新型復(fù)合材料不粘鍋的制作與研究

鄭國鑫，朱巧玲，莫華蓮，陳 瑩，溫建平

(嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院，廣東 梅州 514015)

0 前 言

目前市面上不粘鍋多數(shù)存在烹飪時涂層易脫落、清洗不方便、需使用專用鍋鏟、耐高溫能力較差、其高溫還會產(chǎn)生有毒物質(zhì)、無涂層但價格較昂貴等缺點。部分陶瓷涂層的技術(shù)不夠成熟，一般使用3～6個月的話涂層容易脫落。針對以上問題我們團隊研發(fā)出一款新型復(fù)合材料不粘鍋，根據(jù)不同金屬的優(yōu)異性能復(fù)合得到新型復(fù)合材料不粘鍋。

1 涂層結(jié)構(gòu)不粘鍋簡介

涂層不粘鍋中特氟龍涂層不粘鍋使用溫度超過260 ℃(550 ℉)會產(chǎn)生對人體有害物質(zhì)；蜂窩狀涂層不粘鍋是將鍋內(nèi)的涂層做成蜂窩狀，這樣在炒菜的過程中鍋鏟無法碰觸到蜂窩狀凹陷處的涂層，缺陷是蜂窩狀涂層的不粘效果不理想，同時使用后清洗不方便[3]；物理涂層不粘鍋是提高內(nèi)壁材料的表面致密程度和表面平整度，或直接使用高硬度、高強度的材料，制造工藝較復(fù)雜成本高[4]；“鈦合金涂層”、“鉆石涂層”、“藍寶石涂層”不粘鍋，用鈦合金微粒、鉆石微粒、藍寶石微粒等超級堅硬的材料用等離子高溫工藝混合納米材料噴涂在鍋體上，極大提高了涂層的防刮和耐磨度，但是成本十分高導(dǎo)致價格十分昂貴[5]。

綜上所述，現(xiàn)在市面上涂層不粘鍋的概況以及存在的問題主要是涂層易脫落、更換較頻繁以及價格昂貴等。

2 新型復(fù)合材料在鍋具制作的應(yīng)用

2.1 復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能、不同形態(tài)的材料通過加工工藝復(fù)合。復(fù)合材料既能保持原材料的主要性能，又能通過復(fù)合效應(yīng)與協(xié)同效應(yīng)獲得單一原材料不具備的性能，克服單一材料的缺點，從而滿足各種不同的需求。

針對不粘鍋多數(shù)存在烹飪時涂層易脫落、清洗不方便、需使用專用鍋鏟、耐高溫能力較差、價格較昂貴、其高溫還會產(chǎn)生有毒物質(zhì)等缺點，以復(fù)合材料為基本設(shè)計思路，通過復(fù)合具有優(yōu)良特性的不同金屬材料，使不粘鍋達到無涂層而不粘，烹飪溫度高，煎炒一體，節(jié)能耐用且價格實惠等多項優(yōu)點。研究時將不同金屬材料的導(dǎo)熱性、硬度、密度、表面相對摩擦系數(shù)、耐腐蝕性、反光度、膨脹系數(shù)等多方面特性進行測量和比較，再根據(jù)實驗數(shù)據(jù)選取相應(yīng)的金屬進行復(fù)合，研發(fā)不粘性好、硬度高、導(dǎo)熱快、質(zhì)量輕、綜合性能優(yōu)越的不粘鍋，具有良好的市場前景。

2.2 復(fù)合材料選取

根據(jù)實際需要鍋具鍋底內(nèi)表面應(yīng)具有較高的硬度、較低的摩擦系數(shù)，鍋體要具有良好的導(dǎo)熱性和外觀質(zhì)量。通過對材料進行分析檢測，選取的材料均為日常生活中廣泛使用的，又安全健康、獲取途徑廣泛等優(yōu)點。

對金屬材料進行加工處理，其中使用金工銑床、電火花線切割機床、金屬打磨棒，再測量金屬材料的導(dǎo)熱性、硬度、密度、反光度、表面相對摩擦系數(shù)等各項物理性質(zhì)。根據(jù)測量實驗數(shù)據(jù)分析計算并檢測多種不同特性的金屬材料。選取鍋具基本材料時的考慮因素有導(dǎo)熱性良好可以使鍋具較快達到高溫從而提高能源利用率；硬度則是使得不粘鍋更加耐磨使用年限更長久的關(guān)鍵；密度直接關(guān)系到產(chǎn)品的重量，更輕盈的產(chǎn)品會更受人們的青睞；相對摩擦系數(shù)越小，則更能達到不粘的效果。

2.2.1 相對摩擦系數(shù)測量

不粘鍋表面材料摩擦系數(shù)的影響不粘鍋的不粘效果，因此，我們對金屬材料不銹鋼、鋁、鑄鐵、鐵的摩擦系數(shù)進行實驗。

對金屬材料不銹鋼、鋁、鑄鐵、鐵進行測試重力G、實驗、錄制視頻；利用電腦繪聲繪影軟件對視頻每一幀進行分解，得到動摩擦力大小F；再利用公式F=μG，得到相對摩擦系數(shù)的大小。

物塊的質(zhì)量M物=144.154 g，砝碼質(zhì)量M砝碼=200 g，得出物體總重力G=3.37 N。

根據(jù)表1比較，相對摩擦系數(shù)從大到小依次為鋁、不銹鋼、鐵、鑄鐵。由結(jié)果所知鑄鐵最為摩擦系數(shù)最小容易達到不粘的效果，鋁的摩擦系數(shù)最大。

表1 金屬材料的相對摩擦系數(shù)

2.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)測量(見表2～3)

對比金屬材料上下表面的溫度差來比對材料的導(dǎo)熱性能。

表2 金屬材料直徑的測試數(shù)據(jù) 單位：mm

表3 金屬材料厚度h測試數(shù)據(jù)結(jié)果 單位：mm

實驗中對不銹鋼、鋁、鐵進行加熱，在考慮金屬圓柱體的側(cè)面散熱面積近似相同后，測量材料上下表面的溫度；利用公式ΔT=T上-T下，對比三種金屬材料的上下表面溫差大小。

當加熱盤加熱到設(shè)定的75 ℃時，每min記錄一次散熱盤的溫度值，見表4。

表4 散熱盤溫度測量值 單位：℃

根據(jù)表4可知，鋁在10 min后穩(wěn)定的溫度為68.8 ℃，不銹鋼在10 min后穩(wěn)定的溫度為66.6 ℃，鐵在10 min后穩(wěn)定的溫度為65.3 ℃。

根據(jù)表2～3及公式S=πdh,得三種材料的散熱面積如表5。

表5 金屬材料散熱面積 單位：m2

實驗是為了測量測試材料上下表面的溫差來體現(xiàn)其相對導(dǎo)熱性。由此，我們對所得實驗數(shù)據(jù)進行處理，上下表面溫差△=上表面溫度(設(shè)定溫度)-下表面溫度(散熱盤穩(wěn)定溫度)，結(jié)果如表6。

表6 金屬材料的上下表面溫差 單位：℃

根據(jù)上下表面溫差越小說明導(dǎo)熱系數(shù)越大，在誤差允許范圍內(nèi)，材料散熱面積近似相等的條件下，得出：不銹鋼、鋁、鐵的相對導(dǎo)熱性由大到小為：鋁、不銹鋼、鐵。

2.2.3 密度測量

表7 金屬材料密度實驗數(shù)據(jù)

通過表7數(shù)據(jù)可得，不銹鋼、鋁、鐵的密度由大到小為：不銹鋼、鐵、鋁。故鋁的密度最小。

綜上所述，對比所選取的金屬材料中，鑄鐵的相對摩擦系數(shù)最小可作為鍋具的內(nèi)表面材料，鋁的導(dǎo)熱性最好、密度最小可作為鍋具的鍋體材料。

3 新型復(fù)合材料不粘鍋制作工藝

3.1 制作工藝

金屬復(fù)合方式主要有嵌入式復(fù)合法、壓焊、激光焊接機、熔焊、爆炸復(fù)合法、粉末冶金法等，為了保證鍋具的使用安全，我們采用的是嵌入式復(fù)合法，嵌入式復(fù)合法指的是最大程度避免了對金屬進行高溫高壓處理，而只是進行物理復(fù)合將金屬結(jié)合到一起，在保持金屬性能的穩(wěn)定性的同時完成一款由金屬材料復(fù)合而成并集齊多種優(yōu)點的成品不粘鍋[6]。

3.2 制作過程

實驗通過電火花線切割機床、銑床鉆孔、精細打磨、熔煉銜接、陽極氧化處理等技術(shù)對選定的適宜的材料進行加工、組合和處理。在此之前已經(jīng)完成對原材料進行切割、打磨，該項目在前期工作中已經(jīng)取得了成果，證明兩種材料得復(fù)合可行性。

鉚入式復(fù)合在前期試驗材料選取完成下，經(jīng)過外觀處理、質(zhì)量檢測等實驗過程，得到新型復(fù)合材料不粘鍋的試驗成果如圖1～2，鍋底采用紋理樣式使鍋具進一步達到不粘的效果，其中該不粘鍋的重量為3 kg，外直徑為19.5 cm，內(nèi)直徑為19.1 cm，鍋底鋁片直徑為14 cm。利用電腦軟件畫結(jié)構(gòu)圖如圖3，在球墨鑄鐵的外底部挖空一塊圓形區(qū)域，把導(dǎo)熱性良好的鋁片放置其中，再用三枚鉚釘呈三角形將其與球墨鑄鐵固定在一起。

圖1 鉚入式復(fù)合正面圖

圖2 鉚入式復(fù)合背面圖

圖3 鉚入式復(fù)合結(jié)構(gòu)圖

嵌入式復(fù)合在前期試驗材料選取完成下，經(jīng)過外觀處理、質(zhì)量檢測等實驗過程，得到新型復(fù)合材料不粘鍋的試驗成

果如圖4～5，鍋底采用細致的紋理使鍋具進一步達到不粘的效果，其中不粘鍋的重量為1 kg，外直徑為19.5 cm，內(nèi)直徑為19.1 cm，鍋底鋁片直徑為14 cm。

圖4 嵌入式復(fù)合正面圖

圖5 嵌入式復(fù)合背面圖

如圖6為不粘鍋的截面結(jié)構(gòu)圖，首先將不粘鍋的外底加工出一個圓形區(qū)域，并且邊上加工出凹槽，具體如圖所示，便于鋁合金的嵌入。

圖6 嵌入式復(fù)合結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié) 語

通過對不同金屬材料的特性進行反復(fù)測量我們找到較優(yōu)的材料進行組合，以達到無涂層而不粘的效果，不僅解決了市面上不粘涂層的弊端，而且更加輕盈、聚能、耐用、節(jié)能，并且能達到無涂層而不粘、節(jié)能耐用、健康等多項優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)無涂層不粘鍋的不粘性。

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