第5章 非金属材料与复合材料

第5章非金属材料和复合材料主要内容：高分子材料、陶瓷材料、复合材料、其他特殊性能材料性能特点、主要特性、用途。重点和难点：高分子材料、陶瓷材料的性能特点及用途。1一、高分子材料的基本概念高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，通常分子量大于10000。高分子化合物可分为有机高分子和无机高分子。有机高分子又包括天然的和人工合成的，其中天然的有松香、淀粉、蛋白质等；人工合成的有塑料、橡胶、粘结剂等。无机高分子主要有硅酸盐材料、玻璃、陶瓷等。松香塑料硅酸盐水泥块5.1高分子材料

2聚乙烯分子链CH1、高分子化合物的组成由简单的结构单元重复连接而成。例如由乙烯合成聚乙烯：CH2=CH2+CH2=CH2+→-CH2-CH2-CH2-CH2-，可简写成nCH2=CH2→[CH2－CH2]n组成聚合物的低分子化合物称为单体。聚合物的分子为很长的链条，称为大分子链。大分子链中重复结构单元(如聚乙烯中[CH2－CH2]n)称为链节，链节的数目称为聚合度。聚合物的分子量即为链节分子量与聚合度的乘积。高分子聚合物是由链节相同而聚合度不同化合物的混合物所组成。32、聚合物的反应类型由单体制备高分子化合物的基本方法有加聚反应和缩聚反应。(1)加聚反应由一种或多种单体相互加成，结合为高分子化合物的反应，叫做加聚反应。在该反应过程中没有产生其他副产物，生成的聚合物的化学组成与单体的基本相同。仅由一种单体发生的加聚反应称为均聚反应。例如，氯乙烯合成聚氯乙烯；由两种以上单体共同聚合称为共聚反应。例如，苯乙烯与甲基丙烯酸甲酯共聚。共聚产物称为共聚物，其性能往往优于均聚物。因此，通过共聚方法可以改善产品性能。4(2)缩聚反应缩合聚合反应是指由一种或多种单体互相缩合生成高聚物，同时析出其他低分子化合物(如水、氨、醇、卤化氢等)的反应。缩聚反应的生成物的化学组成与单体的不同，其命名方法一般是在单体名称后面加树脂，如苯酚和甲醛缩聚成线型或体型的高聚物，即酚醛树酯。53、聚合物的热行为根据受热后性质的不同，可将聚合物分为热塑性聚合物和热固性聚合物两种。(1)热塑性聚合物是具有受热软化、冷却硬化的性能，而且不起化学反应，无论加热和冷却重复进行多少次，均能保持这种性能。在软化状态下能进行加工，在冷却至软化点以下能保持模具形状。凡具有热塑性树脂其分子结构都属线型。它包括含全部加聚树脂和部分缩聚树脂。热塑性树脂有：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜、橡胶等。热塑性树脂的优点是加工成型简便，具有较高的机械能。缺点是耐热性和刚性较差。6(2)热固性聚合物在受热或在固化剂的作用下，能发生交联反应，形成了网状或体型结构，再加热时不能熔融塑化，也不溶于溶剂，这类聚合物称为热固性聚合物。热固性聚合物一经固化，就不能进行二次加工成型。如酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯以及硅醚树脂等。其优点是耐热性较好，受压不易变形。缺点是物理力学性能较差。74、高分子聚合物的分类及命名(1)分类分类方法类别特性按聚合物的合成反应加聚聚合物由加成聚合反应得到，无副产物缩聚聚合物由缩聚反应得到，有副产物按聚合物的热行为热塑性聚合物线型分子结构，受热结构类型不变，具可塑性及可溶性热固性聚合物体型分子结构，物理力学性能强，化学稳定性好，失去可塑性及可溶性按聚合物的性质树脂及塑料高温时为粘流态，常温下为玻璃态，有固定形状合成橡胶具有高弹性合成纤维单丝强度高8(2)命名方法①在生成聚合物的单体名称之前加“聚”字，如聚乙烯、聚氯乙烯等。②在原料名称之后加“树脂”二字，如酚醛树脂、脲醛树脂等。③商品名称，如把聚酰胺纤维称为尼龙或绵纶等。聚合物的名称还常用其英文名称的缩写字母表示，如聚乙烯——PE，聚氯乙烯——PVC，聚乙烯醇——PVA，丁苯橡胶——SBR，丙烯晴、丁二烯、苯乙烯共聚物——ABS树脂等。95、高分子材料的结构(1)大分子链的结构①大分子链的柔顺性大分子链主链共价键有一定键长和键角，保持键长和键角不变时单键可任意旋转，称单键的内旋转。内旋转使大分子链卷曲成各种不同形状，对外力有很大的适应性，这种特性称为大分子链的柔顺性。柔顺性与单键内旋转的难易程度有关。10②大分子链的形状按照大分子链的几何形状，可将高分子化合物分为线型结构、支链型结构和体型结构。线型结构高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料。支链型结构近于线型结构。体型结构高聚物硬度高，脆性大，无弹性和塑性，是热固性材料。11(2)高分子的聚集态固态高聚物分为晶态和非晶态两大类，晶态为分子链排列规则的部分，而排列不规则的部分为非晶态。一个大分子链可以穿过几个晶态和非晶态。晶态：高的密度、熔点、强度、刚度、耐热性等。非晶态：好的弹性、韧性、伸长率等。a)晶态b)部分晶态c)非晶态12线型非晶态高聚物的温度-变形曲线

6、高分子材料的物理状态(1)线型非晶态高分子材料的物理状态

①玻璃态：T＜Tg，温度低，链段不能运动。在外力作用下，只发生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形。高聚物呈玻璃态的最高温度称玻璃化温度，用Tg表示。用于这种状态的材料有塑料和纤维。13②高弹态：Tg＜T＜Tf，非线性弹性变形。温度高于Tg，分子活动能力增加，链段自由旋转，分子链的柔顺性大增，受力时产生很大弹性变形。高聚物柔软而极富弹性，具有橡胶或皮革的特性，故称高弹态或橡胶态。③粘流态：T＞Tf，呈可流动的粘稠状液体。由于温度高，分子活动能力很大，在外力作用下，大分子链可以相对滑动。粘流态是高分子材料的加工态，大分子链开始发生粘性流动的温度称粘流温度，用Tf表示。高温下变形迅速发展且弹性模量E再次很快下降，高聚物产生粘性流动，变形不可逆。14

线型晶态高聚物的温度-变形曲线

(2)线型晶态高分子材料的物理状态分为一般分子量和很大分子量两种情况。一般分子量的高聚物在低温时，链段不能活动，变形小，在Tm

以下与非晶态的玻璃相似，高于Tm

则进入粘流态。分子量很大的晶态存高聚物在高弹态。部分结晶高聚物在非晶区Tg与晶区Tm间，非晶区柔性好，晶区刚性好，处于韧性状态,即皮革态。157、高分子材料的性能特点(1)高分子材料的力学性能特点①低强度和较高比强度强度较低的原因：分子链排列不规则、含有杂质、内部有空穴、内部有微裂纹。比强度较高的原因：比重小。②高弹性和低弹性模量原因：卷曲状的分子链。橡胶的弹性好，但模量较低，呈高弹态。塑料的弹性较差，但模量较高，呈玻璃态。16三类材料的应力—应变曲线17③粘弹性在外力作用下，高弹性变形和粘性流动同时发生，其变形量与时间有关的现象称为粘弹性。粘弹性可导致蠕变、应力松驰和内耗。④高耐磨性小摩擦系数，如尼龙。大摩擦系数，如橡胶。(2)高分子材料的物化性能特点①高绝缘性由于是共价键结合，无自由电子、离子。②低导热性无自由电子、大分子也不易振动。18③低耐热性受热时，分子链易发生运动，软化。④高热鼓胀性是金属的3~10倍，因为分子间结合力弱。⑤高化学稳定性由于是共价键结合，如塑料王聚四氟乙烯，耐氢氟酸腐蚀。⑥易老化裂解，变软、发粘。脆化。防老化措施：改变结构或表面处理(镀金属、喷涂料)。19二、高分子工程材料高分子工程材料包括塑料、合成纤维、橡胶和胶粘剂等。1、工程塑料塑料一种合成树脂为主要成分的高分子材料。由合成树脂和添加剂组成。在一定温度、压力下可塑制成型，在常温下能保持其形状不变。聚乙烯聚丙烯20(1)塑料的组成塑料是以合成树脂为主，再加入各种添加剂制成的。合成树脂：在一定的温度、压力下可软化并塑造成形，它决定了塑料的基本属性，并起到粘结剂的作用。是塑料的主要成分，含量一般为30~100%。添加剂：为改善或弥补塑料的使用性能或成形工艺而加入的其它成分。其用量可达20~50%。酚酫树脂增塑剂21常用的添加剂有填充剂、增塑剂、固化剂、稳定剂、润滑剂、着色剂等。填充剂为调节塑料的物理化学性能，提高机械强度，扩大使用范围而加入的粉状或纤维状无机化合物。如加入玻璃纤维可提高塑料的机械强度，加入云母可增强塑料的电绝缘性，加入石棉可改善塑料的耐热性，加入石墨、二硫化钼可以改善塑料的耐磨擦、耐磨损性能。玻璃纤维加入填充料后还可降低塑料的成本。常用的填充料还有石灰石粉、滑石粉、铝粉、碳黑、木屑、木粉及其它纤维等。22增塑剂为提高塑料加工时的可塑性，使其在较低的温度和压力下成形而加入的化学物质就是增塑剂。有些增塑剂还能改善塑料的强度、韧性、柔顺性。常用的增塑剂有邻苯二甲酸二丁酯、磷酸二甲酚酯、二苯甲酮、樟脑等。樟脑球二苯甲酮23固化剂固化剂也称硬化剂或熟化剂。它的主要作用是使聚合物的线型分子结构交联成体型分子结构，从而使树脂具有热固性。酚醛树脂中常用硬化剂为乌洛托品(六亚甲基四胺)。环氧树脂常用的硬化剂有胺类、酸酐类。乌洛托品24稳定剂用于防止塑料老化，延长其使用寿命。许多塑料在成型加工和制品使用中，由于受热、光或氧的作用，过早地发生降解、氧化断链、交联等现象，而使材料性能变坏。为了稳定塑料制品质量，延长使用寿命，通常在其组分中加入稳定剂。常用的稳定剂有硬酯酸盐、铅白、环氧化物等。硬酯酸盐25润滑剂塑料加工时，为了脱模和使制品光洁，常需润滑剂。常用的润滑剂有脂肪酸及其盐类。着色剂在塑料中加入着色剂，可使塑料具有鲜艳的色彩和光泽。着色剂常采用各种颜料和染料，有时也采用能产生荧光或磷光的颜料。抗静电剂为了使塑料制品如塑料地坂、塑料地毡抗静电，则加入抗静电剂，提高表面导电度，使带电塑料迅速放电。其他的还有抗氧剂、紫外线吸收剂、阻燃剂、发泡剂、发光剂、香脂等。26(2)塑料的性能塑料最大的特点是具有可塑性和可调性。可塑性，大部分塑料都可以直接采用注塑或挤压成形工艺，无须切削。所以可提高生产率，降低成本。可调性是指在生产过程中可以通过变换工艺、改变配方，制造出不同性能的塑料。27①物理性能密度：塑料的密度在0.9~2.2g/cm3之间，仅相当于钢密度的1/4~1/7，铝的1/2。电性能：塑料具有良好的电绝缘性。聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等塑料可作为高频绝缘材料；聚碳酸酯、聚氯乙烯等可作为中频及低频绝缘材料。热性能：塑料遇热、遇光易老化、分解，大多数塑料只能在100℃以下使用，只有极少数塑料（如聚四氟乙烯、有机硅塑料）可在250℃左右长期使用。塑料的导热性差，是良好的绝热材料；塑料线膨胀系数大，一般为钢的3~10倍，因而塑料零件的尺寸不稳定，常因受热膨胀产生过量变形而引起开裂、松动、脱落。28②化学性能塑料具有良好的耐腐蚀性能，大多数塑料能耐大气、水、酸、碱、油的腐蚀。③力学性能强度与刚度：塑料的强度、刚度较差，其强度仅为30~150MPa，且受温度的影响较大；塑料的刚度仅为钢的1/10。但由于塑料的密度小，故比强度比较高。蠕变与应力松弛：塑料在外力作用下，在应力保持恒定的条件下，变形随时间的延续而慢慢增加，这种现象称为蠕变。蠕变会导致应力松弛，如塑料管接头经一定时间使用后，由于应力松弛导致泄漏。

29减摩性和耐磨性：许多的塑料的摩擦系数低，如聚四氟乙烯、尼龙、聚碳酸酯等都具有小的摩擦系数，因此塑料具有良好的减摩性。同时塑料具有自润滑性，在无润滑或少润滑摩擦的条件下，其减摩性好于金属，工程上用这类塑料来制造轴承、轴套、衬套、丝杠螺母等摩擦磨损件。(3)塑料的分类①按使用范围可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。通用塑料产量大、价格低、用途广。工程塑料力学性能高，耐热、耐蚀性能好。特种塑料是指具有某些特殊性能如耐高温、耐腐蚀的塑料，这类塑料产量少，价格贵。30②按树脂受热性能可分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料：热塑性塑料受热时软化，冷却后变硬，再受热时又软化。具有可塑性和重复性。其树脂结构为线型或支链型结构。热固性塑料加热固化后将不再软化，形成不溶物。其结构为网状结构。常用的有酚醛塑料、环氧塑料等。31(4)常用塑料品种热塑性塑料①聚烯烃聚烯烃塑料主要有聚乙烯和聚丙烯等两种，无毒、无味。聚乙烯(PE)按生产工艺不同，分为高压、中压、低压三种。其中高压、低压聚乙烯应用较多。高压聚乙烯的短链分枝多，密度、分子量较小，结晶度较低。所以质地较柔软，常用于制造薄膜、软管等。低压聚乙烯则分子量、密度较大、结晶度较高，因此比较刚硬、耐磨、耐蚀，绝缘性较好。常用来制造塑料管、板和绳以及载荷不高的齿轮、轴等。32聚丙烯(PP)相对密度小(0.9~0.92)，其强度、刚度和刚性优于聚乙烯。具有良好的耐蚀性、绝缘件、耐热性(加热到150℃不变形)和耐曲折性(可弯折100万次以上)。可用作各种机械零件、医疗器械、生活用具，如齿轮、法兰、叶片、壳体、包装带等。33②聚氯乙烯(PVC)聚氯乙烯按其加入增塑剂量的大小，可分为硬质和软质两种。增塑剂量少的硬质聚氯乙烯强度、硬度较高，耐蚀、耐油和耐水性好。常用于制造塑料管、塑料板。此外，聚氯乙烯板材及管材易于热成形、热接以及切削加工，故用途广泛。软质聚氯乙烯强度、硬度低，耐蚀性较差、易老化，可制造薄膜、软管、低压电线的绝缘层等。此外，在聚氯乙烯中加入发泡剂可制成泡沫塑料。常用作垫衬、包装袋等。3435③聚苯乙烯(PS)聚苯乙烯密度小，无色、透明，透光率仅次于有机玻璃，着色性好、吸水性极微。而且具有良好的耐蚀性和绝缘性，高频绝缘性尤佳。但其冲击韧性低，耐热性差、易燃且易脆裂。常用来制造仪表零件、设备外壳，日用装饰品等。聚苯乙烯泡沫塑料因相对密度只有0.033，是隔音、包装、救生等器材的极好材料。36④ABS塑料ABS塑料是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)的三元共聚物，它具有三种组元的特性丙烯腈使ABS具有良好的耐热、耐蚀性和—定的表面硬度。丁二烯能提高ABS的弹性和韧性。苯乙烯赋于ABS较高的刚性，良好的加工工艺性和着色性。ABS具有较高的综合性能。此外，ABS的性能还可以根据要求由改变其组成单体的含量来进行调整。目前，有三百多种不同性能的ABS，热变形温度从60~120℃不等。有些ABS能耐低温，在-40℃仍有很高的冲击韧性，还具有好的电绝缘性、尺寸稳定性、吸水性低、表面光滑、硬度高等特性。37ABS的用途极广，在机械工业中可制造轴承、齿轮、叶片、叶轮、设备外壳、管道、容器、把手等，电气工业中仪器、仪表的各种零件等。近年来在交通运输车辆、飞机零件上的应用发展很快，如车身、方向盘、内衬材料等。38⑤聚酰胺(PA)它在商业上又称为尼龙或锦纶，是由二元胺与二元酸缩聚而成，或由氨基酸脱水成内酰胺再聚合而得。由于含有极性基团的尼龙大分子链间易于形成氢键，故分子间作用力大、结晶度较高。尼龙具有较高的强度和韧性，突出的耐磨性和自润滑性以及良好的成形工艺性。此外，耐蚀性也较好，抗霉、抗菌、无毒。但尼龙具有较大的吸水性，尺寸稳造性差，耐热性不高，蠕变值较大。尼龙品种较多，它是根据胺与酸中的碳原子数或氢基酸中的碳原子数来命名的。如尼龙6是含6个碳原子的己内酰胺自身聚合而得。而尼龙610则由6个碳原子的己二胺和含10个碳原子的癸二酸缩合而成。39尼龙被广泛用作各种机器零件，如轴承、齿轮、轴套、螺帽、垫圈等。40⑥聚甲醛(NM)聚甲醛是一种没有侧链、密度大、结晶度高的工程塑料。按聚合方法有均聚甲醛和共聚甲醛两种。聚甲醛具有优异的综合性能。抗拉强度在70MPa左右，并有较高的冲击韧性、耐疲劳性和刚性。还具有良好的耐磨性和自润滑性，摩擦系数低而稳定，在干摩擦条件下尤为突出。使用温度为-50~110℃，吸水性小，尺寸稳定，但聚甲醛成形时收缩率较大，热稳定性较差。聚甲醛已广泛用来制造齿轮、轴承、凸轮、制动闸瓦、阀门、仪表外壳、化工容器、叶片、运输带等。41⑦聚碳酸酯(PL)聚碳酸酯是60年代初发展起来的一种工程塑料。它的透明度为86~92%，有“透明金属”之称。聚碳酸酯大分子链中既有刚性的苯环，又有柔顺的醚链，因此，它具有良好的综合性能。其抗拉强度达66~70MPa，耐冲击特别突出，比尼龙和聚甲醛高10倍左右，是刚而韧的工程塑料。抗蠕变性能好，尺寸稳定，使用温度宽，可以长期在-60~130℃间使用。此外，还具有良好的耐气候性和电性能，在10~130℃之间介电常数和介电损耗几乎不变。自润滑性差，耐磨性不如尼龙和聚甲醛，疲劳抗力较低，有应力开裂倾向。42聚碳酸酯常用于制造各种机器、电器及仪表零件，如齿轮、蜗轮、轴承、凸轮、螺校、外壳、护罩等。又由于透明度高，耐冲击性好，可用作防盗、防弹窗玻璃、安全帽、驾驶室挡风等。安全帽43⑧聚四氟乙烯(F-4)其突出的优点是在很宽的温度范围内性能相当稳定，可长期在-180~240℃之间使用，耐热性和耐寒性极好。它具有极高耐蚀性，任何强酸、强碱、强氧化剂对它都不起作用，素有“塑料王”之称。它的摩擦系数极低，只有0.02~0.04，是极为优良的减磨、自润滑材料。吸水性极小，绝缘性能优良，是目前介电常数和介电损耗最小的固体材料，且不受频率和温度的影响。但它强度较低，冷流性强，结晶熔点高，加工成形困难聚四氟乙烯常用做化工设备的管道、泵、阀门，各种机械的密封垫圈、活塞环、轴承及医疗手术的代用血管、人工心、肺等。44聚四氟乙烯制品弹簧密封圈密封垫圈45⑨聚甲基丙烯酸甲酷(PMMA)聚甲基丙烯酸甲酯俗称有机玻璃，是由加增塑剂或不加增塑剂的聚甲基丙烯酸甲酯挤压成型的板、棒、管材半成品塑料，分为透明、半透明、不透明或有色素、无色等品种。有机玻璃的强度、韧性与硬质聚氯乙烯差不多，透光率可达92%，透明度比无机玻璃还好，可耐稀酸、碱。不易老化，但表面硬度低，易擦伤、较脆。有机玻璃主要用于制造要求一定透明度和强度的零件，如油标、窥镜、透明管道和仪器、仪表零件等。46热固性塑料①酚醛塑料(PF)由酚类和醛类经缩聚反应而制成的树脂称为酚醛树脂。根据不同性能要求加入各种填料便制成各种酚醛塑料。常用的酚醛树脂是由苯酚和甲醛为原料制成的，简称PF。其性质可根据制备工艺的不同，分热塑性和热固性两类以木粉为填料制成酚醛压缩粉，俗称胶木粉，是常用的热固性塑料。经压制而成的电器开关、插座、灯头等，不仅绝缘性好，而且有较好的耐热性，较高的硬度、刚性和一定的强度。47以纸片、棉布、玻璃布等为填料制成的层压酚醛塑料，具有强度、耐冲击性好以及优良的耐磨性等特点，常用以制造受力要求较高的机械零件，如齿轮、轴承、汽车刹车片等。48②氨基塑料(UF)是以氨基化合物（如尿素或三聚氯胺）与甲醛经缩聚反应制成氨基树脂，然后加入添加剂而制成氨基塑料。氨基塑料中最常用的是脲醛塑料。用脲醛塑料压塑粉压制的各种制品，有较高的表面硬度，颜色鲜艳，且有光泽，又有良好的绝缘性，俗称“电玉”。常见的制品有仪表外壳、电话机外壳、开关、插座等。49③环氧塑料(EP)环氧塑料是由环氧树脂加入固化剂（胺类和酸酐类）后形成的热固性塑料。它强度较高，韧性较好，并具有良好的化学稳定性、绝缘性以及耐热、耐寒性，长期使用温度为-80~150℃，成形工艺性好。可制作塑料模具、船体、电子等零部件。环氧树脂对各种工程材料都有突出的粘附力，是极其优良的粘接剂。目前，广泛用于各种结构粘接剂和制备各种复合材料，如玻璃钢等。50常用塑料的特性及应用512、橡胶橡胶是一种具有高弹性的有机高分子材料。主要由生胶、各种配合剂和增强材料组成。。它在较小的载荷下就能产生很大的变形，当载荷去除后又能很快恢复原状，是常用的弹性材料、密封材料、防震和减振材料、传动材料。三叶橡胶树橡胶制品52(1)橡胶的组成橡胶制品是以生胶为基础，并加入适量的配合剂和增强材料组成的。①生胶：生胶基本上是线型非晶态高聚物，其结构特点是由许多能自由旋转的链段构成柔顺性很大的大分子长链，通常呈卷曲线团状。当受外力时，分子便沿外力方向被拉直，产生变形，外力去除后又恢复到卷曲状态，变形消失。生胶具有很高的弹性。但生胶分子链间相互作用力很弱，强度低，易产生永久变形。此外，生胶的稳定性差，如会发粘、变硬、溶于某些溶剂等。为此，工业橡胶中还必须加入各种配合剂。53天然橡胶硫化剂54②配合剂：作用是提高橡胶制品的使用性能和工艺性能。配合剂的种类很多，一般有硫化剂、硫化促进剂、增塑剂、填充剂、防老化剂等。硫化剂的作用是使生胶分子在硫化处理中产生适度交联而形成网状络构，从而大大提高橡胶的强度、耐磨性和刚性，并使其性能在很宽的湿度范围内具有较高的稳定性。目前生产中多采用硫磺作为硫化剂。硫化促进剂主要作用是促进硫化，缩短硫化时间并降低硫化温度。常用硫化促进剂有MgO、ZnO、CaO等。增塑剂主要作用是提高橡胶的塑性，使之易于加工和与各种配料混合，并降低橡胶的硬度、提高耐寒性等，常用增塑剂主要有硬酯酸、精制蜡、凡士林等。55防老化剂可防止橡胶制品在受光、热、介质的作用时出现变硬、变脆、提高使用寿命，主要加入石蜡、密蜡或其它比橡胶更易氧化的物质，在橡胶表面形成稳定的氧化膜，抵抗氧的侵蚀。填充剂的作用是提高橡胶的强度和降低成本。常用的有碳黑、MgO、ZnO、CaO等。③增强材料：其作用是提高橡胶的力学性能，如强度、硬度、耐磨性和刚性等。常用的增强材料是各种纤维织物、金属丝及编织物。如在传送带、胶管中加入帆布、细布，在轮胎中加入帘布、在胶管中加入钢线等。

56(2)橡胶的性能特点①高弹性能

高弹态受外力作用而发生的变形是可逆弹性变形，外力去除后，只需要千分之一秒便可恢复到原来的状态。高弹变形时，变形量大，可达100~1000%。

回弹性能橡胶具有良好的回弹性能。如天然橡胶的回弹高度可达70~80%。②强度经硫化处理和炭黑增强后，其抗拉强度达25~35MPa，并具有良好的耐磨性。57③很高的可挠性、伸长率、良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性、隔音、吸振以及与其它物质的粘结性等。(3)橡胶的老化与防护橡胶及其制品在加工，贮存和使用过程中，由于受内外因素的综合作用而引起橡胶物理化学性质和机械性能的逐步变坏，最后丧失使用价值，这种变化叫做橡胶老化。表现为龟裂、发粘、硬化、软化、粉化、变色、长霉等。影响橡胶老化的因素：①氧氧在橡胶中同橡胶分子发生游离基链锁反应，分子链发生断裂或过度交联，引起橡胶性能的改变。氧化作用是橡胶老化的重要原因之一。58②臭氧臭氧的化学活性氧高得多，破坏性更大，它同样是使分子链发生断裂，但臭氧对橡胶的作用情况随橡胶变形与否而不同。当作用于变形的橡胶(主要是不饱和橡胶)时，出现与应力作用方向直的裂纹，即所谓“臭氧龟裂”；作用于变形的橡胶时，仅表面生成氧化膜而不龟裂。③热提高温度可引起橡胶的热裂解或热交联。但热的基本作用还是活化作用。提高氧扩散速度和活化氧化反应，从而加速橡胶氧化反应速度，这是普遍存在的一种老化现象——热氧老化。59④光光波越短、能量越大。对橡胶起破坏作用的是能量较高的紫外线。紫外线除了能直接引起橡胶分子链的断裂和交联外，橡胶因吸收光能而产生游离基，引发并加速氧化链反应过程。经外线光起着加热的作用。光作用其所长另一特点(与热作用不同)是它主要在橡表面进生。含胶率高的试样，两面会出现网状裂纹，即所谓“光外层裂”。⑤机械应力在机械应力反复作用下，会使橡胶分子链断裂生成游离荃，引发氧化链反应，形成力化学过程。机械断裂分子链和机械活化氧化过程。哪能个占优势，视其所处的条件而定。此外，在应力作用下容易引起臭氧龟裂。60⑥水分水分的作用有两个方面：橡胶在潮湿空气淋雨或浸泡在水中时，容易破坏，这是由于橡胶中的水溶性物质和亲水基团等成分被水抽提溶解，水解或吸收等原因引起的。特别是在水浸泡和大气曝露的交替作用下，会加速橡胶的破坏。⑦油橡胶制品在使用过程如果和油类介质长期接触，油类能渗透到橡胶内部使其产生溶胀，致使橡胶的强度和其他力学性能降低。油类能使橡胶发生溶胀,是因为油类渗入橡胶后，产生了分子相互扩散，使硫化胶的网状结构发生变化。为防止橡胶老化，一般采用加入容易优先与氧或氧化产物发生反应的化学药品——防老剂。61(4)橡胶的分类根据原材料的来源可分为天然橡胶和合成橡胶。按应用范围又可分为通用橡胶和特种橡胶。①天然橡胶天然橡胶是橡胶树上流出的胶乳，经过加工制成的固态生胶。它的成分是异戊二烯高分子化合物。天然橡胶具有很好的弹性，但强度、硬度并不高。为了提高其强度并使其硬化，要进行硫化处理。经处理后抗拉强度约为17~29MPa，用炭黑增强后可达35MPa。天然橡胶是优良的电绝缘体，并有较好的耐碱性。但耐油、耐溶剂性和耐臭氧老化性差，不耐高温，使用温度-70~110℃，广泛用于做轮胎、胶带、胶管等。62②合成橡胶合成橡胶是由人工合成的高弹性聚合物。也称合成弹性体，是三大合成材料之一，其产量仅低于合成树脂(或塑料)、合成纤维。主要成分是合成高分子物质，其品种较多，丁苯橡胶和顺丁橡胶是较常用的合成橡胶。③通用橡胶主要用于制作轮胎、输送带、胶管、胶板等，主要品种有丁苯橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶等。④特种橡胶主要用于高温、低温、酸、碱、油和辐射介质条件下的橡胶制品，主要有丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。

63(5)常用合成橡胶及其应用橡胶主要用于制作轮胎，密封元件，各种胶管，减振件，传动件，运输胶带，电缆和电工绝缘材料，制动件等。①丁苯橡胶(SBR)丁苯橡胶是应用最广、产量最大的一种合成橡胶。它以丁二烯和苯乙烯为单体形成的共聚物。丁苯橡胶的性能主要受苯乙烯含量的影响，随苯乙烯含量的增加，橡胶的耐磨性、硬度增大而弹性下降丁苯橡胶比天然橡胶质地均匀，耐磨、耐热、耐老化性能好。价格便宜，能以任何比例与天然橡胶混合。但加工成型困难，硫化速度慢。这种橡胶广泛用于制造轮胎、胶布、胶板等。64丁苯橡胶胶布65②顺丁橡胶(BR)

由丁二稀单体聚合而成。其原料易得，发展很快，产量仅次于丁苯橡胶。顺丁橡胶的特点是具有较高的耐磨性，比丁苯橡胶高26%，特别适于制汽车轮胎和耐寒制品，还可以制造缓冲材料以及各种胶鞋、胶布、胶带和海绵胶等。顺丁橡胶存在加工性能较差，生胶有一定冷流倾向等缺点。66③氯丁橡胶(万能橡胶)由氯丁二稀聚合而成。特点：高弹性、高绝缘性、较高强度、高耐碱性，耐油、溶剂、氧化、老化、酸、热、燃烧、挠曲；但耐寒性差、密度大、生胶稳定性差。可制造耐油、耐蚀胶管、运输带、垫圈、胶粘剂等。密封条67④丁腈橡胶(NBR)丁腈橡胶是丁二烯和丙烯腈的共聚物。丙烯腈的含量一般在15~50%之间，过高会失去弹性，过低则不耐油。丁腈橡胶具有良好的耐油性及对有机溶液的耐蚀性，有时也称为耐油橡胶。还有较好的耐热、耐磨和耐老化性等。但其耐寒性和电绝缘性较差，加工性能也不好。它主要用于制造耐油制品，如输油管、耐油耐热密封圈、贮油箱等。输油管68⑤硅橡胶硅橡胶的分子结构中是以硅原子和氧原子构成主链。这种链是柔性链。极易于内旋转，因而硅橡胶在低温下也具有良好的弹性。此外，硅氧键的键能较高，这就使硅橡胶有很高的热稳定性。硅橡胶品种很多，目前用量最大的是甲基乙烯基硅橡胶。其加工性能好，硫化速度快，能与其他橡胶并用，使用温度为-70~300℃。硅橡胶具有优良的耐热性、抗寒性、耐候性、耐臭氧性以及良好的绝缘性。主要用于制造各种耐高低温的橡胶制品。如管道接头、高温设备的垫圈、衬垫、密封件及高压电线、电缆的绝缘层等。69硅胶密封垫圈

70⑥氟橡胶(FPM)以碳原子为主链含有氟原子的高聚物。由于含有键能很高的碳氟键，具有高的化学稳定性。特点：耐腐蚀和耐热性很好，且强度和硬度较高，抗老化性能强。但耐寒性差，加工性能不好，价格高。氟橡胶制品氟橡胶制品71常用橡胶特性能及应用

72轮胎胶管密封圈733、胶粘剂在工程中，工程材料的连接方法除焊接、铆接、螺纹连接之外，还有一种连接工艺称为粘接剂粘接，又称胶接。①胶粘剂又称粘合剂、粘接剂，简称胶。它是一种能够把两种同类或不同类材料紧密地结合在一起的物质。②胶粘剂与胶接技术的特点胶接适用范围广。胶接不受被胶接材料的类型、几何形状的限制。厚、薄，硬、软，大、小，材质不同。胶接应力分布均匀、很少产生传统连接常出现的应力集中现象，可以提高抗疲劳强度。胶接工艺简单，设备投资少，易实现机械化，生产效率高。74胶接可以减轻结构件重量、节约材料。采用胶接可使飞机重量下降20％以上，成本下降30％以上。胶接受力面大，机械强度高。胶接制件表面光滑、平整、美观，能提高空气动力学特性和美观性。胶接的密封性能优良，并且具有耐水、防腐和电绝缘等性能。可以防止金属的电化学腐蚀。胶接可以实现精细加工和独特组装，也可功能性胶接。如集成电路、人体组织胶接。胶接工艺温度低，对热敏部件损害小。粘接修补、密封堵漏快捷高效。75胶粘剂和胶接技术缺点：胶接质量容易受各种因素影响，产品性能的重现性较差。无损检测还不成熟，胶接的可靠性还较差。常常需要进行破坏性实验，周期性长，浪费试件、时间、资金。胶接物常需要表面处理，胶接工艺要求严格。PE等的胶合常常要进行表面处理，普通白乳胶不能在0℃以下胶接；酚醛树脂要在较高温度下胶合。胶接的力学性能和耐老化性等的研究与金属等材料相比还十分不成熟。规律性性差，重现性差。高分子胶粘剂的胶接的温度使用范围限制大。贮存期短。76(1)胶粘剂的组成胶粘剂通常是由主体材料和辅助材料配制而成。主体材料主要指粘料，它是胶粘剂中起粘接作用并赋予胶层一定机械强度的物质，如各种树脂、橡胶、沥青等合成或天然高分子材料以及硅溶胶、水玻璃等无机材料。辅助材料是胶粘剂中用以完善主体材料的性能而加入的物质，如常用的固化剂、填料、稀释剂、偶联剂、增塑剂等。①粘料粘料是胶粘剂的基本组成，又称基料，它使胶粘剂具有粘接特性。粘料一般由一种或几种聚合物配合组成。用于结构受力部位的胶粘剂以热固性树脂为主，用于变形较大部位的胶粘剂以热塑性树脂或橡胶为主。77②固化剂是使液态基料通过化学反应，发生聚合、缩聚或交联反应，转变成高分子量固体，使胶接接头具有力学强度和稳定性的物质。固化：液体的胶粘剂通过物理化学方法变成固体的过程。物理方法有溶解挥发、乳液凝聚、熔融体冷却。化学方法使胶粘剂聚合成高分子物质。

③填料是不参与反应的惰性物质，可提高胶接强度、耐热性、尺寸稳定性并可降低成本。其品种很多，如云母、石英粉、碳酸钙、钛白粉、滑石粉等。填料用量要求：控制胶黏剂到一定黏度，保证填料能润湿，达到各种胶接性能的要求。78④稀释剂是为了降低胶粘剂的粘度，增加胶粘剂的浸透力，控制胶粘剂干燥速度而使用的低分子量液体化合物。稀释剂分活性和非活性两种，前者参与固化反应，后者不参与固化反应而只起到稀释作用。⑤增韧剂能提高胶黏剂的柔韧性，降低脆性，改善抗冲击性等。通常增韧剂是一种单官能团或多官能团的物质，能与胶料起反应，成为固化体系的一部分结构。⑥偶联剂具有能分别和被粘物及粘合剂反应成键的两种基团，提高胶接强度。常用的偶联剂有硅烷和钛酸酯，不同的材料选用不同的偶联剂。79使用方式：将偶联剂配成1~2%的乙醇液，喷涂在被粘物的表面，待乙醇自然挥发后即可涂胶；直接将1~5%的偶联剂加到基体中去。⑦增塑剂具有在胶粘剂中能提高胶粘剂弹性和改进耐寒性的功能。增塑剂通常为高沸点的、较难挥发的液体或低熔点固体，具有较好的相溶性及耐热、耐光、抗迁移性。增塑剂按化学结构分多为邻苯二甲酸酯类，脂肪族二元酸酯类，磷酸酯类，聚酯类和偏苯三酸酯类。除此之外，胶粘剂中有时还加有稳定剂、触变剂、引发剂、促进剂、乳化剂、增稠剂、防老剂、阻聚剂、阻燃剂等。80(2)胶粘机理①机械理论机械理论认为胶粘剂渗入被粘物的凹陷处、缝隙或孔隙内，固化后产生锚合、钩合、楔合等作用(这些作用类似于树根植入泥土的作用)，使被粘物胶接在一起。机械理论是最早提出的胶接理论，它对解释木材等多孔性材料及表面粗糙的材料的胶接很有贡献，已在胶接实践中得到验证。如，为了得到高的胶接强度，塑料、金属、玻璃等通过砂纸打磨、喷砂处理等使表面粗糙后再胶接。局限性：机械理论无法解释非多孔性材料，如玻璃、金属等物体的胶接现象，也无法解释材料表面的化学变化对胶接作用的影响。81②吸附理论吸附理论认为胶接作用是胶粘剂分子与被粘物分子在界面相互吸附而产生的。即胶粘剂分子通过布朗运动向被粘物表面移动，使二者的极性分子基团和链段靠近，当分子间距小于0.5~1nm时，便产生分子间力(化学键力、范德华力和氢键力)，而形成粘接。胶接力的产生一般认为可分成两个阶段：第一、胶粘剂分子通过布朗运动向物体表面运动，使分子链段或极性基团相互靠近(通过提高温度、降低粘度、加压等有利于布朗运动)。第二、吸附引力产生。与胶粘剂和被粘物的极性，分子间距，吸附点数等有关。82吸附理论是20世纪40年代提出的，为大多数学者所认可。吸附理论的特点：

分子间力普遍存在。同一种胶粘剂可以胶接不同材料，说明了吸附作用的普遍存在。润湿是影响胶接强度的重要因素，是吸附理论的核心内容。吸附理论的局限性：

不能解释胶接的内聚破坏这一现象。无法解释测定的胶接强度的大小与剥离速度有关的现象。无法解释非极性材料的胶接。被胶接物表面经硅烷偶联剂处理后，对环氧树脂的润湿性变差，但胶接强度却上升。83③扩散理论扩散理论认为胶粘剂和被粘物分子相互扩散，大分子相互缠结交织或在界面发生互溶，导致界面消失和过渡区的产生，从而固化后形成牢固的胶合。扩散理论又称为分子渗透理论，适用于解释同种或结构、性能相近的高分子材料之间的胶接。如聚合物在溶剂或热作用下的自粘，溶解性相近的聚合物的表面粘接。几条规律：胶接强度随时间增加、温度升高、压力增大和胶层厚度减小而升高。分子量过高、缠结、卷曲等不利于润湿、扩散。分子链柔顺、交联度小，有利于扩散，提高胶接强度。84扩散理论的局限性：不能解释聚合物胶粘剂与金属、玻璃、陶瓷等无机物的胶接过程；无法解释一些胶粘剂与被胶接物的溶解度参数近似却难以得到良好的胶接的现象。④静电理论又称为双电层理论，它认为胶粘剂与被粘物接触的界面上形成双电层，由于静电的相互吸引而产生胶接力。静电理论的局限性：不能解释性能相同或相近的聚合物之间的胶接。无法解释导电胶粘剂以及用碳黑作填料的胶粘剂的胶接过程。无法解释温度等因素对剥离实验结果的影响。实际上，一般静电力小于0.04MPa，静电力对胶接强度的贡献是微不足道的。85⑤化学键理论化学键理论认为胶接作用是由于胶粘剂分子与被粘物表面通过化学反应形成化学键的结果。化学键能比分子间力要高1~2个数量级，如能形成化学键，则会获得高强度、抗老化的胶接。对于木材等的胶接很有指导意义。形成化学键胶接的几种方法。胶粘剂和被胶接物之间的活性基团在一定条件下反应形成化学键。加入偶联剂。通过表面处理产生活性基团。化学键理论的局限性：不能解释大多数不发生化学反应的胶接现象(化学键的形成是有条件的，很多情况下难以形成化学键)。86(3)胶粘剂的分类①按胶粘剂的强度特性不同划分为为结构型、非结构型、次结构型胶粘剂。

结构胶粘剂：结构胶粘剂的胶结强度较高，至少与被胶结物本身的材料强度相当。同时对耐油、耐热和耐水性等都有较高要求。

非结构胶粘剂：非结构胶粘剂要求一定的强度，但不能承受较大的力，仅起定位作用。

次结构胶粘剂：又称次结构胶剂，其物理力学性能介于结构型和非结构之型。87②按所用粘料的不同，可分为热塑性树脂胶粘剂、热固性树脂胶粘剂、橡胶型胶粘剂和混合型胶粘剂等。③按固化条件不同划分为溶剂型、反应型、热熔型胶粘剂。

溶剂型胶粘剂中的溶剂从粘合端面挥发或者被吸收，形成粘合膜而发挥粘合力，如聚苯乙烯、丁苯等。

反应型胶粘剂的固化是由不可逆的化学变化引起的。按照配方及固化条件不同，可分为单组分、双组分、三组分的室温固化型、加热固化型等形式。

热熔型胶粘剂是以热塑性高聚物为主要成分，不含水或溶剂的固体聚合物。通过加热为熔融粘合、冷却、固化而发挥粘合力。88(4)胶接接头的基本形式①搭接接头由两个被胶接部分的叠合，胶接在一起所形成的接头。②面接接头两个被胶接物主表面胶接在一起所形成的接头。③对接接头被胶接物的两个端面与被胶接物主表面垂直。④角接接头两被胶接物的主表面端部形成一定角度的胶接接头。a)搭接b)面接c)对接d)角接89(5)常用粘胶剂①聚醋酸乙烯胶粘剂聚醋酸乙烯胶粘剂是醋酸乙烯单体经聚合反应而得到的一种热塑性水乳型胶粘剂，俗称“白乳胶”，该胶合剂具有良好的粘结强度，以粘接各种非金属为主。常温固化速度较快，且早期粘合强度较高。可单独使用，也可掺入水泥等作复合胶使用。但其耐热性较差，且徐变较大，所以常作为室温下使用的非结构胶。90②聚乙烯醇缩甲醛胶粘剂聚乙烯醇缩甲醛胶粘剂是由聚乙烯醇和醛为主要原料，加入少量氢氧化钠和水，在一定条件下缩聚而成。市面上常见的107胶、801胶等均属聚乙烯醇缩甲醛胶粘剂。这类胶粘剂，具有较高的粘结强度和较好的耐水、耐老化性，还能和水泥复合使用，可显著提高水泥材料的耐磨性、抗冻性和抗裂性，可用来胶结塑料壁纸、墙布、瓷砖等。91③聚氨酯类胶粘剂聚氨酯类胶粘剂是以多异氰酸酯和聚氨基甲酸酯为粘接物质，加入改性材料、填料、固化剂等而制成的胶粘剂。一般为双组分，特点是粘附性好，耐低温性能优异，韧性好，可室温固化。它对多种材料具有良好的粘结性，可以粘结陶瓷、木材、不锈钢、玻璃等材料。④酚醛树脂胶粘剂酚醛树脂胶粘剂属热固型高分子胶粘剂，它具有很好的粘附性能，耐热性、耐水性好。缺点是胶层较脆，经改性后可广泛用于金属、木材、塑料、等材料的粘结。92⑤环氧树脂胶粘剂环氧树脂胶粘剂是由环氧树脂、硬化剂、增塑剂，稀剂和填料等组成。具有粘合力强、收缩小和良好的化学稳定性，有效地解决了新旧砂浆、混凝土层之间的界面粘结问题。对金属、木材、玻璃、橡胶、皮革等也有很强的粘附力，是目前应用最多的胶粘剂，有“万能胶”之称。⑥丙烯酸酯胶粘剂丙烯酸酯胶剂是以丙烯酸酯树脂为基体配以合适的溶剂而成的胶粘剂，分为热塑性和热固性两大类。它具有粘接强度高，成膜性好，能在室温上快速固化，抗腐蚀性、耐老化性能优良的特点。可用于胶接木材、纸张、皮革、玻璃、陶瓷、有机玻璃、金属等。常见的501胶、502胶即属热固性丙烯酸酯类胶粘剂。935.2

陶瓷材料陶瓷是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。94一、陶瓷材料的分类与生产1、分类(1)按原料来源分：普通陶瓷、特种陶瓷。①普通陶瓷又称传统陶瓷。以天然硅酸盐矿物为主要原料，如粘土、石英、长石等。主要制品有：日用陶瓷、建筑陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷。②特种陶瓷是以纯度较高的人工合成化合物为主要原料的人工合成化合物。如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等。95(2)按用途分：日用陶瓷和工业陶瓷。工业陶瓷又可分为工程结构陶瓷和功能陶瓷。2、陶瓷制品的生产陶瓷制品的生产都要经过三个阶段：坯料制备、成型、烧结。(1)坯料制备通过机械或物理或化学方法制备粉料，在制备坯料时，要控制坯料粉的粒度、形状、纯度及脱水脱气，以及配料比例和混料均匀等质量要求。按不同的成型工艺要求，坯料可以是粉料、浆料或可塑泥团。96(2)成形将坯料用一定工具或模具制成一定形状、尺寸、密度和强度的制品坯型(亦称生坯)。(3)烧成与烧结干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、化学变化而成瓷的过程。烧成是使坯件瓷化的工艺(1250~1450℃)；烧结是指烧成的制品开口气孔率极低、致密度很高的瓷化过程。高温烧结时，陶瓷内部会发生一系列物理化学变化及相变，如体积减小，密度增加，强度、硬度提高，晶粒发生相变等，使陶瓷制品达到所要求的物理性能和力学性能。97Al2O3粉末的烧结组织98二、陶瓷材料的特点

1、陶瓷材料的相组成特点陶瓷材料是多相多晶材料，通常由三种不同的相组成，即晶体相、玻璃相和气相(气孔)。各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了陶瓷的性能。99陶瓷材料组织形貌1-晶体相2-玻璃相3-气相100(1)晶体相晶体相是一些化合物或以化合物为基的固溶体，是决定陶瓷材料物理、化学和力学性能的主要组成物。主要晶体相有氧化物和硅酸盐。陶瓷中的晶相的结合键为：离子键、共价键、混合键。氧化物结构的结合键以离子键为主，又称离子晶体。Si3N4、SiC、BN等以共价键为主，称共价晶体。共价键离子键101①氧化物结构主要特点是氧离子紧密排列构成晶格骨架，组成六方或面心立方点阵，而正离子位于骨架的适当间隙之中。如：CaO、MgO、Al2O3、ZrO2。Al2O3分子结构蓝宝石原矿102②硅酸盐结构结构很复杂，但基本结构单元为[SiO4]硅氧四面体，结合键为离子键、共价键的混合键。Si-O-Si的键角为145℃。[SiO4]既可孤立存在，亦可通过共用顶点连接成链状、平面或三维网状结构，故硅酸盐材料有无机高聚物之称。硅酸盐结构示意图103有些陶瓷中的晶相也存在同素异构转变。如SiO2的同素异构转变。104实际陶瓷晶体与金属晶体一样也存在晶体缺陷，这些缺陷可加速陶瓷的烧结扩散过程，还影响陶瓷性能。晶粒愈细，陶瓷的强度愈高。如刚玉(Al2O3)晶粒平均尺寸为200μm时，抗弯强度为74MPa，1.8μm时抗弯强度可高达570MPa。ZrO2陶瓷中的气孔105(2)玻璃相玻璃相是一种非晶态固体，是陶瓷烧结时，各组成相与杂质产生一系列物理化学反应形成的液相在冷却凝固时形成的。玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度、抑制晶粒长大和填充气孔。主要组成物是SiO2。玻璃相熔点低、热稳定性差，在较低温度下开始软化，导致陶瓷在高温下发生蠕变，且其中常有一些金属离子而降低陶瓷的绝缘性。故工业陶瓷中玻璃相的数量要予以控制，一般<20~40%。106(2)气相气相是指陶瓷组织中的气孔，是在工艺过程中形成并保留下来的，陶瓷中的孔隙率常为5~10%，要力求使其呈球状，均匀分布。气孔对陶瓷的性能有显著影响，使陶瓷强度降低、介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。气相可使陶瓷的密度减小，并能吸收振动。保温用的陶瓷和化工用的过滤多孔陶瓷等需要增加气孔率，有时气孔率可高达60%。1072、陶瓷的性能(1)力学性能①硬度高、耐磨性好。陶瓷>1500HV(淬火钢500~800HV，高聚物<20HV)。②抗拉强度低，抗压强度较高。因表面及内部的气孔、微裂纹等缺陷，实际强度仅为理论强度的1/100~1/200。但抗压强度高，为抗拉强度的10~40倍。因受压时，裂纹不易扩展。③高弹性模量，高脆性。E=100~400GPa(金属210GPa)，拉伸时几乎没有塑性，在拉力作用下产生一定的弹性变形后直接断裂。108④冲击韧性、断裂韧性低。KIC约为金属的1/60~1/100。几种材料的断裂韧性材料KIC/MPa.m1/245钢90球墨铸铁20~40氮化硅陶瓷3.5~5109(2)物理与化学性能①熔点高。一般在2000℃以上，故陶瓷高温强度和高温蠕变抗力优于金属。②热胀系数小、热导率低。随气孔率增加，陶瓷的热胀系数、热导率降低，是优良的绝热材料。故多孔或泡沫陶瓷可作绝热材料。③抗热振性差。④有些陶瓷具有特殊的光学性能。红宝石(-Al2O3掺铬离子)、钇铝石榴石、含钕玻璃等可作固体激光材料；玻璃纤维可作光导纤维材料，此外还有用于光电计数、跟踪等自控元件的光敏电阻材料。110⑤磁性。磁性陶瓷又名铁氧体或铁淦氧，主要是Fe2O3和Mn、Zn等的氧化物组成的陶瓷材料，为磁性陶瓷材料，可用作磁芯、磁带、磁头等。⑥结构稳定。化学稳定性高，抗氧化性优良，在1000℃高温下不会氧化，并对酸、碱、盐有良好的抗蚀性。故在化工工业中广泛应用。111三、常用工业陶瓷1、普通陶瓷

普通陶瓷也称传统陶瓷，是用天然硅酸盐矿物，如粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、长石(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)等为原料，经配制、成型、烧结而成的陶瓷。其组织中主晶相为莫来石(3Al2O3·2SiO2)，占25~30%，次晶相为SiO2；玻璃相占35~60%，气相占1~3%。通过改变组成物的配比、熔剂、辅料以及原料的细度和致密度，可以获得不同特性的陶瓷。普通陶瓷普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。112普通陶瓷质地坚硬，有良好的抗氧化性、耐蚀性和绝缘性。能耐一定高温，成本低、生产工艺简单，但由于含有较多的玻璃相，故结构疏松，强度较低。在一定温度下会软化，耐高温性能不如近代陶瓷，通常最高使用温度为1200℃左右。常用于制造装饰瓷、餐具、绝缘子、耐蚀容器、管道、设备等。绝缘子瓷器1132、特种陶瓷根据用途不同，特种陶瓷又可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。按陶瓷的主要组成分：氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。

(1)氧化铝陶瓷主要组成物为Al2O3，一般含量大于45%。氧化铝的结构是排成密排六方结构。根据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3，又称刚玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。114氧化铝熔点达2050℃，抗氧化性好。Al2O3粉末压制成形、高温烧结后得到氧化铝陶瓷。Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，气孔愈少，氧化铝陶瓷的性能愈好，但工艺愈复杂，成本愈高。氧化铝陶瓷的强度高，是普通陶瓷的2~6倍，抗拉强度可达250MPa。95瓷纺织件99瓷纺织件115耐磨性好，硬度次于金刚石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅，居第五。耐高温性能好，刚玉陶瓷可在1600℃下长期工作，在空气中的最高使用温度达1980℃。有良好的绝缘性和化学稳定性，能耐各种酸碱的腐蚀。脆性大，抗热振性差，不能承受环境温度的突然变化。氧化铝耐高温喷嘴116氧化铝陶瓷广泛用于制造高速切削工具、量规、拉丝模、高温炉零件、空压机泵零件、氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷坩埚内燃机火花塞等。此外，还可用作真空材料、绝热材科和坩埚材料。氧化铝陶瓷喷咀117(2)氮化硅陶瓷氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。按生产工艺不同，分为热压烧结氮化硅陶瓷和反应烧结氮化硅陶瓷。工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4

SiO2还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO①热压烧结氮化硅陶瓷以Si3N4粉为原料，加入少量添加剂，装入石墨模具中，在1600~1700℃高温和20~30MPa的高压下烧结成型，得到组织致密，气孔率接近0的氮化硅陶瓷。因受石墨模具限制，只能加工形状简单的制品。118②反应烧结氮化硅陶瓷以硅粉或硅粉与Si3N4粉的混合料，压制成型后，放入渗氮炉中进行渗氮处理，直到所有的硅都形成氮化硅，得到尺寸相当精密的氮化硅制品。此制品中有20~30%的气孔，故强度不及热压烧结制品，与95瓷相近。性能优异，易于加工。烧结工艺优点缺点热压烧结用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低反应烧结烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状密度低，强度低，耐蚀性差119Si3N4轴承②性能特点及应用氮化硅的强度、比强度、比模量高；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；化学稳定性高。热压烧结氮化硅用于形状简单的耐磨、耐高温零件和工具。如切削刀具、转子发动机刮片、高温轴承等。120汽轮机转子叶片气阀等零件反应烧结氮化硅陶瓷主要用于耐磨、耐高温，耐腐蚀，形状复杂且尺寸精度高的制品。如石油化工泵的密封环、高温轴承、热电偶套管、燃气轮机转子叶片等。121常压烧结碳化硅(3)碳化硅(SiC)陶瓷碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。主晶相SiC。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3C→SiC+2CO。碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。122碳化硅的高温强度高，工作温度可达1600~1700℃，在1400℃时，抗弯强度为500~600MPa。具有很好的导热性、热稳定性、抗蠕变能力、耐磨性、耐蚀性，且耐辐射。是良好的高温结构材料，主要用于制作火箭喷管的喷嘴，浇注金属的浇道口、热电偶套管、炉管，燃气轮叶片、高温轴承、热交换器及核燃料包封材料等。SiC轴承SiC陶瓷件123(4)氮化硼陶瓷主晶相BN，共价晶体，晶体结构为六方结构，有白石墨之称。良好的耐热性和导热性，热导率与不锈钢相当，热胀系数比金属和其它陶瓷低得多，故抗热振性和热稳定性好。高温绝缘性好，2000℃仍是绝缘体，是理想的高温绝缘材料和散热材料。化学稳定性高，能抗Fe、Al、Ni等熔融金属的侵蚀。硬度较其它陶瓷低，可切削加工。有自润滑性，耐磨性好。124氮化硼陶瓷常用于制作热电偶套管，熔炼半导体、金属的坩埚和冶金用高温容器和管道，高温轴承，高温绝缘材料等。因氮化硼陶瓷中含wB=43%，有很大的吸收中子的截面，可作核反应堆中吸收热中子的控制棒。热电偶套管125ZrO2氧化锆单相陶瓷(5)氧化锆陶瓷氧化锆的晶型转变：立方相⇌四方相⇌单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。126在氧化锆中加入某些氧化物(如CaO、MgO等)能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆(FSZ)，其力学性能低，抗热冲击性差。ZrO2陶瓷耐火件减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。127氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。部分稳定氧化锆组织128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。部分稳定氧化锆制品129氧化锆油泵氧化锆柱塞氧化锆拉线轮氧化锆球阀部分稳定氧化锆喷涂层增韧氧化锆导轮芯轴氧化锆制品130(6)功能陶瓷功能陶瓷通常具的特殊的物理性能，涉及的领域比较多，常用功能陶瓷的特性及应用见下表所示。1313、金属陶瓷以金属氧化物或碳化物为主要成分，加入适量的金属粉末，通过粉末冶金的方法制成的，具有某些金属性质的陶瓷。金属陶瓷是金属切削刀具、模具和耐磨零件的重要材料。132粉末冶金示意图133(1)粉末冶金法的基本工艺过程主要有粉末制备、粉末预处理、成形、烧结及后处理等。①粉末制备金属粉末的制取方法有：机械法和物理化学法。机械法是将原材料磨碎成粉而不改变原材料的化学成分的方法。如将金属切削成粉末颗粒等。物理化学法是在制取粉末过程中，使原材料受到化学或物理的作用，而使其化学成分和集聚状态发生变化的工艺过程。物理化学制粉法是以还原和离解等化学反应为基础的。工业上普遍采用的有：氧化物还原法、电解法、热离解法、球磨法、涡旋研磨法、雾化法。134②粉末预处理预处理包括：粉末退火、筛分、混合、制粒、加润滑剂等。粉末的预先退火可使氧化物还原，降低碳和其他杂质的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构。筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。混合可采用机械法和化学法。制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，以此来改善粉末的流动性。135③压制成形压模压制是将置于压模内的松散粉末施加一定的压力后，成为具有一定尺寸、形状和一定密度、强度的压坯。粉末的压制一般在普通机械式压力机或液压机上进行。常用的压力机吨位一般为500~5000kN。双向压制粉末冶金坯块工步示意图136④烧结烧结是将压坯按一定的规范加热到规定温度并保温一段时间，使压坯获得一定的物理及力学性能的工序。烧结机理：将压坯加热到高温，为粉末原子所储存的能量释放创造了条件，由此引起粉末物质的迁移，使粉末体的接触面积增大，导致孔隙减少，密度增高，强度增加，形成了烧结。固相烧结：烧结发生在低于其组成成分熔点的温度，如普通铁基粉末冶金轴承烧结。液相烧结：烧结发生在两种组成成分熔点之间。如硬质合金与金属陶瓷制品的烧结。液相烧结时，在液相表面张力的作用下，颗粒相互靠紧，故烧结速度快、制品强度高。137⑤后处理后处理的方法按其目的不同，有以下几种：

为提高制件的物理及力学性能，方法有：复压、复烧、浸油、热锻与热复压、热处理及化学热处理。

为改善制件表面的耐腐蚀性，方法有：水蒸气处理、磷化处理、电镀等。

为提高制件的形状与尺寸精度，方法有：精整、机械加工等。

熔渗处理，它是将低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制作的孔隙中去，以增加烧结件的密度、强度、塑性或冲击韧度。138(2)粉末冶金的应用①减摩材料(含油轴承)利用粉末冶金材料的多孔性，将材料浸在润滑油中，在毛细力作用下，可吸附大量润滑油(一般含油率达12~30%)，从而减摩。常用含油轴承材料有铁基(Fe+石墨、Fe+S+石墨)和铜基(Cu+Sb+Pb+Zn+石墨)。②结构材料用碳钢或合金钢的粉末为原料，采用粉末冶金方法制造结构零件。这种零件的精度较高、表面光洁，不须或少须切削加工即为成品零件。139③高熔点金属材料W、Mo、WC、TiC等金属及金属化合物熔点高(>2000℃)，用熔炼和铸造方法生产较难，且不易保证其纯度和冶金质量。这些材料可以通过粉末冶金生产，如各种金属陶瓷、钨丝及Mo、Ta、Nb等难熔金属和高温合金。④特殊电磁性能材料如硬磁材料、软磁材料，多孔过滤材料，假合金材料。钨丝140(3)金属陶瓷硬质合金硬质合金是金属陶瓷的一种，它是以金属碳化物(WC、TiC、TaC等)为基体，再加入适量金属粉末(如Co、Ni、Mo等)作为粘结剂制成的，具有金属性质的粉末冶金材料。Co基体WC141①硬质合金的性能特点高硬度、高热硬性、耐磨性好(主要特点)因以碳化物为骨架，常温下硬度69~81HRC，热硬性达900~1000℃，作为切削刀具，其耐磨性、寿命和切削速度比高速钢显著提高。抗压强度高(6000MPa)，抗弯强度低(只有钢的1/3~1/2)，弹性模量高(是高速钢的2~3倍)，韧性差(约为淬火钢的30~50％)。耐蚀性、抗氧化性好，热胀系数比钢低。因抗弯强度低、脆性大、导热性差，故在加工、作用过程中要避免冲击和温度急剧变化。硬度高，无法进行切削加工，可采用电加工(电火花、线切割)和专门砂轮磨削加工。142②硬质合金的分类和编号分类与编号常用硬质合金按成分和性能特点分为钨钴类硬质合金、钨钴钛类硬质合金、通用硬质合金三类。钨钴类硬质合金由WC和Co组成。代号：YG×

YG－“硬”、“钴”。×－钴的含量。如：YG6表示wCo=6%，余量为WC的钨钴类硬质合金。143钨钴钛类硬质合金由WC、TiC和Co组成。代号：YT×

YT－“硬”、“钛”。×－TiC含量。如：YT15表示wTiC=15%，余量为WC和Co的钨钴钛类硬质合金。在硬质合金中，WC越多，Co越少，则硬度、热硬性及耐磨性越高，但强度及韧性越低。当Co含量相同时，含TiC的硬质合金硬度、耐磨性高，且因合金表面有一层TiO薄膜，切削时不易粘刀，热硬性高；但强度和韧性比钨钴类硬质合金低。144通用硬质合金添加TaC或NbC取代部分TiC。代号：YW×

YW－“硬”、“万”。×－顺序号热硬性高(>1000℃)，其它性能介于上两类之间。既可加工钢材，又能加工铸铁和有色金属，故称通用或万能硬质合金。通用硬质合金145③应用主要用于制造切削刀具、冷作模具、量具和耐磨零件。钨钴类硬质合金刀具主要用来切削加工脆性材料，如铸铁、有色金属、胶木及其它非金属材料。钨钴钛类硬质合金主要用来切削加工韧性材料，如各种钢。含Co量多的硬质合金韧性好，适宜粗加工，含Co量少的适于精加工。通用硬质合金既可切削脆性材料，亦可加工韧性材料。146补充：制作瓷器十步骤(1)练泥：从矿区采取瓷石，经水碓舂细，淘洗，除去杂质，沉淀后制成砖状的泥块。然后再用水调和泥块，去掉渣质，用手搓揉，或用脚踩踏，把泥团中的空气挤压出来，并使泥中的水分均匀。(2)拉坯：将泥团摔掷在辘轳车的转盘中心，随着手法的屈伸收放拉制出坯体的大致模样。(3)印坯：印模的外型是按坯体内弧线旋削，将晾至半干的坯覆放在模种上，均匀按拍坯体外壁，然后脱模。147(4)利坯：将坯覆放于辘轳车的利桶上，转动车盘，用刀旋削，目的使坯体厚度适当，表里光洁，这是一道技术要求很高的工序。(5)晒坯：将加工成型的坯摆放在木架上晾晒。(6)刻花：用竹、骨或铁制的刀具在已干或半干的坯体上刻画出花纹。148(7)施釉：普通圆口采用蘸釉(将坯浸入釉盆里，当口沿与釉面平齐时立即提出)或荡釉(将釉浆注入坯内晃动，使上下左右均匀上釉，然后迅速倒掉过剩的釉浆)，琢器(相对“圆器”而言，"圆器"指通过拉坯方法成型的圆形器皿，如碗、盘、碟等。而成型工艺较为复杂的器皿如瓶、尊、壶、罐等，则称"琢器“)或大型圆器用吹釉。(8)烧窑：时间过程约一昼夜，温度在1300℃左右。先砌窑门，点火烧窑，燃料是松柴，把桩工技术指导，测看火侯，掌握窑温变化，决定停火时间。149(9)彩釉：釉上彩如五彩、粉彩等，是在已烧成瓷的釉面上描绘纹样、填彩，再入红炉以低温烧烘，温度约700~800℃。此外，烧窑前即在坯体素胎上绘画，如青花、釉里红等，则称为釉里红，其特点是彩在高温釉下，永不褪色。(10)色彩：瓷器的彩绘与一般绘画不同，因为画工在坯体素胎上施釉和作画时所见的颜料色在经过高温烧制和烘烤后会发生很大变化。1505.3复合材料一、概述复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。通常包括基体相和增强相。基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用。增强相起承受应力和显示功能的作用。1、复合材料的分类(1)按基体材料分类：可分为金属基复合材料和非金属基复合材料。(2)按增强相形状分类：可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层状复合材料。151(3)按性能分类：可分为结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料主要作为承力结构使用的材料；功能复合材料是指除力学性能以外还具备其它物理、化学、生物等特殊性能的复合材料。1522、复合材料的性能(1)比模量和比强度高。复合材料的增强物一般都采用了高强度、低密度的材料，其中纤维增强复合材料的最高。一般比模量约为钢的4倍，比强度约为钢的8倍。

153(2)抗疲劳性能好。复合材料的基体中密布着大量的增强纤维等，而基体的塑性一般较好。碳纤维增强复合材料的疲劳极限相当于其抗拉强度的70~80%，而多数金属材料疲劳强度只有抗拉强度的40~50%。这是因为在纤维增强复合材料中，纤维与基体间的界面能够阻止疲劳裂纹的扩展。当裂纹从基体的薄弱环节处产生并扩展到结合面时，受到一定程度的阻碍，因而使裂纹向载荷方向的扩展停止。(3)减振性良好。机构的自振频率与材料比弹性模量的平方根成正比，由于复合材料的比模量大，自振频率很高，不易产生共振，同时纤维与基体的界面具有吸振能力，故振动阻尼高。154(4)安全性好。复合材料每平方厘米截面上独立的纤维有几千甚至几万根，当构件过载并有少量纤维断裂后，会迅速进行应力重新分配，由未断裂的纤维来承载，使构件在短时间内不会失去承载能力，提高使用的安全性。(5)高温性能良好。增强纤维的熔点或软化温度一般都较高，除玻璃纤维的软化点仅为700~900℃外，其它如Al2O3、C、