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非金屬材料在汽車上的應(yīng)用,誰有材料給我發(fā)一下。論文需要

作者:訪客發(fā)布時間:2021-07-09分類:塑料制品瀏覽:94


導(dǎo)讀:無機非金屬材料品種和名目極其繁多,用途各異,因此,還沒有一個統(tǒng)一而完善的??無機非金屬材料分類分類方法。通常把它們分為普通的(傳統(tǒng)的)和先進的(新型的)無機非金屬材料兩大...

無機非金屬材料品種和名目極其繁多,用途各異,因此,還沒有一個統(tǒng)一而完善的 ??
無機非金屬材料分類


分類方法。通常把它們分為普通的(傳統(tǒng)的)和先進的(新型的)無機非金屬材料兩大類。傳統(tǒng)的無機非金屬材料是工業(yè)和基本建設(shè)所必需的基礎(chǔ)材料。如水泥是一種重要的建筑材料;耐火材料與高溫技術(shù),尤其與鋼鐵工業(yè)的發(fā)展關(guān)系密切;各種規(guī)格的平板玻璃、儀器玻璃和普通的光學玻璃以及日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和電瓷等與人們的生產(chǎn)、生活休戚相關(guān)。它們產(chǎn)量大,用途廣。其他產(chǎn)品,如搪瓷、磨料(碳化硅、氧化鋁)、鑄石(輝綠巖、玄武巖等)、碳素材料、非金屬礦(石棉、云母、大理石等)也都屬于傳統(tǒng)的無機非金屬材料。新型無機非金屬材料是20世紀中期以后發(fā)展起來的,具有特殊性能和用途的材料。它們是現(xiàn)代新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造、現(xiàn)代國防和生物醫(yī)學所不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)。主要有先進陶瓷(advanced ceramics)、非晶態(tài)材料(noncrystal material〉、人工晶體〈artificial crys-tal〉、無機涂層(inorganic coating)、無機纖維(inorganic fibre〉等


 (1)傳統(tǒng)陶瓷


  陶瓷在我國有悠久的歷史,是中華民族古老文明的象征。從西安地區(qū)出土的秦始皇陵中大批陶兵馬俑,氣勢宏偉,形象逼真,被認為是世界文化奇跡,人類的文明寶庫。唐代的唐三彩、明清景德鎮(zhèn)的瓷器均久負盛名。


  傳統(tǒng)陶瓷材料的主要成分是硅酸鹽,自然界存在大量天然的硅酸鹽,如巖石、土壤等,還有許多礦物如云母、滑石、石棉、高嶺石等,它們都屬于天然的硅酸鹽。此外,人們?yōu)榱藵M足生產(chǎn)和生活的需要,生產(chǎn)了大量人造硅酸鹽,主要有玻璃、水泥、各種陶瓷、磚瓦、耐火磚、水玻璃以及某些分子篩等。硅酸鹽制品性質(zhì)穩(wěn)定,熔點較高,難溶于水,有很廣泛的用途。


  硅酸鹽制品一般都是以黏土(高嶺土)、石英和長石為原料經(jīng)高溫燒結(jié)而成。黏土的化學組成為Al2O3·2SiO2·2H2O,石英為SiO2,長石為K2O·Al2O3·6SiO2(鉀長石)或Na2O·Al2O3·6SiO2(鈉長石)。這些原料中都含有SiO2,因此在硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中,硅與氧的結(jié)合是最重要也是最基本的。


  硅酸鹽材料是一種多相結(jié)構(gòu)物質(zhì),其中含有晶態(tài)部分和非晶態(tài)部分,但以晶態(tài)為主。硅酸鹽晶體中硅氧四面體[SiO4]是硅酸鹽結(jié)構(gòu)的基本單元。在硅氧四面體中,硅原子以sp雜化軌道與氧原子成鍵,Si—O鍵鍵長為162 pm,比起Si和O的離子半徑之和有所縮短,故Si—O鍵的結(jié)合是比較強的。


  (2)精細陶瓷


  精細陶瓷的化學組成已遠遠超出了傳統(tǒng)硅酸鹽的范圍。例如,透明的氧化鋁陶瓷、耐高溫的二氧化鋯(ZrO2)陶瓷、高熔點的氮化硅(Si3N4)和碳化硅(SiC)陶瓷等,它們都是無機非金屬材料,是傳統(tǒng)陶瓷材料的發(fā)展。精細陶瓷是適應(yīng)社會經(jīng)濟和科學技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來的,信息科學、能源技術(shù)、宇航技術(shù)、生物工程、超導(dǎo)技術(shù)、海洋技術(shù)等現(xiàn)代科學技術(shù)需要大量特殊性能的新材料,促使人們研制精細陶瓷,并在超硬陶瓷、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、電子陶瓷、磁性陶瓷、光學陶瓷、超導(dǎo)陶瓷和生物陶瓷等方面取得了很好的進展,下面選擇一些實例做簡要的介紹。


  高溫結(jié)構(gòu)陶瓷汽車發(fā)動機一般用鑄鐵鑄造,耐熱性能有一定限度。由于需要用冷卻水冷卻,熱能散失嚴重,熱效率只有30%左右。如果用高溫結(jié)構(gòu)陶瓷制造陶瓷發(fā)動機,發(fā)動機的工作溫度能穩(wěn)定在1 300 ℃左右,由于燃料充分燃燒而又不需要水冷系統(tǒng),使熱效率大幅度提高。用陶瓷材料做發(fā)動機,還可減輕汽車的質(zhì)量,這對航天航空事業(yè)更具吸引力,用高溫陶瓷取代高溫合金來制造飛機上的渦輪發(fā)動機效果會更好。


  目前已有多個國家的大的汽車公司試制無冷卻式陶瓷發(fā)動機汽車。我國也在1990年裝配了一輛并完成了試車。陶瓷發(fā)動機的材料選用氮化硅,它的機械強度高、硬度高、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好、化學穩(wěn)定性高,是很好的高溫陶瓷材料。氮化硅可用多種方法合成,工業(yè)上普遍采用高純硅與純氮在1 300 ℃反應(yīng)后獲得:


  3Si+2N2→Si3N4 (1 300 ℃)


  高溫結(jié)構(gòu)陶瓷除了氮化硅外,還有碳化硅(SiC)、二氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁等。


  透明陶瓷一般陶瓷是不透明的,但光學陶瓷像玻璃一樣透明,故稱透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其內(nèi)部存在有雜質(zhì)和氣孔,前者能吸收光,后者使光產(chǎn)生散射,所以就不透明了。因此如果選用高純原料,并通過工藝手段排除氣孔就可能獲得透明陶瓷。早期就是采用這樣的辦法得到透明的氧化鋁陶瓷,后來陸續(xù)研究出如燒結(jié)白剛玉、氧化鎂、氧化鈹、氧化釔、氧化釔-二氧化鋯等多種氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷,如砷化鎵(GaAs)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、氟化鎂(MgF2)、氟化鈣(CaF2)等。這些透明陶瓷不僅有優(yōu)異的光學性能,而且耐高溫,一般它們的熔點都在2 000 ℃以上。如氧化釷-氧化釔透明陶瓷的熔點高達3 100 ℃,比普通硼酸鹽玻璃高1 500 ℃。透明陶瓷的重要用途是制造高壓鈉燈,它的發(fā)光效率比高壓汞燈提高一倍,使用壽命達2萬小時,是使用壽命最長的高效電光源。高壓鈉燈的工作溫度高達1 200 ℃,壓力大、腐蝕性強,選用氧化鋁透明陶瓷為材料成功地制造出高壓鈉燈。透明陶瓷的透明度、強度、硬度都高于普通玻璃,它們耐磨損、耐劃傷,用透明陶瓷可以制造防彈汽車的窗、坦克的觀察窗、轟炸機的轟炸瞄準器和高級防護眼鏡等。


  光導(dǎo)纖維從高純度的二氧化硅或稱石英玻璃熔融體中,拉出直徑約100 μm的細絲,稱為石英玻璃纖維。玻璃可以透光,但在傳輸過程中光損耗很大,用石英玻璃纖維光損耗大為降低,故這種纖維稱為光導(dǎo)纖維,是精細陶瓷中的一種。


  利用光導(dǎo)纖維可進行光纖通信。激光的方向性強、頻率高,是進行光纖通信的理想光源。光纖通信與電波通信相比,光纖通信能提供更多的通信通路,可滿足大容量通信系統(tǒng)的需要。


  光導(dǎo)纖維一般由兩層組成,里面一層稱為內(nèi)芯,直徑幾十微米,但折射率較高;外面一層稱包層,折射率較低。從光導(dǎo)纖維一端入射的光線,經(jīng)內(nèi)芯反復(fù)折射而傳到末端,由于兩層折射率的差別,使進入內(nèi)芯的光始終保持在內(nèi)芯中傳輸著。光的傳輸距離與光導(dǎo)纖維的光損耗大小有關(guān),光損耗小,傳輸距離就長,否則就需要用中繼器把衰減的信號放大。用最新的氟玻璃制成的光導(dǎo)纖維,可以把光信號傳輸?shù)教窖蟊税抖恍枞魏沃欣^站。


  在實際使用時,常把千百根光導(dǎo)纖維組合在一起并加以增強處理,制成像電纜一樣的光纜,這樣既提高了光導(dǎo)纖維的強度,又大大增加了通信容量。


  用光纜代替通信電纜,可以節(jié)省大量有色金屬,每公里可節(jié)省銅1.1 t、鉛2~3 t。光纜有質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、絕緣性能好、壽命長、輸送距離長、保密性好、成本低等優(yōu)點。光纖通信與數(shù)字技術(shù)及計算機結(jié)合起來,可以用于傳送電話、圖像、數(shù)據(jù)、控制電子設(shè)備和智能終端等,起到部分取代通信衛(wèi)星的作用。


  光損耗大的光導(dǎo)纖維可在短距離使用,特別適合制作各種人體內(nèi)窺鏡,如胃鏡、膀胱鏡、直腸鏡、子宮鏡等,對診斷、醫(yī)治各種疾病極為有利。


  生物陶瓷人體器官和組織由于種種原因需要修復(fù)或再造時,選用的材料要求生物相容性好,對肌體無免疫排異反應(yīng);血液相容性好,無溶血、凝血反應(yīng);不會引起代謝作用異?,F(xiàn)象;對人體無毒,不會致癌。目前已發(fā)展起來的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能滿足這些要求。利用這些材料制造了許多人工器官,在臨床上得到廣泛的應(yīng)用。但是這類人工器官一旦植入體內(nèi),要經(jīng)受體內(nèi)復(fù)雜的生理環(huán)境的長期考驗。例如,不銹鋼在常溫下是非常穩(wěn)定的材料,但把它做成人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi),三五年后便會出現(xiàn)腐蝕斑,并且還會有微量金屬離子析出,這是生物合金的缺點。有機高分子材料做成的人工器官容易老化,相比之下,生物陶瓷是惰性材料,耐腐蝕,更適合植入體內(nèi)。


  氧化鋁陶瓷做成的假牙與天然齒十分接近,它還可以做人工關(guān)節(jié)用于很多部位,如膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等。ZrO2陶瓷的強度、斷裂韌性和耐磨性比氧化鋁陶瓷好,也可用以制造牙根、骨和股關(guān)節(jié)等。羥基磷灰石〔Ca10(PO4)6(OH)2〕是骨組織的主要成分,人工合成的與骨的生物相容性非常好,可用于頜骨、耳聽骨修復(fù)和人工牙種植等。目前發(fā)現(xiàn)用熔融法制得的生物玻璃,如CaO-Na2O-SiO2-P2O5,具有與骨骼鍵合的能力。


  陶瓷材料最大的弱點是性脆,韌性不足,這就嚴重影響了它作為人工人體器官的推廣應(yīng)用。陶瓷材料要在生物工程中占有地位,必須考慮解決其脆性問題。


  (3)納米陶瓷


  從陶瓷材料發(fā)展的歷史來看,經(jīng)歷了三次飛躍。由陶器進入瓷器這是第一次飛躍;由傳統(tǒng)陶瓷發(fā)展到精細陶瓷是第二次飛躍,在這個期間,不論是原材料,還是制備工藝、產(chǎn)品性能和應(yīng)用等許多方面都有長足的進展和提高,然而對于陶瓷材料的致命弱點──脆性問題沒有得到根本的解決。精細陶瓷粉體的顆粒較大,屬微米級(10 m),有人用新的制備方法把陶瓷粉體的顆粒加工到納米級


 ?。?0 m),用這種超細微粉體粒子來制造陶瓷材料,得到新一代納米陶瓷,這是陶瓷材料的第三次飛躍。納米陶瓷具有延性,有的甚至出現(xiàn)超塑性。如室溫下合成的TiO2陶瓷,它可以彎曲,其塑性變形高達100%,韌性極好。因此人們寄希望于發(fā)展納米技術(shù)去解決陶瓷材料的脆性問題。納米陶瓷被稱為21世紀陶瓷。


普通無機非金屬材料的特點是:耐壓強度高、硬度大、耐高溫、抗腐蝕。此外,水泥在膠凝性能上,玻璃在光學性能上,陶瓷在耐蝕、介電性能上,耐火材料在防熱隔熱性能上都有其優(yōu)異的特性,為金屬材料和高分子材料所不及。但與金屬材料相比,它抗斷強度低、缺少延展性,屬于脆性材料。與高分子材料相比,密度較大,制造工藝較復(fù)雜。    ??


無機非金屬材料用作電子器件

特種無機非金屬材料的特點是:①各具特色。例如:高溫氧化物等的高溫抗氧化特性;氧化鋁、氧化鈹陶瓷的高頻絕緣特性;鐵氧體的磁學性質(zhì);光導(dǎo)纖維的光傳輸性質(zhì);金剛石、立方氮化硼的超硬性質(zhì);導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性質(zhì);快硬早強水泥的快凝、快硬性質(zhì)等。②各種物理效應(yīng)和微觀現(xiàn)象。例如:光敏材料的光-電、熱敏材料的熱-電、壓電材料的力-電、氣敏材料的氣體-電、濕敏材料的濕度-電等材料對物理和化學參數(shù)間的功能轉(zhuǎn)換特性。③不同性質(zhì)的材料經(jīng)復(fù)合而構(gòu)成復(fù)合材料。例如:金屬陶瓷、高溫無機涂層,以及用無機纖維、晶須等增強的材料

標簽:材料非金屬車上


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