[科普中国]-非金属材料

简介

通常指以无机物为主体的玻璃、陶瓷、石墨、岩石以及以有机物为主体的木材、塑料、橡胶等一类材料。由晶体或非晶体所组成。无金属光泽。是热和电的不良导体(碳除外)。一般非金属材料的机械性能较差(玻璃钢除外)，但某些非金属材料可代替金属材料，是化学工业不可缺少的材料。1

无机非金属材料也和金属材料以及有机高分子材料等一样，是当代完整的材料体系中的一个重要组成部分。

起源发展原始陶器在公元前6000～前5000年中国发明了原始陶器。中国商代（约公元前17世纪初～约前11世纪）有了原始瓷器，并出现了上釉陶器。以后为了满足宫廷观赏及民间日用、建筑的需要，陶瓷的生产技术不断发展。公元 200年（东汉时期）的青瓷是迄今发现的最早瓷器。陶器的出现促进了人类进入金属时代，中国夏代（约公元前22世纪末至约前21世纪初～约前17世纪初）炼铜用的陶质炼锅，是最早的耐火材料。铁的熔炼温度远高于铜，故铁器时代的耐火材料相应地也有很大发展。

耐火材料18世纪以后钢铁工业的兴起，促进耐火材料向多品种、耐高温、耐腐蚀方向发展。公元前3700年，埃及就开始有简单的玻璃珠作装饰品。公元前1000年前， 中国也有了白色穿孔的玻璃珠。公元初期罗马已能生产多种形状的玻璃制品。1000～1200年间玻璃制造技术趋于成熟，意大利的威尼斯成为玻璃工业中心。1600年后玻璃工业已遍及世界各地区。公元前3000～前2000年已使用石灰和石膏等气硬性胶凝材料。随着建筑业的发展，胶凝材料也获得相应的发展。公元初期有了水硬性石灰，火山灰胶凝材料，1700年以后制成水硬性石灰和罗马水泥。1824年英国J.阿斯普丁发明波特兰水泥（见水泥）。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要{HotTag}成分均为硅酸盐，属于典型的硅酸盐材料。

无机非金属材料18世纪工业革命以后，随着建筑、机械、钢铁、运输等工业的兴起，无机非金属材料有了较快的发展，出现了电瓷、化工陶瓷、金属陶瓷、平板玻璃、化学仪器玻璃、光学玻璃、平炉和转炉用的耐火材料以及快硬早强等性能优异的水泥。同时，发展了研磨材料、碳素及石墨制品、铸石等。

新型无机材料20世纪以来，随着电子技术、航天、能源、计算机、通信、激光、红外、光电子学、生物医学和环境保护等新技术的兴起，对材料提出了更高的要求，促进了特种无机非金属材料的迅速发展。30～40年代出现了高频绝缘陶瓷、铁电陶瓷和压电陶瓷、铁氧体（又称磁性瓷）和热敏电阻陶瓷（见半导体陶瓷）等。50～60年代开发了碳化硅和氮化硅等高温结构陶瓷、氧化铝透明陶瓷、β－氧化铝快离子导体陶瓷、气敏和湿敏陶瓷等。后来又出现了变色玻璃、光导纤维、电光效应、电子发射及高温超导等各种新型无机材料。

分类非金属材料可分为无机材料和有机材料两大类。在机械工程中较常使用的有许多品种。

①属于无机材料的有耐火材料、陶瓷、磨料、碳和石墨材料、石棉等；

②属于有机材料的有木材、皮革、胶粘剂和高分子合成材料──合成橡胶、合成树脂、合成纤维等；

③以非金属纤维增强树脂基所构成的复合材料。2

性能用途高强度结构材料

非金属材料的密度较钢、铁、铜、铅等金属材料小得多，有些比铝、镁、钛等还轻。按比强度（强度/比重）计算，有的纤维树脂复合材料的常温比强度超过高强度钢和高强度铝。这些材料被用来制造手轮、手柄、支架、罩壳、仪表板等一般轻质结构件，也可用来制造飞机机翼和叶片、整体船艇、汽车车身和传动轴、高速纺织综框、高压容器等高强度结构件，这样可以减轻自重、增加运载能力或提高运行速度、节约能源。

减摩耐磨材料

某些无机非金属材料因硬度高而耐磨，如用金刚石、碳化硅、刚玉等制作的砂轮、砂布（纸）、油石、研磨剂和刀具，可供磨削和切削之用；有些材料因有高弹性而耐磨，如橡胶轮胎和运输皮带能抵抗泥沙、矿石、煤炭等颗粒的磨损；有些材料借其自身固有的润滑性能和低摩擦系数而能减少摩擦和磨损，如塑料、石墨、氮化硅等制成的轴承、导轨、活塞环、密封圈等机械零件，能在无油干摩擦或少油润滑条件下安全运行，这对忌油脂或不便供给油润滑的场合特别有利。

耐腐蚀材料

如陶瓷、搪瓷、石墨、铸石、塑料等的大多数品种，都能耐酸、碱、盐、有机溶剂和很多其他化学药品。如不透性石墨能抵抗浓酸和浓碱，聚四氟乙烯塑料则几乎能耐所有化学药品，甚至在氧化性最强的沸腾王水中也不受侵蚀。这些材料适于制造化工用的容器、塔器、鼓风机、泵、管、阀等机械设备和零部件。

密封材料

如橡胶、塑料、石棉和柔性石墨等因有良好的柔性和弹性而适于制造动态和静态的密封零件，如压缩机的活塞环、密封填料、O型和V型密封圈等。20世纪60年代以来，还出现了一种以树脂或橡胶为基体、称为液体密封胶的密封材料，适用于各种静态密封，使用方便。

电绝缘材料

如橡胶、塑料、陶瓷、石棉、云母、玻璃布层压板（属复合材料）都是应用广泛的电绝缘材料。

耐高温保温材料

如耐火材料、石棉、蛭石、氧化铝、耐火纤维等具有良好的高温性能和低的热导率，适用于高温窑炉如化铁炉、转炉、电炉、热处理炉、隧道窑等的炉体、内衬或保温层，以防止热量外流；塑料因传热慢，人体与之接触时有温暖感，适用于制造手轮、手柄、方向盘之类物件。

非金属材料还有一项特殊用途，就是用作耐烧蚀材料，如酚醛和石棉、石英等纤维复合制成的用于宇航方面的烧蚀部件，能在2500℃以上较长时间内燃烧、分解、散热、碳化，形成隔热层，有效地保护内部结构。此外，一些非金属材料还有消音、消振、透光、无磁性等特点，可用于制造如橡胶弹簧、避振垫片、光学透镜等零件。

非金属材料的强度一般不及金属材料高。其中无机非金属材料的共同缺点是质地脆、不耐冲击；有机非金属材料则耐热性不高，存在老化、尺寸稳定性较差等问题。

无机材料无机非金属材料也和金属材料以及有机高分子材料等一样，是当代完整的材料体系中的一个重要组成部分。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的泛称。包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型无机材料等。其中陶瓷一词，随着与陶瓷工艺相近的无机材料的不断出现，其概念的外延也不断扩大。最广义的陶瓷概念几乎与无机非金属材料的含意相同。

生产工艺分类

分为陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、碳素材料等类，同时新型材料按其生产工艺、用途和发展状况，又逐步形成一些新的材料类别，例如无机复合材料、无机多孔材料等。有些品种按习惯并入传统分类中，例如：铁电、压电陶瓷并入陶瓷；微晶玻璃、光导纤维等并入玻璃等。

主要成分分类

有的还可按照材料中的主要成分分类，有硅酸盐、铝酸盐、钛酸盐、磷酸盐、氧化物、氮化物、碳化物材料等；根据材料的用途分，有日用、建筑、化工、电子、航天、通信、生物、医学材料等。

材料性质分类

根据材料的性质分，有胶凝、耐火、隔热、耐磨、导电、绝缘、耐腐蚀、半导体材料等；根据材料的物质状态分，有晶体(单晶体、多晶体、微晶体)、非晶体及复合材料等,还可以从材料的外观形态分,有块状、多孔、纤维、晶须、薄膜材料等。

特点耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀。此外，水泥在胶凝性能上，玻璃在光学性能上,陶瓷在耐蚀、介电性能上,耐火材料在防热隔热性能上都有其优异的特性，为金属材料和高分子材料所不及。但与金属材料相比，它抗断强度低、缺少延展性，属于脆性材料。与高分子材料相比，密度较大，制造工艺较复杂。3特种无机非金属材料的特点是：

①各具特色,例如:高温氧化物等的高温抗氧化特性；氧化铝、氧化铍陶瓷的高频绝缘特性；铁氧体的磁学性质；光导纤维的光传输性质;金刚石、立方氮化硼的TodayHot}超硬性质；导体材料的导电性质；快硬早强水泥的快凝、快硬性质等。

②各种物理效应和微观现象,例如：光敏材料的光-电、热敏材料的热－电、压电材料的力－电、气敏材料的气体-电、湿敏材料的湿度-电等材料对物理和化学参数间的功能转换特性。

③不同性质的材料经复合而构成复合材料，例如：金属陶瓷、高温无机涂层，以及用无机纤维、晶须等增强的材料。

相关报道我国废旧线路板处置现状及非金属材料利用设想

摘要：本文在分析废线路板产生现状及成分组成的基础上，介绍了我国废线路板的主要处置工艺和回收利用现状，特别针对废旧线路板资源回收过程中对非金属材料重视不够的问题，提出了非金属材料回收利用的工艺设想，并对废线路板中非金属材料的利用前景进行了展望。

关键词：废旧线路板；非金属材料；回收利用

随着电子产品的广泛应用及其相应产业的高速发展，废旧电子产品包括废旧电脑、通信设备、家用电器、其它被淘汰的各种电子仪器仪表以及工业生产过程中产生的废料、废品，已成为新的环境隐患。我国电子产品的消费与生产量均处于世界前列，电子废弃物污染环境的问题也日趋突出。

作为电子工业基础的印刷线路板（PCB）可称为“电子系统产品之母”，是各类电子产品中不可缺少的关键电子互联件，广泛应用于大型计算机、办公和个人电脑、家用电器、娱乐电器及其辅助性产品等各种电子设备中。国内PCB的年销售额已占到世界电子产品总销售额的19%，年产值现已达到500亿元，仅次于日本和美国，位居世界第三位。

PCB随电子产品的淘汰而淘汰，其废弃量也随电子废弃物总量的增加而高速增长（以电脑为例，PCB占电脑总重量的8%左右），而且电子产品在加工过程中产生的大量废料、废边角料中也含有大量废PCB，因此废弃PCB所形成的电子污染已成为严峻的环境问题。

1废PCB的组成

废PCB的来源主要为PCB制造过程中产生的次品、边角料和废弃电子产品拆除组装元件的PCB基板。

PCB基板一般由高分子聚合物（树脂）、玻璃纤维或牛皮纸及高纯度铜皮（也含有少量其它金属）三种材料构成，这三种材料也是废PCB的主要成分。

废PCB料中除含有C、H、O等元素外，Br元素的含量约达9%。热值显示在适宜的燃烧条件下，废PCB能够维持燃烧，但其燃烧会放出含溴的有害气体。同时，由于废PCB料含有氯及有机物，燃烧不当易产生二恶英，造成极为严重的大气污染。PCB基板有多种类型，不同类型所含材料成分也不相同，表2所列为废PCB中金属和非金属材料的组成。

广泛用于PCB基板中的金属含量为6%～24%，非金属材料（树脂和玻璃纤维等）含量为76%～94%，非金属材料的含量远远高于金属材料的含量。

2废PCB的处理技术

2.1填埋法

废PCB如果直接填埋，则有价金属无法回收，且有害金属可能会溶出对环境造成污染。若采用填埋法，则建议采用安全填埋方式（专门设计安全填埋场且填埋前对废PCB进行固化处理），但填埋费用会大幅增加。

2.2焚烧法

焚烧法的处理流程一般是先将废板、边料粉碎至1～5cm，然后送入焚烧炉进行焚烧，得到含有金属成分和非金属焚烧灰分的固体渣，对该渣进行二次处理可较易回收到其中的金属资源。但废PCB中含较大量溴和少量的氯，焚烧会造成空气污染，特别是二恶英污染。

2.3热裂解法

热裂解法是将废板、边料粉碎后，置于密闭容器内，在一定的温度和压力下，一部分非金属材料转换为油气，金属剥落得以回收。因回收油中仍含有溴及少量金属，因此，回收油若作为燃料使用仍会造成空气污染。

2.4机械破碎-物理分离法

机械破碎-物理分离法分为干法和湿法两种。

干法：首先将废板边料粉碎成100～300μm的粒子，再以旋风分离将金属及非金属分开。金属可直接进行利用，非金属多采用填埋或堆集暂存的方式处置。但该方法产生的非金属材料体积要比原废物体积大数倍，如不能将其作为资源进行利用，其填埋和堆集都需占用较大土地面积，流失则会造成环境污染。

湿法：采用湿法破碎将废板边料粉碎至小于3mm，再以水洗摇床的方式将金属和非金属分离。该方法在粉碎过程中不会产生粉尘污染，较干法的投资少，但获得的非金属成分含有水分，填埋或再利用都需要进行后续处理。

2.5湿法化学回收金属

该方法以回收废板边料中的贵金属为主，将含贵金属的废板、边料以强酸处理，取得含贵金属和非贵金属的溶解物，再用化学方法将其还原成金、银、钯等金属产品，含有高浓度铜离子的废酸则可回收硫酸铜或电解铜。但该方法处理费用较高，产生的非金属废料无法再利用，必须进行安全填埋。

3废PCB处理现状

废PCB基板材料中金属材料和非金属材料都具有较高的经济价值，特别是金属材料的利用一直是热点，而非金属材料（如玻璃纤维强化酚醛树脂或环氧树脂）则大部分以无价值废物形式进行处置。

3.1PCB生产加工废弃边角料处理方式

深圳市和整个珠江三角洲是国内PCB生产商的集中地，该地区PCB基板的产量约占全国总产量的2/3，约3200万m2/a。每年产生的废弃PCB约32～64万m2。废边角料产生率按照1%～2%计算，仅深圳市的PCB生产加工厂家每年产生的废边角料就可达数千吨。4