材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)教案常用非金屬材料市公開課獲獎?wù)n件

1、第十一章慣用非金屬材料Usual Nonmetallic Materials 非金屬材料包括除金屬材料以外幾乎所有材料，主要有各類高分子材料（塑料、橡膠、合成纖維、部分膠粘劑等）、陶瓷材料（各種陶器、瓷器、耐火材料、玻璃、水泥及近代無機非金屬材料等）和各種復(fù)合材料等。本章主要簡介高分子材料、陶瓷和復(fù)合材料。 工程材料仍然以金屬材料為主，這大約在相稱長時間內(nèi)不會改變。但近年來高分子材料、陶瓷等非金屬材料急劇發(fā)展，在材料生產(chǎn)和使用方面都有重大進展，正在越來越多地應(yīng)用于各類工程中。非金屬材料已經(jīng)不是金屬材料代用具，而是一類獨立使用材料，有時甚至是一個不可取代材料。 第1頁第1頁第一節(jié)高分子材料Pol

2、ymers高分子材料又稱為高聚物，通常，高聚物依據(jù)機械性能和使用狀態(tài)可分為橡膠、塑料、合成纖維、膠粘劑和涂料等五類。各類高聚物之間并無嚴格界線，同一高聚物，采取不同合成方法和成型工藝，能夠制成塑料，也可制成纖維，比如尼龍就是如此。而象聚氨酯一類高聚物，在室溫下現(xiàn)有玻璃態(tài)性質(zhì)，又有很好彈性，因此極難說它是橡膠還是塑料。 第2頁第2頁一、塑料 按照應(yīng)用范圍，塑料分為三種。通用塑料 通用塑料主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料等六大品種。這一類塑料特點是產(chǎn)量大、用途廣、價格低，它們占塑料總產(chǎn)量3/4以上，大多數(shù)用于日常生活用具。其中，以聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯這四

3、大品種用途最廣泛。 （1）聚乙烯（PE） 生產(chǎn)聚乙烯原料均來自于石油或天然氣，它是塑料工業(yè)產(chǎn)量最大品種。聚乙烯相對密度?。?.910.97），耐低溫，電絕緣性能好，耐蝕性好。 （2）聚氯乙烯（PVC） 聚氯乙烯是最早工業(yè)生產(chǎn)塑料產(chǎn)品之一，產(chǎn)量僅次于聚乙烯，廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日用制品。聚氯乙烯耐化學(xué)腐蝕、不燃燒、成本低、加工容易；但它耐熱性差沖擊強度較低，尚有一定毒性。聚氯乙烯要用于制作食品和藥物包裝，必須采用共聚和混合辦法改進，制成無毒聚氯乙烯產(chǎn)品。 第3頁第3頁 （3）聚苯乙烯（PS） 聚苯乙烯是三十年代老產(chǎn)品，當(dāng)前是產(chǎn)量僅次于前兩者塑料品種。它有較好加工性能，其薄膜含有優(yōu)良電絕緣性，慣用

4、于電器零件；它發(fā)泡材料相對密度?。?.33），有良好隔音、隔熱、防震性能，廣泛應(yīng)用于儀器包裝和隔音材料。聚苯乙烯易加入各種顏料制成色彩鮮艷制品，用來制造玩具和各種日用器皿。 （4）聚丙烯（PP） 聚丙烯工業(yè)化生產(chǎn)較晚，但因其原料易得，價格廉價，用途廣泛，因此產(chǎn)量劇增。它長處是相對密度小，是塑料中最輕，而它強度、剛度、表面硬度都比PE塑料大；它無毒，耐熱性也好，是慣用塑料中唯一能在水中煮沸、經(jīng)受消毒溫度（130）品種。但聚丙烯粘合性、染色性、印刷性均差，低溫易脆化，易受熱、光作用而變質(zhì)，且易燃，收縮大。聚丙烯有優(yōu)良綜合性能，當(dāng)前主要用于制造各種機械零件，如法蘭、齒輪、接頭、把手、各種化工管道、容

5、器等，它還被廣泛用于制造各種家用電器外殼和藥物、食品包裝等。第4頁第4頁工程塑料 工程塑料是指能作為結(jié)構(gòu)材料在機械設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)中使用塑料。它們機械性能很好，耐熱性和耐腐蝕性也比很好，是當(dāng)前大力發(fā)展塑料品種。這類塑料主要有：聚酰胺、聚甲醛、有機玻璃、聚碳酸酯、ABS塑料、聚苯醚、聚砜、氟塑料等。 （1）聚酰胺（PA） 聚酰胺又叫尼龍或錦綸，是最先發(fā)覺能承受載荷熱塑性塑料，在機械工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛。它機械強度較高，耐磨、自潤滑性好，而且耐油、耐蝕、消音、減震，大量用于制造小型零件，代替有色金屬及其合金。 （2）聚甲醛（POM） 甲醛是沒有側(cè)鏈、高密度、高結(jié)晶性線型聚合物，性能比尼龍好，但耐候性較

6、差。聚甲醛按分子鏈化學(xué)結(jié)構(gòu)不同分為均聚甲醛和共聚甲醛。聚甲醛廣泛應(yīng)用于汽車、機床、化工、電器儀表、農(nóng)機等。 第5頁第5頁 （3）聚碳酸酯 聚碳酸酯是新型熱塑性工程塑料，品種諸多，工程上慣用是芳香族聚碳酸酯，其綜合性能較好，近年來發(fā)展不久，產(chǎn)量僅次于尼龍。聚碳酸酯化學(xué)穩(wěn)定性也較好，能抵抗日光、雨水和氣溫改變影響，它透明度高，成型收縮率小，制件尺寸精度高，廣泛應(yīng)用于機械、儀表、電訊、交通、航空、光學(xué)照明、醫(yī)療器械等方面。如波音747飛機上就有2500個零件用聚碳酸酯制造，其總重量達二噸。 （4）ABS塑料 ABS是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三種組元所構(gòu)成，三個單體量能夠任意改變，制成各種品級樹脂。A

7、BS含有三種組元共同性能，丙烯腈使其耐化學(xué)腐蝕，有一定表面硬度，丁二烯使其含有韌性，苯乙烯使其含有熱塑性蘇聯(lián)加工特性，因此ABS是含有“堅韌、質(zhì)硬、剛性”材料。ABS塑料性能好，并且原料易得，價格廉價，因此在機械加工、電器制造、紡織、汽車、飛機、輪船、化工等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。 第6頁第6頁 （5）聚苯醚（PPO） 聚苯醚是線型、非結(jié)晶工程塑料，含有較好綜合性能。它最大特點是使用溫度寬（190190），達到熱固性塑料水平；它耐摩擦磨損性能和電性能也較好，還含有卓越耐水、蒸汽性能。因此聚苯醚主要用作在較高溫度下工作齒輪、軸承、凸輪、泵葉輪、鼓風(fēng)機葉片、水泵零件、化工用管道、閥門以及外科醫(yī)療器械等

8、。 （6）聚砜（PSF） 聚砜是分子鏈中含有硫鍵透明樹脂，含有良好綜合性能，它耐熱性、抗蠕變性好，長期使用溫度為150174，脆化溫度為100。廣泛應(yīng)用于電器、機械設(shè)備、醫(yī)療器械、交通運送等。 （7）聚四氟乙烯（F4） 聚四氟乙烯是氟塑料中一個，含有較好耐高、低溫，耐腐蝕等性能。聚四氟乙烯幾乎不受任何化學(xué)藥物腐蝕，它化學(xué)穩(wěn)定性超出了玻璃、陶瓷、不銹鋼，甚至金、鉑，俗稱“塑料王”。由于聚四氟乙烯使用范圍廣，化學(xué)穩(wěn)定性好，介電性能優(yōu)良，自潤滑和防粘性好，因此在國防、科研和工業(yè)中占有主要地位。第7頁第7頁 （8）有機玻璃（PMMA） 有機玻璃化學(xué)名稱是“聚甲基丙烯酸甲酯”。它是當(dāng)前最好透明材料，透光

9、率達到92%以上，比普通玻璃好，且相對密度?。?.18），僅為玻璃二分之一。有機玻璃有較好加工性能，慣用來制作飛機座艙、弦艙，電視和雷達標(biāo)圖屏幕，汽車風(fēng)擋，儀器和設(shè)備防護罩，儀表外殼，光學(xué)鏡片等。有機玻璃缺點是耐磨性差，也不耐一些有機溶劑。 特種塑料 含有一些特殊性能，滿足一些特殊要求塑料。這類塑料產(chǎn)量少，價格貴，只用于特殊需要場合，如醫(yī)用塑料等。 第8頁第8頁二、橡膠橡膠是含有高彈性輕度交聯(lián)線型高聚物，它們在很寬溫度范圍內(nèi)處于高彈態(tài)。普通橡膠在4080范圍內(nèi)含有高彈性，一些特種橡膠在100低溫和200高溫下都保持高彈性。橡膠彈性模數(shù)很低，只有1MN/m2，在外力作用下變形量可達100%100

10、0%，外力清除又不久恢復(fù)原狀。橡膠有優(yōu)良伸縮性，良好儲能能力和耐磨、隔音、絕緣等性能，廣泛用于制作密封件、減振件、傳動件、輪胎和電線等制品。 第9頁第9頁三、合成纖維 凡能保持長度比本身直徑大100倍均勻條狀或絲狀高分子材料稱為纖維，包括有天然纖維和化學(xué)纖維。 滌綸又叫確實良，高強度、耐磨、耐蝕、易洗快干，是較好衣料。 尼龍在我國稱為錦綸，強度大、耐磨性好、彈性好，主要缺點是耐光性差。 腈綸在國外稱為奧綸、開司米綸，它柔軟、輕盈、保暖，有些人造羊毛之稱。 維綸原料易得，成本低，性能與棉花相同且強度高，缺點是彈性較差，織物易皺。 丙綸是后起之秀，發(fā)展快，纖維以輕、牢、耐磨著稱，缺點是可染性差，日

11、曬易老化。 氯綸難燃、保暖、耐曬、耐磨，彈性也好，由于染色性差，熱收縮大，限制了它使用。 第10頁第10頁四、合成膠粘劑 膠粘劑統(tǒng)稱為膠，它以粘性物質(zhì)為基礎(chǔ)，并加入各種添加劑組成。它可將各種零件、構(gòu)件牢固地膠結(jié)在一起，有時可部分代替鉚接或焊接等工藝。因為膠粘工藝操作簡便，接頭處應(yīng)力分布均勻，接頭密封性、絕緣性和耐蝕性很好，且可連接各種材料，因此在工程中應(yīng)用日益廣泛。 膠粘劑分為天然膠粘劑和合成膠粘劑兩種，漿糊、蟲膠和骨膠等屬于天然膠粘劑，而環(huán)氧樹脂、氯丁橡膠等則屬于合成膠粘劑。通常，人工合成樹脂型膠粘劑由粘劑（如酚醛樹脂、聚苯乙烯等）、固化劑、填料及各種附加劑（增韌劑、抗氧劑等）組成。依據(jù)使用

12、要求選擇不同配比。 第11頁第11頁五、涂料 涂料就是通常所說油漆，這是一個有機高分子膠體混合溶液，涂在物體表面上能干結(jié)成膜。涂料主要有三大基本功效：一是保護功效，起著避免外力碰傷、摩擦，預(yù)防腐蝕作用；二是裝飾功效，起著使制品表面光亮美觀作用；三是特殊功效，可作為標(biāo)志使用，如管道、氣瓶和交通標(biāo)志牌等。 涂料是由粘接劑、顏料、溶劑和其它輔助材料構(gòu)成。其中，粘接劑是主要膜物質(zhì)，普通采用合成樹脂作粘接劑，它決定了膜與基體層粘接牢固程度；顏料也是涂膜構(gòu)成部分，它不但使涂料著色，并且能提升涂膜強度、耐磨性、耐久性和防銹能力；溶劑是涂料稀釋劑，其作用是稀釋涂料，以便于施工，干結(jié)后揮發(fā)；輔助材料通常有催干劑

13、、增塑劑、固化劑、穩(wěn)定劑等。 第12頁第12頁第二節(jié) 無機非金屬材料Inorganic Nonmetallic Material 一、無機非金屬材料分類 無機非金屬材料按照成份和結(jié)構(gòu)，主要分為無機玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷材料三大類。無機玻璃與酸性氧化物和堿性氧化物高粘度復(fù)雜固體物質(zhì)，含有無定形結(jié)構(gòu)。玻璃陶瓷又叫玻璃晶體材料，是在無機玻璃完全或部分結(jié)晶基礎(chǔ)上得到，結(jié)構(gòu)處于玻璃和陶瓷之間。陶瓷材料是由成型礦物質(zhì)高溫?zé)疲Y(jié)）無機物材料。陶瓷材料可分為老式陶瓷、特種陶瓷和金屬陶瓷等三種。 第13頁第13頁二、老式陶瓷（普通陶瓷）老式陶瓷就是粘土類陶瓷，它產(chǎn)量大，應(yīng)用廣。大量用于日用陶器、瓷器、建筑工業(yè)

14、、電器絕緣材料、耐蝕要求不很高化工容器、管道，以及機械性能要求不高耐磨件，如紡織工業(yè)中導(dǎo)紡零件等。見下表。 種類名稱原 料特 性用 途日用陶瓷 粘土、石英、長石、 滑石等 含有良好熱穩(wěn)定性、致密度、 機械強度和硬度 生活瓷器建筑用瓷 粘土、長石、石英等 含有較好吸水性、耐腐蝕性、 耐酸性、耐堿性、耐磨性等 鋪設(shè)地面、輸水管道裝置、衛(wèi)生間等電 瓷 普通采用粘土、長 石、石英等配制 介電強度高、抗拉、抗彎強度較 好、耐熱、耐冷急變性能較好 隔電、機械支撐 件、瓷質(zhì)絕緣件過濾陶瓷 以石英砂、河砂等瘠 性原料為骨架，添加 結(jié)合劑和增孔劑 含有耐腐蝕、耐高溫、強度大不 老化壽命長、不污染、易清洗再 生及

15、操作以便等長處 用于制作多孔SO2 陶瓷器件，氣體、 液體過濾器等化工陶瓷 粘土、焦寶石（熟料） 滑石、長石等 含有耐酸、堿、腐蝕性，不污染 介質(zhì) 石油化工、冶煉、 造紙、化纖工業(yè)等第14頁第14頁三、特種陶瓷當(dāng)代工業(yè)要求高性能制品，用人工合成原料，采用普通陶瓷工藝制得新材料，稱為特種陶瓷。它包括氧化物陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等幾種。氧化鋁陶瓷這是以Al2O3為主要成份陶瓷，Al2O3含量不小于46%，也稱為高鋁陶瓷。Al2O3含量在90%99.5%時稱為剛玉瓷。按Al2O3成份可分為75瓷、85瓷、96瓷、99瓷等。氧化鋁含量越高性能越好。氧化鋁瓷耐高溫性能較好，在氧化氣氛中

16、可使用到1950。氧化鋁瓷硬度高、電絕緣性能好、耐蝕性和耐磨性也較好?？捎米鞲邷仄髅?、刀具、內(nèi)燃機火花塞、軸承、化工用泵、閥門等。氮化硅陶瓷氮化硅是鍵性很強共價鍵化合物，穩(wěn)定性極強，除氫氟酸外，能耐各種酸和堿腐蝕，也能抵抗熔融有色金屬浸蝕。氮化硅硬度很高，僅次于金剛石、立方氮化硼和碳化硼。有良好耐磨性，摩擦系數(shù)小，只有0.10.2，相稱于加油金屬表面。氮化硅尚有自潤滑性，可在潤滑劑條件下使用，是一個非常優(yōu)良耐磨材料。氮化硅熱膨脹系數(shù)小，有極好抗溫度急變性。 第15頁第15頁碳化硅陶瓷碳化硅是用于1500以上工作部件良好結(jié)構(gòu)材料，如火箭尾噴管噴嘴、澆注金屬中喉嘴以及爐管、熱電偶套管等。還可用作高

17、溫軸承、高溫?zé)峄Q器、核燃料包封材料以及各種泵密封圈等。氮化硼陶瓷氮化硼制品硬度低，可進行機械加工，精度為1/100mm。氮化硼可用于制造熔煉半導(dǎo)體坩堝及冶金用高溫容器、半導(dǎo)體散熱絕緣零件、高溫軸承、熱電偶套管及玻璃成型模具等。氧化鋯陶瓷氧化鋯室溫下是絕緣體，到1000以上成為導(dǎo)電體，可用作1800以上高溫發(fā)熱體。氧化鋯陶瓷普通用作鈀、銠等金屬坩堝、離子導(dǎo)電材料等。氧化鈹陶瓷氧化鈹能夠用作激光管、晶體管散熱片、集成電路外殼和基片等。但氧化鈹粉末和蒸汽有毒性，這影響了它使用。氧化鎂陶瓷氧化鎂陶瓷是典型堿性耐火材料，用于冶煉高純度鐵、鐵合金、銅、鋁、鎂等以及熔化高純度鈾、釷及其合金。第16頁第16

18、頁第三節(jié)復(fù)合材料Composite Material復(fù)合材料是兩種或兩種以上化學(xué)本質(zhì)不同組成人工合成材料。其結(jié)構(gòu)為多相，一類組成（或相）為基體，起粘結(jié)作用，另一類為增強相。因此復(fù)合材料能夠認為是一個多相材料，它一些性能比各組成相性能都好。我們已經(jīng)研究過一些復(fù)合材料，那是一些在顯微尺度上進行增強材料。貝氏體、回火馬氏體及沉淀硬化（時效硬化）合金都是經(jīng)過細小顆粒硬化相彌散而得到強化。比如，回火馬氏體（相碳化物）抗拉強度可超出1400MPa，而單獨鐵素體（相）其抗拉強度則低于此值20%。發(fā)生強化原因就是在于材料中形變相應(yīng)變受到剛性相制約。 第17頁第17頁一、復(fù)合材料基本類型與構(gòu)成復(fù)合材料按基體類型

19、可分為金屬基復(fù)合材料、高分子基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料等三類。當(dāng)前應(yīng)用最多是高分子基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料。復(fù)合材料按性能可分為功效復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。前者還處于研制階段，已經(jīng)大量研究和應(yīng)用主要是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。復(fù)合材料按增強相種類和形狀可分為顆粒增強復(fù)合材料、纖維增強復(fù)合材料和層狀增強復(fù)合材料。其中，發(fā)展最快，應(yīng)用最廣是各種纖維（玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、SiC纖維等）增強復(fù)合材料。 第18頁第18頁二、復(fù)合材料特點比強度和比模量許多近代動力設(shè)備和結(jié)構(gòu)，不但要求強度高，并且要求重量輕。設(shè)計這些結(jié)構(gòu)時碰到關(guān)鍵問題是所謂平方立方關(guān)系，即結(jié)構(gòu)強度和剛度隨線尺寸平方（橫截面積）而增長，而重量隨線

20、尺寸立方而增長。這就要求使用比強度（強度/比重）和比模量（彈性模量/比重）高材料。復(fù)合材料比強度和比模量都比較大，比如碳纖維和環(huán)氧樹脂構(gòu)成復(fù)合材料，其比強度是鋼七倍，比模量比鋼大三倍。耐疲勞性能復(fù)合材料中基體和增強纖維間界面能夠有效地制止疲勞裂紋擴展。疲勞破壞在復(fù)合材料中總是從承載能力比較微弱纖維處開始，然后逐步擴展到結(jié)合面上，因此復(fù)合材料疲勞極限比較高。比如碳纖維聚酯樹脂復(fù)合材料疲勞極限是拉伸強度70%80%，而金屬材料疲勞極限只有強度極限值40%50%。 第19頁第19頁減震性能許多機器、設(shè)備振動問題十分突出。結(jié)構(gòu)自振頻率除與結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量、形狀相關(guān)外，還與材料比模量平方根成正比。材料比模量

21、越大，則其自振頻率越高，可避免在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振及由此引起早期破壞。另外，即使結(jié)構(gòu)已產(chǎn)生振動，由于復(fù)合材料阻尼特性好（纖維與基體界面吸振能力強），振動也會不久衰減。耐高溫性能由于各種增強纖維普通在高溫下仍可保持高強度，因此用它們增強復(fù)合材料高溫強度和彈性模量均較高，尤其是金屬基復(fù)合材料。比如7075-76鋁合金，在400時，彈性模量靠近于零，強度值也從室溫時500MPa降至30MPa50MPa。而碳纖維或硼纖維增強構(gòu)成復(fù)合材料，在400時，強度和彈性模量可保持靠近室溫下水平。碳纖維增強鎳基合金也有類似情況。第20頁第20頁斷裂安全性纖維增強復(fù)合材料是力學(xué)上典型靜不定體系，在每平方厘米截面上，

22、有幾千至幾萬根增強纖維（直徑普通為10100），當(dāng)其中一部分受載荷作用斷裂后，應(yīng)力快速重新分布，載荷由未斷裂纖維承擔(dān)起來，因此斷裂安全性好。其它性能特點許多復(fù)合材料都有良好化學(xué)穩(wěn)定性、隔熱性、燒蝕性以及特殊電、光、磁等性能。復(fù)合材料進一步推廣使用主要問題是，斷裂伸長小，抗沖擊性能尚不夠抱負，生產(chǎn)工藝辦法中手工操作多，難以自動化生產(chǎn)，間斷式生產(chǎn)周期長，效率低，加工出產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定等。增強纖維價格很高，使復(fù)合材料成本比其它工程材料高得多。即使復(fù)合材料利用率比金屬高（約80%），但在普通機器和設(shè)備上使用仍然是不夠經(jīng)濟。上述缺點改進，將會大大地推動復(fù)合材料發(fā)展和應(yīng)用。第21頁第21頁四、纖維增強材料玻璃纖維 玻璃纖維有較高強度，相對密度小，化學(xué)穩(wěn)定性高，耐熱性好，價格低。缺點是脆性較大，耐磨性差，纖維表面光滑而不易與其它物質(zhì)結(jié)合。 玻璃纖維可制成長纖維和短纖維，也能夠織成布，制成氈。碳纖維與石墨纖維 有機纖維在惰性氣體中，經(jīng)高溫碳化能夠制成碳纖維和石墨纖維。在下列制得碳纖維，再經(jīng)2500以上處理得石墨纖維。 碳纖維相對密度小，彈性模量高，并且在2500無氧氣氛中也不減少。 石墨纖維耐熱性和導(dǎo)電性比碳纖維高，并含有自潤滑性。硼纖維 硼纖維是用化學(xué)沉積辦法將非晶態(tài)硼涂覆到鎢和碳絲上面制得。硼纖維強度高，彈性模量大，耐高