非金屬材料及新型工程材料課件

第5章非金屬材料及新型工程材料目錄

§5-1有機高分子材料§5-2古老又年輕的陶瓷§5-3博采眾長的復合材料§5-4、新型工程材料簡介

隨著科學技術的發(fā)展，人們對材料提出了更為嚴格的要求，如強度更高、相對密度更小、既耐高溫又耐低溫，加工性更好，能滿足特殊性能要求的新材料。因此，近幾十年來，非金屬材料及新型工程材料獲得迅速發(fā)展?！?-1有機高分子材料---千姿百態(tài)

有機高分子材料包括：塑料、纖維、橡膠、涂料、膠粘劑和功能高分子。由于有機高分子材料的品種繁多，原料來源豐富，加工簡便，成本相對較低，又有質(zhì)量輕、比強度高、耐蝕性好、絕緣性好，易于加工和改性等特點，應用非常廣泛，但其對環(huán)境因素（如熱、紫外線、氧氛、微生物等）一般較敏感。

1、發(fā)展最快的塑料塑料是一類以天然樹脂或合成樹指（即高分子化合物）為基本原料再加各種添加劑，在一定的溫度或壓力下塑制成形，并在常溫下保持其形狀不變的高聚物?！?-1有機高分子材料現(xiàn)代生活中的塑料塑料的力學性能特點：①低強度、低韌性，②高彈性和低彈性模量，③高耐磨性粘彈性；聚合物的物理與化學性能特點：①電絕緣性能好，②耐熱性低，③膨脹系數(shù)大、導熱系數(shù)小，④有老化現(xiàn)象，化學穩(wěn)定性好。按塑料受熱時的性質(zhì)可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。熱塑性塑料受熱時軟化或熔融，冷卻后硬化，并可反復多次進行，為線型或支鏈分子；熱固性塑料固化后，則成為不溶解、不熔化、具有體網(wǎng)分子的固體，不可再生?！?-1有機高分子材料

塑料發(fā)展史

1870年31歲的印刷工人約翰?海厄特發(fā)明賽璐珞（硝化纖維+樟腦）；1907年貝克蘭德發(fā)明酚醛樹脂；30、40年代——合成高分子蓬勃發(fā)展時期：特別是乙烯類單體的自由基聚合，如PVC、PS、PMMA、高壓PE；50年代——高分子化學的歷史性發(fā)展時期：低壓PE、PP；60年代——由于航空航天的需要而出現(xiàn)高溫高分子的研究熱：工程塑料§5-1有機高分子材料

2、合成纖維

有機纖維有天然纖維（如棉花，蠶絲、羊毛，石棉等）和化學纖維，化學纖維又分人造纖維（19世紀80年代如硝化纖維、醋酸纖維、粘膠纖維等所謂“人造絲”、“人造棉”）和合成纖維（20世紀30年代如：不易起皺的纖維——滌綸，首先工業(yè)化的合成纖維——錦綸，人造羊毛——腈綸，合成棉花——維綸，能浮在水面上的合成纖維——丙綸，首先發(fā)明的合成纖維——氯綸，高彈性的纖維——氨綸，超高強的纖維——芳綸等）。§5-1有機高分子材料

3、橡膠及制品

從橡膠樹上采集的天然橡膠及大多數(shù)人工合成用以制膠的高分子聚合物，還不具備橡膠的種種性能，稱為生膠。生膠要先進行塑煉，使其處于塑性狀態(tài)，再加入各種配料，經(jīng)過混煉、成形、硫化處理（即使生膠分子由線形轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw網(wǎng)狀結(jié)構），才能成為可以使用的橡膠制品。橡膠是一種具有極高彈性及低剛度的高分子材料，其彈性變形量可達100%～1000%；同時，橡膠還有一定的耐磨性，很好的絕緣性和不透氣、不透水性。

18世紀法國人在南美發(fā)現(xiàn)野生橡膠樹，19世紀中葉，英國人取橡膠樹的種子在斯里蘭卡種植成功逐漸擴大到馬來西亞與印尼等地。最早應用的橡膠——天然橡膠（NR）人造天然橡膠——（高等規(guī)的）聚異戊二烯橡膠產(chǎn)量最大的合成像膠——丁苯橡膠（SBR）“萬能”橡膠——氯丁橡膠（CR）§5-1有機高分子材料

現(xiàn)代生活中的橡膠§5-1有機高分子材料

塑料、合成纖維和合成橡膠的品種繁多，應用范圍很廣泛，表5-1僅列出了部分高分子材料的基本“要素”。材料名稱類別大致成分性能特點應用場合聚乙烯(PE)—結(jié)構最簡單的塑料熱塑性塑料CH2—CH2耐蝕，絕緣，加工性好，價低；耐熱差薄膜，包裝材料，容器等聚氯乙烯(PVC)—

全能塑料熱塑性塑料CH2—CHCl化穩(wěn)，絕緣，加工性好，價低；耐熱差門窗，管道，套管包皮，薄膜等聚苯乙烯(PS)—最鮮艷且成形性特好的塑料熱塑性塑料C6H5CH—CH2耐蝕，質(zhì)脆而硬，加工性好；耐熱差透明罩板，日用品，玩具，泡沫塑料制品聚丙烯(PP)—最輕且價低的塑料熱塑性塑料CH3CH—CH2化學穩(wěn)定性好，加工性好，價低；不耐磨，易老化合成纖維，薄膜，容器等表5-1部分常用高分子材料的特性

§5-1有機高分子材料ABS塑料—強韌且易成形的白色塑料熱塑性塑料丙烯晴，丁二烯，苯乙烯

硬、韌、剛，加工性好，價低；耐熱、耐候較差各類結(jié)構件聚四氟乙烯（PIFE）—塑料王熱塑性塑料CF2—CF2性穩(wěn)，耐熱，減摩；價高，強低，加工性差耐蝕件，絕緣件，耐熱件，減摩件等酚醛塑料（PF）—合成塑料的鼻祖熱固性塑料酚類與醛類縮聚成樹脂再加填料、固化劑等絕緣，耐磨，性穩(wěn)，價低；較脆，加工性差電器件的罩殼、絕緣件等丁苯橡膠(SBR)—產(chǎn)量最大合成橡膠合成橡膠丁二烯與苯乙烯共聚耐磨，耐熱，價格較低通用制品，輪胎，膠管等有機玻璃(PMMA)—

最透明的樹脂熱塑性塑料

CH3[CH2—C]COOCH3透光好，耐蝕，加工性好；較脆，耐磨差表盤，護罩，模型，裝飾品等滌綸聚酯纖維聚對苯二甲酸乙二醇酯抽絲彈性好，不易變形，強度高，化學穩(wěn)定性和電絕緣性也較好，不發(fā)霉；吸水性差，染色性差，摩擦易起靜電運輸帶、傳動帶、帆布、漁網(wǎng)、繩索、輪胎簾子線及電器絕緣材料等?！?-1有機高分子材料

表5-2功能高分子材料

4、方便實用的膠粘劑和涂料有機膠粘劑及涂料多為在操作使用時處于粘流態(tài)，固化后則成為塑料或橡膠狀態(tài)的聚合物。

1）膠粘劑粘接劑又稱粘合劑或膠粘劑，它是一類通過粘附作用，使同質(zhì)或異質(zhì)材料連接在一起，并在膠接面上有一定強度的物質(zhì)。

天然產(chǎn)物骨膠、松脂、淀粉膠粘劑，如用黏米粘城墻、用骨膠粘接箭羽等（秦漢時期）。20世紀20年代，出現(xiàn)了天然橡膠加工的壓敏膠，并試制成功醇酸樹脂膠粘劑。40年代，瑞士發(fā)明雙酚A型環(huán)氧樹脂，成為主要的結(jié)構膠粘劑。1957年美國發(fā)明氰基丙烯酸酯膠粘劑，開創(chuàng)了瞬間粘接的新時期。近20年來，國內(nèi)外膠粘劑及其技術理論發(fā)展十分驚人，產(chǎn)量逐年劇增，應用愈來愈廣泛。粘接劑的種類有樹脂、橡膠、混合、無機膠粘劑和壓敏膠。膠粘劑主要強調(diào)粘接性，為便于粘接操作，一般對熱塑性樹脂膠粘劑（見P180表5-4）常用溶劑稀釋或加熱變成粘流態(tài)；而對熱固性樹脂膠粘劑（見P180表5-3）則使用聚合前的呈液態(tài)的低聚物及固化劑，有時也加一定量的溶劑或加熱成為粘流態(tài)。部分膠粘劑須加增塑劑、固化劑、填料、溶劑等才可使用?！?-1有機高分子材料

2）涂料

涂料是一種可涂覆于固體物質(zhì)表面并能形成連續(xù)性薄膜的液態(tài)或粉末狀態(tài)的物質(zhì)。最早的涂料：由植物油和天然樹脂熬煉而成，“油漆”。現(xiàn)行涂料的組成為主要成膜物質(zhì)、顏料、溶劑三種組分，此外還包括填充劑、增塑劑、增稠劑、稀釋劑等。涂料在強調(diào)粘接性（或附著性）的基礎上，還要考慮流平性及裝飾性等性能，一般所加的溶劑及著色顏料更多些，要求粘度更低，并常加入其它改性添加劑，部分涂料也通過加熱熔融來提高附著性及流平性，甚至交聯(lián)固化。涂料種類見（見P182表5-5）。涂料的主要功能：一、保護被覆物體免受腐蝕性氣氛及介質(zhì)、微生物、陽光、高溫等的作用而發(fā)生的表面破壞；二、產(chǎn)生特定的裝飾作用；三、某些涂料還有特殊功能或作用，如防火、防污、防靜電、防結(jié)露、防輻射及導電、潤滑、遠紅外放射性、溫度敏感性、環(huán)境敏感性等；四、標志作用，涂料可作色彩廣告標志，利用不同色彩來表示警告、危險、安全、前進、停止等信號。各種危險品、化工管道、機械設備等涂上不同顏色的涂料后，容易識別、便于準確操作，公路劃線、鐵道標志等也需要不同色彩的涂料以保證安全行車。正因為如此，使其在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活等領域應用廣泛?！?-1有機高分子材料§5-2古老又年輕的陶瓷

常見陶瓷材料性能特征：彈性模量大，抗壓強度高，硬度高，熔點高，高溫強度高、線膨脹系數(shù)很小，化學穩(wěn)定性好，有些陶瓷還有優(yōu)良的理化性能和功能性質(zhì)；陶瓷材料的主要缺點是：脆性大,可靠性差,加工性差，難以進行常規(guī)（如切削等）加工。

結(jié)合特征：離子鍵無方向性、無飽和性緊密堆積，鍵強較高密度大，高強度、高硬度、高脆性、耐熱；共價鍵

具有方向性與飽和性鍵強度較高，具有穩(wěn)定化學結(jié)構密度較小，熔點高，硬度大，脆性大，熱膨脹系數(shù)小，絕緣性好；離子鍵與共價鍵混合。

微結(jié)構特征：由晶相、玻璃相和氣孔組成。

陶瓷原料：普通陶瓷以天然礦物為原料（主要有三大原材料：粘土、長石、石英礦；輔料礦物：磁石、鋁土礦、滑石、硅灰石、鋰云母、方解石、菱鎂礦、白云石等水化、機械混合，直接形成生坯。特種陶瓷：人工合成的原料為主。按用途和性能分普通陶瓷和特種陶瓷。常見陶瓷的類別及用途見P189表5-6。

1、普通陶瓷§5-2古老又年輕的陶瓷

§5-2古老又年輕的陶瓷部分普通陶瓷產(chǎn)品：

2、特種陶瓷

特種陶瓷又可分為強調(diào)強度、耐熱、耐蝕等性能的結(jié)構陶瓷及具有特殊電、磁、光、熱等效應的功能陶瓷。

1）結(jié)構陶瓷

2）功能陶瓷§5-2古老又年輕的陶瓷功能系列材料用途電功能陶瓷絕緣陶瓷Al2O3，BeO，MgO，A1N，SiC集成電路基片、封裝陶瓷、高頻絕緣瓷介電陶瓷TiO2，La2Ti2O7，Ba2Ti9O20陶瓷電容器、微波陶瓷等鐵電陶瓷BaTiO3，SrTiO3陶瓷電容器壓電陶瓷PZT，PLZT超聲換能器、諧振器、濾波器、壓電點火器、壓電馬達、微位移器半導體陶瓷NTC（SiC,LaCrO3,ZrO2）溫度傳感器、溫度補償器PTC（BaTiO3）溫度補償器、限流元件、自控加熱元件CTR（V2O5）熱傳感元件、防火傳感器ZnO壓敏電阻浪涌電流吸收器、噪聲消除及避雷器SiC發(fā)熱體中高溫電熱元件、小型電熱器半導性BaTiO3，SrTiO3晶界層電容器快離子導體陶瓷ZrO2，β-Al2O3氧傳感器、氧泵、燃料電池、固體電解質(zhì)磁功能陶瓷軟磁鐵氧體Mn-Zn，Cu-Zn，Ni-Zn，Cu-Zn-Mg記錄磁頭、溫度傳感器、電器磁芯、磁頭、電波吸收體硬磁鐵氧體（陶瓷）Ba、Sr鐵氧體，釹-鐵-硼磁體鐵氧體磁石、永久磁鐵記憶用鐵氧體Li、Mn、Ni、Mg、Zn與鐵形成的尖晶石型鐵氧體計算機磁芯光功能陶瓷透明氧化鋁陶瓷Al2O3高壓鈉燈透明氧化鎂陶瓷MgO照明或特殊燈管、透紅外材料透明氧化物陶瓷Y2O3、BeO、ThO激光元件PLZT透明鐵電陶瓷PbLa（Zr，Ti）O3光存儲元件、視頻顯示和存儲系統(tǒng)、光開關生化陶瓷濕敏陶瓷MgCrO-TiO2，TiO2-V2O5，F(xiàn)e3O4，NiFe2O4濕敏傳感器氣敏陶瓷SnO2，α-Fe2O3，ZrO2，ZnO各種氣體傳感器載體用陶瓷堇青石瓷，Al2O3，SiO2-Al2O3汽車尾氣催化劑載體、氣體催化劑載體催化用陶瓷沸石、過渡金屬氧化物接觸分解反應催化、排氣凈化催化生物陶瓷Al2O3，氫氧（或羥基）磷灰石，生物活性玻璃.人造牙齒、人造骨骼等§5-3博采眾長的復合材料

復合材料為兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相體材料。一般根據(jù)基體和增強材料的種類命名復合材料，如陶瓷基復合材料，碳纖維增強復合材料等等。按用途分類則有結(jié)構復合材料、功能復合材料、結(jié)構/功能一體化復合材料等。尤其要指出的是復合材料的組織、構成或組分易于人為調(diào)整和設計，不少復合材料的復合過程與成形過程是同步完成的，這樣，更利于滿足制造產(chǎn)品的功能和結(jié)構要求。常見結(jié)構類復合材料的特性及用途見P162表5-6。

§5-3

博采眾長的復合材料

1、顆粒原料燒結(jié)而成的復合材料產(chǎn)品

§5-3

博采眾長的復合材料

2、連續(xù)纖維復合材料產(chǎn)品

§5-3博采眾長的復合材料碳/碳復合材料應用----抗燒蝕熱結(jié)構材料在現(xiàn)有的抗燒蝕材料中，C/C復合材料是最好的抗燒蝕熱結(jié)構材料，其是典型的升華-輻射型燒蝕材料。元素碳具有高的比熱容和氣化能，熔化時要求有很高的壓力和溫度，因此在不發(fā)生微粒被吹掉的前提下，它具有比任何材料都高的燒蝕熱。由于炭材料可在燒蝕條件下向外輻射大量的熱量，而且其本身有較高的輻射系數(shù)，可進一步提高其抗燒蝕性。因此C/C復合材料在高溫下利用升華吸熱和輻射散熱的機制，以相對小得多的單位材料質(zhì)量耗散來帶走更多的熱量，使有效燒蝕熱大大提高。此外，C/C復合材料有很高的比強度及比剛度，其強度隨溫度的升高而增大，到約2500℃時強度和剛度達到最大值;其線膨脹系數(shù)特小，還有良好的耐蝕性、摩擦減震性及熱、電傳導特性，較高的比熱容等，因此可作為高溫結(jié)構及燒蝕防熱材料。C/C復合材料最大的缺點是在氧化氣氛下于600℃左右會發(fā)生氧化。為此在其表面常施加抗氧化涂層（如SiC涂層），則在氧化性氣氛中可使用到1500℃。其典型應用有：①固體火箭發(fā)動機噴管、火箭和導彈頭錐、航天飛機機翼前緣、方向舵、尾噴口喉襯、低壓渦輪葉片、魚鱗片、渦輪盤等；②飛機在剎車過程中，靜盤和動盤的表面溫度高達2000℃，這要求高性能剎車材料應有高比熱、高熔點、在高溫下有足夠的強度、一定的熱導率、低的熱膨脹系數(shù)及穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。C/C防熱復合材料也是飛機剎車片最優(yōu)良的材料，其比熱容比鋼高出2.5倍，高溫強度高，質(zhì)量輕，使用壽命長。③用于鈦合金超塑成形吹塑模、鈷基粉末冶金熱壓模、醫(yī)學上的人工骨、電器的電極、化工耐蝕結(jié)構等?！?-4、新型工程材料簡介

一般認為，新型工程材料包含具有高比強度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的新型結(jié)構材料，以及除了具有機械特性外，還具有其它光、電、磁、熱、化學、生化等方面特別功能特性的功能結(jié)構材料。它們是二十一世紀信息、生物、能源、環(huán)保、空間等高技術領域的關鍵材料，是支撐航空航天、交通運輸、電子信息、能源動力以及國家重大基礎工程建設等領域的重要物質(zhì)基礎。新型工程材料中有許多是特種陶瓷和復合材料。合成鉆石超塑成型

表5-4常用