工程材料與成型技術(shù)基礎(chǔ)第9章非金屬材料

工程材料與成型技術(shù)基礎(chǔ)第9章非金屬材料第一頁(yè)，共95頁(yè)。非金屬材料的來(lái)源十分廣泛，大多成形工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輕工、家電、建材、機(jī)電等各行各業(yè)中，目前在工程領(lǐng)域應(yīng)用最多的非金屬材料主要是塑料、橡膠、陶瓷及各種復(fù)合材料。第二頁(yè)，共95頁(yè)。10.1.1非金屬材料的發(fā)展

人類社會(huì)的發(fā)展在很大程度上取決于生產(chǎn)力的發(fā)展，生產(chǎn)力水平的高低往往以勞動(dòng)工具為代表，而勞動(dòng)工具的進(jìn)步又離不開(kāi)材料的發(fā)展。早在一百萬(wàn)年以前，人類開(kāi)始用石頭做工具，標(biāo)志著人類進(jìn)入舊石器時(shí)代。大約一萬(wàn)年以前，人類知道對(duì)石頭進(jìn)行加工，使之成為精致的器皿或工具，從而標(biāo)志著人類進(jìn)入新石器時(shí)代。在新石器時(shí)代，人類開(kāi)始用皮毛遮身。第三頁(yè)，共95頁(yè)。8000年前，中國(guó)就開(kāi)始用蠶絲做衣服，4500年前，印度人開(kāi)始種植棉花，這些都標(biāo)志著人類使用材料促進(jìn)文明進(jìn)步。在新石器時(shí)代，人類已發(fā)明了用黏土成形，經(jīng)火燒固化而成為陶器。陶器不但成為器皿，而且成為裝飾品，歷史上雖無(wú)陶器時(shí)代的名稱，但其對(duì)人類文明的貢獻(xiàn)卻不可估量。這是人類有史以來(lái)第一次使用自然界存在的物質(zhì)（黏土和水），發(fā)明制造了自然界沒(méi)有的物品（陶器）。第四頁(yè)，共95頁(yè)。陶器可以盛水、煮食物。水在1000C沸騰而保持恒溫，食物的營(yíng)養(yǎng)成分不但不被破壞，而且更易于消化吸收。人類的飲食生活習(xí)性由燒烤發(fā)展為蒸煮，人類自身生存狀況有了徹底改觀。因此，甚至有史學(xué)家認(rèn)為陶器是人類最偉大的發(fā)明。時(shí)至今日，滿足人類居住的建筑用材料，仍以非金屬材料為主。隨著5000年前的青銅、3000年前的鐵以及后來(lái)鋼等金屬材料的出現(xiàn)，人類在十八世紀(jì)發(fā)明了蒸汽機(jī)，十九世紀(jì)發(fā)明了電動(dòng)機(jī)、平爐和轉(zhuǎn)爐煉鋼。金屬材料使人類農(nóng)業(yè)繁榮并逐步走向工業(yè)時(shí)代，把人類帶進(jìn)了現(xiàn)代物質(zhì)文明第五頁(yè)，共95頁(yè)。當(dāng)隨著有機(jī)化學(xué)的發(fā)展，人造合成纖維的發(fā)明是人類改造自然材料的又一里程碑。目前各種有機(jī)合成材料幾乎滲透到人類日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。高性能的陶瓷材料以及各種復(fù)合材料支撐了航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，使人類的文明走向宇宙。以單晶硅、激光材料、光導(dǎo)纖維為代表的新材料的出現(xiàn)，使人類僅用五十年就進(jìn)入了信息時(shí)代。所以非金屬材料對(duì)人類社會(huì)文明的進(jìn)步發(fā)揮著重大的作用。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，材料科學(xué)發(fā)展迅速，材料的種類日益增多，不同功能的新材料不斷涌現(xiàn)，原有材料的性能不斷改善與提高，以滿足人類未來(lái)的各種使用需求，因此，材料特別是品種繁多的新型非金屬材料是未來(lái)高科技的基石、先進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)的支柱和人類文明發(fā)展的基礎(chǔ)。第六頁(yè)，共95頁(yè)。10.1.2非金屬材料的分類

目前，非金屬材料通常以其組成的主要成分分為無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料及復(fù)合材料三大類。

典型無(wú)機(jī)非金屬材料:水泥、玻璃、陶瓷。典型有機(jī)高分子材料：塑料、橡膠、化纖。

典型復(fù)合材料：無(wú)機(jī)非金屬材料基復(fù)合材料、有機(jī)高分子材料基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料。第七頁(yè)，共95頁(yè)。10.1.3非金屬材料的選擇及應(yīng)用

1．非金屬材料的選擇

由于非金屬材料的種類繁多，不同類型、成分、性能及不同成形方法的非金屬材料在工程實(shí)際中的使用和選擇，是個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程。設(shè)計(jì)師和工程師在選擇非金屬材料時(shí)，主要應(yīng)考慮以下的因素：1）滿足使用性能和工藝性能；2）防止出現(xiàn)失效事故；3）經(jīng)濟(jì)性；4）考慮可持續(xù)發(fā)展選材。

第八頁(yè)，共95頁(yè)。此外，材料的選擇是一個(gè)系統(tǒng)工程。在一個(gè)部件或者裝置中，所選用的各種材料要能夠在一起使用，而不能因相互作用而降低對(duì)方的性能。

因此，在大多數(shù)情況下，材料的選擇是一個(gè)反復(fù)權(quán)衡的復(fù)雜過(guò)程。在某種意義上，其重要性不亞于材料本身的研究開(kāi)發(fā)。第九頁(yè)，共95頁(yè)。2．非金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域

過(guò)去，非金屬結(jié)構(gòu)材料傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要是建筑、輕工、紡織、家電、儀器儀表、農(nóng)業(yè)等，在工業(yè)上主要是裝飾件、密封件、刀具、輪胎等。但是現(xiàn)在，非金屬結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用正以前所未有的速度發(fā)展。隨著各種非金屬材料合成和制備技術(shù)不斷提高和完善，非金屬材料的產(chǎn)量和性能均不斷提高。第十頁(yè)，共95頁(yè)。有關(guān)專家預(yù)測(cè)，很多傳統(tǒng)上由金屬制造的零件、部件、結(jié)構(gòu)件，將會(huì)被工程塑料、工程陶瓷及復(fù)合材料等非金屬材料所取代。例如，汽車的車身可采用工程塑料或復(fù)合材料，每千克工程塑料可代替4～5千克鋼鐵，而且可整體成形，因而成本和油耗將進(jìn)一步降低。由于原料充足，可以設(shè)計(jì)、制造出無(wú)窮的新產(chǎn)品，非金屬結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

第十一頁(yè)，共95頁(yè)。另外，各種新型非金屬材料，其應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)比非金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊得多，特別是現(xiàn)代高科技密集的領(lǐng)域。在微電子、信息通信、航空航天、生物工程、環(huán)境保護(hù)、新能源等領(lǐng)域中應(yīng)用了大量的新型非金屬材料，其中最具代表的有單晶硅、超導(dǎo)材料、固體激光材料、飛船高溫防護(hù)材料、仿生材料、環(huán)保材料、隱形納米材料等等。由于篇幅所限，本章的主要內(nèi)容為非金屬結(jié)構(gòu)材料及其成形。第十二頁(yè)，共95頁(yè)。10.2工程塑料

塑料是一類以天然或合成樹(shù)脂為主要成分，在一定溫度、壓力條件下經(jīng)塑制成形，并在常溫下能保持形狀不變的高分子工程材料。

塑料具有一定的耐熱、耐寒及良好的力學(xué)、電氣、化學(xué)等綜合性能，可以替代非鐵金屬及其合金，作為結(jié)構(gòu)材料用來(lái)制造機(jī)器零件或工程結(jié)構(gòu)。塑料以其質(zhì)輕、耐蝕、電絕緣，具有良好的耐磨和減磨性，良好的成形工藝性等特性以及有豐富的資源而成為應(yīng)用很廣泛的高分子材料，在工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、國(guó)防工業(yè)及日常生活中均得到廣泛應(yīng)用。第十三頁(yè)，共95頁(yè)。10.2.1工程塑料的組成和性能

l.塑料的組成

一般說(shuō)來(lái)，塑料是由樹(shù)脂和若干種添加劑(如填充劑、增塑劑、潤(rùn)滑劑、著色劑、穩(wěn)定劑、固化劑和阻燃劑)組成。

1)樹(shù)脂樹(shù)脂是塑料的主要組分，它是塑料中能起粘結(jié)作用的部分，并使塑料具有成形性能。

2)填充劑其主要作用是:改變塑料的某些性能，降低塑料成本，擴(kuò)大塑料的應(yīng)用范圍。

第十四頁(yè)，共95頁(yè)。3)增塑劑增塑劑是用來(lái)提高樹(shù)脂可塑性的。常用增塑劑如氧化石蠟、磷酸脂類等。

4)潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑劑是為防止塑料在成形過(guò)程中粘模而加人的添加劑。

5)著色劑著色劑是使塑料制品具有美麗色彩的有機(jī)或無(wú)機(jī)顏料。

6)固化劑固化劑是熱固性塑料所必需的添加劑，目的在于促使線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)，成形后獲得堅(jiān)硬的塑料制品。

第十五頁(yè)，共95頁(yè)。7)穩(wěn)定劑穩(wěn)定劑又稱防老化添加劑，其主要作用是提高某些塑料的受熱或光照穩(wěn)定性。

8)其他添加劑塑料添加劑除上述幾項(xiàng)外還有阻燃劑(如氧化銻等)、抗靜電劑、發(fā)泡劑、溶劑、稀釋劑等。第十六頁(yè)，共95頁(yè)。2.工程塑料的性能

1)力學(xué)性能

力學(xué)性能是決定工程塑料使用范圍的重要指標(biāo)之一，工程塑料具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、韌性和耐磨性，可代替金屬制造機(jī)器零件或構(gòu)件，尤其是某些工程塑料的比強(qiáng)度(材料拉伸強(qiáng)度與密度之比)很高，大大超過(guò)金屬的比強(qiáng)度(如玻璃纖維增強(qiáng)塑料)，可制造減輕自重的各種結(jié)構(gòu)件。第十七頁(yè)，共95頁(yè)。(1）拉伸強(qiáng)度、彈性模量和伸長(zhǎng)率

常用工程塑料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可歸結(jié)為以下四種基本類型:

①硬而韌的工程塑料如ABS、尼龍、聚甲醛、聚碳酸醋等，具有很高的彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和較大的伸長(zhǎng)率。

②硬而脆的工程塑料如聚苯乙烯和酚醛樹(shù)脂等塑料，具有很高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，但在較小的伸長(zhǎng)率（<2%）下就會(huì)斷裂，無(wú)明顯屈服。

第十八頁(yè)，共95頁(yè)。③硬而強(qiáng)的工程塑料如有機(jī)玻璃、長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料及某些配方的硬聚氯乙烯等塑料，具有高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，其伸長(zhǎng)率為2%～5%。

④軟而韌的工程塑料如高增塑的聚氯乙烯等塑料的彈性模量和屈服點(diǎn)低，而伸長(zhǎng)率很大，約25%～1000%，抗拉強(qiáng)度較高。

各種塑料的力學(xué)性能差異很大，一般熱塑性塑料的抗拉強(qiáng)度在50～l00MPa之間，熱固性塑料的抗拉強(qiáng)度在30～60Mpa。工程塑料與金屬材料相比，其抗拉強(qiáng)度和彈性模量均較低，這是目前工程塑料作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的最大障礙之一。因此在一些負(fù)荷大的地方，還需采用鋼結(jié)構(gòu)。第十九頁(yè)，共95頁(yè)。(2）剪切強(qiáng)度、沖擊韌度和彎曲強(qiáng)度①剪切強(qiáng)度對(duì)于塑料薄膜或板材特別重要，玻璃布增強(qiáng)的熱固性層壓板的剪切強(qiáng)度在80～170MPa之間。②沖擊韌度一般塑料的沖擊韌度值比金屬低，并且有缺口比沒(méi)有缺口的塑料件沖擊韌度值明顯下降。③彎曲強(qiáng)度熱塑性塑料中聚甲醛彎曲強(qiáng)度為90～98Mpa，尼龍可達(dá)2lOMPa，熱固性塑料約為50～150MPa，玻璃纖維(布)層壓塑料可達(dá)350MPa。

第二十頁(yè)，共95頁(yè)。（3）蠕變性能

蠕變是指材料受到一固定載荷時(shí)，除了開(kāi)始的瞬時(shí)變形外，隨時(shí)間的增加變形逐漸增大的現(xiàn)象。金屬材料在較高溫度時(shí)，才有明顯的蠕變現(xiàn)象，而塑料則在室溫下受載后就可發(fā)生顯著的蠕變現(xiàn)象，載荷大時(shí)甚至出現(xiàn)蠕變斷裂。（4）硬度和耐磨性能

工程塑料的硬度比金屬低，但其抗摩擦磨損性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于金屬，用工程塑料制作的軸承、活塞環(huán)、凸輪、齒輪等零件已廣泛應(yīng)用。第二十一頁(yè)，共95頁(yè)。2）物理性能

①密度小

②易著色、色澤鮮艷。

③透光性好，具有多種防護(hù)性能。3）熱性能

包括耐熱性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、熔融指數(shù)及燃燒性。與金屬相比塑料耐熱性、導(dǎo)熱性差，熱膨脹性大，易燃燒。4）化學(xué)性能

主要指耐腐蝕性能好。一般塑料對(duì)酸、堿、鹽等介質(zhì)具有良好的抗腐蝕能力，并廣泛用作防腐蝕工程材料。

除以上性能外，塑料還有優(yōu)良的電氣絕緣性能、成形加工性及消聲吸振性等。第二十二頁(yè)，共95頁(yè)。2.塑料的特性(1)質(zhì)輕、比強(qiáng)度高塑料的密度為0.9～2.2g／cm3，只有鋼鐵的1／8～1／4。泡沫塑料的密度約0．01g／cm3。塑料的強(qiáng)度比金屬低，但比強(qiáng)度高。這對(duì)減輕機(jī)械產(chǎn)品的重量具有重要意義。(2)化學(xué)穩(wěn)定性好塑料能耐大氣、水、堿、有機(jī)溶劑等的腐蝕。例如，聚四氟乙烯在沸騰的“王水”中仍很穩(wěn)定。(3)優(yōu)異的電絕緣性塑料有良好的電絕緣性，介質(zhì)損耗小，其電絕緣性可與陶瓷、橡膠等絕緣材料相媲美。(4)減摩、耐磨性好塑料的硬度低于金屬，但多數(shù)塑料的摩擦系數(shù)小，有些塑料(如聚四氟乙烯、尼龍等)具有自潤(rùn)滑性。因此，塑料可用于制作在無(wú)潤(rùn)滑條件下工作的某些零件。

第二十三頁(yè)，共95頁(yè)。(5)消聲和吸振性好塑料軸承和齒輪工作時(shí)平穩(wěn)無(wú)聲，大大減小了噪音污染。泡沫塑料常被用作隔音材料。(6)成形加工性好塑料有注射、擠壓、模壓、澆塑等多種成形方法，且工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率高。(7)耐熱性差多數(shù)塑料只能在100℃左右使用，少數(shù)品種可在200℃左右使用；易老化(因光、熱、載荷、水、堿、酸、氧等的長(zhǎng)期作用，使塑料變硬、變脆、開(kāi)裂等現(xiàn)象，稱老化)；導(dǎo)熱性差，約為金屬的1／500；熱膨脹系數(shù)大，約為金屬的3至10倍。第二十四頁(yè)，共95頁(yè)。10.2.2工程塑料的分類和應(yīng)用

1.塑料的分類

1)按樹(shù)脂受熱的行為分為熱塑性與熱固性塑料

熱塑性塑料:其分子結(jié)構(gòu)主要為線型或支鏈線型分子結(jié)構(gòu)，工藝特點(diǎn)是受熱軟化、熔融，具有可塑性，冷卻后堅(jiān)硬；再受熱又可軟化，可重復(fù)使用而其基本性能不變；可溶解在一定的溶劑中。成形工藝簡(jiǎn)便、形式多種多樣，生產(chǎn)效率高，可直接注射、擠壓、吹塑成形。如聚乙烯、聚丙烯、ABS等。

熱固性塑料:具有體型分子結(jié)構(gòu)，熱固性塑料一次成形后，質(zhì)地堅(jiān)硬、性質(zhì)穩(wěn)定，不再溶于溶劑中，受熱不變形，不軟化，不能回收。成形工藝復(fù)雜，大多只能采用模壓或?qū)訅悍?，生產(chǎn)效率低。如酚醛塑料、環(huán)氧塑料等。

第二十五頁(yè)，共95頁(yè)。2)按應(yīng)用范圍可分為通用塑料和工程塑料

通用塑料:指產(chǎn)量大、成本低、用途廣的塑料(如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等)，它們的產(chǎn)量占塑料總產(chǎn)量的75%以上。

工程塑料:指應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品或在工程技術(shù)中作為結(jié)構(gòu)、零件、外觀和裝飾的塑料，具有高強(qiáng)度或耐熱、耐蝕等特點(diǎn)，如ABS，聚四氟乙烯、聚酰氨等。第二十六頁(yè)，共95頁(yè)。2．常用的塑料及應(yīng)用

常用的熱塑性工程塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚丙烯、ABS塑料、聚碳酸脂、有機(jī)玻璃、聚甲醛和聚酚胺(尼龍)等。

與熱塑性工程塑料相比，熱固性工程塑料的主要優(yōu)點(diǎn)是硬度和強(qiáng)度高，剛度大，耐熱性優(yōu)良，使用溫度范圍遠(yuǎn)高于熱塑性工程塑料，主要缺點(diǎn)是成形工藝較復(fù)雜，常常需要較長(zhǎng)時(shí)間加熱固化，而且不能再成形，不利于環(huán)保。常用的熱固性工程塑料有酚醛塑料、環(huán)氧塑料和有機(jī)硅塑料。第二十七頁(yè)，共95頁(yè)。(1)熱塑性塑料

①聚乙烯(PE)

按生產(chǎn)工藝不同，分為高壓聚乙烯、中壓聚乙烯和低壓聚乙烯。高壓聚乙烯化學(xué)穩(wěn)定性高，柔軟性、絕緣性、透明性、耐沖擊性好，宜吹塑成薄膜、軟管、瓶等。低壓聚乙烯質(zhì)地堅(jiān)硬，耐磨性、耐蝕性、絕緣性好，適宜制作化工用管道、槽，電線、電纜包皮，承載小的齒輪、軸承等；又因其無(wú)毒，可制作茶杯、奶瓶、食品袋等。②聚氯乙烯(PVC)

分為硬質(zhì)和軟質(zhì)兩種。硬質(zhì)聚氯乙烯強(qiáng)度較高，絕緣性和耐蝕性好，耐熱性差，在－15～60℃溫度范圍使用，用于化工耐蝕的結(jié)構(gòu)材料，如輸油管、容器、離心泵、閥門(mén)管件等，用途很廣。軟質(zhì)聚氯乙烯強(qiáng)度低于硬質(zhì)聚氯乙烯，伸長(zhǎng)率大，絕緣性較好，在－15～60℃的溫度范圍使用。用于電線、電纜的絕緣包皮，農(nóng)用薄膜，工業(yè)包裝等。因其有毒，不能包裝食品。第二十八頁(yè)，共95頁(yè)。③聚丙烯(PP)

密度小，是常用塑料中最輕的一種。強(qiáng)度、硬度、剛性、耐熱性均高于低壓聚乙烯，可在120℃以下長(zhǎng)期工作。絕緣性好，且不受濕度影響，無(wú)毒無(wú)味，但低溫脆性大，不耐磨，易老化，用于一般機(jī)械零件，如齒輪、耐蝕件（如泵葉輪、化工管道、容器）；絕緣件；電視機(jī)、收音機(jī)、電扇、電機(jī)罩等殼體；生活用具，醫(yī)療器械，食品和藥品包裝等。④聚酰胺(PA)

俗稱尼龍或錦綸。強(qiáng)度、韌性、耐磨性、耐蝕性、吸振性、自潤(rùn)滑性、成形性好，摩擦系數(shù)小，無(wú)毒無(wú)味，可在100℃以下使用。蠕變值大，導(dǎo)熱性差，吸水性高，成形收縮率大。常用的有尼龍6、尼龍66、尼龍610、尼龍1010等。用于制造耐磨、耐蝕的某些承載和傳動(dòng)零件，如軸承、機(jī)床導(dǎo)軌、齒輪、螺母及一些小型零件。也可用于制作高壓耐油密封圈，或噴涂在金屬表面作防腐、耐磨涂層，應(yīng)用較廣。第二十九頁(yè)，共95頁(yè)。⑤聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)俗稱有機(jī)玻璃透光性、著色性、絕緣性、耐蝕性好，在自然條件下老化發(fā)展緩慢，可在－60～100℃使用。不耐磨，脆性大，易溶于有機(jī)溶劑中，硬度不高，表面易擦傷。用于航空、儀器、儀表、汽車中的透明件和裝飾件，如飛機(jī)窗、燈罩、電視和雷達(dá)屏幕，油標(biāo)、油杯、設(shè)備標(biāo)牌等。⑥ABS塑料

是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)的三元共聚物。綜合力學(xué)性能好，尺寸穩(wěn)定性、絕緣性、耐水和耐油性、耐磨性好，長(zhǎng)期使用易起層。用于制造齒輪，葉輪，軸承，把手，管道，貯槽內(nèi)襯，儀表盤(pán)，轎車車身，汽車擋泥板，電話機(jī)、電視機(jī)、電機(jī)、儀表的殼體，應(yīng)用較廣。

第三十頁(yè)，共95頁(yè)。⑦聚甲醛(POM)

耐磨性、尺寸穩(wěn)定性、著色性、減摩性，絕緣性好，可在零下40℃～100℃長(zhǎng)期使用。加熱易分解，成形收縮率大。用于制造減摩、耐磨件及傳動(dòng)件，如軸承、滾輪、齒輪、絕緣件，化工容器，儀表外殼，表盤(pán)等，可代替尼龍和有色金屬。⑧聚四氟乙烯(F-4)也稱塑料王有極強(qiáng)的耐蝕性，可抗王水腐蝕，絕緣性、自潤(rùn)滑性好，不吸水，摩擦系數(shù)小，可在－195～250℃使用，但價(jià)格較高。用于耐蝕、減摩、耐磨件，密封件，絕緣件，如高頻電纜、電容線圈架，化工用反應(yīng)器、管道等。第三十一頁(yè)，共95頁(yè)。⑨聚碳酸脂(PC)

強(qiáng)度高，韌性、尺寸穩(wěn)定性、透明性好，可在－60～120℃長(zhǎng)期使用。耐疲勞性不如尼龍和聚甲醛。用于制造齒輪、蝸輪、凸輪，電氣儀表零件，大型燈罩，防護(hù)玻璃，飛機(jī)擋風(fēng)罩，高級(jí)絕緣材料，用途很廣。⑩聚砜(PSF)

強(qiáng)度、硬度、成形溫度高，抗蠕變、尺寸穩(wěn)定性、絕緣性好，可在－100～150℃長(zhǎng)期使用。不耐有機(jī)溶劑和紫外線。用于制造耐熱件，絕緣件，減摩、耐磨件，高強(qiáng)度件，如凸輪，精密齒輪、真空泵葉片、儀表殼體和罩，汽車護(hù)板，電子器件等。第三十二頁(yè)，共95頁(yè)。

(2)熱固性塑料①酚醛塑料(PF)俗稱電木強(qiáng)度、硬度、絕緣性、耐蝕性、尺寸穩(wěn)定性好，工作溫度＞100℃，脆性大，耐光性差，只能模壓成形，價(jià)格低。用于制造儀表外殼，燈頭、燈座、插座，電器絕緣板，耐酸泵，剎車片，電器開(kāi)關(guān)，水潤(rùn)滑軸承等。②氨基塑料俗稱電玉顏色鮮艷，半透明如玉，絕緣性好，長(zhǎng)期使用溫度＜80℃，耐水性差。用于制造裝飾件、絕緣件，如開(kāi)關(guān)、插頭、旋鈕、把手、燈座、鐘表外殼等。③環(huán)氧塑料(EP)俗稱萬(wàn)能膠強(qiáng)度、韌性、絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性好，能防水、防潮、防霉，可在—80～155℃長(zhǎng)期使用，成形工藝簡(jiǎn)便，成形后收縮率小，粘結(jié)力強(qiáng)。用于制造塑料模具、儀表和電器零件、電子元件及線圈及用于涂覆、包封和修復(fù)機(jī)件。第三十三頁(yè)，共95頁(yè)。10.3工業(yè)橡膠

10.3.1工業(yè)橡膠的組成及性能

1.工業(yè)橡膠的組成

橡膠是以生膠為原料，加入適量配合劑，經(jīng)硫化后所組成的高分子彈性體。

1）生膠按其原料來(lái)源可分為天然橡膠和合成橡膠。

2）配合劑

配合劑是指為改善生膠的性能而添加的各種物質(zhì)。包括硫化劑、促進(jìn)劑、軟化劑、填充劑、防老化劑和著色劑等。

第三十四頁(yè)，共95頁(yè)。（1）硫化劑硫化劑相當(dāng)于熱固性塑料中的固化劑，硫化劑能使分子鏈相互交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，橡膠的交聯(lián)過(guò)程叫“硫化”。橡膠品種不同，所用硫化劑也不同。（2）促進(jìn)劑促進(jìn)劑能縮短硫化時(shí)間，降低硫化溫度，提高制品的經(jīng)濟(jì)性。常用的促進(jìn)劑多為化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)化合物，有時(shí)往往還加入氧化鋅等活化劑。（3）軟化劑軟化劑能增加橡膠的塑性，改善粘附力，并降低橡膠的硬度和提高其耐寒性，常用的軟化劑有硬脂酸、精制蠟、凡士林及一些油脂類。

第三十五頁(yè)，共95頁(yè)。（4）填充劑填充劑能增加橡膠的強(qiáng)度、降低成本及改善工藝性能。常用炭黑、氧化硅、白陶土、氧化鋅、滑石粉等填料。（5）防老化劑橡膠在長(zhǎng)期存放或使用過(guò)程中因環(huán)境因素逐漸被氧化而發(fā)生變粘變脆，這種現(xiàn)象稱為橡膠的老化。防老化劑可防止橡膠的氧化，延長(zhǎng)老化過(guò)程，增加使用壽命。常用的防老化劑有苯胺等。（6）著色劑著色劑能使橡膠制品具有各種不同的顏色，有銻紅、鉻綠、絡(luò)青等顏料。第三十六頁(yè)，共95頁(yè)。2.工業(yè)橡膠的性能

l)高彈性

高彈性是橡膠性能的主要特征。橡膠彈性模量低，一般在1～9.8MPa(而塑料可高至200OMPa)，回彈性能特別好，承受外力后，立即產(chǎn)生很大的變形，伸長(zhǎng)率可達(dá)100%～1000%，外力除去后又很快恢復(fù)原狀，并能在很寬的溫度（-50～50oC）范圍內(nèi)保持彈性。

第三十七頁(yè)，共95頁(yè)。2）粘彈性

橡膠是粘彈性體。產(chǎn)生形變時(shí)受時(shí)間、溫度等條件的影響，表現(xiàn)有明顯的應(yīng)力松弛和蠕變現(xiàn)象。在振動(dòng)或交變應(yīng)力等周期作用下，產(chǎn)生滯后損失。3）可塑性

可塑性是指在一定溫度和壓力下發(fā)生塑性變形，外力去除后能夠保持所產(chǎn)生的變形的能力。橡膠在加工過(guò)程中如彈性太大，塑性變形困難，加工成形就困難，為了提高加工性，則需適當(dāng)降低彈性而增加可塑性，因此必須通過(guò)塑煉提高其可塑性。

第三十八頁(yè)，共95頁(yè)。4)機(jī)械強(qiáng)度

機(jī)械強(qiáng)度是決定橡膠制品使用壽命的重要因素。工業(yè)生產(chǎn)中常以抗撕裂強(qiáng)度(或拉伸強(qiáng)度)及定伸強(qiáng)度表示?？顾毫褟?qiáng)度與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般線型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度高，分子量大的強(qiáng)度高。定伸強(qiáng)度是指在一定伸長(zhǎng)率的情況下而產(chǎn)生彈性變形所需應(yīng)力大小，分子量愈大，強(qiáng)度也愈高。定伸強(qiáng)度大，說(shuō)明該橡膠不容易產(chǎn)生彈性變形。

第三十九頁(yè)，共95頁(yè)。5)耐磨性

耐磨性即橡膠抵抗磨損的能力。橡膠強(qiáng)度愈高，磨損量愈少，耐磨性也愈好。

6）具有電絕緣性

7）具有緩沖減震作用

橡膠對(duì)聲音及振動(dòng)的傳播有緩和作用，可利用這一特點(diǎn)來(lái)減弱噪音和振動(dòng)。第四十頁(yè)，共95頁(yè)。10.3.2工業(yè)橡膠的分類及應(yīng)用

1.工業(yè)橡膠的分類

橡膠品種很多，按其原料來(lái)源可分為天然橡膠和合成橡膠兩大類。按其用途可分為通用合成橡膠和特種橡膠，凡是性能與天然橡膠相同或相近，物理性能和加工性能較好，能廣泛用于輪胎和其它一般橡膠制品的橡膠稱為通用橡膠。凡是具有特殊性能，專供耐熱、耐寒、耐化學(xué)腐蝕、耐油、耐溶劑、耐輻射等特殊性能橡膠制品使用的稱為特種橡膠。應(yīng)指出，通用橡膠和特種橡膠之間并無(wú)嚴(yán)格的界限。如乙丙橡膠就兼具有上述兩方面的特點(diǎn)。第四十一頁(yè)，共95頁(yè)。種類名稱（代號(hào)）σb/MPaδ/%使用溫度t/℃回彈性耐磨性耐堿性耐酸性耐油性耐老化用途舉例通用橡膠天然橡膠（NR）17～35650～900-70～110好中好差差輪胎、膠帶、膠管丁苯橡膠（SBR）15～20500～600-50～140中好中差差好輪胎、膠板、膠布、膠帶、膠管順丁橡膠（BR）18～25450～800-70～120好好好差差好輪胎、v帶、耐寒運(yùn)輸帶、絕緣件氯丁橡膠（CR）25～27800～1000-35～130中中好中好好電線(纜)包皮，耐燃膠帶、膠管，汽車門(mén)窗嵌條，油罐襯里丁腈橡膠（NBR）15～30300～800-35～175中中中中好中耐油密封圈、輸油管、油槽襯特種橡膠聚氨酯橡膠（UR）20～35300～800-30～80中好差差好耐磨件、實(shí)心輪胎、膠輥氟橡膠（FPM）20～22100～500-50～300中中好好好好高級(jí)密封件，高耐蝕件，高真空橡膠件硅橡膠4～1050～500-100～300差差好中差好耐高、低溫制品和絕緣件第四十二頁(yè)，共95頁(yè)。10.4工業(yè)陶瓷

陶瓷是由天然或人工合成的粉狀礦物原料和化工原料組成,經(jīng)過(guò)成形和高溫?zé)Y(jié)制成的,由金屬和非金屬元素構(gòu)成化合物反應(yīng)生成的多晶體相固體材料。10.4.1陶瓷的組織結(jié)構(gòu)及性能

1．陶瓷的組織結(jié)構(gòu)

普通陶瓷的典型組織是由晶體相、玻璃相和氣體相組成的。特種陶瓷的原料純度高，組織比較單一。如含Al203在95%以上氧化鋁陶瓷，其組織主要由Al203晶體和少量氣體相組成。

第四十三頁(yè)，共95頁(yè)。2．陶瓷的性能

1）陶瓷的力學(xué)性能

陶瓷的彈性模量E一般都較高，極不容易變形。有的先進(jìn)陶瓷有很好的彈性，可以制作成陶瓷彈簧。陶瓷的硬度很高，絕大多數(shù)陶瓷的硬度遠(yuǎn)高于金屬。陶瓷的耐磨性好，是制造各種特殊要求的易損零、部件的好材料。例如用碳化硅陶瓷制造的各種泵類的機(jī)械密封環(huán)，壽命很長(zhǎng)，可以用到整臺(tái)機(jī)器報(bào)廢為止。陶瓷的抗拉強(qiáng)度低，但抗彎強(qiáng)度較高，抗壓強(qiáng)度更高，一般比抗拉強(qiáng)度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

第四十四頁(yè)，共95頁(yè)。陶瓷材料一般具有優(yōu)于金屬的高溫強(qiáng)度，在1000oC以上的高溫下陶瓷仍能保持其室溫下的強(qiáng)度，而且高溫抗蠕變能力強(qiáng)，是工程上常用的耐高溫材料。傳統(tǒng)陶瓷在室溫幾乎沒(méi)有塑性。近年來(lái)還發(fā)現(xiàn)一些陶瓷具有超塑性，斷裂前的應(yīng)變可達(dá)到300％左右。傳統(tǒng)陶瓷的韌性低、脆性大。而許多先進(jìn)陶瓷材料則是既堅(jiān)且韌，如增韌氧化鋯瓷就非常堅(jiān)韌。第四十五頁(yè)，共95頁(yè)。2）陶瓷的物理性能

①熱性能

陶瓷的線膨脹系數(shù)較小，比金屬低得多；陶瓷的熱傳導(dǎo)主要靠原子的熱振動(dòng)來(lái)完成的，不同陶瓷材料的導(dǎo)熱性能不同，有的是良好的絕熱材料，有的則是良好的導(dǎo)熱材料，如氮化硼和碳化硅陶瓷。

熱穩(wěn)定性陶瓷材料在溫度急劇變化時(shí)具有抵抗破壞的能力。熱膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱性差、韌性低的材料熱穩(wěn)定性不高。多數(shù)陶瓷的導(dǎo)熱性差、韌性低，故熱穩(wěn)定性差。但也有些陶瓷具有高的熱穩(wěn)定性，如碳化硅等。

第四十六頁(yè)，共95頁(yè)。②導(dǎo)電性

多數(shù)陶瓷具有良好的絕緣性能，但有些陶瓷具有一定的導(dǎo)電性，如壓電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷等。③光學(xué)特性

陶瓷一般是不透明的，隨著科技發(fā)展，目前已研制出了如制造固體激光器材料，光導(dǎo)纖維材料、光存儲(chǔ)材料等陶瓷新品種第四十七頁(yè)，共95頁(yè)。3）陶瓷的化學(xué)性能

陶瓷的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，通常情況下不可能同介質(zhì)中的氧發(fā)生反應(yīng)，不但室溫下不會(huì)氧化，即使1000oC以上的高溫也不會(huì)氧化，并且對(duì)酸、堿、鹽等的腐蝕有較強(qiáng)的抵抗能力，也能抵抗熔融金屬(如鋁、銅等)的侵蝕。第四十八頁(yè)，共95頁(yè)。10.4.2陶瓷的分類及應(yīng)用

陶瓷按組成可分為硅酸鹽陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷(氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和復(fù)合陶瓷)；按性能可分為普通陶瓷(如日用陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷等)和特種陶瓷(如結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷)；按用途可分為日用瓷、藝術(shù)瓷、建筑瓷、工程陶瓷等。第四十九頁(yè)，共95頁(yè)。

1．普通陶瓷質(zhì)地堅(jiān)硬、不氧化、不導(dǎo)電、耐腐蝕、成本低，加工成形性好。強(qiáng)度低，使用溫度為1200℃。廣泛用于電氣、化工、建筑和紡織行業(yè)。例如：受力不大，在酸、堿中工作的容器、反應(yīng)塔、管道；絕緣件；要求光潔、耐磨、低速、受力小的導(dǎo)紗零件。2．氧化鋁陶瓷主要成分是A12O3。強(qiáng)度比普通陶瓷高2～6倍，硬度高(僅低于金剛石)；耐高溫（陶瓷可在1600℃時(shí)長(zhǎng)期使用，空氣中使用溫度最高為1980℃），高溫蠕變小；耐酸、堿和化學(xué)藥品腐蝕，絕緣性好。脆性大，不能承受沖擊。用于制作高溫容器(如坩堝)，內(nèi)燃機(jī)火花塞；切削高硬度、大工件、精密件的刀具；耐磨件(如拉絲模)；化工、石油用泵的密封環(huán)；高溫軸承；紡織機(jī)用高速導(dǎo)紗零件等。第五十頁(yè)，共95頁(yè)。3．氮化硅陶瓷這類陶瓷化學(xué)穩(wěn)定性好，除氫氟酸外，可耐無(wú)機(jī)酸(鹽酸、硝酸、硫酸、磷酸、王水)和堿液腐蝕；抗熔融非鐵金屬侵蝕，硬度高，摩擦系數(shù)小，耐磨性好；絕緣性；熱膨脹系數(shù)小，抗高溫蠕變性高于其他陶瓷；最高使用溫度低于氧化鋁陶瓷。用于制作高溫軸承，熱電偶套管，泵和閥的密封件，切削高硬度材料的刀具。例如，農(nóng)用泵因泥砂多，要求密封件耐磨，原來(lái)用鑄造錫青銅作密封件與9Crl8對(duì)磨，壽命低，現(xiàn)用氮化硅陶瓷與9Crl8對(duì)磨，使用8400h，磨損仍很小。

第五十一頁(yè)，共95頁(yè)。4．碳化硅陶瓷這類陶瓷高溫強(qiáng)度大，抗彎強(qiáng)度在1400℃仍保持500～600MPa，熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)，有良好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐蝕性和抗蠕變性。用于制作工作溫度高于1500℃的結(jié)構(gòu)件，如火箭尾噴管的噴嘴，澆注金屬的澆口杯，熱電偶套管、爐管，汽輪機(jī)葉片，高溫軸承，泵的密封圈。5．氮化硼陶瓷這類陶瓷有良好的高溫絕緣性(2000℃時(shí)仍絕緣)、耐熱性、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、潤(rùn)滑性，能抗多數(shù)熔融金屬侵蝕，硬度低，可進(jìn)行切削加工。用于制作熱電偶套管，坩堝，導(dǎo)體散熱絕緣件，高溫容器、管道、軸承，玻璃制品的成形模具。第五十二頁(yè)，共95頁(yè)。10.5復(fù)合材料

10.5.1復(fù)合材料的定義、分類和性能

1．復(fù)合材料定義

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的組分材料通過(guò)適當(dāng)?shù)闹苽涔に噺?fù)合在一起的新材料，其既保留原組分材料的特性，又具有原單一組分材料所無(wú)法獲得的或更優(yōu)異的特性。

第五十三頁(yè)，共95頁(yè)。從理論上說(shuō)，金屬材料、陶瓷材料或高分子材料相互之間或同種材料之間均可復(fù)合形成新的復(fù)合材料。事實(shí)上也是如此，如在高分子材料/高分子材料、陶瓷材料/高分子材料、金屬材料/高分子材料、金屬材料/金屬材料、陶瓷材料/金屬材料、陶瓷材料/陶瓷材料之間的復(fù)合都已獲得許多種高性能新型復(fù)合材料。復(fù)合材料通常由基體材料和增強(qiáng)材料兩部分組成，基體一般選用強(qiáng)度韌性好的材料，如聚合物、橡膠、金屬等，而增強(qiáng)材料則選用高強(qiáng)度、高彈性模量的材料，如玻璃纖維、碳纖維和硼纖維等。第五十四頁(yè)，共95頁(yè)。2．復(fù)合材料命名

根據(jù)基體材料和增強(qiáng)材料命名，復(fù)合材料的命名一般有以下三種情況:

（1）強(qiáng)調(diào)基體時(shí)則以基體材料的名稱為主，如樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等。

（2）強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體時(shí)則以增強(qiáng)體材料的名稱為主，如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。

第五十五頁(yè)，共95頁(yè)。（3）基體材料名稱與增強(qiáng)體材料名稱并用，習(xí)慣上把增強(qiáng)體材料的名稱放在前面，基體材料的名稱放在后面，如碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。

國(guó)外還常用英文編號(hào)來(lái)表示，如MMC(MetalMatrixComposite)表示金屬基復(fù)合材料，F(xiàn)RP(FiberReinforcedPlastics)表示纖維增強(qiáng)塑料。第五十六頁(yè)，共95頁(yè)。4．復(fù)合材料的性能

1）比強(qiáng)度和比模量大

復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）與比模量（彈性模量/密度）高，比強(qiáng)度和比模量是度量材料承載能力的一個(gè)指標(biāo)，比強(qiáng)度愈高，同一零件的自重愈小；比模量愈高，零件的剛度愈大。因此，這些特性為某些要求自重輕和剛度好的零件提供了理想的材料。第五十七頁(yè)，共95頁(yè)。2）抗疲勞性能好

多數(shù)金屬的疲勞極限是抗拉強(qiáng)度的40%～50%，而碳纖維聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料則可達(dá)70%～80%3）耐熱性高

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料的耐熱性比樹(shù)脂基體有明顯提高，而金屬基復(fù)合材料在耐熱性方面更顯示出其優(yōu)越性，碳化硅纖維、氧化鋁纖維與陶瓷復(fù)合，在空氣中能耐1200oC～1400oC高溫，要比所有超高溫合金的耐熱性高出100oC以上。用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，使用溫度可高達(dá)1370oC

第五十八頁(yè)，共95頁(yè)。4）減振性能好

結(jié)構(gòu)的自振頻率除與結(jié)構(gòu)本身形狀有關(guān)外，還與材料的比模量的平方根成正比。高的自振頻率避免了工作狀態(tài)下共振而引起的早期破壞。而且復(fù)合材料中纖維與基體界面具有吸振能力，因此其振動(dòng)阻尼很高。5）高韌性和抗熱沖擊性，在PMC和CMC中尤為重要；第五十九頁(yè)，共95頁(yè)。6）絕緣、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性

玻璃纖維增強(qiáng)塑料是一種優(yōu)良的電氣絕緣材料，用于制造儀表、電機(jī)與電器中的絕緣零部件，這種材料還不受電磁作用，不反射無(wú)線電波，微波透過(guò)性良好，還具有耐燒蝕性、耐輻照性，可用于制造飛機(jī)、導(dǎo)彈和地面雷達(dá)罩。金屬基復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，可以使局部的高溫?zé)嵩春图须姾珊芸鞌U(kuò)散消失，有利于解決熱氣流沖擊和雷擊問(wèn)題。

第六十頁(yè)，共95頁(yè)。7）耐燒蝕性、耐磨損8）特殊的光、電、磁性能等。

復(fù)合材料除具有上述性能外，還具有可設(shè)計(jì)性，可以根據(jù)對(duì)材料的性能要求，在基體、增強(qiáng)材料的類型和含量上進(jìn)行選擇，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹苽渑c加工。在制品制造時(shí)，復(fù)合材料還適合一次整體成形，具備良好的加工性能。第六十一頁(yè)，共95頁(yè)。10.5.2復(fù)合材料的應(yīng)用

復(fù)合材料的基體可以是聚合物（樹(shù)脂）、金屬材料和無(wú)機(jī)非金屬材料，增強(qiáng)材料可以是各類纖維、晶須和顆粒。為了便于介紹，以下主要介紹幾種已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的各類典型復(fù)合材料。

1.聚合物基復(fù)合材料

在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中發(fā)展最早、研究最多、應(yīng)用最廣和用量最大的是聚合物基復(fù)合材料（PMC）。第六十二頁(yè)，共95頁(yè)。眾所周知，現(xiàn)代復(fù)合材料就是以20世紀(jì)40年代玻璃纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）的出現(xiàn)為標(biāo)志。經(jīng)過(guò)60余年的發(fā)展，已經(jīng)研究開(kāi)發(fā)出了具有各種優(yōu)異性能及應(yīng)用的聚合物基復(fù)合材料，包括玻璃纖維增強(qiáng)、碳纖維增強(qiáng)、芳綸纖維、硼纖維、碳化硅纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料。其中為了獲得更高比強(qiáng)度、比模量的復(fù)合材料，除主要用于玻璃鋼的酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂和聚酯外，研究與開(kāi)發(fā)了許多具有耐熱性好的基體樹(shù)脂，如聚酰亞胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚砜（PES）和聚醚醚酮（PEEK）等熱塑性樹(shù)脂第六十三頁(yè)，共95頁(yè)。1）玻璃鋼（玻璃纖維增強(qiáng)塑料，GFRP）

GFRP是一類采用玻璃纖維增強(qiáng)以酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂等熱固性樹(shù)脂以及聚酰胺、聚丙烯等熱塑性樹(shù)脂為基體的聚合物基復(fù)合材料。GFRP是物美價(jià)廉的復(fù)合材料。

GFRP的突出特點(diǎn)是密度低、比強(qiáng)度高。其密度為1.6～2.0g/cm3，比輕金屬鋁還低；而比強(qiáng)度要比最高強(qiáng)度的合金鋼還高3倍，“玻璃鋼”的名稱就是由此而來(lái)。

第六十四頁(yè)，共95頁(yè)。因此，玻璃鋼在需要輕質(zhì)高強(qiáng)材料的航空航天工業(yè)首先得到廣泛應(yīng)用，在波音B-747飛機(jī)的機(jī)內(nèi)、外結(jié)構(gòu)件中玻璃鋼的使用面積達(dá)到了2700m2，如雷達(dá)罩、機(jī)艙門(mén)、燃料箱、行李架和地板等。由于火箭結(jié)構(gòu)材料不但要求具有高比強(qiáng)度和比模量，而且還要求材料的耐燒蝕性能，玻璃鋼用于航天工業(yè)中做火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、噴管。

在現(xiàn)代汽車工業(yè)中為了減輕自重、降低油耗，玻璃鋼也得到了大量應(yīng)用，如汽車車身、保險(xiǎn)杠、車門(mén)、擋泥板、燈罩以及內(nèi)部裝飾件等。第六十五頁(yè)，共95頁(yè)。除了比強(qiáng)度高外，玻璃鋼還具有良好的耐腐蝕性能，在酸、堿、海水，甚至有機(jī)溶劑等介質(zhì)中都很穩(wěn)定，耐腐蝕性超過(guò)了不銹鋼。因此，在石油化工工業(yè)中玻璃鋼得到了廣泛應(yīng)用，如玻璃鋼制成的貯罐、容器、管道、洗滌器、冷卻塔等。值得一提的是采用玻璃鋼制作的體育用品也越來(lái)越多，大到快艇、帆船、滑雪車，小到自行車賽車、滑雪板等，應(yīng)有盡有。此外，玻璃鋼具有透光、隔熱、隔音和防腐等性能，因而可作為輕質(zhì)建筑材料，如用于建筑工程的各種玻璃鋼型材，這是玻璃鋼應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。第六十六頁(yè)，共95頁(yè)。2）碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（CFRP）

在要求高模量的結(jié)構(gòu)件中，往往采用高模量的纖維，如碳纖維、B纖維或SiC纖維等增強(qiáng)。其中應(yīng)用最廣泛的是碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料（CFRP）。CFRP密度更低，具有比玻璃鋼更高的比強(qiáng)度和比模量，比強(qiáng)度是高強(qiáng)度鋼和鈦合金的5～6倍，是玻璃鋼的2倍，比模量是這些材料的3～4倍。第六十七頁(yè)，共95頁(yè)。因此CFRP應(yīng)用在航天工業(yè)中，如航天飛機(jī)有效載荷門(mén)、副翼、垂直尾翼、主起落架門(mén)、內(nèi)部壓力容器等，使航天飛機(jī)減重達(dá)2噸之多。此外在空間站大型結(jié)構(gòu)桁架及太陽(yáng)能電池支架也采用CFRP。在航空工業(yè)，CFRP首先在軍用飛機(jī)中得到應(yīng)用，如美國(guó)F-14、F-16、F-18上主翼外殼、后翼、水平和垂直尾翼等，軍用直升飛機(jī)主旋翼和機(jī)身等?，F(xiàn)在甚至在研究全機(jī)身CFRP的戰(zhàn)斗機(jī)。同樣，在民用飛機(jī)中也在大量采用CFRP，如波音B-757、B-777上的阻流板、方向舵、升降舵、內(nèi)外副翼等（見(jiàn)圖5-14）第六十八頁(yè)，共95頁(yè)。由于碳纖維的價(jià)格高，CFRP主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。但隨著碳纖維的研究開(kāi)發(fā)工作的深入，碳纖維價(jià)格在不斷降低，因此在玻璃鋼應(yīng)用的一些領(lǐng)域也開(kāi)始采用更輕、更強(qiáng)和剛度更好的CFRP。如體育用品中的網(wǎng)球拍、高爾夫球桿、釣魚(yú)桿，F(xiàn)-1方程式賽車車身。同樣，為減輕車體重量，降低油耗，提高車速，汽車的部分部件也開(kāi)始采用CFRP。甚至在大型混凝土結(jié)構(gòu)遭受一定的破壞后（如地震），用CFRP片材進(jìn)行修復(fù)，可節(jié)省大量資金。第六十九頁(yè)，共95頁(yè)。2．鋁基復(fù)合材料（AluminumMatrixComposites）

聚合物基復(fù)合材料具有很多特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域也廣泛，但其樹(shù)脂基體的耐熱性較差（最高使用溫度為350℃），限制了聚合物基復(fù)合材料在高溫下的使用。因此用可耐高溫的金屬基體替代樹(shù)脂基體，再用各種纖維、晶須或顆粒去增強(qiáng)，開(kāi)發(fā)出了各種耐高溫、高比強(qiáng)度和比模量的金屬基復(fù)合材料（MetalMatrixComposites、簡(jiǎn)稱MMC）。

第七十頁(yè)，共95頁(yè)。MMC的金屬基體大多是屬于密度低的輕金屬，如鋁、鎂、鈦等，只有作為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料才考慮密度較大的鎳和鈷基高溫合金等。因此，MMC以基體來(lái)分類可分為：鋁基、鈦基、鎂基和高溫合金基復(fù)合材料。除高比強(qiáng)度、比模量外，MMC還保留有金屬材料的優(yōu)點(diǎn)，具有高韌性、耐熱沖擊、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能好，并可和金屬材料一樣進(jìn)行熱處理和其它加工來(lái)進(jìn)一步提高性能。第七十一頁(yè)，共95頁(yè)。MMC中應(yīng)用最廣的是鋁基MMC。鋁及鋁合金是廣泛應(yīng)用于航空航天、電力、石油、建筑和汽車工業(yè)的結(jié)構(gòu)件。但鋁及鋁合金相對(duì)強(qiáng)度和模量低，如能提高其比強(qiáng)度和比模量，可以進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)件的重量，這在航空航天和汽車工業(yè)中具有十分重要意義。因此在MMC的研究與開(kāi)發(fā)中，鋁基MMC占有十分重要的位置，應(yīng)用最為廣泛。

第七十二頁(yè)，共95頁(yè)。鋁基復(fù)合材料是當(dāng)前使用最廣泛、應(yīng)用最早、品種和規(guī)格最多的一種MMC。早在20世紀(jì)60年代末，美國(guó)NASA就把硼纖維增強(qiáng)鋁作為結(jié)構(gòu)材料用于航天飛機(jī)主艙體的龍骨桁架和支柱，既增加了強(qiáng)度和模量，還降低了結(jié)構(gòu)重量。由于硼纖維價(jià)格昂貴，硼纖維增強(qiáng)MMC主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)件。隨著碳纖維、碳化硅纖維等增強(qiáng)材料的開(kāi)發(fā)，降低了MMC的成本，鋁基MMC已用于空間站結(jié)構(gòu)材料如主結(jié)構(gòu)支架等，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件如發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片、尾翼等。第七十三頁(yè)，共95頁(yè)。短纖維、晶須和顆粒增強(qiáng)材料在MMC的應(yīng)用以及MMC新的制備技術(shù)開(kāi)發(fā)，降低了成本，擴(kuò)大了鋁基MMC在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，最明顯的是在汽車工業(yè)中的應(yīng)用。由于Al2O3顆?；蚨汤w維、SiC顆粒或晶須、B4C顆粒增強(qiáng)的鋁基MMC具有良好的高溫力學(xué)性能、導(dǎo)熱性和耐磨性，因此可制成汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸套、活塞（活塞環(huán)）、連桿以及制動(dòng)器的剎車盤(pán)、剎車襯片等。同樣，鋁基MMC也已經(jīng)用于體育用品，如自行車賽車車架，棒球擊球桿等。第七十四頁(yè)，共95頁(yè)。3．陶瓷基復(fù)合材料（CMC）

陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高模量、高硬度以及耐高溫、耐腐蝕等許多優(yōu)良的性能。但陶瓷的特有的脆性、抗熱震性能差、以及對(duì)裂紋、空隙等缺陷很敏感，又限制了其在工程領(lǐng)域作為結(jié)構(gòu)材料的廣泛使用。因此采用纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)增韌提高陶瓷材料的韌性，提高其使用的可靠性，成為復(fù)合材料研究的重要方面。

第七十五頁(yè)，共95頁(yè)。目前CMC的基體主要有玻璃陶瓷（如鋰鋁硅玻璃、硼硅玻璃）和氧化鋁、碳化硅、氮化硅等，采用的增強(qiáng)材料有碳化硅纖維、碳纖維，碳化硅晶須、碳化硅顆粒、氧化鋁顆粒等。典型的CMC有SiCf/SiC、Cf/SiC、SiCw/Al2O3、SiCw/Si3N4、SiCp/Al2O3、SiCp/Si3N4以及氧化鋯增韌氧化鋁等。第七十六頁(yè)，共95頁(yè)。從增韌效果來(lái)看，纖維增韌效果最佳，如碳纖維增韌氮化硅（Cf/Si3N4）的斷裂韌度由基體的3.7MPa.m1/2提高為近16MPa.m1/2，Cf/SiC和SiCf/SiC的斷裂韌度甚至達(dá)30MPa.m1/2，比基體韌性提高6～7倍。而晶須和顆粒增韌的CMC雖然不如纖維增韌，但與陶瓷基體相比仍有較大提高，同時(shí)強(qiáng)度和模量也有較大提高。第七十七頁(yè)，共95頁(yè)。CMC具有高硬度、耐腐蝕性和耐磨性，如SiCw/Al2O3和SiCw/Si3N4等CMC已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代高速數(shù)控機(jī)床中的高速以及加工高硬度材料的切削刀具。圖5-17為顆粒增強(qiáng)氮化硅制成的復(fù)合材料刀具，可以切削高硬度（HRC60以上）的高鉻鑄鐵。同樣，CMC還制成耐磨耐蝕件如拔絲模具、耐蝕密封閥、化工泵等。

CMC的最大特點(diǎn)是其高溫強(qiáng)度和模量、其最大的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，如發(fā)動(dòng)機(jī)的各種高溫結(jié)構(gòu)件葉片、燃燒室等和導(dǎo)彈的鼻錐、火箭噴管。

此外，CMC可以制作人工關(guān)節(jié)等，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到應(yīng)用。第七十八頁(yè)，共95頁(yè)。5.碳/碳復(fù)合材料（C/C）

碳/碳復(fù)合材料（C/C）是由碳纖維及其制品（碳?xì)?、碳布等）增?qiáng)的碳基復(fù)合材料。一般C/C是由碳纖維及其制品作為預(yù)制體，通過(guò)化學(xué)氣體相沉積法（CVD）或液態(tài)樹(shù)脂、瀝青浸漬碳化法獲得C/C的基體碳來(lái)制備的。

第七十九頁(yè)，共95頁(yè)。C/C的組成只有一個(gè)元素－碳，因此具有碳和石墨材料所特有的優(yōu)點(diǎn)如低密度和優(yōu)異熱性能如耐燒蝕性、抗熱震性、高導(dǎo)熱性和低膨脹系數(shù)等，同時(shí)還具有復(fù)合材料的高強(qiáng)度、高模量等特點(diǎn)。

C/C首先在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。最初是作為耐燒蝕材料用于軍事工業(yè)的導(dǎo)彈彈頭和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等。另一軍事用途是作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、喉襯。此外，在航天領(lǐng)域中采用C/C作為航天飛機(jī)的鼻錐、機(jī)翼前緣,因?yàn)楹教祜w機(jī)再入大氣層時(shí)，這些部位需要經(jīng)受近2000℃的高溫。

第八十頁(yè)，共95頁(yè)。C/C的另一重要性能是其優(yōu)異的摩擦磨損性能。C/C復(fù)合材料高溫摩擦?xí)r能大量吸收能量（820～1050KJ/KgC/C），在高速、高能量條件下的摩擦升溫高達(dá)1000℃以上，其摩擦性能仍然保持平穩(wěn)，而且磨損量很低，這是其它摩擦材料所不具有的。正因如此，C/C作為軍用和民用飛機(jī)的剎車盤(pán)材料得到廣泛的應(yīng)用，圖5-20為空中客車A320的C/C剎車裝置。目前60～70％的C/C主要用于摩擦材料，包括飛機(jī)剎車盤(pán)、F-1賽車、高速列車的剎車制動(dòng)材料。第八十一頁(yè)，共95頁(yè)。C/C的另一用途是用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如人工心臟瓣膜、人工骨骼、人工牙根和人工髖關(guān)節(jié)等。C/C具有高溫性能和低密度特性，有可能成為工作溫度達(dá)1500～1700℃的航空發(fā)動(dòng)機(jī)理想輕質(zhì)材料。目前研究人員正在進(jìn)行C/C航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、整體渦輪盤(pán)及葉片的應(yīng)用研究。第八十二頁(yè)，共95頁(yè)。10.6納米材料

10.6.1納米材料的定義和特性

1.納米材料的定義

納米(nm)和米、微米等單位一樣，是一種長(zhǎng)度單位，一納米等于十的負(fù)九次方米，約比化學(xué)鍵長(zhǎng)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。納米科技是研究由尺寸在0.1～100nm之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題的科學(xué)技術(shù)。可衍生出納米電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)、加