摘要 粉體技術包括:制備、加工、測試。制備有各種物理、化學、機械方法,加工作業有粉碎、分級、分散、混合、制粒、表面處理、流態化、干燥、成形、燒結、除塵、粉塵爆炸、輸運、儲存、包裝等,測試...
粉體技術包括:制備、加工、測試。制備有各種物理、化學、機械方法,加工作業有粉碎、分級、分散、混合、制粒、表面處理、流態化、干燥、成形、燒結、除塵、粉塵爆炸、輸運、儲存、包裝等,測試是對粉體各種幾何、力學、物理、化學性能的表征。 粉體產業遍布國民經濟各個部門:水泥、陶瓷、耐火材料、食品、飲料、香料、糖、咖啡、茶、鹽、飼料、農藥、中西藥、廢棄物、氣溶膠、污水處理、催化劑、染料、涂料、化妝品、塑料、橡膠、電池、洗滌劑、牙膏、紙、搪瓷、磨料、粉末冶金、煤、硬質合金、礦粉、抗菌劑、納米粉、光催化劑、火藥、集束彈等。
粉體技術是粉體行業的共性技術,先進的粉體技術可能是從某個粉體產業部門先發展起來的,如粉末注射成形最早是從塑料行業先發展起來的。在解決了粘結劑后,很快擴展到粉末冶金、陶瓷行業,成為可制備三維復雜形狀的一種節能、節材、大批量生產的加工工藝,目前在汽車零部件、辦公用品、計算機、手機、首飾、醫療器械、體育用品等有廣泛應用。
因此,各粉體產業的發展必推動粉體技術的發展,目前有哪些值得關注的粉體產業呢?這些產業發展對粉體技術又有些什么需求呢?本文將逐一加以介紹,限于學識,由于涉及的知識面太廣,有不當之處,敬請諒解。
1.能源
當今能源問題已成攸關人類生存的大問題,石油天然氣資源很快就會枯竭。人們出行用汽車、取暖有熱電廠,所排放的廢氣,環境污染嚴重,不但氣溫升高、海平面上升,據介紹新生嬰兒的殘病比例逐年上升。改變能源結構已成刻不容緩的大事,太陽能、風能、核能、氫電池的利用已成為迫切需要解決的課題。
1.1太陽能電池
太陽能電池由轉換效率η衡量,與半導體禁帶寬度Eg有關,在Eg為1.5eV時,可獲最大值:

其中:E是光電動勢; I是光電流強度; 是光入射通量; S是相關靈敏度。
太陽能電池有三種類型:硅太陽能電池,薄膜太陽能電池,PN異結太陽能電池。
具體地說:①單晶硅太陽能電池,硅Eg為1.1eV,轉換效率η為 18%,易摻雜,缺點是價格貴,使用壽命短;
②多晶硅太陽能電池,轉換效率η僅為2~8%,經表面改性可提高到13.4%,價格便宜,易獲得,缺點是不容易控制均勻性;
③非晶硅太陽能電池,η為10%,當與晶體硅組成異結結構η可達20.7%,性能穩定,表面復合速率低,成本低;
④化合物半導體薄膜太陽能電池,GaAs,CdTe,CuInSe2(CIS)等半導體,禁帶寬度在1~1.6間,與太陽光匹配好,且吸收系數大,幾個微米厚即可。CIS的η可達18.8%,,CdTe的η可達16%,InGaP/GaAs的η可達30%,適合空間飛行器電源;
⑤陶瓷太陽能電池,金屬——氧化物——半導體(MoS)太陽能電池的η可達20%,但工藝復雜。
1.2 燃料電池
燃料(即氫)由儲氫材料提供(負極),氧化劑(通常用空氣中氧)通過正極提供,燃料與負極催化電解形成電子和離子,負極催化劑通常是Pt、Ni、Wc等,電子通過外電路用于負載,離子通過電解質到達正極形成H2O和CO2,電介質浸泡在多孔隔膜中,按電介質不同,燃料電池可分5類:KOH,H2PO4,質子交換膜,K2/Li2CO3,固體氧化物。
燃料電池應用在電動汽車上,有的國家,電動汽車已開始批量生產。
1.3 儲氫材料
儲氫材料不但應用在燃料電池上作為氫源,在蓄熱、熱泵、氫壓縮機等方面也有廣泛應用,原因是儲氫材料中氫以原子態儲存,儲氫密度比液氫還高,釋放需經擴散、相變、化合等過程,受熱效應、速度的制約,不易爆炸,安全系數高。
儲氫材料有二類元素構成:A類如稀土、Ti、Zr、Ca、Mg、V、Nb等,主要是儲氫,與氫反應放熱(ΔH<0);B類是難于形成氫化物的金屬,如Ni、Fe、Co、Mn、Cu、Al、Cr等,氫溶于這些金屬為吸熱反應(ΔH>0)。目前應用的儲氫材料由這二類元素構成為AB5、AB2、AB、A2B等類型。原材料經熔煉(感應爐或等離子電弧爐)直接由氬氣霧化得到儲氫材料合金粉,或鑄錠,后經破碎、磨碎得到合金粉。
①蓄熱應用,利用兩種儲氫材料,其中一種儲氫,另一種蓄熱,后者流向前者時蓄熱,反方向流動時放熱。利用前者把工業廢熱、地熱、太陽能蓄熱,需要時反方向流動再放熱利用。
②熱泵,由同一溫度但分解壓不同的兩種儲氫材料組成熱力學循環系統,利用平衡壓差驅動氫氣運動,使兩種合金分別處于吸氫和放氫狀態,從而達到制冷制熱的目的。這種熱泵的優點是明顯的:無運動部件,也就沒有磨損、噪聲、腐蝕等問題,也不會有氟利昂破壞大氣層的問題。
③氫壓縮機,利用低溫熱源和高溫熱源改變氫化物溫度,從而產生壓力,推動活塞,將熱能轉換為機械能。這種氫壓縮機體積小,無振動,又可利用廢熱,經多段壓縮可產生高壓。
2.納米顆粒與納米技術
納米技術是指對1~100nm尺度下進行測量、設計和操控的技術,納米粉體(如 納米晶體、納米管等)和納米生物馬達乃是納米尺度下的初級組裝,高級組裝要求把分子組裝成有用的物體,使用結束后,又把物體分解為分子。
在生命體中已實現了這種高級組裝,因為納米技術完成高級組裝的第一步,是對生命體過程中自組織、亞細胞過程和系統生物(如神經系統的生物過程)的揭示和了解。單分子測量正實現對分子馬達、酶反應、蛋白質動力學、DNA轉錄和細胞信號進行直接觀察,并測定體內細胞的化學組成。
德國的Nanobionet能力聯網認為目前可供開發的納米技術產業領域為:分子醫學、藥物、抗菌涂層、光催化和功能化紡織品等。
著名商業經濟雜志“Forbes”已連續三年對全球納米科技產品分別進行了評選(見下表),通過選出的這30項納米產品,初步可看出目前全球市場較為成熟的納米技術產品,以及未來幾年可能最為活躍的納米產品領域,以幫助廣大消費者鑒別真偽“納米產品”。