第九章 非金属材料和复合材料课件.ppt

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1、闫芳制作闫芳制作第九章第九章 非金属材料和复合材料非金属材料和复合材料 非金属材料非金属材料指工程材料中除金属材料以外的其他一指工程材料中除金属材料以外的其他一切材料。切材料。 非金属材料的原料来源广泛，自然资源丰富，成形非金属材料的原料来源广泛，自然资源丰富，成形工艺简单，具有一些特殊性能，应用日益广泛，已工艺简单，具有一些特殊性能，应用日益广泛，已成为机械工程材料中不可缺少的重要组成部分。成为机械工程材料中不可缺少的重要组成部分。 在机械工程中常用的非金属材料主要包括在机械工程中常用的非金属材料主要包括有机非金有机非金属材料、无机非金属材料和复合材料属材料、无机非金属材料和复合材料 9.1

2、 非金属材料非金属材料 定义：定义：是以有机高分子化合物为主是以有机高分子化合物为主 要成分的材料，又称为高分子材料要成分的材料，又称为高分子材料。 分类：分类：工程塑料、橡胶、粘结剂、油漆等。工程塑料、橡胶、粘结剂、油漆等。1、塑料的概述、塑料的概述n 以合成树脂为基础，加入各种添加剂（如增塑剂、以合成树脂为基础，加入各种添加剂（如增塑剂、 润滑剂、稳定剂、填充剂等）制成的。润滑剂、稳定剂、填充剂等）制成的。n 塑料的品种很多，按其使用范围可分为通用塑料、塑料的品种很多，按其使用范围可分为通用塑料、工程塑料。工程塑料。n 按合成树脂的热性能，可分为热塑性塑料和热固性按合成树脂的热性能，可分为

3、热塑性塑料和热固性塑料。塑料。2、塑料的分类、塑料的分类一、塑料一、塑料 3、塑料的性能、塑料的性能n 化学性能化学性能 塑料具有良好的耐腐蚀性能，大多数塑料塑料具有良好的耐腐蚀性能，大多数塑料能耐大气、水、酸、碱、油的腐蚀，其中聚四氟乙烯能耐大气、水、酸、碱、油的腐蚀，其中聚四氟乙烯能耐能耐“王水王水”的腐蚀。因此工程塑料能制作化工机械的腐蚀。因此工程塑料能制作化工机械零件及在腐蚀介质中工作的零件。零件及在腐蚀介质中工作的零件。n 物理性能塑料的密度小，相当于钢密度的物理性能塑料的密度小，相当于钢密度的l4_17；热性能不如金属，遇热易老化、分解；塑料的导热性热性能不如金属，遇热易老化、分解

4、；塑料的导热性差，有良好的电绝缘性，塑料线膨胀系数大，一般为差，有良好的电绝缘性，塑料线膨胀系数大，一般为钢的钢的310倍。倍。n 力学性能力学性能 一般塑料的强度、刚度和韧性都较差，其一般塑料的强度、刚度和韧性都较差，其强度仅为强度仅为30150MPa；塑料具有良好的减摩性；塑；塑料具有良好的减摩性；塑料容易出现蠕变与应力松弛；塑料还具有良好的减振料容易出现蠕变与应力松弛；塑料还具有良好的减振性和消声性。性和消声性。4、工程塑料、工程塑料n 工程塑料是指在工程技术中用做结构材料的工程塑料是指在工程技术中用做结构材料的塑料。塑料。n 目前工业上应用最多的非金属材料。目前工业上应用最多的非金属材

5、料。 工程上用的塑料种类很多。工程上用的塑料种类很多。n 橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合剂而制成的橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合剂而制成的高分子材料。高分子材料。 n 橡胶具有弹性大（最高伸长率可达橡胶具有弹性大（最高伸长率可达8001000，外力去除后能迅速恢复原状），吸振能力强，耐磨性、外力去除后能迅速恢复原状），吸振能力强，耐磨性、隔声性、绝缘性好，可积储能量，有隔声性、绝缘性好，可积储能量，有定的耐蚀性和定的耐蚀性和足够的强度等有点，其主要缺点是易老化。足够的强度等有点，其主要缺点是易老化。 二、橡胶二、橡胶 1、橡胶的组成、橡胶的组成n 橡胶是以生胶为基础加入适量的配合剂

6、制成的高分子橡胶是以生胶为基础加入适量的配合剂制成的高分子材料。其中生胶又分为天然与合成两类，橡胶制品的材料。其中生胶又分为天然与合成两类，橡胶制品的性质主要取决于生胶的性质。合成橡胶的品种很多，性质主要取决于生胶的性质。合成橡胶的品种很多，如丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶等。如丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶等。n 配合剂是为了提高和改善橡胶制品的性能而加入的物配合剂是为了提高和改善橡胶制品的性能而加入的物质。橡胶配合剂的种类很多，如硫化剂及其促进剂、质。橡胶配合剂的种类很多，如硫化剂及其促进剂、软化剂、防老化剂、填充剂、发泡剂和着色剂等。如软化剂、防老化剂、填充剂、发泡剂和着色剂

7、等。如硫化剂的作用类似热固性塑料中的固化剂，它能改变硫化剂的作用类似热固性塑料中的固化剂，它能改变橡胶分子的结构，提高橡胶的力学性能，并使橡胶具橡胶分子的结构，提高橡胶的力学性能，并使橡胶具有既不溶解，也不熔融的性质，克服橡胶因温度升高有既不溶解，也不熔融的性质，克服橡胶因温度升高而变软发粘的缺点。因此，橡胶制品只有经硫化后才而变软发粘的缺点。因此，橡胶制品只有经硫化后才能使用。天然橡胶常以硫磺作硫化剂。能使用。天然橡胶常以硫磺作硫化剂。种类名称（代号）b/MPa/%使用温度t/回弹性耐磨性耐碱性耐酸性耐油性耐老化用 途 举 例通用橡胶天然橡胶（NR）1735650900-70110好 中 好

8、 差差轮胎、胶带、胶管丁苯橡胶（SBR）1520500600-50140中 好 中 差差 好轮胎、胶板、胶布、胶带、胶管顺丁橡胶（BR）1825450800-70120好 好 好 差差 好轮胎、v带、耐寒运输带、绝缘件氯丁橡胶（CR）25278001000-35130中 中 好 中好 好电线(缆)包皮，耐燃胶带、胶管，汽车门窗嵌条，油罐衬里丁腈橡胶（NBR）1530300800-35175中 中 中 中好 中耐油密封圈、输油管、油槽衬特种橡胶聚氨酯橡胶（UR）2035300800-3080中 好 差 差好耐磨件、实心轮胎、胶辊氟橡胶（FPM）2022100500-50300中 中 好 好好 好

9、高级密封件，高耐蚀件，高真空橡胶件硅橡胶41050500-100300差 差 好 中差 好耐高、低温制品和绝缘件2、常用的橡胶、常用的橡胶n 胶黏剂又称粘接剂，是以黏性物质环氧树脂、酚醛树胶黏剂又称粘接剂，是以黏性物质环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、氯丁橡胶、丁腈橡胶等为基础，加入脂、聚酯树脂、氯丁橡胶、丁腈橡胶等为基础，加入需要的添加剂需要的添加剂(填料、固化剂、增塑剂、稀释剂等填料、固化剂、增塑剂、稀释剂等)组组成的，俗称胶。成的，俗称胶。n 环氧树脂胶黏剂环氧树脂胶黏剂 凡是以环氧树脂为基料的粘接剂统凡是以环氧树脂为基料的粘接剂统称为环氧树脂粘接剂，简称为环氧胶。环氧胶是由环称为环氧树脂粘

10、接剂，简称为环氧胶。环氧胶是由环氧树脂、固化剂、各种添加剂组成的。环氧胶具有很氧树脂、固化剂、各种添加剂组成的。环氧胶具有很强的粘合力，对大部分材料如金属、木材、玻璃、陶强的粘合力，对大部分材料如金属、木材、玻璃、陶瓷、橡胶、混凝土、纤维、塑料、竹木、皮革、织物瓷、橡胶、混凝土、纤维、塑料、竹木、皮革、织物等都有良好的黏合能力，故有等都有良好的黏合能力，故有“万能胶万能胶”之称。之称。三、胶黏剂三、胶黏剂n 酚醛树脂胶黏剂。酚醛树脂胶黏剂。 酚醛树脂胶黏剂的粘接力强、耐高酚醛树脂胶黏剂的粘接力强、耐高温，其缺点是性脆、剥离强度差。酚醛树脂胶是用量温，其缺点是性脆、剥离强度差。酚醛树脂胶是用量最

11、大的品种之一。主要用于胶接木材、木质层压板、最大的品种之一。主要用于胶接木材、木质层压板、胶合板、泡沫塑料，也可用于胶接金属、陶瓷。胶合板、泡沫塑料，也可用于胶接金属、陶瓷。n 其他常用的胶黏剂。其他常用的胶黏剂。 如聚氨酯胶黏剂、瞬干胶、厌氧如聚氨酯胶黏剂、瞬干胶、厌氧胶、无机胶黏剂等。聚氨酯胶黏剂胶膜柔软，耐油性胶、无机胶黏剂等。聚氨酯胶黏剂胶膜柔软，耐油性好，但使用温度较低，可用于胶接金属、塑料、陶瓷、好，但使用温度较低，可用于胶接金属、塑料、陶瓷、玻璃、橡胶、皮革、木材等多种材料；玻璃、橡胶、皮革、木材等多种材料；n 瞬干胶黏度小，适应面广。胶膜较脆，不耐水，耐热瞬干胶黏度小，适应面广

12、。胶膜较脆，不耐水，耐热性和耐溶剂性较差。使用温度范围在性和耐溶剂性较差。使用温度范围在-4070，在室，在室温下接触水汽瞬间固化。可胶接金属、陶瓷、塑料、温下接触水汽瞬间固化。可胶接金属、陶瓷、塑料、橡胶等材料的小面积胶接和固化；橡胶等材料的小面积胶接和固化；n 厌氧胶工艺性好，毒性小，固化后的抗蚀性、耐热性、厌氧胶工艺性好，毒性小，固化后的抗蚀性、耐热性、耐寒性均较好。使用温度范围在耐寒性均较好。使用温度范围在401500C。可用于。可用于防止螺钉松动、轴承的固定、法兰及螺纹接头的密封防止螺钉松动、轴承的固定、法兰及螺纹接头的密封和防漏、填塞缝隙，也可用于胶接；无机胶黏剂有优和防漏、填塞缝

13、隙，也可用于胶接；无机胶黏剂有优良的耐热性，长期使用温度范围为良的耐热性，长期使用温度范围为80010000C，胶，胶接强度高，低温性能较好，耐候性极好，耐水、耐油接强度高，低温性能较好，耐候性极好，耐水、耐油性好。但耐酸、碱性较差，不耐冲击。可用于各种刃性好。但耐酸、碱性较差，不耐冲击。可用于各种刃具的胶接，小砂轮的黏结，塞规、卡规的黏结，铸件具的胶接，小砂轮的黏结，塞规、卡规的黏结，铸件砂眼堵漏，汽缸盖裂纹的胶补等。砂眼堵漏，汽缸盖裂纹的胶补等。n 涂料指涂布在物体表面而形成具有保护和装饰作用膜涂料指涂布在物体表面而形成具有保护和装饰作用膜层的材料。传统的涂料用植物油和天然树脂熬炼而成，层

14、的材料。传统的涂料用植物油和天然树脂熬炼而成，称为称为“油漆油漆”。随着石油化工和合成聚合物工业的发。随着石油化工和合成聚合物工业的发展，当前植物油和天然树脂已逐渐为合成聚合物改性展，当前植物油和天然树脂已逐渐为合成聚合物改性和取代，涂料所包括的范围已远远超过和取代，涂料所包括的范围已远远超过“油漆油漆”原来原来的狭义范围。的狭义范围。n 当前，涂料的品种有上千种，用于防腐的涂料有防锈当前，涂料的品种有上千种，用于防腐的涂料有防锈漆、底漆、大漆、酚醛树脂漆、环氧树脂漆以及某些漆、底漆、大漆、酚醛树脂漆、环氧树脂漆以及某些塑料涂料如聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等。塑料涂料如聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等

15、。四、涂料四、涂料n 在建筑工程中，习惯上把用于控制室内热量外流的材在建筑工程中，习惯上把用于控制室内热量外流的材 料称为保温材料。材料的保温性能用热导率来评定。料称为保温材料。材料的保温性能用热导率来评定。 n 一般常用的保温材料可分为一般常用的保温材料可分为l0大类：珍珠岩类、蛭石大类：珍珠岩类、蛭石类、硅藻土类、泡沫混凝土类、软木类、石棉类、玻类、硅藻土类、泡沫混凝土类、软木类、石棉类、玻璃纤维类、泡沫塑料类、矿渣棉类、岩棉类，其相关璃纤维类、泡沫塑料类、矿渣棉类、岩棉类，其相关性能可参阅有关手册。性能可参阅有关手册。五、保温材料五、保温材料n 力学性能力学性能 与金属材料相比，陶瓷具有

16、很高的弹性模与金属材料相比，陶瓷具有很高的弹性模量和硬度量和硬度(维氏硬度维氏硬度1500抗压强度较高，但脆性较大，抗压强度较高，但脆性较大，韧性较低，抗拉强度很低。韧性较低，抗拉强度很低。n 热性能热性能 陶瓷材料的熔点高，抗蠕变能力强，具有比陶瓷材料的熔点高，抗蠕变能力强，具有比金属高得多的耐热眭，红硎可达金属高得多的耐热眭，红硎可达l000以上，热膨胀以上，热膨胀系数和导热系数小，是优良的绝热材料。但陶瓷的抗系数和导热系数小，是优良的绝热材料。但陶瓷的抗急冷急热的性能差。急冷急热的性能差。n 化学性能化学性能 陶瓷的组织结构非常稳定，即使在陶瓷的组织结构非常稳定，即使在10000C也不会

17、被氧化，不会被酸也不会被氧化，不会被酸 碱、盐和许多熔融的金属碱、盐和许多熔融的金属(如有色金属银、铜等如有色金属银、铜等)侵蚀，不会发生老化。侵蚀，不会发生老化。n 电性能电性能 陶瓷材料的导电性变化范围很广。大多数陶陶瓷材料的导电性变化范围很广。大多数陶瓷都是良好的绝缘体。但煳制了不少具有导电性的特瓷都是良好的绝缘体。但煳制了不少具有导电性的特种陶瓷，如氧化物半导体陶瓷等。种陶瓷，如氧化物半导体陶瓷等。一、陶瓷材料一、陶瓷材料1、陶瓷的基本性能、陶瓷的基本性能n 陶瓷的种类很多，按照陶瓷的原料和用途不同，可分陶瓷的种类很多，按照陶瓷的原料和用途不同，可分为普通陶瓷和特种陶瓷两类。以石英为普

18、通陶瓷和特种陶瓷两类。以石英 等为原料，经过等为原料，经过原料加工、成形和烧结而成。广泛用于人们的日常生原料加工、成形和烧结而成。广泛用于人们的日常生活、建筑、卫生、活、建筑、卫生、力及化工等领域。如餐具、艺术品、力及化工等领域。如餐具、艺术品、装饰材料、电器支柱、耐酸砖等。装饰材料、电器支柱、耐酸砖等。2、陶瓷材料的应用、陶瓷材料的应用n 特种陶瓷是化学合成陶瓷。它以化工原料特种陶瓷是化学合成陶瓷。它以化工原料(如氧化物、如氧化物、氮化物、碳化物等氮化物、碳化物等)经配料、成形、烧结而制成。根据经配料、成形、烧结而制成。根据其主要成分，又可分为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮其主要成分，又可分为氧

19、化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。3、特种陶瓷、特种陶瓷n 复合材料一般由基体相和增强相构成。基体相起形复合材料一般由基体相和增强相构成。基体相起形成几何形状和粘结作用；增强相起提高强度、韧性成几何形状和粘结作用；增强相起提高强度、韧性等的作用。等的作用。1、复合材料的组成、复合材料的组成9.2 复合材料复合材料 复合材料复合材料 由两种或两种以上性质不同的物质，经人工组合而成由两种或两种以上性质不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料，称为复合材料。的多相固体材料，称为复合材料。n 纤维增强复合材料这类复合材料是以玻璃纤维、碳纤纤维增强复合材料这类复合材

20、料是以玻璃纤维、碳纤维等陶瓷材料作增强相，复合于塑料、树脂、橡胶和维等陶瓷材料作增强相，复合于塑料、树脂、橡胶和金属等为基体相的材料中而制成的。如橡胶轮胎、玻金属等为基体相的材料中而制成的。如橡胶轮胎、玻璃钢、纤维增强陶瓷等都是纤维增强复合材料。璃钢、纤维增强陶瓷等都是纤维增强复合材料。n 层叠复合材料层叠复合材料 这类复合材料是由两层或两层以上不这类复合材料是由两层或两层以上不同材料复合而成的。如五合板、钢一铜一塑料复合的同材料复合而成的。如五合板、钢一铜一塑料复合的无油润滑轴承材料等就是层叠复合材料。无油润滑轴承材料等就是层叠复合材料。n 颗粒复合材料这类材料是由一种或多种颗粒均匀分布颗粒

21、复合材料这类材料是由一种或多种颗粒均匀分布在基体相内而制成的。硬质合金就是在基体相内而制成的。硬质合金就是WCC0或或WCTiCC0等组成的颗粒复合材料。等组成的颗粒复合材料。2、复合材料的分类、复合材料的分类1）玻璃纤维增强复合材料）玻璃纤维增强复合材料n 以玻璃纤维为增强材料，以热塑性发热固性塑料为基以玻璃纤维为增强材料，以热塑性发热固性塑料为基体材料组成的复合材料，又称玻璃钢。体材料组成的复合材料，又称玻璃钢。n 强度、弹性模量、耐热性、抗疲劳性和抗蠕变性均较强度、弹性模量、耐热性、抗疲劳性和抗蠕变性均较高。高。二、常用纤维增强复合材料二、常用纤维增强复合材料2）碳纤维复合材料）碳纤维复

22、合材料 n 以碳纤维为增强材料，以树脂、石墨、陶瓷或金属以碳纤维为增强材料，以树脂、石墨、陶瓷或金属味基体组成的复合材料。味基体组成的复合材料。n 主要用于制作齿轮、轴承、活塞、密封环、化工器主要用于制作齿轮、轴承、活塞、密封环、化工器材零件、航空航天飞行器的机架、壳体、火箭、卫材零件、航空航天飞行器的机架、壳体、火箭、卫星装置、雷达天线构架等重要器件。星装置、雷达天线构架等重要器件。n 断裂断裂 包括静载荷或冲击载荷下的断裂、疲劳断裂、包括静载荷或冲击载荷下的断裂、疲劳断裂、应力腐蚀破裂等。应力腐蚀破裂等。n 表面损伤表面损伤 包括过量磨损、接触疲劳包括过量磨损、接触疲劳(点蚀或剥落点蚀或剥

23、落)、表面腐蚀等。表面腐蚀等。n 过量变形过量变形 包括过量的弹性变形、塑性变形和蠕变等。包括过量的弹性变形、塑性变形和蠕变等。不论哪种过量变形，都会造成零件不论哪种过量变形，都会造成零件(或工具或工具)尺寸和尺寸和形状的变化，改变了它们的正确使用位置，破坏了形状的变化，改变了它们的正确使用位置，破坏了零件或部件问相互配合的关系，使机器不能正常工零件或部件问相互配合的关系，使机器不能正常工作。作。1、机械零件的失效形式、机械零件的失效形式9.3 机械工程材料的选用机械工程材料的选用一、零件的失效形式和选材原则一、零件的失效形式和选材原则n 材料的使用性能应满足。零件的工作要求使用性能材料的使用

24、性能应满足。零件的工作要求使用性能是保证零件工作安全可靠、经久耐用的必要条件。是保证零件工作安全可靠、经久耐用的必要条件。n 材料的工艺性。材料的工艺性。 应满足加工要求材料的工艺性是指应满足加工要求材料的工艺性是指材料适应某种加工的能力。材料的工艺性能好坏，材料适应某种加工的能力。材料的工艺性能好坏，对于零件加工的难易程度、生产率和生产成本都有对于零件加工的难易程度、生产率和生产成本都有决定性的影响。决定性的影响。n 材料还应具有较好的经济性。材料还应具有较好的经济性。 据资料统计，在一般据资料统计，在一般的工业部门中，材料的价格要占产品价格的的工业部门中，材料的价格要占产品价格的3070。在保证使用性能的前提下，选用价廉、加工。在保证使用性能的前提下，选用价廉、加工方便、总成本低的材料，可以取得最大的经济效益。方便、总成本低的材料，可以取得最大的经济效益。2、选材的基本原则、选材的基本原则