常用非金屬材料

1、第十章 非金屬材料,分類：高分子材料 陶瓷材料 復(fù)合材料,第一節(jié) 高分子材料,一、高分子材料的基本概念 高分子材料是以高分子化合物為主要組分的材料。常稱聚合物或高聚物。 高分子化合物的分子量一般104 。 高分子化合物有天然的（如蠶絲、羊毛、天然橡膠及淀粉、蛋白質(zhì)等），也有人工合成的。 工業(yè)用高分子材料主要是通過(guò)加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)人工合成的。,1、高分子化合物的組成 由簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成。如由乙烯合成聚乙烯: CH2=CH2+CH2=CH2+-CH2-CH2-CH2-CH2- ,組成聚合物的低分子化合物稱為單體。 聚合物的分子為很長(zhǎng)的鏈條，稱為大分子鏈。,聚乙烯分子鏈,2 、高分子材料

2、的分類 按用途分塑料、橡膠、纖維、膠粘劑、涂料等。 按聚合物反應(yīng)類型分為加聚物和縮聚物。 按聚合物的熱行為分為熱塑性聚合物和熱固性聚合物,四、工程高分子材料 1、工程塑料,塑料是在玻璃態(tài)下使用的高分子材料。在一定溫度、壓力下可塑制成型，在常溫下能保持其形狀不變。 工程塑料概述 1）塑料的組成,塑料是以樹(shù)脂為主要成分，加入各種添加劑。 樹(shù)脂是塑料的主要成分，對(duì)塑料性能起決定性作用。,塑料制品,添加劑是為改善塑料某些性能而加入的物質(zhì)。 填料主要起增強(qiáng)作用； 增塑劑用于提高樹(shù)脂的可塑性和柔軟性； 固化劑用于使熱固性樹(shù)脂由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)； 穩(wěn)定劑用于防止塑料老化，延長(zhǎng)其使用壽命； 潤(rùn)滑劑用于防

3、止塑料加工時(shí)粘在模具上, 使制品光亮； 著色劑用于塑料制品著色。 其他的還有發(fā)泡劑、催化 劑、阻燃劑、抗靜電劑等。,添加劑,2）塑料的分類 按樹(shù)脂受熱時(shí)行為可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。 按使用范圍可分為通用塑料、工程塑料和特種塑料。 通用塑料產(chǎn)量大、價(jià)格低、用途廣。 工程塑料力學(xué)性能高，耐熱、耐蝕性能好。,熱固性塑料制品,3）塑料的性能特點(diǎn) 塑料的優(yōu)點(diǎn)： 相對(duì)密度小(一般為0.9 2.3)；耐蝕性、電絕緣性、減摩、耐磨性好；有消音吸振性能 。,塑料的缺點(diǎn)： 剛性差(為鋼鐵材料的1/1001/10)，強(qiáng)度低；耐熱性差、熱膨脹系數(shù)大（是鋼鐵的10倍）、導(dǎo)熱系數(shù)小(只有金屬的1/2001/600)

4、；蠕變溫度低、易老化。,（2）常用工程塑料 1） 一般結(jié)構(gòu)用塑料 包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、ABS塑料和有機(jī)玻璃（PMMA）等。 聚丙烯具有優(yōu)良的綜合性能，可制造各種機(jī)械零件。 ABS塑料 “堅(jiān)韌、質(zhì)硬、剛性” ，應(yīng)用廣泛。,聚酰胺又稱尼龍或綿綸，強(qiáng)度較高，耐磨、自潤(rùn)滑性好，廣泛用作機(jī)械、化工及電氣零件。 聚甲醛具有優(yōu)良的綜合性能，廣泛用于汽車機(jī)床、化工、電氣儀表、農(nóng)機(jī)等工業(yè) 。,聚碳酸酯具有優(yōu)良的機(jī)械性能，透明無(wú)毒，應(yīng)用廣泛。,2） 摩擦傳動(dòng)零件用塑料 包括聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)等。,聚四氟乙

5、烯俗稱“塑料王”，具有極優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性以及優(yōu)越的電性能，幾乎不受任何化學(xué)藥品的腐蝕，摩擦系數(shù)極低，只有0.04。缺點(diǎn)是強(qiáng)度低、加工性差。主要用于減摩密封件、化工耐蝕件與熱交換器以及高頻或潮濕條件下的絕緣材料。,3）耐蝕用塑料 耐蝕用塑料主要有聚四氟乙烯、氯化聚醚(PENTON)、聚丙烯等。 氯化聚醚的化學(xué)穩(wěn)定性僅次于聚四氟乙烯，但工藝性比聚四氟乙烯好，成本低。在化學(xué)工業(yè)和機(jī)電工業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，如化工設(shè)備零件、管道、襯里等。,氯化聚醚防腐蝶閥,4）耐高溫件用塑料 有聚砜(PSF)、聚苯醚(PPO)、聚酰亞胺(PI)及氟塑料等。 聚砜的熱穩(wěn)定性高是其,聚酰亞胺層壓板,最突出的特點(diǎn)。使用

6、溫度達(dá)150174。用于機(jī)械設(shè)備等工業(yè)。 聚苯醚具有良好的綜合性能，用于機(jī)電等方面。 聚酰亞胺在260下可長(zhǎng)期使用。主要用于特殊條件下使用的精密零件。,5）熱固性塑料 熱固性塑料是在樹(shù)脂中加入固化劑壓制成型而形成的體形聚合物。 酚醛塑料是以酚醛樹(shù)脂為基，加入填料及其他添加劑而制成。廣泛用于制作各種電訊器材和電木制品（如插座、開(kāi)關(guān)等），耐熱絕緣部件及各種結(jié)構(gòu)件。,電器配件,2、合成橡膠,橡膠是以高分子化合物為基礎(chǔ)的具有高彈性的材料。 （1）橡膠的組成和性能特點(diǎn) 工業(yè)用橡膠由生膠和橡膠配合劑組成。生膠無(wú)配合劑并未經(jīng)硫化。橡膠配合劑有硫化劑、硫化促進(jìn)劑、防老劑、軟化劑、填充劑、發(fā)泡劑、著色劑等。 橡

7、膠最大的特點(diǎn)是高彈性（E約1MPa）。橡膠有儲(chǔ)能、耐磨、隔音、絕緣等性能。,（2）常用合成橡膠 合成橡膠按用途和用量分為通用橡膠和特種橡膠，前者主要用于制作輪胎、運(yùn)輸帶、膠管、膠板、墊片、密封裝置等；后者主要用于高低溫、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境下工作的橡膠制品。,第二節(jié) 陶瓷材料,陶瓷材料是除金屬和高聚物以外的無(wú)機(jī)非金屬材料通稱。,工業(yè)上應(yīng)用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、水泥等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新型陶瓷。,二、陶瓷材料的分類 1、按化學(xué)成分分類 可將陶瓷材料分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。,2、按使用的原材料分類 可將陶瓷材料分為普通陶瓷和

8、特種陶瓷。,普通陶瓷以天然的巖石、礦石、黏土等材料作原料。 特種陶瓷采用人工合成的材料作原料。 3、按性能和用途分類 可將陶瓷材料分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩類。,陶瓷零件,三、常用工業(yè)陶瓷,1、普通陶瓷 普通陶瓷是用粘土(Al2O32SiO22H2O)、長(zhǎng)石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)和石英(SiO2)為原料，經(jīng)成型、燒結(jié)而成的陶瓷。 其組織中主晶相為莫來(lái)石(3Al2O32SiO2)，占2530%，玻璃相占3560%，氣相占13%。,普通陶瓷加工成型性好，成本低，產(chǎn)量大。 除日用陶瓷、瓷器外，大量用于電器、化工、建筑、紡織等工業(yè)部門。,2、新型結(jié)構(gòu)陶瓷, 氧化鋁陶

9、瓷 氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分, 含有少量SiO2的陶瓷，又稱高鋁陶瓷。,單相Al2O3陶瓷組織,根據(jù)Al2O3含量不同分為75瓷(含75%Al2O3，又稱剛玉-莫來(lái)石瓷)、95瓷和99瓷，后兩者又稱剛玉瓷。 氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到1950。具有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極高(僅次于金剛石).,氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝、,熱偶套管，淬火鋼的切削刀具、金屬拔絲模，內(nèi)燃機(jī)的火花塞，火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩及軸承等。, 氮化硅（Si3N4）陶瓷 氮化硅是由Si3N4四面體組成的共 價(jià)鍵固體。 氮化硅的制備與燒結(jié)工藝 工業(yè)硅直接氮化：3Si+2N2Si3N4

10、 二氧化硅還原氮化：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO, 性能特點(diǎn)及應(yīng)用 氮化硅的強(qiáng)度、比強(qiáng)度、比模量高；硬度僅次于金剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為0.10.2；熱膨脹系數(shù)小；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化學(xué)穩(wěn)定性高。,熱壓燒結(jié)氮化硅用于形狀簡(jiǎn)單、精度要求不高的零件，如切削刀具、高溫軸承等。,Si3N4軸承,反應(yīng)燒結(jié)氮化硅用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的零件，如機(jī)械密封環(huán)等。, 碳化硅（SiC）陶瓷 碳化硅是通過(guò)鍵能很高的共價(jià)鍵結(jié)合的晶體。 碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加熱至高溫還原而成：SiO2+3CSiC+2CO。,碳化硅的燒結(jié)工藝也有熱壓和反應(yīng)燒結(jié)兩種。由于碳化硅表面有一

11、層薄氧化膜，因此很難燒結(jié)，需添加燒結(jié)助劑促進(jìn)燒結(jié)，常加的助劑有硼、碳、鋁等。,常壓燒結(jié)碳化硅,碳化硅的最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，僅次于氧化鈹陶瓷。,碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃?xì)廨啓C(jī)葉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型模具等。, 氧化鋯陶瓷 氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變：立方相四方相單斜相。四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?，引起很大的體積變化，易使制品開(kāi)裂。,在氧化鋯中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱為完全穩(wěn)定氧化鋯(FSZ)，其力學(xué)性能低，抗熱沖擊性差。,Z

12、rO2陶瓷耐火件,減少加入的氧化物數(shù)量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于這種材料只使一部分氧化鋯穩(wěn)定，所以稱部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)。,氧化鋯中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變可通過(guò)應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)受到外力作用時(shí)，這種相變將吸收能量而使裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)松弛，增加裂紋擴(kuò)展阻力，從而大幅度提高陶瓷材料的韌性。,部分穩(wěn)定氧化鋯組織,部分穩(wěn)定氧化鋯的導(dǎo)熱率低，絕熱性好；熱膨脹系數(shù)大，接近于發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的金屬，抗彎強(qiáng)度與斷裂韌性高，除在常溫下使用外，已成為絕熱柴油機(jī)的主要侯選材料，如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)襯、推桿、活塞帽、閥座、凸輪、軸承等。,部分穩(wěn)定氧化鋯制品,氧化鋯制品,第三節(jié) 復(fù)合材料,復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化

13、學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成的材料。,復(fù)合材料船體,復(fù)合材料是多相材料，主要包括基體相和增強(qiáng)相。 基體相是一種連續(xù)相，它把改善性能的增強(qiáng)相材料固,結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用。 增強(qiáng)相起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和顯示功能(功能復(fù)合材料)的作用。,纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料,一、復(fù)合材料的分類 1、按基體材料分類，可分為聚合物基、陶瓷基和金屬基復(fù)合材料。 2、按增強(qiáng)相形狀分類，可分為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、粒子增強(qiáng)復(fù)合材料和層狀復(fù)合材料。 3、按復(fù)合材料的性能分類，可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。,二、復(fù)合材料的特點(diǎn) 1、比強(qiáng)度和比模量高 其中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的最高。 2、抗疲勞性能好 碳纖維增強(qiáng)

14、材料-1可達(dá)b的7080%。因纖維對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展有阻礙作用。 3、減振性能良好 復(fù)合材料中的大量界面對(duì)振動(dòng)有反射吸收作用，不易產(chǎn)生共振。 4、高溫性能好。增強(qiáng)劑常有較高的熔點(diǎn)和高溫強(qiáng)度。 5、斷裂安全性高。 應(yīng)力會(huì)迅速重新分布。,三、粒子與層狀增強(qiáng)復(fù)合材料,1、粒子增強(qiáng)復(fù)合材料 粒子增強(qiáng)復(fù)合材料是將粒子高度彌散地分布在基體中，使其阻礙導(dǎo)致塑性變形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)(金屬基體)和分子鏈運(yùn)動(dòng)(聚合物基體)。 這種復(fù)合材料是各向同性的。,衛(wèi)星用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件,聚合物基粒子復(fù)合材料如酚醛樹(shù)脂中摻入木粉的電木、碳酸鈣粒子改性熱塑性塑料的鈣塑材料(合成木材)等。 陶瓷基粒子復(fù)合材料如氧化鋯增韌陶瓷等。,

15、金屬基粒子復(fù)合材料又稱金屬陶瓷，是由鈦、鎳、鈷、鉻等金屬與碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等組成的非均質(zhì)材料。 碳化物金屬陶瓷作為工具材料已被廣泛應(yīng)用，稱作硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金通常以Co、Ni作為粘結(jié)劑，WC、TiC等作為強(qiáng)化相。,硬質(zhì)合金主要有鎢鈷(YG)和鎢鈷鈦(YT)兩類。牌號(hào)中，YG后的數(shù)字為含Co量，YT后的數(shù)字為碳化鈦含量。 硬質(zhì)合金硬度極高，且熱硬性、耐磨性好，一般做成刀片，鑲在刀體上使用。,2、層狀復(fù)合材料 層狀復(fù)合材料是指在基體中含有多重層片狀高強(qiáng)高模量增強(qiáng)物的復(fù)合材料。,這種材料是各向異性的(層內(nèi)兩維同性)。如碳化硼片增強(qiáng)鈦、膠合板等。,雙金屬、表面涂層等也是層狀復(fù)合材料。 結(jié)

16、構(gòu)層狀材料根據(jù)材質(zhì)不同，分別用于飛機(jī)制造、運(yùn)輸及包裝等。,四、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指以各種金屬和非金屬作為基體，以各種纖維作為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。 1、纖維增強(qiáng)復(fù)合原則,在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維是材料主要承載組分，其增強(qiáng)效果主要取決于纖維的特征、纖維與基體間的結(jié)合強(qiáng)度、纖維的體積分?jǐn)?shù)、尺寸和分布。,碳纖維,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛性與纖維方向密切相關(guān)。 纖維無(wú)規(guī)排列時(shí)，能獲得基本各向同性的復(fù)合材料。均一方向的纖維使材料具有明顯的各向異性。纖維采用正交編織，相互垂直的方向均具有好的性能。纖維采用三維編織，可獲得各方向力學(xué)性能均優(yōu)的材料。,纖維在基體中的不同分布方式,2、纖維的

17、種類和性能 玻璃纖維：用量最大、價(jià)格最便宜。 碳纖維：化學(xué)性能與碳相似。 硼纖維：耐高溫、強(qiáng)度、彈性模高。 金屬纖維：成絲容易、彈性模量高。 陶瓷纖維：用于高溫、高強(qiáng)復(fù)合材料。,芳香族聚酰胺纖維: 強(qiáng)度、彈性模量高，耐熱。 聚乙烯纖維: 韌性極好，密度非常小 。 晶須：是直徑小于30m，長(zhǎng)度只有幾毫米的針狀單晶體，斷面呈多角形, 是一種高強(qiáng)度材料。 分為金屬晶須和陶瓷晶須。金屬晶須中, Fe晶須已投入生產(chǎn)。工業(yè)生產(chǎn)的陶瓷晶須主要是SiC晶須。,SiC晶須,3、纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料 通常用碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維增強(qiáng)高分子材料。 這類復(fù)合材料的性能較環(huán)氧樹(shù)脂等基體有大幅度的提高，比強(qiáng)度也高得多。,聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件,4、纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 金屬的熔點(diǎn)高，故高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)后的金屬基復(fù)合材料（MMC）可以使用在較高溫的工作環(huán)境之下。 常用的基體金屬材料有鋁合金、鈦合金和鎂合金。,作為增強(qiáng)體的連續(xù)纖維主要有硼纖維、SiC和C纖維；Al2O3纖維通常以短纖維的形式用于MMC中。,MMC的SE