第九章第九章 非金属材料与新型材料非金属材料与新型材料 Contents高分子材料高分子材料1陶瓷材料陶瓷材料2复合材料复合材料3新型材料新型材料4 按结合键离子键共价键金属键分子键材料的结合键材料的结合键 离子键离子键 特点：特点：结合力很大结合力很大离子晶体性能：离子晶体性能：硬度高，强度大，热膨胀系统小，硬度高，强度大，热膨胀系统小， 但脆性大但脆性大 共价键共价键 特点特点：结合力很大：结合力很大共价晶体性能共价晶体性能：强度高，硬度高，脆性大，熔点高，沸点高和挥发性低强度高，硬度高，脆性大，熔点高，沸点高和挥发性低 金属键金属键 金属键特点：金属键特点：①良好的导电性和导热性良好的导电性和导热性②正的电阻温度系数正的电阻温度系数③不透明并呈现特有的金属光泽不透明并呈现特有的金属光泽④良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。
良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好 分子键分子键 特点：特点：范特瓦尔斯力很弱，由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低范特瓦尔斯力很弱，由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低 因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性 金属材料：金属键金属材料：金属键高分子材料：分子键和共价键高分子材料：分子键和共价键陶瓷材料：离子键和共价键陶瓷材料：离子键和共价键复合材料：多种键结合复合材料：多种键结合 •高分子化合物由许多结构单元相同的小分子化合高分子化合物由许多结构单元相同的小分子化合物通过化学键连接而成，物通过化学键连接而成，常称聚合物或高聚物常称聚合物或高聚物•简单的结构单元（单体）重复连接（大分子链）简单的结构单元（单体）重复连接（大分子链）聚乙烯分子链聚乙烯分子链CH2=CH2+CH2=CH2+ →-CH2-CH2-CH2-CH2- ,[ CH2–CH2 ]n n CH2=CH2→9.1 高分子材料高分子材料 乙烯：键长乙烯：键长0.154nm、键角、键角109。
28‘大分子链的结构大分子链的结构单链内旋单链内旋 大分子链的形状大分子链的形状l线型结构高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料线型结构高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料l支链型结构近于线型结构支链型结构近于线型结构 l体型结构高聚物硬度高，脆性大，无弹性和塑性，是热固性体型结构高聚物硬度高，脆性大，无弹性和塑性，是热固性材料 聚集态聚集态l高聚物的聚集态是指高聚物的聚集态是指分子链聚集形成聚合分子链聚集形成聚合物l从分子的层次上看聚从分子的层次上看聚合物的结晶合物的结晶l聚合物结晶是不均匀聚合物结晶是不均匀的 高聚物的力学状态高聚物的力学状态l玻璃态：低温下，链段不能运动在外力作用下，只发玻璃态：低温下，链段不能运动在外力作用下，只发生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形l高弹态：温度高于高弹态：温度高于Tg，分子活动能力增加，受力时产，分子活动能力增加，受力时产生很大弹性变形用于这种状态高聚物是橡胶生很大弹性变形用于这种状态高聚物是橡胶l粘流态：由于温度高，分粘流态：由于温度高，分子活动能力很大，在外力子活动能力很大，在外力作用下，大分子链可以相作用下，大分子链可以相对滑动。
粘流态是高分对滑动粘流态是高分子子材料的加工态材料的加工态 作为工程结构材料使用作为工程结构材料使用主要主要优点？优点？主要主要缺点？缺点？ （（1）重量轻）重量轻（（2）减磨、耐磨性好，摩擦系数低，）减磨、耐磨性好，摩擦系数低，自润滑性能好，消音、吸震能力强，自润滑性能好，消音、吸震能力强，（（3）绝缘性能好）绝缘性能好高分子材料作为工高分子材料作为工程结构材料使用的程结构材料使用的优点优点（（4）耐蚀性能好）耐蚀性能好 （（5）光学性能，有机玻璃等透光性能好）光学性能，有机玻璃等透光性能好 （（1）高弹性、弹性模量低，刚性差高弹性、弹性模量低，刚性差 （（2）粘弹性或滞弹性）粘弹性或滞弹性（（3）强度低，力学性能呈多样性）强度低，力学性能呈多样性高分子材料作为工高分子材料作为工程结构材料使用的程结构材料使用的缺点缺点（（4）耐热性差）耐热性差 （（5）易老化）易老化 改性的概念改性的概念l塑料的改性是继聚合方法之外又一种获取性能树脂的简塑料的改性是继聚合方法之外又一种获取性能树脂的简捷而有效地方法它扩大了原有树脂的应用范围捷而有效地方法它扩大了原有树脂的应用范围l塑料的改性：通过物理的、机械的、化学的等作用，使塑料的改性：通过物理的、机械的、化学的等作用，使树脂原有性能得到改善。
树脂原有性能得到改善l塑料改性的含义很广泛，在改性过程中，可以发生物理塑料改性的含义很广泛，在改性过程中，可以发生物理变化，也可发生化学变化变化，也可发生化学变化l塑料改性的应用范围很广泛，几乎所有的塑料的性能都塑料改性的应用范围很广泛，几乎所有的塑料的性能都可通过改性方法得到改善可通过改性方法得到改善 常用工程塑料常用工程塑料 结构特点是具有苯环，刚性好，不易结晶，常加入橡胶结构特点是具有苯环，刚性好，不易结晶，常加入橡胶类原料；表面硬度高，不易划伤且是无定型共聚物，孔隙类原料；表面硬度高，不易划伤且是无定型共聚物，孔隙大，透明度高大，透明度高82－－90％（有机玻璃易划伤），可用作车灯％（有机玻璃易划伤），可用作车灯罩、仪表壳体等；无极性集团，绝缘性好，是绝缘良好的罩、仪表壳体等；无极性集团，绝缘性好，是绝缘良好的高压绝缘材料；吸水性小，不易变形但是耐热性差，易高压绝缘材料；吸水性小，不易变形但是耐热性差，易裂、易燃、不耐油主要缺点：脆性大，经改性使用裂、易燃、不耐油主要缺点：脆性大，经改性使用1聚苯乙烯聚苯乙烯PS二元改性：二元改性：PS＋＋A（丙烯晴）＝（丙烯晴）＝AS塑料塑料9.1.1 工程塑料工程塑料 AS：表面硬度高，不易划伤，着色性能好，韧性提高，：表面硬度高，不易划伤，着色性能好，韧性提高，绝缘性能好，主要用作家用电器壳体，如电视机壳等。
其绝缘性能好，主要用作家用电器壳体，如电视机壳等其价格为价格为ABS的的1/4-1/5 PS+A（丙烯晴）（丙烯晴）+B（丁二烯，橡胶元素，韧性进一步提（丁二烯，橡胶元素，韧性进一步提高）＝高）＝ABS ABS：：综合机械性能好，加工性能好（可电镀、着色、喷涂等），综合机械性能好，加工性能好（可电镀、着色、喷涂等），－－40－－90℃℃使用不耐高温，耐候性差，易燃主要用途：家用电器，电冰箱、不耐高温，耐候性差，易燃主要用途：家用电器，电冰箱、洗衣机等，工程用量占洗衣机等，工程用量占5％左右，如齿轮、轴承、方向盘等％左右，如齿轮、轴承、方向盘等 手提箱提手手提箱提手座椅座椅 中低档电子产品中低档电子产品 常用工程塑料常用工程塑料•力学性能好，有较高的机械强度，冲击韧性高，力学性能好，有较高的机械强度，冲击韧性高，•同时尼龙耐磨性、自润滑性、耐腐蚀性好同时尼龙耐磨性、自润滑性、耐腐蚀性好•缺点是热稳定性差，缺点是热稳定性差，70－－80℃℃为工作温度为工作温度•导热系数低，用作齿轮等零件时要求散热条件好导热系数低，用作齿轮等零件时要求散热条件好•吸水性大，尺寸变化大吸水性大，尺寸变化大。
•目前一般使用经改性或碳纤维增强的尼龙，代替有色金属目前一般使用经改性或碳纤维增强的尼龙，代替有色金属(铜铜)等使用2聚酰胺类聚酰胺类PA，尼龙，尼龙 •“透明塑料透明塑料”，透明度，透明度86－－92％，％，•抗冲击性能好，韧性好，抗冲击性能好，韧性好，其其冲击韧性和延伸率在热塑性冲击韧性和延伸率在热塑性塑料中为最好塑料中为最好•具有较高的耐热、耐寒性，－具有较高的耐热、耐寒性，－100－－130℃℃使用•电性能好，耐化学腐蚀，耐磨可广泛代替木材、玻璃电性能好，耐化学腐蚀，耐磨可广泛代替木材、玻璃使用3聚碳酸脂聚碳酸脂PC POM是是1960年左右出现的新型工程塑料，是继尼龙之后的一年左右出现的新型工程塑料，是继尼龙之后的一个新品种个新品种在工程塑料中机械性能最高，较接近金属的品种之一在工程塑料中机械性能最高，较接近金属的品种之一特点是耐疲劳是热塑性塑料中最高的，耐磨性，自润滑性较特点是耐疲劳是热塑性塑料中最高的，耐磨性，自润滑性较好，弹性模量和硬度高，吸水性小，尺寸稳定化学稳定性好，好，弹性模量和硬度高，吸水性小，尺寸稳定化学稳定性好，电绝缘性好电绝缘性好总体评价，综合机械性能好，加工成型性好。
可代替有色金总体评价，综合机械性能好，加工成型性好可代替有色金属制造齿轮、凸轮、轴承等属制造齿轮、凸轮、轴承等4聚甲醛聚甲醛POM 9.2 陶瓷材料陶瓷材料•传统陶瓷：传统陶瓷：陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料等陶瓷器、玻璃、水泥和耐火材料等•新型陶瓷：新型陶瓷：采用化学方法制备高纯度或纯度可控制采用化学方法制备高纯度或纯度可控制的材料做原料，获得传统陶瓷无法比拟的性能的材料做原料，获得传统陶瓷无法比拟的性能•陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物陶瓷是金属和非金属元素的固体化合物共价键或共价键或离子键结合，稳定性高，熔点高，硬度高，抗化学离子键结合，稳定性高，熔点高，硬度高，抗化学物质能力强物质能力强•陶瓷通常是绝缘体陶瓷通常是绝缘体陶瓷是脆性材料陶瓷是烧结陶瓷是脆性材料陶瓷是烧结体，一般不能完全致密，这对性能影响很大，获得体，一般不能完全致密，这对性能影响很大，获得完全致密的陶瓷体是烧结工艺研究的主要问题完全致密的陶瓷体是烧结工艺研究的主要问题 l工程陶瓷：在工程结构上使用，主要使用在高温条件下工程陶瓷：在工程结构上使用，主要使用在高温条件下，，也称为高温结构陶瓷在空间技术和军事技术中，往往也称为高温结构陶瓷。
在空间技术和军事技术中，往往是唯一可用材料是唯一可用材料l最有前途是氮化硅、碳化硅和增韧氧化物最有前途是氮化硅、碳化硅和增韧氧化物l功能陶瓷：利用陶瓷特有的物理性能，如导体、半导体、功能陶瓷：利用陶瓷特有的物理性能，如导体、半导体、介电体及绝缘体；各种传感器陶瓷等介电体及绝缘体；各种传感器陶瓷等 氮化硅保护管氮化硅保护管氮化硅料桶氮化硅料桶氮化硅砖氮化硅砖 各种氮化硅喷嘴各种氮化硅喷嘴氮化硅刀具氮化硅刀具 氮化硅陶瓷球氮化硅陶瓷球氮化硅全陶瓷轴承氮化硅全陶瓷轴承 碳化硅电热元件碳化硅电热元件碳化硅坩埚碳化硅坩埚碳化硅马蹄管碳化硅马蹄管碳化硅辐射管碳化硅辐射管 碳化硅抛物面镜碳化硅抛物面镜各种碳化硅制品各种碳化硅制品碳化硅棚板碳化硅棚板 氧化锆全陶瓷轴承氧化锆全陶瓷轴承氧化锆陶瓷坩埚氧化锆陶瓷坩埚氧化锆小轴氧化锆小轴氧氧化化锆锆珠珠纳米氧化锆陶瓷轴承纳米氧化锆陶瓷轴承 新型功能陶瓷材料：导电陶瓷，压电陶瓷，快离子陶瓷，磁性陶瓷新型功能陶瓷材料：导电陶瓷，压电陶瓷，快离子陶瓷，磁性陶瓷材料，光学陶瓷材料，陶瓷系传感器材料等材料，光学陶瓷材料，陶瓷系传感器材料等氧化铝温控陶瓷和压电陶瓷氧化铝温控陶瓷和压电陶瓷蜂窝陶瓷蜂窝陶瓷氧化铝陶瓷管氧化铝陶瓷管 多孔磷酸钙陶瓷多孔磷酸钙陶瓷各种工程陶瓷零件各种工程陶瓷零件 9.4 复合材料复合材料l复合材料是指由几种材料组合而成的一种材料，它兼有各复合材料是指由几种材料组合而成的一种材料，它兼有各种组成材料的特点或优点。
种组成材料的特点或优点 新型复合材料：新型复合材料：l纤维增强的金属基复合材料：纤维增强的金属基复合材料：l纤维增强的树脂材料已经得到广泛的应用，但是树脂基材纤维增强的树脂材料已经得到广泛的应用，但是树脂基材料也存在一些重大的不足，如不能在高温下工作，耐磨性料也存在一些重大的不足，如不能在高温下工作，耐磨性不好，易老化，尺寸不稳定等不好，易老化，尺寸不稳定等l最近对金属基复合材料的研究取得重大进展的主要有：硼最近对金属基复合材料的研究取得重大进展的主要有：硼—铝，碳铝，碳—铝，定向凝固高温合金等非金属基复合材料：铝，定向凝固高温合金等非金属基复合材料：一般制指以聚合物为基的复合材料一般制指以聚合物为基的复合材料 碳纤维复合材料碳纤维复合材料碳纤维复合材料缠绕的球罐碳纤维复合材料缠绕的球罐 纺织复合纤维布纺织复合纤维布碳纤维复合材料型材碳纤维复合材料型材 头盔普遍采用碳纤维复合材料头盔普遍采用碳纤维复合材料 发动机罩，车门，前翼子板，后盖板，前后围和扰流板等发动机罩，车门，前翼子板，后盖板，前后围和扰流板等许多的车身部件有高强度的碳纤维复合材料许多的车身部件有高强度的碳纤维复合材料CRP组成。
组成 法国新型第四代法国新型第四代“阵风阵风”（（Rafale）双发多任务战斗机，采用前置鸭翼、后掠三角）双发多任务战斗机，采用前置鸭翼、后掠三角翼和单垂尾气动布局，大量采用复合材料翼和单垂尾气动布局，大量采用复合材料 能够执行广泛范围短程和远程作战任务，包括对地、海上攻击、空中防御、空中优能够执行广泛范围短程和远程作战任务，包括对地、海上攻击、空中防御、空中优势、侦察、高精度打击，还具有核打击能力新型势、侦察、高精度打击，还具有核打击能力新型“阵风阵风”战斗机完全由法国自行设计战斗机完全由法国自行设计和制造，大量采用独有的先进技术来保证具有优异的综合性能在众多的相同技术水准和制造，大量采用独有的先进技术来保证具有优异的综合性能在众多的相同技术水准新型战机中，目前只有法国新型战机中，目前只有法国“阵风阵风”拥有海军型，部署在航空母舰上拥有海军型，部署在航空母舰上 “阵风阵风”战斗机机身结构大量采用复合材料常规半硬壳式结构机身的战斗机机身结构大量采用复合材料常规半硬壳式结构机身的50％采用碳纤％采用碳纤维复合材料后机身为碳纤维复合材料，机头整流罩和喷管整流罩为聚芳酰胺纤维复合维复合材料。
后机身为碳纤维复合材料，机头整流罩和喷管整流罩为聚芳酰胺纤维复合材料起落架及发动机舱门为碳纤维复合材料起落架及发动机舱门为碳纤维复合材料 9.4 新型材料：新型材料：形状记忆合金形状记忆合金某些具有热弹性马氏体相变的合金材料，处于马氏体状某些具有热弹性马氏体相变的合金材料，处于马氏体状态时进行一定限度的变形，在随后的加热过程中，当超态时进行一定限度的变形，在随后的加热过程中，当超过马氏体相消失温度时，材料就能够完全恢复变形前的过马氏体相消失温度时，材料就能够完全恢复变形前的形状和体积，这种现象称为记忆效应（形状和体积，这种现象称为记忆效应（SME）记忆形）记忆形状记忆效应的合金材料称为形状记忆合金（状记忆效应的合金材料称为形状记忆合金（SMA）1962年美国海军军械实验室发现年美国海军军械实验室发现Ti－－Ni合金的形状记忆合金的形状记忆效应是马氏体相变应用的一个重要方面是马氏体相变应用的一个重要方面 l形状记忆合金有所谓单程和双程记忆两种形状记忆合金有所谓单程和双程记忆两种l单程记忆是只加热到单程记忆是只加热到As点以上，伴随逆向马氏体点以上，伴随逆向马氏体相变发生形状回复的现象。
单程记忆的典型用途相变发生形状回复的现象单程记忆的典型用途是作紧固连接件是作紧固连接件l双程记忆是加热发生逆向马氏体相变和再冷却时，双程记忆是加热发生逆向马氏体相变和再冷却时，在在Ms以下发生正的马氏体相变中都伴随有显著的以下发生正的马氏体相变中都伴随有显著的形状变化现象形状变化现象l具有双程记忆效应的材料，在一定的温度区间，具有双程记忆效应的材料，在一定的温度区间，随温度升降，材料反复变形双程记忆效应显然随温度升降，材料反复变形双程记忆效应显然可作热敏原件可作热敏原件 铌钛记忆合金管铌钛记忆合金管 SMART MATERIALS - SHAPE MEMORY ALLOY (SMA)MUSCLE WIREThe diagram shows a battery and switch connected to muscle wire. A small weight stretches the muscle wire approximately 3 to 5 percent of its length. However, when a current is applied to the wire, it shortens lifting the weight. This cycle of turning on and off the current has the effect of lifting and then lowering the weight. Above shows a model railway signal. When current is passed through the ‘stretched’ muscle wire it returns to its original length, lifting the signal A clever use of muscle wire and a PIC micro-controller circuit is seen below. A robotic hand has ‘stretched muscle wires’ attached to the base of each finger. When current is applied to the muscle wire it contracts to its ‘natural’ length, pulling on the ordinary wire ,making the fingers look as if they are moving. A PIC micro-controller can be programmed so that outputs are switched ON or OFF. When switched ON the muscle wire contracts (shrinks) to its original length. In the example, five of the outputs have been programmed to switch on and off, making the fingers of the hand move. 。