第六章非金属材料

第六章非金属材料6.1高分子材料6.2

陶瓷材料6.3复合材料本章仅作一般了解

6.1高分子材料一、概述主要成分—高分子化合物（分子量大，一般在103~107）天然高分子材料—松香、天然纤维、蛋白质、天然橡胶。人工合成高分子材料—塑料、合成橡胶、合成纤维（涤纶等）。高聚物结构特点—由一种或几种简单低分子化合物重复连接而成链状结构。如聚乙烯、聚氯乙烯分别由乙烯、氯乙烯聚合而成。分类—塑料、橡胶、纤维。性能特点低强度——σb≈100MPa高弹性——如橡胶的弹性变形率为100~1000%，金属一般为1%；低弹性模量——塑料和橡胶分别为金属的1/10和1/1000。高耐磨性———比金属好，如汽车外轮胎。高绝缘性低耐热性低导热性——是金属的1/100~1/1000高热膨胀性——约为金属的3~10倍高耐腐蚀性——耐酸、碱等。老化——受氧、光、热、机械力等长时间作用后，性能逐渐恶化。二、工程塑料组成合成树脂—高分子化合物，如聚乙烯、酚醛塑料等。添加剂—填料或增强、增塑、固化、润滑、稳定、着色、阻燃剂等。分类热塑性塑料—加热软化，冷却后又硬化成形，可反复进行。加工成型简便，机械性能较好；耐热性和刚性较差。如聚乙烯

热固性塑料—受热固化后，不会再受热软化。机械性能差；耐热性和刚性较好。如酚醛树脂、环氧树脂。三、橡胶高弹性，变形量100~1000%；弹性模数低，仅1MN/m。

天然橡胶—耐油和耐溶剂性差，易老化，不耐高温。合成橡胶—如，丁苯橡胶、氯丁橡胶。

用途——轮胎，工业、生活及医疗用品。

特种橡胶——耐高、低温，耐酸、碱、油，辐射等的橡胶。常用工程塑料有机玻璃（PMMA)

——

密度仅玻璃的一半，σb=42~50MPa，比普通玻璃高7~18倍。用于透明件，装饰件，绝缘件。聚氯乙烯（PVC）——σb=30~60MPa，使用温度-15~55℃。硬PVC耐油、耐蚀，用于化工管道，电器绝缘材料及电线绝缘层、套管。软PVC富有弹性，用作非食品包装薄膜。聚丙烯PP

——

刚性大,重量轻，耐热（-35~121℃），绝缘性优越。用于机械零件（法兰，齿轮），化工容器、管道，电器外壳等。ABS塑料

——硬、韧、刚的混合特性较好；容易电镀。用于零件（齿轮，泵叶轮,轴承等,电机、仪表外壳，管道，汽车零件及车身。聚酰胺（PA,尼龙）——耐磨,减摩性及韧性好。耐蚀,无毒。用于耐磨,耐蚀的承载转动零件（齿轮,轴承,螺钉和螺母等小型零件）。酚醛树脂（PF）——

如热固性酚醛树脂（胶木）,耐磨、性脆；绝缘性好（不小于10KV）；耐热、不耐碱。用于电器插座，开关，电话机，仪表盒；汽车刹车片,内燃机曲轴皮带轮,齿轮,耐酸泵等；日用非食物器皿。6.2陶瓷材料陶瓷

——用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温烧结制成，由无机非金属化合物（硅酸盐等）构成的多相固体材料性能力学性能——刚性、硬度、脆性大，抗压强度大，抗拉强度、塑韧性低。熔点高、高温下不易氧化，但不耐温度的急剧变化。耐蚀性、绝缘性好。分类及用途普通陶瓷——日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工等用途。特种陶瓷——氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氧化物陶瓷等，用于电容器，压电，磁性，电光，高温零件等。电子陶瓷——电子产品、敏感元件等。6.3复合材料一、概述复合材料——两种（以上）性质不同的材料组合而成性能特点——比强度和比刚度高，减磨性、耐蚀性好，但塑韧性较低。结构——基体＋增强相

基体——非金属基（树脂、橡胶、陶瓷），金属基（如，钢）。

增强相——纤维，陶瓷或金属颗粒、夹层。

纤维——玻璃、碳、棉、麻、石棉、硼、碳化硅等纤维。

ρ

103kg/m3

σbMN/m2

E103MN/m2

σb/ρ103E/ρ钢7.8

1010

206

12926

铝2.8

461

74165

26

钛4.5

942

112

209

25

玻璃钢2.01040

39

520

20

碳纤维／环氧树脂1.45

1472

1371015

95

硼纤维／铝2.65

981

19637074实例

玻璃钢——玻璃纤维增强塑料钨钴类硬质合金——陶瓷颗粒增强钴轮胎——纤维增强橡胶钢筋混凝土——陶瓷基复合材料多孔性铁基和青铜基自润滑衬套——夹层结构复合材料碳纤维/铝锡合金二、常见复合材料

玻璃钢增强剂——玻璃纤维（主要是SiO2），比强度和比模量高，耐蚀，绝缘。粘结剂（基体）——热固性的酚醛、环氧树脂，热塑性的聚脂。性能（与基体相比）——(比)强度，疲劳性能，韧性，蠕变抗力高。用途——轴承，轴承架，齿轮，车身。碳纤维树脂复合材料增强剂——碳纤维(石墨)，强度和弹性模量高，且2000℃以上保持不变；-180℃不变脆。

粘结剂（基体）——环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟乙烯。

性能（与基体相比）——强度，疲劳性能，韧性，耐蚀，蠕变抗力高。用途——火箭外壳，齿轮，轴承，活塞，密封圈，化工容器。硼纤维树脂复合材料

增强剂——硼纤维,σb=2750～3140MPa，E=382～392MPa（4倍于玻纤）。

基体——环氧树脂等。

性能——抗压、剪切和疲劳强度高，蠕变小，硬度和弹性模量高，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。

用途——航空和宇航材料。硼纤维金属复合材料增强剂——硼纤维,σb=2750～3140MPa，E=382～392MPa（4倍于玻纤）。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合金，比强度高于钢和钛合金。用途——航空、火箭。TheEndof6.1，2，3&Chapter6名词概念同素异构过冷度加工硬