《轮机工程基础二三管轮》-第八章 轮机工程材料-

第八章轮机工程材料第一节材料特性与参数第二节金属冶炼和金属加工基础第三节材料热处理第四节有色金属及其合金第五节船用材料的选用

第六节非金属材料第七节船舶重要零件和设备制造第八章轮机工程材料

一、玻璃纤维、云母等材料在聚合物中的使用二、聚合体的特性三、聚合体和其他非金属材料在船上的应用第六节非金属材料§４－１金属的塑性变形第六节非金属材料一、玻璃纤维、云母等材料在聚合物中的使用（一）高分子材料（二）玻璃纤维（三）云母（三）复合材料定义：

高分子材料是以高分子化合物为主要组成部分的材料。高分子化合物是指分子量很大（一般>1000）的有机化合物，其由低分子化合物通过聚合反应聚合形成，也称为聚合物或高聚物。分类：(一)高分子材料第六节非金属材料无机：硅酸盐玻璃、有机：占绝大多数高分子化合物合成：树脂、合成橡胶、天然：蚕丝、羊毛、高分子化合物纤维素、橡胶等陶瓷、云母等合成纤维等一、玻璃纤维、云母等材料在聚合物中的使用第六节非金属材料（二）玻璃纤维属于无机非金属材料。优点：绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、电绝缘性好、抗拉强度高等。缺点：脆、耐磨性较差主要成分：二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化纳等。一、玻璃纤维、云母等材料在聚合物中的使用第六节非金属材料制造：由原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造而成的，其单丝的直径为几微米到二十几微米，每束纤维原丝由数百根甚至上千根单丝组成。应用：常用作复合材料中的增强材料、电绝缘材料和绝热保温材料、电路基板等，应用广泛。（二）玻璃纤维一、玻璃纤维、云母等材料在聚合物中的使用第六节非金属材料（三）云母定义：云母族矿物的统称，是钾、铝、镁、铁、锂等金属的铝硅酸盐，都是层状结构，层状解理非常完全，有玻璃光泽，薄片具有弹性。黑云母一、玻璃纤维、云母等材料在聚合物中的使用云母矿主要有黑云母、金云母、白云母、锂云母、绢云母、绿云母、铁锂云母等。白云母进而金云母工业上应用最多，锂云母是提炼锂的重要矿物原料。砂金石是云母和石英的混合矿物第六节非金属材料特性：绝缘绝热性好、化学稳定性好、具有抗强酸强碱和抗压能力、具有双折射能力。用途：制造电气设备、光学仪器原材料，并广泛应用于建材行业、消防行业，是灭火剂、电焊条、塑料、电绝缘、造纸、沥青纸、橡胶、珠光颜料等产品的原料或功能性填料。（三）云母一、玻璃纤维、云母等材料在聚合物中的使用第六节非金属材料工业上利用黑云母的绝缘性和耐热性,以及抗酸、抗碱、抗压和剥分性，主要用作电气设备和电工器材的绝缘材料；还可用于制造锅炉、冶炼炉的炉窗和机械上的零件。云母碎粒和云母粉可以加工成云母纸，也可以代替云母片制造各种成本低廉、厚度均匀的绝缘材料。天然云母片是厚片云母经过剥分、定厚、切制、钻制或冲制而成的,具有一定厚度、一定形状的云母零件，产品适用于电视机、电力电容器、热继电器、监视显示器、航天、航空、通信、雷达等。（三）云母一、玻璃纤维、云母等材料在聚合物中的使用第六节非金属材料（四）复合材料背景：科学技术的发展，不断对材料的性能提出越来越高的要求,使传统的单一材料难以满足强度、韧性、重量和稳定性等多方面的要求，因而发展了新型的复合材料。定义：由两种或更多种物理和化学本质不同的物质人工制成的一种多相固体材料。一、玻璃纤维、云母等材料在聚合物中的使用第六节非金属材料（四）复合材料优点：1、改善或克服组成材料的缺点，充分发挥它们的优点。2、可按照构件的结构和受力要求，给出预定的、分布合理的配套性能，进行材料的最佳设计。3、可创造单一材料不易具备的性能和功能，或在同一时间内发挥不同功能的作用。一、玻璃纤维、云母等材料在聚合物中的使用第六节非金属材料（四）复合材料玻璃纤维复合材料：用玻璃纤维增强工程塑料的复合材料称为玻璃钢。玻璃钢分为热塑性和热固性两种。1、热塑性玻璃钢定义：是以玻璃纤维为增强剂和以热塑性树脂为黏结剂制成的复合材料。制作玻璃纤维的玻璃主要是二氧化硅和其他氧化物的熔体。应用较多的热塑性树脂是尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类、热塑性聚酯和聚碳酸酯五种，尤其是前三种。一、玻璃纤维、云母等材料在聚合物中的使用第六节非金属材料（四）复合材料1、热塑性玻璃钢特性：同热塑性塑料相比，在基体材料相同时，热塑性玻璃钢的强度和疲劳性能可高出2~3倍以上，冲击韧性可高出2~4倍，蠕变抗力可高出2~5倍，达到或超过了某些金属的强度，可以用来取代铝合金和镁合金等金属材料。用途：玻璃纤维增强尼龙可以制造轴承、轴承架、齿轮等精密机械零件，还可以制造电工部件和汽车上的仪表盘、前后灯等。玻璃纤维增强聚苯乙烯类树脂广泛用于汽车内装制品、收音机壳体、录音机底盘和空调器叶片等。玻璃纤维增强尼龙第六节非金属材料（四）复合材料2、热固性玻璃钢定义：是以玻璃纤维为增强剂和以热固性树脂为黏结剂制成的复合材料。环氧树脂常用的热固性树脂有酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂和有机硅树脂等四种。酚醛树脂出现最早，环氧树脂性能较好，应用比较普遍。第六节非金属材料（四）复合材料2、热固性玻璃钢优点：质量小、比强度高、耐腐蚀性好、介电性能优越、成型性能良好。热固性玻璃钢的比强度比铜合金和铝合金高，甚至比合金钢还高。缺点：刚度较差，只为钢的1/10~1/5，耐热性不高，容易老化和蠕变。第六节非金属材料（四）复合材料2、热固性玻璃钢热固性玻璃钢的性能主要决定于基体树脂的类型。应用：从各种机器的护罩到形状复杂的构件，从各种车辆的车身到不同用途的配件，从电机电器上绝缘抗磁仪表、器件到石油化工中的耐蚀耐压容器、管道，从船上的风斗、凉棚、救生艇到尾轴的防腐保护层等，玻璃钢的应用越来越广，并且节约了大量金属材料，大大提高了材料性能。第六节非金属材料（四）复合材料2、热固性玻璃钢常用热固性玻璃钢的性能特点酚醛树脂玻璃钢：耐热性较好，在150~200℃温度下可长期工作，耐瞬时超高温；价格低廉,工艺性较差，需要在高温、高压下成型；收缩率大；吸水性大；固化后较脆。环氧树脂玻璃钢环氧树脂玻璃钢：机械强度高，收缩率小(<2%)，尺寸稳定性和耐久性好，可在常温(或加温)、常压(或加压)下固化，成本高，某些固化剂毒性大。第六节非金属材料（四）复合材料2、热固性玻璃钢常用热固性玻璃钢的性能特点不饱和聚酯树脂玻璃钢：工艺性好，可在室温下固化，常压下成型，对于各种成型方法具有较广的适应性，能制造大型异性构件，可机械化连续生产；但耐热性较差(<90℃)，机械强度不如环氧树脂玻璃钢，固化时体积收缩较大，成型时气味和毒性较大有机硅树脂玻璃钢：耐热性较好，长期使用温度可达200~250℃；具有优异的憎水性(不被水润湿，吸水性极低)；耐电弧性能好；防潮，绝缘；与玻璃纤维的黏结力差，固化后机械强度不太高。第八章轮机工程材料一、玻璃纤维、云母等材料在聚合物中的使用

二、聚合体的特性三、聚合体和其他非金属材料在船上的应用第六节非金属材料第六节非金属材料（一）高分子材料的分类1.按性能和用途分类（1）塑料：在常温下有一定的形状，强度较大，受力后能发生一定形变的聚合物。（2）橡胶：室温下具有高弹性，去除外力后又恢复原状的聚合物。（3）纤维：室温下分子的轴向强度很大，受力后形变较小，在一定的温度范围内力学性能变化不大的聚合物。塑料、橡胶和纤维这三大合成材料之间其实也没有严格的界限,也很难严格区分。

一般将聚合后未加工成型的聚合物称为树脂，以区分加工后的塑料或纤维制品。（4）涂料、胶粘剂等：均呈树脂形式，直接使用。2.按聚合反应的类型分类（1）加聚物：单体经加聚合成高聚物，聚合反应时无副产物，链节结构的化学式与单体分子式相同。如聚乙烯。（2）缩聚物：单体经缩聚合成高聚物。缩聚反应时，有小分子副产物（如水等）析出。如：酚醛树脂等。3.按聚合物的热行为分类（1）热塑性聚合物：加热后软化，冷却后又硬化成型，随温度变化可反复进行。如聚乙烯等。（2）热固性聚合物：受热发生化学变化而固化成型，成型后再受热也不软化变形，如：环氧树脂等。第六节非金属材料（一）高分子材料的分类第六节非金属材料（二）聚合体的特性1.塑料（1）塑料的涵义塑料是在玻璃态使用的高分子材料，是具有可塑性的高分子材料。实际上使用的塑料是以树脂为主要成分，加入各种添加剂，在一定温度、压力下能加工塑制成型的材料。（2）塑料的组成树脂：塑料的主要成分，塑料一般以所用的树脂命名。添加剂：为了改善塑料的某些性能而加入的物质。有：填料；增塑剂；固化剂；稳定剂；润滑剂；着色剂；其它，如阻燃剂等。第六节非金属材料（二）聚合体的特性1.塑料（3）塑料的特性质轻：钢铁的1/8~1/4，铝的1/2左右。比强度高：强度不如金属高，但由于密度小，其比强度高。化学稳定性好：对酸、碱、有机溶剂等有良好的耐蚀性。电绝缘性好：各种塑料的电绝缘性都很好。减摩、耐磨性好：多数塑料的摩擦系数比较小。消声吸振性好：减少噪声，降低振动。易成型加工：加工工艺简单，生产率高。蠕变量大：在室温下受载荷后会蠕变，载荷大时会蠕变断裂。热性能低，导热性差：大多只能在100℃左右使用，导热性为金属的1/500；热膨胀系数大，为金属的3~10倍，易燃烧，易老化。第六节非金属材料（二）聚合体的特性1.塑料（4）塑料的成型方法在合成树脂制取后，再加入各种添加剂，制成粉末状、颗粒状或液态的半成品，即塑料原料，然后进行成型加工。常见的成型加工方法有：压塑成型(包括模压法和层压法)、注塑成型、挤塑成型、吹塑成型和浇塑成型等。除上述成型方法以外，还可以用喷涂、浸渍、粘贴等工艺覆盖于其他材料表面。吹塑成型：第六节非金属材料（二）聚合体的特性2.橡胶橡胶是人工合成的高分子化合物之一，是具有高弹性的高分子材料。（1）橡胶的组成生胶：未加配合剂的合成橡胶称为生胶。其性能随温度变化很大。配合剂：改善合成橡胶的性能。配合剂主要有：硫化剂、硫化催化剂、软化剂、增塑剂、填充剂、发泡剂等。第六节非金属材料（二）聚合体的特性2.橡胶（2）橡胶的特性高弹性：较小外力下能产生很大弹性变形，最高伸长率可达800%~1000%，去掉外力后能在非常短的时间内恢复到近似原来的状态。吸振能力强：可吸收一部分机械能，并将其转变为热能。有一定耐蚀性：有耐油、耐酸、耐碱橡胶。有良好的耐磨性、隔声性、绝缘性、积储能量的能力以及足够的强度、不透水和不透气。第六节非金属材料（二）聚合体的特性2.橡胶（3）橡胶的分类根据原料来源不同：天然橡胶：有较好的耐碱性能，但不耐浓强酸，在非极性溶剂中膨胀，故不耐油。耐臭氧老化性较差，不耐高温，使用温度在-70~110℃。合成橡胶：用石油、天然气、煤和农副产品为原料，通过有机合成方法制成单体，聚合(加聚或缩聚)制得类似天然橡胶的高分子材料。根据应用范围：通用橡胶特种橡胶天然橡胶合成橡胶第八章轮机工程材料一、玻璃纤维、云母等材料在聚合物中的使用二、聚合体的特性

三、聚合体和其他非金属材料在船上的应用第六节非金属材料第六节非金属材料种类应用举例塑料1.作为赛龙轴承材料主要用于船舶的开式尾轴承、舵轴承和水泵轴承等2.制作船舶构件玻璃钢可用来制造快艇、工作艇、救生艇的艇体,上层建筑、驾驶室、棚顶、门壁、风斗、导流罩、导流帽、螺旋桨等塑料用于船舶与海洋工程的舾装，以降低成本，缩短建造周期。如：用作绝缘、浮力材料的泡沫塑料，等3.制作船机零件常温工作条件下的活塞环，主、辅机中的离合器片和刹车片，主、辅机中的密封垫片等均可用塑料或以塑料为基础制成。用塑料制作船机零件可节约铜、铝、铅等贵重材料4.用于防腐螺旋桨上涂塑料防止桨叶的穴蚀和电化学腐蚀橡胶天然橡胶作为制作胶带等物品原材料合成橡胶用于甲板、机舱等区域船舶的甲板上和露天的场合均采用氯丁橡胶，在机舱里常温下工作的场合均采用丁腈橡胶，在高温下工作的则采用氟橡胶或硅橡胶三、聚合体和其他非金属材料在船上的应用第六节非金属材料常用热塑性塑料的名称、性能和用途种类组成性能应用常用热塑性塑料聚氯乙烯（PVC）由单体氯乙烯聚合而成，有软质聚氯乙烯、硬质聚氯乙烯两种硬质聚氯乙烯强度高，电绝缘性优良，抗酸、碱力强，化学稳定性好，可在-15~60℃使用，有良好的热成型性能，密度小硬聚氯乙烯可用于船舶上的一些管路、建筑用的管道、窗框等软质聚氯乙烯强度不如硬质，但伸长率较大，有良好的电绝缘性，可在-15~60℃使用软质聚氯乙烯用于电线、电缆的绝缘包皮等。但因有毒，不适于包装食品聚乙烯（PE）由单体乙烯聚合而成，按制造方法分成低压、中压、高压三种低压聚乙烯质地坚硬，有良好的耐磨性、耐蚀性、电绝缘性，高压聚乙烯化学稳定性好，有良好的高频绝缘性、柔软性、耐冲击性和透明性低压聚乙烯用于制造塑料管等，高压聚乙烯最适宜吹塑成薄膜等第六节非金属材料种类组成性能应用常用热塑性塑料聚丙烯（PP）由单体氯乙烯聚合而成，有软质聚氯乙烯、硬质聚氯乙烯两种常用塑料中最轻的。耐水性好。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，化学稳定性和尺寸稳定性，绝缘性，且不受湿度影响。但低温脆性大，不耐磨，易老化，不耐紫外线老化制作一般机械零件，如齿轮、接头等；耐蚀件,如泵叶轮、化工管道、容器、绝缘件；制作电视机、收音机、电扇、马达罩等聚酰胺（通称尼龙）（PA）由二元酸和二元胺缩聚而成无臭、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，摩擦系数小，有良好的消声性和耐油性，能耐水、油、一般溶剂，耐蚀性较好，无毒，成型性好。但蠕变值较大，热导性较差(约为金属的1/100)，吸水性高，成型收缩率较大常用的有尼龙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、螺钉、螺母及一些小型零件，还可作高压耐油密封圈，喷涂金属表面作防腐耐磨涂层。机械强度较高，适于制造大型齿轮、轴套等常用热塑性塑料的名称、性能和用途第六节非金属材料种类组成性能应用常用热塑性塑料聚甲基丙烯酸甲酯（俗称有机玻璃）（PMMA）由单体甲基丙烯酸甲酯聚合而成透光性好，可透过99%以上阳光，着色性好，有一定强度，耐紫外线及大气老化，耐腐蚀，优良的电绝缘性，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，如飞机座窗、灯罩、电视、雷达的屏幕、油标、油杯、设备标牌、仪表零件等丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚体（ABS）由单体苯乙烯、丁二烯和丙烯腈共聚而成有高的冲击韧性和较高的强度，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。但长期使用易起层制作电话机、扩音机、电视机、电机、仪表壳体、齿干、泵叶轮、轴承、把手、管道、贮槽内衬、仪表盘、轿车车身、汽车挡泥板、扶手等常用热塑性塑料的名称、性能和用途第六节非金属材料种类组成性能应用常用热塑性塑料聚甲醛（POM）由单体甲醛或三聚甲醛聚合而成优良的综合力学性能，耐磨性好，吸水性小，尺寸稳定性高，着色性好，良好的减摩性和抗老化性，优良的电绝缘性和化学稳定性，可在-40~100℃长期使用。但加热易分解，成型收缩率大制作减摩、耐磨及传动件，如轴承、滚轮、齿轮、电气绝缘件、耐蚀件及化工容器等聚四氟乙烯(也称塑料王)(F-4)先用氟化氢和氯仿制成氟利昂-22高温裂解得到四氟乙烯，然后进行聚合反应而得优良的耐蚀性，几乎能耐所有化学药品腐蚀，良好的耐老化性及电绝缘性，不吸水，优异的耐高、低温性。在-195~250℃可长期使用，摩擦系数很小，有自润滑性，但其在高温下不流动，不能用热塑性塑料成型的一般方法成型，只能用类似粉末冶金的冷压、烧结成型工艺，高温时会分解出对人体有害的气体，价格较高制作耐蚀件，减摩、耐磨件，密封件，绝缘件，如高频电缆、电容线圈架，以及化工用的反应器、管道等常用热塑性塑料的名称、性能和用途第六节非金属材料种类组成性能应用常用热塑性塑料聚砜（PSF）双酚A型聚砜：由二酚基丙烷和4,4-二氯二苯基砜缩聚而成具有优良的耐热、耐寒、抗蠕变性，尺寸稳定性、强度高,优良的电绝缘性，化学稳定性高，可在-100~150℃长期使用。但耐紫外线较差，成型温度高制作高强度耐热件、绝缘件，减摩、耐磨件，传动件，如精密齿轮、凸轮、真空泵叶片、仪表壳体和罩，耐热或绝缘的仪表零件，汽车护板、仪表盘、衬垫和垫圈等聚芳砜(非双酚A型聚砜)：由双芳环磺酰氯与劳环在特种催化剂下，经缩聚而成耐热、耐寒，在-240~260℃长期工作，硬度高，能自熄，耐老化，耐辐射，力学性能及电绝缘性好，化学稳定性高。但不耐极性溶剂氯化聚醚（或称聚氯醚）由单体3,3双(氯甲基)丁氧环在催化剂作用下，开环聚合而成极高的耐化学腐蚀性，易于加工，可在120℃下长期使用，良好的力学性能和电绝缘性，吸水性很低，尺寸稳定性好。但耐低温性较差制作在腐蚀介质中的减摩、耐磨及传动件，精密机械零件，化工设备的衬里和涂层等常用热塑性塑料的名称、性能和用途第六节非金属材料种类组成性能应用常用热固性塑料酚醛塑料（俗称电木）（PF）以酚醛树脂为基础，加入各种填料、润滑剂、增塑剂等压制或浇铸而得环氧塑料高的强度、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系数,优异的电绝缘性，耐蚀性好(除强碱外)，尺寸稳定性好，但质较脆，耐光性差，色泽深暗，加工性差，只能模压或浇铸制作一般机械零件，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、刹车片等环氧塑料（EP）由环氧树脂和固化剂，加或不加填料或加其他添加剂，在室温或加热条件下，进行浇铸或模压后，固化成型而得强度较高，韧性较好，电绝缘优良，防水、防潮、防霉、耐热、耐寒，可在-80~155℃长期使用，化学稳定性较好，固化成型后收缩率小，对许多材料的黏结力强，成型工艺简便，成本较低塑料模具、精密量具，机械仪表和电气结构零件，电气、电子元件及线圈的灌注、涂覆和包封，以及修复机件等常用热塑性塑料的名称、性能和用途第六节非金属材料种类组成性能应用常用热固性塑料有机硅塑料由有机硅树脂与石棉、云母或玻璃纤维等配制而成耐热性高，可在180~200℃下长期使用，电绝缘性优良，耐高压电弧，高频绝缘性好，防潮性好，有一定的耐化学腐蚀性，耐辐射，耐火焰，耐臭氧，也耐低温。但价格较高高频绝缘件，湿热带地区电机、电器绝缘件，电气、电子元件及线圈的灌注与固定，耐热件等聚对羟基苯甲酸酯塑料由对羟基苯甲酸酯在催化剂和氮气作用下经高温缩聚而成一种新型的耐热性热固性工程塑料，具有突出的耐热性，可在315℃下长期使用，短期使用温度范围为317~427℃，导热系数极高，是一般塑料的4~6倍，很好的耐磨性和自润滑性，优良的电绝缘性、耐溶剂性和自熄性耐磨、耐蚀及尺寸稳定的自润滑轴承，高压密封圈，汽车发动机零件，电子和电气元件，以及特殊用途的纤维和薄膜等常用热塑性塑料的名称、性能和用途第八章轮机工程材料第一节材料特性与参数第二节金属冶炼和金属加工基础第三节材料热处理第四节有色金属及其合金第五节船用材料的选用第六节非金属材料

第七节船舶重要零件和设备制造第八章轮机工程材料一、螺旋桨制作材料二、螺旋桨制作过程第七节船舶重要零