第6章非金屬材料 非金屬材料是指所有金屬以外的材料 包含高分子材料 塑料等 陶瓷材料 工程陶瓷等 復合材料 金屬基復合材料等 其他非金屬材料 木頭 玻璃等 6 1高分子材料6 1 1概述高分子化合物包括有機高分子化合物和無機高分子化合物兩大類 有機高分子又有合成的和天然的 工程中使用的有機高分子材料主要是人工合成的高分子聚合物 簡稱高聚物 以高分子化合物為主要組成部分的材料就稱為高分子材料 或聚合物材料 高聚物材料 主要有塑料和橡膠兩類 1 有機高分子材料的性能特點比強度高 高彈性和低彈性模量 高耐磨性和低硬度 電絕緣性優良 耐熱性差 氟橡膠也僅能用于300 以下 膨脹系數大 化學穩定性高 耐堿 酸 鹽腐蝕 2 高聚物的物理狀態在不同溫度下呈現出三種不同的物理狀態 即玻璃態 高彈態或黏流態 因而具有不同的性能 這對高聚物的成型加工和使用具有重要意義 玻璃態溫度低于Tg 玻璃化溫度 時 高聚物像玻璃那樣處于非晶態的固體 稱為玻璃態 特性 有一定剛度 只發生微量彈性變形 例子 塑料 高彈態當溫度處于Tg和Tf 黏流化溫度 之間時 高聚物處于高彈態 特性 能發生較大可逆形變 高彈形變 例子 橡膠 黏流態當溫度升高到Tf 黏流化溫度 時 高聚物成為流動的黏液 這種狀態叫黏流態 特性 可以通過噴絲 吹塑 擠壓 模鑄等方法進行加工 注意 應力 溫度 冷卻方式和模具形狀影響組織和性能 6 1 2工程塑料塑料是一種以合成樹脂為主要成分的高分子有機化合物 其原材料主要來自石油及其副產品 塑料的組成塑料由 合成 樹脂和各種添加劑組成 塑料添加劑主要有填充劑 或增強劑 增塑劑 固化劑 即硬化劑 穩定劑 又稱防老化劑 潤滑劑 著色劑 發泡劑 阻燃劑等 塑料的特性 重量輕 比強度高 耐蝕性好 電絕緣性能好 減振 耐磨 隔音性能好 生產效率高 成本低 2 塑料的分類按使用范圍分通用塑料和工程塑料 按樹脂熱性能分熱塑性塑料和熱固性塑料 組成聚合物的低分子化合物 稱為單體 聚合物的分子為很長的鏈條 稱為分子鏈 大分子鏈中重復結構單元 稱為鏈節 碳原子鏈 高分子化合物中 由碳原子組成的 長的骨架 也稱之為碳鏈 聚合度 大分子鏈中鏈節的重復次數 用n來表示 高分子鏈的幾何形狀線形支鏈形交聯形 體形或網形 1聚乙烯 PE 熱塑性通用塑料 產量最大 有高 中 低壓PE三種 優點 來源豐富 價格低廉低壓PE密度大 質地硬 電絕緣性好高壓PE密度小 質地軟 缺點 容易發生環境應力開裂現象 應用 低壓PE用來制作管道 閥門等 高壓PE用來制作薄膜 軟管等 2聚氯乙烯 PVC 熱塑性通用塑料 產量很大 有硬質 軟質和發泡PVC三種 優點 化學穩定性高 絕緣性好 阻燃耐磨 消聲減震 成本低廉 加工容易 缺點 耐熱性差 沖擊強度低 有一定毒性 應用 管道 護套線包皮 冰箱填充隔熱劑 3聚四氟乙烯 PTFE 熱塑性工程塑料 俗稱 塑料王 優點 極優越的化學穩定性 強酸 強堿 強氧化劑中均不受腐蝕 熱穩定性高 使用溫度寬廣 180 250 摩擦系數極低 只有0 04 且有自潤滑性 優越的絕緣性 缺點 強度較低 加工成型性差 不能象一般熱塑性塑料成形 成本高 PTFE的應用化工耐蝕管道 閥門等機械行業的自潤滑軸承 墊圈 活塞環等高頻電子儀器的絕緣等醫學上代替血管 人工心肺裝置等 4酚醛塑料 PF 熱固性工程塑料 俗稱 電木 酚醛樹脂加添加劑制成 優點 強度高 剛度大 耐熱性好 絕緣性好 耐酸腐蝕 摩擦系數低 制件尺寸穩定 缺點 不耐強堿腐蝕 應用 齒輪 凸輪 軸承 開關等電絕緣器件等 5環氧塑料 EP 熱固性工程塑料 俗稱 萬能膠 由環氧樹脂加增塑劑 固化劑 填料等制成 優點 突出的尺寸穩定性和耐久性 強度高 耐酸堿腐蝕 良好的電絕緣性等 缺點 固化劑有毒 成本高 應用 層壓塑料 絕緣器件 粘結劑等 3 塑料的成型加工 注射成型 擠出成型 澆鑄成型 吹塑成型 模壓成型 6 1 3合成橡膠 1 橡膠的組成橡膠是以生膠為主要成分 添加各種配合劑和增強材料制成的 常用的配合劑有 硫化劑 硫化促進劑 活化劑 填充劑 增塑劑 防老化劑等 2 橡膠的性能橡膠是在室溫下處于高彈態 最大的特性是高彈性 其彈性模量很低 只有1 10MPa 彈性變形量很大 可達100 1000 具有優良的伸縮性和積儲能量的能力 此外 橡膠還有良好的耐磨性 隔音性 阻尼性和絕緣性 天然橡膠組成 聚異戊二烯混合體 來源于橡膠樹的膠乳 優點 耐磨性 耐蝕性 耐低溫性 介電性好 易于加工成形 缺點 耐油 耐溶劑性差 抗臭氧老化性能差 應用 輪胎 膠鞋 膠管等 丁苯橡膠組成 合成橡膠 是產量最大 應用最廣的通用橡膠 丁二烯和苯乙烯共聚物 優點 耐磨性 耐熱性 耐油性 抗老化性都比較好 特別是耐磨性超過天然橡膠 價格低廉 缺點 強度低 成形性不佳 應用 膠鞋 膠管等 但不適合制作高速輪胎 順丁橡膠組成 主要由丁二烯聚合而成 優點 來源豐富 成本低 彈性高于天然橡膠 耐磨性好 耐寒性好缺點 加工性不好 抗撕裂性差 應用 80 90 輪胎 三角皮帶 膠輥等 氯丁橡膠組成 合成橡膠 俗稱 萬能橡膠 氯丁二烯聚合物 優點 機械性能與天然橡膠相似 耐磨 耐熱 耐油 抗老化等 缺點 耐寒性差 密度大 成本高 應用 三角皮帶 運輸帶 腐蝕介質輸送管 膠粘劑等 6 1 4黏結劑黏結劑由樹脂 橡膠等及各種輔料組成 常用輔料有增強劑 固化劑 穩定劑 稀釋劑 偶聯劑 著色劑 填料等 以溶劑為基黏結劑 聚苯乙烯型黏結劑 溶劑揮發樹脂固化實現連接 熱塑性塑料黏結劑 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMP 黏結劑 熱塑性塑料冷卻固化實現連接 熱固性塑料黏結劑 環氧樹脂黏結劑 6 2陶瓷材料陶瓷是各種無機非金屬材料的總稱 是現代工業中很有發展前途的一類材料 6 2 1陶瓷材料的分類陶瓷的種類繁多 工業陶瓷大致可分為普通陶瓷和特種陶瓷兩大類 導電玻璃 普通陶瓷 傳統陶瓷 除陶 瓷器之外 玻璃 水泥 石灰 磚瓦 搪瓷 耐火材料都屬于陶瓷材料 特種陶瓷它是以人工化合物為原料 如氧化物 氮化物 碳化物 硅化物 膨化無機氟化物等 制成的陶瓷 它具有獨特的力學 物理 化學 電 磁 光學等性能 主要用于化工 冶金 機械 電子 能源和一些新技術中 6 2 2陶瓷材料的結構及性能特點 1 陶瓷材料的結構 陶瓷材料的相組成 晶相 玻璃相和氣相三種 其中晶相是主要組成相 它決定陶瓷材料的物理化學性質 玻璃相的作用是充填晶粒間隙和粘結晶粒 氣相是工藝過程形成的 2 陶瓷材料的性能特點熔點高 一般2000 以上 耐高溫 硬度高 莫氏硬度9 0左右 化學穩定性好 耐腐蝕 絕緣性好 沒有自由電子 6 2 3常用陶瓷材料 普通陶瓷以天然硅酸鹽為原料 經粉碎 配制 制坯 燒結而成 是多相固體材料 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷又叫高鋁陶瓷 是一種以Al2O3為主要成分的陶瓷 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷是將硅粉經反應燒結而成或將Si3N4經熱壓燒結而成的一種陶瓷 氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷通常是由BN粉末經冷壓或熱壓燒結而成的一種陶瓷 常用工業陶瓷 普通陶瓷原料 粘土 經配制燒結而成 組成 莫來石晶相 3Al2O3 2SiO2 玻璃相占30 60 氣相占1 3 優點 良好耐蝕性 電絕緣性 成形性 成本低 缺點 強度低 玻璃相多的緣故 易軟化 應用 日用餐具 耐腐蝕容器和管道 電絕緣器件等 常用工業陶瓷 氧化鋁陶瓷是以Al2O3 占45 以上 為主要成分的特種陶瓷 主要晶相 Al2O3 SiO2 優點 強度高 硬度高 耐磨性很好 電絕緣性好 可在高溫下長期工作等 缺點 脆性大 抗熱震性差 應用 內燃機火花塞 切削刀具 坩堝 導彈整流罩等 常用工業陶瓷 氮化硅陶瓷以Si3N4為主要成分的特種陶瓷 有反應燒結和熱壓燒結兩種 主要晶相 Si3N4 六方晶系 共價鍵化合物 優點 化學穩定性好耐腐蝕 硬度高 摩擦系數小且有自潤滑作用 熱膨脹系數低 抗熱震性能好 絕緣性能好 缺點 密度低 強度低 耐蝕性差 應用熱壓燒結氮化硅 用于形狀簡單 精度要求不高的零件 如高溫軸承 反應燒結氮化硅 用于形狀復雜 尺寸精度要求高的零件 如機械密封環 6 3復合材料復合材料 由兩種或兩種以上性質不同材料組合的多相固體材料 復合材料是多相材料 主要包括基體相和增強相 基體相 是一種連續相 它把改善性能的固結增強相成一體 并起傳遞應力的作用 增強相 起承受應力 結構復合材料 或顯示功能 功能復合材料 的作用 復合材料中的增強相及其復合形態 復合材料的分類按基體材料分 聚合物基復合材料 金屬基復合材料 陶瓷基復合材料 按使用性能分 結構復合材料 功能復合材料 按增強物形狀分 粒子增強復合材料 纖維增強復合材料 纖維增強高分子復合材料 6 3 1復合材料的性能特點比強度 比模量高 纖維增強作用 疲勞強度高 纖維對疲勞裂紋擴展有阻礙作用 斷裂安全性高 纖維的牽連作用 減震性能好 大量界面對振動有反射吸收作用 不易產生共振 6 3 2復合材料的分類 纖維增強復合材料 玻璃纖維增強復合材料 碳纖維增強復合材料 層合復合材料 顆粒增強復合材料 聚合物基復合材料 PMC構成 由60 70 玻纖和30 40 熱固性樹脂 環氧樹脂 酚醛樹脂 聚脂 有機硅等 組成 玻璃鋼優點 密度小 強度高 絕緣性好 耐腐蝕 易著色和成形等 缺點 彈性模量低 剛度差 耐熱性不好 易于老化等 應用 航空航天雷達罩 螺旋槳葉片 輕型船 艦 艇 耐腐蝕容器和管道等 聚合物基復合材料 PMC構成 由20 40 玻璃纖維和60 80 熱塑性樹脂 如尼龍 聚碳酸脂 ABS 聚苯乙烯等 組成 優點 強度尤其比強度高 沖擊韌性好 絕緣性好 耐腐蝕 易于加工成形等 應用 質量小 強度高的受力 熱結構件 傳動零件 絕緣件 粒子增強復合材料粒子增強復合材料是將粒子高度彌散地分布在基體中 使其阻礙塑性變形 位錯運動 金屬基體 分子鏈運動 聚合物基體 特點 各向同性 典型產品電木 酚醛樹脂中摻入木粉 合成木材 碳酸鈣改性熱塑性塑