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第5章非金屬材料及新型工程材料目錄

§5-1有機(jī)高分子材料§5-2古老又年輕的陶瓷§5-3博采眾長(zhǎng)的復(fù)合材料§5-4、新型工程材料簡(jiǎn)介

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)材料提出了更為嚴(yán)格的要求,如強(qiáng)度更高、相對(duì)密度更小、既耐高溫又耐低溫,加工性更好,能滿足特殊性能要求的新材料。因此,近幾十年來(lái),非金屬材料及新型工程材料獲得迅速發(fā)展?!?-1有機(jī)高分子材料---千姿百態(tài)

有機(jī)高分子材料包括:塑料、纖維、橡膠、涂料、膠粘劑和功能高分子。由于有機(jī)高分子材料的品種繁多,原料來(lái)源豐富,加工簡(jiǎn)便,成本相對(duì)較低,又有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、絕緣性好,易于加工和改性等特點(diǎn),應(yīng)用非常廣泛,但其對(duì)環(huán)境因素(如熱、紫外線、氧氛、微生物等)一般較敏感。

1、發(fā)展最快的塑料塑料是一類(lèi)以天然樹(shù)脂或合成樹(shù)指(即高分子化合物)為基本原料再加各種添加劑,在一定的溫度或壓力下塑制成形,并在常溫下保持其形狀不變的高聚物?!?-1有機(jī)高分子材料現(xiàn)代生活中的塑料塑料的力學(xué)性能特點(diǎn):①低強(qiáng)度、低韌性,②高彈性和低彈性模量,③高耐磨性粘彈性;聚合物的物理與化學(xué)性能特點(diǎn):①電絕緣性能好,②耐熱性低,③膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)小,④有老化現(xiàn)象,化學(xué)穩(wěn)定性好。按塑料受熱時(shí)的性質(zhì)可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。熱塑性塑料受熱時(shí)軟化或熔融,冷卻后硬化,并可反復(fù)多次進(jìn)行,為線型或支鏈分子;熱固性塑料固化后,則成為不溶解、不熔化、具有體網(wǎng)分子的固體,不可再生?!?-1有機(jī)高分子材料

塑料發(fā)展史

1870年31歲的印刷工人約翰?海厄特發(fā)明賽璐珞(硝化纖維+樟腦);1907年貝克蘭德發(fā)明酚醛樹(shù)脂;30、40年代——合成高分子蓬勃發(fā)展時(shí)期:特別是乙烯類(lèi)單體的自由基聚合,如PVC、PS、PMMA、高壓PE;50年代——高分子化學(xué)的歷史性發(fā)展時(shí)期:低壓PE、PP;60年代——由于航空航天的需要而出現(xiàn)高溫高分子的研究熱:工程塑料§5-1有機(jī)高分子材料

2、合成纖維

有機(jī)纖維有天然纖維(如棉花,蠶絲、羊毛,石棉等)和化學(xué)纖維,化學(xué)纖維又分人造纖維(19世紀(jì)80年代如硝化纖維、醋酸纖維、粘膠纖維等所謂“人造絲”、“人造棉”)和合成纖維(20世紀(jì)30年代如:不易起皺的纖維——滌綸,首先工業(yè)化的合成纖維——錦綸,人造羊毛——腈綸,合成棉花——維綸,能浮在水面上的合成纖維——丙綸,首先發(fā)明的合成纖維——氯綸,高彈性的纖維——氨綸,超高強(qiáng)的纖維——芳綸等)。§5-1有機(jī)高分子材料

3、橡膠及制品

從橡膠樹(shù)上采集的天然橡膠及大多數(shù)人工合成用以制膠的高分子聚合物,還不具備橡膠的種種性能,稱(chēng)為生膠。生膠要先進(jìn)行塑煉,使其處于塑性狀態(tài),再加入各種配料,經(jīng)過(guò)混煉、成形、硫化處理(即使生膠分子由線形轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)),才能成為可以使用的橡膠制品。橡膠是一種具有極高彈性及低剛度的高分子材料,其彈性變形量可達(dá)100%~1000%;同時(shí),橡膠還有一定的耐磨性,很好的絕緣性和不透氣、不透水性。

18世紀(jì)法國(guó)人在南美發(fā)現(xiàn)野生橡膠樹(shù),19世紀(jì)中葉,英國(guó)人取橡膠樹(shù)的種子在斯里蘭卡種植成功逐漸擴(kuò)大到馬來(lái)西亞與印尼等地。最早應(yīng)用的橡膠——天然橡膠(NR)人造天然橡膠——(高等規(guī)的)聚異戊二烯橡膠產(chǎn)量最大的合成像膠——丁苯橡膠(SBR)“萬(wàn)能”橡膠——氯丁橡膠(CR)§5-1有機(jī)高分子材料

現(xiàn)代生活中的橡膠§5-1有機(jī)高分子材料

塑料、合成纖維和合成橡膠的品種繁多,應(yīng)用范圍很廣泛,表5-1僅列出了部分高分子材料的基本“要素”。材料名稱(chēng)類(lèi)別大致成分性能特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合聚乙烯(PE)—結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的塑料熱塑性塑料CH2—CH2耐蝕,絕緣,加工性好,價(jià)低;耐熱差薄膜,包裝材料,容器等聚氯乙烯(PVC)—

全能塑料熱塑性塑料CH2—CHCl化穩(wěn),絕緣,加工性好,價(jià)低;耐熱差門(mén)窗,管道,套管包皮,薄膜等聚苯乙烯(PS)—最鮮艷且成形性特好的塑料熱塑性塑料C6H5CH—CH2耐蝕,質(zhì)脆而硬,加工性好;耐熱差透明罩板,日用品,玩具,泡沫塑料制品聚丙烯(PP)—最輕且價(jià)低的塑料熱塑性塑料CH3CH—CH2化學(xué)穩(wěn)定性好,加工性好,價(jià)低;不耐磨,易老化合成纖維,薄膜,容器等表5-1部分常用高分子材料的特性

§5-1有機(jī)高分子材料ABS塑料—強(qiáng)韌且易成形的白色塑料熱塑性塑料丙烯晴,丁二烯,苯乙烯

硬、韌、剛,加工性好,價(jià)低;耐熱、耐候較差各類(lèi)結(jié)構(gòu)件聚四氟乙烯(PIFE)—塑料王熱塑性塑料CF2—CF2性穩(wěn),耐熱,減摩;價(jià)高,強(qiáng)低,加工性差耐蝕件,絕緣件,耐熱件,減摩件等酚醛塑料(PF)—合成塑料的鼻祖熱固性塑料酚類(lèi)與醛類(lèi)縮聚成樹(shù)脂再加填料、固化劑等絕緣,耐磨,性穩(wěn),價(jià)低;較脆,加工性差電器件的罩殼、絕緣件等丁苯橡膠(SBR)—產(chǎn)量最大合成橡膠合成橡膠丁二烯與苯乙烯共聚耐磨,耐熱,價(jià)格較低通用制品,輪胎,膠管等有機(jī)玻璃(PMMA)—

最透明的樹(shù)脂熱塑性塑料

CH3[CH2—C]COOCH3透光好,耐蝕,加工性好;較脆,耐磨差表盤(pán),護(hù)罩,模型,裝飾品等滌綸聚酯纖維聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯抽絲彈性好,不易變形,強(qiáng)度高,化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性也較好,不發(fā)霉;吸水性差,染色性差,摩擦易起靜電運(yùn)輸帶、傳動(dòng)帶、帆布、漁網(wǎng)、繩索、輪胎簾子線及電器絕緣材料等?!?-1有機(jī)高分子材料

表5-2功能高分子材料

4、方便實(shí)用的膠粘劑和涂料有機(jī)膠粘劑及涂料多為在操作使用時(shí)處于粘流態(tài),固化后則成為塑料或橡膠狀態(tài)的聚合物。

1)膠粘劑粘接劑又稱(chēng)粘合劑或膠粘劑,它是一類(lèi)通過(guò)粘附作用,使同質(zhì)或異質(zhì)材料連接在一起,并在膠接面上有一定強(qiáng)度的物質(zhì)。

天然產(chǎn)物骨膠、松脂、淀粉膠粘劑,如用黏米粘城墻、用骨膠粘接箭羽等(秦漢時(shí)期)。20世紀(jì)20年代,出現(xiàn)了天然橡膠加工的壓敏膠,并試制成功醇酸樹(shù)脂膠粘劑。40年代,瑞士發(fā)明雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂,成為主要的結(jié)構(gòu)膠粘劑。1957年美國(guó)發(fā)明氰基丙烯酸酯膠粘劑,開(kāi)創(chuàng)了瞬間粘接的新時(shí)期。近20年來(lái),國(guó)內(nèi)外膠粘劑及其技術(shù)理論發(fā)展十分驚人,產(chǎn)量逐年劇增,應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。粘接劑的種類(lèi)有樹(shù)脂、橡膠、混合、無(wú)機(jī)膠粘劑和壓敏膠。膠粘劑主要強(qiáng)調(diào)粘接性,為便于粘接操作,一般對(duì)熱塑性樹(shù)脂膠粘劑(見(jiàn)P180表5-4)常用溶劑稀釋或加熱變成粘流態(tài);而對(duì)熱固性樹(shù)脂膠粘劑(見(jiàn)P180表5-3)則使用聚合前的呈液態(tài)的低聚物及固化劑,有時(shí)也加一定量的溶劑或加熱成為粘流態(tài)。部分膠粘劑須加增塑劑、固化劑、填料、溶劑等才可使用?!?-1有機(jī)高分子材料

2)涂料

涂料是一種可涂覆于固體物質(zhì)表面并能形成連續(xù)性薄膜的液態(tài)或粉末狀態(tài)的物質(zhì)。最早的涂料:由植物油和天然樹(shù)脂熬煉而成,“油漆”?,F(xiàn)行涂料的組成為主要成膜物質(zhì)、顏料、溶劑三種組分,此外還包括填充劑、增塑劑、增稠劑、稀釋劑等。涂料在強(qiáng)調(diào)粘接性(或附著性)的基礎(chǔ)上,還要考慮流平性及裝飾性等性能,一般所加的溶劑及著色顏料更多些,要求粘度更低,并常加入其它改性添加劑,部分涂料也通過(guò)加熱熔融來(lái)提高附著性及流平性,甚至交聯(lián)固化。涂料種類(lèi)見(jiàn)(見(jiàn)P182表5-5)。涂料的主要功能:一、保護(hù)被覆物體免受腐蝕性氣氛及介質(zhì)、微生物、陽(yáng)光、高溫等的作用而發(fā)生的表面破壞;二、產(chǎn)生特定的裝飾作用;三、某些涂料還有特殊功能或作用,如防火、防污、防靜電、防結(jié)露、防輻射及導(dǎo)電、潤(rùn)滑、遠(yuǎn)紅外放射性、溫度敏感性、環(huán)境敏感性等;四、標(biāo)志作用,涂料可作色彩廣告標(biāo)志,利用不同色彩來(lái)表示警告、危險(xiǎn)、安全、前進(jìn)、停止等信號(hào)。各種危險(xiǎn)品、化工管道、機(jī)械設(shè)備等涂上不同顏色的涂料后,容易識(shí)別、便于準(zhǔn)確操作,公路劃線、鐵道標(biāo)志等也需要不同色彩的涂料以保證安全行車(chē)。正因?yàn)槿绱?,使其在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?!?-1有機(jī)高分子材料§5-2古老又年輕的陶瓷

常見(jiàn)陶瓷材料性能特征:彈性模量大,抗壓強(qiáng)度高,硬度高,熔點(diǎn)高,高溫強(qiáng)度高、線膨脹系數(shù)很小,化學(xué)穩(wěn)定性好,有些陶瓷還有優(yōu)良的理化性能和功能性質(zhì);陶瓷材料的主要缺點(diǎn)是:脆性大,可靠性差,加工性差,難以進(jìn)行常規(guī)(如切削等)加工。

結(jié)合特征:離子鍵無(wú)方向性、無(wú)飽和性緊密堆積,鍵強(qiáng)較高密度大,高強(qiáng)度、高硬度、高脆性、耐熱;共價(jià)鍵

具有方向性與飽和性鍵強(qiáng)度較高,具有穩(wěn)定化學(xué)結(jié)構(gòu)密度較小,熔點(diǎn)高,硬度大,脆性大,熱膨脹系數(shù)小,絕緣性好;離子鍵與共價(jià)鍵混合。

微結(jié)構(gòu)特征:由晶相、玻璃相和氣孔組成。

陶瓷原料:普通陶瓷以天然礦物為原料(主要有三大原材料:粘土、長(zhǎng)石、石英礦;輔料礦物:磁石、鋁土礦、滑石、硅灰石、鋰云母、方解石、菱鎂礦、白云石等水化、機(jī)械混合,直接形成生坯。特種陶瓷:人工合成的原料為主。按用途和性能分普通陶瓷和特種陶瓷。常見(jiàn)陶瓷的類(lèi)別及用途見(jiàn)P189表5-6。

1、普通陶瓷§5-2古老又年輕的陶瓷

§5-2古老又年輕的陶瓷部分普通陶瓷產(chǎn)品:

2、特種陶瓷

特種陶瓷又可分為強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度、耐熱、耐蝕等性能的結(jié)構(gòu)陶瓷及具有特殊電、磁、光、熱等效應(yīng)的功能陶瓷。

1)結(jié)構(gòu)陶瓷

2)功能陶瓷§5-2古老又年輕的陶瓷功能系列材料用途電功能陶瓷絕緣陶瓷Al2O3,BeO,MgO,A1N,SiC集成電路基片、封裝陶瓷、高頻絕緣瓷介電陶瓷TiO2,La2Ti2O7,Ba2Ti9O20陶瓷電容器、微波陶瓷等鐵電陶瓷BaTiO3,SrTiO3陶瓷電容器壓電陶瓷PZT,PLZT超聲換能器、諧振器、濾波器、壓電點(diǎn)火器、壓電馬達(dá)、微位移器半導(dǎo)體陶瓷NTC(SiC,LaCrO3,ZrO2)溫度傳感器、溫度補(bǔ)償器PTC(BaTiO3)溫度補(bǔ)償器、限流元件、自控加熱元件CTR(V2O5)熱傳感元件、防火傳感器ZnO壓敏電阻浪涌電流吸收器、噪聲消除及避雷器SiC發(fā)熱體中高溫電熱元件、小型電熱器半導(dǎo)性BaTiO3,SrTiO3晶界層電容器快離子導(dǎo)體陶瓷ZrO2,β-Al2O3氧傳感器、氧泵、燃料電池、固體電解質(zhì)磁功能陶瓷軟磁鐵氧體Mn-Zn,Cu-Zn,Ni-Zn,Cu-Zn-Mg記錄磁頭、溫度傳感器、電器磁芯、磁頭、電波吸收體硬磁鐵氧體(陶瓷)Ba、Sr鐵氧體,釹-鐵-硼磁體鐵氧體磁石、永久磁鐵記憶用鐵氧體Li、Mn、Ni、Mg、Zn與鐵形成的尖晶石型鐵氧體計(jì)算機(jī)磁芯光功能陶瓷透明氧化鋁陶瓷Al2O3高壓鈉燈透明氧化鎂陶瓷MgO照明或特殊燈管、透紅外材料透明氧化物陶瓷Y2O3、BeO、ThO激光元件PLZT透明鐵電陶瓷PbLa(Zr,Ti)O3光存儲(chǔ)元件、視頻顯示和存儲(chǔ)系統(tǒng)、光開(kāi)關(guān)生化陶瓷濕敏陶瓷MgCrO-TiO2,TiO2-V2O5,F(xiàn)e3O4,NiFe2O4濕敏傳感器氣敏陶瓷SnO2,α-Fe2O3,ZrO2,ZnO各種氣體傳感器載體用陶瓷堇青石瓷,Al2O3,SiO2-Al2O3汽車(chē)尾氣催化劑載體、氣體催化劑載體催化用陶瓷沸石、過(guò)渡金屬氧化物接觸分解反應(yīng)催化、排氣凈化催化生物陶瓷Al2O3,氫氧(或羥基)磷灰石,生物活性玻璃.人造牙齒、人造骨骼等§5-3博采眾長(zhǎng)的復(fù)合材料

復(fù)合材料為兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相體材料。一般根據(jù)基體和增強(qiáng)材料的種類(lèi)命名復(fù)合材料,如陶瓷基復(fù)合材料,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等等。按用途分類(lèi)則有結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)/功能一體化復(fù)合材料等。尤其要指出的是復(fù)合材料的組織、構(gòu)成或組分易于人為調(diào)整和設(shè)計(jì),不少?gòu)?fù)合材料的復(fù)合過(guò)程與成形過(guò)程是同步完成的,這樣,更利于滿足制造產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)要求。常見(jiàn)結(jié)構(gòu)類(lèi)復(fù)合材料的特性及用途見(jiàn)P162表5-6。

§5-3

博采眾長(zhǎng)的復(fù)合材料

1、顆粒原料燒結(jié)而成的復(fù)合材料產(chǎn)品

§5-3

博采眾長(zhǎng)的復(fù)合材料

2、連續(xù)纖維復(fù)合材料產(chǎn)品

§5-3博采眾長(zhǎng)的復(fù)合材料碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用----抗燒蝕熱結(jié)構(gòu)材料在現(xiàn)有的抗燒蝕材料中,C/C復(fù)合材料是最好的抗燒蝕熱結(jié)構(gòu)材料,其是典型的升華-輻射型燒蝕材料。元素碳具有高的比熱容和氣化能,熔化時(shí)要求有很高的壓力和溫度,因此在不發(fā)生微粒被吹掉的前提下,它具有比任何材料都高的燒蝕熱。由于炭材料可在燒蝕條件下向外輻射大量的熱量,而且其本身有較高的輻射系數(shù),可進(jìn)一步提高其抗燒蝕性。因此C/C復(fù)合材料在高溫下利用升華吸熱和輻射散熱的機(jī)制,以相對(duì)小得多的單位材料質(zhì)量耗散來(lái)帶走更多的熱量,使有效燒蝕熱大大提高。此外,C/C復(fù)合材料有很高的比強(qiáng)度及比剛度,其強(qiáng)度隨溫度的升高而增大,到約2500℃時(shí)強(qiáng)度和剛度達(dá)到最大值;其線膨脹系數(shù)特小,還有良好的耐蝕性、摩擦減震性及熱、電傳導(dǎo)特性,較高的比熱容等,因此可作為高溫結(jié)構(gòu)及燒蝕防熱材料。C/C復(fù)合材料最大的缺點(diǎn)是在氧化氣氛下于600℃左右會(huì)發(fā)生氧化。為此在其表面常施加抗氧化涂層(如SiC涂層),則在氧化性氣氛中可使用到1500℃。其典型應(yīng)用有:①固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、火箭和導(dǎo)彈頭錐、航天飛機(jī)機(jī)翼前緣、方向舵、尾噴口喉襯、低壓渦輪葉片、魚(yú)鱗片、渦輪盤(pán)等;②飛機(jī)在剎車(chē)過(guò)程中,靜盤(pán)和動(dòng)盤(pán)的表面溫度高達(dá)2000℃,這要求高性能剎車(chē)材料應(yīng)有高比熱、高熔點(diǎn)、在高溫下有足夠的強(qiáng)度、一定的熱導(dǎo)率、低的熱膨脹系數(shù)及穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。C/C防熱復(fù)合材料也是飛機(jī)剎車(chē)片最優(yōu)良的材料,其比熱容比鋼高出2.5倍,高溫強(qiáng)度高,質(zhì)量輕,使用壽命長(zhǎng)。③用于鈦合金超塑成形吹塑模、鈷基粉末冶金熱壓模、醫(yī)學(xué)上的人工骨、電器的電極、化工耐蝕結(jié)構(gòu)等?!?-4、新型工程材料簡(jiǎn)介

一般認(rèn)為,新型工程材料包含具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的新型結(jié)構(gòu)材料,以及除了具有機(jī)械特性外,還具有其它光、電、磁、熱、化學(xué)、生化等方面特別功能特性的功能結(jié)構(gòu)材料。它們是二十一世紀(jì)信息、生物、能源、環(huán)保、空間等高技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料,是支撐航空航天、交通運(yùn)輸、電子信息、能源動(dòng)力以及國(guó)家重大基礎(chǔ)工程建設(shè)等領(lǐng)域的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。新型工程材料中有許多是特種陶瓷和復(fù)合材料。合成鉆石超塑成型

表5-4常用

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