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我国粉体技术与产业发展方向

关键词 粉体技术 , 产业 , 发展|2010-02-23 00:00:00|来源 中国磨料磨具网
摘要 粉体技术包括:制备、加工、测试。制备有各种物理、化学、机械方法,加工作业有粉碎、分级、分散、混合、制粒、表面处理、流态化、干燥、成形、烧结、除尘、粉尘爆炸、输运、储存、包装等,测试...
  粉体技术包括:制备、加工、测试。制备有各种物理、化学、机械方法,加工作业有粉碎、分级、分散、混合、制粒、表面处理、流态化、干燥、成形、烧结、除尘、粉尘爆炸、输运、储存、包装等,测试是对粉体各种几何、力学、物理、化学性能的表征。
  粉体产业遍布国民经济各个部门:水泥、陶瓷、耐火材料、食品、饮料、香料、糖、咖啡、茶、盐、饲料、农药、中西药、废弃物、气溶胶、污水处理、催化剂、染料、涂料、化妆品、塑料、橡胶、电池、洗涤剂、牙膏、纸、搪瓷、磨料、粉末冶金、煤、硬质合金、矿粉、抗菌剂、纳米粉、光催化剂、火药、集束弹等。
  粉体技术是粉体行业的共性技术,先进的粉体技术可能是从某个粉体产业部门先发展起来的,如粉末注射成形最早是从塑料行业先发展起来的。在解决了粘结剂后,很快扩展到粉末冶金、陶瓷行业,成为可制备三维复杂形状的一种节能、节材、大批量生产的加工工艺,目前在汽车零部件、办公用品、计算机、手机、首饰、医疗器械、体育用品等有广泛应用。
  因此,各粉体产业的发展必推动粉体技术的发展,目前有哪些值得关注的粉体产业呢?这些产业发展对粉体技术又有些什么需求呢?本文将逐一加以介绍,限于学识,由于涉及的知识面太广,有不当之处,敬请谅解。
  
  1.能源
  
  当今能源问题已成攸关人类生存的大问题,石油天然气资源很快就会枯竭。人们出行用汽车、取暖有热电厂,所排放的废气,环境污染严重,不但气温升高、海平面上升,据介绍新生婴儿的残病比例逐年上升。改变能源结构已成刻不容缓的大事,太阳能、风能、核能、氢电池的利用已成为迫切需要解决的课题。
  1.1太阳能电池
  太阳能电池由转换效率η衡量,与半导体禁带宽度Eg有关,在Eg为1.5eV时,可获最大值:
  
  其中:E是光电动势; I是光电流强度; 是光入射通量; S是相关灵敏度。
  太阳能电池有三种类型:硅太阳能电池,薄膜太阳能电池,PN异结太阳能电池。
  具体地说:①单晶硅太阳能电池,硅Eg为1.1eV,转换效率η为 18%,易掺杂,缺点是价格贵,使用寿命短;
  ②多晶硅太阳能电池,转换效率η仅为2~8%,经表面改性可提高到13.4%,价格便宜,易获得,缺点是不容易控制均匀性;
  ③非晶硅太阳能电池,η为10%,当与晶体硅组成异结结构η可达20.7%,性能稳定,表面复合速率低,成本低;
  ④化合物半导体薄膜太阳能电池,GaAs,CdTe,CuInSe2(CIS)等半导体,禁带宽度在1~1.6间,与太阳光匹配好,且吸收系数大,几个微米厚即可。CIS的η可达18.8%,,CdTe的η可达16%,InGaP/GaAs的η可达30%,适合空间飞行器电源;
  ⑤陶瓷太阳能电池,金属——氧化物——半导体(MoS)太阳能电池的η可达20%,但工艺复杂。
  1.2 燃料电池
  燃料(即氢)由储氢材料提供(负极),氧化剂(通常用空气中氧)通过正极提供,燃料与负极催化电解形成电子和离子,负极催化剂通常是Pt、Ni、Wc等,电子通过外电路用于负载,离子通过电解质到达正极形成H2O和CO2,电介质浸泡在多孔隔膜中,按电介质不同,燃料电池可分5类:KOH,H2PO4,质子交换膜,K2/Li2CO3,固体氧化物。
  燃料电池应用在电动汽车上,有的国家,电动汽车已开始批量生产。
  1.3 储氢材料
  储氢材料不但应用在燃料电池上作为氢源,在蓄热、热泵、氢压缩机等方面也有广泛应用,原因是储氢材料中氢以原子态储存,储氢密度比液氢还高,释放需经扩散、相变、化合等过程,受热效应、速度的制约,不易爆炸,安全系数高。
  储氢材料有二类元素构成:A类如稀土、Ti、Zr、Ca、Mg、V、Nb等,主要是储氢,与氢反应放热(ΔH<0);B类是难于形成氢化物的金属,如Ni、Fe、Co、Mn、Cu、Al、Cr等,氢溶于这些金属为吸热反应(ΔH>0)。目前应用的储氢材料由这二类元素构成为AB5、AB2、AB、A2B等类型。原材料经熔炼(感应炉或等离子电弧炉)直接由氩气雾化得到储氢材料合金粉,或铸锭,后经破碎、磨碎得到合金粉。
  ①蓄热应用,利用两种储氢材料,其中一种储氢,另一种蓄热,后者流向前者时蓄热,反方向流动时放热。利用前者把工业废热、地热、太阳能蓄热,需要时反方向流动再放热利用。
  ②热泵,由同一温度但分解压不同的两种储氢材料组成热力学循环系统,利用平衡压差驱动氢气运动,使两种合金分别处于吸氢和放氢状态,从而达到制冷制热的目的。这种热泵的优点是明显的:无运动部件,也就没有磨损、噪声、腐蚀等问题,也不会有氟利昂破坏大气层的问题。
  ③氢压缩机,利用低温热源和高温热源改变氢化物温度,从而产生压力,推动活塞,将热能转换为机械能。这种氢压缩机体积小,无振动,又可利用废热,经多段压缩可产生高压。
  
  2.纳米颗粒与纳米技术
  
  纳米技术是指对1~100nm尺度下进行测量、设计和操控的技术,纳米粉体(如 纳米晶体、纳米管等)和纳米生物马达乃是纳米尺度下的初级组装,高级组装要求把分子组装成有用的物体,使用结束后,又把物体分解为分子。
  在生命体中已实现了这种高级组装,因为纳米技术完成高级组装的第一步,是对生命体过程中自组织、亚细胞过程和系统生物(如神经系统的生物过程)的揭示和了解。单分子测量正实现对分子马达、酶反应、蛋白质动力学、DNA转录和细胞信号进行直接观察,并测定体内细胞的化学组成。
  德国的Nanobionet能力联网认为目前可供开发的纳米技术产业领域为:分子医学、药物、抗菌涂层、光催化和功能化纺织品等。
  著名商业经济杂志“Forbes”已连续三年对全球纳米科技产品分别进行了评选(见下表),通过选出的这30项纳米产品,初步可看出目前全球市场较为成熟的纳米技术产品,以及未来几年可能最为活跃的纳米产品领域,以帮助广大消费者鉴别真伪“纳米产品”。
  
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