序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(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)，請盡情閱讀。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對不銹鋼的需求迅速增加。據(jù)統(tǒng)計，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，同時還會產(chǎn)生一定量的二次廢物[2-4]。傳統(tǒng)黑色陶瓷顏料制備過程中需添加價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渡金屬元素Fe和Cr，將其用于制備無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，常規(guī)加熱所需反應(yīng)溫度高、受熱不均、加熱時間長，易導(dǎo)致顏料晶粒過度生長和結(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)合了我國鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展過程中面臨的固廢高效資源化利用的迫切需求，契合了國家“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)專業(yè)的高年級本科生，在使學(xué)生熟練掌握基本實(shí)驗(yàn)技能的同時，促進(jìn)多學(xué)科交叉創(chuàng)新意識的形成，加深對理論知識的理解，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（見表2）進(jìn)行配料、混勻，然后稱取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，然后通過浸釉方式對預(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

對所制備的不同顏料樣品進(jìn)行色度值測試，結(jié)果如圖3所示，其中a*、b*、L*為顏料的三個色度值指標(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，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，當(dāng)Fe/Cr摩爾比超過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在可見光波段幾乎呈水平直線，表明其對可見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，并覆蓋整個可見光波段。進(jìn)一步通過UV-Vis數(shù)據(jù)計算顏料的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，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

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)路線簡單，可操作性強(qiáng)，涉及礦物加工、環(huán)境工程、無機(jī)非金屬材料制備、光學(xué)等方面知識，綜合了SEM、XRD、UV-Vis和色度值測定等材料表征和性能檢測手段，能夠培養(yǎng)學(xué)生的多學(xué)科交叉思維及解決實(shí)際問題的意識和能力，能夠?yàn)閷W(xué)生開展“國家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項(xiàng)目”“全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實(shí)踐與科技競賽”和“‘挑戰(zhàn)杯’全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽”等課外科技創(chuàng)新活動提供必備的能力基礎(chǔ)。

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