新型环境净化材料——纳米二氧化钛
摘要：本文主要通过对纳米二氧化钛结构及性能的介绍，引出其应用，特别是在环境净化方面的应用。纳米二氧化钛是一种新型环境净化材料，有板铁矿、锐铁矿和金红石三种晶体结构，具有良好的光催化性能及亲水性，这也是其在环境净化方面的应用基础，主要用于净化水、空气和杀菌，另外还可做建筑涂料。本文着重介绍了其在废水处理方面的应用，有处理染料废水、处理农业废水和处理含表面活性剂的废水、处理含油废水和处理造纸废水。制备方法主要有：溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、钛醇盐的气相水解法以及液相沉淀法其中液相沉淀法又包括直接沉淀法、均匀沉淀法以及共沉淀法。
关键字：环境；材料；净化；纳米二氧化钛；结构；性能；应用；光催化技术
目录
1 绪论 (2)
2 TiO2的结构 (2)
2.1 晶格结构 (2)
2.2 表面结构 (3)
3 纳米TiO2的性质 (3)
3.1 晶型的性质 (3)
3.2光学性质 (3)
3.3 半导体性质 (4)
4环境功能纳米TiO2的应用 (4)
4.1在废水处理中的应用 (4)
4.2在空气净化方面的应用 (6)
4.3 纳米TiO2改性建筑涂料 (6)
5 纳米TiO2的制备 (7)
5.1 溶胶-凝胶法 (7)
5.2化学气相沉积法 (8)
5.3 钛醇盐的气相水解法 (9)
5.4 液相沉淀法 (9)
参考文献 (11)
1 绪论
1988年第1届IVMRS国际会议(东京)上首先提出了环境调和材料。环境调和材料(简称环境材料)是指与生态环境和谐或能共存的材料，日本的铃木、山本等提出，环境负担最小，而再循环利用率最高的材料称为环境材料。它包括节能材料；再循环材料；净化材料；增进健康材料；调光、调温、调湿材料；调节环境材料(包括树木)。其中净化材料指可净化或吸附有害物质的材料或物质。[1]纳米TiO2光催化杀菌是目前环境净化的研究热点。纳米TiO2光催化技术始于1972年Fujishima和Hondar做的关于光辐照二氧化钦可持续发生氧化还原反应的研究。1985年，Matasunaga等使用Ti/Pt 催化剂在近紫外光照射下6 0 —120 min内杀灭了水中的微生物。自此二氧化钛光催化杀菌的研究日益受到重视，研究对象也逐渐扩展至水体及空气中的病毒、细菌、真菌等。
光催化氧化杀菌具有显著的优点:无需昂贵的氧化试剂，空气中的纳米TiO
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氧就可作为氧化剂；而二氧化钦催化剂价格低廉，无毒，化学及光化学性质稳定；自然光中的紫外光就可作为光源激发催化剂，因此无需能源，系统维护费用低；氧化还原反应无选择性，可以杀灭大多数的微生物。[2]
2.TiO2的结构
2.1 晶格结构
二氧化钛有板铁矿、锐铁矿和金红石三种晶体结构，其组成结构的基本单位均是TiO6八面体，区别在于TiO6八面体通过共用顶点还是共边组成骨架，见图2-l。锐钛矿结构是由TiO6八面体共边组成，而金红石和板钛矿结构则是由八面体共顶点且共边组成。金红石、锐钛矿和铁钛矿的基本结构单元列于图2-2
图2-1 TiO结构单元的连接
板钛矿和锐钛矿是TiO2的低温相，金红石是TiO2的高温相。锐钛矿和板钛矿到金红石的相转化温度一般为500—600℃。金红石型TiO2有很强的遮盖力和着色力，且对紫外线有较强的屏蔽作用，锐钛矿型TiO2的光催化活性最高。
2.2表面结构
金红石型表面上存在三种典型的原子空位，分别为晶格氧、单桥氧和双桥氧空位。光电子能谱(UPS)和IPS研究结果表明：在～6eV所对应的全充满的价带是由O2P轨道组成，而空的导带由Ti的3d，4s和4p轨道组成，Ti3d决定导带的较低位置。低于费米能级～0.8eV弱的发射峰与O原子缺位所诱导的Ti3d派生能级有关。锐钛矿二氧化钛与金红石相似，～0.8eV的发射峰被确定为Ti3+表面缺陷。Konstantin等人的研究则发现，在锐钛矿TiO2表面发现有羟基、五配位和四配位Ti4+，T3+存在。Stelhow等人的理论计算结果表明，锐钛矿型Ti02的价带主要为O2p和Ti3d轨道组成，O2p轨道贡献较大，TiO2禁带宽度大约为10eV，但实测值大约为3.0～3.5eV。[3]
3.纳米TiO2的性质
3.1晶型的性质
TiO2存在金红石型、锐钛型、板钛型等三种主要晶型。板钛型是不稳定的晶型，在650℃时会直接转化为金红石型。板钛型只存在于自然界的矿石中，数量也不多。它不能用合成的方法来制造，在工业上没有实用价值。锐钛型在常温下是稳定的，但在高温下却要向金红石型转化。纳米TiO2有很高的化学稳定性、无毒性、非迁移性，完全可与食品接触。金红石型纳米TiO2的耐候性、热稳定性、化学稳定性均优于锐钛型。
3.2光学性质
纳米TiO
2晶体的光学性质服从瑞利（Rayleigh）光散射理论，能透过可见光图2-2 基本结构单元
及散射波长更短的紫外光，表明这种粒子具有透明性和散射紫外线的能力，普通TiO2具有一定的吸收紫外线的能力。纳米TiO2粒径很小，因而活性较大，吸收紫外线的能力很强。由于TiO2纳米粒子既能散射又能吸收紫外线，故它具有很强的紫外线屏蔽性。
3.3半导体性能
由于存在着显著的量子尺寸效应，纳米TiO2具有特殊的光物理和光化学性质。当粒子尺寸与其激子玻尔半径相近时，随着粒子尺寸的减小，半导体粒子的有效带隙增加，其相应的吸收光谱与荧光光谱发生蓝移，从而在能带中形成一系列分立的能级。近年来对纳米TiO2的研究表明，纳米粒子的光催化活性明显优于相应的体相材料。[4]
4.环境功能TiO2的应用
纳米TiO2作为一种21世纪的新型多功能材料，广泛应用于环境保护、化妆品、涂料、特殊材料的制备以及医药等方面。本文主要介绍其在环境保护方面的应用，这也是目前环境研究的热点。
4.1在废水处理中的应用
光催化降解水中有机污染物是一项新兴的水处理技术。这项新的多相光催化污染治理技术因其能耗低，工艺简单，反应条件温和，可减少二次污染等特点，在环境保护中日益受到人们的重视。纳米TiO2能有效地将废水中的有机物降解为CO2、H2O、PO43-、N03-、卤素等无机小分子，达到安全无机化的目的，染料废水、农药废水、表面活性剂、氟里昂、含油废水等都可以被纳米TiO2所氧化降解。[5]
4.1.1光催化机理
借助于太阳光中的3％～4％的紫外光，利用二氧化钛作载体处理有机污染物，称为光催化降解处理技术。[6]半导体粒子的能带结构一般由低能的价带和高能的导带构成，价带和导带之间存在禁带，半导体的禁带宽度一般在3.0eV以下。当能量大于或等于能隙的光(hν=Eg)照射到半导体时，半导体微粒吸收光产生电子-空穴对。与金属不同，半导体粒子的能带间缺少连续区域，电子-空穴对一般有皮秒级的寿命，足以使光生电子和光生空穴对经由禁带向来自溶液或气相的吸附在半导体表面的物种转移电荷。空穴可以夺取半导体颗粒表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸收光的物质被活化并被氧化，电子受体通过接受表面的电子而被还原。
下面具体分析半导体TiO2作为光催化剂的光催化原理。多数场合里，光催化反应都离不开空气和水溶液，这是因为氧气或水分子和光生电子及光生空穴结
合产生化学性质极为活泼的自由基基团，主要的自由基及反应历程可由以下的系列式子来表示。
当TiO2被波长小于385nm的光照射后，能够被激发产生光生电子-空穴对，激态的导带电子和价带空穴又能重新合并，使光能以热能或其他形式散发掉。
TiO2 + hν → Ti O2 + h+ + e-（4-1）
H ++ e- →复合 + 能量（4-2）
当催化剂存在合适的俘获剂或表面缺陷时，电子和空穴的重新复合得到抑制，在它们复合之前，就会在催化剂表面发生氧化一还原反应。价带空穴是良好的氧化剂，导带的电子是良好的还原剂。大多数光催化氧化反应是直接或间接的利用空穴的氧化能。在光催化半导体中，空穴具有更大的反应活性，是携带量子的主要部分，一般与表面吸附的H2O2或OH-离子反应形成具有强氧化性的羟基自由基(·OH)。
H2O + h+ → ·OH + H+ (4-3)
OH- + h+ → ·OH (4-4)
电子与表面吸附的氧分子反应，分子氧不仅参与还原反应，还是表面羟基自由基的另外一个来源，具体的反应式如下：
O2 + e- →·O2 (4-5)
H2O +·O2→·OOH + OH-(4-6)
2·OOH → O2 + H2O2 (4-7) ·OOH + H2O+ e-→ H2O2 + OH-(4-8)
H2O2 + e- → ·OH + OH- (4-9)
另外Sclafani和Herraman通过对Ti02光电导率的测定，证实了在光催化反应中·02-的存在，一个可能发生的反应就是：
H2O2 +·O2 →·OH + OH- (2-10) 上面的式子中产生了非常活泼羟基自由基(·OH)、超氧离子自由基(·02-)以及·OOH自由基，这些都是氧化性很强的活泼自由基，能够将各种有机物直接氧化为CO2，H2O等无机小分子。而且因为它们的氧化能力强，使氧化反应一般不停留在中间步骤，不产生中间产物。[7]
4.1.2处理染料废水
染料废水中含有苯环、氨基、偶氮基团等致癌物质，常规方法处理水溶性染料的降解效率通常很低。研究发现，用Ti02/Si02体系能够很迅速地降解R-6G染料。采用Ti02/Si02光催化降解染料不仅能有效地破坏染料中的发色基团，而且可以破坏染料分子中的芳香基团，达到完全降解的目的。
4.1.3处理农业废水
纳米Ti02光催化降解有机磷农药时，只需向反应液中加入微量的Fe3+就可以大大提高COD的去除率及无机磷的回收率。
4.1.4处理含表面活性剂的废水
含表面活性剂的废水不但容易产生异味和泡沫，而且还会影响废水的可生化性。非离子型和阳离子型表面活性剂不但很难生物降解，有时还会产生有毒或者不能溶解的中间体。采用纳米Ti02光催化分解表面活性剂已取得了较好的效果，研究发现，苯环比烷基或烷氧基更容易断链降解实现无机化，直链部分降解速度极慢，这是因为苯环中的π电子可能被空穴移到Ti02表面上，生成阳离子自由基的缘故。虽然表面活性剂中的链烷烃部分采用光催化降解反应还较难完全氧化成C02，但随着表面活性剂苯环部分的破坏，表面活性及毒性大为降低，生成的长链烷烃副产物对环境的危害明显减少，目前国内外公认将此法用于废水中表面活性剂的处理，这具有很大的吸引力。
4.1.5处理含油废水
石油工业的不断发展，促进了各国经济的发展，同时也产生了十分严重的环境污染问题，含油废水就是其中较为严重的污染之一。处理这种不溶于水且密度
粉体处理含油废水，其降比水小的油污，一直是人们关注的难题。用纳米Ti0
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解率可达到94.74％。若能将其负载于某一载体上，使其漂浮于水面，则能有效提高Ti02的光催化活性。用浸涂、热处理的方法在空心玻璃球表面负载Ti02薄膜，纳米Ti02牢固地熟附于载体空心陶瓷微球表面，光催化降解辛烷能取得满意的效果。
4.1.6处理造纸废水
造纸工业废水排放量大，难处理，污染严重，是我国主要的工业污染源之一。采用纳米Ti02光催化氧化法对造纸废水进行二级处理，结果表明，经过光催化深度处理后的造纸废水的COD浓度，由250.0mg/L降至81.0mg/L，色度有86.0%降至50.0%，完全达到国家排放标准。[8]
4.2在空气净化方面的应用
近年来，随着工业的发展和人们生活水平的提高，空气污染越来越受到人们的重视，环境有害气体主要包括室内有害气体和大气污染气体。室内有害气体主要有：装饰材料等析出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢、氨等。纳米Ti02通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质氧化分解；从而使空气中这些物质的浓度降低。大气污染气体，主要是由汽车尾气与工业废气等带来的氮氧化物和硫氧化物。利用纳米Ti02的催化作用将这些气体氧化成蒸汽压低的硫酸和硝酸，在降雨过程中除去，从而达到降低大气污染的目的。[5]
4.3纳米TiO2改性建筑涂料
利用二氧化钛的光催化性和超亲水性，将纳米TiO2掺入建筑涂料中，可以提高涂料的防水性，防玷污性。纳米二氧化钛粉体对紫外线有很好的屏蔽能力，故纳米二氧化钛改性涂料的耐候性增强。有关专家认为，采用新技术研制出的纳米TiO2改性涂料与传统涂料相比，对人体，环境无任何伤害。
4.3.1纳米TiO2超亲水性机理
在纳米TiO2表面，钛原子和钛原子间通过桥氧相连，这种结构是疏水性的，在光照条件下，一部分桥氧脱离形成氧空位。此时，水吸附在氧空位中成为化学吸附水(表面羟基)，在其表面形成均匀分布的纳米尺度的亲水微区。当停止光照，化学吸附的羟基被空气中的氧取代，重又回到疏水状态。
纳米TiO2的防污主要是防止有机物在涂料表面的积聚，其作用机理一是其分解作用，在光照下纳米TiO2不断分解聚积于涂料表面的有机物，使涂料表面吸附的灰尘失去和涂料之间的夹层“有机胶粘剂”，从而很容易除去；二是其超亲水性，在涂料表面产生一层水膜，将油性污染物与表面隔绝，不易在表面积聚。通过以上双重作用，使涂料具有长期耐沾污效应。
由于锐钛型纳米TiO2具有高的化学活性，因而也存在破坏涂膜，使其粉化的缺点。可通过对锐钛型Ti0
进行表面处理以降低其化学活性和通过选择适当
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的添加量来解决这一问题。[9]
5.纳米二氧化钛的制备
5.1 溶胶-凝胶法
以四氯化钛、无水乙醇为主要原料进行溶胶-凝胶反应。将一定量的四氯化钛缓慢滴入强烈搅拌的乙醇中，之后将氨水混合液以一定的速度滴入上述混合液中，其中四氯化钛、乙醇、氨水和去离子水的体积比为1：10；0.04：0.83。反应完之后于恒温条件下于空气中凝胶5d，在凝胶过程中溶胶的颜色逐步变浅。然后将凝胶进行干燥，形成干凝胶。最后把干凝胶放在马弗炉中并在设定的温度下进行焙烧，升温速度为5℃/min。结果得到TiO2纳米粉末。其工艺、流程图如下：[10]
5-1纳米Ti02粉体制备
5.2化学气相沉积法（电阻炉加热法）
气相法制取TiO2的原理是将钛的无机盐，如TiCl2、TiO(SO4)或钛的有机醇盐，在气相与O2发生氧化反应或与水蒸气发生水解反应，或钛的有机醇盐发生热裂解得到TiO2粒子。涉及的主要化学反应方程式如下：
TiCl4 + O2 → Ti02 + 2Cl2 (5-1)
Ti(OR)4 + 2H2O → TiO2 + 4ROH (5-2)
Ti(OR)4→ Ti02 + C n H2n + H2O (5-3) 用高纯氮气(99．999％)作为载气和惰性稀释气体，通过TiCl4和H2O的汽化器，混合气进入反应器，产物TiO2粒子用膜过滤收集，膜孔径为0.1μm。化学气相沉积法得到的TiO2粒子为球形，未经热处理前为锐钛矿型，950℃热处理后变为金红石型。TiO2粒径随反应温度的升高而迅速减小，温度由550℃升至
900℃，粒径由200nm减小到75nm。原因是升高温度，反应速率增大，提高了TiO2的气相过饱和度使成核数目增加，从而使粒径减小。另外，TiO2的粒径随着TiCl4分压的增加而变大，随着O2分压的增加而减小。
5.3 钛醇盐的气相水解法（气溶胶法）
高纯氮气(99．999％)分四路进入反应器，一路进入Ti(OR)4气化器,携带Ti(OR)4蒸气从中心喷管进人主反应器；一路超过水气化器将水蒸气带入反应器中部；另两路分别进入反应器稀释饱和气流。反应器分为两段，一段为混合段，热氮气携带反应物经喷嘴喷出，在该段与冷氮气混合，形成Ti(OR)4气溶胶颗粒；另一段是水解反应段，Ti(OR)4与水蒸气混合，发生水解反应，生成TiO2短期颗粒。所得TiO2为球形多孔粒子，粒径偏大。当温度＜420℃，为非晶，粒径为206nm,温度达到420℃时，由无定形向锐钛矿转变。[11]
5.4液相沉淀法
5.4.1直接沉淀法
直接沉淀法也称水解法或中和法，以TiOSO4为原料，把TiOSO4配制成一定浓度的溶液后，加沉淀剂氨水进行中和水解，形成的TiO2水合物经解聚、洗涤、干燥处理后，根据不同的煅烧温度可得到不同晶型的纳米TiO2产品。其主要反应机理为：
TiOSO4 + 2NH3·H2O → TiO(OH)2↓ + (NH4)2SO4 (5-4)
TiO(OH)2 → Ti02 + H2O (5-5) 以氨水为沉淀剂所得的TiO2粉体分散效果较好，分析其原因，氨水属于弱碱，
反应的过程存在如下电离平衡：NH
3·H
2
O → NH
4
+ + OH-
TiOSO4 水解释放出大量的H+离子，可通过加入氨水来中和，使得反应向正方向进行。而在添加氨水时，由于NH4+的缓冲作用，溶液的pH值缓慢升高，这样即能中和反应产生的H+离子，使反应向有利于形成TiO2晶核的方向移动，又可避免pH值迅速改变造成的快速沉淀而导致沉淀成分不均匀的现象。
5.4.2均匀沉淀法
向TiOSO4溶液中直接添加沉淀剂，易造成沉淀剂的局部浓度过高，使沉淀中夹杂其它杂质，同时得到的产品粒径分布较宽。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。该方法中，加入溶液的沉淀剂不立刻与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，使之通过溶液中的化学反应缓慢生成淀剂，只要控制好生成沉淀剂的速度，就可避免浓度不均匀现象，使过饱和度控制在适当范围内，从而控制粒子的生长速度，获得粒度均匀、致密、便于洗涤、纯度高的纳米TiO2。常用的均匀沉淀剂为尿素等。以硫酸氧钛为前驱物，以尿素为沉淀剂制备纳米TiO2的反应
原理为：
尿素水溶液在70℃左右开始水解，其反应式为：
CO(NH3)2 + 3H2O = 2NH3·H2O + CO2↑ (5-6) TiOSO4 + 2NH3·H2O → TiO(OH)2↓ + (NH4)2SO4 (5-7)
TiO(OH)2 → Ti02 + H2O (5-8) 本制备技术中，温度是影响产品粒径最敏感的因素。温度低，尿素水解慢，溶液中TiOSO4的过饱和比低，粒径大。温度过高，尿素产生缩合反应生成缩二脲等，同样使Ti0(0H)2过饱和度低而且溶液黏稠，不易干燥，最终产品颗粒粗大。反应物浓度及尿素与硫酸氧钛的配比，同样影响溶液中TiO(OH)2 的过饱和比。浓度越高，在相同温度下，TiO(OH)2的过饱和比越大。但是过高的浓度和尿素与硫酸氧钛的比值，使产品的洗涤、干燥变得困难。反应时间不够，不仅使产品收率低，而且尿素末充分分解、容易带入产品，使干燥困难，产品粒度变大。反应时间过长，造成后期溶液过饱和比降低，粒径变大。
5.4.3共沉淀法
鉴于直接和均匀沉淀法制备出的TiO(OH)2沉淀极难过滤，林元华等将TiOSO4溶液在搅拌条件下缓缓加入到一定量的Na2C03溶液中，制备出TiO(OH)2沉淀。再将精制的一定浓度的ZnSO4溶液，加入到TiO(OH)2+Na2C03液的体系中，由于溶液中已存在正钛酸粒子ZnSO4与Na2CO3的反应将在正钛酸粒子的表面进行，即在正钛酸粒子的表面形成ZnCO3沉淀，而极少单独在溶液中形成一晶核，从而形成一个较大的包覆体，即制得ZnCO3／TiO(OH)2 包覆体，个ZnC0
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使得沉淀过滤、洗涤极为容易。将ZnCO3/TiO(OH)2 沉淀包覆体进行预焙解，使其转化为ZnO/H2TiO3复合粉体，避免了溶锌时钛的流失(因为TiO(OH)2极易和稀H2SO4反应．而H2TiO3和稀H2SO4几乎不发生反应)。焙烧溶ZnO后的H2TiO3粉体，生成的微量ZnTiO3可促进TiO2粒子由锐钻型向金红石型转化，有利于实现低温处理，从而有效抑制TiO2粒子的长大，不会产生硬团聚现象，为最终制备纳米金红石TiO2粒子提供了保证。该工艺涉及化学反应如下：[12] TiOSO4 + Na2C03 + 2H2O → TiO(OH)2↓ + (NH4)2SO4 + CO2 (5-9) TiO(OH)2 + ZnS04 +Na2C03→ ZnC03／TiO(OH)2↓+Na2SO4 (5-10)
ZnO + H2TiO3 → ZnTiO3 + H2O (5-11)
ZnO + Ti02 → ZnTiO3 (5-12)
H2TiO3 → TiO2 + H2O (5-13)
参考文献
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《环境材料概论》复习思考题 1-1.简述材料在社会经济发展中的地位及其重要作用。 (看书用自己的话说说) 答:1、材料是国民经济和社会发展的基础和先导,与能源、信息并列为现代高科技的三大支柱。 2、 16实际以来,人类经历了两次世界范围的产业革命,均离不开新材料的开发。 3、21世纪的经济仍然是建立在物质基础之上, 随着世界经济的快速发展和人类生活水平的提高,现代社会对材料及其产品的需求增长也更加迅猛。 1-2.用自己的理解给出生态环境材料的定义。 答:1、生态环境材料是指那些具有满意的使用性能和可接受的经济性能,并在其制备、使用及废弃过程中对资源和能源消耗较少,对生态环境影响较小且再生利用率较高的一类材料。(注意:环境、使用、经济三个性能) 2、生态环境材料实质上是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性的材料, 或者那些直接具有净化和修复环境等功能的材料。 1-3.生态环境材料的特征是什么? 答:从材料本身性质来看,主要特征是: 1、无毒无害、减少污染,包括避免温室效应和臭氧层破坏等。 2、全寿命过程对资源和能源消耗少。 3、可再生循环利用,容易回收。 4、材料的高使用效率等。 按照有关的研究报道和生态环境材料的要求,其特征有: 1、节约能源; 2、节约资源; 3、可重复使用; 4、可循环再生; 5、结构可靠性; 6、化学稳定性; 7、生物安全性; 8、有毒、有害替代; 9、舒适性; 10、环境清洁、治理功能。 1-4.你认为那些材料属于生态环境材料?举例说明。(举例之后还要简要说明一下) 答:比如:生态水泥、环保建材、降解树脂 环境工程材料 天然资源环境材料 电磁波防护类材料 电子功能材料领域的毒害元素替代材料 1-5.画出传统材料和生态环境材料的材料—环境系统图并说明两者的区别与联系。 2-1.材料是如何分类的?研究材料的四要素是什么? 答:根据材料的物理和化学属性分为:金属材料、非金属材料、有机高分子材料、复合材料; 研究材料的四要素是:组成、结构、加工工艺及性能与用途。 2-2.在材料的合成与加工技术工艺过程中,如何赋予其环境协调功能 ? 答:通过分析材料的环境影响特征, 得出环境负荷流动结构, 将传统的材料和产品设计方法与LCA 方法相结合, 从环境协调性的角度对材料和产品进行设计 (即环境协调性设计) , 并结合LCA 思想,从实际生产过程出发,提出切实可行的生产工艺的改进措施。对大量消耗的基础材料产业的生产等过程进行环境协调性改造, 从根本上提高资源、能源利用效率, 减少和消除污染以实现零排放工程,是材料产业环境协调性发展的治本之道。 (还要用自己的 话阐述一下) 2-3.化学元素在环境中的分布特征是什么? 答:1、普遍性 在自然界中, 构成物质的元素有 90多种, 它们不仅广泛存在于宇宙中, 而且均存在于地壳层中有矿物、岩石和土壤等构成的各种地质体中,从而体现出化学元素分布的普遍性。2、富集性
新型陶瓷材料的应用与 发展 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
新型陶瓷材料的应用与发展摘要：本文首先简单介绍了传统陶瓷材料向现代新型陶瓷材料转变的过程，新型陶瓷材料克服了传统陶瓷本身内部的缺陷，故使其性能大大提高，扩大了应用领域。然后论述了新型陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷，以及它们耐高温、生物相容性能、电磁性、质量轻等特性及各自的应用领域，重点讨论了新型陶瓷材料在航空航天、军事、生物工程、电子工业等的应用，最后简单说明了新型陶瓷材料的近况和发展趋势。 关键字：新型陶瓷材料应用发展 引言：在当今科技高度发展的工业社会,每一项工业化的成就都与材料科学、材料的制造及实际使用有着密不可分的关联,它使得某些新的科学设想、构思及生产过程得以实现。离开了材料科学与材料工业,世界上的许多科学创造和发明都是难以实现或达到的。陶瓷材料是继金属材料,非金属高分子材料之后人们所关注的无机非金属材料中最重要的一种，因为它同时兼有金属和高分子材料两者的共同优点,此外在不断的改性过程中,已使它的易碎裂的性能有了很大的改善。因此,它的应用领域和各类产品都有一个十分明显的提高。 1.传统陶瓷材料到新型陶瓷材料的演变 陶瓷一词(Ceramics) 来源于古希腊Keramos 一词,意为地球之神。传统的陶瓷材料含意很广泛,它主要指铝、硅的氮化物,碳化物,玻璃及硅酸盐类。虽然传统陶瓷具有一定的耐化学腐蚀特性和较高的电阻率、熔点高,可耐高温,硬度高,耐磨损,化学稳定性高,不腐蚀等优点。但它也存在着塑料变形能力差,易发生脆性破坏和不易加工成型等缺点,这些原因大大地限制了在工业的应用范围，特别是在机械工业上的应用。而在电器上的应用也主要局限在高压电瓷瓶及其绝缘体部件等少数几个方面。 为此人们开展对传统的陶瓷材料进行改性研究和有关材料的人工合成开发,现代合成技术已经能够通过物理蒸发溅射(Vapor processing) 溶液法(Aqueous precipitation) 溶胶—凝胶技术(Solgel-technology) 及其它先进技术改造传统陶瓷或人工合成极少缺陷的陶瓷材料,其中较为重要的有Si3N4 ,A12O3 等。合成的陶瓷材料与传统陶瓷材料相比，它的性能大大提高,与其它材料相比,在同样强度下这些材料具有良好的化学、热、机械及摩擦学(tribology)特性。它质轻,可以耐高温,硬度高,抗压强度有时超过金属及合金,具有较强的抗磨性和化学隋性、电及热的绝缘性都相当好,特别是由于采用纯净材料,消除了缺陷( eliminate-defects) , 它的易脆性( brittleness) 得到了极大的改善,因此其应用,特在现代机械业的应用日益广泛。目前巳有大量的新型陶瓷材料被用于工业高温抗磨器件、机械基础元器件,除此之外,电子及电信行业,生物医疗器件乃至于陶瓷记忆材料,超导陶瓷等应用都与新型陶瓷材料的研制与开发有关。 2.新型陶瓷材料特性与分类 新型陶瓷材料按照人们目前的习惯可分为两大类，即结构陶瓷（Structural ceramics）（或工程陶 瓷）和功能陶瓷（ Functional ceramics），将具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷列为结构陶瓷， 而将具有电、光、磁、化学和生物体特性，且具有相互转换功能的陶瓷列为功能陶瓷。随着科学技术的发展， 各种超为基数和符合技术的运用，材料性能和功能相互交叉渗透，确切分类已经逐渐模糊和淡化。根据现代科 学技术发展的需要，通过对材料结构性能的设计，新型陶瓷材料的各种特性得到了充分的体现。 3.新型陶瓷的应用与发展 新型陶瓷是新型无机非金属材料, 也称先进陶瓷、高性能陶瓷、高技术陶瓷、精细陶瓷, 为什么能得到高 速发展, 归纳起来有四方面原因：①具有优良的物理力学性能、高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗热震 而且在热、光、声、电、磁、化学、生物等方面具有卓越的功能, 某些性能远远超过现代优质合金和高分子材料, 因而登上新材料革命的主角地位, 满足现代科学技术和经济建设的需要。②其原料取于矿土或经合成而得, 蕴藏量十分丰富。③产品附加值相当高, 而且未来市场仍将持续扩展。④应用十分广泛, 几乎可以渗透到各 行各业。 应用领域 功能陶瓷主要在绝缘、电磁、介电以经济光学等方面得到广泛应用；结构陶瓷除了耐低膨胀、耐磨、耐腐 蚀外，还有重量轻、高弹性、低膨胀、电绝缘性等特性。因而在很多领域得到应用应该是以陶瓷燃气轮机为代 表的耐高温陶瓷部件陶瓷广泛用于道具及模具等耐磨零件，这方面的应用主要是利用陶瓷的高硬度、低磨耗 性、低摩擦系数等特性。另一方面，陶瓷材料具有其他材料所没有的高刚性、重量轻、耐蚀性等特性，从而被 有效地应用在精密测量仪器和精密机床等上面。另外，因为陶瓷材料具有很好的化学稳定性和耐腐蚀性，在生 物工程以及医疗等方面也得到广泛的应用。下面将分几方面来介绍新型陶瓷材料的应用领域。 1)航空航天材料:陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites） 当前耐高温材料已经成为航天先进材料中的由此岸优先发展方向，材料在高温下的应用对航天技术特别 是固体火箭等领域具有极其重要的推动作用。随着航空技术的发展气体涡轮机燃烧室中燃气的温度要求越来越高，并更紧密地依赖于高温材料的研究开发，而先进陶瓷及其陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀质 量轻等优异性能，是最具有希望代替金属材料用于热端部件的候选材料[4]。为此世界各国开展对陶瓷发动机的 研究工作。美、欧、日等越来越多的人体涡轮机设计者们开始用陶瓷基复合材料来制作旋转件和固定件。当前 对高温结构陶瓷的研究主要集中于Sic、Si3N4、Al2O3和ZrO2等，尤其以Si3N4高温结构陶瓷最引人注目。这类 陶瓷的综合性能较突出，它们有良好的高温强度，已经在航空涡轮发动机等方面得到了应用，非常适用于制作
新型功能材料发展趋势 功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。功能材料按使用性能分，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏（智能）材料。由于我们已把电子信息材料单独作为一类新材料领域，所以这里所指的新型功能材料是除电子信息材料以外的主要功能材料。 功能材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，功能材料约占 85 % 。随着信息社会的到来，特种功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。 鉴于功能材料的重要地位，世界各国均十分重视功能材料技术的研究。 1989年美国200多位科学家撰写了《90年代的材料科学与材料工程》报告，建议政府支持的6类材料中有5类属于功能材料。从1995年至2001年每两年更新一次的《美国国家关键技术》报告中，特种功能材料和制品技术占了很大的比例。2001年日本文部省科学技术政策研究所发布的第七次技术预测研究报告中列出了影响未来的100项重要课题,一半以上的课题为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其中绝大部分均为功能材料。欧盟的第六框架计划和韩国的国家计划等
高分子材料论文 题目生态环境材料 学院理学院 年级2013级 专业材料化学 姓名魏佳 学号2013155036
生态环境材料 魏佳 （甘肃农业大学理学院材料化学专业，甘肃兰州，730070） 摘要：90年代初,在可持续性发展理论和应用的推动下,国际材料界出现了一个新的领域——环境材料,在这种材料的研究和开发的过程中,既要追求良好的使用性能,又要深刻认识 到自然资源的有限性和尽可能降低废弃物排放量,并在材料的提取、制备、使用直到废弃与 再生的整个过程中都尽可能地减少对环境的影响。它在生产的过程中对资源和能源的消耗 量比较少,废弃后能够回收再生利用的可能性比较大,其从生产使用到回收的全过程对周围 的生态环境的影响也最小。因而它可以称为“绿色材料”或者“生态材料”。 关键词：环境；生态；发展；材料 生态环境材料的研究内容比较广泛,归纳起来可以概括为材料的环境协调 性评价,生态环境材料的设计,材料在制备加工中的环境协调技术包括零排放和 零废弃加工技术,以及材料在使用过程中的环境协调性技术如制备环境协调性 制品等等。具体从材料的性能上来说主要包括以下几个方面: 再生利用型材料,包括再生的可以降解的塑料、在家用电器中能够加以回收 利用的电路基板,在生产和使用过程中污染较少并且能够回收再生的纸张等。能 够经自然界微生物分解或者能够自动降解的材料如新型的包装袋,由天然材料 加工成的高分子材料等。为净化环境和防止污染而设计的材料如新型的不释放 有害气体的墙体材料,高吸油性树脂等。替代传统有污染的材料的新型材料如冰 箱内的全无氟制冷剂等。与洁净能源相关并且能够利用它们的材料,如燃料电池 中的储氢材料。环境材料有区别于传统材料的特点。环境材料的主要特点就是 在保证了它们具有良好的使用功能的前提下,在其生产、使用和回收处理过程中 对资源的利用率很高并且在上面的三个过程中对生态环境无副作用。而传统材 料在上面三个方面的效果往往是比较差的。 一、定义 生态环境材料应是同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或者是能够改善环境的材料。所谓环境协调性是指对资源和能源消耗少、对环境污染小和循环再生利用率高。生态环境材料的研究进展将有助于解决资源短缺、环境恶化等一系列问题，促进社会经济的可持续发展。
新型陶瓷原料介绍 1、氧化物原料 a、氧化铝：它是新型陶瓷制品中使用最为广泛的原料之一，具有一系列优良性能。此外,它也是高温耐火材料、磨料、磨具、激光材料及氧化铝宝石等的重要原料。 b、氧化锆：它是高温结构陶瓷、电子陶瓷和耐火材料的重要原料。 c、二氧化钛：它是制造电容器陶瓷、热敏陶瓷和压电陶瓷等制品的重要原料。 d、氧化铍:它是高导热性新型陶瓷的重要原料。 e、三氧化二铁：它是强磁性材料的重要原料。 f、二氧化锡：广泛用于电子陶瓷中。 g、氧化锌：它可以使陶瓷材料的机械和电性能得到改善。 h、氧化镍：应用于热敏陶瓷中。 i、氧化铅：在新型陶瓷中主要用作合成PbTiO3、Pb(Zr、Ti)O3以及Pb(Mg1/3、Nb2/3)O3的主要原料。 j、五氧化二铌：在电子陶瓷工业中它用途很广，如用作制造铌镁酸铅低温烧结独石电容器，铌酸锂单晶等的主要原料，同时还可作为改性添加剂。 k、锰的氧化物：如制作湿度传感器、过热保护器等。 l、氧化铬：用作气敏元件、气体警报器的配料中。 m、氧化钴：应用于聚光材料等方面。 2、复合氧化物原料 a、钛酸盐：主要有BaTiO3、SrTiO3、CaTiO3、MgTiO3和PbTiO3等。BaTiO3是压电、铁电陶瓷的重要原料。 b、锆酸盐：主要有BaZrO3和SrZrO3等。应用于磁芯、振荡器等。 c、锡酸盐：主要有BaSnO3、CaSnO3、InSnO3、CaSnO3、NiSnO3和PbSnO3，如CaSnO3用作于电容器中。 d、铌酸盐：主要有LiNbO3和KnbO3。 e、锑酸盐：主要有BaSb2O6、PbSb2O6和MgSb2O6等。 f、铝酸盐:主要有MgAl2O4。 g、铝硅酸盐：主要有3Al2O3o2SiO2。 3、稀土氧化物原料，如：Yb2O3、Tu2O3、Nd2O3、Ce2O3、La2O3等。
献,对改善城市人民生活的作用也是不言而喻的. 3.2化学建材在应用中存在的问题 但是,化学建材也带来了环境污染.由于化学 建材的使用,空气质量,尤其是室内空气质量大幅 度下降.据美国一个历时5年的专题调查发现,在 120万幢商业建筑物中,有2500万人患有“致病建 筑综合症”.许多民用和商用建筑物的室内空气污 染程度是室外的2～5倍,有的甚至超过100倍.日 本约有30%的住宅因为使用有害化学物质而引发“新居综合症”.英国、西班牙、澳大利亚、美国和其 他工业发达国家都曾爆发过因空气污染引起的军 团病,导致大量人员死亡.我国有关因使用化学建 材和装饰装修材料导致的环境污染虽没有权威的 数据,但有关的问题常见于报端,有些例子还是触 目惊心的[8].例如,PE、PP等塑料管道是作为健康型化学建材取代铸铁管道的.前不久同济新村地下 水管改建工程中引发的“供水管道中含铅问题”,暴 露了我国在化学建材中健康标准的缺乏.塑料门窗 制备中大量使用的聚氯乙烯材料,其中氯乙烯含 量、含铅稳定剂等问题都没有真正解决.它的生产、使用以及废弃后处置对环境和人体健康的影响,已 成为近年来人们普遍关心的问题.建筑涂料的绿色 化工作应该说是最有成效的,水性健康型乳胶漆的 推广应用,大大改善了涂料对室内装饰装修造成的 空气污染.客观地说,与其他装饰装修材料相比,内 墙涂料对环境的污染是很小的.但实际上,为了片 面追求质量和经济利益的驱使,有害物质超标的建 筑涂料的市场上还是经常可以看到.此外,地板涂 料、家具涂料中有害物质超标现象十分严重.据 2005年国家质检总局抽查结果表明,北京、上海、广东、浙江、江苏、福建、河北七省市87家木家具生产企业的87种产品,不合格率竟达64.4%.其他,粘 合剂、防水材料、墙纸、密封材料等造成的环境污染也都是不合忽视的. 由此可见,化学建材虽是建筑材料的重大发 展,但其本身也具有十分严重的环境污染问题. 2001年,国家标准委员会颁布了“装饰装修材料中 有害物质限量的十项标准”,对推动化学建材和其 他建筑材料向健康型材料方向发展起了十分积极 的作用,对使用者安全使用化学建材有了法律保 障.但是应该看到,仅仅符合上述标准的材料还远 远不是绿色材料.因为使用者尚不能从中了解材料 在原料的选用、生产工艺的制定等方面是否真正 “绿色”.人们在这方面要做的工作还很多,要走的
先进功能陶瓷材料 摘要:本文概述了先进功能陶瓷材料的基本分类和优良性能,并对研究现状做了陈述和对未来先进功能陶瓷材料的发展做了展望. 关键词: 先进功能陶瓷材料；分类；优良性能；发展概况；展望 Advanced ceramic materials Abstract: This paper provides an overview of advanced ceramic materials the basic classification and excellent performance, and the research situation on the statement and the future of advanced ceramic materials is prospected. Key words: advanced ceramic materials; classification; excellent performance; development situation; Prospect 1.功能陶瓷材料的简要介绍 功能陶瓷材料对电、磁、光、热、化学、生物等现象或物理量有很强反应，或能使上述某些现象或量值发生相互转化的一种陶瓷材料。功能陶瓷是一类颇具灵性的材料，它们或能感知光线，或能区分气味，或能储存信息……因此， 说它们多才多能一点都不过分【1-3】．它们在电、磁、声、光、热等方面具 备的许多优异性能令其他材料难以企及，有的功能陶瓷材料还是一材多能呢！而这些性质的实现往往取决于其内部的电子状态或原子核结构，又称电子陶瓷。已在能源开发、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等方面有广泛应用。 超导陶瓷材料就是功能陶瓷的杰出代表。1987年美国科学家发现钇钡铜氧陶瓷在98K时具有超导性能，为超导材料的实用化开辟了道路，成为人类 超导研究历程的重要里程碑【2】。压电陶瓷在力的作用下表面就会带电，反 之若给它通电它就会发生机械变形。电容器陶瓷能储存大量的电能，目前全世界每年生产的陶瓷电容器达百亿支，在计算机中完成记忆功能。而敏感陶瓷的电性能随湿、热、光、力等外界条件的变化而产生敏感效应：热敏陶瓷可感知微小的湿度变化，用于测温、控温；而气敏陶瓷制成的气敏元件能对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测、控制、报警和空气调节；而用光敏陶瓷制成的电阻器可用作光电控制，进行自动送料、自动曝光、和自动记数。磁性陶瓷是部分重要的信息记录材料。还有半导体陶瓷、绝缘陶瓷、介电陶瓷、发光陶瓷、感光陶瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推进剂陶瓷、太阳能光转换陶瓷、贮能陶瓷、陶瓷固体电池、阻尼陶瓷、生物技术陶
湖北汽车工业学院 本科生课程论文 论文题目新型陶瓷材料在汽车中的应用及未来发展学生专业班级材料成型及控制工程（汽车产业）T1233-5 学生姓名（学号）朱宝林（2012030526） 指导教师（职称）王天国 完成时间2014-11-5 2014 年11月05 日
目录 前言 (3) 第一章汽车发动机中的陶瓷材料 (4) 1.1 陶瓷汽车发动机 (4) 1.2 活塞顶用陶瓷结构 (5) 1.3 涡轮增压器陶瓷材料 (6) 第二章陶瓷纤维在发动机零件上的应用 (6) 第三章陶瓷材料在发动机其它部件的应用 (7) 第四章新型陶瓷材料未来的发展及在汽车上的应用·7
前言 关于新型陶瓷材料： 新型陶瓷材料在性能上有其独特的优越性。在热和机械性能方面，有耐高温、隔热、高硬度、耐磨耗等；在电性能方面有绝缘性、压电性、半导体性、磁性等；在化学方面有催化、耐腐蚀、吸 性。因此研究开发新型功能陶瓷是材料科学中的一个重要领域。 摘要：随着科学技术飞速发展，现代汽车制造业将更多特种陶瓷、智能陶瓷制品引入，采用到汽车上，并且伴随着更多的新型结构材料的引入，在汽车零部件加工制造技术上也带来了一场新的革命，在此主要介绍一些新型的陶瓷材料在现在及未来的汽车行业的使用情况及以后可能应用的发展前景。 目前应用于汽车上的陶瓷材料主要有：氧化硅陶瓷，碳化硅陶瓷，氮化硅陶瓷，氧化铝陶瓷这几种。 关键词：陶瓷材料、发动机、汽车、应用
第一章汽车发动机中的陶瓷材料 1·1 陶瓷汽车发动机 新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等无机非金属烧结而成。与以往使用的氧化铝陶瓷相比，强度是其三倍以上，能耐1000摄氏度以上高温，新材料推进了汽车上新用途的开发。例如：要将柴油机的燃耗费降低30%以上，可以说新型陶瓷是不可缺少的材料。现在汽油机中，燃烧能量中的78%左右是在热能和热传递中损失掉的，柴油机热效率为33%，与汽油机相比已十分优越，然而仍有60%以上的热能量损失掉。因此，为减少这部分损失，用隔热性能好的陶瓷材料围住燃烧室进行隔热，进而用废气涡轮增压器和动力涡轮来回收排气能量，有试验证明，这样可把热效率提高到48%。 同时，由于新型陶瓷的使用，柴油机瞬间快速起动将变得可能。采用新型陶瓷的涡轮增压器，它比当今超耐热合金具有更优越的耐热性，而比重却只有金属涡轮的约三分之一。因此，新型陶瓷涡轮可以补偿金属涡轮动态响应低的缺点。其他正在进行研究的有：采用新型陶瓷的活塞销和活塞环等运动部件。由于重量的减轻，发动机效率可望得到提高。 由于陶瓷材料具有优良的耐热性、耐磨性、隔热性及重量轻优点，故使用陶瓷材料替代金属制备热机部件的技术受到了世界各国的高度重视。目前，发动机的主要零部件，如活塞、气缸盖、气门、排气管、涡轮烟压器、氧传感器及火花塞等都用先进的陶瓷材料来制造，并研制出了无水冷的绝热陶瓷发动机。另外为了防止汽车废气对大气环境的影响，各国都采用了的措施，制订了严格的排放标准，这些都促进了汽车工业用新技术的开发以及新材料的研多，特别是在发动机用先进陶瓷瓷材料方面取大了软大的进展，并在近年来的技术创新中发挥着更重的作用。 陶瓷发动机的优越性为： ·可以提高发动机的工作温度，从而大大提高效率。例如，目前作为发动机制造材料的镍基耐热合金，工作温度在1000℃左右。而采用陶瓷材料，则可以将工作温度提高到1300℃，使发动机效率提高30%左右。 ·工作温度高，可使燃料燃烧充分，所排废气中的有害成分大为降低，这不仅降低了能源消耗，而且减少了环境污染。
生态材料与可持续发展 姓名：侯健学号：5701110054 专业：材料学院高分子材料与工程102班 摘要：生态材料是近年来在先进材料研究中提出的一个新研究领域。本文简要介绍了生态材料的概念、研究内容、发展状况和最新研究进展，并阐述了生态材料对可持续发展的意义。 关键词：生态材料研究内容最新进展可持续发展 1、引言 生态材料是由日本学者山本良一教授于20 世纪90 年代初提出的一个新的概念,这一概念是在全球环境问题日益突出,可持续发展呼声日益高涨的背景下产生的,它代表了21 世纪材料科学的一个新的发展方向。也是一个多学科交叉的新颖领域。生态材料是人类保护生存环境，实现材料工业可持续发展的有效途径，并已成为当前国内外研究的热点。因此，继续大力发展生态材料，实现可持续发展已成为国际社会的热门话题。 2、生态材料的研究内容 生态环境材料的研究内容主要包括两方面：①材料的环境协调性评价技术。这涉及到如何评价材料的环境协调性(即环境表现和环境性能)，并由此产生了材料环境协调性评价研究。目前主要采用生命周期评价方法的基本概念、原则和方法对材料或产品全寿命周期进行评估。生命周期评价方法是指用数学物理方法结合实验分析对某一过程、产品或事件的资源、能源消耗，废物排放，环境吸收和消化能力等环境负担性进行评价，定量确定该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小。②生态环境材料的设计、研制与开发。生态环境材料并非仅指新开发的新型材料、并不是排它的新材料体系，任何一种材料只要经过改造达到节约资源并与环境协调共存的要求，它就应视为生态环境材料。生态环境材料包括四种类型：①原料无害化材料，如：无铅材料、无铬材料、汞替代材料、环境友好半导体材料等；②绿色环境过程材料，如：使用可再生资源为原料、废弃物再利用、绿色生产过程；③可循环利用材料，如：循环利用合金、循环利用复合材料、低杂质合金、材料的循环设计等；④高资源生产率材料，如：精益结构设计材料、四要素材料(低损耗材料、高效率材料、生命周期评价设计材料、导向应用材料)等。 3、生态材料的发展状况与最新进展 环境是人赖以生存的空间，当前人类生活环境的日益恶化直接威胁到人类的健康。为开发出环境负荷最小，再循环利用率最高的生态材料，人们进行了一下几个方面的研究： 3.1生物降解高分子材料 3.1.1纯天然材料的开发和利用 天然高分子材料包括甲壳素、天然纤维素、淀粉等，利用来源丰富的天然高分子材料制造医用生物材料用品、生活用品、包装用品，不仅节省了资源，降低了成本，又减轻了环保的负担，更有利于人类自身的健康。如甲壳素广泛存在于低等动物，特别是虾、蟹和昆虫等节肢动物贝壳中，它的结构与纤维素类似。甲壳素可根据需要制成不同的产品：如医用敷料，甲壳素具有良好的组织相溶性，可灭菌、促进伤口愈合、吸收伤口渗出物且不脱水收缩；因为其基本为中性，能
新型功能材料简介 1.超导体的概念:超导材料是一种没有电阻的材料，既能节约能量，减少电能因电阻而消耗的能量，还能把电流储存起来，供急需时使用。 2.三个临界条件 :临界温度（Tc ）、临界电流（Ic ）和临界磁场（Hc ）是“约束”超导现象的三大临界条件,三者具有明显的相关性，只有当超导体同时处于三个临界条件以内，才具有超导电性。 临界温度是在外部磁场、电流、应力和辐射等条件维持足够低时，电阻突然变为零时的温度;超导电性可以被外加磁场所破坏，对于温度为T(T ＜Tc)的超导体，当外磁场超过某一数值Hc(T)的时候，超导电性就被破坏了，使它由超导态转变为常导态, 电阻重新恢复。在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流也会破坏超导电性，导致破坏超导电性所需要的最小极限电流，也就是超导态允许流动的最大电流，称作临界电流Ic(T)。 迈斯纳效应(指超导体处于外界磁场中，磁力线无法穿透，超导体内的磁通量为零)和零电阻性质是超导态的两个独立的基本属性，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否同时具有零电阻和迈斯纳效应。 3.伦敦第一方程: 式中，m 是电子质量，Js 为超流电流密度，n s 是超导电子密度 由上式可见：在稳态下，超导体中的电流为常值时， ，则E ＝0。 即，在稳态下，超导体内的电场强度等于零，因此，它说明了超导体的零电阻性质。 4.功能玻璃:功能玻璃是指与传统玻璃结构不同的、有某一方面独特性能的、有专门用途的、或者制造工艺有明显差别的一些新品种“玻璃”。生物玻璃是指能够满足或达到特定生物、生理功能的特种玻璃,主要是由Si 、Na 、Ca 以及P 的氧化物组成。 5.微晶玻璃是指通过玻璃热处理来控制晶体的生长发育而获得的一种多晶材料。它既有玻璃的基本性能，也有陶瓷多晶体的特征。微晶玻璃的微晶化包括以下几个过程：(1)玻璃结构发生微调；(2)晶核的形成；(3)基本晶相的形成及生长； (4)介稳相转变为稳定晶相及残余玻璃。 微晶玻璃结晶过程中的核化与晶化多数属于非均相核化的类型。其基本原理是：加入玻璃配合料中的成核剂，在熔制过程中，均匀地溶解于玻璃熔融体中。当玻璃处在析晶温度区时，成核剂能降低晶核生成所需要克服的势垒，从而核化可以在较低的温度下进行. 6. 光色玻璃:我们把出现可逆的或不可逆的显色、消色现象的物质称为光致变色材料。光色玻璃就是其中的一类光致变色材料。当受紫外线或日光照射时，由于玻璃在可见光区产生光吸收而自动变色；当光照停止时，玻璃能可逆地自动恢复到初始的透明状态。具有这种性质的玻璃称为光致变色玻璃(也称光色玻璃)。 7.陶瓷在人类生活和社会建设中是不可缺少的材料，它和金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料。结构陶瓷是指具有力学和机械性能及部分热学和化学功能的先进陶瓷(现代陶瓷)，功能陶瓷是指那些利用电、磁、声、光、热、力等直接效应及其耦合效应所提供的一种或多种性质来实现某种使用功能的先进陶瓷(现代陶瓷)。根据功能陶瓷对外场条件的敏感效应，则可制备热敏、气敏、湿敏、压敏、磁敏和光敏等敏感陶瓷。 8.陶瓷三大原料:长石,黏土,石英. E m e n J t s s 2=??0=??s J t
Xag0001 新型金属注射成形催化脱脂型粘结剂的催化快速分解研究 。 AXag0002 金属零件激光快速成型技术研究 详细介绍了金属零件激光快速成型的原理，技术特点、系统组成及国外最新研究成果。我们建成了金属零件激光快速成型的专用系统，研究了663锡青铜及316L 不锈钢的激光快速成型工艺及零件的组织性能，成功制备出具有一定复杂外形的零件，所制零件组织致密，力学性能与铸造及锻造退火态相当，显示出广阔的发展前景。 AXag0003 新型生物医用金属材料的研究和进展 目前用于临床的生物医用材料主要包括生物医用金属材料、生物医用有机材料（主要指有机高分子材料）、生物医用无机非金属材料（主要指生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料）以及生物医用复合材料等。 与生物陶瓷及生物高分子材料相比，生物医用金属材料，如不锈钢、钴基合金、钛和钛合金以及贵金属等具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它医用材料不可替代的优良性能。生物医用金属材料在应用中面临的主要问题，是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散以及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者可能导致植入失效。因此研究和开发性能更优、生物相容性更好的新型生物医用金属材料依然是材料工作者和医务工作者共同关心的课题。 AXag0004 电磁场作用下的金属凝固与成形 综述了电磁场在金属凝固成形过程中的主要应用及其基本原理，指出了应用计算数值模拟方法求解材料电磁加工问题重要性及其今后的发展方向。 对金属的凝固成形过程进行控制是获得高性能优质铸件的关键。对凝固过程进行控制，一方面是要获得晶粒细小、组织致密、性能优良的产品；另一方面是综合利用各种手段开发新的凝固成形工艺，改进金属的熔炼、凝固、成形过程，以满足不同情况下的特殊要求。 AXag0005 自蔓延离子法研究 在分析离心法、自蔓延高温合成技术的发展和优缺点的基础上，对自蔓延离心法在铸管业中的发展和应用进行了分析和论述。 离心铸造法具有设备简单，生产效率高，可指生产，能制备高致密度、高稳定性材料等特点。多年来一直为人们所采用，在生产过程中，由于合金元素密度不同，铸件易产生偏析现象，力学性能因此发生明显变化。洛和三雄研究含 1.5％Cu 的铸钢发现，离心力使Cu偏析增加0.15％，力学性能比普通铸造提高15％。铃木章等也发现，离心铸造的铝青铜组织中铜产生1％偏析的同时，力学性能也发生明显变化。竹内宏昌等进下研究含4.5％Cu的铝合金离民铸造组织，发现沿铸件内外径方向产生宏观偏析，且力学性能与普通铸件相比有了明显变化。显然，单一的离心铸造管很难满足冶金、化工和矿山的各种需要。 随着自蔓延高温合成技术（Self-propagating High-tem-perature Synthesis,简称SHS，美、日又称燃烧合成，Com-bustion Synthesis,简称CS）的出现，在离心法的基础上，逐步发展成SHS-离心法，或称铝热-离心法铸造工艺。自蔓延离心法是制备复合的一种新方法，与传统的轧制复合、烧结复合、爆炸复合相比，具有简单、节能的特点；成本仅为传统方法的1/3。SHS---离心法根据需要可进
高分子与环境保护 ● 人类与环境的关系 （1）环境与人类生存休戚相关，唇齿相依 自然环境：指环绕人群空间，可以直接或间接影响人类生活、生产的一切自然形成的物质和能量的总体。主要有空气、土壤、水、动植物、岩石、矿物、太阳能等，是人类赖以生存的物质基础。其空间范围覆盖距地表高度不到23km 和海洋深度不到12km 的生物圈，其中地表上下100m 左右范围空间是生物最集中和活跃的地方。 Q ：什么是自然环境？（5分） 社会环境：由经济、政治、文化等要素组成，一方面是人类精神文明和物质文明发展的标志，另一方面又随人类文明演进而不断得以丰富和发展。 （2）人类是环境的产物，同时又是环境的改造者和影响者，因认识和科技水平限制，易对环境造成污染和破坏。 ● 三大问题：人口膨胀、资源短缺、环境恶化 ● 环境污染的种类有：水体（water ）、大气（air ）、土壤（soil ）、生物（biological ）、放射性（radioactive ）、噪音（noise ）、微波（microwave ），其中长江的污染与前三者有关。 Q ：填空（五个空） ● 固体废弃物是环境污染的重要来源 （1）工业废弃物（废渣、粉尘、污染等） （2）矿业废弃物（废石、尾矿石） （3）城市垃圾（生活垃圾等） （4）农畜物业废弃物 （5）放射性废弃物 Q ：为什么说固体废弃物是环境污染的重要来源？固体废弃物有哪些？ ● 1972年召开了“世界人类环境会议”（瑞典，被誉为环境史上的里程碑） 1992年召开首届“世界与环境发展大会”（巴西，100多个国家元首和政府首脑出席） Q ：填空 ● 世界环境日（6.5）是联合国大会于1972年确定，它是为了纪念斯德哥尔摩人类环境会 议的召开，同时也标志着联合国环境规划署的成立。 中国在1985.6.5首次举办世界环境日活动，主题是“青年、人口、环境” 1993年北京被选为举办庆祝活动的城市，主题是“打破贫穷与环境的恶性循环” 高分子材料也称为聚合物材料，是以高分子化合物（高聚物）为基体，再配有其他添加剂（助剂）所构成的材料。 高聚物是由千万个小分子化合物通过化学聚合反应，联合而成的大分子化合物。 聚合物材料优点：可加工、可再生利用性、韧性好 缺点：若用于高性能场合，其强度、硬度、耐高 温性能不足 ● 人类生存的环境离不开高分子材料 （1）高分子材料的自身特点：原料多、易于生产、性能优良、质轻、加工方便、产品美观、有毒、易燃、腐蚀、反应、传统、放射，是环境污染的
一种“晶莹剔透、性能优异”的新型透明陶瓷材料生产的产品上月底在河南洛阳研制成功。新型透明陶瓷材料的研制和成功应用，使我国在透明陶瓷材料领域大大缩短了与国外先进水平的差距，填补了我国特种材料领域的空 新型透明陶瓷材料研发成功填补我国空白 １１月１４日，由联合国开发计划署、联合国工业发展组织等国际组织与中国国际跨国公司研究会联合主办的中外跨国公司ＣＥＯ圆桌会议在北京召开，来自山东淄博的统一防静电陶瓷在大会展出，这一曾经为神舟七号发射成功做出重要贡献的高新科技陶瓷一经亮相，立即在北京媒体界引发轰动效应，受到各大报社新闻记者关注。防静电陶瓷技术缔造者袁国梁先生一入场即被众多媒体记者“团团包围”，袁国梁先生在会展上向国内外专家、媒体记者、参会观众展示并详细讲解了这一高新科技防静电瓷砖，在采访中，袁国梁先生表示防静电瓷砖有望在未来几年内进入普通家庭，为百姓造福。 防静电陶瓷是一种高新科技陶瓷，具有永久、稳定的防静电性能，耐磨，耐腐蚀，耐高温达１２００摄氏度导电性不变、防渗透。多年来，防静电陶瓷一直是欧美发达国家科学家的研究重点。经过山东淄博统一陶瓷集团两年多的潜心研究，２００７年，这一世界性技术难题在我国取得突破性进展。经过我国自主研发成功的防静电瓷砖一经问世，就以其高标准的综合性功能引发陶瓷科技界的轰动，并迅速取代了传统ＰＶＣ等其他材料防静电地板，进入神舟七号载人航天飞船控制装配中心，为我国航天航空事业做出了重要贡献，防静电陶瓷因此被誉为“太空”陶瓷。目前，该陶瓷广泛应用于高精尖技术研发场所，并逐渐由航天航空、国防军事等行业向高新电子行业、医疗医药行业、石油化工行业以及普通的科技办公大楼和高端写字楼扩散，应用范围不断扩大，引起了国内外一些高端地产企业和高新科技企业家们的关注。 不久前，中国电子仪器行业协会防静电装备分会的孙延林秘书长曾撰文指出，随着工业发展和人们生活的不断提高，静电对人们的不良影响和危害日益显著。静电在工业方面，尤其是计算机、通信、集成电路等高精尖技术行 神七防静电陶瓷亮相北京 业，经常引发种种生产事故，在美国机场电路大规模发展的初期，每年因静电造成电子工业直接经济损失达一百多亿美元，在人们日常生活中，静电也会产生诸多不良影响甚至危害，比如，医院重症监护室和安装心电起搏器的病人必须要注意到防静电，国外曾经发生过多起因静电放电引发心电起搏器误动作使心脏病人丧生的实例；在医院、医药生产车间、家居环境产生静电时，会大量吸附空气尘埃，使医院，家居环境的墙壁、办公用具很快变脏，环境空气质量变坏，洁净度降低，在医药生产车间洁净度降低的时，药品合格率就会大幅降低；据统计，家用微电子产品和高端精密家电使用中出现故障总数的６５％以上是静电放电和静电感应引起的。 当代全球经济化的高科技活动和商务活动以及家庭活动时时刻刻体现在现代通讯、微电子技术、信息技术，使电磁波充斥了地球空间，人造化学品（绝缘材料）遍布我们的衣食住行，这种环境使人体与大地逐渐隔离，使现代都市人非常容易产生和积累过多的静电，破坏了人体的电能平衡和生理平衡，对健康造成了危害。静电在家居环境、家用电器方面产生的问题以及对人体的危害和影响在西方很早就受到注意，西方国家也纷纷开发出种种防静电产品，在我国，由于种种客观因素制约，只有高新科研场所采取了严密的防静电措施，防静电类产品并未真正走入寻常百姓的家庭之中。 受邀参加中外跨国公司ＣＥＯ圆桌会议并作主题演讲的统一陶瓷董事长袁国梁先生在采访中告诉记者，目前这一新兴陶瓷产品还主要应用在高新科研场所、电讯大楼以及其他一些对防静电要求较高的场所和高档住宅区，但随着“绿色、健康、环保”观念的一步步深入，我国地产界也在提倡“生态家居”、“绿色家居”，无毒无污染的绿色健康住房和家居健康越来越成为购房者和媒体界关注的焦点问题，人们对静电放电对家居环境和人体产生的危害认识的不断加深，防静电陶瓷也在逐渐走向大众，不久的将来，防静电地板瓷砖这一高新科技产品将会走入寻常百姓 家庭，为广大百姓服务。 87 信息集锦
深圳大学课程教学大纲 课程编号: 23209928 课程名称: 环境材料 开课院系: 材料学院 制订(修订)人: 杨海朋 审核人: 批准人： 2007年 7月18日制(修)订
课程名称: 环境材料 英文名称: Ecological Materials 总学时: 36 其中:实验课 0 学时 学分: 2 先修课程: 无 教材:《环境材料》，孙胜龙主编，化学工业出版社2002年 参考教材:《环境材料学》，翁端主编，清华大学出版社2001年 授课对象：材料科学与工程 课程性质: 专业选修 教学目标: 全面介绍各类环境材料，使学生系统地掌握材料在开发、应用、制备、加工、再生等过程中对环境造成的各种影响，在此基础上了解环境材料在不同领域中的应用情况。学生在完成本课程学习后，应能够： 1. 了解各类材料在整个生命周期内对环境可能造成的危害； 2. 积极主动地使用环境材料，自觉地去研究和开发环境材料。课程简介: 环境材料科学是20世纪末发展起来的一门新兴学科，它是环境科学与材料科学相互渗透、相互结合的交叉学科。本课程系统地介绍了当前不同领域中形成的不同环境材料，包括绿色包装材料、环境降解材料、绿色建筑材料、环境净化材料、环境替代材料、微生物环境材料、废弃物利用、能源及新能源材料、自然岩石（矿物）材料、仿
生保健材料、纳米材料和环境修复材料等。学习本课程重点在于深入理解环境材料这一概念的内涵，系统地了解材料在开发、应用、制备、加工、再生等过程中对环境造成了哪些方面的影响，在此基础上了解环境材料在不同领域中的应用情况。本课程在教学上注重结合生活中的各种环境问题，如水污染，装修污染等，来介绍解决相关问题的各种环境材料。 教学内容： 1.环境材料概论 环境材料概念的建立过程；环境材料研究的内容；研究环境材料的意义；环境材料的研究历史；研究环境材料应注意的几个问题 2.环境材料评价方法 环境材料的判别依据；生命周期评价方法；生命周期评价方法运用实例；生命周期评价方法的局限性； 3.绿色包装材料 包装与环境的相互关系；绿色包装材料的类型；绿色包装材料的发展方向；绿色包装材料开发与设计原则；包装材料的法规与政策； 4.环境降解材料—降解塑料 普通塑料的环境负荷；降解塑料的主要类型及其制备；塑料降解机理；降解塑料在生产和生活中的应用；当前降解塑料存在问题与今后的发展趋势； 5. 绿色建筑材料 常见的传统建材及其环境危害；绿色涂料的类型；新型生态建筑
1-1 用自己的理解给出环境材料的定义环境材料是指那些具有满意的使用性能和可接受的经济性能，并在其制备、使用及废弃过程中对资源和能源消耗少，对环境影响小且再生利用率高的一类材料。 1-3 你认为哪些材料可以属于环境材料？试从你身边找出一些环境材料的例子。 冰箱内的全无氟制冷剂、可降解塑料、可食用包装袋、无溶剂涂料、生态水泥、环保建材、降解树脂、环境工程材料、天然资源环境材料、电磁波防护类材料、电子功能材料领域的毒害元素替代材料 2-2 使用物质不灭和能量守恒的理论来说明材料与资源、环境的关系。 众所周知，材料的生产往往要消耗大量的资源。当生产效率一定时，除有效产品外，大量的废弃物被排放到环境中去，造成了环境的污染。因此对材料的生产和使用而言，资源消耗是源头，环境污染是末尾。也就是说，材料的生产和使用与资源和环境有密不可分的关系。 2-4 图2-1是一个典型的开环工业生产链，从环保的角度看，若能实现闭环的工业生产链，可明显减少废弃物排放。请选择一个你感兴趣的产品设计一个闭环生产流程。可回收PET：合成PET→PET瓶子→压成团或粉碎成片→毛衣 4-4 选择一个你所熟悉的材料产品或过程，用物质流方法进行资源效率分析，并就如何提高资源效率提出具体的技术措施。 钢铁的资源效率高达10.4%，就是生产1t纯金属材料所消耗的原材料将近12t。具体技术措施：1）由外界向高炉-转炉流程内某中间工序输入废钢，可提高流程铁资源效率；2）由外界向高炉-转炉流程内某中间工序输入铁矿石等自然铁资源，可提高该流程铁资源效率。3）通过提高电炉钢比，提高铁资源效率。 5-1 根据你对可持续发展的理解，考虑如何实现（1）金属材料，（2）高分子材料，（3）无机非金属材料（选一种）的可持续发展，并提出几项可具体实施的技术措施。金属材料：利用微生物冶金；代替含稀缺合金元素的新型合金材料和不含毒害元素的材料，以及废弃物无害资源化转化技术；少合金化与通用合金，形成绿色/生态材料体系，有利于材料的回收与再生利用。高分子材料：1）建立必要的法规，加强全民的环保意识；2）回收塑料，变废为宝：燃烧废旧塑料利用热能，热分解提取化工原料和改进操作技术、设备3）发展环境友好高分子：可降解塑料的开发和合成，采用生物发酵的方法合成的生物高分子。 5-5 需要开发一种新材料，你将如何考虑这种新材料的环境性能？ ①先进性：能为人类开拓更广阔的活动范围和环境，发挥其优异性能。在发展新材料、新技术体系时，既要考虑到技术环境负担的大小，材料本身对环境的污染程度，又要顾及材料使用时的传统性能（材料的先进性），在要求优异的使用性能这一点上，新材料与传统材料是相同的。②环境协调性（优先争取的目标）：使人类的活动范围同外部环境协调，减轻地球环境的负担，使枯竭性资源完全循环利用。在材料的生产环节中资源和能源的消耗少，工艺流程中采用减少温室效应气体的技术，废弃后易于再生循环。材料及技术本身要具备环境协调性，这是区别于传统材料观念而增加的概念。③舒适性：使活动范围中的人类生活环境更加繁荣、舒适，人们很乐于接受和使用。关于环境材料的先进性、舒适性，不同人有不同理解，在实践中难以判断与把握，它只是一个定性的标准。因此认为环境材料的特征可以具体改为功能性、经济性和环境协调性等。这有利于环境材料的评