电子教案第8章非金属材料

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1、全国高职高专教育规划教材,克拉玛依职业技术学院,机械工程材料,刘祖其 主编,第8章 非金属材料,8.1高分子材料 8.2陶瓷材料 8.3复合材料 8.4综合练习题,非金属材料是指金属及合金以外的一切材料的总称。机械工程上使用的非金属材料主要有高分子材料、陶瓷材料和复合材料，这些原料来源广泛、成形工艺简单, 具有金属材料所不具备的某些特殊性能, 更适合制造具有特定性能要求的制品和构件。近年来发展迅速，应用日益广泛，现已成为机械工程材料中不可缺少的、独立的组成部分。本章主要介绍了高分子材料、陶瓷材料、复合材料和粉末冶金材料的原理、性能特点及应用等内容。,8.1 高分子材料,8.1.1概述 8.1.

2、2塑料 *8.1.3橡胶 *8.1.4.胶粘剂,8.1.1概述 高分子材料是以高分子化合物为主要组成物的材料，而高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，其分子质量都在几千、几万、几十万或几百万以上，甚至更高。通常多在50001000 000之间。一般高相对分子质量物质和低相对分子质量物质之间并没有严格的界限。通常把相对分子质量小于500的称为低分子化合物，大于5000的称为高分子化合物。一般说来，低分子化合物没有强度和弹性，而高分子化合物则具有较高的强度、塑性、弹性等力学性能。,由单体聚合为高聚物的基本方法有加聚合反应和缩聚反应两种。 (1)加聚反应：也称为加成聚合反应，是指由单体经过光照、

3、加热或化学药品的作用 互相结合连接成大分子。 (2)缩聚反应：也称缩合聚合反应，是指有官能团的单体，互相反映结合成较大的 大分子，可同时放出某些低分子物质(如水、氨等)。,8.1.2塑料 塑料：是以高分子量合成树脂为主要成分，树脂有天然树脂和合成树脂两种，工业中用的树脂主要是合成树脂。树脂主要作用是将塑料的其它成份加以粘合，并决定塑料的类型(热塑性或热固性)和主要性能，如机械物理电化学性能等。树脂在塑料中的比例一般为4065%。,1、塑料的组成 塑料是由树脂+ 添加剂组成的。添加剂主要包括填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、着色剂等各种辅助料组合而成的。因此，不同品种牌号的塑料，由于选用树

4、脂及辅助料的性能、成分、配比及塑料生产工艺不同，则其使用及工艺特性也各不相同。为此在模具设计时必须了解所用塑料的工艺特性。 （1）填充剂 (2)增塑剂 (3)稳定剂 (4)着色剂 (5)润滑剂 （6）抗氧剂,2、塑料的分类 按使用范围分：有通用塑料和工程塑料；按树脂的热性能分：有热固性塑料和热塑性塑料。 （1）使用范围分类 （2）树脂热性能分 （3）其它性能分类,3、塑料的特性 塑料可区分为热固性与热可塑性二类，热固性无法重新塑造使用，热可塑性可再重复生产。塑料主要有以下特性： 优点是：大部分塑料的抗腐蚀性能力都强，不与酸、碱反应；塑料制造成本低；防水、耐用、质轻；容易制成不同形状产品； 绝缘

5、性能好；塑料还可以用于制备燃料油和燃料气等。 缺点是： 回收利用废弃塑料时，分类十分困难，而且经济上不合算；塑料容易燃烧，燃烧时产生有毒气体；塑料是由石油炼制的产品制成的，石油资源是有限的。,4、常用工程塑料 (1)热塑性工程塑料 这类塑料受热变软，甚至成为可流动的稳定粘稠液体，可塑制成一定形状的塑件，冷却后保持既得的形状，成形工艺简便，可直接经注射、挤压、吹塑成形, 其制品使用温度低于120oC，生产率高，可以进行反复使用。这一过程中只有物理变化，而无化学变化。 常用的热塑性塑料有：聚乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、ABS塑料、聚甲醛(

6、POM)、聚四氯乙烯(F-4)、聚碳酸酯(PC)、聚砜(PSF)等。,(2)热固性塑料 酚醛塑料耐热性能好，不易传热，沸水中不变软，制品的形状不受温度的变化影响；电绝缘性能好，表面硬度大，有较好的机械强度，抗压强度和抗弯强度较高，但抗冲击强度较小；稳定性能好，耐各种溶剂和油类的浸渍，在强酸和各种有机溶剂中均比较稳定，但在碱性溶液中能发生溶解现象。不宜用做饮食用具。这类塑料的合成树脂是体型高聚物，在加热之初，因分子呈线型构具有可熔性和可塑性，可塑制成一定形状的塑件，当继续加热时，分子呈现风状结构，当温度达到一定程度后，树脂变成不溶和不熔的体型结构，使形状固定下来，不再变化。变化过程中不可逆的（一

7、次成型）。常用的热固性塑料有酚酸塑料（PF），氨基塑料，环氧树脂（EP），酚醛塑料（PF）。主要用于制作钮扣、餐具、皂盒、瓶盖等，也用于工业和民用的电器元件和外壳等。,各类塑料制品,8.1.3橡胶 橡胶是高聚物中具有高弹性的一种物质。具有良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性、隔音及吸振等。用于制作轮胎、密封元件、各种胶管、减振、防振件、传动件以及电线、电缆等。按橡胶的来源来分有天然橡胶和合成橡胶两大类。按橡胶的用途来分有通用橡胶和特种橡胶两大类。,通用橡胶：性能与天然橡胶相同或接近，物理性能和加工性能较好，能广泛用于轮胎和其它一般橡胶制品：如天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶。主要用于制造各种

8、轮胎及一般工业橡胶制品。通用橡胶的需求量大，是合成橡胶的主要品种。 特种橡胶：是指具有耐高温、耐油、耐臭氧、耐寒、耐化学腐蚀、耐溶剂、耐辐射、耐老化和高气密性等特点的橡胶，如丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶、聚硫橡胶、聚丙烯酸酯橡胶、氯醚橡胶、氯化聚乙烯橡胶、氯磺化聚乙烯、丁吡橡胶等，主要用于要求某种特性的特殊场合。,1、橡胶的组成与性能 （1）天然橡胶 天然橡胶(NR)以橡胶烃(聚异戊二烯)为主，含少量蛋白质、水分、树脂酸、糖类和无机盐等。弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳，易于其它材料粘合，在综合性能方面优于多数合成橡胶。缺点是耐氧和耐臭氧性差，容

9、易老化变质；耐油和耐溶剂性不好，第抗酸碱的腐蚀能力低；耐热性不高。使用温度范围：约6080。主要用于制作轮胎、胶鞋、胶管、胶带、电线电缆的绝缘层和护套以及其他通用制品。特别适用于制造扭振消除器、发动机减震器、机器支座、橡胶-金属悬挂元件、膜片、模压制品。,（2）通用橡胶 1）丁苯橡胶(SBR) 2）顺丁橡胶(BR) 3）异戊橡胶(IR) 4）乙丙橡胶(EPM EPDM) 5）氯丁橡胶(CR),（3）特种橡胶 1）丁基橡胶(IIR) 2）丁腈橡胶(NBR) 3）硅橡胶(Q) 4）氟橡胶(FPM) 5）聚氨酯橡胶(AUEU) 6）氢化丁腈橡胶(HNBR) 7）丙烯酸酯橡胶(ACMAEM) 8）氯磺

10、化聚乙烯橡胶(CSM) 9）氯醚橡胶(COECO) 10）氯化聚乙烯橡胶(CM或CPE),（4）热塑性橡胶（SBS） 热塑性橡胶一般是用锂有机化合物作催化剂由溶液聚合而得。聚合物的特点是纯度高，实际上不含杂质。在从溶液中分离出聚合物时，一般要加入不污染的防老剂。 热塑性橡胶在100200 温度下进行加工，在低于100温度下长期加工时，聚合物会发生机械断裂，降低了材料的强度。可以用压出、压延、模压成型、注压成型等方法制造热塑性橡胶零件。,顺丁橡胶原料,氯丁橡胶制成的扁平电缆,氟橡胶密封垫圈,8.1.4.胶粘剂 胶粘剂分为有机胶粘剂和无机胶粘剂(如磷酸盐、水玻璃等)两类。有机胶粘剂又分为天然胶粘剂

11、(如骨胶、松香等)和合成胶粘剂，现代胶粘技术，多采用合成胶粘剂，合成胶粘剂在工程上应用最广。 (1)基料：基料是胶粘剂的主要成分，决定胶粘剂的物理性能、化学性能和力学性能。 (2)固化剂：固化剂的作用是使胶粘剂固化。 (3)增塑剂和增韧剂。增塑剂能够增进固化塑性的物质，它在胶粘剂中能提高弹性和耐寒性。,8.2 陶瓷材料,8.2.1陶瓷的分类 8.2.2 陶瓷的组成及性能特点 8.2.3常用工业陶瓷,8.2.1陶瓷的分类 通常把陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。 1、普通陶瓷 根据用途不同，普通陶瓷又可分类日用陶瓷、工艺陶瓷、工业陶瓷。 （1）日用陶瓷：如茶具、餐具、缸、坛、盆、罐、盘、碟、碗等

12、。 （2）工艺陶瓷：如花瓶、园林陶瓷、器具、 陈设品等。 （3）工业陶瓷：指应用于各种工业的陶瓷制品。又分为建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷、特种陶瓷等。,2、特种陶瓷 特种陶瓷：指纯度较高的金属氧化物、碳化物、氮化物等。用于各种现代工业和尖端科学技术的特种陶瓷制品，有高铝氧质瓷、镁石质瓷、钛镁石质瓷、锆英石质瓷、锂质瓷、磁性瓷、金属陶瓷等。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。,陶鹰鼎仰韶文化庙底沟类型 高36cm,三彩我国古代陶器中一颗璀灿的明珠,日用陶瓷盘子,建筑陶瓷墙面砖,化工陶瓷,结构陶瓷陶瓷刀,功能陶瓷电子陶瓷,氧化锌避雷器,电瓷绝缘子,纺织瓷件,氧化铝陶瓷电阻,氮化硅陶瓷

13、刀具,氮化硅轴承球,氮化硅陶瓷涡轮转子,氮化硅陶瓷吸管,8.2.2 陶瓷的组成及性能特点 1、陶瓷的化学组成 陶瓷是由石英、粘土、长石等天然矿物原料按不同的配方配制，再经加工、烧成、成型而得，其化学组成取决于所用天然原料及配方，在不同地区不同窑口的陶瓷由于所用原料的不同，配方的不同以及烧制工艺的不同，其化学组成、显微结构及物理性能都会有各自的特点。,2、陶瓷性能特点 （1）力学性能 硬度高于其他材料，一般大于1500HV，而淬火钢为500800HV，弹性模量、强度比金属还要高，室温下几乎没有塑性，脆性大，耐疲劳性能较差。陶瓷内部气孔多，抗拉强度低，但受压时气孔不会导致裂纹扩展，故抗压强度高。

14、（2）热性能 导热能力较差、热导率较小、比热容小、热膨胀一般为10-510-6/K。膨胀系数，尤其具有高熔点、高硬度和高的化学稳定性，热硬性高，抗高温蠕变能力强，高温强度高，这是它被广泛作为高温材料应用的原因。缺点是抗热震动性的能力较差，当它受到热冲击时极易被破坏。,（3）电性能 绝大多数陶瓷具有良好的电绝缘材料，它们的电阻率在1071020cm的数量级范围。介电性能好，它的介电损耗很小，可以用于制取高频、高温下工作的器件。 （4）化学性能 陶瓷材料具有优良的抗化学腐蚀和抗电化学腐蚀的能力。这是由于陶瓷材料的离子间或共价键强键结合的缘故。能够在酸、碱、盐和各种氧化剂条件下具有良好的抗腐蚀能力，

15、经久耐用，抗酸、碱、盐腐蚀能力强，这是该材料的又一大优点。 （5）光学性能 陶瓷具有特殊的光学性能，在陶瓷新型功能材料中，有许多特异的光学性能。如透明陶瓷，具有极好的透光效应，是光学材料的重大突破，它可以用作高压钠灯管和各种高级窗口材料.,8.2.3常用工业陶瓷 工业上的陶瓷主要用于制作耐高温、耐磨元件、绝缘材料、高硬度耐磨材料及各种功能材料。 1、普通陶瓷 普通陶瓷是用粘土、长石和石英为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。 普通陶瓷质地坚硬、不氧化、不导电、耐腐蚀、产量高、成本低、强度低，加工成形性好。使用温度为1200oC。除日用陶瓷、瓷器外，广泛用于电器、化工、建筑和纺织工业部门。,2、新型结

16、构陶瓷 （1）氧化铝陶瓷 主要成分是Al2O3, 含有少量SiO2的陶瓷，强度比普通陶瓷高26倍，硬度高(仅低于金刚石)，又称高铝陶瓷。根据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3)、95瓷和99瓷。 （2）氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷的化学稳定性好、强度高，硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.10.2，热膨胀系数小，抗热震性大大高于其他陶瓷材料。用于制作高温轴承，热电耦套管，转子发动机的刮片、泵和阀的密封件，切削高硬度材料的刀具等。,（3）碳化硅陶瓷 碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成。 碳化硅的最大特点是高温强度高，抗弯强度在1400oC仍保持500600MPa，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。 （4）氮化硼陶瓷 氮化硼陶瓷具有良好的高温绝缘性(2000oC时仍绝缘)、热稳定性、耐热性、化学稳定 性、润滑性，硬度低，可进行切削加工。用于制作热电耦管套、半导体散热绝缘件、高温容器、管道、轴承、玻璃制品的成形模具。,