工程材料第5章、非金属材料

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,第 五 章,非金属材料yu复合材料,1.教学要求,了解塑料、陶瓷、复合材料的组织性能特点及其应用。,2.,教学时数,2 学时,塑料 橡胶,高分子材料,粘结剂 合成纤维,非金属材料,陶瓷材料,金属-金属复合材料,复合材料,非金属-非金属复合材料 金属-非金属复合材料,5.1,.高分子材料,5.1.1.高聚物的结构,1.基本概念,(,1)单体,组成高分子化合物的低分子化合物，,是合成高分子的材料。,如：低分子乙烯 CH2=CH2单体组成聚乙烯,(,2)链节,构成,高分子链的基本结构单元,.,(3)聚合度,即，高分子所含链节的数目n.,由此，,大分子链的分子量M=链节的分子量m与聚合度n的乘积。,即,M,=mn,2、大分子链的几何形态,(1)线型结构,分子链呈细长条状，通常卷曲成不规则的线团，受拉时可伸展成直线。,特点,：,分子链间没有化学键，易移动，可溶可熔。,高聚物的结构示意图,（2）,支链型结构,在高分子主链上带有一些小支链，整个分子链呈树枝状。,（3）,体型结构,大分子链之间通过支链或化学键连接成网状结构。,特点：结构稳定，不溶不熔，塑性低，脆性大。,高聚物的结构示意图,(1)单键的内旋转,分子链的主链在保持,键长和键角不变的情况下,可以任意旋转的现象。,(2)大分子链的柔顺性,由于内旋转，大分子,链形态频繁变化 引起大,分子不同程度卷曲，伸展,的特性。,大分子内旋转示意图,3.大分子链的构象及柔顺性,4,.,高聚物的聚集态结构,聚集态结构,大分子链之间,的几何排列方式和堆砌状态。,性能,结晶使分子间作用力增大，因而使高聚物的,密度、熔点、耐热性、强度、硬度等性能升高,，而依赖分子链运动的有关性能，如,弹性，塑韧性下降,。,高聚物晶区和非晶区示意图,根据排列有序度划分:,晶态结构,聚集态结构,无定形结构,5.1.2 高分子材料的性能,1、强度低、,比强度,高,2、,粘弹性,高聚物在外力作用下，同时发生高弹性变形和粘性流动，其变形与时间有关的现象称为,粘弹性,。,(1),蠕变,(2)应力松弛,(3)内耗,变形速度跟不上应力变化速度，出现应变滞后机械能转化为热能的现象称为,内耗,3、耐磨减摩,4、,物理性能,绝缘、隔热、导热系数仅为金属的,吸音、隔音、消震。,低耐热性，高热膨胀性。,5、化学性能,耐腐蚀。,5.1.3.工程塑料,1、塑料的组成,树脂,：40-90%,主体、命名的依据,填料,：改善性能，降低成本，占550%，,如石棉耐热，石墨耐摩,增塑剂,:增加树脂塑性和柔韧性。,例、聚氯乙烯增塑剂不同可制成硬管，软人革，泡沫塑料。,其它,：,固化剂、稳定性、着色剂、阻燃剂、防老化剂等。,2、塑料的分类,：,(1)按,热性质,可分为,A 热塑性塑料,：,常温下是固体、,受热熔融、可反复重塑,如聚乙烯、聚丙烯、尼龙,B,热固性塑料,：,固化剂成型，,不熔不溶,如环氧塑料，酚醛塑料等,。,(2)按,功能,可分为,通用塑料和工程塑料,热塑性塑料与热固性塑料,类别,典型塑料及代号,特 征,热塑性,塑料,聚氯乙烯（PVC）,聚乙烯（PE）,聚丙烯（PP）,聚酰胺（PA）,缩醛塑料（POM）,聚碳酸脂（PC）,线型高分子,树脂,，能溶于有机溶剂，加热可软化，易于加工成形，并能反复塑化成形。,这类塑料一般机械强度较高，成形性能良好,热固性,塑料,酚醛塑料（PF）,氨基塑料（UF）有机硅塑料（SI）,环氧树脂（EP）,网型高分子树脂，固化后重新加热不再软化和熔融、亦不溶于有机溶剂，不能反复成形与再生使用。这类塑料一般具有较高的耐热性与刚性，但脆性大,4.塑料的应用-,通用塑料,PVC花园管,PVC软门帘,PE波纹管,PVC拉边袋,PE食品包装,PE药品包装,增强聚丙烯离心泵,聚丙烯油墨,通用塑料与应用,聚苯乙烯板,尼龙12挤管,聚丙烯编织袋,工程塑料应用示例,制笔业用塑料配件,杜邦工程塑料制品,聚酰胺应用示例,聚酰胺PA应用示例,ABS应用示例,ABS插座、电器外壳,聚碳酸酯PC应用示例,汽车仪表板，挡泥板，电动工具，手机外壳，电脑外壳，大型薄壁制件,5.3 工业橡胶及其应用 5.3.1,橡胶分类、组成、性能,橡胶分类,按来源分,按用途分,橡胶组成,橡胶性能,天然橡胶（聚异戊二烯）,合成橡胶（合成高分子物质）,通用（制作轮胎、输送带、胶管、胶板等）,特种（用于高温、低温、酸、碱、油和辐射介质条件下,生胶,配合剂（硫化剂、增塑剂、填充剂、防老化剂等）,高的回弹性,可挠性、良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性,隔音、吸震以及与其它物质的粘结性,常用橡胶的代号,汽车上的橡胶制品,汽车底盘用橡胶件,真空助力密封件,转向系统橡胶件,橡胶占汽车用材料总重量的5%，每辆汽车需橡胶件400-500个。汽车上大量使用的氟橡胶、硅橡胶、丙烯酸酯橡胶等高档橡胶和耐热.,轮胎,车门窗密封条,雨刮器,连接软管,密封件,防振件,传动件,衬垫类,液压制动缸中的皮碗,风扇皮带,常用橡胶（天然橡胶,NR,）,1、天然橡胶（NR）,以橡胶烃（聚异戊二烯）为主。弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳，易与其它材料粘合，综合性能优于多数合成橡胶。,缺点是耐氧和耐臭氧性差，容易老化变质；耐油和耐溶剂性不好，抗酸碱的腐蚀能力低，耐热性不高。,使用温度范围：约6080。特别适用于制造扭振消除器、发动机减震器、机器支座、橡胶金属悬挂元件、膜片、模压制品。,橡胶弹簧,丁苯橡胶（SBR）,2、丁苯橡胶（SBR）,丁二烯和苯乙烯的共聚体。性能接近天然橡胶，是目前产量最大的通用合成橡胶，,优点：耐磨性、耐老化和耐热性超过天然橡胶，质地也较天然橡胶均匀。,缺点：弹性较低，抗屈挠、抗撕裂性能较差；加工性能差，特别是自粘性差、生胶强度低。,使用温度范围：约50100。主要用以代替天然橡胶制作轮胎、胶板、胶管、胶鞋及其他通用制品。,3、顺丁橡胶（BR）,由丁二烯聚合而成的顺式结构橡胶,优点：弹性与耐磨性优良，耐老化性好，耐低温性优异，在动态负荷下发热量小，易于金属粘合。,缺点：强度较低，抗撕裂性差，加工性能与自粘性差。,使用温度范围：约60100。一般多和天然橡胶或丁苯橡胶并用，主要制作轮胎胎面、运输带和特殊耐寒制品。,由异戊二烯单体聚合而成的顺式结构橡胶。化学组成、立体结构、性能与天然橡胶相似，故有合成天然橡胶之称。,具有天然橡胶的大部分优点，耐老化优于天然橡胶，弹性和强力比天然橡胶稍低，加工性能差，成本较高。,使用温度范围：约50100 可代替天然橡胶制作轮胎、胶鞋、胶管、胶带以及其他通用制品。,汽车橡胶制件,4、异戊橡胶（IR）,5、,丁晴橡胶（NBR）,丁二烯和丙烯晴的共聚体。,优点：耐汽油和脂肪烃油类的性能特别好，仅次于聚硫橡胶、丙烯酸酯和氟橡胶，而优于其他通用橡胶。耐热性好，气密性、耐磨及耐水性等均较好，粘结力强。,缺点：耐寒及耐臭氧性较差，强力及弹性较低，耐酸性差，电绝缘性不好，耐极性溶剂性能也较差。,使用温度范围：约30100。主要用于制造各种耐油制品，如胶管、密封制品等。,橡胶垫圈,6、,硅橡胶（Q）,主链含有硅、氧原子的特种橡胶，硅元素起主要作用。,优点：耐高低温（最低100），目前最好的抗寒耐高温橡胶；电绝缘性优良，对热氧化和臭氧的稳定性很高，化学惰性大。,缺点：机械强度较低，耐油、耐溶剂和耐酸碱性差，较难硫化，价格较贵。,使用温度：60200。用于制作耐高低温制品、耐高温电线电缆绝缘层，由于其无毒无味，还用于食品及医疗工业。,各种硅橡胶制品,7、,氟橡胶（FPM）,由含氟单体共聚而成。,优点：,耐高温达300，耐酸碱，耐油性最好，抗辐射；电绝缘性、机械性能、耐化学腐蚀性、耐臭氧、耐大气老化性均优良。,缺点：,加工性差，耐寒性差，弹性透气性较低，价格昂贵。,应用：,使用温度范围：20200。主要用于制造飞机、火箭上的耐真空、耐高温、耐化学腐蚀的密封材料、胶管或其他零件及汽车工业。,氟橡胶圈,5.2.1.陶瓷的组织结构,陶瓷是由金属和非金属的无机化合物所构成的多晶多相固体材料，,是无机非金属材料的总称。其,显微组织可归纳为三种相，,陶瓷显微组织示图,1.晶相,陶瓷的主要组成相。,由某些固溶体或化合物组成,。增大晶相比例和细化晶粒可提高陶瓷强韧性。,晶相结构以,硅酸盐结构,和,氧化物结构,为主，还有部分,C、N、B的化合物.,硅酸盐结构示意图（部分,）,2.玻璃相,陶瓷在烧结过程不能成晶体的非晶态物质,。,性能,熔点低，热稳定性差，力学性能低于晶相,应控制在2040范围内。,3.气相,分布于陶瓷玻璃相中的气孔，,约占510。,性能,各种性能降低，但能提高通气性，减轻重量.,通过调整三相比例，可以控制陶瓷的质量和性能。,5.2.2 陶瓷的性能,1、力学性能,结合力强，弹性模数E大，硬度高，强度低，脆性大,提高强度途径,：,（1）细，密，匀，纯；,(2）表面强化，如电镀，喷涂,（3）复合强化,2、理化性能,熔点高，高温强度高，如SiC可耐1300，耐蚀、绝缘,5.3.2 工程结构陶瓷,1.传统陶瓷,成分,：,石英（,SiO,2,）：耐熔的骨架成分,粘土,：提供可塑性，保证成型,长石,：助溶剂,2.特种陶瓷,（,1）氧化铝陶瓷,以Al,2,O,3,为主晶相，Al,2,O,3,含量越高，性能越高,强度较高,（=250Mpa）、,硬度高，耐热、耐蚀,应用,：,发动机的耐热零件，,如火花塞、工模具等耐磨件,（,2）氮化硅陶瓷,以,Si,3,N,4,为主晶相,，,“像钢一样强、金刚石一样硬、铝一样轻”,热压烧结Si,3,N,4,：,Si,3,N,4,粉为原料+添加剂,高温、高压下烧结成型,加工较困难，用于制造形状简单的,耐磨耐热零件和刀具,反应烧结Si,3,N,4,：,Si粉或Si+Si,3,N,4,粉压制,成型后渗氮,处理,，直到全部形成氮化硅。,易加工，性能优异，用于制造形状复杂,且尺寸精度高的耐热、耐蚀、耐磨制品。,Sialon陶瓷,Si,3,N,4,+少量Al,2,O,3,，,据称是强度最高的陶瓷。,（3）碳化硅陶瓷,以SiC为主晶相,。也可分为,热压烧结,和,反应烧结,两类。,特点,：高温强度高，,可耐1600-1700。,应用,：高温结构制品,（,4）氮化硼陶瓷,以BN为主晶相,，六方结构（石墨结构）俗白石墨，耐热性、导热性、绝缘性、耐蚀性高，硬度稍低，可切削加工。,应用,：高温绝缘制品，散热材料。,（5）金属陶瓷,见5.1 粉末冶金材料,。,5.3 复合材料,复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的多相材料,。,一、复合材料的分类,二、复合材料的组成,三、增强复合原则,四、复合材料的应用,钢丝网骨架塑料（聚乙烯）复合管,复合材料分类、特性,复合材料,由两种或两种以上性质不同的物质组成的多相材料,复合材料分类,复合材料特性,纤维增强复合材料,粒子增强复合材料,层叠复合材料,树脂基复合材料,陶瓷基复合材料,金属基复合材料,1、比强度和比模量高,2、破损安全性好,3、疲劳强度较高,4、高温性能良好,5、减振性良好,5.3.2.复合材料的组成,1、,增强材料,（强度较高的材料）,（1）纤维增强材料,玻璃纤维,：SiO,2,为主要原料熔融拉丝制成的纤维。,碳 纤 维,：,密度1.72g/cm,3,比钢小四倍，,比强度比钢大16倍。,硼 纤 维,：,芳伦纤维,：芳香族聚酰胺类纤维。,晶 须,：金属晶须、陶瓷晶须。,（2）颗粒增强材料,陶瓷颗粒,Al,2,O,3,、SiC、Si,3,N,4,、WC、TiC。,特殊性能填料：,石墨、碳墨、MoS,2,（耐磨、润滑）银粉、铜粉（导电）Fe,2,O,3,磁粉（导