非金屬材料和復(fù)合材料

1、.袂螄肂蒃螈袃膅芆蚄袂芇蒁薀袁羇芄蒆袀腿蕿裊衿芁莂螁袈莄薈蚇袈肅莁薃袇膆薆葿羆羋荿螈羅羈薄蚄羄肀莇蝕羃節(jié)蚃薅羂蒞蒅襖羂肄羋螀羈膇蒄蚆羀艿芇薂聿羈蒂蒈肈肁芅螇肇膃蒀螃肆蒞芃蠆肆肅蕿薅肅膇莁袃肄芀薇蝿肅莂莀蚅膂肂薅薁蝿膄莈蕆螈芆薃袆螇肆莆螂螆膈螞蚈螅芁蒅薄螄莃芇袂螄肂蒃螈袃膅芆蚄袂芇蒁薀袁羇芄蒆袀腿蕿裊衿芁莂螁袈莄薈蚇袈肅莁薃袇膆薆葿羆羋荿螈羅羈薄蚄羄肀莇蝕羃節(jié)蚃薅羂蒞蒅襖羂肄羋螀羈膇蒄蚆羀艿芇薂聿羈蒂蒈肈肁芅螇肇膃蒀螃肆蒞芃蠆肆肅蕿薅肅膇莁袃肄芀薇蝿肅莂莀蚅膂肂薅薁蝿膄莈蕆螈芆薃袆螇肆莆螂螆膈螞蚈螅芁蒅薄螄莃芇袂螄肂蒃螈袃膅芆蚄袂芇蒁薀袁羇芄蒆袀腿蕿裊衿芁莂螁袈莄薈蚇袈肅莁薃袇膆薆葿羆羋荿螈羅羈

2、薄蚄羄肀莇蝕羃節(jié)蚃薅羂蒞蒅襖羂肄羋螀羈膇蒄蚆羀艿芇薂聿羈蒂蒈肈肁芅螇肇膃蒀螃肆蒞芃蠆肆肅蕿薅肅膇莁袃肄芀薇蝿肅莂莀蚅膂肂薅薁蝿膄莈蕆螈芆薃袆螇肆莆螂螆膈螞蚈螅芁蒅薄螄莃芇袂螄肂蒃螈袃膅芆蚄袂芇蒁薀袁羇芄蒆袀腿蕿裊衿芁莂螁袈莄薈蚇袈肅莁薃袇膆 第6章 非金屬材料和復(fù)合材料非金屬材料是指除金屬材料和復(fù)合材料以外的其它材料，包括高分子材料和陶瓷材料。它們具有許多金屬材料所不及的性能，如高分子材料的耐蝕性、電絕緣性、減振性、質(zhì)輕以及陶瓷材料的高硬度、耐高溫、耐蝕性和特殊的物理性能等。因此，非金屬材料在各行各業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用，并成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)革命的重要標(biāo)志之一。復(fù)合材料是兩種或兩種以上不同化學(xué)成

3、分或不同組織結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，通過一定的工藝方法人工合成的多相固體材料。它的最大特點(diǎn)是材料間可以優(yōu)勢互補(bǔ)，具有十分廣闊的發(fā)展前景。§6-1 常用高分子材料高分子材料按照其力學(xué)性能及使用狀態(tài)可分為塑料、橡膠、合成纖維及膠粘劑等。一、工程塑料塑料是以樹脂為主要成分，在一定溫度和壓力下塑造成一定形狀，并在常溫下能保持既定形狀的高分子有機(jī)材料。1塑料的組成塑料是以樹脂（天然的或合成的）為主要組分，加入一些用來改善使用性能和工藝性能的添加劑而制成的。（1）樹脂樹脂是塑料最基本的也是最重要的成分，它在塑料中起粘接其它組分并成形的作用。樹脂的種類、性能、數(shù)量決定了塑料的類型和主要性能，因此，絕大多數(shù)塑料

4、就是以所用樹脂命名的。樹脂分為天然樹脂和合成樹脂。天然樹脂是指由植物或動(dòng)物分泌的有機(jī)物質(zhì)，如松香、蟲膠等。其共同特點(diǎn)是無顯著的熔點(diǎn)，受熱可逐漸軟化，能溶于某些有機(jī)溶劑之中，但不溶于水。合成樹脂與天然樹脂性能相似。樹脂也可以直接用作塑料，如聚乙烯，聚苯乙烯、聚碳酸脂等。（2）添加劑常用的有以下幾種： 填料（填充劑）為改善塑料的某些性能或降低成本，而加入的一些物質(zhì)稱填料。例如，加入石棉粉可以提高塑料的熱硬性；加入云母可以提高塑料的電絕緣性；加入鋁粉可提高光反射能力和防老化；加入二硫化鉬可提高潤滑性等。 增塑劑 用以提高樹脂可塑性和柔軟性的添加劑稱增塑劑。 固化劑 加入固化劑可使樹脂成型時(shí)由線型轉(zhuǎn)變

5、成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為較堅(jiān)硬和穩(wěn)定的塑料制品。其它穩(wěn)定劑（防老劑）、潤滑劑（防粘模具）、發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑、抗靜電劑等。2塑料的分類塑料品種繁多，而每一品種又有多種牌號，常用的塑料分類方法有下述兩種：（1）按樹脂的性質(zhì)分類 熱塑性塑料 是指在特定溫度范圍內(nèi)能反復(fù)加熱軟化和冷卻硬化的塑料。 熱固性塑料 指在一定溫度和壓力等條件下，保持一定時(shí)間而固化，固化后再加熱將不再軟化，也不溶于溶劑，只能塑制一次的塑料。（2）按塑料使用范圍分類 通用塑料 工程塑料 是指可可以作為結(jié)構(gòu)材料的塑料?？纱娼饘僮鳛闄C(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)件使用。主要有ABS塑料、有機(jī)玻璃、尼龍、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚砜等。

6、特種塑料 是指具有特種性能和特種用途的塑料。如醫(yī)用塑料、耐高溫塑料、耐腐蝕塑料等。耐熱塑料常見的有聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、有機(jī)硅樹脂、環(huán)氧樹脂等。3塑料的性能特點(diǎn)密度小 、比強(qiáng)度高 、耐蝕性好 、電性能優(yōu)良 、減摩性、耐磨性及自潤滑性好 、消音吸振 、強(qiáng)度低、剛性差 、耐熱性低、易老化 、具有可塑性和熔融流動(dòng)特性等。4工程塑料的用途及發(fā)展工程塑料并不是金屬的代用品，而是一類具有獨(dú)特性能的新型高分子材料。在選用時(shí)應(yīng)注意揚(yáng)長避短，針對不同的具體要求，選擇綜合性能最佳、成本較低的材料和保證產(chǎn)品質(zhì)量最好的加工方法，這樣才能充分發(fā)揮工程塑料的優(yōu)越性。² 作齒輪、軸承、泵葉、汽車零部件、儀器儀

7、表元件等，宜選用聚酰胺、聚碳酸酯和聚砜；² 作汽車傳動(dòng)萬向節(jié)軸承以聚甲醛最能勝任；² ·作高度防腐蝕部件、容器或襯里選聚四氟乙烯或聚氯醚為宜；² 作電子、電器等復(fù)雜形狀的部件，要用ABS；² 要求耐磨并具有一定自潤滑性的，首推聚酰胺、聚甲醛和聚四氟乙烯；² 要求耐高溫或低溫且沖擊性好，能作成透明片材使用的，非聚碳酸酯莫屬。² 近年來塑料在汽車上的應(yīng)用也越來越多。例如前照面、保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、頂蓋、翼子板、車門內(nèi)護(hù)板和某些車身骨架構(gòu)件等。² 日前，國外已研制成功具有合金鋼般的高強(qiáng)度的塑料，可以用來制造從汽車

8、軸承、機(jī)器齒輪到打字機(jī)零件等許多耐磨損零部件。常用塑料的名稱、代號、特性及用途見表6-1。二、橡膠1橡膠的組成（1）生膠 未加配合劑的天然或合成橡膠統(tǒng)稱為生膠，是橡膠制品的主要組分。生膠在橡膠制備過程中不但起著粘接其它配合劑的作用，而且決定橡膠制品的性能。（2）配合劑 配合劑是用以改善和提高橡膠制品的性能而加入的物質(zhì)。配合劑的種類很多，一般有： 硫化劑 在橡膠中加入硫化劑（常用硫磺）和其它配料后加熱、加壓，就會(huì)使線型結(jié)構(gòu)分子相互交聯(lián)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這個(gè)過程就叫做硫化。硫化處理后可提高橡膠的彈性、耐磨性、耐蝕性和抗老化能力，并使之具有不溶、不融特性。 其它硫化促進(jìn)劑、增塑劑 、填充劑 、防老劑 、增

9、強(qiáng)材料 、還有著色劑、發(fā)泡劑、電磁性調(diào)節(jié)劑等。2橡膠的分類（自閱教材）3橡膠的性能特點(diǎn)（自閱教材，回答問題）橡膠最顯著的性能特點(diǎn)（自閱教材，回答問題）4常用橡膠的種類、性能及用途見表6-2。§6-2陶瓷材料陶瓷材料是指以天然硅酸鹽（粘土、石英、長石等）或人工合成化合物（氮化物、氧化物、碳化物等）為原料，經(jīng)過制粉、配料、成形、高溫?zé)Y(jié)而成的無機(jī)非金屬材料。一、陶瓷的分類二、陶瓷的性能1陶瓷的力學(xué)性能（1）硬度 陶瓷的硬度在各類材料中最高，作為超硬耐磨損材料，性能特別優(yōu)良。（2）強(qiáng)度 由于陶瓷中存在著大量相當(dāng)于裂紋源的氣孔，在拉應(yīng)力的作用下，會(huì)迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致脆斷，因此陶瓷的抗拉強(qiáng)度低。但

10、它具有較高的抗壓強(qiáng)度，可以用于承受壓縮載荷的場合。（3）塑性和韌性 多數(shù)陶瓷彈性模量高于金屬，在外力作用下，只產(chǎn)生彈性變形，伸長率和斷面收縮率幾乎為零，完全是脆性斷裂，故沖擊韌性和斷裂韌度很低。2陶瓷的物理性能3陶瓷的化學(xué)性能 三、常用的陶瓷材料 1普通陶瓷 2特種陶瓷 特種陶瓷也叫現(xiàn)代陶瓷、精細(xì)陶瓷或高性能陶瓷。特種陶瓷的原料是人工提煉的，即純度較高的金屬氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等化合物。這類陶瓷具有一些獨(dú)特的性能，可滿足工程結(jié)構(gòu)的特殊需要。主要有： （1）氧化物陶瓷 氧化鋁（剛玉）陶瓷 氧化鈹陶瓷 （2）碳化物陶瓷 碳化硅陶瓷 碳化硼陶瓷 （3）氮化物陶瓷 氮化硅陶瓷 氮化硼陶瓷 氮

11、化硼有六方氮化硼和立方氮化硼。3金屬陶瓷 金屬陶瓷是以金屬氧化物（如Al2O3、ZrO2等）或金屬碳化物（如TiC、WC、TaC、NbC等）為主要成分，再加入適量的金屬粉末（如Co、Cr、Ni、Mo等及其合金），通過粉末冶金方法制成，具有金屬某些性質(zhì)的陶瓷，屬于顆粒增強(qiáng)型的復(fù)合材料。硬質(zhì)合金也是一種金屬陶瓷，廣泛用于制作機(jī)床刀具、模具和耐磨零件等。伴隨著各種新型材料的異軍突起，快離子陶瓷、壓電陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、光學(xué)陶瓷、敏感陶瓷（如光敏、氣敏、熱敏、濕敏等）、激光陶瓷、超導(dǎo)陶瓷等性能各異的功能陶瓷也在不斷的涌現(xiàn)，在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。§6-3復(fù)合材料復(fù)合材料既能保持各組成相的最佳

12、性能，又具有組合后的新性能，同時(shí)還可以按照構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、受力和功能等要求，給出預(yù)定的、分布合理的配套性能，進(jìn)行材料的最佳設(shè)計(jì)，而且材料與結(jié)構(gòu)可一次成形（即在形成復(fù)合材料的同時(shí)也就得到了結(jié)構(gòu)件）。復(fù)合材料的某些性能，是單一材料無法比擬也無法具備的。例如：玻璃和樹脂的強(qiáng)韌性都不高，但它們組成的復(fù)合材料（玻璃鋼）卻有很高的強(qiáng)度和韌性，而且重量很輕；用纏繞法制造的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼，主應(yīng)力方向上的強(qiáng)度是單一樹脂的20多倍；溫度膨脹系數(shù)不同的黃銅片和鐵片復(fù)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫，用于制作自動(dòng)控溫開關(guān)；導(dǎo)電銅片兩邊加上隔熱、隔電塑料實(shí)現(xiàn)一定方向?qū)щ姟⒘硗夥较蚪^緣及隔熱的雙重功能。復(fù)合材料已成為挖掘材料潛能、研制、開發(fā)新材

13、料的有效途徑，有人預(yù)言，21世紀(jì)將是進(jìn)入復(fù)合材料的年代。一、復(fù)合材料的組成及分類1組成 一類是基體，是連續(xù)相，起粘結(jié)、保護(hù)、傳遞外加載荷的作用?；w相可由金屬、樹脂、陶瓷等構(gòu)成。另一類為增強(qiáng)材料，是分散相，起著承受載荷、提高強(qiáng)度、韌性的作用。增強(qiáng)相的形態(tài)有細(xì)粒狀、短纖維、連續(xù)纖維、片狀等。2分類（1）按基體的不同，分為非金屬基體和金屬基體兩類。常用的有纖維增強(qiáng)金屬管、纖維增強(qiáng)塑料、鋼筋混凝土等。（2）按增強(qiáng)相種類和形狀不同，分為顆粒、晶須、層狀及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。常用的有金屬陶瓷、熱雙金屬片簧、玻璃纖維復(fù)合材料（玻璃鋼）等。（3）按性能不同，分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩類。二、復(fù)合材料的復(fù)

14、合原則三、復(fù)合材料的性能特點(diǎn)四、常用的復(fù)合材料1纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（1）玻璃纖維復(fù)合材料 熱固性玻璃鋼 由玻璃纖維與熱固性樹脂（如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂和有機(jī)硅樹脂等）復(fù)合的材料稱為熱固性玻璃鋼。 熱塑性玻璃鋼 由玻璃纖維與熱塑性樹脂（如尼龍、ABS、聚苯乙烯等）復(fù)合的材料稱為熱塑性玻璃鋼。（2）碳纖維復(fù)合材料 碳纖維-樹脂復(fù)合材料 碳纖維-金屬（或合金）復(fù)合材料 ·碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料：·碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料： 碳纖維-陶瓷復(fù)合材料 用碳（或石墨）纖維與陶瓷組成的復(fù)合材料。（3）硼纖維復(fù)合材料 硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 硼纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料。（4）晶須增強(qiáng)復(fù)合材料

15、 2顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料（1）金屬陶瓷 （2）彌散強(qiáng)化合金 （3）表面復(fù)合材料 3層狀復(fù)合材料（1）雙層金屬復(fù)合材料 （2）塑料-金屬多層復(fù)合材料 §6-4其它非金屬材料隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工程中使用的非金屬材料品種越來越多，除前述之外，還有金剛石、光纖、硅單晶、膠粘劑、涂料等，部分非金屬材料的性能、特點(diǎn)與應(yīng)用見表6-5。 膇肀薆衿罿蒈薆蚈芅莄薅螁肈芀薄袃芃膆薃羅肆蒅薂蚅衿莁蟻螇肄芇蟻衿袇膃蝕蕿肅聿蠆螁裊蕆蚈襖膁莃蚇羆羄艿蚆蚆腿膅蚅螈羂蒄螅袀膈莀螄羃羀芆螃螞膆節(jié)荿裊罿膈莈羇芄蒆莈蚇肇莂莇蝿節(jié)羋莆袁肅膄蒅羃袈蒃蒄蚃肄荿蒃螅袆蒞蒂羈膂芁蒂蚇羅膇蒁螀膀蒆蒀袂羃莂葿羄膈羋薈蚄羈膄薇螆膇肀薆衿罿蒈薆蚈芅莄薅螁肈芀薄袃芃膆薃羅肆蒅薂蚅衿莁蟻螇肄芇蟻衿袇膃蝕蕿肅聿蠆螁裊蕆蚈襖膁莃蚇羆羄艿蚆蚆腿