《非金属材料》课件.ppt
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1、 非金属材料按化学组成可分为有机高分子材料和非金属材料按化学组成可分为有机高分子材料和无机非金属材料。本章着重介绍机械工程中常用的高无机非金属材料。本章着重介绍机械工程中常用的高分子材料、陶瓷材料和复合材料。分子材料、陶瓷材料和复合材料。第九章第九章 非金属材料非金属材料第一节高分子材料的基本知识第一节高分子材料的基本知识 高分子材料是以高分子化合物为主要组分的一类有高分子材料是以高分子化合物为主要组分的一类有机材料。机材料。有两大类,天然高分子材料和人工合成高分子有两大类,天然高分子材料和人工合成高分子材料。材料。天然高分子材料天然高分子材料:如淀粉、油脂和天然橡胶,其使:如淀粉、油脂和天然
2、橡胶,其使用受资源限制。用受资源限制。人工合成高分子材料人工合成高分子材料:如塑料、合成橡胶、合成纤维。:如塑料、合成橡胶、合成纤维。一、高分子材料的概念一、高分子材料的概念 二、高分子材料的组成及结构二、高分子材料的组成及结构 1 1、组成元素、组成元素 主要由主要由C C、H H、O O、N N等轻元素组成,等轻元素组成,这就决定了高分子材料的比重较小约为这就决定了高分子材料的比重较小约为 0.9-2.0 0.9-2.0 相当相当于钢铁比重的于钢铁比重的1/4-1/71/4-1/7。2 2、高分子材料的获得、高分子材料的获得 高分子材料是由高分子高分子材料是由高分子化合物组成。高分子化合物
3、是由某些低分子化合物经化合物组成。高分子化合物是由某些低分子化合物经聚合反应而获得的。聚合反应而获得的。高分子材料高分子材料:是以高分子化合物为主要组分的材料。是以高分子化合物为主要组分的材料。化合物分子量小于化合物分子量小于500500时称为时称为低分子化合物低分子化合物,分子分子量大于量大于500500的化合物称为的化合物称为高分子化合物高分子化合物(高聚物)。(高聚物)。一般高分子化合物的分子量通常在一般高分子化合物的分子量通常在10103-3-10106 6。加聚反应加聚反应 简单低分子简单低分子 聚合反应聚合反应 高分子聚合物高分子聚合物 缩聚反应缩聚反应例如例如 nCH2=CH2加
4、热、压力、催化剂加热、压力、催化剂 CH2 CH2 n 单体单体:凡是可以聚合成大分子链的低分子化合物:凡是可以聚合成大分子链的低分子化合物都称为单体。都称为单体。高分子聚合物是由无数个单体组成。高分子聚合物是由无数个单体组成。加聚反应加聚反应:不饱和键的单体,在一定条件下(加:不饱和键的单体,在一定条件下(加热、加压或催化剂)双键被打开,各单体聚合起来连热、加压或催化剂)双键被打开,各单体聚合起来连成一条大分子连,这种反应叫加聚反应。成一条大分子连,这种反应叫加聚反应。乙烯乙烯 聚乙烯聚乙烯 聚合度(聚合度(n):链节的重复次数称为聚合度。随聚合:链节的重复次数称为聚合度。随聚合度增加,其分
5、子量增加,粘度、强度和硬度增加。度增加,其分子量增加,粘度、强度和硬度增加。高聚物形成大分子连,由重复的链节构成。高聚物形成大分子连,由重复的链节构成。链节链节:大分子链中重复的结构单元称为链节。聚合:大分子链中重复的结构单元称为链节。聚合前是单体,聚合后单体的双键打开成为链节。前是单体,聚合后单体的双键打开成为链节。缩聚反应缩聚反应:单体相互反应结合成高分子化合物,同:单体相互反应结合成高分子化合物,同时生成其他低分子物质(水、氨等)的反应叫缩聚反应。时生成其他低分子物质(水、氨等)的反应叫缩聚反应。3、高聚物结构、高聚物结构 nC6H5OH+nHCHO C6H3OHCH2 n+nH2O苯酚
6、苯酚 甲醛甲醛 酚醛酚醛 水水 高分子链的形状高分子链的形状:高分子化合物的结构形状有,线型、:高分子化合物的结构形状有,线型、支链型、交联型。支链型、交联型。链节及链节内原子间都以共价键结合,则长链之链节及链节内原子间都以共价键结合,则长链之间由分子间力结合。间由分子间力结合。分子链的排列状态:分子链的排列状态:一部分规则排列,另一部分不一部分规则排列,另一部分不规则排列。规则排列。分子链成规则排列的部分称为晶区。分子链成规则排列的部分称为晶区。聚合物中晶区聚合物中晶区所占的百分数称为所占的百分数称为结晶度结晶度,一般结晶型高聚物的结晶度,一般结晶型高聚物的结晶度为为30%-80%。高聚物的
7、结晶高聚物的结晶度越高强度、刚度、度越高强度、刚度、熔点越高,耐热性、熔点越高,耐热性、化学稳定性越好;化学稳定性越好;但弹性、冲击韧性但弹性、冲击韧性将下降。将下降。Tx 为脆化温度;为脆化温度;Tg为玻璃化温度;为玻璃化温度;Tf为粘流温度;为粘流温度;Td为分解温度。为分解温度。根据高聚物根据高聚物大分子链结构和大分子链结构和热运动特点,线热运动特点,线型无定形高聚物型无定形高聚物在不同温度下表在不同温度下表现出三种物理状现出三种物理状态:态:玻璃态、高玻璃态、高弹态、粘流态。弹态、粘流态。三、高聚物的物理状态和性能三、高聚物的物理状态和性能 1、玻璃态、玻璃态 当温度当温度Tg时高聚物
8、表现为非晶态固体,象玻璃时高聚物表现为非晶态固体,象玻璃一样,一样,故称玻璃态。故称玻璃态。由于温度低,高分子运动能量也低只能是链段和由于温度低,高分子运动能量也低只能是链段和链节的微小热振动以及链中链长和链角的弹性变形,链节的微小热振动以及链中链长和链角的弹性变形,弹性变形量一般弹性变形量一般Tg时,高聚物在外力作用下可产生较大的时,高聚物在外力作用下可产生较大的可逆形变称为高弹形变,可逆形变称为高弹形变,故呈高弹态,也呈橡胶态。故呈高弹态,也呈橡胶态。形变量可达形变量可达100%-1000%。变形的产生和恢复要比。变形的产生和恢复要比普弹形变慢得多,高弹形变是由于大分子链段热运动普弹形变慢
9、得多,高弹形变是由于大分子链段热运动的结果,此时分子链可以在卷曲状态和伸展状态之间。的结果,此时分子链可以在卷曲状态和伸展状态之间。当温度低于当温度低于Tx(脆化温度脆化温度)时高分子链的柔性消失,时高分子链的柔性消失,高聚物变脆,失去使用价值。高聚物变脆,失去使用价值。3、粘流态、粘流态 大分子链开始粘性流动的状态。开始转变粘流态大分子链开始粘性流动的状态。开始转变粘流态的温度称的温度称粘流温度粘流温度,用,用Tf表示。表示。当温度当温度 Tf时,高聚物成为粘态熔体,熔体流动产时,高聚物成为粘态熔体,熔体流动产生不可逆的永久变形,这时,大分子链的热运动以整生不可逆的永久变形,这时,大分子链的
10、热运动以整链为运动单元,链为运动单元,它是高聚物成型加工的工艺状态它是高聚物成型加工的工艺状态(注(注射、拉挤、模压、吹塑成型等)。射、拉挤、模压、吹塑成型等)。四、高分子材料的性能特点四、高分子材料的性能特点 1 1、高分子材料通常有一定的强度和弹性。其比强度、高分子材料通常有一定的强度和弹性。其比强度一般高于碳钢,可以作为工程结构材料用于工农业生产。一般高于碳钢,可以作为工程结构材料用于工农业生产。2 2、高分子材料以共价键结合,没有自由电子,所以、高分子材料以共价键结合,没有自由电子,所以耐蚀性和绝缘性较好。耐蚀性和绝缘性较好。3 3、由于卷曲的大分子在声、热的作用下不易振动,、由于卷曲
11、的大分子在声、热的作用下不易振动,具有隔热、隔音和减振的特性。具有隔热、隔音和减振的特性。4 4、高分子材料具有良好的可加工性,加温加压下可、高分子材料具有良好的可加工性,加温加压下可塑性极为优良,可以通过挤压、注射、冲压、焊接、粘接、塑性极为优良,可以通过挤压、注射、冲压、焊接、粘接、和切削加工等方法制成各种制品。和切削加工等方法制成各种制品。5 5、高分子材料与金属材料相比强度不高;刚度较低;、高分子材料与金属材料相比强度不高;刚度较低;不耐高温;不耐高温;线膨胀系数大,是钢铁的线膨胀系数大,是钢铁的1010倍;倍;五、高分子材料的老化及防止五、高分子材料的老化及防止 高分子材料高分子材料
12、容易发生容易发生“老化老化”。在氧气、阳光、在氧气、阳光、受热、机械力和微生物等长期作用下结构组成发生变受热、机械力和微生物等长期作用下结构组成发生变化,失去弹性,变硬变脆,出现龟裂。化,失去弹性,变硬变脆,出现龟裂。这种现象称为这种现象称为老化老化。防止方法防止方法:加入各种防老化剂,表面处理(喷涂或:加入各种防老化剂,表面处理(喷涂或镀上金属)合理的使用和科学的管理。镀上金属)合理的使用和科学的管理。六、高分子化合物的命名六、高分子化合物的命名 天然高分子化合物多用习惯俗称命名如羊毛、虫胶、天然高分子化合物多用习惯俗称命名如羊毛、虫胶、骨胶等。人工合成的高分子化合物常用以下命名方法:骨胶等
13、。人工合成的高分子化合物常用以下命名方法:1 1、以组成化合物的单体名称命名、以组成化合物的单体名称命名 简单结构简单结构:习惯于在单体名称前面加习惯于在单体名称前面加“聚聚”字,如字,如聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛等。聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛等。复杂结构:习惯在单体后加树脂二字。如酚醛树脂、复杂结构:习惯在单体后加树脂二字。如酚醛树脂、环氧树脂等。合成高分子化合物都可称为树脂,如聚乙烯环氧树脂等。合成高分子化合物都可称为树脂,如聚乙烯树脂等。树脂等。2 2、以商品名称命名、以商品名称命名 如聚酯的商品名称是涤纶,酚醛树脂称电木,聚甲如聚酯的商品名称是涤纶,酚醛树脂称电木,聚甲基丙烯酸甲脂称有机玻
14、璃。基丙烯酸甲脂称有机玻璃。一、塑料一、塑料 (一)塑料的组成(一)塑料的组成 塑料是以合成树脂为基础,在加入一些其他添加剂塑料是以合成树脂为基础,在加入一些其他添加剂所组成。所组成。1、合成树脂、合成树脂 是塑料的主要成分,其含量占是塑料的主要成分,其含量占40100,对塑料的性能起决定作用。,对塑料的性能起决定作用。2、添加剂、添加剂 为了改善塑料的性能而加入的其他物质。为了改善塑料的性能而加入的其他物质。添充剂添充剂(填料):(填料):主要起增强作用。例如木粉、石英主要起增强作用。例如木粉、石英粉、各种金属粉末、棉布、石棉纤维及玻璃纤维等。粉、各种金属粉末、棉布、石棉纤维及玻璃纤维等。第
15、二节常用高分子材料第二节常用高分子材料 高分子材料包括塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和高分子材料包括塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料。这里只介绍塑料和橡胶。涂料。这里只介绍塑料和橡胶。增塑剂增塑剂:增加树脂塑性和柔韧性的物质。:增加树脂塑性和柔韧性的物质。稳定剂:稳定剂:防止塑料在加热成形过程和使用过程中不易防止塑料在加热成形过程和使用过程中不易分解,防止老化,延长使用寿命。分解,防止老化,延长使用寿命。另外,根据不同要求,可以加入固化剂、发泡剂、另外,根据不同要求,可以加入固化剂、发泡剂、阻燃剂,着色剂等。阻燃剂,着色剂等。按受热后表现的性质分为:按受热后表现的性质分为:热塑性塑料热塑性塑料
16、:指受热软化、冷却又变硬可以多次反复:指受热软化、冷却又变硬可以多次反复的塑料。受热时结构基本不发生变化。的塑料。受热时结构基本不发生变化。热固性塑料热固性塑料:在一定温度初次加热时会软化或熔融,:在一定温度初次加热时会软化或熔融,并发生了结构的变化,冷却后塑料会固化成型,重新加热并发生了结构的变化,冷却后塑料会固化成型,重新加热时不会再软化,软化和固化是不可逆的。时不会再软化,软化和固化是不可逆的。(二)塑料的分类(二)塑料的分类 根据性能和应用分为:根据性能和应用分为:通用塑料通用塑料:产量大、用途广、价格低的常用塑料。产量大、用途广、价格低的常用塑料。工程塑料工程塑料:具有类似金属的机械
17、性能、可以代替金属:具有类似金属的机械性能、可以代替金属材料制造机器零件或结构件的塑料。材料制造机器零件或结构件的塑料。特种塑料特种塑料:有特殊性能的塑料,如高耐蚀性,导磁塑:有特殊性能的塑料,如高耐蚀性,导磁塑料导电塑料、医用塑料等。料导电塑料、医用塑料等。1 1、热塑性塑料、热塑性塑料 (1 1)聚酰胺()聚酰胺(PAPA)商品名商品名尼龙尼龙,是最早发现的能承受载荷的,是最早发现的能承受载荷的热塑性塑料,也是目前工业中应用最广泛的一热塑性塑料,也是目前工业中应用最广泛的一种工程塑料。种工程塑料。性能:性能:良好的综合性能,特别是有较高良好的综合性能,特别是有较高的韧性,一定的强度,低的摩
18、擦系数和良好的的韧性,一定的强度,低的摩擦系数和良好的自润滑性。热稳定性较差,有一定的吸水性。自润滑性。热稳定性较差,有一定的吸水性。用途:用途:制造制造100 100 的轻载齿轮、蜗轮、的轻载齿轮、蜗轮、轴承、轴套等。轴承、轴套等。(三)常用的工程塑料(三)常用的工程塑料 (2 2)聚甲醛()聚甲醛(POMPOM)甲醛单体聚合制得。熔点甲醛单体聚合制得。熔点175175度,密度,结晶度为度,密度,结晶度为70-80%70-80%。是继聚酰胺之后发展起来的高结晶性的热塑。是继聚酰胺之后发展起来的高结晶性的热塑性塑料。性塑料。性能:性能:具有优良的综合性能,疲劳强度在热塑性塑料具有优良的综合性能
19、,疲劳强度在热塑性塑料是最高的。有优良的耐磨性和自润滑性,可在是最高的。有优良的耐磨性和自润滑性,可在-40-40100 100 长期工作,吸水性小,具有好的耐水、耐油、长期工作,吸水性小,具有好的耐水、耐油、耐化学腐蚀性和电绝缘性,但热稳定性差。耐化学腐蚀性和电绝缘性,但热稳定性差。用途:用途:可代替有色金属及其合金在汽车、机床、可代替有色金属及其合金在汽车、机床、化工、农机等部门制造轴承、齿轮、凸轮、管道等各化工、农机等部门制造轴承、齿轮、凸轮、管道等各种机械零件。种机械零件。(3 3)ABSABS塑料塑料 由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种单体共聚而成由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种单体共聚而成的
20、三元共聚物的三元共聚物 ,又称,又称“塑料合金塑料合金”。熔点。熔点217217237237度度密度。密度。性能:性能:兼有丙烯腈的高硬度、高强度、耐油耐兼有丙烯腈的高硬度、高强度、耐油耐蚀;丁二烯的高弹性、高韧性;苯乙烯的绝缘性,着蚀;丁二烯的高弹性、高韧性;苯乙烯的绝缘性,着色性和成型加工性的优点。质坚、性韧、刚性大。但色性和成型加工性的优点。质坚、性韧、刚性大。但是它不耐高温,不耐燃,耐气候性也差。是它不耐高温,不耐燃,耐气候性也差。用途:用途:制造齿轮、泵叶轮、轴承、方向盘、扶制造齿轮、泵叶轮、轴承、方向盘、扶手等,电器工业中用作电讯器材、电话、收音机、电手等,电器工业中用作电讯器材、
21、电话、收音机、电机外壳等。表面可以电镀一层金属,代替金属部件。机外壳等。表面可以电镀一层金属,代替金属部件。(4 4)聚四氟乙烯()聚四氟乙烯(F-4F-4)分子结构中氟原子对称分布分子结构中氟原子对称分布,结晶度为,结晶度为55-75%55-75%,熔点为熔点为327 327,密度。在氟塑料中应用最广,产量最大,密度。在氟塑料中应用最广,产量最大,是结晶型热塑性塑料,是结晶型热塑性塑料,性能:性能:具有优良的耐化学蚀性,不受任何化学试剂具有优良的耐化学蚀性,不受任何化学试剂侵蚀,固有侵蚀,固有“塑料王塑料王”之称。它的热稳定性高,耐寒性之称。它的热稳定性高,耐寒性好,可在好,可在-180-1
22、80250 250 长期使用。摩擦系数极低()并有长期使用。摩擦系数极低()并有自润滑性,吸水性小,在潮湿条件下仍能保持良好的绝缘自润滑性,吸水性小,在潮湿条件下仍能保持良好的绝缘性,不易老化。但强度较低,加工成型性较差,在性,不易老化。但强度较低,加工成型性较差,在390 390 释放有毒气体,成本高。释放有毒气体,成本高。用途:用途:用作减磨密封零件,如热垫圈、密封圈、自润用作减磨密封零件,如热垫圈、密封圈、自润滑轴承等,化工用的耐蚀泵,反应器,高频电子仪器的高滑轴承等,化工用的耐蚀泵,反应器,高频电子仪器的高频电缆等,医疗上制作人工心肺装置,代用血管等。频电缆等,医疗上制作人工心肺装置,
23、代用血管等。(5 (5)聚甲基丙烯酸甲酯()聚甲基丙烯酸甲酯(PMMAPMMA)即有机玻璃)即有机玻璃 透光性、染色性优异,是重要的光学材料。以透光性、染色性优异,是重要的光学材料。以丙酮、氰化钠、甲醛、碳酸作为原料,先制成甲基丙丙酮、氰化钠、甲醛、碳酸作为原料,先制成甲基丙烯酸甲酯,再经聚合反应而成。密度、是无机玻璃的烯酸甲酯,再经聚合反应而成。密度、是无机玻璃的一半。一半。性能性能:具有优异的光学性能,透光率为:具有优异的光学性能,透光率为92%92%,比,比普通玻璃(透光率为普通玻璃(透光率为88%88%)高。强度高于无机玻璃,)高。强度高于无机玻璃,抗破碎能力是无机玻璃的十倍。硬度低表
24、面容易擦伤抗破碎能力是无机玻璃的十倍。硬度低表面容易擦伤起毛,并溶于丙酮等有机溶剂,导热性差,膨胀系数起毛,并溶于丙酮等有机溶剂,导热性差,膨胀系数大使用温度不超过大使用温度不超过80 80。用途:用途:制造有一定透明度和强度要求的零件如油制造有一定透明度和强度要求的零件如油杯,窥孔玻璃,汽车,飞机的玻璃窗等。杯,窥孔玻璃,汽车,飞机的玻璃窗等。(6 6)聚氯乙烯()聚氯乙烯(PVC PVC)由氯乙烯单体经聚合反应制得。熔点由氯乙烯单体经聚合反应制得。熔点130130150150度,度,密度。是最早生产的产品之一,是产量大,成本低的密度。是最早生产的产品之一,是产量大,成本低的通用塑料。通用塑
25、料。性能:性能:化学稳定性高,绝缘性好、阻燃、耐磨、具化学稳定性高,绝缘性好、阻燃、耐磨、具有消声减振作用。成本低,加工容易,但耐热性差,冲有消声减振作用。成本低,加工容易,但耐热性差,冲击强度低,有一定毒性。配料不同可以作成硬质和软质击强度低,有一定毒性。配料不同可以作成硬质和软质塑料。塑料。用途:用途:硬质塑料机械强度高、耐蚀性好,主要用于硬质塑料机械强度高、耐蚀性好,主要用于化工设备和各种耐蚀容器,可以代替不锈钢和铝材。软化工设备和各种耐蚀容器,可以代替不锈钢和铝材。软质塑料主要用于制造人造革和塑料用于日常生活和农业。质塑料主要用于制造人造革和塑料用于日常生活和农业。(7 7)聚乙烯()
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