金屬材料1-第十三章　非金屬材料

第十三章

非金屬材料第十四章第十五章納米材料簡介機(jī)械零件的毛坯選擇與質(zhì)量檢驗(yàn)(1)高分子材料

一般是指由低分子材料通過聚合而成，并且其相對分子量達(dá)到一定值的有機(jī)化合物，如合成纖維、工程塑料(聚氯乙烯、聚苯乙烯等)、合成橡膠、膠粘劑、涂料等。(2)工業(yè)陶瓷第十主要三是章指通過非陶瓷金生屬產(chǎn)工材藝料制成的無機(jī)多晶產(chǎn)品。(3)復(fù)合材料由兩種以上材料相互復(fù)合而得到的一種多相固體材料，主要包括金屬基和非金屬基兩類復(fù)合材料。第一節(jié)高分子材料第二節(jié)陶瓷材料第三節(jié)復(fù)合材料(1)高分子材料

一般是指由低分子材料通過聚合而成，并且其相對分子量達(dá)到一定值的有機(jī)化合物，如合成纖維、工程塑料(聚氯乙烯、聚苯乙烯等)、合成橡膠、膠粘劑、涂料等。(2)工業(yè)陶瓷

主要是指通過陶瓷生產(chǎn)工藝制成的無機(jī)多晶產(chǎn)品。(3)復(fù)合材料

由兩種以上材料相互復(fù)合而得到的一種多相固體材料，主要包括金屬基和非金屬基兩類復(fù)合材料。第一節(jié)

高分子材料一、概述高分子化合物高分子化合物的聚合類型加聚反應(yīng)

加聚反應(yīng)是指一種或幾種單體在一定條件下，如光照、加熱或化學(xué)處理等引發(fā)作用，借助于雙鍵的打開自身加成，并在分子間形成新的共價(jià)鍵，最后得到大分子的過程?？s聚反應(yīng)

縮聚反應(yīng)是由一種或幾種單體相互作用形成的高分子化合物，同時(shí)產(chǎn)生低分子副產(chǎn)物(如H2O，NH3，HX)的聚合反應(yīng)。3.高分子材料分子鏈的幾何形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(1)線型結(jié)構(gòu)

由高分子的基本結(jié)構(gòu)單元(鏈節(jié))相互連成一條細(xì)長的鏈狀結(jié)構(gòu)，如圖13-1a所示。第一節(jié)

高分子材料圖13-1

高分子材料分子鏈的幾何形狀示意圖a)線型

b)支鏈型

c)網(wǎng)體型支鏈型(或稱帶支鏈的線型)結(jié)構(gòu)

由一條很長的主鏈和許多較短的支鏈相互連接成若干個(gè)分支鏈，如圖13-1b所示。網(wǎng)體型結(jié)構(gòu)

線型主鏈之間的支鏈彼此交聯(lián)便形成三維體(網(wǎng))型結(jié)構(gòu)。4.高分子化合物的分類和命名第一節(jié)

高分子材料(1)分類

高分子化合物的種類很多，分類方法也較多，有天然高分子化合物和人工合成高分子化合物之分；有機(jī)化合物和無機(jī)化合物之分，常見的分類方法見表13-1。表13-1

高分子化合物常見的分類方法(2)命名聚合物的命名方法尚未統(tǒng)一，第一節(jié)

高分子材料目前多采用習(xí)慣法命名其化學(xué)名稱，同時(shí)有些聚合物還有商業(yè)名稱和簡稱，因此，同一種高分子化合物往往有幾種不同的名稱。

1)習(xí)慣命名法。商業(yè)名稱和簡稱。英文名縮寫符號。5.高分子材料的性能第一節(jié)

高分子材料圖13-2

線型非晶態(tài)高聚物的變形-溫度曲線(1)高分子材料的力學(xué)狀態(tài)

線型非晶態(tài)高聚物在不同的溫度下表現(xiàn)出不同的力學(xué)狀態(tài)，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，第一節(jié)

高分子材料其變形-溫度曲線如圖13-2所示，圖中Tx為脆化溫度，Tg為玻璃化溫度，Tf為粘流溫度，Td為分解溫度。玻璃態(tài)。高彈態(tài)。粘流態(tài)。(2)高分子材料的力學(xué)性能

1)彈性高、彈性模量低。強(qiáng)度和硬度低。具有粘彈性。沖擊韌性。摩擦性能。第一節(jié)

高分子材料(3)高分子材料的熱性能通常用最高使用溫度衡量高分子材料的耐熱性，用導(dǎo)熱系數(shù)衡量其導(dǎo)熱性，用線膨脹系數(shù)衡量其尺寸穩(wěn)定性。低耐熱性。低導(dǎo)熱性。高的線膨脹系數(shù)。

(4)高分子材料的電性能

1)高絕緣性。2)靜電現(xiàn)象。(5)化學(xué)性能

一般塑料、橡膠都具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸、堿和大氣腐蝕。6.高分子材料的老化與防止老化的措施第一節(jié)

高分子材料改變聚合物的結(jié)構(gòu)改變聚合物的結(jié)構(gòu)以提高其耐熱穩(wěn)定性，如聚氯乙烯在含氯氣氣氛中經(jīng)紫外線照射成為氯化聚氯乙烯，可使抗老化能力提高。加入防老化劑(穩(wěn)定劑)

例如橡膠中加碳黑吸收可見光；添加水揚(yáng)酸酯和二苯甲酮類有機(jī)化合物等紫外線吸收劑可提高聚合物抗紫外線輻射引起的老化；加入鋅白粉(ZnO)和鈦白粉(TiO2)可反射可見光；在聚合物表面形成石蠟薄膜可防止臭氧(O3)與聚合物接觸，防止降解。表面處理

在聚合物表面鍍或噴涂金屬以及其它耐老化涂料作為防護(hù)層，可使聚合物材料與空氣、水、光和腐蝕介質(zhì)等隔絕，防止老化。二、常用高分子合成材料第一節(jié)

高分子材料塑料的組成有簡單組分和復(fù)雜組分之分。工程塑料塑料的組成1)合成樹脂。填充劑。增塑劑。潤滑劑。著色劑。固化劑。穩(wěn)定劑。其它添加劑。(2)塑料的分類第一節(jié)

高分子材料按樹脂受熱時(shí)的行為分為熱塑性與熱固性塑料兩大類，見表13-2。按使用范圍可分為通用塑料和工程塑料兩大類。表13-2

工程塑料的分類、品種及特點(diǎn)(3)工程塑料的主要特性

1)相對密度小。比強(qiáng)度高。良好的耐腐蝕性能。優(yōu)異的電氣絕緣性能。第一節(jié)

高分子材料減摩、耐磨和自潤滑性能。消聲吸振性。獨(dú)特的成型工藝性。(4)常用熱塑性塑料的特點(diǎn)和用途(見表13-3)第一節(jié)

高分子材料表13-3

常用熱塑性塑料的特點(diǎn)和用途第一節(jié)

高分子材料表13-3

常用熱塑性塑料的特點(diǎn)和用途第一節(jié)

高分子材料(5)塑料的成型和加工塑料的成型工藝較簡單，成型方法多種多樣，可以在液態(tài)或熔融狀態(tài)下噴絲制成纖維，或澆鑄成零件和其它制品，也可以在較低溫度下(塑性或軟化狀態(tài))采用注射、模壓、擠壓、吹塑、真空成型和夾層結(jié)構(gòu)等方法制成各種零件和制品；也可采用噴涂、浸漬、粘結(jié)、電鍍和等離子噴涂等方法，將塑料覆蓋在金屬或非金屬基體上，或在塑料表面鍍金屬，從而獲得兼有塑料和金屬兩者特性(優(yōu)點(diǎn))的零件或制品；還可以像金屬材料一樣，將塑料制品(半成品)進(jìn)行二次機(jī)械加工，如車削、銑削、刨削、磨削、鉆削等。壓制成型。擠壓成型。第一節(jié)

高分子材料圖13-3

塑料壓制成型示意圖a)模壓機(jī)示意圖

b)層壓制品示意圖

1—上模板

2—上模

3—導(dǎo)柱

4—支柱5—下模

6—下模板

7—柱塞

8—模腔

9—物料10—不銹鋼襯板

11—帆布石棉襯板

12—高聚物層

13—壓制品第一節(jié)

高分子材料圖13-4

塑料擠壓成型示意圖1、3—上、下模

2—導(dǎo)柱4—定位銷

5—制品

6—型芯

7—擠入道第一節(jié)

高分子材料圖13-51—注射機(jī)注射成型示意圖2—模具

3—制品3)注射成型。第一節(jié)

高分子材料澆鑄成型。塑料的加工。①塑料強(qiáng)度較低，切削力應(yīng)比金屬材料小，有時(shí)僅為切削鋼的1／10～1／20。因此，切削塑料時(shí)應(yīng)取較大切削用量，加大刀具的前角和后角，保持切削刃鋒利。前角越大，出屑越方便，對工件的作用力及振動(dòng)也小，有利于提高表面質(zhì)量。增大后角能減少切削熱，提高刀具壽命。另外，塑料的彈性模量和硬度較金屬低，要根據(jù)不同的塑料選用適當(dāng)?shù)膴A緊力。第一節(jié)

高分子材料②塑料導(dǎo)熱性差，切削熱量主要傳給刀具，容易引起局部過熱，如溫度過高可引起塑料熔化、分解甚至燃燒，刀具也易變鈍或損壞。所以宜采用較小進(jìn)給量并及時(shí)排屑。當(dāng)然，刀具材料對切削效率有很大影響，例如用金剛石刀具切削塑料的生產(chǎn)率比用硬質(zhì)合金刀具的生產(chǎn)率可提高10～50倍。這是因?yàn)榻饎偸捕雀撸鋵?dǎo)熱系數(shù)也極高，而硬質(zhì)合金刀具雖硬度較高，但導(dǎo)熱系數(shù)低，故切削塑料的生產(chǎn)率較低。③在切削熱塑性和某些熱固性塑料時(shí)，常形成帶狀切屑，對加工精度及刀具的正常切削不利，此時(shí)可以向切削區(qū)輸送高壓空氣流，以便及時(shí)排屑并冷卻刀具，提高刀具的使用壽命。④塑料的線膨脹系數(shù)大，在高速切削時(shí)須考慮加工后零件的收縮量。第一節(jié)

高分子材料⑤塑料切削一般是采用壓縮空氣冷卻，這是因?yàn)槭褂们邢饕喝菀状蚧?，使切削難以進(jìn)行；同時(shí)塑料與切削液可能會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，影響零件性能或腐蝕機(jī)床部件。2.橡膠橡膠的品種很多，按照其來源可分為天然的和合(1)橡膠的分類成的兩大類。

1)天然橡膠。2)合成橡膠。

(2)橡膠的組成用于制造橡膠制品的原料稱為膠料，通常膠料是多組分的，主要包括生膠和配合劑。

1)生膠。2)配合劑。第一節(jié)

高分子材料①硫化劑。所謂硫化，就是在生膠中加入硫化調(diào)料(常用硫磺)和其它配料。硫化劑的作用就是使橡膠的線型分子相互交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使膠料變?yōu)榫哂袕椥缘牧蚧z。②硫化促進(jìn)劑。常用的硫化促進(jìn)劑有MgO、ZnO和CaO等，主要作用是促進(jìn)硫化、縮短硫化時(shí)間并降低硫化溫度。③增塑劑。常用的增塑劑有硬脂酸、精制蠟、凡士林等，主要作用是增加橡膠的塑性，使之易于加工并與各種配合料混合，能降低橡膠的硬度，提高耐寒性。④填充劑。主要作用是提高橡膠的強(qiáng)度和降低成本，常用的有炭黑，MgO、ZnO、CaCO3、滑石粉等。第一節(jié)

高分子材料⑤防老化劑。為了防止或延緩橡膠老化，延長橡膠制品的使用壽命，在生產(chǎn)中可以加入石蠟、密蠟或其它比橡膠更易氧化的物質(zhì)，在橡膠表面形成較穩(wěn)定的氧化膜，抵抗氧的侵蝕。3)增強(qiáng)材料。(3)橡膠材料的特點(diǎn)、用途及維護(hù)保養(yǎng)

對于橡膠材料，根據(jù)不同的使用要求提出或規(guī)定其性能指標(biāo)，如高彈性、回彈性、耐磨性、伸長率、永久變形、抗拉強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、耐高溫或低溫性、電性能及透氣性等，但這些性能中最主要的是高彈性和力學(xué)性能。第一節(jié)

高分子材料表13-4

常用橡膠的品種、特點(diǎn)和用途第一節(jié)

高分子材料表13-4

常用橡膠的品種、特點(diǎn)和用途第一節(jié)

高分子材料膠粘劑按組成的化學(xué)成分可分為有機(jī)和無機(jī)膠粘3.膠粘劑(1)膠粘劑的分類劑兩類。表13-5合成膠粘劑的分類舉例熱固性膠粘劑。熱塑性膠粘劑。合成橡膠膠粘劑。第一節(jié)

高分子材料(2)膠接的條件和工藝過程

利用膠粘劑把彼此分離的物件膠接在一起，形成牢固接頭的必要條件是：膠粘劑必須能很好地浸潤被膠接物的表面，在固化后膠層應(yīng)有足夠的內(nèi)聚力，而且膠粘劑與受膠接物件之間有足夠的粘附力。P227.TIF(3)膠粘劑(膠接技術(shù))在機(jī)械工程中的應(yīng)用

1)設(shè)備維修。2)改進(jìn)機(jī)械安裝工藝。第一節(jié)

高分子材料圖13-6齒輪與軸的膠接第一節(jié)

高分子材料圖13-71—輪緣蝸輪輪緣的膠接2—蝸輪

3—膠層第二節(jié)

陶瓷材料一般采用粘土、長石和石英等天然原料一、陶瓷材料的類型和特點(diǎn)

1.陶瓷的分類普通陶瓷(傳統(tǒng)陶瓷)燒結(jié)而成。特種陶瓷(現(xiàn)代陶瓷)這是指采用高純度人工合成原料制成并具有特殊物理、化學(xué)性能的新型陶瓷(包括功能陶瓷)。

2.陶瓷的組織結(jié)構(gòu)晶相(晶體相)

大多數(shù)陶瓷是由離子鍵構(gòu)成的離子晶體(如MgO、Al2O3等)，但也有由共價(jià)鍵構(gòu)成的(如Si3N4、SiC等)，這是陶瓷的主要組成相，一般是兩種晶體都存在。玻璃相

陶瓷燒結(jié)時(shí)，由各組成物和雜質(zhì)通過一系列物理、化學(xué)作用形成的非晶態(tài)物質(zhì)稱為玻璃相。第二節(jié)

陶瓷材料(3)氣相

陶瓷中存在的氣孔稱為氣相，常以孤立的狀態(tài)分布在玻璃相、晶界或晶體內(nèi)。二、常用陶瓷材料三、常用陶瓷材料的性能、特點(diǎn)及用途

1.普通陶瓷(傳統(tǒng)陶瓷)2.特種陶瓷

(1)高溫陶瓷氧化物陶瓷。非氧化物陶瓷。第二節(jié)

陶瓷材料①碳化硅陶瓷(SiC)。這是一種高強(qiáng)度、高硬度且熱硬性良好的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。在1400℃高溫下仍可保持較高的抗彎強(qiáng)度；還具有良好的導(dǎo)熱性、抗氧化性、導(dǎo)電性、高的沖擊韌性和抗蠕變性，但不抗強(qiáng)堿腐蝕。此陶瓷可用于制作火箭尾噴管的噴嘴、澆注金屬用喉嘴，以及熱電偶套管、爐管等高溫零部件，還可作高溫下熱交換器材料以及制造砂輪、磨料等。②氮化硅陶瓷(Si3N4)。這是一種耐高溫、強(qiáng)度和硬度高、耐磨、耐腐蝕(除氫氟酸外),并能自潤滑的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。在陶瓷中，

Si3N4的線膨脹系數(shù)最小，最高工作溫度可達(dá)1400℃；除了能夠耐各種無機(jī)酸和30％的燒堿溶液及其它堿溶液的腐蝕，還能抵抗熔融的Al、Pb、Sn、Zn、Au、Ag、Ni以及黃銅等的侵蝕，并具有優(yōu)良的電絕緣性和耐輻射性。第二節(jié)

陶瓷材料(2)金屬陶瓷金屬陶瓷是由金屬或合金與陶瓷組成的非均質(zhì)復(fù)合材料，綜合了金屬和陶瓷的優(yōu)良性能，具有高強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、高韌性和高的耐蝕性。氧化物基金屬陶瓷。碳化物基金屬陶瓷。第三節(jié)

復(fù)合材料一、復(fù)合材料的類型和特點(diǎn)

1.復(fù)合材料的分類(1)細(xì)粒增強(qiáng)復(fù)合材料

(2)層合增強(qiáng)復(fù)合材料

(3)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

(1)非金屬基復(fù)合材料如金屬陶瓷等。如鋼－銅－塑料復(fù)合滑動(dòng)軸承材料。如橡膠輪胎、玻璃鋼等。包括樹脂基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。(2)金屬基復(fù)合材料

主要以非鐵金屬及其合金為基的復(fù)合材料。2.復(fù)合材料的性能特點(diǎn)(1)

高比強(qiáng)度、高比模量

這是因?yàn)閺?fù)合材料的增強(qiáng)劑和基體的密度一般都較小，而且增強(qiáng)材料多為強(qiáng)度高的纖維，所以多數(shù)復(fù)合材料都具有高的比強(qiáng)度和比模量，如鋁和硼纖維的比強(qiáng)度為380MPa，玻璃鋼的比強(qiáng)度為530MPa。第三節(jié)

復(fù)合材料(2)較高的疲勞強(qiáng)度

一般金屬材料，尤其是高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料，在動(dòng)載作用下對裂紋非常敏感，容易發(fā)生疲勞破壞。圖13-8

碳纖維復(fù)合材料、玻璃鋼和鋁合金的疲勞曲線1—碳纖維復(fù)合材料

2—玻璃鋼

3—鋁合金第三節(jié)

復(fù)合材料(3)減振性好

構(gòu)件的自振頻率不但與構(gòu)件的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與材料的比模量的平方根成正比。復(fù)合材料每平方厘米面積上被基體隔離的獨(dú)立破損安全性好纖維數(shù)多。高溫性能優(yōu)良一般鋁合金在400℃時(shí)彈性模量急劇下降并接近于零，強(qiáng)度也顯著下降。(6)高的化學(xué)穩(wěn)定性

生產(chǎn)上可以選用耐蝕性優(yōu)良的樹脂作基體材料，并用高強(qiáng)度纖維來增強(qiáng)，使復(fù)合材料具有耐酸、堿、油脂等化學(xué)介質(zhì)的侵蝕。二、復(fù)合材料的制造方法(1)熔體抽絲法

將原料熔化后從液態(tài)增強(qiáng)料中以極快速度抽成細(xì)絲，如玻璃纖維、氧化鋁纖維的抽絲等。第三節(jié)

復(fù)合材料熱分解法

將人造或天然纖維經(jīng)200～300℃空氣中預(yù)氧化，在1000～2000℃氨氣中碳化或在2500～3000℃氬氣中石墨化后，獲得碳或石墨纖維。氣相沉積法

主要用于獲得硼、碳化硼、碳化硅等纖維。拔絲法

主要用于獲取金屬絲。是指以樹脂為基體，玻璃纖維為增強(qiáng)三、常用復(fù)合材料

1.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(1)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料劑的復(fù)合材料。以熱塑性樹脂為基體的玻璃纖維增強(qiáng)材料。以熱固性樹脂為基體的玻璃纖維增強(qiáng)材料。第三節(jié)

復(fù)合材料①手糊法。即在模具上首先刷一層樹脂，然后貼一層纖維織物，刷平后再刷一層樹脂，又貼一層纖維織物，直至所需厚度為止，最后固化成形。此法適宜制造整體制件(品)和大型制件，如汽車外殼、飛機(jī)的雷達(dá)罩等。②模壓法。借助壓力機(jī)以很高的壓力將涂覆好樹脂的纖維