第一章工程材料(17常用的非金属材料)

第四章非金属材料4.1高分子材料4.2工业陶瓷4.3复合材料4.1高分子材料4.1.1工程塑料4.1.2橡胶4.1.3胶粘剂4.1.1工程塑料1．塑料的组成塑料的主要成分是合成树脂，此外还包括填料或增强材料、增塑剂、固化剂、润滑剂、稳定剂、着色剂、阻燃剂等它是将各种单体通过聚合反应合成的高聚物树脂在一定的温度、压力下可软化并塑造成形，它决定了塑料的基本属性，并起到粘结剂的作用其它添加别是为了弥补或改进塑料的某些性能。例如填料（木粉、碎布、纤维等)主要起增强和改善性能作用，其用量可达20%-50%。2．塑料的特性密度小塑料的相对密度一般只有1.0-2.0，大约为钢的1/6，铝的1/2。这对减轻车辆、飞机、船舶等运输工具的自重意义十分重大耐腐蚀大多数塑料化学稳定性好，对酸、碱和有机溶液都有良好的抗蚀能力。有些还可与陶瓷材料媲美电绝缘性绝大多数塑料具有良好的电绝缘性和较小的介电损耗。因此，是理想的电绝缘材料耐磨和减摩性好大部分塑料摩擦系数低，有自润滑能力，可在湿摩擦和干摩擦条件下有效工作。良好的成形性大部分塑料都可以直接采用注塑或挤压成形工艺，无须切削。所以可提高生产率，降低成本塑料的不足之处是强度、硬度较低，耐热性差，易老化、易蠕变等。3．常用工程塑料根据树脂的热性能，塑料可分为热塑性塑料热固性塑料（1）热塑性塑料热塑性塑料受热时软化，冷却后变硬，再受热时又软化。具有可塑性和重复性。其树脂结构为线型或支链型结构。常用的塑料有聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚四氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等1）聚烯烃聚烯烃塑料主要有聚乙烯和聚丙烯等两种，无毒、无味。聚乙烯（PE）按生产工艺不同，分为高压、中压、低压三种。其中高压、低压聚乙烯应用较多。高压聚乙烯的短链分枝多，密度、分子量较小，结晶度较低。所以质地较柔软，常用于制造薄膜、软管等。低压聚乙烯则分子量、密度较大、结晶度较高，因此比较刚硬、耐磨、耐蚀，绝缘性较好常用来制造塑料管、板和绳以及载荷不高的齿轮、轴等聚丙烯（PP）相村密度小（0.9~0.92），其强度、刚度和刚性优于聚乙烯具有良好的耐蚀性、绝缘件、耐热性（加热到150℃不变形）和耐曲折性（可弯折100万次以上）可用作各种机械零件、医疗器械、生活用具，如齿轮、法兰、叶片、壳体、包装带等2）聚氯乙烯（PVC）聚氯乙烯按其加入增塑剂量的大小，可分为硬质和软质两种增塑剂量少的硬质聚氯乙烯强度、硬度较高，耐蚀、耐油和耐水性好。常用于制造塑料管、塑料板。此外，聚氯乙烯板材及管材易于热成形、热接以及切削加工，故用途广泛软质聚氯乙烯强度、硬度低，耐蚀性较差、易老化可制造薄膜、软管、低压电线的绝缘层等此外，在聚氯乙烯中加入发泡剂可制成泡沫塑料。常用作垫衬、包装袋等3）聚苯乙烯（PS）聚苯乙烯密度小，无色、透明，透光率仅次于有机玻璃，着色性好、吸水性极微而且具有良好的耐蚀性和绝缘性，高频绝缘性尤佳但其冲击韧性低，耐热性差、易燃且易脆裂常用来制造仪表零件、设备外壳，日用装饰品等。聚苯乙烯泡沫塑料因相对密度只有0.033，是隔音、包装、救生等器材的极好材料4）ABS塑料ABS塑料是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）的三元共聚物，它具有三种组元的特性丙烯腈使ABS具有良好的耐热、耐蚀性和—定的表面硬度丁二烯能提高ABS的弹性和韧性苯乙烯赋于ABS较高的刚性，良好的加工工艺性和着色性。ABS具有较高的综合性能。此外，ABS的性能还可以根据要求由改变其组成单体的含量来进行调整。目前，有三百多种不同性能的ABS，热变形温度从60~120℃不等。有些ABS能耐低温，在-40℃仍有很高的冲击韧性，还具有好的电绝缘性、尺寸稳定性、吸水性低、表面光滑、硬度高等特性ABS的用途极广，在机械工业中可制造轴承、齿轮、叶片、叶轮、设备外壳、管道、容器、把手等，电气工业中仪器、仪表的各种零件等近年来在交通运输车辆、飞机零件上的应用发展很快，如车身、方向盘、内衬材料等5）聚酰胺（PA）它在商业上又称为尼龙或锦纶，是由二元胺与二元酸缩聚而成，或由氨基酸脱水成内酰胺再聚合而得。由于含有极性基团的尼龙大分子链间易于形成氢键，故分子间作用力大、结晶度较高尼龙具有较高的强度和韧性，突出的耐磨性和自润滑性以及良好的成形工艺性。此外，耐蚀性也较好，抗霉、抗菌、无毒但尼龙具有较大的吸水性，尺寸稳造性差，耐热性不高，蠕变值较大尼龙品种较多，它是根据胺与酸中的碳原子数或氢基酸中的碳原子数来命名的。如尼龙6是含6个碳原子的己内酰胺自身聚合而得。而尼龙610则由6个碳原子的己二胺和含10个碳原子的癸二酸缩合而成尼龙被广泛用作各种机器零件，如轴承、齿轮、轴套、螺帽、垫圈等6）聚甲醛（NM）聚甲醛是一种没有侧链、密度大、结晶度高的工程塑料。按聚合方法有均聚甲醛和共聚甲醛两种聚甲醛具有优异的综合性能。抗拉强度在70MPa左右，并有较高的冲击韧性、耐疲劳性和刚性。还具有良好的耐磨性和自润滑性，摩擦系数低而稳定，在干摩擦条件下尤为突出。使用温度为-50~110℃，吸水性小，尺寸稳定，但聚甲醛成形时收缩率较大，热稳定性较差。聚甲醛已广泛用来制造齿轮、轴承、凸轮、制动闸瓦、阀门、仪表外壳、化工容器、叶片、运输带等7）聚碳酸酯（PL）聚碳酸酯是60年代初发展起来的一种工程塑料。它的透明度为86%~92%，有“透明金属”之称。聚碳酸酯大分子链中既有刚性的苯环，又有柔顺的醚链，因此，它具有良好的综合性能。其抗拉强度达66—70MPa，耐冲击特别突出，比尼龙和聚甲醛高10倍左右，是刚而韧的工程塑料。抗蠕变性能好，尺寸稳定，使用温度宽，可以长期在-60~130℃间使用。此外，还具有良好的耐气候性和电性能，在10~130℃之间介电常数和介电损耗几乎不变自润滑性差，耐磨性不如尼龙和聚甲醛，疲劳抗力较低，有应力开裂倾向聚碳酸酯常用于制造各种机器、电器及仪表零件，如齿轮、蜗轮、轴承、凸轮、螺校、外壳、护罩等。又由于透明度高，耐冲击性好，可用作防盗、防弹窗玻璃、安全帽、驾驶室挡风等8）聚四氟乙烯（F-4）其突出的优点是在很宽的温度范围内性能相当稳定，可长期在-180~240℃之间使用，耐热性和耐寒性极好它具有极高耐蚀性，任何强酸、强碱、强氧化剂对它都不起作用，素有“塑料王”之称。它的摩擦系数极低，只有0.02~0.04，是极为优良的减磨、自润滑材料。吸水性极小，绝缘性能优良，是目前介电常数和介电损耗最小的固体材料，且不受频率和温度的影响但它强度较低，冷流性强，结晶熔点高，加工成形困难聚四氟乙烯常用做化工设备的管道、泵、阀门，各种机械的密封垫圈、活塞环、轴承及医疗手术的代用血管、人工心、肺等9）聚甲基丙烯酸甲酷（PMMA）聚甲基丙烯酸甲酯俗称有机玻璃，是由加增塑剂或不加增塑剂的聚甲基丙烯酸甲酯挤压成型的板、棒、管材半成品塑料，分为透明、半透明、不透明或有色素、无色等品种有机玻璃的强度、韧性与硬质聚氯乙烯差不多，透光率可达92%，透明度比无机玻璃还好，可耐稀酸、碱。不易老化，但表面硬度低，易擦伤、较脆有机玻璃主要用于制造要求一定透明度和强度的零件，如油标、窥镜、透明管道和仪器、仪表零件等（2）热固性塑料热固性塑料加热固化后将不再软化，形成不溶、不熔物。其结构为网状结构。常用的有酚醛塑料、环氧塑料等1）酚醛塑料（PF）由酚类和醛类经缩聚反应而制成的树脂称为酚醛树脂。根据不同性能要求加入各种填料便制成各种酚醛塑料。常用的酚醛树脂是由苯酚和甲醛为原料制成的，简称PF其性质可根据制备工艺的不同，分热塑性和热固性两类以木粉为填料制成酚醛压缩粉，俗称胶木粉，是常用的热固性塑料。经压制而成的电器开关、插座、灯头等，不仅绝缘性好，而且有较好的耐热性，较高的硬度、刚性和一定的强度以纸片、棉布、玻璃布等为填料制成的层压酚醛塑料，具有强度、耐冲击性好以及优良的耐磨性等特点，常用以制造受力要求较高的机械零件，如齿轮、轴承、汽车刹车片等2）氨基塑料（UF）是以氨基化合物（如尿素或三聚氯胺）与甲醛经缩聚反应制成氨基树脂，然后加入添加剂而制成氨基塑料。氨基塑料中最常用的是脲醛塑料用脲醛塑料压塑粉压制的各种制品，有较高的表面硬度，颜色鲜艳，且有光泽，又有良好的绝缘性，俗称“电玉”。常见的制品有仪表外壳、电话机外壳、开关、插座等3）环氧塑料（EP）环氧塑料是由环氧树脂加入固化剂（胺类和酸酐类）后形成的热固性塑料它强度较高，韧性较好，并具有良好的化学稳定性、绝缘性以及耐热、耐寒性，长期使用温度为-80~150℃，成形工艺性好。可制作塑料模具、船体、电子工业零部件环氧树脂对各种工程材料都有突出的粘附力，是极其优良的粘接剂。目前，广泛用于各种结构粘接剂和制备各种复合材料，如玻璃钢等。4.1.2橡胶1．工业橡胶的组成工业橡胶的主要成分是生胶生胶基本上是线型非晶态高聚物，其结构特点是由许多能自由旋转的链段构成柔顺性很大的大分子长链，通常呈卷曲线团状。当受外力时，分子便沿外力方向被拉直，产生变形，外力去除后又恢复到卷曲状态，变形消失生胶具有很高的弹性。但生胶分子链间相互作用力很弱，强度低，易产生永久变形。此外，生胶的稳定性差，如会发粘、变硬、溶于某些溶剂等。为此，工业橡胶中还必须加入各种配合剂橡胶的配合剂主要有硫化剂、填充剂、软化剂、防老化剂及发泡剂等。硫化剂的作用是使生胶分子在硫化处理中产生适度交联而形成网状络构，从而大大提高橡胶的强度、耐磨性和刚性，并使其性能在很宽的湿度范围内具有较高的稳定性2．橡胶的性能特点（1）高弹性能1）高弹态受外力作用而发生的变形是可逆弹性变形，外力去除后，只需要千分之一秒便可恢复到原来的状态。高弹变形时，弹性模量低，只有1MPa。高弹变形时，变形量大，可达100%-1000%。2）回弹性能橡胶具有良好的回弹性能。如天然橡胶的回弹高度可达70%~80%。（2）强度经硫化处理和炭黑增强后，其抗拉强度达25~35MPa，并具有良好的耐磨性3．常用橡胶材料根据原材料的来源可分为天然橡胶和合成橡胶。按应用范围又可分为通用橡胶和特种橡胶（1）天然橡胶天然橡胶是橡胶树上流出的胶乳，经过加工制成的固态生胶。它的成分是异戊二烯高分子化合物。天然橡胶具有很好的弹性，但强度、硬度并不高。为了提高其强度并使其硬化，要进行硫化处理。经处理后抗拉强度约为17~29MPa，用炭黑增强后可达35MPa天然橡胶是优良的电绝缘体，并有较好的耐碱性。但耐油、耐溶剂性和耐臭氧老化性差，不耐高温，使用温度-70~110℃，广泛用于做轮胎、胶带、胶管等（2）合成橡胶1）丁苯橡胶（SBR）丁苯橡胶是应用最广、产量最大的一种合成橡胶。它以丁二烯和苯乙烯为单体形成的共聚物。丁苯橡胶的性能主要受苯乙烯含量的影响，随苯乙烯含量的增加，橡胶的耐磨性、硬度增大而弹性下降丁苯橡胶比天然橡胶质地均匀，耐磨、耐热、耐老化性能好。但加工成型困难，硫化速度慢。这种橡胶广泛用于制造轮胎、胶布、胶板等2）顺丁橡胶（BR）顺丁橡胶是丁二烯的聚合物。其原料易得，发展很快，产量仅次于丁苯橡胶顺丁橡胶的特点是具有较高的耐磨性，比丁苯橡胶高26%，它可制造轮胎、三角胶带、减震器、橡胶弹簧、电绝缘制品等（3）特种合成橡胶1）丁腈橡胶（NBR）丁腈橡胶是丁二烯和丙烯腈的共聚物。丙烯腈的含量一般在15%~50%之间，过高会失去弹性，过低则不耐油丁腈橡胶具有良好的耐油性及对有机溶液的耐蚀性，有时也称为耐油橡胶。此外，还有较好的耐热、耐磨和耐老化性等。但其耐寒性和电绝缘性较差，加工性能也不好它主要用于制造耐油制品，如输油管、耐油耐热密封圈、贮油箱等。2）硅橡胶硅橡胶的分子结构中是以硅原子和氧原子构成主链。这种链是柔性链。极易于内旋转，因而硅橡胶在低温下也具有良好的弹性。此外，硅氧键的键能较高，这就使硅橡胶有很高的热稳定性硅橡胶品种很多，目前用量最大的是甲基乙烯基硅橡胶。其加工性能好，硫化速度快，能与其他橡胶并用，使