第九章-非金屬材料和復(fù)合材料

機(jī)械基礎(chǔ)

閆芳制作第九章非金屬材料和復(fù)合材料非金屬材料指工程材料中除金屬材料以外的其他一切材料。非金屬材料的原料來源廣泛，自然資源豐富，成形工藝簡單，具有一些特殊性能，應(yīng)用日益廣泛，已成為機(jī)械工程材料中不可缺少的重要組成部分。在機(jī)械工程中常用的非金屬材料主要包括有機(jī)非金屬材料、無機(jī)非金屬材料和復(fù)合材料9.1非金屬材料定義：是以有機(jī)高分子化合物為主要成分的材料，又稱為高分子材料。分類：工程塑料、橡膠、粘結(jié)劑、油漆等。1、塑料的概述以合成樹脂為基礎(chǔ)，加入各種添加劑（如增塑劑、潤滑劑、穩(wěn)定劑、填充劑等）制成的。塑料的品種很多，按其使用范圍可分為通用塑料、工程塑料。按合成樹脂的熱性能，可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。2、塑料的分類一、塑料3、塑料的性能化學(xué)性能塑料具有良好的耐腐蝕性能，大多數(shù)塑料能耐大氣、水、酸、堿、油的腐蝕，其中聚四氟乙烯能耐“王水”的腐蝕。因此工程塑料能制作化工機(jī)械零件及在腐蝕介質(zhì)中工作的零件。物理性能塑料的密度小，相當(dāng)于鋼密度的l／4_1／7；熱性能不如金屬，遇熱易老化、分解；塑料的導(dǎo)熱性差，有良好的電絕緣性，塑料線膨脹系數(shù)大，一般為鋼的3～10倍。力學(xué)性能一般塑料的強(qiáng)度、剛度和韌性都較差，其強(qiáng)度僅為30～150MPa；塑料具有良好的減摩性；塑料容易出現(xiàn)蠕變與應(yīng)力松弛；塑料還具有良好的減振性和消聲性。4、工程塑料工程塑料是指在工程技術(shù)中用做結(jié)構(gòu)材料的塑料。目前工業(yè)上應(yīng)用最多的非金屬材料。工程上用的塑料種類很多。橡膠是以生膠為主要原料，加入適量配合劑而制成的高分子材料。橡膠具有彈性大（最高伸長率可達(dá)800％～1000％，外力去除后能迅速恢復(fù)原狀），吸振能力強(qiáng)，耐磨性、隔聲性、絕緣性好，可積儲能量，有—定的耐蝕性和足夠的強(qiáng)度等有點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)是易老化。二、橡膠1、橡膠的組成橡膠是以生膠為基礎(chǔ)加入適量的配合劑制成的高分子材料。其中生膠又分為天然與合成兩類，橡膠制品的性質(zhì)主要取決于生膠的性質(zhì)。合成橡膠的品種很多，如丁苯橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠、硅橡膠等。配合劑是為了提高和改善橡膠制品的性能而加入的物質(zhì)。橡膠配合劑的種類很多，如硫化劑及其促進(jìn)劑、軟化劑、防老化劑、填充劑、發(fā)泡劑和著色劑等。如硫化劑的作用類似熱固性塑料中的固化劑，它能改變橡膠分子的結(jié)構(gòu)，提高橡膠的力學(xué)性能，并使橡膠具有既不溶解，也不熔融的性質(zhì)，克服橡膠因溫度升高而變軟發(fā)粘的缺點(diǎn)。因此，橡膠制品只有經(jīng)硫化后才能使用。天然橡膠常以硫磺作硫化劑。種類名稱（代號）σb/MPaδ/%使用溫度t/℃回彈性耐磨性耐堿性耐酸性耐油性耐老化用途舉例通用橡膠天然橡膠（NR）17～35650～900-70～110好中好差差輪胎、膠帶、膠管丁苯橡膠（SBR）15～20500～600-50～140中好中差差好輪胎、膠板、膠布、膠帶、膠管順丁橡膠（BR）18～25450～800-70～120好好好差差好輪胎、v帶、耐寒運(yùn)輸帶、絕緣件氯丁橡膠（CR）25～27800～1000-35～130中中好中好好電線(纜)包皮，耐燃膠帶、膠管，汽車門窗嵌條，油罐襯里丁腈橡膠（NBR）15～30300～800-35～175中中中中好中耐油密封圈、輸油管、油槽襯特種橡膠聚氨酯橡膠（UR）20～35300～800-30～80中好差差好耐磨件、實(shí)心輪胎、膠輥氟橡膠（FPM）20～22100～500-50～300中中好好好好高級密封件，高耐蝕件，高真空橡膠件硅橡膠4～1050～500-100～300差差好中差好耐高、低溫制品和絕緣件2、常用的橡膠膠黏劑又稱粘接劑，是以黏性物質(zhì)環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、氯丁橡膠、丁腈橡膠等為基礎(chǔ)，加入需要的添加劑(填料、固化劑、增塑劑、稀釋劑等)組成的，俗稱膠。環(huán)氧樹脂膠黏劑凡是以環(huán)氧樹脂為基料的粘接劑統(tǒng)稱為環(huán)氧樹脂粘接劑，簡稱為環(huán)氧膠。環(huán)氧膠是由環(huán)氧樹脂、固化劑、各種添加劑組成的。環(huán)氧膠具有很強(qiáng)的粘合力，對大部分材料如金屬、木材、玻璃、陶瓷、橡膠、混凝土、纖維、塑料、竹木、皮革、織物等都有良好的黏合能力，故有“萬能膠”之稱。三、膠黏劑酚醛樹脂膠黏劑。酚醛樹脂膠黏劑的粘接力強(qiáng)、耐高溫，其缺點(diǎn)是性脆、剝離強(qiáng)度差。酚醛樹脂膠是用量最大的品種之一。主要用于膠接木材、木質(zhì)層壓板、膠合板、泡沫塑料，也可用于膠接金屬、陶瓷。其他常用的膠黏劑。如聚氨酯膠黏劑、瞬干膠、厭氧膠、無機(jī)膠黏劑等。聚氨酯膠黏劑膠膜柔軟，耐油性好，但使用溫度較低，可用于膠接金屬、塑料、陶瓷、玻璃、橡膠、皮革、木材等多種材料；瞬干膠黏度小，適應(yīng)面廣。膠膜較脆，不耐水，耐熱性和耐溶劑性較差。使用溫度范圍在-40～70℃，在室溫下接觸水汽瞬間固化?？赡z接金屬、陶瓷、塑料、橡膠等材料的小面積膠接和固化；厭氧膠工藝性好，毒性小，固化后的抗蝕性、耐熱性、耐寒性均較好。使用溫度范圍在40～1500C?？捎糜诜乐孤葆斔蓜?、軸承的固定、法蘭及螺紋接頭的密封和防漏、填塞縫隙，也可用于膠接；無機(jī)膠黏劑有優(yōu)良的耐熱性，長期使用溫度范圍為800～10000C，膠接強(qiáng)度高，低溫性能較好，耐候性極好，耐水、耐油性好。但耐酸、堿性較差，不耐沖擊?？捎糜诟鞣N刃具的膠接，小砂輪的黏結(jié)，塞規(guī)、卡規(guī)的黏結(jié)，鑄件砂眼堵漏，汽缸蓋裂紋的膠補(bǔ)等。涂料指涂布在物體表面而形成具有保護(hù)和裝飾作用膜層的材料。傳統(tǒng)的涂料用植物油和天然樹脂熬煉而成，稱為“油漆”。隨著石油化工和合成聚合物工業(yè)的發(fā)展，當(dāng)前植物油和天然樹脂已逐漸為合成聚合物改性和取代，涂料所包括的范圍已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“油漆”原來的狹義范圍。當(dāng)前，涂料的品種有上千種，用于防腐的涂料有防銹漆、底漆、大漆、酚醛樹脂漆、環(huán)氧樹脂漆以及某些塑料涂料如聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等。四、涂料在建筑工程中，習(xí)慣上把用于控制室內(nèi)熱量外流的材料稱為保溫材料。材料的保溫性能用熱導(dǎo)率來評定。一般常用的保溫材料可分為l0大類：珍珠巖類、蛭石類、硅藻土類、泡沫混凝土類、軟木類、石棉類、玻璃纖維類、泡沫塑料類、礦渣棉類、巖棉類，其相關(guān)性能可參閱有關(guān)手冊。五、保溫材料力學(xué)性能與金屬材料相比，陶瓷具有很高的彈性模量和硬度(維氏硬度>1500]抗壓強(qiáng)度較高，但脆性較大，韌性較低，抗拉強(qiáng)度很低。熱性能陶瓷材料的熔點(diǎn)高，抗蠕變能力強(qiáng)，具有比金屬高得多的耐熱眭，紅硎可達(dá)l000℃以上，熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)小，是優(yōu)良的絕熱材料。但陶瓷的抗急冷急熱的性能差。化學(xué)性能陶瓷的組織結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，即使在10000C也不會被氧化，不會被酸堿、鹽和許多熔融的金屬(如有色金屬銀、銅等)侵蝕，不會發(fā)生老化。電性能陶瓷材料的導(dǎo)電性變化范圍很廣。大多數(shù)陶瓷都是良好的絕緣體。但煳制了不少具有導(dǎo)電性的特種陶瓷，如氧化物半導(dǎo)體陶瓷等。一、陶瓷材料1、陶瓷的基本性能陶瓷的種類很多，按照陶瓷的原料和用途不同，可分為普通陶瓷和特種陶瓷兩類。以石英等為原料，經(jīng)過原料加工、成形和燒結(jié)而成。廣泛用于人們的日常生活、建筑、衛(wèi)生、{力及化工等領(lǐng)域。如餐具、藝術(shù)品、裝飾材料、電器支柱、耐酸磚等。2、陶瓷材料的應(yīng)用特種陶瓷是化學(xué)合成陶瓷。它以化工原料(如氧化物、氮化物、碳化物等)經(jīng)配料、成形、燒結(jié)而制成。根據(jù)其主要成分，又可分為氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。3、特種陶瓷復(fù)合材料一般由基體相和增強(qiáng)相構(gòu)成。基體相起形成幾何形狀和粘結(jié)作用；增強(qiáng)相起提高強(qiáng)度、韌性等的作用。1、復(fù)合材料的組成9.2復(fù)合材料復(fù)合材料由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的物質(zhì)，經(jīng)人工組合而成的多相固體材料，稱為復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料這類復(fù)合材料是以玻璃纖維、碳纖維等陶瓷材料作增強(qiáng)相，復(fù)合于塑料、樹脂、橡膠和金屬等為基體相的材料中而制成的。如橡膠輪胎、玻璃鋼、纖維增強(qiáng)陶瓷等都是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。層疊復(fù)合材料這類復(fù)合材料是由兩層或兩層以上不同材料復(fù)合而成的。如五合板、鋼一銅一塑料復(fù)合的無油潤滑軸承材料等就是層疊復(fù)合材料。顆粒復(fù)合材料這類材料是由一種或多種顆粒均勻分布在基體相內(nèi)而制成的。硬質(zhì)合金就是WC—C0或WC—TiC—C0等組成的顆粒復(fù)合材料。2、復(fù)合材料的分類1）玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，以熱塑性發(fā)熱固性塑料為基體材料組成的復(fù)合材料，又稱玻璃鋼。強(qiáng)度、彈性模量、耐熱性、抗疲勞性和抗蠕變性均較高。二、常用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料2）碳纖維復(fù)合材料

以碳纖維為增強(qiáng)材料，以樹脂、石墨、陶瓷或金屬味基體組成的復(fù)合材料。主要用于制作齒輪、軸承、活塞、密封環(huán)、化工器材零件、航空航天飛行器的機(jī)架、殼體、火箭、衛(wèi)星裝置、雷達(dá)天線構(gòu)架等重要器件。斷裂包括靜載荷或沖擊載荷下的斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕破裂等。表面損傷包括過量磨損、接觸疲勞(點(diǎn)蝕或剝落)、表面腐蝕等。過量變形包括過量的彈性變形、塑性變形和蠕變等。不論哪種過量變形，都會造成零件(或工具)尺寸和形狀的變化，改變了它們的正確使用位置，破壞了零件或部件問相互配合的關(guān)系，使機(jī)器不能正常工作。1、機(jī)械零件的失效形式9.3機(jī)械工程材料的選用一、零件的失效形式和選材原則材料的使用性能應(yīng)滿足