工程材料12,13章作业.doc

工程材料作业十二章1. 何谓陶瓷？何谓陶瓷的物质结构？陶瓷材料的显微结构有哪些组成？它们对陶瓷的性能各有何影响？答：陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。常见的陶瓷材料有粘土、氧化铝、高岭土等。陶瓷材料一般硬度较高，但可塑性较差。除了在食器、装饰的使用上，在科学、技术的发展中亦扮演重要角色。 常用上程陶瓷材料主要包括:金属(过渡金属或与之相近的金属)与硼、碳、硅、氮、氧等非金属元素组成的化合物，以及非金属元素所组成的化合物，如硼和硅的碳化物和氮化物。 根据其元素组成的不同可以分为:氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷和硼化物陶瓷。此外，近年来玻璃陶瓷作为结构材料也得到了广泛的应用。 2氧化物陶瓷 氧化物陶瓷材料的原子结合以离子键为主，存在部分共价键，因此具有许多优良的性能。大部分氧化物具有很高的熔点，良好的电绝缘性能，特别是具有优异的化学稳定性和抗氧化性，在上程领域已得到了较广泛的应用。陶瓷的组成：晶相、玻璃相、气相。晶相：陶瓷显微结构中由晶体构成的部分。在陶瓷显微结构中可以是由一种晶体(单相)或不同类型的晶体(多相)组成。其中含量多者称为主晶相，含量少的称次级晶相或第二晶相。陶瓷材料的性能和主晶相的种类、数量、分布及缺陷状况等密切有关。陶瓷材料的晶体主要是单一氧化物(如Al2O3，MgO)和复合氧化物(如尖晶石MgOAl2O3，锆钛酸铅Pb(Zr,Ti)O3)。此外，非氧化物陶瓷材料中还有碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等相应组分的晶体存在。 玻璃相：它存在于晶粒与晶粒之间，起着胶黏作用。气相：是指陶瓷中的气孔，它是在陶瓷生产过程中形成并被保留下来的。气孔的存在降低了陶瓷的密度，能吸收震动，并进一步降低了导热系数。但也导致陶瓷强度下降，介电损耗增大，绝缘性降低。2. 陶瓷材料的主要结合键是什么？从键合角度分析陶瓷材料的性能特点。答：陶瓷的结合键:以离子键,共价键 结合,主 要以晶体存在.。硅酸盐结构 硅酸盐是传统陶瓷的主要原料，也是陶瓷组织中的基本相，如莫来石、长石等。硅酸盐的结合键是离子键与共价键的混合键，但习惯上称离子键。 硅酸盐的基本结构单元为SiO4四面体。氧化物结构 氧化物主要由离子键结合，也有一定成分的共价键。这种结构的显著特点是与氧原子的密排有密切关系。氧化物中的氧原子进行密排，作为陶瓷结构的骨架，较小的阳离子则处于骨架的间隙中。 氧化物有简单立方、面心立方（氧化镁、氧化铍、氧化钙等）和密排六方结构（氧化铝）。非氧化物结构 非氧化物如碳化物、氮化物是特种陶瓷的主要成分和晶相体，由强大的共价键结合。如碳化硅有六方晶形（）和立方晶形（）两种结构，以SiC4为结构单元，是共价键性极高的结构；氮化硅为六方晶系，以SiN4为重复结构单元，是极强的共价键结构。同素异构体。 有的无机非金属材料也存在同素异构体，如二氧化硅有-石英，-石英、-鳞石英，-鳞石英、-鳞石英、-方石英，-方石英、熔融二氧化硅、石英玻璃。3. 陶瓷材料的那些性能不利于陶瓷材料在过程装备上的应用？答：陶瓷的实际强度这么小，这是陶瓷的内部结构造成的。陶瓷内部有许多不同大小、不同分布的裂纹，而且陶瓷本身塑性变形能力差，裂纹尖端在受外力时易产生应力集中，使裂纹扩展，产生脆性断裂。要提高陶瓷的强度，改善它的脆性，可以通过以下几个办法予以解决：制造颗粒细的、密度高的、均匀且纯净的陶瓷，以尽量减少组织中的杂质和缺陷。如用热压法制取几乎没有气孔的Si3N4陶瓷，强度接近了理论值。制取陶瓷纤维或者晶须，以减少缺陷产生的概率，可使陶瓷的强度提高1-2个数量级。把陶瓷制成复合材料，复合强化也是发挥陶瓷的优势、克服它缺点的一个重要技术措施。陶瓷材料的抗拉强度虽然低，但它的抗压强度却比较高。陶瓷的抗压强度通常是抗拉强度的1020倍。这是由于陶瓷受压时，气孔不易导致裂纹的扩展而造成的。4. 为什么陶瓷材料在高温条件下会出现蠕变现象？答：陶瓷材料在室温下几乎没有塑性，完全是脆性断裂，这是陶瓷作为工程材料应用的致命弱点。材料的塑性变形与它的晶体结构有密切的关系。不同的晶体结构有不同的滑移系统，而滑移系统越多，则越易产生塑性变形。滑移系统由滑移面和滑移方向两方面组成。滑移是晶体的一部分相对于另一部分在一定晶面(即滑移面)沿一定方向(即滑移方向)发生相对滑动。而陶瓷材料的滑移系统均较少，因为陶瓷材料都是化合物，它们大部分是由正负离子互相吸引的离子键或者是互相共有一部分外层电子而具有方向性的共价键组成。离子键要求正负离子电价平衡，所以正负离子相间排列。滑移时，异类离子相吸，同类离子相斥，斥力极大。导致了离子键破坏。而共价键除了有方向性外还有饱和性，并具有确定的键长和键角，晶体结构很复杂，滑移会使共价键破断。大量气孔的存在，使陶瓷塑性变形能力差，是其呈脆性断裂的宏观原因。滑移系统少这是陶瓷结构决定的，很难改变；而气孔多则是由坯料质量和工艺过程决定的，是可以改进的。这也是改善陶瓷脆性的途径之一。有些陶瓷在高温时可出现一定的塑性变形能力。如MgO在低温时只有两个滑移系统，而高温时有5个滑移系统。所以低温时呈脆性，高温时有一定的延展性。陶瓷材料在高温时受恒定应力的作用，随着时间的延长会出现延续变形的现象，这叫做蠕变。蠕要变形是施加的应力和热能共同作用的结果。蠕变现象对高温结构陶瓷是非常重要的。5、哪些因素影响陶瓷材料的耐蚀性能？答：化工陶瓷的主要成份是氧化铝、氧化硅，二者烧结后形成莫来石晶体，由此决定了陶瓷的化学稳定性.化工陶瓷配方及烧结温度的不同, 粒度分布，胶着界面的关系以及成型关系不同其耐蚀性不同。6、特种陶瓷和化工陶瓷有何不同？答：化工陶瓷的主要成份是氧化铝、氧化硅，二者烧结后形成莫来石晶体，由此决定了陶瓷的化学稳定性，不耐氢氟酸、氟硅酸、热浓碱，但能耐包括硝酸、硫酸、盐酸、王水、盐溶液、有机溶剂等大多数介质的腐蚀。化工陶瓷的缺点是抗拉强度低、性脆、导热系数小、热膨胀系数大，不耐热冲击与机械碰撞。化工陶瓷随配方及烧结温度的不同，可分为耐酸陶、耐酸耐温陶与工业瓷三种。化工陶瓷主要用作塔、储槽、容器、反应釜、过滤器、泵、风机、管道、衬里砖、板等特种陶瓷是指具有特殊力学、物理或化学性能的陶瓷。其原料是用化学方法制备的高纯度或纯度可控的粉料，因此材料的成分与配比可控。特种陶瓷的研究与开发主要集中在高比强度、高温高强度结构材料和具有特殊功能的材料三方面。7、过程装备上常用的工程陶瓷有哪几种？各有什么特点？答：（1）氧化铝陶瓷性能：抗压强度高，比普通陶瓷高23倍（56）,抗拉与抗弯强度低；密度大、硬度高，仅次于金刚石、碳化硼、立方氮化硼、碳化硅，耐磨；抗蠕变能力强；耐高温性能好（1600）；缺点：脆性大、耐冲击性能差、不能承受环境温度的突变。（2）氮化硅陶瓷性能：没有熔点、密度高、热膨胀系数小（3）碳化硼陶瓷性能：强度高、熔点高、耐酸碱性能好、热膨胀系数小、但抗冲击性能差。（4）塞隆陶瓷性能：常温和高温强度高、化学稳定性优异，耐磨性高、热膨胀系数低、抗热冲击性好、抗氧化性强、密度小。8、常用的化工玻璃有哪几种？各有什么特点？答：石英玻璃:即硅酸盐玻璃，含氧化硅大于95以上的玻璃称为高硅玻璃。硼硅玻璃：硼硅酸盐玻璃，在普通玻璃（氧化钠氧化钾、氧化钙氧化镁）中加入氧化硼，耐热玻璃或硬质玻璃。低碱无硼玻璃：以硅、铝、钙氧化物为主，碱金属氧化物很少。微晶玻璃：玻璃在催化剂或晶核形成剂的作用下，结晶而成的多晶的不透明（或透明）的新型硅酸盐材料，制备工艺与普通玻璃相似，增加了一道结晶热处理工序，外观像陶瓷，又叫陶瓷玻璃。9、简述化工搪瓷的特性与应用。答：性能：耐蚀性：能耐有机酸、无机酸、有机溶剂、弱碱，对强碱、氢氟酸、30%的高温磷酸（180以上）。不粘性：不粘，易清洗。另外还有绝缘性、隔离性、保鲜性、脆性。应用：化工搪瓷设备兼备金属材料刚韧性和无机非金属材料耐腐蚀性的双重优点，适用于各种液态、气态、液气混合态的化学反应。广泛应用于石油化工、精细化工、制药、染料、食品等行业。10、化工设备常用的无机纤维保温绝热材料有哪几种？各有什么特点？答：泡沫玻璃：表观密度小于200Kg/m3，强度较高，导热系数低，吸水率低小于0.5%，热阻大，抗冻融性好，耐腐蚀性和加工性能好。微孔硅酸钙：表观密度小，导热系数低，抗拉强度大于5Kg/m2，抗折强度大于0.3MPa，最高使用温度一般在650左右，耐水性好，无毒不燃、可锯切、易加工、不腐蚀管道和设备。石棉：抗拉强度为981598MPa，导热系数一般为0.070.09W/(mk)，使用温度一般200400，吸湿率在1%3%岩棉：表观密度一般在50180Kg/m3，导热系数为0.0350.045 W/(mk)，使用温度在700左右，吸湿率小于1%，在750加热时不产生火焰闪光和可燃气体。矿渣棉：表观密度小，一般小于140 Kg/m3，导热系数低，在0.0320.044 W/(mk)，吸湿率一般不高于3%，使用温度为650，高温下稳定，绝缘，防火不燃，耐腐蚀，隔声，有一定弹性。玻璃棉：表观密度小，一般小于120Kg/m3，导热系数低，在0.0350.040 W/(mk)，吸湿率一般低于0.01%，使用温度为-120400，具有阻燃、无毒、耐腐蚀、化学稳定性强等诸多优点。11.简述石墨的特性和应用答：石墨的特性（1）化学性能 石墨在常温下有良好的化学稳定性，耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。（2）电性能 石墨晶体的导电与金属类似，其电阻率比其它非金属材料大得多，可以与金属材料相媲美。(3)力学性能 强度 石墨及其制品的机械强度都不高。蠕变 室温下石墨不存在蠕变性能，1700以上时才开始产生蠕变现象。润滑性 石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。可塑性 石墨的韧性好，可制成薄片。抗热振性 石墨在常温下使用时能经受温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。(4)热性能石墨的热性能包括热稳定性能、导热性能和热膨胀性能等。热稳定性 碳的熔点和升华温度都非常高，在常压下温度升高到3000以上时碳也不会融化，只是固体碳直接升华，人造石墨的熔点高达4000。因此，石墨显示了很高的热稳定性。导热性能 石墨的导热系数比其它非金属材料大得多，可以与金属材料相媲美。热膨胀系数 石墨材料的热膨胀系数较小。石墨的主要用途：耐火材料 石墨制品具有耐高温、高强度的性质，在冶金工业中主要用来制造石墨坩埚，在炼钢中常用石墨作钢锭之保护剂，冶金炉的内衬；导电材料 用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、石墨垫圈、电视机显像管的涂层等；耐磨润滑材料 石墨可以在很高的滑动速度下，不用润滑油工作，许多输送腐蚀介质的设备则采用石墨制成活塞环，密封圈和轴承，石墨乳则用作金属加工（拔丝、拉管）的润滑剂；化工设备 经不透性处理的石墨，具有耐腐蚀、导热性好、渗透率地等优点，大量用于制作热交换器、反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵设备，广泛用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业部门。铸造、压模及高温冶金材料 石墨的热膨胀系数小，可作为玻璃器的铸模，生产硬质合金等粉末冶金工艺，通常用石墨材料制成压模和烧结用的舟；原子能工业和国防工业 石墨具有良好的中子减速性，用于原子反应堆铀-石墨反应堆，石墨材料还用来制造固体燃料火箭的喷嘴、导弹的鼻锥、宇航设备零件、隔热材料和放射线材料等。十三章1. 复合材料有哪些类型？它们的制备方法各有什么特点？答：复合材料有树脂基、金属基、陶瓷基等类型复合材料。制备方法特点：（1）树脂基复合材料的成型方法：手糊成型、模压成型、缠绕成型。（2）金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。（3）陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。2. 应用最广泛的是哪种类型复合材料，为什么？答：应用最广泛的是树脂基复合材料。因为（1）轻质高强：相对密度在1.52.0之间，只有碳钢的1/41/5，可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上。（2）耐腐蚀性能好：FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。已应用到化工防腐的各个方面，正在取代碳钢、不锈钢、木材、有色金属等。（3）电性能好：是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。高频下仍能保护良好介电性。微波透过性良好，已广泛用于雷达天线罩。（4）热性能良好：FRP热导率低，室温下为1.251.67kJ/（mhK），只有金属的1/1001/1000，是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000以上承受高速气流的冲刷。（5）可设计性好：可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性；可以充分选择材料来满足产品的性能，如：可以设计出耐腐的，耐瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的，等等。（6）工艺性优良：可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺；工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。3. 试分析复合材料有什么主要缺点？答：树脂基复合材料缺点：弹性模量低、长期耐温性差、老化现象、层间剪切强度低；金属基复合材料缺点：金属复合材料制造工艺复杂、造价昂贵，材料品种少，尚未能在工业规模生产中应用；陶瓷基复合材料缺点：质脆，不宜用于高应力和高温环境。4. 什么叫玻璃钢？玻璃钢性能上有什么特点？答：以合成树脂为粘结剂，以玻璃纤维作为增强体的树脂基复合材料称为玻璃纤维增强塑料，因其强度高，可以和钢铁相比，故又称玻璃钢。性能特点：力学性能：突出特点是比重小、比强度高。各向异性非均质材料，应力应变曲线上无明显屈服点，材料呈脆性破坏。耐化学腐蚀性：取决于纤维、树脂、固化剂和表面处理剂。不导电，电解质溶液中不会有离子溶解出来。对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐等介质有良好的化学稳定性。在强的非氧化性酸和pH值变化范围广的介质中都有良好的适应性。热性能和电性能：导热系数低，可做良好的隔热材料。在高温的作用下，能吸收大量的热能，而且热传导很慢，可做热防护材料、热烧蚀材料和瞬时耐高温材料。耐热温度主要取决于树脂固化剂系统。优良的电绝缘材料，抗电击穿强度高，可做耐高压的电器零件。表面性能和施工工艺性：表面不易堆积腐蚀产物，不易积垢，因此用玻璃钢管道输送流体时，管道内阻力很小，摩擦系数也低。施工工艺性好。5.制备树脂基复合材料（玻璃钢）的纤维增强材料、基体材料主要包括哪些材料？各自起什么作用？答:（1）纤维增强材料常用的纤维增强材料：是玻璃纤维及其制品(长纤维、短切纤维、玻璃布、玻璃带、玻璃毡等)。纤维增强材料作用：起增强骨架的作用，是玻璃钢主要承力材料。同时也减少产品的收缩率，提高材料的热变形温度和抗冲击等性能。（2）基体材料基体材料：以合成树脂为主。根据聚合物的特性可分为塑料和橡胶两大类。塑料基复合材料按基体特性又分为热固性树脂基体环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂、不饱和聚脂和有机硅树脂等；热塑性塑料基体尼龙、聚烯烃类，苯乙烯类塑料、聚氯乙烯、氟塑料等。基体材料的作用：当增强材料确定后，树脂基复合材料的使用性能和工艺性能将随选用的基体材料不同而不同。复合材料性能（强度除外）几乎都取决于基体，及基体与纤维界面的性能。受热或外力冲击时能产生塑性流动，能把能量传递给增强纤维。6.简要叙述手糊成型、缠绕成型的工艺和特点。答：（1）手糊成型手糊成型工艺流程特点：优点：操作方便、设备简单、不受产品尺寸和形状的限制，可根据产品设计要求铺设不同厚度的增强材料。缺点：生产效率低、劳动强度大、产品的质量欠稳定。（2）缠绕成型缠绕成型工艺流程特点：优点：玻璃钢中玻璃纤维的含量高，最高可达80%，所以比强度高，质量好且稳定，生产效率高，有利于大批生产。缺点：强度的方向性比较明显，层间的剪切强度低，缠绕设备性能要求高。7.举例说明玻璃钢在过程装备上的应用。答：主要制作冷却塔、贮槽和管道，以及阀门、泵、管件、烟囱等耐蚀设备、电动机罩、发电机罩。皮带轮防护罩、风扇叶片、齿轮、轴承、法兰