第二章设备材料及电器基础知识

1、第二章第二章 设备材料与电器基础知识设备材料与电器基础知识目录目录u第一节第一节 设备材料设备材料u第二节第二节 电器基础知识电器基础知识u思考题思考题n学习目标n熟悉GMP对设备的材料要求。n了解材料的性能。n了解常用的电器元件。第二章第二章 设备材料与电器基础知识设备材料与电器基础知识n在制药工业中，在制药工业中，GMP对设备的材料有要求：设对设备的材料有要求：设备接触药品表面易清洁、表面光洁，平整，无备接触药品表面易清洁、表面光洁，平整，无死角，易清洗。接触药品的材料应采用不与其死角，易清洗。接触药品的材料应采用不与其发生反应、吸附、或向药品中释放有影响的物发生反应、吸附、或向药品中释放

2、有影响的物质，通常多采用超低碳奥氏体不锈钢、聚四氟质，通常多采用超低碳奥氏体不锈钢、聚四氟乙烯、聚丙烯、硅橡胶等材料。禁止使用吸附乙烯、聚丙烯、硅橡胶等材料。禁止使用吸附药品组分和释放异物的材料，如：药品组分和释放异物的材料，如：石棉制品。石棉制品。第一节第一节 设备材料设备材料n一、一、材料的性能材料的性能n材料的性能包括材料的力学性能、物理性能、材料的性能包括材料的力学性能、物理性能、化学性能和加工性能等化学性能和加工性能等 n（一）力学性能（一）力学性能n力学性能是指材料在外力作用下抵抗变形或破力学性能是指材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力，有强度、硬度、弹性、塑性、韧性坏的能力，有强

3、度、硬度、弹性、塑性、韧性等。这些性能是进行设备材料选择的依据。等。这些性能是进行设备材料选择的依据。n1. 强度：材料的强度是指材料抵抗外加载荷强度：材料的强度是指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能力。而不致失效破坏的能力。第一节第一节 设备材料设备材料n操作温度对力学性能有影响。操作温度对力学性能有影响。 n通常随着温度升高，金属的强度降低而塑性增通常随着温度升高，金属的强度降低而塑性增加。加。n金属材料在高温长期工作时，在一定应力下，金属材料在高温长期工作时，在一定应力下，会随着时问的延长，缓慢并且不断地发生塑性会随着时问的延长，缓慢并且不断地发生塑性变化，称为变化，称为“蠕变蠕变”现象

4、现象。n对于长期承受交变应力作用的金属材料，还要对于长期承受交变应力作用的金属材料，还要考虑考虑“疲劳破坏疲劳破坏”。所谓。所谓“疲劳破坏疲劳破坏”是指金是指金属材料在小于屈服强度极限的循环载荷长期作属材料在小于屈服强度极限的循环载荷长期作用下发生破坏的现象。用下发生破坏的现象。 第一节第一节 设备材料设备材料n疲劳断裂与静载荷下断裂不同，无论在静载荷疲劳断裂与静载荷下断裂不同，无论在静载荷下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时，都下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时，都不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，因此具有很大的危险性，会造成严重的事故。因此具

5、有很大的危险性，会造成严重的事故。n2. 硬度：硬度是指固体材料对外界物体机械硬度：硬度是指固体材料对外界物体机械作用（如压陷、刻划）的局部抵抗能力。作用（如压陷、刻划）的局部抵抗能力。n硬度不是独立的基本性能，而是反映材料弹性、硬度不是独立的基本性能，而是反映材料弹性、强度与塑性等的综合性能指标。强度与塑性等的综合性能指标。n一般情况下，硬度高的材料强度高，耐磨性能一般情况下，硬度高的材料强度高，耐磨性能较好，但切削加工性能较差。较好，但切削加工性能较差。第一节第一节 设备材料设备材料n3. 塑性：材料的塑性是指材料受力时，当应力塑性：材料的塑性是指材料受力时，当应力超过屈服点后，能产生显著

6、的变形而不即行断超过屈服点后，能产生显著的变形而不即行断裂的性质。裂的性质。 n4. 冲击韧性：冲击韧性：n材料的抗冲击能力常以使其破坏所消耗的功或材料的抗冲击能力常以使其破坏所消耗的功或吸收的能除以试件的截面面积来衡量，称为材吸收的能除以试件的截面面积来衡量，称为材料的冲击韧度料的冲击韧度。n对于承受波动或冲击载荷的零件及在低温条件对于承受波动或冲击载荷的零件及在低温条件下使用的设备，其材料性能仅考虑以上几种指下使用的设备，其材料性能仅考虑以上几种指标是不够的，必须考虑抗冲击性能。标是不够的，必须考虑抗冲击性能。第一节第一节 设备材料设备材料n（二）物理性能n金属材料的物理性能有密度、熔点、

7、比热容、金属材料的物理性能有密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀系数、导电性、磁性、弹性模热导率、线膨胀系数、导电性、磁性、弹性模量与泊松比等。量与泊松比等。第一节第一节 设备材料设备材料n（三）化学性能（三）化学性能n化学性能是指材料在所处介质中的化学稳定性化学性能是指材料在所处介质中的化学稳定性，即材料是否会与周围介质发生化学或电化学，即材料是否会与周围介质发生化学或电化学作用而引起腐蚀。作用而引起腐蚀。n金属的化学性能指标主要有耐腐蚀性和抗氧化金属的化学性能指标主要有耐腐蚀性和抗氧化性。性。第一节第一节 设备材料设备材料n1. 耐腐蚀性：耐腐蚀性：n金属和合金对周围介质，如大气、水气、各种

8、金属和合金对周围介质，如大气、水气、各种电解液侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。电解液侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。n制药生产中所涉及的物料，常会有腐蚀性。材制药生产中所涉及的物料，常会有腐蚀性。材料的耐蚀性不强，必将影响设备使用寿命，还料的耐蚀性不强，必将影响设备使用寿命，还会影响产品质量。会影响产品质量。第一节第一节 设备材料设备材料n2. 抗氧化性：抗氧化性：n在高温下，钢铁不仅与自由氧发生氧化腐蚀，在高温下，钢铁不仅与自由氧发生氧化腐蚀，使钢铁表面形成结构疏松容易剥落的使钢铁表面形成结构疏松容易剥落的FeO氧化氧化皮；还会与水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等气皮；还会与水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等气

9、体产生高温氧化与脱碳作用，使钢的力学性能体产生高温氧化与脱碳作用，使钢的力学性能下降，特别是降低了材料的表面硬度和抗疲劳下降，特别是降低了材料的表面硬度和抗疲劳强度。因此，高温设备必须选用耐热材料。强度。因此，高温设备必须选用耐热材料。第一节第一节 设备材料设备材料n（四）加工工艺性能（四）加工工艺性能n金属和合金的加工工艺性能是指可铸造性能（金属和合金的加工工艺性能是指可铸造性能（可铸性）、可锻造性能（可锻性）、可焊性能可铸性）、可锻造性能（可锻性）、可焊性能（焊接性）和可切削加工性能等。（焊接性）和可切削加工性能等。n这些性能直接影响设备和零部件的制造工艺方这些性能直接影响设备和零部件的制

10、造工艺方法和质量。法和质量。n1. 可铸性：可铸性：n可铸性主要是指液体金属的流动性和凝固过程可铸性主要是指液体金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析倾向（合金凝固时化学成分的中的收缩和偏析倾向（合金凝固时化学成分的不均匀析出叫偏析）。不均匀析出叫偏析）。n常用金属材料中，灰铸铁和锡青铜铸造性能较常用金属材料中，灰铸铁和锡青铜铸造性能较好。好。第一节第一节 设备材料设备材料n2. 可锻性：可锻性：n可锻性是指金属承受压力加工（锻造）而变可锻性是指金属承受压力加工（锻造）而变形的能力形的能力.n塑性好的材料，锻压所需外力小，可锻性好塑性好的材料，锻压所需外力小，可锻性好。低碳钢的可锻性比中碳钢及高

11、碳钢好；。低碳钢的可锻性比中碳钢及高碳钢好；n碳钢比合金钢可锻性好。碳钢比合金钢可锻性好。n铸铁是脆性材料，目前，尚不能锻压加工。铸铁是脆性材料，目前，尚不能锻压加工。第一节第一节 设备材料设备材料n3. 焊接性：焊接性：n这是指能用焊接方法使两块金属牢固地连接，这是指能用焊接方法使两块金属牢固地连接，且不发生裂纹，具有与母体材料相当的强度，且不发生裂纹，具有与母体材料相当的强度，这种能熔焊的性能称焊接性。这种能熔焊的性能称焊接性。n低碳钢具有优良的焊接性，而铸铁、铝合金等低碳钢具有优良的焊接性，而铸铁、铝合金等焊接性较差。焊接性较差。n4. 可切削加工性：可切削加工性：n可切削加工性是指金属

12、是否易于切削。可切削加工性是指金属是否易于切削。n切削性好的材料，刀具寿命长，切屑易于折断切削性好的材料，刀具寿命长，切屑易于折断脱落，切削后表面光洁。脱落，切削后表面光洁。n灰铸铁碳钢都具有较好的切削性。灰铸铁碳钢都具有较好的切削性。第一节第一节 设备材料设备材料n二、金属材料二、金属材料n（一）碳钢和铸铁（一）碳钢和铸铁n它们是由它们是由95%以上的铁和以上的铁和0.05%4%的碳的碳及及1%左右的杂质元素所组成的合金，称左右的杂质元素所组成的合金，称“铁铁碳合金碳合金”。n一般含碳量在一般含碳量在0.02%2%者称为钢，大于者称为钢，大于2%者称为铸铁。者称为铸铁。n由于碳钢和铸铁具有优

13、良的机械性能，资源丰由于碳钢和铸铁具有优良的机械性能，资源丰富，与其他金属相比其价格又较便宜，而且还富，与其他金属相比其价格又较便宜，而且还可以通过采用各种防腐措施可以通过采用各种防腐措施. 第一节第一节 设备材料设备材料n 1. 碳钢的耐腐蚀性能：碳钢的耐腐蚀性能：n碳钢在大气和水中易生锈，在很多介质中的耐碳钢在大气和水中易生锈，在很多介质中的耐腐蚀性也不好。腐蚀性也不好。n 2. 工业上常用的铸铁，其含碳量（质量分数工业上常用的铸铁，其含碳量（质量分数）一般在）一般在2%以上，并含有以上，并含有S、P、Si、Mn等等杂质。杂质。 n(二二)奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢n 以铬镍为主要合金元素的

14、奥氏体不锈钢是制以铬镍为主要合金元素的奥氏体不锈钢是制药设备产品应用最为广泛的一类不锈钢，此类药设备产品应用最为广泛的一类不锈钢，此类钢包含钢包含Cr18Ni8系不锈钢以及在此基础上发展系不锈钢以及在此基础上发展起来的含铬镍更高并含钼、硅、铜等合金元素起来的含铬镍更高并含钼、硅、铜等合金元素的奥氏体类不锈钢。的奥氏体类不锈钢。 第一节第一节 设备材料设备材料n这类钢的特点是这类钢的特点是n具有优异的综合性能，包括优良的力学性能，具有优异的综合性能，包括优良的力学性能，冷、热加工和成型性，可焊性和在许多介质中冷、热加工和成型性，可焊性和在许多介质中的良好耐蚀的良好耐蚀n是目前用来制造各种贮槽、塔

15、器、反应釜、阀是目前用来制造各种贮槽、塔器、反应釜、阀件等设备的最广泛的一类不锈钢材。件等设备的最广泛的一类不锈钢材。n常见的品种有常见的品种有316L（00Cr17Ni14Mo2）、）、316（0Cr17Ni12Mo2）、）、304L（00Cr19Ni11）、）、304（0Cr19Ni9）及）及1Cr18Ni9Ti（俗称（俗称18-8）.第一节第一节 设备材料设备材料n它们的共同特点它们的共同特点n是具有耐蚀性和较好的耐热性。是具有耐蚀性和较好的耐热性。n这些奥氏体不锈钢的共性是耐蚀，而其这些奥氏体不锈钢的共性是耐蚀，而其“耐蚀耐蚀”性是相对的，其是指在一定的外界条件和一性是相对的，其是指在

16、一定的外界条件和一定的腐蚀介质中具有高的化学稳定性的特性。定的腐蚀介质中具有高的化学稳定性的特性。 n奥氏体不锈钢在某些介质情况下使用时，就会奥氏体不锈钢在某些介质情况下使用时，就会产生晶间腐蚀、点蚀等类型的腐蚀，特别是在产生晶间腐蚀、点蚀等类型的腐蚀，特别是在含含Cl-介质中极易产生腐蚀，通常采用超低碳介质中极易产生腐蚀，通常采用超低碳或低碳的方法解决（即选或低碳的方法解决（即选316L或或304L）。）。第一节第一节 设备材料设备材料n超低碳不是解决此类腐蚀的根本方法，还与其超低碳不是解决此类腐蚀的根本方法，还与其它因素有关。它因素有关。n盛放、输送注射用水或无菌制剂药液的贮槽、盛放、输送

17、注射用水或无菌制剂药液的贮槽、容器、管道等应使用容器、管道等应使用316L、316不锈钢；不锈钢；n盛放、输送纯化水或非无菌制剂药液的贮槽、盛放、输送纯化水或非无菌制剂药液的贮槽、容器、管道等可使用容器、管道等可使用304L、304不锈钢。不锈钢。第一节第一节 设备材料设备材料n（三）有色金属（三）有色金属n有色金属中，药品生产设备使用最多的是铜和有色金属中，药品生产设备使用最多的是铜和铝。铝。n1. 铜通常只用于制作导电、导热的零部件。铜通常只用于制作导电、导热的零部件。工业纯铜强度不高，常用的铜合金是黄铜和青工业纯铜强度不高，常用的铜合金是黄铜和青铜，利用它们的耐磨、不易生锈和导热、导电铜

18、，利用它们的耐磨、不易生锈和导热、导电性能强的特性，制作相关零部件。性能强的特性，制作相关零部件。第一节第一节 设备材料设备材料n2. 铝通常利用其密度小、不易生锈和导热、铝通常利用其密度小、不易生锈和导热、导电性能制作零部件，可减轻设备重量，减小导电性能制作零部件，可减轻设备重量，减小加工难度。常用的铝合金是形变铝合金和铸造加工难度。常用的铝合金是形变铝合金和铸造铝合金，工业纯铝的强度和导热、导电性能比铝合金，工业纯铝的强度和导热、导电性能比工业纯铜差，可部分替代工业纯铜。工业纯铜差，可部分替代工业纯铜。第一节第一节 设备材料设备材料n三、药品生产设备常用非金属材料三、药品生产设备常用非金属

19、材料n1.工程塑料工程塑料 n通常利用他们容易加工成型、耐腐蚀、具有绝缘性能通常利用他们容易加工成型、耐腐蚀、具有绝缘性能和成本低的特点，替代金属制做设备零部件和接触酸和成本低的特点，替代金属制做设备零部件和接触酸碱的管道、容器。碱的管道、容器。n如去离子水的管道常用如去离子水的管道常用ABS制造。制造。n2.工业陶瓷工业陶瓷 常用的有绝缘瓷、化工瓷和多孔过滤陶常用的有绝缘瓷、化工瓷和多孔过滤陶瓷。绝缘瓷用于电器绝缘；化工瓷用于制做耐腐瓷。绝缘瓷用于电器绝缘；化工瓷用于制做耐腐蚀的容器、管道和设备零部件；多孔过滤陶瓷用于蚀的容器、管道和设备零部件；多孔过滤陶瓷用于制做药液过滤设备的过滤部件制做

20、药液过滤设备的过滤部件 。n3.其他非金属材料其他非金属材料 常用的有橡胶、合成纤维、玻璃常用的有橡胶、合成纤维、玻璃和复合材料等和复合材料等 第一节第一节 设备材料设备材料n一、传感器一、传感器n传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。和转换元件组成。n转换元件将敏感元件感应产生的微弱电信号转换转换元件将敏感元件感应产生的微弱电信号转换成可以显示、读数或实施控制的电信号。成可以显示、读数或实施控制的电信号。第二节第二节 电器基础知识电器基础知识n目前

21、常见的敏感元件多用半导体材料制成，包括以下几类：目前常见的敏感元件多用半导体材料制成，包括以下几类：n热敏元件；热敏元件；n光敏元件；光敏元件；n湿敏元件；湿敏元件；n声敏元件；声敏元件；n压敏元件；压敏元件；n气敏元件；气敏元件；n磁敏元件。磁敏元件。n在药品生产设备上应用较广的是前两种，其中热敏元件应在药品生产设备上应用较广的是前两种，其中热敏元件应用最广，也是最重要的一种敏感元件。用最广，也是最重要的一种敏感元件。第二节第二节 电器基础知识电器基础知识n1.热敏元件：热敏元件：n将温度直接转变为电量的元件。常见的有热电偶将温度直接转变为电量的元件。常见的有热电偶和热敏电阻，主要用于检测温

22、度、流量、流速、和热敏电阻，主要用于检测温度、流量、流速、真空以及温度控制、温度补偿和过载保护。例如真空以及温度控制、温度补偿和过载保护。例如隧道烘箱的温度控制仪和检测洁净区过滤器风速隧道烘箱的温度控制仪和检测洁净区过滤器风速的热球式风速仪都用到热敏元件。的热球式风速仪都用到热敏元件。n2.光敏元件：光敏元件：n利用某些半导体元件在光照条件下导电性能发生利用某些半导体元件在光照条件下导电性能发生改变得到电信号。光敏元件常见的有光敏电阻、改变得到电信号。光敏元件常见的有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管。光敏二极管和光敏三极管。第二节第二节 电器基础知识电器基础知识n二、电机二、电机n1.药品生产

23、设备通常是通过电机得到动力。常见药品生产设备通常是通过电机得到动力。常见的电机多为异步交流电机的电机多为异步交流电机 ，相对于同步交流电机，相对于同步交流电机而言，其转子转速总是略低或略高于同步转速（而言，其转子转速总是略低或略高于同步转速（旋转磁场的转速）。旋转磁场的转速）。n2.除了直接由通断电源控制的电动机之外，新型除了直接由通断电源控制的电动机之外，新型的药品生产设备还会用到一些可以接受各种信号的药品生产设备还会用到一些可以接受各种信号控制的电机，常用的有以下四种：控制的电机，常用的有以下四种：n步进电机：将收到的脉冲信号转换成电动机轴步进电机：将收到的脉冲信号转换成电动机轴上的角位移

24、或线位移输出。上的角位移或线位移输出。第二节第二节 电器基础知识电器基础知识n伺服电机：将收到的电信号转换成电动机轴上伺服电机：将收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。的角位移或角速度输出。n自整角机：将转角差转换为电信号，再用放大自整角机：将转角差转换为电信号，再用放大后的去控制伺服电机。后的去控制伺服电机。n测速发电机：可将转速变为电信号，反馈到输测速发电机：可将转速变为电信号，反馈到输入端以稳定转速。入端以稳定转速。 第二节第二节 电器基础知识电器基础知识n三、继电器三、继电器n继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）

25、和被控制系统（又称输出回路）又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种小的电流去控制较大电流的一种“自动开关自动开关”n，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。路等作用。n药品生产设备上常用的有时间继电器（自动延时药品生产设备上常用的有时间继电器（自动延时控制）和热继电器（电机过载保护）。控制）和热继电器（电机过载保护）。第二节第二节 电器基础知识电器基础知识n四、开关四、开关n开关是通过手控或自动控制驱动机构使其触点（接触体）开关是通过手控或自动控制驱动机构使其触点（接触体）闭合、分离，实现接通、断开电路的电器元件。闭合、分离，实现接通、断开电路的电器元件。n根据开