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1、第四节、非金属材料与复合材料第四节、非金属材料与复合材料 非金属材料是指除金属材料之外的非金属材料是指除金属材料之外的所有材料的总称，通常主要包括所有材料的总称，通常主要包括有机高有机高分子材料分子材料、无机非金属材料无机非金属材料和和复合材料复合材料三大类。三大类。随着高新科学技术的发展，使用材随着高新科学技术的发展，使用材料的领域越来越广，所提出的要求也越料的领域越来越广，所提出的要求也越来越高。对于要求密度小、耐腐蚀、电来越高。对于要求密度小、耐腐蚀、电绝缘、减振消声和耐高温等性能的工程绝缘、减振消声和耐高温等性能的工程构件，传统的金属材料已难以胜任。构件，传统的金属材料已难以胜任。目前
2、在工程领域应用最多的非目前在工程领域应用最多的非金属材料主要是金属材料主要是高分子材料（高分子材料（塑料、橡塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂、涂料、液晶胶、合成纤维、胶粘剂、涂料、液晶）；）；陶瓷材料（陶瓷材料（陶瓷器、玻璃、水泥、耐火陶瓷器、玻璃、水泥、耐火材料材料）及及各种复合材料各种复合材料。一、高分子材料一、高分子材料 由千百个原子，彼此以共价键连接的大分由千百个原子，彼此以共价键连接的大分子化合物。它们具有较大的相对分子质量，一子化合物。它们具有较大的相对分子质量，一般为几万到几十万，甚至达到数百万。般为几万到几十万，甚至达到数百万。工程塑料工程塑料 塑料是一种具有可塑性的人造高分子有机
3、化合塑料是一种具有可塑性的人造高分子有机化合物物(树脂树脂)。塑料是指以有机合成树脂为主要成分塑料是指以有机合成树脂为主要成分,加入或加入或不加入其他配合材料不加入其他配合材料(助剂助剂)而构成的人造材料。而构成的人造材料。塑料的组成塑料的组成树脂：树脂：主要组成成分，体现塑料性能；主要组成成分，体现塑料性能；添加剂：添加剂：包括填料、增塑剂、固化剂、稳定剂、润包括填料、增塑剂、固化剂、稳定剂、润滑剂、着色剂等。滑剂、着色剂等。塑料的分类塑料的分类按分子结构及热性能不同分按分子结构及热性能不同分 a)热塑性热塑性（PEPE、PPPP、PVCPVC、PSPS、ABSABS、PMMAPMMA、PA
4、PA、POM POM、PCPC等）等）b)热固性热固性（酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、（酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、聚邻苯二甲酸、二烯丙酯、有机硅塑料、硅聚邻苯二甲酸、二烯丙酯、有机硅塑料、硅酮塑料）酮塑料）2）按塑料的用途分）按塑料的用途分 通用塑料通用塑料 指产量大、价格低、用途广的指产量大、价格低、用途广的塑料。如：塑料。如：PEPE、PPPP、PSPS、PVCPVC、酚醛塑料和酚醛塑料和氨基塑料；氨基塑料；工程塑料工程塑料 指作为结构材料在机械设备和指作为结构材料在机械设备和工程结构中使用的塑料。如：工程结构中使用的塑料。如：POMPOM、PAPA、PCPC、PPOPPO、ABSAB
5、S、PSUPSU、PTFEPTFE、PMMAPMMA和环氧树脂等；和环氧树脂等；特殊塑料特殊塑料 指具有某些特殊性能的塑料。指具有某些特殊性能的塑料。如：氟塑料、聚酰亚胺塑料、有机硅树脂和如：氟塑料、聚酰亚胺塑料、有机硅树脂和环氧树脂等。环氧树脂等。塑料的性能特点：塑料的性能特点：比强度高、耐蚀性能好、电绝缘性能比强度高、耐蚀性能好、电绝缘性能好、减摩、耐磨性好、有消音吸震性。好、减摩、耐磨性好、有消音吸震性。强度低、耐热性低、膨胀系数大、热强度低、耐热性低、膨胀系数大、热导率小、蠕变温度低、易老化等。导率小、蠕变温度低、易老化等。低密度聚乙烯包装膜低密度聚乙烯包装膜聚四氟乙烯酚醛树脂聚丙烯2
6、 2、合成橡胶、合成橡胶橡胶是以高分子化合物为基础的、具有橡胶是以高分子化合物为基础的、具有显著高弹性的材料。显著高弹性的材料。橡橡胶胶天然橡胶天然橡胶合成橡胶合成橡胶通通用用橡橡胶胶特特种种橡橡胶胶丁苯橡胶丁苯橡胶顺丁橡胶顺丁橡胶氯丁橡胶氯丁橡胶聚硫橡胶聚硫橡胶硅橡胶硅橡胶橡胶的性能特点：橡胶的性能特点：橡胶是在室温下处于高弹态的高分子材橡胶是在室温下处于高弹态的高分子材料。料。高弹性：弹性变量可达高弹性：弹性变量可达10010010001000；耐磨性：耐磨性：隔音性：隔音性：阻尼性：阻尼性：绝缘性：绝缘性：一定的强度和硬度：一定的强度和硬度：丁苯橡胶丁苯橡胶氯丁橡胶氯丁橡胶硅橡胶硅橡胶3
7、 3、合成纤维、合成纤维凡能保持长度比本身直径大凡能保持长度比本身直径大100100倍的均匀倍的均匀条状或丝状的高分子材料，均称纤维。条状或丝状的高分子材料，均称纤维。天然纤维：天然纤维：化学纤维：（人造纤维、合成纤维）化学纤维：（人造纤维、合成纤维）纤纤维维天天然然纤纤维维化化学学纤纤维维棉花棉花羊毛羊毛木材木材草类草类合成纤维：合成纤维：用石油、天然气等为原料制用石油、天然气等为原料制成的单体，再经聚合制成的纤维（如：成的单体，再经聚合制成的纤维（如：“六大纶六大纶”、碳纤维、光导纤维等）、碳纤维、光导纤维等）人造纤维：人造纤维：用木材、草类的纤维经化用木材、草类的纤维经化学加工制成。如粘
8、胶纤维等学加工制成。如粘胶纤维等二、陶瓷材料二、陶瓷材料 陶陶瓷瓷是是陶陶器器与与瓷瓷器器的的总总称称。它它是是一一种种既既古古老老而而又又现现代代的的工工程程材材料料，亦亦称称无无机机非非金金属属材材料料，具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、绝缘等优点。具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、绝缘等优点。陶瓷材料的发展经历了三次重大飞跃。从陶瓷材料的发展经历了三次重大飞跃。从陶器发展到瓷器，是陶瓷发展史上的第一次重大陶器发展到瓷器，是陶瓷发展史上的第一次重大飞跃；从传统陶瓷发展到先进陶瓷，是陶瓷发展飞跃；从传统陶瓷发展到先进陶瓷，是陶瓷发展史上的第二次重大飞跃；从先进陶瓷发展到纳米史上的第二次重大飞跃；从先进陶
9、瓷发展到纳米陶瓷是陶瓷发展史上的第三次重大飞跃。陶瓷是陶瓷发展史上的第三次重大飞跃。一、陶瓷的分类一、陶瓷的分类 按其原料的来源不同可分为普通陶瓷（传统陶瓷）和特种陶瓷按其原料的来源不同可分为普通陶瓷（传统陶瓷）和特种陶瓷（先进陶瓷）。普通陶瓷是以天然硅酸盐矿物为原料（粘土、长石、（先进陶瓷）。普通陶瓷是以天然硅酸盐矿物为原料（粘土、长石、石英），经过原料加工、成型、烧结而成，因此又叫硅酸盐陶瓷。石英），经过原料加工、成型、烧结而成，因此又叫硅酸盐陶瓷。特种陶瓷是采用纯度较高的人工合成化合物（如特种陶瓷是采用纯度较高的人工合成化合物（如AlAl2 2O O3 3、ZrOZrO2 2、SiCSi
10、C、SiSi3 3N N4 4、BNBN），），经配料、成型、烧结而制得。经配料、成型、烧结而制得。二、陶瓷的性能特点二、陶瓷的性能特点 1 1、力学性能、力学性能 与金属材料相比，大多数陶瓷的硬与金属材料相比，大多数陶瓷的硬度高，弹性模量大，脆性大，几乎没有塑性，抗度高，弹性模量大，脆性大，几乎没有塑性，抗拉强度低，抗压强度高。拉强度低，抗压强度高。2 2、热性能、热性能 熔点高，抗蠕变能力强，热硬性可达熔点高，抗蠕变能力强，热硬性可达10001000；热膨胀系数和热导率小，承受温度快速；热膨胀系数和热导率小，承受温度快速变化的能力差，在温差剧变时会开裂。变化的能力差，在温差剧变时会开裂。3
11、 3、化学性能、化学性能 化学稳定性非常高，有良好的抗氧化学稳定性非常高，有良好的抗氧化能力，在强腐蚀介质和高温共同作用下有良好化能力，在强腐蚀介质和高温共同作用下有良好的抗腐蚀性能。的抗腐蚀性能。4 4、其他物理性能、其他物理性能 大多数陶瓷是电绝缘体，功能大多数陶瓷是电绝缘体，功能陶瓷材料具有光、电、磁、声等特殊性能。陶瓷材料具有光、电、磁、声等特殊性能。三、复合材料三、复合材料复合材料复合材料是由两种或多种性质不同的材是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有两个料通过物理和化学复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料。或两个以上相态结构的材料。该类材料不仅性能优于组成中
12、的任意一该类材料不仅性能优于组成中的任意一个单独的材料，而且还可具有组分单独个单独的材料，而且还可具有组分单独不具有的独特性能。不具有的独特性能。分类分类按照基体材料分按照基体材料分1 1、非金属基复合材料。、非金属基复合材料。又分为：无机非金属基复合材料，又分为：无机非金属基复合材料，如陶瓷基、水泥基复合材料等；有机非金属基复合材如陶瓷基、水泥基复合材料等；有机非金属基复合材料，如塑料基、橡胶基复合材料。料，如塑料基、橡胶基复合材料。2 2、金属基复合材料。、金属基复合材料。如铝基、铜基、镍基、钛基复合材如铝基、铜基、镍基、钛基复合材料。料。按照增强材料分按照增强材料分1 1、纤维增强复合材
13、料。、纤维增强复合材料。如纤维增强塑料、纤维增强橡胶、如纤维增强塑料、纤维增强橡胶、纤维增强陶瓷、纤维增强金属等。纤维增强陶瓷、纤维增强金属等。2 2、粒子增强复合材料。、粒子增强复合材料。如金属陶瓷、烧结弥散硬化合金如金属陶瓷、烧结弥散硬化合金等。等。3 3、叠层复合材料。、叠层复合材料。如双层金属复合材料（巴氏合金钢如双层金属复合材料（巴氏合金钢轴承材料）、三层复合材料（钢铜塑料复合无油轴承材料）、三层复合材料（钢铜塑料复合无油滑动轴承材料）。滑动轴承材料）。复合强化原理复合强化原理 复合材料是由基体材料和增强相构成。两复合材料是由基体材料和增强相构成。两者的类型和性质及两者之间的结合力，决定其者的类型和性质及两者之间的结合力，决定其性能，增强相的形状、数量、分布及制备过程性能，增强相的形状、数量、分布及制备过程等也影响其性能。等也影响其性能。增强机制增强机制(1)(1)颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料 (2)(2)纤维增强复合材料纤维增强复合材料 (3)(3)晶须增强复合材料晶须增强复合材料复合材料的性能特点复合材料的性能特点比模量高、比强度大比模量高、比强度大（单位质量所提供的变形抗力和承载能力大）（单位质量所提供的变形抗力和承载能力大）良好的抗疲劳性能良好的抗疲劳性能良好的破断安全性良好的破断安全性优良的高温性能优良的高温性能减振性良好减振性良好