功能性超细矿物粉体材料的研究与开发
功能性矿物材料的研究与开发
韩跃新于福家王泽红印万忠
（东北大学矿物材料与粉体技术研究开发中心）
1、前言
人类应用的材料多种多样，没有统一的分类方法。从物理化学属性来分，可分为金属、无机非金属、有机高分子及由他们复合在一起的复合材料等。从用途来分，又可分为电子材料、宇航材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物医用材料等等。更常见的是将材料分为结构材料和功能材料，前者是利用材料的力学性能，用以制造受力为主的构件；当然某些结构材料对其他物理性质或化学性质也有所要求，如光泽、导热率、抗辐射、抗腐蚀、抗氧化能力等。功能材料是指具有独特物理性质、化学性质或生物现象的一类材料。一种材料可以既是结构材料，又是功能材料。
功能性超细矿物粉体材料系指具有某种功能，如增强性、阻燃性、磁性、遮光性等，采用特定工艺加工而成的矿物超细粉体。主要包括增强材料、阻燃材料、研磨材料、电子陶瓷用材料等。本文将围绕目前国内外研究开发的热点，就有关问题提出一些粗浅的看法。
2、纳米粉体
研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100μm）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的的意愿合成具有特殊性能的新材料。
利用新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。尼龙(PA6)是工程塑料之一，可广泛应用于制作各种机械、化工设备和电气、电绝缘部件。但它的销售价格较高，为2～2.5万元/吨。聚丙烯(PP) 是通用塑料，它的理化性能与PA6无法相比，但它的价格仅为5000元/吨，只有PA6 的1/5～1/4。据报导应用纳米硅基氧化物对PP进行改性，使改性后的聚丙烯可以替代PA6。其改性机理是利用纳米硅基氧化物的特殊结构和奇异特性及其明显的增强、增韧作用，显著改善PP的加工性能，克服了传统改性增强与增韧不能同时达到和增强时必将增大加工难度两大难题。改性PP经检测表明，四大主要性能技术指标即电阻率、吸水率、屈挠度、刚性均达到或超过PA6标准。
纳米磁性材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由程等大致处于1-100nm量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。
在国内，纳米碳化硅、纳米氧化锌、纳米碳酸钙等已经实现了工业化生产。但我们在生产效率、产品质量、产品规格、产品质量的稳定性方面与国外有一定的差距。
3、阻燃填料
英国的统计结果表明，在火灾死难者当中，80％以上是由于吸入烟雾和有毒气体窒息而死的。在英国，由于吸入了烟雾和有毒气体，每年有1000人致死，63000人因此造成终生残废。
在美国，一项从1979年开始，为期14年的调查结果（表1）显示，在火灾中因烧伤和窒息而死的人员总数从5998人下降到3966人，主要原因是阻燃材料的发展和使用，通过比较显示，因烧伤死亡人员比率的降幅明显较因窒息死亡人员比率的降幅更快。1979年,吸入
表1 火灾死亡人员中因烧伤及窒息原因致死人数的比例，1979－1992
2O
3
+3H
2
O
Mg(OH)
22O
这样，氢氧化镁和氢氧化铝一方面可以降低可燃性和火焰蔓延速度。另一个重要功能是他们可减少有毒气体和腐蚀性气体的生成，从而使人们有足够的时间及时离开危险区域。
不管是氢氧化铝还是氢氧化镁，都需要较高的充填量，才能达到与卤素相当的阻燃效果。需要将充填量提高到60－65％，才能有足够阻燃作用的配混料。颗粒的大小、颗粒的粒度分布和表面形状的控制，对过程以及最终配混料的机械性能有很大影响。
氢氧化铝是采用铝酸盐碱液的沉淀得到的。通过有针对性的结晶过程，专门的过滤和干燥方法，以及各种不同的表面处理，得到各种不同的氢氧化铝产品。与轻钙和重钙相类似，氢氧化镁也可以利用化学合成法及机械粉磨两种方法得到，化学法合成的氢氧化镁粒度均匀，颗粒形状统一，应用效果更好。我国辽宁的宽甸、吉林吉安等地具有水镁石资源，利用高纯度优质水镁石制备高聚物的阻燃填料具有广阔的前景。可以预计，一个矿物阻燃剂研制与开发的热潮已经到来。
4、增强材料
矿物增强材料可以分为针状增强材料、片状增强材料和粒状增强材料。粒状增强材料一般粒度需小到亚微米粒级方具有增强性能。这里主要介绍针状增强材料和片状增强材料。纤维状增强材料主要有硅灰石、人工合成的晶须等，片状矿物材料的典型代表是超细云母粉。高径厚比云母增强聚丙烯的效果是相当明显的，当云母体积百分数约为60％时，可以获得相当高的强度和模量。问题是在粉磨过程中如何获得高的径厚比（大于100）。由于云母本身的韧性，其粉磨是有相当的难度的。由于云母的特殊结构，采用以剪切力为主的粉磨设备可获得较高的径厚比，如常用的碾磨机、搅拌磨机等；同时也有一些特殊的粉磨工艺和粉磨设备用于云母的粉磨，如高压均浆器、超声波粉碎机等。国内目前的超细云母粉较少。
云母方面，另一种重要的功能填料是珠光云母。珠光云母是以薄片状的细磨白云母为原料，用二氧化钛或其他氧化物，如氧化铁、氧化铬、氧化锆等进行表面包覆或复合而成的一种新型珠光颜料。珠光云母又称之为云母钛或着色云母钛。因其具有高的折射率和遮盖力、无毒、耐热性、耐侯性、以及化学稳定性好等特点，广泛应用于涂料、油漆、塑料、橡胶、化妆品、玩具、食品包装、印刷装潢、皮革、造纸、陶瓷和建筑材料等领域，是最有发展前途的新型珠光颜料。
美国纽约的NYCO矿业公司是世界上最大、最先进的硅灰石及其表面化学处理商品的生产商和供应商。自20世纪50年代开始，NYCO的高质量硅灰石产品已经被广泛地使用在塑料、陶瓷、涂料、摩擦材料、防火建筑材料板以及冶金工业。1997年，NYCO在墨西哥西北部的工厂开始商业化生产，年产量为24万吨。
硅灰石的长径比可以从3：1到20：1。硅灰石产品的增强性、低吸水性、热稳定性、导热性及其高化学纯度使硅灰石产品成为从汽车工业到航天工业的各种各样应用的一种理想材料。高长径比的硅灰石产品可以提高塑料的弯曲模量、提高耐热变形温度、降低线性热膨胀系数和模缩率。使用超细的硅灰石可以取得良好的抗冲击和抗张效果。
吉林、辽宁、江西、云南均有丰富的硅灰石资源。近些年来，国内在硅灰石针状粉的制备方面，进行了大量的研究和开发工作，但长径比大于12的硅灰石微粉尚不多，这一方面与国内的资源质量本身有关，同时也与我们的加工技术落后有关，这也是今后我们应重点研究的方向之一。辽宁法库县的硅灰石质量优良，以此为原料可制备高长径比的硅灰石微粉。
晶须是人为控制情况下以单晶形式生长成的一种纤维。晶须的直径一般只有0.1至几个微米，难以容下大晶体中的那种缺陷。高度有序的原子排列结构，使其强度接近于材料的原子间价键的理论强度。因而，晶须最大的用途就是作为增强材料。20世纪60年代，当时美
国的Thermokinetic Fiber, Inc.(TKF)就生产有氧化铝、碳化硅、氮化硅晶须产品供应市场。国内目前有碳化硅晶须、硫酸钙晶须、钛酸钾晶须等工业化产品供应市场。
晶须在复合材料中的增强作用是非常突出的。碳化硅晶须具有高强度、高硬度、高模量、良好的化学稳定性、耐磨耐腐蚀、抗高温氧化等优良性能，并且细小的晶须有利于晶须与基体的复合，以便更好地改善材料的性能。碳化硅晶须的加入对陶瓷的韧性具有明显的改善作用，断裂韧性提高1－2倍。据报道20vol％SiC/Al2O3体系中，测得的热传导率比Al2O3基体的热传导率高出50％；其抗热冲击性从原来400℃下弯曲强度急剧下降到现在900℃时，抗弯曲强度不降低。此外，SiC晶须的加入对改变其高温蠕变性有明显效果。SiC晶须增强的Al2O3复合陶瓷已经得到了实际应用，这种材质的车刀，不但寿命长，其切削效率也较普通车刀具有明显的提高，其应用潜力极大。据推测，2000年美国陶瓷刀具的销售额为5.3亿美元。专家们预见，21世纪材料发展的主要方向是纳米复合材料系统，可望获得从室温到1500℃断裂韧性为15Mpa的复相材料。
在铝基合金中加入SiC晶须可以大幅度地提高材料的弹性模量，改善合金的低、高温强度，疲劳强度，大大提高合金的耐磨性能。表2是碳化硅晶须的加入对铝基合金性能的改善情况。
表 2 SiC(w)/Al体系相对基体性能改进
材料体系 性能 性能变化 17vol%SiC(w)/ZL109Al 耐磨性 提高16倍
17vol%SiC(w)/ZL109Al 弹性模量 提高37％
20vol%SiC(w)/6061Al 疲劳强度 提高1倍
15-20vol%SiC(w)/6061Al 断裂韧性 提高750％
22vol%SiC(w)/6061Al 弹性模量 提高53％
20vol%SiC(w)/6061Al 热膨胀系数 降低50－75％
昂贵的价格是限制碳化硅、氮化硅、氧化铝等晶须的应用的主要障碍。
硫酸钙晶须是以生石膏为原料，采用水热法合成的无水硫酸钙的纤维状单晶体。由于原料来源丰富，制备工艺简单，使其成为价格最低的晶须。东北大学经过多年的努力，实现了硫酸钙晶须的工业化生产，同时对硫酸钙晶须的应用进行了系统的研究。硫酸钙晶须可以用于增强塑料、摩擦材料、涂料、增强沥青等行业，其应用市场需进一步开拓。
其他晶须，如钛酸钾、硼酸铝氧化锌、氧化镁、二硼化钛、碳酸钙等均有其独特的性能，具有广阔的应用前景。
5、金属填料和磁性填料
金属粉末主要用于粉末冶金行业。但金属填料也能赋予塑料复合物以特殊的性能，例如增加导热性、导电性、对磁场的响应和防辐射等性能。用金属粉末为填料的复合材料有着重要的应用。
金属填料主要有铁粉、铜粉、铝粉、锌粉和铅粉等。制备金属粉末的方法主要有三类：（1）粉磨法；（2）喷雾法；（3）电解法。目前，铁粉的用量最大，国内已经建成了几个万吨级铁粉生产厂。
铁粉的生产主要以高纯铁精粉为原料，通过直接还原的方法生产海绵铁，利用机械法将海绵铁磨细得到铁粉。另外一种生产铁粉的方法是把熔铁炉中熔融状的高碳钢雾化成为粉状。铜的韧性好，采用机械粉碎的方法较难达到预期的粉磨细度，一般采用电解法制备铜粉。铝粉可以采用机械粉碎的方法制备，铅粉利用机械粉碎法和雾化法均可。
颗粒大小与形状对于填有金属粒子的塑料复合材料的性能有着决定性的影响。对金属微粒可以进行广泛的选择。扁平状、平板状的铝和铜合金微粒适合于添加到涂料中，因为他们可使涂料具有光亮的涂层。纤维状、晶须状的铁合金微粒能提高树脂复合料的冲击强度。
6、功能性陶瓷粉
功能陶瓷的性能取决于它的成分、显微结构和制造工艺。功能陶瓷的显微结构在相当程度上是由粉体的特性决定的。陶瓷粉的纯度、细度、颗粒形状对功能性陶瓷性能的影响极大。陶瓷粉的制备方法主要有固相烧结法、气相反应法、溶胶－凝胶法、化学共沉淀法和低温化学合成等。天津市硅酸盐研究所研制开发了远红外陶瓷粉，这种陶瓷粉能集中发射波长为
8-15μm的远红外线，能改善人体血液循环、降低血液酸性、促进新陈代谢、增强免疫力，并有节能保暖作用。
高纯超细钛酸钡粉体主要用于介质陶瓷、敏感陶瓷的制造，其中的多层陶瓷电容器、PTC 热敏电阻器件与我们的日常生活密切相关，如PTC热敏电阻在冰箱启动器、彩电消磁器、程控电话机、节能灯、加热器等领域有着广泛的应用。一般钛酸钡粉体的平均粒径0.5-1.0μm。钛酸盐粉体可通过多种化学方法合成，比如固相反应法、液相沉淀法、溶胶-凝胶法等。这些方法有一个共同点，即都需要进行高温煅烧，这不可避免地引起颗粒长大、团聚及烧结活性的降低，进而影响陶瓷元件的介电性能。而水热法在低温（<300℃）下就可获得钛酸盐细粉末，勿需高温煅烧处理，避免了煅烧过程中造成的晶粒长大、缺陷形成和杂质引入，因此所得到的粉体具有较高的烧结活性。水热法制备的电子陶瓷粉体具有晶粒发育完整、粒度小且分布均匀、颗粒团聚轻、易得到合适的化学计量物和晶型等优点。东北大学对采用水热法合成钛酸锶陶瓷粉进行了研究，取得了可喜的结果。
7、超细石墨
我国的石墨资源十分丰富，按目前的开采量计算尚可开采900年。由于石墨具有耐高温性、导电性、导热性、润滑性、化学稳定性、可塑性和抗热震性，广泛用于耐火材料、导电材料、耐磨材料、润滑剂、耐腐蚀材料及隔热、防辐射材料等。胶体石墨是石墨功能性粉体材料中用量最大的产品。胶体石墨是微细石墨颗粒分散在水、油、有机溶剂中形成的固－液分散系统。石墨粒子的大小、结晶状态、分散剂的选择对胶体石墨的质量影响较大。胶体石墨主要有水剂胶体石墨和油剂胶体石墨两种。显象管石墨乳、W、Mo、Th拉丝石墨乳，金属热锻造石墨乳，其分散媒多用水、有机盐或无机盐的水溶液，称为水剂胶体石墨；机械部件用减摩润滑剂、玻璃制瓶用的脱模离型剂，其分散媒多用润滑油，称为油剂胶体石墨。
石墨层间化合物是石墨功能材料研究方面的前沿。膨胀石墨密封材料、电池材料、环保材料均有其独特的性能。膨胀石墨作为吸附剂用于环保时，其吸附量大，收集水面浮油后处理容易，不形成二次污染。已使用过的膨胀石墨可再生,再生之后的石墨还可以再次使用或用作其他用途
8、助滤剂
在啤酒、糖浆等食品工业广泛使用矿物助滤剂，矿物助滤剂能够提高液体的过滤速度、改善澄清度。目前国内采用的矿物助滤剂主要有硅藻土助滤剂和膨胀珍珠岩助滤剂。由于它们具有微细多孔结构、可变的粒度范围和稳定的化学性质等独特性能，在过滤过程中，不仅能使被滤液体获得高的流速比，而且能滤出微细的悬浮物，最小可以滤除0.1～1μm的杂质颗粒。此外，在过滤时助滤剂能够形成坚固的格子结构型滤饼，使滤液中的细小颗粒或胶状物质被截留在格子骨架上，并在滤饼中形成使清液及其所携带的游离悬浮物通过的沟道。因而，矿物助滤剂能够大大提高过滤能力、提高生产效率、降低生产成本。目前，国际上60％以上的硅藻土用于过滤材料。在矿物助滤剂的使用过程中，除了对材料的粒度、孔隙度有要求外，对其中有害元素（重金属、砷等）的含量也有严格的要求。
在制造膨胀珍珠岩的过程中，－60目的珍珠岩作为尾矿丢弃了，这部分珍珠岩的丢弃，一方面浪费了大量的资源，另一方面造成了严重的环境污染。这部分物料可以制备珍珠岩填料、可制备球形闭孔珍珠岩，球形闭孔珍珠岩可制成助滤剂、保温材料和炸药密度调节剂。
9、环境材料
在人类工业化和城市化过程中，随之而产生的是大量的污水，特别是污水中的有机污染物，它们不仅给人们的工作、生活和环境带来了不利的影响，而且直接危害了人的身体健康。多年以来，众多科学家都在寻找有效的方法治理污水。但是，传统的一些方法耗资巨大，使得水处理成了一个国家的沉重包袱。后来，国内外一些研究人员把目光放到丰富的非金属矿产资源上，应用某些矿物材料所具有的独特的理化性能来治理污水。目前用于废水处理的主要有膨润土、沸石、硅藻土等。美国采用沸石处理含45ppm的氨氮废水，经过3个装有沸石的吸附柱的吸附，氨氮的含量降至1ppm。研究结果表明，采用有机膨润土可以去除71％的间二氯苯、57％的1，2，3－三氯苯；膨润土除了用于废水处理外，还可用于空气净化、核废料处理等方面。我国自然生态和环境污染十分严重，其发展趋势尚未得到控制。我国可制备环境材料的非金属矿产资源十分丰富，加强非金属矿物环境材料方面的研究与开发工作大有前景。
10、结语
功能性矿物粉体材料是多种多样的。随着社会的发展和矿物材料开发利用技术的不断进步，会有更多、性能优越、廉价的功能性矿物粉体材料出现。单独追求粒度上的细化，已经远远不能满足功能性矿物材料发展的需要。颗粒的形状、表面状态、内部结构的变化对材料各种功能的影响将成为人们关注的焦点。在规模化工业生产过程中，在关注产品质量的同时，人们将更为关注产品质量的稳定性。另外，在进行功能性矿物粉体材料开发的同时，一定要注意产品应用方面的研究，缺乏应用研究的材料，将远离市场。
纳米粉体材料
纳米粉体材料 简介 纳米材料分为纳米粉体材料、纳米固体材料、纳米组装体系三类。纳米粉体材料是纳米材料中最基本的一类。纳米固体是由分体材料聚集，组合而成。而纳米组装体系则是纳米粉体材料的变形。 纳米粉体也叫纳米颗粒，一般指尺寸在1-100nm之间的超细粒子，有人称它是超微粒子。它的尺度大于原子簇而又小于一般的微粒。按照它的尺寸计算，假设每个原子尺寸为1埃，那么它所含原子数在1000个-10亿个之间。它小于一般生物细胞，和病毒的尺寸相当。 细微颗粒一般不具有量子效应，而纳米颗粒具有量子效应；一般原子团簇具有量子效应和幻数效应，而纳米颗粒不具有幻数效应。 纳米颗粒的形态有球形、板状、棒状、角状、海绵状等，制成纳米颗粒的成分可以是金属，可以是氧化物，还可以是其他各种化合物。 纳米粉体材料的基本性质 它的性质与以下几个效应有很大的关系： （1）.小尺寸效应 随着颗粒的量变，当纳米颗粒的尺寸与光波、传导电子德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸特征相当或更小时，周期边界性条件将被破坏，声、光、电、磁、热、力等特性均会出现质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化成为小尺寸效应。 （2）.表面与界面效应 纳米微粒尺寸小、表面大、位于表面的原子占相当大的比例。由于纳米粒径的减小，最终会引起表面原子活性增大，从而不但引起纳米粒子表面原子输送和构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。以上的这些性质被称为“表面与界面效应”。 （3）量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变成离散能级的现象成为量子尺寸效应。 具体从各方面说来有以下特性： （1）热学特性
粉体材料科学与工程培养方案
粉体材料科学与工程培养方案 一、专业简介 粉体材料科学与工程”专业依托“材料科学与工程”一级国家重点学科建设，设有博士点、博士后科研流动站，是国家特色专业和国家本科质量工程重点建设专业，是首批国家“卓越工程师”专业。本专业涉及金属或化合物粉末的制备、并以此为原料制备先进材料，研究材料成分、制备工艺、组织结构和性能之间相互关系，以满足航空航天、新能源技术、生物技术、微电子、汽车工业、国防军工等领域对关键新材料的迫切需求。本专业培养具有坚实的专业理论基础以及材料科学知识、较强的新材料研发能力和创新能力的粉末冶金技术高级专门人才。 二、培养目标 本专业秉承“厚基础、宽专业、高素质、强能力”的人才标准，培养政治思想正确、具有高度的社会责任感、优良的科学文化素养和创新精神、坚实的专业基础、较强的工程实践和工程创新能力、组织和管理能力以及良好国际化视野的高层次、复合型人才。能在材料科学与工程领域，特别是在粉末冶金基础理论、粉末冶金材料（如难熔金属与硬质合金、磁性材料、摩擦减磨材料、粉末高温合金、特种陶瓷材料、电工电子材料）等研究和制造领域从事科学研究与技术开发、工艺设计、材料加工制备、性能检测和生产经营管理、具有国际竞争力的高级专门人才。学生毕业后可在高等院校、科研院所和高新技术企业等从事教学、科研、生产、新材料与材料制备新技术开发以及相关管理方面的工作。 三、培养要求 1、知识要求 拥有良好的人文与社会知识、学科基础知识、专业基础与专业知识。 ①人文与社会知识：掌握一定的哲学、政治学、法学、社会学、心理学等知识。掌握一定的经济、管理等知识，满足工程应用中管理和交流的需要。 ②外语及计算机知识：掌握一门外国语，能顺利地阅读和翻译专业外文技术资料，有较强的听说读写能力；了解计算机基本原理，掌握一种以上计算机语言，能熟练应用计算机解决本专业问题。 ③学科基础知识：掌握材料科学与工程学科所需的数学、物理、化学等自然科学基础的知识
粉体工程习题及答案(解题要点)
粉体第2章作业题 1、证明：DnL·DLS=DnS2； DnL·DLS·DSV=DnV3 2、求：边长为a的正方形和正三角形片状颗粒的Feret径。 3、求边长为m的正方形片状颗粒的Martin径。 4、求底面直径为10，直径：高度=1：1的圆柱形颗粒的球形度。 5、用安德烈移液管测得某火力发电厂废气除尘装置所收集的二种烟灰的粒度分布情况如下表。 若服从R―R分布，试求：（1）分布特征参数De和n；（2）二种粉体何者更细？何者粒度分布更集中？ 第3章粉体的填充与堆积特性作业题 1、将粒度为D1＞D2＞D3的三级颗粒混合堆积在一起，假定大颗粒的间隙恰被次一级颗粒所充满，各级颗粒的空隙率分别为ε1=0.42，ε2=0.40，ε3=0.36，密度均为2780kg/m3。试求： （1）混合料的空隙率； （2）混合料的容积密度； （3）各级物料的质量配合比。 2、根据下表数据，按最密填充原理确定混凝土中砂子的粒径及各组分的配合比，并计算混凝土混合物的最大表观密度和最小空隙率。（已知：D碎石/D砂=D砂/D水泥） 粒径/mm 空隙率/% 密度/kg/m3 物料名称 碎石D1=32 48 2500 砂子D2 42 2650 水泥D3=0.025 50 3100 3、根据容积密度、填充率和空隙率的定义，说明： （1）；（2）；（3） 4、某粉体的比重为m，在一定条件下堆积的容积密度为其真密度的60%，试求其堆积空隙率。 5、某粉料100kg，在一定堆积状态下，其表观体积为0.05m3。求：该粉体的堆积密度、填充率和空隙率。（ρP=2800kg/m3） 6、已知：粉料（ρP=2700kg/m3）成球后ε=0.33，并测得料球含水量为13%（以单位质量干粉料计），试求料球的空隙饱和度ψs。 第4章作业题
超细粉体的应用及制备
应用与开发 超细粉体的应用及制备 刘宏英,李春俊,白华萍,李凤生 (南京理工大学超细粉体与表面科学技术研究所,江苏南京210094) 摘要:介绍了超细粉体在国民经济各领域的应用,研究了各种超细粉体的制备技术、分级技术及设备的性能特点,分析了国内外相关技术,对超细粉体技术今后的发展和研究方向提出了建议。 关键词:超细粉碎;制备;分级 中图分类号:T B44 文献标识码:A 文章编号:1002-1116(2001)01-0030-03 超细粉体技术是指制备与使用超细粉体及其相关的技术。其研究内容包括超细粉体的制备技术,分级技术,分离技术,干燥技术,输送、混合与均化技术,表面改性技术,粒子复合技术,检测及应用技术等。南京理工大学超细粉体与表面科学技术研究所在国内率先开展了易燃易爆材料、纤维材料、塑性材料和刚柔混合材料等特殊材料的超细粉碎、混合、乳化、分级与表面改性技术研究。经过多年的研究和实际应用,取得了一些成功的经验。目前该技术与设备已广泛用于军民各个领域,为国防现代化和国民经济的发展作出了一定的贡献。由于超细粉体技术是一门综合性很强的技术,涉及知识面很广,本文就超细粉体的应用、超细粉碎技术、分级技术作简要综述。 1 超细粉体应用的研究进展 超细粉体不仅本身是一种功能材料,而且为新的功能材料的复合与开展展现了广阔的应用前景[1]。超细粉体由于粒度细、分布窄、质量均匀,因而具有比表面积大、表面活性高、化学反应速度快、溶解速度快、烧结体强度大以及独特的电性、磁性、光学性等,因而广泛应用于许多高新技术领域。 1.1 在材料领域的应用 超细粉体在材料领域应用广泛。如磁性材料、隐身隐形材料、高耐磨及超塑材料、新型冶金材料及建筑材料。利用超细陶瓷粉可制成超硬塑性抗冲击材料,可用其制造坦克和装甲车复合板,这种复合板较普通坦克钢板重量轻30%～50%,而抗冲击强度较之提高1～3倍,是一种极好的新型复合材料[2]。将固体氧化剂、炸药及催化剂超细化后,制成的推进剂的燃烧速度较普通推进剂的燃烧速度可提高1～10倍[3],这对制造高性能火箭及导弹十分有利。1.2 在化工领域的应用 将催化剂超细化后可使石油的裂解速度提高1～5倍,赤磷超细化后不仅可制成高性能燃烧剂,而且与其它有机物反映可生成新的阻燃材料。油漆、涂料、染料中固体成分超细化后可制成高性能高附着力的新型产品。在造纸、塑料及橡胶产品中,其固体填料如:重质碳酸钙、氧化钛、氧化硅等超细化后可生产出高性能的铜板纸、塑料及橡胶产品。 1.3 在生物医药领域的应用 医药经超细化后,外用或内服时可提高吸收率、疗效及利用率,适当条件下可改变剂型,如微米、亚微米及纳米药粉可制成针剂使用[4]。在医疗诊断方面可将超细粉经适当处理后注入或服入人体内进行各种病理诊断。 南京理工大学超细粉体与表面科学技术研究所已成功地为上海XX医药公司、常州XX公司及浙江XX公司等单位生产了大量超细硫糖铝及超细阿基诺维奇等药,产品性能提高,达到国际标准,因而大 第29卷第1期2001年2月 江苏化工 Jiangsu Chem ical Industry V ol.29N o.1 Feb.2001 收稿日期:2000-10-18 作者简介:刘宏英(1954年出生),女,江苏南京人,高级工程师,1980年毕业于华东工学院机械制造专业,长期从事超细粉体物料的制备、粉碎、分级等技术研究,已发表论文数篇。
功能粉体材料作业
微纳粉末制备中的晶体结构控制 谌伟学号123511026 摘要：具有特殊形貌和尺寸的无机纳米/微米粉末的可控合成已成为现代材料合成和纳米器件制造过程中一个研究热点本，本文分析了研究晶体宏观形貌与内部结构关系的几种主要理论，分别从晶核的形成和长大，以及其影响因素与结晶模式，分析了粉末制备中控制晶体结构的机理。 关键词：微纳粉末；晶体结构；晶体习性；结晶控制 晶体形态的变化，受内部结构和外部生长环境的控制。晶体形态是其成份和内部结构的外在反映，一定成份和内部结构的晶体具有一定的形态特征，因而晶体外形在一定程度上反映了其内部结构特征。外部生长条件的变化通过内部结构影响晶体的形态，晶体形态随外界条件的变化而发生规律性的变化，因此可以通过晶体的外形特征来认识、掌握晶体的生长条件。在晶形分析过程中，内部结构对晶形的控制是基础，通过晶体结构特征对晶体形态作出比较准确的分析和推断，是进一步研究晶体形态与生长条件关系的前提。结晶学是研究晶体的生长、外部形貌、内部构造、化学组成、物理性质、人工制造和破坏以及它们之间关系的一门经典自然科学。结晶学是岩石学、矿物学、地质学和药物学等许多学科的基础，也是材料科学的重要基础科学之一。无论是材料制品的研究、生产制造还是实际应用，都离不开结晶学理论知识的指导。 1晶核的形成 任何晶体的生长都有晶核形成和晶核长大两个阶段，二者受不同因素控制。前一阶段热力学条件起着决定性作用，后一阶段主要受动力学条件控制。晶体的生长是一个相变过程，晶核的形成就是相变的开始。一个体系内能否形成晶核取决于相变进行的方向，而晶核的长大则取决于相变进行的限度。从热力学理论可知，只有在体系的相变驱动力足够大时，相变才能自发地进行，即自发进行的过程是在吉布斯自由能减小而相变驱动力增到足够大的过程。 （1）均匀成核作用：在均匀的没有相界面存在的体系内，自发地发生相变而形成晶核的作用，称为均匀成核作用。所谓均匀成核只是统计性的宏观看法。实际上体系内的某个局部在某瞬间总是存在着偏离平衡态的组成密度起伏或热起伏的。原始态的原子和分子有可能聚集在一起形成新相的质点集团，这种质点
超细粉体概念与特性
超细粉体的概念 世界化工网_https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 任何固态物质都占有相应的空间,并且具有一定的形状和大小,即具有一定的体积.通常我们所说的粉末或细颗粒,一般是指大小为1mm一下的固态物质.当固态颗粒的粒径在0.1~10μm之间时,可称为微细颗粒,或称为亚超细颗粒/而当粒径达到0.1μm以下时,则称为超细颗粒.因此,超细粉体材料即指粒径在1~100nm范围内介于院子,分子与宏观物体之间的粉体材料. 超细颗粒按其大小可以分为三个档次: 大超细颗粒:粒径在0.1~0.01μm之间; 中超细颗粒:粒径在0.01~0.002μm之间; 小超细颗粒:粒径在0.002μm以下; 超细粉体的特性 超细粉体是介于大块物质和院子或分子之间的中间物质,是处于原子簇和宏观物体交接的区域.从微观和宏观的观点看.它即不是典型的微观系统,也不是典型的宏观系统,是介于二者之间的介观系统.它具有一些列新异的物理化学特征.这里涉及到体相材料中所忽略的活根本不具有的基本物理化学问题.由于超细粉体保持了原有物质的化学性质,而在热力学上又是不稳定的,所以对它
们的研究与开发,是了解微观世界如何过渡到宏观世界的关键.随着研究手段,特别是电子显微镜的迅速发展,使得可以清楚的看到超细颗粒的大小和形状,对超细粉体的研究更加深入了. 超细颗粒具有熔点低,化学活跃性高,磁性强,热传导性，对电磁波一场吸收等特性，使它具有广阔的应用前景。 超细颗粒的直径越小，其熔点的降低越显著。例如，块状银的熔点是900℃，而银的超细颗粒的熔点可降至100℃以下，能溶于热水；块状金的熔点为1064℃，而粒径为0.002μm的超细金粉其熔点仅为327℃.超细粉体的熔点低使得在较低的温度下可以对金属,合金或化合物的粉末进行烧结,制造各种机械部件.这样不仅能节省能耗,降低制造工艺的难度,更重要的是可以得到性能优异的部件.如高熔点材料WC,SiC,BN,Si3N4 等作为结构材料,其制造工艺需要高温烧结,当使用超细颗粒时,就可以再很低的温度下进行,并且不需要添加剂就可以获得高密度烧结体.这对高性能无机结构材料的广泛应用提供了更具现实意义的制造工艺. 超细颗粒具有很高的化学活性.这是由于它的直径越小,其总表面积就越大,表面能相应增加,使其化学活性增大.据此特性可作为高校催化剂,用于火箭固体燃料的助燃添加剂.研究表明,以
材料科学与工程网址大全
中国材料研究学会 国际材料研究学会联合会成员，中国材料科学与工程领域国家级学会。https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 中国硅酸盐学会 https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 中国颗粒学会 含学会建设，学会会员，学会活动，科学普及。 https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 中国科学院纳米科技网 从事纳米科技研究、开发的研究单位。 https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 纳米科技基础数据库 中科院数据库网站，提供国内外纳米科技基础数据研究信息的平台。https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 纳米科技网 含纳米新闻、纳米科技、纳米论坛、纳米产业等内容。https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 纳米科技网 介绍纳米科技。 https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 电子材料大市场 含电子材料新闻、资讯、科技、论文、产业等内容。 https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 浙江纳米 提供纳米行业信息、科研发展动态。 https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 中国超硬材料网 介绍人造金刚石原料、人造金刚石及其制品的行业信息。 https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 中国电子材料网 提供信息产业基础产品及材料信息。 https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 中国粉体工业信息网 介绍超细粉体研究、动态信息与工程技术开发。 https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 中国功能材料网 主要报导中国功能材料领域的现状、动态与信息。 https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 材料复合新技术信息门户 提供材料学科的各类文献资源以及导航。 https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 材料与测试网 提供材料与测试领域的信息服务。
https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 纳米数据中心 提供纳米科研成果信息、资源,查询、学术交流的平台。 https://www.wendangku.net/doc/9714603752.html, 奈米科学网
金属超细粉体制备的研究进展
金属超细粉体制备的研究进展 摘要：简要介绍了超细粉体的制备方法，并介绍了电爆炸法和电弧等离子法制备AI、Mg 粉体的工艺技术及其研究进展。这2种方法具有产品颗粒直径分布窄、粒度大小易于控制和调节、产品纯度高、便于收集、无污染等优点，且易于工业化。它们是目前生产金属细颗粒较环保和成本较低的方法。 关键词：水反应金属燃料；Al；M g；粉体；电爆炸法；电弧等离子法 1. 引言 俄罗斯“暴风雪”超高速鱼雷利用“超空泡”(supercavitation)原理突破了水下航行体的速度限制．达到了200节航速【1】。。其所用动力推进系统为水冲压发动机，该发动机使用的燃料是“水反应金属燃料”，该鱼雷具体使用的是“Mg基水反应金属燃料”【2】。“暴风雪”鱼雷的出现引起了美、德、日等国对水冲压发动机和水反应金属燃料的极大关注，并展开大规模的研究。水反应金属燃料的优点是不仅能量特性高，而且具有充分利用雷外海水作为能源的特点，能够显著提高燃料单位体积的能量密度，使鱼雷超高速、远航程航行成为可能【3】。 目前研究所采用的水反应金属燃料的主要原料有：活性金属如Al、Mg、B、Ti、Li、Na、K、zr、w等，金属氢化物如AlH 3、M gH 2、B 2H。、ZrH：及LiAIH。及一些活性较高的金属氧化物和金属碳化物等。考虑到成本、毒性、能量密度等各方面的问题，Mg和Al 是最佳选择14】。与Mg基金属水反应燃料相比，A1的成本更低，来源更广，稳定性更好，最主要的是Al基燃料的比冲要大于Mg基燃料的比冲【5】。 对于金属燃料能否用于水冲压发动机的要求，除了看其能量密度能否满足要求外，还要看其粒度、纯度能否满足点火要求等；而决定其点火温度的主要因素是金属粒子粒度的大小。若想降低或选择合适的金属粒子的点火温度，就必须制备出超细颗粒(包括微米级、亚微米级和纳米级粒子)的金属粒子。 超细粒子的制备方法 对于超细粒子的制备已经报道了许多方法，从这些报道来看，超细粉体的制备方法可根据反应体系的不同而分为气相法、液相法和固相法【6】。 气相法一般是指用气体原料或将原料蒸发成气体，然后通过化学反应或物理作用再生成超细颗粒的方法。这类方法中包括气相化学反应、激光合成法、电爆炸法、惰性气体冷凝法和电弧等离子体法。 气相法制备金属超细粒子的特点是产品纯度高、分散性良好、粒子粒径分布窄、粒径小。此外，通过控制气氛可以制备液相法难以制备的金属、碳化物、氮化物、硼化物等非氧化物超细粉体【7】o 液相法(也称溶液反应法)是当前实验室和工业上广泛采用的合成高纯超细粉体的方法。其主要优点是能精确控制化学组成，易于添加微量有效成分，超细粒子形状和尺寸也较容易
《粉体科学与工程基础》教学大纲.doc
《粉体科学与工程基础》教学大纲 课程编号： 课程名称:粉体科学与工程基础/Fundamentals of Powder Science and Technology 学时/学分：32/2 （其中含实验0学时） 先修课程：无 适用专业：无机非金属材料工程 开课学院（部）、系（教研室）：材料学院无机非系粉体工程研究所 一、课程的性质与任务 本课程为无机非金属材料专业的专业必修课程，材料科学与工程专业的专业选修课. 通过本课程的学习，使材料科学与工程专业的学生能够系统地掌握“粉体科学与工程” 的基本理论和基础知识，从而能根据材料的性能要求，从粉体科学的角度，对粉状原材料的颗粒儿何特性和表面物理化学性质进行正确的表征和合理的设计；并为进一步学习粉体制备与处理工艺及装备技术奠定基础，使学生能从粉体过程工程的层面，掌握正确、合理地运用粉体材料制备工艺和装备技术的技能。通过本课程的学习，使学生获得： 颗粒几何特性与表征 颗粒的堆积结构与致密堆积 粉体力学与流变特性 颗粒流体力学 粉体的物理特性 粉体的表面物理化学性质 等方面的基本概念和基木理论，以及正确、合理地应用专业基础知识解决粉体过程工程实际问题的能力和科学方法，为后继专业课学习奠定必要专业基础知识。在传授专业基础知识的同时，通过各章节所学内容与生产中实际问题的关联介绍，培养学生对专业课程的学习兴趣。 二、课程的教学内容、基本要求及学时分配 （―）教学内容 1.颗粒的几何特性与表征 颗粒的大小与分布：粒径和粒度的概念；单颗粒的4种粒径表征方法：轴径，球当量径, 圆当量径，定向径；颗粒群平均粒径的概念；平均粒径的计算方法。 粒度分布：粒度分布的概念；粒度分布的4种表征方法：列表法，作图法，矩值法，函数法；函数法的4种粒度分布方程：正态分布方程，对数正态分布方程，Rosin-Rammler 分布方程，Gates-Gaud in-Schumann分布方程。 颗粒的形状：形状系数的概念，形状系数的表征方法，形状指数的概念，形状指数的表征方法。 颗粒形状的数学分析法：Fourier级数分析法；分数维法：分形与分数维的概念，分数维的计算，颗粒形状的分数维表征。 粉体比表面积：颗粒的表血性状；粉体比表面积的概念；粉体比表面积的计算：基于单颗粒或颗粒群平均粒径的比表面积计算，基于粉体粒度分布的比表面积计算，几种粒度分布方程的比表面
高分子材料中粉体表面改性的作用
超细粉体材料进行表面改性的作用分析 （上海汇精亚纳米新材料有限公司刘涛） （凤阳汇精纳米新材料科技有限公司） 高新技术的发展对材料的要求越来越高，而材料又是技术进步的关键和后盾。随着科技的发展，我们经常需要既能适应高温、高压、高硬度条件的材料，又具有能发光、导电、电磁、吸附等特殊性能的材料。因此，对材料特殊性能及品质要求的提高，为适应发展需要，人们不断地开发超微细粉体这一新兴填料体系。但由于超细粉体间普遍存在着范德华力（分子间作用力）、库仑力(静电力)，粉体的细化过程实质上是以粒子的内部结合力不断被破坏，体系总能量不断增加的过程。因此从热力学角度来看，超细粉体有自发凝聚的倾向，而且颗粒越细小，团聚越严重。因此如何使团聚解聚，使颗粒均匀分散成为超细粉体材料得到很好应用的首要问题。研究表明，影响超细粉体分散的主要原因是：1：液桥力（液体的表面张力）：当粉体受潮时，此力最大；2：范德华力；3：库仑力，不同电荷吸引力是粉体团聚的第三大因素。而对于超细粉体在高分子材料中的分散，一是常温下的分散混合，二是熔融状态下的分散混合，这两个过程都要求做到分散均匀。表面改性就是指在保持材料或制品原性能的前提下，赋予其表面新的性能，如生物相容性、抗静电性能、染色性能及良好的分散性能等。汇精公司粉体材料的表面改性产品就是用偶联剂及表面活性剂在粉体表面进行，其可以降低粉体表面能，提高相容性，阻止或减轻团聚体的形成，提高其分散性，并使得粉体在高分子材料中得到迅速、均匀的分散。若超细粉体不加任何处理就加入到高分子材料中去，材料与聚合物之间就会存在明显的界面，如果在基体树脂中存在的许多空洞，在外力作用下能承受外力的有效截面积减少，填充材料的力学性能就会变差。因此超细粉体在表面处理水份控制以及选择合适的表面改性剂是非常关键的。 上海汇精亚纳米新材料有限公司、凤阳汇精纳米新材料科技有限公司利用自身丰富粉体应用技术资源，采用专业的配方，使用SLG加热式连续性表面改性机对超细粉体材料进行表面改性处理，使得超细粉体材料在各行业的使用性能得到大大提升，更赋予它新的功能；使得超细粉体的各项性能得到更好的发挥，适应了时代发展的趋势需求。
超细粉体材料的制备技术现状及应用形势
文章编号:1008-7524(2005)03-0034-03 超细粉体材料的制备技术现状及应用形势* 房永广1,梁志诚2,彭会清3 (1.江西理工大学环建学院,江西赣州341000;2.化工部连云港设计研究院, 江苏连云港222004;3.武汉理工大学资环学院,湖北武汉430070) 摘要:综述了国内超细粉体材料的制备工艺、设备现状及进展,并介绍了超细粉体材料在电子信息、医药、农药、模具、军事、化工等方面的应用。 关键词:超细粉体;制备;综述 中图分类号:TD921+.4文献标识码:A 0引言 从上世纪50年代日本首先进行超细材料的研究以后,到上世纪80~90年代世界各国都投入了大量的人力、物力进行研究。我国早在上世纪60年代就对非金属矿物超细粉体技术、装备进行了研究,对于超细粉体材料的系统的研究则开始于上世纪80年代后期。 超细粉体从广义上讲是从微米级到纳米级的一系列超细材料,在狭义上讲是从微米级、亚微米级到100纳米以上的一系列超细材料。材料被破碎成超细粉体后由于粒度细、分布窄、质量均匀,因而具有比表面积大、表面活性高、化学反应速度快、溶解速度快、烧结体强度大以及独特的电性、磁性、光学性等,因而广泛应用于电子信息、医药、农药、军事、化工、轻工、环保、模具等领域。可以预见超细粉体材料将是21世纪重要的基础材料。1超细粉体的制备设备 超细粉体的制备方法有很多,但从其制备的原理上分主要有两种:一种是化学合成法,一种是物理粉碎法。化学合成法是通过化学反应或物相转换,由离子、原子、分子经过晶核形成和晶体长大而制备得到粉体,由于生产工艺复杂、成本高、而产量却不高,所以化学合成法在制备超细粉体方面应用不广。物理粉碎法是通过机械力的作用,使物料粉碎。物理粉碎法相对于化学合成法,成本较低,工艺相对简单,产量大。因此,目前制备超细粉体材料的主要方法为物理粉碎法。常用的超细粉碎设备有气流粉碎机、机械冲击粉碎机、振动磨、搅拌磨、胶体磨以及球磨机等。 1.1气流粉碎机 自从1892年美国人戈麦斯第一次提出挡板式气流粉碎机的模型并申请专利以来,经过百余年的发展,目前气流磨已经发展成熟,成为国内外用于超细粉体加工的主要设备。我国研制气流粉碎机开始于上世纪80年代初。目前气流粉碎机可分为圆盘式、对喷式、靶式、循环式、流化床式等。 气流粉碎机又称流能磨或喷射磨,由高压气体通过喷射嘴产生的喷射气流产生的巨大动能,使颗粒相互碰撞、冲击、摩擦、剪切而实现超细粉碎。粉碎出的产品粒度细,且分布较集中;颗粒表面光滑,形状完整;纯度高,活性大,分散性好。目前超细粉碎机有很多的机型,其中流化床式气流粉碎机是其效率最高的。其工作原理为物料进入粉碎室,超音速喷射流在下部形成向心逆喷射流场,在压差作用下,使磨底物料流态化,被加速的物料在多喷嘴的交汇点汇合,产生剧烈的冲击碰撞,摩擦而粉碎,被粉碎的细粉随气流一起运动至上部的涡轮分级机处,在离心力作用下,将符合细度要求的微粉排出。其优点是粉碎效率高,能耗 # 34 # *收稿日期:2004-09-24
粉体工程与设备
北方民族大学课程设计报告 院（部、中心）材料科学与工程学院 姓名王芳学号 专业材料科学与工程班级 082 同组人员王选、高稳成、闫晓展、代新、马海龙 课程名称粉体工程与设备 年产3000吨碳化硅微粉的生产线的项目名称 可行性研究报告 起止时间 2010-11-21至2009-12-3
成绩 指导教师王正粟祁利民 北方民族大学教务处制 录目 一、项目的目的和意义··············································二、工艺参数的计算··············································三、设备的选择依据··············································四、成本核算··············································五、效益分析··············································六、环境保护及措施··············································七、小节··············································八、参考文献··············································
一、目的及意义 碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑为原料通过 电阻炉高温冶炼而成。 首先，其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，同时分解温度（2400℃）高、优良的化学稳定性，较强的韧性、良好的抗热震性、显著的电学性能和高导热性能等诸多优良特性，因而被广泛用磨具磨料、耐火材料、耐蚀材料、结构陶瓷等产品的生产原料，也可用作电热原器件、半导体器件等产品生产的原料。 其次，碳化硅微粉堆积密度高，耐磨能力强，硬度高，切削能力强，粒度分布集中并且均匀；具有耐高温,强度大,热膨胀系数小，导热性能良好,抗冲击,作高温间接加热材料.有四大应用领域：功能
粉体材料与工程专业培养计划(草稿)
粉体材料科学与工程专业培养计划 一、培养目标： 本专业培养适应社会主义现代化建设需要，德、智、体、美全面发展，并具有较好的社会科学基础和一定的人文、艺术基础，具有创新精神和实践能力，获得工程师基本训练的高级工程技术专门人才。毕业生具备粉体材料工程领域的基础知识，系统掌握粉体材料科学与工程的基本理论、基本的实验技能和科学创新的研究方法的高级应用型人才。 二、培养规格与要求： 本专业人才应具有以下知识、能力和素质： 1、知识结构要求 工具性知识：外语、计算机及信息技术应用等方面的知识。 人文社会科学知识：哲学、思想道德、政治学、法学、心理学等方面的知识。 自然科学知识：数学、物理学、化学等方面的知识。 工程技术知识：工程图学、机械基础、电工电子学等方面的知识。 经济管理知识：经济学、管理学等方面的知识。 专业知识：了解粉体材料科学与工程领域的一般原理和专业知识；掌握粉体材料合成制备、加工、结构与性能测定及应用等方面的基础知识、基本原理和基本实验技能；熟悉国家关于粉体材料科学与工程研究、开发及相关的产业政策、国内外知识产权等方面的法律法规；了解粉体材料科学与工程专业的理论前沿、应用前景和最新发展动态，以及粉体材料科学与工程产业的发展状况；具有研究、改进粉体材料性能、开发、设计新材料的初步能力。 2、能力结构要求 获取知识的能力：具有良好的自学能力、表达能力、社交能力、计算机及信息技术应用能力。 应用知识能力：具有综合应用知识解决问题能力、综合实验能力、工程实践能力。 创新能力：具有创造性思维能力、创新实验能力、科技开发能力。 3、素质结构要求 思想道德素质：热爱祖国，拥护中国共产党的领导，树立科学的世界观、人生观和价值观；具有责任心和社会责任感；具有法律意识，自觉遵纪守法；热爱本专业、注重职业道德修养；具有诚信意识和团队精神。 文化素质：具有一定的文学艺术修养、人际沟通修养和现代意识。 专业素质：掌握科学思维方法和科学研究方法；具备求实创新意识和严谨的科学素养；具有一定的工程意识和效益意识。 身心素质：具有较好的身体素质和心理素质。 三、主干学科：材料科学与工程，化学工程与技术 四、核心课程： 马克思主义基本原理、高等数学、大学物理、物理实验、大学计算机基础、大学英语、工程图学、电工与电子技术、无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、纳米材料科学导论，材料科学基础、材料物理性能、材料研究与测试方法、粉体工程、材料合成与加工工程及热工过程及设备。 五、主要实践性教学环节： 基础实验、专业实验，机械制造（金工）实习、电工电子工艺实习、计算机上机、课程实习、创新设计、认识实习、生产实习、毕业实习、科技方法训练（工程设计训练）、毕业设计（毕业论文）等集中实践周共44周。 六、主要指标： 课内（普通教育和专业教育）总学时2496（其中实验232学时、上机120学时、听力64学时），集中实践环节共44周；普通教育和专业教育总计200学分，综合教育40学分。 七、学制：四年 八、授予学位：工学学士
材料科学与工程基础实验讲义全
华南农业大学材料与能源学院 现代材料科学与工程基础实验讲义 供材料科学专业本科生使用 胡航 2016-02-30
实验一 金属纳米颗粒的化学法制备 一、实验容与目的 1. 了解并掌握金属纳米颗粒的化学法制备过程并制备Au 或Ag 纳米颗粒。 2. 了解金属纳米颗粒的光学特征。 二、实验原理概述 化学制备法是制备金属纳米微粒的一种重要方法，在基础研究和实际应用中被广泛采用。贵金属纳米颗粒的化学法制备主要有溶胶凝胶法、电镀法、氧化还原法等。其中氧化还原法又包括热分解和辐照分解等。贵金属纳米颗粒具有广泛的应用，如生物医学领域的杀菌，物理化学领域的催化等。本实验以金胶为例介绍交替法制备贵金属纳米颗粒，并以硝酸银在烷基胺中的热分解为例介绍表面活性剂中氧化还原法制备贵金属纳米颗粒。 1. 胶体金属（Au 、Ag ）的成核与生长 总的来说，化学法制备金属纳米粒子都是让还原剂提供电子给溶液中带正电荷的金属离子形成金属原子。如，对于制备胶体金，如果采用柠檬酸三钠作为还原剂，其反应过程如下： 2H O -42223222222Δ HAuCl + HOC(CH )(CO )Au +Cl +CO +HCO H+CO(CH )(CO )+......??→粒子 2. 硝酸银热分解法制备银纳米粒子 热分解法制备金属纳米颗粒原理简单，实验过程易操作。对制备数纳米到数十纳米尺寸围的纳米颗粒有较大优势。硝酸银在烷基胺中加热搅拌可形成澄清透明溶液。温度上升到150~200 °C 时，溶液颜色由浅色到深色快速变化，生成的银纳米颗粒被烷基胺包裹，稳定在溶液中。通过对样品洗涤、离心沉淀，可获得烷基胺包裹的银纳米粒子。 三、实验方法与步骤 （一）实验仪器与材料 硝酸银，柠檬酸三钠，油胺或十八胺，十八烯（ODE ），无水乙醇，配有温度调控和磁力搅拌的油浴加热器，三颈瓶，抽气头，滤膜，温度计套管，10 mL 量筒，分析天平，玻璃滴管，离心管，离心机，电热干燥箱 （二）实验方法与操作步骤
纳米粉体的制备方法及其研究进展
纳米粉体的制备方法及团聚简介 摘要：本文简要综述了制备纳米粉体的相关方法，物理方法有气体冷凝法、侧射法、高能机械球磨法等，化学方法有固相配位化学法、溶胶-凝胶法、沉淀法、化学气相沉积法等。并且简要的介绍了团聚的原因及如何防止纳米团聚 关键词：纳米粉体；制备方法；团聚 近年来，随着科学技术的发展，世界各地许多科学家都在积极开展新材料尤其是纳米材料的研究。纳米材料包括零维颗粒材料、一维纳米针、二维纳米膜材料以及三维纳米晶体材料。纳米颗粒一般在1～100nm之间，处于微观粒子和宏观物体之间的过渡区域。它具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性。这些特性使其呈现出一系列奇异的物理、化学性质，目前在国防、电子、化工、轻工、核技术、航空航天、医学和生物工程等领域中具有重要的应用价值。为此，本文简要综述了纳米粉体的相关方法。 1 . 纳米粉体材料的制备方法 1.1 物理法 1.1.1 气体冷凝法[1] 气体冷凝法（IGC），其主要过程是在低压的氩、嗐等惰性气体中加热金属，使其蒸发，产生原子雾，经泠凝后形成纳米颗粒。纳米合金可通过同时蒸发数种金属物质得到；纳米氧化物可在蒸发过程中真空室内通以纯氧使之氧化得到。这种方法是制备清洁界面的纳米粉体的主要方法之一。 1.1.2 侧射法[1] 用两块金属板分别作阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入氩气，在两电极之间施加适当电压，两电极间的辉光放电促使氩离子的形成，在电场作用下，氩离子冲击阴极材料，使靶材原子从其表面沉积下来。而且加大被溅射的阴阳表面可提高纳米微粒的获得量。该方法可有效控制多种高熔点和低熔点的纳米金属；能制备多组元的化合物纳米颗粒。 1.1.3 高能机械球磨法[1] 高能球磨法是近年来发展起来的一种制备纳米粉体材料的方法，该方法尤其是在制备合金粉末方面具有良好的工业应用前景。它是将欲合金化的元素粉末混合起来，在高能球磨机长时间运转，将回转机械能传递给金属粉末，依靠求魔过程中粉末的塑形变形产生复合，并发生扩散和固态反应而形成合金粉末。由于该过程引入大量的粉末颗粒应变、缺陷以及纳米量级的微结构，使合金过程的热力学和动力学不同于普通的固态反应过程，有可能制备出常规液态或气相难以合成的新型合金。此外，通过高能机械球磨中气氛的控制与外部磁场的引入，使这一技术得到了较大的发展。 1.2 化学法
超细粉体在材料领域的应用
超细粉体在材料领域的应用 超细粉体在国民经济及社会生活各个领域中都具有举足轻重的作用，下面对超细粉体在材料领域的应用进行简单介绍。 超细颗粒表面能高，表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大，因此超细颗粒熔化时所需的内能较小，这使其熔点急剧下降，一般为块状材料熔点的30%一50%，这种性质可使其烧结温度显著降低，又由于超细粉体具有流动性大、渗透力强、烧结收缩磁性大等烧结特性，可以作为烧结过程的活性剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度，例如普通钨粉需在3000℃高温时烧结，而当加入0.1%-0.5%的超细镍粉后，烧结成型温度可降低到1200-1311℃。 超细粉体可以显著改善陶瓷材料的显微组织，优化其性能。通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成的。超细颗粒压成块材后，由于颗粒之间界面的高能量，在较低温度下烧结就能达到致密化的目的，且性能优异，因此特别适用于电子陶瓷的制备，所制备的陶瓷具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨等性能，而且还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这将成为超细材料开拓应用的一个崭新领域。 超细粉体可制成特种功能材料，例如，将超细三氧化二铝和超细二氧化错烧结制成的材料，具有高硬度、超耐磨等特性，广泛用于特种模具行业及轴瓦和耐磨件的内衬。装甲材料通常是采用各种合金来提高其抗冲击性能和韧性，以防御炮弹的攻击，将超细 金属材料采用新工艺烧结后，可制成新型高强度超硬材料，用于装甲防护。用超细材料制成的耐高温、散热、导电、防腐涂层可广泛用于宇航飞行器、机场、军用码头、军用油库、弹药库、舰船等特种场合的防护。 超细粉体具有高比表面积、高活性、特殊物理性质，致使它对外界环境(如温度、光、湿气等)十分敏感，外界环境的改变会迅速引起其表面或表面离子价态和电子运输的变化，即引起其阻值的显著变化，超细粉体的这种特有性能使之成为在传感器方面最有应用前途的材料，可研制出响应速度快、灵敏度高、选择性好的各种不同用途的传感器。仅需微量的超细颗粒就可分发挥很大的作用。利用铁、钴、镍等金属超细离子制备高密度磁带，记录密度可达107- 108位/in(in=25.4mm)，降低噪音，提高信噪比。利用超细颗粒对光强烈的吸收能力，可做防紫外线、防雷达的隐身材料，电磁波、光波吸收材料等。 在特种材料领域，超细粉体也有十分重要的应用。如赤磷是强可燃物，但超细赤磷可以制成发火点低、灵敏度高的高性能燃烧剂和烟火剂。当赤磷超细化到l0um以下后可以和其他有关的有机物合成高性能阻燃材料。硫磺超细化后可以作为农药载体，提高农药在水中的悬浮性，制造高性能的农药;用在制糖工业作处理剂时，可以制得性能更好的白糖。炸药超细化后可使燃料或爆炸性能更敏感更好，当以炸药作为燃气发生器的气源时，颗粒越小，发火和起爆就越容易，这样可以确保汽车行驶过程发生事故时气囊能及时充气，确保驾乘人员安全。强氧化剂高氯酸氨是固体火箭推进剂的一种重要成分，当其颗粒直径在100--200 u m时，固体推进剂的燃烧速度达10-20 mm/s;而当其颗粒超细化到粒径小于2um 时，在相同条件下固体推进剂的燃速可达80-100 mm/s 。 超细粉体的特殊的光学性质和光学化学性质，在口常生活和高科技领域也具有广泛的应用前景。己有的研究表明，利用半导体超细粉体可以制备出光电转化效率更高的，即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池，这种新型的太
[材料科学,工程,专业]材料科学与工程专业转型的实践研究
材料科学与工程专业转型的实践研究 材料科学与工程专业是我校专业综合改革、深度转型发展的五个试点专业之一。专业转型的目的就是使专业教育更好地满足人才培养目标实现的需要，为培养高质量的人才提供合适的软、硬环境。近几年来，我们从人才培养的目标定位、体制机制建立、培养模式探索、培养方案设计、教学内容与方法改革、师资队伍建设、实训基地建设等诸多方面，进行了较为系统的研究与实践，取得了较好的成效。 1人才培养目标 采取宽口径、强能力、重应用的模式，立足常德、面向湖南、辐射全国，培养和造就能适应国民经济发展，具备包括无机非金属材料、高分子材料科学与工程领域的基础知识和基本技能，能在各种材料的制备、加工成型、材料结构与性能测试等领域从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计、技术改造及经营管理等方面工作，适应社会主义市场经济发展高层次、高素质的科学研究与工程技术应用性创新人才。 2体制机制改革 2.1建立以就业为导向的校企合作材料人才培养机制 我院材料科学与工程专业设置的基本宗旨就是要为地方经济发展服务，因而专业发展方向应与区域产业集群发展趋势相适应。近些年来，湘西北地区在材料加工制备方面发展很迅速，形成了高分子通用纤维与高分子特种纤维、塑料管道、复合型材、过滤器件、各类无机粉体材料、陶瓷等方面的集群产业。以地方经济发展需要为导向，确立材料科学与工程专业对应的人才培养方向，因此，我院的材料科学与工程专业确立了有机高分子材料、无机非金属材料两个培养方向。 利用我院与地方40多家相关企业签署的产学研合作协议，建立了不同层次、不同类型的实习实训基地，构筑了以学校为主社会参与的新的人才培养体系，打破了制约应用型创新人才培养的瓶颈，将产业一专业一就业(即三业)三者密切关联起来，形成了以就业为导向的、高素质应用型创新人才培养为目标的校企合作人才培养机制，同时，在校企供需合作中真正形成了资源共享、利益共赢的多赢局面。 2.2建立双师型教师队伍的培养机制 培养和造就一支双师型教师队伍是材料专业转型发展的基本保证。然而，我院材料科学与工程专业招聘的博士基本上从学校直接到学校，企业中实践经验不足。为此，需要建立双师型教师队伍的培养机制，即要求每位专业课的老师联系一到两个企业，并不定期地到企业中参与生产实践，保证每位专业教师每年在企业的时问不低于2个月，为企业解决生产中存在的实际问题。同时，丰富教师的实践经验，提高课堂教学质量。此外，还聘用了一批企业工程技术人员为学生上课，特别是为学生上实践训练课，指导学生设计、创新，与师生一道研究解决生产实际问题。 3人才培养模式改革
常用无机粉体材料种类及作用
常用无机粉体材料种类及作用 目前,在中国每年至少有400万吨的无机粉体材料作为原料的一部分被用于塑料制品的生产。用无机粉体材料替代部分石油产品,一方面,每年可以节约数百万吨石油;另一方面,对于所生成的塑料制品而言,不但有利于降低原材料成本,而且可以使填充塑料材料的某些性能按照预定的方向得到改善,从而提高塑料制品的巿场竞争力。 常用无机粉体材料种类及作用 据统计,中国500余家碳酸钙厂家生产的约500万吨产品中,有一半就是销往塑料行业的。此外,滑石粉、煅烧高岭土、硅灰石粉等多种无机粉体材料也被广泛应用,有的甚至成为功能性塑料材料不可缺少的组成部分。 碳酸钙 碳酸钙就是塑料加工时用得最广、用量最大的无机粉体填料。据中国无机盐工业协会钙镁分会统计,每年用于塑料填充的碳酸钙总量在二百多万吨,就是各种用途中所占份额最大的,约50%左右。 根据加工方法不同,碳酸钙分为轻质与重质两种。轻质碳酸钙(简称轻钙)就是由石灰石经煅烧、消化、碳化而成的,其间经历了化学反应,而重质碳酸钙就是经研磨(干法或湿法)而成的,只有粒径大小的变化而无化学反应过程。目前在塑料薄膜中使用的碳酸钙都就是1250目的重质碳酸钙,已大量用于PE包装袋的生产,在农用地膜中因透光性受到影响,虽然可以使用,但添加量较小。 1) 重钙的细度对PE薄膜力学性能的影响十分明显,见表1。 表1 重质细度对PE薄膜力学性能的影响 2) 碳酸钙粒子的分散对PE薄膜的性能具有决定性作用 PE薄膜生产企业对重钙的添加量十分关心,希望添加量越多越好,但同时力学性能、耐老化性能、透光性都不要受到过大的影响。特别就是在农用地膜中到底能够使用多少碳酸钙就是非常值得努力探讨的问题。宝鸡云鹏塑料科技有限公司对此进行了有益的探索,并取得喜人的成果。表2列出纯LLDPE地膜及分别添加10%、15%、20%、33%云鹏公司生产的纳米改性塑料复合材料的LLDPE地膜的力学性能。