环境工程设备第1章.ppt

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1、1 环境工程设备材料环境工程设备材料(2)非金属材料与复合材料等陶瓷景德镇艺术陶瓷 水龙头加热陶器绝缘体隔热体陶瓷内衬复合钢管陶瓷材料陶瓷鲍尔环无机陶瓷膜滤芯用于饮用水中,耐腐耐高温用于水处理中,作生物附着载体陶瓷材料l无机非金属材料 耐酸陶瓷耐酸陶瓷 搪瓷搪瓷 玻璃玻璃 岩石岩石 耐腐性好,但质脆,耐温度剧变性差,不能机加工有机非金属材料(有机高分子材料)橡胶 塑料 耐蚀涂料 成型加工好,耐腐,密度小,但不耐高温,氧化性介质和溶剂复合材料:玻璃钢 不透性石墨非金属材料非金属材料无机非金属材料无机非金属材料:陶瓷陶瓷l陶瓷材料定义陶瓷材料定义:以天然矿物或人工合成的各种化合物为原料,经粉碎配料

2、成形和高温烧结而制成的无机非金属固体材料l工程材料三大支柱工程材料三大支柱 陶瓷材料陶瓷材料 金属材料 高分子材料 l陶瓷的机械性能 刚度：陶瓷的刚度由弹性模量衡量，弹性模量反映结合键的强度，所以具有强大化学键的陶瓷都有很高的弹性模量，是各类材料中最高的，比金属材料高若干倍，比高聚物高24个数量级。硬度：同刚度一样，硬度也决定于化学键的强度，所以陶瓷也是各类材料中硬度最高的硬度最高的，这也是陶瓷的最大特最大特点点。陶瓷的硬度随温度的升高而降低，但在高温下仍能保持较高的数值。强度：陶瓷实际强度比理论值低得多。它的破坏作用比在金属中更大。无机非金属材料无机非金属材料:陶瓷陶瓷l塑性：陶瓷在室温下几

3、乎没有塑性陶瓷在室温下几乎没有塑性。塑性变形是在切应力作用下由位错运动所引起的密排原子面间的滑移变形。陶瓷晶体的滑移比金属困难得多，位错运动所需要的切应力很大，比较接近于晶体的理论剪切强度。另外，共价健有明显的方向性和饱和性，而离子键的同号离子接近时斥力很大，所以主要由离子晶体和共价晶体构成的陶瓷的塑性极差。l韧性或脆性：陶瓷受载时都不发生塑性变形，在较低的应力下就会断裂，因此韧性极低或脆性极高韧性极低或脆性极高。脆性是陶瓷的最大缺点最大缺点，是阻碍其作为结构材料广泛应用的首要问题，是当前的重要研究课题。无机非金属材料无机非金属材料:陶瓷陶瓷l物理化学性能物理化学性能 热膨胀热膨胀：温度升高时

4、物质原子振动振幅提高、原子间距增大所导致的体积长大现象。陶瓷的热膨胀系数比高聚物低，比金属低得多。导热性导热性：导热性为在一定温度梯度作用下热量在固体中的传导速率。陶瓷的导热性比金属小，陶瓷多为较好的绝热材料。热稳定性热稳定性：热稳定性就是抗热振性，为陶瓷在不同温度范围波动时的寿命，一般用急冷到水中不破裂所能承受的最高温度来表征。陶瓷的热稳定性很低，比金属低得多。这是陶瓷的另一个主要缺点另一个主要缺点。化学稳定性化学稳定性：陶瓷的结构非常稳定。具有很好的耐火性能或不可燃烧性，对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抗蚀能力。无机非金属材料无机非金属材料:陶瓷陶瓷l导电性导电性：陶瓷的导电性变化

5、范围很广。大多数陶瓷是良好的绝缘体。但不少陶瓷既是离子导体，又有一定的电子导电性，是重要的半导体材料l陶瓷性能的主要特点是:具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性、高的硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，对温度剧变的抵抗力很低，抗拉、抗弯性能差。无机非金属材料无机非金属材料:陶瓷陶瓷l耐酸陶瓷耐酸陶瓷性能性能：耐酸陶瓷可耐沸腾温度下任何浓度的铬酸、96%的硫酸、沸点以下的任何浓度盐酸和任何浓度的醋酸、草酸等有机酸，但不耐氢氟酸，耐碱性也差。另外，由于其性脆、抗拉强度低，在急热、急冷变化时和硬物敲击下易碎裂应用应用：耐酸陶瓷主要用来制作耐酸容器和塔器、泵、管道、阀门等，也用来制作耐酸瓷砖

6、和填料无机非金属材料无机非金属材料:陶瓷陶瓷l特种陶瓷特种陶瓷 具特殊力学,物理,化学性能.(硬度高)氧化铝陶瓷:耐磨耐高温,制作耐蚀耐磨泵零件 氮化硅陶瓷:耐磨,制作耐磨耐蚀耐高温零件 碳化硅陶瓷:耐麻耐热冲击,用于机械密封环无机非金属材料无机非金属材料:陶瓷陶瓷传统陶瓷与现代陶瓷对比特种陶瓷设备或部件特种陶瓷设备或部件特种耐磨陶瓷风机叶轮机械密封:静环选用99.9%(氧化铝陶瓷或氮化硅);l玻璃及其耐蚀性能玻璃及其耐蚀性能 特点：玻璃是一种优良的耐蚀非金属材料。它表面光滑、透明度好。耐温度急变性差、质脆、不耐冲击和震动。应用：可用作制造容器、量具、管道、阀门、泵及金属管道的内衬等。无机非金

7、属材料无机非金属材料l化工搪瓷及其耐蚀性能化工搪瓷及其耐蚀性能 将含硅量高的耐酸瓷釉涂敷在钢铁设备的表面,经900度左右高温锻烧,使之与金属密着,形成致密的耐腐蚀的玻璃质薄层.特点：它兼有金属设备的力学性能和瓷釉的耐金属设备的力学性能和瓷釉的耐腐蚀性能双重优点腐蚀性能双重优点。瓷表面光滑易清洗，并有防止金属离子干扰化学反应和玷污产品的作用 应用：广泛用于医药、酿造、合成纤维生产和环保中无机非金属材料无机非金属材料化工搪瓷化工搪瓷l石墨及其耐蚀性能石墨及其耐蚀性能 特点：天然石墨含有大量杂质耐蚀性差。人工不透性石墨具有优良的耐蚀性、优良的导热性、热膨胀系数小、耐温度急变性好、不污染介质、密度低、

8、易于加工成形。其缺点是机械强度低、性脆。应用：用于制造热交换器、塔及塔件、管道、管件、盐酸合成炉等。无机非金属材料无机非金属材料l高分子材料概念高分子材料概念 是指分子量很大的化合物。分子量大多在1104以上。工程上认为，只有具备较好的强度、弹性和塑性等机械性能的高分子化合物才是工业用高分子化合物。来源丰富,性能优异,加工成型方法简单,价格低廉:以塑代钢,以塑代木高分子材料高分子材料l高分子化合物的合成 高分子化合物的合成就是将单体通过聚合反应聚合起来形成化合物的过程。因此，高分子化合物也称为聚合物或高聚物。最常见的聚合反应有加聚反应和缩聚反应两种。l加聚反应：加聚反应是指一种或多种单体相互加

9、成而连接成聚合物的反应。分均加聚反应和共加聚反应。l缩聚反应：缩聚反应是指一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出（缩去）其它低分子物质（如水、氨、醇、卤化氢等）的反应。又可分为均缩聚和共缩聚反应两种。高分子材料高分子材料高分子材料的分类l按来源：天然高分子、合成高分子材料；l按大分子链的几何形状：线型、支链型和体型三种；l按大分子链的排列特点：无定型和晶态两种；l按极性：极性和非极性两种；l按照实际用途：塑料、橡胶、纤维和胶粘剂等高分子材料高分子材料l最本质和最重要的是按照化学组成：l碳链有机聚合物：该类聚合物的大分子主链全部由饱和碳链或双键不饱和碳链组成（如聚烯烃、聚二烯烃）-C-C

10、-C-C-C-或-C-C=C-C-l杂链有机聚合物：该类聚合物的大分子主链中除碳原子外，还含有氧、氮、硫、磷等其它原子：-C-C-O-C-，-C-C-N-C-，或-C-C-S-C-l元素有机聚合物:该类聚合物的主链主要由硅、钛、铝、硼、氧等原子构成，如：-O-Si-O-Si-O-其侧基一般为有机基团（碳链）。l无机聚合物：该类聚合物的主链和侧基均由无机元素或基团构成。高分子材料高分子材料l命名l由化学结构命名:就是以聚合物链节的化学组成和结构来命名。一是按链节的化学结构的特点命名;一是按有机化合物系统命名l由原料单体命名:就是以合成聚合物的低分子原料单体为基础来命名。对于加聚类聚合物，在其链节

11、所含单体前加一“聚”字来取名；对于缩聚类以及某些共聚类聚合物，在其低分子原料之后习惯加“树脂”或“橡胶”二字命名。l采用商品名称和代表符号：有许多聚合物人们习惯使用其商品名称，例如有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲脂）、电木（酚醛塑料）、电玉（脲醛塑料）、涤纶或的确良（聚脂纤维）、腈纶或人造羊毛（聚丙烯腈纤维）、维纶或维尼龙（聚乙烯醇纤维）、丙纶（聚丙烯）高分子材料高分子材料l高分子材料的性能l（1）重量轻：高分子聚合物是最轻的一类材料，比金属和陶瓷都要轻。重量轻是高分子聚合物的最大优点最大优点之一。l（2）高弹性：弹性变形量大；弹性模量 低。拉伸时温度升高。l（3）滞弹性：应变不随作用力即时建立平衡，

12、而有所滞后，这就是滞弹性，它是高聚物的又一重要特性。主要表现有：l 蠕变：高聚物在室温下承受力的长期作用时，发生的不可恢复的塑性变形称为蠕变。l 应力松弛：高聚物受力变形后所产生的应力随时间而逐渐衰减的现象就是应力松弛。高分子材料高分子材料l滞后与内耗：高聚物承受周期性荷载时，出现应变落后于应力，即造成应变的滞后。在重复加载时，就会出现上一次的变形还未来得及回复，或分子链的构象未跟上改变，又施加上了下一次荷载，于是造成了分子间的内摩擦，产生所谓内耗。l(4)塑性与受迫弹性 加热时，分子链各部分受热的不均云使材料不立即熔化而先有一软化过程所表现出的特性称为塑性。无定形高聚物在玻璃化温度以下，较大

13、应力下产生的较大的不能回复变形称为受迫高弹性l（5）强度与断裂 强度：高聚物的强度比金属低得多，比强度还是很高 断裂：高聚物的断裂也有脆性断裂和韧性断裂两种形式 高分子材料高分子材料l（6）韧性韧性l 高聚物的优点之一是其内在的韧性较好，即在断裂前能吸收较大的能量。l冲击韧性：是材料在高速冲击状态下的韧性或对断裂的抗力，在高聚物中也被称为冲击强度。l（7）减摩、耐磨性减摩、耐磨性l 摩擦是接触表面之间的机械粘接和分子粘着所引起的。大多数塑料对金属和对塑料的摩擦系数值一般在0.20.4倍范围内，但有一些塑料的摩擦系数很低。塑料（一部分）除了摩擦系数低以外，更主要的优点是磨损率低。l（8）绝缘性绝

14、缘性l 高聚物分子的化学键为共价键，不能电离，没有自由电子和可移动的离子，因此是良好的绝缘体，绝缘性能与陶瓷相当。高分子材料高分子材料l（9）耐热性 高聚物的耐热性是指它对温度升高时性能明显降低的抵抗能力。同金属相比，高聚物的耐热性是较低的，这是高聚物的一大不足一大不足。l(10)耐蚀性 耐蚀性是材料抵抗介质化学和电化学破坏的能力。耐蚀性好是高分子材料的优点之一。l(11)老化 老化是指高聚物在长期使用或存放过程中，由于受各种因素的作用，性能随时间不断恶化，逐渐丧失使用价值的过程。老化是高聚物一个主要缺点。高分子材料高分子材料 改善高分子聚合物的抗老化措施:l采取在表面涂 镀金属或防老化涂料;

15、l改进高聚物的结构,提高稳定性,推迟老化过程;l加入防老化剂等措施高分子材料高分子材料l五、常用塑料l1、塑料的组成 塑料是指以有机合成树脂为主要组成材料，与其他配料混合，通过加热、加压塑造成一定形状的产品。一般来讲，组成塑料的物质主要包括：l 合成树脂合成树脂：由低分子化合物通过聚合或缩聚反应合成的高分子化合物。l 填料（或增强材料）：是塑料改性最重要的成分，起增强性能的作用。l 固化剂：作用是通过交联使树脂具有体型网状结构、硬化和稳定塑料制品。有机非金属材料有机非金属材料l增塑剂：用以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。l稳定剂：其作用主要是延迟塑料在环境中的老化过程。l润滑剂：可防止塑料成形过

16、程中产生的粘模问题。l着色剂：其作用是使塑料着色，可为有机颜料或无机颜料。l阻燃剂：作用是遏止燃烧或造成自熄。有机非金属材料有机非金属材料 常用塑料的分类及特性l（1）按照热性能分：l热塑性塑料 加热时软化，可塑造成形，冷却后则变硬。线型聚合物。l热固性塑料 初加热时软化，可塑造成形，但固化之后再加热，将不再软化，也不溶于溶剂。体型聚合物。有机非金属材料有机非金属材料（2）按照使用范围分按照使用范围分 通用塑料 指应用范围广，生产量大的塑料品种。主要有聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚醛塑料和氨基塑料等.工程塑料 主要指综合工程性能（包括机械性能、耐热耐寒性能、耐蚀性绝缘性能等）良好的各种塑料。最

17、重要的有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS(聚乙烯 丁二烯和丙烯腈)等四种。耐热塑料 100200度 指能在较高温度下工作的各种塑料。常见的有聚四氟乙烯(塑料王)、聚三氟氯乙烯、有机硅树脂、环氧树脂(万能胶)等。有机非金属材料有机非金属材料l橡胶:具有高弹性的高分子材料,较好的抗撕裂耐疲劳l1、天然橡胶天然橡胶l 组成：天然橡胶是橡胶树的树汁经过炼制的高弹性固体。它是不饱和异戊二烯（C5H8）高分子聚合物。l特点：天然橡胶的力学性能较差；化学稳定性较好，可耐一般非氧化性强酸、有机酸、碱溶液和盐溶液的腐蚀，但不耐强氧化性酸和芳香族化合物的腐蚀。l应用：环境工程设备防腐处理中，软橡胶主要用作各种设备

18、的衬里；硬橡胶还可制成整体设备，如泵、管道、阀门等。有机非金属材料有机非金属材料l2、合成橡胶合成橡胶 组成：合成橡胶的主要原料是石油、煤和天然气。特点及其应用：丁基橡胶的突出特点是不透气性，对氧化性环境如空气和稀硝酸具有较好的耐蚀性。硅橡胶无味、无毒，其最大的特点是耐热性好，可用作垫圈、密封件材料和隔热材料。氟橡胶具有优良的耐高温、耐油、耐强氧化剂和耐酸碱性能，主要用于高温、强氧化环境。有机非金属材料有机非金属材料复合材料l1、概念 复合材料就是由两种或更多种的物理和化学本质不同的物质，人工复合制成的一种多相固体材料。它可改善或克服组成材料的弱点，充分发挥它们各自优点。它可按照零部件、构件的

19、结构和受力要求，给出预定的、分布合理的配套性能，进行材料的最佳设计。它可造成单一材料不易具备的性能或功能，或在同一时间里发挥不同功能的作用。分类l组成复合材料的相分:一类起黏结作用的基体材料;另一类起提高材料性能的增强体材料.按基体材料基体材料分:金属基复合材料 树脂基复合材料 陶瓷基复合材料 树脂基复合材料 用玻璃纤维增强合成树脂的复合材料，即玻璃钢。玻璃钢分热塑性和热固性两种。热塑性玻璃钢 热塑性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以热塑性树脂为粘结剂制成的复合材料。热固性玻璃钢 热固性玻璃钢是以玻璃纤维为增强剂和以热固性树脂为粘结剂制成的复合材料。复合材料玻璃钢的耐腐蚀性能 取决于纤维取决于纤维

20、 树脂树脂 固化剂和表面处理剂固化剂和表面处理剂玻璃钢在环境工程中的应用 应用相当广泛应用相当广泛 用玻璃钢制造的冷却塔用玻璃钢制造的冷却塔 储罐储罐 管道等管道等 大型生物转盘的盘片大型生物转盘的盘片,罩壳罩壳,电动机电动机,水泵水泵,机械格栅的防护罩及风机叶片机械格栅的防护罩及风机叶片,法兰法兰,水水泵零件等泵零件等复合材料l复合材料的性能特点l（1）比强度和比刚度高l 增强剂或者基体为比重小的物质，或两者的比重都不高,且都不是完全致密的；另一方面，增强剂多是强度很高的纤维。比强度和比弹性模量是各类材料中最高的。l（2）抗疲劳性能好l 首先，缺陷少的纤维的疲劳抗力很高；其次，基体的塑性好，

21、能消除或减小应力集中区的大小和数量。l（3）减振能力强l 复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不容易发生共振而快速脆断；另外，复合材料是一种非均质多相体系，在复合材料中振动衰减都很快。复合材料l（4）高温性能好高温性能好 增强纤维多有较高的弹性模量，因而常有较高的熔点和较高的高温强度。此外，由于复合材料高温强度好，耐疲劳性能好、纤维和基体的相容性好，热稳定性也是很好的。l（5）断裂安全性高断裂安全性高 纤维增强复合材料每cm2截面上有成千上万根隔离的细纤维。过载会使其中部分纤维断裂，但随即迅速进行应力的重新分配，而由未断纤维将载荷承担起来，不至造成构件的瞬间完全丧失承载能力而断裂，所以工

22、作的安全性高。除上述几种特性外，复合材料的减摩性、耐蚀性以及工艺性能也都较好。但是，复合材料为各向异性材料，横向拉伸强度和层间剪切强度是不高的，同时伸长率较低，冲击韧性有时也不很好，尤其是成本太高，所以目前应用还很有限。复合材料l腐蚀:材料表面受到所处环境的作用而发生状态变化,从而使材料变质和破坏的现象。l环保设备的腐蚀:化学 电化学 物理作用 生物作用 机械荷载l腐蚀与防腐的基本原理腐蚀与防腐的基本原理 金属的化学腐蚀金属的化学腐蚀:金属与环境介质发生化学作用,生成金属化合物并使材料性能退化的现象 干燥气体介质的腐蚀干燥气体介质的腐蚀(氧化 硫化 卤化 氢蚀);液体介质的腐蚀液体介质的腐蚀(

23、非电解质溶液,液态金属,低熔点氧化物的腐蚀)材料的腐蚀与防腐l金属的电化学腐蚀 金属与电解质溶液间发生电化学作用所发生的腐蚀l金属腐蚀破坏的形态金属腐蚀破坏的形态l全面(均匀)腐蚀:表面均匀发生,厚度减小.环境工程设备多发生此类腐蚀.l局部腐蚀:点腐蚀,缝隙腐蚀,晶间腐蚀,应力作用下的腐蚀,微生物腐蚀材料的腐蚀与防腐防止和减缓腐蚀的方法l衬覆保护层:金属保护层,非金保护层l电化学保护:阴极保护,阳极保护l腐蚀介质的处理:加入缓蚀剂材料的腐蚀与防腐环境工程设备材料选择l防止环境工程设备腐蚀,首要的是选择合适的耐蚀材料,不仅要考虑设备结构 制造工艺 使用条件和寿命,还要遵循:l材料的物理 力学性能l材料的耐腐性能l材料的经济性作业l13什么是复合材料?它们有哪些性能特点,列举其在环境工程设备中的应用?l15金属的化学腐蚀和电化学腐蚀有什么不同?l17均匀腐蚀和局部腐蚀的不同?局部腐蚀的类型?l20微生物腐蚀是如何发生的?