生態材料-多元複合稀土鎢電極

鎢電極

多元複合稀土鎢電極是一種生態材料,可實現低排放,無污染,可完全替代對環境污染嚴重的釷鎢電極應用於氬弧焊、等離子體焊接、噴塗、切割技術和冶金工業中的關鍵熱源材料。目前,全世界每年使用鎢電極的總消耗量高達上千噸,且市場需求隨著經濟的穩定發展消費量仍在持續上漲,其中釷鎢電極占70%以上。釷是天然放射性元素,其半衰期長達1.39x1010年,因此釷鎢電極在使用過程中會對人體健康和環境污染產生十分嚴重的危害。隨著各國對環境問題的日益重視,將大大限制釷鎢電極的生產和使用。

多元複合稀土鎢電極具有低的逸出功、高熔點、良好的高溫力學性能和穩定的化學性能,且原材料豐富,加工成材率高,因此逐漸成為替代釷鎢電極的新材料。多元複合稀土鎢電極中稀土氧化物可以細化鎢晶粒,從而提高電極的性能。通過複合電極的焊接性能測試發現,其引弧性能和電極抗燒損性能都優於同規格的釷鎢電極,而電弧靜特性曲線低於Th-W電極,說明該電極的表面逸出功較低,電子容易從表面逸出,焊接性能較好。多元複合稀土鎢電極在1300℃時的有效逸出功為2.76eV比Th-W電極的有效逸出功3.08eV低0.32eV,固其熱電子發射能力低於釷鎢電極。電子逸出功對引弧性能有一定的影響,在起弧過程中和剛剛起弧時,電極表面還沒有被加熱到足夠高的溫度,還不能作為熱陰極而工作,此時,如果電極表面逸出功低,則電極產生熱電子所需的溫度也較低,電極也就越容易產生熱電子發射。在一定電壓下,焊接回路的電流增加到產生電弧放電的電流所需的時間就越少,即起弧較為容易。

通過以上指標可見,多元複合鎢電極是一種生態材料,相較於釷鎢電極,具有較好的焊接性能,可以代替其成為新的焊接材料。

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多孔矽基底WO3納米薄膜氣敏感測器

三氧化鎢(WO3)氣敏材料由於對NOx、NH3等氣體靈敏度高、回應時間和恢復時間短、易於測量與控制、價格低廉等優點而被認為是最具應用前景和發展前途的氣敏材料之一。然而,純WO3氣敏感測器存在著工作溫度高(250°C左右)的缺點,增加了傳感系統集成化、微小型化的複雜性和不穩定性,為此降低WO3氣敏感測器的工作溫度成為了研究重點。

納米多孔矽圖片三氧化鎢圖片
 
為此,多孔矽引起了研究員的關注,其表面通過腐蝕形成的具有大比表面積的多孔性疏鬆結構,具有很高的化學活性,對氨氣具有敏感特性,是一種很有潛力的新型室溫氣敏材料。但是,多孔矽存在靈敏度略低、反應速度慢、恢復時間長等缺點。為此,有研究指出一種多孔矽基底WO3納米薄膜氣敏感測器,是一種具有較高靈敏度的新型室溫氣敏感測器,綜合了多孔矽和WO3的優勢,兩者相輔相成,具有工作溫度低(室溫)、靈敏度高的特點。
 
多孔矽基底WO3納米薄膜氣敏感測器的製備步驟如下:
1. 採用雙槽電化學腐蝕法在單面拋光的ρ+單晶矽片表面製備多孔矽層基底;
2. 將多孔矽層基底置於超高真空對靶磁控濺射設備的真空室,以純鎢為靶材進行磁控濺射,製備多孔矽基底WO3納米薄膜;
3. 將制得的多孔矽基底WO3納米薄膜置於400~600℃高溫加熱爐內進行退火處理;
4. 再進行鍍電極,制得多孔矽基底WO3納米薄膜氣敏感測器。
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三氧化鎢氫氣光纖傳感器

氫氣(H2)被認為是一種非常清潔的能源,並且燃燒熱值十分高。然而,由於氫氣的爆炸濃度範圍非常大(4%到75%),點燃能量非常低(0.02mg),並且傳播速度非常快;同時,極小的分子尺度也導致了它的儲藏和運輸非常困難。因此,開發能精確、快速地應用到各種環境的氫氣濃度探測的高靈敏度的氫氣光纖傳感器,已經成為了一個研究熱點。目前,市面上存在的氫氣感測器主要是基於貴重金屬的多模二氧化矽光纖,然而,這些感測器存在著靈敏度較低、成本較高、壽命短、易受環境污染等缺點。
 
三氧化鎢(WO3)是一種過渡金屬氧化物,屬於n型半導體,為半導體氣敏感測器,三氧化鎢已被認為是檢測NOx、SOx、NH3、CO、氫氣、硫化氫等最有前景的新型氧化物氣敏材料之一。基於三氧化鎢的氫氣氣敏感測器的研究很多,大多是結合了鈀、鉑等貴金屬的薄膜,1975年,Lund-strom提出的Pd-MOSFET結構的氫氣感測器開啟了薄膜領域的研究,2012年有學者提出鈀催化三氧化鎢薄膜對氫氣的感應熱性的研究等。

氫氣光纖傳感器三氧化鎢WO3照片
 
有研究指明一種基於標準的多模二氧化矽氫氣光纖傳感器,具有62.5微米直徑的纖核和125微米直徑的包層,其鎢薄膜通過射頻濺射沉澱在光纖頭部,再腐蝕為鎢酸薄膜,而後控制一定溫度煆燒,得到三氧化鎢光纖傳感器。後續實驗表明,三氧化鎢光纖傳感器是以近紅外光作為光源;在0.06%的氫氣濃度下,反應強度為6%的反射變化率;在1%的氫氣濃度下,反應強度增大為12%的反射變化率,由此顯示出三氧化鎢感測器對氫氣的高靈敏度。
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三氧化鎢SCR脫硝催化劑的重要指標

目前普遍使用的脫硝催化劑是以二氧化鈦為載體,以V2O5為主要活性組分,WO3為助催化劑的鎢釩鈦體系,即V2O5- WO3/TiO2。催化反應器中裝填的催化劑是SCR工藝的核心,金屬氧化物催化劑中以五氧化二釩(V2O5)的催化活性最高,同時,V2O5能將二氧化硫氧化成三氧化硫。因而SCR 工藝中常添加三氧化鎢(WO3)作為助催化劑,從而將V2O5的負載量減少到1.5%(重量百分比)以下,在保持催化還原NOx 活性的基礎上減少對二氧化硫的催化氧化。三氧化鎢的加入能提高水熱穩定性,抵抗煙氣中As 等有毒物質。

三氧化鎢照片SCR脫硝催化劑
 
三氧化鎢SCR脫硝催化劑的重要指標有活性溫度、幾何特性參數等,其具體影響如下:
1. 活性溫度,這是三氧化鎢SCR脫硝催化劑的最重要指標。因為,反應溫度不僅決定反應物的反應速度,而且決定催化劑的反應活性。通常V2O5-WO3/TiO2催化劑的反應溫度大多設在280~420℃之間,若溫度過低,則反應速度慢,甚至生成不利於NOx降解的副反應;而溫度過高,則會出現催化劑活性微晶高溫燒結的現象。
2. 幾何特性參數:節距/間距、比表面積、孔隙率和比孔體積、平均孔徑和孔徑分佈。
1) 節距/間距是SCR脫硝催化劑的又一重要指標,表示為P,P=d+t,其中d為板與板之間寬,t為板的厚度,其大小影響催化反應的壓降和反應停留時間、孔道堵塞與否;
2) 比表面積是指單位品質催化劑所暴露的總表面積,直接影響催化劑表面活性,多孔顆粒可以巨大提升催化劑的表面積;
3) 孔隙率是催化劑中孔隙體積與整個顆粒體積之比,是催化劑結構最直接的一個量化指標,決定了孔徑和比表面積的大小,而比孔體積則指單位品質催化劑的孔隙體積;
4) 催化劑中的孔徑分佈很重要,當大部分孔徑接近平均孔徑時,催化劑的活性最佳。
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硬質合金階梯鑽

硬質合金階梯鑽也被稱為臺階鑽或寶塔鑽,主要用於3mm以內的薄鋼板鑽孔加工,一支鑽頭可以代替多支鑽頭使用,根據需要加工不同直徑的孔,並可實現大孔一次性加工完成,不需要更換鑽頭和打定位孔等。硬質合金階梯鑽還有許多種類,根據以下幾種不同的分類方式,其可以分為:
根據產品的槽型可分為:直槽、圓弧槽以及螺旋槽三類;
根據刃數可分為:單刃、雙刃、三刃、四刃以及多刃階梯鑽;
階梯鑽有國家標準尺寸,但在日常工業生產中多數都為按客戶要求的非標定做。

從工藝方面進行分析:
1.工藝基準:直柄階梯鑽頭結構比較簡單,且在裝配工作狀態下以較長的大直徑為主要定位面,因而以大直徑軸線為基準不僅能夠滿足功能要求,而且在加工和檢查時採用模擬基準比較容易;
2.尺寸精度:大、小直徑(D、d)的尺寸精度對孔徑的影響很明顯,如果鑽頭直徑超差,那麼所加工的孔必然超差。工藝中可經過粗、精磨,保證磨削出的鑽頭直徑在中差左右比較理想;
3.位置精度:為了避免孔徑超差,在刃磨鑽頭時應以基準軸線為定位基準,製作相應的夾具,以保證工藝要求;
4.表面品質:表面品質主要指鑽頭表面層的狀況,包括表面粗糙度及表面硬度,如果不滿足要求,將影響刀具的耐磨性、疲勞強度和抗腐蝕性。

硬質合金階梯鑽

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硬質合金磨片

硬質合金磨片一般是由磨料以及結合劑樹脂所製成的中央帶通孔的圓形固結模具,可對金屬或非金屬工件的外圓、內圓、平面和各種型面等進行粗磨、半精磨和精磨以及開槽和切斷等。按照不同的分類方式,硬質合金磨片可以分為:
按材料可分為硬質合金、石材、灰口鐵、鎳硬白口鐵、高鉻鑄鐵、鎳鉻合金、多元合金、不銹鋼、碳化鎢、高分子聚乙烯、改性尼龍、陶瓷、金剛砂等材料磨片;
按不同用途可分為錐形磨片、圓盤磨片、熱磨機磨片、疏解機磨片、熱分散磨片等(每個規格的磨片還分別有數十種齒形);除此之外,還有軟磨片、拋光片、含磨粒團磨片、金屬磨片、電鍍磨片、曲面磨片等。

作為增強高速磨削工具,它具韌性較高的衝擊強度,磨削率高,使用方便,安全。最高使用速度可達80m/s,安裝在各式磨光機上作自由磨削,使用方便,廣泛用於汽車,船舶,機器製作和冶金,化工建設各個方面。清理焊逢,焊點,打磨鑄件,毛刺,毛邊,修理金屬表面缺陷等。用於普通鋼材、鋼管、角鋼、不銹鋼、薄板鋼、石材、混凝土切斷等。磨片在使用過程中,當磨粒磨鈍時,由於磨粒自身部分碎裂或結合劑斷裂,磨粒從磨具上局部或完全脫落,而磨具工作面上的磨料不斷出現新的切削刃口,或不斷露出新的鋒利磨粒,使磨具在一定時間內能保持切削性能。

硬質合金磨片

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硬質合金鏟刀

硬質合金鏟刀主要是由硬質碳化鎢相以及粘結相鈷組成,可與平地機配合使用,進行升降、傾斜、側移、引出和360°回轉等運動,其位置可以在較大範圍內調整。鏟刀的結構牽引架的前端是個鉸接球,與前車架的前端鉸接相連,後端固定回轉圈,通過升降油缸和擺架與平地機前車架相連,鏟刀與回轉圈連接,在回轉驅動裝置的驅動下帶動鏟刀回轉。鏟刀背面的側移油缸推動鏟刀沿滑軌做側向滑動。切削角調節油缸可以改變鏟刀的鏟土角。因此,平地機鏟刀能夠進行升降、傾斜、側移、引出和360°回轉等運動,其位置可以在較大範圍內調整,以滿足平地機平地、切削、側面移土、路基成形、邊坡修整等作業。

根據不同的用途,硬質合金鏟刀還和細分為推土機組合式鏟刀、鏟運機鏟刀、氣動鏟刀、電動鏟刀、防爆鏟刀、炊具鏟刀等。
推土機組合式鏟刀:右鏟刀體通過銷軸固定於中間推架右側,右鏟刀體同時通過撐杆與拱形架連接固定;左鏟刀體通過銷軸與中間推架連接固定,左鏟刀體同時通過撐杆與拱形架連接固定。
鏟運機鏟刀:可分時、分段切土、運土,減小了刀片的入土面積,大大降低了切、運土的阻力,節省牽引力,縮短了鏟土時間,提高了生產效率,經同類土方工程、同工、同距的鏟運土測試,每一立方米土節約柴油120克,節能效果達25%以上。
氣動鏟刀:重量輕,衝擊力道強,用途,水電管路開鑿,鉚釘作業.石材雕刻.打沙,切除,毛邊,除鏽,打洞.鏟管路等.適用於水電,水泥工業,水泥車,磁磚等殘渣的去除。

硬質合金鏟刀

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硬質合金銼刀

硬質合金銼刀一般適用於模具修復、工件研磨等對研磨精密性以及耐用性要求較高的產品。其與打磨機、滾模刀、合金砂輪、鑽石拋光工具、羊毛拋光輪等一併屬於磨料磨具。其主要作用是修復模具配件毛刺,使零件光滑、大幅降低表面粗糙度。因而應用範圍也相對廣泛,如塑膠模具修模,錶帶表殼廠,拋光,五金廠、壓鑄廠、冰箱洗衣機、摩托車、汽車等大型模具的打磨拋光。

硬質合金銼刀具備以下幾個優點:
1.可以加工鑄鐵、鑄鋼、碳素鋼、合金鋼、不銹鋼、銅、鋁等金屬,和大理石、玉、骨等非金屬;
2.基本上可取代帶柄小砂輪,且無粉塵污染;
3.加工效率比手工銼刀提高數十倍,比帶柄小砂輪提高近十倍;
4.加工品質好、光潔度高。能加工出各種高精度形狀模具型腔;
5.使用壽命長。耐用度比高速鋼刀具提高十倍,比小砂輪提高200倍以上。

此外,在使用硬質合金銼刀的過程中還需注意以下幾點選用原則:
1.斷面形狀:銼刀的斷面形狀應根據被銼削零件的形狀來選擇,使兩者的形狀相適應。銼削內圓弧面時,要選擇半圓銼或圓銼(小直徑的工件);銼削內角表面時,要選擇三角銼;銼削內直角表面時,可以選用扁銼或方銼等。選用扁銼銼削內直角表面時,要注意使銼刀沒有齒的窄面(光邊)靠近內直角的一個面,以免碰傷該直角表面。
2.刀齒粗細:銼刀齒的粗細要根據加工工件的餘量大小、加工精度、材料性質來選擇。粗齒銼刀適用于加工大餘量、尺寸精度低、形位公差大、表面粗糙度數值大、材料軟的工件;反之應選擇細齒銼刀。
3.尺寸規格:銼刀尺寸規格應根據被加工工件的尺寸和加工餘量來選用。加工尺寸大、余量大時,要選用大尺寸規格的銼刀,反之要選用小尺寸規格的銼刀。
4.刀齒紋:銼刀齒紋要根據被銼削工件材料的性質來選用。銼削鋁、銅、軟鋼等軟材料工件時,最好選用單齒紋(銑齒)銼刀。單齒紋銼刀前角大,楔角小,容屑槽大,切屑不易堵塞,切削刃鋒利。

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WO3/Cd2SnO4複合光催化劑

UV光照射下WO3-Cd2SnO4複合光催化劑電子轉移示意圖將太陽輻射能轉化為人們所需要的電能的研究已經成為一個熱點,是取代火電等會帶來有毒氣體和粉塵等環境污染的發電方式的非常有前景的一種方式。光催化反應是乙太陽光作為能量來源,在室溫下通過模擬植物光合作用把水分解為氫氣和氧氣,產生的氫氣可作為燃料代替傳統的化石燃料;並且,所產生的氧氣可有效地氧化降解水中的有害有機物。
 
研究指明,WO3與Cd2SnO4都屬於半導體材料可以作為光催化劑,Cd2SnO4具有較高的導電率,且能隙較窄(<3eV);而三氧化鎢(WO3)是具有特殊N型結構的過渡金屬半導體,具有很高的價帶電位(0.5eV) 和合適的禁帶寬度(2.7eV)。然而,由於兩者單獨作為光催化劑的光催化析氧活性都比較低,而半導體複合是提高光催化反應效率有效手段,可以使光生載流子在不同能級半導體之間轉移,能有效提高量子效率,因而考慮WO3與Cd2SnO4的複合。實驗用錫酸鈉、乙酸鎘和鎢酸鈉等為原料,浸漬法制得WO3/Cd2SnO4複合光催化劑具有較高光催化析氧活性,達到200μmol/(g•h)。
 
WO3/Cd2SnO4複合光催化劑的製備流程如下:
1. 按照一定摩爾比將一定量的錫酸鈉和乙酸鎘溶于水中充分混合,加入適量氫氧化鈉溶液,使未反應完全的Cd2+全部轉變為Cd(OH)2沉澱;
2. 過濾沉澱物並反復水洗,移置馬弗爐內於1000℃煆燒並保溫3小時, 制得CdO/Cd2SnO4粉體,再用一定量的稀鹽酸溶去CdO得到純Cd2SnO4
3. 將一定量的鎢酸鈉溶入水中,加入少量鹽酸,形成鎢酸溶膠,再採用浸漬法將鎢酸吸附在Cd2SnO4顆粒表面,過濾後形成鎢酸與Cd2SnO4複合粉體,再經600℃焙燒得到WO3/Cd2SnO4光催化劑複合粉體。
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硬質合金噴嘴—等離子體活化燒結

等離子體活化燒結(Plasma Activated Sintering,簡稱PAS)是利用開關直流脈衝電壓在粉末顆粒間或空隙內產生瞬間的高溫等離子體。而等離子體是一種高溫、高活性離子化的電導氣體,能產生4000-10000K的高溫。也正因為其這樣的特性,等離子體能迅速消除粉末顆粒表面所吸附的雜質和氣體,促使物質產生高速度的擴散和遷移,從而有效地降低燒結溫度,加快燒結的整體過程,極大地提高了燒結的效率。與自蔓延高溫合成和微波燒結相似,它也是利用粉末內部產生的熱量而實現快速燒結的工藝。

硬質合金噴嘴等離子體活化燒結工藝技術總的概括起來有四個主要階段
1.對粉末施加單軸向的壓力;
2.通脈衝電流放電產生等離子體對粉末顆粒進行活化作用;
3.用直流電對樣品進行電阻加熱至所需溫度並保持一段時間;
4.最後消除應力的階段。
而其中的第三階段就是放電等離子體燒結與等離子體活化燒結工藝最大的不同之處,SPS工藝主要依靠脈衝電流進行加熱,在整個燒結的過程中並沒有使用到直流電作為熱源。與常見的熱壓燒結法、無壓常規燒結法、熱等靜壓燒結法相比,硬質合金噴嘴等離子體活化燒結具有許多優勢。其中較為突出的就是它採用直流電直接對粉末材料和石墨模具進行加熱,而且採用開關直流脈衝電壓使顆粒之間或空隙內產生高溫活化等離子體。這樣一來操作更為方便並且在燒結過程中可更為精確地控制燒結能,在材料內部進行均勻加熱,提高了熱傳導效率,提高了材料的緻密性。此外,PAS法可提供的工作壓力範圍和燒結溫度可控範圍更廣,能有效抑制晶粒的長大,保持原始顆粒的微觀結構,目前在梯度功能材料、金屬間化合物、微晶材料、超導材料、纖維強化材料等用常規燒結法較難製備的材料中得到了較為廣泛的運用。

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