探讨钢铁企业面临的责任风险问题及对策

Discussion on Liability Risk Faced by the Iron and Steel Industry andCountermeasures

供稿|张 卓 / ZHANG Zhuo

内容导读

钢铁企业面临着多种责任风险，主要包括：排放物污染责任风险、噪音污染责任风险、对员工健康的责任风险、其他生产经营中面临的责任风险。国内的通常风险管理方法为：风险规避、损失控制、风险自留、保险转嫁、其他转移方法。针对钢铁企业的责任风险，文章提出了综合运用这5种方法解决风险问题的思路。

概 述

近一段时间，一些地方的工业企业污染事故频发，水源、土地的污染造成了农产品的污染，引发了公众对生存环境的极度关注。虽然近年来钢铁行业的快速发展对保障中国国民经济迅猛发展做出了重要贡献，但是钢铁企业所带来的污染问题也引起广泛关注。1995年，党中央、国务院把可持续发展作为国家的基本战略。可持续发展的目标，不仅要达到发展经济的目的，还要保护好人类赖以生存的大气、水源、土地、海洋和森林等自然资源和环境。2009年12月9日，工业和信息化部发布了钢铁行业新的准入条件《现有钢铁企业生产经营准入条件及管理办法》，要求企业吨钢污水排放量不超过2.0 m3，吨钢烟粉尘排放量不超过1.0 kg，吨钢二氧化硫排放量不超过1.8 kg，水污染物排放浓度应符合国家相关规定等生产经营的准入条件。钢铁企业目前处于发展的调整期，既要保证企业以正常的速度发展，又要承担相应的社会责任，实现可持续发展的目标。

钢铁企业面临的责任风险

钢铁企业面临的责任风险是指在企业生产、经营中可能因过错或过失给其他法人、社会团体或个人造成的人身伤害或者是财产的损失；或者企业无过错，但根据法律、法规应当承担的责任。以下从钢铁企业生产经营特点探讨其面临的几类责任风险问题。

排放物污染责任风险

炼铁企业生产工艺中的原料处理、烧结(球团)、高炉炼铁，炼钢企业的生产工艺中转炉炼钢、电炉炼钢、炉外精炼，轧钢生产工艺中的加热炉，通常都会排放粉尘、废气、污水等物质。粉尘的过度排放会引发当地区域严重的雾霾天气，危害人体的呼吸器官；而废气中的二氧化硫、氮氧化物、氟化物、二英等更是直接危害厂区邻近的人民群众的身体健康；排放入河道、地下的未净化的污水中可能残留有重金属物质，直接污染排放处邻近的地下水、土壤及下游的周边土壤、水源。

企业排放物的污染责任事故一旦发生，不仅可能引发群体事件影响企业的信誉，甚至于企业的相关主管领导可能面临承担刑事责任的可能，企业同时还要承担巨额的赔偿和罚金，经营环境也将受到影响。

噪音污染责任风险

钢铁企业的生产设备中大多数设备的重量、体积和作业面大，炼铁、炼钢、铸造、轧制等生产工艺都会产生噪音，其中产生最多的是撞击噪声。其产生的噪声频带宽、辐射面大、分贝高，且产生地常伴有高温烟气。钢铁企业在近年已经开始对噪声污染重视并逐步地治理，在一定程度降低了噪声污染的强度和范围，但是其生产的特点决定了噪声是不可避免的。

受到钢铁企业噪声污染的主要群体是生产区域内的员工和周边居民。根据近年来的医学研究，长期生活在噪音环境内不仅可能造成听觉损伤，还对人的视觉器官、中枢神经系统产生损害。钢铁企业的生产基地大多数已搬离市区，但是随着公众的环保及维权意识的提高，企业所应承担的法律责任将无可规避。

对员工健康的责任风险

钢铁企业的部分一线作业员工，在高炉等高温环境下作业，工作环境较差，同时大部分在生产企业办公的员工还面临着噪音、粉尘等多种污染，染上职业病的机率大。钢铁企业的技术成熟，一般来讲企业的安全系数较高，但是一旦发生意外事故，员工的死亡率极高。因企业的工作环境造成员工的身体健康问题也属于企业需要承担的责任。

其他生产经营中面临的责任风险

钢铁企业除了上述几点是企业生产工艺特点可能面临的责任风险外，还和普通企业一样面临着其他的责任风险。如企业管理的生产经营、销售等区域的安全责任风险、运输过程中的责任风险、钢铁产品的产品责任风险、企业生产销售过程中的其他责任风险等。

钢铁企业责任风险管理对策

针对以上风险，企业应当根据风险发生的概率及可能造成的损失后果等情况进行分类管理。国际企业集团对风险管理的通行办法是把风险管理纳入到企业或项目的整体管理之中，统筹管理。目前，国内通常采用的风险管理的方法有5种：风险规避、损失控制、风险自留、保险转嫁、其他转移方法。对于钢铁企业来说，包含责任风险在内的风险管理也可结合企业财务管理及运营目标，综合运用以上风险方法。下面是对钢铁企业的责任风险管理的一些思路。

对企业责任风险的源头进行规避

风险规避是不做可能发生风险的事而达到规避其风险后果。这种方法一般适用于损失概率高、损失程度高的风险。规避钢铁企业责任风险的源头可从2个方面进行。第一，对产生及排放污水、废气、粉尘等设备或技术工艺进行合理化技术改造。根据企业情况，分析技术工艺改造与排放物的净化处理改造，选取适合的方法解决污染排放问题。国内技术改造的方案、方法非常多，但是要注意其后期使用及维护成本问题。某些企业就遇到了技术改造投入后，后期使用成本高的问题。如某企业已经安装污水、废气、粉尘的净化系统，但是因净化系统的使用成本高，企业无法保证其正常地使用。因此选取适合的技术改造方案是企业净化排污工作中非常关键的步骤。第二，对产生噪音设备进行降噪处理。企业的噪音主要来源于设备、工艺等方面，降噪的处理方法已经相对成熟，同样需要企业通过安排技术改造资金对产生噪音的设备进行改造，或从降噪处理上对生产工艺进行升级。本项措施能从根源上规避风险，但是由于企业的技术改造需要资金的支持，这项措施也因此受到限制。

采取全面的风险管理体系

损失控制包括损失预防和损失抑制。损失预防是通过事前的预防制度、预防教育等预防体系来达到降低损失发生频率的目标；而损失抑制是在风险事故发生后通过事先的事故应急体系达到将事故损失程度降低的目的。不能规避的风险中大部分可以应用该方法降低事故的发生及后果。钢铁企业要对面临的责任风险进行辨识及分析，制定包含风险预防制度及事故抑制制度的安全管理体系。企业的风险预防制度一般包括定期的风险隐患排查及治理、系统的安全教育、设置安全预警系统、对设备及设施的关键部位进行定期探伤和检查等；事故抑制制度包括设置事故应急响应机制、事故应急组织、事故应急设备、定期对消防和应急设施进行检查等。大部分钢铁企业以往都很注重安全管理，而从风险管理的角度进行全面的安全管理更能直达风险的根源。从风险源头开始的风险管理不仅从一定程度上减少事故的发生次数，还能降低事故发生后的损失程度，切实提高企业的管理能力。

设置风险管理基金，合理安排保险

钢铁企业运用上述所说的方法的确能降低一部分风险，但是技术工艺的风险依然是存在的。对于无法规避的风险，企业可以对其进行分类。对于损失概率和损失程度高的风险，通常的办法是通过购买保险的方式进行转嫁；对于损失概率和损失程度都较低的损失，多数企业会选择进行风险自留。通常企业会通过安排风险管理资金来实现以上的风险处理，把其中一部分风险以保险的方式转嫁风险，无法转嫁的风险部分可设立风险补偿资金。

国内的保险公司推出了种类繁多的保险产品，其中有部分责任保险产品可以保障钢铁企业的部分责任风险。

多种多样的保险产品可以解决企业的部分风险问题。保险是目前转嫁企业风险的最好的方法，但是保险并不能解决企业所有的责任风险问题。首先，保险合同通常有免赔额或免赔率的约定。合同约定免赔额或以免赔率计算的免赔金额以内的金额，是保险事故中需要企业自己承担的金额，保险公司不予赔偿。其次，保险并非什么都保。保险产品一般都设置有除外责任，是保险公司不赔偿的责任范围，如企业的重大过失行为、企业的故意行为等原因属于除外责任。

因此，企业除了运用保险手段转嫁风险外，还需要处理自留的、不能转嫁的风险。在对钢铁行业事故记录统计和分析的基础上，企业可以估算发生一次重大事故时，除了保险补偿的赔款外，企业自己需要投入的维修、维持及重建的资金，根据企业自身的财务状况建立无法转嫁风险的损失补偿基金，以备不时之需。

通过合同转移风险

企业可以通过各种外包、供给、劳务等合同来转移风险，可结合国家相关法律、法规、规章的注意运用免责条款转移责任风险。如与物流企业签订运输合同将运输风险转嫁给运输公司等。

结束语

从一定范围来说，责任风险是无法避免的，但是可以预测、控制的。企业的风险管理也是一门新兴的学科，把风险管理与企业的实际工作相结合，才能真正达到管理风险、控制风险的目标。

参考文献

[1] 刘大银，毕亚凡. 污染源监测. 北京：高等教育出版社，2006

[2] 乔治·E·瑞达. 风险管理与保险原理，刘春江，王欢，译. 北京：中国人民大学出版社，2012

[3] 人力资源社会保险部人事考试中心. 保险专业知识与实务. 北京：中国人事出版社， 2012

作者简介

张卓，保险经纪人，现任职于华泰保险经纪有限公司重点客户部。1992年参加工作，曾从事过化工、财务工作十余年。2004年进入保险行业，从事保险经纪工作近九年，拥有丰富的大型项目、集团、企业的保险安排及服务经验。曾为以下企业集团提供过保险服务：国家游泳中心、北京地铁、广州地铁、天津地铁、上海地铁、郑州地铁、工商银行、包钢集团、水钢集团、双沟酒厂、亚新科集团、现代汽车等。

知识园地栏目——金属考古

浅谈金属探测器与公众考古

Brief introduction on metal detector and public archeology

供稿|杜晓俊¹,汪常明² /DU Xiao-jun¹,WANG Chang-ming²

作者单位：1 广西民族大学科学技术与社会发展中心，广西 南宁 530006；

2 中国科学院自然科学史研究所，北京 100190

内容导读  金属探测器作为一种高科技产品，凭借其优越的性能，已广泛使用于考古勘探，并逐步与公众考古结合起来，成为文物发掘和保护的重要武器。本文通过介绍金属探测器的考古勘探原理、优越性及其在英美公众考古领域的应用情况，探讨了金属探测器在我国公众考古中应用的可能性和前景。

伴随着科技考古的兴起和发展，从20世纪50年代开始，浅层地球物理（Nearsurface Geophysics）等探测方法被引入考古勘探中，逐渐形成了地球物理勘探，简称物探。考古物探方法类型繁多，但受探测对象的物理特性限制，最常用的有电阻率法、电磁法、探地雷达法三种方法^[1]。金属探测器（Metal Detector）作为电磁法的一个具体应用，是一种专门用来探测金属的仪器。因为在考古发掘中，有相当多的古物都是金属制品。比如，金银器、钱币、青铜器等代表财富和权力的贵金属文物，以及刀剑、箭镞、大炮、炮弹等冷兵器时代的金属兵器，还有锄、铲、斧、锯、凿等生产生活中必不可少的金属工具。所以，金属探测器已逐渐成为考古学家的重要勘探工具之一。近年来，在西方兴起了“寻宝热”，进一步加快了金属探测器，尤其是地下金属探测器在考古领域的研究、生产和推广。

金属探测器概述

全球第一台金属探测器诞生于1960年，最初主要应用于工矿业，用来检查矿产纯度^[2]。经过50多年的发展，金属探测器历经了几代探测技术的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术，再到现在的数字脉冲技术。金属探测器的灵

敏度、分辨率、精确度和工作性能都发生了质的飞跃，应用领域则随着社会发展的需要延伸到了多个行业，例如，安检、食品、日化、探矿、考古等。目前，金属探测器按功能和市场应用领域的不同，大致可分为以下几种：通道式金属探测器（金属探测门或安检门）、手持式金属探测器、便携式金属探测器、台式金属探测器、工业用金属探测器、水下金属探测器和地下金属探测器^[3]。

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图1 地下金属探测器

金属探测器一般由高频振荡器、振荡检测器、音频振荡器、功率放大器等部分组成，并配以电源、指示表和声响指示器。在实际操作中，金属探测器利用的是电磁感应原理。首先，它利用有交流电通过线圈产生迅速变化的磁场。然后，使这个磁场的磁力线穿过金属物体并在其表面形成涡电流。接下来，涡电流又会产生二次磁场，反过来影响原来的磁场，产生仪器能够接收和识别的信号。最后，信号经过处理和放大，使指示表的指针偏转并同时驱动声响指示器发出声响信号^[4]。

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图2 金属探测器电路图

金属探测器在考古勘探中的优越性

相比于许多传统的考古勘探方法，金属探测器具有定位准确、探测度广、分辨力强、简易高效等优点。而它的优越性能主要表现在：目标定位功能、目标测深功能和目标甄别功能三个方面。

目标定位功能

在挖掘目标之前，首先得确定被测目标的准确位置。一般说来，在大范围物探结束后，使用金属探测器在发现目标的区域进行网格式探测^[1]，按声响信号的大小逐步缩小被测目标的范围，直至发出高频声响信号。再结合测深和甄别功能，就可以准确地挖出有价值的目标。应注意的是，金属探测器产生的电磁场受金属体表面形成的涡电流影响。对同种金属体来说，它所产生的声响信号的强弱只和其表面积的大小成正相关，不与其质量相关。即使是同一金属体，在不同状态下，也可能产生不同的声响信号。因此，金属探测器只能确定金属表面积大小，不能推测其质量和体积大小。

目标测深功能

有些金属探测器在指示表上标有指示深度的刻度值，在发现特定目标时，指示表能指示目标大致的深度。它的基本原理是：以一个固定的金属体为标准，参照此金属体在不同深度上所造成的表头指示，划定不同的深度指示值。此类金属探测器比较适合找寻具有相似形状的金属物，如金属硬币、枪弹等。如果被测目标为不规则形状，其测深功能的精确度将大打折扣。金属探测器的灵敏度大多取决于金属粒子的尺寸和导电性能。除了形状外，探测的深度还跟被探金属的体积和重量有很大的关系。例如，考古中使用的地下金属探测器，它的感应信号随着探测范围的增大而减弱，探测深度随着被测目标的面积和体积的增大而加深。

目标甄别功能

过去的金属探测器甄别度低，探测到土壤中的矿物质也会发出声响信号，误导探测结果。这种土壤矿物质化的现象称为“矿化反应”。由于这个原因，旧式金属探测器对地质结构复杂的地方无能为力。而现在的地下金属探测器不仅早已排除了“矿化反应”带来的影响，还可以根据仪器探测到目标时所发出的具有特殊音频的声响信号来分辨被测目标的价值。金属探测器的这种目标甄别功能所利用的是不同种金属的电导率（或传导性）和电阻率的差别^[4]，具体见表1。银、铜、金等贵重金属具有较高的电导率，能产生频率较高的声响信号，同时在指示表显示大距离的指针偏转。而钢铁等普通金属的电导率较低，产生的声响信号较弱，造成的指针偏转不大。基于此种差别，可以在指示表划出不同金属的指示区来进行金属的甄别。

表1 某些金属的电导率及电阻率

金属探测器与公众考古

 “公众考古学(Public Archaeology)”一词是由美国考古学家查尔斯•麦克基姆西(Charles McGimsey)在1972年出版的同名著作《公众考古学》中首次提出^[5]。它的兴起实际上是要在处理考古学、公众（专业考古学家以外的社会群体）、国家政府三者之间相互关系的基础上，将考古学纳入到广泛的社会关系当中，使考古学与社会紧密结合，使考古资源和文化遗产得到有效管理和保护。例如，1886年英国皇家哥伦比亚博物馆接受政府资助并对外开放，就是一种政府引导公众参与文化遗产保护的公共行为^[6]。就考古学而言，1973年大英博物馆的对外开放或许是最早的建立考古文物公共展示机构的公共行为^[7]。基于英国政府和国家的开放行为，英国民众较早地接受了公众考古教育的熏陶，考古学开始真正走向英国民众。

1996年7月，英国通过了《珍品法案》（Treasure Act），这个法案对有历史和研究价值的文物保护做了详尽规定。但是，公众发现的很大一部分历史遗物不属于这类文物范畴。为了加强对这部分“珍品”文物的保护，英国国家遗产部（简称DNH）与博物馆和美术馆委员会（简称MGC）共同宣布，在1997年9月开始运作英国迄今为止最大的公众考古项目——可移动文物计划（Portable Antiquities Scheme，简称PAS）^[8]。自从1997年启动以来，每年都有上万件考古遗物被发现。其中较为著名的案例有特里•赫伯特(Terry • Herbert）用金属探测器在英国斯塔福德郡的一片农田，发现了1500件宝物，可谓英国历史上规模最大的盎格鲁-撒克逊时期黄金宝藏（图3）^[9]；另外，大卫•克里斯普(David • Crisp)用金属探测器在英国萨默塞特弗洛姆斯镇附近发现约52000枚罗马古钱币，这是迄今为止英国古罗马时期第二大发现（图4）^[10] 。从可移动文物计划2010—2011年报可知，这一年度登记的珍品文物中有92％是通过金属探测器使用者发现的。除此之外，该计划的联络官（主要负责记录和发布考古遗物信息，以增进公众、金属探测者、考古学家和博物馆之间的互动交流）也与199个金属探测俱乐部经常保持联系，并参加俱乐部组织的会议927次。可移动文物计划极大地激发了公众对考古的兴趣和热情，通过金属探测器，公众对考古和历史同样可以做出重要贡献，金属探测器在英国公众考古中的普遍应用也带动了高端金属探测器的研制和开发。

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图3 英国盎格鲁-撒克逊时期黄金宝藏

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图4 英国古罗马时期钱币

在美国，金属探测器同样在公众考古领域发挥了重要作用。1985年，美国“寻宝人”梅尔•费希尔及其领导的水下寻宝小组，利用金属探测器进行水下搜寻，在历时16年后，终于找到了沉船“阿托卡夫人”号。这艘满载珍宝的17世纪西班牙沉船上有约40 t财宝，其中有近8 t的黄金和500 kg的宝石。1982年，梅尔•费希尔还曾以自己的名字创建了梅尔•费希尔海事遗产协会（Mel Fisher Maritime Heritage Society）,它的宗旨是展示和保护重要的海洋考古发现，它的大部分展品则来自于梅尔•费希尔的捐赠^[11]。现在，由美国金属探测器爱好者组成的金属探测俱乐部遍布美国的50个州，还有众多介绍借助金属探测器寻宝的杂志，如美国挖掘者杂志（American Digger Magazine）、淘金者杂志（Gold Prospectors Magazine）、失落宝藏在线（Lost Treasure Online）等等。德克萨斯州金属探测俱乐部协会（Texas Association of Metal Detecting Clubs，简称TAMDC）是美国众多金属探测俱乐部中比较有代表性的一个。它的宗旨是通过教育和指导来团结、促进和鼓励德克萨斯州的金属探测俱乐部。TAMDC现下属有奥斯汀金属探测俱乐部、东德克萨斯州寻宝者协会、中德克萨斯州宝藏俱乐部、西南搜索、金三角探险家协会等16个会员俱乐部。它为各俱乐部和会员制定了13条道德准则，其中包括尊重他人的权利和财产、遵守法律、不破坏历史建筑、不破坏原有的土地和植被等规则，实际上也可以算是公众使用金属探测器的行为准则。

相对于英美等发达国家而言，金属探测器在我国的使用还相对较少。我国是一个历史悠久的文明古国，拥有丰富的地下文物遗产。然而，20世纪80年代以来，随着国家大规模的基础设施建设和“文物收藏热”引发的文物盗掘，我国的地下文物面临无法挽回的破坏。在这种形势下，仅仅依靠国家历史文物部门的力量来进行保护是远远不够的，如何充分动员大众力量来保存和保护我国的历史文物是一个重要的问题。如果我们能正确引导公众使用金属探测器的探宝行为，鼓励公众与专家学者的交流，使公众在专家的指导下使用金属探测器，将有助于我国文物考古知识的普及和公众考古事业的发展。但是，如果不能善加引导，也会带来诸多问题，比如文物归属、遗址破坏和文物偷盗等问题。因为，并不是任何文物都可以私自收藏，也并不是任何地区都可以进行金属探测活动。相反，私自收藏珍贵易损文物，有可能会造成文物不可逆的毁坏以致重要历史信息的遗失。在重要遗址遗迹的探测、挖掘行为则可能会加剧遗迹的消失和遗址的破坏。面对以上种种问题，我国急需改变公众与考古分离的旧观念，制定公众使用金属探测器参与考古的法律法规，规范公众参与考古的行为。同时借鉴国际已有的实践经验，使金属探测器更好地服务于我国的公众考古。

参考文献

[1]赵丛苍.科技考古学概论.北京：高等教育出版社,2006:73,75.

[2]许凯.论金属探测器的发展与市场现状.中国安防产品信息,2004(1):52-53.

[3]司德平.漫谈金属探测器.物理通报,2006(4):54-56.

[4]于铭强.金属探测器及其应用.世界核地质科学,1988(2):42-61.

[5]李琴，陈淳.公众考古学初探.江汉考古,2010(1):38-43.

[6]Nick Merriman.Involving the public in museum archaeology. Public Archaeology, London: Routledge,2004: 85-108.

[7]郭立新,魏敏.初论公众考古学.东南文化,2006(4):54-60.

[8]邵君.英国最大的公众考古项目—可移动文物计划概述[N].中国文物报,2007-07-20(7).

[9]Fay Schlesinger.Jobless metal collector to scoop a fortune after Anglo-Saxon hoard is valued at £3.28m[N].The Daily Mail,2009-11-26.

[10]Rachel Kaufman.Pictures:Gold Treasure,Roman Coins Revealed in U.K.[N].National Geographic News,2011-4-4.

[11]吴溪.一半是宝藏,一半是梦想——寻找“阿托卡夫人”[J].海洋世界,2007(8):32-35.

作者简介

杜晓俊（1988－），男，浙江德清人，广西民族大学硕士研究生，研究方向为科技史与科技考古。

联系作者：汪常明（1978－），男，湖北通城人，中国科学院自然科学史研究所博士后，研究方向为科技史与科技考古。通讯地址：北京市海淀区中关村东路55号中国科学院自然科学史研究所 100190。

联系人：汪常明 北京市海淀区中关村东路55号中国科学院自然科学史研究所。

电 话：18600754398 

Email：wangcm@126.com

知识园地栏目——重金属

重金属污染ABC

Learning for heavy metal pollution

供稿| 赵艳玲，王亚云/ZHAO Yan-ling, WANG Ya-yun

作者单位：中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083

内容导读：一盘“清炒时蔬”端上了餐桌，色泽亮丽，味道鲜美。但你有没有想过它极有可能是在含有重金属的污水“滋润”下生长起来的？在日常生活中，重金属无处不在，如皮蛋、爆米花、墙壁家具上的油漆、化妆品、釉彩碗碟、蜡笔等日用品中都含有重金属。如果问及什么是重金属？可能很少有人能确切回答。但重金属对人是否有害？答案必是肯定的。水俣病、骨痛病等公害病则是其代表。重金属危害是个隐形杀手，难以提防，该怎么尽最大可能降低重金属对人类造成的伤害呢？选择远离是最切实可行的办法。

你知道自来水呈弱酸性会与水管壁发生反应有时会发生铅及铜超标么？你知道一般印染品（被单、衣物等）会残留铜、钴、镍、铬等9种以上重金属么？你知道很多彩绘水杯、餐具不上釉质直接销售，会导致铅污染么？你知道红墙绿瓦、彩绘壁画的颜料含有铅、铬等大量重金属，且会因为风蚀雨洗迁移进入空气、土壤、甚至地下水中么？据国家环保部公布的数据，事情远比想象中的严重：1990年以来，内蒙古先后在47个自然村屯发现砷中毒事件，患病人数达20000多人；2003年至今，湖南娄底新化县10个乡（镇）56.6万群众、35.8万亩田地严重污染，污染地区51834名学生及儿童血铅、血镉超标，五年内新增28377人；2008年，在贵州、陕西等地，有近十个县发生砷中毒，单贵州兴仁地区就有10万人的健康受到威胁；2009年，陕西凤翔县713名受检儿童中，有615人高血铅症或铅中毒，患病率高达86%……

重金属界定

从日常生活到工业生产，重金属污染屡屡发生而且日趋严重，我们究竟对它了解多少？

一般来讲，重金属是指密度大于4.5 g/cm³的54种元素，但是，在进行元素分类时，其中有的归属于稀土金属，有的划归了难熔金属，最终在工业上真正划入重金属的为10种金属元素：铜、铅、锌、锡、镍、钴、锑、汞、镉和铋。这10种重金属除了具有金属共性及密度大于5 g/cm³以外，其化学性质一般较为稳定。

在环境污染领域中，重金属一般是指具有毒性的汞、铬、铅、镉、砷、锌、铜、钴、镍、锡、钒等，其中最为常见的是铅、铬、铜、汞、镉、砷六种。重金属在大自然中广泛存在，但数量小，密度低，正常的自然状况下一般不会对地球上的生物构成威胁，更不会产生环境污染的问题。

重金属污染途径

重金属污染是指由重金属或其化合物所造成的环境污染。重金属积聚可由自然因素（如土壤、岩石风化和火上爆发等）引起，但主要是由于工矿、电镀、冶炼、印染等行业的生产贮存、污染物处理技术不达标，原料、中间产品及废弃物的堆存、排放等人为因素所致。重金属污染有三个特点：一是微量剧毒。长期积累，长期饮用含有重金属的水，有毒元素在人体内积累，导致神经系统破坏，易造成肺癌、肝癌、食道癌等。二是终身有害，不可逆转。重金属污染造成的病变绝大部分是不可逆的，难以医治。三是杀手无形，难以提防。大多数重金属在水中以无机物离子存在，无色无味，一般很难直观监测。

重金属具有富集性，很难在环境中降解。污染后的土壤中的重金属会随着风吹雨淋进入大气和地下水中。空气中的重金属微粒有可能通过皮肤吸收及呼吸作用进入人体内。地下水重金属污染直接威胁人们的饮水安全。也有部分土壤重金属随着生物富集作用进入动植物体内，从而直接爬上了人们的餐桌。

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不仅如此，由于生产流程的不规范、商家非法趋利等因素，很多不合格商品充斥市场，有些甚至重金属残留超标，另外旧皮鞋变身“胶囊”、“老”酸奶、彩绘瓷杯等事件令人防不胜防。

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重金属一旦通过饮水、饮食、呼吸或是直接接触的路径进入人体内后，就会极大的损坏身体的正常功能。因为重金属不像其他的毒素可以经过肝脏分解代谢，然后排出体外，相反，它们极易富集积存在大脑、肾脏等器官，一旦超标，易引起基因突变，影响细胞遗传，严重时会产生畸胎或诱发癌症。例如，日本发生的水俣病（汞污染）和骨痛病（镉污染）等公害病，都是由重金属污染引起的。

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重金属污染危害

不同的重金属污染对人体危害也不一样。铅作用于人体末梢神经，早期可出现高级神经机能障碍，晚期则可造成器质性脑病及神经麻痹，铅也会干扰血红素的合成而造成贫血。六价铬腐蚀呼吸、消化道粘膜，引起咽炎、肺炎胃肠道溃疡等。铜对神经、消化、内分泌系统均会造成损害。汞损害大脑皮层及神经系统，也对皮肤黏膜及泌尿、生殖系统造成损害。镉主要使肾功能损坏，引起泌尿系统的功能变化，破坏骨痛、骨质软化、瘫痪。砷中毒也就是俗称的砒霜中毒，破坏细胞可直接导致中毒者死亡……由此可见，小小重金属，危害威力却非同一般，我们又该何去何从？

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远离重金属秘籍

选择花纹简单的印染织物及彩绘较少的餐具、杯具，以降低日用品重金属铅、铬的超标风险；仔细甄别美白化妆品，用餐前擦掉颜色艳丽的唇膏，以降低化妆品中汞、铅及铋的人体摄入量；避免在车流拥挤的马路边锻炼及散步，以减少对尾气中铅的吸入；打印、读报后及用餐前认真洗手，以减少油墨中铅、铬、镉和汞等多种重金属的污染。尤其需要注意的是，由于动植物对重金属有富集作用，且重金属不会随着人类对其清洗、加热、烹调等方法消除，所以我们在选择食材时应严格把关，外出时也应选择干净卫生的环境就餐。除此之外，可多吃牛奶、豆制品、木耳、大蒜等有利于排出重金属的食物，少吃海鲜、皮蛋、动物内脏等重金属含量较高食物，尽量搭配食用粗粮和蔬菜，以补充膳食纤维。

重金属污染防治

政府部门加强立法，加强控制治理力度，严格管控、严厉惩治造成污染的企业及个人，落实已有政策法规，建立系统性的重金属防控技术体系，包括重金属污染源头控制、重金属污染环境风险评估体系与检测技术、重金属污染联合修复技术等。公司机构需加强自律意识，在保证技术达标、流程规范的前提下不断改良，减少污染，同时严格监管，担负起应有的社会责任。舆论及群众要担负起宣传、监督的重要作用。就个人而言，应重视环境污染问题，重视自身安全问题，增强自我防范意识，提倡简单生活、绿色生活，从我做起不生产、不售卖、不购买重金属超标商品，发现重金属污染问题及时远离并举报，发现中毒人员及时救助并送检。从一点一滴做起，从身边小事做起，从行为细节做起，实现人与自然和谐相处。

科学人生栏目——读书时光

石化能源枯竭，你准备好了吗

——读杰里米•里夫金的《第三次工业革命》

Are you ready for petrochemical energy depletion?

——Reading about The Third Industrial Revolution by Jeremy Rifkin

供稿| 王寅生/WANG Yin-sheng

作者单位：中国金属学会生产技术与书刊部，北京 100711

内容导读：第一次工业革命使19世纪的世界发生了翻天覆地的变化；第二次工业革命为20世纪的人们开创了新世界；以消耗化石燃料为特征的第二次工业革命即将终结，我们即将步入一个“后碳”时代。这是一个令人难以接受的严峻现实，因为这一现实将迫使人类迅速过渡到一个全新的能源体制和工业模式，否则，人类文明就有消失的危险。第三次工业革命将在21世纪从根本上改变人们的生活和工作。以能源互联网技术和新型可再生能源为主的第三次工业革命如约而来，里米•里夫金（Jeremy Rifkin）著述的《第三次工业革命》为大家描绘了一个宏伟的蓝图，作者敏锐地发现，历史上数次重大的经济革命都是在新的通讯技术和新的能源系统结合之际发生的。新的通讯技术和新的能源系统结合将再次出现——互联网技术和可再生能源将结合起来，将为第三次工业革命创造强大的新基础设施。数亿计的人们将在自己家里、办公室里、工厂里生产出自己的清洁绿色能源，并能通过“能源互联网技术”与大家共享，如同我们在互联网上发布和分享消息一样便捷。能源民主化将从根本上重塑人际关系，它将影响我们如何生存，如何管理社会，如何教育子女和如何生活等。

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有很长一段时间我在读《第三次工业革命》，因为这本书彻底颠覆我对世界发展的认识：我以前认为制造业的规模化和集成化是未来工业发展的趋向，世界工业不可避免地将走向大规模集约化生产甚至将掌控在少数垄断势力手中。但是阅读《第三次工业革命》这本书之后，我对工业发展的认知产生了全面的重建。

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1 第三次工业革命的概念

在《第三次工业革命》一书中作者杰里米•里夫金敏锐地把握住世界能源危机这一主线阐述了人类历史上的第一、二次工业革命过程及其主要特征元素，并从全新的视野大胆地预测以化石为原料的第二次工业革命的终结，并预测第三次工业革命的兴起。该书全面阐述了后碳时代的终结迹象、原理和必然趋势，以及以能源互联网技术和新型可再生能源为主的第三次工业革命的到来。《第三次工业革命》描绘了一个宏伟的蓝图，人们将能随时随地生产出清洁绿色能源，并能通过“能源互联网技术”与大家共享，如同我们在互联网上发布和分享消息一样便捷。

2 能源危机的具体表现

杰里米•里夫金从华尔街崩溃、石油价格近几十年的飞涨、引起的温室效应气候变化以及2008年全球经济危机等预示化石燃料的工业时代即将结束，但很多人不以为然，认为这并不意味明天石油就会枯竭。石油还会供应，但数量会逐渐减少，价格会上涨，因为石油的生产与定价均取决于单一的世界市场或体系；至于煤炭、天然气、页岩气与石油情况类似，这些虽能延缓化石燃料时代的结束，但无法避免的污染和气候剧变将主宰人类的命运，自然将给我们上沉重的一课。也许有人认为，核能相对于化石能源是一个不错的替代选择，因为它不产生二氧化碳，某种程度上可以解决气候变暖的问题。但核能从来就不是清洁和再生产的能源，放射性物质和核废料对人类健康、生物和环境都是严重的威胁。历史上的三厘岛核事故、切尔诺贝利核事故以及2011年日本福岛核泄漏等导致大多数国家取消或推迟了核电的计划。因此化石燃料为驱动的工业即将结束，尽管在一定程度上能延迟这种结束。

3  第三次工业革命路线图

杰里米•里夫金以经济新模式，改变全球能源系统战略和出现的新技术，全面阐述了发展可持续经济的紧迫性和历史责任感，在此基础上提出了第三次工业革命的全新构想。从而从理论基础、现实实践、生活方式、经济形式以及教育等方面进一步描绘了新工业革命的路线图。

杰里米•里夫金提出了新工业革命的五大支柱体系：向可再生能源转型；将每个建筑物等转化为微型发电厂，以便收集再生能源；在每一栋建筑物以及基础设施中使用氢和其它技术储存间歇式能源；建立以智能电网为主的能源网络系统，像互联网原理一样生产和分享能源；改变运输工具转向插电式以及燃料电池的机车，能源从智能电网平台上买卖。

新技术的突破和规模经济等因素，使新能源的开发、价格不断下降变得可能，如光伏发电的成本有望以每年8%的速度下降，太阳能和风能技术的商业价值不断升高，这与电脑的发展历程有点类似。

在太阳能和风能利用方面，欧盟独占鳌头，2009年欧洲提供的光伏太阳能占世界总量的78%，遥遥领先于日本、美国和中国；预计在2020年前，风力发电将为欧洲市场提供17%的电量，提供大量的就业岗位。

此外还有地热能、潮汐能和生物能源等，这些均为我们提供了巨大的清洁能源，有些能源是不受地域限制的，可再生能源处处都有。

新能源体系将为我们构建一个扁平化、合作的社会，将改变人类的生产、生活、生存的方式。

可再生能源体系的创立开启了第三次工业革命的大门。这种体系由建筑装载、部分以氢的形式储存、通过智能网络分配、由插件连接，并且是零排放。整个系统是交互式的、整体的、无缝的。这种互联性正在为跨行业关系创造新的机遇，并且在这个过程中，也服务于其他传统的第二次工业革命的商业伙伴。无论我们选择以电驱动的方式，还是以燃料电池驱动的方式，甚或二者结合的方式，都改变不了第二次工业革命的核心技术——燃料驱动内燃机车的落伍，未来的汽车将是清洁、无噪音、智能化的，这些汽车与扁平化、分散式、合作化的交互网络连接在一起，仅此就可证明我们处在一个向新经济纪元过渡的时期。

4  迎接新时代世界在行动

新能源和再生能源的发展受到了各国的重视，欧洲有智能电网计划，欧盟计划在2020年之前实现20-20-20的宏伟计划，即温室气体减排20%、能源效率提高20%、可再生能源利用增加20%。美国有特高压输电计划，培育新的竞争优势和经济基础，计划投入GDP的3%用于研究和开发，促进清洁能源、环境科学等领域的创新和发展，力图保持领先优势。与此同时，中国自2009年密集部署新兴科技和新兴产业发展战略，积极发展新能源、新一代信息技术、新材料等七大战略性新兴产业。经过30多年以市场为导向的改革开放，中国已处于改变经济增长方式、调整结构和可持续发展的关键时刻。中国拥有世界上最丰富的风力资源，其中海上风能资源占全世界的3/4，如果积极开展风能和改善输电网络，到2030年风力发电就可以满足中国所有的电力需求。

5  结束语

读完该书，联想到国际区域局势、能源争夺，深切感到化石燃料会逐渐减少，最终将像稀土资源一样珍贵。石化能源枯竭，你做好准备了吗？你做好迎接第三次工业革命的准备了吗？时下席卷中国中东部大范围的雾霾天气、地下水重度污染的占20%之多，大自然的正不时向我们发出警告，人类不能再靠攫取和依赖不可再生的石化资源来支撑经济增长，当务之急是发展清洁能源和技术。期待着一个划时代变革的惊艳闪现。

作者简介：

王寅生，男，高级工程师，联系地址：100711 中国金属学会 北京市东城区东四西大街46号，E-mail：wys@csm.org.cn

知识园地栏目——粉末冶金

粉末冶金多孔材料

Powder Metallurgy Porous Materials

供稿| 贾成厂，金成海 / JIA Cheng-chang，JIN Cheng-hai

作者单位：1 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083；

2 钢铁研究总院，北京 100088

作者简介：

贾成厂，男，日本TOHOKU大学博士，日本神奈川科技园博士后，北京科技大学教授、博士生导师，电话：010-62334271，E-mail: jcc@ustb.edu.cn，主要社会兼职有中国复合材料学会理事、中国金属学会粉末冶金分会副理事长兼秘书长，《复合材料学报》、《粉末冶金技术》、《粉末冶金工业》等期刊的编委。主编、参编学术专著12本，获国家发明专利20余项，获教育部科技进步二等奖等多项奖励，发表学术论文190余篇，其中被SCI检索70余篇，被EI检索130余篇，单篇他引次数超过100次。

金成海，男，钢铁研究总院教授级高级工程师，安泰科技股份有限公司粉末冶金分公司总经理。

内容导读：粉末冶金多孔材料，也称多孔烧结材料，由金属或合金粉末经成形、烧结工艺而制成。常用的金属或合金有青铜、不锈钢、铁、镍、钛、钨、钼以及难熔金属化合物等。粉末冶金多孔材料具有孔径和孔隙度均可控制，导热，导电，可焊接和加工，高的比强度、冲击韧性，能量吸收性能，化学活性，阻波性能，独特的光学性能，良好的透过性，选择性地渗透性与吸附性，止振性能等一系列优异的性能。在气体和液体过滤，高温燃气的净化过滤，熔融金属的过滤，固体催化，缓冲器及吸震器，电极材料，屏蔽材料，流体分布装置，热交换器，加热器，散热器，结构材料，生物材料等领域得到广泛应用。

1. 概述

多孔材料，顾名思义就是有很多孔的材料，是由材料实体与孔隙构成的相互贯通或封闭的网络结构。如果孔隙之间是相互相通的，则称为开孔；如果孔隙与孔隙之间是完全隔开的，则称为闭孔； 也有些孔隙则是半开半闭的。

粉末冶金多孔材料，又称多孔烧结材料，由金属或合金粉末（球状或不规则形状），或短纤维，经成形、烧结制成。材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有30%~60%的孔隙度 ，孔径1~100 μm。常用的金属或合金有青铜、不锈钢、铁、镍、钛、钨、钼以及难熔金属化合物等。做成的制品有坩埚状、碟状、管状、板状、薄膜等。粉末冶金多孔材料导热、导电性能好，透过性能好，耐高温与低温，抗热震，抗介质腐蚀。可用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。

图1是多孔铝，图2是多孔镍。

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图1  多孔铝

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图2  多孔镍

2. 多孔材料的优异性能

2.1 力学性能

由于粉末冶金多孔材料中存在大量的孔隙，所以其密度显著减小。例如多孔钢的密度与致密材料相比能够减轻34.2%。铝合金多孔材料或镁合金的的密度可以小于l g/cm3，当材料的外表为致密时，则可以浮出水面。

粉末冶金多孔材料密度低，比强度（强度与密度之比）大，广泛应用于机械工具和交通运输工具等领域。多孔材料轧制而成的板材，可以制作汽车、机器的蒙皮，取代目前所用的板材。应用在航天、航空业也有较大的优势，在飞机中，如果将一些致密材料改用多孔材料, 就能够在维持同等性能的条件下, 将其重量大幅度减小。

2.2 能量吸收特性

粉末冶金多孔材料具有很多致密金属所难以具备的功能，例如能吸收能量，起缓冲的作用。机械波及机械振动的传播性能在有孔隙结构的多孔材料中传播时会发生变化，就是说，当波传播至材料的致密部分与孔隙的界面时，就会有反射和折射的发生。多孔材料能够起到阻波的作用，这是由于孔隙的存在而增多了反射、折射与衍射的机会。可以依据这种性质将粉末冶金多孔材料制作隔音材料、减振材料和抗爆炸冲击材料。利用粉末冶金多孔材料所具有的能量吸收特性，可以将其用来制造能量吸收器、减震缓冲器等，应用于机械工程和车辆工程。当它们受到突然的冲击时，避免或减少恶**故的发生。

2.3 光电性能

粉末冶金多孔材料具有独特的光学性能与电学性能。例如，微孔的多孔硅材料在激光的照射下能够发出可见光, 有希望成为制造新型光电子元件的理想材料。利用多孔材料的特殊光电性能，还可以制出燃料电池的多孔电极, 这种电池被认为是很有前途的下一代汽车能源装置。

2.4透过性、渗透性与吸附性

粉末冶金多孔材料具有良好的透过性，选择地渗透性与吸附性。

孔隙能透过气、液介质。现在已经制造出具有规则形状与排列、且孔的尺寸和方向都能够控制的多孔材料。将粉末冶金多孔材料制成分子筛, 例如用于高效气体分离膜、可重复使用的特殊过滤装置等。

每种气体或液体分子的直径不同，运动的自由程也不同，因此，不同孔径的多孔材料对不同气体或液体的吸附能力也就不同。利用这种性质，可以制作出用于水净化、且可重复使用的高效液体分离膜。

2.5 化学性能

由于粉末冶金多孔材料内部有很多孔，所以其活性一般会增加。基于具有分子识别功能的多孔材料会产生人造酶, 从而能够大幅度提高催化反应的速度。由于孔隙的存在，烧结多孔材料力学性能等可能会不如致密金属，但由于比表面增大，有些性能却比致密金属好得多，如热交换能力、电化学活性、催化作用等。多孔材料还具有热交换效率高、电化学活性、声阻性、抗介质腐蚀等优点。

2.6 止振性能

粉末冶金多孔材料内部存在的大量气体，使得当材料接收到振动源的能量时，会在材料内部产生很大的内耗，从而将传递来的能量化解掉。粉末冶金多孔材料还具有很好的吸声能力，所以广泛应用于隔离噪音源的材料，如铝合金多孔材料、镁合金多孔材料可应用于潜水艇内的隔墙，能够很好地防止声纳的跟踪。用于人流嘈杂地方的天花板，可以大幅度地降低噪音。该材料将来还可以用于汽车等交通工具上，降低发动机的噪音。

2.7 其他性能

粉末冶金多孔材料还具有孔径和孔隙度均可控制、导热、导电、可焊接和加工、电磁波吸收特性良好、对气体敏感等特性，所以粉末冶金多孔材料在通讯工程，环保工程等领域有广泛的应用前景。利用仿真技术开发的粉末冶金多孔材料人工骨骼，具有生物材料的特性，所以可以作为人体理想的骨骼材料。

3. 多孔材料的性能参数表征

多孔材料的最大特点是“多孔”。孔的物理结构有三种：（1）孔全部被封，孔与孔之间由材料实体隔开；（2）孔与孔被“半封住”，即相邻的孔之间的固体墙壁内部，藏有狭小的通道，气体或液体分子可以经过这些小管子在孔之间通过，但是比较费劲；（3）孔与孔之间有很宽敞的通道，气体或液体分子可以在整个孔隙中自由流通。

为了保证多孔材料的性能，需要对其结构进行表征。其主要参数有孔隙度、最大孔径、平均孔径、孔径分布、孔隙形状和比表面。对材料的力学性能和各种使用性能有决定性影响的因素当然首先是材质，但材料的多孔结构也是重要的参数。孔隙是由粉末颗粒性状与工艺条件所决定的，所以原料粉末的物理和化学性能，尤其是粉末颗粒的尺寸、尺寸分布和形状，是决定多孔结构以及最终使用性能的主要因素。对于多孔结构参数，有多种测定方法。

孔隙度。是指孔隙的含量，一般使用体积分数。是由1减去相对密度而得，相对密度则是实际密度（包含孔隙）与理论密度的比值。

孔径。是指孔隙的尺寸大小。常用的测量方法有气泡法、气体透过法、吸附法和汞压法等。选择测定方法时应尽量地与使用条件相接近。流体透过多孔体的运动在层流条件下流速与压力梯度成正比，与流体黏度成反比，其比例常数就是透过系数，该系数是反映了多孔材料透过能力。烧结多孔材料的透过能力随贯通孔隙度的增大、孔径的增大、多孔体厚度的减小、以及流体黏度的减小而增大。烧结金属多孔材料的力学性能随孔隙度的增大及孔径的增大而下降，而且，力学性能对孔的形状非常敏感，这是由应力集中所造成的。孔隙度一定时，孔径小的多孔材料透过性小，但强度大。过滤精度也称为阻截能力，是指透过多孔体的流体中的最小固体颗粒尺寸。孔径分布是描述不同尺寸孔隙的存在状况的参数，也是判断多孔结构是否均匀的依据。对于过滤材料，要求在有足够强度的前提下，尽可能增大透过性与过滤精度。根据这些原理，可以采用分级的球形粉末为原料，制成均匀的多孔结构，用粉末轧制法制造多孔的薄带与焊接薄壁管，还有粗孔层与细孔层组合的双层多孔材料。

比表面。是指材料的表面积与质量或体积的比值。常用低温氮吸附法和流体透过法来测定。

4. 粉末冶金多孔材料的制备工艺

一般说来，可以选用球形和不规则形状的粉末或金属纤维，作为制造多孔材料的粉末原料。采用球形粉末作为原料时，获得的多孔材料流体阻力小、结构均匀、再生性好；而采用不规则形状粉末或纤维作为原料时，能够制造孔隙度更高的材料，且力学性能较好。制造多孔材料的成形压力和烧结温度一般会略低于制造烧结致密材料，这是为了获得具有理想结构的多孔结构。

所选用粉末的平均粒度、粒度分布、颗粒形状等对于所制备多孔材料的孔径、强度等性能起着很大的作用。对原料粉末进行预处理是为了获得预定的微观组织结构与性能，预处理包括退火、粒度分级、球化与球选、加入各种造孔剂、润滑剂、增塑剂等。成形固结工艺可以采用模压-烧结工艺；如果是简单异形制品，则可以选用松装烧结工艺进行成形；对于厚度为0.1~3 mm的板、带、管，可以采用粉末轧制工艺；对于异形长制品，可以采用粉末挤压工艺；对于异形大制品，可以采用等静压制工艺；对于复杂异形制品，可以采用粉浆浇注工艺。如果是金属纤维作原料，可以使其在液体中沉积，得到均匀分布的纤维毡，然后压制、烧结，成金属纤维多孔材料。制造泡沫金属（孔隙度更大的材料）时，是将原料粉末、发泡剂、固化剂等一起均匀混合成形，固化和烧结，由于在加热过程中发泡，所以可获得理想的组织与性能。泡沫金属的孔隙度可高达90%以上。可以选用不同粒度的粉末制作不同孔径的双层或多层结构的材料，还可以将粉末与金属网或纤维一起成形，制成纤维增强材料，能够改善多孔材料的综合性能。

5. 粉末冶金多孔材料的应用

粉末冶金多孔材料中的孔隙，是一种有用的结构。当孔隙为连通开孔时，孔隙可以作为“仓库”或“通道”。前者的典型应用例子为烧结金属含油轴承【1】，后者的典型应用例子为过滤器。当孔隙为闭孔时，孔隙内充满了空气，多孔材料主要用于隔热、隔音材料。

5.1 气体和液体过滤

粉末冶金多孔材料中的孔隙允许流体（气体或液体）以及小于一定尺寸的固体颗粒通过，将大于该尺寸的固体颗粒截留，就是说，能够利用其多孔的过滤分离作用净化液体和气体。例如用来净化飞机和汽车上的燃料油和空气；化学工业上各种液体和气体的过滤；原子能工业上排出气体中放射性微粒的过滤等。

粉末冶金多孔材料作为过滤器，具有以下优点：优良的透过性能, 过滤速度大；孔径与孔隙度可以控制, 过滤精度高、分离效果好, 用于仪器、仪表可以精确地控制流体的流动；强度高、韧性好, 适用于高压环境中；抗腐蚀性能好, 适用于多种酸、碱等腐蚀性介质；再生性能好, 再生后过滤性能恢复90%以上, 可重复多次使用；使用寿命长。

除了可以对一般的气体和液体过滤之外，还可以进行高温燃气的净化过滤。如果多孔材料的材质是高熔点金属或陶瓷，还可以用于冶炼铸造时熔融金属的过滤。

当多孔材料的孔隙小到介孔尺度时，还可以作为分子筛来分离气体。

表1是一些多孔材料过滤器的使用温度范围与适用环境。

表1.一些多孔材料过滤器的使用温度范围与适用环境

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图3 烧结金属过滤器

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图4 分子筛制氧设备

5.2 固体催化剂

利用粉末冶金多孔材料的比表面大且具有支撑强度等特点, 可以制作高效催化剂或催化剂载体，应用于化学工业。发生在两相界面上的催化作用。通常催化剂为多孔固体材料，反应物为液体或气体。在多相催化反应中，固体催化剂对反应物分子发生化学吸附作用，使反应物分子得到活化，降低了化学反应的活化能，而使反应速率加快。多孔材料具有较大的比表面积，能够促进催化作用。

5.3能量吸收

使用多孔材料的典型能量吸收装置是缓冲器及吸震器，可以用于航天工业中宇宙飞船的起落架、升降机、汽车的防冲挡、传送器安全垫、高速磨床的防护罩吸能内衬等。

粉末冶金多孔材料制成的元件使用于汽车冲击区，能够控制能耗的变形，以保护侧面冲击。在中空钢材等外壳中充入铝多孔材料，能够使部件在服役时具备良好的变形行为。车体或发动机的一些部件采用粉末冶金多孔材料，可以减轻重量并维持较高的刚性。汽车追求低比重和高能量吸收能力，相应的材料倍受青睐。使用粉末冶金多孔材料材料,可实现相应的高能量吸收。

粉末冶金多孔材料在能量吸收方面的又一重大应用例是消音材料。该类消声材料具有的良好的声性能，可以与最好的声控材料聚合物泡沫相媲美，而且能适用于高温。粉末冶金多孔材料作为吸声材料，具有优良的吸声效率、透声损失、透气性、耐火性、以及结构强度等力学性能。有机材料在雨水条件下吸声效率易于下降，陶瓷等烧结材料的抗冲击性能差，在有些情况下不能满足要求。而粉末冶金多孔材料具有优异的性能，可以既作外表装饰, 又作吸声材料,所以被广泛用于建筑、自动办公设备、无线电录音室等。

图5是使用了多孔减震材料的坦克。图6是使用了吸声材料的体育馆。

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图5 坦克（使用有多孔减震材料）

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图6 使用了吸声材料的某大学体育馆

5.4电极材料与屏蔽材料

粉末冶金多孔材料材料还可以用作电极材料。各种蓄电池、燃料电池、空气电池中，大都采用多孔镍作为电极。

与传统烧结基板材料相比，粉末冶金多孔材料材料轻质高孔率, 能够使材料的消耗与极板质量大幅度降低, 且能够提高能量密度。粉末冶金多孔铜可作电解铜还原的阴极、电有机合成电极；粉末冶金多孔镍具有良好的电解质扩散、迁移和物质交换性能,可以用作化学反应工程中的流通性和流经性多孔电极。该类材料用于电化学反应器, 可以增加电极表面粉末冶金多孔铅可以用作铅酸电池的活性物质支撑体,使电极结构大大减轻。

具有良好的电磁波吸收性能的粉末冶金多孔材料，可用于电磁屏蔽、电磁兼容等器件。孔隙相互连通的三维网状铜或镍,透气散热性好, 比重小,屏蔽性能优于金属网, 可实现波导窗的屏蔽效果, 且体积比波导窗小，适合于在移动式的仪器设备中使用。

图7是使用了多孔材料的小型燃料电池。图8是燃料电池混合动力汽车。

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图7 小型燃料电池

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图8 混合动力汽车

5.5流体分布与控制

粉末冶金多孔材料作为流体分布装置也得到了广泛的应用。例如采用多孔不锈钢控制火箭鼻锥体偏航指示仪外壳；粉末冶金多孔材料可以用于磁带处理设备中的漂浮塑性膜的气浮辊筒。青铜、镍、蒙乃尔合金、不锈钢等粉末烧结多孔板已广泛应用于流体分布板。粉末冶金多孔材料还可以用作流体控制，例如气体或液体的计量器、自动化系统中的信号控制延时器等。还用于流体分布装置，热交换器，加热器，散热器，结构材料，生物材料等。

5.6 热交换

粉末冶金多孔材料具有很大的比表面积, 是热交换和与加热的有效材料, 可以用作热交换器、加热器、散热器，表现出很高的效率和优良的使用性能。粉末冶金多孔钢可应用的温度区间很宽,可制作汽车发动机的排气歧管。粉末冶金多孔材料耐火性好，还具有与阻火能力协调的高渗透性,可作为防止火焰沿管道蔓延的优质材料,制成灭火器。

5.7 结构材料

粉末冶金多孔材料具有适宜的强度、延展性与可加工性, 可用作轻质结构材料, 尤其是使用温度超过200℃的场合。粉末冶金多孔铝很早就用于飞机夹合件的芯材。在航空和导弹工业中, 多孔网状金属被用作轻质、传热的支撑结构件。还可以焊接、电镀或胶粘于结构体，制作成夹层构件，用作飞机机翼金属外壳的支撑体、导弹鼻锥的防外壳高温倒坍支撑体、雷达镜的反射材料等。在建筑领域,粉末冶金多孔材料可以制作轻、硬、耐火的元件、栏杆或支撑体。粉末冶金多孔铜易且于变形, 所以适合于制作紧固器。粉末冶金多孔材料还可采用许多有机和无机材料作为增强体。孔率为6% ~ 30% 的Fe 或N i增强铝合金多孔材料可用于内燃机引擎。此外, 粉末冶金多孔材料还可作镶板、壳体和管体的轻质芯, 制成多种层压复合材料。

图9是信号控制延时器。图10是美国的导弹鼻锥。

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图9 信号控制延时器

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图10 导弹鼻锥

5.8 生物材料

钛对人体无害，且有较好的生物相容性，粉末冶金多孔钛材料大量用于医疗卫生行业, 例如多孔钛髓关节用于矫形术, 多孔钛种植牙根用于牙缺损的修复, W-Cr-Ni合金复合体用于多孔复合心瓣体等。

6. 国际最新研究进展和发展趋势

6.1孔径的微细化

对于金属多孔材料，过滤与分离是其最重要的应用领域之一。随着现代工业的发展，对材料的过滤精度要求也越来越高, 如食品、饮料行业要求过滤精度达到微米级水准, 生物、医药用过滤介质达到亚微米乃至纳米水平。因此，过滤孔径逐步向微细化、纳米化的方向发展。美国MOTT公司的烧结金属粉末等效孔径已经到达5nm , 比利时BEKAERT的烧结金属纤维毡等效孔径可以做到1μ m , 日本NICHIDAI司的烧结金属丝网等效孔径最小达到2-3μm。

6.2 孔结构的梯度化

常用的粉末冶金多孔材料有金属粉末多孔材料、金属纤维多孔材料等, 其孔结构一般为简单的无序结构。随着其应用领域的拓展, 不断地出现了各种形式的梯度结构或复合结构。最早的梯度复合金属多孔材料是金属复合丝网材料，孔隙分布均匀，具有很高的整体强度与刚性，耐腐蚀、耐高温、可折叠,渗透性能好,再生性能好, 使用寿命长,且在外力作用下不容易发生变形。

6.3材质的合金化、复合化

早期的粉末冶金多孔材料的材质主要是铜、镍、青铜、黄铜等, 第二次世界大战后开始了对多孔不锈钢的研究,上个世纪60-90 年代，不锈钢、镍合金、钛及钛合金的多孔材料，以及特殊用途的银、钨、钽、难熔金属化合物的多孔材料都得到了迅速发展，尤其是不锈钢多孔材料，得到了大规模的应用。近年来, 随着应用领域的不断拓宽，粉末冶金多孔材料的材质正在向着合金化方向发展，各类不同性能的粉末冶金多孔材料应运而生。

粉末冶金多孔材料材质的另一发展趋势是复合化，复合化是实现多功能化的途径之一。复合化包括金属与合金复合的多孔材料、金属与陶瓷复合的多孔材料、金属与有机物复合的多孔材料等。

7. 国内研究现状和水平

中国在粉末冶金多孔材料方面的研究有近40年的历史, 特别是在钛材、不锈钢的粉末烧结多孔制备和精密丝网多孔烧结技术方面，处于先进行列。目前,中国已经形成了颇具规模的烧结金属多孔滤材生产能力, 烧结金属多孔材料的年需求量大约5 亿人民币。据不完全统计, 中国年产青铜过滤元件已超过100 万件,不锈钢过滤元件的有效过滤面积超过4万平方米，镍及镍合金过滤元件接近1 万件, 烧结钛过滤元件超过2万件。

多年来, 中国西北有色金属研究院和钢铁研究总院(安泰科技股份有限公司) 致力于金属多孔材料新产品的研制，开发了许多品种的金属过滤材料制品。近年来， 西北有色金属研究院在金属纤维毡的研制及产业化开发方面取得了突破性进展，已实现了金属纤维及制品产业化的目标，建成了国内最大的金属纤维及制品科研，生产和检测基地，形成了较大的生产能力。在多孔复合催化材料制备方面, 钢铁研究总院承担了国家“ 十五” “863” 科技项目, 在国内率先开展了金属多孔催化过滤材料制备研究及其在高温烟气除尘、脱硫、脱硝中的应用, 取得了很好的效果。钢铁研究总院与北京化工研究院共同开展了金属多孔催化蒸馏构件的研制，在碳三催化加氢工艺中的应用取得良好效果。

目前, 中国己经形成了颇具规模的生产粉末冶金多孔材料的能力，但是，高精度、高性能的粉末冶金多孔材料市场大部分被美国、德国、比利时和日本等国的一些著名公司所控制, 其原因是中国对金属多孔材料的本征特性研究不足，对在服役条件下的孔结构和介质的综合作用机理缺乏研究，难以提供有效的理论判据和实验手段来支撑实际应用工作。

参考文献

1.         贾成厂. 烧结金属含油轴承. 金属世界，2011（1）：28-34

2.         汤慧萍，谈萍，奚正平等. 烧结金属多孔材料研究进展. 稀有金属材料与工程，2006，35（S2）：428-431

3.         刘培生，李铁藩，傅超等. 多孔金属材料的应用. 功能材料，2001, 32( 1)：12-15

4.         席本强，. 多孔材料的特性分析. 科技信息(科学教研)，2007,23：316-329

钨­ — 熔点最高的金属

Tungsten — A metal with the highest melting point

贾成厂 / JIA Cheng-chang

北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083

周武平 / ZHOU Wu-ping

钢铁研究总院，北京 100088

贾成厂，男，日本TOHOKU大学博士，日本神奈川科技园博士后，北京科技大学教授、博士生导师，010-62334271，jcc@ustb.edu.cn，主要社会兼职有中国复合材料学会理事、中国金属学会粉末冶金分会副理事长兼秘书长，《复合材料学报》、《粉末冶金技术》、《粉末冶金工业》等期刊的编委。主编、参译学术专著12本，获国家发明专利20余项，获教育部科技进步二等奖等多项奖励，发表学术论文190余篇，其中被SCI检索70余篇，被EI检索130余篇，单篇他引次数超过100次。

周武平，男，钢铁研究总院教授级高级工程师，安泰科技股份有限公司副总裁，研究领域为难熔金属材料及粉末冶金材料，获国家级、省部级奖等多项奖励，发表学术论文的他引次数325次。

内容导读：钨的熔点3410±20℃，是熔点最高的金属。钨是稀有金属，也是重要的战略物资。钨具有一系列优异的性能。钨的蒸气压很低，蒸发速度也较小，非常耐高温；化学性质也十分稳定，防腐性能非常好，在盐酸、硫酸和硝酸等强酸中都不溶解；密度在非贵金属中最高；硬度在金属中名列前茅；可塑性强；杨氏模量与强度高。钨及其合金基本上是采用粉末冶金的方法所制备。钨在许多领域以纯金属状态与合金状态而得到广泛应用。钨主要应用的工业领域有钢铁工业（高速钢、钨钢、钨磁钢等）、硬质合金、热强和耐磨合金、触头与高比重合金、电真空照明材料、密封与屏蔽、发汗材料等。

1. 概述

俗话说“真金不怕火炼”，是由于金的熔点较高，有1063℃，并且金不能燃烧，在加热的情况下会被空气中的氧气氧化而变质，高温条件下性质稳定，所以一般情况下，金不会熔掉。现在往往用来比喻人的品质好、意志坚强，经得起任何考验。这当然没错。但是，如果仅仅是从材料的熔点来看，就应该是“真钨不怕火炼”了，这是因为钨具有最高的熔点。

钨，元素符号W，灰黑色金属，有延展性，密度19.35g/cm3，熔点3410±20℃，是金属中熔点最高的，沸点5660℃。钨的英文名称是tunsten，瑞士文中“tung”的意思是“重”；“sten” 的意思是“石头”，因此钨早期曾被译成“重石”。

钨具有一系列优异的性能。熔点最高，蒸气压很低，蒸发速度也较小，极耐高温，只有加热到很高温度，才能进行压力加工；化学性质稳定，防腐性能非常好，在室温下与空气和水都不发生作用，在盐酸、硫酸和硝酸中都不溶解；密度在非贵金属中最高；莫氏硬度7.5，维氏硬度3430 MPa，在金属中名列前茅；可塑性强，能够拔成直径仅有0.01mm的细丝；杨氏模量高达411GPa。

2. 历史

1781年，Scheler发表了在瑞典发现的矿石tunsten的报告，有该矿石经过反应得到白色沉淀物，其中还有一种金属的氧化物，并不是钼的氧化物。

1783年，在瑞典跟从Scheler工作的人员研究德国出产的一种棕黑色矿石，称之为wolframite，从这种矿石中分离出一种金属氧化物，与Scheler勒从tungsten中分离出的金属氧化物非常相似，但这种矿石不含有石灰，而含有铁与锰的氧化物。并且他们从这一金属氧化物中分离出金属，就称它为wolfram。这就成了钨的拉丁名称，元素符号定为Ｗ。

后来的研究证明，被称作tungsten的白钨矿，其化学成分是钨酸钙CaWO4；而黑钨矿（wolfram）的化学成分是钨酸铁锰（Fe，Mn）WO4。

李国钦（1892-1961），湖南人，1911年,在湖南省五岭山脉上除冈仙方, 发现了一种国内还未见到的黑色矿砂, 被他命名为“钨”。这是中国首次发现的钨矿, 在我国矿冶工业史上具有重要的地位。

早在18世纪50年代就发现了钨能够提高钢的性能。但直到19世纪末、20世纪初，钨钢才开始生产与广泛应用。

1900年在巴黎世界展览会上首次展出了高速切削工具钢（高速钢），性能优异，其切削速度是普通工具钢的数倍。高速钢的出现是金属切削加工领域的重大技术进步。此后，钨的制备工业得到了迅猛的发展。钨也就成为了最重要的合金元素之一。

1900年，俄国科学家建议应用钨丝作为照明灯泡中的发热丝，其性能远远高于碳丝。1909年俄国采用粉末冶金法的工艺方法制备钨，使钨这种金属逐渐在电真空技术领域得到了广泛应用。

20世纪20年代以WC为主要成分的硬质合金被成功研制开发，这可以说是钨的发展史中的一个重要里程碑。硬质合金各方面的性能都超过了最好的工具钢，逐渐得到了广泛的使用。

3. 资源

钨属于稀有金属，也是一种重要的战略物资。

钨矿主要有黑钨矿、白钨矿、钨铁矿等。钨矿主要分布在中国、美国、俄罗斯、玻利维亚、葡萄牙以及韩国。中国是生产与使用钨的大国，钨的资源储量接近世界总储量的三分之二，产量与出口量也都居世界第一。全国钨资源储量主要分布于湖南、江西与河南。湖南是以白钨矿为主，江西则是以黑钨矿为主。

全世界钨矿中白钨矿约占70%，其余是黑钨矿。按照目前的消耗速度，钨的矿藏仅够使用约140年。所以现在也采用回收的方法来获得钨。回收的钨比钨矿含量还要高，是可行的。

当前，在我国，不仅需要加大力度来控制钨开采总量，还应该制定与完善产业政策，建立四位一体的国家钨储备机制，包括钨资源的战略储备、钨产品的商业储备、行业的自律与行业监管。还应尽快建立相关的法律体系，确保国家储备机制的有效运行。这样做，对保护钨的资源，稳定钨的市场，保障国家经济安全和战备安全都都具有重要的意义。

4. 制备

对于金属材料（例如钢铁、铜、铝等），一般是采用熔炼、凝固（铸造）的方法来制备。但是对于金属钨，由于其熔点非常高，所以使其熔化所需要的能量就高，难度很大，成本也高。虽然说也可以采用电子束熔炼的方法将钨熔化，但却不能像一般的金属那样在炉（坩埚）中熔炼，在铸模中凝固。这是由于现在所能够使用的所有耐火材料（氧化铝、氧化镁等）的熔点都远低于钨的熔点。因此，现在人们所使用的钨及其合金，几乎都是用粉末冶金的方法所制备的。

以钨丝为例，其制备工艺如图1所示。包括由钨精矿分解、净化、结晶制备仲钨酸铵；焙烧仲钨酸铵得到氧化钨；用氢气还原氧化钨得到钨粉；研制钨粉得到压坯；对压坯进行预烧结提高其强度；对预烧结坯体直接通电烧结，即垂熔；对垂熔后的烧结体实施旋锻，得到钨棒；多道拔丝。

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图1. 钨丝的制备工艺

仲钨酸铵，英文缩写为APT，是白色结晶，主要用于制造三氧化钨或蓝色氧化钨制金属钨粉。仲钨酸铵加热至 600℃以上失去全部氨和结晶水，会转化为黄色的三氧化钨。

钨有四种稳定的氧化物：黄色氧化物（WO3，图2），蓝色氧化物（WO2.90，图3），紫色氧化物（WO2.72）和棕褐色氧化物（WO2）。

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图2. 三氧化物

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图3. 蓝钨

三氧化钨是柠檬黄色的晶体粉末，密度为7.2~7.4g/cm3，熔点约为1470℃，沸点在1700~2000℃之间，在700~900℃时，三氧化钨很容易被氢、一氧化碳和碳还原成金属钨。二氧化钨是一种巧克力色的粉末，密度为10.9~11.1g/cm3，沸点约为1700℃，在1020℃，二氧化钨可被还原成金属钨。

钨粉是以氧化钨为原料用氢气还原而得到。采用氢还原法制取钨粉的工艺过程一般分为两个阶段：第一阶段在500～700℃温度下，三氧化钨还原成二氧化钨；第二阶段在700～900℃温度下，二氧化钨还原成钨粉。还原的化学反应方程式如图4所示。还原反应常在管式电炉或回转式炉中进行。钨粉的制取除了氢还原法外，早期还有采用碳还原法的，但是用这种方法得到的钨粉纯度较低，现在已基本上不用。

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图4.氢还原氧化钨的化学反应方程式

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图5.钨粉生产线

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图6.钨粉

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图7. 垂熔炉

垂熔是直接通电于粉末压坯，通过自身的电阻发热，从而进行烧结的方法。主要用于钨、钼等难熔金属的高温烧结。垂熔一般在水冷钟罩式垂熔炉内进行。

垂熔后经连续在大、中、小型号的旋锻机上逐渐加工成φ3.0mm左右的锻杆。旋锻温度也逐渐降至1150～1250℃。

最后拔丝，结果多道拉拔，能够得到非常细的钨丝。

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图8.旋锻机

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图9. 拔丝机

5. 用途

钨能够以纯金属状态使用，还可以合金状态使用。合金状态主要包括合金钢（特别是钨钢）、硬质合金、强热合金、耐磨合金等。

钨主要的应用工业领域如下。

1）钢铁工业。很多特种钢中都包含钨。高速钢中含有9%以上的钨，其特点是直到650℃的高温仍能够保持高的硬度和耐磨性。合金工具钢中含有最多可接近10%的钨，可用于制造钻头、铣刀、拉丝模、阴模和阳模等工具与零件。钨磁钢属于永磁体，钨含量为5.2%~6.2%，具有高的磁化强度和矫顽磁力。在军事领域，例如枪、炮、坦克等装备中的耐压、耐热等部件，大都是采用钨钢而制作。这样的炮筒、枪筒，即使是连续射击使得筒身发热滚烫，也能够保持良好的性能，包括强度、韧性与弹性等。图10.是超耐磨钨钢手表，图11是钨钢锯片。

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图10. 超耐磨钨钢手表

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图11. 钨钢锯片

2）硬质合金。硬质合金含有85%~95%的碳化钨，碳化钨（WC）具有高的硬度、耐磨性。硬质合金中的钴是作为粘结剂金属，能够提高合金的强度。硬质合金都是用粉末冶金法制造的。即使是加热到1000℃以上，硬质合金仍具有高的硬度和良好的耐磨性。硬质合金刀具的切削加工速度能够远远地超过工具钢刀具。硬质合金主要的应用领域包括切削工具、拉丝模、矿山工具等。关于硬质合金，可参考本刊2011年的文章《工业的牙齿——硬质合金》。

3）热强和耐磨合金。热强合金都含有最难熔的金属钨，在要求强烈耐磨的零部件中，大多使用热强和耐磨合金，例如航空发动机的一些部件、涡轮机的叶轮、挖掘机的零部件等。在航空和航天领域，以及要求高热强度的机器零件，发动机、仪表仪器等部门中，采用钨及其合金用作热强材料。图12是发电的海上涡轮机，图13是水平尾翼,垂直尾翼及控制舵。

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图12. 发电的海上涡轮机

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图13. 水平尾翼,垂直尾翼及控制舵

4）高比重合金与触头材料。用粉末冶金方法制造的W-Cu和W-Ag合金，兼有钨的耐磨性、高温性能与铜（银）的良好的导热性、导电性。是非常好的触头材料，可以用来制造断路器、闸刀开关、点焊电极等部件。成分为W（90%~95%）-Ni-Cu或W-Ni-Fe的高比重合金，可用于制造飞行器控制舵的平衡锤、陀螺仪转子、放射性同位素的放射护罩等。用高比重钨合金制成穿甲弹头，能提高炮弹性能，用高比重钨合金制成的陀螺仪的惯性元件，能提高仪器的稳定性与控制精度。图14是穿甲弹穿甲后的照片，图15是带陀螺仪的遥控飞机。

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图14. 穿甲弹的真实威力

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图15.带陀螺仪的遥控飞机

5）电真空照明材料。钨的可塑性强，一根1kg重的钨棒，可以逐次被拔成长约400km、直径只有0.01mm的细丝。这种细丝在高达3000℃的环境中，仍具有一定强度，而且发光率高，使用寿命长，是制造各种灯泡灯丝的上选材料。白炽灯、碘钨灯，以及世界上最新颖的灯泡、灯管，都在使用钨丝。钨丝、钨带等还用于电子管生产、无线电电子学和X射技术中。高的发光效率能够由高的工作温度来保证，而丝的长寿命则可以由小的蒸发速度来保证。钨丝还可以用于制造电子振荡管的部件（例如阴极与栅极），高压整流器的阴极，各种电子仪器中的旁热阴极加热器等。钨还可以做X光管和气体放电管的阴极，无线电设备的触头、原子氢焊枪的电极等。作为高温炉（3000℃）的加热器，使用的是是钨丝和钨棒。

6）密封与屏蔽。由于钨的热胀性与硅酸硼玻璃类似，所以可用来做玻璃/金属密封。在放射性医学中钨被用作屏蔽物质，由于氟脱氧葡萄糖中的高能氟-18铅容器无法使用，所以运输氟脱氧葡萄糖一般用钨容器。

7）发汗材料。使用一种固体燃料的火箭燃气温度超过3000℃。在此情况下，熔点最高的钨质喷管也不能胜任。为了解决这一问题，科学家制造了一种新型钨合金——“自冷却渗银（铜）钨合金”，在多孔的钨骨架中渗入低熔点的银（或铜）。当火箭在空中高速飞行时，用这种新合金制造的高温高压喷管内的银（铜）在高温下首先蒸发，就如同人或动物出汗一样，吸收大量的热。这样，就能够自动冷却，并防止温升过高，即使是遭受3000℃高温，喷管仍能够保持原有性质与功能。

图16是电子震荡管，图17是利用发汗材料作为喉衬而发射的火箭的照片。

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图16. 电子震荡管

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图17. 利用发汗材料作为喉衬发射的火箭.

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未来月球冶金工艺方法探索

The Future of Lunar Metallurgy Research

供稿| 陈志远*，周国治/CHEN Zhi-yuan，CHOU Kuo-Chih

内容导读

月球基地是科幻电影中的经典影像，但是科学家们实际上也开展了不少的相关研究。月球探索的最终目标是实现月球的开发，对月球的开发是人类的共同课题，原位资源利用是月球开发的基础。利用月球本身的矿产资源制造金属，会使得将来在月球基地的基础建设和其它工作的开展不至于因金属材料的稀缺和昂贵而搁浅。如果冶金工业能达到从工厂本身到原料一切都从月球上获得，那月球开发的速度会更加令人惊叹。

月球基地是科幻电影中的经典影像，而在美国NASA的项目中，实际上也开展了不少的相关研究。其涉及面之广，从机械到建筑、从水的收集到能量的传输、从资源的探测到氧气的制造， NASA作出了不少系统的规划和研究。这些研究的目的就是建立一个自给自足的月球基地。我国的太空技术起步较晚，但正在奋起直追。在基本完成不载人月球探测任务后，我国也提出根据我国的国情和国力实施载人登月和月球基地的建设。

可以预见的是，集能源、采矿、冶金、气体制造为一体的月球工业工程必然是月球基地得以建立和维持运转的可靠保证。NASA主导开展的原位资源利用（In-Situ Resource Utilization，简称ISRU）研究正是实现这一工程的努力。

然而在现有的研究中，冶金学家参与的并不多。而地理学家们在月球资源探测方面作了大量细致的工作。化工学家们在利用这些资源制造氧气工程上也提出了系统的方法。金属材料是人类活动的重要物质基础之一，但是月球冶金现在只有零星的研究，而在我国更是没有相关的工作公布出来。月球基地的建立需要长期的准备，我国在这方面的研究需要提早建立起来。

空间技术的发展有两重作用，一方面是满足人类不断探索宇宙奥秘的追求，促进空间技术本身的发展；另一方面则是通过空间技术的发展，带动相关科技的进步。因此，月球冶金工业研究不仅是为未来太空基地建立做的准备。现代冶金面临着资源短缺、能源危机双重困难，因此亟需可持续可循环的新冶金流程。月球冶金的开展也能为冶金工业的可持续发展提供新的思路。

1月球的能源和资源

月球冶金工业开发计划应是基于月球表面矿产资源和能源状况设计的。

1.1月球的能源储备

太阳能是主要的太空能源，但月球光照时间较短，其在月球上的应用需要考虑能源的大规模存储问题，这需要与燃料电池等设备的连用。此外，核能也是高效的能源来源。月球上数百万吨的³He作为核聚变原料如果能开发出来，将提供源源不断的能源。月球两极数十亿吨的水冰电解产生的氢也能提供丰富的能源。

1.2月球冶金工业方式

月球上最适合的能量传输方式是无线的电能传输。无线电输（wireless power transmission, WPT），就是用微源或激光器把直流电转变为微波或激光，然后由天线发射出去，大功率的电磁射束通过自由空间后被接收天线收集，经微波或激光整流器后重新转变为直流电。因此，直接利用电能的冶金方式是月球冶金工业较为合适的实现方式。

月球表面环境是处于高度真空中，因此地球环境下金属冶炼和加工过程中的氧化问题可以避免，另外真空冶炼的种种好处也可以轻易实现。但是由于月球气态氧获取比较困难，而且按目前科技水平估算从地球运输氧气到月球的成本约为5~9万美元/t ，因此高温冶金中常用的氧气吹炼工艺是不适宜的。

1.2月球的矿产资源

目前对于月球表面矿物组成的探索主要通过三个方法完成：绕月飞行器的遥感观测，月球探测器登月实地采样以及对于月球陨石的研究。通过这些方式，已经分析出了丰富的信息。

月球表面的月壤中包含丰富的矿产资源。作为月球主要的冶金矿产，钛铁矿以万亿吨计。另一种高地三大岩石类型之一的克里普岩中蕴藏的稀土元素资源量也以超过百亿吨计。另外还有镁、铬、镍、铜等丰富的金属资源。月球的微尘中存在纳米级的金属铁，也许可以用直接的高温熔分的办法通过这一特殊的资源获取金属铁。

与地球表面不同，月球表面的矿物开采和利用方案设计中，一个重要的问题是月壤的特殊性质。比如除去砾石的月壤非常细小，体积密度仅有1.5 g/cm3左右。其中10%~20%为20μm以下的微尘，容易造成机械设备的磨蚀。因此，针对月壤特点，需要一种量身定制的冶金方法。

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图1 月壤中元素的组成

2月球冶金工艺流程

月球开发的基础工程——原位资源利用（ISRU）的研究主要是针对氧气和燃料、能源的制造进行研究的。因为氧气对于月球基地中人的生存至关重要，而燃料能源的提取，才能为月球工作的开展和航天器、探测设备的运动提供动力支持。但是，ISRU要对月壤中的矿产资源进行提取，必然要涉及到冶金工艺方法。

作为原位资源利用（ISRU）工程中的重要组成部分，制氧工艺主要是以氧化物矿物为原料，通过各种途径分离出气态氧，在这一过程中，金属作为副产物生产出来。冶金中常用矿物钛铁矿是ISRU制氧工艺中的主要考察对象之一。当前研究中的工艺主要有三种：高温电解法、气基还原法和高温自蔓延法。

2.1高温电解法

除了需要用到大量由地球提供氯化物原料的熔盐电解法以外，另一种方法是电解融熔态矿物的熔岩高温电解法。如在1600oC通过以下电解矿物反应生产金属铁和硅：

阳极：O^2-=0.5O₂+2e^-

阴极： Fe^2-+2e^-=Fe;  Si⁴⁺+4e^-=Si

图2为McCullough等给出的熔岩电解工艺装置设计。

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图2 月球表面岩石熔融电解池设计图

矿物熔点控制和设备的选取是这一工艺的关键点。通过配矿降低原料熔点至一合理值后，可以通过电热方法加热其至熔融状态，然后电解。由于电解产物中的氧气需要收集，因此需要保证装置的气密性。为保证金属液的顺利导出，导流槽设计也十分重要。由于熔岩高温电解法原则上只需要提供足够的电能，对地球提供资源依赖性不强，因此原理上是最简单易行的方法。

2.2气基还原法

气基还原法包括氢还原、碳基燃料还原、氟还原、碳热氯化还原法等方法。流化床还原是气基还原中常用的工艺形式。如图3所示的是联合了氢气制造装置的氢还原钛铁矿流化床设备。

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图3 氢还原月壤中钛铁矿的流化床装置

Balasubramaniam提出了一种碳基燃料还原方法：在月球上利用高温还原，从甲烷中获得氢气和一氧化碳，同时在熔化的月尘中也会产生金属。他认为，由于月尘具有很差的差热传导性质，因此可以将收集的月尘用激光等加热熔化，从而形成有类似无定形耐火材料的月尘不完全包覆的熔滴。甲烷在熔滴表面通过时，气体分解，会产生氢气和一氧化碳，并且还原出金属。另外，他还提出了用于预报这种资源开采利用过程生产速率的模型。

这一工艺中所用到的甲烷可以借用火星ISRU开发中提到的技术：用Ni催化剂的固体氧化物燃料电解池（SOEC）在673 K时通过反应CO2+4H2→CH4+2H2O 以及水的电解反应生产。铝基钌催化剂可以在573 K以下使上述电解反应发生，并且不会产生有毒的镍羰基化合物。当然，也可以直接在1373 K下还原二氧化碳。二氧化碳原料为人类呼吸产生或由地球运送，水则依赖月球两极的冰资源。

大部分的气基还原方法都需要地球运送还原用气体到月球上，这样会花费很大的成本。另外，气体在还原设备中的密封及循环使用问题都需要解决。氟还原方法和碳热氯化还原法还面临着设备腐蚀防护的问题。考虑资源的易得性和可持续性，氢还原法应该是气基还原工艺中最具发展潜力的一种方法。

2.3 高温自蔓延法

高温自蔓延（燃烧）合成（SHS）方法可以在无氧环境和微重力环境中应用，在太空中这种技术的灵活性和适应性很好，并且具有多用途的特点。有文献报道，月壤中钛铁矿SHS方法主要有两个反应：

 FeTiO₃+3Mg——>3MgO+TiFe,

FeTiO₃+7Mg——>3Al₂O₃+TiC+Fe₃C。

其中，镁热还原反应不需要碳作为原料加入，因而被认为更具发展前途。文献中对适应月壤条件的SHS方法作了详细的研究，其中图4是通过SHS工艺冶炼出的产品。

SHS方法的好处是不需要外部能源，但是Mg和Al的循环利用以及渣金分离是这一工艺需要解决的问题。

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图4 以模拟月壤为原料通过SHS方法生产的产品

3结语

月球冶金方法的优劣应以资源的循环利用、设备的稳定性、工艺的简易性以及流程的自动化程度来判断。以上可用于月球的冶金方法对资源及能源的需求各不相同，高温电解法和氢还原法对地球资源依赖程度低，是最具发展潜力的方法。尽管月球ISRU研究已经积累了大量的工作经验，但是，在现有的ISRU研究偏重方向并不在金属提取上，因此冶金学家在相关工艺方法中可以做和需要做的工作还很多。

冶金学家在电解提取和净化金属、气基还原方面都有丰富的经验。如无污染脱氧法及氢冶金的研究就为冶金学家开展月球冶金新方法的研究打下了基础。新的研究方向不但会为冶金这一古老的学科注入新的活力，也必然会推动我国太空技术的发展。

致谢

感谢国家重大基础研究项目“973”专项资助（No.2012CB215405）。

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17.               Ellery, A., et al. A low-cost approach to the exploration of Mars through a robotic technology demonstrator mission// Proceeding of the fifth IAA international Conference on Low-Cost Planetary Missions, Noordwijk, 2003: 127-134（会议[C]）

18.               Corrias G, et al. Optimization of the Self-propagating High-temperature Process for the Fabrication in-situ of Lunar Construction Materials. Chemical Engineering Journal, 2012, 193-194: 410-421

19.               高运明, 郭兴敏, 周国治. 短路还原法提取铁的研究. 金属学报, 2006, 42(1): 87-92

20.               梁小伟, 孙铭山，鲁雄刚，等. 渣金间外加电场无污染脱氧新方法. 上海大学学报: 自然科学版, 2003(4): 318-320

作者简介

陈志远（1987—），博士研究生，从事冶金新工艺及电化学动力学研究。

周国治（1937—），广东汕头人，北京科技大学教授，上海大学教授，第七届中国金属学会常务理事，第十届全国政协委员，中国科学院院士。先后发表论文 250 多篇（其中SCI收录180多篇，EI收录150多篇 ），3项美国专利，20多项中国专利。主要研究领域：(1) 多元熔体的物理化学性质的测定和计算；(2)材料过程的物理化学规律的探索及其在金属材料、无机非金属材料和储氢材料中的应用；(3)氧离子的迁移规律及其在冶金过程新工艺和能源开发中的应用，提出了一系列的可控氧流冶金新工艺，并为能源的开发和有效利用指出了新的研究方向。

晶体学家外斯与晶带定律

供稿|白欢欢  ，杨平/ BAI Huan-huan，YANG Ping

作者单位：北京科技大学材料科学与工程学院，北京， 100083

内容导读：材料科学始终是由许许多多科学家创造型思考与精彩研究成果的结晶。有很多理论、定律，都是以发现者的名字命名的，了解大师的成长经历，不仅能够给材料科学平添一抹人文气息，让我们从这些名人的经历中获得学习材料科学的勇气和乐趣。文章通过文献调研，从外斯（Weiss）的晶带定律入手，介绍了晶带定律在理论以及实验中的应用，并介绍了晶带定律的提出者——德国著名矿物学家、晶体学家外斯（Weiss）对晶体学理论的贡献及其生平，分析了外斯与其他晶体学家的联系。

材料科学始终是由许许多多科学家创造型思考与精彩研究成果的结晶。有很多理论、定律，都是以发现者的名字命名的，了解大师的成长经历，不仅能够给《材料科学基础》这门课平添一抹人文气息，让我们从这些名人的经历中获得学习材料科学的勇气和乐趣，还能使我们对这些理论、定律有更深刻的印象；此外，我们也可以从这些名人的典故中了解到材料科学的历史发展历程，继而对材料科学有宏观的把握。

本文从外斯的晶带定律入手，介绍了晶带定律在理论以及实验中的应用，并且叙述了他的生平经历，同时引出了外斯与同时代晶体学家的相互影响以及对外斯对后人的重要影响。

1外斯与晶带定律

1.1 晶带定律

1805年—1809年，外斯界定了晶带定律。从此晶带定律成为晶体学中的一个重要概念，它表述了晶带轴和与其相关的一组晶面间的关系。在涉及晶体学的材料研究中常利用晶带定律快速确定研究者所关注的特定晶面或晶向的相对方位。同样，X射线衍射或电子衍射理论也会以晶带轴为基础进行布拉格方程或爱瓦尔德衍射球的讨论。

晶带定律的内容为：晶体上的任一晶面至少同时属于两个晶带，或者说，平行于两个相交晶带的公共平面必为一可能晶面。根据晶带定律可知，由任意两个互不平行的晶面即可决定一个晶带，而由任意两个晶带又可决定一个晶面；从而，由互不平行的4个任意已知晶面（其中每3个均不属于同一晶带），或由任意4个已知晶棱（即晶带轴，其中每3个均不共面），即可导出此晶体上一切可能的晶面和晶棱，并推算出相应的晶面符号和晶棱符号。晶带定律又称为Weiss晶带轴定理。这是外斯对晶体学最重要的贡献。

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图1 Weiss1829年发现的石英中的接触孪晶

此外，外斯也推导出4种有限的晶体形态，即锥形的四面体、正交或斜方晶系、六方晶系、单斜和三斜晶系。外斯还提出过晶面指数，但未被广泛接受，后来被密勒指数取代。这些事实说明外斯对晶体外形和晶系的分类也有一定的贡献。图1是外斯1829年在法国加尔代特(La Grande Gardette)发现的石英中的接触孪晶，由于这种孪晶在日本很多，也称日本孪晶。

1.2晶带定律的理论应用

结合晶带轴和晶带方程，我们可以解决一些晶体学的几何问题，如求晶带轴的方向指数、两个晶向构成的面的平面指数，3个面同属于一个晶带的条件，3个点阵直线共面的条件等。而晶带轴与倒易点阵的关联是：正点阵中晶带轴为[uvw]的晶面(hkl)在倒易点阵中成为在（uvw）*面上的[(hkl)]*阵点。图2(a)是铝的[100]晶带轴的衍射斑分布，所有的斑点代表[100]晶带。

需要指出的是，晶带定律应用较多，比如，{111}面上全位错分解为两个肖克莱位错；位错线方向、滑移面及柏氏矢量间的关系，滑移系数目的确定，马氏体相变时变体选择规律，形变中的滑移、孪晶与织构，都会用到晶带定律。而在X射线衍射或电子衍射部分时也会以晶带轴为基础进行布拉格方程或爱瓦尔德衍射球的讨论。

1.3晶带定律的实验应用

晶带在实验中有着广泛的应用，如目前较为完善的电子背散射衍射（EBSD）技术中衍射花样（称菊池带，是日本学者菊池20世纪20年代首先观察到的）中的晶带。图2(b)是单晶铝的EBSD花样，每个带对应一个晶面，交叉点则是晶带轴；中心为[001]轴。这正是最常用的、从不同方向进行的晶体学分析技术。本来倒易点阵是很抽象的，图2(a)中每个点代表1个垂直于纸面的晶面，图中只有一个晶带轴；而图2(b)中的衍射带却很直观，每个带代表一个放大的晶面。过中心点（001）的所有带组成一个晶带，图中存在许多晶带轴。

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图2  铝单晶的衍射斑(a)与EBSD衍射带花样(b)

2 外斯的生平

2.1外斯的成长经历——“晶体学之路”

外斯的肖像（见图3），他的全名音译为克里斯蒂安•塞缪尔•外斯，（Weiss），有的文章译为“魏斯”或者“韦斯”，“克里斯蒂安•塞缪尔•魏斯”等，在余永宁教授编著的《材料科学基础》中，将Weiss译为“外斯”。这里考虑到Weiss为德国人，而在德语中，Weiss的发音更接近“外斯”，意思是“白”。故本文采用与余永宁教授相同的译文“外斯”。

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图3 外斯（Weiss）肖像

外斯于1780年2月26日出生在德国的莱比锡城，1856年10月1日在匈牙利的埃格尔离世，他是矿物学家及晶体学家。外斯的晶体学之路并非一帆风顺。看似良好的“神父家庭”背景成为束缚外斯成长的外部力量。从发现自己真正感兴趣的事物，到摆脱宗教思想的束缚，这个漫长的自我成长与成才的经历中，外斯表现出了果敢的勇气与决心以及非凡的聪敏与智慧。

外斯的祖父和父亲都是尼科莱教堂的神父。他们给外斯取的名字的第一个单词Christian——克里斯蒂安，意思是基督教，从这里大致看出外斯的成长环境充满了宗教的氛围。这种环境下，年幼的外斯（12岁）开始接受古典教育时，在当时伯的自由教会学校（Evangelische Gnadenschule Hirschberg），也就是现在波兰的耶莱尼亚古拉，跟随语言学家C.L.鲍尔学习。受这种宗教思想的束缚，1796年，16岁的外斯回到莱比锡城，在大学进修医学。但是外斯对医学没有任何兴趣，也不愿意继续留在医学界。与此同时，物理、化学以及晶体学这些自然学科引起了外斯浓厚的兴趣。于是，在得到学士学位之后他又转向自己喜欢的物理和化学的学习，并在1800年（20岁）获得博士学位，同时被聘为大学职员。外斯从1803年开始在莱比锡教化学、物理学以及晶体学，并于5年之后获得了物理学教授头衔。

1809年，语言学家、哲学家兼政治家的威廉冯洪堡为了创立一所以哲学与科学为中心的“研究教学合一”的大学，想要招揽一批德国最杰出的教师。经布赫推荐，外斯被威廉冯洪堡任命为这所新大学的化学、矿物学和晶体学教授。这所新大学的课程从1810年开始，而外斯担任矿物学教授一职直至终身。这所新大学便是被誉为“现代大学之母”的、现今德国首都柏林最古老的大学——柏林洪堡大学。同时，威廉冯洪堡的弟弟亚力山大冯洪堡，以自己的名字建立了德国洪堡基金，这个基金资助了大量的外国科学家与德国科学界的交流，也是至今科学界声望很高的基金会。

洪堡大学在200年的岁月中培养和造就了一大批知名学者，曾在洪堡大学学习和工作过的诺贝尔奖获得者就多达36人。柏林洪堡大学的教师阵容十分强大，包括物理学家爱因斯坦、马克斯•普朗克、亥姆霍兹、薛定谔、赫兹、韦恩等；生物化学之父费歇尔；20世纪最伟大的数学家之一冯•诺伊曼；化学家拜耳；哲学家费希特、谢林、黑格尔、叔本华；地理学家李希霍芬、李特尔；神学家弗里德里希•施莱尔马赫；法学家萨维尼；历史学家兰克都曾在此任教。

1810年卡斯滕去世后，外斯也成为矿物学博物馆馆长。在1832年至1833年，外斯担任柏林洪堡大学校长（见图4）。1853年——是外斯逝世的三年前——他为完善博物馆而协助政府购买布赫的一些价值连城的珍藏。1856年10月1日，外斯在匈牙利的埃格尔永远的离开了人世。后来人们为了纪念外斯对柏林大学的重要贡献，将外斯的名字刻在柏林大学的墙壁上(见图5)。

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图4 外斯曾担任校长和教授的柏林洪堡大学（http://www.hu-berlin.de/）

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图5 柏林大学里的荣誉墙（墙上刻着对柏林大学有突出贡献的人的名字， 放大图圈中的文字是：Christian Samuel Weiss（1780-1856））

2.2外斯与其他晶体学家——思想火花的碰撞

1800年，外斯被聘为大学职员。在教书之前，外斯特意花了两年时间在克拉普罗特化学实验室以及定量矿物分析中心学习。克拉普罗特（Martin Klaproth）是柏林大学第一位化学教授，是元素铀、锆、铈的发现者，也是分析化学的奠基人之一，这个实验室便是以他的名字命名的。在这里，外斯认识了年轻的瓦连京鲁斯，也逐渐熟识了皇家矿物集合馆的馆长、矿物学家迪特里希•卡斯滕（Dietrich Ludwig Gustav Karsten），同时也认识了著名的矿物学家利奥波德•冯•布赫。这些人在晶体学和矿物学方面已经有自己的建树与见解，并且乐于对外斯勤加指点，也正是因为站在这些巨人的肩膀上，外斯才得以进一步成长。

卡斯滕建议外斯去认真阅读法国Haüy的《论矿物学》（见图6(a)）。在翻译这本书的过程中，外斯补充了大量的晶体学方面的知识。同时，他开始逐渐认识到维尔纳(A. G. Werner)关于晶体学的观点是十分实用的，这种认识十分有效地矫正了Haüy在《论矿物学》一书中的并未证实的猜测。这就是后来的《矿物学总论》。维尔纳是德国地质学家、矿物学家，水成学派的创始人；Haüy是法国杰出的晶体学家。从这里可以看出外斯尊重维尔纳和Haüy这两个人,但是他并不是对他们不加批判的膜拜。

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图6  (a)法国Haüy《论矿物学》（Traité de minéralogie）的首页（美国加利福尼亚大学图书馆）；（b）科学功勋勋章(http://www.pourlemerite.org/peace/peace.php)

1805年—1806年，外斯听从布赫和卡斯滕的建议，和维尔纳去弗莱贝格以及在一些与地质学相关的领域和地区参观学习，比如澳大利亚、瑞士和法国等。当时他和法国矿物学家René-Just Haüy、André Brochant de Villiers、Claude Berthollet这些人一起在巴黎度过了几个月。丰富的阅历促使外斯成为当时正在快速发展的晶体学学术圈的中心。

1809年，外斯在其莱比锡的教授就职论文中第一次发表了关于晶体几何学的解释；后来又对这些观点发表了一系列的论文，这些论文均发表在柏林的矿物学论文研究学术期刊，以及社会自然科学册的出版物中。在论文中，外斯结合自己对晶体学的理解和研究，提出了晶体的对称定律和晶带定律，并将晶体分为六大晶系。这在当时的晶体学界引起了轰动，并奠定了外斯在晶体学中不可动摇的地位，而其中最广为人知的晶带定律，一直沿用至今。外斯除了在晶体学上做出了重要贡献之外，还发表了许许多多的关于地质学的论文，例如他和亚历山大•冯•洪堡以及布赫一起奠定了维尔纳的岩石水成论者理论。1815年，外斯成为皇家普鲁士科学院会员。1853年，外斯以矿物学家的身份在德国柏林获得了科学功勋勋章（Pour Le Merite），见图6(b)。

3启示

3.1     兴趣

前文提到,外斯成长于宗教氛围浓郁的神父家庭，外斯年幼时是在教会学校念书,甚至在大学期间也是学习与宗教有关联的医学。尽管如此，年轻的外斯真正感兴趣的却是物理、化学和数学这些自然科学。从16岁进入大学到20岁被授予博士学位这短短的四年时间，年轻的外斯出色的完成了医学专业和自己感兴趣的物理、化学这些学科的学习。这之后，外斯最终选择了自己最感兴趣的矿物学与晶体学进行研究，乃至为之奋斗终身。

我国目前本科阶段绝大多数是四年制。本科毕业大多数是二十多岁，即便如此，材料科学与工程专业毕业的本科生，也仍旧无法对材料科学有十分深刻而独到的见解。毕竟，知之者不如好之者，好之者不如乐之者，如果我们对材料科学充满兴趣，就会主动吸取和探索这方面的专业知识。

3.2前沿

外斯曾出国游历以了解国外在矿物学、晶体学相关领域的最新动态,为其之后的发展奠定了重要的基础。因为外斯所处的时代，晶体学是从依附地质学和矿物学的情形下，逐渐蓬勃发展。在此期间他也认识了很多相同领域的不同国籍的学者。如今科学技术日新月异，而参加国际交流能接触到很多时代尖端的前沿知识，同时也可能会结交一些良师益友。因而，建议希望在科学领域有所建树的同仁，可以多了解一些国外的相关研究领域。

3.3思维

思维从疑问和惊奇开始——亚里士多德。外斯所处的时代背景下，矿物学以及地质学蓬勃发展，成为主流学科；而晶体学只是依附于地质学而相对缓慢的发展。尽管如此，敏锐的外斯，即使接触到很多同领域的泰斗比如法国Haüy，也不是盲目信从，而是用质疑的眼光对待；对于刚刚发展的新理论，例如维尔纳的岩石水成论，则是很快的吸收并为己所用，这在当时甚至现在都是很少见的。因为研究者一般倾向于相对权威的理论，对于新发展的理论，在没有其他权威验证其正确性时，则是不容易接受。有了这种与时俱进的学习精神，才能及时更新自己的知识。

致谢：

感谢北京科技大学教学研究项目（No.JY2011SFK05）及材料学国家级教学团队建设项目的资助。

参考文献

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[2] 毛丰昕, 肖泓羽, 曹涵, 杨平等. 材料科学名人典故对“材料科学基础”课程学习的影响. 中国冶金教育，2010（6）：82-84，87

[3] 杨平. 《材料科学基础》课程的基本概念与相关名人典故——再结晶形核机制、立方织构及胡郇先生. 金属世界，2011（4）：73-77

[4] Weiss C S. De indagando formarum crystallinorum character geome-trico principali. Leipzig, 1809. French by A. Brochant de Villiers, . Memoire sur ladetermination du caractere geometrique principal des formes cristallines. Journal des Mines, 1811(29 )：349-391,401-444

[5] 余永宁.材料科学基础. 北京：高等教育出版社，2007

[6] Hoppe G. Zur Geschichte der Geowissenschaften im Museum füur Naturkunde zu Berlin Teil 4: Das Mineralogische Museum der Universitäat Berlin unter Christian Samuel Weiss von 1810 bis 1856.  Mitt. Mus. Nat. kd. Berl, Geowiss. Reihe， 20014 (4)： 3-27

[7] Complete Dictionary of Scientific Biography (eBook version). Published by Charles Scribner's Sons，2008

[8] Weiss C S. Betrachtung eines merkwürdigen Gesetzes der Farbenanderung organischer Köorper durch den Einfluβ des Lichtes. Leipzig, 1801, Signatur : Phy.sp.738

[9] Verzeichnis der Mitglieder des Ordens POUR LE MéRITE für Wissenschaften und Künste nach Aufnahmejahren. Stand: 1. Nov. 2011

作者简介：

白欢欢（1989—），女，湖北襄阳人，材料专业;

杨平(1959—)，男，北京科技大学材料学院教授，博士生导师，北京市教学名师，宝钢优秀教师奖获得者，曾获北京市教学成果一等奖，共发表文章20余篇，

E-mail：yangp@mater.ustb.edu.cn

师者风范

——怀念恩师陈先霖先生

供稿| 胡包钢/HU Bao-Gggang

作者单位：中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室，北京 100190

内容导读：陈先霖院士（1928.9—2009.1）是我国著名机械学家和工程教育家。他从教五十余载, 在教育和科研园地上辛勤耕耘，培育人才，硕果累累。文章记录了20世纪80年代本文作者成为陈先霖先生的硕士研究生后的一些经历。作者回忆了先生给予的具体指导，无论是从敢为人先的科研选题与学术创新、还是亲历亲为的现场实践与计算机编程分析等事例，都真实地反映了先生在治学、育人等方面的学者本色和师者风范。

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人生的成长过程中，除了父母之外，老师是最为重要的领路人。我曾十分幸运地得到许多优秀老师的教诲和指导。其中对我学术生涯影响最大的就有恩师陈先霖先生（1928.9—2009.1）。在我心目中陈先生是中国知识分子的楷模。这个榜样的力量，一直激励我要做一名称职的教师与科学工作者，扎扎实实地实现人生的真正价值。

缘起

我是1980年考入北京钢铁学院（现为北京科技大学）机械工程系，有幸成为陈先霖先生的第三批硕士研究生之一。入学后我才知道，我的学兄们学习与科研方面都相当优秀。例如徐金梧学兄在研究生入学前就已自学并翻译了国际著名的工程力学大师铁木辛柯（Stephen P. Timoshenko）的英文原著“Vibration Problems in Engineering”。那一届全校录取的硕士研究生五十一人，同学们的基础参差不齐，其中有十几名文化大革命之前或期间毕业的老大学生，但大多数是文化大革命中毕业的工农兵学员，有时我们自嘲为最后一批“工农兵研究生”。同学们中学历最低的可能要数从“工人大学”毕业的三名学生，分别为徐春光、蒋思源和我，初中毕业加十年工厂经历后我们都考入了机械工程系。陈先生作为学校知名教授，没有嫌弃我的“工人大学”毕业背景而录用为其学生，现在回想起来，依然让我十分感动。

引导

入学后，陈先霖先生除了对我课程学习关注并予以鼓励之外，最为关键的指导之一就是让我尽快进入研究课题中去。记得是入学半年后（1981年初）导师就为我初步拟定了研究课题方向：“带钢凸度变化与板形生成的力学分析及其有限元方法应用”。现在回想起来，陈先生在研究选题方面不但积极面向工程应用中的重大问题和难点问题，而且其研究思路与新方法应用也是开创性的。所谓板形问题即指带钢在平坦度方面出现质量问题，典型的板形缺陷包括带钢中出现“局部波浪”或者“整体瓢曲”等形式。当时，这个问题在国内外冷轧带钢生产中十分突出，板形技术的应用在国际上也是刚刚起步，相关研究内容极具挑战性，需要长期而系统性的研究工作。陈先生在为研究生选题方面高层次要求且有研究深度的胆识和视野让我在后来的学术成长与科研工作中深深受益。

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实践

1981年9月末，陈先霖先生带领相关老师和我们六名研究生到武钢1700 mm冷连轧机现场开展调研与实测工作。有关调研工作不但包括板形方面相关问题，而且还有实测轧辊热凸度及其温度场测量等内容。这些日子里，陈先生以他重视现场并全面细致思考问题的工作方式启发并引导我们从事研究工作。让我们获得近距离学习他如何研究现场问题的珍贵机会。陈先生是从带钢的入口及出口数据、轧机操作工艺、轧辊情况等因素尽可能全面地予以考察，并引导我们去思考如何建模并应用有限元方法解决具体问题。我从陈先生调研工作设计安排中明白了研究难点问题应该简化而分解进行，在解决方案上则要综合而系统性思考。当时武钢从德国进口的1700 mm冷连轧机虽然包括应用弯辊调整板形的机械装置，但是根本就没有提供用于板形调整的工艺方法，而采用了将弯辊力全部打满的操作方式。陈先生敏锐地发现了该操作的不合理性，并向厂方指出该问题还会加速轧辊的疲劳破坏。不要小看这个发现和其中的建议，它可以挽回很大的经济损失。

楷模

1981年“十一”国庆假日那天，我们同武钢的技术员以及工人们仍然在进行现场测试调研工作。恰好武钢领导走访各个车间，对陈先生和我们工作予以鼓励。我后来更加体会到，安排学校科研团队到现场是一项十分困难的工作。特别是像武钢1700 mm冷连轧机这样国家级大型设备的现场测试项目，从联系成功到具体设计安排更是难上加难。许多细节工作都要予以考虑。其中前后测试准备与数据处理工作就可能要以年度来记。就我所知，这样的现场测试调研陈先生曾组织过多次，包括20世纪80年代在武钢、90年代在宝钢等大型企业内实施。调研测试时间要根据企业要求和实际情况来安排。我还记得邹家祥老师曾感慨地对我们年青老师说过他与陈先生后来一次（可能是1985年）武钢现场调研时情形。大体意思是那一次现场测试调研恰值武汉（为中国著名的“火炉”城市之一）最酷热的季节。陈先生正赶上患牙病，吃饭都很困难，他与同学们同住招待所并同下现场更是不易。写到此，陈先生为教育与科技事业呕心沥血，亲历亲为的情景不能不让我现在都感慨万分！

创新

记得我研究生入学不久就开始到计算机房应用穿孔纸带输入式国产计算机算题，从登记本中看到陈先生也经常排队上机计算。1981年学校购买了穿孔卡片输入式日本M150计算机中心后，会更多次遇到陈先生骑自行车来中心递交算题或领取计算结果。那时计算机容量不大，对于有限元分析经常会出现计算空间容量溢出问题。我还记得陈先生发展的针对武钢四辊冷连轧机建立的轧制力学模型方法很有创意。他首先发展了将四个轧辊与轧件合并一起建立有限元模型方法。由此可以同时考察支撑辊、工作辊、轧件三者之间的力学作用关系。这对传统轧制力学建模中采取独立部件变形分析研究是在方法上的一个重要突破。但是该问题应用三维模型在M150计算机上也是不可行的。为此，陈先生巧妙地将问题转化为二维模型，其中对轧辊有限单元离散时是采用了等弯曲刚度的原理来确定轧辊单元的厚度。这样的简化模型方法，即使在今天也很有生命力。它不仅提出了同类问题的二维模型简化思想和方法，而且也是三维模型计算分析互补验证的另一个重要手段。由此，我看到陈先生不仅仅是指导学生课题研究，而且是独立动手编程并且上机计算来提出并完善模型方法。我是1983年6月获得硕士学位并留校进入新成立的机械工程测试教研室工作，并于1987年底出国到加拿大McMaster留学攻读博士学位。我按当时情况推算陈先生至少在他六十岁时还是一直在亲自动手编程算题。而他指导研究生工作结束已经近八十岁了。很可惜我没有照片记录20世纪80年代陈先生带领我们学生学习的情景，而只有陈先生于90年代的两张珍贵照片。画面中反映出陈先生对于现场获得的数据都有个人编程直接参与处理和分析工作。我很喜欢陈先生在研究工作结果前的学者风采。

师德

《礼记》道：“师也者，教之以事而喻诸德也”。陈先生在教育学生方面留有许多令人难忘的精神力量。他主要是通过日常教学与科研工作细节，以言传身教的方式引导我们培养严谨学风与敬业精神。对于我本人而言，陈先生不仅教导和指引我在学术生涯中迈上一个重要台阶，更为难忘的还包括陈先生是以他的人品、学识和身教一直在潜移默化的影响我的人生发展。导师风范、历历如昨、不断激励我要以陈先生为学习榜样。其中一条就有研究工作中要坚持自己动手。我现在也有20年的国内教学经历了，并更加理解老师的言行可能会对学生产生一生影响力的作用。更多细节我已无法记忆。但是如同我所认识的陈先生培养的学生一样，无不认为陈先生在为人的价值观、道德情操与精神品位方面的教育感召力是最为深刻。陈先生1995年当选为中国工程院院士，在我们心中他始终是一名淡泊名利、追求学术的真正学者。陈先生55年的教学生涯，为我国钢铁工业培育了许多人才。陈先生虽然离我们而去，但他的崇高师德和为人品质永生！

永远怀念我的恩师陈先霖先生。

（胡包钢 2011年8月敬文初稿，2102年11月终稿）

作者简介：

胡包钢（1955—）, 博士生导师，IEEE高级会员，中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室研究员，中国科学院大学（原中国科学院研究生院）教授，中国科技大学自动化系兼职教授。1983年在北京科技大学( 原北京钢铁学院)获工学硕士，1993年在加拿大McMaster大学获哲学博士学位，2000年—2005年担任"中法信息、自动化、应用数学联合实验室"(LIAMA)中方主任。主要研究方向为智能系统、模式识别与植物生长建模。

揭秘核电材料

                   ——核电站一回路主管道材料及其制备工艺

供稿| 王永强，杨滨，武焕春，韩军，王西涛

工作单位：北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083

内容导读：核电站一回路主管道是核电站的一级部件，它的重要性不言而喻，其材料通常为含一定铁素体相的奥氏体不锈钢，国外也称双相不锈钢，此类材料综合性能优异。文章从材料的类型、组织、成分、性能等方面介绍了目前运行最多、最成熟的二代核电站一回路主管道材料，并在此基础上简要介绍了一回路主管道的制备工艺，意在让读者尽可能全面地了解核电站一回路主管道材料及其制造过程，从而丰富金属材料在核电领域应用的知识。

压水堆核电站工作原理

核电因其巨大的优势得到了快速发展，目前已与火电、水电并称为电力能源三大支柱，并且随着煤炭、石油等化石能源的储量日益减少，其重要地位不断凸显。核电经过近60年的发展、运行，其技术不断完善，至今已经发展到了第三代（如图1所示），现在一些国家正在建设三代核电站。第四代核电站概念也已于21世纪初提出，但距离商业应用还很远。目前全世界范围内使用最多、运行最成熟的是第二代和二代改进型核电站。

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图1核电站发展的几个阶段

核电站中，动力堆主要有轻水堆（包括压水堆和沸水堆）、重水堆、石墨堆（包括石墨气冷堆和石墨水冷堆）以及快中子增殖堆，这些堆型中压水堆是应用最广泛、最主要的堆型。目前全世界运行的商业核电站共有439座，这些核电站中轻水堆占85.9%，其中压水堆61.3%，沸水堆24.6%，如图2所示。

压水堆核电站的工作原理如图3所示。反应堆堆芯核裂变产生巨大的热能，主泵把水泵入，水既是慢化剂，又是冷却剂，冷却剂流经堆芯进行冷却，同时水被加热到327℃、155个大气压的高温高压水。高温高压水进入蒸汽发生器的U型管内，在U型管内与二回路冷却水进行热交换，释放热量后又被主泵送回堆芯重新加热再进入蒸汽发生器。这样不断地在密闭的回路内循环，称为一回路系统。蒸汽发生器管壁外的水被一回路系统的热水加热成蒸汽后进入汽轮机，通过汽轮机做功，同轴带动发电机发电，然后进入冷凝器被海水冷却，又凝结成水通回蒸汽发生器，重新加热成蒸汽。这个汽水循环过程称为二回路系统。压水堆核电站中一回路主管道为核岛七大关键部件之一，是系统承压边界的一部分，称为核电站的“主动脉”，它封闭着高温、高压和带有放射性、腐蚀性的冷却剂，维持和约束冷却剂循环流动，对反应堆的安全和正常运行起着重要的保障作用。由此可见一回路主管道在核电站中扮演着非常重要的角色。

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图2核电站数量、堆型分类及比例

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图3压水堆工作原理

压水堆核电站一回路主管道材料

一回路主管道属于核安全一级部件，尺寸大、运行条件苛刻（~约300℃、16 MPa的含磷酸、硼酸高温高压水），对材料性能要求极高，除要求有良好的综合力学性能（足够的强度、高的塑性和韧性）外，还要求耐高温高压水腐蚀，具有良好的抗疲劳性能、易加工性和焊接性能等[1]。拥有 双相组织的铸造奥氏体不锈钢（约5%~20%铁素体相以岛状分布在奥氏体基体上—CASS）能很好的满足上述性能，广泛用于核电站一回路主管道。国外早期核电站一回路管道大多采用18-8 型（美国ASME304）奥氏体不锈钢（相应铸钢为CF-8）。后来，为了提高304 不锈钢抗高温高压水晶间应力腐蚀性能，逐渐改用含2%～3% Mo的ASME316 型不锈钢及相应的铸钢CF-8M。

为了进一步延长核电站运行寿命，近几十年国际上对一回路管道材料进行了深入的研究。美国、日本开发了核级控氮316L不锈钢，法国投入巨资开展了一系列奥氏体不锈钢材料的研究，开发了Z2CND18.12和Z3CN20.09M主管道材料。一些国家核电站一回路主管道材料如表1所示。

目前世界上半数以上的核电站是按法国核岛设备设计和建造委员会（AFCEN）制定的RCC-M《压水堆机械设备设计和建造规则》制造的，我国正在建造的和今后相当一部分核电站也都按这个规范建造。RCC-M《压水堆机械设备设计和建造规则》是一部国际上公认的最为安全的核电设备制造规范，按RCC-M制造的核电设备迄今为止没有发生过重大的安全事故，且设备故障率最低。RCC-M规范中的牌号Z3CN20.09M不锈钢属于低碳奥氏体-铁素体型不锈钢，其化学成分和力学性能标准如表2和表3所示。RCC-M规范要求Z3CN20.09M铁素体含量范围12%~20%，最理想值为15%~18%，其值可依据Shaeffler图通过改变材料成分实现调控。

表1 一些国家主管道用材

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表2 主管道直管和弯头成分（质量分数，%）

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表3主管道直管和弯头力学性能

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Z3CN20.09M的微观组织如图4所示，它由奥氏体基体和岛状铁素体相组成。铁素体含量一般规定为12%~20%，最佳值为15%~18% （以上均为体积分数）。

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图4 一回路主管道材料Z3CN20.09M微观组织

奥氏体不锈钢中铁素体起着极其重要的作用。1）由于铁素体是以分散并均布成小坑状存在于奥氏体晶粒之间，削弱奥氏体柱状晶和树枝晶的方向性，隔断奥氏体晶界连续网状碳化铬析出，从而防止晶间腐蚀，因此铁素体对提高耐晶间腐蚀的作用有好处。通过试验证明，由于铁素体对应力腐蚀开裂不敏感，因此含有铁素体的奥氏体钢焊缝的耐应力腐蚀性能优于同成分但含有很少铁素体的奥氏体钢焊缝。2）奥氏体不锈钢中的铁素体对材料的力学性能有显著影响。铁素体含量增加时强度增加，同时，延展性和冲击强度减低。利用此特性，可采用调控铁素体的含量来达到所需要的材料力学性能和加工性能。3）但是奥氏体不锈钢中铁素体含量过高会损害奥氏体不锈钢的可锻性和热稳定性，特别是用于大锻造比的锻件，铸坯限制铁素体的含量是合理而必要的（通常限制在3%~8%）。同样道理用于冷变形的奥氏体钢，如冷伸压、深冲压，冷拔和冷挤压的奥氏体钢，铁素体含量应进一步限制（通常限制在5%以下）；同时，高铬铁素体长期处于较高温度环境（≤550℃）会发生475℃脆化现象，增加材料脆性断裂倾向。

一回路主管道制备工艺

压水堆一回路主管道可以采用锻造或铸造制造工艺。采用锻造奥氏体不锈钢时，主管道组织均匀，力学性能较好；但由于制造工艺的限制，直管段制造长度受限，使主管道焊缝数量增多，焊接工作量增大，而且由于材料本身特点，在焊接时容易产生焊接缺陷。铸造工艺可以克服锻造主管道的缺点在保证主管道力学性能不降低的前期下，采用铸造奥氏素体－铁体不锈钢来替代锻造奥氏体不锈钢。铸造奥氏素体－铁体不锈钢具有较好的焊接性能，焊接时不易产生焊接缺陷，且采用离心铸造可以制造出长度较大的直管，使焊缝数量减少，这一技术已经成功应用到主管道的生产中。

二代核电站一回路主管道包括直管和弯头部分，直管和弯头通过焊接组合成完整管道。一回路主管道直管由离心铸造而成，弯头通过静态模铸而成，具体工艺路线如图5所示。

原料经过电弧炉+氩氧炉双联冶炼，调控微合金元素及杂质含量得到成分合格的钢液，成分调控时要严格将C含量降低到0.03%以下，然后进行浇注。弯头通过砂型静态铸造成型，直管经卧式离心铸造机成型，成型后的毛坯管件脱模后进行固溶热处理，目的是减少缺陷、均匀成分及调控铁素体含量从而提高性能，热处理工序完成后进行机械加工。直管和弯头的加工包括内圆和外圆的加工，机加工设备主要包括大型的车床、镗床及工装。对直管和弯头的机加工关键在于制定合理的加工工艺，并配套相应的设备。

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图5 一回路主管生产工艺流程

结束语

一回路主管道在核电站安全运行中扮演着非常重要的角色，其选材、加工都有极严格的规范。含有一定量铁素体相的奥氏体不锈钢因其性能优异（包括力学性能、物理性能、加工性能等），广泛用于二代和二代改进型核电站一回路主管道，但是此种材料也存在一些缺陷，例如长期服役会发生热老化脆化，其性能下降。为了解决二代核电站一回路主管道热老化脆化问题，延长核电站使用寿命，提高安全性，正在发展和建设中的第三代核电站主管道材料选用控氮奥氏体不锈钢，经整体锻造而成。

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[9]        中国特钢企业协会不锈钢分会. 不锈钢实用手册. 北京: 中国科学技术出版社, 2003

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[11]      AFCEN. Design and construction rules for mechanical components of PWR nuclear islands  RCC-M  [S]. RCC-M Ⅱ Materials M3403, M3406, 2007.

作者简介：王永强（1982-—），男，博士研究生，研究方向：核电一回路管道材料，E-mail: wangyongqiangustb@gmail.com；

杨  滨（1960-—），男，博士，教授，联系电话：010-62333351，北京科技大学新金属材料国家重点实验室，E-mail: byang@ustb.edu.cn