工程材料学第09章 其他材料-new.ppt

第九章第九章 其他材料其他材料 陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料第一节第一节 陶瓷材料陶瓷材料一、一、什么是陶瓷材料什么是陶瓷材料 陶瓷是以天然或人工合成的陶瓷是以天然或人工合成的无机非金属无机非金属物质物质为原料，通过为原料，通过成成型型和高温和高温烧结烧结制成的制成的固体材料固体材料。二、二、陶瓷材料分类陶瓷材料分类1、按化学成分按化学成分 氧化物陶瓷：氧化物陶瓷：如：如：Al2O3，ZrO2，MgO 氮化物陶瓷：氮化物陶瓷：如：如：Si3N4，AlN，BN 硅化物陶瓷：硅化物陶瓷：如：如：SiC，TiC，WC 硼化物陶瓷：硼化物陶瓷：如：如：TiB2，ZrB2，Mo2B2、按性能和用途分、按性能和用途分 结构陶瓷：具有优良的结构陶瓷：具有优良的力学性能力学性能，用来制作，用来制作结构件结构件的一类的一类 陶瓷（如高温高强陶瓷，超硬模具陶瓷）。陶瓷（如高温高强陶瓷，超硬模具陶瓷）。功能陶瓷：功能陶瓷：具有特殊具有特殊物理、化学性能物理、化学性能，用来制作，用来制作功能器件功能器件的的 一类陶瓷（如压电陶瓷、半导体陶瓷）一类陶瓷（如压电陶瓷、半导体陶瓷）结构陶瓷结构陶瓷功能陶瓷功能陶瓷三、三、三、三、陶瓷的组织和结构陶瓷的组织和结构陶瓷的组织和结构陶瓷的组织和结构陶瓷材料主要的相有：陶瓷材料主要的相有：晶体相晶体相 玻璃相玻璃相 气相气相1、晶体相晶体相：是陶瓷材料的：是陶瓷材料的主要组成相主要组成相，它是由一些，它是由一些 化合物和以化合物为基的固溶体组成。化合物和以化合物为基的固溶体组成。陶瓷中晶体相种类陶瓷中晶体相种类 氧化物：氧化物：如：如：Al2O3，TiO2等等 非氧化物：如：非氧化物：如：Si3N4，SiC 等等 含氧酸盐：含氧酸盐：如：如：硅酸盐硅酸盐，钛酸盐，锆酸盐等，钛酸盐，锆酸盐等2、玻璃相玻璃相 1）形成）形成：对于硅酸盐类陶瓷，其主要组成为对于硅酸盐类陶瓷，其主要组成为SiO2。SiO2的熔的熔 点较低，在烧结的过程中常呈熔化状态，点较低，在烧结的过程中常呈熔化状态，SiO2的结的结 晶动力学非常慢晶动力学非常慢，在随后的冷却过程中不易结晶，在随后的冷却过程中不易结晶，而形成非晶态玻璃相。玻璃相的原子排列是长程无而形成非晶态玻璃相。玻璃相的原子排列是长程无 序，但短程有序。序，但短程有序。2）作用：作用：连结结晶相，填充晶体相之间的空隙，提高材料密度。连结结晶相，填充晶体相之间的空隙，提高材料密度。降低烧结温度，加快烧结过程降低烧结温度，加快烧结过程 抑制晶体长大抑制晶体长大3）缺点）缺点：玻璃相的熔点低，降低高温强度。玻璃相的熔点低，降低高温强度。三、三、气相气相1、形成：形成：气相是指陶瓷组织内部残留下来的气体，由于原始气相是指陶瓷组织内部残留下来的气体，由于原始粉体中存在的水分和水解产物，在烧结过程中来不及逸出而残粉体中存在的水分和水解产物，在烧结过程中来不及逸出而残留在陶瓷中留在陶瓷中，是烧结过程中不可避免的。，是烧结过程中不可避免的。2、对陶瓷材料的影响对陶瓷材料的影响 1）产生应力集中，引起裂纹，降低力学性能。）产生应力集中，引起裂纹，降低力学性能。2）降低导热率。）降低导热率。3）降低陶瓷的透明度。）降低陶瓷的透明度。因此陶瓷中的气孔应尽可能少因此陶瓷中的气孔应尽可能少 四、四、陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能1、力学性能力学性能1）刚度高，硬度高刚度高，硬度高 因陶瓷材料大都是因陶瓷材料大都是共价键或离子键共价键或离子键结合，结合，结合键牢固，因此弹性模量高（刚度高），同结合键牢固，因此弹性模量高（刚度高），同时具有高硬度和高耐磨性。时具有高硬度和高耐磨性。2）塑性差，韧性差塑性差，韧性差 材料的塑性主要源于位错在滑移面上的滑移，材料的塑性主要源于位错在滑移面上的滑移，尽管陶瓷材料的主要相是晶体相，存在位错，尽管陶瓷材料的主要相是晶体相，存在位错，但由于晶体结构较复杂，滑移较少，位错难以但由于晶体结构较复杂，滑移较少，位错难以运动。运动。3）强度）强度 陶瓷材料具有较高的抗压强度，但较低的陶瓷材料具有较高的抗压强度，但较低的抗拉强度。通过提高致密度和抗拉强度。通过提高致密度和细化晶粒细化晶粒可提高可提高其抗拉强度。其抗拉强度。2 2、物理化学性能、物理化学性能、物理化学性能、物理化学性能热性能热性能 陶瓷材料的熔点高，热膨胀系数低，具有优良的陶瓷材料的熔点高，热膨胀系数低，具有优良的耐热性耐热性，同时导热性低，同时导热性低，是优良的是优良的绝热材料绝热材料。电性能和光学特性电性能和光学特性 一些陶瓷材料具有多种功能特性，如：一些陶瓷材料具有多种功能特性，如：压电陶瓷、半导体陶瓷、红外光压电陶瓷、半导体陶瓷、红外光学材料学材料、激光材料、光导纤维激光材料、光导纤维等。等。化学性能化学性能 陶瓷的结构很稳定，具有优良的抗氧化性和不可燃性，陶瓷的结构很稳定，具有优良的抗氧化性和不可燃性，对酸、碱、盐介质有很高的抗蚀性，对酸、碱、盐介质有很高的抗蚀性，与多种金属熔体不发生作用，是很好坩埚材料与多种金属熔体不发生作用，是很好坩埚材料。五、五、陶瓷材料在机械工业中的应用陶瓷材料在机械工业中的应用1、氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷1）组成）组成：Al2O3SiO2（少量），（少量），其中其中Al2O3 95 Al2O3(多晶）也称多晶）也称刚玉刚玉。2）性能）性能：硬度高，耐高温（熔点可达硬度高，耐高温（熔点可达2050C），可在），可在1600C以上以上 长期使用；长期使用；耐酸碱腐蚀性能强；耐酸碱腐蚀性能强；塑性差，脆性大，不能承受冲击载荷。塑性差，脆性大，不能承受冲击载荷。3）应用：）应用：氧化铝陶瓷了用于高速切削刀具，高温炉零件，内氧化铝陶瓷了用于高速切削刀具，高温炉零件，内 燃机火花塞等。燃机火花塞等。2、氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 1）组成组成：Si3N4（六方晶系）（六方晶系）2）性能）性能：具有极强的共价键，因而硬度高，耐磨性好；具有极强的共价键，因而硬度高，耐磨性好；耐腐蚀性好。耐腐蚀性好。热稳定性优于氧化铝陶瓷，是非常好的热稳定性优于氧化铝陶瓷，是非常好的 高温结构材料。高温结构材料。3）应用：）应用：可用作高温切削刀具，高温轴承，燃气轮机叶可用作高温切削刀具，高温轴承，燃气轮机叶 片，燃烧室喷嘴，高温模具等。片，燃烧室喷嘴，高温模具等。第二节第二节 高分子材料高分子材料一、基本概念一、基本概念1、高分子化合物与低分子化合物高分子化合物与低分子化合物 高分子化合物高分子化合物是以是以分子量特别大（分子量特别大（5000以上以上）的化合物的化合物，分子长度约，分子长度约102-104nm。如：橡胶、塑料等如：橡胶、塑料等 低分子化合物低分子化合物是相对分子量是相对分子量500，分子长度为，分子长度为0.1-102nm，是形成高分子化合物的，是形成高分子化合物的单体，单体，如如乙烯等乙烯等。2、单体与大分子链单体与大分子链 单体单体形成高分子化合物的基本单元。由单体变成高分子化合物的过程称为形成高分子化合物的基本单元。由单体变成高分子化合物的过程称为聚聚合合。大分子链大分子链通过共价键连接起来的具有链状结构的大分子称为通过共价键连接起来的具有链状结构的大分子称为大分子链大分子链。如乙烯通过聚合反应形成聚乙烯如乙烯通过聚合反应形成聚乙烯3.链节与聚合度链节与聚合度链节链节-组成大分子链的重复结构单元叫做链节。如聚乙烯组成大分子链的重复结构单元叫做链节。如聚乙烯 中的中的“CH2 CH2”聚合度聚合度-大分子链中链节的重复次数称为聚合度（大分子链中链节的重复次数称为聚合度（n）。）。4.相对分子质量及多分散性相对分子质量及多分散性 大分子的相对分子质量大分子的相对分子质量 M=m n m-链节的相对分子质量；链节的相对分子质量；n-聚合度聚合度;相对分子量愈大，相对分子量愈大，强度愈高。强度愈高。二、高分子化合物的分类及名称二、高分子化合物的分类及名称二、高分子化合物的分类及名称二、高分子化合物的分类及名称1.按主链上的化学组成分类按主链上的化学组成分类（1）碳链高聚物：）碳链高聚物：大分子主链全部由大分子主链全部由C原子组成，即：原子组成，即：CCC 聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯（2）杂链高聚物，）杂链高聚物，大分子主链上除了大分子主链上除了C原子外，原子外，还有还有O，N，S等原子等原子 如：如：CCOC，CNCC等等 如：聚醚、聚脂、聚酰胺、聚甲醛如：聚醚、聚脂、聚酰胺、聚甲醛（3）元素有机高聚物，）元素有机高聚物，主链上没有主链上没有C原子，原子，主要由主要由O及其他元素组成：即：及其他元素组成：即：OSiOSi,如：甲基、乙基，芳基等2.按热行为分类按热行为分类（1）热塑性高聚物：热塑性高聚物：加热软化，加热软化，冷却硬化冷却硬化 如：塑料、橡胶如：塑料、橡胶（2）热固性高聚物：）热固性高聚物：加热后固化，加热后固化，但不可逆但不可逆 如：酚醛树脂、环氧树脂如：酚醛树脂、环氧树脂三、高分子材料的结构三、高分子材料的结构三、高分子材料的结构三、高分子材料的结构1、大分子链的化学组成、大分子链的化学组成2、大分子链的结构、大分子链的结构1）线型链：）线型链：各链节连接成线状长链。加工成形时，长链可收缩，也可伸长，使高聚物各链节连接成线状长链。加工成形时，长链可收缩，也可伸长，使高聚物具有良好的弹性和塑性。加热可软化或熔化，冷却又变硬，且可反复进行。具有良好的弹性和塑性。加热可软化或熔化，冷却又变硬，且可反复进行。具有这样特性的高聚物称为具有这样特性的高聚物称为热塑性高聚物热塑性高聚物，热塑性高聚物可以重复使用。，热塑性高聚物可以重复使用。网状链网状链：各链节各链节交联形成网状结构交联形成网状结构或或立体结构立体结构。具有此种结构的高聚物硬。具有此种结构的高聚物硬度、强度较高，弹性、塑性较差，具有良好的耐热性。只能在度、强度较高，弹性、塑性较差，具有良好的耐热性。只能在形形成网状结构前一次成形成网状结构前一次成形，固化后硬而脆，固化后硬而脆，不能重复使用不能重复使用。具有这样特性的高聚物称为具有这样特性的高聚物称为热固性高聚物热固性高聚物四、高分子材料的物理状态四、高分子材料的物理状态1、高聚物的三态、高聚物的三态1）玻璃态）玻璃态 低温下呈普弹性状态；保持玻璃态的最低温下呈普弹性状态；保持玻璃态的最高温度称为玻璃化温度（高温度称为玻璃化温度（Tg）；）；高于高于Tg，玻璃态将转变为高弹态。玻璃态将转变为高弹态。2.高弹态高弹态 温度在温度在Tg-Tt之间（之间（Tt为粘流态温度）为粘流态温度）；高分子的分子动性加大，能产生很大；高分子的分子动性加大，能产生很大弹性变形（弹性变形（1001000）；）；3.粘流态粘流态 温度高于温度高于Tt，高分子由高弹态转变为粘，高分子由高弹态转变为粘流态。此时，分子活动能力更大，大分流态。此时，分子活动能力更大，大分子可发生相对滑动。树脂即为在室温下子可发生相对滑动。树脂即为在室温下的粘流态。的粘流态。室温下，橡胶是高弹态，塑料是玻璃态室温下，橡胶是高弹态，塑料是玻璃态2 2、高聚物的基本性能、高聚物的基本性能、高聚物的基本性能、高聚物的基本性能1.物理性能物理性能（1）低密度：）低密度：=1.02.0g/cm3;min=0.83 g/cm3;为钢的为钢的1/8 1/4，普，普通陶瓷的通陶瓷的1/2；（2）绝缘性好：共价键，无自由电子）绝缘性好：共价键，无自由电子（3）耐腐蚀：化学性质十分稳定）耐腐蚀：化学性质十分稳定（4）耐热性差：导热系数仅为）耐热性差：导热系数仅为1/200 1/6002.力学性能力学性能（1 1）高弹性：）高弹性：E=1 E=1 MPaMPa,弹性变形可达弹性变形可达100%-1000%100%-1000%；（2 2）粘弹性：）粘弹性：蠕变，应力松弛蠕变，应力松弛3.高分子破坏形式高分子破坏形式1）断裂）断裂2)开裂开裂（应力引起）（应力引起）3）老化老化 （降解引起）（降解引起）