《金属材料及热处理（第三版）》课件-模块九 非金属材料与复合材料

模块九非金属材料与复合材料模块九非金属材料与复合材料任务三复合材料及其应用任务二陶瓷材料及其应用任务一有机高分子材料及其应用01有机高分子材料及其应用1．有机高分子材料的力学性能特点（1）比强度高高聚物的抗拉强度平均为100MPa，远远低于金属，但由于其密度低，故其比强度并不低于金属。（2）高弹性和低弹性模量高聚物特有的性能就是弹性变形量大而弹性变形抗力小。（3）高耐磨性和低硬度高聚物硬度远远低于金属，但耐磨性优于金属。任务一有机高分子材料及其应用一、有机高分子材料的性能特点2．有机高分子材料的物理、化学性能特点（1）电绝缘性优良高聚物中原子一般以共价键结合，因而不易电离，导电能力弱，绝缘性好。（2）耐热性差高聚物链段间的分子间力较弱，在同时受热、受力时易发生软化、熔化，使材料的性能变化，所以耐热性差。（3）热膨胀大高分子材料的线膨胀系数为金属的3~4倍，在机械中会因膨胀变形过量而引起开裂、脱落、松动等。任务一有机高分子材料及其应用（4）化学稳定性高在碱、酸、盐中耐蚀性较强，但某些高聚物在某些特定的溶剂和油中会发生软化、溶胀的现象。（5）老化现象高聚物在长期使用或存放过程中，由于外界物理、化学及生物因素的影响（如热、光、辐射、氧和酸碱、微生物的作用等），使得聚合物内部结构发生变化，从而导致聚合物的性能随时间延长逐渐恶化，直至丧失使用功能。任务一有机高分子材料及其应用1．塑料（1）塑料的组成塑料一般是以合成树脂（高聚物）为基础，再加入各种添加剂而制成。1）合成树脂。合成树脂即人工合成线型高聚物，是塑料的主要成分（占40%~100%），对塑料的性能起着决定性作用，故绝大多数塑料以树脂的名称命名。合成树脂受热时呈软化或熔融状态，因而塑料具有良好的成形能力。2）添加剂。添加剂是为改善塑料的使用性能或成形工艺性能而加入的辅助组分。按其作用不同，可分为填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、发泡剂、着色剂、阻燃剂、防老化剂等，添加剂的具体使用要根据塑料的种类和性能要求而定。任务一有机高分子材料及其应用二、常用有机高分子材料（2）塑料的分类1）按照受热后性能的不同，塑料可分为热塑性塑料与热固性塑料两类。①热塑性塑料。加热时会软化、熔融，冷却时会凝固、变硬，此过程可以反复进行。典型的品种有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺（尼龙）、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚四氟乙烯（F-4）、聚苯醚、聚氯醚、有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）等。这类塑料机械强度较高，成形工艺性能良好，可反复成形、再生使用，但耐热性与刚度较差。②热固性塑料。初加热时软化、熔融，进一步加热、加压或加入固化剂后固化。固化后再加热，则不再软化、熔融。品种有酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂等。这类塑料具有较高的耐热性与刚度，但其脆性大，不能反复成形与再生使用。任务一有机高分子材料及其应用2）按照应用范围的不同，塑料可分为通用塑料、工程塑料和其他塑料三类。①通用塑料。主要指产量大、用途广、价格低廉的聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料等几大品种，它们占塑料总产量的75%以上，广泛应用于工业、农业和日常生活各个方面，但其强度较低。②工程塑料。主要指用于制作工程结构、机器零件、工业容器和设备的塑料。最主要的有聚甲醛、聚酰胺（尼龙）、聚碳酸酯、ABS四种，还有聚氯醚、聚苯醚等。这类塑料具有较高的强度（Rm为60~100MPa）、弹性模量、韧性、耐磨性、耐蚀和耐热性，在工业中的应用发展迅速。③其他塑料。如耐热塑料，一般塑料的工作温度不超过100℃，耐热塑料可在100~200℃，甚至更高的温度下工作，如聚四氟乙烯（F-4）、聚三氟乙烯、有机硅树脂、环氧树脂等。任务一有机高分子材料及其应用2．橡胶（1）橡胶的组成橡胶是以生胶为基础，加入适量的配合剂和增强材料而制成。1）生胶。未加配合剂的天然或合成的橡胶统称为生胶。天然橡胶综合性能好，但产量不能满足日益增长的需要，也不能满足某些特殊性能的需求，因此合成橡胶获得了迅速发展。2）配合剂。为了提高和改善橡胶制品的各种性能而加入的物质称为配合剂。配合剂种类繁多，常用的有硫化剂、硫化促进剂、活化剂、填充剂、增塑剂、着色剂、防老化剂等。任务一有机高分子材料及其应用3）增强材料。为提高橡胶的力学性能，如强度、硬度、耐磨性和刚度等，还需加入填料，使用最普遍的是炭黑，以及作为骨架材料的织品、纤维，甚至金属丝或金属编织物。填料的加入还可以减少生胶用量，降低成本。（2）橡胶的分类1）按原料不同，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶。2）按用途不同，橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。任务一有机高分子材料及其应用3．胶粘剂在工程上，连接金属或非金属材料的方法很多，除焊接、铆接和螺钉连接之外，还有胶接（粘接）。胶接是指借助于一种物质在固体表面产生的粘合力，将分离的两部分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。（1）胶粘剂的组成合成胶粘剂是一种多组分的、具有优良黏合性能的物质。它的组分包括基料、固化剂、增塑剂和增韧剂、填料和稀释剂等。任务一有机高分子材料及其应用1）基料。基料是胶粘剂的主要组分，它对胶粘剂的性能起着重要作用。常用的基料有酚醛树脂、环氧树脂、聚酰胺树脂以及氯丁橡胶等。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。它们的作用是提高胶接接头抗剥离、抗冲击能力以及耐寒性等。常用的增塑剂和增韧剂有热塑性树脂、合成橡胶及高沸点的低分子有机液体等。4）填料。加入填料能提高胶接接头强度和表面硬度，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。此外还可以加入固化促进剂、防老化剂、稳定剂、着色剂等。任务一有机高分子材料及其应用（2）胶粘剂的分类根据国家标准《胶粘剂分类》（GB/T13553—1996）的规定，胶粘剂按照主要粘料、物理形态、硬化方法和被粘物材质分类。在日常应用中，也经常按以下方法分类。1）按应用方法可分为热固型、热熔型、室温固化型、压敏型等。2）按应用对象可分为结构型、非结构型、特种胶等。3）按形态可分为水溶型、水乳型、溶剂型以及各种固态型等。任务一有机高分子材料及其应用1．塑料（1）塑料的性能机械工业所使用的塑料中，以工程塑料居多。工程塑料相对金属来说，具有密度小、比强度高、耐腐蚀、电绝缘性好、耐磨和自润滑性好，以及透光、隔热、消音、吸振等优点。任务一有机高分子材料及其应用三、常用有机高分子材料的性能及用途（2）常用塑料的种类及用途1）聚丙烯（PP）。性能：它密度小，是常用塑料中最轻的一种。强度、硬度、刚度和耐热性均优于低压聚乙烯，可在100~120℃长期使用；几乎不吸水，并有较好的化学稳定性，优良的高频绝缘性，且不受温度影响。但低温脆性大，不耐磨，易老化。用途：制作一般机械零件，如齿轮、管道、接头等耐蚀件，叶轮泵、化工管道、容器、绝缘件；制作电视机、收音机、电扇、电动机罩等。图9-2所示为聚丙烯球阀。任务一有机高分子材料及其应用2）聚酰胺（通称尼龙）（PA）。性能：其无味、无毒；有较高强度和良好韧性；有一定耐热性，可在100℃下使用；有优良的耐磨性和自润滑性，摩擦因数小；有良好的消声性和耐油性，能耐油、水、一般溶剂；耐蚀性较好；抗霉菌；成形性好。但霉变值较大，导热性较差（约为金属的1/100），吸水性高，成形收缩率较大。用途：常用有尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙1010等。用于制造要求耐磨、耐蚀的某些承载和传动零件，如轴承、齿轮、滑轮、螺钉、螺母及一些小型零件。还可作高压耐油密封圈，喷涂金属于表面作防腐耐磨涂层。图9-3所示为各种尼龙构件。任务一有机高分子材料及其应用3）聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）（PMMA）。性能：其透光性好，可透过99%以上的太阳光；着色性好，有一定强度，耐紫外线及大气老化，耐腐蚀，电绝缘性能优良，可在-60~100℃使用。但质较脆，易溶于有机溶剂中，表面硬度不高，易擦伤。用途：制作航空、仪器、仪表、汽车和无线电工业中的透明件与装饰件，如飞机舷窗、灯罩、电视及雷达的屏幕、油标、油杯、设备标牌、仪表零件等。图9-4所示为有机玻璃面板。任务一有机高分子材料及其应用4）苯乙烯—丁二烯—丙烯腈共聚体（ABS）。性能：其性能可通过改变三种单体的含量来调整。有高的冲击韧度和较高的强度，优良的耐油、耐水性和化学稳定性，好的电绝缘性和耐寒性，高的尺寸稳定性和一定的耐磨性。表面可以镀饰金属，易于加工成形，但长期使用易起层。用途：制作电话机、扩音机、电视机、电动机、仪表的壳体，以及齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、储槽内衬、仪表盘等。图9-5所示为ABS塑料制品。任务一有机高分子材料及其应用5）酚醛塑料（电木）（PF）。性能：其具有高的强度、硬度及耐热性，工作温度一般在100℃以上，在水润滑条件下具有极小的摩擦因数，优异的电绝缘性，耐蚀性好（除强碱外），耐霉菌，尺寸稳定性好。但质较脆、耐光性差、色泽深暗；加工性差，只能模压。用途：制作一般机械零件、水润滑轴承、电绝缘件、耐化学腐蚀的结构材料和衬里材料等，如仪表壳体、电器绝缘板、绝缘齿轮、整流罩、耐酸泵、制动片等。图9-6所示为电木制动轮。任务一有机高分子材料及其应用6）环氧塑料（EP）。性能：其强度较高，韧性较好，电绝缘性优良，防水、防潮、防霉、耐热、耐寒，可在-80~200℃范围内长期使用，化学稳定性较好，固化成形后收缩率小，对许多材料的黏结力强，成形工艺简便，成本较低。用途：制作塑料模具、精密量具、机械仪表和电气结构零件，电气、电子元件，线圈的灌注、涂覆和包封，以及修复机件等。任务一有机高分子材料及其应用2．橡胶（1）橡胶的性能和应用橡胶是在室温下处于高弹态的高分子材料，最大的特性是高弹性，其弹性模量很低，只有1~10MPa；其弹性变形量很大，可达100%~1000%，具有优良的伸缩性和积蓄能量的能力。此外，还有良好的耐磨性、隔音性、阻尼性和绝缘性。橡胶在工业上应用相当广泛，可用于制作轮胎、动静态密封件（如旋转轴、管道接口密封件）、减振件、防振件（如机座减振垫片、汽车底盘橡胶弹簧）、传动件（如V带、传动滚子）、运输胶带和管道、电线、电缆等。任务一有机高分子材料及其应用（2）常用橡胶的种类及用途1）天然橡胶（NR）。性能：其弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳，易与其他材料黏合，在综合性能方面优于多数合成橡胶。缺点是耐氧和耐臭氧性差，容易老化变质；耐油和耐溶剂性不好，抵抗酸碱腐蚀的能力弱；耐热性不高。使用温度范围为-60~80℃。用途：制作轮胎、胶鞋、胶管、胶带、电线与电缆的绝缘层和护套以及其他通用制品，特别适用于制造扭振消除器、发动机减振器、机器支座、橡胶—金属悬挂元件、膜片、模压制品。图9-7所示为橡胶轮胎。任务一有机高分子材料及其应用2）丁苯橡胶（SBR）。性能：其性能接近天然橡胶，是目前产量最大的通用合成橡胶，其特点是耐磨性、耐老化和耐热性超过天然橡胶，质地也比天然橡胶均匀。缺点是弹性较低，抗挠曲、抗撕裂性能较差；加工性能差，特别是自黏性差、生胶强度低。使用温度范围为-50~100℃。用途：主要用以代替天然橡胶制作轮胎、胶板、胶管、胶鞋及其他通用制品。3）氟橡胶（FPM）。性能：其主要特点是具有优良的耐热性能，耐酸、碱、油及各种强腐蚀性介质的侵蚀，具有良好的介电性能和耐大气老化性能，但耐低温性能差，加工性能差。用途：主要用于国防工业制造飞机、火箭上的耐真空、耐高温、耐化学腐蚀的密封材料、胶管或其他零件，还多用于汽车工业。任务一有机高分子材料及其应用3．胶粘剂（1）胶粘剂的性能和应用胶粘剂在工业上应用相当广泛，可胶接金属、塑料、陶瓷、橡胶皮革和木材等材料，用于轴承的固定，螺钉、法兰及丝扣接头的封固和防漏、堵塞缝隙等。（2）常用胶粘剂的种类及用途1）α-氰基丙烯酸酯胶（502）。性能：其黏度小，在室温下接触水、气即瞬间固化，胶膜较脆不耐水。在-40~70℃下工作。用途：其适用于金属、陶瓷、玻璃、塑料、橡胶等材料的小面积胶接和固化。任务一有机高分子材料及其应用2）酚醛—缩醛胶（JSF-2、FSC-2）。性能：其胶接强度高，特别是抗冲击和耐疲劳性好，具有良好的耐老化性能和综合性能。用途：其可胶接金属、塑料、玻璃、木材、皮革等。3）厌氧胶（Y-150）。性能：其具有良好的流动性和密封性。固化后，其抗蚀性、耐热性、耐寒性均较好。使用方便，工艺性好。胶接后隔绝空气1~3天即固化，加入促进剂，1h即固化。用途：其主要用于轴承的固定，螺钉、法兰及丝扣接头的封固和防漏、堵塞缝隙。任务一有机高分子材料及其应用任务一有机高分子材料及其应用1．塑料的主要组成物是什么？常用塑料可以分为哪几类？2．橡胶的主要组成物是什么？常用橡胶可以分为哪几类？3．胶粘剂的主要组成物是什么？常用胶粘剂可以分为哪几类？02陶瓷材料及其应用1．按原料分类按原料不同，陶瓷大致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，是以天然硅酸盐矿物（黏土、石英、长石等）为原料，经粉碎、成形和烧结而制成的陶瓷材料，主要用于日用、建筑、卫生以及工业上应用的低压和高压电、耐酸、过滤等的陶瓷制品中。（2）特种陶瓷又称现代陶瓷，是采用纯度较高的人工合成原料（如氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、氟化物等），经粉碎、成形和烧结而制成的陶瓷材料，其具有各种特殊力学、物理和化学性能，主要用于化工、冶金、机械、电子和其他新技术中。任务二陶瓷材料及其应用一、陶瓷材料的分类2．按性能和用途分类按性能和用途不同，陶瓷可分为日用陶瓷、工程陶瓷和功能陶瓷三类。（1）日用陶瓷多为普通陶瓷，主要指日常用瓷和家居用瓷。（2）工程陶瓷是指在工程结构上使用的陶瓷。现代工程陶瓷主要在高温下使用，故也称高温结构陶瓷，在高温下具有优越的力学、物理和化学性能。（3）功能陶瓷是利用陶瓷特有的物理性能，制造出的种类繁多、用途各异的陶瓷材料，如导电陶瓷、半导体陶瓷、压电陶瓷、绝缘陶瓷、光学陶瓷（光导纤维、激光材料等），以及利用某些精密陶瓷对声、光、电、热、磁、力、湿度、射线等信息具有的敏感特性，而制得的各种陶瓷传感材料等。任务二陶瓷材料及其应用陶瓷是多相材料，其显微组织由晶相、玻璃相、气相组成，各相的结构、数量、形态、大小及分布对性能有显著影响。1．晶相晶相包括某些硅酸盐、氧化物等化合物和固溶体，是陶瓷的主要组成相，对陶瓷的性能起决定性作用。任务二陶瓷材料及其应用二、陶瓷的组织结构2．玻璃相玻璃相是一种非晶态固体，其作用是粘接陶瓷中分散的晶相、降低烧结温度、抑制晶相的晶粒长大和填充气孔。玻璃相熔点低、强度低，陶瓷中玻璃相含量越大，陶瓷的耐热性、强度越低。3．气相气相是陶瓷孔隙中的气体，即气孔。气孔使陶瓷密度减小，能吸收振动，但又使强度降低，绝缘性变差。任务二陶瓷材料及其应用1．力学性能与金属材料相比较，大多数陶瓷的硬度高，弹性模量大，脆性大，几乎没有塑性，抗拉强度低，抗压强度高。2．热性能陶瓷材料熔点高，抗蠕变能力高，热硬性可达1000℃。但陶瓷热膨胀系数和导热系数小，承受温度快速变化的能力差，在温度剧变时会开裂。3．化学性能陶瓷化学性能最突出的特点是化学稳定性很高，有良好的抗氧化能力，在强腐蚀介质、高温共同作用下有良好的抗蚀性能。4．其他物理性能大多数陶瓷是电绝缘体，功能陶瓷材料具有光、电、磁、声等特殊性能。任务二陶瓷材料及其应用三、陶瓷材料的性能特点1．普通陶瓷分为普通工业陶瓷和化工陶瓷，主要用来制造绝缘子、绝缘的机械支撑体、纺织导纱器以及受力不大、工作温度低的酸碱容器、反应塔、管道等。2．特种陶瓷（1）氧化铝瓷主要用来制造内燃机火花塞、轴承、化工泵的密封环、导弹导流罩、坩埚热电偶套管、刀具、拉丝模等。任务二陶瓷材料及其应用四、陶瓷的种类和用途（2）氮化硅瓷主要用来制造耐磨、耐腐蚀、耐高温零件，如石油、化工泵的密封环，电磁泵管道、阀门，热电偶套管，转子发动机刮片，高温轴承、刀具等。（3）氧化镁瓷主要用来制造熔炼Fe、Cu、Mo、Mg等金属的坩埚及熔化高纯度U、Th及其合金的坩埚。（4）氧化铍瓷主要用来制造高温绝缘电子元件、核反应堆中子减速剂和反射材料、高频电路坩埚等。任务二陶瓷材料及其应用任务二陶瓷材料及其应用1．什么是陶瓷材料？陶瓷材料有哪些性能特点？2．按性能和用途不同，陶瓷材料可分为哪几类？试举例说明其用途。03复合材料及其应用复合材料是多相体系，通常分成两个基本组成相：一个相是连续相，称为基本相（基体），主要起粘接和固定作用；另一个相是分散相，称为增强相（增强体），主要起承受载荷作用。复合材料的性能与两个基本组成相的性能密切相关，此外，组成相之间的界面特性对复合材料的性能也有很大影响。任务三复合材料及其应用一、复合材料的组成复合材料种类较多，目前常见的是以高分子材料、陶瓷材料或金属材料为基体，和颗粒、纤维或片状增强体组成的各种复合材料。1．按基体材料分类按基体材料的不同，可将复合材料分为两类。（1）金属基复合材料如铝基复合材料、铜基复合材料等。（2）非金属基复合材料如塑料基复合材料、橡胶基复合材料、陶瓷基复合材料等。任务三复合材料及其应用二、复合材料的种类2．按增强体材料分类按增强体材料的不同，可将复合材料分为三类。（1）纤维增强复合材料如纤维增强橡胶（如橡胶轮胎、传动带等）、纤维增强塑料（如玻璃钢）等。（2）颗粒增强复合材料如金属陶瓷、烧结弥散硬化合金等。（3）叠层复合材料如双层金属（巴氏合金—钢双金属滑动轴承材料）等。任务三复合材料及其应用1．比强度大、比模量高其实质是单位质量所提供的变形抗力和承载能力大，这对要求自重小、运转速度高的结构零件十分重要。2．良好的抗疲劳性和断裂安全性由于纤维增强复合材料对缺口、应力集中敏感性小，纤维—基体界面能阻止疲劳裂纹扩展或使裂纹扩展改变方向，提高了材料的疲劳强度和断裂安全性。任务三复合材料及其应用三、复合材料的性能特点3．优良的高温性能和减振性能大多数增强纤维在高温下仍保持高的强度，用其增强金属和树脂时，能显著提高材料的高温力学性能。由于组成相界面具有较高的吸振能力，因此复合材料具有良好的减振性能。4．特殊的物理、化学性能复合材料的密度小、热膨胀系数小。许多材料具有导电、导热、压电效应、换能、吸波等特殊性能，有些还具有耐热性和化学稳定性。任务三复合材料及其应用1．玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）性能：热固性玻璃钢的优点是密度小、强度高、耐腐蚀性好、绝缘性好、绝热性好、吸水性低、防磁、电波穿透性好，易于加工成形。缺点是弹性模量低、刚度差、耐热性不够高，只能在300℃以下使用，热塑性玻璃钢的强度低于热