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第6章非金属材料 非金属材料是指所有金属以外的材料 包含高分子材料 塑料等 陶瓷材料 工程陶瓷等 复合材料 金属基复合材料等 其他非金属材料 木头 玻璃等 6 1高分子材料6 1 1概述高分子化合物包括有机高分子化合物和无机高分子化合物两大类 有机高分子又有合成的和天然的 工程中使用的有机高分子材料主要是人工合成的高分子聚合物 简称高聚物 以高分子化合物为主要组成部分的材料就称为高分子材料 或聚合物材料 高聚物材料 主要有塑料和橡胶两类 1 有机高分子材料的性能特点比强度高 高弹性和低弹性模量 高耐磨性和低硬度 电绝缘性优良 耐热性差 氟橡胶也仅能用于300 以下 膨胀系数大 化学稳定性高 耐碱 酸 盐腐蚀 2 高聚物的物理状态在不同温度下呈现出三种不同的物理状态 即玻璃态 高弹态或黏流态 因而具有不同的性能 这对高聚物的成型加工和使用具有重要意义 玻璃态温度低于Tg 玻璃化温度 时 高聚物像玻璃那样处于非晶态的固体 称为玻璃态 特性 有一定刚度 只发生微量弹性变形 例子 塑料 高弹态当温度处于Tg和Tf 黏流化温度 之间时 高聚物处于高弹态 特性 能发生较大可逆形变 高弹形变 例子 橡胶 黏流态当温度升高到Tf 黏流化温度 时 高聚物成为流动的黏液 这种状态叫黏流态 特性 可以通过喷丝 吹塑 挤压 模铸等方法进行加工 注意 应力 温度 冷却方式和模具形状影响组织和性能 6 1 2工程塑料塑料是一种以合成树脂为主要成分的高分子有机化合物 其原材料主要来自石油及其副产品 塑料的组成塑料由 合成 树脂和各种添加剂组成 塑料添加剂主要有填充剂 或增强剂 增塑剂 固化剂 即硬化剂 稳定剂 又称防老化剂 润滑剂 着色剂 发泡剂 阻燃剂等 塑料的特性 重量轻 比强度高 耐蚀性好 电绝缘性能好 减振 耐磨 隔音性能好 生产效率高 成本低 2 塑料的分类按使用范围分通用塑料和工程塑料 按树脂热性能分热塑性塑料和热固性塑料 组成聚合物的低分子化合物 称为单体 聚合物的分子为很长的链条 称为分子链 大分子链中重复结构单元 称为链节 碳原子链 高分子化合物中 由碳原子组成的 长的骨架 也称之为碳链 聚合度 大分子链中链节的重复次数 用n来表示 高分子链的几何形状线形支链形交联形 体形或网形 1聚乙烯 PE 热塑性通用塑料 产量最大 有高 中 低压PE三种 优点 来源丰富 价格低廉低压PE密度大 质地硬 电绝缘性好高压PE密度小 质地软 缺点 容易发生环境应力开裂现象 应用 低压PE用来制作管道 阀门等 高压PE用来制作薄膜 软管等 2聚氯乙烯 PVC 热塑性通用塑料 产量很大 有硬质 软质和发泡PVC三种 优点 化学稳定性高 绝缘性好 阻燃耐磨 消声减震 成本低廉 加工容易 缺点 耐热性差 冲击强度低 有一定毒性 应用 管道 护套线包皮 冰箱填充隔热剂 3聚四氟乙烯 PTFE 热塑性工程塑料 俗称 塑料王 优点 极优越的化学稳定性 强酸 强碱 强氧化剂中均不受腐蚀 热稳定性高 使用温度宽广 180 250 摩擦系数极低 只有0 04 且有自润滑性 优越的绝缘性 缺点 强度较低 加工成型性差 不能象一般热塑性塑料成形 成本高 PTFE的应用化工耐蚀管道 阀门等机械行业的自润滑轴承 垫圈 活塞环等高频电子仪器的绝缘等医学上代替血管 人工心肺装置等 4酚醛塑料 PF 热固性工程塑料 俗称 电木 酚醛树脂加添加剂制成 优点 强度高 刚度大 耐热性好 绝缘性好 耐酸腐蚀 摩擦系数低 制件尺寸稳定 缺点 不耐强碱腐蚀 应用 齿轮 凸轮 轴承 开关等电绝缘器件等 5环氧塑料 EP 热固性工程塑料 俗称 万能胶 由环氧树脂加增塑剂 固化剂 填料等制成 优点 突出的尺寸稳定性和耐久性 强度高 耐酸碱腐蚀 良好的电绝缘性等 缺点 固化剂有毒 成本高 应用 层压塑料 绝缘器件 粘结剂等 3 塑料的成型加工 注射成型 挤出成型 浇铸成型 吹塑成型 模压成型 6 1 3合成橡胶 1 橡胶的组成橡胶是以生胶为主要成分 添加各种配合剂和增强材料制成的 常用的配合剂有 硫化剂 硫化促进剂 活化剂 填充剂 增塑剂 防老化剂等 2 橡胶的性能橡胶是在室温下处于高弹态 最大的特性是高弹性 其弹性模量很低 只有1 10MPa 弹性变形量很大 可达100 1000 具有优良的伸缩性和积储能量的能力 此外 橡胶还有良好的耐磨性 隔音性 阻尼性和绝缘性 天然橡胶组成 聚异戊二烯混合体 来源于橡胶树的胶乳 优点 耐磨性 耐蚀性 耐低温性 介电性好 易于加工成形 缺点 耐油 耐溶剂性差 抗臭氧老化性能差 应用 轮胎 胶鞋 胶管等 丁苯橡胶组成 合成橡胶 是产量最大 应用最广的通用橡胶 丁二烯和苯乙烯共聚物 优点 耐磨性 耐热性 耐油性 抗老化性都比较好 特别是耐磨性超过天然橡胶 价格低廉 缺点 强度低 成形性不佳 应用 胶鞋 胶管等 但不适合制作高速轮胎 顺丁橡胶组成 主要由丁二烯聚合而成 优点 来源丰富 成本低 弹性高于天然橡胶 耐磨性好 耐寒性好缺点 加工性不好 抗撕裂性差 应用 80 90 轮胎 三角皮带 胶辊等 氯丁橡胶组成 合成橡胶 俗称 万能橡胶 氯丁二烯聚合物 优点 机械性能与天然橡胶相似 耐磨 耐热 耐油 抗老化等 缺点 耐寒性差 密度大 成本高 应用 三角皮带 运输带 腐蚀介质输送管 胶粘剂等 6 1 4黏结剂黏结剂由树脂 橡胶等及各种辅料组成 常用辅料有增强剂 固化剂 稳定剂 稀释剂 偶联剂 着色剂 填料等 以溶剂为基黏结剂 聚苯乙烯型黏结剂 溶剂挥发树脂固化实现连接 热塑性塑料黏结剂 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMP 黏结剂 热塑性塑料冷却固化实现连接 热固性塑料黏结剂 环氧树脂黏结剂 6 2陶瓷材料陶瓷是各种无机非金属材料的总称 是现代工业中很有发展前途的一类材料 6 2 1陶瓷材料的分类陶瓷的种类繁多 工业陶瓷大致可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类 导电玻璃 普通陶瓷 传统陶瓷 除陶 瓷器之外 玻璃 水泥 石灰 砖瓦 搪瓷 耐火材料都属于陶瓷材料 特种陶瓷它是以人工化合物为原料 如氧化物 氮化物 碳化物 硅化物 膨化无机氟化物等 制成的陶瓷 它具有独特的力学 物理 化学 电 磁 光学等性能 主要用于化工 冶金 机械 电子 能源和一些新技术中 6 2 2陶瓷材料的结构及性能特点 1 陶瓷材料的结构 陶瓷材料的相组成 晶相 玻璃相和气相三种 其中晶相是主要组成相 它决定陶瓷材料的物理化学性质 玻璃相的作用是充填晶粒间隙和粘结晶粒 气相是工艺过程形成的 2 陶瓷材料的性能特点熔点高 一般2000 以上 耐高温 硬度高 莫氏硬度9 0左右 化学稳定性好 耐腐蚀 绝缘性好 没有自由电子 6 2 3常用陶瓷材料 普通陶瓷以天然硅酸盐为原料 经粉碎 配制 制坯 烧结而成 是多相固体材料 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷又叫高铝陶瓷 是一种以Al2O3为主要成分的陶瓷 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷是将硅粉经反应烧结而成或将Si3N4经热压烧结而成的一种陶瓷 氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷通常是由BN粉末经冷压或热压烧结而成的一种陶瓷 常用工业陶瓷 普通陶瓷原料 粘土 经配制烧结而成 组成 莫来石晶相 3Al2O3 2SiO2 玻璃相占30 60 气相占1 3 优点 良好耐蚀性 电绝缘性 成形性 成本低 缺点 强度低 玻璃相多的缘故 易软化 应用 日用餐具 耐腐蚀容器和管道 电绝缘器件等 常用工业陶瓷 氧化铝陶瓷是以Al2O3 占45 以上 为主要成分的特种陶瓷 主要晶相 Al2O3 SiO2 优点 强度高 硬度高 耐磨性很好 电绝缘性好 可在高温下长期工作等 缺点 脆性大 抗热震性差 应用 内燃机火花塞 切削刀具 坩埚 导弹整流罩等 常用工业陶瓷 氮化硅陶瓷以Si3N4为主要成分的特种陶瓷 有反应烧结和热压烧结两种 主要晶相 Si3N4 六方晶系 共价键化合物 优点 化学稳定性好耐腐蚀 硬度高 摩擦系数小且有自润滑作用 热膨胀系数低 抗热震性能好 绝缘性能好 缺点 密度低 强度低 耐蚀性差 应用热压烧结氮化硅 用于形状简单 精度要求不高的零件 如高温轴承 反应烧结氮化硅 用于形状复杂 尺寸精度要求高的零件 如机械密封环 6 3复合材料复合材料 由两种或两种以上性质不同材料组合的多相固体材料 复合材料是多相材料 主要包括基体相和增强相 基体相 是一种连续相 它把改善性能的固结增强相成一体 并起传递应力的作用 增强相 起承受应力 结构复合材料 或显示功能 功能复合材料 的作用 复合材料中的增强相及其复合形态 复合材料的分类按基体材料分 聚合物基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 按使用性能分 结构复合材料 功能复合材料 按增强物形状分 粒子增强复合材料 纤维增强复合材料 纤维增强高分子复合材料 6 3 1复合材料的性能特点比强度 比模量高 纤维增强作用 疲劳强度高 纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用 断裂安全性高 纤维的牵连作用 减震性能好 大量界面对振动有反射吸收作用 不易产生共振 6 3 2复合材料的分类 纤维增强复合材料 玻璃纤维增强复合材料 碳纤维增强复合材料 层合复合材料 颗粒增强复合材料 聚合物基复合材料 PMC构成 由60 70 玻纤和30 40 热固性树脂 环氧树脂 酚醛树脂 聚脂 有机硅等 组成 玻璃钢优点 密度小 强度高 绝缘性好 耐腐蚀 易着色和成形等 缺点 弹性模量低 刚度差 耐热性不好 易于老化等 应用 航空航天雷达罩 螺旋桨叶片 轻型船 舰 艇 耐腐蚀容器和管道等 聚合物基复合材料 PMC构成 由20 40 玻璃纤维和60 80 热塑性树脂 如尼龙 聚碳酸脂 ABS 聚苯乙烯等 组成 优点 强度尤其比强度高 冲击韧性好 绝缘性好 耐腐蚀 易于加工成形等 应用 质量小 强度高的受力 热结构件 传动零件 绝缘件 粒子增强复合材料粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中 使其阻碍塑性变形 位错运动 金属基体 分子链运动 聚合物基体 特点 各向同性 典型产品电木 酚醛树脂中掺入木粉 合成木材 碳酸钙改性热塑性塑