【大学课件】非金属材料

1、 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第一节第一节 有机高分子材料根底知识有机高分子材料根底知识 一、大分子链的结构一、大分子链的结构 1.大分子链的化学组成大分子链的化学组成 组成大分子链的化学元素，主要是碳、氢、氧，另组成大分子链的化学元素，主要是碳、氢、氧，另 外还有氮、氯、氟、硼、硅、硫等元素，其中碳是外还有氮、氯、氟、硼、硅、硫等元素，其中碳是 形成大分子链的主要元素。形成大分子链的主要元素。 2.大分子链的形态大分子链的形态 (1)线型分子链线型分子链(2)枝化型分子链枝化型分子链(3) 体型体型(网型或交联型网型或交联型) 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第一节第一节 有机高

2、分子材料根底知识有机高分子材料根底知识 二、大分子链的构象及柔性二、大分子链的构象及柔性 由于单链内旋转所产生的大分子链的空间形象由于单链内旋转所产生的大分子链的空间形象 称为大分子链的构象。能拉伸、回缩的性能称为分称为大分子链的构象。能拉伸、回缩的性能称为分 子链的柔性，这是聚合物具有弹性的原因。子链的柔性，这是聚合物具有弹性的原因。 碳链大分子链的内旋转 第一节第一节 有机高分子材料根底知识有机高分子材料根底知识 三、高分子材料的聚集态三、高分子材料的聚集态 高分子材料的聚集状态有三种：高分子材料的聚集状态有三种： 晶态、局部晶态和非晶态晶态、局部晶态和非晶态 第九章第九章 非金属材料非金

3、属材料 第一节第一节 有机高分子材料根底知识有机高分子材料根底知识 四、高聚物的力学状态四、高聚物的力学状态 (1)线型非晶态高聚物的三种力学状态线型非晶态高聚物的三种力学状态 线型非晶态高聚物在不同温度下表现出三种物理状线型非晶态高聚物在不同温度下表现出三种物理状 态：玻璃态、高弹态和粘流态。态：玻璃态、高弹态和粘流态。 (2)晶态高聚物和体型高聚物的力学状态晶态高聚物和体型高聚物的力学状态 对于完全晶态的线型高聚物，那么和低分子晶体材对于完全晶态的线型高聚物，那么和低分子晶体材 料一样，没有高弹态；对于局部晶态的线型高聚物，料一样，没有高弹态；对于局部晶态的线型高聚物， 存在一种即韧又硬的

4、皮革态。存在一种即韧又硬的皮革态。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第一节第一节 有机高分子材料根底知识有机高分子材料根底知识 五、有机高分子材料的性能特点五、有机高分子材料的性能特点 1、和金属材料相比，其力学性能右如下特点：、和金属材料相比，其力学性能右如下特点： (1)比强度高比强度高(2)高弹性和低弹性模量高弹性和低弹性模量(3)粘弹性粘弹性(4)高耐高耐 磨性和低硬度磨性和低硬度 2、有机高分子材料的物理化学性能特点、有机高分子材料的物理化学性能特点 (1)绝缘性绝缘性(2)耐热性耐热性(3)耐蚀性耐蚀性(4)老化老化 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第二节工程塑料 一、塑料

5、的组成 塑料是以有机合成树脂为根底，再参加添加剂所组成的。 1、合成树脂是由低分子化合物通过缩聚或加聚反响合成的高分子化合物， 如酚醛树脂、聚乙烯等，是塑料的主要组成，也起粘接剂作用。 2、添加剂为改善塑料的性能而参加的其它组成， 主要有：(1)填料或增强材料填料在塑料中主要起增强作用。(2)固化剂可 使树脂具有体型网状结构，成为较坚硬和稳定的塑料制品。(3)增塑剂用 以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。(4)稳定剂用以防止受热、光等的作 用使塑料过早老化。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第二节第二节 工程塑料工程塑料 一、塑料的组成一、塑料的组成塑料是以有机合成树脂为根底，再塑料是以有机合

6、成树脂为根底，再 参加添加剂所组成参加添加剂所组成. 1、合成树脂是由低分子化合物通过缩聚或加聚反响合、合成树脂是由低分子化合物通过缩聚或加聚反响合 成的高分子化合物，如酚醛树脂、聚乙烯等，是塑料成的高分子化合物，如酚醛树脂、聚乙烯等，是塑料 的主要组成，也起粘接剂作用。的主要组成，也起粘接剂作用。 2、添加剂为改善塑料的性能而参加的其它组成，主要、添加剂为改善塑料的性能而参加的其它组成，主要 有：有： (1)填料或增强材料填料在塑料中主要起增强作用。填料或增强材料填料在塑料中主要起增强作用。 (2)固化剂可使树脂具有体型网状结构，成为较坚硬和固化剂可使树脂具有体型网状结构，成为较坚硬和 稳定

7、的塑料制品。稳定的塑料制品。 (3)增塑剂用以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。增塑剂用以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。 (4)稳定剂用以防止受热、光等的作用使塑料过早老化。稳定剂用以防止受热、光等的作用使塑料过早老化。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第二节第二节 工程塑料工程塑料 二、塑料的分类常二、塑料的分类常 用的塑料分类方法有下述两种：用的塑料分类方法有下述两种： 1、按树脂的性质分类：根据树脂在加热和冷却时所表、按树脂的性质分类：根据树脂在加热和冷却时所表 现的性质，可分为热塑性塑料和热固性塑料。现的性质，可分为热塑性塑料和热固性塑料。 (1)热塑性塑料：加热时软化并熔融，可塑造成

8、形，冷热塑性塑料：加热时软化并熔融，可塑造成形，冷 却后即成型并保持既得形状，而且该过程可反复进行。却后即成型并保持既得形状，而且该过程可反复进行。 这类塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺这类塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺(尼龙尼龙)、 聚甲醛、聚碳酸脂、聚苯醚、聚砜等。这类塑料加工聚甲醛、聚碳酸脂、聚苯醚、聚砜等。这类塑料加工 成形简便，具有较高的机械性能，但耐热性和刚性比成形简便，具有较高的机械性能，但耐热性和刚性比 较差。较差。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第二节第二节 工程塑料工程塑料 二、塑料的分类二、塑料的分类常 用的塑料分类方法有下述两种： 1、按树脂的性质分

9、类、按树脂的性质分类：根据树脂在加热和冷却时所表现的性质，可分为热 塑性塑料和热固性塑料。 (2)热固性塑料:初加热时软化，可塑造成形，但固化后再加热将不再软化,也 不溶于溶剂。这类塑料有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、呋喃和聚硅醚树 脂等。它们具有耐热性高，受压不易变形等优点，但机械性能不好。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第二节第二节 工程塑料工程塑料 二、塑料的分类常二、塑料的分类常 2、按使用范围分类、按使用范围分类 (1)通用塑料通用塑料:指应用范围广、生产量大的塑料品种。指应用范围广、生产量大的塑料品种。 (2)工程塑料工程塑料:指综合工程性能指综合工程性能(包括机械性能、耐热

10、耐包括机械性能、耐热耐 寒性能、耐蚀性和绝缘性能等寒性能、耐蚀性和绝缘性能等)良好的各种塑料。良好的各种塑料。 (3)耐热塑料耐热塑料:指能在较高温度指能在较高温度100200以上以上 下工作的各种塑料。下工作的各种塑料。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第二节第二节 工程塑料工程塑料 三、常用工程塑料的性能和用途三、常用工程塑料的性能和用途 1、热塑性塑料、热塑性塑料 (1)聚乙烯(PE)由乙烯单体聚合而成。 (2)聚丙烯(PP)由丙烯单体聚合而成。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 PP制成电容器外皮制成电容器外皮PE管材管材 第二节第二节 工程塑料工程塑料 三、常用工程塑料的性能和

11、用途三、常用工程塑料的性能和用途 1、热塑性塑料、热塑性塑料 (3)聚酰胺(PA)又称尼龙或锦纶,是由二元胺与二元酸缩合而成，或由氨基酸 脱水成内酰胺再聚合而得，有尼龙610、66、6等多个品种。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 尼龙拉杆尼龙拉杆尼龙轴套尼龙轴套 第二节第二节 工程塑料工程塑料 三、常用工程塑料的性能和用途三、常用工程塑料的性能和用途 1、热塑性塑料、热塑性塑料 (4)氟塑料氟塑料比其它塑料的优越性是,耐高、低温,耐腐蚀,耐老化和电绝缘 性能很好,且吸水性和摩擦系数低,尤以F-4最突出。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 氟塑料制隔膜阀氟塑料制隔膜阀氟塑料制管道补偿器氟塑

12、料制管道补偿器 第二节第二节 工程塑料工程塑料 三、常用工程塑料的性能和用途三、常用工程塑料的性能和用途 2、热固性塑料、热固性塑料 酚醛塑料酚醛塑料(PE)指由酚类和醛类在酸或碱催化剂作用下指由酚类和醛类在酸或碱催化剂作用下 缩聚合成酚醛树脂缩聚合成酚醛树脂,再参加添加剂而制得的高聚物。再参加添加剂而制得的高聚物。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 酚醛塑料制品酚醛塑料制品 第二节第二节 工程塑料工程塑料 四、塑料制品的成型四、塑料制品的成型 1、注射成型 2、挤压成型 3、压制成型 4、浇注成型 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第三节第三节 合成橡胶合成橡胶 一、橡胶的特性和应用一、

13、橡胶的特性和应用 橡胶是一种具有极高弹性的高分子材料，其弹性变形量可达1001000 ，而且回弹性好，回弹速度快。同时，橡胶还有一定的耐磨性，很好的绝 缘性和不透气、不透水性。它是常用的弹性材料、密封材料、减震防震材料 和传动材料。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 橡胶制品橡胶制品 第三节第三节 合成橡胶合成橡胶 二、橡胶制品的组成二、橡胶制品的组成 1、生胶、生胶 人工合成用以制胶的高分子聚合物称为生胶。人工合成用以制胶的高分子聚合物称为生胶。 生胶要先进行塑练，使其处于塑性状态，再参加各种生胶要先进行塑练，使其处于塑性状态，再参加各种 配料，经过混练成型、硫化处理，才能成为可以使用配料

14、，经过混练成型、硫化处理，才能成为可以使用 的橡胶制品。的橡胶制品。 2、配合剂、配合剂 主要包括：主要包括：(1)硫化剂：使塑性生胶变为弹性胶的处理硫化剂：使塑性生胶变为弹性胶的处理 即为硫化处理，能起硫化作用的物质称硫化剂。常用即为硫化处理，能起硫化作用的物质称硫化剂。常用 的硫化剂有硫磺、含硫化合物、硒、过氧化物等。的硫化剂有硫磺、含硫化合物、硒、过氧化物等。 (2)硫化促进剂：胺类、胍类、秋兰姆类、噻唑类及硫硫化促进剂：胺类、胍类、秋兰姆类、噻唑类及硫 脲类物质，可以起降低硫化温度、加速硫化过程的作脲类物质，可以起降低硫化温度、加速硫化过程的作 用，称为硫化促进剂。用，称为硫化促进剂。

15、 (3)补强填充剂：为了提高橡胶的机械性能，改善其加补强填充剂：为了提高橡胶的机械性能，改善其加 工工艺性能，降低本钱，常参加填充剂，如碳黑、陶工工艺性能，降低本钱，常参加填充剂，如碳黑、陶 土、碳酸钙、硫酸钡、氧化硅、滑石粉等土、碳酸钙、硫酸钡、氧化硅、滑石粉等 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第三节第三节 合成橡胶合成橡胶 三、常用的橡胶三、常用的橡胶 1、通用橡胶、通用橡胶 (1)丁苯橡胶丁苯橡胶 是以丁二烯和苯乙烯为单体共聚而成。是以丁二烯和苯乙烯为单体共聚而成。 具有较好的耐磨性、耐热性、耐老化性，价格廉价。具有较好的耐磨性、耐热性、耐老化性，价格廉价。 主要用于制造轮胎、胶带、

16、胶管及生活用品。主要用于制造轮胎、胶带、胶管及生活用品。 (2)顺丁橡胶顺丁橡胶 是由丁二烯聚合而成。顺丁橡胶的弹性、是由丁二烯聚合而成。顺丁橡胶的弹性、 耐磨性、耐热性、耐寒性均优于天然橡胶，是制造轮耐磨性、耐热性、耐寒性均优于天然橡胶，是制造轮 胎的优良材料。缺点是强度较低、加工性能差。主要胎的优良材料。缺点是强度较低、加工性能差。主要 用于制造轮胎、胶带、弹簧、减震器、耐热胶管、电用于制造轮胎、胶带、弹簧、减震器、耐热胶管、电 绝缘制品等。绝缘制品等。(3)氯丁橡胶氯丁橡胶 是由氯丁二烯聚合而成。是由氯丁二烯聚合而成。 2、特种橡胶、特种橡胶 (1)丁腈橡胶丁腈橡胶 以其优异的耐油性著称

17、。以其优异的耐油性著称。 (2)硅橡胶硅橡胶 硅橡胶的性能特点是耐高温和低温。硅橡胶的性能特点是耐高温和低温。 (3)氟橡胶氟橡胶 它是以碳原子为主链、含有氟原子的高聚物。它是以碳原子为主链、含有氟原子的高聚物。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第四节第四节 胶粘剂与胶接技术胶粘剂与胶接技术 一、胶粘剂的组成一、胶粘剂的组成 二、胶粘剂的分类原那么及表示方法二、胶粘剂的分类原那么及表示方法 三、胶粘剂的胶接机理：三、胶粘剂的胶接机理： 四、常用胶粘剂四、常用胶粘剂 五、胶接的特点五、胶接的特点 六、胶接技术六、胶接技术 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第五节第五节 陶瓷材料陶瓷材料 一

18、、普通陶瓷制备过程：一、普通陶瓷制备过程： 陶瓷的原料通常是由粘土、石英和长石三局部组成。陶瓷的原料通常是由粘土、石英和长石三局部组成。 在加热烧成或烧结和冷却过程中，由这三局部组成的在加热烧成或烧结和冷却过程中，由这三局部组成的 坯料相继发生四个阶段的变化：坯料相继发生四个阶段的变化： (1) 低温阶段：低温阶段：(室温室温300)剩余水分的排除。剩余水分的排除。 (2) 分解及氧化阶段：分解及氧化阶段：(300950)有机物、碳素和无有机物、碳素和无 机物等的氧化；碳酸盐、硫化物等的分解；石英晶型机物等的氧化；碳酸盐、硫化物等的分解；石英晶型 转变。转变。 (3) 高温阶段：高温阶段：(9

19、50烧成温度烧成温度)氧化、分解反响继氧化、分解反响继 续进行；相继出现共熔体等液相，各组成物逐渐溶解；续进行；相继出现共熔体等液相，各组成物逐渐溶解； 一次莫来石一次莫来石(3Al2O32SiO2)晶体生成；晶体生成； 二次莫来石晶二次莫来石晶 体长大；体长大； 石英块溶解成残留小块；石英块溶解成残留小块； 发生烧结成瓷。发生烧结成瓷。 (4) 冷却阶段：冷却阶段：(烧成温度室温烧成温度室温) 二次莫来石晶体析出二次莫来石晶体析出 或长大；或长大； 液相转变；液相转变； 残留石英晶型转变。残留石英晶型转变。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第五节第五节 陶瓷材料陶瓷材料 二、陶瓷的典型组

20、织结构：晶体相二、陶瓷的典型组织结构：晶体相(莫来石和石英莫来石和石英)、玻璃相和气相、玻璃相和气相 1、晶体相、晶体相 晶体相是陶瓷的主要组成相：主要有硅酸盐、氧化物和非氧化物 等。它们的结构、数量、形态和分布，决定陶瓷的主要性能和应用。 (1)硅酸盐硅酸盐普通陶瓷的主要原料，陶瓷组织中重要的晶体相，结合键为离子键 与共价键的混合键。 (2)氧化物氧化物 多数陶瓷特别是特种陶瓷的主要组成和晶体相，离子键结合,也有 共价键。 (3)非氧化合物非氧化合物不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物；特种陶瓷特 别是金属陶瓷的主要组成和晶体相。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第五节第五节 陶瓷

21、材料陶瓷材料 二、陶瓷的典型组织结构：晶体相二、陶瓷的典型组织结构：晶体相(莫来石和石英莫来石和石英)、玻、玻 璃相和气相璃相和气相 2、 玻璃相玻璃相 玻璃相作用：粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提玻璃相作用：粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提 高材料致密度；高材料致密度； 降低烧成温度，加快烧结；阻止晶体转变，抑制降低烧成温度，加快烧结；阻止晶体转变，抑制 其长大；获得透光性等玻璃特性；不能成为陶瓷其长大；获得透光性等玻璃特性；不能成为陶瓷 的主导相的主导相 玻璃相成分：氧化硅和其它氧化物玻璃相成分：氧化硅和其它氧化物 3、气相、气相 气相是陶瓷内部残留的孔洞；成因复杂，影气相是陶瓷内部残留的

22、孔洞；成因复杂，影 响因素多。气孔对陶瓷的性能不利多孔陶瓷除外响因素多。气孔对陶瓷的性能不利多孔陶瓷除外 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第五节第五节 陶瓷材料陶瓷材料 三、陶瓷材料的性能三、陶瓷材料的性能 1、陶瓷的机械性能、陶瓷的机械性能 (1)刚度刚度:陶瓷刚度由弹性模量衡量各类材料中最高，陶瓷刚度由弹性模量衡量各类材料中最高， 因为陶瓷具有很强的化学键。因为陶瓷具有很强的化学键。 (2)硬度：陶瓷硬度是各类材料中最高的，因其结合键硬度：陶瓷硬度是各类材料中最高的，因其结合键 强度高。陶瓷硬度为强度高。陶瓷硬度为1000HV5000HV,淬火钢为淬火钢为 500HV800HV,高聚物

23、最硬不超过高聚物最硬不超过20HV。 (3)强度：晶界使陶瓷实际强度比理论值低得多强度：晶界使陶瓷实际强度比理论值低得多 1/10001/100 。(4)塑性：陶瓷在室温下几乎没有塑性。陶瓷晶体滑塑性：陶瓷在室温下几乎没有塑性。陶瓷晶体滑 移系很少，位错运动所需切应力很大；移系很少，位错运动所需切应力很大； (5)韧性：非常典型的脆性材料：冲击韧性韧性：非常典型的脆性材料：冲击韧性10kJ/m2以以 下下,断裂韧性值很低。断裂韧性值很低。 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第五节第五节 陶瓷材陶瓷材 三、陶瓷材料的性能 2、陶瓷的物理和化学性能、陶瓷的物理和化学性能 (1)热膨胀性能 (2)

24、导热性 (3)热稳定性 (4)化学稳定性 (5)导电性 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第五节第五节 陶瓷材陶瓷材 四、常用的工程结构陶瓷四、常用的工程结构陶瓷 1、普通日用陶瓷、普通日用陶瓷 特点特点：作日用器皿和瓷器，良好光泽度、透明度，热稳定性和机械强度较高。 分类分类：长石质瓷、绢云母质瓷、骨质瓷和滑石质瓷。 2、普通工业陶瓷、普通工业陶瓷 工业陶瓷按用途分为:(1)建筑卫生瓷(2)化学化工瓷(3)电工瓷 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第五节第五节 陶瓷材料陶瓷材料 四、常用的工程结构陶瓷四、常用的工程结构陶瓷 3、特种陶瓷、特种陶瓷 特点：熔点大多特点：熔点大多2000以上

25、以上,烧成温度约烧成温度约1800； 单相多晶体结构，有时有少量气相；强度随温度的升单相多晶体结构，有时有少量气相；强度随温度的升 高而降低，在高而降低，在1000以下时一直保持较高强度，随温以下时一直保持较高强度，随温 度变化不大；纯氧化物陶瓷任何高温下都不会氧化。度变化不大；纯氧化物陶瓷任何高温下都不会氧化。 1.氧化铝刚玉陶瓷氧化铝刚玉陶瓷 结构特点：结构特点：O2-排成密排六方结构，排成密排六方结构，Al3+占据间隙位占据间隙位 置。置。 性能特点及应用：熔点达性能特点及应用：熔点达2050，抗氧化性好，广泛，抗氧化性好，广泛 用于耐火材料；热电偶套管等；可作要求高的工具如用于耐火材料

26、；热电偶套管等；可作要求高的工具如 切削淬火钢刀具、金属拔丝模等。是很好的高温耐火切削淬火钢刀具、金属拔丝模等。是很好的高温耐火 结构材料，如可作内燃机火花塞。单晶体氧化铝可做结构材料，如可作内燃机火花塞。单晶体氧化铝可做 蓝宝石激光器。蓝宝石激光器。 2.氧化铍陶瓷氧化铍陶瓷 3.氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷 4.氧化镁钙陶瓷氧化镁钙陶瓷 5.氧氧 化钍化钍/铀陶瓷铀陶瓷 第九章第九章 非金属材料非金属材料 第六节复合材料第六节复合材料 一、概述一、概述 将两种或两种以上不同性质的材料，经人工复合而成的新材料称为复合材将两种或两种以上不同性质的材料，经人工复合而成的新材料称为复合材 料。料。 二、复合原那么二、复合原那么 1、纤维增强复合材料中，纤维是受载的主体，基体受力较小，因此纤维应、纤维增强复合材料中，纤维是受载的主体，基体受力较小，因此纤维应 比基体高的强度和模量。比基体高的强度和模量。 2、纤维与基体间要有良好的结合力，以使载荷可通过基体传递给纤维。、纤维与基体间要有良好的结合力，以使载荷可通过基体传递给纤维。 3、纤维的含量、尺寸、和形态分布。、纤维的含量、尺寸、和形态分布。 4、对基体的要求：有良好的塑性和韧度，可以抑制裂纹的开展。对纤维有、对基体的要求：有良好的塑性和韧度，可以抑制裂纹的开展。对纤维有 浸润作用，以提高结合力，并起保护纤维外