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材料学术前沿讲座
篇一:学术前沿讲座
关于陶瓷复合材料和新材料的研究现状和发展趋势
摘要：本文阐述了陶瓷基复合材料的现状和发展趋势，主要内容有:陶瓷基复合材抖的发展和应用前景；纤维材料,多种陶瓷基体材料的韧化研究;陶瓷基复合材抖的制备加工技术;陶瓷增韧的力学机理和材料结构性能的研究情况；陶瓷基复合材料的进一步发展。同时对新材料及其各种加工工艺进行了综述性分析，具体为：纳米技术与纳米材料；成形加工与定向凝固；快速凝固技术和材料；晶体生长技术； 金属基复合材料制备技术； 生物复合涂层制备技术；先进材料制备加工技术发展趋势。
Abstract: This paper expounds the present situation and development trend of ceramic matrix composites. The main contents of the paper includes: The development and the application of the ceramic matrix composite material; Fiber materials, The variety of toughening ceramic matrix materials research; The preparation of ceramic matrix composite technology; The mechanism of the ceramic toughening and the property of the material; The further development of ceramic matrix composites. Meanwhile, the summarized analysis of the new materials and their processing technology. The details are as follows: The nanotechnology and the nanomaterials; The molding processing and the directional solidification; The rapid solidification techniques and materials; The crystal growth technique; The preparation of the metal matrix composites; The biological composite coating preparation technology; The developing trend of the preparation processing technology of the advanced materials .
1、陶瓷复合材料
1.1 陶瓷复合材料概况
陶瓷基复合材料(CMC),一般是指相变增韧、颗粒增韧陶瓷和纤维及晶须增韧陶瓷材料。这是目前备受重视的新型耐高温结构材料。与常规材料和非陶瓷复合材料相比,陶瓷材料有耐高温、抗腐蚀、超硬度等优点.因此世界各国都把结构陶瓷看作是对未来工业革命有重大作用的高衣术新材料而给以重点研究和发展,并相继开展了陶瓷汽车发动机、柴油机和航空发动机等大规模高温陶瓷热机研究计划,出现了陶瓷热。然而,常规结构陶瓷还存在缺陷和问题,主要是材料脆性,可靠性不高等,应用于陶瓷发动机结构还有一些技术间题,急待研究解决。陶瓷基复合材料引起人们关注的重要原因就在于它可改善陶瓷基体材料的力学性能,特别是脆性,因此,陶瓷基复合材料的发展和研究将成为大规模陶瓷热机研究计划取得成功的关键。
1.2陶瓷复合材料分类
陶瓷复合材料的组分可分为增强体和基体两部分。增强体研究主要是高性能纤维和晶须的研制,这是各种陶瓷基复合材料发展的基础条件。按照陶瓷材料的增韧可以分为碳化物陶瓷、氮化物和硼化物陶瓷、氧化物陶瓷和玻璃基材料。
1.2.1碳化物陶瓷
最早出现的韧化SIC材料是颗粒增强SIC材料“Norce-33”,被用于电火花机床中。其它碳化物复合材料还有:SCI化学气相沉积(CVD)纤维增强结构;碳/碳化硅混合材料和碳/碳复合材料;颗粒增强材料:碳化钦颗粒增强碳化硅,它可以提高断裂韧度和强度,碳化钦与陶瓷相混合还可以改进抗氧化性能;氧化被/碳化硅也是颗粒增强材料,它可用来制作微电路基片.
1.2.2氮化物和硼化物陶瓷
SIC纤维和晶须增强Si3N4陶瓷可以得到断裂韧性提高,加入添加剂如CeO2、BN等还可以改进抗热冲击性能和热性能。氧化错颗粒增强氮化硅也获得一定的成功。
1.2.3氧化物陶瓷
增韧氧化铝、氧化错陶瓷是这类材料中最令人感兴趣的材料。增韧氧化铝有SIC晶/Al2O3基和SIC纤维/ Al2O3。基复合材料;氧化错颗粒增强氧化铝,它的高温性能比相变增韧氧化错更好,因而成为无冷却柴油发动机最有发展前途的材料之一:此外还有研究加入钻石增强Al2O3陶瓷的情况。
1.2.4玻璃基材料学术前沿讲座。
玻璃和玻璃—陶瓷基材料可以与纤维复合,其原因在于它易于热压加工成形。Nica-lon纤维增强玻璃—陶瓷基材料的力学性能很好,加工制备成本还可以降低,这种复合材料很可能在陶瓷发动机结构中得到应用。
1.3 陶瓷复合材料的制备及烧结工艺
1.3.1溶胶—凝胶(Sol-Gel)法
溶胶—凝胶技术是指金属有机物或无机化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化,再经过加热处理生产氧化物或其他化合物固体的方法.在制备陶瓷工艺中也称为SSG法.它是制备陶瓷复合材料的一种较新的方法,通过把各种添加剂、功能有机物或分子、晶种均匀分散在凝胶基质中,加热处理后,此均匀分布状态仍能保存下来.该法的优点是复合材料的均匀性好,加工温度低.
1.3.2化学气相浸渍法(CVI). CVI法是把反应物
气体浸渍到多孔预制件的内部,发生化学反应并进行沉积,从而形成陶瓷复合材料.CVI工艺中最具有代表性的方法有等温CVI法(ICVI)和热梯度强制对流CVI法(FCVI).ICVI法又称静态法,是将被浸渍的部件放在等温的空间,反应物气体通过扩散 入到多孔预制件内,发生化学反应并沉积,而副产物气体再通过扩散向外散逸.通过降低气体的压力和沉积温度提高浸渍深度,在沉积过程中通过对部件的表面加工处理来提高复合材料的致密度.该法工艺和设备简单,目前被广泛采用.FCVI是美国ORNL实验室的研究者提出的一种动态的CVI法.具体做法是:在纤维预制件内施加一个温度梯度,同时不定期施加一个反向的气体压力梯度,迫使反应气体强行通过预制体.FCVI的传质过程是通过对流来实现的,因此可用于制作厚壁部件.
1.3.3多相悬浮液混合法
此法主要用于制取纳米陶瓷.其主要过程是,根据胶体化学中稳定悬浮液的三种机制,即静电(electrostatle)作用、空间位阻(steric)作用和电空间稳定(electrosteric stabilization),先制备各组元的单相悬浮液并加入分散剂,通过调节pH值和分散剂的加入量,使颗粒表面的分散剂达到饱和吸附值,然后优选出两组元(或多组元)都具有良好分散性的混合悬浮液.将各单相悬浮液混合球磨,得到无效混合悬浮液;其后体系絮凝、干燥,即可得到超细混合的粉体.
1.3.4聚合物插层法
聚合物插层法是制备高性能有机-无机纳米复合材料的一种新方法.此法可进一步提高复合材料力学性能、耐热性及气、液阻隔性能.特别是聚合物(如聚酰亚胺、聚乙烯、环氧、聚胺酯等)与蒙脱石插层制成了不同类型的陶瓷复合材料.
1.3.5原位复合法
此法主要是利用化学反应生成增强组元-晶须或高长径比晶体来增强陶瓷体的工艺过程.关键是在陶瓷基体中均匀加入可生成晶须的元素或化合物,控制其生成条件使其在陶瓷基体致密化过程中在原位同时生成晶须,形成陶瓷基化合物.本方法最大的优点是可以降低成本和对环境的污染.
1.3.6反应烧结(RBAO)法
反应烧结法是先将混合均匀的组分压成素坯,在随后的烧结过程中各组分之间或组分与烧结气氛之间发生化学反应,获得预期设计组成的复相陶瓷.
1.3.7有机物先躯体热解法
近年来,采用有机先躯体制备复合材料粉体的研究有很大进展,用热解有机先躯体聚硅氮烷(PNS)工艺制取稳定的、分布均匀的Si-C-N复合粉体,经反复烧结获得Si3N4/SiC(n)陶瓷.
1.3.8高温等静压(HIP)法
高温等静压法属于热压烧结的一种,HIP法和一般热压法相比,HIP法使物料受到各向同性的压力,因而陶瓷的显微结构均匀,同时,使得材料的密度增大,气孔减小,疏松减少,抗弯强度也有所增加.如用HIP法处理过的Ba2Ti9O20,其致密度达到99%.另外,HIP法中施加压力高,这样就能使陶瓷坯体在较低的温度下烧结,使常压下不能烧结的材料有可能烧结.
1.4陶瓷复合材料的现状和发展趋势
陶瓷基复合材料具有重大应用价值,它的工业化应用将对高温热机、航空航天工业和军事应用领域产生重大影响。在改进陶瓷脆性方面发展了几种有效的方法,但研制工作还不够深入,相变、纤维及晶须增韧陶瓷无论在材料制备、性能分析和结构应用等诸方面都还存在间题。纤维/陶瓷复合材料的发展主要取决于其制备技术和高性能纤维增强体的发展。晶须增韧陶瓷的优点在于其制备技术相对较成熟,利用这种陶瓷复合材料进行陶瓷热机结构应用是可行的,进一步的问题是怎样提高和稳定其力学性能,需加强力学研究工作。
新的发展趋势是综合各种增韧机制,发展混杂增韧陶瓷,如晶须加入到TZP陶瓷中去,和晶须与纤维,纤维与纤维混杂增韧陶瓷复合材料。研究工作已经表明CMC材料性能的优越性,但目前仍需在材料、力学等方面做好扎实的基础工作,更需要改进工艺,.降低成本,否则仍将是一种自我欣赏的材料。我国在陶瓷基复合材料研究领域已有一定的实力，虽然与国外相比尚有差距,但就发展的势头来看是很令人鼓舞的,只要注拿集中力量,解决好应用与研究、分工与协作等关系,我们是可以在材料,力学分析,以及应用领域取得更大的突破，加入国际先进行列。
2. 新材料
2.1 新材料概况
新材料（或称先进材料）是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。
新材料按材料的属性划分，有金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料的使用性能性能分，有结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高 硬度、
耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求；功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光热等效应， 以实现某种功能，如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等 。
新材料技术是按照人的意志，通过物理研究、 材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。新材料与传统材料之间并没有截然的分界，新材料在传统材料基础上发展而成，传统材料经过组成、结构、设计和工艺上的改进从而提高材料性能或出现新的性能都可发展成为新材料。因此，某种材料是否属于新材料，主要是依据国际或国家的相关技术标准，结合与传统材料的比较来加以界定。传统材料经过先进制备与加工控制发展成为先进材料（或新材料）。
2.2新材料制备技术
2.2.1纳米技术与纳米材料
纳米科技中的“纳米”为10-9m,是1毫米的百万分之一。原子的直径在0.1- 0.3个纳米之间。研究小于10-10m以下的原子内部结构属于原子核物理、粒子物理的范畴。纳米科技是指在纳米尺度( 1nm 到100nm 之间)上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用,以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。制造纳米材料的方法很多, 有物理方法, 例如: 真空冷凝法、UDS 法、机械粉碎法、电火花爆炸法、机械球磨法等。化学方法, 例如：气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法、微乳液法等。
目前, 国际上已商品化的纳米材料有：(1) 纳米颗粒型材料。作为磁记录介质的纳米磁性颗粒, 与普通磁带比具有高密度、低噪音、高信噪比等优点, 而纳米催化剂可以使有机物氯化反应的效率达到传统催化剂的10 倍以上。(2) 纳米固体材料。用纳米颗粒材料压制成型的纳米陶瓷涡轮机, 耐高温、耐腐蚀性能可以提高5倍。(3) 纳米颗粒膜材料。颗粒膜传感器高灵敏度、高响应速度、高精度、低能耗和小型化。(4) 纳米磁性液体材料。美、日等国生产的磁性液体可用于旋转轴动态密封, 可制造各种阻尼器件, 生产磁性液体发电机和磁性显示器等。
2.2.2材料的成形加工与定向凝固
金属材料的制备、成形与加工技术决定着国民经济支柱产业与国防现代化建设的整体技术水平。在凝固技术基础上发展起来的材料制备与加工中的一些先进技术(快速凝固、定向凝固、连铸连轧、半固态加工、热等静压和数值模拟等）迅速进入工业应用。先进材料的诞生与发展几乎无一例外地得益于材料制备和加工技术的进步, 如复合材料, 非晶、准晶、微晶及纳米晶材料, 金属间化合物, 磁性材料, 超导材料, 等等。
发展了多种凝固新技术, 成为材料制备与加工成形的新方向。如：（1)超细柱晶定向凝固技术, 使定向凝固组织细化了一个数量级, 性能提高30%左右。在此基础上发展的电磁约束成形技术, 为先进“控形—控性(控制组织)”一体化成形技术的突破打下良好基础。(2)调压铸造成形技术, 利用了真空充型、高压凝固的思路, 同时解决了超薄壁复杂铸件的成形及致密度控制等控性问题。围绕该技术, 并利用半固态、固态变形, 进一步进行材料改性, 可望形成“控形—控性(控制组织) —控制成本—控制污染”一体化的新技术。(3)液态金属深过冷快速凝固、快速冷却等控制凝固过程研究也已处于国际前沿, 成为发展先进材料非平衡制备技术的工作基础。
2.2.3快速凝固技术和材料
快速凝固通常是指以大于105K/s级的冷却速度、以数米／秒级的固液界面前进速度使液相凝固成固相。快速凝固可以制备亚稳相、微晶、纳米晶、非晶、准晶。
快速凝固工艺包括：（1）雾化法，该法是用高速气流打击金属液流，或在离心力作用下，使金属液雾化为十分细小的熔滴颗粒，最后快凝成粉末，收集快冷金属粉末经筛分后用挤压等方法成型。（2）液态急冷法，把金属液喷到急冷板或转动的辊轮上，快速凝固成很薄的金属箔或丝材。用这种方法，液流可以喷到辊轮的内表面或外表面，或板带的外表面。（3）束流表层急冷法，用激光束、电子束或离子束对金属表面进行快速熔凝。
2.2.4晶体生长技术
晶体生长技术包括：（1）气相生长，包括升华法耗费外延法。升华法是指固体在升高温度后直接变成气相，而气相到达低温区又直接凝成晶体，整个过程不经过液态的晶体生长方式。有些元素砷、磷及化合物ZnS、CdS等,可以应用升华法而得到单晶。外延法又名取向附生，它是指在一块单晶片上再生长一层单晶薄层,这个薄层在结构上要与原来的晶体(称为基片)相匹配外延可分为同质外延和异质外延。像半导体材料的硅片再外延一层硅是属同质外延；如果在白宝石基片上外延硅，那就是异质外延了。外延生长的方法，主要有气相外延和液相外延，也还有分子束外延等。（2）溶液生长，溶液生长晶体的主要原理是使溶液达到过饱和的状态而结晶。最普通的有下述两个途径：①根据溶液的溶解度曲线的特点升高或降低其温度；②采用蒸发等办法移去溶剂,使溶液浓度增高。当然也还有其他一些途径,如利用某些物质的稳定相和亚稳相的溶解度差别，控制一定的温度，使亚稳相不断地溶解，稳定相不断地生长等。广泛的溶液生长包括水溶液、有机和其他无机溶液、熔盐和在水热条件下的溶液等。最普通的是由水溶液中生长晶体。具体有三种方法：水溶液法、水热法、助熔剂法。（3）熔体生长，包括提拉法、坩埚下降法、区熔法和焰熔法。提拉法是由熔体生长单晶的一项最主要的方法，被加热的坩埚中盛着熔融的料，籽晶杆带着籽晶由上而下插入熔体，由于固液界面附近的熔体维持一定的过冷度、熔体沿籽晶结晶，并随籽晶的逐渐上升而生长成棒状单晶。坩埚下降法是将盛满材料的坩埚置放在竖直的炉内，炉分上下两部分，中间以挡板隔开，上部温度较高，能使坩埚内的材料维持熔融状态，下部则温度较低，当坩埚在炉内由上缓缓下降到炉内下部位置时，材料熔体就开始结晶。坩埚的底部形状多半是尖锥形，或带有细颈,便于优选籽晶,也有半球形状的以便于籽晶生长。晶体的形状与坩埚的形状是一致的，大的碱卤化合物及氟化物等光学晶体是用这种方法生长的。区熔法是将一个多晶材料棒，通过一个狭窄的高温区，使材料形成一个狭窄的熔区，移动材料棒或加热体，使熔区移动而结晶，最后材料棒就形成了单晶棒。焰熔法是这个方法的原理是利用氢和氧燃烧的火焰产生高温，使材料粉末通过火焰撒下熔融，并落在一个结晶杆或籽晶的头部。由于火焰在炉内形成一定的温度梯度，粉料熔体落在一个结晶杆上就能结晶。
2.2.5金属基复合材料制备技术
金属基复合材料制造技术是影响金属基复合材料迅速发展和广泛应用的关键问题。金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于金属基复合材料的的制造方法和工艺。然而，金属基复合材料的制造相对比较复杂和困难。这是由于金属熔点较高，需要在高温下操作；同时不少金属对增强体表面润湿性很差，甚至不润湿，加上金属在高温下很活泼，易与多种增强体发生反应。目前虽然已经研制出不少制造方法和工艺，但仍存在一系列问题。研究发展有效的金属基复合材料制造方法一直是金属基复合材料研究中最重要的问题之一。金属基复合材料制备技术包括固态制造技术、液态制造技术和新型制造技术。固态法是在基体金属处于固态情况下，与增强材料混合组成新的复合材料的方法。其中包括粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法等。液态法是在基体金属处于熔融状态下，与增强材料混合组成新的复合材料的方法。其中包括：真空压力浸渍法。挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉积法、热喷涂法等。
学术前沿讲座
篇二:学术前沿讲座
一 我国大气环境现状综述
近年来，我国经济快速发展，人民生活水平显著提高，但同时我国巨大的能源消费规模和以煤为主的能源消费结构引起的环境 污染 已使 国家不堪重负，我国能源环境问题的严重性不仅在于现在的污染，更重要的是未来潜在的能源需求增长对环境造成的巨大压力 。
1 我国大气污染现状
由于我国当前大多数空气污染物属于“存量型” 污染 ，即当前环境质量不仅决定于当前的污染排放量 ，还受 以往排放的污染物的影响 ，当前排放的污染物不仅影响当前的环境质量，也对今后的环境质量造成影响。在评价环境质量时应该从环境中污染物浓度指标和污染物排放量两方面对全国大气质量的现状进行考察 。
1．1 从大气环境质量指标考察大气环境质量
统计数据显示 ，自2000年 以来 ，中国城市的空气质量整体呈好转趋势 ，颗粒物超过二级标准的城市比例呈逐年增长趋势。2004年 46．8％的城市颗 粒物超过二级标准 ，比 2003年增加 1．2个百分点； 超过三级标准的城市占14．3％ ，比上年减少 6．9个百分点。但S02浓度呈增高趋势 ，2003年和 2004年S02年浓度均
33为 0．049 mg／m，比 2002年增长 0.006 mg／m，且 S02年均浓度达到二级标准的城市比例自2000年以来 基
本上呈下降趋势 。
2005年共有 522个城市开展了空气质量监测， 包括地级以上城市319个、县级城市203个。其中空气质量为一级的城市22个，占4．2％；二级的 293 个，占56．1％；三级的 152个 ，占29．1％；劣于三级的城市55个 ，占 10．6％。达到或超过国家二级标准的统计城市比例比上年增长了21．7个百分点 ，劣于三级标准的城市比例同比下降了 9．6个百分 点，与2004年相比，城市空气质量有所改善。
1．2 从排污总量角度考察
受污染源集中程度的影 响，大城市 的环境质量指标不能准确反映整体环境负担情况 ，比较而言 ，污 染 排放 量可 以更客 观地 衡量 环境 负担 。 1995年 以来 ，由于 国家 对 S02、烟 尘 、工 业 粉 尘 等主要污染物 的排污实施总量控制和经济结构的调 整 ，到 2002年 ，全 国 S02、烟尘 、工 业粉 尘排 放量 呈逐年下降趋势 。但从 2002年末开始 ，S02排放总量快 速增 长 ，烟 尘 排 放 也 略 有 升 高 。 据 初 步 统 计 ，2005 年全 国 S02排放 总量 已达 到 2 549万 t，比 2004年增 加达 13个 百 分 点 。近年来 酸雨发生频率及酸雨分 布 区域保持稳 定 ，但 部分 地 区酸雨 强 度加 大 。2005年 全 国开展 酸 雨监 测 的 696个 城 市 中 ，357个 城 市 出 现 酸 雨 ，占 51．3％。从酸 雨 出现城 市 比例 和 降水 酸度分 析 ， 2000年 一2005年期间 ，全 国出现 酸雨城市 比例在 50％～60％间波动，但重酸雨 (pH值 ≤4．5)城 市 比 例呈升 高趋 势。从 酸雨 区域分 布分 析 ，2000年 一 2005年期间 ，以重庆 、贵阳为代表 的西南 酸雨 区酸 雨污染有所减轻；华 中酸雨区(湖南、江西等省)酸雨 强度有所增加 ；华东地 区特别是浙江省酸雨污染进 一步加重；华南酸雨区的珠江三角洲地区污染加重。
2 我国大气污染控制现状分析
针对 目前 的大气污染状况 ，我 国从国家到地方 均对大气污染的控制采取 了相应 的政策，各省都制 定了本地的大气污染控制计划 ，但从 目前 的污染状 况来看，现有的治理方式并不理想。综合分析造成 我 国大
气污染的原因，主要存在以下几方面问题。
2．1 以煤为主的能源消费结构超常规发展
我国一次能源消费结构 中煤炭 占70％左右 ，燃 煤是大气 sO2污染 的主要 来源 ，我 国目前燃煤SO2排放量 占全 国 S02排放总量的 90％以上。 自2002年末以来，高物耗 、高能耗的火电、钢铁、建材 、化工 等工业呈现过热发展的态势 ，年均增长率都在 15％ 以上 ，这几大行业用煤急剧增长。仅 2005年全国能 源消费总量已达到22．2亿 t标 准煤 ，其中煤炭消耗 达到 21．9亿t，同比增长 14.4个百分点。火电行业 消耗煤炭量为 l1．1亿 t[引，占全 国煤炭消费总量的 50．7％。2005年初步统计火电行业 S02排放量已经 达到 1 400万 t。
能源 的超 常规增 长 和火 电行业 的快速 发展是导 致 S02增加的主要原因，在“两控区”表现得更为明 显。2004年“两控 区”工业排放 SO2总量为 1 132．5 万 t，比 2003年 多 出 981万 t，占到全 国工业 排 放量 的 59．8％，而全 国火 电行 业 2004年 比2003年 多 103 万 t。可 以看 出“两控 区”是 S02排 放 的主要地 区 ；火 电行业 是“两 控 区”S0，的主要 排放源 。
火电厂排放 s02总量增长除煤炭消耗量增大这 一主要原因外 ，跟煤炭供应紧张、煤炭质量下降也有很大关系 ，并且在 325 GW(截至 2004年底)火电装机容量中，效率低 、煤耗高的小机组占很大比例 。由于缺电形 势严重 ，纯凝 汽 式小 火电 厂不能按期 关停，造成 了煤炭资源 的极大浪费和严重的环境污染。
2．2 治理速度赶不上新增速度
自2002年末 ，高能耗 、高物耗行业快速发展 ，而污染治理进程却相对缓慢 ，尤其作为 SO2主要排放 源的火电行业脱硫进展更是缓慢 。进入 “十五”后 期 ，尤其是最近煤炭供应紧张 ，煤质下降 ，靠选择低硫煤来降低 SO2排放量已无空间 。同时，《火电厂大气污染 物排放标准》(GB 13223--2003)对火 电厂提出了更高的要求。由于推进烟气脱硫产业化和市场竞争 ，烟气脱硫设备造价大幅度降低 ，采用高效率的石灰石／石膏湿法脱硫工艺(90％以上)成为控 制火 电厂SO2排放 量的主要手段 。到2004年底，全国投产的烟气脱硫机组容量 已达 24 GW。除安装烟气脱硫设施外 ，关停 小火电机组 ，“两控 区”内火 电厂改 烧 低 硫 煤 ，发 展 热 电联 产 ，增 加 动 力煤 入选 比例等措 施 也在一 定 程度上 减少 和控制 了 火 电厂 SO2的排 放 量。然而统计数据表明 ，火电厂SO2治理仍远低于其他工业行业的水平 。2004年工业部门 SO2平均去除率 为 32．0％，而火电行业仅 为14．4％。与 2003年相 比 ，2004年火电行业SO2排放量增加262.2万t，去除量增加71.2万t，可见火电行业S02控制和治理任务任重而道远。
目前我国 Nox排放研究刚刚起步，控制手段落 后。由于 NOX主要来自于煤炭的直接燃烧 ，火电行业仍是主要的排放源。有关数据表明，近年酸雨中NOx一离子的浓度呈上升趋势。据专家预测，未来酸雨污染可能由硫酸型向硫酸／硝酸复合型发展。但 由于对 NO 研究基础薄弱 ，虽然 GB 13223—2003中规定 ，第三时段新建、
3改建、扩建 的燃煤电厂 ，燃煤挥 发分小于 10％时 ，排放限值为 1 100 mg/m，燃煤挥发分大于等于 10％、
3小于等于 20％时，排放限值 为 650 mg／m，燃煤挥发分大于 20％时 ，排放限值为 450 mg／m3，对第一、
二时段的电厂则采取 了更为宽松的 排放标准。虽然 国家作 出了排放标准要求 ，但没有 强制性要求火电厂安装脱 硝设施 ，而大部分 电厂对 NOx排放未采取有效控制措施 ；其他各工业部 门，如 钢铁 、建材亦没有采取控制措施 ，国家环保总局发布的历年环境统计年报中也没有公布NOx的排放量 。 虽然一些研究人员或 组织对NOx的排放量进行了估算，但都不能准确地表明 NOx的污染现状。
从城市环境质量来看 ，由于机动车数量的快速 增加 ，机动车尾气已成为大城市大气污染的主要来源。2003年城市环境空气质量监测结果显示 ：北京、上海、广州等大城市大气污染物中机动车排放的碳氧化物 、碳氢
化合物、氮氧化物和颗粒物所 占平均比例为 80％、75％、68％、50％，机动车尾气污染已成 为这些城市空气 污染的第一大污染源 ，而相应的控制措施不见成效 。
3.我国未来能源结构变化
中国正处于工业化、城市化加速发展时期，能源需求持续增长。2007年，一次能源消费量达到26．6亿吨准煤，比2000年增长了13亿吨标准煤。其中，煤炭消费量占能源消费总量的70％以上，石油消费量占23％，50％的石油消费量需要进口。持续增长的能源需求给中国的能源环境和能源安全带来巨大的压力，据美国能源信息署(IEA)等机构预测，到2020年，中国石油需求和供给的缺口将达到约800万桶／天，石油进口依存度有可能超过70％(Downs，2006)。目前中国二氧化硫和二氧化碳排放量已居世界第一，酸雨区已超过国土面积的40％。若不控制化石能源的生产和消费，后果将会更加严重。中国还有相当大比例的农村人口处于能源贫困之中，这也影响了农村经济和社会的发展。学术前沿讲座。
《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》明确规定 ：到2010年 ，在 G DP年增长7．5 ％ 的同时 ， 主要 污染 物 排 放 总 量 减 少 10 ％ 。 以 此 作 为 “十 一 五”规划 期 间的 8 大约束 性指标 之一 ，作为 具有法 律效力 的刚性 指标 ，这 是 党 和 国家 按 照 科 学 发 展观 和 可持续发展 的要求 ，基 于 目前 的经济 结构 、产业 结构 状 况和严 峻 的环 境 形 势 做 出 的 战略 性 决 策 。《可再生能源中长期发展规划》和《“十一五”可再生能源政策发展规划》这两个规划也把用可再生能源替代化石能源、优化能源结构作为第一个发展目标。风能、太阳能、生物质能受到高度重视，其中，风电和太阳能向并网发电方向发展，生物质能利用向生物质发电、生物质燃气、生物质固体成型燃料、生物液体燃料等多种方向发展。具体发展目标是：2010年，可再生能源占能源消费的10％；2020年，可再生能源消费占能源消费总量15％。这意味着中国可再生能源发展要走与前一个阶段目标全然不同的发展方式，即大规模的、产业化的发展道路。因此，“十一五”规划提出了可再生能源产业的发展目标，即以规模化建设带动可再生能源产业新技术的产业化发展。关于可再生能源产业技术水平和装备能力的规划目标概括起来就是：现阶段要重点提高技术水平，建立完善的产业体系。已成熟的技术要实现大规模生产、形成比较完善的生产体系和服务体系。从2010年到2020年期间，加强可再生能的技术研发和设备国产化，建立完备的可再生能源产业体系，大幅度降低可再生能源开发利用的成本。
4. 我国NOx污染状况 NOx是我国47个重点城市环境空气质量周报中的考核项目，也是2000年重点城市“一控双达标”中城市环境空气质量达标项目之一，但是NOx的排放情况、监测数据和污染控制等方面还有很多不确定因素。为了做好NOx的污染控制工作，我们对NOx的污染指标和控制措施等有关问题作了初步探讨一、我国NOx污染现状：1、我国NOx排放情况的估算。据项目“能源规划中综合考虑环境因素”研究的初步估算，1990年我国氮氧化物的排放量约为910万吨，其中近70来自于煤炭的直接燃烧，固定源是NOx排放的主要来源。根据世行项目“中国机动车排放污染控制战略研究”，1995年全国机动车辆(不包括农用车辆)的NOx排放量为141.3万吨,若包括农用车辆，其排放估算量可能将增加1/3，机动车的排放量估计占排放总量的不到20，是城市的NOx的主要来源之
一。目前我国NOx排放量估计在1000多万吨。鉴于我国的能源消耗量今后将随经济的发展不断增长，NOx排放量也将持续增加。据有关研究的估算，到2000年和2010年，我国的NOx排放量将分别达到1561万吨和2194万吨。由此可见，今后NOx排放量将十分巨大。如果不加强控制，NOx将对我国大气环境造成严重的污染NOx排放量的剧增使我国城市大气中的NOx污染程度加重。1997年在全国357个城市中，NOx浓度年均值范围为0.001-0.140mg/m3，年均最大值出现在广州市，其中291个城市NOx浓度年均值达到国家二级标准(0.05mg/m3)，占81.5，66个城市超二级标准，占18.5。1998年全国311个城市，NOx浓度年均值范围为0.006-0.152mg/m3，年均最大值出现在北京市，其中252个城市NOx浓度年均值达到国家二级标准(0.05mg/m3)，占81.0，59个城市超二级标准，占19.0。1997-1998年，NOx浓度年均值超过国家三级标准(0.10mg/m3)的城市有北京、广州和
上海三市。根据1991-1998年8个年度的统计，环境空气中NOx平均浓度的年度变化趋势不明显，但北京等少数特大城市的污染有加重趋势。NOx对环境的影响和对人体健康的危害:我国NOx排放量和大气NOx浓度的快速增加，将使我国大气污染的性质发生根本性的变化，大气氧化性增加，导致一系列的城市和区域环境问题，对人体健康和生态环境构成巨大的威胁.NOx中对人体健康危害最大的是NO2，主要是影响呼吸系统，可引起支气管炎和肺气肿。大气中NOx和挥发性有机物VOC达到一定浓度后，在太阳光照射下经过一系列复杂的光化学反应，就会产生以高浓度O3和细颗粒物为特征的光化学烟雾，形成了夏季城市天空经常出现的兰色烟雾。由于我国大气中VOC浓度较高，光化学烟雾的产生主要受NOx制约，大气NOx浓度的微小增加都会加重光化学烟雾的污染。光化学烟雾是一种二次污染，污染区主要位于污染源（城市）下风向30-50km，由于O3和细颗粒物可以作长距离传输，造成区域性的氧化剂污染和细颗粒物污染，使区域空气质量退化，减少太阳辐射，气候发生变化，对生态系统造成损害，农作物减产。美国目前由于O3污染使谷物减产10以上，估计太阳辐射减少对产量的影响更大。光化学烟雾会使大气能见度降低，对眼睛、喉咙有强烈的刺激作用，并会产生头痛、呼吸道疾病恶化，严重的会造成死亡。
由于大气氧化性，NOx在大气中可形成硝酸HNO3和硝酸盐细颗粒物，同硫酸H2SO4和硫酸盐细颗粒物一起，发生远距离传输，从而加速了区域性酸雨的恶化。已有研究表明，HNO3对酸雨的贡献呈增长之势，降水中NO3-/SO42-比值在全国范围内逐渐增加。目前我国已结合对两控区的划分工作，对SO2排放进行了全面控制，但NOx排放总量的快速增长及其大气浓度和氧化性的提高有可能抵消对SO2的控制效果，使酸雨的恶化趋势得不到根本控制。
二 工业固体废弃物磷石膏的产生及资源化趋势
磷石膏是湿法生产磷酸过程 中的副产物 ，通 常每生 产 1 t 磷酸 (以 P：0 计 ) 可以得到 4．5 t 磷石膏 (干 )，实 物量约为 7 t。 近年来 ，随着磷酸工业 的发展 ，磷石膏 的 排放量也 日益增大。 十五期 间，我国仅磷肥副产磷石膏 高达 3300 万 t，许多重点磷肥企业年排磷石膏量均在 100 ～200 万 t。 但另一方面其利用率却很低 ，磷石膏 占用 了 大量土地 ，污染环境 ，给生产企业带来了很大的负担。 磷石膏的资源化已成为磷酸工业实现可持续发展的关键 因 素之一。
1 磷石膏的基本特性
湿法磷酸生产过 程 中产 生的含有少量未 分解 磷矿 和游离酸的二水硫 酸钙称为磷石膏 。 纯 净的二水硫 酸钙是单斜晶系的白色粉末 ，结晶较好 ，多呈平行四边形 和长柱状以及燕尾状结晶。 磷石膏因含有杂质一般为浅 黄、浅灰或灰黑色的细粉状 固体 ，含水率 20％ ～30％ ，容重 0．733 ～0．880 g／cm ，粘性较大 ，流动性差 ，呈酸性 ，略 有异味，主要成分为 CaSO ·2H 0，并 含有少量的 SiO：、 A1：O，、Fe O CaO、M gO，微量的重金属离子及放射性元 素 ，以及未分解的磷矿粉、P O 、F 一和游离酸等杂质 。 经测定 ，磷石膏晶体尺寸在 4JD ～200 肌 之间，二 水石膏(CaSO ·2H：0) 的含量非常高。 磷石膏 能溶于 酸、铵盐、甘油 ，微溶 于水 ，不溶于乙醇，175 ℃左右 时失 水成半水石膏 (CaSO ·0．5H：0)，193 ～210 ℃时失去水 而成为无水石膏。
2 磷石膏中的杂质对性能的影响及其预处理方式
2．1 磷的影响及去除
磷石膏中的磷以P205 的形式表 示 ，包括可溶性磷、共晶磷和难溶性磷。 可溶性磷 主要来源于残留在磷石膏
-- 3-中的磷酸 ，磷酸 电离后产生 H3P04 、H2PO4、HPO4、PO4 四种形态的 P205 。 它在炒制过程中不挥发 ，生成
焦磷酸(H4P207)或其他磷酸盐 。 可溶性磷对磷石膏的性能影响主要表现在 延长磷石膏的凝结时间和降低石膏制品的强度。 它存在 于石膏晶体的表面，其含量随磷石膏颗粒度增加而增加。 采用水洗预处理就可以除去可溶性磷。
共晶磷一般 以 CaSO4 ·2H20 CaHPO4 ·2H2O 的固 溶体形式存在。 因而难以采用水洗预处理去除。 在建筑 石膏水化时，共 晶磷中 的 P：O 释放 出来， 以 ca (P0 )： 的形式存在 ，此时表现为降低 pH 值 ，延缓凝结 时间 ，降 低石膏硬化体强度。 只有在 800 oC 下煅烧磷石膏才能使 共晶磷转变成为隋性的焦磷酸盐 。 难溶性磷存在于少量未反应的磷石灰粉 中。 作为 惰性组分 ，它对磷石膏的性能几乎无不良影响。
2．2 氟的影响及去除
磷石膏中的氟来源于磷矿石 ，硫 酸分解磷矿石 时有 20 ％ ～40 ％ 的氟进入 了 磷石膏 中。 硫酸分 解 时 以 可溶 性 氟 (NaF) 和 难 溶 性 氟 (CaF，、 NazSiF )两种形式存在 。 影响磷石膏性能的主要是可 溶性氟，可溶性氟有促凝作用 ，但当其 含量超过 0．3％ 时，会显著降低磷石膏的强度。 难溶性氟一般是惰性的 ， 但若以同结晶络合物存在或不存在于二水石膏中时，就 有很大活性和热不稳定性 。 水洗预处理可以去除可溶性氟。 另外 ，也可采取石灰中和预处理方式使其转化 为难溶性氟(CaF )，从而消除可溶性氟的影响。
2．3 有机物的影响及去除
磷石膏中的有机物来源于 磷矿石中的有机杂质和磷酸工艺 中所加入的有机添加 剂。 研究表明 ，磷石膏中的有机物为乙二醇 甲醚乙酸 酯、异硫氰甲烷、3 一甲氧基正戊烷、2 一乙基 一1，3 一二氧 戊烷等，其含量随磷石膏颗粒度的增加而增大，通常分布 在二水石膏晶体表面，使磷石膏胶结材需水量增加 ，削弱 了二水石膏 晶体间的结合 ，使硬化体结构疏松，强度降 低。 水洗、浮选法和 800 ℃煅烧等方法均可去除有机物 。 但水洗存在生产线一次投资大 、能耗高、水洗后污水排放 造成二次污染等问题 ；煅烧则需要在高温条件下才能去 除其中的有机物。 因此 ，当磷石膏中有机物含量较高时，宜选用 浮选方式加 以去除。
2．4 其他杂质的影响及去除
除磷、氟、有机物之外 ，磷 石膏中还含有其他一些杂质 ，如 SiO 以及 Fe、Sr、M g 的 氧化物或与磷酸盐形成 的络合物。 这些杂质一般为惰 性 ，对磷石膏性能影响不大。 但碱金属盐会在磷石膏构 件干燥过程中随水分迁移至表面，使构件发霉或泛霜，需 要通过预处理去除。 总之 ，磷石膏中的杂质越少 ，磷石膏 的品质越高，越容易利用 。 在实际的利用过程中 ，选择何 种预处理方式不仅要考虑磷石膏中存在的杂质种类及数 量 ，还应考虑其利用途径 ，综合各种因素选择经济而又合 理的预处理方式。
3 磷石膏的资源化途径
3．1 磷石膏用于建材行业
3．1．1 磷石 膏在水泥工业中的应用 在水泥工业中 ，磷 石膏可用作水泥缓凝剂、水泥矿化剂 ，并可用来生产低碱 度水泥和制硫酸联产水泥。
3．1．1．1 用 作水泥缓凝 剂 硅酸盐类 的普通水泥和特 种水泥 ，都需要一定量的石膏( ≤3．5％ ，以 S0 计 )，使 其与 C A 反应生成溶解度极小的钙矾石 ，从而使水泥产生正常的凝结。 水泥中掺入杂质含量不大的磷石膏与掺天然石膏的性能相近，水化产物基本相同，早期强度略小 于掺天然石膏的水泥 ，还可能提高后期强度。 需要注意 的是 ，应控制磷石膏中可溶性磷的含量 ，否则不但影响其 作为水泥缓凝剂的作用 ，还易腐蚀钢筋混凝土工程中的 钢 筋。
3．1．1．2 用作水泥矿化剂 在煅烧硅酸盐水泥时加入 石膏(1％ ～2％ ，以 S0。 计) 和 CaF：(0．8％ 一
1．6 ％) 的复 合矿化剂可以节能，提高产品产量和质量。 少量 的磷酸 盐对水泥熟料烧成起着强烈的矿化作
学科前沿讲座学习心得
篇三:学术前沿讲座
学科前沿讲座学习心得
在开头必须注明：班级、学号、专业等个人信息。
总结开头需对照凭证自查写明参加