工程材料及熱加工非金屬材料第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日一、有機高分子材料現代材料科學和工程的發展已進入了人工合成材料新時期，而人工合成高分子材料則有了一個多世紀的發展歷史，因此其對材料的發展有著深刻而長遠的影響。自1872年最早發現酚醛樹脂，并將其成功用于電氣和儀器儀表等工業中以來，高分子材料由于其獨特的性能特點而得到了迅速的發展和廣泛的應用。到目前為止，已發展成塑料、橡膠、合成纖維三大合成結構材料以及油漆，膠粘劑等組成的龐大的材料群體，其發展較傳統材料更為迅速，應用更快，效率更高。第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日何為高分子材料呢？它是指以高分子化合物為主要成分的所有材料，而一般來說高分子化合物的分子量應在1000以上，有的可達幾萬到幾十萬。實際上，高分子化合物應包括作為生命和食物基礎的生物大分子（包括蛋白質、DNA、生物纖維素、生物膠等）和工程聚合物兩大類，而工程聚合物又包括人工合成的（塑料、纖維和橡膠等）和天然的（橡膠、毛及纖維素等）材料。這里要講述的材料，主要包括大多數應用于機械、電子、化工和建筑等工業中的人工合成塑料、橡膠和有機纖維等高分子材料。第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日高分子化合物的組成高分子化合物的分子量雖然很大，但其化學組成卻相對簡單。組成高分子化合物的元素主要是C、H、O、N、Si、S、P等少數幾種元素。所有的高分子卻是由一種或幾種簡單的結構單元通過共價鍵連接并不斷重復而形成。以聚乙烯為例，它是由許多乙烯小分子連接起來形成大分子鏈其中只包含C和H兩種元素，即：nCH2=CH2→~CH2-CH2~CH2-CH2~CH2-CH2~→[CH2-CH2]n第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日高分子材料按性能和用途分類為塑料：在常溫下有一定形狀，強度較高，受力后能發生一定變形的聚合物。橡膠：在常溫下具有很高彈性，即受到很小載荷即可發生很大變形甚至達原長的十余倍，而去除外力后又可恢復原狀的聚合物。纖維：在室溫下材料的軸向強度很大，受力后變形很小，且在一定溫度范圍內力學性能變化不大的聚合物。塑料、橡膠和纖維這三大合成材料之間其實也沒有嚴格的界限，嚴格區分也很難，有時同一種高分子化合物可用不同的方法加工成不同種類的產品。第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日3、塑料3.1塑料的組成工程上所用的塑料，其成分都是以各種各樣的樹脂為基礎可加入其他添加劑制成的。樹脂：是塑料的主要成分，它決定塑料的主要性能并且其他添加劑的加入及作用的發揮都是以樹脂為中心作用的，故絕大多數塑料都以相應的樹脂來命名的。添加劑：是以改善材料的某種性能而加入的。添加劑的作用和類型主要包括：(1)改善塑料工藝性能：如增塑劑、固化劑、發泡劑和催化劑等。(2)改善使用性能：如增塑劑、穩定劑、填料、滑潤劑、著色劑、阻燃劑、靜電劑等等。第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日1.2塑料的分類按熱性能分類熱塑性塑料：該類材料加熱后軟化或熔化，冷卻后硬化成型，且這一過程可反復進行。常用的材料有：聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料等。(2)

熱固性塑料：材料成型后，受熱不變形軟化，但當加熱至一定溫度則會分解。故只可一次成型或使用。如環氧樹脂等材料。第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日按使用性能分工程塑料：可用作工程結構或機械零件的一類塑料，它們一般有較好的穩定的機械性能，耐熱耐蝕性較好，且尺寸穩定性好。如ABS、尼龍、聚甲醛等。(2)

通用塑料：主要用于日常生活用品的塑料。其產量大，成本低，用途廣，占塑料總產量的3/4以上。(3)

特種塑料：具有某些特殊的物理化學性能的塑料如耐高溫，耐蝕，光學等性能塑料。其產量少，成本高，只用于特殊場合。如聚四氟乙烯（PTFE）的潤滑耐蝕和電絕緣性；有機硅樹脂的耐溫性（可在200~300℃長期使用）第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日

塑料原料通常的狀態可為粉末，顆粒或液體。使用這些狀態的原料，熱塑性塑料可以用注射、擠出、吹塑等工藝制成管、棒、板和不同厚度的薄膜，泡沫或其他各種狀態的零件；而熱固性塑料則可以用模壓、層壓、澆鑄等工藝制成層壓板、管、棒以及各種形狀的零件。第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日1.3常見工程塑料的性能特點和用途㈠聚烯烴塑料聚烯烴塑料的原料來源于石油天然氣，原料豐富，因此一直是塑料工業中產量最大的品種，用途也十分廣泛。聚乙烯（PE）：結構最簡單的塑料聚乙烯塑料無嗅、無毒、化學穩定性好、相對密度小（0.91~0.97），耐低溫、電絕緣性好。高壓聚乙烯質軟，主要用于制造薄膜；低壓聚乙烯質硬，可用于制造一些零件。聚乙烯產品缺點是：強度、剛度、硬度低；蠕變大，耐熱性差，且容易老化。但若通過輻射處理，使分子鏈間適當交聯，其性能會得到一定的改善。第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日(2)聚氯乙烯（PVC）：全能的塑料是最早使用的塑料產品之一，應用十分廣泛。它是由乙烯氣體和氯化氫合成氯乙烯再聚合而成。較高溫度的加工和使用時會有少量的分解，產物為氯化氫及氯乙烯（有毒），因此產品中常加入增塑劑和堿性穩定劑抑制其分解。PVC使用溫度一般在－15~55℃。其突出的優點是耐化學腐蝕，不燃燒且成本低，易于加工；但其耐熱性差，抗沖擊強度低，還有一定的毒性。當然若用共聚和混合法改進，也可制成用于食品和藥品包裝的無毒聚氯乙烯產品。包裝瓶、日用塑料薄膜、玩具、人造革、絕緣層、建筑材料。第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日(4)聚丙烯（PP）：最輕的塑料聚丙烯無毒、無味、相對密度小（0.9~0.91），是塑料中最輕的。其力學性能如強度、剛度、硬度、彈性模量等都優于低壓聚乙烯（PE）；它還具有優良的耐熱性，在無外力作用時，加熱至150℃不變形，因此它是常用塑料中唯一能經受高溫消毒的產品（微波爐餐具，醫療）；還有優秀的電絕緣性。其主要的缺點是：粘合性、染色性和印刷性差；低溫易脆化、易燃，且在光熱作用下易變質。PP具有好的綜合機械性能，故常用來制各種機械零件、化工管道（復合水管）、容器；其無毒及可消毒性，可用于藥品的包裝。第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日(3)聚苯乙烯（PS）：最鮮艷的塑料該類塑料的產量僅次于上述兩者（PE、PVC）。PS是一種無色透明的塑料，具有良好的加工性能；其薄膜有優良的電絕緣性，常用于電器零件；其發泡材料相對密度低達0.33，是良好的隔音、隔熱和防震材料，廣泛用于儀器包裝和隔熱。其中還可加入各種顏色的填料制成色彩鮮艷的制品，用于制造玩具及日常用品。白色污染聚苯乙烯的最大缺點是脆性大、耐熱性差，但常將聚苯乙烯與丁二烯（家電）、丙烯腈、異丁烯、氯乙烯等共聚使用，使材料的沖擊性能、耐熱耐蝕性大大提高，而可用于耐油的機械零件、儀表盤、罩、接線盒和開關按鈕等。第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日㈡ABS塑料：抗沖擊強度優良的塑料ABS塑料是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三種組元共聚而成，三組元單體可以任意比例混合。由于ABS為三元共聚物，丙烯腈使材料耐蝕性和硬度提高，丁二烯提高其柔順性，而苯乙烯則使具有良好的熱塑性加工性，因此ABS是“堅韌、質硬且剛性”的材料，是最早被人類認識和使用的“高分子合金”。ABS由于其低的成本和良好的綜合性能，且易于加工成型和電鍍防護，因此在機械，電器和汽車等工業有著廣泛的應用。例如：電視機、洗衣機等家電的外殼。第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日㈢聚酰胺(PA)：聚酰胺的商品名稱是尼龍或綿綸，是目前機械工業中應用比較廣泛的一種工程熱塑性塑料。尼龍的品種很多，其中尼龍1010是我國獨創，使用原料是蓖麻油。聚酰胺無嗅無毒、機械強度高，耐磨，自潤滑性好，而且耐油耐蝕消音減震，已大量用于制造小型零件，代替有色金屬及其合金；芳香尼龍具有良好的耐磨耐熱耐輻射性和電絕緣性，在95%相對濕度下不受影響，而且可在200℃長期工作使用，可用于制造高溫下工作的耐磨零件，H級絕緣材料及宇宙服等。尼龍66做板刷，尼龍1010做牙刷絲大多數尼龍易吸水，導致性能和尺寸的改變，這在使用時應予以注意第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日㈣聚甲醛(POM)POM，性能比尼龍好，是一種非常堅韌、耐磨的塑料，有很優異的耐沖擊性和抗疲勞性，經處理后，強度與鋼材相當，直徑3mm的細絲可以承受10T的拉力。摩擦系數小，具有自潤滑的作用。但熱穩定性和耐候性差、大氣中易老化、遇火燃燒。但目前仍廣泛用于汽車、機床、化工、儀表等工業中。第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日㈤聚碳酸酯（PC）PC是一種新型熱塑性塑料，品種較多。工程上用的是芳香族聚碳酸酯，產量僅次于尼龍。PC是一種韌而剛的塑料，強度高，成型收縮率低，尺寸穩定，因此制件尺寸精度高。適用于制備精密儀器中的零件，廣泛用于機械、儀表、電訊、交通、航空、照明和醫療機械等工業。如波音747飛機上有2500個零件要用到聚碳酸酯。。PC的透明度高，成型收縮小，可制備飛機風擋、CD。第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日㈥有機玻璃（PMMA）：不會碎的玻璃有機玻璃的化學名稱為：聚甲基丙烯酸甲酯，是目前最好的透明有機物，透光率達92%（85%），超過了普通玻璃。（光纜，光盤）力學性能好σb可達(60~70)MPa，沖擊韌性比普通玻璃高(7~8)倍（厚度為3~6mm時），不易破碎，耐紫外線和防老化性能好，同時密度低（1.18）易于加工成型。但其硬度低，耐磨擦性，耐有機溶劑腐蝕性，耐熱性，導熱性差，使用溫度不能超過180℃。主要用于制造各種窗體，罩及光學鏡片和防彈玻璃等零部件。第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日㈦聚四氟乙烯PTFEPTFE是含氟塑料的一種，具有極好的耐高低溫性和耐磨蝕等性能。PTFE幾乎不受任何化學藥品的腐蝕，即使在高溫下在強酸強堿及強氧化環境中也都穩定，故有“塑料王”之稱；其熔點為327℃，能在(－195~+250)℃范圍內保持性能的長期穩定性；其摩擦系數小，只有0.04，具有極好的自潤滑；且具有憎水憎油和不粘性；在極潮濕的環境中也保持良好的電絕緣性。但其強度硬度較低，冷流性大，加工成型性較差，只能用冷壓燒結方法成型。在高于390℃時分解出劇毒氣體，應予注意。PTFE的優良性能使其在電子，國防，涂料、醫學等領域的應用日益廣泛。第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日㈧熱固性塑料熱固性塑料是樹脂經固化處理后獲得的。所謂固化處理就是樹脂中加入固化劑并壓制成型，使其由線型聚合物變為體型聚合物的過程。用得最多的熱固性塑料主要是酚醛塑料和環氧塑料。酚醛塑料有優異的耐熱、絕緣、化學穩定和尺寸穩定性，較高的強度硬度和耐磨性，其抗蠕變性能優于許多熱塑性工程塑料，廣泛用于機械電子、航空、船舶工業和儀表工業中，如高頻絕緣件、耐酸耐堿耐霉菌件及水潤滑軸承；其缺點是質脆、耐光性差、色彩單調（只能制成棕黑色）。環氧塑料強度高，且耐熱性耐腐蝕性及加工成型性優良，對很多材料有好的膠接性能，主要用于制作塑料模，電氣、電子元件和線圈的密封和固定等領域，還可用于修復機件；但其價格昂貴。常用的還有氨基塑料如脲醛塑料和三聚氰胺塑料等；有機硅塑料及聚氨脂塑料等。第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2、橡膠橡膠是以高分子化合物為基礎的具有顯著高彈性的材料，它與塑料的區別是在（－50~150℃）很寬的溫度范圍內處于高彈態，保持明顯的高彈性。2.1橡膠的組成工業用橡膠是由生膠（或純橡膠）和橡膠配合劑組成。生膠（或純橡膠）是橡膠制品的主要成分，也是形成橡膠特性的主要原因，其來源可以是合成的也可是天然的，但生膠性能隨溫度和環境變化很大，如高溫發粘，低溫變脆且極易為溶劑溶解，因此必須加入各種不同的橡膠配合劑，以提高橡膠制品的使用性能和加工工藝性能。橡膠中常加入的配合劑有硫化劑、硫化促進劑、防老劑、填充劑、發泡劑和著色劑、補強劑等。第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.2橡膠的性能特點橡膠的最大特點是高彈性，且彈性模量很低，只有1MPa而外加作用下變形量則可達(100~1000)%，且易于恢復；橡膠有儲能、耐磨、隔音、絕緣等性能。廣泛用于制造密封件、減震件、輪胎、電線等。2.3常用橡膠材料橡膠品種很多，主要有天然橡膠和合成橡膠兩類。合成橡膠按用途及使用量分為通用橡膠和特種橡膠，前者主要用作輪胎、運輸帶、膠管、膠板、墊片、密封裝置等；后者則主要是為在高溫、低溫、酸堿油和輻射等特殊介質下工作的制品而設計。第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日3、合成纖維凡能保持長度比本身直徑大100倍的均勻條狀或絲狀的高分子材料均稱為纖維。包括天然和化學纖維兩大類。化學纖維又分為人造纖維和合成纖維，人造纖維是用自然界的纖維加工制成的，如所謂人造絲、人造棉的粘膠纖維和硝化纖維，醋酸纖維等；合成纖維是以石油、煤、天然氣等為原料制成，其品種十分繁多，且產量直線上升，差不多每年都以20%的速率增長。合成纖維具有強度高，耐磨保暖不霉爛等優點，除廣泛用作衣料等生活用品外，在工農業，國防等部門也有很多應用。如汽車、飛機的輪胎簾線、漁網、索橋、船纜、降落傘及絕緣布等。

第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日二、陶瓷材料2.1陶瓷材料發展及組成陶瓷是人類最早使用的材料之一，傳統的陶瓷所使用的原料主要是粘土等天然硅酸鹽類礦物，故又稱為硅酸鹽材料；其主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O、PbO等氧化物，形成的材料又統稱為傳統陶瓷或普通陶瓷，包括陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等。隨著生產的發展和科學技術的進步，現代陶瓷材料雖然制作工藝和生產過程基本上還沿用傳統陶瓷的生產工藝——即粉末原料處理→成型→燒結的方法，但其所用原料已不僅僅是天然的礦物，有很多則是經過人工提純或是人工合成的，組成配合范圍已擴大到整個無機非金屬材料的范圍。第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.2陶瓷材料的性能高硬度，高耐磨性。陶瓷材料彈性膜量較大，即剛性好。抗壓強度比抗拉強度高得多。塑性差、抗機械沖擊和熱沖擊性能差。陶瓷熔點高，而且有很好的高溫強度和抗氧化性，是有前途的高溫材料。功能特性非常廣泛。（電、磁、光、熱性能）第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日

因此，現代陶瓷材料是指除金屬和有機材料以外的所有固體材料，又稱無機非金屬材料，是三大類固體材料之一類，有著十分重要的作用。第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.3陶瓷材料的分類按化學成分分：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷。按性能和用途分；結構陶瓷、功能陶瓷。2.4用工業陶瓷及其應用普通陶瓷：是用天然原料制成的粘土類陶瓷，它是以粘土、長石和石英經配料，成型燒結而成。這類陶瓷質硬，不導電，易于加工成型；但其內部含有較多玻璃相，高溫下易軟化，耐高溫及絕緣性不及特種陶瓷。其成本低，產量大，廣泛用于工作溫度低于200℃的酸堿介質、容器、反應塔、管道、供電系統的絕緣子和紡織機械中導紗零件等。第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日氧化鋁陶瓷Al2O3為主要成分，另含有少量的SiO2。根據Al2O3含量不同又分為75瓷（含75%Al2O3）、95瓷（含95%Al2O3）和99瓷（含99%Al2O3），后兩者又稱剛玉瓷。氧化鋁陶瓷耐高溫性好，在氧化性氣氛中，可用到1950℃，且耐蝕性好。故可用作高溫器皿，如熔煉鐵鈷鎳等的坩堝及耐熱用品等。氧化鋁有高硬度及高溫強度，可用作高速切削及難切削材料加工的刃具(760℃時HRA87，1200℃時HRA80)；還可作耐磨軸承、模具及活塞、化工用泵和閥門等。同時氧化鋁瓷有很好的絕緣性能、內燃機火花塞基本都是用氧化鋁瓷作的。氧化鋁瓷的缺點是脆性大，不能承受沖擊載荷，抗熱震性差，不適合用于有溫度急變場合。第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日其他氧化物陶瓷

BeO、CaO、ZrO2、CeO2、MgO等氧化物陶瓷熔點高，均在2000℃附近，甚至更高，且還具有一系列特殊的優異性能。非氧化物工程陶瓷常用的非氧化物陶瓷主要有碳化物陶瓷，如SiC、B4C；氮化物陶瓷，如Si3N4、BN等，它們也具有各自的優導性能。氮化硼包括六方和立方結構兩種陶瓷。六方氮化硼結構與石墨相似，性能也比較接近，故又稱“白石墨”，其具有良好的耐熱導熱性和高溫介電強度，是理想的散熱和高溫絕緣材料；立方氮化硼為立方結構，結構緊密，其硬度與金剛石接近，是優良的耐磨材料，常用于制作刀具。第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日三、復合材料1、復合材料的定義復合材料是由兩種或兩種以上性質不同的材料組合起來的一種多相固體材料，它不僅保留了組成材料各自的優點而且還具有單一材料所沒有的優異性能。

自然界中的樹木，建筑中的混凝土和人體的