非金属材料与新型材料简介.

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1、谢亮,非金属材料与新型材料,4.1 高分子材料,高分子化合物,有机高分子化合物,无机高分子化合物,有机高分子有天然的和合成的两种.工程中使用的主要是人工合成的高分子聚合物,简称高聚物.,4.1.1 高聚物的人工合成,低分子化合物通过加聚反应和缩聚反应形成.,1、加聚反应：一种或多种单体相互加成形成聚合物的反应。无低分子副产物生成。单体为一种的叫均加聚，如乙烯加聚成聚乙烯。单体为一种或两种以上的称为共加聚。如ABS工程塑料就是有丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种单体共聚合成。,2、缩聚反应：一种或多种单体相互作用而形成高聚物，同时析出新的低分子副产物的反应。其单体是含有两种或两种以上活泼官能团的低分子化

2、合物。按照参加反应的单体不同，缩聚反应分为均缩聚和共缩聚两种。酚醛树脂（电木），聚酰胺（尼龙），环氧树脂等都是缩聚反应产物。,4.1.2 有机高分子材料的组成及性能特点,1、有机高分子材料的组成：,基料:高聚物（树脂、生橡胶），决定性能,辅料:(添加剂) 填充剂、增塑剂、软化剂、 固化剂、稳定剂、防老化剂、 润滑剂、发泡剂、着色剂等 改善性能，补充性能,2、有机高分子材料的性能特点：,1）与金属材料相比，性能特点：,A、比强度高：强度/密度 B、高弹性和低弹性模量 C、高耐磨性和低硬度,2）物理性能特点：,A、电绝缘性优良：共价键，不易电离，导电能 力低 B、耐热性差：分子间力弱，受热、受力易

3、软化、 熔化 C、导热性低：线膨胀系数是金属的3-4倍，机 械中会因膨胀变形过量，引起开 裂，脱落，松动等,3）化学性能特点：,化学稳定性高，在碱、酸、盐中耐蚀性强，如聚四氟乙烯在沸腾的王水中仍很稳定，但某些高聚物在某些特定的溶剂和油中会发生软化、熔胀等现象。,4）有机高分子化合物的老化：,高聚物在长期的使用和存放过程中，由于外界物理、化学及生物因素的影响（如热、光、辐射、氧和臭氧、酸碱、微生物的作用等），使得聚合物内部结构发生变化，从而导致聚合物的性能随时间延长逐渐恶化，直至丧失使用功能，这个过程成为老化。 橡胶：龟裂、变软、变粘 塑料：脱色、失去光泽、开裂 防止方法：表面防护，抗老化剂,4

4、.1.3 工程塑料,1、塑料的组成：,基料:合成树脂，对塑料性能起决定性作用,辅料:(添加剂) 填充剂、增塑剂、 固化剂、 稳定剂（防老化剂）。此外还 有阻燃剂、发泡剂、着色剂、抗 静电剂等 改善性能，补充性能,2、塑料的分类：,1）按树脂的热性能分为热塑性塑料和热固性塑料：,（1） 为热塑性塑料 ：加热时软化、熔融、冷却时 凝固，变硬，可反复进行。如聚乙烯、聚氯 乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺（尼龙）、 ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、有机玻璃等。,（2） 热固性塑料：密网型分子链结构。酚醛塑料、 氨基塑料、环氧树脂、有机硅树脂、不饱和 聚酯树脂。不可再生使用。,2）按应用范围分为通用塑料，

5、工程塑料和其他塑料（如耐热塑料）：,A、通用塑料：产量大，用途广，价格低。聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料 B、工程塑料：主要用于制作工程结构，机器零件，工业容器和设备。有聚酰胺（尼龙）、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯 C、其他塑料：如耐热塑料，工作温度100，有聚四氟乙烯（F-4）、聚三氟乙烯、环氧树脂、有机硅树脂,4.1.4 合成橡胶,1、橡胶的特性和应用： A 室温下处于高弹态 B 弹性模量低，只有1-10MPa C 弹性变形量很大：100-1000% D 具有优良的伸缩性和积储能量的能力 E 良好的耐磨性，隔音性，阻尼性和绝缘性 F 可做密封件，减震、防震件，传动件，运输胶带绝缘

6、材料。,2、橡胶的组成：,（1）生胶：未加配合剂的天然或合成的橡胶 （2）配合剂：为提高和改善橡胶制品的各种性能而加入的物质称为配合剂。 硫化剂：相当于固化剂，为硫磺和硫化物 填料：提高力学性能，降低成本，主要是碳黑，纤维，金属丝，织品或金属编织物等 硫化促进剂，增塑剂，防老化剂等。,3、常用橡胶 ：,按来源分为：天然橡胶NR和合成橡胶 按用途分为：通用橡胶和特种橡胶 天然橡胶属于通用橡胶，广泛用于制造轮胎、胶带、胶管等。常量最大的是丁苯橡胶SBR，60-70%，发展最快的是顺丁橡胶BR。 特种橡胶主要用于要求耐热、耐寒、耐蚀的特殊环境，价格较贵。,4.1.5 胶粘剂,胶粘剂是一种将同种或不同

7、种材料粘合在一起，并在胶接面有足够强度的物质，它能起胶接、固定、密封、浸渗、补漏和修复的作用。,1、胶粘剂的组成：,（1）粘料：树脂、橡胶、淀粉、蛋白质等高分子材料；无机胶粘剂有硅酸盐类，磷酸盐类、陶瓷类 （2）固化剂：胺、酸酐、咪唑。 （3）该性剂：增塑剂、增韧剂、增粘剂、填料、稀释剂、稳定剂、分散剂、偶联剂、触变剂，阻燃剂、抗老化剂、发泡剂、消泡剂、着色剂、防腐蚀剂等，有利于胶粘剂的配制、储存、加工工艺及性能等方面的改进,2、胶粘剂的分类原则和表示方法：,按应用性能分为： （1）结构胶：强度要求较高 （2）非（半）结构胶：强度要求较低 （3）密封胶：承受一定压力，不泄漏 （4）浸渗胶：填塞

8、微孔沙眼，渗透性好 （5）功能胶：具有导电、导磁、导热、耐热、耐超低温应变及点焊胶接等，以及有特殊的固化反应，如厌氧性、热熔性、光敏性等,GB/T13553-1996, A B C,被粘物材质,胶粘剂的硬化方法,胶粘剂的物理形态,胶粘剂的主要粘料,3、常用胶粘剂 ：,（1）结构胶粘剂：该性环氧胶粘剂、该 性酚醛树脂胶粘剂、无机胶粘剂 （2）非（半）结构胶粘剂：聚氨酯胶粘剂、丙烯酸酯胶、有机硅胶粘剂、橡胶胶粘剂、热熔胶粘剂、厌氧胶粘剂等 （3）密封胶粘剂：以合成树脂或橡胶为基料，防止渗漏，机械松动，冲击损伤等，起密封作用。,4.2 陶瓷材料,4.2.1 陶瓷的分类,1、 普通陶瓷 以天然硅酸盐矿

9、物如黏土、长石、石英、高岭土等为原料烧结而成的。有日用陶瓷，卫生瓷，建筑瓷，电工瓷，化工瓷等。,采用纯度较高的人工合成原料，如氧化物，氮化物，硅化物，硼化物，氟化物等制成的具有各种特殊力学，物理，化学性能。,2、 特种陶瓷,在工程结构上使用的陶瓷。主要在高温下使用，因此也称为高温陶瓷。具有在高温下优越的力学，物理和化学性能，在某些科技场合和工作环境往往是唯一可用的材料。有氧化铝，氮化硅，碳化硅和增韧氧化物等材料。,3、 工程陶瓷,利用陶瓷特有的物理性能制造出的用途各异的功能陶瓷材料。例如导电陶瓷，半导体陶瓷，压电陶瓷，绝缘陶瓷，磁性陶瓷，光学陶瓷以及利用某些精密陶瓷对声，光，电，热，磁，力，湿

10、度，射线及各种气氛等信息显示的敏感特性而制得的各种陶瓷传感器材料。,4、 功能陶瓷,4.2.2 陶瓷的性能特点,同金属材料相比，大多数陶瓷的硬度高，弹性模量大，脆性大，几乎没有塑性，抗拉强度低，抗压强度高 。,1、 力学性能,熔点高，抗蠕变能力强，热硬性可达1000 。但陶瓷的热膨胀系数和导热系数小，承受温度快速变化的能力差，在温度剧变时会开裂。,2、 热性能,3、 化学性能,化学稳定性高，有良好的抗氧化能力，在强腐蚀介质高温共同作用下有良好的抗蚀性能。,4、 其他物理性能,大多数是电绝缘体，功能陶瓷材料具有光、电、瓷、声等特殊性能。,4.2.3 常用工程结构陶瓷的种类、性能和用途,普通陶瓷,

11、普通工业陶瓷,化工陶瓷,绝缘子，绝缘的机械支撑件，静电纺织导纱器,受力不大，工作温度低的酸碱容器，反应塔，管道,特种陶瓷,氧化铝瓷,氧化硅瓷,氮化硼瓷,氧化镁瓷,氧化铍瓷,火花塞，轴承，密封环，刀具,耐磨，耐腐蚀，耐高温零件,坩埚、绝缘零件，高温轴承,熔化高纯度铀、钍及其合金的坩埚,高温绝缘电子元件，核反应堆中子减速剂和反射材料，高频电炉坩埚,4.3 复合材料,由两种或多种不同性能的材料用某种工艺方法合成的多相材料。,复合材料既保持组成材料各自的特性，有具有复合后的新特性，其性能往往超过组成材料的性能之和或平均值组成材料的种类、性能、比例、形态不同，复合方法不同，会得到不同的强化效果。,4.3

12、.1 复合材料的分类,以高分子材料、陶瓷材料、金属材料为基体，以粒子、纤维和片状为增强体组成。,按基体材料的不同可将复合材料分为两类：非金属基复合材料（塑料基、橡胶基、陶瓷基等）和金属基复合材料（如铝基、铜基等）。,按增强材料的不同可将复合材料分为三类：纤维增强橡胶（橡胶轮胎、传动皮带）、纤维增强塑料（如玻璃钢）；颗粒增强复合材料（如金属陶瓷、烧结弥散硬化合金等）；叠层复合材料，如双层金属（巴氏合金钢双金属滑动轴承材料）等。,4.3.2 复合材料的性能特点,1、比模量高、比强度大 比模量是弹性模量与密度之比；比强度是抗拉强度和密度之比。实质是单位质量所提供的变形抗力和承载能力，这对要求自重小，

13、运转速度高的结构零件很重要。,由于纤维增强复合材料对缺口、应力集中敏感小，纤维-基体界面能阻止疲劳裂纹扩展，使裂纹扩展改变方向。实验测定表明，碳纤维复合材料的疲劳极限可达抗拉强度的70-80%，而金属的疲劳极限只有其抗拉强度的一半左右。纤维增强复合材料中有大量独立的纤维，平均每平方厘米面积上有几千到几万根，当少数纤维断裂后载荷就会重新分配到其它未破断的纤维上使构件不致发生突然破坏。,2、良好的抗疲劳和破断安全性,3、优良的高温性能,大多数增强纤维在高温下仍保持高的强度，用其增强金属和树脂时能显著提高高温性能。例如铝合金在400时弹性模量大幅度下降，强度也显著降低，而用碳纤维增强后，在此温度下弹

14、性模量可基本保持不变。,4.3.3 复合材料的应用,1、玻璃纤维-树脂复合材料,以玻璃纤维和热塑性树脂复合的玻璃纤维增强材料比普通塑料具有更高的强度和冲击韧度。玻璃纤维和塑料基体组成的复合材料通常叫做玻璃钢。按所用基体可分为热固性玻璃钢（以环氧树脂、酚醛树脂等为基体）和热塑性玻璃钢（以尼龙，聚苯乙烯等为基体）两种。强度较高，接近或超过铜铝合金，而密度只有钢的1/4-1/5。因此其比强度甚至高于合金钢。此外，还具有良好的耐蚀性。,2、碳纤维-树脂复合材料,碳纤维通常和 环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等组成复合材料。它在保持了玻璃钢许多性能优点的基础上，还有一些优异的性能。它的强度和弹性模量都高于

15、铝合金，接近高强度钢；它的密度比玻璃钢还小，因此比强度和比模量在现有复合材料中居第一位。此外，它还有优良的耐磨、减摩及自润滑、耐蚀、耐热等优点。在机械工业中，碳纤维复合材料可用作承载零件和耐磨零件，如齿轮、连杆、活塞和轴承等。它也可用作耐蚀化工零件，如容器、管道、泵等。,4.4 其它新型材料,4.4.1 高温材料,在600,甚至1000 以上能满足工作要求的材料,可承受较高的应力及具有相应的使用寿命.应用于锅炉、蒸汽机、石油化工用各种高温物理化学反应装置、原子反应堆的热交换器、喷气涡轮发动机和航天部件。 高温合金主要有铁基高温合金、镍基高温合金和高温陶瓷材料等。新型高温合金主要有定向凝固高温合

16、金、单晶高温合金、粉末冶金高温合金、快速凝固高温合金、金属间化合物高温合金和其它难熔金属高温合金等。,4.4.2 形状记忆材料,1963年，美国海军一个研究所奉命研制一种新式装备。在一次试验中他们需要一些镍- 钛合金丝，然而当他们将合金丝领回来时，却发现这些镍钛合金丝是弯弯曲曲的，使用起来不方便。于是他们就将这些细丝一根根地拉直，并用在试验中。在试验过程中，奇怪的现象出现了：当温度升到一定值的时候，这些已经被拉得直直的镍钛合金丝，突然又全部恢复到原来弯弯曲曲的形状，而且丝毫不差，和原来一模一样。,所谓形状记忆效应是指某些合金材料在一定条件下，虽经变形但仍然能够恢复到变形前原始形状的能力。目前发现的有“记忆”能力的金属都是合金，是通过人工的方法由几种不同金属混合而成的一类金属。在这种金属里，金属原子是按一定的方式排列起来的，而且这些金属原子有一个特点就是当受到一定的外力时，它们可以离开自己原来的位置而“迁居”到邻近的另一个地方去暂时“借住”。这个过程，也就是金属做成的物体发生形变的过程。而当我们将这