常用工程材料

1、第三篇 常用工程材料 金属材料陶瓷材料高分子材料 复合材料 功能材料概述（自学） 第二章 陶瓷材料传统陶瓷 特种陶瓷 金属陶瓷 1、传统陶瓷 日用陶瓷建筑陶瓷电工陶瓷（高压瓷）化工陶瓷原料长石，石英，粘土，高龄土，绢云母，滑石，石灰加入MgO，ZnO，BaO，Cr2O3等，提高强度；加入Al2O3 ，ZrO2等，提高强度和热稳定性；加入SiC等，提高导热性。性能要求 白度，光洁度，热稳定性，机械强度，热稳定性强度，热稳定性强度，介电性能和热稳定性耐蚀性用途 日用器皿，工艺品艺术品等地面，墙壁，管道，卫生洁具等隔电，支持及连接，绝缘器件实验器皿，耐热容器，管道，设备2、特种陶瓷 氧化物陶瓷 结构

2、及性能特点：（1）熔点2000，（2）晶体相+少量气相（3）微晶强度粗晶（4）随温度升高，强度降低（1000以下，降低不大）（5）高温不氧化Al2O3高的强度和高温强度（抗压2493MN/m2)，高化学稳定性和介电性能用途：工具，高温炉零件，空压机泵零件，内燃机火花塞，坩埚。致密真空陶瓷；多孔绝热材料；微晶刚玉（弯曲强度5000MN/m2，HRA92-93，红硬性1200）工具ZrO2呈弱酸性或惰性，导热系数小1.5-1.7kcal/mh，使用温度2000-2200，抗压强度2060MN/m2用途耐火坩埚，炉子和反应堆的绝热材料，金属表面的防护涂层MgOCaO抗各种金属碱性渣的作用，热稳定性差

3、，MgO高温易挥发，CaO在空气中易水化用途坩埚BeO导热性好（180kcal/mh），热稳定性较高，消散高能辐射的能力强，热中子阻尼系数大，强度低（抗压强度（785MN/m2）用途熔化某些纯金属的坩埚，真空陶瓷和原子反应堆用陶瓷TnO2UO2高熔点，高密度，高放射性用途熔化铑，铂，银等金属之坩埚、电炉构件（TnO2），反应堆中的放热元件（UO2）非氧化物陶瓷 性能特点： (1) 高耐火度（2）高硬度（甚至接近于金刚石）和高的耐磨性（3）脆性大（4）抗氧化碳化物和硼化物900-1000氮化物略低硅化物1300-1700） 碳化硅弯曲强度200-250MN/m2，抗压强度1000-1500MN/

4、m2，硬度高，抗氧化，不抗强碱。用途加热元件，石墨的表面保护层，砂轮，磨料氮化硼石墨类型六方结构（白石墨）-介电体和耐火润滑剂。立方结构（BN)极高硬度，抗加热温度2000，是金刚石的代用品。 3、金属陶瓷金属+陶瓷组成的非均质复合材料 相结构与性能： 相结构性能陶瓷相：氧化物（Al2O3，ZrO2，MgO，BaO等）碳化物（TiC，WC，SiC）硼化物（TiB，ZrB2，CrB2）氮化物（TiN，BN，Si3N4）硬度高，耐火度高，耐蚀性强 热稳定性差，脆性大金属相:（Ti，Cr，Ni，Co）及其合金热稳定性、韧姓好易氧化，高温强度不高、氧化物金属基陶瓷结构特点氧化铝金属黏合剂（r，e，i等

5、）界面结合：Al2O3和Cr2O3形成固溶体性能特点（1）红硬性（1200）（）抗氧化性（）高温强度高 （）脆性大（）热稳定性低用途工具材料：（）硬材料加工（）快速加工（）高精度加工（）大管件加工、碳化物基金属陶瓷碳化物（，iC铁族金属（Co，Ni等） WC-Co，TiC-Ni(1)硬质合金 C-CoC-TiC-CoC-TiC-TaC-Co牌号 6（6%Co）YT30（30%TiC）性能特点 Co%，韧性和强度，硬度和耐磨性略降红硬性高于YG，韧性，强度略低于YG兼具YG，YT优点用途 工具（切削铸铁、有色金属和非金属材料）车，刨，铣加工耐热及合金等难加工材料(2)耐热材料 iC-Ni，Co，

6、(Cr，Mo，W)性能特点 同硬质合金相比碳化物含量下降，金属含量升高，韧性升高，热稳定性升高。用途 涡轮喷气发动机燃烧室、叶片、涡轮盘等第三章 高分子材料工程塑料橡胶与合成纤维合成胶粘剂和涂料高分子工程材料：高分子材料实际上是由高分子化合物经过加工和加入添加物而制成的。有机高分子化合物有天然与合成之分如蛋白质、淀粉及纤维是自然界中生长的天然高分子化合物；而塑料、合成纤维及合成橡胶则属于人工合成的合成高分子材料。高分子材料分类： 工程塑料、橡胶与合成纤维、合成胶粘剂和涂料 1、高分子工程材料概述高分子工程材料特性： 重量轻（1.02.0g/cm3） 钢的1/81/4，普通陶瓷的 1/2 以下

7、高弹性 弹性变形量大（1001000%） 一般金属材料为 0.11%弹性模量低（220MN/） 一般金属材料为 1032105MN/m2T 弹性模量 （T，弹性模量） 拉伸时温度升高 （金属拉伸时温度降低） 粘弹性：应变不随作用力即时建立平衡，而有所滞后。 产生原因：链段的运动遇到困难，需要时间来调整构象以适应外力的要求。蠕变（卷曲缠结 伸直)应力松弛（卷曲缠结 伸张交缠 拉应力 自然卷曲 线型高聚物：随时间延长，可以依次产生普弹，高弹，流动变形，应力衰减至零。交联高聚物：应力只能衰减至某一有限值。滞后与内耗 内耗会导致高聚物温度的升高，加速老化。内耗能吸收震动波，有利于高聚物的减震波。塑性与

8、受迫弹性软化阶段表现明显塑性。屈服点所对应的屈服应变较大（20%）（金属材料1%），颈缩变形阶段长，以细颈扩展的方式进行。受迫弹性：外力的作用，促进了分子链的运动，使分子链由卷曲形变为伸直形，造成大的变形。在玻璃化的温度下，因链段的运动被冻结，外力去除，变形不能回复。 强度低（比金属材料低很多）作为工程结构材料使用的主要障碍之一（许多高聚物的比强度较高）理论值为实际值的1001000倍原因-结构中存在缺陷（微裂纹，空洞，气孔，杂质，松散和不为均匀性） 断裂及其影响因素 硬脆类：弹性模量高，强度高，断裂伸长率很小（0.2%），发生完全的脆性断裂。 如：聚苯乙烯，苯酚树脂和脲醛树脂（热固性塑料）

9、强硬类：弹性模量和强度较高，有小量的伸长率（2%），脆性断裂（但局部断面有流动痕迹） 如：有机玻璃，硬聚氯乙烯，韧性聚苯乙烯等。 强韧类：弹性模量和强度较高，伸长率较大（100%），多发生韧性断裂。 如：软聚氯乙烯，聚碳酸酯，聚甲醛，聚酰胺等。 柔韧类：弹性模量和屈服极限低，有一定的强度，伸长率很大（1000%）由于拉伸时分子链趋向于定向分布，出现结晶化细颈，多发生脆性断裂。 如：各种橡胶，高压聚乙烯 软弱类：弹性模量和强度都很低，但有一定的伸长率，完全的塑性断裂。 如：天然橡胶 影响因素：温度、变形速度（粘弹性） 韧性如：热固性塑料 0.55KJ/，热塑性 25KJ/i 非金属材料中高聚物的

10、韧性较好（源于塑性好）i仅为金属的 1% 数量级（源于强度低）提高高聚物的韧性提高强度 如： 不饱和聚脂树脂-玻璃纤维增强-玻璃钢 强度 4088MN/ 204340MN/ 韧性 1.082.16KJ/ 27162KJ/ 断裂伸长 0.52.0% 提高断裂伸长率 如：橡胶与塑料机械共混橡胶塑料 减摩，耐摩性摩擦系数低一般为0.20.4，有些为0.04自润滑性能较好，磨损率低。消音，减震能力强。对工作条件及磨粒适应性好。绝缘性好，低导热性耐蚀性好不发生电化学腐蚀化学稳定性很高，耐水和无机试剂，耐酸和碱。（强共价键，官能团少；卷曲缠结，暴露基团少）如：聚四氟乙烯（塑料王）在沸腾的王水中也很稳定。摩

11、擦副材料摩擦系数摩擦副材料摩擦系数软钢-软钢030软钢-硬钢（油润滑）008硬钢-硬钢015聚四氟乙烯-聚四氟乙烯004 耐热性高聚物对温度升高时性能明显降低的抵抗能力。与金属相比高聚物的耐热性是较低的。马丁耐热温度：将标准式样（120 x15x10mm）置于马丁耐热仪中施加一定的静弯应力（5MN/），缓慢加热，使试样末端弯曲到指定大小（6mm）时的温度。i 热固性塑料的耐热性比热性塑性材料高热塑性塑料：聚乙烯，聚氯乙烯，尼龙等 100以下热固性塑料：酚醛塑料 130150耐高温塑料：有机硅塑料 200300i提高高聚物的耐热性的途径增大主链的刚性（引入庞大的侧基，增大链的内旋阻力；引入环状结

12、构等）增强分子间的作用力（形成交联、氢键，引入强的极性基团等）提高聚合物的结晶度以及加入填充剂、增强剂等。老化 指高聚物在长期使用或存放过程中，由于受到各种因素的作用，性能随时间不断变化，逐渐丧失使用价值的过程。如：橡胶变脆，龟裂或变软，发粘。塑料褪色，失去光泽和开裂。 老化的原因 降解大分子断链或裂解，碎断成小分子，分子量 强度，弹性，熔点，溶解度，粘度交联分子链之间生成化学键，形成网状结构 性能变硬，变脆 影响因素 内因结构弱点 化学结构 分子链结构 聚集态结构外因物理因素 热、光、辐射、应力如离子化辐射聚乙烯交联 高聚物的辐射稳定性：聚苯乙烯聚乙烯聚氯乙烯聚丙烯腈聚三氟氯乙烯聚四氟乙烯化

13、学因素 氧和臭氧 水 酸 碱如氧或臭氧与高聚物作用-氧化链锁反应棗高聚物自加速地降解老化生物因素 微生物，昆虫等 改进方法 表面保护：表面涂镀一层金属或防老化涂料。改进高聚物的结构：减少结构中的弱点，提高稳定性。加入防老化剂：消除外因影响下产生的游离基，或减低其活泼性组成与分类：塑料是在玻璃态使用的、具有可塑性的高分子材料。它是以树脂为主要组分，加入各种添加剂，可塑成型的材料。组分： 树脂：树脂是塑料的主要组分。它胶粘着塑料中的其它一切组成部分，并使其具有成型性能。树脂的种类、性质以及它在塑料中占有的比例大小，对塑性的性能起着决定性的作用。添加剂：按加入目的及作用的不同， 有填料、增塑剂、固化

14、剂、稳定剂、润滑剂、着色剂等 分类：按树脂特性分：（1）依树脂受热时的行为分为热塑性塑料和热固性塑料（2）依树脂合成反应的特点分为聚合塑料和缩合塑料按塑料的应用范围分通用塑料、工程塑料、特种塑料2、工程塑料塑料制品的成型与加工成型方法：注射成型法、压制成型、浇铸成型、抗压成型、吹塑成型、真空成型等加工： 机械加工、塑料的连接、塑料制品的表面处理性能特点：相对密度小；耐蚀性能好；电绝缘性能好；减摩、耐磨性能好；有消音吸震性；刚性差；乃热性低；膨胀系数大、热导率小；蠕变温度低；有老化现象；在某些溶剂中会发生溶胀或应力开裂。常见工程塑料常见热塑性塑料 聚酰胺、聚甲醛（POM）、聚砜（PSF）、聚碳酸

15、酯（PC）、ABS塑料等；常见热固塑性塑料（经过固化处理）酚醛塑料、环氧塑料（EP）等应用：可以作为：一般构件、普通传动零件、摩擦零件、耐蚀零件、电器零件橡胶组成：橡胶是以高分子化合物为基础的、具有显著高弹性的材料。以生胶为原料加入适量的配合剂而形成的高分子弹性体。性能特点：橡胶最显著的性能特点是具有高弹性主要表现为在较小的外力作用下就能产生很大的变形，切当外力去除后又能很快恢复到近似原来的状态；另一个表现为其宏观弹性变形量可高达100%1000%。优良的伸缩性和可贵的积储能量的能力，良好的耐磨性、绝缘性、隔音性和阻尼性，一定的强度和硬度。成为常用的弹性材料、密封材料、减震防震材料、传动材料、

16、绝缘材料。3、橡胶与合成纤维分类：按原料来源可分为天然橡胶和合成橡胶两大类；天然橡胶是橡树上流出的乳胶加工而制成的；合成橡胶是通过人工合成制得的，具有与天然橡胶相近性能的一类高分子材料。按应用范围又可分为通用橡胶与特种橡胶两类。通用橡胶是指用于制造轮胎、工业用品、日常用品的量大面广的橡胶，特种橡胶是指用于制造在特殊条件（高温、低温、酸、碱、油、辐射等）下使用的零部件的橡胶。常用的橡胶材料：天然橡胶：从天然植物中采集出来的一种以聚异戊二烯为主要成分的天然高分子化合物。性能特点：它具有较高的弹性、较好的力学性能、良好的电绝缘性及耐碱性，是异类综合性能较好的橡胶。缺点是耐油、耐溶胶较差，耐臭氧老化性

17、差，不耐高温及浓强酸。用途：主要用于制造轮胎、胶带、胶管等。通用合成橡胶：丁苯橡胶：是由丁二烯和苯乙烯共聚而成的。其耐磨性、耐热性、耐油、抗老化性均比天然橡胶好，并能以任意比例与天然橡胶混用，价格低廉。主要用于制造汽车轮胎、胶带、胶管等。顺丁橡胶：是由丁二烯聚合而成。其弹性、耐磨性、耐热性、耐寒性均优于天然橡胶，是制造轮胎的优良材料。主要用于制作轮胎、胶带、弹簧、减震器、电绝缘制品等。氯丁橡胶：是由氯丁二烯聚合而成。不仅具有可与天然橡胶比拟的高弹性、高绝缘性、较高强度和高耐碱性，而且具有天然橡胶和一般通用橡胶所没有的优良性能。应用广泛，既可作通用橡胶，又可作特种橡胶。由于其耐燃烧，故可用于制桌

18、矿井的运输带、胶管、电缆；也可作告诉三角带及各种垫圈等。乙丙橡胶：是由乙烯与丙烯共聚而成。具有结构稳定、抗老化能力强，绝缘性、耐热性、耐寒性好，在酸、碱中耐蚀性好等优点。主要用于制作轮胎、蒸汽胶管，耐热运输带、高压电线管套等。特种合成橡胶：丁腈橡胶：是由丁二烯与丙烯腈聚合而成。其耐油性好、耐热、耐燃烧、耐磨、耐碱、耐有机溶剂、抗老化。主要用于制作耐油制品，如油箱、贮油槽、输油管等。硅橡胶：是由二甲基硅氧烷与其它有机硅单体共聚而成。具有 高耐热性和耐寒性，在100350摄氏度范围内保持良好弹性，抗老化能力强、绝缘性好。主要用于飞机和宇航中的密封件、薄膜、胶管和耐高温的电线和电缆等。氟橡胶：是以碳

19、原子为主链，含有氟原子的聚合物。其化学稳定性高、耐蚀性能居各类橡胶之首，耐热性好，最高使用温度为300摄氏度。主要用于国防和高技术中的密封件，如火箭、导弹的密封圈及化工设备中的衬里等。合成纤维定义：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纤维。分类：可分为天然纤维和化学纤维。化学纤维又可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而成，如叫“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石油、煤、天然气为原料制成的。合成纤维的品种：涤纶：又叫的确良，具有高强度、耐磨、耐蚀，易洗快干等优点，是很好的衣料纤维。尼龙：在我国又称棉纶，其强度大、耐磨性

20、好、弹性好，主要缺点是耐光性差。腈纶：在国外叫奥纶、开米司纶，它柔软、轻盈、保暖，有人造羊毛之称。维纶：维纶的原料易得，成本低，性能与棉花相似且强度高；缺点是弹性较差，织物易皱。丙纶：是后期之秀，发展快，纤维以轻、牢、耐磨著称；缺点是可染性差，且晒易老化。氯纶：难燃、保暖、耐晒、耐磨，弹性也好，由于染色性差，热收缩大，限制了它的应用。合成胶粘剂特点:用胶粘剂把物品连接在一起的方法叫胶接,也叫粘接.整个胶接面都能承受载荷,因此强度较高,而且应力分布均匀,你面了应力集中,耐疲劳强度好.可连接不同种类的材料,而且可用于薄型零件脆性材料以及微型零件的连接.胶接结构质量轻,表面光滑美观.具有密封作用,而

21、且胶粘剂电绝缘性好,可以防止金属发生电化学腐蚀.胶接工艺简单,操作方便.4、合成粘胶剂和涂料组成:胶粘剂又叫粘结剂胶合剂或胶.有天然胶粘剂和合成胶粘剂之分,也可分为有机胶粘剂和无机胶粘剂.主要组成：除基料(一种或几种高聚物)外,尚有固化剂填料增塑剂增韧剂稀释剂促进剂和着色剂.常用胶粘剂环氧胶粘剂改性酚醛胶粘剂聚氨酯胶粘剂-氰丙烯酸酯胶 掩氧胶无机胶粘剂 涂料作用 涂料即为通常说的油漆,是一种有机高分子胶体的混合溶液,涂在物体表面上能干结成膜.保护作用 避免外力碰伤、摩擦,也防止大气、水等的腐蚀.装饰作用 使制品表面光滑美观.特殊作用 可做标志用,如管道、气瓶和交通标志牌等。船底漆可防止微生物驸

22、着,保护船体光滑,减少行进阻力. 另外还有绝缘涂料、导电涂料、抗红外线涂料、吸收雷达涂料、示温涂料以及医院手术室用的杀菌涂料等。组成：粘结剂：粘结剂是涂料的主要成膜物质，它决定了涂层的性质。过去主要使用油料，现在使用和策划能够树脂。颜料：颜料也是涂膜的组成部分，它不仅是涂料着色，而且能提高涂膜的强度、耐磨性、耐久性和防锈能力。溶剂：溶剂用以稀释涂料，便于加工，干结后挥发。其他辅助材料：如催化剂、增塑剂、固化剂、稳定剂等。常用涂料 酚醛树涂料 、氨基树脂涂料 、醇酸树脂涂料 、聚氨脂涂料 、有机硅涂料 。第四章 复合材料工程塑料橡胶与合成纤维合成胶粘剂和涂料火箭壳体材料对射程的影响 1、复合材料

23、结构与性能复合材料定义：两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。国际标准化组织（ISO）复合材料的特点可综合发挥各种组分材料的优点可按需要进行材料的设计和制造可制成所需形状的产品，并可避免多重加工工序。复合材料的基本结构模式：复合材料由基体和增强剂两个组分构成：复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体；而另一相是一以独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和和增强，称为增强剂（增强相、增强体）。增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。增强剂（相）可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂（相）与基体之间存在着明显

24、界面。复合材料的分类按增强材料的形态颗粒增强复合材料晶须增强复合材料短纤维增强复合材料连续纤维增强复合材料 混杂纤维增强复合材料编织复合材料层状复合材料按增强纤维种类玻璃纤维复合材料碳纤维复合材料有机纤维复合材料金属纤维复合材料陶瓷纤维复合材料按基体材料聚合物基复合材料金属基复合材料无机非金属基复合材料按用途结构复合材料功能复合材料复合材料的基本性能高比强度、高比模量（刚度）： 良好的高温性能：复合材料可以在广泛的温度范围内使用，同时其使用温度均高于复合材料基体。目前聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C；金属基复合材料按不同的基体性能，其使用温度在350 1100 C范围内变动；陶瓷基复

25、合材料的使用温度可达1400C；碳碳复合材料的使用温度最高，可高达2800C。良好的尺寸稳定性： 加入增强体到基体材料中可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。例如在石墨纤维增强镁基复合材料中，当石墨纤维的含量达到48%时，复合材料的热膨胀系数为零，即在温度变化时其制品不发生热变形。这对人造卫星构件非常重要。 良好的化学稳定性： 聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料具有良好的抗腐蚀性 良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性：由于增强体的加入，复合材料的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性等性能得到提高，特别是陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善 良好的功能性能

26、：包括 光、电、磁、热、烧蚀、摩擦及润滑等性能。 性能特点：比强度、比模量大耐疲劳性能好减震性好过载安全性好具多种功能耐烧蚀性好良好的摩擦性能（包括摩阻特性和减摩特性）高度的电绝缘性能优良的耐腐蚀性能特殊的光、电、磁学性能2、聚合物基复合材料玻璃纤维增强塑料玻璃钢 增强剂：玻璃纤维（SiO2+其他氧化物）性能：比强度和比模量高（如40%玻璃纤维增强尼龙的强度大于铝合金），耐高温，化学稳定性好，电绝缘性较好热塑性玻璃钢 粘结剂：热塑性树脂尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类、(热塑性聚脂，聚碳 酸脂)机械性能、介电性能、耐热性和抗衰老性能较好 性能：（与基体材料相比） i 强度和疲劳性能提高2-3倍以上

27、ii 冲击韧性提高2-4倍(脆性材料) iii 蠕变抗力提高2-5倍热固性玻璃钢（GFRP）粘结剂：热固性树脂酚醛树脂，环氧树脂、不饱和聚酯树脂，有机硅树脂 性能：轻，比强度高(高于铜合金和铝合金，有高于合金钢)，耐蚀性好,介电性能优越,成型性能良好刚度较差，易老化，易蠕变用途：玻璃纤维/尼龙-轴承，轴承架，齿轮；玻璃纤维/聚苯乙烯汽车内装饰制品，机壳碳纤维增强塑料 增强剂：碳纤维（石墨）高强度、高弹性模量且2000以上保持不变；-180不变脆。 普通碳纤维b=5001000MN/m2，E=2000070000MN/m2； 高模量碳纤维b=1500MN/m2，E= 150000MN/m2，比强

28、度比模量是耐热纤维中最高的 碳纤维树脂复合材料： 基体环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟乙烯性能普遍优于玻璃钢： 比铝轻，比钢强，E 比铝合金和钢大，疲劳强度高，冲击韧性高，耐水和湿气，化学稳定性高，摩擦系数小，导热性好，耐X射线， 纤维和树脂粘结力不够，各向异性大，耐高温性能有差距 用途： 航天材料飞行器，火箭外层材料，天线支架，壳体，机架 齿轮，轴承，活塞，密封圈，化工容器硼纤维增强塑料 增强剂：硼纤维硼纤维沉积于钨丝 金属硼+WB晶体(芯) d=915m，b=27503140MN/m2，E=382600392400MN/m2（=4倍玻纤），=0.70.8%硼纤维树脂复合材料 基体环氧树脂，聚苯并

29、咪唑，聚酰亚胺树脂性能：抗压强度为碳纤维复合材料的22.5倍，剪切强度高，蠕变小，硬度和弹性模量高，高疲劳强度（340390MN/m2），耐辐射，化学稳定（水，有机溶剂，燃料，润滑剂），导热性能和导电性能好（硼纤维是半导体）。 应用：航空和宇航材料，如：翼面，仪表盘，转子，压气机叶片，直升机螺旋桨叶的传动轴等聚合物复合材料FRP在波音B-777上的应用 聚合物复合材料FRP 在导弹火箭上的应用 聚合物复合材料FRP 在导弹火箭上的应用 芳纶增强复合材料芳纶聚对苯二甲酰对苯二胺kavlar纤维Kavlar-49增强纤维b=28003700MPa；（高于碳纤维）1.45g/cm3；（比碳纤维轻15

30、，比玻璃纤维轻45）具耐热性，分解温度高达560热膨胀系数低，耐疲劳性高，富有强韧性，易加工增强环氧树脂用于：航天飞机、宇航器的某些高压容器、雷达天线罩性能特点：高比强度、高比模量导热、导电性能热膨胀系数小、尺寸稳定性好良好的高温性能耐磨性好良好的疲劳性能和断裂韧性不吸潮、不老化、器密性好3、金属基复合材料碳纤维金属复合材料 基体金属(主要为熔点较低的金属或合金，如碳纤/铝锡合金) 性能特点：接近于金属熔点仍有很好的强度和弹性模量) 用途：碳纤/铝锡合金高强度高级轴承（减磨性能优于铝锡合金）硼纤维金属复合材料 基体铝镁及其合金，钛及其合金性能：如铝基复合材料的强度、弹性模量、疲劳极限高于高强铝

31、合金和耐热铝合金，比强度高于钢和钛合金 . 应用：航空、火箭 金属纤维复合材料增强纤维高熔点金属：钨、钼丝 金属/金属：基体镍合金，钛合金 提高合金的高温强度和弹性模量，塑性和韧性较好，用于飞机构件美国航天飞机Bf/Al主承力桁架 连续纤维/金属基复合材料应用的最著名例子就是美国航天飞机主仓承力桁架、（原）苏联航天飞机“暴风雪号”级间连接环均使用了Bf/Al复合材料。美国航天飞机主仓承力桁架使用Bf/Al，减轻了结构重量145公斤。 陶瓷材料用高强度、高模量的纤维或晶须增强后，可大幅度提高其高温强度和韧性同时具有陶瓷材料的优异特性强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温下耐磨损性好、耐化学腐蚀性优

32、良、热膨胀系数和密度小。碳纤维碳复合材料 性能：强度和冲击韧性比石墨高5-10倍，刚度高，耐磨性，化学稳定性好，尺寸稳定性好。用途：高温技术，化工和核反应装置航天航空材料，导弹鼻锥，飞船的前缘，超音速飞机制动装置4、陶瓷基复合材料C/C复合材料在航天飞机上应用部位示意图 固体发动机结构示意图 碳/碳复合材料碳纤维陶瓷复合材料 碳纤/石英玻璃性能特点：抗弯强度提高了约12倍，冲击韧性提高了约40倍，热稳定性也非常好碳纤/碳化硅、碳化硅纤维/碳化硅性能特点： 1700、1200 保持20h的抗拉强度，有较好抗压性能和较高的层间剪切强度，断裂延伸率较一般陶瓷高，耐辐射效率高，可有效降低表面温度，极好

33、的抗氧化、抗开裂性能。航天飞机高温区隔热板金属纤维陶瓷复合材料增强纤维高熔点金属：钨、钼丝 基体-氧化铝，氧化锆 改善陶瓷脆性和抗拉能力，用作高温结构材料。 第五章 功能材料概述（自学）（一）功能材料的概念功能材料是指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和生物性能及其转化的功能，用以实现对信息和能量的感受、计测、显示控制和转化为主要的非结构性高新材料。1、功能材料的特点与分类（二）功能材料的特点多功能化如NiTi合金，既具有形状记忆功能，又具有结构材料的超弹性。 材料形态的多样性同一成分的材料形态不同时，常会呈现不同的功能。如Al2O3陶瓷材料拉成单晶时为人造宝石烧结成多晶时常用作集成电

34、路基板材料、透光陶瓷等；多孔质化时是催化剂的良好载体与过滤材料；纤维化时为良好的绝热保温材料。 材料与元件一体化功能材料则以元件形式为最终产品（结构材料常以结构形式为最终产品）。制造与应用的高技术性，性能与质量的高精密性及高稳定性为了赋予材料与元件的特定性能，需要严格控制材料成分（如高纯度或超高纯度要求、微量元素或特种添加剂含量等）和内部结构及表面质量，这往往需进行特殊制备与处理工艺。 （三）功能材料的分类电功能材料指利用材料的电学性能和各种电效应等电功能的材料。分为导电材料、电阻材料和电接点材料。磁功能材料指利用材料的磁性能和磁效应（电磁互感效应、压磁效应、磁光效应、磁阻及磁热效等）实现对能

35、量及信息转换、传递、调制、存储、检测等功能作用的材料。按成分不同分为金属磁性材料（含金属间化合物）和铁氧体（氧化物磁性材料）；按磁性能不同软磁材料和硬磁材料。 热功能材料指利用材料的热学性能及其热效应来实现某种功能的一类材料。按性能分为膨胀材料、测温材料、形状记忆材料、热释电材料、热敏材料、隔热材料等。 光功能材料按照材质分为光学玻璃、光学晶体、光学塑料等；按用途可分为固体激光器材料、信息显示材料、光纤、隐形材料等。 2、功能材料简介（一）电功能材料导电材料；电阻材料；电接点材料（二）磁功能材料软磁材料；硬磁材料（永磁材料）；信息磁材料；特殊功能磁性材料（三）热功能材料膨胀材料；形状记忆材料；

36、测温材料；隔热材料（四）光功能材料固体激光器材料；信息显示材料；光纤材料（五）其它功能材料贮氧材料；传感器用敏感功能材料；隐形功能材料；智能材料；功能梯度材料（一）电功能材料导电材料用来制造传输电能的电线电缆及传导信息的导线引线与布线的功能材料。主要功能要求：具有良好的导电性，有时还要求一定的强度、弹性、韧性或耐热、耐蚀等性能。主要包括：常用导电金属材料、膜（薄膜或厚膜）导体布线材料、导电高分子材料、超导材料等。（1）膜（薄膜或厚膜）导体布线材料（2）导电高分子材料 导电高分子材料具有类似金属的电导率，且由于具有轻质、柔韧、耐蚀、电阻率可调节等优点。导电高分子材料按导电原理可分为结构型导电高分

37、子及复合型导电高分子材料。 （3）超导电材料 有些导体的直流电阻率，在某一低温陡降为零，被称为零电阻或超导电现象。超导体有电阻时被称为“正常态”，而处于零电阻时被称为“超导态”。导体由正常态转变为超导态的温度，即电阻突变为零的温度称为超导转变温度或临界温度Tc 。超导体在临界温度Tc以下，不仅具有完全导电性（零电阻），还具有完全抗磁性，即置于外磁场中的超导体内部的磁感应强度恒为零。使超导体从超导态转变为正常态的最低磁场强度和最小电流密度，分别称之为临界磁场强度Hc临界电流密度Jc。零电阻及完全抗磁性是超导体的两个基本特征。 理想的超导材料应有高的Tc、Hc、Jc值，而且要易于加工成丝。超导材料

38、有元素超导体（例如Nb和Pb）、合金超导体（如NbTi及 NbZr合金）、化合物超导体（如Nb3Sn和V3Ga）;有金属超导体、高分子超导体、陶瓷超导体。 由于一般超导体材料均具有Tc低的特点，研制高温超导材料就成为人们关注的焦点。1987年起，超导材料临界温度Tc提高到77K，高温超导材料经历了四代：第一代镧系，如LaCuBa氧化物， Tc=91K第二代钇系，如YBaCu氧化物第三代铋系，如BiSrCaCu氧化物， Tc=114120K第四代铊系，如TiCaBaCu氧化物， Tc=122125K1990年发明的一种不含铜的钒系复合氧化物其Tc已达132K超导材料的主要应用零电阻特性的应用，如

39、制造超导电缆、超导变压器等；高磁场特性的应用，如磁流体发电、磁悬浮列车、核磁共振装置、电动机等。 电阻材料利用物质固有的电阻特性来制造不同功能元件的材料。主要用途：电阻元件、敏感元件和发热元件。按其特性与用途可分为：精密电阻材料、膜电阻材料和电热材料。 （1）精密电阻材料 精密电阻材料是指有低的电阻温度系数、高精度、高稳定性和良好的工艺性能的一类金属或合金。1）贵金属电阻合金2）NiCr系电阻合金3）CuMn系电阻合金4）CuNi系电阻合金5）其它电阻合金（2）膜电阻材料 特点：体积小、质量轻、便于混合集成化。 1）薄膜电阻材料 NiCr系、Ta系（如Ta2Ni薄膜）和金属陶瓷系（CrSiO薄

40、膜）三大类。主要用于高精度、高稳定性、噪声电平低的电路及高频电路器件。 2）厚膜电阻材料 由导体粉料、玻璃粉料和有机载体三部分组成。主要用于通用电阻、大功率电阻、高温高压电阻或高电阻器件。电接点材料电接点材料是指用来制造建立和消除电接触的所有导体构件的材料。有强电、中电和弱电三大类。强电和中电接点主要用于电力系统和电器装置，弱电接点主要用于仪器仪表、电信和电子装置。 （1）强电接点材料 要求为低接触电阻、耐电蚀、耐磨损及具有较高的耐高压强度、灭弧能力和一定的机械强度等。1）真空开关接点材料 要求抗电弧熔焊、坚硬而致密，常用的材料有CuBiCe、CuFeNiCoBi、WCuBiZn合金等。2）空

41、气开关接点材料如AgCdO、AgW、Ag石墨、CuW、Cu石墨等。 （2）弱电接点材料 具有极好的导电性、极高的化学稳定性、良好的耐磨性及抗点火花烧损性。主要有Ag系、Au系、Pt系及Pd系金属合金四种。 （3）复合接点材料 通过一定加工方式将贵金属接点材料与普通金属基底材料结合一体，制成能直接用于制造接点零件制品的材料。价格便宜，可制造出电接触性能与力学性能优化结合的接点元件。 软磁材料指磁矫顽力低（Hc103A/m、磁导率高、磁滞损耗小、磁感应强度大，且在外磁场中易磁化和退磁的一类磁功能材料。包括金属软磁材料及铁氧体软磁材料。金属软磁材料的饱和磁化强度高（适于能量转换场合）、磁导率高（适合

42、信息处理场合）、居里温度高；但电阻率低，有集肤效应，涡流损失大。 （1）铁镍合金软磁材料（亦称坡莫合金） 具有高的磁导率、较高的电阻率、且易于加工，适于交流弱磁场中使用。是常用精密仪表的微弱信息传递与转换、电路漏电检测、微电磁场屏蔽等元件的最佳材料。但因饱和磁感应强度Bs低，故不适于作功率传输器件。（二）磁功能材料硬磁材料（永磁材料）指材料在磁场充磁后，当磁场去除时其磁性仍能长时间被保留的一类磁功能材料。应用：其一是利用硬磁合金产生的磁场；其二是利用硬磁合金的磁滞特性产生转动力矩，使电能转化为机械能，如磁滞电动机。 分类：（1）AlNiCo系硬磁合金材料 具有高剩磁、温度系数低、性能稳定。多用

43、于硬磁性能稳定性要求较高的精密仪器仪表及其装置中。（2）硬磁铁氧体 主要包括两种钡铁氧体（BaO6Fe2O3），磁矫顽力与电阻率高，而剩磁低、价格低廉，主要用于高频或脉冲磁场。（3）稀土硬磁材料（4）铁铬钴系硬磁合金材料 信息磁材料信息磁材料指用于光电通讯、计算机、磁记录和其它信息处理技术中的存取信息类磁功能材料。包括磁记录材料、磁泡材料、磁光材料、特殊功能材料等。 分类：（1）磁记录材料由磁记录材料制作的磁头和磁记录介质。 （2）磁泡材料小于一定尺寸且迁移率很高的圆柱状磁畴材料，可作高速、高存储密度存储器。（3）磁光材料指应用于激光、光通讯和光学计算机方面的饿磁性材料。其磁特性上法拉第旋转角度高、损耗低及工作频带宽。 （4）特殊功能磁性材料1）微波磁材料主要有微波电子管用硬磁材料、微波旋磁材料及微波磁吸收材料。2）磁电材料在磁场作用下可产生磁化强度和电极化强度，在电场作用下可产生电极化强度和磁化强度的材料称为磁电材料。 （三）热功能材料膨胀材料分为：低膨胀材料、定膨胀材料和高膨胀材料。 形状记忆材料指具有形状记忆效应的金属（合金）、陶瓷和高分子等材料。材料在高温下形成一定形状后，冷却到低温进行塑性变形为另外一种形状，