工程材料-塑料和橡胶课件.ppt

4.4塑料和橡胶,塑料和橡胶是以高分子聚合物为基础添加各种助剂而成的混合物体系，在常温下有固定的形状和强度，在高温下具有可塑性的高分子材料。塑料和橡胶的区别是塑料在常温下处于玻璃态，强度较高；橡胶在常温下处于高弹态，弹性较大。,塑料,根据塑料的用途，可以分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三大类。大多数塑料都能在加热时反复地塑化，称之为热塑性塑料。另外有一些塑料，它们只能在第一次加工时塑化，做成固定的形状。以后再把它加热，形状不再发生变化，这类塑料称为热固性塑料。热固性塑料由于其内部高分子的交联结构使本身的机械强度和耐热性都较热塑性塑料好。,4.4.1高聚物的力学性能,高聚物的模量和强度与金属材料相比，高聚物的模量和强度要低得多，其最大可能的断裂伸长率又比金属高得多。高聚物的弹性模量范围为735GPa，金属材料的模量范围为48410GPa；高聚物的最大强度为240MPa，而金属材料中某些合金的强度可达3000MPa；高弹态高聚物的断裂伸长率可达到1000，而金属塑性变形中最大的断裂伸长率不超过100。,粘弹性,理想的弹性固体材料受力时产生的弹性变形与时间无关。即变形与外力是同步的。而塑料受力时产生的弹性变形流变是随时间而发展的。表现为：蠕变和应力松驰,蠕变,是在恒定应力作用下变形随时间而增加的现象。例如架空的聚氯乙烯电线套管的缓慢变弯,应力松驰,是高聚物产生一定形变后，在保持变形量不变条件下，应力随时间发展而逐渐衰减的现象。例如，连接管道的法兰盘的密封垫片(硬橡胶制品)经一定时间后，由于应力松驰而产生泄漏。对线型分子链经足够长时间后，应力可降为零。,力学损耗,轮胎在高速行使相当长时间后，立即检查内层温度，为什么达到烫手的程度？高聚物受到交变力作用时会产生滞后现象，上一次受到外力后发生形变在外力去除后还来不及恢复，下一次应力又施加了，以致总有部分弹性储能没有释放出来。这样不断循环，那些未释放的弹性储能都被消耗在体系的自摩擦上，并转化成热量放出。,这种由于力学滞后而使机械功转换成热的现象，称为力学损耗或内耗。以应力应变关系作图时，所得的曲线在施加几次交变应力后就封闭成环，称为滞后环或滞后圈，此圈越大，力学损耗越大,高聚物的屈服,1.高聚物屈服点的特征大多数高聚物有屈服现象，最明显的屈服现象是拉伸中出现的细颈现象。它是独特的力学行为。并不是所有的高聚物材料都表现出屈服过程，这是由于温度和时间对高聚物的性能的影响往往掩盖了屈服行为的普遍性，有的高聚物出现细颈和冷拉，而有的高聚物脆性易断。,(1)屈服应变大：高聚物的屈服应变比金属大得多，金属0.01左右，高聚物0.2左右（例如PMMA的切变屈服为0.25，压缩屈服为0.13）(2)屈服过程有应变软化现象：许多高聚物在过屈服点后均有一个应力不太大的下降，叫应变软化，这时应变增大，应力反而下降。,(3)屈服应力依赖应变速率：应变速率增大，屈服应力增大。,应变速率对PMMA真应力应变曲线的影响,应变速率增大,1,2,3,4,10.2吋分,真应变,41.28吋/分,31.13吋/分,20.8吋/分,真应力,(4)屈服应力依赖于温度：温度升高，屈服应力下降。在温度达到时，屈服应力等于0,应力,应变,80,65,50,25,0,25,高聚物的冲击韧性,各类高聚物的冲击韧性相差很大。未改性的聚苯乙烯，有机玻璃等脆性高聚物的冲击韧性大都小于0.25J/cm2，聚碳酸酯等韧性高聚物的值大于0.8J/cm2。提高冲击韧性有两条途径。一是将高聚物和增强纤维复合，提高强度。二是将塑料和橡胶共混，增加断裂伸展率。两种方法都可以使材料在受冲击载荷时吸收更多的能量。经过改性的高聚物其冲击韧性可达8J/cm2。,聚乙烯（PE）,聚乙烯是发展最为迅速，产量最大的一种塑料品种。按照聚合反应的压力，可分为高压法和低压法。高压法制成的聚乙烯。由于产品的密度较小，仅0.910g/cm30.925g/m3，因此被称为低密度聚乙烯（LDPE）。用低压法生产的聚乙烯密度高，达0.941g/cm30.965g/cm3，故称为高密度聚乙烯（HDPE）。HDPE是不透明的白色粉末，力学性能是所有PE产品中最好的。熔点也高于LDPE。,聚乙烯（PE）用途,PE是制备包装材料的重要原料，可以做成中空容器、食品周转箱，也可以做成各种日用杂品。PE还能纺成纤维，制作渔网或绳索，将PE纤维做成絮片，可以代替棉花作保暖材料。利用PE优良的电绝缘性，经交联处理的LDPE已大量用于制作电缆的绝缘层。PE还是电视、雷达等高频电器的绝缘材料，并能用于海底电缆的绝缘。,聚氯乙烯树脂（PVC）PolyvinylChloride,它是世界上产量最大的塑料产品之一，价格便宜，应用广泛，聚氯乙烯树脂为白色或浅黄色粉末。根据不同的用途可以加入不同的添加剂，聚氯乙烯塑料可呈现不同的物理性能和力学性能。在聚氯乙烯树脂中加入适量的增塑剂，可制成多种硬质、软质和透明制品。,纯的聚氯乙烯的密度为1.4g/cm3,加入了增塑剂和填料等的聚氯乙烯塑件的密度一般为1.15-2.00g/cm3。硬聚氯乙烯有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击能力，可单独用做结构材料。软聚氯乙烯的柔软性、断裂伸长率、耐寒性会增加，但脆性、硬度、拉伸强度会降低。,PVC性能及用途,作为硬塑料，PVC可以用于制造在常温下使用的不耐压的容器、管材或板材，如化工厂的输液管道、管配件、贮槽和输液泵的泵体材料。聚氯乙烯有较好的电气绝缘性能，可作低频绝缘材料，其化学稳定性也好。,PVC的板材在建筑上有很多的应用。在PVC中混入大量的碳酸钙做成钙塑料，可以提高塑料的硬度，降低成本，用于代替钢铁或木材，制作塑料门窗、楼梯扶手、地板、天花板和电线套管等。将PVC轻度发泡，可以制成塑料地毯和塑料墙纸等。,PVC树脂非常透明，气密性又好，适于制作包装瓶，用于饮料、药品和化妆品的外包装。PVC软塑料主要用于制作薄膜或日用品。如雨衣、桌布、窗帘、浴帘等，而且是制备农用薄膜的重要原料。PVC的染色性非常好，制得的产品鲜艳、美观，深受人们的喜爱，常用来制造玩具、凉鞋和人造革等。,PVC塑料缺点,主要是耐温性差，通常的使用温度为一1560。在60以上就会变形。PVC很容易老化，使制品颜色变深，质地变脆。PVC塑料最致命的缺点是在高温或燃烧时会分解，放出能使人窒息的氯化氢气体，不仅污染环境，甚至造成对生命的威胁。因此没有阻燃性的PVC的使用，特别是在建材中的应用已经受到限制。,ABS树脂（Acrylonitrile-Butadiene-Styrene）,ABS的名称是来自丙烯睛（Acrylonitrile）、丁二烯（Butadiene）和苯乙烯（Styrene）三种单体的第一个字母。是一种以苯乙烯树脂为基料、通过三种单体共聚或共混制备而成的高强度树脂。,这种树脂综合了三种组分的优点，因此，ABS树脂的综合性能非常优异。抗冲击性好，硬度高，绝缘性和化学稳定性都好，,ABS树脂在家电和汽车工业中得到广泛的应用，如电视机、洗衣机、电话等家用电器及仪器仪表的外壳，冰箱及其他冷冻设备的内胆，汽车仪表板及其他车用零件，齿轮、泵的叶轮、塑料管道等。目前多数的塑料外壳笔记本电脑都是采用ABS工程塑料做原料的。,尼龙（聚酰胺）Polyamide,聚酰胺俗称尼龙（Nylon。是最实用的、产量最大的工程塑料。它的性能良好，尤其是经过玻璃纤维增强后，强度更佳，应用更广。尼龙塑料有很好的耐磨性、韧性和抗冲击强度。主要用作具有自润滑作用的齿轮和轴承。,尼龙中的主要品种是尼龙6和尼龙66，占绝对主导地位，尼龙的改性品种数量繁多，如增强尼龙，单体浇铸尼龙（MC尼龙），尼龙与其他聚合物共混物和合金等，满足不同特殊要求，广泛用作金属，木材等传统材料代用品，作为各种结构材料。,尼龙具有很高的机械强度，软化点高，耐热，磨擦系数低，耐磨损，自润滑性，吸震性和消音性，耐油，耐弱酸，耐碱和一般溶剂，电绝缘性好，有自熄性，无毒，无臭，耐候性好。缺点是染色性差，吸水性大，影响尺寸稳定性和电性能，纤维增强可降低树脂吸水率，使其能在高温、高湿下工作。尼龙与玻璃纤维亲合性十分良好。,由于聚酰胺具有无毒、质轻、优良的机械强度、耐磨性及较好的耐腐蚀性，因此广泛应用于代替铜等金属在机械、化工、仪表、汽车等工业中制造轴承、齿轮、泵叶及其他零件。常用于制作梳子、牙刷、衣钩、扇骨、网袋绳、水果外包装袋等等。无毒性，但不可长期与酸碱接触。聚酰胺熔融纺成丝后有很高的强度，主要做合成纤维并可作为医用缝线,降落伞、飞机轮胎帘子布、军服等军工产品和丝袜、衣着,地毯，渔网等民用产品，是三大合成纤维之一。,聚碳酸酯（PC）Polycarbonate,PC是一种韧而刚性的塑料，强度高，尺寸稳定性高，特别适于制备精密仪器中的齿轮、照相机零件。医疗器械的零部件。PC的耐冲击性能也很好，可制造银行的安全玻璃和警察的防暴盾牌，也可用作电动工具的外壳。PC还具有良好的电绝缘性，是制备电容器的优良材料。PC的耐温性好，可反复消毒，近年来被大量用于制备婴儿奶瓶、饮水杯（又称“太空杯”）和净水桶（用于盛装“太空水”）等中空容器。,PC的透光性好，可用于制备飞机风档，透明仪表板。同时，也是制备CD光盘的原料。日常常见的应用有光碟，眼睛片，水瓶，防弹玻璃，护目镜、银行防子弹之玻璃、车头灯等等,防弹玻璃,防弹玻璃是由两片以上玻璃（无机或有机玻璃）中间层用PVB胶片在一定温度、一定压力下胶合而成，在武器射程范围内能阻止子弹穿透，对于人体和财产提供防护的多层玻璃组合体，具有防弹、防爆、防盗的功能，PVB-聚乙烯醇缩丁醛树脂Polyvinylbutyralresin,.聚四氟乙烯（PTFE）Polytetrafluorothylene,聚四氟乙烯有有非常优良的耐高低温性能，能在-260到250的温度下长期使用。化学性稳定。由于它在王水中也不会溶解，被誉为“塑料王”。聚四氟乙烯的上述特性在工业上被用于制备化工设备和管道的耐腐蚀内衬。聚四氟乙烯有很低的磨擦系数，是优良的减磨材料。在工业上，可用作转动部件的密封件。在民用上被用于制备不粘锅的涂料。,聚四氟乙烯（PTFE）,聚四氟乙烯的介电常数高，能耐很高的电压，可以用于制造高频微波设备中的绝缘材料。聚四氟乙烯也有不足之处，除了加工困难，原料资源少、价格高外，它的强度和硬度都较差，而且有较大的冷流性。在加压下，它一直会慢慢地变形。大家所熟悉的作为管道密封材料的生料带就是利用了聚四氟乙烯的冷流性。,橡胶的分类,按原料来源:天然橡胶,合成橡胶按用途:通用橡胶,特种橡胶,橡胶制品的组成,橡胶=生胶+配料生胶:天然橡胶、合成橡胶配料：硫化剂-通过化学反应，使橡胶分子形成立体网状结构，变塑性生胶为弹性橡胶的过程称为硫化处理。能起硫化作用的物质称为硫化剂。常见的硫化剂有硫磺、含硫化合物、硒过氧化物等。,补强填充剂-为了提高橡胶的机械性能，改善其加工工艺性能，降低成本，常加入填充剂，如：碳黑、陶土、碳酸钙、硅酸钙、硫酸钡、氧化硅、滑石粉等。此外，还可加入防老化剂、增塑剂、着色剂、软化剂等，制作橡胶制品时，还常用天然纤维（如棉、麻、毛、石棉纤维等）、人造纤维、金属纤维、及其织物制成骨架，以防止变形和提高机械强度。,天然橡胶,从天然产胶植物中制取的橡胶。分子式是（C5H8）n，其成分中9194是橡胶烃（聚异戊二烯），其余为蛋白质、脂肪酸、灰分、糖类等非橡胶物质。天然橡胶是应用最广的通用橡胶。,从橡胶树上采集的乳胶，经过稀释后加酸凝固、洗涤，然后压片、干燥、打包，即制得市售的天然橡胶。,天然橡胶的主要特点,具有较高的粘度，在存放过程中增硬，低温存放时容易结晶，在70左右时变成脆性物质。无一定熔点，加热到130140完全软化，200左右开始分解。具有高弹性，弹性模量约为36MPa，弹性伸长率可达1000。加工性能好，易于同填料及配合剂混合，而且可与多数合成橡胶并用。耐油、耐溶剂性差。化学活性高，易于交联和氧化，耐老化性差。,天然橡胶主要应用于轮胎、胶带、胶管，电线电缆和多数橡胶制品，是应用最广的橡胶。目前，全球天然橡胶年消费量约800万吨左右，其中70%的消费用于汽车轮胎的生产。,常用合成橡胶简介,丁苯橡胶是1,3-丁二烯和苯乙烯经共聚制得的弹性体。性能特点其黏合性弹性和形变发热量均不如天然橡胶，但耐磨性耐自然老化性耐水性气密性等却优于天然橡胶，因此是一种综合性能较好的橡胶。丁苯橡胶是橡胶工业的骨干产品，它是合成橡胶第一大品种，综合性能良好，价格低，在多数场合可代替天然橡胶使用，可代替天然橡胶或与天然橡胶混合后使用。,主要用途制造轮胎、胶带、胶管、胶鞋、电线电缆。,2.顺丁橡胶,由丁二烯聚合制得的结构规整的合成橡胶。性能特点其弹性、耐磨性、耐热性、耐寒性均优于天然橡胶，其缺点是强度较低，加工性能差，抗撕裂性差。,主要用途,主要用于制造轮胎，也可制作胶带、弹簧、减震器、耐热胶管、电绝缘制品及鞋底等。,3.氯丁橡胶,性能特点机械性能与天然橡胶相似，耐油性、耐磨性、耐热性、耐燃烧性、耐溶剂性和耐老化性均优于天然橡胶，有“万能橡胶”之称。其缺点是耐寒性较差，成本较高。主要用途电线、电缆包皮，胶管，输送带等。,4.丁腈橡胶,由丁二烯与丙烯腈共聚而制得的一种合成橡胶。性能特点以优异的耐油性著称，其耐磨性、耐热性、耐蚀性、耐老化性优于天然橡胶，和一般通用橡胶，且具有良好的耐水性。其缺点是耐寒性、电绝缘性、耐酸性较差。,主要用途,各种耐油制品，如油箱、耐油胶管、密封垫圈、耐油运输带、印刷胶辊及耐油减振器等。,5.硅橡胶,分子结构性能特点具有高柔性和高稳定性，高耐热性、耐寒性、耐老化性和电绝缘性。缺点是强度和耐磨性差，耐酸碱性差，且价格较贵。主要用途飞机和宇航中的密封件、薄膜、胶管等，也可用于耐高温的电线、电缆。,4.5陶瓷,无机非金属材料,1.1陶瓷材料的概念传统意义上的陶瓷是指陶器和瓷器，它包括玻璃、水泥、耐火材料、砖瓦、搪瓷等人造非金属材料，现今“陶瓷材料”实际上已成为各种无机非金属材料的通称。,1陶瓷材料概述,1.2陶瓷材料的分类,陶瓷材料的组织包括:晶体相、玻璃相和气孔。晶体相是陶瓷的主要组成相，它的结构、数量、形态和分布决定着陶瓷的主要性能。,2陶瓷材料的组织与结构,降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶体转变，抑制晶体长大；获得一定程度的玻璃特性，如透光性等。,玻璃相是陶瓷材料在烧结过程中形成的一种非晶态固相。主要作用是：将晶体粘接起来，填充晶体相之间的空隙，提高材料的致密度；,气相是指陶瓷组织内部残留下来的孔洞。除多孔陶瓷外，气孔的存在都是不利的，它降低陶瓷的强度，往往是造成裂纹的根源。,（1）高硬度，高的耐磨性；（2）耐热性；（3）耐蚀性。,3陶瓷材料的基本性能,几种常用材料的性能比较,3陶瓷材料的基本性能,1.氧化铝陶瓷,性能特点：高温强度高，抗热震性好，高温蠕变小，耐磨，耐腐蚀。,应用举例：燃气轮机部件电热塞、增压器转子刀具、耐磨材料轴承、砂磨机磨球,4常用陶瓷材料简介,氧化铝陶瓷刀具的牌号和性能,氧化铝陶瓷刀具的切削温度可达1000，主要适用于淬火钢、冷硬铸铁等难切削材料的加工。,2.氮化硅（Si3N4）陶瓷,性能特点：高温强度高，抗热震性好，高温蠕变小，耐磨，耐腐蚀,应用举例：燃气轮机部件电热塞、增压器转子刀具耐磨材料轴承、砂磨机磨球,性能特点：高硬度、高强度、高耐磨性；高绝缘、高热导、耐腐蚀。,用途举例：石油工业：喷嘴、轴承、密封件；钢铁加工：轧钢用导轮、拉丝模具。,3.碳化硅（SiC）陶瓷,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”，其具有良好的耐热导热性（导热性与不锈钢类似）和高温介电强度，是理想的散热和高温绝缘材料；,立方氮化硼为立方结构，结构紧密，其硬度与金刚石接近，是优良的耐磨材料，常用于制作刀具。,4.氮化硼（BN）陶瓷,4.6复合材料,1.1复合材料的定义,复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料经一定的方法组合起来的一种多相固体材料。,1复合材料概述,按基体相分,树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料碳基复合材料,1.2复合材料的分类,按增强相分,纤维增强复合材料颗粒增强复合材料层状复合材料填充骨架型复合材料,(1)比强度比模量高(2)耐疲劳性能好(3)高温性能好(4)减摩、耐磨、减振性能好(5)耐腐蚀,3复合材料的性能