1、第九章 非金屬材料與新型材料非金屬材料和新型材料Contents高分子材料1陶瓷材料2復(fù)合材料3新型材料4非金屬材料和新型材料材料的結(jié)合鍵 非金屬材料和新型材料離子鍵 特點(diǎn)：結(jié)合力很大離子晶體性能：硬度高，強(qiáng)度大，熱膨脹系統(tǒng)小， 但脆性大。非金屬材料和新型材料共價(jià)鍵 特點(diǎn)：結(jié)合力很大共價(jià)晶體性能：強(qiáng)度高，硬度高，脆性大，熔點(diǎn)高，沸點(diǎn)高和揮發(fā)性低。非金屬材料和新型材料金屬鍵 金屬鍵特點(diǎn)：良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。正的電阻溫度系數(shù)。不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤。良好的塑性變形能力，金屬材料的強(qiáng)韌性好。非金屬材料和新型材料分子鍵 特點(diǎn)：范特瓦爾斯力很弱，由分子鍵結(jié)合的固體材料熔點(diǎn)低、硬度也很低 因無自由電

2、子，因此材料有良好的絕緣性。非金屬材料和新型材料金屬材料：金屬鍵高分子材料：分子鍵和共價(jià)鍵陶瓷材料：離子鍵和共價(jià)鍵復(fù)合材料：多種鍵結(jié)合非金屬材料和新型材料高分子化合物由許多結(jié)構(gòu)單元相同的小分子化合物通過化學(xué)鍵連接而成，常稱聚合物或高聚物。簡單的結(jié)構(gòu)單元（單體）重復(fù)連接（大分子鏈）聚乙烯分子鏈CH2=CH2+CH2=CH2+-CH2-CH2-CH2-CH2- , CH2CH2 n n CH2=CH29.1 高分子材料非金屬材料和新型材料乙烯：鍵長0.154nm、鍵角109。28大分子鏈的結(jié)構(gòu)單鏈內(nèi)旋 非金屬材料和新型材料大分子鏈的形狀線型結(jié)構(gòu)高聚物的彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性材料。支鏈型結(jié)構(gòu)

3、近于線型結(jié)構(gòu) 。體型結(jié)構(gòu)高聚物硬度高，脆性大，無彈性和塑性，是熱固性材料。非金屬材料和新型材料聚集態(tài)高聚物的聚集態(tài)是指分子鏈聚集形成聚合物。從分子的層次上看聚合物的結(jié)晶。聚合物結(jié)晶是不均勻的。非金屬材料和新型材料高聚物的力學(xué)狀態(tài)玻璃態(tài)：低溫下，鏈段不能運(yùn)動。在外力作用下，只發(fā)生大分子原子的微量位移，產(chǎn)生少量彈性變形。高彈態(tài)：溫度高于Tg，分子活動能力增加，受力時(shí)產(chǎn)生很大彈性變形。用于這種狀態(tài)高聚物是橡膠。粘流態(tài)：由于溫度高，分子活動能力很大，在外力作用下，大分子鏈可以相對滑動。粘流態(tài)是高分子材料的加工態(tài)。非金屬材料和新型材料作為工程結(jié)構(gòu)材料使用主要優(yōu)點(diǎn)？主要缺點(diǎn)？非金屬材料和新型材料（1）重量

4、輕（2）減磨、耐磨性好，摩擦系數(shù)低，自潤滑性能好，消音、吸震能力強(qiáng)，（3）絕緣性能好高分子材料作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的優(yōu)點(diǎn)（4）耐蝕性能好 （5）光學(xué)性能，有機(jī)玻璃等透光性能好 非金屬材料和新型材料（1）高彈性、彈性模量低，剛性差。 （2）粘彈性或滯彈性（3）強(qiáng)度低，力學(xué)性能呈多樣性高分子材料作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的缺點(diǎn)（4）耐熱性差 （5）易老化 非金屬材料和新型材料改性的概念塑料的改性是繼聚合方法之外又一種獲取性能樹脂的簡捷而有效地方法。它擴(kuò)大了原有樹脂的應(yīng)用范圍。塑料的改性：通過物理的、機(jī)械的、化學(xué)的等作用，使樹脂原有性能得到改善。塑料改性的含義很廣泛，在改性過程中，可以發(fā)生物理變化，也可發(fā)

5、生化學(xué)變化。塑料改性的應(yīng)用范圍很廣泛，幾乎所有的塑料的性能都可通過改性方法得到改善。 非金屬材料和新型材料常用工程塑料 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有苯環(huán)，剛性好，不易結(jié)晶，常加入橡膠類原料；表面硬度高，不易劃傷且是無定型共聚物，孔隙大，透明度高8290（有機(jī)玻璃易劃傷），可用作車燈罩、儀表殼體等；無極性集團(tuán)，絕緣性好，是絕緣良好的高壓絕緣材料；吸水性小，不易變形。但是耐熱性差，易裂、易燃、不耐油。主要缺點(diǎn)：脆性大，經(jīng)改性使用。1聚苯乙烯PS二元改性：PSA（丙烯晴）AS塑料9.1.1 工程塑料 AS：表面硬度高，不易劃傷，著色性能好，韌性提高，絕緣性能好，主要用作家用電器殼體，如電視機(jī)殼等。其價(jià)格為ABS的

6、1/4-1/5。非金屬材料和新型材料PS+A（丙烯晴）+B（丁二烯，橡膠元素，韌性進(jìn)一步提高）ABS ABS：綜合機(jī)械性能好，加工性能好（可電鍍、著色、噴涂等），4090使用。不耐高溫，耐候性差，易燃。主要用途：家用電器，電冰箱、洗衣機(jī)等，工程用量占5左右，如齒輪、軸承、方向盤等。非金屬材料和新型材料手提箱提手座椅非金屬材料和新型材料非金屬材料和新型材料非金屬材料和新型材料中低檔電子產(chǎn)品非金屬材料和新型材料非金屬材料和新型材料常用工程塑料力學(xué)性能好，有較高的機(jī)械強(qiáng)度，沖擊韌性高，同時(shí)尼龍耐磨性、自潤滑性、耐腐蝕性好。缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差，7080為工作溫度。導(dǎo)熱系數(shù)低，用作齒輪等零件時(shí)要求散熱條件

7、好。吸水性大，尺寸變化大。目前一般使用經(jīng)改性或碳纖維增強(qiáng)的尼龍，代替有色金屬(銅)等使用。2聚酰胺類PA，尼龍 非金屬材料和新型材料非金屬材料和新型材料“透明塑料”，透明度8692，抗沖擊性能好，韌性好，其沖擊韌性和延伸率在熱塑性塑料中為最好。具有較高的耐熱、耐寒性，100130使用。電性能好，耐化學(xué)腐蝕，耐磨?？蓮V泛代替木材、玻璃使用。3聚碳酸脂PC非金屬材料和新型材料非金屬材料和新型材料POM是1960年左右出現(xiàn)的新型工程塑料，是繼尼龍之后的一個新品種。在工程塑料中機(jī)械性能最高，較接近金屬的品種之一。特點(diǎn)是耐疲勞是熱塑性塑料中最高的，耐磨性，自潤滑性較好，彈性模量和硬度高，吸水性小，尺寸穩(wěn)

8、定化學(xué)穩(wěn)定性好，電絕緣性好。總體評價(jià)，綜合機(jī)械性能好，加工成型性好。可代替有色金屬制造齒輪、凸輪、軸承等。4聚甲醛POM非金屬材料和新型材料非金屬材料和新型材料9.2 陶瓷材料傳統(tǒng)陶瓷：陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料等。新型陶瓷：采用化學(xué)方法制備高純度或純度可控制的材料做原料，獲得傳統(tǒng)陶瓷無法比擬的性能。陶瓷是金屬和非金屬元素的固體化合物。共價(jià)鍵或離子鍵結(jié)合，穩(wěn)定性高，熔點(diǎn)高，硬度高，抗化學(xué)物質(zhì)能力強(qiáng)。陶瓷通常是絕緣體。陶瓷是脆性材料。陶瓷是燒結(jié)體，一般不能完全致密，這對性能影響很大，獲得完全致密的陶瓷體是燒結(jié)工藝研究的主要問題。非金屬材料和新型材料工程陶瓷：在工程結(jié)構(gòu)上使用，主要使用在高溫條件

9、下，也稱為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。在空間技術(shù)和軍事技術(shù)中，往往是唯一可用材料。最有前途是氮化硅、碳化硅和增韌氧化物。功能陶瓷：利用陶瓷特有的物理性能，如導(dǎo)體、半導(dǎo)體、介電體及絕緣體；各種傳感器陶瓷等。非金屬材料和新型材料氮化硅保護(hù)管氮化硅料桶氮化硅磚非金屬材料和新型材料各種氮化硅噴嘴氮化硅刀具非金屬材料和新型材料氮化硅陶瓷球氮化硅全陶瓷軸承非金屬材料和新型材料碳化硅電熱元件碳化硅坩堝碳化硅馬蹄管碳化硅輻射管非金屬材料和新型材料碳化硅拋物面鏡各種碳化硅制品碳化硅棚板非金屬材料和新型材料氧化鋯全陶瓷軸承氧化鋯陶瓷坩堝氧化鋯小軸氧化鋯珠納米氧化鋯陶瓷軸承非金屬材料和新型材料新型功能陶瓷材料：導(dǎo)電陶瓷，壓電陶瓷

10、，快離子陶瓷，磁性陶瓷材料，光學(xué)陶瓷材料，陶瓷系傳感器材料等。氧化鋁溫控陶瓷和壓電陶瓷蜂窩陶瓷氧化鋁陶瓷管非金屬材料和新型材料多孔磷酸鈣陶瓷各種工程陶瓷零件非金屬材料和新型材料9.4 復(fù)合材料復(fù)合材料是指由幾種材料組合而成的一種材料，它兼有各種組成材料的特點(diǎn)或優(yōu)點(diǎn)。 新型復(fù)合材料：纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料：纖維增強(qiáng)的樹脂材料已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是樹脂基材料也存在一些重大的不足，如不能在高溫下工作，耐磨性不好，易老化，尺寸不穩(wěn)定等。最近對金屬基復(fù)合材料的研究取得重大進(jìn)展的主要有：硼鋁，碳鋁，定向凝固高溫合金等。非金屬基復(fù)合材料：一般制指以聚合物為基的復(fù)合材料。非金屬材料和新型材料碳纖維復(fù)合材料

11、碳纖維復(fù)合材料纏繞的球罐非金屬材料和新型材料紡織復(fù)合纖維布碳纖維復(fù)合材料型材非金屬材料和新型材料頭盔普遍采用碳纖維復(fù)合材料非金屬材料和新型材料發(fā)動機(jī)罩，車門，前翼子板，后蓋板，前后圍和擾流板等許多的車身部件有高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料CRP組成。 非金屬材料和新型材料 法國新型第四代“陣風(fēng)”（Rafale）雙發(fā)多任務(wù)戰(zhàn)斗機(jī)，采用前置鴨翼、后掠三角翼和單垂尾氣動布局，大量采用復(fù)合材料。 能夠執(zhí)行廣泛范圍短程和遠(yuǎn)程作戰(zhàn)任務(wù)，包括對地、海上攻擊、空中防御、空中優(yōu)勢、偵察、高精度打擊，還具有核打擊能力。新型“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)完全由法國自行設(shè)計(jì)和制造，大量采用獨(dú)有的先進(jìn)技術(shù)來保證具有優(yōu)異的綜合性能。在眾多的相同

12、技術(shù)水準(zhǔn)新型戰(zhàn)機(jī)中，目前只有法國“陣風(fēng)”擁有海軍型，部署在航空母艦上。非金屬材料和新型材料 “陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)大量采用復(fù)合材料。常規(guī)半硬殼式結(jié)構(gòu)機(jī)身的50采用碳纖維復(fù)合材料。后機(jī)身為碳纖維復(fù)合材料，機(jī)頭整流罩和噴管整流罩為聚芳酰胺纖維復(fù)合材料。起落架及發(fā)動機(jī)艙門為碳纖維復(fù)合材料。 非金屬材料和新型材料9.4 新型材料：形狀記憶合金某些具有熱彈性馬氏體相變的合金材料，處于馬氏體狀態(tài)時(shí)進(jìn)行一定限度的變形，在隨后的加熱過程中，當(dāng)超過馬氏體相消失溫度時(shí)，材料就能夠完全恢復(fù)變形前的形狀和體積，這種現(xiàn)象稱為記憶效應(yīng)（SME）。記憶形狀記憶效應(yīng)的合金材料稱為形狀記憶合金（SMA）。1962年美國海軍軍械

13、實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)TiNi合金的形狀記憶效應(yīng)。是馬氏體相變應(yīng)用的一個重要方面。非金屬材料和新型材料非金屬材料和新型材料非金屬材料和新型材料形狀記憶合金有所謂單程和雙程記憶兩種。單程記憶是只加熱到As點(diǎn)以上，伴隨逆向馬氏體相變發(fā)生形狀回復(fù)的現(xiàn)象。單程記憶的典型用途是作緊固連接件。雙程記憶是加熱發(fā)生逆向馬氏體相變和再冷卻時(shí)，在Ms以下發(fā)生正的馬氏體相變中都伴隨有顯著的形狀變化現(xiàn)象。具有雙程記憶效應(yīng)的材料，在一定的溫度區(qū)間，隨溫度升降，材料反復(fù)變形。雙程記憶效應(yīng)顯然可作熱敏原件。非金屬材料和新型材料鈮鈦記憶合金管非金屬材料和新型材料SMART MATERIALS - SHAPE MEMORY ALLOY (SMA)MUSCLE WIREThe diagram shows a battery and switch connected to muscle wire. A small weight stretches the muscle wire approximately 3 to 5 percent of its length. However, when a current is applied to the wire, it shortens lifting the weight. This cycle of turning on and off the current ha