Предисловие
Цель и значение написания книги «Оксид вольфрама высокой чистоты: физико-химические свойства, производство и применение»
Целью написания этой книги «Высокочистый оксид вольфрама: наука и применение» является систематическое рассмотрение научной основы, технологического прогресса и широкого применения высокочистого оксида вольфрама (WO₃ ) во многих областях, а также предоставление всеобъемлющего и авторитетного справочного руководства для исследователей, инженеров и практиков отрасли. Как функциональный материал с уникальными физическими и химическими свойствами, высокочистый оксид вольфрама стал звездным материалом в области материаловедения и нанотехнологий благодаря своей высокой чистоте (обычно >99,95%), регулируемой ширине запрещенной зоны (2,2-2,8 эВ), превосходным электрическим и оптическим свойствам и специальным эффектам в наномасштабе. Будь то традиционное производство вольфрамовых материалов или новые фотокаталитические, электрохромные, сенсорные и биомедицинские приложения, высокочистый WO₃ продемонстрировал незаменимую ценность.
Целью написания этой книги является не только обобщение существующих знаний, но и заполнение пробела между исследованием и применением высокочистого оксида вольфрама. В настоящее время, несмотря на всплеск числа исследовательских работ и патентов, связанных с WO₃ , все еще не хватает монографий, которые систематически интегрируют его основные теории, методы приготовления, методы характеризации и сценарии применения. Эта книга стремится предоставить читателям полную структуру знаний от теории до практики посредством глубокого анализа структуры и свойств высокочистого WO₃ , приготовления вариантов (таких как желтый, синий, фиолетовый и оранжевый оксид вольфрама) и промышленных проблем. Кроме того, эта книга уделяет особое внимание влиянию высокой чистоты на улучшение характеристик материала, исследуя его потенциал в будущих технологиях, таких как квантовая оптика, космические приложения и интеллектуальные материалы, стремясь продвигать WO₃ из лаборатории в более широкую индустриализацию.
Значимость этой книги также отражается в ее междисциплинарном характере. Применение высокочистого оксида вольфрама охватывает области материаловедения, химической инженерии, энергетических технологий, экологии, электронной инженерии и биомедицины. Его исследования являются не только прорывом в одной дисциплине, но и моделью совместных инноваций в нескольких областях. С помощью этой книги мы надеемся стимулировать интерес читателей к высокочистому WO ₃ , содействовать глубокому сотрудничеству между академическими кругами и промышленностью и совместно содействовать дальнейшему развитию этого материала.
Предпосылки исследования и история разработки высокочистого оксида вольфрама
История исследований и применения высокочистого оксида вольфрама восходит к началу индустриализации вольфрамовых материалов в конце 19 века. Элемент вольфрам (W, атомный номер 74) использовался для изготовления нитей и сплавов еще в начале 1900-х годов из-за его высокой температуры плавления (3422 °C) и превосходных механических свойств. Однако оксид вольфрама (WO₃ ) , как предшественник вольфрамовых материалов, изначально рассматривался только как промежуточный продукт в металлургическом процессе, и его собственные функциональные свойства не привлекали широкого внимания. Только в середине 20 века, с развитием полупроводниковой технологии и фотохимических исследований, оптические и электрические свойства WO₃ начали подробно изучаться. В 1950-х годах ученые обнаружили, что WO₃ обладает свойствами широкозонного полупроводника (около 2,6-2,8 эВ) и проявляет определенную каталитическую активность под действием света. Это открытие заложило основу для его последующих применений.
Реальный рост высокочистого оксида вольфрама тесно связан с развитием нанотехнологий. В 1990-х годах всплеск исследований наноматериалов способствовал усовершенствованному приготовлению и оптимизации производительности WO₃ . С помощью гидротермального метода, метода осаждения из паровой фазы и других методов исследователи успешно приготовили высокочистые наночастицы WO₃ с размером частиц менее 100 нм, а их удельная площадь поверхности (20-60 м²/г), фотокаталитическая эффективность и проводимость были значительно улучшены. В то же время, развитие технологии регулирования кислородных вакансий породило множество вариантов WO₃ , таких как синий оксид вольфрама (WO₂.₉ ) , фиолетовый оксид вольфрама (WO₂.₇₂ ) и оранжевый оксид вольфрама (WO₂.₉₀ ) . Эти нестехиометрические материалы расширили сценарии применения WO₃ из-за различий в цвете, ширине запрещенной зоны и электрических свойствах. Например, синий и фиолетовый WO₃ предпочтительны при производстве вольфрамового порошка из-за их высокой скорости восстановления, в то время как желтый WO₃ является первым выбором в фотокаталитических исследованиях из-за его высокой стабильности.
Вступая в XXI век, исследования высокочистого WO₃ вступили в период быстрого развития. После 2000 года, с обострением энергетического кризиса и экологических проблем, применение WO₃ в фотокаталитическом разложении воды, деградации загрязняющих веществ и электрохромных интеллектуальных окнах получило широкое внимание. С 2010 года дальнейшие прорывы в нанотехнологиях сделали функции WO₃ более разнообразными. Например, постепенно появились его применения в суперконденсаторах, газовых датчиках и биомедицинских областях. В то же время достижения в технологии получения высокочистого WO₃ (например, контроль примесей до уровня ppm) значительно улучшили стабильность работы WO₃ , продвинув его от лабораторных исследований до промышленного производства. В последние годы также первоначально изучался потенциал WO₃ в передовых областях, таких как квантовая оптика, космический термоконтроль и интеллектуальный текстиль, что предвещает его неограниченные возможности в будущем.
Рассматривая историю развития высокочистого оксида вольфрама, его эволюцию от единственного металлургического сырья до многофункционального наноматериала, мы отражаем совместную эволюцию науки и техники. Основываясь на этом историческом фоне, эта книга пытается представить читателям полную картину высокочистого WO₃ и с нетерпением ждет его роли в будущих технологических инновациях.
Целевая аудитория и руководство пользователя
Эта книга носит широкий характер и рассчитана на профессионалов и учащихся в самых разных областях:
Для исследователей,
занимающихся материаловедением, химией, физикой и исследованиями в области нанотехнологий, эта книга содержит подробную информацию о структуре и свойствах высокочистого WO₃ (глава 2), методах приготовления (глава 3) и методах характеризации (глава 4), которые могут быть использованы в качестве справочного материала для теоретических исследований и экспериментального проектирования. В то же время систематическое сравнение вариантов WO₃ в главе 5 и обсуждение применения в главе 6 помогают вдохновлять на новые направления исследований.
Инженеры и техники
Для инженеров и техников, занимающихся производством вольфрамовых материалов, фотокаталитического оборудования, разработкой датчиков или устройств хранения энергии, технология индустриализации в Главе 7 и конкретные сценарии применения в Главе 6 (например, производство вольфрамового порошка и газовых датчиков) предоставляют практическое руководство. Кроме того, стандарты и спецификации в Главе 8 могут помочь обеспечить соответствие продукции международным и местным требованиям.
Студенты и преподаватели
Для студентов старших курсов, аспирантов и преподавателей в области материаловедения, химической инженерии или смежных областях эта книга с ее прогрессивной структурой от базовых знаний до передовых приложений подходит для преподавания и обучения. Первые пять глав можно использовать в качестве вводного учебника, а прикладную часть главы 6 можно использовать для обучения на примерах или в качестве справочного материала для выбора темы статьи.
Лица, принимающие решения в отрасли, и инвесторы
Для инвесторов или руководителей предприятий, интересующихся отраслью новых материалов, в этой книге представлен анализ технического потенциала, рыночных применений и будущих тенденций высокочистого WO₃ (главы 6 и 7), что помогает оценить его коммерческую ценность и технические риски.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие
Предпосылки исследования и история разработки высокочистого оксида вольфрама
Целевая аудитория и руководство пользователя
Глава 1: Обзор высокочистого оксида вольфрама
1.1 Определение и классификация оксида вольфрама высокой чистоты
1.1.1 Химический состав и стандарты чистоты
1.1.2 Нестехиометрические варианты оксида вольфрама (WO₃₋ ₓ )
1.1.3 Разница между высокочистым и обычным оксидом вольфрама
1.2 История и развитие высокочистого оксида вольфрама
1.2.1 Раннее открытие и промышленное применение
1.2.2 Прорывы в эпоху нанотехнологий
1.3 Важность высокочистого оксида вольфрама
1.3.1 Статус в материаловедении
1.3.2 Движущие факторы промышленного и технологического применения
Глава 2: Структура и свойства высокочистого оксида вольфрама
2.1 Кристаллическая структура
2.1.1 Моноклинная, орторомбическая и кубическая фазы
2.1.2 Влияние кислородных вакансий на структуру
2.1.3 Характеристика рентгеновской дифракции и параметры решетки
2.2 Физические свойства
2.2.1 Плотность и термодинамические свойства
2.2.2 Оптические свойства (ширина запрещенной зоны, спектр поглощения)
2.2.3 Электрические свойства (проводимость, концентрация носителей)
2.3 Химические свойства
2.3.1 Окислительно-восстановительные характеристики
2.3.2 Химия поверхности и адсорбционное поведение
2.3.3 Влияние высокой чистоты на химическую стабильность
2.4 Свойства наномасштаба
2.4.1 Удельная площадь поверхности и структура пор
2.4.2 Квантовые эффекты и зависимость от размера
Глава 3: Метод получения высокочистого оксида вольфрама
3.1 Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
3.1.1 Принцип процесса и оборудование
3.1.2 Оптимизация параметров и контроль чистоты
3.1.3 Случаи подготовки пленки и порошка
3.2 Гидротермальные и сольвотермальные методы
3.2.1 Механизм и условия реакции
3.2.2 Управление морфологией наноструктур
3.2.3 Ключевые технологии для достижения высокой чистоты
3.3 Метод осаждения
3.3.1 Выбор сырья и процесс реакции
3.3.2 Отделение и очистка примесей
3.3.3 Возможность промышленного производства
3.4 Высокотемпературный твердофазный метод
3.4.1 Процесс прокаливания и восстановления
3.4.2 Контроль атмосферы и обеспечение чистоты
3.4.3 Приготовление синего, фиолетового и оранжевого оксида вольфрама
3.5 Другие новые методы
3.5.1 Плазменная терапия
3.5.2 Золь-гель метод
3.5.3 Микроволновый синтез
3.6 Сравнение методов приготовления
3.6.1 Компромисс между чистотой и выходом
3.6.2 Анализ стоимости и масштабируемости
Глава 4: Технология характеризации высокочистого оксида вольфрама
4.1 Структурная характеристика
4.1.1 Рентгеновская дифракция (РДА)
4.1.2 Рамановская спектроскопия
4.1.3 Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) и сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)
4.2 Анализ химического состава
4.2.1 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС)
4.2.2 Оптическая эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-ОЭС)
4.2.3 Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR)
4.3 Тест на физическую работоспособность
4.3.1 Удельная площадь поверхности и анализ пор (БЭТ)
4.3.2 Ультрафиолетово-видимая спектроскопия (УФ-Вид)
4.3.3 Четырехзондовый метод и измерение проводимости
4.4 Анализ нанохарактеристик
4.4.1 Динамическое рассеяние света (DLS) и распределение размеров частиц
4.4.2 Термогравиметрический анализ (ТГА) и дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК)
4.5 Интерпретация и применение результатов характеризации
4.5.1 Количественный анализ кислородных вакансий и дефектов
4.5.2 Метод проверки высокой чистоты
Глава 5: Варианты высокочистого оксида вольфрама
5.1 Желтый оксид вольфрама (YTO)
5.1.1 Структура и свойства
5.1.2 Метод приготовления
5.1.3 Области применения
5.2 Синий оксид вольфрама (BTO)
5.2.1 Структура и свойства
5.2.2 Метод приготовления
5.2.3 Области применения
5.3 Фиолетовый оксид вольфрама (VTO)
5.3.1 Структура и свойства
5.3.2 Метод приготовления
5.3.3 Области применения
5.4 Оранжевый оксид вольфрама (ОТО)
5.4.1 Структура и свойства
5.4.2 Метод приготовления
5.4.3 Области применения
5.5 Сравнение вариантов
5.5.1 Влияние концентрации кислородных вакансий
5.5.2 Различия в оптических и электрических свойствах
5.5.3 Применимость сценариев применения
Глава 6: Применение высокочистого оксида вольфрама
6.1 Производство вольфрамового материала
6.1.1 Приготовление порошка вольфрама высокой чистоты
6.1.1.1 Материалы с электронной эмиссией
6.1.1.2 Производство вольфрамовых мишеней
6.1.1.3 Производство вольфрамовой проволоки и нити
6.1.2 Твердый сплав и жаропрочные сплавы
6.1.2.1 Режущие инструменты
6.1.2.2 Аэрокосмические компоненты
6.1.2.3 Износостойкое покрытие
6.1.2.4 Военные материалы
6.1.3 Будущий потенциал
6.1.3.1 Сверхтонкий вольфрамовый порошок и 3D-печать
6.1.3.2 Высокоэнтропийные сплавы
6.1.3.3 Композитные материалы на основе вольфрама
6.1.3.4 Зеленые металлургические технологии
6.2 Фотокатализ и его применение в охране окружающей среды
6.2.1 Фотокаталитическое расщепление воды и производство водорода
6.2.1.1 Производство водородного топлива
6.2.1.2 Портативные энергетические устройства
6.2.1.3 Промышленное получение побочного продукта – водорода
6.2.2 Разложение загрязняющих веществ и очистка воздуха
6.2.2.1 Очистка сточных вод
6.2.2.2 Оборудование для очистки воздуха
6.2.2.3 Очистка промышленных отходящих газов
6.2.2.4 Разложение сельскохозяйственных остатков
6.2.3 Будущий потенциал
6.2.3.1 Конверсия CO₂
6.2.3.2 Самоочищающиеся поверхности
6.2.3.3 Антимикробная очистка
6.2.3.4 Фотокаталитические топливные элементы
6.2.3.5 Экологический мониторинг и рекультивация
6.3 Электрохромные и интеллектуальные материалы
6.3.1 Умные окна и устройства отображения
6.3.1.1 Строительство энергосберегающих окон
6.3.1.2 Автомобильное зеркало заднего вида
6.3.1.3 Гибкий экран дисплея
6.3.1.4 Авиационные окна
6.3.2 Оптимизация электрохромных характеристик
6.3.2.1 Электронные метки
6.3.2.2 Умные очки
6.3.2.3 Динамические рекламные щиты
6.3.2.4 Военный камуфляж
6.3.3 Будущий потенциал
6.3.3.1 Многоцветное изменение цвета
6.3.3.2 Гибкие интеллектуальные материалы
6.3.3.3 Координированное управление теплом и электроэнергией
6.3.3.4 Адаптивная оптика
6.3.3.5 Визуализация нейронного интерфейса
6.4 Сенсорная технология
6.4.1 Газовый датчик
6.4.1.1 Мониторинг окружающей среды
6.4.1.2 Промышленная безопасность
6.4.1.3 Обнаружение выхлопных газов автомобиля
6.4.1.4 Тестирование воздуха в помещении
6.4.2 Электрохимические датчики
6.4.2.1 Мониторинг качества воды
6.4.2.2 Испытания безопасности пищевых продуктов
6.4.2.3 Медицинская диагностика
6.4.2.4 Управление производственным процессом
6.4.3 Будущий потенциал
6.4.3.1 Многофункциональный датчик
6.4.3.2 Носимые датчики
6.4.3.3 Датчики с автономным питанием
6.4.3.4 Нейронные датчики
6.4.3.5 Миниатюризация и интеграция
6.5 Хранение и преобразование энергии
6.5.1 Суперконденсаторы и батареи
6.5.1.1 Портативные электронные устройства
6.5.1.2 Хранение энергии электромобиля
6.5.1.3 Хранение возобновляемой энергии
6.5.1.4 Улучшение микробатарей
6.5.2 Фототермическое преобразование и использование солнечной энергии
6.5.2.1 Солнечные водонагреватели
6.5.2.2 Отопление зданий
6.5.2.3 Генерация солнечной тепловой энергии
6.5.2.4 Нагревание текстиля
6.5.3 Будущий потенциал
6.5.3.1 Твердотельные батареи
6.5.3.2 Термоэлектрические материалы
6.5.3.3 Интеграция фотоэлектрических систем и накопителей
6.5.3.4 Гибкое хранение энергии
6.5.3.5 Ядерная теплопередача
6.6 Оптические и электронные приложения
6.6.1 Оптические покрытия и фильтры
6.6.1.1 Защита от лазерного излучения
6.6.1.2 Фотографические фильтры
6.6.1.3 Антибликовое покрытие
6.6.1.4 Применение тепловых зеркал
6.6.2 Полупроводниковые приборы
6.6.2.1 Фотодетектор
6.6.2.2 Полевой транзистор
6.6.2.3 Гибкие схемы
6.6.2.4 Производство памяти
6.6.3 Будущий потенциал
6.6.3.1 Квантовая оптика
6.6.3.2 Прозрачная проводящая пленка
6.6.3.3 Фотонные кристаллы
6.6.3.4 Нелинейная оптика
6.6.3.5 Голографическое хранилище
6.7 Биомедицинские и медицинские приложения
6.7.1 Антибактериальные и дезинфекционные
6.7.1.1 Покрытия медицинских изделий
6.7.1.2 Очистка и дезинфекция воды
6.7.1.3 Обеззараживание воздуха
6.7.1.4 Упаковка пищевых продуктов
6.7.2 Доставка лекарств и визуализация
6.7.2.1 Целевая терапия рака
6.7.2.2 Зонды биовизуализации
6.7.2.3 Доставка генов
6.7.2.4 Заживление ран
6.7.3 Будущий потенциал
6.7.3.1 Фотодинамическая терапия
6.7.3.2 Биосенсоры
6.7.3.3 Тканевая инженерия
6.7.3.4 Восстановление нервной системы
6.7.3.5 Материалы для имплантации
6.8 Другие новые приложения
6.8.1 Носитель катализатора
6.8.1.1 Очистка выхлопных газов
6.8.1.2 Химический синтез
6.8.1.3 Топливные элементы
6.8.1.4 Фотокаталитическая синергия
6.8.2 Защита от радиации
6.8.2.1 Медицинская защита
6.8.2.2 Защита ядерной промышленности
6.8.2.3 Обнаружение пространства
6.8.2.4 Промышленные испытания
6.8.3 Будущий потенциал
6.8.3.1 Покрытия для терморегулирования пространства
6.8.3.2 Умный текстиль
6.8.3.3 Квантовое хранилище
6.8.3.4 Акустические материалы
6.8.3.5 Сбор энергии
6.9 Краткое описание и перспективы применения
6.9.1 Обзор существующих приложений
6.9.2 Будущие тенденции
6.9.2.1 Многофункциональная интеграция
6.9.2.2 Зеленые технологии
6.9.2.3 Нанотехнологии и интеллект
6.9.2.4 Кросс-доменное расширение
6.9.3 Технические проблемы и меры противодействия
Глава 7: Индустриализация и технические проблемы высокочистого оксида вольфрама
7.1 Процесс промышленного производства
7.1.1 Очистка и переработка сырья
7.1.2 Технология крупномасштабной подготовки
7.2 Контроль чистоты и обеспечение качества
7.2.1 Обнаружение и удаление примесей
7.2.2 Сертификация и стандарты качества
7.3 Технические проблемы и решения
7.3.1 Термическая стабильность и проблемы окисления
7.3.2 Наномасштабное диспергирование и контроль агломерации
7.3.3 Оптимизация затрат и требования по охране окружающей среды
7.4 Направление будущего развития
7.4.1 Новые технологии и интеллектуальное производство
7.4.2 Исследование предела высокой чистоты
Глава 8: Стандарты и спецификации для оксида вольфрама высокой чистоты
8.1 Китайские стандарты
8.1.1 GB/T 32698-2016 Нанопорошок оксида вольфрама
8.1.2 GB/T 42272-2022 Оценка фотокаталитических свойств наноматериалов
8.2 Международные стандарты
8.2.1 ISO 9277:2022 Определение площади поверхности по методу БЭТ
8.2.2 ISO/TS 80004-1:2015 Терминология нанотехнологий
8.3 Применение и соответствие стандартам
8.3.1 Выбор методов обнаружения
8.3.2 Координация международных стандартов и локализации
Приложение
Приложение A: Глоссарий терминов, относящихся к высокочистому оксиду вольфрама
Многоязычное сравнение китайского, английского, японского и корейского языков
Приложение B: Экспериментальный план по получению высокочистого оксида вольфрама
Примеры лабораторных и промышленных процессов
Приложение C: Список патентов, связанных с оксидом вольфрама высокой чистоты
Номер патента, название и реферат
Приложение D: Список стандартов для оксида вольфрама высокой чистоты
Сравнение с китайскими, японскими, немецкими, российскими, корейскими и международными стандартами
Приложение E: Ссылки на высокочистый оксид вольфрама
Научные статьи, патенты, стандарты и книги
READ MORE: Оксид вольфрама высокой чистоты Физические, химические, технологические и прикладные свойства
Customized R&D and Production of Tungsten, Molybdenum Products
Chinatungsten Online and CTIA GROUP LTD have been working in the tungsten industry for nearly 30 years, specializing in flexible customization of tungsten and molybdenum products worldwide, which are tungsten and molybdenum design, R&D, production, and overall solution integrators with high visibility and credibility worldwide.
Chinatungsten Online and CTIA GROUP LTD provide products mainly including: tungsten oxide products, such as tungstates such as APT/WO3; tungsten powder and tungsten carbide powder; tungsten metal products such as tungsten wire, tungsten ball, tungsten bar, tungsten electrode, etc.; high-density alloy products, such as dart rods, fishing sinkers, automotive tungsten crankshaft counterweights, mobile phones, clocks and watches, tungsten alloy shielding materials for radioactive medical equipment, etc.; tungsten silver and tungsten copper products for electronic appliances. Cemented carbide products include cutting tools such as cutting, grinding, milling, drilling, planing, wear-resistant parts, nozzles, spheres, anti-skid spikes, molds, structural parts, seals, bearings, high-pressure and high-temperature resistant cavities, top hammers, and other standard and customized high-hardness, high-strength, strong acid and alkali resistant high-performance products. Molybdenum products include molybdenum oxide, molybdenum powder, molybdenum and alloy sintering materials, molybdenum crucibles, molybdenum boats, TZM, TZC, molybdenum wires, molybdenum heating belts, molybdenum spouts, molybdenum copper, molybdenum tungsten alloys, molybdenum sputtering targets, sapphire single crystal furnace components, etc.
For more information about tungsten chemical products please visit the website: tungsten-powder.com
If you are interested in related products, please contact us:
Email: sales@chinatungsten.com
Tel: +86 592 5129696 / 86 592 5129595
