機械工程材料-第七章_非金屬材料

1、l第一節(jié)第一節(jié) 高分子材料高分子材料l第二節(jié)第二節(jié) 陶瓷材料陶瓷材料l第三節(jié)第三節(jié) 復合材料復合材料l一、高分子材料的基本概念一、高分子材料的基本概念l高分子材料是以高分子化合物為主要組分的材料。高分子材料是以高分子化合物為主要組分的材料。常稱常稱聚合物聚合物或或高聚物高聚物。l高分子化合物的分子量一般高分子化合物的分子量一般104 。l高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工業(yè)高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工業(yè)用高分子材料主要是人工合成的。用高分子材料主要是人工合成的。l1、高分子化合物的組成、高分子化合物的組成l由簡單的結構單元重復連接而成。由簡單的結構單元重復連接而成。如由乙烯合

2、成聚乙如由乙烯合成聚乙烯烯: CH2=CH2+CH2=CH2+ -CH2-CH2-CH2-CH2- , CH2CH2 nl可簡寫成可簡寫成 n CH2=CH2 。 l組成聚合物的低分子化合物稱為組成聚合物的低分子化合物稱為單體單體。l聚合物的分子為很長的鏈條，稱為聚合物的分子為很長的鏈條，稱為大分子鏈大分子鏈。 CH2CH2 nl大分子鏈中重復結構單元大分子鏈中重復結構單元( (如聚乙烯中如聚乙烯中 ) )稱為稱為鏈節(jié)鏈節(jié)。 聚乙烯分子鏈聚乙烯分子鏈l2 、高分子材料的分類、高分子材料的分類l 按用途按用途分塑料、橡膠、纖維、膠分塑料、橡膠、纖維、膠粘劑、涂料等。粘劑、涂料等。 l 按聚合物反

3、應類型按聚合物反應類型分為加聚物和分為加聚物和縮聚物?？s聚物。 l 按聚合物的熱行為按聚合物的熱行為分為熱塑性聚分為熱塑性聚合物和熱固性聚合物合物和熱固性聚合物 l 按主鏈上的化學組成按主鏈上的化學組成分為碳鏈聚分為碳鏈聚合物、雜鏈聚合物和元素有機聚合物合物、雜鏈聚合物和元素有機聚合物 二、高分子材料的結構二、高分子材料的結構l1、大分子鏈的結構、大分子鏈的結構 l 大分子鏈的柔順性大分子鏈的柔順性 l大分子鏈主鏈共價鍵有一大分子鏈主鏈共價鍵有一定鍵長和鍵角，保持鍵長定鍵長和鍵角，保持鍵長和鍵角不變時單鍵可任意和鍵角不變時單鍵可任意旋轉，稱旋轉，稱單鍵的內(nèi)旋轉單鍵的內(nèi)旋轉。l內(nèi)旋轉使大分子鏈卷

4、曲成各種不同形狀，對外力有很內(nèi)旋轉使大分子鏈卷曲成各種不同形狀，對外力有很大的適應性，這種特性稱為大分子鏈的大的適應性，這種特性稱為大分子鏈的柔順性柔順性。l柔順性與單鍵內(nèi)旋轉的難易程度有關。柔順性與單鍵內(nèi)旋轉的難易程度有關。 l 大分子鏈的形狀大分子鏈的形狀l按照大分子鏈的幾何形狀，可將高分子化合物分為按照大分子鏈的幾何形狀，可將高分子化合物分為線型結構、支鏈型結構和體型結構。線型結構、支鏈型結構和體型結構。l線型結構高聚物的彈性、塑性好，硬度低，是熱塑線型結構高聚物的彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性材料。支鏈型結構近于線型結構性材料。支鏈型結構近于線型結構 。體型結構高聚。體型結構高聚物硬度

5、高，脆性大，無彈性和塑性，是熱固性材料。物硬度高，脆性大，無彈性和塑性，是熱固性材料。l2、高分子的聚集態(tài)結構、高分子的聚集態(tài)結構l固態(tài)高聚物分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩大類，晶態(tài)為分子固態(tài)高聚物分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩大類，晶態(tài)為分子鏈排列規(guī)則的部分，而排列不規(guī)則的部分為非晶態(tài)。鏈排列規(guī)則的部分，而排列不規(guī)則的部分為非晶態(tài)。l一個大分子鏈可以穿一個大分子鏈可以穿過幾個晶區(qū)和非晶區(qū)。過幾個晶區(qū)和非晶區(qū)。晶區(qū)熔點、密度、強晶區(qū)熔點、密度、強度、硬度、剛性、耐度、硬度、剛性、耐熱性、化學穩(wěn)定性高，熱性、化學穩(wěn)定性高，而彈性、塑性、沖擊而彈性、塑性、沖擊強度下降。強度下降。 三、高分子材料的力學狀態(tài)三、高分子材料的

6、力學狀態(tài) l1、線型非晶態(tài)高分子材料的力學狀態(tài)、線型非晶態(tài)高分子材料的力學狀態(tài) l 玻璃態(tài)：玻璃態(tài)：低溫下，鏈段不能運動。在外力作用下，低溫下，鏈段不能運動。在外力作用下，只發(fā)生大分子原子的微量位移，產(chǎn)生少量彈性變形。只發(fā)生大分子原子的微量位移，產(chǎn)生少量彈性變形。l高聚物呈玻璃態(tài)的高聚物呈玻璃態(tài)的最高溫度稱玻璃化最高溫度稱玻璃化溫度，用溫度，用Tg表示。表示。用于這種狀態(tài)的材用于這種狀態(tài)的材料有塑料和纖維。料有塑料和纖維。 線型非晶態(tài)高聚物的溫度線型非晶態(tài)高聚物的溫度- -變形曲線變形曲線 l 高彈態(tài)：高彈態(tài)：溫度高于溫度高于Tg，分子活動能力增加，受力，分子活動能力增加，受力時產(chǎn)生很大彈性變

7、形。用于這種狀態(tài)高聚物是橡膠。時產(chǎn)生很大彈性變形。用于這種狀態(tài)高聚物是橡膠。l 粘流態(tài)：粘流態(tài)：由于溫度高，分子活動能力很大，在外由于溫度高，分子活動能力很大，在外力作用下，大分子鏈可以相對滑動。粘流態(tài)是高分力作用下，大分子鏈可以相對滑動。粘流態(tài)是高分子材料的加工態(tài)，子材料的加工態(tài)，大分子鏈開始發(fā)大分子鏈開始發(fā)生粘性流動的溫生粘性流動的溫度稱粘流溫度，度稱粘流溫度，用用Tf表示。表示。 線型非晶態(tài)高聚物的溫度線型非晶態(tài)高聚物的溫度- -變形曲線變形曲線 l2、線型晶態(tài)高分子材料的力學狀態(tài)、線型晶態(tài)高分子材料的力學狀態(tài)l分為一般分子量和很大分子量兩種情況。分為一般分子量和很大分子量兩種情況。一般

8、分子一般分子量的高聚物在低溫時，鏈段不能活動，變形小，在量的高聚物在低溫時，鏈段不能活動，變形小，在 Tm 以下與非晶態(tài)的玻璃相似，高于以下與非晶態(tài)的玻璃相似，高于Tm 則進入粘流則進入粘流態(tài)。態(tài)。分子量很大的晶態(tài)存高聚物在高彈態(tài)。分子量很大的晶態(tài)存高聚物在高彈態(tài)。l部分結晶高聚物在非部分結晶高聚物在非晶區(qū)晶區(qū)Tg與晶區(qū)與晶區(qū)T m 間間,非晶區(qū)柔性好非晶區(qū)柔性好,晶區(qū)晶區(qū)剛性好剛性好,處于韌性狀處于韌性狀態(tài)態(tài),即皮革態(tài)。即皮革態(tài)。 線型晶態(tài)高聚物線型晶態(tài)高聚物的溫度的溫度-變形曲線變形曲線 l高分子工程材料高分子工程材料包括塑料、合成包括塑料、合成纖維、橡膠和膠纖維、橡膠和膠粘劑等。粘劑等。

9、本節(jié)主本節(jié)主要介紹工程上常要介紹工程上常用的高分子工程用的高分子工程材料。材料。 （一）工程塑料（一）工程塑料 l塑料是在玻璃態(tài)下使用的高分子材料。塑料是在玻璃態(tài)下使用的高分子材料。在一定溫度、在一定溫度、壓力下可塑制成型，在常溫下能保持其形狀不變。壓力下可塑制成型，在常溫下能保持其形狀不變。l1、工程塑料概述、工程塑料概述 l 塑料的組成塑料的組成 l塑料是以樹脂為主要成分，塑料是以樹脂為主要成分，加入各種添加劑。加入各種添加劑。l樹脂是塑料的主要成分，樹脂是塑料的主要成分，對塑料性能起決定性作用。對塑料性能起決定性作用。塑料制品塑料制品l添加劑添加劑是為改善塑料某些性能而加入的物質(zhì)。是為改

10、善塑料某些性能而加入的物質(zhì)。l填料填料主要起增強作用；主要起增強作用；l增塑劑增塑劑用于提高樹脂的可塑性和柔軟性；用于提高樹脂的可塑性和柔軟性；l固化劑固化劑用于使熱固性樹脂由線型結構轉變?yōu)轶w型結構；用于使熱固性樹脂由線型結構轉變?yōu)轶w型結構；l穩(wěn)定劑穩(wěn)定劑用于防止塑料老化，延長其使用壽命；用于防止塑料老化，延長其使用壽命；l潤滑劑潤滑劑用于防止塑料加工時粘在模具上用于防止塑料加工時粘在模具上, 使制品光亮；使制品光亮；l著色劑著色劑用于塑料制品著色。用于塑料制品著色。l其他的還有其他的還有發(fā)泡劑發(fā)泡劑、催化催化 劑劑、阻燃劑阻燃劑、抗靜電劑抗靜電劑等。等。 添加劑添加劑l 塑料的分類塑料的分類

11、l按樹脂受熱時行為按樹脂受熱時行為可分為熱塑性塑料和熱固性塑料?？煞譃闊崴苄运芰虾蜔峁绦运芰?。 l按使用范圍按使用范圍可分為通用塑料、工程塑料和特種塑料?？煞譃橥ㄓ盟芰稀⒐こ趟芰虾吞胤N塑料。l通用塑料通用塑料產(chǎn)量大、價格低、用途廣。產(chǎn)量大、價格低、用途廣。 l工程塑料工程塑料力學性能高，耐熱、耐蝕性能好。力學性能高，耐熱、耐蝕性能好。l特種塑料特種塑料是指具有某些特殊是指具有某些特殊性能如耐高溫、耐腐蝕的塑性能如耐高溫、耐腐蝕的塑料，這類塑料產(chǎn)量少，價格料，這類塑料產(chǎn)量少，價格貴，只用于特殊需要的場合。貴，只用于特殊需要的場合。 熱固性塑料制品熱固性塑料制品l 塑料的性能特點塑料的性能特點l塑

12、料的優(yōu)點：塑料的優(yōu)點：l相對密度小相對密度小(一般為一般為0.9 2.3)；耐蝕性、電絕耐蝕性、電絕緣性、減摩、耐磨性緣性、減摩、耐磨性好；好；有消音吸振性能有消音吸振性能 。l塑料的缺點：塑料的缺點：l剛性差剛性差(為鋼鐵材料的為鋼鐵材料的1/1001/10)，強度低；，強度低；耐熱性耐熱性差、熱膨脹系數(shù)大（是鋼鐵的差、熱膨脹系數(shù)大（是鋼鐵的10倍）、導熱系數(shù)小倍）、導熱系數(shù)小(只有金屬的只有金屬的1/2001/600)；蠕變溫度低、易老化。蠕變溫度低、易老化。 l2、常用工程塑料、常用工程塑料l 一般結構用塑料一般結構用塑料l包括聚乙烯包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚苯

13、乙烯、聚苯乙烯(PS)、聚、聚丙烯丙烯(PP)和和ABS塑料等。塑料等。l聚丙烯聚丙烯具有優(yōu)良的綜合性能，可制造各種機械零件。具有優(yōu)良的綜合性能，可制造各種機械零件。lABS塑料塑料 “堅韌、質(zhì)硬、剛性堅韌、質(zhì)硬、剛性” ，應用廣泛。，應用廣泛。 PE波紋管波紋管PP方向盤方向盤ABS閥門閥門PS管管l聚酰胺聚酰胺又稱尼龍或綿綸，強度較高，耐磨、自潤滑性又稱尼龍或綿綸，強度較高，耐磨、自潤滑性好，廣泛用作機械、化工及電氣零件。好，廣泛用作機械、化工及電氣零件。l聚甲醛聚甲醛具有優(yōu)良的綜合性能，廣泛用于汽車機床、化具有優(yōu)良的綜合性能，廣泛用于汽車機床、化工、電氣儀表、農(nóng)機等工業(yè)工、電氣儀表、農(nóng)機

14、等工業(yè) 。尼龍管件尼龍管件PC擋風板擋風板l聚碳酸酯聚碳酸酯具有優(yōu)良的機械性具有優(yōu)良的機械性能，透明無毒，應用廣泛。能，透明無毒，應用廣泛。l 摩擦傳動零件用塑料摩擦傳動零件用塑料l包括聚酰胺包括聚酰胺(PA)、聚甲醛、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)等。等。密封件密封件聚四氟乙烯管聚四氟乙烯管聚四氟乙烯零件聚四氟乙烯零件l聚四氟乙烯俗稱聚四氟乙烯俗稱“塑料王塑料王”，具有極優(yōu)越的化學穩(wěn)，具有極優(yōu)越的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性以及優(yōu)越的電性能，幾乎不受任何定性和熱穩(wěn)定性以及優(yōu)越的電性能，幾乎不受任何化學藥品的腐蝕，摩擦系數(shù)極低，只有化學藥品的腐蝕，摩擦系

15、數(shù)極低，只有0.04。缺點。缺點是強度低、加工性差。主要用于減摩密封件、化工是強度低、加工性差。主要用于減摩密封件、化工耐蝕件與熱交換器以及高頻或潮濕條件下的絕緣材耐蝕件與熱交換器以及高頻或潮濕條件下的絕緣材料。料。 l 耐蝕用塑料耐蝕用塑料l耐蝕用塑料主要有聚四氟乙耐蝕用塑料主要有聚四氟乙烯、氯化聚醚烯、氯化聚醚(PENTON)、聚丙烯等。聚丙烯等。l氯化聚醚的化學穩(wěn)定性僅次氯化聚醚的化學穩(wěn)定性僅次于聚四氟乙烯，但工藝性比于聚四氟乙烯，但工藝性比聚四氟乙烯好，成本低。在聚四氟乙烯好，成本低。在化學工業(yè)和機電工業(yè)獲得廣化學工業(yè)和機電工業(yè)獲得廣泛應用，如化工設備零件、泛應用，如化工設備零件、管道

16、、襯里等。管道、襯里等。 氯化聚醚防腐蝶閥氯化聚醚防腐蝶閥 l 耐高溫件用塑料耐高溫件用塑料l有聚砜有聚砜(PSF)、聚苯醚、聚苯醚(PPO)、聚酰亞胺、聚酰亞胺(PI)及氟塑料等。及氟塑料等。l聚砜聚砜的熱穩(wěn)定性高是其的熱穩(wěn)定性高是其聚酰亞胺層壓板聚酰亞胺層壓板 最突出的特點。使用溫度達最突出的特點。使用溫度達150174。用于機械設。用于機械設備等工業(yè)。備等工業(yè)。l聚苯醚聚苯醚具有良好的綜合性能具有良好的綜合性能,用于機電等方面。用于機電等方面。l聚酰亞胺聚酰亞胺在在260下可長期使用。主要用于特殊條件下可長期使用。主要用于特殊條件下使用的精密零件。下使用的精密零件。 l 熱固性塑料熱固性

17、塑料l熱固性塑料是在樹脂中加入固化劑壓制成型而形成的熱固性塑料是在樹脂中加入固化劑壓制成型而形成的體形聚合物。體形聚合物。 l酚醛塑料是以酚醛樹脂為基，加入填料及其他添加劑酚醛塑料是以酚醛樹脂為基，加入填料及其他添加劑而制成。廣泛用于制作各種電訊器材和電木制品（如而制成。廣泛用于制作各種電訊器材和電木制品（如插座、開關等），耐熱絕緣部件及各種結構件。插座、開關等），耐熱絕緣部件及各種結構件。 電器配件電器配件（二）合成橡膠（二）合成橡膠 l橡膠是以高分子化合物為基礎的具有高彈性的材料。橡膠是以高分子化合物為基礎的具有高彈性的材料。l1、橡膠的組成和性能特點、橡膠的組成和性能特點 l工業(yè)用橡膠由

18、生膠和橡膠配合劑組成。生膠無配合工業(yè)用橡膠由生膠和橡膠配合劑組成。生膠無配合劑并未經(jīng)硫化。橡膠配合劑有硫化劑、硫化促進劑、劑并未經(jīng)硫化。橡膠配合劑有硫化劑、硫化促進劑、防老劑、軟化劑、填充劑、發(fā)泡劑、著色劑等。防老劑、軟化劑、填充劑、發(fā)泡劑、著色劑等。l橡膠最大的特點是高彈性。橡膠有儲能、耐磨、隔橡膠最大的特點是高彈性。橡膠有儲能、耐磨、隔音、絕緣等性能。音、絕緣等性能。 l2、常用合成橡膠、常用合成橡膠l合成橡膠按用途和用量分為通用橡膠和特種橡膠合成橡膠按用途和用量分為通用橡膠和特種橡膠，前者主要用于制作輪胎、運輸帶、膠管、膠板、墊前者主要用于制作輪胎、運輸帶、膠管、膠板、墊片、密封裝置等；

19、片、密封裝置等；后者主要用于高低溫、強腐蝕、后者主要用于高低溫、強腐蝕、強輻射等特殊環(huán)境下工作的橡膠制品。強輻射等特殊環(huán)境下工作的橡膠制品。 密封圈密封圈膠管膠管輪胎輪胎l工業(yè)上應用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、工業(yè)上應用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、水泥等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)水泥等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新型陶瓷。良的新型陶瓷。 l陶瓷材料是除陶瓷材料是除金屬和高聚物金屬和高聚物以外的無機非以外的無機非金屬材料通稱。金屬材料通稱。l1、陶瓷材料的相組、陶瓷材料的相組成特點成特點l陶瓷材料通常由三陶瓷材料通常由三種不同的相組成，種不同的相組成，即

20、即晶相晶相(1)、玻璃相玻璃相(2)和和氣相氣相(3)氣孔氣孔。l料致密度、降料致密度、降低燒結溫度和低燒結溫度和抑制晶粒長大。抑制晶粒長大。l氣相氣相是在工藝是在工藝過程中形成并過程中形成并保留下來的。保留下來的。l晶相晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物理化學性質(zhì)的主要是晶相。理化學性質(zhì)的主要是晶相。l玻璃相玻璃相的作用是充填晶粒間隙、粘結晶粒、提高材的作用是充填晶粒間隙、粘結晶粒、提高材l2、陶瓷材料的結合鍵特點、陶瓷材料的結合鍵特點l陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其結

21、合鍵以離子鍵硅化物等，因而其結合鍵以離子鍵(如如Al2O3)、共價、共價鍵鍵(如如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。及兩者的混合鍵為主。共價鍵共價鍵離子鍵離子鍵l3、陶瓷材料的性能特點、陶瓷材料的性能特點 l陶瓷材料具有高熔點、高陶瓷材料具有高熔點、高硬度、高化學穩(wěn)定性，耐硬度、高化學穩(wěn)定性，耐高溫、耐氧化、耐腐蝕等高溫、耐氧化、耐腐蝕等特性。特性。l陶瓷材料還具有密度小、陶瓷材料還具有密度小、彈性模量大、耐磨損、強彈性模量大、耐磨損、強度高等特點度高等特點。l功能陶瓷還具有電、光、功能陶瓷還具有電、光、磁等特殊性能。磁等特殊性能。 l4、陶瓷材料的工藝特點、陶瓷材料的工藝特點l陶瓷是脆性材料，

22、大部分陶瓷是通過粉體成型和高陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過粉體成型和高溫燒結來成形的，因此陶瓷是燒結體。溫燒結來成形的，因此陶瓷是燒結體。l燒結體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在燒結體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在的問題是其存在一定的氣孔率。的問題是其存在一定的氣孔率。 Al2O3粉末的燒結組織粉末的燒結組織ZrO2陶瓷中的氣孔陶瓷中的氣孔l二、陶瓷材料的分類二、陶瓷材料的分類l1、按化學成分分類、按化學成分分類 l可將陶瓷材料分為可將陶瓷材料分為氧化物陶瓷氧化物陶瓷、碳化物陶瓷碳化物陶瓷、氮化物氮化物陶瓷陶瓷及及其它化合物陶瓷其它化合物陶瓷。導電玻導電玻璃璃玻璃幕玻璃幕墻墻l

23、2、按使用的原材料分類、按使用的原材料分類 l可將陶瓷材料分為可將陶瓷材料分為普通陶瓷普通陶瓷和和特種陶瓷特種陶瓷。l普通陶瓷普通陶瓷以天然的巖石、以天然的巖石、礦石、黏土等材料作原料。礦石、黏土等材料作原料。l特種陶瓷特種陶瓷采用人工合成的采用人工合成的材料作原料。材料作原料。 l3、按性能和用途分類、按性能和用途分類 l可將陶瓷材料分為可將陶瓷材料分為結構陶結構陶瓷瓷和和功能陶瓷功能陶瓷兩類。兩類。 陶瓷零件陶瓷零件l（一）普通陶瓷（一）普通陶瓷 l普通陶瓷是用粘土普通陶瓷是用粘土(Al2O32SiO22H2O)、長石、長石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)和石英

24、和石英(SiO2)為原料，經(jīng)成型、燒結而成的陶瓷。為原料，經(jīng)成型、燒結而成的陶瓷。l其組織中主晶相為莫來石其組織中主晶相為莫來石(3Al2O32SiO2)，占，占2530%，玻璃相占，玻璃相占3560%，氣相占，氣相占13%。l普通陶瓷加工成型性好，普通陶瓷加工成型性好，成本低，產(chǎn)量大。成本低，產(chǎn)量大。l除日用陶瓷、瓷器外，除日用陶瓷、瓷器外，大量用于電器、化工、大量用于電器、化工、建筑、紡織等工業(yè)部門。建筑、紡織等工業(yè)部門。 景德鎮(zhèn)瓷器景德鎮(zhèn)瓷器絕緣子絕緣子（二）新型結構陶瓷（二）新型結構陶瓷l 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷 l氧化鋁陶瓷以氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分為主要成分, 含有少量含有少

25、量SiO2的陶瓷，又稱高的陶瓷，又稱高鋁陶瓷。鋁陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶化工、耐磨陶瓷配件瓷配件Al2O3密封、氣動密封、氣動陶瓷配件陶瓷配件l根據(jù)根據(jù)Al2O3含量不同分為含量不同分為75瓷瓷(含含75%Al2O3，又稱，又稱剛玉剛玉-莫來石瓷莫來石瓷)、95瓷和瓷和99瓷，后兩者又稱剛玉瓷。瓷，后兩者又稱剛玉瓷。l氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到1950,。具。具有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極高高(僅次于金剛石僅次于金剛石). 95瓷紡織件瓷紡織件99瓷紡織件瓷紡織件氧化鋁耐高溫噴嘴氧化鋁耐高溫噴

26、嘴氧化鋁陶瓷轉心球閥氧化鋁陶瓷轉心球閥氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷坩堝氧化鋁陶瓷坩堝l氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝、氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝、熱偶套管，淬火鋼的切削熱偶套管，淬火鋼的切削刀具、金屬拔絲模，內(nèi)燃刀具、金屬拔絲模，內(nèi)燃機的火花塞，火箭、導彈機的火花塞，火箭、導彈的導流罩及軸承等。的導流罩及軸承等。 l 氮化硅（氮化硅（Si3N4）陶瓷）陶瓷l氮化硅是由氮化硅是由Si3N4四面體組成的共四面體組成的共 價鍵固體。價鍵固體。l 氮化硅的制備與燒結工藝氮化硅的制備與燒結工藝l工業(yè)硅直接氮化：工業(yè)硅直接氮化：3Si+2N2Si3N4l二氧化

27、硅還原氮化：二氧化硅還原氮化：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO燒結工藝燒結工藝優(yōu)點優(yōu)點 缺點缺點 反應燒結反應燒結 燒結時幾乎沒有收縮，能燒結時幾乎沒有收縮，能得到復雜的形狀得到復雜的形狀 密度低，強度低，耐蝕密度低，強度低，耐蝕性差性差 熱壓燒結熱壓燒結 用較少的助劑就能致密化，用較少的助劑就能致密化，強度、耐蝕性最好強度、耐蝕性最好 只能制造簡單形狀，燒只能制造簡單形狀，燒結助劑使高溫強度降低結助劑使高溫強度降低 l 性能特點及應用性能特點及應用l氮化硅的強度、比強度、比模量高；硬度僅次于金氮化硅的強度、比強度、比模量高；硬度僅次于金剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為剛石、碳化硼等；摩

28、擦系數(shù)僅為0.10.2；熱膨脹系；熱膨脹系數(shù)??；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化學穩(wěn)定數(shù)小；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化學穩(wěn)定性高。性高。l熱壓燒結氮化硅熱壓燒結氮化硅用于形狀簡單、用于形狀簡單、精度要求不高的精度要求不高的零件，如切削刀零件，如切削刀具、高溫軸承等。具、高溫軸承等。Si3N4軸承軸承l(wèi)反應燒結氮化硅用于形狀復雜、尺寸精度要求高的反應燒結氮化硅用于形狀復雜、尺寸精度要求高的零件，如機械密封環(huán)等。零件，如機械密封環(huán)等。汽輪機轉子汽輪機轉子葉片氣閥等零件葉片氣閥等零件l 碳化硅（碳化硅（SiC）陶瓷）陶瓷l碳化硅是通過鍵能很高碳化硅是通過鍵能很高的共價鍵結合的晶體。的共價鍵結合

29、的晶體。l碳化硅是用石英沙碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加熱加焦碳直接加熱至高溫還原而成：至高溫還原而成：SiO2+3CSiC+2CO。l碳化硅的燒結工藝也有熱壓和反應燒結兩種。由于碳化硅的燒結工藝也有熱壓和反應燒結兩種。由于碳化硅表面有一層薄氧化膜，因此很難燒結，需添碳化硅表面有一層薄氧化膜，因此很難燒結，需添加燒結助劑促進燒結，常加的助劑有硼、碳、鋁等。加燒結助劑促進燒結，常加的助劑有硼、碳、鋁等。常壓燒結碳化硅常壓燒結碳化硅l碳化硅的最大特點是高溫強度高，有很好的耐磨碳化硅的最大特點是高溫強度高，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導能力很強，損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳

30、導能力很強，僅次于氧化鈹陶瓷。僅次于氧化鈹陶瓷。 SiC密封件密封件l碳化硅陶瓷用于制造火箭碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃氣熱電偶套管、爐管、燃氣輪機葉片及軸承，泵的密輪機葉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型模具等。封圈、拉絲成型模具等。 SiC陶瓷件陶瓷件SiC陶瓷件陶瓷件SiC軸承軸承l(wèi) 氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷l氧化鋯的晶型轉變：立方相氧化鋯的晶型轉變：立方相 四方相四方相 單斜相。四單斜相。四方相轉變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?，引起很大的體積變化，方相轉變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?，引起很大的體積變化，易使制品開裂。易使制品開裂。ZrO2l在氧化鋯中加入某些

31、氧化物在氧化鋯中加入某些氧化物(如如CaO、MgO、Y2O3等等)能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這種結構的氧化鋯稱為完全穩(wěn)定氧化鋯種結構的氧化鋯稱為完全穩(wěn)定氧化鋯(FSZ)，其力，其力學性能低，抗熱沖擊性差。學性能低，抗熱沖擊性差。l減少加入的氧化物數(shù)量，減少加入的氧化物數(shù)量，使部分氧化物以四方相的使部分氧化物以四方相的形式存在。由于這種材料形式存在。由于這種材料只使一部分氧化鋯穩(wěn)定，只使一部分氧化鋯穩(wěn)定，所以稱部分穩(wěn)定氧化鋯所以稱部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)。 l氧化鋯中四方相向單斜相的轉變可通過應力誘發(fā)產(chǎn)生。氧化鋯中四方相向單斜相的轉變可通過

32、應力誘發(fā)產(chǎn)生。當受到外力作用時，這種相變將吸收能量而使裂紋尖當受到外力作用時，這種相變將吸收能量而使裂紋尖端的應力場松弛，增加裂紋擴展阻力，從而大幅度提端的應力場松弛，增加裂紋擴展阻力，從而大幅度提高陶瓷材料的韌性。高陶瓷材料的韌性。部分穩(wěn)定氧化鋯組織部分穩(wěn)定氧化鋯組織l部分穩(wěn)定氧化鋯的導熱率部分穩(wěn)定氧化鋯的導熱率低，絕熱性好；熱膨脹系低，絕熱性好；熱膨脹系數(shù)大，接近于發(fā)動機中使數(shù)大，接近于發(fā)動機中使用的金屬，抗彎強度與斷用的金屬，抗彎強度與斷裂韌性高，除在常溫下使裂韌性高，除在常溫下使用外，已成為絕熱柴油機用外，已成為絕熱柴油機的主要侯選材料，如發(fā)動的主要侯選材料，如發(fā)動機汽缸內(nèi)襯、推桿、活

33、塞機汽缸內(nèi)襯、推桿、活塞帽、閥座、凸輪、軸承等。帽、閥座、凸輪、軸承等。 部分穩(wěn)定氧化鋯制品部分穩(wěn)定氧化鋯制品氧化鋯油泵氧化鋯油泵氧化柱塞氧化柱塞氧化鋯拉線輪氧化鋯拉線輪氧化鋯球閥氧化鋯球閥部分穩(wěn)定氧化鋯噴涂層部分穩(wěn)定氧化鋯噴涂層增韌氧化鋯導輪芯軸增韌氧化鋯導輪芯軸l復合材料是由兩復合材料是由兩種或兩種以上化種或兩種以上化學性質(zhì)或組織結學性質(zhì)或組織結構不同的材料組構不同的材料組合而成的材料。合而成的材料。 復合材料船體復合材料船體l復合材料是多相材料，主要包括復合材料是多相材料，主要包括基體相基體相和和增強相增強相。l基體相基體相是一種連續(xù)相，它把改善性能的增強相材料固是一種連續(xù)相，它把改善性

34、能的增強相材料固l結成一體，并起結成一體，并起傳遞應力的作用。傳遞應力的作用。l增強相增強相起承受應起承受應力（力（結構復合材結構復合材料）料）和顯示功能和顯示功能(功能復合材料功能復合材料)的作用。的作用。 l1、按基體材料分類、按基體材料分類，可分為聚合，可分為聚合物基、陶瓷基和金屬基復合材料。物基、陶瓷基和金屬基復合材料。l 2、按增強相形狀分類、按增強相形狀分類，可分為纖可分為纖維增強復合材料、粒子增強復合材維增強復合材料、粒子增強復合材料和層狀復合材料。料和層狀復合材料。l 3、按復合材料的性能分類、按復合材料的性能分類，可分，可分為結構復合材料和功能復合材料。為結構復合材料和功能復

35、合材料。SiC顆粒顆粒Al2O3片片Al2O3纖維纖維增強相三種類型增強相三種類型l二、復合材料的特點二、復合材料的特點l1、比強度和比模量高、比強度和比模量高 其中纖其中纖維增強復合材料的最高。維增強復合材料的最高。 l2、抗疲勞性能好、抗疲勞性能好 碳纖維增強碳纖維增強材料材料 -1可達可達 b的的7080%。因纖因纖維對疲勞裂紋擴展有阻礙作用維對疲勞裂紋擴展有阻礙作用。l3、減振性能良好、減振性能良好 復合材料中復合材料中的大量界面對振動有反射吸收的大量界面對振動有反射吸收作用，不易產(chǎn)生共振。作用，不易產(chǎn)生共振。l4、高溫性能好。、高溫性能好。 比強度比較比強度比較碳纖維碳纖維 樹脂樹脂

36、硼纖維硼纖維 樹脂樹脂玻璃纖維玻璃纖維 樹脂樹脂鈦鈦鋼鋼鋁鋁三、粒子與層狀增強復合材料三、粒子與層狀增強復合材料 l(一一)粒子增強復合材料粒子增強復合材料l粒子增強復合材料是將粒子粒子增強復合材料是將粒子高度彌散地分布在基體中，高度彌散地分布在基體中，使其阻礙導致塑性變形的位使其阻礙導致塑性變形的位錯運動錯運動(金屬基體金屬基體)和分子鏈和分子鏈運動運動(聚合物基體聚合物基體)。l這種復合材料是各向同性的。這種復合材料是各向同性的。 衛(wèi)星用顆粒增強鋁衛(wèi)星用顆粒增強鋁基復合材料零件基復合材料零件l聚合物基粒子復合材料如酚聚合物基粒子復合材料如酚醛樹脂中摻入木粉的電木、醛樹脂中摻入木粉的電木、碳

37、酸鈣粒子改性熱塑性塑料碳酸鈣粒子改性熱塑性塑料的鈣塑材料的鈣塑材料(合成木材合成木材)等。等。l陶瓷基粒子復合材料如氧化陶瓷基粒子復合材料如氧化鋯增韌陶瓷等。鋯增韌陶瓷等。 粒子增強粒子增強SiC陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料顆粒增強鋁基泡沫復合材料顆粒增強鋁基泡沫復合材料碳黑增強橡膠碳黑增強橡膠l金屬基粒子復合材料又稱金屬基粒子復合材料又稱金屬陶瓷，是由鈦、鎳、金屬陶瓷，是由鈦、鎳、鈷、鉻等金屬與碳化物、鈷、鉻等金屬與碳化物、氮化物、氧化物、硼化物氮化物、氧化物、硼化物等組成的非均質(zhì)材料。等組成的非均質(zhì)材料。l碳化物金屬陶瓷作為工具碳化物金屬陶瓷作為工具材料已被廣泛應用，稱作材料已被廣泛應用，

38、稱作硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金通常硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金通常以以Co、Ni作為粘結劑，作為粘結劑，WC、TiC等作為強化相。等作為強化相。 硬質(zhì)合金組織硬質(zhì)合金組織( (Co+WC)l硬質(zhì)合金主要有鎢鈷硬質(zhì)合金主要有鎢鈷(YG)和鎢鈷鈦和鎢鈷鈦(YT)兩類。牌號中，兩類。牌號中，YG后的數(shù)字為含后的數(shù)字為含Co量，量，YT后的數(shù)字為碳化后的數(shù)字為碳化鈦含量。鈦含量。l硬質(zhì)合金硬度極高，硬質(zhì)合金硬度極高，且熱硬性、耐磨性好，且熱硬性、耐磨性好，一般做成刀片，鑲在一般做成刀片，鑲在刀體上使用。刀體上使用。硬質(zhì)合金模具硬質(zhì)合金模具硬質(zhì)合金軸承刀具硬質(zhì)合金軸承刀具l（二（二)層狀復合材料層狀復合材料l層狀復合材料

39、是指在層狀復合材料是指在基體中含有多重層片基體中含有多重層片狀高強高模量增強物狀高強高模量增強物的復合材料。的復合材料。l這種材料是各向這種材料是各向異性的異性的(層內(nèi)兩層內(nèi)兩維同性維同性)。如碳。如碳化硼片增強鈦、化硼片增強鈦、膠合板等。膠合板等。層狀陶瓷復合材料斷口形貌層狀陶瓷復合材料斷口形貌三明治復合三明治復合l雙金屬、表面涂層等也是層狀復合材料。雙金屬、表面涂層等也是層狀復合材料。l結構層狀材料根據(jù)材質(zhì)不同，分別用于飛機制造、結構層狀材料根據(jù)材質(zhì)不同，分別用于飛機制造、運輸及包裝等。運輸及包裝等。 有有TiN涂層的涂層的高爾夫球頭高爾夫球頭層狀復合層狀復合鋁合金蜂窩夾層板鋁合金蜂窩夾層

40、板l纖維增強復合材料是指以各種金屬和非金屬作為基纖維增強復合材料是指以各種金屬和非金屬作為基體，以各種纖維作為增強材料的復合材料體，以各種纖維作為增強材料的復合材料。l（一）纖維增強復合原則（一）纖維增強復合原則l在纖維增強復合材料中，纖維是材料在纖維增強復合材料中，纖維是材料主要承載組分，其增強效果主要取決主要承載組分，其增強效果主要取決于纖維的特征、纖維與基體間的結合于纖維的特征、纖維與基體間的結合強度、纖維的體積分數(shù)、尺寸和分布。強度、纖維的體積分數(shù)、尺寸和分布。 碳纖維碳纖維l纖維增強復合材料的強度和剛性與纖維方向密切相關。纖維增強復合材料的強度和剛性與纖維方向密切相關。l纖維無規(guī)排列

41、時，纖維無規(guī)排列時，能獲得基本各向同性的復合材料。能獲得基本各向同性的復合材料。均一方向的纖維使材料具有明顯的各向異性均一方向的纖維使材料具有明顯的各向異性。纖維采。纖維采用正交編織用正交編織，相互垂直的方向均具有好的性能。，相互垂直的方向均具有好的性能。纖維纖維采用三維編織采用三維編織，可獲得各方向力學性能均優(yōu)的材料。，可獲得各方向力學性能均優(yōu)的材料。 纖維在基體中的不同分布方式纖維在基體中的不同分布方式l(二二)纖維的種類和性能纖維的種類和性能l1、玻璃纖維：、玻璃纖維：用量最大、用量最大、價格最便宜。價格最便宜。l2、碳纖維：、碳纖維：化學性能與碳化學性能與碳相似。相似。l3、硼纖維：、硼纖維：耐高溫、強度、耐高溫、強度、彈性模高。彈性模高。l4、金屬纖維：、金屬纖維：成絲容易、成絲容易、彈性模量高。彈性模量高。l5、陶瓷纖維：、陶瓷纖維：用于高溫、用于高溫、高強復合材料。高強復合材料。玻璃纖維玻璃纖維碳纖維碳纖維SiC纖維纖維l6、芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酰胺纖維: 強度、彈強度、彈性模量高，耐熱。性模量高，耐熱。 l7、聚乙烯纖維、聚乙烯纖維: 韌性極好，密度韌性極好，密度非常小非常小 。 l8、晶須：、晶須：是直徑小于是