金属材料1-第十三章　非金属材料

第十三章

非金属材料第十四章第十五章纳米材料简介机械零件的毛坯选择与质量检验(1)高分子材料

一般是指由低分子材料通过聚合而成，并且其相对分子量达到一定值的有机化合物，如合成纤维、工程塑料(聚氯乙烯、聚苯乙烯等)、合成橡胶、胶粘剂、涂料等。(2)工业陶瓷第十主要三是章指通过非陶瓷金生属产工材艺料制成的无机多晶产品。(3)复合材料由两种以上材料相互复合而得到的一种多相固体材料，主要包括金属基和非金属基两类复合材料。第一节高分子材料第二节陶瓷材料第三节复合材料(1)高分子材料

一般是指由低分子材料通过聚合而成，并且其相对分子量达到一定值的有机化合物，如合成纤维、工程塑料(聚氯乙烯、聚苯乙烯等)、合成橡胶、胶粘剂、涂料等。(2)工业陶瓷

主要是指通过陶瓷生产工艺制成的无机多晶产品。(3)复合材料

由两种以上材料相互复合而得到的一种多相固体材料，主要包括金属基和非金属基两类复合材料。第一节

高分子材料一、概述高分子化合物高分子化合物的聚合类型加聚反应

加聚反应是指一种或几种单体在一定条件下，如光照、加热或化学处理等引发作用，借助于双键的打开自身加成，并在分子间形成新的共价键，最后得到大分子的过程。缩聚反应

缩聚反应是由一种或几种单体相互作用形成的高分子化合物，同时产生低分子副产物(如H2O，NH3，HX)的聚合反应。3.高分子材料分子链的几何形状和结构特点(1)线型结构

由高分子的基本结构单元(链节)相互连成一条细长的链状结构，如图13-1a所示。第一节

高分子材料图13-1

高分子材料分子链的几何形状示意图a)线型

b)支链型

c)网体型支链型(或称带支链的线型)结构

由一条很长的主链和许多较短的支链相互连接成若干个分支链，如图13-1b所示。网体型结构

线型主链之间的支链彼此交联便形成三维体(网)型结构。4.高分子化合物的分类和命名第一节

高分子材料(1)分类

高分子化合物的种类很多，分类方法也较多，有天然高分子化合物和人工合成高分子化合物之分；有机化合物和无机化合物之分，常见的分类方法见表13-1。表13-1

高分子化合物常见的分类方法(2)命名聚合物的命名方法尚未统一，第一节

高分子材料目前多采用习惯法命名其化学名称，同时有些聚合物还有商业名称和简称，因此，同一种高分子化合物往往有几种不同的名称。

1)习惯命名法。商业名称和简称。英文名缩写符号。5.高分子材料的性能第一节

高分子材料图13-2

线型非晶态高聚物的变形-温度曲线(1)高分子材料的力学状态

线型非晶态高聚物在不同的温度下表现出不同的力学状态，即玻璃态、高弹态和粘流态，第一节

高分子材料其变形-温度曲线如图13-2所示，图中Tx为脆化温度，Tg为玻璃化温度，Tf为粘流温度，Td为分解温度。玻璃态。高弹态。粘流态。(2)高分子材料的力学性能

1)弹性高、弹性模量低。强度和硬度低。具有粘弹性。冲击韧性。摩擦性能。第一节

高分子材料(3)高分子材料的热性能通常用最高使用温度衡量高分子材料的耐热性，用导热系数衡量其导热性，用线膨胀系数衡量其尺寸稳定性。低耐热性。低导热性。高的线膨胀系数。

(4)高分子材料的电性能

1)高绝缘性。2)静电现象。(5)化学性能

一般塑料、橡胶都具有良好的化学稳定性，耐酸、碱和大气腐蚀。6.高分子材料的老化与防止老化的措施第一节

高分子材料改变聚合物的结构改变聚合物的结构以提高其耐热稳定性，如聚氯乙烯在含氯气气氛中经紫外线照射成为氯化聚氯乙烯，可使抗老化能力提高。加入防老化剂(稳定剂)

例如橡胶中加碳黑吸收可见光；添加水扬酸酯和二苯甲酮类有机化合物等紫外线吸收剂可提高聚合物抗紫外线辐射引起的老化；加入锌白粉(ZnO)和钛白粉(TiO2)可反射可见光；在聚合物表面形成石蜡薄膜可防止臭氧(O3)与聚合物接触，防止降解。表面处理

在聚合物表面镀或喷涂金属以及其它耐老化涂料作为防护层，可使聚合物材料与空气、水、光和腐蚀介质等隔绝，防止老化。二、常用高分子合成材料第一节

高分子材料塑料的组成有简单组分和复杂组分之分。工程塑料塑料的组成1)合成树脂。填充剂。增塑剂。润滑剂。着色剂。固化剂。稳定剂。其它添加剂。(2)塑料的分类第一节

高分子材料按树脂受热时的行为分为热塑性与热固性塑料两大类，见表13-2。按使用范围可分为通用塑料和工程塑料两大类。表13-2

工程塑料的分类、品种及特点(3)工程塑料的主要特性

1)相对密度小。比强度高。良好的耐腐蚀性能。优异的电气绝缘性能。第一节

高分子材料减摩、耐磨和自润滑性能。消声吸振性。独特的成型工艺性。(4)常用热塑性塑料的特点和用途(见表13-3)第一节

高分子材料表13-3

常用热塑性塑料的特点和用途第一节

高分子材料表13-3

常用热塑性塑料的特点和用途第一节

高分子材料(5)塑料的成型和加工塑料的成型工艺较简单，成型方法多种多样，可以在液态或熔融状态下喷丝制成纤维，或浇铸成零件和其它制品，也可以在较低温度下(塑性或软化状态)采用注射、模压、挤压、吹塑、真空成型和夹层结构等方法制成各种零件和制品；也可采用喷涂、浸渍、粘结、电镀和等离子喷涂等方法，将塑料覆盖在金属或非金属基体上，或在塑料表面镀金属，从而获得兼有塑料和金属两者特性(优点)的零件或制品；还可以像金属材料一样，将塑料制品(半成品)进行二次机械加工，如车削、铣削、刨削、磨削、钻削等。压制成型。挤压成型。第一节

高分子材料图13-3

塑料压制成型示意图a)模压机示意图

b)层压制品示意图

1—上模板

2—上模

3—导柱

4—支柱5—下模

6—下模板

7—柱塞

8—模腔

9—物料10—不锈钢衬板

11—帆布石棉衬板

12—高聚物层

13—压制品第一节

高分子材料图13-4

塑料挤压成型示意图1、3—上、下模

2—导柱4—定位销

5—制品

6—型芯

7—挤入道第一节

高分子材料图13-51—注射机注射成型示意图2—模具

3—制品3)注射成型。第一节

高分子材料浇铸成型。塑料的加工。①塑料强度较低，切削力应比金属材料小，有时仅为切削钢的1／10～1／20。因此，切削塑料时应取较大切削用量，加大刀具的前角和后角，保持切削刃锋利。前角越大，出屑越方便，对工件的作用力及振动也小，有利于提高表面质量。增大后角能减少切削热，提高刀具寿命。另外，塑料的弹性模量和硬度较金属低，要根据不同的塑料选用适当的夹紧力。第一节

高分子材料②塑料导热性差，切削热量主要传给刀具，容易引起局部过热，如温度过高可引起塑料熔化、分解甚至燃烧，刀具也易变钝或损坏。所以宜采用较小进给量并及时排屑。当然，刀具材料对切削效率有很大影响，例如用金刚石刀具切削塑料的生产率比用硬质合金刀具的生产率可提高10～50倍。这是因为金刚石硬度高，其导热系数也极高，而硬质合金刀具虽硬度较高，但导热系数低，故切削塑料的生产率较低。③在切削热塑性和某些热固性塑料时，常形成带状切屑，对加工精度及刀具的正常切削不利，此时可以向切削区输送高压空气流，以便及时排屑并冷却刀具，提高刀具的使用寿命。④塑料的线膨胀系数大，在高速切削时须考虑加工后零件的收缩量。第一节

高分子材料⑤塑料切削一般是采用压缩空气冷却，这是因为使用切削液容易打滑，使切削难以进行；同时塑料与切削液可能会产生化学反应，影响零件性能或腐蚀机床部件。2.橡胶橡胶的品种很多，按照其来源可分为天然的和合(1)橡胶的分类成的两大类。

1)天然橡胶。2)合成橡胶。

(2)橡胶的组成用于制造橡胶制品的原料称为胶料，通常胶料是多组分的，主要包括生胶和配合剂。

1)生胶。2)配合剂。第一节

高分子材料①硫化剂。所谓硫化，就是在生胶中加入硫化调料(常用硫磺)和其它配料。硫化剂的作用就是使橡胶的线型分子相互交联成三维网状结构，使胶料变为具有弹性的硫化胶。②硫化促进剂。常用的硫化促进剂有MgO、ZnO和CaO等，主要作用是促进硫化、缩短硫化时间并降低硫化温度。③增塑剂。常用的增塑剂有硬脂酸、精制蜡、凡士林等，主要作用是增加橡胶的塑性，使之易于加工并与各种配合料混合，能降低橡胶的硬度，提高耐寒性。④填充剂。主要作用是提高橡胶的强度和降低成本，常用的有炭黑，MgO、ZnO、CaCO3、滑石粉等。第一节

高分子材料⑤防老化剂。为了防止或延缓橡胶老化，延长橡胶制品的使用寿命，在生产中可以加入石蜡、密蜡或其它比橡胶更易氧化的物质，在橡胶表面形成较稳定的氧化膜，抵抗氧的侵蚀。3)增强材料。(3)橡胶材料的特点、用途及维护保养

对于橡胶材料，根据不同的使用要求提出或规定其性能指标，如高弹性、回弹性、耐磨性、伸长率、永久变形、抗拉强度、抗撕裂强度、耐高温或低温性、电性能及透气性等，但这些性能中最主要的是高弹性和力学性能。第一节

高分子材料表13-4

常用橡胶的品种、特点和用途第一节

高分子材料表13-4

常用橡胶的品种、特点和用途第一节

高分子材料胶粘剂按组成的化学成分可分为有机和无机胶粘3.胶粘剂(1)胶粘剂的分类剂两类。表13-5合成胶粘剂的分类举例热固性胶粘剂。热塑性胶粘剂。合成橡胶胶粘剂。第一节

高分子材料(2)胶接的条件和工艺过程

利用胶粘剂把彼此分离的物件胶接在一起，形成牢固接头的必要条件是：胶粘剂必须能很好地浸润被胶接物的表面，在固化后胶层应有足够的内聚力，而且胶粘剂与受胶接物件之间有足够的粘附力。P227.TIF(3)胶粘剂(胶接技术)在机械工程中的应用

1)设备维修。2)改进机械安装工艺。第一节

高分子材料图13-6齿轮与轴的胶接第一节

高分子材料图13-71—轮缘蜗轮轮缘的胶接2—蜗轮

3—胶层第二节

陶瓷材料一般采用粘土、长石和石英等天然原料一、陶瓷材料的类型和特点

1.陶瓷的分类普通陶瓷(传统陶瓷)烧结而成。特种陶瓷(现代陶瓷)这是指采用高纯度人工合成原料制成并具有特殊物理、化学性能的新型陶瓷(包括功能陶瓷)。

2.陶瓷的组织结构晶相(晶体相)

大多数陶瓷是由离子键构成的离子晶体(如MgO、Al2O3等)，但也有由共价键构成的(如Si3N4、SiC等)，这是陶瓷的主要组成相，一般是两种晶体都存在。玻璃相

陶瓷烧结时，由各组成物和杂质通过一系列物理、化学作用形成的非晶态物质称为玻璃相。第二节

陶瓷材料(3)气相

陶瓷中存在的气孔称为气相，常以孤立的状态分布在玻璃相、晶界或晶体内。二、常用陶瓷材料三、常用陶瓷材料的性能、特点及用途

1.普通陶瓷(传统陶瓷)2.特种陶瓷

(1)高温陶瓷氧化物陶瓷。非氧化物陶瓷。第二节

陶瓷材料①碳化硅陶瓷(SiC)。这是一种高强度、高硬度且热硬性良好的高温结构陶瓷。在1400℃高温下仍可保持较高的抗弯强度；还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性、高的冲击韧性和抗蠕变性，但不抗强碱腐蚀。此陶瓷可用于制作火箭尾喷管的喷嘴、浇注金属用喉嘴，以及热电偶套管、炉管等高温零部件，还可作高温下热交换器材料以及制造砂轮、磨料等。②氮化硅陶瓷(Si3N4)。这是一种耐高温、强度和硬度高、耐磨、耐腐蚀(除氢氟酸外),并能自润滑的高温结构陶瓷。在陶瓷中，

Si3N4的线膨胀系数最小，最高工作温度可达1400℃；除了能够耐各种无机酸和30％的烧碱溶液及其它碱溶液的腐蚀，还能抵抗熔融的Al、Pb、Sn、Zn、Au、Ag、Ni以及黄铜等的侵蚀，并具有优良的电绝缘性和耐辐射性。第二节

陶瓷材料(2)金属陶瓷金属陶瓷是由金属或合金与陶瓷组成的非均质复合材料，综合了金属和陶瓷的优良性能，具有高强度、高温强度、高韧性和高的耐蚀性。氧化物基金属陶瓷。碳化物基金属陶瓷。第三节

复合材料一、复合材料的类型和特点

1.复合材料的分类(1)细粒增强复合材料

(2)层合增强复合材料

(3)纤维增强复合材料

(1)非金属基复合材料如金属陶瓷等。如钢－铜－塑料复合滑动轴承材料。如橡胶轮胎、玻璃钢等。包括树脂基复合材料和陶瓷基复合材料。(2)金属基复合材料

主要以非铁金属及其合金为基的复合材料。2.复合材料的性能特点(1)

高比强度、高比模量

这是因为复合材料的增强剂和基体的密度一般都较小，而且增强材料多为强度高的纤维，所以多数复合材料都具有高的比强度和比模量，如铝和硼纤维的比强度为380MPa，玻璃钢的比强度为530MPa。第三节

复合材料(2)较高的疲劳强度

一般金属材料，尤其是高强度结构材料，在动载作用下对裂纹非常敏感，容易发生疲劳破坏。图13-8

碳纤维复合材料、玻璃钢和铝合金的疲劳曲线1—碳纤维复合材料

2—玻璃钢

3—铝合金第三节

复合材料(3)减振性好

构件的自振频率不但与构件的结构有关，而且与材料的比模量的平方根成正比。复合材料每平方厘米面积上被基体隔离的独立破损安全性好纤维数多。高温性能优良一般铝合金在400℃时弹性模量急剧下降并接近于零，强度也显著下降。(6)高的化学稳定性

生产上可以选用耐蚀性优良的树脂作基体材料，并用高强度纤维来增强，使复合材料具有耐酸、碱、油脂等化学介质的侵蚀。二、复合材料的制造方法(1)熔体抽丝法

将原料熔化后从液态增强料中以极快速度抽成细丝，如玻璃纤维、氧化铝纤维的抽丝等。第三节

复合材料热分解法

将人造或天然纤维经200～300℃空气中预氧化，在1000～2000℃氨气中碳化或在2500～3000℃氩气中石墨化后，获得碳或石墨纤维。气相沉积法

主要用于获得硼、碳化硼、碳化硅等纤维。拔丝法

主要用于获取金属丝。是指以树脂为基体，玻璃纤维为增强三、常用复合材料

1.纤维增强复合材料(1)玻璃纤维增强复合材料剂的复合材料。以热塑性树脂为基体的玻璃纤维增强材料。以热固性树脂为基体的玻璃纤维增强材料。第三节

复合材料①手糊法。即在模具上首先刷一层树脂，然后贴一层纤维织物，刷平后再刷一层树脂，又贴一层纤维织物，直至所需厚度为止，最后固化成形。此法适宜制造整体制件(品)和大型制件，如汽车外壳、飞机的雷达罩等。②模压法。借助压力机以很高的压力将涂覆好树脂的纤维