Vorwort
Wolfram, ein Übergangsmetall, das für seinen hohen Schmelzpunkt, seine hohe Dichte und seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bekannt ist, ist seit seiner Entdeckung im 18. Jahrhundert zu einem unverzichtbaren Eckpfeiler der modernen Industrie und Spitzentechnologie geworden. Von frühen Glühfäden über heutige Hartmetall-Schneidwerkzeuge und das erste Wandmaterial von Kernfusionsanlagen bis hin zu nanoskaligen optoelektronischen Geräten – die breite Anwendung von Wolfram unterstreicht seine einzigartige Stellung in der Materialwissenschaft. Als eine der Hauptformen von Wolfram ist Wolframpulver nicht nur der wichtigste Rohstoff für die Herstellung wolframbasierter Materialien, sondern auch ein wichtiger Träger für technologische Innovationen. Insbesondere in den letzten Jahren, mit dem Aufkommen der Nanotechnologie, hat hochreines Nano-Wolframpulver mit seinen hervorragenden photokatalytischen, elektrochromen und elektromagnetischen Abschirmeigenschaften die Anwendungsgrenzen von Wolfram rasant erweitert und neue Möglichkeiten in Bereichen wie Energie, Umwelt und intelligenter Fertigung eröffnet.
Die Entstehung dieses Buches gründet auf dem Bedürfnis nach einem umfassenden Verständnis von Wolframpulver, einem multifunktionalen Material. Angetrieben durch die beschleunigte globale Industrialisierung und das Ziel einer nachhaltigen Entwicklung unterliegen Forschung und Anwendung von Wolframpulver tiefgreifenden Veränderungen. Von der mikroskopischen Untersuchung im Labor bis zur großindustriellen Produktion verkörpert jedes Wolframpulverpartikel die Integration wissenschaftlicher Prinzipien und technischer Verfahren. Die bestehende Literatur konzentriert sich jedoch oft auf ein bestimmtes Fachgebiet, ist nicht systematisch und umfassend und kann den Bedarf von Wissenschaftlern, Ingenieuren und Entscheidungsträgern in der Industrie nach umfassendem Wissen nicht decken. Daher möchten wir mit diesem Buch eine Brücke zwischen Grundlagenforschung, Produktionstechnologie und Anwendungspraxis schlagen und Praktikern im Bereich Wolframpulver ein fundiertes, praxisnahes und zukunftsorientiertes Nachschlagewerk bieten.
Die Ziele dieses Buches sind vielschichtig. Zunächst möchten wir die wissenschaftliche Natur von Wolframpulver ergründen und systematisch seine physikalischen, chemischen und optischen Eigenschaften analysieren – von der Atomstruktur und den Kristalleigenschaften bis hin zu seinen Oberflächeneffekten im Nanometermaßstab. Damit legen wir die theoretische Grundlage für die spätere Technologieentwicklung. Zweitens untersuchen wir detailliert den Herstellungsprozess von Wolframpulver, von der traditionellen Wasserstoffreduktion bis hin zu modernen Technologien wie Plasmasphäroidisierung und Hydrothermalsynthese. Dabei decken wir den gesamten Prozess im Labor- und Industriemaßstab ab und untersuchen die neuesten Fortschritte in der Oberflächenmodifizierung und Verbundwerkstofftechnologie. Darüber hinaus stellt dieses Buch umfassend die Charakterisierungsmethoden und Leistungsprüfverfahren von Wolframpulver vor, um sicherzustellen, dass die Leser dessen Qualität und Funktion genau beurteilen können. Besonders hervorzuheben ist die eingehende Untersuchung der Anwendung von Wolframpulver in traditionellen Bereichen wie Hartmetall, elektronischen Geräten, der militärischen Nuklearindustrie und der additiven Fertigung sowie die Erforschung seines Potenzials in zukunftsweisenden Bereichen wie Quantentechnologie, intelligenten Materialien und nachhaltiger Entwicklung. Durch globale Marktanalysen und Technologietrendprognosen hoffen wir, dass die Leser nicht nur den aktuellen Stand der Technologie verstehen, sondern auch Einblicke in zukünftige Entwicklungsrichtungen erhalten.
Das Buch ist in sechs Teile, zwanzig Kapitel und acht Anhänge gegliedert und soll umfassend und übersichtlich sein. Der erste Teil, „Grundlagen des Wolframpulvers“, konzentriert sich auf die wesentlichen Eigenschaften von Wolfram und seiner Pulverform; der zweite Teil, „Technologie zur Herstellung von Wolframpulver“, beschreibt detailliert die Herstellungsverfahren von traditionell bis fortgeschritten; der dritte Teil, „Leistung und Charakterisierung von Wolframpulver“, analysiert dessen physikalische, chemische und funktionelle Eigenschaften; der vierte Teil, „Technologie zur Charakterisierung und Analyse von Wolframpulver“, bietet Mikro- und Makrotestmethoden; der fünfte Teil, „Industrielle und neue Anwendungen von Wolframpulver“, behandelt traditionelle und neue Anwendungsszenarien; der sechste Teil, „Pionierforschung und Zukunftstrends“, blickt voraus auf die zukünftige Rolle von Wolframpulver in Wissenschaft, Technologie und Gesellschaft. Die Anhänge bieten praktische Ressourcen wie Normen, Patente und Gerätelisten, um den Referenzwert dieses Buches zu erhöhen.
Beim Verfassen dieses Buches haben wir zahlreiche maßgebliche Dokumente herangezogen, darunter die neuesten Forschungsergebnisse renommierter Fachzeitschriften wie Nature und Acta Materialia sowie internationale Standards wie ASTM, ISO und GB/T. Außerdem wurden Daten und Patentinformationen führender globaler Wolframpulverlieferanten (wie American Elements und HC Starck) integriert. Um die Praxistauglichkeit des Inhalts zu gewährleisten, haben wir zahlreiche Wolframunternehmen besucht und Experten aus den Bereichen Materialwissenschaft, Metallurgie und Nanotechnologie zur Überprüfung eingeladen. Ein besonderer Dank gilt der CTIA GROUP LTD für ihre Unterstützung. Ihre Branchenkenntnisse und technischen Informationen haben diesem Buch viel Farbe verliehen.
Dieses Buch richtet sich unter anderem an Forscher der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, die die mikroskopischen Mechanismen von Wolframpulver gründlich verstehen möchten; an Ingenieure der Hartmetall-, Elektronik-, Militär- und Luftfahrtindustrie, die Produktionsprozesse und Anwendungslösungen optimieren möchten; an Lehrende und Studierende der Werkstoffwissenschaften an Hochschulen und Universitäten, die systematische Lehrbücher und Forschungsreferenzen benötigen; sowie an Branchenanalysten und politische Entscheidungsträger, die sich mit der globalen Entwicklung und der nachhaltigen Entwicklungsstrategie des Wolframpulvermarktes befassen. Egal, ob Sie sich neu mit Wolframpulver beschäftigen oder bereits seit vielen Jahren damit beschäftigt sind – wir sind überzeugt, dass dieses Buch Ihnen Inspiration und Hilfe bieten kann.
Die Welt des Wolframpulvers ist winzig und zugleich riesig. Vom Nanopartikel bis zum riesigen System, das die industrielle Zivilisation unterstützt, hat es den Fortschritt der menschlichen Technologie miterlebt und birgt Hoffnung für die Zukunft. Wir hoffen, dass dieses Buch nicht nur Wissen zusammenträgt, sondern auch eine Einladung ist, die Geheimnisse des Wolframpulvers zu erforschen und gemeinsam mit ihm ein neues Kapitel in Wissenschaft und Industrie aufzuschlagen. Ihr Feedback und Ihre Beteiligung sind dabei entscheidend. Bitte kontaktieren Sie uns über die Kontaktinformationen im Anhang dieses Buches, um uns Ihre Erkenntnisse und Wünsche mitzuteilen.
Möge dieses Buch Ihnen ein guter Begleiter in Ihrer Forschung und Praxis sein und möge das Potenzial von Wolframpulver in Ihren Händen erstrahlen!
INHALT
Vorwort
Der wissenschaftliche und industrielle Wert von Wolframpulver
Buchstruktur und Ziele
Danksagungen und Datenquellen
Teil 1 Grundlagen des Wolframpulvers
Kapitel 1 Physikalische und chemische Eigenschaften von Wolfram
1.1 Atomstruktur und elektronische Eigenschaften von Wolfram
1.2 Kristallstruktur (BCC, HCP-Phasenübergang und Kristalldefekte)
1.3 Thermodynamische Eigenschaften (Schmelzpunkt, Wärmeausdehnungskoeffizient, Dampfdruck)
1.4 Chemische Stabilität (Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsverhalten und Reaktivität)
Kapitel 2 Morphologie und Klassifizierung von Wolframpulver
2.1 Partikelgrößenverteilung und Morphologie (kugelförmig, flockig, poröse Struktur)
2.2 Ultrafeines Wolframpulver (Submikron) und Nano-Wolframpulver (<100 nm)
2.3 Hochreines Wolframpulver (>99,95 %) und dotiertes Wolframpulver (La₂O₃, K, Y₂O₃)
2.4 Morphologie von Wolframoxid ( WO₃, WO₂.₉, WO₂.₇₂) und seine Eigenschaften
2.5 Die Vor- und Nachteile der Partikelgrößenverteilung von Wolframpulver
2.6 Industrielle Bedeutung der Partikelgrößenverteilung von Wolframpulver
Teil 2 Wolframpulver-Aufbereitungstechnologie
Kapitel 3 Traditionelle metallurgische Prozesse
3.1 Wasserstoffreduktion (APT/WO₃-Reduktion, Optimierung der Prozessparameter)
3.2 Carbothermische Reduktion (Reaktionskinetik und Kontrolle des Kohlenstoffgehalts)
3.3 Schmelzsalzelektrolyse (NaCl-KCl-WO₃-System und Elektrolyseparameter)
Kapitel 4 Moderne, fortschrittliche Herstellungstechnologie
4.1 Plasma-Sphäroidisierungstechnologie (RF- und DC-Plasmaverfahren)
4.2 Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)
4.3 Mechanisches Legieren (Hochenergie-Kugelmahlen und nanokristallines Wolframpulver)
4.4 Synthese von Nano-Wolframpulver (Hydrothermalmethode, Sol-Gel-Methode, Sprühpyrolyse)
Kapitel 5 Oberflächenmodifizierung und Verbundtechnologie
5.1 Oberflächenbeschichtung (Einfluss von Ni, Cu, Ag auf Sintern und Leistung)
5.2 Wolframbasierte Verbundwerkstoffe (W-Cu, W-Ni-Fe, W-ZrO₂)
5.3 Funktionalisiertes Wolframpulver (antibakterielle, leitfähige, strahlenabschirmende Modifikation)
5.4 Dispersionsherstellung (wasserbasierter, alkoholbasierter Dispersionsprozess und Stabilität)
Teil 3 Eigenschaften und Charakterisierung von Wolframpulver
Kapitel 6 Physikalische und mechanische Eigenschaften
6.1 Dichte und Porosität (Vergleich von Klopfdichte und theoretischer Dichte)
6.2 Härte und Verschleißfestigkeit (Vickershärte, Nanoindentationstest)
6.3 Hochtemperatureigenschaften (Kriechfestigkeit, thermische Ermüdung und Phasenumwandlungsverhalten)
Kapitel 7 Thermische und elektrische Eigenschaften
7.1 Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient (Temperaturabhängigkeit und Prüfung)
7.2 Elektrische Leitfähigkeit und Elektronenemissionseigenschaften (Feldemission, Thermionische Emission)
7.3 Elektromagnetische Abschirmung und Absorptionseigenschaften (Leistung im GHz-Band)
Kapitel 8 Chemische und optische Eigenschaften
8.1 Oxidationskinetik (Hochtemperatur-Oxidationsmodell und Schutzstrategie)
8.2 Korrosionsbeständigkeit (Abbaumechanismus in sauren und alkalischen Medien)
8.3 Optische Eigenschaften (Bandlücke, Lichtabsorption und elektrochrome Eigenschaften)
Teil 4 Charakterisierung und Analysetechnologie von Wolframpulver
Kapitel 9 Mikrostruktur- und Morphologieanalyse
9.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
9.2 Röntgenbeugung (XRD) und Elektronenrückstreubeugung (EBSD)
9.3 Spezifische Oberflächen- und Porositätsanalyse (BET, Quecksilberintrusionsporosimetrie)
Kapitel 10 Zusammensetzung und Oberflächenanalyse
10.1 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und Auger-Elektronenspektroskopie (AES)
10.2 Induktiv gekoppeltes Plasma (ICP-MS) und energiedispersive Spektroskopie (EDS)
10.3 Erkennung des chemischen Zustands und der Verunreinigung von Oberflächen (TOF-SIMS)
Kapitel 11 Technologie zur Leistungsprüfung von Wolframpulver
11.1 Mechanische Leistungsprüfung (Zug, Druck, Dreipunktbiegung)
11.2 Thermische Analysetechnologie (DSC, TGA, thermisches Dilatometer)
11.3 Elektrische und elektromagnetische Prüfung (Viersondenmethode, Vektornetzwerkanalysator)
Teil 5 Industrielle und neue Anwendungen von Wolframpulver
Kapitel 12 Hartmetall und Schneidwerkzeuge
12.1 Synthese und Sinterprozess von Wolframkarbid (WC)
12.2 Leistungsoptimierung von Hartmetallwerkzeugen (Drehwerkzeuge, Fräser)
12.3 Superharte Beschichtungen (CVD-WC, Diamantbeschichtungen)
Kapitel 13 Elektronik und Energieanwendungen
13.1 Kathodenmaterialien (Thermionische und Feldemissionskathoden)
13.2 Halbleitergehäuse und Kühlkörper (W-Cu, W-Ag)
13.3 Energiespeicherung (Batterieelektroden, Superkondensatoren)
13.4 Elektrochromie und thermische Abschirmung (Intelligente Fenster, Energiesparbeschichtungen)
Kapitel 14 Anwendungen in der Militär- und Nuklearindustrie
14.1 Panzerbrechende Projektile und Panzerungsmaterialien (W-Ni-Fe-Legierung)
14.2 Materialien für die erste Wand bei der Kernfusion (Anti-Sputter-Eigenschaften)
14.3 Strahlenschutz (Absorption von γ-Strahlen und Neutronen)
Kapitel 15 Additive Fertigung und Luft- und Raumfahrt
15.1 Morphologische Eigenschaften von sphärischem Wolframpulver für den 3D-Druck
15.2 Eigenschaften, Prozessablauf, Vorteile und geeignete Anwendungen des Selective Laser Melting (SLM) und des Electron Beam Melting (EBM)
15.3 Hochtemperaturkomponenten für die Luft- und Raumfahrt (Turbinenschaufeln, Brennkammern)
15.4 3D-Druck von leitfähigen Pasten und Verbundwerkstoffen
15.5 Anwendungsstatus und Zukunftsaussichten von sphärischem Wolframpulver und 3D-Legierungsprodukten
Kapitel 16 Weitere neue Anwendungen
16.1 Medizinische Geräte (Strahlentherapie-Kollimatoren, chirurgische Instrumente)
16.2 Pigmente und Beschichtungen (Brandschutz, Abschirmung, künstlerische Pigmente)
16.3 Gassensoren und Photokatalyse (Umwelt- und Chemieanwendungen)
16.4 Sport-, Freizeit-, Kultur- und Kunstwirtschaft
Teil 6: Pionierforschung und zukünftige Trends
Kapitel 17 Quanten- und Smart-Technologie von Nano-Wolframpulver
17.1 Quantenbeschränkungseffekt und einzelne Atomlagen Wolfram
17.2 Anwendung von Nano-Wolframpulver in Quantenpunkten und optoelektronischen Geräten
17.3 Smart-Materialien (Formgedächtnis, selbstheilendes Design)
Kapitel 18 Nachhaltige Entwicklung und Kreislaufwirtschaft
18.1 Geschichte und aktueller Stand des Recyclings von Wolframabfällen (hydrometallurgische und pyrometallurgische Technologien)
18.2 Technologie und Verfahren zur hydrometallurgischen Rückgewinnung von Wolframabfällen
18.3 Pyrometallurgische hydrometallurgische Technologie und Verfahren zur Rückgewinnung von Wolframabfällen
18.4 CO2-arme Produktion (Wasserstoffreduktion und grüne Chemie)
18.5 Ökobilanz (LCA) und CO2-Fußabdruck
18.6 Historischer Rückblick und zukünftige Entwicklung der Wolframpulver-Produktionstechnologie
Kapitel 19 Globale Markt- und Technologietrends der Wolframpulverindustrie
19.1 Angebots- und Nachfragestatus und Preistrends (China, Europa, Nordamerika)
19.2 Wichtige Hersteller und Wettbewerbslandschaft
19.3 Technologische Innovation (Automatisierung, intelligente Produktion)
Kapitel 20 Zukunftsperspektiven der Wolframpulverforschung
20.1 Interdisziplinäre Integration und Anwendung von Wolframpulver (Materialien, Energie, Quantentechnologie)
20.2 Produktionstechnische Herausforderungen und Lösungen für Wolframpulver
20.3 Strategische Bedeutung von Wolframpulver für eine nachhaltige Entwicklung
20.4 Nichttechnische und nichtmarktbezogene Faktoren, die Wolframpulver beeinflussen, und ihre möglichen zukünftigen Trends
Anhang
Anhang Internationale Normen und Spezifikationen (ASTM, ISO, GB/T)
Anhang: Schnellsuchtabelle der physikalischen Eigenschaften von Wolframpulver (Dichte, Schmelzpunkt, Leitfähigkeit usw.)
Anhang: Patentliste im Zusammenhang mit Wolframpulver (globale Patentnummer und Zusammenfassung)
Anhang: Liste der Geräte und Instrumente zur Wolframpulverproduktion
Anhang Wolframpulver-Referenzen (Mehrsprachige Versionen: Chinesisch, Englisch, Japanisch, Deutsch, Russisch, Koreanisch)
Anhang: Sicherheitshandbuch für den Umgang mit Wolframpulver (Sicherheitsdatenblatt und Schutzmaßnahmen)
Anhang: Chinesisches und englisches Glossar
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