机械设计毕业设计开题报告
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超硬材料薄膜涂层研究进展及应用
摘要:CVD和PVD TiN,TiC,TiCN,TiAlN等硬质薄膜涂层材料已经在工具、模具、装饰等行业得到日益广泛的应用,但仍然不能满足许多难加工材料,如高硅铝合金,各种有色金属及其合金,工程塑料,非金属材料,陶瓷,复合材料(特别是金属基和陶瓷基复合材料)等加工要求。正是这种客观需求导致了诸如金刚石膜、立方氮化硼(c-BN)和碳氮膜(CNx)以及纳米复合膜等新型超硬薄膜材料的研究进展。本文对这些超硬材料薄膜的研究现状及工业化应用前景进行了简要的介绍和评述。
关键词:超硬材料薄膜;研究进展;工业化应用
1 超硬薄膜
超硬薄膜是指维氏硬度在40GPa以上的硬质薄膜。不久以前还只有金刚石膜和立方氮化硼(c-BN)薄膜能够达到这个标准,前者的硬度为50-100GPa(与晶体取向有关),后者的硬度为50~80GPa。类金刚石膜(DLC)的硬度范围视制备方法和工艺不同可在10GPa~60GPa的宽广范围内变动。因此一些硬度很高的类金刚石膜(如采用真空磁过滤电弧离子镀技术制备的类金刚石膜(也叫Ta:C))也可归人超硬薄膜行列。近年来出现的碳氮膜(CNx)虽然没有像Cohen等预测的晶态β-C3N4那样超过金刚石的硬度,但已有的研究结果表明其硬度可达10GPa~50GPa,因此也归人超硬薄膜一类。上述几种超硬薄膜材料具有一个相同的特征,他们的禁带宽度都很大,都具有优秀的半导体性质,因此也叫做宽禁带半导体薄膜。SiC和GaN薄膜也是优秀的宽禁带半导体材料,但它们的硬度都低于40GPa,因此不属于超硬薄膜。
最近出现的一类超硬薄膜材料与上述宽禁带半导体薄膜完全不同,他们是由纳米厚度的普通的硬质薄膜组成的多层膜材料。尽管每一层薄膜的硬度都没有达到超硬的标准,但由它们组成的纳米复合多层膜却显示了超硬的特性。此外,由纳米晶粒复合的TiN/SiNx薄膜的硬度竟然高达105GPa,创纪录地达到了金刚石的硬度。
本文将就上述几种超硬薄膜材料一一进行简略介绍,并对其工业化应用前景进行评述。
2 金刚石膜
2.1金刚石膜的性质
金刚石膜从20世纪80年代初开始,一直受到世界各国的广泛重视,并曾于20世纪80年代中叶至90年代末形成了一个全球范围的研究热潮(Diamond fever)。这是因为金刚石除具有无与伦比的高硬度和高弹性模量之外,还具有极其优异的电学(电子学)、光学、热学、声学、电化学性能(见表1)和极佳的化学稳定性。大颗粒天然金刚石单晶(钻石)在自然界中十分稀少,价格极其昂贵。而采用高温高压方法人工合成的工业金刚石大都是粒度较小的粉末状的产品,只能用作磨料和工具(包括金刚石烧结体和聚晶金刚石(PCD)制品)。而采用化学气相沉积(CVD)方法制备的金刚石膜则提供了利用金刚石所有优异物理化学性能的可能性。经过20余年的努力,化学气相沉积金刚石膜已经在几乎所有的物理化学性质方面和最高质量的IIa型天然金刚石晶体(宝石级)相比美(见表1)。化学气相沉积金刚石膜的研究已经进人工业化应用阶段。
表 1 金刚石膜的性质
Table 1 Properties of chamond film
CVD 金刚石膜
天然金刚石
点阵常数 (Å)
3.567
3.567
密度 (g/cm3)
3.51
3.515
比热 Cp(J/mol,(at 300K))
6.195
6.195
弹性模量 (GPa)
910-1250
1220*
硬度 (GPa)
50-100
57-100*
纵波声速 (m/s)
18200
摩擦系数
0.05-0.15
0.05-0.15
热膨胀系数 (×10 -6 ℃ -1)
2.0
1.1***
热导率 (W/cm.k)
21
22*
禁带宽度 (eV)
5.45
5.45
电阻率 (Ω.cm)
1012-1016
1016
饱和电子速度 (×107cms-1)
2.7
2.7*
载流子迁移率 (cm2/Vs)
电子
1350-1500
2200**
空隙
480
1600*
击穿场强 (×105V/cm)
100
介电常数
5.6
5.5
光学吸收边 (□ m)
0.22
折射率 (10.6 □ m)
2.34-2.42
2.42
光学透过范围
从紫外直至远红外 ( 雷达波 )
从紫外直至远红外 ( 雷达波 )
微波介电损耗 (tan □)
< 0.0001
注:*在所有已知物质中占第一,**在所有物质中占第二,***与茵瓦(Invar)合金相当。
2.2金刚石膜的制备方法
化学气相沉积金刚石所依据的化学反应基于碳氢化合物(如甲烷)的裂解,如:
热高温、等离子体
CH4(g)一C(diamond)+2H2(g) (1)
实际的沉积过程非常复杂,至今尚未完全明了。但金刚石膜沉积至少需要两个必要的条件:(1)含碳气源的活化;(2)在沉积气氛中存在足够数量的原子氢。除甲烷外,还可采用大量其它含碳物质作为沉积金刚石膜的前驱体,如脂肪族和芳香族碳氢化合物,乙醇,酮,以及固态聚合物(如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯),以及卤素等等。
常用的沉积方法有四种:(1)热丝CVD;(2)微波等离子体CVD;(3)直流电弧等离子体喷射(DC Arc Plasma Jet);(4)燃烧火焰沉积。在这几种沉积方法中,改进的热丝CVD(EACVD)设备和工艺比较简单,稳定性较好,易于放大,比较适合于金刚石自支撑膜的工业化生产。但由于易受灯丝污染和气体活化温度较低的原因,不适合于极高质量金刚石膜(如光学级金刚石膜)的制备。微波等离子体CVD是一种无电极放电的等离子体增强化学气相沉积工艺,等离子体与沉积腔体没有接触,放电非常稳定,因此特别适合于高质量金刚石薄膜(涂层)的制备。微波等离子体CVD的缺点是沉积速率较低,设备昂贵,制备成本较高。采用高功率微波等离子体CVD系统(目前国外设备最高功率为75千瓦,国内为5千瓦),也可实现金刚石膜大面积、高质量、高速沉积。但高功率设备价格极其昂贵(超过100万美元),即使在国外愿意出此天价购买这种设备的人也不多。直流电弧等离子体喷射(DC Arc P1asma Jet)是一种金刚石膜高速沉积方法。由于电弧等离子体能够达到非常高的温度(4000K-6000K)。因此可提供比其它任何沉积方法都要高的原子氢浓度,使其成为一种金刚石膜高质量高速沉积工艺。特殊设计的高功率JET可以实现大面积极高质量(光学级)金刚石自支撑膜的高速沉积。我国在863计划"75”和"95”重大关键技术项目的支持下已经建立具有我国特色和独立知识产权的高功率De Are Plasma Jet金刚石膜沉积系统,并于1997年底在大面积光学级金刚石膜的制备技术方面取得了突破性进展。目前已接近国外先进水平。
2.3金刚石膜研究现状和工业化应用
20余年来,CVD金刚石膜研究已经取得了非常大的进展。金刚石膜的内在质量已经全面达到最高质量的天然IIa型金刚石单晶的水平(见表1)。在金刚石膜工具应用和热学应用(热沉)方面已经实现了,产业化,一些新型的金刚石膜高技术企业已经在国内外开始出现。光学(主要是军事光学)应用已经接近产业化应用水平。金刚石膜场发射和真空微电子器件、声表面波器件(SAW)、抗辐射电子器件(如SOD器件)、一些基于金刚石膜的探侧器和传感器和金刚石膜的电化学应用等已经接近实用化。由于大面积单晶异质外延一直没有取得实质性进展,n一型掺杂也依然不够理想,金刚石膜的高温半导体器件的研发受到严重障碍。但是,近年来采用大尺寸高温高压合成金刚石单晶衬底的金刚石同质外延技术取得了显著进展,已经达到了研制芯片级尺寸衬底的要求。金刚石高温半导体芯片即将问世。
鉴于篇幅限制,及本文关于超硬薄膜介绍的宗旨,下面将仅对金刚石膜的工具(摩擦磨损)应用进行简要介绍。
2.4金刚石膜工具和摩擦磨损应用
金刚石膜所具有的最高硬度、最高热导率、极低摩擦系数、很高的机械强度和良好化学稳定性的异性能组合(见表1)使其成为最理想的工具和工具涂层材料。
金刚石膜工具可分为金刚石厚膜工具和金刚石薄膜涂层工具。
2.4.1金刚石厚膜工具
金刚石厚膜工具采用无衬底金刚石白支撑膜(厚度一般为0.5mm~2mm)作为原材料。目前已经上市的产品有:金刚石厚膜焊接工具、金刚石膜拉丝模芯、金刚石膜砂轮修整条、高精度金刚石膜轴承支架等等。
金刚石厚膜焊接工具的制作工艺为:金刚石自支撑膜沉积→激光切割→真空钎焊→高频焊接→精整。金刚石厚膜钎焊工具的使用性能远远优于PCD,可用于各种难加工材料,包括高硅铝合金和各种有色金属及合金、复合材料、陶瓷、工程塑料、玻璃和其它非金属材料等的高效、精密加工。采用金刚石厚膜工具车削加工的高硅铝合金表面光洁度可达V12以上,可代替昂贵的天然金刚石刀具进行“镜面加工"。金刚石膜拉丝模芯可用于拉制各种有色金属和不锈钢丝,由于金刚石膜是准各向同性的,因此在拉丝时模孔的磨损基本上是均匀的,不像天然金刚石拉丝模芯那样模孔的形状会由于非均匀磨损(各向异性所致)而发生畸变。金刚石膜修整条则广泛用于机械制造行业,用作精密磨削砂轮的修整,代替价格昂贵的天然金刚石修整条。这些产品已经在国内外市场上出现,但目前的规模还不大。其原因是:(1)还没有为广大用户所熟悉、了解;(2)面临其它产品(主要是PCD)的竞争;(3)虽然比天然金刚石产品便宜,但成本(包括金刚石自支撑膜的制备和加工成本)仍然较高,在和PCD竞争时的优势受到一定的限制。
高热导率(≥10W/em.K)金刚石自支撑膜可作为诸如高功率激光二极管阵列、高功率微波器件、MCMs(多芯片三维集成)技术的散热片(热沉)和功率半导体器件(Power ICs)的封装。在国外已有一定市场规模。
在国内,南京天地集团公司和北京人工晶体研究所合作在1997年前后率先成立了北京天地金刚石公司,生产和销售金刚石膜拉丝模芯、金刚石膜修整条和金刚石厚膜焊接工具及其它一些金刚石膜产品。该公司大约在2000年左右渡过了盈亏平衡点,但目前的规模仍然不很大。国内其它一些单位,如北京科技大学、河北省科学院(北京科技大学的合作者)、吉林大学、核工业部九院、浙江大学、湖南大学等都具有生产金刚石厚膜工具产品的能力,其中有些单位正在国内市场上小批量销售其产品。
2.4.2金刚石薄膜涂层工具
金刚石薄膜涂层工具一般采用硬质合金工具作为衬底,金刚石膜涂层的厚度一般小于30lxm。金刚石薄膜涂层硬质合金工具的加工材料范围和金刚石厚膜工具完全相同,在切削高硅铝合金时一般均比未涂层硬质合金工具寿命提高lO~20倍左右。在切削复合材料等极难加工材料时寿命提高幅度更大。金刚石薄膜涂层工具的性能与PCD相当或略高于PCD,但制备成本比PCD低得多,且金刚石薄膜可以在几乎任意形状的工具衬底上沉积,PCD则只能制作简单形状的工具。金刚石薄膜涂层工具的另一大优点是可以大批量生产,因此成本很低,具有非常好的市场竞争能力。
金刚石薄膜涂层硬质合金工具研发的一大技术障碍是金刚石膜与硬质合金的结合力太差。这主要是由于作为硬质合金粘接剂的Co所引起。碳在Co中有很高的溶解度,因此金刚石在Co上形核孕育期很长,同时Co对于石墨的形成有明显的促进作用,因此金刚石是在表面上形成的石墨层上面形核和生长,导致金刚石膜和硬质合金衬底的结合力极差。在20世纪80年代和90年代无数研究者曾为此尝试了几乎一切可以想到的办法,今天,金刚石膜与硬质合金工具衬底结合力差的问题已经基本解决。尽管仍有继续提高的余地,但已经可以满足工业化应用的要求。在20世纪后期,国外出现了可以用于金刚石薄膜涂层工具大批量工业化生产的设备,一次可以沉积数百只硬质合金钻头或刀片,拉开了金刚石薄膜涂层工具产业化的序幕。一些专门从事金刚石膜涂层工具生产的公司在国外相继出现。
目前,金刚石薄膜涂层工具主要上市产品包括:金刚石膜涂层硬质合金车刀、铣刀、麻花钻头、端铣刀等等。从目前国外市场的销售情况来看,销售量最大的是端铣刀、钻头和铣刀。大量用于加工复合材料和汽车工业中广泛应用的大型石墨模具,以及其它难加工材料的加工。可转位金刚石膜涂层车刀的销售情况目前并不理想。这是因为可转位金刚石膜涂层刀片的市场主要是现代化汽车工业的数控加工中心,用于高硅铝合金活塞和轮毂等的自动化加工。这些全自动化的数控加工中心对刀具性能重复性的要求十分严格,目前的金刚石膜涂层工具暂时还不能满足要求,需要进一步解决产品检验和生产过程质量监控的技术。
目前国外金刚石膜涂层工具市场规模大约在数亿美元左右,仅仅一家只有20多人的小公司(美国SP3公司),去年的销售额就达2千多万美元。
国内目前尚无金刚石膜涂层产品上市。国内不少单位,如北京科技大学、上海交大、广东有色院、胜利油田东营迪孚公司、吉林大学、北京天地金刚石公司等都在进行金刚石膜涂层硬质合金工具的研发,目前已在金刚石膜的结合力方面取得实质性进展。北京科技大学采用渗硼预处理工艺(已申请专利)成功地解决了金刚石膜的结合力问题,所研制的金刚石膜涂层车刀和铣刀在加工Si-12%AI合金时寿命可稳定提高20-30倍。并已成功研发出“强电流直流扩展电弧等离子体CVD"金刚石膜涂层设备(已申请专利)。该设备将通常金刚石膜沉积设备的平面沉积方式改为立体(空间)沉积,沉积空间区域很大,可容许金刚石膜涂层工具的工业化生产。该设备可保证在工具轴向提供很大的金刚石膜均匀沉积范围,因此特别适合于麻花钻头、端铣刀之类细长且形状复杂工具的沉积。目前已经解决这类工具金刚石膜沉积技术问题,所制备的金刚石膜涂层硬质合金钻头在加工碳化硅增强铝金属基复合材料时寿命提高20倍以上。目前能够制备的金刚石膜涂层硬质合金钻头最小直径为lmin。目前正在和国内知名设备制造厂商(北京长城钛金公司)合作研发工业化商品设备,生产能力为每次沉积硬质合金钻头(或刀片)300只以上,预计年内可投放国内外市场。
3 类金刚石膜(DLC)
类金刚石膜(DLC)是一大类在性质上和金刚石类似,具有8p2和sp3杂化的碳原子空间网络结构的非晶碳膜。依据制备方法和工艺的不同,DLC的性质可以在非常大的范围内变化,既有可能非常类似于金刚石,也有可能非常类似于石墨。其硬度、弹性模量、带隙宽度、光学透过特性、电阻率等等都可以依据需要进行“剪裁”。这一特性使DLC深受研究者和应用部门的欢迎。
DLC的制备方法很多,采用射频CVD、磁控溅射、激光淀积(PLD)、离子束溅射、真空磁过滤电弧离子镀、微波等离子体CVD、ECR(电子回旋共振)CVD等等都可以制备DLC。
DLC的类型也很多,通常意义上的DLC含有大量的氢,因此也叫a:C—H。但也可制备基本上不含氢的DLC,叫做a:c。采用高能激光束烧蚀石墨靶的方法获得的DLC具有很高的sp3含量,具有很高的硬度和较大的带隙宽度,曾被称为“非晶金刚石”(Amorphorie Diamond)膜。采用真空磁过滤电弧离子镀方法制备的DLC中sp3含量也很高,叫做Ta:C(Tetragonally Bonded Amorphous Carbon)。
DLC具有类似于金刚石的高硬度(10GPa-50GPa)、低摩擦系数(0.1一0.3)、可调的带隙宽度(1_2eV~3eV)、可调的电阻率和折射率、良好光学透过性(在厚度很小的情况下)、良好的化学惰性和生物相容性。且沉积温度很低(可在室温沉积),可在许多金刚石膜难以沉积的衬底材料(包括钢铁)上沉积。因此应用范围相当广泛。典型的应用包括:高速钢、硬质合金等工具的硬质涂层、硬磁盘保护膜、磁头保护膜、高速精密零部件耐磨减摩涂层、红外光学元器件(透镜和窗口)的抗划伤、耐磨损保护膜、Ge透镜和窗口的增透膜、眼镜和手表表壳的抗擦伤、耐磨掼保护膜、人体植入材料的保护膜等等。
DLC在技术上已经成熟,在国外已经达到半工业化水平,形成具有一定规模的产业。深圳雷地公司在DLC的产业化应用方面走在国内前列。不少单位,如北京师范大学、中科院上海冶金所、北京科技大学、清华大学、广州有色院、四川大学等都正在进行或曾经进行过DLC的研究和应用开发工作。
DLC的主要缺点是:(1)内应力很大,因此厚度受到限制,一般只能达到lum~21um以下;(2)热稳定性较差,含氢的a:C-H薄膜中的氢在400℃左右就会逐渐逸出,sp2成分增加,sp3成分降低,在大约500℃以上就会转变为石墨。
5 碳氮膜
自从Cohen等人在20世纪90年代初预言在C-N体系中可能存在硬度可能超过金刚石的β-C>3N4相以后,立即就在全球范围内掀起了一股合成β-C3N4的研究狂潮。国内外的研究者争先恐后,企图第一个合成出纯相的β-C3N4晶体或晶态薄膜。但是,经过了十余年的努力,至今并无任何人达到上述目标。在绝大多数情况下,得到的都是一种非晶态的CNx薄膜,膜中N/C比与薄膜制备的方法和具体工艺有关。尽管没有得到Cohen等人所预测超过金刚石硬度的β-C3N4晶体,但已有的研究表明CNx薄膜的硬度可达15GPa-50GPa,可与DLC相比拟。同时CNx薄膜具有十分奇特的摩擦磨损特性。在空气中,cNx薄膜的摩擦因数为O.2-O.4,但在N2,CO2和真空中的摩擦因数为O.01-O.1。在N2气氛中的摩擦因数最小,为O.01,即使在大气环境中向实验区域吹氮气,也可将摩擦因数降至0.017。因此,CNx薄膜有望在摩擦磨损领域获得实际应用。除此之外。CNx薄膜在光学、热学和电子学方面也可能有很好的应用前景。
采用反应磁控溅射、离子束淀积、双离子束溅射、激光束淀积(PLD)、等离子体辅助CVD和离子注人等方法都可以制备出CNx薄膜。在绝大多数情况下,所制备薄膜都是非晶态的,N/C比最大为45%,也即CNx总是富碳的。与C-BN的情况类似,CNx薄膜的制备需要离子的轰击,薄膜中存在很大的内应力,需要进一步降低薄膜内应力,提高薄膜的结合力才能获得实际应用。至于是否真正能够获得硬度超过金刚石的B-C3N4,现在还不能作任何结论。
6 纳米复合膜和纳米复合多层膜
以纳米厚度薄膜交替沉积获得的纳米复合膜的硬度与每层薄膜的厚度(调制周期)有关,有可能高于每一种组成薄膜的硬度。例如,TiN的硬度为2l GPa,NbN的硬度仅为14GPa,但TiN/NbN纳米复合多层膜的硬度却为5lGPa。而TiYN/VN纳米复合多层膜的硬度竞高达78GPa,接近了金刚石的硬度。最近,纳米晶粒复合的TiN/SiNx薄膜材料的硬度达到了创记录的105GPa,可以说完全达到了金刚石的硬度。这一令人惊异的结果曾经过同一研究组的不同研究者和不同研究组的反复重复验证,证明无误。这可能是第一次获得硬度可与金刚石相比拟的超硬薄膜材料。其意义是显而易见的。
关于为何能够获得金刚石硬度的解释并无完全令人信服的定论。有人认为在纳米多层复合膜的情况下,纳米多层膜的界面有效地阻止了位错的滑移,使裂纹难以扩展,从而引起硬度的反常升高。而在纳米晶粒复合膜的情况下则可能是在TiN薄膜的纳米晶粒晶界和高度弥散分布的纳米共格SiNx粒子周围的应变场所引起的强化效应导致硬度的急剧升高。
无论上述的理论解释是否完全合理,这种纳米复合多层膜和纳米晶粒复合膜应用前景是十分明朗的。纳米复合多层膜不仅硬度很高,摩擦系数也较小,因此是理想的工具(模具)涂层材料。它们的出现向金刚石作为最硬的材料的地位提出了严峻的挑战。同时在经济性上也有十分明显的优势,因此具有非常好的市场前景。但是,由于还有一些技术问题没有得到解决,目前暂时还未在工业上得到广泛应用。
可以想见随着技术上的进一步成熟,这类材料可能迅速获得工业化应用。虽然钠米多层膜和钠米晶粒复合膜已经对金刚石硬度最高的地位提出了严峻的挑战,但就我所见,我认为它们不可能完全代替金刚石。金刚石膜是一种用途十分广泛的多功能材料,应用并不局限于超硬材料。且金刚石膜可以做成厚度很大(超过2mm)的自支撑膜,对于纳米复合多层膜和纳米复合膜来说,是无论如何也不可能的。
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11、基于GNSS的农业机械定位与姿态获取系统
12、一种冗余机械臂多目标轨迹优化方法
13、基于湍流模型的高速螺旋槽机械密封稳态性能研究
14、基于多楔现象的微孔端面机械密封泄漏率分析及孔形设计
15、牵引变电站直流断路器机械状态监测与故障诊断研究
16、方钢管混凝土柱卡扣机械连接试验及有限元分析
17、机械电子工程与人工智能的关系
18、机械法与机械-酶消化法制备大鼠膈肌组织单细胞悬液的比较
19、机械制造工艺及精密加工技术研究
20、腐蚀减薄对X80钢管机械损伤凹陷过程中应力应变的影响
21、基于驻极体材料的机械天线式低频通信系统仿真研究
22、基于"J型锁芯"的机械锁芯结构创新分析
23、浅析我国烟草机械技术的发展现状和趋势
24、液滴分析仪的机械结构设计
25、化工机械密封件损伤数值模拟及维修对策探讨
26、一种镍基单晶高温合金的反相热机械疲劳行为
27、浅谈机械数控技术的应用现状和发展趋势
28、数控机械加工进刀工艺优化措施分析
29、基于STM32六自由度机械臂发展前景
30、机械工程自动化技术存在的问题及对策探析
31、机械设计制造的智能化发展趋势综述
32、RFID在机械加工中的应用探究
33、试论船舶机械设备维修保养中的常见故障及排除方法
34、探讨港口流动机械预防性维护保养
35、关于端盖零件机械加工工艺的设计要点分析
36、关于机械加工工艺对零件加工精度的影响研究
37、现代机械制造及加工技术分析
38、论机械设计加工中需要注意的问题
39、基于机械设计制造中零件毛坯选择的研究与应用
40、机械零件加工精度影响因素探析
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生活中有许多被人们随手丢弃的所谓的垃圾——如废纸、喝完水的瓶子等,其实并不是已经完全没有用处了,只是人们总认为没有时间与精力思考它能否再利用,没想过要开动脑筋将废物利用。目前,我们各个班级在节能减排的号召下,正极力思索节约的方式,我们便有灵感不谋而合地提出了这个研学课题。我们的课题旨在自己动手动脑将身边的废物利用起来,找到一些办法为这些废品找到合适的“出路”,增添生活的乐趣,并带动其他人一起更好的利用身边的废物,变废为宝。
新的组员,新的工作,我们首先合理讨论、安排研学活动,按照个人因素较合理分工,初步制定计划。废物的处理和利用有悠久的历史。我国人民早在春秋战国时期就兴建了厕所积肥,印度等亚洲国家,自古以来就有利用粪便和垃圾堆肥的习俗。经济与科技发达的现代,世界各国本着可持续发展,努力追求废物资源化。现今社会更是流行废物利用DIY,将其变为娱乐活动,却能积少成多造福社会乃至人类。我们研究的所谓“生活中的废物利用”,就是要从生活点滴的废物之中产生思考,得到灵感与启发,并在可能的情况下用自己的智慧将看似用不上的小东西再次应用到生活中来,使物超所值。我们主要的研究对象自然如题目所说是废旧的报纸、塑料、易拉罐。
为更好的开展这项研学,我们首先需要了解大众对于废物利用及上述三类废物的了解、看法、重视程度和处理方法。为此,我们精心制作调查问卷,筛选问题及所提供选项。有了第一次研学的经验,我们也知道问卷形式须在简洁上先吸引人,再在内容的提问方式和选项上令人不感到厌烦。终于,我们成功以问卷形式了解到不同人群对于废物利用都并不是很关注和重视,真正能静下心来实践的人更为寥落。看来,生活中,废物利用还真是件必须及时让大家重视的事。
从接下来的网上调查综合一些相关的新闻报道来看,生活中废物利用的方式方法极多。用废瓶子做花瓶,用废报纸遮灰尘等方法其实早已普遍应用于各家各户。高级一些的废物利用与此的理念是相同的,只是以摆设和电器居多,加入了许多科技和工艺创新的元素。通过调查发现:人们普遍不重视废物利用、资源节约;生活中存在大量具有潜在可利用性的“废物”
继续深入探究,有了概念性的感知和实际情况的掌握,我们从生活入手,在校园各地及住宅区内和街上实地考察——与垃圾箱亲密接触一番,记录现象,深入思考,探讨其中废物利用的可能性与可行性。
首先是报纸。报纸是信息的传达方式之一,由于具有时效性,人们在家里、地铁上等地看完了的报纸便基本没了用处。其害处主要来自印刷油墨,油墨含有有害成分铅,报纸印刷工人长期接触油墨,容易引起铅中毒。其实,报纸除了可以做草稿纸、包裹东西或甚至折纸飞机做娱乐用品外,还可以用大量废报纸制成实用家具——如沙发等,当然这需要足够多的原料,或是小工艺品——如笔帽、小挂件,或是更夸张一点的,服饰等。
其次就是塑料。塑料应用于生活的面很广,从塑料袋、保鲜膜,到饮料瓶、塑料盘、碗等,随处可见其身影,且形状各异,更应该是回收再利用的一大类很好的东西。校园之中,由于买水的同学很多,大多数班级采取卖瓶子赚取班费的方法,使塑料二次发挥其作用。但据我们研究发现,就地取材,用饮料瓶及瓶盖制作成简单的工艺品——风铃、花篮,钥匙链等,学习用具——笔筒等,甚至精细加工、配以其他材料可制作成挂灯、台灯等。
最后就是易拉罐了。生活中,我们喝一听饮料大概是最能见到易拉罐的时候了。它一般是一种很贵重的铝合金,偶尔有铁制的,在手工上可塑性极强,比塑料的改良更加简单易行。每个易拉罐重18.5克,45000个就是一吨。我们将它看作金属材料,它可制成各种手工艺品,如:风车、乐器、飞机、汽车、金属贴花等。如果有条件,我们也可将它应用于学习中,用铝和碳制电池,小做一下化学探究。
以上三类废物在生活中使用普遍,再利用可能性大,还可综合起来变废为宝——如用易拉罐与塑料盘制鞋架等。其他东西也很有利用价值,只不过这次还没有机会探究。但我们很提倡大家能够捡起身边的废物,用智慧最大限度地发挥它的作用!
我想,就此,我们可以向学校建言献策:
可采用分类垃圾箱,并回收可利用材料,或统一自找途径再利用,或向全体学生征集回收再利用的方案,也可举办废物利用小作品的比赛以增强同学们对此的重视程度。
光用眼睛看过,而不动动手实践一下,是不能让这次废物利用的探究在每个人脑海里留下深刻印象的。调查了那么多,也是该我们亲自发挥,“研制”新的废物利用作品的时候了。于是,我们集体合作,奇思妙想,一起制作出硬纸板笔袋、简易易拉罐机身手电筒、报纸服饰等很练脑力与动手能力的废物利用小作品。原来,真的是没有做不到的,只有想不到的!如果遇到生活中的那些废物不是被随手扔掉,而是发掘其可用之处,最大限度将废物再利用起来,那么这个社会上将会减少多少垃圾?减少多少不必要的污染?生活中的废物利用之意义也就在于此处了。
回顾我们从开学到解题的研学过程,我们的课题其实是很大很广的。但因为贴近生活,随时所见皆可以作为研学的一份材料,研究性学习进展得相对顺利。问题的探讨都是存在于我们身边的或关系到我们生活质量的,这使得大家的积极性有一定的提高。过程中,我们也并不是没有遇到问题的。大家在一起探讨问题——据说如此才能碰撞出智慧的火花。我们思维方式有所不同,一项活动的确定不可一人决断,但大家都能求同存异,不因个人原因而影响整体研究的进程。我们的动手制作是最有创新、也最考验我们能力的一项活动,共同制作不是一个人做的好就可以,几个人行动上的配合和思想上的统一花费了我们不少时间,但大家都能耐心制作,积极配合彼此,不因一点小摩擦就赌气不干。云云。这样的问题相信每个组都会存在,而我们也可以自豪的说我们并没有被它绊倒。所以,总体上——即无论课题本身还是组内,此次研学是成功的。当然,这整个过程中也有一些遗憾。我们本想更好探究大规模废物利用的方法,去垃圾处理厂实地考察和咨询,但始终因为种种原因没有时间前往,使此项计划就此搁浅。
总而言之,此次研学让我们都增长了不少知识,我们在彼此的磨合中突破着自我。也许我们提出的问题还并没有恰到好处,我们的调查还不够全面,总结的内容还不够深入,我们掌握的知识还远不够,因为学校研学和我们学生的身份必定有一些局限性。我们会再接再厉!每一次研学都是一次收获!但愿生活中,当你准备处理一堆垃圾的时候,还能想到有许多废物也是可以利用的,并真的切实做到。
我们的调查问卷
1、你平时是否注意将可能有利用性的生活、学习上的废物留下以待它用?
是(38.5% ) 否 ( 61.5% )
2、你的班级平时会从学校废物中回收有用的东西吗?
是 ( 50% ) 否(50% )
3、你是否有将身边的废物变废为宝的兴趣?
是 ( 44.5% ) 否 (55.5% )
4、你有将废纸或易拉罐等具有可利用性的废物分类回收的习惯吗?
是 (61.5% ) 否 (38.5% )
5、你有过将具有可利用性的废物变废为宝的经历吗?
有( 71.5% ) 无( 28.5% )
我们的研学最终制作——变废为宝:
简易手电筒
“心有所薯”食品盒制成的笔盒
报纸制衣
化学是研究物质的性质、组成、结构、变化和应用的科学。自有人类以来就开始了对化学的探索,因为有了人类就有了对化学的需求。它与我们的生活息息相关,在我们的日常生活中无处不在。下面是我为大家收集关于健康生活与无处不在的化学论文模板,欢迎借鉴参考。
浅谈生活中无处不在的化学
前言:生活中到处都涉及化学,了解化学不仅仅帮我们提高生活质量,而且能提高我们对世界的认识,更好地保护人类的生存环境。
正文:
毫无疑问因为化学而有了很多物质上的创新。因为化学家们的实验工作,我们才有了塑料、玻璃、药物、火药和电子产品等。这些东西又是怎样研制成的呢化学家们先是提出问题再构成假设,假设是任何科学实验的基础,根据假设反复进行科学实验。我们日常生活中不同的烹饪牛排的 方法 和蒸馏上乘的威士忌的方法都是透过实验而得知。化学是我们日常常生活的一部分,不管我们意识到与否,化学渗透到生活的每一方面。烹饪技术高超的家庭主妇从某种好处上说就是一名化学家。怎样将食品中的化学成分调配好是一门艺术。烧烤完全是化学反应,你烧烤的食物好坏在于化学成分的调配。蔗糖受热熔化会转成焦糖。了解这一点,就能做出使人食欲顿开的食物。另一方面烧烤用的苏打和食物是化学在现实生活中应用的典范。我们懂得食用油和酱油会因为氧化反应而变质同时色彩发生变化因此我们能够观察色彩而辨别食用油和酱油是否安全食用。我们用特氟龙锅来油煎食物,用铁锅来做汤,这些全包含化学原理。我们都明白水和空气的基本成分,也明白生活中诸多用化学方法制成的产品如食盐,含氢和氯的酸性物质,还有蔗糖。了解这些能帮忙我们记住元素周期表上化学元素的缩写。这能帮忙我们解除生活中的遇到的许多复杂化学名称。了解物质之间
的阳性反应。能帮忙你处理日常事务,而了解物质间的阴性反应会挽救你的生命,阴性化学反应能造成伤害性的条件,如爆炸、烧伤和有害气体。
某些化合物放在一齐能消除异味。市场上很多产品就是利用这一化学原理来消除异昧的。在医药上,所有的药物都是透过化学反应制成的。还有采用将物质混合起化学反应来杀菌比药物治疗要有效的多,这也是在利用化学原理。很多软膏和消毒剂还有一些肥皂洗涤剂等都是利用这些化学混合物的作用制成的。另外医学上常说的胶化、胶质和悬胶这些术语都是来自化学。化妆品都内含化合物,脱毛剂之所以能脱毛是因为物质之间的化学反应。
化学反应能释放能量,由这一原理燃料发动机得以发明创造并工作。热传导或热传递是热学原理在现实生活的应用。如做饭时要点燃液态天然气带给热能。
我们明白我们呼吸时吸收的是氧气,将氧气与氮气和二氧化碳气体分开,人体需要的是氧气,所以当我们看到烟烟主要包含一氧化碳,而一氧化碳浓度较大的气体对人体有害,甚至会使人窒息而亡)或闻到臭味的东西时如硫化氢气体,我们会屏住呼吸或者捂住鼻子以防止异味气体进入我们的呼吸系统。我们的饮食完全是化学。我们的饮料和食物之间将有化学反应。唾液会感知到食物的酸甜苦辣。之后饮料和食物将和人体消化器官内的酶发生化学反应以获得卡路里,蛋白质、维他命或者是矿物质,这些都是人体的健康所必需的。了解这些我们就不会吃那些对我们的身体有害的东西。热的食物和饮料不能放
在塑料盘子和塑料杯子里。如果放了,塑料物质会溶进饮料和食物当中,而塑料物质对人体是有害的。.
我们在穿衣服时,看衣服的色彩就明白衣服是否发霉。我们的汗液基本上呈酸性,所以当汗液粘在衣服上如果不及时除掉,衣服会变黄。我们佩戴的饰品、穿的鞋同样也是这样。所有这些都包含化学原理。
总而言之,化学在我们身边。我们呼吸的空气,我们吃的食物,我们人体与物质的科学影响着我们的健康。了解化学就是在了解你身边的世界。了解得越多就越能健康的生活。
课程感想:接下来是我的一些关于学习本课程的感想:本课程与其他课程最大的不同点就是大部分课程都在实验室中进行。透过做各种各样的搞笑的实验,我不仅仅锻炼了自己的动手潜力,更是增加了对于学习化学的兴趣。原先化学与我们的生活是如此地接近,原先我们能够利用化学知识做出这么多东西来,这是我在上这门课之前所未曾想到的。尽管在这门课上我们做的实验仅仅是一些很简单很表面的实验,但也正是这些简单的实验才能激发对于化学兴趣,对于研究问题的用心性和探索潜力,这是这门课有别于其他地方的存在,也是最让我印象深刻的地方。
化学需要回归生活
在如今学子遍布的年代我不相信还有人不明白化学,有人把它当作一门课,有人把它当作一门科学,也有人认为它是一种艺术。从两百多年前它被正式确立以来,可谓发展迅速,然而这种迅速并不比数学、物理乃至其他自然科学快步多少,甚至于没有其他自然科学的进步就不会有化学的大发展。举例而言,没有量子理论的建立,就没有现代化学。当多少“砖家”还在高呼“社会离不开化学,让更多的人了解化学”之类高傲言论,人们对化学的兴趣反而减少了。社会离不开化学,但社会也同样离不开其他一切,不至于这些专家脑子里除了化学装不了其他。我难以想象一堆专家对着日常生活的吃喝拉撒去评论它们的组成、结构、性质乃至变化的画面。
化学是普通的,和其他千千万万学科知识一样,都是我们生活的一个组成部分,没有等阶之差,更不该被所谓的魔化。一个熟知化学的人会因为生活中的种种现象能被解释而欣慰,一个不了解化学的人也会因无需关注缘由,自由无虑开怀。何况一个熟悉计算机内部结构的未必使的好计算机,而一个玩的好计算机的人未必熟悉其内部构造。
诚然,化学的发展带给了人类日新月异的生活,小到日常生活随处用到的塑料袋,大到一个国家的石油化工,化学带给了人们前所未有的生活体验。然而带来这些的根本是人类对未知不断探求的结果。第一个吃螃蟹的人是可敬的,然而即使无人吃螃蟹,螃蟹也不会丧失它的美味。化学是人与自然之间的一扇门,这一扇门的有无并不影响自然的存在与否。我们透过这扇门了解自然,我们赞美这扇门,但自然的神奇并非有了这扇门才存在,何况了解自然并非这一道门。
现实中,太多的人关注这扇门的材质纹理,以致忘了门后的自然世界。以化学实验来说,众所周知,化学是实验的科学,化学学科建立之初,人们用实验验证未证实的理论或是发现未知的物质。然而,此刻提起实验人们想到的不是实验目的,而是高大上的实验室和实验设备,甚至是令人眼红的实验经费。为了什么做实验早已被忘得一干二净,仿佛只要有豪华的装置一切实验毫无疑问均可成功,既然一切实验都是成功的,什么目的再关注自然没有好处,连宇宙都能够按照人为意志演化了。
没有高大上的实验配置,实验无法成功,自然无需去做。我在一个地级市上
高中,校园以物资不足为由三年中学生只进三次实验室,一次参观,两次简单地摸摸瓶瓶罐罐,做个酸碱反应之类。至于其他校园,比可观之。
汉弗莱·戴维在十九世纪初用伏打电池发现了钾、钙、镁等金属,是化学发现史上发现元素最多的人。当时的实验条件可想而知,伏打电池作为电池界的老祖宗什么状况大家也很容易想象,如此恶劣的条件下戴维都能发现多种金属可见做实验与实验条件毫无关联。不幸的是太多校园以实验条件不行制约学生的实验操作潜力,连一些老师都以“校园实验室太简陋”为由避开实验课操作。
然而化学实验并没有什么高大上和不可触及,我们经常听到衣服脏了用汽油洗、用食盐洗之类都是化学实验,是生活中的化学实验,是抛弃了豪华外衣的化学实验。事实上,只要你想,随时都可进行实验,进行你所求目的,所解疑问的实验。
多少人从初中学到大学,应对一本比一本厚的化学书,没见到一个日常生活中能够做的实验。上百页的书,上百页的理论,一个又一个名词,一个又一个术语,就是不见一个能做的实验事实。甚至于一本四五百页的有机化学学完,还分不清手里拎的塑料袋到底是聚乙烯还是聚丙烯。偏偏这时一进教室,老师教你的是聚异戊二烯之类。
我不想说我们学了一堆不靠谱的理论,但我们确实学了一堆虚无理论。好比有人问老子何为道,老子回答说:“道可道,十分道。”那么到底什么是道呢?道可道,十分道!
化学是门伟大的科学,但它的基础是实用。多少人看不懂计算机理论书籍,但使用起计算机无比熟练同样多少人看得懂化学理论,做起实验一个比一个生疏,甚至一个博士后能把实验室和自己一块炸了。计算机几十年发展迅速,因为每一个计算机行家都在实践操作。计算机行业黑客出了无数,写理论书的黑客没有几个化学行业诺贝尔奖每年一两个,却连初中老师都出版教材。
化学教学需要脱离空无高大上的理论,回到基础的实用性上,至少,回归生活。能把一个学生教到分不清塑料袋是聚乙烯还是聚丙烯的学科,哪怕它是宇宙的终极理论也毫无用处。化学是生活的学科,教会学生天然气是甲烷不是一氧化碳比教会他碳纳米管是什么远要有用。
我在那里无意提一些生活中的化学知识,例如化妆品,酒水饮料,食物之类,
这些网上随处可寻。可就是这些网上随处可寻得知识在大多中学禁止学生上网的禁令下,书上也不教,以致一些到了大学便不再上化学课的学子一生都不明白。当然,生活中的化学并非酒水等能够概全,我们也需要明白一些理论知识,但是立足于可观事实之上的理论,不是你给我说什么链式反应之类,它是真的是假的又如何,我还能去找国家主席申请一个原子弹炸炸试试,就说为了验证链式反应?然后原子弹炸了我说链式反应是真的,万一没炸我说链式反应是假的,或者防止偶然状况,再申请一个继续炸?
我想大家都没有傻到这种地步。
当然,这并不是说高深理论毫无用处。人类是探索型生物,对一切未知都有着无比的好奇心。然而高楼平地起,没有扎实的地基在豪华的大厦也要倾倒。这也正是化学 教育 需要回归生活的好处。
浅谈化学与生活
关键词:化学生活人类
摘要:人类的生活大致可分为精神生活和物质生活两个方面,物质生活离不开物质,精神生活也离不开物质。由于化学是以物质的组成、结构、性质和应用为主要研究对象的一门科学,改造原有物质和制造新物质就成了化学的主要研究资料。本文将从:关注营养平衡、促进身心健康、生活中的材料、保护生存环境等四方面来介绍化学对人类生活的影响,进一步证明化学与人类社会密不可分的关系。
一、关注营养平衡
生命本身就是一种奇迹。只要走进大自然,无论是公园、农田、森林、草原还是崇山峻岭,江河湖海,我们都会发现有数不清的动物和植物。生命要为生存而感激太阳,同时也要感谢化学,感谢把能量转化为生命物质的化学过程。
1、糖
糖类是绿色植物光合作用的产物,对于人和大多数动物来说,属于最基本也是最廉价的能量来源。在我国居民的食物构成中,人们每一天摄取的热能中大约有75%来自糖类。糖类是由C、H、O三种元素组成的一类有机化合物,糖类也叫做碳水化合物。糖类中最重要也是最简单的糖是葡萄糖,它在自然界中分布十分广泛,存在于葡萄等带甜味的水果里。淀粉也属于糖类,主要存在于植物的种子或块根里,其中谷类含淀粉较多。例如,大米中淀粉约80%,小麦含淀粉约70%,马铃薯含淀粉约20%。淀粉虽属于糖类,但没有甜味,需要进一步化学反应转成葡萄糖才能够被人吸收。纤维素也是糖类,它不能被人类吸收,但也有重要作用,例如,它能够刺激人体消化。
2、蛋白质
蛋白质是生命的基础,没有蛋白质就没有生命。肌肉,血清,血红蛋白,毛发,指甲等都是有不同的蛋白质构成的,一切重要的生命现象和生理机能都与蛋白质密切相关。大学生每一天需要摄入80~90g蛋白质,才能满足需要,保证身体健康。蛋白质会在人体内被水解成氨基酸,然后被人体吸收。不同的食物中内含的蛋白质数量及成分不同,营养价值也不同,合理搭配各种食物,能够使氨基酸相互补充,提高膳食中蛋白质的吸收与利用。
3、油脂
油脂的主要成分是高级脂肪酸与甘油所生成的酯,叫做甘油三脂。在人体中,油脂主要在小肠中被消化吸收,实质上是脂类被酶催化水解生成高级脂肪酸和甘油,脂肪酸在人体中主要有以下几种功能:(1)供给人体热量(2)储存能量(3)合成磷脂、固醇等物质(4)参与人的生理过程如促进发育等。
4、维生素和微量元素
在20世纪初期,科学家发现,如果用只含糖类,脂肪,蛋白质和水喂养,实验动物不能存活。但加入微量牛奶后,实验动物就能正常生长了,科学家经过反复论证,实验,认为正常膳食中还务必有微量维生素,矿物质等。
二、促进身心健康
“生命在于运动”,这是人们从实际生活中 总结 出的一条真理。合理选取饮食,正确使用药物和培养良好的生活习惯是保障身心健康的重要方面,而这些都离不开化学。
1、合理选取饮食
1)水的重要性
人们每一天都要补充必须量的水分,水是人体的重要组成成分,是人体含量最多的一种物质,约占人体体重的三分之二。人体的水需要不断补充,没人每一天要补充2.5~4L水。能够说,没有水就没有生命。水是一种很好的溶剂。食物中许多物质如糖等要溶于水才能被吸收。水溶液在血管细胞间川流不息,把氧气和营养物质运送到组织细胞,又把代谢废物送到体外。此外,水还有调节体温的作用。
2)食物的酸碱性
在日常生活中,食物的选取与其酸碱性关系很大。食物的酸碱性是按食物在体内代谢最终产物的性质来分类的,有重要的生理好处。因为人体正常的生理过程对所涉及的体液都有较严格的酸碱性要求。例如在正常状况下,人体的pH总持续弱碱性范围(7.35-7.45),否则,就会出现酸中毒或碱中毒。由于人体具有自动缓冲系统,能使血液的pH总持续在正常范围内,到达生理平衡。但这种调控潜力是有限的,还需要透过选取酸性食物或碱性食物来加以控制。
3)食品添加剂
为了改善食物的色、香、味或补充食品在加工过程中失去的营养成分,以及防止食物变质等,我们经常会在食品中加入一些天然的或化学合成的物质即食品添加剂。食品添加剂的品种有许多,主要包括这几种:着色剂、调味剂、防腐剂、营养强化剂等。随着食品工业的发展,食品添加剂已经成为人类生活中不可缺少的物质。但不合理的使用食品添加剂会损害人体健康。
2、正确选取药物
统计数据证明:我国居民的平均估计寿命由1949年时的35岁,提高到2000年的70.8岁传染病在死亡病因中所占的比率由35%降到5%。其中主要原因是普遍应用了各种新型药物。化学对此做出了重大贡献。
1)人工合成药物
主要包括解热镇痛药、抗生素、抗酸药等等。解热镇痛药如阿司匹林是人们熟知的感冒药,具有镇痛作用。是第一个重要的人工合成药物。阿司匹林的应用开辟了医药化工的全新领域,是至今销量最大的药物。青霉素是最重要的抗生素,即消炎药。青霉素有阻止多种细菌生长的优异功能。抗酸药能够治疗胃痛,能中和胃里过多的胃酸,缓解胃部不适。
2)天然药物
天然药物取自植物、动物和矿物,来源丰富。化学对中药有重要好处。许多中草药的有效成分已经分离。例如具有止咳平喘功能的麻黄碱是从中药麻黄碱中提取的生物碱。
三、生活中的材料
材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础。没有半导体材料,就不可能有此刻的计算机技术没有耐高温、高强度的特殊结构材料,就不可能有这天的宇航技术没有光导纤维,就不可能有现代的光通信没有有机高分子材料,人类的生活就不可能像这天这样丰富多彩。化学是材料科学发展的基础。
1、合金
合金是由两种或两种以上的金属(或金属与费金属)熔合而成的具有金属特性的物质。合金与各成分金属相比,具有许多优良的物理、化学或机械的特性。因此,尽管目前已经制得的纯金属只有80多种,但由这些纯金属制得的合金已达数千种,大大拓展了金属材料的适用范围和价值。生活中常用的合金有铁合金、铝合金和铜合金等。
2、玻璃、陶瓷和水泥材料
一般的住宅玻璃是普通玻璃,制造普通玻璃的主要原料是纯碱,石灰石和石英。制造陶瓷的主要原料是粘土。陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点。常用的硅酸盐水泥的原料主要是石灰石和粘土。
3、金属的腐蚀和防护
金属的腐蚀现象十分普遍。例如,钢铁生锈,铜器表面生成铜绿等等。腐蚀可使金属的机械性能、色泽和外形等方面发生变化,严重时可使机器设备、仪器和仪表等报废。所以防止金属腐蚀也是亟待解决的问题。金属的腐蚀主要包括电化学腐蚀及化学腐蚀,因此要从这两方面思考来进行金属的防护:金属腐蚀的本质是金属失去电子转成阳离子的过程,越活泼的金属越易被腐蚀,因此想要保护金属,能够在要保护的金属上连接一种比该金属更活泼的金属。此外也能够在金属表面涂漆,烤蓝,加氧化膜,镀金属等等,需要根据不同的状况选取不同的防护方式。
4、塑料、纤维和橡胶材料
合成材料的品种很多,塑料,合成纤维和合成橡胶就是常说的三大合成材料。塑料的品种很多,用途各不相同,主要有:聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、脲醛塑料等等。纤维和橡胶是生活中常用的材料,合成纤维具有优良的性能,如强度高、弹性好等等。而橡胶是制造汽车、飞机和医疗器械等所必需的材料,是重要的战略物资。
四、保护生存环境
20世纪以来,随着科学技术的迅猛发展,人类创造了空前丰富的物质财富。而与此同时,自然资源的过度开发和消耗,污染物的超多排放,导致全球性的资源短缺,环境污染和生态恶化。保护环境,保护地球已成为人类的共同的呼声。
环境问题的最终解决要靠科技进步。在这个过程中,化学是大有可为的。改善大气质量,污水处理和实现垃圾的资源化等都要依靠化学方法,要依靠化学等科学的发展。
1、改善大气质量
大气的污染危害是多方面的,它即危害人体健康,又影响动植物的生长,严重时会影响地球的气候。如构成酸雨、是全球气候变暖和破坏臭氧层等。为了改善大气质量,我们应当减少煤等化石燃料燃烧产生的污染、减少汽车等机动车尾气污染,减少室内空气污染等。lwfree
2、爱护水资源
如前文介绍。水是重要的资源,同时也是宝贵的自然资源。随着工农业生产的迅速发展和人口的急剧增长,水资源日趋紧张。同时,由于废物排放,污染了水资源,加剧了水资源的短缺。水体污染主要包括:重金属污染、植物营养物质污染等等。为改善水质,最根本的 措施 是控制工业废水和生活污水的排放,例如:重复利用废水,回收废水中的有效成分,减少废水的排放量采用革新工艺,减低废水中的有用成分等。
3、垃圾资源化
垃圾处理要遵循无害化,减量化和资源化的原则,目前常用的方法有卫生填埋,堆肥和焚烧。
五、结语
综上所述,我们能够初步得出化学在当今人类追求高品质的现代化生活中,在各科学追求深入发展和进步的路途中都起着重大的作用。化学世界多姿多彩,在学习和生活实践中多掌握一些化学常识总是能够为我们的生活增加一些亮丽的色彩与更多的便捷。但也要注意化学的使用规则,按照必须的规范要求进行操作。总之,在我们身边化学无处不在,生活离不开化学,化学源于生活。
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CA6140车床后托架的加工工艺及夹具设计为本课题的研究内容,对此研究查阅的大量的资料,首先明白机械加工工艺过程就是用切削的方法改变毛坯的形状、尺寸和材料的物理机械性质成为具有所需要的一定精度、粗糙度等的零件。
为了能具体确切的说明过程,使工件能按照零件图的技术要求加工出来,就得制定复杂的机械加工工艺规程来作为生产的指导性技术文件,学习研究制定机械加工工艺规程的意义与作用就是本课题研究目的。
在整个设计过程中,我们将学习到更多的知识。
(1)我们必须仔细了解零件结构,认真分析零件图,培养我们独立识图能力,增强我们对零件图的认识和了解,通过对零件图的绘制,不仅能增强我们的绘图能力和运用autoCAD软件的能力。
(2)制订工艺规程、确定加工余量、工艺尺寸计算、工时定额计算、定位误差分析等。在整个设计中也是非常重要的,通过这些设计,不仅让我们更为全面地了解零件的加工过程、加工尺寸的确定,而且让我们知道工艺路线和加工余量的确定,必须与工厂实际的机床相适应。 这对以前学习过的知识的复习,也是以后工作的一个铺垫。
(3)在这个设计过程中,我们还必须考虑工件的安装和夹紧.安装的正确与否直接影响工件加工精度,安装是否方便和迅速,又会影响辅助时间的长短,从而影响生产率,夹具是加工工件时,为完成某道工序,用来正确迅速安装工件的装置.它对保证加工精度、提高生产率和减轻工人劳动量有很大作用。这是整个设计的重点,也是一个难点
近年来,机械制造工艺有着飞速的发展。比如,应用人工智能选择零件的工艺规程。因为特种加工的微观物理过程非常复杂,往往涉及电磁场、热力学、流体力学、电化学等诸多领域,其加工机理的理论研究极其困难,通常很难用简单的解析式来表达。近年来,虽然各国学者采用各种理论对不同的特种加工技术进行了深入的研究,并取得了卓越的理论成就,但离定量的实际应用尚有一定的距离。然而采用每一种特种加工方法所获得的加工精度和表面 质量与加工条件参数间都有其规律。因此,目前常采用研究传统切削加工机理的实验统计方 法来了解特种加工的工艺规律,以便实际应用,但还缺乏系统性。受其限制,目前特种加工 的工艺参数只能凭经验选取,还难以实现最优化和自动化,例如,电火花成形电极的沉入式 加工工艺,它在占电火花成形机床总数95%以上的非数控电火花成形加工机床和较大尺寸的模具型腔加工中得到广泛应用。虽然已有学者对其CAD、CAPP和CAM原理开展了一些研究,并取得了一些成果,但由于工艺数据的缺乏,仍未有成熟的商品化的CAD/CAM系统问世。通常 只能采用手工的方法或部分借助于CAD造型、部分生成复杂电极的三维型面数据。随着模糊 数学、神经元网络及专家系统等多种人工智能技术的成熟发展,人们开始尝试利用这一技术 来建立加工效果和加工条件之间的定量化的精度、效率、经济性等实验模型,并得到了初步 的成果。因此,通过实验建模,将典型加工实例和加工经验作为知识存储起来,建立描述特 种加工工艺规律的可扩展性开放系统的条件已经成熟。并为进一步开展特种加工加工工艺过程的计算机模拟,应用人工智能选择零件的工艺规程和虚拟加工奠定基础。
同时,在机械加工过程中,夹具占有非常重要的地位,它可靠地保证了工件的加工精度,提高了加工效率,减轻了劳动的强度,夹具的设计过程中,应深入生产实际,(对工件的图纸,工艺文件,生产纲领等分析),精心调查研究,吸取国内外的先进技术,制订出合理的设计方案。
我们都知道减少停工检修期是提高生产力、使生产能力利用系数最大化的一项重要因素。然而零件加工过程中的精确定位和装夹的重复精度也是改进效率和质量的关键。譬如柔性加工中心的产生就是为了减少产品循环周期。
目前中国制造业发展迅猛,以前的我国制造业普遍使用刚性专机加工各种各样的零部件,导致改型和生产个零部件周期较长。随着我国制造业发展和各种各种零件的需求与日俱增,加工设备和工艺也向着柔性化的方向转变。加工装备的柔性概念和需求主要体现在对设备快速性和适应性的需求上,因此制造商不得不寻求柔性和产量之间的最佳组合。当然,在满足了柔性的条件下、也有着不同的解决方案,如:模块化、可变换化、可重新配置化、在线兼容性等。不论采用哪种方案,使用高性能的液压夹具都显得尤为重要,现在,柔性专机、可重新配置的机床及专用加工中心的组合应用,使得发动机零件的加工变得越来越柔性化,具体情况取决于每个加工项目的产量配额
使用液压夹具的主要优势是能节省夹紧和松卸工件时所花的大量的时间。有关统计资料表明液压夹紧相比机械夹紧节省90%~95%的时间,缩小了生产循环周期,从而增加了产量也就意味着降低了成本。
当加工一长型铝合金零件时,刀具通过时旋转油缸可快速让开,刀具通过后可快速复位。液压夹具系统的第二项重要特点是可实现非常高的定位精度。关键在于夹紧力在定位和夹紧过程中保持恒定不变。从而确保了同一道工序下的加工质量一致性。由于变形造成的废品率将会微乎其微
夹具是机械加工不可缺少的部件,在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下,夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济的方向发展
2、本课题的基本内容,预计可能遇到的困难,提出解决问题的方法和措施
本课题的基本内容:CA6140车床后托架加工工艺及夹具设计
1、CA6140车床后托架加工工艺
1、 制订CA6140车床后托架加工工艺规程,关键是工序的划分和定位基准的选择。在设计开始的过程中,我们必须要认真分析零件图,了解其箱体零件的结构特点和相关的技术要求,对箱体零件的每一个细节,都应仔细的分析,如箱体加工表面的平行度、粗糙度、垂直度,特别是要注意箱体零件各孔系自身精度(同轴度、圆度、粗糙度等)和它们的相互位置精度(轴线之间的平行度、垂直度以及轴线与平面之间的平行度、垂直度等要求),箱体零件的尺寸是整个零件加工的关键,必须弄清箱体零件的每一个尺寸。绘制零件图是一个重点,同时因为箱体零件比较复杂,所以也是一个难点。我们采用autoCAD软件绘制零件图,一方面增加我们对零件的了解认识,另一方面增加我们对autoCAD软件的熟悉。
工序的划分
确定加工顺序和工序内容,安排工序的集中和分散程度,划分工序阶段,这项工作与生产纲领有密切关系,具体可以根据生产类型、零件的结构特点、技术要求和机床设备等。生产条件确定工艺过程的工序次数;如批量小时可采用在通用机床上工序集中原则,批量大时即可按工序分散原则,组织流水线生产,也可利用高生产率的通用设备,按工序集中原则组织生产。
定位基准的选择
根据粗基准,精基准的选择原则;遵循基准统一、基准重合。由零件图具体分析可得:CA6140车床后托架首先以一个侧面和一个孔为粗基准,对底平面A进行粗加工,再以底平面A为基准加工孔。
2、夹具设计可能遇到的问题:
工件定位是否正确,定位精度是否满足要求,工件夹紧牢固是否可靠等等。
工件在夹具中的定位精度,主要与定位基准是否与工序基准重合、定位基准与定位元件的配合状况等因素有关,可提高夹具的制造精度,减少配合间隙,就能提高夹具在机床上的定位精度,夹具中出现过定位时,可通过撤消多余定位元件,使多余定位元件失去限制重复自由度的能力,增加过定位元件与定位基准的配合间隙等办法来解决。
夹紧必须可靠,但夹紧力不可过大,以免工件或夹具产生过大变形。可采用多点夹紧或在工件钢性薄弱部位安放适当的辅助支撑。夹具的设计必须要保证夹具的定位准确和机构合理,考虑夹具的定位误差和安装误差。我们将通过对工件与夹具的认真分析,结合一些夹具的具体设计事例,查阅相关的夹具设计资料,联系在工厂看到的一些箱体零件加工的夹具来解决这些问题.
上述即为遇到困难的解决措施
3、 本课题拟采用的研究手段(途径)和可行性分析
根据不同的研究对象拟采用不同的研究手段(途径),本课题包括两方面内容:
CA6140车床后托架加工工艺的设计和夹具设计
制定工艺规程的研究途径和可行性分析
毛坯的选择:
根据生产纲领和零件结构选择毛坯,毛坯的类型一般在零件图上已有规定。对于铸件和锻件应了解其分模面、浇口、冒口位置和拔模率,以便在选择定位基准和计算加工余量时有所考虑。如果毛坯是棒料或型材,则按其标准确定尺寸规格,并决定每批加工件数。
毛坯的种类和其质量对机械加工的质量有密切的关系。同时对提高劳动生产率、节约材料、降低成本有很大的影响。CA6140车床后托架毛坯材料为灰铸铁(HT150),硬度范围在150~200HBS,承受中等载荷。采用砂型铸造方法,由于大批量生产故宜采用实体模样(金属模)进行两箱造型,这不仅简化了造型和合箱操作,还因型砂紧实度较为均匀,铸件的表面质量得到提高。在切削加工前进行石墨化退火处理,消除铸件表层和壁厚较薄的部位可能出现的白口组织(大量渗碳体出现)以便进行切削加工。
拟订工艺路线:
表示零件的加工顺序及加工方法,分出工序,安装或工位及工步等。并选择各工序所使用的机床型号、刀具、夹具及量具等。拟订工艺路线从实际出发,理论联系实际和工人结合起来。常常需要提出几个方案,进行分析比较后再确定。
计算切削用量、加工余量及工时定额:
查阅《切削用量手册》等资料并进行计算确定。目前,对单件小批量生产不规定切削用量,而是由操作工人根据经验自行选定,但对于自动线和流水线,为保证生产的节拍,必须规定切削用量,并不能随意改变。计算加工余量、工序尺寸及公差是要控制各工序的加工质量以保证最终加工质量。工时定额一般按各工厂的实际经验积累起来的统计资料来估算。随着生产的发展,工艺的改进,新工艺,新技术的不断出现,工时定额应进行相应的修改。
对机械加工工艺规程基本要求可归结为质量、生产率和经济性。虽然有时互相矛盾,但只要把它们处理好,就会成为一个统一体。在三个要求中,质量是首要的。质量表现在机械产品的各项技术性能指标,质量不能保证,根本谈不上数量;质量和生产率之间是密切联系的,在保证质量的前提下,应该不断地最大限度地提高生产率,满足生产量的要求。如果两者矛盾,则生产率要服从于质量,应在保证质量的前提下解决生产率问题。在保证质量的前提下,应尽可能的节约耗费,减少投资,降低制造成本,这就是经济性。
因此,CA6140车床后托架的工艺规程研究途径应该体现质量、生产率和经济性的统一,达到经济合理及可行的最优方案。
夹具设计的研究途径和可行性分析
CA6140车床后托架镗、铣、钻等工序使用的专用夹具,此类夹具的特点是针对性强、结构紧凑、操作简便、生产率高。
夹具设计最关键是要求对工件定位正确,且满足定位精度要求。为了解决此问题,首先得了解影响定位精度的因素。然后采取措施解决具体的问题。如定位基准与定位元件的配合状况和影响定位精度,那么可以提高夹具的制造精度,减小配合间隙就能提高夹具在机床上的定位精度。
除此之外,选择夹具的类型与结构型式必须与零件生产批量大小相适应,夹具结构与零部件应具有足够的刚度和强度,从而保证夹具操作方便、夹紧可靠、使用安全、并有合理的装卸空间。