材料科学与工程基础教案一常用非金属材料.ppt

第十一章常用非金属材料Usual Nonmetallic Materials 非金属材料包括除金属材料以外几乎所有的材料，主要有各类高分子材料（塑料、橡胶、合成纤维、部分胶粘剂等）、陶瓷材料（各种陶器、瓷器、耐火材料、玻璃、水泥及近代无机非金属材料等）和各种复合材料等本章主要介绍高分子材料、陶瓷和复合材料工程材料仍然以金属材料为主，这大概在相当长的时间内不会改变但近年来高分子材料、陶瓷等非金属材料的急剧发展，在材料的生产和使用方面均有重大的进展，正在越来越多地应用于各类工程中非金属材料已经不是金属材料的代用品，而是一类独立使用的材料，有时甚至是一种不可取代的材料第一节高分子材料Polymers高分子材料又称为高聚物，通常，高聚物根据机械性能和使用状态可分为橡胶、塑料、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类各类高聚物之间并无严格的界限，同一高聚物，采用不同的合成方法和成型工艺，可以制成塑料，也可制成纤维，比如尼龙就是如此而象聚氨酯一类的高聚物，在室温下既有玻璃态性质，又有很好的弹性，所以很难说它是橡胶还是塑料一、塑料一、塑料 按照应用范围，塑料分为三种通用塑料 通用塑料主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料等六大品种。

这一类塑料的特点是产量大、用途广、价格低，它们占塑料总产量的3/4以上，大多数用于日常生活用品其中，以聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯这四大品种用途最广泛1）聚乙烯（PE）生产聚乙烯的原料均来自于石油或天然气，它是塑料工业产量最大的品种聚乙烯的相对密度小（0.910.97），耐低温，电绝缘性能好，耐蚀性好2）聚氯乙烯（PVC）聚氯乙烯是最早工业生产的塑料产品之一，产量仅次于聚乙烯，广泛用于工业、农业和日用制品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，还有一定的毒性聚氯乙烯要用于制作食品和药品的包装，必须采用共聚和混合的方法改进，制成无毒聚氯乙烯产品3）聚苯乙烯（PS）聚苯乙烯是三十年代的老产品，目前是产量仅次于前两者的塑料品种它有很好的加工性能，其薄膜具有优良的电绝缘性，常用于电器零件；它的发泡材料相对密度小（0.33），有良好的隔音、隔热、防震性能，广泛应用于仪器的包装和隔音材料聚苯乙烯易加入各种颜料制成色彩鲜艳的制品，用来制造玩具和各种日用器皿4）聚丙烯（PP）聚丙烯工业化生产较晚，但因其原料易得，价格便宜，用途广泛，所以产量剧增它的优点是相对密度小，是塑料中最轻的，而它的强度、刚度、表面硬度都比PE塑料大；它无毒，耐热性也好，是常用塑料中唯一能在水中煮沸、经受消毒温度（130）的品种。

但聚丙烯的粘合性、染色性、印刷性均差，低温易脆化，易受热、光作用而变质，且易燃，收缩大聚丙烯有优良的综合性能，目前主要用于制造各种机械零件，如法兰、齿轮、接头、把手、各种化工管道、容器等，它还被广泛用于制造各种家用电器外壳和药品、食品的包装等工程塑料 工程塑料是指能作为结构材料在机械设备和工程结构中使用的塑料它们的机械性能较好，耐热性和耐腐蚀性也比较好，是当前大力发展的塑料品种这类塑料主要有：聚酰胺、聚甲醛、有机玻璃、聚碳酸酯、ABS塑料、聚苯醚、聚砜、氟塑料等1）聚酰胺（PA）聚酰胺又叫尼龙或锦纶，是最先发现能承受载荷的热塑性塑料，在机械工业中应用比较广泛它的机械强度较高，耐磨、自润滑性好，而且耐油、耐蚀、消音、减震，大量用于制造小型零件，代替有色金属及其合金2）聚甲醛（POM）甲醛是没有侧链、高密度、高结晶性的线型聚合物，性能比尼龙好，但耐候性较差聚甲醛按分子链化学结构不同分为均聚甲醛和共聚甲醛聚甲醛广泛应用于汽车、机床、化工、电器仪表、农机等3）聚碳酸酯 聚碳酸酯是新型热塑性工程塑料，品种很多，工程上常用的是芳香族聚碳酸酯，其综合性能很好，近年来发展很快，产量仅次于尼龙聚碳酸酯的化学稳定性也很好，能抵抗日光、雨水和气温变化的影响，它的透明度高，成型收缩率小，制件尺寸精度高，广泛应用于机械、仪表、电讯、交通、航空、光学照明、医疗器械等方面。

如波音747飞机上就有2500个零件用聚碳酸酯制造，其总重量达二吨4）ABS塑料 ABS是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种组元所组成，三个单体量可以任意变化，制成各种品级的树脂ABS具有三种组元的共同性能，丙烯腈使其耐化学腐蚀，有一定的表面硬度，丁二烯使其具有韧性，苯乙烯使其具有热塑性苏联的加工特性，因此ABS是具有“坚韧、质硬、刚性”的材料ABS塑料性能好，而且原料易得，价格便宜，所以在机械加工、电器制造、纺织、汽车、飞机、轮船、化工等工业中得到广泛应用5）聚苯醚（PPO）聚苯醚是线型、非结晶的工程塑料，具有很好的综合性能它的最大特点是使用温度宽（190190），达到热固性塑料的水平；它的耐摩擦磨损性能和电性能也很好，还具有卓越的耐水、蒸汽性能所以聚苯醚主要用作在较高温度下工作的齿轮、轴承、凸轮、泵叶轮、鼓风机叶片、水泵零件、化工用管道、阀门以及外科医疗器械等6）聚砜（PSF）聚砜是分子链中具有硫键的透明树脂，具有良好的综合性能，它耐热性、抗蠕变性好，长期使用温度为150174，脆化温度为100广泛应用于电器、机械设备、医疗器械、交通运输等7）聚四氟乙烯（F4）聚四氟乙烯是氟塑料中的一种，具有很好的耐高、低温，耐腐蚀等性能。

聚四氟乙烯几乎不受任何化学药品的腐蚀，它的化学稳定性超过了玻璃、陶瓷、不锈钢，甚至金、铂，俗称“塑料王”由于聚四氟乙烯的使用范围广，化学稳定性好，介电性能优良，自润滑和防粘性好，所以在国防、科研和工业中占有重要地位8）有机玻璃（PMMA）有机玻璃的化学名称是“聚甲基丙烯酸甲酯”它是目前最好的透明材料，透光率达到92%以上，比普通玻璃好，且相对密度小（1.18），仅为玻璃的一半有机玻璃有很好的加工性能，常用来制作飞机的座舱、弦舱，电视和雷达标图的屏幕，汽车风挡，仪器和设备的防护罩，仪表外壳，光学镜片等有机玻璃的缺点是耐磨性差，也不耐某些有机溶剂特种塑料 具有某些特殊性能，满足某些特殊要求的塑料这类塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要的场合，如医用塑料等二、橡胶二、橡胶橡胶是具有高弹性的轻度交联的线型高聚物，它们在很宽的温度范围内处于高弹态一般橡胶在4080范围内具有高弹性，某些特种橡胶在100的低温和200高温下都保持高弹性橡胶的弹性模数很低，只有1MN/m2，在外力作用下变形量可达100%1000%，外力去除又很快恢复原状橡胶有优良的伸缩性，良好的储能能力和耐磨、隔音、绝缘等性能，广泛用于制作密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等制品。

三、合成纤维三、合成纤维 凡能保持长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝状的高分子材料称为纤维，包括有天然纤维和化学纤维涤纶又叫的确良，高强度、耐磨、耐蚀、易洗快干，是很好的衣料尼龙在我国称为锦纶，强度大、耐磨性好、弹性好，主要缺点是耐光性差腈纶在国外称为奥纶、开司米纶，它柔软、轻盈、保暖，有人造羊毛之称维纶的原料易得，成本低，性能与棉花相似且强度高，缺点是弹性较差，织物易皱丙纶是后起之秀，发展快，纤维以轻、牢、耐磨著称，缺点是可染性差，日晒易老化氯纶难燃、保暖、耐晒、耐磨，弹性也好，由于染色性差，热收缩大，限制了它的使用四、合成胶粘剂四、合成胶粘剂 胶粘剂统称为胶，它以粘性物质为基础，并加入各种添加剂组成它可将各种零件、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胶粘剂分为天然胶粘剂和合成胶粘剂两种，浆糊、虫胶和骨胶等属于天然胶粘剂，而环氧树脂、氯丁橡胶等则属于合成胶粘剂通常，人工合成树脂型胶粘剂由粘剂（如酚醛树脂、聚苯乙烯等）、固化剂、填料及各种附加剂（增韧剂、抗氧剂等）组成。

根据使用要求选择不同的配比五、涂料五、涂料 涂料就是通常所说的油漆，这是一种有机高分子胶体的混合溶液，涂在物体表面上能干结成膜涂料主要有三大基本功能：一是保护功能，起着避免外力碰伤、摩擦，防止腐蚀的作用；二是装饰功能，起着使制品表面光亮美观的作用；三是特殊功能，可作为标志使用，如管道、气瓶和交通标志牌等涂料是由粘接剂、颜料、溶剂和其它辅助材料组成其中，粘接剂是主要的膜物质，一般采用合成树脂作粘接剂，它决定了膜与基体层粘接的牢固程度；颜料也是涂膜的组成部分，它不仅使涂料着色，而且能提高涂膜的强度、耐磨性、耐久性和防锈能力；溶剂是涂料的稀释剂，其作用是稀释涂料，以便于施工，干结后挥发；辅助材料通常有催干剂、增塑剂、固化剂、稳定剂等第二节 无机非金属材料Inorganic Nonmetallic Material 一、无机非金属材料的分类一、无机非金属材料的分类 无机非金属材料按照成分和结构，主要分为无机玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷材料三大类无机玻璃与酸性氧化物和碱性氧化物的高粘度的复杂固体物质，具有无定形结构玻璃陶瓷又叫玻璃晶体材料，是在无机玻璃完全或部分结晶的基础上得到的，结构处于玻璃和陶瓷之间。

陶瓷材料是由成型矿物质高温烧制（烧结）的无机物材料陶瓷材料可分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷等三种二、传统陶瓷（普通陶瓷）二、传统陶瓷（普通陶瓷）传统陶瓷就是粘土类陶瓷，它产量大，应用广大量用于日用陶器、瓷器、建筑工业、电器绝缘材料、耐蚀要求不很高的化工容器、管道，以及机械性能要求不高的耐磨件，如纺织工业中的导纺零件等种类名称原 料特 性用 途日用陶瓷 粘土、石英、长石、滑石等 具有良好的热稳定性、致密度、机械强度和硬度 生活瓷器建筑用瓷 粘土、长石、石英等 具有较好的吸水性、耐腐蚀性、耐酸性、耐碱性、耐磨性等 铺设地面、输水管道装置、卫生间等电 瓷 一般采用粘土、长 石、石英等配制 介电强度高、抗拉、抗弯强度较 好、耐热、耐冷急变性能较好 隔电、机械支撑 件、瓷质绝缘件过滤陶瓷 以石英砂、河砂等瘠 性原料为骨架，添加 结合剂和增孔剂 具有耐腐蚀、耐高温、强度大不 老化寿命长、不污染、易清洗再 生及操作方便等优点 用于制作多孔SO2 陶瓷器件，气体、液体过滤器等化工陶瓷 粘土、焦宝石（熟料）滑石、长石等 具有耐酸、碱、腐蚀性，不污染 介质 石油化工、冶炼、造纸、化纤工业等三、特种陶瓷三、特种陶瓷现代工业要求高性能的制品，用人工合成的原料，采用普通陶瓷的工艺制得的新材料，称为特种陶瓷。

它包括氧化物陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等几种氧化铝陶瓷这是以Al2O3为主要成分的陶瓷，Al2O3含量大于46%，也称为高铝陶瓷Al2O3含量在90%99.5%时称为刚玉瓷按Al2O3的成分可分为75瓷、85瓷、96瓷、99瓷等氧化铝含量越高性能越好氧化铝瓷耐高温性能很好，在氧化气氛中可使用到1950氧化铝瓷的硬度高、电绝缘性能好、耐蚀性和耐磨性也很好可用作高温器皿、刀具、内燃机火花塞、轴承、化工用泵、阀门等氮化硅陶瓷氮化硅是键性很强的共价键化合物，稳定性极强，除氢氟酸外，能耐各种酸和碱的腐蚀，也能抵抗熔融有色金属的浸蚀氮化硅的硬度很高，仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼有良好的耐磨性，摩擦系数小，只有0.10.2，相当于加油的金属表面氮化硅还有自润滑性，可在润滑剂的条件下使用，是一种非常优良的耐磨材料氮化硅的热膨胀系数小，有极好的抗温度急变性碳化硅陶瓷碳化硅是用于1500以上工作部件的良好结构材料，如火箭尾喷管的喷嘴、浇注金属中的喉嘴以及炉管、热电偶套管等还可用作高温轴承、高温热交换器、核燃料的包封材料以及各种泵的密封圈等氮化硼陶瓷氮化硼制品的硬度低，可进行机械加工，精度为1/100mm。

氮化硼可用于制造熔炼半导体的坩埚及冶金用高温容器、半导体散热绝缘零件、高温轴承、热电偶套管及玻璃成型模具等氧化锆陶瓷氧化锆室温下是绝缘体，到1000以上成为导电体，可用作1800以上的高温发热体氧化锆陶瓷一般用作钯。