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1、攀枝花学院Panzhihua University本科毕业设计（论文）文献综述院 （系）： 材料工程学院 专 业： 材料成型及控制工程 班 级： 级材料成型2班 学生姓名： 肖郢 学 号：2013年12月本科生毕业设计（论文）文献综述评价表毕业设计（论文）题目提钒尾渣炼铁后渣与尾矿制备黑色陶瓷材料综述名称黑色陶瓷材料研究与发展评阅教师姓名职称教授评 价 项 目优良合格不合格综述结构01文献综述结构完整、符合格式规范综述内容02能准确如实地阐述参考文献作者的论点和实验结果03文字通顺、精练、可读性和实用性强04反映题目所在知识领域内的新动态、新趋势、新水平、新原理、新技术等参考文献05中、英文参
2、考文献的类型和数量符合规定要求，格式符合规范06围绕所选毕业设计（论文）题目搜集文献成绩综合评语： 评阅教师（签字）： 2013年 月 日文献综述黑色陶瓷材料研究与发展前言在陶瓷材料没有被制造成具有一定形状的产品之前，陶瓷材料所具有的的优良性能与功能并不能得到实际应用。随科学技术的发展，许多装备的使用条件越来越苛刻，传统金属材料的性能已难以满足要求，促使陶瓷材料的应用领域得到迅速扩大。各种不同的应用领域对陶瓷材料零部件的形状提出了越来越高的要求。材料的键合特点决定了烧结陶瓷材料几乎无法通过后续冷加工与热加工，制成特定的形状，陶瓷产品形状的获得必须在烧结以前完成。同时在成型工艺过程中还必须兼顾对
3、后续烧结工艺过程和烧结产品的性能的重要影响1。在陶瓷的成型方法中主要有湿法成型和干法成型。成形是将陶瓷粉料加入塑化剂等制成坯料，并进一步加工成具有一定形状、尺寸和强度的坯体工艺过程。Belgin Tanisan 和Servet Turanb利用黑陶和轧钢成型的结合，研究发现两个不同的自然铬铁矿矿石和从铁的氧化物废物中合成，用作合成的黑色陶瓷颜料瓷器作为替代原材料，能够降低成本。铬铁矿矿石铁氧化的浪费比率和焙烧温度对色素的属性影响进行了调查。它被发现具有较高的氧化铬和氧化铬比率，铬铁矿矿石可以用于合成黑色陶瓷颜料，利用氧化铁行业废物结合。然而，其颜色强度没有那样强，作为商业黑色颜料由于铬铁矿矿石
4、来自其他相砂杂质的存在。当这些颜料与商业的黑色颜料的组合使用时，可以减少商业颜料的消费，提供着色的瓷瓦机构节省成本2。工业制造陶瓷产品需要保证：零件的尺寸形状、要求的尺寸公差、产品的成本、产品的特征等性能指标。1 概述1.1 黑色陶瓷材料简介黑色陶瓷材料是由MnO2、CrO2等金属氧化物组成，由于其气孔率可控、硬度、室温力学强度、热震阻力、抗腐蚀性等特点，早在上个世纪八、九十年代被广泛研究和应用，在太阳能集热器上的应用就是最典型的案例之一，而且从传统的陶瓷发展现金的特种陶瓷。但是相比金属材料，黑色陶瓷材料的导热系数较小，致使黑色陶瓷材料发展进程较为缓慢3。1.2 尾渣制备黑陶背景提钒尾渣不完全
5、统计，年产约为30万吨，四川攀枝花、河北唐山、辽宁鞍山由于这些地方矿床所在，产出量较大。本课题以攀枝花钒钛磁铁矿为主要研究背景7。攀枝花地区拥有丰富的钒钛资源，钒作为一种战略资源极为稀有且难获取较为纯的单质钒，攀钢在提钒后产出大量钒渣，尾渣中的钒含量超过5%，不仅浪费资源同时多余的尾渣堆砌占用了有限的土地资源，也污染了环境。目前，提高钒的利用率主要有两个方向，分别是：提钒浸取率提高和提钒尾渣应用。科学家们发现利用提钒尾渣制备黑色陶瓷材料能获得优良性能的陶瓷材料。强度高，能作为装饰或建筑材料；寿命长，能与建筑物同寿命。将钒渣融入陶瓷的同时也减少了钒渣对环境的污染，节约了土地资源，从长远来看，提钒
6、尾渣制备黑陶是可行的。1.3 黑瓷工艺及改进在黑瓷工艺研究中，瓷质品表面涂层作为太阳能吸收涂层的关键元素，国内普遍采用的有半导体涂层、光干涉涂层、米氏散射涂层、多孔涂层和电镀涂层等，涂层原料中几乎都含有钴元素，而含钴颜料性能不稳定，所以寻找替代材料或者在高温下能承受性能不衰减的涂层是改进的一个方向。钒钛黑瓷是当前黑瓷材料中最为流行的代名词，它是指由提钒尾渣和普通陶瓷材料按比例进行添加混合，进过球磨、成型、干燥、烧结等工艺烧制成的整体黑色的瓷质制品4。传统的黑色陶瓷生产中仍含有大量的铁和镓，这在一定程度上会影响陶瓷在不同工况下的应用。本实验是将高温还原提钒尾渣后制铁粉和电解提镓和制取太阳能集热黑
7、瓷材料两种方法结合起来，首先用第一种方法的高温还原技术还原提钒尾渣，得到还原铁。然后用还原铁后得到的尾渣和普通陶瓷为原料制成黑瓷。由此，既充分发挥了两种方法的优点，又完全避免了两者的缺点，全部利用的同时，还解决了提钒尾渣造成的污染。2 黑瓷生产工艺流程2.1 黑瓷制造流程黑瓷生产工艺流程主要包括:原材料制备、配料球磨、球磨后筛分、加水混合、压型、干燥一定时间、烧结半成品、进行磨光和磨边最后获得较为完整的钒钛黑瓷制品5。黑瓷材料在原材料制备中先进行直接还原除铁磁选尾渣，其次将炼铁后的尾渣尾矿按照1:1配料，再次球磨混合不低于15个小时，达到所需目数后通过100目和200目筛子，加适量水混合挤捏3
8、个小时及陈腐3个小时，成型采用压力机压型，干燥时间根据空气湿度而定，烧结温度一般在1000左右，同时要严格控制温度曲线避免升温过快，产生不必要的缺陷6。陶瓷部件通过烧结得到它最终的形状和性能，烧结也是陶瓷工艺过程的检验。烧结的主要目的是使坯体致密化，最终显微结构控制当然也重要。3 黑瓷产品及制备方法近年来，伴随着经典的粉末冶金工艺方法，化学气相沉积（CVD）、溶胶-凝胶技术及聚合热解等方法用于高纯陶瓷初始材料的生产。这些方法的采用又为这些材料提供了新的应用。近年来，在黑瓷材料方面研究的主要成果包括太阳能热水管、中空太阳能集热板、建筑装饰材料。3.1 钒钛黑瓷制大尺寸光热转换元件以提钒尾渣和普通
9、陶瓷为原料制备大尺寸的光热转换原件，如集热管、集热板等，采用滚压、半干压或者注浆法及压滤成型方法，成型方法各有优缺点，对于大尺寸中空板或管材，主要是其内应力难以解决，易产生裂纹影响原件质量。而山东科学院在制作大尺寸中空板时，将两块黑瓷板平行间隔一定距离，然后用胶粘剂或者特殊材料粘结，上下凹凸模配合加热，这样就可以保持中空板较好的形状、尺寸、裂纹缘7。钒钛黑瓷中空板可以在较高温度下辐射处红外线，山东将平板与衬条和端头板结合，不设置通道口和端头板，这样可以装入加热元件促进黑瓷辐射出红外线，提高其理化性能可用于治疗人体疾病和加热物质。太阳能是高密度能源，在攀西地区拥有丰富的太阳能，太阳能热水管在民用
10、中广受推崇。但是市场上的太阳能热水管普遍为铜基材料，价格昂贵且寿命较短。应用粉末冶金、粉体机械制备黑色陶瓷，技术先进可以改善原料的成形性能，提高坯体密度，促进烧结过程中反应原料的均匀化，有利于降低烧结温度获得优质的黑瓷太阳能热水管8。已经生产出的黑瓷太阳能热水管，有闷晒式和循环式，循环式的效率相对较高，因此适合民用。在民用中安装一般为40度仰角，可保证最大限度接受太阳辐射量。而热水器的底部也存在热损失，主要取决于热水器底部的隔热层材料，所以集热器的保温效果难题在于是否解决阻热传导材料3。钒钛黑瓷制备中空太阳能集热板，利用粉体机械方法制备，对于陶瓷的平板而言，截面尺寸较管子大，故而成型受内应力影
11、响，陶瓷粉末应当在合适颗粒区间便于成形，提高致密度，便于样品烧制成型后降低其吸水率。3.2 复合立体网状黑瓷吸收层一般陶瓷材料经真空练泥过多孔模具形成多孔板，两端端头相通，然后将工业废料提钒尾渣混制成泥浆采用喷涂的方法涂刷在素坯上，这样可以很完全的浸入陶瓷表面，而这种方法在制备黑瓷产品系列很常见9。山东科学院研究出的复合立体网状黑瓷阳光吸收层是由喷涂的雾滴与泥粒相互粘附，堆积成蜂窝状、柱状、多孔状，烧制成型后与瓷质基体组合，经测试其性能，相比传统阳光涂层材料效率较高，但从权利要求中发现尾渣成分较为复杂需严格控制，烧结温度在11001300，温度控制也较为困难。3.3 黑瓷复合陶瓷太阳板陶瓷太阳
12、板国内外主要研究其在冬季吸收太阳能取暖、海水净化或淡化供民所需5。对于黑瓷制成中空太阳能集热板也是一种新型发明，由于其持久耐用的高性价比，在城市建设中应用广泛，在城郊区是电网盲区，选择陶瓷太阳能路灯可以代替照明，一定意义上为国家减少了不小的支出。复合黑瓷太阳板也是以普通陶瓷为主要原料，在孔模具素坯成型，黑瓷着色烧制成形。该方法利用陶瓷成本低、耐用等特点，与多孔立体网状阳光吸收层的方法相互借鉴。在该制作方法中仍然要考虑板的裂纹，陶瓷的断裂与其相组成密切相光，在某种程度上还与晶粒结构有关，因此制作大尺寸太阳板压制、干燥、烧结、保温环节需要注意处理相关细节，如温度控制均与受热及消除应力。而对于工业上
13、利用普通陶瓷制作过滤筛，则需要一定的气孔，保持开孔通道穿透整个结构，然而密度不能超过90%，否则气孔将不会贯通。4 国内外黑瓷研究4.1 国外陶瓷发展 提钒尾渣中的可溶性铬盐、钒盐经高温分解生成的矿物进入晶相和玻璃相，所以钒钛黑瓷的使用是完全安全的，有害物质测定结果也证明了这一点8。在美国利用黑瓷在建筑屋体上变色，使其屋体变黑反射照明效果。在灯光布置中包括光学仪器与辐射口表面和光电组件会产生辐射，用一个组件 从一个反射器生成像原理。形状和吸收辐射元素的安排适合偏转中的组件通过辐射口表面，产生的辐射，该元素用于专门吸收这种辐射。照明安排最好被用于特别是均质背面照明显示仪器的如液晶显示器10。在美
14、国陶瓷瓷研究领域，科学家麦克和威廉.杰克发明了利用陶瓷作为发射底座，考虑的正是陶瓷耐高温的特点。其原理是一种陶瓷发射极基片具有基体具有顶侧和底侧，并设置在顶侧的腔。键合焊盘被布置在被布置在底侧腔室和焊盘。发光二极管（LED）被电连接到所述键合焊盘。低电阻导体设置在所述陶瓷基体中，从而互连焊盘和焊盘。该互连配置，使得LED可以单独激活为通过施加到焊盘的行和列驱动信号的阵列。陶瓷基片是从标准的绿色陶瓷粘贴，与一个黑暗的添加剂编造的。由此产生的“黑色”陶瓷材料的光渗漏的边缘和底部的陶瓷基片通过预防目的11。国外制造高稳定光源系统的方法中也涉及黑瓷的研究，房屋采用黑色光吸收陶瓷或其他硬质的低热膨胀材料
15、。黑色陶瓷可以选择性的吸收外部杂散光，温度的膨胀系数类似某些标头金属、 玻璃等；而环境光线不是一个影响因素，房屋可以在任何情况下搭配材料与屋体合适的热膨胀性能。屋盖与屋体形成一个密封的外壳，可以保证围绕稳定光环氧源。在SMD技术中，套管由深色或黑色的陶瓷材料制成，而且他们已发现提高对比度的图像生成表贴封装，如SMDs与受雇于视频显示12。在医学上，陶瓷应用也相当广，如牙科上的烤瓷牙即是利用黑瓷和白瓷的结合，科学家亨氏和马库斯等人就曾研究提供用于加工牙科陶瓷材料铣削方法，以减少研磨时间，同时保持强度，准确性和边缘完整性。这样可以使得陶瓷牙一次性安装后寿命长久，减轻患者的痛苦和负担。通过制备牙齿试
16、验片进行分析对比度，为此放置在前面的黑色陶瓷具有至多86的色差反射，然后确定白色陶瓷体的前4的反射体。使用高度透明的试验片反射或者吸收，主要是由陶瓷背景而反射是由试件的情况下不透明的材料被使用情况而定。4.2 国内黑瓷发展国内黑瓷研究和发展趋势是在保证产品质量的基础上，往轻便化、质薄化发展。早在1989我国山东省就已制造出薄质黑瓷产品，其厚度低于1.5mm,厚度相比在此之前的成形技术获得厚度更薄，材质能与金属结合使得导热率增加。而现在我们日常生活中所使用的一些日用品如水杯、瓷碗等就是基于本专利发明13。在黑瓷技术成熟后，转向服务公众，黑瓷太阳能热水器是上个世纪80年代的一个实用性发明。在当时，
17、国内外使用的太阳能热水器采用的是平板型集热装置，集热体一般是金属和熟料制成，金属一般是不锈钢、铜、黑铁皮、聚乙烯等材料，而这些材料易腐蚀、使用期短、价格昂贵，影响产品的推广。而该黑瓷太阳能热水器则克服了以上的缺陷，采用GRC材料为框架依托，提高热水循环率，且工艺较为简单14。而在攀枝花发明的一种新型黑瓷太阳能集热器则是采用全玻璃盒体和真空保温技术，这样可以使得水温高达110左右，而且盒体更轻量化、更薄，可以实现建筑一体化，节约空间10。5 黑瓷成形方法5.1 成形发展方向已经提到，山东省科学院在黑色陶瓷材料领域的研究走在世界前列，早在上个世纪90年代已经崭露头角，新型实用黑色陶瓷热管的出现，填
18、补了太阳能循环利用的空白。早在太阳能发展之初，光伏企业普遍采用金属的热水管，其寿命短、耐腐蚀性弱、工艺复杂、成本较高，而采用陶瓷热水管可以将前者的缺点全部弥补。陶瓷成型方法主要包括：注浆成形和压滤成形。长期以来注浆成形一直是陶瓷的一种重要成型和固化方法，这将一直延续到将来。但是，为了更加快速经济的生产，并可以更好的控制生坯结构，传统陶瓷和先进陶瓷均将压滤成形的趋势发展。当需要处理非常细的粉末时，尤其是在先进陶瓷 方面将突出该方面的优点15。悬浮体中陶瓷粉末的处理极为重要，因为它通过控制颗粒间的作用力，可以得到高均匀性的生坯。可以促进混合并系统的改变堆积特性。注浆成形是一种采用一定形状的多孔模型
19、生产空心制品并广泛用于瓷器工业中的古老的常规技术，而压滤长期以来一直在瓷器工业中用作制备塑性坯料的技术。注浆成形通常使用较廉价的熟石膏模型，不能压制复杂形状的产品，可小批量生产。在注坯形成过程中，颗粒的尺寸分布对堆积特性产生强烈的影响，从而将影响生坯性质。因此，有必要控制决定结构影响因素15。黑色陶瓷热水管采用提钒尾渣废料与普通陶瓷材料混合，注浆法成型后在1100左右烧结制成。该实用型发明实现了成本的降低和简化了工艺过程。除此之外，在利用工业废料制备高效能黑色陶瓷的过程中，国外研究学者A.V,Zaichuk,Ya.I.Belyi利用基于平炉钢炼渣获得较为稳定的黑色颜料，相比以往的的方法，该方法
20、成本较低、性能优异16。5.2 成形方法改进传统陶瓷生产中的坯料中含有一定量的可塑性黏土成分，只要加入一定量的水分，经过一定的工艺处理，就会有很好的成型性能，因此，一般不需要添加塑化剂。在特种陶瓷生产中，除少数品种含有少量黏土外，坯料的原料几乎都是化工原料，纯度很高，没有可塑性，所以成型之前需要进行塑化。成型过程中添加塑化剂应当按要求适量、适宜、适合的使用1。对于陶瓷而言，越细的粉末越有利于高温烧结，但是颗粒细的粉末流动性较差，不利于成形，所以黑瓷制备也要考虑粉料细化程度。6 结束语钒钛黑瓷在能源材料研究领域得到迅速发展，是因为其迎合了低碳、节能、绿色、循环发展的趋势，将工业废弃物提钒尾渣充分
21、利用起来，不仅减少了提钒尾渣废弃物，降低对环境的污染程度，同时也带了可观的经济利益。黑瓷材料在太阳能开发领域，由于其具有耐腐蚀、抗氧化、高效率、寿命长久等优点，所以是很好的能源和建筑替代材料，同比其他材料工业原料消耗较低、碳排放也相对较低，有利于我国环境的洁净和经济结构的调整转型3。地球上的化石能源将在今后100年内消耗殆尽，能源等问题的严重性和紧迫性已经达到在几十年内开始直接威胁到人类文明延续和生存的程度。在此背景下，全世界都在迫切寻找一种可再生能源来替代常规能源，除核能和地热能外，地球上的其他能源，包括常规能源都来自太阳能，太阳能是新能源的最大希望4。最后，期望在黑色陶瓷成型研究等方面取得
22、更大的突破和进步，太阳能的利用才能更好的惠及于民、惠及于社会。参 考 文 献1 高积强，杨建锋.无机非金属材料的制备方法M.西安交通大学出版社，2009.2 Belgin Tanisan，Servet Turan. Black ceramic pigments for porcelain tile bodies produced with chromite ores and iron oxide wasteJ.Ceramic Processing Research,2011:1-6/3 刘鉴民.新型黑色陶瓷太阳能平板集热器的性能研究J.甘肃科学报, 1990:1-7.4 佟大鹏，曹树梁，许建华
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