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1、第九章陶瓷材料 9 1概述 材料 普通陶瓷分类 特种陶瓷分类 氧化物陶瓷 玻璃 一些结构陶瓷碳化物陶瓷 SiC WC B4C TiC氮化物陶瓷 Si3N4 TiN BN AlN C3N4其他化合物陶瓷 结构陶瓷 力学性能好 用于制造结构零部件 Al2O3 Si3N4 ZrO2功能陶瓷 声 光 电 热 磁 化学等特殊功能陶瓷 例 表9 1 9 2陶瓷材料制作工艺 陶瓷制作工艺的特点 粉末冶金法 块体 材料制备与产品制造工艺一体化减薄或沉积法 陶瓷薄膜 9 2 1体相陶瓷制备过程 粉体制备坯料成形 素坯 烧结 9 2 2陶瓷薄膜制作方法 液相法 湿法沉积阳极氧化 化学氧化电泳沉积 电沉积溶胶 凝胶
2、气相沉积法 PVD CVD等固相反应 热喷涂 浆料上釉其他相关方法 9 3陶瓷材料的性能特点 9 3 1陶瓷材料的机械性能弹性模量大 刚性好 共价键合 离子键 强度高 压 拉 10 1 比铸铁 3 1 高硬度高 用于工具 耐磨件脆性 共价键 离子键 致密性 与陶瓷增韧脆性大 常温无塑变增韧 致密化 相变法 复合增韧法9 3 2其他通用性能特点耐热性好 导热性差 热膨胀小一般为绝缘体或半导体 问题 说明陶瓷力学性能特点的结构本质 9 4 1普通陶瓷 用天然原料制成的粘土类陶瓷原料 粘土 长石 石英质硬 不导电 易加工 高温易软化耐普通酸碱腐蚀主要用作工作温度低于200的酸碱介质 容器 管道 反应
3、塔等 9 4常用工业陶瓷及其应用 9 4 2特种陶瓷 氧化铝陶瓷成份 Al2O3 少量SiO2分类 75 95 99高温强度及硬度抗氧化 耐酸碱腐蚀脆性大 抗热振性差 2 其他氧化物陶瓷BeO ZrO2 MgO有各自独特的功能性3 非氧化物陶瓷SiC Si3N4BN 第十章高分子材料 以高分子化合物为主要成分的材料 分子量在1000以上 高可达几十万 10 1概述 10 1 1高分子化合物的组成 组成元素 主要由C H O N Si S P B等少数元素组成材料的高分子单元又有一种或几种简单的结构单元通过共价键连接并重复形成 人工合成高聚物 加聚方法及缩聚方法加聚物由有机单体通过加成反应获得
4、如聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯等 链接结构与单体相同 命名为 聚 缩聚物由多于两种具有特殊官能团的有机小分子反应生成 同时又低分子副产物 如氨 水等 生成 链接结构与单体不同 命名 树脂 如酚醛树脂等 10 2高分子材料的分类及命名 10 2 1高分子材料的分类 1 性能用途 塑料橡胶纤维胶粘剂 注意 上述分类没有严格界限 有时同一种高分子化合物用不同的加工方法制成不同的材料 粘流态存在 主链不含碳 10 2 1高分子材料的命名 高分子材料的命名一般采取习惯命名法或商业命名法 10 3高分子材料的结构及性能特点 高分子材料的结构特征 1 线型结构 由许多链节组成的呈卷曲状的长链 受拉时可以伸展成直
5、线 是热塑性聚合物的典型结构 这类高聚物的特点是弹塑性好 具有可溶 可熔性 可反复加工使用 2 支链型结构 在主链上带有一些或长或短的支链 整个分子呈枝状 虽然这类高聚物也具有可溶可熔性 但由于分子不易整齐排列 分子间作用力较弱 对其性能有一定的影响 支链较少时 这类高聚物的性能接近线型分子链高聚物 3 网状 体型 结构 分子链之间有许多链节互相横向交联 构成一个非常稳定的空间网络 该结构是热固性高分子的典型结构 具有硬度高 脆性大 无弹性和不能反复使用的特点 10 3 1高分子材料的力学状态及性能特点 1 线性非晶高聚物状态 玻璃态 分子热运动能力弱 分子链及材料处于刚性状态 外力作用下有一
6、定弹性变形能力 高弹态 橡胶态 分子运动能力增加 分子链可以旋转运动 高聚物能产生达100 1000 的弹性变形 但弹性变形有滞后效应 粘流态 在一定温度以上 聚合物变成粘稠状液体状态 是热塑性高分子材料的加工温度区 也称树脂态 玻璃化温度 脆化温度 橡胶态及橡胶 2 线性晶态高聚物力学状态 有固定熔点 Tm T Tm 晶区熔融 为粘流态T Tm 晶区为刚性硬结晶态高分子材料只能有部分结晶Tg T Tm 非晶区为高弹态 柔顺性 晶区为刚性 这称为皮革态 3 体型高分子材料力学状态 高聚物大分子链为网状结构 交连密度决定其性能交连密度小 分子柔性好 材料性能随温度仍具有明显的三态演化 如轻度硫化
7、的橡胶交连密度大 柔性减小 弹性变形小并失去高弹态交连密度很大 Tg Tf 材料分解前只有玻璃态 如热固性塑料 4 高分子材料的力学性能特点 低强度和高比强度 一般塑料 b为 30 100 MPa 橡胶 b约为25MPa 高弹性和低弹性模量 塑料的弹性模量为金属的1 10 橡胶的弹性模量为金属的1 1000 粘弹性 高分子材料的弹性变形具有与变形时间的相关性 这种弹性性能称粘弹性 高耐磨性 硬度低 耐磨性是由其他物理过程决定大分子的耐撕裂性好高分子与对磨材料的润滑性粘弹性的时间相关性有利于材料的耐磨过程 松弛接触应力 10 3 2高分子材料的其他性能特点 高绝缘性膨胀性低导热性低热稳定性高化学
8、稳定性 常规大气和工业环境下化学稳定性好高分子材料使用过程中的结构性能变化 分子的交连反应 材料变硬 脆 失去弹性 出现龟裂分子量的降解 裂解 反应 材料软化变粘 失去刚性高分子材料的老化及防护 光 热 机械 化学 氧 生物作用等因素易引起高分子材料老化过程高分子改性 抗老化剂 环境隔离 表面镀层 橡胶的特点是室温弹性高 即使在很小的外力作用下 也能产生很大的形变 可达1000 外力去除后 能迅速恢复原状 其弹性模量小 约105 104Pa 常用的橡胶有天然橡胶 异戊橡胶 丁苯橡胶 顺丁橡胶 聚丁二烯 乙丙橡胶和硅橡胶等 纤维的弹性模量较大 约109 1010Pa 受力时 形变不超过百分之二十
9、 纤维大分子沿轴向作规则排列 其长径比较大 在较广的温度范围 50 150 内 机械性能变化不大 常用的合成纤维有尼龙 涤纶 晴纶和维尼纶等 有机高分子材料 高聚物 特征1 塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间 约107 108Pa 温度稍高些 受力形变可达百分之几至几百 有些塑料的形变是可逆的 有些塑料的形变是永久的 根据塑料受热时行为的不同 分为热塑性和热固性塑料两类 前者受热时可以塑化和软化 冷却时则凝固成形 再加热又可塑化软化 聚乙烯 聚氯乙烯和聚碳酸酯等都属于此类 后者在受热时可塑化和软化 并通过化学反应 使之固定成型 但冷却后不能再加热软化 酚醛塑料和脲醛塑料就属此类 有机高分子材料
10、高聚物 特征2 胶粘剂是指在常温下处于粘流态 当受到外力作用时 会产生永久变形 外力撤去后又不能恢复原状的高聚物 有时把聚合后未加工成型的高聚物称为树脂 以区分加工后的塑料或纤维制品 如电木未固化前称酚醛树脂 涤纶纤维未纺织前称涤纶树脂 有机高分子材料 高聚物 特征3 10 4工程塑料 10 4 1塑料的组成 树脂 塑料的主要组成添加剂 改善塑料的工艺性能 增塑剂 固化剂 发泡剂和催化剂 改善塑料的使用性能 增塑 稳定 填料 着色 阻燃 静电剂等 10 4 塑料的分类 热性能分类 热固性和热塑性塑料使用性能分 工程塑料 通用塑料和特种塑料工程塑料 用于工程机械和机械零件 ABS 尼龙 聚甲醛通
11、用塑料 用于日常生活 用量大 用途广特种塑料 具有特殊物理化学性能的塑料 PTFE的润滑 和电绝缘性能 有机硅的耐热性 10 4 3常见工程塑料的性能特点和用途 聚烯烃塑料 主要包括聚乙烯 PE 聚氯乙烯 PVC 聚丙烯 PP 聚苯乙烯 PS 等 ABS塑料 由丙烯氰 A 丁二烯 B 和苯乙烯 S 三种组元共聚而成 丙烯氰 提高耐蚀性和硬度丁二烯 提高柔顺性苯乙烯 提高热塑加工型 3 其他热塑性塑料 聚酰胺 尼龙 聚甲醛 POM 聚碳酸酯 PC 有机玻璃 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 聚四氟乙烯 PTFE 9 热固性塑料 10 5合成橡胶与合成纤维 10 5 1橡胶 在较宽的温度范围内都保持高弹态的高分子材料 10 5 2合成纤维 纤维 长径比大于100的条状或丝状高分子材料 第十一章复合材料 11 1概述11 1 1定义 由传统材料和按传统工艺难以制造的 由两种或两种以上性质完全不同的材料单元组合而成的材料 11 1 2复合材料分类 分类 复合目的 性能特点 九 十 十一章总结 熟悉陶瓷 高聚物及复合材料的基本结构与性能特征 能解释不同类型材料的结构性能关系了解陶瓷和高聚物的基本分类熟悉高聚物的力学状态 以线性高聚物的温度 变形曲线为例 和性能特点
