1、第六章 非金屬材料和復(fù)合材料,高分子材料 塑料、橡膠、纖維、黏結(jié)劑,陶瓷材料 玻璃、陶瓷、水泥、耐火材料,復(fù)合材料 1+12,1 高分子材料,高分子材料是由成千上萬(wàn)個(gè)小分子單體通過(guò)聚合反應(yīng)以共價(jià)鍵結(jié)合起來(lái)的長(zhǎng)鏈分子而構(gòu)成的。,分子量很大，104,一、高分子材料的制備方法,聚合反應(yīng),加成聚合反應(yīng),縮合聚合反應(yīng)：小分子析出,以酚醛制品為例：,苯酚,甲醛,鹽酸,加熱 反應(yīng),初期縮聚物,脫水 干燥,酚醛樹(shù)脂,冷卻 粉碎,混合,加熱 輥壓,粉碎,酚醛壓塑粉,模壓,酚醛制品,固化劑 顏料 潤(rùn)滑劑 增塑劑 填料,9698,95105,140200,二、高分子分子鏈的結(jié)構(gòu)形態(tài)（共價(jià)鍵）,四、高分子材料的性能特

2、點(diǎn),.密度小（12103Kg/m3），有利于材料輕量化。 .強(qiáng)度低，但比強(qiáng)度高，能夠代替部分金屬材料制造多種機(jī)器零部件。 .低的彈性模量和高彈性，取決于大分子鏈的柔性。 .優(yōu)良的電絕緣性能。 .優(yōu)良的減摩、耐磨和自潤(rùn)滑性能。 .優(yōu)良的耐腐蝕性能。 .優(yōu)良的透光性。 .可加工性好。,絕對(duì)強(qiáng)度、剛度低； 三大缺點(diǎn)：不耐熱（低于300）、可燃、易老化,五、高分子材料的分類(lèi)及應(yīng)用,塑料、合成橡膠、合成纖維、膠黏劑和涂料,塑料 塑料是以合成樹(shù)脂為主要成分的有機(jī)高分子材料，其中除主要成分樹(shù)脂外，再加入用以改善性能的各種添加劑，在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο掠跀D壓機(jī)、注射機(jī)等設(shè)備和模具中塑制成各種形狀規(guī)格的制品。,（

3、2）第一種熱塑性的全能塑料聚氯乙烯（PVC） 特點(diǎn)：強(qiáng)度、硬度、剛度均高于PE，并有耐燃、自熄的特點(diǎn)，但熱穩(wěn)定性、耐寒、耐老化性差，一般在-1560 使用。 應(yīng)用：常溫常壓下的容器、板材、管道；建筑上制作門(mén)窗、天花板、電線套管、墻紙；純PVC透明，氣密性好，用于飲料、藥品、化妝品的硬質(zhì)外包裝；PVC軟塑料常用于農(nóng)用薄膜、雨衣、桌布；另外還大量用于電線絕緣護(hù)套、插頭插座殼、玩具、密封條等。用途最廣的通用塑料。,（3）最輕且價(jià)廉的塑料聚丙烯（PP） 特點(diǎn)：力學(xué)性能、耐熱性（150）最高，密度最低，但低溫脆性大。無(wú)毒無(wú)味。 應(yīng)用：汽車(chē)上儀表盤(pán)、方向盤(pán)等；以及日用的微波爐餐具、椅子、安全帽；電器方面電

4、話機(jī)、電視機(jī)外殼；PP膜可作香煙、食品的包裝膜、包裝帶等。,（4）最鮮艷且成形性特好的塑料聚苯乙烯（PS） 特點(diǎn)：極易染成鮮艷顏色、透明度好，有光澤，可成型形突出，電絕緣性好，剛性好，脆性大，戶外長(zhǎng)期使用易變黃變脆。 應(yīng)用：各類(lèi)電器配件、殼體、一般光學(xué)儀器、燈罩、玩具、建筑廣告裝飾板、磁帶盒、筆桿等,（5）強(qiáng)韌易成形的白色塑料ABS：丙烯腈（Acrylonitrile）、丁二烯（Butadiene）、苯乙烯（Styrene） 特點(diǎn)：綜合性能好，價(jià)格低、堅(jiān)韌、質(zhì)硬且具剛性的材料。 應(yīng)用：電視機(jī)、洗衣機(jī)、計(jì)算機(jī)等殼體；汽車(chē)上儀表盤(pán)、方向盤(pán)、擋泥板、手柄等，也可用于化工管道、板材等,（6）最透明的塑

5、料聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）“有機(jī)玻璃” 特點(diǎn)：透光率好，耐紫外線和大氣老化，強(qiáng)度高，成形性好，良好的染色性，表面硬度差、易劃傷起毛。 應(yīng)用：透明裝飾面板、儀表板、容器、包裝盒、燈罩、眼鏡、工藝品等，也可用于飛機(jī)窗玻璃、防彈玻璃、風(fēng)擋等。,（7）透明“金屬”聚碳酸酯（PC） 特點(diǎn)：優(yōu)良的抗沖擊性和透明度，集剛、硬、韌、透明為一體的典型塑料。阻燃性好，自熄性材料。高溫下易開(kāi)裂。 應(yīng)用：光盤(pán)、燈罩、防護(hù)玻璃、手機(jī)殼體、精密儀器中齒輪、相機(jī)零件、太空杯、餐具等。PC膜可用于錄音（像）帶。,（8）塑料王聚四氟乙烯（PTEE或F4） 特點(diǎn)：最優(yōu)良的耐高、低溫性能（-260250 ），幾乎不受任何化學(xué)品

6、腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定性超過(guò)玻璃、陶瓷甚至金、鉑；摩擦系數(shù)最小，潤(rùn)滑性好，介電損耗小，無(wú)味、無(wú)毒、不燃，有良好的生物相容性及抗血栓性。 應(yīng)用：不粘鍋涂層、管道密封用生料帶，機(jī)械上減摩密封零件，電器上耐高頻絕緣零件、以及強(qiáng)腐蝕場(chǎng)合設(shè)備內(nèi)襯和零件。醫(yī)用材料中人造血管、人工心臟等。,（9）強(qiáng)韌而耐磨耐油的塑料聚酰胺（PA） “尼龍” 特點(diǎn)：優(yōu)良的耐磨性、減摩性和自潤(rùn)滑性。優(yōu)異的耐油性和氣體阻隔性；耐疲勞性好；吸濕性較大。 應(yīng)用：汽車(chē)上輸油管、油箱；DVD的齒輪、螺母、軸承等；與HDPE復(fù)合，用于冷凍食品包裝；還大量用于拉鏈、打火機(jī)殼、頭盔、球拍線、魚(yú)線、輸血管等。,（11）合成塑料的鼻祖酚醛樹(shù)脂（PF） 特

7、點(diǎn)：一定強(qiáng)度、硬度，耐磨、絕緣性好、耐熱性好，但性脆。有毒。 應(yīng)用：“電木”，燈頭、開(kāi)關(guān)、插座、紐扣、剎車(chē)片、齒輪等,（10）每天接觸的塑料熱塑性聚酯（PET） 特點(diǎn)：PET膜拉伸強(qiáng)度很高，可長(zhǎng)期用于戶外，但耐熱性不高。 應(yīng)用：PET膜和片材主要用于各種食品、藥品、精密儀器的高檔包裝、錄音帶、膠片、光盤(pán)、磁卡等；各種飲料瓶、礦泉水瓶等；各種電器元件外殼。,2. 橡膠 橡膠是一種具有極高彈性及低剛度的高分子材料。,（1）最早應(yīng)用的橡膠天然橡膠（NR） 特點(diǎn)：強(qiáng)度高、耐撕裂；彈性、耐磨性、耐寒性、耐堿性、氣密性、防水性、絕緣性及加工性能優(yōu)良，但耐熱、耐油及耐老化性差。 應(yīng)用：各類(lèi)輪胎、膠帶、膠管、

8、膠鞋、氣球及醫(yī)療衛(wèi)生品等。,（2）產(chǎn)量最大的合成橡膠丁苯橡膠（SBR） 特點(diǎn)：同天然橡膠相比質(zhì)地均勻、成本低、耐磨性及氣密性好，抗撕裂和耐老化性也較好，但強(qiáng)度和彈性差。 應(yīng)用：各類(lèi)輪胎、膠帶、膠管、膠鞋、硬質(zhì)膠輪等，改性后可替代天然橡膠。,（3）“萬(wàn)能”橡膠氯丁橡膠（CR） 特點(diǎn)：其物理、力學(xué)性能均可與天然橡膠相比擬，且具有良好的耐油、耐溶劑、耐氧化、耐老化、耐酸堿等性能，但耐寒性較差，密度較大。 應(yīng)用：耐老化的電線電纜包皮、耐油耐蝕的膠管、輸送帶、礦井用橡膠制品、油罐襯里等。,丁腈橡膠（NBR）：耐油性好（用于輸油管、耐油密封墊圈、耐油耐熱輸送帶、印刷膠輥等） 順丁橡膠（BR）：彈性最好（制

9、造輪胎、三角帶、橡膠彈簧、鞋底等） 乙丙橡膠（EPM）：密度最?。ㄓ糜诮ㄖ浪牧?、車(chē)輛配件、蒸汽膠管、膠帶、電線絕緣層等） 硅橡膠：最耐熱耐寒 氟橡膠：最耐腐蝕,2 陶瓷材料,從廣義上講陶瓷包含一切天然及合成的無(wú)機(jī)非金屬固體材料，如水泥、耐火材料、玻璃、石墨、天然石材、陶瓷等。 從狹義上講是用天然或合成的粉體，經(jīng)成形和高溫?zé)Y(jié)制成的，由金屬和非金屬的無(wú)機(jī)化合物構(gòu)成的多晶固體材料。,傳統(tǒng)陶瓷：天然硅酸鹽礦物（黏土、石英、長(zhǎng)石等）,先進(jìn)陶瓷：高純度的人工合成原料（氧化物、氮化物、碳化物等）,一、陶瓷材料的制備方法,（2）陶瓷材料的彈性模量是各類(lèi)材料中最高的,（1）結(jié)合鍵主要為離子鍵和共價(jià)鍵，因此

10、陶瓷材料具有高的化學(xué)穩(wěn)定性，耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度等基本屬性。,（3）脆性材料，斷裂前無(wú)塑性變形，沖擊韌性極低，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度。,（4）硬度高，尤其是高溫硬度高。,三、陶瓷材料的基本性能,（5）熔點(diǎn)高，高溫強(qiáng)度好，高溫抗氧化性好，抗熔融金屬侵蝕性高。,（6）導(dǎo)電能力在很大范圍內(nèi)變化。,主要缺點(diǎn)：性脆、加工性能差、可靠性差,1. 傳統(tǒng)陶瓷,主要原料：高嶺土、長(zhǎng)石、石英,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：,主晶相：莫來(lái)石 （3Al2O3SiO2）2530%,玻璃相： 35-60%,氣 相： 13%,性 能：質(zhì)地硬、耐腐蝕、不氧化、不導(dǎo)電、耐高溫 （1200oC），成本低、易成形 結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度低、一定溫度下軟化,

11、用 途：日用，建材工業(yè)，電絕緣材料，化工設(shè)備以及力學(xué)性能要求不高的耐磨零件。,四、常用陶瓷材料,2. 先進(jìn)陶瓷,主要成分： Al2O3 (45%) 剛玉瓷(9099.5%),性 能：耐高溫(在1600下長(zhǎng)期使用) 強(qiáng)度高、硬度高、耐磨性好 優(yōu)良的電絕緣性和耐腐蝕、抗氧化性 原料豐富 脆性大、抗熱震性能差,用 途：廣泛應(yīng)用于各類(lèi)高溫、耐蝕和電氣絕緣工程。如坩堝、熱電偶保護(hù)套管、化工反應(yīng)爐管等。機(jī)械工程中用作高速切削刀具、磨料、內(nèi)燃機(jī)火花塞、拉絲模等。,（1）氧化鋁陶瓷,主要成分： SiC,性 能：優(yōu)異的高溫強(qiáng)度(1700) 很好的熱穩(wěn)定性、抗蠕變性、耐磨性、耐蝕性、導(dǎo) 熱性、耐輻射性以及低的熱膨

12、脹性 高溫抗氧化性好,用 途：火箭尾噴管或噴嘴、爐襯、電加熱管、坩堝、熱電偶套管、高溫軸承以及核燃料包封材料。另外還可以用作砂輪和各種磨具。,（2）碳化硅陶瓷,主要成分： Si3N4,性 能：很高的硬度 自潤(rùn)滑作用，摩擦系數(shù)小，耐磨性好 抗氧化性好、抗熱震性大大高于其它陶瓷 優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性（HF外） 優(yōu)良的絕緣性能,用 途：熱壓燒結(jié)法：形狀簡(jiǎn)單、精度要求不高的零件如 刀具、活塞蓋、高溫軸承等 反應(yīng)燒結(jié)法：形狀復(fù)雜、要求精度高、耐磨、耐 蝕、耐熱等場(chǎng)合，如泵密封環(huán)、熱電偶保護(hù)套、轉(zhuǎn)子、缸套、活塞環(huán)、管道、閥門(mén)等 陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī),（3）氮化硅陶瓷,3 復(fù)合材料,復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不

13、同組織的組分，以宏觀或微觀方式復(fù)合形成的新型材料，一般由基體組元和增強(qiáng)相或功能組元組成。,復(fù)合材料,基體組元,增強(qiáng)相,樹(shù)脂基復(fù)合材料,金屬基復(fù)合材料,陶瓷基復(fù)合材料,纖維增強(qiáng),顆粒增強(qiáng),玻璃纖維 碳纖維 硼纖維 碳化硅纖維 氧化鋁纖維 芳綸纖維,陶瓷或金屬顆粒,常用復(fù)合材料,一、玻璃鋼： 基體：樹(shù)脂；增強(qiáng)體：玻璃纖維 性能：強(qiáng)度高、密度?。ㄤ摰?/4）、耐腐蝕、 絕緣性好 應(yīng)用： 人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈和火箭外殼（瞬時(shí)耐高溫性能）； 雷達(dá)罩（不反射無(wú)線電波、微波透過(guò)性好）； 電機(jī)、電器及儀表的絕緣零部件； 各種管道、泵、閥門(mén)、容器等。,二、碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料： 基體：樹(shù)脂；增強(qiáng)體：碳纖維 性能：高的比強(qiáng)度和比模量，良好的高溫性能，優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊、減摩耐磨、耐腐蝕等。 應(yīng)用：制造承載、耐磨等零件，如軸承、密封圈、齒輪等?；瘜W(xué)工業(yè)、汽車(chē)制造業(yè)、航空航天和國(guó)防工業(yè)等。,美國(guó)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)推進(jìn)火箭上的關(guān)鍵部件燃料噴嘴和燃燒器；人造衛(wèi)星的機(jī)架。C纖維復(fù)合材料。,三、顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,基 體：鋁合金,增強(qiáng)體：SiC、Al2O3、B4C及石墨等,性能：重量輕、比強(qiáng)度高、耐疲勞、耐磨損、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好、缺口敏感性低,應(yīng)用：超大規(guī)模集