非金属材料和复合材料

第六章非金属材料和复合材料 第一节高分子材料一 高分子材料的基本概念高分子化合物的化学组成及分子量高分子材料 由相对分子质量104以上的化合物构成的材料 有机高分子材料 以C H元素为主的有机化合物组成的材料 2 高聚物的聚集态 晶态 分子链在空间规则排列部分晶态 分子链在空间部分规则排列非晶态 玻璃态 分子链在空间不规则排列 高聚物三种聚集态结构示意图 a 晶态b 部分晶态c 非晶态 3 高分子材料的力学状态 线型非晶态高聚物的温度 变形曲线 玻璃态 T Tg 分子运动能量低 链段不能运动 在外力作用下 只能使大分子的原子发生微量位移而发生少量弹性变形 高聚物呈玻璃态的最高温度称玻璃化温度 用Tg表示 在这种状态下使用的材料有塑料和纤维 高弹态 Tg T Tf 分子活动能力增加 大分子的链段发生运动 因此受力时产生很大的弹性变形 可达100 1000 在这种状态下使用的高聚物是橡胶 粘流态 Tf T 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 粘流态是高分子材料的加工态 大分子链开始发生粘性流动的温度称粘流温度 用Tf表示 常见高分子材料的Tg和Tf 二 高分子材料的性能 1 高弹性原因 卷曲状的分子链 三类材料的应力 应变曲线1 纯金属2 脆性材料3 高弹性材料 2 强度 硬度低 综合力学性能差原因 氢键结合3 耐磨性摩擦系数小4 高绝缘性由于是共价键结合 无自由电子 离子5 低导热性由于无自由电子 大分子也不易振动6 低耐热性受热时 分子链易发生运动 软化 7 高热膨胀性是金属的3 10倍 因为分子间结合力弱由于是共价键结合 无自由电子 离子8 高化学稳定性由于是共价键结合塑料王 聚四氟乙烯 耐氢氟酸腐蚀9 易老化裂解 变软 粘脆化防老化措施加防老剂改变结构表面处理喷涂料镀金属 1 聚酰胺 尼龙 锦纶 优点 较高强度和韧性 摩擦系数小 缺点 吸水性大 影响尺寸稳定 应用 耐磨零件 如齿轮 涡轮 轴承 密封圈 衬套等 三 常用高分子材料 2 聚甲基丙烯酸甲脂 有机玻璃 优点 高透明度 高强度和韧性 缺点 低硬度 低耐磨性 低耐热性 易溶于有机溶剂 应用 有一定透明度和强度要求的零 构件 窗玻璃 汽车风挡玻璃 飞机座舱盖等3 聚四氟乙烯 F 4 塑料王 优点 优异的耐腐蚀 耐老化及电绝缘性能 小摩擦系数 耐热 250 耐寒 195 缺点 低强度 硬度 应用 小负荷的耐腐蚀零构件 4 酚醛塑料 优点 良好的绝缘性 耐热性 较高强度 硬度和刚度 缺点 性脆易碎 易变色 应用 电器开关 插座 插头 外壳等 绝缘零件 小负荷的机器零件 5 环氧塑料 优点 高的比强度 耐热性 耐蚀性 绝缘性 缺点 价格高 应用 塑料模具 精密量具 绝缘器件等 6 天然橡胶 缺点 耐油和耐溶剂性能差 耐臭氧老化较差 不耐高温 应用 制造轮胎 胶带 胶管 胶鞋等 7 顺丁橡胶 优点 弹性 耐磨性 耐热性 耐寒性优于天然橡胶 缺点 强度较低 加工性差 抗撕性差 应用 主要制作轮胎 第二节陶瓷材料 一 陶瓷材料的基本概念 陶瓷材料 用一些化合物粉末 通过成型和高温烧结而制成的具有高硬度高脆性等特性的固体材料 陶瓷材料的分类传统陶瓷 普通陶瓷 现代陶瓷 工程陶瓷 结构陶瓷功能陶瓷生物陶瓷 2 陶瓷材料的结构 晶体相 玻璃相 气相 晶体相 陶瓷材料中的主要组成相晶体相中的结合键共价键 SiC BN 离子键 CaO Al2O3 2 玻璃相 一种熔点较低的非晶态固体 黏结分散的晶相颗粒 降低烧结温度 填充气孔3 气相 气孔有害 强度 电性能利用 比重 吸震 储油 二 陶瓷材料的性能 1 力学性能 高弹性模量 低弹性 高脆性 低抗拉强度 较高抗压强度 高的高温强度 低抗热震性2 热性能 高熔点 小热胀系数 低导热 小热容3 化学性能 抗高温氧化 抗腐蚀 陶瓷与金属的拉伸曲线示意图 三 常用工程陶瓷简介 1 普通陶瓷 原料 黏土 石英 长石 组织 莫来石 3Al2O3 2SiO2 玻璃相 气相25 30 35 60 1 3 性能特点 高硬度 低强度 绝缘 低耐高温性 用途 绝缘子 导纱器 耐蚀容器等 2 特种陶瓷 1 氧化铝陶瓷 主晶相 Al2O3 性能 高硬度 高强度 高耐磨 良好的高温性能 耐蚀 绝缘 高脆性 低抗热震性 用途 内燃机火花塞的绝缘体 坩埚 刀具 活塞 轴承 密封环 2 氮化硅陶瓷 性能 高硬度 小摩擦系数 高蠕变抗力 绝缘 高抗热震性 耐蚀 主晶相 Si3N4 用途 气轮机叶片 高温轴承 密封环 3 碳化硅陶瓷 性能 高温强度高 导热性好 高热稳定性 高蠕变抗力 绝缘 耐蚀 主晶相 SiC 用途 气轮机叶片 火箭尾喷管的喷嘴 高温轴承 第三节复合材料 复合材料 由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的材料 复合材料是多相材料 主要包括基体相和增强相 一 复合材料的基本概念 复合材料按用途可分为结构复合材料和功能复合材料 1 复合材料的分类 纤维增强复合颗粒增强复合 2 复合机理简介 二 复合材料的性能1 比强度和比模量高 一些材料的性能比较 2 抗疲劳和破断安全性好 对缺口和应力集中的敏感性小 阻止疲劳裂纹扩展或改变裂纹扩展路径 三种材料的疲劳强度比较 3 高温性能优良如 用碳纤维增强铝合金后 400 时强度和弹性模量基本不变4 减振性能好纤维与基体界面吸收振动能量 使振动很快衰减 三 常用的复合材料1 塑料基复合材料 1 玻璃纤维增强塑料 玻璃钢 性能特点 高强度 高的冲击韧性 良好的低温性能 低的热膨胀系数 具有绝缘 绝热性 吸水性低 通过改性进一步提高性能 应用 应用于制造要求自重轻的受力构件 要求无磁性 绝缘性 耐腐蚀性的零件 如航天和航空工业中的雷达罩 直升飞机的机身 用于制造轻型船和赛艇等 金属基复合材料硼纤维增强铝基符合材料组成 硼纤维 铝合金性能特点 高的拉伸模量 高横向模量 高的抗压强度 剪切强度和疲劳强度以及比强度 应