《工程材料与热成型》课件-8.选用常用非金属材料

选用橡胶材料橡胶是具有高弹性的高分子材料，在较小的载荷下就能产生很大的变形，当载荷去除后又能很快恢复原状，是常用的弹性材料、密封材料、传动材料、防震和减振材料。（1）按来源不同分类天然橡胶合成橡胶（2）按用途分类通用橡胶特种橡胶天然橡胶汽车轮胎一、橡胶的分类（1）生胶，是未加配合剂的天然或合成橡胶，是橡胶制品的主要组分。（2）配合剂，作用是提高橡胶制品的使用性能和工艺性能。硫化剂硫化促进剂增塑剂防老化剂填充剂（3）增强材料，其作用是提高橡胶的力学性能，如强度、硬度、耐磨性和刚性等

。增塑剂二、橡胶的组成（1）极好的弹性

橡胶的主要成分是具有高弹性高分子物质，在受到较小的外力作用就能产生很大的变形（变形量在100%~1000%），取消外力后又能恢复原状。（2）具有很高的可挠性、断后伸长率、良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性、隔音、吸振以及与其他物质易于粘结等优点。橡胶手套三、橡胶的性能在机械工业中，橡胶主要用于以下产品的制造：（1）轮胎、动静密封元件，如旋转轴密封、管道接口密封；（2）各种胶管，如用于输送水、油、气、酸、碱等的管路；（3）减振、防振件，如机座减振垫片、汽车底盘橡胶弹簧；（4）传动件，如三角胶带、传动滚子；（5）运输胶带；（6）电线、电缆和电工绝缘材料；（7）制动件等。四、常用橡胶及其应用通用橡胶价格较低，用量较大，其中丁苯橡胶是产量和用量最大的品种，占橡胶总产量的60%~70%，顺丁橡胶的发展最快；特种橡胶的价格较高，主要用于要求耐寒、耐热、耐腐蚀等场合。表常用橡胶的特性能及应用四、常用橡胶及其应用为保持橡胶的高弹性，延长其使用寿命，在橡胶的储存、使用和保管过程中要注意以下问题：（1）光、氧、热及重复的屈挠作用，都会损害橡胶的弹性，应注意防护；（2）橡胶中如含有少量变价金属（铜、铁、锰）的盐类，都会加速其老化，应根据需要选用合适的橡胶配方；（3）不使用时，尽可能使橡胶件处于松弛状态；（4）运输和储存过程中，避免日晒雨淋，保持干燥清洁，不要与酸、碱、汽油、有机溶剂等物质接触，远离热源；（5）橡胶件如断裂，可用室温硫化胶浆胶结。五、橡胶的维护保养陶瓷具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。选用陶瓷材料1.陶瓷的分类日用陶瓷电绝缘陶瓷

普通陶瓷采用天然的硅酸盐矿物原料（如长石、粘土和石英等）烧结而成，主要组成元素是硅、铝、氧，普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟。此类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。（1）普通陶瓷特种陶瓷

特种陶瓷采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成，一般具有某些特殊性能，以适应各种需要。根据其主要成分，分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。（2）特种陶瓷2.陶瓷的性能特点

与金属比较，陶瓷刚度大，硬度非常高，抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。（1）力学性能

陶瓷材料熔点高（大多在2000℃以上），在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。温度变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。（2）热性能

大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，因此大量用于制作各种电压（1kV~110kV）的绝缘器件。铁电陶瓷（钛酸钡BaTiO3）具有较高的介电常数，可用于制作电容器，铁电陶瓷在外电场的作用下，还能改变形状，将电能转换为机械能（具有压电材料的特性），可用于扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。少数陶瓷还具有半导体的特性，可作整流器。（3）电性能2.陶瓷的性能特点

陶瓷在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。

陶瓷还可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等，透明陶瓷可用于高压钠灯管。磁性陶瓷（铁氧体如铁酸锰（MgFe2O4）、铁酸锌（CuFe2O4）、四氧化三铁（Fe3O4）在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面有着广泛的应用。（4）化学性能（5）光学性能

质地坚硬，绝缘性、耐蚀性、工艺性都好，可耐1200℃高温，成本低廉。使用温度一般为–15～100℃，冷热骤变温差不大于50℃，抗拉强度低，脆性大。除用作日用陶瓷外，工业上主要用作绝缘的电瓷和对酸碱有耐蚀性的化学瓷，有时也可做承载较低的结构零件用瓷。（1）普通陶瓷3.常用陶瓷的种类及应用普通陶瓷

主要组成物为氧化铝（Al2O3），一般含量大于45%。氧化铝陶瓷具有各种优良的性能，耐高温，可在1600℃长期使用，耐腐蚀，高强度，强度为普通陶瓷的2~3倍，高者可达5~6倍。氧化铝陶瓷的缺点是脆性大，不能承受环境温度的突然变化。可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等，也可作刀具和模具。（2）氧化铝陶瓷

主要组成物是氮化硅（Si3N4），这是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷，线膨胀系数在各种陶瓷中最小，使用温度高达1400℃，具有极好的耐腐蚀性，除氢氟酸外，能耐其他各种酸的腐蚀，并能耐碱和各种金属的腐蚀，还具有优良的电绝缘性和耐辐射性。可用作高温轴承、在腐蚀介质中使用的密封环、热电偶套管，也可用作金属切削刀具。（3）氮化硅陶瓷氧化铝陶瓷氮化硅陶瓷碳化硅陶瓷立方碳化硼陶瓷

主要组成物是碳化硅（SiC），这是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷，在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗弯强度，是目前高温强度最高的陶瓷，碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度。是良好的高温结构材料，可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管等高温下工作的部件；利用其导热性可制作高温下的热交换器材料；利用其高硬度和耐磨性制作砂轮、磨料等。（4）碳化硅陶瓷功能陶瓷

是一种切削工具陶瓷，硬度高，仅次于金刚石，热稳定性和化学稳定性比金刚石好。可制成刀具、磨具、拉丝模等，用于淬火钢、耐磨铸铁、热喷涂材料和镍等难加工材料的切削加工。（5）立方氮化硼（CBN）陶瓷

功能陶瓷通常具有特殊的物理性能，常用功能陶瓷的特性及应用见表。（6）功能陶瓷表常用功能陶瓷的组成、特性及应用最有希望的成功者，并不是才干出众的人而是那些最善于利用每一时机去发掘开拓的人。—苏格拉底选用复合材料复合材料是由两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的材料经人工组合而成的合成材料。

（1）按基体类型分类金属基复合材料高分子基复合材料陶瓷基复合材料（2）按增强材料类型分类纤维增强复合材料粒子增强复合材料层叠复合材料（3）按复合材料用途分类结构复合材料功能复合材料合成皮革金属陶瓷刀片一、复合材料的分类复合材料是各项异性的非匀质材料，与传统材料相比，具有以下几种性能特点。（1）比强度与比模量高

比强度与比模量是指材料的强度、弹性模量与其相对密度之比。比强度越大，同样承载能力下零件自重越轻；比模量越大，零件刚性越好。复合材料的比强度和比模量比金属要高得多。表部分金属材料与复合材料的性能比较二、复合材料的性能特点（2）抗疲劳性能好纤维增强复合材料的基体中密布着大量细小纤维，当发生疲劳破坏时，裂纹的扩展要经历非常曲折和复杂路径，且纤维与基体间的界面处能有效的阻止疲劳裂纹的进一步扩展，因此其疲劳强度很高。如碳纤维增强塑料的疲劳强度为其抗拉强度的70%～80%，而金属材料一般只有40%～50%。（3）减震性能好机构的自振频率与材料比弹性模量的平方根成正比，由于复合材料的比模量大，自振频率很高，不易产生共振，同时纤维与基体的界面具有吸振能力，故减振性能好。纤维增强复合材料（4）优良的高温性能大多数增强纤维可提高耐高温性能，使材料在高温下仍保持相当的强度。例如，铝合金在400℃时强度已显著下降，若以碳纤维或硼纤维增强铝材，则能显著提高材料的高温性能，400℃时的强度与模量几乎与室温下一样。同样，用钨纤维增强钴、镍及其合金，可将这些材料的使用温度提高到1000℃以上。而石墨纤维复合材料的瞬时耐高温性可达2000℃。（5）工作安全性好复合材料每平方厘米截面上的独立纤维有几千甚至几万根，当构件过载并有少量纤维断裂后，会迅速进行应力重新分配，由未断裂的纤维来承载，使构件在短时间内不会失去承载能力，提高使用的安全性。碳纤维铝基复合材料选用复合材料复合材料是由两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的材料经人工组合而成的合成材料。复合材料是由两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的材料经人工组合而成的合成材料。复合材料通常具有多相结构，其中一类组成物（或相）为基体，起粘结作用，另一类组成物为增强相，起提高强度和韧性的作用。自然界中，许多物质都可称为复合材料，如树木是由纤维素和木质素复合而成，纤维素抗拉强度大，比较柔软，木质素则将众多纤维素粘结成刚性体；动物的骨骼是由硬而脆的无机磷酸盐和软而韧的蛋白质骨胶组成的复合材料。人们早就利用复合原理，在生产中创造了许多人工复合材料，如混凝土是由水泥、砂子、石头组成的复合材料；轮胎是纤维和橡胶的复合体等。复合材料既保持了各组分材料的性能特点，同时通过叠加效应，使各组分之间取长补短，相互协同，形成优于原材料的特性，取得多种优异性能，这是任何单一材料所无法比拟的。例如：玻璃和树脂的强度和韧性都很低，可是由它们组成的复合材料（玻璃钢）却具有很高的强度和韧性，而且重量轻。形状记忆是指某些材料在一定条件下，虽经变形仍然能够恢复到变形前原始形状的能力。最初具有形状记忆功能的材料是一些合金材料，如Ni-Ti合金。目前高分子形状记忆材料因为其优异的综合性能也已成为重要的研究与应用对象。形状记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。

1.形状记忆的概念形状记忆示意材料在高温下制成某种形状，在低温下将其任意变形，若将其加热到高温时，材料恢复高温下的形状，但重新冷却时材料不能恢复低温时的形状，这是单程记忆效应；

若低温下材料仍能恢复低温下的形状，就是双程记忆效应。分成两种情况目前形状记忆合金主要分为Ni-Ti系、Cu系和Fe系合金等。Ni-Ti系形状记忆合金是最具有实用化前景的形状记忆材料，其室温抗压强度可达1000MPa以上，密度较小为6.45g/cm3，疲劳强度高达480MPa，而且还具有很好的耐蚀性。近年来又发展了一系列改良的Ni-Ti合金，如在Ni-Ti合金中加入微量的Fe、Cr、Cu等元素，以进一步扩大Ni-Ti材料应用范围。2.形状记忆合金形状记忆合金高聚物材料的形状记忆机理与金属不同，目前开发的形状记忆高聚物具有两相结构，即固定成品形状的固定相和在某种温度下能可逆的发生软化和固化的可逆相。固化相的作用是记忆初始形态，第二次变形和固定是由可逆相来完成的。凡是有固定相和软化—固化可逆相的聚合物都可以做形状记忆高聚物。根据固定相的种类，其可分为热固性和热塑性两类，如聚乙烯类结晶性聚合物、苯乙烯—丁二烯共聚物。3.形状记忆高聚物形状记忆材料可用于各种管接头、电路的连接、自动控制的驱动器和热机能量转换材料等。大量使用形状记忆材料的是各种管接头。

由于在记忆温度以下马氏体非常软，接头内径很容易扩大，在此状态下，把管子插入接头内，加热后接头内径即可恢复原来的尺寸，完成管道的连接过程，因为形状恢复力很大，故连接很严密，很少有漏油、脱落等事故发生。如图为自动拉紧铆钉的应用实例。4.形状记忆合金的应用（1）工业领域自动拉紧铆钉的应用实例记忆合金在临床医疗领域内有着广泛的应用，例如人造骨骼、伤骨固定加