纳米金属材料发展论文范文第1篇
随着工业需求的提高和应用场景的多样化，高强度、高塑性、高韧性成为金属材料发展的必然趋势。通常情况下，可以通过固溶强化、应变强化、第二相弥散强化等方法来提升金属材料的强度，这些方法的本质都是在金属材料中引入各种缺陷，通过阻碍位错运动来实现，但往往会导致塑性的降低。因此，如何在保证高强度、高韧性的前提下提高金属材料的塑性，成为金属材料研究的关键问题川。
细晶强化是一种能够在提高强度的同时改善塑性和韧性的方法，因此备受研究人员关注。而当单相或多相金属材料基体中的晶粒被细化至纳米级别（1～100nm），即称为“纳米晶金属材料”。纳米晶金属材料相对于传统的金属材料，在强度、硬度、韧性、超塑性等力学性能方面均有较大幅度的提升，其强化机理是当晶粒被细化至纳米级别后，晶界占材料的体积百分比非常大，材料整体的缺陷密度也会相应提高，从而阻碍位错运动。自20世纪80年代德国H.Gleite暾授课题组利用惰性气体凝聚原位加压法制备出块体纳米晶金属后，纳米材料的研究及制备技术引起了研究人员的普遍重视。经过30余年的发展，纳米金属粉体、金属纳米晶薄膜的制备和材料表面纳米化技术已经比较成熟，有部分制备技术已经实现产业化，而制备块体纳米晶金属材料的报道却相对较。
本文将对块体纳米晶金属材料的特性和制备方法进行介绍，继而结合文献计量法分析当前块体纳米晶金属材料的研究热点和发展态势，最后通过对公开资料整理以及专利分析，讨论当前块体纳米晶金属材料的应用。
1纳米晶金属材料的特性及制备方法
1.1纳米晶金属材料的特性
通过细化晶粒，能够同时提高金属材料的强度、塑性和韧性。但是随着材料加工（制备）技术的发展，晶粒尺寸被加工（制备）到更细的水平，许多实验数据表明，当晶粒被细化到亚微米、纳米尺度之后，以往“强度和塑性随晶粒尺寸减小而增强”的结论并不适用。对此，国内外研究者开展了大量的工作试图阐明其机理。
1.1.1强度
在通常情况下，金属材料的屈服强度和晶粒尺寸满足霍尔—佩奇关系（Hall Perch Relationship），即晶粒尺寸越小，金属材料的强度和硬度会越大。显然，晶粒细化至纳米尺寸，理论上金属材料的强度和硬度将会有显著的提高。然而越来越多的实验数据表明，当金属材料的晶粒尺寸小于某个临界值之后，强度與晶粒尺寸会呈反霍尔—佩奇关系（anti HallPerch Relationship），即强度随晶粒尺寸减小而降低（见图1）。研究表明这个临界尺寸大约是10～50nm（不同的金属材料临界尺寸略有不同）。研究人员对此现象进行了分析，发现当晶粒尺寸（或者说晶界体积百分数）到达I临界值时，纳米晶金属材料的塑性形变的主导机制就会从位错诱导变为晶界滑移。此外，由于晶界的体积百分数增大，界面能也随之增大，纳米晶金属材料的结构并不稳定，即使在室温下也可能会出现晶粒长大的现象，使其强度降低。
1.1.2塑性
在传统的粗晶金属材料领域，降低晶粒尺寸可以在提高强度的同时增强材料的塑性。然而研究人员发现当晶粒尺寸缩小至纳米尺度时，虽然金属材料的强度或许能够得到很大的提升，但是塑性却未必能够得到增强，甚至会下降，这种现象尤其体现在金属材料的均匀延伸率上。图2反映了块体纳米晶金属材料中强度和塑性的关系，可见，大多数纳米晶金属材料处于阴影区域的左边，表明大部分纳米晶金属材料表现出高强度、低塑性。而少数落在阴影区外的点为纳米晶铜，表明金属铜在晶粒被细化到纳米尺寸后仍能保持较高的强度和塑性。此外，晶粒的细化对金属材料塑性的影响还反映在加工硬化率变差上，加工硬化率差会使材料在拉伸测试中产生应力集中，过早出现局部变形，影响材料的成型。
1.2块体纳米晶金属材料制备方法
按照原材料和工艺路径的不同，块体纳米晶金属材料的制备方法可分为2大类。第一类是“两步法”，这种方法从微观层面入手，先制备出纳米级的颗粒，再经加压、烧结获得块体纳米晶金属材料。如机械合金法、粉末冶金法、惰性气体冷凝法等;而第二类则“一步法”又可以细分成2种，一种是通过特殊工艺对宏观的块状金属材料机进行处理，将其晶粒尺寸细化至纳米级，如非晶晶化法、大塑性形变法;另一种是通过快速凝固、电沉积、等离子烧结等方法直接制备出块体纳米晶金属材料。主要制备方法及优缺点如表1。
2基于文献计量的块体纳米晶金属材料研究态势分析
在科学网（Web of Science）中的科学引文索引扩展板（sCIExpand，SCIE）数据库对块体纳米金属材料相关论文进行检索，以了解该技术领域的研究现状及发展趋势。检索式：TS一[（nano grain OR\"nanograin”OR nanocrystal*）AND（alloy*OR metal*）AND（synthsi*OR prepat*）AND（bulk））NOTTI=oxid*;检索时间是2020年3月27日;检索时间范围为1990-2020年;数据库是sCIE;文献类型为全部类型，共检索到相关论文1137篇。
2.1块体纳米晶金属领域发文趋势分析
对1991-2019年间该领域年度发表的论文进行分析，结果如图3所示。可见从1994-2009年间，块体纳米晶金属材料领域的论文量总体呈上升趋势，而在2010-2019年间发文量有所回落。数据表明在1994-2009年间纳米晶金属材料研究的热度逐渐上升，在2010年之后年度发文量在60篇左右波动。这或许是由于领域的相关研究进入了一个瓶颈期，有待技术上革命性的突破。
2.2发文国家，地区分析
对相关论文通讯地址所在国家/地区进行分析，根据发文数量进行排序，结果如图4所示。中国、美国、德国、日本、印度等国家发文量排名前5，其中我国在纳米金属材料领域发文量遥遥领先，为第2名（美国）的4倍，可见我国在块体纳米晶金属材料领域具有较好的研究基础和技术储备。
2.3研究机构
对相关论文的发文通讯单位进行分析，根据发文数量进行排序，前10名如表2所示。国内主要以中国科学院、北京工业大学、燕山大学、兰州理工大学等高校及科研院所发文较多，其中以中国科学院为通讯机构的文章主要来自中科院金属研究所。国外印度理工学院、日本东北大学、德国德莱斯顿莱布尼兹固态与材料研究所等高校或科研院所发文较多。
2.4研究热点
对相关论文的关键词进行分析，整理出与制备方法、研究方向相关的关键词，如表3所示。可见机械合金法（Mechanical Alloying）、放电等离子烧结（Spark plasmasintering）、粉末冶金（PowdermetallurgY）等关键词的出现频次较多，表明研究人员多关注于“两步法”的块体纳米金属材料制备方法。其次，无定形（amorphous）、晶化（crystallization）、电化学沉积（electrodeposition）、金属玻璃（metallic glasses）等关键词频次也较高，表明非晶晶化法、电化学沉积法等“一步法”和纳米金属玻璃的制备也受到一定的关注。
3块体纳米晶金属材料应用现状及产业化前景
3.1块体纳米晶金属材料应用现状
在应用方面，块体纳米金属材料在实验中展现出比传统金属材料更好的力学性能和抗腐蚀性，理论上在生物医疗、航空航天、船舶、电子通讯、汽车、机械、核电等多个行业具有一定的应用潜力。但是根据网络调研，未见纳米金属材料大批量产业化应用的报道，少量的与应用相关报道来自于高校和科研院所的成果介绍。
兰州理工大学喇培清团队制备出了相对密度大于98%、平均晶粒尺寸小于20nm且在各个方向基本均匀，材料厚度大于10mm、直径约为90mm的纳米晶金属材料，并在某型号潜艇发动机密封环中得到了应用。
根据美国小企业技术转移创新研究计划（SBIR STTR）网站查询结果，共查询到86个相关项目信息，结果表明在2000-2015年问，美国已有较多块体纳米金属相关研究成果，并尝试投入实际生产。值得一提的是，相關项目涉及多种军事用途，如子弹弹头、个体装甲等。根据网站资料显示，项目基本于2015年前结题，并未查询到后续产业化信息。
日本早在2002年已着手组织大学和企业开发纳米金属材料，拟为航空航天、海洋开发及半导体元器件等高技术行业提供高强度、耐腐蚀、耐高温、导电性好的金属材料。对相关专利进行解读，日本纳米技术研究所在2003年通过机械合金法制备出品粒尺寸在30～80nm不等的多种纳米晶奥氏体钢。
3.2基于专利分析的块体纳米晶金属材料产业化前景分析
对块体纳米金属材料相关专利进行分析，从技术分布和成果转化的角度了解当前块体纳米晶金属材料的应用现状及前景。以检索式IPC=（C21OR C23OR C25OR C40ORC30OR C99OR B22） ANDTIAB=[（nano OR nano-grain ORnanocrystal*OR纳米晶OR纳米）AND（alloy*OR metal*OR金属）AND（synthsi*OR prepar*OR制备OR制造）AND（bulk OR块）NOT（氧化物OR oxid*）1在Incopat专利检索平台经行检索，共检索到专利472条，检索时间为2020年3月25日。
3.2.1专利技术来源及构成
对检索得到专利的申请人国别进行分析（见图5），大部分专利来自于中国，数量占总体的57%，其中我国专利的申请人类型主要为大专院校，其次是企业和科研单位。表明我国块体纳米金属材料的相关技术主要来自于高校或科研机构。
3.2.2专利技术转化情况
对472件专利的法律事件进行分析，其中71件专利发生转让，转让率为15%，领域专利转让率较高。进一步分析转让专利的受让人情况，结果如图6所示。可见有64件专利的受让人为企业，占64%;有25件专利的受让人为高校及科研院所，占24%;值得注意的是有11件专利的受让人为美国空军、美国海军等美国官方机构，表明部分专利可能用作军事用途。
4结语
块体纳米金属材料在实验中展现出比传统金属材料更好的力学性能和抗腐蚀性，能够适应更多的应用场景，理论上在航空航天、船舶、电子通讯、汽车、机械、核电、生物医疗等多个行业具有应用潜力，并具有军事用途，美国有用作子弹头、个体装甲等相关项目。
从论文发表情况来看，块体纳米晶金属材料受到了一定的关注，但是其研究可能进入了瓶颈期，有待突破。当前研究主要集中在“两步法”，其中机械合金法、放电等离子烧结、粉末冶金等方法研究较多。“一步法”中电化学沉积和非晶晶化法相对关注度较高。
我国块体纳米金属材料相关研究论文和专利的发表量遥遥领先，具有较好的研究基础和技术储备。但是国外纳米金属材料相关专利的转让率较高，且多数受让人为企业，也有军事部门。
目前仅有少数纳米金属材料试验性应用的报道，主要是一些体积较小的构件，并未出现大型构件采用块体纳米晶金属材料的相关报道。虽然美国、日本等在2l世纪初期已开展纳米金属材料的技术研究和应用项目，但后续没有产业化，这可能是由于纳米晶金属材料当前的制备技术还无法满足大批量工业生产的需求。
纳米金属材料发展论文范文第2篇
摘 要：锂离子电池在实际应用过程中，电极材料会因为锂离子的应用，出现电池失效现象。应用中空无机非金属纳米材料可实现锂离子电池电极空腔体积与壳层厚度的调整，以满足电极材料在充放电过程中的膨胀、收缩需求，提升锂离子电池使用性能，降低电池失效现象的产生。基于此，从中空无机非金属纳米材料相关概述出发，在文献资料梳理下，就锂离子电池的中空无机非金属纳米材料制作方法进行了简要分析，以供参考。
关键词：锂离子电池;中空无机非金属纳米材料;材料研究
引言：锂离子电池作为二次电池，兴起于上世紀九十年代，在不断发展过程中具备了大能量密度、充电快速、充电效率高、输出功率大、低环境污染、自放电小等特征，并被广泛应用于日常生产与生活中。在锂离子电池应用过程中，其性能的优化与作用的发挥与电极材料存在密切关联性。加强锂离子电池电极材料的研究已经成为人们关注的重点。鉴于此，本文主要对用于锂离子电池的中空无机非金属纳米材料如下分析，以期明确中空无机非金属纳米材料应用优势，探寻电极材料制备创新方法。
1中空无机非金属纳米材料
“中空无机非金属纳米材料”主要是指具备中空结构的无机非金属材料。而为无机非金属材料（inorganic nonmetallic materials）是除有机高分子材料、金属材料外，对其他材料的统称，主要以一些元素的氧化物、氮化物、硼化物、硅酸盐、磷酸盐、铝酸盐等构成，最早形成于上世纪四十年代，并在不断发展中得到进步与完善，成为当前生活与生产中应用较为广泛的材料之一[1]。而在无机非金属材料应用过程中，利用模板法能够制备具有纳米级三维中空体系的无积分金属材料，可有效提升无机非金属性能，使其在能量存储、能量转化、气体探测中得到广泛应用。以锂离子电池为例，应用中空无机非金属纳米材料制备电极可有效增大电极与电解液之间的接触面积，增强反应活性位点。与此同时，中空无机非金属纳米材料功能化壳层，能够有效适应锂离子电池充放电过程中颗粒的膨胀、收缩，降低电池失效现象的产生，以推动锂离子电池优化发展，为能源应用与节约提供创新发展路径。
而在锂离子电池中空无机非金属纳米材料制备过程中，传统模板法所制备材料多为球体结构，在实际应用过程中存在一定的限制。对此，如何在改变形貌的同时，有效控制高曲率与残余应力的影响，实现冗长壳沉积的去除，提升操作简便性，实现产品质量、经济、品质的协调发展成为人们关注的重点。对此，有必要对用于锂离子电池中空无机非金属纳米材料进行研究，在明确其应用价值的同时，创新实用性强、操作简便的中空无机非金属纳米材料制备方法。
2用于锂离子电池的中空无机非金属纳米材料制备方法
2.1中空无机非金属纳米材料制备之“柯肯达尔效应”
柯肯达尔效应（kirkendall effect）是现阶段中空无机非金属纳米材料制备的重要方法之一。它能够使两种或两种以上扩散速率不同的金属在一定条件下产生缺陷，从而使原本实心的颗粒成为具备中空结构的纳米材料。在用于锂离子电池的中空无机非金属纳米材料制备过程中，应用柯肯达尔效应具有显著的优势。一方面，在材料制备过程中无需利用模板，实现制备步骤的缩减，有利于节约电极材料制作成本，提升材料制备的可操作性，满足电极材料大规模生产需求;另一方面，柯肯达尔效应基于固态物质扩散现象，能够在不利用层状材料的情况下，实现二元及以上复杂结构材料的合成，简化材料制备条件[2]。例如，可根据Mn与Ni原子向外扩散与O原子向内扩散存在的速率差，进行具备中空结构0.3Li2MnO3·0.7Li Ni0.5Mn0.5O2锂离子电池负极材料的制作。该材料的应用可有效提升锂离子电池放电性能，实现室温条件下200mAh/g的放电电流密度，并在100次循环后仍具备201mAhg-1可逆比容。由锂离子电池工作原理可知，锂离子电池在充分放电过程中，锂离子会在正负电机之间进行嵌入和脱嵌。在此过程中，锂离子的嵌入和脱嵌性能与锂离子电池正负电机内部结构存在密切关联性。而
黑铁钒矿VOOH与次铁钒矿VO2由于具备高离子导电率、高能量密度等优势，应用于锂离子电池电极材料制备中，可有效提升锂离子电池性能，增强锂离子电池应用安全性。对此，可利用柯肯达尔效应进行锂电池电极材料制备，如利用L-半胱氨酸将V（IV）O（acac）2还原成V10O14（OH）2，并使其在水解作用下生成黑铁钒矿VOOH片状结构，使其附着在V10O14（OH）2表面，与V10O14（OH）2之间形成空隙，随着V10O14（OH）2的消失以及黑铁钒矿VOOH的部分氧化，将得到具有中空海胆状结构的次铁钒矿VO2纳米材料，用作于锂离子电池电极材料，实现与电解液接触面积的扩大，促进锂离子嵌入、脱嵌效率的提升。
2.2中空无机非金属纳米材料制备之“溶剂热法”
溶剂热法（solvothermal method）是基于水热法发生下形成的一种合成方法，主要以有机物或非水溶媒为溶剂，在一定条件下使混合物发生反应形成所需材料。在锂离子电池中的中空无机非金属纳米材料制备过程中，可应用溶剂热法进行实践。例如，Tang等学者在研究过程中，以水和乙醇混合溶液为介质，在溶剂热法作用下制备了具有中空结构的Li4Ti5O12并将其作为锂离子电池负极材料，实验表明，该材料的电化学性能相对较好，其电容量达到了114mAhg-1，在循环200次后，电容量仍可达到125mAhg-1。
3结论
总而言之，中空无机非金属纳米材料所具有的结构与功能可有有效提升锂离子电池电极材料与电解液接触面积，加快电解液扩散从而缩短锂离子迁移距离，降低锂离子电池充放电过程中锂离子嵌入与脱嵌的不利影响。对此，有必要认知中空无机非金属纳米材料制备方法，以提升材料应用性能，为锂离子电池优化发展奠定良好基础。
参考文献：
[1]高欣，裴广玲.静电纺丝法制备聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物锂离子电池隔膜及性能[J].化工新型材料，2018（12）：85-89+93.
[2]王杰，何欢，李龙林，王得丽.用于锂离子电池的中空无机非金属纳米材料的研究进展[J].中国科学：化学，2014，44（08）：1313-1324.
纳米金属材料发展论文范文第3篇
摘要：金属材料作为工业领域常见的材料，有着良好的韧性和塑性，凭借其自身的优势，在各个领域得到了很好的体现，并且发挥着重要的作用。基于此，本文主要对金属材料的种类和性能进行了阐述，同时对金属材料的运用分析，重点对热处理技术展开了深入研究。
关键词：金属材料;运用;热处理技术;性能
1金属材料的种类和性能
目前常用的金属材料往往有着很多种类，其中在工业领域常用的为多孔金属材料，纳米金属材料等。其中，金属材料往往有着诸多优势，不但有着较高的强度，而且塑性好、韧性好。例如多孔金属材料有着良好的渗透性，凭借其较高的优势在散热器与热交换器中得到了有效的运用，并且吸收性能相对较好良好。随着我国纳米技术的不断发展，在一定程度上促进了纳米金属材料的应用，并且其应用范围得到了扩展。尤其在物质尺寸进行纳米改造时，通过纳米技术进行改造后，使其化学性质、物理性质都发生了相应的改变。基于此，从整体性能的角度来分析，纳米金属材料的强度、抗疲劳性能较为优质，并且有着较为良好的应用效果。通常情况下，金属材料有着良好的耐久性，在金属材料的实际应用过程中，由于其自身的性质所决定，能够很好的抵抗腐蚀问题。对于部分质量较好的金属材料而言，当其遭受到腐蚀的情况下，其耐久性就会表现的较为明显。此外，金属材料的硬度主要体现在自身性能方面，当金属材料硬度越高的时候，其抗击性能就会越强。其中金属材料受到持续性应力作用后，往往会产生异常断裂的现象，这被归纳为基础材料的疲劳性，材料自身能力较强，就可以抵抗外界的压力，这称为金属的临界承受点。
2 金属材料的运用分析
2.1多孔金属应用
这种金属材料作为新型金属材料，往往有着诸多优点，其中较高的抗腐蚀性、抗高温、高渗透等。由于其诸多优势所驱使，使得多孔金属材料在诸多领域得到了有效的运用，具体主要体现在以下方面内容：（1）过滤和分离：多孔金属材料作为重要的材料，主要用于制造过滤设备所需，这主要得益于多孔金属高渗透特点，其孔能够捕捉固体粒子，并且可以对气液体进行很好的分离。通过多孔金属制造的过滤设备，可以对汽车尾气进行很好的过滤，更主要的是可以对污水进行处理，净化空气等作用。（2）电极材料：多孔金属材料作为新型材料，通过对这种材料进行合理应用，能够制作类似于空气电池、蓄电池等多种类型电池，并且这种材质相对较轻，能够很好的替代原有的材料，不但在一定程度上增加了密度，而且使得能量的消耗得以减少。（3）控制流体：通过多孔金属材料可以对火箭内的冷却液进行很好的控制，实现信号的延迟控制;（4）热交换：多孔金属材料在热交换和加热设备领域应用较为广泛，针对这些金属材料而言，其中的不同孔能够起到降温散热的作用，取得了较为显著性的应用成效。与此同时，汽车相关设备的制作还能够对泡沫钢进行很好的运用。
2.2 纳米金属应用
纳米金属作为组成材料，有着较高的力学性能，致使纳米金属材料在很多领域得到了很好的体现。对于部分质地硬的纳米复合金属而言，由于具备较强的防磨功能，使得该材料在设备制作、防护涂层方面得到了很好的应用，尤其在工业领域有着较为广阔的应用空间。此外，铝基纳米金属也是常见的金属材料，这种材料主要由a-A1粒子所组成，有着较长的使用周期，尤其对其进行深加工处理后，很多非晶态金属可以转化为晶体。柱状晶为电沉积纳米金属的主要组成形式，随着该金属内部直径的不断增长，可以利用放溶质能够保证其组成更加牢固，在多管材中的应用，往往有着良好的涂覆。
3 热处理技术分析
3.1金属材料的热处理
在生产金属材料的过程中，当前其与切削进行交流时，可以很好的优化产品的档次。如果进行切削材料的情况下，由于切削环境、切削设备、加工材料存在明显的差异，这就造成了金属材料发生不同程度的形变。对于事前热处理而言，其主要在产品工具的半成品制作方面得到很好的应用。在实际的加工过程中，不但可以祛除诸多不足，而且为热处理提供了基础保障，极大的保证了材料切削性能，对于抑制过度形变发挥着不可替代的作用。由此可见，金属材料的热处理具有重要的作用，应当给予热处理技术高度的重视，最大限度的发挥其作用。
3.2断裂韧性
断裂韧性是每种材料都具备的性质，并且这种性质有着较大的差异，每种金属材料都有着各自纹路型号，以及各种个数。从断裂韧性的角度来讲，其主要为受力基础上，能够很好的对裂缝纹路进行防控。同时，帮助金属材料塑造良好的韧性，最主要的为尽量控制金属晶体内部的位置错开，减少错位数量，以保证金属材料更加强硬。此外，还可以通过加强晶体硬度对错位进行防控，其主要的原理在于晶粒能够增加晶体界面面积，对于位置发生现象进行很好的控制，进而塑造良好的材料韧性。当温度处于下降的情况而产生形变时，进行热处理的时候，必须保证温度充足，以此来促进晶体的发生。在这个过程当中，如果缺少温度和应力的情况下，则难以保证材料减少错位数量，同时对于结晶也会产生较大的影响。由此可见，金属热处理与温度存在较大的关系。
3.3抗腐蚀裂缝
在应力与固定腐蚀条件影响下，金属材料往往会出现裂缝。其中剩余拉力为应力腐蚀出现的主要原因，往往会出现在拉力机的使用方面。经过热处理后，升温并冷却降温，使得金属材料组成结构与功能出现变化，讓零件中的应力渐渐减少到零。
结语：综上所述，金属材料有着诸多种类，有着优良的性能，并且凭借其自身的强大的优势，在诸多领域得到了广泛的运用。当金属材料经过热处理时，可以更好的优化金属材料的整体性能，使其应用效能得到全面提高，随着科学技术的不断发展，大大提高了热处理技术的水平，增加了热处理的科技含量，通过切削、抗腐蚀等手段对金属材料热处理，能够更好的提升金属材料的性能，最大限度发挥金属材料的作用，进而提高产品的整体质量。
参考文献：
[1]赵长珍.关于金属材料的运用和热处理技术分析[J].魅力中国，2013（31）：130.
[2]李雪松.金属材料热处理变形的影响因素及控制策略[J].建筑工程技术与设计 ，2018（25）：3761.
[3]赵力默，葛张学，潘佳奇.金属材料热处理节能技术应用进展[J].科技创新与应用 ，2016（35）：132.
纳米金属材料发展论文范文第4篇
摘要 为进一步提升密集烤房烘烤性能，分别以泡沫保温材料和纳米涂料对密集烤房装烟室进行处理，并以普通密集烤房为对照，对比分析各处理烤房烘烤性能和效果。结果表明，铺设泡沫保温材料和涂抹纳米涂料的烤房较普通密集烤房保温性有所提升，平面温差分别降低0.85和1.19 ℃；垂直温差分别降低0.68 和1.35 ℃；烘烤时长分别缩短13 和18 h；干烟烘烤降低成本0.44和0.57元/kg，烤后烟均价分别提升0.74、1.29元/kg；感官评吸质量略有提升。经保温处理的烤房在增质提效、节能省工方面均有提升作用，但纳米涂料烤房的烘烤性能和效果要优于泡沫保温材料烤房。
关键词 密集烤房：烟叶烘烤：泡沫保温材料；纳米涂料
Study on Efficiency of Bulk Curing Barn of Different Insulation Materials
LI Hao
（Xiangcheng Tobacco Company，Xuchang Municipal Tobacco Company，Xiangcheng，Henan 461700）
Key words Bulk curing barn；Tobacco fluecuring；Foam insulating material；Nanometer paint
隨着我国科技和经济的进步以及烤烟的规模化生产，密集烤房逐渐适应了我国烤烟生产可持续发展的新形势，代表当前烤烟设备的发展方向。从早期自然通风气流上升式烤房至当前采用的机械强制通风热循环烤房，烤房发展历程一直注重在热风循环系统以及加热系统方面的改进[1]。当前推广的密集烤房虽然在装烟量、烟叶烘烤质量、集约化程度方面体现出巨大优势，但由于密集烤房墙体建造材质大多选用导热性较强的红砖或空心砖[2-3]，烘烤过程中燃料提供的热量除用于烟叶脱水干燥，还可通过空气渗漏、墙体的传导、辐射等方式散失。研究表明，即使是一座封闭良好的全新烤房，其热能利用率也只能达到60%左右[4]。热能利用率较低会增加系统能耗，烘烤过程中热量供给不及时还会造成失水变色不协调，从而增加烤坏烟的发生概率，这些因素都在一定程度上降低了烟叶烘烤的经济效益。因此，提升烤房热能利用率，使烘烤过程中烟叶处于均匀温湿度场，对于降低烘烤成本、提升烟叶质量具有重要意义。
近年来针对提升烤房热能利用率的技术或材料已有很多研究，Danford[5]设计了一种新型密集型烟叶烘烤和干燥设备，该设备中的逆流余热回收换热器可从废气中回收热量，节省大量的能源。宋朝鹏等[4]将纳米涂料喷涂于密集烤房装烟室内壁，和未做处理的烤房进行对比，结果表明，纳米涂料处理的烤房用电量和耗煤量均有所降低；整体热效率提升10.75%，并有效缩短烘烤时长、增加烤后烟上中等比例，1 hm2烟田烟农增收29 643.75元。卢军等[6]在密集烤房中添加泡沫保温材料，结果表明，使用泡沫保温材料处理的烤房在缩短烘烤耗时、能耗以及提升烤后烟叶经济性状方面均表现出较大优势。以往研究均集中在材料的应用效果方面，不同保温处理之间的对比分析尚未见报道。笔者在密集烤房中分别铺设泡沫保温材料和涂抹纳米涂料，同时以普通密集烤房为对照，对比分析2种保温材料在烘烤性能和效果方面的差异，旨在为进一步提升密集烤房烘烤效果、增加烟农收益提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
试验于2016—2017年在河南省襄城县紫云镇开展，供试品种为中烟100，试验田土壤肥力中等，前茬作物为芝麻。田间管理按优质烤烟栽培生产技术规范进行，分别选取成熟度、颜色均匀一致的下部叶（5～6位叶）、中部叶（11～12位叶）、上部叶（15～16位叶）进行3次烘烤试验。
1.2 试验设计
于试验点密集烤房群中选择规格一致的气流上升式烤房3座（装烟室模式为2路3层设计，装烟室规格为8.0 m×2.7 m×3.5 m，烘烤能力1.33 hm2）。以三段式烘烤工艺[7]为基础，结合当地烟叶烘烤特性对烘烤过程中温湿度做适当调整。试验设3个处理：CK，普通密集烤房；T1，密集烤房装烟室铺设泡沫保温材料；T2，密集烤房装烟室内壁涂抹纳米涂料。
1.3 测定项目及方法
1.3.1 空载试验保温性能测试。
关闭3座烤房的装烟门，添加相同质量的燃煤，循环风机模式调至高速挡，同时点火，每2 h记录1次温湿度表盘显示的温度，直至烤房中温度趋于稳定时结束。
1.3.2 平面温差和垂直温差。
参照王建安等[8]的方法在烤房中每个层位悬挂9个温度计，共27个检测位点（图1），每2 h记录1次数据。
垂直温差△t垂=（|t1′-t1″|+…+|t9′-t9″|）/9 （1）
平面温差△t平n=（tmax′-tmin′） （2）
式中，t1′～ t9′为顶棚温度计读数，t1″～t9″为底棚与其相对应的各温度计读数，n（1，2，3）代表烤房棚次。
1.3.3 烘烤耗时及能耗统计。烘烤时长和能耗计算参照《烟叶烘烤原理》[9]进行统计。
1.3.4 经济性状。参照YC/T 291—2009进行烤后烟叶等级划分。
1.3.5 感官评吸质量。聘请河南农业大学烟草学院8位相关专家，参照国家标准YC/T 530—2015烤烟烟叶质量风格特色感官评价方法，按“九分制”评分标准对各处理的各部位烟叶进行打分。
1.4 数据处理 数据统计和作图用 SPSS 17.0和Microsoft Excel 2010软件。
2 结果与分析
2.1 空载升温效果
从图2可以看出，空载条件下各试验烤房温度变化均呈现相同的变化趋势。0～10 h为燃料燃烧供热阶段，烤房中温度在此阶段不断上升，但上升速率有所不同，T1、T2、CK 3个处理在此阶段平均升温速率分别为436、3.86、3.43 ℃/h。各处理烤房温度均在10 h左右达到最高值，其中表现为T1>T2>CK。由于燃料消耗完毕，烤房中温度和外界温度差值较大，因此在10～18 h存在快速掉温阶段，18 h之后烤房中温度经缓慢下降后趋于稳定状态，在掉温阶段各处理烤房温度均表现为T1>T2>CK的趋势。综合各处理烤房升温掉温情况，可以看出保温材料处理的烤房较普通烤房在升温速度以及保温性能方面均有提升，且以纳米涂料处理的烤房效果最高。
2.2 烘烤耗时
由图3可知，对照处理烘烤时长分别高出 T1和 T2 2个处理13和18 h，且差异达到显著水平（P<005），2个保温材料处理烤房烘烤时长为T1>T2，二者差异不显著。烘烤时间长短反映了烘烤劳动强度和能耗高低，如果以对照普通烤房用工强度设定为1，结合T1和T2 2个处理烘烤耗时，用工强度分别节省0.11和0.14个。因此，烤房装烟室中增设保温材料在一定程度上可以降低劳动强度和烘烤成本，且纳米涂料涂抹烤房在节省烘烤耗时方面的效果优于泡沫保温材料处理的烤房。
2.3 平面温差与垂直温差
从表1可以看出，对照普通烤房平均平面温差分别高出T1和T2 2个处理0.85和1.19 ℃，且CK处理和T1、T2处理差异均达到极显著水平，2个保温材料处理之间差异不显著；垂直温差较平面温差进一步增大，3个处理表现相同趋势，T1和T2处理分别较CK处理降低16.71%和33.17%，且各处理之间差异均达到极显著水平。可见，经保温材料处理的烤房装烟室的各个位点在烘烤過程中稳温性较普通烤房均有所提升，从而使烤房内各个位置烟叶所处的温湿度环境近似相同，促进烟叶失水和变色相协调，对提升烟叶的整体烘烤质量具有重要意义，纳米涂料较泡沫保温材料在减小烤房温差方面存在一定优势。
2.4 烘烤能耗
为消除装烟量对烘烤成本的影响，数据统计后计算出1 kg干烟叶产出所需燃料用量及耗电量。由表2可知，T1和T2处理在耗煤量和耗电量方面较对照均有所降低，其中T1和T2处理在燃料成本方面较CK处理分别减少了0.42、0.52元/kg，耗电成本方面较CK处理分别减少了0.02和0.05元/kg。综合烘烤成本包括煤炭使用成本和用电成本，T1和T2处理较CK处理降低幅度分别达到17.05%和22.09%。
2.5 烤后烟经济性状
烟叶质量的高低决定了烟叶烘烤的经济效益，和烟农的利益直接相关，同时也可以作为衡量烤房性能的关键指标之一。从表3统计的不同处理烤房烤后烟叶各等级可以看出，相对于 CK处理，T1和T2处理上等烟比例较对照处理提高的幅度分别为7.43%和1087%；下等烟比例降低幅度分别为10.92%和15.14%，虽然中等烟比例较对照有所降低，但由于上等烟、下等烟比例的差异最终使均价分别提高0.74和1.29元/kg。 可见，经保温处理的烤房可以在一定程度上提升上等烟比例，降低烤坏烟比例，且纳米涂料处理的烤房提升烟叶质量的效果高于泡沫保温材料烤房。
2.6 感官质量评价
从表4可以看出，各处理感官评吸质量的各项评价指标得分均比较接近，经保温材料处理的烤房在香气量和香气质2个指标得分方面较对照略有提升，和余金龙等[10]研究结果一致。此外可以看出，T1和T2 2个处理的C3F在燃烧性方面较对照有所提升，可能是由于烟叶部位特性[11]和感官评吸人员的主观性所致[12]。整体来看，T1和T2 2个处理在感官评吸质量方面得分较为接近，略好于对照。
3 结论与讨论
该试验结果表明，经保温材料处理的烤房在烘烤性能和效果方面均优于普通密集烤房。在装烟室内铺设泡沫保温材料較普通密集烤房烘烤成本降低0.44元/kg，缩短烘烤耗时13 h左右，烤后烟均价提升0.74元/kg。而装烟室内壁涂抹纳米材料较普通密集烤房烘烤成本可降低0.57元/kg，缩短烘烤耗时18 h左右，烤后烟均价提升1.29元/kg。均表现出明显的提质增效、省工降本作用。纳米涂料在保温性能、缩短烘烤耗时、节省烘烤能耗、增加烤后烟经济性状方面均优于泡沫保温材料，平面温差不同保温处理之间差异不显著，垂直温差差异达到极显著水平，但保温材料处理对于烤后烟感官评吸质量提升效果并不明显。
纳米涂料在降低烤房温差方面表现出的明显优势主要是由于纳米涂料自身电磁学性能、光学性能、流体学性能所致[13]。特别是纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象[14]，热能通过漫射的方式在烤房中各个位置自由流动。而现有泡沫保温材料大多通过泡沫的密闭性达到物理保温效果[15]，最终导致泡沫保温材料和纳米涂料在促进烤房中温度均衡性方面出现较大差异。综合来看，密集烤房经保温处理后在烟叶烘烤的省工、降本、提质、增效方面均有一定程度的提升作用，但材料本身的挥发性对烟叶品质以及安全性的影响仍需进一探究。
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纳米金属材料发展论文范文第5篇
1 SAICM 形成历程
2002年9月，南非约翰内斯堡举行的可持续发展世界首脑会议（WSSD）上，通过了为实现《21世纪议程》可持续发展目标而督促世界各国进行统一和实际行动的《执行计划》。根据该《执行计划》的授权，自2003年开始，联合国环境规划署（United Nations Environment Programme，UNEP）着手启动国家化学品管理战略（strategic approach to international chemicals management，SAICM）文本的拟定工作。此后，于2003年11月至2005年11月期间，UNEP组织召开了3次筹备会议和1次主席团扩大会议，就制定该战略方针的范围、目标、资金机制、指导原则等进行了多次磋商 。经国际社会的共同努力，2006年2月，在阿联酋迪拜召开的第一届国际化学品管理大会暨UNEP第9次特别会议和全球部长会议上正式通过了SAICM文本，包括《关于国际化学品管理的迪拜宣言》、《总体政策战略》和《全球行动计划》3部分。
为实现WSSD的2020年目标，SAICM提出了包括风险减少、知识与资讯、政策管理、能力建设和技术援助、非法国际贩运等几方面的总体政策战略以及237项行动计划。但由于各国化学品管理水平的差异，各方对SAICM的态度存在一定分歧，SAICM最终被定位为自愿性的。虽然被定位为自愿性的，但是SAICM的达成意味着化学品环境安全管理步入全球化时代，必将会对各国特别是包括中国在内的发展中国家的化学品生产、使用及安全管理产生重要影响。
2 SAICM 实施国际进展
2.1 定期召开国际化学品管理大会，对SAICM 进展进行评估审查
国际化学品管理大会（international conference of chemicals management，ICCM）作为SAICM的执行机构，负责定期对各国、各区域SAICM的实施进展进行审查。截至目前，已分别于2006、2009、2012年召开了3届国际化学品管理大会。
2006年2月4-6 日，ICCM 1在阿联酋迪拜举行。会议对SAICM总体政策战略进行了全面讨论，重点就SAICM的范围、资金安排、原则方法和实施进行了深入磋商，最终通过了《关于国际化学品管理的迪拜宣言》、《总体政策战略》和《全球行动计划》（global plan of action，GPA）。
2009年5月11-15日，ICCM 2在瑞士日内瓦举行。会议审议确定了风险减少、知识与资讯、政策管理、能力建设和技术援助、非法国际贩运这五大目标项下，用于评估SAICM实施进展的20项指标。会议将含铅涂料、产品中的化学品、电子产品全生命周期内的危险物质、纳米技术和人工纳米材料等作为新的和正在出现的政策性议题，同意对全氟化学品（perfluorinated chemicals，PFCs）管理及安全替代物进行研究。同时，确定了审议新出现政策性议题的程序以及将新活动加入GPA的增补程序。此外，ICCM 2还确定成立不限名额工作组会（open—ended working group，OEWG）作为大会的附属机构，承担新出现政策问题的讨论、筹备大会等闭会期间的一系列工作。
2011年11月l5-18日，不限成员名额工作组第一次会议（OEWG 1）在塞尔维亚贝尔格莱德Sava Center会议中心举行。本次会议作为ICCM 3召开前的一次技术预备会，重点讨论了ICCM 2上提出的5个新的和正在出现的政策性议题在闭会期间所做的工作，分别形成了议题草案，此外还包括卫生部门战略、筹备ICCM 3和联合国可持续发展会议等事项，会议成果提交ICCM 3大会审议。
2012年9月17-21日，ICCM 3在肯尼亚内罗毕举行。会议依据ICCM 2确定的审议新出现的政策性议题的程序，审议了OEWG 1提交的关于含铅涂料、产品中的化学品、电子产品全生命周期内的危险物质、纳米技术和人工纳米材料、PFCs管理及安全替代物等议题草案，并确定将干扰内分泌化学品（endocrine disrupting chemicals，EDC）问题作为一项新的正在出现的政策性议题，邀请有关各方进一步开展相关工作。此外，会议还审议了关于加强卫生部门战略的案文。
2.2 设立快速启动方案，支持各国实施SAICM活动
为支持帮助发展中国家、最不发达国家、小岛屿发展中国家和经济转型国家开展SAICM实施的初期能力建设，2006年，ICCM 1通过并设立“快速启动方案”（quick start programme，QSP）。该方案下包括1项自愿且附有时限的信托基金，邀请各国政府、各区域经济一体化组织、各政府间组织和非政府组织向该自愿信托基金捐款，以支持SAICM的实施活动。截至目前，QSP信托基金执行委员会已批准执行了147个项目，资金总额约为31 243美元，涉及104个国家和地区及l6个民间社会组织，其中包括54个最不发达国家和/或小岛屿发展中国家。
在QSP项目的支持下，一些发展中国家及最不发达国家和/或小岛屿发展中国家编制了自己国家的化学品管理国家档案，全面评估了本国化学品管理的能力，为下一步建立健全化学品安全管理提供了基础。
鉴于ICCM 1确定的QSP时限是2012年底，但为确保正在执行的QSP项目能继续获得供资，方便为发展中国家执行SAICM提供长期、稳定、充足的资金援助，ICCM 3就是否延长QSP期限问题进行了磋商和讨论，最终各方同意按照QSP的现有授权，在QSP资助范围不变的前提下，将QSP的时限延长至2015年。
2.3 化学品管理逐渐成为热点，新的化学品问题不断出现
随着贸易的全球化，化学品引发的环境污染问题也日趋严重，化学品环境安全问题已经成为全球普遍关注的热点问题之一。为力争在2020年前，将化学品的生产、使用方式对人类健康和环境产生重大的影响降到最低，最大程度地保护人类和环境，在SAICM框架下一些国家和非政府组织陆续提出了新的或正在出现的化学品问题，经过ICCM 2、ICCM3会议的磋商和讨论，并根据ICCM 2第Ⅱ/4号决议所载的“审议新出现的政策性议题的程序”，最终将含铅涂料、产品中的化学品、电子产品全生命周期内的危险物质、纳米技术和人工纳米材料、EDC等问题作为新的正在出现的政策性问题，同意继续开展有关PFCs管理及安全替代物的研究，邀请国际社会和有关组织继续在这些领域内开展项目研究，加强国际合作，提高意识。
关于含铅涂料问题，项目的实施者——消除含铅涂料全球联盟倡议设立国际铅中毒预防行动日，鼓励各利益相关方参与消除含铅涂料全球联盟的活动，并逐步在全球范围内消除含铅涂料的使用。
关于产品中的化学品问题，UNEP将儿童产品/玩具、电子产品、服装、建筑材料作为案例，开展产品中的化学品信息交换研究，并通过开展国际合作行动，推动建立和扩大产品整个生命周期过程中的化学品信息交流。
关于电气及电子产品全生命周期内的危险物质问题，在避免与巴塞尔公约下已开展活动重复的前提下，在GPA中开辟一个新领域，将电子产品环保设计、无害环境制造、电子废物的无害环境管理和提高认识等具体活动列入其中。
关于纳米技术和人工纳米材料问题，建议在GPA中开辟一个包含纳米技术和人工纳米材料的新领域，拟将在利益攸关方之间促进纳米技术和纳米材料方面的信息交流、风险评估、开展相关培训活动和公众对话等具体活动列入GPA。
关于PFCs管理问题，UNEP通过成立自愿性的全球全氟化学品小组，在全球范围内开展PFCs调查，有关替代物质和技术信息的收集和交换，涉及成员包括欧盟、美国、瑞士等20余个国家和地区。
关于EDC问题，SAICM秘书处邀请各利益攸关方参与现有活动，就EDC开展国际合作行动，包括提供最新信息和科学建议、促进信息交流和宣传、提高各国尤其是发展中国家和经济转型国家EDC评估能力，以及开展案例研究和提供咨询等，以实现提高政策制定者及其他利益攸关方对EDC认识和理解的总体目标。
3 国内SAICM 实施进展
SAICM作为健全化学品管理积极有效的工具，为推进发展中国家和经济转型国家提高化学品管理意识、加强化学品能力建设、提高化学品安全管理水平发挥了积极作用。我国是化学品生产、使用大国，一贯重视化学品管理，在提升化学品管理意识、加强化学品能力建设、建立健全化学品管理体系、开展基础研究等方面开展了许多工作。
3.1 修订国内化学品管理法规，逐步完善化学品管理体系
为促进SAICM的国内实施，借鉴国际先进的化学品管理理念，建立健全化学品管理制度，近年来，我国修订并发布多个化学品管理法律法规，包括《危险化学品安全管理条例》、《中华人民共和国监控化学品管理条例》、《消耗臭氧层物质管理条例》、《农药管理条例》等。环境保护、工业和信息化、卫生、安全监管等部门也在各自主管领域内发布了多个专项化学品管理法规或政策文件，如《危险化学品环境管理登记办法（试行）》、《新化学物质环境管理办法》、《危险化学品登记管理办法》、《危险化学品生产企业安全生产许可证实施办法》、《危险化学品经营许可证管理办法》、《农药管理条例实施办法》、《危险化学品“十二五”发展布局规划》、《危险化学品安全生产“十二五”规划》、《化学品环境风险防控“十二五”规划》等法规和规划。此外，各个化学品管理部门通过各种渠道开展化学品安全管理的宣传，加强对企业的引导，增强企业责任关怀意识，逐步提升企业的安全环保水平。
3.2 加强基础研究和管理能力，应对新出现的政策性问题
为应对新出现的政策性问题，我国相关部门和机构也开展了一些前期的、基础性研究工作，主要体现在以下方面。
在含铅涂料方面，已将“逐步减少含铅油漆、涂料、焊料的生产和使用”写入《重金属污染综合防治“十二五”规划》，把一氧化铅、四氧化三铅、醋酸铅、碱式碳酸铅、硬脂酸铅、环烷酸铅、异辛酸铅、辛酸铅、松香铅皂、铅铬黄和钼铬红颜料等含铅原料列入了《“高污染、高环境风险”产品目录》。鼓励积极开发更好、更安全的替代产品，防止儿童接触含铅涂料，尽量减少对含铅涂料的职业性接触。
在产品中的化学品管理方面，以儿童产品/玩具为例，国家质检总局发布了一系列部门规章及标准，对儿童产品/玩具中的重金属等提出了含量限制要求。2007年，为规范儿童玩具召回，预防和消除儿童玩具缺陷可能导致的损害，保障儿童健康和安全，国家质检总局发布了《儿童玩具召回管理规定》。2009年，发布了《强制性产品认证管理规定》，将童车、电玩具、塑胶玩具、金属玩具、弹射玩具、娃娃玩具6种玩具列入强制性认证产品目录，只有获得认证后方可出厂、销售、进口或在其他经营活动中使用。国家标准层面，还发布了《国家玩具安全技术规范》（GB 6675-2003）、《玩具用涂料中有害物质限量》（GB 24613-2009）、《儿童家具通用技术要求》（GB 28007-2011）等强制性标准。 在电气及电子产品全生命周期中的危险物质管理方面，我国已初步形成了包括国家法律、部门规章在内的法律体系，颁布了《固体废物污染环境防治法》、《电子信息产品污染控制管理办法》、《废弃电气电子产品回收处理管理条例》、《电子废物污染环境防治管理办法》等。制定了相关配套政策，对电气和电子产品生产者、进口者和销售者的责任、产品设计方案、生产材料的使用、信息公开、废弃电子产品的回收和处理等全生命周期过程都进行了相应规定，建立了较为完善的管理体系。 在PFCs管理和研究方面，我国自2006年起就开展了全氟辛烷磺酸盐（perfluorooctanesulphonate，PFOS）的跟踪和相关调查工作，初步掌握了其生产、使用以及替代情况。作为POPs公约的缔约国，2013年8月30日，十二届全国人大常委会第四次会议决定批准《<关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约>新增列九种持久性有机污染物修正案》，正式启动了斯德哥尔摩公约国家实施计划（NIP）的更新工作，将PFOS纳入到国家实施计划中，建立更加详细的生产、使用、进出口、库存和废物等清单，开展全面的社会经济影响和替代品/技术评估，制定符合公约要求的战略行动计划和限控措施。 在纳米技术和人造纳米材料方面，国家通过“国家攻关计划”、“863”计划、“973”计划的实施，积极投入力量和资金，使纳米的研发水平获得了很大的发展，也陆续发布了一些国家标准。在EDC研究方面，国内一些科研机构以及高校通过申请自然科学基金项目的形式，在特定领域内开展了关于部分内分泌化学品环境和健康影响的初步研究。 3.3 积极申请QSP项目，提高化学品管理能力 为提高我国化学品管理能力建设，促进SAICM的国内实施，我国也积极申请QSP项目。2009年，设在清华大学的巴塞尔公约亚太区域中心申请执行“部分亚洲国家多氯联苯管理能力提高和信息交换”快速启动项目。项目选定柬埔寨、老挝、巴基斯坦和斯里兰卡4个国家，通过制定国家多氯联苯（polychorinated biphenyls，PCBs）管理战略、召开专家咨询会等国家活动，开展区域PCBs现状分析、建设区域PCBs信息交换平台、设计区域信息交换机制等区域活动，提高了亚洲部分国家/机构的PCBs管理能力。该项目在提高我国PCBs管理能力的同时，通过亚太区域合作，进一步提高了亚太区域其他国家的化学品管理能力。 2011年，北京大学申请执行“促进中国化学品环境无害化管理的国际化学品管理战略方针（SAICM）实施能力建设项目”快速启动项目，为我国实施SAICM进行能力准备。项目包括更新编制国家化学品管理基础状况，评估国家实施SAICM的能力，识别国家实施SAICM的主要差距、需求和未来优先性领域，制订中国实施SAICM的初步行动计划等内容，以提高我国实施SAICM的能力，促进建立持续实施SAICM的相关技能、规程和机制。 4 对策建议 我国是化学品生产、使用及进出口大国，但在化学品管理方面与发达国家还有较大差距，实施SA1CM将有助于全面提升各部门、各层面化学品的管理意识，提高政府化学品管理水平，并促进我国化学品管理能力建设。 4.1 制定国家化学品管理战略，加强化学品全过程管理 化学品环境管理既要保障环境安全、人类健康，又要考虑社会、经济利益，是一项长期而复杂的任务。欧美等发达国家都普遍制定了适应本国国情的化学品环境管理体系和管理战略，我国有关部门虽然在各自主管领域制定了不同的化学品管理法规或政策，但在国家层面缺乏化学品综合管理政策，缺乏对化学品全过程行之有效的管理，还不足以应对和解决化学品及相关行业发展面临的一系列已经和可能出现的环境问题。因此，建议将化学品管理提升至国家层面，制定化学品国家综合管理战略，理清管理思路，明确管理对象、目标和原则，逐步健全化学品环境管理体系，加强化学品全过程管理，防控化学品风险。 4.2 制定化学品环境管理专项法规，加强化学品环境管理 同国外发达国家相比，我国在化学品安全生产管理领域制定了比较齐全的法规、制度，但在环境管理领域还未建立较为完善的法规体系。《危险化学品安全管理条例》（国务院第591号令）虽然涉及一些危险化学品环境管理的内容，但SAICM推行的化学品全过程环境管理制度还未建立，环保部门虽然在新化学物质、有毒化学品、危险化学品等方面有专门的管理制度，但都是法律效力较低的部门规章，涉及的化学品种类也非常有限。因此，建议尽快制定化学品环境管理专项法规，从法律层面上保障SAICM在我国的顺利实施。 4.3 建立部际间协调机制，推动SAICM 全面实施 SAICM涵盖领域广泛，涉及环境、经济、社会、卫生和劳工等与化学品相关联的诸多领域，相关内容涉及国内众多主管部门。为保证SAICM的顺利实施，建议尽快建立实施SAICM 的部际间协调机制，组建SAICM实施部际协调小组，明确牵头部门及各成员单位的职责，进一步加强环保、工业、卫生、农业、安监、商务、财政等部门间的沟通与合作，促进各项化学品管理政策的协调性及有效实施，全面提升我国的化学品管理能力。 4.4 加强基础研究和能力建设，提高化学品管理水平 SAICM框架下不断增加新的内容，实施并开展SAICM活动对于我国而言面临巨大挑战。如ICCM2、ICCM 3上确定6项新的政策性问题，在我国涉及领域广泛，相关基础研究不足，对我环境、健康及相关行业发展存在潜在风险。建议增加资金投入，加强基础研究，提高管理人员素质，组建专家、技术支持队伍，密切跟踪国际动态，引导相关产业行业健康发展。 4.5 加强宣传，提高意识，鼓励工业界参与SAICM实施 SAICM强调政府、政府间组织、非政府机构及工业界共同参与对化学品的管理。我国化学品生产/使用企业数量众多，但化学品管理水平、生产/使用技术、环境安全意识与发达国家相比还有较大差距，一定程度上阻碍了我国相关化学品管理政策、制度的落实和实施。因此，建议对企业加强化学品安全管理重要性的宣传，同时，在制定相关法律、法规、政策时，扩大工业界参与的范围，逐步提高企业的化学品风险防范意识。（摘自《现代化工》）
纳米金属材料发展论文范文第6篇
复合材料因其比强度、比模量高的特点在汽车、船舶、以及飞机制造工业得到了广泛应用。但纤维增强复合材料具有各向异性的特点，其面内的抗拉强度与刚度较高，而层间性能较差。碳纳米管（CNTs）超强的力学性能为改善复合材料层间性能提供了新途径。纤维增强复合材料因为其比强度、比模量高以及质量轻的特点在汽车、船舶、以及飞机制造工业得到了广泛的应用。但复合材料层板的性能存在着各向异性的特点，其面内的抗拉强度与刚度较高，而抗压缩性能以及层间性能较差。例如复合材料层板吸收冲击载荷的能力十分有限，冲击后材料的性能会明显的下降，其原因是它的塑性较差并且界面相对薄弱。界面决定载荷从基体向增强体传递的效率，对于复合材料强度特别是偏轴强度在一定程度上起到决定性作用；对于复合材料的损伤累积与裂纹传播历程起一定影响。因而改善纤维复合材料层间性能也是提高复合材料综合性能的有效途径。
CNTs是新型功能材料，具有大的长径比、超高的强度和模量、韧性好、密度低、更兼具特殊的电子学性质，是复合材料的优秀改性剂和理想的功能、增强材料。其超强的力学性能可以极大地改善聚合物基复合材料的强度和韧性。相比于传统纤维，碳纳米管与树脂之间的应力传递效率要高出传统纤维10倍。并且碳纳米管具有各向同性的特点。因此，在传统复合材料中引入碳纳米管，借助其优良的力学性能、大长径比、各项同性等特点，成为了改善传统复合材料层间性能的有效途径。碳纳米管存在于裂纹前缘还可以通过架桥作用、碳纳米管的断裂以及碳纳米管的拔出吸收能量以减缓裂纹的扩展。从而提高其层间的断裂韧性以及使其具有一定的功能性。目前碳纳米管改性纤维复合材料的方法可分为以下3类：通过碳纳米管对于树脂基体的改性，改善复合材料的力学性能；通过碳纳米管对于纤维进行改性，从而增加纤维与树脂界面性能以及层间性能，从而综合提高复合材料的性能；通过碳纳米管对于预浸料进行改性，从而改善复合材料的层间韧性及其他性能。
一、碳纳米管改性纤维复合材料主要方法
碳纳米管分散在树脂基体中，能够起到增强界面，以及增强基体的作用。一方面能改善环氧树脂基体的力学性能。另一方面在纤维与树脂界面处CNTs的搭桥作用，可以有效传递应力，阻止裂纹扩展，增韧纤维与树脂界面。树脂的固化特性以及力学性能，也会受到碳纳米管的影响。但是由于分散在界面处的CNTs有限，对界面的影响较小；目前碳纳米管与聚合物进行复合的方法主要有3种：直接共混法、溶液共混法和原位复合法。直接共混法是工业上一种比较常用的方法，可进行规模化生产，此方法将碳纳米管直接分散在树脂基体中。溶液共混法是将碳纳米管与树脂共同分散在溶剂中进行混合或先将碳纳米管分散在溶剂中再加入树脂基体进行混合。原位复合法是指将碳纳米管与聚合物单体混合后进行单体聚合，这种方法中碳纳米管与基体的界面结合性能较好。
Zhiqi Shen[1]将CNTs与尼龙混合后制膜再与玻璃纤维组成复合材料层板，并研究了CNTs含量对材料的力学性能、热性能以及耐火性能的影响。实验表明，当碳管添加量高于2%时，复合材料层板的抗弯极限增高36%。Tugrul Seyhan[2]使用3辊研磨法（见图1），将环氧树脂与CNTs进行混合后通过真空辅助树脂传递模塑成型法制备了复合材料层合板。实验发现通过在树脂中添加质量分数为0.1%的胺基功能化的多壁碳纳米管后，复合材料层板的II型断裂韧性（GIIC）以及层间剪切强度分别提高8%与11%。但是I型断裂韧性没有明显的提升。通过SEM观察了碳纳米管的分布以及断口形貌，发现3辊研磨法对于碳管在樹脂中的分散优于声波降解法以及高速剪切法，并且CNTs在界面起到了增强作用。
Lars B ger[3]等使用3辊法将多壁碳纳米管（MWCNTs）混入RIM 135环氧树脂中，之后使用真空灌注工艺制备玻璃纤维复合材料，考察玻璃纤维复合材料的静态拉伸以及动态疲劳性能。通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，在树脂中存在着CNTs的团聚现象。作者通过检测复合材料拉伸过程中的电阻变化来判断初始裂纹的产生。经过测试发现，加入质量分数为0.3%的MWCNTs后产生初始裂纹的压力提高，疲劳性能也有所提高。V.Kostopoulos[4]将多壁碳纳米管使用3辊研磨的方法分散到双酚A树脂中，制成碳纤维复合材料层板后，研究了层板的冲击后性能。研究表明，经碳纳米管改性后的层板相比于未改性层板冲击后的压缩模量以及压缩强度都有所提高，并且冲击后的压缩-压缩疲劳寿命也有所提高。Naveed A.Siddiqui[5]等将碳纳米管进行表面处理后，先分散在丙酮中，再与环氧树脂均匀混合，探究了碳纳米管质量分数分别为0%、0.5%、0.7%和1.0%的环氧树脂的流变特性与固化特性，得到结论为：环氧树脂的黏度随着碳纳米管含量的增加而增加。表面处理过的碳纳米管对于树脂固化行为的催化活性在碳纳米管质量分数低于0.5%时可以忽略不计，而当碳纳米管的质量分数增加至1.0%时，催化活性显著提高。A.Rahaman[6]等人研究了碳纳米管的加入对于树脂固化行为的影响。在其研究中使用溶液共混法将碳纳米管与树脂进行混合，混合后将溶剂挥发制备碳纳米管环氧树脂复合材料。分别制备了功能化碳纳米管复合材料与非功能化碳纳米管复合材料，并对3种碳纳米管的质量分数进行了研究，分别为0.1%、0.5%及1.0%。实验研究表明，由于碳纳米管的加入给分子链运动带来的阻碍作用，使得固化反应的活化能出现改变，并且通过DSC数据分析发现，碳纳米管的加入会使得树脂的固化温度向低温方向移动，作者认为其源于碳纳米管较高的导热系数。李兆敏[7]使用羧基化和胺化的多壁碳纳米管溶于丙酮溶剂后与环氧树脂进行混合，模压成型后环氧树脂的力学性有了较大的改善，体电阻率有明显的下降。Behnam Ashrafi[8]通过一系列的反应条件将单壁碳纳米管通过化学键与树脂连接再将树脂灌注到预成型体中固化成型，最终制得的复合材料层板的冲击后压缩强度提高3.5%，GIC提高13%，GIIC提高28%。
二、碳纳米管改性纤维
碳纳米管改性纤维的方法主要分为2种：通过化学气相沉积方法（CVD）在碳纤维表面直接生长出碳纳米管；另一种则是通过化学或者物理键合把碳纳米管接枝到碳纤维表面。碳纳米管在纤维表面的沉积可产生碳纳米管/碳纤维多尺度增强体（如图2所示）。多尺度增强复合材料可以充分发挥碳纤维和碳纳米管的优势性能，显著改善树脂与纤维之间的相互作用和界面强度。其原因在于多尺度的形貌可以大大增加纤维与基体的接触面积，增强界面的机械啮合作用。另一方面此种方法可以实现碳纳米管的定向排布，由于碳纳米管具有很好的韧性，因而也可提高基体材料的韧性。另外，碳纳米管可以起到阻止裂纹扩展的作用。若CNTs表面含有活性基团，还可提高与基体树脂之间的浸润性。
1.化学气相沉积
2009年，利用CVD方法，Sager[10]等人通过调整CVD生长碳纳米管的条件参数，制备2种不同形态的增强体，分别为定向生长和自由生长，如图3所示，并研究了其与环氧树脂的界面剪切强度。研究表明界面强度增长11%～71%。但作者也指出由于造成纤维的损伤，强度模量下降约12%。
Sunny S.Wicks等人使用化学气相沉积的方法在氧化铝纤维表面沉积碳纳米管。氧化铝纤维在化学气相沉积的过程中不会造成纤维的力学性能损失。此学者研究了CNTs的沉积對于使用真空关注成型（VARI）工艺中树脂的渗透率的影响。实验表明，CNTs的沉积使得树脂灌注过程中表面积提高，从而使得渗透率下降。并且随着CNTs含量的增大，渗透率下降增多，但是并不明显。沉积CNTs后的纤维仍然具有较好的工艺性能。
虽然，通过CVD法在纤维表面生长CNTs或通过化学方法在纤维表面接枝CNTs，能明显提高界面剪切强度（IFSS），但是这种方法也会对纤维性能产生一定影响，降低纤维拉伸强度。Sager指出[11]，接枝CNTs在提高IFSS的同时，也使纤维的拉伸强度降低30%，杨氏模量降低10%。纤维拉伸强度的降低是因为纤维表面被引进的催化颗粒损害。
高温处理过程去除了纤维表面的上浆剂。使得纤维与树脂基体的浸润性和化学键减弱，并且生长碳纳米管所使用的金属催化剂的残留也会对于树脂与增强体的界面造成污染。由于化学键合作用的减弱，此方法制备的增强体在界面性能提高方面效果非常有限。
2.化学改性法
Laachachi等[12]采用了化学改性的方法，首先分别通过酸化、热处理，分别在CNTs、碳纤维上接枝羧基和氨基，然后两者官能团间进行酯化、脱水、胺化等反应，反应过程中，以丙酮作溶剂，对纤维进行超声处理。结果表明CNTs对纤维的接枝效果较好。接枝后，CNTs以三维网络的形式富集在纤维周围，对碳纤维进行强烈的水洗及超声浴都不影响接枝效果。
Vinodp.Veedu使用直接在碳布上生长碳纳米管的方法，制备三维的增强复合材料，碳纳米管在厚度方向上起到了增强作用[13]。并且复合材料的硬度、面内力学性能、热传导以及电传导性和层间断裂韧性都有极大提高。此种方法可以改善复合材料的性能，但是技术设备和工艺条件要求高，并且需要清除金属催化杂质，否则也会对于界面粘结性产生不良影响。
以上的方法在多尺度增强体的制备过程中，成功地避免了催化剂的污染，有利于在实际生产中实施。但是接枝的方法可控性不强，碳纳米管可能呈倒伏状态，无法起到基体中的“铆钉”作用。同时，由于纤维表面活性点较少，接枝的碳纤维明显分布不均匀，多为缠结状态，与纤维的结合强度无法保障。
3.碳纳米管浸润剂改性法
由于以上提到的化学改性纤维的方法对条件要求较为苛刻并且会对纤维造成一定的损伤，所以有许多学者提出将碳纳米管加入到纤维浸润剂中，并且尝试用多种途径将CNTs分散并固定在纤维表面上。这种方法可以利用碳纳米管分散在树脂中的技术，并且又不会对纤维造成损伤。目前文献中提到的途径有表面涂覆法与喷涂法以及VARIM浸渍技术。
（1）表面涂覆法
表面涂覆法是将碳纳米管加入到环氧树脂中制成浸润剂，然后将浸润剂均匀地涂覆在纤维表面。香港大学Siddiqui等人[14]研究通过碳纳米管/环氧树脂复合胶衣层改性玻璃纤维（GF）表面，用以提高纤维的拉伸性能。笔者认为，纤维的断裂往往是从微裂纹开始，这些地方往往成为高应力集中点，纤维越长，表面缺陷越多，越易破坏。碳纳米管涂层则可以弥补缺陷，同时涂层中CNTs的搭桥作用，也可以有效传递应力，阻止裂纹扩展，原理图如图4所示。涂层中CNTs的分布会影响到纤维的拉伸性能，分散较差时，会在纤维表面形成缺陷，降低了拉伸性能；CNTs/环氧树脂改性后的纤维束，与树脂基体的界面结合能力最强，拉伸强度也要高出很多。修复胶衣层覆盖在脆性纤维的表面能有效减少应力集中，提高复合材料的增强效率（裂纹治愈效果）。
Warrier等人[15]将质量分数为0.5%CNTs分别加入上浆剂、树脂基体、上浆剂和树脂基体，这3种玻璃纤维环氧树脂体系中。研究发现，仅仅通过CNTs上浆剂浸润玻璃纤维制备的复合材料与未添加CNTs的复合材料相比，其玻璃化转变温度提高了近10%，热膨胀系数降低了31%，阻止界面处裂纹生长的断裂韧性提高了近10%，但是加速了裂纹的扩展速率，使裂纹扩展的韧性降低了53%。同样的趋势也出现在CNTs仅仅分散在树脂基体中，CNTs同时分散在上浆剂和树脂基体中。但是，仅仅将CNTs分散在上浆剂中，用未添加CNTs的环氧树脂浸润制得的复合材料，其热性能和界面性能的改善最为显著。
A.Godara[16]等人研究了玻璃纤维环氧树脂体系。同样将CNTs加入到上浆剂、基体、基体与上浆剂中。CNT的使用3辊压延的方法分散在基体与上浆剂中。作者将纤维拖拽过上浆剂溶液中（水溶性并且含有树脂以及0.5%的多壁碳纳米管），并且随后将其在120℃进行干燥；上浆剂的厚度为1～2μm，并使用单丝顶出实验来表征界面剪切强度。实验结果表明，将CNTs加入到上浆剂中的增强效果最明显，其SEM图像见图5。将CNTs加入到上浆剂以及基体中的增强效果最差，笔者分析其原因为CNTs已过度饱和。
（2）喷涂法
喷涂法是将配置好的浸润剂使用喷枪直接喷洒在纤维或织物表面。此方法相比于表面涂覆法需要浸润剂具有较低的粘度。
Daniel C.Davis[17]等人将胺基化的单壁碳纳米管通过高剪切与超声分散的方式分散在乙醇中配置浸润剂。使用配置好的浸润剂喷涂在每张纤维布表面，通过烘干将溶剂挥发使碳管分散在碳纤维表面上。经过真空辅助树脂传递模塑成型制成复合材料层合板。实验表明，CNTs质量分数（CNTs质量与纤维质量之比）为0.2%与0.5%的碳纳米管增强碳纤维复合材料的相比于没有用碳纳米管的复合材料强度与刚度以及疲劳寿命都有所提高。作者认为强度提高的原因在于功能化的碳纳米管在基体与纤维的界面区域的活性点间起到纳米级的共价键连接。刚性的提高是由于碳纳米管在树脂的大分子链之间起到了共价键连接的作用。复合材料层板的疲劳性能的提高也得益于碳纳米管的界面增强作用。（3）VARTM预浸渍技术
Limin Gao等人[18]采用VARTM技术将玻璃纤维浸渍在已配制好的浸润剂溶液中，并经过一定条件的干燥挥发溶剂使CNT固定在纤维表面。其SEM图如图6所示。将其与使用3辊将碳纳米管分散在树脂中的方法进行对比。研究发现2种方法成型后的复合材料的导电性能提高，电阻率下降。使用上浆剂的方法改善电性能更加明顯。
三、碳纳米管改性预浸料
Faustino Mujika等人[19]使用将含有功能化的MWCNT的溶液喷涂在预浸料的表面，将溶液挥发后通过热压的方法制备复合材料，并测试其弯曲性能以及裂纹在层间的扩展能力。通过这种新的工艺方法制备的复合材料相比于没有CNT改性的预浸料制备的复合材料，弯曲性能并没有明显提升，原因在于当材料受到弯曲载荷时，中间增强层所受到的张力为零。对于裂纹的扩展能力，由于未功能化的CNTs的分布不均以及其与树脂之间的连接较弱，所以其对于层间断裂性能（GIIC）的增强效果不明显。但对于功能化的CNTs，其增强效果明显。相比于无CNTs的层板，含有质量分数为0.1%CNTs的改性层板。其层间断裂韧性的初始值增加了22%，而扩展值增加了14%。
John Williams等学者[20]先将CNTs进行等离子体改性，以提高CNTs在乙醇中的均匀分散性。制备好含有CNTs的乙醇分散液后，使用涂覆装置将其涂覆在玻璃纤维预浸料表面上，其装置如图7所示。再将乙醇挥发，之后考察无CNTs、CNTs含量为1.2g/m2、1.6g/m2及2.0g/m2层板的I型断裂韧性（GIC），并观察层合板的断裂形貌。研究表明，CNTs含量为1.6g/m2的层板GIC初始值与扩展值分别提高22%与46%。笔者认为GIC扩展值得以提高主要是CNTs的存在使得裂纹扩展的路径偏离了中间层，出现明显的纤维架桥作用。
四、结语
目前将碳纳米管分散于树脂基体对于复合材料进行增韧的方法已经较为成熟，具有易于工业化生产等优点，但是此方法成本较高，不能高效利用CNTs。今后应着重提高碳纳米管的利用效率，推进其工业化应用和发展。使用CNTs直接对于纤维或者预浸料进行改性的方法，能够较好地利用CNTs，使得CNTs能够分布在纤维与树脂的界面或者预浸料层间，起到更好的架桥作用，增加裂纹扩展路径，从而起到抑制裂纹扩展，提高复合材料层间断裂韧性以及综合力学性能。但目前此类方法的工业化水平较低，应着眼于开发可工业化的方法并提高其成熟度。
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