第八章非金属材料及成形

1、第一节第一节 高分子材料高分子材料 第二节第二节 陶瓷材料陶瓷材料 第三节第三节 复合材料复合材料 第四节第四节 纳米材料及功能材料纳米材料及功能材料 一、基本概念一、基本概念 高分子化合物高分子化合物是相对分子质量特别大是相对分子质量特别大( (相对分子质量大于相对分子质量大于500)500)的化合物的总称，所的化合物的总称，所 以又称为高聚物或聚合物。以又称为高聚物或聚合物。 按来源分： （1 1）天然高分子材料）天然高分子材料 ：松香、天然纤维、蛋白质、天然橡胶。 （2）人工合成高分子材料： 塑料、合成橡胶、合成纤维（涤纶等）。 按成分分： （1 1）无机高分子材料：）无机高分子材料：分

2、子组成中没有碳元素，如硅酸盐材料、玻璃、水泥以及陶瓷 等。 （2 2）有机高分子材料：）有机高分子材料：主要是由含碳、氢、氧、氮、硅等非金属原子的低分子化合物 在一定条件下聚合而成，如聚乙烯塑料就是由乙烯聚合制成的： 有机玻璃（有机玻璃（PMMA) 密度仅玻璃的一半，密度仅玻璃的一半，b=4250MPa ，比普通玻璃高，比普通玻璃高 718倍。用于透明件，装饰件，绝缘件。倍。用于透明件，装饰件，绝缘件。 聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC） b = 3060 MPa ，使用温度，使用温度-1555。硬。硬PVC 耐油耐油 、耐蚀，用于化工管道，电器绝缘材料及电线绝缘层、套管。软、耐蚀，用于化工管道，电

3、器绝缘材料及电线绝缘层、套管。软PVC 富富 有弹性，用作非食品包装薄膜。有弹性，用作非食品包装薄膜。 聚丙烯聚丙烯 PP 刚性大刚性大, 重量轻，耐热（重量轻，耐热（-35121 ），绝缘性优越。用于机），绝缘性优越。用于机 械零件（法兰，齿轮），化工容器、管道，电器外壳等。械零件（法兰，齿轮），化工容器、管道，电器外壳等。 ABS塑料塑料 硬、韧、刚的混合特性较好；容易电镀。用于零件（齿轮，泵硬、韧、刚的混合特性较好；容易电镀。用于零件（齿轮，泵 叶轮叶轮, 轴承等轴承等, 电机、仪表外壳，管道，汽车零件及车身。电机、仪表外壳，管道，汽车零件及车身。 聚酰胺（聚酰胺（PA, 尼龙）尼龙）

4、耐磨耐磨, 减摩性及韧性好。耐蚀减摩性及韧性好。耐蚀, 无毒。用于耐磨无毒。用于耐磨, 耐蚀耐蚀 的承载转动零件（齿轮的承载转动零件（齿轮, 轴承轴承, 螺钉和螺母等小型零件）。螺钉和螺母等小型零件）。 酚醛树脂（酚醛树脂（PF） 如热固性酚醛树脂（胶木）如热固性酚醛树脂（胶木）, 耐磨、性脆；绝缘性好耐磨、性脆；绝缘性好 （不小于（不小于10KV）；耐热、不耐碱。用于电器插座，开关，电话机，仪）；耐热、不耐碱。用于电器插座，开关，电话机，仪 表盒；汽车刹车片表盒；汽车刹车片, 内燃机曲轴皮带轮内燃机曲轴皮带轮, 齿轮齿轮, 耐酸泵等；日用非食物器耐酸泵等；日用非食物器 皿。皿。 二、高分子材

5、料的分类与命名二、高分子材料的分类与命名 一、陶瓷材料的分类一、陶瓷材料的分类 1、根据原料，可分为： (1) 普通陶瓷：以粘土、长石、石英等天然原料制成，主要用于日用、建筑、 化工等领域。 (2) 特种陶瓷，又称精细陶瓷，是以高纯度的人工化合物，如硅化物、氧化 物、硼化物、氮化物、碳化物为原料制成，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：作为结构材料用来制造结构零部件。 (2) 功能陶瓷：作为功能材料来制造功能器件。 3、根据化学成分，可以分为： (1) 氧化物陶瓷：如Al2O3、Si02、MgO、ZrO2、CaO、和Cr2O3陶瓷

6、。 (2) 碳化物陶瓷：如SiC、WC、B4C和TiC。 (3) 氮化物陶瓷：Si3N4陶瓷，TiN、BN、AlN等。 (4) 硼化物陶瓷：应用不广泛，主要是作为添加剂或第二相加入其他陶瓷， 常用的有TiB2、ZrB2陶瓷 。 二、陶瓷材料的性能特点二、陶瓷材料的性能特点 1.力学性能 (1) 塑性 通常在高温下具有一定的塑性，塑性差。 (2) 强度 陶瓷抗拉强度较低；但抗压强度较高。 (3) 硬度 陶瓷的硬度在各类材料中最高，多数陶瓷的硬度在1500HV以上； 而淬火钢为500800HV；高聚物最硬也不超过20HV。 2.化学性能 陶瓷抗氧化力强；有较强的抗蚀能力，与有色金属的银、铜等熔体也

7、不发生 作用。 3.功能特性 （1 1）光学性能）光学性能 应用广泛，如固体激光器材料、光导纤维材料、光存储材料 等。如：氧化铝透明陶瓷。 （2 2） 磁学性能磁学性能 以氧化铁为主要成分(如Fe3O4、CuFe2O4、MgFe2O4)的磁 性氧化物，可作磁性陶瓷材料，在录音磁带、唱片、电子束偏转线圈、变压 器铁心等方面有着广泛的应用。 (3) 电学性能 他具有极高的电阻率，如A1203的电阻率为 1013.m，可作绝缘材料。少数陶瓷具有半导体性能，如 高温烧结的氧化锡，可用作整流器。铁电陶瓷(钛酸钡 BaTi03)具有极高的介电常数，可用来制作体积小而容量大 的电容器。 (4) 热学性能 陶

8、瓷材料熔点高；导热能力远低于金属材料。陶 瓷的线膨胀系数比高聚物低，比金属更低，一般在10-5 10-6K。 三、常用陶瓷的种类、性能和应用三、常用陶瓷的种类、性能和应用 1.普通陶瓷 成分：高岭土(A1203.2SiO2.2H2O)、长石钾长石 (K2O.A12O3.6H2O)和钠长石(Na20.A12O3.6H2O)、硅砂(Si02) 。 性能：质地坚硬，有良好的抗氧化性、耐蚀性和绝缘性，生 产工艺简单、成本低；但强度低，通常使用温度为1200左 右。 应用：普通陶瓷广泛应用于日用、电气、化工、建筑等部门， 如装饰瓷、餐具、绝缘子、耐蚀容器、管道等。 2.特种陶瓷 (1) 氧化铝陶瓷氧化铝

9、陶瓷 性能：性能： 熔点(2050)高、热强度高、抗氧化，故耐热性好，室温下硬度 仅次于金刚石，抗拉强度比普通陶瓷大56倍，而且热硬性也很高，可达 1200。此外，还具有很高的电阻率和低的热导率。 应用：应用：氧化铝陶瓷广泛用于制造高速切削刀具高速切削刀具、量块、拉丝模、高温器皿、 坩埚坩埚、热电偶套管、内燃机火花塞内燃机火花塞等。 (2) 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 性能：性能：优异的绝缘性，硬度高，摩擦系数小，有自润滑作用，故有优良的 耐磨性；另外，其化学稳定性高，可耐各种无机酸和碱溶液的腐蚀，并能抵 抗熔融的铝、铅、镍等非铁金属的浸蚀。 应用：应用：主要用于制作各种泵的耐蚀与耐磨的密封环泵的耐

10、蚀与耐磨的密封环、高温轴承高温轴承、热电偶 套管、燃汽轮机转子叶片和难切削加工的刀具。 (3) 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 性能：性能：较高的高温强度，其抗弯强度在1400时仍保持在300600MPa； 很高的热传导能力，热稳定性好，耐磨性、耐蚀性和抗蠕变性能也很好。 应用：应用：可用于工作温度高于1500的零件，如火箭喷嘴、热电偶套筒、高 温电炉的零件、各种泵的密封圈等。 由两种或两种以上化学成分不同或组织结构不同的物质，经人工合成而得到 的多相材料(基体加增强相)称为复合材料。 一、复合材料的分类一、复合材料的分类 1.按基体类型分类 可分为非金属基体和金属基体两类。 2.按增强材料性质和形态分

11、类 纤维增强复合材料、颗粒复合材料、层叠复合材料。 3.按材料的用途分类 可分为结构复合材料和功能复合材料。 结构复合材料:利用其力学性能，如强度、硬度韧性等，用以制作各种结构件 或机械零件。 功能复合材料是利用其物理性能，如光、电、声、热、磁等制作各种结构件。 如雷达用玻璃钢天线罩，就是利用具有良好透过电磁波的磁性复合材料制作 的。 二、复合材料的性能二、复合材料的性能 比强度和比模量高；疲劳极限较高；减振性能好；高温性能好； 工作安全性高 各类材料的性能比较各类材料的性能比较 常用金属材料与复合材料的性能比较常用金属材料与复合材料的性能比较 三、复合材料的制造方法三、复合材料的制造方法 制

12、造方法分纤维制取和复合成型两大步骤： 纤维的制取：用熔体抽丝法、热分解法、气相沉淀法、拨丝法，可分别制出玻璃 纤维、碳纤维、硼纤维、金属纤维等； 纤维与树脂复合成型：可用手糊成型、压制成型、缠绕成型或喷射成型。 四、常用复合材料及其应用四、常用复合材料及其应用 1.1.纤维增强复合材料纤维增强复合材料 (1) 玻璃纤维增强复合材料 以玻璃纤维为增强剂，以树脂为粘结剂(基体) 而制成的，俗称玻璃钢。 如：以环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、有机硅树脂等热固性树脂为粘结剂制成 的热固性玻璃钢，具有密度小、强度高、介电性和耐蚀性及成形工艺性好的优点， 可用来制造车身、船体、直升飞机旋翼等。 几种树脂浇注

13、制品的力学性能几种树脂浇注制品的力学性能 (2)(2)碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料 种类：碳纤-树脂复合、碳纤-金属-树脂复合、碳纤-陶瓷树脂复合。 性能：与玻璃钢相比，其强度和弹性模量高，密度小。有较高的冲击韧 性和疲劳极限，优良的减磨性、导热性、耐蚀性和耐热性。 应用：广泛用于制造要求比强度、比模量高的飞行器结构，如导弹、火 箭喷嘴、喷气发动机叶片等，还可制造重型机械的轴瓦、齿轮、化工 设备的耐蚀零件。 2 2、层叠增强复合材料、层叠增强复合材料 结构特点：层叠增强复合材料是由两层或两层以上的不同性质的材料结 合而成，达到增强的目的。 性能及应用：这类材料的特点是密度小、刚性和抗压

14、稳定性高、抗弯强 度好，常用于航空、船舶、化工等工业，如船舶的隔板及冷却塔等。 3 3、颗粒复合材料、颗粒复合材料 组成：由一种或多种颗粒均匀分布在基体材料内而制成。 常见的颗粒复合材料有两类： (1)金属颗粒与塑料复合金属颗粒与塑料复合 如：如：将铅粉加入氟塑料中，可作轴承材料。 (2)陶瓷颗粒与金属复合陶瓷颗粒与金属复合 陶瓷颗粒与金属复合即是金属陶瓷。如：氧金属陶瓷。如：氧化 物(如Al2O3)金属陶瓷，可用作高速切削刀具的材料及高温耐磨材料。 一、纳米材料一、纳米材料 纳米材料（nanometer material）是指组成相或晶粒结构控制在100纳米 （nm）以下的材料。 4种纳米材

15、料的结构示意图种纳米材料的结构示意图 a）原子簇或由其形成的纳米粒子长径比等于）原子簇或由其形成的纳米粒子长径比等于 l，因此其中包括纤维，因此其中包括纤维; b）在一个方向上改）在一个方向上改 变成分或厚度的多层膜变成分或厚度的多层膜;c）颗粒膜）颗粒膜;d）纳米相）纳米相 材料。材料。 1、纳米材料的特性 （1 1） 三个效应三个效应 小尺寸效应：小尺寸效应：如磁有序转为磁无序， 超导相转为正常相，声子谱发生转变 等。 表面与界面效应。表面与界面效应。如当粒径为5nm时， 比表面积为180m2/g，界面体积分数为 50%，而粒径为2nm时，则比表面积增 加到450m2/g，体积分数增加到8

16、0%。 量子尺寸效应。量子尺寸效应。随粒子尺寸减小， 能级间距增大，从而导致磁、光、声、 热、电及超导性与宏观特性显著不同。 2.2.纳米材料的应用纳米材料的应用 （1） 在陶瓷领域方面的应用 德国萨德兰德大学的研究发现，二氧化钛（TiO2）和氟化钙（CaF2）纳米陶瓷材料在 80180范围内可产生约100%的塑性变形，而且烧结温度降低。这些特性使纳米 陶瓷材料在常温或次高温下进行冷加工成为可能。 应用：但其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧度，使其在切削刀具、轴 承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻环 境下起着其他材料不可替代的作用。 （2） 在化

17、工产品中的应用。主要有催化技术和种类繁多的化工产品。 催化是纳米超微粒子应用的重要领域之一。利用纳米超微粒子大比表面积与高活性可 以显著地增进催化效率。 （3） 在环保健康方面的应用。 如：纳米技术制备的纳米级微粒或有机小分子将更有利于人体吸收，提高药物的效能。 （4）在电子工业产品中的应用 在电子功能材料中的应用。如：纳米敏感材料，可制成气、湿、光敏等多种传感器， 极大地减小传感器的体积。 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，加利福尼亚大学的 研究人员开发出一种纳米电池。100个这样的电池放在一起，也不过二个人体细胞大 小。 二、超导材料二、超导材料 超导性是在特定温度、

18、特定磁场和特定电流条件下电阻趋于零的材料特 性，凡具有超导性的物质称为超导材料或超导体。 1.超导材料的分类及特点 1）元素超导体。金属元素中有28种具超导电性，如 Ti、 V、Zr、Nb、 Re、 Sn、Cd、等。元素超导体除V，Nb，Ta以外均属于第一类超导体， 很难实用化。 2）合金超导体。在目前的合金超导材料中，Nb-Ti系合金实用线材的使用 最为广泛。20世纪70年代中期，在Nb-Zr，Nb-Ti合金的基础上又发展 了一系列具有很高临界电流的三元超导合金材料，如 Nb-40Zr-10Ti， Nb-Ti-Ta等，他们是制造磁流体发电机大型磁体的理想材料。 3）化合物超导材料。与合金超导

19、体相比，化合物超导体的临界温度和临 界磁场都较高，至1986年，Nb3Ge的Tc=23.2 K，为超导材料中最高。 化合物超导材料的加工方法目前较成熟的是Nb3Sn、V3Ga的加工技术。 2.超导材料的应用 在超导的应用上，目前处于领先地位的是制造高磁场的超导磁体。 复合法制Nb3Sn、V3Ga线材 （1）开发新能源 超导受控热核反应堆。 用于制造核聚变装置中超导磁体的超导材 料主要是Nb3Sn，Nb-Ti合金，NbN，Nb3Al， Nb3（Al、Ge）等。 超导磁流体发电。 磁流体发电是一种靠燃料产生高温等离子 气体，使这种气体通过磁场而产生电流的发 电方式。 目前，采用超导磁体的磁流体发电

20、机已经 开始工作。磁流体发电超导磁体产生的磁场 达 4.5 T，储能60MJ，发电 500 kw。磁流体磁流体 发电特别适合用于军事上大功率脉冲电源和发电特别适合用于军事上大功率脉冲电源和 舰艇电力推进。舰艇电力推进。 （2）节能方面 超导输电。 超导体的零电阻特性使超导输电引起人们极大的兴趣。2004年7月10日，我国第 一组超导电缆系统正式在云南昆明普吉变电站并网运行，成为继美国、丹麦之后世 界上第三个将超导电缆投入电网运行的国家。 超导发电机和电动机。据计算，电机采用超导材料线圈，磁感应强度可 提高510倍。 超导变压器。用超导材料制造变压器，可使磁损耗大大降低，体积缩小， 重量变轻。

21、超导磁悬浮列车。 超导贮能。由于超导体电阻为零，在其回路中通入电流，电流应永不衰 减。即可以将电能存贮于超导线圈中。目前，超导贮能的应用研究主要集 中于两个方面：一方面，计划用口径几百米的巨大线圈贮存电力，供电网 调峰用。另一方面，是作为脉冲电源，如用作激光武器电源。 此外，超导磁体在研究领域、高能物理方面（同步加速器）、电子显微 镜、核磁共振成像技术等方面也得到应用。 3.贮氢合金的应用 （1）作为贮运氢气的容器 用贮氢合金作贮氢容器具有重量轻，体积小， 无需高压及贮存液氢的极低温设备和绝热措施，节省能量，安全可靠。 （2）氢能汽车 贮氢合金作为车辆氢燃料电池的氢贮存器，氢的热效率高 于汽油

22、，而且无燃烧污染，使氢能汽车的前景十分美好。 （3）分离、回收氢 例如，生产中采用一种由LaNi5与不吸氢的金属粉及 粘结材料混合压制烧结成的多孔颗粒作为吸氢材料，分离出合成氨生产 中所需的氢气。 （4）制取高纯度氢气 利用贮氨合金对氢的选择性吸收特性，可制备 99.9999以上的高纯氢。在这方面，TiMn1.5及稀土系贮氢合金应用效 果较好。 （5）氢气静压机 这种通过平衡氢压的变化而产生高压氢气的贮氢合金， 称为氢气静压机。实际应用中的氢化物压缩器大多数用于氢化物热泵、 空调机、制冷装置、水泵等。 （6）氧化物电极 由于LaNi5基多元合金在循环寿命方面的突破，用金属 氢化物电极代替NiC

23、d电池中的负极组成的NiMH电池开始进入实用 化阶段。 三、贮氢合金三、贮氢合金 四、形状记忆合金四、形状记忆合金 含义：人们发现：原来弯曲的Ti-Ni合金丝被拉直后，当温度升高到一定 值时，他又恢复到原来弯曲的形状。我们把这种现象称为形状记忆效应， 具有形状记忆效应的金属称为形状记忆合金。 种类：可以分为镍-钛系、铜系、铁系合金及一些聚合物和陶瓷材料。目 前已实用化的只有Ti-Ni合金和铜系形状记忆合金。 应用 ： （1）工程应用 主要做各种结构件，如紧固件、连接件、密封垫等。另 外，也一直应用在一些与温度有关的传感器和自动控制件。如：把形状 记忆合金制成的弹簧与普通弹簧安装在一起，可以制成自控元件。 自控元件原理 （2 2）医学应用）医学应用 医学上将TiNi形状记 忆合金埋入人体作为移植材料，如：固 定折断骨架的销