第六章-功能材料03

功能材料,中南大学,资源加工与生物工程学院袁明亮E-mail:,矿物材料加工学,内容6-1功能材料加工概述6-2保温材料6-3摩擦材料6-4密封材料6-5电功能材料,矿物材料分类：一、按矿种分类：石墨制品、云母制品、石棉制品等；二、按材料结构分：单一矿物材料（柔性石墨、矿物填料、膨胀珍珠岩），无机-有机聚合物荃复合材料（汽车制动器衬片），混杂复合材料（碳纤维-玻璃纤维-环氧树脂等）；三、按功能分：新型建筑材料、保温材料、密封材料、点功能材料、耐磨材料、绝热、隔音材料、导热材料、装饰材料等；,矿物材料加工经三阶段：1、初加工：选矿-包括破碎、磨矿、分级及有用矿物的富集。为材料工业提供颗粒粒级和有用矿品位上合格的原料；2、深加工：将原料按所需的技术物理和界面特性要求进行精加工，可能不再是原料，而是具有某些优异性能的材料，一般化学成份与矿物构造不发生本质变化，但其技术物理性能和界面化学性能有一定的飞跃；,常见方法：化学提纯、超细粉碎、剥片、抛光、表面改性、高温膨胀等；产品：膨胀石墨，膨胀珍珠岩，活性白土；（3）、制品加工：以经初加工或深加工的矿物作为原料，与其它原材料相结合，以各种方法制得的结构矿物材料或功能矿物材料；制品常为两种或以上的原料复合而成，可列入复合材料，一种功能矿物材料；,将已选矿的物料进行深度加工；,矿物材料均要通过成型，制造具有特定尺寸的功能材料,包括固化以后处理过程，从工艺技术上看，除了材料物理机械作业外，还包括无机、有机、表面化学等内容；,成型：在限定的模具或载体上用机械力或物理化学力使原料组分均匀地形成规定尺寸及一定强度和密度的加工作业；有的在成型前先制备好混合料，坯料，压塑料等；有一些在成型过程中同时进行原料混合与配制，如喷射成型的纤维增强复合材料；有以下几种成型工艺：1、塑性成型：手塑或旋塑成型，如泥塑工艺品，石墨坩埚等，采用含水的塑性坯体混合料；,2、模压成型：无机-聚合物复合材料：用压缩料、坯料、干粉预拌料，在铜模中加压，加热成型，分干法、湿法或单向，双向模压，如制动器衬片，电极，轴承等；无机复合材料：将松散的纤维与无机粘结剂、填料混合后模压。需养护或蒸压固化，干燥定型；如石棉、水泥制品，纤维石膏板等；3、辊压成型：将压塑料在有溶剂条件下，在辊压机上加热辊压成型，如石棉橡胶板；,4、喷涂法成型：将配有粘结剂的糊料在加压条件下喷涂到矿物表面，如粒状岩棉、膨胀珍珠岩保温涂料等；或将石棉与水泥喷至成型载体上，经抽水，养护固化，干燥定型，如纤维水泥板等；5、液浇法、抄取法、带式、造粒法成型等；,成型的制品只能获初期强度，经固化处理后得最终机械强度。同时获得抗压、耐火、耐热、导电、导热等其它性能，有时固化与成型同时进行；1、烧结：低于熔点的温度下固化成型的烧成工艺：分有液相和无液相：有液相，加结合剂形成液体，或不加结合剂，靠原料中的杂质形成液相作为玻璃质结合剂；无液相，靠固相的滑移或塑性流动；,（1）、常压烧结：普通方法；（2）、低温烧结：添加辅助剂；（3）、压力烧结：成型或烧结，石墨模具或氧化铝模具，单面加压；（4）、气氛烧结：真空：制备透光性烧结体；惰性气氛：防止氧化；制备耐火材料，石墨材料，保温材料；,2、胶结：不经烧结，由第三种媒介物将分散物联结固化；（1）矿物材料本身有胶结性能；水泥、氧化镁、烧石膏经水化；（2）无机粘结材料；石灰，硅酸钠；（3）有机高分子胶结材料；沥青，热固性（酚醛树脂、环氧树脂），热塑性塑料胶结（聚烯烃类），橡胶材料；,外观、形状、尺寸的最终加工；进一步改变和稳定制品性能；1、热处理：稳定和提高机械性能，防止变形、开裂，改善防水性、防火和耐蚀性能；2、去除加工：外形规格尺寸的形态加工；,（1）、机械加工：切割磨；（2）、化学和电化学加工：化学抛光、电解抛光等；（3）、电子学加工：电子束、等离子加工；3、表面处理：根据不同产品，加工方法不同；防水、防蚀、表面装饰、绝热、镀膜；4、结合与包覆：制品与其它材料结合：销接（螺钉）、粘结；,内容6-1功能材料加工概述6-2保温材料6-3摩擦材料6-4密封材料6-5电功能材料,保温材料：又称绝热材料，保温、保冷材料；,导热系数小，并有一定耐热力；1、分类：（1）、按容重：重质（400500kg/m3）,轻质（150350），超轻质（120150）；,（2）、按压缩性：轻质，半硬质，硬质；（3）、热导热性分：低导、中导、高导热性；（4）、按形态分：多孔、矿纤、金属和其它；2、技术指标：（1）、导热系数：每小时、通过两面温差1oC，厚度1cm，表面积1cm2的热流数量（kJ/mhoC），导系4.18X0.12适用于各种用途的保温；（2）、导温系数：表示热量或温度传递的快慢；=/Cpr;-导热系数，Cp-比热容，r-容重；,（3）、比热容：4.18X（0.180.25）kj/kgoC（4）、蓄热系数：材料储蓄热量的能力；（5）、容重：自然状态下（包括气水）的重量；（6）、气孔率：孔隙率；（7）、含水率：吸收水份或湿气的性质；（8）、机械强度：抗压、抗拉、抗折；（9）、耐热性：在高温下受热不改变性能的能力，取决于材料性质；,（10）、使用温度：在某温度下反复使用均能符合设计的技术要求，低于熔融温度和耐热温度；（11）、烧失量：检验其耐热性能；,1、矿物纤维保温材料：（1）、石棉纺织制品：石棉砂、线、布等；（2）、泡沫石棉：石棉+表面活性剂纤维充分松解制浆发泡成型干燥网状结构的多孔毡状材料，-50500oC；（3）、岩棉制品：玄武岩等与白云石在14001500oC下熔融；离心机形成纤维树脂喷覆固化；,2、多孔保温材料：脆性颗粒或粉状材料加工成型的深加工制品；（1）、膨胀珍珠岩制品：颗粒可直接充填于设备夹层；也可以胶结剂胶结成型；胶结剂：水玻璃，水泥，磷酸盐；经成型焙烧或养护（根据不同的胶结剂）；（2）、膨胀蛭石：同上;,（3）、硅藻土：本身微孔结构，直接作保温材料；焙烧硅藻土：有时加可燃物（木屑等）或泡沫剂水成型干燥焙烧；微孔硅酸钙制品：5CaO6SiO25H2O硅藻土+石灰+石膏+水玻璃通蒸汽加热搅拌生成硅酸钙凝胶体压制成型高压釜蒸养；,内容6-1功能材料加工概述6-2保温材料6-3摩擦材料6-4密封材料6-6电功能材料,按摩擦特性分高摩擦系数材料（摩阻材料）及低摩擦系数材料（减摩材料）两类；摩阻材料：石棉、碳纤维、半金属、金属陶瓷摩擦材料（按材料结构分）；制动摩擦片、转向摩擦片、控速及离合器摩擦片等；减摩材料：轴承（石棉轴承）和润滑剂（石墨润滑剂）；,又称石棉制动制品，以石棉为增强材料，以有机高分子化合物为粘结剂，以填料为摩擦性调节剂热压成型；1、原料：（1）石棉：温石棉，为增强骨架，具耐热性能、增强作用，一定的表面性能（根据表面性能选择粘结剂），摩擦作用，用量4070%；,（2）粘结剂：树脂：酚醛树脂及其改性物；橡胶：耐高温性差，用量1030%；（3）填料：高聚物在一定温度下分解，摩擦系数，石棉、结晶水、化合物高温析出，形态变化，使摩擦性能不稳定。加填料后使摩擦系数稳定；,填料有矿物类（石英、长石、滑石、高岭土、重晶石、萤石、石墨等）；氧化物类（氧化铁红黑，氧化锌，氧化镁）；盐类（BaCO3、CaCO3）；金属类（Fe、Cu、Al粉）；有机类等；填料用量：1020%；对于半金属材料，加1040%金属粉末，以提高高温摩擦性能；,2、工艺：分湿法（树脂为液态），干法（树脂固态）；（1）、压塑料的制备：石棉、粘结剂及填料，通过各种工艺制成混合料；湿法：原料双桨捏合机常温混合锟压机压成片干燥破碎至610cm2;锟压厚度1.52cm，利于干燥、防尘；干燥温度6080oC，利于树脂缩聚；,干法：近年的新方法，成本低，工艺简单。（填料）原料+热塑性树脂常温混合加热混炼（炼胶机，400KPa蒸汽调温）冷却、破碎-80目加石棉纤维及部分填料混匀；（2）压制：一定温度下，压模中加压成型，固化；,、压模预热，压缩料预成型及预热；温度成型温度；预成型在常温下进行，减少粉尘，或压制复杂形状，有时可省去该工序；压塑料预热可缩短压制时间，防止内应力，提高性能；、压制：压缩料压模粘流阶段胶凝阶段（官能团相互作用，或固化剂作用形成体型结构）硬化；影响因素：压力、时间、温度；,3、制品加工：（1）热处理：提高性能，水分，内应力；升温速度1oC/min,升温过速造成产品变形，120130oC保温612h，对耐热性高的材料温度为230oC;(2)机加工：外形加工；形成糙面，摩擦性能；,层状结构石墨，层内共价键：结合力大，层之间范德华力结合，结合力小，石墨在两个相对运动物体间受剪力，沿层间断裂产生润滑性；1、石墨乳：以胶体大小（0.10.001um）的石墨颗粒为分散相，以水，油，有机溶剂，合成树脂溶液为分散媒的固-液分散体系，实际石墨乳胶体粒子为1um左右，为悬浊液，但习惯称胶体石墨；,工艺过程：分散处理：加亲水保护胶体（分散剂）和解胶体，解胶剂为阴离子或碱性物；使石墨稳定分散于水中；超微细化处理：1um用湿式粉碎，10um用干式；石墨轴承：新型滑动轴承，特点：（1）、良好的自润滑性：应用于不许加润滑油的工业；,（2）耐高温性：350500oC，真空下达1000oC,优于金属轴承；（3）化学稳定性好：耐热，强氧化气氛中不稳定；（4）机械强度：可经受一定的冲击负荷，以酚醛树脂、呋喃树脂浸渍；,内容6-1功能材料加工概述6-2保温材料6-3摩擦材料6-4密封材料6-6电功能材料,防止介质泄露或浸入而在固定部分或运动部分使用的材料。固定部分：静密封件，如垫片，垫圈等；运动部分所用密封制品称动密封件，如垫圈和盘根；主要包括石棉和石墨两种，前者价廉，应用广；,垫片：管道容器的阀栏；垫圈：泵、阀上的模压密封制品；盘根：绳状和绒状密封制品；,1、石绵橡胶板：以石绵绒为增强材料，以天然橡胶为粘结材料，另加橡胶配合剂，经轧制而成的板材；粘结材料812%，石绵6075%，配合剂1530%；工艺：（1）打浆：橡胶配合剂、溶剂混合，搅拌机内打浆，胶片溶解成胶浆；（2）搅拌：石绵绒，填料，胶浆和溶剂汽油等投入搅拌机混合；（3）成型：成型机，锟压成型；,（4）贴合：板材3mm则用胶浆贴合，轧压；2、油浸石绵盘根：以石绵线浸渍润滑油脂和石墨，经编制而成。3、橡胶石绵垫圈：以石绵布与耐油或耐热胶料粘合、模压、硫化而成。,鳞片石墨化学处理成可膨胀石墨高温煅烧成膨胀石墨加工成柔性石墨；1、膨胀石墨性能：（1）、化学稳定性：PH2014的酸、碱、盐中不老化、不变化；（2）、耐热性能好：氧化气氛-200600oC,惰性气氛-2002500；其它100400oC;,（3）、导热、防辐射性；（4）、自润滑性好：允许设备高速运转（石绵速度的5倍）；（5）、密封性：柔韧性和弹性好；2、柔性石墨制品成型工艺：方法：碾压、模压、挤压；（1）碾压：初压加热（除液体，使未膨胀的继续膨胀）碾压（尺寸辊筒）切割,（2）模压法：用模具成型，平板模压和异形模压两法，用模具成型；（3）挤压法：棒状、管状和其它异形件，（1）、（2）法困难，采用螺旋挤压机；3、柔性石墨复合材料：柔性石墨材料耐腐、密封，但韧性差，易粉碎、氧化，因此与其它材料复合；,（1）与粘结材料：与树脂：石墨粉碎+树脂混合压制焙烧提高挤压强度；与无机材料：+氧化石墨悬浮液干燥压制焙烧提高抗化学氧化能力；与硼：+硼酸溶液，提高产品密度；,（2）与金属：粉末喷涂法：混匀的石墨喷金属分散液压制烘干镁、铝、锌等，提高防腐性；金属蒸汽真空镀膜法：真空中，金属汽化，吸附干燥；多层毛芯板材：高密度石墨强度高