第4章 非金属材料电子课件.ppt

第4章非金属材料与新型材料 本章主要介绍塑料 橡胶 陶瓷以及常用复合材料和新型材料 学习重点 主要是塑料 橡胶 陶瓷 以及常用复合材料和某些新型材料在工业生产中的应用 学习难点 各类非金属材料的性能特点 4 1非金属材料 塑料橡胶陶瓷 4 1 1塑料 主要介绍塑料的组成 塑料的分类以及常用塑料 1 塑料的组成 工程上所用的塑料 都是以有机合成树脂为主要成分 加入其他添加剂制成的 其大致组成如下 1 合成树脂合成树脂是塑料的主要成分 含量占40 100 决定塑料的主要性能 并起黏结作用 故绝大多数塑料都以相应的树脂来命名 2 添加剂为了改善塑料的某种性能 如强度 减摩性 耐热性等 而加入的 其主要作用是改善塑料的工艺性能和使用性能 如增塑剂 稳定剂 润滑剂 着色剂等 2 塑料的分类 1 按热性能分类塑料按热性能分为热塑性塑料和热固性塑料两大类 2 按使用性能分塑料按使用性能分为工程塑料 通用塑料和特种塑料三类 3 常用塑料 常用塑料有 1 聚乙烯 PE 2 聚氯乙烯 PVC 3 聚丙烯 PP 4 聚苯乙烯 PS 5 ABS塑料 6 聚酰胺 PA 7 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 8 聚四氟乙烯 PTFE或F 4 1 聚乙烯 PE 聚乙烯产品相对密度小 0 91 0 97g cm3 按合成方法不同 分低 中 高压三种 低压聚乙烯质地坚硬 有良好的耐磨性 耐蚀性和电绝缘性 高压聚乙烯化学稳定性高 有良好的绝缘性 柔软性 耐冲击性和透明性 而且无毒 低压聚乙烯用于制造塑料管 塑料板 承载不高的齿轮等 高压聚乙烯用于制作塑料薄膜 食品袋以及电线 电缆包皮等 聚乙烯产品的缺点是 强度 刚度 硬度低 蠕变大 耐热性差 且容易老化 2 聚氯乙烯 PVC 是最早使用的塑料产品之一 其应用十分广泛 分为硬质和软质两种 硬质聚氯乙烯强度较高 绝缘性 耐蚀性好 耐热性差 软质聚氯乙烯强度低于硬质的 但伸长率大 绝缘性较好 耐蚀性差 硬质聚氯乙烯用于耐化工腐蚀的结构材料 如输油管 离心泵 阀门管件等 软质聚氯乙烯用于制作电线 电缆的绝缘包皮 工业包装等 但因有毒 不能包装食品 3 聚丙烯 PP 聚丙烯相对密度小 0 9 0 92g cm3 是塑料中最轻的 其力学性能 如强度 刚度 硬度 弹性模量等 优于低压聚乙烯 PE 电绝缘性好 且不受湿度影响 耐蚀性好 无毒 无味 具有优良的耐热性 在无外力作用时加热至150 不变形 因此它是常用塑料中唯一能经受高温消毒的产品 主要缺点是 低温脆性大 不耐磨 易老化 聚丙烯常用来制造各种机械零件 绝缘件 生活用具 医疗器械 食品和药品包装等 4 聚苯乙烯 PS 该类塑料的产量仅次于聚乙烯和聚氯乙烯 聚苯乙烯具有良好的加工性能 其薄膜有优良的电绝缘性 常用于电器零件 其发泡材料相对密度低达0 33g cm3 是良好的隔音 隔热和防震材料 广泛用于仪器包装和隔热 聚苯乙烯的缺点是脆性大 耐热性差 但常将聚苯乙烯与丁二烯 丙烯腈 异丁烯 氯乙烯等共聚使用 使材料的抗冲击性能 耐热耐蚀性能大大提高 可用于耐油的机械零件 仪表盘和开关按钮等 5 ABS塑料 由丙烯腈 A 丁二烯 B 苯乙烯 S 三种组元共聚而成 三组元单体可以任意比例混合 由于ABS为三元共聚物 丙烯腈使材料耐蚀性和硬度提高 丁二烯提高其柔顺性 而苯乙烯则使其具有良好的热塑加工性 因此ABS是 坚韧 质硬且刚性 的塑料材料 ABS由于其低的成本和良好的综合力学性能 且易于加工成形和电镀防护 因此在机械和电器等工业中有着广泛的应用 6 聚酰胺 PA 7 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯俗称有机玻璃 是目前最好的透明有机物 其绝缘性 着色性和透光性好 耐蚀性 强度 耐紫外线 抗大气老化性较好 用于制作航空 仪器 仪表 汽车和无线电工业中的透明件和装饰件 如飞机座窗 电视和雷达的屏幕 设备标牌等 缺点是脆性大 表面硬度不高 易擦伤 8 聚四氟乙烯 PTFE或F 4 是含氟塑料的一种 具有很好的耐高 低温 耐腐蚀等性能 聚四氟乙烯几乎不受任何化学药品的腐蚀 化学稳定性超过了玻璃 陶瓷 不锈钢 甚至金 铂 俗称 塑料王 其缺点是强度 硬度较低 加热后黏度较大 不能用一般的热塑成型方法 只能用冷压烧结方法成型 而且高温分解时会产生剧毒气体 价格也较昂贵 4 1 2橡胶 橡胶是一种具有极高弹性的高分子材料 其弹性变形量可达100 1000 而且回弹性好 回弹速度快 同时 橡胶还有一定的耐磨性 很好的绝缘性和不透气 不透水性 是常用的弹性材料 密封材料 减震防震材料和传动材料 1 橡胶的组成 1 生胶 或纯橡胶 生胶是指未加配合剂的天然胶或合成胶 它也是将配合剂和骨架材料粘成一体的粘结剂 是橡胶制品的主要成分 也是影响橡胶特性的主要因素 2 橡胶配合剂橡胶中常加入的配合剂有硫化剂 硫化促进剂 活性剂 软化剂 填充剂 防老剂 着色剂等 3 骨架材料骨架材料可提高橡胶的承载能力 减少制品变形 常用的骨架材料有金属丝 纤维织物等 2 常用橡胶材料 1 天然橡胶天然橡胶是橡胶树流出的胶乳 经凝固 干燥等工序制成的弹性固状物 其单体为异戊二烯高分子化合物 它具有很好的弹性 但强度 硬度不高 为提高强度并硬化 需进行硫化处理 天然橡胶属通用橡胶 广泛应用于制造轮胎 胶带等 2 合成橡胶种类很多 有丁苯橡胶 SBR 顺丁橡胶 BR 和氯丁橡胶 CR 等 4 1 3陶瓷 陶瓷是一种无机非金属材料 是最早使用的材料之一 陶瓷在传统意义上是指陶器和瓷器 但也包括玻璃 水泥 砖瓦 搪瓷 耐火材料及各种现代陶瓷 陶瓷是由金属和非金属元素组成的无机化合物 1 陶瓷的分类 陶瓷材料及产品种类繁多 而且还在不断扩大和增多 陶瓷材料按原料不同 分为普通陶瓷 传统陶瓷 和特种陶瓷 现代陶瓷 按用途不同 陶瓷材料分为工程陶瓷和功能陶瓷 2 陶瓷的组织结构 1 晶体相这是陶瓷的主要组成相 决定陶瓷的主要性能 2 玻璃相这是陶瓷烧结时各组分通过物理化学作用而形成的非晶态物质 熔点较低 3 气相是由于材料和工艺等方面的原因 陶瓷结构中存在的气孔约占陶瓷体积的5 10 3 陶瓷的性能 1 力学性能与金属相比 陶瓷的弹性模量高 抗压强度高 硬度高 一般硬度大于1500 2 热性能陶瓷是耐高温材料 它的熔点高 2000 以上 抗蠕变能力强 热膨胀系数和导热系数小 3 电性能室温下的大多数陶瓷都是良好的电绝缘体 4 化学性能陶瓷的化学性能非常稳定 耐酸 碱 盐和熔融的有色金属等的腐蚀 4 常用特种陶瓷材料 特种陶瓷是以人工化合物为原料制成的 如氧化物 氮化物 碳化物 硅化物 硼化物和氟化物陶瓷以及石英质 刚玉质 碳化硅质过滤陶瓷等 1 氧化铝陶瓷 是以Al2O3为主要成分的陶瓷 Al2O3的含量一般大于46 还含有少量的SiO2 也称为高铝陶瓷 它的熔点很高 可作高级耐火材料 如坩埚 高温炉管等 2 氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷是一种烧结时不收缩的无机材料 氮化硅的强度很高 尤其是热压氮化硅 是世界上最坚硬的物质之一 它极耐高温 并有惊人的耐化学腐蚀性能 也能耐很多有机酸的腐蚀 同时又是一种高性能电绝缘材料 3 碳化硅陶瓷 碳化硅 俗称金刚砂 是无色的晶体 含有杂质时为钢灰色 碳化硅具有高硬度 高熔点 高稳定性和半导体性质 碳化硅作为一种新型耐热材料 近年来被广泛用于冶炼炉窑和锅炉燃烧系统的衬板 炉拱等高温区域 利用它的高硬度和耐磨性可制造砂轮 磨料等 4 氮化硼陶瓷 氮化硼陶瓷按晶体结构不同分为六方结构和立方结构两种 六方氮化硼结构与石墨相似 性能也比较接近 故又称 白石墨 具有良好的耐热性 导热性和高温介电强度 立方氮化硼为立方结构 结构紧密 其硬度与金刚石接近 常用于制作刀具 4 2新型材料 随着材料科学理论和材料制作工艺的不断发展 一些性能各异的新型材料也在不断开发和生产 如在不同的材料之间 金属之间 非金属之间 金属与非金属之间 进行复合 可生产出具有组合新功能的复合材料等 4 2 1复合材料 复合材料是两种或两种以上的化学本质不同的组成成分经人工合成的材料 目前常用的复合材料是以聚合物 金属 陶瓷为基体 加入各种增强纤维或增强颗粒而形成的 常用复合材料 1 纤维增强树脂基复合材料 2 颗粒增强复合材料 3 叠层或夹层复合材料 4 2 2其他新型材料 材料被称为人类社会进步的里程碑 随着各项新技术的不断发展 非晶态 准晶态 纳米材料等新型材料也正日新月异的发展 由于新型材料种类繁多 很难像传统材料那样系统分类 在此仅选取几种有代表性的新型材料作简单介绍 1 木塑复合材料 木塑复合材料是近年来发展起来的一种新型材料 它将两种不同材料的优点有机地结合在一起 既可以像木材一样表面胶合 油漆 也可以进行钉 钻 刨等 发挥了木材的易加工性和塑料的加工方法多样性 灵活性 应用领域十分广泛 2 储氢合金 某些金属具有很强的捕捉氢的能力 在一定的温度和压力条件下 这些金属能够大量 吸收 氢气 反应生成金属氢化物 同时放出热量 其后 将这些金属氢化物加热 它们又会分解 将储存在其中的氢释放出来 这些会 吸收 氢气的金属 称为储氢合金 3 形状记忆合金 早在1951年美国人在一次试验中 偶然发现了金 镉合金有形状记忆特性 当时并未引起重视 1953年又在铟 铊合金发现这种效应 随后在1962年 美国海军军械实验室在Ni Ti合金中