《非金屬材料演講》PPT課件.ppt

1、第6節(jié) 非金屬材料及復(fù)合材料,塑料簡(jiǎn)介 陶瓷簡(jiǎn)介 復(fù)合材料簡(jiǎn)介,內(nèi)容：,6.1 塑料簡(jiǎn)介,一、塑料的組成 塑料以有機(jī)合成樹(shù)脂為基礎(chǔ)，加入添加劑所組成。 1、合成樹(shù)脂 由低分子化合物通過(guò)縮聚或加聚反應(yīng)合成的線形高分子化合物，如酚醛樹(shù)脂、聚乙烯，是塑料的主要組成，也起粘接劑作用。 2、添加劑 為改善塑料的性能而加入的其它組成，主要有：(1) 填料或增強(qiáng)材料 填料在塑料中主要起增強(qiáng)作用。例如：木屑、紙屑，石棉高嶺土、滑石粉、氧化鋁、石墨、鐵粉、銅粉和鋁粉等(2) 固化劑 使樹(shù)脂具有體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為較堅(jiān)硬和穩(wěn)定的塑料制品。(3) 增塑劑 提高樹(shù)脂可塑性和柔性。(4) 穩(wěn)定劑 防止受熱、光等的作用使塑

2、料過(guò)早老化。,二、塑料的一般特性,(1)質(zhì)輕、比強(qiáng)度高 (2)化學(xué)穩(wěn)定性好 (3)優(yōu)異的電絕緣性 (4)減摩、耐磨性好 (5)消聲和吸振性好 (6)良好的成形加工性 (7)透明性和著色性好 (8)耐熱性差、強(qiáng)度較低、剛性小、尺寸穩(wěn)定性差,三、 塑料的分類 按樹(shù)脂的性質(zhì)分類 根據(jù)樹(shù)脂在加熱和冷卻時(shí)表現(xiàn)的性質(zhì)，分為熱塑性塑料和熱固性塑料。1. 熱塑性塑料 加熱時(shí)軟化并熔融，可塑造成形，冷卻后成型并保持既得形狀，該過(guò)程可反復(fù)進(jìn)行。2. 熱固性塑料 初加熱時(shí)軟化，可塑造成形，但固化后再加熱將不再軟化,也不溶于溶劑。 按使用范圍分類1. 通用塑料 應(yīng)用范圍廣、生產(chǎn)量大的塑料品種。 主要有聚乙烯、聚氯乙烯

3、、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料等，其產(chǎn)量約占塑料總產(chǎn)量的四分之三以上。2. 工程塑料 綜合工程性能(包括機(jī)械性能、耐熱耐寒性能、耐蝕性和絕緣性能等)良好的各種塑料。 主要有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯和ABS等四種。,四、常用塑料簡(jiǎn)介,（一）熱塑性塑料 1. 聚乙烯(PE) 由乙烯單體聚合而成。 根據(jù)合成方法不同, 分為高壓、中壓和低壓三種。 高壓聚乙烯 相對(duì)分子質(zhì)量、結(jié)晶度和密度較低，質(zhì)地柔軟。 制作塑料薄膜、軟管和塑料瓶等。 低壓聚乙烯 質(zhì)地剛硬，耐磨性、耐蝕性及電絕緣性較好。 制造塑料管、板材、繩索以及承載不高的零件，如齒輪、軸承等。,PE管材,保鮮膜,2. 聚丙烯(PP) 由丙烯單

4、體聚合而成。 聚丙烯剛性大, 強(qiáng)度、硬度和彈性等機(jī)械性能均高于聚乙烯。 密度小，僅為0.90 g/cm30.91 g/cm3, 是常用塑料中最輕的。 耐熱性良好, 長(zhǎng)期使用溫度為100 110 。 優(yōu)良的電絕緣性能和耐蝕性能，在常溫下能耐酸、堿,所以經(jīng)常制作成導(dǎo)線外皮。 聚丙烯的沖擊韌性差，耐低溫及抗老化性也差。 用于制作某些零部件，如法蘭、齒輪、風(fēng)扇葉輪、泵葉輪、把手及殼體等，還可制作化工管道、容器、醫(yī)療器械等。,聚丙烯制成電容器外皮 聚丙烯管子,3. 聚氯乙烯(PVC) 由乙炔氣體和氯化氫合成氯乙烯，再聚合而成。 硬質(zhì)聚氯乙烯 具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較好的耐蝕性。 制作化工、紡織等工業(yè)的廢氣

5、排污排毒塔、氣體液體輸送管，代替其它耐蝕材料制造貯槽、離心泵、通風(fēng)機(jī)和接頭等。 軟質(zhì)聚氯乙烯 當(dāng)增塑劑加入量達(dá)30%40時(shí)，便制得軟質(zhì)聚氯乙烯，伸長(zhǎng)率大，制品柔軟，并具有良好的耐蝕性和電絕緣性。 常制成薄膜，用于工業(yè)包裝、農(nóng)業(yè)育秧和日用雨衣、臺(tái)布等，制作耐酸耐堿軟管、電纜外皮、導(dǎo)線絕緣層等。,4. 聚苯乙烯(PS) 由苯乙烯單體聚合而成。 剛度大、耐蝕性好、電絕緣性好、透明。 缺點(diǎn)是抗沖擊性差，易脆裂、耐熱性不高。 制造紡織工業(yè)中的紗管、紗綻、線軸； 電子工業(yè)中的儀表零件、設(shè)備外殼； 化工中的儲(chǔ)槽、管道、彎頭；車輛上的燈罩、透明窗； 電工絕緣材料等。,5. ABS塑料 ABS塑料是丙烯腈、丁二

6、烯和苯乙烯的三元共聚物。 具有硬、韌、剛 的特性，綜合機(jī)械性能良好， 尺寸穩(wěn)定，容易電鍍和易于成形。 耐熱性較好，在40 的低溫下仍有一定的機(jī)械強(qiáng)度。 可制造齒輪、泵葉輪、軸承、把手、管道、儲(chǔ)槽內(nèi)襯、電機(jī)外殼、儀表殼、儀表盤、蓄電池槽、水箱外殼等。 在汽車零件上的應(yīng)用發(fā)展很快，如作擋泥板、扶手、熱空氣調(diào)節(jié)導(dǎo)管，以及小轎車車身等。 作紡織器材、電訊器件都有很好的效果。,摩托車擋泥板,7. 聚碳酸酯(PC) 聚碳酸酯譽(yù)稱透明金屬， 具有優(yōu)良的綜合性能。沖擊韌性和延性突出，在熱塑性塑料中是最好的；彈性模量較高，不受溫度的影響； 抗蠕變性能好，尺寸穩(wěn)定性高； 透明度高，可染成各種顏色； 吸水性小； 絕

7、緣性能優(yōu)良，在10 130 間介電常數(shù)和介質(zhì)損耗近于不變。 制造精密齒輪、蝸輪、蝸桿、齒條等。 利用其高的電絕緣性能，制造墊圈、墊片、套管、電容器等絕緣件，并可作電子儀器儀表的外殼、護(hù)罩等。 由于透明性好，在航空及宇航工業(yè)中，是一種不可缺少的制造信號(hào)燈、擋風(fēng)玻璃，座艙罩、帽盔等的重要材料。,8. 氟塑料 氟塑料比其它塑料的優(yōu)越性是： 耐高、低溫, 耐腐蝕, 耐老化和電絕緣性能很好, 吸水性和摩擦系數(shù)低, 聚四氟乙烯（F-4）俗稱塑料王, 具有非常優(yōu)良的耐高、低溫性能，缺點(diǎn)是強(qiáng)度低, 冷流性強(qiáng)。 制作減摩密封零件、化工耐蝕零件與熱交換器，以及高頻或潮濕條件下的絕緣材料。,有機(jī)玻璃頂棚,9. 聚甲

8、基丙烯酸甲酯(PMMA) 俗稱有機(jī)玻璃。 有機(jī)玻璃的透明度比無(wú)機(jī)玻璃還高, 透光率達(dá)92%; 密度只有無(wú)機(jī)玻璃的一半, 為1.18 g/cm3。 機(jī)械性能比普通玻璃高得多(與溫度有關(guān))。 制造儀表護(hù)罩、外殼、光學(xué)元件、透鏡等。,1. 酚醛塑料(PF) 由酚類和醛類在酸或堿催化劑作用下縮聚合成酚醛樹(shù)脂,再加入添加劑而制得的高聚物。一般為熱固性塑料。 酚醛塑料具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和硬度, 耐磨性好； 絕緣性良好, 耐熱性較高，耐蝕性優(yōu)良。 缺點(diǎn)是性脆，不耐堿。 制作插頭、開(kāi)關(guān)、電話機(jī)、儀表盒、 汽車剎車片、內(nèi)燃機(jī)曲軸皮帶輪、 紡織機(jī)和儀表中的無(wú)聲齒輪、 化工用耐酸泵日用用具等。 ,酚醛塑料制品,二、

9、熱固性塑料,6.2 陶瓷材料簡(jiǎn)介,一、 陶瓷的組織、分類與性能特點(diǎn) 1.陶瓷的組織：晶相+玻璃相+氣相 晶相：晶相是陶瓷中的主要組成相，對(duì)陶瓷制晶的強(qiáng)度、硬度、耐熱性有決定性的影響。 玻璃相：陶瓷中的玻璃相是一種非晶態(tài)的固體，玻璃相的作用是粘結(jié)分散的晶相，降低燒結(jié)溫度。抑制晶相的晶粒長(zhǎng)大和填充氣孔，其熱穩(wěn)定性差，強(qiáng)度較晶向低，所以不能多。,氣相：而氣相是指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔，它是陶瓷生產(chǎn)工藝過(guò)程中不可避免地形成并保留下來(lái)的，氣孔對(duì)陶瓷性能有顯著的影響，它使陶瓷密度減少，并能吸收震動(dòng)，這是有利的，但它又使其強(qiáng)度降低，電擊穿強(qiáng)度下降，絕緣性下降，這是不利的，因此對(duì)陶瓷中的氣孔數(shù)量、形狀、大小和

10、分布有所控制。 陶瓷的顯微組織由晶相、玻璃相和氣相組成，各組成相結(jié)構(gòu)、數(shù)量、形態(tài)、大小及分布對(duì)陶瓷性能有顯著影響。,2性能特點(diǎn), 高硬度 硬度是陶瓷材料的重要性能指標(biāo)，大多數(shù)陶瓷材料的硬度比金屬高得多，故其耐磨性好（它的硬度僅次于金剛石）。 高彈性模量與高脆性 陶瓷在拉伸時(shí)幾乎沒(méi)有塑性變形，在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生一定彈性變形后直接脆斷，大多數(shù)的陶瓷材料的彈性模量都比金屬高。 低抗拉強(qiáng)度和較高的抗壓強(qiáng)度 由于陶瓷內(nèi)部存在大量氣孔，其作用相當(dāng)于裂紋，故其抗壓強(qiáng)度較高。,2性能特點(diǎn), 優(yōu)良的高溫強(qiáng)度和低的抗熱震性 陶瓷的熔點(diǎn)高于金屬，具有優(yōu)于金屬的高溫強(qiáng)度。 陶瓷的熔點(diǎn)高于金屬，具有優(yōu)于金屬的高溫強(qiáng)度。

11、大多數(shù)金屬在1000以上就喪失強(qiáng)度，而陶瓷在高溫下不僅保持高硬度，而且基本保持其室溫下的強(qiáng)度，具有高的蠕變抗力，同時(shí)抗氧化的性能好，廣泛用作高溫材料。 但陶瓷承受溫度急劇變化的能力差（熱震性差）當(dāng)溫度劇烈變化時(shí)易裂。,3陶瓷的分類 按原料不同，陶瓷分為普通陶瓷和特種陶瓷兩大類。 普通陶瓷:又稱傳統(tǒng)陶瓷，其原料是天然的硅酸鹽產(chǎn)物，如粘土、長(zhǎng)石、石英等。這類陶瓷又稱硅酸鹽陶瓷，例如日用陶瓷、建筑陶瓷、絕緣陶瓷、化工陶瓷等。 特種陶瓷:又稱近代陶瓷、現(xiàn)代陶瓷、精細(xì)陶瓷、先進(jìn)陶瓷等，其原料是人工合成的金屬氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等。特種陶瓷與普通陶瓷的主要區(qū)別在于原料是專門制備的高純度化

12、工原料，在產(chǎn)品的制備上突破了傳統(tǒng)工藝而采用現(xiàn)代新技術(shù)，因而具有一些獨(dú)特的優(yōu)異性能。,3陶瓷的分類,(1) 普通陶瓷（傳統(tǒng)陶瓷） (2) 特種陶瓷 普通日用陶瓷 壓電陶瓷 普通工業(yè)陶瓷 磁性陶瓷 1).建筑衛(wèi)生瓷 電容器陶瓷 2).化學(xué)化工瓷 高溫陶瓷 3).電工瓷 1).氧化物陶瓷 2).氮化物陶瓷 3).碳化物陶瓷 4).硼化物陶瓷,二、 常用工業(yè)陶瓷,1普通陶瓷 質(zhì)地堅(jiān)硬、不氧化、不導(dǎo)電、耐腐蝕、成本低，加工成形性好。強(qiáng)度低，使用溫度為1200。廣泛用于電氣、化工、建筑和紡織行業(yè)。例如：受力不大，在酸、堿中工作的容器、反應(yīng)塔、管道；絕緣件；要求光潔、耐磨、低速、受力小的導(dǎo)紗零件。 2氧化鋁

13、陶瓷 主要成分是A12O3。強(qiáng)度比普通陶瓷高26倍，硬度高(僅低于金剛石、立方氮化硼)；耐高溫（陶瓷可在1600時(shí)長(zhǎng)期使用，空氣中使用溫度最高為1980），高溫蠕變?。荒退?、堿和化學(xué)藥品腐蝕，絕緣性好。脆性大，不能承受沖擊。用于制作高溫容器(如坩堝)，內(nèi)燃機(jī)火花塞；切削高硬度、大工件、精密件的刀具；耐磨件(如拉絲模)；化工、石油用泵的密封環(huán)；高溫軸承；紡織機(jī)用高速導(dǎo)紗零件等。,氧化鋁陶瓷高壓鈉燈,二、 常用工業(yè)陶瓷,二、 常用工業(yè)陶瓷,3.氧化鋯陶瓷 氧化鋯陶瓷具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性及高強(qiáng)度和高韌性， 高溫強(qiáng)度大。用于制作模具、刀具、軸承和耐磨件等。,二、 常用工業(yè)陶瓷,二、 常用工業(yè)陶瓷,4氮

14、化硅陶瓷 這類陶瓷化學(xué)穩(wěn)定性好，除氫氟酸外，可耐無(wú)機(jī)酸(鹽酸、硝酸、硫酸、磷酸、王水)和堿液腐蝕；抗熔融非鐵金屬侵蝕，硬度高，摩擦系數(shù)小，耐磨性好；絕緣性；熱膨脹系數(shù)小，抗高溫蠕變性高于其他陶瓷；最高使用溫度低于氧化鋁陶瓷。用于制作高溫軸承，熱電偶套管，泵和閥的密封件，切削高硬度材料的刀具。例如，農(nóng)用泵因泥砂多，要求密封件耐磨，原來(lái)用鑄造錫青銅作密封件與9Crl8對(duì)磨，壽命低，現(xiàn)用氮化硅陶瓷與9Crl8對(duì)磨，使用8400h，磨損仍很小。,氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機(jī)的防熱瓦,二、 常用工業(yè)陶瓷,5碳化硅陶瓷 這類陶瓷高溫強(qiáng)度大，抗彎強(qiáng)度在1400仍保持500600MPa，熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)，有良好的

15、熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐蝕性和抗蠕變性。用于制作工作溫度高于1500的結(jié)構(gòu)件，如火箭尾噴管的噴嘴，澆注金屬的澆口杯，熱電偶套管、爐管，汽輪機(jī)葉片，高溫軸承，泵的密封圈。,5.3 復(fù)合材料,復(fù)合材料的概念 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。它保留了組成材料各自的優(yōu)點(diǎn)，并獲得單一材料所不具備的優(yōu)良綜合性能，有的性能指標(biāo)會(huì)超過(guò)各組成材料性能的總和 復(fù)合材料通常以增強(qiáng)相+基體來(lái)表示 按基體不同分為三類：樹(shù)脂、金屬和陶瓷， 按增強(qiáng)相的種類和形狀不同，分為三類：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒復(fù)合材料和層疊復(fù)合材料。,復(fù)合材料的性能特點(diǎn)及主要應(yīng)用,1比強(qiáng)度和比模量高 例如碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂組成的復(fù)合材料，

16、其比強(qiáng)度是鋼的8倍，比模量(彈性模量與密度之比)比鋼大3倍。 2抗疲勞性能好 例如碳纖維-聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度是其抗拉強(qiáng)度的70-80，而大多數(shù)金屬的疲勞強(qiáng)度是其抗拉強(qiáng)度的4050。 3減振性能好 纖維與基體界面有吸振能力，可減小振動(dòng)。例如，尺寸形狀相同的梁，金屬梁9s停止振動(dòng)，碳纖維復(fù)合材料制成的梁2.5s就可停止振動(dòng)。 4斷裂安全性好 主要應(yīng)用：航空、民用結(jié)構(gòu)件、體育用品、運(yùn)輸交通,一、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (一)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料玻璃鋼 以玻璃纖維為增強(qiáng)劑，樹(shù)脂為粘結(jié)劑。按粘結(jié)劑不同，分為熱固性玻璃鋼和熱塑性玻璃鋼，熱固性玻璃鋼以熱固性樹(shù)脂（環(huán)氧、有機(jī)硅、聚酯）為粘結(jié)劑；熱塑性玻璃鋼

17、以熱塑性樹(shù)脂（尼龍、聚苯乙烯、ABS等）為粘結(jié)劑；其中熱固性玻璃鋼的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，熱塑性玻璃鋼屬于新發(fā)展材料。 玻璃鋼與基體相比，強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度以及沖擊韌度明顯提高，而且耐蝕性、絕緣性、成形性好，比強(qiáng)度高于銅合金和鋁合金，甚至高于某些合金鋼。但剛度差，為鋼的11015。耐熱性不高(低于200)，易老化和蠕變。主要制作要求自重輕的受力件，例如汽車車身，直升機(jī)旋翼，氧氣瓶，輕型船體，耐海水腐蝕件，石油化工管道和閥門，軸承、齒輪、儀表盤、收音機(jī)殼體等。,幾種熱塑性玻璃鋼部分性能的比較,環(huán)氧樹(shù)脂玻璃鋼顯微組織,酚醛樹(shù)脂玻璃鋼齒輪,16米豪華巡邏艇,復(fù)合材料井蓋,化工儲(chǔ)罐,(二)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

18、碳纖維與玻璃纖維相比，具有更高的抗拉強(qiáng)度高和彈性模量，它是所有增強(qiáng)纖維中比強(qiáng)度和比彈性模量最高的。彈性模量是玻璃纖維的46倍。此外，碳纖維復(fù)合材料還具有優(yōu)良的減摩性、耐蝕性、高低溫性能。例如玻璃鋼在300以上，強(qiáng)度會(huì)逐漸下降，而碳纖維在2000 時(shí)其強(qiáng)度和彈性模量基本不變；在-180 不變脆。 碳纖維除了可以增強(qiáng)樹(shù)脂，還可以增強(qiáng)金屬、陶瓷以及碳本身。,蹬山杖,WCF全碳車架,紅雙喜記憶性碳纖維羽毛拍M330（316元）,飛機(jī)剎車葉片,帆板手把,碳纖維復(fù)合材料氣瓶,筆記本外殼,美國(guó)B-2隱形轟炸機(jī)表面為具有良好吸波性能的碳纖維復(fù)合材料,未經(jīng)過(guò)精加工的（XKuP-4）吸波材料，可運(yùn)用于戰(zhàn)斗機(jī)的蒙皮。 飛機(jī)隱身通常圍繞外形、材料和電子等多方面進(jìn)行，隱身材料是很關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)。,二、 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料 是由一種或多種材料的顆粒均勻分散在基體材料內(nèi)所組成的。金屬陶瓷就是顆粒復(fù)合材料，它是將金屬的熱穩(wěn)定性好、塑性好，高溫易氧化和蠕變，與陶瓷脆性大，熱穩(wěn)定性