非金属材料与新型材料.ppt

1、赵健入侵，第四章非金属材料和新型材料，第4.1高分子材料、高分子化合物、有机高分子化合物、无机高分子化合物、有机高分子化合物分为天然和合成两种。 工序中使用的主要是人工合成的高分子聚合物，简称高分子化合物，4.1.1高分子化合物的人工合成，低分子化合物是由加成聚合反应和缩聚反应形成的。 没有低分子副产物的生成。 单体被称为单独加成聚合，例如将乙烯加成到聚乙烯上。 单体1种或2种以上称为共聚。 ABS工程塑料是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种单体共聚合成的。 2、缩聚反应：一种或多种单体相互作用形成高分子化合物，同时析出新的低分子副产物的反应。 其单体是含有两种以上活性官能团的低分子化合物。 根据参

2、加反应的单体的不同，缩聚反应分为平均缩聚和共缩聚两种。 酚醛树脂(电树)、聚酰胺(尼龙)、环氧树脂等是缩聚反应物。 4.1.2有机高分子材料的组成和性能特征，1，有机高分子材料的组成：基材：高分子化合物(树脂、生橡胶)，决定性能，辅助材料： (添加剂)填充剂、增塑剂、软化剂、固化剂、稳定剂、抗老化剂、润滑剂、发泡剂、着色剂等改善性能，补充性能，2， 有机高分子材料的性能特征：1 )比金属材料性能特征：a，比强度高：强度/密度b，高弹性模量c，高耐磨性和低硬度，2 )物理性能特征：a，电绝缘性优异：共价键、不易电离、导电能力低b，耐热性差：分子间力弱，热、力软化热传导性低：线膨胀系数为金属的34

3、倍，机械膨胀变形过剩，引起裂纹、脱落、松弛等3 )化学性能的特征：化学稳定性高，在碱、酸、盐中耐腐蚀性强，例如聚四氟乙烯在沸腾的王水中仍稳定，但4 )有机高分子化合物的老化：高分子化合物在长期使用和保管的过程中，由于外部的物理、化学和生物因素的影响(例如，热、光、辐射、氧和臭氧、酸碱、微生物的作用等)，高分子的内部结构发生变化，从而使高分子的性能随时间恶化，直到使用功能丧失为止橡胶：龟裂、变软、粘性塑料：脱色、失去光泽、防止裂纹的方法：表面保护、抗老化剂、4.1.3工程塑料，1、塑料组成：基材：合成树脂，对塑料性能起决定性作用，辅助材料： (此外，阻燃剂、发泡剂、着色剂、防静电剂等的改善性能，

4、补充性能，2，塑料的分类：1 )根据树脂的热性能不同，热塑性塑料和热固性塑料：(1)热塑性塑料：加热时软化，熔融，冷却时凝固，变硬，可以反复进行。 例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺(尼龙)、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、有机玻璃等。 (2)热固性塑料：密网型分子链结构。 酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂、有机硅树脂、不饱和聚酯树脂。 不能再生使用。 2 )根据应用范围不同，通用塑料、工程塑料和其他塑料(如耐热塑料):a，通用塑料：产量多，用途广，价格低。 聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂b、工程塑料：主要用于工程结构、机械零件、工业容器和设备的制造。聚酰胺(尼龙)、AB

5、S、聚甲醛、聚碳酸酯c、其他塑料：耐热塑料、工作温度100、聚四氟乙烯(F-4 )、聚偏氟乙烯、环氧树脂、有机硅树脂、4.1.4合成橡胶橡胶的特性和应用： a室温下高弹性b弹性模量低，只有1-10MPa C弹性变形量大： 100-1000% D是具有优异的伸缩性和积蓄能量能力e的耐磨损性、隔音性、衰减性和绝缘性f是密封、减振、防振材料、驱动器、运输带断开2、橡胶的组成：(1)生橡胶：未加入配合剂的天然或合成橡胶(2)配合剂：为提高和改善橡胶制品的各种性能而加入的称为配合剂。 硫化剂：相当于固化剂，硫和硫化物填料：提高力学性能，降低成本，主要有碳黑、纤维、金属丝、纺织品和金属编织物等硫化促进剂，

6、增塑剂、抗老化剂等。 3、常用橡胶：来源不同：天然橡胶NR和合成橡胶用途不同：通用橡胶和特殊橡胶属于通用橡胶，广泛用于轮胎、胶带、软管等的制造。 常数最大的是丁苯橡胶SBR，60-70%，发展最快的是丁二烯橡胶BR。 特殊橡胶主要用于要求耐热、耐寒、耐腐蚀性的特殊环境，价格高。 4.1.5粘合剂，粘合剂是将同种或异种材料粘合在一起，在粘合面具有足够强度的物质，起到粘合、固定、密封、浸渍、捕集和修复的作用。 1、粘合剂组成：(1)粘合剂：树脂、橡胶、淀粉、蛋白质等高分子材料； 无机粘合剂有硅酸盐系、磷酸盐系、陶瓷系(2)固化剂：胺、酸酐、咪唑。 (3)该性剂：增塑剂、强韧剂、增粘剂、填充剂、稀释

7、剂、稳定剂、分散剂、偶联剂、触变剂、阻燃剂、抗老化剂、发泡剂、消泡剂、着色剂、防腐蚀剂等，有利于粘接剂的调制、储藏、加工工艺及性能等的改善2、粘接剂结构胶：强度要求高(2)非(半)结构胶：强度要求低(3)密封剂：受到一定的压力，不泄漏(4)浸渍胶：填塞细孔砂眼，渗透性好(5)功能胶：导电、透磁、热传导、耐热、耐超低温变形和点焊粘合等特殊的硬化反应T13553-1996， A B C，被粘物的材质，粘接剂的硬化方法，粘接剂的物理形态，粘接剂的主要粘接剂，3，常用粘接剂： (1)结构粘接剂：该性环氧粘接剂、该性酚醛树脂粘接剂、无机粘接剂(2)非(半)结构粘接剂：聚氨酯粘接剂、丙烯酸粘接剂、硅酮粘接

8、剂、橡胶粘接剂、热熔粘接剂、厌氧粘接剂等(3)密封粘接剂：以合成树脂或橡胶为基材，防止漏出4.2陶瓷材料，4.2.1陶瓷分类，1、普通陶瓷是以天然硅酸盐矿物如粘土、长石、石英、高岭土等为原料烧结的。 有日用陶瓷器、卫生瓷器、建筑瓷器、电器、化学瓷器等。 使用纯度高的人工合成原料，例如氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、氟化物等制成的物质具有各种特殊的力学、物理、化学性能。 2、特殊陶瓷、工程结构中使用的陶瓷。 因为主要在高温下使用，所以也称为高温陶瓷。 高温下具有良好的力学、物理和化学性能，是部分科学技术和工作环境中常用的唯一可用材料。 有氧化铝、氮化硅、碳化硅、强化氧化物等材料。 3、工程陶瓷、

9、利用陶瓷特有的物理性能制造的不同用途的功能陶瓷材料。例如，利用导电性陶瓷、半导体陶瓷、压电陶瓷、绝缘性陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷和某些精密陶瓷的声音、光、电、热、磁、力、湿度、放射线和各种气氛等信息所表示的敏感特性而制造的各种陶瓷4、功能陶瓷，4.2.2陶瓷的性能特点，与金属材料相比，很多陶瓷的硬度高，弹性模量大，脆性大，几乎没有塑性，拉伸强度低，抗压强度高。 1、力学性能、熔点高，耐蠕变能力强，热固性可达1000。 但是，陶瓷的热膨胀系数和热传导系数小，耐温度急剧变化的能力差，温度急剧变化时会破裂。 2、热性能、3、化学性能、化学稳定性高，具有良好的抗氧化能力，在强腐蚀介质的高温共同作用下具有

10、良好的抗蚀性能。 4、其他物理性能，多为电绝缘体，功能陶瓷材料具有光、电、瓷、声等特殊性能。4.2.3常用工程结构陶瓷的种类、性能和用途、普通陶瓷、普通工业陶瓷、化学陶瓷、绝缘体、绝缘的机械支撑体、静电纺纱导轨、压力少、工作温度低的酸碱容器、反应塔、特殊陶瓷、 氮化硼瓷器、氧化镁瓷器、氧化铍瓷器、高温部件、坩埚、绝缘部件、高温轴承、高纯度铀、溶解钍及其合金的坩埚、高温绝缘电子部件、反应堆中子减速剂和反射材料、高频电炉坩埚、4.3复合材料、由两种以上不同性能的材料组成的工艺合成复合材料保持着构成材料的各种特性，具有复合后的新特性，其性能多超过构成材料的性能和和、平均构成材料的种类、性能、比率、形

11、态，复合方法不同，能得到不同的强化效果。 4.3.1复合材料的分类以高分子材料、陶瓷材料、金属材料为基体，以粒子、纤维和片状为增强体。 根据基材的不同，复合材料可以分为两种。 非金属类复合材料(塑料基、橡胶基、陶瓷基等)和金属类复合材料(铝基、铜基等)。 根据加强材料的不同，复合材料可以分为三种。 纤维强化橡胶(橡胶轮胎、传动带)、纤维强化塑料(玻璃钢等)。 粒子强化复合材料(金属陶瓷、烧结分散硬化合金等)层叠二重金属(巴氏合金-钢双金属滑动轴承材料)等复合材料。 4.3.2复合材料的性能特点，1、比弹性模量高、比强度大的比弹性模量为弹性模量与密度之比，比强度为拉伸强度与密度之比。 实质是单位

12、质量的变形阻力和装载能力，自重小、运转速度高的结构部件很重要。 由于纤维增强复合材料缺乏，对应力集中不敏感，纤维-基体界面能阻止疲劳裂纹的发展，使裂纹的发展方向转变。 实验测定显示，碳纤维复合材料的疲劳限度达到拉伸强度的70-80%，金属的疲劳限度只有拉伸强度的一半左右。 纤维增强复合材料有许多独立的纤维，平均每平方厘米的面积从几千到数万根，少数纤维被切断后，载荷被再分配给其他未切断的纤维，构件不会突然破坏。 2、良好的疲劳和破坏安全性，3、优异的高温性能，许多强化纤维在高温下也能维持高强度，用它来强化金属和树脂，高温性能会显着提高。 例如，铝合金在400下弹性模量大幅度降低，强度也显着降低，

13、但是用碳纤维增强的话，在该温度下弹性模量几乎保持一定。 4.3.3复合材料的应用，1、玻璃纤维-树脂复合材料、玻璃纤维和热塑性树脂复合的玻璃纤维增强材料具有比普通塑料更高的强度和冲击韧性。 由玻璃纤维和塑料基质组成的复合材料一般被称为玻璃钢。根据使用的基体，分为热固性玻璃钢(以环氧树脂、酚醛树脂等为基体)和热塑性玻璃钢(以尼龙、聚苯乙烯等为基体)两种。 强度高，接近或超过铜铝合金，但密度只有钢的1/4-1/5。 因此，其比强度比合金钢高。 另外，耐腐蚀性也良好。 2、碳纤维-树脂复合材料，碳纤维通常与环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等构成复合材料。 在保持玻璃钢多种性能的优点的基础上，还有几种优

14、异的性能。 其强度和弹性模量比铝合金高，接近高强度钢的密度比玻璃钢小，所以强度和比弹性模量在现在的复合材料中居第一位。 另外，还具有优异的耐磨损、减摩及自润滑、耐腐蚀性、耐热等优点。 在机械工业中，碳纤维复合材料可以用作载体部件和耐磨部件，例如齿轮、连杆、活塞、轴承等。 也可作为容器、管道、泵等耐腐蚀化学部件使用。 4.4其他新型材料、4.4.1高温材料、600甚至1000 以上满足工作要求的材料，能承受高应力和相应的寿命。 应用于锅炉、蒸汽发动机、石油化学工业用的各种高温物理化学反应装置、原子炉的热交换器、喷射涡轮发动机和宇宙零件。 高温合金主要有铁基高温合金、镍基高温合金和高温陶瓷材料等。

15、 新型高温合金主要有定向凝固高温合金、单晶高温合金、粉末冶金高温合金、快速凝固高温合金、金属间化合物高温合金和其他高熔点金属高温合金等。 4.4.2形状记忆材料，1963年，美国海军的一所研究所奉命开发新装备。 一次试验需要镍-钛合金丝，但一旦提取合金丝，这些镍钛合金丝就弯曲不容易使用。 于是他们把这些灯丝一根根地拉直，并用在实验上。 在实验过程中，当温度上升到一定值时，这些笔直拉伸的镍钛合金丝，突然恢复到原来的弯曲形状，而且一点也不差，出现了和原来的形状一样的奇怪现象。 形状记忆效果是指即使某合金材料在一定条件下变形，也能恢复到变形前的原始形状的能力。 目前发现的具有“记忆”能力的金属都是合

16、金，是用人工方法混合了几种不同金属的金属。 在这种金属中，金属原子以一定的形式排列。 而且，这些金属原子的特征是，受到一定的外力时，可以从自己的原来位置“搬家”，暂时“借”到相邻的其他地方。 这个过程，也就是金属制成的物体变形的过程。 然后，加热这个金属，就能得到一定的能量，所以这个金属的原子从“借”的地方住在“搬家”的原来的“家”里。 形状记忆合金的重要之处在于，它是没有疲劳的材料，这种“回忆”“变形”的能力可以在不引起疲劳破坏的情况下重复使用500万次，并且恢复到原来的状态几乎达到100%。 成功开发的形状记忆合金有Ti-Ni基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。 (1)单

17、程记忆效应形状记忆合金在低温下变形，加热后能恢复变形前的形状，只存在于该加热过程中的形状记忆现象叫做单程记忆效应。 (2)具有双重记忆效果的合金加热后能恢复高温相形状，冷却后能恢复低温相形状，称为双重记忆效果。 (3)全过程记忆效果加热时恢复高温相形状，冷却时以相同的形状形成反向的低温相形状称为全过程记忆效果。形状记忆合金被分为三种。 1 )阿波罗登月船给月球带来的环形天线，是非常薄的记忆合金材料，首先在通常情况下按计划制作，降低温度，使之成为一团，带到登月船上。 放置在月球表面后，太阳照射后温度上升，达到转变温度后，天线又“记住”了自己的真面目，形成了巨大的半球。 形状记忆合金的主要用途，2 )记忆合金用于配管耦合和自动控制，用记忆合金制成的套管代替焊接，低温时将管端内扩大约4%，组装时连接套管，加热时套管收缩恢复原形，形成紧密接合。 美国海军飞机的液压系统使用了10万个这个接头，多年来没有发生过漏油和破损。 船和海底油田的管道破损，用