《机械工程材料与热加工》第八章 非金属材料简介

《工程材料与热加工基础》第八章常用非金属材料机械工程系金工教研室第八章常用非金属材料•非金属材料指工程材料中除金属材料以外的其他一切材料。•非金属材料的原料来源广泛，自然资源丰富，成形工艺简单，具有一些特殊性能，应用日益广泛，已成为机械工程材料中不可缺少的重要组成部分。•在机械工程中常用的非金属材料主要包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料学习要点：•1．高分子材料（高聚物）是通过聚合反应以低分子化合物结合形成的。聚合反应分为加聚反应和缩聚反应。•2．塑料主要由合成树脂和添加剂组成。•3．常用塑料及其在生产中的用途。•4．工业陶瓷的特点及用途。•5．复合材料的特点及分类。8.1高分子材料•高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是指相对分子质量(分子量)很大的化合物，其分子量一般在5000以上。•高分子化合物包括有机高分子化合物和无机高分子化合物两类。有机高分子化合物又分为天然的和合成的。•机械工程中使用的高分子材料主要是人工合成的有机高分子聚合物（简称高聚物），例如塑料、合成橡胶、合成纤维、涂料和胶接剂等。•高聚物是通过聚合反应以低分子化合物结合形成的高分子材料聚合反应•1.加聚反应•由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应.•例如乙烯加聚成聚乙烯；单体为两种或两种以上的则为共加聚，例如ABS工程塑料就是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种单体共聚合成的。•2.缩聚反应•是由一种或多种单体相互作用而连接成高聚物的反应,这种反应同时析出新的低分子副产物。•酚醛树脂(电木)、聚酰胺(尼龙)、环氧树脂等都是缩聚反应产物。•8.1.1塑料•1．塑料的组成•塑料是以合成树脂为主要成分，加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的高分子材料。树脂的种类、性能、数量决定了塑料的性能，因此，塑料基本上都是以树脂的名称命名的，例如聚氯乙烯塑料的树脂就是聚氯乙烯。工业中用的树脂主要是合成树脂，如聚乙烯、聚氯乙烯等。添加剂的种类较多，常用的主要有以下几种：•（1）填料填料可使塑料具有所要求的性能，且能降低成本。用木屑、纸屑，石棉纤维、玻璃纤维等有机材料作填料，可增加塑料强度，例如酚醛树脂中加入木屑即是俗称的电木。用高岭土、滑石粉、氧化铝、石墨、铁粉、铜粉和铝粉等无机物为填料，可使塑料具有较高的耐热性、导热性、耐磨性、耐蚀性等。•（2）增塑剂增塑剂用以增加树脂的可塑性、柔软性、流动性，降低脆性。常用的增塑剂有磷酸酯类化合物、甲酸酯类化合物和氯化石蜡等。•（3）稳定剂(防老化剂)稳定剂可增加塑料对光、热、氧等老化作用的抵抗力，延长塑料的寿命。常用的稳定剂有硬脂酸盐、环氧化合物等。•（4）润滑剂加入少量润滑剂可改善塑料成形时的流动性和脱模性，使制品表面光滑美观。常用的润滑剂有硬脂酸等。•除上述添加剂外，还有固化剂、发泡剂、抗静电剂、稀释剂、阻燃剂、着色剂等。2.塑料的特性•(1)质轻、比强度高塑料的密度为0.9～2.2g／cm3，只有钢铁的1／8～1／4。泡沫塑料的密度约0．01g／cm3。塑料的强度比金属低，但比强度高。这对减轻机械产品的重量具有重要意义。•(2)化学稳定性好塑料能耐大气、水、碱、有机溶剂等的腐蚀。例如，聚四氟乙烯在沸腾的“王水”中仍很稳定。•(3)优异的电绝缘性塑料有良好的电绝缘性，介质损耗小，其电绝缘性可与陶瓷、橡胶等绝缘材料相媲美。•(4)减摩、耐磨性好塑料的硬度低于金属，但多数塑料的摩擦系数小，有些塑料(如聚四氟乙烯、尼龙等)具有自润滑性。因此，塑料可用于制作在无润滑条件下工作的某些零件。(5)消声和吸振性好塑料轴承和齿轮工作时平稳无声，大大减小了噪音污染。泡沫塑料常被用作隔音材料。•(6)成形加工性好塑料有注射、挤压、模压、浇塑等多种成形方法，且工艺简单，生产率高。•(7)耐热性差多数塑料只能在100℃左右使用，少数品种可在200℃左右使用；易老化(因光、热、载荷、水、碱、酸、氧等的长期作用，使塑料变硬、变脆、开裂等现象，称老化)；导热性差，约为金属的1／500；热膨胀系数大，约为金属的3至10倍。3．常用塑料•(1)热塑性塑料•①聚乙烯(PE)•按生产工艺不同，分为高压聚乙烯、中压聚乙烯和低压聚乙烯。高压聚乙烯化学稳定性高，柔软性、绝缘性、透明性、耐冲击性好，宜吹塑成薄膜、软管、瓶等。低压聚乙烯质地坚硬，耐磨性、耐蚀性、绝缘性好，适宜制作化工用管道、槽，电线、电缆包皮，承载小的齿轮、轴承等；又因其无毒，可制作茶杯、奶瓶、食品袋等。•②聚氯乙烯(PVC)•分为硬质和软质两种。硬质聚氯乙烯强度较高，绝缘性和耐蚀性好，耐热性差，在－15～60℃温度范围使用，用于化工耐蚀的结构材料，如输油管、容器、离心泵、阀门管件等，用途很广。软质聚氯乙烯强度低于硬质聚氯乙烯，伸长率大，绝缘性较好，在－15～60℃的温度范围使用。用于电线、电缆的绝缘包皮，农用薄膜，工业包装等。因其有毒，不能包装食品。3．常用塑料•③聚丙烯(PP)•密度小，是常用塑料中最轻的一种。强度、硬度、刚性、耐热性均高于低压聚乙烯，可在120℃以下长期工作。绝缘性好，且不受湿度影响，无毒无味，但低温脆性大，不耐磨，易老化，用于一般机械零件，如齿轮、耐蚀件（如泵叶轮、化工管道、容器）；绝缘件；电视机、收音机、电扇、电机罩等壳体；生活用具，医疗器械，食品和药品包装等。•④聚酰胺(PA)•俗称尼龙或锦纶。强度、韧性、耐磨性、耐蚀性、吸振性、自润滑性、成形性好，摩擦系数小，无毒无味，可在100℃以下使用。蠕变值大，导热性差，吸水性高，成形收缩率大。常用的有尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙1010等。用于制造耐磨、耐蚀的某些承载和传动零件，如轴承、机床导轨、齿轮、螺母及一些小型零件。也可用于制作高压耐油密封圈，或喷涂在金属表面作防腐、耐磨涂层，应用较广。3．常用塑料•⑤聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)俗称有机玻璃•透光性、着色性、绝缘性、耐蚀性好，在自然条件下老化发展缓慢，可在－60～100℃使用。不耐磨，脆性大，易溶于有机溶剂中，硬度不高，表面易擦伤。用于航空、仪器、仪表、汽车中的透明件和装饰件，如飞机窗、灯罩、电视和雷达屏幕，油标、油杯、设备标牌等。•⑥ABS塑料•是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)的三元共聚物。综合力学性能好，尺寸稳定性、绝缘性、耐水和耐油性、耐磨性好，长期使用易起层。用于制造齿轮，叶轮，轴承，把手，管道，贮槽内衬，仪表盘，轿车车身，汽车挡泥板，电话机、电视机、电机、仪表的壳体，应用较广。•⑦聚甲醛(POM)•耐磨性、尺寸稳定性、着色性、减摩性，绝缘性好，可在零下40℃～100℃长期使用。加热易分解，成形收缩率大。用于制造减摩、耐磨件及传动件，如轴承、滚轮、齿轮、绝缘件，化工容器，仪表外壳，表盘等，可代替尼龙和有色金属。•3．常用塑料•⑧聚四氟乙烯(F-4)也称塑料王•有极强的耐蚀性，可抗王水腐蚀，绝缘性、自润滑性好，不吸水，摩擦系数小，可在－195～250℃使用，但价格较高。用于耐蚀、减摩、耐磨件，密封件，绝缘件，如高频电缆、电容线圈架，化工用反应器、管道等。•⑨聚碳酸脂(PC)•强度高，韧性、尺寸稳定性、透明性好，可在－60～120℃长期使用。耐疲劳性不如尼龙和聚甲醛。用于制造齿轮、蜗轮、凸轮，电气仪表零件，大型灯罩，防护玻璃，飞机挡风罩，高级绝缘材料，用途很广。•⑩聚砜(PSF)•强度、硬度、成形温度高，抗蠕变、尺寸稳定性、绝缘性好，可在－100～150℃长期使用。不耐有机溶剂和紫外线。用于制造耐热件，绝缘件，减摩、耐磨件，高强度件，如凸轮，精密齿轮、真空泵叶片、仪表壳体和罩，汽车护板，电子器件等。3．常用塑料•(2)热固性塑料•①酚醛塑料(PF)俗称电木•强度、硬度、绝缘性、耐蚀性、尺寸稳定性好，工作温度＞100℃，脆性大，耐光性差，只能模压成形，价格低。用于制造仪表外壳，灯头、灯座、插座，电器绝缘板，耐酸泵，刹车片，电器开关，水润滑轴承等。•②氨基塑料俗称电玉•颜色鲜艳，半透明如玉，绝缘性好，长期使用温度＜80℃，耐水性差。用于制造装饰件、绝缘件，如开关、插头、旋钮、把手、灯座、钟表外壳等。•③环氧塑料(EP)俗称万能胶•强度、韧性、绝缘性、化学稳定性好，能防水、防潮、防霉，可在—80～155℃长期使用，成形工艺简便，成形后收缩率小，粘结力强。用于制造塑料模具、仪表和电器零件、电子元件及线圈及用于涂覆、包封和修复机件。8.1.2橡胶•1．橡胶的组成与性能•橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合剂而制成的高分子材料。•橡胶具有弹性大（最高伸长率可达800％～1000％，外力去除后能迅速恢复原状），吸振能力强，耐磨性、隔声性、绝缘性好，可积储能量，有—定的耐蚀性和足够的强度等有点，其主要缺点是易老化。2．常用橡胶种类名称（代号）σb/MPaδ/%使用温度t/℃回弹性耐磨性耐碱性耐酸性耐油性耐老化用途举例通用橡胶天然橡胶（NR）17～35650～900-70～110好中好差差轮胎、胶带、胶管丁苯橡胶（SBR）15～20500～600-50～140中好中差差好轮胎、胶板、胶布、胶带、胶管顺丁橡胶（BR）18～25450～800-70～120好好好差差好轮胎、v带、耐寒运输带、绝缘件氯丁橡胶（CR）25～27800～1000-35～130中中好中好好电线(缆)包皮，耐燃胶带、胶管，汽车门窗嵌条，油罐衬里丁腈橡胶（NBR）15～30300～800-35～175中中中中好中耐油密封圈、输油管、油槽衬特种橡胶聚氨酯橡胶（UR）20～35300～800-30～80中好差差好耐磨件、实心轮胎、胶辊氟橡胶（FPM）20～22100～500-50～300中中好好好好高级密封件，高耐蚀件，高真空橡胶件硅橡胶4～1050～500-100～300差差好中差好耐高、低温制品和绝缘件8.2陶瓷材料•8.2.1陶瓷的分类与性能•1．陶瓷的分类•按原料不同，陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷；按用途不同分为日用陶瓷和工业陶瓷。•普通陶瓷又称传统陶瓷，其原料是天然的硅酸盐产物，如粘土、长石、石英等。这类陶瓷又称硅酸盐陶瓷，例如日用陶瓷、建筑陶瓷、绝缘陶瓷、化工陶瓷等。•特种陶瓷又称近代陶瓷，其原料是人工合成的金属氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等。特种陶瓷具有一些独特的性能，可满足工程结构的特殊需要。8.2.2常用工业陶瓷•1．普通陶瓷•质地坚硬、不氧化、不导电、耐腐蚀、成本低，加工成形性好。强度低，使用温度为1200℃。广泛用于电气、化工、建筑和纺织行业。例如：受力不大，在酸、碱中工作的容器、反应塔、管道；绝缘件；要求光洁、耐磨、低速、受力小的导纱零件。•2．氧化铝陶瓷•主要成分是A12O3。强度比普通陶瓷高2～6倍，硬度高(仅低于金刚石)；耐高温（陶瓷可在1600℃时长期使用，空气中使用温度最高为1980℃），高温蠕变小；耐酸、碱和化学药品腐蚀，绝缘性好。脆性大，不能承受冲击。用于制作高温容器(如坩埚)，内燃机火花塞；切削高硬度、大工件、精密件的刀具；耐磨件(如拉丝模)；化工、石油用泵的密封环；高温轴承；纺织机用高速导纱零件等。8.2.2常用工业陶瓷•3．氮化硅陶瓷•这类陶瓷化学稳定性好，除氢氟酸外，可耐无机酸(盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、王水)和碱液腐蚀；抗熔融非铁金属侵蚀，硬度高，摩擦系数小，耐磨性好；绝缘性；热膨胀系数小，抗高温蠕变性高于其他陶瓷；最高使用温度低于氧化铝陶瓷。用于制作高温轴承，热电偶套管，泵和阀的密封件，切削高硬度材料的刀具。例如，农用泵因泥砂多，要求密封件耐磨，原来用铸造锡青铜作密封件与9Crl8对磨，寿命低，现用氮化硅陶瓷与9Crl8对磨，使用8400h，磨损仍很小。8.2.2常用工业陶瓷•4．碳化硅陶瓷•这类陶瓷高温强度大，抗弯强度在1400℃仍保持500～600MPa，热传导能力强，有良好的热稳定性、耐磨性、耐蚀性和抗蠕变性。用于制作工作温度高于1500℃的结构件，如火箭尾喷管的喷嘴，浇注金属的浇口杯，热电偶套管、炉管，汽轮机叶片，高温轴承，泵的密封圈。•5．氮化硼陶瓷•这类陶瓷有良好的高温绝缘性(2000℃时仍绝缘)、耐热性、