机械工程材料第六章

机械工程材料及热处理佛山科学技术学院机电系主将：周应龙第六章非金属材料和复合材料了解高分子材料的含义及合成方法了解高分子链与高分子材料的性能的关系熟悉高分子材料的性能特点熟悉高分子材料的分类及其典型应用第一节高分子材料一、高分子材料的定义、合成与结构1、高分子材料：以相对分子质量大于5000的高分子化合物为主要组成的材料。低分子化合物→大分子链→高分子化合物→高分子材料3、高分子链对性能的影响（1）高分子链形态（按几何形态分）①线型分子链2、高分子化合物的合成：加成聚合（加聚）缩和聚合（缩聚）②支化型分子链③体型（网型、交联型）•高分子链形态与高分子化合物的性能线型、支化型分子链构成的聚合物称为线性聚合物，一般具有高弹性和热塑性；体型分子链构成的聚合物称为体型聚合物，具有较高的强度和热固性。体型（交联）使聚合物产生老化，使聚合物丧失弹性，变硬变脆。（2）高分子链的结构：高分子链中原子或者原子团在空间的排列形式。（3）高分子链的运动：单键内旋转4、高分子化合物（高聚物）的聚集状态和物理状态（1）高聚物的结合力高分子链上各原子之间是共价键结合，为主价力；高分子链之间是相互作用力范特瓦力和氢键。（2）高聚物的聚集态高分子化合物中大分子的排列和堆砌方式称为高聚物的聚集态。高分子链规则排列：晶态高分子链不规则排列：非晶态部分高分子链规则排列：部分晶态⑶高聚物的物理状态(以线型无定形高聚物为例)在不同的温度下有三种物理状态：1）玻璃态：TTg温度低，分子热运动能力很弱，高分子链处于“冻结”状态。受力后弹性变形小，力学性能好。室温下处于玻璃态的高聚物称为塑料。室温下处于高弹态的高聚物称为橡胶。室温下处于粘流态的高聚物称为流动树脂。2）高弹态：Ｔｇ＜Ｔ＜Ｔｆ温度较高，高分子链段动运动；受力后产生较大的弹性变形。3）粘流态：TTf高分子链段、整个分子链都运动。稍加外力就产生明显的塑性变形。二高分子材料的性能（综合）1、力学性能：低强度，比强度较高（和一些金属材料相当）低弹性模量，高弹性；高耐磨性；（摩擦系数低自润滑性）2、物理化学性能高绝缘性：良好的电绝缘材料；高热膨胀性；高化学稳定性:耐酸碱和大气的腐蚀；低耐热性；低导热性。3、降解困难，对环境不友好。4、高分子材料老化老化的根本原因：高分子链的交联和裂解。性能恶化的表现：失去弹性、出现龟裂、变应、变软、变粘、变色等；三、常用的高分子材料1、塑料：以合成树脂为主要成分的合成材料。（1）成分：合成树脂+添加剂（填充剂、增塑剂、稳定剂等）（2）分类：按应用范围分类：通用塑料和工程塑料按塑料按树脂性质分：热塑性塑料；热固性塑料；热塑性和热固性塑料的特点热塑性塑料树脂：聚合树脂，线型高分子链。加热融化、冷却硬化，可反复进行；可以循环使用。热固性塑料树脂：缩聚树脂，体型高分子链；加热发生化学反应，固化为坚硬制品；不溶解，加热时不再融化，不能循环使用。①热塑性塑料聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）（代号为PMMA）性能特点：透光率高，高强度、韧性，不易破碎，耐紫外线和大气老化，易成型加工。应用：飞机座舱盖，仪表外壳，光学镜片等。ABS塑料基体：丙烯腈A-丁二烯B-苯乙烯S三种单体共聚而成的聚合体性能：高强度和高硬度，耐油和耐蚀，“质坚、性韧、刚性大”。应用：各种电器的外壳，汽车方向盘、仪表盘，飞机舱内装饰板、窗框、隔音板。②热固性塑料酚醛塑料（以非晶态酚醛树脂为基体）＋填料性能特点：有一定的机械强度，耐热性好；具有较高的耐腐蚀性、耐磨性、良好的绝缘性。脆性大，易碎，阳光下易变色，多是黑色、墨绿色。应用：电器开关、插头等绝缘器件；机械行业中的齿轮、凸轮、手柄等，化工中的耐酸泵。木粉、纸、玻璃布、石棉等。•工业中常用的橡胶(1)天然橡胶（NR）胶乳→片状生胶→硫化→橡胶制品按原料来源分类：天然橡胶和合成橡胶•生产过程：生胶的熔炼、胶料的混炼、压延、压出、制品的硫化。2、橡胶•主要组分：生胶＋配合剂＋增强材料按应用范围分类：通用橡胶和特种橡胶（界限并不严格）性能特点：有较好的弹性，一定的抗拉强度，较好的耐碱性能；耐油性和耐溶性较差，不耐高温；应用：制造轮胎、胶带、胶管、胶鞋等。（2）通用合成橡胶：顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶、异丙橡胶①顺丁橡胶：由丁二烯单体聚合而成。性能特点：顺丁橡胶的弹性、耐磨性、耐寒性具优于天然橡胶，是制造轮胎的优良材料。应用：主要用于制造轮胎、耐寒运输带、胶带、减震器、耐热胶管、电绝缘制品和V型带等。②氯丁橡胶（CR）：由氯丁二烯聚合而成。有“万能橡胶”之称。性能特点：耐油、耐溶剂，耐氧化、耐老化、耐酸、耐热、耐燃烧、耐挠曲等性能，弹性好,绝缘性、强度也较高。应用：矿井的运输带，电缆包皮，输送腐蚀介质的管道，耐热运输带，也是制造耐燃橡胶的主要材料。（3）特种合成橡胶①丁腈橡胶：突出优点是耐油性好。应用：制作耐油制品，如油箱、油封、输油管等。②硅橡胶：突出优点是耐高温和低温，抗老化性能好，无毒无味；应用:航空中的密封件，或食品机械中零件，医用中的人造心脏和人造血管。③氟橡胶：突出优点是耐腐蚀性很好，耐热性也好。应用：主要用于国防科技中，如航天飞行器、导弹的高级密封件，减振元件等。第二节陶瓷材料了解陶瓷材料的定义、制备工艺了解陶瓷材料的组织特构及作用了解陶瓷材料的性能特点了解陶瓷材料的分类及应用一、陶瓷材料的定义及制备工艺1、定义：陶瓷是无机高分子材料，用天然的或人工合成粉状化合物通过成型、高温烧结而制成的多晶固体材料。2、陶瓷材料的制备工艺：制粉→压坯→烧结→成品二、陶瓷材料的组织结构1、晶相：主要组成相，由离子键或共价键结合而成，决定陶瓷的性能：高熔点、高耐热性、高化学稳定性、高绝缘性、高脆性。2、玻璃相：非晶态固体，将晶相粘结在一起，降低烧结温度，抑制晶相晶粒长大和填充气孔。3、气相：气孔（5％－10％）。对性能的不利影响：增加脆性、降低强度、电击穿强度降低，绝缘性能降低。对性能的有利影响：提高吸振性，使陶瓷密度减小。三、陶瓷的性能1、力学性能：硬度极高：（1500HV）高弹性模量;高脆性；高的抗压强度；低的抗拉强度；低的塑性、韧性；抗热振性能较低。2、物理化学性能高熔点（Tm2000°C）(高温强度、高温蠕变抗力)低的热膨胀系数、热导率，良好的绝缘性。特殊的光、电、磁性能：如压电性能、激光性能等结构稳定，化学稳定高。四、陶瓷的分类及应用（按用途分）1、普通陶瓷：由粘土、长石、石英为原料配制，烧结而成。组织：主晶相：莫来石25—30%，次晶相：SiO2；玻璃相35—60%气相1—3%性能特点：质地坚硬，不氧化、不生锈、耐高温；成型性好，成本低。强度低，绝缘性、耐高温性不如其它陶瓷。应用：生活中常用的各类陶瓷制品；电瓷绝缘子，耐酸、碱的容器和反应塔管道，纺织机械中的导纱零件。2、特种陶瓷（1）氧化铝陶瓷组织：AL2O3主晶相，还有少量SiO2；性能：硬度高；耐高温（抗氧化性能，高的蠕变抗力）；耐腐蚀，绝缘性好；缺点：脆性大，抗热振性差。应用：内燃机火花塞；火箭导弹的导流罩；用于制造耐磨零件，如轴承，纺织机上的导纱器等；用于冶炼金属的坩埚；合成纤维喷嘴，和各种切削刀具等（2）碳化硅陶瓷：主要成分：SiC.制备：反应烧结；热压烧结；性能特点：高温强度高，导热性好。耐放射元素辐射；热稳定性、抗蠕变、耐腐蚀性能好；应用：高温结构材料；火箭尾喷管的喷嘴；高温轴承；热交换器，核燃料包封材料。（3）氮化硅陶瓷主要成分：Si3N4制备有两种方法：热压烧结；反应烧结性能特点：硬度高，摩擦系数小，极优异的耐磨材料。蠕变抗力高，热膨胀系数小，抗热振性能最好。化学稳定性好(除氢氟酸外)，优异的绝缘性能。应用：用于耐磨、耐高温、耐腐蚀、且形状复杂、尺寸精度高的陶瓷制品，如高温轴承、燃气轮机转子叶片。热电偶套管、石油化工泵的密封环（动密封）、切削刀具。（4）氮化硼陶瓷：主要成分：BN；晶体结构为六方结构，与石墨相似，称“白石墨”。性能特点：耐热性、导热性好；热稳定好，抗热振性好；核反应堆中吸收热中子的控制棒。第三节复合材料复合材料的定义和分类复合材料的性能特点塑料基复合材料的应用一、复合材料定义：将两种或者两种以上的材料用人工方法合成的多相材料，既保持组成材料的特性又具有组合后的新特性，这种材料称为复合材料。二复合材料的分类1、按照基体来分非金属基复合材料：如树脂基复合材料、橡胶基复合材料、陶瓷基复合材料等金属基复合材料：铝基复合材料、钛基复合材料和铜基复合材料。2、按照增强相的形态来分类纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料三、复合材料的性能1、比强度和比模量高2、抗疲劳和破断安全性能好复合材料的疲劳强度较高;破坏安全性能好3、高温性能优良提高基体材料的使用温度和高温强度和模量4、减振性能好避免构件在工作状态下产生共振；另外复合材料的吸振性能好。四、复合材料中的增强材料1、增强纤维①玻璃纤维②碳纤维③硼纤维④芳纶纤维（Kevler纤维）⑤碳化硅纤维（陶瓷纤维）2、增强颗粒：Al2O3SiCSi3N4WCTiCB4C和石墨等五、常用的复合材料1、塑料基复合材料玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）：性能特点（综合）：高强度、高的冲击韧性、良好的低温性能；低的热膨胀系数、绝缘、绝热性、耐腐蚀，防磁，微波穿透性好，吸水性低。应用：用于制造要求自重轻的受力构件、要求无磁性、绝缘性、耐腐蚀性的零件，如航天和航空工业中的雷达罩、直升飞机的机身，制造轻型船、舰和赛艇等，制造冷却塔，代替不锈钢制造一些容器和管道等。2、金属基复合材料1）纤维增强铝基复合材料（硼纤维增强铝基符合材料）组成：硼纤维＋铝性能特点：高的拉伸模量、高横向模量、高的抗压强度、剪切强度和疲劳强度以及比强度。应用：飞机和航天器的蒙皮、长梁和航空发动机叶片。2)颗粒增强铝基复合材料特点：与纤维增强复合材料相比，颗粒增强金属基复合材料的工艺简单，价格便宜，已在汽车等民用工业中应用。①SiC颗粒增强铝基复合材料：性能优异，用于制造卫星支架等；民用上，已用于汽车的驱动轴、刹车盘、发动机的缸套、活塞和连杆等②弥散强化铝：（烧结铝）制备方法：采用氧化法＋烧结特点：高温强度高，300－500度，强度高于任一种铝合金。应用：飞机结构件，如机翼和机身；高温活塞和发动机的压气机叶轮；大功率柴油机活塞。