非金屬材料(工程材料課件)

非金屬材料與新型材料Contents高分子材料1陶瓷材料2復(fù)合材料3新型材料4CompanyLogo9.1高分子材料一、高聚物的組成按照學(xué)習(xí)金屬材料結(jié)構(gòu)的方法來了解高聚物的結(jié)構(gòu)特征金屬：組元單體：構(gòu)成高聚物的低分子材料構(gòu)成晶體結(jié)構(gòu)的基本單元：晶胞構(gòu)成高聚物鏈狀結(jié)構(gòu)的基本單元：鏈節(jié)聚合度：N個鏈節(jié)的重復(fù)構(gòu)成大分子鏈結(jié)構(gòu)CompanyLogo二、高聚物的人工合成1、加聚反應(yīng)聚合過程不產(chǎn)生副產(chǎn)品，所形成的聚合物的鏈節(jié)結(jié)構(gòu)與單體相同。商業(yè)名稱：聚--，2、縮聚反應(yīng)聚合過程產(chǎn)生水等副產(chǎn)品，聚合物的鏈節(jié)結(jié)構(gòu)與單體不相。CompanyLogo三、高聚物的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)形態(tài)一條大分子鏈的結(jié)構(gòu)：即幾何形狀：線型、支鏈型和體型。以線型（伸直鏈）彈性最好。以體型最穩(wěn)定。大分子鏈的構(gòu)象與柔順性：大分鏈的主鏈都是通過共價鍵連接起來，它有一定的鍵長和鍵角。在保持鍵長和鍵角不變的情況下，它們可以任意旋轉(zhuǎn)（單鍵的內(nèi)旋）CompanyLogo內(nèi)旋的結(jié)果：使得原子位置不斷發(fā)生變化。大分子鏈每個單鍵都可產(chǎn)生內(nèi)旋，這就引起分子鏈的形象時刻在發(fā)生變化，稱之為大分子鏈的構(gòu)象。單鍵內(nèi)旋使得的大分子時而伸長，時而卷曲，這種構(gòu)象的變化獲得的不同卷曲程度的特性，稱為高聚物的柔順性。這是造成它與低分子材料及其他固體材料許多不同性能的根本原因。線型，鏈段長度小的，柔順性好。CompanyLogo2、聚集態(tài)高聚物聚集態(tài)：多條大分子鏈通過分子鍵結(jié)合即范德華力結(jié)合而聚集形成的實際高聚物。

結(jié)晶型與無定型四、高聚物聚的力學(xué)狀態(tài)

高聚物在不同溫度下的形變狀態(tài)曲線兩個重要溫度：玻璃化溫度Tg：玻璃態(tài)和高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度。Tg大于室溫稱為塑料，Tg小于室溫為橡膠。粘流化溫度Tf：高彈態(tài)和粘流態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度。Tf小于室溫稱為樹脂。CompanyLogo

高聚物性能特點作為工程結(jié)構(gòu)材料使用主要優(yōu)點？主要缺點？CompanyLogo（1）重量輕（2）減磨、耐磨性好，摩擦系數(shù)低，自潤滑性能好，消音、吸震能力強，（3）絕緣性能好高分子材料作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的優(yōu)點（4）耐蝕性能好

（5）光學(xué)性能，有機玻璃等透光性能好

CompanyLogo（1）高彈性、彈性模量低，剛性差。

（2）粘彈性或滯彈性（3）強度低，力學(xué)性能呈多樣性高分子材料作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的缺點（4）耐熱性差

（5）易老化

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六、常用工程塑料

結(jié)構(gòu)特點是具有苯環(huán)，剛性好，不易結(jié)晶，常加入橡膠類原料；表面硬度高，不易劃傷且是無定型共聚物，孔隙大，透明度高82－90％（有機玻璃易劃傷），可用作車燈罩、儀表殼體等；無極性集團，絕緣性好，是絕緣良好的高壓絕緣材料；吸水性小，不易變形。但是耐熱性差，易裂、易燃、不耐油。主要缺點：脆性大，經(jīng)改性使用。1聚苯乙烯PS二元該性：PS＋A（丙烯晴）＝AS塑料CompanyLogo

AS：表面硬度高，不易劃傷，著色性能好，韌性提高，絕緣性能好，主要用作家用電器殼體，如電視機殼等。其價格為ABS的1/4-1/5。三元該性：PS+A（丙烯晴）+B（丁二烯，橡膠元素，韌性進一步提高）＝ABS

ABS：綜合機械性能好，加工性能好（可電鍍、著色、噴涂等），－40－90℃使用。缺點：不耐高溫，耐候性差，易燃。主要用途：家用電器，電冰箱、洗衣機等，工程用量占5％左右，如齒輪、軸承、方向盤等。CompanyLogo手提箱提手座椅CompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo中低檔電子產(chǎn)品CompanyLogoCompanyLogo常用工程塑料

力學(xué)性能好，有較高的機械強度，沖擊韌性高，同時尼龍耐磨性較好，尤其是自潤滑性好，耐腐蝕性好。缺點是熱穩(wěn)定性差，70－80℃為工作溫度。導(dǎo)熱系數(shù)低，用作齒輪等零件時要求散熱條件好。吸水性大，尺寸變化大。目前一般使用經(jīng)改性或碳纖維增強的尼龍，廣泛代替有色金屬如銅等使用?？刹扇误w澆鑄。

2聚酰胺類PA，尼龍

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“透明塑料”，透明度86－92％，抗沖擊性能好，韌性好，其沖擊韌性和延伸率在熱塑性塑料中為最好。具有較高的耐熱、耐寒性，－100－130℃使用。電性能好，耐化學(xué)腐蝕，耐磨?？蓮V泛代替木材、玻璃使用。3聚碳酸脂PCCompanyLogoCompanyLogo

POM是1960年左右出現(xiàn)的新型工程塑料，是繼尼龍之后的一個新品種。在工程塑料中機械性能最高，較接近金屬的品種之一。特點是耐疲勞是熱塑性塑料中最高的，耐磨性，自潤滑性較好，彈性模量高，硬度高，吸水性小，尺寸穩(wěn)定化學(xué)穩(wěn)定性好，電絕緣性好?？傮w評價，綜合機械性能好，加工成型性好?？纱嬗猩饘僦圃忑X輪、凸輪、軸承等。4聚甲醛POMCompanyLogoCompanyLogo9.2陶瓷材料

傳統(tǒng)陶瓷：陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料等。新型陶瓷：采用化學(xué)方法制備高純度或純度可控制的材料做原料，獲得傳統(tǒng)陶瓷無法比擬的性能。陶瓷是金屬和非金屬元素的固體化合物。共價鍵或離子鍵結(jié)合，穩(wěn)定性高，熔點高，硬度高，抗化學(xué)物質(zhì)能力強。陶瓷通常是絕緣體。陶瓷是脆性材料。陶瓷是燒結(jié)體，一般不能完全致密，這對性能影響很大，獲得完全致密的陶瓷體是燒結(jié)工藝研究的主要問題。

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工程陶瓷：在工程結(jié)構(gòu)上使用，主要使用在高溫條件下，也稱為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。在空間技術(shù)和軍事技術(shù)中，往往是唯一可用材料。最有前途是氮化硅、碳化硅和增韌氧化物。功能陶瓷：利用陶瓷特有的物理性能，如導(dǎo)體、半導(dǎo)體、介電體及絕緣體；各種傳感器陶瓷等。CompanyLogo氮化硅保護管氮化硅料桶氮化硅磚CompanyLogo各種氮化硅噴嘴氮化硅刀具CompanyLogo氮化硅陶瓷球氮化硅全陶瓷軸承CompanyLogo碳化硅電熱元件碳化硅坩堝碳化硅馬蹄管碳化硅輻射管CompanyLogo碳化硅拋物面鏡各種碳化硅制品碳化硅棚板CompanyLogo氧化鋯全陶瓷軸承氧化鋯陶瓷坩堝氧化鋯小軸氧化鋯珠納米氧化鋯陶瓷軸承CompanyLogo

新型功能陶瓷材料：導(dǎo)電陶瓷，壓電陶瓷，快離子陶瓷，磁性陶瓷材料，光學(xué)陶瓷材料，陶瓷系傳感器材料等。氧化鋁溫控陶瓷和壓電陶瓷蜂窩陶瓷氧化鋁陶瓷管CompanyLogo多孔磷酸鈣陶瓷各種工程陶瓷零件CompanyLogo

9.4復(fù)合材料

復(fù)合材料是指由幾種材料組合而成的一種材料，它兼有各種組成材料的特點或優(yōu)點。新型復(fù)合材料：纖維增強的金屬基復(fù)合材料：纖維增強的樹脂材料已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是樹脂基材料也存在一些重大的不足，如不能在高溫下工作，耐磨性不好，易老化，尺寸不穩(wěn)定等。最近對金屬基復(fù)合材料的研究取得重大進展的主要有：硼—鋁，碳—鋁，定向凝固高溫合金等。非金屬基復(fù)合材料：一般制指以聚合物為基的復(fù)合材料。CompanyLogo碳纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料纏繞的球罐球頭鈦合金和球桿碳纖維復(fù)合材料CompanyLogo紡織復(fù)合纖維布碳纖維復(fù)合材料型材CompanyLogo頭盔普遍采用碳纖維復(fù)合材料CompanyLogo發(fā)動機罩，車門，前翼子板，后蓋板，前后圍和擾流板等許多的車身部件有高強度的碳纖維復(fù)合材料CRP組成。

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法國新型第四代“陣風(fēng)”（Rafale）雙發(fā)多任務(wù)戰(zhàn)斗機，采用前置鴨翼、后掠三角翼和單垂尾氣動布局，大量采用復(fù)合材料。能夠執(zhí)行廣泛范圍短程和遠(yuǎn)程作戰(zhàn)任務(wù)，包括對地、海上攻擊、空中防御、空中優(yōu)勢、偵察、高精度打擊，還具有核打擊能力。新型“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機完全由法國自行設(shè)計和制造，大量采用獨有的先進技術(shù)來保證具有優(yōu)異的綜合性能。在眾多的相同技術(shù)水準(zhǔn)新型戰(zhàn)機中，目前只有法國“陣風(fēng)”擁有海軍型，部署在航空母艦上。

CompanyLogo“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機機身結(jié)構(gòu)大量采用復(fù)合材料。常規(guī)半硬殼式結(jié)構(gòu)機身的50％采用碳纖維復(fù)合材料。后機身為碳纖維復(fù)合材料，機頭整流罩和噴管整流罩為聚芳酰胺纖維復(fù)合材料。起落架及發(fā)動機艙門為碳纖維復(fù)合材料。

CompanyLogo9.4

新型材料某些具有熱彈性馬氏體相變的合金材料，處于馬氏體狀態(tài)時進行一定限度的變形或變形誘發(fā)馬氏體后，在隨后的加熱過程中，當(dāng)超過馬氏體相消失溫度時，材料就能夠完全恢復(fù)變形前的形狀和體積，這種現(xiàn)象稱為記憶效應(yīng)（SME）。記憶形狀記憶效應(yīng)的合金材料稱為形狀記憶合金（SMA）。

1962年美國海軍軍械實驗室發(fā)現(xiàn)Ti－Ni合金的形狀記憶效應(yīng)。是馬氏體相變應(yīng)用的一個重要方面。9.4.1

形狀記憶合金CompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoShapeMemoryAlloyThermalDiode

智能彈簧CompanyLogoSMARTMATERIALS-SHAPEMEMORYALLOY(SMA)MUSCLEWIREThediagramshowsabatteryandswitchconnectedtomusclewire.Asmallweightstretchesthemusclewireapproximately3to5percentofitslength.However,whenacurrentisappliedtothewire,itshortensliftingtheweight.Thiscycleofturningonandoffthecurrenthastheeffectofliftingandthenloweringtheweight.CompanyLogoAcleveruseofmusclewireandaPICmicro-controllercircuitisseenbelow.Arobotichandhas‘stretchedmusclewires’attachedtothebaseofeachfinger.Whencurrentisappliedtothemusclewireitcontractstoits‘natural’length,pullingontheordinarywire,makingthefingerslookasiftheyaremoving.

APICmicro-controllercanbeprogrammedsothatoutputsareswitchedONorOFF.WhenswitchedONthemusclewirecontracts(shrinks)toitsoriginallength.Intheexample,fiveoftheoutputshavebeenprogrammedtoswitchonandoff,makingthefingersofthehandmove.CompanyLogoAboveshowsamodelrailwaysignal.Whencurrentispassedthroughthe‘stretched’musclewireitreturnstoitsoriginallength,liftingthesignalCompanyLogo日本東北大學(xué)醫(yī)學(xué)工程學(xué)研究機構(gòu)的比嘉昌長期以來從事利用形狀記憶合金（ＳＭＡ）替代括約肌功能開發(fā)人工肛門的研究，這種ＳＭＡ人工肛門括約肌可對體溫以及高溫產(chǎn)生形狀變化并進行記憶，通過電氣供給可使ＳＭＡ開放，這樣一來就可以進行排便了（如圖）。比嘉昌等的研究對ＳＭＡ兩端的界限壓力值進行了設(shè)定，發(fā)現(xiàn)當(dāng)閉鎖壓達到５０ｍｍＨｇ～６０ｍｍＨｇ時，可以控制排便，而且不影響肛門排氣。如果超過上述壓力值，則有可能引起腸管缺血或壞死。今后，他們將在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上完善ＳＭＡ人工肛門括約肌，并尋找最為適宜的閉鎖壓，以更好地控制排便。

醫(yī)學(xué)用途CompanyLogo醫(yī)用導(dǎo)管技術(shù)CompanyLogoCompanyLogo鈮鈦記憶合金管CompanyLogo9.4.2超導(dǎo)材料

1908年H.K.Onnes

（荷蘭科學(xué)家翁納斯）成功的制取了液體氮，獲得了4.2K的低溫。1911年他發(fā)現(xiàn)水銀的電阻在4.2K（269度）附近突然降到零，與正常金屬電阻隨溫度的變化規(guī)律截然不同，這種零電阻現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電現(xiàn)象。

Onnes的水銀電阻降為零實驗曲線零電阻效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的兩個基本性質(zhì)之一。

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超導(dǎo)態(tài)的另一個基本性質(zhì)是抗磁性，又稱邁斯納(Meissner)效應(yīng)。即在磁場中一個超導(dǎo)體只要處于超導(dǎo)態(tài)，則它內(nèi)部產(chǎn)生的磁化強度與外磁場完全抵消，從而內(nèi)部的磁感應(yīng)強度為零。也就是說，磁力線完全被排斥在超導(dǎo)體外面。超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強度為零CompanyLogo利用超導(dǎo)體的抗磁性可以實現(xiàn)磁懸浮。把一塊磁鐵放在超導(dǎo)盤上，由于超導(dǎo)