机械工程材料

第十章其它机械工程材料第一节工程塑料第二节工程橡胶第三节工程陶瓷第四节复合材料第一节工程塑料一、工程塑料概述工程塑料是指具有耐热、耐寒及良好的力学、电气、化学等综合性能，可以作为结构材料用来制造机器零件或工程构件的塑料总称。塑料是以树脂为主要组分，加入各种添加剂，可塑制成型的材料。

（一）塑料的组成和分类1.塑料的组成由树脂和各种添加剂组成。（1）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。绝大多数塑料就是以所用树脂命名的。

树脂分为天然树脂和合成树脂

工业上常用的是合成树脂如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、酚醛树脂等

（2）添加剂

为改善塑料某些性能而必须加入的物质称添加剂。

分为以下几类：填料为改善塑料的某些性能（如强度等），扩大其应用范围，降低成本而加入的一些物质称填料。它在塑料中占有相当大的比例（20%~60%）

。常用的填料有木粉、玻璃纤维、石棉、云母粉、二硫化钼和石墨粉等。

增塑剂提高树脂的可塑性与柔顺性的物质称增塑剂。常用熔点低的低分子化合物来增加大分子链间距离，从而达到增加大分子链的柔顺性的目的。如氧化石蜡、磷酸脂类。润滑剂为防止塑料在成型过程中粘在模具或其它设备上而加入的，同时可使制品表面光亮美观的物质称润滑剂（如硬脂酸等）。着色剂为使塑料制品具有美观的颜色及适合使用的要求而加入的染料称着色剂。固化剂加入后可在聚合物中生成横跨链，使分子交联，并由受热可塑的线型结构变成体型结构的热稳定塑料的一类物质称固化剂。稳定剂提高树脂在受热和光作用时的稳定性，防止过早老化，延长使用寿命的一类物质称稳定剂。常用的稳定剂有铅化物、硬脂酸盐、酚类和胺类物质。其它发泡剂、催化剂、阻燃剂等。2.塑料的分类（1）按树脂特性分类依树脂受热时的行为分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料指随温度升高变软，随温度降低硬化的一类塑料，是一类可以再生的塑料。其分子链结构通常是线型和支链线型结构。热固性塑料指成型过程具有线型结构，成型后在室温或加热到一定温度保温一段时间后，内部结构转化为体型网状结构的一类塑料，a)线型b)支链型c)体型聚合物大分子的三种结构（2）按塑料的应用范围分类

通用塑料

指聚烯烃类塑料、酚醛塑料和氨基塑料。它们占塑料总产量的3/4以上，大多数用于生活制品。

工程塑料

作为结构材料在机械设备和工程结构中使用的塑料。力学性能较高，耐热、耐蚀性也较好，是当前大力发展的塑料（如ABS塑料、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰胺等）。

（二）塑料的特性密度小（0.9~2.3g/cm3）良好的耐蚀性能

优异的电气绝缘性能

减磨、耐磨和自润滑性能

可以作为轴承、齿轮、活塞环和密封圈等在腐蚀性介质中或在少油、无油润滑条件下有效工作。消声吸振性独特的成型工艺性大部分塑料都可以直接注塑和挤压成型，也可以模压成型等，易制作复杂零件，生产效率高。二、、热热塑塑性性塑塑料料及及应应用用（一）聚烯烯烃类塑料料1.聚乙烯烯(PE)可作为化工工设备与贮贮罐的耐腐腐蚀涂层衬衬里、化工工耐腐蚀管管道、阀件件、衬套、、滚动轴承承保持器等等。还可以以用来制造造小齿轮、、轴承等；；电缆包皮皮；食品包包装袋、奶奶瓶、食品品容器。全塑球阀2.聚氯乙乙烯（PVC）产量仅次于于PE，是是最早工业业化生产的的塑料品种种之一。硬质聚氯乙乙烯制品有有管、板、、棒、焊条条、管件、、离心泵、、通风机等等。软质聚氯乙乙烯用于常常温电气绝绝缘材料和和电线的绝绝缘层。3.聚丙烯烯（PP）是常用塑料料中唯一能能经受高温温（130℃）消毒毒的品种。。常用来制造造各种机械械零件，如如法兰、接接头、泵叶叶轮、汽车车上取暖及及通风系统统的结构件件。4.聚苯乙乙烯（PS）产量仅次于于PE、PVC。可可作为各种种仪表外壳壳、汽车灯灯罩、化工工贮酸槽等等。（二）ABS塑料由丙烯腈、、丁二烯、、苯乙烯三三种组元为为主共聚而而成。常用来制造造齿轮、泵泵叶片、轴轴承、把手手、管道、、贮槽内衬衬、电机外外壳、仪表表盘、蓄电电池槽、水水箱外壳、、冷藏库和和冰箱衬里里等。（三）其他他热塑性塑塑料1.聚碳酸酸脂（PC）具有强度高高、刚性好好、耐冲击击、耐磨和和尺寸稳定定性好，是是良好的摩摩擦传动零零件材料，，如轴承、齿齿轮、齿条条、蜗轮，，也可做金金刚砂磨轮轮粘结剂。。2.有机玻玻璃（PMMA）是目前最好好的透明材材料，透光光率92%以上，比比普通玻璃璃好。用于制造具具有一定透透明度和强强度的零件件，如油标标、油杯、、化学镜片片、设备标标牌、透明明管道、飞飞机、船舶舶、汽车的的座窗和仪仪器仪表部部件、电气气绝缘材料料以及各种种文具、生生活用品等等。3.聚甲醛醛（POM）具有优良的的综合性能能，其抗拉拉强度达到到70MPa，可在在104℃℃以下长期期使用，脆脆化温度-40℃，，吸水性极极小，尺寸寸稳定性高高，但热稳稳定性差，，遇火会燃燃烧，在大大气中暴晒晒还会老化化。聚甲醛塑料料价格低廉廉，性能优优于尼龙，，可代替有有色金属和和合金，并并逐步取代代尼龙制作作轴承、衬衬套等。用量最大的的是汽车工工业。4.聚酰胺胺（PA，又称尼尼龙或锦纶纶）是目前机械械工业中应应用最广泛泛的一类工工程塑料。。机械强度度很高，耐耐磨减摩，，自润滑性性能好，而而且耐油、、耐蚀、消消声、减振振。大量用于制制造小型零零件，代替替非铁（有有色）金属属及其合金金。尼龙易易吸水，吸吸水后性能能和尺寸变变化大。5.聚四氟氟乙烯（（F-4、、PTFE）俗称氟塑料、塑塑料王，商品名称称特氟隆。聚四氟乙烯烯具有优异异的耐化学学腐蚀性，，不受任何何化学试剂剂的浸蚀，，故有“塑塑料之王””之称。在在-195～+250℃范围围内长期使使用其力学学性能几乎乎不发生变变化。主要用来制制作化工机机械上的各各种零部件件，如管道道、反应器器、活门、、阀门、泵泵等，还广广泛用于高高频电子仪仪器的绝缘缘，还可用用来制作各各种垫圈、、阀座、阀阀瓣、轴承承、活塞环环等。聚四氟乙烯夹层垫片聚四氟乙烯密封带、密封条

三通,异径三通,弯头三、热固性性塑料及应应用（一）酚醛醛塑料(PF)以酚醛树脂脂为基，加加入木粉、、布、石棉棉、纸等填填料经固化处理理而形成的的交联型热热固性塑料料。具有较高的的强度和硬硬度、耐热热性、耐磨磨性、耐蚀蚀性及良好好的绝缘性性。主要用于制制造齿轮、、轴承等结结构件和各各种电气绝绝缘零件，，可用来做做涂料、胶胶粘剂和日日常生活用用的电木制制品（插头头、开关、、电话机外外壳等），，也可制作作汽车的刹刹车片，化化学工业用用耐酸泵，，纺织工业业用无声齿齿轮及制作作玻璃钢、、模压塑料料等。（二）环氧氧塑料(EP)以环氧树脂脂为基，加加入各种添添加剂经固固化处理形形成的热固固性塑料。。有“万能胶胶”之称。。具有比强度度高、耐热热性、耐蚀蚀性、绝缘缘性及加工工成型性好好的特点。。主要用于制制作塑料模模具、精密密量具、电电子仪器的的抗振护封封的整体结结构以及电电气、电子子元件、线线圈的灌封封，还可用用作清漆、、浇铸塑料料、层压塑塑料及电绝绝缘材料等等。（三）有机机硅塑料有机硅树脂脂的热稳定定高，耐高高温老化和和耐热性很很好，具有有优良的电电绝缘性，，特别是高高温下电绝绝缘性好，，耐稀酸、、稀碱、耐耐有机溶剂剂，主要用用于压制工工作温度达达180-200℃℃的电绝缘缘零件。第二节工工程橡胶一、橡胶材材料概述橡胶是以高分子子化合物为为基础的、、具有显著著高弹性的的材料。以以生胶为原料加入入适量的配合剂而形成的高高分子弹性性体。（一）橡胶胶的组成和和分类1.橡胶的的组成生胶橡胶主要组组分，来源源可以是天天然的，也也可以是合合成的。起起着粘结其其它配合剂剂的作用，，是决定橡橡胶制品性性能的关键键因素。配合剂提高和改善善橡胶制品品的各种性性能而加入入的物质。。主要有硫化剂、防老剂、着色剂等。2.橡胶胶的分类按原料来源源：天然橡胶和合成橡胶；；按应用范围围：通用橡胶与特种橡胶。。通用橡胶是指用于制制造轮胎、、工业用品品、日常用用品的量大大面广的橡橡胶。特种橡胶是指用于制制造在特殊殊条件（高高温、低温温、酸、碱碱、油、辐辐射等）下下使用的零零部件的橡橡胶。（二）橡胶胶的性能高弹性橡胶最显著著的性能特特点是具有有高弹性，，其宏观弹性性变形量可可高达100%～1000%。机械强度机械强度是是决定橡胶胶制品使用用寿命的重重要因素。。工业生产产中常以抗撕裂强度度（或拉伸强强度）及定伸强度来表示。耐磨性耐磨性是橡橡胶抵抗磨磨损的能力力。磨损与与橡胶的强强度成反比比，强度越越高，磨损损量越小。。二、常用橡橡胶材料及及应用（一）天然然橡胶具有较高的的弹性、较较好的力学学性能、良良好的电绝绝缘性及耐耐碱性。主要用于制制造轮胎、、胶带、胶胶管等。（二）通用用合成橡胶胶（1）丁苯苯橡胶由丁二烯和和苯乙烯共共聚而成的的。其耐磨磨性、耐热热性、耐油油、抗老化化性均比天天然橡胶好好。缺点是是生胶强度度低、粘接接性差、成成型困难、、硫化速度度慢。主要用于制制造轮胎、、胶带、胶胶管、工业业密封件和和电气绝缘缘材料等。。橡胶法兰垫2.顺丁橡橡胶顺式-1、、4聚丁二二烯橡胶的的简称，是是目前橡胶中弹性性最好的一一种。主要用于制制作轮胎、、胶带、胶胶管、减振振器、橡胶胶弹簧等减减振部件、、绝缘零件件等。3.氯丁橡橡胶由氯丁二烯烯聚合而成成。具有天然橡橡胶和一般般通用橡胶胶所没有的的优良性能能。故有““万能橡胶”之称。用于制造矿矿井的运输输管、胶管管、电缆、、高速带、、垫圈等。。4.乙丙橡橡胶乙烯和丙烯烯共聚而成成。抗老化性是通用橡胶胶中最好的的。主要用于制制作轮胎、、输送带、、电线套管管、蒸汽导导管、密封封圈、汽车车部件等。。（三）特种合合成橡胶1.丁腈橡橡胶由丁二烯与与丙烯腈聚聚合而成。。其耐油性好，耐热、、耐燃烧、、耐磨、耐耐碱、耐有有机溶剂。。缺点是耐耐寒性差，，其脆化温温度为-10℃～-20℃。。主要用于制制作耐油制制品，如油油桶、油槽槽、输油管管、耐油密密封件、印印刷胶辊和和化工设备备衬里及各各种耐油减减震制品等等。2.硅橡胶胶由二甲基硅硅氧烷与其其它有机硅硅单体共聚聚而成。具有高耐热热性和耐寒寒性，抗老老化能力强强、绝缘性性好。主要用于制制造各种耐耐高低温橡橡胶制品，，如各种耐耐热密封垫垫片、垫圈圈、透气橡橡胶薄膜和和耐高温的的电线、电电缆等。3.氟橡胶胶以碳原子为为主链，含含有氟原子子的聚合物物。其化学稳定定性高、耐耐蚀性能居居各类橡胶胶之首，耐蚀性性好，最最高使用用温度为为300℃。主主要用于于国防和和高技术术中的密密封件。。遥控器按按键第三节工工程陶陶瓷一、陶瓷瓷材料概概述陶瓷亦称无机非金金属材料料，是指用用天然硅酸酸盐（粘土、、长石、、石英等等）或人工合成成化合物物（氮化物物、氧化化物、碳碳化物、、硅化物物、硼化化物、氟氟化物））为原料料，经粉碎、配配料、成成型和高高温烧制制而成的无无机非金金属材料料。陶瓷是陶陶器与瓷瓷器的总总称。陶瓷的分分类按化学组组成：硅酸盐陶陶瓷、氧化物陶陶瓷、非氧化物物陶瓷（氮化物物陶瓷、、碳化物物陶瓷和和复合陶陶瓷）按性能：：普通陶瓷瓷（如日用用陶瓷、、建筑陶陶瓷、化化工陶瓷瓷等）和和特种陶瓷瓷（结构陶陶瓷、功功能陶瓷瓷）按用途：：日用瓷、、艺术瓷瓷、建筑筑瓷、工工程陶瓷瓷等陶瓷的晶晶体结构构陶瓷晶体体一般是是由离子键构构成的离离子晶体体（MgO、Al2O3等），也也有由共价键组组成的共共价晶体体（Si3N4、SiC），晶晶体类型型远比金金属材料料复杂。。陶瓷的显显微组织织晶相（主要组组成相））：氧化物和和硅酸盐盐，玻璃相气相各组成相相结构、、数量、、形态、、大小及及分布对对陶瓷性性能有显显著影响响。陶瓷的性性能①高硬硬度大多数陶陶瓷材料料的硬度度比金属属高得多多，故其其耐磨性好好（它的硬硬度仅次次于金刚刚石）。。②高弹弹性模量量与高脆脆性陶瓷瓷在在拉拉伸伸时时几几乎乎没没有有塑塑性性变变形形，，在在拉拉应应力力作作用用下下产产生生一一定定弹弹性性变变形形后后直直接接脆脆断断，，大多多数数的的陶陶瓷瓷材材料料的的弹弹性性模模量量都都比比金金属属高高。③低低抗抗拉拉强强度度和和较较高高的的抗抗压压强强度度由于于陶陶瓷瓷内内部部存存在在大大量量气气孔孔，，其其作作用用相相当当于于裂裂纹纹，，故故其其抗抗压压强强度度较较高高。。1.力力学学性性能能陶瓷瓷、、钢钢和和橡橡胶胶的的应应力力-应应变变曲曲线线④优优良良的的高高温温强强度度和和低低的的抗抗热热震震性性陶瓷瓷的的熔熔点点高高于于金金属属，，具具有有优优于于金金属属的的高高温温强强度度。。陶瓷瓷在在高高温温下下不不仅仅保保持持高高硬硬度度，，而而且且基基本本保保持持其其室室温温下下的的强强度度，，具有有高高的的蠕蠕变变抗抗力力，同同时时抗抗氧氧化化的的性性能能好好，，广广泛泛用用作作高高温温材材料料。。但陶陶瓷瓷承承受受温温度度急急剧剧变变化化的的能能力力差差（（热热震震性性差差））,当当温温度度剧剧烈烈变变化化时时易易裂裂。。2.电电学学性性能能陶瓷瓷是是传统统的的绝绝缘缘材材料料，只只有有当当温温度度升升高高到到熔熔点点附附近近时时，，离离子子热热振振动动加加强强，，才才表表现现出出一一定定的的电电导导能能力力。。现现代代陶陶瓷瓷中中已已出出现现了了一一批批具具有有各各种种电电性性能能的的陶陶瓷瓷，，如如压电陶瓷、、磁性陶瓷瓷、透明铁铁电陶瓷等，为陶瓷瓷的应用开开拓了广阔阔的前景。。3.化学性性能即使1000℃以上上的高温也也不会氧化化。此外，，陶瓷对酸酸、碱、盐盐等的腐蚀蚀也有较强强的抵抗能能力，也能能抵抗熔融融金属的侵侵蚀。所以以陶瓷是非非常好的耐耐蚀材料。。4.光学性性能目前已研制制出了如制制造固体激激光器材料料，光导纤纤维材料、、光存储材材料等陶瓷瓷新品种，，并已在通通信、摄影影、计算机机技术等领领域获得了了应用。二、常用工工程结构陶陶瓷材料（一）氧化化铝陶瓷以Al2O3为主要成分分，含有少少量SiO2的陶瓷，αα―Al2O3为主晶相。。根据Al2O3含量的不同同分为：75瓷（75%Al2O3），又称刚玉—莫来来石瓷；95瓷（95%Al2O3）99瓷（99%Al2O3）。后两者者又称刚玉瓷。常用作高温温实验的容容器和盛装装熔融的铁铁、镍、钴钴等的坩埚埚，测温热热电偶的绝绝缘套管等等。内燃机的火火花塞、火火箭和导弹弹流罩、轴轴承、切削削刀具，以以及密封环环等。氧化铝热电偶套管氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷喷咀（三）氮化化硅（Si3N4）陶瓷按其制造工工艺不同可可分为热压烧结氮氮化硅（ββ-Si3N4））陶瓷和反应烧结氮氮化硅（αα-Si3N4））陶瓷。特点：硬度高，，摩擦因子子小，只有有0.1～～0.2，，具有自润润滑性；蠕蠕变抗力高高，热膨胀胀系数小，，抗热震性性能在陶瓷瓷中最佳，，化学稳定定性好，抗抗氢氟酸以以外的各种种无机酸和和碱溶液的的侵蚀，也也能抵抗熔熔融非铁金金属的侵蚀蚀；同时具具有优异的的电绝缘性性能。应用：反应烧结氮氮化硅陶瓷瓷主要用于制制作形状复复杂、尺寸寸精度高、、耐热、抗抗蚀、耐磨磨、绝缘制制品。热压烧结氮氮化硅陶瓷瓷只用于制作作形状简单单的耐磨、、耐高温零零件。氮化硅密封封环（四）Sialon陶瓷是在氮化硅陶瓷瓷中添加一定定的Al2O3构成的Si-Al-O-N系的新型陶瓷瓷材料。是目前所知知强度最高高的陶瓷材材料，并兼有有有益的化学学稳定性、、耐磨性、、良好的热热稳定性以以及不高的的密度，可可用作发动动机部件、、耐腐蚀夹夹具、刀具具材料等。。（五）碳化化硅陶瓷碳化硅晶体体中主要包包括两种晶晶型：α-SiC（属六方方晶系，是是高温稳定定型）和ββ-SiC（属六方方晶系，是是低温稳定定型）。特点：高温强度大大，热压碳碳化硅是目目前高温强强度最高的的陶瓷。应用：某些要求高高温强度高高的结构材材料，如用用于火箭尾尾喷管的喷喷嘴、浇铸铸金属用的的喉嘴以及及热电偶导导管、高温温电炉电热热棒和炉管管等，也可可用于燃气气轮机的叶叶片和轴承承等。还可可用作高温温热交换器器的材料，，核燃料的的包封材料料等，因其其耐磨，常常用于制作作各种泵的的密封圈。。燃气喷嘴热电偶套管（六）氮氮化硼陶陶瓷BN晶体体属六方方晶系，，其晶体体结构与与石墨相相似，具具有很好好的润滑滑性和导导热性，，有“白石墨”之称，，BN是是绝缘体体，而石石墨是导导体。特点：具有良好好的耐热热性和导导热性，，其热导导率与不不锈钢相相当；热热膨胀系系数小，，绝缘性性好，化化学稳定定性高；；硬度较较其它陶陶瓷低，，可进行行切削加加工；有有自润滑滑性。应用：六方BN陶瓷常用于制制作热电电偶套管管、坩埚埚、高温温容器和和管道。。立方BN目前只只用于磨磨料和金金属切削削刀具。。（七）碳碳化硼陶陶瓷碳化硼为为六方晶晶系。B4C是强共共价键化化合物，，其突出出特性是是非常坚坚硬，仅仅次于金金刚石和和立方BN，具具有很高高的耐磨磨性。应用：主要是用用作松散散的磨料料，加工工硬质陶陶瓷，烧烧结体可可作为喷喷砂的喷喷嘴，研研钵之类类的研磨磨工具、、切削工工具和高高温热交交换器，，也可用用来制作作防弹背背心，可可广泛作作为原子子反应堆堆的控制制剂使用用。碳化硼喷嘴第四节复复合材材料一、复合合材料概概述复合材料料由两种或或两种以以上在物物理和化化学上不不同的物物质结合合起来而而得到的的一种多多相固体体材料。。复合材料料的性能能1.高比比强度、、高比模模量；2.抗疲疲劳性能能好；3.减摩摩耐磨、、自润滑滑性能好好；4.破损损安全性性能好；；5.化学学稳定性性好；6.其它它特殊性性能如如隔热性性，烧蚀蚀性及特特殊的电电、光、、磁等性性能。此此外复合合材料适适合于整整体成型型，具有有良好的的工艺性性能。复合材料料的分类类与命名名按基体材料非金属基复合材料金属基复合材料（有色金属及合金）聚合物基陶瓷基按增强材料的形状纤维复合材料层合复合材料颗粒复合材料复合材料料的命名名：根据增强材料料和基体材料料的名称来来命名，，以基体材料料为主命名，如金属基基复合材材料、聚聚合物基基复合材材料。2.以以增强材料料为主命名，如碳纤维维增强复复合材料料、氧化化铝纤维维增强复复合材料料。3.基体与增增强材料料并用。一般是将将增强材材料名称称放在前