粉体工程的资料

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  祖遵颖 2016-12-01 15:25:46

  　　粉体材料的制备方法有几种？各有什么优缺点？（20分） 　　答：粉末的制备方法: 气相合成、湿化学合成、机械粉碎. 　　1. 物理方法 　　(1)真空冷凝法 　　用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。 　　(2)物理粉碎法 　　通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。 　　(3)机械球磨法 　　采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。 　　2. 化学方法 　　(1)气相沉积法 　　利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。 　　(2)沉淀法 　　把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。 　　(3)水热合成法 　　高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。 　　(4)溶胶凝胶法 　　金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。 　　(5)微乳液法 　　两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备 　　2. 为什么要对粉体材料的表面进行改性？什么是物理吸附？什么是化学吸附？试举例说明。（20分） 　　答: 材料表面改性的目的 　　力学性能：表面硬化、防氧化、耐磨等 　　电学性能：表面导电、透明电极 　　光学性能：表面波导、镀膜玻璃 　　生物性能：生物活性、KJ性 　　化学性能：催化性 　　装饰性能：塑料表面金属化 　　材料表面改性的意义 　　通过较为简单的方法使一个部件 部件或产品 产品具有更为综合的性能diyi节 材料表面结构的变化 　　粉体表面改性是指用物理、化学、机械等方法对粉体材料表面进行处理，根据应用的需要有目的改变粉体材料表面的物理化学性质，如表面组成、结构和官能团、表面能、表面润湿性、电性能、光、吸附特性等等，以满足现代新材料、新工艺和新技术发展的需要。 　　在使用无机填料的时候，由于无机粉体填料与有机高聚物的表面或界面性质不同，相容性较差，因而难以在基质中均匀分散。故而必须对无机粉体填料表面进行改性，以改善其表面的物理化学特性，增强其与有机高聚物或树脂等的相容性和在有机基质中的分散性，以提高材料的机械强度及综合性能。 　　基本目的是增加与基体的相容性和润湿性，提高它在基体中的分散性，增强与基体的界面结合力。 　　在此基础上还可赋予材料新功能，扩大其应用范围和应用领域，如用氧化铝、二氧化硅包覆钛可改善其耐候性。 　　物理吸附也称范德华吸附，它是由吸附质和吸附剂分子间作用力所引起，此力也称作范德华力。吸附剂表面的分子由于作用力没有平衡而保留有自由的力场来吸引吸附质，由于它是分子间的吸力所引起的吸附，所以结合力较弱，吸附热较小，吸附和解吸速度也都较快。被吸附物质也较容易解吸出来，所以物理吸附是可逆的。如：活性炭对许多气体的吸附，被吸附的气体很容易解脱出来而不发生性质上的变化。 　　吸附质分子与固体表面原子(或分子)发生电子的转移、交换或共有，形成吸附化学键的吸附。由于固体表面存在不均匀力场，表面上的原子往往还有剩余的成键能力，当气体分子碰撞到固体表面上时便与表面原子间发生电子的交换、转移或共有，形成吸附化学键的吸附作用。 　　3. 利用热力学、动力学知识试分析FeC或WC生产过程的条件。（10分） 　　答：在WC生产过程中，其原理是W+C===WC，从热力学角度看，因为W和C都是比较稳定的物质，所以通常条件下不会发生反应，G大于0，所以要在高温条件下（1350-1550℃），当在这个温度下，C比较活跃，就是W碳化，从而形成WC。 　　4. 什么是均匀沉淀法、直接沉淀法、共沉淀法、各有什么优缺点？（20分） 　　答：均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀地释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，保证溶液中的沉淀处于一种平衡状态，从而均匀的析出。通常加入的沉液剂， 不立刻与被沉淀组分发生反应， 而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢生成，克服了由外部向溶液中直接加入沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性。 　　直接沉淀法是制备超细微粒广泛采用的一种方法，其原理是在金属盐溶液中加入沉淀剂，在一定条件下生成沉淀析出，沉淀经洗涤、热分解等处理工艺后得到超细产物。不同的沉淀剂可以得到不同的沉淀产物，常见的沉淀剂为：NH3•H2O、NaOH、(NH4)2CO3、Na2CO3、(NH4)2C2O4等。 　　直接沉淀法操作简单易行，对设备技术要求不高，不易引入杂质，产品纯度很高，有良好的化学计量性，成本较低。缺点是洗涤原溶液中的阴离子较难，得到的粒子粒经分布较宽，分散性较差。 　　共沉淀法是指在溶液中含有两种或多种阳离子，它们以均相存在于溶液中，加入沉淀剂，经沉淀反应后，可得到各种成分的均一的沉淀，它是制备含有两种或两种以上金属元素的复合氧化物超细粉体的重要方法。 　　5. 试述溶胶—凝胶法制备粉体材料的基本原理。（20分） 　　答：溶胶－凝胶法的基本原理 　　溶胶—凝胶(简称Sol—Gel)法是以金属醇盐的水解和聚合反应为基础的。其反应过程通常用下列方程式表示： 　　（1）水解反应： M(OR)4 + χ H2O = M(OR)4- χ OH χ + χ ROH 　　（2）缩合-聚合反应： 　　失水缩合 －M-OH + OH-M－ ＝－M-O-M－ ＋H2O 　　失醇缩合 －M-OR + OH-M－＝－M-O-M－ ＋ROH 　　缩合产物不断发生水解、缩聚反应，溶液的粘度不断增加。Z终形成凝胶——含金属—氧—金属键网络结构的无机聚合物。正是由于金属—氧—金属键的形成，使Sol—Gel法能在低温下合成材料。Sol—Gel技术关键就在控制条件发生水解、缩聚反应形成溶胶、凝胶 　　凝胶－溶胶（Sol-gel）技术是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化、在经过热处理而成氧化物或其它化合物固体的方法。 　　6. 利用粉体材料的制备方法，设计一个粉体材料的制备（包括工艺路线、温度、烧法时间），并说明原因。 　　答：制备工艺对铁基粉末冶金航空刹车材料组织与性能的影响 　　摘要 　　该论文针对某种牌号铁基粉末冶金航空刹车材料的制备工艺进 　　行研究，系统研究了制备工艺对其组织与性能的影响，系统分析了压 　　制压力、烧结温度、烧结压力、冷却水流量等重要的工艺参数变化对 　　材料显微组织、致密化、力学性能的影响规律以及由此引起的材料摩 　　擦磨损性能和行为的改变。结果表明： 　　(1)压制压力增大，促使铁粉重排，移动加速，塑性好的粉末 　　发生局部的塑性变形，塑性较差的硬质颗粒产生碎化，使得各组元的 　　接触面积增大，这些因素的综合作用，有效地减少了孔隙的数量及尺 　　寸，使得材料密度和硬度逐渐升高，进而，材料的耐磨性能得到有效 　　改善。 　　(2)烧结温度由900℃升高到930℃时，铜粉和铁粉的塑性得以 　　进一步提高，更容易产生塑性变形，促进致密化过程的进行，同时， 　　异晶转变的存在，使铁的自扩散系数略有增加，然而，碳在铁中的扩 　　散系数降低，这些因素的综合作用使得密度缓慢增加，组织以软韧相 　　的铁素体为主，材料的耐磨性较差；烧结温度由930℃增加至1020 　　℃，铁粉和铜粉的变形程度更大，原子扩散系数显著提高，材料致密 　　化程度迅速增加，组织中珠光体数量增多且分布比较均匀，同时，颗 　　粒间的结合由机械啮合转变为冶金结合，提高了材料的强度，材料磨 　　损性能显著提高。 　　(3)烧结压力由1．6MPa增加到2．8MPa时，材料变形程度增 　　大，有效地消除了材料内部及晶界处的孔隙，材料密度和硬度显著提 　　高，磨损性能得到改善；烧结压力由2．8MPa提高到3．2MPa时，材 　　料密度和硬度变化不显著，摩擦磨损性能变化不大，说明继续提高烧 　　结压力对材料的致密化程度以及摩擦磨损性能影响不大。 　　(4)冷却水流量由0增至0．04m3／s，冷却速度出现先增大后减 　　小的趋势，这与烧结炉的结构有关，水流量越大，内罩与冷却水的接 　　触面上的水花喷溅越剧烈，使材料的冷却效果降低，当冷却水流量为 　　0．027 n13／s时，冷却速度Z快，其组织以片状珠光体和粒状珠光体为 　　主，此时片状珠光体的片间距Z小，材料的硬度和摩擦磨损性能随冷 　　却速度的增加而提高。关键词：粉末冶金，摩擦材料，铁基，摩擦磨损，制备工艺

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