工程材料及熱加工非金屬材料

工程材料及熱加工非金屬材料第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一一、有機(jī)高分子材料現(xiàn)代材料科學(xué)和工程的發(fā)展已進(jìn)入了人工合成材料新時期，而人工合成高分子材料則有了一個多世紀(jì)的發(fā)展歷史，因此其對材料的發(fā)展有著深刻而長遠(yuǎn)的影響。自1872年最早發(fā)現(xiàn)酚醛樹脂，并將其成功用于電氣和儀器儀表等工業(yè)中以來，高分子材料由于其獨(dú)特的性能特點(diǎn)而得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。到目前為止，已發(fā)展成塑料、橡膠、合成纖維三大合成結(jié)構(gòu)材料以及油漆，膠粘劑等組成的龐大的材料群體，其發(fā)展較傳統(tǒng)材料更為迅速，應(yīng)用更快，效率更高。第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一何為高分子材料呢？它是指以高分子化合物為主要成分的所有材料，而一般來說高分子化合物的分子量應(yīng)在1000以上，有的可達(dá)幾萬到幾十萬。實(shí)際上，高分子化合物應(yīng)包括作為生命和食物基礎(chǔ)的生物大分子（包括蛋白質(zhì)、DNA、生物纖維素、生物膠等）和工程聚合物兩大類，而工程聚合物又包括人工合成的（塑料、纖維和橡膠等）和天然的（橡膠、毛及纖維素等）材料。這里要講述的材料，主要包括大多數(shù)應(yīng)用于機(jī)械、電子、化工和建筑等工業(yè)中的人工合成塑料、橡膠和有機(jī)纖維等高分子材料。第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一高分子化合物的組成高分子化合物的分子量雖然很大，但其化學(xué)組成卻相對簡單。組成高分子化合物的元素主要是C、H、O、N、Si、S、P等少數(shù)幾種元素。所有的高分子卻是由一種或幾種簡單的結(jié)構(gòu)單元通過共價鍵連接并不斷重復(fù)而形成。以聚乙烯為例，它是由許多乙烯小分子連接起來形成大分子鏈其中只包含C和H兩種元素，即：nCH2=CH2→~CH2-CH2~CH2-CH2~CH2-CH2~→[CH2-CH2]n第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一高分子材料按性能和用途分類為塑料：在常溫下有一定形狀，強(qiáng)度較高，受力后能發(fā)生一定變形的聚合物。橡膠：在常溫下具有很高彈性，即受到很小載荷即可發(fā)生很大變形甚至達(dá)原長的十余倍，而去除外力后又可恢復(fù)原狀的聚合物。纖維：在室溫下材料的軸向強(qiáng)度很大，受力后變形很小，且在一定溫度范圍內(nèi)力學(xué)性能變化不大的聚合物。塑料、橡膠和纖維這三大合成材料之間其實(shí)也沒有嚴(yán)格的界限，嚴(yán)格區(qū)分也很難，有時同一種高分子化合物可用不同的方法加工成不同種類的產(chǎn)品。第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一3、塑料3.1塑料的組成工程上所用的塑料，其成分都是以各種各樣的樹脂為基礎(chǔ)可加入其他添加劑制成的。樹脂：是塑料的主要成分，它決定塑料的主要性能并且其他添加劑的加入及作用的發(fā)揮都是以樹脂為中心作用的，故絕大多數(shù)塑料都以相應(yīng)的樹脂來命名的。添加劑：是以改善材料的某種性能而加入的。添加劑的作用和類型主要包括：(1)改善塑料工藝性能：如增塑劑、固化劑、發(fā)泡劑和催化劑等。(2)改善使用性能：如增塑劑、穩(wěn)定劑、填料、滑潤劑、著色劑、阻燃劑、靜電劑等等。第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一1.2塑料的分類按熱性能分類熱塑性塑料：該類材料加熱后軟化或熔化，冷卻后硬化成型，且這一過程可反復(fù)進(jìn)行。常用的材料有：聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料等。(2)

熱固性塑料：材料成型后，受熱不變形軟化，但當(dāng)加熱至一定溫度則會分解。故只可一次成型或使用。如環(huán)氧樹脂等材料。第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一按使用性能分工程塑料：可用作工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械零件的一類塑料，它們一般有較好的穩(wěn)定的機(jī)械性能，耐熱耐蝕性較好，且尺寸穩(wěn)定性好。如ABS、尼龍、聚甲醛等。(2)

通用塑料：主要用于日常生活用品的塑料。其產(chǎn)量大，成本低，用途廣，占塑料總產(chǎn)量的3/4以上。(3)

特種塑料：具有某些特殊的物理化學(xué)性能的塑料如耐高溫，耐蝕，光學(xué)等性能塑料。其產(chǎn)量少，成本高，只用于特殊場合。如聚四氟乙烯（PTFE）的潤滑耐蝕和電絕緣性；有機(jī)硅樹脂的耐溫性（可在200~300℃長期使用）第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一

塑料原料通常的狀態(tài)可為粉末，顆?；蛞后w。使用這些狀態(tài)的原料，熱塑性塑料可以用注射、擠出、吹塑等工藝制成管、棒、板和不同厚度的薄膜，泡沫或其他各種狀態(tài)的零件；而熱固性塑料則可以用模壓、層壓、澆鑄等工藝制成層壓板、管、棒以及各種形狀的零件。第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一1.3常見工程塑料的性能特點(diǎn)和用途㈠聚烯烴塑料聚烯烴塑料的原料來源于石油天然氣，原料豐富，因此一直是塑料工業(yè)中產(chǎn)量最大的品種，用途也十分廣泛。聚乙烯（PE）：結(jié)構(gòu)最簡單的塑料聚乙烯塑料無嗅、無毒、化學(xué)穩(wěn)定性好、相對密度?。?.91~0.97），耐低溫、電絕緣性好。高壓聚乙烯質(zhì)軟，主要用于制造薄膜；低壓聚乙烯質(zhì)硬，可用于制造一些零件。聚乙烯產(chǎn)品缺點(diǎn)是：強(qiáng)度、剛度、硬度低；蠕變大，耐熱性差，且容易老化。但若通過輻射處理，使分子鏈間適當(dāng)交聯(lián)，其性能會得到一定的改善。第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一(2)聚氯乙烯（PVC）：全能的塑料是最早使用的塑料產(chǎn)品之一，應(yīng)用十分廣泛。它是由乙烯氣體和氯化氫合成氯乙烯再聚合而成。較高溫度的加工和使用時會有少量的分解，產(chǎn)物為氯化氫及氯乙烯（有毒），因此產(chǎn)品中常加入增塑劑和堿性穩(wěn)定劑抑制其分解。PVC使用溫度一般在－15~55℃。其突出的優(yōu)點(diǎn)是耐化學(xué)腐蝕，不燃燒且成本低，易于加工；但其耐熱性差，抗沖擊強(qiáng)度低，還有一定的毒性。當(dāng)然若用共聚和混合法改進(jìn)，也可制成用于食品和藥品包裝的無毒聚氯乙烯產(chǎn)品。包裝瓶、日用塑料薄膜、玩具、人造革、絕緣層、建筑材料。第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一(4)聚丙烯（PP）：最輕的塑料聚丙烯無毒、無味、相對密度小（0.9~0.91），是塑料中最輕的。其力學(xué)性能如強(qiáng)度、剛度、硬度、彈性模量等都優(yōu)于低壓聚乙烯（PE）；它還具有優(yōu)良的耐熱性，在無外力作用時，加熱至150℃不變形，因此它是常用塑料中唯一能經(jīng)受高溫消毒的產(chǎn)品（微波爐餐具，醫(yī)療）；還有優(yōu)秀的電絕緣性。其主要的缺點(diǎn)是：粘合性、染色性和印刷性差；低溫易脆化、易燃，且在光熱作用下易變質(zhì)。PP具有好的綜合機(jī)械性能，故常用來制各種機(jī)械零件、化工管道（復(fù)合水管）、容器；其無毒及可消毒性，可用于藥品的包裝。第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一(3)聚苯乙烯（PS）：最鮮艷的塑料該類塑料的產(chǎn)量僅次于上述兩者（PE、PVC）。PS是一種無色透明的塑料，具有良好的加工性能；其薄膜有優(yōu)良的電絕緣性，常用于電器零件；其發(fā)泡材料相對密度低達(dá)0.33，是良好的隔音、隔熱和防震材料，廣泛用于儀器包裝和隔熱。其中還可加入各種顏色的填料制成色彩鮮艷的制品，用于制造玩具及日常用品。白色污染聚苯乙烯的最大缺點(diǎn)是脆性大、耐熱性差，但常將聚苯乙烯與丁二烯（家電）、丙烯腈、異丁烯、氯乙烯等共聚使用，使材料的沖擊性能、耐熱耐蝕性大大提高，而可用于耐油的機(jī)械零件、儀表盤、罩、接線盒和開關(guān)按鈕等。第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一㈡ABS塑料：抗沖擊強(qiáng)度優(yōu)良的塑料ABS塑料是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三種組元共聚而成，三組元單體可以任意比例混合。由于ABS為三元共聚物，丙烯腈使材料耐蝕性和硬度提高，丁二烯提高其柔順性，而苯乙烯則使具有良好的熱塑性加工性，因此ABS是“堅韌、質(zhì)硬且剛性”的材料，是最早被人類認(rèn)識和使用的“高分子合金”。ABS由于其低的成本和良好的綜合性能，且易于加工成型和電鍍防護(hù)，因此在機(jī)械，電器和汽車等工業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。例如：電視機(jī)、洗衣機(jī)等家電的外殼。第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一㈢聚酰胺(PA)：聚酰胺的商品名稱是尼龍或綿綸，是目前機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛的一種工程熱塑性塑料。尼龍的品種很多，其中尼龍1010是我國獨(dú)創(chuàng)，使用原料是蓖麻油。聚酰胺無嗅無毒、機(jī)械強(qiáng)度高，耐磨，自潤滑性好，而且耐油耐蝕消音減震，已大量用于制造小型零件，代替有色金屬及其合金；芳香尼龍具有良好的耐磨耐熱耐輻射性和電絕緣性，在95%相對濕度下不受影響，而且可在200℃長期工作使用，可用于制造高溫下工作的耐磨零件，H級絕緣材料及宇宙服等。尼龍66做板刷，尼龍1010做牙刷絲大多數(shù)尼龍易吸水，導(dǎo)致性能和尺寸的改變，這在使用時應(yīng)予以注意第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一㈣聚甲醛(POM)POM，性能比尼龍好，是一種非常堅韌、耐磨的塑料，有很優(yōu)異的耐沖擊性和抗疲勞性，經(jīng)處理后，強(qiáng)度與鋼材相當(dāng)，直徑3mm的細(xì)絲可以承受10T的拉力。摩擦系數(shù)小，具有自潤滑的作用。但熱穩(wěn)定性和耐候性差、大氣中易老化、遇火燃燒。但目前仍廣泛用于汽車、機(jī)床、化工、儀表等工業(yè)中。第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一㈤聚碳酸酯（PC）PC是一種新型熱塑性塑料，品種較多。工程上用的是芳香族聚碳酸酯，產(chǎn)量僅次于尼龍。PC是一種韌而剛的塑料，強(qiáng)度高，成型收縮率低，尺寸穩(wěn)定，因此制件尺寸精度高。適用于制備精密儀器中的零件，廣泛用于機(jī)械、儀表、電訊、交通、航空、照明和醫(yī)療機(jī)械等工業(yè)。如波音747飛機(jī)上有2500個零件要用到聚碳酸酯。。PC的透明度高，成型收縮小，可制備飛機(jī)風(fēng)擋、CD。第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一㈥有機(jī)玻璃（PMMA）：不會碎的玻璃有機(jī)玻璃的化學(xué)名稱為：聚甲基丙烯酸甲酯，是目前最好的透明有機(jī)物，透光率達(dá)92%（85%），超過了普通玻璃。（光纜，光盤）力學(xué)性能好σb可達(dá)(60~70)MPa，沖擊韌性比普通玻璃高(7~8)倍（厚度為3~6mm時），不易破碎，耐紫外線和防老化性能好，同時密度低（1.18）易于加工成型。但其硬度低，耐磨擦性，耐有機(jī)溶劑腐蝕性，耐熱性，導(dǎo)熱性差，使用溫度不能超過180℃。主要用于制造各種窗體，罩及光學(xué)鏡片和防彈玻璃等零部件。第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一㈦聚四氟乙烯PTFEPTFE是含氟塑料的一種，具有極好的耐高低溫性和耐磨蝕等性能。PTFE幾乎不受任何化學(xué)藥品的腐蝕，即使在高溫下在強(qiáng)酸強(qiáng)堿及強(qiáng)氧化環(huán)境中也都穩(wěn)定，故有“塑料王”之稱；其熔點(diǎn)為327℃，能在(－195~+250)℃范圍內(nèi)保持性能的長期穩(wěn)定性；其摩擦系數(shù)小，只有0.04，具有極好的自潤滑；且具有憎水憎油和不粘性；在極潮濕的環(huán)境中也保持良好的電絕緣性。但其強(qiáng)度硬度較低，冷流性大，加工成型性較差，只能用冷壓燒結(jié)方法成型。在高于390℃時分解出劇毒氣體，應(yīng)予注意。PTFE的優(yōu)良性能使其在電子，國防，涂料、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一㈧熱固性塑料熱固性塑料是樹脂經(jīng)固化處理后獲得的。所謂固化處理就是樹脂中加入固化劑并壓制成型，使其由線型聚合物變?yōu)轶w型聚合物的過程。用得最多的熱固性塑料主要是酚醛塑料和環(huán)氧塑料。酚醛塑料有優(yōu)異的耐熱、絕緣、化學(xué)穩(wěn)定和尺寸穩(wěn)定性，較高的強(qiáng)度硬度和耐磨性，其抗蠕變性能優(yōu)于許多熱塑性工程塑料，廣泛用于機(jī)械電子、航空、船舶工業(yè)和儀表工業(yè)中，如高頻絕緣件、耐酸耐堿耐霉菌件及水潤滑軸承；其缺點(diǎn)是質(zhì)脆、耐光性差、色彩單調(diào)（只能制成棕黑色）。環(huán)氧塑料強(qiáng)度高，且耐熱性耐腐蝕性及加工成型性優(yōu)良，對很多材料有好的膠接性能，主要用于制作塑料模，電氣、電子元件和線圈的密封和固定等領(lǐng)域，還可用于修復(fù)機(jī)件；但其價格昂貴。常用的還有氨基塑料如脲醛塑料和三聚氰胺塑料等；有機(jī)硅塑料及聚氨脂塑料等。第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2、橡膠橡膠是以高分子化合物為基礎(chǔ)的具有顯著高彈性的材料，它與塑料的區(qū)別是在（－50~150℃）很寬的溫度范圍內(nèi)處于高彈態(tài)，保持明顯的高彈性。2.1橡膠的組成工業(yè)用橡膠是由生膠（或純橡膠）和橡膠配合劑組成。生膠（或純橡膠）是橡膠制品的主要成分，也是形成橡膠特性的主要原因，其來源可以是合成的也可是天然的，但生膠性能隨溫度和環(huán)境變化很大，如高溫發(fā)粘，低溫變脆且極易為溶劑溶解，因此必須加入各種不同的橡膠配合劑，以提高橡膠制品的使用性能和加工工藝性能。橡膠中常加入的配合劑有硫化劑、硫化促進(jìn)劑、防老劑、填充劑、發(fā)泡劑和著色劑、補(bǔ)強(qiáng)劑等。第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2.2橡膠的性能特點(diǎn)橡膠的最大特點(diǎn)是高彈性，且彈性模量很低，只有1MPa而外加作用下變形量則可達(dá)(100~1000)%，且易于恢復(fù)；橡膠有儲能、耐磨、隔音、絕緣等性能。廣泛用于制造密封件、減震件、輪胎、電線等。2.3常用橡膠材料橡膠品種很多，主要有天然橡膠和合成橡膠兩類。合成橡膠按用途及使用量分為通用橡膠和特種橡膠，前者主要用作輪胎、運(yùn)輸帶、膠管、膠板、墊片、密封裝置等；后者則主要是為在高溫、低溫、酸堿油和輻射等特殊介質(zhì)下工作的制品而設(shè)計。第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一3、合成纖維凡能保持長度比本身直徑大100倍的均勻條狀或絲狀的高分子材料均稱為纖維。包括天然和化學(xué)纖維兩大類?；瘜W(xué)纖維又分為人造纖維和合成纖維，人造纖維是用自然界的纖維加工制成的，如所謂人造絲、人造棉的粘膠纖維和硝化纖維，醋酸纖維等；合成纖維是以石油、煤、天然氣等為原料制成，其品種十分繁多，且產(chǎn)量直線上升，差不多每年都以20%的速率增長。合成纖維具有強(qiáng)度高，耐磨保暖不霉?fàn)€等優(yōu)點(diǎn)，除廣泛用作衣料等生活用品外，在工農(nóng)業(yè)，國防等部門也有很多應(yīng)用。如汽車、飛機(jī)的輪胎簾線、漁網(wǎng)、索橋、船纜、降落傘及絕緣布等。

第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一二、陶瓷材料2.1陶瓷材料發(fā)展及組成陶瓷是人類最早使用的材料之一，傳統(tǒng)的陶瓷所使用的原料主要是粘土等天然硅酸鹽類礦物，故又稱為硅酸鹽材料；其主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O、PbO等氧化物，形成的材料又統(tǒng)稱為傳統(tǒng)陶瓷或普通陶瓷，包括陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代陶瓷材料雖然制作工藝和生產(chǎn)過程基本上還沿用傳統(tǒng)陶瓷的生產(chǎn)工藝——即粉末原料處理→成型→燒結(jié)的方法，但其所用原料已不僅僅是天然的礦物，有很多則是經(jīng)過人工提純或是人工合成的，組成配合范圍已擴(kuò)大到整個無機(jī)非金屬材料的范圍。第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2.2陶瓷材料的性能高硬度，高耐磨性。陶瓷材料彈性膜量較大，即剛性好。抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高得多。塑性差、抗機(jī)械沖擊和熱沖擊性能差。陶瓷熔點(diǎn)高，而且有很好的高溫強(qiáng)度和抗氧化性，是有前途的高溫材料。功能特性非常廣泛。（電、磁、光、熱性能）第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一

因此，現(xiàn)代陶瓷材料是指除金屬和有機(jī)材料以外的所有固體材料，又稱無機(jī)非金屬材料，是三大類固體材料之一類，有著十分重要的作用。第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2.3陶瓷材料的分類按化學(xué)成分分：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷。按性能和用途分；結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷。2.4用工業(yè)陶瓷及其應(yīng)用普通陶瓷：是用天然原料制成的粘土類陶瓷，它是以粘土、長石和石英經(jīng)配料，成型燒結(jié)而成。這類陶瓷質(zhì)硬，不導(dǎo)電，易于加工成型；但其內(nèi)部含有較多玻璃相，高溫下易軟化，耐高溫及絕緣性不及特種陶瓷。其成本低，產(chǎn)量大，廣泛用于工作溫度低于200℃的酸堿介質(zhì)、容器、反應(yīng)塔、管道、供電系統(tǒng)的絕緣子和紡織機(jī)械中導(dǎo)紗零件等。第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一氧化鋁陶瓷Al2O3為主要成分，另含有少量的SiO2。根據(jù)Al2O3含量不同又分為75瓷（含75%Al2O3）、95瓷（含95%Al2O3）和99瓷（含99%Al2O3），后兩者又稱剛玉瓷。氧化鋁陶瓷耐高溫性好，在氧化性氣氛中，可用到1950℃，且耐蝕性好。故可用作高溫器皿，如熔煉鐵鈷鎳等的坩堝及耐熱用品等。氧化鋁有高硬度及高溫強(qiáng)度，可用作高速切削及難切削材料加工的刃具(760℃時HRA87，1200℃時HRA80)；還可作耐磨軸承、模具及活塞、化工用泵和閥門等。同時氧化鋁瓷有很好的絕緣性能、內(nèi)燃機(jī)火花塞基本都是用氧化鋁瓷作的。氧化鋁瓷的缺點(diǎn)是脆性大，不能承受沖擊載荷，抗熱震性差，不適合用于有溫度急變場合。第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一其他氧化物陶瓷

BeO、CaO、ZrO2、CeO2、MgO等氧化物陶瓷熔點(diǎn)高，均在2000℃附近，甚至更高，且還具有一系列特殊的優(yōu)異性能。非氧化物工程陶瓷常用的非氧化物陶瓷主要有碳化物陶瓷，如SiC、B4C；氮化物陶瓷，如Si3N4、BN等，它們也具有各自的優(yōu)導(dǎo)性能。氮化硼包括六方和立方結(jié)構(gòu)兩種陶瓷。六方氮化硼結(jié)構(gòu)與石墨相似，性能也比較接近，故又稱“白石墨”，其具有良好的耐熱導(dǎo)熱性和高溫介電強(qiáng)度，是理想的散熱和高溫絕緣材料；立方氮化硼為立方結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊密，其硬度與金剛石接近，是優(yōu)良的耐磨材料，常用于制作刀具。第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一三、復(fù)合材料1、復(fù)合材料的定義復(fù)合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組合起來的一種多相固體材料，它不僅保留了組成材料各自的優(yōu)點(diǎn)而且還具有單一材料所沒有的優(yōu)異性能。

自然界中的樹木，建筑中的混凝土和人體