非金属材料焊接常用非金属材料.doc

第一章 常用非金属材料第一节 塑料材料塑料是一种用途广泛的合成高分子材料，塑料集金属的坚硬性、木材的轻便性、玻璃的透明性、陶瓷的耐腐蚀性，橡胶的弹性和韧性于一身，因此除了日常用品外，塑料更广泛地应用于航空航天、医疗器械、石油化工、机械制造、国防、建筑等各行各业。一、塑料的分类塑料种类很多，投入生产的塑料大约有三百多种。1、根据塑料受热后的性质不同分为热塑性塑料和热固性塑料（1）、热塑性塑料分子结构都是线型结构，在受热时发生软化或熔化，可塑制成一定的形状，冷却后又变硬。在受热到一定程度又重新软化，冷却后又变硬，这种过程能够反复进行多次。如聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等。热塑性塑料成型过程简单，能够连续化生产，并且具有相当高的机械强度。（2）、热固性塑料的分子结构是体型结构，在受热时也发生软化，可以塑制成一定的形状，但受热到一定的程度或加入少量固化剂后，就硬化定型，再加热也不会变软和改变形状了。热固性塑料加工成型后，受热不再软化，因此不能回收再用，如酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂等都属于此类塑料。热固性塑料成型工艺过程比较复杂，所以连续化生产有一定的困难，但其耐热性好、不容易变形，而且价格比较低廉。2、根据塑料的用途不同分为通用塑料、工程塑料、（1）、通用塑料是指产量大、价格低、应用范围广的塑料，主要包括聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料五大品种。人们日常生活中使用的许多制品都是由这些通用塑料制成。（2）、工程塑料是可作为工程结构材料和代替金属制造机器零部件等的塑料。例如聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、ABS树脂、聚四氟乙烯、聚酯、聚砜、等。工程塑料具有密度小、化学稳定性高、机械性能良好、电绝缘性优越、加工成型容易等特点，广泛应用于汽车、电器、化工、机械、仪器、仪表等工业，也应用于宇宙航行、火箭、导弹等方面。（3）、特种塑料：一般指具有特种功能（如耐热、自润滑等），应用于特殊要求的塑料。如聚苯硫醚（PPS）、聚四氟乙烯（PTFE）等氟塑料、聚醚醚酮（PEEK）。聚四氟乙烯(PTFE，即塑料王)，具有的耐腐蚀、耐老化、低摩擦系数及不粘性、耐温范围广、弹性好的特性，应用于制造耐腐蚀要求高，使用温度高于100的密封件。应用在输送腐蚀性气体的输送管、排气管、蒸汽管，轧钢机高压油管，飞机液压系统和冷压系统的高中低压管道，精馏塔、热交换器，釜、塔、槽的衬里，阀门设备。二、塑料的特性1、塑料具有可塑性塑料的可塑性就是可以通过加热的方法使固体的塑料变软，然后再把变软了的塑料放在模具中，让它冷却后又重新凝固成一定形状的固体。塑料的这种性质也有一定的缺陷，即遇热时容易软化变形，有的塑料甚至用温度较高的水烫一下就会变形，所以塑料制品一般不宜接触开水。2、塑料具有弹性受到外力拉伸时，卷曲的分子就由柔韧性而被拉直，但一旦拉力取消后，它又会恢复原来的卷曲状态，这样就使得塑料具有弹性，例如聚乙烯和聚氯乙烯的薄膜制品。但是有些塑料是没有弹性的。3、塑料具有较高的强度玻璃、陶瓷、木材等相比，还是具有比较高的强度及耐磨性。塑料可以制成机器上坚固的齿轮和轴承。4、塑料具有耐腐蚀性塑料既不像金属那样在潮湿的空气中会生锈，也不像木材那样在潮湿的环境中会腐烂或被微生物侵蚀，另外塑料耐酸碱的腐蚀。因此塑料常常被用作化工厂的输水和输液管道，建筑物的门窗等。5、塑料具有绝缘性塑料的分子链是原子以共价键结合起来的，分子既不能电离，也不能在结构中传递电子，所以塑料具有绝缘性。塑料可用来制造电线的包皮、电插座、电器的外壳等。三、常用塑料聚氯乙烯（PVC）硬质聚氯乙烯的密度为1.381.43g/cm3，机械强度高，化学稳定性好，使用温度范围一般在-15+55之间，适宜制造塑料门窗、下水管、线槽等。聚乙烯（PE）聚乙烯塑料在建筑上主要用于给排水管、卫生洁具。聚丙烯（PP）聚丙烯的密度在所有塑料中是最小的，约为090左右。聚丙烯常用来生产管材、卫生洁具等建筑制品。聚苯乙烯（PS）EPS：可发性聚苯乙烯发泡，泡沫板。聚苯乙烯为无色透明类似玻璃的塑料。聚苯乙烯在建筑中主要用来生产泡沫隔热材料、透光材料等制品。改性聚苯乙烯塑料ABSABS塑料是改性聚苯乙烯塑料，以丙烯睛（A）、丁二烯（B）及苯乙烯（S）为基础的三组分所组成。ABS塑料可制作压有花纹图案的塑料装饰板等。 聚碳酸酯PCPC热塑性塑料，透明的度达90，被誉为是透明金属。它刚硬而具有韧性，较高的冲击强度，高度的尺寸稳定性、良好的电绝缘性能、耐热性、无毒性。PC用于制作尺寸精度很高的光盘、电话、电子计算机等通讯器材。PC薄膜用作电容器、录音机、彩色录像磁带等。PC制造各种齿轮、涡轮、轴承、凸轮、螺栓、曲轴、棘轮，也可作一些机械设备壳体、罩盖和框架等零件。乙烯-醋酸乙烯共聚物EVAEVA常用于作为旅游鞋、拖鞋鞋底材料等。第二节 陶瓷材料一、陶瓷的分类1、按化学成分分类：(1) 氧化物陶瓷，如Al2O3；(2) 碳化物陶瓷，如SiC；(3) 氮化物陶瓷：包括Si3N4；(4) 其他化合物陶瓷。 2、按性能和用途分类：（1）结构陶瓷：用于制造结构零部件，要求有更好的力学性能；（2）功能陶瓷：具有优异的物理和化学性能，用以制作功能器件。二、陶瓷的性能特点原子结合：主要是离子键和共价键；性能特点：强度高、硬度大、熔点高、化学稳定性好、线膨胀系数小，且多为绝缘体；塑性、韧性和可加工性较差。1、机械性能1）强度抗压强度比抗拉强度高得多，比值为10：1左右，高温强度比金属高得多；高温度时，强度有一定程度的下降，但其塑性韧性却大大提高，加之陶瓷材料优异抗氧化性，其可能成为未来高速高温燃气发动机的主要结构材料。2）硬度：高硬度、高耐磨性。3）陶瓷增韧：(1)增加致密度；(2) 相变增韧（体积效应和形状效应）；(3) 纤维增韧。2、其它性能1）热性能：熔点高、很好的高温强度和抗氧化性、但抗热震性能差。2）电性能：好的绝缘材料；但由于杂质，某些组元等一系列成分因素的作用及一些环境因素的影响，有些陶瓷可以作半导体或压电材料，或热电材料或环境敏感材料等。3）特殊性能：陶瓷薄膜具有独特的光、电、磁等物理化学性能。可作功能材料。三、常用工业陶瓷及其应用1、普通陶瓷1）成分用天然原料制成的粘土类陶瓷，它是以粘土、长石和石英经配料，成型烧结而成。2）特点质硬，不导电，易于加工成型；但其内部含有较多玻璃相，高温下易软化，耐高温及绝缘性不及特种陶瓷。3）应用因其成本低，产量大，广泛用于工作温度低于200的酸碱介质、容器、反应塔、管道、供电系统的绝缘子和纺织机械中导纱零件等。2、特种陶瓷 1）氧化铝陶瓷（1）成分： Al2O3 + 少量的SiO2例、75瓷（含75% Al2O3）、95瓷（含95% Al2O3）和99瓷（含99% Al2O3Al2O3含量越高玻璃相含量越少，气孔越少，其性能也越好，但此时工艺变得复杂，成本升高。（2）性能耐高温性好，在氧化性气氛中，可用到1950，且耐蚀性好；高硬度及高温强度(760时HRA87，1200时HRA80)；很好的绝缘性能。“缺点”是脆性大，不能承受冲击载荷，抗热震性差，不适合用于有温度急变场合。（3）应用高温器皿；高速切削及难切削材料加工的刃具；耐磨轴承、模具及活塞、化工用泵和阀门；内燃机火花塞。 2）其他氧化物陶瓷（1）MgO陶瓷是典型的碱性耐火材料，用于冶炼高纯度铁及其合金、铜、铝、镁以及熔化高纯铀、钍及其合金。（2）BeO陶瓷 性能：在还原性气中特别稳定，其导热性极好（与铝相近），故抗热冲击性能好；但氧化铍粉末及蒸气有剧毒 应用：高频电炉“坩埚”、高温绝缘子、激光管、晶体管散热片、集成电路基片。（3）ZrO2陶瓷 性能：高强且耐热性好，导热率高；室温下是绝缘体，但在1000以上变为导体。 应用：用于离子导电材料（电极），传感及敏感元件及1800以上的高温发热体，还可用于熔炼Pt、Pd、Rh等合金的坩埚。3）非氧化物工程陶瓷（1）氮化硅（Si3N4）陶瓷是目前强度最高的陶瓷，并具有优异的化学稳定性、热稳定性和耐磨性。 性能：稳定性极好，除氢氟酸外能耐各种酸碱腐蚀，可抵抗熔融有色金属的侵蚀；氮化硅硬度很高，摩擦系数小（只有0.10.2，相当于加油的金属表面），耐磨性减摩性好（自润滑性好）；很好的抗热震性。 应用：，耐磨材料；耐腐蚀的零件（密封环，高温轴承）；燃气轮机叶片；冶金容器和管道；精加工刀具。（2）碳化硅（SiC）陶瓷 性能：最大特点是高温强度高，在1400时抗弯强度仍达(500-600)MPa；且其导热性好，仅次于BeO陶瓷，热稳定性耐蚀性耐磨性也很好。 应用：主要可用于制作火箭尾喷管的喷嘴、炉管、热电偶套管，以及高温轴承、高温热交换器、密封圈和核燃料的包封材料等。（2）氮化硼陶瓷A、六方氮化硼 性能：与石墨结构、性能相似，故又称“白石墨”，具有良好的耐热导热性，是理想的散热和高温绝缘材料；化学稳定性好，具有极好的自润滑性，其硬度较低，可进行机械加工，作成各种结构的零件。 应用：一般用作熔炼半导体材料坩埚和高温容器，半导体散热绝缘件，高温润滑轴承和玻璃成型模具等。B、立方氮化硼为立方结构，结构紧密，硬度与金刚石接近，是优良的耐磨材料，常用于制作刀具。第三节 复合材料复合材料是由两种或两种以上化学性质不同的组分人通过工合成的材料。一类相为基体，起粘结作用，另一类为增强相，是一种多相材料。一、复合材料分类1、按结构分：金属基复合材料、高分子基复合材料、陶瓷基复合材料。2、按性能分：功能复合材料、结构复合材料。3、按增强相分：颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料（玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等）、层状增强复合材料。二、复合材料特点1、比强度和比模量大；碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的7倍，比弹性模量比钢大3倍。2、耐疲劳性能比较高； 例如、碳纤维一聚树脂复合材料的疲劳极限是抗拉强度的7080，而金属材料的疲劳极限只有抗拉强度的4050。3、减震性能好； 4、耐高温性能好；高温强度和弹性模量均较高；例如、LC4铝合金，在400时，弹性模量接近于零，抗拉强度值也从室温时的500MPa降至 3050MPa。而碳纤维或硼纤维增强组成的复合材料，在400时，强度和弹性模量可保持接近室温下的水平。5、断裂安全性好；断裂时应力迅速重新分布，载荷由未断裂的纤维承担起来。6、其它性能特点还具有良好的化学稳定性、隔热性、烧蚀性以及特殊的电、光、磁等性能。三、复合材料应用1、颗粒增强复合材料：主要应用于高硬度高耐磨的工具和耐磨零件。3、碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCP/Al）：制造大功率发动机的活塞、连杆；制造火箭、导弹构件构件；理想的精密仪表中高尺寸稳定性材料。4、热塑性玻璃钢与热固性玻璃钢：工程结构。5、碳纤维-树脂复合材料：主要应用于航空航天、汽车工业及化学工业中。6、硼纤维-树脂复合材料：主要用于航空航天和军事工业。7、碳化硅纤维-树脂复合材料：主要用于航空航天工业。8、长纤维增强金属基复合材料：应用航天航空，先进武器和汽车领域。9、铝基、镁基复合材料：主要用作高性能的结构材料；10、钛基耐热合金及金属间化合物基复合材料：主要用于制造发动机零件；11、铜基和铅基复合材料：特殊导体和电极材料。12、氧化铝短纤维增强铝基复合材料：在汽车制造等行业获得广泛应用。13、碳化硅晶须增强铝基复合材料：航天航空等高技术领域的先进的复合材料。14、短纤维增强金属基复合材料：用于航空航天航海和军事等部门。15、晶须增强金属基复合材料：制造飞机的支架，加强筋，挡板和推杆，导弹上的光学仪器平台，惯导器件等。16、长纤维增强陶瓷基复合材料目前用于增强陶瓷材料的长纤维主要是碳纤维或石墨纤维，它能大幅度的提高冲击韧性和热震性，降低陶瓷的脆性，而陶瓷基体则保证纤维在高温下不氧化烧蚀，使材料的综合力学性能大大提高。如碳纤维-Si3N4复合材料可在1400长期工作，用于制造飞机发动机叶片；碳纤维-石英陶瓷的冲击韧性比烧结石英大40倍，抗弯强度大(512)倍，能承受(12001500)的高温气流冲蚀，可用于宇航飞行器的防热部件上。