第七章非金屬材料第七章非金屬材料及其它材料

概述第一節(jié)高分子材料其次節(jié)陶瓷材料第三節(jié)復(fù)合材料第四節(jié)其它工程材料概述非金屬材料通常是指除金屬材料以外的金屬材料.概括起來可分為無機(jī)非金屬材料和有機(jī)非金屬材料兩大類.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種機(jī)械系統(tǒng)不僅要求具有足夠的力學(xué)性能,而且還要求具有牢靠性高、多功能化、微型化和智能化等特性。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不僅要接受以強(qiáng)度指標(biāo)為主的結(jié)構(gòu)材料，而且還必需接受具有特殊物理、化學(xué)等性能的其它工程材料，如功能材料和納米材料等。本章將分別介紹一些工程上常用的非金屬材料及其應(yīng)用，以及復(fù)合材料和一些其它工程材料。第一節(jié)高分子材料如前面章節(jié)所介紹的，高分子化合物是由低分子化合物組成，是大量低分子的聚合物,因相對分子量很大,故稱之為高分子化合物或高聚物.高分子化合物中的原子彼此主要是以共價(jià)鍵形式連接的.高分子物質(zhì)分自然和人工合成兩大類,自然高分子物質(zhì)有蠶絲、羊毛、纖維素、自然橡膠以及存在與生物組織中的淀粉、蛋白質(zhì).工程上的高分子物質(zhì)主要指塑料、橡膠和纖維這三大合成材料為主.第一節(jié)高分子材料一、高分子化合物的合成高分子化合物的合成就是把低分子化合物(單體)聚合起來形成高分子化合物的過程.合成反應(yīng)主要有兩種—加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng).一)加聚反應(yīng)在加熱、光照或化學(xué)引發(fā)劑作用下,由很多相同或不同的不飽和低分子化合物、環(huán)狀化合物開環(huán)相互連接形成大分子的反應(yīng)叫做加聚反應(yīng),其產(chǎn)物叫加聚物.在加聚反應(yīng)過程中,沒有低分子產(chǎn)物的析出,而且生產(chǎn)的聚合物與原料具有相同的化學(xué)組成.加聚反應(yīng)是目前高分子合成工業(yè)的基礎(chǔ).常見的加聚反應(yīng)見表7-1所示.第一節(jié)高分子材料二)縮聚反應(yīng)在加熱或催化劑作用下,由很多相同或不同的低分子化合物相互混合,發(fā)生化合反應(yīng)得到高分子化合物,同時(shí)析出某些低分子的過程叫做縮聚反應(yīng),所生產(chǎn)的聚合物叫縮聚物.縮聚物的成分與單體不同,縮聚反應(yīng)要比加聚反應(yīng)困難的多.第一節(jié)高分子材料二、高分子化合物的分類及命名1、高分子化合物的分類高分子化合物的分類見表7-2。2、高分子化合物的命名常用高分子材料的名稱接受習(xí)慣命名法,即在原料單體前加“聚”字,如聚乙烯聚鹵乙烯等,也有一些是在原料名稱后加“樹脂”二字,如酚醛樹脂,脲醛樹脂等.有很多高分子材料接受商業(yè)名稱,沒有統(tǒng)一的命名規(guī)則.有時(shí)為了簡化,常用英文所寫,如聚乙烯用PF,聚鹵乙烯用PVC等.第一節(jié)高分子材料三、塑料塑料是以樹脂為主要成分的有機(jī)高分子固體材料.它在確定的溫度和壓力下具有可塑性,能塑制成確定形態(tài)的制品,且在常溫下能保持形態(tài)不變,因而得名為“塑料”.一)塑料的組成1.合成樹脂2.填料或增加材料3.固化劑4.增塑劑5.穩(wěn)定劑6.阻燃劑第一節(jié)高分子材料二)塑料的分類塑料的種類繁多,常用的分類方法有兩種:1.按塑料受熱后的性質(zhì)進(jìn)行分類1)熱塑性塑料2)熱固性塑料2.按塑料的功能分類1)通用塑料2)工程塑料3)特種塑料第一節(jié)高分子材料三)塑料的特性1.質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高2.良好的耐蝕性能3.優(yōu)異的電氣絕緣性能4.突出的減摩、耐磨和自潤滑性能5.優(yōu)良的消音吸振性6.易成型加工7.其它特殊性能四)常用工程塑料及應(yīng)用1.有機(jī)玻璃—熱塑性塑料2.ABS—熱塑性塑料3.尼龍(錦綸)—熱塑性塑料第一節(jié)高分子材料4.聚甲醛(POM)—熱塑性塑料5.聚碳酸酯(雙酚A型PC)—熱塑性塑料6.聚砜(雙酚A型PSF)—熱塑性塑料7.氟塑料—熱塑性塑料8.鹵化聚醚—熱塑性塑料9.聚酰亞胺—熱塑性塑料10.常用熱固性塑料包括酚醛塑料(PF)、環(huán)氧塑料、有機(jī)硅塑料、DAP及DAIP、聚二苯醚、鈣塑材料等.第一節(jié)高分子材料四、橡膠橡膠和塑料一樣,也是一種有機(jī)高分子材料.它與塑料的區(qū)分在于在很寬的溫度范圍內(nèi)處于高彈性狀態(tài),因而其獨(dú)特的性能就是具有高彈性,對它施加不大的外力就可產(chǎn)生很大的變形,外力一去掉又能很快的復(fù)原原狀.大部分橡膠是二烯類化合物的高聚物,平均相對分子質(zhì)量在二十萬以上.未加協(xié)作劑、未經(jīng)硫化的橡膠稱為生膠.橡膠依據(jù)來源可分為自然橡膠和合成橡膠兩大類.合成橡膠依據(jù)其運(yùn)用性又分為合成橡膠和特種合成橡膠.其分類和表示符號(hào)如圖7—1所示.常用橡膠品種的性能特點(diǎn)及應(yīng)用見表7—3所示第一節(jié)高分子材料五、合成纖維合成纖維是指以石油、自然氣、煤及農(nóng)副產(chǎn)品等作為原料,經(jīng)過化學(xué)合成方法而得到的化學(xué)纖維.依據(jù)用途不同分為一般合成纖維和特種合成纖維兩大類.常見的一般合成纖維以錦綸、滌綸、晴綸、維綸、鹵綸和丙綸六大綸為主,占到合成纖維總產(chǎn)量的90%以上.其特性和用途見表7-4.特種纖維的品種較多,而且還在不斷發(fā)展之中.第一節(jié)高分子材料六、粘接劑作為一門獨(dú)立的邊緣科學(xué)技術(shù),粘接技術(shù)在航空工業(yè)、汽車工業(yè)等方面顯示出了巨大的潛力,而粘接劑也已經(jīng)成為各行各業(yè)不行缺少的重要原材料之一.粘接劑一般由幾種材料組成.通常依據(jù)固化形式可分為三類:溶劑型、反應(yīng)型、熱熔型粘接劑品種及其繁多,成分特殊困難,大致的種類如表7-2所示.其次節(jié)陶瓷材料一.陶瓷的概念陶瓷是指用各種粉狀原料做成確定形態(tài)后,在高溫窯爐中燒制而成的一種無機(jī)非金屬固體材料.傳統(tǒng)意義上的陶瓷僅指陶器和瓷器;目前陶瓷一詞是對無機(jī)非金屬材料的總稱,泛指以離子鍵結(jié)合的物質(zhì).二.陶瓷的特性和分類1.陶瓷的特性硬度高、抗壓強(qiáng)度大、耐高溫、不怕氧化和腐蝕、隔熱和絕緣性能好等,確定是質(zhì)脆,經(jīng)不起敲打碰撞,難修復(fù)、成型精度差、轉(zhuǎn)配連接性能不良等.其次節(jié)陶瓷材料2.陶瓷的分類陶瓷材料的分類方法尚無統(tǒng)一方案,依據(jù)近代陶瓷的含義,陶瓷材料被分為四類.如圖7-3所示.三.工業(yè)陶瓷材料1.一般工業(yè)陶瓷2.耐酸陶瓷3高溫陶瓷4.透亮瓷5.電解陶瓷6.金屬陶瓷第三節(jié)復(fù)合材料一.概述復(fù)合材料一般是指為了達(dá)到某些特殊性能要求而將兩種或兩種以上物理、化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì),經(jīng)人工組合而得到的多相固體材料.它可以改善或克服組成材料的弱點(diǎn),充分發(fā)揮它們的優(yōu)點(diǎn).復(fù)合材料開拓了一條創(chuàng)建材料的新途徑,已經(jīng)在很多工業(yè)和技術(shù)部門中引起了極大的重視.第三節(jié)復(fù)合材料二.復(fù)合材料的組成和分類復(fù)合材料由基體相和增加相兩大類相組成.復(fù)合材料的種類繁多,常見的分類方法有以下三種:1)依據(jù)基體類型分,可分為金屬基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料、無機(jī)非金屬基復(fù)合材料2)以增加纖維類型分,分為碳纖維增加復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、復(fù)合纖維復(fù)合材料、混雜纖維復(fù)合材料3)以增加物外形分,可分為連續(xù)纖維增加復(fù)合材料、纖維織物或片狀材料增加復(fù)合材料、短纖維增加復(fù)合材料、粒狀填料復(fù)合材料.第三節(jié)復(fù)合材料二.復(fù)合材料的性能復(fù)合材料的性能的性能不僅取決于基體和增加體的類型和性質(zhì),還取決于增加體的形態(tài)、大小及在基體中的含量和分布、排列方式,除此之外,還與基體和增加體之間的結(jié)合性能有關(guān).復(fù)合材料一般具有如下性能:1.高比強(qiáng)度和高比剛度2.耐乏累性高3.抗斷裂實(shí)力強(qiáng)4.減震實(shí)力強(qiáng)5.高溫性能好,抗蠕變實(shí)力強(qiáng)6.其它性能第三節(jié)復(fù)合材料四.常用復(fù)合材料及應(yīng)用1.玻璃鋼2.碳纖維復(fù)合材料3.硼纖維復(fù)合材料4.金屬纖維復(fù)合材料5.晶須復(fù)合材料第四節(jié)其它工程材料一、功能材料所謂功能材料是指具有特殊的電、磁、光、熱、聲、力、化學(xué)性能和生物性能及其轉(zhuǎn)化的功能，用以實(shí)現(xiàn)對信息和能量的感受、計(jì)測、顯示限制和轉(zhuǎn)化為主要目的的非結(jié)構(gòu)性高新材料。有時(shí)也把只有特殊力學(xué)性能的材料包括在功能材料之內(nèi)。第四節(jié)其它工程材料功能材料的分類方法很多，目前尚無公認(rèn)的統(tǒng)一方法，通常的分類見表7-11。功能材料的特點(diǎn)：1.多功能化2.材料與元件一體化3.制造和應(yīng)用的高技術(shù)性，性能和質(zhì)量的高精密性和高穩(wěn)定性4.材料形態(tài)多樣性第四節(jié)其它工程材料下面簡潔介紹幾種常見的功能材料。（一）電功能材料1、導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料主要包括：常用導(dǎo)電金屬材料、厚膜與薄膜導(dǎo)體布線材料、導(dǎo)電高分子材料、超導(dǎo)電材料等。2、電阻材料3、電接點(diǎn)材料第四節(jié)其它工程材料（二）磁功能材料

1、軟磁材料

2、硬磁材料（永磁材料）

3、信息磁材料

第四節(jié)其它工程材料（三）熱功能材料1、膨脹材料2、形態(tài)記憶材料第四節(jié)其它工程材料（四）其他功能材料1、光敏材料2、貯氫材料

3、光纖材料

4、隱形材料

第四節(jié)其它工程材料二、納米材料一）概述納米是一種度量單位，1納米（nm）等于10-9米，即百萬分之一毫米、十億分之一米。1nm相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的10萬分之一。1納米大約是3-4個(gè)原子排列在一起的寬度。廣義地說，所謂納米材料，是指用晶粒尺寸為納米級(jí)的微小顆粒制成的各種材料，其納米顆粒的大小不應(yīng)超過100納米，而通常狀況下不應(yīng)超過10納米。目前，國際上將處于1-100nm納米尺度范圍內(nèi)的超微顆粒及其致密的聚集體，以及由納米微晶所構(gòu)成的材料，統(tǒng)稱為納米材料，包括金屬、非金屬、有機(jī)、無機(jī)和生物等多種粉末材料。第四節(jié)其它工程材料二）納米材料的分類目前，依據(jù)材料的形態(tài)，納米材料可分為：納米顆粒型材料、納米固體材料、顆粒膜材料和納米磁性液體材料等四種１.納米顆粒型材料２.納米