非金属材料(1).ppt

2021年3月15日星期一,1,Ch10非金属材料,1高分子材料的基础知识2高分子材料3陶瓷4复合材料,2021年3月15日星期一,2,一、高分子化合物的组成与结构（1）,高分子化合物是由大量的大分子构成的，高分子化合物又称高聚物或聚合物。由于分子的化学组成及聚集状态不同，而形成性能各异的高聚物。组成高分子化合物的低分子化合物称为单体。大分子链中的重复单元称为链节，链节的重复数目称为聚合度。,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,3,一、高分子化合物的组成与结构（2）,相对分子质量Mmn其中m为相对分子质量n为聚合度。由于聚合度的不同，因此高分子化合物的相对分子质量是一个平均值。例如聚氯乙烯是由氯乙烯重复连接而成，其单体为[CH2CHCl]，链节为[CH2-CHCl]，m62.5，n为8002400，M约为50000150000。,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,4,一、高分子化合物的组成与结构（3）,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,5,一、高分子化合物的组成与结构（4）,聚合反应低分子化合物合成为高分子化合物的反应聚合反应类型加成聚合反应（简称加聚）缩合聚合反应（简称缩聚）,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,6,一、高分子化合物的组成与结构（4）,加成聚合反应（简称加聚）由一种或几种不饱合单体借助于引发剂，在热、光或辐射的作用下活化产生自由基，不饱和键打开，相互加成而连接成大分子链的这种反应称为加聚反应。若加聚反应的单体为一种，反应称为均聚反应，产品为均聚物；若单体为两种或两种以上，反应称为共聚反应，产品为共聚物。,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,7,一、高分子化合物的组成与结构（4）,加成聚合反应（简称加聚）均聚反应共聚反应,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,8,一、高分子化合物的组成与结构（4）,缩合聚合反应（简称缩聚）由含有两种或两种以上单体相互缩合聚合而形成聚合物的反应称为缩聚反应，同时会析出水、氨、醇、氯化氢等小分子物质。若缩聚反应的单体为一种，反应称为均缩聚反应，产品为均缩聚物；若缩聚反应的单体为多种，反应称为共缩聚反应，产品为共缩聚物。,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,9,一、高分子化合物的组成与结构（4）,缩合聚合反应（简称缩聚）,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,10,一、高分子化合物的组成与结构（5）,大分子链的结构形态线型长径比10001，具有良好的弹性和塑性，可溶解或溶胀，加热可融化或软化；易于加工成形，可重复使用。热塑性塑料PE、PVC等体型网状结构，不溶不熔，具有良好的耐热性和强度，但脆性大，弹性塑性低，不能重复使用。热固性树脂酚醛树脂等,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,11,一、高分子化合物的组成与结构（6）,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,12,二、高分子的聚集态及性能晶态、非晶态,1.晶态结构线型聚合物固化时可以结晶，但由于分子链运动较困难，不可能完全结晶。所以晶态聚合物实际为晶区（分子有规律排列）和非晶区（分子无规律排列）两相结构，一般结晶度（晶区所占有的重量百分比）只有50～85，特殊情况可达到98。在结晶聚合物中，晶区与非晶区相互穿插，紧密相连，一个大分子链可以同时穿过许多晶区和非晶区。结晶度晶区所占的面积。结晶度越大材料的强度、硬度、刚性高，但弹性、伸长率低。,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,13,二、高分子的聚集态及性能晶态、非晶态,2.非晶态结构聚合物凝固时，分子不能规则排列，呈长程无序、近程有序状态。非晶态聚合物分子链的活动能力大，弹性和塑性较好。由于其聚集态结构态是均相的，因而材料各个方向的性能是相同的。,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,14,二、高分子的聚集态及性能晶态、非晶态,1高分子材料的基础知识,晶区,非晶区,2021年3月15日星期一,15,三、高聚物的三态,1.线型无定型高聚物玻璃态塑料高弹态橡胶粘流态粘结剂,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,16,三、高聚物的三态,2.线型结晶型高聚物只有Tm转变温度，Tm既是熔点，又是粘流转变温度。,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,17,四、高聚物的性能,1.高弹性和粘弹性高弹性弹性随温度而升高而增大。橡胶粘弹性受力同时发生高弹性变形和粘性流动。蠕变随时间的延长形变增加应力松弛应力随时间延长而减小滞后与内耗应变落后于应力的变化,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,18,四、高聚物的性能,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,19,四、高聚物的性能,2.力学性能强度一般低于100MPa，比金属材料低得很多。密度很小，钢的1/4～1/8，比强度高。断裂在一定的介质中、在小应力下即可断裂，称为环境应力断裂。韧性脆性小于0.2J/cm2，韧性大于0.9J/cm2耐磨性硬度低，但耐磨性高。摩擦系数小，有些还具有自润滑性性能。,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,20,四、高聚物的性能,3.热性能高聚物在受热过程中，大分子链和链段容易产生运动，因此其耐热性较差。由于高聚物内部无自由电子，因此具有低的导热性能。高聚物的线膨胀系数也较大。导热系数金属的1/500-1/600膨胀系数比金属大3-10倍,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,21,四、高聚物的性能,4.电性能高聚物内原子间以共价键相连，没有自由电子和离子，因此介电常数小、介电损耗低，具有高有绝缘性。5.化学性能高聚物不发生电化学反应，也不易与其它物质发生化学反应。具有较高的化学稳定性，对酸、碱溶液具有优良的耐腐蚀性能。,1高分子材料的基础知识,2021年3月15日星期一,22,一、塑料（组成）,塑料的组成合成树脂＋填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、发泡剂、着色剂、阻燃剂、防老化剂等制成的。（1）树脂在塑料中起胶粘各组分的作用，占塑料的40～100。如聚乙烯、尼龙、聚氯乙烯、聚酰胺、酚醛树脂等。大多数塑料以所用树脂命名。（2）填充剂用来改善塑料的某些性能。常用填充剂有云母粉、石墨粉、炭粉、氧化铝粉、木屑、玻璃纤维、碳纤维等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,23,一、塑料（组成）,（3）增塑剂用来增加树脂的塑性和柔韧性。常用增塑剂有甲酸酯类、磷酸酯类、氯化石蜡等。（4）稳定剂包括热稳定剂和光稳定剂。常用热稳定剂有硬酯酸盐、环氧化合物和铅的化合物等。光稳定剂有炭黑、氧化锌等遮光剂。（5）润滑剂用来防止塑料粘在模具或其它设备上。常用润滑剂有硬酯酸、盐类等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,24,一、塑料（组成）,（6）固化剂能将高分子化合物由线型结构转变为体型交联结构的物质，如六次甲基四胺、过氧化二苯甲酰等。（7）发泡剂受热时会分解放出气体的有机化合物，用于制备泡沫塑料等。常用发泡剂为偶氮二甲酰胺。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,25,一、塑料（分类）,（1）按塑料受热时的性质分热塑性塑料受热时软化或熔融、冷却后硬化，并可反复多次进行。它包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜、聚四氟乙烯等。热固性塑料在加热、加压并经过一定时间后即固化为不溶、不熔的坚硬制品，不可再生。常用热固性塑料有酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、呋喃树脂、有机硅树脂等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,26,一、塑料（分类）,（2）按塑料的功能和用途分通用塑料产量大用途广价格低的塑料。主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料、氨基塑料等，产量占塑料总产量的75以上。工程塑料具有较高性能，能替代金属制造机械零件和工程构件的塑料。聚酰胺、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂等。特种塑料导电塑料、导磁塑料、感光塑料等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,27,一、塑料（常用）,1．聚乙烯PE-polyethylene无毒、无味，呈半透明状。强度较低，耐热性不高，易燃烧，抗老化性能较差。具有良好的耐化学腐蚀性，优良的电绝缘性能，吸水率很小。根据密度可分为低密度聚乙烯LDPE和高密度聚乙烯HDPE。LDPE日用制品、薄膜、软质包装材料、层压纸、层压板、电线电缆包覆等。HDPE硬质包装材料、化工管道、储槽、阀门、高频电缆绝缘层、型材、衬套、小负荷齿轮等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,28,一、塑料（常用）,2．聚氯乙烯PVC-polyvinylchloride具有较高的强度、刚性，良好的电绝缘性、耐化学腐蚀性，能溶于四氢呋喃和环已酮等有机溶剂，具有阻燃性，但热稳定性较差，使用温度较低，介电常数、介电损耗较高。根据增塑剂用量的不同可分为硬质和软质。硬质工业管道、给排水系统、板件、管件、建筑及家用防火材料，化工防腐设备及各种机械零件。软质用于薄膜、人造革、墙纸、电线电缆包覆及软管等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,29,一、塑料（常用）,3．聚苯乙烯PS-polystyrene聚苯乙烯是无毒、无味、无色透明状固体。吸水性低，电绝缘性优良，介电损耗极小。耐化学腐蚀性优良，但不耐苯、汽油等有机溶剂。强度较低，硬度高，脆性大，不耐冲击，耐热性差，易燃。用途日用、装潢、包装及工业制品。仪器仪表外壳、灯罩、光学零件、装饰件、透明模型、玩具、化工储酸槽，包装及管道的保温层，冷冻绝缘层等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,30,一、塑料（常用）,4．聚丙烯PP-polypropylene无毒、无味、无臭、半透明蜡状固体。密度小，力学性能高于聚乙烯，耐热性良好，化学稳定性好，但不耐芳香族和氯化烃溶剂，耐寒性差，易老化。用途主要用于化工管道、容器、医疗器械、家用电器部件、家具、薄膜、绳缆、丝织网、电线电缆包覆等，以及汽车及机械零部件，如车门、方向盘、齿轮、接头等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,31,一、塑料（常用）,5．聚酰胺PA-polyamides尼龙或锦纶。具有较高的强度和韧性，耐磨性和自润滑性好，摩擦系数低。具有较好的电绝缘性，良好的耐油、耐溶剂性、阻燃性。但吸水性大，热膨胀系数大，耐热性不高。用途主要用于制造机械、化工、电气零部件，如轴承、齿轮、凸轮、泵叶轮、高压密封圈、阀门零件、包装材料、输油管、储油容器、丝织品及汽车保险杠、门窗手柄等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,32,一、塑料（常用）,6．聚甲醛POM-polyaldehyde具有较高的强度、硬度、刚性、韧性、耐磨性和自润滑性，耐疲劳性能高，吸水性小，摩擦系数小，耐化学品腐蚀性好，电绝缘性能良好，但热稳定性差，易燃。具有较高的综合性能，可以替代一些金属和尼龙。用途制造轴承、齿轮、凸轮、叶轮、垫圈、法兰、活塞环、导轨、阀门零件、仪表外壳、化工容器、汽车部件等，特别适用于无润滑的轴承、齿轮等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,33,一、塑料（常用）,7．聚碳酸酯PC-polycarbonate无毒、无味、无臭、微黄的透明状物体。具有优良的耐热性和冲击韧度，耐低温性好，尺寸稳定性高，良好的绝缘能，吸水性小，透光率高，阻燃性好，但化学稳定性差，耐磨性和抗疲劳性较差，容易产生应力腐蚀开裂。用途广泛用于制造轴承、齿轮、蜗轮、蜗杆、凸轮、透镜、挡风玻璃、防弹玻璃、防护罩、仪表零件、设备外壳、绝缘零件、医疗器械等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,34,一、塑料（常用）,8．聚砜PSF-polysulfone具有优良的耐热性，蠕变抗力高，尺寸稳定性好，电绝缘性能优良，耐热老化性能和耐低温性能也很好。聚砜耐化学腐蚀性能较好，但不耐某些有机极性溶剂。聚砜主要用于制造高强度、耐热、抗蠕变的结构零件，耐腐蚀零件及电气绝缘件，如齿轮、凸轮、仪表壳罩、电路板、家用电器部件、医疗器具等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,35,一、塑料（常用）,9．ABS塑料由丙烯晴A、丁二烯B、苯乙烯S三种单体共聚而成。丙烯晴能提高强度、硬度、耐热性和耐腐蚀性，丁二烯能提高韧性，苯乙烯能提高电性能和成型加工性能。ABS塑料具有较好的抗冲击性能、尺寸稳定性和耐磨性，成型性好，不易燃，耐腐蚀性好，但不耐酮、醛、酯、氯代烃类溶剂。用途电器外壳，汽车部件，轻载齿轮、轴承，各类容器、管道等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,36,一、塑料（常用）,10．聚甲基丙烯酸甲酯PMMA-polymethylmethacrylate又称有机玻璃。较高的强度和韧性、优良的光学性能，透光率比普通硅玻璃好。优良的电绝缘性。耐化学腐蚀性好，耐候性好，热导率低，但硬度低，表面易擦伤，耐磨性差，耐热性不高。用途飞机、汽车的窗玻璃和罩盖，光学镜片，仪表外壳，装饰品，广告牌，灯罩，光学纤维，透明模型，标本，医疗器械等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,37,一、塑料（常用）,11．酚醛塑料PF-bakelite有一定的强度和硬度、良好的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性及电绝缘性、热导率低。填料分为粉状、纤维状、层状。以木粉为原料的酚醛塑料粉又称胶木粉或电木粉，它价格低廉，但性脆、耐光性差，用于制造手柄、瓶盖、电话及收音机外壳、灯头、开关、插座等。以云母粉、石英粉、玻璃纤维为填料的塑料粉可用来制造电闸刀、电子管插座、汽车点火器等。以石棉为填料的塑料粉可用于制造电炉、电熨斗等设备上的耐热绝缘部件。以玻璃布、石棉布等为填料的层状塑料的可用于制造轴承、齿轮、带轮、各种壳体等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,38,一、塑料（常用）,12．环氧塑料EP-epoxyplastics以环氧树脂为基，加入填料及其它添加剂而制成。环氧树脂的强度较高，成型性好，具有良好的耐热性、耐腐蚀性、尺寸稳定性，优良的电绝缘性能。环氧塑料主要用于仪表构件、塑料模具、精密量具、电子元件的密封和固定、粘合剂、复合材料等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,39,一、塑料（常用）,13．有机硅塑料organicsiliconplastics具有优良的耐热性和电绝缘性，吸水性低，抗辐射，但强度低。有机硅塑料主要用于电气、电子元件和线圈的灌封和固定、耐热零件、绝缘零件、耐热绝缘漆、高温粘合剂、密封件、医用材料等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,40,一、塑料（常用塑料的性能）,2高分子材料,2021年3月15日星期一,41,一、塑料（成型方法）,（1）注射成型注塑成型将塑料原料在注射机料筒内加热熔化，通过推杆或螺杆向前推压至喷嘴，迅速注入封闭模具内，冷却后即得塑料制品。主要用于热塑性塑料。能生产形状复杂、薄壁、嵌有金属或非金属的塑料制品。（2）挤出成型挤塑成型原料在挤出机内受热熔化的同时通过螺杆向前推压至机头，通过不同形状和结构的口模连续挤出，获得不同形状的型材，如管、棒、带、丝、板及各种异型材，还可用于电线、电缆的塑料包覆等。挤出成型主要用于热塑性塑料。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,42,一、塑料（成型方法）,2高分子材料,2021年3月15日星期一,43,一、塑料（成型方法）,（3）吹塑成型熔融态的塑料坯通过挤出机或注射机挤出后，置于模具内，用压缩空气将此坯料吹胀，使其紧贴模内壁成型而获得中空制品。（4）浇铸成型在液态树脂中加入适量固化剂，然后浇入模具型腔中，在常压或低压及常温或适当加热条件下固化成型。此法主要用于生产大型制品，设备简单，但生产率低。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,44,一、塑料（成型方法）,2高分子材料,2021年3月15日星期一,45,一、塑料（成型方法）,（5）模压成型将塑料原料放入成型模加热熔化，通过压力机对模具加压，使塑料充满整个型腔，同时发生交联反应而固化，脱模后即得压塑制品。模压成型主要用于热固性塑料，适用于形状复杂或带有复杂嵌件的制品，但生产率低、模具成本较高。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,46,一、塑料（加工方法）,主要方法机械加工、焊接、粘接、表面喷涂、电镀、镀膜、彩印等。塑料可进行各种机械加工，由于塑料强度低、弹性大、导热性差，塑料切削加工时刀刃应锋利，刀具的前角与后角要大，速度要高，切削量要小，装夹不宜过紧，冷却要充分。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,47,二、橡胶（组成）,橡胶是以生胶为主要成分，添加各种配合剂和增强材料制成的。1．生胶生胶是指无配合剂、未经硫化的橡胶。按原料来源有天然橡胶和合成橡胶。2．配合剂用来改善橡胶的某些性能。常用配合剂有硫化剂、硫化促进剂、活化剂、填充剂、增塑剂、防老化剂、着色剂等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,48,二、橡胶（组成-配合剂）,（1）硫化剂用来使生胶的结构由线型转变为交联体型结构，从而使生胶变成具有一定强度、韧性、高弹性的硫化胶。常用硫化剂有硫磺和含硫化合物，有机过氧化物，胺类化合物、树脂类化合物、金属氧化物等。（2）硫化促进剂作用是缩短硫化时间，降低硫化温度，改善橡胶性能。常用促进剂有二硫化氨基甲酸盐、黄原酸盐类、噻唑类、硫脲类和部分醛类及醛胺类等有机物。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,49,二、橡胶（组成-配合剂）,（3）活化剂用来提高促进剂的作用。常用活化剂有氧化锌、氧化镁、硬酯酸等。（4）填充剂用来提高橡胶的强度、改善工艺性能和降低成本。能提高性能的填充剂称为补强剂如炭黑、二氧化硅、氧化锌、氧化镁等；用于降低成本的有滑石粉、硫酸钡等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,50,二、橡胶（组成-配合剂）,（5）增塑剂用来增加橡胶的塑性和柔韧性。常用增塑剂有石油系列、煤油系列和松焦油系列增塑剂。（6）防老剂用来防止或延缓橡胶老化，主要有石蜡、胺类和酚类防老剂。【增强材料主要有纤维织品、钢丝加工制成的帘布、丝绳、针织品等类型】,2高分子材料,2021年3月15日星期一,51,二、橡胶（加工成形）,包括塑炼、混炼、压延与压出、成型、硫化。1．塑炼生胶具有很高的弹性，难以加工。塑炼是生胶在机械或化学作用下，部分橡胶长分子链被切断，分子量降低，塑性增加的过程。通常在炼胶机中进行。2．混炼将生胶和配合剂混合均匀的过程。混炼的加料顺序是塑炼胶、防老剂、填充剂、增塑剂、硫化剂及硫化促进剂等。混炼时要注意严格控制温度和时间。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,52,二、橡胶（加工成形）,3．压延与压出混炼胶通过压延与压出等工艺，可以制成一定形状的橡胶半成品。4．成型把橡胶半成品通过粘贴、压合等方法制成成品形状的过程。5．硫化胶料大分子结构由线型转变为交联体型结构的过程。硫化后即得制品。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,53,二、橡胶（常用橡胶东代号、性能及应用）,2高分子材料,2021年3月15日星期一,54,二、橡胶（常用橡胶东代号、性能及应用）,2高分子材料,2021年3月15日星期一,55,三、胶粘剂,把两个固体表面粘合在一起，并且在胶接面处具有足够强度的物质；以各种树脂、橡胶、淀粉等为基体材料，添加各种辅料而制成的。分类,2高分子材料,2021年3月15日星期一,56,三、胶粘剂（常用）,1．环氧树脂胶粘剂具有很高的粘接力，操作简便，不需外力即可粘接；有良好的耐酸、碱、油及有机溶剂的性能。但环氧胶胶层较脆。用途环氧树脂胶粘剂对金属、玻璃、陶瓷、塑料、橡胶、混凝土等均具有较好的粘合能力，常用于以上物品之间的粘接和修补，也可用于竹木和皮革、织物、纤维之间的粘接。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,57,三、胶粘剂（常用）,2．酚醛树脂胶粘剂具有较强的粘接力，耐高温，但韧性低，剥离强度差。主要用于木材、胶合板、泡沫塑料等，也可用于胶接金属、陶瓷。改性的酚醛-丁晴胶可在-60～150℃使用，广泛用于机器、汽车、飞机结构部件的胶接，也可用于胶接金属、玻璃、陶瓷、塑料等材料。改性的酚醛-缩醛胶具有较好的胶接强度和耐热性，主要用于金属、玻璃、陶瓷、塑料的胶接，也可用于玻璃纤维层压板的胶结。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,58,三、胶粘剂（常用）,3．聚氨酯树脂胶粘剂初粘结力大，常温触压即可固化，有利于粘接大面积柔软材料及难以加压的工件。在-250℃以下仍能保持较高的剥离强度，而且其抗剪强度随着温度下降而显著提高。聚氨酯树脂胶毒性大，固化时间长，耐热性不高，易与水反应。可对金属、玻璃、陶瓷、橡胶、木材、皮革和极性塑料有很强的粘结力，特别是超低温工件的粘接。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,59,三、胶粘剂（常用）,4．α-氰基丙烯酸酯胶粘剂具有透明性好、粘度低、粘结速度极快等特点，使用很方便。但它不耐水，性脆，耐温性和耐久性较差，有一定气味。广泛用于金属、陶瓷、玻璃及大多数塑料和橡胶制品的粘接及日常修理。市场上销售的“501”胶和“502”胶就属于这类胶粘剂。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,60,三、胶粘剂（常用）,5．氯丁橡胶胶粘剂具有良好的弹性和柔韧性，初粘力强，但强度较低，耐热性不高，贮存稳定性较差，耐寒性不佳，溶剂有毒。氯丁橡胶胶粘剂使用方便，价格低廉，广泛用于橡胶与橡胶、金属、纤维、木材、塑料之间的粘接。6．聚醋酸乙烯乳液胶粘剂即乳白胶。无毒、粘度小、价格低、不燃。但耐水性和耐热性较差。主要用于胶接木材、纤维、纸张、皮革、混凝土、瓷砖等。,2高分子材料,2021年3月15日星期一,61,基本概念,传统陶瓷材料是粘土、石英、长石等硅酸盐类材料。现代陶瓷材料是无机非金属材料的统称。其原料已不再是单纯的天然矿物材料，而是扩大到人工化合物（Al2O3、SiO2、ZrO2等）。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,62,一、陶瓷的分类（化学成分）,氧化物陶瓷Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO、CaO、BeO、Cr2O3、CeO2、ThO2；碳化物陶瓷SiC、B4C、WC、TiC；氮化物陶瓷Si3N4、AlN、TiN、BN；新型碳化物陶瓷C3N4；硼化物陶瓷TiB2、ZrB2；复合瓷、金属陶瓷和纤维增强陶瓷3Al2O32SiO2莫来石、MgAl2O3尖晶石、CaSiO3、ZrSiO4、BaTiO3、PbZrTiO3、BaZrO3、CaTiO3等。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,63,一、陶瓷的分类原料-用途-性能,原料普通陶瓷（硅酸盐材料）特种陶瓷（人工合成材料）用途日用陶瓷、结构陶瓷、功能陶瓷性能高强度陶瓷、高温陶瓷、耐磨陶瓷、耐酸陶瓷、压电陶瓷、光学陶瓷、半导体陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷等。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,64,一、陶瓷的结构（晶相）,陶瓷一般由晶相、玻璃相和气相组成。其显微结构是由原料、组成和制造工艺所决定的。晶相是陶瓷材料的主要组成相，是化合物或固溶体。晶相主要有硅酸盐、氧化物、非氧化物三种。硅酸盐的基本结构是硅氧四面体（SiO4），构成不同结构的硅酸盐，大多数氧化物的结构是氧离子密堆的立方和六方结构，金属离子位于其八面体或四面体间隙中。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,65,二、陶瓷的结构（玻璃相）,玻璃相是一种低熔点的非晶态固相。它的作用是粘接非晶态晶相，填充晶相间的空隙，提高致密度，降低烧结温度，抑制晶粒长大等。玻璃相的组成随着坯料组成、分散度、烧结时间以及炉（窑）内气氛的不同而变化。玻璃相会降低陶瓷的强度、耐热耐火性和绝缘性。故陶瓷中玻璃相的体积分数一般为20～40。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,66,二、陶瓷的结构（气相）,气相（气孔）是指陶瓷孔隙中的气体。陶瓷的性能受气孔的含量、形状、分布等的影响，气孔会降低陶瓷的强度，增大介电损耗，降低绝缘性，降低致密度，提高绝热性和抗振性。对功能陶瓷的光、电、磁等性能也会产生影响。普通陶瓷的气孔率为体积的5～10，特种陶瓷和为功能陶瓷5以下。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,67,二、陶瓷的结构,3陶瓷,陶瓷显微组织示意图,2021年3月15日星期一,68,三、陶瓷材料的性能（力学性能）,高硬度，一般为1000～5000HV，而淬火钢为500～800HV，因而具有优良的耐磨性；陶瓷的弹性模量高，刚度大，是各种材料中最高的。由于晶界的存在，陶瓷的实际强度比理论值要低的多；陶瓷的抗拉强度很低，抗弯强度稍高，抗压强度很高，一般比抗拉强度高10倍。陶瓷的塑性、韧性低，脆性大，在室温下几乎没有塑性。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,69,三、陶瓷材料的性能（物理化学性能）,熔点很高，大多在2000℃以上，具有很高的耐热性；线膨胀系数小，导热性和抗热振性都较差，受热冲击时容易破裂；化学稳定性高，抗氧化性优良，对酸、碱、盐具有良好的耐腐蚀性；有各种电学性能，大多数陶瓷具有高电阻率，少数陶瓷具有半导体性质。许多陶瓷具有特殊的性能，如光学性能、电磁性能等。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,70,四、常用陶瓷材料工程结构陶瓷材料,（一）普通陶瓷以粘土、长石、石英等为原料烧结而成的陶瓷。这类陶瓷质地坚硬、不氧化、耐腐蚀、不导电、成本低，但强度较低，耐热性及绝缘性不如其它陶瓷。普通工业陶瓷有建筑陶瓷、电瓷、化工陶瓷等。电瓷主要用于制作隔电、机械支持及连接用瓷质绝缘器件。化工陶瓷主要用于化学、石油化工、食品、制药工业中制造实验器皿、耐蚀容器、反应塔、管道等。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,71,四、常用陶瓷材料工程结构陶瓷材料,（二）特种陶瓷1．氧化铝陶瓷Al2O3＋少量SiO2。根据Al2O3含量可分为刚玉-莫来瓷（75瓷，wAl2O375）和刚玉瓷（95瓷，99瓷）。硬度很高，耐磨性很好。耐高温，1600℃高温下长期工作。具有良好的耐腐蚀性和绝缘性能，在高频下的电绝缘性能尤为突出。氧化铝陶瓷的韧性低，脆性大，抗热振性差。还具有光学特性和离子导电特性。用于制作装饰瓷，内燃机的火花塞，电路基板，管座，石油化工泵的密封环，机轴套，导纱器，喷嘴，火箭、导弹的导流罩，切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石，耐火材料，坩埚，炉管，热电偶保护套等。还可用于制作人工骨骼，透光材料，激光振荡元件，微波整流罩，太阳能电池材料和蓄电池材料等。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,72,四、常用陶瓷材料工程结构陶瓷材料,（二）特种陶瓷2．氮化硅陶瓷以Si3N4为主要成分的陶瓷。氮化硅陶瓷具有很高的硬度，摩擦系数小，耐磨性好，抗热振性大大高于其它陶瓷。它具有优良的化学稳定性，能耐除氢氟酸、氢氧化钠外的其他酸和碱性溶液的腐蚀，以及抗熔融金属的侵蚀。它还具有优良的绝缘性能。用于制造切削刀具、高温轴承、泵密封环、热电偶保护套、缸套、活塞顶、电磁泵管道和阀门等。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,73,四、常用陶瓷材料工程结构陶瓷材料,（二）特种陶瓷3．碳化硅陶瓷以SiC为主要成分的陶瓷。具有很高的高温强度，在1400℃时抗弯强度仍保持在500～600MPa，工作温度可达1700℃；有很好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性，良好的导热性、耐辐射性。制作火箭尾喷管喷嘴、浇注金属的浇道口、轴承、轴套、密封阀片、轧钢用导轮、内燃机器件、热电偶保护套管、炉管、核燃料包封材料等。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,74,四、常用陶瓷材料工程结构陶瓷材料,（二）特种陶瓷4．氮化硼BN陶瓷分低压型和高压型两种。低压型BN其硬度较低，具有自润滑性，具有良好的高温绝缘性、耐热性、导热性，化学稳定性好。用于耐热润滑剂、高温轴承、高温容器、坩埚、热电偶套管、散热绝缘材料、玻璃制品成型模等。高压型BN为立方晶系、硬度接近金刚石，用于磨料和金属切屑刀具。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,75,四、常用陶瓷材料工程结构陶瓷材料,（二）特种陶瓷5．氧化锆陶瓷热导率小，化学稳定性好、耐腐蚀性高，可用于高温绝缘材料、耐火材料，如熔炼铂和铑等金属的坩埚、喷嘴、阀心、密封器件等硬度高，可用于制造切削刀具、模具、剪刀、高尔夫球棍头等。ZrO2具有敏感特性，可做气敏元件，还可作为高温燃料电池固体电解隔膜、钢液测氧探头等。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,76,四、常用陶瓷材料工程结构陶瓷材料,（二）特种陶瓷6．氧化镁、氧化钙、氧化铍陶瓷MgO、CaO陶瓷抗金属碱性熔渣腐蚀性好，热稳定性差。MgO高温易挥发，CaO易水化。MgO、CaO陶瓷可用于制造坩埚、热电偶保护套、炉衬材料等。BeO具有优良的导热性，热稳定性高，具有消散高温辐射的能力，但强度不高。可用作真空陶瓷，高频电炉的坩埚，有高温绝缘要求的电子元件和核反应堆用陶瓷。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,77,四、常用陶瓷材料工程结构陶瓷材料,（二）特种陶瓷7．氮化铝陶瓷氮化铝陶瓷主要用于半导体基板材料，坩埚、保护管等耐热材料，树脂体中高导热填料，红外与雷达的透过材料等。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,78,四、常用陶瓷材料工程结构陶瓷材料,（二）特种陶瓷8．莫来石陶瓷具有高的高温强度和良好的抗蠕变性能，低的热导率。高纯莫来石陶瓷韧性较低，不宜作为高温结构材料，主要用于1000℃以上高温氧化气氛下工作的长喷嘴、炉管及热电偶套管。加入ZrO2可形成氧化锆增韧莫来石（ZTM），或加入SiC颗粒、晶须形成复相陶瓷。ZTM具有较高的强度和韧性，可作为刀具材料或绝热发动机的某些零部件。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,79,四、常用陶瓷材料性能,3陶瓷,2021年3月15日星期一,80,四、常用陶瓷材料功能陶瓷,（一）铁电陶瓷有些陶瓷的晶粒排列是不规则的，但在外电场作用下，不同取向的电畴开始转向电场方向，材料出现自发极化，在电场方向呈显一定电场强度，这类陶瓷称为铁电陶瓷，广泛应用的铁电材料有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝等。铁电陶瓷应用最多的是铁电陶瓷电容器，还可用于制造压电元件、热释电元件、电光元件、电热器件等。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,81,四、常用陶瓷材料功能陶瓷,（二）压电陶瓷铁电陶瓷在外加电场作用下出现宏观的压电效应，称为压电陶瓷。目前所用的压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、锆酸铝、锆钛酸铅等。压电陶瓷在工业、国防及日常生活中应用十分广泛。如压电换能器、压电马达、压电变压器、电声转换器件等。利用压电效应将机械能转换为电能或把电能转换为机械能的元件称为换能器。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,82,四、常用陶瓷材料功能陶瓷,（三）半导体陶瓷导电性介于导电和绝缘介质之间的陶瓷材料。主要有钛酸钡陶瓷，具有正电阻温度系数，应用非常广泛。如用于电动机、收录机、计算机、复印机、变压器、烘干机、暖风机、电烙铁、彩电消磁、燃料的发热体、阻风门、化油器、功率计、线路温度补偿等。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,83,四、常用陶瓷材料功能陶瓷,（四）氧化锆固体电解质陶瓷ZrO2中加入CaO、Y2O3等后，提供了氧离子扩散的通道，所以为氧离子导体。氧化锆固体电解质陶瓷主要用于氧敏传感器和高温燃料电池的固体电解质。（五）生物陶瓷氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷与生物肌体有较好的相容性，耐腐蚀性和耐磨性能都较好，因此常用于生物体中承受载荷部位的矫形整修，如人造骨骼等。,3陶瓷,2021年3月15日星期一,84,一、复合材料的概念,国际标准化组织对复合材料的定义是“由两种以上在物理和化学上不同的物质结合起来而得到的一种多相固体材料”。有些钢和陶瓷材料也可以看作是复合材料，但现代复合材料的概念主要是指经人工特意复合而成的材料，而不包括天然复合材料及钢和陶瓷材料这一类多相体系。自然界天然复合材料如竹子、木材、骨骼等作为材料学科的一个专门学科只有几十年的时间。,4复合材料,2021年3月15日星期一,85,二、复合材料的组成,复合材料是多相体系，通常分成两个基本组成相连续相称为基体相，主要起粘接和固定作用；分散相称为增强相，主要起承受载荷作用。此外基体相和增强相之间的界面特性对复合材料的性能也有很大影响。,4复合材料,2021年3月15日星期一,86,三、复合材料的分类（1）,1．按基体材料分类※树脂基又称聚合物基，如塑料基、橡胶基等※金属基如铝基、铜基、钛基等※陶瓷基※水泥基※碳/碳基,4复合材料,2021年3月15日星期一,87,三、复合材料的分类（2）,2．按增强相的种类和形态分类纤维增强复合材料长纤维或连续纤维、短纤维或晶须颗粒增强复合材料纯颗粒增强复合材料和弥散增强叠层增强复合材料骨架增强复合材料涂层增强复合材料,4复合材料,2021年3月15日星期一,88,三、复合材料的分类（3）,3.按复合材料的性能分类结构复合材料树脂基、金属基、陶瓷基、水泥基和碳/碳基复合材料等都属于结构复合材料。功能复合材料。功能复合材料具有独特的物理性质，有换能、阻尼吸声、导电导磁、屏蔽功能复合材料等。,4复合材料,2021年3月15日星期一,89,四、复合材料的性能（力学性能）,1．比强度和比模量具有比其它材料都高的比强度和比模量，尤其是碳纤维环氧树脂复合材料。2．疲劳性能具有较小的缺口敏感性，其纤维和基体间的界面能有效地阻止疲劳裂纹的扩展，因此具有较高的疲劳极限，断裂安全性好。3．其它性能具有良好的减振性能。大多数纤维增强复合材料具有良好的高温强度、高温弹性模量和抗蠕变性能。许多树脂基、金属基、陶瓷基复合材料还具有良好的耐磨性能。,4复合材料,2021年3月15日星期一,90,四、复合材料的性能（物理、化学性能）,物理、化学性能复合材料的密度低，膨胀系数小。许多复合材料具有导电、导热、压电效应、换能、吸波等特殊性能。有些复合材料还具有良好的耐热性和化学稳定性。,4复合材料,2021年3月15日星期一,91,四、复合材料的性能,4复合材料,2021年3月15日星期一,92,四、复合材料的性能,4复合材料,2021年3月15日星期一,93,五、常用增强材料纤维-晶须,1．玻璃纤维由熔融的玻璃经拉丝而成，可制成连续纤维和短纤维；具有不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘、能透过电磁波等特性，有良好的耐腐蚀性，除氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其它溶剂有良好的化学稳定性。其缺点是脆性大，耐磨性差。由于其制取方便，价格便宜，是应用最多的增强纤维。,4复合材料,2021年3月15日星期一,94,五、常用增强材料纤维-晶须,2．碳石墨纤维将有机纤维如聚丙烯腈纤维、沥青纤维、棉纤维等在惰性气氛中经高温碳化而制成的纤维。经石墨化处理的碳纤维又称为石墨纤维。碳纤维的比强度和比模量高，在无氧条件下2500℃弹性模量也不降低。它的耐热性、耐寒性好，热膨胀系数小，热导率高，导电性好。石墨纤维的耐热性、导电性比碳纤维高，而且还有自润滑性。碳纤维化学稳定性高，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介质浸蚀。其缺点是脆性大，易氧化，与基体结合力差。,4复合材料,2021年3月15日星期一,95,五、常用增强材料纤维-晶须,3．硼纤维用三氯化硼和氢气混合气在高温下将硼沉积到钨丝上制得的一种复合纤维。具有高强度、高弹性模量、高耐热性，在无氧条件下、1000℃弹性模量也不降低，还具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性。其缺点是，直径较粗，伸长率低，生产工艺复杂，成本高。4．芳纶纤维最大特点是比强度和比模量高，韧性好，具有优良的抗疲劳性、耐腐蚀性、绝缘性和加工性，且价格便宜。,4复合材料,2021年3月15日星期一,96,