1、非金屬材料及復(fù)合材料學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解非金屬材料和復(fù)合材料的種類、性能特點(diǎn)及應(yīng)用，特別是塑料、橡膠、陶瓷、復(fù)合材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用。本章導(dǎo)讀：塑料與橡膠為有機(jī)高分子材料，與金屬相比質(zhì)量輕，具有金屬材料不可比擬的特殊性能，使用極為廣泛；陶瓷為無機(jī)非金屬材料，具有高硬度、耐蝕的性能，除日用陶瓷外，工業(yè)上使用的特種陶瓷更具有其獨(dú)特的性能，在機(jī)械加工、航空航天、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域都有應(yīng)用；復(fù)合材料是由兩種或多種材料組成的多相材料，具有較好的綜合性能，其應(yīng)用越來越受到廣泛的重視，大家熟悉的玻璃鋼、塑鋼門窗、羽毛球拍等，都是用復(fù)合材料制造的。第一節(jié)塑料與橡膠塑料與橡膠屬高分子材料，目前，全世界合成高分子材料的年產(chǎn)

2、量按體積計(jì)已超過鋼鐵材料，并正以每年14%的速度增長，其使用領(lǐng)域廣泛，涉及工業(yè)制造及日常生活。高分子材料是由若干原子按一定規(guī)律重復(fù)地連接而成的長鏈分子，長鏈分子的最大伸直長度可達(dá)毫米級(jí)，其分子量一般大于5000。高分子材料按來源可分為天然高分子（天然橡膠、蠶絲、皮革、木材等）和合成高分子化合物（塑料、橡膠等）。合成高分子化合物是由一種或幾種單體（簡單結(jié)構(gòu)的低分子化合物）聚合而成的，因此高分子化合物又稱高聚物或聚合物。如聚乙烯分子就是由單體乙烯經(jīng)聚合反應(yīng)連接而成：n（CH=CH）-CHCH-2222n乙烯聚乙烯高分子化合物的化學(xué)組成一般并不復(fù)雜，是由重復(fù)連接的結(jié)構(gòu)單元組成的，這種重復(fù)連接的結(jié)構(gòu)單

3、元稱為“鏈節(jié)”，如聚乙烯中的-CHCH-。大分子鏈之間存在的相互作用力使鏈節(jié)連接起來，其連接方式?jīng)Q定了高分子化合物的性能。-22一、塑料1塑料的組成塑料的主要組成是合成樹脂和添加劑。合成樹酯是具有可塑性的高分子化合物的統(tǒng)稱，它是塑料的基本組成物，它決定了塑料的基本性能，塑料中合成樹酯含量一般為30%100%。樹酯在塑料中還起粘結(jié)劑的作用，許多塑料的名稱是以樹酯來命名的，如聚苯乙烯塑料的樹酯就是聚苯乙烯；添加劑的作用主要是改善塑料的某些性能或降低成本，常用的添加劑有填充劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、固化劑、著色劑等。2塑料的分類按使用范圍：通用塑料、工程塑料按受熱性能：熱塑性塑料、固性塑料熱塑性和

4、熱固性塑料的特性及常用品種常用塑料及代號(hào)類別熱性能熱塑性塑料熱固性塑料能溶于有機(jī)溶劑，加熱可軟化，易于加工成形，并能反復(fù)塑化成形，一般耐熱性較差固化后重新加熱不再軟化和熔融、亦不溶于有機(jī)溶劑，不能再成形使用。一般耐熱性較好聚氯乙烯（PVC）；聚乙烯（PE）；聚酰胺（PA）；聚甲醛（POM）；聚碳酸酯（PC）；聚丙烯（PP）；聚苯乙烯（PS）；聚四氟乙烯（PTFE,F-4）；聚砜（PSF）；聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）；苯乙烯一丁二烯一丙烯腈共聚體（酚醛塑料（PF）；氨基塑料（UF）；有機(jī)硅塑料（SI）；環(huán)氧樹酯（EP）；聚氨酯塑料（PUR）3塑料的性能塑料最大的特點(diǎn)是具有可塑性和可調(diào)性。所謂可

5、塑性，就是通過簡單的成型工藝，利用模具可以制造出所需要的各種不同形狀的塑料制品；可調(diào)性是指在生產(chǎn)過程中可以通過變換工藝、改變配方，制造出不同性能的塑料。塑料的其它性能分述如下：（1）物理性能密度塑料的密度在0.92.2gcm-3之間，僅相當(dāng)于鋼密度的1/41/7。若在塑料中加入發(fā)泡劑后，泡沫塑料的密度僅為0.020.2gcm-3。電性能塑料具有良好的電絕緣性。聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等塑料可作為高頻絕緣材料；聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛、氨基塑料等可作為中頻及低頻絕緣材料。熱性能塑料遇熱、遇光易老化、分解，大多數(shù)塑料只能在100C以下使用，只有極少數(shù)塑料（如聚

6、四氟乙烯、有機(jī)硅塑料）可在250C左右長期使用；塑料的導(dǎo)熱性差，是良好的絕熱材料；塑料線膨脹系數(shù)大，一般為鋼的310倍，因而塑料零件的尺寸不穩(wěn)定，常因受熱膨脹產(chǎn)生過量變形而引起開裂、松動(dòng)、脫落100。（2）化學(xué)性能塑料具有良好的耐腐蝕性能，大多數(shù)塑料能耐大氣、水、酸、堿、油的腐蝕。因此工程塑料能制作化工設(shè)備及在腐蝕介質(zhì)中工作的零件。3）力學(xué)性能一般結(jié)構(gòu)或耐磨受力零件，如齒輪、軸承等；耐腐蝕設(shè)備和零件；用ABS制成的泡沫夾層板可作小轎車車身；文教體育用品、樂器、家具、包裝容器及裝飾件等強(qiáng)度與剛度塑料的強(qiáng)度、剛度較差，其強(qiáng)度僅為30150MPa，且受溫度的影響較大；塑料的剛度僅為鋼的1/10。但由

7、于塑料的密度小，故比強(qiáng)度比較高。蠕變與應(yīng)力松弛塑料在外力作用下，在應(yīng)力保持恒定的條件下，變形隨時(shí)間的延續(xù)而慢慢增加，這種現(xiàn)象稱為蠕變。例如架空的電線套管會(huì)慢慢變彎，這就是蠕變。蠕變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力松弛，如塑料管接頭經(jīng)一定時(shí)間使用后，由于應(yīng)力松弛導(dǎo)致泄漏。圖7-1有機(jī)玻璃應(yīng)力應(yīng)變曲線減摩性和耐磨性許多的塑料的摩擦系數(shù)低，如聚四氟乙烯、尼龍、聚甲醛、聚碳酸酯等都具有小的摩擦系數(shù)，因此塑料具有良好的減摩性；同時(shí)塑料具有自潤滑性，在無潤滑或少潤滑摩擦的條件下，其減摩性好于金屬，工程上用這類塑料來制造軸承、軸套、襯套、絲杠螺母等摩擦磨損件。此外，塑料還具良好的減振性和消音性，用塑料制作零件可減小機(jī)器工作時(shí)的振

8、動(dòng)和噪聲。4常用塑料的性能及應(yīng)用塑料的通用品種中，聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品種的總產(chǎn)量在億噸左右。其他如透光性好的有機(jī)玻璃稱為塑料王的耐腐蝕塑料聚四氟乙烯，作為工程塑料的聚砜、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰亞胺和常用作泡沫塑料的聚氨酯等。常用塑料的特性及應(yīng)用塑料名稱應(yīng)用舉例聚氯乙烯（PVC）聚乙烯（PE）聚丙烯（PP）聚苯乙烯（PS）硬聚氯乙烯強(qiáng)度高，絕緣性、耐蝕性好，但耐熱性差，使用溫度為T0+55軟質(zhì)聚氯乙烯強(qiáng)度低、伸長率高、易老化、絕緣性、耐蝕性好；泡沫聚氯乙烯密度低、隔熱、隔音、防振低壓聚乙烯強(qiáng)度、硬度較高，耐蝕性、絕緣性好高壓聚乙烯柔軟性好（在-70r時(shí)仍柔軟），伸長率、韌性、

9、透明性好，摩擦系數(shù)低（為0.21）是最輕的塑料之一，剛性好，耐熱性好，可在100C以上的高溫使用，化學(xué)穩(wěn)定性好，幾乎不吸水，高頻電性能好，易成形、低溫呈脆性、耐磨性不高有較好的韌性、優(yōu)良的透明度（和有機(jī)玻璃相似）、化學(xué)穩(wěn)定性較好、易成型可部分代替不銹鋼、銅、鋁等金屬材料作耐腐蝕設(shè)備及零件，可作燈頭、插座、開關(guān)、閥門管件等可用作農(nóng)用和工業(yè)用包裝薄膜、電線絕緣層、人造革、密封件襯套墊。因有毒，不能用于食品和藥品包裝；泡沫聚氯乙烯可作襯墊減摩自潤滑零件，輕載齒輪、軸承等；耐腐蝕設(shè)備的零件；電氣絕緣材料，如高頻、水底和一般電纜的包皮等；茶杯、奶瓶等薄膜、軟管，包覆電纜、塑料瓶、食品和藥品包裝耐腐蝕的化

10、工設(shè)備及零件、受熱的電氣絕緣零件，電視機(jī)、收音機(jī)等家用電器殼，一般用途的齒輪、管道、接頭等透明結(jié)構(gòu)零件，如汽車用各種燈罩、電氣零件、儀表零件、浸油式多點(diǎn)切換開關(guān)、電池外殼等苯乙烯一丁二烯丙烯腈共聚體ABS具有良好的綜合性能，即高的沖擊韌度和良好的強(qiáng)度；優(yōu)良的耐熱性、耐油性能；尺寸穩(wěn)定，易成形，表面可鍍金屬；電性能良好尼龍6：疲勞極限、剛性和耐熱性不及尼龍66,但輕載荷、中等溫度（80100。0、無潤滑或少潤滑、聚酰胺（尼龍）PA彈性好，有較好的消振和消音性，其余同尼龍66尼龍66：疲勞強(qiáng)度和剛性較高，耐熱性較好，耐磨性好，摩擦系數(shù)低，但吸濕大，尺寸不夠穩(wěn)定要求低噪聲條件下工作的耐磨受力零件適合

11、于中等載荷、使用溫度=100120乜、無潤滑或少潤滑條件下工作的耐磨受力傳動(dòng)零件聚碳酸酯（PC）聚甲醛（POM）尼龍610：強(qiáng)度、剛性、耐熱性略低于尼龍66,但吸濕性小，耐磨性好力學(xué)性能優(yōu)異，尤其具有優(yōu)良的抗沖擊性，尺寸穩(wěn)定性好，耐熱性高于尼龍、聚甲醛，長期工作溫度可達(dá)130r，疲勞極限低、易產(chǎn)生應(yīng)力開裂，耐磨性欠佳，透光率達(dá)89%,接近有機(jī)玻璃耐疲勞極限和剛度高于尼龍，尤其彈性模量高，硬度高，這是其它塑料所不能比的，自潤滑性好、耐磨性好，吸水和蠕變較小，尺寸穩(wěn)定性好，長期使用溫度為-40+100C_具有高的化學(xué)穩(wěn)定性，俗稱“塑料王”，只有對(duì)作用同尼龍6,如作要求比較精密的齒輪，并適合于濕度波

12、動(dòng)較大條件下工作的零件支架、殼體、墊片等一般結(jié)構(gòu)零件；也可作耐熱透明結(jié)構(gòu)零件，如防爆燈、防護(hù)玻璃等；各種儀器、儀表的精密零件；高壓蒸煮消毒醫(yī)療器械、人工內(nèi)臟用作對(duì)強(qiáng)度有一定要求的一般結(jié)構(gòu)零件；輕載荷、無潤滑或少潤滑的各種耐磨、受力傳動(dòng)零件；減摩和自潤滑零件，如軸承、滾輪、齒輪、化工容器、儀表外殼、表盤等聚四氟乙烯（PTFE）F-4熔融狀態(tài)下的堿金屬及高溫下的氟元素才不耐腐蝕；有異常好的潤滑性，摩擦系數(shù)極低，對(duì)金屬的摩擦系數(shù)只有0.070.14；可在260C長期使用，也可在-250C的低溫下使用；電絕緣性優(yōu)良，耐老化；但強(qiáng)度低，剛性差，制造工藝較麻煩耐腐蝕化工設(shè)備及其襯里與零件，如反應(yīng)器、管道;

13、減摩自潤滑零件，如軸承、活塞銷、密封圈等；電絕緣材料及零件，如高頻電纜、電容線圈架等聚砜(PSF)耐高溫和耐低溫，可在-100+150C下長期使用，化學(xué)穩(wěn)定性好，電絕緣和熱絕緣性能良好，用F-4填充后可作摩擦零件適宜于高溫下工作的耐磨受力零件，如汽車分速器蓋、齒輪、真空泵葉片、儀表殼體、汽車護(hù)板等，以及電絕緣零件聚甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃）（PMMA）有極好的透光性（可透過92%的太陽光，紫外線光達(dá)73.5%）；綜合性能超過聚苯乙烯等一般塑料，機(jī)械強(qiáng)度較高，有一定的耐熱性、耐寒性；耐蝕性和耐絕緣性良好；尺寸穩(wěn)定，易于成形；較脆，表面硬度不高，易擦毛可作要求有一定強(qiáng)度的透明零件、透明模型、裝飾品

14、、廣告牌、飛機(jī)窗、燈罩、油標(biāo)、油杯等聚氨酯塑料（PUR）酚醛塑料（電木）（PF）柔韌、耐油、耐磨，耐氧、耐臭氧、耐輻射及許多化學(xué)藥品的腐蝕，泡沫聚氨酯彈性及隔熱性優(yōu)良用于密封件、傳動(dòng)帶、泡沫聚氨用于隔熱、隔音及吸振材料，實(shí)心輪胎、汽車零件環(huán)氧塑料（EP）氨基塑料（UF）有機(jī)硅塑料（SI）高強(qiáng)度、硬度、耐熱性好（140C使用），絕緣、化學(xué)穩(wěn)定性好，耐沖擊、耐酸、耐水、耐霉菌，加工性能差強(qiáng)度高，電絕緣性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐有機(jī)溶劑，防潮、防霉，耐熱、耐寒，對(duì)許多材料的粘著力強(qiáng)。成形方便又稱“電玉”，力學(xué)性能、耐熱性、絕緣性能接近電木。半透明如玉，顏色鮮艷，耐水性差，在80C下長期使用電絕緣性好、高

15、電阻、高頻絕緣性好、耐熱（可在180200C長期使用）、防潮、耐輻射、耐臭氧、耐低溫一般機(jī)械零件，水潤滑軸承，電絕緣件、，耐化學(xué)腐蝕的結(jié)構(gòu)材料和襯里材料，電器絕緣板、絕緣齒輪、耐酸泵、剎車片、整流罩塑料模具、精密量具、電氣和電子元件的灌封與固定、修復(fù)機(jī)件機(jī)械零件、電絕緣材料、裝飾件，如開關(guān)、插座、把手、旋鈕、儀表外殼等澆注料用于電氣和電子元件的灌填充與固定；塑料粉可壓制耐熱件、絕緣件二、橡膠橡膠是具有高彈性的高分子材料，它在較小的載荷下就能產(chǎn)生很大的變形，當(dāng)載荷去除后又能很快恢復(fù)原狀，是常用的彈性材料、密封材料、防震和減振材料、傳動(dòng)材料。1橡膠的分類按其來源不同可分為天然橡膠與合成橡膠兩類。天

16、然橡膠是橡膠樹的液狀乳汁經(jīng)采集和適當(dāng)加工而成，天然橡膠的主要化學(xué)成分是聚異戊二烯；合成橡膠主要成分是合成高分子物質(zhì)，其品種較多，丁苯橡膠和順丁橡膠是較常用的合成橡膠。按其用途可分為通用橡膠和特種橡膠，通用橡膠的用量一般較大，主要用于制作輪胎、輸送帶、膠管、膠板等，主要品種有丁苯橡膠、氯丁橡膠、乙丙橡膠等；特種橡膠主要用于高溫、低溫、酸、堿、油和輻射介質(zhì)條件下的橡膠制品，主要有丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠等。2橡膠的組成橡膠制品是以生膠為基礎(chǔ)，并加入適量的配合劑和增強(qiáng)材料組成的。（1）生膠是未加配合劑的天然或合成橡膠，是橡膠制品的主要組分，生膠不僅決定了橡膠的性能，還能把各種配合劑和增強(qiáng)材料粘成一體

17、。不同的生膠可制成不同性能的橡膠制品。（2）配合劑作用是提高橡膠制品的使用性能和工藝性能。配合劑的種類很多，一般有硫化劑、硫化促進(jìn)劑、增塑劑填充劑、防老化劑等，其中硫化劑的作用是使橡膠變得有富有彈性，目前生產(chǎn)中多采用硫磺作為硫化劑；硫化促進(jìn)劑主要作用是促進(jìn)硫化，縮短硫化時(shí)間并降低硫化溫度。常用的硫化促進(jìn)劑有MgO、ZnO、CaO等；增塑劑主要作用是提高橡膠的塑性，使之易于加工和與各種配料混合，并降低橡膠的硬度、提高耐寒性等，常用增塑劑主要有硬酯酸、精制蠟、凡士林等；防老化劑可防止橡膠制品在受光、熱、介質(zhì)的作用時(shí)出現(xiàn)變硬、變脆、提高使用壽命，主要加入石蠟、密蠟或其它比橡膠更易氧化的物質(zhì)，在橡膠表

18、面形成穩(wěn)定的氧化膜，抵抗氧的侵蝕；填充劑的作用是提高橡膠的強(qiáng)度和降低成本。常用的有碳黑、MgO、ZnO、CaO等。（3）增強(qiáng)材料其作用是提高橡膠的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、硬度、耐磨性和剛性等。常用的增強(qiáng)材料是各種纖維織物、金屬絲及編織物。如在傳送帶、膠管中加入帆布、細(xì)布，在輪胎中加入簾布、在膠管中加入鋼線等。3橡膠的性能（1）極好的彈性橡膠的主要組分是具有高彈性高分子物質(zhì)。在受到較小力作用下能產(chǎn)生很大的變形（變形量在100%1000%），取消外力后又能恢復(fù)原狀，這是橡膠區(qū)別于其他物質(zhì)的主要標(biāo)志。（2）很高的可撓性、伸長率、良好的耐磨性、電絕緣性、耐腐蝕性、隔音、吸振以及與其它物質(zhì)的粘結(jié)性等。4常用橡

19、膠及其應(yīng)用橡膠主要用于制作輪胎；密封元件（旋轉(zhuǎn)軸密封、管道接口密封）；各種膠管（輸送水、油、氣、酸、堿）；減振、防振件（機(jī)座減振墊片、汽車底盤橡膠彈簧）；傳動(dòng)件（如三角膠帶、傳動(dòng)滾子）；運(yùn)輸膠帶；電線、電纜和電工絕緣材料；制動(dòng)件等。通用橡膠價(jià)格較低用，量較大，其中丁苯橡膠是產(chǎn)量和用量最大的品種占，橡膠總產(chǎn)量的60%70%，順丁橡膠的發(fā)展最快特；種橡膠的價(jià)格較高，主要用于要求耐寒、耐熱、耐腐蝕等場合。常用橡膠特性能及應(yīng)用品種抗拉強(qiáng)度叭/105Pa斷后伸長率6/%使用溫度t/C性能特點(diǎn)應(yīng)用舉例天然橡膠(NR)2530650900-50120高彈性、耐低溫、耐磨、絕緣、防振、易加工。不耐氧、不耐油、不耐咼溫通用