第十章高分子材料、陶瓷材料及复合材料演示文稿1.ppt

1、第一节 高分子材料,高分子材料又称为高聚物，通常，高聚物根据机械性能和使用状态可分为橡胶、塑料、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类。各类高聚物之间并无严格的界限，同一高聚物，采用不同的合成方法和成型工艺，可以制成塑料，也可制成纤维，比如尼龙就是如此。而象聚氨酯一类的高聚物，在室温下既有玻璃态性质，又有很好的弹性，所以很难说它是橡胶还是塑料。,第十章 高分子材料、陶瓷材料及复合材料,一、塑料,1通用塑料,通用塑料主要包括聚乙烯（PE） 、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、酚醛塑料和氨基塑料等六大品种。这一类塑料的特点是产量大、用途广、价格低，它们占塑料总产量的3/4以上，大多数用于

2、日常生活用品。其中，以聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯这四大品种用途最广泛。,2工程塑料,工程塑料是指能作为结构材料在机械设备和工程结构中使用的塑料。它们的机械性能较好，耐热性和耐腐蚀性也比较好，是当前大力发展的塑料品种。这类塑料主要有：聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）、有机玻璃（PMMA）、聚碳酸酯、ABS塑料、聚苯醚（PPO）、聚砜（PSF）、氟塑料等。,3特种塑料,具有某些特殊性能，满足某些特殊要求的塑料。这类塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要的场合，如医用塑料等。,二、橡胶,橡胶是具有高弹性的轻度交联的线型高聚物，它们在很宽的温度范围内处于高弹态。一般橡胶在4080范围内具有高弹性，

3、某些特种橡胶在100的低温和200高温下都保持高弹性。橡胶的弹性模数很低，只有1MN/m2，在外力作用下变形量可达100%1000%，外力去除又很快恢复原状。橡胶有优良的伸缩性，良好的储能能力和耐磨、隔音、绝缘等性能，广泛用于制作密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等制品。,纯弹性体的性能随温度变化很大，如高温发粘，低温变脆，必须加入各种配合剂，经加温加压的硫化处理，才能制成各种橡胶制品。硫化剂加入量大时，橡胶硬度增高。硫化前的橡胶称为生胶，硫化后的橡胶有时也称为橡皮。常用橡胶品种的性能及用途见下表。,三、合成纤维,凡能保持长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝状的高分子材料称为纤维，包括有天然

4、纤维和化学纤维。其中，化学纤维又分为人造纤维和合成纤维。人造纤维是用自然界的纤维加工制成，如叫“人造丝”、“人造棉”的粘胶纤维和硝化纤维、醋酸纤维等。合成纤维以石油、煤、天然气为原料制成，发展很快。目前，产量最多的六大品种见下表。,四、合成胶粘剂,胶粘剂统称为胶，它以粘性物质为基础，并加入各种添加剂组成。它可将各种零件、构件牢固地胶结在一起，有时可部分代替铆接或焊接等工艺。由于胶粘工艺操作简便，接头处应力分布均匀，接头的密封性、绝缘性和耐蚀性较好，且可连接各种材料，所以在工程中应用日益广泛。,胶粘剂分为天然胶粘剂和合成胶粘剂两种，浆糊、虫胶和骨胶等属于天然胶粘剂，而环氧树脂、氯丁橡胶等则属于合

5、成胶粘剂。通常，人工合成树脂型胶粘剂由粘剂（如酚醛树脂、聚苯乙烯等）、固化剂、填料及各种附加剂（增韧剂、抗氧剂等）组成。根据使用要求选择不同的配比。胶粘剂不同，形成胶接接头的方法也不同。有的接头在一定的温度和时间条件下由固化形成；有的加热胶接，冷凝后形成接头；还有的需先溶入易挥发溶液中，胶接后溶剂挥发形成接头。,五、涂料,涂料就是通常所说的油漆，这是一种有机高分子胶体的混合溶液，涂在物体表面上能干结成膜。涂料主要有三大基本功能：一是保护功能，起着避免外力碰伤、摩擦，防止腐蚀的作用；二是装饰功能，起着使制品表面光亮美观的作用；三是特殊功能，可作为标志使用，如管道、气瓶和交通标志牌等。,涂料是由粘

6、接剂、颜料、溶剂和其它辅助材料组成。其中，粘接剂是主要的膜物质，一般采用合成树脂作粘接剂，它决定了膜与基体层粘接的牢固程度；颜料也是涂膜的组成部分，它不仅使涂料着色，而且能提高涂膜的强度、耐磨性、耐久性和防锈能力；溶剂是涂料的稀释剂，其作用是稀释涂料，以便于施工，干结后挥发；辅助材料通常有催干剂、增塑剂、固化剂、稳定剂等。,第二节 无机非金属材料,特种陶瓷是以人工化合物为原料制成，如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物和氟化物瓷以及石英质、刚玉质、碳化硅质过滤陶瓷等。这类陶瓷具有独特的力学、物理、化学、电、磁、光学等性能，满足工程技术的特殊需要，主要用于化工、冶金、机械、电子、能源和一些新技

7、术中。在特种陶瓷中，按性能可分为高强度陶瓷、高温陶瓷、耐磨陶瓷、耐酸陶瓷、压电陶瓷、电介质陶瓷、光学陶瓷、半导体陶瓷、磁性陶瓷和生物陶瓷。按照化学组成分类，特种陶瓷可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、复合瓷和纤维增强陶瓷。 金属陶瓷是由金属和陶瓷组成的材料，它综合了金属和陶瓷两者的大部分有用的特性。按照这种材料的生产方法，以前常将其归属于陶瓷材料一类，现在则多将其算作复合材料。,一、陶瓷材料的分类,无机非金属材料按照成分和结构，主要分为无机玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷材料三大类。无机玻璃与酸性氧化物和碱性氧化物的高粘度的复杂固体物质，具有无定形结构。玻璃陶瓷又叫玻璃晶体材料，是在无机玻璃完全或部

8、分结晶的基础上得到的，结构处于玻璃和陶瓷之间。陶瓷材料是由成型矿物质高温烧制（烧结）的无机物材料。陶瓷材料可分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷等三种。 传统陶瓷是以粘土、长石和石英等天然原料，经过粉碎、成型和烧结制成，主要用作日用、建筑、卫生以及工业上应用是绝缘、耐酸、过滤陶瓷等。,传统陶瓷就是粘土类陶瓷，它产量大，应用广。大量用于日用陶器、瓷器、建筑工业、电器绝缘材料、耐蚀要求不很高的化工容器、管道，以及机械性能要求不高的耐磨件，如纺织工业中的导纺零件等,二、传统陶瓷（普通陶瓷）,三、特种陶瓷,现代工业要求高性能的制品，用人工合成的原料，采用普通陶瓷的工艺制得的新材料，称为特种陶瓷。它包括氧化

9、物陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等几种。,第三节 复合材料,复合材料是两种或两种以上化学本质不同的组成人工合成的材料。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。所以复合材料可以认为是一种多相材料，它的某些性能比各组成相的性能都好。,复合材料按基体类型可分为金属基复合材料、高分子基复合材料和陶瓷基复合材料等三类。目前应用最多的是高分子基复合材料和金属基复合材料。 复合材料按性能可分为功能复合材料和结构复合材料。前者还处于研制阶段，已经大量研究和应用的主要是结构复合材料。 复合材料按增强相的种类和形状可分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和层状增强复合材料。其中

10、，发展最快，应用最广的是各种纤维（玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等）增强的复合材料。不同种类的复合材料见下表。,一、复合材料的基本类型与组成,二、复合材料的特点,1比强度和比模量,许多近代动力设备和结构，不但要求强度高，而且要求重量轻。设计这些结构时遇到的关键问题是所谓平方立方关系，即结构强度和刚度随线尺寸的平方（横截面积）而增加，而重量随线尺寸的立方而增加。这就要求使用比强度（强度/比重）和比模量（弹性模量/比重）高的材料。复合材料的比强度和比模量都比较大，例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的七倍，比模量比钢大三倍。,复合材料中基体和增强纤维间的界面能够有效地阻止疲劳裂纹

11、的扩展。疲劳破坏在复合材料中总是从承载能力比较薄弱的纤维处开始的，然后逐渐扩展到结合面上，所以复合材料的疲劳极限比较高。例如碳纤维聚酯树脂复合材料的疲劳极限是拉伸强度的70%80%，而金属材料的疲劳极限只有强度极限值的40%50%。右图是三种材料的疲劳性能的比较。,2耐疲劳性能,。,三种材料疲劳性能比较,许多机器、设备的振动问题十分突出。结构的自振频率除与结构本身的质量、形状有关外，还与材料的比模量的平方根成正比。材料的比模量越大，则其自振频率越高，可避免在工作状态下产生共振及由此引起的早期破坏。此外，即使结构已产生振动，由于复合材料的阻尼特性好（纤维与基体的界面吸振能力强），振动也会很快衰减

12、。,3减震性能,。,两种材料的阻尼特性的比较,由于各种增强纤维一般在高温下仍可保持高的强度，所以用它们增强的复合材料的高温强度和弹性模量均较高，特别是金属基复合材料。例如7075-76铝合金，在400时，弹性模量接近于零，强度值也从室温时的500MPa降至30MPa50MPa。而碳纤维或硼纤维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。碳纤维增强的镍基合金也有类似的情况。,4耐高温性能,几种增强纤维的高温强度,纤维增强复合材料是力学上典型的静不定体系，在每平方厘米截面上，有几千至几万根增强纤维（直径一般为10100），当其中一部分受载荷作用断裂后，应力迅速重新分布，载

13、荷由未断裂的纤维承担起来，所以断裂安全性好。,5断裂安全性,复合材料进一步推广使用的主要问题是，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。增强纤维的价格很高，使复合材料的成本比其它工程材料高得多。虽然复合材料利用率比金属高（约80%），但在一般机器和设备上使用仍然是不够经济的。,硼纤维是用化学沉积的方法将非晶态硼涂覆到钨和碳丝上面制得的。硼纤维强度高，弹性模量大，耐高温性能好。在现代航空结构材料中，硼纤维的弹性模量绝对值最高，但硼纤维的相对密度大，延伸率差，价格昂贵。,三、纤维增强材料,1玻璃纤维,玻璃纤维

14、有较高的强度，相对密度小，化学稳定性高，耐热性好，价格低。缺点是脆性较大，耐磨性差，纤维表面光滑而不易与其它物质结合。玻璃纤维可制成长纤维和短纤维，也可以织成布，制成毡。,2碳纤维与石墨纤维,有机纤维在惰性气体中，经高温碳化可以制成碳纤维和石墨纤维。在2000以下制得碳纤维，再经2500以上处理得石墨纤维。 碳纤维的相对密度小，弹性模量高，而且在2500无氧气氛中也不降低。 石墨纤维的耐热性和导电性比碳纤维高，并具有自润滑性。,3硼纤维,4SiC纤维,SiC纤维是一种高熔点、高强度、高弹性模量的陶瓷纤维。它可以用化学沉积法及有机硅聚合物纺丝烧结法制造SiC连续纤维。SiC纤维的突出优点是具有优

15、良的高温强度。,5晶须,晶须是直径只有几微米的针状单晶体，是一种新型的高强度材料。晶须包括金属晶须和陶瓷晶须。金属晶须中可批量生产的是铁晶须，其最大特点是可在磁场中取向，可以很容易地制取定向纤维增强复合材料。陶瓷晶须比金属晶须强度高，相对密度低，弹性模量高，耐热性好。,6其它纤维,天然纤维和高分子合成纤维也可作增强材料，但性能较差。美国杜邦公司开发了一种叫做Kevlar（芳纶）的新型有机纤维，其弹性模量和强度都较高，通常用作高强度复合材料的增强纤维。Kevlar纤维刚性大，其弹性模量为钢丝的5倍，密度只有钢丝的1/51/6，比碳纤维轻15%，比玻璃纤维轻45%。Kevlar纤维的强度高于碳纤维和经过拉伸的钢丝，热膨胀系数低，具有高的疲劳抗力，良好的耐热性，而且其价格低于碳纤维，是一种很有发展前途的增强纤维。,玻璃纤维增强塑料通常称为“玻璃钢”。由于其成本低，工艺简单，所以目前是应用最广泛的复合材料。它的基