机械工程材料（第六版）课件 第八章 高分子材料、陶瓷材料与复合材料

高分子材料在工程中的典型应用(后期插图)图8-1了解高分子材料的定义、组成与工程特点掌握高分子材料的分类、命名与合成方式理解高聚物力学状态及其与温度的关系

熟悉塑料的组成、分类、性能与常见用途学习目标高分子材料具有质轻、易成形、绝缘耐蚀等特点，已成为机械工程材料体系中的重要组成部分。导入提示《材料科学基础》第8章高分子材料、陶瓷材料与复合材料

前十页：高分子材料

01第8章高分子材料、陶瓷材料与复合材料①

②

③

④⑤前十页：高分子材料高聚物

加聚

缩聚

玻璃态高弹态黏流态

树脂添加剂热塑性热固性知识关键词高分子材料概述本批内容导图分类与命名合成反应塑料基础力学状态高分子材料的典型制品与工程应用(后期插图)教学提示

高分子材料以结构可设计、性能可调和成形效率高而广泛应用于现代工程制造。《材料科学基础》

第8章高分子材料、陶瓷材料与复合材料

前十页：高分子材料

02高分子材料是以高分子化合物为主要组分，

并配以辅助材料制成的材料。高分子化合物又称高聚物，通常分子量很大，是构成塑料、橡胶、纤维、胶黏剂

和涂料等材料的基础。8.1高分子材料、

陶瓷材料与复合材料天然高分子：质轻、比强度较高松香、淀粉、天然橡胶等

绝缘与耐蚀性好2来源分类3工程特点02

高分子材料概述

定义

·来源

·组成

·工程特点阻尼减振、减摩性较好塑料、合成橡胶、合成纤维、前十页：高分子材料胶黏剂、涂料等

耐热性和刚度通常低于金属1

定

义人工合成高分子：图8-2成形加工方便

②

按反应类型

加聚物③

按热行为

热塑性高聚物

常用命名方法按商品名命名：如有机玻璃、尼龙等由单体命名：如乙烯聚合物称聚乙烯由缩聚单体简称命名：如酚醛树脂由共聚单体命名：如乙丙共聚物英文缩写命名：如PE、PP、PVC、PA缩聚物热固性高聚物课堂要点分类方法体现的是材料的不同认识维度，命名规则反映其组成来源与结构特征。高分子材料分类关系示意(后期插图)图8-3《材料科学基础》

第8章高分子材料、陶瓷材料与复合材料

前十页：

高分子材料

038.1高分子材料的分类与命名①

按用途

塑料橡胶纤维

胶黏剂

涂

料按用途

·

按反应类型

·

按热行为

高分子材料的分类矩阵加聚反应(加成聚合)由一种或几种单体相互加成生成高聚物

反应中通常不产生小分子副产物

高聚物链节结构与单体基本相同

典型产物：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯缩聚反应(缩合聚合)由一种或几种单体缩合生成高聚物反应中产生水、氨、醇等副产物

高聚物链节结构与单体不同

典型产物：尼龙、酚醛树脂、聚酯能识别常见高分子材料对应的合成反应类型理解两种反应在机理与产物结构上的差异掌握加聚反应与缩聚反应的定义与特点能够比较两类反应的条件、特点与应用学习目标n→

(一

一)n十

■-)nn→

(-

A-B-)。+(n-1)H2O(-

A-

B

①一)n+小分子副产物《材料科学基础》第8章高分子材料、陶瓷材料与复合材料前

十

页

：高分子材料

04加聚重在“加成连接”,缩聚重在“缩合成链”。导入提示

高分子化合物主要通过两类聚合方式获得：加聚反应与缩聚反应，它们决定了高分子结构与性能的根本差异。8.1高分子化合物的合成均加聚：一种单体共加聚：两种及以上单体均缩聚：一种单体缩聚共缩聚：两种及以上单体缩聚加聚反应、加成聚合缩聚反应、缩合聚合单体、链节、聚合度副产物加聚反应与缩聚反应图8-4

高分子合成反应示意图(后期插图)关键概念高聚物形变一温度关系曲线(后期插图)图8-5说明线型非晶态高聚物随温度升高，

一般依次经历玻璃态→高弹态→黏流态。玻璃化温度

Tg

黏流温度

Tf关键温度《材料科学基础》

第8章高分子材料、陶瓷材料与复合材料

前十页：高分子材料

058.1高聚物的力学状态链段可局部运动，变形大且可恢复，呈显著弹性橡胶态，具有高弹性和低模量链段运动自由，材料可流动，适于成形加工黏度随温度升高显著下降分子链段运动困难，材料硬而脆，弹性小形变小，不易回复温度变化对材料状态的影响

黏流态

玻璃态

高弹态线型非晶态高聚物的形变-温度曲线状态分子运动特征宏观性能工程意义玻璃态链段几乎冻结硬、脆、刚性大适合常温承载使用高弹态链段可运动，分子链卷曲伸缩弹性显著,形变大且可恢复橡胶弹性来源黏流态链段自由滑移可发生流动，形状易改变适于挤出、注射、模压等成形工程使用多关注材料在使用温度下所处状态，而加工成形则多利用其高温流动特征。教学结论图8-6状态转变示意(后期插图)《材料科学基础》

第8章

高分子材料、陶瓷材料与复合材料

前十页：

高分子材料

0606线型非晶态高聚物三态特征玻璃态

·

高弹态

·黏流态6类型结构特征状态与行为特征线型晶态/

半晶态高聚物线性或轻度支化链，无永久交联点；

可结晶或半结晶受热后先软化，熔融后才能流动；可反复加热成形；

多属热塑性体型高聚物(交联高聚物)三维网络结构，存在大量交联点；链段运动受限交维点限制链段运动；轻度交联橡胶可表现高

弹

性

；高度交联如酚醛树脂加热不熔融，只会变硬脆或分

解

；多属热固性线型与体型高聚物结构示意(后期插图)图8-7《材料科学基础》

第8章高分子材料、陶瓷材料与复合材料

前十页：高分子材料

078.1线型晶态与体型高聚物热固性塑料，高度交联：硬而脆

结构—性能一加工关联结构不同，状态演化不同

两类高聚物对比轻度交联：橡胶类，高弹性明显结构决定

性能与加工方式工程启示：树脂

(主要成

分)树脂的种类、性能和数量提高强度

、耐热性、耐磨性，并降低成本提高柔软性和可塑性，改善加工性发泡剂、阻燃剂、抗静电剂等提高耐光

、耐热、耐氧老化能力使热固性树脂形成体型结构改善流动性

，减少加工摩擦赋予颜色和识别性其他添加剂决定塑料的基本性能着色剂润滑剂增塑剂稳定剂固化剂填料《材料科学基础》

第8章

高分子材料、陶瓷材料与复合材料

08塑料的组成

08并非每种塑料都包含全部添加剂，而是按性能与用途选配。8.1塑料的组成树脂为主体，添加剂赋予性能塑料组成示意(后期插图)图8-8类别结构与受热特征性能特点典型材料热塑性塑料线型或支链型；受热软化、冷却硬化，可反复成形加工方便、可回收、韧性较好PE、PP、PVC、PA、ABS热固性塑料加热固化形成网状结构；固化后不再熔融耐热、尺寸稳定性较好，但较脆酚醛、环氧、不饱和聚酯热塑性与热固性塑料示意(后期插图)图8-9密度小耐腐蚀

绝缘性好

减振降噪

成形效率高塑料的主要优点第8章高分子材料、陶瓷材料与复合材料09

塑料的分类与主要性能

0909塑料的分类与主要性能热塑性·

热固性·

工程应用特征

热塑性与热固性塑料对比主要不足刚度与耐热性较低易老化存在蠕变与环境敏感性《材料科学基础》99材料主要特点典型用途PE(聚乙烯)质轻、耐蚀、绝缘性好薄膜、管材、容器PP(聚丙烯)密度小、耐热性较PE高家电外壳、化工容器、管件PVC(聚氯乙烯)耐腐蚀、阻燃性较好管材、电缆护套、板材PS(聚苯乙烯)透明、刚性好但较脆仪表壳体、包装制品PMMA(有机玻璃)透明性好、易加工灯罩、观察窗PA(尼龙)强度和耐磨性好齿轮、轴套、滑轮ABS综合性能好、成形性好家电外壳、仪器零件PF(酚醛塑料)耐热、绝缘、刚性高电器零件、手柄、结构件图8-10常用塑料制品实例(后期插图)《材料科学基础》

第8章高分子材料、陶瓷材料与复合材料

10常用塑料与工程应用

108.1常用塑料与工程应用典型品种

·

主要特点

·

用途举例理解选材时需考虑的环境、载荷与工艺因素培养工程实践中合理选材的能力塑料品种繁多、性能差异显著,合理选材是保障结构可靠、经济高效的重要前提。塑料品种众多，选材时应综合考虑使用环境、载荷条件、加工方法与成本。了解常用塑料的结构特点与性能差异掌握主要塑料的典型用途与适用场合本页内容导图学习目标材料

主要特点

典型用途热塑性塑料热固性塑料

力学性能耐热性耐腐蚀性①

②本页结论：成形性

绝缘性

阻燃性

成本导入提示知识关键词(满足多样化工程需求

，拓宽应用领域)(填充/增强

、

共混

、增韧与合金)(强度/刚度/韧性/耐热/稳定性)(性能提升与应用拓展)性能提升改性目的应用拓展改性方法《材料科学基础》

第8章高分子材料、陶瓷材料与复合材料

11

塑料的改性

11提高强度、刚度、韧性、耐热性、尺寸稳定性扩大塑料的应用范围，满足更高的工程要求改性目的耐热性、尺寸稳定性改善

耐化学腐蚀性和耐老化性提高加工性能优化图8

-

×占位：塑料改性示意/实例图11塑料的改性通过合理的改性设计，使塑料在性能与成本之间取得最佳平衡。提高性能·

扩大应用·

满足工程需求通过物理或化学作用，实现性能的优化与提升。在塑料中加入能够改善其原有性能的物质，作用：提高强度、刚度、耐热性、尺寸稳定性，降低成本

改性思路增韧剂：橡胶(如丁腈橡胶、EPDM)

、核壳粒子等粉粒状增强剂：碳酸钙、滑石粉、云母、玻璃微珠等塑料与塑料共混：如

ABS

=SAN+PB

、PC/ABS

等作用：兼顾多种性能，改善加工性与使用性能塑料合金：如

PC/ABS

、PC/PBT

、PA/ABS

等塑料与橡胶共混：如

PVC/EPDM、PP/EPR

等纤维增强：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等作用：提高冲击韧性，综合优化多项性能(后续自行替换)典型效果耐冲击性能显著提高增韧与塑料合金强度与刚度提升填充/增强改性逻辑流程图主要方法共混改性1111组成及作用生胶提供橡胶的基本高分子链骨架，决定橡胶的基本性能和骨架结构。硫化剂

在硫化过程中与生胶反应，形成交联结构，赋予橡胶弹性和强度。促

进

剂

加快硫化反应速度，降低硫化温度，提高硫化效率和均匀性。填料增强、补强橡胶，提高耐磨性、硬度和尺寸稳定性，降低成本。软化剂

降低生胶的玻璃化温度，改善加工性能，提高低温柔顺性。防老剂

抑制氧化、臭氧、热、光等老化因素，延缓性能衰退，延长寿命。着

色

剂

赋予橡胶所需颜色，提高美观性，并与其它配合剂良好分散。年

骨架

材

料如炭黑、纤维、织物等，提高强度、模量和尺寸稳定性。主要性能弹性大在较大形变下能迅速恢复原状。最大伸长率高可承受较大的延伸而不断裂。吸振能力强能有效衰减振动与冲击能量。电绝缘性与耐蚀性较好适用于电气绝缘和化学腐蚀环境。摩擦因数较大与多种材料配对时易产生较大摩擦。导热性差热传导能力低，易产生热积聚。易老化受热、氧、臭氧、光等作用易性能下降。占位：橡胶组成或应力-应变示意图(后续自行替换)图8-×教学总结橡胶的核心特征是高弹性，其性能与配方和硫化条件密切相关。《材料科学基础》

第8章

高分子材料、陶瓷材料与复合材料12

橡胶的组成与性能

12)定义

橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合剂制成的高分子材料。12橡胶的组成与性能组成要素与主要性能概述②1212橡胶种类主要性能特点耐温范围(℃)耐油性耐磨性耐

候

性/耐老化典型用途举例天然橡胶

(NR)·

弹性好、拉伸强度高·

综合性能较好·

耐磨性、撕裂强度好-50～+70★☆☆★★★★★轮胎、减振件、

胶带、缓冲垫等丁苯橡胶

(SBR)·

耐磨性好·

耐热性较好·

成本低、加工性好-50～+100★☆☆★★★★★轮胎胎面、胶带、输送带、鞋底等丁腈橡胶

(NBR)·

耐油性好·

耐磨、耐热性良好·

气密性较好-30～+120★★★★★★★密封圈、油管、

油

封

、

垫

片

等氯丁橡胶

(CR)·

耐候性、耐老化好·

耐油、耐化学介质·

阻燃、耐臭氧-40～+120★★★★★★★胶管、胶带、

电缆护套、

防水制品等硅橡胶

(Q)·

耐高低温性能优异·绝缘性好、化学稳定性好·

弹性随温度变化小-60～+200★★★☆☆★★★耐热密封件、

绝缘件、

医疗与食品级制品等氟橡胶

(FKM)·

耐高温、耐油·

耐化学介质性能优异·

耐老化、阻燃性好-20～+250★★★★★★★★高要求密封件、

化工设备密封、

航空航天密封等图8-×占位：

常用橡胶制品实例

(后续自行替换)户外使用/耐候性要求

→

选氯丁橡胶、氟橡胶耐磨/减振要求

→

选天然橡胶、丁苯橡胶

高要求密封/化学介质

→

选氟橡胶温度要求

一

般

→

选天然橡胶、丁苯橡胶接触油/燃油/润滑油

→

选丁腈橡胶、

氟橡胶、氯丁橡胶温度、介质、耐磨和密封要求。不同橡胶的选择主要取决于：温度要求高

→

选硅橡胶、氟橡胶选材提示8.1常用橡胶的种类、

性能与用途《机械工程材料(第2版)》

第8章

高分子材料、陶瓷材料与复合材料

13常用橡胶的种类、性能与用途

常用橡胶性能与用途对比主要性能对比与典型应用说明：

★★★优异

★★良好★一般

☆☆较差☆☆☆不适用/很差13定义：胶黏剂是能将两种相同或不同材料连接在一起的材料。概念解释耐热性较差易老化表面处理要求较高局限讲课提示

胶接不仅是连接方法，也是材料界面工程的重要内容。《材料科学基础》

第8章

高分子材料、陶瓷材料与复合材料

14胶黏剂概述图8-

×占位：

胶接接头或胶接应用示意图概念解释+优缺点对比+应用场景8.1胶黏剂概述连接

密封

围定

浸渗

灌封

防护优点应用场景胶接可代替铆接、焊接、螺纹连接等传统连接方法。密封性好质量轻

工艺简单适用面广14(后续自行替换)接头应力分布均匀优缺点对比常见胶黏剂代号对照表(示例)黏料类型常见代号(示例)说明与特性关键词环氧类EP综合性能优异、耐化学、黏接强度高酚醛类PF耐热、耐介质、尺寸稳定聚氨酯类PU韧性好，耐冲击、耐疲劳丙烯酸类AC/PMMA常温固化、透明度高、耐候性一般有机硅类SI耐高低温、耐候、柔韧性好氰基丙烯酸酯CA快固化、对极性材料效果好厌氧胶AN金属密封、螺纹锁固、耐油环氧改性EP-M改性增强、韧性提升其他特种胶按具体产品或标准体系确定《材料科学基础》

第8章

高分子材料、陶瓷材料与复合材料

15

胶黏剂的分类与代号

1515胶黏剂的分类与代号按黏料类型、用途与代号体系认识胶黏剂代号多取材名首字母或常用英文缩写，如

EP(

环

氧

)

、PF(酚醛)、PU

(聚氨酯)、SI

(有机硅)等。不同标准或产品体系的代号可能不同，实际代号可依据标准或产品体系表示。不承受或仅传递少量载荷，重在黏接或固定填充缝隙、防渗漏、隔绝介质分类是胶黏剂选用的基础，选材时需同时考虑黏料类型与使用工况。图8-×占位：胶黏剂分类示意图(后续自行替换)常温固化(

如双组分室温固化胶)加热固化(需加热促进固化)选材时应结合使用工况、被黏材料、固化条件与性能要求综合确定。橡胶类

以天然/合成橡胶为基，弹性好，剥离强度高酚醛类

耐热性好、尺寸稳定，耐介质性较好无机类

以硅酸盐、磷酸盐、金属氧化物等为主环氧类

环氧树脂为主，力学性能与耐化学性优异聚氨酯类

韧性好，适应形变与剥离，耐冲击其他特种胶

如丙烯酸类、氤基丙烯酸酯、厌氧胶等非结构胶

→密封胶胶黏剂分类体系(树状图)导电/导热胶特种功能胶如耐高温胶、耐辐照胶、光固化胶等胶黏剂

(按主要属性)厌氧固化(隔绝氧气条件下固化)光固化(紫外/可见光诱导固化)用于电子、电器的导电或导热连接代号说

明承受结构载荷，承载能力要求高按主要黏料分类按固化方式分类(使用功能)(化学组成)(补充维度)按用途分类结构胶15类型主要特点适用材料典型用途环氧和改性环氧胶

黏

剂强度高固化收缩小粘接范围广金属、陶瓷、玻璃、

木材、混凝土、工程

塑料(PA、PC、ABS、

环氧基复材等)结构粘接、金属件粘接修复、

复合材料层压、电子元件灌封、耐腐蚀设备粘接酚醛②胶黏剂耐热耐

油耐老化金属、木材、层压板、摩擦材料等高温结构件粘接、制动/离合器摩擦材料粘接、耐油部件、

电机与电器绝缘粘接③

无机胶黏剂耐高温耐化学介质

较脆(抗冲击差)金属、陶瓷、玻璃、

石材、耐火材料等高温炉衬粘接、陶瓷/金属

连接、玻璃与金属封接、

耐酸碱设备粘接聚氨酯胶黏剂耐低温耐振动耐疲劳金属、工程塑料、橡胶、木材、复合材料等车辆与轨道交通内饰粘接、

柔性连接、减振降噪结构粘接、低温工况组件装配厌

氧

胶/密封胶/热

熔

胶厌氧胶：用于紧固、防松、防渗漏密封胶：柔性密封、耐介质热熔胶：快速固化、装配效率高金属螺纹件(厌氧胶)金属、玻璃、塑料、

陶瓷(密封胶);纸张、塑料、木材、纺织品、电子元件(热熔胶)厌氧胶：螺纹锁固、轴承定位、法兰密封密封胶：管路/箱体密封、防水防尘、粘接密封热熔胶：包装封箱、电子固定、快速装配与临时固定常用胶黏剂应用实例(后续自行替换)图8-×

占位：无意表黏剂理高温耐介质，但脆性大，宜用于特定工况。聚氨酯胶黏剂柔韧耐疲劳，适用于动态与低温环境。厌氧/密封/热熔胶各有专长，满足紧固、密封与快速装配需求。酚醛类耐热耐油耐老化，适合高温与摩擦材料。环氧类通用性强、强度高，应用最广。小结《材料科学基础》

第8章

高分子材料、陶瓷材料与复合材料

16

常用胶黏剂

16根据使用环境(温度、介质、振动)与基材类型选择胶黏剂。关注固化条件、操作性、固化收缩与长期耐久性。类型特点、适用材料与典型用途对比8.1常用胶黏剂注意表面处理、配比、固化制度与安全环保要求。

讲解要点常用材料-可选胶黏剂类型推荐对照表(★常用★★优选)基材类别可选胶黏剂类型(举例)环氯树脂聚氨脂(PU)酚醛树脂氟基丙烯酸酯(CA)硅胶/硅橡胶密封胶无机胶(硅酸盐/磷酸盐)其他金属(钢/铝/

铜/不锈钢)★★★★(密封)★(耐高温/耐化学)丙烯酸结构胶、

改性硅婉胶等橡胶(NR/SBR/EPDM等)(

配合底涂)★(耐热)(表面活化)氯丁胶、压敏胶、

热熔胶等热

塑

性

塑

料(PE/PP/PVC/ABSPC/PA等)(部分可)(表面处理后)丙烯酸、改性硅蛇

热爆胶(部分)热

固

性

塑

料(PFUF/环阻/不隐和聚篮等)不饱和聚酯胶、

BS(结构胶)等玻璃/陶瓷(常用)(低帖结)★★(密封优)★★(耐温/耐老化)UV胶(与玻璃配合定位)、磷酸盐股等木材★★(耐水)(耐热耐水)★(密封)白乳胶(PVA)、

热熔胶等图8-

×占位：材料胶接选型示意图(后续自行替换)选型决策流程明确连接需求(结构/密封/固定/导热等)确定服役条件(受力/温度/介质环填》材料与表面评估(基材组合、表面状态)初选胶黏剂类型(按右表对照筛选)工艺匹配与评估(固化方式/节拍/设备/成本)不满足

验证与试验(强度/耐久/环境/老化)满足确定胶黏剂并固化工艺课堂结论对的胶+对的材料+对的工艺没有万能胶黏剂，选型必须与材料、环境和工艺匹配。《材料科学基础》第8章

高分子材料、陶瓷材料与复合材料|

17

常用材料适用的胶黏剂选择

17被连接材料种类金属/塑料/橡胶/陶瓷/玻璃/木材等

相容性与界面特性受力情况静载/动载、拉伸/剪切/剥离/冲击

应力集中与疲劳要求工作温度长期使用温度与短时峰值温度

玻璃化温度

Tg

与耐热等级介质环境水/油/溶剂/橡碱/盐雾/紫外等

腐蚀、老化与渗透影响17常用材料适用的胶黏剂选择表面状态清洁度、粗糙度、表面能，有无污染

是否需要底涂/表面处理固化工艺与成本室温/加热/UV/潮湿固化可行性

节拍、设备、环保与综合成本先小样验证粘接强度与耐久性，再批量应用；

不同基材组合注意界面相容性与热膨胀差异；

注意胶层厚度控制与施工一致性；环保与安全：关注

VOC

、气味、可燃性与防护。应用导向：材料一环境一工艺协同选型注：★常用，★★优选；“一”不推荐或需特殊处理。具体产品需参考性能数据表并进行试验验证。选用原则(六要素)选型注意事项=可靠、耐久、经济的胶接连接分类陶瓷材料特种陶瓷具有特殊性能，用于特定功能或极

端

环

境功能陶瓷具有电、磁、光、热等

特殊功能，如压电陶瓷、介电陶瓷、磁性陶瓷等《材料科学基础》

第8章高分子材料、陶瓷材料与复合材料

18

陶瓷材料概述与分类

18高分子材料在柔韧度与轻量化方面势等明点，而陶瓷材料则在高温、耐磨、化学稳定等方面表现突出。本节将介绍陶瓷材料的基本概念与分类，为后续章节的性能与J应用学习奠定基础。课堂提示

陶瓷材料兼具高硬度、耐高温、耐腐蚀等优点，但脆性较大，设计与使用时需注意避免冲击与弯曲载荷。图8-

×占位：陶瓷材料分类或结构示意图(后续自行替换)8.2陶瓷材料概述与分类从高分子材料到陶瓷材料的过渡陶瓷材料是以无机非金属材料为主，经成形和高温烧结而成的一类材料。硼化物等为主要组分，如

Si3N4

、SiC

等过渡提示如

Al2O3

、ZrO2

、SiO2

等以氧化物为主要组分，非氧化物陶瓷氧化物陶瓷以氧化物、碳化物、主要用于结构用途以传统工艺制备，普通陶瓷概述

与金属/高分子材料对比性能/材料类型陶瓷材料金属材料高分子材料硬度与耐磨性很高中等较低耐高温性能很好(>1000℃常见较好(>300~600℃)较差(一般<150℃)耐腐蚀性能很好一般(易腐蚀)一般~较好(视材料)电绝缘性很好一般(导电)很好韧性/抗冲击性差(脆性大)好(韧性好)中等~好(韧性较好)加工性差(难加工)好(易加工)好(易成型)密度一般(中等)较高低图8-

×

占位：

陶瓷材料性能示意图

(后续自行替换)

教学分析(工程应用启示)陶瓷材料在高温、耐磨、耐腐蚀场合优势明显，但设计时必须考虑胜失效。《材料科学基础》第8章高分子材料、陶瓷材料与复合材料19陶瓷材料的性能特点19陶瓷材料的性能特点应避免用于承受冲击、振动或复杂应力集中的场合；

结构设计中需关注缺陷控制、应力分布与热冲击防护；通过材料改性、复合化、表面强化等手段提升可靠性。优点·

不足·对比分析·

工程应用启示裂纹/缺陷易扩展，存在突发性脆性断裂风险；对冲击、热冲击、装配偏差敏感；优点(突出特性)热稳定性较好高温下化学稳定，蠕变小，尺寸稳定加工较困难硬度高、脆性大，加工效率低、成本高适用于高温、耐磨、耐蚀及电绝缘要求高的部件；硬度高

硬度高，耐磨损，表面不易划伤耐腐蚀

对酸、碱及大多数化学介质稳定耐高温

熔点高，常温至高温下性能稳定连接、装配与密封需采用专用工艺与结构方案。抗热震能力有限热膨胀系数小，耐急冷急热能力弱耐磨性好

抗磨粒磨损能力强，寿命长19风险提示(设计注意)绝缘性好

电阻率高，介电损耗小抗冲击性能差

对冲击、跌落、振动敏感脆性大

断裂前几乎无塑性变形不足(主要局限)类型主要性能特点典型用途(举例)普通陶瓷硬度高、耐磨性好耐高温、化学稳定性好脆性大、韧性较低绝缘性好、抗压强度高砖瓦、坩埚、瓷砖、绝缘子、耐火衬里、管道、阀门衬里等Al2O3氧化铝陶瓷硬度高、耐磨、耐腐蚀绝缘性好、介电性能优良高温强度较好、成本适中密封环、轴承球、导纱零件、阀座阀芯、耐磨衬板、电子基板等Si3N4氮化硅陶瓷耐磨、自润滑(摩擦系数低)高温强度高、抗热震性好韧性较高、抗弯强度高化学稳定性好机械密封件、轴承球和滚子、刀具、

发动机部件、涡轮转子、冷却风扇等SiC碳化硅陶瓷高温强度高、抗氧化性好导热性好、热膨胀系数小硬度高、耐磨、抗热震性好耐酸碱腐蚀高温炉管、窑具、喷嘴、热交换器、

密封圈、机械密封件、半导体设备部件等BN氮化硼陶瓷耐热性好(可在惰性气氛高温使用)绝缘性好、介电损耗低化学稳定性好(不润湿多数熔融金属)部分形式可加工性好坩埚、加热器绝缘件、热屏蔽件、

高温润滑剂基体、热压烧结模具、

电子封装基板等图8-

×占位：工程陶瓷零件实例

(后续自行替换)选用要点耐磨要求高耐磨选

Si3N4、SiC,

普通场合选Al2O3《材料科学基础》

第8章高分子材料、陶瓷材料与复合材料

20

常用工程陶瓷及应用

208.2常用工程陶瓷及应用性能特点对比与工程应用高温工况优先选用Si3N4

、SiC、BNAl2O3、Si3N4、SiC、BN强酸碱/腐蚀介质选工作温度成本因素介质环境平衡选择最优方案综合性能与成本，分类关键词普通陶瓷原料为天然硅酸盐矿物特种陶瓷原料纯度高，多为氧化物、碳化物、氮化物工业陶瓷面向工程结构与功能应用日用陶瓷面向生活与民用制品图8-22陶瓷制备工艺流程图(后续插图)图8-21陶瓷材料分类示意图(后续插图)课堂提示陶瓷材料的核心特征：高硬度、耐高温、耐腐蚀，但脆性大、韧性低。8.2陶瓷材料概述与分类学习目标

①

理解陶瓷材料的定义与制备特点掌握普通陶瓷与特种陶瓷的分类了解工业陶瓷与日用陶瓷的基本区别原料配制

成形

干燥

烧结后处理

二、基本制备流程陶瓷材料是经原料配制、坯料成形和高温烧结制成的无机非金属材料。按原料分为：普通陶瓷(传统陶瓷)和特种陶瓷(现代陶瓷)

三、分类方法

一

、定义按用途分为：工业陶瓷和日用陶瓷21陶瓷典型应用场景图(后续插图)图8-24陶瓷性能雷达示意图(后续插图)图8-23性能对比陶瓷淬火钢高分子材料硬度(相对)很高高低高温耐受性很高中等低脆性(相对)很大中等很小课堂提示

陶瓷的优势集中在硬、耐热、耐蚀；主要短板是脆性和低韧性。热学与化学性能：熔点高、热硬性高、抗高温蠕变强、热膨胀系数小、热容小、热导率低、高温抗氧化、耐酸碱盐腐蚀、不可燃烧、不老化。22陶瓷材料的性能特点③

电

性

能

：电阻率大、介电常数和介电损耗小、多数陶瓷绝缘性好。力学性能：

高硬度、耐磨性好、室温几乎无塑性、韧性低、脆性大、抗压强度高而抗拉较低、弹性模量大。工

程

启

示：适合耐磨、耐高温、绝缘、耐腐蚀场景，但要注意脆性。学习目标

①

理解陶瓷的力学性能特点

②第8部分|高分子材料、陶瓷材料与复合材料理解电性能与工程意义掌握其热学与化学性能22②①类型主要特点典型用途结构陶瓷高硬度、高强度、耐高温、

耐磨、耐蚀、化学稳定性好轴承、球阀、刀具、模具、密封件、耐磨衬板等功能陶瓷具有电、磁、声、光、热等物理化学效应电子元器件、传感器、压电器件、绝缘器件、磁性材料、催化剂等生物陶瓷生物相容性好、无毒、耐腐蚀、与骨组织可结合牙齿修复、骨骼替代、人工骨、人工关节、骨固定器件等工业陶瓷可按用途分为结构陶瓷、功能陶瓷和生物陶瓷。8.2常用工业陶瓷概览结构陶瓷：用于轴承、球阀、刀具、模具等耐高温、耐磨、耐蚀结构件。功

能

陶

瓷

：利用电、磁、声、光、热等效应实现特定功能。生物陶瓷：用于牙齿、骨骼修复、人造骨、人造关节。②理解结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷

掌握典型用途学习目标①

认识工业陶瓷分类23氧化铝陶瓷显微/外观图氧化铝陶瓷应用实例(后续插图)(后续插图)图8-27图8-28关键词8.2氧化铝陶瓷高温容器、坩埚、火花塞、切削高硬度材料刀具、拉丝模、密封环、高温轴承、高速导纱零件含量高的氧化铝陶瓷可长期在约1600℃使用，空气中最高使用温度可达约1800℃强度比普通陶瓷高2~6倍硬度高，仅次于金刚石

耐酸碱和化学腐蚀学习目标

了解氧化铝陶瓷的主要性能

掌握典型应用一、主要成分与特征二、使用温度与局限高温不氧化绝缘性好但脆性大，不能承受冲击脆性大耐腐蚀高硬度绝缘耐高温三、典型用途24理解其优势与局限主要成分Al2O3高温蠕变小类型主要性能典型用途特点提示Si3N4氮化硅陶瓷化学稳定性好，耐无机酸和

碱液腐蚀，硬度高、耐磨、

自润滑、电绝缘。用于高温轴承、热电偶套管、

密封件、切削刀具。耐腐蚀、耐磨损，电绝缘性能

优良，适合结构与密封等应用。SiC碳化硅陶瓷高温强度大，热传导能力强，

热稳定、耐磨、耐蚀、抗蠕变。用于热电偶套管、炉管、火箭喷嘴、浇口、高温轴承、密封圈。导热性好、耐高温、耐磨耐蚀，

适合高温结构与传热部件。h-BN氮化硼陶瓷六方氮化硼绝缘性和化学稳定

性优良、耐热、自润滑。可用于高温容器、坩埚、散热

绝缘件、模具、轴承；高硬度

氮化硼可用于切削刀具。绝缘性好、耐热、自润滑，

高硬度牌号可用于刀具加工。图8-29

特种陶瓷典型部件(后续插图)高温耐磨看碳化硅，耐蚀绝缘看氮化硅，绝缘自润滑及刀具可考虑氮化硼。选材提示8.2氮化硅、碳化硅与氮化硼陶瓷对比学习目标

①

掌握三种特种陶瓷的主要性能

能够比较其典型用途

理解选材思路25课堂小结

现代陶瓷正在由单一绝缘/耐磨材料，发展为结构一功能一体化先进材料。268.2新型陶瓷与性能调控有些陶瓷可进行复合强化，制成陶瓷基纤维复合材料，用于军工和尖端工业。控制烧结时透光性和透气性，可制成光敏材料、光学纤维、透光材料、多孔过滤材料。加入导电物质可改变导电性，使陶瓷可用作绝缘材料、半导体、压电材料、磁性材料；学习目标①

认识通过配料与工艺调控陶瓷性能的方法

一、性能调控思路

二、典型发展方向调整配料和生产工艺可以改变陶瓷性能。三、复合强化

第8部分|高分子材料、陶瓷材料与复合材料如钢筋混凝土：混凝土抗压高，钢筋抗拉好，复合后实现性能互补。案例提示基体相与增强相关系图(后续插图)图8-33图8-32

复合材料分类示意图(后续插图)27复合材料概述与分类由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质复合而成的多相固体材料。学习目标颗粒增强复合材料层叠复合材料按性能分为结构复合材料、功能复合材料、智能复合材料。按增强相形态分为颗粒增强、层叠复合、纤维增强；

掌握基体相与增强相的概念按基体分为高分子基、陶瓷基、金属基复合材料；增强相用于改善性能、承受应力或显示功能。基体相是连续相，起固结和传递应力作用；①

理解复合材料的定义

掌握常见分类方法27按增强相形态分类二、基本组成三、分类方法高分子基复合材料纤维增强复合材料一

、定义按基体分类金属基复合材料陶瓷基复合材料复合材料按性能分类功能复合材料智能复合材料结构复合材料典型材料比性能比较(定性/半定量)材料密度(相对水平)比强度

(相对水平)比

模

量

(相对水平)钢高中中硬铝中中中钛合金中