金属工艺学课件6

第四章非金属金属材料学习目标重点难点主要内容思考与练习本章小结学习目标了解非金属材料的性能特点与工程应用；非金属材料的选用依据。学习目标熟悉非金属材料的成型方法；熟悉分金属材料在未来社会的应用；重点难点掌握常用非金属材料的应用范围；1122根据工程要求，对金属材料与非金属材料进行正确选用；主要内容第一节高分子材料第二节陶瓷材料第三节复合材料第一节高分子材料一、工程塑料；二、橡胶；高分子材料的概念：是以高分子化合物为主要成分的材料。高分子化合物又称高聚物，分为有机高分子化合物和无机高分子化合物两大类。工程用高分子材料包括工程塑料、合成橡胶和合成纤维等。4.1.1工程塑料（一）塑料的组成和分类；（二）常用塑料的特点和应用；（三）塑料的成形加工。工程塑料的含义：工程塑料是指以合成树脂为主要成分，并加入改善性能的各种添加剂（如增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、填料等），在一定温度与压力下塑制成形的高分子化合物材料。（一）塑料的组成和分类。1．塑料的组成绝大部分塑料以树脂为基础，再加入各种添加剂而形成，称为多组分塑料；部分塑料不加入其他添加剂，直接由树脂形成，称单分组塑料常见的有聚乙烯、聚苯烯和尼龙等。（1）树脂：是指受热时有软化或熔融范围，在软化时受外力作用下有流动倾向的有机高分子化合物，它是组成塑料的最基本成份。（2）添加剂：这是为了改善塑料性能而特意加入的各种物质，包括填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂等。2（1热塑性塑料、热固性塑料两类。热塑性塑料主要由聚合树脂加入少量稳定剂、润滑剂等制成。这类塑料受热软化，冷却后变硬，再次加热又软化，冷却后又硬化成形，可多次重复。常用的热塑性塑料有聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料、聚丙烯塑料、聚苯乙烯、聚酰胺塑料(或称尼龙)、聚甲醛、聚碳酸脂、聚四氟乙烯、ＡＢＳ塑料、聚砜等。热固性塑料大多是以缩聚树脂为基础，加入各种添加剂而成。这类塑料加热时软化，可塑制成形，但固化后的塑料既不溶于溶剂，也不再受热软化，只能塑制一次。常用的热固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料等。（2按塑料的应用范围可分为通用塑料、工程塑料和耐高温塑料。通用塑料：是指产量大、用途广、价格低的一类塑料。主要包括6大品种：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料。工程塑料：是指能在较宽温度范围内和较长使用时间内保持优良性能，能承受机械应力并作为结构材料使用的一类塑料。主要品种有聚乙烯、聚酰胺塑料、聚甲醛、聚碳酸脂、聚四氟乙烯、ＡＢＳ塑料、聚砜、酚醛塑料、环氧塑料等。耐高温塑料：是耐高温、产量小、价格贵，适用于特殊用途的塑料，如聚四氟乙烯、环氧塑料和有机硅塑料等都能在100℃～200℃范围内工作。（二）常用塑料的特点和应用1塑料具有密度小、比强度高(抗拉强度除以密度)、化学稳定性好、电绝缘性好、工艺性能好、减振、耐磨、隔音性能好、自润滑性好等特性。广泛应用于电子工业、交通、航空工业、农业等部门。2．常用塑料的应用（1）热塑性塑料①聚乙烯（PE）；②聚丙烯（PP）；③聚氯乙烯（PVC）、④聚苯乙烯（PS）、⑤ABS塑料、⑥尼龙（PA）、⑦聚碳酸酯（PC）、⑧聚四飞乙烯（PTTE）、⑨有机玻璃（PMMA）（2）热固性塑料①酚醛塑料（PE）、②环氧塑料（EP）、③、氨基塑料、④有机硅塑料（三）塑料的成形加工含义：塑料的成形是将各种形态（粉状、粒状、液态、糊状等）的塑料制成具有一定形状和尺寸的制品的工艺过程。常用的成形方法有注射成形、模压成形、浇铸成形、挤出成形和吹塑成形等。1．注塑成型：也称注射成型，是用专门的注塑机和注塑模进行的一种加工工艺。2．压塑成型：压塑成型也称压制成型，分模压和层压两种方法。3．挤塑成型：也称挤压成型。4．吹塑成型：是用压缩空气把熔融的塑料坯料再吹塑模中“吹”成中空塑料制品的成型方法。5．浇塑成型：又称浇铸成型或浇注成型，是将液态塑料原料陪嫁固化剂或催化剂后浇入铸模，在常温常压或低压加热条件下固化成型，冷却脱模即得制品。4.1.2橡胶含义：橡胶是一种具有极高弹性的高分子材料，是以生胶为基体并加入适量配合剂制成的有机高分子材料。（一）橡胶的组成和分类；（二）橡胶的特点和应用；（一）橡胶的组成和分类1．橡胶的组成橡胶由生胶基体添加配合剂组成，橡胶制品通常还加有增强骨架材料，如各种纤维、金属丝及其编织物。（1）生胶：是指未加配合剂的天然或合成橡胶的总称。（2）配合剂：是为了提高和改善橡胶制品的使用性能和加工工艺性能而加入的物质。橡胶的配合剂大体可分为硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂及着色剂等。（3）骨架材料：为了提高橡胶制品的强度、承载能力和限制变形，同常都加入纤维、金属丝及其编织物作为增强骨架材料。2．橡胶的分类根据生胶来源，橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两类；根据应用范围，橡胶分为通用橡胶和特种橡胶两类。（二）橡胶的特点和应用1．橡胶的特点：橡胶最重要的特点是高弹性，具有良好的耐磨性、绝缘性、隔音性和阻尼特性，以及良好的不透气和不透水性能。橡胶的最大缺点是易老化，即橡胶制品在使用过程中出现变色、发粘、发脆及龟裂等现象，使弹性、强度等发生变化，并影响橡胶制品的性能及使用寿命。2．常用橡胶的应用：（1）通用合成橡胶：①丁苯橡胶（SBR）；②顺丁橡胶（BR）；③氯丁橡胶（CR）（2）特种橡胶：①丁腈橡胶（NBR）；②硅橡胶；③氟橡胶（FRM）第二节陶瓷材料一、陶瓷的性能；二、常用陶瓷材料及其应用；陶瓷材料的含义：陶瓷材料是无机非金属材料的统称，是用天然的或人工合成的粉状化合物，通过成形和高温烧结而制成的多晶体固体材料。它包括陶瓷、瓷器、玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦、水泥、石膏等。4.2.1陶瓷的性能1．力学性能：（1）硬度；陶瓷是工程材料中硬度最高的材料，硬度一般均在1500HV以上。（2）强度：陶瓷具有较高的抗压强度，而抗拉强度很低。抗压强度与抗拉强度之比为10:1。（3）塑性：陶瓷在室温下几乎没有塑性，破坏形式完全是脆性断裂。2．热性能：陶瓷材料熔点高，具有优良的高温强度和高温抗氧化性能，工作温度高于1000℃，但导热性和热膨胀系数低，抗热振性差。3．化学性能：陶瓷的组织结构稳定，高温下也不会氧化，有较强的抗酸、碱、盐和熔融金属腐蚀的能力，具有优异的化学稳定性，几乎不与其他介质相互作用。4．电性能：大多数陶瓷具有良好的电绝缘性。5．加工工艺性：一般陶瓷制品烧成后即直接使用，形状、尺寸均在成型、烧结时固定，不再进行加工。4.2.2常用陶瓷材料及其应用123．过滤陶瓷4．氧化铝陶瓷（刚玉）5．氮化硅陶瓷6．碳化硅陶瓷此外、还有硬度接近金刚石的优良耐磨陶瓷——立方氮化硼陶瓷。1．普通陶瓷（1）材料：普通陶瓷是以天然的硅酸盐矿物，如粘土、长石、石英等原料为主，经过粉碎、成形和烧结制成的产品。（2）应用：普通陶瓷广泛应用于日用、电气、化工、建筑、纺织等领域中。2（1）材料：以人工化合物氧化铝、氟化钙和莫来石（3Al2O3～2SiO2）作主要原料的耐酸陶瓷、不仅有优异的耐酸碱腐蚀性，而且强度、硬度较高，并有良好的耐高温性和抗热振性。（2）应用：主要用作化工反应塔、耐酸砖、板、容器、管道、泵、阀以及风机等制品。3．过滤陶瓷（1）材料：这是以石英、河砂、刚玉砂（碳化硅）等为主原料，加上结合剂和增孔剂成型烧结而成的一种多孔陶瓷。（2）应用：广泛用于气体、液体、尘埃、细菌的过滤和分离器材，如医药液气分离器、高温烟气过滤器、污水处理器。潜水泵呼吸器、饮用水过滤器、电解电磁隔膜等。4．氧化铝陶瓷（刚玉）（1）材料：这是以Al2O3为主要成分的陶瓷，根据含杂质的多少，氧化铝呈红色（如红宝石）或蓝色（如蓝宝石），俗称刚玉。（2）应用：微晶刚玉的硬度极高（仅次于刚玉），很高的电阻率和低的热导率，很好的高温耐火结构材料。5．氮化硅陶瓷（1）材料：这是以氮化硅（Si3N4）为主要原料，经高温、高压的热压烧结或反应烧结而成的一类特种陶瓷。（2）应用：氮化硅陶瓷主要用作高温轴承、热电偶套管、燃气轮机转子叶片、泵和阀的密封环、转子发动机刮片、高硬高速切削刀具等重要耐温耐磨工件6．碳化硅陶瓷（1）材料：碳化硅陶瓷是以碳化硅精粉（SiC）经成型、高温烧结而成的特种陶瓷，具有热稳定性好，高温强度高，高热导率和良好的抗高温蠕变性，良好的耐腐蚀性和耐磨性，是一种优良的高温陶瓷结构材料。（2）应用：碳化硅陶瓷主要用于制作火箭尾喷嘴、金属溶液浇注喉嘴、热电偶套管、热交换器件、炉板、坩埚、炉管、燃气轮机叶片等在高温下工作的重要工件第三节复合材料一、复合材料的组成和分类；二、常用复合材料的性能和应用；4.3.1复合材料的组成和分类（一）复合材料的组成复合材料为一种多相组成物，组成相分为起黏合作用的机体相和其增强作用的增强相两类（二）复合材料的分类1．按基体分：金属基体和非金属基体；2．按增强材料分：颗粒复合材料、层叠复合材料和纤维增强复合材料；3．按性能分：结构复合材料和功能复核材料。4.3.2常用复合材料的性能特点和应用（一）复合材料的性能特点12．复合材料抗疲劳性能和减震性好好；3．复合材料稳定性好和耐热性好；4．安全性好。（二）常用复合材料的应用1．纤维增强复合材料纤维增强复合材料是复合材料中发展最快、应用最广的一类，常用的有碳纤维、硼纤维、玻璃纤维、金属纤维等增强复合材料，如图所示：（1）玻璃纤维增强复合材料含义：以玻璃纤维为增强，以热塑性或热固性塑料为基体材料组成的复合材料，又称玻璃钢。玻璃纤维增强复合材料的强度、弹性模量、耐热性、抗疲劳性和抗蠕变性均较高，特别是热固性玻璃钢，比强度超过铝合金、铜合金，甚至高于合金钢。分类：根据树脂在加热和冷却时所表现的性质不同，玻璃纤维增强树脂基复合材料分为玻璃纤维增强热塑性树脂复合材料和玻璃纤维增强热固性树脂复合材料两种。热塑性玻璃钢主要用于制作轴承、轴承架、齿轮等精密零件，以及制作汽车仪表盘、灯壳，家用电器壳体、风扇叶等。热固性玻璃钢产量大，用途广，用于制作汽车车身，直升机旋翼，轻型船体，石油化工罐、管道、泵、阀门、贮槽等，可制作金属、混凝土等设备内壁的衬里，使这些化工设备在不同介质、温度和压力条件下的工作寿命增加。（2）碳纤维复合材料。这是以碳纤维为增强材料，以树脂、石墨、陶瓷或金属为基体组成的复合材料。碳纤维是高强度、高弹性模量的增强相，通常以人在纤维为原料，在高温下隔绝空气碳化而得。2．层叠增强复合材料含义：层叠复合材料是有两层或多层不同材料，通过粘合剂或中间层材料层叠组合制成的复合材料。常见的复合材料有双层复合材料、夹层复合材料和多层复合材料。（1）双层金属复合材料。这是经两种不同金属板材用胶合或热压、焊接、铸造、喷涂等方法组合而成的复合材料。（2）塑料-金属多层复合材料。这类复合材料的典型是SF型三层复合材料。这是以钢题为基体，烧结多孔铜为中间层，表面层为塑料的一种自润滑复合材料（3）夹层复合材料。这是有两层强而薄的面板架着轻而弱的芯层组合而成的复合材料。3．颗粒增强复合材料这是一种或多种增强颗粒均匀分散在基体中的颗粒增强复合材料，常用的陶瓷增强微粒为AL2O3-ZrO、MgO等氧化物和TiC、WC、SiC等碳化物，金属基体一般为Fe、Co、Mo、Cr、Ni、Ti等，金属陶瓷是优良的刀具材料，具有硬度高、强度高、耐磨损和耐高温，以及热膨胀系数小等优点。本章小结本章主要讲解了高分子材料的基本知识、高分子材料的性能特点、常使用的几种高分子材料及陶瓷材料。着重从结构、性能、分类及应用几个方面详细阐述了典型高分子材料的特点，让学生对非金属材料有了更深的认识。