非金屬材料及新型工程材料課件

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