材料应用华东理工大学材料概论合集第二版.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,6.1,结构材料,6.2,包装材料,6.3,建筑材料,6.4,功能材料,6.5,生物材料,6.6,化工材料,6.7,农用材料,6.8,纳米材料,6.9,复合材料,6.10,其他材料,第六章 材 料 应 用,6.2,包装材料,6.2.1,玻璃陶瓷包装,6.2.2,金属包装,6.2.3,塑料包装,第六章 材 料 应 用,6.2,包装材料,产品包装商品。,美国包装协会认为“包装是为产品的运出和销售的准备行为”。,我国国家标准中包装定义为：“为在流通过程中保护产品、方便储运、促进销售，按一定技术方法而采用的容器、材料及辅助物等的总体名称。也指为了达到上述目的而采用容器、材料和辅助物的过程中施加一定技术方法等的操作活动”。,第六章 材 料 应 用,6.2,包装材料,现代包装种类很多。,如按内外层次分有内包装和外包装；,按包装功能分有防水包装、防潮包装、防霉包装、防辐射包装、防盗包装、防伪包装等；,按流通中作用分有工业包装、商业包装和消费包装等。,按包装所用材料可分为：纸质包装，如纸板包装、瓦楞纸包装；木质包装，如木箱包装、木桶包装；玻璃包装；陶瓷包装；金属包装；塑料包装，如塑料薄膜包装、塑料容器包装，以及复合材料包装等。,第六章 材 料 应 用,6.2,包装材料,包装材料的性能,物理性能：密度、吸湿性、阻隔性、导热性、隔热性、耐热性等。,化学性能：包装材料的化学性能中最重要的是化学稳定性，即包装材料受外界条件作用，在一定范围内，不易发生化学变化的性能。化学稳定性主要体现在材料的抗老化、抗腐蚀等性质上。,力学性能：包装材料的力学性能，主要包括弹性、可塑性、强度、韧性与脆性等。,包装材料的工艺性能：是指包装材料在加工、使用过程中，便于成型或组装的一些性能。如切削钉着性、可塑性、可锻性、可焊性、可粘（缝）性、可涂覆印刷性等。几种包装材料性能比较示于表,6,4,。,第六章 材 料 应 用,6.2,包装材料,木质包装是指以木材制品和人造木质板材制成的包装的统称。,主要容器有：木箱、木桶、木匣、木夹板、纤维板箱、胶合板箱，以及木制托盘等。,木质包装一般适用于大型的或较笨重的机械、五金交电，以及怕压、怕甩的仪器、仪表等商品的外包装等。从世界各国来看，包装工业越发达，木质包装在整个包装材料中的比重越低。,以纸与纸板为原料制成的包装，统称为纸质包装。包括纸板箱、瓦楞纸箱、纸盒、纸袋、纸管、纸桶和其他包装用纸等。,纸质包装应用十分广泛，不仅用于百货、纺织、五金、电讯器材、家用电器等商品的包装，还适用于食品、医药、军工产品等的包装。,第六章 材 料 应 用,6.2.1,玻璃陶瓷包装,用模子吹制玻璃器皿起源于公元前，后传到意大利，至,1,2,世纪才建立起吹制玻璃器皿的作坊。,玻璃陶瓷包装容器是常用的包装容器之一，尽管它们有易碎、易损、质量过大等缺点，但由于其固有的特点，今天仍然是重要的包装容器，特别是在食品、饮料的包装方面需求量还在继续上升。,玻璃与陶瓷包装容器的造型多呈瓶、罐状，其造型的多变性是任何包装容器所不及的。,用玻璃与陶瓷容器包装的食品、饮料，常常作为礼品馈赠亲友，因而玻璃与陶瓷包装容器应充分注意美化与装饰。,第六章 材 料 应 用,6.2.1.1,玻璃包装容器,玻璃包装容器具有下列优点：,化学稳定性好，不会与被包装的商品产生化学反应。,阻隔性、卫生性与保存性好。,一般不会变形。,容易用盖密封，开封后仍可再度紧封。,可制成多种多样形状的容器，可着各种颜色。,原料丰富、成本低廉，酒瓶、饮料瓶还可重复使用。,广泛用于酒类、饮料、调味品、药剂、注射剂、化妆品及文教用品的包装。,第六章 材 料 应 用,6.2.1.2,陶瓷包装容器,陶瓷容器在成型与焙烧时伴随着不可避免的收缩与变形，尺寸误差较大。,陶瓷容器的生产多为间歇式，生产效率低，陶瓷包装容器一般不再回收复用，因而成本较高。,陶瓷容器耐冲击性差，其外包装和运输成本也较高。,陶瓷容器是以取之不尽的粘土及一些天然矿物、岩石为原料，材料费用最低。,陶瓷材料耐热性、耐火性与隔热性比玻璃好，且耐酸和耐药性能优良，瓷器无吸水性，陶器吸水性也很低，陶瓷容器透气性极低，历经多年不变形、不变质，因此，在化学与食品工业中作为包装容器仍是很普遍的。我国一些地方风味的酱菜、调味品，至今仍然采用古色古香、乡上气息浓厚的陶器包装，尤其是我国一些高档名酒，采用瓷器包装最近又风靡起来。图,6,5,所示陶瓷瓶典型结构。,第六章 材 料 应 用,6.2.2,金属包装,金属包装是指以黑铁皮、白铁皮、马口铁等钢材与钢板，以及铝箔、铝合金等制成的各种包装容器。如金属罐、桶、盒、软管，钢瓶，喷雾罐等。金属包装材料是传统包装材料之一。,我国早在春秋战国时代，就采用了青铜制作各种容器。,1809,年，一个名叫尼古拉,阿佩尔的法国人发明食品用罐，但他当时用的是玻璃罐。,第六章 材 料 应 用,6.2.2,金属包装,1814,年，一位英国商人发明马口铁容器，开创了金属包装的新历史。,20,世纪初，发明了用钢桶来取代木桶，成为世界贸易中使用最广泛的运输包装容器之一，在,20,世纪,50,年代，美国实现了铝质二片罐的工业化生产，稍后，又发明了铝质易开盖。易开盖和铝罐以及马口铁罐的巧妙结合，把金属容器的发展推向一个新的高峰。,在我国，金属包装容器的发展相当快。迄今，我国金属容器行业已发展成为品种基本齐全的、在整个包装行业中举足轻重的大行业。,第六章 材 料 应 用,6.2.2,金属包装,用在包装上且形成规模的金属材料主要有：黑色金属的薄钢板、镀锌薄钢板、镀锡薄钢板等；有色金属的铝板、铝合金板和铝箔等。,金属包装材料其优点有：优良的机械性能、优良的阻隔性能、良好的加工性、装潢美观性好、回收处理性好、卫生性较好。,金属包装材料不足之处：化学稳定性较差，在酸、碱、盐和湿空气的作用下，易于锈蚀，这在一定程度上限制了它的使用范围。此缺点弥补的方法是采用涂料。经济性较差。,第六章 材 料 应 用,6.2.2.1,金属包装容器,金属包装容器主要有,:,金属罐,金属桶,金属箱,金属喷雾容器,铝箔袋,金属软管等产品,第六章 材 料 应 用,6.2.3,塑料包装,包装用的高分子材料主要是塑料，塑料用于包装，是包装工业的一个重大改革。与传统包装材料相比，塑料具有质量轻、透明度高、强度大、易加工、耐腐蚀性优异、包装效率高、有利于包装工业自动化等优点。,第六章 材 料 应 用,6.2.3.1,包装用材料与塑料包装特点,塑料包装主要有一般包装和食品包装两类。,包装用塑料材料：主要有聚乙烯（,PE,）、聚丙烯（,PP,）、聚苯乙烯（,PS,）、聚氯乙烯（,PVC,）、聚酰胺（,PA,，俗称尼龙）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（,PET,，俗称聚酯）、聚碳酸酯（,PC,）、聚偏二氯乙烯（,PVDC,）、聚乙烯醇（,PVA,）及乙烯醋酸乙烯共聚物（,EVA,）等。,包装塑料用量在塑料中占首位，约占全部热塑性塑料产量的,1/3,。塑料包装材料主要制品有薄膜（袋）、中空容器（瓶、罐、桶等）、周转箱、片材成型容器、泡沫塑料、编织袋、打包带、合成纸等。塑料包装约占包装材料的四分之一，仅次于纸品包装，其中又以薄膜为最主要。,第六章 材 料 应 用,6.2.3.1,包装用材料与塑料包装特点,塑料包装特点：,性能优越：塑料在良好的机械强度，良好的阻隔性与渗透性，良好的透明性和外观色泽，优良的化学稳定性（耐蚀性）和卫生性。,生产成本低廉 塑料原料来源丰富，价格低廉。,储运与使用方便 塑料的密度一般在,1.0g/cm,3,左右，而玻璃在,2.3,3.0g/cm,3,，金属密度则更大。从使用方便来说，食品、饮料的软包装是典型代表。软包装一般不需特别的开启工具，只要撕个口或插进一根塑料管便能取食和饮用。,一般的塑料包装材料主要缺点是耐热性较差，使用温度低于,100,C,，经受不了高温消毒和蒸煮。,第六章 材 料 应 用,6.2.3.2,塑料容器,按内装物形态来分，可分为液体容器，固体（粉粒的、或碎片状的）容器及气体容器等。,按容器形态来分，可分为刚性容器（如瓶、罐、箱、盒、盆、桶和杯等），和柔性容器（即软包装，如塑料袋、编织袋、网袋等）。,按功能来分，则有保温容器、防潮容器、耐压容器、周转箱等。,第六章 材 料 应 用,6.2.3.4,塑料薄膜与软包装,软包装用的材料，塑料薄膜的应用才真正确立了软包装的地位。用于包装的塑料薄膜有：,PE,薄膜、,PP,薄膜、,PVC,薄膜、聚酯薄膜、尼龙薄膜等。,按薄膜的制造方法和结构可分为：单层膜和复合薄膜。单层膜有吹塑薄膜、流延薄膜、双向拉伸薄膜等；复合薄膜有纸塑复合型、塑塑复合型、纸铝塑复合型等。,按包装的方法和作用来分类，又可分为真空包装、收缩包装、可蒸煮包装、拉伸包装等用的薄膜。,用于软包装袋的主要有塑料小包装袋、塑料重包装袋、塑料编织袋及塑料网袋等。,第六章 材 料 应 用,6.2.3.5,泡沫塑料与缓冲块,泡沫塑料是一种以气体填充的塑料材料。它有较大的可压缩性、缓冲性、在防震、防破碎包装中起重要作用。同时，由于空气的热传导性很小，且又被封闭于塑料中而不能对流，所以泡沫塑料是一种隔热、保温、隔音性能非常优良的材料，在冰箱、雪柜、冷藏库、冷冻集装箱等方面广为应用，火车客车车箱、房屋建筑也用它来作隔热、保温、隔音材料。,第六章 材 料 应 用,6.6,化工材料,6.6.1,化工设备对材料的一般要求,6.6.2,金属材料的使用,6.6.3,无机非金属材料的使用,6.6.4,高分子材料的使用,第六章 材 料 应 用,6.6,化工材料,化学工业的发展，除与原材料的开拓、生产技术开发相关外，生产技术装备的研究和开发是一个关键的因素。,化工材料是实现化工生产技术的手段与保证。化工生产技术装备主要包括各种容器（反应器、塔器、交换器、干燥器及贮槽等）、各种管道（管材、管件、阀门、泵等）。而影响各种化工设备使用效果和寿命主要因素就是所用材料的性能。,化工生产的工艺条件越来越苛刻，由此对制造设备的材料提出了许多新的要求。,有些化工产品生产腐蚀性很大，因此,，,腐蚀与防腐的问题研究已成为各部门重要课题。,第六章 材 料 应 用,6.6.1,化工设备对材料的一般要求（下页续）,不同性质的化工设备对所需材料要求不同，根据设备使用场合不同，介质、温度、压力等不同，对材料的要求是不同的。化工设备材料选用的一般原则为：,耐介质的腐蚀性好：材料抵抗周围介质对其腐蚀破坏的能力称材料的耐腐蚀性，耐腐蚀性不是材料的一个固定不变的特性，而且随材料的工作条件而改变。,机械性能好：机械强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧性。,第六章 材 料 应 用,6.6.1,化工设备对材料的一般要求（续上页）,耐温性：除考虑温度对腐蚀的影响外，更要考虑机械性能的变化，反映高温下材料机械性能的重要指标是材料蠕变和蠕变极限，低温下则主要考虑脆裂。,制造加工性好：金属材料的可焊接性、可锻造性、可铸造性、可切削性、可热处理性、可冲压性能等；无机非金属材料的可注浆性、可挤压性、可浇铸性、可压制性等；高分子材料的可压制性、可压延性、可焊接性、可切削性等。,物理性能：密度、导热系数、比热容、熔点、线膨胀系数等。,其他要求：价格、来源、设备或零件装、拆、清理、修理方便等方面的因素,第六章 材 料 应 用,6.6.2,金属材料的使用,6.6.2.1,碳钢,碳钢即碳素结构钢，可分为普通碳素钢与优质碳素钢两种。,一般化工设备用钢，首先要求保证足够的机械强度，因此高等级碳素结构钢、优质碳素结构钢及低合金钢应用较多。,此外，压力设备用钢和锅炉用钢还要求有良好的塑性，且要求钢的质地均匀，无时效倾向，因此一般都选用杂质和有害气体含量较低的低碳镇静钢。,碳钢存在着不少缺点。首先碳钢综合机械性能不是很高：如强度高的碳钢，往往韧性较低；韧性好的碳钢，则强度较差。其次，碳钢在热处理淬火的过程中容易变形，开裂。此外，碳钢耐腐蚀、耐磨、耐热性较差。,第六章 材 料 应 用,6.6.2.2,合金钢,普通合金钢：与碳钢相比，机械强度大大提高，且耐热性、耐蚀性及低温性能也有所改善，普通低合金钢按特性可分为强度钢、耐蚀钢、高温用钢及低温用钢。,合金结构钢：合金结构钢的淬透性好，淬火回火以后可在较大截面上得到较好的性能，强度高，热处理变形小。因此，应用于机械制造中的重要零件。合金结构钢有：合金渗碳钢、合金调质钢等。,特殊性能钢：特殊性能钢是指具有特殊的物理性能、化学性能的钢。属于这种类型的钢主要有不锈钢、耐热钢等。,第六章 材 料 应 用,6.6.2.3,铸铁,含碳量,2.06,的铁碳合金称铸铁。,常用的铸铁为普通灰口铸铁。由于普通灰口铸铁中石墨（碳）可以传递压力，并且能吸收振动起避震作用。石墨还有一定的润滑作用，使普通灰口铸铁具有较好的耐压、耐震和耐磨性，且有好的铸造性能，价格比钢便宜，因此铸铁的应用也很广泛。,第六章 材 料 应 用,6.6.2.4,有色金属,化工设备中应用的有色金属主要有：铜、铝、铅、钛以及它们的合金。,铜与铜合金的最大特点是导热系数高，常用于制造换热表面、深冷设备。,铝与铝合金的特点是密度小、质轻、塑性好；导热、导电性好。常用于制造化工设备中热交换设备、深冷设备中液空吸附过滤器、分馏塔、耐浓硝酸贮槽、管道、泵、阀门及各种内衬等。,铅及其合金：不适宜单独做化工设备，主要制造设备内衬等。,钛及其合金具有高的耐热性、耐许多介质及优良的机械性能，但价格较贵。常用于制造高温下耐腐蚀设备。,第六章 材 料 应 用,6.6.3,无机非金属材料的使用,6.6.3.1,化工陶瓷,化工陶瓷产品有塔、贮槽、容器、泵、阀门、旋塞、反应器、搅拌器和管道、管件等具有优良的耐腐蚀性能，除氢氟酸、热磷酸外，在各种有机酸、无机酸、氯化物及溴化物等强氧化性介质中均耐蚀。,性脆、冲击韧性差，抗弯、抗拉强度小于抗压强度。硬度大，弹性模数小。,热稳定性差，在骤冷骤热情况下容易破裂。,第六章 材 料 应 用,6.6.3.2,化工搪瓷,目前我国生产的搪瓷设备有反应罐、贮罐、管道、管件、换热器、蒸发器、塔和阀门等。,化工搪瓷能耐大多数无机酸（包括强氧化性酸）、有机酸、有机溶剂等的腐蚀。但不耐强碱、氢氟酸、热磷酸的腐蚀。,化工搪瓷层很薄（约,0.8,1.5mm,），与金属结合紧密，且搪瓷层光滑，不易结垢，所以传热效率尚好，故常用搪瓷制成带有夹套传热的反应器、浓缩锅等，用于轻化工业及制药工业。,化工搪瓷质脆，不耐机械碰撞，压紧面较易损坏，热稳定性不高，损坏后修补困难。,第六章 材 料 应 用,6.6.3.3,化工玻璃,玻璃具有优良的耐腐蚀性能，除氢氟酸、热磷酸及强碱外。玻璃表面光滑，流体阻力小，不易结垢或粘附，可以保证物料的清洁。玻璃不耐冲击振动，热稳定性差。,目前化工设备防腐蚀中应用的玻璃主要有硼硅玻璃和无硼低碱玻璃，主要用作管道、管件、泵、反应器、热交换器、隔膜阀等,6.6.3.4,砖板内衬,在化工生产中，砖板内衬设备是一种应用广泛、行之有效的非金属防腐蚀方法。作内衬用的砖、板、管材有：辉绿岩板；耐酸陶瓷砖、板、管材；不透性石墨板；玻璃管。,第六章 材 料 应 用,6.6.4,高分子材料的使用,高分子材料作为一种新型的化工结构材料。,1,吨化工防腐蚀用的通用塑料，可代替,5,7,吨钢材；,1,吨玻纤增强塑料（玻璃钢），可代替,3.5,吨不锈钢；,1,吨工程塑料，可节省,4,5,吨有色金属。,高分子材料具有良好的化学稳定性、优良的耐腐蚀性、良好的成型加工性、成本低许多倍，经济效益显著。但高分子材料强度、耐高温性差、易燃烧等缺点也影响了在化工设备上的使用。,应用于化工设备中的高分子材料主要有各种涂料、塑料、复合材料（玻璃钢）及橡胶等。,第六章 材 料 应 用,6.6.4.1,涂料,通过一定的涂复方法涂在设备表面，经过固化形成薄涂层，从而保护设备免受工业大气及酸、碱等介质的腐蚀作用。,生漆及改性生漆：具有耐蚀、耐溶剂（常温）、抗水、耐油、耐磨等性能，附着力很强。缺点是不耐强碱及强氧化剂。漆膜干燥时间较长，毒性较大。,酚醛树脂漆：可耐盐酸、浓度低于,60,的硫酸、磷酸、醋酸、各种盐类及大多数有机溶剂，不耐碱和强氧化剂。,环氧树脂漆：良好的耐蚀性特别是耐碱性，并有较好的耐磨性，与金属和非金属有极好的附着力（聚氯乙烯、聚乙烯除外）。漆膜有良好的弹性，使用温度为,90,100,C,左右。,呋喃树脂漆：优良的耐酸性、耐碱性和耐热性（约为,180,C,左右），同时来源广泛，价格较低。,沥青漆：耐蚀性很好，有抗水性，但耐热性差，易龟裂。,第六章 材 料 应 用,6.6.4.2,塑料,塑料具有良好的化学稳定性与机械性能、相对密度低、绝缘性能良好；有的塑料有一定透明度，也可加入各种色彩、表面有光泽；加工方便，可以压力加工、注塑、切削加工、热空气焊接、高频焊接等。,常用于化工设备的热固性塑料有酚醛塑料。热塑性塑料有聚氯乙烯（,PVC,）、聚四氟乙烯（,PTFE,）、聚酰胺（,PA,）、聚乙烯（,PE,）、聚丙烯（,PP,）、聚苯乙烯（,PS,）、聚碳酸酯（,PC,）等。,第六章 材 料 应 用,6.6.4.3,玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）,玻璃钢强度较高，耐腐蚀性能好，具有良好的耐热性及加工工艺性能，应用广泛。主要有环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢、呋喃玻璃钢、聚酯玻璃钢等。,在化工防腐中，玻璃钢可用作设备的内衬材料及非金属管道的增强材料，可制作整体设备、管件、喷头、搅拌器等。也可用作增强材料使聚氯乙烯塑料、玻璃管，陶瓷等非金属材料制品强度增加，使用寿命延长。,第六章 材 料 应 用,6.6.4.4,橡胶,橡胶的一个重要用途是作为化工设备中的内衬，具有一定的耐热、耐腐蚀性能和一定机械性能。,除硝酸、浓硫酸、铬酸及过氧化氢等强氧化剂及某些溶剂如苯、二硫化碳、四氯化碳等外，对大多数无机酸、有机酸、碱、各种盐类及醇类介质均耐腐蚀。,适于制作泵、搅拌器等设备的内衬。硅橡胶由于具有极高的耐热、耐寒性，在相当宽的温度范围内，可保持其优良的物理特性和介电性能被广泛用作密封材料，尤其是垫圈构件。,第六章 材 料 应 用,6.7,农用材料,6.7.1,在田间作业上的应用,6.7.2,在农田排灌上的应用,6.7.3,在农业机械上的应用,第六章 材 料 应 用,6.7,农用材料,人类的需求与自然界可能的提供量存在着尖锐的矛盾。,各种现代化农用机械的生产、使用，新技术、新材料在农业中应用，特别是塑料在农业上广泛的应用，为解决这种矛盾提供了机会。,农业生产的发展在很大程度上取决于农用材料的发展。,金属材料、无机非金属材料、高分子材料在农业上应用十分广泛，主要应用于田间作业、农田排灌、农用机械上。,第六章 材 料 应 用,6.7.1,在田间作业上的应用,塑料在田间作业上的应用，主要是在地面覆盖、温室栽培、风障和无土栽培上。,金属材料在田间作业上的应用，主要是作为各种温室、大棚、风障的骨架材料，起支撑作用。,无机非金属材料则主要用于各种砌砖、透光玻璃。,第六章 材 料 应 用,6.7.1,在田间作业上的应用,地面覆盖：增温、保熵、灭草和促进早熟、优质、高产的作用，对于克服自然灾害与自然资源不足有着明显的效果。,温室栽培：用塑料覆盖建成的温室，已大量用来代替玻璃温室。,农网：塑料农网主要用于植物保护、作物收集、菌害和虫灾的防止。,风障：风障是用于降低风速的一种行之有效的设施。,人造土壤：用于人造土壤的主要是软质聚氨酯泡沫塑料。,必须指出：农地膜的使用也带来了负面影响，即白色污染。这不能不引起人们重视，开发可降解塑料是当务之急。,第六章 材 料 应 用,6.7.2,在农田排灌上的应用,在农田排灌上以往主要采用的金属材料铁管、无机非金属材料瓦管、水泥混凝土管、水渠。塑料管用于农田排灌具有以下一些优点：质量轻、运输方便、价格低廉；管壁光滑、水头压力损失小，表,6,16,所示在相同流体压力下聚氯乙烯管与白铁管流量的比较；耐腐蚀性优良、埋在土中使用寿命长；连接方便、敷设容易、安装进程快；无毒安全。,第六章 材 料 应 用,6.7.2,在农田排灌上的应用,常用的塑料管有硬质和软质聚氯乙烯管、聚乙烯管、聚丙烯管等，其中，聚氯乙烯管用得最为广泛。,排水解决水涝危害。排水明管排水、地下暗管排水和水渠。,灌溉：灌溉是用人工方法向农作物提供足够水分的有效措施。灌溉有多种方法，主要有沟灌、喷灌、滴灌等，以使用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等各种塑料管材和铁管为主。,6.7.3,在农业机械上的应用,先进农业机械及农用工具是农业生产丰收的保证，金属材料可用于制作各种农用机械，如拖拉机、收割机、插秧机、脱粒机、研磨机及各种排灌泵站的水泵等。,第六章 材 料 应 用,6.9,复合材料,6.9.1,复合材料组成、分类和特点,6.9.2,复合材料增强体,6.9.3,复合材料基体,6.9.4,复合材料应用,第六章 材 料 应 用,6.9,复合材料,随着航天航空、核能等现代技术的飞速发展，理想的结构材料应具有比强度和比模量要高。,现有金属材料、高分子材料无法满足比强度和比模量高的要求。,自然界中有不少天然的复合材料存在。,人类制造和使用复合材料由来已久，早在,6,000,多年我国陕西西半坡人就懂得将草梗合泥筑墙；,现代复合材料在第二次世界大战中得到迅速发展，,1942,年美国空军首先采用玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料用于制造飞机构件。此后，新型复合材料的不断涌现，使其不仅能满足导弹、火箭、人造卫星等尖端工业的需要，而且在航空、汽车、造船、建筑、电子、桥梁，机械、医疗和体育等各个领域都得到应用。,第六章 材 料 应 用,6.9,复合材料,复合材料是由高分子材料无机非金属材料或金属材料等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既能保留原组成材料的主要特色，通过复合效应，可获得原组分所不具备的性能。,一般材料的简单混合与复合材料的本质区别主要体现在两方面：,其一是复合材料不仅保留了原组成材料的特色，而且通过各组分性能的互相补充和关联可以获得原组分所没有的新的优越性能；,其二是的可设计性，如结构复合材料不仅可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计，更重要的是还可进行复合结构设计，即增强体的比例、分布、排列、编织和取向等的设计,第六章 材 料 应 用,6.9.1,复合材料组成、分类和特点,复合材料中至少包括基体相和增强相两大类。,基体相起粘结、保护增强相并把外加载荷造成的应力传递到增强相上去的作用，基体相可以由金属、树脂、陶瓷等构成，在承载中，基体相承受应力作用的比例不大；,增强相是主要承载相，并起着提高强度（或韧性）的作用，增强相的形态各异，有纤维状、细粒状、片状等。,第六章 材 料 应 用,6.9.1,复合材料组成、分类和特点,按基体材料类型可分为：如图,6,11,所示。,按增强体类型可分为：,按用途可分为：结构复合材料与功能复合材料两大类。,以增强纤维类型分：,第六章 材 料 应 用,6.9.1,复合材料组成、分类和特点,高比强度和高比模量：碳纤维增强树脂复合材料的比模量比钢和铝合金高五倍，其比强度也高三倍以上，钢、铝、钛与几种复合材料性能的比较示于表,6,18,。,耐疲劳性高：（如图,6,12,所示）、（如图,6,13,所示）。,抗断裂能力强：超载转移未断的纤维上、断口不可能都出现在一个平面上。,减振性能好：图,6,14,所示为两类材料的振动衰减特性。,高温性能好，抗蠕变能力强：金属基复合材料在耐热性方面更显示出其优越性，,耐腐蚀性好：制备化工管道、泵、阀、容器、搅拌器等设备。,其他：还具有较优良的减摩性、耐磨性、自润滑性、耐蚀性等特点，良好的工艺性能，适合整体成型。,缺点：纤维增强复合材料为各向异性材料、复合材料抗冲击能力还不是很好，且成本太高使其应用受到限制。,第六章 材 料 应 用,6.9.2,复合材料增强体,6.9.2.1,纤维增强体,按其组成可以分为无机纤维增强体和有机纤维增强体两大类。,按其性能可以分为高性能纤维增强体和一般纤维增强体两种，高性能纤维增强体指具有超高强度和超高模量的各种纤维增强体，包括碳纤维、芳纶、全芳香族聚酯、超高相对分子质量聚乙烯纤维以及其他具有伸直链结晶结构的纤维。一般纤维增强体有玻璃纤维、石棉纤维、矿物纤维、棉纤维、亚麻纤维、合成纤维等。,除上述纤维增强体外，金属纤维增强体、晶须增强体也被用作增强体。陶瓷晶须可大致分为非氧化物类和氧化物类。,第六章 材 料 应 用,6.9.2.2,颗粒增强体,复合材料中的颗粒增强体按颗粒尺寸的大小可以分为两类：,0.1,m,1,m,颗粒增强体、,0.01,m,0.1,m,微粒增强体，其强化机理与第一类不同，由于微粒对基体位错运动的阻碍而产生强化，属于弥散强化。,6.9.2.3,其他增强体,片状增强体：有天然、人造和在复合工艺过程中自身生长出来的三种类型。,天然增强体：天然增强体是指存在于自然界中的各种增强材料，可分为无机和有机两类。,第六章 材 料 应 用,6.9.3,复合材料基体,6.9.3.1,树脂基体,20,世纪,40,年代，在第二次世界大战中对特殊结构性能材料的需要导致树脂基复合材料的发展。,热固性树脂基体：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。,热塑性树脂：有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、和聚酰胺、聚甲醛聚苯醚、聚酯和聚碳酸酯等。,共混树脂基体：机械共混、接技共聚、嵌段共聚以及两种聚合物网络互相贯穿等。,第六章 材 料 应 用,6.9.3.2,金属基体,金属基复合材料主要有三类：颗粒增强、短纤维或晶须增强、连续纤维或薄片增强。主要有：,铝合金：铝合金由于低的密度和优异的强度、韧性和抗腐蚀性能在航空航天领域得到了大量的应用。,钛合金：密度为,4.5 g/cm,3,，具有高比强度和高比模量及优良的抗氧化和抗腐蚀性能，一种理想的航空、宇航应用材料，钛合金用于喷气发动机（涡轮机和压气机叶片）、机身部件等。,镁合金：密度为,1.74g/cm,3,，镁合金，铸造镁合金用于飞机齿轮箱壳体、链锯壳体、电子设备等。,铜：用作电导体，它的导热性能优良，容易铸造和加工，铜在复合材料中的主要用途之一是作为铌基超导体的基体材料。,第六章 材 料 应 用,6.9.3.3,陶瓷基复合材料,制作陶瓷基复合材料的主要目的是增加韧性。,基体材料主要有：氧化物陶瓷基体（氧化铝陶瓷基体、氧化锆陶瓷基体等）、非氧化物陶瓷基体（氮化硅陶瓷基体、氮化铝陶瓷基体、碳化硅陶瓷基体及石英玻璃）。,第六章 材 料 应 用,6.9.4,复合材料应用,玻璃钢：美国于,1940,年制造出世界上第一艘玻璃钢船将复合材料真正引人工程实际应用。发展极为迅速，其产量每年以近,30,种的速度增长，已成为一种重要的工程结构材料。,碳纤维增强酚醛树脂、聚四氟乙烯复合材料，常作宇宙飞行器的外层材料。,碳纤维碳复合材料，在航天、航空中用于制造导弹鼻锥、飞船的前缘、超音速飞机的制动装置等。,石墨纤维增强铝基复合材料，制作飞行器零部件等。,硼纤维增强铝合金，可用来制造航空发动机叶片和飞机或航天器蒙皮的大型壁板等。,钼纤维增强钛合金复合材料，可用于飞机的许多构件。,金属基复合材料的主要优点是工作温度可以较高（,350,400,C,），使其在航空航天领域里占有重要的一席。,颗粒增强的铝基复合材料已在民用工业中得到应用。,第六章 材 料 应 用,6.10,其他材料,6.10.1,汽车材料,6.10.2,电子电器与信息材料,6.10.3,机械材料,6.104,航天航空材料,6.10.5,船舶材料,6.10.6,日常生活及办公用品材料,第六章 材 料 应 用,6.10,其他材料,三大材料（金属材料、无机非金属材料、高分子材料）除应用于结构材料、化工材料、建筑材料、功能材料、生物材料、包装材料、农用材料、纳米材料及复合材料外，还在交通（汽车、船舶、飞机、宇航）、机械、电子电器与信息及日常生活、办公等领域得到广泛应用。,第六章 材 料 应 用,6.10.1,汽车材料,著名合资企业，如德国大众、美国通用、法国标致、日本大发、五十铃、意大利依维柯等。,金属材料：结构件，如车架、车身、发动机、传动系统等，及各种结构件与内外装件的支撑、骨架材料。,塑料：塑料用作汽车结构件与内外装件见表,6,19,所示、软饰件见表,6,20,所示。,橡胶：轮胎、密封件、挡泥橡胶件、车用电气电线保护层等。,涂料：外表涂装；,合成纤维：内饰件，如脚垫等。,无机非金属材料：挡风玻璃、灯具以及发动机中表面涂层和某些陶瓷活塞等。,第六章 材 料 应 用,6.10.2,电子电器与信息材料,金属材料主要作为结构材料、骨架材料、导电材料、功能材料等应用于电子电器与信息领域。,高分子材料在电子电器与信息产业中，主要应用在：电子电器绝缘件、电器设备结构件、电子元件封装件等。,无机非金属材料在电子电器工业中应用非常广泛，特别是高性能结构陶瓷和功能陶瓷在在电子信息领域中占有重要地位。如前所述主要有各种半导体材料、压电陶瓷、硅片、导电陶瓷、金属陶瓷、氮化硅、碳化硅等非氧化物为基的复相陶瓷和高性能莫来石陶瓷、微晶氧化锆陶瓷等氧化物陶桑送饣褂,C/C,、,C/SiC,、,SiC,纤维,/LAS,玻璃陶瓷等。,第六章 材 料 应 用,6.10.3,机械材料,金属材料：尤其是钢铁材料使用占绝大部分，如在农用机械、化工机械、纺织机械、电工设备等，钢铁材料占,90,左右，有色金属约占,5,。金属材料在机械制造业中，作为结构材料、主体材料及各种机械零件材料使用。,塑料：机械零件与机械结构件两方面应用。被广泛用作轴承、齿轮材料，取代金属材料。塑料还可用于一般机械结构件，如壳体、盖板、手轮、手柄、紧固件及管接头等。,如：表,6,22,、,23,、,24,、,25,塑料应用实例,橡胶：机械密封，如各种密封圈、密封件、密封膏等。,第六章 材 料 应 用,6.10.4,航天航空材料,金属材料：以铝合金、钢、钛合金为主（包括金属基复合材料）的金属材料，用作航天航空领域的主体材料、结构材料等。,高分子材料：主要以复合材料的形式出现，在航空和宇航上得到了广泛的应用，被大量作为结构件、透明件、耐烧蚀件、内部装饰件使用，例如雷达罩、副翼、平尾、垂尾、机翼、机身壁板等。如图,6,18,、图,6,19,、图,6,20,耐烧蚀件的烧蚀,无机非金属材料：特别是新型的结构陶瓷材料，具有质量轻、压缩强度高（接近或超过某些金属材料）、耐高温、耐磨性好、硬度高、化学稳定性好，且有很好的耐蚀性、绝缘、绝热性好。因此，常用作航空航天中的耐烧蚀件。图,6,21,航天飞机上的先进结构陶瓷,第六章 材 料 应 用,6.10.5,船舶材料,金属材料：占有绝对地位，主要制作船体、船舶结构件。,高分子材料：船体、船舶结构件及舾装上的应用。用玻璃钢制成船体的有快艇、巡逻艇、拖轮、潜水员工作艇、交通艇、救生艇、游艇、气垫客船、登陆艇、拖网渔船、扫雷艇和深潜研究艇等，表,6,26,所示为船体用玻璃钢性能要求；在结构件上的应用主要为船舶轴承；船舶舾装主要包括以舱室为主的装饰设施和与船舶自动化有关的控制系统的设施。各种普通涂料、防腐蚀涂料、耐高温涂料等。,无机非金属材料：主要应用于各种透明件，如挡风玻璃、视镜、灯具及各种装饰件。,第六章 材 料 应 用,6.10.6,日常生活及办公用品材料,日常生活中各种用具大多用三大材料制成。随着是高分子材料的发展，使塑料、橡胶、纤维等在日常生活中的应用日益广泛，如各种生活用容器、制品、纺织品、装饰品等；无机非金属材料常用于各种洁具、灯具、装饰品等。,办公用品是高分子材料近几年来的另一个应用方向，替代各种金属、木质材料，如各种塑料文具、办公家具及其他器具。,第六章 材 料 应 用,