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108工程材料课程讲稿授课题目（教学章、节或主题）：第十章非金属材料授课方式（请打√）理论课讨论课□实验课□习题课□其他□课时安排2学时教学要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：了解高分子材料、陶瓷材料、复合材料的成分、结构、性能及应用知识。教学重点、难点及关键知识点：教学重点：高分子材料、陶瓷材料、复合材料的性能及应用知识。难点：高分子材料、陶瓷材料、复合材料的成分、结构、性能及应用知识。方法及手段学习本章时应注意联系生产、生活中接触到的非金属材料制品，分析其属于何种非金属材料，为什么用这种材料来制造该制品，以进一步了解非金属材料的特性及其用途。教学基本内容（教学过程）改进设想第一节高分子材料高分子化合物是指分子量很大的化合物。（分子量大于5000称为高分子化合物；分子量小于500称为低分子化合物）一、基本概念1．高分子化合物的每个分子都是由一种或几种较简单的低分子一个个连接起来而组成。单体--能组成高分子化合物的低分子化合物。2．高分子化合物的分子很大，呈链形--大分子链（分子链），它是由许许多多结构相同的基本单元重复连接构成的。链节--组成大分子链的这种特定结构单元。聚合度--大分子链中链节的重复次数。3．高分子化合物由大量大分子链组成，其链节数不相同，长短不一，分子量不等。多分散性--高分子化合物中各个分子的分子量不相等的现象。平均分子量--高分子化合物的分子量应该由平均分子量来表述。单体链节结构式聚乙烯乙烯CH2=CH2—CH2—CH2—--[--CH2-CH2--]n--109工程材料课程讲稿110二、高分子材料的合成聚合反应：将低分子化合物（单体）聚合形成高分子化合物（聚合物、高聚物）的过程。1．加聚反应（加成聚合反应）--------加聚物一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应，其生成物（加聚物）具有同其单体相同的成分（无副产物）。2．缩聚反应—缩聚物一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出(缩去)某种低分子物质(如水、氨、醇、卤化氢等)的反应。其生成的聚合物(缩聚物)成分与单体不同。三、高分子材料的基本性能及特点1．重量轻。2．高弹性。3．强度低。4．韧性。5．粘弹性：应变不随作用力即时建立平衡，而有所滞后。6．减摩，耐摩性：自润滑性能较好，磨损率低。消音，减震能力强。对工作条件及磨粒适应性好。7．绝缘性好，低导热性。8．耐热性-高聚物对温度升高时性能明显降低的抵抗能力。10．耐蚀性好—不发生电化学腐蚀化学稳定性很高耐水和无机试剂，耐酸和碱。（强共价键，官能团少；卷曲缠结，暴露基团少）如：聚四氟乙烯（塑料王）在沸腾的王水中也很稳定。11．老化：指高聚物在长期使用或存放过程中，由于受到各种因素的作用，性能随时间不断变化，逐渐丧失使用价值的过程。如：橡胶变脆，龟裂或变软，发粘。塑料褪色，失去光泽和开裂。四、常用的高分子材料（一）工程塑料1．按热性能分类（1）热塑性塑料加热时软化，可塑造成型，冷却后复硬，可反复进行。优点：加工成型简便，机械性能较好，是塑料中性能较好的工程塑料。缺点：耐热性和刚性较差。典型品种：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等。工程材料课程讲稿111（2）热固性塑料初加热时软化，可塑造成型，固化后再加热不再软化，不溶于溶剂。优点：耐热性好，受压不易变形。缺点：机械性能不好典型品种：酚醛，环氧，氨基，不饱和聚酯，聚硅醚树脂等。2．常见工程塑料（1）聚烯烃①聚乙烯PE—高密度聚乙烯（低压）性能：较刚硬，耐磨，耐蚀，绝缘性较好。应用：塑料管，板，绳及承载不高的零件。低密度聚乙烯（高压）性能：质地柔软。应用：日用工业品及包覆电缆等。②聚丙烯PP—性能：刚性增大，强度、弹性模量、硬度高于低压聚乙烯；重量轻，耐热性良好（加热至150℃不变形），绝缘性优越（抗高电）应用：机械零件如法兰，齿轮等，化工容器、管道，泵壳等，电器外壳及纺织品。（2）聚氯乙烯（PVC）性能：刚度和强度比聚乙烯高。①硬PVC比重小，抗拉强度较好，良好的耐水、耐油、耐化学用品浸蚀性能。应用：化工及纺织工业管道，排污塔等，电器绝缘材料及电线绝缘层。②软PVC质地柔软，富有弹性。应用：农用、工用薄膜（不能包装食品）（3）ABS塑料—丙烯腈丁二烯苯乙烯三元共聚物性能：具有“硬，韧，刚”的混合特性（混合机械性能较好）；-40℃低温仍有一定的机械强度。尺寸稳定，耐热和耐蚀性较好；容易电镀，易于成型。用途：零件如齿轮，泵叶轮，轴承等，电机、仪表外壳，汽车零件及轿车车身等。工程材料课程讲稿112（4）聚酰胺（PA）—尼龙性能：突出的耐磨性和自润滑性能，韧性很好，强度较好，耐热性不高（〈1000C），蠕变值较大。导热性差，吸水性高。耐蚀性好（耐水、油、一般溶剂、化学药剂），抗霉，抗菌，无毒。成型性能好。用途：耐磨，耐蚀的承载转动零件（齿轮，轴承，螺钉和螺母等小型零件）（5）氟塑料—聚氟乙烯（F-1）聚偏氟乙烯（F-2）聚三氟氯乙烯（F-3）聚四氟乙烯（F-4）性能：耐高、低温，电绝缘性能好；耐腐蚀和耐老化；吸水性和摩擦系数低。如F-4塑料王：可在-180～2600C内长期使用；耐沸腾的王水；摩擦系数仅0.04；不粘水、不吸水；介电常数和介电损耗最小的固体绝缘材料。缺点强度低。（6）酚醛树脂（PF）性能：一定的强度和硬度，耐磨性好；性脆。绝缘性良好（击穿电压不小于10KV）耐热性较高，耐蚀性良好；不耐碱。用途：电讯器材及电木制品（插座，开关，电话机，仪表盒）；汽车刹车片，纺织机和仪表中的无声齿轮，化工用耐酸泵等；日用品（不能用作食物器皿）。（7）环氧塑料（EP）性能：强度较高，韧性较好；尺寸稳定性高，耐久性好。耐热耐寒，-80～550C长期工作，优良绝缘性能，化学稳定性很好，成型工艺性能好，有某些毒性用途：环氧塑料塑料薄膜；精密量具；灌封电器和电子仪表；电器绝缘及印刷线路，制作复合材料。很好的胶粘剂，对各种材料都有很强的胶粘能力。（二）合成纤维1．合成纤维的制取工艺包括单体的制备和聚合、纺丝和后加工三个。2．常用合成纤维合成纤维目前品种繁多，大规模生产的约有三四十种其中发展最快得是；聚酯纤维、聚酰纤维、聚丙烯清纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维和聚氯乙烯纤维，通称为六大纶。工程材料课程讲稿113（1）涤纶化学名称为聚酯纤维，商品名称为涤纶或的确良。特点及应用：强度高，抗冲击，耐磨性仅次于棉纶，化学稳定性和电绝缘性也较好，不发毒，不虫蛀。广泛用于运输带、传动带、帆布、鱼网、绳索、轮胎帘子线及电器绝缘材料等。涤纶的缺点是吸水性差，染色性差，不透气，穿着感到不舒服，摩擦易起静电，容易吸附赃物，耐紫外性能差，不易暴晒。（2）棉纶化学名称为聚酰胺纤维，商品名称为棉纶或尼龙。特点及应用：质轻、强度高；弹性和耐磨性好。耐碱性和电绝缘性好，不怕虫蛀，但耐酸、耐热、耐光性能较差，缺点是弹性模量低，容易变形，缺乏刚性，故棉纶制成的衣服不挺括。棉纶纤维多用于轮胎帘子线，降落伞、宇航飞行服、鱼网、针织内衣，尼龙袜，手套等。（3）腈纶化学名为聚丙烯腈纤维，商品名称为腈纶。特点及应用：质轻，柔软，保温性好，犹如羊毛，故俗称人造羊毛，腈纶毛线的强度较纯羊毛毛线密度大2倍以上，穿着时有温暖的感觉，腈纶不发霉，不虫蛀，弹性好，吸湿小，耐光性能特别好，由于腈纶具有这些优点，多用来制造毛线和膨体纱及室外用的帐篷、幕布、船帆等织物，还可与羊毛混纺，织成各种衣料。（4）维纶化学名称为聚乙烯纯纤维，商品名称为维尼纶或维纶。特点及应用：吸湿性好，和棉花接近，性能很像棉花，故又称合成棉花。有较高的强度，约为棉花的两倍，耐磨性、耐酸碱腐蚀性均较好，耐日晒，不发霉，不虫蛀，其纺品柔软保温，但由于它弹性和抗皱性差，穿着不挺括，故其织品销路日趋下降。现在主要用做帆布、包装材料、输送带、背包、床单和窗帘等。（5）丙纶化学名称为聚丙烯纤维，商品名称丙纶。特点及应用：质轻、强度大，是渔网的理想材料，也是军用蚊帐的好材料。丙纶耐磨性优良，吸湿性很小，还能耐酸碱腐蚀。用丙纶制的织物，易洗快干，不走样，经久耐用，故现在除用于衣料、毛毯、工作服外，还用做包装薄膜、降落伞、医用纱布和手术衣等。工程材料课程讲稿114（6）氯纶化学名称为聚氯乙烯纤维，商品名称为氯纶。特点及应用：保暖性好，遇火不易燃烧。化学稳定性好，能耐强酸和强碱，弹性、耐磨性、耐水性和电绝缘性均很好，耐日光照射，不霉烂，不虫蛀。常用作化工防腐或防火衣着的用品，以及绝缘布、窗帘、地毯、鱼网、绳索等。缺点是耐热性差，当温度达65~700C时，纤维即开始收缩，故氯纶织物不能用沸水洗绦，也不能接近高温热源。（三）合成橡胶橡胶是一种具有极高弹性的高分子材料，其弹性变形量可达100%~1000%，而且回弹性好，回弹性速度快。同时，橡胶还有一定的耐磨性，很好的绝缘性和不透气、不透水性。它是常用的弹性材料、密封材料、减震防震材料和传动材料。1．橡胶的分类按照原料的来源，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶两大类。合成橡胶的种类繁多，目前主要有七大品种：丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、异戊橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶和丁腈橡胶。2．橡胶制品的组成人工合成用以制胶的高分子聚合物，还不具备橡胶的种种性能，称为生胶。生胶要先进行塑炼，使其处于塑性状态，再加入各种配料，经过混炼成型、硫化处理，才能成为可以使用的橡胶制品。3．常用合成橡胶（1）丁苯橡胶—是以丁二烯和苯乙烯为单体共聚而成。是目前合成橡胶中产量最大，应用最广的通用橡胶，其消耗量占合成橡胶总量的80%。特点及应用：丁苯橡胶有较好的耐磨性、耐热性、耐老化性，价格便宜，可代替天然橡胶或与天然橡胶共混后使用。主要用来制造轮胎、胶带、胶管及生活用品。（2）顺丁橡胶—是由丁二烯聚合而成，特点及应用：顺丁橡胶的弹性、耐磨性、耐热性、耐寒性均优于天然橡胶，是制造轮胎的优良材料。其缺点是强度较低、加工性能差、抗撕裂性差。主要用于制造轮胎，也可制造胶带、弹簧、减震器、耐热胶管、电绝缘制品、鞋底等。（3）氯丁橡胶—是由氯丁二烯聚合而成。又称“万能橡胶”特点及应用：其耐油性、耐磨性、耐热性、耐燃烧性、耐溶剂性、耐老化性能均优于天然橡胶，但氯丁橡胶耐寒性较差（使用温度应高工程材料课程讲稿115于-350C），相对密度较大（为1.23g/cm³）,生胶稳定性差，成本较高。它主要用于制造电线、电缆的包皮、胶管、输送带（4）丁腈橡胶—是由丁二烯和丙烯腈共聚而成。特点及应用：丁腈橡胶以其优异的耐油性著称。耐磨性、耐热性、耐蚀性、耐老化性也比天然橡胶和一些通用橡胶好。良好的耐水性。但耐寒性差，电绝缘性差，耐酸性差。主要用作各种耐油制品。如油箱、耐油胶管、密封垫圈、耐油运输带及耐油减震制品。（5）硅橡胶特点及应用：既耐热又耐寒，使用温度范围在-700C~3000C之间，它是目前使用温度范围最宽的一种橡胶。具有高柔性和高稳定性、高耐热性和耐寒性，在-1000C~3500C范围内保护良好弹性，还有优异的抗老化性能，对臭氧、氧、光和气候的老化抗力大。其绝缘性能也很好。缺点是强度和耐磨性差、耐酸碱性也差，价格较贵。主要用于飞机和宇航中的密封件、薄膜、胶管等，也用于耐高温的电线、电缆、电子设备等。（6）氯橡胶特点及应用：突出优点是高的耐腐蚀性，它在酸、碱、强氧化剂中的耐蚀能力居各类橡胶之首，其耐热性也很好，最高使用温度为3000C。其缺点是价格昂贵、耐寒性差、加工性能不好。主要用于国防和高技术中的高级密封件、高真空密封件及化工设备中的衬里，火箭、导弹的密封垫圈等。第二节陶瓷材料一、陶瓷材料的定义及制备工艺1．定义：陶瓷是无机高分子材料，用天然的或人工合成粉状化合物通过成型、高温烧结而制成的多晶固体材料。2．陶瓷材料的制备工艺制粉→压坯→烧结→成品二、陶瓷材料的组织结构1．晶相：主要组成相，由离子键或共价键结合而成，决定陶瓷的性能：高熔点、高耐热性、高化学稳定性、高绝缘性、高脆性。2．玻璃相：非晶态固体，将晶相粘结在一起，降低烧结温度，抑制晶相晶粒长大和填充气孔。3．气相：气孔（5％～10％）。对性能的不利影响：增加脆性、降低强度、电击穿强度降低，绝