(8.1)--第6章非金属材料与新型材料.ppt

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1、第第6 6章非金属材料与新型材料章非金属材料与新型材料v启发思考：在您的学习、生活周围那些材料是非金属材料？是什么非金属材料？您也可以分析一下，在机械制造领域非金属材料都有那些应用？本章学习目标本章学习目标v重点了解常用高分子材料的种类、性能与应用；v了解陶瓷材料的的种类、性能与应用；v了解复合材料的的种类、性能与应用；v一般了解正在迅速发展的新型材料。主要内容主要内容16.1 高分子材料26.2 陶瓷材料36.3 复合材料46.4 其他新型材料本节主要内容本节主要内容一、一、高聚物的人工合成高聚物的人工合成 二、有机高分子材料的组成及性能特点二、有机高分子材料的组成及性能特点 三、工程塑料三

2、、工程塑料 四、合成橡胶四、合成橡胶 五、胶粘剂五、胶粘剂 概述概述v非金属材料:金属以外的其他一切材料。v种类繁多:有机高分子材料(如塑料、合成橡胶、合成纤维、胶粘剂、涂料及液晶等)和陶瓷材料(如陶瓷器、玻璃、水泥、耐火材料及各类新型陶瓷材料等)，v新型材料:那些新近发展或正在发展中的,采用高新技术制取的,具有优异性能和特殊性能的材料。特点是高性能化、功能化、复合化。6.1 6.1高分子材料高分子材料 v高分子化合物有合成的和天然的。v工程中使用的有机高分子材料主要是人工合成的高分子聚合物高分子聚合物,简称高高聚物聚物PolymerPolymer。6.1.1 6.1.1 高聚物的人工合成高聚

3、物的人工合成 v高聚物:通过聚合反应以低分子化合物结合形成。v聚合反应有加聚反应和缩聚反应两种。1.加聚反应:由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应。这种反应没有低分子副产物生成。单体为一种的叫均加聚均加聚，例如乙烯加聚成聚乙烯;单体为二种或两种以上的则称为共加聚共加聚,ABS工程塑料就是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种单体共聚合成的。2.缩聚反应：由一种或多种单体相互作用而连接成高聚物，同时析出新的低分子副产物的反应。v酚醛树脂(电木)、聚酰胺(尼龙)、环氧树脂等都是缩聚反应产物。6.1.2 6.1.2 有机高分子材料的组成及性能特点有机高分子材料的组成及性能特点 v以高聚物为主要组分（称

4、为基料，例如合成高聚物树脂、生橡胶等)，再添加各种辅助组分（称为添加剂，例如填充剂、增塑剂、软化剂、固化剂、稳定剂、防老化剂、润滑剂、发泡剂、着色剂等）。v基料是主要组分，对高分子材料起决定性能的作用;v添加剂是辅助组分，对材料起改善性能、补充性能的作用。性能特点性能特点 v(1)力学性能特点：a.比强度高 密度低，故其比强度并不低于金属。玻璃钢的强度比合金结构钢高，而其重量却轻的多。b.高弹性和低弹性模量，其实质就是弹性变形量大而弹性变形抗力小，这是高聚物特有的性能。不管是线型还是体型的高分子化合物都有一定的弹性。c.高耐磨性和低硬度，高聚物硬度远低于金属，但耐磨性优于金属。有些高聚物摩擦系

5、数小,且本身就具有润滑性能，例如聚四氟乙烯、尼龙等。v(2)物理性能特点：a.电绝缘性优良 高聚物中原子一般是以共价键相结合，因而不易电离，导电能力低，绝缘性能好。b.耐热性差 耐热性指材料在高温下长期使用保持性能不变的能力。由于高聚物链段间的分子间力较弱，在同时受热、受力时易发生链间滑脱和位移而导致材料软化、熔化。c.导热性低 高分子材料的线膨胀系数约为金属的3-4倍。在机械中会因膨胀变形过量而引起开裂、脱落、松动等。性能特点性能特点 v(3)化学性能特点：化学稳定性高，在碱、酸、盐中耐蚀性较强，如聚四氟乙烯在沸腾的王水中仍很稳定。但某些高聚物在某些特定的溶剂和油中会发生软化、熔胀的现象。性

6、能特点性能特点 v(4)(4)有机高分子化合物的老化有机高分子化合物的老化:高聚物在长期使用或存放过程中，由于外界物理、化学及生物因素的影响(如热、光、辐射、氧和臭氧、酸碱、微生物的作用等)，使得聚合物内部结构发生变化，从而导致聚合物的性能随时间延长逐渐恶化，直至丧失使用功能，这个过程称为老化老化。老化现象：橡胶主要为龟裂或变软、变粘；塑料主要是脱色、失去光泽、开裂等；这些现象均是不可逆的，是高聚物的一大弱点。老化原因：一是分子链产生交联或支化，使性能变硬、变脆；二是大分子发生断链或裂解，使分子量降低(这个过程称为降解)，使聚合物发软变粘，力学性能劣化。抗老化方法：一般可通过表面防护、加入抗老

7、化剂等手段提高高聚物的抗老化能力。性能特点性能特点 6.1.3 6.1.3 工程塑料工程塑料Plastics Plastics v 1.1.塑料的组成塑料的组成:塑料一般以合成树脂合成树脂(高聚物)为基础，再加入各种添加剂添加剂而制成。(1)(1)合成树脂合成树脂 v合成树脂即人工合成线型高聚物，是塑料的主要组分(约占40%100%)，对塑料的性能起着决定性作用，故绝大多数塑料以树脂的名称命名。v合成树脂受热时呈软化或熔融状态，因而塑料具有良好的成形能力。(2)(2)添加剂添加剂v添加剂添加剂是为改善塑料的使用性能或成形工艺性能而加入的辅助组分。a.填料(填充剂)主要起增强作用，还可使塑料具有

8、所要求的性能。如加入铝粉可提高对光的反射能力和防老化；加入二硫化钼可提高自润滑性;加入云母粉可提高电绝缘性；加入石棉粉可提高耐热性等。另外，有一些填料比树脂便宜，加入后可降低塑料成本。b.增塑剂 为提高塑料的柔软性和可成形性而加入的物质，主要是一些低熔点的低分子有机化合物。合成树脂中加入增塑剂后，大分子链间距离增大，降低了分子链间作用力，增加了大分子链的柔顺性，因而使塑料的弹性、韧性、塑性提高，强度、刚度、硬度、耐热性降低。加入增塑剂的聚氯乙烯比较柔软，而未加入增塑剂的聚氯乙烯则比较刚硬。c.固化剂(交联剂)加入到某些树脂中可使线型分子链间产生交联，从而由线型结构变成体型结构，固化成刚硬的塑料

9、。d.稳定剂(防老化剂)其作用是提高树脂在受热、光、氧等作用时的稳定性。此外，还有为防止塑料在成型过程中粘在模具上，并使塑料表面光亮美观而加入的润滑剂；为使塑料具有美丽的色彩加入的有机染料或无机颜料等着色剂；以及发泡剂、阻燃剂、抗静电剂等。总之，根据不同的塑料品种和性能要求，可加入不同的添加剂。(2)(2)添加剂添加剂 2.2.塑料的分类塑料的分类 v(1)按树脂的热性能按树脂的热性能 分为热塑性塑料热塑性塑料与热固性塑料热固性塑料两类：a.a.热塑性塑料热塑性塑料 v这类塑料为线型结构分子链，加热时会软化、熔融，冷却时会凝固、变硬，此过程可以反复进行。v典型的品种有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、

10、聚苯乙烯、聚酰胺(尼龙)、ABS、聚甲醛、聚碳酸脂、聚砜、聚四氟乙烯、聚苯醚、聚氯醚、有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲脂)等。v这类塑料机械强度较高，成型工艺性能良好，可反复成型、再生使用。但耐热性与刚性较差。b.b.热固性塑料热固性塑料 v这类塑料为密网型结构分子链，其形成是固化反应的结果。具有线型结构的合成树脂，初加热时软化、熔融，进一步加热、加压或加入固化剂，通过共价交联而固化。固化后再加热，则不再软化、熔融。v品种有酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂等构成的塑料。v这类塑料具有较高的耐热性与刚性，但脆性大，不能反复成型与再生使用。v(2)(2)按应用范围按应用范围 分为通

11、用塑料通用塑料，工程塑料工程塑料和其他塑料其他塑料(如耐热塑料)三类：2.2.塑料的分类塑料的分类 a.a.通用塑料通用塑料 v主要指产量大、用途广、价格低廉的聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料等几大品种，它们约占塑料总产量的75%以上，广泛用于工业、农业和日常生活各个方面，但其强度较低。b.b.工程塑料工程塑料 v主要指用于制作工程结构、机器零件、工业容器和设备的塑料。最重要的有聚甲醛、聚酰胺(尼龙)、聚碳酸脂、ABS四种，还有聚砜，聚氯醚、聚苯醚等。这类塑料具有较高的强度，弹性模量、韧性、耐磨性、耐蚀和耐热性较好。c.c.其他塑料其他塑料 v例如耐热塑料，可在100200以上温度

12、下工作，如聚四氟乙烯、有机硅树脂，环氧树脂等.6.1.4 6.1.4 合成橡胶合成橡胶 RubberRubberv 橡胶橡胶是在室温下处于高弹态的高分子材料。特性：具有高弹性，具有优良的伸缩性和积贮能量的能力；良好的耐磨性，隔音性、阻尼性和绝缘性。应用：可用于制作轮胎、密封件、减震件、传动、电工绝缘材料等。1.1.橡胶的特性和应用橡胶的特性和应用 2.2.橡胶的组成橡胶的组成橡胶制品橡胶制品是以生胶为基础加入适量的配合剂组成的。v(1)生胶 未加配合剂的天然或合成的橡胶统称生胶。v(2)配合剂 为了提高和改善橡胶制品的各种性能而加入的物质称为配合剂。硫化剂（硫磺等），使橡胶分子链间适当交联，成

13、为网状结构，提高橡胶的力学性能和物理性能。填料（碳黑、纤维等），提高橡胶的力学性能，如强度、硬度、耐磨性和刚性等。其他：提高硫化效果而加入的硫化促进剂；用以增加橡胶塑性，改善成型工艺性能的增塑剂；以及防止橡胶老化加入的防老化剂等。3.3.常用橡胶常用橡胶v按原料来源分为天然橡胶与合成橡胶；v按用途分为通用橡胶和特种橡胶。v常用橡胶：通用橡胶丁苯橡胶，顺丁橡胶。广泛用于制造轮胎、胶带、胶管等。特种橡胶氟橡胶。主要用于要求耐热、耐寒、耐蚀的特殊环境。6.1.5 6.1.5 胶粘剂胶粘剂 AdhesiveAdhesivev胶粘剂：能将同种或不同种材料粘合在一起，并在胶接面有足够强度的物质。v作用：起

14、胶接、固定、密封、浸渗、补漏和修复的作用。胶接已与铆接、焊接并列为三种主要连接工艺。1.1.胶粘剂的组成胶粘剂的组成v组成组成：粘料+固化剂、改性剂等。(1)粘料 有机胶粘剂包括树脂、橡胶、淀粉、蛋白质等高分子材料；(2)固化剂 使基料固化而产生胶接强度。例如环氧胶粘剂需加胺、酸酐。(3)改性剂 用以改善胶粘剂的各种性能。有增塑剂、增韧剂、增粘剂、填料、稀释剂、稳定剂、分散剂、偶联剂、触变剂、阻燃剂、抗老化剂、发泡剂、消泡剂、着色剂和防腐剂等，有助于胶粘剂的配制、储存、加工工艺及性能等方面的改进。2.2.胶粘剂的分类胶粘剂的分类va.结构胶 胶接强度较高。酚醛树脂胶粘剂是发展最早、价格最廉的合

15、成胶粘剂，主要用于胶接木材生产胶合板。后来加入橡胶或热塑性树脂进行改性，制成韧性好、耐热、耐油水、耐老化、强度大的结构胶粘剂，广泛用于飞机制造、尖端技术和各生产领域。vb.非（半）结构胶 胶接强度较低，但能用于非主要受力部位或构件。502胶：以氰基丙烯酸乙酯为主，加入增粘剂、稳定剂等。在空气中微量水催化下发生加聚反应，迅速固化而将被粘物粘牢。可用于钢铁、橡胶、皮革、塑料、陶瓷、玻璃、木材等粘结。vc.密封胶 涂胶面能承受一定压力而不泄漏，起密封作用。vd.浸渗胶 渗透性好，能浸渗铸件等，堵塞微孔沙眼。ve.功能胶 具有特殊功能性如导电、导磁、导热、耐热、耐超低温、应变及点焊胶接等。PAGE-3

16、0主要内容主要内容16.1 高分子材料26.2 陶瓷材料36.3 复合材料46.4 其他新型材料本节主要内容本节主要内容一、一、陶瓷的分类陶瓷的分类 二、二、陶瓷材料的性能特点陶瓷材料的性能特点三、常用工程结构陶瓷的种类、性能和三、常用工程结构陶瓷的种类、性能和用途用途 6.2 6.2 陶瓷材料陶瓷材料 CeramicCeramicva普通陶瓷(传统陶瓷)以天然硅酸盐矿物如粘土(多种含水的铝硅酸盐混合料)、长石(碱金属或碱土金属的铝硅酸盐)、石英(SiO2)、高岭土(Al2O32SiO22H2O)等为原料烧结而成的。广义包括陶、瓷器，玻璃、水泥、石灰、砖瓦、搪瓷、耐火材料等。狭义陶瓷常指日用陶

17、瓷、建筑瓷、卫生瓷、电工瓷、化工瓷等。vb特种陶瓷(现代陶瓷)采用纯度较高的人工合成原料,如氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、氟化物等制成的，它们具有各种特殊力学、物理、化学性能。6.2.1 6.2.1 陶瓷材料的种类陶瓷材料的种类vc工程陶瓷 在工程结构上使用的陶瓷，具有在高温下优越的力学、物理和化学性能，如氧化铝瓷（坩埚等）、氮化硼瓷（模具等）。vd功能陶瓷 如导电陶瓷、半导体陶瓷、压电陶瓷、绝缘陶瓷、磁性陶瓷、光学陶瓷(光导纤维、激光材料)等。6.2.1 6.2.1 陶瓷材料的种类陶瓷材料的种类6.2.2 6.2.2 陶瓷材料的性能特点陶瓷材料的性能特点v1.力学性能：硬度高，脆性大，抗拉

18、强度低，抗压强度高。v2.热性能：熔点高，抗蠕变能力强，热硬性高。但承受温度快速变化的能力差，在温度剧变时会开裂。v3.化学性能：化学稳定性高，在强腐蚀介质、高温共同作用下有良好的抗蚀性能。v4.物理性能：电绝缘体,功能陶瓷材料具有光、电、磁、声等特殊性能。PAGE-34主要内容主要内容16.1 高分子材料26.2 陶瓷材料36.3 复合材料46.4 其他新型材料本节主要内容本节主要内容一、一、复合材料的种类复合材料的种类二、复合材料的性能特点二、复合材料的性能特点 三、复合材料的应用三、复合材料的应用 6.3 6.3 复合材料复合材料Composite materialComposite m

19、aterialv复合材料：由两种或多种不同性能的材料用某种工艺方法合成的多相材料。v特性：既保持组成材料各自的特性，又具有复合后的新特性，其性能往往超过组成材料的性能之和或平均值。组成材料的种类、性能、比例、形态不同，复合方法不同，会得到不同的强化效果。例如粒子复合强化，纤维复合强化，叠层复合强化等。6.3.1 6.3.1 复合材料的种类复合材料的种类v按基体材料基体材料的不同可将复合材料分为两类：l非金属基复合材料（例如塑料基复合材料、橡胶基复合材料、陶瓷基复合材料等）l金属基复合材料（如铝基复合材料、铜基复合材料等）。v按照增强材料的不同可将复合材料分为三类:a.纤维增强材料，例如纤维增强

20、橡胶(如橡胶轮胎、传动皮带)、纤维增强塑料(如玻璃钢)等；b.颗粒增强复合材料，例如金属陶瓷、烧结弥散硬化合金等；c.叠层复合材料，如双层金属(巴氏合金钢双金属滑动轴承材料)等。6.3.1 6.3.1 复合材料的种类复合材料的种类6.3.2 6.3.2 复合材料的性能特点复合材料的性能特点v1.比模量高、比强度大比模量是弹性模量与密度之比；比强度是抗拉强度与密度之比。其实质是单位质量所提供的变形抗力和承载能力大，这对要求自重小、运转速度高的结构零件很重要。v2.良好的抗疲劳和破断安全性纤维增强复合材料对缺口、应力集中敏感性小，纤维基体界面能阻止疲劳裂纹扩展,少数纤维断裂后载荷就会重新分配到其他

21、未破断的纤维上使构件不致发生突然破坏。v3.优良的高温性能大多数增强纤维在高温下仍保持高的强度，用其增强金属和树脂时能显著提高高温性能。复合材料的应用复合材料的应用v1.玻璃纤维树脂复合材料（玻璃钢）。以环氧树脂、酚醛树脂等为基体的热固性玻璃钢；以尼龙、聚苯乙烯等为基体的热塑性玻璃钢。在石油化工行业，玻璃钢可用于制造各种罐、管道、泵、阀门等。在交通运输业内，可用于制造各种轿车、载重汽车的车身和各种配件。v2碳纤维-树脂复合材料（环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯）在机械工业中，可用作承载零件和耐磨零件，如齿轮、连杆、活塞和轴承等。它也用作耐蚀化工机械零件，如容器、管道、泵等。PAGE-40主要内容

22、主要内容16.1 高分子材料26.2 陶瓷材料36.3 复合材料46.4 其他新型材料本节主要内容本节主要内容一、一、高温材料高温材料 二、形状记忆材料二、形状记忆材料 三、非晶态材料三、非晶态材料 四、超导材料四、超导材料 五、纳米材料五、纳米材料 其它新型材料其它新型材料v高温材料：铁基高温合金、镍基高温合金和高温陶瓷材料等。用于燃气轮机叶片等。v形状记忆材料：Ni-Ti合金、Cu-Zn-Al合金等。用于各种管接头、自动开闭装置等。v非晶态材料：金属玻璃Al-Si合金，高强度。v超导材料：一定温度下材料电阻为零。超导合金、超导陶瓷和超导聚合物等。用于输电、超导磁悬浮列车等。v纳米材料：结构尺寸在1-100nm(1nm=10-9m)范围内的超细材料。产生量子尺寸效应、表面效应等。如强烈吸收电磁波，可作为吸收红外线、雷达波的隐身材料。