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1、,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,第 五 章,非金屬材料與復(fù)合材料,1.,教學(xué)要求,了解塑料、陶瓷、復(fù)合材料的組織性能特點(diǎn)及其應(yīng)用。,2.,教學(xué)時(shí)數(shù),2,學(xué)時(shí),塑料 橡膠,高分子材料,粘結(jié)劑 合成纖維,非金屬材料,陶瓷材料,金屬,-,金屬復(fù)合材料,復(fù)合材料,非金屬,-,非金屬復(fù)合材料 金屬,-,非金屬復(fù)合材料,傳統(tǒng)陶瓷,特種陶瓷,5.1,.,高分子材料,(,相對分子質(zhì)量大于,500,的物質(zhì),),5.1.1.,高聚物的結(jié)構(gòu),(,大分子鏈結(jié)構(gòu),),1.,基本概念,(,1),單體,組成高分子化合物的低分子化合物，,是合成高分子的材料。,如：低分
2、子乙烯,CH,2,=,CH,2,單體組成聚乙烯,(,2),鏈節(jié),構(gòu)成,高分子的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元,:,-,CH,2,-CH,2,-,.,(3),聚合度,n,高分子所含鏈節(jié)的數(shù)目,.,由此，,大分子鏈的分子量,M=,鏈節(jié)的分子量,m,與聚合度,n,的乘積。,即,M,=,mn,2,、大分子鏈的幾何形態(tài),(1),線型結(jié)構(gòu),分子鏈呈細(xì)長條狀，通常卷曲成不規(guī)則的線團(tuán)，受拉時(shí)可伸展成直線。,特點(diǎn),：,分子鏈間沒有化學(xué)鍵，易移動(dòng)，可溶可熔。,高聚物的結(jié)構(gòu)示意圖,（,2,）,支鏈型結(jié)構(gòu),在高分子主鏈上帶有一些小支鏈，整個(gè)分子鏈呈樹枝狀。,（,3,）,體型結(jié)構(gòu),大分子鏈之間通過支鏈或化學(xué)鍵連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)
3、穩(wěn)定，不溶不熔，塑性低，脆性大。,高聚物的結(jié)構(gòu)示意圖,(1),單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn),分子鏈的主鏈在保持,鍵長和鍵角不變的情況下,可以任意旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。,(2),大分子鏈的柔順性,由于內(nèi)旋轉(zhuǎn)，大分子,鏈形態(tài)頻繁變化 引起大,分子不同程度卷曲，伸展,的特性。,大分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)示意圖,3.,大分子鏈的微觀運(yùn)動(dòng)的多重性及柔順性,性能,結(jié)晶使分子間作用力增大,，因而使高聚物的,密度、熔點(diǎn)、耐熱性、強(qiáng)度、硬度等性能升高,，而依賴分子鏈運(yùn)動(dòng)的有關(guān)性能，如,彈性，塑韌性下降,。,高聚物晶區(qū)和非晶區(qū)示意圖,根據(jù)排列有序度劃分,:,晶態(tài)結(jié)構(gòu),聚集態(tài)結(jié)構(gòu),無定形結(jié)構(gòu),4,.,高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu),聚集態(tài)結(jié)構(gòu),大分子鏈之間,的幾何排
4、列方式和堆砌狀態(tài)。,5.1.2,高分子材料的性能,1,、,強(qiáng)度低、比強(qiáng)度高,2,、,具有高,粘彈性,和低彈性模量,高聚物在外力作用下，同時(shí)發(fā)生高彈性變形和粘性流動(dòng)，其變形與時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象稱為,粘彈性,。,(1),蠕變,(2),應(yīng)力松弛,(3),內(nèi)耗,變形速度跟不上應(yīng)力變化速度，出現(xiàn)應(yīng)變滯后機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的現(xiàn)象稱為,內(nèi)耗,3,、耐磨減摩,（軸承）,4,、物理性能,絕緣、隔熱、吸音、隔音、消震。,低耐熱性，高熱膨脹性。,5,、化學(xué)性能,耐腐蝕。,5.1.3.,工程塑料,1,、塑料的組成,樹脂,：,40-90%,主體、命名的依據(jù),填料,：改善性能，降低成本，占,550%,，,如石棉,耐熱，石墨,耐
5、摩,增塑劑,:,增加樹脂塑性和柔韌性。,例、聚氯乙烯增塑劑不同可制成硬管，軟人革，泡沫塑料。,其它,：,固化劑、穩(wěn)定性、著色劑、阻燃劑、防老化劑等。,2,、,塑料的分類,：,(1),按,熱性質(zhì),可分為,A,熱塑性塑料,：,常溫下是固體、,受熱熔融、可反復(fù)重塑,剛性硬度比較差,如聚酰胺、聚甲醛、,ABS,塑料、聚四氟乙烯、聚丙烯、尼龍、有機(jī)玻璃,B,熱固性塑料,：,固化劑成型，,不熔不溶、較高的耐熱性和剛度,如酚醛塑料（絕緣性好）、環(huán)氧塑料（萬能膠）、氨基塑料（電玉）、有,機(jī)硅塑料等。,(2),按,功能,可分為,通用塑料：,應(yīng)用廣，量大，力學(xué)性能一般，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、,酚醛塑料等,工程塑料
6、：,力學(xué)性能較高或具有特殊性能，如聚甲醛、聚酰胺、,ABS,、,聚碳酸酯等,熱塑性塑料與熱固性塑料,類別,典型塑料及代號,特 征,熱塑性,塑料,聚氯乙烯（,PVC,）,聚乙烯（,PE,）,聚丙烯（,PP,）,聚酰胺（,PA,）,縮醛塑料（,POM,）,聚碳酸脂（,PC,）,線型高分子,樹脂,，能溶于有機(jī)溶劑，加熱可軟化，易于加工成形，并能反復(fù)塑化成形。,這類塑料一般機(jī)械強(qiáng)度較高，成形性能良好,熱固性,塑料,酚醛塑料（,PF,）,氨基塑料（,UF,）,有機(jī)硅塑料（,SI,）,環(huán)氧樹脂（,EP,）,網(wǎng)型高分子樹脂，固化后重新加熱不再軟化和熔融、亦不溶于有機(jī)溶劑，不能反復(fù)成形與再生使用。這類塑料一般
7、具有較高的耐熱性與剛性，但脆性大,4.,塑料的應(yīng)用,-,通用塑料,PVC,花園管,PVC,軟門簾,PE,波紋管,PVC,拉邊袋,PE,食品包裝,PE,藥品包裝,增強(qiáng)聚丙烯離心泵,聚丙烯油墨,通用塑料與應(yīng)用,聚苯乙烯板,尼龍,12,擠管,聚丙烯編織袋,工程塑料應(yīng)用示例,制筆業(yè)用塑料配件,杜邦工程塑料制品,聚酰胺應(yīng)用示例,聚酰胺,PA,應(yīng)用示例,ABS,應(yīng)用示例,ABS,插座、電器外殼,聚碳酸酯,PC,應(yīng)用示例,汽車儀表板，擋泥板，電動(dòng)工具，手機(jī)外殼，電腦外殼，大型薄壁制件,5.3,工業(yè)橡膠及其應(yīng)用,生膠（天然或合成，單體）硫化、聚合橡膠與合成橡膠,橡膠分類,按來源分,按用途分,橡膠組成,橡膠性能
8、,天然橡膠（聚異戊二烯）,合成橡膠（合成高分子物質(zhì)）,通用（制作輪胎、輸送帶、膠管、膠板等）,特種（用于高溫、低溫、酸、堿、油和輻射介質(zhì)條件下,生膠,配合劑（,硫化劑、增塑劑、填充劑、防老化劑等,）,高的回彈性,可撓性、良好的耐磨性、電絕緣性、耐腐蝕性,隔音、吸震以及與其它物質(zhì)的粘結(jié)性,常用橡膠,1,、天然橡膠,（,NR,）,優(yōu)點(diǎn)：,以橡膠烴（聚異戊二烯）為主。彈性大，定伸強(qiáng)度高，抗撕裂性和電,絕緣性優(yōu)良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳，易與其它材料粘合，,綜合性能優(yōu)于多數(shù)合成橡膠。,缺點(diǎn)：,耐氧和耐臭氧性差，容易老化變質(zhì)；耐油和耐溶劑性不好，抗酸堿的,腐蝕能力低，耐熱性不高。,使用溫度范圍,：
9、約,60,80,。特別適用于制造扭振消除器、發(fā)動(dòng)機(jī)減震,器、機(jī)器支座、橡膠金屬懸掛元件、膜片、模壓制品。,橡膠彈簧,2,、丁苯橡膠（,SBR,）,丁二烯和苯乙烯的共聚體。性能接近天然橡膠，是目前,產(chǎn)量最大的通用合成橡膠，,優(yōu)點(diǎn)：,耐磨性、耐老化和耐熱性超過天然橡膠，質(zhì)地也較天然,橡膠均勻。,缺點(diǎn)：,彈性較低，抗屈撓、抗撕裂性能較差；加工性能差，特,別是自粘性差、生膠強(qiáng)度低。,使用溫度范圍：,約,50,100,。主要用以代替天然橡膠制,作輪胎、膠板、膠管、膠鞋及其他通用制品。,3,、順丁橡膠（,BR,）,由丁二烯聚合而成的順式結(jié)構(gòu)橡膠,優(yōu)點(diǎn)：,彈性與耐磨性優(yōu)良，耐老化性,好，耐低溫性優(yōu)異，在動(dòng)態(tài)
10、負(fù),荷下發(fā)熱量小，易于金屬粘合。,缺點(diǎn)：,強(qiáng)度較低，抗撕裂性差，加工性,能與自粘性差。,使用溫度范圍：,約,60,100,。一,般多和天然橡膠或丁苯,橡膠并用，主要制作輪,胎胎面、運(yùn)輸帶和特殊,耐寒制品。,由異戊二烯單體聚合而成的順式結(jié)構(gòu)橡膠?；瘜W(xué)組成、立體,結(jié)構(gòu)、性能與天然橡膠相似，故有合成天然橡膠之稱。,具有天然橡膠的大部分優(yōu)點(diǎn),，耐老化優(yōu)于天然橡膠，彈性和強(qiáng)力比天然橡膠稍低，加工性能差，成本較高。,使用溫度范圍：,約,50,100,可代替天然橡膠制作輪胎、膠鞋、膠管、膠帶以及其他通用制品。,汽車橡膠制件,4,、異戊橡膠（,IR,）,5,、,丁晴橡膠（,NBR,）,丁二烯和丙烯晴的共聚體。
11、,優(yōu)點(diǎn)：,耐汽油和脂肪烴油類的性能特別好，僅次于聚硫橡膠、丙烯酸酯和氟橡膠，而優(yōu)于其他通用橡膠。耐熱性好，氣密性、耐磨及耐水性等均較好，粘結(jié)力強(qiáng)。,缺點(diǎn)：,耐寒及耐臭氧性較差，強(qiáng)力及彈性較低，耐酸性差，電絕緣性不好，耐極性溶劑性能也較差。,使用溫度范圍：,約,30,100,。主要用于制造各種耐油制品，如膠管、密封制品等。,橡膠墊圈,6,、,硅橡膠（,Q,）,主鏈含有硅、氧原子的特種橡膠，硅元素起主要作用。,優(yōu)點(diǎn)：,耐高低溫（最低,100,），目前最好的抗寒耐高溫,橡膠；電絕緣性優(yōu)良，對熱氧化和臭氧的穩(wěn)定性很高，,化學(xué)惰性大。,缺點(diǎn)：,機(jī)械強(qiáng)度較低，耐油、耐溶劑和耐酸堿性差，較難硫,化，價(jià)格較貴
12、。,使用溫度：,60,200,。用于制作耐高低溫制品、耐高溫,電線電纜絕緣層，由于其無毒無味，還用于食品及醫(yī),療工業(yè)。,各種硅橡膠制品,7,、,氟橡膠（,FPM,）,由含氟單體共聚而成。,優(yōu)點(diǎn)：,耐高溫達(dá),300,，耐酸堿，耐油性最好，抗輻射；電絕,緣性、機(jī)械性能、耐化學(xué)腐蝕性、耐臭氧、耐大氣老化,性均優(yōu)良。,缺點(diǎn)：,加工性差，耐寒性差，彈性透氣性較低，價(jià)格昂貴。,使用溫度范圍：,20,200,。主要用于制造飛機(jī)、火箭,上的耐真空、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕的密封材料、膠管或其他零件,及汽車工業(yè)。,氟橡膠圈,5.2.1.,陶瓷的組織結(jié)構(gòu),陶瓷是由金屬和非金屬的無機(jī)化合物所構(gòu)成的多晶多相固體材料，是無機(jī)
13、非金屬材料的總稱。其,顯微組織可歸納為三種相，,陶瓷顯微組織示圖,1.,晶相,陶瓷的主要組成相為晶相，,它由某些固溶體或化合物組成,。增大晶相比例和細(xì)化晶粒可提高陶瓷強(qiáng)韌性。,晶相結(jié)構(gòu)以,硅酸鹽結(jié)構(gòu),和,氧化物結(jié)構(gòu),為主，還有部分,C,、,N,、,B,的化合物,.,硅酸鹽結(jié)構(gòu)示意圖（部分,）,2.,玻璃相,陶瓷在燒結(jié)過程不能成晶體的非晶態(tài)物質(zhì),。,性能,熔點(diǎn)低，熱穩(wěn)定性差，力學(xué)性能低于晶相,應(yīng)控制在,20,40,范圍內(nèi)。,3.,氣相,分布于陶瓷玻璃相中的氣孔，,約占,5,10,。,性能,使各種性能降低，但能提高通氣性，減輕重量,.,通過調(diào)整三相比例，可以控制陶瓷的質(zhì)量和性能。,5.2.2,陶瓷
14、的性能,1,、,力學(xué)性能,結(jié)合力強(qiáng)，彈性模量大，硬度高，強(qiáng)度低，脆性大,提高強(qiáng)度途徑,：,（,1,）,細(xì)，密，勻，純；,(2,）,表面強(qiáng)化，如電鍍，噴涂,（,3,）,復(fù)合強(qiáng)化,2,、,理化性能,熔點(diǎn)高，高溫強(qiáng)度高，如,SiC,可耐,1300,（發(fā)動(dòng)機(jī)缸體）,，耐蝕、絕緣,5.3.2,工程結(jié)構(gòu)陶瓷,1.,傳統(tǒng)陶瓷,成分,：,石英,（,SiO,2,）：,耐熔的骨架成分,粘土,：提供可塑性，保證成型,長石,：助溶劑,2.,特種陶瓷,（,1,）,氧化鋁陶瓷,（,人造金剛石,）,以,Al,2,O,3,為主晶相，,Al,2,O,3,含量越高，性能越高,強(qiáng)度較高（,=250Mpa,）,、,硬度高，耐熱、耐蝕
15、,應(yīng)用,：,發(fā)動(dòng)機(jī)的耐熱零件，,如火花塞、工模具等耐磨件,（,2,）,氮化硅陶瓷,（,以,Si,3,N,4,為主晶相,）,性能：,“像鋼一樣強(qiáng)、金剛石一樣硬、鋁一樣輕”,制備方法：,熱壓燒結(jié),Si,3,N,4,：,Si,3,N,4,粉為原料,+,添加劑,高溫、高壓下燒結(jié)成型,加工較困難，用于制造形狀簡單的,耐磨耐熱零件和刀具,反應(yīng)燒結(jié),Si,3,N,4,：,Si,粉或,Si+Si,3,N,4,粉壓制,成型后滲氮,處理,，直到全部形成氮化硅。,易加工，性能優(yōu)異，用于制造形狀復(fù)雜且尺寸精度高的耐熱、耐蝕、耐磨制品。,Sialon,陶瓷,Si,3,N,4,+,少量,Al,2,O,3,，,據(jù)稱是強(qiáng)度最
16、高的陶瓷。,（,3,）碳化硅陶瓷,以,SiC,為主晶相,。也可分為,熱壓燒結(jié),和,反應(yīng)燒結(jié),兩類。,特點(diǎn),：高溫強(qiáng)度高，,可耐,1600-1700,。,應(yīng)用,：高溫結(jié)構(gòu)制品，特別應(yīng)用于航空航天,（,4,）氮化硼陶瓷,以,BN,為主晶相,，六方結(jié)構(gòu)（石墨結(jié)構(gòu)）俗白石墨，耐熱性、導(dǎo)熱性、絕緣性、耐蝕性高，硬度稍低，可切削加工。,應(yīng)用,：高溫絕緣制品，散熱材料。,（,5,）金屬陶瓷,（,WC,、,TiC,）,見,5.1,粉末冶金材料,5.3,復(fù)合材料,復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過不同的工藝方法人工合成的多相材料,。,鋼絲網(wǎng)骨架塑料（聚乙烯）復(fù)合管,復(fù)合材料分類、特性,復(fù)合材料分類,復(fù)合材料特性,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,粒子增強(qiáng)復(fù)合材料,層疊復(fù)合材料,樹脂基復(fù)合材料,陶瓷基復(fù)合材料,金屬基復(fù)合材料,1,、比強(qiáng)度和比模量高,2,、破損安全性好,3,、疲勞強(qiáng)度較高,4,、高溫性能良好,5,、,減振性良好,5.3.2.,復(fù)合材料的組成,復(fù)合材料,=,基體材料,+,增強(qiáng)材料,1,、,基體材料,（,低強(qiáng)度材料）,有色金屬、樹脂、陶瓷,2,、,增強(qiáng)材料,（強(qiáng)度較高的材料,）,（,1,）顆粒增
第5章、非金屬材料 (2)
