10非金屬材料及復(fù)合材料

10.1高分子材料10.2陶瓷材料10.3復(fù)合材料10.1高分子材料10.1.1高分子材料基本知識高分子材料是指以碳元素為分子骨架的有機(jī)高分子化合物為基礎(chǔ)的材料。高分子化合物也稱高聚物，通常是指相對分子質(zhì)量在5000以上的有機(jī)化合物。高分子化合物具有良好的強(qiáng)度、彈性和塑性，這是低分子化合物所不具備的。當(dāng)今各類工程中使用的高分子材料主要包括塑料、橡膠和膠黏劑等，幾乎都是人工合成方法制成的。10.1.2塑料塑料是以樹脂為主要成分，在一定的溫度和壓力下可制成一定的形狀，并在常溫下能保持既定形狀的材料。塑料制品塑料的分類按樹脂的成分及性能可將塑料分為熱塑性塑料和熱固性塑料。

按應(yīng)用范圍可將塑料分為通用塑料、工程塑料和特種塑料三類。

通用塑料產(chǎn)量大、價格低、用途廣。工程塑料力學(xué)性能高，耐熱、耐蝕性能好。特種塑料是指具有某些特殊性能如耐高溫、耐腐蝕的塑料，這類塑料產(chǎn)量少，價格貴，只用于特殊需要的場合電器配件塑料的性能特點(diǎn)塑料的優(yōu)點(diǎn)主要有：良好的電絕緣性、良好的耐腐蝕性、良好的加工成型性、密度小質(zhì)量輕、良好的可調(diào)性、良好的隔音和隔熱性、摩擦系數(shù)小并具有自潤滑能力。塑料的可調(diào)性是指可通過多種途徑來調(diào)整塑料的性能，以滿足不同的使用要求。隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，這一特點(diǎn)越來越突出，已成為塑料工業(yè)一個發(fā)展方向。大部分塑料都可以直接采用注塑或擠壓成形工藝，成型容易、工藝簡單、生產(chǎn)率高且成本低。不需要像金屬加工那樣復(fù)雜的車、銑、刨等工序。塑料性能的不足之處有：強(qiáng)度和硬度低、耐熱性差、膨脹系數(shù)大，受熱易變形、易老化、易蠕變等。常用塑料聚乙烯(PE)：聚乙烯是熱塑性塑料，也是目前世界上塑料工業(yè)產(chǎn)量最大的品種。其特點(diǎn)是具有優(yōu)良的耐腐蝕性和電絕緣性，可以作為化工設(shè)備與貯罐的耐腐蝕涂層襯里、化工耐腐蝕管道、閥件、襯套等?？蓱?yīng)用于電線電纜的絕緣材料等。另外，聚乙烯無毒無味，可制作食品包裝袋、奶瓶、食品容器等。

聚氯乙烯(PVC)：聚氯乙烯也是熱塑性塑料，產(chǎn)量僅次于聚乙烯。使用溫度為-15～55℃。聚氯乙烯耐化學(xué)腐蝕、不燃燒、成本低、加工容易。但它耐熱性差，沖擊強(qiáng)度較低，還有一定的毒性。硬質(zhì)PVC常用于代替不銹鋼，制作化工設(shè)備、耐蝕容器等；軟質(zhì)PVC加入30%～40%增塑劑，制作耐酸堿軟管、電線包皮或絕緣層、薄膜等；發(fā)泡PVC加入發(fā)泡劑，用于隔音、隔熱、防震包裝等。密封件聚四氟乙烯管聚四氟乙烯零件聚四氟乙烯（F-4）俗稱“塑料王”熔點(diǎn)為327℃，具有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性，不受任何化學(xué)試劑的侵蝕，即使在高溫下及強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑中也不受腐蝕，故有“塑料王”之稱。它還具有較突出的耐高溫和耐低溫性能，在-195～+250℃范圍內(nèi)長期使用其力學(xué)性能幾乎不發(fā)生變化。它的摩擦系數(shù)小（0.04），有自潤滑性，吸水性小，在極潮濕的條件下仍能保持良好的絕緣性。主要用于制作減摩密封件，化工機(jī)械的耐腐蝕零件及在高頻或潮濕條件下的絕緣材料，常用作化工設(shè)備的管道、泵、閥門，各種機(jī)械的密封圈、活塞環(huán)、軸承及醫(yī)療代用血管，人工心臟等。聚碳酸脂（PC）、聚苯乙烯(PS)、聚甲醛（POM）、聚丙烯(PP)、ABS塑料等。PE管PP方向盤ABS閥門PS管10.1.3橡膠橡膠是以高分子化合物為基礎(chǔ)的具有高彈性的材料。橡膠在外力作用下，很容易發(fā)生極大的變形、當(dāng)外力去除后，又恢復(fù)到原來的狀態(tài)，是一種在很寬溫度范圍（-50～150℃）內(nèi)具有高彈性的高分子化合物。橡膠還有良好的儲能能力和良好耐磨、隔音、絕緣等性能。因而廣泛用于制作減振件、密封件、傳動件、輪胎和電線等制品，起著其它材料所不能替代的作用。常用橡膠簡介密封圈膠管輪胎丁苯橡膠（SBR）丁苯橡膠是應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的一種合成橡膠。是丁二烯和苯乙烯共聚物。丁苯橡膠的性能主要受苯乙烯含量的影響，隨苯乙烯含量的增加，橡膠的耐磨性、硬度增大而彈性下降。丁苯橡膠比天然橡膠質(zhì)地均勻，耐磨性、耐熱性和耐老化性好且價格低廉。它能與天然橡膠以任意比例混用，在大多數(shù)情況下可代替天然橡膠，用于制造輪胎、膠布、膠板等。丁苯橡膠的缺點(diǎn)是彈性、機(jī)械強(qiáng)度、耐撓曲龜裂、耐撕裂、耐寒性等較差，其加工性能也較天然橡膠差。

順丁橡膠（BR）順丁橡膠是丁二烯的聚合物。其原料易得，發(fā)展很快，產(chǎn)量僅次于丁苯橡膠。順丁橡膠的特點(diǎn)是具有較高的耐磨性，比丁苯橡膠高26%。缺點(diǎn)是強(qiáng)度較低，抗撕裂性差，加工性能與自黏性差。順丁橡膠一般多和天然橡膠或丁苯橡膠并用，主要用于制作減振器、橡膠彈簧、電絕緣制品等，也用于制造輪胎、，膠帶、膠管、膠鞋等制品。

10.1.4合成膠黏劑膠黏劑又稱粘合劑或膠，是能把兩個固體粘接在一起并在結(jié)合處有足夠強(qiáng)度的物質(zhì)。它可將各種零件、構(gòu)件牢固地膠結(jié)在一起，有時可部分代替鉚接或焊接等工藝。由于膠粘工藝操作簡便，接頭處應(yīng)力分布均勻，接頭的密封性、絕緣性和耐蝕性較好，且可連接各種材料，所以在工程中應(yīng)用日益廣泛。合成膠黏劑一般是以聚合物為基本組分的多組分物質(zhì)。它的組分中包括黏性料、固化劑、增塑劑、增韌劑、填料、溶劑和其他輔料。10.2陶瓷材料陶瓷材料是指以天然礦物或人工合成的各種化合物為基本原料，經(jīng)粉碎、配料、成形和高溫?zé)Y(jié)等工序而制成的無機(jī)非金屬材料。當(dāng)今的陶瓷材料與金屬材料、高分子材料一起構(gòu)成了工程材料的三大支柱。它具有熔點(diǎn)、硬度和抗壓強(qiáng)度高和耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)異性能，在許多場合已經(jīng)成為金屬材料和高分子材料所不能替代的重要結(jié)構(gòu)材料和具有特殊性能的功能材料。常用陶瓷性能特點(diǎn)及應(yīng)用陶瓷材料通常分為普通陶瓷和特種陶瓷兩大類。普通陶瓷（傳統(tǒng)陶瓷）一般采用黏土、長石、石英等天然原料燒結(jié)而成。按其性能和用途又可分為日用陶瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、電絕緣陶瓷、化工陶瓷和多孔陶瓷等。特種陶瓷（現(xiàn)代陶瓷）是指采用高純度人工合成原料制成具有特殊物理化學(xué)性能的新型陶瓷（包括功能陶瓷）。特種陶瓷除具有普通陶瓷的性能外，還具有適合工程需要的某種特殊性能，包括高溫陶瓷、金屬陶瓷和壓電陶瓷等。主要用于化工、冶金、機(jī)械、電子等行業(yè)和某些新技術(shù)中。特種陶瓷包括高溫陶瓷、金屬陶瓷和壓電陶瓷等，在機(jī)械工程上應(yīng)用最多的是高溫陶瓷，而高溫陶瓷包括氧化物（Al2O3、MgO、ZrO2、BeO等）陶瓷和非氧化物（SiC，Si3N4等）陶瓷。Si3N4軸承立方氮化硼刀片10.3復(fù)合材料復(fù)合材料是通過人工設(shè)計(jì)和合成，由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料由人工制成的一種的新型的多相固體材料。不同的非金屬材料之間、非金屬材料和金屬材料之間以及不同的金屬材料之間均可以進(jìn)行復(fù)合。復(fù)合材料的優(yōu)越性在于它的性能比其組成材料要好得多。不同材料復(fù)合時，通常由一種材料作為基體材料，起粘結(jié)作用，另一種材料作為增強(qiáng)體材料，起承載和強(qiáng)化作用。10.3.1復(fù)合材料的基本類型復(fù)合材料按基體類型可分為金屬基復(fù)合材料、高分子樹脂基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料三類。目前應(yīng)用最多的是高分子基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料。復(fù)合材料按增強(qiáng)相的種類和形狀可分為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和層狀增強(qiáng)復(fù)合材料。其中，發(fā)展最快，應(yīng)用最廣的是各種纖維（玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、SiC纖維等）增強(qiáng)的復(fù)合材料。復(fù)合材料按性能可分為功能復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。目前已經(jīng)大量應(yīng)用的主要是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。10.3.2常用復(fù)合材料特點(diǎn)與應(yīng)用10.3.4.1玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通常稱為“玻璃鋼”。是以樹脂為基體，玻璃纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料。它的基體可以是熱塑性塑料，如尼龍、聚碳酸酯、聚丙烯等；也可以是熱固性塑料，如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂等。10.3.4.2碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是以碳纖維和和環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚四氟乙烯等組成復(fù)合材料。它克服了玻璃鋼的缺點(diǎn)，具有較高的強(qiáng)度和彈性模量，同時保持了玻璃鋼的許多優(yōu)點(diǎn)，而且許多性能優(yōu)于玻璃鋼。它的強(qiáng)度和彈性模量都超過鋁合金，而接近高強(qiáng)度鋼，完全彌補(bǔ)了玻璃鋼彈性模量小的缺點(diǎn)。它的比強(qiáng)度和比模量在現(xiàn)有復(fù)合材料中最高。它還有優(yōu)良的耐磨、減磨及自潤滑性、耐腐蝕性、耐熱性等優(yōu)點(diǎn)。不足的是碳纖維與樹脂的黏結(jié)力不夠大，各向異性明顯。碳纖維樹脂復(fù)合材料常用作活塞、齒輪和軸承等承載零件和耐磨零件，以及有抗腐蝕要求的化工機(jī)械零件，如容器、管道、泵等，還用于制作航空航天飛行器的外層、人造衛(wèi)星和火箭的機(jī)架、殼體等。10.3.4.3夾層復(fù)合材料夾層復(fù)合材料是一種由上下二塊薄面板和芯材構(gòu)成的夾心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，面板可以是金屬薄板，如鋁合金板、鈦合金板、不銹鋼板、高溫合金板，也可以是樹脂基復(fù)合材料板。芯材則采用泡沫塑料、波紋或蜂窩芯。用作渦輪噴氣發(fā)動機(jī)熱端的結(jié)構(gòu)件10.3.4.4碳/碳復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料簡稱碳/碳復(fù)合材料（或C/C復(fù)合材料），是以碳（或石墨）纖維及其織物為增強(qiáng)材料，以碳（或石墨）為基體，通過加工處理和碳化處理制成的全碳質(zhì)復(fù)合材料。這種以碳纖維增強(qiáng)碳基體的C/C復(fù)合材料除能保持碳（石墨）原來的優(yōu)良性能外，又能克服它的缺點(diǎn)，大大提高了韌性和強(qiáng)度，降低了熱膨脹系數(shù)，尤其是相對密度小，具有很高的比強(qiáng)