非金属材料.ppt

第九章非金属材料,9.1高分子材料9.2工业陶瓷9.3复合材料,9.1高分子材料,9.1.1工程塑料9.1.2橡胶9.1.3胶粘剂,高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是指相对分子质量分子量很大的化合物，其分子量一般在5000以上。高分子化合物包括有机高分子化合物和无机高分子化合物两类。有机高分子化合物又分为天然的和合成的。机械工程中使用的高分子材料主要是人工合成的有机高分子聚合物（简称高聚物），例如塑料、合成橡胶、合成纤维、涂料和胶接剂等。高聚物是通过聚合反应以低分子化合物结合形成的高分子材料,聚合反应,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.例如乙烯加聚成聚乙烯；单体为两种或两种以上的则为共加聚，例如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.缩聚反应是由一种或多种单体相互作用而连接成高聚物的反应,这种反应同时析出新的低分子副产物。酚醛树脂电木、聚酰胺尼龙、环氧树脂等都是缩聚反应产物。,9.1.1工程塑料1．塑料的组成,塑料的主要成分是合成树脂，此外还包括填料或增强材料、增塑剂、固化剂、润滑剂、稳定剂、着色剂、阻燃剂等它是将各种单体通过聚合反应合成的高聚物树脂在一定的温度、压力下可软化并塑造成形，它决定了塑料的基本属性，并起到粘结剂的作用其它添加别是为了弥补或改进塑料的某些性能。例如填料（木粉、碎布、纤维等主要起增强和改善性能作用，其用量可达20-50。,2．塑料的特性,密度小塑料的相对密度一般只有1.0-2.0，大约为钢的1/6，铝的1/2。这对减轻车辆、飞机、船舶等运输工具的自重意义十分重大耐腐蚀大多数塑料化学稳定性好，对酸、碱和有机溶液都有良好的抗蚀能力。有些还可与陶瓷材料媲美电绝缘性绝大多数塑料具有良好的电绝缘性和较小的介电损耗。因此，是理想的电绝缘材料,耐磨和减摩性好大部分塑料摩擦系数低，有自润滑能力，可在湿摩擦和干摩擦条件下有效工作。良好的成形性大部分塑料都可以直接采用注塑或挤压成形工艺，无须切削。所以可提高生产率，降低成本塑料的不足之处是强度、硬度较低，耐热性差，易老化、易蠕变等。,3．常用工程塑料,按使用范围塑料可分为通用塑料、工程塑料、耐热塑料根据树脂的热性能，塑料可分为热塑性塑料热固性塑料,（1）热塑性塑料热塑性塑料受热时软化，冷却后变硬，再受热时又软化。具有可塑性和重复性。其树脂结构为线型或支链型结构。常用的塑料有聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚四氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等,（2）热固性塑料,热固性塑料加热固化后将不再软化，形成不溶、不熔物。其结构为网状结构。常用的有酚醛塑料、环氧塑料等,塑料制品的成型与加工1.塑料制品的成型塑料制品的成型是将各种形态（粉状、粒状、液态、糊状或碎料）的塑料制成具有一定形状和尺寸的制品的工艺过程。（1）注射成型也称注塑成形，是利用注塑机将熔化的塑料快速注入闭合的模具内并固化而得到各种塑料制品的方法。是热塑性塑料的主要成型方法之一。注塑成形法可以生产出形状复杂的各种零件，如带孔的以及孔内有螺纹结构的零件，还可以生产出镶有复杂薄壁嵌件的零件。,（2）压制成型压制成型法（又称压塑），是将原料置于预热的模腔内，然后加压，塑料在模腔内受热塑化（熔化）流动并在压力作用下充满模腔，同时发生化学反应而固化得到塑料制品。压塑主要用于热固性塑料，如酚醛、环氧和有机硅等热固性树脂的成形；在热塑性塑料方面仅用于PVC唱片生产和聚乙烯制品的预压成形。,压制成形示意图1压头2原料3凹模4制品5顶杆,（3）挤出成型挤出成型亦称挤塑，是利用挤出机把热塑性塑料连续加工成各种断面形状制品的方法。挤出成形的特点是连续生产、生产率高、用途广、适应性强。其应用主要用于生产热塑性塑料制品的板材、片材、棒材、异型材和电缆护层等。目前，挤塑制品约占热塑性塑料制品的40～50。此外，挤塑方法还可以用于某些热固性塑料和复合材料。,粉粒状或颗粒状原料从料斗１进入工作缸３，然后被旋转的螺杆２绞入。螺杆推动物料向前移动，将其混合并压紧。在加热元件４的热作用下，以及在物料颗粒与工作缸壁相互摩擦产生的热作用下被加工物料转变为粘流态，并从工作头的模孔中被挤出。熔融塑料从芯杆５周围的环形孔通过。芯杆的作用是用来形成管材的内孔。,连续挤出成形示意图1料斗2螺杆3工作缸4加热元件5芯杆6挤出模,（4）浇注成型浇注成型，是将处于流动状态的高分子材料，或能生成高分子成形物的液态单体材料，注入特定的模具中，在一定的条件下使之反应固化，从而得到与模具型腔相一致的制品的工艺方法。适用于热固性塑料的成型,（5）吹塑成型吹塑成型（即中空成型）是制造空心塑料制品的一种方法。属于塑料的二次加工。吹塑成形方法广泛用于生产口径不大的瓶、壶、桶等容器及儿童玩具等。聚乙烯、聚碳酸酯等是最常用的塑料。,2.塑料制品的加工指成型后的制品再经后续加工，以达到某些要求的工艺过程。主要有切削加工、塑料的焊接、表面处理,表9-7各种常见材料的弹性模量和硬度,表9-11各类材料强度性能的比较,8.1.2橡胶,1．橡胶的组成与性能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。橡胶具有弹性大（最高伸长率可达800％～1000％，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，有定的耐蚀性和足够的强度等有点，其主要缺点是易老化。,2．常用橡胶,8.2陶瓷材料,8.2.1陶瓷的分类与性能1．陶瓷的分类按原料不同，陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷；按用途不同分为日用陶瓷和工业陶瓷。普通陶瓷又称传统陶瓷，其原料是天然的硅酸盐产物，如粘土、长石、石英等。这类陶瓷又称硅酸盐陶瓷，例如日用陶瓷、建筑陶瓷、绝缘陶瓷、化工陶瓷等。特种陶瓷又称近代陶瓷，其原料是人工合成的金属氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等。特种陶瓷具有一些独特的性能，可满足工程结构的特殊需要。,8.2.2常用工业陶瓷,1．普通陶瓷质地坚硬、不氧化、不导电、耐腐蚀、成本低，加工成形性好。强度低，使用温度为1200℃。广泛用于电气、化工、建筑和纺织行业。例如受力不大，在酸、碱中工作的容器、反应塔、管道；绝缘件；要求光洁、耐磨、低速、受力小的导纱零件。2．氧化铝陶瓷主要成分是A12O3。强度比普通陶瓷高2～6倍，硬度高仅低于金刚石；耐高温（陶瓷可在1600℃时长期使用，空气中使用温度最高为1980℃），高温蠕变小；耐酸、碱和化学药品腐蚀，绝缘性好。脆性大，不能承受冲击。用于制作高温容器如坩埚，内燃机火花塞；切削高硬度、大工件、精密件的刀具；耐磨件如拉丝模；化工、石油用泵的密封环；高温轴承；纺织机用高速导纱零件等。,8.2.2常用工业陶瓷,3．氮化硅陶瓷这类陶瓷化学稳定性好，除氢氟酸外，可耐无机酸盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、王水和碱液腐蚀；抗熔融非铁金属侵蚀，硬度高，摩擦系数小，耐磨性好；绝缘性；热膨胀系数小，抗高温蠕变性高于其他陶瓷；最高使用温度低于氧化铝陶瓷。用于制作高温轴承，热电偶套管，泵和阀的密封件，切削高硬度材料的刀具。例如，农用泵因泥砂多，要求密封件耐磨，原来用铸造锡青铜作密封件与9Crl8对磨，寿命低，现用氮化硅陶瓷与9Crl8对磨，使用8400h，磨损仍很小。,8.2.2常用工业陶瓷,4．碳化硅陶瓷这类陶瓷高温强度大，抗弯强度在1400℃仍保持500～600MPa，热传导能力强，有良好的热稳定性、耐磨性、耐蚀性和抗蠕变性。用于制作工作温度高于1500℃的结构件，如火箭尾喷管的喷嘴，浇注金属的浇口杯，热电偶套管、炉管，汽轮机叶片，高温轴承，泵的密封圈。5．氮化硼陶瓷这类陶瓷有良好的高温绝缘性2000℃时仍绝缘、耐热性、热稳定性、化学稳定性、润滑性，能抗多数熔融金属侵蚀，硬度低，可进行切削加工。用于制作热电偶套管，坩埚，导体散热绝缘件，高温容器、管道、轴承，玻璃制品的成形模具。,8.3复合材料,复合材料由两种或两种以上性质不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料，称为复合材料。8.3.1复合材料的分类按基体不同，分为两类非金属基复合材料和金属基复合材料。按增强相的种类和形状不同，分为三类颗粒复合材料、层叠复合材料和纤维增强复合材料。按性能，分为结构复合材料、功能复合材料等。,8.3.2复合材料的性能,1．比强度和比模量高例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的8倍，比模量弹性模量与密度之比比钢大3倍。2．抗疲劳性能好例如碳纤维-聚酯树脂复合材料的疲劳强度是其抗拉强度的70％-80％，而大多数金属的疲劳强度是其抗拉强度的30％～50％。,3．减振性能好纤维与基体界面有吸振能力，可减小振动。例如，尺寸形状相同的梁，金属梁9s停止振动，碳纤维复合材料制成的梁2.5s就可停止振动。4．高温性能好一般铝合金在400～500℃时弹性模量急剧下降，强度也下降。碳或硼纤维增强的铝复合材料，在上述温度时，其弹性模量和强度基本不变。此外，复合材料还有较好的减摩性、耐蚀性、断裂安全性和工艺性等。,8.3.3常用复合材料,1．纤维增强复合材料1玻璃纤维增强复合材料俗称玻璃钢按粘结剂不同，分为热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢。①热塑性玻璃钢以玻璃纤维为增强剂，热塑性树脂为粘结剂。与热塑性塑料相比，当基体材料相同时，强度和疲劳强度提高2-3倍，冲击韧度提高2-4倍，抗蠕变能力提高25倍，强度超过某些金属。这种玻璃钢用于制作轴承、齿轮、仪表盘、收音机壳体等。,8.3.3常用复合材料,②热固性玻璃钢以玻璃纤维为增强剂，热固性树脂为粘结剂。其密度小，耐蚀性、绝缘性、成形性好，比强度高于铜合金和铝合金，甚至高于某些合金钢。但刚度差，为钢的1／10～1／5。耐热性不高低于200℃，易老化和蠕变。主要制作要求自重轻的受力件，例如汽车车身，直升机旋翼，氧气瓶，轻型船体，耐海水腐蚀件，石油化工管道和阀门等。,,2碳纤维增强复合材料这种复合材料与玻璃钢相比，其抗拉强度高，弹性模量是玻璃钢的4～6倍。玻璃钢在300℃以上，强度会逐渐下降，而碳纤维的高温强度好。玻璃钢在潮湿环境中强度会损失15％，碳纤维的强度不受潮湿影响。此外，碳纤维复合材料还具有优良的减摩性、耐蚀性、导热性和较高的疲劳强度。,8.3.3常用复合材料,2．层叠复合材料层叠复合材料是由两层或两层以上不同材料复合而成。用层叠法增强的复合材料可使强度、刚度、耐磨、耐蚀、绝热、隔声、减轻自重等性能分别得到改善。常见的有双层金属复合材料、塑料-金属多层复合材料和夹层结构复合材料等。3．颗粒复合材料,,3.颗粒复合材料是由一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体材料内所组成的。金属陶瓷就是颗粒复合材料，它是将金属的热稳定性好、塑性好，高温易氧化和蠕变，与陶瓷脆性大，热稳定性差，但耐高温、耐腐蚀等性能进行互补，将陶瓷微粒分散于金属基体中，使两者复合为一体。例如，钨钴类硬质合金刀具就是一种金属陶瓷,知识窗,先进陶瓷又称精细陶瓷、高技术陶瓷具有优异的性能，如耐磨损、耐腐蚀、耐高温、高硬度、高强度和电、磁、光等功能，从而在计算机、通信、生物、航天、新能源、精密机械等领域获得愈来愈广的应用。然而，传统的成形制造技术如模压成形、注浆成形，在陶瓷部件的成形质量和成形精度等方面都满足不了要求，特别是对于近几年发展起来的在电子、通信、生命科学与微机电系统中的微细陶瓷零部件，陶瓷的传统成形制造技术已无法制备。,