非金屬材料

科學知識 9547 614 2016-08-07

非金屬材料由非金屬元素或化合物構成的材料。自19世紀以來,隨著生產和科學技術的進步,尤其是無機化學和有機化學工業的發展,人類以天然的礦物、植物、石油等為原料,制造和合成了許多新型非金屬材料,如水泥、人造石墨、特種陶瓷、合成橡膠、合成樹脂(塑料)、合成纖維等。

基本信息

  • 中文名稱

    非金屬材料

  • 外文名稱

    non-metallic material

目錄
1簡介
2起源發展
3分類
4性能用途
5無機材料
6特點
7相關報道

簡介

通常指以無機物為主體的玻璃、陶瓷、石墨、巖石以及以有機物為主體的木材、塑料、橡膠等一類材料。由晶體或非晶體所組成。無金屬光澤。是熱和電的不良導體(碳除外)。一般非金屬材料的機械性能較差非金屬材料

非金屬材料(玻璃鋼除外),但某些非金屬材料可代替金屬材料,是化學工業不可缺少的材料。

無機非金屬材料也和金屬材料以及有機高分子材料等一樣,是當代完整的材料體系中的一個重要組成部分。

起源發展

原始陶器

在公元前6000~前5000年中國發明了原始陶器。中國商代(約公元前17世紀初~約前11世紀)有了原始非金屬材料實驗機非金屬材料實驗機瓷器,并出現了上釉陶器。以后為了滿足宮廷觀賞及民間日用、建筑的需要,陶瓷的生產技術不斷發展。公元 200年(東漢時期)的青瓷是迄今發現的最早瓷器。陶器的出現促進了人類進入金屬時代,中國夏代(約公元前22世紀末至約前21世紀初~約前17世紀初)煉銅用的陶質煉鍋,是最早的耐火材料。鐵的熔煉溫度遠高于銅,故鐵器時代的耐火材料相應地也有很大發展。

耐火材料

18世紀以后鋼鐵工業的興起,促進耐火材料向多品種、耐高溫、耐腐蝕方向發展。公元前3700年,埃及就開始有簡單的玻璃珠作裝飾品。公元前1000年前, 中國也有了白色穿孔的玻璃珠。公元初期羅馬已能生產多種形狀的玻璃制品。1000~1200年間玻璃制造技術趨于成熟,意大利的威尼斯成為玻璃工業中心。1600年后玻璃工業已遍及世界各地區。公元前3000~前2000年已使用石灰和石膏等氣硬性膠凝材料。隨著建筑業的發展,膠凝材料也獲得相應的發展。公元初期有了水硬性石灰,火山灰膠凝材料,1700年以后制成水硬性石灰和羅馬水泥。1824年英國J.阿斯普丁發明波特蘭水泥(見水泥)。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要{HotTag}成分均為硅酸鹽,屬于典型的硅酸鹽材料。

無機非金屬材料

18世紀工業革命以后,隨著建筑、機械、鋼鐵、運輸等工業的興起,無機非金屬材料有了較快的發展,出非金屬材料非金屬材料現了電瓷、化工陶瓷、金屬陶瓷、平板玻璃、化學儀器玻璃、光學玻璃、平爐和轉爐用的耐火材料以及快硬早強等性能優異的水泥。同時,發展了研磨材料、碳素及石墨制品、鑄石等。

新型無機材料

20世紀以來,隨著電子技術、航天、能源、計算機、通信、激光、紅外、光電子學、生物醫學和環境保護等新技術的興起,對材料提出了更高的要求,促進了特種無機非金屬材料的迅速發展。30~40年代出現了高頻絕緣陶瓷、鐵電陶瓷和壓電陶瓷、鐵氧體(又稱磁性瓷)和熱敏電阻陶瓷(見半導體陶瓷)等。50~60年代開發了碳化硅和氮化硅等高溫結構陶瓷、氧化鋁透明陶瓷、β-氧化鋁快離子導體陶瓷、氣敏和濕敏陶瓷等。至今,又出現了變色玻璃、光導纖維、電光效應、電子發射及高溫超導等各種新型無機材料。

分類

非金屬材料可分為無機材料和有機材料兩大類。在機械工程中較常使用的有許多品種。相關書籍相關書籍

①屬于無機材料的有耐火材料、陶瓷、磨料、碳和石墨材料、石棉等;

②屬于有機材料的有木材、皮革、膠粘劑和高分子合成材料──合成橡膠、合成樹脂、合成纖維等;

③以非金屬纖維增強樹脂基所構成的復合材料。

性能用途

高強度結構材料

非金屬材料的密度較鋼、鐵、銅、鉛等金屬材料小得多,有些比鋁、鎂、鈦等還輕。按比強度(強度/比非金屬材料非金屬材料重)計算,有的纖維樹脂復合材料的常溫比強度超過高強度鋼和高強度鋁。這些材料被用來制造手輪、手柄、支架、罩殼、儀表板等一般輕質結構件,也可用來制造飛機機翼和葉片、整體船艇、汽車車身和傳動軸、高速紡織綜框、高壓容器等高強度結構件,這樣可以減輕自重、增加運載能力或提高運行速度、節約能源。

減摩耐磨材料

某些無機非金屬材料因硬度高而耐磨,如用金剛石、碳化硅、剛玉等制作的砂輪、砂布(紙)、油石、研磨劑和刀具,可供磨削和切削之用;有些材料因有高彈性而耐磨,如橡膠輪胎和運輸皮帶能抵抗泥沙、礦石、煤炭等顆粒的磨損;有些材料借其自身固有的潤滑性能和低摩擦系數而能減少摩擦和磨損,如塑料、石墨、氮化硅等制成的軸承、導軌、活塞環、密封圈等機械零件,能在無油干摩擦或少油潤滑條件下安全運行,這對忌油脂或不便供給油潤滑的場合特別有利。

耐腐蝕材料

如陶瓷、搪瓷、石墨、鑄石、塑料等的大多數品種,都能耐酸、堿、鹽、有機溶劑和很多其他化學藥品。非金屬材料實驗機非金屬材料實驗機如不透性石墨能抵抗濃酸和濃堿,聚四氟乙烯塑料則幾乎能耐所有化學藥品,甚至在氧化性最強的沸騰王水中也不受侵蝕。這些材料適于制造化工用的容器、塔器、鼓風機、泵、管、閥等機械設備和零部件。

密封材料

如橡膠、塑料、石棉和柔性石墨等因有良好的柔性和彈性而適于制造動態和靜態的密封零件,如壓縮機的活塞環、密封填料、O型和V型密封圈等。20世紀60年代以來,還出現了一種以樹脂或橡膠為基體、稱為液體密封膠的密封材料,適用于各種靜態密封,使用方便。

電絕緣材料

如橡膠、塑料、陶瓷、石棉、云母、玻璃布層壓板(屬復合材料)都是應用廣泛的電絕緣材料。

耐高溫保溫材料

如耐火材料、石棉、蛭石、氧化鋁、耐火纖維等具有良好的高溫性能和低的熱導率,適用于高溫窯爐如化非金屬材料相關書籍非金屬材料相關書籍鐵爐、轉爐、電爐、熱處理爐、隧道窯等的爐體、內襯或保溫層,以防止熱量外流;塑料因傳熱慢,人體與之接觸時有溫暖感,適用于制造手輪、手柄、方向盤之類物件。

非金屬材料還有一項特殊用途,就是用作耐燒蝕材料,如酚醛和石棉、石英等纖維復合制成的用于宇航方面的燒蝕部件,能在2500℃以上較長時間內燃燒、分解、散熱、碳化,形成隔熱層,有效地保護內部結構。此外,一些非金屬材料還有消音、消振、透光、無磁性等特點,可用于制造如橡膠彈簧、避振墊片、光學透鏡等零件。

非金屬材料的強度一般不及金屬材料高。其中無機非金屬材料的共同缺點是質地脆、不耐沖擊;有機非金屬材料則耐熱性不高,存在老化、尺寸穩定性較差等問題。

無機材料

無機非金屬材料也和金屬材料以及有機高分子材料等一樣,是當代完整的材料體系中的一個重要組成部非金屬材料切割機非金屬材料切割機分。以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物(包括硫化物、硒化物及碲化物)和硅酸鹽、鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等含氧酸鹽為主要組成的無機材料的泛稱。包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型無機材料等。其中陶瓷一詞,隨著與陶瓷工藝相近的無機材料的不斷出現,其概念的外延也不斷擴大。最廣義的陶瓷概念幾乎與無機非金屬材料的含意相同。

生產工藝分類

分為陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、碳素材料等類,同時新型材料按其生產工藝、用途和發展狀況,又逐步形成一些新的材料類別,例如無機復合材料、無機多孔材料等。有些品種按習慣并入傳統分類中,例如:鐵電、壓電陶瓷并入陶瓷;微晶玻璃、光導纖維等并入玻璃等。

主要成分分類

有的還可按照材料中的主要成分分類,有硅酸鹽、鋁酸鹽、鈦酸鹽、磷酸鹽、氧化物、氮化物、碳化物材料等;根據材料的用途分,有日用、建筑、化工、電子、航天、通信、生物、醫學材料等。

材料性質分類

根據材料的性質分,有膠凝、耐火、隔熱、耐磨、導電、絕緣、耐腐蝕、半導體材料等;根據材料的物質狀態分,有晶體(單晶體、多晶體、微晶體)、非晶體及復合材料等,還可以從材料的外觀形態分,有塊狀、多孔、纖維、晶須、薄膜材料等。

特點

耐壓強度高、硬度大、耐高溫、抗腐蝕。此外,水泥在膠凝性能上,玻璃在光學性能上,陶瓷在耐蝕、介電非金屬材料非金屬材料性能上,耐火材料在防熱隔熱性能上都有其優異的特性,為金屬材料和高分子材料所不及。但與金屬材料相比,它抗斷強度低、缺少延展性,屬于脆性材料。與高分子材料相比,密度較大,制造工藝較復雜。特種無機非金屬材料的特點是:

①各具特色,例如:高溫氧化物等的高溫抗氧化特性;氧化鋁、氧化鈹陶瓷的高頻絕緣特性;鐵氧體的磁學性質;光導纖維的光傳輸性質;金剛石、立方氮化硼的TodayHot}超硬性質;導體材料的導電性質;快硬早強水泥的快凝、快硬性質等。

②各種物理效應和微觀現象,例如:光敏材料的光-電、熱敏材料的熱-電、壓電材料的力-電、氣敏材料的氣體-電、濕敏材料的濕度-電等材料對物理和化學參數間的功能轉換特性。

③不同性質的材料經復合而構成復合材料,例如:金屬陶瓷、高溫無機涂層,以及用無機纖維、晶須等增強的材料。

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我國廢舊線路板處置現狀及非金屬材料利用設想

摘要:本文在分析廢線路板產生現狀及成分組成的基礎上,介紹了我國廢線路板的主要處置工藝和回收利用現狀,特別針對廢舊線路板資源回收過程中對非金屬材料重視不夠的問題,提出了非金屬材料回收利用的工藝設想,并對廢線路板中非金屬材料的利用前景進行了展望。

關鍵詞:廢舊線路板;非金屬材料;回收利用

隨著電子產品的廣泛應用及其相應產業的高速發展,廢舊電子產品包括廢舊電腦、通信設備、家用電器、其它被淘汰的各種電子儀器儀表以及工業生產過程中產生的廢料、廢品,已成為新的環境隱患。目前我國電子產品的消費與生產量均處于世界前列,電子廢棄物污染環境的問題也日趨突出。

作為電子工業基礎的印刷線路板(PCB)可稱為“電子系統產品之母“,是各類電子產品中不可缺少的關鍵電子互聯件,廣泛應用于大型計算機、辦公和個人電腦、家用電器、娛樂電器及其輔助性產品等各種電子設備中。目前國內PCB的年銷售額已占到世界電子產品總銷售額的19%,年產值現已達到500億元,僅次于日本和美國,位居世界第三位。

PCB隨電子產品的淘汰而淘汰,其廢棄量也隨電子廢棄物總量的增加而高速增長(以電腦為例,PCB占電腦總重量的8%左右),而且電子產品在加工過程中產生的大量廢料、廢邊角料中也含有大量廢PCB,因此廢棄PCB所形成的電子污染已成為嚴峻的環境問題。

1廢PCB的組成

廢PCB的來源主要為PCB制造過程中產生的次品、邊角料和廢棄電子產品拆除組裝元件的PCB基板。

PCB基板一般由高分子聚合物(樹脂)、玻璃纖維或牛皮紙及高純度銅皮(也含有少量其它金屬)三種材料構成,這三種材料也是廢PCB的主要成分。

廢PCB料中除含有C、H、O等元素外,Br元素的含量約達9%。熱值顯示在適宜的燃燒條件下,廢PCB能夠維持燃燒,但其燃燒會放出含溴的有害氣體。同時,由于廢PCB料含有氯及有機物,燃燒不當易產生二惡英,造成極為嚴重的大氣污染。PCB基板有多種類型,不同類型所含材料成分也不相同,表2所列為廢PCB中金屬和非金屬材料的組成。

廣泛用于PCB基板中的金屬含量為6%~24%,非金屬材料(樹脂和玻璃纖維等)含量為76%~94%,非金屬材料的含量遠遠高于金屬材料的含量。

2廢PCB的處理技術

2.1填埋法

廢PCB如果直接填埋,則有價金屬無法回收,且有害金屬可能會溶出對環境造成污染。若采用填埋法,則建議采用安全填埋方式(專門設計安全填埋場且填埋前對廢PCB進行固化處理),但填埋費用會大幅增加。

2.2焚燒法

焚燒法的處理流程一般是先將廢板、邊料粉碎至1~5cm,然后送入焚燒爐進行焚燒,得到含有金屬成分和非金屬焚燒灰分的固體渣,對該渣進行二次處理可較易回收到其中的金屬資源。但廢PCB中含較大量溴和少量的氯,焚燒會造成空氣污染,特別是二惡英污染。

2.3熱裂解法

熱裂解法是將廢板、邊料粉碎后,置于密閉容器內,在一定的溫度和壓力下,一部分非金屬材料轉換為油氣,金屬剝落得以回收。因回收油中仍含有溴及少量金屬,因此,回收油若作為燃料使用仍會造成空氣污染。

2.4機械破碎-物理分離法

機械破碎-物理分離法分為干法和濕法兩種。

干法:首先將廢板邊料粉碎成100~300μm的粒子,再以旋風分離將金屬及非金屬分開。金屬可直接進行利用,非金屬多采用填埋或堆集暫存的方式處置。但該方法產生的非金屬材料體積要比原廢物體積大數倍,如不能將其作為資源進行利用,其填埋和堆集都需占用較大土地面積,流失則會造成環境污染。

濕法:采用濕法破碎將廢板邊料粉碎至小于3mm,再以水洗搖床的方式將金屬和非金屬分離。該方法在粉碎過程中不會產生粉塵污染,較干法的投資少,但獲得的非金屬成分含有水分,填埋或再利用都需要進行后續處理。

2.5濕法化學回收金屬

該方法以回收廢板邊料中的貴金屬為主,將含貴金屬的廢板、邊料以強酸處理,取得含貴金屬和非貴金屬的溶解物,再用化學方法將其還原成金、銀、鈀等金屬產品,含有高濃度銅離子的廢酸則可回收硫酸銅或電解銅。但該方法處理費用較高,產生的非金屬廢料無法再利用,必須進行安全填埋。

3廢PCB處理現狀

廢PCB基板材料中金屬材料和非金屬材料都具有較高的經濟價值,特別是金屬材料的利用一直是熱點,而非金屬材料(如玻璃纖維強化酚醛樹脂或環氧樹脂)則大部分以無價值廢物形式進行處置。

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深圳市和整個珠江三角洲是目前國內PCB生產商的集中地,該地區PCB基板的產量約占全國總產量的2/3,約3200萬m2/a。每年產生的廢棄PCB約32~64萬m2。廢邊角料產生率按照1%~2%計算,僅深圳市的PCB生產加工廠家每年產生的廢邊角料就可達數千噸。