第九章節(jié) 非金屬材料

機(jī)械工程材料主講申良機(jī)9.非金屬工程材料非金屬工程材料=高分子+陶瓷+樹脂基復(fù)合材料9.1高分子材料高分子化合物為主，外加各種添加劑天然—天然纖維素、絲蛋白和天然橡膠等(少量)

合成—塑料、合成橡膠和合成纖維等（大量）9.1.1概述1.高分子化合物（相對分子質(zhì)量很大的化合物）多數(shù)為500-1000000之間分子的長徑比大1000-100000以上。小于500為低分子化合物，大于5000為高分子化合物高分子化合物=∑低分子（共價鍵）能組成高分子化合物的低分子化合物叫單體。由單體形成的化合物，叫高聚物或聚合物。3.高分子材料的合成(聚合反應(yīng))（1）加聚反應(yīng)：沒有副產(chǎn)品，成分與單體相同。（2）縮聚反應(yīng)：有副產(chǎn)品，成分與單體不相同。2.單體高分子鏈的三種結(jié)構(gòu)：線性-長徑比>1000,其彈性、塑性好而硬度低，有可溶性和可熔性。屬熱塑性，可反復(fù)使用。支鏈型-接近線型體型（網(wǎng)狀）-屬熱固性，不可溶性和不可熔性。具有：耐熱性、難溶性。尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。其硬度高，脆性高、無彈性。不可重復(fù)使用。高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：晶態(tài)和非晶態(tài)結(jié)晶型高聚物排列有序，非結(jié)晶型高聚物排列無序。3.高分子材料的結(jié)構(gòu)1.線性非晶態(tài)高聚物的三態(tài)（1）玻璃態(tài)（2）高彈態(tài)（3）粘流態(tài)Tg為玻璃態(tài)與高彈態(tài)之間的轉(zhuǎn)變溫度。不同的高聚物，其Tg也不同。Tf為高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)的轉(zhuǎn)變溫度。9.1.4

高聚物的形態(tài)2.線性結(jié)晶型高聚物結(jié)晶高聚物在熔融之前無玻璃化轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)，也無高彈性出現(xiàn)，曲線只以熔點(diǎn)Tm劃分。9.1.3高聚物的基本性能1.高彈性：彈性模量小，彈性變形較大，變形率可達(dá)100％-1000％2.粘彈性（1）蠕變：材料在恒溫下受到恒定載荷時，除開始的瞬時變形外，隨著時間的延長，形變逐漸增加的現(xiàn)象。（2）應(yīng)力松弛：高聚物受力變形后所產(chǎn)生的應(yīng)力隨時間而逐漸衰退的現(xiàn)象。A.受力前，分子鏈卷曲并互相纏結(jié)，B受力被拉到一定長度時，分子鏈伸張，但仍互相交纏，C.隨時間的延續(xù)，發(fā)生緩慢的鏈段運(yùn)動，分子鏈構(gòu)象逐漸調(diào)整，趨向于比較自然卷曲的穩(wěn)定狀態(tài)，纏結(jié)點(diǎn)松動，應(yīng)力消失。3.滯后與內(nèi)耗：（1）滯后：高聚物受到交變載荷作用時會出現(xiàn)應(yīng)變落后于應(yīng)力變化的滯后現(xiàn)象。（2）內(nèi)耗：橡膠在一次拉伸-回縮過程中實(shí)際接收的能量，消耗于分子的內(nèi)磨擦，轉(zhuǎn)化為熱能。4.強(qiáng)度與斷裂（1）強(qiáng)度：比金屬低，但有的比強(qiáng)度較高。（2）斷裂：分為脆性斷裂和韌性斷裂兩種。5.塑性和韌性（1）塑性常溫時：玻璃態(tài)高溫時：塑性明顯a.B點(diǎn)屈服應(yīng)變大b.頸縮變形階段很長，C點(diǎn)對應(yīng)的斷裂長度伸長量大。（2）韌性：較好，斷裂前能吸收較大的能量。6.減摩、耐磨性7.熱性能：對溫度升高時性能明顯降低的抵抗力。8.電性能：包括導(dǎo)電性、電絕緣性以及電擊穿性。9.光學(xué)性能10.化學(xué)性能：耐化學(xué)介質(zhì)性能較好。11.老化：隨時間延長而失效。（1）外觀變化（2）物理性能變化（3）機(jī)械性能變化（4）電性能變化老化是不可逆的。防止的途徑主要有：（1）改性（2）改進(jìn)聚合處理及成形加工工藝（3）添加防老劑（4）表面處理防止老化9.2常用塑料9.2.1塑料的分類塑料是由高分子聚合物為主要成分加入適量的添加劑組成的具有可塑性的高分子材料。(1)熱塑性塑料。這一類塑料的特點(diǎn)是受熱時軟化或熔化，冷卻時變硬；再受熱時可軟化或熔化，冷卻時再次變硬，這一過程可反復(fù)進(jìn)行多次，樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)不變。因此，熱塑性塑料制品可以回收進(jìn)行再生和再加工。常用的熱塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、有機(jī)玻璃、聚酰胺(尼龍)、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚苯醚、聚氯醚、聚四氟乙烯等。(1)熱固性塑料。熱固性塑料大多是以縮聚樹脂為基礎(chǔ)，加入適量的各種添加劑而成的。這類塑料在一定的條件下。發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由線型高分子結(jié)構(gòu)變成體型高分子結(jié)構(gòu)，固化后不溶于溶劑，也不再軟化。如果溫度過高只能碳化。因此不能回收利用。常用的有：酚醛塑料、脲醛塑料、氨基塑料和環(huán)氧樹脂等。這類塑料的特點(diǎn)是耐熱性好，尺寸穩(wěn)度性好，受壓不易變形，而本身的機(jī)械性能較差。但可用玻璃纖維增強(qiáng)，故有玻璃鋼之稱。此外，不能焊接，更不能用于焊接產(chǎn)品和焊接結(jié)構(gòu)。9．2．1．2按塑料的使用范圍分類

(1)通用塑料。主要指產(chǎn)量大、用途廣、價格低的一類塑料。主要包括六大品種，即聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料。這六大品種約占塑料總產(chǎn)量的80％，統(tǒng)稱為通用塑料，其中聚氯乙烯塑料使用量較大。這六大品種構(gòu)成了塑料工業(yè)的主體。(2)工程塑料工程塑料通常是指機(jī)械強(qiáng)度好，或具備耐高溫、耐腐蝕、耐輻射等性能，因而可以代替金屬材料，制造機(jī)械零件、部件或供作其他特殊用途零件。也常用作工程技術(shù)上的結(jié)構(gòu)材料，人們把這些塑料稱為工程塑料。有聚碳酸酯、聚甲醛、聚砜、ABS、聚酰胺、聚氯醚等。(3)耐高溫塑料是指產(chǎn)量小、價格高、適于特殊耐高溫用途的塑料。較為常用的品種中有氟塑料、聚苯硫醚、有機(jī)硅樹脂、聚酰亞胺等。耐高溫塑料是原子能、宇宙航行等許多尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的新興的高檔材料。

隨著高分子合成材料的發(fā)展，塑料可以通過各種措施來改性和增強(qiáng)，從而制得不同性能的新的塑料品種。這樣，通用塑料和工程塑料之間的界限也就很難劃分了。

9．2．2塑料的組成

幾乎所有的塑料都是以各種各樣的樹脂為基礎(chǔ)。根據(jù)塑料的組成不同可分為簡單組分和復(fù)雜組分兩類。

簡單組分的塑料

基本上由合成樹脂本身組成，僅加入少量的著色劑、潤滑劑等輔助物質(zhì)。屬于這一類的，如聚乙烯、聚苯乙烯、有機(jī)玻璃等。復(fù)雜組分的塑料是由多種組分組成。除重要成分合成樹脂外，還加入用來改善性能的各種添加劑，如填充劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、著色劑、固化劑等。屬于這一類的如酚醛塑料、環(huán)氧塑料等。9．2．2．1樹脂

樹脂是塑料的主要成分。它在受熱時，通常能軟化或熔融，當(dāng)軟化時，在外力作用下，具有成型性能，并在塑料中起黏結(jié)其他一切組分的作用，使塑料黏結(jié)成一個整體。樹脂的分類、性質(zhì)以及它在塑料中占有的比例大小，不僅決定了塑料的類型(熱固性或熱塑性)，還基本上決定了塑料的主要性能。因此，許多塑料就是以所用樹脂的名稱命名的。例如，聚氯乙烯塑料就是以聚乙烯塑樹脂為主要成分命名的。樹脂可分為兩類：天然樹脂和合成樹脂。人們以煤、石油、天然氣等為原料，從中得到極有價值的乙烯、丙烯、丁二烯、乙炔、苯、甲苯、二甲苯等低分子有機(jī)化合物。將這些低分子化合物作為基本原料，再經(jīng)過化學(xué)合成，制造相對分子質(zhì)量與天然樹脂的某些性能相似的樹脂狀物質(zhì)，這種人工合成的高分子聚合物稱之為合成樹脂。如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂。9．2．2．2填充劑填充劑亦稱填料，是塑料中另一個重要組成部分。加入填充主要目的是彌補(bǔ)樹脂的某些方面的性能要求，改善塑料的某些缺陷。如加入纖維、布類填充劑，可增強(qiáng)塑料的絕緣性能；加入云母粉填充劑，可增強(qiáng)塑料的絕緣性能；加入石棉粉填充劑，可提高耐熱性；加入鋁粉填充劑可提高塑料對光反射能力及防止老化能力；酚醛樹脂中加入木屑，機(jī)械強(qiáng)度顯著提高，成為通常所說的“電木”。此外，加入填充劑還能降成本。對填充劑的一般要求是：易被樹脂浸潤，與樹脂有很好的黏附性，本身性質(zhì)穩(wěn)定，價格便宜，來源豐富等。填充劑的種類很多，按其形狀可分為粉狀、纖維狀和片狀等。粉狀填充劑如云母粉、石英粉、石墨粉、鋁粉、木粉等；纖維狀填充劑，如玻璃纖維、棉纖維、碳纖維等；片狀填充劑如木片、棉布、麻布等。9．2．2．3增塑劑增塑劑是用來提高樹脂可塑性和柔軟性的一種添加劑。加入增塑劑后，能降低塑料的軟化溫度和硬度，提高塑料的韌性。

對增塑劑的要求是：增塑劑與樹脂的相溶性要好，揮發(fā)性低，最好無毒、無色、無味，對光和熱比較穩(wěn)定。增塑劑通常是液體或低熔點(diǎn)固體有機(jī)化合物，常用的有鄰苯甲酸酯類、癸二酸酯類、已二酸酯類、磷酸酯類和氧化石蠟等。9．2．2．4固化劑

固化劑的作用是使聚合物中的分子傳遞的線型結(jié)構(gòu)變成體形結(jié)構(gòu)的熱固性塑料。成型后受熱不再軟化和熔化，成為堅硬的塑料制品。例如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等在成型前分別加入六次甲基四胺、乙二胺、過氧化物等作為固化劑進(jìn)行周化后，才能成為堅硬的熱固性塑料。9．2．2．5穩(wěn)定劑防止老化。要求：穩(wěn)定劑與樹脂共溶，成型加工過程中不分解，使用過程中穩(wěn)定。

9．2．2．6潤滑劑防止塑料在成型加工過程中，黏結(jié)在模具或其他設(shè)備上，并使塑料表面光滑美觀，常用的有硬酯酸和硬酯酸鹽。9．2．2．7著色劑著色劑也稱染料，美觀和適合某些使用上的要求。要求：穩(wěn)定，不易變色，色澤鮮明，著色力強(qiáng)，與塑料中其他成分不起化學(xué)反應(yīng)并與樹脂有很好的相溶性。塑料的添加劑還有：發(fā)泡劑；抗靜電劑；耐熱劑等?？傊a(chǎn)中應(yīng)根據(jù)不同的塑料品種和使用要求，加入各種不同作用的添加劑。3．常用塑料(1)熱塑性塑料①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，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。

②聚氯乙烯(PVC)

分為硬質(zhì)和軟質(zhì)兩種。硬質(zhì)聚氯乙烯強(qiáng)度較高，絕緣性和耐蝕性好，耐熱性差，在－15～60℃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(qiáng)度低于硬質(zhì)聚氯乙烯，伸長率大，絕緣性較好，在－15～60℃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。③聚丙烯(PP)

密度小，是常用塑料中最輕的一種。強(qiáng)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，易老化，用于一般機(jī)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(jī)、收音機(jī)、電扇、電機(jī)罩等殼體；生活用具，醫(yī)療器械，食品和藥品包裝等。④聚酰胺(PA)

俗稱尼龍或錦綸。強(qiáng)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(jī)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。⑤聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)俗稱有機(jī)玻璃

透光性、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－60～100℃使用。不耐磨，脆性大，易溶于有機(jī)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(jī)窗、燈罩、電視和雷達(dá)屏幕，油標(biāo)、油杯、設(shè)備標(biāo)牌等。⑥ABS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(jī)、電視機(jī)、電機(jī)、儀表的殼體，應(yīng)用較廣。⑦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40℃～100℃長期使用。加熱易分解，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。⑧聚四氟乙烯(F-4)也稱塑料王有極強(qiáng)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－195～250℃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。⑨聚碳酸脂(PC)

強(qiáng)度高，韌性、尺寸穩(wěn)定性、透明性好，可在－60～120℃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(hù)玻璃，飛機(jī)擋風(fēng)罩，高級絕緣材料，用途很廣。⑩聚砜(PSF)

強(qiáng)度、硬度、成形溫度高，抗蠕變、尺寸穩(wěn)定性、絕緣性好，可在100～150℃長期使用。不耐有機(jī)溶劑和紫外線。用于制造耐熱件，絕緣件，減摩、耐磨件，高強(qiáng)度件，如凸輪，精密齒輪、真空泵葉片、儀表殼體和罩，汽車護(hù)板，電子器件等。

(2)熱固性塑料①酚醛塑料(PF)俗稱電木強(qiáng)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。②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。③環(huán)氧塑料(EP)俗稱萬能膠強(qiáng)度、韌性、絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性好，能防水、防潮、防霉，可在—80～155℃長期使用，成形工藝簡便，成形后收縮率小，粘結(jié)力強(qiáng)。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(jī)件。9．2．4塑料的加工

9．2．4．1機(jī)械加工塑料制品成型后，大多數(shù)可直接裝配使用，但有些零件還需機(jī)械加工，才能滿足尺寸精度和表面粗糙度的要求，有些制品上的某些結(jié)構(gòu)，如小孔、深孔、側(cè)孔、螺絲等也需切削加工。塑料切削加工工藝基本上與金屬切削相似，即可以進(jìn)行車、銑、刨、磨、鉆、鉸、鏜、攻絲、滾花等。9．2．4．2塑料的接合

(1)熱熔黏結(jié)。熱熔黏結(jié)也稱焊接，是將塑料制品的黏結(jié)處進(jìn)行加熱熔融，待凝固冷卻后兩個制品接合成一個整體。這種方法只適用于熱塑性塑料制品。

(2)溶劑黏結(jié)。借助溶劑的作用，將兩個塑料表面溶解，當(dāng)溶劑揮發(fā)干凈后，兩個接合面便黏結(jié)成一體。常用的快干溶劑有甲乙酮、丙酮、醋酸乙酯和二氯乙烷；中等速度的有三氯乙烯，比較緩慢的有二甲苯等。(3)膠粘劑黏結(jié)在兩個被黏結(jié)材料表面之間涂以適當(dāng)?shù)哪z粘劑，使塑料黏結(jié)的方法。膠粘劑多為合成高分子膠黏，主要有聚乙烯醇、丙烯酸酯、纖維素、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。9.2.4.3塑料鍍金屬目前，電鍍是塑料鍍金屬的主要手段，塑料鍍金屬是擴(kuò)大塑料制品應(yīng)用范圍的一種加工方法。9．3其他高分子材料

9．3.1橡膠

1．橡膠的組成和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。生膠是指未加配合劑的天然膠或合成膠，它也是將配合劑和骨架材料粘成一體的粘結(jié)劑。橡膠制品的性能主要取決于生膠的性能。

配合劑是指為改善和提高橡膠制品性能而加入的物質(zhì)，如硫化劑、活性劑、軟化劑、填充劑、防老劑、著色劑等。常用硫磺做硫化劑，經(jīng)硫化處理后，可提高橡膠制品的彈性、強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性和抗老化能力。活性劑能加速發(fā)揮硫化促進(jìn)劑的作用。常用的活性劑為氧化鋅。軟化劑可增強(qiáng)橡膠塑性，改善附著力，降低硬度，提高耐寒性。填充劑可提高橡膠強(qiáng)度，減少生膠用量，降低成本和改善工藝性。防老劑可在橡膠表面形成穩(wěn)定的氧化膜，以抵抗氧化作用，防止和延緩橡膠發(fā)粘、變脆和性能變壞等老化現(xiàn)象。骨架材料可提高橡膠承載能力、減少制品變形。常用的骨架材料有金屬絲、纖維織物等。

橡膠彈性大，最大伸長率可達(dá)800％-1000％，外力去除后能迅速恢復(fù)原狀；吸振能力強(qiáng)；耐磨性、隔聲性、絕緣性好；可積儲能量；有一定的耐蝕性和足夠的強(qiáng)度。

2．常用橡膠按原料來源不同，分為天然橡膠和合成橡膠；按應(yīng)用范圍不同，分為通用橡膠和特種橡膠。

天然橡膠是指橡膠樹上流出的膠乳，經(jīng)加工制成的固態(tài)生膠，屬于通用橡膠。合成橡膠是指用石油、天然氣、煤和農(nóng)副產(chǎn)品為原料制成的高分子化合物。常用橡膠的種類、性能和用途見下表9．3．2合成纖維

合成纖維發(fā)展速度很快，產(chǎn)量直線上升，過去20年中，差不多每年以20％增長率發(fā)展，品種愈來愈多，合成纖維強(qiáng)度高，耐磨、保暖、不會發(fā)生霉?fàn)€，大量用于汽車、飛機(jī)輪胎簾子線、漁網(wǎng)、索橋、船纜、降落傘、炮衣、傳送帶、絕緣布以及各種服裝。常用合成纖維特性及其應(yīng)用和表9—7所示。9．3．3膠粘劑膠粘劑是以粘性物質(zhì)環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚脂樹脂、氯丁橡膠、丁腈橡膠等為基礎(chǔ)，加入需要的添加劑(填料、固化劑、增塑劑、稀釋劑等)組成的，俗稱為膠。膠粘劑按粘性物質(zhì)化學(xué)成分不同，分為有機(jī)膠粘劑和無機(jī)膠粘劑(如水玻璃等)。有機(jī)膠粘劑又分為天然膠粘劑(如骨膠、松香等)和合成膠粘劑。工程上應(yīng)用最廣的是合成膠粘劑。工程中用膠粘劑連接兩個相同或不同材料制品的工藝方法稱為膠接。膠接可代替鉚接、焊接、螺紋連接，具有重量輕，粘接面應(yīng)力分布均勻，強(qiáng)度高，密封性好，操作工藝簡便，成本低等優(yōu)點(diǎn)，但膠接接頭耐熱性差，易老化。

選擇膠粘劑時，主要應(yīng)考慮膠接材料的種類、受力條件、工作溫度和工藝可行性等因素。常用材料適用的膠粘劑見下表陶瓷是用粉末冶金法生產(chǎn)的無機(jī)非金屬材料，應(yīng)用廣泛。一、陶瓷的分類與性能

1．陶瓷的分類陶瓷按原料不同分為普通陶瓷(傳統(tǒng)陶瓷)和特種陶瓷(近代陶瓷)；按用途不同分為工業(yè)陶瓷和日用陶瓷。9.4陶瓷材料（1）普通陶瓷是以天然的硅酸鹽礦物(如粘土、長石、石英等)為原料。這類陶瓷又稱硅酸鹽陶瓷，例如日用陶瓷、絕緣陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷等均屬于這類陶瓷。（2）特殊陶瓷原料是人工提煉的，即純度較高的金屬氧化物、碳化物、氮化物等化合物。這類陶瓷具有一些獨(dú)特的性能，可滿足工程結(jié)構(gòu)的特殊需要。屬于這類的有壓電陶瓷、高溫陶瓷、高強(qiáng)度陶瓷等。3．陶瓷的性能

(1)陶瓷的硬度高于其他材料，一般硬度>1500HV，而淬火鋼的硬度只有500-800HV，高分子材料硬度<20HV；陶瓷室溫下幾乎無塑性，韌性極低，脆性大；陶瓷內(nèi)部存在許多氣孔，故抗拉強(qiáng)度低，抗彎性能差，抗壓性能高；陶瓷有一定彈性，一般高于金屬。

(2)陶瓷的熔點(diǎn)一般高于金屬，熱硬性高，抗高溫蠕變能力強(qiáng)，高溫下抗氧化性好，抗酸、堿、鹽腐蝕能力強(qiáng)，具有不可燃燒性和不老化性。

(3)大多數(shù)陶瓷絕緣性好。9.5復(fù)合材料由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的物質(zhì)，經(jīng)人工制成的多相固體材料稱為復(fù)合材料，它具有各組成材料的優(yōu)點(diǎn)，能獲得單一材料無法具備的優(yōu)良綜合性能。例如，混凝生性脆、抗壓強(qiáng)度高，鋼筋性韌、抗拉強(qiáng)度高，為使性能取長補(bǔ)短，制成了鋼筋混凝土。

一、復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的全部相分為基體相和增強(qiáng)相?；w相起粘結(jié)劑作用，增強(qiáng)相起提高強(qiáng)度(或韌性)作用。復(fù)合材料有以下幾種分類方法：（1）按基體不同，分為非金屬基體和金屬基體兩類。目前使用較多的是以高分子材料為基體的復(fù)合材料。

(2)按增強(qiáng)相種類和形狀不同，分為顆粒、層疊、纖維增強(qiáng)等復(fù)合材料。

(3)按性能不同，分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩類。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是指利用其力學(xué)性能，用以制作結(jié)構(gòu)和零件的復(fù)合材料。功能復(fù)合材料是指具有某種物理功能和效應(yīng)的復(fù)合材料，如磁性復(fù)合材料等。二、復(fù)合材料的性能

1．比強(qiáng)度和比模量高一般，復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量(彈性模量／密度)比其他材料高很多。例如，碳纖維和環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料，其比強(qiáng)度是鋼的8倍，比模量比鋼大3倍。這對構(gòu)件在保證使用性能的條件下，減輕自重有重要意義。

2．抗疲勞性能好因?yàn)閺?fù)合材料中基體與增強(qiáng)纖維間的界面可有效地阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，以及基體中密布著大量纖維，疲勞斷裂時，裂紋的擴(kuò)展要經(jīng)歷很曲折和復(fù)雜的路徑，所以疲勞強(qiáng)度高。例如，碳纖維—聚酯樹脂復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度是其抗拉強(qiáng)度的70％—80％，而大多數(shù)金屬的疲勞強(qiáng)度只有其抗拉強(qiáng)度的30％-50％。下圖5—4—3是三種材料的疲勞強(qiáng)度比較。

3，減振性能強(qiáng)

結(jié)構(gòu)件的自振頻率與結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量、形狀有關(guān)，還與材料比模量的平方根成正比。因?yàn)槔w維增強(qiáng)復(fù)合材料的比模量大，其自振頻率也高，故可避免在工作狀態(tài)下產(chǎn)生共振。此外，纖維與基體的界面有吸振能力，故其阻尼特性好，即使產(chǎn)生了共振也會很快衰減。例如用同樣尺寸和形狀的梁進(jìn)行試驗(yàn)，金屬材料制成的梁9s才停止振動，而碳纖維復(fù)合材料則只需2.5s就可停止振動.4．高溫性能好一般鋁合金在400-500~C時其彈性模量將大幅度下降，并接近于零，強(qiáng)度也顯著下降。但用碳或硼纖維增強(qiáng)的鋁復(fù)合材料，在上述溫度時，其彈性模量和強(qiáng)度基本不變。用鎢纖維增強(qiáng)鈷、鎳或它們的合金時，可把這些金屬的使用溫度提高到1000~C以上。此外，因復(fù)合材料高溫強(qiáng)度好，耐疲勞性能好，以及纖維與基體的相容性好，所以熱穩(wěn)定性也好。5．?dāng)嗔寻踩愿?/p>

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料每平方厘米截面上有上萬根隔離的細(xì)纖維，過載時會使其部分纖維斷裂。但隨即會迅速進(jìn)行應(yīng)力的重新分配，而由未斷纖綿承擔(dān)全部載荷，不致造成構(gòu)件在瞬間完全喪失承載能力而斷裂，所以工作安全性高。除上述幾種特性外，復(fù)合材料的減摩性、耐蝕性和工藝性也都較好。若經(jīng)過適當(dāng)?shù)摹皬?fù)合”也可改善其力學(xué)性能和物理性能。纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料目前存在的主要缺點(diǎn)是：各向異性，橫向抗拉強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度不高，伸長率較低，韌性較差，成本太高等。所以，復(fù)合材料目前應(yīng)用不廣。但是，復(fù)合材料是一種新型的、獨(dú)特的工程材料，因此具有廣闊的發(fā)展前景。三、常用復(fù)合材料：

1．纖維增強(qiáng)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(qiáng)的復(fù)合材料可使強(qiáng)度、剛度、耐磨、耐蝕、絕熱、隔聲、減輕自重等性能分別得到改善。常見的層疊復(fù)合材料有以下三種：

(1)雙層金屬復(fù)合材料這種材料是將性能不同的兩種金屬，用膠合或熔合(鑄造、熱壓、焊接、噴涂)等方法復(fù)合在一起，以滿足某種性能要求的材料。最簡單的雙層金屬復(fù)合材料是將兩塊具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬板膠合在一起。用它組成懸臂梁，當(dāng)溫度發(fā)生變化后，由于熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生預(yù)定的翹曲變形，從而可作為測量和控制溫度的簡易恒溫器。此外，我國已生產(chǎn)的不銹鋼—碳素鋼復(fù)合鋼板、合金鋼—碳素鋼復(fù)合鋼板等，就是典型的層疊復(fù)合材料。

(2)塑料—金屬多層復(fù)合材料

例如SF型三層復(fù)合材料就是以鋼為基體，燒結(jié)銅網(wǎng)或銅球?yàn)橹虚g層，塑料為表面層的一種自潤滑復(fù)合材料，如圖這種材料的物理、力學(xué)性能主要取決于基體，而摩擦、磨損性能主要取于塑料。中間層系多孔性青銅，它使三層之間獲得可靠的結(jié)合力，優(yōu)于一般噴涂層和粘貼層。一旦塑料磨損，露出青銅也不致嚴(yán)重磨傷軸。表面層常用的塑料為聚四氟乙烯或聚甲醛。這種復(fù)合材料比單一的塑料提高承載能力20倍，導(dǎo)熱系數(shù)提高50倍，熱膨脹系數(shù)降低75％，從而改善了尺寸穩(wěn)定性。可用作高應(yīng)力(140MPa)、高溫(270《C)及低溫(-195℃)和無油潤滑條件下的各種軸承。目前已用于汽車、礦山機(jī)械、化工機(jī)械等部門。

(3)夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

是由兩層薄而強(qiáng)的面板(或稱蒙皮)中間夾著一層輕而弱的芯子組成。面板是由抗拉、抗壓強(qiáng)度高，彈性模量大的材料組成，如金屬、玻璃鋼、增強(qiáng)塑料等。芯子有實(shí)心的或蜂窩格子的兩類。芯子材料根據(jù)要求的性能而定.常用泡沫、塑料、木屑、石棉、金屬箔、玻璃鋼等。面板與芯子可用膠粘劑膠接，金屬材料還可用焊接。

夾層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：密度小，減輕了構(gòu)件自重；結(jié)構(gòu)和工字鋼相似，有較高的剛度和抗壓穩(wěn)定性；可按需要選擇面板、芯子的材料，以得到絕熱、隔聲、絕緣等所需的性能。夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能與面板的厚度、夾芯的高度、蜂窩格子的大小或泡沫塑料的性能等有關(guān)。一般，對于結(jié)構(gòu)尺寸大、要求強(qiáng)度高、剛度好、耐熱性好的受力構(gòu)件應(yīng)采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；而對受力不太大，但要求結(jié)構(gòu)剛度好，尺寸較小的受力構(gòu)件可采用泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)。夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料已用于飛機(jī)上的天線罩隔板、機(jī)翼以及火車車廂、運(yùn)輸容器等方面。3．顆粒復(fù)合材料

顆粒復(fù)合材料是由一種或多種材料的顆粒均勻分散在基體材料內(nèi)所組成的材料。例如經(jīng)彌散強(qiáng)化后的金屬材料就是一種顆粒復(fù)合材料。只不過是它的增強(qiáng)粒子有的是人為加入的，有的是熱處理過程中析出第二相形成的。顆粒復(fù)合材料的增強(qiáng)原理是利用大小適宜的增強(qiáng)粒子呈高度彌散分布在基體中，以阻止基體塑性變形的位錯運(yùn)動(金屬材料)或分子鏈的運(yùn)動(高分子材料)。增強(qiáng)粒子直徑的大小直接影響增強(qiáng)效果。增強(qiáng)粒子直徑太小則形成固溶體，增強(qiáng)粒子直徑太大易引起應(yīng)力集中，都會降低增強(qiáng)效果。金屬增強(qiáng)粒子直徑在0.01-0.1

m范圍內(nèi)增強(qiáng)效果最好。金屬陶瓷是一種顆粒復(fù)合材料。一般，金屬及其合金的熱穩(wěn)定性和塑性好，但在高溫下易氧化和蠕變；陶瓷脆性大，熱穩(wěn)定性差，但耐高溫、耐腐蝕。為取長補(bǔ)短，將陶瓷微粒分散于金屬基體中，使兩者復(fù)合為一體，即是金屬陶瓷。金屬陶瓷具有硬度和強(qiáng)度高、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫和熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)良的工具材料。例如WC硬質(zhì)合金刀具就是一種金屬陶瓷。石墨—鋁合金顆粒復(fù)合材料是在鋁液中加入顆粒狀石墨并懸浮于鋁合金中澆成的鑄件，它具有優(yōu)良的減摩、消振性和較小的密度，是一種新型的軸承材料。8.1.2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(dá)800％～1000％，外力去除后能迅速恢復(fù)原狀），吸振能力強(qiáng)，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(qiáng)度等有點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)是易老化。2．常用橡膠種類名稱（代號）σb/MPaδ/%使用溫度t/℃回彈性耐磨性耐堿性耐酸性耐油性耐老化用途舉例通用橡膠天然橡膠（NR）17～35650～900-70～110好中好差差輪胎、膠帶、膠管丁苯橡膠（SBR）15～20500～600-50～140中好中差差好輪胎、膠板、膠布、膠帶、膠管順丁橡膠（BR）18～25450～800-70～120好好好差差好輪胎、v帶、耐寒運(yùn)輸帶、絕緣件氯丁橡膠（CR）25～27800～1000-35～130中中好中好好電線(纜)包皮，耐燃膠帶、膠管，汽車門窗嵌條，油罐襯里丁腈橡膠（NBR）15～30300～800-35～175中中中中好中耐油密封圈、輸油管、油槽襯特種橡膠聚氨酯橡膠（UR）20～35300～800-30～80中好差差好耐磨件、實(shí)心輪胎、膠輥氟橡膠（FPM）20～22100～500-50～300中中好好好好高級密封件，高耐蝕件，高真空橡膠件硅橡膠4～1050～500-100～300差差好中差好耐高、低溫制品和絕緣件8