【正文】 在新車中往往會有異味，它們來源于汽車內(nèi)裝飾材料中的樹脂添加劑里所含的揮發(fā)性物質(zhì)。另外，汽車內(nèi)的香煙味、汗臭味被座椅、壁板等表面吸收后，留存于汽車內(nèi)也很難清除。納米材料具有很強的抗菌消臭功能與吸附能力，因此利用某些納米微粒作載體，吸附抗菌離子，制成脫臭涂料用于汽車內(nèi)飾等表面可達(dá)到殺菌、抗菌的目的。納米ZnO微粒具有優(yōu)越的抗菌、消毒、除臭功能，因此把它作為功能助劑對天然纖維進行后整理，可以獲得性能良好的抗菌纖維，用于汽車內(nèi)飾紡織品、窗簾用紡織品等，能夠吸收異味凈化空氣。 鋼中的第二相粒子 鋼中的第二相粒子（主要是夾雜物和強化相）對鋼的性能影響很大，只有當(dāng)非金屬夾雜物尺寸小于1μm，且數(shù)量少到夾雜物彼此之間的距離超過10μm時，非金屬夾雜物才不會對材料的宏觀性能造成影響。同時，當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ雍芗?xì)小時，還能在凝固結(jié)晶及熱加工過程中對鋼的組織起到一定的細(xì)化作用，從而提高鋼的綜合力學(xué)性能。多年來，人們對如何利用鋼中的第二相粒子來提高鋼的性能進行了大量研究:20世紀(jì)70年代，提出了鋼的微合金化技術(shù)；90年代，提出了氧化物冶金技術(shù)。這些技術(shù)均與控制鋼中第二相粒子密切相關(guān)。 金屬中存在大量的第二相粒子，由于其種類、大小、形狀、分布以及體積分?jǐn)?shù)各異，對金屬力學(xué)性能造成復(fù)雜的影響。第二相粒子對鋼力學(xué)性能的破壞作用主要是作為裂紋形核源而導(dǎo)致裂紋形成和傳播。粒子對鋼的強化作用機制主要有沉淀強化和細(xì)晶強化，其中，細(xì)化晶粒包括凝固結(jié)晶時的形核細(xì)化和后期加工過程中的再結(jié)晶細(xì)化。在諸多影響因素中，第二相粒子的大小是決定其是否有利的重要因素。但是，無論從哪一方面來看，都要求粒子細(xì)小化。 目前，對如何在鋼中獲得細(xì)小的第二相粒子有兩種辦法：內(nèi)部析出法和外部加入法。內(nèi)部析出法是通過控制鋼液條件，降低粒子析出溫度，使鋼液凝固和熱加工過程中析出細(xì)小彌散的夾雜物和碳化物粒子。從外部往鋼液中加入超細(xì)粒子的研究報道尚不多見。MASAYOSHIHASEGAWA等開發(fā)了一種用等離子噴吹方法向澆注的鋼流中噴吹粒子。試驗結(jié)果表明，加入顆粒平均直徑為11μm的Al2O3和9μm的ZrO2粒子后，鋼的硬度、強度和沖擊韌性均顯著提高。首先，將微粉放置于固態(tài)鋼預(yù)先加工的小孔中，然后將鋼樣置于真空感應(yīng)爐內(nèi)加熱至熔化，保持熔化狀態(tài)5s后，快速冷卻凝固。分析凝固后的鋼樣得知，外加TiN、TiO2和Ti2O3粒子對鋼中形成針狀鐵素體十分有效，細(xì)化了奧氏體晶粒。 從以上研究結(jié)果可以看出，向鋼中外加超細(xì)粒子對鋼的組織細(xì)化和提高其性能均有很好的作用。與內(nèi)生析出第二相粒子相比，外加方法更具有可控性，而且對鋼的純凈度無過高要求。然而，這些加入方法在現(xiàn)代冶金生產(chǎn)工藝上還存在許多問題，目前還很難用于工業(yè)生產(chǎn)中。等離子噴吹方法用于連鑄工藝還很困難，而往熔態(tài)鋼中添加粒子的技術(shù)更是無法用于煉鋼工業(yè)生產(chǎn)中，僅只適用于實驗室研究。目前，工業(yè)上獲得細(xì)小第二相粒子主要是通過高純凈化和微合金化以及控軋控冷相結(jié)合的方式，在鋼內(nèi)部形成合適的粒子。由于這些粒子幾乎是在固相線以下奧氏體中析出，所以對奧氏體本身的形核起不到核心作用，從而對細(xì)化原奧氏體晶粒沒有作用。生產(chǎn)過程控制要求較高，成本偏高。目前，有關(guān)向鋼液中添加納米級粒子的研究很少，由于該法對鋼液純凈度的要求并不高，其過程較易控制，而且對細(xì)化夾雜物、細(xì)化原奧氏體晶粒以及后期的加工過程都有作用。因此，向鋼中添加納米級顆粒的新思路新方法的研究具有一定的現(xiàn)實意義，應(yīng)給予重視。 納米顆粒的團聚與分散 粉體的團聚產(chǎn)生于顆粒間的相互作用，一般分為兩種：粉體的軟團聚和硬團聚。粉體的軟團聚主要是由于顆粒間的范德華力和庫侖力所致。該團聚可以通過溶劑的分散或輕微的機械力（超聲、研磨）的方式消除。粉體的硬團聚體內(nèi)除了顆粒間的范德華力和庫侖力外，還存在化學(xué)鍵作用。因此硬團聚體在應(yīng)用加工過程中其結(jié)構(gòu)不易被破壞，而且將進一步惡化，導(dǎo)致性能變差。由于對于粉體的生產(chǎn)與加工過程，硬團聚體的產(chǎn)生往往可以產(chǎn)生很大的影響，因此有必要先對粉體的硬團聚作一些初步的分析。 一般可以認(rèn)為粉體硬團聚形成的機理為：在干燥過程中自由的脫除使毛細(xì)管收縮，由于水的蒸發(fā)而露出固相和毛細(xì)孔，形成固液界面，由于毛細(xì)管力使相界面收縮，使顆粒接觸緊密，與固相表面羥基形成氫鍵，隨著水的進一步脫除，相鄰膠粒的非架橋羥基可自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)椤狾—化學(xué)鍵；并將凝膠中的部分結(jié)構(gòu)配位水排除，從而形成硬團聚。此外，膠團之間未洗滌干凈的吸附陰離子同樣會產(chǎn)生鹽橋作用，從而，在煅燒過程中易產(chǎn)生燒結(jié)，導(dǎo)致硬團聚體的產(chǎn)生。團聚體的產(chǎn)生使得煅燒前驅(qū)體膠團之間更為緊密的接觸，同時因為超細(xì)粉體具有較大的比表面積和較高的活性，因此在較低溫下就容易形成燒結(jié)瓶頸造成超微顆粒的長大，團聚體的狀態(tài)更為惡化。這樣使得超細(xì)顆粒的粒度和形貌的控制在熱處理的過程中顯得更為困難。 從以上機理可見，水的存在是干燥過程中形成硬團聚的根源，因此要消除硬團聚可以從兩個方面著手：在干燥前將粉體之間的距離增大，從而消除毛細(xì)管力，避免使得顆粒結(jié)合緊密；在干燥前采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⑺摮?，避免由于水與顆粒形成氫鍵。 研究表明從以上兩個方面采用適當(dāng)?shù)拇胧?，能夠有效地消除或減少粉體的硬團聚體的產(chǎn)生。 納米顆粒團聚的原因 納米顆粒具有量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道燈效應(yīng)。納米顆粒的特殊性能很大程度受顆粒尺寸大小的影響。納米顆粒表面原子所處的晶體環(huán)境及結(jié)合力與內(nèi)部原子不同，納米粒子表面為原子排列，表面比原子數(shù)目多，完全不同于體相的層狀結(jié)構(gòu)，由于大量的孿晶、位錯、層錯等晶體缺陷的存在，導(dǎo)致了大量的懸鍵和不飽和鍵，使顆粒的表面積和表面活性點數(shù)目顯著增加，具有不飽和的性質(zhì)，出現(xiàn)多活化中心，具有很高的化學(xué)活性，容易與其他原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定。納米顆粒間存在著有別于常規(guī)粒子間的作用能，即納米作用能。納米作用能就是納米顆粒的表面因缺少鄰近配位的原子，而具有很高的活性，這事納米顆粒彼此團聚的內(nèi)在原因。 影響納米顆粒團聚的主要原因如下：（1）分子間力、靜力作用、活性高的化學(xué)鍵（氫鍵）等通常是引起納米顆粒團聚的因素，在納米顆粒中小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)表現(xiàn)得更為激烈；（2）由于納米顆粒的量子隧道效應(yīng)、電荷轉(zhuǎn)移和界面原子的相互耦合，使納米顆粒及其容易通過界面發(fā)生相互作用和固相反應(yīng)而團聚；（3）由于納米顆粒的比表面能大，使之與空氣或其他戒指接觸后，易吸附氣體等介質(zhì)或與其作用，導(dǎo)致粘連與團聚；（4）因其很高的表面能和較大的接觸界面，納米顆粒沒有修飾而暴露時，使晶粒生長的速度加快，因而顆粒尺寸很難保持不變；（5）有些納米顆粒由于水解作用，表面呈較強的堿性、羥基性或配位水分子。水解后，可通過羥基和配位水分子縮合，形成硬團聚。顯然，防止納米粉體團聚，獲得分散性好的納米顆粒，充分利用納米顆粒的性能，是目前納米領(lǐng)域亟待解決的問題。 防止納米顆粒團聚的措施解決納米顆粒團聚的措施有很多，根據(jù)不同依據(jù)可以劃分為不同的類型。根據(jù)分散的原理可以分為物理原理方法和化學(xué)原理方法。物理方法：（1） 機械力法 機械力法是在加入分散劑的情況下，利用球磨機的轉(zhuǎn)動或震動使硬球?qū)υ线M行強烈的撞擊、擠壓、沖擊、剪切和摩擦作用，原料和分散劑相互滲入和擴散，使分散劑成功地包覆在納米顆粒的表面。分散劑能在顆粒表面形成一層分子膜，阻礙顆粒之間的相互接觸，增大顆粒之間的距離，避免架橋羥基和真正化學(xué)鍵的形成，還能起到一定得空間位阻作用，從而有效地防止納米顆粒的團聚。機械力分散的具體形式有研磨分散、膠體磨分散、球磨分散、砂磨分散、高速攪拌等。機械力法的優(yōu)點是所制得的納米顆粒產(chǎn)量高，工藝簡單，過程容易控制。在短時間內(nèi)，分散劑即可完成納米粉體的包覆，防團聚效果良好。（2） 去水處理和超聲分散水是引起納米顆粒團聚的因素之一，納米顆粒干燥完全，溫度越低、應(yīng)用的時間越短越好。可通過適當(dāng)?shù)姆椒▽⑴c納米顆?；旌显谝黄鸬乃コ乐辜{米顆粒的團聚。化學(xué)方法（1） 酯化反應(yīng)法酯化反應(yīng)是金屬氧化物與醇的反應(yīng)。用酯化反應(yīng)對納米微粒表面修飾，使原來親水疏油的表面變成親油疏水的表面，這種表面功能的改性在實際應(yīng)用中非常重要。酯化反應(yīng)表面改性對表面為弱酸性和中性的納米粒子最有效。此外，碳納米粒子也可用酯化法進行表面修飾。（2） 氣相沉積法 氣相沉積法主要包括氣相化學(xué)沉積法和霧化液滴沉積法，均是利用過飽和體系中的改性劑在顆粒表面聚集而形成對顆粒的包覆。氣相化學(xué)法沉積法是通過氣相中的化學(xué)反應(yīng)生成改性雜質(zhì)分子或微核，在顆粒表面沉積或與顆粒表面分子化學(xué)鍵合，形成均勻致密的薄膜包覆。霧化液滴沉積法是將改性劑通過霧化噴嘴產(chǎn)生微細(xì)液滴液滴分散于顆粒表面，經(jīng)過熱空氣或冷空氣的流化作用，溶質(zhì)或熔融液在顆粒表面沉積或凝集結(jié)晶形成表面包覆。氣相沉積法已在食品、材料、醫(yī)藥、化工等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 本課題研究的目的和內(nèi)容 許多研究表明，對材料組織的細(xì)化處理是同時提高材料強度和韌度的最為有效途徑，而鋼中的第二相粒子（主要是夾雜物和強化相）對鋼的性能有很大影響，主要表現(xiàn)為凝固時細(xì)化鑄態(tài)組織，軋制過程中成為再結(jié)晶核心。但只有當(dāng)非金屬夾雜物尺寸小于1 μm，且數(shù)量少到夾雜物彼此之間的距離超過10 μm時，非金屬夾雜物才不會對材料的宏觀性能造成影響。同時，當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ雍芗?xì)小時，才能在凝固結(jié)晶及熱加工過程中對鋼的組織起到一定的細(xì)化作用，從而提高鋼的綜合力學(xué)性能。鋼中的第二相粒子大都是鋼內(nèi)部析出產(chǎn)生的，很難控制其尺寸及分布達(dá)到上述要求。 基于鋼中的第二相粒子對鋼性能的積極作用，通過在熔體中外加超細(xì)顆粒（包括納米級顆粒）的新方法來研究第二相粒子對鋼的組織性能的作用是一個值得探索的課題。目前，有關(guān)向鋼液中添加納米級粒子的研究很少，由于該法對鋼液純凈度的要求并不高，其過程較易控制，而且對細(xì)化夾雜物、細(xì)化原奧氏體晶粒以及后期的加工過程都有作用。因此，向鋼中添加納米級顆粒的研究具有一定的現(xiàn)實意義。本研究是在實驗室條件下通過對納米顆粒進行預(yù)分散的方法，研究了向熔體中外加ZrO2納米粉的可行性，并對Q235鋼組織與性能的影響進行了初步研究。2 實驗方法和步驟實驗用鋼為Q235鋼。鋼錠的熔煉是在真空熔煉爐中進行的。分別通過將鋼水澆注到提前加入ZrO2納米粉的模具和直接將ZrO2納米顆粒加入高溫熔體中與未加入ZrO2納米顆粒的Q235鑄態(tài)晶粒組織相比較。納米顆粒尺寸為40~50nm。每一爐的Q235鋼皆為20kg，%，%。 試驗用鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）CMnSiSp（1） 冶煉實驗設(shè)備序號名稱型號與規(guī)格數(shù)量1真空熔煉爐型號：ZGL—12澆鑄模子（方形）高200mm，上下口邊長110mm33天平精確到1g1 真空熔煉爐（2）熔煉冶金實驗是在ZGL—，熔煉坩堝材料為鎂砂，爐子緩慢升溫，溫度在1520℃左右時鋼開始熔化，1580℃時基本全部熔化，在澆鑄前加入準(zhǔn)備好的ZrO2粒子，經(jīng)過lmin左右以便ZrO2在熔液中能均勻分布，然后將鋼液澆注入自制的耐熱鋼鑄模中，澆鑄鋼液時均勻，穩(wěn)定。 試驗鋼的冶煉參數(shù)試樣鋼號原料質(zhì)量ZrO2加入量鋼水澆鑄溫度125kg01600℃220kg%1600℃320kg%1600℃下圖為熔煉后的鑄件 左起分別為3號鑄件 左起分別為3號鑄件的拋切圖（3）ZrO2納米粒子的加入方法由于鋼水的密度與納米粒子的密度差距，納米粒子的密度較小，所以容易漂浮在鋼液表面。另外，ZrO2納米粒子比表面積大，表面能高，使得納米顆粒在鋼液中極易發(fā)生團聚，在冶煉中很難直接或用噴吹、喂絲等方法將其加入到高溫熔體中。為此試驗前，必須對其進行分散處理。先將顆粒和對鐵液無污染的鐵粉混合，使顆粒分散在鐵粉中，用鋼管將粉體包裹嚴(yán)實待用。 ZrO2納米粉末的配置方案號原料鋼的質(zhì)量ZrO2加入量ZrO2納米粉體質(zhì)量125kg00220kg%320kg%100g（4） 澆注過程第一套方案正常將熔煉后的鋼液澆注到模具中；第二套方案將鋼水澆注到提前加入到提前準(zhǔn)備好固定百分含量ZrO2納米粉的模具中；第三套方案先將ZrO2納米粉添加到熔煉后的坩堝中，后將鋼水澆注到模具中。 帶鋸切割 帶鋸型號參數(shù)序號名稱型號數(shù)量1半自動臥式金屬帶鋸床GD40281 待鑄件冷卻至室溫，將鑄件用帶鋸切去尾部。去尾后將鋼錠中間拋開，一半用于觀察鑄態(tài)組織，另一部分進行熱軋?zhí)幚恚笥糜谟^察內(nèi)部組織與形態(tài)。同時帶鋸也將鑄件切成用于金相觀察的試樣共計30個。 熱軋?zhí)幚肀?6 軋件的各種參數(shù)序號軋前厚度（mm）軋后厚度（mm）軋件重量（kg）1608 25683588 金相實驗（1）實驗設(shè)備表27 實驗設(shè)備序號名稱型號與規(guī)格數(shù)量1光學(xué)顯微鏡型號：ZEISS12剪板機型號：Q1131200，可剪板厚3mm，可剪板寬1200mm13拋光機型號：P114游標(biāo)卡尺16吹風(fēng)機最大功率1000w17砂紙水砂紙 、金相砂紙140張8酒精濃度為95%1瓶9硝酸濃度為65%1瓶10拋光布直徑30mm111拋光膏金屬型（鋼）112塑性泥實驗室1（2）金相試樣截取部位的選擇研究鑄件的金相組織，必須從鑄件表層到鑄件中心同時取樣進行觀察，根據(jù)各部位金相組織的差異，了解合金的偏析程度和結(jié)晶組織的變化。每一個澆鑄鋼錠的一半都用帶鋸在其頭部、尾部、中部、中部的心部、中部的四分之一處取5個試樣。共15個試樣；另一半軋制后的鋼錠同樣的取法15個試樣?？傆?0個試樣。13245 試件