有关材料学的硕士论文
有关材料学的硕士论文
材料学专业的学生要求能运用材料学科的知识与研究手段进行功能纳米材料的可控制备、表面修饰以及在生物医学应用研究，能在材料科学、纳米科学以及相关学科领域独立开展科学研究工作并能从事高等学校教学工作。下文是学习啦小编为大家搜集整理的有关材料学的硕士论文的内容，欢迎大家阅读参考!
有关材料学的硕士论文篇1
浅析稀土原材料市场价格波动的成因
一、稀土材料价格波动状况
稀土元素一共17种，是工业生产必需原材料，又叫“工业味精”。中国是稀土材料出口大国，全球80%以上的稀土原材料都是由中国出口。根据2012年国务院《中国的稀土状况与政策》报告，中国已探明稀土储量大约占全球储量23%，目前全球稀土市场价格完全是由中国国内市场主导。但是，国内稀土市场价格波动幅度较大，以稀土镨钕磁性材料来说，镨钕磁性材料占据稀土市场产量与需求量的一半，其价格波动高峰与低谷相差5倍，2008年谱钕合金价格大致在20万元/吨，而到了2011年高峰期上涨到80万元/吨以上，2015年市场价格回落到40万元/吨，上演着过山车行情。稀土行情的波动在一年之中也比较明显，参考瑞道金属网，2015年2月份谱钕材料平均价格在40万元/吨，但12月份价格下跌到35万元/吨。原材料市场价格的大幅度波动必然导致下游制造业生产活动的不稳定，在稀土材料价格大幅上涨时期，下游企业都不同程度受到影响，停产或转产情况都有发生。同时，价格上涨过快也刺激了材料供应企业扩大产能，而价格一旦反转，又造成了企业产能闲置，经营陷入困境。例如，目前镨钕磁性材料全行业闲置产能已达到50%以上。因此，分析稀土市场价格波动的成因有利于保持下游生产的稳定，确保市场向健康方向发展，也能为未来稀土产业的发展提供有利借鉴。
二、稀土材料价格波动成因
(一)现状分析
研究稀土材料市场价格波动的成因首先要看到中国稀土产业的发展状况，中国是稀土生产大国，同时中国也基本垄断了国际稀土出口市场，但中国的垄断优势并不来源于先进技术，更多的来源于价格与成本优势。实际上，日本、美国在稀土方面的专利数量远超中国，中国出口的稀土材料主要集中于原材料和中低端加工材料，在高端制造领域如纳米稀土等，日本、美国仍占据领先地位。发达国家从中国进口原材料与工业原料，进行高端加工以获取更高利润。
从各国已探明稀土储量来看，除重稀土个别品种，主要稀土品种在全球的分布都较为广泛，中国、美国、俄罗斯、澳大利亚储量都比较丰富，而美国仅次于中国位居世界第二。但2000年前美国稀土矿就全部停产，改由从中国进口。日本缺乏稀土矿，但据统计，日本长期从中国进口的稀土储备已够其使用30年。发达国家目前均不开采本国稀土矿，改由中国进口的主要原因在于，中国的稀土价格低于其他国家。以美国钼业公司芒廷帕斯山稀土的开采为例，其稀土开采与制造成本与中国实际基本相当，但环境保护成本远超中国，国外大多通过收取资源税来保护矿产资源和自然环境，而资源税率普遍采用从价计算，国内的资源税2014前仍采用从量计价，同时征收的税费也较低，这样就造成国外企业无法与国内竞争，因此中国在2000年后逐步垄断了国际稀土原材料出口市场。
(二)经济学因素分析
由于中国基本垄断了国际稀土原材料出口市场，国外稀土矿多数处于停产状态，因此国内市场价格就决定了国际市场价格，同时国内市场价格波动也直接导致国际市场价格波动。稀土开采过程中的成本构成主要包括企业开采成本、销售环节增值税、地方资源税和产业相关的地方性收费。企业在生产阶段从经济学角度考虑，当价格高于成本线时，也就是边际收益在边际成本之上才可以维持生产，在低于成本线时将停止生产，这样就可以解释国外稀土矿停产而国内稀土矿大量开采的原因。实际上在2011年，国际稀土价格上涨到高峰期时，美国的稀土矿又重启开采，而日本却在东南亚与非洲等地投资建设稀土矿，但到了2013年稀土价格又跌回上涨之初，国外稀土矿又全部处于停产和关闭状态。2015年美国钼业公司因债务问题陷入破产境地，该债务是由于芒廷帕斯稀土扩产项目引起的，正是稀土价格的持续疲弱、无法长期实现盈利，就导致其无法按期偿还利息。与此同时，国内的稀土矿仍能持续生产，这说明国内企业的开采成本线远低于国外企业。
因此，当国内企业的开采成本线远低于国外企业时，也就把国外企业挤出了稀土原材料生产。不过要指出的是，这种挤出效果并不是由于开采的技术水平高于国外，更多的是因为国内企业的环境保护压力远低于国外。实际开采方面，国内的盗采、偷采、滥采现象严重，地方政府由于监管力度不够，稀土开采对环境的破坏程度也高于国外。这样就造成国内开采的成本线低于国外。更为重要的是造成了国内稀土市场价格低于国际市场的正常价格，从而破坏了市场自身的均衡价格。
具体来说，当开采成本特别是环境保护成本国内外持平时，国外稀土矿也会处于正常开采状态，市场就会处于供需平衡状态同时形成均衡价格，均衡价格在多渠道竞争状况下其波动较为平稳，减少了大幅度波动的可能。但当国内开采成本远低于国外时，均衡价格将被打破，同时造成国外厂商被挤出该市场，形成中国对稀土原材料出口的垄断局面，而这种垄断也造成了市场化的价格形成机制被打破。但是，由于国内低成本的开采优势不可持续，受环境保护压力、政策调控、市场炒作等因素的共同影响，成本的大幅波动不可避免，这种非市场化的价格形成机制是稀土价格大幅波动的主要经济原因。
2015年后，中国抬高了稀土资源税，改为从价计征，对环境和矿产资源的保护措施逐步与国际靠拢，减少了与国外的差距，这样国际市场的多渠道供给局面将在未来实现，稀土材料的价格必将转由市场供需关系决定。中国承担全球80%以上稀土原材料供应的局面必然不可持续，国外供给渠道必将打开，市场新的供需态势必将重新建立起来。
(三)政策因素分析
在政策方面，中国长期靠下达指令性计划控制稀土开采量，同时依靠战略性的国家收储控制稀土价格，这两种手段属于行政性调控。由于稀土是工业原材料，下游企业多为刚性需求，因此行政性调控对稀土的价格影响也较为显著，历年来国家收储计划或经济刺激政策一经推出必然会推动稀土价格上扬，也就产生了市场的炒作空间，这也是稀土价格波动的重要政策因素。但中国在2014年WTO稀土贸易仲裁败诉后，根据WTO裁决中国政府将做出让步，行政性调控手段将更多被市场调节所取代，稀土价格将更多由市场供需双方决定。同时，国内资源税的征收与国际逐步接轨，造成稀土价格长期上涨，国外的稀土资源在利润驱动下也将逐步进入市场，随着新的供应局面产生，多种渠道供应也将使稀土的国际价格趋于平稳。
三、结论
稀土是工业制造重要的原材料，是电子、机械、化工、高科技产业的战略性资源，同时也是不可再生资源。虽然中国长期作为全球稀土原材料的主要供应者，但产业发展却仍处于中低端制造阶段，价格的不稳定对下游制造业向高端升级带来负面影响。另一方面，稀土的开采对环境的压力较大，在开采、萃取、分离与加工阶段属于高污染、高耗能产业，不计环境压力过度开采必然不可持续。目前国外已探明的稀土矿产储量相当丰富，但多处于闲置、停产阶段。伴随着高科技制造业的快速增长，电动汽车、风电、环保净化、绿色照明等行业应用都将显著拉动稀土材料的需求。从长远发展方面考虑，稳定稀土价格、保持产业可持续发展必将成为产业发展的核心目标。实践证明，稳定市场价格不能仅靠行政管制，发挥市场自身的调控作用、建立市场价格形成机制才是有力手段。通过资源税与国际逐步接轨，维持正常的市场竞争机制，通过多渠道的供应实现市场供需平衡，才是避免价格出现大幅波动的切实保障。
有关材料学的硕士论文篇2
谈纳米CaCO3对水泥基材料性能与结构的影响及机理
纳米技术是在20世纪末逐渐发展起来的前沿交叉性的新兴学科.如今，该技术已经渗透到诸多领域，建筑材料领域就是其中之一.通过对传统建筑材料的改性表明该技术具有很大的应用潜力和前景[1-3].纳米颗粒因其尺度在纳米范围，从而具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应[4]，具有传统材料所不具备的一些新特性.
纳米CaCO3是目前最大宗也是最廉价的纳米材料之一，其价格约只有纳米SiO2的十分之一[5].目前国内外学者对纳米SiO2在水泥基材料中的应用有较多研究，而对纳米CaCO3的研究相对较少.王冲等[6]研究了纳米颗粒在水泥基材料中应用的可行性.黄政宇等[7]研究了纳米CaCO3对超高性能混凝土的性能影响，研究表明掺入纳米CaCO3能促进水化反应，使超高性能混凝土的流动性下降，能提高超高性能混凝土的抗压强度及抗折强度.Sato等[8]采用传导量热法发现，纳米CaCO3的掺入可以显著加快早期的水化反应，且掺量越多加快效果越明显.Detwiler和Tennis[9]发现，在水泥水化过程中，石灰石粉颗粒会成为成核的场所，增加了水化产物C-S-H凝胶沉淀在石灰石粉颗粒上的概率，加快了水泥石中C3S的水化.本文通过超声波分散方式将纳米CaCO3掺入水泥基材料中，研究其对水泥基材料性能和结构的影响，并进一步通过XRD和SEM分析纳米CaCO3对水泥基材料的影响作用机理，以期为纳米CaCO3在水泥基材料的工程应用提供理论基础.
1原材料与方法
1.1原材料
水泥为P?O42.5R普通硅酸盐水泥，由重庆天助水泥有限公司生产，化学成分见表1;细集料为岳阳产中砂，细度模数为2.48;高效减水剂为重庆三圣特种建材股份有限公司生产的聚羧酸系高效减水剂，固含量为33%;纳米CaCO3由北京博宇高科新材料技术有限公司生产，表现为亲水性，部分技术指标列于表2，扫描电镜图见图1，X射线衍射结果见图2.
1.2试验方法
1.2.1纳米CaCO3分散方式
根据前期试验验证，超声波分散方式对纳米CaCO3有更好的分散效果.制备水泥砂浆试件时，将减水剂和纳米CaCO3加入水中，超声波分散10 min，再手工搅拌2 min，以待测试.
1.2.2表观密度
水泥浆体表观密度试验采用水泥净浆，水胶比为0.29，减水剂掺量为胶凝材料质量的0.15%，纳米CaCO3掺量分别为胶凝材料质量的0.5%，1.5%，2.5%.试验所采用容器为1 L的广口瓶，采用水泥净浆搅拌机制样，放在振动台上振捣密实.
1.2.3流动性测试及成型
流动度试验按照GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行;力学性能试验按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行.将水泥和砂在搅拌机中搅拌90 s，再将分散有纳米CaCO3和减水剂的溶液倒入干料中搅拌90 s.采用40 mm×40 mm×160 mm三联钢模成型，1 d后脱模，在温度为(20±2) ℃的饱和石灰水中养护至相应龄期.水泥砂浆试件的配合比见表3，其中纳米CaCO3和聚羧酸减水剂以胶凝材料的质量百分比掺入.
1.2.4微观测试试验
XRD分析测试采用日本Rigaku公司D/MAX2500PC型X射线衍射仪.测试条件：Cu靶，管压40 kV，电流100 mA，扫描步长0.02°，扫描速度4 °/min，扫描范围5°～70°.样品采用与表3相同胶凝材料组成与水胶比的水泥净浆，养护至规定龄期破碎取样，放入无水乙醇中浸泡3 d以终止水化，置于50 ℃干燥箱中干燥24 h，取出样品用研钵研磨过0.08 mm方孔筛，将过筛的粉末样品置于干燥器中以待测试.
扫描电镜测试采用捷克TESCAN公司生产的Tescan VEGA Ⅱ LMU型扫描电子显微镜(Scanning electron microscope，SEM)，测试样品取自强度测试破坏后的砂浆试块，放入无水乙醇中浸泡3 d终止水化，装入50 ℃干燥箱中干燥24 h，将样品真空镀金，在20 kV高压钨灯下分析其微观形貌.
2结果与分析
2.1纳米CaCO3对水泥基材料表观密度的影响
对新拌的水泥净浆浆体进行表观密度测试，试验结果如图3所示.
结果表明，随着纳米CaCO3掺量的提高，水泥浆体的表观密度随之增大.掺量从0%增加到2.5%时，表观密度由1.98 g/cm3提高到2.10 g/cm3.表明纳米CaCO3可填充水泥浆体中熟料颗粒之间空隙，使浆体的结构更加密实.
2.2纳米CaCO3对水泥基材料流动性的影响
按表3拌制水泥砂浆测试流动度，结果如图4所示.随着纳米CaCO3掺量的增大，砂浆的流动度逐渐减小.这是因为纳米CaCO3比表面积大，其颗粒表面吸附更多的水导致需水量增大[10]，纳米CaCO3同其它超细粉料一样可以填充熟料颗粒之间的空隙，将熟料颗粒之间的填充水置换出来，起到减水作用，但纳米CaCO3颗粒比表面积过大，其增加需水量的作用远远大于减水作用，宏观表现为水泥砂浆的流动度减小. 2.3纳米CaCO3对水泥基材料力学性能的影响
按表3拌制水泥砂浆，分别测试3 d和28 d的抗压和抗折强度，结果如图5和图6所示.
由图可知，纳米CaCO3提高了水泥砂浆的3 d及28 d强度.1.5%的纳米CaCO3掺量效果最好，其3 d的抗压和抗折强度较基准组分别提高20.6%和17.7%，28 d的抗压和抗折强度较基准组分别提高22.9%和11.1%.然而掺量增加到2.5%时，砂浆强度相较于1.5%掺量明显下降.由试验结果可知纳米CaCO3的掺量不宜过多，存在一个最佳掺量[11-12]，在本研究中这个最佳掺量为1.5%.
纳米CaCO3可以提高水泥基材料早期强度有以下几方面原因：纳米CaCO3可以起到超细微集料的作用，填充熟料颗粒周围的空隙，使结构变得更加密实从而提高强度，这与图3结果一致;纳米CaCO3可以明显降低Ca(OH)2在界面处的密集分布和定向排列，有助于改善界面的综合性能[13];纳米CaCO3可促进C3A与石膏反应生成钙矾石，钙矾石与纳米CaCO3反应生成碳铝酸钙也是早期强度提高的原因之一[13].而文献[14]也指出，纳米颗粒掺量过多容易产生团聚，并包裹水泥颗粒，因而阻碍水化反应，使得强度下降.纳米CaCO3掺量过多所造成的团聚也会影响纳米CaCO3在水泥基材料中的分散，使新拌水泥砂浆产生过多的微小气泡，增加硬化后的水泥浆体有害孔的数量，导致强度下降.
2.4纳米CaCO3对水泥基材料性能与结构的影响
机理
2.4.1XRD分析
按表3配合比制备水泥净浆，其3 d和28 d的XRD图谱见图7和图8.由图7可知，在3 d龄期内，纳米CaCO3并没有改变水泥的水化产物组成.2组试样的水化产物基本相同，均含有Ca(OH)2，钙矾石(AFt)相，未水化的硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)，以及掺入的和因碳化而生成的CaCO3.分析2组试样的C3S和C2S的特征衍射峰(2θ=32.3°)可以发现，对照组中C3S和C2S的特征衍射峰比基准组中低;而对照组中钙矾石的特征衍射峰(2θ=23.1°)比基准组中高;对照组中Ca(OH)2的特征峰(2θ=34.2°)略比基准组强，说明前者Ca(OH)2含量略高于后者，这是由纳米CaCO3加速硅酸三钙的水化所致，使其水化产生更多的Ca(OH)2.上述分析说明纳米CaCO3可以促进水泥的早期水化.
由图8可见，在28 d龄期内水泥的水化产物中出现了水化碳铝酸钙(C3A?CaCO3?11H2O)，这与李固华等[12]的试验结果类似，即表明纳米CaCO3参与了水泥的水化反应，与水及铝酸三钙反应生成了水化碳铝酸钙.对比2个样品的C3S，C2S的特征衍射峰发现，对照组中C3S，C2S的特征衍射峰要比基准组中低;而对照组中Ca(OH)2的特征峰略比基准组低，根据前人的研究[15]，这是由于Ca(OH)2和CaCO3作用生成了碱式碳酸钙，这种碱式碳酸钙可以增强界面区的粘结.纳米CaCO3的这种效应使得水化产物Ca(OH)2在更大程度上被消耗，因此其衍射峰强度低于基准组.上述分析表明在3 d到28 d的龄期内，纳米CaCO3仍促进水泥的水化，产生新的水化产物相并从宏观上导致水泥基材料强度提高，内部界面区增强粘结能力更好，XRD图谱从微观方面解释了28 d掺入纳米CaCO3其力学性能优于基准组的原因.
2.4.2SEM分析
按表3成型的水泥砂浆试样的3 d和28 d SEM图片见图9和图10.图9显示了4组试样水化3 d的微观形貌结构.分析发现：试样(a)已有一定程度的水化，发现有针状的AFt晶体和水化硅酸钙凝胶，但整体结构不太密实，存在较多的空隙，在过渡区处水泥石与集料的结合不太紧密.掺入纳米CaCO3后对于界面过渡区来说有明显的改善，水泥石更加密实.试样(b)和(c)已有明显的水化，水化产物水化硅酸钙凝胶增多，形成网络状和絮凝状的凝胶填充未水化颗粒之间的空隙，使整体结构更加致密[16].由图可知，随着掺量的提高，当纳米CaCO3掺量为胶凝材料质量的1.5%(试样c)时，其对界面的改善效果最好，水泥石结构也更加致密，在界面过渡区几乎看不到水泥石与集料之间的间隙，说明连接很紧密，与上述力学性能试验结果相符.
但未明显发现有Ca(OH)2晶体，这可能是因为Ca(OH)2晶体被大量的水化硅酸钙凝胶所覆盖.随着掺量的继续提高，从试样(d)中可看出，水泥石的孔隙变多，结构变得不密实.在界面过渡区处水泥石与集料之间存在间隙并发现了针状钙矾石晶体和六方片状的Ca(OH)2晶体，水化产物水化硅酸钙凝胶也随之减少.这是由于纳米CaCO3掺量过多，分散不均匀形成团聚引起的.水泥石结构的致密程度以及水泥石和集料的界面过渡区的结合紧密程度都会影响水泥基材料的强度，上述分析从微观角度解释了水泥基材料力学性能变化的原因.
图10显示了4种试样水化28 d后的微观形貌结构.分析发现：随着水化的进行，在28 d龄期内各组试样中的水化产物都较3 d增多，水泥石结构也更加致密，水泥石与集料的在界面过渡区处的结合也更加紧密.但在试样(a)和试样(d)中集料与水泥石的界面过渡区处的结合仍不是很紧密，且存在一定的缝隙，水泥石自身结构也存在一定的空隙，不是十分致密，而在试样(b)和试样(c)中则发现集料与水泥石的界面过渡区处的结合更为紧密，水泥石中存在大量的凝胶状的水化产物，结构密实.
尤其在试样(c)中，界面过渡区处找不到连接的间隙，水泥石中都是凝胶状水化产物几乎没有孔隙，这些水化产物并不独立分散，而是呈现整体化结构.上述现象说明适宜掺量的纳米CaCO3可以促进水泥基材料早期的水化，使水泥熟料颗粒水化产生更多的水化硅酸钙凝胶.同时，纳米CaCO3可以增加水化硅酸钙凝胶在界面处的含量，可以改善Ca(OH)2晶体的定向排列性能，使得界面位置的水化结构由平面排列向空间结构过渡，所以适宜的掺量可以改善界面的综合性能.
3结论
1)纳米CaCO3的掺入增加了水泥浆体的表观密度，降低了水泥基材料的流动度，掺入适量的纳米CaCO3有助于水泥砂浆3 d和28 d龄期强度的提高，但掺量不宜过大.
2)掺入适量的纳米CaCO3可以促进水泥水化反应的进行，增加水化产物的生成量.在3 d的龄期内，纳米CaCO3并没有改变水泥的水化产物组成;在28 d的龄期内，在水泥的水化产物中发现了新的水化产物――水化碳铝酸钙.掺入适量的纳米CaCO3还可以改善水泥基材料的界面结构和水泥石的结构，使集料与基体结合的更加紧密，水泥石更加密实.