无机材料在现代社会的角色

\无机材料在现代社会的角色

前言

社会的进步和发展离不开无机非金属材料，从远古的石器时代到现在的生活，人们离不开材料，无机材料也一直伴随着人类文明的发展。

在我们日常的生活中，随处可见无机材料的存在，它们利用自身的性质发挥着特别的作用：在交通工具中，有内燃机的陶瓷，汽车的挡风玻璃；在楼房屋子中，有水泥混凝土，以及房子的玻璃；就连日常用的化妆品当中也含有一定的滑石粉……

社会的进步需要材料的新进展，每个国家都会花巨大的人力物力财力做科学研究，探索着材料科学界的奥秘，因此，材料得以长期有效的发展。

无机材料的应用

汽车用陶瓷材料

随着轻量化，节能减排的推行，以及市场对汽车性能要求的不断提高，新型材料在汽车上的应用越来越普遍，以下将对新型材料在汽车上的应用进行简要解析。

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀以及在导电与介电方面的特殊性能。利用陶瓷材料制作某些汽车部件，可改善汽车部件的运行特征达到汽车轻量化的效果，因而得到了一定程度的应用。这里主要介绍陶瓷材料在汽车发动机零部件上应用的情况。

日本汽车公司在重型载货汽车用柴油机（排量1.5L ）的基础上开

发了陶瓷复合发动机系统，使功率提高10％，燃料消耗率降低30％。 日本五十铃发动机厂研制的陶瓷发动机，采用Si 3N 4制造气阀头、活塞顶、汽缸套、歧管、蜗轮增压器叶片、转子、轴承等，能经受1200℃高温，取消了散热器和冷却装置，起热效率提高48％。

美国通用汽车公司在其所制成的2.3L 柴油机上，采用陶瓷钢套、气门头、燃烧室、排气门通道、气缸盖、活塞顶以及用陶瓷涂镀的气门摇臂、气门挺杆、气门导管和滑动轴承，并已经在轿车上做了20290km 路试；用Si 3N 4陶瓷制造的蜗轮叶轮，其热膨胀系数是金属的1／3，利用这一特点，采用热压肯和钎焊相结合的方法把陶瓷叶轮和金属轴连接起来，使陶瓷叶轮的惯性力矩比金属叶轮减少了1／3，使涡轮增压器的动态响应性提高36%。

此外，为了有效地利用陶瓷的耐磨性，开发了陶瓷凸轮轴和陶瓷摇臂镶块。陶瓷凸轮轴的滑动部位采用ZrO 2或SiC ，其他部位用金属管制成。陶瓷部位与金属部位的结合采用硬钎焊和扩散法。凸轮接触面部位融接陶瓷片的铝摇臂，大大提高了摇臂寿命。陶瓷片是用微米级的Si 3N 4粉未在1500℃的高温下烧结而成的。长20mm ，宽20mm ，厚5mm 的带筋陶瓷片，其筋条插进摇臂中。其浇注工艺是把陶瓷片放在摇臂铸型中，然后浇入600℃铝溶液，利用铝的环固紧镶片。

另外，利用陶瓷的绝缘性、介电性、压电性等特性制作汽车陶瓷传感器，已成为汽车电子化的重要方面。

沼气池用玻璃钢

沼气是农村建设生态家园的纽带，它不光能解决农村环境污染问

题，供应人们生活能源，更重要的是还能提供有机肥料，有机肥的施用可以提高农产品质量。通过“一池三改”建设，更能改善农户生活环境的卫生状况。但从推广沼气至今，沼气行业一直受到建池难、出料难、维护难、产气率低的制约，发展缓慢，形成沼气池实际使用寿命短，综合利用率低的局面。而玻璃钢沼气池的使用，从根本上解决了建池难、维护难、产气率低的难题。

玻璃钢沼气池主要生产原料为HR-191不饱和树脂、中碱玻璃纤维布。玻璃钢是一种高分子复合材料，用这种材料制作沼气池，易成型，便于工厂化生产，建池速度快，沼气池整体密封性能好，具有抗拉、抗压、抗弯曲、抗腐蚀、使用寿命长等优点。玻璃钢沼气池池型为球形，池体由上下两个半球组成，并分别设有出气孔、进料口、水压间（出料口），池体轻，便于运输和安装。

玻璃钢沼气池作为一种产品，它的使用获得了国家的认可。国家农业部2009年3月9日第1177号公告颁布了玻璃钢沼气池中华人民共和国农业行业标准，即NY/T1699-2009《玻璃纤维增强塑料户用沼气池技术条件》，自2009年5月1日起实施。这个标准的出台，意味着我国沼气池建设步入工业化时代，标志着我国户用沼气池进入标准化生产、规范化使用、健康化发展的新级阶段。

玻璃钢沼气池具备如下优点：

1. 强度好重量轻，运输安装方便。玻璃钢沼气池，产品强度好，重量轻，6M3产品重量140千克左右。池体由两个半球形组成，可叠装，搬运方便，安装快捷，一经安装即可使用。

2. 力学性能好，不易变形开裂。冬天气温较低时，地面结冻有可能导致混凝土沼气池的损坏，而玻璃钢沼气池具有一定的弹性，不会被冻土挤裂。玻璃钢沼气池整体性强，在使用过程中不会因沉降而造成进出料间开裂。

3. 气密性好、产气率高。相关研究结果与实际应用情况表明，以往沼气池产气率低，很重要的原因是沼气池密封性差。采用玻璃钢材料制作的沼气池，密封性能好，完全能做到不渗水、不漏气。所以产气率高。

4. 价格适宜，易于为农民接受。玻璃钢沼气池因工艺先进，故成本不高，售价与混凝土沼气池造价相近。而使用效果优于混凝土沼气池，且建设施工方便快速。一组工人（两人）一天可以组装6～8套玻璃钢沼气池。

5. 使用寿命长。玻璃钢沼气池抗老化、耐腐蚀，经测算有效使用寿命可达新型材料沼气池—玻璃钢沼气池 20年以上。

6. 操作方便、易于维修和管理。玻璃钢沼气池可以配备抽拉式出料器，采用勤投料勤出料的管理模式，可方便地抽出底部沉渣，且使用期间无须做内部维修，即使气室部位需要进行维修，也可掘开覆土从外部修补，非常简单。玻璃钢沼气池的日常管理与混凝土沼气池的管理一样，无特殊要求。

混凝土结构的研究

一、混凝土耐久性的重要性 混凝土的耐久性是其抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化过程而长期维持其性能的能力。在结构设计中,

耐久性被看成是结构所需的一种功能而不是其固有的内在性能, 所以耐久性又被定义为结构及其部件在各种可能导致材料性能劣化的外加因素作用下、并在预期的使用年限内维持其所需功能的能力。而结构及其部件的使用年限（或工作寿命）则是建造完工或生产制成以后, 在预定的使用和维修条件下, 所有功能均满足预定要求的期限。

长期以来, 我国各种土建工程在其设计中对于结构的耐久性和使用年限未能给予足够的重视, 其中虽有计划经济年代物资匮乏、经济短缺而无力作更多长远考虑的一面, 而对混凝土材料耐久性的认识不足可能更为主要。从世界范围看, 混凝土结构虽然已有百年历史, 但大量地应用于各类工程则不过50年。混凝土材料在不少环境条件下远不如当初设想的那样耐久, 问题不断暴露后一直到20世纪70年代才逐渐引起发达国家的高度重视。随着可持续发展观念的日益觉醒, 以及土建工程规模不断扩大并向海洋等更加恶劣的环境中延伸, 混凝土作为全球用量最大的人造材料, 人们对其结构耐久性的需要就变得更加关切。混凝土结构的耐久性是困扰当今世界各国的普遍问题, 并非我国所特有。如果说存在差异, 则在于这一问题至今尚未引起国内有关部门和广大设计人员的足够重视, 我们未能像许多发达国家一样, 随着问题的暴露和认识的深化, 将它列为土木工程领域中的头等大事进行研究, 积极采取相应对策, 并及时修订和补充技术标准来指导工程实践。

二、混凝土耐久性的现状 1、为了满足现代混凝土需要, 现行水泥规范对水泥的组成成分作了大的变化, 水泥颗粒直径越来越细:与早

期的低标号水泥相比, 近年来生产的水泥硅酸三钙、铝酸三钙的含量越来越高, 导致在极短时间内的水化反应激烈, 直接带来混凝土的高水化热、高温差、高收缩量等问题。水泥在较短时间内放出的大量热量, 大体量结构(如箱梁) 外围的保温隔热不可能达到理想的状态, 内外温差伴随极高的早期强度, 造成混凝土内部微裂缝的出现, 从而影响后期强度及工作性能。

2、混凝土的组成结构发生了很大变化:由于机械化施工、泵送工艺的特殊要求, 混凝土的塌落度、骨料粒径都发生了不利于耐久性的变化。混凝土的塌落度的提高, 骨料粒径的降低, 势必要求在混凝土中增加水泥浆体的含量, 通过多种外加剂掺入提高其和易性, 水泥用量的增加, 进一步加剧水化热, 增加徐变及收缩变形; 大量相容性不好的外加剂也是混凝土耐久性的隐患。

3、外掺合料已成为现代高性能混凝土不可缺少的重要组成部分:混凝土掺合料是指以粉煤灰、矿渣微粉、硅灰及其他火山质材料经研磨加工后的矿物超细粉, 粒径

①表面能量高; ②对水泥孔隙的微观填充作用; ③化学活性提高。 大量试验研究及工程实践表明, 掺合料的加入, 能改善混凝土的微观结构, 增加混凝土的密实性, 降低透水性和透气性; 对减少水化热、低收缩、徐变作用明显; 掺合料还可提高混凝土塌落度, 改善混凝土的可施工性能。因此, 活性超细矿粉掺合料, 是提高现代混凝土耐久性行之有效的措施。但矿物掺合料的加入, 会降低混凝土的早期强度, 影响施工进度, 在一些对施工工期要求较高的工程, 特别是在对预应力箱梁的

悬臂浇筑施工中, 施工单位往往难以接受, 这也客观上造成了大量近年建造的这些结构的混凝土耐久性出现劣化的现实。

三、加强混凝土耐久性的具体措施。 为解决混凝土的耐久性问题, 从20世纪80年代中期起, 众多发达国家投入大量资金和人力, 掀起了以耐久性为基本要求的高性能混凝土材料的发展研究。混凝土结构的耐久性设计方法也成为研究的重点方向, 大体说来, 加强混凝土的耐久性可以从以下几方面入手:

1 、要注意原材料的选择

（1）水泥。水泥类的材料的强度和工程性能, 是通过水泥砂浆的凝结、硬化形成的, 水泥石一旦受损, 混凝土的耐久性就被破坏, 因此水泥的选择需要注意水泥品种的具体性能, 选择碱含量小、水化热低、耐用消费品热性、抗腐蚀性、抗冻性能好的水泥, 并结合具体情况进行选择。水泥强度并非是决定混凝土强度和性能的唯一标准, 因此, 工程中选择水泥强度的同时, 需要考虑其工程性能, 有时, 其工程性能比强度更重要。

（2）集料与掺合料。集料的选择应考虑其碱活性, 防止碱集料反应造成的危害, 集料的耐蚀性和吸水性, 同时选择合理的级配, 改善混凝土拌合物的和易性, 提高混凝土密实度。大量研究表明了掺粉煤灰、矿渣等混合材能有效改善混凝土的性能, 改善混凝土内孔结构, 填充内部空隙, 提高密实度, 高掺量混凝土还能抵制碱集料反应, 因而掺混合材混凝土, 是提高混凝土耐久性的有效措施。

2 、混凝土的设计应考虑耐久的要求

（1）混凝土配比的设计配合比设计在满足混凝土强度, 工作性的同时应考虑尽量减少水泥用量和用水量, 降低水化热, 减少收缩裂缝, 提高密度实度, 采用合理的减水剂和引气剂, 改善混凝土内部结构, 掺入足量的混合料, 提高混凝土耐久性能。

（2）结构构件应按其使用环境设计相应的混凝土保护层厚度, 预防外界介质渗入内部腐蚀钢筋。

（3）结构的节点构造设计也应考虑构件受局部损坏后的整体耐久能力。

（4）结构设计尚应控制混凝土的裂缝的开裂宽度。

3 、混凝土工程施工应考虑结构图耐久性

混凝土的拌制尽量采用二次搅拌, 裹砂法、裹砂石法等工艺, 提高混凝土拌合料的和易性, 保水性, 提高混凝土强度, 减少用水量, 大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝, 收缩裂缝、施工裂缝, 建立混凝土的浇筑振捣制度, 提高混凝土密度和抗渗性, 重视混凝土振捣后的表面工序, 并加以养护, 以减少混凝土裂缝。混凝土的施工过程对控制构件外观裂缝、施工裂缝至关重要, 应加强施工质量管理, 特殊季节施工的混凝土结构, 尚应采取特殊措施。

4 、结构在使用阶段, 应注意检测、维护和修理, 对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此, 建立检测和评估体系, 及时发现, 及时修理, 确保混凝土结构的正常使用。以上几种方法对加强混凝土和耐久性有很大帮助。

结束语

材料与我们的生活息息相关，轻质高强等多种特殊的要求指引着材料的前进方向，促使科学家们为研究事业而付诸努力，保持社会的和谐稳定发展。无机材料在生活中也是随处可见，使无机材料多元化，色彩化也是当今的追求，在材料行业蕴藏着巨大的潜力，为可持续发展不断的更新提高材料的事使用寿命，节约能源，让我们的社会生活更加的完美。

参考文献：

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[2] 王强. 论建筑节能新型材料的发展前景

[3] 张金迎, 周晓军. 陶瓷材料在汽车上的应用（浙江大学 机械与能源工程学院）

[4] 穆晓路 , 马丽媛 , 穆太力普·如则 . 玻璃钢沼气池的安装与使用 ( 1. 新疆农科院农机化所, 新疆 乌鲁木齐 830091; 2. 新疆渊源工贸有限公司; 3.沙雅县政府)