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1、第 8 章 常用非金属材料及新材料第 8 章 常用非金属材料及新材料8.1 塑料塑料8.2 合成纤维合成纤维8.3 橡胶橡胶8.4 复合材料复合材料8.5 新材料新材料8.6 工程应用案例工程应用案例用于海用于海水淡化的反渗透膜材料水淡化的反渗透膜材料习题与思考题习题与思考题 8第 8 章 常用非金属材料及新材料由于人们对汽车节能和轻质、高效等方面的追求，现代轿车一改以钢铁材料独大的局面。在汽车上非金属材料的用量比 60 年前的用量增加了 7 倍之多，用非金属材料部件的数量已经逼近甚至超过钢铁部件，图 81 所示的是用非金属材料制造的汽车部分零部件。为什么用非金属材料会发展得这么迅速?为什么用
2、非金属材料能够代替部分钢铁材料制造部件呢?非金属材料有哪些种类和优良性能呢?哪些非金属材料可以在工程上应用呢?第 8 章 常用非金属材料及新材料图 81 汽车上的部分非金属材料零件第 8 章 常用非金属材料及新材料非金属材料是指除金属材料之外的所有材料的总称。通常，非金属材料主要包括有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料三大类。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构件，传统的金属材料已难胜任。而非金属材料的这些性能却有各自的优势。另外，单一金属或非金属材料无法实现的性能，可通过复合材料得以实现。第
3、 8 章 常用非金属材料及新材料非金属材料的来源十分广泛，大多成形工艺简单，生产成本较低，已经广泛应用于轻工、家电、建材、机电等各行各业中。目前，在工程领域应用最多的非金属材料主要是塑料、橡胶、陶瓷及各种复合材料。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.1 塑塑 料料塑料是以树脂(即高分子化合物)为基本原料，加入能改善其性能或降低其成本的添加剂，在一定的温度和压力下塑制成形，并在常温下能保持其形状不变的材料或制品的总称。第 8 章 常用非金属材料及新材料塑料具有一定的耐热、耐寒及良好的力学、电气、化学等综合性能，可以替代非铁金属及其合金作为结构材料制造机器零件或工程结构件。塑料以其质轻、耐蚀、电
4、绝缘，具有良好的耐磨和减磨性，良好的成形工艺性等特性以及有丰富的资源而成为应用广泛的高分子材料，在工农业、交通运输业、国防工业及日常生活中均得到广泛应用。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.1.1 塑料的组成和性能塑料的组成和性能1.塑料的组成塑料的组成1)树脂树脂是在常温下呈固体或黏稠液体，但受热时软化或呈熔融状态的有机聚合物。树脂起着胶黏剂的作用，能将塑料的其他组分黏结成一个整体，所以又称为黏料。其种类、性质及其在塑料中的比例对塑料的性能起着很大的作用，因此，大多数塑料以其所用的树脂命名，如聚乙烯塑料就是以聚乙烯树脂为主要成分的。第 8 章 常用非金属材料及新材料2)填充剂填充剂又称填料
5、，用来改善塑料的某些性能并降低制作成本。如玻璃纤维、木屑等可提高塑料的强度；金属氧化物可提高塑料的硬度和耐磨性；石棉粉可提高塑料的耐热性；云母可提高塑料的绝缘性等。第 8 章 常用非金属材料及新材料3)增塑剂增塑剂用来提高树脂的塑性和柔韧性。就大多数塑料制品而言，树脂本身所具有的可塑性不能满足塑料的成形和使用要求，因此需要加入适量的增塑剂。增塑剂可渗入高聚物链段之间，降低其分子间力，使分子链容易移动，从而增加可塑性。常用的增塑剂是高沸点的液体或低熔点的固体有机化合物，如邻苯二甲酸酯、磷酸酯类、氯化石蜡、聚乙二酸等。第 8 章 常用非金属材料及新材料4)稳定剂稳定剂又称防老化剂，是为提高塑料在加
6、工和使用过程中对光、热和氧的稳定性，延长制品使用寿命所加入的添加剂。它包括热稳定剂、光稳定剂及抗氧剂等。常用的热稳定剂有硬脂酸盐、环氧化合物和铅的化合物等；光稳定剂有炭黑、氧化锌等遮光剂，水杨酸脂类、二苯甲酮类等紫外线吸收剂；抗氧剂有胺类、酚类、有机金属盐类、含硫化合物等。第 8 章 常用非金属材料及新材料5)润滑剂润滑剂是为防止塑料在加工时黏着在模具或其他设备上而加入的添加剂，可使制品表面光滑。常用的润滑剂有硬脂酸及其盐类、石蜡等。6)固化剂固化剂又称硬化剂，是与树脂中的不饱和键或活性基团作用而使其交联成体网型热固性高聚物的一类物质，用于热固性树脂。不同的热固性树脂常使用不同的固化剂，如环氧
7、树脂可用胺类、酸酐类化合物作为固化剂，酚醛树脂可用六次甲基四胺作为固化剂。第 8 章 常用非金属材料及新材料7)发泡剂发泡剂是受热时会分解而放出气体的有机化合物，用于制备泡沫塑料等。常用的发泡剂有偶氮二甲酰胺、氨气、碳酸氢铵等。8)其他添加剂塑料添加剂除上述几项外还有阻燃剂(如氧化锑等)、抗静电剂、发泡剂、溶剂、稀释剂等。添加剂的种类很多，要根据塑料品种和产品功能要求决定是否添加添加剂以及添加多少。第 8 章 常用非金属材料及新材料2.塑料的性能塑料的性能1)力学性能力学性能是决定工程塑料使用范围的重要指标之一。工程塑料具有较高的强度、良好的塑性、韧性和耐磨性，可代替金属制造机器零件或构件，尤
8、其是某些工程塑料的比强度很高，大大超过金属的比强度(如玻璃纤维增强塑料)，可制造减轻自重的各种结构件。第 8 章 常用非金属材料及新材料(1)拉伸强度、弹性模量和伸长率。常用工程塑料的应力 应变曲线可归结为以下四种基本类型:硬而韧的工程塑料(如图 82 曲线 1 所示)，如 ABS、尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯等，具有很高的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和较大的伸长率。第 8 章 常用非金属材料及新材料图 82 塑料拉伸时的应力 应变曲线第 8 章 常用非金属材料及新材料 硬而脆的工程塑料(如图 82 曲线 2 所示)，如聚苯乙烯和酚醛树脂等塑料，具有很高的弹性模量和抗拉强度，但在较小的伸长率(2%)
9、下就会断裂，无明显屈服。硬而强的工程塑料(如图 82 曲线 3 所示)，如有机玻璃、长玻璃纤维增强热固性塑料及某些配方的硬聚氯乙烯等塑料，具有高的弹性模量和抗拉强度，其伸长率为 2%5%。第 8 章 常用非金属材料及新材料 软而韧的工程塑料(如图 82 曲线 4 所示)，如高增塑的聚氯乙烯等塑料的弹性模量和屈服点低，而伸长率很大，约为 25%1000%，抗拉强度较高。从图 82 可以看出，各种塑料的力学性能差异很大，一般热塑性塑料的抗拉强度在 50100MPa 之间，热固性塑料的抗拉强度在 3060MPa。工程塑料与金属材料相比，其抗拉强度和弹性模量均较低，这是目前工程塑料作为工程结构材料使用
10、的最大障碍之一。因此在一些负荷大的地方，还需采用钢结构。第 8 章 常用非金属材料及新材料(2)剪切强度、冲击韧度和弯曲强度。剪切强度对于塑料薄膜或板材特别重要，玻璃布增强的热固性层压板的剪切强度在 80170MPa 之间。冲击韧度。一般塑料的冲击韧度值比金属低，并且有缺口比没有缺口的塑料件冲击韧度值明显下降。弯曲强度。热塑性塑料中聚甲醛弯曲强度为 9098MPa，尼龙可达 210MPa，热固性塑料约为 50150MPa，玻璃纤维(布)层压塑料可达 350MPa。第 8 章 常用非金属材料及新材料(3)蠕变性能。蠕变是指材料受到一固定载荷时，除了开始的瞬时变形外，随时间的增加变形逐渐增大的现象
11、。金属材料在较高温度时，才有明显的蠕变现象；而塑料则在室温下受载后就可发生显著的蠕变现象，载荷大时甚至出现蠕变断裂。(4)硬度和耐磨性能。工程塑料的硬度比金属低，但其抗摩擦、磨损性能却远远优于金属。用工程塑料制作的轴承、活塞环、凸轮、齿轮等零件已广泛应用。第 8 章 常用非金属材料及新材料2)物理性能(1)密度小。(2)易着色，色泽鲜艳。(3)透光性好，具有多种防护性能。3)热性能热性能包括耐热性、导热性、热膨胀性、熔融指数及燃烧性。与金属相比，塑料的耐热性、导热性差，热膨胀性大，易燃烧。第 8 章 常用非金属材料及新材料4)化学性能化学性能主要指耐腐蚀性能好。一般塑料对酸、碱、盐等介质具有良
12、好的抗腐蚀能力，并广泛用作防腐蚀工程材料。除以上性能外，塑料还有优良的电气绝缘性能、成形加工性及消声吸振性等。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.1.2 塑料的分类塑料的分类(1)按树脂受热行为的不同，塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料具有下述特点:受热时软化或熔融，具有可塑性，冷却后坚硬，只要加热温度不超过聚合物的分解温度，可反复加热、冷却，且可溶解在一定的溶剂中(具有可溶、可熔性)。成形工艺形式多，生产效率高，可直接注射、挤压、吹塑成所需形状的制品。耐热性和刚性都较差，最高使用温度一般只有 120 左右。热塑性塑料主要有聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等。第 8 章 常用非金属材料及新
13、材料热固性塑料具有下述特点:在热和(或)固化剂的作用下即可固化成形，固化后不溶于有机溶剂，再次加热时也不熔化(即具有不溶不熔性，不可再生，加热很高时直接分解、碳化)。抗蠕变性强，不易变形。耐热性较高，即使超过其使用温度极限，也只是在表面产生碳化层，不会立即失去功能。热固性塑料的树脂性质较脆，强度不高，必须加入填料或增强材料以改善性能。热固性塑料成形工艺复杂，大多只能采用模压或层压法，生产效率低。热固性塑料的主要有酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料等。第 8 章 常用非金属材料及新材料(2)按功能和用途，塑料可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。通用塑料是指产量大、用途广、成形性好、价廉的一类塑料。它主
14、要包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料六大品种，占塑料总产量的 75%以上。工程塑料是指有良好的力学性能和尺寸稳定性，可以作为工程结构件的塑料。其主要品种有聚酰胺、ABS 塑料、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜等。特种塑料一般指具有特殊功能(如耐热、自润滑、抗菌等)，应用于特殊要求的塑料。这类塑料产量小、价格贵，如氟塑料、有机硅等。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.1.3 常用工程塑料常用工程塑料1.热塑性塑料热塑性塑料1)聚乙烯聚乙烯由单体乙烯聚合而成，是目前用量最大的通用塑料。聚乙烯无毒无味，呈半透明蜡状，强度较低，耐热性不高(通常 400%)和回弹性的一种纤维。通常，这类
15、纤维经纯纺或混纺成织物，供制作各种紧身衣使用，如内衣、运动衣、游泳衣及各种弹性织物。目前，弹性纤维的主要品种有聚氨酯弹性纤维和聚丙烯酸酯弹性纤维。第 8 章 常用非金属材料及新材料(1)聚氨酯弹性纤维，商品名为氨纶，是由柔性的聚酯或聚醚链段和刚性的芳香族二异氰酸酯链段组成的嵌段共聚物，再用脂肪族二胺进行交联，因而获得了与天然橡胶一样的高伸长性和回弹性。聚氨酯纤维在伸长 600%750%时，其回弹率仍然能够达到 95%以上。(2)聚丙烯酸酯弹性纤维，是由丙烯酸乙酯与一些交联弹性体进行乳液共聚后，再与偏二氯乙烯等接枝共聚，经乳液纺丝法制得的。这类纤维的强度和伸长特性不如聚氨酯类弹性纤维，但是它的耐
16、光性、抗老化性、耐磨性、耐溶剂及漂白剂等性能都比聚氨酯纤维好，而且还具有难燃性。第 8 章 常用非金属材料及新材料4)阻燃纤维能抑制、迟缓或阻止燃烧的合成纤维称为阻燃纤维。含氟纤维、聚氯乙烯和聚偏氯乙烯纤维等本身就具有阻燃特性，大部分合成纤维必须通过阻燃处理来提高其阻燃性。纤维的阻燃技术有:(1)在纺丝原液中添加阻燃剂。(2)与阻燃单体(如氯乙烯)共聚、共混或接枝以合成难燃性的聚合物。第 8 章 常用非金属材料及新材料(3)对纤维制品进行阻燃后加工。阻燃纤维的织物已广泛用于制作窗帘、幕布、地毯、床上用品、消防服、工作服等。目前，阻燃纤维主要品种有两个：氯乙烯和丙烯腈共聚纤维，商品名为腈氯纶；氯
17、乙烯与聚乙烯醇接枝共聚纤维，商品名为维氯纶。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.3 橡橡 胶胶橡胶是一种具有高弹性的高分子材料。由于它具有高弹性，优良的伸缩性、吸振性、绝缘性、耐磨性、隔音性，因此广泛应用于制造密封件、减震件、传动件、绝缘件及轮胎等。橡胶的主要缺点是易老化，耐油性能差。橡胶制品的种类繁多，大致可分为轮胎、胶管、胶带、鞋业制品和其他橡胶制品，其中轮胎制品的消耗量最大，约占世界橡胶总消耗量的 50%60%。第 8 章 常用非金属材料及新材料橡胶制品用途十分广泛，应用领域包括人们的日常生活、医疗卫生、文体生活、交通运输、电子通信和航空航天等，是国民经济建设与社会发展不可缺少的一类高
18、分子材料。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.3.1 合成橡胶的分类和橡胶制品的组成合成橡胶的分类和橡胶制品的组成1.橡胶的分类橡胶的分类橡胶按来源可分为天然橡胶和合成橡胶；按性能和用途可分为通用橡胶和特种橡胶。凡是性能与天然橡胶相同或接近，物理性能和加工性能较好，能广泛用于制造轮胎、软管、密封件、传送带等一般橡胶制品的橡胶称为通用橡胶。如天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶等。凡是具有特殊性能，专供耐热、耐寒、耐化学腐蚀、耐油、耐溶剂、耐辐射等特殊性能要求使用的橡胶称为特种橡胶。如硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶、丁腈橡胶等。第 8 章 常用非金属材料及新材料2.橡胶的组成橡胶的组成橡胶是以生
19、胶为原料，加入适量的配合剂所组成的一种高弹性的高分子化合物。1)生胶生胶为未加配合剂的天然或人工合成橡胶的总称。由于天然橡胶的产量远不能满足工农业生产的需求，因此人们通过化学合成的方法制成了与天然橡胶性质相似的合成橡胶，如丁苯橡胶、氯丁橡胶等。生胶受热发黏，遇冷变硬，强度差，不耐磨，也不耐溶剂，只能在 535 范围内保持弹性，故不能直接用来制造橡胶制品。第 8 章 常用非金属材料及新材料通常要对其进行塑炼，使其处于塑性状态，再加入各种配合剂，经混炼、成形、硫化处理，才成为可以使用的橡胶制品。2)配合剂配合剂为改善橡胶制品的性能而加入的物质。橡胶配合剂的种类很多，总体可分为硫化剂(交联剂)、硫化
20、促进剂、软化剂、防老化剂、填充剂、发泡剂、着色剂等。硫化剂的作用就是使生胶的线型、支链型大分子链相互交联为体型结构，赋予橡胶优异的弹性等性能。常用的硫化剂有硫黄、含硫化合物、有机过氧化物、醌类化合物等。第 8 章 常用非金属材料及新材料硫化促进剂是促进硫化作用的物质，可缩短硫化时间，降低硫化温度，减少硫化剂用量、降低成本和提高橡胶的物理机械性能等。常用的硫化促进剂有二硫化氨甲基酸盐。软化剂是为了增加橡胶的塑性，改善黏附力，降低硬度和提高耐寒性而加入的物质。橡胶是弹性体，在加工过程中必须使它具有一定的塑性，才能与各种配合剂混合。常用的软化剂有硬脂酸、凡士林、精制石蜡以及一些油类和脂类。第 8 章
21、 常用非金属材料及新材料3.橡胶的主要性能特点橡胶的主要性能特点橡胶最重要的特点是高弹性，因此又称之为弹性体。橡胶由若干细长而柔顺的分子链组成。分子链通常蜷曲成无规线团状，相互缠曲。当受外力拉伸时，分子链就伸直，外力去除后又恢复蜷曲，其弹性变形量可达 100%1000%。橡胶最大的缺点是易老化，即橡胶制品在使用过程中出现变色、发黏、发脆以及龟裂等现象，使橡胶的弹性、强度等性能劣化。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.3.2 常用合成橡胶常用合成橡胶1.通用橡胶通用橡胶1)天然橡胶(NR)天然橡胶由橡树流出的乳胶，经凝固、干燥、加工制成。它的强度高，耐撕裂，弹性、耐磨性、耐寒性、气密性、防水性
22、、绝缘性及加工性优良；但它的耐热、耐油及耐溶剂性差，耐臭氧和老化性差。天然橡胶广泛用于制造各类轮胎、胶带、胶管、胶鞋等各种橡胶制品。第 8 章 常用非金属材料及新材料2)丁苯橡胶(SBR)丁苯橡胶为丁二烯和苯乙烯的无规共聚物，为浅黄褐色弹性固体。其耐磨性、耐热性、耐老化性、耐水性、气密性等均优于天然橡胶，比天然橡胶质地均匀，价格低，是一种综合性能较好的橡胶。它的缺点是弹性、机械强度、耐撕裂、耐寒性较差，加工性能也较天然橡胶差。丁苯橡胶可与天然橡胶以任意比例混合，相互取长补短，多数情况下也可代替天然橡胶使用。丁苯橡胶主要用于制造轮胎、胶带、胶管、胶鞋、电线电缆、医疗器具等。第 8 章 常用非金属
23、材料及新材料3)顺丁橡胶(BR)顺丁橡胶由丁二烯在特定催化剂作用下聚合而成，其产量仅次于丁苯橡胶。顺丁橡胶以弹性好、耐磨和耐低温而著称，且成本较低，是制造轮胎的优良材料。其缺点是抗张强度和抗撕裂性较低、加工性能和耐老化性较差、冷流动性大。顺丁橡胶比丁苯橡胶耐磨性高 26%，因此主要用于制造轮胎，也可制作胶带、胶管、胶鞋等制品。第 8 章 常用非金属材料及新材料4)氯丁橡胶(CR)氯丁橡胶由氯丁二烯聚合而成。它的力学性能和天然橡胶相似，且耐油性、耐磨性、耐热性、耐燃烧性(近火分解出氯化氢气体，阻止燃烧)、耐溶剂性、耐老化性能均优于天然橡胶，所以被称为万能橡胶。但其耐寒性较差(使用温度应高于-35
24、)，相对密度较大(1.239/cm3)，生胶稳定性差，成本较高。氯丁橡胶既可作为通用橡胶，又可作为特种橡胶。主要利用其对大气和臭氧的稳定性制作电线及电缆的包皮，利用其机械强度高制作输送带。此外，它还可被用来制作耐蚀胶管、垫圈、门窗封条等。第 8 章 常用非金属材料及新材料2.特种合成橡胶特种合成橡胶1)硅橡胶硅橡胶由硅氧烷聚合而成。它具有优异的耐热耐寒性(-100300 温度范围内工作)，并具有良好的耐老化性和电绝缘性；但其强度较低、耐油性差且价格较贵。硅橡胶独特的耐热、耐寒性，可用于制造飞机和宇宙飞行器的密封制品、薄膜和胶管等，也可用于制作电子设备和电线、电缆包皮。此外，硅橡胶无毒、无味，还
25、可用于制作食品工业的运输带、垫圈以及医药卫生制品等。第 8 章 常用非金属材料及新材料2)丁腈橡胶(NBR)丁腈橡胶由丁二烯和丙烯腈共聚而成。丁腈橡胶的耐磨性、耐热性、耐蚀性、耐老化性比一些通用橡胶好，耐油突出。此外，它还有良好的耐水性。但丁腈橡胶的耐寒性差(丙烯腈含量愈高、耐寒性愈差)，电绝缘性差，耐酸性差。丁腈橡胶主要用作各种耐油制品，如油箱、耐油胶管、密封垫圈、耐油运输带、印刷胶辊及耐油减震制品。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.4 复复 合合 材材 料料复合材料是两种或两种以上不同化学成分或不同组织结构的物质，通过一定的工艺方法人工合成的多相固体材料。第 8 章 常用非金属材料及新
26、材料复合材料既能保持各组成相的最佳性能，又具有组合后的新性能，同时还可以按照构件的结构、受力和功能等要求，给出预定的分布合理的配套性能，进行材料的最佳设计，而且材料与结构可一次成形。复合材料的某些性能，是单一材料无法比拟，也是无法具备的。例如，玻璃和树脂的强韧性都不高，但它们组成的复合材料(玻璃钢)却有很高的强度和韧性，而且重量很轻；导电铜片两边加上隔热、隔电塑料可实现在一定方向导电、另外方向绝缘及隔热的双重功能。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.4.1 复合材料的组成及分类复合材料的组成及分类1.组成组成复合材料至少包括两大类相组成:一类是基体，是连续相，起黏结、保护、传递外加载荷的作用
27、。基体相可由金属、树脂、陶瓷等构成。另一类为增强材料，是分散相，起承受载荷、提高强度、韧性的作用。增强相的形态有细粒状、短纤维、连续纤维、片状等。第 8 章 常用非金属材料及新材料2.分类分类复合材料按基体的不同，可分为非金属基体和金属基体两类(金属基主要有 Al、Mg、Ti、Cu等和它们的合金；非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷和水泥等)；按增强相种类和形状的不同，可分为颗粒、晶须、层状及纤维增强复合材料；按性能不同，可分为结构复合材料和功能复合材料两类(结构复合材料是指用以制作结构和零件的复合材料；功能复合材料是指具有某些物理功能和效应的复合材料，如导电、超导、半导、磁性、阻尼、屏蔽等复
28、合材料)。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.4.2 复合材料的性能特点复合材料的性能特点复合材料的性能特点如下:(1)比强度和比模量高，可以在保持结构件高强度和高刚度的前提下，减轻零件的自重或体积。例如，用同等强度的树脂基复合材料和钢制造同一构件时，质量可以减轻 70%以上。(2)疲劳强度高。例如，大多数金属的疲劳强度是其抗拉强度的 30%50%，而碳纤维 聚醋树脂复合材料的疲劳强度是其抗拉强度的 70%80%。第 8 章 常用非金属材料及新材料(3)良好的减摩、耐磨性和较强的减振能力。例如，对相同形状和尺寸的梁进行振动试验，同时起振时，轻合金梁需 9s 才能停止振动，而碳纤维复合材料的梁
29、却只需 2.5s 就停止振动。(4)高温性能好，抗蠕变能力强。例如，碳纤维增强碳化硅基体陶佳基复合材料用于航天飞机高温区，在 1700 仍可保持 20 时的抗拉强度，并且具有较好的抗压性能和较高的层间抗剪强度。第 8 章 常用非金属材料及新材料(5)断裂安全性高。例如，纤维增强复合材料，基体中有大量细小纤维，过载时部分纤维断裂，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，不致造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂。(6)成形工艺性好。对于形状复杂的零部件，根据受力情况可以一次整体成形，减少了零件、紧固件的接头数目，提高了材料的利用率。有些复合材料还有良好的电绝缘性及光学、磁学特性等。但复合材料存在各向异
30、性，不适用于复杂受力件，抗冲击能力还不是很好，且生产成本高，使其发展受到一定限制。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.4.3 常用的复合材料常用的复合材料1.纤维增强复合材料纤维增强复合材料纤维增强复合材料的性能主要取决于纤维的特性、含量和排布方式。常用的有玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料。第 8 章 常用非金属材料及新材料1)玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料(1)热固性玻璃钢。由玻璃纤维与热固性树脂(如酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂和有机硅树脂等)复合的材料称为热固性玻璃钢。它具有质量轻，比强度高，耐腐蚀，绝缘性、绝热性及微波穿透性好，吸水性低，成形工艺简单等特点，但其弹性模量小，刚性差，耐
31、热性差，易老化。热固性玻璃钢常用来作机器护罩、车辆车身、绝缘抗磁仪表、耐蚀耐压容器和管道及各种形状复杂的机器构件和车辆配件。第 8 章 常用非金属材料及新材料(2)热塑性玻璃钢。由玻璃纤维与热塑性树脂(如尼龙、ABS、聚苯乙烯等)复合的材料称为热塑性玻璃钢。它具有高的力学性能、介电性能、耐热性和抗老化性，成形性好，生产率高，且比强度不低等特点。尼龙 66 玻璃钢，刚度、强度、减摩性好，常用来制作轴承、轴承架、齿轮等精密件及汽车仪表、前后灯等；ABS 玻璃钢，常用来制作化工装置、管道、容器等；聚苯乙烯玻璃钢，常用来制作汽车内装制品、收音机机壳、空调叶片等。第 8 章 常用非金属材料及新材料2)碳
32、纤维复合材料(1)碳纤维 树脂复合材料。最常用的是碳纤维与聚醋、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组成的复合材料。它的特点是密度小，强度高，弹性模量大，比强度和比模量高，抗疲劳性能优良，耐冲击、耐磨、耐蚀及耐热。例如，碳纤维 环氧树脂复合材料的比强度和比模量都超过了铝合金、钢和玻璃钢，可用于制作飞机机身、螺旋桨、尾翼、宇宙飞船和航天器的外层材料，人造卫星和火箭的机架、壳体，各精密机器的齿轮、轴承以及化工容器和零件等。其缺点是纤维与基体结合力低，各向异性表现明显，耐高温性能差。第 8 章 常用非金属材料及新材料(2)碳纤维 金属(或合金)复合材料。碳纤维增强铝基复合材料。其特点是比强度和比模量高，高温
33、强度、减摩性和导电性好，主要用于制造飞机蒙皮、螺旋桨、航天飞机外壳、运载火箭的大直径圆锥段等。碳纤维增强铜基复合材料。它具有较高的强度，良好的导电、导热性，低的摩擦因数和高的耐磨性以及在一定温度范围内的尺寸稳定性，主要用于制造高负荷的滑动轴承、集成电路的电刷、滑块等。第 8 章 常用非金属材料及新材料2.颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料(1)金属陶瓷。金属陶瓷中常用的增强粒子为金属氧化物、碳化物、氧化物等陶瓷粒子，其体积分数通常要大于 20%。陶瓷粒子耐热性好，硬度高，但脆性大，一般采用粉末冶金法将陶瓷粒子与金属基体黏结在一起。典型的金属陶瓷如硬质合金。第 8 章 常用非金属材料及新材料(2)
34、弥散强化合金是一种将少量的颗粒尺寸极细的增强微粒，高度弥散地均匀分布在基体金属中的颗粒增强金属基复合材料。例如，用极细小的氧化物(Al2 O 3)颗粒与铜复合得到的弥散强化铜，既有良好的导电性，又可以在高温下保持适当的硬度和强度，常用来制作高功率电子管的电极、焊接机的电板、白炽灯引线、微波管等。第 8 章 常用非金属材料及新材料(3)表面复合材料。在工程上，有很多零件使用时要求局部区域表面耐磨、耐蚀。为降低成本，我们可预先将陶瓷颗粒与适量黏结剂混制成膏状，涂抹在铸型中零件所需要复合的位置，或者将陶瓷颗粒直接作成预制块放置在铸型中，在浇铸时一次成形。这种复合材料可灵活更换基体金属，最大限度地发挥
35、复合层与基体的性能优势，大大提高表面复合层的耐磨性和其他特殊性能。它主要用于严酷工况的耐磨、耐蚀、耐高温零件。第 8 章 常用非金属材料及新材料3.层状复合材料层状复合材料塑料 金属多层复合材料这类复合材料的典型代表是 SF 型三层复合材料，其结构如图 810所示。图 10 SF 型三层复合材料结构第 8 章 常用非金属材料及新材料SF 型三层复合材料是以钢为基体，烧结铜网或铜球为中间层，塑料为表面层的一种自润滑材料。其整体性能取决于基体，而摩擦磨损性能取决于塑料。中间层系多孔性青铜，其作用是使三层之间有较强的结合力，且一旦塑料磨损露出青铜也不致磨伤轴。这种复合材料比用单一的塑料可提高承载能力
36、 20 倍，提高热导率 50 倍，热膨胀系数降低 75%，因而提高了尺寸稳定性和耐磨性，适用于制作高应力、高温及低温和无油润滑条件下工作的各种滑动轴承，成品已应用于汽车、矿山机械、化工机械中。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.5 新新 材材 料料新材料是指那些新出现或已在发展中、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。新材料与传统材料之间并无截然的分界，新材料是在传统材料基础上发展而成的，传统材料经过对其成分、结构和工艺上的改进，进而提高材料性能或呈现新的性能都可发展成为新材料。新型材料种类繁多，应用广泛，发展迅速。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.5.1 形状记忆合金形状记忆
37、合金1.概念概念形状记忆合金是指具有形状记忆效应的合金。形状记忆效应是指合金经变形后，在一定条件下，仍能恢复到变形前的形状的现象。形状记忆效应产生的主要原因是热弹性马氏体相变，即是在一定温度和应力作用下，合金内部形成马氏体，马氏体发生弹性变形以及马氏体消失的相变过程的宏观表现。热弹性马氏体的特点是其体积随着温度的降低而长大；反之，随着温度升高而缩小，即表现出对热量呈弹性行为。第 8 章 常用非金属材料及新材料形状记忆效应有三种情况:(1)形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复到变形前的形状。这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。(2)某些合金加热时能恢复高温相形状，冷却时
38、也能恢复低温相形状的现象称为双程记忆效应。(3)加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状的现象称为全程记忆效应。第 8 章 常用非金属材料及新材料2.典型的形状记忆合金及性能特点典型的形状记忆合金及性能特点1)TiNi 系形状记忆合金这是最具实用价值的记忆合金，在适宜温度范围内，经热 机械处理后能显示双程形状记忆效应。它除了形状记忆效应外，其室温下综合力学性能较好，而且还有很好的耐蚀性，优异的生物相容性及优越的超弹性(所谓超弹性是指合金可呈现出其弹性变形的应变量远远大于通常意义上的弹性变形)性能。第 8 章 常用非金属材料及新材料2)Cu 系形状记忆合金目前，比较有实用开
39、发价值的是 CuZnAl 合金和 CuNiAl 合金。其特点是价廉、生产过程简单，形状记忆性能好，相变点可在-100300 范围内随成分变化进行调节。但它在长期或反复使用时，形状恢复率会减小，热稳定性差等是尚待探索解决的问题。解决合金晶粒粗大的途径是加入微量元素 V、B、Ti 等，可使晶糙细化。第 8 章 常用非金属材料及新材料3)Fe 系形状记忆合金Fe 系形状记忆合金主要有 FeMnSi、FePt(铂)、FePd(钯)、FeNiCoTi 等系列合金。铁系合金具有强度高、理性好等优点。FeMnSi 系形状记忆合金是一种单程记忆效应的合金，特别适合作管接头用，具有成本低、强度高等优点。第 8
40、章 常用非金属材料及新材料3.形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用最先报道的形状记忆合金应用的例子是制造月面天线。这种月面天线是用处于马氏体状态的TiNi 丝焊接成半环状天线，然后压缩成小团，用阿波罗火箭送上月球的。在月面上，小团被阳光晒热后又恢复原状，即可用于通信。对于体积大而难以运输的物体亦可用这种材料及方法制造。形状记忆效应和越弹性可广泛用于医学领域，如制造血栓过滤器、牙齿矫形丝、心脏修补元件等。用记忆合金作铆钉，铆接过程如图 811 所示。第 8 章 常用非金属材料及新材料图 811 形状记忆铆钉的铆接过程示意图(T 为工作温度)第 8 章 常用非金属材料及新材料首先在较高的温度下，把
41、铆钉作成图 811(a)所示(铆接以后)的形状；接着把它降温至 M f以下的温度，并在此温度下把该铆钉的两脚扳成图 811(b)所示的形状(产生形变)；然后顺利地插入铆钉孔(如图 811(c)所示)；最后把温度回升至工作温度，这时，铆钉会自动地恢复到第一种形状(如图 811(d)所示)，即达到铆接的目的。这种铆钉适用于某些不易用通常方法手工或机械操作的场合，铆接牢固可靠。用形状记忆合金制作连接套管如图 812 所示。第 8 章 常用非金属材料及新材料图 812 用形状记忆合金管接头连接管路第 8 章 常用非金属材料及新材料这种连接方式接触紧密，能防渗漏，装配时间短，连接质量优于焊接。如美国空军
42、 F 14 飞机曾经用此类连接器连接油压系统和加压水系统的管道，近 30 万个接头，无一发生事故。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化和智能化。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.5.2 纳米材料纳米材料1.概念概念纳米材料是晶粒或晶界等显微构造能小到纳米尺寸水平(一般指在 1100nm 之间)并具有新特性的材料。应注意，纳米材料是以材料的尺寸来定义的材料领域，它并不特指某一种成分(组分)或某一类结构或某一类特性的材料，它跨越了原有各种材料的学科分类界限。在纳米材料的定义中，要注意尺寸范围和新的特性两个方面，缺少任何一方面都是不完整的。第 8 章 常用非金属材料及新
43、材料2.纳米材料的特性纳米材料的特性纳米材料的诱人价值在于，它具有传统材料所不具备的新特性，而这些新特性又都与其纳米级的小尺寸有着必然联系。纳米颗粒尺寸在 1100nm 尺度范围中，纳米效应(表面放应、小尺寸效应、量子尺寸效应等)也随之表现出来，各种纳米效应都可能使得纳米材料产生某一方面新的特性。第 8 章 常用非金属材料及新材料例如，原来是良导体的金属，当尺寸减小到几个 nm 时就变成了绝缘体；原来是典型的共价键无极性的绝缘体，当尺寸减小到几 nm 或十几 nm 时，电阻大大下降，甚至可能导电；原是铁磁性的粒子在几 nm 尺寸时可能变成超顺磁性，矫顽力为零；金属的熔点也会大大降低，如大块金和
44、银的熔点分别是 1064 和 960，而在 2nm 时分别降至 330 和 100。第 8 章 常用非金属材料及新材料3.纳米材料的应用纳米材料的应用纳米 TiN 改性 TiC 基金属陶瓷材料，主要是在金属陶瓷 TiC 中加入纳米 TiN 以细化晶粒。晶粒细小有利于提高材料的强度、硬度和断裂韧度，因此纳米 TiN 改性 TiC 基金属陶瓷刀具具有优良的力学性能，是一种高技术含量和高附加值的新型刀具，在切削加工领域可以部分取代YG8、YTl5 等硬质合金刀具，刀具的寿命提高两倍以上，生产成本与 YG8 刀具相当或略低。第 8 章 常用非金属材料及新材料纳米级的磁粉(如 Fe3 O 4 等)表面经
45、油酸涂覆，加入到某种液相载体中，得到稳定的高度分散的磁性胶体材料称为磁流体。它具有固体的强磁性和流体的流动性，不仅具有高的磁化强度，而且可以任意改变形状，特别适用于对高速旋转轴的密封。其密封原理是:在旋转轴的部位加一个环形磁场，在转动轴与套体间隙中加入磁流体，从而把转动轴密封起来且不增加转动阻力。如磁盘驱动器的防尘密封、高真空旋转密封等。磁流体还可作为磁性离合器、轴承制动系统中的磁液传感器以及用于高灵敏度测量和非接触式测量等。第 8 章 常用非金属材料及新材料运用纳米 Al2 O 3 生物相溶性好、耐磨损等特性，可制作人工关节等；运用纳米材料的反光性及对电磁波的吸收性，可制造隐形飞机和坦克及减
46、小电磁波的污染等；纳米超细原料，在较低的温度快速熔合，可制成常规条件下得不到的非平衡合金，为新型合金的研制开辟了新的途径。第 8 章 常用非金属材料及新材料8.5.3 非晶态合金非晶态合金1.概念概念物质就其原子排列方式来说，可以划分为晶体和非晶体两种。材料的原子呈规则排列的就是晶体；原子呈无规则排列的就是非晶体。1960 年美国用快冷首次获得了非晶态的合金 Au70 Si 30，1967 年又得到非晶合金 Fe 86 P 12.5 C 7.5，并发现非晶态金属具有很多常规晶态金属所不具备的优越性能。由于非晶含金在结构上与玻璃相似，故亦称为金属玻璃。第 8 章 常用非金属材料及新材料2.非晶态
47、合金的制备非晶态合金的制备非晶态合金的制备可采用液相急冷法、气相沉积法、注入法等。液相急冷法即通过快速冷却来获得非晶态固体材料。从理论上说，任何液体都可通过快速冷却获得非晶态，但事实证明，不同的物质形成非晶态所需要的冷却速度大不相同。例如，对于硅酸盐(玻璃)和有机聚合物来说，在正常的冷却速度下都可以获得非晶固体；而纯金属，只有当冷却速度越过临界冷却速度(约 1010K s1)，使其来不及形核和核长大就被凝固住了，才能得到非晶态。第 8 章 常用非金属材料及新材料目前，采用的一种快速凝固的工艺已能制出粉末状、丝状、带状等非晶态合金材料。如将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上，钢液以每
48、秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将 1300 的钢水降到 200 以下，形成非晶带材。第 8 章 常用非金属材料及新材料3.非晶态合金的特点非晶态合金的特点(1)高强韧性。其抗拉强度可达到 3000MPa 以上，而超高强度钢(晶态)抗拉强度仅为 18002000MPa。另外，许多淬火态的非晶态合金薄带可反复弯曲，即使弯曲 180 也不会断裂。(2)耐腐蚀性。它具有很强的耐腐蚀性，其主要原因是凝固时能迅速形成致密、均匀、稳定的高纯度钝化膜。第 8 章 常用非金属材料及新材料(3)优良的磁性。与传统的金属磁性材料相比，由于非晶合金原子排列无序，没有晶体的各向异性，而且电阻率高，具有高
49、的磁导率，低的损耗，是优良的软磁材料。(4)工艺简单、节能、环保。非晶合金薄带成品的制造是在炼钢之后直接喷带的，只需一步就完成制造，工艺大大简化，节能，无污染，有利于环境保护。第 8 章 常用非金属材料及新材料4.典型的非晶态合金典型的非晶态合金(1)铁基非晶合金。铁基非晶合金的主要成分为 Fe、Si、B、C、P。其特点是磁性强，软磁性能优于硅钢片，价格便宜，最适合替代硅钢片，用作中低频变压器的铁芯。(2)铁镍基非晶合金。铁镍基非晶合金的主要成分为 Fe、Ni、Si、B、P。其特点是磁性比较弱，但磁导率比较高，价格较贵，可以代替硅钢片或者坡莫合金(Fe Ni 合金)，用作高要求的中低频变压器铁
50、芯。第 8 章 常用非金属材料及新材料(3)钴基非晶合金。钴基非晶合金的主要成分为 Co、Fe、Si、B。其特点是磁性较弱，但磁导率极高，价格很贵，一般替代坡莫合金和铁氧体用于要求严格的军工电源中的变压器、电感等。第 8 章 常用非金属材料及新材料(4)铁基纳米晶合金(超微晶合金)。铁基纳米晶合金的主要成分为 Fe、Si、B 和少量的 Cu、Mo、Nb 等，其中 Cu 和 Nb 是获得纳米晶结构必不可少的元素。它们先被制成非晶带材，然后经适当退火，形成微晶和非晶的混合组织。这类合金的突出优点是兼备了铁基非晶合金的高磁感和钴基非晶合金的高磁导率、低损耗，是成本低廉的铁基材料。它可替代钴基非晶合金