金属工艺学 第3版 课件 14 非金属材料

金属工艺学单元五

非金属材料非金属材料是指金属及其合金以外的一切材料总称。非金属材料主要有塑料、橡胶、胶粘剂、纤维、陶瓷和复合材料等。模块一

高分子材料

一、高分子材料基础知识

●高分子化合物是指分子量很大的化合物。●分子量大于5000的化合物称为高分子化合物。●分子量小于1000的化合物称为低分子化合物。高分子材料分为有机高分子材料和无机高分子材料两类。有机高分子材料是由相对分子质量大于104并以碳、氢元素为主的有机高分子化合物（又称高聚物）组成。有机高分子材料按来源分为天然高分子化合物和人工合成高分子化合物两大类。有机高分子化合物亦称高聚物天然高分子材料有松香、蛋白质、天然橡胶、皮革、蚕丝、木材等。人工合成高分子材料有塑料、合成橡胶、合成胶粘剂、合成纤维、高分子涂料和高分子基复合材料等。(一)有机高分子材料的合成●由低分子化合物聚合起来形成有机高分子化合物的过程称为聚合反应。●聚合以前的低分子化合物称为单体。由单体聚合为有机高分子化合物（或高聚物）的基本方法有两种，一种是加聚反应；另一种是缩聚反应。●加聚反应是指一种或几种单体相互加成而连接成有机高分子化合物（或高聚物）的反应。由加聚反应获得的有：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯睛等。●缩聚反应是指一种或几种单体相互作用连接成聚合物，同时析出（缩去）新的低分子化合物（如水、氨、醇、卤化物等）的反应。由缩聚反应得到的高聚物有酚醛树脂、环氧树脂、聚酰胺、有机硅树脂等。

（二）有机高分子化合物分子链的几何形状和特点有机高分子化合物的分子链按几何形状一般分为线型分子链、支化型分子链和网型分子链三种。●线型分子链是指由高分子的基本结构单元（链节）以共价键相互联接成线型长链分子，其直径小于1nm，而长度达几白至几千纳米，像一根呈卷曲状或线团状的长线。●支化型分子链是指在主链的两侧以共价键连接着相当数量的长短不一的支链，其形状分树枝形、梳形、线团支链型等。●网型分子链是指线型分子链或支化型分子链之间通过化学键或链段连接成一个三维空间网状的分子结构。

二、塑料（一）塑料的组成

●塑料是指以树脂为主要成分，再加入其他添加剂（如增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、填料等），在一定温度与压力下塑制成形的材料或制品的总称。●树脂是指受热时有软化或熔融范围，在软化时受外力作用下有流动倾向的有机高分子化合物，它是组成塑料的最基本成份。增塑剂是用来提高树脂可塑性与柔软性的一种添加剂。稳定剂（又称防老化剂）是用来防止树脂在受热、光和氧气等作用时发生过早老化，延长塑料制品使用寿命所加入的某些物质。润滑剂是为防止塑料在成形过程中粘在模具或其它设备上而加入的物质。着色剂是为了使塑料制品具有美丽的色彩需要在塑料中加入的物质。填料是为弥补树脂在某些性能方面的不足而加入的物质。

（二）塑料的分类1.按塑料的热性能分类根据树脂在加热和冷却时所表现的性质，可将塑料分为热塑性塑料和热固性塑料两类。●热塑性塑料主要由聚合树脂加入少量稳定剂、润滑剂等制成。这类塑料受热软化，冷却后变硬，再次加热又软化，冷却后又硬化成形，可多次重复。常用的热塑性塑料有聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料、聚丙烯塑料、聚苯乙烯、聚酰胺塑料(或称尼龙)、聚甲醛、聚碳酸脂、聚四氟乙烯、ＡＢＳ塑料、聚砜等。●热固性塑料大多是以缩聚树脂为基础，加入各种添加剂而成。这类塑料加热时软化，可塑制成形，但固化后的塑料既不溶于溶剂，也不再受热软化，只能塑制一次。常用的热固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料等。2．按塑料的应用范围分类按塑料的应用范围可分为通用塑料、工程塑料和耐高温塑料。●通用塑料是指产量大、用途广、价格低的一类塑料。主要包括6大品种：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料。●工程塑料是指能在较宽温度范围内和较长使用时间内保持优良性能，能承受机械应力并作为结构材料使用的一类塑料。主要品种有聚乙烯、聚酰胺塑料、聚甲醛、聚碳酸脂、聚四氟乙烯、ＡＢＳ塑料、聚砜、酚醛塑料、环氧塑料等。●耐高温塑料是耐高温、产量小、价格贵，适用于特殊用途的塑料，如聚四氟乙烯、环氧塑料和有机硅塑料等都能在100℃～200℃范围内工作。（三）塑料的特性和应用塑料具有密度小、比强度高(抗拉强度除以密度)、化学稳定性好、电绝缘性好、减振、耐磨、隔音性能好、自润滑性好等特性。广泛应用于电子工业、交通、航空工业、农业、建筑等部门。（四）塑料的成形加工

●塑料的成形是将各种形态（粉状、粒状、液态、糊状等）的塑料制成具有一定形状和尺寸的制品的工艺过程。常用的成形方法有注射成形、模压成形、浇铸成形、挤出成形和吹塑成形等。成形的塑料制品大都可以直接使用。一些要求表面光洁、精度高的塑料零件在成形后还需进行切削加工等，如机械加工、连接、喷涂、电镀等，以满足某些特殊性能要求。三、橡胶（一）橡胶的组成●橡胶是以生胶为基体并加入适量配合剂制成的有机高分子材料。●生胶是指未加配合剂的天然或合成橡胶的总称。生胶按原料来源可分为天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶主要从橡胶树或相关植物（如蒲公英等）的胶乳中制取。通过化学合成方法制成的橡胶称为合成橡胶，如丁苯橡胶、氯丁橡胶等。生胶是粘合各种配合剂和骨架材料的粘结剂，橡胶制品的性质主要决定于生胶的性质。●配合剂是为了提高和改善橡胶制品的使用性能和加工工艺性能而加入的物质。橡胶的配合剂大体可分为硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂及着色剂等。

（二）橡胶的特点、加工工艺流程、应用及保护

橡胶最重要的特点是高弹性，具有良好的耐磨性、绝缘性、隔音性和阻尼特性，以及良好的不透气和不透水性能。橡胶的最大缺点是易老化，即橡胶制品在使用过程中出现变色、发粘、发脆及龟裂等现象，使弹性、强度等发生变化，并影响橡胶制品的性能及使用寿命。

橡胶制品的基本加工工艺是：生胶塑炼→胶料混炼→压延→压出→制品硫化。

橡胶可作为弹性材料、密封材料、减振防振材料和传动材料；在电气工业中可制作各种导线、电缆的绝缘外包层等。

（三）常用橡胶

常用橡胶主要有：天然橡胶（代号NR）、丁苯橡胶(代号ＳＢＲ)、顺丁橡胶(代号ＢＲ)、氯丁橡胶(代号ＣＲ)、硅橡胶（代号MVQ）及氟橡胶(代号ＦＰＭ)等。

四、胶粘剂●胶接是借助于一种物质在固体表面产生的粘合力将材料牢固地连接在一起的方法。●胶粘剂或胶合剂是一种能够将两种物件胶接起来，并使结合处具有足够强度的物质。胶粘剂是以具有粘性的有机高分子物质为基料，加入某些添加剂组成。

（一）胶粘剂的分类

按照来源可分为天然胶粘剂（淀粉系、蛋白系、沥青系等）和合成胶粘剂（树脂型、橡胶型、复合型）两大类。按胶粘剂基料的化学成分可分为有机胶粘剂和无机胶粘剂（硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐等）两大类。按胶粘剂的主要用途分类，可分为非结构胶（承受负荷较低）、结构胶（承受负荷较高）、密封胶、导电胶、耐高温胶、水下胶、点焊胶、医用胶、应变片胶、压敏胶等。按照被胶接材料可分为金属胶粘剂和非金属胶粘剂（塑料胶粘剂和橡胶胶粘剂）。胶粘剂以流变性质来分，可分为热固性胶粘剂、热塑性胶粘剂、合成橡胶胶粘剂和复合型胶粘剂。●热固性胶粘剂是以热固性树脂为基料，再加入添加剂制得。常用于胶接各种金属和非金属材料。●热塑性胶粘剂是以热塑性树脂为基料，与溶剂配置成溶液或直接通过熔化方式而制得。热塑性胶粘剂适合于胶接多孔性、易吸水的材料，如纸、木材、纤维织物、塑料及铝箔等。●合成橡胶胶粘剂是以合成橡胶，如氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶、天然橡胶等为基料，再加入添加剂配置成的胶粘剂。此类胶粘剂适合于胶接金属、塑料、橡胶、木材、织物等，尤其适合于胶接其他胶粘剂难以胶接的聚氯乙烯塑料。●复合型胶粘剂是由不同种类的树脂或树脂与橡胶的混合物为基料组成的胶粘剂。此类胶粘剂是适应高强度结构材料发展的。

（二）胶粘剂的组成

合成胶粘剂的组分包括基料、固化剂、增塑剂、增韧剂、填料、稀释剂等。

基料是胶粘剂的主要组分。它对胶粘剂的性能(如胶接强度、耐热性、韧性、耐老化等)起着重要作用。常用的基料有酚醛树脂、环氧树脂、聚脂树脂、聚酰胺树脂及氯丁橡胶等。

固化剂的作用是使胶粘剂固化，其种类和用量直接影响胶粘剂的使用性质和工艺性能。

增塑剂和增韧剂能改善胶粘剂的塑性和韧性，提高胶接接头抗剥离、抗冲击能力及耐寒性等。

填料的加入能提高胶接接头强度和表面硬度，提高耐热性。还可降低热膨胀系数和收缩率，增大粘度和降低成本。通常使用的填料有金属粉末、石墨粉、氧化铝、石棉和玻璃纤维等。

稀释剂能降低胶粘剂的粘度，增加胶粘剂对被粘接物表面的浸润力，并有利于施工。凡能与胶粘剂混溶的溶剂均可作稀释剂。

（三）胶接条件和工艺过程

利用胶粘剂把彼此分离的物件胶接在一起，形成牢固接头的必要条件是：胶粘剂必须能够很好地浸润被胶接物的表面；在固化硬结后，胶层应有足够的内聚力而且胶粘剂与被胶接物件之间有足够的粘附力。

（四）胶粘剂在机械工程上的应用1．胶粘剂在机械设备修理方面的应用胶粘剂用