第三讲-陶瓷和塑料.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,新材料新工艺,徐冬霞 范 广 新,材料科学与工程学院,E-mail:fangx,公共邮箱,邮箱:,xinxincailiao,密码：xincailiao,第三讲：陶瓷材料、高分子材料,第一部分：古老又年轻的陶瓷材料,清 乾隆,茶叶末六联瓶,清 康熙,宝石红观音尊,一，陶瓷材料,陶瓷的英文单词Ceramics 一词最早来源于古希腊,意思是经高温烧结而赋予一定强度的材料(“烧物”)。,陶瓷是人类最早制成的固体材料。,在材料大家族中，它远比金属和塑料古老。,瓷器是中国古代劳动人民的伟大发明之一，中国生产陶瓷已有近千年的历史（英文chinaware即为瓷器）。,二、陶瓷的概念,陶瓷的传统概念,是指以黏土等无机非金属矿物（高岭土Kaolin）为主要原料，经高温烧结而成的有一定强度的固体材料的总称。一般是指陶器、炻器和瓷器。,陶器,：杂质多，烧结温度低，坯体断面粗糙，有较大的气,孔率和吸水率，如砖、瓦、罐等。,瓷器：,成分较纯，烧结温度高（即烧结充分）坯体致密细腻，具有一定光泽，基本不吸水，如日用细瓷等。,炻器：,介于陶器和瓷器之间，如普通的墙地砖、卫生陶瓷、化工陶瓷、水缸、砂锅。,陶瓷原料,是由地球原有的大量资源,硅酸盐矿物,(如粘土、石英等),，,因此与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业，同属于“,硅酸盐工业,”的范畴。,粘土的性质,可谓神秘而具韧性：,常温遇水可塑，微乾可雕，全乾可磨；,烧至700可成陶能装水；,烧至1230则瓷化，可完全不吸水且耐高温、耐腐蚀。,其用法之弹性，在今日文化科技中尚有各种创意的应用。,三、陶瓷的生产及组成,原料处理、加工和配制（破碎、配料、混,合、研磨及过筛）,坯料成型,坯体干燥,施釉或上色,烧成,冷却和后处理,三、陶瓷的生产及组成,大多数陶瓷材料均含有一种或一种以上的晶体（或晶相）、一定数量的玻璃相及少量的气相（或称气孔），为一种多相固体材料。,（1）晶相 主要有,硅酸盐,、,氧化物,及,非氧化物,三种。是陶瓷中量大而主要的部分，其种类、大小、分布、数量对陶瓷的性能起决定作用。,（2）玻璃相 是以长石(富含,氧化硅,、,碱金属氧化物,及杂质)熔融的液相为主体构成的低熔点非晶态物质；可充填晶粒间隙而提高致密性，一般陶瓷中玻璃相占2040。,（3）气孔 来自烧结过程中各组分发生物理、化学作用而生成的空隙及压制不致密而残存的空隙。气孔使应力集中增加，有效断面下降，导致强度下降；同时，还使电绝缘性及透明性下降。一般陶瓷的气孔体积百分比达510左右，甚至更高。,四、陶瓷的分类（按用途）,1,日用陶瓷：,餐具餐、茶具、缸，坛、盆、罐、盘、碟、碗等。,2,艺术（工艺）陶瓷,：花瓶、雕塑品、园林陶瓷、器皿等。,3,工业陶瓷,：指应用于各种工业的陶瓷制品。,建筑一卫生陶瓷,：砖瓦，排水管、面砖，外墙砖，卫生洁等；,化工（化学）陶瓷,：用于各种化学工业的耐酸容器、管道，塔、泵、阀以及搪砌反应锅的耐酸砖、灰等；,电瓷：,用于电力工业高低压,输电线路,上的绝缘子。电机用套管，支柱绝缘子、低压电器和照明用绝缘子，以及电讯用绝缘子，无线电用绝缘子等；,特种陶瓷：,各种现代工业和尖端科学技术的特种陶瓷制品。,五、陶瓷材料的性能特点,1 弹性模量大（即刚性好），居各种材料之首。陶瓷材料在断裂前无塑性变形，是脆性材料，冲击韧性很低。设法减少材料内部的缺陷（气孔和裂纹），陶瓷材料的强度和韧性会大大提高。,2 陶瓷硬度高，一般为10005000HV（淬火钢 500-800HV，塑料小于20HV，金刚石为600010000HV）。,3 熔点高，高温强度高，线膨胀系数很小，是很有前途的高温材料。,六、典型的传统陶瓷,1 普通陶瓷,以黏土、长石、石英等为原料烧结而成的。质地坚硬，不氧化生锈，耐腐蚀，不导电，能耐一定高温，易成形，成本低。除日用外，大量用于建材工业、电器绝缘材料、化工设备及对力学性能要求不高的耐磨零部件。,2 玻璃 可看作是孔隙率为零的非晶质陶瓷。广泛用于建筑平,板玻璃、瓶罐玻璃等方面。,将普通平板玻璃在加热炉中加热到接近软化温度（约650,）出炉后立即向玻璃两面吹冷空气，造成表层及中心层因收缩不均匀而使表层和中心层应力分布不均，这种玻璃强度很高，破碎后玻璃呈细小、无尖锐棱角状碎块、此即汽车常用的钢化玻璃。如在两层钢化玻璃中间夹一层强韧透明的高分子塑料膜，热压黏合后即得所谓安全玻璃或防弹玻璃。,七、现代陶瓷,现代结构陶瓷:,强调材料的力学性能、热性能、耐蚀性能及工程应用，往往是用纯度较高的人工合成化合物经配料、成形、烧结而制得。它们具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、高硬度高强度、低蠕变等优异性能，可承受其他材料难以胜任的苛刻的工作环境，为典型的,耐高温,材料、,高硬度,材料及,耐蚀,材料。,结构陶瓷按其化学组成:,分为氧化物和非氧化物两类。,7.1，氧化物陶瓷,以Al2O3为主要成分。,刚玉,瓷：氧化铝含量为9099.5。含量越高则强度越高。,氧化铝陶瓷的硬度,仅次,于金刚石；用于制造高速切削刀具时胜过硬质合金，人造宝石、内燃机火花塞、高温炉零件。刚玉陶瓷也是重要的坩埚材料。,7.2，非氧化物陶瓷,碳化物陶瓷：碳化硅、碳化硼、碳化铌、碳化钛、碳化钨、碳化钽、碳化钒、碳化锆等,氮化物陶瓷：氮化硅（Si3N4）和氮化硼（BN）,硼化物陶瓷：硼化铬、硼化铝、硼化钛、硼化钨等。,八、功能陶瓷,半导体陶瓷：,导电性介于导体和绝缘体之间。当温度、湿度、气氛、电场、光等其中之一的外界条件变动时，导电性会产生变化；用于制作敏感器件。,压电陶瓷：,燃气灶、打火机点火器，音乐卡、电声喇叭等,磁性陶瓷：,磁场中能被强烈磁化的陶瓷材料称为磁性陶瓷。分为软磁性材料和硬磁性材料。,生物陶瓷：,在人体内化学稳定性好，组织相容性好。抗压强度高，易于高温消毒，是牙、骨、关节等硬组织良好的置换修复材料,新型陶瓷与传统陶瓷的区别,与传统陶瓷相比，新型陶瓷：,1 其组成、纯度、粒度得到了精选，组成已超出了传统陶瓷的硅酸盐成分范围，是一些纯的氧化物、氮化物、硼化物及其他盐类或单质；,2 成形工艺方面采用了现代技术和工艺；,3 制品的形态有单晶、薄膜、纤维及复合形式等。,4 应用领域已从结构材料扩展到电、光、声、热、磁等功能材料方面；,新型建筑玻璃,传统建筑玻璃,1 功能要求：透光、挡风、挡雨。,2 对环境和健康的有害影响：光污染、热污染、色污染、视觉污染和采光障碍。,随着窗户面积的不断扩大，人们深化了对窗户玻璃的认识，提出了节能、舒适、安全的新要求。,多功能建筑玻璃,1 调光玻璃：电致色调玻璃和液晶调光玻璃,2 隔音玻璃,3 电磁屏蔽玻璃,4 抗菌自洁玻璃,光伏发电玻璃,光伏发电：,是根据光生伏打效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。,光伏发电系统：,太阳,电池板,（组件）、控制器和逆变器。,系统主要特点：,它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。,用途广泛：,理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。,光伏玻璃,是太阳能电池组件之一；,太阳能组件以,单晶硅,或,多晶硅电池,为主，通过其将光,能转换为电能；,光伏玻璃用来封装硅片,，目的可以提高其光的吸收性和,光电的转换效率，是一种专用玻璃。,紫砂壶,紫砂壶,1，,泥原料,为,紫泥,、,绿泥,和,红泥,三种，俗称“富贵土”。,2，根据上海硅酸盐研究所有关岩相的分析表明，紫砂黄泥属,高岭石英云母,类型，含,铁量,很高，最高含铁量达8.83%。,3，紫砂壶在高氧高温状况下,烧制,而成，烧制温度在1100-1200C之间。,4，紫砂壶成品的,吸水率,大于2%。,5，因其产自江苏宜兴和广东大埔，故称,宜兴紫砂,。,紫砂壶优点,透气性,能好，使用其泡茶不易变味，暑天越宿不馊。,能,吸收茶汁,，壶内壁不刷，沏茶而绝无异味。,冷热急变性,能好。,紫砂使用越久，壶身色泽越发光亮照人，气韵温雅,茶笺,：,摩掌宝爱，不啻掌珠。用之既久，外类紫玉，内如碧云,。,综上所述，紫砂壶是能“,裹住香气，散发热气,”，,久用能吸引茶香，更能散发油润光泽。用得越久价值越高,。,紫砂,富含铁,，还含有多种人体所需,微量元素,，能,降低胆固醇,，可以防止人体摄入过多的铝离子而早衰、老年痴呆症。,紫砂所含的部分微量元素也能够活跃分解脂肪的酶素，所以紫砂炊具煮出的,食物柔美而不腻,。,鉴定及防假,鉴定：美好的,结构,，精湛的,制作技巧,和优良的,使用功能,。,纯正紫砂,：矿料，里面不添加其他任何物质。,假的,用料：用田土、黄土、黑土等普通陶土，添加铁红粉、二氧化锰等化学颜料配制加工而成；,制作工艺：在外面进行刷胶、灌浆、喷色、上光等工艺处理，形成外砂内土的“紫砂壶”。,一般陶土、瓷料对人体伤害不大，但如果在生产过程中质量控制不严格，产品掺杂了有害杂物，就会威胁人体健康。,第二部分：多彩多姿的高分子材料,一、多彩多姿的高分子材料,概念,1,高分子化合物,：相对分子质量很大的化合物，其每个分子可含几千、几万甚至几十万个原子；相对分子量在5000以上。,2,聚合物：,一个高分子化合物分子往往由相同的结构单元通过共价键重复连接而成，所以也称为聚合物。,3,有机高分子材料,：以高分子化合物为主要组分的材料。,二、塑料及其特点,塑料：以聚合物为主要成分，在一定条件（温度、压力 等）下可塑成一定形状并且在常温下保持其形状不变的材料。,塑料的性能特点：,1 质轻：一般比较轻，相对密度大致为0.92.2，仅为钢铁的1/41/6。泡沫塑料相对密度更低，只有0.010.50。,2 比强度高：通常情况下塑料的强度都低于金属，但各种增强塑料的力学性能却可以与金属相比。由于密度远小于金属，因此其比强度则与金属相当，甚至远比金属高。,3 电绝缘性能优异：所有的塑料均为电的不良导体，因而广泛用作电绝缘材料。塑料中加入导电的填料，如金属粉、石墨等，或经过特殊处理，可制成具有一定导电率的导体或半导体以供特殊需要。,常用塑料的特点,4 耐化学腐蚀性能好：塑料的耐化学腐蚀性能优于金属，它对酸、碱等化学药品具有良好的抗腐蚀能力。,5 减摩、耐磨性好：许多塑料的摩擦系数都很低，可用作制造轴承、轴瓦、齿轮等减摩、耐磨部件，且可用水作润滑剂。有些塑料摩擦系数较高，可用于配制制动装置的摩擦零件。,6 消音或隔热性优良：用塑料制成的传动摩擦件能减少噪声，降低震动，改善劳动条件。泡沫塑料常用来作隔音、隔热或保温材料。,7 塑料还容易成型加工，可制成各种装饰品，制成各种薄膜、型材、配件及产品。,塑料的力学性能大多较低，且易燃，耐热性较差，这些正是当前研究塑料改性的方向和重点。,三、塑料的组分及其作用,单组分的塑料基本上是由聚合物组成的。,多数塑料品种是一个多组分体系，除基本组分聚合物之外（其含量一般为40100），尚包含各种各样的添加剂。,常用添加剂可分成四种类型：,1，有助于加工的润滑剂和热稳定剂；,2，改进材料力学性能的填料、增强剂、抗冲改性剂、增塑剂等；,3，改进耐燃性能的阻燃剂；,4，提高使用过程中耐老化性的各种稳定剂。,四、塑料中的添加剂及其作用,1 填料及增强剂：通常加入各种纤维状材料（玻璃纤维、石墨纤维）作增强剂。填料的主要功能是降低成本和收缩率，在一定程度上也有改善塑料某些性能的作用。,2 增塑剂：可以降低成型温度。同时，减小刚性和脆性。,3 稳定剂：又称防老剂。为了防止塑料在光、热、氧等条件下过早老化，延长制品的使用寿命。,4 润滑剂：防止塑料在成型加工过程中发生粘模现象。,5 抗静电剂：减少或预防制品表面静电荷的形成。,四、塑料中的添加剂及其作用,6 阻燃剂：减缓塑料燃烧性能的助剂。,7 着色剂:也称色料，它赋予塑料制品各种色泽。分为染料和颜料两种。,8 发泡剂:是一类受热时会分解放出气体的有机化合物，它是制备泡沫塑料的助剂之一。,9 偶联剂：提高增强剂或填料的效能，改善塑料制品的性能。,10 变定剂（固化剂）：在热固性塑料成型时，起催化作用或本身参加反应的物质。,五、常见塑料,1 结构最简单的塑料聚乙烯（PE）,发展最快、产量最大的一种聚合物。,用于制作薄膜、软管、瓶类、包装袋、塑料保温瓶壳、周转箱、洗发水瓶、圆珠笔 芯、牙膏管、机床耐磨导轨、小齿轮、人工关节、防弹衣、滑雪板等。,五、常见塑料,2 最轻且价低的塑料聚丙烯（PP）,是可进行高温热水消毒的少数塑料品种之一。,汽车上的仪表盘、方向盘、保险杠、工具箱等,日用品中的微波炉餐具、衣架、椅子、文具、建筑安全,帽、盆、杯、一次性注射针管、香烟、食品、衣服的包装膜及黏胶带等。,电器方面的电话机外壳、电扇叶等。,PP制的纤维又称丙纶，可用于绳索、渔网、编织袋、尿布等。,五、常见塑料,3 塑料王聚四氟乙烯（PTFE或F4）,别名特氟龙、“塑料王”。在所有塑料中PTFE有最优良的耐高、低温性能，能在260250,间长期使用；它几乎不受任何化学药品腐蚀，几乎所有强酸、强碱、强氧化剂甚至“王水”都对其无影响；且其为最不吸水的塑料，也为自然界中摩擦系数最小的材料，其摩擦系数仅为0.04；其表面极不易黏附其他物质。,典型的应用场合为设备衬里及零件，医用材料中的人造血管、人工心脏、人工食道等。,四、常见塑料,4 每天接触的塑料热塑性聚酯（PET）,最大的用途是制成纤维、薄膜，其纤维俗称涤纶或的确良。,PET膜和片材主要用于各种食品、药品、精密仪器的高档包,装；录音录像带、电影及照相胶片、光盘及磁卡基材，电器绝缘,等；瓶类如碳酸饮料瓶、啤酒瓶、食用油瓶、矿泉水瓶等；,PET为（继尼龙和聚甲醛之后的）第三代拉链材料；,其丝织品广泛用于化纤布料及丝袜中。,六、橡 胶,橡胶制品的特点和组成,特点：具有极高弹性及低刚度，其弹性变形量可达1001000；有一定的耐磨性，很好的绝缘性和不透气、不透水性。,它是常用的弹性材料、密封材料、减震防震材料和传动材料。,橡胶的组成：,从橡胶树上采集的橡胶及大多数人工合成用以制胶的高分子聚合物，一般还不具有橡胶的种种性能，称为生胶。生胶就像一团一段一段的断毛线互相缠曲，卷曲呈线团状；相互之间结合力很小，受力稍大则分子间会产生永久移动，虽也有一些弹性，弹性很小，强度很低，没有实用价值。,自从1844年美国人,固特异,发明了往生胶中加入硫磺进行硫化处理而制成硫化橡胶后，橡胶才得到了突飞猛进的发展。,橡 胶,橡胶硫化：在生胶中加入硫化剂（一般天然橡胶加入硫化剂23）和其他配合剂，就像把断毛线织成了毛衣，使大分子链间失去了自由运动的独立性，变得不能相互滑动。这样既保证了强度又不致永久变形，还具有不溶解不熔融的性质。,用途：用于制造轮胎、胶带、胶鞋、胶版、气球及医疗卫生品。,查尔斯固特异,Charles.Goodyear（1800-1860）,硫化橡胶制品,七、涂 料,涂料 可涂覆于固体物质表面并能形成连续性薄膜的液态或粉末状的物质。,涂料的功能：,（1）保护被覆物体免受腐蚀性气氛及介质、微生物、阳光、高温等的作用而发生表面破坏；,（2）产生特定的装饰作用；,（3）特殊功能或作用，如防火、防雷、防污、防静电、防结雾、防辐射及导电、润滑、远红外放射性、温度敏感性等。,八、塑料引起的危害,白色革命到白色污染,地膜覆盖栽培技术的应用大幅度提高了农作物产量，促进了我国农业的发展，塑料地膜的使用因此被称为农业生产上的一场“白色革命”。,塑料废弃物通过各种途径污染食品、粮食、影响人、畜健康，“白色污染”。,可降解塑料薄膜的出现，可望彻底解决塑料地膜对生态环境的影响。但目前，其成本比普通地膜高1020%。,八、塑料引起的危害,对人的直接危害：,1，聚氯乙烯塑料中残存的氯乙烯单体，能引起使前指骨溶化的“肢端骨溶解症”；,2，从事聚氯乙烯树脂制造的工人又常会出现手指麻木、刺痛等所谓白蜡症（雷诺氏综合症）。,3，当人们接触氯乙烯单体后就会发生手指、手腕、颜面浮肿、皮肤变厚、变僵、失去弹性和不能用力握物的皮肤硬化症，同时还有人出现脾肿大、胃及食道静脉瘤、肝损伤，门静脉压亢进等症。,4，70年代后在一些聚氯乙烯生产厂中，发现有人患有一种极少见的肝癌肝脏血管肉瘤。此后虽然尽量控制聚氯乙烯树脂中单体含量，但并未彻底解决，故在1975年美国首先提出禁止用聚氯乙烯塑料包装食品和饮料。,八、塑料引起的危害,对动物的直接危害：,由于塑料制品在动物体内无法被消化和分解，以致误食后即能引起胃部不适、行动异常、生育繁殖能力下降，甚至死亡。某些动物园就发生过动物误食游人丢弃的塑料食品袋致死。1970年到1987年间，调查了太平洋海域的543头白额鹱等大型海鸟，由于它们分不清塑料与海草，竟在其中458头胃中找到了塑料类物品，海龟的胃中也有。农田里的废农膜、塑料袋等同样会引起牲口误食因厌食而死亡。,八、塑料引起的危害,对环境的危害：,塑料长期残留在农田中后，既会影响土壤透气性，阻碍水分流动和作物根系发育，还会缠绕农机，影响田间作业，长此下去又能影响深层土壤，使土壤环境恶化，进而威胁人类生存。废弃塑料对海洋的污染已经成为国际性问题。废弃塑料不但会缠住船只的螺旋桨，损坏船身和机器引起事故和停驶，给航运造成重大损失，而每清除1吨海上垃圾要用去清除陆地垃圾10倍的花费。,二恶英,塑料焚烧时会产生有毒气体二恶英,是迄今毒性最高的化合物（包括210种化合物），毒性十分大，是氰化物的130倍、砒霜的900倍，有“世纪之毒”、“毒中之毒”之称。当人食用了被二恶英污染的禽畜肉、蛋、奶及其制成品，如黄油、奶酪、香肠、火腿等，二恶英也就进入了人体，同样在人体的脂肪层或脏器中蓄积起来，并几乎不可能通过消化系统排出体外。,二恶英首先诱发肝脏和呼吸系统癌症，其次还导致免疫系统疾病，增加机体受感染的机会，属于最危险的环境污染物，国际癌症研究中心将二恶英列为人类一级致癌物。,二恶英来源,1，,在制造包括农药在内的化学物质，象杀虫剂、除草剂、木材防腐剂、落叶剂过程中派生；,2，来自对垃圾的焚烧。焚烧温度低于800，极易生成二恶英。二恶英随烟雾扩散到大气中，通过呼吸进入人体的是极小部分，更多的则是通过食品被人体吸收。,以鱼类为例，二恶英的积累：,浮游生物,小鱼,大鱼,达水中的三千多倍,随雨落入江河海湖,二恶英治理,为减少垃圾污染，不少地方正兴起一股垃圾焚烧热，但若处理不当造成二次污染。二恶英的温床炉排炉垃圾直接焚烧炉应进行严格管理乃至关闭,小型炉排炉直接焚烧炉的炉温一般为850-1000,，这使得焚烧时产生的二恶英难于完全分解，分片建设的垃圾热解气化焚烧发电厂己是当务之急。,二恶英在高温下产生，也在更高温下（1200,）被除掉，故可以通过高温焚烧的方法达到净化目的。,严格排放标准。,塑料袋装食品会中毒吗,食品装在塑料袋里，不但看上去色彩诱人，而且隔绝细菌，保持清洁；保持水分；物品易携带，不易碎裂。,一般说来，专门用来装食品的塑料袋是没有毒的(用聚乙烯或尼龙制成)。除了标明是食品塑料袋，或者完全有把握所用的塑料袋是单纯的聚乙烯或尼龙制成的以外，千万不要拿任何塑料袋来盛放食品，尤其不能用装过农药或化工原料的塑料袋来装食品。,白色污染也越来越严重，为了保护环境您也最好少使用一次性塑料袋来包装食品。,内容要求,理解掌握：,一，传统陶瓷（普通陶瓷、硅酸盐陶瓷）、新型陶瓷（先进陶瓷、精细陶瓷）；新型陶瓷与传统陶瓷的区别；陶瓷材料的组成；陶瓷材料的性能特点；举例说明功能陶瓷的种类。,二，什么是塑料；塑料的性能特点；塑料中添加剂的种类；橡胶的性能特点；,