非金属材料演讲.ppt

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1、第6节 非金属材料及复合材料,塑料简介 陶瓷简介 复合材料简介,内容：,6.1 塑料简介,一、塑料的组成塑料以有机合成树脂为基础，加入添加剂所组成。1、合成树脂 由低分子化合物通过缩聚或加聚反应合成的线形高分子化合物，如酚醛树脂、聚乙烯，是塑料的主要组成，也起粘接剂作用。2、添加剂 为改善塑料的性能而加入的其它组成，主要有：(1)填料或增强材料 填料在塑料中主要起增强作用。例如：木屑、纸屑，石棉高岭土、滑石粉、氧化铝、石墨、铁粉、铜粉和铝粉等(2)固化剂 使树脂具有体型网状结构，成为较坚硬和稳定的塑料制品。(3)增塑剂 提高树脂可塑性和柔性。(4)稳定剂 防止受热、光等的作用使塑料过早老化。,

2、二、塑料的一般特性,(1)质轻、比强度高(2)化学稳定性好(3)优异的电绝缘性(4)减摩、耐磨性好(5)消声和吸振性好(6)良好的成形加工性(7)透明性和着色性好(8)耐热性差、强度较低、刚性小、尺寸稳定性差,三、塑料的分类 按树脂的性质分类 根据树脂在加热和冷却时表现的性质，分为热塑性塑料和热固性塑料。1.热塑性塑料 加热时软化并熔融，可塑造成形，冷却后成型并保持既得形状，该过程可反复进行。2.热固性塑料 初加热时软化，可塑造成形，但固化后再加热将不再软化,也不溶于溶剂。按使用范围分类1.通用塑料 应用范围广、生产量大的塑料品种。主要有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料等

3、，其产量约占塑料总产量的四分之三以上。2.工程塑料 综合工程性能(包括机械性能、耐热耐寒性能、耐蚀性和绝缘性能等)良好的各种塑料。主要有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯和ABS等四种。,四、常用塑料简介,（一）热塑性塑料 1.聚乙烯(PE)由乙烯单体聚合而成。根据合成方法不同,分为高压、中压和低压三种。高压聚乙烯 相对分子质量、结晶度和密度较低，质地柔软。制作塑料薄膜、软管和塑料瓶等。低压聚乙烯 质地刚硬，耐磨性、耐蚀性及电绝缘性较好。制造塑料管、板材、绳索以及承载不高的零件，如齿轮、轴承等。,PE管材,保鲜膜,2.聚丙烯(PP)由丙烯单体聚合而成。聚丙烯刚性大,强度、硬度和弹性等机械性能均高于聚乙烯

4、。密度小，仅为0.90 g/cm30.91 g/cm3,是常用塑料中最轻的。耐热性良好,长期使用温度为100 110。优良的电绝缘性能和耐蚀性能，在常温下能耐酸、碱,所以经常制作成导线外皮。聚丙烯的冲击韧性差，耐低温及抗老化性也差。用于制作某些零部件，如法兰、齿轮、风扇叶轮、泵叶轮、把手及壳体等，还可制作化工管道、容器、医疗器械等。,聚丙烯制成电容器外皮 聚丙烯管子,3.聚氯乙烯(PVC)由乙炔气体和氯化氢合成氯乙烯，再聚合而成。硬质聚氯乙烯 具有较高的机械强度和较好的耐蚀性。制作化工、纺织等工业的废气排污排毒塔、气体液体输送管，代替其它耐蚀材料制造贮槽、离心泵、通风机和接头等。软质聚氯乙烯

5、当增塑剂加入量达30%40时，便制得软质聚氯乙烯，伸长率大，制品柔软，并具有良好的耐蚀性和电绝缘性。常制成薄膜，用于工业包装、农业育秧和日用雨衣、台布等，制作耐酸耐碱软管、电缆外皮、导线绝缘层等。,4.聚苯乙烯(PS)由苯乙烯单体聚合而成。刚度大、耐蚀性好、电绝缘性好、透明。缺点是抗冲击性差，易脆裂、耐热性不高。制造纺织工业中的纱管、纱绽、线轴；电子工业中的仪表零件、设备外壳；化工中的储槽、管道、弯头；车辆上的灯罩、透明窗；电工绝缘材料等。,5.ABS塑料 ABS塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物。具有硬、韧、刚 的特性，综合机械性能良好，尺寸稳定，容易电镀和易于成形。耐热性较好，在40

6、 的低温下仍有一定的机械强度。可制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、储槽内衬、电机外壳、仪表壳、仪表盘、蓄电池槽、水箱外壳等。在汽车零件上的应用发展很快，如作挡泥板、扶手、热空气调节导管，以及小轿车车身等。作纺织器材、电讯器件都有很好的效果。,摩托车挡泥板,7.聚碳酸酯(PC)聚碳酸酯誉称透明金属，具有优良的综合性能。冲击韧性和延性突出，在热塑性塑料中是最好的；弹性模量较高，不受温度的影响；抗蠕变性能好，尺寸稳定性高；透明度高，可染成各种颜色；吸水性小；绝缘性能优良，在10 130 间介电常数和介质损耗近于不变。制造精密齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条等。利用其高的电绝缘性能，制造垫圈、垫片、套管、电容

7、器等绝缘件，并可作电子仪器仪表的外壳、护罩等。由于透明性好，在航空及宇航工业中，是一种不可缺少的制造信号灯、挡风玻璃，座舱罩、帽盔等的重要材料。,8.氟塑料 氟塑料比其它塑料的优越性是：耐高、低温,耐腐蚀,耐老化和电绝缘性能很好,吸水性和摩擦系数低,聚四氟乙烯（F-4）俗称塑料王,具有非常优良的耐高、低温性能，缺点是强度低,冷流性强。制作减摩密封零件、化工耐蚀零件与热交换器，以及高频或潮湿条件下的绝缘材料。,有机玻璃顶棚,9.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)俗称有机玻璃。有机玻璃的透明度比无机玻璃还高,透光率达92%;密度只有无机玻璃的一半,为1.18 g/cm3。机械性能比普通玻璃高得多(与温度

8、有关)。制造仪表护罩、外壳、光学元件、透镜等。,1.酚醛塑料(PF)由酚类和醛类在酸或碱催化剂作用下缩聚合成酚醛树脂,再加入添加剂而制得的高聚物。一般为热固性塑料。酚醛塑料具有一定的机械强度和硬度,耐磨性好；绝缘性良好,耐热性较高，耐蚀性优良。缺点是性脆，不耐碱。制作插头、开关、电话机、仪表盒、汽车刹车片、内燃机曲轴皮带轮、纺织机和仪表中的无声齿轮、化工用耐酸泵日用用具等。,酚醛塑料制品,二、热固性塑料,6.2 陶瓷材料简介,一、陶瓷的组织、分类与性能特点1.陶瓷的组织：晶相+玻璃相+气相晶相：晶相是陶瓷中的主要组成相，对陶瓷制晶的强度、硬度、耐热性有决定性的影响。玻璃相：陶瓷中的玻璃相是一种

9、非晶态的固体，玻璃相的作用是粘结分散的晶相，降低烧结温度。抑制晶相的晶粒长大和填充气孔，其热稳定性差，强度较晶向低，所以不能多。,气相：而气相是指陶瓷孔隙中的气体即气孔，它是陶瓷生产工艺过程中不可避免地形成并保留下来的，气孔对陶瓷性能有显著的影响，它使陶瓷密度减少，并能吸收震动，这是有利的，但它又使其强度降低，电击穿强度下降，绝缘性下降，这是不利的，因此对陶瓷中的气孔数量、形状、大小和分布有所控制。陶瓷的显微组织由晶相、玻璃相和气相组成，各组成相结构、数量、形态、大小及分布对陶瓷性能有显著影响。,2性能特点,高硬度 硬度是陶瓷材料的重要性能指标，大多数陶瓷材料的硬度比金属高得多，故其耐磨性好（

10、它的硬度仅次于金刚石）。高弹性模量与高脆性陶瓷在拉伸时几乎没有塑性变形，在拉应力作用下产生一定弹性变形后直接脆断，大多数的陶瓷材料的弹性模量都比金属高。低抗拉强度和较高的抗压强度 由于陶瓷内部存在大量气孔，其作用相当于裂纹，故其抗压强度较高。,2性能特点,优良的高温强度和低的抗热震性 陶瓷的熔点高于金属，具有优于金属的高温强度。陶瓷的熔点高于金属，具有优于金属的高温强度。大多数金属在1000以上就丧失强度，而陶瓷在高温下不仅保持高硬度，而且基本保持其室温下的强度，具有高的蠕变抗力，同时抗氧化的性能好，广泛用作高温材料。但陶瓷承受温度急剧变化的能力差（热震性差）当温度剧烈变化时易裂。,3陶瓷的分

11、类 按原料不同，陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。普通陶瓷:又称传统陶瓷，其原料是天然的硅酸盐产物，如粘土、长石、石英等。这类陶瓷又称硅酸盐陶瓷，例如日用陶瓷、建筑陶瓷、绝缘陶瓷、化工陶瓷等。特种陶瓷:又称近代陶瓷、现代陶瓷、精细陶瓷、先进陶瓷等，其原料是人工合成的金属氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等。特种陶瓷与普通陶瓷的主要区别在于原料是专门制备的高纯度化工原料，在产品的制备上突破了传统工艺而采用现代新技术，因而具有一些独特的优异性能。,3陶瓷的分类,(1)普通陶瓷（传统陶瓷）(2)特种陶瓷 普通日用陶瓷 压电陶瓷 普通工业陶瓷 磁性陶瓷 1).建筑卫生瓷 电容器陶瓷 2).化学化工

12、瓷 高温陶瓷 3).电工瓷 1).氧化物陶瓷 2).氮化物陶瓷 3).碳化物陶瓷 4).硼化物陶瓷,二、常用工业陶瓷,1普通陶瓷 质地坚硬、不氧化、不导电、耐腐蚀、成本低，加工成形性好。强度低，使用温度为1200。广泛用于电气、化工、建筑和纺织行业。例如：受力不大，在酸、碱中工作的容器、反应塔、管道；绝缘件；要求光洁、耐磨、低速、受力小的导纱零件。2氧化铝陶瓷 主要成分是A12O3。强度比普通陶瓷高26倍，硬度高(仅低于金刚石、立方氮化硼)；耐高温（陶瓷可在1600时长期使用，空气中使用温度最高为1980），高温蠕变小；耐酸、碱和化学药品腐蚀，绝缘性好。脆性大，不能承受冲击。用于制作高温容器(

13、如坩埚)，内燃机火花塞；切削高硬度、大工件、精密件的刀具；耐磨件(如拉丝模)；化工、石油用泵的密封环；高温轴承；纺织机用高速导纱零件等。,氧化铝陶瓷高压钠灯,二、常用工业陶瓷,二、常用工业陶瓷,3.氧化锆陶瓷 氧化锆陶瓷具有优良的化学稳定性及高强度和高韧性，高温强度大。用于制作模具、刀具、轴承和耐磨件等。,二、常用工业陶瓷,二、常用工业陶瓷,4氮化硅陶瓷 这类陶瓷化学稳定性好，除氢氟酸外，可耐无机酸(盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、王水)和碱液腐蚀；抗熔融非铁金属侵蚀，硬度高，摩擦系数小，耐磨性好；绝缘性；热膨胀系数小，抗高温蠕变性高于其他陶瓷；最高使用温度低于氧化铝陶瓷。用于制作高温轴承，热电偶套管

14、，泵和阀的密封件，切削高硬度材料的刀具。例如，农用泵因泥砂多，要求密封件耐磨，原来用铸造锡青铜作密封件与9Crl8对磨，寿命低，现用氮化硅陶瓷与9Crl8对磨，使用8400h，磨损仍很小。,氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦,二、常用工业陶瓷,5碳化硅陶瓷 这类陶瓷高温强度大，抗弯强度在1400仍保持500600MPa，热传导能力强，有良好的热稳定性、耐磨性、耐蚀性和抗蠕变性。用于制作工作温度高于1500的结构件，如火箭尾喷管的喷嘴，浇注金属的浇口杯，热电偶套管、炉管，汽轮机叶片，高温轴承，泵的密封圈。,5.3 复合材料,复合材料的概念由两种或两种以上性质不同的物质，经人工组合而成的。它保留

15、了组成材料各自的优点，并获得单一材料所不具备的优良综合性能，有的性能指标会超过各组成材料性能的总和复合材料通常以增强相+基体来表示按基体不同分为三类：树脂、金属和陶瓷，按增强相的种类和形状不同，分为三类：纤维增强复合材料、颗粒复合材料和层叠复合材料。,复合材料的性能特点及主要应用,1比强度和比模量高 例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的8倍，比模量(弹性模量与密度之比)比钢大3倍。2抗疲劳性能好 例如碳纤维-聚酯树脂复合材料的疲劳强度是其抗拉强度的70-80，而大多数金属的疲劳强度是其抗拉强度的4050。3减振性能好 纤维与基体界面有吸振能力，可减小振动。例如，尺寸形状相同的梁，

16、金属梁9s停止振动，碳纤维复合材料制成的梁2.5s就可停止振动。4断裂安全性好 主要应用：航空、民用结构件、体育用品、运输交通,一、纤维增强复合材料(一)玻璃纤维增强复合材料玻璃钢 以玻璃纤维为增强剂，树脂为粘结剂。按粘结剂不同，分为热固性玻璃钢和热塑性玻璃钢，热固性玻璃钢以热固性树脂（环氧、有机硅、聚酯）为粘结剂；热塑性玻璃钢以热塑性树脂（尼龙、聚苯乙烯、ABS等）为粘结剂；其中热固性玻璃钢的应用已经比较成熟，热塑性玻璃钢属于新发展材料。玻璃钢与基体相比，强度和疲劳强度以及冲击韧度明显提高，而且耐蚀性、绝缘性、成形性好，比强度高于铜合金和铝合金，甚至高于某些合金钢。但刚度差，为钢的11015

17、。耐热性不高(低于200)，易老化和蠕变。主要制作要求自重轻的受力件，例如汽车车身，直升机旋翼，氧气瓶，轻型船体，耐海水腐蚀件，石油化工管道和阀门，轴承、齿轮、仪表盘、收音机壳体等。,几种热塑性玻璃钢部分性能的比较,环氧树脂玻璃钢显微组织,酚醛树脂玻璃钢齿轮,16米豪华巡逻艇,复合材料井盖,化工储罐,(二)碳纤维增强复合材料 碳纤维与玻璃纤维相比，具有更高的抗拉强度高和弹性模量，它是所有增强纤维中比强度和比弹性模量最高的。弹性模量是玻璃纤维的46倍。此外，碳纤维复合材料还具有优良的减摩性、耐蚀性、高低温性能。例如玻璃钢在300以上，强度会逐渐下降，而碳纤维在2000 时其强度和弹性模量基本不变

18、；在-180 不变脆。碳纤维除了可以增强树脂，还可以增强金属、陶瓷以及碳本身。,蹬山杖,WCF全碳车架,红双喜记忆性碳纤维羽毛拍M330（316元）,飞机刹车叶片,帆板手把,碳纤维复合材料气瓶,笔记本外壳,美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料,未经过精加工的（XKuP-4）吸波材料，可运用于战斗机的蒙皮。飞机隐身通常围绕外形、材料和电子等多方面进行，隐身材料是很关键的一项技术。,二、颗粒增强复合材料是由一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体材料内所组成的。金属陶瓷就是颗粒复合材料，它是将金属的热稳定性好、塑性好，高温易氧化和蠕变，与陶瓷脆性大，热稳定性差，但耐高温、耐腐蚀等性能进行互补，将陶瓷微粒分散于金属基体中，使两者复合为一体。例如，钨钴类硬质合金刀具就是一种金属陶瓷。,四代战机必不可少的低体份（20%）碳化硅颗粒,铝基复合材料精密铸件,高体份（60-70%）碳化硅颗粒,铝基复合材料电子封装件,三、层叠复合材料层叠复合材料是由两层或两层以上不同材料复合而成。用层叠法增强的复合材料可使强度、刚度、耐磨、耐蚀、绝热、隔声、减轻自重等性能分别得到改善。常见的有双层金属复合材料、塑料-金属多层复合材料和夹层结构复合材料等。,蜂窝结构的复合材料具备重量轻，强度大的特点,中国某研究所研制成功的芳纶铝合金层特写，可用于军用飞机,