资源描述
,*,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,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,*,第四章 非金属材料,4.1,高分子材料,4.2,工业陶瓷,4.3,复合材料,1,第四章 非金属材料4.1 高分子材料1,4.1,高分子材料,4.1.1,工程塑料,4.1.2,橡胶,4.1.3,胶粘剂,2,4.1 高分子材料4.1.1 工程塑料2,4.1.1,工程塑料,3,4.1.1 工程塑料3,1,塑料的组成,塑料的主要成分是合成树脂，此外还包括填料或增强材料、增塑剂、固化剂、润滑剂、稳定剂、着色剂、阻燃剂等,它是将各种单体通过聚合反应合成的高聚物,树脂在一定的温度、压力下可软化并塑造成形，它决定了塑料的基本属性，并起到粘结剂的作用,其它添加别是为了弥补或改进塑料的某些性能。例如填料（木粉、碎布、纤维等,),主要起增强和改善性能作用，其用量可达,20%-50%,。,4,1塑料的组成塑料的主要成分是合成树脂，此外还包括填料或增强,2,塑料的特性,密度小 塑料的相对密度一般只有,1.0-2.0,，大约为钢的,1/6,，铝的,1/2,。这对减轻车辆、飞机、船舶等运输工具的自重意义十分重大,耐腐蚀 大多数塑料化学稳定性好，对酸、碱和有机溶液都有良好的抗蚀能力。有些还可与陶瓷材料媲美,电绝缘性 绝大多数塑料具有良好的电绝缘性和较小的介电损耗。因此，是理想的电绝缘材料,5,2塑料的特性密度小 塑料的相对密度一般只有1.0-2.0,耐磨和减摩性好 大部分塑料摩擦系数低，有自润滑能力，可在湿摩擦和干摩擦条件下有效工作。,良好的成形性 大部分塑料都可以直接采用注塑或挤压成形工艺，无须切削。所以可提高生产率，降低成本,塑料的不足之处是强度、硬度较低，耐热性差，易老化、易蠕变等。,6,耐磨和减摩性好 大部分塑料摩擦系数低，有自润滑能力，可在湿,3,常用工程塑料,根据树脂的热性能，塑料可分为,热塑性塑料,热固性塑料,7,3常用工程塑料根据树脂的热性能，塑料可分为7,（,1,）热塑性塑料,热塑性塑料受热时软化，冷却后变硬，再受热时又软化。具有可塑性和重复性。其树脂结构为线型或支链型结构。常用的塑料有聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、,ABS,、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚四氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等,8,（1）热塑性塑料8,1,）聚烯烃 聚烯烃塑料主要有聚乙烯和聚丙烯等两种，无毒、无味。,聚乙烯（,PE,）按生产工艺不同，分为高压、中压、低压三种。其中高压、低压聚乙烯应用较多。高压聚乙烯的短链分枝多，密度、分子量较小，结晶度较低。所以质地较柔软，常用于制造薄膜、软管等。低压聚乙烯则分子量、密度较大、结晶度较高，因此比较刚硬、耐磨、耐蚀，绝缘性较好,常用来制造塑料管、板和绳以及载荷不高的齿轮、轴等,9,1）聚烯烃 聚烯烃塑料主要有聚乙烯和聚丙烯等两种，无毒,聚丙烯（,PP,）相村密度小（,0.90.92,），其强度、刚度和刚性优于聚乙烯,具有良好的耐蚀性、绝缘件、耐热性（加热到,150,不变形）和耐曲折性（可弯折,100,万次以上）,可用作各种机械零件、医疗器械、生活用具，如齿轮、法兰、叶片、壳体、包装带等,10,聚丙烯（PP）相村密度小（0.90.92），其强度、刚度和,2,）聚氯乙烯（,PVC,） 聚氯乙烯按其加入增塑剂量的大小，可分为硬质和软质两种,增塑剂量少的硬质聚氯乙烯强度、硬度较高，耐蚀、耐油和耐水性好。常用于制造塑料管、塑料板。此外，聚氯乙烯板材及管材易于热成形、热接以及切削加工，故用途广泛,软质聚氯乙烯强度、硬度低，耐蚀性较差、易老化,可制造薄膜、软管、低压电线的绝缘层等,此外，在聚氯乙烯中加入发泡剂可制成泡沫塑料。常用作垫衬、包装袋等,11,2）聚氯乙烯（PVC） 聚氯乙烯按其加入增塑剂量的大小，,3,）聚苯乙烯（,PS,） 聚苯乙烯密度小，无色、透明，透光率仅次于有机玻璃，着色性好、吸水性极微,而且具有良好的耐蚀性和绝缘性，高频绝缘性尤佳,但其冲击韧性低，耐热性差、易燃且易脆裂,常用来制造仪表零件、设备外壳，日用装饰品等。聚苯乙烯泡沫塑料因相对密度只有,0.033,，是隔音、包装、救生等器材的极好材料,12,3）聚苯乙烯（PS） 聚苯乙烯密度小，无色、透明，透光率仅,4,）,ABS,塑料,ABS,塑料是丙烯腈（,A,）、丁二烯（,B,）、苯乙烯（,S,）的三元共聚物，它具有三种组元的特性,丙烯腈使,ABS,具有良好的耐热、耐蚀性和,定的表面硬度,丁二烯能提高,ABS,的弹性和韧性,苯乙烯赋于,ABS,较高的刚性，良好的加工工艺性和着色性。,13,4）ABS塑料 ABS塑料是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯,ABS,具有较高的综合性能。此外，,ABS,的性能还可以根据要求由改变其组成单体的含量来进行调整。目前，有三百多种不同性能的,ABS,，热变形温度从,60120,不等。有些,ABS,能耐低温，在,-40,仍有很高的冲击韧性，还具有好的电绝缘性、尺寸稳定性、吸水性低、表面光滑、硬度高等特性,14,ABS具有较高的综合性能。此外，ABS的性能还可以根据要求由,ABS,的用途极广，在机械工业中可制造轴承、齿轮、叶片、叶轮、设备外壳、管道、容器、把手等，电气工业中仪器、仪表的各种零件等,近年来在交通运输车辆、飞机零件上的应用发展很快，如车身、方向盘、内衬材料等,15,ABS的用途极广，在机械工业中可制造轴承、齿轮、叶片、叶轮、,5,）聚酰胺（,PA,） 它在商业上又称为尼龙或锦纶，是由二元胺与二元酸缩聚而成，或由氨基酸脱水成内酰胺再聚合而得。由于含有极性基团的尼龙大分子链间易于形成氢键，故分子间作用力大、结晶度较高,尼龙具有较高的强度和韧性，突出的耐磨性和自润滑性以及良好的成形工艺性。此外，耐蚀性也较好，抗霉、抗菌、无毒,但尼龙具有较大的吸水性，尺寸稳造性差，耐热性不高，蠕变值较大,16,5）聚酰胺（PA） 它在商业上又称为尼龙或锦纶，是由二元胺,尼龙品种较多，它是根据胺与酸中的碳原子数或氢基酸中的碳原子数来命名的。如尼龙,6,是含,6,个碳原子的己内酰胺自身聚合而得。而尼龙,610,则由,6,个碳原子的己二胺和含,10,个碳原子的癸二酸缩合而成,尼龙被广泛用作各种机器零件，如轴承、齿轮、轴套、螺帽、垫圈等,17,尼龙品种较多，它是根据胺与酸中的碳原子数或氢基酸中的碳原子数,6,）聚甲醛（,NM,） 聚甲醛是一种没有侧链、密度大、结晶度高的工程塑料。按聚合方法有均聚甲醛和共聚甲醛两种,聚甲醛具有优异的综合性能。抗拉强度在,70MPa,左右，并有较高的冲击韧性、耐疲劳性和刚性。还具有良好的耐磨性和自润滑性，摩擦系数低而稳定，在干摩擦条件下尤为突出。使用温度为,-50110,，吸水性小，尺寸稳定，但聚甲醛成形时收缩率较大，热稳定性较差。,聚甲醛已广泛用来制造齿轮、轴承、凸轮、制动闸瓦、阀门、仪表外壳、化工容器、叶片、运输带等,18,6）聚甲醛（NM） 聚甲醛是一种没有侧链、密度大、结晶度高,7,）聚碳酸酯（,PL,） 聚碳酸酯是,60,年代初发展起来的一种工程塑料。它的透明度为,86%92%,，有,“,透明金属,”,之称。聚碳酸酯大分子链中既有刚性的苯环，又有柔顺的醚链，因此，它具有良好的综合性能。其抗拉强度达,66,70MPa,，耐冲击特别突出，比尼龙和聚甲醛高,10,倍左右，是刚而韧的工程塑料。抗蠕变性能好，尺寸稳定，使用温度宽，可以长期在,-60130,间使用。此外，还具有良好的耐气候性和电性能，在,10130,之间介电常数和介电损耗几乎不变,19,7）聚碳酸酯（PL） 聚碳酸酯是60年代初发展起来的一种工,自润滑性差，耐磨性不如尼龙和聚甲醛，疲劳抗力较低，有应力开裂倾向,聚碳酸酯常用于制造各种机器、电器及仪表零件，如齿轮、蜗轮、轴承、凸轮、螺校、外壳、护罩等。又由于透明度高，耐冲击性好，可用作防盗、防弹窗玻璃、安全帽、驾驶室挡风等,20,自润滑性差，耐磨性不如尼龙和聚甲醛，疲劳抗力较低，有应力开裂,8,）聚四氟乙烯（,F-4,） 其突出的优点是在很宽的温度范围内性能相当稳定，可长期在,-180240,之间使用，耐热性和耐寒性极好,它具有极高耐蚀性，任何强酸、强碱、强氧化剂对它都不起作用，素有,“,塑料王,”,之称。它的摩擦系数极低，只有,0.020.04,，是极为优良的减磨、自润滑材料。吸水性极小，绝缘性能优良，是目前介电常数和介电损耗最小的固体材料，且不受频率和温度的影响,但它强度较低，冷流性强，结晶熔点高，加工成形困难,聚四氟乙烯常用做化工设备的管道、泵、阀门，各种机械的密封垫圈、活塞环、轴承及医疗手术的代用血管、人工心、肺等,21,8）聚四氟乙烯（F-4） 其突出的优点是在很宽的温度范围内,9,）聚甲基丙烯酸甲酷（,PMMA,） 聚甲基丙烯酸甲酯俗称有机玻璃，是由加增塑剂或不加增塑剂的聚甲基丙烯酸甲酯挤压成型的板、棒、管材半成品塑料，分为透明、半透明、不透明或有色素、无色等品种,有机玻璃的强度、韧性与硬质聚氯乙烯差不多，透光率可达,92%,，透明度比无机玻璃还好，可耐稀酸、碱。不易老化，但表面硬度低，易擦伤、较脆,有机玻璃主要用于制造要求一定透明度和强度的零件，如油标、窥镜、透明管道和仪器、仪表零件等,22,9）聚甲基丙烯酸甲酷（PMMA） 聚甲基丙烯酸甲酯俗称有机,（,2,）热固性塑料,热固性塑料加热固化后将不再软化，形成不溶、不熔物。其结构为网状结构。常用的有酚醛塑料、环氧塑料等,23,（2）热固性塑料23,1,）酚醛塑料（,PF,） 由酚类和醛类经缩聚反应而制成的树脂称为酚醛树脂。根据不同性能要求加入各种填料便制成各种酚醛塑料。常用的酚醛树脂是由苯酚和甲醛为原料制成的，简称,PF,其性质可根据制备工艺的不同，分热塑性和热固性两类,以木粉为填料制成酚醛压缩粉，俗称胶木粉，是常用的热固性塑料。经压制而成的电器开关、插座、灯头等，不仅绝缘性好，而且有较好的耐热性，较高的硬度、刚性和一定的强度,以纸片、棉布、玻璃布等为填料制成的层压酚醛塑料，具有强度、耐冲击性好以及优良的耐磨性等特点，常用以制造受力要求较高的机械零件，如齿轮、轴承、汽车刹车片等,24,1）酚醛塑料（PF） 由酚类和醛类经缩聚反应而制成的树脂称,2,）氨基塑料（,UF,） 是以氨基化合物（如尿素或三聚氯胺）与甲醛经缩聚反应制成氨基树脂，然后加入添加剂而制成氨基塑料。氨基塑料中最常用的是脲醛塑料,用脲醛塑料压塑粉压制的各种制品，有较高的表面硬度，颜色鲜艳，且有光泽，又有良好的绝缘性，俗称,“,电玉,”,。常见的制品有仪表外壳、电话机外壳、开关、插座等,25,2）氨基塑料（UF） 是以氨基化合物（如尿素或三聚氯胺）与,3,）环氧塑料（,EP,） 环氧塑料是由环氧树脂加入固化剂（胺类和酸酐类）后形成的热固性塑料,它强度较高，韧性较好，并具有良好的化学稳定性、绝缘性以及耐热、耐寒性，长期使用温度为,-80150,，成形工艺性好。可制作塑料模具、船体、电子工业零部件,环氧树脂对各种工程材料都有突出的粘附力，是极其优良的粘接剂。目前，广泛用于各种结构粘接剂和制备各种复合材料，如玻璃钢等。,26,3）环氧塑料（EP） 环氧塑料是由环氧树脂加入固化剂（胺类,4.1.2,橡胶,1,工业橡胶的组成,工业橡胶的主要成分是生胶,生胶基本上是线型非晶态高聚物，其结构特点是由许多能自由旋转的链段构成柔顺性很大的大分子长链，通常呈卷曲线团状。当受外力时，分子便沿外力方向被拉直，产生变形，外力去除后又恢复到卷曲状态，变形消失,生胶具有很高的弹性。但生胶分子链间相互作用力很弱，强度低，易产生永久变形。此外，生胶的稳定性差，如会发粘、变硬、溶于某些溶剂等。为此，工业橡胶中还必须加入各种配合剂,27,4.1.2 橡胶1工业橡胶的组成27,橡胶的配合剂主要有硫化剂、填充剂、软化剂、防老化剂及发泡剂等。硫化剂的作用是使生胶分子在硫化处理中产生适度交联而形成网状络构，从而大大提高橡胶的强度、耐磨性和刚性，并使其性能在很宽的湿度范围内具有较高的稳定性,28,橡胶的配合剂主要有硫化剂、填充剂、软化剂、防老化剂及发泡剂等,2,橡胶的性能特点,（,1,）高弹性能,1,）高弹态,受外力作用而发生的变形是可逆弹性变形，外力去除后，只需要千分之一秒便可恢复到原来的状态。,高弹变形时，弹性模量低，只有,1MPa,。,高弹变形时，变形量大，可达,100%-1000%,。,29,2橡胶的性能特点（1）高弹性能29,2,）回弹性能,橡胶具有良好的回弹性能。如天然橡胶的回弹高度可达,70%80%,。,（,2,）强度,经硫化处理和炭黑增强后，其抗拉强度达,2535MPa,，并具有良好的耐磨性,30,2）回弹性能 30,3,常用橡胶材料,根据原材料的来源可分为天然橡胶和合成橡胶。按应用范围又可分为通用橡胶和特种橡胶,31,3常用橡胶材料根据原材料的来源可分为天然橡胶和合成橡胶。按,（,1,）天然橡胶,天然橡胶是橡胶树上流出的胶乳，经过加工制成的固态生胶。它的成分是异戊二烯高分子化合物。天然橡胶具有很好的弹性，但强度、硬度并不高。为了提高其强度并使其硬化，要进行硫化处理。经处理后抗拉强度约为,1729MPa,，用炭黑增强后可达,35MPa,天然橡胶是优良的电绝缘体，并有较好的耐碱性。但耐油、耐溶剂性和耐臭氧老化性差，不耐高温，使用温度,-70110,，广泛用于做轮胎、胶带、胶管等,32,（1）天然橡胶32,（,2,）合成橡胶,1,）丁苯橡胶（,SBR,） 丁苯橡胶是应用最广、产量最大的一种合成橡胶。它以丁二烯和苯乙烯为单体形成的共聚物。丁苯橡胶的性能主要受苯乙烯含量的影响，随苯乙烯含量的增加，橡胶的耐磨性、硬度增大而弹性下降,丁苯橡胶比天然橡胶质地均匀，耐磨、耐热、耐老化性能好。但加工成型困难，硫化速度慢。这种橡胶广泛用于制造轮胎、胶布、胶板等,33,（2）合成橡胶33,2,）顺丁橡胶（,BR,） 顺丁橡胶是丁二烯的聚合物。其原料易得，发展很快，产量仅次于丁苯橡胶,顺丁橡胶的特点是具有较高的耐磨性，比丁苯橡胶高,26%,，它可制造轮胎、三角胶带、减震器、橡胶弹簧、电绝缘制品等,34,2）顺丁橡胶（BR） 顺丁橡胶是丁二烯的聚合物。其原料易得,（,3,）特种合成橡胶,1,）丁腈橡胶（,NBR,） 丁腈橡胶是丁二烯和丙烯腈的共聚物。丙烯腈的含量一般在,15%50%,之间，过高会失去弹性，过低则不耐油,丁腈橡胶具有良好的耐油性及对有机溶液的耐蚀性，有时也称为耐油橡胶。此外，还有较好的耐热、耐磨和耐老化性等。但其耐寒性和电绝缘性较差，加工性能也不好,它主要用于制造耐油制品，如输油管、耐油耐热密封圈、贮油箱等。,35,（3）特种合成橡胶35,2,）硅橡胶 硅橡胶的分子结构中是以硅原子和氧原子构成主链。这种链是柔性链。极易于内旋转，因而硅橡胶在低温下也具有良好的弹性。此外，硅氧键的键能较高，这就使硅橡胶有很高的热稳定性,硅橡胶品种很多，目前用量最大的是甲基乙烯基硅橡胶。其加工性能好，硫化速度快，能与其他橡胶并用，使用温度为,-70300,硅橡胶具有优良的耐热性、抗寒性、耐候性、耐臭氧性以及良好的绝缘性,主要用于制造各种耐高低温的橡胶制品。如管道接头、高温设备的垫圈、衬垫、密封件及高压电线、电缆的绝缘层等,36,2）硅橡胶 硅橡胶的分子结构中是以硅原子和氧原子构成主链。,表,4-5,常用橡胶的性能和用途,类别,名称,代号,抗拉强度,MPa,伸长率,(%),使用温度,回弹性,耐磨性,耐浓碱性,耐油性,耐老化,用途,通用橡胶,天然,NR,2530,650900,-50120,好,中,中,差,轮胎、通用制品,丁苯,SBR,1520,500600,-50140,中,好,中,差,好,轮胎、胶板、通用制品,顺丁,BR,1825,450800,120,好,好,好,差,轮胎、耐寒运输带,丁腈,NBR,1530,300800,-35175,中,中,中,好,中,输油管、耐油密封圈,氯丁,CR,2527,8001000,-35130,中,中,好,好,好,胶管、胶带、电线包皮,特种橡胶,聚氨酯,UR,2035,300800,80,中,好,差,好,胶管、耐磨制品,三元乙丙,EPDM,1025,400800,150,中,中,好,差,好,散热管、绝缘体,氟,EPM,2022,100500,-50300,中,中,中,好,好,高级密封件、高真空耐蚀件,硅,410,50500,-70275,差,差,好,差,耐高低温零件、绝缘体,聚硫,915,100700,80135,差,差,好,好,好,37,表4-5 常用橡胶的性能和用途类别名称代号抗拉强,4.1.3,胶粘剂,在工程中，工程材料的连接方法除焊接、铆接、螺纹连接之外，还有一种连接工艺称为粘接剂粘接，又称胶接。其特点是接头处应力分布均匀，应力集中小、接头密封性好，而且工艺制作简单，成本低,38,4.1.3 胶粘剂 在工程中，工程材料的连接方法除焊接、铆接,1,胶粘剂的组成,胶粘剂的组成是根据使用性能要求而采用不同的配方。但其中粘性基料是主要的组成成分，它对粘接剂的性能起主要作用，它必须具有优异的粘附力及良好的耐热性、抗老化性等,常用粘性基料有环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、氯丁橡胶、丁腈橡胶等,胶粘刑中除了粘性基料，通常还有各种添加剂，如填料、固化剂、增塑剂等。这些添加剂是根据胶粘剂的性质及使用要求选择的,根据胶粘剂的粘性基料的化学成分，胶粘剂可分为无机胶和有机胶。按其主要用途可分为结构胶、非结构胶和其他胶粘剂,39,1胶粘剂的组成胶粘剂的组成是根据使用性能要求而采用不同的配,2,常用胶粘剂,（,1,）有机胶粘剂,1,）环氧胶粘剂 环氧胶粘剂是以环氧树脂为基料的胶粘剂。目前常用的环氧树脂主要是双酚,A,型的。它对许多工程材料均有很强的粘附力，如金属、玻璃、陶瓷等,由于环氧树脂是线型高聚物，本身不会固化，所以必须加入固化剂，使其形成体型结构，才能发挥其优异的物理、力学性能。常用的固化剂有胺类、酸酐类、咪唑类和聚酰胺树脂等,环氧树脂固化后会变脆，为了提高冲击韧度，常加入增塑剂和增韧剂，如对苯二甲酸二丁酯、丁腈橡胶等。环氧胶粘剂常用作各种结构用胶,40,2常用胶粘剂40,2,）改性酚醛胶粘剂 酚醛树脂固化后有较多的交联键。因此，它具有较高的耐热性和很好的粘附力。但脆性较大，为了提高韧性，需要进行改性处理。,由酚醛树脂与丁腈混炼胶混合而成的改性胶粘剂称为酚醛,丁腈胶。它的胶接强度高，弹性、韧性好，耐振动、耐冲击，具有较广的使用温度范围，可在,-50180,之间长期工作。此外，还耐水、耐油、耐化学介质腐蚀,主要应用于金属及大部分非金属材料的结构中，如汽车刹车片的粘合，飞机中铝、铜合金的粘合等,41,2）改性酚醛胶粘剂 酚醛树脂固化后有较多的交联键。因此，它,由酚醛树脂与缩醛树脂混合而成的粘胶剂称为酚醛,缩醛胶。它具有较高的胶接强度，持别是冲击韧度和耐疲劳性好。同时，也具有良好的耐老化性和综合性能,适用于各种金属和非金属材料的胶接。但它们的耐热性能比酚醛,丁腈胶差。,42,由酚醛树脂与缩醛树脂混合而成的粘胶剂称为酚醛缩醛胶。它具有,（,2,）无机胶,无机胶主要有磷酸型、硼酸型和硅酸型。目前在工程上常用的是磷酸型。,磷酸型胶粘剂的组成为：磷酸铝,1 ml ,磷酸（相对密度,1.7,）,100ml+,氢氧化铝（化学纯）,5,10g,）, +,氧化铜（,180,目以上）,3.54.5g,。,43,（2）无机胶43,与有机胶粘剂相比，无机胶有下列特点：,1,）优良的耐热性，长期使用温度为,8001000,，并具有一定的强度，这是有机胶无法比拟的。,2,）胶接强度高，抗剪强度可达,100MPa,，抗拉强度也有,22Mpa,。,3,）较好的低温性能，可在,-196,下工作，强度几乎无变化。,4,）耐候性、耐水性和耐油性良好，但耐酸、碱性较差。,44,与有机胶粘剂相比，无机胶有下列特点：44,4.2,工业陶瓷,4.2.1,陶瓷材料的分类,4.2.2,陶瓷材料的性能,4.2.3,常用工业陶瓷,45,4.2 工业陶瓷4.2.1 陶瓷材料的分类45,4.2.1,陶瓷材料的分类,除了玻璃、水泥、耐火材料外，按成分和用途的不同，陶瓷可分为普通陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类。,46,4.2.1 陶瓷材料的分类除了玻璃、水泥、耐火材料外，按成分,普通陶瓷，又称为传统陶瓷，是以粘土、长石、石英等主要成分制成的，杂质较多。常用作日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷等,47,普通陶瓷，又称为传统陶瓷，是以粘土、长石、石英等主要成分制成,特种陶瓷是以人工提炼、纯度较高的化合物为原料制成的陶瓷。如氧化物、氮化物、碳化物、碱土金属碳酸盐等的烧结材料。它们具有各种独特的力学、物理和化学性能，可满足工程上的特殊需要,常见的有高温陶瓷、高强度陶瓷、精密陶瓷、磁性陶瓷、压电陶瓷、电容器陶瓷等多种,48,特种陶瓷是以人工提炼、纯度较高的化合物为原料制成的陶瓷。如氧,金属陶瓷是由金属和陶瓷组成的非均质复合材料，它应属于复合材料，但习惯上被看作陶瓷的一部分,由于粉末冶金的生产工艺与陶瓷类似，因此粉末冶金生产的金属材料也统称为金属陶瓷。采用不同组成的金属和陶瓷，并改变它们的相对数量，可以制成各种结构材料、工具材料、耐热材树和电工材料等,49,金属陶瓷是由金属和陶瓷组成的非均质复合材料，它应属于复合材料,4.2.2,陶瓷材料的性能,1,力学性能,陶瓷材料具有很高的弹性模量和硬度，比金属高若干倍，比有机高聚物高,2.4,个数量级。这是由于陶瓷材料具有强大的化学键所致,陶瓷的塑性变形能力很低，在室温下几乎没有塑性，因为陶瓷晶体滑移系很少，共价键有明显的方向性和饱和性，离子键的同号离子接近时斥力很大，当产生滑移时，极易造成键的断裂，再加上有大量气孔存在，所以陶瓷材料呈现出很明显的脆性特征，韧性极低,50,4.2.2 陶瓷材料的性能1力学性能50,表,4-7,各种常见材料的弹性模量和硬度,材料,弹性模量（,MN/m,2,）,硬度（,HV,）,橡胶,塑料,镁合金,铝合金,钢,氧化铝,碳化钛,金刚石,6.9,1380,41300,72300,207000,400000,390000,1171000,很低,17,3040,170,300800,1500,3000,600010000,51,表4-7 各种常见材料的弹性模量和硬度材料弹性模量（MN/,由于陶瓷内有气孔、杂质和各种缺陷的存在所以陶瓷材料的抗拉强度很低，抗弯强度较高，而抗压强度非常高，因受压时，裂纹不易扩展,52,由于陶瓷内有气孔、杂质和各种缺陷的存在所以陶瓷材料的抗拉强,2,热性能,陶瓷材料熔点高，具有比金属材料高得多的耐热性。此外，它的热膨胀系数低、导热性小，是优良的绝热材料,但陶瓷的抗热振性低，这是它的致命弱点之一,53,2热性能53,3,电性能,陶瓷材料的导电性变化范围很广。由于离子晶体无自由电子，所以大多数陶瓷材料都是良好的绝缘体,但不少陶瓷既是离子导体，又有一定的电子导电性。例如氧化物,ZnO,、,Ni0,、,Fe,3,O,4,等实际上是半导体。可见，陶瓷也是重要的半导体材料,此外，最近几年出现的超导材料，大多数也是陶瓷材料。,54,3电性能54,4,化学性能,陶瓷的组织结构很稳定，这是由于具有强大的离子键和共价键结合,并且在离子晶体中金属原子被包围在非金属原子的间隙中，形成稳定的化学结构。因此，陶瓷材料具有良好的抗氧化性和不可燃烧性，即使在,1000,的高温也不会被氧化,此外，陶瓷对酸、碱、盐等介质均具有较强的抗蚀性，与许多金属熔体也不发生作用，因而是极好的耐蚀材料和坩埚材料,55,4化学性能陶瓷的组织结构很稳定，这是由于具有强大的离子键和,5,光学性能,光学性能对于近代陶瓷材料来讲也占了重要地位，如制造固体激光器材料、光导纤维材料、光存储材科等。这些材料的研究和应用，对通讯、摄影、计算机等具有重要的实际意义,氧化铝透明陶瓷的出现，是光学材料的重大突破。透明陶瓷大多是单一晶相组成的多晶材料，,1mm,厚的试片透光率可达,80,以上,56,5光学性能光学性能对于近代陶瓷材料来讲也占了重要地位，如制,4.2.3,常用工业陶瓷,1,传统陶瓷（普通陶瓷）,传统陶瓷是以高岭土（,Al,2,O,3,SiO,2,2H,2,O,）、长石（钾长石（,K,2,O,A1,2,O,3,6SiO,2,）和钠长石（,Na,2,0,A1,2,O,3,6SiO,2,）、石英,(SiO,2,),为原料配制成的,这类陶瓷的主晶相为莫来石，约占,25%30%,，玻璃相,35%60%,，气相占,1%3%,以上。通过改变组成物的配比、熔剂、辅料以及原料的细度和致密度，可以获得不同特性的陶瓷,57,4.2.3 常用工业陶瓷1传统陶瓷（普通陶瓷）57,传统陶瓷质地坚硬，有良好的抗氧化性、耐蚀性和绝缘性。能耐一定高温，成本低、生产工艺简单，但由于含有较多的玻璃相，故结构疏松，强度较低。在一定温度下会软化，耐高温性能不如近代陶瓷，通常最高使用温度为,1200,左右,传统陶瓷广泛应用于日用、电气、化工、建筑等部门，如装饰瓷、餐具、绝缘子、耐蚀容器、管道、设备等,58,传统陶瓷质地坚硬，有良好的抗氧化性、耐蚀性和绝缘性。能耐一定,2,近代陶瓷（特种陶瓷,),（,1,）氧化物陶瓷,氧化物陶瓷可以是单一氧化物，也可是复合氧化物。目前应用最广泛的是氧化铝陶瓷。这类陶瓷以,Al,2,O,3,为主要成分，并按,Al,2,O,3,的含量不同可分为刚玉瓷、刚玉,-,莫来石瓷和莫来石瓷。其中刚玉瓷中,Al,2,O,3,的含量高达,99,。,59,2近代陶瓷（特种陶瓷)（1）氧化物陶瓷59,氧化铝陶瓷的熔点在,2000,以上，耐高温，能在,1600,左右长期使用。具有很高的硬度，仅次于碳化硅、立方氮化硼、金刚石等，并有较高的强度、高温强度和耐磨性。此外，它还具有良好的绝缘性和化学稳定性，能耐各种酸碱的腐蚀，但氧化铝陶瓷的缺点是热稳定性低,氧化铝陶瓷广泛用于制造高速切削工具、量规、拉丝模、高温炉零件、空压机泵零件、内燃机火花塞等。此外，还可用作真空材料、绝热材科和坩埚材料,60,氧化铝陶瓷的熔点在2000以上，耐高温，能在1600左右,（,2,）氮化物陶瓷,周期表中第,族的过渡元素，均可生成高熔点氮化物，它们的化学稳定性好。最常用的氯化物陶瓷是氮化硅,(Si,3,N,4,),和氮化硼,(BN),陶瓷,61,（2）氮化物陶瓷61,氮化硅陶瓷摩擦系数小，有自润滑性，所以，具有良好的耐磨性，而且化学稳定性高，可耐各种无机酸和碱溶液的腐蚀，并能抵抗熔融铝、铅、镍等非铁金属的侵蚀，还具有优异的绝缘性,可用来制造各种泵的密封环、热电偶套管、切削刀具、高温轴承等,62,氮化硅陶瓷摩擦系数小，有自润滑性，所以，具有良好的耐磨性，而,氮化硼陶瓷具有石墨型六方结构。所以，又称为白石墨，能耐高温，并有自润滑性,常用作高温轴衬、高温模具耐摩擦等零件,在高压和,1360,温度时，六方氮化硼转变为立方结构的,-BN,，相对密度为,3.45,，具有极高的硬度。能抗高温达,2000,，已成为仅次于金刚石硬度的新型超硬材料，可用来制作金属切削刀具。适用于高硬度金属材料,(,调质、淬火钢,),的精加工、高强度钢和耐热钢的精加工，有色金属的低粗糙度加工等,63,氮化硼陶瓷具有石墨型六方结构。所以，又称为白石墨，能耐高温，,（,3,）碳化物陶瓷,碳化物陶瓷有,SiC,、,WC,、,TiC,等。这类材料具有高的硬度、熔点和化学稳定性,碳化物陶瓷具有较高的高温强度，其抗弯强度在,1400,时仍保持在,300600MPa,，而其他陶瓷在,1200,时抗弯强度已显著下降。此外，它还具有很高的热传导能力，较好的热稳定性、耐磨性、耐蚀性和抗蠕变性,碳化硅陶瓷可用来制造工作温度高于,1500,的零件炉零件，如火箭喷嘴、热电偶套管、高温电炉零件，各种泵的密封圈等,64,（3）碳化物陶瓷64,3,金属陶瓷,金属陶瓷是把金属的热稳定性和韧性与陶瓷的硬度、耐火度、耐蚀性综合起来而形成的具有高强度、高韧性、高耐蚀和高的高温强度的新型材料。,65,3金属陶瓷金属陶瓷是把金属的热稳定性和韧性与陶瓷的硬度、耐,（,1,）氧化物基金属陶瓷,这是目前应用最多的金属陶瓷。在这类金属陶瓷中，通常以铬为粘结剂，其含量不超过,10%,。由于铬能和,Al,2,O,3,形成固溶体，故可将,Al,2,O,3,粉放牢固地粘结起来。此外，铬的高温性能较好，抗氧化性和耐蚀性较高，所以和纯氧化铝陶瓷相比，改善了韧性、热稳定性和抗氧化能力,氧化铝基金属陶瓷的特点是热硬性高,(,达,1200),、高温强度高、抗氧化性良好，与被加工金属材料的粘着倾向小，可提高加工精度和降低表面粗糙度。但它们的脆性仍较大，且热稳定性较低。主要用作工具材料，如刃具、模具、喷嘴、密封环等,66,（1）氧化物基金属陶瓷66,（,2,）碳化物基金属陶瓷,碳化物基金属陶瓷应用较为广泛，常用作工具材料，通常又称为硬质合金。另外也作为耐热材料使用，是一种较好的高温结构材料。,硬质合金一般以钴为粘结剂，其含量在,3%-8%,。含钴量较高，则韧性和结构强度愈好，但硬度和耐磨性稍有下降。常用的有,WC-Co,、,WC-TiC-Co,和,WC-TiC-TaC-Co,物硬质合金。其性能特点是硬度高，达,8693HRA(,相当于,6981HRC),，热硬性好,(,工作温度达,9001000),，用硬质合金制作的刀具，切削速度比高速钢高,47,倍，刀具寿命可提高几倍到几十倍。,67,（2）碳化物基金属陶瓷67,近年来发展起来的钢结硬质合金，其粘结剂为合金钢粉末，且含量很高,(50%65%),。它的热硬性与耐磨性略逊于一般硬质合金，但韧性好，并可进行锻造、热处理和切削加工。可制造各种形状复杂的刃具,高温结构材料中最常用的是碳化铁基金属陶瓷。其粘接金属主要是,Ni,、,CO,，含量高达,60%,，以满足高温构件的韧性和热稳定性需要。其特点是高温性能好，如在,900,时，仍可保持较高抗拉强度。碳化钛基金属陶瓷主要用作涡轮喷气发动机燃料室、叶片、涡轮盘以及航空、航天装置中的某些耐热件,68,近年来发展起来的钢结硬质合金，其粘结剂为合金钢粉末，且含量很,4.3,复合材料,由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工合成的材料称为复合材料。它不仅具有各组成材料的优点，而且还获得单一材料无法具备的优越的综合性能。,日常所见的人工复合材料很多，如钢筋混凝土就是用钢筋与石子、沙子、水泥等制成的复合材料，轮胎是由人造纤维与橡胶复合而成的材料,4.3.1,复合材料的性能特点,4.3.2,复合材料的分类,69,4.3 复合材料由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经,1,比强度和比模量高,在复合材料中，由于一般作为增强相的多数是强度很高的纤维，而且组成材料密度较小。所以，复合材料的比强度、比模量比其他材料要高得多（见表,4-11,）。这对宇航、交通运输工具，要求在保证性能的前提下，减轻自重具有重大的实际意义,4.3.1,复合材料的性能特点,70,1比强度和比模量高4.3.1 复合材料的性能特点70,材料,相对,密度,抗拉,强度,b,（,MPa,）,弹性模量,E,（,MPa,）,比强度,b,/,比弹性,模量,E/,钢,铝,钛,玻璃钢,碳纤维,/,环氧树脂,碳纤维,/,环氧树脂,有机纤维（,PRD,）,/,环氧树脂,硼纤维,/,环氧树脂,硼纤维,/,铝,7.8,2.8,4.5,2.0,1.45,1.6,1.4,2.1,1.65,1010,461,942,1040,1472,1050,1373,1344,981,206,10,3,74,10,3,112,10,3,39,10,3,137,10,3,235,10,3,78,10,3,206,10,3,196,10,3,129,165,209,520,1015,656,981,640,370,26,10,3,26,10,3,25,10,3,20,10,3,95,10,3,147,10,3,56,10,3,98,10,3,74,10,3,表4-11各类材料强度性能的比较,71,材料相对抗拉弹性模量E比强度比弹性钢7.810102061,2,疲劳强度较高,碳纤维增强复合材料的疲劳极限相当于其抗拉强度的,70%-80%,，而多数金属材料疲劳强度只有抗拉强度的,40%-50%,。这是因为在纤维增强复合材料中，纤维与基体间的界面能够阻止疲劳裂纹的扩展。当裂纹从基体的薄弱环节处产生并扩展到结合面时，受到一定程度的阻碍，因而使裂纹向载荷方向的扩展停止,72,2疲劳强度较高 72,3,减振性好,当结构所受外载荷频率与结构的自振频率相同时，将产生共振，容易造成灾难性事故。而结构的自振频率不仅与结构本身的形状有关，而且还与材料比模量的平方根成正比关系。因为纤维增强复合材料的自振频率高，可以避免共振。此外，纤维与基体的界面具有吸振能力，所以具有很高的阻尼作用。,73,3减振性好73,除了上述几种特性外，复合材料还有较高的耐热性和断裂安全性，良好的自润滑和耐磨性等。但它也有缺点，如断裂伸长率较小，抗冲击性较差，横向强度较低，成本较高等,74,除了上述几种特性外，复合材料还有较高的耐热性和断裂安全性，良,4.3.2,复合材料的分类,75,4.3.2 复合材料的分类75,复合材料依照增强相的性质和形态，可分为纤维增强复合材料、层合复合材料和颗粒复合材料三类。,76,复合材料依照增强相的性质和形态，可分为纤维增强复合材料、层合,1,纤维增强复合材料,（,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及制品为增强剂，以树脂为粘结剂而制成的，俗称玻璃钢。,77,1纤维增强复合材料（1）玻璃纤维增强复合材料77,以尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类等热塑性树脂为粘结剂制成的热塑性玻璃钢，具有较高的力学、介电、耐热和抗老化性能，工艺性能也好。与基体材料相比，强度和疲劳性能可提高,2-3,倍以上，冲击韧度提高,1-4,倍，蠕变抗力提高,2-5,倍。达到或超过了某些金属的强度，可用来制造轴承、齿轮、仪表盘、壳体、叶片等零件,78,以尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类等热塑性树脂为粘结剂制成的热塑性,以环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、聚酯树脂等热固性树脂为粘结刑制成的热固性玻璃钢，具有密度小、强度高,(,表,4-12),，介电性和耐蚀性及成形工艺性好的优点。可制造车身、船体、直升飞机旋翼等,项目,酚醛树脂,环氧树脂,聚酯树脂,有机硅树脂,相对密度,1.301.32,1.15,1.101.46,1.71.9,抗拉强度（,MPa,）,4263,84105,4270,2149,抗弯强度（,MPa,）,77119,108.3,59.5119,68.6,抗压强度（,MPa,）,87.5150,150,91169,63126,79,以环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、聚酯树脂等热固性树脂为粘结,（,2,）碳纤维增强复合材料,碳纤维增强复合材料是以碳纤维或其织物为增强剂，以树脂、金属、陶瓷等为粘结剂而制成的。目前有碳纤维树脂、碳纤维碳、碳纤维金属、碳纤维陶瓷复合材料等。其中，以碳纤维树脂复合材料应用最为广泛。,碳纤维树脂复合材料中采用的树脂有聚四氟乙烯树脂等。与玻璃钢相比，其强度和弹性模量高，密度小。因此，它的比强度、比模量在现有复合材料中名列前矛。它还具有较高的冲击韧度和疲劳强度，优良的减磨性、耐磨性、导热性、耐蚀性和耐热性,80,（2）碳纤维增强复合材料80,碳纤维树脂复合材料广泛用于制造要求比强度、比模量高的飞行器结构件，如导弹的鼻锥体、火箭喷嘴、喷气发动机叶片等。还可制造重型机械的轴瓦、齿轮、化工设备的耐蚀件等。,81,碳纤维树脂复合材料广泛用于制造要求比强度、比模量高的飞行器结,2,层合复合材料,层合复合材料是由两层或两层以上的不同性质的材科结合而成，达到增强的目的,82,2层合复合材料 层合复合材料是由两层或两层以上的不同性质的,三层复合材料是以钢板为基体，烧结铜为中间层，塑料为表面层制成的,它的物理、力学性能主要取决于基体，而摩擦、磨损性能取决于表面塑料层,中间多孔性青铜使三层之间获得可靠的结合力。表面塑料层常为聚四氟乙稀,(,如,SF-1,型,),和聚甲醛,(,如,SF-2,型,),。这种复合材料比单一塑料提高承载能力,20,倍。导热系数提高,50,倍，热膨胀系数降低,75%,，从而改善了尺寸稳定性。常用作无油润滑轴承，此外还可制作机床导轨、衬套、垫片等,83,三层复合材料是以钢板为基体，烧结铜为中间层，塑料为表面层制成,夹层复合材料是由两层薄而强的面板或称蒙皮与中间夹一层轻而柔的材料构成,面板一般由强度高、弹性模量大的材料组成，如金属板、玻璃等。而心料结构有泡沫塑料和蜂窝格子两大类,这类材料的特点是密度小、刚性和抗压稳定性高，抗弯强度好，常用于航空、船舷、化工等工业，如飞机、船舶的隔板及冷却塔等,84,夹层复合材料是由两层薄而强的面板或称蒙皮与中间夹一层轻而柔的,3,颗粒复合材料,颗粒复合材料是由一种或多种颗粒均匀分布在基体材料内而制成的。颗粒起增强作用，一般粒子直径在,0.01-0.1ym,范围内。粒子直径偏离这一数值范围，均无法获得最佳增强效果,常见的颗粒复合材料有两类：一类是颗粒与树脂复合，如塑料中加颗粒状填料，橡胶用炭黑增强等；另一类是陶瓷粒与金属复合，典型的有金属基陶瓷颗粒复合材料等,85,3颗粒复合材料颗粒复合材料是由一种或多种颗粒均匀分布在基体,思考题,1,塑料的主要成分是什么,?,它起什么作用？,2,为什么,A,朋塑料种类繁多且综合力学性能良好？,3,试比较,ABS,、尼龙、聚甲醛、聚碳酸,iS,的性能，并指出它们的应用场合及特点。,4,试比较热塑性塑料和热固性塑料的结构，性能特点。,5.,有机胶与无机胶，各有何优点,?,6,试比较氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷的性能特点。,7,含碳化物的粉末冶金材料同于哪一类陶瓷？它们有何用途？,8,比较玻璃钢与碳纤维增强的树脂复合材科的性能特点，并指出它们的应用范围。,86,思考题86,放映,结束！,无悔无愧于昨天，丰硕殷实的今天，充满希望的明天。,87,放映结束！无悔无愧于昨天，丰硕殷实的今天，充满希望的明天。8,
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