机械工程材料

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,*,第十章其它机械工程材料,第一节工程塑料,第二节工程橡胶,第三节工程陶瓷,第四节复合材料,第一节工程塑料,一、工程塑料概述,工程塑料,是指具有耐热、耐寒及良好的力学、电气、,化学等综合性能，可以作为结构材料用来制造机器,零件或工程构件的塑料总称。,塑料,是,以,树脂,为主要组分，加入各种添加剂，可塑制成型的材料。,（一）塑料的组成和分类,1.塑料的组成,由,树脂,和各种,添加剂,组成。,（1）树脂,树脂是塑料的主要组分。它胶粘着塑料中的其它一切组成部分，并使其具有成型性能。绝大多数塑料就是以所用树脂命名的。,树脂分为,天然树脂,和,合成树脂,工业上常用的是,合成树脂,如聚乙烯 、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、酚醛树脂等,（2）添加剂,为改善塑料某些性能而必须加入的物质称,添加剂,。,分为以下几类：,填料,为改善塑料的某些性能（如强度等），扩大其应用范围，降低成本而加入的一些物质称填料。它在塑料中占有相当大的比例（,20%60%,）,。,常用的填料有木粉、玻璃纤维、石棉、云母粉、二硫化钼和石墨粉等。,增塑剂,提高树脂的,可塑性,与,柔顺性,的物质称增塑剂。,常用熔点低的低分子化合物来增加大分子链间距离，从而达到增加大分子链的柔顺性的目的。,如氧化石蜡、磷酸脂类。,润滑剂,为防止塑料在成型过程中粘在模具或其它设备上而加入的，同时可使制品表面光亮美观的物质称润滑剂（如硬脂酸等）。,着色剂,为使塑料制品具有美观的颜色及适合使用的要求而加入的染料称着色剂。,固化剂,加入后可在聚合物中生成横跨链，使分子交联，并由受热可塑的线型结构变成体型结构的热稳定塑料的一类物质称固化剂。,稳定剂,提高树脂在受热和光作用时的稳定性，防止过早老化，延长使用寿命的一类物质称稳定剂。,常用的稳定剂有铅化物、硬脂酸盐、酚类和胺类物质。,其它 发泡剂、催化剂、阻燃剂等。,2.塑料的分类,（1）按树脂特性分类,依树脂受热时的行为分为,热塑性塑料,和,热固性塑料,。,热塑性塑料,指随温度升高变软，随温度降低硬化的一类塑料，是一类可以再生的塑料。,其分子链结构通常是,线型,和,支链线型,结构。,热固性塑料,指成型过程具有线型结构，成型后在室温或加热到一定温度保温一段时间后，内部结构转化为,体型网状结构,的一类塑料，,a)线型 b)支链型 c)体型,聚合物大分子的三种结构,（2）按塑料的应用范围分类,通用塑料,指聚烯烃类塑料、酚醛塑料和氨基塑料。,它们占塑料总产量的,3/4,以上，大多数用于生活制品。,工程塑料,作为结构材料在机械设备和工程结构中使用的塑料。,力学性能较高，耐热、耐蚀性也较好，,是当前大力发展的塑料（如,ABS,塑料、聚四氟乙烯、,聚甲醛、聚酰胺等）。,（二）塑料的特性,密度小,（,0.92.3g/cm,3,）,良好的耐蚀性能,优异的电气绝缘性能,减磨、耐磨和自润滑性能,可以作为轴承、齿轮、活塞环和密封圈等在腐蚀性介质中或在少油、无油润滑条件下有效工作。,消声吸振性,独特的成型工艺性,大部分塑料都可以直接注塑和挤压成型，也可以模压成型等，易制作复杂零件，生产效率高。,二、热塑性塑料及应用,（一）聚烯烃类塑料,1.聚乙烯(PE),可作为化工设备与贮罐的耐腐蚀涂层衬里、化工耐腐蚀管道、阀件、衬套、滚动轴承保持器等。还可以用来制造小齿轮、轴承等；电缆包皮；食品包装袋、奶瓶、食品容器。,全塑球阀,2.聚氯乙烯 （PVC）,产量仅次于PE，是最早工业化生产的塑料品种之一。,硬质聚氯乙烯制品有管、板、棒、焊条、管件、离心泵、通风机等。,软质聚氯乙烯用于常温电气绝缘材料和电线的绝缘层。,3.聚丙烯 （PP）,是常用塑料中唯一能经受高温（130）消毒的品种。,常用来制造各种机械零件，如法兰、接头、泵叶轮、汽车上取暖及通风系统的结构件。,4.聚苯乙烯（PS）,产量仅次于PE、PVC。可作为各种仪表外壳、汽车灯罩、化工贮酸槽等。,（二）ABS塑料,由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种组元为主共聚而成。,常用来制造齿轮、泵叶片、轴承、把手、管道、贮槽内衬、电机外壳、仪表盘、蓄电池槽、水箱外壳、冷藏库和冰箱衬里等。,（三）其他热塑性塑料,1.聚碳酸脂 （PC）,具有强度高、刚性好、耐冲击、耐磨和尺寸稳定性好，是良好的摩擦传动零件材料，,如轴承、齿轮、齿条、蜗轮，也可做金刚砂磨轮粘结剂。,2.有机玻璃,（PMMA）,是目前最好的透明材料，透光率92%以上，比普通玻璃好。,用于制造具有一定透明度和强度的零件，如油标、油杯、化学镜片、设备标牌、透明管道、飞机、船舶、汽车的座窗和仪器仪表部件、电气绝缘材料以及各种文具、生活用品等。,3.聚甲醛 （POM）,具有优良的综合性能，其抗拉强度达到70MPa，可在104以下长期使用，脆化温度-40，吸水性极小，尺寸稳定性高，但热稳定性差，遇火会燃烧，在大气中暴晒还会老化。,聚甲醛塑料价格低廉，性能优于尼龙，可代替有色金属和合金，并逐步取代尼龙制作轴承、衬套等。,用量最大的是汽车工业。,4.聚酰胺 （PA，又称尼龙或锦纶）,是目前机械工业中应用最广泛的一类工程塑料。机械强度很高，耐磨减摩，自润滑性能好，而且耐油、耐蚀、消声、减振。,大量用于制造小型零件，代替非铁（有色）金属及其合金。尼龙易吸水，吸水后性能和尺寸变化大。,5.聚四氟乙烯 （F-4、PTFE）,俗称,氟塑料、塑料王,，商品名称,特氟隆,。,聚四氟乙烯具有优异的耐化学腐蚀性，不受任何化学试剂的浸蚀，故有“塑料之王”之称。在-195+250范围内长期使用其力学性能几乎不发生变化。,主要用来制作化工机械上的各种零部件，如管道、反应器、活门、阀门、泵等，还广泛用于高频电子仪器的绝缘，还可用来制作各种垫圈、阀座、阀瓣、轴承、活塞环等。,聚四氟乙烯夹层垫片,聚四氟乙烯密封带、密封条,三通,异径三通,弯头,三、热固性塑料及应用,（一）酚醛塑料(PF),以酚醛树脂为基，加入木粉、布、石棉、纸等填料,经固化处理而形成的交联型热固性塑料。,具有较高的强度和硬度、耐热性、耐磨性、耐蚀性及良好的绝缘性。,主要用于制造齿轮、轴承等结构件和各种电气绝缘零件，可用来做涂料、胶粘剂和日常生活用的电木制品（插头、开关、电话机外壳等），也可制作汽车的刹车片，化学工业用耐酸泵，纺织工业用无声齿轮及制作玻璃钢、模压塑料等。,（二）环氧塑料(EP),以环氧树脂为基，加入各种添加剂经固化处理形成的热固性塑料。,有“万能胶”之称。,具有比强度高、耐热性、耐蚀性、绝缘性及加工成型性好的特点。,主要用于制作塑料模具、精密量具、电子仪器的抗振护封的整体结构以及电气、电子元件、线圈的灌封，还可用作清漆、浇铸塑料、层压塑料及电绝缘材料等。,（三）有机硅塑料,有机硅树脂的热稳定高，耐高温老化和耐热性很好，具有优良的电绝缘性，特别是高温下电绝缘性好，耐稀酸、稀碱、耐有机溶剂，主要用于压制工作温度达180-200的电绝缘零件。,第二节 工程橡胶,一、橡胶材料概述,橡胶,是以高分子化合物为基础的、具有显著高弹性的材料。以,生胶,为原料加入适量的,配合剂,而形成的高分子弹性体。,（一）橡胶的组成和分类,1.橡胶的组成,生胶,橡胶主要组分，来源可以是天然的，也可以是合成的。起着粘结其它配合剂的作用，是决定橡胶制品性能的关键因素。,配合剂,提高和改善橡胶制品的各种性能而加入的物质。主要有,硫化剂,、,防老剂,、,着色剂,等。,2.橡胶的分类,按原料来源：,天然橡胶,和,合成橡胶；,按应用范围：,通用橡胶,与,特种橡胶。,通用橡胶,是指用于制造轮胎、工业用品、日常用品的量大面广的橡胶。,特种橡胶,是指用于制造在特殊条件（高温、低温、酸、碱、油、辐射等）下使用的零部件的橡胶。,（二）橡胶的性能,高弹性,橡胶最显著的性能特点是具有高弹性，,其宏观弹性变形量可高达,100%,1000%,。,机械强度,机械强度是决定橡胶制品使用寿命的重要因素。工业生产中常以,抗撕裂强度,（或拉伸强度）及,定伸强度,来表示。,耐磨性,耐磨性是橡胶抵抗磨损的能力。磨损与橡胶的强度成反比，强度越高，磨损量越小。,二、常用橡胶材料及应用,（一）天然橡胶,具有较高的弹性、较好的力学性能、良好的电绝缘性及耐碱性。,主要用于制造轮胎、胶带、胶管等。,（二）通用合成橡胶,（1）丁苯橡胶,由丁二烯和苯乙烯共聚而成的。其耐磨性、耐热性、耐油、抗老化性均比天然橡胶好。缺点是生胶强度低、粘接性差、成型困难、硫化速度慢。,主要用于制造轮胎、胶带、胶管、工业密封件和电气绝缘材料等。,橡胶法兰垫,2.顺丁橡胶,顺式-1、4聚丁二烯橡胶的简称，是目前,橡胶中弹性最好的一种,。,主要用于制作轮胎、胶带、胶管、减振器、橡胶弹簧等减振部件、绝缘零件等。,3.氯丁橡胶,由氯丁二烯聚合而成。,具有天然橡胶和一般通用橡胶所没有的优良性能。故有“,万能橡胶,”之称。,用于制造矿井的运输管、胶管、电缆、高速带、垫圈等。,4.乙丙橡胶,乙烯和丙烯共聚而成。,抗老化性,是通用橡胶中最好的。,主要用于制作轮胎、输送带、电线套管、蒸汽导管、密封圈、汽车部件等。,（,三）特种合成橡胶,1.丁腈橡胶,由丁二烯与丙烯腈聚合而成。其,耐油性,好，耐热、耐燃烧、耐磨、耐碱、耐有机溶剂。缺点是耐寒性差，其脆化温度为-10-20。,主要用于制作耐油制品，如油桶、油槽、输油管、耐油密封件、印刷胶辊和化工设备衬里及各种耐油减震制品等。,2.硅橡胶,由二甲基硅氧烷与其它有机硅单体共聚而成。,具有高耐热性和耐寒性，抗老化能力强、绝缘性好。,主要用于制造各种耐高低温橡胶制品，如各种耐热密封垫片、垫圈、透气橡胶薄膜和耐高温的电线、电缆等。,3.氟橡胶,以碳原子为主链，含有氟原子的聚合物。,其化学稳定性高、耐蚀性能居各类橡胶之首,，耐蚀性好，最高使用温度为300。主要用于国防和高技术中的密封件。,遥控器按键,第三节 工程陶瓷,一、陶瓷材料概述,陶瓷,亦称,无机非金属材料,，是指用,天然硅酸盐,（粘土、长石、石英等）或,人工合成化合物,（氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物）为原料，经,粉碎、配料、成型和高温烧制,而成的无机非金属材料。,陶瓷是陶器与瓷器的总称。,陶瓷的分类,按化学组成：,硅酸盐陶瓷,、,氧化物陶瓷,、,非氧化物陶瓷,（氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和复合陶瓷）,按性能：,普通陶瓷,（如日用陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷等）和,特种陶瓷,（结构陶瓷、功能陶瓷）,按用途：,日用瓷、艺术瓷、建筑瓷、工程陶瓷等,陶瓷的晶体结构,陶瓷晶体一般是由,离子键构成的离子晶体,（MgO、Al,2,O,3,等），也有由,共价键组成的共价晶体,（Si,3,N,4,、SiC），晶体类型远比金属材料复杂。,陶瓷的显微组织,晶相,（主要组成相）：,氧化物和硅酸盐，,玻璃相,气相,各组成相结构、数量、形态、大小及分布对陶瓷性能有显著影响。,陶瓷的性能, 高硬度,大多数陶瓷材料的硬度比金属高得多，故其,耐磨性好,（它的硬度仅次于金刚石）。, 高弹性模量与高脆性,陶瓷在拉伸时几乎没有塑性变形，在拉应力作用下产生一定弹性变形后直接脆断，,大多数的陶瓷材料的弹性模量都比金属高,。, 低抗拉强度和较高的抗压强度,由于陶瓷内部存在大量气孔，其作用相当于裂纹，故其抗压强度较高。,1.力学性能,陶瓷、钢和橡胶的应力-应变曲线, 优良的高温强度和低的抗热震性,陶瓷的熔点高于金属，具有优于金属的高温强度。,陶瓷在高温下不仅保持高硬度，而且基本保持其室温下的强度，,具有高的蠕变抗力,，同时抗氧化的性能好，广泛用作高温材料。,但陶瓷承受温度急剧变化的能力差（热震性差）,当温度剧烈变化时易裂。,2.电学性能,陶瓷是,传统的绝缘材料,，只有当温度升高到熔点附近时，离子热振动加强，才表现出一定的电导能力。现代陶瓷中已出现了一批具有各种电性能的陶瓷，如,压电陶瓷、磁性陶瓷、透明铁电陶瓷,等，为陶瓷的应用开拓了广阔的前景。,3.化学性能,即使1000以上的高温也不会氧化。此外，陶瓷对酸、碱、盐等的腐蚀也有较强的抵抗能力，也能抵抗熔融金属的侵蚀。所以陶瓷是非常好的耐蚀材料。,4.光学性能,目前已研制出了如制造固体激光器材料，光导纤维材料、光存储材料等陶瓷新品种，并已在通信、摄影、计算机技术等领域获得了应用。,二、常用工程结构陶瓷材料,（一）氧化铝陶瓷,以,Al,2,O,3,为主要成分，含有少量SiO,2,的陶瓷，Al,2,O,3,为主晶相。,根据Al,2,O,3,含量的不同分为：,75瓷,（75% Al,2,O,3,），又称,刚玉莫来石瓷,；,95瓷,（95% Al,2,O,3,）,99瓷,（99% Al,2,O,3,）。后两者又称,刚玉瓷,。,常用作高温实验的容器和盛装熔融的铁、镍、钴等的坩埚，测温热电偶的绝缘套管等。,内燃机的火花塞、火箭和导弹流罩、轴承、切削刀具，以及密封环等。,氧化铝热电偶套管,氧化铝陶瓷密封环,氧化铝陶瓷喷咀,（三）氮化硅,（,Si,3,N,4,）,陶瓷,按其制造工艺不同可分为,热压烧结氮化硅（- Si3N4）陶瓷,和,反应烧结氮化硅（- Si3N4）陶瓷,。,特点,：硬度高，摩擦因子小，只有0.10.2，具有自润滑性；蠕变抗力高，热膨胀系数小，抗热震性能在陶瓷中最佳，化学稳定性好，抗氢氟酸以外的各种无机酸和碱溶液的侵蚀，也能抵抗熔融非铁金属的侵蚀；同时具有优异的电绝缘性能。,应用,：,反应烧结氮化硅陶瓷,主要用于制作形状复杂、尺寸精度高、耐热、抗蚀、耐磨、绝缘制品。,热压烧结氮化硅陶瓷,只用于制作形状简单的耐磨、耐高温零件。,氮化硅密封环,（四）Sialon陶瓷,是在,氮化硅陶瓷,中添加一定的,Al,2,O,3,构成的,Si-Al-O-N系,的新型陶瓷材料。,是目前所知强度最高的陶瓷材料,，并兼有有益的化学稳定性、耐磨性、良好的热稳定性以及不高的密度，可用作发动机部件、耐腐蚀夹具、刀具材料等。,（五）碳化硅陶瓷,碳化硅晶体中主要包括两种晶型：,-SiC（属六方晶系，是高温稳定型）和-SiC（属六方晶系，是低温稳定型）。,特点：,高温强度大，热压碳化硅是目前高温强度最高的陶瓷。,应用：,某些要求高温强度高的结构材料，如用于火箭尾喷管的喷嘴、浇铸金属用的喉嘴以及热电偶导管、高温电炉电热棒和炉管等，也可用于燃气轮机的叶片和轴承等。还可用作高温热交换器的材料，核燃料的包封材料等，因其耐磨，常用于制作各种泵的密封圈。,燃气喷嘴,热电偶套管,（六）氮化硼陶瓷,BN晶体属六方晶系，其晶体结构与石墨相似，具有很好的润滑性和导热性，有“,白石墨,”之称，BN是绝缘体，而石墨是导体。,特点：,具有良好的耐热性和导热性，其热导率与不锈钢相当；热膨胀系数小，绝缘性好，化学稳定性高；硬度较其它陶瓷低，可进行切削加工；有自润滑性。,应用：,六方BN陶瓷,常用于制作热电偶套管、坩埚、高温容器和管道。,立方BN目前只用于磨料和金属切削刀具。,（七）碳化硼陶瓷,碳化硼为六方晶系。,B,4,C是强共价键化合物，其突出特性是非常坚硬，仅次于金刚石和立方BN，具有很高的耐磨性。,应用：,主要是用作松散的磨料，加工硬质陶瓷，烧结体可作为喷砂的喷嘴，研钵之类的研磨工具、切削工具和高温热交换器，也可用来制作防弹背心，可广泛作为原子反应堆的控制剂使用。,碳化硼喷嘴,第四节 复合材料,一、复合材料概述,复合材料,由两种或两种以上在物理和化学上不同的物质结合起来而得到的一种多相固体材料。,复合材料的性能,1.高比强度、高比模量；,2.抗疲劳性能好；,3.减摩耐磨、自润滑性能好；,4.破损安全性能好；,5.化学稳定性好；,6.其它特殊性能 如隔热性，烧蚀性及特殊的电、光、磁等性能。此外复合材料适合于整体成型，具有良好的工艺性能。,复合材料的分类与命名,按基体材料,非金属基复合材料,金属基复合材料（有色金属及合金）,聚合物基,陶瓷基,按增强材料的形状,纤维复合材料,层合复合材料,颗粒复合材料,复合材料的命名：,根据,增强材料,和,基体材料,的名称来命名，,以,基体材料为主,命名，,如金属基复合材料、聚合物基复合材料。,2.,以,增强材料为主,命名，,如碳纤维增强复合材料、氧化铝纤维增强复合材料。,3.,基体与增强材料,并用。,一般是将增强材料名称放在前面，基体材料名称放在后面，最后加“复合材料”。,二、玻璃纤维/聚合物复合材料,（,玻璃钢）,它是以,玻璃纤维作为增强材料,，以,热固性树脂（常用环氧、酚醛树脂）为粘结材料,而得的复合材料。,玻璃钢贮罐,玻璃钢管配件,（一）玻璃纤维/聚合物复合材料的性能,1.质轻、比强度高。超过一般高强度钢及铝、钛等合金的比强度。,2.具有优良的电绝缘性能。,3.具有很好的耐化学腐蚀性和耐大气腐蚀性能。,4.能短期承受超高温的作用，抗烧蚀性好。,5.具有防磁和透过微波的特殊性能。,6.成型工艺简单，可以制成不同厚度和形状非常复杂的制件或大型整体件。,缺点主要是弹性模量不高，只有钢的1/5-1/10，刚性较差，不耐高温，容易老化和蠕变等，,通常只能在低于300以下使用。,用途：,机器护罩、车辆车身、绝缘抗磁仪表、耐蚀耐压容器和管道及各种复杂的机器构件和车辆配件。,二、碳纤维/聚合物复合材料,碳纤维复合材料的性能特点：,弹性模量高,比强度和比模量高,耐冲击性能好,高潮湿或高温条件下强度损失少,应用：,宇宙飞船和航天器的外层材料，人造卫星和火箭的机架、壳体，各精密机器的齿轮、轴承以及活塞、密封圈，化工容器和零件等。,三、硼纤维/聚合物复合材料,硼纤维/聚合物复合材料是以,环氧聚合物,和,聚酰亚胺,等为基料。,特点：,具有高的比强度、比模量，良好的耐热性。其缺点是各向异性明显。,应用：,除在航空工业上用于制造飞机的机翼、水平稳定器罩板和方向舵等外，其应用远不如玻璃纤维和碳纤维复合材料广泛。,The End,of Chapter 10,