鐵系金屬氧化物摻雜對三氧化鎢陶瓷熱電性能影響2/5
- 分類：鎢的知識
- 發佈於：2015年12月24日
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製備摻雜三氧化鎢（WO3）陶瓷。製備過程：首先，將三氧化鎢與摻雜物研磨成粉末，為了使研磨出更細膩的混合粉末，研磨過程中加入適量酒精；然後，將混合粉末乾燥後預燒處理，溫度為600℃；其次再進行研磨，研磨過程中加入聚乙烯醇（PVA），形成均勻混合的漿料；最後，將漿料經過乾燥、造粒、成形後在1100℃下燒結出摻雜的WO3陶瓷。
WO3陶瓷摻雜鐵系金屬氧化物前後微觀結構變化。單從晶體尺寸上來看，只有氧化鐵（Fe2O3）的摻雜使WO3陶瓷晶粒變小，而氧化鈷（Co2O3）與氧化鎳（NiO）的摻雜使得WO3陶瓷的晶粒尺寸變大。隨著摻雜濃度的提高過程中，摻雜Fe2O3的陶瓷晶粒尺寸逐漸變大，孔間隙率逐漸變小並且一直小於未摻雜的陶瓷；摻雜Co2O3與NiO的陶瓷晶粒尺寸逐漸變小，孔間隙率逐漸變大，甚至超過了未摻雜陶瓷的孔間隙率。三者之間的共同性為：摻雜量較小時，陶瓷材料都獲得了更好的緻密性；但摻雜量較大時，顆粒中都出現雜質，這些雜質都基本存在於晶界上並隨著摻雜量增大而變多。不同的摻雜物在WO3陶瓷中的溶解度不同，當摻雜濃度在溶解度之下時，摻雜物溶解在WO3陶瓷中；當摻雜濃度在溶解度之上時，就會產生第二相，分別為FeWO4，Co2O3、NiWO4，這些產物即為晶界上得雜質，摻雜濃度越高，第二相就越明顯，雜質就越多。這些第二相的生成原因主要原因為：鐵系金屬氧化物的濃度超過了本身在WO3中的溶解度，隨後與WO3發生了化學反應。
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鐵系金屬氧化物摻雜對三氧化鎢陶瓷熱電性能影響1/5
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三氧化鎢（WO3）屬於過渡金屬氧化物，不僅具有變色特性、氣敏特性、被用於諸多領域，而且還被發現具有屬於電學領域的特性，具有壓敏特性以及熱電熱性，對於熱電特性目前的主要運用方向為熱電發電與製冷。WO3雖然具有熱電特性，但想要直接用來製作熱電器件還必須改善其熱電性能，提高熱電轉換效率，摻雜是改善或增強材料某一特性的主要手段，文中分析了鐵系金屬氧化鎢摻雜WO3後對其熱電特性的影響。
鐵系金屬氧化鎢。目前發現的鐵系元素有三種，分別為：鐵、鈷、鎳，這三種元素性質很相似，被統稱為鐵系元素，文中摻雜物分別為這三種鐵系金屬的氧化物，分別為：氧化鐵（Fe2O3）、氧化鈷（Co2O3）、氧化鎳（NiO）。三氧化二鐵（Fe2O3）是生活中鐵銹的主要成分，可作為顏料、拋光劑、催化劑以及煉鐵原料等，最主要應用於橡膠、油墨、油漆等領域中等；氧化鈷（Co2O3）可作為催化劑、染料以及生產超耐熱合金、硬質合金、絕緣材料和磁性材料的原材料等，主要應用於精煉石油催化劑、搪瓷和陶瓷顏料、油漆添加劑、電池行業等；氧化鎳（NiO）可作為催化劑、電子元件材料、搪瓷的密著劑和著色劑以及生產鎳鋅鐵氧體等，主要應用於主要磁性材料、冶金、顯像管、搪瓷塗料和蓄電池材料等。這三種金屬氧化物都能用於顏料、催化劑、作為生產金屬、金屬合金的原材料，並且都具有良好的電導特性，也正因為鐵系金屬氧化物具有良好的電導特性所以被選擇作為WO3的摻雜物來改善其熱電特性。
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三氧化鎢的還原方法
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我國是世界儲鎢和產鎢大國，對世界鎢商品貿易的影響是舉足輕重的。近年來，我國在鎢製品的生產、品質研究及出口量上取得了長足進展。但我國碳化鎢在世界貿易中所占比例仍然很低。如何合理地利用我國豐富的鎢資源，發展和提高鎢產品深加工技術水準，提高深加工產品品質，開拓鎢的新應用領域，搞好鎢副產品的綜合利用，不僅對硬質合金行業的發展有深遠的影響，而且對鐵合金行業也有重要意義。
真空碳還原三氧化鎢法：
真空碳還原三氧化鎢法是指在鎢粉中允許雜質碳存在（包括WC）或雜質成分要求不是很嚴的那些情況下，用工業純碳還原制取鎢粉或碳化鎢粉是簡便而經濟的方法。如以下表格所示，用碳還原的鎢粉或碳化鎢粉，做為鑄造碳化鎢的物料是完全可以滿足要求的。為此。可以使用純度為98%的三氧化鎢或純度較高的人造白鎢，以碳黑石墨粉等為還原劑，在真空爐內還原和碳化而制得鎢粉和碳化鎢粉。
鑄造碳化鎢技術條件
碳還原三氧化鎢法：
碳還原三氧化鎢法是指用碳還原三氧化鎢，此方法的原理與用氫還原極其類似。在常壓下，溫度高於750℃時加熱三氧化鎢與炭黑或石墨粉的混合物。開始發生下列反應：WO3+3C=W+3 CO；WO3+4C=WC+3CO。在1000℃以下，主要是由CO參加還原反應，生成CO2並發生CO2與碳的氣化反應：WO3+3CO=W+3CO2；CO2+C=2 CO2。
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納米硬質合金與傳統硬質合金對比
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由於納米硬質合金有效地調和了硬度以及韌性之間的矛盾，使其在力學以及機械性能等各個方面相較于普通結構硬質合金都有一個較大的提升，我們主要從以下兩個方面出發，將納米結構硬質合金與傳統硬質合金進行一個更為直觀的對比：
1.孔隙缺陷：
從一些生產經驗以及理論上分析，晶粒度越小，其所存在的孔隙缺陷也越小，斷裂韌性增強。這就使得納米硬質合金的孔隙缺陷比傳統硬質合金的孔隙缺陷要小得多。當晶粒尺寸小於30nm時，缺陷只有幾納米甚至更小，此時斷裂韌性得到極大的改善。
2.介面
相比之下，納米硬質合金的介面比傳統結構的硬質合金的介面多了許多，裂紋路徑通過硬質相WC介面和粘結相Co介面，換句話說，穿過晶界的裂紋在納米晶材中大量地增加，其正說明了裂紋不優先沿著介面而是通過粘結相前進，在硬質合金材料中形成密集的淺韌窩。在通過B/C介面斷裂的粘結相存在大量的塑性變形，提高通過B/C介面的裂紋路徑的百分比會顯著提高過程的斷裂能力，從而增強納米硬質合金材料的整體韌性。此外，從與變形機制有關的介面效應上看，當晶粒尺寸達到納米級別，晶粒的遷移與位錯運動都變得相對困難，取而代之的是晶界的滑動以及小範圍的擴散，如晶粒形狀的改變、晶粒的旋轉。納米WC顆粒被包覆在納米Co中，當納米晶Co稱為控制相時，相應的硬質合金的力學性能也發生的改變。要注意的是納米硬質合金的耐磨性要高於傳統硬質合金，但是其並不遵循傳統硬質合金隨晶粒尺寸下降而耐磨性提高的機制。
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鎢合金配重件在滑雪板中的應用
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滑雪運動在現代深受人們的喜愛，也逐漸發展成為壹項競技比賽，其項目和領域也在不斷地擴展。滑雪所使用的滑雪板壹般采用木材、塑料以及金屬材料等混合制成。為了使滑雪板具備更好的平衡性和速度通常可以在滑雪板中增加配重塊，重量可調節。
滑雪板在平放時沒有收到任何重力的擠壓會有形狀，而當承受了人體的重量時滑雪板就會發生變形被踩平，不同的滑雪板型會有不同的形變壓力從而產生不同的彈性能量。但為了在彎道時保持穩定平衡的滑行效果，需對滑雪板增加配重。
對於滑雪板而言，由於經常性地在雪地上摩擦，且板身較為輕薄，因此用以制作滑雪板配重件的材料應具備密度大、體積小、抗腐蝕、耐磨性好，堅固耐用、加工性能好以及不易變形等等壹系列的性能。如果滑雪板重量過輕，會使得滑行過程中產生較大的震動從而失去滑雪板的控制平衡性。因此用鎢合金材料可以根據需要加工成各種形狀的鎢合金配重件運用於滑雪板中，達到平衡滑雪板、減輕滑行震動以及控制滑行速度的目的。
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