航空航天材料工程-2-非金属材料.ppt

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1、,航空航天材料工程AEROSPACE MATERIALS ENGINEERING第6章 非金属材料及其改性2012-4-13,内容提纲,非金属材料分类、结构和特点,6.1,非金属材料的改性及其强化,6.2,非金属材料在航空航天中的应用,6.3,6.1 非金属材料分类、结构和特点,复合材料,金属材料,非金属材料,有机聚合物纤维橡胶塑料,无机材料水泥玻璃陶瓷,工程材料,按组织成分分类,在航天航空工程中，非金属材料一般不单独使用，主要作为复合材料的基体或增强体材料。,6.1.1 高分子材料：1.概念,高分子化合物（Polymer）：是由千百个原子彼此以共价键结合形成相对分子质量特别大、具有重复结构单

2、元的有机化合物。相对分子质量大（103-107）。由于高分子多是由小分子通过聚合反应而制得的，因此也常被称为聚合物或高聚物，用于聚合的小分子则被称为“单体”。,单体,CH2-CH2：链节n：聚合度M=nm，M为高分子聚合物的相对分子量，m为链节的相对分子量,6.1.1 高分子材料：2.分类,6.1.1 高分子材料：2.分类,碳链高分子,分子主链全部由碳原子以共价键相连接。一般由加成聚合反应制得，如PE、PP、PVC、PMMA等,涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酯）,分子主链除含有碳原子外，还含有O、N、S等两种或两种以上原子并以共价键相连接。一般由缩聚反应和开环聚合制得。,杂链高分子,6.

3、1.1 高分子材料：2.分类,聚己二酰己二胺（聚酰胺66、尼龙66）数字表示单元链节中酸和胺的碳原子数 mp型聚酰胺是由二元酸HOOC（C-H2）m-COOH与二元胺H2N(CH2)pNH2制成的,聚己内酰胺（聚酰胺6、锦纶、尼龙6）由单体己内酰胺经开环聚合反应生成线型聚酰胺,聚苯硫醚,杂链高分子,6.1.1 高分子材料：2.分类,6.1.1 高分子材料：2.分类,聚合反应分类：按元素组成和结构变化：加聚，缩聚按反应单体：均聚、共聚按反应活性中心：自由基聚合和离子（阴、阳离子）聚合按反应类型：线形，开环，环化，转移，异构化,6.1.1 高分子材料：3.聚合方式,高分子链的柔顺性：,一个典型的线

4、形高分子链长度与直径之比 是很大的。例如聚异丁烯大分子 所以 这就是说，这个大分子长度是直径的5万倍。这样一根细而长的“网丝”，在无外力作用下，不可能是一条直线，而是自然的曲线。这就使得聚异丁烯大分子有着“柔顺性”，也使聚异丁烯材料有着它独特的“高弹性”。,6.1.1 高分子材料：4.高分子结构,高分子的柔顺性的实质：,高分子的柔顺性的实质就是大量C-C单键的内旋转造成的。极端情况：当高分子链上每个键都能完全自由旋转（自由联接链），“链段”长度就是键长理想的柔性链（不存在）。当高分子链上所有键都不能内旋转理想的刚性分子（不存在），“链段”长度为链长。,6.1.1 高分子材料：4.高分子结构,6

5、.1.1 高分子材料：4.高分子结构,高分子结构,高分子链结构,高分子聚集态结构,近程结构,远程结构,化学组成单体单元键合单体高分子链的键接（交联与支化）单体单元主体构型（空间排列）,高分子的大小（聚合度、分子量）高分子链的形态（构象）,晶态非晶态取向态液晶态织态,6.1.1 高分子材料：4.1 高分子的大小,大分子链内原子间以共价键相连接，而大分子链之间的力为范德华力。相对分子量越大，则大分子间结合力越强，高分子化合物的强度越高。相对分子量超过100万的聚乙烯的抗拉强度比50万的高一倍。,大分子链的形态有:-线型-支化-网状,6.1.1 高分子材料：4.2大分子链的形态,（1）线型大分子链,

6、（2）支链形高分子,由于加聚过程中有自由基的链转移发生，形成支链，常易产生支化高分子。支链的存在使线性高分子的性能钝化，如熔点升高、黏度增加。,（3）网状（交联）大分子,大分子链之间通过支链或化学键形成了三维网络或体型结构。热固性：一经固化成型不得再次成型耐热、机械强度高但脆性大、硬度高，弹性和塑性很低，不能塑性加工交联与支化有本质区别 支化（可溶，可熔，有软化点）交联（不溶，不熔，可膨胀）,线型、支化、网状分子的性能差别：,线型分子：可溶，可熔，易于加工，可重复应用，一些合成纤维，“热塑性”塑料（PVC，PS等属此类）支化分子：一般也可溶，但结晶度、密度、强度均比线型差网状分子：不溶，不熔，

7、耐热，耐溶剂等性能好，但加工只能在形成网状结构之前，一旦交联为网状，便无法再加工，“热固性”塑料（酚醛、环氧树脂属此类）,6.1.1 高分子材料：4.3 大分子的聚集态结构,高分子聚合物一般为固态或液态，无气态。固态聚合物分为无定形和结晶型两种类型。无定形聚合物：远程无序，近程有序结晶型聚合物：具有晶区与非晶区随着结晶度的提高，高聚物的密度、强度、硬度、刚度、熔点、耐热性、化学惰性、及液气渗透性提高，而弹性、塑性、韧性降低。,6.1.1 高分子材料：5 高聚物的物理、力学状态,温度不同高聚物处于不同的力学状态，表现的性能也不同。线型非晶态高聚物有三种力学状态：玻璃态、高弹态、和粘流态。体型高聚

8、物交联密度低时，可有玻璃态和高弹态，没有粘流态；交联密度大时，只有玻璃态。完全结晶的高聚物无高弹态，当温度高于熔点时，直接从玻璃态融化成粘流态。所以使用温度范围较宽。,6.1.1 高分子材料：5 高聚物的物理、力学状态,玻璃态：TTg时，高聚物处于玻璃态。高聚物大分子链热运动处于停止状态。力学性能与无机的低分子材料相似，有一定刚度。是塑料的应用状态。,6.1.1 高分子材料：5 高聚物的物理、力学状态,高弹态：TgTTf时，高聚物处于高弹态。分子链动能增加，部分连段可进行内旋运动，而整个分子链并没有运动。受外力作用时，原卷曲链沿受力方向伸展，产生弹性变形。是橡胶的应用状态。,6.1.1 高分子

9、材料：5 高聚物的物理、力学状态,粘流态：TfTTd时，高聚物处于粘流态。大分子链可自由运动，是高聚物变成流动的黏液。是高聚物成型加工的工艺状态。,6.1.1 高分子材料：5 高聚物的物理、力学状态,皮革态：高聚物中有部分结晶区域时，当温度大于Tg但小于晶体熔点时，非结晶区为高弹态，而结晶区由于分子链无法产生内旋运动而仍具有较高刚度和硬度，两者复合成一种既韧又硬的皮革态。,几个实例：,LDPE(Low Density PE)（自由基聚合）这种聚合方式易发生链转移，则支链多，密度小，较柔软。用于制食品袋、奶瓶等等HDPE（配位聚合，Zigler催化剂）这种聚合方法不同与前，获得的是几乎无支链的线

10、型PE，所以密度大，硬，规整性好，结晶度高，强度、刚性、熔点均高。可用作工程塑料部件，绳缆等等,LDPE和HDPE的性能和用途比较,应用于沥青改性、粘结剂、鞋底材料、汽车方向盘和保险杠,6.1.1 高分子材料：6.性能特点,（1）力学性能比强度高高弹性和低弹性模量低硬度（2）物理性能电绝缘性优良耐热性差导热性低、膨胀大,6.1.1 高分子材料：6.性能特点,（3）化学性能在酸、碱、盐溶液中耐腐蚀性较强在特定的有机溶剂中发生软化和溶胀等现象。（4）高分子材料的老化在热、光、辐射、氧和臭氧等作用下，使聚合物内部分子结构发生变化，导致性能随时间推移逐渐恶化，直至失效。不可逆原因：分子链交联或支化，使

11、其变硬变脆 大分子链断裂，相对分子量下降，发生降解,6.1.1 高分子材料：7.工程塑料,塑料：是以高分子聚合物为基本原料，加入一定量的添加剂而组成的有机高分子材料。（1）塑料的组成1）树脂：是塑料的主要组分，决定塑料的类型和基本性能。2）填料（增强或增韧）：是塑料改性的主要部分。主要包括无 机颗粒或纤维。3）固化剂：使热固性树脂受热时产生交联作用，形成体型结构。4）增塑剂：提高塑性和加工性能。5）阻燃剂：阻止燃烧或造成自熄。6）稳定剂、润滑剂、着色剂,（2）分类1）按塑料中合成树脂的分子结构分类热塑性塑料：树脂的大分子链形状是线型或支链型结构。-例如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳

12、酸酯、有机玻璃等。-优点：易加工成型，力学性能较好-缺点：耐热性和刚性差热固性塑料：树脂在受热之初大分子为线型结构，可塑制成一定形状，但受 热后，线型大分子链间发生交联反应，分子链变为网状结构，随着交联反应进一步发展，使树脂既不能溶解也不能熔化。-例如：酚醛树脂、环氧树脂、有机硅树脂-优点：耐热性好、受热受压不易变形-缺点：只能塑制一次，废料不可回收再利用,6.1.1 高分子材料：7.工程塑料,2）按塑料的性能和用途分类通用塑料：产量大（占塑料总产量的75%以上）、用途广、价格低廉的塑料。包括6大品种：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑 料、和氨基塑料。工程塑料：强度较高、刚性较大、可

13、以代替钢铁和非铁合金制造机械零件和 工程结构的塑料。包括聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、有机玻璃和ABS树脂等。特种塑料：耐高温或具有特殊用途的塑料。包括氟塑料、有机硅树脂、环氧树脂、聚酰亚胺等。,6.1.1 高分子材料：7.工程塑料,6.1.1 高分子材料：7.工程塑料,（3）特性1）塑料的使用性能物理性能：-密度小，1-2 g/cm3-有一定透气性和透湿性-透明性、透光率较好-优良的消音、吸振性-电气绝缘性化学性能：-良好的耐化学腐蚀性能-易降解和老化，耐候性、耐老化性、光稳定性较差。力学性能：-强度、刚度比金属差，但比强度、比刚度较高-硬度较低，摩擦系数较小，可作为密封、耐磨和自润滑材料与金属

14、相比，总体缺点：使用温度低，导热导电性差、热膨胀系数高、易老 化、易燃烧、易变形,2）塑料的工艺性能热塑性塑料的工艺性能：收缩性、黏度、流动性、吸水性等。热固性塑料的工艺性能：收缩性、流动性、比体积和压缩比、水分和挥发物 含量、固化温度和速度等。塑料的聚集状态与加工性：（a）玻璃态：可进行车、铣、钻、刨等切削加工。（b）高弹态：真空成型、延压成型、中空成型等加工。（c）黏流态：注射、挤出、吹塑等成型加工。,6.1.1 高分子材料：7.工程塑料,6.1.1 高分子材料：8.常用塑料成形工艺,1.注射成形注射成型也称注塑成形，是工程塑料加工的主要成形方法（80%），一般用于热塑性塑料，占其制品的2

15、0%-30%。是用注塑机将融化的塑料快速注入模具型腔，冷却固化得到各种塑料制品的工艺过程。注射成形过程包括：熔融塑化、注射、保压、和冷却定形注射温度、模具温度、注射压力、保压时间、冷却速率等工艺参数对产品质量和生产效率有很大影响。优点：可制造形状复杂的塑件、可镶嵌金属、注塑时间短、生产效率高、可达较高精度、且容易自动化。缺点：成本较高，不适合小批量生产。,2.挤出成形也称挤塑成形，占热塑性塑料制品的40%-50%，也可用于某些热固性塑料和复合材料成形。由挤出机将热塑性塑料连续挤出，使之形成各种不同截面的塑料型材（管材、棒材、片材、型材等）优点：产品内部组织均匀致密，尺寸稳定，成形过程简单，生产

16、效率高，成本较低。,6.1.1 高分子材料：8.常用塑料成形工艺,3.吹塑成形也称中空成形，仅用于热塑性塑料成形。现将塑料用挤出或注射成形法制成筒状坯料，坯料软时放入打开的模具内，模具闭合后通过向坯料内通入压缩空气，将坯料吹胀并紧贴模壁，冷却后形成中空制品。用来制造中空制品，如箱、瓶等。,6.1.1 高分子材料：8.常用塑料成形工艺,6.1.1 高分子材料：8.常用塑料成形工艺,4.吸塑成形也称真空成形，适用于热塑性塑料成形。先将热塑性塑料板夹持起来，固定在模具上，加热使材料软化，然后用真空泵抽去板材和模具之间的空气，在大气压作用下，板材拉伸变形贴合到模具内腔表面，冷却定形后成为制品。用来制造

17、包装盒、餐盒、冰箱内胆等。5.压延成形是产生塑料薄膜和片材的成形方法。将加热塑化的原料经过一对或几对相对旋转的滚筒，滚筒被加热且有一定间隙，塑料每通过一次滚筒就被压薄一次，最后一对滚筒间隙决定制品厚度。,6.模压成形也称压塑成形或压制成形，主要用于热固性塑料，如酚醛、环氧、和有机硅等。将液态树脂原料和各助剂加入模具，然后将模具闭合并加热，在模具内树脂与固化剂反应、固化、定形，然后脱模制得塑料制品。压力、温度、和加料量是主要的工艺参数。优点：设备简单，技术成熟，易于生产大型制品。缺点：生产周期长、效率低、难以实现自动化，劳动强度大，难以形成厚壁制品及形状复杂的制品。,6.1.1 高分子材料：8.

18、常用塑料成形工艺,7.浇注成形又称铸塑成形，一般用于热固性塑料，也可用于橡胶制品生产。是将流动状态的高分子材料注入特定的模具中，在一定条件下使之反应固化，从而得到与模具型腔一致的制品的工艺流程。,6.1.1 高分子材料：9.橡胶,橡胶：是指使用温度范围内处于高弹态的、具有轻度交联的线型或支链型高分子材料。（1）橡胶的组成以生胶为原料，加入适量配合剂，经过硫化以后得到橡胶。1）生胶：未加配合剂、未经硫化的橡胶，也称胶料或橡料。它决定橡胶制品的性质。分为天然和合成橡胶。2）添加剂包括硫化剂、促进剂、填料、防老化剂和软化剂硫化剂使橡胶分子链由线型结构变为网状结构，以提高其抗拉强度、弹性和化学稳定性。

19、一般硫化剂包括：硫磺、含硫化合物、金属氧化物和有机过氧化物等。,6.1.1 高分子材料：9.橡胶,（2）橡胶的性能特点1）高弹性能：在很大的温度范围内（-40150 C）具有高弹性。2）力学性能：弹性模量低（1MPa），变形量大（100%1000%），同时强度也低。3）耐磨性能较差4）易老化5）黏弹性能,6.1.1 高分子材料：9.橡胶,6.1.2 陶瓷材料：1.概念,什么是陶瓷？,“陶瓷”一词还没有十分严格的、为国际所公认的定义。从狭义来说，它是指以粘土为主要原料经高温烧制得到的制品。通常包括陶器、炻器和瓷器。,唐三彩是一种盛行于唐代的陶器，以黄、褐、绿为基本釉色，后来人们习惯地把这类陶器称

20、为唐三彩。,陶器：是指以粘土为胎，经过手捏、轮制、模塑等方法加工成型后，在8001000高温下焙烧而成的物品，坯体不透明，有微孔，具有吸水性，叩之声音不清。,6.1.2 陶瓷材料：1.概念,炻(shi)器：介于陶器和瓷器之间的陶瓷制品，如水缸、沙锅 瓷器：随着高温技术的不断改进，加上釉的发明，到了大约2000多年前的东汉晚期，人们开始利用含铝量较高的天然瓷土作原料，使陶器步入了瓷器的阶段，这是陶瓷技术发展史上十分重要的里程碑。,粉彩桃枝题诗灯笼瓶,故宫珐琅彩瓷器,明洪武釉里红,6.1.2 陶瓷材料：1.概念,从广义来说，陶瓷还包括砖瓦、耐火材料、玻璃、珐琅、各种元素的碳化物、氮化物、硼化物、硅

21、化物、氧化物等无机非金属材料，也包括水泥和石墨等。,6.1.2 陶瓷材料：1.概念,6.1.2 陶瓷材料：2.分类,陶瓷材料按材料成分和用途分为：普通陶瓷（传统陶瓷）和特种 陶瓷（现代陶瓷）（1）普通陶瓷普通陶瓷的主要原料是粘土、石英和长石。又分为日用陶瓷和普通工业陶瓷两大类。日用陶瓷主要用作日用器皿和瓷器。普通工业陶瓷按用途分为建筑陶瓷、电工陶瓷和化工陶瓷。,（2）特种陶瓷特种陶瓷主要由人工合成的纯度较高的化合物，如氧化物、氮化物、碳化物、和硅化物，为原料制成，具有特殊的力学、物理或化学性能。常用的特种陶瓷有以下几种：1）氧化物陶瓷航空航天领域最常用的是Al2O3和ZrO2陶瓷，熔点在200

22、0C以上，烧结温度1800C左右。一般用作热防护材料。缺点：较脆，抗震性差。,6.1.2 陶瓷材料：2.分类,Q毡：二氧化硅纤维制成Cerrachrome毡：氧化铝纤维和二氧化硅纤维制成 Saffil隔热毡：一种高纯度、多晶陶瓷纤维，最大工作温度可高达1600C。由96的氧化铝和4的二氧化硅组成。,X-33热防护系统的高温合金蜂窝夹芯结构,飞行过程中防热结构板的外表面最高温可达982 1 037,而内层结构的温度最大值仅约为177.,6.1.2 陶瓷材料：2.分类,6.1.2 陶瓷材料：2.分类,2）氮化物陶瓷常用的有氮化硅（Si3N4）和氮化硼（BN）3）碳化物陶瓷航空航天领域常用的有SiC

23、陶瓷，用来制造发动机的高温部件。,6.1.2 陶瓷材料：3.陶瓷材料的结构特点,（1）陶瓷材料的键合类型陶瓷材料主要以离子键和共价键结合，通常不是单一的键合类型，而是两种或两种以上的混合键。一般含金属元素的陶瓷材料以离子键为主，如Al2O3和MgO。一般由非金属元素形成的陶瓷材料以共价键为主，如SiC等。（2）陶瓷材料的组织陶瓷是由金属或非金属的化合物构成的多晶固体材料，其结构比金属晶体复杂得多。陶瓷材料的组织结构由晶体相、玻璃相和气相3部分组成。,1）晶体相晶体相是陶瓷的主要组成相，其结构、形态、数量及分布决定陶瓷材料物理、化学和力学性能。包括硅酸盐、氧化物、和非氧化物3种。硅酸盐是普通陶瓷

24、的主要原料，也是特种陶瓷组织中的重要晶体相。氧化物（MgO、CaO等）是大多数陶瓷，特别是某些特种陶瓷的主要晶体相。非氧化物，包括碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等，是特种陶瓷的主要晶体相。,6.1.2 陶瓷材料：3.陶瓷材料的结构特点,6.1.2 陶瓷材料：3.陶瓷材料的结构特点,2）玻璃相玻璃相是一种非晶体的低熔点固体相，它是陶瓷材料内各种组成物和混入的杂质在高温烧结时产生物理、化学反应形成的，玻璃相主要存在于晶界处。在陶瓷中常见SiO2的玻璃相。玻璃相对陶瓷材料的正面影响：将分散的晶体相粘结起来，提高致密度；降低烧结温度；阻止晶体转变和长大，获得一定的玻璃特点。负面影响：降低陶瓷强度、电绝

25、缘性和耐热性。工业陶瓷中玻璃相的体积分数应控制在20%40%。,1400C烧结的碳化硅（SiC）中分散的晶体相与玻璃相的高分辨率透射电镜（HRTEM）照片。插图为选择性区域电子衍射环图谱。,6.1.2 陶瓷材料：3.陶瓷材料的结构特点,3）气相气相指陶瓷内部残留下来的气孔。可存在于晶粒内部、晶界上、及玻璃相中。负面影响：气相会造成应力集中，导致强度下降，脆性增加，热导率和抗电击穿性能下降。所以，对于结构材料用陶瓷，应尽量减少残留气孔率。如特种陶瓷应在5%以下。正面影响：对于用作隔热材料的陶瓷，应尽量增多其封闭气孔量，并使其分布均匀，大小一致。,6.1.2 陶瓷材料：4.陶瓷材料的性能,（1）力

26、学性能1）硬度高，是3大类固体材料（金属、高分子和陶瓷）中最高的。2）强度：-抗拉强度较低，抗弯强度较高，抗压强度非常高。-弹性模量E大，弹性变形困难，刚度大。3）塑性：-常温下只出现弹性变形，不出现塑性变形，脆性很 大。-高温下可出现塑性变形。4）高温性能：-高温强度比金属高得多，抗蠕变能力较强。-耐急冷急热性能不好。,（2）化学性能陶瓷的组织结构非常稳定，即使在高温下也不易氧化。对酸、碱、盐都有极好的耐腐蚀性能。（3）物理性能导热性差线膨胀系数小，陶瓷金属高分子材料电绝缘性好有些陶瓷（如钛酸钡系、锆钛酸铅二元系）有压电效应，可做传感器。抗热冲击性差,6.1.2 陶瓷材料：4.陶瓷材料的性能

27、,6.1.2 陶瓷材料：5.陶瓷件成型工艺,陶瓷的生产工艺流程：配料 成形烧结（1）配料首先是粉末的制备，以人工合成的化合物为原料，通过机械或化学方法使化合物成为极细（微米甚至纳米级）的粉末。粉末的质量对陶瓷件的性能影响很大，高质量：粒度均匀、外形圆整、纯度高。粒度的大小决定陶瓷制品的应用范围，粒度越小，陶瓷性能越好。粉末制备好后还有混料、塑化、造粒等工序。,6.1.2 陶瓷材料：5.陶瓷件成型工艺,（2）成形1）干压成形：又称模压成形，将混合均匀的粉末置于模具中，在压力机上制成一定形状的坯料。2）等静压成形：分湿式等静压和干式等静压两种3）热压成形4）注浆成形5）注射成形6）可塑法成形：-挤出成型法-轧膜成形法7）流延成形法,（3）烧结烧结是加热已形成的坯体，使其中的微粒在加热中扩散迁移，牢 固的粘结在一起形成致密化的陶瓷制品的工艺过程。常用的烧结方法有：常压烧结、热压烧结、和气氛烧结。,6.1.2 陶瓷材料：5.陶瓷件成型工艺,6.2 非金属材料的改性及其强化,高分子材料得改性要求：-耐高、低温-增强-增韧-功能/结构一体化陶瓷材料的改性要求：增韧主要改性途径：复合化（详见第7章）,6.3 非金属材料在航空航天中的应用,（1）塑料在航空航天中的应用（2）工程结构陶瓷材料在航空航天中的应用,