1-7 常用非金属材料

第一章工程材料及热处理第七节常用非金属材料【学习目标】1．了解工程塑料和复合材料的特性、种类和应用。2．了解其他新型工程材料的应用。3．了解常用非金属材料的选用原则。一、工程塑料1.塑料及其特性塑料是以玻璃化温度或熔融温度的高聚物为基础成份，复配各种助剂，如抗氧剂、着色剂、增塑剂、有机或无机填料等等，可在一定温度流动并成形为各种形状制品的材料的总称。具有质轻、耐腐蚀性强、绝缘性好、可塑性好等特点，使其得到广泛应用，但塑料也有易老化、导热性差、高温或重复使用时可能释放有害物质等缺点。2.塑料的分类（1）按塑料的热性能分类根据树脂在加热和冷却时所表现出的性质不同，有：1）热塑性塑料。这类塑料在特定温度范围内，能反复加热软化和反复冷却成形，可反复采用模塑、挤塑等成型工艺将熔体加工为制品。2)热固性塑料。这类塑料加热时软化，可塑造成型，但固化后的塑料既不溶于溶剂，也不再受热软化，只能塑制一次。（2）按塑料制品的使用性能分类

根据塑料制品使用性能的不同，把塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三大类。1)通用塑料。指产量大、价格低、成形性好、强度低的一类塑料，多用于日常生活用品，有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯2)工程塑料。指具有良好的机械性能、耐热性能和耐腐蚀性能的塑料，能替代机械零件，ABS塑料、聚酰胺、聚碳酸脂3)特种塑料。指具有特殊性能或特殊用途的塑料，如用于密封圈、不粘锅涂层的聚四氟乙烯（PTFE）以及用于航空航天部件、骨科植入物聚醚醚酮（PEEK）等。（3）常用工程塑料常用塑料性能特点应用场合聚乙烯（PE）耐腐蚀性、电绝缘性好；高压聚乙烯柔软性、透明性好；低压聚乙烯质硬、耐磨高压聚乙烯用于制造食品包装袋、保鲜膜、塑料瓶、水桶等；低压聚乙烯用于制造塑料板、塑料绳、承载不高的机械零件聚氯乙烯（PVC）耐腐蚀性、电绝缘性好、阻燃性好、易加工、成本低；但耐热性差，低温易脆化，有一定毒性硬质PVC用于制造给排水管、门窗型材；软质PVC制成人造革、电线电缆绝缘层等常用塑料性能特点应用场合聚丙烯（PP）耐高温且无毒‌、轻质、易加工，耐腐蚀性、电绝缘性好。染色性和印刷性差，低温易脆化、易燃微波炉容器、外卖盒、洗衣机内筒、注射器、输液器、医用包装以及电缆绝缘层、插座外壳等聚苯乙烯（PS）透明性好、易加工‌、电绝缘性好以及良好的隔音、隔热和防震性能，但脆性大、耐热性差一次性餐具、透明盒、光学仪器灯罩、仪表盘等透明部件以及易碎品缓冲包装材料，墙体隔热、屋顶保温材料ABS塑料坚韧、质硬、刚性好，同时耐热、耐蚀、尺寸稳定性好，电绝缘性好，易加工成型，表面可镀铬、喷涂或印刷‌制造一般机械减磨、耐磨件，如齿轮、家用电器外壳、3D打印模型、键盘等绝缘部件‌聚酰胺（PA）又称尼龙，高强度、高韧性、耐磨损、耐热、耐油、耐碱。缺点：导热性差，不耐强酸‌，吸水后尺寸稳定性下降‌应用较广的工程塑料，常用于牙刷、拉链等日用品‌，‌齿轮、轴承、密封圈等耐磨部件‌；连接器、开关、线圈骨架等绝缘部件‌聚碳酸脂（PC）抗冲击性强（俗称“防弹胶”），透光率高，尺寸稳定性好，温度使用范围广，无毒性；但耐磨性差，耐碱性差

手机/电脑屏幕盖板、光学镜片、LED灯罩等高透光性场景‌；防弹玻璃、安全头盔面罩等耐冲击部件‌；注射器针筒、手术放大镜镜片等医疗器械复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的材料组合起来的一种多相固体材料。通常其中一种作为基体材料起黏接作用，另一些材料作为增强材料，以提高承载能力。

1.复合材料的分类

（1）按基体类型分。按基体类型可分为金属基复合材料和非金属基复合材料两类。

（2）按增强材料性质和形态分。按增强材料性质和形态可分纤维增强复合材料、颗粒复合材料、层状复合材料和填充骨架复合材料四种。二、复合材料（3）按材料的用途分。按材料的用途可分为结构复合材料和功能复合材料两类。前者因其具有优良的力学性能，用于工程结构材料以承受各种载荷；后者具有各种独特物理化学性质，如吸波、电磁、超导、屏蔽、光学、生物相容等各种功能。2.常用复合材料类别材料名称性能特点应用场合纤维增强树脂基复合材料玻璃纤维一树脂复合材料又称玻璃钢，轻质高强，强度接近钢材，但密度仅为钢材料的1/4～1/5；耐腐蚀性好，成本低，应用广广泛应用于航空航天、交通运输、化工环保等领域，如无人机机身、机翼，汽车车身、车厢内饰件、化工管道等碳纤维一树脂复合材料强度与刚度极高且重量极轻，抗拉强度是钢的7～9倍，密度仅为铝合金的1/2，价格较高主要用于运动器材、航空航天、高端交通等领域。如军用飞机机身、机翼、火箭整流罩、导弹弹体、发射筒，F1赛车车身等硼纤维一树脂复合材料极高的比钢度（刚度/重量比）和优异的耐热性能，密度高于碳纤维，价格高主要用于航空航天和军事工业，如飞机发动机舱耐高温部件、导弹弹体板等，由于价格较高逐渐被碳纤维取代碳化硅纤维一树脂复合材料极致的耐高温，可达1200°C和优异的抗腐蚀性，价格高主要用于对耐高温和抗腐蚀有严苛要求的高端领域，如航空发动机燃烧室外壳、涡轮叶片、核发应堆核心结构件、火箭发发动机喷管等有机纤维一树脂复合材料轻量化，密度低于无机纤维，高韧性且抗冲击性强，易加工，价格较低，缺点是耐高温性较差主要用于对韧性、减重且工作温度不高的场合，如防弹衣、防刺服、汽车安全汽囊、飞机机身、雷达天线罩、轻型舰船等。纤维增强陶瓷基复合材料‌轻量化、高强度与高韧性、耐高温性能好，可达1600°C，抗氧化与耐腐蚀性好主要应用于1000°C以上极端高温、强腐蚀的场合，如航天飞行器的防热部件、航空发动机‌燃烧室衬套、涡轮叶片等类别材料名称性能特点应用场合颗粒增强复合材料金属颗粒与塑料复合兼具塑料的易加工性、轻量化与金属的导电性、导热性、电磁屏蔽性主要用于“塑料基底+金属功能”的场景，如轴承、电子设备外壳、医疗设备屏蔽罩、防静电包装膜等陶瓷颗粒与金属复合兼具金属的高韧性、易加工性和陶瓷的高硬度、耐磨性、耐高温性主要用于“金属韧性基底+陶瓷耐磨功能”的场景，如高速切削刀具、轴承滚珠、精密模具型腔、航天器的高温零件等叠层、夹层复合材料叠层复合材料通过不同材料（金属、塑料、纤维）层间组合，实现比单一材料更高的多种性能协同用于需要多种功能协同的复杂场景，如飞行器蒙皮、宇航服隔热层等夹层复合材料由高强度表层和轻质芯材组成，具有极致轻量化和高比刚度，同时兼具隔热、隔音功能主要应用于“减重+结构强度”双重需求的场景，如机翼扰流板、‌卫星整流罩、高铁车厢地板等三、其它新型材料新型材料特性应用场合纳米材料纳米材料是指在三维空间中至少有一维尺寸处于‌1～100纳米（nm）‌范围内的材料，当结构单元尺寸小至纳米级时,其本身将具有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应,这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能，如高强度、高催化活性、独特光学性能等广泛应用于电子信息、能源、生物医药和环保等领域，如化妆品中的纳米级二氧化钛（用于防晒），电池中的纳米硅材料（提升储能容量），医疗领域的纳米药物载体（实现药物精准递送），环保领域中的石墨烯基吸附材料等超导材料在低温下电阻完全消失的材料，具有超导电性、完全抗磁性和磁通量子化等特性广泛应用于交通、电力传输、加速器、医学诊断设备、热核反应堆等领域，如磁悬浮列车软磁材料容易被磁化，也容易被退磁的一类磁性材料，具有高磁导率和低矫顽力用于电力设备、电子元件、通信和新能源领域，如变压器铁芯、发电机与发动机转子和定子铁芯、电感线圈磁芯、电磁继电器、传感器磁芯、射频变压器磁芯等形状记忆合金是一类在特定温度下能恢复其原始形状的特殊合金（智能金属），具有形状记忆和超弹性特点用于电子仪器仪表、航天航空、机械工业、医疗器件、交通运输、能源开发等领域，如血管支架、温控阀门、卫星天线、眼镜框架等四、常用非金属材料的选用选择原则：主要考虑材料的使用性能，兼顾加工工艺性和经济性。1）使用性能。如制造齿轮等机械零件应选用强度、硬度、韧性、耐磨性、耐疲劳性好的塑料；电气元件选用绝缘性好的塑料或陶瓷；散热件选用导热性好的陶瓷或复合材料；光学件选用透光性好的玻璃或透明塑料；密封件选用弹性好的橡胶；户外选用耐老化性好的塑料等。2）加工工艺性。材料需适配现有或可实现的加工工艺，避免“性能达标但无法加工”的问题。如需批量注塑成型，优先选用流动性好的热塑性塑料（如PP、ABS），而非难于注塑的热固性塑料或陶瓷。需复杂曲面加工，优先选用易切削的塑料，而非脆性大、难加工的陶瓷。3）经济性。非金属材料需综合考量全周期成本（材料价格、加工费用、材料的利用率、当地供货情况等）。如普通塑料价格低于特种工程塑料；易注塑的塑料价格低于难于成型的陶瓷；廉价材料若易损耗、需频繁更换，长期成本可能更高。除此以外，非金属材料选用还需符合使用场景的环保、安全及行业规范要求。如食品接触场景需选用符合FDA认证的塑料（如PP、PE），避免有毒添加剂；电子领域需符合ROHS指令，限制有害物质；电气元件选用阻燃级塑料；室内用品选用无异味的塑料医疗领域选用符合生物相容性的医用级塑料或陶瓷；航空航天领域选用耐高温