工程材料3-陳開源

2.3工程塑料、特種陶瓷、復(fù)合材料要求了解。2.3.1工程塑料

塑料：以合成樹脂為主要組成的材料，通?？稍诩訜?、加壓條件下塑造成一定形狀的產(chǎn)品。塑料的組成合成樹脂---由低分子化合物通過縮聚或聚合反應(yīng)合成的高分子化合物，是塑料的主要組成，決定塑料的類型及基本性能。添加劑---改進(jìn)性能固化劑促進(jìn)交連-----體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)----更堅(jiān)硬，穩(wěn)定增塑劑提高樹脂的可塑性和柔軟性穩(wěn)定劑防止受熱，光作用而過早老化潤(rùn)滑劑防止成型過程中粘模著色劑著色阻燃劑阻燃增強(qiáng)劑石墨，三硫化鉬，石棉纖維和玻璃纖維等按熱性能分類熱塑性塑料：加熱時(shí)軟化，可塑造成型，冷卻后復(fù)硬，可反復(fù)進(jìn)行。優(yōu)點(diǎn)：加工成型簡(jiǎn)便，機(jī)械性能較好，是塑料中性能較好的工程塑料。缺點(diǎn)：耐熱性和剛性較差。典型品種：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等。熱固性塑料：初加熱時(shí)軟化，可塑造成型，固化后再加熱不再軟化，不溶于溶劑。優(yōu)點(diǎn)：耐熱性好，受壓不易變形。缺點(diǎn)：機(jī)械性能不好。典型品種：酚醛、環(huán)氧、氨基、不飽和聚酯、聚硅醚樹脂等。按使用范圍分類通用塑料：應(yīng)用范圍廣，生產(chǎn)量大，價(jià)廉。如：聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烴、酚醛塑料、氨基塑料等。工程塑料：綜合工程性能（機(jī)械性能、耐熱、耐寒性能，耐蝕性和絕緣性等）良好。如：聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS等。特殊塑料：可在較高溫度（100～200℃）下工作，耐蝕不燃。如：聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、有機(jī)硅樹脂、環(huán)氧樹脂。1.常用熱塑性工程材料聚酰胺（PA）—尼龍性能：突出的耐磨性和自潤(rùn)滑性能，韌性很好，強(qiáng)度較好，耐熱性不高（〈100℃），蠕變值較大。導(dǎo)熱性差，吸水性高。耐蝕性好（耐水、油、一般溶劑、化學(xué)藥劑），抗霉，抗菌，無毒。成型性能好。用途：耐磨、耐蝕的承載轉(zhuǎn)動(dòng)零件（齒輪、軸承、螺釘和螺母等小型零件）一種沒有側(cè)鏈，高密度，高結(jié)晶性的線性聚合物，具有優(yōu)異的綜合性能。耐疲勞性是熱塑性塑料中最高的。表面光滑，有光澤，硬而致密，淡黃或白色，可在-40-100℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用。耐磨性和自潤(rùn)滑性也比絕大多數(shù)工程塑料優(yōu)越，良好的耐油、耐過氧化物性能。拉伸強(qiáng)度達(dá)70MPa，吸水性小，尺寸穩(wěn)定，有光澤，這些性能都比尼龍好。尤其用于制造不允許使用潤(rùn)滑油的齒輪軸承和襯套。很不耐酸，不耐強(qiáng)堿和不耐太陽(yáng)光紫外線的輻射。聚甲醛：俗稱賽鋼分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物。無色透明，耐熱，抗沖擊，在普通使用溫度內(nèi)都有良好的機(jī)械性能，耐沖擊性能好，折射率高，加工性能好，不需要添加劑就具有UL94V-0級(jí)阻燃性能。不耐強(qiáng)酸，不耐強(qiáng)堿，耐磨性差。

制造防彈玻璃、防護(hù)面罩、安全帽等。汽車用玻璃：可使用PMMA、PC。聚碳酸酯：防彈玻璃膠ABS塑料

丙烯腈－丁二烯－苯乙烯三元共聚物。

具有“硬、韌、剛”的混合特性（混合機(jī)械性能較好）；-40℃低溫仍有一定的機(jī)械強(qiáng)度。尺寸穩(wěn)定，耐熱和耐蝕性較好，容易電鍍，易于成型。用途：汽車方向盤、儀表盤、飛機(jī)艙內(nèi)的裝飾板窗框，機(jī)械中的手柄、齒輪、泵葉輪等。聚四氟乙烯（F-4）

可在-180～260℃內(nèi)長(zhǎng)期使用，耐沸騰的王水，摩擦系數(shù)僅0.04，不粘水、不吸水，介電常數(shù)和介電損耗最小的固體絕緣材料。缺點(diǎn)強(qiáng)度低。不受任何化學(xué)試劑的浸蝕。2.常用熱固性工程塑料1）酚醛塑料（PF，俗稱電木）性能：一定的強(qiáng)度和硬度，耐磨性好；性脆。絕緣性良好（擊穿電壓不小于10KV）耐熱性較高，耐蝕性良好；不耐堿。用途：電訊器材及電木制品（插座，開關(guān)，電話機(jī)，儀表盒）；汽車剎車片，紡織機(jī)和儀表中的無聲齒輪，化工用耐酸泵等；日用品（不能用作食物器皿）。2）環(huán)氧塑料（EP）性能：強(qiáng)度較高，韌性較好；尺寸穩(wěn)定性高，耐久性好。耐熱耐寒，-80--55℃長(zhǎng)期工作，優(yōu)良絕緣性能，化學(xué)穩(wěn)定性很好，成型工藝性能好，有某些毒性用途：環(huán)氧塑料塑料薄膜；精密量具；灌封電器和電子儀表；電器絕緣及印刷線路，制作復(fù)合材料。很好的膠粘劑，對(duì)各種材料都有很強(qiáng)的膠粘能力。2.3.2特種陶瓷概述陶瓷—是用天然或人工合成的粉狀化合物，經(jīng)過成型和高溫?zé)Y(jié)制成的，由無機(jī)化合物構(gòu)成的多相固體材料陶瓷的分類普通陶瓷--日用，建筑衛(wèi)生，電器（絕緣），化工，多孔……特種陶瓷--電容器，壓電，磁性，電光，高溫……金屬陶瓷--結(jié)構(gòu)陶瓷，工具（硬質(zhì)合金），耐熱，電工……玻璃陶瓷—耐熱耐蝕微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，無線電透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷…陶瓷的生產(chǎn)(1)原料制備（揀選，破碎，磨細(xì)，混合）普通陶瓷（粘土，石英，長(zhǎng)石等天然材料）特種陶瓷（人工的化學(xué)或化工原料---各種化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形，注漿成形，壓制成形）(3)燒成或燒結(jié)

陶瓷的性能(1)硬度各類材料中最高的。（高聚物<20HV，淬火鋼500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)剛度各類材料中最高的（塑料1380MN/m2，鋼207000MN/m2)(3)強(qiáng)度理論強(qiáng)度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，實(shí)際強(qiáng)度比理論值低的多。（E/1000--E/100）。耐壓，抗彎，不耐拉，較高的高溫強(qiáng)度。(4)

塑性：在室溫幾乎沒有塑性。(5)韌性差，脆性大。是陶瓷的最大缺點(diǎn)。(6)

熱膨脹性低。導(dǎo)熱性差，較好的絕熱材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K）(7)

熱穩(wěn)定性：抗熱振性（急冷到水中不破裂所能承受的最高溫度）。陶瓷的抗熱振性很低（比金屬低的多，日用陶瓷220℃）(8)

化學(xué)穩(wěn)定性：耐高溫，耐火，不可燃燒，抗蝕（液體金屬、酸、堿、鹽）(9)

導(dǎo)電性：大多是良好的絕緣體，也有不少半導(dǎo)體（NiO，F(xiàn)e3O4等）(10)其它：不可燃燒，高耐熱，不老化，溫度急變抗力低。特種陶瓷氧化物陶瓷：※Al2O3—高的強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度（抗壓2493MN/m2)，高化學(xué)穩(wěn)定性和介電性能用途：內(nèi)燃機(jī)的火花塞，火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩，刀具等。熱壓燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié)硬度高，有自潤(rùn)滑性，耐磨材料，耐蝕。氮化硅陶瓷碳化物陶瓷：※碳化硅—彎曲強(qiáng)度200-250MN/m2，抗壓強(qiáng)度1000-1500MN/m2，硬度高，抗氧化，不抗強(qiáng)堿。用途：加熱元件，石墨的表面保護(hù)層，砂輪，磨料※碳化硼—硬度高，抗磨，熔點(diǎn)高2450℃用途：磨料，超硬質(zhì)工具材料?！稹愋土浇Y(jié)構(gòu)（白石墨）----介電體和耐火潤(rùn)滑劑。立方結(jié)構(gòu)（β-BN)----極高硬度，抗加熱溫度2000℃，是金剛石的代用品。用途：高溫軸承、高溫絕緣材料等。2.3.3

復(fù)合材料

1.復(fù)合材料：由兩種或多種物理和化學(xué)本質(zhì)不同的物質(zhì)人工制成的一種多相固體材料。2.特點(diǎn)：(1)可改善或克服組成材料的的弱點(diǎn)，充分發(fā)揮他們的優(yōu)點(diǎn)，如玻璃鋼（玻璃＋樹脂）(2)可按構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和受力要求，進(jìn)行材料的最佳設(shè)計(jì)，給出預(yù)定的分布合理的配套性能.(3)可創(chuàng)造單一材料不易具備的性能或功能，或同時(shí)發(fā)揮不同的功能。3.結(jié)構(gòu)：基體＋增強(qiáng)相4.分類：※按基體類型分類：非金屬?gòu)?fù)合材料：樹脂基復(fù)合材料（玻璃鋼），橡膠基復(fù)合材料（輪胎），陶瓷基復(fù)合材料（鋼筋混凝土、纖維增強(qiáng)陶瓷）。金屬基復(fù)合材料（纖維增強(qiáng)金屬）※按增強(qiáng)材料分類：

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：纖維增強(qiáng)橡膠（輪胎）、纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼、碳纖維增強(qiáng)塑料）、纖維增強(qiáng)陶瓷、纖維增強(qiáng)金屬（碳纖維/鋁錫合金）等。應(yīng)用最廣泛。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：陶瓷顆粒----金屬基（硬質(zhì)合金），金屬顆粒----塑料基等。疊層復(fù)合材料：如雙金屬板，夾層玻璃，多層板等。夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：如多孔性鐵基和青銅基自潤(rùn)滑襯套?！磸?fù)合效果分類：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：通過復(fù)合，顯著改善材料的機(jī)械性能，主要用于結(jié)構(gòu)零件。功能復(fù)合材料：通過復(fù)合，顯著改善材料的其他性能，形成多功能材料。復(fù)合材料的復(fù)合原則與性能復(fù)合材料是由基體材料和增強(qiáng)相構(gòu)成。兩者的類型和性質(zhì)及兩者之間的結(jié)合力，決定其性能，增強(qiáng)相的形狀、數(shù)量、分布及制備過程等也影響其性能。一.增強(qiáng)機(jī)制(1)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料

(2)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

(3)晶須增強(qiáng)復(fù)合材料二.復(fù)合原則※纖維增強(qiáng)復(fù)合原則纖維增強(qiáng)相是承載體，要求高的強(qiáng)度、彈性模量、熱穩(wěn)定性。2.

基體起粘結(jié)劑作用，要求潤(rùn)濕性(對(duì)纖維)、塑性和韌性及保護(hù)不損傷表面性。3.纖維和基體之間高而適合的結(jié)合強(qiáng)度。過低的結(jié)合強(qiáng)度易裂，過高易脆斷。4.纖維增強(qiáng)相有合理的含量、尺寸和分布。5.纖維和基體間不能有化學(xué)反應(yīng)?！?xì)粒增強(qiáng)復(fù)合原則顆粒應(yīng)高度均勻彌散分布在基體中。2.顆粒大小應(yīng)適當(dāng)。一般幾微米到幾十微米，過大易裂，過小起不到強(qiáng)化作用。3.顆粒的體積含量應(yīng)在20％以上，否則達(dá)不到強(qiáng)化效果。4.顆粒與基體之間有一定的結(jié)合強(qiáng)度。三.復(fù)合材料性能比強(qiáng)度和比剛度高（各類材料中最高）2.抗疲勞和抗斷裂性能好。3.高溫強(qiáng)度高，耐高溫。碳纖維復(fù)合材料2400℃～2800℃可長(zhǎng)期使用。4.減摩、耐磨和減振性好。5.高韌性和抗熱沖擊性，絕緣，耐輻射及特殊的光、電、磁等性能。常見復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料----玻璃鋼

增強(qiáng)劑：玻璃纖維（SiO2+其他氧化物）比強(qiáng)度和比模量高，耐高溫，化學(xué)穩(wěn)定性好，電絕緣性較好。熱塑性玻璃鋼粘結(jié)劑：熱塑性樹脂—尼龍、聚烯烴類、聚苯乙烯類、(熱塑性聚脂，聚碳酸脂)機(jī)械性能、介電性能、耐熱性和抗衰老性能較好(2)熱固性玻璃鋼粘結(jié)劑:熱固性樹脂---酚醛樹脂，環(huán)氧樹脂（不飽和聚酯樹脂，有機(jī)硅樹脂）性能：輕，比強(qiáng)度高(高于銅合金和鋁合金，有高于合金鋼)，耐蝕性好,介電性能優(yōu)越，成型性能良好剛度較差，易老化，易蠕變。用途：玻璃纖維/尼龍—軸承，軸承架，齒輪；玻璃纖維/聚苯乙烯—汽車內(nèi)裝飾制品，機(jī)殼。碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)劑：碳纖維（石墨）高強(qiáng)度、高彈性模量且2000°C以上保持不變；-180°C不變脆。(1)碳纖維樹脂復(fù)合材料基體-----環(huán)氧樹脂，酚醛樹脂，聚四氟乙烯性能普遍優(yōu)于玻璃鋼；用途：航天材料-----飛行器，火箭外層材料，天線支架，殼體，機(jī)架,齒輪，軸承，活塞，密封圈，化工容器(2)碳纖維金屬?gòu)?fù)合材料基體-----金屬(主要為熔點(diǎn)較低的金屬或合金，如碳纖/鋁錫合金)性能特點(diǎn)：接近于金屬熔點(diǎn)仍有很好的強(qiáng)度和彈性模量用途：碳纖/鋁錫合金—高強(qiáng)度高級(jí)軸承其減磨性能優(yōu)于鋁錫合金。2.硼纖維復(fù)合材料增強(qiáng)劑：硼纖維------硼纖維沉積于鎢絲(1)硼纖維樹脂復(fù)合材料基體—環(huán)氧樹脂，聚苯并咪唑，聚酰亞胺樹脂性能：抗壓強(qiáng)度為碳纖維復(fù)合材料的2～2.5倍，剪切強(qiáng)度高，蠕變小，硬度和彈性模量高，高疲勞強(qiáng)度（340～390MN/m2），耐輻射，化學(xué)穩(wěn)定（水，有機(jī)溶劑，燃料，潤(rùn)滑劑），導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能好，硼纖維是半導(dǎo)體。應(yīng)用：航空和宇航材料，如：翼面，儀表盤，轉(zhuǎn)子，葉片，直升機(jī)螺旋槳葉的傳動(dòng)軸等(2)硼纖維金屬?gòu)?fù)合材料基體—鋁鎂及其合金，鈦及其合金應(yīng)用：航空、火箭性能：如鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度、彈性模量、疲勞極限高于高強(qiáng)鋁合金和耐熱鋁合金，比強(qiáng)度高于鋼和鈦合金。金屬基復(fù)合材料金屬和陶瓷組成的復(fù)合材料，屬顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，又稱金屬陶瓷。金屬基復(fù)合材料按增強(qiáng)體的類別來分類，如纖維增強(qiáng)(包括連續(xù)和短切)、晶須增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)等，按金屬或合金基體的不同，金屬基復(fù)合材料可分為鋁基、鎂基、銅基、鈦基、高溫合金基、金屬間化合物基以及難熔金屬基復(fù)合材料等。由于這