第十一章 非金属材料与复合材料.doc

淮安信息职业技术学院 教 案 首 页 一、章节： 第一节 高分子材料的基本知识 第二节 高分子材料 第三节 陶瓷 第四节 复合材料 二、教学目的： 使学生了解高分子材料的基本知识、高分子材料、陶瓷、复合材料的应用。 三、教学方法： 讲授与启发结合。 四、教学重点： 高分子材料的基本知识、高分子材料、陶瓷、复合材料的应用。 五、教学难点： 高分子材料的基本知识、高分子材料、陶瓷、复合材料的应用。 六、使用教具： 挂图与模型。 七、课后作业：习题集：P181 1、3、5、7。 八、课后小结： 第十一章 非金属材料与复合材料非金属材料是指除金属材料和复合材料以外的其他材料。由于非金属材料的原料来源广泛，成型工艺简单，并具有金属材料所不及的某些特殊性能，所以应用日益广泛。目前已成为机械工程材料中不可缺少的、独立的组成部分。机械中常用的非金属材料有高分子材料、陶瓷材料等。 复合材料是一种新型、独特的工程材料，具有广阔的发展前景。 第一节 高分子材料的基本知识 一、高分子化合物、单体、链节与聚合度 1高分子化合物 高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是指分子量很大的化合物，其分子量一般均在5 000以上，而低分子化合物的分子量一般小于1 000。通常高分子化合物具有较高的强度、塑性、弹性等力学性能，而低分子化合物不具备这些性能。 高分子化合物包括：有机高分子化合物和无机高分子化合物两大类。有机高分子化合物又分为天然的和合成的，由人工合成方法制成的有机高分子化合物称为合成有机高分子化合物。 机械工程上用的高分子材料，如塑料、合成橡胶、合成纤维、涂料和胶粘剂等均是合成有机高分子化合物。 2单体、链节与聚合度 高分子化合物都是由一种或几种较简单的低分子化合物一个个连接而成，这类能组成高分子化合物的低分子化合物称为“单体”。 高分子化合物的分子很大，主要呈长链形，因此常称大分子链(或分子链)，大分子链极长，是由许多结构相同的基本单元重复连接组成的。组成大分子链的这种特定结构单元称为“链节”。 高分子化合物的大分子链由大量链节连成，链节的重复次数称为“聚合度”(n)。高分子化合物的分子量(M)就是链节分子量(m)与聚合度(n)的乘积，即M：nm。聚合度反映了大分子链的长短和分子量的大小。 二、高分子化合物的合成 高分子化合物的合成就是将低分子化合物(单体)聚合起来形成高分子化合物的过程。其反应为聚合反应。所以，高分子化合物也称为高聚物或聚合物，意思是分子量很大的聚合物。聚合反应方式有加聚反应和缩聚反应两种。 1加聚反应 加聚反应是指由一种或几种单体聚合而成高聚物的反应。 2缩聚反应 缩聚反应是指由一种或几种单体相互聚合而形成高聚物的反应。 三、高分子化合物的结构 高分子化合物的结构主要包括大分子链的结构和高分子的聚集态结构(即高分子化合物的分子间结构形式)。 四、高分子化合物的力学状态 高分子化合物在不同温度下，其性能不同。线型无定型高分子化合物在不同温度下呈现出 三种力学状态 。 1玻璃态 玻璃态是指物质表现为非晶相的固体，像玻璃一样。当温度Tg时(Tg为玻璃化温度)，高分子化合物处于玻璃态。在玻璃态时，由于温度低，大分子链不能移动，且长链中具有独立运动能力的链段也不能运动，只有紊乱无序的分子在自身平衡位置上作轻微振动。所以，处于玻璃态的高分子化合物变形量很小(T时，高分子化合物变得柔软而有弹性，即处于高弹态。 3、粘流态 当温度升高到粘流化温度Tf时，大分子链可以自由运动，高分子化合物变为流动的粘液，称此状态为粘流态。 第二节 高分子材料 一、塑料 1塑料的组成 塑料是以树脂为主要成分，加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的。 树脂的种类、性能、数量决定了塑料的性能。因此，塑料基本上是以树脂的名称命名的，如聚氯乙烯塑料就是以树脂聚氯乙烯命名的。工业中用的树脂主要是合成树脂。 添加剂的种类较多，常用的有以下几种： (1)填料 填料可使塑料具有所要求的性能，并能降低成本。用木屑、纸屑、石棉纤维、玻璃纤维等有机材料作填料，可增加塑料强度；用高岭土、滑石粉、氧化铝、二氧化硅、石墨、煤粉等无机物作填料，可使塑料有较高的耐热性、耐蚀性、耐磨性、热导性等。 (2)增塑剂 增塑剂用以增加树脂的可塑性、柔软性，降低脆性，改善加工性能。常用的增塑剂有磷酸脂类化合物、甲酸脂类化合物、氯化石蜡等。 (3)稳定剂(防老剂) 稳定剂可增强塑料对光、热、氧等老化作用的抵抗力，延长塑料寿命。常用的稳定剂有硬脂酸盐、铅的化合物、环氧化合物等。 除上述添加剂外，还有润滑剂、着色剂、固化剂、发泡剂、抗静电剂、稀释剂、阻燃剂等。并非每种塑料都要加入上述全部的添加剂，而是根据塑料品种和使用要求加入所需要的某些添加剂。 2塑料的分类 (1)按树脂在加热和冷却时所表现出的性能，将塑料分为热塑性和热固性塑料两种。 热塑性塑料的分子结构主要是链状的线型结构，其特点是加热时软化，可塑造成型，冷却后则变硬，此过程可反复进行，其基本性能不变。这类塑料有较高的力学性能，且成型工艺简便，生产率高，可直接注射、挤出、吹塑成形。但耐热性、刚性较差，使用温度120。 热固性塑料的分子结构为体型，其特点是初加热时软化，可塑制成型，冷凝固化后成为坚硬的制品，若再加热，则不软化，不溶于溶剂中，不能再成型。这类塑料具有抗蠕变性强，受压不易变形，耐热性较高等优点，但强度低，成型工艺复杂，生产率低。 (2)按塑料应用范围分为通用塑料和工程塑料两种。 通用塑料是指产量大(占总产量的75以上)、用途广、通用性强、价格低的一类塑料。主要制作生活用品、包装材料和一般小型零件。 工程塑料是指具有优异的力学性能(强度、刚性、韧性)、绝缘性、化学性能、耐热性和尺寸稳定性的一类塑料。与通用塑料相比，工程塑料的产量较小，价格较高。主要制作机械零件和工程结构件。 3塑料的特性 (1)密度小、比强度高 塑料密度为0.92.2gcm3，只有钢铁的1/81/4,铝的1/2。泡沫塑料的密度约为001gcm3，这对减轻产品自重有重要意义。虽然塑料的强度比金属低，但由于密度小，故比强度高。 (2)化学稳定性好 塑料能耐大气、水、酸、碱、有机溶液等的腐蚀。聚四氟乙烯能耐“王水”腐蚀。 (3)优异的电绝缘性 多数塑料有很好的电绝缘性，可与陶瓷、橡胶等绝缘材料相媲美。 (4)减摩、耐磨性好 塑料的硬度比金属低，但多数塑料的摩擦系数小。另外，有些塑料(如聚四氟乙烯、尼龙等)本身有自润滑能力。 (5)消声吸振性好。 (6)成形加工性好 大多数塑料都可直接采用注射或挤出工艺成形，方法简单，生产率高。 陶瓷的硬度高于其他材料，一般硬度1 500HV，而淬火钢的硬度只有500800HV，高分子材料硬度20HV；陶瓷室温下几乎无塑性，韧性极低，脆性大；陶瓷内部存在许多气孔，故抗拉强度低，抗弯性能差，抗压性能高；陶瓷有一定弹性，一般高于金属。(2)陶瓷的熔点一般高于金属，热硬性高，抗高温蠕变能力强，高温下抗氧化性好，抗酸、碱盐腐蚀能力强，具有不可燃烧性和不老化性。(3)大多数陶瓷绝缘性好。二、常用工业陶瓷第四节 复合材料由两种或两种以上性质不同的物质，经人工制成的多相固体材料称为复合材料。它具有各组成材料的优点，能获得单一材料无法具备的优良综合性能。例如，混凝土性脆、抗压强度高，钢筋性韧、抗拉强度高，为使性能取长补短，制成了钢筋混凝土。一、复合材料的分类复合材料的全部相分为基体相和增强相。基体相起粘结剂作用，增强相起提高强度(或韧性)作用。复合材料有以下几种分类方法：(1)按基体不同，分为非金属基体和金属基体两类。目前使用较多的是以高分子材料为基体的复合材料。(2)按增强相种类和形状不同，分为颗粒、层叠、纤维增强等复合材料。(3)按性能不同，分为结构复合材料和功能复合材料两类。结构复合材料是指利用其力学性能，用以制作结构和零件的复合材料。功能复合材料是指具有某种物理功能和效应的复合材料，如磁性复合材料等。 二、复合材料的性能1、比强度和比模量高一般，复合材料的比强度和比模量(弹性模量密度)比其他材料高很多。例如，碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的8倍，比模量比钢大3倍。这对构件在保证使用性能的条件下，减轻自重有重要意义。2抗疲劳性能好因为复合材料中基体与增强纤维间的界面可有效地阻止疲劳裂纹的扩展，以及基体中密布着大量纤维，疲劳断裂时，裂纹的扩展要经历很曲折和复杂的路径，所以疲劳强度高。 3、减振性能强 结构件的自振频率与结构本身的质量、形状有关，还与材料比模量的平方根成正比。因为纤维增强复合材料的比模量大，其自振频率也高，故可避免在工作状态下产生共振。此外，纤维与基体的界面有吸振能力，故其阻尼特性好，即使产生了共振也会很快衰减。 4，高温性能好 一般铝合金在400500时其弹性模量将大幅度下降，并接近于零，强度显著下降。但用碳或硼纤维增强的铝复合材料，在上述温度时，其弹性模量和强度基本不变，用钨纤维增强钴、镍或它们的合金时，可把这些金属的使用温度提高到 1000以上。5断裂安全性高 纤维增强复合材料每平方厘米截面上有上万根隔离的细纤维，过载时会使其部分纤维断裂。但随即会迅速进行应力的重新分配，而由未断纤维承担全部载荷，不致造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂，所以工作安全性高。除上述几种特性外，复合材料的减摩性、耐蚀性和工艺性也都较好。若经过适当的“复合”也可改善其力学性能和物理性能。纤维增强的复合材料目前存在的主要缺点是：各向异性，横向抗拉强度和层间剪切强度不高，伸长率较低，韧性较差，成本太高等。所以，复合材料目前应用不广。但是，复合材料是一种新型、独特的工程材料，因此具有广阔的发展前景。三、常用的复合材料1纤维增强复合材料2层叠复合材料层叠复合材料是由两层或两层以上不同材料复合而成。用层叠法增强的复合材料可使强度、刚度、耐磨、耐蚀、绝热、隔声、减轻自重等性能分别得到改善。常见的层叠复合材料有以下三种：(1)双层金属复合材料 这种材料是将性能不同的两种金属，用胶合或熔合(铸造、热压、焊接、喷涂)等方法复合在一起，以满足某种性能要求的材料。 (2)塑料-金属多层复合材料 例如SF型三层复合材料就是以钢为基体，烧结铜网或铜球为中间层，塑料为表面层的一种自润滑复合材料。 (3)夹层结构复合材料 是由两层薄而强的面板(或称蒙皮)中间夹着一层轻而弱的芯子组成。面板是由抗拉、抗压强度高，弹性模量大的材料组成，如金属、玻璃钢、增强塑料等。 3颗粒复合材料颗粒复合材料是由一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体材料内所组成的材料。 颗粒复合材料的增强原理是利用大小适宜的增强粒子呈高度弥散分布在基体中，以阻止基体塑性变形的位错运动(