化学反应条件, 降低对人类健康和环境的危害, 减少废弃物的产生和排放[2]。3.我国绿色化学的研究重点

近年来我国在绿色化学方面的活动也逐渐活跃。1995年，中国科学院化学部确定了《绿色化学与技术一推进化工生产可持续发展的途径》的院士咨询课题，并建议“国家科技部组织调研，将绿色化学与技术研究工作列入‘九五’基础研究规划”；1996年，召开了“工业生产中绿色化学与技术”研讨会，并出版“绿色化学与技术研讨会学术报告汇编”。1997年国家自然科学基金委员会与中国石油化工集团联合资助了“九五”重大基础研究项目“环境友好石油化工催化化学与化学反应工程”；中国科技大学绿色科技与开发中心在该校举行了主题讨论会，并出版了“当前绿色科技中的一些重大问题”论文集；香山科学会议以“可持续发展问题对科学的挑战--绿色化学”为主题召开了第72次学术讨论会。1998年，在合肥举办了首届国际绿色化学高级研讨会；《化学进展》杂志出版“绿色化学与技术”专集；四川联合大学也成立了绿色化学与技术研究中心，1999年，国家自然科学基金委设立了“用金属有机化学研究绿色化学中的基本问题”的重点项目。5月，在成都举办了第二届国际绿色化学高级研讨会，出版了《绿色化学与技术》专著。12月，在北京九华山庄举行了第16次九华科学论坛，会议从科学发展和国家长远需求的战略高度，对绿色化学的基本科学问题进行了充分的研讨和论证，初步提出了绿色化学近期研究工作重点，即：(1)绿色合成技术、方法学和过程的研究，主要包括反应方法学特别是原子经济反应和高选择性、高转化率反应；高效均相和多相的不对称催化反应；酶催化和仿生催化；环境友好介质和原料等；（2）可再生资源的利用和转化中的基本科学问题，包括生物质和酶分子“手性”和类似手性的空间构型选择性的化学物理本质；主要生物质和酶分子在酶催化转化过程中“构一效关系”；生物质各种成分的分级多层次转化机理、途径及其高效综合利用；天然高分子的化学与物理改性，制备与环境相容的可生物降解新材料等。（3）绿色化学在矿物资源高效利用中的关键科学问题。包括复杂矿物的相结构、性能及多组元间相互作用与自催化特性；多元素拟均相“原子经济”反应及高选择性分离；生物分离提取矿物的选择性催化与生物转化机制；介质和工业代谢产物的循环再生及零排放系统设计等[3]。4.我国绿色化学发展现状

绿色化学化工研究所追求的目标是: 淘汰有毒原材料，探求新的合成路线，采用无污染的反应途径和工艺，能最大限度地减少“三废”，并实行“原材料遴选——产品生成——产品使用——循环再利用”全过程控制。绿色化学技术的发展和应用不但能提高生产效率和优化产品, 而且能提高资源和能源的利用率, 减轻污染负荷, 从而大幅度提高生产的社会和经济效益。因此，绿色化学与技术的推广应用使环境—经济性(而不再仅是经济性)成为技术创新的主要推动力。近十多年来，绿色化学在生物质的利用、原子经济性工艺设计等诸多领域取得了一系列研究成果[4]。4.1 可再生资源——生物质的利用

地球上的植物通过光合作用每年生产2000亿吨的生物质，其中被人类利用的仅占3%～4%。生物质的利用对可持续发展和降低全球温室效应起着重要的作用。它的两个主要的开发领域是: ①生物质直接或间接地用作能源； ②生物质用作化学品、材料或产品的资源。对化学工业来说，目前集中在三个研究、开发领域: ①取代石化原料用作可再生的原料；②生物过程取代传统的化学过程制备有机物和其他化学品； ③开发新的生物产品。以生物质为原料、酶为催化剂，生产有机化合物，因其条件温和、设备简单、选择性好、无污染，已成为绿色化学研究的重点之一[5]。液体生物燃料，例如由菜油生产的生物柴油、由植物糖类生产的生物乙醇及其衍生物ETBE以及从木质纤维素生产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 原子经济反应

我国石油化工科学院[6]采用空心结构的HTS型钛硅分子筛催化剂和“单釜连续淤浆床反应器——无机膜过滤”新工艺，由环己酮一步合成环己酮肟，实现了原子经济反应, 70ktpa的工业装置已经投产。山东鲁北化工厂堪称全国实施绿色化学、清洁生产的典范, 例如, 该厂由磷矿石与硫酸反应制成磷酸和硫酸钙, 磷酸与氨反应制成磷酸氢铵复合肥, 而硫酸钙经加热分解成二氧化硫和氧化钙，前者经催化氧化、水合制成硫酸, 后者与采用劣质煤的发电厂产生的炉渣混合制成水泥，现已形成30万t/a复合肥、40万t/a硫酸(厂内自用)、60万t/a水泥的产能, 原材料中的每种元素都得到合理利用, 除电厂排出的CO2 外, 再无废渣废气排放。4.3 环境友好或可循环使用的新材料

过去的10年里,由难降解塑料制品造成的“白色污染”已殃及土壤、水面和城市环境, 光降解塑料、生物降解塑料或光—生物降解塑料的推广应用已迫在眉睫。废旧塑料的回收、催化裂解、再利用, 既保护了环境,又合理利用了资源。应用广泛的洗涤剂也要逐渐向水质保护型发展。自四聚丙烯烷基苯磺酸钠被淘汰后,大量洗涤剂改用三聚磷酸钠作表面活性剂,结果造成我国水质磷污染,富营养化, 80%以上河段不能饮用,也不能养鱼。而中国的无磷洗衣粉进入市场不久,仅占洗衣粉总产量的3% ,实现绿色洗涤在中国还任重而道远。4.4 环保新汽油

为实现新汽油的限制要求,在炼油技术中要做以下工艺改进和更新:催化裂化由单一生产高辛烷值汽油,转向既生产高辛烷值汽油,又生产异丁烯、异戊烯等醚化原料。催化裂化汽油是我国催化裂化领域生产规模最大的燃料油品,在我国成品油市场占80%以上。催化裂化汽油烯烃含量一般在40%～50%之间,加工石蜡基油和掺炼渣油比例高的装置, 烯烃含量超过60% ,远远超过质量指标。为了提高我国汽油质量,一要降低汽油的烯烃含量,二是确保汽油原有的辛烷值不降低。为此较好的方法是将汽油中的直链烯烃转化为异构烷烃和部分芳烃,以弥补大量降低烯烃引起的辛烷值损失,增加汽油稳定性。降烯烃目前主要有两个发展方向,一是催化裂化生产中开发降烯烃技术,但由于受催化裂化反应本质的限制,虽然取得了一定效果,但不能从根本上解决问题；二是催化裂化汽油降烯烃改质技术。探索低烯烃催化裂化汽油生产技术与催化裂化汽油降烯烃改质技术成为炼油企业可持续发展的关键。大连理工大学王祥生[7]等用新合成方法合成的20～50nm的ZSM-5分子筛为活性组分,采用水热处理、负载金属活性组分改性的组合改性方法制备的催化汽油改质催化剂使催化汽油的烯烃降低到20%左右,除少量的烯烃裂解为C2、C3外, 大部分烯烃通过异构化、芳构化以及烷基化等反应途径转化为高辛烷值的汽油组分,催化剂同时具有降烯、除苯和部分脱硫的综合性能,有效地改善了催化汽油的品质。4.5 造纸工业中的绿色化学问题

造纸工业是我国污染最严重的产业之一,每年有害废水排放量高达50亿吨,约占全国废水的1/6,其中主要是制浆黑液和漂白废水。开发无污染的制浆技术是解决制浆黑液污染的关键, 其中包括生化法、催化氧化降解法和机械制浆法。生化法制浆是从众多的微生物中筛选出能高效、专一地分解纤维的菌种,经生物技术处理使之适应大规模生产,目前尚在实验阶段, 缺点是占地面积较大[1]。5.结语

绿色化学已成为当今化学发展的主要方向。在绿色化学研究中,应充分利用可再生资源——生物质,其中以生物质为原料、酶为催化剂,生产有机化合物,因其条件温和、设备简单、选择性好、无污染,已成为绿色化学研究的重点之一,有良好的开发前景。利用原子经济反应进行绿色设计,采用无毒、无害的原料和环境友好或可循环使用的新材料等研究, 以及对能源工业中汽油的催化降烯烃和造纸工业中的催化氧化降解法研究,均取得了可喜的进展,并对环境保护将产生有益的、深远的影响。

参考文献：

[1] 余红霞,李攀.绿色化学的研究进展[J].湖南理工学院学报（自然科学版）2009,22(4):77-81 [2] 尤珊妮.绿色化学新进展[J].大众科技 2009,(9):104-105 [3] 张琰图,秦振平,陈雪英,马润宝.绿色化学的兴起及在中国的发展概况

[4] 安立敦,张培青.绿色化学新进展[J].精细化工原料及中间体 2005，（8）：6-10 [5] 朱清时.朱清时院士文集[C].北京:北京出版社, 1999: 249-252, 299.[6] 闵恩泽.2003年石油化工绿色化学与化学工程的进展[J].化工学报.2004, 12:1-2 [7] Zhang P Q, Wang X Sh, Guo H Ch.Reducing olefins in FCC Gas-oline Byisomerization and Aromeritization Overmodified Nano-ZSM-5[J].Chin J of Catal, 2003, 3: 159-160

第三篇：08化本班 05号 黄榕 纳米材料在陶瓷领域的应用新进展

纳米材料在陶瓷领域的应用新进展

黄榕

（琼州学院理工学院 海南 五指山 572200）

摘要:纳米陶瓷是近几年来发展起来的先进材料,受纳米微粒基本物理效应的作用,在力、光、电、热、磁等方面具有许多优异性能,特别是室温超塑性、高韧性、低温易烧结等潜在性能将大大拓宽陶瓷材料的应用领域[1]。

关键词:纳米陶瓷;性能;应用

1.引言

先进陶瓷材料在高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，然而，脆性是陶瓷材料难以克服的弱点。英国材料学家Cahn曾评述，通过改进工艺和化学组分等方法来克服陶瓷脆性的尝试都不太理想，无论是固溶掺杂的氮化硅、相变增韧的氧化锆要在实际中作为陶瓷发动机材料还不能实现。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径之一[2]。随着纳米技术的广泛应用,纳米陶瓷随之产生,希望以此来克服传统陶瓷的脆性,使其具有像金属一样的柔韧性和可加工性。与传统陶瓷相比，纳米陶瓷的原子在外力变形条件下自己容易迁移，因此表现出较好的韧性与一定的延展性，因而从根本上解决了陶瓷材料的脆性问题。2.纳米技术与纳米陶瓷

利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料-纳米氧化锆（VK-R50）是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都限于100nm以下，是上世纪80年代中期发展起来的新型陶瓷材料。由于纳米陶瓷晶粒的细化，晶界数量大幅度增加，可使材料的韧性和塑性大为提高并对材料的电学、热学、磁学、光学等性能产生重要的影响，从而呈现出与传统陶瓷不同的独特性能，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域[3]。

2.1 纳米陶瓷的性能

(1)纳米陶瓷材料具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能，可以降低材料的烧结致密化程度、节约能源；

(2)使材料的组成结构致密化、均匀化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性；(3)可以从纳米材料的结构层次(1～100 nm)上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能，而使纳米材料的组织结构和性能的定向设计成为可能。

另外，陶瓷是由陶瓷原料成型后烧结而成的，而且陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。如果粉料的颗粒堆积均匀、烧成收缩一致且晶粒均匀长大，则颗粒越小产生的缺陷就越小，所制备的材料的强度就相应越高，这就可能出现一些大颗粒材料所不具备的独特性能。纳米陶瓷最重要的特性主要在于力学性能方面，包括纳米陶瓷材料的硬度、断裂韧度和低温延展性等，特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高[4]。

2.2 纳米陶瓷的研发

纳米陶瓷具有类似于金属的超塑性是纳米材料研究中令人注目的焦点。例如，纳米氟化钙和纳米氧化钛陶瓷在室温下即可发生塑性形变，180℃时，塑性形变可达100%。存在预制裂纹的试样在180℃下弯曲时，也不发生裂纹扩展。九十年代初，日本的新原皓一（Niihara）报道用纳米SiC颗粒复合氧化铝材料的强度可达到1GPa以上，而常规的氧化铝基陶瓷强度只有350-600MPa。Al2O3/SiC纳米复合材料在1300℃氩气中退火2小时后强度提高到1.5GPa，它的高力学性能是与纳米复相陶瓷的精细显微结构直接相关的。德国马普冶金材料研究所的科研人员将聚甲基硅氮烷在高温下裂解后，制得的-Si3N4微米晶与-SiC纳米晶复合陶瓷材料。它具有良好的高温抗氧化性能，可在1600℃的高温使用（氮化硅材料的最高使用温度一般为1200-1300℃）。他们最新进展是通过添加硼化物提高材料的热稳定性，利用生成BN的包覆作用稳定纳米氮化硅晶粒，将这种Si-B-C-N陶瓷的使用温度进一步提高到2000℃，这是迄今国际上使用温度最高的块体陶瓷材料[2]。3.纳米陶瓷的应用

3.1 纳米陶瓷在军事领域中的应用及趋势

虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、拉弯强度、断裂韧性使其在切削工具、轴承、发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。

3.1.1 防护材料

普通陶瓷在被用作防护材料时，由于其韧性差，受到弹丸撞击后容易在撞击区出现显微破坏、垮晶、界面破坏、裂纹扩展等一系列破坏过程，从而降低了陶瓷材料的抗弹性能。纳米陶瓷高活性和耐冲击的性能，可有效提高主战坦克复合装甲的抗弹能力；增强速射武器陶瓷衬管的抗烧蚀性和抗冲击性；由防弹陶瓷外层和碳纳米管复合材料作衬底，可制成坚硬如钢的防弹背心；在高射武器方面如火炮、鱼雷等，纳米陶瓷可提高其抗烧结冲击能力，延长使用寿命。目前，国外复合装甲已经采用高性能的高弹材料。在未来的战争中，若能把纳米陶瓷用于车辆装甲防护，会具有更好抗弹、抗爆震、抗击穿的能力，提供更为有力的保护。3.1.2 吸波材料

陶瓷材料除具有优良的力学性能和热物理性能外，高的机械强度、化学稳定性好，同时又具有吸波功能，能满足隐身要求，已被广泛用作吸收剂。据报道，F-117隐身飞机的尾喷管上用的就是陶瓷吸波材料，可以承受1093℃的高温，法国采用陶瓷复合纤维也制造出了无人驾驶的隐身飞机。随着技术的进步，吸波材料向“薄”、“轻”化发展；兼容吸收毫米波、厘米波和米波；追求宽频带吸收。而纳米材料在这方面具有得天独厚的条件：良好的吸波性能；宽频带、兼容性好、质量轻、厚度薄等特点，使得纳米陶瓷材料成为陶瓷吸波材料研究重要方向之一。目前研究较多的纳米碳化硅陶瓷吸波材料，不仅吸波性能好、能减弱发动机红外信号，而且具有密度小、强度高、韧性好、电阻率大等特点，是国内外发展很快的吸收剂之一[5]。3.2 纳米陶瓷粉体在日用功能制品领域中的应用

高性能的纳米陶瓷粉体材料具有其多种奇特和优良的功能特性，在国外最先应用于军事领域，或以军事为背景的电子、信息、航空和航天等领域，随后逐渐向民用领域发展，在军事、能源、化学化工、敏感材料、光电、环保食品和生物医药等国民经济的各个领域有着十分广阔的应用前景，在人们的日用生活制品领域可涉及衣、食、住、行的各个方面，可显著地改善人们的生活环境、身体健康和生活质量。目前在纺织纤维、塑料橡胶、日用化学、饮食容器、建筑涂料、家用电器和陶瓷制品中，已有许多相关纳米陶瓷功能产品问世并开始销售。这些产品大多由于采用纳米材料，其纳米效应（量子尺寸效应等）使得其制品具有奇异和优良的光电特性和化学活，如电饭煲、电压力锅的内锅需要采用纳米陶瓷涂料。该项目研制的涂料采用无机质的陶瓷经过纳米技术处理和机能性添加剂结合，加水分解和缩合过程后，最终形成精密的、高强度的纳米陶瓷涂料，以金属为基质的内锅表面经过超硬化处理后，在低温下（200摄氏度以下）固化成形，表面硬度高，无任何毒性和腐蚀性物质，无任何气味，具有节能、耐高温、不粘、安全等特点。采用纹路技术的电饭煲、电压力锅的风锅，其特征在于锅体内壁均布多边形或圆形或椭圆形凹槽，特点是内锅加热辐射面积增加，扩大内锅受热面积，节约热源。大米或烹饪的食物与锅体均布有间隙，水填充其中，加热时水汽传热更充分，底部受热均匀，不糊底[6]。

3.3 纳米陶瓷在汽车工业中的应用 纳米陶瓷不仅由于其烧成温度降低数百度而使能耗大幅度减少，成本降低，有利于推广应用，还因为纳米陶瓷有其独特的与传统陶瓷无与伦比的优良性能而将会被广泛应用。比如，纳米陶瓷由于具有高硬度、低温、超塑性、高韧性、耐磨性以及耐高温高压性、抗腐性、气敏性、易加工可切削性等性能而拓展了它在汽车工业中应用的领域。

(l)纳米陶瓷既可作连杆、推杆、轴承、气缸内衬、活塞顶等材料，又可作氧传感器材料以用于检测汽车尾气，还可制造用于燃料电池汽车中的高温燃料电池。如纳米ZrO陶瓷材料等。用纳米陶瓷作为气缸内衬材料时，因耐高温且高温高强，可促使燃料燃烧，使燃料的热效率提高。

(2)纳米陶瓷作为汽车发动机的零部件材料和抗腐蚀材料，如纳米Si3N;陶瓷等。(3)纳米陶瓷粒子涂覆于汽车玻璃表面可起到防污和防雾、隔热作用，还具有保洁杀菌功能。

(4)纳米陶瓷粒子掺入高分子塑料和橡胶中能显著提高拉伸强度、冲击韧性、弹性模量、静电屏蔽性和耐老化性、阻燃自熄灭性，不仅汽车内饰材料轻便化、抗菌自洁、抗静电、防变脆，降低材料破坏速率和摩擦磨损，还可以阻燃防火，使轮胎使用寿命延长;掺入油漆中，不仅能抗老化变脆、防脱落，极大地提高粘接性能、耐污染性能和汽车面漆的耐候性能，而且还具有吸波隐身功能和自修补功能。

(5)纳米陶瓷具有特殊的的磁学性能，可作为磁致冷的工作物质。

(6)纳米陶瓷粉体引起耐磨损、减摩擦等性质，可作抗磨减磨的润滑材料，且润滑效果很好[7]。

3.4 纳米陶瓷在轴承工业中的应用

轴承在机械工业中的应用极其广泛.传统的轴承材料多为金属，以油作为润滑介质.但上述材料和工况下的轴承有许多缺点，如成本高、结构复杂、污染环境等，已愈来愈不能满足实际工作的需要.陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、刚度高、热膨胀系数小、导热性好、比重小、耐磨等诸多优点，和传统轴承材料相比，它特别适用于高温、高速、强磁场及腐蚀性环境等特殊场合.目前，陶瓷材料己被成功地用来制造机床的滚动轴承、水泵的滑动轴承等.如水泵中的陶瓷滑动轴承，由于它能够在含有泥沙类固相颗粒的液体中运转，并且具有良好的耐腐蚀性，因而对于直接输送海水或江水的船用泵来说，具有特别重要的意义;加之良好的导热性能，使泵在一定的干运转期间，不会因过高的温升而发生烧毁.为使陶瓷材料在轴承工业中得到更广泛地应用，除了良好自润滑效果外，关键问题就是提高陶瓷材料的韧性.使用纳米陶瓷就是提高陶瓷材料韧性(同时提高强度等综合性能)的有效办法之一目前纳米陶瓷在轴承中的应用主要有以下几个方面: l)制成全陶瓷的纳米陶瓷，使制品与常规陶瓷材料相比，其综合性能，尤其是断裂韧性有大幅度的提高;2)将纳米陶瓷添加到橡胶等轴承材料中，改善原材料的强度和耐磨性;3)通过在原轴承材料表面涂覆纳米陶瓷涂层，提高原轴承材料的耐磨性和使用寿命[8]。

4.结语

纳米陶瓷作为一种新型高性能陶瓷，是近年发展起来的一门全新的、将成为新世纪重要的高新技术产品产业，越来越受到世界各国科学家的关注。纳米陶瓷的研究与发展必将引起陶器工业的发展与变革。目前，国外纳米陶瓷已开始产业化，但我国还处于陶瓷纳米粉体的研制阶段。纳米陶瓷要真正使产业化，还需社会各界共同努力，产学研共携手。加快科技成果的转化。纳米陶瓷以其巨大的潜在的优异性能，特别是超塑性，高韧性以及低温烧结性等，给陶瓷工业注入了新的活力。如纳米陶瓷在建筑行业、电子领域、生物领域、军事领域、精密设备领域、环保领域以及在某些领域中的抗菌方面都有广泛的应用。随着社会对高性能陶瓷的要求，纳米陶瓷将具有令人瞩目的前景，市场潜力巨大。

参考文献：

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