第九章 常用非金屬材料

1、第九章 高分子材料 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 l一、高分子材料的基本概念一、高分子材料的基本概念 l高分子材料是以高分子化合物為主要組分的材料。高分子材料是以高分子化合物為主要組分的材料。 常稱常稱聚合物聚合物或或高聚物高聚物。 l高分子化合物的分子量一般高分子化合物的分子量一般104 。 l高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工業(yè)高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工業(yè) 用高分子材料主要是人工合成的。用高分子材料主要是人工合成的。 l1、高分子化合物的組成、高分子化合物的組成 l由簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成。由簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成。如由乙烯合成聚乙如由乙烯合成聚乙 烯烯: CH2=C

2、H2+CH2=CH2+ -CH2-CH2-CH2-CH2- , CH2CH2 nl可簡(jiǎn)寫成可簡(jiǎn)寫成 n CH2=CH2 。 組成聚合物的低分子化合物稱為單體。 聚合物的分子為很長(zhǎng)的鏈條，稱為大分子鏈。 CH2CH2 n l大分子鏈中重復(fù)結(jié)構(gòu)單元大分子鏈中重復(fù)結(jié)構(gòu)單元( (如聚乙烯中如聚乙烯中 ) ) 稱為稱為鏈節(jié)鏈節(jié)。 聚乙烯分子鏈聚乙烯分子鏈 l2 、高分子材料的分類、高分子材料的分類 l 按用途按用途分塑料、橡膠、纖維、膠分塑料、橡膠、纖維、膠 粘劑、涂料等。粘劑、涂料等。 l 按聚合物反應(yīng)類型按聚合物反應(yīng)類型分為加聚物和分為加聚物和 縮聚物?？s聚物。 l 按聚合物的熱行為按聚合物的熱行為

3、分為熱塑性聚分為熱塑性聚 合物和熱固性聚合物合物和熱固性聚合物 l 按主鏈上的化學(xué)組成按主鏈上的化學(xué)組成分為碳鏈聚分為碳鏈聚 合物、雜鏈聚合物和元素有機(jī)聚合物合物、雜鏈聚合物和元素有機(jī)聚合物 二、高分子材料的結(jié)構(gòu)二、高分子材料的結(jié)構(gòu) l1、大分子鏈的結(jié)構(gòu)、大分子鏈的結(jié)構(gòu) l 大分子鏈的柔順性大分子鏈的柔順性 l大分子鏈主鏈共價(jià)鍵有一大分子鏈主鏈共價(jià)鍵有一 定鍵長(zhǎng)和鍵角，保持鍵長(zhǎng)定鍵長(zhǎng)和鍵角，保持鍵長(zhǎng) 和鍵角不變時(shí)單鍵可任意和鍵角不變時(shí)單鍵可任意 旋轉(zhuǎn)，稱旋轉(zhuǎn)，稱單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)。 內(nèi)旋轉(zhuǎn)使大分子鏈卷曲成各種不同形狀，對(duì)外力有很大的適應(yīng)性， 這種特性稱為大分子鏈的柔順性。 柔順性與單鍵內(nèi)

4、旋轉(zhuǎn)的難易程度有關(guān)。 l 大分子鏈的形狀大分子鏈的形狀 l按照大分子鏈的幾何形狀，可將高分子化合物分為按照大分子鏈的幾何形狀，可將高分子化合物分為 線型結(jié)構(gòu)、支鏈型結(jié)構(gòu)和體型結(jié)構(gòu)。線型結(jié)構(gòu)、支鏈型結(jié)構(gòu)和體型結(jié)構(gòu)。 l線型結(jié)構(gòu)高聚物的彈性、塑性好，硬度低，是熱塑線型結(jié)構(gòu)高聚物的彈性、塑性好，硬度低，是熱塑 性材料。支鏈型結(jié)構(gòu)近于線型結(jié)構(gòu)性材料。支鏈型結(jié)構(gòu)近于線型結(jié)構(gòu) 。體型結(jié)構(gòu)高聚。體型結(jié)構(gòu)高聚 物硬度高，脆性大，無(wú)彈性和塑性，是熱固性材料。物硬度高，脆性大，無(wú)彈性和塑性，是熱固性材料。 l2、高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu) l固態(tài)高聚物分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩大類，晶態(tài)為分子固態(tài)高聚物分為晶

5、態(tài)和非晶態(tài)兩大類，晶態(tài)為分子 鏈排列規(guī)則的部分，而排列不規(guī)則的部分為非晶態(tài)。鏈排列規(guī)則的部分，而排列不規(guī)則的部分為非晶態(tài)。 一個(gè)大分子鏈可以穿過(guò)幾 個(gè)晶區(qū)和非晶區(qū)。晶區(qū) 熔點(diǎn)、密度、強(qiáng)度、硬 度、剛性、耐熱性、化 學(xué)穩(wěn)定性高，而彈性、 塑性、沖擊強(qiáng)度下降。 三、高分子材料的力學(xué)狀態(tài)三、高分子材料的力學(xué)狀態(tài) l1、線型非晶態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài)、線型非晶態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài) l 玻璃態(tài)：玻璃態(tài)：低溫下，鏈段不能運(yùn)動(dòng)。在外力作用下，低溫下，鏈段不能運(yùn)動(dòng)。在外力作用下， 只發(fā)生大分子原子的微量位移，產(chǎn)生少量彈性變形。只發(fā)生大分子原子的微量位移，產(chǎn)生少量彈性變形。 高聚物呈玻璃態(tài)的最高 溫度稱玻璃化

6、溫度， 用Tg表示。用于這種 狀態(tài)的材料有塑料和 纖維。 線型非晶態(tài)高聚物的溫度線型非晶態(tài)高聚物的溫度- -變形曲線變形曲線 l 高彈態(tài)：高彈態(tài)：溫度高于溫度高于Tg，分子活動(dòng)能力增加，受力，分子活動(dòng)能力增加，受力 時(shí)產(chǎn)生很大彈性變形。用于這種狀態(tài)高聚物是橡膠。時(shí)產(chǎn)生很大彈性變形。用于這種狀態(tài)高聚物是橡膠。 l 粘流態(tài)：粘流態(tài)：由于溫度高，分子活動(dòng)能力很大，在外由于溫度高，分子活動(dòng)能力很大，在外 力作用下，大分子鏈可以相對(duì)滑動(dòng)。粘流態(tài)是高分力作用下，大分子鏈可以相對(duì)滑動(dòng)。粘流態(tài)是高分 子材料的加工態(tài)， 大分子鏈開始發(fā)生 粘性流動(dòng)的溫度稱 粘流溫度，用Tf表 示。 線型非晶態(tài)高聚物的溫度線型非晶

7、態(tài)高聚物的溫度- -變形曲線變形曲線 l2、線型晶態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài)、線型晶態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài) l分為一般分子量和很大分子量?jī)煞N情況。分為一般分子量和很大分子量?jī)煞N情況。一般分子一般分子 量的高聚物在低溫時(shí)，鏈段不能活動(dòng)，變形小，在量的高聚物在低溫時(shí)，鏈段不能活動(dòng)，變形小，在 Tm 以下與非晶態(tài)的玻璃相似，高于以下與非晶態(tài)的玻璃相似，高于Tm 則進(jìn)入粘流則進(jìn)入粘流 態(tài)。態(tài)。分子量很大的晶態(tài)存高聚物在高彈態(tài)。分子量很大的晶態(tài)存高聚物在高彈態(tài)。 部分結(jié)晶高聚物在非晶區(qū) Tg與晶區(qū)T m 間,非晶區(qū) 柔性好,晶區(qū)剛性好,處于 韌性狀態(tài),即皮革態(tài)。 線型晶態(tài)高聚物線型晶態(tài)高聚物 的溫度的溫度-

8、變形曲線變形曲線 l高分子工程材料高分子工程材料 包括塑料、合成包括塑料、合成 纖維、橡膠和膠纖維、橡膠和膠 粘劑等。粘劑等。本節(jié)主本節(jié)主 要介紹工程上常要介紹工程上常 用的高分子工程用的高分子工程 材料。材料。 一、工程塑料一、工程塑料 l塑料是在玻璃態(tài)下使用的高分子材料。塑料是在玻璃態(tài)下使用的高分子材料。在一定溫度、在一定溫度、 壓力下可塑制成型，在常溫下能保持其形狀不變。壓力下可塑制成型，在常溫下能保持其形狀不變。 l1、工程塑料概述、工程塑料概述 l 塑料的組成塑料的組成 塑料是以樹脂為主要成分，加入 各種添加劑。 樹脂是塑料的主要成分，對(duì)塑料 性能起決定性作用。 塑料制品塑料制品 l

9、添加劑添加劑是為改善塑料某些性能而加入的物質(zhì)。是為改善塑料某些性能而加入的物質(zhì)。 l填料填料主要起增強(qiáng)作用；主要起增強(qiáng)作用； l增塑劑增塑劑用于提高樹脂的可塑性和柔軟性；用于提高樹脂的可塑性和柔軟性； l固化劑固化劑用于使熱固性樹脂由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)；用于使熱固性樹脂由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)； l穩(wěn)定劑穩(wěn)定劑用于防止塑料老化，延長(zhǎng)其使用壽命；用于防止塑料老化，延長(zhǎng)其使用壽命； l潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑劑用于防止塑料加工時(shí)粘在模具上用于防止塑料加工時(shí)粘在模具上, 使制品光亮；使制品光亮； l著色劑著色劑用于塑料制品著色。用于塑料制品著色。 l其他的還有其他的還有發(fā)泡劑發(fā)泡劑、催化催化 劑劑、阻燃劑阻燃

10、劑、抗靜電劑抗靜電劑等。等。 添加劑添加劑 l 塑料的分類塑料的分類 l按樹脂受熱時(shí)行為按樹脂受熱時(shí)行為可分為熱塑性塑料和熱固性塑料?？煞譃闊崴苄运芰虾蜔峁绦运芰?。 l按使用范圍按使用范圍可分為通用塑料、工程塑料和特種塑料?？煞譃橥ㄓ盟芰稀⒐こ趟芰虾吞胤N塑料。 l通用塑料通用塑料產(chǎn)量大、價(jià)格低、用途廣。產(chǎn)量大、價(jià)格低、用途廣。 l工程塑料工程塑料力學(xué)性能高，耐熱、耐蝕性能好。力學(xué)性能高，耐熱、耐蝕性能好。 特種塑料是指具有某些特殊性能如 耐高溫、耐腐蝕的塑料，這類塑 料產(chǎn)量少，價(jià)格貴，只用于特殊 需要的場(chǎng)合。 熱固性塑料制品熱固性塑料制品 l 塑料的性能特點(diǎn)塑料的性能特點(diǎn) l塑料的優(yōu)點(diǎn)：塑料的

11、優(yōu)點(diǎn)： l相對(duì)密度小相對(duì)密度小(一般為一般為0.9 2.3)；耐蝕性、電絕耐蝕性、電絕 緣性、減摩、耐磨性緣性、減摩、耐磨性 好；好；有消音吸振性能有消音吸振性能 。 塑料的缺點(diǎn)： 剛性差(為鋼鐵材料的1/1001/10)，強(qiáng)度低；耐熱性差、熱膨脹 系數(shù)大（是鋼鐵的10倍）、導(dǎo)熱系數(shù)小(只有金屬的 1/2001/600)；蠕變溫度低、易老化。 l2、常用工程塑料、常用工程塑料 l 一般結(jié)構(gòu)用塑料一般結(jié)構(gòu)用塑料 l包括聚乙烯包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯、聚苯乙烯(PS)、聚、聚 丙烯丙烯(PP)和和ABS塑料等。塑料等。 l聚丙烯聚丙烯具有優(yōu)良的綜合性能，可制造各種

12、機(jī)械零件。具有優(yōu)良的綜合性能，可制造各種機(jī)械零件。 lABS塑料塑料 “堅(jiān)韌、質(zhì)硬、剛性堅(jiān)韌、質(zhì)硬、剛性” ，應(yīng)用廣泛。，應(yīng)用廣泛。 PE波紋管波紋管 PP方向盤方向盤 ABS閥門閥門 PS管管 l聚酰胺聚酰胺又稱尼龍或綿綸，強(qiáng)度較高，耐磨、自潤(rùn)滑性又稱尼龍或綿綸，強(qiáng)度較高，耐磨、自潤(rùn)滑性 好，廣泛用作機(jī)械、化工及電氣零件。好，廣泛用作機(jī)械、化工及電氣零件。 l聚甲醛聚甲醛具有優(yōu)良的綜合性能，廣泛用于汽車機(jī)床、化具有優(yōu)良的綜合性能，廣泛用于汽車機(jī)床、化 工、電氣儀表、農(nóng)機(jī)等工業(yè)工、電氣儀表、農(nóng)機(jī)等工業(yè) 。 尼龍管件尼龍管件 PC擋風(fēng)板 擋風(fēng)板 聚碳酸酯具有優(yōu)良的機(jī)械性能，透 明無(wú)毒，應(yīng)用廣泛。

13、 摩擦傳動(dòng)零件用塑料 包括聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳 酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)等。 密封件密封件 聚四氟乙烯管聚四氟乙烯管聚四氟乙烯零件聚四氟乙烯零件 l聚四氟乙烯俗稱聚四氟乙烯俗稱“塑料王塑料王”，具有極優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)，具有極優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn) 定性和熱穩(wěn)定性以及優(yōu)越的電性能，幾乎不受任何定性和熱穩(wěn)定性以及優(yōu)越的電性能，幾乎不受任何 化學(xué)藥品的腐蝕，摩擦系數(shù)極低，只有化學(xué)藥品的腐蝕，摩擦系數(shù)極低，只有0.04。缺點(diǎn)。缺點(diǎn) 是強(qiáng)度低、加工性差。主要用于減摩密封件、化工是強(qiáng)度低、加工性差。主要用于減摩密封件、化工 耐蝕件與熱交換器以及高頻或潮濕條件下的絕緣材耐蝕件與熱交換器以及高

14、頻或潮濕條件下的絕緣材 料。料。 l 耐蝕用塑料耐蝕用塑料 l耐蝕用塑料主要有聚四氟乙耐蝕用塑料主要有聚四氟乙 烯、氯化聚醚烯、氯化聚醚(PENTON)、 聚丙烯等。聚丙烯等。 l氯化聚醚的化學(xué)穩(wěn)定性僅次氯化聚醚的化學(xué)穩(wěn)定性僅次 于聚四氟乙烯，但工藝性比于聚四氟乙烯，但工藝性比 聚四氟乙烯好，成本低。在聚四氟乙烯好，成本低。在 化學(xué)工業(yè)和機(jī)電工業(yè)獲得廣化學(xué)工業(yè)和機(jī)電工業(yè)獲得廣 泛應(yīng)用，如化工設(shè)備零件、泛應(yīng)用，如化工設(shè)備零件、 管道、襯里等。管道、襯里等。 氯化聚醚防腐蝶閥氯化聚醚防腐蝶閥 l 耐高溫件用塑料耐高溫件用塑料 l有聚砜有聚砜(PSF)、聚苯醚、聚苯醚 (PPO)、聚酰亞胺、聚酰亞胺

15、(PI) 及氟塑料等。及氟塑料等。 l聚砜聚砜的熱穩(wěn)定性高是其的熱穩(wěn)定性高是其 聚酰亞胺層壓板聚酰亞胺層壓板 最突出的特點(diǎn)。使用溫度達(dá)150174。用于機(jī)械設(shè)備等工業(yè)。 聚苯醚具有良好的綜合性能,用于機(jī)電等方面。 聚酰亞胺在260下可長(zhǎng)期使用。主要用于特殊條件下使用的精 密零件。 l 熱固性塑料熱固性塑料 l熱固性塑料是在樹脂中加入固化劑壓制成型而形成的熱固性塑料是在樹脂中加入固化劑壓制成型而形成的 體形聚合物。體形聚合物。 l酚醛塑料是以酚醛樹脂為基，加入填料及其他添加劑酚醛塑料是以酚醛樹脂為基，加入填料及其他添加劑 而制成。廣泛用于制作各種電訊器材和電木制品（如而制成。廣泛用于制作各種電訊

16、器材和電木制品（如 插座、開關(guān)等），耐熱絕緣部件及各種結(jié)構(gòu)件。插座、開關(guān)等），耐熱絕緣部件及各種結(jié)構(gòu)件。 電器配件電器配件 二、合成橡膠二、合成橡膠 l橡膠是以高分子化合物為基礎(chǔ)的具有高彈性的材料。橡膠是以高分子化合物為基礎(chǔ)的具有高彈性的材料。 l1、橡膠的組成和性能特點(diǎn)、橡膠的組成和性能特點(diǎn) l工業(yè)用橡膠由生膠和橡膠配合劑組成。生膠無(wú)配合工業(yè)用橡膠由生膠和橡膠配合劑組成。生膠無(wú)配合 劑并未經(jīng)硫化。橡膠配合劑有硫化劑、硫化促進(jìn)劑、劑并未經(jīng)硫化。橡膠配合劑有硫化劑、硫化促進(jìn)劑、 防老劑、軟化劑、填充劑、發(fā)泡劑、著色劑等。防老劑、軟化劑、填充劑、發(fā)泡劑、著色劑等。 l橡膠最大的特點(diǎn)是高彈性。橡膠有

17、儲(chǔ)能、耐磨、隔橡膠最大的特點(diǎn)是高彈性。橡膠有儲(chǔ)能、耐磨、隔 音、絕緣等性能。音、絕緣等性能。 l2、常用合成橡膠、常用合成橡膠 l合成橡膠按用途和用量分為通用橡膠和特種橡膠合成橡膠按用途和用量分為通用橡膠和特種橡膠， 前者主要用于制作輪胎、運(yùn)輸帶、膠管、膠板、墊前者主要用于制作輪胎、運(yùn)輸帶、膠管、膠板、墊 片、密封裝置等；片、密封裝置等；后者主要用于高低溫、強(qiáng)腐蝕、后者主要用于高低溫、強(qiáng)腐蝕、 強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境下工作的橡膠制品。強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境下工作的橡膠制品。 密封圈密封圈 膠管膠管 輪胎輪胎 第十章 陶瓷材料 l工業(yè)上應(yīng)用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、工業(yè)上應(yīng)用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如

18、陶瓷器、玻璃、 水泥等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)水泥等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu) 良的新型陶瓷。良的新型陶瓷。 陶瓷材料是除金屬 和高聚物以外的 無(wú)機(jī)非金屬材料 通稱。 l一、陶瓷材料的特點(diǎn)一、陶瓷材料的特點(diǎn) 1、陶瓷材料的相組成特 點(diǎn) 陶瓷材料通常由三種不同 的相組成，即晶相(1)、 玻璃相(2)和氣相(3)氣 孔。 l料致密度、降料致密度、降 低燒結(jié)溫度和低燒結(jié)溫度和 抑制晶粒長(zhǎng)大。抑制晶粒長(zhǎng)大。 l氣相氣相是在工藝是在工藝 過(guò)程中形成并過(guò)程中形成并 保留下來(lái)的。保留下來(lái)的。 晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物理化學(xué)性質(zhì) 的主要是晶相。 玻璃相的作用是充填

19、晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高材 l2、陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn)、陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn) l陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、 硅化物等，因而其結(jié)合鍵以離子鍵硅化物等，因而其結(jié)合鍵以離子鍵(如如Al2O3)、共價(jià)、共價(jià) 鍵鍵(如如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。及兩者的混合鍵為主。 共價(jià)鍵共價(jià)鍵離子鍵離子鍵 l3、陶瓷材料的性能特點(diǎn)、陶瓷材料的性能特點(diǎn) l陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高 硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性，耐硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性，耐 高溫、耐氧化、耐腐蝕等高溫、耐氧化、耐腐蝕等 特性。特性。 l陶瓷材料還具有密度小、陶瓷材料還具有密度小、

20、彈性模量大、耐磨損、強(qiáng)彈性模量大、耐磨損、強(qiáng) 度高等特點(diǎn)度高等特點(diǎn)。 l功能陶瓷還具有電、光、功能陶瓷還具有電、光、 磁等特殊性能。磁等特殊性能。 l4、陶瓷材料的工藝特點(diǎn)、陶瓷材料的工藝特點(diǎn) l陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過(guò)粉體成型和高陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過(guò)粉體成型和高 溫?zé)Y(jié)來(lái)成形的，因此陶瓷是燒結(jié)體。溫?zé)Y(jié)來(lái)成形的，因此陶瓷是燒結(jié)體。 l燒結(jié)體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在燒結(jié)體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在 的問(wèn)題是其存在一定的氣孔率。的問(wèn)題是其存在一定的氣孔率。 Al2O3粉末的燒結(jié)組織粉末的燒結(jié)組織 ZrO2陶瓷中的氣孔陶瓷中的氣孔 l二、陶瓷材料的分類

21、二、陶瓷材料的分類 l1、按化學(xué)成分分類、按化學(xué)成分分類 l可將陶瓷材料分為可將陶瓷材料分為氧化物陶瓷氧化物陶瓷、碳化物陶瓷碳化物陶瓷、氮化物氮化物 陶瓷陶瓷及及其它化合物陶瓷其它化合物陶瓷。 導(dǎo)電玻導(dǎo)電玻 璃璃 玻璃幕玻璃幕 墻墻 l2、按使用的原材料分類、按使用的原材料分類 l可將陶瓷材料分為可將陶瓷材料分為普通陶瓷普通陶瓷和和特種陶瓷特種陶瓷。 普通陶瓷以天然的巖石、礦石、 黏土等材料作原料。 特種陶瓷采用人工合成的材料作 原料。 3、按性能和用途分類 可將陶瓷材料分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功 能陶瓷兩類。 陶瓷零件陶瓷零件 l一、普通陶瓷一、普通陶瓷 l普通陶瓷是用粘土普通陶瓷是用粘土(Al2O3

22、2SiO22H2O)、長(zhǎng)石、長(zhǎng)石 (K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)和石英和石英(SiO2) 為原料，經(jīng)成型、燒結(jié)而成的陶瓷。為原料，經(jīng)成型、燒結(jié)而成的陶瓷。 l其組織中主晶相為莫來(lái)石其組織中主晶相為莫來(lái)石(3Al2O32SiO2)，占，占 2530%，玻璃相占，玻璃相占3560%，氣相占，氣相占13%。 l普通陶瓷加工成型性好，普通陶瓷加工成型性好， 成本低，產(chǎn)量大。成本低，產(chǎn)量大。 l除日用陶瓷、瓷器外，除日用陶瓷、瓷器外， 大量用于電器、化工、大量用于電器、化工、 建筑、紡織等工業(yè)部門。建筑、紡織等工業(yè)部門。 景德鎮(zhèn)瓷器景德鎮(zhèn)瓷器 絕緣子絕緣子 二、新型結(jié)構(gòu)陶瓷

23、二、新型結(jié)構(gòu)陶瓷 l 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷 l氧化鋁陶瓷以氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分為主要成分, 含有少量含有少量SiO2的陶瓷，又稱高的陶瓷，又稱高 鋁陶瓷。鋁陶瓷。 Al2O3化工、耐磨陶化工、耐磨陶 瓷配件瓷配件 Al2O3密封、氣動(dòng)密封、氣動(dòng) 陶瓷配件陶瓷配件 l根據(jù)根據(jù)Al2O3含量不同分為含量不同分為75瓷瓷(含含75%Al2O3，又稱，又稱 剛玉剛玉-莫來(lái)石瓷莫來(lái)石瓷)、95瓷和瓷和99瓷，后兩者又稱剛玉瓷。瓷，后兩者又稱剛玉瓷。 l氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到1950,。具。具 有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極有良好的電絕緣

24、性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極 高高(僅次于金剛石僅次于金剛石). 95瓷紡織件瓷紡織件99瓷紡織件瓷紡織件氧化鋁耐高溫噴嘴氧化鋁耐高溫噴嘴 氧化鋁陶瓷轉(zhuǎn)心球閥氧化鋁陶瓷轉(zhuǎn)心球閥 氧化鋁陶瓷密封氧化鋁陶瓷密封 環(huán)環(huán) 氧化鋁陶瓷坩堝氧化鋁陶瓷坩堝 l氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝、氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝、 熱偶套管，淬火鋼的切削刀具、 金屬拔絲模，內(nèi)燃機(jī)的火花塞， 火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩及軸承等。 l 氮化硅（氮化硅（Si3N4）陶瓷）陶瓷 l氮化硅是由氮化硅是由Si3N4四面體組成的共四面體組成的共 價(jià)鍵固體。價(jià)鍵固體。 l 氮化硅的制備與燒結(jié)工藝氮化硅的制備與

25、燒結(jié)工藝 l工業(yè)硅直接氮化：工業(yè)硅直接氮化：3Si+2N2Si3N4 l二氧化硅還原氮化：二氧化硅還原氮化：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO 燒結(jié)工藝燒結(jié)工藝優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 反應(yīng)燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié) 燒結(jié)時(shí)幾乎沒(méi)有收縮，能 燒結(jié)時(shí)幾乎沒(méi)有收縮，能 得到復(fù)雜的形狀得到復(fù)雜的形狀 密度低，強(qiáng)度低，耐蝕密度低，強(qiáng)度低，耐蝕 性差性差 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié) 用較少的助劑就能致密化， 用較少的助劑就能致密化， 強(qiáng)度、耐蝕性最好強(qiáng)度、耐蝕性最好 只能制造簡(jiǎn)單形狀，燒只能制造簡(jiǎn)單形狀，燒 結(jié)助劑使高溫強(qiáng)度降低結(jié)助劑使高溫強(qiáng)度降低 l 性能特點(diǎn)及應(yīng)用性能特點(diǎn)及應(yīng)用 l氮化硅的強(qiáng)度、比強(qiáng)度、比模量高；硬度僅次

26、于金氮化硅的強(qiáng)度、比強(qiáng)度、比模量高；硬度僅次于金 剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為0.10.2；熱膨脹系；熱膨脹系 數(shù)??；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化學(xué)穩(wěn)定數(shù)小；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化學(xué)穩(wěn)定 性高。性高。 熱壓燒結(jié)氮化硅用于形 狀簡(jiǎn)單、精度要求不 高的零件，如切削刀 具、高溫軸承等。 Si3N4軸承軸承 l反應(yīng)燒結(jié)氮化硅用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的反應(yīng)燒結(jié)氮化硅用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的 零件，如機(jī)械密封環(huán)等。零件，如機(jī)械密封環(huán)等。 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子 葉片氣閥等零件葉片氣閥等零件 l 碳化硅（碳化硅（SiC）陶瓷）陶瓷 l碳化硅是通過(guò)鍵能很高碳化

27、硅是通過(guò)鍵能很高 的共價(jià)鍵結(jié)合的晶體。的共價(jià)鍵結(jié)合的晶體。 l碳化硅是用石英沙碳化硅是用石英沙 (SiO2)加焦碳直接加熱加焦碳直接加熱 至高溫還原而成：至高溫還原而成： SiO2+3CSiC+2CO。 碳化硅的燒結(jié)工藝也有熱壓和反應(yīng)燒結(jié)兩種。由于碳化硅表面 有一層薄氧化膜，因此很難燒結(jié)，需添加燒結(jié)助劑促進(jìn)燒結(jié)， 常加的助劑有硼、碳、鋁等。 常壓燒結(jié)碳化硅常壓燒結(jié)碳化硅 l碳化硅的最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨碳化硅的最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨 損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)， 僅次于氧化鈹陶瓷。僅次于氧化鈹陶瓷。 SiC密封件密

28、封件 l碳化硅陶瓷用于制造火箭碳化硅陶瓷用于制造火箭 噴嘴、澆注金屬的喉管、噴嘴、澆注金屬的喉管、 熱電偶套管、爐管、燃?xì)鉄犭娕继坠?、爐管、燃?xì)?輪機(jī)葉片及軸承，泵的密輪機(jī)葉片及軸承，泵的密 封圈、拉絲成型模具等。封圈、拉絲成型模具等。 SiC陶瓷件陶瓷件 SiC陶瓷件陶瓷件 SiC軸承軸承 l 氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷 l氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變：立方相氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變：立方相 四方相四方相 單斜相。四單斜相。四 方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?，引起很大的體積變化，方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?，引起很大的體積變化， 易使制品開裂。易使制品開裂。 ZrO2 l在氧化鋯中加入某些氧化物在氧化鋯中加入某些氧化物(如如C

29、aO、MgO、Y2O3 等等)能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這 種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱為完全穩(wěn)定氧化鋯種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱為完全穩(wěn)定氧化鋯(FSZ)，其力，其力 學(xué)性能低，抗熱沖擊性差。學(xué)性能低，抗熱沖擊性差。 減少加入的氧化物數(shù)量，使部分 氧化物以四方相的形式存在。 由于這種材料只使一部分氧化 鋯穩(wěn)定，所以稱部分穩(wěn)定氧化 鋯(PSZ)。 l氧化鋯中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變可通過(guò)應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生。氧化鋯中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變可通過(guò)應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生。 當(dāng)受到外力作用時(shí)，這種相變將吸收能量而使裂紋尖當(dāng)受到外力作用時(shí)，這種相變將吸收能量而使裂紋尖 端的應(yīng)力場(chǎng)松弛，增加裂

30、紋擴(kuò)展阻力，從而大幅度提端的應(yīng)力場(chǎng)松弛，增加裂紋擴(kuò)展阻力，從而大幅度提 高陶瓷材料的韌性。高陶瓷材料的韌性。 部分穩(wěn)定氧化鋯組織部分穩(wěn)定氧化鋯組織 l部分穩(wěn)定氧化鋯的導(dǎo)熱率部分穩(wěn)定氧化鋯的導(dǎo)熱率 低，絕熱性好；熱膨脹系低，絕熱性好；熱膨脹系 數(shù)大，接近于發(fā)動(dòng)機(jī)中使數(shù)大，接近于發(fā)動(dòng)機(jī)中使 用的金屬，抗彎強(qiáng)度與斷用的金屬，抗彎強(qiáng)度與斷 裂韌性高，除在常溫下使裂韌性高，除在常溫下使 用外，已成為絕熱柴油機(jī)用外，已成為絕熱柴油機(jī) 的主要侯選材料，如發(fā)動(dòng)的主要侯選材料，如發(fā)動(dòng) 機(jī)汽缸內(nèi)襯、推桿、活塞機(jī)汽缸內(nèi)襯、推桿、活塞 帽、閥座、凸輪、軸承等。帽、閥座、凸輪、軸承等。 部分穩(wěn)定氧化鋯制品部分穩(wěn)定氧化鋯

31、制品 氧化鋯油泵氧化鋯油泵氧化柱塞氧化柱塞 氧化鋯拉線輪氧化鋯拉線輪 氧化鋯球閥氧化鋯球閥 部分穩(wěn)定氧化鋯噴涂層部分穩(wěn)定氧化鋯噴涂層 增韌氧化鋯導(dǎo)輪芯增韌氧化鋯導(dǎo)輪芯 軸軸 第十一章 復(fù)合材料 l復(fù)合材料是由兩復(fù)合材料是由兩 種或兩種以上化種或兩種以上化 學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)學(xué)性質(zhì)或組織結(jié) 構(gòu)不同的材料組構(gòu)不同的材料組 合而成的材料。合而成的材料。 復(fù)合材料船復(fù)合材料船 體體 l復(fù)合材料是多相材料，主要包括復(fù)合材料是多相材料，主要包括基體相基體相和和增強(qiáng)相增強(qiáng)相。 l基體相基體相是一種連續(xù)相，它把改善性能的增強(qiáng)相材料固是一種連續(xù)相，它把改善性能的增強(qiáng)相材料固 結(jié)成一體，并起傳遞 應(yīng)力的作用。 增強(qiáng)相

32、起承受應(yīng)力 （結(jié)構(gòu)復(fù)合材料） 和顯示功能(功能復(fù) 合材料)的作用。 l一、復(fù)合材料的分類一、復(fù)合材料的分類 l1、按基體材料分類、按基體材料分類，可分為聚合，可分為聚合 物基、陶瓷基和金屬基復(fù)合材料。物基、陶瓷基和金屬基復(fù)合材料。 l 2、按增強(qiáng)相形狀分類、按增強(qiáng)相形狀分類，可分為纖可分為纖 維增強(qiáng)復(fù)合材料、粒子增強(qiáng)復(fù)合材維增強(qiáng)復(fù)合材料、粒子增強(qiáng)復(fù)合材 料和層狀復(fù)合材料。料和層狀復(fù)合材料。 l 3、按復(fù)合材料的性能分類、按復(fù)合材料的性能分類，可分，可分 為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。 SiC顆粒顆粒 Al2O3片片 Al2O3纖維纖維 增強(qiáng)相三種類增強(qiáng)相三種類 型

33、型 l二、復(fù)合材料的特點(diǎn)二、復(fù)合材料的特點(diǎn) l1、比強(qiáng)度和比模量高、比強(qiáng)度和比模量高 其中纖其中纖 維增強(qiáng)復(fù)合材料的最高。維增強(qiáng)復(fù)合材料的最高。 l2、抗疲勞性能好、抗疲勞性能好 碳纖維增強(qiáng)碳纖維增強(qiáng) 材料材料 -1可達(dá)可達(dá) b的的7080%。因纖因纖 維對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展有阻礙作用維對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展有阻礙作用。 l3、減振性能良好、減振性能良好 復(fù)合材料中復(fù)合材料中 的大量界面對(duì)振動(dòng)有反射吸收的大量界面對(duì)振動(dòng)有反射吸收 作用，不易產(chǎn)生共振。作用，不易產(chǎn)生共振。 l4、高溫性能好。、高溫性能好。 比強(qiáng)度比較比強(qiáng)度比較 碳纖維碳纖維 樹脂樹脂 硼纖維硼纖維 樹脂樹脂 玻璃纖維玻璃纖維 樹脂樹脂 鈦鈦

34、鋼鋼 鋁鋁 第二節(jié)第二節(jié) 粒子與層狀增強(qiáng)復(fù)合材料粒子與層狀增強(qiáng)復(fù)合材料 l一、粒子增強(qiáng)復(fù)合材料一、粒子增強(qiáng)復(fù)合材料 l粒子增強(qiáng)復(fù)合材料是將粒子粒子增強(qiáng)復(fù)合材料是將粒子 高度彌散地分布在基體中，高度彌散地分布在基體中， 使其阻礙導(dǎo)致塑性變形的位使其阻礙導(dǎo)致塑性變形的位 錯(cuò)運(yùn)動(dòng)錯(cuò)運(yùn)動(dòng)(金屬基體金屬基體)和分子鏈和分子鏈 運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)(聚合物基體聚合物基體)。 l這種復(fù)合材料是各向同性的。這種復(fù)合材料是各向同性的。 衛(wèi)星用顆粒增強(qiáng)鋁衛(wèi)星用顆粒增強(qiáng)鋁 基復(fù)合材料零件基復(fù)合材料零件 l聚合物基粒子復(fù)合材料如酚聚合物基粒子復(fù)合材料如酚 醛樹脂中摻入木粉的電木、醛樹脂中摻入木粉的電木、 碳酸鈣粒子改性熱塑性塑料

35、碳酸鈣粒子改性熱塑性塑料 的鈣塑材料的鈣塑材料(合成木材合成木材)等。等。 l陶瓷基粒子復(fù)合材料如氧化陶瓷基粒子復(fù)合材料如氧化 鋯增韌陶瓷等。鋯增韌陶瓷等。 粒子增強(qiáng)粒子增強(qiáng)SiC陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 顆粒增強(qiáng)鋁基泡沫復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)鋁基泡沫復(fù)合材料碳黑增強(qiáng)橡膠碳黑增強(qiáng)橡膠 l金屬基粒子復(fù)合材料又稱金屬基粒子復(fù)合材料又稱 金屬陶瓷，是由鈦、鎳、金屬陶瓷，是由鈦、鎳、 鈷、鉻等金屬與碳化物、鈷、鉻等金屬與碳化物、 氮化物、氧化物、硼化物氮化物、氧化物、硼化物 等組成的非均質(zhì)材料。等組成的非均質(zhì)材料。 l碳化物金屬陶瓷作為工具碳化物金屬陶瓷作為工具 材料已被廣泛應(yīng)用，稱作材料已被廣泛應(yīng)用，

36、稱作 硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金通常硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金通常 以以Co、Ni作為粘結(jié)劑，作為粘結(jié)劑， WC、TiC等作為強(qiáng)化相。等作為強(qiáng)化相。 硬質(zhì)合金組織硬質(zhì)合金組織( (Co+WC) l硬質(zhì)合金主要有鎢鈷硬質(zhì)合金主要有鎢鈷 (YG)和鎢鈷鈦和鎢鈷鈦(YT) 兩類。牌號(hào)中，兩類。牌號(hào)中，YG 后的數(shù)字為含后的數(shù)字為含Co量，量， YT后的數(shù)字為碳化后的數(shù)字為碳化 鈦含量。鈦含量。 l硬質(zhì)合金硬度極高，硬質(zhì)合金硬度極高， 且熱硬性、耐磨性好，且熱硬性、耐磨性好， 一般做成刀片，鑲在一般做成刀片，鑲在 刀體上使用。刀體上使用。 硬質(zhì)合金模具硬質(zhì)合金模具 硬質(zhì)合金軸承刀具硬質(zhì)合金軸承刀具 l二、層狀復(fù)合材料

37、二、層狀復(fù)合材料 l層狀復(fù)合材料是指在層狀復(fù)合材料是指在 基體中含有多重層片基體中含有多重層片 狀高強(qiáng)高模量增強(qiáng)物狀高強(qiáng)高模量增強(qiáng)物 的復(fù)合材料。的復(fù)合材料。 這種材料是各向異性 的(層內(nèi)兩維同性)。 如碳化硼片增強(qiáng)鈦、 膠合板等。 層狀陶瓷復(fù)合材料斷口形貌層狀陶瓷復(fù)合材料斷口形貌 三明治復(fù)合三明治復(fù)合 l雙金屬、表面涂層等也是層狀復(fù)合材料。雙金屬、表面涂層等也是層狀復(fù)合材料。 l結(jié)構(gòu)層狀材料根據(jù)材質(zhì)不同，分別用于飛機(jī)制造、結(jié)構(gòu)層狀材料根據(jù)材質(zhì)不同，分別用于飛機(jī)制造、 運(yùn)輸及包裝等。運(yùn)輸及包裝等。 有有TiN涂層的涂層的 高爾夫球頭高爾夫球頭 層狀復(fù)合層狀復(fù)合 鋁合金蜂窩夾層鋁合金蜂窩夾層 板

38、板 l纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指以各種金屬和非金屬作為基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指以各種金屬和非金屬作為基 體，以各種纖維作為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料體，以各種纖維作為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。 l一、纖維增強(qiáng)復(fù)合原則一、纖維增強(qiáng)復(fù)合原則 在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維是材料主要承 載組分，其增強(qiáng)效果主要取決于纖維的特 征、纖維與基體間的結(jié)合強(qiáng)度、纖維的體 積分?jǐn)?shù)、尺寸和分布。 碳纖維碳纖維 l1、彈性模量及強(qiáng)度、彈性模量及強(qiáng)度 l外力方向與纖維軸向相同時(shí)，外力方向與纖維軸向相同時(shí)， c= f = m (f-纖維、纖維、 m-基體、基體、 c-復(fù)合材料復(fù)合材料)，則，則 mmffcmmffc VEVEEVV , ffmm

39、cfmc VV , 當(dāng)外力垂直于纖維軸向時(shí)，則 my fy c d L 2 2、纖維的臨界長(zhǎng)徑比、纖維的臨界長(zhǎng)徑比 mfu mmu fc V 3、纖維最小體積分?jǐn)?shù)纖維最小體積分?jǐn)?shù) l纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛性與纖維方向密切相關(guān)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛性與纖維方向密切相關(guān)。 l纖維無(wú)規(guī)排列時(shí)，纖維無(wú)規(guī)排列時(shí)，能獲得基本各向同性的復(fù)合材料。能獲得基本各向同性的復(fù)合材料。 均一方向的纖維使材料具有明顯的各向異性均一方向的纖維使材料具有明顯的各向異性。纖維采。纖維采 用正交編織用正交編織，相互垂直的方向均具有好的性能。，相互垂直的方向均具有好的性能。纖維纖維 采用三維編織采用三維編織，可獲得各方

40、向力學(xué)性能均優(yōu)的材料。，可獲得各方向力學(xué)性能均優(yōu)的材料。 纖維在基體中的不同分布方式纖維在基體中的不同分布方式 l二、纖維的種類和性能二、纖維的種類和性能 l1、玻璃纖維：、玻璃纖維：用量最大、用量最大、 價(jià)格最便宜。價(jià)格最便宜。 l2、碳纖維：、碳纖維：化學(xué)性能與碳化學(xué)性能與碳 相似。相似。 l3、硼纖維：、硼纖維：耐高溫、強(qiáng)度、耐高溫、強(qiáng)度、 彈性模高。彈性模高。 l4、金屬纖維：、金屬纖維：成絲容易、成絲容易、 彈性模量高。彈性模量高。 l5、陶瓷纖維：、陶瓷纖維：用于高溫、用于高溫、 高強(qiáng)復(fù)合材料。高強(qiáng)復(fù)合材料。 玻璃纖維玻璃纖維 碳纖維碳纖維 SiC纖維纖維 l6、芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酰胺纖維: 強(qiáng)度、彈強(qiáng)度、彈 性模量高，耐熱。性模量高，耐熱。 l7、聚乙烯纖維、聚乙烯纖維: 韌性極好，密度韌性極好，密度 非常小非常小 。 l8、晶須：、晶須：是直徑小于是直徑小于30 m，長(zhǎng)，長(zhǎng) 度只有幾毫米的針狀單晶體，斷度只有幾毫米的針狀單晶體，斷 面呈多角形面呈多角形, 是