常用非金属材料的使用

1、1,本章主要知识：,第十章 常用非金属材料,复合材料,陶瓷材料,高分子材料,2,10.1 高分子材料,高分子材料按性能和用途分为：,塑料：在常温下有一定形状，强度较高，受力后能发生一定变形的聚合物。按塑料热性能又分为热塑性和热固性塑料。,橡胶：在常温下具有很高弹性，即受到很小载荷即可发生很大变形甚至达原长的十余倍，而去除外力后又可恢复原状的聚合物。,纤维：在室温下材料的轴向强度很大，受力后变形很小，且在一定温度范围内力学性能变化不大的聚合物。,3,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，有时同一种高分子化合物可用不同的方法加工成不同种类的产品。如典型的聚氯乙烯塑料也可抽丝成为纤

2、维（氯纶）。我们还常常将聚合后未加工成型的聚合物为树脂，以区分加工后的塑料或纤维制品，如电木未固化前称为酚醛树脂，涤纶纤维未抽丝前称为涤纶树脂。,除上述三类外，胶粘剂、涂料等都是以树脂形式不加工而直接使用的高分子化合物。,4,一、塑料,塑料按应用范围分为三类：,1.通用塑料,主要用于日常生活用品的塑料。其产量大，成本低，用途广，占塑料总产量的3/4以上。大部分原料来源于石油天然气，原料丰富。,(1) 聚乙烯（PE）：,聚乙烯产品相对密度小（0.910.97），耐低温、耐蚀、电绝缘性好。高压聚乙烯质软，主要用于制造薄膜；低压聚乙烯质硬，可用于制造一些零件。聚乙烯产品缺点是：强度、刚度、硬度低；蠕

3、变大，耐热性差，且容易老化。,5,(2) 聚氯乙烯（PVC）：,是最早使用的塑料产品之一，应用十分广泛。PVC使用温度一般在(1555) 。可将其制成硬质品（板、管）和软质品（薄膜、日用品）其突出的优点是耐化学腐蚀，不燃烧且成本低，易于加工；但其耐热性差，抗冲击强度低，还有一定的毒性。当然若用共聚和混合法改进，也可制成用于食品和药品包装的无毒聚氯乙烯产品。,该类塑料的产量仅次于PE和PVC。PS具有良好的加工性能；其薄膜有优良的电绝缘性，常用于电器零件；其发泡材料相对密度低达0.33，是良好的隔音、隔热和防震材料，广泛用于仪器包装和隔热。其中还可加入各种颜色的填料制成色彩鲜艳的制品，用于制造玩

4、具及日常用品。聚苯乙烯的最大缺点是脆性大、耐热性差。,(3) 聚苯乙烯（PS）：,6,(4) 聚丙烯（PP）：,聚丙烯相对密度小（0.90.91），是塑料中最轻的。其力学性能如强度、刚度、硬度、弹性模量等都优于低压聚乙烯（PE）；具有好的综合机械性能，故常用来制各种机械零件、化工管道、容器；其无毒及可消毒性，可用于药品的包装。它具有优良的耐热性，在无外力作用时，加热至150不变形，因此它是常用塑料中唯一能经受高温消毒的产品；还有优秀的电绝缘性。其主要的缺点是：粘合性、染色性和印刷性差；低温易脆化、易燃，且在光热作用下易变质。,(5) 酚醛塑料：,(6) 氨基塑料：,7,2. 工程塑料,可用作工

5、程结构或机械零件的一类塑料，它们一般有较好的、稳定的机械性能，耐热耐蚀性较好，且尺寸稳定性好。如ABS、尼龙、聚甲醛等。是目前大力发展的塑料品种。,(1)聚酰胺(PA)：,聚酰胺的商品名称是尼龙或绵纶，是目前机械工业中应用比较广泛的一种工程热塑性塑料。,聚酰胺的机械强度高，耐磨，自润滑性好，而且耐油耐蚀消音减震，已大量用于制造小型零件，代替有色金属及其合金；芳香尼龙具有良好的耐磨耐热耐辐射性和电绝缘性，在95%相对湿度下不受影响，而且可在200 长期工作使用，可用于制造高温下工作的耐磨零件，H级绝缘材料及宇宙服等。大多数尼龙易吸水，导致性能和尺寸的改变，这在使用时应予以注意。,8,(2)聚甲醛

6、(POM),PC是一种新型热塑性塑料，品种较多。工程上用的是芳香族聚碳酸酯，产量仅次于尼龙。PC的化学稳定性很好，能抵抗日光雨水和气温变化的影响；它透明度高，成型收缩小，因此制件尺寸精度高。广泛用于机械、仪表、电讯、交通、航空、照明和医疗机械等工业。如波音747飞机上有2500个零件要用到聚碳酸酯。,POM是没有侧链，高密度、高结晶性的线型聚合物，性能比尼龙好，其按分子链结构特点又分为均聚甲醛和共聚甲醛。聚甲醛性能较好，但热稳定性和耐热性差、大气中易老化、遇火燃烧。但目前仍广泛用于汽车、机床、化工、仪表等工业中。,（3）聚碳酸酯（PC）,9,（4）ABS塑料,ABS塑料是由丙烯腈、丁二烯和苯乙

7、烯三种组元共聚而成，三组元单体可以任意比例混合。由于ABS为三元共聚物，丙烯腈使材料耐蚀性和硬度提高，丁二烯提高其柔顺性，而苯乙烯则使具有良好的热塑性加工性，因此ABS是“坚韧、质硬且刚性”的材料，是最早被人类认识和使用的“高分子合金”。,ABS由于其低的成本和良好的综合性能，且易于加工成型和电镀防护，因此在机械，电器和汽车等工业有着广泛的应用。,10,聚四氟乙烯是含氟塑料的一种，具有极好的耐高低温性和耐磨蚀等性能。PTFE几乎不受任何化学药品的腐蚀，即使在高温下在强酸强碱及强氧化环境中也都稳定，故有“塑料王”之称；其熔点为327 ，能在(-195+250) 范围内保持性能的长期稳定性；其摩擦

8、系数小，只有0.04，具有极好的自润滑；且具有憎水憎油和不粘性；在极潮湿的环境中也保持良好的电绝缘性。但其强度硬度较低，冷流性大，加工成型性较差，只能用冷压烧结方法成型。在高于390 时分解出剧毒气体，应予注意。PTFE的优良性能使其在电子，国防，涂料等领域的应用日益广泛。,（5）聚四氟乙烯（PTFE),11,有机玻璃的化学名称为：聚甲基丙烯酸甲酯，是目前最好的透明有机物，透光率达92%，超过了普通玻璃；且其力学性能好b可达(6070)MPa，冲击韧性比普通玻璃高(78)倍（厚度为36mm时），不易破碎，耐紫外线和防老化性能好，同时密度低（1.18）易于加工成型。但其硬度低，耐磨擦性，耐有机溶

9、剂腐蚀性，耐热性，导热性差，使用温度不能超过180 。主要用于制造各种窗体，罩及光学镜片和防弹玻璃等零部件。,（6）有机玻璃（PMMA),3.特种塑料：,具有某些特殊的物理化学性能的塑料如耐高温，耐蚀等性能塑料。其产量少，成本高，只用于特殊场合。如医用塑料等。,12,二、橡胶,三、纤维,四、胶粘剂,五、涂料,13,10.2 陶瓷材料,一、陶瓷的分类,1、按化学成分分类：,氧化物陶瓷，如Al2O3； 碳化物陶瓷，如SiC； 氮化物陶瓷：包括Si3N4； 其他化合物陶瓷。,2、按性能和用途分类：,结构陶瓷：用于制造结构零部件，要求有更好的力学性能； 功能陶瓷：具有优异的物理和化学性能，用以制作功能

10、器件。,14,二、陶瓷的性能特点,原子结合：主要是离子键和共价键； 性能特点：强度高、硬度大、熔点高、化学稳定性好、线膨胀系数小，且多为绝缘体；塑性、韧性和可加工性较差。,1、机械性能,强度：抗压强度比抗拉强度高得多，比值为10：1左右，高温强度比金属高得多；高温度时，强度有一定程度的下降，但其塑性韧性却大大提高，加之陶瓷材料优异抗氧化性，其可能成为未来高速高温燃气发动机的主要结构材料。 硬度：高硬度、高耐磨性。,15,陶瓷增韧： 增加致密度； 相变增韧（体积效应和形状效应）； 纤维增韧。,2、陶瓷材料的其它性能简介,热性能：熔点高、很好的高温强度和抗氧化性、但抗热震性能差。 电性能：好的绝缘

11、材料；但由于杂质，某些组元等一系列成分因素的作用及一些环境因素的影响，有些陶瓷可以作半导体或压电材料，或热电材料或环境敏感材料等。 特殊性能：陶瓷薄膜具有独特的光、电、磁等物理化学性能。可作功能材料。,16,三、常用工业陶瓷及其应用,1、普通陶瓷,是用天然原料制成的粘土类陶瓷，它是以粘土、长石和石英经配料，成型烧结而成。 特点：质硬，不导电，易于加工成型；但其内部含有较多玻璃相，高温下易软化，耐高温及绝缘性不及特种陶瓷。 应用：因其成本低，产量大，广泛用于工作温度低于200的酸碱介质、容器、反应塔、管道、供电系统的绝缘子和纺织机械中导纱零件等。,17,成分： Al2O3 + 少量的SiO2 例

12、、75瓷（含75% Al2O3）、95瓷（含95% Al2O3）和99瓷（含99% Al2O3），Al2O3含量越高玻璃相含量越少，气孔越少，其性能也越好，但此时工艺变得复杂，成本升高。 性能：耐高温性好，在氧化性气氛中，可用到1950，且耐蚀性好；高硬度及高温强度(760时HRA87，1200时HRA80)；很好的绝缘性能。“缺点”是脆性大，不能承受冲击载荷，抗热震性差，不适合用于有温度急变场合。 应用：高温器皿；高速切削及难切削材料加工的刃具；耐磨轴承、模具及活塞、化工用泵和阀门；内燃机火花塞。,2、特种陶瓷,氧化铝陶瓷,18,（2）其他氧化物陶瓷,MgO陶瓷： 是典型的碱性耐火材料，用于

13、冶炼高纯度铁及其合金、铜、铝、镁以及熔化高纯铀、钍及其合金。 BeO陶瓷： 性能：在还原性气中特别稳定，其导热性极好（与铝相近），故抗热冲击性能好；但氧化铍粉末及蒸气有剧毒 应用：高频电炉“坩埚”、高温绝缘子、激光管、晶体管散热片、集成电路基片等。 ZrO2陶瓷： 性能：高强且耐热性好，导热率高；室温下是绝缘体，但在1000以上变为导体。 应用：用于离子导电材料（电极），传感及敏感元件及1800以上的高温发热体，还可用于熔炼Pt、Pd、Rh等合金的坩埚。,19,（3）非氧化物工程陶瓷,氮化硅（Si3N4）陶瓷：是目前强度最高的陶瓷，并具有优异的化学稳定性、热稳定性和耐磨性。 性能：稳定性极好，

14、除氢氟酸外能耐各种酸碱腐蚀，可抵抗熔融有色金属的侵蚀；氮化硅硬度很高，摩擦系数小（只有0.10.2，相当于加油的金属表面），耐磨性减摩性好（自润滑性好）；很好的抗热震性。 应用：耐磨材料；耐腐蚀的零件（密封环，高温轴承）；燃气轮机叶片；冶金容器；精加工刀具。 碳化硅（SiC）陶瓷 性能：最大特点是高温强度高，在1400时抗弯强度仍达(500600)MPa；且其导热性好，仅次于BeO陶瓷，热稳定性耐蚀性耐磨性也很好。 应用：主要可用于制作火箭尾喷管的喷嘴、炉管、热电偶套管，以及高温轴承、高温热交换器、密封圈和核燃料的包封材料等。,20,氮化硼陶瓷： 六方氮化硼： 性能：与石墨结构、性能相似，故又

15、称“白石墨”，具有良好的耐热导热性，是理想的散热和高温绝缘材料；化学稳定性好，具有极好的自润滑性，其硬度较低，可进行机械加工，作成各种结构的零件。 应用：一般用作熔炼半导体材料坩埚和高温容器，半导体散热绝缘件，高温润滑轴承和玻璃成型模具等。,立方氮化硼为立方结构，结构紧密，其硬度与金刚石接近，是优良的耐磨材料，常用于制作刀具。,21,10.3 复合材料,复合材料：是由两种或两种以上化学本质不同的物质通过人工合成的材料。 其结构为多相，一类组成（或相）为基体，起粘结作用，另一类为增强相。它是一种多相材料，其某些性能比各组成相的性能都好。,一、分类,按结构分：金属基复合材料、高分子基复合材料、陶瓷

16、基复合材料。 按性能分：功能复合材料、结构复合材料。 按增强相分：颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料（玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等）、层状增强复合材料。,22,二、特点,1.比强度和比模量大:,例如：碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的7倍，比弹性模量比钢大3倍。,2耐疲劳性能比较高:,例如：碳纤维聚酯树脂复合材料的疲劳极限是抗拉强度的7080，而金属材料的疲劳极限只有抗拉强度的4050。,3减震性能好:,4. 耐高温性能好；高温强度和弹性模量均较高； 例如、LC4铝合金，在400时，弹性模量接近于零，抗拉强度值也从室温时的500MPa降至 3050MPa。而碳纤维或硼纤维

17、增强组成的复合材料，在400时，强度和弹性模量可保持接近室温下的水平。,23,5断裂安全性好:断裂时应力迅速重新分布，载荷由未断裂的纤维承担起来。,6其它性能特点: 还具有良好的化学稳定性、隔热性、烧蚀性以及特殊的电、光、磁等性能。,7主要问题:断裂伸长小，抗冲击性能尚不够理想，生产工艺方法中手工操作多，难以自动化生产，间断式生产周期长，效率低，加工出的产品质量不够稳定等；成本比其它工程材料高得多。,24,三、 应用,颗粒增强复合材料：主要应用于高硬度高耐磨的工具和耐磨零件。 弥散强化复合材料：主要应用在原子能工业等部门，是高频电子仪器（如大功率行波管）中必不可少的导电结构材料。 碳化硅颗粒增

18、强铝基复合材料（SiC/Al）：用于制造大功率汽车发动机的柴油机的活塞、连杆、刹车片等；以及制造火箭、导弹构件、红外及激光制导系统构件；理想的精密仪表中高尺寸稳定性材料。 热塑性玻璃钢与热固性玻璃钢：工程结构。 碳纤维-树脂复合材料：主要应用于航空航天、机械制造、汽车工业及化学工业中。 硼纤维-树脂复合材料：主要用于航空航天和军事工业。 碳化硅纤维-树脂复合材料：主要用于航空航天工业。,25,长纤维增强金属基复合材料：主要应用领域是航天航空，先进武器和汽车领域，同时在电子、纺织、体育等领域也具有广泛的应用潜力。 1）铝基、镁基复合材料：主要用作高性能的结构材料； 2）钛基耐热合金及金属间化合物基复合材料：主要用于制造发动机零件； 3）铜基和铅基复合材料：特殊导体和电极材料，在电子行业和能源工业中具有广泛的应用前景。,氧化铝短纤维增强铝基复合材料：在汽车制造等行业获得广泛应用。 碳化硅晶须增强铝基复合材料：是针对航天航空等高技术领域的实际需求而发开的一类先进的复合材料。 短纤维