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第 五 章 非金属材料yu复合材料 1.教学要求 了解塑料、陶瓷、复合材料的组织性能特点及其应用。 2.教学时数 2 学时,塑料 橡胶 高分子材料 粘结剂 合成纤维非金属材料 陶瓷材料 金属-金属复合材料 复合材料 非金属-非金属复合材料 金属-非金属复合材料,5.1.高分子材料 5.1.1.高聚物的结构 1. 基本概念 (1) 单体 组成高分子化合物的低分子化合物,是合成高分子的材料。 如:低分子乙烯 CH2=CH2单体组成聚乙烯 (2) 链节 构成高分子链的基本结构单元. (3) 聚合度 即,高分子所含链节的数目n. 由此,大分子链的分子量M=链节的分子量m与聚合度n的乘积。 即 M=mn,2、大分子链的几何形态 (1) 线型结构 分子链呈细长条状,通常卷曲成不规则的线团,受拉时可伸展成直线。 特点:分子链间没有化学键,易移动,可溶可熔。,高聚物的结构示意图,(2)支链型结构 在高分子主链上带有一些小支链,整个分子链呈树枝状。 (3)体型结构 大分子链之间通过支链或化学键连接成网状结构。 特点:结构稳定,不溶不熔,塑性低,脆性大。,高聚物的结构示意图,(1)单键的内旋转 分子链的主链在保持 键长和键角不变的情况下 可以任意旋转的现象。 (2)大分子链的柔顺性 由于内旋转,大分子 链形态频繁变化 引起大 分子不同程度卷曲,伸展 的特性。,大分子内旋转示意图,3. 大分子链的构象及柔顺性,4.高聚物的聚集态结构 聚集态结构 大分子链之间 的几何排列方式和堆砌状态。 性能 结晶使分子间作用力增大,因而使高聚物的密度、熔点、耐热性、强度、硬度等性能升高,而依赖分子链运动的有关性能,如弹性,塑韧性下降。,高聚物晶区和非晶区示意图,根据排列有序度划分: 晶态结构 聚集态结构 无定形结构,5.1.2 高分子材料的性能 1、强度低、比强度高 2、粘弹性 高聚物在外力作用下,同时发生高弹性变形和粘性流动,其变形与时间有关的现象称为粘弹性。 (1)蠕变 (2)应力松弛 (3)内耗 变形速度跟不上应力变化速度,出现应变滞后机械能转化为热能的现象称为内耗,3、耐磨减摩 4、物理性能 绝缘、隔热、导热系数仅为金属的 吸音、隔音、消震。 低耐热性,高热膨胀性。 5、化学性能 耐腐蚀。,5.1.3.工程塑料 1、塑料的组成 树脂:40-90% 主体、命名的依据 填料:改善性能,降低成本,占550 % , 如石棉耐热, 石墨耐摩 增塑剂: 增加树脂塑性和柔韧性。 例、聚氯乙烯增塑剂不同可制成硬管,软人革,泡沫塑料。 其它: 固化剂、稳定性、着色剂、阻燃剂、防老化剂等。,2、塑料的分类: (1)按热性质可分为 A 热塑性塑料: 常温下是固体、受热熔融、可反复重塑 如聚乙烯、聚丙烯、尼龙 B 热固性塑料: 固化剂成型,不熔不溶 如环氧塑料,酚醛塑料等。 (2)按功能可分为 通用塑料和工程塑料,热塑性塑料与热固性塑料,4. 塑料的应用-通用塑料,PVC花园管,PVC软门帘,PE波纹管,PVC拉边袋,PE食品包装,PE药品包装,增强聚丙烯离心泵,聚丙烯油墨,通用塑料与应用,聚苯乙烯板,尼龙12挤管,聚丙烯编织袋,工程塑料应用示例,制笔业用塑料配件,杜邦工程塑料制品,聚酰胺应用示例,聚酰胺PA应用示例,ABS应用示例,ABS插座、电器外壳,聚碳酸酯PC应用示例,汽车仪表板,挡泥板,电动工具,手机外壳,电脑外壳,大型薄壁制件,5.3 工业橡胶及其应用 5.3.1 橡胶分类、组成、性能,橡胶分类 按来源分 按用途分 橡胶组成 橡胶性能,天然橡胶(聚异戊二烯 ) 合成橡胶(合成高分子物质 ),通用(制作轮胎、输送带、胶管、胶板等 ) 特种(用于高温、低温、酸、碱、油和辐射介质条件下,生胶 配合剂(硫化剂、增塑剂、填充剂、防老化剂等),高的回弹性 可挠性、良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性 隔音、吸震以及与其它物质的粘结性,常用橡胶的代号,汽车上的橡胶制品,汽车底盘用橡胶件,真空助力密封件,转向系统橡胶件,橡胶占汽车用材料总重量的5%,每辆汽车需橡胶件400-500个。汽车上大量使用的氟橡胶、硅橡胶、丙烯酸酯橡胶等高档橡胶和耐热. 轮胎 车门窗密封条 雨刮器 连接软管 密封件 防振件 传动件 衬垫类 液压制动缸中的皮碗 风扇皮带,常用橡胶(天然橡胶 NR ),1、天然橡胶(NR) 以橡胶烃(聚异戊二烯)为主。 弹性大,定伸强度高,抗撕裂性和电绝缘性优良,耐磨性和耐旱性良好,加工性佳,易与其它材料粘合,综合性能优于多数合成橡胶。 缺点是耐氧和耐臭氧性差,容易老化变质;耐油和耐溶剂性不好,抗酸碱的腐蚀能力低,耐热性不高。 使用温度范围:约6080。特别适用于制造扭振消除器、发动机减震器、机器支座、橡胶金属悬挂元件、膜片、模压制品。,橡胶弹簧,丁苯橡胶(SBR),2、丁苯橡胶(SBR) 丁二烯和苯乙烯的共聚体。 性能接近天然橡胶,是目前产量最大的通用合成橡胶, 优点:耐磨性、耐老化和耐热性超过天然橡胶,质地也较天然橡胶均匀。 缺点:弹性较低,抗屈挠、抗撕裂性能较差;加工性能差,特别是自粘性差、生胶强度低。 使用温度范围:约50100。 主要用以代替天然橡胶制作轮胎、胶板、胶管、胶鞋及其他通用制品。,3、顺丁橡胶(BR) 由丁二烯聚合而成的顺式结构橡胶 优点:弹性与耐磨性优良,耐老化性好,耐低温性优异,在动态负荷下发热量小,易于金属粘合。 缺点:强度较低,抗撕裂性差,加工性能与自粘性差。 使用温度范围:约60100。 一般多和天然橡胶或丁苯橡胶并用,主要制作轮胎胎面、运输带和特殊耐寒制品。,由异戊二烯单体聚合而成的顺式结构橡胶。 化学组成、立体结构、性能与天然橡胶相似,故有合成天然橡胶之称。 具有天然橡胶的大部分优点,耐老化优于天然橡胶,弹性和强力比天然橡胶稍低,加工性能差,成本较高。 使用温度范围:约50100 可代替天然橡胶制作轮胎、胶鞋、胶管、胶带以及其他通用制品。,汽车橡胶制件,4、异戊橡胶 (IR),5、丁晴橡胶(NBR),丁二烯和丙烯晴的共聚体。 优点:耐汽油和脂肪烃油类的性能特别好,仅次于聚硫橡胶、丙烯酸酯和氟橡胶,而优于其他通用橡胶。耐热性好,气密性、耐磨及耐水性等均较好,粘结力强。 缺点:耐寒及耐臭氧性较差,强力及弹性较低,耐酸性差,电绝缘性不好,耐极性溶剂性能也较差。 使用温度范围:约30100。 主要用于制造各种耐油制品,如胶管、密封制品等。,橡胶垫圈,6、硅橡胶(Q),主链含有硅、氧原子的特种橡胶,硅元素起主要作用。 优点:耐高低温(最低100),目前最好的抗寒耐高温橡胶;电绝缘性优良,对热氧化和臭氧的稳定性很高,化学惰性大。 缺点:机械强度较低,耐油、耐溶剂和耐酸碱性差,较难硫化,价格较贵。 使用温度:60200。 用于制作耐高低温制品、耐高温电线电缆绝缘层,由于其无毒无味,还用于食品及医疗工业。,各种硅橡胶制品,7、氟橡胶(FPM),由含氟单体共聚而成。 优点:耐高温达300,耐酸碱,耐油性最好,抗辐射;电绝缘性、机械性能、耐化学腐蚀性、耐臭氧、耐大气老化性均优良。 缺点:加工性差,耐寒性差,弹性透气性较低,价格昂贵。 应用:使用温度范围:20200。 主要用于制造飞机、火箭上的耐真空、耐高温、耐化学腐蚀的密封材料、胶管或其他零件及汽车工业。,氟橡胶圈,5.2.1.陶瓷的组织结构 陶瓷是由金属和非金属的无机化合物所构成的多晶多相固体材料,是无机非金属材料的总称。其显微组织可归纳为三种相,,陶瓷显微组织示图,1.晶相 陶瓷的主要组成相。由某些固溶体或化合物组成。增大晶相比例和细化晶粒可提高陶瓷强韧性。 晶相结构以硅酸盐结构和氧化物结构为主,还有部分C、N、B的化合物.,硅酸盐结构示意图(部分),2.玻璃相 陶瓷在烧结过程不能成晶体的非晶态物质。 性能 熔点低,热稳定性差,力学性能低于晶相,应控制在2040范围内。 3.气相 分布于陶瓷玻璃相中的气孔,约占510。 性能 各种性能降低,但能提高通气性,减轻重量. 通过调整三相比例,可以控制陶瓷的质量和性能。,5.2.2 陶瓷的性能 1、力学性能 结合力强,弹性模数E大,硬度高,强度低,脆性大 提高强度途径: (1)细,密,匀,纯; (2)表面强化,如电镀,喷涂 (3)复合强化 2、理化性能 熔点高,高温强度高,如SiC可耐1300,耐蚀、绝缘,5.3.2 工程结构陶瓷 1.传统陶瓷 成分: 石英(SiO2): 耐熔的骨架成分 粘土: 提供可塑性,保证成型 长石: 助溶剂 2.特种陶瓷 (1)氧化铝陶瓷 以Al2O3为主晶相,Al2O3含量越高,性能越高 强度较高(=250Mpa)、硬度高,耐热、耐蚀 应用:发动机的耐热零件, 如火花塞、工模具等耐磨件,(2)氮化硅陶瓷 以Si3N4为主晶相, “像钢一样强、金刚石一样硬、铝一样轻” 热压烧结Si3N4 : Si3N4粉为原料+添加剂 高温、高压下烧结成型 加工较困难,用于制造形状简单的 耐磨耐热零件和刀具, 反应烧结Si3N4 : Si粉或Si+ Si3N4粉压制成型后渗氮处理,直到全部形成氮化硅。 易加工,性能优异,用于制造形状复杂 且尺寸精度高的耐热、耐蚀、耐磨制品。 Sialon陶瓷Si3N4+少量Al2O3, 据称是强度最高的陶瓷。,(3)碳化硅陶瓷 以SiC为主晶相。也可分为热压烧结和反应烧结两类。 特点:高温强度高, 可耐1600-1700。 应用:高温结构制品,(4)氮化硼陶瓷 以BN为主晶相,六方结构(石墨结构)俗白石墨,耐热性、导热性、绝缘性、耐蚀性高,硬度稍低,可切削加工。 应用:高温绝缘制品,散热材料。 (5)金属陶瓷 见5.1 粉末冶金材料 。,5.3 复合材料 复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料,通过不同的工艺方法人工合成的多相材料。 一、复合材料的分类 二、复合材料的组成 三、增强复合原则 四、复合材料的应用,钢丝网骨架塑料(聚乙烯)复合管,复合材料分类、特性,复合材料 由两种或两种以上性质不同的物质组成的多相材料 复合材料分类 复合材料特性,纤维增强复合材料 粒子增强复合材料 层叠复合材料,树脂基复合材料 陶瓷基复合材料 金属基复合材料,1、比强度和比模量高 2、破损安全性好 3、疲劳强度较高 4、高温性能良好 5、减振性良好,5.3.2.复合材料的组成 1、增强材料(强度较高的材料) (1)纤维增强材料 玻璃纤维:SiO2为主要原料熔融拉丝制成的纤维。 碳 纤 维:密度1.72g/cm3 比钢小四倍, 比强度比钢大16倍。 硼 纤 维: 芳伦纤维:芳香族聚酰胺类纤维。 晶 须:金属晶须、陶瓷晶须。,(2) 颗粒增强材料 陶瓷颗粒 Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC。 特殊性能填料: 石墨、碳墨、MoS2(耐磨、润滑)银粉、铜粉(导电) Fe2O3磁粉(导磁) 2、基体材料(低强度材料) 有色金属、树脂、陶瓷,5.3.3.增强复合原则 1、增强体与基体,应避免降低强度的化学反应; 2、增强体与基体的热膨胀系数应基本匹配, XfXm (ffiber,纤维; mmatrix,基体) 3、增强体与基体的弹性模数应 EfEm 4、纤维排列方向应与构体受力方向一致。,5.3.4.复合材料的应用,1、玻璃钢 2、纤维增强金属:铝合金+硼纤维;钛合金+碳纤维/硼纤维,玻璃钢冷却塔,碳纤维增强复合材料,玻纤增强聚乙烯产品,5.3.4.复合材料的应用,3、弥散强化合金:Al2O3等氧化物颗粒+Al,Cu,Ti,Ni等 4、金属陶瓷 5、纤维增强橡胶 如胶管、轮胎、皮带 6、塑料金属多层复合材料,夹层复合
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