金属学与造船材料PPT

1、船舶工程学院 金属学与造船材料(12) 陶瓷、功能陶瓷 1 高分子材料 高分子材料是由成千上万个小分子 单体通过聚合反应以共价键结合起来的 长链分子而构成的。 分子量很 大，103 C H H C H H C H H C H H CH2 乙烯 CH2n 聚乙烯 1. 基本概念 (1) 单体 组成高分子化合物的低分子化 合物，是合成高分子的材料。 如：低分子乙烯 CH2=CH2单体组成聚乙烯 (2) 链节 构成高分子链的基本结构单元. (3) 聚合度 即，高分子所含链节的数目n. 由此， 大分子链的分子量M=链节的分子量m与聚合度 n的乘积。即 M=mn 2. 高分子材料的性能特点 密度小（12

2、103Kg/m3），有利于材料轻量化。 强度低，但比强度高，能够代替部分金属材料制造 多种机器零部件。 低的弹性模量和高弹性，取决于大分子链的柔性。 优良的电绝缘性能。 优良的减摩、耐磨和自润滑性能。 优良的耐腐蚀性能。 优良的透光性。 可加工性好。 绝对强度、刚度低； 三大缺点：不耐热 （低于300）、可 燃、易老化 Y 3 、高分子材料的分类 Y 按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、 涂料等。 Y 按聚合物反应类型分为加聚物和缩聚 物。 Y 按聚合物的热行为分为热塑性聚合物 和热固性聚合物 Y 按主链上的化学组成分为碳链聚合物、 杂链聚合物和元素有机聚合物 Y 高分子工程材料包 括塑料、橡胶

3、、合 成纤维和胶粘剂等。 本节主要介绍工程 上常用的工程塑料 和合成橡胶。 2 高分子工程材料 一、工程塑料 Y 塑料是在玻璃态下使用的高分子材料。在一定温度、压力下 可塑制成型，在常温下能保持其形状不变。 Y 1、工程塑料概述 Y 塑料的组成 l塑料是以树脂为主要成分，加 入各种添加剂。 l树脂是塑料的主要成分，对塑 料性能起决定性作用。 Y 添加剂是为改善塑料某些性能 而加入的物质。 塑料制品 Y 塑料的分类 Y 按树脂受热时行为可分为热塑性塑料和热固性塑料。 Y 按使用范围可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。 Y 通用塑料产量大、价格低、用途广。 Y 工程塑料力学性能高，耐热、耐蚀性能好

4、。 l特种塑料是指具有某些特殊性能 如耐高温、耐腐蚀的塑料，这类 塑料产量少，价格贵，只用于特 殊需要的场合。 热固性塑料制品 Y 塑料的性能特点 Y 塑料的优点： Y 相对密度小(一般为0.9 2.3)；耐蚀性、电绝缘 性、减摩、耐磨性好；有 消音吸振性能。 l塑料的缺点： l刚性差(为钢铁材料的1/1001/10)，强度低；耐热性差、热膨 胀系数大（是钢铁的10倍）、导热系数小(只有金属的 1/2001/600)；蠕变温度低、易老化。 Y 2、常用工程塑料 Y 一般结构用塑料 Y 包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP) 和ABS塑料等。 Y 聚丙烯具有优良

5、的综合性能，可制造各种机械零件。 Y ABS塑料 “坚韧、质硬、刚性” ，应用广泛。 PE波纹管 PP方向盘 ABS阀门 PS管 Y 聚酰胺又称尼龙或绵纶，强度较高，耐磨、自润滑性好，广泛 用作机械、化工及电气零件。 Y 聚甲醛具有优良的综合性能，广泛用于汽车机床、化工、电气 仪表、农机等工业 。 尼龙管件 PC挡风板 l聚碳酸酯具有优良的机械性能， 透明无毒，应用广泛。 l 摩擦传动零件用塑料 l包括聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚 碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)等。 密封件 聚四氟乙烯管聚四氟乙烯零件 Y 聚四氟乙烯俗称“塑料王”，具有极优越的化学稳定性和热 稳定性以及优越的电

6、性能，几乎不受任何化学药品的腐蚀， 摩擦系数极低，只有0.04。缺点是强度低、加工性差。主要 用于减摩密封件、化工耐蚀件与热交换器以及高频或潮湿条 件下的绝缘材料。 Y 耐蚀用塑料 Y 耐蚀用塑料主要有聚四氟乙烯、 氯化聚醚(PENTON)、聚丙烯等。 Y 氯化聚醚的化学稳定性仅次于聚 四氟乙烯，但工艺性比聚四氟乙 烯好，成本低。在化学工业和机 电工业获得广泛应用，如化工设 备零件、管道、衬里等。 氯化聚醚防腐蝶阀 Y 耐高温件用塑料 Y 有聚砜(PSF)、聚苯醚 (PPO)、聚酰亚胺(PI)及氟 塑料等。 Y 聚砜的热稳定性高是其 聚酰亚胺层压板 最突出的特点。使用温度达150174。用于机

7、械设备等工业 l聚苯醚具有良好的综合性能,用于机电等方面。 l聚酰亚胺在260下可长期使用。主要用于特殊条件下使用的 精密零件。 Y 热固性塑料 Y 热固性塑料是在树脂中加入固化剂压制成型而形成的体形聚合 物。 Y 酚醛塑料是以酚醛树脂为基，加入填料及其他添加剂而制成。 广泛用于制作各种电讯器材和电木制品（如插座、开关等）， 耐热绝缘部件及各种结构件。 电器配件 3、工程塑料在船舶上的应用 Y 制作船舶构件：玻璃钢(环氧树脂+玻璃纤维)可用来制造快艇和 救生艇的艇体、驾驶室棚顶、螺旋桨等。 Y 制造船机零件：尼龙(聚酰胺PA) 可制造尾轴承、舵轴承、阀盘、 齿轮、滑块、手柄等。低压管路用ABS

8、塑料或硬质聚氯乙烯塑 料代替金属材料。 Y 塑料用于防腐。如螺旋桨上防止浆叶的穴蚀和电化学腐蚀；尾 轴包覆玻璃钢；柴油机缸套冷却水侧反船舶水舱壁面喷塑料防 腐；舵叶、水舱防腐等。 二、合成橡胶 Y 橡胶是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料。 Y 1、橡胶的组成和性能特点 Y 工业用橡胶由生胶和橡胶配合剂组成。生胶无配合剂并未经 硫化。橡胶配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、 填充剂、发泡剂、着色剂等。 Y 橡胶最大的特点是高弹性。橡胶有储能、耐磨、隔音、绝缘 等性能。 2、常用合成橡胶 Y 合成橡胶按用途和用量分为通用橡胶和特种橡胶，前者主要用于制 作橡皮船、轮胎、运输带、胶管、胶

9、板、垫片、密封装置等；后者 主要用于高低温、强腐蚀、强辐射等特殊环境下工作的橡胶制品。 Y 在船舶的甲板上和露天的场合均采用氯丁橡胶，在机舱里常温下工 作的场合均采用丁腈橡胶，高温下工作的采用氟橡胶或硅橡胶。 密封圈 胶管 轮胎 一、陶瓷材料的特点 l1、陶瓷材料的相组 成特点 l陶瓷材料通常由三种 不同的相组成，即晶 相(1)、玻璃相(2)和 气相(3)气孔。 3 陶瓷材料 Y 料致密度、降低 烧结温度和抑制 晶粒长大。 Y 气相是在工艺过 程中形成并保留 下来的。 l晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物 理化学性质的主要是晶相。 l玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材 2、

10、陶瓷材料的结合键特点 Y 陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等， 因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的 混合键为主。 共价键离子键 Y 3、陶瓷材料的性能特点 Y 陶瓷材料具有高熔点、高硬度、 高化学稳定性，耐高温、耐氧 化、耐腐蚀等特性。 Y 陶瓷材料还具有密度小、弹性 模量大、耐磨损、强度高等特 点。 Y 功能陶瓷还具有电、光、磁等 特殊性能。 Y 4、陶瓷材料的工艺特点 Y 陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来 成形的，因此陶瓷是烧结体。 Y 烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是 其存在一定的气孔率。 Al2

11、O3粉末的烧结组织 ZrO2陶瓷中的气孔 Y二、陶瓷材料的分类 Y 1、按化学成分分类 Y 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其 它化合物陶瓷。 导电玻璃 玻璃幕墙 Y 2、按使用的原材料分类 Y 可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。 l普通陶瓷以天然的岩石、矿石、 黏土等材料作原料。 l特种陶瓷采用人工合成的材料 作原料。 l3、按性能和用途分类 l可将陶瓷材料分为结构陶瓷和 功能陶瓷两类。 陶瓷零件 Y1、普通陶瓷 Y 普通陶瓷是用粘土(Al2O32SiO22H2O)、长石 (K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)和石英(SiO2)为原料， 经成型、烧

12、结而成的陶瓷。 Y 其组织中主晶相为莫来石(3Al2O32SiO2)，占2530%，玻璃 相占3560%，气相占13%。 Y 普通陶瓷加工成型性好，成 本低，产量大。 Y 除日用陶瓷、瓷器外，大量 用于电器、化工、建筑、纺 织等工业部门。 景德镇瓷器 绝缘子 2、新型结构陶瓷 氧化铝陶瓷 Y 氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分, 含有 少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。 Al2O3化工、耐磨陶 瓷配件 Al2O3密封、气动 陶瓷配件 （2）氮化硅陶瓷 以Si3N4为主晶相， “像钢一样强、金刚石一样硬、铝一样轻” 热压烧结Si3N4 ： Si3N4粉为原料+添加剂 高温、高压下烧结成型 加工较困

13、难，用于制造形状简单的 耐磨耐热零件和刀具 汽轮机转子 反应烧结Si3N4 ： Si粉或Si+ Si3N4粉压制成型后渗氮处理，直到全 部形成氮化硅。 易加工，性能优异，用于制造形状复杂且尺寸精 度高的耐热、耐蚀、耐磨制品。 Sialon陶瓷Si3N4+少量Al2O3， Y 据称是强度最高的陶瓷。 叶片气阀等零件 （3）碳化硅陶瓷 Y以SiC为主晶相。也可分为热压烧结和反应 烧结两类。 Y特点：高温强度高， Y 可耐1600-1700。 Y应用：高温结构制品 SiC陶瓷件 （4）氮化硼陶瓷 以BN为主晶相，六方结构（石墨结构）俗 白石墨，耐热性、导热性、绝缘性、耐蚀性高， 硬度稍低，可切削加工

14、。 应用：高温绝缘制品，散热材料。 Y 复合材料是指 由两种或两种以 上不同性质的材 料，通过不同的 工艺方法人工合 成的多相材料。 复合材料船体 4 复合材料 Y 复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。 Y 基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固 结成一体，并起传 递应力的作用。 l增强相起承受应力 （结构复合材料） 和显示功能(功能复 合材料)的作用。 一、复合材料的组成 1、增强相（强度较高的材料） （1）纤维增强材料 玻璃纤维：SiO2为主要原料熔融拉丝制成的 纤维。 碳 纤 维：密度1.72g/cm3 比钢小四倍， 比强度比钢大16倍。 硼 纤 维： 芳伦纤维：芳香族聚

15、酰胺类纤维。 晶 须：金属晶须、陶瓷晶须。 （2） 颗粒增强材料 Y陶瓷颗粒 Y Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC。 Y特殊性能填料： Y 石墨、碳墨、MoS2（耐磨、润滑）银粉、铜 粉（导电） Fe2O3磁粉（导磁） 2、基体材料（低强度材料） 有色金属、树脂、陶瓷 二、复合材料的特点 Y 1、比强度和比模量高 其中纤维增 强复合材料的最高。 Y 2、抗疲劳性能好 碳纤维增强材料 疲劳强度可达抗拉强度的7080%。 因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。 Y 3、减振性能良好 复合材料中的大 量界面对振动有反射吸收作用，不易 产生共振。 Y 4、高温性能好。 比强度比较 碳纤维树脂 硼

16、纤维树脂 玻璃纤维树脂 钛 钢 铝 三、增强复合原则 1、增强体与基体，应避免降低强度的化学反应； 2、增强体与基体的热膨胀系数应基本匹配， XfXm （ffiber，纤维； mmatrix，基体） 3、增强体与基体的弹性模数应 EfEm 4、纤维排列方向应与构体受力方向一致 四、复合材料的分类 Y 1、按基体材料分类，可分为聚合物基、 陶瓷基和金属基复合材料。 Y 2、按增强相形状分类，可分为纤维增强 复合材料、粒子增强复合材料和层状复合 材料。 Y 3、按复合材料的性能分类，可分为结构 复合材料和功能复合材料。 SiC颗粒 Al2O3片 Al2O3纤维 增强相三种类型 非金属非金属 非金属

17、金属 金属复合材料金属 按成分分 骨架增强复合材料 叠层增强复合材料 颗粒增强复合材料 纤维增强复合材料 按增强体的形状 1、玻璃钢:玻璃纤维增强塑料，比重小(1.5- 2.0)、比强度高，是建造快速船舶的理想材料 2、纤维增强金属：铝合金+硼纤维；钛合金+碳 纤维/硼纤维 3、弥散强化合金：Al2O3等氧化物颗粒+Al，Cu， Ti，Ni等 4、金属陶瓷 5、纤维增强橡胶 如胶管、轮胎、皮带 6、塑料金属多层复合材料 玻璃钢/复合材料制造的游艇 美国“短剑号”碳纤维复合材料高速隐身艇 挪威“Skjold”级隐身巡逻艇 英国“sandown”级猎扫雷艇 二、填空题（15分） 1、在BCC和FCC晶格中，单位晶胞内的原子数分 别为 和 ，其致密度分别为 和 。 一、选择题（15分） 1、多晶体金属的晶粒越细，则其 ( )。 A强度越高，塑性越好 B强度越高，塑性越差