第九章 非金屬材料

第九章非金屬材料教學(xué)要求：了解非金屬材料的基本知識(shí)，熟悉常用工程塑料、橡膠、工業(yè)陶瓷及復(fù)合材料的分類、性能特點(diǎn)及應(yīng)用第九章非金屬材料高分子材料——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+1>2第九章非金屬材料§9.1高分子材料§9.2陶瓷材料§9.3復(fù)合材料本章小結(jié)習(xí)題普通車床主要零件材料§9.1高分子材料

高分子材料是由成千上萬(wàn)個(gè)小分子單體通過(guò)聚合反應(yīng)以共價(jià)鍵結(jié)合起來(lái)的長(zhǎng)鏈分子而構(gòu)成的。分子量很大，>104CHHCHHCHHCHHCH2乙烯[CH2]n聚乙烯一、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(shù)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(rùn)滑劑增塑劑填料96~98℃95~105℃140~200℃二、高分子分子鏈的結(jié)構(gòu)形態(tài)（共價(jià)鍵）三、固體高分子的聚集態(tài)（分子鏈之間的幾何排列）無(wú)定型高聚物結(jié)晶型高聚物四、高分子材料的性能特點(diǎn)①.密度小（1~2×103Kg/m3），有利于材料輕量化。②.強(qiáng)度低，但比強(qiáng)度高，能夠代替部分金屬材料制造多種機(jī)器零部件。③.低的彈性模量和高彈性，取決于大分子鏈的柔性。④.優(yōu)良的電絕緣性能。⑤.優(yōu)良的減摩、耐磨和自潤(rùn)滑性能。⑥.優(yōu)良的耐腐蝕性能。⑦.優(yōu)良的透光性。⑧.可加工性好。三大缺點(diǎn)：不耐化熱（低于300℃）可燃易老五、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(shù)脂為主要成分的有機(jī)高分子材料，其中除主要成分樹(shù)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(jī)、注射機(jī)等設(shè)備和模具中塑制成各種形狀規(guī)格的制品。（1）結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的塑料—聚乙烯（PE）高壓聚乙烯：分子支鏈多，分子量、結(jié)晶度和相對(duì)密度低、半透明狀，質(zhì)地柔軟，耐沖擊，常用于制作塑料薄膜、軟管、塑料瓶等包裝材料。低壓聚乙烯：分子支鏈少，分子量、結(jié)晶度和相對(duì)密度較高、乳白色，質(zhì)地較硬，耐磨、耐蝕、絕緣性好，可作化工耐蝕管道、閥、襯板、承載不高的齒輪、軸承以及電絕緣護(hù)套等。保溫瓶殼、洗發(fā)水瓶、圓珠筆芯、茶杯、奶瓶等（2）第一種熱塑性的全能塑料—聚氯乙烯（PVC）特點(diǎn)：強(qiáng)度、硬度、剛度均高于PE，并有耐燃、自熄的特點(diǎn)，但熱穩(wěn)定性、耐寒、耐老化性差，一般在-15~60℃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(hù)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(jià)廉的塑料—聚丙烯（PP）特點(diǎn)：力學(xué)性能、耐熱性（150℃）最高，密度最低，但低溫脆性大。無(wú)毒無(wú)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；電器方面電話機(jī)、電視機(jī)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(diǎn)：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(zhǎng)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(qiáng)韌易成形的白色塑料—ABS：丙烯腈（Acrylonitrile）、丁二烯（Butadiene）、苯乙烯（Styrene）特點(diǎn)：綜合性能好，價(jià)格低、堅(jiān)韌、質(zhì)硬且具剛性的材料。應(yīng)用：電視機(jī)、洗衣機(jī)、計(jì)算機(jī)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）最透明的塑料—聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）“有機(jī)玻璃”特點(diǎn)：透光率好，耐紫外線和大氣老化，強(qiáng)度高，成形性好，良好的染色性，表面硬度差、易劃傷`、包裝盒、燈罩、眼鏡、工藝品等，也可用于飛機(jī)窗玻璃、防彈玻璃、風(fēng)擋等。（7）透明“金屬”—聚碳酸酯（PC）特點(diǎn)：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(kāi)裂。應(yīng)用：光盤、燈罩、防護(hù)玻璃、手機(jī)殼體、精密儀器中齒輪、相機(jī)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(diǎn)：最優(yōu)良的耐高、低溫性能（-260~250℃），幾乎不受任何化學(xué)品腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定性超過(guò)玻璃、陶瓷甚至金、鉑；摩擦系數(shù)最小，潤(rùn)滑性好，介電損耗小，無(wú)味、無(wú)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(jī)械上減摩密封零件，電器上耐高頻絕緣零件、以及強(qiáng)腐蝕場(chǎng)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(qiáng)韌而耐磨耐油的塑料—聚酰胺（PA）“尼龍”特點(diǎn)：優(yōu)良的耐磨性、減摩性和自潤(rùn)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(jī)殼、頭盔、球拍線、魚線、輸血管等。（11）合成塑料的鼻祖—酚醛樹(shù)脂（PF）特點(diǎn)：一定強(qiáng)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(kāi)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(diǎn)：PET膜拉伸強(qiáng)度很高，可長(zhǎng)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(diǎn)：強(qiáng)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、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(diǎn)：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(qiáng)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(wàn)能”橡膠—氯丁橡膠（CR）特點(diǎn)：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（制造輪胎、三角帶、橡膠彈簧、鞋底等）乙丙橡膠（EPM）：密度最?。ㄓ糜诮ㄖ浪牧稀④囕v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§9.2陶瓷材料

從廣義上講陶瓷包含一切天然及合成的無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)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(zhǎng)石等）先進(jìn)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原料預(yù)處理配料坯料制備成形干燥施釉燒成后加工制品二、陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)晶相：硅酸鹽、氧化物和非氧化物玻璃相：低熔點(diǎn)非晶態(tài)物質(zhì)氣相：氣孔（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(jià)鍵，因此陶瓷材料具有高的化學(xué)穩(wěn)定性，耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度等基本屬性。（3）脆性材料，斷裂前無(wú)塑性變形，沖擊韌性極低，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)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(diǎn)高，高溫強(qiáng)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(diǎn)：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(zhǎng)石、石英結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：主晶相：莫來(lái)石（3Al2O3?SiO2）25~30%玻璃相：35-60%氣相：1~3%

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(qiáng)度低、一定溫度下軟化用途：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(jìn)陶瓷主要成分：Al2O3(>45%)剛玉瓷(90~99.5%)

性能：耐高溫(在1600℃下長(zhǎng)期使用)強(qiáng)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(hù)套管、化工反應(yīng)爐管等。機(jī)械工程中用作高速切削刀具、磨料、內(nèi)燃機(jī)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(qiáng)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(rùn)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(jiǎn)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(chǎng)合，如泵密封環(huán)、熱電偶保護(hù)套、轉(zhuǎn)子、缸套、活塞環(huán)、管道、閥門等陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)（3）氮化硅陶瓷§9.3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(qiáng)相或功能組元組成。復(fù)合材料基體組元增強(qiáng)相樹(shù)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(qiáng)顆粒增強(qiáng)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(shù)脂；增強(qiáng)體：玻璃纖維性能：強(qiáng)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(shí)耐高溫性能）；雷達(dá)罩（不反射無(wú)線電波、微波透過(guò)性好）；電機(jī)、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(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料：基體：樹(shù)脂；增強(qiáng)體：碳纖維性能：高的比強(qiáng)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(guó)防工業(yè)等。美國(guó)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)推進(jìn)火箭上的關(guān)鍵部件燃料噴嘴和燃燒器；人造衛(wèi)星的機(jī)架。。?！狢纖維復(fù)合材料。三、顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料基體：鋁合金增強(qiáng)體：SiC、Al2O3、B4C及石墨等性能：重量輕、比強(qiáng)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)模集成電路基板、各種結(jié)構(gòu)型材和耐磨部件。材料應(yīng)用舉例特點(diǎn)17%SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料飛機(jī)、導(dǎo)彈用板材拉伸模量大于100GPa40%SiC晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料三叉戟、導(dǎo)彈制導(dǎo)元件代替鈹，成本低，無(wú)毒Al2O3短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料汽車發(fā)動(dòng)機(jī)抗磨環(huán)耐磨，成本低15%Ti細(xì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料汽車制動(dòng)件、連桿、活塞模量高四、納米顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料基體：陶瓷（Al2O3、ZrO2）增強(qiáng)體：金屬納米顆粒、陶瓷納米顆粒性能：大幅度提高斷裂強(qiáng)度、顯著提高斷裂韌性五、C/C復(fù)合材料基體：C增強(qiáng)體：C纖維性能：強(qiáng)度和沖擊韌性特別高，比強(qiáng)度高，高溫強(qiáng)度好（2500℃），良好的抗腐蝕性能和抗熱震性。應(yīng)用：主要用于航空航天、軍事和生物醫(yī)學(xué)，如洲際導(dǎo)彈頭部的隔熱罩、固體火箭噴管、飛機(jī)剎車片、賽車剎車系統(tǒng)等。本章小結(jié)塑料是以有機(jī)合成樹(shù)脂為主要成分，加入各種添加劑制成的高分子材料。橡膠也是高分子材料，它具有優(yōu)良的伸縮性，儲(chǔ)能能力和耐磨、隔音、絕緣、不透氣、不透水的特性，被廣泛用于制造彈性件、密封件、減振防振件、傳動(dòng)件、輪胎及絕緣件等陶瓷材料硬而脆，抗壓強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度低，同時(shí)具有很高的耐腐蝕性、熱硬性和絕緣性