第六章 功能材料03

功能材料中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院袁明亮E-mail:@礦物材料加工學(xué)內(nèi)容6-1功能材料加工概述6-2保溫材料6-3摩擦材料6-4密封材料6-5電功能材料6-1功能材料加工概述：6-1-1功能材料的加工特點(diǎn)：

礦物材料分類：一、按礦種分類：石墨制品、云母制品、石棉制品等；二、按材料結(jié)構(gòu)分：?jiǎn)我坏V物材料（柔性石墨、礦物填料、膨脹珍珠巖），無機(jī)-有機(jī)聚合物荃復(fù)合材料（汽車制動(dòng)器襯片），混雜復(fù)合材料（碳纖維-玻璃纖維-環(huán)氧樹脂等）；三、按功能分：新型建筑材料、保溫材料、密封材料、點(diǎn)功能材料、耐磨材料、絕熱、隔音材料、導(dǎo)熱材料、裝飾材料等；礦物材料加工經(jīng)三階段：1、初加工：

選礦---包括破碎、磨礦、分級(jí)及有用礦物的富集。為材料工業(yè)提供顆粒粒級(jí)和有用礦品位上合格的原料；2、深加工：

將原料按所需的技術(shù)物理和界面特性要求進(jìn)行精加工，可能不再是原料，而是具有某些優(yōu)異性能的材料，一般化學(xué)成份與礦物構(gòu)造不發(fā)生本質(zhì)變化，但其技術(shù)物理性能和界面化學(xué)性能有一定的飛躍；常見方法：化學(xué)提純、超細(xì)粉碎、剝片、

拋光、表面改性、高溫膨脹等；產(chǎn)品：膨脹石墨，膨脹珍珠巖，活性白土；（3）、制品加工：

以經(jīng)初加工或深加工的礦物作為原料，與其它原材料相結(jié)合，以各種方法制得的結(jié)構(gòu)礦物材料或功能礦物材料；

制品常為兩種或以上的原料復(fù)合而成，可列入復(fù)合材料，一種功能礦物材料；6-1-2功能材料的加工工藝：6-1-2-1原料礦物的加工處理：將已選礦的物料進(jìn)行深度加工；6-1-2-2

成型：礦物材料均要通過成型，制造具有特定尺寸的功能材料,包括固化以后處理過程，從工藝技術(shù)上看，除了材料物理機(jī)械作業(yè)外，還包括無機(jī)、有機(jī)、表面化學(xué)等內(nèi)容；成型：在限定的模具或載體上用機(jī)械力或物

理化學(xué)力使原料組分均勻地形成規(guī)定

尺寸及一定強(qiáng)度和密度的加工作業(yè)；

有的在成型前先制備好混合料，坯料，壓塑料等；有一些在成型過程中同時(shí)進(jìn)行原料混合與配制，如噴射成型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；

有以下幾種成型工藝：1、塑性成型：

手塑或旋塑成型，如泥塑工藝品，石墨坩堝等，采用含水的塑性坯體混合料；2、模壓成型：

無機(jī)-聚合物復(fù)合材料：用壓縮料、坯料、干粉預(yù)拌料，在銅模中加壓，加熱成型，分干法、濕法或單向，雙向模壓，如制動(dòng)器襯片，電極，軸承等；

無機(jī)復(fù)合材料：將松散的纖維與無機(jī)粘結(jié)劑、填料混合后模壓。需養(yǎng)護(hù)或蒸壓固化，干燥定型；如石棉、水泥制品，纖維石膏板等；3、輥壓成型：

將壓塑料<無機(jī)纖維-橡膠制品>在有溶劑條件下，在輥壓機(jī)上加熱輥壓成型，如石棉橡膠板；4、噴涂法成型：

將配有粘結(jié)劑的糊料在加壓條件下噴涂到礦物表面，如粒狀巖棉、膨脹珍珠巖保溫涂料等；或?qū)⑹夼c水泥噴至成型載體上，經(jīng)抽水，養(yǎng)護(hù)固化，干燥定型，如纖維水泥板等；5、液澆法、抄取法、帶式、造粒法成型等；6-1-2-3

固化：

成型的制品只能獲初期強(qiáng)度，經(jīng)固化處理后得最終機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)獲得抗壓、耐火、耐熱、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等其它性能，有時(shí)固化與成型同時(shí)進(jìn)行；1、燒結(jié)：

低于熔點(diǎn)的溫度下固化成型的燒成工藝：

分有液相和無液相：有液相，加結(jié)合劑形成液體，或不加結(jié)合劑，靠原料中的雜質(zhì)形成液相作為玻璃質(zhì)結(jié)合劑；無液相，靠固相的滑移或塑性流動(dòng)；（1）、常壓燒結(jié)：普通方法；（2）、低溫?zé)Y(jié)：添加輔助劑；（3）、壓力燒結(jié)：成型或燒結(jié)，石墨模具

或氧化鋁模具，單面加壓；（4）、氣氛燒結(jié)：真空：制備透光性燒結(jié)

體；惰性氣氛：防止氧化；

制備耐火材料，石墨材料，保溫材

料；2、膠結(jié)：

不經(jīng)燒結(jié)，由第三種媒介物將分散物聯(lián)結(jié)固化；（1）礦物材料本身有膠結(jié)性能；

水泥、氧化鎂、燒石膏→經(jīng)水化；（2）無機(jī)粘結(jié)材料；

石灰，硅酸鈉；（3）有機(jī)高分子膠結(jié)材料；

瀝青，熱固性（酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂），熱塑性塑料膠結(jié)（聚烯烴類），橡膠材料；6-1-2-4

后處理：

外觀、形狀、尺寸的最終加工；進(jìn)一步改變和穩(wěn)定制品性能；1、熱處理：

穩(wěn)定和提高機(jī)械性能，防止變形、開裂，改善防水性、防火和耐蝕性能；2、去除加工：

外形規(guī)格尺寸的形態(tài)加工；（1）、機(jī)械加工：切割磨；（2）、化學(xué)和電化學(xué)加工：化學(xué)拋光、電解拋光等；（3）、電子學(xué)加工：電子束、等離子加工；3、表面處理：

根據(jù)不同產(chǎn)品，加工方法不同；

防水、防蝕、表面裝飾、絕熱、鍍膜；4、結(jié)合與包覆：

制品與其它材料結(jié)合：銷接（螺釘）、粘結(jié)；內(nèi)容6-1功能材料加工概述6-2保溫材料6-3摩擦材料6-4密封材料6-5電功能材料6-2

保溫材料：6-2-1種類和技術(shù)參數(shù)：保溫材料：

又稱絕熱材料，保溫、保冷材料；

導(dǎo)熱系數(shù)小，并有一定耐熱力；1、分類：

（1）、按容重：重質(zhì)（400~500kg/m3）,

輕質(zhì)（150~350），超輕質(zhì)（120~150）；（2）、按壓縮性：輕質(zhì)，半硬質(zhì)，硬質(zhì)；（3）、熱導(dǎo)熱性分：低導(dǎo)、中導(dǎo)、高導(dǎo)熱性；（4）、按形態(tài)分：多孔、礦纖、金屬和其它；2、技術(shù)指標(biāo)：（1）、導(dǎo)熱系數(shù)：每小時(shí)、通過兩面溫差1oC，厚度1cm，表面積1cm2的熱流數(shù)量（kJ/m·h·oC），導(dǎo)系<4.18X0.12適用于各種用途的保溫；（2）、導(dǎo)溫系數(shù)：表示熱量或溫度傳遞的快慢；α=λ/Cpr′;λ-導(dǎo)熱系數(shù)，Cp-比熱容，r′-容重；（3）、比熱容：4.18X（0.18~0.25）kj/kg·oC（4）、蓄熱系數(shù)：材料儲(chǔ)蓄熱量的能力；（5）、容重：自然狀態(tài)下（包括氣水）的重

量；（6）、氣孔率：孔隙率；（7）、含水率：吸收水份或濕氣的性質(zhì)；（8）、機(jī)械強(qiáng)度：抗壓、抗拉、抗折；（9）、耐熱性：在高溫下受熱不改變性能的

能力，取決于材料性質(zhì)；（10）、使用溫度：

在某溫度下反復(fù)使用均能符合設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，低于熔融溫度和耐熱溫度；（11）、燒失量：檢驗(yàn)其耐熱性能；6-2-2產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝：1、礦物纖維保溫材料：（1）、石棉紡織制品：石棉砂、線、布等；（2）、泡沫石棉：石棉+表面活性劑→纖維

充分松解制漿→發(fā)泡→成型→干燥→

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔氈狀材料，-50~500oC；（3）、巖棉制品：玄武巖等與白云石在1400~1500oC下熔融；離心機(jī)→形成纖維→樹

脂噴覆→固化；2、多孔保溫材料：

脆性顆?；蚍蹱畈牧霞庸こ尚偷纳罴庸ぶ破?；（1）、膨脹珍珠巖制品：

顆?？芍苯映涮钣谠O(shè)備夾層；也可以膠結(jié)劑膠結(jié)成型；膠結(jié)劑：水玻璃，水泥，磷酸鹽；→經(jīng)成型→焙燒或養(yǎng)護(hù)（根據(jù)不同的膠結(jié)劑）；（2）、膨脹蛭石：

同上;（3）、硅藻土：

①

本身微孔結(jié)構(gòu)，直接作保溫材料；

②焙燒硅藻土：有時(shí)加可燃物（木屑等）

或泡沫劑→水成型→干燥→焙燒；③微孔硅酸鈣制品：5CaO·6SiO2·5H2O

硅藻土+石灰+石膏+水玻璃→通蒸汽加熱攪拌→生成硅酸鈣凝膠體→壓制成型→高壓釜蒸養(yǎng)；內(nèi)容6-1功能材料加工概述6-2保溫材料6-3摩擦材料6-4密封材料6-6電功能材料6-3

摩擦材料：

按摩擦特性分高摩擦系數(shù)材料（摩阻材料）及低摩擦系數(shù)材料（減摩材料）兩類；摩阻材料：石棉、碳纖維、半金屬、金屬陶

瓷摩擦材料（按材料結(jié)構(gòu)分）；

制動(dòng)摩擦片、轉(zhuǎn)向摩擦片、控速

及離合器摩擦片等；減摩材料：軸承（石棉軸承）和潤(rùn)滑劑（石

墨潤(rùn)滑劑）；6-3-1石棉摩擦材料：又稱石棉制動(dòng)制品，以石棉為增強(qiáng)材料，以有機(jī)高分子化合物為粘結(jié)劑，以填料為摩擦性調(diào)節(jié)劑→熱壓成型；1、原料：（1）石棉：溫石棉，為增強(qiáng)骨架，具耐熱

性能、增強(qiáng)作用，一定的表面

性能（根據(jù)表面性能選擇粘結(jié)

劑），摩擦作用，用量40~70%；（2）粘結(jié)劑：

①樹脂：酚醛樹脂及其改性物；②橡膠：耐高溫性差，用量10~30%；（3）填料：高聚物在一定溫度下分解，摩擦

系數(shù)↓，石棉、結(jié)晶水、化合物

高溫析出，形態(tài)變化，使摩擦性

能不穩(wěn)定。加填料后使摩擦系數(shù)

穩(wěn)定；

填料有礦物類（石英、長(zhǎng)石、滑石、高嶺土、重晶石、螢石、石墨等）；氧化物類（氧化鐵紅黑，氧化鋅，氧化鎂）；鹽類（BaCO3、CaCO3）；金屬類（Fe、Cu、Al粉）；有機(jī)類等；

填料用量：10~20%；

對(duì)于半金屬材料，加10~40%金屬粉末，以提高高溫摩擦性能；2、工藝：

分濕法（樹脂為液態(tài)），干法（樹脂固態(tài)）；（1）、壓塑料的制備：

石棉、粘結(jié)劑及填料，通過各種工藝制成混合料；

①濕法：

原料→雙槳捏合機(jī)→常溫混合→錕壓機(jī)→壓成片→干燥→破碎至6~10cm2;

錕壓厚度1.5~2cm，利于干燥、防塵；干燥溫度60~80oC，利于樹脂縮聚；干法：

近年的新方法，成本低，工藝簡(jiǎn)單。

（填料）原料+熱塑性樹脂→常溫混合→

加熱混煉（煉膠機(jī)，400KPa蒸汽調(diào)溫）

→冷卻、破碎-80目→加石棉纖維及部

分填料混勻；（2）壓制：

一定溫度下，壓模中加壓成型，固化；①、壓模預(yù)熱，壓縮料預(yù)成型及預(yù)熱；

溫度<成型溫度；預(yù)成型在常溫下進(jìn)行，減少粉塵，或壓制復(fù)雜形狀，有時(shí)可省去該工序；壓塑料預(yù)熱可縮短壓制時(shí)間，防止內(nèi)應(yīng)力，提高性能；②、壓制：壓縮料→壓?！沉麟A段→膠凝

階段（官能團(tuán)相互作用，或固化

劑作用形成體型結(jié)構(gòu)）→硬化；

影響因素：壓力、時(shí)間、溫度；3、制品加工：（1）熱處理：提高性能，↓水分，↓內(nèi)應(yīng)

力；

升溫速度1oC/min,升溫過速造成產(chǎn)品變形，120~130oC保溫6~12h，對(duì)耐熱性高的材料溫度為230oC;(2)機(jī)加工：

外形加工；形成糙面，↑摩擦性能；6-3-2減摩材料：

層狀結(jié)構(gòu)石墨，層內(nèi)共價(jià)鍵：結(jié)合力大，層之間范德華力結(jié)合，結(jié)合力小，石墨在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體間受剪力，沿層間斷裂產(chǎn)生潤(rùn)滑性；1、石墨乳：以膠體大?。?.1~0.001um）的石墨顆粒為分散相，以水，油，有機(jī)溶劑，合成樹脂溶液為分散媒的固-液分散體系，實(shí)際石墨乳膠體粒子為1um左右，為懸濁液，但習(xí)慣稱膠體石墨；

工藝過程：分散處理：加親水保護(hù)膠體（分散劑）和解膠體，解膠劑為陰離子或堿性物；使石墨穩(wěn)定分散于水中；

超微細(xì)化處理：<1um用濕式粉碎，<10um用干式；石墨軸承：

新型滑動(dòng)軸承，特點(diǎn)：（1）、良好的自潤(rùn)滑性：應(yīng)用于不許加潤(rùn)

滑油的工業(yè)；（2）耐高溫性：350~500oC，真空下達(dá)1000oC,優(yōu)于金屬軸承；（3）化學(xué)穩(wěn)定性好：耐熱，強(qiáng)氧化氣氛中

不穩(wěn)定；（4）機(jī)械強(qiáng)度：可經(jīng)受一定的沖擊負(fù)荷，

以酚醛樹脂、呋喃樹脂浸漬；內(nèi)容6-1功能材料加工概述6-2保溫材料6-3摩擦材料6-4密封材料6-6電功能材料6-4

密封材料：

防止介質(zhì)泄露或浸入而在固定部分或運(yùn)動(dòng)部分使用的材料。固定部分：靜密封件，如墊片，墊圈等；運(yùn)動(dòng)部分所用密封制品稱動(dòng)密封件，如墊圈和盤根；主要包括石棉和石墨兩種，前者價(jià)廉，應(yīng)用廣；6-4-1石墨密封材料：

墊片：管道容器的閥欄；墊圈：泵、閥上的模壓密封制品；盤根：繩狀和絨狀密封制品；1、石綿橡膠板：

以石綿絨為增強(qiáng)材料，以天然橡膠為粘結(jié)材料，另加橡膠配合劑，經(jīng)軋制而成的板材；粘結(jié)材料8~12%，石綿60~75%，配合劑15~30%；

工藝：（1）打漿：橡膠配合劑、溶劑混合，攪拌

機(jī)內(nèi)打漿，膠片溶解成膠漿；（2）攪拌：石綿絨，填料，膠漿和溶劑汽油等投入攪拌機(jī)混合；（3）成型：成型機(jī)，錕壓成型；（4）貼合：板材<3mm，如>3mm則用膠

漿貼合，軋壓；2、油浸石綿盤根：

以石綿線浸漬潤(rùn)滑油脂和石墨，經(jīng)編制而成。3、橡膠石綿墊圈：

以石綿布與耐油或耐熱膠料粘合、模壓、硫化而成。6-4-2石墨密封材料-柔性石墨制品

鱗片石墨→化學(xué)處理成可膨脹石墨→高溫煅燒成膨脹石墨→加工成柔性石墨；1、膨脹石墨性能：（1）、化學(xué)穩(wěn)定性：PH20~14的酸、堿、鹽

中不老化、不變化；（2）、耐熱性能好：氧化氣氛-200~600oC,惰性氣氛-200~2500；

其它100~400oC;（3）、導(dǎo)熱、防輻射性；（4）、自潤(rùn)滑性好：允許設(shè)備

高速運(yùn)轉(zhuǎn)（石綿速度的5倍）；（5）、密封性：柔韌性和彈性好；2、柔性石墨制品成型工藝：

方法：碾壓、模壓、擠壓；（1）碾壓：初壓→加熱（除液體，使未膨

脹的繼續(xù)膨脹）→碾壓（尺寸

輥筒）→切割（2）模壓法：用模具成型，平板模壓和異

形模壓兩法，用模具成型；（3）擠壓法：棒狀、管狀和其它異形件，