2023学年完整公开课版非金属材料

——塑料、橡胶、陶瓷，复合材料无锡职业技术学院2014年08月06日非金属材料本章主要内容金属及合金以外的其余材料称为非金属材料。非金属材料成形工艺简单、性能优良，在某些领域具有不可替代的作用。本章主要介绍机械工程常用的高分子材料、陶瓷材料和复合材料第一节高分子材料第二节陶瓷材料第三节复合材料第一节高分子材料

塑料、橡胶一、高分子材料的基本知识高分子材料使用领域广泛，每年以14%的速度增长高分子化合物：一般是指分子量大于5000的化合物

合成高分子化合物由一种或几种单体（简单结构的低分子化合物）聚合而成

例如：聚乙烯的聚合反应n（CH2=CH2）——[CH-2—CH2]n乙烯聚乙烯

天然高分子化合物（天然橡胶、蚕丝、皮革、木材等）合成高分子化合物（塑料、橡胶等）按来源可分类二、塑料塑料的组成：合成树脂+添加剂塑料的分类塑料的性能塑料具有良好的“可塑性”和“可调性”

物理性能：

化学性能：良好的耐腐蚀性能

力学性能：强度与刚度不高，易蠕变与应力松驰通用塑料工程塑料按使用范围热塑性塑料热固性塑料按受热性能密度小（相当于钢密度的1/4~1/7）电性能（良好的绝缘性）热性能（遇热和光易老化）热塑性与热固性塑料类别典型塑料及代号特征热塑性塑料聚氯乙烯（PVC）聚乙烯（PE）聚丙烯（PP）聚酰胺（PA）缩醛塑料（POM）聚碳酸脂（PC）树脂为线型高分子化合物，能溶于有机溶剂，加热可软化，易于加工成形，并能反复塑化成形。这类塑料一般机械强度较高，成形性能良好热固性塑料酚醛塑料（PF）氨基塑料（UF）有机硅塑料（SI）环氧树脂（EP）网型高分子树脂，固化后重新加热不再软化和熔融、亦不溶于有机溶剂，不能反复成形与再生使用。这类塑料一般具有较高的耐热性与刚性，但脆性大常用塑料（通用塑料PF、PP）聚乙烯（PE）

优点：不透明或半透明、质轻，耐低温性优良，电绝缘性、化学稳定性好，耐大多数酸碱侵蚀，是产量最高的品种缺点：不耐热。聚丙烯（PP）优点是无色、半透明，无臭无毒，是最轻的通用塑料，密度仅为0.90~0.919克/厘米3，强度、刚性和透明性都比聚乙烯好，在可水中耐蒸煮，耐腐蚀

缺点是耐低温冲击性差，易老化。

常用塑料（通用塑料PVC、PS、ABS）聚氯乙稀（PVC）

分硬性和软性

优点：绝缘、耐蚀性好；硬质PVC强度高、软质PVC强度低、泡沫聚氯乙烯密度低、隔热、隔音、防振。

缺点：耐热性差，易老化聚苯乙烯（PS）外观透明，但易发脆通过加入聚丁二烯可制成耐冲击性聚苯乙烯（HTPS）。丙烯腈－丁二烯－苯乙烯三种单体共同聚合（ABS）组分A（丙烯腈）、B（丁二烯）和S（苯乙烯）按不同比例组成，成分与制造方法不同其性质也有很大的差别一般具有良好的综合力学性能；优良的耐热性、耐油性能；尺寸稳定，易成形，表面可镀金属，电性能良好常用塑料的特性及应用通用塑料与应用1PVC花园管PVC软门帘PE波纹管PVC拉边袋PE食品包装PE药品包装通用塑料与应用2PS，聚苯乙烯板PA尼龙12挤管PP聚丙烯编织袋PP增强聚丙烯离心泵PP聚丙烯油墨工程塑料工程塑料是一个特定的名称。其广义泛指具有高性能又可能代替金属料的塑料；狭义指比通用塑料的强度与耐热性优异，可作为工业用的结构材料并具有功能作用结构的高性能塑料常用工程塑料尼龙PA聚碳酸酯PC聚甲醛POMABS聚酰胺PA

……常用塑料特点及应用工程塑料应用示例1制笔业用塑料配件杜邦工程塑料制品PA聚酰胺应用示例ABS应用示例ABS插座、电器外壳手轮聚碳酸酯PC应用示例汽车仪表板，挡泥板，电动工具，手机外壳，电脑外壳，大型薄壁制件参考资料：塑料容器上面的数字名称英文燃烧情况燃烧火焰状态离火后情况气味聚丙烯PP容易熔融滴落，上黄下蓝烟少继续燃烧石油味聚乙烯PE容易熔融滴落，上黄下蓝继续燃烧石蜡燃烧气味聚氯乙烯PVC难软化上黄下绿有烟离火熄灭刺激性酸味聚甲醛POM容易熔融滴落上黄下蓝，无烟继续燃烧强烈刺激甲醛味聚苯乙烯PS容易软化起泡橙黄色，浓黑烟，炭末继续燃烧表面油性光亮特殊乙烯气味尼龙PA慢熔融滴落，起泡慢慢熄灭特殊羊毛，指甲气味聚甲基丙烯酸甲酯PMMA容易熔化起泡，浅蓝色，质白，无烟继续燃烧强烈花果臭味，腐烂蔬菜味聚碳酸酯PC容易，软化起泡有小量黑烟离火熄灭无特殊味聚四氟乙烯PTFE不燃烧在烈火中分解出刺鼻的氟化氢气味聚对苯二甲酸乙二酯PET容易软化起泡橙色，有小量黑烟离火慢慢熄灭酸味丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS缓慢软化燃烧，无滴落黄色，黑烟继续燃烧特殊气味参考资料：常用塑料简易燃烧鉴别法参考资料：塑料成形方法简介

塑料成形的几种方法a)注射成形b)吹塑成形c)挤压成形d)压制成形a)b)c)d)一、塑料的成形塑料制品的成形方法：注射、挤压、压制、浇注等1、注射成形——也称注塑成形，是利用注射机将熔化的塑料快速注入模具中，并固化得到各种塑料制品的方法。应用：约占塑料件生产的30%左右用于热塑性塑料（氟塑料除外）成形；一部分热固性塑料的成形。适用于大批量塑料件的生产。特点：具有能一次成形形状复杂的制件、尺寸精确、生产率高等优点，但设备和模具费用较高柱塞式注塑、螺杆式注塑原理柱塞螺杆注塑机示例注塑模示例注塑件示例2、挤出成形——是利用螺杆旋转加压（或柱塞加压）方式，连续地将塑化好的塑料挤进模具，通过一定形状的口模时，得到与口模形状相适应的塑料型材的工艺方法特点：能连续成形、生产率高、模具结构简单、生产成本低、制品组织紧密等应用：约占塑料制品产量的30%左右主要用于截面一定、长度大的各种塑料型材，如塑料管、板、棒、片、带材和截面复杂的异形材除氟塑料外，几乎所有的热塑性塑料都能挤出成形，部分热固性塑料也可挤出成形。挤出成形原理图棒材的挤出成形挤出管材挤出棒材挤塑机示例挤塑件示例3、压制成形——又称压缩成形、压塑成形和模压成形等，是将固态的粒料或预制的片料加入模具中，通过加热和加压方法，使其软化熔融，并在压力的作用下充满模腔，固化后得到塑料制件的方法特点：压制成形设备、模具简单，能生产大型制品；但生产周期长、效率低，较难实现自动化，难以生产厚壁制品及形状复杂的制品。应用：主要用于热固性塑料，如酚醛树脂、环氧树脂、有机硅等；也能用于压制热塑性塑料，如聚四氟乙烯制品和聚氯乙烯（ＰＶＣ）唱片等压制成形原理塑料压制成形机塑料压制模具压制件示例合成压制的琥珀蜜蜡塑料压制件4、吹塑成形——吹塑成形（属于塑料的二次加工）是借助压缩空气使空心塑料型坯吹胀变形，并经冷却定型后获得塑料制件的加工方法主要应用：中空吹塑成形薄膜吹塑成形塑料薄膜吹塑机组吹塑件示例５．浇铸成形——塑料的浇铸成形类似于金属的铸造成形。即将处于流动状态的高分子材料或单体材料注入特定的模具中，在一定条件下使之反应、固化，并成形得到与模具型腔相一致的塑料制件的加工方法特点：这种成形方法设备简单，不需或只需少许加压，对模具强度要求低，生产投资少，但制件精度低，生产率低，成形周期长。应用：可用于生产各种尺寸的热塑性和热固性塑料制件，６．气体辅助注塑成形——简称气辅成形，是塑料加工领域的一种新方法，生产过程包括以下三个阶段：第一阶段，塑料注射。熔体进入型腔，遇到温度较低的模壁，形成一个较薄的凝固层第二阶段，气体入射。惰性气体进入熔融的塑料，推动中心未凝固的塑料进入尚未充满的型腔第三阶段，气体继续推动塑料熔体流动直到熔体充满型腔第四阶段，气体保压。在保压状态下，气道中的气体压缩熔体，进行补料确保制件的外观质量。成辅成形原理气辅成形优点：消除产品表面缩痕，改善表面质量；减少变形，减少流动条痕；降低产品内应力，提高强度；节省塑料原料，减轻制品重量（一般可减轻20%~40%）；改善材料在制品断面上的分布，改善制品的刚性；缩短成形时间，提高生产效率，延长模具使用寿命气辅成形零件参考资源：中国石化产品生产流程三、橡胶橡胶分类按来源分

按用途分橡胶组成橡胶性能天然橡胶（聚异戊二烯）合成橡胶（合成高分子物质）通用（制作轮胎、输送带、胶管、胶板等）特种（在高温、低温、酸、碱、油和辐射介质条件下使用生胶配合剂（硫化剂、硫化促进剂、增塑剂填充剂、防老化剂）高的回弹性可挠性、良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性隔音、吸震以及与其它物质的粘结性常用橡胶的特点及应用常用橡胶的特点及应用（续表）橡胶在汽车中的应用汽车底盘用橡胶件真空助力密封件转向系统橡胶件橡胶占汽车用材料总重量的5%，每辆汽车需橡胶件400-500个。汽车上大量使用的氟橡胶、硅橡胶、丙烯酸酯橡胶等轮胎车门窗密封条雨刮器连接软管密封件防振件传动件衬垫类液压制动缸中的皮碗风扇皮带天然橡胶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℃。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。

橡胶弹簧橡胶垫圈丁苯橡胶（SBR）丁二烯和苯乙烯的共聚体。性能接近天然橡胶，是目前产量最大的通用合成橡胶，其特点是耐磨性、耐老化和耐热性超过天然橡胶，质地也较天然橡胶均匀。缺点是：弹性较低，抗屈挠、抗撕裂性能较差；加工性能差，特别是自粘性差、生胶强度低。使用温度范围：约－50℃~＋100℃。主要用以代替天然橡胶制作轮胎、胶板、胶管、胶鞋及其他通用制品。顺丁橡胶（BR）是由丁二烯聚合而成的顺式结构橡胶。优点是：弹性与耐磨性优良，耐老化性好，耐低温性优异，在动态负荷下发热量小，易于金属粘合。缺点是强度较低，抗撕裂性差，加工性能与自粘性差。使用温度范围：约－60℃~＋100℃。一般多和天然橡胶或丁苯橡胶并用，主要制作轮胎胎面、运输带和特殊耐寒制品。异戊橡胶（IR）

是由异戊二烯单体聚合而成的一种顺式结构橡胶。化学组成、立体结构与天然橡胶相似，性能也非常接近天然橡胶，故有合成天然橡胶之称。它具有天然橡胶的大部分优点，耐老化由于天然橡胶，弹性和强力比天然橡胶稍低，加工性能差，成本较高。使用温度范围：约－50℃~＋100℃可代替天然橡胶制作轮胎、胶鞋、胶管、胶带以及其他通用制品。

汽车橡胶制件橡胶地垫橡胶带丁晴橡胶（NBR）丁二烯和丙烯晴的共聚体。特点是耐汽油和脂肪烃油类的性能特别好，仅次于聚硫橡胶、丙烯酸酯和氟橡胶，而优于其他通用橡胶。耐热性好，气密性、耐磨及耐水性等均较好，粘结力强。缺点是耐寒及耐臭氧性较差，强力及弹性较低，耐酸性差，电绝缘性不好，耐极性溶剂性能也较差。使用温度范围：约－30℃~＋100℃。主要用于制造各种耐油制品，如胶管、密封制品等。橡胶垫圈管道橡胶内衬橡胶密封件硅橡胶主链含有硅、氧原子的特种橡胶，其中起主要作用的是硅元素。其主要特点是既耐高温（最高300℃）又耐低温（最低－100℃），是目前最好的耐寒、耐高温橡胶；同时电绝缘性优良，对热氧化和臭氧的稳定性很高。缺点是机械强度较低，耐油、耐溶剂和耐酸碱性差，较难硫化，价格较贵。主要用于制作耐高低温制品（胶管、密封件等）、耐高温电线电缆绝缘层，由于其无毒无味，还用于食品及医疗工业各种硅橡胶制品氟橡胶（FPM，橡胶王）是由含氟单体共聚而成的有机弹性体。其特点耐温高可达300℃，耐酸碱，耐油性是耐油橡胶中最好的，抗辐射、耐高真空性能好；电绝缘性、机械性能、耐化学腐蚀性、耐臭氧、耐大气老化性均优良。缺点是加工性差，价格昂贵耐寒性差，弹性透气性较低。使用温度范围：－20℃~＋200℃。主要用于国防工业制造飞机、火箭上的耐真空、耐高温、耐化学腐蚀的密封材料、胶管或其他零件及汽车工业。氟胶胶圈氟橡胶管氟橡胶密封条二、橡胶的成形橡胶生产工艺流程：塑炼——混炼——成形塑炼：是使弹性生胶转变为可塑状态。通过机械塑炼法和化学塑炼法，使橡胶的大分子断裂成相对较小的分子，从而使粘度下降，可塑性增加混炼：是将各种配合剂（硫化剂、防老化剂和填充剂等）混入生胶中，制成均匀的混炼胶以便后续成形工序的正常进行。成形：主要有压延成形、压出成形、注射成形1、压延成形主要用于胶料的压片、压型；纺织物和钢丝帘等的贴胶、擦胶；胶片与胶片或胶片与挂胶织物的贴合等橡胶压延机2、压出成形主要用于各种复杂形状的半成品，如轮胎的胎面胶、内胎胎筒、电线电缆外皮等。电缆外皮轮胎3、注射成形将胶料直接从机筒注入模型进行硫化的生产方法。用于各种形状的橡胶件橡胶注射成形机注射成形橡胶件第二节陶瓷一、陶瓷分类日用陶瓷按用途分：建筑陶瓷电绝缘陶瓷化工陶瓷等——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。普通陶瓷：长石、粘土和石英等烧结而成，典型的硅酸盐材料主要组成元素是硅、铝、氧（占90%以上）特种陶瓷：采用高纯度合成的原料，并具有特殊性能高温高硬度陶瓷压缩陶瓷光学陶瓷磁性陶瓷等结构陶瓷工具陶瓷功能陶瓷按用途分按特性分二、陶瓷的特性力学性能刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上；抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。化学性能高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。

热性能熔点高（大多在2000℃以上）导热性低，是良好的隔热材料；高尺寸稳定性好，陶瓷线膨胀系数比金属低。陶瓷的特性（续）电性能电绝缘性良好，因此大量用于制作耐各种电压（1~110kV）绝缘器件；铁电陶瓷（钛酸钡BaTiO3）具有较高的介电常数，可用于制作电容器；能量转换，将电能转换为机械能（具有压电材料的特性），可用于扩音机、超声波仪、声纳仪等；半导体特性，少数陶瓷可制作整流器。光学性能可用作固体激光器、光导纤维和光储存器等的材料，透明陶瓷可用于制作高压钠灯管等磁性能铁氧体在录音磁带、唱片、变压器铁心和计算机记忆元件方面有应用。三、常用陶瓷普通陶瓷简介——应用举例日用陶瓷工艺品、器皿建筑陶瓷（面砖、卫浴、幕墙）普通陶瓷简介——应用举例绝缘陶瓷件化工陶瓷主要介绍以下特种陶瓷（1）氧化铝陶瓷主要组成物为Al2O3优点：耐高温，可在1600℃长期使用，耐腐蚀，高强度，其强度为普通陶瓷的2~3倍缺点：是脆性大，不能受受突然的环境温度变化用途：坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等，也可作刀具和模具。火花塞坩埚热电偶套管1、结构陶瓷氧化铝粉末（2）氮化硅陶瓷主要组成物Si3N4。特点：高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑；具有优良的电绝缘性和耐辐射性用途：高温轴承、在腐蚀介质中使用的密封环、热电偶套管、也可用作金属切削刀具。高温轴承密封环优质氮化硅粉末（3）碳化硅陶瓷主要组成物是SiC特性：高强度、高硬度的耐高温陶瓷，目前高温强度最高良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度用途：火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管等高温部件；高温下的热交换器材料（导热性良好）砂轮、磨料等（高硬度、耐磨）碳化硅料喷管喷嘴2、工具陶瓷（1）硬质合金（己在有色金属一章介绍）（2）金刚石特性：天然金刚石是自然界最硬的材料，还有极高弹性模量导热率最高的材料、电绝缘性能很好。但热稳定性差用途：用于超精密加工，可达到镜面光洁度钻头、刀具、磨具、拉丝模、修整工具；注意：金刚石与铁族元素的亲和力大，故不能用于加工铁、镍基合金，而主要加工非铁金属和非金属，广泛用于陶瓷、玻璃、石料、混凝土、宝石、玛瑙等的加工。金刚石刀具应用举例金刚石的晶体结构天然金刚石工具陶瓷（续）（3）立方氮化硼（CBN）特性：其硬度高，仅次于金刚石，热稳定性和化学稳定性比金刚石好用途：可用于淬火钢、耐磨铸铁、热喷涂材料和镍等难加工材料的切削加工。可制成刀具、磨具、拉丝模等（4）其它工具陶瓷：氧化铝、氧化锆、氮化硅等陶瓷，但从综合性能及工程应用均不及上述三种工具陶瓷。立方氮化硼刀具立方氮化硼颗料立方氮化硼磨具其他工具陶瓷应用示例

陶瓷刀陶瓷刮皮器刀片陶瓷剥线刀刀片

陶瓷车刀、铣刀非标刀具陶瓷定刀3、功能陶瓷第三节复合材料一、复合材料分类——复合材料是由两种或两种以上性质不