第六章 功能材料03

功能材料中南大学资源加工与生物工程学院袁明亮E-mail:@矿物材料加工学内容6-1功能材料加工概述6-2保温材料6-3摩擦材料6-4密封材料6-5电功能材料6-1功能材料加工概述：6-1-1功能材料的加工特点：

矿物材料分类：一、按矿种分类：石墨制品、云母制品、石棉制品等；二、按材料结构分：单一矿物材料（柔性石墨、矿物填料、膨胀珍珠岩），无机-有机聚合物荃复合材料（汽车制动器衬片），混杂复合材料（碳纤维-玻璃纤维-环氧树脂等）；三、按功能分：新型建筑材料、保温材料、密封材料、点功能材料、耐磨材料、绝热、隔音材料、导热材料、装饰材料等；矿物材料加工经三阶段：1、初加工：

选矿---包括破碎、磨矿、分级及有用矿物的富集。为材料工业提供颗粒粒级和有用矿品位上合格的原料；2、深加工：

将原料按所需的技术物理和界面特性要求进行精加工，可能不再是原料，而是具有某些优异性能的材料，一般化学成份与矿物构造不发生本质变化，但其技术物理性能和界面化学性能有一定的飞跃；常见方法：化学提纯、超细粉碎、剥片、

抛光、表面改性、高温膨胀等；产品：膨胀石墨，膨胀珍珠岩，活性白土；（3）、制品加工：

以经初加工或深加工的矿物作为原料，与其它原材料相结合，以各种方法制得的结构矿物材料或功能矿物材料；

制品常为两种或以上的原料复合而成，可列入复合材料，一种功能矿物材料；6-1-2功能材料的加工工艺：6-1-2-1原料矿物的加工处理：将已选矿的物料进行深度加工；6-1-2-2

成型：矿物材料均要通过成型，制造具有特定尺寸的功能材料,包括固化以后处理过程，从工艺技术上看，除了材料物理机械作业外，还包括无机、有机、表面化学等内容；成型：在限定的模具或载体上用机械力或物

理化学力使原料组分均匀地形成规定

尺寸及一定强度和密度的加工作业；

有的在成型前先制备好混合料，坯料，压塑料等；有一些在成型过程中同时进行原料混合与配制，如喷射成型的纤维增强复合材料；

有以下几种成型工艺：1、塑性成型：

手塑或旋塑成型，如泥塑工艺品，石墨坩埚等，采用含水的塑性坯体混合料；2、模压成型：

无机-聚合物复合材料：用压缩料、坯料、干粉预拌料，在铜模中加压，加热成型，分干法、湿法或单向，双向模压，如制动器衬片，电极，轴承等；

无机复合材料：将松散的纤维与无机粘结剂、填料混合后模压。需养护或蒸压固化，干燥定型；如石棉、水泥制品，纤维石膏板等；3、辊压成型：

将压塑料<无机纤维-橡胶制品>在有溶剂条件下，在辊压机上加热辊压成型，如石棉橡胶板；4、喷涂法成型：

将配有粘结剂的糊料在加压条件下喷涂到矿物表面，如粒状岩棉、膨胀珍珠岩保温涂料等；或将石棉与水泥喷至成型载体上，经抽水，养护固化，干燥定型，如纤维水泥板等；5、液浇法、抄取法、带式、造粒法成型等；6-1-2-3

固化：

成型的制品只能获初期强度，经固化处理后得最终机械强度。同时获得抗压、耐火、耐热、导电、导热等其它性能，有时固化与成型同时进行；1、烧结：

低于熔点的温度下固化成型的烧成工艺：

分有液相和无液相：有液相，加结合剂形成液体，或不加结合剂，靠原料中的杂质形成液相作为玻璃质结合剂；无液相，靠固相的滑移或塑性流动；（1）、常压烧结：普通方法；（2）、低温烧结：添加辅助剂；（3）、压力烧结：成型或烧结，石墨模具

或氧化铝模具，单面加压；（4）、气氛烧结：真空：制备透光性烧结

体；惰性气氛：防止氧化；

制备耐火材料，石墨材料，保温材

料；2、胶结：

不经烧结，由第三种媒介物将分散物联结固化；（1）矿物材料本身有胶结性能；

水泥、氧化镁、烧石膏→经水化；（2）无机粘结材料；

石灰，硅酸钠；（3）有机高分子胶结材料；

沥青，热固性（酚醛树脂、环氧树脂），热塑性塑料胶结（聚烯烃类），橡胶材料；6-1-2-4

后处理：

外观、形状、尺寸的最终加工；进一步改变和稳定制品性能；1、热处理：

稳定和提高机械性能，防止变形、开裂，改善防水性、防火和耐蚀性能；2、去除加工：

外形规格尺寸的形态加工；（1）、机械加工：切割磨；（2）、化学和电化学加工：化学抛光、电解抛光等；（3）、电子学加工：电子束、等离子加工；3、表面处理：

根据不同产品，加工方法不同；

防水、防蚀、表面装饰、绝热、镀膜；4、结合与包覆：

制品与其它材料结合：销接（螺钉）、粘结；内容6-1功能材料加工概述6-2保温材料6-3摩擦材料6-4密封材料6-5电功能材料6-2

保温材料：6-2-1种类和技术参数：保温材料：

又称绝热材料，保温、保冷材料；

导热系数小，并有一定耐热力；1、分类：

（1）、按容重：重质（400~500kg/m3）,

轻质（150~350），超轻质（120~150）；（2）、按压缩性：轻质，半硬质，硬质；（3）、热导热性分：低导、中导、高导热性；（4）、按形态分：多孔、矿纤、金属和其它；2、技术指标：（1）、导热系数：每小时、通过两面温差1oC，厚度1cm，表面积1cm2的热流数量（kJ/m·h·oC），导系<4.18X0.12适用于各种用途的保温；（2）、导温系数：表示热量或温度传递的快慢；α=λ/Cpr′;λ-导热系数，Cp-比热容，r′-容重；（3）、比热容：4.18X（0.18~0.25）kj/kg·oC（4）、蓄热系数：材料储蓄热量的能力；（5）、容重：自然状态下（包括气水）的重

量；（6）、气孔率：孔隙率；（7）、含水率：吸收水份或湿气的性质；（8）、机械强度：抗压、抗拉、抗折；（9）、耐热性：在高温下受热不改变性能的

能力，取决于材料性质；（10）、使用温度：

在某温度下反复使用均能符合设计的技术要求，低于熔融温度和耐热温度；（11）、烧失量：检验其耐热性能；6-2-2产品和生产工艺：1、矿物纤维保温材料：（1）、石棉纺织制品：石棉砂、线、布等；（2）、泡沫石棉：石棉+表面活性剂→纤维

充分松解制浆→发泡→成型→干燥→

网状结构的多孔毡状材料，-50~500oC；（3）、岩棉制品：玄武岩等与白云石在1400~1500oC下熔融；离心机→形成纤维→树

脂喷覆→固化；2、多孔保温材料：

脆性颗粒或粉状材料加工成型的深加工制品；（1）、膨胀珍珠岩制品：

颗粒可直接充填于设备夹层；也可以胶结剂胶结成型；胶结剂：水玻璃，水泥，磷酸盐；→经成型→焙烧或养护（根据不同的胶结剂）；（2）、膨胀蛭石：

同上;（3）、硅藻土：

①

本身微孔结构，直接作保温材料；

②焙烧硅藻土：有时加可燃物（木屑等）

或泡沫剂→水成型→干燥→焙烧；③微孔硅酸钙制品：5CaO·6SiO2·5H2O

硅藻土+石灰+石膏+水玻璃→通蒸汽加热搅拌→生成硅酸钙凝胶体→压制成型→高压釜蒸养；内容6-1功能材料加工概述6-2保温材料6-3摩擦材料6-4密封材料6-6电功能材料6-3

摩擦材料：

按摩擦特性分高摩擦系数材料（摩阻材料）及低摩擦系数材料（减摩材料）两类；摩阻材料：石棉、碳纤维、半金属、金属陶

瓷摩擦材料（按材料结构分）；

制动摩擦片、转向摩擦片、控速

及离合器摩擦片等；减摩材料：轴承（石棉轴承）和润滑剂（石

墨润滑剂）；6-3-1石棉摩擦材料：又称石棉制动制品，以石棉为增强材料，以有机高分子化合物为粘结剂，以填料为摩擦性调节剂→热压成型；1、原料：（1）石棉：温石棉，为增强骨架，具耐热

性能、增强作用，一定的表面

性能（根据表面性能选择粘结

剂），摩擦作用，用量40~70%；（2）粘结剂：

①树脂：酚醛树脂及其改性物；②橡胶：耐高温性差，用量10~30%；（3）填料：高聚物在一定温度下分解，摩擦

系数↓，石棉、结晶水、化合物

高温析出，形态变化，使摩擦性

能不稳定。加填料后使摩擦系数

稳定；

填料有矿物类（石英、长石、滑石、高岭土、重晶石、萤石、石墨等）；氧化物类（氧化铁红黑，氧化锌，氧化镁）；盐类（BaCO3、CaCO3）；金属类（Fe、Cu、Al粉）；有机类等；

填料用量：10~20%；

对于半金属材料，加10~40%金属粉末，以提高高温摩擦性能；2、工艺：

分湿法（树脂为液态），干法（树脂固态）；（1）、压塑料的制备：

石棉、粘结剂及填料，通过各种工艺制成混合料；

①湿法：

原料→双桨捏合机→常温混合→锟压机→压成片→干燥→破碎至6~10cm2;

锟压厚度1.5~2cm，利于干燥、防尘；干燥温度60~80oC，利于树脂缩聚；干法：

近年的新方法，成本低，工艺简单。

（填料）原料+热塑性树脂→常温混合→

加热混炼（炼胶机，400KPa蒸汽调温）

→冷却、破碎-80目→加石棉纤维及部

分填料混匀；（2）压制：

一定温度下，压模中加压成型，固化；①、压模预热，压缩料预成型及预热；

温度<成型温度；预成型在常温下进行，减少粉尘，或压制复杂形状，有时可省去该工序；压塑料预热可缩短压制时间，防止内应力，提高性能；②、压制：压缩料→压模→粘流阶段→胶凝

阶段（官能团相互作用，或固化

剂作用形成体型结构）→硬化；

影响因素：压力、时间、温度；3、制品加工：（1）热处理：提高性能，↓水分，↓内应

力；

升温速度1oC/min,升温过速造成产品变形，120~130oC保温6~12h，对耐热性高的材料温度为230oC;(2)机加工：

外形加工；形成糙面，↑摩擦性能；6-3-2减摩材料：

层状结构石墨，层内共价键：结合力大，层之间范德华力结合，结合力小，石墨在两个相对运动物体间受剪力，沿层间断裂产生润滑性；1、石墨乳：以胶体大小（0.1~0.001um）的石墨颗粒为分散相，以水，油，有机溶剂，合成树脂溶液为分散媒的固-液分散体系，实际石墨乳胶体粒子为1um左右，为悬浊液，但习惯称胶体石墨；

工艺过程：分散处理：加亲水保护胶体（分散剂）和解胶体，解胶剂为阴离子或碱性物；使石墨稳定分散于水中；

超微细化处理：<1um用湿式粉碎，<10um用干式；石墨轴承：

新型滑动轴承，特点：（1）、良好的自润滑性：应用于不许加润

滑油的工业；（2）耐高温性：350~500oC，真空下达1000oC,优于金属轴承；（3）化学稳定性好：耐热，强氧化气氛中

不稳定；（4）机械强度：可经受一定的冲击负荷，

以酚醛树脂、呋喃树脂浸渍；内容6-1功能材料加工概述6-2保温材料6-3摩擦材料6-4密封材料6-6电功能材料6-4

密封材料：

防止介质泄露或浸入而在固定部分或运动部分使用的材料。固定部分：静密封件，如垫片，垫圈等；运动部分所用密封制品称动密封件，如垫圈和盘根；主要包括石棉和石墨两种，前者价廉，应用广；6-4-1石墨密封材料：

垫片：管道容器的阀栏；垫圈：泵、阀上的模压密封制品；盘根：绳状和绒状密封制品；1、石绵橡胶板：

以石绵绒为增强材料，以天然橡胶为粘结材料，另加橡胶配合剂，经轧制而成的板材；粘结材料8~12%，石绵60~75%，配合剂15~30%；

工艺：（1）打浆：橡胶配合剂、溶剂混合，搅拌

机内打浆，胶片溶解成胶浆；（2）搅拌：石绵绒，填料，胶浆和溶剂汽油等投入搅拌机混合；（3）成型：成型机，锟压成型；（4）贴合：板材<3mm，如>3mm则用胶

浆贴合，轧压；2、油浸石绵盘根：

以石绵线浸渍润滑油脂和石墨，经编制而成。3、橡胶石绵垫圈：

以石绵布与耐油或耐热胶料粘合、模压、硫化而成。6-4-2石墨密封材料-柔性石墨制品

鳞片石墨→化学处理成可膨胀石墨→高温煅烧成膨胀石墨→加工成柔性石墨；1、膨胀石墨性能：（1）、化学稳定性：PH20~14的酸、碱、盐

中不老化、不变化；（2）、耐热性能好：氧化气氛-200~600oC,惰性气氛-200~2500；

其它100~400oC;（3）、导热、防辐射性；（4）、自润滑性好：允许设备

高速运转（石绵速度的5倍）；（5）、密封性：柔韧性和弹性好；2、柔性石墨制品成型工艺：

方法：碾压、模压、挤压；（1）碾压：初压→加热（除液体，使未膨

胀的继续膨胀）→碾压（尺寸

辊筒）→切割（2）模压法：用模具成型，平板模压和异

形模压两法，用模具成型；（3）挤压法：棒状、管状和其它异形件，