工程材料第6章

第6章非金屬材料6.2工程塑料26.1高分子材料16.3工業(yè)橡膠3目錄6.5復(fù)合材料56.4陶瓷材料46.1高分子材料6.1.1高分子材料的含義高分子材料又稱為高聚物或聚合物，是相對分子質(zhì)量很高的有機(jī)化合物，其形成過程為低分子化合物—大分子鏈—高分子化合物—高分子材料。因此，高分子材料具有獨特的結(jié)構(gòu)和生成方式。高分子材料的化學(xué)組成一般都比較簡單，常由許多相同的鏈節(jié)以共價鍵重復(fù)結(jié)合而成高分子鏈。例如，聚乙烯是由許多乙烯分子聚合而成的。塑料塑料在常溫下具有固定形狀，其強(qiáng)度較大，受力后能發(fā)生一定變形。橡膠橡膠在常溫下具有高彈性，受很小的外力就會發(fā)生很大的變形，且消除外力后又能恢復(fù)原狀。纖維纖維的單絲強(qiáng)度高，受力后變形較小，且在一定溫度范圍內(nèi)力學(xué)性能變化不大。高分子材料的分類方法很多，常用分類方法有以下幾種。1.按性能及用途分高分子材料按性能及用途可分為以下幾種：6.1.2高分子材料的分類與命名天然聚合物天然聚合物包括天然橡膠、纖維素、蛋白質(zhì)等。合成聚合物合成聚合物完全由低分子物質(zhì)組成，如聚乙烯和聚酰胺等。人造聚合物人造聚合物是經(jīng)人工改性的天然聚合物，如醋酸纖維等。2.按聚合物來源分高分子材料按聚合物來源可分為以下幾種：3.按聚合物的熱行為分高分子材料按聚合物的熱行為可分為以下幾種：（1）熱塑性聚合物。熱塑性聚合物加熱后線型結(jié)構(gòu)不變。（2）熱固性聚合物。熱固性聚合物加熱后線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成體型結(jié)構(gòu)。4.按聚合物反應(yīng)類型分高分子材料按聚合物反應(yīng)類型可分為以下幾種：（1）加聚物。加聚物可由加聚反應(yīng)得到，如聚烯烴等。（2）縮聚物?？s聚物可由縮聚反應(yīng)得到，如酚醛樹脂等。1天然高分子材料通常有專用名稱，如纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)、天然橡膠等。2加聚類高聚物通常在低分子原料單體前加“聚”，如聚乙烯；縮聚類及共聚類高聚物的命名習(xí)慣通常為在低分子原料化合物之后加“樹脂”、“橡膠”等，如酚醛樹脂、丁苯橡膠等。3其他命名方法。根據(jù)特征命名，如有機(jī)玻璃、電木等；取商品名稱，如尼龍、滌綸等；用符號或用英文名稱的第一個字母表示，如PF表示聚乙烯，PVC表示聚氯乙烯。目前，高分子材料的名稱仍處于習(xí)慣命名階段，最常見的有以下幾種：高聚物常見的兩種聚合方法加聚反應(yīng)縮聚反應(yīng)加聚反應(yīng)是目前高分子合成工業(yè)的基礎(chǔ)，有80％左右的高分子材料是由加聚反應(yīng)得到的。它是由一種或幾種單體聚合而成高分子化合物的聚合反應(yīng)，同一種單體加聚而成的高分子化合物稱為均聚物，兩種或多種單體加聚而成的高分子化合物稱為共聚物。縮聚反應(yīng)是由一種或幾種單體結(jié)合而成高分子化合物(反應(yīng)同時有副產(chǎn)物，如水、氯化氫等低分子化合物)的聚合反應(yīng)。它可分為均縮聚反應(yīng)和共縮聚反應(yīng)，產(chǎn)物分別為均縮聚物和共縮聚物。高聚物的合成過程就是低分子化合物聚合成高分子化合物的過程。這個過程也稱為聚合反應(yīng)。6.1.3高聚物的合成方法1.高聚物的力學(xué)性能1）低強(qiáng)度和高的比強(qiáng)度高聚物目前所能達(dá)到的強(qiáng)度比金屬材料所能達(dá)到的強(qiáng)度小得多。其平均抗拉強(qiáng)度約為100MPa，僅為理論值的1/200，其密度小，比強(qiáng)度很大，是當(dāng)前比強(qiáng)度較高的一類材料。雖然高聚物的塑性相對較好，但由于其強(qiáng)度低，因而其沖擊韌性也較金屬材料的沖擊韌性低得多，僅為金屬材料的沖擊韌性1/100的數(shù)量級。2）高彈性和低彈性模量高彈性是非金屬材料中一種罕見的性能，是高聚物所特有的性能。輕度交聯(lián)的高聚物在玻璃化溫度以上具有典型的高彈態(tài)，即彈性變形大、彈性模量小，且彈性隨溫度升高而增大。橡膠是典型的高彈性材料，其彈性形變率可高達(dá)100%～1000%。6.1.4高聚物的特征3）黏彈性聚合物的形變與時間有關(guān)，但不成線性關(guān)系，聚合物的這種性能稱為黏彈性。其表現(xiàn)為蠕變、應(yīng)力松弛與內(nèi)耗三種現(xiàn)象。（1）蠕變。蠕變是指在應(yīng)力保持恒定的情況下，應(yīng)變隨時間延長而增加的現(xiàn)象。（2）應(yīng)力松弛。應(yīng)力松弛是指在應(yīng)變保持恒定的情況下，應(yīng)力隨時間延長而逐漸衰減的現(xiàn)象。（3）內(nèi)耗。內(nèi)耗是指在交變應(yīng)力作用下出現(xiàn)的黏彈性現(xiàn)象4）高耐磨性高聚物的減摩性、耐磨性優(yōu)于金屬，尤其是塑料更為顯著。大多數(shù)塑料的摩擦系數(shù)為0.2～0.4，在所有固體中幾乎是最低的。塑料的自潤滑性能較好，因此，磨損率低，并且能在不允許油潤滑的干摩擦條件下使用，這是金屬材料所無法比擬的。橡膠材料由于其摩擦系數(shù)大，適于制造要求較大摩擦系數(shù)的耐磨零件，如汽車輪胎等。2.高聚物的化學(xué)性能1）電絕緣性能好高聚物的導(dǎo)電能力低，是電機(jī)（器）、電力和電子工業(yè)必不可少的絕緣材料。2）耐熱性低大多數(shù)塑料長期使用溫度一般在100℃以下，只有少數(shù)塑料可在100℃以上使用。大多數(shù)橡膠的最高使用溫度一般小于200℃，只有少數(shù)橡膠如硅橡膠可達(dá)275℃。同金屬的耐熱性相比，高聚物的耐熱性是較低的。3）線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)小高聚物的線膨脹系數(shù)大，為金屬的3～10倍，因此，其與金屬結(jié)合較為困難。高聚物的導(dǎo)熱系數(shù)小，為金屬的1/1000～1/100，因此，其散熱不好，不宜用于制造摩擦零件。4）化學(xué)穩(wěn)定性好高聚物在酸、堿等溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性，如聚四氟乙烯在高溫下與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶液、強(qiáng)氧化劑都不起反應(yīng)，甚至在沸騰的王水中也不受腐蝕，故有“塑料王”之稱。3.高聚物的老化和防老化老化是指高聚物在加工存儲和使用過程中受內(nèi)、外因素的影響，逐漸失去原有優(yōu)良性能（這些性能的衰退現(xiàn)象是不可逆的）直至最后喪失使用價值的過程。容易老化是高聚物的致命缺點。目前采用防老化的措施有以下幾種：（1）改變高聚物的結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。（2）針對各種高聚物產(chǎn)生老化的激勵添加防老劑。（3）進(jìn)行表面防護(hù)，在高聚物表面鍍或噴涂金屬以及耐老化涂料作為保護(hù)層，使之與空氣、水分、陽光、輻射介質(zhì)隔離以防止老化。6.2工程塑料6.2.1塑料的組成1.樹脂樹脂是塑料最基本的，也是最重要的成分，它在塑料中起黏結(jié)其他組分并成形的作用。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物分泌的有機(jī)物質(zhì)，如松香、蟲膠等。其特點是無顯著的熔點，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、聚碳酸酯等。2.添加劑常用的添加劑有填料、增塑劑、固化劑和其他種類的添加劑。熱塑性塑料。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。熱固性塑料是指在一定溫度和壓力等條件下，保持一定時間而固化，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。1.按樹脂的性質(zhì)分6.2.2塑料的分類通用塑料通用塑料是指產(chǎn)量大（其產(chǎn)量占塑料總產(chǎn)量的75%以上）、用途廣、價格低的塑料。它包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料（電木）和氨基塑料（電玉）。工程塑料工程塑料是指可以作為結(jié)構(gòu)材料的塑料，可代替金屬作為機(jī)械零件和工程構(gòu)件使用，主要包括ABS塑料、有機(jī)玻璃、尼龍、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚甲醛等。特種塑料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。其中，耐高溫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。2.按塑料使用范圍分按塑料使用范圍，塑料可分為通用塑料、工程塑料和特種塑料三種。6.2.3熱塑性工程塑料及其應(yīng)用1.聚乙烯聚乙烯（PE）是以乙烯作為單體制成的聚合物。PE一般可分為低密度聚乙烯LDPE和高密度聚乙烯HDPE兩種。2.聚氯乙烯聚氯乙烯（PVC）是以氯乙烯作為單體制成的聚合物。由于PVC大分子鏈中存在極性基氯原子，因而增大了分子間的作用力，同時PVC大分子鏈的密度較高，故強(qiáng)度、剛度及硬度均高于PE。3.聚丙烯聚丙烯（PP）是以丙烯作為單體制成的聚合物。PP的相對密度小，是塑料中最輕的。其耐熱性能良好，可在水中加熱至150℃不變形，并經(jīng)受消毒溫度（130℃）的常用塑料。PP的力學(xué)強(qiáng)度、剛度、硬度等性能都高于HDPE。4.ABS塑料ABS塑料是丙烯腈A、丁二烯B、苯乙烯S三種單體的三元共聚物。這三種單體量可任意變化，制成各種品級的樹脂。5.聚酰胺聚酰胺（PA，俗稱為尼龍或錦綸）是指主鏈節(jié)含有極性酰胺基團(tuán)（—CO—NH—）的聚合物。它最初是用于制造纖維的原料，后來由于PA具有強(qiáng)韌、耐磨、自潤滑、使用溫度范圍寬等優(yōu)點，因而成為最早被發(fā)現(xiàn)能承受載荷的熱塑性塑料，也是目前工業(yè)中應(yīng)用廣泛的一種工程塑料。6.聚甲醛聚甲醛（POM）是指大分子鏈中以—CH2O—鏈節(jié)為主的高聚物。POM的疲勞強(qiáng)度、耐磨性和自潤滑性比大多數(shù)工程塑料優(yōu)越，并且它還具有高的彈性模量和強(qiáng)度，吸水性小，同時尺寸穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性及電絕緣性好，是一種綜合性能良好的工程材料。7.聚碳酸酯聚碳酸酯（PC）是一種新型的熱塑性工程塑料，其大分子鏈中既有剛性的苯環(huán)，又有柔性的醚鍵，所以具有優(yōu)良的力學(xué)、熱和電性能，常被人們譽(yù)為“透明金屬”。8.聚四氟乙烯聚四氟乙烯（PTEE或F-4，俗稱為塑料王）是單體四氟乙烯的均聚物—［CF2—CF2］n—。由于PTEE大分子鏈上有對稱而均勻分布的氟原子且不帶極性，因而它具有優(yōu)良的電性能、耐高溫性能及耐化學(xué)藥品性能。由于PTEE分子鏈間吸引力微弱，產(chǎn)生鏈間滑動，因而它具有很低的摩擦系數(shù)和不黏性。6.2.4熱固性工程塑料及其應(yīng)用1.酚醛塑料酚醛塑料（PF）是以酚醛樹脂（以苯酚與甲醛縮聚而成的）為主要成分，再加入添加劑而制成的。它是酚類化合物和醛類化合物縮聚而成的。PF具有一定強(qiáng)度（約為40MPa）和硬度，其絕緣性能良好，兼有耐熱、耐磨、耐蝕的優(yōu)良性能，但不耐堿，脆性大。這類塑料因填料不同而性能差異很大。PF可廣泛用于機(jī)械、汽車、航空航天、電器等工業(yè)部門制造各種電氣絕緣件（如電氣開關(guān)插頭、電話機(jī)外殼等）和較高溫度下工作的離合機(jī)構(gòu)零件，也可作為耐磨及防腐蝕材料，并能代替部分有色金屬（如鋁、紫銅、青銅等）制造零件，如汽車、火車等機(jī)車車輛用的剎車、離合器片，化學(xué)工業(yè)用的耐酸泵、防腐蝕管道，紡織工業(yè)用的無聲齒輪等。2.環(huán)氧塑料環(huán)氧塑料（EP）是由環(huán)氧樹脂加入固化劑填料或其他添加劑后制成的熱固性塑料。環(huán)氧樹脂是很好的膠黏劑，有“萬能膠”之稱。在室溫下容易調(diào)和固化，對金屬和非金屬都有很強(qiáng)的膠黏能力。EP具有高強(qiáng)度、高韌性，在較寬的頻率和溫度范圍內(nèi)具有良好的電性能，以及優(yōu)良的耐酸、堿及有機(jī)溶劑的性能，并能耐大多數(shù)霉菌，耐熱、耐寒（可在－80～155℃環(huán)境中長期使用），具有突出的尺寸穩(wěn)定性等。用環(huán)氧樹脂浸漬纖維后，在150℃和130～140MPa的壓力下成形，稱為環(huán)氧玻璃鋼，常用來制作化工管道和容器，汽車、船舶和飛機(jī)等的零部件（如飛機(jī)升降舵和導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)板、輕質(zhì)蜂窩材料等）及運動器具，電器開關(guān)裝置，印刷線路板底座等。6.3工業(yè)橡膠橡膠是以生膠作為原料，加入適量的配合劑后所形成的高分子彈性體。生膠按其來源可分為天然生膠和合成生膠。生膠是橡膠制品的重要組成部分，但它受熱發(fā)黏，遇冷變硬，強(qiáng)度差，不耐磨，也不耐溶劑，只能在5～35℃保持彈性，因此，不能直接用來制造橡膠制品。通常要在生膠中加入配合劑來改善生膠的性能。在生膠中加入的配合劑有硫化劑、硫化促進(jìn)劑、活化劑、填充劑、增塑劑、防老劑、著色劑等。6.3.1橡膠的組成6.3.2常用工業(yè)橡膠1.天然橡膠天然橡膠（NR）是以異戊二烯為主要成分的、不飽和狀態(tài)的天然聚合物。實際上，NR是多種不同分子量的聚異戊二烯的混合體。其分子結(jié)構(gòu)屬于線形不飽和非極性分子，通常處于無定形狀態(tài)。NR具有較好的彈性、機(jī)械強(qiáng)度和耐堿性；但它不耐強(qiáng)酸，在非極性溶劑中會發(fā)生膨脹，因此不耐油。它能吸收空氣中的氧，造成橡膠發(fā)黏和龜裂等。NR可廣泛用于制造輪胎、膠帶、膠管、膠鞋等各種橡膠制品。丁苯橡膠丁苯橡膠（SBR）是以丁二烯和苯二烯作為單體共聚而成的淺黃褐色彈性體。與NR相比，SBR具有較好的耐磨性、耐熱性、耐老化性，且質(zhì)地均勻、價格低，能與NR以任意比例混用。順丁橡膠順丁橡膠（BR）是順式丁二烯的聚合物，其原料資源豐富、價格便宜，是取代天然橡膠的理想材料。它具有高彈性和耐磨性，當(dāng)加入油和炭黑時，其耐磨性比丁苯橡膠高26%，可用于制造輪胎、三角膠帶、減振器、電絕緣制品等。丁腈橡膠丁腈橡膠（NBR）是丁二烯與丙烯腈的彈性共聚物。其中，丁二烯作為主要單體，丙烯腈作為輔助單體。NBR的耐油、耐燃燒性能十分突出，對一些有機(jī)溶劑也具有很好的抗腐蝕能力，實際上它是作為耐油橡膠使用的；NBR的耐熱、耐磨、耐老化、耐腐蝕性能也較好，超過了NR和許多通用橡膠。2.合成橡膠6.4陶瓷材料陶瓷材料的種類很多，一般來說，按原料來源可分為普通陶瓷材料和特種陶瓷材料；按用途可分為日用陶瓷材料、結(jié)構(gòu)陶瓷材料和功能陶瓷材料。此外，陶瓷材料還有按其性能與化學(xué)組成等進(jìn)行分類的方法。6.4.1陶瓷材料的分類6.4.2陶瓷材料的性能熔點高彈性模量大抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高得多導(dǎo)電能力變化范圍大12345其他性能6.4.3常用陶瓷材料1.普通陶瓷材料普通陶瓷材料又稱為傳統(tǒng)陶瓷材料，主要是黏土制品經(jīng)焙燒后制成的，其主晶相為莫來石（硅酸鹽主晶相）。這類陶瓷材料質(zhì)地堅硬，不氧化生銹，耐腐蝕，不導(dǎo)電，能耐一定高溫，成本低；但其組織中的玻璃相比例大，強(qiáng)度較低，故高溫性能不及其他陶瓷材料；此外，玻璃相中的堿金屬氧化物和雜質(zhì)還會降低陶瓷材料的介電性能。普通陶瓷材料除日用外，大量用于制造與建筑工業(yè)、電器絕緣材料、化工容器、管道以及對力學(xué)性能要求不高的耐磨件（如紡織工業(yè)中的導(dǎo)紡零件）。2.特種陶瓷材料氧化物陶瓷材料非氧化物陶瓷材料氧化物陶瓷材料除了晶體相外，還有少量的玻璃相和氣孔。應(yīng)用最多的氧化物陶瓷材料有氧化鋁陶瓷材料、氧化鋯陶瓷材料、氧化鎂陶瓷材料、氧化鈣陶瓷材料、氧化鈹陶瓷材料、氧化釷陶瓷材料等。氧化鋁陶瓷材料以Al2O3為主要成分，Al2O3的含量大于46%時稱為高鋁陶瓷材料，Al2O3的含量為90.0%～99.5%時稱為剛玉陶瓷材料。非氧化物陶瓷材料具有高的耐火度、硬度（接近金剛石）和耐磨性，但脆性較大。非氧化物陶瓷材料有碳化硅陶瓷材料、氮化硅陶瓷材料、氮化硼陶瓷材料。碳化硅陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度為200～250MPa，抗壓強(qiáng)度為1000～1500MPa，抗氧化但不抗強(qiáng)堿，多用于制造高溫加熱元件、砂輪、磨料。3.金屬陶瓷材料金屬陶瓷材料是以金屬氧化物（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的，是具有金屬某些性質(zhì)的陶瓷材料，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材料，廣泛用于制造機(jī)床刀具、模具和耐磨零件等。伴隨著各種新型陶瓷材料的異軍突起，壓電陶瓷材料、導(dǎo)電陶瓷材料、光學(xué)陶瓷材料、敏感（如光敏、氣敏、熱敏、濕敏等）陶瓷材料、激光陶瓷材料、超導(dǎo)陶瓷材料等性能各異的功能陶瓷材料也在不斷涌現(xiàn)，在各個領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。6.5復(fù)合材料6.5.1復(fù)合材料的組成及分類1.復(fù)合材料的組成復(fù)合材料由基體材料和增強(qiáng)材料組成。基體材料是連續(xù)相，起著黏結(jié)、保護(hù)、傳遞外加載荷的作用。它可