常用非金屬材料的使用

1、1,本章主要知識：,第十章 常用非金屬材料,復合材料,陶瓷材料,高分子材料,2,10.1 高分子材料,高分子材料按性能和用途分為：,塑料：在常溫下有一定形狀，強度較高，受力后能發(fā)生一定變形的聚合物。按塑料熱性能又分為熱塑性和熱固性塑料。,橡膠：在常溫下具有很高彈性，即受到很小載荷即可發(fā)生很大變形甚至達原長的十余倍，而去除外力后又可恢復原狀的聚合物。,纖維：在室溫下材料的軸向強度很大，受力后變形很小，且在一定溫度范圍內力學性能變化不大的聚合物。,3,塑料、橡膠和纖維這三大合成材料之間其實也沒有嚴格的界限，有時同一種高分子化合物可用不同的方法加工成不同種類的產品。如典型的聚氯乙烯塑料也可抽絲成為纖

2、維（氯綸）。我們還常常將聚合后未加工成型的聚合物為樹脂，以區(qū)分加工后的塑料或纖維制品，如電木未固化前稱為酚醛樹脂，滌綸纖維未抽絲前稱為滌綸樹脂。,除上述三類外，膠粘劑、涂料等都是以樹脂形式不加工而直接使用的高分子化合物。,4,一、塑料,塑料按應用范圍分為三類：,1.通用塑料,主要用于日常生活用品的塑料。其產量大，成本低，用途廣，占塑料總產量的3/4以上。大部分原料來源于石油天然氣，原料豐富。,(1) 聚乙烯（PE）：,聚乙烯產品相對密度?。?.910.97），耐低溫、耐蝕、電絕緣性好。高壓聚乙烯質軟，主要用于制造薄膜；低壓聚乙烯質硬，可用于制造一些零件。聚乙烯產品缺點是：強度、剛度、硬度低；蠕

3、變大，耐熱性差，且容易老化。,5,(2) 聚氯乙烯（PVC）：,是最早使用的塑料產品之一，應用十分廣泛。PVC使用溫度一般在(1555) 。可將其制成硬質品（板、管）和軟質品（薄膜、日用品）其突出的優(yōu)點是耐化學腐蝕，不燃燒且成本低，易于加工；但其耐熱性差，抗沖擊強度低，還有一定的毒性。當然若用共聚和混合法改進，也可制成用于食品和藥品包裝的無毒聚氯乙烯產品。,該類塑料的產量僅次于PE和PVC。PS具有良好的加工性能；其薄膜有優(yōu)良的電絕緣性，常用于電器零件；其發(fā)泡材料相對密度低達0.33，是良好的隔音、隔熱和防震材料，廣泛用于儀器包裝和隔熱。其中還可加入各種顏色的填料制成色彩鮮艷的制品，用于制造玩

4、具及日常用品。聚苯乙烯的最大缺點是脆性大、耐熱性差。,(3) 聚苯乙烯（PS）：,6,(4) 聚丙烯（PP）：,聚丙烯相對密度?。?.90.91），是塑料中最輕的。其力學性能如強度、剛度、硬度、彈性模量等都優(yōu)于低壓聚乙烯（PE）；具有好的綜合機械性能，故常用來制各種機械零件、化工管道、容器；其無毒及可消毒性，可用于藥品的包裝。它具有優(yōu)良的耐熱性，在無外力作用時，加熱至150不變形，因此它是常用塑料中唯一能經受高溫消毒的產品；還有優(yōu)秀的電絕緣性。其主要的缺點是：粘合性、染色性和印刷性差；低溫易脆化、易燃，且在光熱作用下易變質。,(5) 酚醛塑料：,(6) 氨基塑料：,7,2. 工程塑料,可用作工

5、程結構或機械零件的一類塑料，它們一般有較好的、穩(wěn)定的機械性能，耐熱耐蝕性較好，且尺寸穩(wěn)定性好。如ABS、尼龍、聚甲醛等。是目前大力發(fā)展的塑料品種。,(1)聚酰胺(PA)：,聚酰胺的商品名稱是尼龍或綿綸，是目前機械工業(yè)中應用比較廣泛的一種工程熱塑性塑料。,聚酰胺的機械強度高，耐磨，自潤滑性好，而且耐油耐蝕消音減震，已大量用于制造小型零件，代替有色金屬及其合金；芳香尼龍具有良好的耐磨耐熱耐輻射性和電絕緣性，在95%相對濕度下不受影響，而且可在200 長期工作使用，可用于制造高溫下工作的耐磨零件，H級絕緣材料及宇宙服等。大多數尼龍易吸水，導致性能和尺寸的改變，這在使用時應予以注意。,8,(2)聚甲醛

6、(POM),PC是一種新型熱塑性塑料，品種較多。工程上用的是芳香族聚碳酸酯，產量僅次于尼龍。PC的化學穩(wěn)定性很好，能抵抗日光雨水和氣溫變化的影響；它透明度高，成型收縮小，因此制件尺寸精度高。廣泛用于機械、儀表、電訊、交通、航空、照明和醫(yī)療機械等工業(yè)。如波音747飛機上有2500個零件要用到聚碳酸酯。,POM是沒有側鏈，高密度、高結晶性的線型聚合物，性能比尼龍好，其按分子鏈結構特點又分為均聚甲醛和共聚甲醛。聚甲醛性能較好，但熱穩(wěn)定性和耐熱性差、大氣中易老化、遇火燃燒。但目前仍廣泛用于汽車、機床、化工、儀表等工業(yè)中。,（3）聚碳酸酯（PC）,9,（4）ABS塑料,ABS塑料是由丙烯腈、丁二烯和苯乙

7、烯三種組元共聚而成，三組元單體可以任意比例混合。由于ABS為三元共聚物，丙烯腈使材料耐蝕性和硬度提高，丁二烯提高其柔順性，而苯乙烯則使具有良好的熱塑性加工性，因此ABS是“堅韌、質硬且剛性”的材料，是最早被人類認識和使用的“高分子合金”。,ABS由于其低的成本和良好的綜合性能，且易于加工成型和電鍍防護，因此在機械，電器和汽車等工業(yè)有著廣泛的應用。,10,聚四氟乙烯是含氟塑料的一種，具有極好的耐高低溫性和耐磨蝕等性能。PTFE幾乎不受任何化學藥品的腐蝕，即使在高溫下在強酸強堿及強氧化環(huán)境中也都穩(wěn)定，故有“塑料王”之稱；其熔點為327 ，能在(-195+250) 范圍內保持性能的長期穩(wěn)定性；其摩擦

8、系數小，只有0.04，具有極好的自潤滑；且具有憎水憎油和不粘性；在極潮濕的環(huán)境中也保持良好的電絕緣性。但其強度硬度較低，冷流性大，加工成型性較差，只能用冷壓燒結方法成型。在高于390 時分解出劇毒氣體，應予注意。PTFE的優(yōu)良性能使其在電子，國防，涂料等領域的應用日益廣泛。,（5）聚四氟乙烯（PTFE),11,有機玻璃的化學名稱為：聚甲基丙烯酸甲酯，是目前最好的透明有機物，透光率達92%，超過了普通玻璃；且其力學性能好b可達(6070)MPa，沖擊韌性比普通玻璃高(78)倍（厚度為36mm時），不易破碎，耐紫外線和防老化性能好，同時密度低（1.18）易于加工成型。但其硬度低，耐磨擦性，耐有機溶

9、劑腐蝕性，耐熱性，導熱性差，使用溫度不能超過180 。主要用于制造各種窗體，罩及光學鏡片和防彈玻璃等零部件。,（6）有機玻璃（PMMA),3.特種塑料：,具有某些特殊的物理化學性能的塑料如耐高溫，耐蝕等性能塑料。其產量少，成本高，只用于特殊場合。如醫(yī)用塑料等。,12,二、橡膠,三、纖維,四、膠粘劑,五、涂料,13,10.2 陶瓷材料,一、陶瓷的分類,1、按化學成分分類：,氧化物陶瓷，如Al2O3； 碳化物陶瓷，如SiC； 氮化物陶瓷：包括Si3N4； 其他化合物陶瓷。,2、按性能和用途分類：,結構陶瓷：用于制造結構零部件，要求有更好的力學性能； 功能陶瓷：具有優(yōu)異的物理和化學性能，用以制作功能

10、器件。,14,二、陶瓷的性能特點,原子結合：主要是離子鍵和共價鍵； 性能特點：強度高、硬度大、熔點高、化學穩(wěn)定性好、線膨脹系數小，且多為絕緣體；塑性、韌性和可加工性較差。,1、機械性能,強度：抗壓強度比抗拉強度高得多，比值為10：1左右，高溫強度比金屬高得多；高溫度時，強度有一定程度的下降，但其塑性韌性卻大大提高，加之陶瓷材料優(yōu)異抗氧化性，其可能成為未來高速高溫燃氣發(fā)動機的主要結構材料。 硬度：高硬度、高耐磨性。,15,陶瓷增韌： 增加致密度； 相變增韌（體積效應和形狀效應）； 纖維增韌。,2、陶瓷材料的其它性能簡介,熱性能：熔點高、很好的高溫強度和抗氧化性、但抗熱震性能差。 電性能：好的絕緣

11、材料；但由于雜質，某些組元等一系列成分因素的作用及一些環(huán)境因素的影響，有些陶瓷可以作半導體或壓電材料，或熱電材料或環(huán)境敏感材料等。 特殊性能：陶瓷薄膜具有獨特的光、電、磁等物理化學性能?？勺鞴δ懿牧?。,16,三、常用工業(yè)陶瓷及其應用,1、普通陶瓷,是用天然原料制成的粘土類陶瓷，它是以粘土、長石和石英經配料，成型燒結而成。 特點：質硬，不導電，易于加工成型；但其內部含有較多玻璃相，高溫下易軟化，耐高溫及絕緣性不及特種陶瓷。 應用：因其成本低，產量大，廣泛用于工作溫度低于200的酸堿介質、容器、反應塔、管道、供電系統(tǒng)的絕緣子和紡織機械中導紗零件等。,17,成分： Al2O3 + 少量的SiO2 例

12、、75瓷（含75% Al2O3）、95瓷（含95% Al2O3）和99瓷（含99% Al2O3），Al2O3含量越高玻璃相含量越少，氣孔越少，其性能也越好，但此時工藝變得復雜，成本升高。 性能：耐高溫性好，在氧化性氣氛中，可用到1950，且耐蝕性好；高硬度及高溫強度(760時HRA87，1200時HRA80)；很好的絕緣性能?！叭秉c”是脆性大，不能承受沖擊載荷，抗熱震性差，不適合用于有溫度急變場合。 應用：高溫器皿；高速切削及難切削材料加工的刃具；耐磨軸承、模具及活塞、化工用泵和閥門；內燃機火花塞。,2、特種陶瓷,氧化鋁陶瓷,18,（2）其他氧化物陶瓷,MgO陶瓷： 是典型的堿性耐火材料，用于

13、冶煉高純度鐵及其合金、銅、鋁、鎂以及熔化高純鈾、釷及其合金。 BeO陶瓷： 性能：在還原性氣中特別穩(wěn)定，其導熱性極好（與鋁相近），故抗熱沖擊性能好；但氧化鈹粉末及蒸氣有劇毒 應用：高頻電爐“坩堝”、高溫絕緣子、激光管、晶體管散熱片、集成電路基片等。 ZrO2陶瓷： 性能：高強且耐熱性好，導熱率高；室溫下是絕緣體，但在1000以上變?yōu)閷w。 應用：用于離子導電材料（電極），傳感及敏感元件及1800以上的高溫發(fā)熱體，還可用于熔煉Pt、Pd、Rh等合金的坩堝。,19,（3）非氧化物工程陶瓷,氮化硅（Si3N4）陶瓷：是目前強度最高的陶瓷，并具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和耐磨性。 性能：穩(wěn)定性極好，

14、除氫氟酸外能耐各種酸堿腐蝕，可抵抗熔融有色金屬的侵蝕；氮化硅硬度很高，摩擦系數?。ㄖ挥?.10.2，相當于加油的金屬表面），耐磨性減摩性好（自潤滑性好）；很好的抗熱震性。 應用：耐磨材料；耐腐蝕的零件（密封環(huán)，高溫軸承）；燃氣輪機葉片；冶金容器；精加工刀具。 碳化硅（SiC）陶瓷 性能：最大特點是高溫強度高，在1400時抗彎強度仍達(500600)MPa；且其導熱性好，僅次于BeO陶瓷，熱穩(wěn)定性耐蝕性耐磨性也很好。 應用：主要可用于制作火箭尾噴管的噴嘴、爐管、熱電偶套管，以及高溫軸承、高溫熱交換器、密封圈和核燃料的包封材料等。,20,氮化硼陶瓷： 六方氮化硼： 性能：與石墨結構、性能相似，故又

15、稱“白石墨”，具有良好的耐熱導熱性，是理想的散熱和高溫絕緣材料；化學穩(wěn)定性好，具有極好的自潤滑性，其硬度較低，可進行機械加工，作成各種結構的零件。 應用：一般用作熔煉半導體材料坩堝和高溫容器，半導體散熱絕緣件，高溫潤滑軸承和玻璃成型模具等。,立方氮化硼為立方結構，結構緊密，其硬度與金剛石接近，是優(yōu)良的耐磨材料，常用于制作刀具。,21,10.3 復合材料,復合材料：是由兩種或兩種以上化學本質不同的物質通過人工合成的材料。 其結構為多相，一類組成（或相）為基體，起粘結作用，另一類為增強相。它是一種多相材料，其某些性能比各組成相的性能都好。,一、分類,按結構分：金屬基復合材料、高分子基復合材料、陶瓷

16、基復合材料。 按性能分：功能復合材料、結構復合材料。 按增強相分：顆粒增強復合材料、纖維增強復合材料（玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、SiC纖維等）、層狀增強復合材料。,22,二、特點,1.比強度和比模量大:,例如：碳纖維和環(huán)氧樹脂組成的復合材料，其比強度是鋼的7倍，比彈性模量比鋼大3倍。,2耐疲勞性能比較高:,例如：碳纖維聚酯樹脂復合材料的疲勞極限是抗拉強度的7080，而金屬材料的疲勞極限只有抗拉強度的4050。,3減震性能好:,4. 耐高溫性能好；高溫強度和彈性模量均較高； 例如、LC4鋁合金，在400時，彈性模量接近于零，抗拉強度值也從室溫時的500MPa降至 3050MPa。而碳纖維或硼纖維

17、增強組成的復合材料，在400時，強度和彈性模量可保持接近室溫下的水平。,23,5斷裂安全性好:斷裂時應力迅速重新分布，載荷由未斷裂的纖維承擔起來。,6其它性能特點: 還具有良好的化學穩(wěn)定性、隔熱性、燒蝕性以及特殊的電、光、磁等性能。,7主要問題:斷裂伸長小，抗沖擊性能尚不夠理想，生產工藝方法中手工操作多，難以自動化生產，間斷式生產周期長，效率低，加工出的產品質量不夠穩(wěn)定等；成本比其它工程材料高得多。,24,三、 應用,顆粒增強復合材料：主要應用于高硬度高耐磨的工具和耐磨零件。 彌散強化復合材料：主要應用在原子能工業(yè)等部門，是高頻電子儀器（如大功率行波管）中必不可少的導電結構材料。 碳化硅顆粒增

18、強鋁基復合材料（SiC/Al）：用于制造大功率汽車發(fā)動機的柴油機的活塞、連桿、剎車片等；以及制造火箭、導彈構件、紅外及激光制導系統(tǒng)構件；理想的精密儀表中高尺寸穩(wěn)定性材料。 熱塑性玻璃鋼與熱固性玻璃鋼：工程結構。 碳纖維-樹脂復合材料：主要應用于航空航天、機械制造、汽車工業(yè)及化學工業(yè)中。 硼纖維-樹脂復合材料：主要用于航空航天和軍事工業(yè)。 碳化硅纖維-樹脂復合材料：主要用于航空航天工業(yè)。,25,長纖維增強金屬基復合材料：主要應用領域是航天航空，先進武器和汽車領域，同時在電子、紡織、體育等領域也具有廣泛的應用潛力。 1）鋁基、鎂基復合材料：主要用作高性能的結構材料； 2）鈦基耐熱合金及金屬間化合物基復合材料：主要用于制造發(fā)動機零件； 3）銅基和鉛基復合材料：特殊導體和電極材料，在電子行業(yè)和能源工業(yè)中具有廣泛的應用前景。,氧化鋁短纖維增強鋁基復合材料：在汽車制造等行業(yè)獲得廣泛應用。 碳化硅晶須增強鋁基復合材料：是針對航天航空等高技術領域的實際需求而發(fā)開的一類先進的復合材料。 短纖維