第十章 非金屬材料和復(fù)合材料

1、第十章第十章 非金屬材料非金屬材料第十章 非金屬材料及其它材非金屬材料及其它材料料 概述概述第一節(jié)第一節(jié) 高分子材料高分子材料 第二節(jié)第二節(jié) 陶瓷材料陶瓷材料 第三節(jié)第三節(jié) 復(fù)合材料復(fù)合材料 第四節(jié)第四節(jié) 其它工程材料其它工程材料 概概 述述 非金屬材料通常是指除金屬材料以外的金屬非金屬材料通常是指除金屬材料以外的金屬材料材料. .概括起來可分為概括起來可分為無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料和和有機(jī)非有機(jī)非金屬材料金屬材料兩大類兩大類. . 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種機(jī)械系統(tǒng)不僅要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種機(jī)械系統(tǒng)不僅要求具有足夠的力學(xué)性能求具有足夠的力學(xué)性能,而且還要求具有可靠性而且還要求具有可靠性

2、高、多功能化、微型化和智能化等特性。要實(shí)現(xiàn)高、多功能化、微型化和智能化等特性。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不僅要采用以強(qiáng)度指標(biāo)為主的結(jié)構(gòu)材料，這一目標(biāo)不僅要采用以強(qiáng)度指標(biāo)為主的結(jié)構(gòu)材料，而且還必須采用具有特殊物理、化學(xué)等性能的其而且還必須采用具有特殊物理、化學(xué)等性能的其它工程材料，如功能材料和納米材料等。它工程材料，如功能材料和納米材料等。 本章將分別介紹一些工程上常用的非金屬材本章將分別介紹一些工程上常用的非金屬材料及其應(yīng)用，以及復(fù)合材料和一些其它工程材料料及其應(yīng)用，以及復(fù)合材料和一些其它工程材料。 第一節(jié)第一節(jié) 高分子材料高分子材料n如前面章節(jié)所介紹的，高分子化合物是由低分子化合物組成，是大量低分子的聚

3、合物,因相對分子量很大,故稱之為高分子化合物或高聚物. 高分子化合物中的原子彼此主要是以共價鍵形式連接的 . 高分子物質(zhì)分天然和人工合成兩大類,天然高分子物質(zhì)有蠶絲、羊毛 、纖維素、天然橡膠以及存在與生物組織中的淀粉、蛋白質(zhì).工程上的高分子物質(zhì)主要指塑料、橡膠和纖維這三大合成材料為主.第一節(jié)第一節(jié) 高分子材料高分子材料一、高分子化合物的合成一、高分子化合物的合成 高分子化合物的合成就是把低分子化合物高分子化合物的合成就是把低分子化合物( (單體單體) )聚合起來形成高分子化合物的過程聚合起來形成高分子化合物的過程. .合成反應(yīng)主合成反應(yīng)主要有兩種要有兩種加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng).

4、. 一一) )加聚反應(yīng)加聚反應(yīng) 在加熱在加熱、光照或化學(xué)引發(fā)劑作用下,由許多相同或不同的不飽和低分子化合物、環(huán)狀化合物開環(huán)相互連接形成大分子的反應(yīng)叫做加聚反應(yīng),其產(chǎn)物叫加聚物. 在加聚反應(yīng)過程中,沒有低分子產(chǎn)物的析出,而且生產(chǎn)的聚合物與原料具有相同的化學(xué)組成.加聚反應(yīng)是目前高分子合成工業(yè)的基礎(chǔ).第一節(jié)第一節(jié) 高分子材料高分子材料二二) )縮聚反應(yīng)縮聚反應(yīng) 在加熱或催化劑作用下在加熱或催化劑作用下, ,由許多相同或不同由許多相同或不同的的低分子化合物相互混合,發(fā)生化合反應(yīng)得到高分子化合物,同時析出某些低分子的過程叫做縮聚反應(yīng),所生產(chǎn)的聚合物叫縮聚物. 縮聚物的成分與單體不同,縮聚反應(yīng)要比加聚反應(yīng)

5、復(fù)雜的多.第一節(jié)第一節(jié) 高分子材料高分子材料二、高分子化合物的分類及命名二、高分子化合物的分類及命名 1、高分子化合物的分類2、高分子化合物的命名 常用高分子材料的名稱采用習(xí)慣命名法,即在原料單體前加“聚”字,如聚乙烯聚鹵乙烯等,也有一些是在原料名稱后加“樹脂”二字,如酚醛樹脂,脲醛樹脂等.有很多高分子材料采用商業(yè)名稱,沒有統(tǒng)一的命名規(guī)則.有時為了簡化,常用英文所寫,如聚乙烯用PF,聚鹵乙烯用PVC等.第一節(jié)第一節(jié) 高分子材料高分子材料三、塑料三、塑料 塑料是以樹脂為主要成分的有機(jī)高分子固體材料.它在一定的溫度和壓力下具有可塑性,能塑制成一定形狀的制品,且在常溫下能保持形狀不變,因而得名為“塑

6、料”.一)塑料的組成 1.合成樹脂 2.填料或增強(qiáng)材料 3.固化劑4.增塑劑 5.穩(wěn)定劑 6.阻燃劑第一節(jié)第一節(jié) 高分子材料高分子材料二)塑料的分類 塑料的種類繁多,常用的分類方法有兩種: 1.按塑料受熱后的性質(zhì)進(jìn)行分類 1)熱塑性塑料 2)熱固性塑料 2.按塑料的功能分類 1)通用塑料 2)工程塑料 3)特種塑料第一節(jié)第一節(jié) 高分子材料高分子材料三)塑料的特性 1.質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高 2.良好的耐蝕性能 3.優(yōu)異的電氣絕緣性能4.突出的減摩、耐磨和自潤滑性能5.優(yōu)良的消音吸振性 6.易成型加工7.其它特殊性能四)常用工程塑料及應(yīng)用1.有機(jī)玻璃熱塑性塑料2.ABS熱塑性塑料3. 尼龍(錦綸)熱塑

7、性塑料第一節(jié)第一節(jié) 高分子材料高分子材料4.聚甲醛(POM)熱塑性塑料5.聚碳酸酯(雙酚A型PC)熱塑性塑料6.聚砜(雙酚A型PSF)熱塑性塑料7.氟塑料熱塑性塑料8.鹵化聚醚熱塑性塑料9.聚酰亞胺熱塑性塑料10. 常用熱固性塑料包括酚醛塑料(PF) 、環(huán)氧塑料、有機(jī)硅塑料、DAP及DAIP 、聚二苯醚、鈣塑材料等.第一節(jié)第一節(jié) 高分子材料高分子材料四、橡膠四、橡膠 橡膠和塑料一樣,也是一種有機(jī)高分子材料.它與塑料的區(qū)別在于在很寬的溫度范圍內(nèi)處于高彈性狀態(tài),因而其獨(dú)特的性能就是具有高彈性,對它施加不大的外力就可產(chǎn)生很大的變形,外力一去掉又能很快的恢復(fù)原狀. 大部分橡膠是二烯類化合物的高聚物,平

8、均相對分子質(zhì)量在二十萬以上.未加配合劑、未經(jīng)硫化的橡膠稱為生膠. 橡膠根據(jù)來源可分為天然橡膠和合成橡膠兩大類.合成橡膠根據(jù)其使用性又分為合成橡膠和特種合成橡膠.第一節(jié)第一節(jié) 高分子材料高分子材料五、合成纖維五、合成纖維 合成纖維是指以石油、天然氣、煤及農(nóng)副產(chǎn)品等作為原料,經(jīng)過化學(xué)合成方法而得到的化學(xué)纖維.按照用途不同分為普通合成纖維和特種合成纖維兩大類. 常見的普通合成纖維以錦綸、滌綸、晴綸、維綸、鹵綸和丙綸六大綸為主,占到合成纖維總產(chǎn)量的90%以上. 特種纖維的品種較多,而且還在不斷發(fā)展之中.第一節(jié)第一節(jié) 高分子材料高分子材料六、粘接劑六、粘接劑 作為一門獨(dú)立的邊緣科學(xué)技術(shù)作為一門獨(dú)立的邊緣

9、科學(xué)技術(shù), ,粘接技術(shù)在航空粘接技術(shù)在航空工業(yè)工業(yè)、汽車工業(yè)等方面顯示出了巨大的潛力,而粘接劑也已經(jīng)成為各行各業(yè)不可缺少的重要原材料之一. 粘接劑一般由幾種材料組成.通常按照固化形式可分為三類: 溶劑型、反應(yīng)型、熱熔型 粘接劑品種及其繁多,成分十分復(fù)雜,大致的種類第二節(jié)第二節(jié) 陶瓷材料陶瓷材料一.陶瓷的概念 陶瓷是指用各種粉狀原料做成一定形狀后,在高溫窯爐中燒制而成的一種無機(jī)非金屬固體材料.傳統(tǒng)意義上的陶瓷僅指陶器和瓷器;目前陶瓷一詞是對無機(jī)非金屬材料的總稱,泛指以離子鍵結(jié)合的物質(zhì).二.陶瓷的特性和分類 1.陶瓷的特性 硬度高、抗壓強(qiáng)度大、耐高溫、不怕氧化和腐蝕、隔熱和絕緣性能好等,確定是質(zhì)脆

10、,經(jīng)不起敲打碰撞,難修復(fù)、成型精度差、轉(zhuǎn)配連接性能不良等.第二節(jié)第二節(jié) 陶瓷材料陶瓷材料2.陶瓷的分類 陶瓷材料的分類方法尚無統(tǒng)一方案,按照近代陶瓷的含義,陶瓷材料被分為四類.如圖7-3所示.三.工業(yè)陶瓷材料 1.普通工業(yè)陶瓷 2.耐酸陶瓷 3 高溫陶瓷 4.透明瓷 5.電解陶瓷 6.金屬陶瓷第三節(jié)第三節(jié) 復(fù)合材料復(fù)合材料一.概述 復(fù)合材料一般是指為了達(dá)到某些特殊性能要求而將兩種或兩種以上物理、化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì),經(jīng)人工組合而得到的多相固體材料. 它可以改善或克服組成材料的弱點(diǎn),充分發(fā)揮它們的優(yōu)點(diǎn).復(fù)合材料開拓了一條創(chuàng)造材料的新途徑,已經(jīng)在許多工業(yè)和技術(shù)部門中引起了極大的重視.第三節(jié)第三節(jié) 復(fù)

11、合材料復(fù)合材料二.復(fù)合材料的組成和分類 復(fù)合材料由基體相和增強(qiáng)相兩大類相組成. 復(fù)合材料的種類繁多,常見的分類方法有以下三種: 1)按照基體類型分, 可分為金屬基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料 、無機(jī)非金屬基復(fù)合材料2)以增強(qiáng)纖維類型分, 分為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、復(fù)合纖維復(fù)合材料、混雜纖維復(fù)合材料3)以增強(qiáng)物外形分,可分為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、纖維織物或片狀材料增強(qiáng)復(fù)合材料、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、粒狀填料復(fù)合材料.第三節(jié)第三節(jié) 復(fù)合材料復(fù)合材料二.復(fù)合材料的性能 復(fù)合材料的性能的性能不僅取決于基體和增強(qiáng)體的類型和性質(zhì),還取決于增強(qiáng)體的形態(tài)、大小及在基體中的含量和分布、排列方式,除此之

12、外,還與基體和增強(qiáng)體之間的結(jié)合性能有關(guān). 復(fù)合材料一般具有如下性能: 1.高比強(qiáng)度和高比剛度 2.耐疲勞性高 3.抗斷裂能力強(qiáng) 4.減震能力強(qiáng) 5. 高溫性能好,抗蠕變能力強(qiáng) 6. 其它性能第三節(jié)第三節(jié) 復(fù)合材料復(fù)合材料四.常用復(fù)合材料及應(yīng)用 1.玻璃鋼 2. 碳纖維復(fù)合材料 3.硼纖維復(fù)合材料 4.金屬纖維復(fù)合材料 5.晶須復(fù)合材料第四節(jié)第四節(jié) 其它工程材料其它工程材料n一、功能材料n所謂功能材料是指具有特殊的電、磁、光、熱、聲、力、化學(xué)性能和生物性能及其轉(zhuǎn)化的功能，用以實(shí)現(xiàn)對信息和能量的感受、計(jì)測、顯示控制和轉(zhuǎn)化為主要目的的非結(jié)構(gòu)性高新材料。有時也把只有特殊力學(xué)性能的材料包括在功能材料之內(nèi)

13、。第四節(jié)第四節(jié) 其它工程材料其它工程材料n功能材料的分類方法很多，目前尚無公認(rèn)的統(tǒng)一方法，通常的分類見表7-11。 n功能材料的特點(diǎn)：n 1.多功能化 n 2.材料與元件一體化n 3.制造和應(yīng)用的高技術(shù)性，性能和質(zhì)量的高精密性和高穩(wěn)定性n4.材料形態(tài)多樣性第四節(jié)第四節(jié) 其它工程材料其它工程材料n下面簡單介紹幾種常見的功能材料。n（一）電功能材料n 1、導(dǎo)電材料 n導(dǎo)電材料主要包括：常用導(dǎo)電金屬材料、厚膜與薄膜導(dǎo)體布線材料、導(dǎo)電高分子材料、超導(dǎo)電材料等。n 2、電阻材料 n3、電接點(diǎn)材料 第四節(jié)第四節(jié) 其它工程材料其它工程材料n（二）磁功能材料 n1、軟磁材料 n2、硬磁材料（永磁材料） n3、

14、信息磁材料 第四節(jié)第四節(jié) 其它工程材料其它工程材料n（三）熱功能材料 n 1、膨脹材料 n 2、形狀記憶材料 第四節(jié)第四節(jié) 其它工程材料其它工程材料n（四）其他功能材料n 1、光敏材料n 2、貯氫材料 n 3、光纖材料 n 4、隱形材料 第四節(jié)第四節(jié) 其它工程材料其它工程材料 二、納米材料一）概述 納米是一種度量單位，1納米（nm）等于10-9米，即百萬分之一毫米、十億分之一米。1nm相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的10萬分之一。1納米大約是3-4個原子排列在一起的寬度。廣義地說，所謂納米材料，是指用晶粒尺寸為納米級的微小顆粒制成的各種材料，其納米顆粒的大小不應(yīng)超過100納米，而通常情況下不應(yīng)超過10納米。目前，國際上將處于1-100nm納米尺度范圍內(nèi)的超微顆粒及其致密的聚集體，以及由納米微晶所構(gòu)成的材料，統(tǒng)稱為納米材料，包括金屬、非金屬、有機(jī)、無機(jī)和生物等多種粉末材料。 第四節(jié)第四節(jié) 其它工程材料其它工程材料 二）納米材料的分類目前，按照材料的形態(tài)，納米材料可分為：納米顆粒型材料、納米固體材料、顆粒膜材料和納米磁性液體材料等四種.納米顆