塑料橡胶和复合材料.ppt

第1章塑料、橡胶和复合材料,高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、胶粘剂和涂料等，其中塑料、合成纤维和合成橡胶被称为现代高分子三大合成材料，塑料占总量的80。而在塑料中占80的是通用高分子，包括聚乙烯、聚丙烯以及聚氯乙烯与聚苯乙烯。塑料、橡胶与纤维三大合成高分子，已经成为工业生产和日常生活中必不可少的重要材料。,一、基础知识,1、聚合物的定义：聚合物是高分子，即由大量的称为单体的小分子连在一起形成的大分子。把这些单体连在一起所涉及的工艺称为聚合。塑料就是由一组原子或分子链组成的合成聚合物。长分子链包含了氧、氢、氮、碳、硅、氯、氟和硫的各种组合。,2、聚合物的类型按照将单体连接在一起的方式可以分为：加聚和缩聚。加聚：在单体分子的聚合过程中，分子链是通过连续地把一个单体加到另一个单体上形成的。典型的加聚物有：聚烯烃、聚苯乙烯、丙烯酸树脂、乙烯基树脂和氟塑料等；缩聚：通过两种不同的各自具有两个反应末端基团分子的反应而制备的聚合物称为缩聚物。,一、基础知识,3、热塑性塑料和热固性塑料除了橡胶外，所有的聚合物都可以分为以上两种不同类。特点：两种塑料在它们转变成最终产品的某个阶段都是可以成形和模塑的流体；热塑性塑料在冷却时凝固并能重新熔化，热固性塑料经过交联作用形成了三维网络，这导致其不可以重新熔化和重新成形。,4、根据聚合物的结构，还可以分为：线型、支化型、交联型、非晶体型、结晶型的和液晶型。液晶型聚合物被认为是一类性能独特的塑料。其分子是刚性的棒状结构，在熔化和凝固状态下，它们以很大的平行阵列或畴的形式规则排列。,一、基础知识,一、基础知识,5、结构和性能聚合物的结构决定了其性能表现，一般规律如下：有序化的结构（比如结晶型和液晶型）其刚度和强度更高，而耐冲击能力相对较弱，但是具有较高的耐蠕变性、耐热性和耐化学性；一般结晶型聚合物熔点高，难于加工，非结晶型聚合物在受热时是逐渐和连续地软化，但并没有太高的流动性能（相比熔融的结晶型聚合物）；液晶型聚合物兼有结晶型聚合物的高熔点，同时在熔融时是逐渐和连续地软化，因此其黏度、翘曲和收缩都是热塑性塑料中最小的。聚合物的力学性能和结构性能，依赖于其组成的分子量和分子量的分布。一般一个给定的聚合物对其具体的应用来说都存在某个最佳的分子量范围，同时其分子在整个材料中的分布也将影响其性能的稳定性。,一、基础知识,6、聚合物的合成方法目前有四种基本方法可以合成聚合物，具体选择依赖于具体的应用环境和性能要求，因为不同的合成方法会导致不同的化学组成结构。,（1）本体聚合是最简单的聚合物合成方法，也称为成块聚合。这种方法是仅仅允许单体在有催化剂或没有催化剂的情况下在某个预先确定的反应温度下进行反应形成聚合物。这些单体可以是液态、气态和固态，但实际上几乎所有的本体聚合都是在液相中进行，气相下的聚合需要一定的压力，并加入专门的催化剂才行。本体聚合的缺点：难以控制反应过程中产生的热以及分子量的分布。因此仅适合小型浇铸件和批量生产中。,一、基础知识,（3）溶液聚合聚合作用在一种合适的溶剂中进行的，这种技术称为溶液聚合。,（4）乳液聚合如果单体可以在水乳化液中聚合，这称为乳液聚合。,（5）悬浮聚合单体和形成的聚合物球滴通过搅拌维持悬浮状态而无需使用乳化剂，即聚合物颗粒是通过球滴合并而形成的，这种技术称为悬浮聚合。,一、基础知识,7、塑料术语的定义,一、基础知识,塑料术语的定义,一、基础知识,8、几个重要的电绝缘性能的意义,（1）介电强度：是指给介质施加电压后,当电压超过某一极限值时,通过电介质的电流急剧增加,电介质的介电性能被破坏,这种现象称为电介质击穿,这时的电压称为击穿电压,相应的电场强度称为电介质介电强度（2）电阻率定义或解释：电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。单位：国际单位制中，电阻率的单位是欧姆米，常用单位是欧姆平方毫米/米。,说明：电阻率不仅和导体的材料有关，还和导体的温度有关。在温度变化不大的范围内，：几乎所有金属的电阻率随温度作线性变化，即=0(1+at)。式中t是摄氏温度，0是O时的电阻率，a是电阻率温度系数。由于电阻率随温度改变而改变，所以对于某些电器的电阻，必须说明它们所处的物理状态。如一个220V，100W电灯灯丝的电阻，通电时是484欧姆，未通电时只有40欧姆左右。电阻率和电阻是两个不同的概念。电阻率是反映物质对电流阻碍作用的属性，电阻是反映物体对电流阻碍作用的属性。,(1)常用高分子材料的分子量在几百到几百万之间高分子量使它通常都是固体物质，与同等密度的天然物质相比具有了较高的强度，从而可以作为工业材料使用。而且有很多高分子材料不仅仅是聚合长链，各链间能轻易发生交联形成三维空间的巨大网状分子，具有较高强度。(2)高分子材料都是由小分子物质聚合而成，因此我们可以对材料结构进行设计与综合。,8、高分子材料的主要优点有：,(3)通过各种手段使高分子或高分子单体与其它物质相互作用后产生物理变化或化学变化，从而使高分子化合物成为能完成特殊功能的功能高分子材料。这些功能高分子材料主要包括：物理功能高分子材料，如导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、压电及热电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等。化学功能高分子材料，如反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜、高分子催化剂以及高分子试剂及人工脏器等。此外还有生物功能和医用高分子材料，如生物高分子、模拟酶、高分子药物及人工骨材料等。,二、热塑性塑料,1.聚酰亚胺（polyimide:PI）聚酰亚胺的主链结构含有芳环和杂环，使得其耐高温性能好。聚酰亚胺有一系列非常好的综合性能，特别是在200260高低温下具有突出的力学性能、电绝缘性、耐磨性、耐辐照以及在高真空下难挥发性，以及良好的化学稳定性和粘结性等。聚酰亚胺是性能优异的高温胶粘剂，使用温度在200以上，也能很好地粘结玻璃、硼、金刚石、铝、钴、钢、石墨和石英等；另外，聚酰亚胺还可制薄膜、绝缘漆、模压制品等，是电子工业中常用的绝缘、胶粘材料.,二、热塑性塑料,2.聚酯树脂聚酯薄膜具有良好的电学性能和力学性能，被广泛用于电子工业中。如制造小型电机的槽绝缘，可代替漆布，减薄了绝缘厚度，缩小了电机尺寸；聚酯薄膜还可以用来制造压敏带、薄膜绕包线等，可用于小型电容器、变压器与其它电器中。此外还广泛用于制造录音带、感光胶片等。下面介绍常见的几种聚酯：树脂：聚对苯二甲酸乙二酯(PET)除可制成薄膜外，还可用于聚酯纤维与聚酯非织布的制造。聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)制品也可用于电气与电子工业的绝缘材料。聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)是一种结晶的热塑性聚合物，熔点高达273，它的抗拉强度很高，能耐沸水的作用，在热的酸性或碱性介质中部是稳定的。可以用来制造薄膜，用作电器绝缘材料。,二、热塑性塑料,3.聚碳酸酯(PC)聚碳酸酯是具有线性结构的热塑性树脂，相对分子质量可达280020000。分子对称性较好，有一定柔曲性，故可以形成结晶。它是透明、强度高、具有耐热性的塑料，可在130下长期工作，是热塑性树脂中较为突出者。尤其是冲击强度大，抗蠕变性能好，甚至在120下仍保持其强度。因此，其作为工业用塑料而被广泛应用.聚碳酸酯薄膜具有高的电气强度，介电性能随温度、频率变化小，耐水性也较好。这种薄膜可作电磁线绝缘。它可用一般热塑性树脂加工成型的方法如注塑、挤塑、吹塑等加工制造一些电器与电子零件，也可用来制造机械与汽车零件，更可制造浇注绝缘制品，如浇注电缆接头和端部封闭。聚碳酸酯耐化学药品性稍低，不耐碱、强酸和芳香烃。,二、热塑性塑料,4.聚氯乙烯(polyvinylchloride：PVC)聚氯乙烯是由氯乙烯聚合而得的塑料，通过加入增塑剂，其硬度可大幅度改变。用聚氯乙烯制成的硬质制品，有较高的机械强度，特别是冲击韧度优异，因此可用作结构材料。它的介电性能优异，因而也是良好的绝缘材料。聚氯乙烯软制品广泛用于电线电缆。根据不同的使用条件，改变各组分的品种及其用量，可以制成各种电线电缆用的软聚氯乙烯塑料。聚氯乙烯电线电缆用塑料，按用途不同可分护套电缆材料和绝缘级电缆材料。对于绝缘级的聚氯乙烯塑料，主要用于直接包覆导线表面。对于电缆护套用的聚氯乙烯塑料，主要用于电缆的外部保护。,二、热塑性塑料,5.聚四氟乙烯(PTFE)聚四氟乙烯为代表性的氟树脂具有优异的耐热性(260)、耐冷件(260)，可在场250下长期使用，承受高温和高温氧气的腐蚀；也可在300下可短期工作；在很低的温度下(200)脆性很小，具有优良的韧性，可在195下应用。聚四氟乙烯化学性质稳定具有极好的耐化学药品性，是任何溶剂(如氢氟酸、发烟硫酸、浓碱、王水等)都不能溶解或溶胀的，在煮沸的情况下也不能与之发生作用，有“塑料王”之美称。仅熔融碱金属能与之发生作用。,聚四氟乙烯在压力作用下变形极小，且不受温度的影响摩擦系数极低(为0.01)，自润滑性很好。另外，聚四氟乙烯的介电性能也很好。用聚四氟乙烯作绝缘的电线电缆，可在高温、高湿、低温等恶劣条件下以及化工厂中长期使用，也可用于高压电器设备及高频绝缘和电线电缆绝缘。其缺点是不能用通常的加工方法加工，价格高。,三、热固性塑料,热固性塑料可以比热塑性塑料在更高的温度下工作。聚合物的交联或固化反应是一种放热过程，需要控制温度的升高以防止反应失控，同时聚合物的体积会收缩，此时可以通过加入填料或增强纤维或织物加以控制其收缩率。,环氧树脂环氧树脂(EP)是用固化剂固化的热固性塑料，通过醚键连接各单体。它的粘接性极好，电学性质优良，机械性质也良好。环氧树脂的主要用途是作金属防蚀涂料和粘接剂，常用于印刷线路板和电子元件的封装。对于电子工业来说环氧树脂举足轻重。,四、橡胶,添加剂：是为了获得各种具有不同性质的塑料所加入的其他材料，一般有填充剂、稳定剂、固化剂、增塑剂、着色剂等。,橡胶在电子工业中的应用较少,由树脂和添加剂组成。树脂又分为天然树脂和合成树脂两种，目前合成树脂是应用的主要原料，其主要来源是石油。,几种塑料成形方法介绍,1.模具2.喷嘴3.加热器4.螺杆5.料筒6.料斗7.螺杆传动装置8.注射液压缸9.行程开关,1.注射成形,2.挤出成形,1.挤出机2.机头3.冷却定型装置4.牵引装置5.切断器6.卸料槽,3.压缩成形（压塑或压制成形）,1.上凸模固定板2.上凸模3.凹模4.下凸模5.下凸模固定板6.垫板,4.压注成形（传递成形）,1.柱塞2.加料腔3.上模板4.凹模5.型芯6.型芯固定板7.垫板,五、应用,所有聚合物的加工步骤都包括把聚合物加热使其软化，迫使软化的聚合物进入或通过模具以使其成形，然后将熔融的聚合物冷却或固化成最终的形状。（有些聚合物可能是液态的）,1.层压板大多数印制电路板（PWB）都是由增强型的热固性树脂制造的。层压板是通过把纺织的增强材料浸在通常溶在溶剂中的液态树脂中，加热浸过的纤维以去除溶剂，并使树脂的固化达到“B阶”，这样材料在室温下是刚性的，并容易处理。这称为“预浸料”,2.粘接剂在电子工业中使用的粘接剂具有与电性能或热力学性能相关的多种要求。一般需要和被粘接材料具有合适的热膨胀系数以及良好的力学吸附作用。,五、应用,3.有机涂层把涂料涂覆到各种基体上，主要是防止基体受到外界环境或异常冲击的影响。根据具体器件的工作环境，涂层除了易于涂覆之外，还需要相应的物理、化学和电性能的优良特性。保形涂层主要材料类型有：丙烯酸、聚氨脂、环氧树脂、硅橡胶、聚酰亚胺等。,4.高分子绝缘材料：高分子绝缘材料根据用途可分为电工绝缘材料和电子绝缘材料两大类。电工绝缘材料：主要用于电机、电器，如在发电机、电动机中作电枢槽楔、定子绕组、转子绕组的绝缘。按形状分为6类：绝缘漆、树脂液和胶粘剂类。例如绝缘浸渍漆、硅钢片漆、漆包线漆、灌封树脂液和多种胶粘剂等常用的有环氧树脂、聚酯、聚氨酯、有机硅树脂、聚酰亚胺醇酸树脂等。浸渍纤维制品类。如以树脂浸渍各类棉、丝、合成纤维和玻璃纤维或织物所得的绝缘布、带等制品。层压制品类。各种有机或无机底材浸渍树脂后的层压材料制品，如多种层压板。,4.高分子绝缘材料：电工绝缘材料：主要用于电机、电器，如在发电机、电动机中作电枢槽楔、定子绕组、转子绕组的绝缘。按形状分为6类：塑料制品类。由树脂中添加各种有机或无机填料制得，如电视机壳，仪器、仪表外壳，电器开关接插件外壳等。薄膜、合成纸及其复合制品类。例如各种高分子薄膜电容器介质材料，常用的有聚苯乙烯、聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等薄膜；各种合成纤维绝缘纸，如芳香族聚酰胺纤维纸、聚酯纤维纸；各种绝缘胶粘带、绝缘胶布等。橡胶制品类。例如各种电线电缆绝缘层与护套、热收缩管、硅橡胶绝缘端子等。,电子绝缘材料：主要用于半导体元器件及其电子设备的绝缘保护。印刷电路板，即覆铜箔板。底材为树脂层压板者，称为刚性覆铜箔板，常采用环氧、酚醛等树脂板；底材为高分子薄膜或单层耐热玻璃漆布，则称挠性覆铜箔版，常采用聚酯、聚酰亚胺、含氟聚合物薄膜。封装材料，用于防止外界潮气和杂质对半导体元器件参数的影响。目前，大约90以上的半导体元器件采用塑料封装。主要是用环氧树脂和有机硅树脂，其次是酚醛树脂、聚酯、聚丁二烯等。半导体器件用绝缘膜，是大规膜集成电路等半导体元器件的表面保护膜（包括接点涂膜、钝化膜、防潮防震膜、防止软误差的射线遮蔽膜等）和层间绝缘膜。如以聚酰亚胺为主的芳杂环聚合物。,电子封装用聚合物材料发展趋势,一、聚合物封装材料的重要作用,关键性封装材料,1、高性能环氧塑封材料,5、导电/热粘结材料,3、高密度多层封装基板,.,2、层间介电绝缘材料,4、光波传导介质材料,重要的聚合物材料,1、功能性环氧树脂2、高性能聚酰亚胺3、特种有机硅树脂4、光敏性BCB树脂5、高性能氰酸酯树脂,9H:HighThermalStabilityHighDimensionalStabilityHighTgsHighMechanicalPropertiesHighElectricalInsulatingHighChemicalPurityHighOpticalTransparencyHighSolubilityHighAdhesive,9L:LowViscosityLowCuringTemperatureLowDielectricConstantLowThermalExpansionLowMoistureAbsorptionLowStressLowIonContentsLowPriceLowShrinkage,聚合物封装材料的性能需求,二、高性能环氧模塑材料,1、本征阻燃化：无毒无害2、耐高温化：260-2803、工艺简单化:低成本、易加工,环氧塑封材料的无卤阻燃化,WEEE&RoHS,环氧树脂的阻燃性,实现环氧塑封材料无卤阻燃的途径,本征阻燃性环氧塑封材料,FBE,FBN,本征阻燃性环氧塑封材料,样品尺寸：50*3mm测试条件：沸水中浸泡8小时,本征阻燃性环氧树脂的阻燃机理,主链中含有联苯结构和苯撑结构的酚醛型环氧树脂和酚醛型环氧固化剂在固化反应后形成了高度阻燃的网络结构，其阻燃性主要归功于在高温下的低弹性和高抗分解性导致燃烧时形成稳定的泡沫层。泡沫层主要由树脂体，炭和分解时产生的挥发性物质构成，有效地阻隔了热传递。,最近研制无卤阻燃塑封料的性能,高耐热PI塑封材料,注射温度：360oC注射压力：150MPa模具温度：150oC,三、液体环氧底填料,Underfill的作用:1)增强机械稳定性2)降低CTE及内应力3)防尘防潮防污染,环氧底填料的填充工艺,1、毛细管流动型填充工艺a)标准毛细管流动填充b)真空辅助毛细管填充c)加压辅助毛细管填充d)重力辅助毛细管填充2、非流动型填充工艺3、模压填充工艺4、圆片级填充工艺,环氧底填料成为工艺成败的关键因素,1、粘度：4000-5000mPa.s(25oC)2、玻璃化温度：1503、热膨胀系数：20ppm/。4、弯曲模量：9.5GPa。5、吸水率：0.8%(85/85RH/72h)6、室温保存时间：13000-15000cps（25/16h）7、低温保存时间：16000-18000cps（-40/6months）,典型Underfill材料的性能,四、Low-k层间介质材料1、光敏聚酰亚胺树脂2、光敏BCB树脂3、光敏PBO树脂,高电绝缘性击穿强度高,低CTE,低介电常数低介电损耗宽频/高温稳定,吸潮率低,抗高温湿热,聚酰亚胺材料的优异性能,尺寸稳定好/抗蠕变,Polyimides,耐化学腐蚀物理稳定性好,耐高温/耐低温,聚酰亚胺在电子封装中