11非金屬材料

出金屬材料以為的材料都是非金屬材料。非金屬的種類：塑料、橡膠、陶瓷和復(fù)合材料，

本章主要內(nèi)容11.1高分子材料111.2陶瓷材料211.3復(fù)合材料311.1.1高分子化合物的含義和組成高分子材料是以高分子化合物為主要組成部分的材料。高分子化合物是指分子量很大的有機(jī)化合物，也稱為聚合物或高聚物。低分子化合物的分子一般只含有幾個(gè)到幾十個(gè)原子，分子量在500以下，而高分子化合物是由千百萬個(gè)原子彼此以共價(jià)鍵連接而成的大分子化合物，其分子量在5000以上，可達(dá)幾萬，幾十萬，以至幾百萬。

11.1高分子材料組成聚合物的低分子化合物(如CH2＝CH2)稱為單體。聚合物的分子是很長的，像鏈條形狀，叫大分子鏈。人們把這種特定的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元稱為鏈節(jié)。一條大分子鏈中所含有的鏈節(jié)數(shù)目稱為聚合度。

由此可見，同一種高分子化合物各個(gè)分子所含鏈節(jié)的數(shù)目是不相等的，所以各個(gè)分子的分子量也就不同。如果以M表示高分子化合物的分子量、m表示鏈節(jié)的分子量，n表示聚合度。其關(guān)系式為：M＝nm如聚乙烯，當(dāng)n＝2500時(shí)，M＝2500×28＝70000。由于組成高分子化合物的鏈節(jié)數(shù)可在一定范圍內(nèi)變化，所以高分子化合物的分子量也只能是一個(gè)范圍，而不是定值。我們所說的分子量，是指平均分子量。11.1.2高分子化合物的結(jié)構(gòu)按其分子在空間的排列可分為：晶態(tài)和非晶態(tài)兩類。聚合物中往往是晶態(tài)和非晶態(tài)共存，如圖11－1（a），這是因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中，要把大分子鏈全部規(guī)則排列起來是非常困難的。非晶態(tài)(或稱無定形)聚合物分子排列雜亂不規(guī)則，像線團(tuán)糾纏在一起，如圖11—1（b）所示。

圖11－1高分子結(jié)構(gòu)示意圖（a）晶態(tài)聚合物

（b）非晶態(tài)聚合物(1)晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)根據(jù)“晶區(qū)”結(jié)構(gòu)模型的說法，大分子鏈作非均勻分布，在一些區(qū)域呈規(guī)則緊密排列而形成“晶區(qū)”；在晶區(qū)中間還存在著呈蜷曲狀無序排列的“非晶區(qū)”。由于大分子鏈長度比晶區(qū)和非晶區(qū)尺寸大得多，所以每個(gè)大分子鏈往往要穿過幾個(gè)晶區(qū)和非晶區(qū)。聚合物中晶區(qū)部分占總重量的百分?jǐn)?shù)稱為結(jié)晶度。晶態(tài)聚合物的結(jié)晶度一般為50％～80％。一般，具有簡單分子鏈(沒有或很少支鏈)的聚合物結(jié)晶比較容易；機(jī)械變形(如拉絲或軋片)將增加聚合物的結(jié)晶度。晶態(tài)聚合物的結(jié)晶度高，表示聚合物中分子排列緊密，分子間的作用力增強(qiáng)，這就導(dǎo)致強(qiáng)度、剛度、熔點(diǎn)、密度、耐熱性、耐化學(xué)性能提高，而與鏈運(yùn)動有關(guān)的性能，如彈性、韌性、延伸率等則降低。常見的聚乙烯、聚四氟乙烯、尼龍等都屬于晶態(tài)聚合物。

(2)非晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)非晶態(tài)聚合物又稱為無定性聚合物，如聚苯乙烯、有機(jī)玻璃等。非晶態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)模型為：在各種長度無規(guī)則排列的大分子鏈結(jié)構(gòu)間，存在著一些排列比較規(guī)整的大分子鏈折疊區(qū)。即屬于“遠(yuǎn)程無序、近程有序”結(jié)構(gòu)。這類聚合物沒有嚴(yán)格的熔點(diǎn)，冷卻時(shí)由粘滯液體或熔融狀態(tài)進(jìn)入非晶態(tài)。象高分子材料的高彈性等性能，只有在結(jié)晶度小時(shí)才能充分表現(xiàn)出來，所以一般不以結(jié)晶度為準(zhǔn)則來判斷聚合物的優(yōu)劣。11.1.3高分子材料的基本特性(1)物理性能和化學(xué)性能特點(diǎn)（A）高絕緣性

塑料、橡膠等絕緣材料。（B）高化學(xué)穩(wěn)定性

在酸、堿等溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。

例如，硬質(zhì)聚氯乙烯可用于35％鹽酸容器或輸送氯氣的管道。但某些高分子材料在某些特定溶劑中會發(fā)生溶解，或發(fā)生“溶脹”，使尺寸增大，并使性能惡化。

例如，聚碳酸酯在四氯化碳中的溶解以及天然橡膠在油中的溶脹等。1.金屬儲氫原理（C）高熱膨脹性

高分子材料的線膨脹系數(shù)大，為金屬的3～10倍。（D）低耐熱性

耐熱性指材料在高溫下長期使用而保持性能不變的能力。

塑料的耐熱性是指在高溫下保持高硬度和高強(qiáng)度的能力。溫度接近Tg(非晶態(tài))或Tm(晶態(tài))時(shí)，塑料就會軟化變形或熔化而不能使用。Tg或Tm愈高，則塑料的耐熱性能愈好，（E）低導(dǎo)熱性

（F）燃燒性

高分子材料的碳、氫均為易燃元素，當(dāng)形成制品后耐燃燒性分為三類：在空氣中易燃燒的有聚乙烯、ABS、聚甲醛、有機(jī)玻璃等；緩慢燃燒的有聚碳酸酯、尼龍等；難燃燒的有聚氯乙烯等；完全不燃燒的有氟塑料。2.儲氫合金的電化學(xué)原理力學(xué)性能特點(diǎn)（A）低強(qiáng)度和高比強(qiáng)度（B）高彈性和低彈性模量

高彈性是高分子材料所特有的性能。（C）高耐磨性

聚合物的硬度比金屬低，但其耐摩擦和磨損的性能遠(yuǎn)比金屬好，尤其是塑料更為突出。（D）塑性和韌性

聚合物的塑性相對較好，如橡膠和熱塑性塑料。（E）蠕變

高分子材料在室溫下承受力的長期作用，因大分子鏈原來的蜷曲、纏結(jié)狀態(tài)改變?yōu)樯熘睜顟B(tài)，從而發(fā)生不可回復(fù)的塑性變形，稱為蠕變。高分子材料的蠕變是它作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)必須解決和考慮的問題。2.儲氫合金的電化學(xué)原理(3)高分子材料的老化目前認(rèn)為老化原因有兩種情況：其一，進(jìn)一步交聯(lián)，高分子化合物由線型變?yōu)榫W(wǎng)體型，使材料變硬、變脆及開裂，如橡膠輪胎長期使用后失去彈性，產(chǎn)生龜裂而報(bào)廢；其二，進(jìn)一步裂解，聚合度減小，分子量明顯降低，使材料變軟、發(fā)粘，如乳膠手套長期使用發(fā)粘失去彈性等。高分子材料抵抗老化的性能又稱為耐氣候性。為防止高分子材料過早老化，除了選用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的高分子化合物外，還可在材料中添加各種防老化劑(如碳黑)，也可對高分子材料進(jìn)行表面處理，如鍍金屬或噴涂料等作為防護(hù)層。

11.1.4高分子材料的分類

（1）按化學(xué)組成分類：

碳鏈有機(jī)高分子(大分子主鏈全部由碳原子組成)

雜鏈有機(jī)高分子(主鏈中除碳原子外，還含有氧、氮、硫、磷等原子)

元素有機(jī)高分子(主鏈不一定含有碳原子，而由無機(jī)元素硅、鈦、鋁、硼等原子和有機(jī)元素氧原子等構(gòu)成)。（2）按大分子鏈的幾何形狀分類：線型

支鏈型

網(wǎng)體型三類。（3）按大分子鏈的空間排列特點(diǎn)分類：

無定形

晶態(tài)（4）按熱行為及成形工藝特點(diǎn)分類：

熱塑性聚合物加熱軟化或熔融而冷卻時(shí)固化，該過程可反復(fù)進(jìn)行的聚合物稱為熱塑性聚合物。

熱固性聚合物加熱加壓成形后不能重新熔融或改變形狀的聚合物稱為熱固性聚合物。（5）按實(shí)際應(yīng)用分類：塑料橡膠、纖維、膠粘劑和涂料等。傳統(tǒng)上“陶瓷”是陶器和瓷器的總稱。泛指整個(gè)硅酸鹽材料，包括玻璃、水泥、耐火材料及陶瓷?，F(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展不僅已將氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等固體材料劃入陶瓷的范圍，甚至將陶瓷相和金屬(或合金)組成的材料也列入陶瓷的范疇。從形態(tài)上有玻璃、燒結(jié)體、薄膜、粉料等。從功能上講有結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。11.2陶瓷材料11.2.1陶瓷的基本相結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在晶體相和玻璃相，并存在一些氣相。(1)晶體相晶體相是陶瓷的主要組成相，對性能的影響也最大，它的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、形態(tài)和分布，決定了陶瓷的主要特點(diǎn)(如強(qiáng)度、硬度、耐熱性等)和應(yīng)用。陶瓷中的晶體相一般有硅酸鹽、氧化物和非氧化物等三種。（A）硅酸鹽硅酸鹽的結(jié)合鍵為離子鍵和共價(jià)鍵的混合鍵。構(gòu)成硅酸鹽的基本單元是硅氧四面體[Si04]，一個(gè)硅原子被四個(gè)氧原子所包圍，如圖11－2所示。[SiO4]可以數(shù)個(gè)連在一起呈島狀，也可以很多連在一起呈鏈狀，還可以形成立體結(jié)構(gòu)呈架狀。由于較復(fù)雜的硅酸鹽結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與聚合物有某些相似之處，因而把它們稱為無機(jī)高分子化合物圖11－2硅氧四面體4.儲氫合金分類與特點(diǎn)（B）氧化物陶瓷本質(zhì)上是金屬和非金屬元素的化合物構(gòu)成的非均勻固體物質(zhì)，但氧化物是大多數(shù)陶瓷尤其是特種陶瓷的主要晶體相。重要氧化物：AO、AO2、A20：、AB03、AB204，其結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是：尺寸較大的氧離子作緊密堆集(如面心立方、密六方等)，較小的金屬正離子則填充在它們的空隙之中。（C）非氧化物非氧化物指不含氧的金屬碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等。它們是特種陶瓷，特別是金屬陶瓷的主要結(jié)晶相。金屬碳化物大多數(shù)是共價(jià)鍵和金屬鍵之間的過渡狀態(tài)，以共價(jià)鍵為主。有兩種結(jié)構(gòu)類型：具有簡單結(jié)構(gòu)的間隙相(如TiC)和具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物(如斜方結(jié)構(gòu)Fe3C、立方結(jié)構(gòu)WC以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的Fe3W3C等)。氮化物結(jié)合鍵與碳化物相似，有一定程度的離子鍵。如BN屬于六方晶格，與石墨結(jié)構(gòu)類似。硼化物和硅化物結(jié)構(gòu)相近，為共價(jià)鍵結(jié)合。和有些金屬一樣，陶瓷晶體相中某些化合物(如SiO2)也存在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。陶瓷晶體相中也存在著點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。這些缺陷除加速陶瓷的燒結(jié)擴(kuò)散過程外，還影響陶瓷的性能。例如，空位影響陶瓷的電學(xué)性能，某些陶瓷的離子導(dǎo)電性能就與其有密切關(guān)系。由于陶瓷的結(jié)合鍵力強(qiáng)，位錯運(yùn)動所需能量大，而且位錯密度較低不易運(yùn)動，所以陶瓷脆性較大。(2)玻璃相玻璃相是陶瓷燒結(jié)過程中，有關(guān)組元和雜質(zhì)經(jīng)過一系列的物理化學(xué)變化后形成的一種非晶態(tài)物質(zhì)。陶瓷中玻璃相的主要作用是：粘結(jié)晶體、填充晶體間的空隙，提高陶瓷制品的致密度；降低燒結(jié)溫度，加速燒結(jié)過程、阻止晶粒長大；使制品獲得一定程度的玻璃特性(如透光性等)。玻璃相的存在，使陶瓷制品的機(jī)械強(qiáng)度下降，熱穩(wěn)定性變差、脆性增大。如果玻璃相中滲入金屬離子(如Na＋、Ca＋、Mg2＋等)還會使很強(qiáng)的硅-氧鏈?zhǔn)艿较魅鹾推茐模共Ａ嗟慕Y(jié)構(gòu)變得疏松，其電絕緣性能下降。因而陶瓷制品中，玻璃相的含量應(yīng)適當(dāng)控制，普通陶瓷一般為20％~40％，特種陶瓷應(yīng)盡量減少和避免玻璃相的出現(xiàn)。(3)氣相

氣相是陶瓷生產(chǎn)過程中產(chǎn)生并殘留在制品組織中的氣孔。除需要保留較多開口氣孔的過濾陶瓷之外，氣孔對陶瓷的性能都會產(chǎn)生不良的影響。氣孔的存在，降低了陶瓷制品的致密度和機(jī)械強(qiáng)度。氣孔實(shí)質(zhì)上是隱藏在陶瓷制品內(nèi)部的缺陷，容易引起應(yīng)力集中，進(jìn)一步增加了陶瓷的脆性。氣孔還使陶瓷制品的介電損耗增大，電擊穿強(qiáng)度下降。因此，降低陶瓷制品的氣孔率是提高其質(zhì)量的一個(gè)重要措施。一般陶瓷制品的氣孔率應(yīng)低于10％，特種陶瓷的氣孔率應(yīng)控制在5％以下，金屬陶瓷則應(yīng)低于0.5％。11.2.2陶瓷的性能特點(diǎn)(1)力學(xué)性能（A）剛度圖11－3是陶瓷、低碳鋼和橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。陶瓷在外力作用下，不產(chǎn)生塑性變形，經(jīng)一定彈性變形后直接脆斷。其彈性模量為104MN／m2~105MN／m2數(shù)量級之間。陶瓷的彈性模量對組織不敏感，但隨氣孔率和溫度增高而降低。（B）硬度陶瓷的硬度僅次于金剛石，遠(yuǎn)高于其它材料的硬度，故其耐磨性能較好。5.金屬儲氫材料的應(yīng)用（C）強(qiáng)度由于陶瓷內(nèi)部存在大量氣孔，其作用相當(dāng)于裂紋，在拉應(yīng)力作用下迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致脆斷，故陶瓷的實(shí)際抗拉強(qiáng)度比金屬低得多。陶瓷在受壓時(shí)，氣孔等缺陷不易擴(kuò)展為宏觀裂紋，故其抗壓強(qiáng)度較高，約為抗拉強(qiáng)度的10~40倍。減少陶瓷中的雜質(zhì)和氣孔，細(xì)化晶粒，提高致密度和均勻度，可提高陶瓷的強(qiáng)度。圖11－3陶瓷等材料的拉伸曲線比較5.金屬儲氫材料的應(yīng)用（D）塑性、韌性(或脆性)在室溫環(huán)境下陶瓷幾乎不具有塑性，但在高溫(約800～1500℃)條件下，陶瓷可能由脆性變?yōu)樗苄?。由于陶瓷制品難以發(fā)生塑性變形，加之氣孔缺陷的交互作用，其內(nèi)部很容易造成應(yīng)力集中，因而沖擊韌性很低，脆性很大。對裂紋、沖擊、表面損傷特別敏感，容易發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂，成為陶瓷材料用于受力較復(fù)雜構(gòu)件的主要障礙。5.金屬儲氫材料的應(yīng)用(2)物理性能、化學(xué)性能（A）熱性能陶瓷的熱膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率低，熱容量小，而且隨氣孔率的增加而降低，故多孔或泡沫陶瓷可作為絕緣材料使用。陶瓷的熔點(diǎn)高于金屬(大多在2000℃以上)，在高溫下不僅保持高硬度，而且基本保持其室溫下的強(qiáng)度。具有高蠕變抗力和抗氧化性能，故廣泛用作高溫材料。例如，制造火箭和導(dǎo)彈的雷達(dá)防護(hù)罩、發(fā)動機(jī)燃燒噴嘴、高溫觀察窗、冶金坩堝、爐膛等。但陶瓷承受溫度急劇變化的能力差，所以在燒結(jié)和使用時(shí)應(yīng)注意緩冷和緩慢加熱。（B）電性能大部分陶瓷有較高的電阻率、較小的介電常數(shù)和損耗，可用作絕緣材料，如電氣工業(yè)中的絕緣子、電容器等。此外，材料科學(xué)的不斷發(fā)展，已出現(xiàn)了具有各種電性能的陶瓷，例如半導(dǎo)體陶瓷、壓電陶瓷、熱電陶瓷等，現(xiàn)已成為無線電技術(shù)和高科技領(lǐng)域中不可缺少的材料。5.金屬儲氫材料的應(yīng)用（C）磁性能

鐵氧體(又稱磁性瓷)作為重要的非金屬磁性材料，用作磁芯、磁頭等。（D）光學(xué)性能

玻璃纖維可用作光通訊傳輸介質(zhì)，紅寶石可作為固體激光材料，以及某些陶瓷可作為光敏電阻材料等。（E）化學(xué)穩(wěn)定性

陶瓷中金屬正離子被四周非金屬氧離子所包圍，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，故在高溫下不會氧化，并對酸、堿、鹽有很好的抗蝕能力，可用作化工生產(chǎn)中的重要材料。某些陶瓷還能抵抗熔融金屬的侵蝕，如A1203坩堝在1700℃高溫下不污染金屬而保持高的化學(xué)穩(wěn)定性。綜上所述，陶瓷的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有優(yōu)良的耐熱、耐燃、耐腐蝕和電絕緣性能，高的硬度、耐磨性和抗壓能力。其突出缺點(diǎn)是脆性大、抗拉強(qiáng)度低、耐急冷急熱性較差。5.金屬儲氫材料的應(yīng)用11.2.3常用陶瓷材料

(1)普通陶瓷

普通陶瓷是用粘土、長石、石英為原料配制成型，經(jīng)過燒結(jié)而成的。其組織中以莫來石(3Al203·2Si02)為主晶相，占25％～30％；次晶相為Si02；玻璃相占35％～60％；氣相小于10％。這類陶瓷質(zhì)地堅(jiān)硬，絕緣性、耐蝕性、工藝性好，可耐1200℃高溫，且成本低廉、歷史悠久，是各類陶瓷中用量最大的。除了日用陶瓷之外，廣泛應(yīng)用于電氣、化工、建筑、紡織等工業(yè)部門，如絕緣用電瓷、耐酸堿要求不高的化學(xué)瓷以及承載要求較低的結(jié)構(gòu)零件用瓷。5.金屬儲氫材料的應(yīng)用(2)特種陶瓷

（A）氧化物陶瓷

氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷是含A1203在75％以上的一類特種陶瓷，是特種陶瓷中應(yīng)用最廣的品種。根據(jù)A1203的含量可以分為75瓷、95瓷、99瓷，它們分別含A1203為75％、95％、99％。這類陶瓷的組織為莫來石晶體或剛玉(A1203)晶體及少量的氣相。隨A1203含量的增加，莫來石數(shù)量減少。通常含A1203>95％的陶瓷屬于剛玉陶瓷，在氧化鋁陶瓷中性能最佳。

與普通陶瓷相比，氧化鋁陶瓷尤其是剛玉瓷的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、致密，強(qiáng)度高2～6倍，硬度僅次于金剛石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅而居第五位。它具有很高的耐熱性，能在1600℃以下長期使用，短時(shí)使用溫度為1980℃，氧化鋁陶瓷有優(yōu)良的電絕緣性和耐蝕性。每毫米厚度可耐800伏以上的高壓，在酸、堿和其它的腐蝕介質(zhì)中能安全工作。此外，氧化鋁陶瓷的原料豐富、分布范圍廣。氧化鋁陶瓷的缺點(diǎn)是它的脆性大，耐急冷急熱性能差。氧化鋁陶瓷廣泛用于各類高溫、耐蝕和電氣絕緣工程中。如盛裝高溫熔體的容器，熱電偶的保護(hù)套管，化工反應(yīng)爐管、高壓電氣元件等。在機(jī)械工程中，用作某些精密、高速切削刀具、磨料，耐熱、耐蝕、耐磨零件，拉絲模、量規(guī)、泵件等。氧化鋯陶瓷

氧化鋯(ZrO2)陶瓷呈弱酸性，導(dǎo)熱系數(shù)很小，耐熱性高，可在2000～2200℃溫度范圍內(nèi)使用。有良好的耐蝕性。這種陶瓷還可以加入少量堿金屬氧化物或稀土金屬氧化物進(jìn)行韌化處理，其力學(xué)性能顯著改善。它的熱膨脹曲線和鑄鐵、鋁相近。因此，氧化鋯陶瓷除用于制造高溫耐火坩堝、發(fā)熱元件、爐襯、反應(yīng)堆材料和防護(hù)涂層外，還可以用來制造與金屬構(gòu)件連接，又要求耐熱、絕熱的機(jī)械零部件，如氣缸套等。氧化鈹陶瓷

氧化鈹(BeO)陶瓷的導(dǎo)熱性好，熱穩(wěn)定性優(yōu)良，消散高能輻射的能力強(qiáng)，但強(qiáng)度較低。這種陶瓷可用于制造真空陶瓷、熔化純金屬的坩堝和原子能反應(yīng)堆的材料。氧化鈾、氧化釷陶瓷

氧化鈾(UO2)、氧化釷(ThO2)陶瓷具有很高的熔點(diǎn)、密度，并有放射性。這兩種氧化物陶瓷主要用于制造熔化難熔金屬鉑、銠的坩堝，核動力反應(yīng)堆的發(fā)熱元件。氧化鎂陶瓷

氧化鎂(MgO)陶瓷是—種堿性陶瓷，導(dǎo)熱性好，熔點(diǎn)高，但熱穩(wěn)定性差。主要用于制造高溫坩堝和爐襯材料。5.金屬儲氫材料的應(yīng)用非氧化物陶瓷氮化硅陶瓷

氮化硅(Si3N4)陶瓷是共價(jià)鍵結(jié)合的六方晶體，原子間結(jié)合十分牢固，一般用反應(yīng)燒結(jié)法和熱壓燒結(jié)法生產(chǎn)。熱壓燒結(jié)法是將氮化硅粉料和少量的氧化鎂添加劑置于石墨質(zhì)模具內(nèi)，在1600～1700℃的高溫和200～300大氣壓下成形燒結(jié)。反應(yīng)燒結(jié)法是用一定比例的硅粉和氮化硅粉混合料，按一般陶瓷成形方法成形后，在1150～1200℃溫度下進(jìn)行預(yù)氮化，使坯體產(chǎn)生一定的強(qiáng)度。然后進(jìn)行切削加工得到符合規(guī)定的尺寸精度，再在1350～1450℃溫度下進(jìn)一步氮化，使坯體中所有硅粉全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈?，坯體的強(qiáng)度和致密度進(jìn)一步提高，形成尺寸相當(dāng)精確的氮化硅陶瓷制品。氮化硅陶瓷具有良好的熱穩(wěn)定性、耐磨性和耐熱性，是制造高溫軸承、燃?xì)廨啓C(jī)葉片、測量金屬液溫度的熱電偶保護(hù)套管的理想材料。氮化硼陶瓷

氮化硼(BN)是用硼砂、尿素在高溫等離子氮?dú)饧訜嵯潞铣傻摹儆诹骄?，其晶格與石墨相似，有“白石墨”之稱。它的耐熱性、熱穩(wěn)定性、高溫(～2000℃)電絕緣性和自潤滑性能優(yōu)良，化學(xué)穩(wěn)定性好，能抗熔融金屬的侵蝕。但硬度較低。如果以堿金屬或堿土金屬為觸媒，在1500～2000℃、6～9萬個(gè)大氣壓下，六方BN可轉(zhuǎn)變成立方BN．立方BN的結(jié)構(gòu)更為牢固，硬度接近于金剛石，是現(xiàn)已開發(fā)的陶瓷材料中硬度最高的。六方氮化硼陶瓷，常用于制造高溫?zé)犭娕嫉谋Ｗo(hù)套管、熔煉半導(dǎo)體的坩堝、絕緣元件。它的硬度低，可以進(jìn)行切削加工，也可以制成自潤滑的高溫軸承、玻璃成形模具。立方氮化硼陶瓷可作為優(yōu)良的磨料和高速切削刀具，由于其成本較高，目前尚不能廣泛使用。碳化硅陶瓷．碳化硅(SiC)為共價(jià)鍵結(jié)合，通常的碳化硅陶瓷以六方晶系為主晶相。碳化硅具有很高的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。即使在1400℃的高溫度下也能保持500～600MPa的抗彎強(qiáng)度。它的硬度高，耐熱性好，導(dǎo)熱性僅次于氧化鈹，還具有良好的耐蝕性和抗高溫蠕變的性能。碳化硅陶瓷常用于制造火箭尾噴管的噴嘴、澆注金屬液用的喉嘴、熱電偶保護(hù)套管、爐管、爐板、熱交換器件、核燃料的包封材料、泵的密封圈等。目前還試用于制造燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、軸承等零件。

11.3復(fù)合材料11.3.1復(fù)合材料的概念復(fù)合材料應(yīng)用的歷史已十分悠久，遠(yuǎn)古人類就應(yīng)用復(fù)合材料。然而作為材料科學(xué)中的一個(gè)專門學(xué)科不過幾十年的時(shí)間?，F(xiàn)代社會的發(fā)展對于材料的要求越來越高，在結(jié)構(gòu)材料上,不但要求高強(qiáng)度等力學(xué)性能,且要求重量輕,甚至要求具有功能材料特性。復(fù)合材料能夠很好地滿足這種發(fā)展的要求.復(fù)合材料的觀念出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代,有許多定義,但是歸納起來可認(rèn)為:復(fù)合材料是由兩種以上具有不同物理及化學(xué)性能,形態(tài)上也不同的材料經(jīng)過人工復(fù)合制成的一種新的多相材料[5]?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對材料提出了許多特殊的要求，甚至有些構(gòu)件或零件要求材料同時(shí)具有相互矛盾的性能，如既導(dǎo)電又絕熱。這對單一材料來說是無能為力的，而采用復(fù)合技術(shù)，把一些具有不同性能的材料復(fù)合起來，就能實(shí)現(xiàn)這些要求。這就是我們將要討論的復(fù)合材料。

復(fù)合材料一般是由高強(qiáng)度、高模量和脆性很大的強(qiáng)化相(增強(qiáng)材料)與強(qiáng)度低、韌性好、低模量的基體所組成。基體常用樹脂、橡膠、金屬、陶瓷等；增強(qiáng)材料常用碳纖維、硼纖維以及顆粒和片狀物等。復(fù)合材料既保持組成材料各自最佳性能，又具有組合后的新特性。11.3.2復(fù)合材料的分類

生產(chǎn)及生活中，會遇到許多復(fù)合材料，種類較多。復(fù)合材料按基體材料不同可分為金屬基、陶瓷級、高分子材料基、水泥基等復(fù)合材料。目前大量研究和使用較多的是以聚合物材料為基體的復(fù)合材料。

復(fù)合材料按增強(qiáng)相的種類和形狀可分為層疊、纖維、顆粒增強(qiáng)等復(fù)合材料，見圖11－4。而發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的是各種纖維(如玻璃纖維、碳纖維等)增強(qiáng)的復(fù)合材料。

圖11－4復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖按用途可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要用材料的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、剛度等以便承受載荷或變形。功能復(fù)合材料是利用材料的電、磁、光等性能以實(shí)現(xiàn)能量的變換或功能利用。

圖11-5是鋁基以氧化鋁纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料照片；圖11-6是鋁基碳纖維復(fù)合材料照片[5]圖11-5鋁基以氧化鋁纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，OM,×1000圖11-6鋁基碳纖維復(fù)合材料OM，×50011.3.3復(fù)合機(jī)理簡介(1)顆粒增強(qiáng)復(fù)合

顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料主要由基體承受載荷，利用高強(qiáng)度增強(qiáng)顆粒均勻分散在基體相中，阻止基體的變形，從而達(dá)到強(qiáng)化的目的。例如，聚合物基體上分布著陶瓷、金屬類硬質(zhì)點(diǎn)，可以阻礙大分子鏈的運(yùn)動，使材料的基體得到強(qiáng)化。復(fù)合材料增強(qiáng)顆粒的大小，直接影響增強(qiáng)效果。一般認(rèn)為，當(dāng)顆粒直徑為0.0lμm～0.1μm時(shí)增強(qiáng)效果最好；如果大于0.1μm時(shí)，易造成局部應(yīng)力集中或因本身缺陷多而形成裂紋源，導(dǎo)致強(qiáng)度降低；如果顆粒過小，位錯容易繞過顆粒發(fā)生運(yùn)動或?qū)Υ蠓肿渔溸\(yùn)動的阻礙作用減弱，當(dāng)直徑小于0.0lμm時(shí)，則易形成固溶體，增強(qiáng)效果大為減弱。（2）纖維增強(qiáng)復(fù)合

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要是由纖維承受載荷的。其增強(qiáng)作用能否充分發(fā)揮出來，既與基體性質(zhì)有關(guān)，也取決于纖維的排列形式及基體間結(jié)合強(qiáng)度等因素。為了達(dá)到纖維增強(qiáng)的目的，并不是任何纖維和任何基體都能進(jìn)行復(fù)合。它們必須滿足下列條件：①增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度和彈性模量應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體，這樣可以使纖維承擔(dān)更多的外加載荷。②增強(qiáng)纖維與基體應(yīng)做到相互“潤濕”，具有一定的界面結(jié)合強(qiáng)度，以保證基體所承受的載荷能通過界面?zhèn)鬟f給纖維。若結(jié)合強(qiáng)度過低，猶如在基體中存在大量的氣孔群，纖維極易從基體中滑脫，不僅毫無作用，反而使整體強(qiáng)度大大降低；若結(jié)合強(qiáng)度過高，纖維不能從基體中拔出，以致發(fā)生脆性斷裂。適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合強(qiáng)度會使復(fù)合材料受力破壞時(shí)，纖維容易從基體中拔出以消耗更多能量，從而避免脆性破壞。

為了提高纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度，常用空氣氧化法或硝酸處理纖維，使其表面粗糙，以增加兩者之間的結(jié)合力。③增強(qiáng)纖維的排列方向應(yīng)與構(gòu)件受力方向一致，才能充分發(fā)揮增強(qiáng)作用。④增強(qiáng)纖維和基體的熱膨脹系數(shù)要匹配，相差過大則在熱脹冷縮過程中引起纖維和基體結(jié)合強(qiáng)度的降低。⑤增強(qiáng)纖維和基體之間不能發(fā)生使結(jié)合強(qiáng)度降低的化學(xué)反應(yīng)。⑥增強(qiáng)纖維所占體積分?jǐn)?shù)越高、纖維越長、越細(xì)，則增強(qiáng)效果越好。11.3.4復(fù)合材料的性能特點(diǎn)

(1)比強(qiáng)度和比模量高

復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量比鋼大幾倍。比強(qiáng)度越大，在同樣強(qiáng)度下零件的自重可以越?。槐饶Ａ吭酱?，在模量相同條件下零件的剛度越大。這對要求減輕自重和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零件或構(gòu)件是非常重要的。(2)良好的抗疲勞性能

多數(shù)金屬材料的疲勞極限只有抗拉強(qiáng)度的40％～50％，這是因?yàn)榻饘俨牧掀谄茐臅r(shí)，裂紋沿拉力方向迅速擴(kuò)展而造成的斷裂趨向是不改變的。而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可達(dá)到抗拉強(qiáng)度的70％～80％，這是因?yàn)檫@種復(fù)合材料對缺口、應(yīng)力集中敏感性小，纖維對基體的分割作用能夠阻礙裂紋擴(kuò)展和改變擴(kuò)展方向，使裂紋擴(kuò)展路途更為曲折，從而顯著提高其疲勞極限。(3)破損安全性好

纖維復(fù)合材料中存在大量獨(dú)立的纖維，平均每平方厘米截面上有幾千到幾萬根纖維，即使一部分纖維產(chǎn)生斷裂時(shí)，其應(yīng)力會迅速重新分布到未破壞的其它纖維上，使零件不會造成突然斷裂。(4)減摩、耐磨和自潤滑性能好

例如，聚四氟乙烯(或聚甲醛)和多孔青銅、鋼板組成的三層復(fù)合材料，同時(shí)具有增強(qiáng)、摩擦系數(shù)低、油吸附作用和自潤滑性能，成為滑動軸承的良好材料。(5)工藝性和可設(shè)計(jì)性好

大多數(shù)金屬材料必須經(jīng)過多次加工方能成為能夠使用的構(gòu)件或零件，而復(fù)合材料可一次整體成形。通過調(diào)整增強(qiáng)材料的形狀、排布、含量，可以滿足構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度等性能要求，從而使其具有良好的工藝性和可設(shè)計(jì)性。

此外，復(fù)合材料具有優(yōu)良的高溫性能和減震性能，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有隔熱、耐燒蝕和電、光、磁等特殊性能。

當(dāng)然，復(fù)合材料和其它材料一樣，也會有許多不足之處，如增強(qiáng)塑料層間剪切強(qiáng)度較低，韌性比較差，產(chǎn)品質(zhì)量不易控制等。但盡管有這些缺點(diǎn)，它們的應(yīng)用仍與日俱增，一是因其優(yōu)良的性能；二是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展正在不斷得到解決和改善。11.3.5常用復(fù)合材料(1)塑料基復(fù)合材料

（A）玻璃纖維—樹脂復(fù)合材料

玻璃纖維—樹脂復(fù)合材料是以玻璃纖維或玻璃纖維制品(如玻璃布、玻璃帶、玻璃氈等)為增強(qiáng)材料，以合成樹脂為基體制成的復(fù)合材料。

玻璃纖維是將熔化的玻璃液以極快的速度拉制成細(xì)絲(直徑一般為5μm～9μm)，質(zhì)地柔軟，且纖維愈細(xì)強(qiáng)度愈高。其比強(qiáng)度和比模量都比鋼高。

玻璃纖維增強(qiáng)材料分為長纖維和短纖維兩類。長纖維在增強(qiáng)塑料中以平行成束排列，并被樹脂包圍；短纖維則均勻不定向地分布于樹脂之中。（B）碳纖維—樹脂復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)材料與樹脂基體組成的材料稱為碳纖維—樹脂復(fù)合材料，或稱為碳纖維增強(qiáng)塑料。

目前用于制造碳纖維增強(qiáng)塑料的樹脂主要有聚酯、酚醛、環(huán)氧、聚四氟乙烯等。

碳纖維原料多為聚丙烯腈纖維，經(jīng)200℃～300℃空氣中加熱并施加一定張力進(jìn)行預(yù)氧化處理，在1000℃～1500℃氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行碳化處理而成。這種碳纖維含碳量85％～95％，具有高強(qiáng)度而稱為高強(qiáng)度碳纖維或Ⅱ型碳纖維。如果將碳纖維在2500℃～3000℃高溫下于氬氣中進(jìn)行石墨化處理，含碳量將達(dá)到98％以上，具有高彈性模量、高強(qiáng)度，稱為高模量碳纖維或I型碳纖維。

與玻璃纖維相比，碳纖維密度更小，彈性模量比玻璃纖維高4～6倍，強(qiáng)度略高。所以比強(qiáng)度和比模量均高于玻璃纖維，同時(shí)具有較好的高溫性能。其缺點(diǎn)是脆性大、易氧化、與基體結(jié)合力差。由此可見，碳纖維增強(qiáng)塑料和玻璃鋼的基體相似，但由于碳纖維的優(yōu)異性能，使其性能優(yōu)于玻璃鋼。它具有低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量、高比強(qiáng)度和高比模量。而且還具有優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊、自潤滑、減摩耐磨、耐蝕和耐熱等性能。在機(jī)械工業(yè)中，碳纖維增強(qiáng)塑料廣泛用于制造承載、耐磨等零件，如軸承、密封圈、齒輪等。齒輪是最重要和用量最大的機(jī)械零件之一，用碳纖維增強(qiáng)塑料制作齒輪，其力學(xué)性能完全可以達(dá)到金屬齒輪的設(shè)計(jì)要求，且重量輕，其最重要的優(yōu)點(diǎn)是無需潤滑，從而減少維修工作量；用塑料加碎碳纖維制作的軸承抗磨蝕性能特別好；用碳纖維與聚四氟乙烯層壓制成的密封圈耐蝕、耐熱、耐磨，適用于制作化工泵、高壓泵和液壓系統(tǒng)的動力密封裝置。目前，汽車工業(yè)的高速發(fā)展要求有質(zhì)輕和多能的輕型結(jié)構(gòu)材料，碳纖維增強(qiáng)塑料是較為理想的材料之一。以下幾方面已得到應(yīng)用：發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的連桿、推桿、搖桿、水泵葉輪；傳動系統(tǒng)中的傳動軸、離合器片；底盤系統(tǒng)中的懸置件、框架、散熱器；車頂內(nèi)外襯、地板、側(cè)門等。在化學(xué)工業(yè)中可用作壓力容器、泵于閥、管道等。此外，在航空、航天、國防工業(yè)中都得到了應(yīng)用。（C）硼纖維—樹脂復(fù)合材料

硼纖維—樹脂復(fù)合材料是以環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺等樹脂為基體材料，硼纖維為增強(qiáng)材料的一種新型復(fù)合材料，也稱為硼纖維增強(qiáng)塑料。硼纖維的熔點(diǎn)為2050℃，抗拉強(qiáng)度和玻璃纖維相近，但彈性模量為玻璃纖維的5倍。

硼纖維增強(qiáng)塑料各向異性非常明顯，其縱向橫向的抗拉強(qiáng)度、彈性模量差值高達(dá)十倍至幾十倍。因此，多采用多向疊層復(fù)合材料。為了提高層間剪切強(qiáng)度，常采用加短纖維或陶瓷晶須的復(fù)合方式。

此外，硼纖維加工制造比較困難，成本昂貴。目前硼纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用遠(yuǎn)不如玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)塑料普遍，只在航空工業(yè)上少量應(yīng)用。（D）晶須增強(qiáng)復(fù)合材料

晶須增強(qiáng)復(fù)合材料是以晶須代替纖維增強(qiáng)材料組成的復(fù)合材料。晶須又稱為纖維狀晶體，是自由長大的金屬或陶瓷型針狀單晶，直徑幾個(gè)μm，長度為幾個(gè)mm，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)2～2.8×105MPa。所以用它作為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料性能特別優(yōu)良。但由于晶須制造成本高，目前多應(yīng)用于尖端工程中。

（E）Kevlar有機(jī)纖維—樹脂復(fù)合材料Kevlar有機(jī)纖維又稱為芳綸纖維或聚芳酰胺纖維。是一種高強(qiáng)度、高模量、耐高溫的新型合成纖維。Kevlar有機(jī)纖維—樹脂復(fù)合材料是由芳綸纖維和環(huán)氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等樹脂組成。其中常用的是芳綸和環(huán)氧組成的復(fù)合材料，抗拉強(qiáng)度大于玻璃鋼，與碳纖維—環(huán)氧復(fù)合材料相似；耐沖擊性超