非金属材料及新型工程材料课件

第5章非金属材料及新型工程材料目录

§5-1有机高分子材料§5-2古老又年轻的陶瓷§5-3博采众长的复合材料§5-4、新型工程材料简介

随着科学技术的发展，人们对材料提出了更为严格的要求，如强度更高、相对密度更小、既耐高温又耐低温，加工性更好，能满足特殊性能要求的新材料。因此，近几十年来，非金属材料及新型工程材料获得迅速发展。§5-1有机高分子材料---千姿百态

有机高分子材料包括：塑料、纤维、橡胶、涂料、胶粘剂和功能高分子。由于有机高分子材料的品种繁多，原料来源丰富，加工简便，成本相对较低，又有质量轻、比强度高、耐蚀性好、绝缘性好，易于加工和改性等特点，应用非常广泛，但其对环境因素（如热、紫外线、氧氛、微生物等）一般较敏感。

1、发展最快的塑料塑料是一类以天然树脂或合成树指（即高分子化合物）为基本原料再加各种添加剂，在一定的温度或压力下塑制成形，并在常温下保持其形状不变的高聚物。§5-1有机高分子材料现代生活中的塑料塑料的力学性能特点：①低强度、低韧性，②高弹性和低弹性模量，③高耐磨性粘弹性；聚合物的物理与化学性能特点：①电绝缘性能好，②耐热性低，③膨胀系数大、导热系数小，④有老化现象，化学稳定性好。按塑料受热时的性质可分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料受热时软化或熔融，冷却后硬化，并可反复多次进行，为线型或支链分子；热固性塑料固化后，则成为不溶解、不熔化、具有体网分子的固体，不可再生。§5-1有机高分子材料

塑料发展史

1870年31岁的印刷工人约翰•海厄特发明赛璐珞（硝化纤维+樟脑）；1907年贝克兰德发明酚醛树脂；30、40年代——合成高分子蓬勃发展时期：特别是乙烯类单体的自由基聚合，如PVC、PS、PMMA、高压PE；50年代——高分子化学的历史性发展时期：低压PE、PP；60年代——由于航空航天的需要而出现高温高分子的研究热：工程塑料§5-1有机高分子材料

2、合成纤维

有机纤维有天然纤维（如棉花，蚕丝、羊毛，石棉等）和化学纤维，化学纤维又分人造纤维（19世纪80年代如硝化纤维、醋酸纤维、粘胶纤维等所谓“人造丝”、“人造棉”）和合成纤维（20世纪30年代如：不易起皱的纤维——涤纶，首先工业化的合成纤维——锦纶，人造羊毛——腈纶，合成棉花——维纶，能浮在水面上的合成纤维——丙纶，首先发明的合成纤维——氯纶，高弹性的纤维——氨纶，超高强的纤维——芳纶等）。§5-1有机高分子材料

3、橡胶及制品

从橡胶树上采集的天然橡胶及大多数人工合成用以制胶的高分子聚合物，还不具备橡胶的种种性能，称为生胶。生胶要先进行塑炼，使其处于塑性状态，再加入各种配料，经过混炼、成形、硫化处理（即使生胶分子由线形转变为立体网状结构），才能成为可以使用的橡胶制品。橡胶是一种具有极高弹性及低刚度的高分子材料，其弹性变形量可达100%～1000%；同时，橡胶还有一定的耐磨性，很好的绝缘性和不透气、不透水性。

18世纪法国人在南美发现野生橡胶树，19世纪中叶，英国人取橡胶树的种子在斯里兰卡种植成功逐渐扩大到马来西亚与印尼等地。最早应用的橡胶——天然橡胶（NR）人造天然橡胶——（高等规的）聚异戊二烯橡胶产量最大的合成像胶——丁苯橡胶（SBR）“万能”橡胶——氯丁橡胶（CR）§5-1有机高分子材料

现代生活中的橡胶§5-1有机高分子材料

塑料、合成纤维和合成橡胶的品种繁多，应用范围很广泛，表5-1仅列出了部分高分子材料的基本“要素”。材料名称类别大致成分性能特点应用场合聚乙烯(PE)—结构最简单的塑料热塑性塑料CH2—CH2耐蚀，绝缘，加工性好，价低；耐热差薄膜，包装材料，容器等聚氯乙烯(PVC)—

全能塑料热塑性塑料CH2—CHCl化稳，绝缘，加工性好，价低；耐热差门窗，管道，套管包皮，薄膜等聚苯乙烯(PS)—最鲜艳且成形性特好的塑料热塑性塑料C6H5CH—CH2耐蚀，质脆而硬，加工性好；耐热差透明罩板，日用品，玩具，泡沫塑料制品聚丙烯(PP)—最轻且价低的塑料热塑性塑料CH3CH—CH2化学稳定性好，加工性好，价低；不耐磨，易老化合成纤维，薄膜，容器等表5-1部分常用高分子材料的特性

§5-1有机高分子材料ABS塑料—强韧且易成形的白色塑料热塑性塑料丙烯晴，丁二烯，苯乙烯

硬、韧、刚，加工性好，价低；耐热、耐候较差各类结构件聚四氟乙烯（PIFE）—塑料王热塑性塑料CF2—CF2性稳，耐热，减摩；价高，强低，加工性差耐蚀件，绝缘件，耐热件，减摩件等酚醛塑料（PF）—合成塑料的鼻祖热固性塑料酚类与醛类缩聚成树脂再加填料、固化剂等绝缘，耐磨，性稳，价低；较脆，加工性差电器件的罩壳、绝缘件等丁苯橡胶(SBR)—产量最大合成橡胶合成橡胶丁二烯与苯乙烯共聚耐磨，耐热，价格较低通用制品，轮胎，胶管等有机玻璃(PMMA)—

最透明的树脂热塑性塑料

CH3[CH2—C]COOCH3透光好，耐蚀，加工性好；较脆，耐磨差表盘，护罩，模型，装饰品等涤纶聚酯纤维聚对苯二甲酸乙二醇酯抽丝弹性好，不易变形，强度高，化学稳定性和电绝缘性也较好，不发霉；吸水性差，染色性差，摩擦易起静电运输带、传动带、帆布、渔网、绳索、轮胎帘子线及电器绝缘材料等。§5-1有机高分子材料

表5-2功能高分子材料

4、方便实用的胶粘剂和涂料有机胶粘剂及涂料多为在操作使用时处于粘流态，固化后则成为塑料或橡胶状态的聚合物。

1）胶粘剂粘接剂又称粘合剂或胶粘剂，它是一类通过粘附作用，使同质或异质材料连接在一起，并在胶接面上有一定强度的物质。

天然产物骨胶、松脂、淀粉胶粘剂，如用黏米粘城墙、用骨胶粘接箭羽等（秦汉时期）。20世纪20年代，出现了天然橡胶加工的压敏胶，并试制成功醇酸树脂胶粘剂。40年代，瑞士发明双酚A型环氧树脂，成为主要的结构胶粘剂。1957年美国发明氰基丙烯酸酯胶粘剂，开创了瞬间粘接的新时期。近20年来，国内外胶粘剂及其技术理论发展十分惊人，产量逐年剧增，应用愈来愈广泛。粘接剂的种类有树脂、橡胶、混合、无机胶粘剂和压敏胶。胶粘剂主要强调粘接性，为便于粘接操作，一般对热塑性树脂胶粘剂（见P180表5-4）常用溶剂稀释或加热变成粘流态；而对热固性树脂胶粘剂（见P180表5-3）则使用聚合前的呈液态的低聚物及固化剂，有时也加一定量的溶剂或加热成为粘流态。部分胶粘剂须加增塑剂、固化剂、填料、溶剂等才可使用。§5-1有机高分子材料

2）涂料

涂料是一种可涂覆于固体物质表面并能形成连续性薄膜的液态或粉末状态的物质。最早的涂料：由植物油和天然树脂熬炼而成，“油漆”。现行涂料的组成为主要成膜物质、颜料、溶剂三种组分，此外还包括填充剂、增塑剂、增稠剂、稀释剂等。涂料在强调粘接性（或附着性）的基础上，还要考虑流平性及装饰性等性能，一般所加的溶剂及着色颜料更多些，要求粘度更低，并常加入其它改性添加剂，部分涂料也通过加热熔融来提高附着性及流平性，甚至交联固化。涂料种类见（见P182表5-5）。涂料的主要功能：一、保护被覆物体免受腐蚀性气氛及介质、微生物、阳光、高温等的作用而发生的表面破坏；二、产生特定的装饰作用；三、某些涂料还有特殊功能或作用，如防火、防污、防静电、防结露、防辐射及导电、润滑、远红外放射性、温度敏感性、环境敏感性等；四、标志作用，涂料可作色彩广告标志，利用不同色彩来表示警告、危险、安全、前进、停止等信号。各种危险品、化工管道、机械设备等涂上不同颜色的涂料后，容易识别、便于准确操作，公路划线、铁道标志等也需要不同色彩的涂料以保证安全行车。正因为如此，使其在现代工农业生产、日常生活等领域应用广泛。§5-1有机高分子材料§5-2古老又年轻的陶瓷

常见陶瓷材料性能特征：弹性模量大，抗压强度高，硬度高，熔点高，高温强度高、线膨胀系数很小，化学稳定性好，有些陶瓷还有优良的理化性能和功能性质；陶瓷材料的主要缺点是：脆性大,可靠性差,加工性差，难以进行常规（如切削等）加工。

结合特征：离子键无方向性、无饱和性紧密堆积，键强较高密度大，高强度、高硬度、高脆性、耐热；共价键

具有方向性与饱和性键强度较高，具有稳定化学结构密度较小，熔点高，硬度大，脆性大，热膨胀系数小，绝缘性好；离子键与共价键混合。

微结构特征：由晶相、玻璃相和气孔组成。

陶瓷原料：普通陶瓷以天然矿物为原料（主要有三大原材料：粘土、长石、石英矿；辅料矿物：磁石、铝土矿、滑石、硅灰石、锂云母、方解石、菱镁矿、白云石等水化、机械混合，直接形成生坯。特种陶瓷：人工合成的原料为主。按用途和性能分普通陶瓷和特种陶瓷。常见陶瓷的类别及用途见P189表5-6。

1、普通陶瓷§5-2古老又年轻的陶瓷

§5-2古老又年轻的陶瓷部分普通陶瓷产品：

2、特种陶瓷

特种陶瓷又可分为强调强度、耐热、耐蚀等性能的结构陶瓷及具有特殊电、磁、光、热等效应的功能陶瓷。

1）结构陶瓷

2）功能陶瓷§5-2古老又年轻的陶瓷功能系列材料用途电功能陶瓷绝缘陶瓷Al2O3，BeO，MgO，A1N，SiC集成电路基片、封装陶瓷、高频绝缘瓷介电陶瓷TiO2，La2Ti2O7，Ba2Ti9O20陶瓷电容器、微波陶瓷等铁电陶瓷BaTiO3，SrTiO3陶瓷电容器压电陶瓷PZT，PLZT超声换能器、谐振器、滤波器、压电点火器、压电马达、微位移器半导体陶瓷NTC（SiC,LaCrO3,ZrO2）温度传感器、温度补偿器PTC（BaTiO3）温度补偿器、限流元件、自控加热元件CTR（V2O5）热传感元件、防火传感器ZnO压敏电阻浪涌电流吸收器、噪声消除及避雷器SiC发热体中高温电热元件、小型电热器半导性BaTiO3，SrTiO3晶界层电容器快离子导体陶瓷ZrO2，β-Al2O3氧传感器、氧泵、燃料电池、固体电解质磁功能陶瓷软磁铁氧体Mn-Zn，Cu-Zn，Ni-Zn，Cu-Zn-Mg记录磁头、温度传感器、电器磁芯、磁头、电波吸收体硬磁铁氧体（陶瓷）Ba、Sr铁氧体，釹-铁-硼磁体铁氧体磁石、永久磁铁记忆用铁氧体Li、Mn、Ni、Mg、Zn与铁形成的尖晶石型铁氧体计算机磁芯光功能陶瓷透明氧化铝陶瓷Al2O3高压钠灯透明氧化镁陶瓷MgO照明或特殊灯管、透红外材料透明氧化物陶瓷Y2O3、BeO、ThO激光元件PLZT透明铁电陶瓷PbLa（Zr，Ti）O3光存储元件、视频显示和存储系统、光开关生化陶瓷湿敏陶瓷MgCrO-TiO2，TiO2-V2O5，Fe3O4，NiFe2O4湿敏传感器气敏陶瓷SnO2，α-Fe2O3，ZrO2，ZnO各种气体传感器载体用陶瓷堇青石瓷，Al2O3，SiO2-Al2O3汽车尾气催化剂载体、气体催化剂载体催化用陶瓷沸石、过渡金属氧化物接触分解反应催化、排气净化催化生物陶瓷Al2O3，氢氧（或羟基）磷灰石，生物活性玻璃.人造牙齿、人造骨骼等§5-3博采众长的复合材料

复合材料为两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相体材料。一般根据基体和增强材料的种类命名复合材料，如陶瓷基复合材料，碳纤维增强复合材料等等。按用途分类则有结构复合材料、功能复合材料、结构/功能一体化复合材料等。尤其要指出的是复合材料的组织、构成或组分易于人为调整和设计，不少复合材料的复合过程与成形过程是同步完成的，这样，更利于满足制造产品的功能和结构要求。常见结构类复合材料的特性及用途见P162表5-6。

§5-3

博采众长的复合材料

1、颗粒原料烧结而成的复合材料产品

§5-3

博采众长的复合材料

2、连续纤维复合材料产品

§5-3博采众长的复合材料碳/碳复合材料应用----抗烧蚀热结构材料在现有的抗烧蚀材料中，C/C复合材料是最好的抗烧蚀热结构材料，其是典型的升华-辐射型烧蚀材料。元素碳具有高的比热容和气化能，熔化时要求有很高的压力和温度，因此在不发生微粒被吹掉的前提下，它具有比任何材料都高的烧蚀热。由于炭材料可在烧蚀条件下向外辐射大量的热量，而且其本身有较高的辐射系数，可进一步提高其抗烧蚀性。因此C/C复合材料在高温下利用升华吸热和辐射散热的机制，以相对小得多的单位材料质量耗散来带走更多的热量，使有效烧蚀热大大提高。此外，C/C复合材料有很高的比强度及比刚度，其强度随温度的升高而增大，到约2500℃时强度和刚度达到最大值;其线膨胀系数特小，还有良好的耐蚀性、摩擦减震性及热、电传导特性，较高的比热容等，因此可作为高温结构及烧蚀防热材料。C/C复合材料最大的缺点是在氧化气氛下于600℃左右会发生氧化。为此在其表面常施加抗氧化涂层（如SiC涂层），则在氧化性气氛中可使用到1500℃。其典型应用有：①固体火箭发动机喷管、火箭和导弹头锥、航天飞机机翼前缘、方向舵、尾喷口喉衬、低压涡轮叶片、鱼鳞片、涡轮盘等；②飞机在刹车过程中，静盘和动盘的表面温度高达2000℃，这要求高性能刹车材料应有高比热、高熔点、在高温下有足够的强度、一定的热导率、低的热膨胀系数及稳定的摩擦系数。C/C防热复合材料也是飞机刹车片最优良的材料，其比热容比钢高出2.5倍，高温强度高，质量轻，使用寿命长。③用于钛合金超塑成形吹塑模、钴基粉末冶金热压模、医学上的人工骨、电器的电极、化工耐蚀结构等。§5-4、新型工程材料简介

一般认为，新型工程材料包含具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的新型结构材料，以及除了具有机械特性外，还具有其它光、电、磁、热、化学、生化等方面特别功能特性的功能结构材料。它们是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，是支撑航空航天、交通运输、电子信息、能源动力以及国家重大基础工程建设等领域的重要物质基础。新型工程材料中有许多是特种陶瓷和复合材料。合成钻石超塑成型

表5-4常用