《工程材料及其成型技术》第5章、非金属材料

第五章非金属材料yu复合材料1.教学要求了解塑料、陶瓷、复合材料的组织性能特点及其应用。2.教学时数2学时塑料橡胶高分子材料粘结剂合成纤维非金属材料陶瓷材料金属-金属复合材料复合材料非金属-非金属复合材料金属-非金属复合材料5.1.高分子材料5.1.1.高聚物的结构1.基本概念(1)单体组成高分子化合物的低分子化合物，是合成高分子的材料。如：低分子乙烯CH2=CH2单体组成聚乙烯(2)链节构成高分子链的基本结构单元.(3)聚合度即，高分子所含链节的数目n.由此，大分子链的分子量M=链节的分子量m与聚合度n的乘积。即M=m×n2、大分子链的几何形态(1)线型结构分子链呈细长条状，通常卷曲成不规则的线团，受拉时可伸展成直线。特点：分子链间没有化学键，易移动，可溶可熔。高聚物的结构示意图（2）支链型结构在高分子主链上带有一些小支链，整个分子链呈树枝状。（3）体型结构大分子链之间通过支链或化学键连接成网状结构。特点：结构稳定，不溶不熔，塑性低，脆性大。高聚物的结构示意图(1)单键的内旋转分子链的主链在保持键长和键角不变的情况下可以任意旋转的现象。(2)大分子链的柔顺性由于内旋转，大分子链形态频繁变化引起大分子不同程度卷曲，伸展的特性。大分子内旋转示意图3.大分子链的构象及柔顺性4.高聚物的聚集态结构聚集态结构大分子链之间的几何排列方式和堆砌状态。性能结晶使分子间作用力增大，因而使高聚物的密度、熔点、耐热性、强度、硬度等性能升高，而依赖分子链运动的有关性能，如弹性，塑韧性下降。高聚物晶区和非晶区示意图根据排列有序度划分:晶态结构聚集态结构无定形结构5.1.2高分子材料的性能1、强度低、比强度高2、粘弹性高聚物在外力作用下，同时发生高弹性变形和粘性流动，其变形与时间有关的现象称为粘弹性。(1)蠕变(2)应力松弛(3)内耗变形速度跟不上应力变化速度，出现应变滞后机械能转化为热能的现象称为内耗3、耐磨减摩4、物理性能绝缘、隔热、导热系数仅为金属的吸音、隔音、消震。低耐热性，高热膨胀性。5、化学性能耐腐蚀。5.1.3.工程塑料1、塑料的组成树脂：40-90%主体、命名的依据填料：改善性能，降低成本，占5—50%，如石棉—耐热，石墨—耐摩增塑剂:增加树脂塑性和柔韧性。例、聚氯乙烯增塑剂不同可制成硬管，软人革，泡沫塑料。其它：固化剂、稳定性、着色剂、阻燃剂、防老化剂等。2、塑料的分类：(1)按热性质可分为A热塑性塑料：常温下是固体、受热熔融、可反复重塑如聚乙烯、聚丙烯、尼龙……B热固性塑料：固化剂成型，不熔不溶如环氧塑料，酚醛塑料等。(2)按功能可分为通用塑料和工程塑料热塑性塑料与热固性塑料类别典型塑料及代号特征热塑性塑料聚氯乙烯（PVC）聚乙烯（PE）聚丙烯（PP）聚酰胺（PA）缩醛塑料（POM）聚碳酸脂（PC）线型高分子树脂，能溶于有机溶剂，加热可软化，易于加工成形，并能反复塑化成形。这类塑料一般机械强度较高，成形性能良好热固性塑料酚醛塑料（PF）氨基塑料（UF）有机硅塑料（SI）环氧树脂（EP）网型高分子树脂，固化后重新加热不再软化和熔融、亦不溶于有机溶剂，不能反复成形与再生使用。这类塑料一般具有较高的耐热性与刚性，但脆性大4.塑料的应用---通用塑料PVC花园管PVC软门帘PE波纹管PVC拉边袋PE食品包装PE药品包装增强聚丙烯离心泵聚丙烯油墨通用塑料与应用聚苯乙烯板尼龙12挤管聚丙烯编织袋工程塑料应用示例制笔业用塑料配件杜邦工程塑料制品聚酰胺应用示例聚酰胺PA应用示例ABS应用示例ABS插座、电器外壳聚碳酸酯PC应用示例汽车仪表板，挡泥板，电动工具，手机外壳，电脑外壳，大型薄壁制件5.3工业橡胶及其应用5.3.1橡胶分类、组成、性能橡胶分类按来源分按用途分橡胶组成橡胶性能天然橡胶（聚异戊二烯）合成橡胶（合成高分子物质）通用（制作轮胎、输送带、胶管、胶板等）特种（用于高温、低温、酸、碱、油和辐射介质条件下生胶配合剂（硫化剂、增塑剂、填充剂、防老化剂等）高的回弹性可挠性、良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性隔音、吸震以及与其它物质的粘结性常用橡胶的代号汽车上的橡胶制品汽车底盘用橡胶件真空助力密封件转向系统橡胶件橡胶占汽车用材料总重量的5%，每辆汽车需橡胶件400-500个。汽车上大量使用的氟橡胶、硅橡胶、丙烯酸酯橡胶等高档橡胶和耐热...轮胎车门窗密封条雨刮器连接软管密封件防振件传动件衬垫类液压制动缸中的皮碗风扇皮带常用橡胶（天然橡胶NR）1、天然橡胶（NR）以橡胶烃（聚异戊二烯）为主。弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳，易与其它材料粘合，综合性能优于多数合成橡胶。缺点是耐氧和耐臭氧性差，容易老化变质；耐油和耐溶剂性不好，抗酸碱的腐蚀能力低，耐热性不高。使用温度范围：约－60℃~＋80℃。特别适用于制造扭振消除器、发动机减震器、机器支座、橡胶－金属悬挂元件、膜片、模压制品。橡胶弹簧丁苯橡胶（SBR）2、丁苯橡胶（SBR）丁二烯和苯乙烯的共聚体。性能接近天然橡胶，是目前产量最大的通用合成橡胶，优点：耐磨性、耐老化和耐热性超过天然橡胶，质地也较天然橡胶均匀。缺点：弹性较低，抗屈挠、抗撕裂性能较差；加工性能差，特别是自粘性差、生胶强度低。使用温度范围：约－50℃~＋100℃。主要用以代替天然橡胶制作轮胎、胶板、胶管、胶鞋及其他通用制品。3、顺丁橡胶（BR）由丁二烯聚合而成的顺式结构橡胶优点：弹性与耐磨性优良，耐老化性好，耐低温性优异，在动态负荷下发热量小，易于金属粘合。缺点：强度较低，抗撕裂性差，加工性能与自粘性差。使用温度范围：约－60℃~＋100℃。一般多和天然橡胶或丁苯橡胶并用，主要制作轮胎胎面、运输带和特殊耐寒制品。由异戊二烯单体聚合而成的顺式结构橡胶。化学组成、立体结构、性能与天然橡胶相似，故有合成天然橡胶之称。具有天然橡胶的大部分优点，耐老化优于天然橡胶，弹性和强力比天然橡胶稍低，加工性能差，成本较高。使用温度范围：约－50℃~＋100℃可代替天然橡胶制作轮胎、胶鞋、胶管、胶带以及其他通用制品。汽车橡胶制件4、异戊橡胶（IR）5、丁晴橡胶（NBR）丁二烯和丙烯晴的共聚体。优点：耐汽油和脂肪烃油类的性能特别好，仅次于聚硫橡胶、丙烯酸酯和氟橡胶，而优于其他通用橡胶。耐热性好，气密性、耐磨及耐水性等均较好，粘结力强。缺点：耐寒及耐臭氧性较差，强力及弹性较低，耐酸性差，电绝缘性不好，耐极性溶剂性能也较差。使用温度范围：约－30℃~＋100℃。主要用于制造各种耐油制品，如胶管、密封制品等。橡胶垫圈6、硅橡胶（Q）主链含有硅、氧原子的特种橡胶，硅元素起主要作用。优点：耐高低温（最低－100℃），目前最好的抗寒耐高温橡胶；电绝缘性优良，对热氧化和臭氧的稳定性很高，化学惰性大。缺点：机械强度较低，耐油、耐溶剂和耐酸碱性差，较难硫化，价格较贵。使用温度：－60℃~＋200℃。用于制作耐高低温制品、耐高温电线电缆绝缘层，由于其无毒无味，还用于食品及医疗工业。各种硅橡胶制品7、氟橡胶（FPM）由含氟单体共聚而成。优点：耐高温达300℃，耐酸碱，耐油性最好，抗辐射；电绝缘性、机械性能、耐化学腐蚀性、耐臭氧、耐大气老化性均优良。缺点：加工性差，耐寒性差，弹性透气性较低，价格昂贵。应用：使用温度范围：－20℃~＋200℃。主要用于制造飞机、火箭上的耐真空、耐高温、耐化学腐蚀的密封材料、胶管或其他零件及汽车工业。氟橡胶圈5.2.1.陶瓷的组织结构陶瓷是由金属和非金属的无机化合物所构成的多晶多相固体材料，是无机非金属材料的总称。其显微组织可归纳为三种相，陶瓷显微组织示图1.晶相陶瓷的主要组成相。由某些固溶体或化合物组成。增大晶相比例和细化晶粒可提高陶瓷强韧性。晶相结构以硅酸盐结构和氧化物结构为主，还有部分C、N、B的化合物.硅酸盐结构示意图（部分）2.玻璃相陶瓷在烧结过程不能成晶体的非晶态物质。性能熔点低，热稳定性差，力学性能低于晶相,应控制在20％——40％范围内。3.气相分布于陶瓷玻璃相中的气孔，约占5～10％。性能各种性能降低，但能提高通气性，减轻重量.通过调整三相比例，可以控制陶瓷的质量和性能。5.2.2陶瓷的性能1、力学性能结合力强，弹性模数E大，硬度高，强度低，脆性大●提高强度途径：（1）细，密，匀，纯；(2）表面强化，如电镀，喷涂（3）复合强化2、理化性能熔点高，高温强度高，如SiC可耐1300℃，耐蚀、绝缘5.3.2工程结构陶瓷1.传统陶瓷成分：石英（SiO2）：耐熔的骨架成分粘土：提供可塑性，保证成型长石：助溶剂2.特种陶瓷（1）氧化铝陶瓷以Al2O3为主晶相，Al2O3含量越高，性能越高强度较高（=250Mpa）、硬度高，耐热、耐蚀应用：发动机的耐热零件，如火花塞、工模具等耐磨件……（2）氮化硅陶瓷以Si3N4为主晶相，“像钢一样强、金刚石一样硬、铝一样轻”●热压烧结Si3N4：Si3N4粉为原料+添加剂高温、高压下烧结成型加工较困难，用于制造形状简单的耐磨耐热零件和刀具●反应烧结Si3N4：Si粉或Si+Si3N4粉压制成型后渗氮处理，直到全部形成氮化硅。易加工，性能优异，用于制造形状复杂且尺寸精度高的耐热、耐蚀、耐磨制品。●Sialon陶瓷——Si3N4+少量Al2O3，据称是强度最高的陶瓷。（3）碳化硅陶瓷以SiC为主晶相。也可分为热压烧结和反应烧结两类。特点：高温强度高，可耐1600-1700℃。应用：高温结构制品（4）氮化硼陶瓷以BN为主晶相，六方结构（石墨结构）俗白石墨，耐热性、导热性、绝缘性、耐蚀性高，硬度稍低，可切削加工。应用：高温绝缘制品，散热材料。（5）金属陶瓷见5.1粉末冶金材料。5.3复合材料复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的多相材料。一、复合材料的分类二、复合材料的组成三、增强复合原则四、复合材料的应用钢丝网骨架塑料（聚乙烯）复合管复合材料分类、特性复合材料由两种或两种以上性质不同的物质组成的多相材料复合材料分类复合材料特性纤维增强复合材料粒子增强复合材料层叠复合材料树脂基复合材料陶瓷基复合材料金属基复合材料1、比强度和比模量高2、破损安全性好3、疲劳强度较高4、高温性能良好5、减振性良好5.3.2.复合材料的组成1、增强材料（强度较高的材料）（1）纤维增强材料玻璃纤维：SiO2为主要原料熔融拉丝制成的纤维。碳纤维：密度1.7—2g/cm3比钢小四倍，比强度比钢大16倍。硼纤维：芳伦纤维：芳香族聚酰胺类纤维。晶须：金属晶须、陶瓷晶须。（2）颗粒增强材料陶瓷颗粒Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC。特殊性能填料：石墨、碳墨、MoS2（耐磨、润滑）银粉、铜粉（导电）Fe2O3磁粉（导磁）2、基体材料（低强度材料）有色金属、树脂、陶瓷5.3.3.增强复合原则1、增强体与基体，应避免降低强度的化学反应；2、增强体与基体的热膨胀系数应基本匹配，Xf＞Xm（f—fiber，纤维；m—matrix，基体）3、增强体与基体的弹性模数应Ef＞Em4、纤维排列方向应与构体受力方向一致。5.3.4.复合材料的应用1、玻璃钢2、纤维增强金属：铝合金+硼纤维；钛合金+碳纤维/硼纤维玻璃钢冷却塔碳纤维增强复合材料玻纤增强聚乙烯产品5.3.4.复合材料的应用3、弥散强化合金：Al2O3等氧化物颗粒+Al，Cu，Ti，Ni等4、金属陶瓷5、纤维增强橡胶如胶管、轮胎、皮带6、塑料—金属多层复合材料夹层复合材料车厢