工程材料及制造基础 第四讲 非金属材料及复合材料简介

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1、基本要求如下：1.掌握高分子材料的基本概念，了解其结构与性能的关系；2.熟悉常用工程塑料的种类、结构特点、性能和应用；3.了解橡胶、陶瓷和复合材料的特点和应用第四讲非金属材料及复合材料简介IntroductionofNonmetalMaterialsandCompositeMaterials非金属材料包括：陶瓷材料(CeramicMaterial)___石头、陶器、、高分子材料(Polymer)___丝绸、塑料、橡胶、、复合材料：不同性能材料复合一起，弥补单一材料不足钢筋混凝土、石棉板、水泥板、轮胎、、一.陶瓷材料Silicate（硅酸盐材料）1.陶瓷材料范围：（1）非金属单质构成：如金刚石和

2、单晶硅。（2）金属和非金属组成化合物：刚玉(corundum)Al2O3、石英SiO2和绿(beryl)Be3Al2Si6O18（3）泛指玻璃、水泥(cement)和耐火材料(refractory)等材料。2.陶瓷材料结合键类型及主要性能特点（1）离子键(electrovalentbond)：氧化铝和氧化锆性能：熔点高、强度和硬度大、脆性大绝缘（2）共价键(covalentbond)单晶硅、金刚石、氮化硼和氮化硅性能：强度高，脆性大，无延展性、热膨胀小。（3）离子-共价混合键(mixedbond)：氧化镁和碳化硅。3.陶瓷组织和性能（1陶瓷组织：）陶瓷组织A.晶体相：硅酸盐（离子键+共价键）、

3、B.玻璃相：粘连晶体C.气相：气孔（2陶瓷性能：瓷性能A.机械性能：刚度和硬度大，抗拉强度低，没有塑性，脆性极高。B.其它：热膨胀小，导热性差，化学稳定性好，绝缘性好。4.陶瓷材料分类及应用（typesandapplication)包括：A.传统陶瓷:粘土、长石、和石英等天然硅酸盐为原料（普通）用于日用、建筑、卫生用品及电器等。B.现代陶瓷：用高纯氧化物（刚玉）、氮化物、碳化物、（特种）硼化物和氟化物等合成，又称精细陶瓷。如硅碳棒、热电偶套等。5.现代陶瓷：分结构、工具和功能陶瓷。A.结构陶瓷：碳化物（SiC、WC、TiC）如：内燃机火花塞、火箭和导弹导流罩。B.工具陶瓷：金属陶瓷（Cr粘结剂

4、的Al203，Co、Ni为粘结剂的WC和TiC、钢结硬质合金）制造：切削刀具、模具、磨料、钻探工具。C.功能陶瓷：用物理性能或对声、光、电、力、热和磁敏感性。导电、压电、磁性、光导纤维、传感器和超导陶瓷。二、高分子材料（Polymer,Highmolecularmaterial)天然+人工1.概念：分子量很大的有机化合物总称。象塑料、橡胶和纤维等。2.结合键类型：原子间以共价键结合，组元：C、H、N、O和Si3.性能特点：常温下呈固态、质轻，具有良好的电绝缘、热绝缘、耐酸、耐蚀和好的化学稳定性。高分子材料结构示意图：高分子材料缺点：会老化。4.塑料、橡胶的使用状态：塑料：在玻璃态使用橡胶：高弹

5、态使用流动树脂：象胶粘剂、涂料在粘流态（1）塑料：Plastic以天然、合成树脂为原料，在一定温度和压力下成型的材料。分通用和工程用两种。A.通用塑料：聚乙烯、聚氯乙烯等。B.工程塑料：聚甲醛、聚酰胺和ABS特点：室温下呈玻璃态、比重小，比强度高，耐蚀（酸、碱）、耐磨、绝缘、易成形。用途：制造工程零件：如轴承、衬套和齿轮；蜗轮、蜗杆、防弹玻璃、飞机挡风罩。设计塑料零件应注意：A.热膨胀系数大；B.工作温度不超过玻璃化温度Tg；C.缺口敏感性大；D.可燃、吸水会改变尺寸；线型无定形高聚物的温度—形变曲线（2）橡胶Rubber：室温下呈高弹态A.天然橡胶：从三叶橡胶树中采集的高弹物。如：轮胎、胶

6、带和胶管。通用橡胶：丁苯和顺丁橡胶传动带、电绝缘品和胶板。B.合成橡胶：特种橡胶：硅橡胶在高低温、辐射、耐蚀条件下专用。如飞机密封件、高温电缆。（3）纤维及分类Fibre：长径比大于100条状或丝状材料。包括天然和化学纤维A.天然纤维：稻、麻、竹、苇、棉、丝、、B.化学纤维：人造和合成纤维。人造纤维；用自然界纤维加工制成。如：硝化和醋酸纤维等。合成纤维：以石油、煤和天然气为原料合成的。SyntheticFibre有六种：涤纶、尼龙、晴龙维龙、丙龙和氯龙。三.复合材料CompositeMaterials1.概念：两种或两种以上不同材料，经人工复合成如：水泥板、轮胎和玻璃钢玻璃纤维+工程塑料=玻璃

7、钢2.组成：基体和增强体两部分。A.基体Matrix：塑料基、陶瓷基和金属基三种，起连接作用。B.增强体：提高强度（韧性），Reinforcing有粒子增强、纤维增强和层叠或骨架增强三类。复合结构如图6—1所示3.性能特点：比强度高；比模量大；抗疲劳和化学稳定性好，减震、耐热，断裂安全性高和成型工艺性简单。4.常用复合材料：将玻璃纤维、碳纤维、硼纤维与金属纤维复合一起。5.复合材料应用：用在轻工、