第九章 非金屬材料

1、第九章第九章 非金屬材料非金屬材料第九章第九章 非金屬材料非金屬材料一、高分子材料二、陶瓷材料三、復(fù)合材料一、高分子材料高分子材料:是指分子量很大（在104以上）的化合物， 即高分子化合物組成的一類材料的總稱。高分子材料有：有機(jī)高分子和無機(jī)高分子， 天然高分子和人工合成高分子材料。目前，人工合成的有機(jī)高分子材料如塑料、合成橡膠、合成纖維等發(fā)展十分迅速，已成為一個(gè)品種繁多的龐大的工業(yè)部門，而且具有廣闊的發(fā)展前途。人工合成的高分子材料本節(jié)簡(jiǎn)單地介紹人工合成的高分子材料的基本概念、結(jié)構(gòu)、性能特征。 1人工合成的高分子材料的 基本概念2高聚物的結(jié)構(gòu)特征3高聚物的基本特性1 基本概念有機(jī)高分子化合物是由

2、有機(jī)低分子化合物在一定條件下聚合而成的，具有重復(fù)排列鏈狀結(jié)構(gòu)的高聚物。如聚乙烯塑料就是由乙烯聚合而成的高分子材料。 低分子化合物（如乙烯CH2=CH2）稱為單體，大分子鏈重復(fù)排列的結(jié)構(gòu)單元（如 ）稱為鏈節(jié)，鏈節(jié)重復(fù)排列的個(gè)數(shù) n 稱為聚合度。聚合度越大，高聚物的大分子鏈越長(zhǎng)，其分子量也就愈大。nCHCHCHCHn2222)(聚合22CHCH1 基本概念高聚物與具有明確分子量的低分子化合物不同，同一高聚物因其聚合度不同，大分子鏈的長(zhǎng)短各異，其分子量也就各不相同。通常所說高聚物的分子量是指其分子量的統(tǒng)計(jì)平均值。 如：聚氯乙烯 的分子量為20000160000。 nCHClCH22高聚物的結(jié)構(gòu)特征

3、前面的學(xué)習(xí)知道金屬材料的性能是它的組織結(jié)構(gòu)決定的，同樣，對(duì)非金屬材料也不例外，它的性能特點(diǎn)仍然是由其組織結(jié)構(gòu)決定的。(1)結(jié)合鍵(2)大分子鏈的構(gòu)型與構(gòu)象(3) 高聚物的聚集態(tài)(1)結(jié)合鍵作為高聚物單體的低分子化合物必然具備不飽和的鍵，如各種烯烴類化合物、環(huán)狀化合物和含有特殊官能團(tuán)的化合物，在聚合反應(yīng)中能形成兩個(gè)以上的新鍵，把單體低分子變成鏈節(jié)連接成大分子鏈。否則不能聚合成大分子鏈，也就不能形成高聚物。在高分子鏈中原子以共價(jià)鍵結(jié)合，這種結(jié)合力稱為主價(jià)力高分子鏈內(nèi)組成元素不同，原子間共價(jià)鍵的結(jié)合力不同，聚合物的性能因而不同。在高聚物大分子之間一般是分子來鏈連接的，（靠分子間力連接的）這一結(jié)合力范

4、德華力，稱為次價(jià)力。(2)大分子鏈的構(gòu)型與構(gòu)象.構(gòu)型：組成大分子鏈的鏈節(jié)在空間排列的幾何形狀稱為構(gòu)型。 高聚物有線型(包括帶支鏈的線型)和網(wǎng)體型兩種構(gòu)型。.構(gòu)象：和其他物質(zhì)分子一樣，高聚物的分子鏈在不停的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)是由單鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)引起的。大分子鏈?zhǔn)怯沙汕先f(wàn)個(gè)原子經(jīng)共價(jià)鍵連接而成，其中以單鍵連接的原子，由于熱運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)原子可作相對(duì)旋轉(zhuǎn)，即在保持鍵角、鍵長(zhǎng)不變的情況下，單鍵作旋轉(zhuǎn)，稱為內(nèi)旋轉(zhuǎn)。這種由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的大分子鏈的空間形象稱為高分子鏈的構(gòu)象。(3) 高聚物的聚集態(tài)固態(tài)高聚物存在著晶態(tài)和非晶態(tài)兩種聚集狀態(tài)。晶態(tài)高聚物大分子呈規(guī)則排列； 非晶態(tài)高聚物的大分子呈亂混排列。由于高聚物的分

5、子鏈很大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其結(jié)晶組織與低分子物質(zhì)有很大的不同，存在著晶區(qū)和非晶區(qū)。同一個(gè)大分子鏈可穿過幾個(gè)晶區(qū)和非晶區(qū)。在晶區(qū)內(nèi)呈規(guī)則，有序排列，在非晶區(qū)內(nèi)呈無序排列。在高聚物中結(jié)晶是不完全的，而且總是晶態(tài)與非晶態(tài)共存或全部非晶態(tài)。常用結(jié)晶度來衡量其結(jié)晶傾向晶區(qū)部分的體積或重量的百分?jǐn)?shù)稱結(jié)晶度。(3) 高聚物的聚集態(tài)結(jié)晶度高，反映其排列規(guī)則緊密，分子之間的作用力強(qiáng)，因而剛性增加，其強(qiáng)度、硬度、耐熱性、耐蝕性提高，反之，結(jié)晶度降低，說明其順柔性增大，而彈性、塑性和韌性相應(yīng)提高。高聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，對(duì)稱性愈高，分子之間的作用力越大，其結(jié)晶度愈高，反之，結(jié)晶度減少。如聚乙烯比聚氯乙烯結(jié)晶度高。不論是無

6、定形（非晶態(tài)）高聚物還是結(jié)晶高聚物，隨溫度的變化其物理，力學(xué)狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，以非晶態(tài)高聚物為例。隨著溫度的變化，高聚物可能出現(xiàn)玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)幾種不同的物理力學(xué)狀態(tài)。 圖91 非晶聚合物的 溫度變形曲線 3高聚物的基本特性（1）機(jī)械性能 低強(qiáng)度 高彈性和低彈性模量 粘彈性 高耐摩性（2）物理、化學(xué)性能 高絕緣性 低耐熱性 低導(dǎo)熱性 高熱膨脹性 高化學(xué)穩(wěn)定性 老化 3高聚物的基本特性防老化的措施： 表面防護(hù)：使其與外界致老化因素隔開。減少大分子鏈結(jié)構(gòu)中的某些薄弱環(huán)節(jié)，提高其穩(wěn)定性，推遲老化過程。加入防老化劑，使大分子鏈中上的活潑基團(tuán)鈍化，變成比較穩(wěn)定的基團(tuán)，以抑制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行。4常用高分

7、子材料4.1塑料4.2橡膠合成纖維膠粘劑涂料4.1工程塑料塑料是以有機(jī)合成樹脂為主要組成的高分子材料，它通常可在加熱、加壓條件下塑制成型，故稱為塑料。 塑料的組成塑料的組成塑料是以有機(jī)合成樹脂為基礎(chǔ)，再加入添加劑所組成的。1.合成樹脂 是由低分子化合物通過縮聚或加聚反應(yīng)合成的高分子化合物，如酚醛樹脂、聚乙烯等，是塑料的主要組成，也起粘接劑作用。2.添加劑 為改善塑料的性能而加入的其它組成，主要有：(1)填料或增強(qiáng)材料 填料在塑料中主要起增強(qiáng)作用。(2)固化劑 可使樹脂具有體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為較堅(jiān)硬和穩(wěn)定的塑料制品。(3)增塑劑 用以提高樹脂可塑性和柔性的添加劑。(4)穩(wěn)定劑 用以防止受熱、光等的

8、作用使塑料過早老化。 工程塑料的分類熱塑性塑料 聚乙烯(PE) 聚丙烯(PP) 聚氯乙烯(PVC) 聚苯乙烯(PS)熱固性塑料 ABS塑料 酚醛塑料(PE) 環(huán)氧塑料(EP) 聚乙烯(PE)圖例 聚丙烯(PP)圖例酚醛塑料(PE)圖例酚醛塑料(PE)圖例環(huán)氧塑料(EP)圖例環(huán)氧塑料(EP)圖例4.2橡膠1.橡膠的分類2.橡膠制品的組成1.橡膠的分類按照原料的來源，橡膠可分為天然橡膠和合成橡膠兩大類。 合成橡膠主要有七大品種：丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠、異戊橡膠、丁基橡膠、乙丙橡膠和丁腈橡膠。習(xí)慣上按用途將合成橡膠分成兩類：性能和天然橡膠接近，可以代替天然橡膠的通用橡膠和具有特殊性能的特種橡膠

9、。2.橡膠制品的組成人工合成用以制膠的高分子聚合物稱為生膠。生膠要先進(jìn)行塑練，使其處于塑性狀態(tài)，再加入各種配料，經(jīng)過混練成型、硫化處理，才能成為可以使用的橡膠制品。配料主要包括：(1)硫化劑 變塑性生膠為彈性膠的處理即為硫化處理，能起硫化作用的物質(zhì)稱硫化劑。常用的硫化劑有硫磺、含硫化合物、硒、過氧化物等。(2)硫化促進(jìn)劑 胺類、胍類、秋蘭姆類、噻唑類及硫脲類物質(zhì)，可以起降低硫化溫度、加速硫化過程的作用，稱為硫化促進(jìn)劑。(3)補(bǔ)強(qiáng)填充劑 為了提高橡膠的機(jī)械性能，改善其加工工藝性能，降低成本，常加入填充劑，如碳黑、陶土、碳酸鈣、硫酸鋇、氧化硅、滑石粉等。 二、陶瓷材料 陶瓷是一種無機(jī)非金屬材料，由

10、于它的熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性高，具有耐高溫、耐磨蝕、耐磨擦、絕緣等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)上已得到廣泛的應(yīng)用。陶瓷和金屬材料，高分子材料一樣，陶瓷材料的各種特殊性能都是由其化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織決定的。陶瓷是以天然的硅酸鹽（如粘土、長(zhǎng)石、石英等）或人工合成的化合物（氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物）為原料，經(jīng)粉碎配制、成型和高溫?zé)Y(jié)而制成的，它是多相多晶體材料。 二、陶瓷材料1組成2性能特點(diǎn)（機(jī)械性能）3. 分類4工程陶瓷材料的特點(diǎn)與應(yīng)用1組成 陶瓷的顯微組織由晶相、玻璃相和氣相組成，各組成相結(jié)構(gòu)、數(shù)量、形態(tài)、大小及分布對(duì)陶瓷性能有顯著影響。 陶瓷中的晶相是主要組成相，主要來源

11、是原料中的氧化物和硅酸鹽，在陶瓷中最常見的晶體結(jié)構(gòu)是氧化物結(jié)構(gòu)和硅酸鹽結(jié)晶相是陶瓷的主要組成相，對(duì)陶瓷制晶的強(qiáng)度、硬度、耐熱性有決定性的影響。 陶瓷中的玻璃相是一種非晶態(tài)的固體，它是燒結(jié)時(shí)，原料中的有些晶體物質(zhì)如SiO2已處在熔化狀態(tài)，但因熔點(diǎn)附近粘度大，原子遷移很困難，若以較快的速度冷卻到熔點(diǎn)以上，原子不能規(guī)則地排列成晶體，而成為過冷液體，當(dāng)其繼續(xù)冷卻到Tg溫度時(shí)便凝固成非晶態(tài)的玻璃相。而且玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的組成相。1組成玻璃相的作用是粘結(jié)分散的晶相，降低燒結(jié)溫度。抑制晶相的晶粒長(zhǎng)大和填充氣孔，其熱穩(wěn)定性差，強(qiáng)度較晶向低，所以不能多，而氣相是指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔，它是陶瓷生產(chǎn)工

12、藝過程中不可避免地形成并保留下來的，氣孔對(duì)陶瓷性能有顯著的影響，它使陶瓷密度減少，并能吸收震動(dòng)，這是有利的，但它又使其強(qiáng)度降低，電擊穿強(qiáng)度下降，絕緣性下降，這是不利的，因此對(duì)陶瓷中的氣孔數(shù)量、形狀、大小和分布有所控制。2性能特點(diǎn)（機(jī)械性能） 高硬度 硬度是陶瓷材料的重要性能指標(biāo)，大多數(shù)陶瓷材料的硬度比金屬高得多，故其耐磨性好（它的硬度僅次于金剛石）。 高彈性模量與高脆性陶瓷在拉伸時(shí)幾乎沒有塑性變形，在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生一定彈性變形后直接脆斷，大多數(shù)的陶瓷材料的彈性模量都比金屬高。 低抗拉強(qiáng)度和較高的抗壓強(qiáng)度 由于陶瓷內(nèi)部存在大量氣孔，其作用相當(dāng)于裂紋，故其抗壓強(qiáng)度較高。 2性能特點(diǎn)（機(jī)械性能）

13、優(yōu)良的高溫強(qiáng)度和低的抗熱震性 陶瓷的熔點(diǎn)高于金屬，具有優(yōu)于金屬的高溫強(qiáng)度。 陶瓷的熔點(diǎn)高于金屬，具有優(yōu)于金屬的高溫強(qiáng)度。大多數(shù)金屬在1000以上就喪失強(qiáng)度，而陶瓷在高溫下不僅保持高硬度，而且基本保持其室溫下的強(qiáng)度，具有高的蠕變抗力，同時(shí)抗氧化的性能好，廣泛用作高溫材料。但陶瓷承受溫度急劇變化的能力差（熱震性差）當(dāng)溫度劇烈變化時(shí)易裂。4分類(1) 普通陶瓷（傳統(tǒng)陶瓷） (2) 特種陶瓷 普通日用陶瓷 壓電陶瓷 普通工業(yè)陶瓷 磁性陶瓷 1).建筑衛(wèi)生瓷 電容器陶瓷 2).化學(xué)化工瓷 高溫陶瓷 3).電工瓷 1).氧化物陶瓷 2).硼化物陶瓷 3).氮化物陶瓷 4).碳化物陶瓷3.工程陶瓷材料的特點(diǎn)

14、與應(yīng)用普通陶瓷的特點(diǎn)與應(yīng)用特種陶瓷的特點(diǎn)與應(yīng)用普通陶瓷的特點(diǎn)與應(yīng)用普通陶瓷的組分構(gòu)成原料為粘土、石英和長(zhǎng)石。其特點(diǎn)是堅(jiān)硬而脆性較大，絕緣性和耐蝕性極好；制造工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，用量大。 普通日用陶瓷作日用器皿和瓷器，良好光澤度、透明度，熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度較高。 普通工業(yè)陶瓷有炻器和精陶，有建筑衛(wèi)生瓷（裝飾板、衛(wèi)生間裝置及器具等）、電工瓷（電器絕緣用瓷，也叫高壓陶瓷）、化學(xué)化工瓷（化工、制藥、食品等工業(yè)及實(shí)驗(yàn)室中的管道設(shè)備、耐蝕容器及實(shí)驗(yàn)器皿）等。特種陶瓷的特點(diǎn)與應(yīng)用 特種陶瓷有壓電陶瓷、磁性陶瓷、電容器陶瓷、高溫陶瓷等。工程上最重要的是高溫陶瓷，包括氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶

15、瓷。 氧化物陶瓷熔點(diǎn)大多2000以上, 燒成溫度約1800；單相多晶體結(jié)構(gòu)，有時(shí)有少量氣相；強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，在1000以下時(shí)一直保持較高強(qiáng)度，隨溫度變化不大；純氧化物陶瓷任何高溫下都不會(huì)氧化。氧化鋁（耐火磚、高壓器皿、坩堝、電爐爐管、熱電偶套管等），陶瓷氧化鋯（冶煉坩堝和1800以上的發(fā)熱體及爐子、反應(yīng)堆絕熱材料等） 。 碳化物陶瓷具有很高的熔點(diǎn)、硬度（近于金剛石）和耐磨性（特別是在浸蝕性介質(zhì)中），缺點(diǎn)是耐高溫氧化能力差（約9001000）、脆性極大。主要用途是作耐火材料（碳化硅）、磨料、有時(shí)用于超硬質(zhì)工具材料（碳化硼）。 特種陶瓷的特點(diǎn)與應(yīng)用硼化物陶瓷包括硼化鉻、硼化鉬、硼化鈦、硼化

16、鎢和硼化鋯等，具有高硬度, 較好的耐化學(xué)浸蝕能力，熔點(diǎn)18002500，使用溫度1400，用于高溫軸承、內(nèi)燃機(jī)噴嘴，各種高溫器件、處理熔融非鐵金屬的器件等，還用作電觸點(diǎn)材料。 氮化物陶瓷中的氮化硅陶瓷是鍵能高而穩(wěn)定的共價(jià)鍵晶體，硬度高而摩擦系數(shù)低，有自潤(rùn)滑作用，是優(yōu)良的耐磨減摩材料；氮化硅的耐熱溫度比氧化鋁低，而抗氧化溫度高于碳化物和硼化物，1200以下具有較高的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，且熱膨脹系數(shù)小、抗熱沖擊，可做優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料，耐各種無機(jī)酸（氫氟酸除外）和堿溶液浸蝕，優(yōu)良的耐腐蝕材料。普通日用陶瓷圖例普通日用陶瓷圖例衛(wèi)生陶瓷圖例氧化物陶瓷圖例氧化鋁熱電偶套管氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷噴咀

17、三、復(fù)合材料隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料的性能要求愈來愈高，除要求材料具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等性能外，甚至有些構(gòu)件要求材料同時(shí)具有相互矛盾的性能，如既要求導(dǎo)電又要絕熱，強(qiáng)度要比鋼好，而彈性又要比橡膠好等等，這對(duì)單一材料是無法滿足的，就要采用復(fù)合技術(shù)，于是出現(xiàn)了復(fù)合材料。復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過不同的工藝方法人工合成的多相材料。 如不同的非金屬之間，不同的金屬材料之間以及非金屬材料與金屬材料之間都可以互相復(fù)合。復(fù)合材料既要保持各自的最佳特性，又具有組合后的新特性，從而滿足構(gòu)件對(duì)性能的要求。三、復(fù)合材料復(fù)合材料性能復(fù)合材料組成復(fù)合材料的性能 復(fù)合材料比其組成材料的

18、性能更優(yōu)越。(1).高比強(qiáng)度和高比模量(2).好的抗疲勞和抗斷裂性能(3).高溫下高的強(qiáng)度(4).優(yōu)越的耐高溫性能(5).良好的減摩、耐磨性(6).較強(qiáng)的減振能力(7).優(yōu)良的電性能(8).較好的成型性與結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性復(fù)合材料的組成 復(fù)合材料一般由增強(qiáng)材料和基體材料組成。基體材料分金屬材料和非金屬材料兩大類；增強(qiáng)材料最用效的是纖維材料，決定其主要力學(xué)性能，為結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料。 另有不以改善力學(xué)性能為主要目的增強(qiáng)材料，如各種粒子、短纖維等材料，為功能復(fù)合材料。復(fù)合材料常用纖維有三類：1.金屬纖維：鋼、硼、鎢、鉬等2.有機(jī)纖維：人造絲、尼龍、聚酯、芳綸等3.無機(jī)纖維：玻璃、碳、碳化硅、晶須等非金屬基復(fù)

19、合材料非金屬基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料 玻璃鋼 碳纖維樹脂復(fù)合材料 硼纖維樹脂復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料 碳基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料玻璃鋼(1)熱固性玻璃鋼分類：酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂和有機(jī)硅樹脂等。特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn) 成形工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐蝕性能好；缺點(diǎn) 彈性模量低(1/51/10結(jié)構(gòu)鋼)、耐熱度低(250)、易老化。 樹脂改性改善性能：酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂混溶的玻璃鋼即有良好粘接性, 又降低了脆性，還保持了耐熱性, 也具有較高的強(qiáng)度。用途：機(jī)器護(hù)罩、車輛車身、絕緣抗磁儀表、耐蝕耐壓容器和管道及各種形狀復(fù)雜的機(jī)器構(gòu)件和車輛配件。玻璃鋼(2)熱塑性玻璃鋼分類：以

20、熱塑性樹脂為粘接劑的玻璃纖維增強(qiáng)材料，如尼龍、ABS、聚苯乙烯等。特點(diǎn)：強(qiáng)度不如熱固性玻璃鋼, 但成形性好、生產(chǎn)率高，且比強(qiáng)度不低。用途： 尼龍66玻璃鋼 剛度、強(qiáng)度、減摩性好，作軸承、軸承架、齒輪等精密件、電工件、汽車儀表、前后燈等 ABS玻璃鋼 化工裝置、管道、容器、 聚苯乙烯玻璃鋼 汽車內(nèi)裝、收音機(jī)機(jī)殼、空調(diào)葉片等 聚碳酸酯玻璃鋼 耐磨、絕緣儀表等 碳纖維樹脂復(fù)合材料特點(diǎn)：碳是六方結(jié)構(gòu)的晶體(石墨)，共價(jià)鍵結(jié)合，比玻璃纖維強(qiáng)度更高，彈性模量也高幾倍; 高溫低溫性能好; 很高的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和低的摩擦系數(shù)，是很理想的增強(qiáng)劑；脆性大，與樹脂的結(jié)合力不如玻璃纖維，表面氧化處理可改善其與基體的結(jié)合力。類別與應(yīng)用：碳纖維環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚四氟乙烯等得到廣泛應(yīng)用，如：宇宙飛船和航天器的外層材料，人造衛(wèi)星和火箭的機(jī)架、殼體，各精密機(jī)器的齒輪、軸承以及活塞、密封圈，化工容器和零件等。硼纖維樹脂復(fù)合材料特點(diǎn)：抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都很高(優(yōu)于鋁合金、鈦合金)，且蠕變小、硬度和彈性模量高，疲勞強(qiáng)度很高，耐輻射及導(dǎo)熱極好（硼纖維比強(qiáng)度與玻璃纖維相近；比彈性模量比玻璃纖維高5倍；耐熱性更高）。類別及應(yīng)用：硼纖維環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂等復(fù)合材料多用于航空航天器、宇航器的翼