工程材料第章、非金屬材料

第五章

非金屬材料yu復(fù)合材料1.教學(xué)要求

了解塑料、陶瓷、復(fù)合材料的組織性能特點(diǎn)及其應(yīng)用。2.教學(xué)時(shí)數(shù)

2學(xué)時(shí)

塑料橡膠

高分子材料粘結(jié)劑

合成纖維

非金屬材料

陶瓷材料

金屬-金屬?gòu)?fù)合材料

復(fù)合材料

非金屬-非金屬?gòu)?fù)合材料

金屬-非金屬?gòu)?fù)合材料5.1.高分子材料

5.1.1.高聚物的結(jié)構(gòu)

1.基本概念(1)單體

組成高分子化合物的低分子化合物，是合成高分子的材料。如：低分子乙烯CH2=CH2單體組成聚乙烯(2)鏈節(jié)構(gòu)成高分子鏈的基本結(jié)構(gòu)單元.

(3)聚合度即，高分子所含鏈節(jié)的數(shù)目n.由此，大分子鏈的分子量M=鏈節(jié)的分子量m與聚合度n的乘積。即M=m×n

2、大分子鏈的幾何形態(tài)

(1)線型結(jié)構(gòu)

分子鏈呈細(xì)長(zhǎng)條狀，通常卷曲成不規(guī)則的線團(tuán)，受拉時(shí)可伸展成直線。

特點(diǎn)：分子鏈間沒有化學(xué)鍵，易移動(dòng)，可溶可熔。

高聚物的結(jié)構(gòu)示意圖

（2）支鏈型結(jié)構(gòu)

在高分子主鏈上帶有一些小支鏈，整個(gè)分子鏈呈樹枝狀。（3）體型結(jié)構(gòu)

大分子鏈之間通過支鏈或化學(xué)鍵連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不溶不熔，塑性低，脆性大。高聚物的結(jié)構(gòu)示意圖

(1)單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)

分子鏈的主鏈在保持鍵長(zhǎng)和鍵角不變的情況下可以任意旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。(2)大分子鏈的柔順性

由于內(nèi)旋轉(zhuǎn)，大分子鏈形態(tài)頻繁變化引起大分子不同程度卷曲，伸展的特性。

大分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)示意圖3.大分子鏈的構(gòu)象及柔順性4.高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

大分子鏈之間的幾何排列方式和堆砌狀態(tài)。

性能

結(jié)晶使分子間作用力增大，因而使高聚物的密度、熔點(diǎn)、耐熱性、強(qiáng)度、硬度等性能升高，而依賴分子鏈運(yùn)動(dòng)的有關(guān)性能，如彈性，塑韌性下降。高聚物晶區(qū)和非晶區(qū)示意圖

根據(jù)排列有序度劃分:

晶態(tài)結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

無定形結(jié)構(gòu)5.1.2高分子材料的性能1、強(qiáng)度低、比強(qiáng)度高

2、粘彈性高聚物在外力作用下，同時(shí)發(fā)生高彈性變形和粘性流動(dòng)，其變形與時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象稱為粘彈性。(1)蠕變(2)應(yīng)力松弛(3)內(nèi)耗

變形速度跟不上應(yīng)力變化速度，出現(xiàn)應(yīng)變滯后機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的現(xiàn)象稱為內(nèi)耗

3、耐磨減摩4、物理性能

絕緣、隔熱、導(dǎo)熱系數(shù)僅為金屬的吸音、隔音、消震。低耐熱性，高熱膨脹性。

5、化學(xué)性能

耐腐蝕。

5.1.3.工程塑料1、塑料的組成

樹脂：>40-90%主體、命名的依據(jù)

填料：改善性能，降低成本，占5—50%，

如石棉—耐熱，石墨—耐摩

增塑劑:增加樹脂塑性和柔韌性。例、聚氯乙烯增塑劑不同可制成硬管，軟人革，泡沫塑料。

其它：固化劑、穩(wěn)定性、著色劑、阻燃劑、防老化劑等。2、塑料的的分類：(1)按熱性質(zhì)可分為A熱塑性性塑料：常溫下是固固體、受熱熔融、、可反復(fù)重重塑如聚乙烯、、聚丙烯、、尼龍………B熱固性塑料料：固化劑成型型，不熔不溶如環(huán)氧塑料料，酚醛塑塑料等。(2)按功能可分為通用塑料和和工程塑料料熱塑性塑料料與熱固性性塑料類別典型塑料及代號(hào)特征熱塑性塑料聚氯乙烯（PVC）聚乙烯（PE）聚丙烯（PP）聚酰胺（PA）縮醛塑料（POM）聚碳酸脂（PC）線型高分子樹脂，能溶于有機(jī)溶劑，加熱可軟化，易于加工成形，并能反復(fù)塑化成形。這類塑料一般機(jī)械強(qiáng)度較高，成形性能良好熱固性塑料酚醛塑料（PF）氨基塑料（UF）有機(jī)硅塑料（SI）環(huán)氧樹脂（EP）網(wǎng)型高分子樹脂，固化后重新加熱不再軟化和熔融、亦不溶于有機(jī)溶劑，不能反復(fù)成形與再生使用。這類塑料一般具有較高的耐熱性與剛性，但脆性大4.塑料料的應(yīng)用---通用塑料PVC花園園管PVC軟門門簾PE波紋管管PVC拉邊邊袋PE食品包包裝PE藥品包包裝增強(qiáng)聚丙烯烯離心泵聚丙烯油墨墨通用塑料與與應(yīng)用聚苯乙烯板板尼龍12擠擠管聚丙烯編織織袋工程塑料應(yīng)應(yīng)用示例制筆業(yè)用塑塑料配件杜邦工程塑塑料制品聚酰胺應(yīng)用用示例聚酰胺PA應(yīng)用示例例ABS應(yīng)用用示例ABS插座座、電器外外殼聚碳酸酯PC應(yīng)用示示例汽車儀表板板，擋泥板板，電動(dòng)工工具，手機(jī)機(jī)外殼，電電腦外殼，，大型薄壁壁制件5.3工工業(yè)橡膠及及其應(yīng)用5.3.1橡膠分類、、組成、性性能橡膠分類按來源分按用途分橡膠組成橡膠性能天然橡膠（（聚異戊二二烯）合成橡膠（（合成高分分子物質(zhì)））通用（制作作輪胎、輸輸送帶、膠膠管、膠板板等）特種（用于于高溫、低低溫、酸、、堿、油和和輻射介質(zhì)質(zhì)條件下生膠配合劑（硫硫化劑、增增塑劑、填填充劑、防防老化劑等等）高的回彈性性可撓性、良良好的耐磨磨性、電絕絕緣性、耐耐腐蝕性隔音、吸震震以及與其其它物質(zhì)的的粘結(jié)性常用橡膠的的代號(hào)汽車上的橡橡膠制品汽車底盤用用橡膠件真空助力密密封件轉(zhuǎn)向系統(tǒng)橡橡膠件橡膠占汽車車用材料總總重量的5%，每輛輛汽車需橡橡膠件400-500個(gè)。汽汽車上大量量使用的氟氟橡膠、硅硅橡膠、丙丙烯酸酯橡橡膠等高檔檔橡膠和耐耐熱...輪胎車門窗密封封條雨刮器連接軟管密封件防振件傳動(dòng)件襯墊類液壓制動(dòng)缸缸中的皮碗碗風(fēng)扇皮帶常用橡膠（（天然橡膠膠NR）1、天然橡橡膠（NR）以橡膠烴（（聚異戊二二烯）為主主。彈性性大，定伸伸強(qiáng)度高，，抗撕裂性性和電絕緣緣性優(yōu)良，，耐磨性和和耐旱性良良好，加工工性佳，易易與其它材材料粘合，，綜合性能能優(yōu)于多數(shù)數(shù)合成橡膠膠。缺點(diǎn)是耐氧氧和耐臭氧氧性差，容容易老化變變質(zhì)；耐油油和耐溶劑劑性不好，，抗酸堿的的腐蝕能力力低，耐熱熱性不高。。使用溫度度范圍：：約－60℃~＋80℃。特特別適用用于制造造扭振消消除器、、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)減震器器、機(jī)器器支座、、橡膠－－金屬懸懸掛元件件、膜片片、模壓壓制品。。橡膠彈簧簧丁苯橡膠膠（SBR）2、丁苯苯橡膠（（SBR）丁二烯和和苯乙烯烯的共聚聚體。性性能接接近天然然橡膠，，是目前前產(chǎn)量最最大的通通用合成成橡膠，，優(yōu)點(diǎn)：耐耐磨性、、耐老化化和耐熱熱性超過過天然橡橡膠，質(zhì)質(zhì)地也較較天然橡橡膠均勻勻。缺點(diǎn)：彈彈性較低低，抗屈屈撓、抗抗撕裂性性能較差差；加工工性能差差，特別別是自粘粘性差、、生膠強(qiáng)強(qiáng)度低。。使用溫度度范圍：：約－50℃~＋100℃。。主要要用以代代替天然然橡膠制制作輪胎胎、膠板板、膠管管、膠鞋鞋及其他他通用制制品。3、順丁丁橡膠（（BR））由丁二烯烯聚合而而成的順順式結(jié)構(gòu)構(gòu)橡膠優(yōu)點(diǎn)：彈彈性與耐耐磨性優(yōu)優(yōu)良，耐耐老化性性好，耐耐低溫性性優(yōu)異，，在動(dòng)態(tài)態(tài)負(fù)荷下下發(fā)熱量量小，易易于金屬屬粘合。。缺點(diǎn)：強(qiáng)強(qiáng)度較低低，抗撕撕裂性差差，加工工性能與與自粘性性差。使用溫度度范圍：：約－60℃~＋100℃。。一般般多和天天然橡膠膠或丁苯苯橡膠并并用，主主要制作作輪胎胎胎面、運(yùn)運(yùn)輸帶和和特殊耐耐寒制品品。由異戊二二烯單體體聚合而而成的順順式結(jié)構(gòu)構(gòu)橡膠。?；瘜W(xué)學(xué)組成、、立體結(jié)結(jié)構(gòu)、性性能與天天然橡膠膠相似，，故有合合成天然然橡膠之之稱。具有天然然橡膠的的大部分分優(yōu)點(diǎn)，，耐老化化優(yōu)于天天然橡膠膠，彈性性和強(qiáng)力力比天然然橡膠稍稍低，加加工性能能差，成成本較高高。使用溫度度范圍：：約－50℃~＋100℃可可代替替天然橡橡膠制作作輪胎、、膠鞋、、膠管、、膠帶以以及其他他通用制制品。汽車橡膠膠制件4、異戊戊橡膠（（IR）5、丁晴橡膠膠（NBR）丁二烯和和丙烯晴晴的共聚聚體。優(yōu)點(diǎn)：耐耐汽油和和脂肪烴烴油類的的性能特特別好，，僅次于于聚硫橡橡膠、丙丙烯酸酯酯和氟橡橡膠，而而優(yōu)于其其他通用用橡膠。。耐熱性性好，氣氣密性、、耐磨及及耐水性性等均較較好，粘粘結(jié)力強(qiáng)強(qiáng)。缺點(diǎn)：耐耐寒及耐耐臭氧性性較差，，強(qiáng)力及及彈性較較低，耐耐酸性差差，電絕絕緣性不不好，耐耐極性溶溶劑性能能也較差差。使用溫度度范圍：：約－30℃~＋100℃。。主要要用于制制造各種種耐油制制品，如如膠管、、密封制制品等。。橡膠墊圈圈6、硅橡膠（（Q）主鏈含有有硅、氧氧原子的的特種橡橡膠，硅硅元素起起主要作作用。優(yōu)點(diǎn)：耐耐高低溫溫（最低低－100℃）），目前前最好的的抗寒耐耐高溫橡橡膠；電電絕緣性性優(yōu)良，，對(duì)熱氧氧化和臭臭氧的穩(wěn)穩(wěn)定性很很高，化化學(xué)惰性性大。缺點(diǎn)：機(jī)機(jī)械強(qiáng)度度較低，，耐油、、耐溶劑劑和耐酸酸堿性差差，較難難硫化，，價(jià)格較較貴。使用溫度度：－60℃~＋200℃。。用于于制作耐耐高低溫溫制品、、耐高溫溫電線電電纜絕緣緣層，由由于其無無毒無味味，還用用于食品品及醫(yī)療療工業(yè)。。各種硅橡橡膠制品品7、氟橡膠（（FPM）由含氟單單體共聚聚而成。。優(yōu)點(diǎn)：耐高溫達(dá)達(dá)300℃，耐耐酸堿，，耐油性性最好，，抗輻射射；電絕絕緣性、、機(jī)械性性能、耐耐化學(xué)腐腐蝕性、、耐臭氧氧、耐大大氣老化化性均優(yōu)優(yōu)良。缺點(diǎn)：加工性差差，耐寒寒性差，，彈性透透氣性較較低，價(jià)價(jià)格昂貴貴。應(yīng)用：使用溫度度范圍：：－20℃~＋＋200℃。主主要用用于制造造飛機(jī)、、火箭上上的耐真真空、耐耐高溫、、耐化學(xué)學(xué)腐蝕的的密封材材料、膠膠管或其其他零件件及汽車車工業(yè)。。氟橡膠圈圈5.2.1.陶陶瓷的組組織結(jié)構(gòu)構(gòu)陶瓷是由由金屬和和非金屬屬的無機(jī)機(jī)化合物物所構(gòu)成成的多晶晶多相固固體材料料，是無機(jī)非非金屬材材料的總總稱。其其顯微組織織可歸納納為三種種相，陶瓷顯微微組織示示圖1.晶相相陶瓷的主主要組成成相。由某些固固溶體或或化合物物組成。增大晶晶相比例例和細(xì)化化晶粒可可提高陶陶瓷強(qiáng)韌韌性。晶相結(jié)構(gòu)構(gòu)以硅酸鹽結(jié)結(jié)構(gòu)和氧化物結(jié)結(jié)構(gòu)為主，還還有部分分C、N、、B的化化合物.硅酸鹽結(jié)構(gòu)構(gòu)示意圖（（部分）2.玻璃相相陶瓷在燒結(jié)結(jié)過程不能能成晶體的的非晶態(tài)物物質(zhì)。性能熔點(diǎn)低，熱熱穩(wěn)定性差差，力學(xué)性性能低于晶晶相,應(yīng)控控制在20％——40％范圍圍內(nèi)。3.氣相分布于陶瓷瓷玻璃相中中的氣孔，，約占5～10％。性能各種性能降降低，但能能提高通氣氣性，減輕輕重量.通過調(diào)整三三相比例，，可以控制制陶瓷的質(zhì)質(zhì)量和性能能。5.2.2陶瓷的的性能1、力學(xué)性性能結(jié)合力強(qiáng)，，彈性模數(shù)數(shù)E大，硬硬度高，強(qiáng)強(qiáng)度低，脆脆性大●提高強(qiáng)度途途徑：（1）細(xì)，，密，勻，，純；(2）表面面強(qiáng)化，如如電鍍，噴噴涂（3）復(fù)合合強(qiáng)化2、理化性性能熔點(diǎn)高，高高溫強(qiáng)度高高，如SiC可耐1300℃℃，耐蝕、、絕緣5.3.2工程結(jié)結(jié)構(gòu)陶瓷1.傳統(tǒng)陶陶瓷成分：石英（SiO2）：耐熔熔的骨架成成分粘土：提供可可塑性，保保證成型長(zhǎng)石：助溶劑劑2.特種陶陶瓷（1）氧化鋁鋁陶瓷以Al2O3為主晶相，，Al2O3含量越高，，性能越高高強(qiáng)度較高（=250Mpa））、硬度高，耐耐熱、耐蝕蝕應(yīng)用：發(fā)動(dòng)機(jī)的耐耐熱零件，，如火花塞、、工模具等等耐磨件………（2）氮化硅硅陶瓷以Si3N4為主晶相，“像鋼一樣樣強(qiáng)、金剛剛石一樣硬硬、鋁一樣樣輕”●熱壓壓燒結(jié)Si3N4：Si3N4粉為原料+添加劑高溫、高壓壓下燒結(jié)成成型加工較困難難，用于制制造形狀簡(jiǎn)簡(jiǎn)單的耐磨耐熱零零件和刀具具●反應(yīng)燒結(jié)Si3N4：Si粉或Si+Si3N4粉壓制成型后滲氮氮處理，直到全部部形成氮化化硅。易加工，性性能優(yōu)異，，用于制造造形狀復(fù)雜雜且尺寸精度度高的耐熱熱、耐蝕、、耐磨制品品。●Sialon陶瓷——Si3N4+少量Al2O3，據(jù)稱是強(qiáng)度度最高的陶陶瓷。（3）碳化化硅陶瓷以SiC為為主晶相。也可分為為熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)兩類。特點(diǎn)：高溫強(qiáng)度度高，可耐1600-1700℃。。應(yīng)用：高溫結(jié)構(gòu)構(gòu)制品（4）氮化硼硼陶瓷以BN為為主晶相相，六方結(jié)結(jié)構(gòu)（石石墨結(jié)構(gòu)構(gòu)）俗白白石墨，，耐熱性性、導(dǎo)熱熱性、絕絕緣性、、耐蝕性性高，硬硬度稍低低，可切切削加工工。應(yīng)用：高溫絕絕緣制品品，散熱熱材料。。（5）金金屬陶瓷瓷見5.1粉末末冶金材材料。5.3復(fù)復(fù)合材材料復(fù)合材料料是指由由兩種或或兩種以以上不同同性質(zhì)的的材料，，通過不不同的工工藝方法法人工合合成的多多相材料料。一、復(fù)合合材料的的分類二、復(fù)合合材料的的組成三、增強(qiáng)強(qiáng)復(fù)合原原則四、復(fù)合合材料的的應(yīng)用鋼絲網(wǎng)骨骨架塑料料（聚乙乙烯）復(fù)復(fù)合管復(fù)合材料料分類、、特性復(fù)合材料料由兩種或或兩種以以上性質(zhì)質(zhì)不同的的物質(zhì)組組成的多多相材料料復(fù)合材料料分類復(fù)合材料料特性纖維增強(qiáng)強(qiáng)復(fù)合材材料粒子增強(qiáng)強(qiáng)復(fù)合材材料層疊復(fù)合合材料樹脂基復(fù)復(fù)合材料料陶瓷基復(fù)復(fù)合材料料金屬基復(fù)復(fù)合材料料1、比強(qiáng)強(qiáng)度和比比模量高高2、破損損安全性性好3、疲勞勞強(qiáng)度較較高4、高溫溫性能良良好5、減振振性良好好5.3.2.復(fù)復(fù)合材料料的組成成1、增強(qiáng)材料料（強(qiáng)度較較高的材材料）（1）纖纖維增強(qiáng)強(qiáng)材料玻璃纖維維：SiO2為主要原原料熔融融拉絲制制成的纖纖維。碳纖維維：密度1.7—2g/cm3比鋼小四四倍，比強(qiáng)度比比鋼大