常用复合材料介绍

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1、非金属材料及复合材料学习目标：了解非金属材料和复合材料的种类、性能特点及应用，特别是塑料、橡胶、陶瓷、复合材料的性能特点及应 用。本章导读：塑料与橡胶为有机高分子材料，与金属相比质量轻，具有金属材料不可比拟的特殊性能，使用极为广泛；陶 瓷为无机非金属材料，具有高硬度、耐蚀的性能，除日用陶瓷外，工业上使用的特种陶瓷更具有其独特的性能，在机械加工、 航空航天、化学工业等领域都有应用；复合材料是由两种或多种材料组成的多相材料，具有较好的综合性能，其应用越来越 受到广泛的重视，大家熟悉的玻璃钢、塑钢门窗、羽毛球拍等，都是用复合材料制造的。第一节 塑料与橡胶塑料与橡胶属高分子材料，目前，全世界合成高分子

2、材料的年产量按体积计已超过钢铁材料，并正以每年 14%的速度增 长，其使用领域广泛，涉及工业制造及日常生活。高分子材料是由若干原子按一定规律重复地连接而成的长链分子，长链分子的最大伸直长度可达毫米级，其分子量一般大于 5000。高分子材料按来源可分为天然高分子（天然橡胶、蚕丝、皮革、木材等）和合成高分子化合物（塑料、橡胶等）。合成高分子化合物是由一种或几种单体（简单结构的低分子化合物）聚合而成的，因此高分子化合物又称高聚物或聚合物。如聚乙烯分子就是由单体乙烯经聚合反应连接而成：n（CH =CH ） - CH CH -2 22 2n乙烯聚乙烯高分子化合物的化学组成一般并不复杂，是由重复连接的结构

3、单元组成的，这种重复连接的结构单元称为“链节”，如 聚乙烯中的 -CH CH -。大分子链之间存在的相互作用力使链节连接起来，其连接方式决定了高分子化合物的性能。-2 2一、塑料1塑料的组成塑料的主要组成是合成树脂和添加剂。合成树酯是具有可塑性的高分子化合物的统称，它是塑料的基本组成物，它决 定了塑料的基本性能，塑料中合成树酯含量一般为 30%100%。树酯在塑料中还起粘结剂的作用，许多塑料的名称是以树酯来 命名的，如聚苯乙烯塑料的树酯就是聚苯乙烯；添加剂的作用主要是改善塑料的某些性能或降低成本，常用的添加剂有填充 剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、着色剂等。2塑料的分类按使用范围：通用塑料

4、、工程塑料按受热性能：热塑性塑料、固性塑料热塑性和热固性塑料的特性及常用品种常用塑料及代号类别热性能热塑性塑料热固性塑料能溶于有机溶剂，加热可 软化，易于加工成形，并能 反复塑化成形，一般耐热 性较差固化后重新加热不再软化 和熔融、亦不溶于有机溶 剂，不能再成形使用。一般 耐热性较好聚氯乙烯（PVC）；聚乙烯（PE）；聚酰胺（PA）；聚甲醛 （POM）；聚碳酸酯（PC）；聚丙烯（PP）；聚苯乙烯（PS）； 聚四氟乙烯（PTFE, F-4）；聚砜（PSF）；聚甲基丙烯酸 甲酯（PMMA）；苯乙烯一丁二烯一丙烯腈共聚体（酚醛塑料（PF）；氨基塑料（UF）；有机硅塑料（SI）； 环氧树酯（EP）；聚

5、氨酯塑料（PUR）3塑料的性能塑料最大的特点是具有可塑性和可调性。所谓可塑性，就是通过简单的成型工艺，利用模具可以制造出所需要的各种不 同形状的塑料制品；可调性是指在生产过程中可以通过变换工艺、改变配方，制造出不同性能的塑料。塑料的其它性能分述 如下：（1）物理性能密度 塑料的密度在 0.92.2gcm-3 之间，仅相当于钢密度的 1/41/7。若在塑料中加入发泡剂后，泡沫塑料的密度 仅为 0.020.2gcm-3。电性能 塑料具有良好的电绝缘性。聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等塑料可作为高频绝缘材料；聚碳酸酯、 聚氯乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛、氨基塑料等可作为中频及低频绝缘材

6、料。热性能 塑料遇热、遇光易老化、分解，大多数塑料只能在100C以下使用，只有极少数塑料（如聚四氟乙烯、有机硅 塑料）可在250C左右长期使用；塑料的导热性差，是良好的绝热材料；塑料线膨胀系数大，一般为钢的310倍，因而塑料 零件的尺寸不稳定，常因受热膨胀产生过量变形而引起开裂、松动、脱落 100。（2）化学性能 塑料具有良好的耐腐蚀性能，大多数塑料能耐大气、水、酸、碱、油的腐蚀。因此工程塑料能制作化 工设备及在腐蚀介质中工作的零件。3）力学性能强度与刚度 塑料的强度、刚度较差，其强度仅为30150MPa，且受温度的影响较大；塑料的刚度仅为钢的1/10。但由 于塑料的密度小，故比强度比较高。蠕

7、变与应力松弛 塑料在外力作用下，在应力保持恒定的条件下，变形随时间的延续而慢慢增加，这种现象称为蠕变。 例如架空的电线套管会慢慢变弯，这就是蠕变。蠕变会导致应力松弛，如塑料管接头经一定时间使用后，由于应力松弛导致 泄漏。图 7-1 有机玻璃应力应变曲线减摩性和耐磨性 许多的塑料的摩擦系数低，如聚四氟乙烯、尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯等都具有小的摩擦系数，因此塑 料具有良好的减摩性；同时塑料具有自润滑性，在无润滑或少润滑摩擦的条件下，其减摩性好于金属，工程上用这类塑料来 制造轴承、轴套、衬套、丝杠螺母等摩擦磨损件。此外，塑料还具良好的减振性和消音性，用塑料制作零件可减小机器工作时的振动和噪声。4常用塑

8、料的性能及应用塑料的通用品种中，聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品种的总产量在亿吨左右。其他如透光性好的有机玻璃称为塑料王的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯，作为工程塑料的聚砜、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰亚胺和常用作泡沫塑料的聚氨酯等。常用塑料的特性及应用塑料名称应 用举例聚氯乙烯（PVC）聚乙烯（PE）聚丙烯（PP）聚苯乙烯（PS）硬聚氯乙烯强度高，绝缘性、耐蚀性好，但耐热性 差，使用温度为T0+55软质聚氯乙烯强度低、伸长率高、易老化、绝缘性、 耐蚀性好；泡沫聚氯乙烯密度低、隔热、隔音、防振低压聚乙烯强度、硬度较高，耐蚀性、绝缘性好高压聚乙烯柔软性好（在-70 r时仍柔软），伸长 率、韧性、透明性好

9、，摩擦系数低（为0.21）是最轻的塑料之一，刚性好，耐热性好，可在100C 以上的高温使用，化学稳定性好，几乎不吸水，高频 电性能好，易成形、低温呈脆性、耐磨性不高有较好的韧性、优良的透明度（和有机玻璃相似）、 化学稳定性较好、易成型可部分代替不锈钢、铜、铝等金属材料作耐腐蚀设 备及零件，可作灯头、插座、开关、阀门管件等可用作农用和工业用包装薄膜、电线绝缘层、人造 革、密封件衬套垫。因有毒，不能用于食品和药品包 装；泡沫聚氯乙烯可作衬垫减摩自润滑零件，轻载齿轮、轴承等；耐腐蚀设备 的零件；电气绝缘材料，如高频、水底和一般电缆的 包皮等；茶杯、奶瓶等薄膜、软管，包覆电缆、塑料瓶、食品和药品包装耐

10、腐蚀的化工设备及零件、受热的电气绝缘零件， 电视机、收音机等家用电器壳，一般用途的齿轮、管 道、接头等透明结构零件，如汽车用各种灯罩、电气零件、仪 表零件、浸油式多点切换开关、电池外壳等苯乙烯一丁二烯丙烯腈共聚体ABS具有良好的综合性能，即高的冲击韧度和良好的强 度；优良的耐热性、耐油性能；尺寸稳定，易成形， 表面可镀金属；电性能良好尼龙6：疲劳极限、刚性和耐热性不及尼龙66,但 轻载荷、中等温度（80100。0、无润滑或少润滑、聚酰胺（尼龙）PA弹性好，有较好的消振和消音性，其余同尼龙66 尼龙66：疲劳强度和刚性较高，耐热性较好，耐磨 性好，摩擦系数低，但吸湿大，尺寸不够稳定要求低噪声条件

11、下工作的耐磨受力零件适合于中等载荷、使用温度=100120乜、无润滑或 少润滑条件下工作的耐磨受力传动零件聚碳酸酯（PC）聚甲醛（POM）尼龙610：强度、刚性、耐热性略低于尼龙66,但 吸湿性小，耐磨性好力学性能优异，尤其具有优良的抗冲击性，尺寸稳 定性好，耐热性高于尼龙、聚甲醛，长期工作温度可 达130 r，疲劳极限低、易产生应力开裂，耐磨性欠 佳，透光率达89%,接近有机玻璃耐疲劳极限和刚度高于尼龙，尤其弹性模量高，硬 度高，这是其它塑料所不能比的，自润滑性好、耐磨 性好，吸水和蠕变较小，尺寸稳定性好，长期使用温 度为-40+100C_具有高的化学稳定性，俗称“塑料王”，只有对作用同尼龙

12、6,如作要求比较精密的齿轮，并适合 于湿度波动较大条件下工作的零件支架、壳体、垫片等一般结构零件；也可作耐热透 明结构零件，如防爆灯、防护玻璃等；各种仪器、仪 表的精密零件；高压蒸煮消毒医疗器械、人工内脏用作对强度有一定要求的一般结构零件；轻载荷、 无润滑或少润滑的各种耐磨、受力传动零件；减摩和 自润滑零件，如轴承、滚轮、齿轮、化工容器、仪表 外壳、表盘等聚四氟乙烯（PTFE）F-4熔融状态下的碱金属及高温下的氟元素才不耐腐蚀； 有异常好的润滑性，摩擦系数极低，对金属的摩擦系 数只有0.070.14；可在260C长期使用，也可在 -250C的低温下使用；电绝缘性优良，耐老化；但 强度低，刚性差

13、，制造工艺较麻烦耐腐蚀化工设备及其衬里与零件，如反应器、管道; 减摩自润滑零件，如轴承、活塞销、密封圈等；电绝 缘材料及零件，如高频电缆、电容线圈架等聚砜(PSF)耐高温和耐低温，可在-100+150 C下长期使用， 化学稳定性好，电绝缘和热绝缘性能良好，用F-4填 充后可作摩擦零件适宜于高温下工作的耐磨受力零件，如汽车分速器 盖、齿轮、真空泵叶片、仪表壳体、汽车护板等，以 及电绝缘零件聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）（PMMA）有极好的透光性（可透过92%的太阳光，紫外线 光达73.5%）；综合性能超过聚苯乙烯等一般塑料， 机械强度较高，有一定的耐热性、耐寒性；耐蚀性和 耐绝缘性良好；尺寸稳定，

14、易于成形；较脆，表面 硬度不高，易擦毛可作要求有一定强度的透明零件、透明模型、装饰 品、广告牌、飞机窗、灯罩、油标、油杯等聚氨酯塑料（PUR）酚醛塑料（电木）（PF）柔韧、耐油、耐磨，耐氧、耐臭氧、耐辐射及许多 化学药品的腐蚀，泡沫聚氨酯弹性及隔热性优良用于密封件、传动带、泡沫聚氨用于隔热、隔音及 吸振材料，实心轮胎、汽车零件环氧塑料（EP）氨基塑料（UF）有机硅塑料（SI）高强度、硬度、耐热性好（140C使用），绝缘、 化学稳定性好，耐冲击、耐酸、耐水、耐霉菌，加工 性能差强度高，电绝缘性好，化学稳定性好，耐有机溶剂， 防潮、防霉，耐热、耐寒，对许多材料的粘着力强。 成形方便又称“电玉”，力

15、学性能、耐热性、绝缘性能接近 电木。半透明如玉，颜色鲜艳，耐水性差，在80C下 长期使用电绝缘性好、高电阻、高频绝缘性好、耐热（可在 180200C长期使用）、防潮、耐辐射、耐臭氧、耐 低温一般机械零件，水润滑轴承，电绝缘件、，耐化学 腐蚀的结构材料和衬里材料，电器绝缘板、绝缘齿轮、 耐酸泵、刹车片、整流罩塑料模具、精密量具、电气和电子元件的灌封与固 定、修复机件机械零件、电绝缘材料、装饰件，如开关、插座、 把手、旋钮、仪表外壳等浇注料用于电气和电子元件的灌填充与固定；塑料 粉可压制耐热件、绝缘件二、橡胶橡胶是具有高弹性的高分子材料，它在较小的载荷下就能产生很大的变形，当载荷去除后又能很快恢复原状，是常用的 弹性材料、密封材料、防震和减振材料、传动材料。1橡胶的分类按其来源不同可分为天然橡胶与合成橡胶两类。天然橡胶是橡胶树的液状乳汁经采集和适当加工而成，天然橡胶的主要 化学成分是聚异戊二烯；合成橡胶主要成分是合成高分子物质，其品种较多，丁苯橡胶和顺丁橡胶是较常用的合成橡胶。按其用途可分为通用橡胶和特种橡胶，通用橡胶的用量一般较大，主要用于制作轮胎、输送带、胶管、胶