非金屬材料及其應用

1、一、高分子材料的定義一、高分子材料的定義l高分子材料：高分子材料：是以是以高分子化合物高分子化合物為主要為主要組分的材料。常稱組分的材料。常稱聚合物聚合物或或高聚物高聚物。l分子量分子量 10 104 4 。l有有天然的天然的，也有，也有人工合成人工合成的。的。l工業(yè)用高分子材料主要是工業(yè)用高分子材料主要是人工合成人工合成的。的。二、高分子化合物的組成二、高分子化合物的組成l由簡單的結構單元重復連接而成。由簡單的結構單元重復連接而成。如由乙烯合成如由乙烯合成聚乙聚乙烯烯: CH: CH2 2=CH=CH2 2+CH+CH2 2=CH=CH2 2+ + -CH-CH2 2-CH-CH2 2-CH

2、-CH2 2-CH-CH2 2- - , , CH2CH2 nl可簡寫成可簡寫成 n n CHCH2 2=CH=CH2 2 。 l組成聚合物的低分子化合物稱為組成聚合物的低分子化合物稱為單體單體。l聚合物的分子為很長的鏈條，稱為聚合物的分子為很長的鏈條，稱為大分子鏈大分子鏈。 CH2CH2 nl大分子鏈中重復結構單元大分子鏈中重復結構單元( (如聚乙烯中如聚乙烯中 ) )稱為稱為鏈節(jié)鏈節(jié)。 聚乙烯分子鏈三、高分子材料的分類三、高分子材料的分類l 按用途按用途分分塑料塑料、橡膠橡膠、纖維纖維等。等。l 按聚合物的熱行為按聚合物的熱行為分分為為熱塑性熱塑性聚合物和聚合物和熱固熱固性性聚合物。聚合物

3、。 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。 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。l在一定溫度、壓力下可塑制成型，在常溫下在一定溫度、壓力下可塑制成型，在常溫下能保持其形狀不變。能保持其形狀不變。1 1、工程塑料概述、工程塑料概述 塑料的組成塑料的組成 l塑料是以樹脂為主要成分，塑料是以樹脂為主要成分，加入各種添加劑。加入各種添加劑。l樹脂樹脂是塑料的主要成分，是塑料的主要成分，對塑料性能起決定性作用。對塑料性能起決定性作

4、用。塑料制品塑料制品l添加劑：添加劑：改善塑料某些性能而加入的物質。改善塑料某些性能而加入的物質。l填料：填料：主要起增強作用；主要起增強作用；l增塑劑：增塑劑：提高樹脂的可塑性和柔軟性；提高樹脂的可塑性和柔軟性；l固化劑：固化劑：使熱固性樹脂由線型結構轉變?yōu)轶w型使熱固性樹脂由線型結構轉變?yōu)轶w型結構；結構；l穩(wěn)定劑：穩(wěn)定劑：防止塑料老化，延長其使用壽命；防止塑料老化，延長其使用壽命；l潤滑劑：潤滑劑：防止塑料加工時粘在模具上防止塑料加工時粘在模具上, , 使制品使制品光亮；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、催化劑催化劑、 阻燃劑阻燃

5、劑、抗靜電劑抗靜電劑等。等。 添加劑添加劑 塑料的分類塑料的分類l按樹脂受熱時行為按樹脂受熱時行為可分為熱塑性塑料和熱固可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。性塑料。 l按使用范圍按使用范圍可分為可分為通用塑料通用塑料、工程塑料工程塑料和和特特種塑料種塑料。l通用塑料通用塑料產(chǎn)量大、價格低、用途廣。產(chǎn)量大、價格低、用途廣。 l工程塑料工程塑料力學性能高，耐熱、耐蝕性能好。力學性能高，耐熱、耐蝕性能好。l特種塑料特種塑料是指具有某些是指具有某些特殊特殊性能性能如耐高溫、耐腐蝕的塑如耐高溫、耐腐蝕的塑料，這類塑料產(chǎn)量少，價格料，這類塑料產(chǎn)量少，價格貴，只用于特殊需要的場合。貴，只用于特殊需要的場合。 熱固

6、性塑料制品熱固性塑料制品 塑料的性能特點塑料的性能特點l塑料的優(yōu)點：塑料的優(yōu)點：l相對密度小相對密度小( (一般為一般為0.9 0.9 2.3)2.3)；耐蝕性、電絕耐蝕性、電絕緣性、減摩、耐磨性好；緣性、減摩、耐磨性好；有消音吸振性能。有消音吸振性能。l塑料的缺點：塑料的缺點：l剛性差，強度低；剛性差，強度低；耐熱性差、熱膨脹系數(shù)大耐熱性差、熱膨脹系數(shù)大（是鋼鐵的（是鋼鐵的1010倍）、導熱系數(shù)??；倍）、導熱系數(shù)??；蠕變溫度蠕變溫度低、易老化。低、易老化。 2 2、常用工程塑料常用工程塑料 一般結構用塑料一般結構用塑料l包括包括聚乙烯聚乙烯(PE)(PE)、聚氯乙烯聚氯乙烯(PVC)(PVC

7、)、聚苯乙烯聚苯乙烯(PS)(PS)、聚丙烯聚丙烯(PP)(PP)和和ABSABS塑料塑料等。等。l聚丙烯：聚丙烯：具有具有優(yōu)良的綜合性能優(yōu)良的綜合性能，可制造各種，可制造各種機械零件。機械零件。lABSABS塑料塑料 “ “堅韌、質硬、剛性堅韌、質硬、剛性”，應用廣泛。，應用廣泛。 PEPE波紋管波紋管PPPP方向盤方向盤ABSABS閥門閥門PSPS管管l聚酰胺聚酰胺（尼龍或綿綸）：（尼龍或綿綸）：強度較高，耐磨、自強度較高，耐磨、自潤滑性好，廣泛用作機械、化工及電氣零件。潤滑性好，廣泛用作機械、化工及電氣零件。l聚甲醛：聚甲醛：具有優(yōu)良的綜合性能，廣泛用于汽車具有優(yōu)良的綜合性能，廣泛用于汽

8、車機床、化工、電氣儀表、農(nóng)機等工業(yè)機床、化工、電氣儀表、農(nóng)機等工業(yè) 。尼龍管件尼龍管件PCPC擋風板擋風板l聚碳酸酯：聚碳酸酯：具有優(yōu)良的機械具有優(yōu)良的機械性能，透明無毒，應用廣泛。性能，透明無毒，應用廣泛。 摩擦傳動零件用塑料摩擦傳動零件用塑料l包括聚酰胺包括聚酰胺(PA)(PA)、聚甲醛、聚甲醛(POM)(POM)、聚碳酸酯、聚碳酸酯(PC)(PC)、聚四、聚四氟乙烯氟乙烯(PTFE)(PTFE)等。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聚四氟乙烯聚四氟乙烯“塑料王塑料王”：優(yōu)點：優(yōu)點：具有極優(yōu)越的具有極優(yōu)越的化學穩(wěn)定性化學穩(wěn)定性和和熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性以及優(yōu)越

9、的電性能，幾乎不受任何化學藥品以及優(yōu)越的電性能，幾乎不受任何化學藥品的腐蝕，的腐蝕，摩擦系數(shù)極低摩擦系數(shù)極低，只有，只有0.040.04。缺點：缺點：強度低、加工性差。強度低、加工性差。應用：應用：主要用于主要用于減摩密封件減摩密封件、化工耐蝕件化工耐蝕件與與熱交換器以及高頻或潮濕條件下的熱交換器以及高頻或潮濕條件下的絕緣材料絕緣材料。 耐蝕用塑料耐蝕用塑料l主要有聚四氟乙烯、氯化主要有聚四氟乙烯、氯化聚醚聚醚(PENTON)(PENTON)、聚丙烯等。、聚丙烯等。l氯化聚醚：氯化聚醚：化學穩(wěn)定性僅次于聚四氟化學穩(wěn)定性僅次于聚四氟乙烯，但工藝性比聚四氟乙烯，但工藝性比聚四氟乙烯好，成本低。乙烯

10、好，成本低。在在化學工業(yè)化學工業(yè)和和機電工業(yè)機電工業(yè)獲獲得廣泛應用，如化工設備得廣泛應用，如化工設備零件、管道、襯里等。零件、管道、襯里等。 氯化聚醚防腐蝶閥氯化聚醚防腐蝶閥 耐高溫件用塑料耐高溫件用塑料l有聚砜有聚砜(PSF)(PSF)、聚苯醚、聚苯醚(PPO)(PPO)、聚酰亞胺、聚酰亞胺(PI)(PI)及氟塑料等。及氟塑料等。l聚砜：聚砜：熱穩(wěn)定性高熱穩(wěn)定性高是其是其聚酰亞胺層壓板聚酰亞胺層壓板 最突出的特點。使用溫度達最突出的特點。使用溫度達150150174174。用于。用于機械設備等工業(yè)。機械設備等工業(yè)。l聚苯醚：聚苯醚：具有良好的綜合性能具有良好的綜合性能, ,用于機電等方面。用

11、于機電等方面。l聚酰亞胺：聚酰亞胺：在在260260下可長期使用。主要用于特下可長期使用。主要用于特殊條件下使用的精密零件。殊條件下使用的精密零件。 熱固性塑料熱固性塑料l是在樹脂中加入固化劑壓制成型而形成是在樹脂中加入固化劑壓制成型而形成的體形聚合物。的體形聚合物。 l酚醛塑料：酚醛塑料：是以酚醛樹脂為基，加入填是以酚醛樹脂為基，加入填料及其他添加劑而制成。廣泛用于制作料及其他添加劑而制成。廣泛用于制作各種各種電訊器材電訊器材和和電木制品電木制品（如插座、開（如插座、開關等），關等），耐熱絕緣部件耐熱絕緣部件及及各種結構件各種結構件。 電器配件電器配件l是以高分子化合物為基礎的具有是以高分子

12、化合物為基礎的具有高彈性的材料高彈性的材料。1 1、橡膠的組成和性能特點、橡膠的組成和性能特點 l工業(yè)用橡膠由工業(yè)用橡膠由生膠生膠和和橡膠橡膠配合劑組成。配合劑組成。l生膠無配合劑并未經(jīng)硫化。生膠無配合劑并未經(jīng)硫化。l橡膠配合劑有硫化劑、硫化促進劑、防老劑、橡膠配合劑有硫化劑、硫化促進劑、防老劑、軟化劑、填充劑、發(fā)泡劑、著色劑等。軟化劑、填充劑、發(fā)泡劑、著色劑等。l橡膠最大的特點：橡膠最大的特點：是高彈性。橡膠有儲能、耐是高彈性。橡膠有儲能、耐磨、隔音、絕緣等性能。磨、隔音、絕緣等性能。 2 2、常用合成橡膠、常用合成橡膠l用途和用量分為用途和用量分為通用橡膠通用橡膠和和特種橡膠特種橡膠：l通

13、用橡膠：通用橡膠：主要用于制作輪胎、運輸帶、主要用于制作輪胎、運輸帶、膠管、膠板、墊片、密封裝置等；膠管、膠板、墊片、密封裝置等；l特種橡膠：特種橡膠：主要用于主要用于高低溫高低溫、強腐蝕強腐蝕、強輻射強輻射等特殊環(huán)境下工作的橡膠制品。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l工業(yè)上應用的典型的工業(yè)上應用的典型的傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、水泥等。隨著現(xiàn)代科技的瓷器、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)良的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新型陶瓷新型陶瓷。 l陶瓷材料：陶瓷材料：是是除金屬和高聚除金屬和高聚物以外的無機物以外的無機非金屬材料通非金屬材料

14、通稱。稱。（一）陶瓷材料的特點（一）陶瓷材料的特點 1 1、相組成特點、相組成特點l晶相；晶相；l玻璃相；玻璃相；l氣相氣相 氣孔氣孔 。l晶相：晶相：是陶瓷材料中主要的組成相，是陶瓷材料中主要的組成相，決定其物理化學性質。決定其物理化學性質。l玻璃相：玻璃相：是是充填充填晶粒間隙、晶粒間隙、粘結粘結晶晶粒、粒、提高提高材料致密度、材料致密度、降低降低燒結溫燒結溫度和度和抑制抑制晶粒長大。晶粒長大。l氣相：氣相：是在工藝過程中形成并保留是在工藝過程中形成并保留下來的。下來的。2 2、陶瓷材料的結合鍵特點、陶瓷材料的結合鍵特點l主要成分：主要成分：氧化物、碳化物、氮化物、氧化物、碳化物、氮化物、

15、硅化物等；硅化物等；l結合鍵：結合鍵：以以離子鍵離子鍵( (如如AlAl2 2O O3 3) )、共價鍵共價鍵( (如如SiSi3 3N N4 4) )及兩者的及兩者的混合鍵混合鍵為主。為主。共價鍵共價鍵離子鍵離子鍵3 3、陶瓷材料的性能特點、陶瓷材料的性能特點 l具有具有高熔點高熔點、高硬度高硬度、高高化學穩(wěn)定性化學穩(wěn)定性，耐高溫耐高溫、耐耐氧化氧化、耐腐蝕耐腐蝕等特性。等特性。l密度小、彈性模量大、耐密度小、彈性模量大、耐磨損、強度高等特點磨損、強度高等特點。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。 4 4、陶瓷材料的工藝特點、陶瓷材料的工藝特點l脆性材料

16、，脆性材料，是通過是通過粉體成型粉體成型和和高溫燒高溫燒結結來成形的來成形的燒結體。燒結體。l燒結體也是燒結體也是晶粒的聚集體晶粒的聚集體，有晶粒和，有晶粒和晶界，存在一定晶界，存在一定氣孔率氣孔率。 AlAl2 2O O3 3粉末的燒結組織粉末的燒結組織ZrO2ZrO2陶瓷中的氣孔陶瓷中的氣孔（二）陶瓷材料的分類（二）陶瓷材料的分類1 1、按化學成分分類、按化學成分分類 l分為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。導電玻璃導電玻璃玻璃幕墻玻璃幕墻2 2、按使用的原材料分類、按使用的原材料分類 l普通陶瓷：普通陶瓷：以天然的以天然

17、的巖石巖石、礦石礦石、黏土黏土等材料作原料。等材料作原料。l特種陶瓷：特種陶瓷：采用采用人工合成人工合成的材料的材料作原料。作原料。 3 3、按性能和用途分類、按性能和用途分類 l可將陶瓷材料分為可將陶瓷材料分為結構陶瓷結構陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷兩類。兩類。 陶瓷零件陶瓷零件（一）普通陶瓷（一）普通陶瓷 l成分：成分：是用是用粘土粘土(Al(Al2 2O O3 32SiO2SiO2 22H2H2 2O)O)、長石長石(K(K2 2OAlOAl2 2O O3 36SiO6SiO2 2，NaNa2 2OAlOAl2 2O O3 36SiO6SiO2 2) )和和石英石英(SiO(SiO2 2)

18、)為原料，經(jīng)為原料，經(jīng)成型成型、燒結燒結而成的陶而成的陶瓷。瓷。l組織：組織：主晶相為主晶相為莫來石莫來石(3Al(3Al2 2O O3 32SiO2SiO2 2) )，占，占252530%30%，玻璃相玻璃相占占353560%60%，氣相氣相占占1 13%3%。l普通陶瓷：普通陶瓷：加工成型性好，加工成型性好，成本低，產(chǎn)量大。成本低，產(chǎn)量大。l除除日用陶瓷日用陶瓷、瓷器外，大、瓷器外，大量用于量用于電器電器、化工化工、建筑建筑、紡織紡織等工業(yè)部門。等工業(yè)部門。 景德鎮(zhèn)瓷景德鎮(zhèn)瓷器器絕緣絕緣子子 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷 l以以AlAl2 2O O3 3為主要成分為主要成分, , 含含有少量有少量

19、SiOSiO2 2的陶瓷，又稱的陶瓷，又稱高鋁陶瓷。高鋁陶瓷。AlAl2 2O O3 3化工、耐磨陶化工、耐磨陶瓷配件瓷配件AlAl2 2O O3 3密封、氣動密封、氣動陶瓷配件陶瓷配件l分類：分類：7575瓷瓷( (含含75%Al75%Al2 2O O3 3，又稱剛玉，又稱剛玉- -莫莫來石瓷來石瓷) )、9595瓷瓷和和9999瓷瓷，后兩者又稱剛，后兩者又稱剛玉瓷。玉瓷。l特性：特性：耐高溫性能好耐高溫性能好，可使用到，可使用到19501950。具有具有良好的電絕緣性能良好的電絕緣性能及及耐磨性耐磨性。微晶。微晶剛玉的硬度極高剛玉的硬度極高( (僅次于金剛石僅次于金剛石) )。 9595瓷

20、紡織件瓷紡織件9999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心球閥氧化鋁陶瓷轉心球閥氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷坩堝氧化鋁陶瓷坩堝l應用：應用：氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷被廣泛用作被廣泛用作耐火材料耐火材料，如耐火磚、坩堝、熱如耐火磚、坩堝、熱偶套管，淬火鋼的偶套管，淬火鋼的切切削刀具削刀具、金屬拔絲模金屬拔絲模，內燃機的火花塞，火內燃機的火花塞，火箭、導彈的箭、導彈的導流罩導流罩及及軸承軸承等。等。 氮化硅（氮化硅（SiSi3 3N N4 4）陶瓷）陶瓷l氮化硅是由氮化硅是由SiSi3 3N N4 4四面體組成四面體組成 的共價鍵固體。的共價鍵固體。 氮化硅的制

21、備與燒結工藝氮化硅的制備與燒結工藝l工業(yè)硅直接氮化：工業(yè)硅直接氮化：3Si+2N3Si+2N2 2SiSi3 3N N4 4l二氧化硅還原氮化：二氧化硅還原氮化：3SiO3SiO2 2+6C+2N+6C+2N2 2SiSi3 3N N4 4+6CO+6CO燒結工藝燒結工藝優(yōu)點優(yōu)點 缺點缺點 反應燒結反應燒結 燒結時幾乎沒有收縮，能燒結時幾乎沒有收縮，能得到復雜的形狀得到復雜的形狀 密度低，強度低，耐蝕密度低，強度低，耐蝕性差性差 熱壓燒結熱壓燒結 用較少的助劑就能致密化，用較少的助劑就能致密化，強度、耐蝕性最好強度、耐蝕性最好 只能制造簡單形狀，燒只能制造簡單形狀，燒結助劑使高溫強度降低結助劑

22、使高溫強度降低 性能特點及應用性能特點及應用l氮化硅的氮化硅的強度、比強度、比模量高強度、比強度、比模量高；硬度僅硬度僅次于金剛石、碳化硼次于金剛石、碳化硼等；等；摩擦系數(shù)僅為摩擦系數(shù)僅為0.10.10.20.2；熱膨脹系數(shù)小熱膨脹系數(shù)??；抗熱震性大大高抗熱震性大大高于其他陶瓷材料于其他陶瓷材料；化學穩(wěn)定性高化學穩(wěn)定性高。l熱壓燒結氮化硅：熱壓燒結氮化硅：用于用于形狀簡單、精形狀簡單、精度要求不高的零件度要求不高的零件，如切削刀具、高溫如切削刀具、高溫軸承等。軸承等。Si3N4軸承軸承l(wèi)反應燒結氮化硅反應燒結氮化硅: 用于用于形狀復雜、尺寸精度要求形狀復雜、尺寸精度要求高的零件高的零件，如機械

23、密封環(huán)等。，如機械密封環(huán)等。汽輪機轉子汽輪機轉子葉片氣閥等零件葉片氣閥等零件 碳化硅（碳化硅（SiCSiC）陶瓷）陶瓷l碳化硅是通過碳化硅是通過鍵能很高鍵能很高的共價鍵結合的晶體的共價鍵結合的晶體。l碳化硅是用碳化硅是用石英沙石英沙(SiO(SiO2 2) )加焦碳加焦碳直接加熱直接加熱至高溫還原而成：至高溫還原而成：SiOSiO2 2+3C+3CSiC+2COSiC+2CO。常壓燒結碳化硅常壓燒結碳化硅l碳化硅的最大特點：碳化硅的最大特點：是是高溫強度高高溫強度高，有很有很好的耐磨損好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱熱傳導能力很強傳導能力很強，僅次于氧化鈹陶瓷。，僅次于氧化鈹陶瓷。 SiCSiC密封件密封件l碳化硅陶瓷用于制造碳化硅陶瓷用于制造火火箭噴嘴箭噴嘴、澆注金屬的、澆注金屬的喉喉管管、熱電偶套管熱電偶套管、爐管爐管、燃氣輪機葉片燃氣輪機葉片及及軸承軸承，泵的密封圈泵的密封圈、拉絲成型拉絲成型模具模具等。等。 SiC陶瓷件陶瓷件SiC陶瓷件陶瓷件SiC軸承軸承 氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷l氧化鋯的氧化鋯的晶型轉變晶型轉變：立方相：立方相 四方相四方相 單斜相。單斜相。l四方相轉變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?，四方相轉變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?，引起很引起很大的體積變化大的體積變化，易使制品開裂易使制品開裂。