材料機(jī)械化學(xué)

前言

材料不僅是當(dāng)前世界新技術(shù)革命的三大支柱（材料、信息、能源）之一，而且又與信息技術(shù)、生物技術(shù)一起構(gòu)成了21世紀(jì)世界最重要和最具發(fā)展?jié)摿Φ娜箢I(lǐng)域。新材料受到了世界各國(guó)的高度重視，并已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域的核心，它不僅是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)與未來信息時(shí)代的堅(jiān)實(shí)依托，也是包括傳感器、微電子、計(jì)算機(jī)、能源、空間、生物技術(shù)等在內(nèi)的一切高新技術(shù)存在和發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。機(jī)械化學(xué)（mechanochemistry）亦稱機(jī)械力化學(xué)或力化學(xué)，是研究對(duì)固體施加機(jī)械能時(shí)，固體的形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)等發(fā)生變化，并誘發(fā)物理化學(xué)反應(yīng)的基本原理、規(guī)律以及應(yīng)用的科學(xué)。由機(jī)械力誘發(fā)的變化不僅為合成新物質(zhì)和開發(fā)預(yù)定功能材料提供了手段，同時(shí)也為探討特殊條件下物質(zhì)的化學(xué)特性和物理功能以及它們的交叉問題開辟了新的途徑。材料機(jī)械化學(xué)側(cè)重于利用機(jī)械力誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)和誘導(dǎo)材料組織、結(jié)構(gòu)與性能的變化來制備新材料或?qū)Σ牧线M(jìn)行改性處理的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)，是材料、化學(xué)、冶金、資源多學(xué)科融合的新興交叉領(lǐng)域。本書是作者結(jié)合在材料機(jī)械化學(xué)領(lǐng)域的研究經(jīng)歷和大量的研究工作，系統(tǒng)總結(jié)研究成果編寫而成的，是材料領(lǐng)域的一大嘗試。全書共分9章，第1章介紹機(jī)械化學(xué)的研究、發(fā)展及材料機(jī)械化學(xué)的特點(diǎn)；第2章介紹機(jī)械化學(xué)裝備與理論模型；第3章介紹機(jī)械力作用下材料物理化學(xué)性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵合的變化及相關(guān)作用機(jī)理；第4章介紹典型金屬氧化物納米晶的機(jī)械化學(xué)合成及晶粒生長(zhǎng)機(jī)理；第5章介紹復(fù)合／摻雜氧化錫、氧化銅納米晶的合成及在敏感元件中的應(yīng)用；第6章介紹磷酸鈣、鐵酸鹽的機(jī)械化學(xué)合成及機(jī)械化學(xué)反應(yīng)機(jī)理；第7章介紹超細(xì)粉體的機(jī)械化學(xué)改性及改性粉體在聚合物復(fù)合材料中的應(yīng)用；第8章介紹鋼渣、高嶺土尾砂的機(jī)械化學(xué)活化與應(yīng)用；第9章簡(jiǎn)要介紹機(jī)械化學(xué)在礦物資源高純化及有價(jià)金屬高效提取中的應(yīng)用。本書的研究工作得到了教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助；在撰寫過程中得到了很多前輩、單位領(lǐng)導(dǎo)和同事的熱情幫助與支持；得到了國(guó)內(nèi)許多單位同仁以及作者歷年研究生（陳德良、敖偉琴、曹建紅、張向超、楊武國(guó)、劉天成、胡佩偉、陶秋芬）的大力支持和幫助；博士生張向超和歐陽靜為本書的出版做了大量整理和編輯工作，在此一并表示衷心感謝！由于本書所涉及的領(lǐng)域較廣，其內(nèi)容又涉及許多復(fù)雜的科學(xué)問題，加之作者水平有限，對(duì)書中錯(cuò)誤及不足之處懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　本書內(nèi)容涉及材料機(jī)械化學(xué)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)，主要介紹材料的機(jī)械化學(xué)基礎(chǔ)、材料的機(jī)械化學(xué)效應(yīng)、機(jī)械化學(xué)合成納米晶、機(jī)械化學(xué)合成功能粉體、機(jī)械化學(xué)改性超細(xì)粉體、機(jī)械化學(xué)處理固體廢渣和機(jī)械化學(xué)高效提取礦物資源，并結(jié)合具體研究介紹了機(jī)械化學(xué)在新材料制備中的應(yīng)用技術(shù)?！　”緯晒氖虏牧峡茖W(xué)與工程、冶金工程、資源加工、化學(xué)化工、機(jī)械化學(xué)研究與應(yīng)用的科技工作者參考，也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)研究生的教學(xué)參考書。

書籍目錄

第1章 緒論　1.1 機(jī)械化學(xué)概況　1.2 機(jī)械化學(xué)的特征　1.3 機(jī)械化學(xué)的效應(yīng)　　1.3.1 機(jī)械化學(xué)效應(yīng)的概述　　1.3.2 機(jī)械化學(xué)效應(yīng)的影響因素　1.4 機(jī)械化學(xué)的應(yīng)用　　1.4.1 機(jī)械化學(xué)在有機(jī)高分子材料中的應(yīng)用　　1.4.2 機(jī)械化學(xué)在金屬材料中的應(yīng)用　　1.4.3 機(jī)械化學(xué)在無機(jī)材料中的應(yīng)用　　1.4.4 機(jī)械化學(xué)應(yīng)用的特點(diǎn)　1.5 材料機(jī)械化學(xué)的展望　參考文獻(xiàn)第2章 材料機(jī)械化學(xué)基礎(chǔ)　2.1 機(jī)械化學(xué)裝備　　2.1.1 行星式球磨機(jī)　　2.1.2 高速加熱式混合機(jī)　2.2 機(jī)械化學(xué)過程的理論模型　　2.2.1 Maurice-Courtney模型　　2.2.2 Bhattcharya-Artz(B-A)模型　　2.2.3 Magini-Iasonna模型　　2.2.4 Brun模型　2.3 機(jī)械化學(xué)作用下的固態(tài)反應(yīng)　參考文獻(xiàn)第3章 材料的機(jī)械化學(xué)效應(yīng)　3.1 引言　3.2 實(shí)驗(yàn)方法　3.3 機(jī)械力作用下材料的物理化學(xué)性質(zhì)變化　　3.3.1 材料的電位　　3.3.2 材料的白度　　3.3.3 材料的差熱分析　　3.3.4 材料的潤(rùn)濕熱　3.4 機(jī)械力作用下材料的晶體結(jié)構(gòu)的變化　　3.4.1 材料的衍射分析　　3.4.2 材料的晶格變形　3.5 機(jī)械力作用下材料化學(xué)鍵合的變化　　3.5.1 紅外光譜分析　　3.5.2 光電子能譜分析　3.6 機(jī)械力作用下的熱力學(xué)　　3.6.1 機(jī)械化學(xué)變化的熱力學(xué)　　3.6.2 機(jī)械化學(xué)變化的鍵能　3.7 機(jī)械力作用下的動(dòng)力學(xué)　3.8 機(jī)械化學(xué)過程中助磨劑的作用機(jī)理　　3.8.1 實(shí)驗(yàn)方法　　3.8.2 助磨劑對(duì)超細(xì)粉碎效果的影響　　3.8.3 助磨劑對(duì)超細(xì)粉碎行為的影響　　3.8.4 助磨劑的吸附特性　　3.8.5 助磨劑的吸附模型　3.9 典型層狀硅酸鹽礦物的機(jī)械化學(xué)效應(yīng)　　3.9.1 實(shí)驗(yàn)方法　　3.9.2 機(jī)械力作用下材料的物理化學(xué)性質(zhì)變化　　3.9.3 機(jī)械研磨對(duì)粉體化學(xué)鍵的影響　參考文獻(xiàn)第4章 機(jī)械化學(xué)合成金屬氧化物納米晶　4.1 引言　4.2 實(shí)驗(yàn)方法　　4.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟　　4.2.2 測(cè)試與表征方法　4.3 SnO2的機(jī)械化學(xué)合成與表征　　4.3.1 實(shí)驗(yàn)方法　　4.3.2 合成過程的分析　　4.3.3 球料質(zhì)量比對(duì)晶粒的影響　　4.3.4 球磨時(shí)間對(duì)晶粒的影響　　4.3.5 稀釋劑的用量對(duì)晶粒的影響　　4.3.6 熱處理溫度對(duì)晶粒的影響　　4.3.7 熱處理時(shí)問對(duì)晶粒的影響　4.3.8 SnO2納米晶合成過程的熱力學(xué)研究　4.4 ZnO的機(jī)械化學(xué)合成與表征　　4.4.1 合成過程的分析　　4.4.2 球磨時(shí)間對(duì)晶粒的影響　　4.4.3 稀釋劑的用量對(duì)晶粒的影響　　4.4.4 熱處理溫度對(duì)晶粒的影響　　4.4.5 ZnO納米晶合成過程的熱力學(xué)研究　4.5 NiO的機(jī)械化學(xué)合成與表征　　4.5.1 實(shí)驗(yàn)方法　　4.5.2 前驅(qū)體的熱分析　　4.5.3 前驅(qū)體和產(chǎn)物的物相分析　　4.5.4 形貌分析　　4.5.5 循環(huán)伏安測(cè)試曲線　　4.5.6 比電容值的計(jì)算　4.6 In2O3的機(jī)械化學(xué)合成與表征　　4.6.1 合成過程分析　　4.6.2 前驅(qū)體的熱分析　　4.6.3 合成動(dòng)力學(xué)研究　　4.6.4 焙燒溫度對(duì)納米晶的影響　　4.6.5 焙燒時(shí)間對(duì)納米晶的影響　　4.6.6 晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究　　4.6.7 納米晶微觀形貌分析　4.7 CdO的機(jī)械化學(xué)合成與表征　　4.7.1 合成過程分析　　4.7.2 前驅(qū)體的熱分析　　4.7.3 合成動(dòng)力學(xué)研究　　4.7.4 焙燒溫度對(duì)納米晶的影響　　4.7.5 晶粒長(zhǎng)大活化能的計(jì)算　　4.7.6 納米晶微觀形貌分析　4.8 Co3O4的機(jī)械化學(xué)合成與表征　　4.8.1 合成過程分析　　4.8.2 焙燒溫度對(duì)納米晶粒徑的影響　　4.8.3 合成動(dòng)力學(xué)研究　　4.8.4 晶粒長(zhǎng)大活化能的計(jì)算　4.9 TiOz的機(jī)械化學(xué)合成與表征　　4.9.1 實(shí)驗(yàn)方法　　4.9.2 合成過程分析　4.10 Cuo的機(jī)械化學(xué)合成與表征　參考文獻(xiàn)第5章 機(jī)械化學(xué)合成復(fù)合／摻雜金屬氧化物納米晶　5.1 引言　5.2 實(shí)驗(yàn)方法　　5.2.1 實(shí)驗(yàn)方案　　5.2.2 實(shí)驗(yàn)的工藝流程　5.3 In2O3／CuO復(fù)合納米晶的合成與表征　　5.3.1 合成過程的分析　　5.3.2 焙燒溫度對(duì)納米晶的影響　　5.3.3 晶粒長(zhǎng)大活化能的計(jì)算　　5.3.4 焙燒溫度對(duì)晶格常數(shù)的影響　5.4 Co3O4／Cu0復(fù)合納米晶的合成與表征　　5.4.1 合成過程分析　　5.4.2 前驅(qū)體的熱分析　　5.4.3 焙燒溫度對(duì)納米晶的影響　　5.4.4 晶粒長(zhǎng)大活化能的計(jì)算　　5.4.5 納米晶微觀形貌分析　5.5 In2O3／SnO2復(fù)合／摻雜納米晶的合成與表征　　5.5.1 合成過程分析　　5.5.2 前驅(qū)體的熱分析　　5.5.3 摻雜量對(duì)納米晶的影響　　5.5.4 摻雜量對(duì)晶格常數(shù)的影響　　5.5.5 納米晶微觀形貌分析　　5.5.6 摻雜納米晶的光電子能譜分析　5.6 CdO／SnO2復(fù)合／摻雜納米晶的合成與表征　　5.6.1 合成過程分析　　5.6.2 前驅(qū)體的熱分析　　5.6.3 焙燒溫度對(duì)納米晶的影響　　5.6.4 晶粒長(zhǎng)大活化能的計(jì)算　　5.6.5 焙燒溫度對(duì)晶格常數(shù)的影響……第6章 機(jī)械化學(xué)合成三元化合物第7章 機(jī)械化學(xué)改性超細(xì)粉體材料第8章 機(jī)械化學(xué)活化固體廢渣第9章 機(jī)械化學(xué)高效加工礦物資源

章節(jié)摘錄

插圖：黏土礦物經(jīng)過超細(xì)磨后，離子交換容量、吸附量、膨脹指數(shù)、溶解度甚至化學(xué)吸附和反應(yīng)能力也都發(fā)生了變化。如超細(xì)磨作用導(dǎo)致高嶺土中產(chǎn)生具有非飽和剩余電荷的活性點(diǎn)，使高嶺土的離子交換容量和置換反應(yīng)能力相應(yīng)提高。研究表明，隨著超細(xì)磨時(shí)間的延長(zhǎng)，膨潤(rùn)土和高嶺土的吸附量也逐步增加。Forssberg對(duì)超細(xì)磨過程中白云石、石英和石灰石性質(zhì)的變化進(jìn)行了較詳細(xì)的研究，而Lin則從熱力學(xué)角度探討了超細(xì)磨過程粉體性質(zhì)發(fā)生變化的原因，Shall、Somasundaran等則研究了添加劑對(duì)物料超細(xì)磨過程中物理化學(xué)性質(zhì)變化的影響。如果超細(xì)磨過程中由于機(jī)械作用形成次生聚結(jié)體，那么表觀粒度增大，相應(yīng)的比表面積減小，表面能也減小，鍵能的變化也將減小，這是超細(xì)磨中機(jī)械化學(xué)產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)。粉體物理化學(xué)性質(zhì)的變化在許多方面對(duì)其使用性能是有利的，但也有一些變化可能對(duì)其使用性能產(chǎn)生不利的影響，如晶體結(jié)構(gòu)的破壞可能對(duì)用作填料的非金屬礦產(chǎn)生不利；膨潤(rùn)土經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的超細(xì)磨后，由于層狀結(jié)晶遭到一定的破壞，導(dǎo)致膨脹指數(shù)尤其是Na基膨潤(rùn)土的膨脹指數(shù)下降，也影響其使用性能。（3）粉體間的機(jī)械化學(xué)反應(yīng)巴拉姆鮑伊姆認(rèn)為，機(jī)械化學(xué)學(xué)科的創(chuàng)建為新穎的化學(xué)物質(zhì)和具有給定性能新材料的加工方法開辟了廣闊的前景。超細(xì)磨過程中最常見的機(jī)械化學(xué)反應(yīng)是三水鋁土礦與石膏的脫水、碳酸鈣分解等一類的反應(yīng)。Na5P2O10·6H2O分解為正磷酸鹽和焦磷酸鹽，含結(jié)晶水的鹽經(jīng)細(xì)磨后失去部分結(jié)晶水；FeSO4·7H2O經(jīng)干磨首先變?yōu)镕eSO4·4H2O，然后變?yōu)镕eSO4·H2O；高嶺土經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間磨礦后，外來Al3-或其他離子進(jìn)入高嶺土的晶體結(jié)構(gòu)中，或置換高嶺土中的可交換陽離子?；木捣虻葘?duì)無機(jī)物質(zhì)在超細(xì)磨過程中的分解反應(yīng)，特別是含結(jié)晶水或結(jié)構(gòu)水化合物的機(jī)械化學(xué)脫水進(jìn)行過大量的研究，其中最引人注目的是三水鋁礦的機(jī)械化學(xué)脫水；用X射線衍射跟蹤三水鋁礦的細(xì)磨過程，發(fā)現(xiàn)脫水后首先形成一中間Al2O3相，繼續(xù)磨到24h，中間氧化鋁相完全轉(zhuǎn)變?yōu)閍-Al2O3，如果把三水鋁礦熱分解為a-Al2O3，則需加熱到1000°C以上，而且用機(jī)械化學(xué)脫水所制得的中間Al2O3相的活性比用加熱法獲得的大?；木捣蜻€從不同的分解機(jī)理來解釋這種現(xiàn)象，認(rèn)為細(xì)磨中的機(jī)械能促使表面迅速達(dá)到無規(guī)則化，而加熱過程中無規(guī)則化和無規(guī)則的再結(jié)晶是平行進(jìn)行的。用機(jī)械化學(xué)法獲得的超微活性粉體可望在固體催化劑、精細(xì)陶瓷用原料等方面得到應(yīng)用。仙名保等在實(shí)驗(yàn)室用振動(dòng)磨對(duì)NiO及MoO3進(jìn)行單獨(dú)和混合粉磨處理，發(fā)現(xiàn)對(duì)NiO及MoO3在空氣中混合粉磨預(yù)處理能顯著提高NiO及MoO3間固相反應(yīng)的速度，他認(rèn)為這是由良好的混合狀態(tài)和機(jī)械化學(xué)活性雙重效果引起的。

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