工程材料与热加工.ppt

第八章 非金属材料与复合材料 班级 10机械1班姓名 学号 第八章常用非金属材料 非金属材料指工程材料中除金属材料以外的其他一切材料 非金属材料的原料来源广泛 自然资源丰富 成形工艺简单 具有一些特殊性能 应用日益广泛 已成为机械工程材料中不可缺少的重要组成部分 在机械工程中常用的非金属材料主要包括高分子材料 陶瓷材料和复合材料 8 1 1塑料 1 塑料的组成塑料是以合成树脂为主要成分 加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的高分子材料 树脂的种类 性能 数量决定了塑料的性能 因此 塑料基本上都是以树脂的名称命名的 例如聚氯乙烯塑料的树脂就是聚氯乙烯 工业中用的树脂主要是合成树脂 如聚乙烯 聚氯乙烯等 2 常用橡胶 3 常用塑料的性能及应用 1 热塑性塑料 聚氯乙烯 PVC 分为硬质和软质两种 硬质聚氯乙烯强度较高 绝缘性和耐蚀性好 耐热性差 在 15 60 温度范围使用 用于做灯头 插座 开关阀门 软质聚氯乙烯强度低于硬质聚氯乙烯 伸长率高 绝缘性较好 耐蚀性好 用于农用和工业用包装薄膜 电线 电缆的绝缘层 因其有毒 不能包装食品 聚乙烯 PE 按生产工艺不同 分为高压聚乙烯 低压聚乙烯 高压聚乙烯化学稳定性高 柔软性 绝缘性 透明性 耐冲击性好 宜吹塑成薄膜 软管 塑料瓶等 低压聚乙烯硬度较高 耐蚀性 绝缘性好 用于制造腐蚀设备的零件 电器绝缘材料 3 常用塑料的性能及应用 聚丙烯 PP 最轻的塑料之一 刚性好 耐热性好 可在100 以上的高温使用 化学稳定性好 易成形 低温成脆性 耐磨性低 一般用于制造齿轮 管道 接头等 聚苯乙烯 PS 有较好的韧性 优良的透明度 化学稳定性较好 易成形 用于制造透明结构零件 如汽车各种灯罩 电器零件等 3 常用塑料的性能及应用 聚乙烯 丁二烯 丙烯腈共聚体 具有良好的综合性能 优良的耐热性 耐油性能 尺寸稳定 易成形 用于制造齿轮 轴承等 聚酰胺 尼龙 疲劳极限 刚性耐热性不如尼龙66 但弹性好 用于轻载荷 中等温度 无润滑或少润滑低噪声条件下工作的耐磨受力零件 聚碳酸酯 PC 力学性能优异 具有优良的抗冲击性 尺寸稳定性好 用于支架 壳体 垫片等一般零件 3 常用塑料的性能及应用 聚甲醛 POM 耐疲劳极限和刚度条件高于尼龙 弹性模量高 硬度高 用于度强度有一定要求的一般结构零件 聚四氟乙烯 PTFE 具有高的化学稳定性 属称 塑料王 用于耐腐蚀化工设备及衬里与零件 如反应器 管道等 聚砜 PSF 耐高温和耐低温 可在 100 150 长期使用 化学稳定性好 电绝缘和热绝缘性能好 用于制造高温下工作的耐磨受热零件 如汽车分速器盖 齿轮 仪表壳体等 2塑料的分类 1按适用范围 通用塑料 工程塑料2按受热性能 热塑性塑料 热固性塑料热塑性塑料和热固性塑料的特性及常用品种 热塑性塑料能溶于有机溶剂 加热可软化 易于加工成行 并能反复塑化成形 一般耐热性较差例 聚氯乙烯 PVC 聚乙烯 PE 聚甲醛 POM 等热固性塑料固化后重新加热不再软化和熔融 亦不容于有机溶剂 不能在成形使用 一般耐热性较好例 酚醛塑料 氨基塑料 有机硅塑料 等 8 3复合材料 复合材料由两种或两种以上性质不同的物质 经人工组合而成的多相固体材料 称为复合材料 8 3 1复合材料的分类按基体不同 分为三类 树脂基复合材料 陶瓷基复合材料 金属基复合材料 按增强材料的相形状不同 分为三类 颗粒增强复合材料 层叠复合材料和纤维增强复合材料 按用途可分为结构复合材料 功能复合材料等 复合材料 塑料的性能 塑料最大特点是具有可塑性和可调性 何为可塑性和可调性 可塑性就是通过简单的成形工艺 利用模具可以制造出所需要的各种不同形状的塑料制品 可调性是指在生产过程中可以通过变换工艺 改变配方 制造出不同性能的塑料 常用橡胶 8 2陶瓷材料 8 2 1陶瓷的分类与性能1 陶瓷的分类按原料不同 陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷 按用途不同分为日用陶瓷和工业陶瓷 普通陶瓷又称传统陶瓷 其原料是天然的硅酸盐产物 如粘土 长石 石英等 这类陶瓷又称硅酸盐陶瓷 例如日用陶瓷 建筑陶瓷 绝缘陶瓷 化工陶瓷等 特种陶瓷又称近代陶瓷 其原料是人工合成的金属氧化物 碳化物 氮化物 硅化物 硼化物等 特种陶瓷具有一些独特的性能 可满足工程结构的特殊需要 陶瓷材料 8 2 2陶瓷性能特点力学性能 刚度好 硬度高 抗压强度较高 抗拉强度较低 塑性和韧性很差 热性能 高熔点 在高温下具有好的化学稳定性 导热性低于金属材料 是良好的隔热材料 还具有良好的尺寸稳定性 电性能 具有电绝缘性化学性能 在高温下不易氧化 并对酸 碱 盐具有良好的抗腐蚀能力 8 2 3常用特种陶瓷 1结构陶瓷氧化铝陶瓷主要成分是Al2O3 强度比普通陶瓷高2 6倍 硬度高 仅低于金刚石 耐高温 陶瓷可在1400 时长期使用 空气中使用温度最高为1980 高温蠕变小 耐酸 碱和化学药品腐蚀 绝缘性好 脆性大 不能承受冲击 用于制作高温容器 如坩埚 内燃机火花塞 切削高硬度 大工件 精密件的刀具 耐磨件 如拉丝模 化工 石油用泵的密封环 高温轴承 纺织机用高速导纱零件等 氮化硅陶瓷这类陶瓷化学稳定性好 除氢氟酸外 可耐无机酸 盐酸 硝酸 硫酸 磷酸 王水 和碱液腐蚀 抗熔融非铁金属侵蚀 硬度高 摩擦系数小 耐磨性好 绝缘性 热膨胀系数小 抗高温蠕变性高于其他陶瓷 最高使用温度低于氧化铝陶瓷 用于制作高温轴承 热电偶套管 泵和阀的密封件 切削高硬度材料的刀具 例如 农用泵因泥砂多 要求密封件耐磨 寿命低 结构陶瓷 碳化硅陶瓷这类陶瓷高温强度大 抗弯强度在1400 仍保持500 600MPa 热传导能力强 有良好的热稳定性 耐磨性 耐蚀性和抗蠕变性 用于制作工作温度高于1500 的结构件 如火箭尾喷管的喷嘴 浇注金属的浇口杯 热电偶套管 炉管 汽轮机叶片 高温轴承 泵的密封圈 六方氮化硼陶瓷这类陶瓷有良好的高温绝缘性 2000 时仍绝缘 耐热性 热稳定性 化学稳定性 润滑性 能抗多数熔融金属侵蚀 硬度低 可进行切削加工 用于制作热电偶套管 坩埚 导体散热绝缘件 高温容器 管道 轴承 玻璃制品的成形模具 8 1 2橡胶 1 橡胶的组成与性能橡胶是以生胶为主要原料 加入适量配合剂而制成的高分子材料 橡胶具有弹性大 最高伸长率可达800 1000 外力去除后能迅速恢复原状 吸振能力强 耐磨性 隔声性 绝缘性好 可积储能量 有 定的耐蚀性和足够的强度等有点 其主要缺点是易老化 塑料的性能 塑料的性能除可塑性和可调性以外还具有哪些性能呢 1 物理性能密度 塑料的密度在0 9 2 2g cm3之间 仅相当于刚密度的1 4 1 7 电性能 塑料具有良好的电绝缘性 热性能 塑料预热 遇光易老化 分解 2 化学性能塑料具有良好的耐腐蚀性能 大多数塑料能耐大气 水 酸 油的腐蚀 3 力学性能塑料的强度 刚度较差 其强度仅为30 150Mpa 且受温度影响较大 塑料的刚度仅为钢的1 10 但由于塑料的密度小 故强度比较高 8 3 2复合材料的性能 1 比模量和比强度高例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料 其比强度是钢的8倍 比模量 弹性模量与密度之比 比钢大3倍 2 抗疲劳性能好例如碳纤维增强复合材料的疲劳强度是其抗拉强度的70 80 而大多数金属的疲劳强度是其抗拉强度的30 50 3 减振性能好纤维与基体界面有吸振能力 可减小振动 例如 尺寸形状相同的梁 金属梁9s停止振动 碳纤维复合材料制成的梁2 5s就可停止振动 4 高温性能好一般铝合金在400 以上时强度仅为室温的1 10 弹性模量接近于零 而用碳纤维或硼纤维强化的铝材 在400 时强度和弹性模量几乎和室温一样 此外 复合材料还有较好的减摩性 耐蚀性 断裂安全性和工艺性等 8 3 3常用复合材料 1 纤维增强复合材料 1 玻璃纤维增强复合材料 俗称玻璃钢 按粘结剂不同 分为热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢 玻璃钢力学性能优良 抗拉强度和抗压强度都超过一般钢和硬铝 而比强度更为突出 热塑性玻璃钢以玻璃纤维为增强剂 热塑性树脂为粘结剂 与热塑性塑料相比 当基体材料相同时 强度和疲劳强度提高2 3倍 冲击韧度提高2 4倍 抗蠕变能力提高2 5倍 强度超过某些金属 这种玻璃钢用于制作轴承 齿轮 仪表盘 收音机壳体等 8 3 3常用复合材料 热固性玻璃钢以玻璃纤维为增强剂 热固性树脂为粘结剂 其密度小 耐蚀性 绝缘性 成形性好 比强度高于铜合金和铝合金 甚至高于某些合金钢 但刚度差 为钢的1 10 1 5 耐热性不高 低于200 易老化和蠕变 主要制作要求自重轻的受力件 例如汽车车身 直升机旋翼 氧气瓶 轻型船体 耐海水腐蚀件 石油化工管道和阀门等 2 碳纤维增强复合材料这种复合材料与玻璃钢相比 其抗拉强度高 弹性模量是玻璃钢的4 6倍 玻璃钢在300 以上 强度会逐渐下降 而碳纤维的高温强度好 玻璃钢在潮湿环境中强度会损失15 碳纤维的强度不受潮湿影响 此外 碳纤维复合材料还具有优良的减摩性 耐蚀性 导热性和较高的疲劳强度 8 3 3常用复合材料 2 层叠复合材料层叠复合材料是由两层或两层以上不同材料复合而成 用层叠法增强的复合材料可使强度 刚度 耐磨 耐蚀 绝热 隔声 减轻自重等性能分别得到改善 常见的有双层金属复合材料 塑料 金属多层复合材料和夹层结构复合材料等 3 颗粒复合材料3 颗粒复合材料是由一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体材料内所组成的 金属陶瓷就是颗粒复合材料 它是将金属的热稳定性好 塑性好 高温易氧化和蠕变 与陶瓷脆性大 热稳定性差 但耐高温 耐腐蚀等性能进行互补 将陶瓷微粒分散于金属基体中 使两者复合为一体 例如 钨钴类硬质合金刀具就是一种金属陶瓷 结构陶瓷 2工具陶瓷硬质合金 成分为碳化物和粘结剂 硬度高 热硬性好 主要用在机械加工刀具 各种模具 矿山工具 地质和石油开采用各种钻头等 金刚石 自然界最硬 具有极高