第九章 非金属材料与新型材料学习资料

第九章第九章 非金属材料与新型材料学习资料非金属材料与新型材料学习资料 第九章非金属材料与新型材料Contents高分子材料1陶瓷材料2复合 材料3新型材料4材料的结合键离子键特点结合力很大离子晶体性能 硬度高 强度大 热膨胀系统小 但脆性大 金属键金属键特点 良好的导电性和导热性 正的电阻温度系数 不透明并呈现特有的金属光泽 良好的塑性变形能力 金属材料的强韧性好 分子键特点范特瓦尔斯力很弱 由分子键结合的固体材料熔点低 硬度也很低因无自由电子 因此材料有良好的绝缘性 金属材料金属键高分子材料分子键和共价键陶瓷材料离子键和共价 键复合材料多种键结合 高分子化合物由许多结构单元相同的小分子 化合物通过化学键连接而成 常称聚合物或高聚物 简单的结构单元 单体 重复连接 大分子链 聚乙烯分子链CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 n nCH2 CH2 9 1高分子材料乙烯键长0 154nm 键角109 28 大分子链的结构单链内旋大分子链的形状 线型结构高聚物的弹 性 塑性好 硬度低 是热塑性材料 支链型结构近于线型结构 体型结构高聚物硬度高 脆性大 无弹性和塑性 是热固性材料 聚集态 高聚物的聚集态是指分子链聚集形成聚合物 从分子的层次上看聚合物的结晶 聚合物结晶是不均匀的 高聚物的力学状态 玻璃态低温下 链段不能运动 在外力作用下 只发生大分子原子的微量位移 产生少量弹性变形 高弹态温度高于Tg 分子活动能力增加 受力时产生很大弹性变形 用于这种状态高聚物是橡胶 粘流态由于温度高 分子活动能力很大 在外力作用下 大分子链 可以相对滑动 粘流态是高分子子材料的加工态 作为工程结构材料使用主要优点 主要缺点 1 重量轻 2 减磨 耐磨性好 摩擦系数低 自润滑性能好 消音 吸震能 力强 3 绝缘性能好高分子材料作为工程结构材料使用的优点 4 耐蚀性能好 5 光学性能 有机玻璃等透光性能好 1 高弹性 弹性模量低 刚性差 2 粘弹性或滞弹性 3 强度低 力学性能呈多样性高分子材料作为工程结构材料使用 的缺点 4 耐热性差 5 易老化改性的概念 塑料的改性是继聚合方法之外又一种获取 性能树脂的简捷而有效地方法 它扩大了原有树脂的应用范围 塑料的改性通过物理的 机械的 化学的等作用 使树脂原有性能 得到改善 塑料改性的含义很广泛 在改性过程中 可以发生物理变化 也可 发生化学变化 塑料改性的应用范围很广泛 几乎所有的塑料的性能都可通过改性 方法得到改善 常用工程塑料结构特点是具有苯环 刚性好 不易结晶 常加入橡 胶类原料 表面硬度高 不易划伤且是无定型共聚物 孔隙大 透 明度高82 90 有机玻璃易划伤 可用作车灯罩 仪表壳体等 无极性集团 绝缘性好 是绝缘良好的高压绝缘材料 吸水性小 不易变形 但是耐热性差 易裂 易燃 不耐油 主要缺点脆性大 经改性使用 1聚苯乙烯PS二元改性PS A 丙烯晴 AS塑料9 1 1工程塑料AS表 面硬度高 不易划伤 着色性能好 韧性提高 绝缘性能好 主要 用作家用电器壳体 如电视机壳等 其价格为ABS的1 4 1 5 PS A 丙烯晴 B 丁二烯 橡胶元素 韧性进一步提高 ABS ABS综合机械性能好 加工性能好 可电镀 着色 喷涂等 40 90 使用 不耐高温 耐候性差 易燃 主要用途家用电器 电冰箱 洗衣机等 工程用量占5 左右 如齿 轮 轴承 方向盘等 手提箱提手座椅中低档电子产品常用工程塑料 力学性能好 有较高 的机械强度 冲击韧性高 同时尼龙耐磨性 自润滑性 耐腐蚀性 好 缺点是热稳定性差 70 80 为工作温度 导热系数低 用作齿轮等零件时要求散热条件好 吸水性大 尺寸变化大 目前一般使用经改性或碳纤维增强的尼龙 代替有色金属 铜 等使 用 2聚酰胺类PA 尼龙 透明塑料 透明度86 92 抗冲击性能 好 韧性好 其冲击韧性和延伸率在热塑性塑料中为最好 具有较高的耐热 耐寒性 100 130 使用 电性能好 耐化学腐蚀 耐磨 可广泛代替木材 玻璃使用 3聚碳酸脂PC POM是1960年左右出现的新型工程塑料 是继尼龙之后的一个新品种 在工程塑料中机械性能最高 较接近金属的品种之一 特点是耐疲劳是热塑性塑料中最高的 耐磨性 自润滑性较好 弹 性模量和硬度高 吸水性小 尺寸稳定化学稳定性好 电绝缘性好 总体评价 综合机械性能好 加工成型性好 可代替有色金属制造齿轮 凸轮 轴承等 4聚甲醛POM9 2陶瓷材料 传统陶瓷陶瓷器 玻璃 水泥和耐火材料 等 新型陶瓷采用化学方法制备高纯度或纯度可控制的材料做原料 获 得传统陶瓷无法比拟的性能 陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物 共价键或离子键结合 稳定性高 熔点高 硬度高 抗化学物质能 力强 陶瓷通常是绝缘体 陶瓷是脆性材料 陶瓷是烧结体 一般不能完全致密 这对性能影响很大 获得完全 致密的陶瓷体是烧结工艺研究的主要问题 工程陶瓷在工程结构上使用 主要使用在高温条件下 也称为高温 结构陶瓷 在空间技术和军事技术中 往往是唯一可用材料 最有前途是氮化硅 碳化硅和增韧氧化物 功能陶瓷利用陶瓷特有的物理性能 如导体 半导体 介电体及绝 缘体 各种传感器陶瓷等 氮化硅保护管氮化硅料桶氮化硅砖各种氮化硅喷嘴氮化硅刀具氮化 硅陶瓷球氮化硅全陶瓷轴承碳化硅电热元件碳化硅坩埚碳化硅马蹄 管碳化硅辐射管碳化硅抛物面镜各种碳化硅制品碳化硅棚板氧化锆 全陶瓷轴承氧化锆陶瓷坩埚氧化锆小轴氧化锆珠氧化锆珠纳米氧化 锆陶瓷轴承瓷新型功能陶瓷材料导电陶瓷 压电陶瓷 快离子陶瓷 磁性陶瓷材料 光学陶瓷材料 陶瓷系传感器材料等 氧化铝温控陶瓷和压电陶瓷蜂窝陶瓷氧化铝陶瓷管多孔磷酸钙陶瓷 各种工程陶瓷零件9 4复合材料 复合材料是指由几种材料组合而成 的一种材料 它兼有各种组成材料的特点或优点 新型复合材料 纤维增强的金属基复合材料 纤维增强的树脂材料已 经得到广泛的应用 但是树脂基材料也存在一些重大的不足 如不 能在高温下工作 耐磨性不好 易老化 尺寸不稳定等 最近对金属基复合材料的研究取得重大进展的主要有硼 铝 碳 铝 定向凝固高温合金等 非金属基复合材料一般制指以聚合物为基的复合材料 碳纤维复合材料碳纤维复合材料缠绕的球罐纺织复合纤维布碳纤维 复合材料型材头盔普遍采用碳纤维复合材料等发动机罩 车门 前 翼子板 后盖板 前后围和扰流板等许多的车身部件有高强度的碳 纤维复合材料CRP组成 法国新型第四代 阵风 Rafale 双发多任务战斗机 采用前置 鸭翼 后掠三角翼和单垂尾气动布局 大量采用复合材料 能够执行广泛范围短程和远程作战任务 包括对地 海上攻击 空 中防御 空中优势 侦察 高精度打击 还具有核打击能力 新型 阵风 战斗机完全由法国自行设计和制造 大量采用独有的 先进技术来保证具有优异的综合性能 在众多的相同技术水准 新型战机中 目前只有法国 阵风 拥有海军型 部署在航空母舰 上 阵风 战斗机机身结构大量采用复合材料 常规半硬壳式结构机身的50 采用碳纤维复合材料 后机身为碳纤维复合材料 机头整流罩和喷管整流罩为聚芳酰胺纤 维复合材料 起落架及发动机舱门为碳纤维复合材料 9 4新型材料形状记忆合金某些具有热弹性马氏体相变的合金材料 处于马氏体状态时进行一定限度的变形 在随后的加热过程中 当 超过马氏体相消失温度时 材料就能够完全恢复变形前的形状和体 积 这种现象称为记忆效应 SME 记忆形状记忆效应的合金材料称为形状记忆合金 SMA 1962年美国海军军械实验室发现Ti Ni合金的形状记忆效应 是马氏体相变应用的一个重要方面 形状记忆合金有所谓单程和双程记忆两种 单程记忆是只加热到As点以上 伴随逆向马氏体相变发生形状回复 的现象 单程记忆的典型用途是作紧固连接件 双程记忆是加热发生逆向马氏体相变和再冷却时 在在Ms以下发生 正的马氏体相变中都伴随有显著的形状变化现象 具有双程记忆效应的材料 在一定的温度区间 随温度升降 材料 反复变形 双程记忆效应显然可作热敏原件 铌钛记忆合金管SMART MATERIALS SHAPE MEMORYALLOY SMA MUSCLE WIREThe diagramshows abattery andswitch connectedto muscle wire A smallweight stretchesthe muscle wire approximately3to5percent ofits length However when acurrent is applied to the wire it shortenslifting theweight This cycleof turningon and off thecurrent hasthe effectof liftingand thenlowering theweight Above showsa modelrailway signal When currentis passedthrough the stretched muscle wireit returnsto itsoriginal length lifting thesignal Aclever useof musclewire anda PICmicro controller circuitis seenbelow A robotichand has stretched musclewires attached tothe baseof eachfinger When currentisappliedtothemusclewireit contractsto its natural length pulling onthe ordinarywire making thefingers lookas ifthey aremoving A PICmicro controller canbe progra