序言：寫(xiě)作是分享個(gè)人見(jiàn)解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了1篇的化學(xué)中不銹鋼性能研究及綜合性實(shí)驗(yàn)樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)不銹鋼的需求迅速增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1t不銹鋼粗鋼將排放18~33kg不銹鋼煙塵[1]，不銹鋼煙塵的堆放易污染環(huán)境，且造成資源浪費(fèi)。目前，普遍通過(guò)火法冶金中的直接還原或熔融還原工藝回收不銹鋼煙塵中的有價(jià)金屬元素，但存在還原溫度高、工藝流程復(fù)雜、金屬回收率不穩(wěn)定等弊端，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一定量的二次廢物[2-4]。傳統(tǒng)黑色陶瓷顏料制備過(guò)程中需添加價(jià)格昂貴的氧化鈷原料[5-6]，使得黑色陶瓷顏料發(fā)展受限。由于不銹鋼煙塵中富含過(guò)渡金屬元素Fe和Cr，將其用于制備無(wú)鈷黑色陶瓷顏料是很有希望的技術(shù)路徑[7]。但采用固相合成法制備陶瓷顏料時(shí)，常規(guī)加熱所需反應(yīng)溫度高、受熱不均、加熱時(shí)間長(zhǎng)，易導(dǎo)致顏料晶粒過(guò)度生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)破壞，影響顏料性能。而微波加熱作為一種高效綠色、易于控制的加熱方法，能使物料快速、均勻地加熱，同時(shí)可為反應(yīng)創(chuàng)造良好的熱力學(xué)條件，在礦物加工和材料制備領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)立足“雙碳”目標(biāo)背景，以“節(jié)能減排”理念為出發(fā)點(diǎn)，緊密結(jié)合了我國(guó)鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展過(guò)程中面臨的固廢高效資源化利用的迫切需求，契合了國(guó)家“新工科”的教育理念。實(shí)驗(yàn)涉及冶金、礦物加工、材料等多學(xué)科交叉，適用于冶金、礦物加工、環(huán)境和材料等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的高年級(jí)本科生，在使學(xué)生熟練掌握基本實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，促進(jìn)多學(xué)科交叉創(chuàng)新意識(shí)的形成，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，提高科研興趣和科研素養(yǎng)[8-10]。

1合成方法與表征測(cè)試

1.1原料與儀器

實(shí)驗(yàn)所用原料主要包括：不銹鋼煙塵、Cr2O3（分析純）、陶瓷坯泥和透明釉粉，各原料化學(xué)組成如表1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程涉及的儀器包括：馬弗爐、微波高溫爐（華冶，HY-QS3016）、干燥箱、攪拌器、X射線衍射儀（PANalytical，XPertPROMPD）、掃描電子顯微鏡（FEI，NovaNanoSEM400）、紫外可見(jiàn)光譜（Shimadzu，UV-2600）和色度儀（3nh，TS7010）。

1.2黑色顏料的制備

圖1為采用不銹鋼煙塵制備黑色陶瓷顏料的流程圖。如圖所示，首先將從不銹鋼冶煉廠收集的煙塵在恒溫干燥箱中充分干燥，再將干燥后的不銹鋼煙塵與化學(xué)試劑Cr2O3按不同F(xiàn)e/Cr摩爾比（見(jiàn)表2）進(jìn)行配料、混勻，然后稱(chēng)取30g該混合物料裝入剛玉坩堝中，再分別用馬弗爐和微波爐在煅燒溫度為900℃、保溫時(shí)間為30min條件下制備得到不同配比、不同加熱方式的黑色陶瓷顏料。

1.3陶瓷的制備

為了評(píng)估顏料的著色性能，選取不同加熱方式制備的最優(yōu)顏料樣品M-1.0和C-1.0（詳見(jiàn)本文2.2節(jié)），并分別破碎至粒徑小于48μm，然后將顏料與陶瓷透明釉和去離子水以重量比為0.05∶1∶1進(jìn)行混合、調(diào)勻，形成黑色釉漿，并設(shè)置不含顏料的對(duì)照釉漿。在15MPa壓力下，將3.5g陶瓷坯泥壓成圓柱樣，并在馬弗爐中于600℃下預(yù)燒30min，然后通過(guò)浸釉方式對(duì)預(yù)燒陶瓷坯體進(jìn)行施釉，再用馬弗爐在燒制溫度為1200℃、保溫時(shí)間為30min條件下燒制得到陶瓷。

2結(jié)果與討論

2.1XRD表征

圖2(a)和(b)分別顯示了采用常規(guī)加熱和微波加熱方式制備的不同F(xiàn)e/Cr摩爾比顏料樣品的XRD圖譜。如圖2(a)所示，在常規(guī)加熱方式下，隨著Fe/Cr摩爾比的改變，各樣品物相無(wú)顯著變化，均主要由Cr1.3Fe0.7O3、Fe2O3、Cr2O3以及少量由不銹鋼煙塵引入的尖晶石組成。其中，Cr1.3Fe0.7O3由化學(xué)試劑Cr2O3中的Cr3+（0.69?）與不銹鋼煙塵中的Fe3+（0.64?）發(fā)生固溶體反應(yīng)得到，但該相衍射峰強(qiáng)度極低，峰面積極小，表明在900℃常規(guī)加熱條件下，上述固溶反應(yīng)雖能發(fā)生，但反應(yīng)速率較慢。這是因?yàn)樵摲磻?yīng)主要通過(guò)原子間擴(kuò)散進(jìn)行，其決速步為反應(yīng)溫度，因此需進(jìn)一步提高反應(yīng)溫度才能使Cr1.3Fe0.7O3的結(jié)晶強(qiáng)度提升。圖2(b)表明，除M-0.5樣品含有少量未反應(yīng)完全的Cr2O3外，其余顏料樣品均主要由Cr1.3Fe0.7O3和少量尖晶石相組成。上述尖晶石相由不銹鋼煙塵引入，主要為Fe3O4和FeCr2O4，呈色與Cr1.3Fe0.7O3均為純正黑色[11-12]。由圖2(b)還可看到，隨著Fe/Cr摩爾比的增大，各衍射峰出現(xiàn)的峰強(qiáng)度下降且寬化，表明樣品晶粒粒徑減小。根據(jù)Fe2O3與Cr2O3的固溶反應(yīng)機(jī)理，Cr2O3升華并以氣相形式輸送至Fe2O3顆粒表面，并沉積形成Cr2O3薄膜，再通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入Fe2O3。隨著原料中Fe/Cr摩爾比的增大，可升華的Cr2O3增加，但可用于擴(kuò)散的Fe2O3顆粒減少，使得結(jié)晶強(qiáng)度降低[13]。上述結(jié)果表明，微波加熱可有效降低固相合成反應(yīng)所需的溫度，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。一方面，微波的選擇性加熱可使熱能更集中于過(guò)渡金屬元素之間的反應(yīng)；另一方面，微粒子在微波作用下被激活，降低了晶格擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散所需的活化能。

2.2色度值

對(duì)所制備的不同顏料樣品進(jìn)行色度值測(cè)試，結(jié)果如圖3所示，其中a*、b*、L*為顏料的三個(gè)色度值指標(biāo)。圖3(a)為常規(guī)加熱方式下制備的顏料樣品的色度值曲線，可以看到，隨著Fe/Cr摩爾比的增大，a*值逐漸上升，b*值逐漸下降，而L*值則呈先降低后上升趨勢(shì)，其中a*和b*值的變化分別是由樣品中Cr2O3含量降低、Fe2O3含量增大所致。圖3(b)表明，隨著Fe/Cr摩爾比的增大，微波加熱制備的顏料樣品的L*值與a*值均表現(xiàn)為逐漸上升，b*值則呈下降趨勢(shì)，當(dāng)Fe/Cr摩爾比超過(guò)1后，a*值與b*值均向遠(yuǎn)離0的方向變化，即顏料樣品逐漸偏紅藍(lán)色。綜合考慮物相、顏料呈色與Cr2O3的添加量，選取對(duì)顏料樣品C-1.0和M-1.0進(jìn)行后續(xù)表征。

2.3   形貌表征

如圖4(a)所示，采用常規(guī)加熱方式制備的顏料樣品顆粒具有較好的分散性，且圖像中的顏料顆粒顯示出相同的襯度，這主要是由Cr與Fe元素緊鄰所致。圖4(b)為微波加熱下制備的顏料樣品，顯示出兩種不同的形貌。結(jié)合XRD分析結(jié)果，圖4(b)中少量典型正多面體形貌的物相為由不銹鋼煙塵引入的尖晶石相，而形貌顯示為不規(guī)則多面體形的物相為Cr1.3Fe0.7O3固溶體。此外，還可以看到，圖4中部分顆粒容易融合形成無(wú)明顯晶面的板狀顆粒，這些顆粒結(jié)合在一起形成結(jié)晶團(tuán)簇，這一現(xiàn)象是由顏料中具有磁性的物相導(dǎo)致磁性偶極-偶極效應(yīng)引起的[14]。

2.4顏料光學(xué)性能分析

C-1.0與M-1.0顏料樣品在380~700nm的UV-Vis圖譜如圖5所示。由圖5可知，采用常規(guī)加熱方式制備的顏料曲線呈現(xiàn)波浪狀，其對(duì)400nm左右的紫光、550nm的綠光和622nm后的紅光波段的吸收強(qiáng)度顯著下降[15]，使其呈色偏紅綠。而采用微波制備的顏料M-1.0在可見(jiàn)光波段幾乎呈水平直線，表明其對(duì)可見(jiàn)光波段的所有光均具有較高的吸收強(qiáng)度，使其呈現(xiàn)出黑色[16]。這是因?yàn)镸-1.0顏料樣品的物相主要由Cr1.3Fe0.7O3固溶體和尖晶石組成，軌道雜化效應(yīng)增強(qiáng)，同時(shí)也存在大量的空位與缺陷，從而導(dǎo)致產(chǎn)生新的躍遷形式，并覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光波段。進(jìn)一步通過(guò)UV-Vis數(shù)據(jù)計(jì)算顏料的1931色坐標(biāo)，結(jié)果如圖6所示。圖6中O點(diǎn)為色坐標(biāo)原點(diǎn)（x=0.3333，y=0.3333），即為消色點(diǎn)，該處為純正黑色或白色。采用微波制備的顏料M-1.0的色坐標(biāo)為x=0.3236，y=0.3278，幾乎與O點(diǎn)重合，顯示出純正黑色。而采用常規(guī)加熱方式制備的顏料C-1.0的色坐標(biāo)為x=0.2884，y=0.4230，占據(jù)偏紅綠的位置，這與前文分析一致。

2.5顏料運(yùn)用

將制備的顏料樣品運(yùn)用于陶瓷釉面，如圖7所示。未添加顏料時(shí)，陶瓷釉面呈現(xiàn)乳白色。采用M-1.0顏料樣品燒制的陶瓷釉面呈純正黑色，且表面光滑致密，無(wú)缺陷或裂紋，表明其與陶瓷坯料、釉料之間具有優(yōu)異的適配性。而采用C-1.0顏料樣品燒制的陶瓷釉面則呈現(xiàn)棕褐色，且釉面顏色分布不均勻。此外，前者釉面的色度值（L*=31.5、a*=1.6、b*=0.7），顯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，采用不同加熱方式制備的陶瓷顏料的著色性能存在顯著差異。微波加熱方式相較于常規(guī)加熱方式，可顯著降低顏料燒制所需溫度，改善物相組成，提升顏料呈色和著色性能，達(dá)到節(jié)約能耗、提升制備效率的目的。

3結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)以不銹鋼煙塵作為主要原料，采用微波加熱方式制備了呈色優(yōu)異、著色性能良好的黑色陶瓷顏料。實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，涉及礦物加工、環(huán)境工程、無(wú)機(jī)非金屬材料制備、光學(xué)等方面知識(shí)，綜合了SEM、XRD、UV-Vis和色度值測(cè)定等材料表征和性能檢測(cè)手段，能夠培養(yǎng)學(xué)生的多學(xué)科交叉思維及解決實(shí)際問(wèn)題的意識(shí)和能力，能夠?yàn)閷W(xué)生開(kāi)展“國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”“全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽”和“‘挑戰(zhàn)杯’全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽”等課外科技創(chuàng)新活動(dòng)提供必備的能力基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[2]李建朝，齊素慈，許繼芳.不銹鋼粉塵氣體還原過(guò)程中Fe2NiO4的分解行為研究[J].有色金屬（冶煉部分），2021(5):17–24.

[3]趙海泉，齊淵洪，史永林，等.Oxycup工藝處理不銹鋼煙塵的試驗(yàn)研究[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2017,16(1):58–62.

[4]趙海泉，齊淵洪，史永林.不銹鋼粉塵的物理化學(xué)特性分析[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2017,29(2):105–110.

[5]張翔，李治橋，馬國(guó)軍，等.尖晶石型無(wú)鈷黑色陶瓷顏料的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào)，2021,40(4):1318–1329.

[6]李治橋，張翔，馬國(guó)軍，等.Fe-Cr-Ni-Mn系黑色陶瓷顏料的制備及呈色性能分析[J].硅酸鹽通報(bào)，2021,40(12):4092–4101.

[8]張瑋瑋，柴成文，郭麗芳.節(jié)能減排理念融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017,34(9):188–190.

[9]劉宇雷，佘明.“新工科”背景下高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019,36(11):19–21,32.

[10]王忠輝，李艷紅，范浩軍.以培養(yǎng)新工科人才為目標(biāo)的綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018,35(10):177–180.

作者:張翔 李治橋 馬國(guó)軍 李建立 鄭頂立 單位:武漢科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院