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文檔簡介

1、第六章 非金屬材料和復(fù)合材料,高分子材料 塑料、橡膠、纖維、黏結(jié)劑,陶瓷材料 玻璃、陶瓷、水泥、耐火材料,復(fù)合材料 1+12,1 高分子材料,高分子材料是由成千上萬個小分子單體通過聚合反應(yīng)以共價鍵結(jié)合起來的長鏈分子而構(gòu)成的。,分子量很大,104,一、高分子材料的制備方法,聚合反應(yīng),加成聚合反應(yīng),縮合聚合反應(yīng):小分子析出,以酚醛制品為例:,苯酚,甲醛,鹽酸,加熱 反應(yīng),初期縮聚物,脫水 干燥,酚醛樹脂,冷卻 粉碎,混合,加熱 輥壓,粉碎,酚醛壓塑粉,模壓,酚醛制品,固化劑 顏料 潤滑劑 增塑劑 填料,9698,95105,140200,二、高分子分子鏈的結(jié)構(gòu)形態(tài)(共價鍵),四、高分子材料的性能特

2、點,.密度小(12103Kg/m3),有利于材料輕量化。 .強度低,但比強度高,能夠代替部分金屬材料制造多種機器零部件。 .低的彈性模量和高彈性,取決于大分子鏈的柔性。 .優(yōu)良的電絕緣性能。 .優(yōu)良的減摩、耐磨和自潤滑性能。 .優(yōu)良的耐腐蝕性能。 .優(yōu)良的透光性。 .可加工性好。,絕對強度、剛度低; 三大缺點:不耐熱(低于300)、可燃、易老化,五、高分子材料的分類及應(yīng)用,塑料、合成橡膠、合成纖維、膠黏劑和涂料,塑料 塑料是以合成樹脂為主要成分的有機高分子材料,其中除主要成分樹脂外,再加入用以改善性能的各種添加劑,在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο掠跀D壓機、注射機等設(shè)備和模具中塑制成各種形狀規(guī)格的制品。,(

3、2)第一種熱塑性的全能塑料聚氯乙烯(PVC) 特點:強度、硬度、剛度均高于PE,并有耐燃、自熄的特點,但熱穩(wěn)定性、耐寒、耐老化性差,一般在-1560 使用。 應(yīng)用:常溫常壓下的容器、板材、管道;建筑上制作門窗、天花板、電線套管、墻紙;純PVC透明,氣密性好,用于飲料、藥品、化妝品的硬質(zhì)外包裝;PVC軟塑料常用于農(nóng)用薄膜、雨衣、桌布;另外還大量用于電線絕緣護套、插頭插座殼、玩具、密封條等。用途最廣的通用塑料。,(3)最輕且價廉的塑料聚丙烯(PP) 特點:力學(xué)性能、耐熱性(150)最高,密度最低,但低溫脆性大。無毒無味。 應(yīng)用:汽車上儀表盤、方向盤等;以及日用的微波爐餐具、椅子、安全帽;電器方面電

4、話機、電視機外殼;PP膜可作香煙、食品的包裝膜、包裝帶等。,(4)最鮮艷且成形性特好的塑料聚苯乙烯(PS) 特點:極易染成鮮艷顏色、透明度好,有光澤,可成型形突出,電絕緣性好,剛性好,脆性大,戶外長期使用易變黃變脆。 應(yīng)用:各類電器配件、殼體、一般光學(xué)儀器、燈罩、玩具、建筑廣告裝飾板、磁帶盒、筆桿等,(5)強韌易成形的白色塑料ABS:丙烯腈(Acrylonitrile)、丁二烯(Butadiene)、苯乙烯(Styrene) 特點:綜合性能好,價格低、堅韌、質(zhì)硬且具剛性的材料。 應(yīng)用:電視機、洗衣機、計算機等殼體;汽車上儀表盤、方向盤、擋泥板、手柄等,也可用于化工管道、板材等,(6)最透明的塑

5、料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)“有機玻璃” 特點:透光率好,耐紫外線和大氣老化,強度高,成形性好,良好的染色性,表面硬度差、易劃傷起毛。 應(yīng)用:透明裝飾面板、儀表板、容器、包裝盒、燈罩、眼鏡、工藝品等,也可用于飛機窗玻璃、防彈玻璃、風(fēng)擋等。,(7)透明“金屬”聚碳酸酯(PC) 特點:優(yōu)良的抗沖擊性和透明度,集剛、硬、韌、透明為一體的典型塑料。阻燃性好,自熄性材料。高溫下易開裂。 應(yīng)用:光盤、燈罩、防護玻璃、手機殼體、精密儀器中齒輪、相機零件、太空杯、餐具等。PC膜可用于錄音(像)帶。,(8)塑料王聚四氟乙烯(PTEE或F4) 特點:最優(yōu)良的耐高、低溫性能(-260250 ),幾乎不受任何化學(xué)品

6、腐蝕,化學(xué)穩(wěn)定性超過玻璃、陶瓷甚至金、鉑;摩擦系數(shù)最小,潤滑性好,介電損耗小,無味、無毒、不燃,有良好的生物相容性及抗血栓性。 應(yīng)用:不粘鍋涂層、管道密封用生料帶,機械上減摩密封零件,電器上耐高頻絕緣零件、以及強腐蝕場合設(shè)備內(nèi)襯和零件。醫(yī)用材料中人造血管、人工心臟等。,(9)強韌而耐磨耐油的塑料聚酰胺(PA) “尼龍” 特點:優(yōu)良的耐磨性、減摩性和自潤滑性。優(yōu)異的耐油性和氣體阻隔性;耐疲勞性好;吸濕性較大。 應(yīng)用:汽車上輸油管、油箱;DVD的齒輪、螺母、軸承等;與HDPE復(fù)合,用于冷凍食品包裝;還大量用于拉鏈、打火機殼、頭盔、球拍線、魚線、輸血管等。,(11)合成塑料的鼻祖酚醛樹脂(PF) 特

7、點:一定強度、硬度,耐磨、絕緣性好、耐熱性好,但性脆。有毒。 應(yīng)用:“電木”,燈頭、開關(guān)、插座、紐扣、剎車片、齒輪等,(10)每天接觸的塑料熱塑性聚酯(PET) 特點:PET膜拉伸強度很高,可長期用于戶外,但耐熱性不高。 應(yīng)用:PET膜和片材主要用于各種食品、藥品、精密儀器的高檔包裝、錄音帶、膠片、光盤、磁卡等;各種飲料瓶、礦泉水瓶等;各種電器元件外殼。,2. 橡膠 橡膠是一種具有極高彈性及低剛度的高分子材料。,(1)最早應(yīng)用的橡膠天然橡膠(NR) 特點:強度高、耐撕裂;彈性、耐磨性、耐寒性、耐堿性、氣密性、防水性、絕緣性及加工性能優(yōu)良,但耐熱、耐油及耐老化性差。 應(yīng)用:各類輪胎、膠帶、膠管、

8、膠鞋、氣球及醫(yī)療衛(wèi)生品等。,(2)產(chǎn)量最大的合成橡膠丁苯橡膠(SBR) 特點:同天然橡膠相比質(zhì)地均勻、成本低、耐磨性及氣密性好,抗撕裂和耐老化性也較好,但強度和彈性差。 應(yīng)用:各類輪胎、膠帶、膠管、膠鞋、硬質(zhì)膠輪等,改性后可替代天然橡膠。,(3)“萬能”橡膠氯丁橡膠(CR) 特點:其物理、力學(xué)性能均可與天然橡膠相比擬,且具有良好的耐油、耐溶劑、耐氧化、耐老化、耐酸堿等性能,但耐寒性較差,密度較大。 應(yīng)用:耐老化的電線電纜包皮、耐油耐蝕的膠管、輸送帶、礦井用橡膠制品、油罐襯里等。,丁腈橡膠(NBR):耐油性好(用于輸油管、耐油密封墊圈、耐油耐熱輸送帶、印刷膠輥等) 順丁橡膠(BR):彈性最好(制

9、造輪胎、三角帶、橡膠彈簧、鞋底等) 乙丙橡膠(EPM):密度最小(用于建筑防水材料、車輛配件、蒸汽膠管、膠帶、電線絕緣層等) 硅橡膠:最耐熱耐寒 氟橡膠:最耐腐蝕,2 陶瓷材料,從廣義上講陶瓷包含一切天然及合成的無機非金屬固體材料,如水泥、耐火材料、玻璃、石墨、天然石材、陶瓷等。 從狹義上講是用天然或合成的粉體,經(jīng)成形和高溫?zé)Y(jié)制成的,由金屬和非金屬的無機化合物構(gòu)成的多晶固體材料。,傳統(tǒng)陶瓷:天然硅酸鹽礦物(黏土、石英、長石等),先進陶瓷:高純度的人工合成原料(氧化物、氮化物、碳化物等),一、陶瓷材料的制備方法,(2)陶瓷材料的彈性模量是各類材料中最高的,(1)結(jié)合鍵主要為離子鍵和共價鍵,因此

10、陶瓷材料具有高的化學(xué)穩(wěn)定性,耐高溫、耐腐蝕、高強度等基本屬性。,(3)脆性材料,斷裂前無塑性變形,沖擊韌性極低,抗拉強度遠低于抗壓強度。,(4)硬度高,尤其是高溫硬度高。,三、陶瓷材料的基本性能,(5)熔點高,高溫強度好,高溫抗氧化性好,抗熔融金屬侵蝕性高。,(6)導(dǎo)電能力在很大范圍內(nèi)變化。,主要缺點:性脆、加工性能差、可靠性差,1. 傳統(tǒng)陶瓷,主要原料:高嶺土、長石、石英,結(jié)構(gòu)特點:,主晶相:莫來石 (3Al2O3SiO2)2530%,玻璃相: 35-60%,氣 相: 13%,性 能:質(zhì)地硬、耐腐蝕、不氧化、不導(dǎo)電、耐高溫 (1200oC),成本低、易成形 結(jié)構(gòu)疏松、強度低、一定溫度下軟化,

11、用 途:日用,建材工業(yè),電絕緣材料,化工設(shè)備以及力學(xué)性能要求不高的耐磨零件。,四、常用陶瓷材料,2. 先進陶瓷,主要成分: Al2O3 (45%) 剛玉瓷(9099.5%),性 能:耐高溫(在1600下長期使用) 強度高、硬度高、耐磨性好 優(yōu)良的電絕緣性和耐腐蝕、抗氧化性 原料豐富 脆性大、抗熱震性能差,用 途:廣泛應(yīng)用于各類高溫、耐蝕和電氣絕緣工程。如坩堝、熱電偶保護套管、化工反應(yīng)爐管等。機械工程中用作高速切削刀具、磨料、內(nèi)燃機火花塞、拉絲模等。,(1)氧化鋁陶瓷,主要成分: SiC,性 能:優(yōu)異的高溫強度(1700) 很好的熱穩(wěn)定性、抗蠕變性、耐磨性、耐蝕性、導(dǎo) 熱性、耐輻射性以及低的熱膨

12、脹性 高溫抗氧化性好,用 途:火箭尾噴管或噴嘴、爐襯、電加熱管、坩堝、熱電偶套管、高溫軸承以及核燃料包封材料。另外還可以用作砂輪和各種磨具。,(2)碳化硅陶瓷,主要成分: Si3N4,性 能:很高的硬度 自潤滑作用,摩擦系數(shù)小,耐磨性好 抗氧化性好、抗熱震性大大高于其它陶瓷 優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性(HF外) 優(yōu)良的絕緣性能,用 途:熱壓燒結(jié)法:形狀簡單、精度要求不高的零件如 刀具、活塞蓋、高溫軸承等 反應(yīng)燒結(jié)法:形狀復(fù)雜、要求精度高、耐磨、耐 蝕、耐熱等場合,如泵密封環(huán)、熱電偶保護套、轉(zhuǎn)子、缸套、活塞環(huán)、管道、閥門等 陶瓷發(fā)動機,(3)氮化硅陶瓷,3 復(fù)合材料,復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不

13、同組織的組分,以宏觀或微觀方式復(fù)合形成的新型材料,一般由基體組元和增強相或功能組元組成。,復(fù)合材料,基體組元,增強相,樹脂基復(fù)合材料,金屬基復(fù)合材料,陶瓷基復(fù)合材料,纖維增強,顆粒增強,玻璃纖維 碳纖維 硼纖維 碳化硅纖維 氧化鋁纖維 芳綸纖維,陶瓷或金屬顆粒,常用復(fù)合材料,一、玻璃鋼: 基體:樹脂;增強體:玻璃纖維 性能:強度高、密度?。ㄤ摰?/4)、耐腐蝕、 絕緣性好 應(yīng)用: 人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈和火箭外殼(瞬時耐高溫性能); 雷達罩(不反射無線電波、微波透過性好); 電機、電器及儀表的絕緣零部件; 各種管道、泵、閥門、容器等。,二、碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料: 基體:樹脂;增強體:碳纖維 性能:高的比強度和比模量,良好的高溫性能,優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊、減摩耐磨、耐腐蝕等。 應(yīng)用:制造承載、耐磨等零件,如軸承、密封圈、齒輪等?;瘜W(xué)工業(yè)、汽車制造業(yè)、航空航天和國防工業(yè)等。,美國哥倫比亞號航天飛機推進火箭上的關(guān)鍵部件燃料噴嘴和燃燒器;人造衛(wèi)星的機架。C纖維復(fù)合材料。,三、顆粒增強鋁基復(fù)合材料,基 體:鋁合金,增強體:SiC、Al2O3、B4C及石墨等,性能:重量輕、比強度高、耐疲勞、耐磨損、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好、缺口敏感性低,應(yīng)用:超大規(guī)模集

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