非金属材料和复合材料.doc

第6章 非金属材料和复合材料 非金属材料是指除金属材料和复合材料以外的其它材料，包括高分子材料和陶瓷材料。它们具有许多金属材料所不及的性能，如高分子材料的耐蚀性、电绝缘性、减振性、质轻以及陶瓷材料的高硬度、耐高温、耐蚀性和特殊的物理性能等。因此，非金属材料在各行各业得到越来越广泛的应用，并成为当代科学技术革命的重要标志之一。 复合材料是两种或两种以上不同化学成分或不同组织结构的物质，通过一定的工艺方法人工合成的多相固体材料。它的最大特点是材料间可以优势互补，具有十分广阔的发展前景。 6-1 常用高分子材料 高分子材料按照其力学性能及使用状态可分为塑料、橡胶、合成纤维及胶粘剂等。 一、工程塑料 塑料是以树脂为主要成分，在一定温度和压力下塑造成一定形状，并在常温下能保持既定形状的高分子有机材料。 1．塑料的组成 塑料是以树脂（天然的或合成的）为主要组分，加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的。 （1）树脂 树脂是塑料最基本的也是最重要的成分，它在塑料中起粘接其它组分并成形的作用。树脂的种类、性能、数量决定了塑料的类型和主要性能，因此，绝大多数塑料就是以所用树脂命名的。树脂分为天然树脂和合成树脂。 天然树脂是指由植物或动物分泌的有机物质，如松香、虫胶等。其共同特点是无显著的熔点，受热可逐渐软化，能溶于某些有机溶剂之中，但不溶于水。合成树脂与天然树脂性能相似。树脂也可以直接用作塑料，如聚乙烯，聚苯乙烯、聚碳酸脂等。 （2）添加剂 常用的有以下几种 ① 填料（填充剂）为改善塑料的某些性能或降低成本，而加入的一些物质称填料。例如，加入石棉粉可以提高塑料的热硬性；加入云母可以提高塑料的电绝缘性；加入铝粉可提高光反射能力和防老化；加入二硫化钼可提高润滑性等。 ② 增塑剂 用以提高树脂可塑性和柔软性的添加剂称增塑剂。 ③ 固化剂 加入固化剂可使树脂成型时由线型转变成体型网状结构，成为较坚硬和稳定的塑料制品。 ④其它 稳定剂（防老剂）、润滑剂（防粘模具）、发泡剂、催化剂、阻燃剂、抗静电剂等。 2．塑料的分类 塑料品种繁多，而每一品种又有多种牌号，常用的塑料分类方法有下述两种 （1）按树脂的性质分类 ① 热塑性塑料 是指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。 ② 热固性塑料 指在一定温度和压力等条件下，保持一定时间而固化，固化后再加热将不再软化，也不溶于溶剂，只能塑制一次的塑料。 （2）按塑料使用范围分类 ① 通用塑料 ② 工程塑料 是指可可以作为结构材料的塑料。可代替金属作为机械零件和工程结构件使用。主要有ABS塑料、有机玻璃、尼龙、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚砜等。 ③ 特种塑料 是指具有特种性能和特种用途的塑料。如医用塑料、耐高温塑料、耐腐蚀塑料等。耐热塑料常见的有聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、有机硅树脂、环氧树脂等。 3．塑料的性能特点 密度小 、比强度高 、耐蚀性好 、电性能优良 、减摩性、耐磨性及自润滑性好 、消音吸振 、强度低、刚性差 、耐热性低、易老化 、具有可塑性和熔融流动特性等。 4．工程塑料的用途及发展 工程塑料并不是金属的代用品，而是一类具有独特性能的新型高分子材料。在选用时应注意扬长避短，针对不同的具体要求，选择综合性能最佳、成本较低的材料和保证产品质量最好的加工方法，这样才能充分发挥工程塑料的优越性。 作齿轮、轴承、泵叶、汽车零部件、仪器仪表元件等，宜选用聚酰胺、聚碳酸酯和聚砜； 作汽车传动万向节轴承以聚甲醛最能胜任； 作高度防腐蚀部件、容器或衬里选聚四氟乙烯或聚氯醚为宜； 作电子、电器等复杂形状的部件，要用ABS； 要求耐磨并具有一定自润滑性的，首推聚酰胺、聚甲醛和聚四氟乙烯； 要求耐高温或低温且冲击性好，能作成透明片材使用的，非聚碳酸酯莫属。 近年来塑料在汽车上的应用也越来越多。例如前照面、保险杠、发动机罩、行李箱盖、顶盖、翼子板、车门内护板和某些车身骨架构件等。 日前，国外已研制成功具有合金钢般的高强度的塑料，可以用来制造从汽车轴承、机器齿轮到打字机零件等许多耐磨损零部件。 常用塑料的名称、代号、特性及用途见表6-1。 二、橡胶 1．橡胶的组成 （1）生胶 未加配合剂的天然或合成橡胶统称为生胶，是橡胶制品的主要组分。生胶在橡胶制备过程中不但起着粘接其它配合剂的作用，而且决定橡胶制品的性能。 （2）配合剂 配合剂是用以改善和提高橡胶制品的性能而加入的物质。配合剂的种类很多，一般有 ① 硫化剂 在橡胶中加入硫化剂（常用硫磺）和其它配料后加热、加压，就会使线型结构分子相互交联为网状结构，这个过程就叫做硫化。硫化处理后可提高橡胶的弹性、耐磨性、耐蚀性和抗老化能力，并使之具有不溶、不融特性。 ② 其它 硫化促进剂、增塑剂 、填充剂 、防老剂 、增强材料 、还有着色剂、发泡剂、电磁性调节剂等。 2．橡胶的分类（自阅教材） 3．橡胶的性能特点（自阅教材，回答问题） 橡胶最显著的性能特点（自阅教材，回答问题） 4．常用橡胶的种类、性能及用途见表6-2。 6-2陶瓷材料 陶瓷材料是指以天然硅酸盐（粘土、石英、长石等）或人工合成化合物（氮化物、氧化物、碳化物等）为原料，经过制粉、配料、成形、高温烧结而成的无机非金属材料。 一、陶瓷的分类 二、陶瓷的性能 1．陶瓷的力学性能 （1）硬度 陶瓷的硬度在各类材料中最高，作为超硬耐磨损材料，性能特别优良。 （2）强度 由于陶瓷中存在着大量相当于裂纹源的气孔，在拉应力的作用下，会迅速扩展而导致脆断，因此陶瓷的抗拉强度低。但它具有较高的抗压强度，可以用于承受压缩载荷的场合。 （3）塑性和韧性 多数陶瓷弹性模量高于金属，在外力作用下，只产生弹性变形，伸长率和断面收缩率几乎为零，完全是脆性断裂，故冲击韧性和断裂韧度很低。 2．陶瓷的物理性能 3．陶瓷的化学性能 三、常用的陶瓷材料 1．普通陶瓷 2．特种陶瓷 特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷或高性能陶瓷。特种陶瓷的原料是人工提炼的，即纯度较高的金属氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等化合物。这类陶瓷具有一些独特的性能，可满足工程结构的特殊需要。主要有 （1）氧化物陶瓷 ① 氧化铝（刚玉）陶瓷 ② 氧化铍陶瓷 （2）碳化物陶瓷 ① 碳化硅陶瓷 ② 碳化硼陶瓷 （3）氮化物陶瓷 ① 氮化硅陶瓷 ② 氮化硼陶瓷 氮化硼有六方氮化硼和立方氮化硼。 3．金属陶瓷 金属陶瓷是以金属氧化物（如Al2O3、ZrO2等）或金属碳化物（如TiC、WC、TaC、NbC等）为主要成分，再加入适量的金属粉末（如Co、Cr、Ni、Mo等及其合金），通过粉末冶金方法制成，具有金属某些性质的陶瓷，属于颗粒增强型的复合材料。 硬质合金也是一种金属陶瓷，广泛用于制作机床刀具、模具和耐磨零件等。 伴随着各种新型材料的异军突起，快离子陶瓷、压电陶瓷、导电陶瓷、光学陶瓷、敏感陶瓷（如光敏、气敏、热敏、湿敏等）、激光陶瓷、超导陶瓷等性能各异的功能陶瓷也在不断的涌现，在各个领域发挥着巨大的作用。 6-3复合材料 复合材料既能保持各组成相的最佳性能，又具有组合后的新性能，同时还可以按照构件的结构、受力和功能等要求，给出预定的、分布合理的配套性能，进行材料的最佳设计，而且材料与结构可一次成形（即在形成复合材料的同时也就得到了结构件）。复合材料的某些性能，是单一材料无法比拟也无法具备的。例如玻璃和树脂的强韧性都不高，但它们组成的复合材料（玻璃钢）却有很高的强度和韧性，而且重量很轻；用缠绕法制造的火箭发动机壳，主应力方向上的强度是单一树脂的20多倍；温度膨胀系数不同的黄铜片和铁片复合实现自动控温，用于制作自动控温开关；导电铜片两边加上隔热、隔电塑料实现一定方向导电、另外方向绝缘及隔热的双重功能。 复合材料已成为挖掘材料潜能、研制、开发新材料的有效途径，有人预言，21世纪将是进入复合材料的年代。 一、复合材料的组成及分类 1．组成 一类是基体，是连续相，起粘结、保护、传递外加载荷的作用。基体相可由金属、树脂、陶瓷等构成。 另一类为增强材料，是分散相，起着承受载荷、提高强度、韧性的作用。增强相的形态有细粒状、短纤维、连续纤维、片状等。 2．分类 （1）按基体的不同，分为非金属基体和金属基体两类。常用的有纤维增强金属管、纤维增强塑料、钢筋混凝土等。 （2）按增强相种类和形状不同，分为颗粒、晶须、层状及纤维增强复合材料。常用的有金属陶瓷、热双金属片簧、玻璃纤维复合材料（玻璃钢）等。 （3）按性能不同，分为结构复合材料和功能复合材料两类。 二、复合材料的复合原则 三、复合材料的性能特点 四、常用的复合材料 1．纤维增强复合材料 （1）玻璃纤维复合材料 ① 热固性玻璃钢 由玻璃纤维与热固性树脂（如酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂和有机硅树脂等）复合的材料称为热固性玻璃钢。 ② 热塑性玻璃钢 由玻璃纤维与热塑性树脂（如尼龙、ABS、聚苯乙烯等）复合的材料称为热塑性玻璃钢。 （2）碳纤维复合材料 ①碳纤维-树脂复合材料 ② 碳纤维-金属（或合金）复合材料 碳纤维增强铝基复合材料 碳纤维增强铜基复合材料 ③ 碳纤维-陶瓷复合材料 用碳（或石墨）纤维与陶瓷组成的复合材料。 （3）硼纤维复合材料 ① 硼纤维增强铝基复合材料 ② 硼纤维增强树脂复合材料。 （4）晶须增强复合材料 2．颗粒增强复合材料 （1）金属陶瓷 （2）弥散强化合金 （3）表面复合材料 3．层状复合材料 （1）双层金属复合材料 （2）塑料-金属多层复合材料 6-4其它非金属材料 随着现代科学技术的飞速发展，工程中使用的非金属材料品种越来越多，除前述之外，还有金刚石、光纤、硅单晶、胶粘剂、涂料等，部分非金属材料的性能、特点与应用见表6-5。