第十章非金属材料.ppt

第十章 非金属材料,长期以来，金属材料以其良好的使用性能和工艺性能，在机械制造业中占主导地位。随着科学技术的不断进步，生产的不断发展，非金属材料在各个领域的应用迅速增加。非金属材料不但具有优良的使用性能和工艺性能，而且成本低廉，外表美观，甚至具有某些特殊性能。如耐腐蚀好、电绝缘性好、密度小等。,非金属材料主要包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料。,第一节 高分子材料,一、高分子材料的基本概念,高分子材料分为天然和人工合成两大类。天然高分子材料有羊毛、蚕丝、淀粉、橡胶等。工程上使用的高分子材料主要是人工合成的，如塑料、合成纤维、合成橡胶等。,高分子材料是指以高分子化合物为主要组成成分的材料。高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物。一般相对分子质量小于,500,的称为低分子化合物，相对分子质量大于,500,的称为高分子化合物。表,10,1,列出了一些物质的分子量。通常低分子化合物没有强度和弹性，而高分子化合物则具有一定的强度、弹性和塑性。,表,10,1,常见几种物质的分子量,类别,低分子物质,高分子物质,名称,水,石英,乙烯,单糖,天然高分子物质,人工合成高分子物质,H,2,O,SiO,2,CH,2,=,CH,2,C,6,H,12,O,6,橡胶,淀粉,纤维素,聚苯乙烯,聚氯乙烯,分子量,18,60,28,180,200000500000,200000,570000,50000,50000160000,高分子化合物的化学组成一般并不复杂，都是由一种或几种比较简单的低分子化合物重复连接而成。这类能组成高分子化合物的低分子化合物，称为单体。将单体转变为高分子化合物的过程，称为聚合。因此，高分子化合物也称为高聚物。例如聚乙烯塑料就是由乙烯经聚合反应制成的。高分子化合物的合成方法很多，但按最基本的化学反应分类，可分为加聚反应和缩聚反应两大类。,1,加聚反应,加聚反应是指一种或多种单体经光照、加热或化学药品（称为引发剂）的作用后相互结合而连接成大分子链的过程。加聚反应进行的较快，反应过程中不停留，没有中间产物生成。如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯及合成橡胶等。,2,缩聚反应,缩聚反应是指具有官能团（如,OH,、,COOH,、,NH,2,等）的单体，互相反应结合成大分子链的过程。缩聚反应是分步进行的，可以在反应过程中的某个阶段停留而得到中间产物，在生成聚合物的同时有小分子物质（如,H,2,O,、,HCl,、,NH,3,等）产生。如涤纶、尼龙、酚醛树脂、环氧树脂等重要的高分子化合物都是由缩聚反应合成的。,二、常用的高分子材料,表,10,2,高分子材料常见的分类方法,分类原则,类,别,举,例,按高分子材料的用途,塑料,ABS,、尼龙等,橡胶,丁苯橡胶、氯丁橡胶等,纤维,玻璃纤维、石棉纤维等,胶粘剂,骨胶、环氧通用胶等,涂料,环氧树脂漆等,按高分子材料的来源,天然高分子材料,淀粉、天然橡胶、纤维素等,人造及合成高分子材料,合成纤维、合成橡胶等,按聚合反应的类型,加聚高分子材料,聚乙烯、聚氯乙烯等,缩聚高分子材料,酚醛树脂、环氧树脂等,按高分子材料的结构,线型高分子材料,聚甲醛、聚苯乙烯等,体型高分子材料,酚醛树脂、环氧树脂等,按高分子材料的热性能及成形工艺特点,热固性高分子材料,酚醛树脂、环氧树脂等,热塑性高分子材料,聚酰胺、有机玻璃等,高分子材料的命名方法也有很多种，一般，天然高分子材料按其来源和性质以专用名称命名，如纤维素、蛋白质、虫胶、淀粉等；加聚类高分子材料通常在原料低分子物质前加一个,“,聚,”,字，如聚乙烯、聚氯乙烯等；缩聚类和共聚类高分子材料是在原料低分子化合物后加,“,树脂,”,或,“,橡胶,”,，如酚醛树脂、丁苯橡胶等；有些结构复杂的高分子材料可直接称其商品名称，如有机玻璃、涤纶树脂、锦纶、尼龙等。另外，有些高分子材料是用英文名称的第一个字母来命名的，如,PVC,、,PS,等。下面介绍一些常用的高分子材料：,1,塑料,（,1,）塑料的组成 塑料是一种高分子物质合成材料。它是以树脂为基础，加入添加剂制成的。树脂是塑料的主要成分，用以粘结塑料中的其他成分，并使其具有成形性能。目前主要采用合成树脂。添加剂是指增塑剂、稳定剂、填充剂、固化剂、着色剂等。根据塑料的使用要求，在塑料中添加一些其他物质，以改善塑料的性能。,（,2,）塑料的分类 按塑料的热性能可分为热塑性塑料和热固性塑料，按塑料的使用范围可分为通用塑料、工程塑料和耐热塑料。,热塑性塑料加热时软化，可塑造成形，冷却后变硬，这种变化是一种物理变化，可以重复多次，化学结构基本不变。而热固性塑料加热时软化，塑造成形并冷却后，既不溶于溶剂，也不再受热软化，只能塑造一次。热塑性塑料加工成形简单，力学性能较好，但耐热性及刚性较差。热固性塑料耐热性能好，受压不易变形，但力学性能较差。通用塑料是指生产量大、用途广泛、价格低廉的塑料制品，一般在工农业生产及日常生活中使用较多。工程塑料是指力学性能较高，并具有某些特殊性能的塑料，可以取代金属材料用以制造某些机械零件或工程结构。耐热塑料是指在较高温度下工作的塑料。,（,3,）塑料的成形加工 塑料的成形加工是指将各种塑料的原料制成一定形状和尺寸制品的过程。塑料的成形工艺简单，形式多样，有注射成形、压制成形、挤出成形、吹塑成形等几种方法。成形之后的塑料制品，还可以进行焊接、粘接或切削加工。也可以通过喷涂、浸渍、粘贴等工艺方法将塑料覆盖于其他材料的表面，塑料制品的表面也可以镀覆金属层。,（,4,）塑料的种类及应用 塑料在生产和生活中的应用越来越广泛。常用塑料的种类、特点及用途举例见表,10,3,。,表,10,3,常用塑料的种类、特点及用途,类别,名称,代号,主,要,特,点,用,途,举,例,热,塑,性,塑,料,聚乙烯,PE,具有良好的耐腐蚀性和电绝缘性,薄膜、塑料瓶、电线电缆的绝缘材料及管道、中空制品等,聚酰胺（尼龙）,PA,具有较高的强度和韧性，耐磨、耐疲劳、耐油、耐水，但吸湿性大，日光下曝晒易老化,用于制造一般机械零件，如轴承、齿轮、凸轮轴、蜗轮、泵及阀门零件等,聚甲醛,POM,具有优良的综合力学性能，吸湿性较小，尺寸稳定性高，但遇火易燃，曝晒易老化,用于制造减摩、耐磨零件，如齿轮、轴承、叶轮、仪表外壳、阀、汽化器、线圈骨架等,聚碳酸脂,PC,具有良好的力学性能、耐热性、耐寒性及电性能，尺寸稳定性高，但耐候性不够，长期曝晒易开裂,用于制造机械传动零件、高绝缘性零件及飞机构件，如轴承、齿轮、蜗轮、蜗杆、垫圈、电容器、飞机挡风罩及座舱盖等,聚四氟乙烯,F,4,具有优良的耐低温、耐腐蚀、耐候性和电绝缘性能，不受任何化学药品的腐蚀，但强度和刚度较低，,250,以上分解并放出毒性气体,用于制造特殊性能要求的零件，如化工机械中的过滤板、反应罐、贮藏液态气体的低温设备、自润滑轴承、密封环等,ABS,塑料,ABS,具有良好的综合性能，尺寸稳定性好，易于成形加工,用途广泛，如方向盘、手柄、仪表盘、化工容器、电器设备外壳等,聚砜,PSU,具有良好的电绝缘性和化学稳定性，尺寸稳定性好，蠕变值极低，可在,-100150,下长期工作,用于制造耐腐蚀、耐磨及绝缘零件，如汽车零件、齿轮、凸轮、仪表精密零件、管道、涂层等,有机玻璃,PMMA,强度高、透光性好、耐老化、易于成形加工,用于制造航空、仪器仪表及无线电工业中的透明件，如飞机座舱、汽车风挡、屏幕、光学镜片等,热,固,性,塑,料,酚醛塑料,PF,具有良好的耐热性、绝缘性、化学稳定性和尺寸稳定性，蠕变值低，强度、硬度高，脆性大，价格便宜,用于制造磨损零件，如轴承、齿轮、刹车片、离合器片等，在电器工业中的应用也很广泛,环氧塑料,EP,强度和韧性高，电绝缘性、化学稳定性及耐有机溶剂性好,用于制造塑料模具、量具、电子元件等，也是一种封装材料,2,橡胶,（,1,）橡胶的组成 橡胶是在使用温度范围内处于高弹性状态的高分子材料。在较小的载荷作用下能产生很大的变形，载荷卸除后又能很快恢复原来的状态。另外，橡胶还具有优良的耐磨性、隔音性和绝缘性。是常用的弹性材料、密封材料、减震材料和传动材料。,橡胶的原料是生胶（生橡胶），性能较差，加入配合剂硫化后才能得到所需的各种产品。,生胶是橡胶制品的主要成分，它决定了橡胶制品的性能，也是把各种配合剂和骨架材料结合成一体的粘结剂。按原料来源不同生胶可分为天然橡胶和合成橡胶两类。,为了改善橡胶制品的某些性能而加入的物质称为配合剂。配合剂主要有硫化剂、软化剂、防老化剂、填充剂等。起硫化作用的物质称为硫化剂。天然橡胶常以硫磺作硫化剂。加入硬脂酸、石蜡及油类物质作为软化剂。加入石蜡、蜂蜡或其他比橡胶更易氧化的物质作为防老化剂，在橡胶表面形成稳定的氧化膜，防止和延缓橡胶制品的老化。用炭黑、陶土、滑石粉等作填充剂，可以增加橡胶制品的强度，降低成本。,（,2,）橡胶的种类及应用 橡胶在氧化、光照的环境下，容易发生老化、破裂、发黏、变脆等现象，因此，在使用或储存过程中要特别注意保护。常用橡胶的种类、特点及用途举例见下表。,类别,代号,主,要,特,点,用,途,举,例,天然橡胶,NR,具有良好的耐磨性、抗撕裂性和加工性能，但耐高温、耐油、耐溶剂性、耐臭氧性及耐老化性差,用于制造轮胎、胶带、胶管、铁路用防振垫、通用橡胶制品等,丁苯橡胶,SBR,具有较好的耐磨性、耐热性和耐老化性能，质地均匀，价格便宜，但耐寒性和加工性能较差,顺丁橡胶,BR,具有良好的弹性、耐磨性和耐低温性能，但抗拉强度、抗撕裂性和加工性能较差,主要用于制造轮胎、胶带、胶管、胶鞋等,氯丁橡胶,CR,具有良好的耐油、耐溶剂、耐氧化、耐老化、耐酸、耐碱、耐热、耐燃烧等性能，但密度大、电绝缘性和加工性能较差,用于制造胶管、传送带、垫圈、油罐衬里、各种模型制品、门窗嵌条等,硅橡胶,具有良好的耐候性、耐臭氧性和电绝缘性，可在,-100300,下工作，但强度低、耐油性差,用于制造航空航天工业中的密封制品、食品工业中的运输带及罐头密封圈、医药卫生行业中的橡胶制品，也可用于电子设备和电线电缆的外皮等,氟橡胶,FPM,具有优良的耐腐蚀性，可在,315,下工作，耐油、耐高真空及抗辐射能力良好，但加工性能较差，价格较贵,用于特殊用途，如化工设备的衬里、垫圈、高级密封件、高真空橡胶件等,3,胶粘剂,胶粘剂是以黏性很强的物质为基础，加入各种添加剂制成的。它能将各种物质胶粘在一起，并形成一定的胶接强度。,胶接在某些情况下可以代替铆接、焊接或机械连接，如胶接无法焊接的金属材料、胶接金属与非金属材料等。,常用的胶粘剂有天然胶粘剂和人工合成树脂胶粘剂两类。天然胶粘剂有骨胶、虫胶、桃胶等。使用最多的还是人工合成树脂胶粘剂，由粘结剂（酚醛树脂、聚苯乙烯等）、固化剂、填料及各种附加剂组成，使用要求不同，其各组分的比例不同。,用胶粘剂进行胶接时，接头可以在一定温度和时间条件下经固化后形成，也可以经加热、冷却固化后形成，或先将胶粘剂溶入易挥发的溶液中，胶接后，溶剂挥发而形成。常用胶粘剂的种类、特点和用途举例见表,10,5,。,表,10,5,常用胶粘剂的种类、特点及用途,类别,名称,代号,主要特点,用途举例,环氧胶粘剂,环氧,丁腈胶,E,7,具有良好的密封性和耐热性，可在,150,下使用,用于胶接金属、玻璃钢等多种材料,环氧通用胶,914,具有良好的耐水、耐油性能，固化迅速，使用方便，价格便宜,用于胶接、修补或固定各种材料,聚氨脂胶粘剂,101,具有良好的电绝缘性、耐老化性、耐油性及低温性能，胶膜柔软,用于胶接金属、塑料、橡胶、陶瓷、木材、皮革等多种材料,酚醛胶粘剂,酚醛,缩醛胶,JSF,2,FSC,2,具有较高的胶接强度和良好的抗冲击、抗疲劳及耐老化性能,用于胶接金属、塑料、玻璃、木材、皮革等多种材料,酚醛,丁腈胶,J,03,J,29,具有高的胶接强度和良好的弹性与韧性，耐冲击，耐振动，可在,-5080,下长期工作,用于胶接金属、玻璃钢、陶瓷等多种材料，也可用于胶接蜂窝结构,厌氧胶,Y,150,具有良好的流动性、密封性、耐腐蚀性、耐热性、耐寒性和工艺性，固化迅速，使用方便,用于各种机械零件的固定、各种接头的防漏及填堵缝隙,瞬干胶,氰基丙烯酸脂胶,502,具有良好的流动性，室温下固化迅速，可在,-4070,下工作，但胶膜较脆，耐水性差,用于胶接金属、塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等多种材料，特别适于小面积的胶接和固化,第二节 陶瓷材料,一、陶瓷材料的基本概念,陶瓷材料是无机非金属材料的统称，包括陶器、瓷器、玻璃、搪瓷、耐火材料等。陶瓷是由金属和非金属元素的化合物组成的多晶固体材料，其结构和显微组织比金属复杂得多。陶瓷材料的刚度最好，硬度最高，是工程上常用的耐高温材料和绝缘材料。陶瓷材料的组织稳定，对酸、碱、盐有很强的抗蚀能力。但陶瓷的塑性很差，没有延展性，受冲击时容易断裂。,随着科学技术的进步，出现了许多新型陶瓷材料，其性能也有了很大的发展，如磁性陶瓷材料、高温绝热陶瓷材料、光学陶瓷材料、半导体陶瓷材料等。陶瓷材料在工业各个部门的广泛应用，使得陶瓷材料与高分子材料、金属材料一起被称为三大固体工程材料。,二、陶瓷制品的生产过程,陶瓷制品的种类繁多，生产工艺过程各不相同，但一般都要经过原料制备、成形和烧结三个阶段。陶瓷原料的加工直接影响陶瓷的成形工艺和陶瓷制品的使用性能。首先对原料要进行精选，去除杂质。再将原料粉碎，磨细到一定粒度。然后按一定比例配料，根据成形工艺的要求，制备成粉料、浆料或可塑泥团。,陶瓷制品的成形有很多方法，一般采用可塑成形、压制成形和注浆成形三种方法。可塑成形法是通过手工或机械对可塑泥团进行挤压、车削，使之成形的一种方法；压制成形是将含有一定水分和添加剂的粉料放入模具中，在较高压力下使之成形的一种方法；注浆成形是指将浆料注入模具中，经过一定时间后，坯料在模具内固定下来的一种成形方法，如图,10,2,所示，这种成形方法主要用于制造形状复杂、精度要求不高的陶瓷制品。,没有经过烧结的陶瓷制品，不具有使用性能。因此，成形后的陶瓷制品经干燥、涂釉，然后进行烧结。,三、陶瓷材料的分类,陶瓷一般可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。,普通陶瓷又称传统陶瓷，它是以天然的硅酸盐矿物（如黏土、长石、钠长石、硅砂等）为原料，经粉碎、成形、烧结后制成的。主要用于日用、建筑等部门。特种陶瓷是指具有某种独特性能的陶瓷，是采用人工合成材料（如氧化物、氮化物、硅化物等）经粉碎、成形、烧结后制成的。主要用于机械、冶金、化工、电气等部门。,表,10,6,常用陶瓷的种类、特点及用途,类,别,名,称,主,要,特,点,用,途,举,例,普通陶瓷,日用陶瓷,化工陶瓷,绝缘用陶瓷,质地坚硬、耐腐蚀、不导电，加工成形性好，价格便宜，但强度较低，耐高温性能较差,用于化工、电气、纺织、建筑等行业，如容器、反应塔、管道、绝缘子等,氧化铝陶瓷,刚玉瓷,莫来石瓷,刚玉,莫来石瓷,强度、硬度高，具有良好的电绝缘性和耐腐蚀性，可在,1500,下工作，但脆性大，耐急冷急热性能差,用于制作高温容器、坩埚、热电偶绝缘套管、内燃机火花塞、切削刀具等,氮化硅陶瓷,反应烧结氮化硅瓷,具有良好的化学稳定性、电绝缘性和耐急冷急热性能，硬度高、耐磨性好,用于制造耐磨、耐腐蚀、耐高温、绝缘的零件，如高温轴承、阀门、燃气轮机叶片、各种泵的配件等,氮化硼陶瓷,立方氮化硼陶瓷,具有良好的化学稳定性、电绝缘性、耐热性及耐急冷急热性能，热稳定性和热导率较高，可进行切削加工,用于制作刀具或磨料,六方氮化硼陶瓷,用于制造高温轴承、玻璃制品的成形模具等,第三节 复合材料,由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工合成而得到的多相固体材料称为复合材料。,一、复合材料的分类,1,按基体类型分类,可分为金属基体和非金属基体两类。目前使用最多的是以高聚物材料为基体的复合材料。,2,按增强剂的性质和形态分类,可分为纤维增强复合材料、细粒复合材料、层叠复合材料。纤维增强复合材料是以玻璃纤维、碳纤维、硼纤维等陶瓷材料作为复合材料的增强剂，与塑料、树脂、橡胶或金属等材料复合而成。而硬质合金属于细粒复合材料，三合板、五合板、双金属轴承等则属于层叠复合材料。,3,按材料的用途分类,可分为结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料是利用其力学性能，如强度、硬度、韧性等，用以制造各种结构件和机械零件。功能复合材料是利用其物理性能，如光、电、声、热、磁等，用以制造各种结构件。,二、复合材料的性能特点,复合材料同金属或其他固体材料相比，具有比强度和比模量高，疲劳极限高，减震性能好，耐高温能力强，工作安全性高等特点。,表,10,7,常用材料性能比较,材,料,密度,/,（,g,cm,-3,）,抗拉强度,/,MPa,弹性模量,/,MPa,比强度,/m,钢,7,8,1030,210000,13000,铝,2,8,470,75000,17000,钛,4,5,960,114000,21000,玻璃钢,2,0,1060,40000,53000,碳纤维,/,环氧树脂,1,45,1500,140000,103000,硼纤维,/,环氧树脂,2,1,1380,210000,66000,三、常用复合材料简介,1,玻璃纤维增强复合材料,玻璃纤维增强复合材料是以玻璃纤维为增强剂，以合成树脂为粘结剂制成的，俗称玻璃钢。热塑性玻璃钢，具有较高的力学性能，耐热性能和抗老化性能强，工艺性能较好。可用于轴承、齿轮、壳体等零件的制造。热固性玻璃钢，具有密度小、强度高、化学稳定性好、工艺性能好的特点。可用于车身、船体等构件的制造。,2,碳纤维增强复合材料,碳纤维增强复合材料是以碳纤维和环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等组成的复合材料。它克服了玻璃钢的缺点，具有较高的强度和弹性模量，密度小，冲击韧度和疲劳极限较高。另外，还具有良好的减摩性、导热性、耐腐蚀性和耐热性能。碳纤维增强复合材料可用于制造耐磨零件，如轴承、齿轮等，制造化工设备中的耐蚀零件及飞行器中的结构件。,3,细粒复合材料,细粒复合材料是由一种或几种细小颗粒均匀分布在基体材料中制成的。常用的细粒复合材料有两类，一个是由金属细粒与塑料复合制成的，导热、导电性能好，线膨胀系数低，可用于制造轴承、防射线的屏罩及隔音设备；另一个是由陶瓷细粒与金属复合制成的，硬度高，耐磨性和耐热性能好，可用于制造切削刃具及耐高温零件。,4,层叠复合材料,层叠增强复合材料是由两层或多层不同性质的材料组合而成的。这类材料具有密度小、刚度和抗压稳定性高、抗弯强度好的特点，常用于航空、船舶及化工等行业。,