化学中不锈钢性能研究及综合性实验

序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了1篇的化学中不锈钢性能研究及综合性实验样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。

随着全球经济的快速发展，对不锈钢的需求迅速增加。据统计，每生产1t不锈钢粗钢将排放18~33kg不锈钢烟尘[1]，不锈钢烟尘的堆放易污染环境，且造成资源浪费。目前，普遍通过火法冶金中的直接还原或熔融还原工艺回收不锈钢烟尘中的有价金属元素，但存在还原温度高、工艺流程复杂、金属回收率不稳定等弊端，同时还会产生一定量的二次废物[2-4]。传统黑色陶瓷颜料制备过程中需添加价格昂贵的氧化钴原料[5-6]，使得黑色陶瓷颜料发展受限。由于不锈钢烟尘中富含过渡金属元素Fe和Cr，将其用于制备无钴黑色陶瓷颜料是很有希望的技术路径[7]。但采用固相合成法制备陶瓷颜料时，常规加热所需反应温度高、受热不均、加热时间长，易导致颜料晶粒过度生长和结构破坏，影响颜料性能。而微波加热作为一种高效绿色、易于控制的加热方法，能使物料快速、均匀地加热，同时可为反应创造良好的热力学条件，在矿物加工和材料制备领域受到广泛关注和应用。本实验立足“双碳”目标背景，以“节能减排”理念为出发点，紧密结合了我国钢铁行业绿色低碳发展过程中面临的固废高效资源化利用的迫切需求，契合了国家“新工科”的教育理念。实验涉及冶金、矿物加工、材料等多学科交叉，适用于冶金、矿物加工、环境和材料等相关专业的高年级本科生，在使学生熟练掌握基本实验技能的同时，促进多学科交叉创新意识的形成，加深对理论知识的理解，提高科研兴趣和科研素养[8-10]。

1合成方法与表征测试

1.1原料与仪器

实验所用原料主要包括：不锈钢烟尘、Cr2O3（分析纯）、陶瓷坯泥和透明釉粉，各原料化学组成如表1所示。实验过程涉及的仪器包括：马弗炉、微波高温炉（华冶，HY-QS3016）、干燥箱、搅拌器、X射线衍射仪（PANalytical，XPertPROMPD）、扫描电子显微镜（FEI，NovaNanoSEM400）、紫外可见光谱（Shimadzu，UV-2600）和色度仪（3nh，TS7010）。

1.2黑色颜料的制备

图1为采用不锈钢烟尘制备黑色陶瓷颜料的流程图。如图所示，首先将从不锈钢冶炼厂收集的烟尘在恒温干燥箱中充分干燥，再将干燥后的不锈钢烟尘与化学试剂Cr2O3按不同Fe/Cr摩尔比（见表2）进行配料、混匀，然后称取30g该混合物料装入刚玉坩埚中，再分别用马弗炉和微波炉在煅烧温度为900℃、保温时间为30min条件下制备得到不同配比、不同加热方式的黑色陶瓷颜料。

1.3陶瓷的制备

为了评估颜料的着色性能，选取不同加热方式制备的最优颜料样品M-1.0和C-1.0（详见本文2.2节），并分别破碎至粒径小于48μm，然后将颜料与陶瓷透明釉和去离子水以重量比为0.05∶1∶1进行混合、调匀，形成黑色釉浆，并设置不含颜料的对照釉浆。在15MPa压力下，将3.5g陶瓷坯泥压成圆柱样，并在马弗炉中于600℃下预烧30min，然后通过浸釉方式对预烧陶瓷坯体进行施釉，再用马弗炉在烧制温度为1200℃、保温时间为30min条件下烧制得到陶瓷。

2结果与讨论

2.1XRD表征

图2(a)和(b)分别显示了采用常规加热和微波加热方式制备的不同Fe/Cr摩尔比颜料样品的XRD图谱。如图2(a)所示，在常规加热方式下，随着Fe/Cr摩尔比的改变，各样品物相无显著变化，均主要由Cr1.3Fe0.7O3、Fe2O3、Cr2O3以及少量由不锈钢烟尘引入的尖晶石组成。其中，Cr1.3Fe0.7O3由化学试剂Cr2O3中的Cr3+（0.69Å）与不锈钢烟尘中的Fe3+（0.64Å）发生固溶体反应得到，但该相衍射峰强度极低，峰面积极小，表明在900℃常规加热条件下，上述固溶反应虽能发生，但反应速率较慢。这是因为该反应主要通过原子间扩散进行，其决速步为反应温度，因此需进一步提高反应温度才能使Cr1.3Fe0.7O3的结晶强度提升。图2(b)表明，除M-0.5样品含有少量未反应完全的Cr2O3外，其余颜料样品均主要由Cr1.3Fe0.7O3和少量尖晶石相组成。上述尖晶石相由不锈钢烟尘引入，主要为Fe3O4和FeCr2O4，呈色与Cr1.3Fe0.7O3均为纯正黑色[11-12]。由图2(b)还可看到，随着Fe/Cr摩尔比的增大，各衍射峰出现的峰强度下降且宽化，表明样品晶粒粒径减小。根据Fe2O3与Cr2O3的固溶反应机理，Cr2O3升华并以气相形式输送至Fe2O3颗粒表面，并沉积形成Cr2O3薄膜，再通过扩散进入Fe2O3。随着原料中Fe/Cr摩尔比的增大，可升华的Cr2O3增加，但可用于扩散的Fe2O3颗粒减少，使得结晶强度降低[13]。上述结果表明，微波加热可有效降低固相合成反应所需的温度，促进反应的进行。一方面，微波的选择性加热可使热能更集中于过渡金属元素之间的反应；另一方面，微粒子在微波作用下被激活，降低了晶格扩散和晶界扩散所需的活化能。

2.2色度值

对所制备的不同颜料样品进行色度值测试，结果如图3所示，其中a*、b*、L*为颜料的三个色度值指标。图3(a)为常规加热方式下制备的颜料样品的色度值曲线，可以看到，随着Fe/Cr摩尔比的增大，a*值逐渐上升，b*值逐渐下降，而L*值则呈先降低后上升趋势，其中a*和b*值的变化分别是由样品中Cr2O3含量降低、Fe2O3含量增大所致。图3(b)表明，随着Fe/Cr摩尔比的增大，微波加热制备的颜料样品的L*值与a*值均表现为逐渐上升，b*值则呈下降趋势，当Fe/Cr摩尔比超过1后，a*值与b*值均向远离0的方向变化，即颜料样品逐渐偏红蓝色。综合考虑物相、颜料呈色与Cr2O3的添加量，选取对颜料样品C-1.0和M-1.0进行后续表征。

2.3   形貌表征

如图4(a)所示，采用常规加热方式制备的颜料样品颗粒具有较好的分散性，且图像中的颜料颗粒显示出相同的衬度，这主要是由Cr与Fe元素紧邻所致。图4(b)为微波加热下制备的颜料样品，显示出两种不同的形貌。结合XRD分析结果，图4(b)中少量典型正多面体形貌的物相为由不锈钢烟尘引入的尖晶石相，而形貌显示为不规则多面体形的物相为Cr1.3Fe0.7O3固溶体。此外，还可以看到，图4中部分颗粒容易融合形成无明显晶面的板状颗粒，这些颗粒结合在一起形成结晶团簇，这一现象是由颜料中具有磁性的物相导致磁性偶极-偶极效应引起的[14]。

2.4颜料光学性能分析

C-1.0与M-1.0颜料样品在380~700nm的UV-Vis图谱如图5所示。由图5可知，采用常规加热方式制备的颜料曲线呈现波浪状，其对400nm左右的紫光、550nm的绿光和622nm后的红光波段的吸收强度显著下降[15]，使其呈色偏红绿。而采用微波制备的颜料M-1.0在可见光波段几乎呈水平直线，表明其对可见光波段的所有光均具有较高的吸收强度，使其呈现出黑色[16]。这是因为M-1.0颜料样品的物相主要由Cr1.3Fe0.7O3固溶体和尖晶石组成，轨道杂化效应增强，同时也存在大量的空位与缺陷，从而导致产生新的跃迁形式，并覆盖整个可见光波段。进一步通过UV-Vis数据计算颜料的1931色坐标，结果如图6所示。图6中O点为色坐标原点（x=0.3333，y=0.3333），即为消色点，该处为纯正黑色或白色。采用微波制备的颜料M-1.0的色坐标为x=0.3236，y=0.3278，几乎与O点重合，显示出纯正黑色。而采用常规加热方式制备的颜料C-1.0的色坐标为x=0.2884，y=0.4230，占据偏红绿的位置，这与前文分析一致。

2.5颜料运用

将制备的颜料样品运用于陶瓷釉面，如图7所示。未添加颜料时，陶瓷釉面呈现乳白色。采用M-1.0颜料样品烧制的陶瓷釉面呈纯正黑色，且表面光滑致密，无缺陷或裂纹，表明其与陶瓷坯料、釉料之间具有优异的适配性。而采用C-1.0颜料样品烧制的陶瓷釉面则呈现棕褐色，且釉面颜色分布不均匀。此外，前者釉面的色度值（L*=31.5、a*=1.6、b*=0.7），显著低于后者釉面的色度值（L*=38.5、a*=6.4、b*=5.2）。上述分析表明，采用不同加热方式制备的陶瓷颜料的着色性能存在显著差异。微波加热方式相较于常规加热方式，可显著降低颜料烧制所需温度，改善物相组成，提升颜料呈色和着色性能，达到节约能耗、提升制备效率的目的。

3结语

本实验以不锈钢烟尘作为主要原料，采用微波加热方式制备了呈色优异、着色性能良好的黑色陶瓷颜料。实验技术路线简单，可操作性强，涉及矿物加工、环境工程、无机非金属材料制备、光学等方面知识，综合了SEM、XRD、UV-Vis和色度值测定等材料表征和性能检测手段，能够培养学生的多学科交叉思维及解决实际问题的意识和能力，能够为学生开展“国家大学生创新训练计划项目”“全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛”和“‘挑战杯’全国大学生课外学术科技作品竞赛”等课外科技创新活动提供必备的能力基础。

参考文献

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作者:张翔 李治桥 马国军 李建立 郑顶立 单位:武汉科技大学 材料与冶金学院