第十二章常用非金属材料.ppt

非金属材料的分类 高分子材料highpolymer 陶瓷材料ceramics和复合材料compoundmaterials 第十二章常用非金属材料nonmetallicmaterials 12 1高分子材料 一 概述 一 高分子材料的定义高分子材料是以高分子化合物为主要组成部分的材料 高分子化合物是指分子量很大 一般 1000 的有机化合物 也称为聚合物或高聚物 高分子化合物分为 天然的和人工合成的 工程上使用的高分子材料主要是合成的 二 高分子化合物的组成 以乙烯合成的聚乙烯为例进行说明 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 可把它简写成 nCH2 CH2 CH2 CH2 n组成聚合物的低分子化合物 如上例的乙烯 称为单体 聚合物的分子是很长的 象链条形状 叫大分子链 其中重复的结构单元 方括号内的部分 称为链节 一条高分子链中所含有的链节数目称为聚合度 n 大分子链也可由几种单体共同聚合而成 三 高分子材料的分类1 按性能和用途分 1 塑料 在常温下有一定的形状 强度较大 受力后能发生一定形变的聚合物 2 橡胶 室温下具有高弹性 去除外力后又恢复原状的聚合物 3 纤维 室温下分子的轴向强度很大 受力后形变较小 在一定的温度范围内力学性能变化不大的聚合物 把聚合后未加工成型的聚合物称为树脂 以区分加工后的塑料或纤维制品 4 涂料 胶粘剂等 均呈树脂形式 直接使用 2 按聚合反应的类型分类 1 加聚物 单体经加聚合成高聚物 聚合反应时无副产物 链节结构的化学式与单体分子式相同 如聚乙烯 2 缩聚物 单体经缩聚合成高聚物 缩聚反应时 有小分子副产物 如水等 析出 如 酚醛树脂等 3 按聚合物的热行为分 1 热塑性聚合物 加热后软化 冷却后又硬化成型 随温度变化可反复进行 如聚乙烯等 2 热固性聚合物 受热发生化学变化而固化成型 成型后再受热也不软化变形 如 环氧树脂等 4 按聚合物主链上的化学组成分类 1 碳链聚合物 主链由碳原子一种元素组成 2 杂链聚合物 主链除碳外还有其它元素 3 元素有机聚合物 主链由氧和其它元素组成 四 高分子材料的命名 1 按习惯命名 在原料单体前加 聚 字表示 常用 如 聚乙烯 2 按商品名称命名 没有统一的命名原则 多用于纤维和橡胶 如晴纶 尼龙6等 3 用符号表示 用英文名称的缩写表示 如 聚乙烯用 PE 表示等 五 高分子材料的发展概况利用天然高分子材料的历史很长 但有目的合成高聚物的历史却不到百年 在工程中大量应用的时间更短 但发展很快 二 高分子材料的结构 一 大分子链的结构1 大分子链的链节排列形式 对称的单体和不对称的单体的排列形式 2 大分子链的大小和几何形状 大小用分子量或聚合度表示 几何形状主要有线型 支链型和体型 或网状 3 大分子链的柔顺性 大分子链由构象变化获得任意卷曲程度的特性称为大分子链的柔顺性 二 高分子聚集态结构1 无定形高聚物的结构 远程无序而近程有序 2 晶态高聚物的结构 结晶度 晶区所占的重量百分比 一般为 50 80 三 高分子材料的力学状态 一 线型非晶态高分子材料的力学状态1 玻璃态 塑料和纤维一般在该态下使用 2 高弹态 弹性变形量可达100 1000 橡胶一般在该态下使用 3 粘流态 高分子材料的加工状态 二 线型晶态高分子材料的力学状态结晶区不会有链段的运动 所以没有高弹态 四 高分子材料的化学反应 一 大分子的交联反应大分子结构的变化 如从线型结构转变成为体型结构 称为交联反应 二 大分子的裂解反应大分子链在各种外界因素的作用下 发生链的断裂 使分子量下降的反应称为裂解反应 三 聚合物的老化高分子材料在长期使用过程中 受到热 氧气 紫外线 水蒸气 微生物 机械力等的作用 逐渐失去 弹性 出现龟裂 变硬变脆或发粘软化等现象称为聚合物的老化 是由于大分子交联 失去弹性 龟裂 变硬变脆 或裂解 失去刚性 发粘软化 蠕变 引起的 五 高分子材料的基本性能特点1 重量轻 2 高弹性 100 1000 一般金属材料仅为 0 1 1 3 粘弹性 应变不仅取决于应力的大小 而且取决于应力作用的速度 应变滞后于应力 4 塑性 5 强度 缺点之一 限制其在工程结构中应用的主要原因 6 韧性 优点 10 耐蚀性 11 老化 主要缺点 7 减摩 耐磨性 8 绝缘性 9 耐热性 12 2工程塑料engineeringplastics 一 概述 一 塑料的涵义塑料是在玻璃态使用的高分子材料 是具有可塑性的高分子材料 实际上使用的塑料是以树脂为主要成分 加入各种添加剂 在一定温度 压力下能加工塑制成型的材料 二 塑料的组成1 树脂 塑料的主要成分 塑料一般以所用的树脂命名 2 添加剂 为了改善塑料的某些性能而加入的物质 有 填料 增塑剂 固化剂 稳定剂 润滑剂 着色剂 其它 如阻燃剂等 三 塑料的分类1 按树脂的特性分为 热塑性塑料和热固性塑料 2 按塑料的应用范围分 1 通用塑料 6大品种 占塑料总产量的3 4以上 大多用于生活用品 2 工程塑料 能作为结构材料在机械设备和工程结构中使用的塑料 其力学性能较高 如ABC塑料 3 特种塑料 价格贵 四 塑料的性能特点1 相对密度小 0 9 2 32 耐蚀性好 3 电绝缘性好 4 减摩耐磨性好 5 消音吸震性好 6 刚度差 弹性模量只有钢铁材料的1 100 1 10 7 强度低 30 100MPa 8 耐热性低 100度以下使用 9 膨胀系数大 钢的10倍 导热系数小 金属的1 200 1 600 10 其它缺点 蠕变温度低 易老化等 二 常用塑料简介 一 聚烯烃塑料1 聚乙烯 PE 性能 耐低温性 70 耐化学药剂的侵蚀性 突出的电绝缘性 韧性好 摩擦系数小 缺点 变大 耐热性差 不耐大气老化 用途 制作瓶子和大水杯一类的中空制品 包装薄膜 软管 食品袋 包复电缆和玩具等 高密度聚乙烯适于制造一些受载较小的齿轮和轴承等 2 聚氯乙烯 PVC 单体 特点 强度较高 耐化学腐蚀 不燃烧 成本低 加工容易等 主要缺点是 耐热性差 有一定的毒性 主要用途 聚氯乙烯是最早工业生产的塑料产品之一 产量仅次于聚乙烯 1 硬聚氯乙烯可用于船舶上的一些管路 建筑用的管道 窗框等 2 增塑聚氯乙烯可用于窗帘 桌布 雨衣 手提箱 地板革 农用薄膜 电线外皮等 3 聚苯乙烯 PS 30年代的老产品 产量仅次于前两种塑料产品 性能特点 绝缘性好 刚度大 尺寸稳定性高 流动成形性好 收缩率低 耐蚀 隔音 隔热 缺点 脆性大 耐热性差 适用于 仪表 仪器的外壳 管道 玩具 接线盒 开关按钮 打捞和救生用品等 4 聚丙烯 PP 工业化生产较晚 但因原料易得 价格低 用途广泛 所以产量剧增 特点 是塑料中最轻的 良好的耐水性 化学稳定性和尺寸稳定性 良好的绝缘性 是常用塑料中唯一可在水中煮沸 经受消毒温度 130 的品种 缺点 不耐紫外线老化 主要用途 家庭厨房用具 食品或药品包装袋 法兰 齿轮 风扇叶轮 录音机外壳 把手 等 二 聚酰胺 PA 商品名称是尼龙或锦纶 是最早发现能承受载荷的热塑性塑料 在机械中应用较广 尼龙的品种很多 机械中多用尼龙6 尼龙66 尼龙610 尼龙1010等 其中尼龙1010是我国独创的的 性能 突出的耐磨性和自润滑性 耐蚀 无毒 缺点是不耐热 工作温度低于100 吸水性大 可用于制造尾轴承 舵轴承 导流帽等 可浇铸成型的尼龙6又称MC尼龙 机械强度较高 适于制造大型齿轮 轴套等 三 聚碳酸酯 PC 是新型热塑性塑料 综合性能好 产量仅次于尼龙 性能 化学稳定性好 耐日光 雨水和气温变化的影响 透明度高 被称为 透明金属 用途 可制造轻载齿轮 心轴 螺帽 挡风玻璃等 波音747飞机上有2500个零件用它制造 总重量达2吨 四 ABS塑料ABS是丙烯腈 耐蚀 一定的表面硬度 丁二烯 韧性好 苯乙烯 热塑性 三种组员组成 其各自的含量可调整 可制成各种 ABS塑料 ABS是具有 坚韧 质硬 刚性 的材料 可制造船舶零件 如齿轮 轴承 低压管道等 五 聚四氟乙烯 PTFE 氟塑料的一种 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 性能 摩擦系数极低 0 04 是现有固体材料中最低的 180度 250度长期工作 缺点 强度低 刚性差 加工性不好 只能冷压烧结成型 制造减摩密封零件 耐蚀件等 六 有机玻璃 PMMA 其化学名称是聚甲基丙烯酸甲酯 是目前最好的透明材料 透光率达92 比普通玻璃好 相对密度是玻璃的一半 其力学性能好 比普通玻璃高7 18倍 可制造飞机的座窗 舷窗 电视和雷达的屏幕 光学镜片等 七 热固性塑料一般是在树脂中加入固化剂压制成型的体形聚合物 主要品种有 1 酚醛塑料 PF 一定的强度和硬度 耐磨性 绝缘性和耐蚀性好 性脆 不耐碱 可制造电讯器材和电木制品 插头 开关 电话机 仪表盒等 但不能用作食品用具 2 环氧塑料 EP 强度高 韧性好 尺寸稳定 耐热 耐寒 但有毒 具有很强的粘接力 可粘接金属和非金属材料可 可用作涂料 油漆等 四 工程塑料在船舶上的应用1 工程塑料的选用和注意事项2 工程塑料在船舶上的应用 12 3合成材料 一 合成橡胶合成橡胶是人工合成的高分子化合物之一 是具有高弹性的高分子材料 一 橡胶制品的组成1 生胶 未加配合剂的合成橡胶称为生胶 其性能随温度变化很大 2 配合剂 改善合成橡胶的性能 配合剂主要有 硫化剂 硫化催化剂 软化剂 增塑剂 填充剂 发泡剂等 3 增强材料 用于增加橡胶制品的强度并限制其变形 增强材料主要有 纤维织品 帆布 线绳及钢丝等 二 橡胶的性能特点高弹性 耐磨性 绝缘性 不透水和不透气等 三 常用橡胶材料1 天然橡胶 由橡胶树上流出的乳胶加工而成 其综合性能是最好的 但来源有限 2 合成橡胶 种类很多 主要有7大品种 丁苯橡胶 顺丁橡胶 异戊橡胶 氯丁橡胶 丁 基橡胶 乙丙橡胶和丁腈橡胶 产量最大的是 丁苯橡胶 占橡胶总产量的60 70 发展最快的是顺丁橡胶 3 特种橡胶 如硅橡胶 耐高温和低温 氟橡胶 耐腐蚀 一 合成纤维凡能保持长度比本身直径大100倍的均匀或丝状的高分子材料均称为纤维 包括有天然纤维和化学纤维 1 天然纤维 直接从自然界获得 包括 矿物纤维 植物纤维 如棉 麻等 动物纤维 如丝 毛等 2 化学纤维 又分人造纤维和合成纤维 合成纤维一般强度高 比重小 耐磨 不霉不腐等 为纺织品的新型原料 用于服装原料 产量最多的有6大品种 涤纶 的确良 尼龙 锦纶 腈纶 人造毛 维纶 丙纶 氯纶 一 合成胶粘剂胶粘剂又称粘合剂 粘接剂 可分为 有机胶粘剂和无机胶粘剂 1 主要组成 基本材料和辅助材料 基本材料 树脂 橡胶等 辅助材料 固化剂 填料 增塑剂等 2 常用胶粘剂 1 环氧胶粘剂 万能胶 基料主要使用环氧树脂 2 改性酚醛胶粘剂 耐热 耐老化 粘接强度高 但脆性大 固化收缩率大等 3 聚氨酯胶粘剂 韧性好 可低温使用 不耐热 强度低 4 氰基丙烯酸酯胶 常温快速固化胶粘剂 又称 瞬干胶 耐热性差 5 厌氧胶 常温下有氧时不能固化 当排出氧气后能迅速固化的胶 主要用于螺纹的密封 堵塞铸件的砂眼和构件的细缝 6 无机胶粘剂 高温环境下使用 粘接强度高 但脆性大 4 胶粘剂在轮机工程中的应用 修复船机零件 裂纹与断裂的修复 用于主 辅机和轴系的安装工艺 螺旋桨与尾轴的装配 12 4陶瓷材料 一 概述陶瓷是指金属材料和有机材料以外的固体材料 陶瓷已非指传统的陶器和瓷器 陶瓷的分类 无机玻璃 陶瓷和玻璃陶瓷 其中 陶瓷又分为传统陶瓷 普通陶瓷 特种陶瓷和金属陶瓷 二 陶瓷的结构特点1 晶相 1 硅酸盐结构 SiO4 2 氧化物结构 以离子键为主的晶体 3 非氧化物结构 碳化物 氮化物 硼化物等 2 玻璃相 20 40 粘结 填充晶体 提高致密度 较低烧成温度 加快烧成等 3 气相 气孔率 5 10 三 陶瓷的性能1 机械性能2 热性能 熔点高 2000 3 其它性能 耐蚀性 导电性 变化范围很宽 一 工业陶瓷1 普通陶瓷 粘土类陶瓷 产量大 应用广 日用陶器 瓷器 建筑业等 2 特种陶瓷 1 氧化铝陶瓷 以Al2O3为主要成分的陶瓷 其含量大于46 也称高铝陶瓷 其含量越高越好 缺点是 脆性大 不能承受冲击载荷 温度不能急变 2 非氧化物陶瓷 高的耐火度 高硬度 高耐磨性 脆性很大 12 5复合材料 一 复合材料的概念由两种或两种以上性质不同的材料组合起来的一种多相固体材料称为复合材料 二 复合材料的性能特点1 比强度和比模量高 2 耐疲劳性能好 3 减摩耐磨性和自润滑性好 塑料和钢的复合材料可作轴承 石棉和塑料复合 摩擦系数大 是制动效果好的摩阻材料 4 高温性能好 5 其它 良好的化学稳定性 隔热性等 一 复合材料的分类1 根据构成的原材料分 金属基复合材料 塑料基复合材料 橡胶基复合材料 玻璃纤维增强复合材料等 2 按复合性质分类 物理复合材料 复合前后原材料的性质 形态没有变化 和化学复合材料 少 3 按复合效果分 力学复合材料和功能复合材料 4 根据结构特点分 纤维复合材料 最多用 层叠复合材料 颗粒复合材料 骨架复合材料等 四 常用复合材料 一 增强纤维材料1 玻璃纤维 强度高 价格低 脆性大 耐磨性差 2 碳纤维与石墨纤维 3 硼纤维 耐高温 价格高 4 晶须 5 其它纤维 天然纤维和合成纤维也可作增强材料 但性能差 二 玻璃纤维增强塑料用玻璃纤维增强工程塑料的复合材料称为玻璃钢 成本低 工艺简单 应