非金屬材料介紹

1、 工程材料與熱加工基礎(chǔ)第八章 常用非金屬材料機械工程系1第八章 常用非金屬材料非金屬材料指工程材料中除金屬材料以外的其他一切材料。非金屬材料的原料來源廣泛，自然資源豐富，成形工藝簡單，具有一些特殊性能，應(yīng)用日益廣泛，已成為機械工程材料中不可缺少的重要組成部分。在機械工程中常用的非金屬材料主要包括高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料 2學(xué)習(xí)要點：1高分子材料（高聚物）是通過聚合反應(yīng)以低分子化合物結(jié)合形成的。聚合反應(yīng)分為加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)。2塑料主要由合成樹脂和添加劑組成。3常用塑料及其在生產(chǎn)中的用途。4工業(yè)陶瓷的特點及用途。5復(fù)合材料的特點及分類。38.1 高分子材料高分子材料是以高分子化合物為主要組

2、分的材料。高分子化合物是指相對分子質(zhì)量(分子量)很大的化合物，其分子量一般在5000以上 。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類。有機高分子化合物又分為天然的和合成的。機械工程中使用的高分子材料主要是人工合成的有機高分子聚合物（簡稱高聚物），例如塑料、合成橡膠、合成纖維、涂料和膠接劑等。高聚物是通過聚合反應(yīng)以低分子化合物結(jié)合形成的高分子材料4聚合反應(yīng)1.加聚反應(yīng) 由一種或多種單體相互加成而連接成聚合物的反應(yīng). 例如乙烯加聚成聚乙烯；單體為兩種或兩種以上的則為共加聚，例如ABS工程塑料就是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三種單體共聚合成的。 2.縮聚反應(yīng) 是由一種或多種單體相互作用而連

3、接成高聚物的反應(yīng) ,這種反應(yīng)同時析出新的低分子副產(chǎn)物。 酚醛樹脂(電木)、聚酰胺(尼龍)、環(huán)氧樹脂等都是縮聚反應(yīng)產(chǎn)物。 58.1.1 塑料1塑料的組成 塑料是以合成樹脂為主要成分，加入一些用來改善使用性能和工藝性能的添加劑而制成的高分子材料。樹脂的種類、性能、數(shù)量決定了塑料的性能，因此，塑料基本上都是以樹脂的名稱命名的，例如聚氯乙烯塑料的樹脂就是聚氯乙烯。工業(yè)中用的樹脂主要是合成樹脂，如聚乙烯、聚氯乙烯等。6添加劑的種類較多，常用的主要有以下幾種：（1）填料 填料可使塑料具有所要求的性能，且能降低成本。用木屑、紙屑，石棉纖維、玻璃纖維等有機材料作填料，可增加塑料強度，例如酚醛樹脂中加入木屑即是

4、俗稱的電木。用高嶺土、滑石粉、氧化鋁、石墨、鐵粉、銅粉和鋁粉等無機物為填料，可使塑料具有較高的耐熱性、導(dǎo)熱性、耐磨性、耐蝕性等。（2）增塑劑 增塑劑用以增加樹脂的可塑性、柔軟性、流動性，降低脆性。常用的增塑劑有磷酸酯類化合物、甲酸酯類化合物和氯化石蠟等。（3）穩(wěn)定劑(防老化劑) 穩(wěn)定劑可增加塑料對光、熱、氧等老化作用的抵抗力，延長塑料的壽命。常用的穩(wěn)定劑有硬脂酸鹽、環(huán)氧化合物等。（4）潤滑劑 加入少量潤滑劑可改善塑料成形時的流動性和脫模性，使制品表面光滑美觀。常用的潤滑劑有硬脂酸等。除上述添加劑外，還有固化劑、發(fā)泡劑、抗靜電劑、稀釋劑、阻燃劑、著色劑等。72.塑料的特性 (1)質(zhì)輕、比強度高

5、塑料的密度為0.92.2gcm3，只有鋼鐵的1814。泡沫塑料的密度約001gcm3。塑料的強度比金屬低，但比強度高。這對減輕機械產(chǎn)品的重量具有重要意義。(2)化學(xué)穩(wěn)定性好 塑料能耐大氣、水、堿、有機溶劑等的腐蝕。例如，聚四氟乙烯在沸騰的“王水”中仍很穩(wěn)定。(3)優(yōu)異的電絕緣性 塑料有良好的電絕緣性，介質(zhì)損耗小，其電絕緣性可與陶瓷、橡膠等絕緣材料相媲美。(4)減摩、耐磨性好 塑料的硬度低于金屬，但多數(shù)塑料的摩擦系數(shù)小，有些塑料(如聚四氟乙烯、尼龍等)具有自潤滑性。因此，塑料可用于制作在無潤滑條件下工作的某些零件。 (5)消聲和吸振性好 塑料軸承和齒輪工作時平穩(wěn)無聲，大大減小了噪音污染。泡沫塑料

6、常被用作隔音材料。 (6)成形加工性好 塑料有注射、擠壓、模壓、澆塑等多種成形方法，且工藝簡單，生產(chǎn)率高。 (7)耐熱性差 多數(shù)塑料只能在100左右使用，少數(shù)品種可在200左右使用；易老化(因光、熱、載荷、水、堿、酸、氧等的長期作用，使塑料變硬、變脆、開裂等現(xiàn)象，稱老化)；導(dǎo)熱性差，約為金屬的1500；熱膨脹系數(shù)大，約為金屬的3至10倍。 83常用塑料(1)熱塑性塑料 聚乙烯(PE) 按生產(chǎn)工藝不同，分為高壓聚乙烯、中壓聚乙烯和低壓聚乙烯。高壓聚乙烯化學(xué)穩(wěn)定性高，柔軟性、絕緣性、透明性、耐沖擊性好，宜吹塑成薄膜、軟管、瓶等。低壓聚乙烯質(zhì)地堅硬，耐磨性、耐蝕性、絕緣性好，適宜制作化工用管道、槽，

7、電線、電纜包皮，承載小的齒輪、軸承等；又因其無毒，可制作茶杯、奶瓶、食品袋等。 聚氯乙烯(PVC) 分為硬質(zhì)和軟質(zhì)兩種。硬質(zhì)聚氯乙烯強度較高，絕緣性和耐蝕性好，耐熱性差，在1560溫度范圍使用，用于化工耐蝕的結(jié)構(gòu)材料，如輸油管、容器、離心泵、閥門管件等，用途很廣。軟質(zhì)聚氯乙烯強度低于硬質(zhì)聚氯乙烯，伸長率大，絕緣性較好，在1560的溫度范圍使用。用于電線、電纜的絕緣包皮，農(nóng)用薄膜，工業(yè)包裝等。因其有毒，不能包裝食品。93常用塑料聚丙烯(PP) 密度小，是常用塑料中最輕的一種。強度、硬度、剛性、耐熱性均高于低壓聚乙烯，可在120以下長期工作。絕緣性好，且不受濕度影響，無毒無味，但低溫脆性大，不耐磨

8、，易老化，用于一般機械零件，如齒輪、耐蝕件（如泵葉輪、化工管道、容器）；絕緣件；電視機、收音機、電扇、電機罩等殼體；生活用具，醫(yī)療器械，食品和藥品包裝等。聚酰胺(PA) 俗稱尼龍或錦綸。強度、韌性、耐磨性、耐蝕性、吸振性、自潤滑性、成形性好，摩擦系數(shù)小，無毒無味，可在100以下使用。蠕變值大，導(dǎo)熱性差，吸水性高，成形收縮率大。常用的有尼龍6、尼龍66、尼龍610、尼龍1010等。用于制造耐磨、耐蝕的某些承載和傳動零件，如軸承、機床導(dǎo)軌、齒輪、螺母及一些小型零件。也可用于制作高壓耐油密封圈，或噴涂在金屬表面作防腐、耐磨涂層，應(yīng)用較廣。103常用塑料聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA) 俗稱有機玻璃 透光

9、性、著色性、絕緣性、耐蝕性好，在自然條件下老化發(fā)展緩慢，可在60100使用。不耐磨，脆性大，易溶于有機溶劑中，硬度不高，表面易擦傷。用于航空、儀器、儀表、汽車中的透明件和裝飾件，如飛機窗、燈罩、電視和雷達屏幕，油標(biāo)、油杯、設(shè)備標(biāo)牌等。ABS塑料 是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)的三元共聚物。綜合力學(xué)性能好，尺寸穩(wěn)定性、絕緣性、耐水和耐油性、耐磨性好，長期使用易起層。用于制造齒輪，葉輪，軸承，把手，管道，貯槽內(nèi)襯，儀表盤，轎車車身，汽車擋泥板，電話機、電視機、電機、儀表的殼體，應(yīng)用較廣。聚甲醛(POM) 耐磨性、尺寸穩(wěn)定性、著色性、減摩性，絕緣性好，可在零下40100長期使用。加熱易分

10、解，成形收縮率大。用于制造減摩、耐磨件及傳動件，如軸承、滾輪、齒輪、絕緣件，化工容器，儀表外殼，表盤等，可代替尼龍和有色金屬。 113常用塑料聚四氟乙烯(F-4) 也稱塑料王 有極強的耐蝕性，可抗王水腐蝕，絕緣性、自潤滑性好，不吸水，摩擦系數(shù)小，可在195250使用，但價格較高。用于耐蝕、減摩、耐磨件，密封件，絕緣件，如高頻電纜、電容線圈架，化工用反應(yīng)器、管道等。聚碳酸脂(PC) 強度高，韌性、尺寸穩(wěn)定性、透明性好，可在60120長期使用。耐疲勞性不如尼龍和聚甲醛。用于制造齒輪、蝸輪、凸輪，電氣儀表零件，大型燈罩，防護玻璃，飛機擋風(fēng)罩，高級絕緣材料，用途很廣。 聚砜(PSF) 強度、硬度、成形

11、溫度高，抗蠕變、尺寸穩(wěn)定性、絕緣性好，可在100150長期使用。不耐有機溶劑和紫外線。用于制造耐熱件，絕緣件，減摩、耐磨件，高強度件，如凸輪，精密齒輪、真空泵葉片、儀表殼體和罩，汽車護板，電子器件等。 123常用塑料 (2)熱固性塑料酚醛塑料(PF) 俗稱電木 強度、硬度、絕緣性、耐蝕性、尺寸穩(wěn)定性好，工作溫度100，脆性大，耐光性差，只能模壓成形，價格低。用于制造儀表外殼，燈頭、燈座、插座，電器絕緣板，耐酸泵，剎車片，電器開關(guān)，水潤滑軸承等。氨基塑料 俗稱電玉 顏色鮮艷，半透明如玉，絕緣性好，長期使用溫度80，耐水性差。用于制造裝飾件、絕緣件，如開關(guān)、插頭、旋鈕、把手、燈座、鐘表外殼等。環(huán)氧

12、塑料(EP) 俗稱萬能膠 強度、韌性、絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性好，能防水、防潮、防霉，可在80155長期使用，成形工藝簡便，成形后收縮率小，粘結(jié)力強。用于制造塑料模具、儀表和電器零件、電子元件及線圈及用于涂覆、包封和修復(fù)機件。 138.1.2 橡膠 1橡膠的組成與性能 橡膠是以生膠為主要原料，加入適量配合劑而制成的高分子材料。 橡膠具有彈性大（最高伸長率可達8001000，外力去除后能迅速恢復(fù)原狀），吸振能力強，耐磨性、隔聲性、絕緣性好，可積儲能量，有定的耐蝕性和足夠的強度等有點，其主要缺點是易老化。 142常用橡膠 158.2 陶瓷材料8.2.1 陶瓷的分類與性能1陶瓷的分類 按原料不同，陶瓷分為

13、普通陶瓷和特種陶瓷；按用途不同分為日用陶瓷和工業(yè)陶瓷。 普通陶瓷又稱傳統(tǒng)陶瓷，其原料是天然的硅酸鹽產(chǎn)物，如粘土、長石、石英等。這類陶瓷又稱硅酸鹽陶瓷，例如日用陶瓷、建筑陶瓷、絕緣陶瓷、化工陶瓷等。 特種陶瓷又稱近代陶瓷，其原料是人工合成的金屬氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等。特種陶瓷具有一些獨特的性能，可滿足工程結(jié)構(gòu)的特殊需要。 168.2.2 常用工業(yè)陶瓷 1普通陶瓷 質(zhì)地堅硬、不氧化、不導(dǎo)電、耐腐蝕、成本低，加工成形性好。強度低，使用溫度為1200。廣泛用于電氣、化工、建筑和紡織行業(yè)。例如：受力不大，在酸、堿中工作的容器、反應(yīng)塔、管道；絕緣件；要求光潔、耐磨、低速、受力小的導(dǎo)紗零件

14、。 2氧化鋁陶瓷 主要成分是A12O3。強度比普通陶瓷高26倍，硬度高(僅低于金剛石)；耐高溫（陶瓷可在1600時長期使用，空氣中使用溫度最高為1980），高溫蠕變??；耐酸、堿和化學(xué)藥品腐蝕，絕緣性好。脆性大，不能承受沖擊。用于制作高溫容器(如坩堝)，內(nèi)燃機火花塞；切削高硬度、大工件、精密件的刀具；耐磨件(如拉絲模)；化工、石油用泵的密封環(huán)；高溫軸承；紡織機用高速導(dǎo)紗零件等。 178.2.2 常用工業(yè)陶瓷3氮化硅陶瓷 這類陶瓷化學(xué)穩(wěn)定性好，除氫氟酸外，可耐無機酸(鹽酸、硝酸、硫酸、磷酸、王水)和堿液腐蝕；抗熔融非鐵金屬侵蝕，硬度高，摩擦系數(shù)小，耐磨性好；絕緣性；熱膨脹系數(shù)小，抗高溫蠕變性高于其

15、他陶瓷；最高使用溫度低于氧化鋁陶瓷。用于制作高溫軸承，熱電偶套管，泵和閥的密封件，切削高硬度材料的刀具。例如，農(nóng)用泵因泥砂多，要求密封件耐磨，原來用鑄造錫青銅作密封件與9Crl8對磨，壽命低，現(xiàn)用氮化硅陶瓷與9Crl8對磨，使用8400h，磨損仍很小。 188.2.2 常用工業(yè)陶瓷 4碳化硅陶瓷 這類陶瓷高溫強度大，抗彎強度在1400仍保持500600MPa，熱傳導(dǎo)能力強，有良好的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐蝕性和抗蠕變性。用于制作工作溫度高于1500的結(jié)構(gòu)件，如火箭尾噴管的噴嘴，澆注金屬的澆口杯，熱電偶套管、爐管，汽輪機葉片，高溫軸承，泵的密封圈。 5氮化硼陶瓷 這類陶瓷有良好的高溫絕緣性(2000

16、時仍絕緣)、耐熱性、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、潤滑性，能抗多數(shù)熔融金屬侵蝕，硬度低，可進行切削加工。用于制作熱電偶套管，坩堝，導(dǎo)體散熱絕緣件，高溫容器、管道、軸承，玻璃制品的成形模具。 198.3 復(fù)合材料復(fù)合材料由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的物質(zhì)，經(jīng)人工組合而成的多相固體材料，稱為復(fù)合材料。 8.3.1 復(fù)合材料的分類按基體不同，分為兩類：非金屬基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料。按增強相的種類和形狀不同，分為三類：顆粒復(fù)合材料、層疊復(fù)合材料和纖維增強復(fù)合材料。按性能，分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料等。 208.3.2 復(fù)合材料的性能1比強度和比模量高 例如碳纖維和環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料，其比強度是鋼的8倍

17、，比模量(彈性模量與密度之比)比鋼大3倍。2抗疲勞性能好 例如碳纖維-聚酯樹脂復(fù)合材料的疲勞強度是其抗拉強度的70-80，而大多數(shù)金屬的疲勞強度是其抗拉強度的3050。3減振性能好 纖維與基體界面有吸振能力，可減小振動。例如，尺寸形狀相同的梁，金屬梁9s停止振動，碳纖維復(fù)合材料制成的梁2.5s就可停止振動。4高溫性能好 一般鋁合金在400500時彈性模量急劇下降，強度也下降。碳或硼纖維增強的鋁復(fù)合材料，在上述溫度時，其彈性模量和強度基本不變。此外，復(fù)合材料還有較好的減摩性、耐蝕性、斷裂安全性和工藝性等。218.3.3 常用復(fù)合材料1纖維增強復(fù)合材料(1)玻璃纖維增強復(fù)合材料(俗稱玻璃鋼) 按粘

18、結(jié)劑不同，分為熱塑性玻璃鋼和熱固性玻璃鋼。熱塑性玻璃鋼 以玻璃纖維為增強劑，熱塑性樹脂為粘結(jié)劑。與熱塑性塑料相比，當(dāng)基體材料相同時，強度和疲勞強度提高2-3倍，沖擊韌度提高2-4倍，抗蠕變能力提高25倍，強度超過某些金屬。這種玻璃鋼用于制作軸承、齒輪、儀表盤、收音機殼體等。 228.3.3 常用復(fù)合材料熱固性玻璃鋼 以玻璃纖維為增強劑，熱固性樹脂為粘結(jié)劑。其密度小，耐蝕性、絕緣性、成形性好，比強度高于銅合金和鋁合金，甚至高于某些合金鋼。但剛度差，為鋼的11015。耐熱性不高(低于200)，易老化和蠕變。主要制作要求自重輕的受力件，例如汽車車身，直升機旋翼，氧氣瓶，輕型船體，耐海水腐蝕件，石油化工管道和閥門等。(2)碳纖維增強復(fù)合材料 這種復(fù)合材料與玻璃鋼相比，其抗拉強度高，彈性模量是玻璃鋼的46倍。玻璃鋼在300以上，強度會逐漸下降，而碳纖維的高溫強度好。玻璃鋼在潮濕環(huán)境中強度會損失15，碳纖維的強度不受潮濕影響。此外，碳纖維復(fù)合材料還具有優(yōu)良的減摩性、耐蝕性、導(dǎo)熱性和較高的疲勞強度。238.3.3 常用復(fù)合材料2層疊復(fù)合材料層疊復(fù)合材料是由兩層或兩層以上不同材料復(fù)合而成。用層疊法增強的復(fù)合材