常用工程材料

1、第三篇 常用工程材料 金屬材料陶瓷材料高分子材料 復(fù)合材料 功能材料概述（自學） 第二章 陶瓷材料傳統(tǒng)陶瓷 特種陶瓷 金屬陶瓷 1、傳統(tǒng)陶瓷 日用陶瓷建筑陶瓷電工陶瓷（高壓瓷）化工陶瓷原料長石，石英，粘土，高齡土，絹云母，滑石，石灰加入MgO，ZnO，BaO，Cr2O3等，提高強度；加入Al2O3 ，ZrO2等，提高強度和熱穩(wěn)定性；加入SiC等，提高導(dǎo)熱性。性能要求 白度，光潔度，熱穩(wěn)定性，機械強度，熱穩(wěn)定性強度，熱穩(wěn)定性強度，介電性能和熱穩(wěn)定性耐蝕性用途 日用器皿，工藝品藝術(shù)品等地面，墻壁，管道，衛(wèi)生潔具等隔電，支持及連接，絕緣器件實驗器皿，耐熱容器，管道，設(shè)備2、特種陶瓷 氧化物陶瓷 結(jié)構(gòu)

2、及性能特點：（1）熔點2000，（2）晶體相+少量氣相（3）微晶強度粗晶（4）隨溫度升高，強度降低（1000以下，降低不大）（5）高溫不氧化Al2O3高的強度和高溫強度（抗壓2493MN/m2)，高化學穩(wěn)定性和介電性能用途：工具，高溫爐零件，空壓機泵零件，內(nèi)燃機火花塞，坩堝。致密真空陶瓷；多孔絕熱材料；微晶剛玉（彎曲強度5000MN/m2，HRA92-93，紅硬性1200）工具ZrO2呈弱酸性或惰性，導(dǎo)熱系數(shù)小1.5-1.7kcal/mh，使用溫度2000-2200，抗壓強度2060MN/m2用途耐火坩堝，爐子和反應(yīng)堆的絕熱材料，金屬表面的防護涂層MgOCaO抗各種金屬堿性渣的作用，熱穩(wěn)定性差

3、，MgO高溫易揮發(fā)，CaO在空氣中易水化用途坩堝BeO導(dǎo)熱性好（180kcal/mh），熱穩(wěn)定性較高，消散高能輻射的能力強，熱中子阻尼系數(shù)大，強度低（抗壓強度（785MN/m2）用途熔化某些純金屬的坩堝，真空陶瓷和原子反應(yīng)堆用陶瓷TnO2UO2高熔點，高密度，高放射性用途熔化銠，鉑，銀等金屬之坩堝、電爐構(gòu)件（TnO2），反應(yīng)堆中的放熱元件（UO2）非氧化物陶瓷 性能特點： (1) 高耐火度（2）高硬度（甚至接近于金剛石）和高的耐磨性（3）脆性大（4）抗氧化碳化物和硼化物900-1000氮化物略低硅化物1300-1700） 碳化硅彎曲強度200-250MN/m2，抗壓強度1000-1500MN/

4、m2，硬度高，抗氧化，不抗強堿。用途加熱元件，石墨的表面保護層，砂輪，磨料氮化硼石墨類型六方結(jié)構(gòu)（白石墨）-介電體和耐火潤滑劑。立方結(jié)構(gòu)（BN)極高硬度，抗加熱溫度2000，是金剛石的代用品。 3、金屬陶瓷金屬+陶瓷組成的非均質(zhì)復(fù)合材料 相結(jié)構(gòu)與性能： 相結(jié)構(gòu)性能陶瓷相：氧化物（Al2O3，ZrO2，MgO，BaO等）碳化物（TiC，WC，SiC）硼化物（TiB，ZrB2，CrB2）氮化物（TiN，BN，Si3N4）硬度高，耐火度高，耐蝕性強 熱穩(wěn)定性差，脆性大金屬相:（Ti，Cr，Ni，Co）及其合金熱穩(wěn)定性、韌姓好易氧化，高溫強度不高、氧化物金屬基陶瓷結(jié)構(gòu)特點氧化鋁金屬黏合劑（r，e，i等

5、）界面結(jié)合：Al2O3和Cr2O3形成固溶體性能特點（1）紅硬性（1200）（）抗氧化性（）高溫強度高 （）脆性大（）熱穩(wěn)定性低用途工具材料：（）硬材料加工（）快速加工（）高精度加工（）大管件加工、碳化物基金屬陶瓷碳化物（，iC鐵族金屬（Co，Ni等） WC-Co，TiC-Ni(1)硬質(zhì)合金 C-CoC-TiC-CoC-TiC-TaC-Co牌號 6（6%Co）YT30（30%TiC）性能特點 Co%，韌性和強度，硬度和耐磨性略降紅硬性高于YG，韌性，強度略低于YG兼具YG，YT優(yōu)點用途 工具（切削鑄鐵、有色金屬和非金屬材料）車，刨，銑加工耐熱及合金等難加工材料(2)耐熱材料 iC-Ni，Co，

6、(Cr，Mo，W)性能特點 同硬質(zhì)合金相比碳化物含量下降，金屬含量升高，韌性升高，熱穩(wěn)定性升高。用途 渦輪噴氣發(fā)動機燃燒室、葉片、渦輪盤等第三章 高分子材料工程塑料橡膠與合成纖維合成膠粘劑和涂料高分子工程材料：高分子材料實際上是由高分子化合物經(jīng)過加工和加入添加物而制成的。有機高分子化合物有天然與合成之分如蛋白質(zhì)、淀粉及纖維是自然界中生長的天然高分子化合物；而塑料、合成纖維及合成橡膠則屬于人工合成的合成高分子材料。高分子材料分類： 工程塑料、橡膠與合成纖維、合成膠粘劑和涂料 1、高分子工程材料概述高分子工程材料特性： 重量輕（1.02.0g/cm3） 鋼的1/81/4，普通陶瓷的 1/2 以下

7、高彈性 彈性變形量大（1001000%） 一般金屬材料為 0.11%彈性模量低（220MN/） 一般金屬材料為 1032105MN/m2T 彈性模量 （T，彈性模量） 拉伸時溫度升高 （金屬拉伸時溫度降低） 粘彈性：應(yīng)變不隨作用力即時建立平衡，而有所滯后。 產(chǎn)生原因：鏈段的運動遇到困難，需要時間來調(diào)整構(gòu)象以適應(yīng)外力的要求。蠕變（卷曲纏結(jié) 伸直)應(yīng)力松弛（卷曲纏結(jié) 伸張交纏 拉應(yīng)力 自然卷曲 線型高聚物：隨時間延長，可以依次產(chǎn)生普彈，高彈，流動變形，應(yīng)力衰減至零。交聯(lián)高聚物：應(yīng)力只能衰減至某一有限值。滯后與內(nèi)耗 內(nèi)耗會導(dǎo)致高聚物溫度的升高，加速老化。內(nèi)耗能吸收震動波，有利于高聚物的減震波。塑性與

8、受迫彈性軟化階段表現(xiàn)明顯塑性。屈服點所對應(yīng)的屈服應(yīng)變較大（20%）（金屬材料1%），頸縮變形階段長，以細頸擴展的方式進行。受迫彈性：外力的作用，促進了分子鏈的運動，使分子鏈由卷曲形變?yōu)樯熘毙?，造成大的變形。在玻璃化的溫度下，因鏈段的運動被凍結(jié)，外力去除，變形不能回復(fù)。 強度低（比金屬材料低很多）作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的主要障礙之一（許多高聚物的比強度較高）理論值為實際值的1001000倍原因-結(jié)構(gòu)中存在缺陷（微裂紋，空洞，氣孔，雜質(zhì)，松散和不為均勻性） 斷裂及其影響因素 硬脆類：彈性模量高，強度高，斷裂伸長率很小（0.2%），發(fā)生完全的脆性斷裂。 如：聚苯乙烯，苯酚樹脂和脲醛樹脂（熱固性塑料）

9、強硬類：彈性模量和強度較高，有小量的伸長率（2%），脆性斷裂（但局部斷面有流動痕跡） 如：有機玻璃，硬聚氯乙烯，韌性聚苯乙烯等。 強韌類：彈性模量和強度較高，伸長率較大（100%），多發(fā)生韌性斷裂。 如：軟聚氯乙烯，聚碳酸酯，聚甲醛，聚酰胺等。 柔韌類：彈性模量和屈服極限低，有一定的強度，伸長率很大（1000%）由于拉伸時分子鏈趨向于定向分布，出現(xiàn)結(jié)晶化細頸，多發(fā)生脆性斷裂。 如：各種橡膠，高壓聚乙烯 軟弱類：彈性模量和強度都很低，但有一定的伸長率，完全的塑性斷裂。 如：天然橡膠 影響因素：溫度、變形速度（粘彈性） 韌性如：熱固性塑料 0.55KJ/，熱塑性 25KJ/i 非金屬材料中高聚物的

10、韌性較好（源于塑性好）i僅為金屬的 1% 數(shù)量級（源于強度低）提高高聚物的韌性提高強度 如： 不飽和聚脂樹脂-玻璃纖維增強-玻璃鋼 強度 4088MN/ 204340MN/ 韌性 1.082.16KJ/ 27162KJ/ 斷裂伸長 0.52.0% 提高斷裂伸長率 如：橡膠與塑料機械共混橡膠塑料 減摩，耐摩性摩擦系數(shù)低一般為0.20.4，有些為0.04自潤滑性能較好，磨損率低。消音，減震能力強。對工作條件及磨粒適應(yīng)性好。絕緣性好，低導(dǎo)熱性耐蝕性好不發(fā)生電化學腐蝕化學穩(wěn)定性很高，耐水和無機試劑，耐酸和堿。（強共價鍵，官能團少；卷曲纏結(jié)，暴露基團少）如：聚四氟乙烯（塑料王）在沸騰的王水中也很穩(wěn)定。摩

11、擦副材料摩擦系數(shù)摩擦副材料摩擦系數(shù)軟鋼-軟鋼030軟鋼-硬鋼（油潤滑）008硬鋼-硬鋼015聚四氟乙烯-聚四氟乙烯004 耐熱性高聚物對溫度升高時性能明顯降低的抵抗能力。與金屬相比高聚物的耐熱性是較低的。馬丁耐熱溫度：將標準式樣（120 x15x10mm）置于馬丁耐熱儀中施加一定的靜彎應(yīng)力（5MN/），緩慢加熱，使試樣末端彎曲到指定大?。?mm）時的溫度。i 熱固性塑料的耐熱性比熱性塑性材料高熱塑性塑料：聚乙烯，聚氯乙烯，尼龍等 100以下熱固性塑料：酚醛塑料 130150耐高溫塑料：有機硅塑料 200300i提高高聚物的耐熱性的途徑增大主鏈的剛性（引入龐大的側(cè)基，增大鏈的內(nèi)旋阻力；引入環(huán)狀結(jié)

12、構(gòu)等）增強分子間的作用力（形成交聯(lián)、氫鍵，引入強的極性基團等）提高聚合物的結(jié)晶度以及加入填充劑、增強劑等。老化 指高聚物在長期使用或存放過程中，由于受到各種因素的作用，性能隨時間不斷變化，逐漸喪失使用價值的過程。如：橡膠變脆，龜裂或變軟，發(fā)粘。塑料褪色，失去光澤和開裂。 老化的原因 降解大分子斷鏈或裂解，碎斷成小分子，分子量 強度，彈性，熔點，溶解度，粘度交聯(lián)分子鏈之間生成化學鍵，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 性能變硬，變脆 影響因素 內(nèi)因結(jié)構(gòu)弱點 化學結(jié)構(gòu) 分子鏈結(jié)構(gòu) 聚集態(tài)結(jié)構(gòu)外因物理因素 熱、光、輻射、應(yīng)力如離子化輻射聚乙烯交聯(lián) 高聚物的輻射穩(wěn)定性：聚苯乙烯聚乙烯聚氯乙烯聚丙烯腈聚三氟氯乙烯聚四氟乙烯化

13、學因素 氧和臭氧 水 酸 堿如氧或臭氧與高聚物作用-氧化鏈鎖反應(yīng)棗高聚物自加速地降解老化生物因素 微生物，昆蟲等 改進方法 表面保護：表面涂鍍一層金屬或防老化涂料。改進高聚物的結(jié)構(gòu)：減少結(jié)構(gòu)中的弱點，提高穩(wěn)定性。加入防老化劑：消除外因影響下產(chǎn)生的游離基，或減低其活潑性組成與分類：塑料是在玻璃態(tài)使用的、具有可塑性的高分子材料。它是以樹脂為主要組分，加入各種添加劑，可塑成型的材料。組分： 樹脂：樹脂是塑料的主要組分。它膠粘著塑料中的其它一切組成部分，并使其具有成型性能。樹脂的種類、性質(zhì)以及它在塑料中占有的比例大小，對塑性的性能起著決定性的作用。添加劑：按加入目的及作用的不同， 有填料、增塑劑、固化

14、劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、著色劑等 分類：按樹脂特性分：（1）依樹脂受熱時的行為分為熱塑性塑料和熱固性塑料（2）依樹脂合成反應(yīng)的特點分為聚合塑料和縮合塑料按塑料的應(yīng)用范圍分通用塑料、工程塑料、特種塑料2、工程塑料塑料制品的成型與加工成型方法：注射成型法、壓制成型、澆鑄成型、抗壓成型、吹塑成型、真空成型等加工： 機械加工、塑料的連接、塑料制品的表面處理性能特點：相對密度??；耐蝕性能好；電絕緣性能好；減摩、耐磨性能好；有消音吸震性；剛性差；乃熱性低；膨脹系數(shù)大、熱導(dǎo)率小；蠕變溫度低；有老化現(xiàn)象；在某些溶劑中會發(fā)生溶脹或應(yīng)力開裂。常見工程塑料常見熱塑性塑料 聚酰胺、聚甲醛（POM）、聚砜（PSF）、聚碳酸

15、酯（PC）、ABS塑料等；常見熱固塑性塑料（經(jīng)過固化處理）酚醛塑料、環(huán)氧塑料（EP）等應(yīng)用：可以作為：一般構(gòu)件、普通傳動零件、摩擦零件、耐蝕零件、電器零件橡膠組成：橡膠是以高分子化合物為基礎(chǔ)的、具有顯著高彈性的材料。以生膠為原料加入適量的配合劑而形成的高分子彈性體。性能特點：橡膠最顯著的性能特點是具有高彈性主要表現(xiàn)為在較小的外力作用下就能產(chǎn)生很大的變形，切當外力去除后又能很快恢復(fù)到近似原來的狀態(tài)；另一個表現(xiàn)為其宏觀彈性變形量可高達100%1000%。優(yōu)良的伸縮性和可貴的積儲能量的能力，良好的耐磨性、絕緣性、隔音性和阻尼性，一定的強度和硬度。成為常用的彈性材料、密封材料、減震防震材料、傳動材料、

16、絕緣材料。3、橡膠與合成纖維分類：按原料來源可分為天然橡膠和合成橡膠兩大類；天然橡膠是橡樹上流出的乳膠加工而制成的；合成橡膠是通過人工合成制得的，具有與天然橡膠相近性能的一類高分子材料。按應(yīng)用范圍又可分為通用橡膠與特種橡膠兩類。通用橡膠是指用于制造輪胎、工業(yè)用品、日常用品的量大面廣的橡膠，特種橡膠是指用于制造在特殊條件（高溫、低溫、酸、堿、油、輻射等）下使用的零部件的橡膠。常用的橡膠材料：天然橡膠：從天然植物中采集出來的一種以聚異戊二烯為主要成分的天然高分子化合物。性能特點：它具有較高的彈性、較好的力學性能、良好的電絕緣性及耐堿性，是異類綜合性能較好的橡膠。缺點是耐油、耐溶膠較差，耐臭氧老化性

17、差，不耐高溫及濃強酸。用途：主要用于制造輪胎、膠帶、膠管等。通用合成橡膠：丁苯橡膠：是由丁二烯和苯乙烯共聚而成的。其耐磨性、耐熱性、耐油、抗老化性均比天然橡膠好，并能以任意比例與天然橡膠混用，價格低廉。主要用于制造汽車輪胎、膠帶、膠管等。順丁橡膠：是由丁二烯聚合而成。其彈性、耐磨性、耐熱性、耐寒性均優(yōu)于天然橡膠，是制造輪胎的優(yōu)良材料。主要用于制作輪胎、膠帶、彈簧、減震器、電絕緣制品等。氯丁橡膠：是由氯丁二烯聚合而成。不僅具有可與天然橡膠比擬的高彈性、高絕緣性、較高強度和高耐堿性，而且具有天然橡膠和一般通用橡膠所沒有的優(yōu)良性能。應(yīng)用廣泛，既可作通用橡膠，又可作特種橡膠。由于其耐燃燒，故可用于制桌

18、礦井的運輸帶、膠管、電纜；也可作告訴三角帶及各種墊圈等。乙丙橡膠：是由乙烯與丙烯共聚而成。具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗老化能力強，絕緣性、耐熱性、耐寒性好，在酸、堿中耐蝕性好等優(yōu)點。主要用于制作輪胎、蒸汽膠管，耐熱運輸帶、高壓電線管套等。特種合成橡膠：丁腈橡膠：是由丁二烯與丙烯腈聚合而成。其耐油性好、耐熱、耐燃燒、耐磨、耐堿、耐有機溶劑、抗老化。主要用于制作耐油制品，如油箱、貯油槽、輸油管等。硅橡膠：是由二甲基硅氧烷與其它有機硅單體共聚而成。具有 高耐熱性和耐寒性，在100350攝氏度范圍內(nèi)保持良好彈性，抗老化能力強、絕緣性好。主要用于飛機和宇航中的密封件、薄膜、膠管和耐高溫的電線和電纜等。氟橡膠：是以碳

19、原子為主鏈，含有氟原子的聚合物。其化學穩(wěn)定性高、耐蝕性能居各類橡膠之首，耐熱性好，最高使用溫度為300攝氏度。主要用于國防和高技術(shù)中的密封件，如火箭、導(dǎo)彈的密封圈及化工設(shè)備中的襯里等。合成纖維定義：凡能保持長度比本身直徑大100倍的均勻條狀或絲狀的高分子材料均稱纖維。分類：可分為天然纖維和化學纖維?；瘜W纖維又可分為人造纖維和合成纖維。人造纖維是用自然界的纖維加工而成，如叫“人造絲”、“人造棉”的粘膠纖維和硝化纖維、醋酸纖維等合成纖維是以石油、煤、天然氣為原料制成的。合成纖維的品種：滌綸：又叫的確良，具有高強度、耐磨、耐蝕，易洗快干等優(yōu)點，是很好的衣料纖維。尼龍：在我國又稱棉綸，其強度大、耐磨性

20、好、彈性好，主要缺點是耐光性差。腈綸：在國外叫奧綸、開米司綸，它柔軟、輕盈、保暖，有人造羊毛之稱。維綸：維綸的原料易得，成本低，性能與棉花相似且強度高；缺點是彈性較差，織物易皺。丙綸：是后期之秀，發(fā)展快，纖維以輕、牢、耐磨著稱；缺點是可染性差，且曬易老化。氯綸：難燃、保暖、耐曬、耐磨，彈性也好，由于染色性差，熱收縮大，限制了它的應(yīng)用。合成膠粘劑特點:用膠粘劑把物品連接在一起的方法叫膠接,也叫粘接.整個膠接面都能承受載荷,因此強度較高,而且應(yīng)力分布均勻,你面了應(yīng)力集中,耐疲勞強度好.可連接不同種類的材料,而且可用于薄型零件脆性材料以及微型零件的連接.膠接結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕,表面光滑美觀.具有密封作用,而

21、且膠粘劑電絕緣性好,可以防止金屬發(fā)生電化學腐蝕.膠接工藝簡單,操作方便.4、合成粘膠劑和涂料組成:膠粘劑又叫粘結(jié)劑膠合劑或膠.有天然膠粘劑和合成膠粘劑之分,也可分為有機膠粘劑和無機膠粘劑.主要組成：除基料(一種或幾種高聚物)外,尚有固化劑填料增塑劑增韌劑稀釋劑促進劑和著色劑.常用膠粘劑環(huán)氧膠粘劑改性酚醛膠粘劑聚氨酯膠粘劑-氰丙烯酸酯膠 掩氧膠無機膠粘劑 涂料作用 涂料即為通常說的油漆,是一種有機高分子膠體的混合溶液,涂在物體表面上能干結(jié)成膜.保護作用 避免外力碰傷、摩擦,也防止大氣、水等的腐蝕.裝飾作用 使制品表面光滑美觀.特殊作用 可做標志用,如管道、氣瓶和交通標志牌等。船底漆可防止微生物駙

22、著,保護船體光滑,減少行進阻力. 另外還有絕緣涂料、導(dǎo)電涂料、抗紅外線涂料、吸收雷達涂料、示溫涂料以及醫(yī)院手術(shù)室用的殺菌涂料等。組成：粘結(jié)劑：粘結(jié)劑是涂料的主要成膜物質(zhì)，它決定了涂層的性質(zhì)。過去主要使用油料，現(xiàn)在使用和策劃能夠樹脂。顏料：顏料也是涂膜的組成部分，它不僅是涂料著色，而且能提高涂膜的強度、耐磨性、耐久性和防銹能力。溶劑：溶劑用以稀釋涂料，便于加工，干結(jié)后揮發(fā)。其他輔助材料：如催化劑、增塑劑、固化劑、穩(wěn)定劑等。常用涂料 酚醛樹涂料 、氨基樹脂涂料 、醇酸樹脂涂料 、聚氨脂涂料 、有機硅涂料 。第四章 復(fù)合材料工程塑料橡膠與合成纖維合成膠粘劑和涂料火箭殼體材料對射程的影響 1、復(fù)合材料

23、結(jié)構(gòu)與性能復(fù)合材料定義：兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。國際標準化組織（ISO）復(fù)合材料的特點可綜合發(fā)揮各種組分材料的優(yōu)點可按需要進行材料的設(shè)計和制造可制成所需形狀的產(chǎn)品，并可避免多重加工工序。復(fù)合材料的基本結(jié)構(gòu)模式：復(fù)合材料由基體和增強劑兩個組分構(gòu)成：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常一個相為連續(xù)相，稱為基體；而另一相是一以獨立的形態(tài)分布在整個基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著改善和和增強，稱為增強劑（增強相、增強體）。增強劑（相）一般較基體硬，強度、模量較基體大，或具有其它特性。增強劑（相）可以是纖維狀、顆粒狀或彌散狀。增強劑（相）與基體之間存在著明顯

24、界面。復(fù)合材料的分類按增強材料的形態(tài)顆粒增強復(fù)合材料晶須增強復(fù)合材料短纖維增強復(fù)合材料連續(xù)纖維增強復(fù)合材料 混雜纖維增強復(fù)合材料編織復(fù)合材料層狀復(fù)合材料按增強纖維種類玻璃纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料有機纖維復(fù)合材料金屬纖維復(fù)合材料陶瓷纖維復(fù)合材料按基體材料聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料無機非金屬基復(fù)合材料按用途結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料復(fù)合材料的基本性能高比強度、高比模量（剛度）： 良好的高溫性能：復(fù)合材料可以在廣泛的溫度范圍內(nèi)使用，同時其使用溫度均高于復(fù)合材料基體。目前聚合物基復(fù)合材料的最高耐溫上限為350 C；金屬基復(fù)合材料按不同的基體性能，其使用溫度在350 1100 C范圍內(nèi)變動；陶瓷基復(fù)

25、合材料的使用溫度可達1400C；碳碳復(fù)合材料的使用溫度最高，可高達2800C。良好的尺寸穩(wěn)定性： 加入增強體到基體材料中可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過改變復(fù)合材料中增強體的含量，可以調(diào)整復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。例如在石墨纖維增強鎂基復(fù)合材料中，當石墨纖維的含量達到48%時，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為零，即在溫度變化時其制品不發(fā)生熱變形。這對人造衛(wèi)星構(gòu)件非常重要。 良好的化學穩(wěn)定性： 聚合物基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料具有良好的抗腐蝕性 良好的抗疲勞、蠕變、 沖擊和斷裂韌性：由于增強體的加入，復(fù)合材料的抗疲勞、蠕變、 沖擊和斷裂韌性等性能得到提高，特別是陶瓷基復(fù)合材料的脆性得到明顯改善 良好的功能性能

26、：包括 光、電、磁、熱、燒蝕、摩擦及潤滑等性能。 性能特點：比強度、比模量大耐疲勞性能好減震性好過載安全性好具多種功能耐燒蝕性好良好的摩擦性能（包括摩阻特性和減摩特性）高度的電絕緣性能優(yōu)良的耐腐蝕性能特殊的光、電、磁學性能2、聚合物基復(fù)合材料玻璃纖維增強塑料玻璃鋼 增強劑：玻璃纖維（SiO2+其他氧化物）性能：比強度和比模量高（如40%玻璃纖維增強尼龍的強度大于鋁合金），耐高溫，化學穩(wěn)定性好，電絕緣性較好熱塑性玻璃鋼 粘結(jié)劑：熱塑性樹脂尼龍、聚烯烴類、聚苯乙烯類、(熱塑性聚脂，聚碳 酸脂)機械性能、介電性能、耐熱性和抗衰老性能較好 性能：（與基體材料相比） i 強度和疲勞性能提高2-3倍以上

27、ii 沖擊韌性提高2-4倍(脆性材料) iii 蠕變抗力提高2-5倍熱固性玻璃鋼（GFRP）粘結(jié)劑：熱固性樹脂酚醛樹脂，環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂，有機硅樹脂 性能：輕，比強度高(高于銅合金和鋁合金，有高于合金鋼)，耐蝕性好,介電性能優(yōu)越,成型性能良好剛度較差，易老化，易蠕變用途：玻璃纖維/尼龍-軸承，軸承架，齒輪；玻璃纖維/聚苯乙烯汽車內(nèi)裝飾制品，機殼碳纖維增強塑料 增強劑：碳纖維（石墨）高強度、高彈性模量且2000以上保持不變；-180不變脆。 普通碳纖維b=5001000MN/m2，E=2000070000MN/m2； 高模量碳纖維b=1500MN/m2，E= 150000MN/m2，比強

28、度比模量是耐熱纖維中最高的 碳纖維樹脂復(fù)合材料： 基體環(huán)氧樹脂，酚醛樹脂，聚四氟乙烯性能普遍優(yōu)于玻璃鋼： 比鋁輕，比鋼強，E 比鋁合金和鋼大，疲勞強度高，沖擊韌性高，耐水和濕氣，化學穩(wěn)定性高，摩擦系數(shù)小，導(dǎo)熱性好，耐X射線， 纖維和樹脂粘結(jié)力不夠，各向異性大，耐高溫性能有差距 用途： 航天材料飛行器，火箭外層材料，天線支架，殼體，機架 齒輪，軸承，活塞，密封圈，化工容器硼纖維增強塑料 增強劑：硼纖維硼纖維沉積于鎢絲 金屬硼+WB晶體(芯) d=915m，b=27503140MN/m2，E=382600392400MN/m2（=4倍玻纖），=0.70.8%硼纖維樹脂復(fù)合材料 基體環(huán)氧樹脂，聚苯并

29、咪唑，聚酰亞胺樹脂性能：抗壓強度為碳纖維復(fù)合材料的22.5倍，剪切強度高，蠕變小，硬度和彈性模量高，高疲勞強度（340390MN/m2），耐輻射，化學穩(wěn)定（水，有機溶劑，燃料，潤滑劑），導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能好（硼纖維是半導(dǎo)體）。 應(yīng)用：航空和宇航材料，如：翼面，儀表盤，轉(zhuǎn)子，壓氣機葉片，直升機螺旋槳葉的傳動軸等聚合物復(fù)合材料FRP在波音B-777上的應(yīng)用 聚合物復(fù)合材料FRP 在導(dǎo)彈火箭上的應(yīng)用 聚合物復(fù)合材料FRP 在導(dǎo)彈火箭上的應(yīng)用 芳綸增強復(fù)合材料芳綸聚對苯二甲酰對苯二胺kavlar纖維Kavlar-49增強纖維b=28003700MPa；（高于碳纖維）1.45g/cm3；（比碳纖維輕15

30、，比玻璃纖維輕45）具耐熱性，分解溫度高達560熱膨脹系數(shù)低，耐疲勞性高，富有強韌性，易加工增強環(huán)氧樹脂用于：航天飛機、宇航器的某些高壓容器、雷達天線罩性能特點：高比強度、高比模量導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好良好的高溫性能耐磨性好良好的疲勞性能和斷裂韌性不吸潮、不老化、器密性好3、金屬基復(fù)合材料碳纖維金屬復(fù)合材料 基體金屬(主要為熔點較低的金屬或合金，如碳纖/鋁錫合金) 性能特點：接近于金屬熔點仍有很好的強度和彈性模量) 用途：碳纖/鋁錫合金高強度高級軸承（減磨性能優(yōu)于鋁錫合金）硼纖維金屬復(fù)合材料 基體鋁鎂及其合金，鈦及其合金性能：如鋁基復(fù)合材料的強度、彈性模量、疲勞極限高于高強鋁

31、合金和耐熱鋁合金，比強度高于鋼和鈦合金 . 應(yīng)用：航空、火箭 金屬纖維復(fù)合材料增強纖維高熔點金屬：鎢、鉬絲 金屬/金屬：基體鎳合金，鈦合金 提高合金的高溫強度和彈性模量，塑性和韌性較好，用于飛機構(gòu)件美國航天飛機Bf/Al主承力桁架 連續(xù)纖維/金屬基復(fù)合材料應(yīng)用的最著名例子就是美國航天飛機主倉承力桁架、（原）蘇聯(lián)航天飛機“暴風雪號”級間連接環(huán)均使用了Bf/Al復(fù)合材料。美國航天飛機主倉承力桁架使用Bf/Al，減輕了結(jié)構(gòu)重量145公斤。 陶瓷材料用高強度、高模量的纖維或晶須增強后，可大幅度提高其高溫強度和韌性同時具有陶瓷材料的優(yōu)異特性強度高、硬度大、耐高溫、抗氧化、高溫下耐磨損性好、耐化學腐蝕性優(yōu)

32、良、熱膨脹系數(shù)和密度小。碳纖維碳復(fù)合材料 性能：強度和沖擊韌性比石墨高5-10倍，剛度高，耐磨性，化學穩(wěn)定性好，尺寸穩(wěn)定性好。用途：高溫技術(shù)，化工和核反應(yīng)裝置航天航空材料，導(dǎo)彈鼻錐，飛船的前緣，超音速飛機制動裝置4、陶瓷基復(fù)合材料C/C復(fù)合材料在航天飛機上應(yīng)用部位示意圖 固體發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖 碳/碳復(fù)合材料碳纖維陶瓷復(fù)合材料 碳纖/石英玻璃性能特點：抗彎強度提高了約12倍，沖擊韌性提高了約40倍，熱穩(wěn)定性也非常好碳纖/碳化硅、碳化硅纖維/碳化硅性能特點： 1700、1200 保持20h的抗拉強度，有較好抗壓性能和較高的層間剪切強度，斷裂延伸率較一般陶瓷高，耐輻射效率高，可有效降低表面溫度，極好

33、的抗氧化、抗開裂性能。航天飛機高溫區(qū)隔熱板金屬纖維陶瓷復(fù)合材料增強纖維高熔點金屬：鎢、鉬絲 基體-氧化鋁，氧化鋯 改善陶瓷脆性和抗拉能力，用作高溫結(jié)構(gòu)材料。 第五章 功能材料概述（自學）（一）功能材料的概念功能材料是指具有特殊的電、磁、光、熱、聲、力、化學性能和生物性能及其轉(zhuǎn)化的功能，用以實現(xiàn)對信息和能量的感受、計測、顯示控制和轉(zhuǎn)化為主要的非結(jié)構(gòu)性高新材料。1、功能材料的特點與分類（二）功能材料的特點多功能化如NiTi合金，既具有形狀記憶功能，又具有結(jié)構(gòu)材料的超彈性。 材料形態(tài)的多樣性同一成分的材料形態(tài)不同時，常會呈現(xiàn)不同的功能。如Al2O3陶瓷材料拉成單晶時為人造寶石燒結(jié)成多晶時常用作集成電

34、路基板材料、透光陶瓷等；多孔質(zhì)化時是催化劑的良好載體與過濾材料；纖維化時為良好的絕熱保溫材料。 材料與元件一體化功能材料則以元件形式為最終產(chǎn)品（結(jié)構(gòu)材料常以結(jié)構(gòu)形式為最終產(chǎn)品）。制造與應(yīng)用的高技術(shù)性，性能與質(zhì)量的高精密性及高穩(wěn)定性為了賦予材料與元件的特定性能，需要嚴格控制材料成分（如高純度或超高純度要求、微量元素或特種添加劑含量等）和內(nèi)部結(jié)構(gòu)及表面質(zhì)量，這往往需進行特殊制備與處理工藝。 （三）功能材料的分類電功能材料指利用材料的電學性能和各種電效應(yīng)等電功能的材料。分為導(dǎo)電材料、電阻材料和電接點材料。磁功能材料指利用材料的磁性能和磁效應(yīng)（電磁互感效應(yīng)、壓磁效應(yīng)、磁光效應(yīng)、磁阻及磁熱效等）實現(xiàn)對能

35、量及信息轉(zhuǎn)換、傳遞、調(diào)制、存儲、檢測等功能作用的材料。按成分不同分為金屬磁性材料（含金屬間化合物）和鐵氧體（氧化物磁性材料）；按磁性能不同軟磁材料和硬磁材料。 熱功能材料指利用材料的熱學性能及其熱效應(yīng)來實現(xiàn)某種功能的一類材料。按性能分為膨脹材料、測溫材料、形狀記憶材料、熱釋電材料、熱敏材料、隔熱材料等。 光功能材料按照材質(zhì)分為光學玻璃、光學晶體、光學塑料等；按用途可分為固體激光器材料、信息顯示材料、光纖、隱形材料等。 2、功能材料簡介（一）電功能材料導(dǎo)電材料；電阻材料；電接點材料（二）磁功能材料軟磁材料；硬磁材料（永磁材料）；信息磁材料；特殊功能磁性材料（三）熱功能材料膨脹材料；形狀記憶材料；

36、測溫材料；隔熱材料（四）光功能材料固體激光器材料；信息顯示材料；光纖材料（五）其它功能材料貯氧材料；傳感器用敏感功能材料；隱形功能材料；智能材料；功能梯度材料（一）電功能材料導(dǎo)電材料用來制造傳輸電能的電線電纜及傳導(dǎo)信息的導(dǎo)線引線與布線的功能材料。主要功能要求：具有良好的導(dǎo)電性，有時還要求一定的強度、彈性、韌性或耐熱、耐蝕等性能。主要包括：常用導(dǎo)電金屬材料、膜（薄膜或厚膜）導(dǎo)體布線材料、導(dǎo)電高分子材料、超導(dǎo)材料等。（1）膜（薄膜或厚膜）導(dǎo)體布線材料（2）導(dǎo)電高分子材料 導(dǎo)電高分子材料具有類似金屬的電導(dǎo)率，且由于具有輕質(zhì)、柔韌、耐蝕、電阻率可調(diào)節(jié)等優(yōu)點。導(dǎo)電高分子材料按導(dǎo)電原理可分為結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分

37、子及復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料。 （3）超導(dǎo)電材料 有些導(dǎo)體的直流電阻率，在某一低溫陡降為零，被稱為零電阻或超導(dǎo)電現(xiàn)象。超導(dǎo)體有電阻時被稱為“正常態(tài)”，而處于零電阻時被稱為“超導(dǎo)態(tài)”。導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度，即電阻突變?yōu)榱愕臏囟确Q為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度Tc 。超導(dǎo)體在臨界溫度Tc以下，不僅具有完全導(dǎo)電性（零電阻），還具有完全抗磁性，即置于外磁場中的超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強度恒為零。使超導(dǎo)體從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)的最低磁場強度和最小電流密度，分別稱之為臨界磁場強度Hc臨界電流密度Jc。零電阻及完全抗磁性是超導(dǎo)體的兩個基本特征。 理想的超導(dǎo)材料應(yīng)有高的Tc、Hc、Jc值，而且要易于加工成絲。超導(dǎo)材料

38、有元素超導(dǎo)體（例如Nb和Pb）、合金超導(dǎo)體（如NbTi及 NbZr合金）、化合物超導(dǎo)體（如Nb3Sn和V3Ga）;有金屬超導(dǎo)體、高分子超導(dǎo)體、陶瓷超導(dǎo)體。 由于一般超導(dǎo)體材料均具有Tc低的特點，研制高溫超導(dǎo)材料就成為人們關(guān)注的焦點。1987年起，超導(dǎo)材料臨界溫度Tc提高到77K，高溫超導(dǎo)材料經(jīng)歷了四代：第一代鑭系，如LaCuBa氧化物， Tc=91K第二代釔系，如YBaCu氧化物第三代鉍系，如BiSrCaCu氧化物， Tc=114120K第四代鉈系，如TiCaBaCu氧化物， Tc=122125K1990年發(fā)明的一種不含銅的釩系復(fù)合氧化物其Tc已達132K超導(dǎo)材料的主要應(yīng)用零電阻特性的應(yīng)用，如

39、制造超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器等；高磁場特性的應(yīng)用，如磁流體發(fā)電、磁懸浮列車、核磁共振裝置、電動機等。 電阻材料利用物質(zhì)固有的電阻特性來制造不同功能元件的材料。主要用途：電阻元件、敏感元件和發(fā)熱元件。按其特性與用途可分為：精密電阻材料、膜電阻材料和電熱材料。 （1）精密電阻材料 精密電阻材料是指有低的電阻溫度系數(shù)、高精度、高穩(wěn)定性和良好的工藝性能的一類金屬或合金。1）貴金屬電阻合金2）NiCr系電阻合金3）CuMn系電阻合金4）CuNi系電阻合金5）其它電阻合金（2）膜電阻材料 特點：體積小、質(zhì)量輕、便于混合集成化。 1）薄膜電阻材料 NiCr系、Ta系（如Ta2Ni薄膜）和金屬陶瓷系（CrSiO薄

40、膜）三大類。主要用于高精度、高穩(wěn)定性、噪聲電平低的電路及高頻電路器件。 2）厚膜電阻材料 由導(dǎo)體粉料、玻璃粉料和有機載體三部分組成。主要用于通用電阻、大功率電阻、高溫高壓電阻或高電阻器件。電接點材料電接點材料是指用來制造建立和消除電接觸的所有導(dǎo)體構(gòu)件的材料。有強電、中電和弱電三大類。強電和中電接點主要用于電力系統(tǒng)和電器裝置，弱電接點主要用于儀器儀表、電信和電子裝置。 （1）強電接點材料 要求為低接觸電阻、耐電蝕、耐磨損及具有較高的耐高壓強度、滅弧能力和一定的機械強度等。1）真空開關(guān)接點材料 要求抗電弧熔焊、堅硬而致密，常用的材料有CuBiCe、CuFeNiCoBi、WCuBiZn合金等。2）空

41、氣開關(guān)接點材料如AgCdO、AgW、Ag石墨、CuW、Cu石墨等。 （2）弱電接點材料 具有極好的導(dǎo)電性、極高的化學穩(wěn)定性、良好的耐磨性及抗點火花燒損性。主要有Ag系、Au系、Pt系及Pd系金屬合金四種。 （3）復(fù)合接點材料 通過一定加工方式將貴金屬接點材料與普通金屬基底材料結(jié)合一體，制成能直接用于制造接點零件制品的材料。價格便宜，可制造出電接觸性能與力學性能優(yōu)化結(jié)合的接點元件。 軟磁材料指磁矯頑力低（Hc103A/m、磁導(dǎo)率高、磁滯損耗小、磁感應(yīng)強度大，且在外磁場中易磁化和退磁的一類磁功能材料。包括金屬軟磁材料及鐵氧體軟磁材料。金屬軟磁材料的飽和磁化強度高（適于能量轉(zhuǎn)換場合）、磁導(dǎo)率高（適合

42、信息處理場合）、居里溫度高；但電阻率低，有集膚效應(yīng)，渦流損失大。 （1）鐵鎳合金軟磁材料（亦稱坡莫合金） 具有高的磁導(dǎo)率、較高的電阻率、且易于加工，適于交流弱磁場中使用。是常用精密儀表的微弱信息傳遞與轉(zhuǎn)換、電路漏電檢測、微電磁場屏蔽等元件的最佳材料。但因飽和磁感應(yīng)強度Bs低，故不適于作功率傳輸器件。（二）磁功能材料硬磁材料（永磁材料）指材料在磁場充磁后，當磁場去除時其磁性仍能長時間被保留的一類磁功能材料。應(yīng)用：其一是利用硬磁合金產(chǎn)生的磁場；其二是利用硬磁合金的磁滯特性產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，使電能轉(zhuǎn)化為機械能，如磁滯電動機。 分類：（1）AlNiCo系硬磁合金材料 具有高剩磁、溫度系數(shù)低、性能穩(wěn)定。多用

43、于硬磁性能穩(wěn)定性要求較高的精密儀器儀表及其裝置中。（2）硬磁鐵氧體 主要包括兩種鋇鐵氧體（BaO6Fe2O3），磁矯頑力與電阻率高，而剩磁低、價格低廉，主要用于高頻或脈沖磁場。（3）稀土硬磁材料（4）鐵鉻鈷系硬磁合金材料 信息磁材料信息磁材料指用于光電通訊、計算機、磁記錄和其它信息處理技術(shù)中的存取信息類磁功能材料。包括磁記錄材料、磁泡材料、磁光材料、特殊功能材料等。 分類：（1）磁記錄材料由磁記錄材料制作的磁頭和磁記錄介質(zhì)。 （2）磁泡材料小于一定尺寸且遷移率很高的圓柱狀磁疇材料，可作高速、高存儲密度存儲器。（3）磁光材料指應(yīng)用于激光、光通訊和光學計算機方面的餓磁性材料。其磁特性上法拉第旋轉(zhuǎn)角度高、損耗低及工作頻帶寬。 （4）特殊功能磁性材料1）微波磁材料主要有微波電子管用硬磁材料、微波旋磁材料及微波磁吸收材料。2）磁電材料在磁場作用下可產(chǎn)生磁化強度和電極化強度，在電場作用下可產(chǎn)生電極化強度和磁化強度的材料稱為磁電材料。 （三）熱功能材料膨脹材料分為：低膨脹材料、定膨脹材料和高膨脹材料。 形狀記憶材料指具有形狀記憶效應(yīng)的金屬（合金）、陶瓷和高分子等材料。材料在高溫下形成一定形狀后，冷卻到低溫進行塑性變形為另外一種形狀，