非金属材料(工程材料课件)

1、LOGO非金属材料与新型材料非金属材料与新型材料Company LContents高分子材料高分子材料1陶瓷材料陶瓷材料2复合材料复合材料3新型材料新型材料4Company L9.1 高分子材料高分子材料一、高聚物的组成一、高聚物的组成按照学习金属材料结构的方法来了解高聚物的结构特征按照学习金属材料结构的方法来了解高聚物的结构特征金属：组元金属：组元单体：构成高聚物的低分子材料单体：构成高聚物的低分子材料构成晶体结构的基本单元：晶胞构成晶体结构的基本单元：晶胞构成高聚物链状结构的基本单元：链节构成高聚物链状结构的基本单元：链节聚合度：聚合度：N个链节的重复构成大分子链结构个链节的重复构成大分子

2、链结构Company L二、高聚物的人工合成二、高聚物的人工合成v1、加聚反应、加聚反应 聚合过程不产生副产品，所形成的聚合物的链节聚合过程不产生副产品，所形成的聚合物的链节结构与单体相同。商业名称：聚结构与单体相同。商业名称：聚-，v2、缩聚反应、缩聚反应 聚合过程产生水等副产品，聚合物的链节结构与聚合过程产生水等副产品，聚合物的链节结构与单体不相。单体不相。Company L三、高聚物的构型与结构三、高聚物的构型与结构v1、结构形态、结构形态 一条大分子链的结构：即几何形状：线型、支链一条大分子链的结构：即几何形状：线型、支链型和体型。以线型（伸直链）弹性最好。以体型最型和体型。以线型（伸

3、直链）弹性最好。以体型最稳定。稳定。大分子链的构象与柔顺性：大分链的主链都是通过大分子链的构象与柔顺性：大分链的主链都是通过共价键连接起来，它有一定的键长和键角。在保持共价键连接起来，它有一定的键长和键角。在保持键长和键角不变的情况下，它们可以任意旋转（单键长和键角不变的情况下，它们可以任意旋转（单键的内旋）键的内旋）Company L 内旋的结果：使得原子位置不断发生变化。大内旋的结果：使得原子位置不断发生变化。大分子链每个单键都可产生内旋，这就引起分子链的分子链每个单键都可产生内旋，这就引起分子链的形象时刻在发生变化，称之为大分子链的构象形象时刻在发生变化，称之为大分子链的构象。 单键内旋

4、使得的大分子时而伸长，时而卷曲，单键内旋使得的大分子时而伸长，时而卷曲，这种构象的变化获得的不同卷曲程度的特性，称为这种构象的变化获得的不同卷曲程度的特性，称为高聚物的柔顺性。这是造成它与低分子材料及其他高聚物的柔顺性。这是造成它与低分子材料及其他固体材料许多不同性能的根本原因。固体材料许多不同性能的根本原因。 线型，链段长度小的，柔顺性好。线型，链段长度小的，柔顺性好。Company L 2、聚集态、聚集态v高聚物聚集态：多条大分子链通过分子键结合即高聚物聚集态：多条大分子链通过分子键结合即范德华力结合而聚集形成的实际高聚物。范德华力结合而聚集形成的实际高聚物。 结晶型与无定型结晶型与无定型

5、四、高聚物聚的力学状态四、高聚物聚的力学状态 高聚物在不同温度下的形变状态曲线高聚物在不同温度下的形变状态曲线两个重要温度：玻璃化温度两个重要温度：玻璃化温度Tg：玻璃态和高弹态的转：玻璃态和高弹态的转变温度。变温度。Tg大于室温称为塑料，大于室温称为塑料，Tg小于室温为橡胶。小于室温为橡胶。粘流化温度粘流化温度Tf：高弹态和粘流态的转变温度。：高弹态和粘流态的转变温度。Tf小于小于室温称为树脂。室温称为树脂。Company L 作为工程结构材料使用作为工程结构材料使用主要主要优点？优点？主要主要缺点？缺点？Company L（1）重量轻重量轻（2）减磨、耐磨性好，摩擦系数低，）减磨、耐磨性好

6、，摩擦系数低，自润滑性能好，消音、吸震能力强，自润滑性能好，消音、吸震能力强，（3）绝缘性能好）绝缘性能好高分子材料作为高分子材料作为工程结构材料使工程结构材料使用的优点用的优点（4）耐蚀性能好）耐蚀性能好 （5）光学性能，有机玻璃等透光性能好）光学性能，有机玻璃等透光性能好 Company L（1）高弹性、弹性模量低，刚性差。）高弹性、弹性模量低，刚性差。 （2）粘弹性或滞弹性）粘弹性或滞弹性（3）强度低，力学性能呈多样性）强度低，力学性能呈多样性高分子材料作为高分子材料作为工程结构材料使工程结构材料使用的缺点用的缺点（4）耐热性差）耐热性差 （5）易老化）易老化 Company L 六、常

7、用工程塑料六、常用工程塑料 结构特点是具有苯环，刚性好，不易结晶，常加入橡胶结构特点是具有苯环，刚性好，不易结晶，常加入橡胶类原料；表面硬度高，不易划伤且是无定型共聚物，孔隙类原料；表面硬度高，不易划伤且是无定型共聚物，孔隙大，透明度高大，透明度高8290（有机玻璃易划伤），可用作车灯（有机玻璃易划伤），可用作车灯罩、仪表壳体等；无极性集团，绝缘性好，是绝缘良好的罩、仪表壳体等；无极性集团，绝缘性好，是绝缘良好的高压绝缘材料；吸水性小，不易变形。但是耐热性差，易高压绝缘材料；吸水性小，不易变形。但是耐热性差，易裂、易燃、不耐油。主要缺点：脆性大，经改性使用。裂、易燃、不耐油。主要缺点：脆性大，

8、经改性使用。1聚苯乙烯聚苯乙烯PS二元该性：二元该性：PSA（丙烯晴）（丙烯晴）AS塑料塑料Company L AS：表面硬度高，不易划伤，着色性能好，韧性提高，：表面硬度高，不易划伤，着色性能好，韧性提高，绝缘性能好，主要用作家用电器壳体，如电视机壳等。其绝缘性能好，主要用作家用电器壳体，如电视机壳等。其价格为价格为ABS的的1/4-1/5。三元该性：三元该性：PS+A（丙烯晴）（丙烯晴）+B（丁二烯，橡胶元素，韧性进一步提高）（丁二烯，橡胶元素，韧性进一步提高）ABS ABS：综合机械性能好，加工性能好（可电镀、着色、喷涂：综合机械性能好，加工性能好（可电镀、着色、喷涂等），等），4090

9、使用。缺点：不耐高温，耐候性差，易燃。使用。缺点：不耐高温，耐候性差，易燃。主要用途：家用电器，电冰箱、洗衣机等，工程用量占主要用途：家用电器，电冰箱、洗衣机等，工程用量占5左左右，如齿轮、轴承、方向盘等。右，如齿轮、轴承、方向盘等。Company L手提箱提手手提箱提手座椅座椅Company LCompany LCompany L中低档电子产品中低档电子产品Company LCompany L常用工程塑料常用工程塑料 力学性能好，有较高的机械强度，冲击韧性高，同时尼力学性能好，有较高的机械强度，冲击韧性高，同时尼龙耐磨性较好，尤其是自润滑性好，耐腐蚀性好。缺点是热龙耐磨性较好，尤其是自润滑性

10、好，耐腐蚀性好。缺点是热稳定性差，稳定性差，7080为工作温度。导热系数低，用作齿轮等为工作温度。导热系数低，用作齿轮等零件时要求散热条件好。吸水性大，尺寸变化大。目前一般零件时要求散热条件好。吸水性大，尺寸变化大。目前一般使用经改性或碳纤维增强的尼龙，广泛代替有色金属如铜等使用经改性或碳纤维增强的尼龙，广泛代替有色金属如铜等使用。可采取单体浇铸。使用。可采取单体浇铸。 2聚酰胺类聚酰胺类PA，尼龙，尼龙 Company LCompany L “透明塑料透明塑料”，透明度，透明度8692，抗冲击性能好，抗冲击性能好，韧性好，其冲击韧性和延伸率在热塑性塑料中为最韧性好，其冲击韧性和延伸率在热塑性

11、塑料中为最好。具有较高的耐热、耐寒性，好。具有较高的耐热、耐寒性，100130使使用。电性能好，耐化学腐蚀，耐磨。可广泛代替木用。电性能好，耐化学腐蚀，耐磨。可广泛代替木材、玻璃使用。材、玻璃使用。3聚碳酸脂聚碳酸脂PCCompany LCompany L POM是是1960年左右出现的新型工程塑料，是继尼龙之后年左右出现的新型工程塑料，是继尼龙之后的一个新品种。在工程塑料中机械性能最高，较接近金属的的一个新品种。在工程塑料中机械性能最高，较接近金属的品种之一。特点是耐疲劳是热塑性塑料中最高的，耐磨性，品种之一。特点是耐疲劳是热塑性塑料中最高的，耐磨性，自润滑性较好，弹性模量高，硬度高，吸水性

12、小，尺寸稳定自润滑性较好，弹性模量高，硬度高，吸水性小，尺寸稳定化学稳定性好，电绝缘性好。总体评价，综合机械性能好，化学稳定性好，电绝缘性好。总体评价，综合机械性能好，加工成型性好。可代替有色金属制造齿轮、凸轮、轴承等。加工成型性好。可代替有色金属制造齿轮、凸轮、轴承等。4聚甲醛聚甲醛POMCompany LCompany L9.2 陶瓷材料陶瓷材料 传统陶瓷：陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料等。传统陶瓷：陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料等。 新型陶瓷：采用化学方法制备高纯度或纯度可控制的材新型陶瓷：采用化学方法制备高纯度或纯度可控制的材料料做原料，获得传统陶瓷无法比拟的性能。做原料，获得传统陶瓷无法

13、比拟的性能。 陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物。共价键或离子陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物。共价键或离子键键结合，稳定性高，熔点高，硬度高，抗化学物质能力强。陶瓷结合，稳定性高，熔点高，硬度高，抗化学物质能力强。陶瓷通常是绝缘体。陶瓷是脆性材料。陶瓷是烧结体，一般不能完通常是绝缘体。陶瓷是脆性材料。陶瓷是烧结体，一般不能完全致密，这对性能影响很大，获得完全致密的陶瓷体是烧结工全致密，这对性能影响很大，获得完全致密的陶瓷体是烧结工艺研究的主要问题。艺研究的主要问题。 Company L 工程陶瓷：在工程结构上使用，主要使用在高温条件下，工程陶瓷：在工程结构上使用，主要使用在高温条件下，也称

14、为高温结构陶瓷。在空间技术和军事技术中，往往是唯一也称为高温结构陶瓷。在空间技术和军事技术中，往往是唯一可用材料。可用材料。最有前途是氮化硅、碳化硅和增韧氧化物。最有前途是氮化硅、碳化硅和增韧氧化物。 功能陶瓷：利用陶瓷特有的物理性能，如导体、半导体、功能陶瓷：利用陶瓷特有的物理性能，如导体、半导体、介电体及绝缘体；各种传感器陶瓷等。介电体及绝缘体；各种传感器陶瓷等。Company L氮化硅保护管氮化硅保护管氮化硅料桶氮化硅料桶氮化硅砖氮化硅砖Company L各种氮化硅喷嘴各种氮化硅喷嘴氮化硅刀具氮化硅刀具Company L氮化硅陶瓷球氮化硅陶瓷球氮化硅全陶瓷轴承氮化硅全陶瓷轴承Compan

15、y L碳化硅电热元件碳化硅电热元件碳化硅坩埚碳化硅坩埚碳化硅马蹄管碳化硅马蹄管碳化硅辐射管碳化硅辐射管Company L碳化硅抛物面镜碳化硅抛物面镜各种碳化硅制品各种碳化硅制品碳化硅棚板碳化硅棚板Company L氧化锆全陶瓷轴承氧化锆全陶瓷轴承氧化锆陶瓷坩埚氧化锆陶瓷坩埚氧化锆小轴氧化锆小轴氧化锆珠氧化锆珠纳米氧化锆陶瓷轴承纳米氧化锆陶瓷轴承Company L 新型功能陶瓷材料：导电陶瓷，压电陶瓷，快离子陶新型功能陶瓷材料：导电陶瓷，压电陶瓷，快离子陶瓷，磁性陶瓷材料，光学陶瓷材料，陶瓷系传感器材料等。瓷，磁性陶瓷材料，光学陶瓷材料，陶瓷系传感器材料等。氧化铝温控陶瓷和压电陶瓷氧化铝温控陶瓷

16、和压电陶瓷蜂窝陶瓷蜂窝陶瓷氧化铝陶瓷管氧化铝陶瓷管Company L多孔磷酸钙陶瓷多孔磷酸钙陶瓷各种工程陶瓷零件各种工程陶瓷零件Company L 9.4 复合材料复合材料 复合材料是指由几种材料组合而成的一种材料，它兼有复合材料是指由几种材料组合而成的一种材料，它兼有各种组成材料的特点或优点。各种组成材料的特点或优点。 新型复合材料：新型复合材料： 纤维增强的金属基复合材料：纤维增强的树脂材料已经纤维增强的金属基复合材料：纤维增强的树脂材料已经得到广泛的应用，但是树脂基材料也存在一些重大的不足，得到广泛的应用，但是树脂基材料也存在一些重大的不足，如不能在高温下工作，耐磨性不好，易老化，尺寸不

17、稳定等。如不能在高温下工作，耐磨性不好，易老化，尺寸不稳定等。最近对金属基复合材料的研究取得重大进展的主要有：硼最近对金属基复合材料的研究取得重大进展的主要有：硼铝，碳铝，碳铝，定向凝固高温合金等。非金属基复合材料：一铝，定向凝固高温合金等。非金属基复合材料：一般制指以聚合物为基的复合材料。般制指以聚合物为基的复合材料。Company L碳纤维复合材料碳纤维复合材料碳纤维复合材料缠绕的球罐碳纤维复合材料缠绕的球罐球头钛合金和球杆碳纤维复合材料球头钛合金和球杆碳纤维复合材料Company L纺织复合纤维布纺织复合纤维布碳纤维复合材料型材碳纤维复合材料型材Company L头盔普遍采用碳纤维复合材

18、料头盔普遍采用碳纤维复合材料Company L发动机罩，车门，前翼子板，后盖板，前后围和扰流板等许多的车身部件有高强度的碳纤维复合材料CRP组成。 Company L 法国新型第四代法国新型第四代“阵风阵风”（Rafale）双发多任务战斗机，采用前置鸭翼、后掠三角）双发多任务战斗机，采用前置鸭翼、后掠三角翼和单垂尾气动布局，大量采用复合材料。翼和单垂尾气动布局，大量采用复合材料。 能够执行广泛范围短程和远程作战任务，包括对地、海上攻击、空中防御、空中优能够执行广泛范围短程和远程作战任务，包括对地、海上攻击、空中防御、空中优势、侦察、高精度打击，还具有核打击能力。新型势、侦察、高精度打击，还具有

19、核打击能力。新型“阵风阵风”战斗机完全由法国自行设计战斗机完全由法国自行设计和制造，大量采用独有的先进技术来保证具有优异的综合性能。在众多的相同技术水准和制造，大量采用独有的先进技术来保证具有优异的综合性能。在众多的相同技术水准新型战机中，目前只有法国新型战机中，目前只有法国“阵风阵风”拥有海军型，部署在航空母舰上。拥有海军型，部署在航空母舰上。Company L “阵风”战斗机机身结构大量采用复合材料。常规半硬壳式结构机身的50采用碳纤维复合材料。后机身为碳纤维复合材料，机头整流罩和喷管整流罩为聚芳酰胺纤维复合材料。起落架及发动机舱门为碳纤维复合材料。 Company L9.4 新型材料新型

20、材料9.4.1 形状记忆合金形状记忆合金Company LCompany LCompany LCompany LShape Memory Alloy Thermal Diode 智能弹簧智能弹簧Company LSMART MATERIALS - SHAPE MEMORY ALLOY (SMA)MUSCLE WIREThe diagramshows a battery and switch connected to muscle wire. A small weight stretches the muscle wire approximately 3 to 5 percent of its

21、length. However, when a current is applied to the wire, it shortens lifting the weight. This cycle of turning on and off the current has the effect of lifting and then lowering the weight.Company LA clever use of muscle wire and a PIC micro-controller circuit is seen below. A robotic hand has stretc

22、hed muscle wires attached to the base of each finger. When current is applied to the muscle wire it contracts to its natural length, pulling on the ordinary wire ,making the fingers look as if they are moving. A PIC micro-controller can be programmed so that outputs are switched ON or OFF. When swit

23、ched ON the muscle wire contracts (shrinks) to its original length. In the example, five of the outputs have been programmed to switch on and off, making the fingers of the hand move.Company LAbove shows a model railway signal. When current is passed through the stretched muscle wire it returns to i

24、ts original length, lifting the signal Company L日本东北大学医学工程学研究机构的比嘉日本东北大学医学工程学研究机构的比嘉昌长期以来从事利用形状记忆合金（昌长期以来从事利用形状记忆合金（）替代括约肌功能开发人工肛门的研究，）替代括约肌功能开发人工肛门的研究，这种人工肛门括约肌可对体温以及这种人工肛门括约肌可对体温以及高温产生形状变化并进行记忆，通过电气高温产生形状变化并进行记忆，通过电气供给可使开放，这样一来就可以进供给可使开放，这样一来就可以进行排便了（如图）。行排便了（如图）。比嘉昌等的研究对两端的界限压力比嘉昌等的研究对两端的界限压力值进行了

25、设定，发现当闭锁压达到值进行了设定，发现当闭锁压达到 时，可以控制排便，时，可以控制排便，而且不影响肛门排气。而且不影响肛门排气。如果超过上述压力值，则有可能引起肠管如果超过上述压力值，则有可能引起肠管缺血或坏死。今后，他们将在上述结果的缺血或坏死。今后，他们将在上述结果的基础上完善人工肛门括约肌，并寻基础上完善人工肛门括约肌，并寻找最为适宜的闭锁压，以更好地控制排便找最为适宜的闭锁压，以更好地控制排便。 医学用途医学用途Company L医用导管技术医用导管技术Company LCompany L铌钛记忆合金管Company L9.4.2超导材料超导材料 1908年年H.K.Onnes （荷

26、兰科学家翁纳斯）成功的制取了（荷兰科学家翁纳斯）成功的制取了液体氮，获得了液体氮，获得了4.2K的低温。的低温。1911年他发现水银的电阻在年他发现水银的电阻在4.2K （269度）附近突然降到零，与正常金属电阻随温度的度）附近突然降到零，与正常金属电阻随温度的变化规律截然不同，这种零电阻现象称为超导电现象。变化规律截然不同，这种零电阻现象称为超导电现象。 Onnes的水银电阻降为零实验曲线零电阻效应是超导态的两个基本性质之一。零电阻效应是超导态的两个基本性质之一。 Company L 超导态的另一个基本性质是抗磁超导态的另一个基本性质是抗磁性，又称迈斯纳性，又称迈斯纳(Meissner) 效应。效应。即在磁场中一个超导体只要处于超即在磁场中一个超导体只要处于超导态，则它内部产生的磁化强度与导态，则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消，从而内部的磁感外磁场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零。也就是说，磁力线完应强度为零。也就是说，磁力线完全被排斥在超导体外面。全被排斥在超导体外面。超导体内部磁感应强度为零Company L 利用超导体的抗磁性可以实现磁悬浮。把一块磁铁放在超导盘上，由利用超导体的抗磁性可以实现磁悬浮。把一块磁铁放在超导盘上，由于超导盘把磁感应线排斥出去，于超导盘把磁感应线排斥出去， 超导盘跟磁铁