专业大实验指导书

浙江工业大学化学工程与材料学院功能材料学科方向专业大实验指导书指导老师：李涓郑精武乔梁2009年12月综合实验1玻璃材料制备工艺综合实验玻璃材料高温制备中的物理过程主要有原料吸附水的蒸发，某些组分的挥发、晶型转变以及某些组分的熔化等。化学过程主要有某些组分加热后排除结晶水、盐类的分解、各组分之间的化学反应及硅酸盐的形成。物理化学过程主要指一些物料间的固相反应，共熔体的产生，各组分间的相互融熔，物料、玻璃液相与炉内气体以及耐火材料之间的相互作用等。玻璃熔制过程中，共熔体的产生、互熔等，要在很高的温度下才显著发生。在实际生产中，玻璃熔制是关键环节。玻璃的熔制实验是一项很重要的实验。在教学、科研和生产中，往往需要设计、研究和制造玻璃的新品种，或者对传统的玻璃生产工艺进行某种改革。在这些情况下，为了寻找合理的玻璃成分、了解玻璃熔制过程中各种因素所产生的影响、摸索合理的熔制工艺制度、提出各种数据以指导生产实践等，一般都要先做熔制实验，制取玻璃样品，再对样品进行各种性能测定，判断各种性能指标是否达到预期的要求。如此反复进行，直到找到玻璃的最佳配方，满足各种性能要求为止。一、实验任务及目的（1）在实验室条件下进行玻璃成分的设计、原料的选择、配料的计算、配合料的制备、用小型坩锅进行玻璃的熔制、玻璃试样的成形等，完成一整套玻璃材料制备过程的基本训练；（2）了解熔制玻璃的设备及其测试仪器，掌握其使用方法;（3）观察熔制温度、保温时间和助熔剂含量对熔化过程的影响；（4）根据实验结果分析玻璃成分、熔制制度是否合理。二、实验原理玻璃熔制过程是一个相当复杂的过程，它包括了一系列物理的、化学的、物理化学的现象和反应。物理过程：指配合料加热时水分的排除，某些组分的挥发，多晶转变以及单组分的熔化过程。化学过程：指各种盐类被加热后结晶水的排除，盐类的分解，各组分间的相互反应以及硅酸盐的形成等过程。物理化学过程：包括物料的固相反应，共熔体的产生，各组分生成物的互熔，玻璃液与炉气之间、玻璃液与耐火材料之间的相互作用等过程。由于有了这些反应和现象，由各种原料通过机械混合而成的配合料才能变成复杂的、具有一定物理化学性质的熔融玻璃液。应当指出，这些反应和现象在熔制过程中常常不是严格按照某些预定的顺序进行的，而是彼此之间有着相互密切的关系。例如，在硅酸盐形成阶段中伴随着玻璃形成过程，在澄清阶段中同样包含玻璃液的均化。为便于学习和研究，常可根据熔制过程中的不同实质而分为硅酸盐的形成、玻璃液的形成、玻璃液的澄清、玻璃液的均化、玻璃液的冷却五个阶段。纵观玻璃熔制的全过程，就是把合格的配合料加热熔化使之成为合乎成型要求的玻璃液。其实质就是把配合料熔制成玻璃液，把不均质的玻璃液进一步改善成均质的玻璃液，并使之冷却到成型所需要的粘度。因此，也可把玻璃熔制的全过程划分为两个阶段，即配合料的熔融阶段和玻璃液的精炼阶段。三、实验器材（1）高温电炉一台及其附属设备;（2）高温坩锅（100mL）；（3）研钵一个；料勺若干；（4）百分之一天平（也可用千分之一天平）；（5）坩锅钳；（6）浇注玻璃样品的模具；（7）退火用马弗炉；（8）化工原料：石英砂（SiO2），纯碱（Na2CO3）,碳酸钙（CaCO3），碳酸镁（MgCO3），氢氧化铝[Al(OH)3]等。四、实验步骤1．玻璃成分的设计首先要确定玻璃的物理化学性质及工艺性能，并依此选择能形成玻璃的氧化物系统，确定决定玻璃主要性质的氧化物，然后确定各氧化物的含量。玻璃系统一般为三组分或四组分，其主要氧化物的总量往往要达到90%(质量)。此外，为了改善玻璃某些性能，还要适当加入一些既不使玻璃的主要性质变坏，同时又使玻璃具有其他必要性质的氧化物。因此，大部分工业玻璃都使五六个组分以上。相图和玻璃形成区域图可作为确定玻璃成分的依据或参考。在应用相图时，如果查阅三元相图，为使玻璃有较小的析晶倾向，或使玻璃的熔制温度降低，成分上就应该趋向于取多组分，应选取的成分应尽量接近相图的共熔点或相界线。在应用玻璃形成区域图时，应当选择离开析晶区与玻璃形成区分界线较远的组成点，使组分具有较低的析晶倾向。为使设计的玻璃成分能在工艺实践中实施，即能进行熔制、成型等工序，必须要加入一定量的促进熔制、调整料性的氧化物。这些氧化物用量不多，但工艺上却不可少。同时还要考虑选用合适的澄清剂。在制造有色玻璃时，还需考虑基础玻璃对着色的影响。以上各点是相互联系的，设计时要综合考虑。当然，要确定一种优良配方不是一件简单的工作，实际上，为成功地设计一种具有实用意义，符合预定物化性质和工艺性能的玻璃成分，必须经过多次熔制实践和性能测定，对成分进行多次校正。本实验给出四种的Na2O-CaO-SiO2系统玻璃配方，学生可根据自己的要求进行修改。易熔玻璃的成分见表1。表1易熔玻璃成分配方A配方B配方C配方DSiO257.7054.1056.1049.00Na2O31.5028.8031.4026.90CaO5.702.707.503.20Al2O31.501.001.300.60B2O36.401.50K2O2.004.505.70MgO2.50ZnO2.30Na2SO40.50C0.70MnO21.604.50Fe2O34.70Cr2O31.00NiO0.60CuO2.502．离子着色玻璃铁、铬、锰、钴、镍、镨等过渡金属和稀土元素在玻璃中以离子状态存在，它们的价电子在不同的能级间跃迁，由此引起对可见光的选择性吸收，导致着色。玻璃的光谱特性和颜色主要决定于离子的价态及其配位体的电场强度与对称性。3．熔制温度的估计玻璃成分确定后，为了选择合适的高温炉和便于观察熔制现象。应当估计一下熔制对于玻璃形成到砂粒消失这一阶段的熔制温度，可按M.Volf提出的熔化速度常数公式进行估算：PbOOBOKONaOAlSiO31213222322根据与熔化温度的关系（见表2），可大致确定该玻璃的熔制温度。表2熔制温度与熔化温度的关系6.05.54.34.2T/℃1450-146014201380-14001320-13404．玻璃原料的选择在玻璃生产中选择原料是一件重要的工作，不同玻璃制品对原料的要求不尽相同，但有些共同原则。（1）原料质量应符合技术要求，原料的品位高、化学成分稳定、水分稳定、颗粒组成均匀、着色矿物（主要是Fe2O3）和难熔矿物（主要是铬铁矿物）要少，便于调整玻璃成分。（2）适于熔化和澄清。（3）对耐火材料的侵蚀小。玻璃熔制实验所需的原料一般分为工业矿物原料和化工原料。在研制一种新玻璃品种时，为了排除原料中的杂质对玻璃成分波动的影响，尽快找到合适的配方，一般都采用化工原料（化学纯或分析纯，也有用光谱纯）来做试验。本实验选用化工原料。当实验室研究完成，用化工原料熔制出的新型玻璃已满足各种性能要求时，进行中试和工业性实验。为了适应工业性生产的需要，需采用工业矿物原料进行熔制实验，以观察带入杂质以后对玻璃的影响。5．配料计算根据玻璃成分和所用原料的化学成分进行配合料的计算。在计算时，应认为原料中的气体物质在加热中全部分解逸出，而其分解后的氧化物全部转入玻璃成分中。此外，还须考虑各种因素对玻璃成分的影响。如某些氧化物的挥发、损失等。由于计算每批原料量时，要根据坩锅大小或欲制得玻璃的量（考虑各性能测试所需数量）来确定，本实验以制得100g玻璃液来计算各种原料的用量，在计算每种原料的用量时，要求计算到小数点后两位。例：欲熔制100g玻璃液所需碳酸镁的净用料量：23COMgOMgCO84.3240.32x11)(09.232.40132.841gx实际用量)(1.2%5.9909.2gx表3原料（假设成分）成分表原料名称氧化物名称及质量/%SiO2CaCO3MgCO3Al(OH)3Na2CO3石英砂99.78碳酸钙99碳酸镁99.5氢氧化铝99.5纯碱98.8用类似方法可算出其他用料的用量，然后按列出配料单，见表4。表4配料单原料名称石英砂碳酸钙碳酸镁氢氧化铝纯碱合计配合料A1配合料A26．配合料的制备（1）为保证配料的准确性，首先将实验用原料干燥或预先测定含水量。（2）根据配料单称取各种原料（精确到0.01）。（3）将粉状原料充分混合成均匀的配合料是保证熔融玻璃液质量的先决条件。为了使混合容易均匀及防止配合料分层和飞料，先将配合料中难熔原料如石英砂等先置入研钵中（配料量大时使用球磨罐），然后加助熔的纯碱等，预混合10-15min，再将其他原料加入混合均匀。由于本实验为小型实验，配合料量甚小，只能在研钵中研磨混合，所以不考虑加水混合。7．熔制操作（1）检查电源线路。（2）把各种配合料分别装入高铝坩锅中。为防止坩锅意外破裂造成电炉损坏，可在浅的耐火匣钵底部中垫以Al2O3粉，再将坩锅放入匣钵中，然后推入电炉的炉膛。给电炉通电，以4-6℃/min的升温速度升温到800℃。这种加热方法称为“常温加热法”。（3）在科研和生产中，玻璃熔制一般多采用“高温加热法”。即先将空坩锅放入电炉内，给电炉通电，以4-6℃/min的升温速度升温到加料温度（即800℃）后，再将配合料装入坩锅，保温0.5h。为了得到较多的玻璃料（样品），必须在此温度下多次加料，以充分利用坩锅的容积或减少配合料中低熔点物料的挥发。（4）继续升温到1000℃，保温2-3h，使玻璃液完成均化和澄清过程。玻璃保温温度和保温时间因玻璃配方不同而异。对于硼酸酐等类含有高温下产气物质的配合料，则升温速度要降低，以防物料溢出。对于未知熔制温度的新配方玻璃的熔制，可以根据有关文献初步确定玻璃的熔制温度，实验中在此温度上下约100℃的范围内，每隔20-30℃各取出一只坩锅，据此确定玻璃的熔制温度和保温时间。（5）保温结束后，从炉中取出坩锅，放入退火炉中退火，关上退火炉门，保温30min，断电，让其自然冷却。在实验室中，玻璃的成型一般采用“模型浇注法”或“破埚法”。在完成上述的熔制后，连同坩锅一起冷却并退火，冷却后再除去坩锅，得到所需要的试样是“破埚法”。将完成熔制的高温玻璃液，倾注入经预热过的金属或耐火材料模具中，然后立即置入预热至500-600℃的马弗炉中，按一定温度制度缓慢降温则是“模型浇注法”。浇铸成一定形状的玻璃可以作为理化性质和工艺性能测试试用的样品。（6）将最后的坩锅从硅碳棒电炉中取出之后，经电炉的通电电流调至最小，关闭控制器电源，在拉闸停电，让电炉自然降温。五、结果分析待装有玻璃的坩锅冷却到室温后，用小铁锤尖端敲打坩锅底和内壁，使之裂成两半。研究所得的一半，观察坩锅中心、表面、底和周壁的硅酸盐形成、玻璃形成、熔透和澄清情况，气泡多少，未熔颗粒数量，玻璃表面是否泡沫、玻璃颜色、透明度及玻璃液的其他特征，此外，应仔细研究坩锅壁特别室玻璃液面上的侵蚀特征。实验结果可按表5填写。表5玻璃高温制备实验情况记录分析表项目最高熔制温度9001200玻璃熔制情况分析熔透程度澄清情况透明度及颜色其他特征坩锅侵蚀情况研究结论六、思考题1、影响玻璃熔制的因素有那些？2、熔化玻璃时为什么会出现“溢料”现象？怎样防止？3、影响配合料均一性的因素有哪些？应如何避免？综合实验2磁性材料制备及磁参数测试Ⅰ.磁性材料制备一、实验目的1、掌握油压机的使用；2、了解高分子材料与金属粉末材料的复合方式；3、掌握复合磁体模压制备的工艺流程（分别以环氧树脂和石蜡为粘结剂）。二、实验提要复合磁性材料是通过磁性粉末（如钕铁硼磁粉、铁氧体磁粉等）与高分子材料（如环氧树脂、尼龙、石蜡、橡胶等）通过一定的成型方式（如模压、注塑、压延等）制备获得。复合磁性材料磁性能虽小于烧结类磁体的磁性能，但因为加工方便、可制备薄壁磁环、可与一些金属组件镶嵌成型、成型后后处理简单，产品的尺寸精度高等优势，因此符合现代电子器件的小型化、、轻量、便携、高可靠性等方向发展的趋势。目前，复合磁体在精密马达、小型电机等各种小型回转机械（电脑硬盘、DVD、VCD），扩音器、耳机等小型音响器件，小型计测、控制设备等领域的应用正在急速扩展之中。相比注塑和压延两种成型方式，模压成型