10常用非金属材料的使用

1本章主要知识：第十章常用非金属材料复合材料陶瓷材料高分子材料210.1高分子材料高分子材料按性能和用途分为：塑料：在常温下有一定形状，强度较高，受力后能发生一定变形的聚合物。按塑料热性能又分为热塑性和热固性塑料。橡胶：在常温下具有很高弹性，即受到很小载荷即可发生很大变形甚至达原长的十余倍，而去除外力后又可恢复原状的聚合物。纤维：在室温下材料的轴向强度很大，受力后变形很小，且在一定温度范围内力学性能变化不大的聚合物。3塑料、橡胶和纤维这三大合成材料之间其实也没有严格的界限，有时同一种高分子化合物可用不同的方法加工成不同种类的产品。如典型的聚氯乙烯塑料也可抽丝成为纤维（氯纶）。我们还常常将聚合后未加工成型的聚合物为树脂，以区分加工后的塑料或纤维制品，如电木未固化前称为酚醛树脂，涤纶纤维未抽丝前称为涤纶树脂。除上述三类外，胶粘剂、涂料等都是以树脂形式不加工而直接使用的高分子化合物。4一、塑料塑料按应用范围分为三类：1.通用塑料主要用于日常生活用品的塑料。其产量大，成本低，用途广，占塑料总产量的3/4以上。大部分原料来源于石油天然气，原料丰富。(1)聚乙烯（PE）：聚乙烯产品相对密度小（0.91~0.97），耐低温、耐蚀、电绝缘性好。高压聚乙烯质软，主要用于制造薄膜；低压聚乙烯质硬，可用于制造一些零件。聚乙烯产品缺点是：强度、刚度、硬度低；蠕变大，耐热性差，且容易老化。5(2)聚氯乙烯（PVC）：是最早使用的塑料产品之一，应用十分广泛。PVC使用温度一般在(15~55)℃。可将其制成硬质品（板、管）和软质品（薄膜、日用品）其突出的优点是耐化学腐蚀，不燃烧且成本低，易于加工；但其耐热性差，抗冲击强度低，还有一定的毒性。当然若用共聚和混合法改进，也可制成用于食品和药品包装的无毒聚氯乙烯产品。该类塑料的产量仅次于PE和PVC。PS具有良好的加工性能；其薄膜有优良的电绝缘性，常用于电器零件；其发泡材料相对密度低达0.33，是良好的隔音、隔热和防震材料，广泛用于仪器包装和隔热。其中还可加入各种颜色的填料制成色彩鲜艳的制品，用于制造玩具及日常用品。聚苯乙烯的最大缺点是脆性大、耐热性差。(3)聚苯乙烯（PS）：6(4)聚丙烯（PP）：聚丙烯相对密度小（0.9~0.91），是塑料中最轻的。其力学性能如强度、刚度、硬度、弹性模量等都优于低压聚乙烯（PE）；具有好的综合机械性能，故常用来制各种机械零件、化工管道、容器；其无毒及可消毒性，可用于药品的包装。它具有优良的耐热性，在无外力作用时，加热至150℃不变形，因此它是常用塑料中唯一能经受高温消毒的产品；还有优秀的电绝缘性。其主要的缺点是：粘合性、染色性和印刷性差；低温易脆化、易燃，且在光热作用下易变质。(5)酚醛塑料：(6)氨基塑料：72.工程塑料可用作工程结构或机械零件的一类塑料，它们一般有较好的、稳定的机械性能，耐热耐蚀性较好，且尺寸稳定性好。如ABS、尼龙、聚甲醛等。是目前大力发展的塑料品种。(1)聚酰胺(PA)：聚酰胺的商品名称是尼龙或绵纶，是目前机械工业中应用比较广泛的一种工程热塑性塑料。聚酰胺的机械强度高，耐磨，自润滑性好，而且耐油耐蚀消音减震，已大量用于制造小型零件，代替有色金属及其合金；芳香尼龙具有良好的耐磨耐热耐辐射性和电绝缘性，在95%相对湿度下不受影响，而且可在200℃长期工作使用，可用于制造高温下工作的耐磨零件，H级绝缘材料及宇宙服等。大多数尼龙易吸水，导致性能和尺寸的改变，这在使用时应予以注意。8(2)聚甲醛(POM)PC是一种新型热塑性塑料，品种较多。工程上用的是芳香族聚碳酸酯，产量仅次于尼龙。PC的化学稳定性很好，能抵抗日光雨水和气温变化的影响；它透明度高，成型收缩小，因此制件尺寸精度高。广泛用于机械、仪表、电讯、交通、航空、照明和医疗机械等工业。如波音747飞机上有2500个零件要用到聚碳酸酯。POM是没有侧链，高密度、高结晶性的线型聚合物，性能比尼龙好，其按分子链结构特点又分为均聚甲醛和共聚甲醛。聚甲醛性能较好，但热稳定性和耐热性差、大气中易老化、遇火燃烧。但目前仍广泛用于汽车、机床、化工、仪表等工业中。（3）聚碳酸酯（PC）9（4）ABS塑料ABS塑料是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种组元共聚而成，三组元单体可以任意比例混合。由于ABS为三元共聚物，丙烯腈使材料耐蚀性和硬度提高，丁二烯提高其柔顺性，而苯乙烯则使具有良好的热塑性加工性，因此ABS是“坚韧、质硬且刚性”的材料，是最早被人类认识和使用的“高分子合金”。ABS由于其低的成本和良好的综合性能，且易于加工成型和电镀防护，因此在机械，电器和汽车等工业有着广泛的应用。10聚四氟乙烯是含氟塑料的一种，具有极好的耐高低温性和耐磨蚀等性能。PTFE几乎不受任何化学药品的腐蚀，即使在高温下在强酸强碱及强氧化环境中也都稳定，故有“塑料王”之称；其熔点为327℃，能在(-195~+250)℃范围内保持性能的长期稳定性；其摩擦系数小，只有0.04，具有极好的自润滑；且具有憎水憎油和不粘性；在极潮湿的环境中也保持良好的电绝缘性。但其强度硬度较低，冷流性大，加工成型性较差，只能用冷压烧结方法成型。在高于390℃时分解出剧毒气体，应予注意。PTFE的优良性能使其在电子，国防，涂料等领域的应用日益广泛。（5）聚四氟乙烯（PTFE)11有机玻璃的化学名称为：聚甲基丙烯酸甲酯，是目前最好的透明有机物，透光率达92%，超过了普通玻璃；且其力学性能好σb可达(60~70)MPa，冲击韧性比普通玻璃高(7~8)倍（厚度为3~6mm时），不易破碎，耐紫外线和防老化性能好，同时密度低（1.18）易于加工成型。但其硬度低，耐磨擦性，耐有机溶剂腐蚀性，耐热性，导热性差，使用温度不能超过180℃。主要用于制造各种窗体，罩及光学镜片和防弹玻璃等零部件。（6）有机玻璃（PMMA)3.特种塑料：具有某些特殊的物理化学性能的塑料如耐高温，耐蚀等性能塑料。其产量少，成本高，只用于特殊场合。如医用塑料等。12二、橡胶三、纤维四、胶粘剂五、涂料1310.2陶瓷材料一、陶瓷的分类1、按化学成分分类：(1)氧化物陶瓷，如Al2O3；(2)碳化物陶瓷，如SiC；(3)氮化物陶瓷：包括Si3N4；(4)其他化合物陶瓷。2、按性能和用途分类：(1)结构陶瓷：用于制造结构零部件，要求有更好的力学性能；(2)功能陶瓷：具有优异的物理和化学性能，用以制作功能器件。14二、陶瓷的性能特点原子结合：主要是离子键和共价键；性能特点：强度高、硬度大、熔点高、化学稳定性好、线膨胀系数小，且多为绝缘体；塑性、韧性和可加工性较差。1、机械性能(1)强度：抗压强度比抗拉强度高得多，比值为10：1左右，高温强度比金属高得多；高温度时，强度有一定程度的下降，但其塑性韧性却大大提高，加之陶瓷材料优异抗氧化性，其可能成为未来高速高温燃气发动机的主要结构材料。(2)硬度：高硬度、高耐磨性。15陶瓷增韧：•增加致密度；•相变增韧（体积效应和形状效应）；•纤维增韧。2、陶瓷材料的其它性能简介(1)热性能：熔点高、很好的高温强度和抗氧化性、但抗热震性能差。(2)电性能：好的绝缘材料；但由于杂质，某些组元等一系列成分因素的作用及一些环境因素的影响，有些陶瓷可以作半导体或压电材料，或热电材料或环境敏感材料等。(3)特殊性能：陶瓷薄膜具有独特的光、电、磁等物理化学性能。可作功能材料。16三、常用工业陶瓷及其应用1、普通陶瓷(1)是用天然原料制成的粘土类陶瓷，它是以粘土、长石和石英经配料，成型烧结而成。(2)特点：质硬，不导电，易于加工成型；但其内部含有较多玻璃相，高温下易软化，耐高温及绝缘性不及特种陶瓷。(3)应用：因其成本低，产量大，广泛用于工作温度低于200℃的酸碱介质、容器、反应塔、管道、供电系统的绝缘子和纺织机械中导纱零件等。17成分：Al2O3+少量的SiO2例、75瓷（含75%Al2O3）、95瓷（含95%Al2O3）和99瓷（含99%Al2O3），Al2O3含量越高玻璃相含量越少，气孔越少，其性能也越好，但此时工艺变得复杂，成本升高。性能：耐高温性好，在氧化性气氛中，可用到1950℃，且耐蚀性好；高硬度及高温强度(760℃时HRA87，1200℃时HRA80)；很好的绝缘性能。“缺点”是脆性大，不能承受冲击载荷，抗热震性差，不适合用于有温度急变场合。应用：高温器皿；高速切削及难切削材料加工的刃具；耐磨轴承、模具及活塞、化工用泵和阀门；内燃机火花塞。2、特种陶瓷(1)氧化铝陶瓷18（2）其他氧化物陶瓷MgO陶瓷：是典型的碱性耐火材料，用于冶炼高纯度铁及其合金、铜、铝、镁以及熔化高纯铀、钍及其合金。BeO陶瓷：性能：在还原性气中特别稳定，其导热性极好（与铝相近），故抗热冲击性能好；但氧化铍粉末及蒸气有剧毒应用：高频电炉“坩埚”、高温绝缘子、激光管、晶体管散热片、集成电路基片等。ZrO2陶瓷：性能：高强且耐热性好，导热率高；室温下是绝缘体，但在1000℃以上变为导体。应用：用于离子导电材料（电极），传感及敏感元件及1800℃以上的高温发热体，还可用于熔炼Pt、Pd、Rh等合金的坩埚。19（3）非氧化物工程陶瓷氮化硅（Si3N4）陶瓷：——是目前强度最高的陶瓷，并具有优异的化学稳定性、热稳定性和耐磨性。性能：稳定性极好，除氢氟酸外能耐各种酸碱腐蚀，可抵抗熔融有色金属的侵蚀；氮化硅硬度很高，摩擦系数小（只有0.1~0.2，相当于加油的金属表面），耐磨性减摩性好（自润滑性好）；很好的抗热震性。应用：耐磨材料；耐腐蚀的零件（密封环，高温轴承）；燃气轮机叶片；冶金容器；精加工刀具。碳化硅（SiC）陶瓷性能：最大特点是高温强度高，在1400℃时抗弯强度仍达(500~600)MPa；且其导热性好，仅次于BeO陶瓷，热稳定性耐蚀性耐磨性也很好。应用：主要可用于制作火箭尾喷管的喷嘴、炉管、热电偶套管，以及高温轴承、高温热交换器、密封圈和核燃料的包封材料等。20氮化硼陶瓷：六方氮化硼：性能：与石墨结构、性能相似，故又称“白石墨”，具有良好的耐热导热性，是理想的散热和高温绝缘材料；化学稳定性好，具有极好的自润滑性，其硬度较低，可进行机械加工，作成各种结构的零件。应用：一般用作熔炼半导体材料坩埚和高温容器，半导体散热绝缘件，高温润滑轴承和玻璃成型模具等。立方氮化硼为立方结构，结构紧密，其硬度与金刚石接近，是优良的耐磨材料，常用于制作刀具。2110.3复合材料复合材料：是由两种或两种以上化学本质不同的物质通过人工合成的材料。其结构为多相，一类组成（或相）为基体，起粘结作用，另一类为增强相。它是一种多相材料，其某些性能比各组成相的性能都好。一、分类按结构分：金属基复合材料、高分子基复合材料、陶瓷基复合材料。按性能分：功能复合材料、结构复合材料。按增强相分：颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料（玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等）、层状增强复合材料。22二、特点1.比强度和比模量大:例如：碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的7倍，比弹性模量比钢大3倍。2．耐疲劳性能比较高:例如：碳纤维—聚酯树脂复合材料的疲劳极限是抗拉强度的70％－80％，而金属材料的疲劳极限只有抗拉强度的40％－50％。3．减震性能好:4.耐高温性能好；高温强度和弹性模量均较高；例如、LC4铝合金，在400℃时，弹性模量接近于零，抗拉强度值也从室温时的500MPa降至30—50MPa。而碳纤维或硼纤维增强组成的复合材料，在400℃时，强度和弹性模量可保持接近室温下的水平。235．断裂安全性好:断裂时应力迅速重新分布，载荷由未断裂的纤维承担起来。6．其它性能特点:还具有良好的化学稳定性、隔热性、烧蚀性以及特殊的电、光、磁等性能。7．主要问题:断裂伸长小，抗冲击性能尚不够理想，生产工艺方法中手工操作多，难以自动化生产，间断式生产周期长，效率低，加工出的产品质量不够稳定等；成本比其它工程材料高得多。24三、应用颗粒增强复合材料：主要应用于高硬度高耐磨的工具和耐磨零件。弥散强化复合材料：主要应用在原子能工业等部门，是高频电子仪器（如大功率行波管）中必不可少的