第一篇：水泥基材表面與界面分析概述

水泥基材料表面與界面分析概述

Summary of cement-based materials’ surface and

interface analyses

姓名：卞周宏

學(xué)號：***6 任課老師：屈君娥

課程：材料表面與界面

摘要

隨著混凝土材料的不斷發(fā)展，高性能已成為混凝土材料的主要發(fā)展趨勢。高性能混凝土（HPC）作為具有高性能的新型水泥基復(fù)合材料，在工程實踐中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文通過SEM、TEM、XPS、AES、SIMS等現(xiàn)代分析方法，對水泥基材料的表面與界面特性有了一定的研究，研究了其對混凝土的強(qiáng)度和耐久性的影響，分析出了材料表面與界面機(jī)理。

關(guān)鍵詞： 高性能混凝土 表面效應(yīng) 火山灰活性

ABSTRACTS

With the continuous development of concrete materials, high performance have become the main trends of development of concrete materials.High performance concrete(HPC)as a new type of cement-based composite materials with high-performances, has been more and more widely used in engineering practice.This paper studied the surface and interface properties of Cement base materials through SEM, TEM, XPS, AES, SIMS modern analysis methods ,the influence on the strength and durability of concrete and analyzed the mechanism of the surface and interface properties in concrete.KEYWORDS：High performance concrete(HPC)Surface effect Volcanic activity

水泥基材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

隨著建筑業(yè)、海洋業(yè)和交通業(yè)等的飛速發(fā)展，超高、超長、超強(qiáng)和在各種嚴(yán)酷條件下使用的建筑物的出現(xiàn)，對水泥與混凝土材料提出了更高的要求。高強(qiáng)度、長壽命、低環(huán)境負(fù)荷、功能化是當(dāng)代水泥基材料發(fā)展的主要方向。傳統(tǒng)混凝土在強(qiáng)度、抗壓等方面的不足，引出了社會對先進(jìn)水泥基材料的迫切需求。先進(jìn)水泥基材料就是應(yīng)用復(fù)合材料新理論(如: 有機(jī)-無機(jī)多相互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型、界面增強(qiáng)機(jī)理、延遲膨脹理論等)，構(gòu)建一個汽、液、固多相共存，有機(jī)和無機(jī)復(fù)合的復(fù)雜系統(tǒng)，讓產(chǎn)品具有更好的性質(zhì)。先進(jìn)水泥基材料把傳統(tǒng)的水泥與混凝土材料推向高新技術(shù)領(lǐng)域，研究和開發(fā)的部分成果已進(jìn)入應(yīng)用階段，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

1.1.1 混凝土性能裂化過程和壽命預(yù)測的研究

水泥基材料的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大, 高溫或局部高溫時水泥基材料的性能與常溫下有很大的不同, 但在此方面的研究很少, 中國建筑材料科學(xué)研究總院針對目前水泥基材料熱變形性能研究方法不足, 結(jié)論不系統(tǒng)的現(xiàn)狀, 首次系統(tǒng)研究了硬化水泥基材料高溫?zé)崤蛎浶阅芗捌溆绊懸蛩? 取得了很大的進(jìn)展。1.1.2 大流動性混凝土的制備

化學(xué)外加劑的出現(xiàn)開啟了混凝土由干硬性向塑性再向流動性的發(fā)展之路。混凝土化學(xué)外加劑已經(jīng)成為配制優(yōu)質(zhì)混凝土必不可少的原材料, 它改善了新拌混凝土的工作性能和硬化混凝土的強(qiáng)度等性能。特別是合成減水劑技術(shù)不斷發(fā)展, 由原來的萘系發(fā)展到新一代的聚羧酸系高性能減水劑, 減水率大幅度提高, 還具有良好的坍落度保持性能和一定的引氣性, 滿足了自流平混凝土的需要。在一些鋼筋特別致密, 不便插搗的結(jié)構(gòu)構(gòu)件, 或者大面積的車間、廠房施工時, 自流平混凝土技術(shù)都是最好的選擇。

1.1.3 改善水泥基材料體積穩(wěn)定性的研究進(jìn)展

高性能混凝土配制時通常都使用較高的膠凝材料總量, 并且摻加有大量磨細(xì)礦物摻合料, 這些措施引起了較大的混凝土自收縮, 混凝土的開裂趨勢增加。近年來, 高性能混凝土研究的重點之一就是早期收縮的機(jī)理、測量方法和設(shè)備、影響因素和改善措施等, 并取得了突出進(jìn)展。大連理工大學(xué)和中國建筑材料科學(xué)研究總院共同完成的國家自然科學(xué)基金重點項目 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的形成與發(fā)

展機(jī)理及控制技術(shù)研究 是近年來針對混凝土早期收縮開裂問題開展系統(tǒng)研究的項目之一, 該項目從材料和結(jié)構(gòu)兩個不同角度深入研究了影響混凝土早期收縮開裂的因素。研究工作有重要的學(xué)術(shù)意義和普遍的工程應(yīng)用價值。1.1.4 高延性水泥基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

復(fù)合化是水泥基復(fù)合材料高性能化的主要途徑, 纖維增強(qiáng)是核心。高的纖維摻量并輔以特殊的制備工藝，如漬漿纖維混凝土(SIFCON, S lurry In filtrated F iberConcrete)，使其抗壓、抗拉、抗彎、抗剪與抗沖擊強(qiáng)度及韌性等性能大幅度提高。同時，低摻量的短纖維按三維的方式亂向均勻分布于水泥基材料中使其綜合性能優(yōu)異，如：施工簡便，減少塑性收縮開裂、延緩裂縫擴(kuò)展，提高水泥基材料裂后的承載力和韌性等，所以，近些年得到了世界各國的廣泛的重視。其中，高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(Engineered Cem en titious Compos ite,ECC)是近幾年最為活躍的一種，2006年在ArchitecturalR ecords in the Con crete andM ason ry Category 被評為面向建筑師、設(shè)計師和管理者五個最有新意和發(fā)展?jié)摿Φ慕ㄖa(chǎn)品之一。

1.2 發(fā)展趨勢

1.2.1 超復(fù)合化

混凝土是以水泥石為基相、骨料作為分散相的分散復(fù)合結(jié)構(gòu)，以其抗壓強(qiáng)度高、耐火性好、使用靈活、施工方便等優(yōu)點一直沿用至今。然而水泥的礦物組成從根本上決定了其低韌性和低抗拉強(qiáng)度的弱點。只有從改變混凝土的組成入手才能解決混凝土高韌低脆的缺陷，其中包括微細(xì)觀復(fù)合化和宏觀復(fù)合化。1.2.2 高強(qiáng)、高性能化

混凝土高強(qiáng)化的意義在于減輕建筑物的自重[5],目前我國大中城市中,預(yù)拌混凝土工廠已經(jīng)比較成熟的掌握了C50-C60混凝土配制與泵送技術(shù),現(xiàn)正在逐步得以提高,而C50-C60混凝土在大面積推廣。在高強(qiáng)混凝土的研究中應(yīng)致力于提高混凝土的延性、抗裂性與抗拉強(qiáng)度。

高性能混凝土的實現(xiàn)途徑在于完善其組成材料和工藝過程，在組成材料方面，通常使用高效減水劑和超細(xì)礦物摻合料(包括超細(xì)微粉、細(xì)磨礦渣和粉煤灰等)，超細(xì)礦物細(xì)摻料，特別是納米材料的加入能夠明顯改善水泥石的孔結(jié)構(gòu)和密實程度，提高混凝土的耐久性；在配合比方面又用低水膠比，最大可能的消除因水分散失帶來的不利影響；在制備工藝上采用完善的質(zhì)量管理體系，消除在施工過程引起的缺陷。HPC不僅具有性能上的優(yōu)勢，而且在組成材料中大量利用工業(yè)廢

渣，顯著減少水泥用量,因此從可持續(xù)發(fā)展的角度而言，高性能混凝土本身就是綠色混凝土。

1.2.3 高功能、高智能化

到目前為止，所使用的混凝土絕大多數(shù)都是只有單一功能的，這使得混凝土在某些特殊位置的使用上受到了極大的限制。早在1994年日本東京工業(yè)大學(xué)的長瀧重義教授就提出了“土木工程混凝土材料的高性能化、高功能化”。在國際上高性能混凝土(High Performance Concrete)不斷發(fā)展的同時，高功能混凝土(High Function Concrete)已經(jīng)嶄露頭角，并且展示出極大的生命力。與此同時，隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，混凝土的智能化也成為混凝土發(fā)展的努力方向。智能混凝土是在混凝土原有組分的基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分，使混凝土具有自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)的特性的多功能材料。它在對重大土木基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)變的實量監(jiān)測、損傷的無損評估、及時修復(fù)以及減輕臺風(fēng)、地震的沖擊等諸多方面有很大的潛力，對確保建筑物的安全和長期的耐久性都極具重要性。因此混凝土的功能單一問題必須在不斷的實踐中得到解決。誠然，人類文明還將對混凝土不斷提出新的功能要求，這些均需我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)、去研究、去完成。只有使混凝土不斷具有新的復(fù)合功能，才能跟上人類文明發(fā)展的步伐,才能永葆青春。混凝土功能、智能一體化的進(jìn)程必須加速。水泥基材料常用的界表面測試方法

2.1 SEM表征

2.1.1 概述

掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的人射電子轟擊物質(zhì)表面時，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時，也可產(chǎn)生電子-空穴對、晶格振動(聲子)、電子振蕩(等離子體)。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場或磁場等等。掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機(jī)理，采用不同的信息檢測器，使選擇檢測得以實現(xiàn)。如對二次電子、背散射電子的采集，可得到有關(guān)物質(zhì)微觀形貌的信息；對X射線的采集，可得到物質(zhì)化學(xué)成分的信息。正因如此，根據(jù)不同需求，可制造出功能配置不同的掃描電子顯微鏡。2.1.2 基本原理

掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的人射電子轟擊物質(zhì)表面時，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時，也可產(chǎn)生電子-空穴對、晶格振動(聲子)、電子振蕩(等離子體)。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場或磁場等等。掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機(jī)理，采用不同的信息檢測器，使選擇檢測得以實現(xiàn)。如對二次電子、背散射電子的采集，可得到有關(guān)物質(zhì)微觀形貌的信息;對x射線的采集，可得到物質(zhì)化學(xué)成分的信息。正因如此，根據(jù)不同需求，可制造出功能配置不同的掃描電子顯微鏡。2.1.3 分析方法（1）顯微結(jié)構(gòu)的分析

在陶瓷的制備過程中 ,原始材料及其制品的顯微形貌、孔隙大小、晶界和團(tuán)聚程度等將決定其最后的性能。掃描電子顯微鏡可以清楚地反映和記錄這些微觀特征 ,是觀察分析樣品微觀結(jié)構(gòu)方便、易行的有效方法 ,樣品無需制備 ,只需直接放入樣品室內(nèi)即可放大觀察;同時掃描電子顯微鏡可以實現(xiàn)試樣從低倍到高倍的定位分析 ,在樣品室中的試樣不僅可以沿三維空間移動 ,還能夠根據(jù)觀察需要進(jìn)行空間轉(zhuǎn)動 ,以利于使用者對感興趣的部位進(jìn)行連續(xù)、系統(tǒng)的觀察分析。掃描電子顯微鏡拍出的圖像真實、清晰 ,并富有立體感 ,在新型陶瓷材料的三維顯微組織形態(tài)的觀察研究方面獲得了廣泛地應(yīng)用。（2）納米尺寸的研究

納米材料是納米科學(xué)技術(shù)最基本的組成部分 , 現(xiàn)在可以用物理、化學(xué)及生物學(xué)的方法制備出只有幾個納米的“顆粒 ”。納米材料的應(yīng)用非常廣泛,比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優(yōu)點, 納米陶瓷在一定的程度上也可增加韌性、改善脆性等 , 新型陶瓷納米材料如納米稱、納米天平等亦是重要的應(yīng)用領(lǐng)域。納米材料的一切獨特性主要源于它的納米尺寸 ,因此必須首先確切地知道其尺寸 , 否則對納米材料的研究及應(yīng)用便失去了基礎(chǔ)。（3）鐵電疇的觀測

壓電陶瓷由于具有較大的力電功能轉(zhuǎn)換率及良好的性能可調(diào)控性等特點在多層陶瓷驅(qū)動器、微位移器、換能器以及機(jī)敏材料與器件等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展 ,鐵電和壓電陶瓷材料與器件正向小型化、集成化、多功能化、智能化、高性能和復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)展 ,并在新型陶瓷材料的開發(fā)和研究中發(fā)揮重要作用。

2.2 TEM表征

2.2.1 概述

透射電子顯微鏡（Transmission electron microscope，縮寫TEM），簡稱透射電鏡，是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射電子顯微鏡的分辨率為0.1～0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬～百萬倍，用于觀察超微結(jié)構(gòu)，即小于0.2微米、光學(xué)顯微鏡下無法看清的結(jié)構(gòu)，又稱“亞顯微結(jié)構(gòu)”。2.2.2 基本原理

吸收像：當(dāng)電子射到質(zhì)量、密度大的樣品時，主要的成相作用是散射作用。樣品上質(zhì)量厚度大的地方對電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理。衍射像：電子束被樣品衍射后，樣品不同位置的衍射波振幅分布對應(yīng)于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當(dāng)出現(xiàn)晶體缺陷時，缺陷部分的衍射能力與完整區(qū)域不同，從而使衍射缽的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。相位像：當(dāng)樣品薄至100A以下時，電子可以穿過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自于相位的變化。

2.3 XPS表征

2.3.1 XPS概述

X射線光電子能譜(XPS)也被稱作化學(xué)分析用電子能譜(ESCA)。該方法是在60年代有瑞典科學(xué)家K.Siegbahn教授發(fā)展起來的。由于光電子能譜的理論與技術(shù)的重大貢獻(xiàn)，1981年K.Siegbahn獲得了諾貝爾獎。30多年來，XPS無論是從理論還是實驗技術(shù)上都已獲得了長足的發(fā)展。XPS已從剛開始主要用來對化學(xué)元素的定性分析，業(yè)已發(fā)展為固體材料表面元素定性、半定量分析及元素化學(xué)價態(tài)分析的重要手段。目前該分析方法在日常表面分析工作中的份額已達(dá)到50%，是一種重要的表面分析工具。2.3.2基本原理

XPS的原理較簡單，就是一種光電離作用。當(dāng)一束光子輻照到樣品表面時，光子可以被樣品中某一元素的原子軌道上的電子所吸收，使得該電子脫離原子核的束縛，以一定的動能從原子內(nèi)部發(fā)射出來，變成自由電子，二原子本身則變成一個激發(fā)態(tài)的離子。這種現(xiàn)象就叫做光電離作用。用X射線照射固體時，由于

光電效應(yīng)，原子的某一能級的電子被擊出物體之外，稱為光電子。由于只有表面的光電子才能從固體中逃逸出來，因而測得的的電子結(jié)合能必然反映了表面化學(xué)成分的情況。2.3.3儀器系統(tǒng)組成

X射線光電子能譜儀主要是由超高真空系統(tǒng)、X射線激發(fā)源系統(tǒng)和能量分析系統(tǒng)、離子槍及計算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等組成。2.3.4 XPS的分析方法

(1)表面元素定性分析

這是一種最常規(guī)的分析方法,一般利用XPS能譜儀的寬掃描程序。(2)表面元素的半定量分析

首先應(yīng)當(dāng)明確的是,XPS并不是一種很好的定量的分析方法。它給出的僅是一種半定量的結(jié)果,即相對含量而不是絕對含量。

(3)表面元素的化學(xué)價態(tài)分析

表面元素化學(xué)價態(tài)分析是XPS的最重要的一種分析功能，也是XPS圖譜解析最難并比較容易發(fā)生錯誤的部分。

(4)元素沿深度方向的分析

常用的有Ar+剝離深度分析、變角XPS深度分析和Tougaard法。

2.4 AES分析

2.4.1 AES概述

1925年P(guān)ierre Auger發(fā)現(xiàn)了俄歇電子，但由于信號很弱，直到1976年在采用了微分鎖相技術(shù)以后，使俄歇電子能譜儀獲得了很高信被比，才開始出現(xiàn)商業(yè)化的俄歇電子能譜儀，并發(fā)展成為一種研究固體表面成分的重要分析技術(shù)。1969年P(guān)almberg等人引入了簡筒能量分析器，使得俄歇電子能譜的信被比得到了很大的改善?，F(xiàn)在的俄歇電子能譜儀主要采用同軸電子槍的CMA能量分析器以及單獨電子槍和半球型能量分析器。一般采用電子束作為激發(fā)源。隨和微電子技術(shù)的發(fā)展，俄歇電子能譜儀已發(fā)展為具有很高微區(qū)分辨能力（6nm）的掃描俄歇電子探針（SAM）。2.4.2 俄歇電子的能譜原理

當(dāng)具有足夠能力的粒子（光子、電子或離子）與一個原子碰撞時，原子內(nèi)層軌道上的電子被激發(fā)出來后，在原子的內(nèi)層軌道上產(chǎn)生一個空穴，形成了激發(fā)態(tài)

正離子。這種激發(fā)態(tài)的正離子是不穩(wěn)定的，必須通過退激發(fā)而回到穩(wěn)定態(tài)。在此激發(fā)態(tài)離子的退激發(fā)過程中，外層軌道的電子可以向該空穴躍遷并釋放出能量，而該釋放出的能量又可以激發(fā)同一軌道層或者更外層軌道的電子使之電離而逃離樣品表面，這種射出的電子被稱為俄歇電子。從上述工程可以看出，至少有兩個能級和三個電子參與俄歇過程。

俄歇電子是靶物質(zhì)所特有的，與入射電子束的能量無關(guān)，同時俄歇電子只能從20埃以內(nèi)的表層深度中逃離出來，對表面成分非常敏感，特用作表面化學(xué)成分分析。

2.4.3 俄歇電子能譜分析方法(1)俄歇電子能譜的定性分析

主要是利用俄歇電子的特征能量來確定固體表面的元素組成。(2)表面元素的半定量分析(3)表面元素的價態(tài)分析

利用俄歇峰的化學(xué)位移、譜線變化、譜線寬度及特征強(qiáng)度變化等信息來確定元素的結(jié)合狀態(tài)。(4)元素深度分布分析(5)微區(qū)分析

(6)界面（晶界、相界）分析

2.5 SIMS分析

2.5.1 SIMS概述

1913年，J.J.Thomson建立了研究元素的同位素質(zhì)譜儀。1931年，Woodock指導(dǎo)了第一個負(fù)離子譜，達(dá)到單位質(zhì)量分辨率。1950年研制出了用于分析目的的次級離子質(zhì)譜儀。次級離子質(zhì)譜儀在分析這類材料的能力及其作顯微分析時比電子探針方法具有更多的優(yōu)點。半導(dǎo)體工業(yè)的興起及其對深度和靈敏度顯微鏡分析的需求，確保了以顯微探針和顯微鏡這兩個方法為基礎(chǔ)的高空間分辨率譜儀的迅速發(fā)展?；蚴浅鲇诤哿吭胤治龅母哽`敏度的需求，或出于要作深度分析，所有這些方面的應(yīng)用在作分析時都需要消耗材料，表面分析不是其目的。這個領(lǐng)域的質(zhì)譜發(fā)展成為了所謂的動態(tài)次級離子質(zhì)譜（DSIMS）。

目前發(fā)展的飛行時間質(zhì)譜同四級質(zhì)譜相比，在靈敏度、質(zhì)譜分辨率和分析的質(zhì)量范疇取得了幾個數(shù)量級的提高，機(jī)油巨大的應(yīng)用前景。2.5.2 SIMS的基本原理

二次離子質(zhì)譜使表征材料表面薄膜層化學(xué)成分的離子束分析技術(shù)。SIMS能夠分析包括H在內(nèi)的全部元素，能夠給出同位素信息，分析化合物組成及分子結(jié)構(gòu)，對很多成分具有ppm甚至ppb量級的高靈敏度，表面檢測深度約幾個原子；還可以進(jìn)行微區(qū)成像分析和深度分析。

工作原理是：載能離子通過聚焦，人射到處在高真空中待分析樣品表面，由于一次離子撞擊時將動量傳遞給了樣品，引起表面的原子或分子以中性的和帶電的兩種狀態(tài)發(fā)射出來，濺射的粒子中部分帶電荷的就是二次離子。收集這些二次離子并進(jìn)行質(zhì)量分析，即可得到二次離子質(zhì)譜。2.5.3 SIMS分析方法(1)元素識別

利用原子質(zhì)量將大部分重要的元素識別出來。(2)定量分析

利用質(zhì)譜峰的相對強(qiáng)度來得到定量變化趨勢。

2.6 ISS分析

2.6.1 概述

離子散射譜儀（ISS）是以離子作為探測束，可以得到樣品最表層的信息，因而具有很高的檢測靈敏度。一般分為低能離子散射譜和高能粒子散射譜兩種。離子束被固體表面散射后，散射離子的能量分布和角度分布。用于固體表面研究的離子散射譜用能量低于幾千電子伏特的惰性氣體離子射向表面，入射離子被表面原子的散射可近似用兩個質(zhì)點的彈性碰撞來處理。散射離子的能量分布和角度分布與表面原子的質(zhì)量有確定的關(guān)系。通過測量沿一定方向散射的離子的能量分布，可提供表面原子質(zhì)量(即化學(xué)成分)和數(shù)目的信息。離子散射譜的信息只來自最表層，靈敏度極高，約108∽109原子/cm2?？梢宰龅浇跓o破壞的表表面成分分析。2.6.2 基本原理

利用低能惰性氣體離子與靶表面原子進(jìn)行彈性碰撞，根據(jù)彈性散射理論，散射離子的能量分布和角分布于表面原子的原子量有確定的關(guān)系。通過對散射離子分析可以得到表面單層元素組分及表面結(jié)構(gòu)信息。2.6.3 分析方法

靶表面最表層定性分析，檢測靈敏度為10-3。水泥基材料顆粒作用機(jī)理

3.1 作用機(jī)理

在混凝土中摻加一定量的納米顆粒或者納米纖維，在一定程度上提高了混凝土的強(qiáng)度、韌性和耐久性能，除此之外還可以使混凝土具有特殊功能，增加了混凝土應(yīng)用范疇。

3.1.1微集料填充效應(yīng)

作為納米級別的微細(xì)顆粒，將其摻入到比它均要大幾個數(shù)量級的膠凝顆粒之間，其小尺寸填充作用時很明顯的，同以往所研制出的超高性能混凝土相比，一般最小的顆粒為硅灰粒子，硅灰粒子很好的填充于水泥粒子、粉煤灰粒子或其他粒子之間，膠凝體系間級配也較好，基體較密實，但此時再摻入比硅灰粒子更小級配的納米粒子，硅灰粒子內(nèi)部之間或與其它粒子之間的空隙被納米粒子更進(jìn)一步填充，膠凝體系間密實度得以更進(jìn)一步提高，從而提高水泥石的力學(xué)性能。

3.1.2火山灰效應(yīng)

在硅酸鹽水泥硬化漿體中，氫氧化鈣晶體是由硅酸二鈣和硅酸三鈣水化生成的，CH 的存在易使水泥硬化漿體和骨料界面處厚度約為 20μm 的范圍內(nèi)形成粗大的晶粒，并且 CH 具有一定的取向性，這會降低界面處的粘結(jié)強(qiáng)度，因此，減少甚至消除水泥硬化漿體中的氫氧化鈣是十分必要的。在 UHPC 中加入適當(dāng)?shù)募{米 SiO2粉體后，由于納米粒子的高比表面積，表面原子配位的不足，導(dǎo)致大量的殘鍵和不飽和鍵產(chǎn)生，使之處于較大的熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，表面原子具有高的活性，很容易誘導(dǎo) Ca2+、Si4+、Al3+、Fe3+等離子發(fā)生水化反應(yīng)形成較多的水化物，這就是“納米誘導(dǎo)水化效應(yīng)”。這其中，納米 SiO2的加入最重要的是不僅可以誘導(dǎo) Ca2+的水化，還能與水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生二次反應(yīng)，與硅灰相比納米 SiO2可以更有效的吸收水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣晶體，這兩者與 CH 的反應(yīng)能力有所差別，主要是因為兩者在水泥漿體中的反應(yīng)機(jī)理不同，納米 SiO2在水泥漿體中的反應(yīng)式為：

Si?O?+H?OH→Si?OH（快）

（4.1）

Si?+H?OH→Si?OH（快）

（4.2）

Si?OH+Ca(OH)2→C-S-H

（4.3）

而硅灰在水泥漿體中的反應(yīng)為：

Si?O?Si+H?OH→Si?OH（慢）

（4.4）

Si-OH+Ca(OH)2?→C-S-H

（4.5）

在硅灰中 Si ? O?Si的鍵鍵合牢固，較難斷裂，所以硅灰與水的反應(yīng)比納米SiO2要慢很多，而納米 SiO2表面大量的殘鍵和不飽和鍵極易與 CH 晶體發(fā)生二

次水化反應(yīng)，早期生成絮狀的 C-S-H 凝膠，后期生成向外成輻射狀的纖維 C-S-H，這種二次水化產(chǎn)物可填充不同粒徑顆粒之間的孔隙，最終形成致密網(wǎng)絡(luò)狀的二級界面顯微結(jié)構(gòu)，有效地提高水泥漿體的性能。此外，納米 SiO2除與氫氧化鈣發(fā)生水化反應(yīng)，還能有效地細(xì)化界面中所富集的 CH 晶粒，從而起到改善界面的積極作用。

3.1.3晶核效應(yīng)

硅酸鹽水泥熟料中最高可能含有 60%以上的 C3S 礦物，而硬化水泥漿體的性質(zhì)在很大程度上取決于 C3S 的水化，即所生成的水化產(chǎn)物和形成的結(jié)構(gòu)，可以說，C3S 對于水泥的水化起著決定性作用。當(dāng) C3S 開始水化時，會釋放出 Ca2+，Ca2+具有比[SO4]4+離子團(tuán)高得多的遷移能力，在 UHPC 中摻入納米 CaCO3顆粒后，NC 顆粒雖然不直接參與水化發(fā)應(yīng)，但由于其顆粒表面較高的活性，很容易吸附其它的原子，因此當(dāng) Ca2+擴(kuò)散到 NC 顆粒表面時，會發(fā)生 NC 顆粒表面對 Ca2+的物理吸附作用，使得 NC 顆粒周圍的 Ca(OH)2優(yōu)先成核，導(dǎo)致了液相中 Ca2+離子濃度的降低，加速了 C3S 表面的離子向溶液中遷移，提高了 C3S 的水化速度，改善了界面中 Ca(OH)2的富集和定向排列性能，增加了水化產(chǎn)物 C-S-H 在界面中的含量，從而使得基體界面得到有效改善，提高了水泥石的強(qiáng)度與韌性。同時，由于 NC 顆粒的微集料作用，水泥石的密實度得到提高，水泥顆粒分布狀態(tài)得到改善，分散了熟料顆粒，使熟料顆粒與水接觸的面積更大，同樣可以促進(jìn)水泥水化，加速水泥水化反應(yīng)進(jìn)程。

a)SEM照片中無裂痕

b）SEM照片中有裂痕

圖1 摻3%的NC混凝土SEM 照片

3.1.4釘扎效應(yīng)

存在于水泥漿基體中的納米顆粒還產(chǎn)生了“釘扎”效應(yīng)。從圖1 可以看出：

水泥基體表面大量的粒徑很小的一半露出斷裂面、一半嵌固于水泥漿體中的顆粒狀的 NC 還可以產(chǎn)生“釘扎”效應(yīng)，水泥漿體內(nèi)部一產(chǎn)生微細(xì)裂紋，其擴(kuò)展將受到納米粒子的反射、阻礙而消耗能量，從而限制裂紋的生長和擴(kuò)展，這就能改善基體的斷裂韌性。

3.2 礦物摻合料對混凝土微觀形貌的影響

對C50超高強(qiáng)鋼管混凝土的水泥石進(jìn)行了SEM觀測，試驗測試了鋼管密閉條件下水泥石28d齡期在掃描電鏡SEM下的形貌，其圖像見圖c、d所示：

由圖可以看出：膨脹劑與粉煤灰、硅灰和微珠復(fù)摻，再摻加一定量具有減縮和內(nèi)養(yǎng)護(hù)功能的聚合物后混凝土在鋼管密閉環(huán)境下28d齡期時水泥石結(jié)構(gòu)致密，明顯看到鈣礬石填充于水泥石的空隙中，可能是因為內(nèi)養(yǎng)護(hù)聚合物后期釋水促進(jìn)了膨脹劑的反應(yīng)。

c）未摻HCSA的SEM

d）摻HCSA的SEM 圖2 C50自密實微膨脹鋼管混凝土水泥石28d齡期的SEM 綜上，水化熱測試結(jié)果表明，在低水膠比的情況下，摻加10%的粉煤灰對膠凝材料體系的水化放熱量和水化放熱速率沒有明顯影響；摻加膨脹劑和聚合物后水化速率有所提高，放熱量與單摻8%硅灰時相當(dāng)?；瘜W(xué)結(jié)合水測試結(jié)果表明摻加膨脹劑和聚合物后，改善了混凝土后期水化反應(yīng)內(nèi)部相對濕度環(huán)境，促進(jìn)了膠凝材料體系的水化反應(yīng)。XRD測試結(jié)果表明：摻加高能復(fù)合膨脹劑和減縮內(nèi)養(yǎng)護(hù)聚合物后，在水化早期（7d）內(nèi)生產(chǎn)了大量的水鎂石，28d時水鎂石的含量無明顯變化，AFt的量明顯增加，CH減少。測試結(jié)果與高能復(fù)合膨脹劑復(fù)配時選擇的膨脹源結(jié)果一致。混凝土的孔結(jié)構(gòu)測試結(jié)果表明，摻加高能復(fù)合膨脹劑和減縮聚合物后，混凝土中孔得到細(xì)化，孔隙率明顯降低。SEM圖可以看到制備的C50自密實微膨脹鋼管混凝土在28d齡期時混凝土結(jié)構(gòu)致密。

展望

隨著人們逐漸重視工程質(zhì)量、強(qiáng)調(diào)安全和環(huán)境保護(hù)，水泥領(lǐng)域的研究將集中在高效研磨和煅燒新技術(shù)和裝備，工業(yè)廢棄物為原料和燃料的綜合利用方面；水泥基材料的研究將集中在功能性復(fù)合材料、混性和耐久性的提高，各種工業(yè)及城市廢棄物在水泥基材料中的資源化利用等方面。這些研究成果將推動水泥材料科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步，為未來水泥和水泥基材料的可持續(xù)發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

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第二篇：表面與界面論文-

納米材料的表面與界面

納米材料包含納米微粒和納米固體兩部分，納米微粒的粒子直徑與電子的德布羅意波長相當(dāng)，并且具有巨大的比表面；由納米微粒構(gòu)成的納米固體又存在龐大的界面成分。強(qiáng)大的表面和界面效應(yīng)使納米材料體現(xiàn)出許多異常的特性和新的規(guī)律，這些特性和規(guī)律使其展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其中，在宏觀尺度上制造出具有納米結(jié)構(gòu)和納米效應(yīng)的高性能金屬材料，并揭示這些材料的組織演化特征以實現(xiàn)功能調(diào)控，是金屬材料學(xué)科面臨的重大科學(xué)問題和需要解決的核心關(guān)鍵技術(shù)。本文將對納米材料的表面、界面效應(yīng)進(jìn)行介紹。

1.1納米材料

納米材料就是具有納米尺度的粉末、纖維、膜或塊體。其中納米粉末，也就是通常所說的納米粒子，研究時間最長、技術(shù)最為成熟，是生產(chǎn)其他三類產(chǎn)品的基礎(chǔ)。當(dāng)物質(zhì)被加工到極其微細(xì)的納米尺度時，會出現(xiàn)特異的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)和量子效應(yīng)，其光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)乃至化學(xué)性質(zhì)也就相應(yīng)地發(fā)生十分顯著的變化。因此納米材料具備其它一般材料所沒有的優(yōu)越性能，可廣泛應(yīng)用于電子、醫(yī)藥、化工、軍事、航空航天等眾多領(lǐng)域，在整個新材料的研究應(yīng)用方面占據(jù)著核心位置。

納米材料要求在三維空間中至少有一維處于納米尺度（1-100 nm）范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，其基本結(jié)構(gòu)單元可以分為：零維的納米粒子、原子團(tuán)簇；一維的納米線、納米管等；二維的超薄膜、多層膜等。這些基本單元又可以組成一維（1D）、二維（2D）、三維（3D）的納米材料，如納米塊狀材料是將納米粉末高壓成型或燒結(jié)或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米材料。

納米材料和納米結(jié)構(gòu)對材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理提出了許多新的課題，由于尺度的減小，導(dǎo)致可以與激子波爾半徑、光波波長、超導(dǎo)相干波長和德布羅意波長相比擬，體系電子被限制在一個十分小的納米空間，電子的平均自由程很短，電子輸運受到限制，電子的局域性和相干性增強(qiáng)。在宏觀體材料下出現(xiàn)的準(zhǔn)連續(xù)能帶消失，將表示出分立的能級，量子尺度效應(yīng)十分顯著，使得納米體系的材料與塊體材料相比在物理和化學(xué)性質(zhì)上有很大的不同，將出現(xiàn)許多新奇的特性。而且，納米材料在小尺度范圍內(nèi)的表面活性增強(qiáng)，表面能量狀態(tài)的提高將導(dǎo)致納米體系本身變的很不穩(wěn)定而處于亞穩(wěn)態(tài)。

尺度是納米材料重要的結(jié)構(gòu)參量之一。因為隨著材料尺度的減小，其表面與界面原子（與芯部原子相比）所占的比例就會越來越大，當(dāng)表面與界面原子數(shù)與芯部原子數(shù)相比擬的時候，材料的相關(guān)物性將有可能發(fā)生從宏觀的體材料向介觀的納米尺度材料轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致一系列的尺度效應(yīng)，而正是這些尺度效應(yīng)使得納米材料與納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)許多奇異的物性和潛在的應(yīng)用。例如，因為尺度的減小，納米顆粒的表面原子與總的原子數(shù)相比隨粒徑的減小而急劇增大。當(dāng)直徑為10nm，4nm，2nm和1nm時，其表面原子所占的比例分別是20％，40％，80％和99％。表面原子數(shù)隨尺度減小而增大將導(dǎo)致表面原子的配位數(shù)不足、鍵合狀態(tài)與內(nèi)部原子不同，鍵態(tài)失配，因而出現(xiàn)非化學(xué)平衡，使表面原子的活性增大且處于高的表面能量狀態(tài)，將引起表面原子自旋構(gòu)象和能譜以及表面原子的輸運的變化。此外，隨著納米晶體尺度的減小，內(nèi)部缺陷如位錯在晶粒內(nèi)部的消失以及晶界的存在，使得納米粒子將在強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)硬度顯著增強(qiáng)。同時，也會出現(xiàn)表面硬化現(xiàn)象[6]。納米尺度下的材料合成也為新型納米材料的制各提供了機(jī)會。例如，在經(jīng)典條件下互不相溶的兩種材料如二元金屬，在納米尺度范圍內(nèi)由于相關(guān)物理量尺度效應(yīng)的存在，將會出現(xiàn)固溶體相。

因此，當(dāng)物體的尺度進(jìn)入納米量級后，表現(xiàn)出的許多性能已經(jīng)不可以用經(jīng)典理論來進(jìn)行描述，需要發(fā)展新的理論工具來增進(jìn)對納米尺度下材料表面與界面的理解。

1.2表面效應(yīng)與界面效應(yīng)

隨著微粒粒徑的減小，其比表面積大大增加，位于表面的原子數(shù)目將占相當(dāng)大的比例。例如粒徑為5nm時，表面原子的比例達(dá)到50%；粒徑為2nm時，表面原子的比例數(shù)猛增到80%；粒徑為1nm時，表面原子比例數(shù)達(dá)到99%，幾乎所有原子都處于表面狀態(tài)。龐大的表面使納米微粒的表面自由能，剩余價和剩余鍵力大大增加。鍵態(tài)嚴(yán)重失配、出現(xiàn)了許多活性中心，表面臺階和粗糙度增加，表面出現(xiàn)非化學(xué)平衡、非整數(shù)配位的化學(xué)價，導(dǎo)致了納米微粒的化學(xué)性質(zhì)與化學(xué)平衡體系有很大差別，我們把這些差別及其作用叫做納米微粒的表面效應(yīng)。

由納米微粒制成的納米固體，不同于長程有序的晶態(tài)固體，也不同于長程無序短程有序的非晶態(tài)固體，而是處于一種無序狀態(tài)更高的狀態(tài)。格萊特認(rèn)為，這類固體的晶界有“類氣體”的結(jié)構(gòu)，具有很高的活性和可移動性。從結(jié)構(gòu)組成上看它是由兩種組元構(gòu)成，一是具有不同取向的晶粒構(gòu)成的顆粒組元，二是完全無序結(jié)構(gòu)各不相同的晶界構(gòu)成的界面組元。由于顆粒尺寸小，界面組元占據(jù)了可以與顆粒組元相比擬的體積百分?jǐn)?shù)。例如當(dāng)顆粒粒徑為5-50nm時構(gòu)成的納米固體，界面所占體積百分?jǐn)?shù)約為50%-30%。晶體界面對晶體材料的許多性能有重大影響。由于納米固體的界面與通常晶粒材料有很大的不同，界面組元的增加使納米固體中的界面自由能大大增加，界面的離子價態(tài)，電子運動傳遞等于結(jié)構(gòu)有關(guān)的性能發(fā)生了相當(dāng)大的變化，這種變化我們稱之為納米固體的界面效應(yīng)。

1.3 表面能和界面能及其尺度效應(yīng)

表面或者界面過剩Gibbs自由能和表面或者界面應(yīng)力在固體表面熱力學(xué)中起著重要的作用。是理解諸如量子點生長和形核、外延納米結(jié)構(gòu)以及生長的各向異性、晶體的平衡形狀，表面結(jié)構(gòu)和馳豫、表面熟化等的一個重要的物理量。例如，在恒定體積條件下的晶體平衡形狀是由Wulff定理決定，即

= 最小值，其中是各晶面的表面自由能，是各個晶面的面積，從熱力學(xué)的觀點看，表面（或界面）能描述的是通過裂開或塑性變形形成新固體表面（或界面）單位面積上所做的可逆功，而表面（或界面）應(yīng)力指的是通過彈性變形伸展表面（或界面）單位面積上做的可逆功。

隨著納米體系材料尺度的減小，比表面積逐漸增大，表面能或者界面能對材料的能量狀態(tài)及熱穩(wěn)定性的影響尤為顯著，使得納米材料的熱力學(xué)行為不同于相應(yīng)的塊體材料。

對于納米材料體系來說，如多層膜，其界面除了相應(yīng)的由于原子間的鍵能導(dǎo)致的界面能之外，同時由于晶格原子失配而導(dǎo)致了彈性應(yīng)變能的存在。此項構(gòu)成了界面能的結(jié)構(gòu)項。而對于納米晶、納米線、納米管等納米體系材料的表面，同時存在著表面原子之間尺度依賴的表面彈性應(yīng)變能。因此，表面或者界面晶格原子晶格的彈性能構(gòu)成了表面或者晃面能的一個重要方面。Zhao等人研究了納米薄膜的表面原子之間的彈性應(yīng)變能。發(fā)現(xiàn)其彈性常數(shù)和楊氏模量與薄膜的厚度存在顯著的尺度效應(yīng)。

2.納米材料的界面微觀結(jié)構(gòu)

2.1納米材料界面微觀結(jié)構(gòu)模型

納米材料是由內(nèi)在不一致的被界面區(qū)域分割開的納米尺度的微粒所組成。納米材料的顆粒尺寸、結(jié)構(gòu)不是區(qū)別納米材料的唯一特性。事實上，界面區(qū)域起著同樣的甚至更重要的作用。界面的化學(xué)成分、原子結(jié)構(gòu)、厚度對納米材料的性能同樣起著關(guān)鍵的作用。即使兩種納米材料的納米顆粒有著相同的化學(xué)成分和尺寸，如果它們的界面結(jié)構(gòu)不同則可能導(dǎo)致性能上的巨大差異。納米材料表現(xiàn)出特殊的物理和化學(xué)性能，這是由于大部分原子處在界面的直接結(jié)果。因此，納米材料中界面處的微觀結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵的作用。

盡管目前納米材料的界面研究已取得一定進(jìn)展，在某些方面取得共識，但到目前為止還未能獲得準(zhǔn)確的結(jié)論。近年來的許多研究都表明納米微晶中界面上的原子排列極為復(fù)雜，尤其三個晶?；蚋嗟慕徊鎱^(qū)，其原子幾乎是自由的、孤立的，其量子力學(xué)狀態(tài)。原子、電子結(jié)構(gòu)已非傳統(tǒng)固體物理、晶體學(xué)理論所能解釋。界面微觀結(jié)構(gòu)存在許多有爭議的問題?；诓煌膶嶒灲Y(jié)果，許多人提出了一些關(guān)丁納米材料界面微觀結(jié)構(gòu)模型，其中具有代表性的是：

Gleiter的完全無序模型：這種理論認(rèn)為納米晶粒晶界具有較為開放的結(jié)構(gòu)，原子排列具有隨機(jī)性，原子間距離大，原子密度低，既無長程有序，又無短程有序。這種理論曾被廣泛引用，但近年來，許多關(guān)于納米材料界面研究的實驗和模擬計算都與這個理論有出入，因此，人們基本上放棄這個模型。

有序結(jié)構(gòu)模型：這種理論認(rèn)為納米晶界處的原子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)粗晶晶界結(jié)構(gòu)并無太大區(qū)別，納米晶界上原子排列是有序的或者是局域有序的，并通過階梯式移動實現(xiàn)局部能量的最低狀態(tài)。

有序無序模型：近年來，通過大量晶界的高分辨電鏡觀察，提出納米材料晶界具有以下特征：多數(shù)晶粒具有與粗晶中的晶界相類似的結(jié)構(gòu)，但由于晶粒很小且隨機(jī)取向，晶界都呈現(xiàn)出彎曲的特征，而且鄰近晶界的區(qū)域晶體點陣存在畸變，同時，在一些晶界上，存在局域的不完整性或無序的區(qū)域以及納米級空洞?？梢哉J(rèn)為：納米材料中的界面存在著一個結(jié)構(gòu)上的分布，它們處于無序到有序的中間狀態(tài)，有的與粗晶界面結(jié)構(gòu)十分接近，而有的則更趨于無序狀態(tài)。

界面可變模型：由于界面原子的原子間距、原子排列、缺陷和配位數(shù)的不同，界面上能量差別很大，使納米塊狀材料的表面平移周期遭到了很大的破壞，晶格常數(shù)也發(fā)生了變化。這種復(fù)雜的相互作用和表面狀態(tài)，使納米材料具有不尋常的電、磁和光學(xué)性能。

界面缺陷模型：界面組分隨著納米粒子尺寸減小而增大，界面中的三叉晶界的數(shù)值隨之增大，引起界面中包含著大量缺陷。納米材料的界面原子排列比較混亂，其體積百分?jǐn)?shù)比常規(guī)材料的大得多，界面原子配位不全，使得缺陷增加。所以納米材料是一種缺陷密度十分高的材料。

總之，至今仍未形成統(tǒng)一的理論模型來描述納米界面的微觀結(jié)構(gòu)。事實上納米材料中的界面微觀結(jié)構(gòu)可能非常復(fù)雜。它不但與材料的成分、鍵合類型、制備方法、成型條件以及所經(jīng)歷的熱歷史等因素密切有關(guān)，而且在同一塊材料中不同晶界之問也各有差異?？梢哉J(rèn)為納米材料中的界面存在著一個結(jié)構(gòu)上的分布，它們處于無序到有序的中間狀態(tài)，有的與粗晶界面結(jié)構(gòu)十分接近，而有的則更趨于無序狀態(tài)。

2.2納米材料界面結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性

從熱力學(xué)角度講,納米材料處于非穩(wěn)定狀態(tài),因為大量的晶界將提高系統(tǒng)的自由能。在適當(dāng)?shù)臈l件下,納米晶粒將會長大,材料中的不穩(wěn)定相將會轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相,從而引起界面結(jié)構(gòu)的變化。因此,高溫時納米材料的性能將發(fā)生改變。與常規(guī)加熱方式相比,不但可以降低晶須的合成溫度,而且可以提高晶須的產(chǎn)率。因此,單位產(chǎn)品的能耗大大降低,電爐的使用壽命大幅度提高,具有節(jié)能、省時、高效的優(yōu)點,可以實現(xiàn)碳化硅納米晶須的低成本、大規(guī)模生產(chǎn)。

總之，至今仍未形成統(tǒng)一的理論模型來描述納米界面的微觀結(jié)構(gòu)。事實上納米材料中的界面微觀結(jié)構(gòu)可能非常復(fù)雜。它不但與材料的成分、鍵合類型、制備方法、成型條件以及所經(jīng)歷的熱歷史等因素密切有關(guān)，而且在同一塊材料中不同晶界之問也各有差異?？梢哉J(rèn)為納米材料中的界面存在著一個結(jié)構(gòu)上的分布，它們處于無序到有序的中間狀態(tài)，有的與粗晶界面結(jié)構(gòu)十分接近，而有的則更趨于無序狀態(tài)。

3.納米界面性能與電介質(zhì)科學(xué)

界面效應(yīng)包括兩個方面:垂直界面的效應(yīng)和界面平面內(nèi)的效應(yīng)。界面是金屬電極和介質(zhì)相之間電荷傳輸?shù)耐ǖ?它可控制后者金屬電極與電介質(zhì)接觸時，可從金屬內(nèi)亞原子距離擴(kuò)展到電介質(zhì)內(nèi)約10-9m或到絕緣體內(nèi)10-7m形成一個納米級的界面，并且恒定帶電構(gòu)成雙電層。這一電荷分離層是電介質(zhì)和金屬電極間界面的特征，它在界面內(nèi)產(chǎn)生的電場可高達(dá)103MV/m。若極化分子是界面內(nèi)主要成分時，它們會高度取向并形成與松散狀態(tài)下差別較大的性質(zhì)。在納米界面內(nèi)，離子和分子的分布和動力學(xué)特征在電化學(xué)、保持電介質(zhì)絕緣性能以及其它電活動中都有相當(dāng)重要的作用，許多電介質(zhì)系統(tǒng)的低頻行為都可以用納米界面的特性來表征。

界面效應(yīng)包括兩個方面：垂直界面的效應(yīng)和界面平面內(nèi)的效應(yīng)。界面是金屬電極和介質(zhì)相之間電荷傳輸?shù)耐ǖ溃煽刂坪笳叩膶?dǎo)電性能，影響穿過電極和松散電介質(zhì)間界面電子傳輸?shù)难趸€原過程。界面電場可通過色散力和靜電力改變聚合離子、聚合電解質(zhì)或極化大分子的正常相結(jié)構(gòu)，而氧和其它吸附在金屬和電介質(zhì)表面的雜質(zhì)會使界面實際情況更為復(fù)雜，界面上復(fù)雜的時變性能對體系的絕緣性能和介電性能有很大影響。由于界面內(nèi)電荷橫向移動發(fā)生在分子有序的富離子空間電荷層，與垂直界面方向相當(dāng)不同，因此界面平面的內(nèi)部反應(yīng)也是一類潛力巨大的界面現(xiàn)象。對這種情形的研究不僅會在電氣工程，而且在電子-化學(xué)、生物學(xué)和細(xì)胞膜內(nèi)質(zhì)子和其它離子橫向流研究方面產(chǎn)生有益的結(jié)果。

4.總結(jié)

對納米材料和納米結(jié)構(gòu)體系表面和界面以及相關(guān)尺度效應(yīng)的研究，不僅能夠獲得材料的表面態(tài)或界面態(tài)等物理特征，而且對于探索新的納米結(jié)構(gòu)的奇異物性及納米尺度器件應(yīng)用基礎(chǔ)具有重要的理論意義。

參考文獻(xiàn)

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第三篇：材料表面界面論文-精品

《材料表面與界面》

_______________ 材料科學(xué)與工程 專

業(yè)：

材研1008班

班

級：_____________

____________ S20100800

學(xué)

號：

趙騰飛 姓

名：____________

對現(xiàn)代表面學(xué)科發(fā)展的認(rèn)識

摘要: 本文闡述了表面科學(xué)與工程的發(fā)展概況，介紹了表面科學(xué)和表面工程的現(xiàn)代發(fā)展成就以及表面工程的應(yīng)用領(lǐng)域，并展望了表面科學(xué)與工程的發(fā)展前景和方向。

關(guān)鍵詞：材料表面科學(xué)；材料表面工程；發(fā)展；應(yīng)用

一、概述

眾所周知，能源、信息、材料是21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的三大支柱，其中材料是人類生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。而大量事實已經(jīng)證明材料的失效與破壞都往往從表面開始，在許多工作條件下，對材料基體和材料表面性能的要求有很大的差異。例如，一般要求基體既有高的強(qiáng)度和一定的任性，而對表面則要求有高硬度和高耐磨性，或是要求表面具有抗蝕及抗高溫氧化等。近年來新的表面處理技術(shù)如雨后春筍般地涌現(xiàn)，從而使材料表面科學(xué)和工程逐步形成一個獨立的科學(xué)與工程體系與學(xué)科。

二、對表面科學(xué)與工程的認(rèn)識

表面科學(xué)與工程學(xué)科涉及的信息量大，是多種學(xué)科相互交叉、滲透與融合形成的—門綜合性學(xué)科。它以表面科學(xué)為理論基礎(chǔ)。利用各種物理，化學(xué)、物理化學(xué)、電化學(xué)、冶金以及機(jī)械的方法和技術(shù)，使材料表面得到我們所期望的成分、組織、性能或絢麗多彩的外觀。其實質(zhì)就是要達(dá)到和滿足一種特殊的表面功能，并使表面和基體性能達(dá)到最佳的配合。因此它是一種節(jié)材、節(jié)能的新型工程技術(shù)，是對各學(xué)科成果的綜合運用。

表面科學(xué)與工程是一個跨學(xué)科、跨行業(yè)、跨世紀(jì)的新興領(lǐng)域，包含著表面物理、固體物理、等離子物理、表面化學(xué)、有機(jī)及無機(jī)化學(xué)、電化學(xué)、冶金學(xué)、金屬材料學(xué)、高分子材料學(xué)、硅酸鹽材料學(xué)以及物質(zhì)的輸送、熱的傳遞等多門學(xué)科，各門學(xué)科之間互相彌補(bǔ)、互相滲透、互相交融，日臻完善。逐漸形成一門別具特色的新興邊緣學(xué)科。

表面工程技術(shù)具有如下的技木特點：

（1）在廉價的基體材料上，對表面施以各種處理，使其獲得多功能性(防腐、耐磨、耐熱、耐高溫、耐疲勞、耐輻射、抗氧化以及光、熱、磁、電等特殊功能）、裝飾性表面。例如復(fù)合滲硼可以成倍提高材料的耐磨性、熱疲勞性、紅硬性以及耐蝕性。某些表面處理能使具整體材料得到難以獲得的微晶、非晶態(tài)等特殊晶型。

（2）雖然表面涂層或改性層很薄，從微米級到毫米級，但卻能起到大量昂貴的整體材料都難以達(dá)到的效果。

（3）大幅度地節(jié)材、節(jié)能，節(jié)省資源。

作為機(jī)件、構(gòu)件的預(yù)保護(hù)，使之能承受腐蝕與磨損；高溫的機(jī)件、構(gòu)件的耐熱性大大提高，延長了使用壽命；作為廢舊機(jī)件的修復(fù)，也使機(jī)件的壽命有所延長。例如電站的空氣預(yù)熱鋼管不經(jīng)處理，壽命僅有數(shù)月，經(jīng)滲鋁處理后壽命至少達(dá)10年，經(jīng)濟(jì)效益不可低估。

總之，表面工程技術(shù)這一內(nèi)涵深、外延廣、滲透力強(qiáng)、影響面寬的綜合通用性工程技術(shù)，已滲入到信息技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、海洋開發(fā)技術(shù)、航空航天技術(shù)中，并與它們構(gòu)成了一個光彩奪目的新科技群。表面工程技術(shù)具有實用性、科學(xué)性、先進(jìn)性、廣泛性、裝飾性、修復(fù)性、經(jīng)濟(jì)性。其發(fā)展前景十分誘人。

三、表面科學(xué)的成就

1、掃描探針技術(shù)（SPM）與表面科學(xué)的新成就

掃描探針技術(shù)的問世，可以說是本世紀(jì)末表面科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域一項具有劃時代意義的重要成就，它使人們對材料表面物理化學(xué)過程的認(rèn)識和控制進(jìn)入到原子量級水平，這一技術(shù)的出現(xiàn)，極大地推動了表面科學(xué)的發(fā)展，并隨之取得一系列重

要研究成果。例如：1）Si表面原子結(jié)構(gòu)的確定 2）表面電荷密度波的直接觀察3）表面原子的運動 表現(xiàn)在孤子化學(xué)波與表面的相互作用、表面反應(yīng)波動的觀察以及跟蹤表面原子擴(kuò)散的研究成果上。

2、表面化學(xué)方面的成就

由于在化學(xué)研究中的重要性，表面與界面化學(xué)過程的研究已經(jīng)有了很長的歷史。早在18世紀(jì)，人們就開始了表面的研究，例如催化、電化學(xué)以及表面相的熱力學(xué)研究等。隨后人們認(rèn)識到這個反應(yīng)中最關(guān)鍵的步驟是控制氫分子在金屬表面的吸附，而不使氫在金屬表面上解離成氫原子（氫分子在金屬表面溶液發(fā)生解離吸附）。這個方法經(jīng)過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)后，至今仍是有機(jī)物氫化反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)過程。在朗繆爾的工作以后，相當(dāng)長時間內(nèi)表面化學(xué)領(lǐng)域都缺乏開創(chuàng)性的研究工作，整個領(lǐng)域由于20世紀(jì)50年代到60年代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了變化。由于真空技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些在高真空條件下對表面現(xiàn)象進(jìn)行研究，表面化學(xué)開始成為一項獨立的基礎(chǔ)學(xué)科，并吸引了一批具有固體物理、物理化學(xué)、化學(xué)工程知識背景的科學(xué)家，此表面化學(xué)得到迅猛發(fā)展，大量研究成果被廣泛應(yīng)用于涂料、建材、冶金、能源等行業(yè)。

20世紀(jì)60年代以后，各種表面分析技術(shù)不斷涌現(xiàn)。近幾十年來，檢測表面性能的實驗技術(shù)有了突破性的發(fā)展，對表面組成、結(jié)構(gòu)、電子性能、磁學(xué)性能都可以從極微觀的層次進(jìn)行表征，為深入研究表面反應(yīng)過程提供了十分方便的實驗手段。常用的實驗方法有X射線光電子能譜、紫外光電子能譜、俄歇電子能譜、電子能量損失譜、低能電子衍射、程序升溫脫附技術(shù)等。

3、表面科學(xué)在分析技術(shù)和工業(yè)方面的新成就

伴隨著表面科學(xué)在基礎(chǔ)研究方面的不斷深入，各種表面分析技術(shù)也日漸成熟，并開始得到廣泛應(yīng)用。首先，在晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分分析方面，許多表面分析技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用，這包括俄歇光電子能譜（APS）、表面綜合

分析系統(tǒng)（ESCALab）、二次離子質(zhì)譜（SIMS）和偏光儀等。而另一些表面分析技術(shù)，如掃描隧道顯微鏡、表面光學(xué)分析系統(tǒng)以及配有電子能量損失譜（EELS）的原子分辨透射電鏡（TEM）和反射高能電子衍射譜（RHEED）也正在被工業(yè)界接受。近一時期，同步輻射與表面技術(shù)結(jié)合在醫(yī)學(xué)和生物界也得到了成功的發(fā)展。

在薄膜材料的制備方面，由表面技術(shù)發(fā)展起來的各種現(xiàn)代手段，如分子束外延（MBE）、化學(xué)氣相沉淀（CVD）、濺射、激光剝離生長等已經(jīng)可以通過控制應(yīng)力、成分和摻雜條件來獲取各式各樣的人造多層膜結(jié)構(gòu)。這些具有特殊功能和目的的新材料已被制作成各種器件，如高電子遷移晶體管、激光器、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）、巨磁電阻、X射線光學(xué)器件等，并廣泛應(yīng)用于電子、磁光和通信領(lǐng)域。而在材料研究方面，尤其以SiC薄膜、Ⅲ-Ⅴ族氮化物薄膜、硅化物薄膜、納米粉材料最引人注意。

在表面微加工方面，刻蝕技術(shù)、等離子源粒子注入（PSⅡ）技術(shù)以及原子力隧道顯微鏡（AFM）輔助制版技術(shù)以及成功地用于制備半導(dǎo)體器件。

四、表面工程的進(jìn)展

1、第一次重大發(fā)展

20世紀(jì)60～70 年代電子束、激光束、離子束技術(shù)的實用化并進(jìn)入物體表面界面加工技術(shù)領(lǐng)域，使表面技術(shù)發(fā)生了突破性的進(jìn)展電子束是一種高能量密度的熱源, 其最大功率密度可達(dá)109W/cm2，用于表面改性, 在極短的時間內(nèi)可將金屬表面加熱甚至熔化，其特點是快，即快速加熱，快速冷卻(速度可達(dá)103～106 ℃/s)。采用較低功密度(103～106 W/cm2)電子束，加熱速度也可達(dá)103～105℃/ s。它們有極好作用：（1）形成電子束表面改性技術(shù)——可進(jìn)行金屬表面固態(tài)相變(淬火)，也可進(jìn)行表面熔凝、表面熔覆，表面合金化，從而顯著地提高材料表面的耐磨性、耐蝕性，耐高溫氧化性等；（2）形成更為先進(jìn)的表面改性技術(shù)—— 蒸發(fā)物理氣相沉積（E-PVD）, 早先依靠電阻絲加熱蒸發(fā)源，僅能熔化、蒸發(fā)Al、Zn、Cd 等較低熔點的金屬, 只能沉積這些較低熔點的金屬膜層。一旦用電子束作為加熱蒸發(fā)源的熱源, 蒸鍍便發(fā)生了重大突破，它的高能量幾乎可以熔化所有的材料, 使物理氣相沉積出現(xiàn)了一個新局面，不僅能沉積Al、Zn、Cd 等低熔點金屬膜層, 還能沉積各種合金膜層，不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金膜層，碳化物、氮化物、氧化物等陶瓷膜層，這就為沉積所需要的膜層提供了一個新的技術(shù)手段。

20世紀(jì)60~70年代中期離子注入技術(shù)進(jìn)入半導(dǎo)體材料表面改性領(lǐng)域。采用離子注入精細(xì)摻雜取代熱擴(kuò)散工藝，使半導(dǎo)體從單個管子加工而發(fā)展成為集成電路加工，以致形成了今天全新的電子工業(yè)。此外，還有離子束濺射物理氣相沉積、射頻離子鍍、離子束輔助物理氣相沉積、雙離子束濺射、離子簇集離子輔助物理氣相沉積等表面工程技術(shù)的出現(xiàn)，使離子束等離子體在表面工程技術(shù)發(fā)展中孩子不斷延伸之中：如等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、離子束加入蒸發(fā)物理氣相沉積、鋁合金微弧等離子體陽極氧化技術(shù)、離子束外延技術(shù)、全方位沉浸離子注入技術(shù)等等極大地豐富了表面工程技術(shù)及其所形成的新表面層的特性。電子束、激光束和離子束的參與使表面工程技術(shù)出現(xiàn)了飛速發(fā)展。

2、第二次重大發(fā)展

近30年來現(xiàn)代表面技術(shù)發(fā)展成了現(xiàn)代表面工程，產(chǎn)生了第一次重大飛躍，人們對表面及表面開展的工作已形成了共識：

（1）任何物體都包含表面或界面：（2）任何工程，任何產(chǎn)品都不可能回避表面或界面;（3）表面、界面與集體是不可分割的；（4）現(xiàn)代表面工程技術(shù)可以對表面或界面作有效的改性；（5）任何重大工程或產(chǎn)品的設(shè)計與制造都應(yīng)將表面與基體作為一個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與制造才能獲得理想的結(jié)果。

換言之，任何工程、任何產(chǎn)品都應(yīng)將表面工程包含進(jìn)去進(jìn)行表面設(shè)計、表面加工、表面裝飾。賦予表面所需要的性能。這種預(yù)測可以從當(dāng)今現(xiàn)代表面工程的重大進(jìn)展、許多重大工程與產(chǎn)品中看出。

五、表面工程的應(yīng)用領(lǐng)域

1、表面工程應(yīng)用的廣泛性

（1）表面工程的應(yīng)用已遍及各行各業(yè)；

（2）應(yīng)用目的：耐蝕、耐磨、修復(fù)、強(qiáng)化、裝飾等，也可以是光、電、磁、聲、熱、化學(xué)、生物等方面的應(yīng)用；

（3）所涉及的材料：金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料。

2、表面工程應(yīng)用的重要性

（1）材料的磨損、腐蝕、疲勞斷裂等，一般都是從表面開始的，而它們帶來的破壞是十分驚人的；

（2）隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對各種產(chǎn)品抵御環(huán)境作用能力和長期運行的可靠性、穩(wěn)定性提出了更高的要求；而在許多情況下，構(gòu)件、元器件的性能和質(zhì)量，主要取決于材料表面的性能和質(zhì)量；

（3）許多產(chǎn)品的性能主要取決于表面的特性和狀態(tài)，而表面很薄，用材量十分少，因此表面技術(shù)可實現(xiàn)用最低的經(jīng)濟(jì)成本來實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品；

（4）應(yīng)用表面技術(shù)，有可能在廣闊的領(lǐng)域中生產(chǎn)各種新材料和新器件。

3、表面技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料以及工程構(gòu)件和機(jī)械零部件上的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)材料主要用來制造工程建筑中的構(gòu)件、機(jī)械裝備中的零部件以及工具、模具等，在性能上以力學(xué)性能為主，同時在許多場合又要求兼有良好的耐蝕性和裝飾性；表面技術(shù)在這方面主要起著防護(hù)、耐磨、強(qiáng)化、修復(fù)、裝飾等重要作用。

4、表面工程技術(shù)在功能材料和元器件上的應(yīng)用

材料的許多功能和性能與表面組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因而通過各種表面技術(shù)可制備或改進(jìn)一系列功能材料及其元器件。

如改變材料的光學(xué)特性、電學(xué)特性、聲學(xué)特性、磁學(xué)特性、熱學(xué)特性、化學(xué)特性等，以及實現(xiàn)這些特性之間的功能轉(zhuǎn)換。

5、表面工程技術(shù)在人類適應(yīng)、保護(hù)和優(yōu)化環(huán)境方面的應(yīng)用

表面工程技術(shù)在這一領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，初步可分為以下10個方面：①凈化大氣；②凈化水質(zhì)；③抗菌滅菌；④吸附雜質(zhì)；⑤去除藻類污垢；⑥活化功能；⑦生物醫(yī)學(xué)；⑧治療疾??；⑨綠色能源；⑩優(yōu)化環(huán)境。

六、表面科學(xué)與工程的發(fā)展動向

現(xiàn)代社會的需求促進(jìn)了表面科學(xué)與工程的發(fā)展，從宏觀發(fā)展分析，主要有以下幾個方面的發(fā)展動向：

1、深化表面科學(xué)基礎(chǔ)理論與表面測試技術(shù)的研究

摩擦學(xué)是表面工程的重要基礎(chǔ)理論之一，近年來，針對具體的工程問題，摩擦學(xué)工作者獲得了出色的成果，如在摩擦副失效點判定、磨損失效的主要模式、磨損失效原因分析及對策等方面積累了豐富的經(jīng)驗，并在重大工程問題上作出了重要貢獻(xiàn)。當(dāng)前研究摩擦學(xué)問題的手段越來越齊全、先進(jìn)，可以模擬各種條件進(jìn)行試驗研究，這些試驗手段和已積累的研究方法、評估標(biāo)準(zhǔn)，有力地支持了表面工程的發(fā)展。而應(yīng)用現(xiàn)代表面分析技術(shù)，從原子水平研究摩擦、磨損和潤滑機(jī)理；研究表面化學(xué)效應(yīng)、表面改性、表面涂覆的摩擦學(xué)領(lǐng)域在工業(yè)中的應(yīng)用則是未來一段時期的發(fā)展方向。

在腐蝕學(xué)研究方面，針對大氣腐蝕、海洋環(huán)境腐蝕、儲罐腐蝕、高溫環(huán)境腐蝕、地下長輸管線腐蝕、熱交換設(shè)備腐蝕、建筑物中的鋼筋水泥腐蝕等，應(yīng)用各種現(xiàn)代材料進(jìn)行了腐蝕機(jī)理和防護(hù)效果研究，提出了從結(jié)構(gòu)到材料到維護(hù)的一整套防腐治理措施。這些研究成果，對表面工程技術(shù)設(shè)計有很大的參考價值。而應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行在線測量，電化學(xué)腐蝕測試，研究腐蝕過程，緩蝕機(jī)理，氧化鈍化膜的形成、破壞及涂膜層的失效機(jī)制等是未來一段時期腐蝕學(xué)研究的發(fā)展方向。

無論用什么表面技術(shù)在零件表面上制備涂覆層，必須掌握涂覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、涂覆層的內(nèi)應(yīng)力等力學(xué)性能。這是表面工程技術(shù)設(shè)計的核心參數(shù)之一，也是研究和改進(jìn)表面技術(shù)的重要依據(jù)。

對于涂覆層厚度大于0.15μm的膜層(如熱噴涂涂層)，尚可用傳統(tǒng)的機(jī)械方法進(jìn)行測試，但是對于涂覆層厚度小于0.15μm的膜層(如氣相沉積幾個微米的膜層)，傳統(tǒng)的機(jī)械方法已無能為力。而薄膜技術(shù)又發(fā)展得很快，應(yīng)用面越來越廣，這就使研究新的測試方法更加緊迫。近年，一些學(xué)者用劃痕法、射線衍射法、納米壓人法、基片彎曲法等思路和手段對薄膜的力學(xué)行為進(jìn)行了深入研究，取得了長足的進(jìn)步，但要達(dá)到形成相對嚴(yán)密的自成體系的評價方法和技術(shù)指標(biāo)尚有較大差距。

2、發(fā)展復(fù)合表面技術(shù)

在單一表面技術(shù)發(fā)展的同時，綜合運用兩種或多種表面技術(shù)的復(fù)合表面技術(shù)有了迅速的發(fā)展。復(fù)合表面技術(shù)通過最佳協(xié)同效應(yīng)使工件材料表面體系在技術(shù)指標(biāo)、可靠性、壽命、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性等方面獲得最佳的效果，克服了單一表面技術(shù)存在的局限性，解決了一系列工業(yè)關(guān)鍵技術(shù)和高新技術(shù)發(fā)展中特殊的技術(shù)問題。強(qiáng)調(diào)多種表面工程技術(shù)的復(fù)合，是表面工程的重要特色之一。

目前，復(fù)合表面工程技術(shù)的研究和應(yīng)用已取得了重大進(jìn)展，如熱噴涂和激光重熔的復(fù)合、熱噴涂與刷鍍的復(fù)合、化學(xué)熱處理與電鍍的復(fù)合、表面涂覆強(qiáng)化與

噴丸強(qiáng)化的復(fù)合、表面強(qiáng)化與固體潤滑層的復(fù)合、多層薄膜技術(shù)的復(fù)合、金屬材料基體與非金屬表面復(fù)合、鍍鋅或磷化與有機(jī)漆的復(fù)合、滲碳與鈦沉積的復(fù)合、物理和化學(xué)氣相沉積同時進(jìn)行離子注人等等。伴隨復(fù)合表面工程技術(shù)的發(fā)展，梯度涂層技術(shù)也獲得較大發(fā)展，以適應(yīng)不同涂覆層之間的性能過渡。復(fù)合表面工程技術(shù)將在21世紀(jì)中不斷得到發(fā)展，今后將根據(jù)產(chǎn)品的需要進(jìn)一步綜合研究運用各種表面工程技術(shù)的組合，解決工程中的難題，以期達(dá)到最佳的優(yōu)化效果。

3、研究開發(fā)新型涂層材料

表面涂層材料是表面技術(shù)解決工程問題的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)前發(fā)展的涂層新材料，有些是單獨配制或熔煉而成的，有些則是在表面技術(shù)的加工過程中形成的，后一類涂層材料的誕生，進(jìn)一步顯示了表面工程的特殊功能。

轎車涂裝技術(shù)中新發(fā)展的第五代陰極電泳涂料(EDS)，其泳透力比前幾代進(jìn)一步提高，有機(jī)溶劑、顏料含量降低，已不含有害金屬鉛，代表了陰極電泳涂料的發(fā)展趨勢。

以聚氯乙烯樹脂為主要基料與增塑劑配成的無溶劑涂料，構(gòu)成了現(xiàn)代汽車涂裝中所用的抗沖擊涂料和焊縫密封膠，有效地防止了車身底板和焊縫出現(xiàn)過早腐蝕，并保證了車身的密封性。

黏結(jié)固體潤滑涂層材料，在解決航宇航天等軍工高科技領(lǐng)域特殊工況條件下的機(jī)械磨損、潤滑、粘著冷焊等摩擦學(xué)問題中發(fā)揮了重要作用，并在民用真空機(jī)械、低溫設(shè)備上有廣闊的用途。

4、開發(fā)多種功能涂層

表面工程大量的任務(wù)是使零件、構(gòu)件的表面延緩腐蝕、減少磨損、延長疲勞壽命。隨著工業(yè)的發(fā)展，在治理這三種失效之外還提出了許多特殊的表面功能要求。例如艦船上甲板需要有防滑涂層，現(xiàn)代裝備需要有隱身涂層，軍隊官兵需要防激光致盲的鍍膜眼鏡，太陽能取暖和發(fā)電設(shè)備中需要高效的吸熱涂層和光電轉(zhuǎn)

換涂層，錄音機(jī)中需要有磁記錄鍍膜，不粘鍋中需要有氟樹脂涂層，建筑業(yè)中的玻璃幕墻需要有陽光控制膜等等。此外，隔熱涂層、導(dǎo)電涂層、減振涂層、降噪涂層、催化涂層、金屬染色技術(shù)等也有廣泛的用途。在制備功能涂層方面，表面工程也可大顯身手。

引入激光、電子束、離子束等新技術(shù)，發(fā)展高能束表面處理工藝，采用高性能有機(jī)聚合物及超微粒金屬、陶瓷粉末材料制備具有特殊功能的涂層等，傳統(tǒng)表面處理產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

5、擴(kuò)展表面工程的應(yīng)用領(lǐng)域

表面工程已經(jīng)在機(jī)械產(chǎn)品、信息產(chǎn)品、家電產(chǎn)品和建筑裝飾中獲得富有成效的應(yīng)用。但是其深度和廣度仍很不夠，不了解和不應(yīng)用表面工程的單位和產(chǎn)品仍很普遍。表面工程的優(yōu)越性和潛在效益仍未很好發(fā)揮，需要作大量的宣傳推廣工作。面對中國加人世貿(mào)組織，通過推廣應(yīng)用表面工程提高產(chǎn)品的質(zhì)量和競爭力，也是主要的舉措之一。

隨著專業(yè)化生產(chǎn)方式的變革和人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，現(xiàn)在呼喚表面處理向原材料制造業(yè)轉(zhuǎn)移，這也是一個重要的發(fā)展動向。

6、積極為國家重大工程建設(shè)服務(wù)

在新型軍用飛機(jī)的研制過程中，先進(jìn)的膠粘技術(shù)、特種熱處理技術(shù)、表面改性技術(shù)、薄膜技術(shù)以及涂層技術(shù)都發(fā)揮了重要作用。吸波材料的研制成功為裝備的隱形提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。離子注入、離子蝕刻和電子曝光技術(shù)的結(jié)合，形成了集成電路微細(xì)加工技術(shù)，成為制作超大規(guī)模集成電路的重要技術(shù)基礎(chǔ)。在各種類型的水利、化工、裝備、鐵道等工程中，所有的機(jī)械設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)、水工閘門以及隧洞、橋梁、公路、碼頭、儲運設(shè)備都離不開表面工程。在國家的大型建設(shè)項目中，表面工程的應(yīng)用始終是研究和討論的重要課題之一。

7、將高新技術(shù)引入傳統(tǒng)表面處理產(chǎn)業(yè)，向自動化、智能化的方向邁進(jìn)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)外傳統(tǒng)表面處理產(chǎn)業(yè)不斷吸收機(jī)械、電子、光學(xué)、信息工程、自動化、計算機(jī)、新材料等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，如采用自動化、智能化設(shè)備后大大減輕工人勞動強(qiáng)度，逐步實現(xiàn)無人操作。在表面處理時，自動化程度最高的是汽車行業(yè)和微電子行業(yè)。隨著機(jī)器人和自動控制技術(shù)的發(fā)展，在其他表面技術(shù)的施工中，實現(xiàn)自動化和智能化也已為期不遠(yuǎn)。

8、降低對環(huán)保的負(fù)面效應(yīng)，努力實現(xiàn)表面工程領(lǐng)域中的清潔生產(chǎn)

從宏觀上講，表面工程對節(jié)能節(jié)材、環(huán)境保護(hù)有重大效能，但是對具體的表面技術(shù)，如涂裝、電鍍、熱處理等均有“三廢”的排放問題，仍會造成一定程度的污染。長期以來世界各國對傳統(tǒng)表面處理工藝的三廢(廢水、廢氣、廢渣)處理技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，已開發(fā)出多種效果較好的三廢處理技術(shù)，但這畢竟只是消極、被動的補(bǔ)救措施，不是治本之道。變末端處理為全過程的控制和預(yù)防，即開發(fā)從設(shè)計到制造及運行全過程的無環(huán)境污染能源節(jié)約和再生的清潔生產(chǎn)技術(shù)，已成為當(dāng)今表面處理技術(shù)的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

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第四篇：最新表面處理技術(shù)概述及其未來發(fā)展趨勢來源

最新表面處理技術(shù)概述及其未來發(fā)展趨勢來源 1 前言

新型表面功能覆層技術(shù)，包括低溫化學(xué)表面涂層技術(shù)及超深埠鯫面改性技術(shù)，它運用物理、化學(xué)或物漓蠟學(xué)等技術(shù)手段來改變“材料及其制件表面成份和組織結(jié)構(gòu)”，其特點是保持基體材料固有的特征，又賦予表面化所要求的各種性能，從而順應(yīng)各種技術(shù)和服役環(huán)境對材料的特別要求，因而它是制造和材料學(xué)科最為活躍的技術(shù)領(lǐng)域，又是涉及表面處理與涂層技術(shù)的交叉學(xué)科。其最大的優(yōu)勢在于能以極少的材料和能源消耗制備出基體材料難以甚至無法獲得的性能優(yōu)異的表面薄層，從而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，它是一種優(yōu)質(zhì)高效的表面改性與涂層技術(shù)。

優(yōu)質(zhì)、高效的表面改性與涂層技術(shù)其范圍廣闊：如熱化學(xué)表面技術(shù)；物理氣相沉積；化學(xué)氣相沉積；物漓蠟學(xué)氣相沉積技術(shù)；高能等離體表面涂層技術(shù)；金剛石薄膜涂層；多元多層復(fù)和涂層技術(shù)；表面改性及涂層性能猜測及剪裁技術(shù)；性能測試與壽命評估等等。新型低溫化學(xué)氣相沉積技術(shù)引入等離子體增強(qiáng)技術(shù)，使其溫度降至600度以下，獲得硬質(zhì)耐磨涂層新工藝，所生產(chǎn)的高強(qiáng)度、高性能的涂層工藝，在高速、重負(fù)荷、難加工領(lǐng)域中有其特別的作用。超深埠鯫面改性技術(shù)可應(yīng)用于絕大多數(shù)熱處理件和表面處理件，可替代高頻淬火，碳氮共滲，離子滲氮等工藝，得到更深的滲層，更高的耐磨性，產(chǎn)品壽命劇增，可產(chǎn)生突破性的功能變化?，F(xiàn)狀及海內(nèi)外發(fā)展趨勢

隨著基礎(chǔ)工業(yè)及高新技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展，對優(yōu)質(zhì)、高效表面改性及涂層技術(shù)的需求向縱深延伸，國內(nèi)外在該領(lǐng)域與相關(guān)學(xué)科相互促進(jìn)的局勢下，在諸如“熱化學(xué)表面改性”、“高能等離子體表面涂層”、“金剛石薄膜涂層技術(shù)”以及“表面改性與涂層工藝模仿和性能預(yù)測”等方面都有著突破的進(jìn)展。

2.1 熱化學(xué)表面改性技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

國外近年來重視對可控氣氛弱件和真空弱件下的滲碳，碳氮共滲等技術(shù)的研究，并已實現(xiàn)工業(yè)化。而在我國應(yīng)用很少，相關(guān)的技術(shù)研究工作亦不夠。可控氣氛滲碳和真空滲碳技術(shù)是顯著縮短生產(chǎn)周期，節(jié)能、省時，同時可提高工件質(zhì)量，不氧化、不脫碳，保證零件表面耐腐蝕和抗疲憊性，并減少熱處理后機(jī)加工余量及清理工時。

目前國際上碳勢控制和監(jiān)測，滲層布型控制等方面的研究成果已應(yīng)用于實際生產(chǎn)，并用計算機(jī)進(jìn)行在線動態(tài)控制。

2.2 PVD、CVD、PCVD技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

各種氣相沉積是當(dāng)前世界上聞名研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)競襪開展的具有挑戰(zhàn)的性的研究課題。日前該技術(shù)在信息、計算機(jī)、半導(dǎo)體、光學(xué)儀器等產(chǎn)業(yè)及電子元器件、光電子器件、太陽能

電池、傳感器件等制造中應(yīng)用非常廣泛，在機(jī)械工業(yè)中，制作硬質(zhì)耐磨鍍層、耐腐蝕鍍層、熱障鍍層及固體潤滑鍍層等方面也有較多的研究和應(yīng)用，其中TiNi等鍍膜刀具的普及已引起切削領(lǐng)域中的一場革命，金剛石薄膜、立方氮化硼薄膜的研究也非常火熱，并已向?qū)嵱没矫嫱七M(jìn)。

在不同PVD、CVD工藝的基礎(chǔ)上，通過發(fā)展和復(fù)和很多新的工藝和設(shè)備，如IBAD、PCVD與空心陰極多弧復(fù)和離子鍍膜裝置、離子注入與油濺射鍍或蒸鍍的復(fù)和裝置、等離子體浸沒式離子注裝置等不斷將該類技術(shù)推向新的高度。

與國外的發(fā)展相比，我國在上述方面雖研究較多，但水平有較大差異，在實用化方面差距更大。

2.3 高能等離子體表面涂層技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

該技術(shù)是增加表面物漓蠟學(xué)反應(yīng)，獲取非凡性能覆蓋層。其核心是更有效地增強(qiáng)和控制陰極電弧等離子體的產(chǎn)生和作用，美國、日本、德國大力發(fā)展該技術(shù)。等離子體增強(qiáng)電化學(xué)表面改性技術(shù)，是目前國際上較活躍的開發(fā)研究領(lǐng)域，對于鋁、鈦等材料，通過等離子體調(diào)光放電手段，增強(qiáng)電化學(xué)處理效果，在金屬表面上生成致密氧化鋁和其它氧化物陶瓷膜層，可使基體具有極高性能表面，是先進(jìn)制造工藝的前沿技術(shù)，在機(jī)加工用刀具和模具行業(yè)也有很了的應(yīng)用前景ⅲ

2.4 金剛石薄膜涂層技術(shù)

金剛石具有極好的物理性能，在外形復(fù)雜的刀具、模具、鉆頭等工件表面沉積上一層很薄的金剛石薄膜，可提高工件的使用性能，并滿意一些特殊條件的需求。近年來，由于金剛石薄膜的優(yōu)異性能以及廣泛的應(yīng)用前景，日本、美國、西歐均進(jìn)行大量的研究工作，并開發(fā)了多種金剛石涂層工藝技術(shù)，已在國內(nèi)外掀起金剛石涂層研究的熱潮。尤其是在提高金剛石涂層和基體結(jié)和強(qiáng)度，大面積快速沉積金剛石涂層技術(shù)，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)涂層金剛石薄膜設(shè)備系統(tǒng)等要害技術(shù)方面國外已取得突破性進(jìn)展，美國、瑞滇餿國已推出金剛石金屬切削工具供給市場，而我國該技術(shù)還沒有達(dá)到實用水平，急待開發(fā)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

2.5 多元多層復(fù)和涂層技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

單一的表面涂層不能滿綴鯫面工程設(shè)計中苛刻的工況條件，任何表面處理均有其不同的優(yōu)缺點，因為利用不同涂層材料的性能長處，在基體表面形成多元多層復(fù)和涂層（含萬分漸貶餑梯度層）具有重大的意義。國外已開展單層涂層厚度為納米級，層數(shù)在l00層以上的多元多層復(fù)和涂層技術(shù)的研究，所制備的涂層具有較高的耐腐性、韌性和強(qiáng)度，和基體的結(jié)和強(qiáng)度也好，表面粗糙度低，這對直精高速工削機(jī)械加工十人有利。國外已列入主要發(fā)展方面，予計在納米級精細(xì)涂層材料研究和應(yīng)用領(lǐng)域會有新的突破。因為復(fù)和涂層技術(shù)具有抗磨損、抗高溫氧化腐蝕、隔熱等功能，能擴(kuò)大涂層制品使用范圍，延長使用壽命，是一項在下一世紀(jì)會得到迅速發(fā)展的技術(shù)。我國目前已開始研究，并取得初步成果，但還存在一些問題有待于解決。

2.6 表面改性與涂層工藝模擬和性能預(yù)測的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

表面改性與涂層技術(shù)作為表面工程的重要組成部分，已經(jīng)滲透到傳統(tǒng)工業(yè)與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)部門，根據(jù)應(yīng)用的要求反過來又促進(jìn)表面功能覆層技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。根據(jù)使用要求，對材料表面進(jìn)行設(shè)計、對表面性能參數(shù)進(jìn)行剪裁，使之符和特定要求，并進(jìn)一步實現(xiàn)對表面覆蓋層的組織結(jié)構(gòu)和性能和預(yù)測等，已成為該領(lǐng)域重要研究方向。國外已對CVD、PVD以及其它表面改性方式開展計算機(jī)模擬研究，針對CVD過程進(jìn)行模擬，采用宏觀和微觀多層次模型，對工藝和涂層各種性能和基體的結(jié)和力進(jìn)行模擬和預(yù)測；對滲碳，滲氮工件滲層性能應(yīng)力等進(jìn)行計算機(jī)模擬等等，人們可以更好地控制和優(yōu)化工藝過程。我國這方面的研究剛處地超步階段?！笆濉蹦繕?biāo)及主要研究內(nèi)容

3.1 目標(biāo)

根據(jù)國內(nèi)外表面功能覆層技術(shù)的發(fā)展，結(jié)和機(jī)械工業(yè)材需求與現(xiàn)狀，為國家重大工程、重大技術(shù)裝備研究開發(fā)一批先進(jìn)適用的表面功能覆層關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 主要研究內(nèi)容

（1）新型低溫氣相沉積技術(shù)及裝備研究

研制新型磁控濺射、離子鍍膜、PCVD設(shè)備及其復(fù)和裝備，并實現(xiàn)工藝過程的自動控制。加強(qiáng)成膜、膜基結(jié)和機(jī)理的研究，降餐制膜溫度，優(yōu)化反應(yīng)過程及工藝參數(shù)，和成各種耐磨、抗蝕的新優(yōu)質(zhì)鍍層。重點解決國家安全及支柱產(chǎn)業(yè)急需解決的表面工程技術(shù)難題，力掙形成創(chuàng)新性科技成果，促進(jìn)通用機(jī)械、閥門、冷作模具、高溫模具等行業(yè)材技術(shù)進(jìn)步。

（2）納米級多無多層復(fù)和涂層材料及工藝技術(shù)研究

跟蹤國際先進(jìn)水平，研究50層以上納米級復(fù)和涂層技術(shù)及材料，包括納米級多層多元復(fù)和涂層材料重組、結(jié)構(gòu)、厚度、層數(shù)的綜和設(shè)計，以及涂層材料的微觀組織結(jié)構(gòu)及制備工藝技術(shù)研究。

（3）表面涂層工藝及質(zhì)量的數(shù)值模擬及優(yōu)化控制的研究與開發(fā)

著重對熱化學(xué)表面改性過程以及PVD和CVD沉積技術(shù)進(jìn)行工藝模擬及優(yōu)化研究。建立數(shù)學(xué)模型和算法，開發(fā)出相應(yīng)汁算機(jī)軟件系統(tǒng)來指導(dǎo)和分析表面改性和涂層工藝過程的設(shè)計，并預(yù)測表面性能和服役壽命。

（4）金剛石薄膜涂層技術(shù)

開展大面積、快速、高質(zhì)量金剛石薄膜涂層工藝技術(shù)及涂層刀具產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究，以涂層質(zhì)量好，均勻一致性能穩(wěn)定可靠為研究重點，提高金剛石涂層沉積速率，完成相應(yīng)設(shè)備的設(shè)計、制造，同時開發(fā)金剛石薄膜涂層刀片、硬質(zhì)和金鉆頭等刀具，使壽命提高10倍，并用于汽車踩工業(yè)。

第五篇：水泥行業(yè)分析

水泥行業(yè)分析

我國是水泥生產(chǎn)大國,2002年總產(chǎn)量為7.05億噸,連續(xù)17年居世界第一。

20世紀(jì)90年代初,我國水泥工業(yè)隨著固定資產(chǎn)投資的快速增長,出現(xiàn)了一輪增長 高峰。但這一階段水泥工業(yè)出現(xiàn)了嚴(yán)重的低水平重復(fù)建設(shè),生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量激增,整個 水泥行業(yè)對產(chǎn)能的增長失控,水泥市場出現(xiàn)了供大于求的局面。之后,隨著國家開始 控制固定資產(chǎn)投資規(guī)模,水泥需求增長乏力。企業(yè)間激烈的市場競爭使水泥價格一 路走低,企業(yè)效益大幅度下滑,自1996年開始,整個行業(yè)經(jīng)歷了連續(xù)四年的虧損。

在低水平重復(fù)建設(shè)的過程中,小型立窯水泥企業(yè)(即小水泥)在數(shù)量上的超常發(fā) 展,導(dǎo)致了目前我國水泥工業(yè)企業(yè)平均規(guī)模小,整體技術(shù)水平低,生產(chǎn)工藝落后,產(chǎn)品 檔次不高。2002年我國水泥企業(yè)的平均規(guī)模僅為15萬噸左右,這與發(fā)達(dá)國家60萬噸 以上的平均規(guī)模相去甚遠(yuǎn),勞動生產(chǎn)率水平較低。在水泥行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整前,落后的立 窯水泥占水泥總量約75%,從產(chǎn)品等級來看,低標(biāo)號3.25等級水泥占總量的60%,被國 家禁止生產(chǎn)使用的低于3.25等級的水泥產(chǎn)品仍占總量的20%。

經(jīng)過近年淘汰落后的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,我國水泥行業(yè)自2000年9月起實現(xiàn)整體扭虧 為盈。2002年,我國固定資產(chǎn)投資增幅為18%,在固定資產(chǎn)投資增長的拉動下,水泥工 業(yè)保持著適度的增長速度,水泥產(chǎn)量較上年同期增長了12.5%,成為建材行業(yè)的盈利 大戶。

但受煤炭價格上漲的影響,2002年水泥生產(chǎn)企業(yè)的效益出現(xiàn)不同程度的下降。2002年上半年全體水泥上市公司主營業(yè)務(wù)較上年同期增長17%,而主營業(yè)務(wù)利潤卻同 比下降3%,加之所得稅優(yōu)惠政策取消,上市公司凈利潤較上年同期下降30%左右。

水泥產(chǎn)品價格近幾年一直在低位徘徊,由于原材料價格上漲,繼續(xù)下降的空間幾 乎沒有。從2000年起,水泥價格逐年小幅攀升,整個行業(yè)實現(xiàn)扭虧,整體運行質(zhì)量得 到較大改善。一些大型水泥企業(yè)的規(guī)模優(yōu)勢已經(jīng)逐步顯現(xiàn),企業(yè)規(guī)模與企業(yè)盈利能 力同步增長。但是,目前行業(yè)盈利的增長仍主要依靠產(chǎn)量的增長,水泥產(chǎn)品供大于求 的形勢依然存在,受數(shù)量眾多、效益較差的小型企業(yè)的影響,整個行業(yè)的發(fā)展缺乏后 勁。

(熱點透視)規(guī)模擴(kuò)張+技術(shù)升級

目前我國水泥行業(yè)正在進(jìn)行的結(jié)構(gòu)調(diào)整,范圍涉及技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、企業(yè) 組織結(jié)構(gòu)等方面。

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的主題是走規(guī)模效益之路、積極發(fā)展新型干法水泥,主要手段是 在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行資源的優(yōu)化重組。

近幾年,有多家企業(yè)進(jìn)行了不同程度的資產(chǎn)重組,如安徽海螺收購海螺水泥公司、銅陵水泥公司、寧波粉磨站；中國新材料集團(tuán)兼并魯南水泥廠、浩良河水泥廠； 吉林亞泰兼并雙陽水泥廠；冀東水泥收購松江水泥廠；天山股份收購新疆屯河水泥 經(jīng)營資產(chǎn)、鄯善水泥廠、巴州水泥廠；天水股份收購天津建材集團(tuán)1000t/d水泥生 產(chǎn)線等。這些重組案例都圍繞著擴(kuò)大企業(yè)經(jīng)營規(guī)模這一主題。水泥生產(chǎn)的規(guī)?；?jīng) 營對水泥生產(chǎn)企業(yè)至關(guān)重要,走規(guī)模效益的發(fā)展道路已成為業(yè)內(nèi)的共識。

這一輪規(guī)模擴(kuò)張的另一個特點就是新型干法生產(chǎn)線的建設(shè)。新型干法單條生產(chǎn) 線的規(guī)模大,技術(shù)先進(jìn),生產(chǎn)效率高,非常適合大型企業(yè)的規(guī)模化生產(chǎn)。據(jù)報道,目前 全國有日產(chǎn)700噸以上的新型干法生產(chǎn)線188條,較2000年增長了86%,另有163條在建。預(yù)計十五期間,全國在建的163條新型干法生產(chǎn)將全部投產(chǎn),屆時新型干法水泥熟 料的生產(chǎn)能力將達(dá)到2.4億噸。

國家水泥協(xié)會表示,將繼續(xù)把產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整作為今后的工作重點,發(fā)展培育一批 具有國際競爭力的大公司、大集團(tuán),繼續(xù)推廣海螺、天山、亞泰雙陽等大企業(yè)集團(tuán) 的經(jīng)營模式。其中海螺水泥的發(fā)展模式在5年內(nèi)取得了良好效果,值得借鑒。

這一發(fā)展模式的核心是在資源豐富地區(qū)建設(shè)大型水泥熟料生產(chǎn)基地,在水泥銷 售地建設(shè)大型水泥粉磨站。以往水泥生產(chǎn)全過程(原料研磨制成生料→生料煅燒制 成熟料→熟料加適量混合材料研磨制成水泥),基本是在企業(yè)的同一生產(chǎn)基地內(nèi)完成 的,最終輸出的是水泥產(chǎn)品。新的模式是將最后一步從原來的生產(chǎn)模式中分離出來 ,即向位于銷售地的水泥粉磨站輸出熟料,在銷售地根據(jù)市場情況制成水泥產(chǎn)品。這 一模式較好地解決了規(guī)模擴(kuò)張與產(chǎn)品輸出、市場拓展之間的矛盾,有效地降低熟料 生產(chǎn)成本。

水泥熟料在粉磨制成水泥時,要添加10%-50%的輔助材料(如礦渣、火山巖等), 這些材料一般在銷售地即可獲得,相對于直接輸出水泥,向銷售地輸出熟料可以節(jié)約 10%-50%輔助材料的運輸費用。這一模式的另一重點是可以通過收購銷售地中小水 泥企業(yè),將其改造成大型水泥粉磨站,以獲得當(dāng)?shù)氐乃嗍袌龇蓊~,在自己的市場范 圍內(nèi)淘汰落后水泥產(chǎn)能,消除市場競爭的風(fēng)險。同時水泥粉磨站又符合水泥散裝化 的發(fā)展趨勢。

走規(guī)模效益道路、積極發(fā)展新型干法水泥已成為行業(yè)投資熱點。新一輪的生產(chǎn) 線建設(shè)熱是以新型干法生產(chǎn)線替代落后產(chǎn)能。目前一些大型企業(yè)的規(guī)模效應(yīng)已顯現(xiàn) ,在市場競爭中處于優(yōu)勢地位。

(產(chǎn)業(yè)政策)結(jié)構(gòu)調(diào)整是主調(diào)

強(qiáng)制淘汰落后生產(chǎn)能力為改變水泥工業(yè)的現(xiàn)狀,國家對水泥行業(yè)實行了一系列 強(qiáng)制性的淘汰措施,主要內(nèi)容是上大汰小、等量淘汰,主要是依靠行政手段淘汰技術(shù) 落后、產(chǎn)品質(zhì)量低、規(guī)模小、污染嚴(yán)重的立窯小水泥,用新建、改建的新型干法水 泥生產(chǎn)能力取而代之,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),提高行業(yè)運行效率。自1999年至今,共實際淘 汰立窯水泥產(chǎn)能近1億噸,行業(yè)內(nèi)低水平的惡性價格競爭得到有效遏制,行業(yè)運行質(zhì) 量得到改善。

全行業(yè)實行水泥新標(biāo)準(zhǔn)從2001年4月1日起,我國水泥行業(yè)全面實行新的水泥國 家標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)將我國水泥產(chǎn)品普遍提高了一個等級,原325標(biāo)號水泥及部分低質(zhì)4 25標(biāo)號水泥按照新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,成為不合格產(chǎn)品,被禁止生產(chǎn)、銷售和使用。立窯水 泥的特點就是可以低成本地生產(chǎn)低等級水泥,325標(biāo)號水泥全部是立窯生產(chǎn)的,立窯 水泥要達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的要求,就必須在設(shè)備、管理和原材料選用上增加投入,這將會增 加其生產(chǎn)成本,使其難以再維持低質(zhì)低價的競爭優(yōu)勢。新標(biāo)準(zhǔn)的實施將進(jìn)一步淘汰 低質(zhì)小水泥,通過規(guī)范水泥消費市場來調(diào)整不合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),新型干法水泥成為本 次新標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的最大受益者。

加強(qiáng)行業(yè)內(nèi)環(huán)保治理水泥工業(yè)是污染大戶,我國水泥企業(yè)每年向大氣中排放大 量的粉塵和有害氣體,其中大部分是環(huán)保性能差的立窯產(chǎn)生的。對水泥生產(chǎn)污染的 治理不僅具有社會意義,而且還可以獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。對水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生 的粉塵進(jìn)行回收,不僅可以降低污染排放量,還能為企業(yè)減少浪費,節(jié)約原材料。利 用水泥窯的高溫可以對工業(yè)和生活廢棄物進(jìn)行焚燒處理,既解決了環(huán)境問題,又為水 泥生產(chǎn)找到了更為廉價的原料。當(dāng)前,國家正加大對水泥企業(yè)環(huán)保達(dá)標(biāo)的控制力度 ,將現(xiàn)有大中型水泥生產(chǎn)線的環(huán)保改造作為投資重點之一,并給予稅收、資金、政策 上的優(yōu)惠。加大環(huán)?？刂屏Χ群?立窯水泥生產(chǎn)就必須進(jìn)行環(huán)保改造,這將使立窯水 泥的生產(chǎn)成本增加,進(jìn)一步限制立窯小水泥的發(fā)展。

發(fā)展新型干法水泥在限制立窯小水泥發(fā)展的同時,國家還鼓勵發(fā)展大型新型干 法生產(chǎn)線。大型新型干法生產(chǎn)線具有規(guī)模大、效率高、產(chǎn)品質(zhì)量高、環(huán)保性能好等 優(yōu)點,由于其投資規(guī)模較大,資金壁壘較高,不會形成一哄而上、盲目發(fā)展的局面； 而且目前我國新型干法水泥產(chǎn)量的比重僅為10%,以新型干法水泥替代立窯水泥,具 有相當(dāng)大的市場發(fā)展空間。

鼓勵水泥散裝化水泥散裝化是水泥工業(yè)物流發(fā)展的潮流。水泥散裝化有節(jié)約資 源、保護(hù)環(huán)境、集約化發(fā)展等優(yōu)點。據(jù)統(tǒng)計每噸袋裝水泥在裝卸運輸過程中平均損 失水泥20kg。發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)60年代末已經(jīng)完成了水泥散裝化的改革,水泥散裝 率一直保持在90%以上。我國目前水泥散裝率只有24.3%。我國實施限制袋裝,鼓勵 散裝的產(chǎn)業(yè)政策,向袋裝水泥的生產(chǎn)者和使用者征收發(fā)展散裝水泥專項資金,用于鼓 勵散裝水泥的技術(shù)裝備建設(shè),并將這一政策延長到2005年末。計劃到十五期末,全國 水泥散裝率達(dá)到30%。水泥散裝化更適合大型水泥企業(yè)集中生產(chǎn)和銷售的經(jīng)營模式 ,尤其是與水泥粉磨站建設(shè)相配合。近期全國幾十個大中城市相繼發(fā)出了在城市建 設(shè)中禁止使用袋裝水泥,一律使用散裝水泥的通知,這對促進(jìn)水泥散裝化發(fā)展十分有 利。

(問題研究)三大問題制約發(fā)展

銷售的地域性限制規(guī)模效益的發(fā)揮企業(yè)擴(kuò)大規(guī)模雖然可以提高勞動生產(chǎn)率、降 低生產(chǎn)成本,但由于受水泥產(chǎn)品銷售地域性的影響,生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)張后,銷售市場也必 須進(jìn)行相應(yīng)的拓展,產(chǎn)能擴(kuò)張的規(guī)模效益才能顯現(xiàn)出來。因此,產(chǎn)品輸出(或運輸成 本)就成了水泥銷售中的關(guān)鍵問題之一,企業(yè)在規(guī)模擴(kuò)張的過程中,必須解決水泥生 產(chǎn)地域性限制的問題。大型水泥企業(yè)一般都必須依托一定的資源優(yōu)勢,巨大的石灰 石礦藏儲備是大型水泥企業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ),也就是說大型水泥企業(yè)一般都建在石灰石(水泥生產(chǎn)的主要原材料)資源富集地區(qū)。但這些地區(qū)不一定是水泥需求旺盛地區(qū), 所以大型水泥企業(yè)在規(guī)模擴(kuò)張的同時,都面臨著產(chǎn)品輸出的問題。長距離運輸會增 加運輸成本,會減弱在銷售地的競爭力。所以企業(yè)規(guī)模擴(kuò)大后,銷售模式就需要進(jìn)行 相應(yīng)的調(diào)整,以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)。海螺水泥的大型熟料生產(chǎn)基地+銷售地粉磨站模式 ,就是針對這一問題而發(fā)展起來的一種新的生產(chǎn)經(jīng)營模式。

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)展緩慢我國雖然制訂了強(qiáng)制淘汰水泥落后產(chǎn)能的政策,并取得 了較好的效果。但在執(zhí)行過程中存在著許多問題有待解決。落后小水泥企業(yè)多為地 方投資建設(shè),強(qiáng)制關(guān)閉會影響地方財政收入,為當(dāng)?shù)貛硗顿Y無法收回、被關(guān)閉企業(yè) 人員就業(yè)等問題,所以落后水泥產(chǎn)能淘汰進(jìn)展較為緩慢。

水泥行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整原本就是一個漸進(jìn)的過程,大型企業(yè)不可能將未來的發(fā) 展完全寄托在強(qiáng)制淘汰落后水泥產(chǎn)能的政策性上。市場化應(yīng)是產(chǎn)業(yè)調(diào)整最有效的方 式,企業(yè)可以通過收購中小水泥企業(yè),將其改造成水泥粉磨站,既可獲得當(dāng)?shù)氐乃?市場份額,又可在自己的市場范圍內(nèi)淘汰落后水泥產(chǎn)能。對這種企業(yè)與產(chǎn)業(yè)雙贏的 局面,只有不斷強(qiáng)化規(guī)范市場競爭,才能得以實現(xiàn)。

新型干法水泥生產(chǎn)成本有待降低前幾年建設(shè)的新型干法生產(chǎn)線在投產(chǎn)后,普遍 存在生產(chǎn)成本偏高的問題,這與當(dāng)時我國水泥工業(yè)裝備的發(fā)展水平低,生產(chǎn)線投資成 本過高有關(guān)。2000年前,日產(chǎn)2000噸新型干法生產(chǎn)線設(shè)備的國產(chǎn)化率還比較低,日產(chǎn) 4000噸新型干法生產(chǎn)線的國產(chǎn)化率更低,這使得新型干法生產(chǎn)線規(guī)?；a(chǎn)的優(yōu)勢 不能得到充分發(fā)揮,難以抵御小水泥的低質(zhì)低價競爭。

經(jīng)過幾年的發(fā)展,目前我國水泥工業(yè)裝備取得了長足進(jìn)步。日產(chǎn)2000噸的新型 干法生產(chǎn)線已實現(xiàn)了國產(chǎn)化,日產(chǎn)4000噸以上生產(chǎn)線的技術(shù)和裝備國產(chǎn)化也取得了 較大成果。海螺水泥一條日產(chǎn)8000噸、三條日產(chǎn)1萬噸新型干法生產(chǎn)線已開始建設(shè)。目前我國大型新型干法生產(chǎn)線的熟料燒成技術(shù)、環(huán)保技術(shù)和裝備已達(dá)到世界水平,日產(chǎn)4000噸新型干法生產(chǎn)線的單位產(chǎn)能投資額較3年前下降了近一半。

(投資機(jī)會)大型企業(yè)大有作為

十五期間,我國新型干法水泥占水泥總量的比重要提高到20%,水泥散裝率要達(dá)到 30%；水泥生產(chǎn)企業(yè)的平均規(guī)模由目前的10萬噸提高到25萬噸,前10家水泥企業(yè)生產(chǎn) 集中度由5%提高到17%；同時積極發(fā)展大型、超大型新型干法水泥生產(chǎn)線；在行業(yè) 內(nèi)推行清潔生產(chǎn)。這預(yù)示著大型新型干法生產(chǎn)線和散裝水泥將成為我國水泥工業(yè)的 發(fā)展趨勢,使行業(yè)內(nèi)的企業(yè)組織結(jié)構(gòu)向有利于大型企業(yè)的方向發(fā)展。在未來諸多基 建項目中,這些企業(yè)面臨機(jī)遇。

西部大開發(fā)

西部大開發(fā)的重點是加快西部基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),尤其是交通、通訊、水利工程、城市建設(shè)；生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和建設(shè)；優(yōu)勢資源的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。2001年國 家從長期建設(shè)國債中拿出500億元,安排了一批西部基建項目,如青藏鐵路、西部機(jī) 場、西部州縣公路、西電東送等。

西部大開發(fā)首先要解決的就是基礎(chǔ)設(shè)施的"瓶頸現(xiàn)象,伴隨著西部大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè) 施建設(shè)的開展,對水泥的需求也會大幅上升。西部的水泥工業(yè)擁有資源優(yōu)勢。西部 地區(qū)用于水泥生產(chǎn)的石灰石、石膏、頁巖等原材料資源豐富,西部地區(qū)的勞動力成 本在全國具有優(yōu)勢,同時還擁有豐富廉價的水電和煤炭資源,這些都使西部水泥企業(yè) 具有一定的成本優(yōu)勢。西部水泥工業(yè)還具有地域性優(yōu)勢。由于水泥的生產(chǎn)和銷售具 有地域性,西部地區(qū)地處內(nèi)陸,水泥陸地運輸成本高,西部的水泥市場相對封閉,在全 國水泥價格低迷的情況下,西部地區(qū)的水泥價格始終能保持在較高的水平上。西部 大開發(fā)最大的受益者是西部水泥企業(yè),開發(fā)建設(shè)形成的對水泥的巨大需求,絕大部分 將由西部水泥企業(yè)來分享。目前西部的水泥上市公司有祁連山、秦嶺水泥、四川雙 馬、四川金頂、天山股份。

西氣東輸工程

西氣東輸工程于2000年啟動,輸氣管線西起新疆塔里木油田,經(jīng)甘肅、寧夏、陜 西、山西、河南、安徽、江蘇,最后抵達(dá)上海。沿途將穿越戈壁沙漠、黃土高原,以 及呂梁山、太行山、太岳山,并跨越黃河、長江、淮河等江河,全長4200多公里,預(yù) 計工程總投資1200億元。除了384億元的主干管道投資外,塔里木氣田開發(fā)和沿途城 市管網(wǎng)建設(shè)的投資額將突破800億元,投入西部省區(qū)的資金為338億元,僅投入新疆就 達(dá)280億元。西氣東輸工程不僅形成了對鋼材、設(shè)備、檢測儀器等的巨大需求,沿線 的氣站及配套工程的建設(shè)還會形成巨大的水泥需求,沿線的天山股份、秦嶺水泥、安徽海螺、巢東股份等面臨機(jī)會。

南水北調(diào)工程

南水北調(diào)工程已于2002年底正式開工建設(shè),到2010年主要完成東線一、二期工 程和中線一期工程,計劃總投資為1400多億元,工程涉及到北京、天津、河北、河南、山東、江蘇等省市。該工程會在沿線形成巨大的水泥需求,沿線附近的安徽海螺、巢東股份、獅頭股份、冀東水泥、天水股份等公司可能獲益。

奧運場館建設(shè)

北京申奧成功,接下來就要進(jìn)行大規(guī)模的城市建設(shè)和奧運場館建設(shè)。北京將新 建奧運場館8個,改造舊有場館13個,加上按計劃本來要建設(shè)的11個,7年中需要約16 0億人民幣；籌建四條地鐵和重要城市道路建設(shè),通過重點工程大力推進(jìn)城市基礎(chǔ)設(shè) 施供應(yīng)能力,60項重大工程需要1000億人民幣；北京的住宅建設(shè)投資將大量增加,每 年估計為50億人民幣。大規(guī)模的城市建設(shè)和奧運場館建設(shè)需要大量的水泥建材,附近的冀東水泥、天水股份等公司可能獲益。此外,現(xiàn)代化場館建設(shè)對特種水泥的需 求也會大幅度增長,獅頭股份作為國內(nèi)最大的特種水泥生產(chǎn)企業(yè)也會獲得一定的機(jī) 會。

(前景展望)優(yōu)質(zhì)旋窯增長快

市場需求量繼續(xù)增長

水泥需求量與經(jīng)濟(jì)增長和固定資產(chǎn)投資增長有著密切的關(guān)系。2001年召開的中 央經(jīng)濟(jì)工作會議明確提出繼續(xù)堅持積極的財政政策和穩(wěn)健的貨幣政策,將投資和消 費作為拉動經(jīng)濟(jì)的主力。未來幾年,我國國民經(jīng)濟(jì)和固定資產(chǎn)投資的增長將保持7% 和10%左右的增速,2002年固定資產(chǎn)投資增幅達(dá)到18%,據(jù)此預(yù)計,未來幾年我國水泥 需求將保持6%以上的增長速度。

目前我國水泥工業(yè)正處于新一輪周期的上升階段,在今后的3-5年內(nèi),我國經(jīng)濟(jì) 的增長將對水泥需求產(chǎn)生持續(xù)的拉動。從總量上看,我國人均水泥消費量為450噸/ 人·年,接近發(fā)達(dá)國家的水泥消費水平,但以水泥累計消費量來衡量,我國建國以來 人均累計水泥消費量僅為發(fā)達(dá)國家的一半,遠(yuǎn)未達(dá)到飽和程度。

產(chǎn)業(yè)調(diào)整趨于市場化

在行業(yè)穩(wěn)步增長的背景下,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整逐漸呈現(xiàn)出新的形式。經(jīng)歷長期的虧 損和激烈的價格競爭后,水泥產(chǎn)品的價格在低位徘徊,多數(shù)企業(yè)已無力繼續(xù)進(jìn)行價格 競爭。在政策引導(dǎo)啟動行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,并取得初步成效后,大型企業(yè)為提高市場競爭 能力,紛紛進(jìn)行規(guī)模擴(kuò)張和技術(shù)升級,這就形成了以市場為導(dǎo)向的,來自于企業(yè)自身 的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整要求。產(chǎn)業(yè)調(diào)整逐漸趨于市場化,使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)在市場需求的引導(dǎo)下 ,呈良性發(fā)展趨勢。

優(yōu)質(zhì)旋窯水泥需求增長快

水泥需求結(jié)構(gòu)也將發(fā)生重大變化。由于采用新標(biāo)準(zhǔn),混凝土施工中水泥的用量 將減少30%,為達(dá)到規(guī)定的施工強(qiáng)度,必須采用優(yōu)質(zhì)高等級水泥,即優(yōu)質(zhì)旋窯水泥,尤 其是新型干法水泥,因此優(yōu)質(zhì)旋窯水泥的需求將會有較快的增長。

預(yù)計未來5年內(nèi),我國水泥需求總量將維持在6-7億噸,其中立窯水泥的需求將逐 漸萎縮,而優(yōu)質(zhì)旋窯水泥尤其是新型干法水泥的需求增長將超過平均水平。因此國 家提出了將水泥總量控制在6億噸,同時提高新型干法水泥比重的產(chǎn)業(yè)調(diào)整目標(biāo)。

十五期間,大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資將形成對水泥的巨大需求,而大型基建投資 項目在工程管理上較為嚴(yán)格,由于水泥新標(biāo)準(zhǔn)的施行,這些國字號工程在水泥的選用 上必須遵守新規(guī)定,這就使大量的小水泥無法再進(jìn)入這一市場。

在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上,增長較快的是發(fā)達(dá)地區(qū)的大中型城市,這些大中城市已 相繼啟動了水泥散裝化。新型干法水泥單條生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力大,進(jìn)行水泥散裝化 的成本較低,會逐步占領(lǐng)大中城市的水泥市場。因此,預(yù)計十五期間新型干法水泥的 產(chǎn)銷量年均增長有可能達(dá)到30%以上。同時新型干法水泥又是目前水泥工業(yè)最高技 術(shù)水平的代表,具有其他技術(shù)無法相比的規(guī)模和生產(chǎn)效率。在需求增長和生產(chǎn)效率 提高的雙重作用下,新型干法水泥未來的發(fā)展前景十分良好。