工程材料与热加工技术第8章常用非金属材料

第8章常用非金属材料第8章常用非金属材料8.1高分子材料8.2陶瓷材料8.3复合材料知识窗——先进陶瓷的精密注射成型自测习题第8章常用非金属材料8.1高 分 子 材 料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。第8章常用非金属材料添加剂的种类较多，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某些物理化学性能，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。第8章常用非金属材料(2)增塑剂。增塑剂用以增加树脂的可塑性、柔软性、流动性，提高塑料的弹性、韧性和塑性，但会降低其强度和耐热性。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型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。第8章常用非金属材料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。泡沫塑料的密度约为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。第8章常用非金属材料(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)成型加工性好。塑料有注射、挤压、模压、浇塑等多种成型方法，且工艺简单，生产率高。第8章常用非金属材料(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、开裂等现象称为老化)；导热性差，约为金属的1/500；热膨胀系数大，约为金属的3～10倍。第8章常用非金属材料3．常用塑料(1)热塑性塑料。热塑性塑料加热时变软、熔融，冷却后变硬、固化，再加热又可变软、熔融，可反复成型，且基本性能不变。热塑性塑料成型工艺简便，可直接经注射、挤压、吹塑成型，生产率高，其制品使用温度低于120℃。常用的热塑性塑料有以下几种：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。第8章常用非金属材料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℃的温度范围使用，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。第8章常用非金属材料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。第8章常用非金属材料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、成型性好，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，成型收缩率大。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。第8章常用非金属材料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℃的温度范围内使用。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。⑥ ABS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，储槽内衬，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。第8章常用非金属材料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-40～100℃长期使用。加热易分解，成型收缩率大。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。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℃的温度范围内使用，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。第8章常用非金属材料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、成型温度高，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。第8章常用非金属材料(2)热固性塑料：加热时软化，冷却后坚硬。固化后再加热，则不再软化或熔融，不能再成型。热固性塑料抗蠕变性强，不易变形，耐热性高，但树脂性能较脆，强度不高，成型工艺复杂、生产率低。常用的热固性塑料有以下几种：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，工作温度大于100℃，脆性大，耐光性差，只能模压成型，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。第8章常用非金属材料②氨基塑料，俗称电玉。颜色鲜艳，半透明如玉，绝缘性好，长期使用温度小于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℃的温度范围内长期使用，成型工艺简便，成型后收缩率小，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。第8章常用非金属材料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。生胶是指未加配合剂的天然胶或合成胶，它也是将配合剂和骨架材料粘成一体的粘结剂。配合剂是指为改善和提高橡胶制品性能而加入的物质，如硫化剂、活性剂、软化剂、填充剂、防老剂、着色剂等。(1)硫化剂。硫化剂的作用类似于热固性塑料中的固化剂，天然橡胶常用硫磺做硫化剂。橡胶制品经硫化处理后，可提高弹性、强度、耐磨性、耐蚀性和抗老化能力。橡胶经硫化处理后才能使用。第8章常用非金属材料(2)软化剂。使用软化剂可增强橡胶塑性，改善粘附力，降低硬度和提高耐寒性。(3)填充剂。使用填充剂可提高橡胶强度，减少生胶用量，降低成本和改善工艺性。(4)防老剂。使用防老剂可在橡胶表面形成稳定氧化膜，以抵抗氧化作用，防止和延缓橡胶发粘、变脆等老化现象。第8章常用非金属材料此外，为减少橡胶制品变形，提高其承载能力，可在橡胶内加入骨架材料。常用的骨架材料有金属丝、纤维织物等。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，有一定的耐蚀性和足够的强度等优点，其主要缺点是易老化。第8章常用非金属材料2．常用橡胶按原料来源不同，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶；根据应用范围宽窄，橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。合成橡胶是用石油、天然气、煤和农副产品为原料制成的。常用橡胶的种类、性能和用途见表8-1。第8章常用非金属材料表8-1常用橡胶的种类、性能和用途种类名称(代号)σb/MPaδ/%使用温度/℃回弹性耐磨性耐碱性耐酸性耐油性耐老化用途举例天然橡胶(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，油罐衬里通用橡胶丁腈橡胶(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，高真空橡胶件特种橡胶硅橡胶4～1050～500-100～300差差好中差好耐高、低温制品和绝缘件第8章常用非金属材料8.2陶瓷材料1．陶瓷的分类与性能1)陶瓷的分类陶瓷按原料不同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。第8章常用非金属材料2)陶瓷的性能(1)硬度高，刚性好，抗压强度高，但脆性大，冲击韧度值很低，抗拉强度低，不能弯、拉、剪切，不能敲打、碰撞。陶瓷的硬度一般大于1500HV。(2)耐高温，耐磨损，抗氧化。但急冷、急热性能差。(3)耐蚀性好。例如化工陶瓷，除氢氟酸和含氟的其他介质及热浓磷酸和碱液外，能耐几乎其他所有的化学介质，如热浓硝酸、硫酸，甚至王水。陶瓷的电导能力因陶瓷品质而异，少数电导性良好，大多数是绝缘体。第8章常用非金属材料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，加工成型性好。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。第8章常用非金属材料(2)氧化铝陶瓷。主要成分是Al2O3。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、