第九章非金属材料

第九章非金属材料

教学要求

主要内容

本章重点

本章小结

习题机械制造基础第九章教学要求

通过学习，学生应了解非金属材料的基本知识，熟悉常用工程塑料、橡胶、工业陶瓷及复合材料的分类、性能特点及应用。

机械制造基础第九章主要内容

第一节高分子材料

第二节其它非金属材料机械制造基础第九章本章重点

塑料的组成、分类、加工、性能及主要用途。橡胶的组成、性能及用途。机械制造基础第九章第一节高分子材料

一、高分子材料概述

高分子物质分天然和人工合成两大类。

天然高分子物质有羊毛、蚕丝、淀粉、蛋白质、天然橡胶等。工程上使用的高分子物质主要是人工合成的各种有机高分子材料。

高分子材料是以高分子化合物为主要组成物的材料。而高分子化合物是指分子量很大(>5000)的化合物。高分子化合物一般是由一种或几种简单的低分子化合物重复连接而成。

低分子化合物聚合起来形成高分子化合物的过程叫聚合反应。因此，高分子化合物也叫高聚物或聚合物。机械制造基础第九章

由单体聚合为高聚物的方法有加成聚合反应和缩合聚合反应两种。

(1)加成聚合反应——简称加聚反应。它是一种或多种单体经反复多次地相互加成而生成聚合物的反应。

由一种单体经加聚而成的高聚物叫均聚物，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等；

而由两种或多种单体同时加聚生成的高聚物叫共聚物，如丁苯橡胶、ABS塑料等。在加聚反应中没有其它低分子副产物生成，因此加聚反应所得的高聚物具有和单体相同的成分。

(2)缩合聚合反应——简称缩聚反应。

它是具有两个或两个以上活泼官能团(如-OH、=CO、-NH2等)的单体，互相缩合聚合成高聚物，同时有低分子副产物(如H20、NH3等)析出的反应。机械制造基础第九章

由同一种单体进行的缩聚反应叫均缩聚，其产物叫均缩聚物。如由氨基己酸进行均缩聚生成聚酰胺6(尼龙6)。

由两种或多种单体进行的缩聚反应叫共缩聚，其产物叫共缩聚物。如由己二胺和己二酸进行共缩聚生成尼龙66，并有水析出。

由于在缩聚反应中有其它低分子副产物析出，故缩聚反应所得的高聚物具有和单体不同的成分。

二、塑料

（一）塑料的组成

塑料是以有机合成树脂为主要成分，加入适量的添加剂制成的高分子材料。

合成树脂是由低分子化合物经聚合反应而获得的高分子化合物。它受热可软化，在塑料中起粘结作用，其种类、性能及加入量对塑料的性能起着决定性的作用。机械制造基础第九章

大多数塑料是以所用树脂的名称来命名的。如聚氯乙烯塑料就是以聚氯乙烯树脂为主要成分的。

有些树脂可以直接用作塑料，如聚乙烯、聚苯乙烯等。

有些合成树脂不能单独用作塑料，必须在其中加入一些添加剂，如酚醛树脂、聚氯乙烯等。

加入添加剂的目的是改善或弥补塑料某些性能的不足，添加剂有填充剂、增塑剂、固化剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、阻燃剂等。

稳定剂主要提高塑料在受热和光作用时的稳定性，防止老化；

填充剂（如铝粉）主要提高塑料对光的反射能力等。

（二）塑料的分类按其使用范围分：通用塑料、工程塑料和耐热塑料三类；按合成树脂的热性能分：热塑性塑料和热固性塑料两类。机械制造基础第九章

1、热塑性塑料

热塑性塑料主要由聚合树脂制成，仅加入少量的稳定剂和润滑剂等。这类塑料受热软化可塑造成型，冷却后变硬，再受热又可软化，冷却再变硬，可多次重复。

优点：加工成型简便，力学性能较高。

缺点：耐热性和刚性较差。

常用的热塑性塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙、ABS、聚砜、聚苯乙烯等。

2、热固性塑料

热固性塑料大多是以缩聚树脂为基础，加入多种添加剂制成。这类塑料在一定条件（如加热、加压）下会发生化学反应，经过一定时间即固化为坚硬制品。

固化后既不溶于任何溶剂，也不会再熔融（温度过高时则发生分解）和再成型了。机械制造基础第九章

优点：耐热性高，受压不易变形等。

缺点：力学性能不高，但可加入填充剂来提高强度。常用的热固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料和环氧树脂、有机硅树脂等。

（三）塑料制品的成型与加工

1、塑料制品的成型

1）注射成型——又称注塑成型。

热塑性塑料主要的成型方法之一。

方法——将粒状或粉状的塑料在注射成型机的料筒内加热成为粘流态，然后以较高的压力和速度注入密闭的模具型腔内，经一定时间冷却，开启模具即可取出塑料制品。

特点：自动化程度高，生产速度快，制品尺寸准确，可制造形状复杂、壁厚或带金属嵌件的塑料制品。如各类外壳、电器零件、机械零件等。机械制造基础第九章

2）压制成型。

热固性塑料主要的成型方法之一，又分模压法和层压法。

模压法——将塑料粉末（或颗粒）放在金属模型中加热和加压，使塑料在一定温度、压力和时间内发生化学反应而固化成型，脱模后获得塑料制品的方法。也可以用浸有树脂的碎布或纤维状塑料模压成型。

层压法——用片状骨架填料(如纸、棉布、玻璃布等)浸以树脂，一层层叠放，然后加热、加压，使树脂粘结并固化，，以获得塑料制品的方法。这是生产各种增强塑料板、棒和管的主要方法。

3)挤出成型——又叫挤压成型。

方法——将粉状或粒状塑料，通过料斗送人挤出机料筒内，经加热成粘流态，再靠螺杆的转动将其不断地从机器的型孔中挤出而成制品。机械制造基础第九章

这种方法适用于管、棒、板、带等塑料型材的生产，也可用于金属的涂层、电缆包覆层、发泡材料等的生产。

(4)吹塑成型。

方法——将塑料先加热熔融，然后放人模具内，用压缩空气将其吹胀，使之紧贴模腔内壁成型，冷却后开模即得中空制品。

这种方法常用于塑料瓶、罐、管类零件的加工及挤压吹塑薄膜的成型加工，如图9-1所示。机械制造基础第九章

(5)浇注成型。

它是将液态树脂加入添加剂后浇注到模具中，使其固化成为一定形状塑料制品的方法。

此法适用于热固性塑料的成型。常用于制造板材、电绝缘器材和装饰品等。

2．塑料制品的加工

塑料制品成型后的再加工有切削加工、连接和表面处理等。

(1)切削加工。

由于塑料的导热性差且有弹性，容易引起加工时的发热、变形与加工面粗糙。

为保证质量，在切削加工时一般应采取下列措施：①刀具的前角与后角应大些，刃口应锋利；②切削时应用风或水充分冷却；③为得到较光洁的表面，应采用较大的切削速度和较小的进给量；④精加工时，为防工件变形夹紧力不宜过大。机械制造基础第九章

(2)塑料的连接。

塑料的连接可以将小而简单的构件组合成大而复杂的零件。

塑料零件常用的连接方法：机械连接、热熔粘接(也称焊接)、溶剂粘接和粘合剂粘接。

热熔粘接——用焊枪喷出一定温度的热风，将焊条和焊缝处的塑料加热熔化，待冷却凝固后两塑料件就粘接在一起。大多数热塑性塑料都可以采用热熔粘接。

溶剂粘接——在塑料连接面涂以适当溶剂，如丙酮、二甲苯等，使之溶胀软化，再给以适当压力使两部分贴紧，待溶剂挥发后，即可形成牢固的接头。此法适用于多数热塑性塑料相同品种间的连接。

粘合剂粘接——在两个被粘接表面涂以适当的胶粘剂，如环氧树脂、酚醛树脂等，利用胶层将两部分连接为一体。绝大多数塑料都可以采用此法连接。这也是热固性塑料唯一的粘接方法。机械制造基础第九章

(3)表面处理。

塑料制品的表面处理主要是涂漆和镀金属。

涂漆的目的是防止制品老化，提高制品耐化学药品和溶剂的能力。

涂漆的方法：刷漆和喷漆。

镀金属的目的：使塑料制品具有导电性，提高表面硬度和耐磨性，提高防老化、防潮、防溶剂侵蚀的能力，并使塑料制品具有金属光泽。

(四)常用的塑料

教材中表9-1是部分常用塑料的类别、名称、符号、性能及用途举例。机械制造基础第九章

三、橡胶

（一）橡胶的组成

橡胶是以生胶为基础加入适量的配合剂制成的高分子材料。其中生胶原料来源又分为天然橡胶与合成橡胶。

天然橡胶——从热带的橡树中流出的胶乳，经过凝固、干燥、加压等工序制成的片状固体物，其主要成分为异戊二烯。

合成橡胶——用化学合成方法制成的，与天然橡性质相似的高分子材料。合成橡胶的品种很多，如丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶等。

橡胶制品的性质主要取决于生胶的性质。

配合剂是为了提高和改善橡胶制品的性能而加入的物质。橡胶配合剂的种类很多，如硫化剂及其促进剂、软化剂、防老化剂、填充剂、发泡剂和着色剂等。机械制造基础第九章

硫化剂——能改变橡胶分子的结构，提高橡胶的力学性能，并使橡胶具有既不溶解，也不熔融的性质，克服橡胶因温度升高而变软发粘的缺点。

橡胶制品只有经硫化后才能使用。天然橡胶以硫磺作硫化剂。

软化剂——能增加橡胶的塑性，改善粘附力，并能降低橡胶的硬度和提高耐寒性。

常用的软化剂有硬脂酸、精制腊、凡士林及一些油类、酯类。

填充剂——是增加橡胶制品的强度和降低成本。

常用的填充剂有炭黑、氧化硅、白陶土、氧化锌、氧化镁和滑石粉、硫酸钡等。

（二）常用的橡胶

橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。常用橡胶的种类、性能特点及用途举例见教材中表9-2。机械制造基础第九章

四、胶粘剂

胶接——借助于一种物质在固体表面产生的粘合力将材料牢固地连接在一起的方法。

用以产生粘合力的物质称为胶粘剂(也叫粘合剂)。

1．胶粘剂的组成

目前应用的胶粘剂多为合成胶粘剂。

合成胶粘剂是一种多组分的、具有优良粘合性能的物质。其组成组分有基料、固化剂、增塑剂、增韧剂、填料、稀释剂、稳定剂等。

(1)基料。基料是胶粘剂的主要而必须的组分，常用的基料有环氧树脂、酚醛树脂、氯丁橡胶等。

(2)固化剂。固化剂的作用是使胶粘剂固化。

(3)增塑剂和增韧剂。它们的作用是改善胶粘剂的塑性和韧性，提高胶接接头的抗剥离、抗冲击以及耐寒性等。

常用的有热塑性树脂、合成橡胶及高沸点的低分子有机液体等。机械制造基础第九章

(4)填料。其作用是提高接头的强度和表面硬度，提高耐热性。

通常使用的填料有金属粉末、石棉和玻璃纤维等。

此外还可加入固化促进剂、防老化剂或偶联剂等。

2．常用胶粘剂

胶粘剂的种类常按基料的化学成分来区分。

教材中表9-3列出了部分常用胶粘剂的种类、牌号、性能和用途。

选用胶粘剂时，应根据被粘材料、受力条件、工作环境及温度等具体情况来合理确定。机械制造基础第九章第二节其它非金属材料

一、陶瓷材料

(一)陶瓷的基本性能

1．力学性能

陶瓷具有很高的弹性模量和硬度(维氏硬度>1500)，抗压强度较高。但脆性较大，韧性较低，抗拉强度很低。

2．热性能

陶瓷材料的熔点高，抗蠕变能力强，具有比金属高得多的耐热性，热硬性可达1000℃以上，热膨胀系数和导热系数小，是优良的绝热材料。但陶瓷的抗急冷急热性能差。

3．化学性能陶瓷的组织结构非常稳定，即使在1000℃也不会被氧化，不会被酸、碱、盐和许多熔融的金属(如有色金属银，铜等)侵蚀，不会发生老化。机械制造基础第九章

4．电性能

大多数陶瓷都是良好的绝缘体。但也研制了不少具有导电性的特种陶瓷，如氧化物半导体陶瓷等。

(二)陶瓷材料的分类及应用

陶瓷可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。

1．普通陶瓷(又称传统陶瓷)

普通陶瓷是以天然的硅酸盐矿物(粘土、长石、石英等)为原料，经过原料加工、成形和烧结而成。广泛用于人们的日常生活、建筑、卫生、电力及化工等领域。如餐具、艺术品、装饰材料、电器支柱、耐酸砖等。

2．特种陶瓷(又称近代陶瓷)

特种陶瓷是化学合成陶瓷。它以化工原料(如氧化物、氮化物、碳化物等)经配料、成形、烧结而制成。

特种陶瓷可分为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。机械制造基础第九章

氧化铝陶瓷的主要成分是A12O3，又叫刚玉瓷。它的熔点高耐高温，能在1600℃的高温下长期使用、，硬度高(在1200℃时为80HRA)，绝缘性、耐蚀性优良。其缺点是脆性大，抗急冷急热性差。

它被广泛应用于刀具、内燃机火花塞、坩锅、热电偶的绝缘套等。

氮化硅陶瓷的突出特点是抗急冷急热性优良，并且硬度高、化学稳定性好、电绝缘性优良，还有自润滑性，耐磨性好。

广泛用于制造耐磨、耐蚀、耐高温和绝缘的零件，如高温轴承、耐蚀水泵密封环、阀门、刀具等。

另外还有许多与机械工程有关的陶瓷材料，如压电陶瓷、过滤陶瓷、电光陶瓷等，选用时可参考有关资料。机械制造基础第九章

二、复合材料

复合材料是由两种以上物理、化学性质不同的材料经人工组合而得到的多相固体材料。如钢筋混凝土是由石子、砂子和水泥、钢筋混合而成的复合材料；轮胎是由人造纤维和橡胶制成的复合材料等。

(一)复合材料的组成和分类

1．复合材料的组成

复合材料由基体相和增强相构成。基体相起形成几何形状和粘结作用；增强相起提高强度、韧性等的作用。

2．复合材料的分类

(1)纤维增强复合材料。以玻璃纤维、碳纤维等陶瓷材料做增强相，复合于塑料、树脂、橡胶和金属等为基体相的材料中而制成的。如橡胶轮胎、玻璃钢、纤维增强陶瓷等都是纤维增强复合材料。机械制造基础第九章

(2)层叠复合材料。由两层或两层以上不同材料复合而成的。

如五合板、钢—铜—塑料复合的无油润滑轴承材料等就是层叠复合材料。

(3)颗粒复合材料。由一种或多种颗粒均匀分布在基体相内而制成的。硬质合金就是WC-Co或WC–TiC-Co等组成的颗粒复合材料。

(二)纤维增强复合材料

1．玻璃纤维-树脂复合材料

以玻璃纤维及其制品为增强相，以树脂为基体相而制成的，俗称玻璃钢。

以尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类等热塑性树脂为基体相(粘结剂)制成的玻璃钢，其性能比普通塑料高得多。抗拉强度、抗弯强度和抗疲劳强度均提高2～3倍以上，冲击韧度提高1～4倍，蠕变抗力提高2～5倍，达到或超过了某些金属的性能。可用来制造轴承、齿轮、仪表盘、空调机叶片、汽车前后灯等。机械制造基础第九章

以环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等热固性树脂为粘结剂制成的玻璃钢，具有密度小(约是钢的1／4～1／6)，强度高，耐腐蚀，绝缘、绝热性好和成形工艺性好等优点。但刚度较差(弹性模量仅为钢的1／10～1／5)，耐热性不高，容易老化。常用于制造汽车车身、船体、直升飞机的旋翼、风扇叶片、石油化工管道等。

2．碳纤维-树脂复合材料

以碳纤维及其制品为增强相，以环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯树脂等为基体相结合而成。它不仅保持了玻璃钢的许多优点，而且许多性能还优于玻璃钢。其密度比玻璃钢还小，强度和弹性模量超过了铝合金，而接近于高强度钢。

它还具有优良的耐磨、减摩及自润滑性、耐蚀性、耐热性等，受X射线辐射时，强度和弹性模量不变化。

常用于制造承载件和耐磨件，如连杆、齿轮、轴承、机架、人造卫星天线构架等。机械制造基础第九章小结

非金属材料是指除金属材料以外的其它材料，它们具有许多金属材料所不具备的性能。高分子化合物具有高的耐蚀性、耐磨性和绝缘性能，在工业中应用较广。塑料是以有机合成树脂为主要成分，加入各种添加剂制成的高分子材料。塑料可按使用范围或合成树脂的热性能分类。