以塑代钢高教课堂.ppt

以以塑塑代代钢钢§1.塑料的优点 §2.金属替代指导§3.选择标准§4.工作温度§5.硬度 §6.耐冲击性能§7.抗撕裂性能 §8.耐化学性§9.耐紫外辐射性能 §10.耐伽玛射线性能§11.应用实例 1教学运用塑料的优点塑料的优点§ 在目前非常激烈竞争的市场环境下，为了提高产品的竞争力，制造商们投入了很大精力在产品的区分上，以保持好的盈余率和低的成本这个区分主要是通过设计、视觉外观或者是随着新功能性的发展需要更小型、更成熟的系统来完成的部件的经济合理化是工业上的另一个重要趋势，例如在汽车、设备、电子和医疗领域，因为这样增加了终端产品的可靠性，同时降低总成本§ 因为这些原因，塑料替代金属和其它一些传统的材料就成为许多市场产品经营的主要策略之一§ 而且这个趋势也在迅速加快，因为塑料比之于金属有着更多的优点所有这些优点导致了巨大的生产力的提高和产品的区分 2教学运用塑料的优点塑料的优点§与塑料相比，金属仍然保持着一些优点，例如：更高的强度和硬度、本身具有的导热和导电性和阻燃性§　　替代金属这一巨大的潜能贯穿整个工业，目前塑料替代金属应用已经占了总量的15％ §　　具有特制外形的高性能材料的发展，先进工具的使用使得设计和模塑工具达到优化，这些条件合在一起将会使得这一替代发展趋势得到极大的促进。

§　　在这个金属替代中心里，我们提供给你一个关注于这个发展趋势的专区，目的是为了引导你选择更合适的替代材料，并提供给你解决方案和革新措施3教学运用塑料比较金属的优点4教学运用金属替代指导金属替代指导§对于制造商们，驱使他们把金属用塑料替代的动力是降低成本、设计的灵活性以及减轻重量的这三个元素的复合因为这个原因，用塑料替代金属的过程不仅受原材料选择的限制，而且包含一些其它需要考虑的事项，如制造（加工和二次加工）、规章和设计这个替代过程很难得到最优的性价比，因为塑料的使用性能和加工性能与金属的大不相同 §替代金属的典型过程如图1所示：§前三步是关键的，因为实现从第四步到第六步的改变需要花费更多的时间和金钱5教学运用请参考以下一些基本的建议来优化你的设计过程 §1. 考虑“系统”并且清楚地定义关键的功能性，而不是考虑“个体部分”§2. 清楚地规定你需要的要求，例如耐疲劳性、硬度、延展性、最高和最低使用温度以及使用环境（耐化学性、耐压裂性，防紫外线……） §3. 清楚地区分“必须要有”和“最好要有”的要求很多情况下，性能的折衷是必要的并且也可能会使用更便宜的材料§4. 设计时尽量使你的加工与二次加工过程最小化，因为这些过程通常花费巨大。

§5. 使你的设计在体积和硬度上达到最优化，并且可以考虑使用增强骨架，这样可以导致产品具有更薄的厚度、更轻的重量和更小的体积，从而使最终的产品成本最小化6教学运用设计你的产品时要考虑以下几点：§- 焊缝:§　　避免它们处于可见区域§　　它们可能会成为弱点§　　门的位置能够决定它们所处的位置§- 壁厚: §　　在降温时在大量的洞上会有很大的冲击力§- 残留的压力: §　　避免产品内有残留的压力 §　　这可能会导致弯曲和早期断裂§　　这能被门、壁厚和设计选择所控制§- 表面抛光: §　 如果模塑的表面需要被磨光或者糙化时详细说明§- 尺寸公差: §　　更好的公差也就意味着每个模具上有很少的空洞7教学运用选择标准 §材料的选择标准材料的选择标准§正确地选择材料不是一项简单的工作，因为需要考虑很多因素，以使得成本尽可能低完美的材料并不存在，在大多数情况下，你必须在不同的性能之间折衷平衡，并且要清楚地明白什么性能是“必须要有的”，什么性能是“最好要有的”图1展示了在选择材料时需要考虑的主要因素：8教学运用工作温度 §选择材料时需要考虑的一个关键因素就是材料的耐热性§通常来讲，如果想使材料的最大工作温度提高就相应需要增加更多的成本。

填充剂的加入能够极大地提高材料的硬度和热变形温度，而且，对于高性能的和专用的聚合物来廛，玻璃纤维的加入能使成本大辐下降因为这些，在聚合物中填充玻璃纤维经常用于替代金属一途§图1比较了常用来替代金属的玻璃纤维填充聚合物的最大工作温度和热变形温度9教学运用工作温度§在高性能材料中加入碳纤维可以使材料的硬度和热变形温度大辐提高与填充玻璃纤维相比填充碳纤维有以下优点：§更高的硬度 §更低的密度 §良好的导电性 §良好的摩擦性能 §因为这些原因，碳纤维经常被用在汽车的燃料输送线和燃料系统上10教学运用硬度§金属比较于塑料最大的优点之一就是它们具有很高的硬度（平均值比较要比塑料的高8倍）然而，在许多实际应用中，并不需要这么高的硬度，如果有必要的话，还可以通过灵活的设计、骨架增强和低密度来进行补充§在很多情况下，硬度也是一个关键的性能 §填充剂和纤维的影响§填充剂和纤维的加入都可以极大地提高材料的硬度§当表面外观并不是一个主要关心的问题时，玻璃纤维由于其高的性价比被经常使用然而，玻璃纤维会使材料产生各向异性，降低了它的加工性能，同时易磨损§当需要关注产品的外观时，则可以加入一些矿石填充剂，如碳酸钙、滑石、硅灰石、云母都是很好的选择。

然而材料的硬度和热变形温度都要比填充玻璃纤维的材料低很多11教学运用硬度§档次较高的产品，可以选用碳纤维作为填充剂，它可以赋予材料非常高的硬度填充碳纤维的其它优点有：§导电性 §极好的摩擦性能 §低密度 §图1比较了常用来替代金属的聚合物的硬度（未填充的和填充了30％玻璃纤维的材料）§填充玻璃纤维的高结晶度的聚合物的弯曲模量高于10GPa：聚丁二醇酯PBT，聚甲醛POM，聚乙二醇酯PET，聚苯硫醚PPS，聚醚醚酮PEEK，液晶树脂LCP在这些材料中，液晶树脂LCP具有最高的硬度且有最高的各向异性12教学运用耐冲击性能耐冲击性能§在许多实际应用中，耐冲击性能是一个关键的性能图1比较了室温下常用的替代金属的聚合物的冲击性能（未填充的和填充了30％玻璃纤维的）§在这些材料中，对于未填充的材料，聚碳酸酯PC和它的混合物：聚碳酸酯PC/ABS树脂和聚碳酸酯PC/聚丁二醇酯PBT具有高的耐冲击性能§当持续工作温度不超过100-120°C时，这些材料都是极好的选择§对于填充玻璃纤维的材料有更高的硬度，液晶高分子LCP表现了杰出的性能13教学运用耐冲击性能耐冲击性能§冲击性能改性剂的影响冲击性能改性剂的影响§冲击性能改性剂的添加能够使许多脆性聚合物材料的韧性得到很大的增强。

§聚合物的韧性由它自身、冲击改性剂的份量和改性剂在基体中分散的质量共同决定§然而，在所有的情况下你必须和硬度、耐化学性和加工性能相结合折衷考虑14教学运用抗撕裂性能抗撕裂性能§自润滑性和耐磨损性§塑料替代金属的一个很有前景的领域就是磨擦应用方面，例如齿轮、泵转子、引擎部件、刹车部件、滑动部分等等在这一领域，塑料具有以下优点：§设计的灵活性 §减轻重量 §不使用润滑自润滑性 §降低噪声 §因为这些迫切的应用需要，就要求材料具有低的动态摩擦和好的耐磨损性，以避免在接触的界面上生热，因此要做到以下几点：§避免机械性能的降低 §使材料的磨损最小化 §避免平滑现象 15教学运用抗撕裂性能抗撕裂性能§只有很少的材料自身就具备很好的自润滑性和耐磨损性，因此，材料本身的这些性能通常不能满足工业的要求，因为这个原因，磨擦材料常含有层状填充剂、硅油和一些聚合物这些物质，聚四氟乙烯PTEE就是商品中常使用的一种聚合物§在某些情况下，最终材料的选择也将依赖于工作温度、硬度或耐化学性§图1比较了常用来替代金属的聚合物材料的硬度和热变形温度16教学运用抗撕裂性能 §常用的用于降低材料摩擦系数的组分有：石墨、氧化钼、聚四氟乙烯PTEE、硅油或高分子量的硅树脂。

添加碳纤维也是一个不错的选择，特别是对于那些需要非常高的硬度的应用场合§添加碳纤维的润滑配合体系（聚四氟乙烯PTEE和有机硅或无机硅）将会使材料具备相当低的动态摩擦系数17教学运用耐化学性 § 1. 耐弱酸性能§ 2. 耐强酸性能§ 3. 耐弱碱性能§ 4. 耐强碱性能§ 5. 耐有机溶剂性能§ 6. 耐烃类溶剂性能§ 7. 耐酒精性能§ 8. 耐燃料性能18教学运用耐化学性耐化学性§在一些应用场合里，例如引擎部分、泵部分、燃料输送线、高性能的管道和配§件，这些材料要耐受苛刻的工作条件，在高温下仍要耐很多化学试剂，并且要长§期保持它们的机械力学性能和尺寸稳定性§在许多情况下，有着较高玻璃化温度（Tg）的半结晶聚合物能够提供最好的成§本与耐化学性的性价平衡在这些半结晶性聚合物中，例如氟聚合物、聚苯硫醚§PPS, 聚醚醚酮PEEK, 液晶高分子LCP都是极好的选择，尤其是需要在高温下保持好的耐化学性的场合与半结晶聚合物相比，无定形聚合物通常有着杰出的耐§化学性，特别是对于有机溶剂、烃类和燃料§冲击改性剂的效果§为了满足工业要求，许多聚合物中都含有冲击性能改性剂，在绝大多数情况下，冲击改性剂加入工程塑料或者高性能的聚合物中会极大地减小它对于燃料、烃类和其它有机溶剂的耐受性。

但冲击性能也限制了一些材料在一些场合的应用，一个极好的例子就是聚苯硫醚PPS，它在高温下有杰出的耐化学性，但是它的冲击性能偏于中低§点击以上一类化学物质，可以比较聚合物与传统的金属替代物C的耐化学性19教学运用1. 耐弱酸性能§下图展示了一些能替代金属的聚合物对于弱酸弱酸的耐化学性：20教学运用2. 耐强酸性能§下图展示了一些能替代金属的聚合物对于强酸强酸的耐化学性： 21教学运用 3. 耐弱碱性能§下图展示了一些能替代金属的聚合物对于弱碱弱碱的耐化学性：22教学运用4. 耐强碱性能§下图展示了一些能替代金属的聚合物对于强碱强碱的耐化学性： 23教学运用5. 耐有机溶剂性能§下图展示了一些替代金属的聚合物对有机溶剂的耐化学性： 24教学运用6. 耐烃类溶剂性能§下图展示了一些能替代金属的聚合物对于烃类溶剂的耐化学性： 25教学运用7. 耐酒精性能§下图展示了一些能替代金属的聚合物对于酒精的耐化学性： 26教学运用8. 耐燃料性能§下图展示了一些能替代金属的聚合物对于燃料的耐化学性： 27教学运用耐紫外辐射性能 §当一个制品持续暴露于紫外光下，或§者它被用于户外，这样的材料需要有§极好的耐紫外辐射性能。

这样的应用§如汽车、运输工具、照明设备等等都§需要有极好的耐气候性按照一般的规则解决聚合物的耐紫外§辐射性能是不可完的，因为这极大地§依赖于材料的化学结构和特殊的老化§机理含有双键的聚合物通常对紫外§光更为敏感（如ABS树脂）§图1比较了常用的替代金属的聚合物§的耐紫外辐射性能在很多情况下，§应用于耐紫外辐射的材料含有紫外光§稳定剂或者碳黑 28教学运用耐紫外辐射性能§冲击性能改性剂的影响冲击性能改性剂的影响§添加冲击性能改性剂的材料通常比不加的基体本身耐紫外辐射性能更差，这个规§则对于含有双键的聚合物进行冲击性能改性后更为准确，如§三元乙丙橡胶EPDM，抗冲改性剂MBS树脂，丁二烯-苯乙烯共聚物SBS树脂§酸类和基团的影响酸类和基团的影响 §酸和基团的影响来自于聚合过程、添加剂的分解、填料和外部环境（如化工§厂），它们对于材料的耐气候性有负面影响§聚合物如聚碳酸酯或聚酰胺中少量或痕量的基团（氢氧化钠、胺）对材料的耐气§候性也有不利的影响这些基团能常会促使酯基交换反应，从而导致聚合物老化§和泛黄在聚碳酸酯中只要有痕量的ppm级的钠就足以使材料的颜色稳定性、水§解稳定性和最终的老化性能受到极大的影响。

§因为这些原因，聚合物的纯度和添加剂的纯度就必须受到重视，它们是提高材料的耐气候性时需要考虑的至关重要的因素29教学运用耐伽玛射线性能 §在一些专用的场合里，材料要经常暴露在§伽玛射线下，这特别是在一些医疗应用§上，经常需要进行定期的杀菌消毒通§常，含有双键或者大量脂肪族单元的材料§不具备好的耐伽玛射线的能力例如一些§对伽玛射线耐受力很差的材料，如：§ABS树脂, 聚甲醛POM, 聚丙烯PP……§在医疗应用上，如外科手术工具、牙科工§具、过滤的器具等等，这些材料都应当§有好的耐水性，耐蒸汽性和好的耐化学性§对于要求高的场合，一些材料，例如PSU, PPSU, PEEK, LCP, PEI，都是极好§的选择，对于要求稍低的场合，聚碳酸酯§是一个有很好性价比的选择§表1比较了替代传统的金属材料的各种塑§料的耐伽玛射线能力30教学运用应用实例 31教学运用能提供更高安全性、耐用性和消声性能的张紧轮材料§市场: 汽车§聚合物聚合物 : DSM PA46 §主要性能 §极好的耐磨损性 §极好的抗化学品性§极好的机械性能§ PA46具有比PA66更高的耐磨损性能 Stanyl的刚性以及本身具有的纤维状结构使得张紧轮很容易达到汽车本身的寿命。

§Stanyl的优点为：§比高分子量PA66具有更好的耐磨损性能§在温度很差的条件下具有很好的抗蠕变性能32教学运用聚酰胺46：使用温度较宽的耐用齿轮材料 §发动机启动器齿轮 §市场: 齿轮 发动机的启动器§聚合物聚合物:Stanyl TW200F8§ §主要性能： §极好的耐磨损性和耐高温性能 §比刚才具有更轻的质量和更好的耐腐蚀性 §极好的抗扭矩性能（在高温状态下能承受§重负荷） §在高温状态下具有较高的剪切模量 §发动机启动器齿轮:使用的温度范围需要§一种特殊的材料 §发动机启动器发明已经有100多年的历史§了，它主要是利用电池里储存的能量，将§其转换成成千上万的机械能，从而带动发§动机的旋转这个启动器是以各种形式安§装并附在发动机上的因此需要一种使用§温度能在-40°C 到 130°C之间的材料 33教学运用应用在燃料轨道的金属替代方案 §市场：汽车 >> 燃料轨道§聚合物：聚合物： 聚苯硫醚聚苯硫醚 (PPS)§目的：替代金属 §主要性能:§在湿度很大和特殊化学品条件下具有很好的尺寸稳定性§高温状态下具有很高的抗蠕变性能§流动性好，易加工§极好的放水解性 §Fortron PPS 1140L4是一种硬质、耐用的高性能树脂，特别适合于地下的一些耐高温应用。

§这种材料有很好的抗汽油或其他的燃料（酒精、硝化甘油及其他的汽车燃料）的§性能因为其流动性好，在通常的注塑压力下就能获得很光滑的表面，同时，还§能防止液体或气体的缭乱和气穴现象 § Fortron PPS 1140L4可以节约成本个减少材料的使用量： §减少加工过程的复杂性、总的循环时间和配件的总量 §减少了一些错误的资源 §避免将笨重的金属熔融然后再重新组合形成新的产品 34教学运用利用高性能聚合物替代金属以生产高利用高性能聚合物替代金属以生产高性能齿轮性能齿轮§市场:汽车, 航行器§聚合物聚合物: 聚醚醚酮聚醚醚酮(PEEK) §主要性能: §极好的抗疲劳性能 §在高温状态下有很好的机械强度 §良好的抗化学品性能 §良好的消声性能 §VICTREX PEEK 的性能 §VICTREX PEEK Technical University of §Berlin大学和Birmingham大学研发而成§实验证明，在发动机机油条件下，§VICTREX PEEK的使用温度为248°F 到 §302°F (120°C 到150°C)转塑为§3000 rpm，扭矩为3 到 27 Nm §实验结果很清楚地证明了VICTREX §PEEK的优越性能，也是替代金属材料的§最好的材料之一。

 §性能优越、质轻、消声、低成本是§VICTREX的最大的优点 35教学运用长纤增强热塑性塑料（LFRT）替代金属材料 §市场: 汽车和交通工具§聚合物聚合物: 长纤增强热塑性长纤增强热塑性PA66 §主要性能:§-高硬度§-很低CTE§生产Concentric Slave Cylinder (powertrain)的材料的挑战 §水压传动可以在一定的距离内输送物体，并且可以获得一定的机械能§比如刹车片和离合器等§LFRT 是替代金属材料的最好的选择，是因为其具有如下优良的性能： §-高硬度§-质轻§-比轻金属（如：铝）具有更高的模量 §其他用途§- 工具箱§- 行李架§- Fan shrouds§- 轮子和齿轮36教学运用长纤增强热塑性塑料（长纤增强热塑性塑料（LFRT）替代）替代金属材料金属材料§市场市场: 交通/车辆聚合物聚合物: 长纤增强热塑性聚丙烯   主要性能主要性能:§ - 具有很好的低温抗冲击强度 - 低温状态下具有很好的挠曲强度  - 很好的耐疲劳性 - 耐候性好 §Celstran LFRT可以替代金属材料，在保留强度和耐用性的情况下，降低成本注塑成型的车架是由Celstran PP GF40 02 LFRT做成的，这种材料含有40％的长玻纤。

其抗冲击强度在72°C为5.1 ft-lb/inch，在-40°C为6.7 ft-lb/inch其挠曲强度在72°C下为27,000 PSI，在-40°C下为42,600 PSI同时，这种树脂还具有很好的抗蠕变性能，并且易加工，抗紫外线，同时还具有耐化学品的性能所以，材料的耐候性比较好，而且不会被腐蚀 § 与金属材料相比，Celstran LFRT具有如下优点：- 质量较轻- 易加工- 不易被腐蚀 37教学运用工业泵/化学泵部件用金属替代材料 §市场市场:工业/工程 聚合物聚合物: 聚醚醚酮 (PEEK)   主要性能主要性能: 高温状态下就有很好的抗化学品性能  耐磨损性强  与金属相比具有更好的消声效果  尺寸稳定性好§VICTREX PEEK的优点的优点:§很好的尺寸稳定性和热稳定性 §具有很好的耐摩擦性能 §抗水解 §自润滑 §使用寿命长 §加工周期短，成本低 §水分含量低 §消声 38教学运用结束    Q&A39教学运用。