大理州经委工业经济基础知识讲座.ppt
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1、大理州经委工业经济基础知识讲座,材料基础知识,州经委:郑巍黎,2006年7月,1,绪 论,材料(Material)是人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器和其它产品的那些物质。材料、信息和能源是现代国民经济的三大支柱勘探、采矿、选矿、冶金与材料的关系。,2,材料学知识,晶体学(空间点阵)晶体缺陷(点、线、面、体)固体材料热力学和平衡态理论(相图)固体动力学理论(扩散与相变)固体材料的结构理论(原子结构、能级、结合键等)固体电子论(分子轨道理论和能带理论),3,主要讲述内容,一、材料发展简史,二、材料的分类,三、一些新材料技术的介绍,四、材料的展望,4,人类发展的历史证明,材料是社会
2、进步的物质基础和先导,是人类进步的里程碑。可分为以下几个时代:,材料发展简史,石器时代,高分子时代,陶器时代,青铜时代,铁器时代,陶瓷时代,复合材料时代,5,旧石器时代早在100万年以前,人类开始以石头做工具,1.1 材料发展简史石器时代,新石器时代1万年前,人类对石头进行加工,孟津妯娌新石器时代聚落遗址,金坛三星村新石器时代遗址,6,1.2 材料发展简史陶器时代,新石器后期,人类发明了用粘土成型,再火烧固化而制成陶器,从而进入陶器时代。目前考古发现的陶器,在亚洲有中国江西省万年县大源乡仙人洞的陶器和日本最早的绳纹陶(公元前8000年左右);在欧洲,在希腊半岛发现的陶瓷约在公元前6000至50
3、00年;在美洲大陆,已发现的陶器约在公元前6000年前左右。陶器时代是人类文明史上的重要飞跃,陶器的发明不仅成为这一阶段的最重要的物质文明的创造,同时也成为这一时期最重要的生产工具。,彩陶 釉陶,7,烧制陶器过程中还原出金属铜和锡,创造了炼铜技术,生产出各种青铜器物,进入了青铜时代。古希腊大约在公元前3000年以前,埃及是公元前2500年前,中国是夏代(公元前2000年左右),欧洲是公元前1800年前后进入青铜器时代。这是人类大量利用金属的开始,是人类文明发展的重要里程碑。,1.3 材料发展简史青铜时代,8,人们开始使用铁来制造工具和武器的时代。冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术之后,铁器
4、时代就到来了。世界上最早是小亚细亚的赫梯人在公元前1400年左右,古希腊和古罗马开始普遍使用在公元前1000年。中国最早在春秋战国晋国(大致公元前700年),铁器的广泛使用,使人类的工具制造进入了一个全新的领域,生产力得到极大的提高。铁器的使用,导致了世界上一些民族从原始社会发展到奴隶社会,也推动了一些民族脱离了奴隶制的枷锁而进入了封建社会。,长沙战国凹形铁锄 湖北当阳宋代铁塔 沧州铁狮,1.4 材料发展简史铁器时代,9,高分子时代20世纪初,人工合成高分子材料问世,如1909年的酚醛树脂(胶木),1925年的聚苯乙烯,以及1941年的尼龙等,并发展十分迅速。如今,世界年产量已超过钢陶瓷时代2
5、0世纪50年代后,通过一些特殊制备方法,制造出一系列先进陶瓷,由于其资源丰富、比重小、耐高温、耐磨等优点,很有发展前途,用途在不断扩展。复合材料时代 最具有发展前途的是复合材料,因为这类材料具有每种单质材料所不具备的性能。,1.5 材料发展简史新材料时代,10,特点:1.特殊性(超强度、超塑性、超导性等)2.制备和生产和新技术、新工艺紧密相关。3.更新换代快,式样多变。4.发展和理论的关系比传统材料更密切。,1.6 新材料的特点、趋势,趋势:1.从均质材料 复合材料 2.由结构材料 功能材料,多功能材料并重 3.材料结构的尺度向越来越小的方向发展.4.由被动性材料 具有主动性的智能材料 5.通
6、过仿生途径来发展新材料.,11,主要讲述内容,一、材料发展简史,二、材料的分类,三、一些新材料技术的介绍,四、材料的展望,12,材 料 的 分 类,材料的组成:金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料.材料的特性和用途:结构材料、功能材料 结构材料:利用力学性能承受载荷 功能材料:利用特殊的物理性能(电、热、磁等)材料尺寸:一维、二维、三维材料内部原子排布:晶态与非晶态材料热力学状态:稳态与亚稳态,13,2.1.1 金属材料黑色金属铁,铸铁 铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金,它含有比碳钢更多的硅、锰、硫、磷等杂质。根据铸铁中碳的存在形式不同:白口铸铁断口呈银白色,性能硬而脆,很难
7、进行切削加工,工业上极少用来制造机械零件。主要用作炼钢原料或用于可锻铸铁的毛坯.灰口铸铁断口呈暗灰色,灰口铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的石墨形式存在。根据石墨存在形式可分为普通灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁等。,14,2.1.2 金属材料黑色金属钢,钢分为碳素钢(简称碳钢)和合金钢两大类。碳钢含碳量小于2.11%并含有少量硅、锰、硫、磷杂质的铁碳合金.按含碳量分:低碳钢(0.25%)、中碳钢、高碳钢(0.60%)按质量分:普通碳素钢、优质碳素钢、高级碳素钢 按用途分:碳素结构钢、碳素工具钢 合金钢按用途:合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。按合金元素总含量:低合金钢(5%)、中合金钢、高合金
8、钢(10%),15,有色金属种类繁多,结合我州与周边的一些重大矿产,讲3种有色金属及其合金的基本性质与目前国内外发展趋势。(一)铜及铜合金(德钦羊拉、中甸普朗)(二)锌及锌合金(兰坪铅锌矿)(三)铂族金属(大理弥渡金宝山),2.2 有色金属及其合金,16,铜是人类最早发现的古老金属之一,早在三千多年前人类就开始使用铜。自然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。自然铜及氧化铜的储量少,现在世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的,2.2.1 铜及铜合金,铜具有许多可贵的物理化学特性例如其热导率都很高,化学稳定性强,抗张强度大,易熔接且抗蚀性、可塑性、延展性均好。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝
9、、铁等金属形成合金.,17,工业上使用的铜有电解铜(含铜99.999.95)和精铜(含铜99.099.7)两种。前者用于电器工业上,用于制造特种合金、金属丝及电线。后者用于制造其他合金、铜管、铜板、轴等。铜的冶炼仍以火法治炼为主,其产量约占世界铜总产量的85%,现代湿法冶炼的技术正在逐步推广,湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本大大降低。,2.2.1.1 铜,18,在纯铜中加入某些合金元素(如锌、锡、铝、铍、锰、硅、镍、磷等),就形成了铜合金。铜合金具有较好的导电性、导热性和耐腐蚀性,同时具有较高强度和耐磨性。根据成分不同,铜合金分为黄铜、青铜和白铜我们重点介绍黄铜、青铜。,2.2.1.1 铜 合 金
10、,19,黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金:普通黄铜 普通黄铜是铜锌二元合金。由于塑性好,适于制造板材、棒材、线材、管材及深冲零件,如冷凝管、散热管及机械、电器零件等,2.2.1.1 铜 合 金黄铜,特殊黄铜 为了获得更高的强度、抗蚀性和良好的铸造性能在铜锌合金中加入铝、硅、锰、铅、锡等元素,就形成了特殊黄铜。如铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜、硅黄铜、锰黄铜等。,20,青铜原指铜锡合金,但工业上都习惯称含铝、硅、铅、铍、锰等的铜合金也为青铜。主要有:锡青铜以锡为主要合金元素的铜基合金。工业中使用的锡青铜,锡含量大多在3%14%之间,2.2.1.1 铜 合 金青铜,铝青铜以铝为主要合金元素的铜基合金。铝青
11、铜的力学性能比黄铜和锡青铜高。实际应用的铝青铜的铝含量在5%12%之间,含铝为5%7%的铝青铜塑性最好。铍青铜以铍为基本元素的铜合金。铍青铜的含铍量为1.7%2.5%。,21,铜最大的使用市场是电器和电子市场,约占总数的28%,回收时限较长,尤其大型设备(30-50年)交通设备是铜的第三大市场,约占总数的13%,散热器和配线(回收1015年)工业机器和设备是另外一个主要的应用市场,回收时间一般也比较长。硬币和军火,回收较少。,2.2.1.2 铜的消费与回收年限,22,(1)供需矛盾。1.2002年世界经济全面复苏,对铜的需求增大,库存大减。2.主要生产国智利、赞比亚和扎伊尔政治局势不稳,劳资纠
12、纷严重。3.环保问题,促使国际大量铜矿停产。国内目前也出台了一系列要求重视资源、能源与环保的政策和措施,促使产量暂时性减少。(2)国际炒家的介入。国际投机基金疯狂的针对中国套利盘展开了挤空行情,铜价与现货升水纷纷创出新高,投机基金的兴风作浪已经改变了铜市场由供求本身所决定的运行规律。基金挤仓从目前还看不到完结的迹象。,2.2.1.3 铜的价格影响主要因素,23,(1)国内铜冶炼产能将过剩。目前总能力在205万吨,预计2007年产能将达到370万吨,远超全国铜精矿资源保障能力和国际可提供的精铜矿量。(2)全球经济增长趋势减弱,消费增长逐渐降低。(3)全球资源回收工作的加强。(4)国际炒家资金链问
13、题。铜价上涨越猛烈说明基金本身交易成本的不断提升,持仓成本、融资成本,越来越高,操作难度越来越大。结论:铜价近期增减幅渐平稳,价格逐步降低,间有反复,但降低趋势不变,突降几率较大。,2.2.1.4 铜的价格趋势,24,锌是一种蓝白色金属。密度为7.14克/厘米3熔点为419.5。在室温下,性较脆;100-150时,变软,超过200后,又变脆。锌的化学性质活泼。在常温下的空气中,表面生民一层薄而致密的碱式碳酸锌膜,可阻止进一步氧化。当温度达到225,锌氧化激烈。燃烧时,发出蓝绿色火焰。锌易溶于酸,也易从溶液中置换金、银、铜等。锌在自然界中,多以硫化物状态存在。主要含锌矿物是闪锌矿。也有少量氧化矿
14、,如菱锌矿和异极矿,2.2.2 锌及锌合金,闪锌矿,菱锌矿,异极矿,25,(一)镀锌工业约50%。(二)合金制造约17.5%与铝、铜等组成的合金用于压铸件;与铜、锡、铅等合金用于机械制造业(三)电池工业,锌锰干电池。(四)锌肥、医药。锌对人体蛋白质的合成、物质代谢、生长发育、免疫功能和智力健美有重要作用。(五)橡胶、油漆、颜料等工业,2.2.2.1 锌的用途,26,(1)按合金成分分:ZnA1系:含少量Cu、Mg以提高强度和改善耐蚀性;ZnCu系:是抗蠕变合金,一般还含Ti;ZnPb系:电池壳,小五金及体育运动器材等;ZnPbA1合金:镀锌。(2)按加工方式分:铸造合金,变形合金,热镀锌合金(
15、3)按性能和用途分:抗蠕变锌合金、超塑性锌合金、阻尼锌合金、模具锌合金、耐磨锌合金、防腐锌合金、结构锌合金。,2.2.2.2 锌合金分类,27,目前:(1)国际锌冶炼破产、整合、关闭。(2)世界锌消费因汽车市场扩大而增加。(3)国内外锌资源枯竭,世界储备的减少。(4)近几年来世界勘探费用的降低。趋势:(1)世界一些重大矿将正常运作。(2)世界消费能力的减弱汽车。(3)世界勘探费用的增加,原矿增产。(4)中国环保加强与产业的调控。价格趋于平缓,利润减薄,不排除“铜”现象出现拥有资源与核心能力的炼锌企业能发展壮大。,2.2.2.3 锌价格影响因素及趋势,28,铂族金属是指铂、钯、铑、铱、钌、锇 六
16、种元素 六种元素彼此之间广泛存在类质同象置换现象,所以混合在一起。铂族元素均为等轴晶系,单晶体极少见。矿物一般呈不规则粒状、葡萄状、树枝状或块状形态。颜色和条痕为银户色至钢灰色,金属光泽,不透明。,2.2.3 铂族金属,铂,钯,铑,29,世界上已发现铂族金属矿物约200种,我国有115种,其中主要工业矿物为砂钥矿和共生硫化矿,目前约98%的铂族金属来自这类资源。世界铂族金属可采储量3.67万吨,总储量为10.02万吨。主要产于南非、前苏联、美国、加拿大、哥伦比亚等国家。其中南非(阿扎尼亚)的铂金可采储量约为1.2万吨,前苏联的可采铂金储量为1866吨,两者占世界总储量的98%。每年世界铂金的年
17、产量仅85吨,远比黄金少,加上铂金熔点高,提纯熔炼铂金较黄金更为困难,耗能源更高。所以其价格较黄金更加昂贵。铂金色泽淡雅而华贵,象征着纯洁与高尚。,2.2.3.1 铂族金属储量,30,我国在甘肃、云南、新疆、内蒙古等省区先后发现一些矿床。,2.2.3.2 我国铂族金属分布,31,稀有、纯净、坚硬三大特性以及其天然白色光泽 铂金首饰的设计不断推陈出新,做工精细,从浇铸到抛光,无不精益求精。设计风格既时尚又含蓄,每一件饰品有如艺术品。,2.2.3.3 铂族应用(一)首饰,32,铂族应用:(一)首饰,日本是世界最大铂金首饰的市场。我国是世界第二大市场,33,重整是指烃类分子重新排列成新的分子结构,而
18、不改变分子大小的加工过程。利用铂做催化剂进行重整叫铂重整。近代催化重整催化剂金属组分主要是铂。1965年,我国自行开发的铂重整装置在大庆炼油厂投产。1969年,铂铼双金属催化剂用于催化重整,提高了重整反应的深度,增加了汽油、芳烃和氢气等的产率,使催化重整技术达到了一个新的水平。全世界每年约生产6000万吨硝酸,几乎都是用铂、锗、铂把触媒网催化制得,用铂重整几乎生产了全世界汽车和内燃机所需的全部高辛烷值汽油。,铂族应用:(二)铂重整,34,(三)汽车尾气净化催化剂 汽车尾气净化催化剂的构成为载体、活性物、助催化物等。活性物:已应用的有贵金属铂(Pt),钯(Pd),铑(Rh)和稀土中的铈(Ce)与
19、钄(La)等。(四)玻纤用漏板 铂由于在高温范围内的化学稳定性、不被玻璃体所润湿以及对玻璃熔化的抗蚀能力,使其成为玻璃和纤维工业中唯一能在氧化气氛下抗熔融玻璃腐蚀的高温结构材料。目前全世界玻纤工业池窑多采用铂铑合金做漏板来生产玻璃纤维。,铂族应用(三)、(四),35,电气工业:触点(用于继电器、调压器、恒温器及控制器等);电组测温器;热电偶;电子管阴极等高纯贵金属分析器皿:贵金属试剂系列:氯化钯、氯铂酸、二氯二氨钯等;膜微电子桨料及粉末:电阻浆料,导体浆料等 贵金属药物:顺铂、卡铂是目前最有效的两种抗癌药物。顺铂用于卵巢癌,前列腺癌,睾丸癌,肺癌,鼻咽癌,食道癌,恶性淋巴瘤,乳腺癌,头颈部鳞癌
20、,甲状腺癌等。卡铂用于卵巢癌、小细胞肺癌、宫颈癌及非小细胞肺癌等。,应用(五)铂族金属的其它产品及用途,36,铂族金属其发展前途和应用范围将不可限量。尤其是纳米材料的开发研究,使铂族金属更具有光明的前途。贵金属超微细粉和纳米晶体材料因粒径小、比表面积大,具有高表面能和巨大的表面效应,加上贵金属特有的催化活性,贵金超微细粉和纳米晶材料将首先在催化技术和传感技术中获得应用,尤其是催化应用开发将可提高生产率,减少资源消耗,保护环境,节约能源,在未来世纪可能成为催化反应的主要催化剂材料。上述的只是铂族金属部分用途及研发状况。随着材料科学的迅猛发展,将会更深人地开发贵金属材料。铂族金属及其相关的材料在国
21、民经济中将发挥更大的作用,2.2.3.4 铂族的发展前景,37,2.3 无机非金属材料,定义:指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物(包括硫、硒、碲的化物)和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。包括陶瓷、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型无机材料等.无机非金属材料通常分为传统和新型两大类。前者指以硅酸盐为主的材料包括一些生产工艺相近的非硅酸盐材料,如碳化硅、氧化铝陶瓷等。后者主要指20世纪以来发展起来的、具有特殊性质和用途的材料,如压电、导体、半导体、磁性、超硬、高强度、超高温、生物工程材料以及无机复合材料等。结合我州重要的无机非金属矿产:(一)膨润土
22、(鹤庆)(二)高岭土(永平);(三)硅藻土(宾川、洱源),38,膨润土又名:膨土岩、斑脱石。俗名:观音土。由凝灰岩或其他火山岩在碱性介质下蚀变而成,膨润土的主要矿物成分是蒙脱石,含量在85%90%,另含少量石英、方解石及火山玻璃,该土具有良好的粘结性、膨胀性、吸附性、可塑性、分散性、润滑性、阳离子交换性、悬浮性、脱色性等。因此它可制成各种粘结剂、悬浮剂、吸附剂、脱色剂、增塑剂、催化剂、净化剂、消毒剂、增稠剂、除垢剂、洗涤剂、填充剂、增强剂等。其化学成份相当稳定,被誉为万能石,2.3.1 膨润土,注:蒙脱石为少量碱及碱土金属的含水铝硅酸盐矿物。其化学式为Nax(H2O)4(Al2xMg0.33)
23、Si4O10(OH)2。,39,膨润土在24个领域100多个部门的广泛的应用:1、铸造型砂粘结剂、快干涂料:钠基膨润土具有很强的粘结性和可塑性、透气性,广泛应用于湿模铸造。锂基膨润土由于胶质价和膨胀容相当高,故用于醇基快干涂料。2、铁矿球团粘结剂:钠基膨润土由于具有很强的粘结性和高温稳定性,在铁精矿粉中加入1-2%的钠基膨润土,造粒后干燥后成球团,大幅提高高炉生产能力,现已被各钢厂广泛采用,2.3.1.1 膨润土的应用:(N.1),3、涂料:由于膨润土具有优良的悬浮性、粘结性、分散性。在水溶性涂料、防水涂料、乳化沥青涂料、保温涂料、防腐、防火等各类涂料中作悬浮剂。,40,4、钻井泥浆:在油、气
24、钻探中,膨润土是配制泥浆的主要原料,起有效保护井壁、上返岩屑、冷却润滑钻头等。5、食用油脱色脱脂:强吸附性,广泛用于各种动、植物油的脱色去脂,是精炼食用油的最佳脱色剂。6、石化工业:优良的脱色性、可塑性、触变性、在石油工业中被广泛用于炼油催化剂、脱色剂、废油再生剂等。7、动物饲料:含大量微量元素(铁、铜、锌、锰),且本身无毒、颗粒较细,可作为矿物饲料配于动物饲料中。8、农药:优良的悬浮性、分散性,水性农药中作悬浮剂。9、农肥:粘结性将肥料制成颗粒肥,既提高农肥效力又可改良土壤。,2.3.1.1 膨润土的应用:(N.2),41,10、植树造林:利用膨润土制成高吸水材料用于植树造林,成本低、保水效
25、果相当优良,吸水倍数可达100-1000倍/克。11、建筑:用于大坝防渗墙体材料,建筑地基灌浆材料,地下室、停车场、地铁等防渗漏材料。12、建材:可用其它非金属材料制成各种装饰板材,泡沫绝热材料,无机隔音、隔墙板材、各类面砖、地砖、陶瓷釉料、涂料等。13、纺织、丝绸印染可代替淀粉作纺织纱浆粉、印染糊料等。14、食品工业:可用作啤酒澄清过滤剂,降低啤酒中的高分子蛋白质,延长保质期。,2.3.1.1 膨润土的应用:(N.3),42,15、日化产品利用膨润土的吸附性、增稠、增塑性等,可用于液固体洗涤产品,可软化织物增强洗涤效果,降低生产成本。比如用于化妆品,具有去污、解毒、止庠、美容、保温等性能。1
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