非金属材料及其应用

1、 9.1 9.1 高分子材料高分子材料 9.1.1 9.1.1 基本概念基本概念 一、高分子材料的定义一、高分子材料的定义 l高分子材料：高分子材料：是以是以高分子化合物高分子化合物为主要为主要 组分的材料。常称组分的材料。常称聚合物聚合物或或高聚物高聚物。 l分子量分子量 10 104 4 。 l有有天然的天然的，也有，也有人工合成人工合成的。的。 l工业用高分子材料主要是工业用高分子材料主要是人工合成人工合成的。的。 二、高分子化合物的组成二、高分子化合物的组成 l由简单的结构单元重复连接而成。由简单的结构单元重复连接而成。如由乙烯合成如由乙烯合成聚乙聚乙 烯烯: CH: CH2 2=CH

2、=CH2 2+CH+CH2 2=CH=CH2 2+ + -CH-CH2 2-CH-CH2 2-CH-CH2 2-CH-CH2 2- - , , CH2CH2 n l 可简写成可简写成 n n CHCH2 2=CH=CH2 2 。 l 组成聚合物的低分子化合物称为组成聚合物的低分子化合物称为单体单体。 l 聚合物的分子为很长的链条，称为聚合物的分子为很长的链条，称为大分子链大分子链。 CH2CH2 n l 大分子链中重复结构单元大分子链中重复结构单元( (如聚乙烯中如聚乙烯中 ) ) 称为称为链节链节。 聚乙烯分子链 三、高分子材料的分类三、高分子材料的分类 l 按用途按用途分分塑料塑料、橡胶橡

3、胶、 纤维纤维等。等。 l 按聚合物的热行为按聚合物的热行为分分 为为热塑性热塑性聚合物和聚合物和热固热固 性性聚合物。聚合物。 9.1.2 9.1.2 高分子工程材料高分子工程材料 l高分子工程材料高分子工程材料 包括塑料、合成包括塑料、合成 纤维、橡胶和胶纤维、橡胶和胶 粘剂等。粘剂等。本节主本节主 要介绍工程上常要介绍工程上常 用的高分子工程用的高分子工程 材料。材料。 一、工程塑料一、工程塑料 l塑料是在玻璃态下使用的高分子材料塑料是在玻璃态下使用的高分子材料。 l在一定温度、压力下可塑制成型，在常温下在一定温度、压力下可塑制成型，在常温下 能保持其形状不变。能保持其形状不变。 1 1

4、、工程塑料概述、工程塑料概述 塑料的组成塑料的组成 l塑料是以树脂为主要成分，塑料是以树脂为主要成分， 加入各种添加剂。加入各种添加剂。 l树脂树脂是塑料的主要成分，是塑料的主要成分， 对塑料性能起决定性作用。对塑料性能起决定性作用。 塑料制品塑料制品 l添加剂：添加剂：改善塑料某些性能而加入的物质。改善塑料某些性能而加入的物质。 l填料：填料：主要起增强作用；主要起增强作用； l增塑剂：增塑剂：提高树脂的可塑性和柔软性；提高树脂的可塑性和柔软性； l固化剂：固化剂：使热固性树脂由线型结构转变为体型使热固性树脂由线型结构转变为体型 结构；结构； l稳定剂：稳定剂：防止塑料老化，延长其使用寿命；

5、防止塑料老化，延长其使用寿命； l润滑剂：润滑剂：防止塑料加工时粘在模具上防止塑料加工时粘在模具上, , 使制品使制品 光亮；光亮； l着色剂：着色剂：用于塑料制品着色。用于塑料制品着色。 l其他的还有其他的还有发泡剂发泡剂、催化剂催化剂、 阻燃剂阻燃剂、抗静电剂抗静电剂等。等。 添加剂添加剂 塑料的分类塑料的分类 l按树脂受热时行为按树脂受热时行为可分为热塑性塑料和热固可分为热塑性塑料和热固 性塑料。性塑料。 l按使用范围按使用范围可分为可分为通用塑料通用塑料、工程塑料工程塑料和和特特 种塑料种塑料。 l通用塑料通用塑料产量大、价格低、用途广。产量大、价格低、用途广。 l工程塑料工程塑料力学

6、性能高，耐热、耐蚀性能好。力学性能高，耐热、耐蚀性能好。 l特种塑料特种塑料是指具有某些是指具有某些特殊特殊 性能性能如耐高温、耐腐蚀的塑如耐高温、耐腐蚀的塑 料，这类塑料产量少，价格料，这类塑料产量少，价格 贵，只用于特殊需要的场合。贵，只用于特殊需要的场合。 热固性塑料制品热固性塑料制品 塑料的性能特点塑料的性能特点 l塑料的优点：塑料的优点： l相对密度小相对密度小( (一般为一般为0.9 0.9 2.3)2.3)；耐蚀性、电绝耐蚀性、电绝 缘性、减摩、耐磨性好；缘性、减摩、耐磨性好； 有消音吸振性能。有消音吸振性能。 l塑料的缺点：塑料的缺点： l刚性差，强度低；刚性差，强度低；耐热性

7、差、热膨胀系数大耐热性差、热膨胀系数大 （是钢铁的（是钢铁的1010倍）、导热系数小；倍）、导热系数小；蠕变温度蠕变温度 低、易老化。低、易老化。 2 2、常用工程塑料常用工程塑料 一般结构用塑料一般结构用塑料 l包括包括聚乙烯聚乙烯(PE)(PE)、聚氯乙烯聚氯乙烯(PVC)(PVC)、聚苯乙烯聚苯乙烯 (PS)(PS)、聚丙烯聚丙烯(PP)(PP)和和ABSABS塑料塑料等。等。 l聚丙烯：聚丙烯：具有具有优良的综合性能优良的综合性能，可制造各种，可制造各种 机械零件。机械零件。 lABSABS塑料塑料 “ “坚韧、质硬、刚性坚韧、质硬、刚性”，应用广泛。，应用广泛。 PEPE波纹管波纹管

8、 PPPP方向盘方向盘 ABSABS阀门阀门 P PS S管管 l聚酰胺聚酰胺（尼龙或绵纶）：（尼龙或绵纶）：强度较高，耐磨、自强度较高，耐磨、自 润滑性好，广泛用作机械、化工及电气零件。润滑性好，广泛用作机械、化工及电气零件。 l聚甲醛：聚甲醛：具有优良的综合性能，广泛用于汽车具有优良的综合性能，广泛用于汽车 机床、化工、电气仪表、农机等工业机床、化工、电气仪表、农机等工业 。 尼龙管件尼龙管件 PCPC挡风板 挡风板 l聚碳酸酯：聚碳酸酯：具有优良的机械具有优良的机械 性能，透明无毒，应用广泛。性能，透明无毒，应用广泛。 摩擦传动零件用塑料摩擦传动零件用塑料 l包括聚酰胺包括聚酰胺(PA)

9、(PA)、聚甲醛、聚甲醛 (POM)(POM)、聚碳酸酯、聚碳酸酯(PC)(PC)、聚四、聚四 氟乙烯氟乙烯(PTFE)(PTFE)等。等。 密封件密封件 聚四氟乙烯管聚四氟乙烯管聚四氟乙烯零件聚四氟乙烯零件 l聚四氟乙烯聚四氟乙烯“塑料王塑料王”： 优点：优点：具有极优越的具有极优越的化学稳定性化学稳定性和和热稳定性热稳定性 以及优越的电性能，几乎不受任何化学药品以及优越的电性能，几乎不受任何化学药品 的腐蚀，的腐蚀，摩擦系数极低摩擦系数极低，只有，只有0.040.04。 缺点：缺点：强度低、加工性差。强度低、加工性差。 应用：应用：主要用于主要用于减摩密封件减摩密封件、化工耐蚀件化工耐蚀件

10、与与 热交换器以及高频或潮湿条件下的热交换器以及高频或潮湿条件下的绝缘材料绝缘材料。 耐蚀用塑料耐蚀用塑料 l主要有聚四氟乙烯、氯化主要有聚四氟乙烯、氯化 聚醚聚醚(PENTON)(PENTON)、聚丙烯等。、聚丙烯等。 l氯化聚醚：氯化聚醚： 化学稳定性仅次于聚四氟化学稳定性仅次于聚四氟 乙烯，但工艺性比聚四氟乙烯，但工艺性比聚四氟 乙烯好，成本低。乙烯好，成本低。 在在化学工业化学工业和和机电工业机电工业获获 得广泛应用，如化工设备得广泛应用，如化工设备 零件、管道、衬里等。零件、管道、衬里等。 氯化聚醚防腐蝶阀氯化聚醚防腐蝶阀 耐高温件用塑料耐高温件用塑料 l有聚砜有聚砜(PSF)(PS

11、F)、聚苯醚、聚苯醚 (PPO)(PPO)、聚酰亚胺、聚酰亚胺(PI)(PI) 及氟塑料等。及氟塑料等。 l聚砜：聚砜：热稳定性高热稳定性高是其是其 聚酰亚胺层压板聚酰亚胺层压板 最突出的特点。使用温度达最突出的特点。使用温度达150150174174。用于。用于 机械设备等工业。机械设备等工业。 l聚苯醚：聚苯醚：具有良好的综合性能具有良好的综合性能, ,用于机电等方面。用于机电等方面。 l聚酰亚胺：聚酰亚胺：在在260260下可长期使用。主要用于特下可长期使用。主要用于特 殊条件下使用的精密零件。殊条件下使用的精密零件。 热固性塑料热固性塑料 l是在树脂中加入固化剂压制成型而形成是在树脂中

12、加入固化剂压制成型而形成 的体形聚合物。的体形聚合物。 l酚醛塑料：酚醛塑料：是以酚醛树脂为基，加入填是以酚醛树脂为基，加入填 料及其他添加剂而制成。广泛用于制作料及其他添加剂而制成。广泛用于制作 各种各种电讯器材电讯器材和和电木制品电木制品（如插座、开（如插座、开 关等），关等），耐热绝缘部件耐热绝缘部件及及各种结构件各种结构件。 电器配件电器配件 二、合成橡胶二、合成橡胶 l是以高分子化合物为基础的具有是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料高弹性的材料。 1 1、橡胶的组成和性能特点、橡胶的组成和性能特点 l工业用橡胶由工业用橡胶由生胶生胶和和橡胶橡胶配合剂组成。配合剂组成。 l生胶无配

13、合剂并未经硫化。生胶无配合剂并未经硫化。 l橡胶配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、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。软化剂、填充剂、发泡剂、着色剂等。 l橡胶最大的特点：橡胶最大的特点：是高弹性。橡胶有储能、耐是高弹性。橡胶有储能、耐 磨、隔音、绝缘等性能。磨、隔音、绝缘等性能。 2 2、常用合成橡胶、常用合成橡胶 l用途和用量分为用途和用量分为通用橡胶通用橡胶和和特种橡胶特种橡胶： l通用橡胶：通用橡胶：主要用于制作轮胎、运输带、主要用于制作轮胎、运输带、 胶管、胶板、垫片、密封装置等；胶管、胶板、垫片、密封装置等； l特种橡胶：特种橡胶：主要用于

14、主要用于高低温高低温、强腐蚀强腐蚀、 强辐射强辐射等特殊环境下工作的橡胶制品。等特殊环境下工作的橡胶制品。 密封圈密封圈 胶管胶管 轮胎轮胎 l工业上应用的典型的工业上应用的典型的传统陶瓷传统陶瓷产品如陶产品如陶 瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的 发展，出现了许多性能优良的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷新型陶瓷。 l陶瓷材料：陶瓷材料：是是 除金属和高聚除金属和高聚 物以外的无机物以外的无机 非金属材料通非金属材料通 称。称。 （一）陶瓷材料的特点（一）陶瓷材料的特点 1 1、相组成特点、相组成特点 l晶相；晶相； l玻璃相；玻璃相； l气相气相 气孔气

15、孔 。 l晶相：晶相：是陶瓷材料中主要的组成相，是陶瓷材料中主要的组成相， 决定其物理化学性质。决定其物理化学性质。 l玻璃相：玻璃相：是是充填充填晶粒间隙、晶粒间隙、粘结粘结晶晶 粒、粒、提高提高材料致密度、材料致密度、降低降低烧结温烧结温 度和度和抑制抑制晶粒长大。晶粒长大。 l气相：气相：是在工艺过程中形成并保留是在工艺过程中形成并保留 下来的。下来的。 2 2、陶瓷材料的结合键特点、陶瓷材料的结合键特点 l主要成分：主要成分：氧化物、碳化物、氮化物、氧化物、碳化物、氮化物、 硅化物等；硅化物等； l结合键：结合键：以以离子键离子键( (如如AlAl2 2O O3 3) )、共价键共价键

16、 ( (如如SiSi3 3N N4 4) )及两者的及两者的混合键混合键为主。为主。 共价键共价键离子键离子键 3 3、陶瓷材料的性能特点、陶瓷材料的性能特点 l具有具有高熔点高熔点、高硬度高硬度、高高 化学稳定性化学稳定性，耐高温耐高温、耐耐 氧化氧化、耐腐蚀耐腐蚀等特性。等特性。 l密度小、弹性模量大、耐密度小、弹性模量大、耐 磨损、强度高等特点磨损、强度高等特点。 l功能陶瓷还具有电、光、功能陶瓷还具有电、光、 磁等特殊性能磁等特殊性能。 4 4、陶瓷材料的工艺特点、陶瓷材料的工艺特点 l脆性材料，脆性材料，是通过是通过粉体成型粉体成型和和高温烧高温烧 结结来成形的来成形的烧结体。烧结体

17、。 l烧结体也是烧结体也是晶粒的聚集体晶粒的聚集体，有晶粒和，有晶粒和 晶界，存在一定晶界，存在一定气孔率气孔率。 AlAl2 2O O3 3粉末的烧结组织粉末的烧结组织 ZrO2ZrO2陶瓷中的气孔陶瓷中的气孔 （二）陶瓷材料的分类（二）陶瓷材料的分类 1 1、按化学成分分类、按化学成分分类 l分为分为氧化物陶瓷氧化物陶瓷、碳化物陶瓷碳化物陶瓷、氮化物氮化物 陶瓷陶瓷及及其它化合物陶瓷其它化合物陶瓷。 导电玻璃导电玻璃 玻璃幕墙玻璃幕墙 2 2、按使用的原材料分类、按使用的原材料分类 l普通陶瓷：普通陶瓷：以天然的以天然的岩石岩石、 矿石矿石、黏土黏土等材料作原料。等材料作原料。 l特种陶瓷

18、：特种陶瓷：采用采用人工合成人工合成 的材料的材料作原料。作原料。 3 3、按性能和用途分类、按性能和用途分类 l可将陶瓷材料分为可将陶瓷材料分为结构陶瓷结构陶瓷 和和功能陶瓷功能陶瓷两类。两类。 陶瓷零件陶瓷零件 （一）普通陶瓷（一）普通陶瓷 l成分：成分：是用是用粘土粘土(Al(Al2 2O O3 32SiO2SiO2 22H2H2 2O)O)、长石长石 (K(K2 2OAlOAl2 2O O3 36SiO6SiO2 2，NaNa2 2OAlOAl2 2O O3 36SiO6SiO2 2) )和和 石英石英(SiO(SiO2 2) )为原料，经为原料，经成型成型、烧结烧结而成的陶而成的陶

19、瓷。瓷。 l组织：组织：主晶相为主晶相为莫来石莫来石(3Al(3Al2 2O O3 32SiO2SiO2 2) )，占，占 252530%30%，玻璃相玻璃相占占353560%60%，气相气相占占1 13%3%。 l普通陶瓷：普通陶瓷：加工成型性好，加工成型性好， 成本低，产量大。成本低，产量大。 l除除日用陶瓷日用陶瓷、瓷器外，大、瓷器外，大 量用于量用于电器电器、化工化工、建筑建筑、 纺织纺织等工业部门。等工业部门。 景德镇瓷景德镇瓷 器器 绝缘绝缘 子子 （二）新型结构陶瓷（二）新型结构陶瓷 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 l以以AlAl2 2O O3 3为主要成分为主要成分, , 含含 有少量有

20、少量SiOSiO2 2的陶瓷，又称的陶瓷，又称 高铝陶瓷。高铝陶瓷。 AlAl2 2O O3 3化工、耐磨陶化工、耐磨陶 瓷配件瓷配件 AlAl2 2O O3 3密封、气动密封、气动 陶瓷配件陶瓷配件 l分类：分类：7575瓷瓷( (含含75%Al75%Al2 2O O3 3，又称刚玉，又称刚玉- -莫莫 来石瓷来石瓷) )、9595瓷瓷和和9999瓷瓷，后两者又称刚，后两者又称刚 玉瓷。玉瓷。 l特性：特性：耐高温性能好耐高温性能好，可使用到，可使用到19501950。 具有具有良好的电绝缘性能良好的电绝缘性能及及耐磨性耐磨性。微晶。微晶 刚玉的硬度极高刚玉的硬度极高( (仅次于金刚石仅次于

21、金刚石) )。 9595瓷纺织件瓷纺织件9999瓷纺织件瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴氧化铝耐高温喷嘴 氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷转心球阀 氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷密封环 氧化铝陶瓷坩埚氧化铝陶瓷坩埚 l应用：应用：氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 被广泛用作被广泛用作耐火材料耐火材料， 如耐火砖、坩埚、热如耐火砖、坩埚、热 偶套管，淬火钢的偶套管，淬火钢的切切 削刀具削刀具、金属拔丝模金属拔丝模， 内燃机的火花塞，火内燃机的火花塞，火 箭、导弹的箭、导弹的导流罩导流罩及及 轴承轴承等。等。 氮化硅（氮化硅（SiSi3 3N N4 4）陶瓷）陶瓷 l氮化硅是由氮化硅是由SiSi3 3N N4 4四面体组成四

22、面体组成 的共价键固体。的共价键固体。 氮化硅的制备与烧结工艺氮化硅的制备与烧结工艺 l工业硅直接氮化：工业硅直接氮化：3Si+2N3Si+2N2 2SiSi3 3N N4 4 l二氧化硅还原氮化：二氧化硅还原氮化：3SiO3SiO2 2+6C+2N+6C+2N2 2SiSi3 3N N4 4+6CO+6CO 烧结工艺烧结工艺优点优点 缺点缺点 反应烧结反应烧结 烧结时几乎没有收缩，能 烧结时几乎没有收缩，能 得到复杂的形状得到复杂的形状 密度低，强度低，耐蚀密度低，强度低，耐蚀 性差性差 热压烧结热压烧结 用较少的助剂就能致密化， 用较少的助剂就能致密化， 强度、耐蚀性最好强度、耐蚀性最好

23、只能制造简单形状，烧只能制造简单形状，烧 结助剂使高温强度降低结助剂使高温强度降低 性能特点及应用性能特点及应用 l氮化硅的氮化硅的强度、比强度、比模量高强度、比强度、比模量高；硬度仅硬度仅 次于金刚石、碳化硼次于金刚石、碳化硼等；等；摩擦系数仅为摩擦系数仅为 0.10.10.20.2；热膨胀系数小热膨胀系数小；抗热震性大大高抗热震性大大高 于其他陶瓷材料于其他陶瓷材料；化学稳定性高化学稳定性高。 l热压烧结氮化硅：热压烧结氮化硅： 用于用于形状简单、精形状简单、精 度要求不高的零件度要求不高的零件， 如切削刀具、高温如切削刀具、高温 轴承等。轴承等。 Si3N4轴承轴承 l反应烧结氮化硅反应

24、烧结氮化硅: 用于用于形状复杂、尺寸精度要求形状复杂、尺寸精度要求 高的零件高的零件，如机械密封环等。，如机械密封环等。 汽轮机转子汽轮机转子 叶片气阀等零件叶片气阀等零件 碳化硅（碳化硅（SiCSiC）陶瓷）陶瓷 l碳化硅是通过碳化硅是通过键能很高键能很高 的共价键结合的晶体的共价键结合的晶体。 l碳化硅是用碳化硅是用石英沙石英沙 (SiO(SiO2 2) )加焦碳加焦碳直接加热直接加热 至高温还原而成至高温还原而成： SiOSiO2 2+3C+3CSiC+2COSiC+2CO。 常压烧结碳化硅常压烧结碳化硅 l碳化硅的最大特点：碳化硅的最大特点：是是高温强度高高温强度高，有很有很 好的耐磨

25、损好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热热 传导能力很强传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。，仅次于氧化铍陶瓷。 SiCSiC密封件密封件 l碳化硅陶瓷用于制造碳化硅陶瓷用于制造火火 箭喷嘴箭喷嘴、浇注金属的、浇注金属的喉喉 管管、热电偶套管热电偶套管、炉管炉管、 燃气轮机叶片燃气轮机叶片及及轴承轴承， 泵的密封圈泵的密封圈、拉丝成型拉丝成型 模具模具等。等。 SiC陶瓷件陶瓷件 SiC陶瓷件陶瓷件 SiC轴承轴承 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷 l氧化锆的氧化锆的晶型转变晶型转变：立方相：立方相 四方相四方相 单斜相。单斜相。 l四方相转变为单斜相非常迅速，四方相转变为单斜相非常迅速，引起很引起很 大的体积变化大的体积变化，易使制品开裂