机械工程材料第九章非金属材料.ppt

第九章第九章 非金属材料非金属材料第九章第九章 非金属材料非金属材料一、高分子材料二、陶瓷材料三、复合材料一、高分子材料高分子材料:是指分子量很大（在104以上）的化合物，即高分子化合物组成的一类材料的总称。高分子材料有：有机高分子和无机高分子，天然高分子和人工合成高分子材料。目前，人工合成的有机高分子材料如塑料、合成橡胶、合成纤维等发展十分迅速，已成为一个品种繁多的庞大的工业部门，而且具有广阔的发展前途。人工合成的高分子材料本节简单地介绍人工合成的高分子材料的基本概念、结构、性能特征。1人工合成的高分子材料的基本概念2高聚物的结构特征3高聚物的基本特性1基本概念有机高分子化合物是由有机低分子化合物在一定条件下聚合而成的，具有重复排列链状结构的高聚物。如聚乙烯塑料就是由乙烯聚合而成的高分子材料。低分子化合物（如乙烯CH2=CH2）称为单体，大分子链重复排列的结构单元（如）称为链节，链节重复排列的个数n称为聚合度。聚合度越大，高聚物的大分子链越长，其分子量也就愈大。1基本概念高聚物与具有明确分子量的低分子化合物不同，同一高聚物因其聚合度不同，大分子链的长短各异，其分子量也就各不相同。通常所说高聚物的分子量是指其分子量的统计平均值。如：聚氯乙烯的分子量为20000160000。2高聚物的结构特征前面的学习知道金属材料的性能是它的组织结构决定的，同样，对非金属材料也不例外，它的性能特点仍然是由其组织结构决定的。(1)结合键(2)大分子链的构型与构象(3)高聚物的聚集态(1)结合键作为高聚物单体的低分子化合物必然具备不饱和的键，如各种烯烃类化合物、环状化合物和含有特殊官能团的化合物，在聚合反应中能形成两个以上的新键，把单体低分子变成链节连接成大分子链。否则不能聚合成大分子链，也就不能形成高聚物。在高分子链中原子以共价键结合，这种结合力称为主价力高分子链内组成元素不同，原子间共价键的结合力不同，聚合物的性能因而不同。在高聚物大分子之间一般是分子来链连接的，（靠分子间力连接的）这一结合力范德华力，称为次价力。(2)大分子链的构型与构象.构型：组成大分子链的链节在空间排列的几何形状称为构型。高聚物有线型(包括带支链的线型)和网体型两种构型。.构象：和其他物质分子一样，高聚物的分子链在不停的运动，这种运动是由单链内旋转引起的。大分子链是由成千上万个原子经共价键连接而成，其中以单键连接的原子，由于热运动，两个原子可作相对旋转，即在保持键角、键长不变的情况下，单键作旋转，称为内旋转。这种由于单键内旋转所产生的大分子链的空间形象称为高分子链的构象。(3)高聚物的聚集态固态高聚物存在着晶态和非晶态两种聚集状态。晶态高聚物大分子呈规则排列；非晶态高聚物的大分子呈乱混排列。由于高聚物的分子链很大，结构复杂，其结晶组织与低分子物质有很大的不同，存在着晶区和非晶区。同一个大分子链可穿过几个晶区和非晶区。在晶区内呈规则，有序排列，在非晶区内呈无序排列。在高聚物中结晶是不完全的，而且总是晶态与非晶态共存或全部非晶态。常用结晶度来衡量其结晶倾向晶区部分的体积或重量的百分数称结晶度。(3)高聚物的聚集态结晶度高，反映其排列规则紧密，分子之间的作用力强，因而刚性增加，其强度、硬度、耐热性、耐蚀性提高，反之，结晶度降低，说明其顺柔性增大，而弹性、塑性和韧性相应提高。高聚物的化学结构越简单，对称性愈高，分子之间的作用力越大，其结晶度愈高，反之，结晶度减少。如聚乙烯比聚氯乙烯结晶度高。不论是无定形（非晶态）高聚物还是结晶高聚物，随温度的变化其物理，力学状态会发生变化，以非晶态高聚物为例。随着温度的变化，高聚物可能出现玻璃态、高弹态和粘流态几种不同的物理力学状态。图91 非晶聚合物的 温度变形曲线3高聚物的基本特性（1）机械性能 低强度 高弹性和低弹性模量 粘弹性 高耐摩性（2）物理、化学性能 高绝缘性 低耐热性 低导热性 高热膨胀性 高化学稳定性 老化3高聚物的基本特性防老化的措施：表面防护：使其与外界致老化因素隔开。减少大分子链结构中的某些薄弱环节，提高其稳定性，推迟老化过程。加入防老化剂，使大分子链中上的活泼基团钝化，变成比较稳定的基团，以抑制链式反应的进行。4常用高分子材料4.1塑料4.2橡胶合成纤维胶粘剂涂料4.1工程塑料塑料是以有机合成树脂为主要组成的高分子材料，它通常可在加热、加压条件下塑制成型，故称为塑料。塑料的组成塑料的组成塑料是以有机合成树脂为基础，再加入添加剂所组成的。1.合成树脂是由低分子化合物通过缩聚或加聚反应合成的高分子化合物，如酚醛树脂、聚乙烯等，是塑料的主要组成，也起粘接剂作用。2.添加剂为改善塑料的性能而加入的其它组成，主要有：(1)填料或增强材料填料在塑料中主要起增强作用。(2)固化剂可使树脂具有体型网状结构，成为较坚硬和稳定的塑料制品。(3)增塑剂用以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。(4)稳定剂用以防止受热、光等的作用使塑料过早老化。工程塑料的分类热塑性塑料聚乙烯(PE)聚丙烯(PP)聚氯乙烯(PVC)聚苯乙烯(PS)热固性塑料ABS塑料酚醛塑料(PE)环氧塑料(EP)聚乙烯(PE)图例聚丙烯(PP)图例酚醛塑料(PE)图例酚醛塑料(PE)图例环氧塑料(EP)图例环氧塑料(EP)图例4.2橡胶1.橡胶的分类2.橡胶制品的组成1.橡胶的分类按照原料的来源，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶两大类。合成橡胶主要有七大品种：丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、异戊橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶和丁腈橡胶。习惯上按用途将合成橡胶分成两类：性能和天然橡胶接近，可以代替天然橡胶的通用橡胶和具有特殊性能的特种橡胶。2.橡胶制品的组成人工合成用以制胶的高分子聚合物称为生胶。生胶要先进行塑练，使其处于塑性状态，再加入各种配料，经过混练成型、硫化处理，才能成为可以使用的橡胶制品。配料主要包括：(1)硫化剂变塑性生胶为弹性胶的处理即为硫化处理，能起硫化作用的物质称硫化剂。常用的硫化剂有硫磺、含硫化合物、硒、过氧化物等。(2)硫化促进剂胺类、胍类、秋兰姆类、噻唑类及硫脲类物质，可以起降低硫化温度、加速硫化过程的作用，称为硫化促进剂。(3)补强填充剂为了提高橡胶的机械性能，改善其加工工艺性能，降低成本，常加入填充剂，如碳黑、陶土、碳酸钙、硫酸钡、氧化硅、滑石粉等。二、陶瓷材料陶瓷是一种无机非金属材料，由于它的熔点高、硬度高、化学稳定性高，具有耐高温、耐磨蚀、耐磨擦、绝缘等优点，在现代工业上已得到广泛的应用。陶瓷和金属材料，高分子材料一样，陶瓷材料的各种特殊性能都是由其化学组成、晶体结构、显微组织决定的。陶瓷是以天然的硅酸盐（如粘土、长石、石英等）或人工合成的化合物（氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物）为原料，经粉碎配制、成型和高温烧结而制成的，它是多相多晶体材料。二、陶瓷材料1组成2性能特点（机械性能）3.分类4工程陶瓷材料的特点与应用1组成 陶瓷的显微组织由晶相、玻璃相和气相组成，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。陶瓷中的晶相是主要组成相，主要来源是原料中的氧化物和硅酸盐，在陶瓷中最常见的晶体结构是氧化物结构和硅酸盐结晶相是陶瓷的主要组成相，对陶瓷制晶的强度、硬度、耐热性有决定性的影响。陶瓷中的玻璃相是一种非晶态的固体，它是烧结时，原料中的有些晶体物质如SiO2已处在熔化状态，但因熔点附近粘度大，原子迁移很困难，若以较快的速度冷却到熔点以上，原子不能规则地排列成晶体，而成为过冷液体，当其继续冷却到Tg温度时便凝固成非晶态的玻璃相。而且玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相。1组成玻璃相的作用是粘结分散的晶相，降低烧结温度。抑制晶相的晶粒长大和填充气孔，其热稳定性差，强度较晶向低，所以不能多，而气相是指陶瓷孔隙中的气体即气孔，它是陶瓷生产工艺过程中不可避免地形成并保留下来的，气孔对陶瓷性能有显著的影响，它使陶瓷密度减少，并能吸收震动，这是有利的，但它又使其强度降低，电击穿强度下降，绝缘性下降，这是不利的，因此对陶瓷中的气孔数量、形状、大小和分布有所控制。2性能特点（机械性能）高硬度硬度是陶瓷材料的重要性能指标，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。2性能特点（机械性能）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。陶瓷的熔点高于金属，具有优于金属的高温强度。大多数金属在1000以上就丧失强度，而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。4分类(1)普通陶瓷（传统陶瓷）(2)特种陶瓷 普通日用陶瓷 压电陶瓷 普通工业陶瓷 磁性陶瓷 1).建筑卫生瓷 电容器陶瓷 2).化学化工瓷 高温陶瓷 3).电工瓷 1).氧化物陶瓷 2).硼化物陶瓷 3).氮化物陶瓷 4).碳化物陶瓷3.工程陶瓷材料的特点与应用普通陶瓷的特点与应用特种陶瓷的特点与应用普通陶瓷的特点与应用普通陶瓷的组分构成原料为粘土、石英和长石。其特点是坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；制造工艺简单、成本低廉，用量大。普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器，良好光泽度、透明度，热稳定性和机械强度较高。普通工业陶瓷有炻器和精陶，有建筑卫生瓷（装饰板、卫生间装置及器具等）、电工瓷（电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷）、化学化工瓷（化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿）等。特种陶瓷的特点与应用 特种陶瓷有压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等。工程上最重要的是高温陶瓷，包括氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。氧化物陶瓷熔点大多2000以上,烧成温度约1800；单相多晶体结构，有时有少量气相；强度随温度的升高而降低，在1000以下时一直保持较高强度，随温度变化不大；纯氧化物陶瓷任何高温下都不会氧化。氧化铝（耐火砖、高压器皿、坩埚、电炉炉管、热电偶套管等），陶瓷氧化锆（冶炼坩埚和1800以上的发热体及炉子、反应堆绝热材料等）。碳化物陶瓷具有很高的熔点、硬度（近于金刚石）和耐磨性（特别是在浸蚀性介质中），缺点是耐高温氧化能力差（约9001000）、脆性极大。主要用途是作耐火材料（碳化硅）、磨料、有时用于超硬质工具材料（碳化硼）。特种陶瓷的特点与应用硼化物陶瓷包括硼化铬、硼化钼、硼化钛、硼化钨和硼化锆等，具有高硬度,较好的耐化学浸蚀能力，熔点18002500，使用温度1400，用于高温轴承、内燃机喷嘴，各种高温器件、处理熔融非铁金属的器件等，还用作电触点材料。氮化物陶瓷中的氮化硅陶瓷是键能高而稳定的共价键晶体，硬度高而摩擦系数低，有自润滑作用，是优良的耐磨减摩材料；氮化硅的耐热温度比氧化铝低，而抗氧化温度高于碳化物和硼化物，1200以下具有较高的机械性能和化学稳定性，且热膨胀系数小、抗热冲击，可做优良的高温结构材料，耐各种无机酸（氢氟酸除外）和碱溶液浸蚀，优良的耐腐蚀材料。普通日用陶瓷图例普通日用陶瓷图例卫生陶瓷图例氧化物陶瓷图例氧化铝热电偶套管氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷喷咀三、复合材料随着现代工业的发展，对材料的性能要求愈来愈高，除要求材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等性能外，甚至有些构件要求材料同时具有相互矛盾的性能，如既要求导电又要绝热，强度要比钢好，而弹性又要比橡胶好等等，这对单一材料是无法满足的，就要采用复合技术，于是出现了复合材料。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。如不同的非金属之间，不同的金属材料之间以及非金属材料与金属材料之间都可以互相复合。复合材料既要保持各自的最佳特性，又具有组合后的新特性，从而满足构件对性能的要求。三、复合材料复合材料性能复合材料组成复合材料的性能复合材料比其组成材料的性能更优越。(1).高比强度和高比模量(2).好的抗疲劳和抗断裂性能(3).高温下高的强度(4).优越的耐高温性能(5).良好的减摩、耐磨性(6).较强的减振能力(7).优良的电性能(8).较好的成型性与结构可设计性复合材料的组成复合材料一般由增强材料和基体材料组成。基体材料分金属材料和非金属材料两大类；增强材料最用效的是纤维材料，决定其主要力学性能，为结构用复合材料。另有不以改善力学性能为主要目的增强材料，如各种粒子、短纤维等材料，为功能复合材料。复合材料常用纤维有三类：1.金属纤维：钢、硼、钨、钼等2.有机纤维：人造丝、尼龙、聚酯、芳纶等3.无机纤维：玻璃、碳、碳化硅、晶须等非金属基复合材料非金属基复合材料聚合物基复合材料聚合物基复合材料玻璃钢碳纤维树脂复合材料硼纤维树脂复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料碳基复合材料碳基复合材料玻璃钢(1)热固性玻璃钢分类：酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂和有机硅树脂等。特点：优点 成形工艺简单、质量轻、比强度高、耐蚀性能好；缺点 弹性模量低(1/51/10结构钢)、耐热度低(250)、易老化。树脂改性改善性能：酚醛树脂和环氧树脂混溶的玻璃钢即有良好粘接性,又降低了脆性，还保持了耐热性,也具有较高的强度。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形状复杂的机器构件和车辆配件。玻璃钢(2)热塑性玻璃钢分类：以热塑性树脂为粘接剂的玻璃纤维增强材料，如尼龙、ABS、聚苯乙烯等。特点：强度不如热固性玻璃钢,但成形性好、生产率高，且比强度不低。用途：尼龙66玻璃钢 刚度、强度、减摩性好，作轴承、轴承架、齿轮等精密件、电工件、汽车仪表、前后灯等ABS玻璃钢 化工装置、管道、容器、聚苯乙烯玻璃钢 汽车内装、收音机机壳、空调叶片等 聚碳酸酯玻璃钢 耐磨、绝缘仪表等 碳纤维树脂复合材料特点：碳是六方结构的晶体(石墨)，共价键结合，比玻璃纤维强度更高，弹性模量也高几倍;高温低温性能好;很高的化学稳定性、导电性和低的摩擦系数，是很理想的增强剂；脆性大，与树脂的结合力不如玻璃纤维，表面氧化处理可改善其与基体的结合力。类别与应用：碳纤维环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯等得到广泛应用，如：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。硼纤维树脂复合材料特点：抗压强度和剪切强度都很高(优于铝合金、钛合金)，且蠕变小、硬度和弹性模量高，疲劳强度很高，耐辐射及导热极好（硼纤维比强度与玻璃纤维相近；比弹性模量比玻璃纤维高5倍；耐热性更高）。类别及应用：硼纤维环氧树脂、聚酰亚胺树脂等复合材料多用于航空航天器、宇航器的翼面、仪表盘、转子、压器机叶片、螺旋浆叶的传动轴等。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料碳基复合材料碳基复合材料金属基复合材料金属基复合材料金属陶瓷金属陶瓷纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料细粒和晶须增强金属基复合材料细粒和晶须增强金属基复合材料金属陶瓷金属陶瓷 组成及分类：金属（通常为钛、镍、钴、铬等及其合金）和陶瓷（通常为氧化物、碳化物、硼化物和氮化物等)组成的非均质材料，是颗粒增强型的复合材料。金属和陶瓷按不同配比组成工具材料（陶瓷为主）、高温结构材料（金属为主）和特殊性能材料。性能及应用：氧化物金属陶瓷多以铬为粘接金属，热稳定性和抗氧化能力较好,韧性高，做高速切削工具材料，还可做高温下工作的耐磨件,如喷嘴、热拉丝模以及耐蚀环规、机械密封环等。纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料 类别：纤维材料：硼纤维，碳化硅纤维，氧化铝纤维以及高强度金属丝等；基体材料：铝及铝合金，镁合金、钛合金和镍合金等。特点及应用：比强度高、比模量高和耐高温，适合于作航天飞机主舱骨架支柱、发动机叶片、尾翼、空间站结构材料、汽车构件、保险杠、活塞连杆、自行车车架、体育运动器械细粒和晶须增强金属基复合材料细粒和晶须增强金属基复合材料 组成：基体材料：铝、镁和钛合金；增强材料：碳化硅、碳化硼、氧化铝细粒或晶须。特点及应用：极高的比强度和比模量；广泛应用于军工行业，如制造轻质装甲、导弹飞翼、飞机部件、汽车工业的发动机活塞、制动件、喷油嘴件等也有使用。工程塑料工程塑料以有机合成树脂为主要组成的高分子材料，可在加热、加压条件下塑制成型，故称为塑料