最新版机械工程材料课件第8章-非金属材料

全国高职高专教育规划教材克拉玛依职业技术学院机械工程材料刘祖其主编全国高职高专教育规划教材克拉玛依职业技术学院机械工程材料刘祖1第8章非金属材料8.1高分子材料8.2陶瓷材料 8.3复合材料8.4综合练习题第8章非金属材料8.1高分子材料2非金属材料是指金属及合金以外的一切材料的总称。机械工程上使用的非金属材料主要有高分子材料、陶瓷材料和复合材料，这些原料来源广泛、成形工艺简单,具有金属材料所不具备的某些特殊性能,更适合制造具有特定性能要求的制品和构件。近年来发展迅速，应用日益广泛，现已成为机械工程材料中不可缺少的、独立的组成部分。本章主要介绍了高分子材料、陶瓷材料、复合材料和粉末冶金材料的原理、性能特点及应用等内容。非金属材料是指金属及合金以外的一切材料的总称。38.1高分子材料8.1.1概述8.1.2塑料*8.1.3橡胶*8.1.4.胶粘剂8.1高分子材料8.1.1概述48.1.1概述高分子材料是以高分子化合物为主要组成物的材料，而高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，其分子质量都在几千、几万、几十万或几百万以上，甚至更高。通常多在5000～1000000之间。一般高相对分子质量物质和低相对分子质量物质之间并没有严格的界限。通常把相对分子质量小于500的称为低分子化合物，大于5000的称为高分子化合物。一般说来，低分子化合物没有强度和弹性，而高分子化合物则具有较高的强度、塑性、弹性等力学性能。8.1.1概述5由单体聚合为高聚物的基本方法有加聚合反应和缩聚反应两种。(1)加聚反应：也称为加成聚合反应，是指由单体经过光照、加热或化学药品的作用互相结合连接成大分子。(2)缩聚反应：也称缩合聚合反应，是指有官能团的单体，互相反映结合成较大的大分子，可同时放出某些低分子物质(如水、氨等)。由单体聚合为高聚物的基本方法有加聚合反应和缩聚反68.1.2塑料塑料：是以高分子量合成树脂为主要成分，树脂有天然树脂和合成树脂两种，工业中用的树脂主要是合成树脂。树脂主要作用是将塑料的其它成份加以粘合，并决定塑料的类型(热塑性或热固性)和主要性能，如机械﹑物理﹑电﹑化学性能等。树脂在塑料中的比例一般为40～65%。8.1.2塑料71、塑料的组成塑料是由树脂+添加剂组成的。添加剂主要包括填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、着色剂等各种辅助料组合而成的。因此，不同品种牌号的塑料，由于选用树脂及辅助料的性能、成分、配比及塑料生产工艺不同，则其使用及工艺特性也各不相同。为此在模具设计时必须了解所用塑料的工艺特性。（1）填充剂(2)增塑剂(3)稳定剂(4)着色剂(5)润滑剂（6）抗氧剂1、塑料的组成82、塑料的分类按使用范围分：有通用塑料和工程塑料；按树脂的热性能分：有热固性塑料和热塑性塑料。（1）使用范围分类（2）树脂热性能分（3）其它性能分类2、塑料的分类93、塑料的特性 塑料可区分为热固性与热可塑性二类，热固性无法重新塑造使用，热可塑性可再重复生产。塑料主要有以下特性：优点是：①大部分塑料的抗腐蚀性能力都强，不与酸、碱反应；②塑料制造成本低；③防水、耐用、质轻；④容易制成不同形状产品；⑤绝缘性能好；⑥塑料还可以用于制备燃料油和燃料气等。缺点是：①回收利用废弃塑料时，分类十分困难，而且经济上不合算；②塑料容易燃烧，燃烧时产生有毒气体；③塑料是由石油炼制的产品制成的，石油资源是有限的。3、塑料的特性104、常用工程塑料(1)热塑性工程塑料这类塑料受热变软，甚至成为可流动的稳定粘稠液体，可塑制成一定形状的塑件，冷却后保持既得的形状，成形工艺简便，可直接经注射、挤压、吹塑成形,其制品使用温度低于120oC，生产率高，可以进行反复使用。这一过程中只有物理变化，而无化学变化。常用的热塑性塑料有：聚乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、ABS塑料、聚甲醛(POM)、聚四氯乙烯(F-4)、聚碳酸酯(PC)、聚砜(PSF)等。4、常用工程塑料11(2)热固性塑料酚醛塑料耐热性能好，不易传热，沸水中不变软，制品的形状不受温度的变化影响；电绝缘性能好，表面硬度大，有较好的机械强度，抗压强度和抗弯强度较高，但抗冲击强度较小；稳定性能好，耐各种溶剂和油类的浸渍，在强酸和各种有机溶剂中均比较稳定，但在碱性溶液中能发生溶解现象。不宜用做饮食用具。这类塑料的合成树脂是体型高聚物，在加热之初，因分子呈线型构具有可熔性和可塑性，可塑制成一定形状的塑件，当继续加热时，分子呈现风状结构，当温度达到一定程度后，树脂变成不溶和不熔的体型结构，使形状固定下来，不再变化。变化过程中不可逆的（一次成型）。常用的热固性塑料有酚酸塑料（PF），氨基塑料，环氧树脂（EP），酚醛塑料（PF）。主要用于制作钮扣、餐具、皂盒、瓶盖等，也用于工业和民用的电器元件和外壳等。(2)热固性塑料12各类塑料制品各类塑料制品138.1.3橡胶橡胶是高聚物中具有高弹性的一种物质。具有良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性、隔音及吸振等。用于制作轮胎、密封元件、各种胶管、减振、防振件、传动件以及电线、电缆等。按橡胶的来源来分有天然橡胶和合成橡胶两大类。按橡胶的用途来分有通用橡胶和特种橡胶两大类。8.1.3橡胶14通用橡胶：性能与天然橡胶相同或接近，物理性能和加工性能较好，能广泛用于轮胎和其它一般橡胶制品：如天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶。主要用于制造各种轮胎及一般工业橡胶制品。通用橡胶的需求量大，是合成橡胶的主要品种。特种橡胶：是指具有耐高温、耐油、耐臭氧、耐寒、耐化学腐蚀、耐溶剂、耐辐射、耐老化和高气密性等特点的橡胶，如丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶、聚硫橡胶、聚丙烯酸酯橡胶、氯醚橡胶、氯化聚乙烯橡胶、氯磺化聚乙烯、丁吡橡胶等，主要用于要求某种特性的特殊场合。通用橡胶：性能与天然橡胶相同或接近，物理性能和加151、橡胶的组成与性能（1）天然橡胶天然橡胶(NR)以橡胶烃(聚异戊二烯)为主，含少量蛋白质、水分、树脂酸、糖类和无机盐等。弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳，易于其它材料粘合，在综合性能方面优于多数合成橡胶。缺点是耐氧和耐臭氧性差，容易老化变质；耐油和耐溶剂性不好，第抗酸碱的腐蚀能力低；耐热性不高。使用温度范围：约－60℃～＋80℃。主要用于制作轮胎、胶鞋、胶管、胶带、电线电缆的绝缘层和护套以及其他通用制品。特别适用于制造扭振消除器、发动机减震器、机器支座、橡胶-金属悬挂元件、膜片、模压制品。1、橡胶的组成与性能16（2）通用橡胶1）丁苯橡胶(SBR)2）顺丁橡胶(BR)3）异戊橡胶(IR)4）乙丙橡胶(EPM\EPDM)5）氯丁橡胶(CR)（2）通用橡胶17（3）特种橡胶1）丁基橡胶(IIR)

2）丁腈橡胶(NBR)3）硅橡胶(Q)4）氟橡胶(FPM)5）聚氨酯橡胶(AU\EU)6）氢化丁腈橡胶(HNBR)7）丙烯酸酯橡胶(ACM\AEM)8）氯磺化聚乙烯橡胶(CSM)9）氯醚橡胶(CO\ECO)10）氯化聚乙烯橡胶(CM或CPE)（3）特种橡胶18（4）热塑性橡胶（SBS）热塑性橡胶一般是用锂有机化合物作催化剂由溶液聚合而得。聚合物的特点是纯度高，实际上不含杂质。在从溶液中分离出聚合物时，一般要加入不污染的防老剂。

热塑性橡胶在100～200℃

温度下进行加工，在低于100℃温度下长期加工时，聚合物会发生机械断裂，降低了材料的强度。可以用压出、压延、模压成型、注压成型等方法制造热塑性橡胶零件。（4）热塑性橡胶（SBS）19顺丁橡胶原料氯丁橡胶制成的扁平电缆氟橡胶密封垫圈顺丁橡胶原料氯丁橡胶制成的扁平电缆氟橡胶密封垫圈208.1.4.胶粘剂胶粘剂分为有机胶粘剂和无机胶粘剂(如磷酸盐、水玻璃等)两类。有机胶粘剂又分为天然胶粘剂(如骨胶、松香等)和合成胶粘剂，现代胶粘技术，多采用合成胶粘剂，合成胶粘剂在工程上应用最广。(1)基料：基料是胶粘剂的主要成分，决定胶粘剂的物理性能、化学性能和力学性能。(2)固化剂：固化剂的作用是使胶粘剂固化。(3)增塑剂和增韧剂。增塑剂能够增进固化塑性的物质，它在胶粘剂中能提高弹性和耐寒性。8.1.4.胶粘剂218.2陶瓷材料

8.2.1陶瓷的分类8.2.2陶瓷的组成及性能特点8.2.3常用工业陶瓷8.2陶瓷材料8.2.1陶瓷的分类228.2.1陶瓷的分类

通常把陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。1、普通陶瓷根据用途不同，普通陶瓷又可分类日用陶瓷、工艺陶瓷、工业陶瓷。（1）日用陶瓷：如茶具、餐具、缸、坛、盆、罐、盘、碟、碗等。（2）工艺陶瓷：如花瓶、园林陶瓷、器具、陈设品等。（3）工业陶瓷：指应用于各种工业的陶瓷制品。又分为建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷、特种陶瓷等。8.2.1陶瓷的分类232、特种陶瓷特种陶瓷：指纯度较高的金属氧化物、碳化物、氮化物等。用于各种现代工业和尖端科学技术的特种陶瓷制品，有高铝氧质瓷、镁石质瓷、钛镁石质瓷、锆英石质瓷、锂质瓷、磁性瓷、金属陶瓷等。特种陶瓷具有一些独特的性能，可满足工程结构的特殊需要。2、特种陶瓷24陶鹰鼎——仰韶文化庙底沟类型高36cm三彩——我国古代陶器中一颗璀灿的明珠陶鹰鼎——仰韶文化庙底沟类型高36cm三彩——我国古代25日用陶瓷－盘子建筑陶瓷－墙面砖化工陶瓷结构陶瓷－陶瓷刀功能陶瓷－电子陶瓷日用陶瓷－盘子建筑陶瓷－墙面砖化工陶瓷结构陶瓷－陶瓷刀26氧化锌避雷器电瓷绝缘子氧化锌避雷器电瓷绝缘子27纺织瓷件氧化铝陶瓷电阻纺织瓷件氧化铝陶瓷电阻28氮化硅陶瓷刀具氮化硅轴承球氮化硅陶瓷涡轮转子氮化硅陶瓷吸管氮化硅陶瓷刀具氮化硅轴承球氮化硅陶瓷涡轮转子氮化硅陶瓷吸管298.2.2陶瓷的组成及性能特点

1、陶瓷的化学组成陶瓷是由石英、粘土、长石等天然矿物原料按不同的配方配制，再经加工、烧成、成型而得，其化学组成取决于所用天然原料及配方，在不同地区不同窑口的陶瓷由于所用原料的不同，配方的不同以及烧制工艺的不同，其化学组成、显微结构及物理性能都会有各自的特点。8.2.2陶瓷的组成及性能特点302、陶瓷性能特点（1）力学性能硬度高于其他材料，一般大于1500HV，而淬火钢为500～800HV，弹性模量、强度比金属还要高，室温下几乎没有塑性，脆性大，耐疲劳性能较差。陶瓷内部气孔多，抗拉强度低，但受压时气孔不会导致裂纹扩展，故抗压强度高。（2）热性能导热能力较差、热导率较小、比热容小、热膨胀一般为10-5～10-6/K。膨胀系数，尤其具有高熔点、高硬度和高的化学稳定性，热硬性高，抗高温蠕变能力强，高温强度高，这是它被广泛作为高温材料应用的原因。缺点是抗热震动性的能力较差，当它受到热冲击时极易被破坏。2、陶瓷性能特点31（3）电性能绝大多数陶瓷具有良好的电绝缘材料，它们的电阻率ρ在107～1020Ω·cm的数量级范围。介电性能好，它的介电损耗很小，可以用于制取高频、高温下工作的器件。（4）化学性能陶瓷材料具有优良的抗化学腐蚀和抗电化学腐蚀的能力。这是由于陶瓷材料的离子间或共价键强键结合的缘故。能够在酸、碱、盐和各种氧化剂条件下具有良好的抗腐蚀能力，经久耐用，抗酸、碱、盐腐蚀能力强，这是该材料的又一大优点。（5）光学性能陶瓷具有特殊的光学性能，在陶瓷新型功能材料中，有许多特异的光学性能。如透明陶瓷，具有极好的透光效应，是光学材料的重大突破，它可以用作高压钠灯管和各种高级窗口材料.（3）电性能328.2.3常用工业陶瓷

工业上的陶瓷主要用于制作耐高温、耐磨元件、绝缘材料、高硬度耐磨材料及各种功能材料。1、普通陶瓷

普通陶瓷是用粘土、长石和石英为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。普通陶瓷质地坚硬、不氧化、不导电、耐腐蚀、产量高、成本低、强度低，加工成形性好。使用温度为1200oC。除日用陶瓷、瓷器外，广泛用于电器、化工、建筑和纺织工业部门。8.2.3常用工业陶瓷332、新型结构陶瓷（1）氧化铝陶瓷主要成分是Al2O3,含有少量SiO2的陶瓷，强度比普通陶瓷高2～6倍，硬度高(仅低于金刚石)，又称高铝陶瓷。根据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3)、95瓷和99瓷。（2）氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷的化学稳定性好、强度高，硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.1～0.2，热膨胀系数小，抗热震性大大高于其他陶瓷材料。用于制作高温轴承，热电耦套管，转子发动机的刮片、泵和阀的密封件，切削高硬度材料的刀具等。2、新型结构陶瓷34（3）碳化硅陶瓷

碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成。碳化硅的最大特点是高温强度高，抗弯强度在1400oC仍保持500～600MPa，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。（4）氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷具有良好的高温绝缘性(2000oC时仍绝缘)、热稳定性、耐热性、化学稳定性、润滑性，硬度低，可进行切削加工。用于制作热电耦管套、半导体散热绝缘件、高温容器、管道、轴承、玻璃制品的成形模具。（3）碳化硅陶瓷35（5）氧化锆陶瓷完全稳定氧化锆(FSZ)，其力学性能低，抗热冲击性差。部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好，热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。（5）氧化锆陶瓷363、特种陶瓷特种陶瓷，又可称精细陶瓷，按其应用功能分类，大体可分为高强度、耐高温和复合结构陶瓷及功能陶瓷两大类。在陶瓷坯料中如果加入特殊配方的无机材料，再经过1360OC左右高温烧结成型，就可获得稳定可靠的防静电性能，成为一种新型特种陶瓷，通常具有一种或多种功能，如光、热、声、电、磁、化学、生物等功能；以及耦合功能，如压电、热电、电光、声光、磁光等功能。3、特种陶瓷37（1）结构陶瓷结构陶瓷：用于制造机械结构零件的陶瓷。具有良好的强度、硬度、绝缘性、热传导、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐磨耗、高温强度等特点，因此，在非常差的环境或工程应用条件下，所展现的高稳定性与优异的机械性能尤为突出，在材料工业上已倍受欢迎，其使用范围日渐扩大。（2）功能陶瓷功能陶瓷，又称电子陶瓷。它或能感知光线、或能区分气味、或能储存信息等，多才多能。在电、磁、声、光、热等方面已具备了许多优异性能，有的功能陶瓷材料还是一材多能，而这些性质的实现往往取决于其内部的电子状态或原子核结构。（1）结构陶瓷388.3复合材料

8.3.1复合材料的分类8.3.2复合材料的性能8.3.3常用复合材料8.3.4新技术复合材料8.3复合材料8.3.1复合材料的分类398.3复合材料三大材料：金属无机非金属有机高分子复合材料取长补短协同作用产生原来单一材料没有本身所没有的新性能无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料8.3复合材料三大材料：金属复合材料408.3.1复合材料的分类复合材料的分类方法很多，常见的分类方法有以下几种：1、按性能高低分类有常用(普通)复合材料和智能复合材料。2、按基体材料分类有高聚物基复合材料（热固性、热塑性、橡胶）；金属基复合材料；无机非金属基（陶瓷基、氯氧镁）复合材料；石墨基复合材料(碳-碳复合材料)；混凝土复合材料。分为金属基体和非金属基体两类，目前使用最多的是以高聚物基复合材料。8.3.1复合材料的分类413、按增强相的种类分类有颗粒增强材料；晶须增强材料；纤维增强材料（单层复合材料：长纤维，短纤缏），多层复合材料（层板复合，混杂复合）。4、按增强相的形状分类有零维(颗粒状)；一维(纤维状)；二维(片状或平面织物)；三维(三维编织物)。5、按用途分类有结构复合材料、功能复合材料和智能复合材料。结构复合材料是利用其力学性能，如强度、硬度、韧性等，用以制造各种结构件和机械零件；功能复合材料是利用其物理性能，如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等，用以制造各种结构件；智能复合材料是光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电（磁）致伸缩材料等。3、按增强相的种类分类428.3.2复合材料的性能复合材料是一种异性非均质的新型工程材料，与金属和其它固体材料相比，具有以下优良的性能特点。1、比强度和比模量高由于复合材料的增强剂和基体的密度都较小，而且增强剂多为强度很高的纤维，所以多数复合材料都具有高的比强度和比模量。如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的8倍，比模量(弹性模量与密度之比)比钢大3倍。2、抗疲劳性能好由于复合材料的塑性好，纤维增强材料内部缺陷少，有利于消除或减小应力集中现象。复合材料中的增强纤维以及纤维与基体界面对于裂纹的扩展能起阻止作用，因而能有效地提高复合材料的疲劳强度。8.3.2复合材料的性能433、减振性能好复合材料的比模量大,基体和纤维之间的界面对振动有反射和吸收能力,可减小振动，使复合材料的减振性比钢和铝合金等金属材料都好。4、高温性能好一般铝合金在400oC时弹性模量急剧下降并接近于零,强度同时下降。用碳或硼纤维增强的复合材料在400oC时，其强度和弹性模量基本不变。5、高的化学稳定性在生产中选用耐蚀性优良的树脂作基体材料并用高强度纤维来增强，使复合材料具有耐酸性、耐蚀性、减摩性、断裂安全性和工艺性等。6、安全性好复合材料每平方厘米面积上被基体隔离的独立纤维数成千上万根。当零件过载并有少量纤维断裂时，会迅速进行应力的重新分配，而由未破坏的纤维来承载，使零件在短时间内不会失去承载能力，安全性较好。3、减振性能好448.3.3常用复合材料1、纤维增强复合材料（1）玻璃纤维增强复合材料玻璃纤维增强复合材料(俗称玻璃钢)是以玻璃纤维为增强剂，用合成树脂为粘结剂制成的。玻璃钢是目前应用最广的一类复合材料，其增强效果因使用的树脂不同而有所差异。按粘结剂不同，分为热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢。（2）碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料是以碳纤维和环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等组成的复合材料。这种复合材料克服了玻璃钢的缺点，与玻璃钢相比，其抗拉强度高，弹性模量是玻璃钢的4～6倍。8.3.3常用复合材料452、粒子复合材料粒子复合材料是由一种或多种颗粒均匀分布在基体中所组成的。其颗粒起增强剂的作用，常用的颗粒复合材料有两种，一种是由金属细粒与塑料复合制成的，导热、导电性能好，线膨胀系数低，主要用于制造轴承、防射线的屏罩及隔音设备；另一种是由陶瓷细粒与金属复合制成的，硬度高，耐磨性和耐热性能好。3、层叠复合材料层叠增强复合材料是由两层或多层不同性质的材料组合而成的。这类材料具有密度小、抗压稳定性高、抗弯强度好的特点，可使强度、刚度、耐磨、耐蚀、绝热、隔声、减轻自重等性能分别得到改善。主要用于航空、船舶及化工等行业。2、粒子复合材料468.3.4新技术复合材料新技术复合材料是将一种增强材料合理地复合包埋在另一种材料中，可使各材料的优点互补，缺点相消，从而制造出更高性能的复合材料。复合材料一般是由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。它的强度、刚度和耐腐蚀等性能比单一材料更为优越，是一类具有广阔发展前景的新型材料。8.3.4新技术复合材料47

特点：新技术复合材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料，功能材料是指具有特殊电、磁、声、光、热、力、化学及生物功能的新型材料，对高技术的发展起着重要的推动和支撑作用。这些新型材料的特点如下：1、新型材料是根据社会的需求新型材料是根据社会的需求，在人们已经掌握了物质结构及其变化规律的基础上，进行设计、研究、试验、合成生产出来的合成材料。新型材料具有特殊的性能，能满足尖端技术和设备制造的需要。例如能在接近极限条件下使用的超高温、超高压、极低压、耐腐蚀、耐摩擦等材料。特点：新技术复合材料发展的重点已经从结构材料482、新型材料的研制新型材料的研制是多学科综合研究的成果，它要求以先进的科学技术为基础，往往涉及到物理、化学、冶金等多个学科。如果没有各种学科最新研究成果的支持，新型材料的设计和研制是不可能的。3、新材料技术新材料技术是从设计到生产，需要专门的、复杂的设备和技术，它已经形成了一个独特的领域。新材料技术在高新技术领域中占有特殊的地位，已成为实现高技术的物质基础。碳纤维复合材料坚韧、质轻、耐高温、耐腐蚀，已用于飞机、火箭、卫星和文体用品、自行车等。玻璃纤维是无机非金属材料中的一种新型功能材料和结构材料。由于它具有耐高温、抗腐蚀、强度高、比重轻、吸湿低、延伸小及绝缘好等一系列优异特性，已广泛应用于电子、通讯、核能、航空、航天、兵器、舰艇及海洋开发、遗传工程等高新科技产业，成为目前不可缺少的可持续发展的高新技术材料。2、新型材料的研制49第8章结束谢谢大家！第8章结束谢谢大家！50最新版机械工程材料课件第8章--非金属材料51全国高职高专教育规划教材克拉玛依职业技术学院机械工程材料刘祖其主编全国高职高专教育规划教材克拉玛依职业技术学院机械工程材料刘祖52第8章非金属材料8.1高分子材料8.2陶瓷材料 8.3复合材料8.4综合练习题第8章非金属材料8.1高分子材料53非金属材料是指金属及合金以外的一切材料的总称。机械工程上使用的非金属材料主要有高分子材料、陶瓷材料和复合材料，这些原料来源广泛、成形工艺简单,具有金属材料所不具备的某些特殊性能,更适合制造具有特定性能要求的制品和构件。近年来发展迅速，应用日益广泛，现已成为机械工程材料中不可缺少的、独立的组成部分。本章主要介绍了高分子材料、陶瓷材料、复合材料和粉末冶金材料的原理、性能特点及应用等内容。非金属材料是指金属及合金以外的一切材料的总称。548.1高分子材料8.1.1概述8.1.2塑料*8.1.3橡胶*8.1.4.胶粘剂8.1高分子材料8.1.1概述558.1.1概述高分子材料是以高分子化合物为主要组成物的材料，而高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，其分子质量都在几千、几万、几十万或几百万以上，甚至更高。通常多在5000～1000000之间。一般高相对分子质量物质和低相对分子质量物质之间并没有严格的界限。通常把相对分子质量小于500的称为低分子化合物，大于5000的称为高分子化合物。一般说来，低分子化合物没有强度和弹性，而高分子化合物则具有较高的强度、塑性、弹性等力学性能。8.1.1概述56由单体聚合为高聚物的基本方法有加聚合反应和缩聚反应两种。(1)加聚反应：也称为加成聚合反应，是指由单体经过光照、加热或化学药品的作用互相结合连接成大分子。(2)缩聚反应：也称缩合聚合反应，是指有官能团的单体，互相反映结合成较大的大分子，可同时放出某些低分子物质(如水、氨等)。由单体聚合为高聚物的基本方法有加聚合反应和缩聚反578.1.2塑料塑料：是以高分子量合成树脂为主要成分，树脂有天然树脂和合成树脂两种，工业中用的树脂主要是合成树脂。树脂主要作用是将塑料的其它成份加以粘合，并决定塑料的类型(热塑性或热固性)和主要性能，如机械﹑物理﹑电﹑化学性能等。树脂在塑料中的比例一般为40～65%。8.1.2塑料581、塑料的组成塑料是由树脂+添加剂组成的。添加剂主要包括填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、着色剂等各种辅助料组合而成的。因此，不同品种牌号的塑料，由于选用树脂及辅助料的性能、成分、配比及塑料生产工艺不同，则其使用及工艺特性也各不相同。为此在模具设计时必须了解所用塑料的工艺特性。（1）填充剂(2)增塑剂(3)稳定剂(4)着色剂(5)润滑剂（6）抗氧剂1、塑料的组成592、塑料的分类按使用范围分：有通用塑料和工程塑料；按树脂的热性能分：有热固性塑料和热塑性塑料。（1）使用范围分类（2）树脂热性能分（3）其它性能分类2、塑料的分类603、塑料的特性 塑料可区分为热固性与热可塑性二类，热固性无法重新塑造使用，热可塑性可再重复生产。塑料主要有以下特性：优点是：①大部分塑料的抗腐蚀性能力都强，不与酸、碱反应；②塑料制造成本低；③防水、耐用、质轻；④容易制成不同形状产品；⑤绝缘性能好；⑥塑料还可以用于制备燃料油和燃料气等。缺点是：①回收利用废弃塑料时，分类十分困难，而且经济上不合算；②塑料容易燃烧，燃烧时产生有毒气体；③塑料是由石油炼制的产品制成的，石油资源是有限的。3、塑料的特性614、常用工程塑料(1)热塑性工程塑料这类塑料受热变软，甚至成为可流动的稳定粘稠液体，可塑制成一定形状的塑件，冷却后保持既得的形状，成形工艺简便，可直接经注射、挤压、吹塑成形,其制品使用温度低于120oC，生产率高，可以进行反复使用。这一过程中只有物理变化，而无化学变化。常用的热塑性塑料有：聚乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、ABS塑料、聚甲醛(POM)、聚四氯乙烯(F-4)、聚碳酸酯(PC)、聚砜(PSF)等。4、常用工程塑料62(2)热固性塑料酚醛塑料耐热性能好，不易传热，沸水中不变软，制品的形状不受温度的变化影响；电绝缘性能好，表面硬度大，有较好的机械强度，抗压强度和抗弯强度较高，但抗冲击强度较小；稳定性能好，耐各种溶剂和油类的浸渍，在强酸和各种有机溶剂中均比较稳定，但在碱性溶液中能发生溶解现象。不宜用做饮食用具。这类塑料的合成树脂是体型高聚物，在加热之初，因分子呈线型构具有可熔性和可塑性，可塑制成一定形状的塑件，当继续加热时，分子呈现风状结构，当温度达到一定程度后，树脂变成不溶和不熔的体型结构，使形状固定下来，不再变化。变化过程中不可逆的（一次成型）。常用的热固性塑料有酚酸塑料（PF），氨基塑料，环氧树脂（EP），酚醛塑料（PF）。主要用于制作钮扣、餐具、皂盒、瓶盖等，也用于工业和民用的电器元件和外壳等。(2)热固性塑料63各类塑料制品各类塑料制品648.1.3橡胶橡胶是高聚物中具有高弹性的一种物质。具有良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性、隔音及吸振等。用于制作轮胎、密封元件、各种胶管、减振、防振件、传动件以及电线、电缆等。按橡胶的来源来分有天然橡胶和合成橡胶两大类。按橡胶的用途来分有通用橡胶和特种橡胶两大类。8.1.3橡胶65通用橡胶：性能与天然橡胶相同或接近，物理性能和加工性能较好，能广泛用于轮胎和其它一般橡胶制品：如天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶。主要用于制造各种轮胎及一般工业橡胶制品。通用橡胶的需求量大，是合成橡胶的主要品种。特种橡胶：是指具有耐高温、耐油、耐臭氧、耐寒、耐化学腐蚀、耐溶剂、耐辐射、耐老化和高气密性等特点的橡胶，如丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶、聚硫橡胶、聚丙烯酸酯橡胶、氯醚橡胶、氯化聚乙烯橡胶、氯磺化聚乙烯、丁吡橡胶等，主要用于要求某种特性的特殊场合。通用橡胶：性能与天然橡胶相同或接近，物理性能和加661、橡胶的组成与性能（1）天然橡胶天然橡胶(NR)以橡胶烃(聚异戊二烯)为主，含少量蛋白质、水分、树脂酸、糖类和无机盐等。弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳，易于其它材料粘合，在综合性能方面优于多数合成橡胶。缺点是耐氧和耐臭氧性差，容易老化变质；耐油和耐溶剂性不好，第抗酸碱的腐蚀能力低；耐热性不高。使用温度范围：约－60℃～＋80℃。主要用于制作轮胎、胶鞋、胶管、胶带、电线电缆的绝缘层和护套以及其他通用制品。特别适用于制造扭振消除器、发动机减震器、机器支座、橡胶-金属悬挂元件、膜片、模压制品。1、橡胶的组成与性能67（2）通用橡胶1）丁苯橡胶(SBR)2）顺丁橡胶(BR)3）异戊橡胶(IR)4）乙丙橡胶(EPM\EPDM)5）氯丁橡胶(CR)（2）通用橡胶68（3）特种橡胶1）丁基橡胶(IIR)

2）丁腈橡胶(NBR)3）硅橡胶(Q)4）氟橡胶(FPM)5）聚氨酯橡胶(AU\EU)6）氢化丁腈橡胶(HNBR)7）丙烯酸酯橡胶(ACM\AEM)8）氯磺化聚乙烯橡胶(CSM)9）氯醚橡胶(CO\ECO)10）氯化聚乙烯橡胶(CM或CPE)（3）特种橡胶69（4）热塑性橡胶（SBS）热塑性橡胶一般是用锂有机化合物作催化剂由溶液聚合而得。聚合物的特点是纯度高，实际上不含杂质。在从溶液中分离出聚合物时，一般要加入不污染的防老剂。

热塑性橡胶在100～200℃

温度下进行加工，在低于100℃温度下长期加工时，聚合物会发生机械断裂，降低了材料的强度。可以用压出、压延、模压成型、注压成型等方法制造热塑性橡胶零件。（4）热塑性橡胶（SBS）70顺丁橡胶原料氯丁橡胶制成的扁平电缆氟橡胶密封垫圈顺丁橡胶原料氯丁橡胶制成的扁平电缆氟橡胶密封垫圈718.1.4.胶粘剂胶粘剂分为有机胶粘剂和无机胶粘剂(如磷酸盐、水玻璃等)两类。有机胶粘剂又分为天然胶粘剂(如骨胶、松香等)和合成胶粘剂，现代胶粘技术，多采用合成胶粘剂，合成胶粘剂在工程上应用最广。(1)基料：基料是胶粘剂的主要成分，决定胶粘剂的物理性能、化学性能和力学性能。(2)固化剂：固化剂的作用是使胶粘剂固化。(3)增塑剂和增韧剂。增塑剂能够增进固化塑性的物质，它在胶粘剂中能提高弹性和耐寒性。8.1.4.胶粘剂728.2陶瓷材料

8.2.1陶瓷的分类8.2.2陶瓷的组成及性能特点8.2.3常用工业陶瓷8.2陶瓷材料8.2.1陶瓷的分类738.2.1陶瓷的分类

通常把陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。1、普通陶瓷根据用途不同，普通陶瓷又可分类日用陶瓷、工艺陶瓷、工业陶瓷。（1）日用陶瓷：如茶具、餐具、缸、坛、盆、罐、盘、碟、碗等。（2）工艺陶瓷：如花瓶、园林陶瓷、器具、陈设品等。（3）工业陶瓷：指应用于各种工业的陶瓷制品。又分为建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷、特种陶瓷等。8.2.1陶瓷的分类742、特种陶瓷特种陶瓷：指纯度较高的金属氧化物、碳化物、氮化物等。用于各种现代工业和尖端科学技术的特种陶瓷制品，有高铝氧质瓷、镁石质瓷、钛镁石质瓷、锆英石质瓷、锂质瓷、磁性瓷、金属陶瓷等。特种陶瓷具有一些独特的性能，可满足工程结构的特殊需要。2、特种陶瓷75陶鹰鼎——仰韶文化庙底沟类型高36cm三彩——我国古代陶器中一颗璀灿的明珠陶鹰鼎——仰韶文化庙底沟类型高36cm三彩——我国古代76日用陶瓷－盘子建筑陶瓷－墙面砖化工陶瓷结构陶瓷－陶瓷刀功能陶瓷－电子陶瓷日用陶瓷－盘子建筑陶瓷－墙面砖化工陶瓷结构陶瓷－陶瓷刀77氧化锌避雷器电瓷绝缘子氧化锌避雷器电瓷绝缘子78纺织瓷件氧化铝陶瓷电阻纺织瓷件氧化铝陶瓷电阻79氮化硅陶瓷刀具氮化硅轴承球氮化硅陶瓷涡轮转子氮化硅陶瓷吸管氮化硅陶瓷刀具氮化硅轴承球氮化硅陶瓷涡轮转子氮化硅陶瓷吸管808.2.2陶瓷的组成及性能特点

1、陶瓷的化学组成陶瓷是由石英、粘土、长石等天然矿物原料按不同的配方配制，再经加工、烧成、成型而得，其化学组成取决于所用天然原料及配方，在不同地区不同窑口的陶瓷由于所用原料的不同，配方的不同以及烧制工艺的不同，其化学组成、显微结构及物理性能都会有各自的特点。8.2.2陶瓷的组成及性能特点812、陶瓷性能特点（1）力学性能硬度高于其他材料，一般大于1500HV，而淬火钢为500～800HV，弹性模量、强度比金属还要高，室温下几乎没有塑性，脆性大，耐疲劳性能较差。陶瓷内部气孔多，抗拉强度低，但受压时气孔不会导致裂纹扩展，故抗压强度高。（2）热性能导热能力较差、热导率较小、比热容小、热膨胀一般为10-5～10-6/K。膨胀系数，尤其具有高熔点、高硬度和高的化学稳定性，热硬性高，抗高温蠕变能力强，高温强度高，这是它被广泛作为高温材料应用的原因。缺点是抗热震动性的能力较差，当它受到热冲击时极易被破坏。2、陶瓷性能特点82（3）电性能绝大多数陶瓷具有良好的电绝缘材料，它们的电阻率ρ在107～1020Ω·cm的数量级范围。介电性能好，它的介电损耗很小，可以用于制取高频、高温下工作的器件。（4）化学性能陶瓷材料具有优良的抗化学腐蚀和抗电化学腐蚀的能力。这是由于陶瓷材料的离子间或共价键强键结合的缘故。能够在酸、碱、盐和各种氧化剂条件下具有良好的抗腐蚀能力，经久耐用，抗酸、碱、盐腐蚀能力强，这是该材料的又一大优点。（5）光学性能陶瓷具有特殊的光学性能，在陶瓷新型功能材料中，有许多特异的光学性能。如透明陶瓷，具有极好的透光效应，是光学材料的重大突破，它可以用作高压钠灯管和各种高级窗口材料.（3）电性能838.2.3常用工业陶瓷

工业上的陶瓷主要用于制作耐高温、耐磨元件、绝缘材料、高硬度耐磨材料及各种功能材料。1、普通陶瓷

普通陶瓷是用粘土、长石和石英为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。普通陶瓷质地坚硬、不氧化、不导电、耐腐蚀、产量高、成本低、强度低，加工成形性好。使用温度为1200oC。除日用陶瓷、瓷器外，广泛用于电器、化工、建筑和纺织工业部门。8.2.3常用工业陶瓷842、新型结构陶瓷（1）氧化铝陶瓷主要成分是Al2O3,含有少量SiO2的陶瓷，强度比普通陶瓷高2～6倍，硬度高(仅低于金刚石)，又称高铝陶瓷。根据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3)、95瓷和99瓷。（2）氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷的化学稳定性好、强度高，硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.1～0.2，热膨胀系数小，抗热震性大大高于其他陶瓷材料。用于制作高温轴承，热电耦套管，转子发动机的刮片、泵和阀的密封件，切削高硬度材料的刀具等。2、新型结构陶瓷85（3）碳化硅陶瓷

碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成。碳化硅的最大特点是高温强度高，抗弯强度在1400oC仍保持500～600MPa，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。（4）氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷具有良好的高温绝缘性(2000oC时仍绝缘)、热稳定性、耐热性、化学稳定性、润滑性，硬度低，可进行切削加工。用于制作热电耦管套、半导体散热绝缘件、高温容器、管道、轴承、玻璃制品的成形模具。（3）碳化硅陶瓷86（5）氧化锆陶瓷完全稳定氧化锆(FSZ)，其力学性能低，抗热冲击性差。部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好，热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。（5）氧化锆陶瓷873、特种陶瓷特种陶瓷，又可称精细陶瓷，按其应用功能分类，大体可分为高强度、耐高温和复合结构陶瓷及功能陶瓷两大类。在陶瓷坯料中如果加入特殊配方的无机材料，再经过1360OC左右高温烧结成型，就可获得稳定可靠的防静电性能，成为一种新型特种陶瓷，通常具有一种或多种功能，如光、热、声、电、磁、化学、生物等功能；以及耦合功能，如压电、热电、电光、声光、磁光等功能。3、特种陶瓷88（1）结构陶瓷结构陶瓷：用于制造机械结构零件的陶瓷。具有良好的强度、硬度、绝缘性、热传导、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐磨耗、高温强度等特点，因此，在非常差的环境或工程应用条件下，所展现的高稳定性与优异的机械性能尤为突出，在材料工业上已倍受欢迎，其使用范围日渐扩大。（2）功能陶瓷功能陶瓷，又称电子陶瓷。它或能感知光线、或能区分气味、或能储存信息等，多才多能。在电、磁、声、光、热等方面已具备了许多优异性能，有的功能陶瓷材料还是一材多能，而这些性质的实现往往取决于其内部的电子状态或原子核结构。（1）结构陶瓷898.3复合材料

8.3.1复合材料的分类8.3.2复合材料的性能8.3.3常用复合材料8.3.4新技术复合材料8.3复合材料8.3.1复合材料的分类908.3复合材料三大材料：金属无机非金属有机高分子复合材料取长补短协同作用产生原来单一材料没有本身所没有的新性能无机非金属材料有机高分子材料金属材料复合材料8.3复合材料三大材料：金属复合材料918.3.1复合材料的分类复合材料的分类方法很多，常见的分类方法有以下几种：1、按性能高低分类有常用(普通)复合材料和智能复合材料。2、按基体材料分类有高聚物基复合材料（热固性、热塑性、橡胶）；金属基复合材料；无机非金属基（陶瓷基、氯氧镁）复合材料；石墨基复合材料(碳-碳复合材料)；混凝土复合材料。分为金属基体和非金属基体两类，目前使用最多的是以高聚物基复合材料。8.3.1复合材料的分类923、按增强相的种类分类有颗粒增强材料；晶须增强材料；纤维增强材料（单层复合材料：长纤维，短纤缏），多层复合材料（层板复合，混杂复合）。4、按增强相的形状分类有零维(颗粒状)；一维(纤维状)；二维(片状或平面织物)；三维(三维编织物)。5、按用途分类有结构复合材料、功能复合材料和智能复合材料。结构复合材料是利用其力学性能，如强度、硬度、韧性等，用以制造各种结构件和机械零件；功能复合材料是利用其物理性能，如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等，用以制造各种结构件；智能复合材料是光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电（磁）致伸缩材料等。3、按增强相的种类分类938.3.2复合材料的性能复合材料是一种异性非均质的新型工程材料，与金属和其它固体材料相比，具有以下优良的性能特点。1、比强度和比模量高由于复合材料的增强剂和基体的密度都较小，而且增强剂多为强度很高的纤维，所以多数复合材料都具有高的比强度和比模量。如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的8倍，比模量(弹性模量与密度之比)比钢大3倍。2、抗疲劳性能好由于复合材料的塑性好，纤维增强材料内部缺陷少，有利于消除或减小应