机械工程材料及成形工艺（第三版）（姜敏凤）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的化合物天然高分子化合物（天然橡胶、蚕丝、皮革、木材等）按来源可分类合成高分子化合物（塑料、橡胶等）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（CH

=CH

）—— [

CH

—CH

]2

2

-2

2

n乙烯

聚乙烯一、高分子材料的基本知识二、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v密度小（相当于钢密度的1/4~1/7）v电性能（良好的绝缘性）v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软门帘PVC拉边袋PE波纹管PVC花园管PE食品包装PE药品包装通用塑料与应用2PA尼龙12挤管PS，聚苯乙烯板PP聚丙烯油墨PP增强聚丙烯离心泵PP聚丙烯编织袋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，大型薄壁制件名称离火后情况气味聚丙烯烟少

继续燃烧

石油味聚乙烯继续燃烧石蜡燃烧气味聚氯乙烯燃烧火焰状态熔融滴落，上黄下蓝熔融滴落，上黄下蓝上黄下绿有烟离火熄灭刺激性酸味聚甲醛上黄下蓝，无烟

继续燃烧强烈刺激甲醛味聚苯乙烯英文

燃烧情况PP

容易PE

容易PVC

难软化POM

容易熔融滴落PS

容易软化起泡橙黄色，

继续燃烧表面油浓黑烟，炭末

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在烈火中分解出聚四氟乙烯PTFE不燃烧刺鼻的氟化氢气味PET容易软化起泡橙色，有小量黑烟离火慢慢熄灭酸味聚对苯二甲酸乙二酯丙烯晴-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a)注射成形塑料成形的几种方法b)吹塑成形

c)挤压成形

d)压制成形a)b)c)d)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v天然橡胶（聚异戊二烯）v合成橡胶（合成高分子物质）v通用（制作轮胎、输送带、胶管、胶板等

）v特种（在高温、低温、酸、碱、油和辐射介质v

条件下使用v生胶v配合剂（硫化剂、硫化促进剂、增塑剂v

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第二节 陶瓷一、陶瓷分类——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）日用陶瓷按用途分：建筑陶瓷电绝缘陶瓷化工陶瓷等特种陶瓷：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。•陶电瓷性的能特性（续）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火花塞坩埚热电偶套管•主要介绍以下特种陶瓷

1、结构陶瓷（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。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、工具陶瓷硬质合金（己在有色金属一章介绍）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（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工性具比陶金瓷刚（石续好）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同的物质组成的多相材料按增强材料形状分类纤维增强复合材料粒子增强复合材料层叠复合材料树脂基复合材料陶瓷基复合材料金属基复合材料按基体不同分类二、复合材料特性比强度和比模量高（见下表）破损安全性好疲劳强度较高高温性能良好减振性良好三、常用复合材料1、玻璃纤维增强复合材料以热塑性树脂为基体的增强塑料常用的树脂有聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯