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1、工程材料及热加工非金属材料第1页，本讲稿共37页一、有机高分子材料现代材料科学和工程的发展已进入了人工合成材料新时期，而人工合成高分子材料则有了一个多世纪的发展历史，因此其对材料的发展有着深刻而长远的影响。自1872年最早发现酚醛树脂，并将其成功用于电气和仪器仪表等工业中以来，高分子材料由于其独特的性能特点而得到了迅速的发展和广泛的应用。到目前为止，已发展成塑料、橡胶、合成纤维三大合成结构材料以及油漆，胶粘剂等组成的庞大的材料群体，其发展较传统材料更为迅速，应用更快，效率更高。第2页，本讲稿共37页q何为高分子材料呢？它是指以高分子化合物为主要成分的所有材料，而一般来说高分子化合物的分子量应在
2、1000以上，有的可达几万到几十万。实际上，高分子化合物应包括作为生命和食物基础的生物大分子（包括蛋白质、DNA、生物纤维素、生物胶等）和工程聚合物两大类，而工程聚合物又包括人工合成的（塑料、纤维和橡胶等）和天然的（橡胶、毛及纤维素等）材料。这里要讲述的材料，主要包括大多数应用于机械、电子、化工和建筑等工业中的人工合成塑料、橡胶和有机纤维等高分子材料。第3页，本讲稿共37页q高分子化合物的组成 高分子化合物的分子量虽然很大，但其化学组成却相对简单。组成高分子化合物的元素主要是C、H、O、N、Si、S、P等少数几种元素。所有的高分子却是由一种或几种简单的结构单元通过共价键连接并不断重复而形成。以
3、聚乙烯为例，它是由许多乙烯小分子连接起来形成大分子链其中只包含C和H两种元素，即：nCH2=CH2CH2-CH2CH2-CH2CH2-CH2 CH2-CH2n 第4页，本讲稿共37页q高分子材料按性能和用途分类为塑料：在常温下有一定形状，强度较高，受力后能发生一定变形的聚合物。橡胶：在常温下具有很高弹性，即受到很小载荷即可发生很大变形甚至达原长的十余倍，而去除外力后又可恢复原状的聚合物。纤维：在室温下材料的轴向强度很大，受力后变形很小，且在一定温度范围内力学性能变化不大的聚合物。塑料、橡胶和纤维这三大合成材料之间其实也没有严格的界限，严格区分也很难，有时同一种高分子化合物可用不同的方法加工成不
4、同种类的产品。第5页，本讲稿共37页3、塑料3.1塑料的组成工程上所用的塑料，其成分都是以各种各样的树脂为基础可加入其他添加剂制成的。树脂树脂：是塑料的主要成分，它决定塑料的主要性能并且其他添加剂的加入及作用的发挥都是以树脂为中心作用的，故绝大多数塑料都以相应的树脂来命名的。添加剂添加剂：是以改善材料的某种性能而加入的。添加剂的作用和类型主要包括：(1)改善塑料工艺性能：如增塑剂、固化剂、发泡剂和催化剂等。(2)改善使用性能：如增塑剂、稳定剂、填料、滑润剂、着色剂、阻燃剂、静电剂等等。第6页，本讲稿共37页1.2塑料的分类按热性能分类(1)热塑性塑料：该类材料加热后软化或熔化，冷却后硬化成型，
5、且这一过程可反复进行。常用的材料有：聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料等。(2)热固性塑料：材料成型后，受热不变形软化，但当加热至一定温度则会分解。故只可一次成型或使用。如环氧树脂等材料。第7页，本讲稿共37页按使用性能分(1)工程塑料：可用作工程结构或机械零件的一类塑料，它们一般有较好的稳定的机械性能，耐热耐蚀性较好，且尺寸稳定性好。如ABS、尼龙、聚甲醛等。(2)通用塑料：主要用于日常生活用品的塑料。其产量大，成本低，用途广，占塑料总产量的3/4以上。(3)特种塑料：具有某些特殊的物理化学性能的塑料如耐高温，耐蚀，光学等性能塑料。其产量少，成本高，只用于特殊场合。如聚四氟乙烯（PTFE）的润滑耐蚀
6、和电绝缘性；有机硅树脂的耐温性（可在200300长期使用）第8页，本讲稿共37页 塑料原料通常的状态可为粉末，颗粒或液体。使用这些状态的原料，热塑性塑料可以用注射、挤出、吹塑等工艺制成管、棒、板和不同厚度的薄膜，泡沫或其他各种状态的零件；而热固性塑料则可以用模压、层压、浇铸等工艺制成层压板、管、棒以及各种形状的零件。第9页，本讲稿共37页1.3常见工程塑料的性能特点和用途聚烯烃塑料 聚烯烃塑料的原料来源于石油天然气，原料丰富，因此一直是塑料工业中产量最大的品种，用途也十分广泛。(1)聚乙烯（PE）：结构最简单的塑料聚乙烯塑料无嗅、无毒、化学稳定性好、相对密度小（0.910.97），耐低温、电绝
7、缘性好。高压聚乙烯质软，主要用于制造薄膜；低压聚乙烯质硬，可用于制造一些零件。聚乙烯产品缺点是：强度、刚度、硬度低；蠕变大，耐热性差，且容易老化。但若通过辐射处理，使分子链间适当交联，其性能会得到一定的改善。第10页，本讲稿共37页(2)聚氯乙烯（PVC）：全能的塑料是最早使用的塑料产品之一，应用十分广泛。它是由乙烯气体和氯化氢合成氯乙烯再聚合而成。较高温度的加工和使用时会有少量的分解，产物为氯化氢及氯乙烯（有毒），因此产品中常加入增塑剂和碱性稳定剂抑制其分解。PVC使用温度一般在1555。其突出的优点是耐化学腐蚀，不燃烧且成本低，易于加工；但其耐热性差，抗冲击强度低，还有一定的毒性。当然若用
8、共聚和混合法改进，也可制成用于食品和药品包装的无毒聚氯乙烯产品。包装瓶、日用塑料薄膜、玩具、人造革、绝缘层、建筑材料。第11页，本讲稿共37页(4)聚丙烯（PP）：最轻的塑料聚丙烯无毒、无味、相对密度小（0.90.91），是塑料中最轻的。其力学性能如强度、刚度、硬度、弹性模量等都优于低压聚乙烯（PE）；它还具有优良的耐热性，在无外力作用时，加热至150不变形，因此它是常用塑料中唯一能经受高温消毒的产品（微波炉餐具，医疗）；还有优秀的电绝缘性。其主要的缺点是：粘合性、染色性和印刷性差；低温易脆化、易燃，且在光热作用下易变质。PP具有好的综合机械性能，故常用来制各种机械零件、化工管道（复合水管）、
9、容器；其无毒及可消毒性，可用于药品的包装。第12页，本讲稿共37页(3)聚苯乙烯（PS）：最鲜艳的塑料该类塑料的产量仅次于上述两者（PE、PVC）。PS是一种无色透明的塑料，具有良好的加工性能；其薄膜有优良的电绝缘性，常用于电器零件；其发泡材料相对密度低达0.33，是良好的隔音、隔热和防震材料，广泛用于仪器包装和隔热。其中还可加入各种颜色的填料制成色彩鲜艳的制品，用于制造玩具及日常用品。白色污染聚苯乙烯的最大缺点是脆性大、耐热性差，但常将聚苯乙烯与丁二烯（家电）、丙烯腈、异丁烯、氯乙烯等共聚使用，使材料的冲击性能、耐热耐蚀性大大提高，而可用于耐油的机械零件、仪表盘、罩、接线盒和开关按钮等。第1
10、3页，本讲稿共37页ABS塑料：抗冲击强度优良的塑料ABS塑料是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种组元共聚而成，三组元单体可以任意比例混合。由于ABS为三元共聚物，丙烯腈使材料耐蚀性和硬度提高，丁二烯提高其柔顺性，而苯乙烯则使具有良好的热塑性加工性，因此ABS是“坚韧、质硬且刚性”的材料，是最早被人类认识和使用的“高分子合金”。ABS由于其低的成本和良好的综合性能，且易于加工成型和电镀防护，因此在机械，电器和汽车等工业有着广泛的应用。例如：电视机、洗衣机等家电的外壳。第14页，本讲稿共37页聚酰胺(PA)：聚酰胺的商品名称是尼龙或绵纶，是目前机械工业中应用比较广泛的一种工程热塑性塑料。尼龙的品种很多
11、，其中尼龙1010是我国独创，使用原料是蓖麻油。聚酰胺无嗅无毒、机械强度高，耐磨，自润滑性好，而且耐油耐蚀消音减震，已大量用于制造小型零件，代替有色金属及其合金；芳香尼龙具有良好的耐磨耐热耐辐射性和电绝缘性，在95%相对湿度下不受影响，而且可在200长期工作使用，可用于制造高温下工作的耐磨零件，H级绝缘材料及宇宙服等。尼龙66做板刷，尼龙1010做牙刷丝大多数尼龙易吸水，导致性能和尺寸的改变，这在使用时应予以注意第15页，本讲稿共37页第16页，本讲稿共37页聚甲醛(POM)POM，性能比尼龙好，是一种非常坚韧、耐磨的塑料，有很优异的耐冲击性和抗疲劳性，经处理后，强度与钢材相当，直径3mm的细
12、丝可以承受10T的拉力。摩擦系数小，具有自润滑的作用。但热稳定性和耐候性差、大气中易老化、遇火燃烧。但目前仍广泛用于汽车、机床、化工、仪表等工业中。第17页，本讲稿共37页聚碳酸酯（PC）PC是一种新型热塑性塑料，品种较多。工程上用的是芳香族聚碳酸酯，产量仅次于尼龙。PC是一种韧而刚的塑料，强度高，成型收缩率低，尺寸稳定，因此制件尺寸精度高。适用于制备精密仪器中的零件，广泛用于机械、仪表、电讯、交通、航空、照明和医疗机械等工业。如波音747飞机上有2500个零件要用到聚碳酸酯。PC的透明度高，成型收缩小，可制备飞机风挡、CD。第18页，本讲稿共37页有机玻璃（PMMA）：不会碎的玻璃有机玻璃的
13、化学名称为：聚甲基丙烯酸甲酯，是目前最好的透明有机物，透光率达92%（85%），超过了普通玻璃。（光缆，光盘）力学性能好b可达(6070)MPa，冲击韧性比普通玻璃高(78)倍（厚度为36mm时），不易破碎，耐紫外线和防老化性能好，同时密度低（1.18）易于加工成型。但其硬度低，耐磨擦性，耐有机溶剂腐蚀性，耐热性，导热性差，使用温度不能超过180。主要用于制造各种窗体，罩及光学镜片和防弹玻璃等零部件。第19页，本讲稿共37页聚四氟乙烯PTFEPTFE是含氟塑料的一种，具有极好的耐高低温性和耐磨蚀等性能。PTFE几乎不受任何化学药品的腐蚀，即使在高温下在强酸强碱及强氧化环境中也都稳定，故有“塑料
14、王”之称；其熔点为327，能在(195+250)范围内保持性能的长期稳定性；其摩擦系数小，只有0.04，具有极好的自润滑；且具有憎水憎油和不粘性；在极潮湿的环境中也保持良好的电绝缘性。但其强度硬度较低，冷流性大，加工成型性较差，只能用冷压烧结方法成型。在高于390时分解出剧毒气体，应予注意。PTFE的优良性能使其在电子，国防，涂料、医学等领域的应用日益广泛。第20页，本讲稿共37页热固性塑料q热固性塑料是树脂经固化处理后获得的。所谓固化处理就是树脂中加入固化剂并压制成型，使其由线型聚合物变为体型聚合物的过程。q用得最多的热固性塑料主要是酚醛塑料和环氧塑料。酚醛塑料有优异的耐热、绝缘、化学稳定和
15、尺寸稳定性，较高的强度硬度和耐磨性，其抗蠕变性能优于许多热塑性工程塑料，广泛用于机械电子、航空、船舶工业和仪表工业中，如高频绝缘件、耐酸耐碱耐霉菌件及水润滑轴承；其缺点是质脆、耐光性差、色彩单调（只能制成棕黑色）。环氧塑料强度高，且耐热性耐腐蚀性及加工成型性优良，对很多材料有好的胶接性能，主要用于制作塑料模，电气、电子元件和线圈的密封和固定等领域，还可用于修复机件；但其价格昂贵。常用的还有氨基塑料如脲醛塑料和三聚氰胺塑料等；有机硅塑料及聚氨脂塑料等。第21页，本讲稿共37页第22页，本讲稿共37页2、橡胶 橡胶是以高分子化合物为基础的具有显著高弹性的材料，它与塑料的区别是在（50150）很宽的
16、温度范围内处于高弹态，保持明显的高弹性。2.1橡胶的组成 工业用橡胶是由生胶（或纯橡胶）和橡胶配合剂组成。生胶（或纯橡胶）是橡胶制品的主要成分，也是形成橡胶特性的主要原因，其来源可以是合成的也可是天然的，但生胶性能随温度和环境变化很大，如高温发粘，低温变脆且极易为溶剂溶解，因此必须加入各种不同的橡胶配合剂，以提高橡胶制品的使用性能和加工工艺性能。橡胶中常加入的配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、填充剂、发泡剂和着色剂、补强剂等。第23页，本讲稿共37页2.2橡胶的性能特点 橡胶的最大特点是高弹性，且弹性模量很低，只有1MPa而外加作用下变形量则可达(1001000)%，且易于恢复；橡胶有储能、
17、耐磨、隔音、绝缘等性能。广泛用于制造密封件、减震件、轮胎、电线等。2.3常用橡胶材料 橡胶品种很多，主要有天然橡胶和合成橡胶两类。合成橡胶按用途及使用量分为通用橡胶和特种橡胶，前者主要用作轮胎、运输带、胶管、胶板、垫片、密封装置等；后者则主要是为在高温、低温、酸碱油和辐射等特殊介质下工作的制品而设计。第24页，本讲稿共37页第25页，本讲稿共37页3、合成纤维q凡能保持长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝状的高分子材料均称为纤维。q包括天然和化学纤维两大类。化学纤维又分为人造纤维和合成纤维，人造纤维是用自然界的纤维加工制成的，如所谓人造丝、人造棉的粘胶纤维和硝化纤维，醋酸纤维等；合成纤维是以
18、石油、煤、天然气等为原料制成，其品种十分繁多，且产量直线上升，差不多每年都以20%的速率增长。合成纤维具有强度高，耐磨保暖不霉烂等优点，除广泛用作衣料等生活用品外，在工农业，国防等部门也有很多应用。如汽车、飞机的轮胎帘线、渔网、索桥、船缆、降落伞及绝缘布等。第26页，本讲稿共37页二、陶瓷材料二、陶瓷材料2.1 陶瓷材料发展及组成陶瓷是人类最早使用的材料之一，传统的陶瓷所使用的原料主要是粘土等天然硅酸盐类矿物，故又称为硅酸盐材料；其主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O、PbO等氧化物，形成的材料又统称为传统陶瓷或普通陶瓷，包括陶瓷、玻璃、水泥及
19、耐火材料等。随着生产的发展和科学技术的进步，现代陶瓷材料虽然制作工艺和生产过程基本上还沿用传统陶瓷的生产工艺即粉末原料处理成型烧结的方法，但其所用原料已不仅仅是天然的矿物，有很多则是经过人工提纯或是人工合成的，组成配合范围已扩大到整个无机非金属材料的范围。第27页，本讲稿共37页2.2 陶瓷材料的性能高硬度，高耐磨性。陶瓷材料弹性膜量较大，即刚性好。抗压强度比抗拉强度高得多。塑性差、抗机械冲击和热冲击性能差。陶瓷熔点高，而且有很好的高温强度和抗氧化性，是有前途的高温材料。功能特性非常广泛。（电、磁、光、热性能）第28页，本讲稿共37页 因此，现代陶瓷材料是指除金属和有机材料以外的所有固体材料，
20、又称无机非金属材料，是三大类固体材料之一类，有着十分重要的作用。第29页，本讲稿共37页2.3陶瓷材料的分类按化学成分分：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷。按性能和用途分；结构陶瓷、功能陶瓷。2.4用工业陶瓷及其应用普通陶瓷：是用天然原料制成的粘土类陶瓷，它是以粘土、长石和石英经配料，成型烧结而成。这类陶瓷质硬，不导电，易于加工成型；但其内部含有较多玻璃相，高温下易软化，耐高温及绝缘性不及特种陶瓷。其成本低，产量大，广泛用于工作温度低于200的酸碱介质、容器、反应塔、管道、供电系统的绝缘子和纺织机械中导纱零件等。第30页，本讲稿共37页氧化铝陶瓷Al2O3为主要成分，另含有少量的SiO2。根
21、据Al2O3含量不同又分为75瓷（含75%Al2O3）、95瓷（含95%Al2O3）和99瓷（含99%Al2O3），后两者又称刚玉瓷。氧化铝陶瓷耐高温性好，在氧化性气氛中，可用到1950，且耐蚀性好。故可用作高温器皿，如熔炼铁钴镍等的坩埚及耐热用品等。氧化铝有高硬度及高温强度，可用作高速切削及难切削材料加工的刃具(760 时HRA87，1200 时HRA80)；还可作耐磨轴承、模具及活塞、化工用泵和阀门等。同时氧化铝瓷有很好的绝缘性能、内燃机火花塞基本都是用氧化铝瓷作的。氧化铝瓷的缺点是脆性大，不能承受冲击载荷，抗热震性差，不适合用于有温度急变场合。第31页，本讲稿共37页其他氧化物陶瓷 Be
22、O、CaO、ZrO2、CeO2、MgO等氧化物陶瓷熔点高，均在2000附近，甚至更高，且还具有一系列特殊的优异性能。非氧化物工程陶瓷 常用的非氧化物陶瓷主要有碳化物陶瓷，如SiC、B4C；氮化物陶瓷，如Si3N4、BN等，它们也具有各自的优导性能。氮化硼包括六方和立方结构两种陶瓷。六方氮化硼结构与石墨相似，性能也比较接近，故又称“白石墨”，其具有良好的耐热导热性和高温介电强度，是理想的散热和高温绝缘材料；立方氮化硼为立方结构，结构紧密，其硬度与金刚石接近，是优良的耐磨材料，常用于制作刀具。第32页，本讲稿共37页三、复合材料三、复合材料1、复合材料的定义 复合材料是由两种或两种以上性质不同的材
23、料组合起来的一种多相固体材料，它不仅保留了组成材料各自的优点而且还具有单一材料所没有的优异性能。自然界中的树木，建筑中的混凝土和人体的骨骼等都是复合材料。但现代复合材料则是在充分利用材料科学理论和材料制作工艺发展的基础上发展起来的一类新型材料，在不同的材料之间进行复合，既保持各组分的性能，又有组合的新功能，充分发挥了材料的性能潜力，获得了材料的多功能性，成为改善材料性能的新手段，也为现代尖端工业的发展提供了技术和物质基础。如现代航空航天、能源、海洋工程等工业的发展要求材料有良好的综合性能，低密度、高强度、高模量、高韧性，以及高疲劳性能并要求耐高温、高压、高真空、辐射等极端条件下稳定工作，只有通
24、过复合技术才能得到满足条件的材料。第33页，本讲稿共37页2、复合材料的分类按材料的主要作用分为：结构复合材料和功能复合材料。按复合材料基体的不同可分为：树脂基、金属基、陶瓷基及碳一碳基复合材料。按复合材料中增强体的种类和形态不同其可分为：纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、层状复合材料和填充骨架型复合材料。第34页，本讲稿共37页3、复合材料性能特点比强度比模量高：耐疲劳性能好：高温性能好：第35页，本讲稿共37页4、常见的复合材料：4.1纤维增强复合材料玻璃纤维树脂复合材料：以塑料为基体与玻璃复合，俗称“玻璃钢”，主要用于要求自重轻的受力构件。碳纤维树脂复合材料：主要用于要求承载、耐磨、耐腐蚀零件。4.2复层复合材料双金属复合材料：包钛钢。塑料覆层材料：彩色涂层钢板。夹层玻璃：安全玻璃。SF性三层复合材料：第36页，本讲稿共37页4.3颗粒增强复合材料由一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体内所组成的材料。常用的有金属陶瓷和砂轮，4.4骨架复合材料多孔浸渍材料：夹层结构材料：复合材料是一种新型的、前途广阔的工程材料。有人预言，21世纪将是复合材料的时代。第37页，本讲稿共37页