工程材料及热处理10高分子材料与复合材料

10非金属材料及复合材料

10.1高分子材料10.2陶瓷材料10.3复合材料10.1高分子材料10.1.1高分子材料基本知识高分子材料是指以碳元素为分子骨架的有机高分子化合物为基础的材料。高分子化合物也称高聚物，通常是指相对分子质量在5000以上的有机化合物。高分子化合物具有良好的强度、弹性和塑性，这是低分子化合物所不具备的。当今各类工程中使用的高分子材料主要包括塑料、橡胶和胶黏剂等，几乎都是人工合成方法制成的。10.1.2塑料塑料是以树脂为主要成分，在一定的温度和压力下可制成一定的形状，并在常温下能保持既定形状的材料。塑料制品塑料的分类按树脂的成分及性能可将塑料分为热塑性塑料和热固性塑料。

按应用范围可将塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三类。

通用塑料产量大、价格低、用途广。工程塑料力学性能高，耐热、耐蚀性能好。特种塑料是指具有某些特殊性能如耐高温、耐腐蚀的塑料，这类塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要的场合电器配件塑料的性能特点塑料的优点主要有：良好的电绝缘性、良好的耐腐蚀性、良好的加工成型性、密度小质量轻、良好的可调性、良好的隔音和隔热性、摩擦系数小并具有自润滑能力。塑料的可调性是指可通过多种途径来调整塑料的性能，以满足不同的使用要求。随着塑料工业的发展，这一特点越来越突出，已成为塑料工业一个发展方向。大部分塑料都可以直接采用注塑或挤压成形工艺，成型容易、工艺简单、生产率高且成本低。不需要像金属加工那样复杂的车、铣、刨等工序。塑料性能的不足之处有：强度和硬度低、耐热性差、膨胀系数大，受热易变形、易老化、易蠕变等。常用塑料聚乙烯(PE)：聚乙烯是热塑性塑料，也是目前世界上塑料工业产量最大的品种。其特点是具有优良的耐腐蚀性和电绝缘性，可以作为化工设备与贮罐的耐腐蚀涂层衬里、化工耐腐蚀管道、阀件、衬套等。可应用于电线电缆的绝缘材料等。另外，聚乙烯无毒无味，可制作食品包装袋、奶瓶、食品容器等。

聚氯乙烯(PVC)：聚氯乙烯也是热塑性塑料，产量仅次于聚乙烯。使用温度为-15～55℃。聚氯乙烯耐化学腐蚀、不燃烧、成本低、加工容易。但它耐热性差，冲击强度较低，还有一定的毒性。硬质PVC常用于代替不锈钢，制作化工设备、耐蚀容器等；软质PVC加入30%～40%增塑剂，制作耐酸碱软管、电线包皮或绝缘层、薄膜等；发泡PVC加入发泡剂，用于隔音、隔热、防震包装等。密封件聚四氟乙烯管聚四氟乙烯零件聚四氟乙烯（F-4）俗称“塑料王”熔点为327℃，具有优异的耐化学腐蚀性，不受任何化学试剂的侵蚀，即使在高温下及强酸、强碱、强氧化剂中也不受腐蚀，故有“塑料王”之称。它还具有较突出的耐高温和耐低温性能，在-195～+250℃范围内长期使用其力学性能几乎不发生变化。它的摩擦系数小（0.04），有自润滑性，吸水性小，在极潮湿的条件下仍能保持良好的绝缘性。主要用于制作减摩密封件，化工机械的耐腐蚀零件及在高频或潮湿条件下的绝缘材料，常用作化工设备的管道、泵、阀门，各种机械的密封圈、活塞环、轴承及医疗代用血管，人工心脏等。聚碳酸脂（PC）、聚苯乙烯(PS)、聚甲醛（POM）、聚丙烯(PP)、ABS塑料等。PE管PP方向盘ABS阀门PS管10.1.3橡胶橡胶是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料。橡胶在外力作用下，很容易发生极大的变形、当外力去除后，又恢复到原来的状态，是一种在很宽温度范围（-50～150℃）内具有高弹性的高分子化合物。橡胶还有良好的储能能力和良好耐磨、隔音、绝缘等性能。因而广泛用于制作减振件、密封件、传动件、轮胎和电线等制品，起着其它材料所不能替代的作用。常用橡胶简介密封圈胶管轮胎丁苯橡胶（SBR）丁苯橡胶是应用最广、产量最大的一种合成橡胶。是丁二烯和苯乙烯共聚物。丁苯橡胶的性能主要受苯乙烯含量的影响，随苯乙烯含量的增加，橡胶的耐磨性、硬度增大而弹性下降。丁苯橡胶比天然橡胶质地均匀，耐磨性、耐热性和耐老化性好且价格低廉。它能与天然橡胶以任意比例混用，在大多数情况下可代替天然橡胶，用于制造轮胎、胶布、胶板等。丁苯橡胶的缺点是弹性、机械强度、耐挠曲龟裂、耐撕裂、耐寒性等较差，其加工性能也较天然橡胶差。

顺丁橡胶（BR）顺丁橡胶是丁二烯的聚合物。其原料易得，发展很快，产量仅次于丁苯橡胶。顺丁橡胶的特点是具有较高的耐磨性，比丁苯橡胶高26%。缺点是强度较低，抗撕裂性差，加工性能与自黏性差。顺丁橡胶一般多和天然橡胶或丁苯橡胶并用，主要用于制作减振器、橡胶弹簧、电绝缘制品等，也用于制造轮胎、，胶带、胶管、胶鞋等制品。

10.1.4合成胶黏剂胶黏剂又称粘合剂或胶，是能把两个固体粘接在一起并在结合处有足够强度的物质。它可将各种零件、构件牢固地胶结在一起，有时可部分代替铆接或焊接等工艺。由于胶粘工艺操作简便，接头处应力分布均匀，接头的密封性、绝缘性和耐蚀性较好，且可连接各种材料，所以在工程中应用日益广泛。合成胶黏剂一般是以聚合物为基本组分的多组分物质。它的组分中包括黏性料、固化剂、增塑剂、增韧剂、填料、溶剂和其他辅料。10.2陶瓷材料陶瓷材料是指以天然矿物或人工合成的各种化合物为基本原料，经粉碎、配料、成形和高温烧结等工序而制成的无机非金属材料。当今的陶瓷材料与金属材料、高分子材料一起构成了工程材料的三大支柱。它具有熔点、硬度和抗压强度高和耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优异性能，在许多场合已经成为金属材料和高分子材料所不能替代的重要结构材料和具有特殊性能的功能材料。常用陶瓷性能特点及应用陶瓷材料通常分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。普通陶瓷（传统陶瓷）一般采用黏土、长石、石英等天然原料烧结而成。按其性能和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷和多孔陶瓷等。特种陶瓷（现代陶瓷）是指采用高纯度人工合成原料制成具有特殊物理化学性能的新型陶瓷（包括功能陶瓷）。特种陶瓷除具有普通陶瓷的性能外，还具有适合工程需要的某种特殊性能，包括高温陶瓷、金属陶瓷和压电陶瓷等。主要用于化工、冶金、机械、电子等行业和某些新技术中。特种陶瓷包括高温陶瓷、金属陶瓷和压电陶瓷等，在机械工程上应用最多的是高温陶瓷，而高温陶瓷包括氧化物（Al2O3、MgO、ZrO2、BeO等）陶瓷和非氧化物（SiC，Si3N4等）陶瓷。Si3N4轴承立方氮化硼刀片10.3复合材料复合材料是通过人工设计和合成，由两种或两种以上性质不同的材料由人工制成的一种的新型的多相固体材料。不同的非金属材料之间、非金属材料和金属材料之间以及不同的金属材料之间均可以进行复合。复合材料的优越性在于它的性能比其组成材料要好得多。不同材料复合时，通常由一种材料作为基体材料，起粘结作用，另一种材料作为增强体材料，起承载和强化作用。10.3.1复合材料的基本类型复合材料按基体类型可分为金属基复合材料、高分子树脂基复合材料和陶瓷基复合材料三类。目前应用最多的是高分子基复合材料和金属基复合材料。复合材料按增强相的种类和形状可分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和层状增强复合材料。其中，发展最快，应用最广的是各种纤维（玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等）增强的复合材料。复合材料按性能可分为功能复合材料和结构复合材料。目前已经大量应用的主要是结构复合材料。10.3.2常用复合材料特点与应用10.3.4.1玻璃纤维增强复合材料玻璃纤维增强复合材料通常称为“玻璃钢”。是以树脂为基体，玻璃纤维为增强体的复合材料。它的基体可以是热塑性塑料，如尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯等；也可以是热固性塑料，如环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等。10.3.4.2碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料是以碳纤维和和环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等组成复合材料。它克服了玻璃钢的缺点，具有较高的强度和弹性模量，同时保持了玻璃钢的许多优点，而且许多性能优于玻璃钢。它的强度和弹性模量都超过铝合金，而接近高强度钢，完全弥补了玻璃钢弹性模量小的缺点。它的比强度和比模量在现有复合材料中最高。它还有优良的耐磨、减磨及自润滑性、耐腐蚀性、耐热性等优点。不足的是碳纤维与树脂的黏结力不够大，各向异性明显。碳纤维树脂复合材料常用作活塞、齿轮和轴承等承载零件和耐磨零件，以及有抗腐蚀要求的化工机械零件，如容器、管道、泵等，还用于制作航空航天飞行器的外层、人造卫星和火箭的机架、壳体等。10.3.4.3夹层复合材料夹层复合材料是一种由上下二块薄面板和芯材构成的夹心结构复合材料，面板可以是金属薄板，如铝合金板、钛合金板、不锈钢板、高温合金板，也可以是树脂基复合材料板。芯材则采用泡沫塑料、波纹或蜂窝芯。用作涡轮喷气发动机热端的结构件10.3.4.4碳/碳复合材料碳纤维增强碳基复合材料简称碳/碳复合材料（或C/C复合材料），是以碳（或石墨）纤维及其织物为增强材料，以碳（或石墨）为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。这种以碳纤维增强碳基体的C/C复合材料除能保持碳（石墨）原来的优良性能外，又能克服它的缺点，大大提高了韧性和强度，降低了热膨胀系数，尤其是相对密度小，具有很高的比强