第九章 陶瓷材料--高分子材料

第九章陶瓷材料9.1概述陶瓷材料水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料等使用自然原料，纯度低耐磨陶瓷、介电陶瓷、压电陶瓷、高温陶瓷等功能陶瓷材料人工合成材料，纯度高传统陶瓷：即硅酸盐材料。主要由SiO2,Al2O3,Fe2O3,CaO,MgO,K2O等氧化物组成。又称普通陶瓷特种陶瓷：由氧化物、碳化物、氮化物等无机非金属化合物组成。又称现代陶瓷普通陶瓷分类类别主要种类用途中餐具（盘、碗、碟、羹、壶、杯等）餐具西餐具（碗、盘、碟、糖缸、奶盅、壶、杯等）茶具、咖啡具茶盘、水果盘、点心盘、杯、壶、碟等酒具酒壶、酒杯、杯托、托盘文具笔筒、笔洗、水盂、EP色盒、笔架日用陶瓷陈设瓷（美术瓷）花瓶、灯具、雕塑瓶、薄胎碗等建筑陶瓷玻化砖（渗花或非渗花）、彩釉砖、锦砖（马赛克）、内墙砖、外墙砖、腰线砖、广场砖、劈裂砖、园林陶瓷等建筑卫生陶瓷卫生瓷砖洗面器、大便器、小便器、洗涤器、水箱、水槽、存水弯、肥皂盒、手纸盒、淋浴盒低压电瓷用于1kV以下的电瓷高压电瓷用于1kV以上的电瓷、如普通高压瓷、铝质高强度瓷电瓷超高压电瓷用于500kV以上的电瓷耐酸砖耐酸砖、耐酸耐温砖耐酸容器储酸缸、酸洗槽、电解槽、耐酸塔等耐酸机械（部件）耐酸离心泵、风机、球磨机等化工瓷化学瓷瓷坩埚、蒸发皿、研钵、漏斗、过滤板、燃烧舟等特种陶瓷分类•氧化物陶瓷：玻璃、一些结构陶瓷•碳化物陶瓷：SiC，WC，B4C，TiC•氮化物陶瓷：Si3N4,TiN,BN,AlN,C3N4•其他化合物陶瓷•结构陶瓷：力学性能好，用于制造结构零部件。Al2O3,Si3N4,ZrO2•功能陶瓷：声、光、电、热、磁、化学等特殊功能陶瓷（例，表9-1）。化学成分功能用途9.2陶瓷材料制作工艺•陶瓷制作工艺的特点：粉末冶金法（块体）材料制备与产品制造工艺一体化减薄或沉积法（陶瓷薄膜）9.2.1体相陶瓷制备过程：粉体制备坯料成形（素坯）烧结常压烧结或无压烧结热压烧结热等静压烧结可塑法注浆法压制法：干压及冷等静压机械研磨粉碎化学制粉9.2.2陶瓷薄膜制作方法利用陶瓷薄膜的功能性和防护性液相法，湿法沉积阳极氧化，化学氧化电泳沉积，电沉积溶胶-凝胶气相沉积法：PVD、CVD等固相反应：热喷涂、浆料上釉9.3陶瓷材料的性能特点9.3.1陶瓷材料的机械性能弹性模量大，刚性好强度高：压/拉=10/1，比铸铁(3/1)高硬度高：用于工具,耐磨件脆性与陶瓷增韧脆性大，常温无塑变增韧：致密化、相变法、复合增韧法9.3.2其他通用性能特点耐热性好,导热性差,热膨胀小一般为绝缘体或半导体问题：说明陶瓷力学性能特点的结构本质？9.4.1普通陶瓷：用天然原料制成的粘土类陶瓷原料：粘土、长石、石英质硬、不导电、易加工、高温易软化耐普通酸碱腐蚀主要用作工作温度低于200的酸碱介质、容器、管道、反应塔等9.4常用工业陶瓷及其应用9.4.2特种陶瓷1.氧化铝陶瓷成份：Al2O3+少量SiO2分类：75，95，99高温强度及硬度抗氧化，耐酸碱腐蚀脆性大，抗热振性差2.其他氧化物陶瓷BeO、ZrO2、MgO有各自独特的功能性3.非氧化物陶瓷SiC,Si3N4BN……第十章高分子材料•以高分子化合物为主要成分的材料。分子量在1000以上，高可达几十万。10.1概述生物大分子包括蛋白质、DNA、生物纤维等工程聚合物，主要有人工合成和天然材料，主要包括塑料、纤维和橡胶等10.1.1高分子化合物的组成•组成元素：主要由C、H、O、N、Si、S、P、B等少数元素组成•材料的高分子单元又有一种或几种简单的结构单元通过共价键连接并重复形成CH2－CH－CH2－CH－CH2－CH－CH2－CHCH3CH3CH3CH3－CH2－CH－CH3链接单元CH2=CHCH3单体•人工合成高聚物：加聚方法及缩聚方法加聚物由有机单体通过加成反应获得，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等,链接结构与单体相同。命名为“聚……”缩聚物由多于两种具有特殊官能团的有机小分子反应生成，同时又低分子副产物（如氨、水等）生成，链接结构与单体不同。命名“……树脂），如酚醛树脂等10.2高分子材料的分类及命名10.2.1高分子材料的分类1.性能用途热塑性塑料热固性塑料常温下一定形状,强度高,有一定变形能力常温具有很高弹性轴向强度很大，变形小，一定温度下力学性能变化不大塑料橡胶纤维注意：上述分类没有严格界限，有时同一种高分子化合物用不同的加工方法制成不同的材料聚氯乙烯块体塑料抽丝成氯纶纤维苯酚甲醛聚合物酚醛树脂酚醛塑料(电木)加聚物缩聚物热塑性聚合物热固性聚合物加热软化，冷却硬化固化成形，加热不软化2.反应类型3.热行为4.主链成分主链只有碳元素除碳外，还有O,N,S,P等碳链聚合物杂链聚合物元素有机聚合物主链不含碳10.2.1高分子材料的命名：高分子材料的命名一般采取习惯命名法或商业命名法聚乙烯环氧树脂尼龙6(聚己内酰胺)晴纶(聚丙烯氰)10.3高分子材料的结构及性能特点•高分子材料的结构特征1．线型结构：由许多链节组成的呈卷曲状的长链，受拉时可以伸展成直线，是热塑性聚合物的典型结构。这类高聚物的特点是弹塑性好，具有可溶、可熔性，可反复加工使用。2．支链型结构：在主链上带有一些或长或短的支链，整个分子呈枝状。虽然这类高聚物也具有可溶可熔性，但由于分子不易整齐排列，分子间作用力较弱，对其性能有一定的影响。支链较少时，这类高聚物的性能接近线型分子链高聚物。3．网状（体型）结构：分子链之间有许多链节互相横向交联，构成一个非常稳定的空间网络。该结构是热固性高分子的典型结构，具有硬度高、脆性大、无弹性和不能反复使用的特点。10.3.1高分子材料的力学状态及性能特点1.线性非晶高聚物状态玻璃态：分子热运动能力弱，分子链及材料处于刚性状态。外力作用下有一定弹性变形能力高弹态（橡胶态）：分子运动能力增加，分子链可以旋转运动。高聚物能产生达100~1000%的弹性变形。但弹性变形有滞后效应。粘流态：在一定温度以上，聚合物变成粘稠状液体状态。是热塑性高分子材料的加工温度区。也称树脂态。玻璃化温度，脆化温度橡胶态及橡胶2.线性晶态高聚物力学状态有固定熔点(Tm)TTm，晶区熔融，为粘流态TTm，晶区为刚性硬结晶态高分子材料只能有部分结晶TgTTm，非晶区为高弹态（柔顺性），晶区为刚性。这称为皮革态3.体型高分子材料力学状态高聚物大分子链为网状结构，交连密度决定其性能交连密度小，分子柔性好，材料性能随温度仍具有明显的三态演化。如轻度硫化的橡胶交连密度大，柔性减小，弹性变形小并失去高弹态交连密度很大，Tg=Tf,材料分解前只有玻璃态。如热固性塑料4.高分子材料的力学性能特点低强度和高比强度：一般塑料b为(30~100)MPa,橡胶b约为25MPa。高弹性和低弹性模量：塑料的弹性模量为金属的1/10；橡胶的弹性模量为金属的1/1000。粘弹性：高分子材料的弹性变形具有与变形时间的相关性，这种弹性性能称粘弹性。高耐磨性：硬度低，耐磨性是由其他物理过程决定大分子的耐撕裂性好高分子与对磨材料的润滑性粘弹性的时间相关性有利于材料的耐磨过程10.3.2高分子材料的其他性能特点1.高绝缘性2.膨胀性3.低导热性4.低热稳定性5.高化学稳定性：常规大气和工业环境下化学稳定性好6.高分子材料使用过程中的结构性能变化：•分子的交连反应：材料变硬、脆，失去弹性，出现龟裂•分子量的降解（裂解）反应：材料软化变粘，失去刚性•高分子材料的老化及防护：光、热、机械、化学、氧、生物作用等因素易引起高分子材料老化过程高分子改性、抗老化剂、环境隔离（表面镀层）10.4工程塑料10.4.1塑料的组成：树脂：塑料的主要组成添加剂：改善塑料的工艺性能：增塑剂、固化剂、发泡剂和催化剂。改善塑料的使用性能：增塑、稳定、填料、着色、阻燃、静电剂等。10.4.２塑料的分类：热性能分类：热固性和热塑性塑料使用性能分：工程塑料、通用塑料和特种塑料工程塑料：用于工程机械和机械零件。ABS,尼龙,聚甲醛通用塑料：用于日常生活。用量大，用途广特种塑料：具有特殊物理化学性能的塑料。PTFE的润滑、和电绝缘性能；有机硅的耐热性10.4.3常见工程塑料的性能特点和用途1.聚烯烃塑料：主要包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)等2.ABS塑料：由丙烯氰(A)、丁二烯(B)和苯乙烯(S)三种组元共聚而成。丙烯氰：提高耐蚀性和硬度丁二烯：提高柔顺性苯乙烯：提高热塑加工型3.其他热塑性塑料：聚酰胺(尼龙)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)、聚四氟乙烯(PTFE)9.热固性塑料10.5合成橡胶与合成纤维10.5.1橡胶：在较宽的温度范围内都保持高弹态的高分子材料橡胶组成橡胶的性能特点常用橡胶材料高弹性粘弹性天然橡胶合成橡胶生胶(纯橡胶)橡胶配合剂通用橡胶特种橡胶硫化剂,防老剂,补强剂等储能,耐磨,隔音,绝缘，密封,减震10.5.2合成纤维•纤维：长径比大于100的条状或丝状高分子材料第十一章复合材料11.1概述11.1.1定义：由传统材料和按传统工艺难以制造的、由两种或两种以上性质完全不同的材料单元组合而成的材料11.1.2复合材料分类分类材料主要用途：结构复合材料，功能复合材料复合材料基体：树脂基、金属基、陶瓷基、碳基复合材料增强体：纤维增强、晶须增强、颗粒增强复合目的显著提高功能增强、增韧其他功能复合体：纤维、晶须、颗粒导电、减摩、磁性、光学等性能特点可设计性多样性高强度、高韧性，高温性能、隐身材料、各类敏感材料等粉末冶金法、特殊铸造法、碳纤维复合材料编制成形等制造工艺特殊性复合材料应充分利用复合组元自身的最优特性，并期望达到1+12的复合效果导电胶带、Ni-MoS2(石墨、CaF2）、光学增透透镜材料等3.有机高分子材料（高聚物）高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。•橡胶的特点是室温弹性高，即使在很小的外力作用下，也能产生很大的形变（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原状。其弹性模量小，约105~104Pa。常用的橡胶有天然橡胶（异戊橡胶）、丁苯橡胶、顺丁橡胶（聚丁二烯）、乙丙橡胶和硅橡胶等。•纤维的弹性模量较大，约109~1010Pa。受力时，形变不超过百分之二十。纤维大分子沿轴向作规则排列，其长径比较大，在较广的温度范围（-50~150℃）内，机械性能变化不大。常用的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。•塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107~108Pa。温度稍高些，受力形变可达百分之几至几百。有些塑料的形变是可逆的，有些塑料的形变是永久的。根据塑料受热时行为的不同，分为热塑性和热固性塑料两类。前者受热时可以塑化和软化，冷却时则凝固成形，再加热又可塑化软化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都属于此类；后者在受热时可塑化和软化，并通过化学反应，使之固定成型，但冷却后不能再加热软化，酚醛塑料和脲醛塑料就属此类。•胶粘剂是指在常温下处于粘流态，当受到外力作用时，会产生永久变形，外力撤去后又不能恢复原状的高聚物。有时把聚合后未加工成型的高聚物称为树脂，以区分加工后的塑料或纤维制品，如电木未固化前称酚醛树脂，涤纶纤维未纺织前称涤纶树脂。4.复合材料复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。复合材料的种类繁多，目前还没有