学文网液态金属篇1
1、液态金属是指一种不定型金属，液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。液态金属也是一种不定型、可流动液体的金属。
2、液态金属成形过程及控制，液态金属充型过程的水力学特性及流动情况充型过程对铸件质量的影响很大可能造成的各种缺陷，如冷隔、浇不足、夹杂、气孔、夹砂、粘砂等缺陷，都是在液态金属充型不利的情况下产生的。正确地设计浇注系统使液态金属平稳而又合理地充满型腔，对保证铸件质量起着很重要的作用。单质中只有水银是液态金属，镓、铷、铯是低熔点金属。
（来源：文章屋网 ）
液态金属篇2
无窗靶则自 1999 年起在比利时 SCKCEN 进行的 MYRRHA 项目对相关问题进行了较为深入的研究，之后在欧洲高放废料嬗变处理项目 EUROTRANS 框架内继续发展，特别是束流耦合作用区的热工流体问题的研究开展的比较多。这一项目采用的是回路结构的靶系统，由管道中的环形喷口形成耦合界面，具有散裂反应区域长，结构简单的特点，因此广泛作为无窗靶设计时的参考构型。
除了本人所在团队在科学院 ADS 项目中进行的 MYRRHA 构型无窗靶研究工作外，对这一结构的开展工作较多的还有数值模拟与实验研究工作较为全面的的上海交通大学核学院顾汉洋、程旭团队，以数值模拟为主的中国科学院大学刘捷团队，以及开展时间最长 MYRRHA 项目自身研究团队。
在本章，结合本人在前期液态金属无窗靶方面曾开展的一些工作，并将这些工作与 DGT 靶这一新构型在研究方法、耦合界面形成、基本力学原理及其导致的现象相比较，通过这一部分的工作的阐述，能够更好的理解 DGT 靶的特点及其应用前景。本章中，引用了其它研究团队的部分工作进行了对照及问题佐证，但主要的未引用参考文献的部分为***原创工作，在理论分析、数值计算、实验测量等方面均有涉及。
程旭等认为在液态金属靶的研究过程中较为合理的可分为三个阶段：通过CFD 方法建立靶模型进行数值模拟；建立实验研究回路通过水这种成本低廉并便于观测的工质进行试验，对于模拟结果进行校验并通过实验装置观察研究实际工作状态和系统性问题；第三步再建立液态金属回路对于液态金属运行相关的问题进行考察研究。
而 DGT 靶的研究路线与之有一定的不同。在项目的前期，模拟工作所起的重要作用同样不可替代，但事实上由于目前 DEM 模拟和 CFD 模拟在计算能力和成熟程度的区别，会更多的通过小型实验进行实验研究工作。由于液态材料和颗粒材料的性质区别，DGT 靶中用于流动问题的研究小型装置在成本、操作性上都要更易于实现：对于流动问题的研究装置颗粒材料并不需要与液体一样要建立完整的回路以提供工质的循环流动，颗粒流动的特性一方面决定了系统不会采用复杂的流道结构；另一方面，与液体不同，颗粒对于回路要求低，即使管路系统达不到气密或者水密仍可对多数问题进行研究，其循环也并不需要稳定压力水头的驱动，在重力作用自发流动的颗粒体系的主要受到出口结构的影响，这样对于小型流动装置可以采用手动向上方储料缓冲容器加料的方法实现对局部流动问题的研究。
由于 HLM 的操作测量的不便和危险性，主要的靶区流动实验研究都从水回路靶结构研究开始。以水为工作介质，在研究初始阶段对无束流加载状况下流动特征的流动传热研究是可行的。另外，液态金属靶采用水作为研究工质的目的不仅是降低实验成本，更是研究过程中测量方面的需要。液态金属不透明，只能借助超声多普勒方法进行测量，仅此一点就决定了无法通过实际的液态金属掌握内部流动的情况，而通过建立水回路实验装置，就可以通过 PIV 或者PTV 的方法实现三维流动中对内部流场的观测；而颗粒体系本身就决定了难以通过常规手段观察内部情况，对于这一体系内部流动的观察需要采用 X 射线成像的手段，这样一来对于台架的要求就仅仅是通过小型化装置和低 X 射线吸收的材料进行观测。而特殊结构的制造加工，也允许采用 3D 打印和拼接的方式非常容易的实现。这种便利的特性使得对于颗粒靶在研究进程中的前期就可以采用实验手段进行探索，这样一来就能够为靶的研究提供更多直接来自实验的第一手资料，加快模拟和装置研究过程的比照回合。
液态金属靶装置研究的所建立液态金属回路，其目的也是多方面的，不仅要通过这一装置测试关键的靶段流动状态，此外还要对于材料相容性进行考察，同时还要测试回路中的关键设备，包括成分控制、换热、驱动等方面。这样的回路建造不仅需要较为复杂的系统支持，同时所使用的液态金属材料也对于设备和建设提出了更高的要求，如采用 Hg 作为工质需要充分考虑其毒性、危害性，而 LBE的熔点需要 125℃，运行温度就要求更高，这样的温度环境对于设备可靠性、装置建设方面都是不利因素。在研究中，还逐渐注意到了 HLM 在高温和高流速情况下对于结构材料的损伤，这一项目给出了HLM靶工质应当将温度控制在550℃以下，同时流动速度不应超过 2.5m/s 的限制。另外在实际的工况中，由于加速器的工作要求，液面处也应维持 10-3mbar 以下的真空。在这些限制条件之中，可以看出以水靶水回路在进行原型尺寸和条件的模拟时是有着相当能力和便利条件的。但同时应当注意到，由于物性条件的限制，水在室温时具有 2350pa的饱和蒸汽压使得水回路的真空实验非常困难，这一不同的影响是在某些问题上是决定性的。
而颗粒靶研究所使用的回路装置由于固体颗粒的安全稳定性在少数意外情况下也不会造成严重事故后果，因而更易于搭建。由于在靶设计条件下气体的压强和流动对于颗粒的运行并不造成影响，因此回路中的颗粒在常压和真空的条件下运行状态基本是相同的，在常压环境下运行时，可以比较容易的进行人为干预，例如进行试验段的更换，可用于流动性和材料磨损的研究；而真空条件下则可以对换热器、真空差分、气路循环等关键设备进行测试，整体装置还可以实现前期束流耦合实验等等。
由于颗粒系统独特的力学特性，DGT 靶系统与液态靶系统在工程流体方面既有相同之处也有不同之处。不同于液体，颗粒系统非连续介质，当在重力作用下自由流出的液体系统存在在多个阀门控制流量时，液体系统根据全部阀门产生的流动阻力和压头达到稳定流量。而颗粒系统中的压强通常无法有效的直接促进颗粒堆积体流动，重力作用下自由流出的颗粒系统达到的稳定运行流量则由各流量控制阀门中允许通过量最小的决定。通常可以根据阀门开度调节各处的颗粒积存量分配，但总体来说对于实际系统仍必须依赖自动化反馈控制。总体来说，一套完整的颗粒流程通过阀门、输送装置将系统分成较为***的单元，这样一来仅需保证后一单元的处理量不小于前一单元即可，从而能够简化每一个单元的结构。从颗粒独特的力学特性来看，做这种设计是必要而且合理的，颗粒独特的流动特性决定了颗粒的流通量特性难于直接用压力进行控制，而又受到管路结构、自身表面与粒度的影响，在系统设计上不能具备流体系统一样良好的连通与连续性，这一特性应当得到充分的关注与利用。对于本套装置，为了使整个系统运行稳定，系统由很少的限流装置控制流量，而输送系统在较大功率运行，将到达靶系统底端的颗粒完全返回顶端注入。
另外颗粒流靶系统有着其独特的限制条件，这些限制条件主要来自应用环境，并且作为先决条件需要得到不可妥协的满足。例如，整套系统运行时只能允许单个主提升系统存在，水平输送也应当尽量予以避免；主管道上的阀门应当尽量少，如的确需要，也应当尽量靠近提升系统；在主要效能部分，颗粒需要连续经过连通的测量、筛选、加热、冷却等功能段，并且具有很高的可靠性等等。这些需求还需要在目前现有的粉体设备的基础上加以改进。
总的来说，以颗粒流作为工质的靶能够在更大程度上减少研发成本，推进项目进展。
在项目前期研究 HLM 靶的过程中，在项目的框架下搭建了较大尺寸的水模拟回路与 ANSYS 数值模拟方法共同进行靶系统回路流动研究。相比于仅建立靶段流动条件的模拟台架，全回路台架将靶段的运行条件与类似实际条件下回路的运行结合起来，并能够提供更大的流量流速，对于理解系统运行条件对靶段行为的影响具有更重要的作用。水模拟回路旨在研究 ADS 散裂靶回路当中的相关流体力学问题，为进一步的液态金属模拟实验提供指导性依据。
回路试验段高约 2.6 米，宽约 2.5 米，主管道内径为 φ80，采用不锈钢加工。在泵出入口处设有分流支路，以稳定主干回路工作状态。回路中设计了真空接口，并能够进行水环泵下的真空实验。最大稳定实验流量 40m³/h，对应靶区最大流速~2m/s，与 MYRRHA 系统处在同一量级水平。
在装置的建设过程中，采用了数字化的集中测量控制。整个回路的驱动通过一台格兰富的 TP80-270 进行，并通过采用 4-20mA 信号控制的电动调节阀进行旁路循环，用于与泵协同控制回路流量。用美国 NI 公司的数据采集系统，实现对回路各个开关量，以及涡街流量计、压力传感器等测量装置测得的模拟量进行监测和控制。系统采用了 LabVIEW 编程，实现软件对回路的整体监控，通过对所采集的数据进行适当滤波，将运行数据适当的进行实时反馈，并且通过 PID 闭环控制回路运行。另外，该系统搭建中，考虑了具有通用的通讯接口，可以集成第三方控制系统，如西门子等厂家的 PLC 控制系统，便于与其它系统兼容。
而在流体循环功能方面，上下缓冲水箱的设计是由于回路的工作常常会出现汽液混合流动的状态，通过缓冲箱能够起到缓冲、调节压强，稳定、控制含气量的作用。此外，上水箱同时起到导流稳流的作用，并能够在这一位置加装内部稳流导流结构。靶段采用由有机玻璃加工的可视化部件，前期采用了非扩口锥形靶，随后使用了带有扩口结构的靶段，并由管段连接方法改为了块材加工方法，提高了整体的加工精度并与粒子***像测速仪 PIV(Particle Induced Velocimetry)系统能够更好的结合使用。PIV 系统利用数码相机在短时间内连续捕捉撒布于流场中的示踪粒子的分布状态，测量流场中各区域速度场分布。实验使用美国 TSI 公司的PIV 系统，采用钇铝石榴石激光，单脉冲能量 135mJ，最大工作频率为 15Hz。
这一系统的运行使用了 Fluent 软件的模拟进行预先设计并与实验状态结果对照，在整体回路的层面上对靶回路的整体流动压力损失、靶段压力损失、液面状态进行了模拟与计算方法的比较。由于实验段的运行状态是系统主要关注点，在这一模拟中采用两相流模型，是为了通过三维结构模拟得到在运行条件下系统形成束流耦合界面的状态。从结果来看，回路流动水头损失和界面形成状态都实现了装置的预期目的：
液态金属篇3
【关键词】TiC陶瓷；晶粒尺寸；液态金属腐蚀
0 引言
碳化钛属面心立方结构，熔点在3000℃以上，具有良好的化学稳定性、耐高温和抗氧化能力，同时具有良好的导电及导热性[1-2]，所以碳化钛陶瓷较适合用作高温液态金属的坩埚材料。其中耐液态金属的腐蚀性是考察坩埚材料性能的最主要的指标之一。
本文利用热压烧结工艺，通过改变烧结温度和保温时间，使碳化钛形成不同晶粒尺寸的致密烧结体。利用金属铈作为腐蚀金属，研究了碳化钛的腐蚀类型、腐蚀形貌和影响因素，结果表明晶粒尺寸对碳化钛的耐腐蚀性影响最大。
1 试样的制备
以化学气相合成制备的高纯超细TiC为原料，原料纯度>99.5%。由于原材料的成分组成对材料的耐腐g性有较大影响，故在制备过程中采用单一TiC为原料，未加入烧结助剂。为了提高烧结体的致密度，采用热压烧结法制备。热压烧结的压力为20MPa，保温时间为1小时，烧结温度分别为2200℃（1#）、1900℃（2#）、1700℃（3#）。由于片状试样易于成型、内应力较小，同时易于在腐蚀时放置，所以我们把试样设计成片状，模具尺寸为30mm×25mm×9mm。试样烧结成型后，用金刚石高速切割机将试样切割，尺寸约为10mm×10mm×9mm。
2 样品的致密度和晶粒尺寸
对试样进行粗磨、细磨、抛光处理得到均匀平面，然后利用扫描电镜对平面拍照。利用照片中气孔的颜色与基体灰度不同得到基体的气孔率。测量结果分别为99.39%（1#）、98.17%（2#）和97.00%（3#）。
通过真空炉对试样进行热蚀，利用扫描电镜拍摄表面形貌***片，测量其晶粒尺寸。测得的晶粒尺寸分别为30微米（1#）、20微米（2#）和5微米（3#）。
3 耐液态金属腐蚀性
用金属铈作为腐蚀金属，试验温度在1400℃，采用真空炉加热。试验后用10%的稀盐酸溶解金属铈，直至测试试样全部溶出。用蒸馏水、酒精清洗试样表面，烘干，称重，计算失重。用作原位观察的试样采用氧化锆为坩埚，实验过程同上，试验后用切割机对铸锭进行对切，然后经镶嵌，磨光、抛光后用扫描电镜观察腐蚀侧剖面。
***1为不同腐蚀时间后，TiC与液态铈的腐蚀剖面***。***中亮色部分为金属铈，暗色部分为TiC基体，从***中可以看出，金属铈沿着TiC的晶界不断渗入基体内部，腐蚀4小时后，渗入深度已经超过30微米，腐蚀8小时后，渗透深度可达100微米，腐蚀12小时后，渗透可达130微米，并且随着腐蚀时间的延长，渗透程度也变大，当金属铈把整个晶粒完全渗透时，TiC晶粒便脱离基体，以单个晶粒的形式存在于液态铈中。TiC的腐蚀应属于晶间腐蚀并伴随物理剥落造成的。
通过查询《纯物质热化学手册》[3]，我们得到了上述反应中各物质的热力学参数，通过计算得到各反应式的ΔG在不同温度下的数值，在1000～1500K的温度范围内，两个反应ΔG都大于0，说明这两个反应在此温度范围内都不会自发进行。TiC的腐蚀反应温度为1400℃，约合1673K，由于没有该温度下的热力学数据可查，根据热力学曲线的斜率外推，该温度下的反应3.1的ΔG约为250kJ/mol，3.2的ΔG约为280kJ/mol，两反应的ΔG均大于0。因此，TiC与液态Ce在热力学上是可以稳定存在的。也同时从侧面证明了腐蚀过程中，TiC与液态Ce没有发生化学反应，腐蚀只是由于物理溶解和剥落造成的。
三种类型TiC经1400℃腐蚀后，1#TiC累计失重最小，经20小时的腐蚀后，失重仅有1%，在0～8h的腐蚀过程中，腐蚀速率约为0.1%/h，随后腐蚀速率大大降低，失重趋于平衡；2#TiC累计失重稍高于1#TiC，在腐蚀初期腐蚀速率与1#基本相同，8h后，腐蚀速率降低为0.05%/h；3#TiC腐蚀失重最大，20h累计失重达6%，并且其腐蚀速率基本维持在0.25%/h左右。1#和2#TiC的腐蚀速率在经过8小时腐蚀后有一个明显降低的过程，失重趋于平缓，此过程是由于液态金属的扩散控制的。这是由于处在腐蚀表面的晶粒尺寸较大，在腐蚀一段时间后，液态金属不能完全把晶粒包围，所以晶粒仍与基体结合紧密，这样在腐蚀表面层就形成了一层阻挡层，会大大降低液态金属渗透的速度。而3#TiC由于晶粒尺寸较小，小尺寸的晶粒会迅速被液态金属包围，并脱离基体，因此腐蚀以一定的速度均匀进行，腐蚀失重较多。
因此TiC的腐蚀速率与烧结体的晶粒尺寸关系密切，其影响主要有两个方面：（1）晶粒尺寸对液态金属渗入速率的影响，晶粒尺寸越小，由晶界形成的渗入通道越多，因此腐蚀速率越大；（2）晶粒尺寸对表面晶粒脱落的影响，当晶粒尺寸较小时，液态金属可快速包围晶粒，并使其脱离基体，而当晶粒尺寸较大时，晶粒脱落的难度变大，因此更易形成一层防护层，阻碍液态金属的浸入，减缓腐蚀的发生。
4 结论
本文通过对不同制备工艺的TiC陶瓷的耐液态铈的腐蚀性进行研究，分析了腐蚀形貌、腐蚀类型、腐蚀机理和影响因素，得出以下结论：
（1）根据计算，1400℃时TiC与液态铈的反应吉布斯自由能远大于零，说明两者之间在热力学上可以稳定存在，并且实验过程中并没有发生Ti元素的物质迁移，因此两者之间没有发生化学反应。
（2）从腐蚀形貌中观察，TiC与液态铈的腐蚀应属于晶间腐蚀，随着腐蚀时间的延长，液态金属沿着晶界形成的通道向基体内部扩散，腐蚀12小时后，渗透深度可达130微米。
（3）影响TiC腐蚀速率的关键因素为其晶粒尺寸，一方面，晶粒尺寸影响液态金属的渗透速率，晶粒尺寸越小，渗透速率越大；另一方面，晶粒尺寸影响晶粒的脱落几率，晶粒尺寸越小，腐蚀时晶粒越容易脱离基体，反之越不易脱落，而易形成一层防护层，阻碍液态金属的渗入，使腐蚀速率变成液态金属的扩散控制，大大降低了腐蚀速率。
【参考文献】
[1]杜挺.杜挺科技文集[M].冶金工业出版社，1997：608，681，824.
液态金属篇4
①1959年，美国加利福尼亚理工学院杜威兹教授等人用制造玻璃的方法，将高温金-硅合金熔体喷射到高速旋转的铜轴上，以每秒100万摄氏度的冷却速度快速冷却熔体，第一次制造出了不透亮的玻璃。当时的一位物理学家看到这种刚诞生的合金材料时，曾嘲讽的说这是一种“愚蠢的合金”。这种不透亮、看起来“愚蠢的”的东西，就是在材料科学领域开辟出一条新道路的“玻璃之王”--金属玻璃。
②金属玻璃形成的原理是什么呢?通常情况下，金属及合金在从液体凝固成固体时，原子总是从液体的混乱排列转变成整齐的排列，即成为晶体。但是，如果金属或合金的液体凝固速度非常快，原子来不及排列整齐便被冻结住了，最终的原子排列方式仍类似于液体，是混乱的，这就是非晶态合金。因为非晶态合金原子的混乱排列情况类似于玻璃，所以又被称为金属玻璃。
③那么在实际生产中金属玻璃又该如何获得?研究人员发现，单一的金属液体凝固形成非晶态所需的冷却速度要远远高于其它物质液体。例如，普通的玻璃液体只要慢慢冷却下来，得到的玻璃就是非晶态的;而单一的金属液体则需要每秒高达1亿摄氏度以上的冷却速度才能形成非晶态，这个速度是普通玻璃的无数倍。由于目前工艺水平的限制，实际生产中难以达到如此高的冷却速度，也就是说，单一的金属难以在生产上被制成非晶态的金属玻璃。但是，合金弥补了单一金属的缺憾。合金具有这样两个重要性质：第一，它的熔点远低于纯金属，例如，纯铁的熔点为1538℃，而铁硅硼合金的熔点一般在1200℃以下;第二，液体状态的合金原子更加难以移动，在冷却时更加难以整齐排列，也就是说，更容易被“冻结”成非晶体。这样，人们在实际生产中就将金属与其它物质混合形成合金后再来获得非晶态的金属玻璃。
④目前，金属玻璃已经得到了广泛地应用。因为它具有较强的韧性、刚性、优良的磁性、良好的化学稳定性等，人们赞扬它是“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。金属玻璃已被用于制造高档录音机、录像机的高耐磨音频视频磁头。因为具有良好的磁学性质，金属玻璃还被用于制造高压容器、火箭等重要部位的零部件。科学家们还预言，凭借其耐腐蚀、抗撞击、耐冷热的特性及优异的力学性能，金属玻璃在将来可能会成为航天、***事及民用领域的理想候选材料
玻璃之王问题
(1)下列对文本内容、说明顺序概括不正确的一项是______
A.第1段写金属玻璃的诞生史
B.第2，3段写金属玻璃的形成原理与制造关键
C.第4段金属玻璃与普通玻璃的区别
D.本文的说明顺序为逻辑顺序
(2)选文第三段画线语句运用了一些说明方法，下列哪一种没有运用到______
A.举例子B.打比方C.列数字D.作比较
(3)下列关于金属玻璃的形成，说法不正确的一项是______
A.与普通玻璃相比，金属玻璃形成的关键是液态冷却时的速度要求更高。
B.金属玻璃的最终原子排列方式，仍然是混乱无序的，与液态时相似。
C.单一的金属无法被制作成金属玻璃，只有合金才可以
D.液体状态下，合金的原子更难运动，冷却成金属玻璃时更难整齐排列
(4)关于金属玻璃与普通玻璃的比较，下列说法不准确的是______
A.金属玻璃与普通玻璃都是非晶体。
B.金属玻璃与普通玻璃的铸造方法相同
C.金属玻璃曾经因为不透亮被称为“愚蠢的合金”
D.金属玻璃的应用范围更广，已经涉及录音材料、高压容器和火箭、航天等领域。
答案：
6.(1)本题考查文章结构与说明顺序的判断.
说明文写作的结构往往很清晰，大多采用总分式或总分总式写作，每段都以中心句的形式提示主要内容.本文也是如此，结全我们对文章的阅读，可以看出本文按逻辑顺序对玻璃之王--金属玻璃进行具体的介绍.第①段写金属玻璃的诞生史;第②③段写金属玻璃的形成原理与制造关键;第④段写金属玻璃在生活中的广泛应用.
故选C.
(2)本题考查句子说明方法的判断.
“例如”可见用的是举例子的说明方法;将“普通的玻璃液体”与“单一的金属液体”比较，用了作比较的说明方法;“每秒高达一亿摄氏度”，用了列数字的说明方法.可见四个选项中没有用到的是打比方.故选B.
(3)本题考查内容的理解与分析.解答此题将四个选项的内容与文中相应内容进行仔细的比对，会发现不正确的是C.文中表述“单一的金属液体凝固形成非晶态所需的冷却速度要远远高于其它物质液体”，“单一的金属难以在生产上被制成非晶态的金属玻璃”，并非如选项中所说的“无法制成”.故选C.
(4)本题考查内容的理解与分析.从文中找出两种玻璃介绍的语句，进行比较分析，会发现不准确的是D.
文末句“金属玻璃在将来可能会成为航天、***事及民用领域的理想候选材料”，这只是科学家的预言，现在还没有实现.故选D.
答案：
(1)C
(2)B
(3)C
(4)D
本文按逻辑顺序对玻璃之王--金属玻璃进行具体的介绍.第①段写金属玻璃的诞生史;第②③段写金属玻璃的形成原理与制造关键;第④段写金属玻璃在生活中的广泛应用.
常见说明方法及作用：
①、举例子：通过举具体的事例对事物的特征/事理加以说明，从而使说明更具体，更有说服力.
②、列数字：用具体的数据对事物的特征/事理加以说明，使说明更准确更有说服力.
③、分类别：对事物的特征/事理分门别类加以说明，使说明更有条理性.
液态金属篇5
[关键词]机械加工；金属切削液；选用原则
中***分类号：TG501.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0132-01
一、金属切削液的分类和性能
金属切削液按其性质可分为水基切削液和油基切削液。其中水基切削液又分成全合成型和半合成型切削液。全合成型切削液一般是以纯净水为基础液，还含有稳定剂、***化剂、抗硬水剂、抗菌剂、防锈剂、剂、抗极压剂、消泡剂和香料等。半合成型切削液与全合成型的差别在于其中的剂以某些油类为主。油基型切削液与水基切削液的构成差别较大。其成分主要是基础油，其次是防锈剂、抗油雾剂、抗极压剂、抗氧化剂等。油基型切削液的使用效果很大程度上取决于基础油的类别和等级。一般来说，该类产品所使用基础油可分为三类。第一类为溶剂精制油；第二类为加氢精制油；第三类为加氢异构化油[2]。其中第二类油工艺性能较好。
二、金属切削液的应用与管理措施
（一）金属切削液的工艺作用
一是减摩作用减摩作用。也可称之为作用，指切削液在工件、切屑、刀具之间界面上的降摩擦能力，切削液必须能渗透到各个界面上，并在其中能形成强度较高的吸附性膜，从而降低工件、切屑及刀具间的摩擦，减少加工阻力。二是冷却作用。金属加工过程中，所消耗的功95-97%都转变成了切削热。其中，2/3转化成变形热，1/3转化成摩擦热。冷却作用就是在加工过程中切削液将工件和刀具的热量吸收转移的作用。三是冲洗作用。金属切削过程中，刀具碎末及金属碎屑随着加工的进行而不断产生，冲洗作用就是切削液净化加工界面的能力。意义在于延长刀具寿命并保证了加工质量。四是防锈作用。指切削液对完成加工的工件具有短期工序间防锈的作用。
（二）机械加工生产中金属切削液的应用与管理
1、遵循金属切削液的选用原则
遵循金属切削液的选用原则，即遵守工艺适用性原则。考虑运行成本原则，遵守安全性原则以及金属切削液的设备处理规则，注重金属切削液设备的选用。遵守工艺适用性原则，要求正确使用金属切削液，以发挥其在机械生产与加工中的作用。考虑运行成本原则，要根据实际情况核算成本费用。遵守安全性原则，要监测金属切削液的安全性能。金属切削液的设备处理规则，是根据具体情况使用单机供回系统和集中净化系统。选用金属切削液的设备时，要注重切屑类型相近的机床数量以及金属切削液处理设备的特点。
2、金属切削液处理设备的选用
如何选用金属切削液处理设备，需要从两方面考虑：①切屑类型相近的机床数量。②切削液处理设备的特点和工厂的产量。
第一，切屑类型相近的机床数量。同一车间切屑类型相近的机床数量超过5台时，可以考虑采用集中净化系统，如铣床、车床的加工都产生较大的片状切屑，可以归为一类；精磨床产生细小粉末状碎屑，可以归为另一类。切屑类型不同的C床不建议共用同一集中净化系统。
第二，切削液处理设备的特点和工厂的产量。工厂的产量直接影响到切削液处理系统的维护频率和切削液的使用寿命。加工中产生切削热及大量的碎屑。切削液受热后有效成分发生分解或氧化，单机供回系统上一般没有冷却设施而且容积小，这种变化尤其明显；碎屑进入切削液导致切削液的***化状态被破坏，清洗质量下降，槽箱内的沉积物逐渐增加，在加工负荷大时切削液的这种变化可以逐渐从色泽或气味上反映出来，如从清澈变浑浊或从单一的颜色变成混浊态。产量越大，切削液受到的影响越显著。如果工厂中80%的机床在满负荷运转的情况下都已经达到16小时/日或以上，就应考虑采用集中净化系统。一般来说，这时单机供回系统的不足已经抵销了设备投资低的优势。
3、金属切削液及处理设备的管理
第一，金属切削液的管理。水基切削液需要检测pH值、折光浓度及含菌量。无论是全合成还是半合成型水基切削液的正常pH值一般在8.5以上，为了准确的控制切削液的状态，需要使用电子pH计来检测切削液的pH，应每日进行一次。折光浓度可以采用折光仪来得出，每日检测一次。折光仪是基于折射定律设计的。在实际工作中有一个需关注的问题。切削液在使用超过两个星期后，内部往往混入了大量金属碎屑（对于精磨工艺尤甚），其中较轻的一部分悬浮在体系中，从宏观上看，切削液变“浓”了，其折光率因而也发生了变化，这就导致折光仪的读数无法反映有效成分的真实浓度。这时，仅通过折光仪来判定切削液的状态就不够可靠了，同时应注意切削液的pH及加工后工件的工序间防锈性能，如果二者出现明显下降，则要相应提高切削液的浓度。一般来说，单机供回系统中切削液的使用周期不应超过两个星期，集中净化系统中切削液的使用周期不应超过4个月。切削液寿命临近末期的特征是pH逐渐下降，以致无法控制，加工后的工件常在数小时内生锈。为了准确掌握切削液的状态，还应定期检测切削液中的微生物含量，微生物的繁殖是导致切削液失效的重要原因之一。可以采用德国舒美公司的微生物检测片，能在48小时内检出液体中的微生物含量。当微生物含量较高时，必须废弃切削液。如继续使用，微生物和菌类的迅速繁殖会导致加工质量劣化和零件生锈。
第二，油基切削液的管理。油基切削液一般需要检测粘度、油中颗粒物的含量和颗粒度，在加工流程中同时使用水基切削液和油基切削液时，一般还要通过Karl-Fischer实验检测油基切削液中的含水量。粘度检测是通过粘度仪实验来完成的，检测粘度的目的是为了判定油基切削液是否发生了氧化分解或其他方面的变化。该检测至少每两星期进行一次。油中颗粒物含量和颗粒度是通过真空抽滤法实现的，通过真空抽滤设备和高精度滤片可以将油液和一定尺寸的颗粒物实现分离，通过分析天平称重后可以得出单位油液中颗粒物的含量，如果再配合颗粒度分析仪，则可检出各种尺寸颗粒的相对比例。该检测对于精密加工尤其具有重要意义。Karl-Fis che r水分测定实验是通过Karl-Fis che r水分测定仪完成的，该实验的方法详见ASTM D1744。由于Karl-Fischer测定仪比较昂贵，该实验可以委托切削液供应商来进行，BP、壳牌等公司一般都备有这类设备代为客户进行检测。油基切削液只能通过管理良好的净化再生过程保持其品质，需要避免水、灰尘、杂质混入，对于洒落的油液，不可以回收再用，以免污染切削液处理设备中的油液。如果油液发生了明显的劣化，就只能淘汰换新。一般来说，在有效的管控下，集中净化设备中的油基切削液往往可以运行两年甚至更长时间而不发生变质劣化。
第三，金属切削液处理设备的管理。金属切削液处理设备的管理包括日常管理和定期维护两方面内容。日常管理工作一般有：①监控磁性分离装置的功能是否正常。②监控滤材状态并及时更新。③及时清空接渣、接布容器。④监控冷却装置的运行状态。油基切削液处理设备只需进行换液和清理工作，而且在管理状态良好的情况下，维护周期可以根据实际延长。
三、结语
综上所述，金属切削液具有减摩、冷却、清洗、防锈四大功能，在实践中需要从工艺适用性、运行成本和安全性等三个方面进行综合考虑，选择合适的品种。同时，需要遵循金属切削液的选用原则，并维护好金属切削液的设备管理，这样才能保证设备处于良好的状态，延长切削液的使用寿命。
液态金属篇6
关键词：发动机冷却液；β-pH曲线；缓冲范围；储备碱度；金属腐蚀倾向
中***分类号：TE626.32文献标识码：A
Application of β-pH Curve in the Evaluation of Engine Coolant
XU Yang， XU Xiao-peng， WANG Yu-xuan， LI Yan-hui
（China FAW Corporation Limited R&D Center， Changchun 130011， China）
Abstract：Buffering capacity and metal corrosion tendency of engine coolant were evaluated using reserve alkalinity， buffer area and the finish pH obtained through the β-pH curve. The β-pH curves of Organic Additive Technology （OAT）coolants and hybrid coolants were analyzed to get the characteristics of the buffering capacity and the metal corrosion tendency， and matters needing attention of using were proposed. The β-pH curves of 16 major engine coolant brands at home and abroad were inspected and analyzed， and the difference of buffering capacity and metal corrosion tendency between the domestic engine coolant and the foreign engine coolant was summarized.
Key words：engine coolant； β-pH curve； buffer area； reserve alkalinity； metal corrosion tendency
0引言
随着长寿命发动机冷却液的推出，发动机冷却液的金属腐蚀性和长期性能稳定性受到更多关注。现行的发动机冷却液实验室评定方法（参照GB 29743技术要求和试验方法）中，通常采用玻璃器皿腐蚀和储备碱度对发动机冷却液的长寿命进行评价。但在实际操作中，玻璃器皿腐蚀试验试验周期长、试验结果影响因素多等原因导致无法进行快速准确评定；储备碱度是对三乙醇胺、硼酸盐、磷酸盐等常见缓冲试剂[1]含量的表征，对于不含常见缓冲试剂的全有机型发动机冷却液可能失去了实际意义。
按照金属腐蚀热力学理论，每一种金属均存在其特有的Pourbaix***（电位-pH***）[2]，通过Pourbaix***，可以得到金属的腐蚀区与钝化区对应的腐蚀电位区间和溶液pH值范围，在不采取控制腐蚀电位的方法时，溶液pH值范围决定了金属的腐蚀倾向，当溶液的pH值位于钝化区内，金属腐蚀倾向较小，反之腐蚀倾向较大。
发动机冷却液在使用过程中因受自身酸化、酸性气体介入等因素影响，pH值不断下降，为减少金属腐蚀倾向，发动机冷却液需要必要的缓冲能力，以维持pH值在金属钝化区内。为考察发动机冷却液pH值变化情况，使用定量的盐酸模拟发动机冷却液酸化过程，参照分析化学中缓冲容量概念[3]，绘制“β-pH曲线”，计算发动机冷却液缓冲范围，结合储备碱度及加入定量盐酸后的终点pH值，评价发动机冷却液缓冲能力，通过对比Pourbaix***中金属钝化区pH值范围，对金属腐蚀情况进行预判。
1试验部分
1.1试验样品
50%乙二醇水溶液、22个国内外主流品牌发动机冷却液。
2试验讨论
2.150%乙二醇水溶液的缓冲能力
将50%乙二醇水溶液按照1.3配制试验液，记录pH滴定曲线，按照1.4数据处理方法绘制β-pH曲线，如***1、***2所示。
由***1、***2可知， 50%乙二醇水溶液经过稀释后，初始pH值在6.0以上，理论上可以通过滴定得到储备碱度，显然此时的储备碱度没有实际意义。由pH滴定曲线绘制得到的“β-pH曲线”表示50%乙二醇水溶液缓冲能力随pH值变化的情况，β越大，缓冲能力越强，pH值变化越小。当pH>3时，β≈0，此时50%乙二醇水溶液基本没有缓冲能力，pH值快速下降；当pH
综上所述，50%乙二醇水溶液没有缓冲能力，储备碱度没有实际意义；β-pH曲线可以直观表现50%乙二醇水溶液在酸化过程中缓冲能力变化情况，间接说明pH值变化的快慢程度；发动机冷却液酸化后能够达到的最小pH值为2～3。
2.2发动机冷却液β-pH曲线
2.2.1全有机型发动机冷却液β-pH曲线
选取添加剂相同牌号不同的-35号、-45号、-50号全有机型发动机冷却液作为试验样品，按照1.3、1.4进行试验及数据处理，绘制β-pH曲线，如***3所示。
***3全有机型发动机冷却液β-pH曲线
由***3可知，配方相同牌号不同的三个全有机型发动机冷却液有相近的β-pH曲线，冰点越低，相同pH值下的β越大。从β-pH曲线变化趋势来看，在发动机冷却液酸化过程中，β持续增大，pH值持续下降，从pH≈6开始，β随pH值减小而快速上升，pH值变化较小，加入10 mL盐酸后，试验液pH值在5附近，冰点越高，pH值越小。
计算3个发动机冷却液的储备碱度、弱碱性环境下的缓冲范围，并记录终点pH值，见表1。
表1全有机型发动机冷却液缓冲能力
发动机冷却液储备碱度（pH）/mL1）缓冲范围/pH终点pH值2）OAT-35号6.00（5.52）4.80OAT-45号7.43（5.48）5.06OAT-50号7.48（5.54）5.12注：1）储备碱度单位中的pH表示计算储备碱度时的pH值，下同。
2）终点pH值为加入10 mL盐酸后试验液pH值，下同。
结合***3、表1可知，试验样品均具有较高的储备碱度，但在弱碱性环境下没有缓冲范围。当发动机冷却液发生酸化，溶液中的pH值调节剂与产生的H+发生中和反应，但pH值调节剂不具备缓冲能力，pH值将随H+增多而快速下降，当pH值超出表2中由Pourbaix***得到的金属钝化态pH值范围后，金属腐蚀倾向将会增大。
表2金属钝化态pH值范围（25℃）
金属种类钝化态pH值范围铝4～8.5铜7～12.5铁8.5～12.5铅/焊锡7.5～9.5
由于***3中终点pH值没有达到2～3，说明全有机型发动机冷却液自身在弱酸性环境中体现一定缓冲作用，但弱酸性环境下铁的腐蚀倾向相对较大，长时间的弱酸性环境将使铁质发动机腐蚀成水锈，进入发动机冷却系统，提高发动机冷却液中铁离子浓度，引起其他金属的腐蚀。因此，在不采取必要的腐蚀防护技术和严格的发动机冷却液监测程序的情况下，全有机型发动机冷却液不适合在铁质发动机的冷却系统中使用。
由于全有机型发动机冷却液存在弱碱性环境下pH快速下降的特点，加入pH
2.2.2混合型发动机冷却液β-pH曲线
选取添加剂相同牌号不同的-25号、-35号、-45号重负荷混合型发动机冷却液作为试验样品，按照1.3、1.4进行试验及数据处理，绘制β-pH曲线，如***4所示。
由***4可知，配方相同牌号不同的三个重负荷混合型发动机冷却液有相近的β-pH曲线，冰点越低，相同pH值下的β越大。从曲线的变化趋势来看，在pH≈6.5～10时，β-pH曲线出现凸峰，并在pH=8.3附近存在极值，此阶段pH值变化非常缓慢；从pH≈6开始，β缓慢上升，pH值缓慢下降，加入定量盐酸后，pH值达到3～4，冰点越高，pH值越小。
计算3个发动机冷却液的储备碱度、弱碱性环境下的缓冲范围，并记录终点pH值，见表3。
表3重负荷混合型发动机冷却液缓冲能力
发动机冷却液储备碱度
（pH）/mL 缓冲范围/pH终点pH值HEC-2-256.80（5.53）6.82～9.793.41HEC-2-357.99（5.49）6.50～9.714.10HEC-2-458.38（5.53）6.65～9.964.34由***4、表3可得，试验样品储备碱度较高，在弱碱性环境下共有的缓冲范围为6.8～9.7，在pH≈83时，β为极值，此时发动机冷却液pH值保持时间长。与表2对比，pH=8.3时，所有金属均能达到钝化态，金属腐蚀倾向较小，该发动机冷却液理论上可以在较长时间内对金属进行保护。
***4中β在弱碱性环境下出现极值，终点pH值接近2～3，表明混合型发动机冷却液在弱碱性环境下具有很强的缓冲能力，但当缓冲试剂消耗完，β上升缓慢，相比于全有机型发动机冷却液的pH值下降较快，缓冲能力差。因此，混合型发动机冷却液更适合使用在弱碱性环境下，当发动机冷却液酸化加强，缓冲试剂消耗完，金属腐蚀倾向将迅速增大。
混合型发动机冷却液因具有缓冲剂，pH值在较长时间内变化较小，但随发动机冷却液不断酸化，当pH值超出该发动机冷却液缓冲范围时，pH值将迅速下降，金属腐蚀倾向明显增大。因此，当发动机冷却液发生蒸发或泄露时，可以补加蒸馏水，但过多的补加将使缓冲剂严重稀释，缓冲容量下降，应及时补加同品牌发动机冷却液。
2.2.3国外主流品牌发动机冷却液β-pH曲线
选取8个国外主流品牌发动机冷却液作为试验样品，按照1.3、1.4进行试验及数据处理，绘制β-pH曲线，如***5所示。
***5国外主流品牌发动机冷却液β-pH曲线
由***5可知，8个国外主流品牌发动机冷却液β-pH曲线呈现三种形式。A7发动机冷却液的β-pH曲线与混合型发动机冷却液（如***4）相似，A4、A8发动机冷却液的β-pH曲线与50%乙二醇水溶液（如***2）相似，其余5个国外主流品牌发动机冷却液的β-pH曲线与全有机型发动机冷却液（如***3）相似。
A7发动机冷却液的β-pH曲线在pH≈5.5～8.5时出现凸峰，在pH=6.8附近出现极值，从pH≈5.5开始，β随pH值减小而快速上升，表明A7添加了一定量的缓冲试剂，使发动机冷却液pH值可以长时间维持在6～8之间，为金属提供长时间的保护，但pH值超出缓冲剂的缓冲范围后，pH值快速下降，增大金属腐蚀风险。
A4、A8发动机冷却液在pH>5.5时，β≈0，在pH≈3.5～5.5时A4的β-pH曲线出现凸峰，在pH=4.5附近出现极值，发动机冷却液此时体现出一定的缓冲能力；A8发动机冷却液从pH≈5开始，β随pH值减小而快速上升，升高过程中没有凸峰。A4、A8发动机冷却液在加入10 mL盐酸溶液后，终点pH值达到2～3之间，与***2比对可知，此时发动机冷却液已无抵抗酸化的能力，金属腐蚀倾向很大。
其余5个发动机冷却液在pH>6时，β较小，发动机冷却液缓冲能力体现不明显，从pH≈6开始，β随pH值减小而快速上升，但上升程度Δβ不同，如A3终点pH≈5，Δβ=0.08 mol/L・pH，A6终点pH≈4.5，Δβ=0.04 mol/L・pH， 发动机冷却液体现出不同的缓冲能力。由于终点pH值没有达到2～3之间，发动机冷却液中还有抵抗酸化的物质，但此时pH值过低，金属腐蚀倾向增大。
试验中发现，A1、A2发动机冷却液在接近终点时出现混浊，添加剂少量析出，如***6所示。析出的添加剂为弱酸性，短时间内增大了复合玻璃电极表面电极膜H+含量，pH值出现快速下降，表现为β下降，随着搅拌的继续，析出的添加剂分散到溶液中，pH值波动变小，β再次上升，在β-pH曲线上表现为出现凸峰。
计算8个发动机冷却液的储备碱度、弱碱性环境下的缓冲范围，并记录终点pH值，见表4。
由表4，国外主流品牌发动机冷却液的储备碱度普遍较小；除A4、A7发动机冷却液外，没有明显的缓冲范围，而A4的缓冲范围在酸性区域，对金属腐蚀保护较弱；除A4、A7发动机冷却液外，加入10 mL盐酸后终点pH值在4～5之间。从储备碱度、缓冲范围和终点pH值三方面来评价，A7发动机冷却液具有较好缓冲能力，理论上能够对金属起到长期的腐蚀防护作用。
2.2.4国内主流品牌发动机冷却液β-pH曲线
选取8个国内主流品牌发动机冷却液作为试验样品，按照1.3、1.4进行试验及数据处理，绘制β-pH曲线，如***7所示。
由***7可知，8个国内主流品牌发动机冷却液β-pH曲线呈现三种形式。B5发动机冷却液β-pH曲线类似于全有型发动机冷却液（如***3），B3、B4发动机冷却液β-pH曲线类似于50%乙二醇水溶液（如***2），其余5个发动机冷却液的β-pH曲线与混合型发动机冷却液（如***4）相似。
B5发动机冷却液为全有机型发动机冷却液，在pH>6时，β≈0，发动机冷却液在弱碱性条件下无明显缓冲作用；在pH=5.5时，有大量添加剂析出，静置后出现白色沉淀，如***8（c）所示，在β-pH曲线上体现为β出现突跃；终点pH值约为4.5，表明此发动机冷却液中的添加剂在弱酸性条件下能够抵御pH值快速波动，但此时的缓冲作用对金属腐蚀防护作用很小。
B3、B4发动机冷却液的β-pH曲线存在两个凸峰，分别在pH=7.0～9.5与pH=4.0～5.0，在pH=8.2附近与pH=4.5附近出现极值，弱碱性环境下形成的凸峰为缓冲剂作用结果，弱酸性环境下的凸峰为添加剂析出产生的结果（如***8（a）、（b）所示）；终点pH值达到2～3之间，此时发动机冷却液没有缓冲能力。从B3、B4发动机冷却液的β-pH曲线来看，凸峰出现的位置基本相同，终点pH值基本相同，可以初步认为两个发动机冷却液使用相同的缓冲剂体系。
其余5个发动机冷却液的β-pH曲线与***4相似，但缓冲范围不同。在pH=7.0～9.5时，β-pH曲线有凸峰，在pH=8.2附近出现极值，由于缓冲剂加入量不同，凸峰高度不同，终点pH值不同，如B6发动机冷却液的峰值最大（β=0.0234 mol/L・pH），终点pH值为5.22，B1发动机冷却液峰值最小（β=0.00394 mol/L・pH），终点pH值为3.99。
计算8个发动机冷却液的储备碱度、弱碱性环境下的缓冲范围，并记录终点pH值，见表5。
由表5可得，国内主流品牌发动机冷却液的储备碱度普遍较大，B6发动机冷却液以其高储备碱度、适宜的缓冲范围、较高的终点pH值，表现出非常好的缓冲能力，发动机冷却液在长时间内对金属腐蚀倾向小。
对比表4与表5，从储备碱度来看，国外主流品牌发动机冷却液普遍小于国内主流品牌发动机冷却液；从缓冲范围来看，国外主流品牌发动机冷却液普遍没有缓冲范围，国内主流品牌发动机冷却液缓冲范围通常为pH=7～9；从终点pH值来看，国外主流品牌发动机冷却液普遍为4～5，国内主流品牌发动机冷却液通常为3～5。
国外主流品牌发动机冷却液中，A7发动机冷却液具有较高的储备碱度和适宜的缓冲范围，可以满足发动机冷却液较长时间的使用寿命，而在国内主流品牌发动机冷却液中，B6发动机冷却液具有更高的储备碱度，缓冲范围在偏碱性区域，更有利于对金属腐蚀的防护，缓冲能力与金属腐蚀防护能力优于A7发动机冷却液。
3结论
通过分析发动机冷却液储备碱度与β-pH曲线，得到以下结论：
（1）“储备碱度”概念存在局限性，对于全有机型发动机冷却液可能失去实际意义。
（2）使用10 mL盐酸模拟乙二醇水溶液的酸化过程，发动机冷却液pH值最小为2～3。
（3）储备碱度与β-pH曲线相结合，可以更全面的表征发动机冷却液缓冲能力，通过对比缓冲范围与金属钝化态pH值范围可以对金属腐蚀倾向进行预判。
（4）全有机型发动机冷却液使用过程中，需要严格控制发动机冷却系统密封性。出现发动机冷却液泄露时，不能添加蒸馏水，要整体更换发动机冷却液。
（5）混合型发动机冷却液使用过程中，如遇到发动机冷却液泄露或蒸发，可以采用补加蒸馏水的方式暂时解决，但当发动机冷却液pH值超过其缓冲范围时，应及时更换。
（6）大部分国外主流品牌发动机冷却液储备碱度较低，没有缓冲范围，终点pH值在4～5之间，β-pH曲线类似于全有机型发动机冷却液。
（7）大部分国内主流品牌发动机冷却液储备碱度较高，缓冲范围在7～9之间，终点pH值为3～5，β-pH曲线类似于混合型发动机冷却液。
4研究展望
发动机冷却液缓冲范围虽然一定程度上预测了金属腐蚀倾向，但缓蚀剂的加入会改变金属腐蚀热力学相***，金属钝化态的pH值范围发生变化，仅从储备碱度和β-pH曲线无法得到相关信息。因此，对于金属腐蚀倾向的预判还需要进一步考察缓蚀剂对于金属钝化态pH值范围的影响，结合长时间的腐蚀试验结果得到准确的结论。
参考文献：
[1] ASTM D1121-98 Standard Test Method for Reserve Alkalinity of Engine Coolants and Antirusts[S].
液态金属篇7
关键词：金属基复合材料；网状陶瓷增强体；润湿性；泡沫陶瓷；铸造方法 文献标识码：A
中***分类号：TB331 文章编号：1009-2374（2015）23-0070-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.23.036
网状陶瓷增强金属基复合材料的制备是采用铸造方法，以金属作为基体，以网络结构陶瓷骨架作为增强相，将金属液浇注到网络陶瓷的孔隙内部形成复合材料。此法制备的复合材料具有高耐磨性、高耐蚀性、高强度和高硬度等特点，是研究新型复合材料的一个新突破点。
1 研究现状
国内对网状陶瓷增强金属基复合材料的研究主要集中在Al和Mg等轻金属方面，而对钢铁等重金属的研究较少。耿浩然等制备了Si3N4网络结构陶瓷预制体骨架，然后利用无压浸渗理论制备出Si3N4/Mg复合材料、Si3N4/Al复合材料和Al2O3/Mg复合材料。以上网状陶瓷增强金属基复合材料的研究仅限于轻金属。邢宏伟等用挤压铸造法制备了三维网络SiC/铜合金基复合材料，结果发现，骨架孔径的减小有细化晶粒、减轻偏析和抑制铅的偏聚等作用。骨架的存在使锡均匀分散于复合材料网孔边缘SiC骨架表层附近的微小区域。张友寿等通过铸造法使金属液渗入粗颗粒陶瓷预制体间隙来获得金属陶瓷复合材料，但是对陶瓷颗粒的尺寸要求极为严格。李祖来等利用V-EPC法以陶瓷WC颗粒作为增强体，使用高碳铬铁粉末来调节WC颗粒的体积分数，制备出了表面质量好、尺寸精度高、耐磨性能高的表面复合材料。
由于连续网状陶瓷增强金属基复合材料的研究目前还处于起步阶段，国内外的相关报道比较少，如何将二者结合制成复合材料，开发具有良好的强韧性能和高的抗磨损性能的新型金属基复合材料是我们下一步工作研究的重点。
2 网状陶瓷的性能要求
作为金属基复合材料增强体的网状陶瓷预制体必须具有以下特点：陶瓷通孔率要高、强度要高、与金属基体要有良好的润湿性。
只有满足上述要求的泡沫陶瓷预制体才能用于金属基复合材料的制备。因此通常采用有机泡沫浸渍方法制备网状泡沫陶瓷该工艺，这是因为此制备方法工艺简单、成本低，而制得的泡沫陶瓷具有高气孔率和高通
孔率。
3 网状陶瓷增强金属基复合材料的制备方法
3.1 挤压铸造法
挤压铸造法是将一定量的液态金属直接浇入敞开的金属型型腔内，在一定时间内凸型以一定的压力和速度作用于液态金属上，使熔融或半熔融态的金属塑性流动和凝固结晶成形的加工过程。其优点是工艺简单、金属液易于填充到陶瓷网络内部、易于成型、成本低、复合材料性能好。
3.2 负压实型铸造法
此方法也叫消失模铸造法。即采用聚苯乙烯泡沫材料（EPC）把增强体网络陶瓷表面包围后，刷上涂料，晾干后待用。然后将模型埋入干砂中，震实后在负压状态下浇铸的一种新工艺，它可以获得精度高、质量好的铸件。这是因为浇铸过程中有负压的存在，保证了聚苯乙烯泡沫在真空下气化，使其在高温下气化产生的气体及时排放出去，避免了聚苯乙烯泡沫在铸渗工艺中产生的气孔和夹渣等缺陷，不仅显著改善了铸渗层的质量，而且提高了复合材料的结合强度。
4 影响复合材料制备工艺的因素
4.1 金属浇注温度
金属液最佳浇铸温度应高于液相线温度50℃左右。若过低的浇注温度会使金属液迅速降温、凝固，渗透能力变差，不能顺利进入陶瓷孔内，严重影响液态金属的充型和补缩。浇铸温度过高将导致金属熔液严重氧化，在陶瓷骨架内出现缩孔或疏松的缺陷，以至无法形成良好的复合材料。
4.2 铸造成型压力
金属液与网络陶瓷复合时，必须选择适宜的铸造压力。若铸造压力过小，则会出现渗透能力不足的现象，不能使金属液顺利填充到陶瓷网络的每个边角处；若铸造压力过大，金属液的渗透能力就增强，易出现黏砂的缺陷。另外，虽然在模样表面涂有涂料以防止黏砂，但如果负压过大，易使涂料脱落，导致铸件黏砂现象，因次必须选择合适的负压。
4.3 陶瓷孔径
由于钢液浇铸温度较高，所以对泡沫陶瓷的强度要求也高，避免浇铸过程中发生坍塌现象。对于制备的泡沫陶瓷，如果盲孔太多，所得开放连通孔隙率也不足以满足浸渍足够多的金属以制备金属基复合材料的需要。一般来说，为满足随后浸渍成金属基复合材料，要求连通孔率在80%～90%。如果孔隙率较小，金属液来不及扩散到陶瓷孔内部就凝固，得不到组织均匀的复合材料。
4.4 界面润湿性
界面是复合材料中普遍存在且非常重要的组成部分，是影响复合材料行为的关键因素之一。金属基复合材料性能的高低取决于基体和增强体之间的界面结合情况。在网状陶瓷增强的金属基复合材料中，基体和增强体都是承载体，要求强界面结合以充分发挥陶瓷的增强效果。
当前改善金属陶瓷界面润湿性的方法有很多种，常用的简要叙述如下：
4.4.1 添加合金元素。在复合材料中加入Li、Mg、Ca等与氧亲和力高的合金元素，可以明显提高金属液体与陶瓷增强相的润湿性。添加的合金元素起到两个作用：一是降低金属液和陶瓷增强体之间的表面张力；二是可发生有利的界面反应以增加润湿性。
4.4.2 化学镀铜。采用涂装工艺，将网络陶瓷表面电镀一层铜金属以增加陶瓷与金属基体的润湿性。陶瓷表面铜镀层可以提高固体的表面能，用新形成的金属/陶瓷界面代替原来结合性较差的界面，可以提高润湿性，增强界面结合强度。化学镀铜层的厚度也会对复合材料的性能产生一定的影响，因此对镀层厚度应控制在2～4μm。
此外，超声波清洗、对固体陶瓷进行加热处理、固体陶瓷表面覆膜等也是改善增强体与金属液润湿性的有效措施。
5 应用及展望
陶瓷增强金属基复合材料的耐磨性、耐高温性较强，而比弹性模量较低、零件重量较大，因此在耐磨材料、高温合金及工具材料等方面得到广泛的应用。而具有三维空间网络拓扑结构复合材料自身的优越性，使得具备优良高温性能、环保节能、高耐磨性、高强度的三维网络陶瓷增强金属基复合材料必将成为未来的发展
趋势。
参考文献
[1] 尧***平，王薇薇.网络陶瓷增强铝基复合材料的摩擦磨损特性[J].南昌航空工业学院学报（自然科学版），2002，16（2）.
[2] 董盼，汤涛，汤文明，等.双连续相SiC/Al复合材料压渗工艺初探[J].合肥工业大学学报，2001，24（2）.
[3] 耿浩然，王守仁，崔峰，等.网络结构陶瓷增强金属基复合材料的制备[J].济南大学学报，2005，19（2）.
[4] 邢宏伟，曹小明，胡宛平，等.三维网络SiC/Cu金属基复合材料的凝固显微组织[J].材料研究学报，2004，18（6）.
[5] 张友寿，夏露，黄晋.金属液渗流法制造铸铁/陶瓷复合材料的研究[J].Hot Working Technology，2005，（12）.
[6] 邢宏伟，曹小明，胡宛平，等.三维网络SiC/Cu金属基复合材料的凝固显微组织[J].材料研究学报，2004，18（6）.
液态金属篇8
1.1镁合金溶于水环境中的镁与水发生电化学反应，产生氢氧化镁和氢气。虽然整体腐蚀镁合金的反应还没有被系统研究。但是，这对整体镁合金的腐蚀反应进行了合理的预期，并揭示了腐蚀过程。这个模型也可以使用描述其他镁合金的腐蚀过程。
1.2铁合金不同于镁合金发生的析氢反应，铁合金的腐蚀是发生在水环境中的腐蚀氧化。基于的沉浸在溶液中铁的测试结果，降解机理是在碱性条件和氧环境下一些二价铁转化为三价铁。由于溶液是在存在氯离子的暴露的空气中，并会形成一部分磁铁矿。
二、腐蚀试验系统
2.1电解质溶液的选择通过实验获得腐蚀数据显示，影响腐蚀最重要的因素是电解质溶液体系。在过去的十年来，用电解质溶液解决各种方案系统。解决方案的主要类型包括：0.9%氯化钠水溶液解，SBF（模拟体液），PBS（磷酸盐缓冲液），DMEM等。以镁合金为例，腐蚀电流密度在0.9%氯化钠水溶液中的解决方案在不同的数量级测试下，结果可能有很大的差距。所以电解质溶液的某些化学成分是必不可少的度量因素。无机盐、氨基酸对降解纯镁测试系统产生影响。用于浸渍试验的溶液的类型：等离子体，氯化钠，氯化钠，碳酸氢钠。结果表明，蛋白质吸附在镁盘表面对镁溶出度的延迟具有显著的效果。这是由于对蛋白质的吸附，使得不溶性盐层更加密集或更有效的作为一个屏障腐蚀。但是氨基酸和某些有机金属化合物可以形成一个金属阳离子复合物加速金属溶解。开路电位朝着更积极的价位显著变化，不能提供足够的保护，SBF趋于延缓局部腐蚀。此外，氯化物表面上的离子可以将形成的氧化镁转化为可溶性氯化镁，可以提高局部腐蚀，稳定腐蚀产品。研究PH值对腐蚀的影响发现，高PH溶液中，镁腐蚀速率是正常速率的两倍。高PH值加速了磷酸盐的沉淀碳酸酯，也稳定氧化镁。纯镁在硼酸缓冲溶液中的性质也说明PH值会影响稳定性。总之，通过研究影响镁合金的腐蚀机理，得出结论：无机离子和有机物组件有一个显着的影响金属合金的降解过程必须谨慎选择解决方案。
2.2表面粗糙度的影响喷砂、涂层或氧化，都是有意向性改变对金属材料的处理，适用于各种表面处理，以提高生物材料的腐蚀性能。但表面粗糙度对腐蚀的影响属性通常被忽略。磨削工艺不同与表面粗糙度会影响材料腐蚀速率。机械抛光表面处理，电解抛光和采摘将提高他们的耐腐蚀性，表面粗糙提高腐蚀速率。并且，腐蚀速率通常随时间增加。因此，需要随时间的变化而改变浸泡时间。不同时间的数据不能比较。腐蚀速率是质量变化的原表面接触到的腐蚀性媒体。这种评价方法很简单，但具体操作是不同的。考虑浸泡后腐蚀产物的去除也是很重要的，一些研究人员只是删除样本溶液，用蒸馏水漂洗，然后称量样品。而科学家清洁样品的化学物质是用180g/L铬酸去除腐蚀产物。
2.3电化学测试电化学测试是一种对腐蚀性能进行评估的既方便又容易的方法。通过三电极系统测量OCP（开路电位），极化曲线和交流阻抗（电化学阻抗谱）。以下是一些影响腐蚀结果的方面。研究人员为其所采用的动电位极化测量是最流行的方法，该方法比较方便，但参数的选择可以带来巨大差异。其中，最重要的参数之一是扫描率。当扫描速度低时，电极系统处在稳态近似状态，随着扫描速度的增加引起零电流电位转移到更负值。在这种状态下，电子转移的速度与电子消费量相等。因此，可以得到一个准确的零电流电位。随着扫描速度的增加，稳定状态系统扰，电子转移的反应速度比电子在阴极上的消耗要大，从而导致电子的积累。此外，较慢的扫描速度，会使电流密度越清晰，成像越快。因此，扫描速率动电位极化测量应足够慢，测试时间应足够短。频率范围有对光谱也具有重要影响。如果电极系统足够稳定，频率应足够低会使测量时间更长。如果电极系统是主动的，表面特性在长时间测试中会改变。频率应该足够高，以确保短时间测试。因此，为了减少时间和潜在的噪音干扰，在100千赫位置设置上限频率。
2.4浸泡试验浸泡试验也是一种可生物降解的腐蚀性能评价金属材料的常用的方法。根据医学仪器的生物评价和实验室浸泡腐蚀的标准实施规程进行金属测试，通过一系列的方法分析被测材料降解腐蚀产物的化学溶液。国际标准组织指示测试单元应紧密关闭以防止蒸发，并且在37°C的温度下保存7天，再进行分析。影响结果的因素包括溶液体积比与试样表面积（体积/体积）流量，浸泡时间和评价腐蚀速率的方法。根据浸渍溶液的状态，试验分为静态浸泡和动态浸泡。在静态浸泡试验中，样品浸泡在溶液中，而在动态浸泡试验中，该溶液流动。大多数报告采用静态浸泡试验评价腐蚀性能金属材料，但有一些结果研究发现：溶液的流动通过减少沉积腐蚀产物加速腐蚀过程，剪切应力的振幅对腐蚀过程有强烈的影响。当这个压力很低，它保护表面不受局限腐蚀。然而，当它高时，除了高均匀腐蚀，也会存在局部腐蚀的发生。
2.5腐蚀速率的评价方法通常运用以下方法来评价腐蚀速率金属材料的质量损失，分别为氢的氧化，离子释放浓度和电化学腐蚀电流。质量损耗/增益质量是评价试样腐蚀速率浸泡试验前后的质量变化的方法。样品浸入在腐蚀介质中一段时间，之后试样被拆除，质量变化测量。
三、结束语
液态金属篇9
【关键词】铜；吸附吸收机制；草酸洗液；三角褐指藻
1.前言
近年来，含Cu等重金属的工农业废水、城市生活污水以及采矿废水等向水体大量排放，使水体环境中Cu含量显著增加[1，2]。Cu对生物体扮演双重角色，低浓度时参与新陈代谢反应[2]，但超过一定的阈值则对生物体有毒性作用[3]。除了用总溶解态Cu来指示其对生物的影响外，Cu在水体中的存在形态也是很重要的指标：溶解态Cu大部分以络合态的形式存在，游离态Cu2+在水体中含量很少，当被吸收至细胞内时，会影响生物的生长生理代谢[4]。先前有很多针对水体中高浓度Cu与藻相互作用的报导[5，6]，但对于微量Cu2+的存在条件下，藻细胞如何吸收Cu的研究较少。目前用于研究生物吸收吸附金属的方法尚有不足，因此需要建立一种新的方法来做更深入的探索。
三角褐指藻（Phaeodactylum triconutum）属于硅藻门，羽纹纲，褐指藻目，褐指藻属。近岸水体发生藻华时，硅藻常常是优势种，而三角褐指藻的分布范围较广且易于在实验室内进行培养，因此常被用来作为海洋浮游生物毒性测试的实验材料。本文用添加了不同浓度Cu的培养基对三角褐指藻进行培养，利用草酸洗液清洗的技术高效分离出细胞内态的Cu和细胞壁上吸附的Cu，对藻细胞吸附吸收Cu的机制进行探讨。
2. 材料与方法
2.1 实验材料
三角褐指藻 （Phaeodactylum triconutum Bohlin），strain CCMA 106，于2004年在南海中分离，由厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室的海洋微型生物保种中心获取。培养基由过滤后的南海表层海水（Seats站：116°E， 18°N）添加Aquil溶液[7]制得。藻在正式应用于实验之前，培养20个世代，温度维持于20 ± 0.5 ℃，用冷白色荧光灯管照明，光强为140 ?mol photons.m-2.s-1，光暗周期比是12∶12 h。添加生长良好的指数生长期的藻液于培养基内进行培养。
2.2 实验方法
2.2.1 培养
实验所用培养液与器皿均经高温灭菌消毒。实验采用Nalgene 4L圆柱形瓶，在GXZ智能型光照培养箱（宁波江南制造厂，中国）内20℃恒温培养，光照强度为140 μmol・m-2・s-1，光暗周期比为12∶12 h。培养基中加入CuSO4的浓度依次为：0 μmol・L-1， 0.25 μmol・L-1， 0.5 μmol・L-1， 1.0 μmol・L-1， 2.0 μmol・L-1， 4.0 μmol・L-1， 8.0 μmol・L-1， 16.0 μmol・L-1，每个浓度设3个平行样。在上述的浓度下，三角褐指藻的初始接种密度为85000 cells・mL-1，经过72h的培养后取样处理测定。
2.2.2 细胞内金属以及细胞吸附态金属的区分和测定
实验采用Tovar-Sanchez等在2003年报导的使用草酸洗液清洗藻细胞的方法来区分细胞壁上吸附的以及细胞内的Cu[8]。该方法的原理为：细胞壁上吸附有铁氧化物，Cu等金属会吸附在这些铁氧化物上，当添加草酸洗液时，其主要成分草酸溶液会和细胞壁上的铁氧化物发生氧化还原反应，进而洗去吸附在细胞壁上的金属。同时草酸洗液中也添加了EDTA以及柠檬酸盐等具有螯合性的试剂，提高了去除吸附态金属的效率。该方法可以去除97%的吸附态金属，且不会导致细胞裂解。草酸洗液还具有稳定性强，便于在实验室中操作的特点，因此可以用来高效的区分细胞内部以及细胞壁上吸附的金属。
培养72 h后，将样品拿至100级的洁净室内，用量筒取100 mL藻液，经过0.45 μm聚丙烯膜过滤。将滤膜放置于消解罐中，加入1.5 mL 浓HCl和0.5 mL浓HNO3，放置于配套的钢套中，于烘箱内170 ℃加热8 h。蒸干消解液，用3 mL 2% HNO3再溶解，最后用ICP-MS （Agilent 7700） 测定得总态Cu的含量Cutotal。
另取100 mL藻液，经过0.45 μm聚丙烯膜过滤后，向滤膜上加入5 mL草酸洗液，在过滤器内部保持真空的状态下，使草酸洗液在滤膜上停留5 min，滤去滤膜上的液体以除去吸附于藻细胞壁上的金属。用同样的消解程序消解滤膜并测定得细胞内态Cu的含量Cuintracellular。
细胞吸附态Cu为测得的总态Cu与细胞内态Cu的差值：Cuadsorbed=Cutotal - Cuintracellular 。
为了减少实验分析中可能带来的污染，处理金属样品中所用到的滤膜、滤器、消解罐等实验材料均经过严格的清洗程序，酸用亚沸蒸馏系统纯化处理。
3. 结果与讨论
实验数据采用Excel 2003，Origin 6.0以及MINEQL+ 4.6软件进行处理分析。
3.1 藻的生长、生理参数变化
实验结果显示，Cu浓度的增加对三角褐指藻生长有略微促进作用（μ： 0.53-0.74），而对生理活动有毒性作用（Fv/Fm： 0.55-0.51； ETRmax： 70.58-57.68， 未发表数据），即会促进三角褐指藻的生长但对生理活动有毒性作用。
3.2 培养基中游离态Cu2+浓度的计算
重金属的存在形态直接影响着它的迁移转化以及生物对金属的利用。前人研究发现：若溶液中存在EDTA，则大部分Cu被EDTA络合而存在于溶液中，真正对生物起作用的是Cu2+，且浓度很低[9]；铜对藻类的毒性也会由于有机试剂和溶解有机碳的络合作用而降低[10]，主要是由Cu2+、CuOH+、Cu（OH）2（aq）引起[11]。
为了得到我们培养条件下Cu2+浓度，结合海水中常量离子的浓度，利用MINEQL+ 4.6软件进行计算，结果如表1所示。当CuSO4加入量是0 μmol/L时，溶液中Cu2+的含量为0.02 nmol/L，即Aquil培养基中所含的Cu的背景值。我们用数据证实了，即使培养基中添加大量Cu （0-16 μmol/L）时，由于EDTA的存在，游离Cu2+浓度却很低（0.02-26.3 nmol/L）。因此，在野外实际调查和进行环境监测时，不能只关注总溶解态Cu的浓度，还应该结合有机物的浓度来判断Cu对浮游植物的影响。
吸附态和细胞内态铜的含量
3.3 Cu2+浓度变化对藻细胞吸附和吸收Cu的影响
如***1所示，随着溶液内Cu2+浓度的变化，细胞壁上吸附的和细胞内的Cu都有升高趋势，且大部分吸附在细胞壁上，进入细胞内部的量较少，体现了生物的自我保护机制。王宪等人[12]认为藻类吸附吸收金属离子分为两步，第一步与代谢无关，通过配位、螯合或离子交换等作用中的一种或几种将金属离子快速的吸附至细胞表面；第二步：金属被送至细胞内，该过程进行得较慢。为了更确切的了解藻细胞吸附吸收Cu的过程，本文对得到的结果进行模拟，得到细胞吸附吸收Cu的方程。
假设藻细胞吸收Cu为一级反应，则：
细胞壁吸附Cu的过程可表示为：
d[Cuaq]/dt= -k1[Cuad] （1）
细胞吸收Cu至细胞内部的过程可表示为：
d[Cuaq]/dt= -k2[Cuab] （2）
溶液中Cu2+浓度变化为：
d[Cu2+]/dt= -k3[Cu2+] （3）
其中：Cuaq―溶液中Cu的量；Cuad―细胞壁吸附Cu的量；Cuab―吸收到细胞内部Cu的量。k1―细胞壁吸附Cu的速率，k2―吸收至细胞内部Cu的速率，k3―溶液中Cu2+变化的速率，t为培养时间。
解微分方程得：
细胞壁吸附Cu的过程：
[Cuad]=exp [K1 ln[Cu2+]+C1] K1=k1/k3 （4）
细胞吸收Cu的过程：
[Cuab]=exp [K2 ln[Cu2+]+C2] K2=k2/k3 （5）
K1，K2为相对吸收速率，若K=1，则吸附或吸收Cu的速率与溶液中Cu2+变化的速率相同；K>1则曲线为凹形；K
通过origin 6.0软件非线性拟合得到：
细胞壁吸附Cu的过程：
yad=exp（0.58*ln（x） - 0.22） R2=0.97 （6）
细胞吸收Cu的过程：
yab=exp（0.57*ln（x） - 1.68） R2=0.94 （7）
由K1=0.58，K2=0.57可得，Cu被吸附到细胞壁上以及被吸收到细胞内部的速率均小于溶液中Cu2+浓度变化的速率，且吸附到细胞壁上的速率略大于从细胞壁吸收到细胞内的速率，也体现了生物的自我保护机制。
4.结论
即使培养基中加入了高浓度的Cu，由于EDTA等络合物的存在，真正对生物有影响的游离态Cu2+浓度很低；大部分的Cu吸附在细胞壁上，进入细胞内部的Cu量很少，体现了生物的自我保护机制；通过高效分离并测定细胞壁吸附态Cu以及细胞内部Cu的量，据此模拟并给出了吸附以及吸收方程，对进一步探讨细胞壁吸附Cu以及细胞吸收Cu的机理有重大意义。
致谢
感谢Kumar对藻的培养以及生物参数的测定；感谢高坤山老师组师兄师姐对疑问的解答，在此一并致谢。
参考文献：
[1] Ma M， Zhu W Z， Wang Z J， Witkamp G. Accumulation， assimilation and growth inhibition of copper on freshwater alga （Scenedesmus subspicatus 86.81SAG） in the presence of EDTA and fulvic acid [J]. Aquatic Toxicology， 2003， 63： 221-228.
[2] Andrade L R， Farina M， Filho A M G. Effects of copper on Enteromorpha flexuosa （Chlorophyta） in vitro [J]. Ecotoxicology Environmental Safe， 2004， 58： 117-125.
[3] Dewez D， Geoffroy L， Vernet G， et al. Determination of photosynthetic and enzymatic biomarkers sensitivity used to evaluate toxic effects of copper and fludioxonil in alga Scenedesmus obliquus [J]. Aquatic Toxicology， 2005， 74：150-159.
[4] Stauber J L， Davies C M. Use and limitations of microbial bioassays for assessing copper bioavailability in the aquatic environment [J]. Environmental Reviews， 2000， 8， 255-301.
[5] Cid A， Herrero C， Torres E， Abalde J. Copper toxicity on the marine microalga Phaeodactylum tricornutum： effects on photosynthesis and related parameters [J]. Aquatic Toxicology， 1995， 31：165-174.
[6] Malik A. Metal bioremediation through growing cells [J]. Environment International， 2004， 30：261-278.
[7] Morel F M M， Rueter J G， Anderson D M， and Guillard R R L. Aquil： A chemically defined phytoplankton culture medium for trace metal studies [J]. Journal of Phycology， 1979， 15：135-141.
[8] Tovar-Sanchez A， Sanudo-Wilhelmy S A， Garcia-Vargas M， Weaver R S， Popels L C， Hutchins D A. A trace metal clean reagent to remove surface-bound iron from marine phytoplankton [J]. Marine Chemistry， 2003， 82 （1-2）： 91-99.
[9] Rama Rao S V. Effect of metal chelation on the toxicity of some environmentally hazardous trace metals to Daphnia magna [J]. International Journal of Environmental Studies， 1985， 26（1-2）： 87- 90.
[10] Sunda W G， Lewis J A M. Effect of complexation by natural organic ligands on the toxicity of copper to a unicellular alga， Monochrysis lutheri [J]. Limnology and Oceanography， 1978， 23：870-876.
[11] Wagemann R， Barica J. Speciation and rate of loss of copper from lakewater with implications to toxicity. Water Research， 1979， 13（6）： 515-523.
[12]王宪， 徐鲁荣， 陈丽丹等. 海藻生物吸附金属离子技术的特点和功能[J]. 台湾海峡， 2003， 22（1）： 120-124.
液态金属篇10
【关键词】原电池 反应原理 解离平衡 认识论
【中***分类号】G633.8 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2013）06-0171-02
人教版《化学反应原理》原电池这一节，概念和考点繁多，如氧化还原反应对应的电极极性、得失电子情况、盐桥发挥作用的机理等[1]，对于初学者来说难以理解和记忆，容易和后面的电解池混淆。另外据笔者了解，很多教师和学生存在这样的认识误区：化学是理科中的“文科”，主要靠背记，因此在教学及学习过程中存在着死记硬背、不求甚解、效率低下的问题。很多教师讲课的时候并未讲到根本原因上。也有部分求知欲强的学生有这样的好奇：为什么正负极反应不能够单独明显地发生（把锌片插入ZnSO4溶液中看不到明显现象，把铜片插入CuSO4溶液中看不到明显现象），而整个电池反应能够发生？为了提高课堂教学效果，体现化学的自然科学特点，给学生以正确的理科认识论导向，笔者认为可以先让学生理解原电池的微观反应原理。
在开始讲述的时候，先引入金属单质-金属离子及自由电子的解离平衡。
和其他的化学平衡一样，金属和它对应的离子之间也存在化学平衡，证明金属也不是绝对不溶的。在金属晶体中存在金属离子和自由电子。将一种金属插入其盐溶液中时，金属表面晶格上的金属离子因受到溶液中水分子的吸引，有可能脱离晶格并以水合离子的状态进入溶液，金属越活泼，溶液越稀，这种倾向越大。另一方面，盐溶液中的金属离子Mn+（aq）又有从金属M表面获得电子而沉积在金属表面的倾向，金属越不活泼，溶液越浓，这种倾向越大。这两种对立的倾向可达到动态平衡：
M（s）？葑Mn+（aq） +ne-
金属越活泼，盐溶液的浓度越小，金属离子进入溶液的速率越大于沉积速率，直至建立平衡，结果是金属带负电，溶液带正电。如***1所示，溶液中的金属离子并不是均匀分布的，由于异电相吸，金属离子Mn+聚集在金属片表面附近与金属片表面的负电荷形成双电层。
***1 铜锌原电池示意***
反之，金属越不活泼，盐溶液的浓度越大，金属离子离开金属表面进入溶液的倾向就越小。在达到平衡的整个过程中，如果金属离子沉积的速率更大，那么，到达平衡时在金属与溶液的界面上会形成双电层，但这时金属带正电而溶液带负电。[2]
对于铜锌原电池，由于锌的金属活动性顺序强于铜，所以对于锌的金属单质-金属离子及自由电子的解离平衡，平衡常数K1比铜的平衡常数K2更大一些；这说明对于锌电极的金属离子，它脱离晶格进入溶液、形成水合离子的速率相比其沉积速率来说，比铜更大一些，所以锌导体上净剩的电子更多（也就是负极导体电势相比正极导体更低），在电场作用下，使得总的趋势是电子朝正极流动，就形成了电流。而铜离子在得到电子之后，在铜电极表面以金属铜的形式沉积下来，所以硫酸铜溶液带了负电。总的电子移动的趋势，使得锌电极的溶液正电性越来越强，铜电极的溶液负电性越来越强，这会阻碍锌的继续氧化与Cu2+的继续还原。
用含有琼胶的KCl饱和溶液做成的盐桥连接两溶液，K+会在电场作用下朝正极所在的溶液移动，Cl-会向负极所在的溶液移动。这样可以使两溶液维持电中性，保证了锌的继续氧化和Cu2+的继续还原。盐桥的作用正在于此。
经历了这样的理性推导，原电池发生作用的机理就阐释清楚了。依据这样的机理，也可以设计出各种各样的原电池，满足生产生活的各方面应用。
笔者认为，尽管高中化学需要记忆的知识点相对较多，但化学的教学仍然应该体现其自然科学的属性，能进行逻辑推理就不要让学生背记，这样不仅有助于学生形成正确的认识论，更有助于在考场上保证正常发挥――硬背的知识点没有形成长期记忆，在考场上容易因为紧张、困乏等因素忘记，进而影响发挥水平。对于学困生，教师要增强耐心和讲解的形象程度，在备课时充分考虑怎么说学生更容易接受，充分利用多媒体软件等信息技术手段，结合其他学科相关知识，而且讲解思路可以慢一些，以便于让更多的学生走上学习化学的“正道”。
参考文献：