第八章--非金属材料及成形

第七章非金属材料、第一节聚合物材料、第二节陶瓷材料、第三节复合材料、第四节纳米材料和功能材料。首先，基本概念聚合物化合物是相对分子质量特别大(相对分子质量大于500)的化合物的通称，因此它们也被称为聚合物或聚合物。据资料来源：(1)天然高分子材料：松香、天然纤维、蛋白质和天然橡胶。(2)合成高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维(聚酯等)。)。按成分：(1)无机高分子材料：分子成分中不含碳元素，如硅酸盐材料、玻璃、水泥、陶瓷等。(2)有机高分子材料：主要由含有碳、氢、氧、氮、硅等非金属原子的低分子化合物组成，在一定条件下聚合而成。例如，聚乙烯塑料是由乙烯制成的。第1节：聚合物材料，1。普通工程塑料(PMMA)的密度只有玻璃的一半，b=42-50兆帕，是普通玻璃的7-18倍。用于透明、装饰和绝缘零件。聚氯乙烯b=30 60兆帕，使用温度-1555。硬聚氯乙烯耐油、耐腐蚀，用于化工管道、电气绝缘材料、电线绝缘层和套管。软质聚氯乙烯具有弹性，可用作非食品包装薄膜。聚丙烯PP具有高刚性、重量轻、耐热性(-35121)和优异的绝缘性。用于机械零件(法兰、齿轮)、化学容器、管道、电气外壳等。ABS塑料具有良好的硬度、韧性和刚性混合特性。容易电镀。用于零件(齿轮、泵叶轮、轴承等。)、电机、仪器外壳、管道、汽车零件和车身。聚酰胺(聚酰胺，尼龙)耐磨，具有良好的减摩性和韧性。耐腐蚀无毒。用于耐磨和耐腐蚀的轴承旋转部件(齿轮、轴承、螺钉和螺母等小零件)。酚醛树脂(PF)，如热固性酚醛树脂(电木)，耐磨且易碎。绝缘良好(不低于10kV)；耐热耐碱。用于电气插座、开关、电话、仪表箱；汽车刹车片、内燃机曲轴皮带轮、齿轮、酸泵等。日常非食物用具。(2)高分子材料的分类和命名，(1)陶瓷材料的分类，(1)按原料可分为：(1)普通陶瓷：由粘土、长石、应时等天然原料制成，主要用于日用、建筑、化工等领域。(2)特殊陶瓷，也称为精细陶瓷，由高纯度人造化合物制成，如硅化物、氧化物、硼化物、氮化物和碳化物。它们主要用于机械、电子、能源、冶金和一些新技术领域。2.根据性能和用途，可分为：(1)结构陶瓷：用作制造结构零件的结构材料。(2)功能陶瓷：功能器件作为功能材料制造。3.按化学成分可分为：(1)氧化物陶瓷：如氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化锆、氧化钙和三氧化二铬陶瓷。(2)碳化物陶瓷：如碳化硅、碳化钨、B4C和碳化钛。(3)氮化物陶瓷：氮化硅陶瓷、氮化钛、氮化硼、氮化铝等。(4)硼化物陶瓷：用途不广，主要用作添加剂或第二相添加其他陶瓷，常用的有二硼化钛和二氧化锆陶瓷。(1)力学性能(1)塑性通常在高温下具有一定的塑性，但塑性较差。(2)高强度陶瓷的拉伸强度低；但是抗压强度更高。(3)硬质陶瓷的硬度是所有材料中最高的，大多数陶瓷的硬度在1500HV以上；淬硬钢为500-800高压；最硬的聚合物不超过20HV。2.化学性能陶瓷具有很强的抗氧化性；它具有很强的耐腐蚀性，不与银和铜等有色金属熔体发生反应。3.功能特性(1)光学特性被广泛应用，如固态激光材料、光纤材料、光存储材料等。例如，氧化铝透明陶瓷。(2)以氧化铁为主要成分的磁性氧化物(如Fe3O4、CuFe2O4、MgFe2O4)可用作磁性陶瓷材料，广泛用于录音带、唱片、电子束偏转线圈、变压器铁芯等。(3)电学性质他具有极高的电阻率，例如，A1203的电阻率为1013。m，可以用作铁电陶瓷(钛酸钡BaTi03)具有极高的介电常数，可用于制造体积小、容量大的电容器。(4)热性能陶瓷材料熔点高；导热性比金属材料低得多。陶瓷的线膨胀系数低于聚合物和金属，一般在10-5到10-6/k. 3之间。常用陶瓷的类型、性能和应用。常见陶瓷成分：高岭土(al2o 3.2 SiO 2.2 H2O)、长石(K2O。A12O3.6H2O)、钠长石(Na20。A12O3.6H2O)、硅砂(Si02)。性能：质地坚硬，抗氧化性、耐腐蚀性和绝缘性好，生产工艺简单，成本低；然而，强度低，常用温度约为1200。用途：普通陶瓷广泛应用于日常生活、电气、化工、建筑等部门，如装饰陶瓷、餐具、绝缘子、耐腐蚀容器、管道等。特种陶瓷(1)氧化铝陶瓷具有高熔点(2050)，高热强度和抗氧化性，因此具有良好的耐热性，室温硬度仅次于金刚石，抗拉强度比普通陶瓷大5 6倍，热硬度高达1200。此外，它还具有高电阻率和低热导率。用途：氧化铝陶瓷广泛用于制造高速刀具、量块、拉丝模、高温容器、坩埚、热电偶套管、内燃机火花塞等。(2)氮化硅陶瓷的性能：优异的绝缘性、高硬度、小摩擦系数、自润滑效果，因此具有优异的耐磨性；此外，它具有高的化学稳定性，能抗各种无机酸和碱性溶液的腐蚀，并能抗熔融有色金属如铝、铅、镍等的腐蚀。用途：主要用于制造各种泵、高温轴承、热电偶套管、汽轮机转子叶片和难以切割的刀具的耐腐蚀耐磨密封圈。(3)碳化硅陶瓷性能：高温强度较高，1400时其弯曲强度仍保持在300 600兆帕。高导热率、良好的热稳定性、良好的耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。用途：可用于工作温度高于1500的零件，如火箭喷管、热电偶套管、高温电炉零件、各种泵的密封圈等。通过人工合成两种或多种具有不同化学成分或不同组织结构的物质而获得的多相材料(基质加增强相)称为复合材料。一、复合材料的分类1。根据基体的类型，可分为两类：非金属基体和金属基体。2.纤维增强复合材料、颗粒复合材料和层压复合材料根据增强材料的性能和形态进行分类。3.根据用途，材料可分为结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料：利用其机械性能，如强度、硬度和韧性，制造各种结构或机械零件。功能复合材料利用其物理特性，如光、电、声、热和磁，来制造各种结构部件。例如，雷达用玻璃钢天线罩由具有良好电磁波传输性能的磁性复合材料制成。第三部分是关于复合材料。第二部分是关于高比强度和比模量的复合材料。疲劳极限很高。良好的减振性能；良好的高温性能；工作安全性高，比较各种材料的性能，比较普通金属材料和复合材料的性能。第三，复合材料的制造方法分为纤维制备和复合成型两大步骤：纤维制备：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、金属纤维等。可分别采用熔融纺丝法、热分解法、气相沉淀法和拉丝法制备；(2)纤维和树脂的复合成型：可以使用手糊成型、压制成型、缠绕成型或喷射成型。4.常见复合材料及其应用1。纤维增强复合材料(1)玻璃纤维增强复合材料由作为增强剂的玻璃纤维和作为粘合剂(基质)的树脂制成，通常称为玻璃纤维增强塑料。例如它具有高冲击韧性和疲劳极限，优异的耐磨性、导热性、耐腐蚀性和耐热性。用途：广泛用于制造高比强度和比模量的飞机结构，如导弹、火箭喷管、喷气发动机叶片等。也可用于制造重型机械的轴瓦、齿轮和化工设备的耐腐蚀零件。层压增强复合材料的结构特征：层压增强复合材料是由两层或多层具有不同性能的材料组合而成，以达到增强的目的。性能和用途：这种材料的特点是密度低，刚性和抗压稳定性高，抗弯强度好。它常用于航空、船舶、化工等行业，如船舶的隔板和冷却塔。(3)颗粒复合材料：由均匀分布在基体材料中的一种或多种颗粒组成。常见的颗粒复合材料有两种：(1)金属颗粒与塑料复合，如在氟塑料中加入铅粉，可用作轴承材料。(2)陶瓷颗粒和金属复合物陶瓷颗粒和金属复合物是金属陶瓷。例如，氧化物(如Al2O3)金属陶瓷可用作高速切削工具的材料和高温耐磨材料。第4节纳米材料和功能材料1。纳米材料是指组成相或晶粒结构被控制在100纳米以下的材料。4种纳米材料的结构图a)由此形成的原子簇或纳米颗粒的纵横比等于l，因此包括纤维；b)在一个方向上改变成分或厚度的多层膜；c)粒状薄膜；d)纳米材料。(1)纳米材料的特性(1)三种效应(1)小尺寸效应：例如，磁序变化为磁无序，超导相变化为正常相，声子谱变化等。(2)表面和界面效应。例如，当粒径为5nm时，比表面积为180m2/g，界面体积分数为50%，而当粒径为2nm时，比表面积增加到450m2/g，体积分数增加到80%。量子尺寸效应。随着颗粒尺寸的减小，能级间距增大，导致磁、光、声、热、电、超导性质和宏观性质的显著差异。纳米材料的应用(1)德国萨德兰大学在陶瓷领域的应用研究发现，二氧化钛和氟化钙纳米陶瓷材料在80 180时可产生约100%的塑性变形，且烧结温度降低。这些特性使得纳米陶瓷材料可以在常温或亚高温下进行冷加工。应用：然而，其优异的室温和高温力学性能、抗弯强度和断裂韧性使其广泛应用于刀具、轴承、汽车发动机零件等方面，并在超高温和强腐蚀等恶劣环境中发挥着不可替代的作用。(2)在化工产品中的应用。主要有催化技术和各种各样的化学产品。催化是纳米超细粒子应用的重要领域之一。利用纳米超细颗粒的大比表面积和高活性可以显著提高催化效率。(3)在环境保护和健康方面的应用。例如，纳米技术制备的纳米粒子或有机小分子将更有利于人体吸收，提高药物的功效。(4)在电子工业产品中的应用在电子功能材料中的应用。例如，纳米敏感材料可以制成各种传感器，如气体传感器、湿度传感器、光传感器等，从而大大减小传感器的体积。在微电子加工、生物分子器件和分子电子器件中的应用。例如，加州大学的研究人员开发了一种纳米电池。一百个这样的电池加在一起，大小不超过两个人体细胞。2.超导材料的超导性是一种在特定温度、特定磁场和特定电流下电阻趋于零的材料特性。任何具有超导性的物质都被称为超导材料或超导体。1.超导材料的分类和特性1)元素超导体。元有28种20世纪70年代中期，在铌锆、铌钛合金的基础上发展了一系列具有极高临界电流的三元超导合金材料，如铌40Zr-10Ti、铌钛钽。它们是制造磁流体发电机大磁体的理想材料。3)复合超导材料。与合金超导体相比，复合超导体具有更高的临界温度和临界磁场。到1986年，Nb3Ge的总温度为23.2 K，是超导材料中最高的。目前，比较成熟的复合超导材料加工方法是Nb3Sn和V3Ga加工技术。2.超导材料的应用在超导的应用中，当前的领导者是制造具有高磁场的超导磁体。(Nb3Sn能源的发展(1)超导可控热核反应堆。用于制造核聚变装置中超导磁体的超导材料主要有Nb3Sn、Nb-钛合金、NbN、Nb3Al、Nb3(铝、锗)等。(2)超导磁流体发电。磁流体发电是一种利用燃料产生高温等离子体气体并使该气体通过磁场产生电流的发电方法。目前，使用超导磁体的磁流体发电机已经开始工作。磁流体发电超导磁体产生的磁场为4.5T，储能为60MJ，发电量为500kw。磁流体发电特别适用于军用大功率脉冲电源和船舶电力推进。(2)节能超导输电。超导传输因其零电阻而引起了人们的极大兴趣。2004年7月10日，中国第一组超导电缆系统在云南昆明普济变电站正式并网，成为继美国和丹麦之后世界上第三个投入超导电缆运行的国家。(2)超导发电机和电机。根据计算，使用超导线圈可以使电机的磁感应强度提高5-10倍。(3)超导变压器。由超导材料制成的变压器可以大大减少磁损耗，减小体积，减轻重量。超导磁悬浮列车。超导储能。因为超导体电阻为零，所以电流被引入到它的回路中，电流永远不会衰减。也就是说，电能可以储存在超导线圈中。目前，超导储能的应用研究主要集中在两个方面：一方面，计划使用直径几百米的大线圈来储存电能，用于电网的调峰。另一方面，它被用作脉冲电源，如激光武器电源。此外，超导磁体还应用于研究领域，高能物理(同步加速器)、电子显微镜、核磁共振成像技术等。储氢合金的应用(1)储氢合金作为储氢和运输氢气的容器，具有重量轻、体积小、不需要高压和超低温设备以及储存液态氢的隔热措施、节能、安全可靠的优点。(2)氢汽车用储氢合金用作汽车氢燃料电池的储氢材料。氢气的热效率比汽油高，而且没有燃烧污染，这使得氢气汽车的前景非常光明。(3)氢气的分离和回收。例如，在生产中，通过混合、压制和烧结LaNi5与非吸氢金属粉末和粘合材料形成的多孔颗粒被用作吸氢材料，以分离合成氨生产中所需的氢。(4)高纯氢气的制备利用贮氨合金对氢气的选择性吸收特性，可以制备99.9999%以上的高纯氢气。在这方面，TiMn1.5和稀土储氢合金具有良好的应用效果。(5)氢静压这种储氢合金通过平衡氢压的变化产生高压氢，称为氢静压。氢化物压缩机在实际应用中主要用于氢化物热泵、空调、制冷机组、水泵等。(6)氧化物电极由于镍基多元合金循环寿命的突破，由金属氢化物电极代替镍镉电池中的负极组成的镍氢电池开始进