以塑代鋼介紹

1、以塑代鋼,1.塑料的優(yōu)點 2.金屬替代指導 3.選擇標準 4.工作溫度 5.硬度 6.耐沖擊性能 7.抗撕裂性能 8.耐化學性 9.耐紫外輻射性能 10.耐伽瑪射線性能 11.應用實例,塑料的優(yōu)點,在目前非常激烈競爭的市場環(huán)境下，為了提高產品的競爭力，制造商們投入了很大精力在產品的區(qū)分上，以保持好的盈余率和低的成本。這個區(qū)分主要是通過設計、視覺外觀或者是隨著新功能性的發(fā)展需要更小型、更成熟的系統(tǒng)來完成的。部件的經濟合理化是工業(yè)上的另一個重要趨勢，例如在汽車、設備、電子和醫(yī)療領域，因為這樣增加了終端產品的可靠性，同時降低總成本。 因為這些原因，塑料替代金屬和其它一些傳統(tǒng)的材料就成為許多市場產品經

2、營的主要策略之一。 而且這個趨勢也在迅速加快，因為塑料比之于金屬有著更多的優(yōu)點。所有這些優(yōu)點導致了巨大的生產力的提高和產品的區(qū)分。,塑料的優(yōu)點,與塑料相比，金屬仍然保持著一些優(yōu)點，例如：更高的強度和硬度、本身具有的導熱和導電性和阻燃性。 替代金屬這一巨大的潛能貫穿整個工業(yè)，目前塑料替代金屬應用已經占了總量的15。 具有特制外形的高性能材料的發(fā)展，先進工具的使用使得設計和模塑工具達到優(yōu)化，這些條件合在一起將會使得這一替代發(fā)展趨勢得到極大的促進。 在這個金屬替代中心里，我們提供給你一個關注于這個發(fā)展趨勢的專區(qū)，目的是為了引導你選擇更合適的替代材料，并提供給你解決方案和革新措施。,塑料比較金屬的優(yōu)點

3、,金屬替代指導,對于制造商們，驅使他們把金屬用塑料替代的動力是降低成本、設計的靈活性以及減輕重量的這三個元素的復合。因為這個原因，用塑料替代金屬的過程不僅受原材料選擇的限制，而且包含一些其它需要考慮的事項，如制造（加工和二次加工）、規(guī)章和設計。這個替代過程很難得到最優(yōu)的性價比，因為塑料的使用性能和加工性能與金屬的大不相同。 替代金屬的典型過程如圖1所示： 前三步是關鍵的，因為實現(xiàn)從第四步到第六步的改變需要花費更多的時間和金錢。,請參考以下一些基本的建議來優(yōu)化你的設計過程。,1. 考慮“系統(tǒng)”并且清楚地定義關鍵的功能性，而不是考慮“個體部分”。 2. 清楚地規(guī)定你需要的要求，例如耐疲勞性、硬度、

4、延展性、最高和最低使用溫度以及使用環(huán)境（耐化學性、耐壓裂性，防紫外線） 3. 清楚地區(qū)分“必須要有”和“最好要有”的要求。很多情況下，性能的折衷是必要的并且也可能會使用更便宜的材料。 4. 設計時盡量使你的加工與二次加工過程最小化，因為這些過程通?；ㄙM巨大。 5. 使你的設計在體積和硬度上達到最優(yōu)化，并且可以考慮使用增強骨架，這樣可以導致產品具有更薄的厚度、更輕的重量和更小的體積，從而使最終的產品成本最小化。,設計你的產品時要考慮以下幾點：,- 焊縫: 避免它們處于可見區(qū)域。 它們可能會成為弱點。 門的位置能夠決定它們所處的位置。 - 壁厚: 在降溫時在大量的洞上會有很大的沖擊力。 - 殘留的

5、壓力: 避免產品內有殘留的壓力。 這可能會導致彎曲和早期斷裂。 這能被門、壁厚和設計選擇所控制。 - 表面拋光: 如果模塑的表面需要被磨光或者糙化時詳細說明。 - 尺寸公差: 更好的公差也就意味著每個模具上有很少的空洞。,選擇標準,材料的選擇標準 正確地選擇材料不是一項簡單的工作，因為需要考慮很多因素，以使得成本盡可能低。完美的材料并不存在，在大多數情況下，你必須在不同的性能之間折衷平衡，并且要清楚地明白什么性能是“必須要有的”，什么性能是“最好要有的”。圖1展示了在選擇材料時需要考慮的主要因素：,工作溫度,選擇材料時需要考慮的一個關鍵因素就是材料的耐熱性。 通常來講，如果想使材料的最大工作溫

6、度提高就相應需要增加更多的成本。填充劑的加入能夠極大地提高材料的硬度和熱變形溫度，而且，對于高性能的和專用的聚合物來廛，玻璃纖維的加入能使成本大輻下降。因為這些，在聚合物中填充玻璃纖維經常用于替代金屬一途。 圖1比較了常用來替代金屬的玻璃纖維填充聚合物的最大工作溫度和熱變形溫度。,工作溫度,在高性能材料中加入碳纖維可以使材料的硬度和熱變形溫度大輻提高。與填充玻璃纖維相比填充碳纖維有以下優(yōu)點： 更高的硬度 更低的密度 良好的導電性 良好的摩擦性能 因為這些原因，碳纖維經常被用在汽車的燃料輸送線和燃料系統(tǒng)上。,硬度,金屬比較于塑料最大的優(yōu)點之一就是它們具有很高的硬度（平均值比較要比塑料的高8倍）。

7、然而，在許多實際應用中，并不需要這么高的硬度，如果有必要的話，還可以通過靈活的設計、骨架增強和低密度來進行補充。 在很多情況下，硬度也是一個關鍵的性能。 填充劑和纖維的影響 填充劑和纖維的加入都可以極大地提高材料的硬度。 當表面外觀并不是一個主要關心的問題時，玻璃纖維由于其高的性價比被經常使用。然而，玻璃纖維會使材料產生各向異性，降低了它的加工性能，同時易磨損。 當需要關注產品的外觀時，則可以加入一些礦石填充劑，如碳酸鈣、滑石、硅灰石、云母都是很好的選擇。然而材料的硬度和熱變形溫度都要比填充玻璃纖維的材料低很多。,硬度,檔次較高的產品，可以選用碳纖維作為填充劑，它可以賦予材料非常高的硬度。填充

8、碳纖維的其它優(yōu)點有： 導電性 極好的摩擦性能 低密度 圖1比較了常用來替代金屬的聚合物的硬度（未填充的和填充了30玻璃纖維的材料）。 填充玻璃纖維的高結晶度的聚合物的彎曲模量高于10GPa：聚丁二醇酯PBT，聚甲醛POM，聚乙二醇酯PET，聚苯硫醚PPS，聚醚醚酮PEEK，液晶樹脂LCP。在這些材料中，液晶樹脂LCP具有最高的硬度且有最高的各向異性。,耐沖擊性能,在許多實際應用中，耐沖擊性能是一個關鍵的性能。圖1比較了室溫下常用的替代金屬的聚合物的沖擊性能（未填充的和填充了30玻璃纖維的）。 在這些材料中，對于未填充的材料，聚碳酸酯PC和它的混合物：聚碳酸酯PC/ABS樹脂和聚碳酸酯PC/聚丁

9、二醇酯PBT具有高的耐沖擊性能。 當持續(xù)工作溫度不超過100-120C時，這些材料都是極好的選擇。 對于填充玻璃纖維的材料有更高的硬度，液晶高分子LCP表現(xiàn)了杰出的性能。,耐沖擊性能,沖擊性能改性劑的影響 沖擊性能改性劑的添加能夠使許多脆性聚合物材料的韌性得到很大的增強。 聚合物的韌性由它自身、沖擊改性劑的份量和改性劑在基體中分散的質量共同決定。 然而，在所有的情況下你必須和硬度、耐化學性和加工性能相結合折衷考慮。,抗撕裂性能,自潤滑性和耐磨損性 塑料替代金屬的一個很有前景的領域就是磨擦應用方面，例如齒輪、泵轉子、引擎部件、剎車部件、滑動部分等等。在這一領域，塑料具有以下優(yōu)點： 設計的靈活性

10、減輕重量 不使用潤滑自潤滑性 降低噪聲 因為這些迫切的應用需要，就要求材料具有低的動態(tài)摩擦和好的耐磨損性，以避免在接觸的界面上生熱，因此要做到以下幾點： 避免機械性能的降低 使材料的磨損最小化 避免平滑現(xiàn)象,抗撕裂性能,只有很少的材料自身就具備很好的自潤滑性和耐磨損性，因 此，材料本身的這些性能通常不能滿足工業(yè)的要求，因為這個 原因，磨擦材料常含有層狀填充劑、硅油和一些聚合物這些物 質，聚四氟乙烯PTEE就是商品中常使用的一種聚合物。 在某些情況下，最終材料的選擇也將依賴于工作溫度、硬度或耐化學性。 圖1比較了常用來替代金屬的聚合物材料的硬度和熱變形溫度。,抗撕裂性能,常用的用于降低材料摩擦系

11、數的組分有：石墨、氧化鉬、聚四氟乙烯PTEE、硅油或高分子量的硅樹脂。添加碳纖維也是一個不錯的選擇，特別是對于那些需要非常高的硬度的應用場合。 添加碳纖維的潤滑配合體系（聚四氟乙烯PTEE和有機硅或無機硅）將會使材料具備相當低的動態(tài)摩擦系數。,耐化學性,1. 耐弱酸性能 2. 耐強酸性能 3. 耐弱堿性能 4. 耐強堿性能 5. 耐有機溶劑性能 6. 耐烴類溶劑性能 7. 耐酒精性能 8. 耐燃料性能,耐化學性,在一些應用場合里，例如引擎部分、泵部分、燃料輸送線、高性能的管道和配 件，這些材料要耐受苛刻的工作條件，在高溫下仍要耐很多化學試劑，并且要長 期保持它們的機械力學性能和尺寸穩(wěn)定性。 在

12、許多情況下，有著較高玻璃化溫度（Tg）的半結晶聚合物能夠提供最好的成 本與耐化學性的性價平衡。在這些半結晶性聚合物中，例如氟聚合物、聚苯硫醚 PPS, 聚醚醚酮PEEK, 液晶高分子LCP都是極好的選擇，尤其是需要在高溫下保持好的耐化學性的場合。與半結晶聚合物相比，無定形聚合物通常有著杰出的耐 化學性，特別是對于有機溶劑、烴類和燃料。 沖擊改性劑的效果 為了滿足工業(yè)要求，許多聚合物中都含有沖擊性能改性劑，在絕大多數情況下，沖擊改性劑加入工程塑料或者高性能的聚合物中會極大地減小它對于燃料、烴類和其它有機溶劑的耐受性。但沖擊性能也限制了一些材料在一些場合的應用，一個極好的例子就是聚苯硫醚PPS，它

13、在高溫下有杰出的耐化學性，但是它的沖擊性能偏于中低。 點擊以上一類化學物質，可以比較聚合物與傳統(tǒng)的金屬替代物C的耐化學性,1. 耐弱酸性能,下圖展示了一些能替代金屬的聚合物對于弱酸的耐化學性：,2. 耐強酸性能,下圖展示了一些能替代金屬的聚合物對于強酸的耐化學性：,3. 耐弱堿性能,下圖展示了一些能替代金屬的聚合物對于弱堿的耐化學性：,4. 耐強堿性能,下圖展示了一些能替代金屬的聚合物對于強堿的耐化學性：,5. 耐有機溶劑性能,下圖展示了一些替代金屬的聚合物對有機溶劑的耐化學性：,6. 耐烴類溶劑性能,下圖展示了一些能替代金屬的聚合物對于烴類溶劑的耐化學性：,7. 耐酒精性能,下圖展示了一些能

14、替代金屬的聚合物對于酒精的耐化學性：,8. 耐燃料性能,下圖展示了一些能替代金屬的聚合物對于燃料的耐化學性：,耐紫外輻射性能,當一個制品持續(xù)暴露于紫外光下，或 者它被用于戶外，這樣的材料需要有 極好的耐紫外輻射性能。這樣的應用 如汽車、運輸工具、照明設備等等都 需要有極好的耐氣候性。按照一般的規(guī)則解決聚合物的耐紫外 輻射性能是不可完的，因為這極大地 依賴于材料的化學結構和特殊的老化 機理。含有雙鍵的聚合物通常對紫外 光更為敏感（如ABS樹脂）。 圖1比較了常用的替代金屬的聚合物 的耐紫外輻射性能。在很多情況下， 應用于耐紫外輻射的材料含有紫外光 穩(wěn)定劑或者碳黑。,耐紫外輻射性能,沖擊性能改性劑

15、的影響 添加沖擊性能改性劑的材料通常比不加的基體本身耐紫外輻射性能更差，這個規(guī) 則對于含有雙鍵的聚合物進行沖擊性能改性后更為準確，如 三元乙丙橡膠EPDM，抗沖改性劑MBS樹脂，丁二烯-苯乙烯共聚物SBS樹脂。 酸類和基團的影響 酸和基團的影響來自于聚合過程、添加劑的分解、填料和外部環(huán)境（如化工 廠），它們對于材料的耐氣候性有負面影響。 聚合物如聚碳酸酯或聚酰胺中少量或痕量的基團（氫氧化鈉、胺）對材料的耐氣 候性也有不利的影響。這些基團能常會促使酯基交換反應，從而導致聚合物老化 和泛黃。在聚碳酸酯中只要有痕量的ppm級的鈉就足以使材料的顏色穩(wěn)定性、水 解穩(wěn)定性和最終的老化性能受到極大的影響。

16、因為這些原因，聚合物的純度和添加劑的純度就必須受到重視，它們是提高材料的耐氣候性時需要考慮的至關重要的因素。,耐伽瑪射線性能,在一些專用的場合里，材料要經常暴露在 伽瑪射線下，這特別是在一些醫(yī)療應用 上，經常需要進行定期的殺菌消毒。通 常，含有雙鍵或者大量脂肪族單元的材料 不具備好的耐伽瑪射線的能力。例如一些 對伽瑪射線耐受力很差的材料，如： ABS樹脂, 聚甲醛POM, 聚丙烯PP 在醫(yī)療應用上，如外科手術工具、牙科工 具、過濾的器具等等，這些材料都應當 有好的耐水性，耐蒸汽性和好的耐化學性。 對于要求高的場合，一些材料，例如PSU, PPSU, PEEK, LCP, PEI，都是極好 的選

17、擇，對于要求稍低的場合，聚碳酸酯 是一個有很好性價比的選擇。 表1比較了替代傳統(tǒng)的金屬材料的各種塑 料的耐伽瑪射線能力。,應用實例,能提供更高安全性、耐用性和消聲性能的張緊輪材料,市場: 汽車 聚合物 : DSM PA46 主要性能 極好的耐磨損性 極好的抗化學品性 極好的機械性能 PA46具有比PA66更高的耐磨損性能 Stanyl的剛性以及本身具有的纖維狀結構使得張緊輪很容易達到汽車本身的壽命。 Stanyl的優(yōu)點為： 比高分子量PA66具有更好的耐磨損性能 在溫度很差的條件下具有很好的抗蠕變性能,聚酰胺46：使用溫度較寬的耐用齒輪材料,發(fā)動機啟動器齒輪 市場: 齒輪 發(fā)動機的啟動器 聚合

18、物:Stanyl TW200F8 主要性能： 極好的耐磨損性和耐高溫性能 比剛才具有更輕的質量和更好的耐腐蝕性 極好的抗扭矩性能（在高溫狀態(tài)下能承受 重負荷） 在高溫狀態(tài)下具有較高的剪切模量 發(fā)動機啟動器齒輪:使用的溫度范圍需要 一種特殊的材料 發(fā)動機啟動器發(fā)明已經有100多年的歷史 了，它主要是利用電池里儲存的能量，將 其轉換成成千上萬的機械能，從而帶動發(fā) 動機的旋轉。這個啟動器是以各種形式安 裝并附在發(fā)動機上的。因此需要一種使用 溫度能在-40C 到 130C之間的材料。,應用在燃料軌道的金屬替代方案,市場：汽車 燃料軌道 聚合物： 聚苯硫醚 (PPS) 目的：替代金屬 主要性能: 在濕度

19、很大和特殊化學品條件下具有很好的尺寸穩(wěn)定性 高溫狀態(tài)下具有很高的抗蠕變性能 流動性好，易加工 極好的放水解性 Fortron PPS 1140L4是一種硬質、耐用的高性能樹脂，特別適合于地下的一些耐高溫應用。 這種材料有很好的抗汽油或其他的燃料（酒精、硝化甘油及其他的汽車燃料）的 性能。因為其流動性好，在通常的注塑壓力下就能獲得很光滑的表面，同時，還 能防止液體或氣體的繚亂和氣穴現(xiàn)象。 Fortron PPS 1140L4可以節(jié)約成本個減少材料的使用量： 減少加工過程的復雜性、總的循環(huán)時間和配件的總量 減少了一些錯誤的資源 避免將笨重的金屬熔融然后再重新組合形成新的產品 。,利用高性能聚合物替

20、代金屬以生產高性能齒輪,市場:汽車, 航行器 聚合物: 聚醚醚酮(PEEK) 主要性能: 極好的抗疲勞性能 在高溫狀態(tài)下有很好的機械強度 良好的抗化學品性能 良好的消聲性能 VICTREX PEEK 的性能 VICTREX PEEK Technical University of Berlin大學和Birmingham大學研發(fā)而成。 實驗證明，在發(fā)動機機油條件下， VICTREX PEEK的使用溫度為248F 到 302F (120C 到150C)。轉塑為 3000 rpm，扭矩為3 到 27 Nm。 實驗結果很清楚地證明了VICTREX PEEK的優(yōu)越性能，也是替代金屬材料的 最好的材料之一。 性能優(yōu)越、質輕、消聲、低成本是 VICTREX的最大的優(yōu)點,長纖增強熱塑性塑料（LFRT）替代金屬材料,市場: 汽車和交通工具 聚合物: 長纖增強熱塑性PA66 主要性能: -高硬度 -很低CTE 生產Concentric Slave Cylinder (powertrain)的材料的挑戰(zhàn) 水壓傳動可以在一定的距離內輸送物體，并且可以獲得一定