創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開(kāi)題報(bào)告

時(shí)間：2024-06-19 20:42:17 開(kāi)題報(bào)告我要投稿

　　一、選題的依據(jù)及意義

　　納米材料自問(wèn)世以來(lái), 因其具有特異的性能, 幾乎滲透到各個(gè)學(xué)科和各個(gè)工程技術(shù)領(lǐng)域, 引起了世界性的開(kāi)發(fā)熱潮。美國(guó)、日本、英國(guó)、德國(guó)、澳大利亞等都有國(guó)家級(jí)的納米材料研究計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)中心。硬質(zhì)合金被譽(yù)為“工業(yè)的牙齒” 。近幾十年來(lái), 航空航天、汽車等行業(yè)使用材料的性能不斷提高, 輕質(zhì)強(qiáng)韌材料的使用日漸增多, 加工難度日益增大，碳化鎢粉(WC)是生產(chǎn)硬質(zhì)合金的主要原料。納米晶硬質(zhì)合金是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的工具材料, 它是以納米級(jí)的WC 粉末為基礎(chǔ)原料, 在添加適當(dāng)粘結(jié)劑和晶粒長(zhǎng)大抑制劑的條件下, 生產(chǎn)出的具有高硬度、高耐磨性和高韌性的硬質(zhì)合金材料, 其性能比常規(guī)硬質(zhì)合金明顯提高，在難加工金屬材料刀具、電子行業(yè)的微型鉆頭、精密模具、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已呈現(xiàn)出越來(lái)越廣泛的用途。

　　碳化鎢的晶粒尺寸決定了硬質(zhì)合金的綜合力學(xué)性能，隨著晶粒尺寸的減小，其性能將會(huì)得到顯著提高，如果我們將碳化鎢粉的晶粒尺寸減小到納米級(jí)時(shí)，碳化鎢的強(qiáng)硬度，彈性模量以及耐磨性都會(huì)有個(gè)更高層次的飛躍，以使得所得硬質(zhì)合金強(qiáng)韌性都會(huì)得到改善。另外, 碳化鎢因其具有類似鉑的表面電子特性, 因此被用來(lái)代替鉑等貴金屬作為催化劑應(yīng)用在某些有機(jī)反應(yīng)中。WC的制備方法、表面組成與結(jié)構(gòu)等對(duì)催化活性均存在較大的影響[1] , 目前最行之有效的方法是將WC晶粒細(xì)化, 達(dá)到微米及納米級(jí)以增大其反應(yīng)的真實(shí)表面積, 提高WC及其復(fù)合物的催化活性。但由于制備碳化物時(shí)碳化物表面因附有一些未反應(yīng)的游離碳而減少了有效接觸面積而導(dǎo)致催化效率的降低，這也是近幾十年來(lái)人們一直想解決的難題之一。

　　二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

　　1923年德國(guó)的Schroter發(fā)明了碳化鎢硬質(zhì)合金；二十世紀(jì)七十年代，人們又發(fā)現(xiàn)烴可在碳化鎢上發(fā)生氫解，碳化鎢因其具有類似的表面電子特性，因此而被用來(lái)替代鉑等貴重金屬作為催化劑運(yùn)用在某些有機(jī)反應(yīng)中；自人們認(rèn)識(shí)到納米材料的優(yōu)越性以來(lái)，制備納米碳化鎢成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。

　　目前，國(guó)內(nèi)外報(bào)道制備納米ＷＣ粉末的方法很多，主要分為固相法、液相法和氣相法三大類。以下綜述了近來(lái)這三大類制備納米ＷＣ方法的技術(shù)進(jìn)展和研究現(xiàn)狀，同時(shí)還指出了不同制備方法的優(yōu)點(diǎn)及存在的問(wèn)和可能解決的途徑，為該領(lǐng)域的科

　　學(xué)研究提供參考。

　　1. 固相法

　�。ǜ吣芮蚰シǎ┝值萚2]利用高能球磨法將石墨粉和鎢粉按原子摩爾比1:1的比例置于球磨機(jī)中，在氫氣保護(hù)下球磨110ｈ，制備出了粒徑為7.2nm的ＷＣ粉末。該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行、效率高，所制粉末晶粒尺寸�。黄淙秉c(diǎn)是罐體和球體摩擦容易造成粉末污染，粉末易于聚集成團(tuán)且不易分散，給后續(xù)工序的加工帶來(lái)困難，能耗高等。

　�。ㄎ⒉ǚǎ├顣�(huì)謙等[3]采用酚醛樹(shù)脂作為供碳源，研究了微波加熱對(duì)納米鎢粉碳化過(guò)程的作用。研究發(fā)現(xiàn)，在微波碳化時(shí)只依靠鎢粉自身發(fā)熱不能完成碳化過(guò)程，而采用加入微波吸收物質(zhì)的混合加熱方式能提供足夠的熱量而得到完全的ＷＣ相。微波碳化時(shí)間很短，能有效防止ＷＣ的過(guò)分長(zhǎng)大。平均粒徑50nm的鎢粉經(jīng)微波加熱碳化，可得到平均粒徑為84nm的ＷＣ粉末。

　　（低溫碳化法）劉瑞等[4]采用低溫碳化法，以納米鎢粉為原料制備出了粒徑小于100nm的ＷＣ粉末。其研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分別利用有機(jī)碳、活性碳和工業(yè)碳為碳源時(shí)，所制備ＷＣ粉末的粒徑呈依次增大規(guī)律。

　　2.液相法

　　（溶劑熱法）曾江華等[5]用鎂作還原劑，以無(wú)水乙醇和三氧化鎢分別作為碳源和鎢源，采用簡(jiǎn)單的溶劑熱法進(jìn)行了合成納米ＷＣ的研究。研究發(fā)現(xiàn)，合成溫度低至500℃時(shí)也能合成六方ＷＣ相。生成Ｃ的量超過(guò)Ｗ的量，說(shuō)明純化后的產(chǎn)物由Ｃ和ＷＣ組成。ＷＣ的粒徑在40-70nm之間，分布于膜狀碳上。將溶劑熱法制備出的ＷＣ加入Pt/C中，其協(xié)同催化氧還原效果非常明顯，起峰電勢(shì)與Pt/C催化劑相比正移了173mV。

　　（形狀記憶法）Keller N等[6]用多壁碳納米管，通過(guò)形狀記憶合成合成了一維納米ＷＣ。具體步驟為：取開(kāi)口純凈多壁碳納米管（平均內(nèi)徑50nm，外100nm，長(zhǎng)度約200um）浸入20ml五水仲鎢酸銨溶液中，于80℃劇烈攪拌20min,得到的溶液在室溫下自然蒸發(fā)，然后放置過(guò)夜，并將溫度控制在120℃進(jìn)一步干燥，最后在350℃時(shí)煅燒2.0h形成ＷＣ前驅(qū)體；在真空條件下，控制溫度100-300℃處理前驅(qū)體，即可得到一維納米ＷＣ。

　　3.氣相法

　　(氣相碳化法)郭志猛等[7]發(fā)明了一種利用甲醇的低溫氣相碳化法，以所制備平均粒徑為21nm和比表面積為54m2/ｇ的三氧化鎢粉作原料，甲醇作碳源，在Co／Fe催化劑的作用下于450-950℃溫度反應(yīng)1.5-4.0ｈ，即得到納米ＷＣ粉末。其基本過(guò)程為：采用甲醇低溫催化裂解，甲醇通過(guò)液泵流量計(jì)進(jìn)入預(yù)熱管道，預(yù)熱管溫度控制在300-420℃；將甲醇預(yù)熱氣化后，送入催化裂解器，在420-550℃即可使甲醇?xì)饬呀�，得到所需的反�?yīng)氣氛CO和Ｈ2；CO和Ｈ2與納米三氧化物粉反應(yīng)1.5-4.0ｈ，脫去氧原子生成納米WC。該方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，裂解效率高，WC的粒徑可控并均勻穩(wěn)定。

　　這些方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，但在實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)上都有一定難度。在圍繞碳化鎢顆粒細(xì)化的問(wèn)題上，國(guó)內(nèi)外從鎢源和碳源的選擇方面均做出了有益的探索，為納米碳化鎢的工業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我國(guó)在納米碳化鎢粉的研究和生產(chǎn)發(fā)面雖已取得了一定的成績(jī)，但與世界先進(jìn)水平還存在著比較大的差距，目前世界各國(guó)也都在大膽和積極采用新工藝，新技術(shù)力爭(zhēng)研究出更適合工業(yè)化生產(chǎn)的模式。

　　三、本課題研究?jī)?nèi)容

　　本實(shí)驗(yàn)以鎢酸鹽為原料，首先取適量鎢酸鹽加入適量低濃度鹽酸，沉淀出黃色氧化鎢（三氧化鎢），實(shí)驗(yàn)中所用鎢酸鹽與沉淀出的氧化鎢的質(zhì)量比為100：91.5，100g鎢酸鹽加入足夠鹽酸可得到91.5g的三氧化鎢，根據(jù)上面的比例和所加入的鎢酸鹽的質(zhì)量，計(jì)算出三氧化鎢沉淀的量。這時(shí)，有兩種思路來(lái)制備納米碳化鎢。一，在由上制得的三氧化鎢懸濁液中加入表面活性劑CTAB（三甲基十六烷基溴化銨），CTAB中的碳含量與鎢的比值要略大于1，在磁攪拌機(jī)上充分?jǐn)嚢枰恍r(shí)左右至均勻，過(guò)濾后放入馬弗爐中燒結(jié)；二，利用片狀氧化石墨烯作引導(dǎo)劑，誘發(fā)三氧化鎢在氧化石墨烯上異質(zhì)形核，后放入馬弗爐中燒結(jié)適宜時(shí)間。

　　按上面兩種思路我們考慮到一下一些實(shí)際問(wèn)題；按思路一，表面活性劑CTAB在于氧化鎢相互接觸的過(guò)程中，如何控制其晶粒度的大小分布，其中存在很多不確定內(nèi)因及外因。表面活性劑在什么情況下與氧化鎢接觸最好，以及燒結(jié)過(guò)程中多要控制的最適宜的時(shí)間和溫度。按思路二，氧化石墨烯做引導(dǎo)劑在什么條件下實(shí)現(xiàn)，三氧化鎢在氧化石墨烯上異質(zhì)形核的形核率以及形核的晶粒大小受哪些因素控制，怎樣才能夠控制形核的晶粒尺寸在納米級(jí)別。

　　納米材料的相關(guān)表征方法：

　　采用UV-Vis-NIR、TG-DTA、XRD、XPS、IR、AFM、SEM等手段對(duì)粉體、溶膠和薄膜進(jìn)行系統(tǒng)表征。

　　四、本課題研究方案

　　方案一:利用表面活性劑使其吸附在三氧化鎢顆粒的表面，分散三氧化鎢顆粒，高溫下，CTAB分解得到活性炭與三氧化鎢反應(yīng)得到納米碳化鎢粉末；

　　方案二，利用氧化石墨烯做引導(dǎo)劑，誘使三氧化鎢在片狀石墨烯之間異質(zhì)形核，高溫下形成納米碳化鎢粉。

　　為制得納米級(jí)碳化鎢粉，本實(shí)驗(yàn)從三氧化鎢與碳反應(yīng)的基點(diǎn)出發(fā)，要制得納米級(jí)碳化鎢，首先要形成納米氧化鎢，方案一利用表面活性劑分散三氧化鎢顆粒，方案二利用三氧化鎢在氧化石墨烯上形成的細(xì)小異質(zhì)核心。

　　五、研究目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度

　　本實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)在于探討出簡(jiǎn)單易行且適合工業(yè)化大批量生產(chǎn)的納米碳化鎢的制備方法，為我國(guó)鎢資源的利用提供更有力的幫助。實(shí)驗(yàn)中兩種納米碳化鎢粉末的制備方法無(wú)需繁瑣的手段，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求不高，實(shí)驗(yàn)思路清晰明了，實(shí)驗(yàn)想法可行，創(chuàng)新性很大，國(guó)內(nèi)外還無(wú)先例。

　　實(shí)驗(yàn)進(jìn)度表：

　　1. 2014年10月——2014年12月在圖書(shū)館查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，獲取相關(guān)知識(shí)和背景，相互之間討論并思考設(shè)計(jì)總體實(shí)驗(yàn)方案，確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)表征方法。

　　2. 2015年2月——2015年3月進(jìn)入實(shí)驗(yàn)初級(jí)階段，制備鎢酸鹽和相關(guān)原材料。

　　3. 2015年4月——2015年5月將鎢酸鹽與不同濃度的鹽酸混合，試驗(yàn)并探討哪種濃度的鹽酸最適合，記錄各實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　4. 2015年5月——2015年6月燒結(jié)過(guò)程，制備納米粉末，并測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　六、參考文獻(xiàn)

　　[1]馬淳安. 高活性碳化鎢催化材料的制備表征及電化學(xué)性能研究[ D] .上海:上海大學(xué), 2005.5.

　　[2]柳林,李兵,丁星兆,等.硬質(zhì)合金的制備[J].科學(xué)通報(bào),1994,13(3);32-36.

　　[3]李會(huì)謙,林濤,羅驥,等.納米鎢粉的微波碳化[J].稀有金屬,2006,30（專輯）;54-56．

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