第九章非金屬材料教學要求：了解非金屬材料的基本知識，熟悉常用工程塑料、橡膠、工業陶瓷及復合材料的分類、性能特點及應用第九章非金屬材料高分子材料——塑料、橡膠、纖維、黏結劑陶瓷材料——玻璃、陶瓷、水泥、耐火材料復合材料——1+1>2第九章非金屬材料§9.1高分子材料§9.2陶瓷材料§9.3復合材料本章小結習題普通車床主要零件材料§9.1高分子材料

高分子材料是由成千上萬個小分子單體通過聚合反應以共價鍵結合起來的長鏈分子而構成的。分子量很大，>104CHHCHHCHHCHHCH2乙烯[CH2]n聚乙烯一、高分子材料的制備方法聚合反應加成聚合反應縮合聚合反應：小分子析出以酚醛制品為例：苯酚甲醛鹽酸加熱反應初期縮聚物脫水干燥酚醛樹脂冷卻粉碎混合加熱輥壓粉碎酚醛壓塑粉模壓酚醛制品固化劑顏料潤滑劑增塑劑填料96~98℃95~105℃140~200℃二、高分子分子鏈的結構形態（共價鍵）三、固體高分子的聚集態（分子鏈之間的幾何排列）無定型高聚物結晶型高聚物四、高分子材料的性能特點①.密度小（1~2×103Kg/m3），有利于材料輕量化。②.強度低，但比強度高，能夠代替部分金屬材料制造多種機器零部件。③.低的彈性模量和高彈性，取決于大分子鏈的柔性。④.優良的電絕緣性能。⑤.優良的減摩、耐磨和自潤滑性能。⑥.優良的耐腐蝕性能。⑦.優良的透光性。⑧.可加工性好。三大缺點：不耐化熱（低于300℃）可燃易老五、高分子材料的分類及應用塑料、合成橡膠、合成纖維、膠黏劑和涂料塑料

塑料是以合成樹脂為主要成分的有機高分子材料，其中除主要成分樹脂外，再加入用以改善性能的各種添加劑，在適當的溫度和壓力下于擠壓機、注射機等設備和模具中塑制成各種形狀規格的制品。（1）結構最簡單的塑料—聚乙烯（PE）高壓聚乙烯：分子支鏈多，分子量、結晶度和相對密度低、半透明狀，質地柔軟，耐沖擊，常用于制作塑料薄膜、軟管、塑料瓶等包裝材料。低壓聚乙烯：分子支鏈少，分子量、結晶度和相對密度較高、乳白色，質地較硬，耐磨、耐蝕、絕緣性好，可作化工耐蝕管道、閥、襯板、承載不高的齒輪、軸承以及電絕緣護套等。保溫瓶殼、洗發水瓶、圓珠筆芯、茶杯、奶瓶等（2）第一種熱塑性的全能塑料—聚氯乙烯（PVC）特點：強度、硬度、剛度均高于PE，并有耐燃、自熄的特點，但熱穩定性、耐寒、耐老化性差，一般在-15~60℃使用。應用：常溫常壓下的容器、板材、管道；建筑上制作門窗、天花板、電線套管、墻紙；純PVC透明，氣密性好，用于飲料、藥品、化妝品的硬質外包裝；PVC軟塑料常用于農用薄膜、雨衣、桌布；另外還大量用于電線絕緣護套、插頭插座殼、玩具、密封條等。——用途最廣的通用塑料。（3）最輕且價廉的塑料—聚丙烯（PP）特點：力學性能、耐熱性（150℃）最高，密度最低，但低溫脆性大。無毒無味。應用：汽車上儀表盤、方向盤等；以及日用的微波爐餐具、椅子、安全帽；電器方面電話機、電視機外殼；PP膜可作香煙、食品的包裝膜、包裝帶等。（4）最鮮艷且成形性特好的塑料—聚苯乙烯（PS）特點：極易染成鮮艷顏色、透明度好，有光澤，可成型形突出，電絕緣性好，剛性好，脆性大，戶外長期使用易變黃變脆。應用：各類電器配件、殼體、一般光學儀器、燈罩、玩具、建筑廣告裝飾板、磁帶盒、筆桿等（5）強韌易成形的白色塑料—ABS：丙烯腈（Acrylonitrile）、丁二烯（Butadiene）、苯乙烯（Styrene）特點：綜合性能好，價格低、堅韌、質硬且具剛性的材料。應用：電視機、洗衣機、計算機等殼體；汽車上儀表盤、方向盤、擋泥板、手柄等，也可用于化工管道、板材等（6）最透明的塑料—聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）“有機玻璃”特點：透光率好，耐紫外線和大氣老化，強度高，成形性好，良好的染色性，表面硬度差、易劃傷`、包裝盒、燈罩、眼鏡、工藝品等，也可用于飛機窗玻璃、防彈玻璃、風擋等。（7）透明“金屬”—聚碳酸酯（PC）特點：優良的抗沖擊性和透明度，集剛、硬、韌、透明為一體的典型塑料。阻燃性好，自熄性材料。高溫下易開裂。應用：光盤、燈罩、防護玻璃、手機殼體、精密儀器中齒輪、相機零件、太空杯、餐具等。PC膜可用于錄音（像）帶。（8）塑料王—聚四氟乙烯（PTEE或F4）特點：最優良的耐高、低溫性能（-260~250℃），幾乎不受任何化學品腐蝕，化學穩定性超過玻璃、陶瓷甚至金、鉑；摩擦系數最小，潤滑性好，介電損耗小，無味、無毒、不燃，有良好的生物相容性及抗血栓性。應用：不粘鍋涂層、管道密封用生料帶，機械上減摩密封零件，電器上耐高頻絕緣零件、以及強腐蝕場合設備內襯和零件。醫用材料中人造血管、人工心臟等。（9）強韌而耐磨耐油的塑料—聚酰胺（PA）“尼龍”特點：優良的耐磨性、減摩性和自潤滑性。優異的耐油性和氣體阻隔性；耐疲勞性好；吸濕性較大。應用：汽車上輸油管、油箱；DVD的齒輪、螺母、軸承等；與HDPE復合，用于冷凍食品包裝；還大量用于拉鏈、打火機殼、頭盔、球拍線、魚線、輸血管等。（11）合成塑料的鼻祖—酚醛樹脂（PF）特點：一定強度、硬度，耐磨、絕緣性好、耐熱性好，但性脆。有毒。應用：“電木”，燈頭、開關、插座、紐扣、剎車片、齒輪等（10）每天接觸的塑料—熱塑性聚酯（PET）特點：PET膜拉伸強度很高，可長期用于戶外，但耐熱性不高。應用：PET膜和片材主要用于各種食品、藥品、精密儀器的高檔包裝、錄音帶、膠片、光盤、磁卡等；各種飲料瓶、礦泉水瓶等；各種電器元件外殼。2.橡膠橡膠是一種具有極高彈性及低剛度的高分子材料。（1）最早應用的橡膠—天然橡膠（NR）特點：強度高、耐撕裂；彈性、耐磨性、耐寒性、耐堿性、氣密性、防水性、絕緣性及加工性能優良，但耐熱、耐油及耐老化性差。應用：各類輪胎、膠帶、膠管、膠鞋、氣球及醫療衛生品等。（2）產量最大的合成橡膠—丁苯橡膠（SBR）特點：同天然橡膠相比質地均勻、成本低、耐磨性及氣密性好，抗撕裂和耐老化性也較好，但強度和彈性差。應用：各類輪胎、膠帶、膠管、膠鞋、硬質膠輪等，改性后可替代天然橡膠。（3）“萬能”橡膠—氯丁橡膠（CR）特點：其物理、力學性能均可與天然橡膠相比擬，且具有良好的耐油、耐溶劑、耐氧化、耐老化、耐酸堿等性能，但耐寒性較差，密度較大。應用：耐老化的電線電纜包皮、耐油耐蝕的膠管、輸送帶、礦井用橡膠制品、油罐襯里等。丁腈橡膠（NBR）：耐油性好（用于輸油管、耐油密封墊圈、耐油耐熱輸送帶、印刷膠輥等）順丁橡膠（BR）：彈性最好（制造輪胎、三角帶、橡膠彈簧、鞋底等）乙丙橡膠（EPM）：密度最小（用于建筑防水材料、車輛配件、蒸汽膠管、膠帶、電線絕緣層等）硅橡膠：最耐熱耐寒氟橡膠：最耐腐蝕§9.2陶瓷材料

從廣義上講陶瓷包含一切天然及合成的無機非金屬固體材料，如水泥、耐火材料、玻璃、石墨、天然石材、陶瓷等。從狹義上講是用天然或合成的粉體，經成形和高溫燒結制成的，由金屬和非金屬的無機化合物構成的多晶固體材料。傳統陶瓷：天然硅酸鹽礦物（黏土、石英、長石等）先進陶瓷：高純度的人工合成原料（氧化物、氮化物、碳化物等）一、陶瓷材料的制備方法原料預處理配料坯料制備成形干燥施釉燒成后加工制品二、陶瓷材料的組織結構特點晶相：硅酸鹽、氧化物和非氧化物玻璃相：低熔點非晶態物質氣相：氣孔（2）陶瓷材料的彈性模量是各類材料中最高的（1）結合鍵主要為離子鍵和共價鍵，因此陶瓷材料具有高的化學穩定性，耐高溫、耐腐蝕、高強度等基本屬性。（3）脆性材料，斷裂前無塑性變形，沖擊韌性極低，抗拉強度遠低于抗壓強度。（4）硬度高，尤其是高溫硬度高。三、陶瓷材料的基本性能（5）熔點高，高溫強度好，高溫抗氧化性好，抗熔融金屬侵蝕性高。（6）導電能力在很大范圍內變化。主要缺點：性脆、加工性能差、可靠性差1.傳統陶瓷主要原料：高嶺土、長石、石英結構特點：主晶相：莫來石（3Al2O3?SiO2）25~30%玻璃相：35-60%氣相：1~3%

性能：質地硬、耐腐蝕、不氧化、不導電、耐高溫（<1200oC），成本低、易成形結構疏松、強度低、一定溫度下軟化用途：日用，建材工業，電絕緣材料，化工設備以及力學性能要求不高的耐磨零件。四、常用陶瓷材料2.先進陶瓷主要成分：Al2O3(>45%)剛玉瓷(90~99.5%)

性能：耐高溫(在1600℃下長期使用)強度高、硬度高、耐磨性好優良的電絕緣性和耐腐蝕、抗氧化性原料豐富

脆性大、抗熱震性能差用途：廣泛應用于各類高溫、耐蝕和電氣絕緣工程。如坩堝、熱電偶保護套管、化工反應爐管等。機械工程中用作高速切削刀具、磨料、內燃機火花塞、拉絲模等。（1）氧化鋁陶瓷主要成分：SiC

性能：優異的高溫強度(1700℃)很好的熱穩定性、抗蠕變性、耐磨性、耐蝕性、導熱性、耐輻射性以及低的熱膨脹性高溫抗氧化性好用途：火箭尾噴管或噴嘴、爐襯、電加熱管、坩堝、熱電偶套管、高溫軸承以及核燃料包封材料。另外還可以用作砂輪和各種磨具。（2）碳化硅陶瓷主要成分：Si3N4

性能：很高的硬度自潤滑作用，摩擦系數小，耐磨性好抗氧化性好、抗熱震性大大高于其它陶瓷優良的化學穩定性（HF外）優良的絕緣性能用途：熱壓燒結法：形狀簡單、精度要求不高的零件如刀具、活塞蓋、高溫軸承等反應燒結法：形狀復雜、要求精度高、耐磨、耐蝕、耐熱等場合，如泵密封環、熱電偶保護套、轉子、缸套、活塞環、管道、閥門等陶瓷發動機（3）氮化硅陶瓷§9.3復合材料

復合材料是由兩種或兩種以上不同性質或不同組織的組分，以宏觀或微觀方式復合形成的新型材料，一般由基體組元和增強相或功能組元組成。復合材料基體組元增強相樹脂基復合材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料纖維增強顆粒增強玻璃纖維碳纖維硼纖維碳化硅纖維氧化鋁纖維芳綸纖維陶瓷或金屬顆粒常用復合材料一、玻璃鋼：基體：樹脂；增強體：玻璃纖維性能：強度高、密度小（鋼的1/4）、耐腐蝕、絕緣性好應用：人造衛星、導彈和火箭外殼（瞬時耐高溫性能）；雷達罩（不反射無線電波、微波透過性好）；電機、電器及儀表的絕緣零部件；各種管道、泵、閥門、容器等。二、碳纖維增強樹脂基復合材料：基體：樹脂；增強體：碳纖維性能：高的比強度和比模量，良好的高溫性能，優良的抗疲勞性能、耐沖擊、減摩耐磨、耐腐蝕等。應用：制造承載、耐磨等零件，如軸承、密封圈、齒輪等。化學工業、汽車制造業、航空航天和國防工業等。美國哥倫比亞號航天飛機推進火箭上的關鍵部件燃料噴嘴和燃燒器；人造衛星的機架。。。——C纖維復合材料。三、顆粒增強鋁基復合材料基體：鋁合金增強體：SiC、Al2O3、B4C及石墨等性能：重量輕、比強度高、耐疲勞、耐磨損、熱膨脹系數低、尺寸穩定性好、缺口敏感性低應用：超大規模集成電路基板、各種結構型材和耐磨部件。材料應用舉例特點17%SiC顆粒增強鋁基復合材料飛機、導彈用板材拉伸模量大于100GPa40%SiC晶須增強鋁基復合材料三叉戟、導彈制導元件代替鈹，成本低，無毒Al2O3短纖維增強鋁基復合材料汽車發動機抗磨環耐磨，成本低15%Ti細顆粒增強鋁基復合材料汽車制動件、連桿、活塞模量高四、納米顆粒增強陶瓷基復合材料基體：陶瓷（Al2O3、ZrO2）增強體：金屬納米顆粒、陶瓷納米顆粒性能：大幅度提高斷裂強度、顯著提高斷裂韌性五、C/C復合材料基體：C增強體：C纖維性能：強度和沖擊韌性特別高，比強度高，高溫強度好（2500℃），良好的抗腐蝕性能和抗熱震性。應用：主要用于航空航天、軍事和生物醫學，如洲際導彈頭部的隔熱罩、固體火箭噴管、飛機剎車片、賽車剎車系統等。本章小結塑料是以有機合成樹脂為主要成分，加入各種添加劑制成的高分子材料。橡膠也是高分子材料，它具有優良的伸縮性，儲能能力和耐磨、隔音、絕緣、不透氣、不透水的特性，被廣泛用于制造彈性件、密封件、減振防振件、傳動件、輪胎及絕緣件等陶瓷材料硬而脆，抗壓強度高，抗拉強度低，同時具有很高的耐腐蝕性、熱硬性和絕緣性