材料科学和工程基础教案常用非金属材料省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第十一章惯用非金属材料Usual Nonmetallic Materials 非金属材料包含除金属材料以外几乎全部材料，主要有各类高分子材料（塑料、橡胶、合成纤维、部分胶粘剂等）、陶瓷材料（各种陶器、瓷器、耐火材料、玻璃、水泥及近代无机非金属材料等）和各种复合材料等。本章主要介绍高分子材料、陶瓷和复合材料。工程材料依然以金属材料为主，这大约在相当长时间内不会改变。但近年来高分子材料、陶瓷等非金属材料急剧发展，在材料生产和使用方面都有重大进展，正在越来越多地应用于各类工程中。非金属材料已经不是金属材料代用具，而是一类独立使用材料，有时甚至是一个不可取代材料。第1页第一节高分子材料Polymers高分子材料又称为高聚物，通常，高聚物依据机械性能和使用状态可分为橡胶、塑料、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类。各类高聚物之间并无严格界限，同一高聚物，采取不一样合成方法和成型工艺，能够制成塑料，也可制成纤维，比如尼龙就是如此。而象聚氨酯一类高聚物，在室温下现有玻璃态性质，又有很好弹性，所以极难说它是橡胶还是塑料。第2页一、塑料一、塑料 按照应用范围，塑料分为三种。v通用塑料 通用塑料主要包含聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料等六大品种。这一类塑料特点是产量大、用途广、价格低，它们占塑料总产量3/4以上，大多数用于日常生活用具。其中，以聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯这四大品种用途最广泛。（1）聚乙烯（PE）生产聚乙烯原料均来自于石油或天然气，它是塑料工业产量最大品种。聚乙烯相对密度小（0.910.97），耐低温，电绝缘性能好，耐蚀性好。（2）聚氯乙烯（PVC）聚氯乙烯是最早工业生产塑料产品之一，产量仅次于聚乙烯，广泛用于工业、农业和日用制品。聚氯乙烯耐化学腐蚀、不燃烧、成本低、加工轻易；但它耐热性差冲击强度较低，还有一定毒性。聚氯乙烯要用于制作食品和药品包装，必须采取共聚和混合方法改进，制成无毒聚氯乙烯产品。第3页 （3）聚苯乙烯（PS）聚苯乙烯是三十年代老产品，当前是产量仅次于前二者塑料品种。它有很好加工性能，其薄膜含有优良电绝缘性，惯用于电器零件；它发泡材料相对密度小（0.33），有良好隔音、隔热、防震性能，广泛应用于仪器包装和隔音材料。聚苯乙烯易加入各种颜料制成色彩鲜艳制品，用来制造玩具和各种日用器皿。（4）聚丙烯（PP）聚丙烯工业化生产较晚，但因其原料易得，价格廉价，用途广泛，所以产量剧增。它优点是相对密度小，是塑料中最轻，而它强度、刚度、表面硬度都比PE塑料大；它无毒，耐热性也好，是惯用塑料中唯一能在水中煮沸、经受消毒温度（130）品种。但聚丙烯粘合性、染色性、印刷性均差，低温易脆化，易受热、光作用而变质，且易燃，收缩大。聚丙烯有优良综合性能，当前主要用于制造各种机械零件，如法兰、齿轮、接头、把手、各种化工管道、容器等，它还被广泛用于制造各种家用电器外壳和药品、食品包装等。第4页v工程塑料 工程塑料是指能作为结构材料在机械设备和工程结构中使用塑料。它们机械性能很好，耐热性和耐腐蚀性也比很好，是当前大力发展塑料品种。这类塑料主要有：聚酰胺、聚甲醛、有机玻璃、聚碳酸酯、ABS塑料、聚苯醚、聚砜、氟塑料等。（1）聚酰胺（PA）聚酰胺又叫尼龙或锦纶，是最先发觉能承受载荷热塑性塑料，在机械工业中应用比较广泛。它机械强度较高，耐磨、自润滑性好，而且耐油、耐蚀、消音、减震，大量用于制造小型零件，代替有色金属及其合金。（2）聚甲醛（POM）甲醛是没有侧链、高密度、高结晶性线型聚合物，性能比尼龙好，但耐候性较差。聚甲醛按分子链化学结构不一样分为均聚甲醛和共聚甲醛。聚甲醛广泛应用于汽车、机床、化工、电器仪表、农机等。第5页 （3）聚碳酸酯 聚碳酸酯是新型热塑性工程塑料，品种很多，工程上惯用是芳香族聚碳酸酯，其综合性能很好，近年来发展很快，产量仅次于尼龙。聚碳酸酯化学稳定性也很好，能抵抗日光、雨水和气温改变影响，它透明度高，成型收缩率小，制件尺寸精度高，广泛应用于机械、仪表、电讯、交通、航空、光学照明、医疗器械等方面。如波音747飞机上就有2500个零件用聚碳酸酯制造，其总重量达二吨。（4）ABS塑料 ABS是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种组元所组成，三个单体量能够任意改变，制成各种品级树脂。ABS含有三种组元共同性能，丙烯腈使其耐化学腐蚀，有一定表面硬度，丁二烯使其含有韧性，苯乙烯使其含有热塑性苏联加工特征，所以ABS是含有“坚韧、质硬、刚性”材料。ABS塑料性能好，而且原料易得，价格廉价，所以在机械加工、电器制造、纺织、汽车、飞机、轮船、化工等工业中得到广泛应用。第6页 （5）聚苯醚（PPO）聚苯醚是线型、非结晶工程塑料，含有很好综合性能。它最大特点是使用温度宽（190190），到达热固性塑料水平；它耐摩擦磨损性能和电性能也很好，还含有卓越耐水、蒸汽性能。所以聚苯醚主要用作在较高温度下工作齿轮、轴承、凸轮、泵叶轮、鼓风机叶片、水泵零件、化工用管道、阀门以及外科医疗器械等。（6）聚砜（PSF）聚砜是分子链中含有硫键透明树脂，含有良好综合性能，它耐热性、抗蠕变性好，长久使用温度为150174，脆化温度为100。广泛应用于电器、机械设备、医疗器械、交通运输等。（7）聚四氟乙烯（F4）聚四氟乙烯是氟塑料中一个，含有很好耐高、低温，耐腐蚀等性能。聚四氟乙烯几乎不受任何化学药品腐蚀，它化学稳定性超出了玻璃、陶瓷、不锈钢，甚至金、铂，俗称“塑料王”。因为聚四氟乙烯使用范围广，化学稳定性好，介电性能优良，自润滑和防粘性好，所以在国防、科研和工业中占有主要地位。第7页 （8）有机玻璃（PMMA）有机玻璃化学名称是“聚甲基丙烯酸甲酯”。它是当前最好透明材料，透光率到达92%以上，比普通玻璃好，且相对密度小（1.18），仅为玻璃二分之一。有机玻璃有很好加工性能，惯用来制作飞机座舱、弦舱，电视和雷达标图屏幕，汽车风挡，仪器和设备防护罩，仪表外壳，光学镜片等。有机玻璃缺点是耐磨性差，也不耐一些有机溶剂。v特种塑料 含有一些特殊性能，满足一些特殊要求塑料。这类塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要场所，如医用塑料等。第8页二、橡胶二、橡胶v橡胶是含有高弹性轻度交联线型高聚物，它们在很宽温度范围内处于高弹态。普通橡胶在4080范围内含有高弹性，一些特种橡胶在100低温和200高温下都保持高弹性。橡胶弹性模数很低，只有1MN/m2，在外力作用下变形量可达100%1000%，外力去除又很快恢复原状。橡胶有优良伸缩性，良好储能能力和耐磨、隔音、绝缘等性能，广泛用于制作密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等制品。第9页三、合成纤维三、合成纤维 凡能保持长度比本身直径大100倍均匀条状或丝状高分子材料称为纤维，包含有天然纤维和化学纤维。涤纶又叫确实良，高强度、耐磨、耐蚀、易洗快干，是很好衣料。尼龙在我国称为锦纶，强度大、耐磨性好、弹性好，主要缺点是耐光性差。腈纶在国外称为奥纶、开司米纶，它柔软、轻盈、保暖，有些人造羊毛之称。维纶原料易得，成本低，性能与棉花相同且强度高，缺点是弹性较差，织物易皱。丙纶是后起之秀，发展快，纤维以轻、牢、耐磨著称，缺点是可染性差，日晒易老化。氯纶难燃、保暖、耐晒、耐磨，弹性也好，因为染色性差，热收缩大，限制了它使用。第10页四、合成胶粘剂四、合成胶粘剂 胶粘剂统称为胶，它以粘性物质为基础，并加入各种添加剂组成。它可将各种零件、构件牢靠地胶结在一起，有时可部分代替铆接或焊接等工艺。因为胶粘工艺操作简便，接头处应力分布均匀，接头密封性、绝缘性和耐蚀性很好，且可连接各种材料，所以在工程中应用日益广泛。胶粘剂分为天然胶粘剂和合成胶粘剂两种，浆糊、虫胶和骨胶等属于天然胶粘剂，而环氧树脂、氯丁橡胶等则属于合成胶粘剂。通常，人工合成树脂型胶粘剂由粘剂（如酚醛树脂、聚苯乙烯等）、固化剂、填料及各种附加剂（增韧剂、抗氧剂等）组成。依据使用要求选择不一样配比。第11页五、涂料五、涂料 涂料就是通常所说油漆，这是一个有机高分子胶体混合溶液，涂在物体表面上能干结成膜。涂料主要有三大基本功效：一是保护功效，起着防止外力碰伤、摩擦，预防腐蚀作用；二是装饰功效，起着使制品表面光亮美观作用；三是特殊功效，可作为标志使用，如管道、气瓶和交通标志牌等。涂料是由粘接剂、颜料、溶剂和其它辅助材料组成。其中，粘接剂是主要膜物质，普通采取合成树脂作粘接剂，它决定了膜与基体层粘接牢靠程度；颜料也是涂膜组成部分，它不但使涂料着色，而且能提升涂膜强度、耐磨性、耐久性和防锈能力；溶剂是涂料稀释剂，其作用是稀释涂料，方便于施工，干结后挥发；辅助材料通常有催干剂、增塑剂、固化剂、稳定剂等。第12页第二节 无机非金属材料Inorganic Nonmetallic Material 一、无机非金属材料分类一、无机非金属材料分类 无机非金属材料按照成份和结构，主要分为无机玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷材料三大类。无机玻璃与酸性氧化物和碱性氧化物高粘度复杂固体物质，含有没有定形结构。玻璃陶瓷又叫玻璃晶体材料，是在无机玻璃完全或部分结晶基础上得到，结构处于玻璃和陶瓷之间。陶瓷材料是由成型矿物质高温烧制（烧结）无机物材料。陶瓷材料可分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷等三种。第13页二、传统陶瓷（普通陶瓷）二、传统陶瓷（普通陶瓷）传统陶瓷就是粘土类陶瓷，它产量大，应用广。大量用于日用陶器、瓷器、建筑工业、电器绝缘材料、耐蚀要求不很高化工容器、管道，以及机械性能要求不高耐磨件，如纺织工业中导纺零件等。见下表。种类名称原 料特 性用 途日用陶瓷 粘土、石英、长石、滑石等v 含有良好热稳定性、致密度、v 机械强度和硬度 生活瓷器建筑用瓷 粘土、长石、石英等v 含有很好吸水性、耐腐蚀性、v 耐酸性、耐碱性、耐磨性等 铺设地面、输水管道装置、卫生间等电 瓷v 普通采取粘土、长v 石、石英等配制v 介电强度高、抗拉、抗弯强度较v 好、耐热、耐冷急变性能很好 隔电、机械支撑 件、瓷质绝缘件过滤陶瓷 以石英砂、河砂等瘠 性原料为骨架，添加 结合剂和增孔剂v 含有耐腐蚀、耐高温、强度大不v 老化寿命长、不污染、易清洗再v 生及操作方便等优点 用于制作多孔SO2 陶瓷器件，气体、液体过滤器等化工陶瓷 粘土、焦宝石（熟料）滑石、长石等v 含有耐酸、碱、腐蚀性，不污染v 介质 石油化工、冶炼、造纸、化纤工业等第14页三、特种陶瓷三、特种陶瓷当代工业要求高性能制品，用人工合成原料，采取普通陶瓷工艺制得新材料，称为特种陶瓷。它包含氧化物陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等几个。v氧化铝陶瓷这是以Al2O3为主要成份陶瓷，Al2O3含量大于46%，也称为高铝陶瓷。Al2O3含量在90%99.5%时称为刚玉瓷。按Al2O3成份可分为75瓷、85瓷、96瓷、99瓷等。氧化铝含量越高性能越好。氧化铝瓷耐高温性能很好，在氧化气氛中可使用到1950。氧化铝瓷硬度高、电绝缘性能好、耐蚀性和耐磨性也很好。可用作高温器皿、刀具、内燃机火花塞、轴承、化工用泵、阀门等。v氮化硅陶瓷氮化硅是键性很强共价键化合物，稳定性极强，除氢氟酸外，能耐各种酸和碱腐蚀，也能抵抗熔融有色金属浸蚀。氮化硅硬度很高，仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼。有良好耐磨性，摩擦系数小，只有0.10.2，相当于加油金属表面。氮化硅还有自润滑性，可在润滑剂条件下使用，是一个非常优良耐磨材料。氮化硅热膨胀系数小，有极好抗温度急变性。第15页v碳化硅陶瓷碳化硅是用于1500以上工作部件良好结构材料，如火箭尾喷管喷嘴、浇注金属中喉嘴以及炉管、热电偶套管等。还可用作高温轴承、高温热交换器、核燃料包封材料以及各种泵密封圈等。v氮化硼陶瓷氮化硼制品硬度低，可进行机械加工，精度为1/100mm。氮化硼可用于制造熔炼半导体坩埚及冶金用高温容器、半导体散热绝缘零件、高温轴承、热电偶套管及玻璃成型模具等。v氧化锆陶瓷氧化锆室温下是绝缘体，到1000以上成为导电体，可用作1800以上高温发烧体。氧化锆陶瓷普通用作钯、铑等金属坩埚、离子导电材料等。v氧化铍陶瓷氧化铍能够用作激光管、晶体管散热片、集成电路外壳和基片等。但氧化铍粉末和蒸汽有毒性，这影响了它使用。v氧化镁陶瓷氧化镁陶瓷是经典碱性耐火材料，用于冶炼高纯度铁、铁合金、铜、铝、镁等以及熔化高纯度铀、钍及其合金。第16页第三节复合材料Composite Materialv复合材料是两种或两种以上化学本质不一样组成人工合成材料。其结构为多相，一类组成（或相）为基体，起粘结作用，另一类为增强相。所以复合材料能够认为是一个多相材料，它一些性能比各组成相性能都好。v我们已经研究过一些复合材料，那是一些在显微尺度上进行增强材料。贝氏体、回火马氏体及沉淀硬化（时效硬化）合金都是经过细小颗粒硬化相弥散而得到强化。比如，回火马氏体（相碳化物）抗拉强度可超出1400MPa，而单独铁素体（相）其抗拉强度则低于此值20%。发生强化原因就是在于材料中形变相应变受到刚性相制约。第17页一、复合材料基本类型与组成一、复合材料基本类型与组成复合材料按基体类型可分为金属基复合材料、高分子基复合材料和陶瓷基复合材料等三类。当前应用最多是高分子基复合材料和金属基复合材料。复合材料按性能可分为功效复合材料和结构复合材料。前者还处于研制阶段，已经大量研究和应用主要是结构复合材料。复合材料按增强相种类和形状可分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和层状增强复合材料。其中，发展最快，应用最广是各种纤维（玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等）增强复合材料。第18页二、复合材料特点二、复合材料特点v比强度和比模量许多近代动力设备和结构，不但要求强度高，而且要求重量轻。设计这些结构时碰到关键问题是所谓平方立方关系，即结构强度和刚度随线尺寸平方（横截面积）而增加，而重量随线尺寸立方而增加。这就要求使用比强度（强度/比重）和比模量（弹性模量/比重）高材料。复合材料比强度和比模量都比较大，比如碳纤维和环氧树脂组成复合材料，其比强度是钢七倍，比模量比钢大三倍。v耐疲劳性能复合材料中基体和增强纤维间界面能够有效地阻止疲劳裂纹扩展。疲劳破坏在复合材料中总是从承载能力比较微弱纤维处开始，然后逐步扩展到结合面上，所以复合材料疲劳极限比较高。比如碳纤维聚酯树脂复合材料疲劳极限是拉伸强度70%80%，而金属材料疲劳极限只有强度极限值40%50%。第19页v减震性能许多机器、设备振动问题十分突出。结构自振频率除与结构本身质量、形状相关外，还与材料比模量平方根成正比。材料比模量越大，则其自振频率越高，可防止在工作状态下产生共振及由此引发早期破坏。另外，即使结构已产生振动，因为复合材料阻尼特征好（纤维与基体界面吸振能力强），振动也会很快衰减。v耐高温性能因为各种增强纤维普通在高温下仍可保持高强度，所以用它们增强复合材料高温强度和弹性模量均较高，尤其是金属基复合材料。比如7075-76铝合金，在400时，弹性模量靠近于零，强度值也从室温时500MPa降至30MPa50MPa。而碳纤维或硼纤维增强组成复合材料，在400时，强度和弹性模量可保持靠近室温下水平。碳纤维增强镍基合金也有类似情况。第20页v断裂安全性纤维增强复合材料是力学上经典静不定体系，在每平方厘米截面上，有几千至几万根增强纤维（直径普通为10100），当其中一部分受载荷作用断裂后，应力快速重新分布，载荷由未断裂纤维负担起来，所以断裂安全性好。v其它性能特点许多复合材料都有良好化学稳定性、隔热性、烧蚀性以及特殊电、光、磁等性能。复合材料深入推广使用主要问题是，断裂伸长小，抗冲击性能尚不够理想，生产工艺方法中手工操作多，难以自动化生产，间断式生产周期长，效率低，加工出产品质量不够稳定等。增强纤维价格很高，使复合材料成本比其它工程材料高得多。即使复合材料利用率比金属高（约80%），但在普通机器和设备上使用依然是不够经济。上述缺点改进，将会大大地推进复合材料发展和应用。第21页四、纤维增强材料四、纤维增强材料v玻璃纤维 玻璃纤维有较高强度，相对密度小，化学稳定性高，耐热性好，价格低。缺点是脆性较大，耐磨性差，纤维表面光滑而不易与其它物质结合。玻璃纤维可制成长纤维和短纤维，也能够织成布，制成毡。v碳纤维与石墨纤维 有机纤维在惰性气体中，经高温碳化能够制成碳纤维和石墨纤维。在以下制得碳纤维，再经2500以上处理得石墨纤维。碳纤维相对密度小，弹性模量高，而且在2500无氧气氛中也不降低。石墨纤维耐热性和导电性比碳纤维高，并含有自润滑性。v硼纤维 硼纤维是用化学沉积方法将非晶态硼涂覆到钨和碳丝上面制得。硼纤维强度高，弹性模量大，耐高温性能好。在当代航空结构材料中，硼纤维弹性模量绝对值最高，但硼纤维相对密度大，延伸率差，价格昂贵。第22页1.SiC纤维 SiC纤维是一个高熔点、高强度、高弹性模量陶瓷纤维。它能够用化学沉积法及有机硅聚合物纺丝烧结法制造SiC连续纤维。SiC纤维突出优点是含有优良高温强度。1.晶须 晶须是直径只有几微米针状单晶体，是一个新型高强度材料。晶须包含金属晶须和陶瓷晶须。金属晶须中可批量生产是铁晶须，其最大特点是可在磁场中取向，能够很轻易地制取定向纤维增强复合材料。陶瓷晶须比金属晶须强度高，相对密度低，弹性模量高，耐热性好。1.其它纤维 天然纤维和高分子合成纤维也可作增强材料，但性能较差。美国杜邦企业开发了一个叫做Kevlar（芳纶）新型有机纤维，其弹性模量和强度都较高，通惯用作高强度复合材料增强纤维。Kevlar纤维刚性大，其弹性模量为钢丝5倍，密度只有钢丝1/51/6，比碳纤维轻15%，比玻璃纤维轻45%。Kevlar纤维强度高于碳纤维和经过拉伸钢丝，热膨胀系数低，含有高疲劳抗力，良好耐热性，而且其价格低于碳纤维，是一个很有发展前途增强纤维。第23页五、玻璃纤维增强塑料五、玻璃纤维增强塑料 玻璃纤维增强塑料通常称为“玻璃钢”。因为其成本低，工艺简单，所以当前是应用最广泛复合材料。它基体能够是热塑性塑料，如尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯等；也能够是热固性塑料，如环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等。玻璃钢可制造汽车、火车、拖拉机地车身及其它配件，也可应用于机械工业各种零件，玻璃钢在造船工业中应用也越来越广泛，如玻璃钢制造船体耐海水腐蚀性好，制造深水潜艇，比钢壳潜艇潜水深80%。玻璃钢耐酸、碱腐蚀性能好，在石油化工工业中可制造各种罐、管道、泵、阀门、贮槽等。玻璃钢还是很好电绝缘材料，可制造电机零件和各种电器。第24页