非金属材料及复合材料

第七章非金属材料及复合材料第一节高分子材料的基本知识分为天然高分子材料蚕丝、羊毛、纤维素、天然橡胶等人工合成高分子材料塑料、合成橡胶、合成纤维等第二节常用高分子材料一、工程塑料1.塑料的组成塑料是以有机合成树脂为主要成分，再加入添加剂所组成的。(1)合成树脂是由低分子化合物通过缩聚或加聚反应合成的高分子化合物，如酚醛树脂、聚乙烯等，是塑料的主要组成，也起粘结剂作用。(2)添加剂为改善塑料的性能而加入的其它组分，主要有以下几种：1)填料2)增塑剂3)稳定剂4)固化剂还有润滑剂、着色剂、阻燃剂、抗静电剂和发泡剂等2.塑料的性能(1)物理性能密度小，不加任何填料或增强材料的塑料，其密度为0.85－2.20g／cm3，只有钢的1／8～1／4；泡沫塑料更轻，密度为0.02～0.20g／cm3。电绝缘性好，介质损耗小，在电器、电机、无线电、电子工业方面应用广泛。(2)化学性能塑料一般能耐酸、碱、油、水及大气等的侵蚀，其中聚四氟乙烯甚至能耐强氧化剂“王水”的侵蚀。因此，塑料广泛用于制造在腐蚀条件下的零部件和化工设备。(3)力学性能塑料的强度和弹性模量都很低。例如，热塑性塑料的强度一般为50～100MPa,热固性塑料一般为30～60MPa，玻璃纤维增强尼龙，其强度也只有200MPa，相当于灰铸铁的强度。减摩性好，塑料硬度虽低于金属，但摩擦系数小，如聚四氟乙烯自摩擦系数只有0.04；尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯等也都有较小的摩擦系数，因此有很好的减摩性。另外，塑料还由于自润滑性能好，所以它适合于制造轴承、凸轮、密封圈等要求减摩性好的零件，特别对在无润滑和少润滑的摩擦条件下工作的零件尤为适合。如：ABS塑料用于制造轴承、齿轮、叶片、叶轮、管道、容器、把手等。电气工业中仪器、仪表的各种零件等。近年来在交通运输的车辆、飞机零件上的应用发展很快，如车身、方向盘、内衬材料等。聚苯乙烯(PS)：聚苯乙烯密度小，常温下透明度达88～92％，着色性好，吸水性极微，有良好的耐蚀性和绝缘性，高频绝缘性尤佳；但冲击韧度低、耐热性差、易燃、易脆裂。常用来制造车辆上的灯罩、仪表指示灯罩、设备外壳等。二、橡胶1．橡胶的组成橡胶是在使用温度范围内处于高弹态的高分子材料，在较小的载荷作用下能产生很大变形。当载荷卸除后又能很快恢复到原来状态，是常用的弹性材料、密封材料、减震防震材料和传动材料。2．橡胶的性能由于使用条件不同，、对橡胶有不同的性能要求，如拉伸强度、抗撕裂强度、耐磨性、弹性、伸长率、永久变形量、耐寒、耐高温、透气性等。其中最重要的性能还是橡胶的高弹性和强度。(1)高弹性能：橡胶的弹性模量低，大约为1MPa，而其它塑料纤维的弹性模量约2000MPa以上。变形量大，一般在100～1000％，而其它聚合物只有0.1～0.01％。橡胶还具有很好的回弹性能，加天然橡胶回弹高度达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(1)天然橡胶天然橡胶是优良的电绝缘体，但耐热老化性和耐大气老化性较差，不耐臭氧、油和有机溶剂，且易燃。使用温度范围为-70～110℃，广泛用于作轮胎、胶带和胶管等。(2)合成橡胶具有类似橡胶性质的各种高分子化合物，种类很多氟橡胶：属于特种橡胶，其特点是：耐高温和耐介质腐蚀性好，耐臭氧和耐大气老化性也较好；但加工性差，价格较贵。它使用温度范围在-50～300℃，常用来制造高级密封件、高真空耐蚀件等。硅橡胶：属于特种橡胶，耐高温(300℃)、耐寒(-100℃)，电绝缘性能优良；但抗拉强度低，价格较贵。它可用来制造耐高温、耐寒或耐高温电绝缘制品等。丁苯橡胶：耐磨、耐自然老化、耐臭氧性，但加工性能不及天然橡胶。天然橡胶和丁苯橡胶均属于通用橡胶，广泛用于作轮胎、胶布、胶鞋、胶管等制品。第三节工业陶瓷陶瓷是各种无机非金属材料的通称。陶瓷可分为普通陶瓷(传统陶瓷)和特种陶瓷(近代陶瓷)两大类。其生产过程较复杂，但基本工艺是原料的制备、坯料的成型和制品的烧结三大步骤一、工业陶瓷的性能1.力学性能：塑性差；抗拉强度较低，但抗压强度较高；陶瓷的硬度高（在1500HV以上）；而淬火钢为500～800HV；高聚物最硬也不超过20HV。2．化学性能：陶瓷对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抗蚀能力，与有色金属的银、铜等熔体也不发生作用。3．功能特性(1)光学性能如固体激光器材料、光导纤维材料、光存储材料等(2)磁学性能：以氧化铁为主要成分（如Fe3O4、CuFe2O4、MgFe2O4）的磁性氧化物，可作磁性陶瓷材料，在录音磁带、唱片、电子束偏转线圈、变压器铁心等方面有着广泛的应用。(3)电学性能如A12O3可作电器工业的绝缘材料；氧化锡为半导体；铁电陶瓷(钛酸钡BaTiO3等具有极高的介电常数，可用来制作较小的电容器(4)热学性能陶瓷材料熔点高，大多在2000℃以上具有比金属材料高得多的耐热性；导热能力远低于金属材料，它常作为高温绝热材料。多孔或泡沫陶瓷可用作-120～-240℃的隔热材料。陶瓷的线膨胀系数比高聚物低，比金属更低，一般在10-5～10-6／K。二、常用工业陶瓷1.普通陶瓷普通陶瓷质地坚硬，有良好的抗氧化性、耐蚀性和绝缘性，生产工艺简单、成本低；但强度低，通常使用温度为1200℃左右。普通陶瓷广泛应用于日用、电气、化工、建筑等部门，如装饰瓷、餐具、绝缘子、耐蚀容器、管道等。2．特种陶瓷(1)氧化铝陶瓷：熔点(2050℃)高、热强度高、抗氧化，故耐热性好，室温下硬度仅次于金刚石，抗拉强度比普通陶瓷大5～6倍，而且热硬性也很高，可达1200℃。氧化铝陶瓷广泛用于制造高速切削刀具、量块、拉丝模、高温器皿、坩埚、热电偶套管、内燃机火花塞等。(2)氮化硅陶瓷；主要用于制作各种泵的耐蚀与耐磨的密封环、高温轴承、热电偶套管、燃汽轮机转子叶片和难切削加工的刀具。(3)碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷具有较高的高温强度，其抗弯强度在1400℃仍保持在300～600MPa；而其它陶瓷在1200～1400℃时，抗弯强度就显著下降。碳化硅陶瓷可用于工作温度高于1500℃的零件，如火箭喷嘴、热电偶套筒、高温电炉的零件、各种泵的密封圈等。