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  祖遵穎 2016-12-01 15:25:46

  　　粉體材料的制備方法有幾種？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？（20分） 　　答：粉末的制備方法: 氣相合成、濕化學(xué)合成、機(jī)械粉碎. 　　1. 物理方法 　　(1)真空冷凝法 　　用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等離子體，然后驟冷。其特點(diǎn)純度高、結(jié)晶組織好、粒度可控，但技術(shù)設(shè)備要求高。 　　(2)物理粉碎法 　　通過(guò)機(jī)械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點(diǎn)操作簡(jiǎn)單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。 　　(3)機(jī)械球磨法 　　采用球磨方法，控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純?cè)丶{米粒子、合金納米粒子或復(fù)合材料的納米粒子。其特點(diǎn)操作簡(jiǎn)單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。 　　2. 化學(xué)方法 　　(1)氣相沉積法 　　利用金屬化合物蒸氣的化學(xué)反應(yīng)合成納米材料。其特點(diǎn)產(chǎn)品純度高，粒度分布窄。 　　(2)沉淀法 　　把沉淀劑加入到鹽溶液中反應(yīng)后，將沉淀熱處理得到納米材料。其特點(diǎn)簡(jiǎn)單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化物。 　　(3)水熱合成法 　　高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成，再經(jīng)分離和熱處理得納米粒子。其特點(diǎn)純度高，分散性好、粒度易控制。 　　(4)溶膠凝膠法 　　金屬化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)低溫?zé)崽幚矶杉{米粒子。其特點(diǎn)反應(yīng)物種多，產(chǎn)物顆粒均一，過(guò)程易控制，適于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制備。 　　(5)微乳液法 　　兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液，在微泡中經(jīng)成核、聚結(jié)、團(tuán)聚、熱處理后得納米粒子。其特點(diǎn)粒子的單分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半導(dǎo)體納米粒子多用此法制備 　　2. 為什么要對(duì)粉體材料的表面進(jìn)行改性？什么是物理吸附？什么是化學(xué)吸附？試舉例說(shuō)明。（20分） 　　答: 材料表面改性的目的 　　力學(xué)性能：表面硬化、防氧化、耐磨等 　　電學(xué)性能：表面導(dǎo)電、透明電極 　　光學(xué)性能：表面波導(dǎo)、鍍膜玻璃 　　生物性能：生物活性、KJ性 　　化學(xué)性能：催化性 　　裝飾性能：塑料表面金屬化 　　材料表面改性的意義 　　通過(guò)較為簡(jiǎn)單的方法使一個(gè)部件 部件或產(chǎn)品 產(chǎn)品具有更為綜合的性能diyi節(jié) 材料表面結(jié)構(gòu)的變化 　　粉體表面改性是指用物理、化學(xué)、機(jī)械等方法對(duì)粉體材料表面進(jìn)行處理，根據(jù)應(yīng)用的需要有目的改變粉體材料表面的物理化學(xué)性質(zhì)，如表面組成、結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)、表面能、表面潤(rùn)濕性、電性能、光、吸附特性等等，以滿足現(xiàn)代新材料、新工藝和新技術(shù)發(fā)展的需要。 　　在使用無(wú)機(jī)填料的時(shí)候，由于無(wú)機(jī)粉體填料與有機(jī)高聚物的表面或界面性質(zhì)不同，相容性較差，因而難以在基質(zhì)中均勻分散。故而必須對(duì)無(wú)機(jī)粉體填料表面進(jìn)行改性，以改善其表面的物理化學(xué)特性，增強(qiáng)其與有機(jī)高聚物或樹(shù)脂等的相容性和在有機(jī)基質(zhì)中的分散性，以提高材料的機(jī)械強(qiáng)度及綜合性能。 　　基本目的是增加與基體的相容性和潤(rùn)濕性，提高它在基體中的分散性，增強(qiáng)與基體的界面結(jié)合力。 　　在此基礎(chǔ)上還可賦予材料新功能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域，如用氧化鋁、二氧化硅包覆鈦可改善其耐候性。 　　物理吸附也稱范德華吸附，它是由吸附質(zhì)和吸附劑分子間作用力所引起，此力也稱作范德華力。吸附劑表面的分子由于作用力沒(méi)有平衡而保留有自由的力場(chǎng)來(lái)吸引吸附質(zhì)，由于它是分子間的吸力所引起的吸附，所以結(jié)合力較弱，吸附熱較小，吸附和解吸速度也都較快。被吸附物質(zhì)也較容易解吸出來(lái)，所以物理吸附是可逆的。如：活性炭對(duì)許多氣體的吸附，被吸附的氣體很容易解脫出來(lái)而不發(fā)生性質(zhì)上的變化。 　　吸附質(zhì)分子與固體表面原子(或分子)發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移、交換或共有，形成吸附化學(xué)鍵的吸附。由于固體表面存在不均勻力場(chǎng)，表面上的原子往往還有剩余的成鍵能力，當(dāng)氣體分子碰撞到固體表面上時(shí)便與表面原子間發(fā)生電子的交換、轉(zhuǎn)移或共有，形成吸附化學(xué)鍵的吸附作用。 　　3. 利用熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)知識(shí)試分析FeC或WC生產(chǎn)過(guò)程的條件。（10分） 　　答：在WC生產(chǎn)過(guò)程中，其原理是W+C===WC，從熱力學(xué)角度看，因?yàn)閃和C都是比較穩(wěn)定的物質(zhì)，所以通常條件下不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，G大于0，所以要在高溫條件下（1350-1550℃），當(dāng)在這個(gè)溫度下，C比較活躍，就是W碳化，從而形成WC。 　　4. 什么是均勻沉淀法、直接沉淀法、共沉淀法、各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？（20分） 　　答：均勻沉淀法是利用某一化學(xué)反應(yīng)使溶液中的構(gòu)晶離子由溶液中緩慢均勻地釋放出來(lái)，通過(guò)控制溶液中沉淀劑濃度，保證溶液中的沉淀處于一種平衡狀態(tài)，從而均勻的析出。通常加入的沉液劑， 不立刻與被沉淀組分發(fā)生反應(yīng)， 而是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使沉淀劑在整個(gè)溶液中緩慢生成，克服了由外部向溶液中直接加入沉淀劑而造成沉淀劑的局部不均勻性。 　　直接沉淀法是制備超細(xì)微粒廣泛采用的一種方法，其原理是在金屬鹽溶液中加入沉淀劑，在一定條件下生成沉淀析出，沉淀經(jīng)洗滌、熱分解等處理工藝后得到超細(xì)產(chǎn)物。不同的沉淀劑可以得到不同的沉淀產(chǎn)物，常見(jiàn)的沉淀劑為：NH3•H2O、NaOH、(NH4)2CO3、Na2CO3、(NH4)2C2O4等。 　　直接沉淀法操作簡(jiǎn)單易行，對(duì)設(shè)備技術(shù)要求不高，不易引入雜質(zhì)，產(chǎn)品純度很高，有良好的化學(xué)計(jì)量性，成本較低。缺點(diǎn)是洗滌原溶液中的陰離子較難，得到的粒子粒經(jīng)分布較寬，分散性較差。 　　共沉淀法是指在溶液中含有兩種或多種陽(yáng)離子，它們以均相存在于溶液中，加入沉淀劑，經(jīng)沉淀反應(yīng)后，可得到各種成分的均一的沉淀，它是制備含有兩種或兩種以上金屬元素的復(fù)合氧化物超細(xì)粉體的重要方法。 　　5. 試述溶膠—凝膠法制備粉體材料的基本原理。（20分） 　　答：溶膠－凝膠法的基本原理 　　溶膠—凝膠(簡(jiǎn)稱Sol—Gel)法是以金屬醇鹽的水解和聚合反應(yīng)為基礎(chǔ)的。其反應(yīng)過(guò)程通常用下列方程式表示： 　?。?）水解反應(yīng)： M(OR)4 + χ H2O = M(OR)4- χ OH χ + χ ROH 　?。?）縮合-聚合反應(yīng)： 　　失水縮合 －M-OH + OH-M－ ＝－M-O-M－ ＋H2O 　　失醇縮合 －M-OR + OH-M－＝－M-O-M－ ＋ROH 　　縮合產(chǎn)物不斷發(fā)生水解、縮聚反應(yīng)，溶液的粘度不斷增加。Z終形成凝膠——含金屬—氧—金屬鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)聚合物。正是由于金屬—氧—金屬鍵的形成，使Sol—Gel法能在低溫下合成材料。Sol—Gel技術(shù)關(guān)鍵就在控制條件發(fā)生水解、縮聚反應(yīng)形成溶膠、凝膠 　　凝膠－溶膠（Sol-gel）技術(shù)是指金屬有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物經(jīng)過(guò)溶液、溶膠、凝膠而固化、在經(jīng)過(guò)熱處理而成氧化物或其它化合物固體的方法。 　　6. 利用粉體材料的制備方法，設(shè)計(jì)一個(gè)粉體材料的制備（包括工藝路線、溫度、燒法時(shí)間），并說(shuō)明原因。 　　答：制備工藝對(duì)鐵基粉末冶金航空剎車材料組織與性能的影響 　　摘要 　　該論文針對(duì)某種牌號(hào)鐵基粉末冶金航空剎車材料的制備工藝進(jìn) 　　行研究，系統(tǒng)研究了制備工藝對(duì)其組織與性能的影響，系統(tǒng)分析了壓 　　制壓力、燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力、冷卻水流量等重要的工藝參數(shù)變化對(duì) 　　材料顯微組織、致密化、力學(xué)性能的影響規(guī)律以及由此引起的材料摩 　　擦磨損性能和行為的改變。結(jié)果表明： 　　(1)壓制壓力增大，促使鐵粉重排，移動(dòng)加速，塑性好的粉末 　　發(fā)生局部的塑性變形，塑性較差的硬質(zhì)顆粒產(chǎn)生碎化，使得各組元的 　　接觸面積增大，這些因素的綜合作用，有效地減少了孔隙的數(shù)量及尺 　　寸，使得材料密度和硬度逐漸升高，進(jìn)而，材料的耐磨性能得到有效 　　改善。 　　(2)燒結(jié)溫度由900℃升高到930℃時(shí)，銅粉和鐵粉的塑性得以 　　進(jìn)一步提高，更容易產(chǎn)生塑性變形，促進(jìn)致密化過(guò)程的進(jìn)行，同時(shí)， 　　異晶轉(zhuǎn)變的存在，使鐵的自擴(kuò)散系數(shù)略有增加，然而，碳在鐵中的擴(kuò) 　　散系數(shù)降低，這些因素的綜合作用使得密度緩慢增加，組織以軟韌相 　　的鐵素體為主，材料的耐磨性較差；燒結(jié)溫度由930℃增加至1020 　　℃，鐵粉和銅粉的變形程度更大，原子擴(kuò)散系數(shù)顯著提高，材料致密 　　化程度迅速增加，組織中珠光體數(shù)量增多且分布比較均勻，同時(shí)，顆 　　粒間的結(jié)合由機(jī)械嚙合轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合，提高了材料的強(qiáng)度，材料磨 　　損性能顯著提高。 　　(3)燒結(jié)壓力由1．6MPa增加到2．8MPa時(shí)，材料變形程度增 　　大，有效地消除了材料內(nèi)部及晶界處的孔隙，材料密度和硬度顯著提 　　高，磨損性能得到改善；燒結(jié)壓力由2．8MPa提高到3．2MPa時(shí)，材 　　料密度和硬度變化不顯著，摩擦磨損性能變化不大，說(shuō)明繼續(xù)提高燒 　　結(jié)壓力對(duì)材料的致密化程度以及摩擦磨損性能影響不大。 　　(4)冷卻水流量由0增至0．04m3／s，冷卻速度出現(xiàn)先增大后減 　　小的趨勢(shì)，這與燒結(jié)爐的結(jié)構(gòu)有關(guān)，水流量越大，內(nèi)罩與冷卻水的接 　　觸面上的水花噴濺越劇烈，使材料的冷卻效果降低，當(dāng)冷卻水流量為 　　0．027 n13／s時(shí)，冷卻速度Z快，其組織以片狀珠光體和粒狀珠光體為 　　主，此時(shí)片狀珠光體的片間距Z小，材料的硬度和摩擦磨損性能隨冷 　　卻速度的增加而提高。關(guān)鍵詞：粉末冶金，摩擦材料，鐵基，摩擦磨損，制備工藝

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