第九章-非金属材料和复合材料

机械基础

闫芳制作第九章非金属材料和复合材料非金属材料指工程材料中除金属材料以外的其他一切材料。非金属材料的原料来源广泛，自然资源丰富，成形工艺简单，具有一些特殊性能，应用日益广泛，已成为机械工程材料中不可缺少的重要组成部分。在机械工程中常用的非金属材料主要包括有机非金属材料、无机非金属材料和复合材料9.1非金属材料定义：是以有机高分子化合物为主要成分的材料，又称为高分子材料。分类：工程塑料、橡胶、粘结剂、油漆等。1、塑料的概述以合成树脂为基础，加入各种添加剂（如增塑剂、润滑剂、稳定剂、填充剂等）制成的。塑料的品种很多，按其使用范围可分为通用塑料、工程塑料。按合成树脂的热性能，可分为热塑性塑料和热固性塑料。2、塑料的分类一、塑料3、塑料的性能化学性能塑料具有良好的耐腐蚀性能，大多数塑料能耐大气、水、酸、碱、油的腐蚀，其中聚四氟乙烯能耐“王水”的腐蚀。因此工程塑料能制作化工机械零件及在腐蚀介质中工作的零件。物理性能塑料的密度小，相当于钢密度的l／4_1／7；热性能不如金属，遇热易老化、分解；塑料的导热性差，有良好的电绝缘性，塑料线膨胀系数大，一般为钢的3～10倍。力学性能一般塑料的强度、刚度和韧性都较差，其强度仅为30～150MPa；塑料具有良好的减摩性；塑料容易出现蠕变与应力松弛；塑料还具有良好的减振性和消声性。4、工程塑料工程塑料是指在工程技术中用做结构材料的塑料。目前工业上应用最多的非金属材料。工程上用的塑料种类很多。橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合剂而制成的高分子材料。橡胶具有弹性大（最高伸长率可达800％～1000％，外力去除后能迅速恢复原状），吸振能力强，耐磨性、隔声性、绝缘性好，可积储能量，有—定的耐蚀性和足够的强度等有点，其主要缺点是易老化。二、橡胶1、橡胶的组成橡胶是以生胶为基础加入适量的配合剂制成的高分子材料。其中生胶又分为天然与合成两类，橡胶制品的性质主要取决于生胶的性质。合成橡胶的品种很多，如丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶等。配合剂是为了提高和改善橡胶制品的性能而加入的物质。橡胶配合剂的种类很多，如硫化剂及其促进剂、软化剂、防老化剂、填充剂、发泡剂和着色剂等。如硫化剂的作用类似热固性塑料中的固化剂，它能改变橡胶分子的结构，提高橡胶的力学性能，并使橡胶具有既不溶解，也不熔融的性质，克服橡胶因温度升高而变软发粘的缺点。因此，橡胶制品只有经硫化后才能使用。天然橡胶常以硫磺作硫化剂。种类名称（代号）σb/MPaδ/%使用温度t/℃回弹性耐磨性耐碱性耐酸性耐油性耐老化用途举例通用橡胶天然橡胶（NR）17～35650～900-70～110好中好差差轮胎、胶带、胶管丁苯橡胶（SBR）15～20500～600-50～140中好中差差好轮胎、胶板、胶布、胶带、胶管顺丁橡胶（BR）18～25450～800-70～120好好好差差好轮胎、v带、耐寒运输带、绝缘件氯丁橡胶（CR）25～27800～1000-35～130中中好中好好电线(缆)包皮，耐燃胶带、胶管，汽车门窗嵌条，油罐衬里丁腈橡胶（NBR）15～30300～800-35～175中中中中好中耐油密封圈、输油管、油槽衬特种橡胶聚氨酯橡胶（UR）20～35300～800-30～80中好差差好耐磨件、实心轮胎、胶辊氟橡胶（FPM）20～22100～500-50～300中中好好好好高级密封件，高耐蚀件，高真空橡胶件硅橡胶4～1050～500-100～300差差好中差好耐高、低温制品和绝缘件2、常用的橡胶胶黏剂又称粘接剂，是以黏性物质环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、氯丁橡胶、丁腈橡胶等为基础，加入需要的添加剂(填料、固化剂、增塑剂、稀释剂等)组成的，俗称胶。环氧树脂胶黏剂凡是以环氧树脂为基料的粘接剂统称为环氧树脂粘接剂，简称为环氧胶。环氧胶是由环氧树脂、固化剂、各种添加剂组成的。环氧胶具有很强的粘合力，对大部分材料如金属、木材、玻璃、陶瓷、橡胶、混凝土、纤维、塑料、竹木、皮革、织物等都有良好的黏合能力，故有“万能胶”之称。三、胶黏剂酚醛树脂胶黏剂。酚醛树脂胶黏剂的粘接力强、耐高温，其缺点是性脆、剥离强度差。酚醛树脂胶是用量最大的品种之一。主要用于胶接木材、木质层压板、胶合板、泡沫塑料，也可用于胶接金属、陶瓷。其他常用的胶黏剂。如聚氨酯胶黏剂、瞬干胶、厌氧胶、无机胶黏剂等。聚氨酯胶黏剂胶膜柔软，耐油性好，但使用温度较低，可用于胶接金属、塑料、陶瓷、玻璃、橡胶、皮革、木材等多种材料；瞬干胶黏度小，适应面广。胶膜较脆，不耐水，耐热性和耐溶剂性较差。使用温度范围在-40～70℃，在室温下接触水汽瞬间固化。可胶接金属、陶瓷、塑料、橡胶等材料的小面积胶接和固化；厌氧胶工艺性好，毒性小，固化后的抗蚀性、耐热性、耐寒性均较好。使用温度范围在40～1500C。可用于防止螺钉松动、轴承的固定、法兰及螺纹接头的密封和防漏、填塞缝隙，也可用于胶接；无机胶黏剂有优良的耐热性，长期使用温度范围为800～10000C，胶接强度高，低温性能较好，耐候性极好，耐水、耐油性好。但耐酸、碱性较差，不耐冲击。可用于各种刃具的胶接，小砂轮的黏结，塞规、卡规的黏结，铸件砂眼堵漏，汽缸盖裂纹的胶补等。涂料指涂布在物体表面而形成具有保护和装饰作用膜层的材料。传统的涂料用植物油和天然树脂熬炼而成，称为“油漆”。随着石油化工和合成聚合物工业的发展，当前植物油和天然树脂已逐渐为合成聚合物改性和取代，涂料所包括的范围已远远超过“油漆”原来的狭义范围。当前，涂料的品种有上千种，用于防腐的涂料有防锈漆、底漆、大漆、酚醛树脂漆、环氧树脂漆以及某些塑料涂料如聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等。四、涂料在建筑工程中，习惯上把用于控制室内热量外流的材料称为保温材料。材料的保温性能用热导率来评定。一般常用的保温材料可分为l0大类：珍珠岩类、蛭石类、硅藻土类、泡沫混凝土类、软木类、石棉类、玻璃纤维类、泡沫塑料类、矿渣棉类、岩棉类，其相关性能可参阅有关手册。五、保温材料力学性能与金属材料相比，陶瓷具有很高的弹性模量和硬度(维氏硬度>1500]抗压强度较高，但脆性较大，韧性较低，抗拉强度很低。热性能陶瓷材料的熔点高，抗蠕变能力强，具有比金属高得多的耐热眭，红硎可达l000℃以上，热膨胀系数和导热系数小，是优良的绝热材料。但陶瓷的抗急冷急热的性能差。化学性能陶瓷的组织结构非常稳定，即使在10000C也不会被氧化，不会被酸碱、盐和许多熔融的金属(如有色金属银、铜等)侵蚀，不会发生老化。电性能陶瓷材料的导电性变化范围很广。大多数陶瓷都是良好的绝缘体。但煳制了不少具有导电性的特种陶瓷，如氧化物半导体陶瓷等。一、陶瓷材料1、陶瓷的基本性能陶瓷的种类很多，按照陶瓷的原料和用途不同，可分为普通陶瓷和特种陶瓷两类。以石英等为原料，经过原料加工、成形和烧结而成。广泛用于人们的日常生活、建筑、卫生、{力及化工等领域。如餐具、艺术品、装饰材料、电器支柱、耐酸砖等。2、陶瓷材料的应用特种陶瓷是化学合成陶瓷。它以化工原料(如氧化物、氮化物、碳化物等)经配料、成形、烧结而制成。根据其主要成分，又可分为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。3、特种陶瓷复合材料一般由基体相和增强相构成。基体相起形成几何形状和粘结作用；增强相起提高强度、韧性等的作用。1、复合材料的组成9.2复合材料复合材料由两种或两种以上性质不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料，称为复合材料。纤维增强复合材料这类复合材料是以玻璃纤维、碳纤维等陶瓷材料作增强相，复合于塑料、树脂、橡胶和金属等为基体相的材料中而制成的。如橡胶轮胎、玻璃钢、纤维增强陶瓷等都是纤维增强复合材料。层叠复合材料这类复合材料是由两层或两层以上不同材料复合而成的。如五合板、钢一铜一塑料复合的无油润滑轴承材料等就是层叠复合材料。颗粒复合材料这类材料是由一种或多种颗粒均匀分布在基体相内而制成的。硬质合金就是WC—C0或WC—TiC—C0等组成的颗粒复合材料。2、复合材料的分类1）玻璃纤维增强复合材料以玻璃纤维为增强材料，以热塑性发热固性塑料为基体材料组成的复合材料，又称玻璃钢。强度、弹性模量、耐热性、抗疲劳性和抗蠕变性均较高。二、常用纤维增强复合材料2）碳纤维复合材料

以碳纤维为增强材料，以树脂、石墨、陶瓷或金属味基体组成的复合材料。主要用于制作齿轮、轴承、活塞、密封环、化工器材零件、航空航天飞行器的机架、壳体、火箭、卫星装置、雷达天线构架等重要器件。断裂包括静载荷或冲击载荷下的断裂、疲劳断裂、应力腐蚀破裂等。表面损伤包括过量磨损、接触疲劳(点蚀或剥落)、表面腐蚀等。过量变形包括过量的弹性变形、塑性变形和蠕变等。不论哪种过量变形，都会造成零件(或工具)尺寸和形状的变化，改变了它们的正确使用位置，破坏了零件或部件问相互配合的关系，使机器不能正常工作。1、机械零件的失效形式9.3机械工程材料的选用一、零件的失效形式和选材原则材料的使用性能应满足