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离心机转子材料介绍

转子材料的选择主要应考虑其机械强度和对所处理样品的耐腐蚀性能。低速离心机转子用不锈钢、普通钢、甚至工程塑料来制造;高速和超速转子多用铝合金和钛合金等制造。作用在转子上的机械应力与转速的平方成正比,转速越高,转子所受的应力越大。而这应力又是离心应力,属于体力(body force),与材料的密度成正比,因此离心转子材料应当采用比强度(强度/密度)高的材料(由于量纲的计算方便,在此仍用密度)。高比强度材料主要有铝台金、钍合金和碳纤维等。下表是几种转子材料的比强度。

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①GFRP (glass fiber reinforced plastic)玻璃纤维强化塑料。

② CFRP (carbon fiber reinforced plastic碳纤维强化塑料。

③马氏体时效处理钢

注:lkgf=9.80665N。

铝合金、钛合金和碳纤维强化塑料已用在离心机转子的制造中。其中,碳纤维强化塑料现在习惯称为碳纤维复合材料。而玻璃纤维强化塑料尚未使用。马氏钢则用于气体离心机转子的制造中,如铀浓缩用的超速离心机上。

由于各种转子所允许的最高转速及容量差别很大,考虑到转子的价格成本,一般来说,5000r/min以下的低速离心机转子用普通钢、不锈钢和工程塑料制造,5000~50000r/min的高速离心机和部分超速离心机转子多用铝合金制造,而超过50000 r/min则主要使用钛合金,近几年也有用碳纤维复合材料制造的,但用其材料的转子种类不多,且价格昂贵。

(1)铝台金转子的特点

耐腐蚀性能差.应避免与酸性、碱性以及高浓度盐接触,与高浓度盐长期接触时,会产生内结晶而影响材料的强度。铝制转子的最适pH=6~8,洗涤铝转子时要用中性去污剂,以避免被腐蚀。

铝合金转子加上时都经过阳极化处理以在其表面形成保护屡,但该保护层容易受划碰伤,导致与溶液接触时被腐蚀。

铝合金在高温时会使其强度大大降低,水洗及热风吹干时温度不要超过60℃,不能用高温灭菌处理。

鉴于铝合金的上述特点,铝合金转子的转速一般较低(50000r/min以下),寿命较短(5~7年)。

(2)钛合金转子的特点

pH值适应范围宽(3.5~11.0),具有很好的耐化学腐蚀性。尽管如此,多数转子表面还要处理,如涂薄层树脂。钛合金可经高温灭菌处理。具有较高的比强度,因此转子的转速高,寿命也比铝合金转子长,但价格高。钛合金中的某些二价金属离子(如二氧化碳)对某些酶的活性有影响。

(3)碳纤维复合材料转子的特点

其主要特点是比强度高,对相同几何形状的转子而言,其重量是钛合金转子的40%和铝合金转子的60%,但价格比钛合金的略高。减轻转子重量对离心机很重要,它能减少驱动电机的负担、延长电机寿命、减少运行噪声,更为重要的是一旦转子在运转中出现“炸头”事故时的危害较小。这是由于转子的转动惯量小,破碎的碎片重量也轻,而且其破坏行为与金属不同,造成的破坏也相对小。碳纤维复合材料还有耐腐蚀性方面的优点和抗疲劳的力学性能,但大部分此类转子的试管孔中有金属适配器,造就给碳纤维复合材料转子的比强度、耐腐蚀性和抗疲劳的力学性能的优势带来折扣,幸亏这些金属适配器大部分是可取出的,取出之后起码能对试管孔和适配器进行清洗,以免腐蚀。