第4章非金属材料 本章仅作一般了解 4.1高分子材料 4.2陶瓷材料 4.3复合材料
4.1 高分子材料 4.2 陶瓷材料 4.3 复合材料 第4章 非金属材料 本章仅作一般了解
41高分子材料 概述 主要成分—高分子化合物(分子量大,一般在103~107) 天然高分子材料—松香、天然纤维、蛋白质、天然橡胶。 人工合成高分子材料—塑料、合成橡胶、合成纤维(涤纶等)。 高聚物结构特点——由一种或几种简单低分子化合物重复连接而成链状结构。 如聚乙烯、聚氯乙烯分别由乙烯、氯乙烯聚合而成。 分类—塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂
4.1 高分子材料 一、概述 主要成分—— 高分子化合物（分子量大，一般在103~107） 天然高分子材料—— 松香、天然纤维、蛋白质、天然橡胶。 人工合成高分子材料—— 塑料、合成橡胶、合成纤维（涤纶等）。 高聚物结构特点—— 由一种或几种简单低分子化合物重复连接而成链状结构。 如聚乙烯、聚氯乙烯分别由乙烯、氯乙烯聚合而成。 分类 —— 塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂
性能特点 低强度—0100MPa 高弹性—如橡胶的弹性变形率为100~1000%,金属一般为1%; 低弹性模量—塑料和橡胶分别为金属的1/10和1/1000。 高耐磨性 比金属好,如汽车外轮胎。 高绝缘性 低耐热性 低导热性—是金属的1100~1/1000 高热膨胀性—约为金属的3~10倍 高耐腐蚀性——耐酸、碱等。 老化—受氧、光、热、机械力等长时间作用后,性能逐渐恶化
性能特点 低强度——σb≈100MPa 高弹性—— 如橡胶的弹性变形率为100~1000%，金属一般为1% ； 低弹性模量—— 塑料和橡胶分别为金属的1/10 和 1/1000 。 高耐磨性——— 比金属好，如汽车外轮胎。 高绝缘性 低耐热性 低导热性—— 是金属的1/100 ~1/1000 高热膨胀性—— 约为金属的3~10 倍 高耐腐蚀性—— 耐酸、碱等。 老化 —— 受氧、光、热、机械力等长时间作用后，性能逐渐恶化
、工程塑料 组成 合成树脂—高分子化合物,如聚乙烯、酚醛塑料等 添加剂—填料或增强、增塑、固化、润滑、稳定、着色、阻燃剂等。 分类 热塑性塑料——加热软化,冷却后又硬化成形,可反复进行。加工成型简便 ,机械性能较好;耐热性和刚性较差。如聚乙烯。 热固性塑料—受热固化后,不会再受热软化。机械性能差;耐热性和刚性 较好。如酚醛树脂、环氧树脂
二、工程塑料 组成 合成树脂—— 高分子化合物，如聚乙烯、酚醛塑料等。 添加剂—— 填料或增强、增塑、固化、润滑、稳定、着色、阻燃剂等。 分类 热塑性塑料—— 加热软化，冷却后又硬化成形，可反复进行。加工成型简便 ，机械性能较好；耐热性和刚性较差。如聚乙烯。 热固性塑料—— 受热固化后，不会再受热软化。机械性能差；耐热性和刚性 较好。如酚醛树脂、环氧树脂
常用工程塑料 有机玻璃(PMMA)—密度仅玻璃的一半,o=42~50MPa,比普通玻璃高7-18 倍。用于透明件,装饰件,绝缘件。 聚氯乙烯(PVC)—0b=30-60MPa,使用温度-15~55℃。硬PVC耐油、耐蚀 ,用于化工管道,电器绝缘材料及电线绝缘层、套管。软PVC富有弹 性,用作非食品包装薄膜 聚丙烯PP刚性大,重量轻,耐热(-35~121℃),绝缘性优越。用于机械零 件(法兰,齿轮),化工容器、管道,电器外壳等。 ABS塑料—硬、韧、刚的混合特性较好;容易电镀。用于零件(齿轮,泵叶轮 ,轴承等,电机、仪表外壳,管道,汽车零件及车身。 聚酰胺(PA,尼龙)—耐磨,减摩性及韧性好。耐蚀,无毒。用于耐磨,耐蚀的承 载转动零件(齿轮,轴承,螺钉和螺母等小型零件)。 酚醛树脂(PF)—如热固性酚醛树脂(胶木),耐磨、性脆;绝缘性好(不小 于10KV);耐热、不耐碱。用于电器插座,开关,电话机,仪表盒 汽车刹车片,内燃机曲轴皮带轮,齿轮,耐酸泵等;日用非食物器皿
常用工程塑料 有机玻璃（PMMA) —— 密度仅玻璃的一半，σb =42~50MPa，比普通玻璃高7~18 倍。用于透明件，装饰件，绝缘件。 聚氯乙烯（PVC）——σb = 30~60 MPa ，使用温度-15~55℃。硬PVC 耐油、耐蚀 ，用于化工管道，电器绝缘材料及电线绝缘层、套管。软PVC 富有弹 性，用作非食品包装薄膜。 聚丙烯PP —— 刚性大, 重量轻，耐热（-35~121 ℃ ），绝缘性优越。用于机械零 件（法兰，齿轮），化工容器、管道，电器外壳等。 ABS塑料 —— 硬、韧、刚的混合特性较好；容易电镀。用于零件（齿轮，泵叶轮 , 轴承等, 电机、仪表外壳，管道，汽车零件及车身。 聚酰胺（PA, 尼龙）—— 耐磨, 减摩性及韧性好。耐蚀, 无毒。用于耐磨, 耐蚀的承 载转动零件（齿轮, 轴承, 螺钉和螺母等小型零件）。 酚醛树脂（PF）—— 如热固性酚醛树脂（胶木）, 耐磨、性脆；绝缘性好（不小 于10KV）；耐热、不耐碱。用于电器插座，开关，电话机，仪表盒； 汽车刹车片, 内燃机曲轴皮带轮, 齿轮, 耐酸泵等；日用非食物器皿
、橡胶 高弹性,变形量100~1000%;弹性模数低,仅IMN/m。 天然橡胶—耐油和耐溶剂性差,易老化,不耐高温。 合成橡胶——如,丁苯橡胶、氯丁橡胶。 用途—轮胎,工业、生活及医疗用品。 特种橡胶——耐高、低温,耐酸、碱、油,辐射等的橡胶 四、胶粘剂 粘性的树脂或橡胶+添加剂,代替传统的焊、铆及螺纹连接
三、橡胶 高弹性，变形量100~1000%；弹性模数低，仅1MN /m 。 天然橡胶—— 耐油和耐溶剂性差，易老化，不耐高温。 合成橡胶—— 如，丁苯橡胶、氯丁橡胶。 用途 —— 轮胎，工业、生活及医疗用品。 特种橡胶—— 耐高、低温，耐酸、碱、油，辐射等的橡胶。 四、胶粘剂 粘性的树脂或橡胶+ 添加剂，代替传统的焊、铆及螺纹连接
42陶瓷材料 陶瓷—用天然或人工合成的粉状化合物,经过成型和高温烧结制成,由无机 非金属化合物(硅酸盐等)构成的多相固体材料。 性能 力学性能—刚性、硬度、脆性大,抗压强度大,抗拉强度、塑韧性低 熔点高、高温下不易氧化,但不耐温度的急剧变化。耐蚀性、绝缘性好。 分类及用途 玻璃—工业(光学,电工,仪表,实验室用)、建筑、日用玻璃。 普通陶瓷—日用,建筑卫生,电器(绝缘),化工等用途。 特种陶瓷——氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氧化物 陶瓷等,用于电容器,压电,磁性,电光,高温零件等 金属陶瓷—工具(硬质合金),耐热零件等
4.2 陶瓷材料 陶瓷 —— 用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成，由无机 非金属化合物（硅酸盐等）构成的多相固体材料。 性能 力学性能 —— 刚性、硬度、脆性大，抗压强度大，抗拉强度、塑韧性低。 熔点高、高温下不易氧化，但不耐温度的急剧变化。耐蚀性、绝缘性好。 分类及用途 玻璃 —— 工业（光学，电工，仪表，实验室用）、建筑、日用玻璃。 普通陶瓷—— 日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工等用途。 特种陶瓷—— 氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氧化物 陶瓷等，用于电容器，压电，磁性，电光，高温零件等。 金属陶瓷—— 工具（硬质合金），耐热零件等
4.3复合材料 概述 复合材料—两种(以上)性质不同的材料组合而成 性能特点—比强度和比刚度高,减磨性、耐蚀性好,但塑韧性较低。 结构 基一一非金属基(树德整、点2轮属中出解)10 增强 纤 铝 璃、碳、棉、石棉、硅等2926 65 26 钛 4.5 942 112 209 玻璃钢 2.0 104039 520 20 碳纤维/环氧树脂145 1472137 1015 硼纤维/铝 981 196 370
4.3 复合材料 一、概述 复合材料—— 两种（以上）性质不同的材料组合而成 性能特点—— 比强度和比刚度高，减磨性、耐蚀性好，但塑韧性较低。 结构 —— 基体＋增强相 基体 —— 非金属基（树脂、橡胶、陶瓷），金属基（如，钢）。 增强相—— 纤维，陶瓷或金属颗粒、夹层。 纤维 —— 玻璃、碳、棉、麻、石棉、硼、碳化硅等纤维。 ρ 103 kg/m3 σb MN/m2 E 103MN/m2 σb/ρ 103E/ρ 钢 7.8 1010 206 129 26 铝 2.8 461 74 165 26 钛 4.5 942 112 209 25 玻璃钢 2.0 1040 39 520 20 碳纤维／环氧树脂 1.45 1472 137 1015 95 硼纤维／铝 2.65 981 196 370 74
实例 玻璃钢—玻璃纤维增强塑料 钨钴类硬质合金—陶瓷颗粒增强钴 轮胎——纤维增强橡胶 钢筋混凝土—陶瓷基复合材料 多孔性铁基和青铜基自润滑衬套—夹层结构复合材料 碳纤维铝锡合金
实例 玻璃钢—— 玻璃纤维增强塑料 钨钴类硬质合金—— 陶瓷颗粒增强钴 轮胎 —— 纤维增强橡胶 钢筋混凝土——陶瓷基复合材料 多孔性铁基和青铜基自润滑衬套—— 夹层结构复合材料 碳纤维/铝锡合金
常见复合材料 玻璃钢 增强剂——玻璃纤维(主要是SiO2),比强度和比模量高,耐蚀,绝缘。 粘结剂(基体)—热固性的酚醛、环氧树脂,热塑性的聚脂。 性能(与基体相比)—(比)强度,疲劳性能,韧性,蠕变抗力高。 用途—轴承,轴承架,齿轮,车身。 碳纤维树脂复合材料 增强剂——碳纤维(石墨),强度和弹性模量高,且2000℃以上保持不变; 180℃不变脆。 粘结剂(基体)—环氧树脂,酚醛树脂,聚四氟乙烯 性能(与基体相比)——强度,疲劳性能,韧性,耐蚀,蠕变抗力高。 用途—火箭外壳,齿轮,轴承,活塞,密封圈,化工容器
二、常见复合材料 玻璃钢 增强剂—— 玻璃纤维（主要是SiO2），比强度和比模量高，耐蚀，绝缘。 粘结剂（基体）——热固性的酚醛、环氧树脂，热塑性的聚脂。 性能（与基体相比）——( 比 ) 强度，疲劳性能，韧性，蠕变抗力高。 用途 —— 轴承，轴承架，齿轮，车身。 碳纤维树脂复合材料 增强剂—— 碳纤维( 石墨 ) ，强度和弹性模量高，且2000℃以上保持不变； -180℃不变脆。 粘结剂（基体）——环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟乙烯。 性能（与基体相比）——强度，疲劳性能，韧性，耐蚀，蠕变抗力高。 用途 —— 火箭外壳，齿轮，轴承，活塞，密封圈，化工容器