7非金屬材料及新型材料課件

機(jī)械工程材料與熱加工工藝目錄第七章非金屬材料及新型材料非金屬材料高分子材料塑料橡膠纖維膠結(jié)劑涂料陶瓷普通陶瓷特殊陶瓷復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)粒子增強(qiáng)層疊新型材料高溫材料形狀記憶材料超導(dǎo)材料第二節(jié)常用高分子材料一、工程塑料

1.塑料的組成塑料是以有機(jī)合成樹脂為主要成分，再加入添加劑所組成的。

(1)合成樹脂是由低分子化合物通過縮聚或加聚反應(yīng)合成的高分子化合物，如酚醛樹脂、聚乙烯等，是塑料的主要組成，也起粘結(jié)劑作用。

(2)添加劑為改善塑料的性能而加入的其它組分，主要有以下幾種：

1)填料

:改善性能并擴(kuò)大使用范圍

2)增塑劑:提高樹脂可塑性和柔軟性

3)穩(wěn)定劑

:防止老化

4)固化劑

:較堅(jiān)硬和穩(wěn)定還有潤(rùn)滑劑、著色劑、阻燃劑、抗靜電劑和發(fā)泡劑等2.塑料的性能

(1)物理性能密度小，不加任何填料或增強(qiáng)材料的塑料，其密度為0.85－2.20g／cm3，只有鋼的1／8～1／4；泡沫塑料更輕，密度為0.02～0.20g／cm3。電絕緣性好，介質(zhì)損耗小，在電器、電機(jī)、無線電、電子工業(yè)方面應(yīng)用廣泛。

(2)化學(xué)性能塑料一般能耐酸、堿、油、水及大氣等的侵蝕，其中聚四氟乙烯甚至能耐強(qiáng)氧化劑“王水”的侵蝕。因此，塑料廣泛用于制造在腐蝕條件下的零部件和化工設(shè)備。

(3)力學(xué)性能塑料的強(qiáng)度和彈性模量都很低。例如，熱塑性塑料的強(qiáng)度一般為50～100MPa,熱固性塑料一般為30～60MPa，玻璃纖維增強(qiáng)尼龍，其強(qiáng)度也只有200MPa，相當(dāng)于灰鑄鐵的強(qiáng)度。減摩性好，塑料硬度雖低于金屬，但摩擦系數(shù)小，如聚四氟乙烯自摩擦系數(shù)只有0.04；尼龍、聚甲醛、聚碳酸酯等也都有較小的摩擦系數(shù)，因此有很好的減摩性。另外，塑料還由于自潤(rùn)滑性能好，所以它適合于制造軸承、凸輪、密封圈等要求減摩性好的零件，特別對(duì)在無潤(rùn)滑和少潤(rùn)滑的摩擦條件下工作的零件尤為適合。3.常用工程塑料

根據(jù)樹脂的熱性能,分成熱塑性塑料和熱固體塑料(1)熱塑性塑料1)聚酰胺(PA):尼龍2)ABS塑料3)聚甲醛(PQM)4)聚碳酸酯(PC)5)聚苯乙烯(PS)6)聚砜（PSF）7）聚四氟乙烯（PTTE）8）有機(jī)玻璃

（2）熱固體塑料1）酚醛塑料2）環(huán)氧塑料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，無味、無毒、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。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。二、橡膠

1．橡膠的組成橡膠是在使用溫度范圍內(nèi)處于高彈態(tài)的高分子材料，在較小的載荷作用下能產(chǎn)生很大變形。當(dāng)載荷卸除后又能很快恢復(fù)到原來狀態(tài)，是常用的彈性材料、密封材料、減震防震材料和傳動(dòng)材料。2．橡膠的性能由于使用條件不同，、對(duì)橡膠有不同的性能要求，如拉伸強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、耐磨性、彈性、伸長(zhǎng)率、永久變形量、耐寒、耐高溫、透氣性等。其中最重要的性能還是橡膠的高彈性和強(qiáng)度。

(1)高彈性能：橡膠的彈性模量低，大約為1MPa，而其它塑料纖維的彈性模量約2000MPa以上。變形量大，一般在100～1000％，而其它聚合物只有0.1～0.01％。橡膠還具有很好的回彈性能，加天然橡膠回彈高度達(dá)70～80％。

（2）強(qiáng)度：經(jīng)硫化處理和炭黑處理后，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到25-35MPa，并具有良好的耐磨性。3.常用橡膠天然橡膠合成橡膠(1)天然橡膠天然橡膠是優(yōu)良的電絕緣體，但耐熱老化性和耐大氣老化性較差，不耐臭氧、油和有機(jī)溶劑，且易燃。使用溫度范圍為-70～110℃，廣泛用于作輪胎、膠帶和膠管等。(2)合成橡膠具有類似橡膠性質(zhì)的各種高分子化合物，種類很多。硅橡膠：屬于特種橡膠，耐高溫(300℃)、耐寒(-100℃)，電絕緣性能優(yōu)良；但抗拉強(qiáng)度低，價(jià)格較貴。它可用來制造耐高溫、耐寒或耐高溫電絕緣制品等。氟橡膠：屬于特種橡膠，其特點(diǎn)是：耐高溫和耐介質(zhì)腐蝕性好，耐臭氧和耐大氣老化性也較好；但加工性差，價(jià)格較貴。它使用溫度范圍在-50～300℃，常用來制造高級(jí)密封件、高真空耐蝕件等。丁苯橡膠：耐磨、耐自然老化、耐臭氧性，但加工性能不及天然橡膠。天然橡膠和丁苯橡膠均屬于通用橡膠，廣泛用于作輪胎、膠布、膠鞋、膠管等制品。第三節(jié)工業(yè)陶瓷陶瓷是各種無機(jī)非金屬材料的通稱。陶瓷可分為普通陶瓷(傳統(tǒng)陶瓷)和特種陶瓷(近代陶瓷)兩大類。其生產(chǎn)過程較復(fù)雜，但基本工藝是原料的制備、坯料的成型和制品的燒結(jié)三大步驟。一、工業(yè)陶瓷的性能

1.力學(xué)性能：塑性差；抗拉強(qiáng)度較低，但抗壓強(qiáng)度較高；陶瓷的硬度高（在1500HV以上），而淬火鋼為500～800HV，高聚物最硬也不超過20HV。2．化學(xué)性能：

陶瓷對(duì)酸、堿、鹽等腐蝕性很強(qiáng)的介質(zhì)均有較強(qiáng)的抗蝕能力，與有色金屬的銀、銅等熔體也不發(fā)生作用。3．功能特性(1)光學(xué)性能

如固體激光器材料、光導(dǎo)纖維材料、光存儲(chǔ)材料等(2)磁學(xué)性能：

以氧化鐵為主要成分（如Fe3O4、CuFe2O4、MgFe2O4）的磁性氧化物，可作磁性陶瓷材料，在錄音磁帶、唱片、電子束偏轉(zhuǎn)線圈、變壓器鐵心等方面有著廣泛的應(yīng)用。(3)電學(xué)性能電阻率非常高。如A12O3可作電器工業(yè)的絕緣材料；氧化錫為半導(dǎo)體；鐵電陶瓷(鈦酸鋇BaTiO3等具有極高的介電常數(shù)，可用來制作較小的電容器。

(4)熱學(xué)性能

陶瓷材料熔點(diǎn)高，大多在2000℃以上具有比金屬材料高得多的耐熱性；導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)低于金屬材料，它常作為高溫絕熱材料。多孔或泡沫陶瓷可用作-120～-240℃的隔熱材料。陶瓷的線膨脹系數(shù)比高聚物低，比金屬更低，一般在10-5～10-6／K。

二、常用工業(yè)陶瓷

1.普通陶瓷普通陶瓷質(zhì)地堅(jiān)硬，有良好的抗氧化性、耐蝕性和絕緣性，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低；但強(qiáng)度低，通常使用溫度為1200℃左右。普通陶瓷廣泛應(yīng)用于日用、電氣、化工、建筑等部門，如裝飾瓷、餐具、絕緣子、耐蝕容器、管道等。2．特種陶瓷

(1)氧化鋁陶瓷：熔點(diǎn)(2050℃)高、熱強(qiáng)度高、抗氧化，故耐熱性好，室溫下硬度僅次于金剛石，抗拉強(qiáng)度比普通陶瓷大5～6倍，而且熱硬性也很高，可達(dá)1200℃。氧化鋁陶瓷廣泛用于制造高速切削刀具、量塊、拉絲模、高溫器皿、坩堝、熱電偶套管、內(nèi)燃機(jī)火花塞等。

(2)氮化硅陶瓷；主要用于制作各種泵的耐蝕與耐磨的密封環(huán)、高溫軸承、熱電偶套管、燃汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和難切削加工的刀具。(3)碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷具有較高的高溫強(qiáng)度，其抗彎強(qiáng)度在1400℃仍保持在300～600MPa；而其它陶瓷在1200～1400℃時(shí)，抗彎強(qiáng)度就顯著下降。碳化硅陶瓷可用于工作溫度高于1500℃的零件，如火箭噴嘴、熱電偶套筒、高溫電爐的零件、各種泵的密封圈等。

（4）金屬陶瓷由陶瓷硬質(zhì)相與金屬或合金粘結(jié)相組成的結(jié)構(gòu)材料。兼有金屬和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)。

第四節(jié)復(fù)合材料由兩種或兩種以上物理、化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，經(jīng)人工合成而得到的多相材料（基相+增強(qiáng)相）。一、分類

1.按基體類型分類：

2．按增強(qiáng)材料性質(zhì)和形態(tài)分類：

3．按材料的用途分

非金屬基體金屬基體纖維增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料晶須增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料智能復(fù)合材料塑料基、橡膠基、陶瓷基鋁基、銅基橡膠輪胎、傳動(dòng)皮帶金屬陶瓷、燒結(jié)彌散硬化合金鋁基、鎂基、銅基樹脂復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料壓電復(fù)合材料、超導(dǎo)復(fù)合材料形狀記憶合金、智能紡織品二、復(fù)合材料的性能1、比模量高、比強(qiáng)度大

比模量是彈性模量與密度之比；比強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度和密度之比。實(shí)質(zhì)是單位質(zhì)量所提供的變形抗力和承載能力，這對(duì)要求自重小，運(yùn)轉(zhuǎn)速度高的結(jié)構(gòu)零件很重要。2、疲勞極限較高

由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)缺口、應(yīng)力集中敏感小，纖維-基體界面能阻止疲勞裂紋擴(kuò)展，使裂紋擴(kuò)展改變方向。實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明，碳纖維復(fù)合材料的疲勞極限可達(dá)抗拉強(qiáng)度的70-80%，而金屬的疲勞極限只有其抗拉強(qiáng)度的一半左右。3、減振性能好4、高溫性能好

大多數(shù)增強(qiáng)纖維在高溫下仍保持高的強(qiáng)度，用其增強(qiáng)金屬和樹脂時(shí)能顯著提高高溫性能。例如鋁合金在400℃時(shí)彈性模量大幅度下降，強(qiáng)度也顯著降低，而用碳纖維增強(qiáng)后，在此溫度下彈性模量可基本保持不變。5、工作安全性高

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中有大量獨(dú)立的纖維，平均每平方厘米面積上有幾千到幾萬根，當(dāng)少數(shù)纖維斷裂后載荷就會(huì)重新分配到其它未破斷的纖維上使構(gòu)件不致發(fā)生突然破壞。

三、常用復(fù)合材料及其應(yīng)用1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

以玻璃纖維和熱塑性樹脂復(fù)合的玻璃纖維增強(qiáng)材料比普通塑料具有更高的強(qiáng)度和沖擊韌度。玻璃纖維和塑料基體組成的復(fù)合材料通常叫做玻璃鋼。按所用基體可分為熱固性玻璃鋼（以環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等為基體）和熱塑性玻璃鋼（以尼龍，聚苯乙烯等為基體）兩種。強(qiáng)度較高，接近或超過銅鋁合金，而密度只有鋼的1/4-1/5。因此其比強(qiáng)度甚至高于合金鋼。此外，還具有良好的耐蝕性。2、層疊增強(qiáng)復(fù)合材料

層疊增強(qiáng)復(fù)合材料是由兩層或兩層以上的不同性質(zhì)的材料結(jié)合而成，以達(dá)到增強(qiáng)的目的。3、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料1）金屬顆粒與塑料復(fù)合2）陶瓷顆粒與塑料復(fù)合將納米尺度范圍定義在1-100nm范圍

。廣義地講，在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料都叫納米材料。

納米材料尺寸接近電子的相干長(zhǎng)度，它的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。且其尺度接近光的波長(zhǎng)，并具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。第五節(jié)納米材料納米材料的應(yīng)用

醫(yī)藥使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過程越來越精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。

環(huán)境保護(hù)

環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜。這種膜能夠探測(cè)到由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過濾，從而消除污染。

家電

用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用處作電冰霜、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。

電子計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)可以從閱讀硬盤上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為目前芯片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。機(jī)械工業(yè)

采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。

具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。第六節(jié)超導(dǎo)材料

基本特性：①零電阻性：可無損耗傳輸電能。如果用磁場(chǎng)在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。②完全抗磁性：只要外加磁場(chǎng)不超過一定值，磁力線不能透入，超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場(chǎng)恒為零。

應(yīng)用1、開發(fā)新能源2、節(jié)能方面第七節(jié)貯氫合金一、原理二、分類三、應(yīng)用1、貯運(yùn)氫氣的容器2、氫能汽車3、分離、回收氫4、制取高純度氫氣5、氫氣靜壓機(jī)第八節(jié)形狀記憶合金1963年，美國(guó)海軍一個(gè)研究所奉命研制一種新式裝備。在一次試驗(yàn)中他們需要一些鎳-鈦合金絲，然而當(dāng)他們將合金絲領(lǐng)回來時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)這些鎳鈦合金絲是彎彎曲曲的，使用起來不方便。于是他們就將這些細(xì)絲一根根地拉直，并用在試驗(yàn)中。在試驗(yàn)過程中，奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了：當(dāng)溫度升到一定值的時(shí)候，這些已經(jīng)被拉得直直的鎳鈦合金絲，突然又全部恢復(fù)到原來彎彎曲曲的形狀，而且絲毫不差，和原來一模一樣。所謂形狀記憶效應(yīng)是指某些合金材料在一定條件下，雖經(jīng)變形但仍然能夠恢復(fù)到變形前原始形狀的能力。目前發(fā)現(xiàn)的有“記憶”能力的金屬都是合金，是通過人工的方法由幾種不同金屬混合而成的一類金屬。在這種金屬里，金屬原子是按一定的方式排列起來的，而且這些金屬原子有一個(gè)特點(diǎn)就是當(dāng)受到一定的外力時(shí)，它們可以離開自己原來的位置而“遷居”到