以塑代钢高教课堂

1、以以塑塑代代钢钢1.塑料的优点 2.金属替代指导3.选择标准4.工作温度5.硬度 6.耐冲击性能7.抗撕裂性能 8.耐化学性9.耐紫外辐射性能 10.耐伽玛射线性能11.应用实例 1教学运用塑料的优点塑料的优点 在目前非常激烈竞争的市场环境下，为了提高产品的竞争力，制造商们投入了很大精力在产品的区分上，以保持好的盈余率和低的成本。这个区分主要是通过设计、视觉外观或者是随着新功能性的发展需要更小型、更成熟的系统来完成的。部件的经济合理化是工业上的另一个重要趋势，例如在汽车、设备、电子和医疗领域，因为这样增加了终端产品的可靠性，同时降低总成本。 因为这些原因，塑料替代金属和其它一些传统的材料就成为

2、许多市场产品经营的主要策略之一。 而且这个趋势也在迅速加快，因为塑料比之于金属有着更多的优点。所有这些优点导致了巨大的生产力的提高和产品的区分。 2教学运用塑料的优点塑料的优点与塑料相比，金属仍然保持着一些优点，例如：更高的强度和硬度、本身具有的导热和导电性和阻燃性。替代金属这一巨大的潜能贯穿整个工业，目前塑料替代金属应用已经占了总量的15。 具有特制外形的高性能材料的发展，先进工具的使用使得设计和模塑工具达到优化，这些条件合在一起将会使得这一替代发展趋势得到极大的促进。在这个金属替代中心里，我们提供给你一个关注于这个发展趋势的专区，目的是为了引导你选择更合适的替代材料，并提供给你解决方案和革

3、新措施。3教学运用塑料比较金属的优点4教学运用金属替代指导金属替代指导对于制造商们，驱使他们把金属用塑料替代的动力是降低成本、设计的灵活性以及减轻重量的这三个元素的复合。因为这个原因，用塑料替代金属的过程不仅受原材料选择的限制，而且包含一些其它需要考虑的事项，如制造（加工和二次加工）、规章和设计。这个替代过程很难得到最优的性价比，因为塑料的使用性能和加工性能与金属的大不相同。 替代金属的典型过程如图1所示：前三步是关键的，因为实现从第四步到第六步的改变需要花费更多的时间和金钱。5教学运用请参考以下一些基本的建议来优化你的设计过程。 1. 考虑“系统”并且清楚地定义关键的功能性，而不是考虑“个体

4、部分”。2. 清楚地规定你需要的要求，例如耐疲劳性、硬度、延展性、最高和最低使用温度以及使用环境（耐化学性、耐压裂性，防紫外线） 3. 清楚地区分“必须要有”和“最好要有”的要求。很多情况下，性能的折衷是必要的并且也可能会使用更便宜的材料。4. 设计时尽量使你的加工与二次加工过程最小化，因为这些过程通常花费巨大。5. 使你的设计在体积和硬度上达到最优化，并且可以考虑使用增强骨架，这样可以导致产品具有更薄的厚度、更轻的重量和更小的体积，从而使最终的产品成本最小化。6教学运用设计你的产品时要考虑以下几点：- 焊缝:避免它们处于可见区域。它们可能会成为弱点。门的位置能够决定它们所处的位置。- 壁厚:

5、 在降温时在大量的洞上会有很大的冲击力。- 残留的压力: 避免产品内有残留的压力。 这可能会导致弯曲和早期断裂。这能被门、壁厚和设计选择所控制。- 表面抛光: 如果模塑的表面需要被磨光或者糙化时详细说明。- 尺寸公差: 更好的公差也就意味着每个模具上有很少的空洞。7教学运用选择标准 材料的选择标准材料的选择标准正确地选择材料不是一项简单的工作，因为需要考虑很多因素，以使得成本尽可能低。完美的材料并不存在，在大多数情况下，你必须在不同的性能之间折衷平衡，并且要清楚地明白什么性能是“必须要有的”，什么性能是“最好要有的”。图1展示了在选择材料时需要考虑的主要因素：8教学运用工作温度 选择材料时需要

6、考虑的一个关键因素就是材料的耐热性。通常来讲，如果想使材料的最大工作温度提高就相应需要增加更多的成本。填充剂的加入能够极大地提高材料的硬度和热变形温度，而且，对于高性能的和专用的聚合物来廛，玻璃纤维的加入能使成本大辐下降。因为这些，在聚合物中填充玻璃纤维经常用于替代金属一途。图1比较了常用来替代金属的玻璃纤维填充聚合物的最大工作温度和热变形温度。9教学运用工作温度在高性能材料中加入碳纤维可以使材料的硬度和热变形温度大辐提高。与填充玻璃纤维相比填充碳纤维有以下优点：更高的硬度 更低的密度 良好的导电性 良好的摩擦性能 因为这些原因，碳纤维经常被用在汽车的燃料输送线和燃料系统上。10教学运用硬度金

7、属比较于塑料最大的优点之一就是它们具有很高的硬度（平均值比较要比塑料的高8倍）。然而，在许多实际应用中，并不需要这么高的硬度，如果有必要的话，还可以通过灵活的设计、骨架增强和低密度来进行补充。在很多情况下，硬度也是一个关键的性能。 填充剂和纤维的影响填充剂和纤维的加入都可以极大地提高材料的硬度。当表面外观并不是一个主要关心的问题时，玻璃纤维由于其高的性价比被经常使用。然而，玻璃纤维会使材料产生各向异性，降低了它的加工性能，同时易磨损。当需要关注产品的外观时，则可以加入一些矿石填充剂，如碳酸钙、滑石、硅灰石、云母都是很好的选择。然而材料的硬度和热变形温度都要比填充玻璃纤维的材料低很多。11教学运

8、用硬度档次较高的产品，可以选用碳纤维作为填充剂，它可以赋予材料非常高的硬度。填充碳纤维的其它优点有：导电性 极好的摩擦性能 低密度 图1比较了常用来替代金属的聚合物的硬度（未填充的和填充了30玻璃纤维的材料）。填充玻璃纤维的高结晶度的聚合物的弯曲模量高于10gpa：聚丁二醇酯pbt，聚甲醛pom，聚乙二醇酯pet，聚苯硫醚pps，聚醚醚酮peek，液晶树脂lcp。在这些材料中，液晶树脂lcp具有最高的硬度且有最高的各向异性。12教学运用耐冲击性能耐冲击性能在许多实际应用中，耐冲击性能是一个关键的性能。图1比较了室温下常用的替代金属的聚合物的冲击性能（未填充的和填充了30玻璃纤维的）。在这些材料

9、中，对于未填充的材料，聚碳酸酯pc和它的混合物：聚碳酸酯pc/abs树脂和聚碳酸酯pc/聚丁二醇酯pbt具有高的耐冲击性能。当持续工作温度不超过100-120c时，这些材料都是极好的选择。对于填充玻璃纤维的材料有更高的硬度，液晶高分子lcp表现了杰出的性能。13教学运用耐冲击性能耐冲击性能冲击性能改性剂的影响冲击性能改性剂的影响冲击性能改性剂的添加能够使许多脆性聚合物材料的韧性得到很大的增强。聚合物的韧性由它自身、冲击改性剂的份量和改性剂在基体中分散的质量共同决定。然而，在所有的情况下你必须和硬度、耐化学性和加工性能相结合折衷考虑。14教学运用抗撕裂性能抗撕裂性能自润滑性和耐磨损性塑料替代金属

10、的一个很有前景的领域就是磨擦应用方面，例如齿轮、泵转子、引擎部件、刹车部件、滑动部分等等。在这一领域，塑料具有以下优点：设计的灵活性 减轻重量 不使用润滑自润滑性 降低噪声 因为这些迫切的应用需要，就要求材料具有低的动态摩擦和好的耐磨损性，以避免在接触的界面上生热，因此要做到以下几点：避免机械性能的降低 使材料的磨损最小化 避免平滑现象 15教学运用抗撕裂性能抗撕裂性能只有很少的材料自身就具备很好的自润滑性和耐磨损性，因此，材料本身的这些性能通常不能满足工业的要求，因为这个原因，磨擦材料常含有层状填充剂、硅油和一些聚合物这些物质，聚四氟乙烯ptee就是商品中常使用的一种聚合物。在某些情况下，最

11、终材料的选择也将依赖于工作温度、硬度或耐化学性。图1比较了常用来替代金属的聚合物材料的硬度和热变形温度。16教学运用抗撕裂性能 常用的用于降低材料摩擦系数的组分有：石墨、氧化钼、聚四氟乙烯ptee、硅油或高分子量的硅树脂。添加碳纤维也是一个不错的选择，特别是对于那些需要非常高的硬度的应用场合。添加碳纤维的润滑配合体系（聚四氟乙烯ptee和有机硅或无机硅）将会使材料具备相当低的动态摩擦系数。17教学运用耐化学性 1. 耐弱酸性能 2. 耐强酸性能 3. 耐弱碱性能 4. 耐强碱性能 5. 耐有机溶剂性能 6. 耐烃类溶剂性能 7. 耐酒精性能 8. 耐燃料性能18教学运用耐化学性耐化学性在一些应

12、用场合里，例如引擎部分、泵部分、燃料输送线、高性能的管道和配件，这些材料要耐受苛刻的工作条件，在高温下仍要耐很多化学试剂，并且要长期保持它们的机械力学性能和尺寸稳定性。在许多情况下，有着较高玻璃化温度（tg）的半结晶聚合物能够提供最好的成本与耐化学性的性价平衡。在这些半结晶性聚合物中，例如氟聚合物、聚苯硫醚pps, 聚醚醚酮peek, 液晶高分子lcp都是极好的选择，尤其是需要在高温下保持好的耐化学性的场合。与半结晶聚合物相比，无定形聚合物通常有着杰出的耐化学性，特别是对于有机溶剂、烃类和燃料。冲击改性剂的效果为了满足工业要求，许多聚合物中都含有冲击性能改性剂，在绝大多数情况下，冲击改性剂加入

13、工程塑料或者高性能的聚合物中会极大地减小它对于燃料、烃类和其它有机溶剂的耐受性。但冲击性能也限制了一些材料在一些场合的应用，一个极好的例子就是聚苯硫醚pps，它在高温下有杰出的耐化学性，但是它的冲击性能偏于中低。点击以上一类化学物质，可以比较聚合物与传统的金属替代物c的耐化学性19教学运用1. 耐弱酸性能下图展示了一些能替代金属的聚合物对于弱酸弱酸的耐化学性：20教学运用2. 耐强酸性能下图展示了一些能替代金属的聚合物对于强酸强酸的耐化学性： 21教学运用 3. 耐弱碱性能下图展示了一些能替代金属的聚合物对于弱碱弱碱的耐化学性：22教学运用4. 耐强碱性能下图展示了一些能替代金属的聚合物对于强

14、碱强碱的耐化学性： 23教学运用5. 耐有机溶剂性能下图展示了一些替代金属的聚合物对有机溶剂的耐化学性： 24教学运用6. 耐烃类溶剂性能下图展示了一些能替代金属的聚合物对于烃类溶剂的耐化学性： 25教学运用7. 耐酒精性能下图展示了一些能替代金属的聚合物对于酒精的耐化学性： 26教学运用8. 耐燃料性能下图展示了一些能替代金属的聚合物对于燃料的耐化学性： 27教学运用耐紫外辐射性能 当一个制品持续暴露于紫外光下，或者它被用于户外，这样的材料需要有极好的耐紫外辐射性能。这样的应用如汽车、运输工具、照明设备等等都需要有极好的耐气候性。按照一般的规则解决聚合物的耐紫外辐射性能是不可完的，因为这极大

15、地依赖于材料的化学结构和特殊的老化机理。含有双键的聚合物通常对紫外光更为敏感（如abs树脂）。图1比较了常用的替代金属的聚合物的耐紫外辐射性能。在很多情况下，应用于耐紫外辐射的材料含有紫外光稳定剂或者碳黑。 28教学运用耐紫外辐射性能冲击性能改性剂的影响冲击性能改性剂的影响添加冲击性能改性剂的材料通常比不加的基体本身耐紫外辐射性能更差，这个规则对于含有双键的聚合物进行冲击性能改性后更为准确，如三元乙丙橡胶epdm，抗冲改性剂mbs树脂，丁二烯-苯乙烯共聚物sbs树脂。酸类和基团的影响酸类和基团的影响 酸和基团的影响来自于聚合过程、添加剂的分解、填料和外部环境（如化工厂），它们对于材料的耐气候性

16、有负面影响。聚合物如聚碳酸酯或聚酰胺中少量或痕量的基团（氢氧化钠、胺）对材料的耐气候性也有不利的影响。这些基团能常会促使酯基交换反应，从而导致聚合物老化和泛黄。在聚碳酸酯中只要有痕量的ppm级的钠就足以使材料的颜色稳定性、水解稳定性和最终的老化性能受到极大的影响。因为这些原因，聚合物的纯度和添加剂的纯度就必须受到重视，它们是提高材料的耐气候性时需要考虑的至关重要的因素。29教学运用耐伽玛射线性能 在一些专用的场合里，材料要经常暴露在伽玛射线下，这特别是在一些医疗应用上，经常需要进行定期的杀菌消毒。通常，含有双键或者大量脂肪族单元的材料不具备好的耐伽玛射线的能力。例如一些对伽玛射线耐受力很差的材

17、料，如：abs树脂, 聚甲醛pom, 聚丙烯pp在医疗应用上，如外科手术工具、牙科工具、过滤的器具等等，这些材料都应当有好的耐水性，耐蒸汽性和好的耐化学性。对于要求高的场合，一些材料，例如psu, ppsu, peek, lcp, pei，都是极好的选择，对于要求稍低的场合，聚碳酸酯是一个有很好性价比的选择。表1比较了替代传统的金属材料的各种塑料的耐伽玛射线能力。30教学运用应用实例 31教学运用能提供更高安全性、耐用性和消声性能的张紧轮材料市场: 汽车聚合物聚合物 : dsm pa46 主要性能 极好的耐磨损性 极好的抗化学品性极好的机械性能 pa46具有比pa66更高的耐磨损性能 stan

18、yl的刚性以及本身具有的纤维状结构使得张紧轮很容易达到汽车本身的寿命。stanyl的优点为：比高分子量pa66具有更好的耐磨损性能在温度很差的条件下具有很好的抗蠕变性能32教学运用聚酰胺46：使用温度较宽的耐用齿轮材料 发动机启动器齿轮 市场: 齿轮 发动机的启动器聚合物聚合物:stanyl tw200f8 主要性能： 极好的耐磨损性和耐高温性能 比刚才具有更轻的质量和更好的耐腐蚀性 极好的抗扭矩性能（在高温状态下能承受重负荷） 在高温状态下具有较高的剪切模量 发动机启动器齿轮:使用的温度范围需要一种特殊的材料 发动机启动器发明已经有100多年的历史了，它主要是利用电池里储存的能量，将其转换成

19、成千上万的机械能，从而带动发动机的旋转。这个启动器是以各种形式安装并附在发动机上的。因此需要一种使用温度能在-40c 到 130c之间的材料。 33教学运用应用在燃料轨道的金属替代方案 市场：汽车 燃料轨道聚合物：聚合物： 聚苯硫醚聚苯硫醚 (pps)目的：替代金属 主要性能:在湿度很大和特殊化学品条件下具有很好的尺寸稳定性高温状态下具有很高的抗蠕变性能流动性好，易加工极好的放水解性 fortron pps 1140l4是一种硬质、耐用的高性能树脂，特别适合于地下的一些耐高温应用。这种材料有很好的抗汽油或其他的燃料（酒精、硝化甘油及其他的汽车燃料）的性能。因为其流动性好，在通常的注塑压力下就能

20、获得很光滑的表面，同时，还能防止液体或气体的缭乱和气穴现象。 fortron pps 1140l4可以节约成本个减少材料的使用量： 减少加工过程的复杂性、总的循环时间和配件的总量 减少了一些错误的资源 避免将笨重的金属熔融然后再重新组合形成新的产品 。34教学运用利用高性能聚合物替代金属以生产高利用高性能聚合物替代金属以生产高性能齿轮性能齿轮市场:汽车, 航行器聚合物聚合物: 聚醚醚酮聚醚醚酮(peek) 主要性能: 极好的抗疲劳性能 在高温状态下有很好的机械强度 良好的抗化学品性能 良好的消声性能 victrex peek 的性能 victrex peek technical univers

21、ity of berlin大学和birmingham大学研发而成。实验证明，在发动机机油条件下，victrex peek的使用温度为248f 到 302f (120c 到150c)。转塑为3000 rpm，扭矩为3 到 27 nm。 实验结果很清楚地证明了victrex peek的优越性能，也是替代金属材料的最好的材料之一。 性能优越、质轻、消声、低成本是victrex的最大的优点 35教学运用长纤增强热塑性塑料（lfrt）替代金属材料 市场: 汽车和交通工具聚合物聚合物: 长纤增强热塑性长纤增强热塑性pa66 主要性能:-高硬度-很低cte生产concentric slave cylinder (powertrain)的材料的挑战 水压传动可以在一定的距离内输送物体，并且可以获得一定的机械能。比如刹车片和离合器等。lfrt 是替代金属材料的最好的选