第四节-非金属材料与复合材料

第四节、非金属材料与复合材料非金属材料是指除金属材料之外的所有材料的总称，通常主要包括有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料三大类。随着高新科学技术的发展，使用材料的领域越来越广，所提出的要求也越来越高。对于要求密度小、耐腐蚀、电绝缘、减振消声和耐高温等性能的工程构件，传统的金属材料已难以胜任。目前在工程领域应用最多的非金属材料主要是高分子材料（塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂、涂料、液晶）；陶瓷材料（陶瓷器、玻璃、水泥、耐火材料）及各种复合材料。一、高分子材料由千百个原子，彼此以共价键连接的大分子化合物。它们具有较大的相对分子质量，一般为几万到几十万，甚至达到数百万。•工程塑料塑料是一种具有可塑性的人造高分子有机化合物(树脂)。塑料是指以有机合成树脂为主要成分,加入或不加入其他配合材料(助剂)而构成的人造材料。•塑料的组成树脂：主要组成成分，体现塑料性能；添加剂：包括填料、增塑剂、固化剂、稳定剂、润滑剂、着色剂等。塑料的分类按分子结构及热性能不同分a)热塑性（PE、PP、PVC、PS、ABS、PMMA、PA、POM、PC等）b)热固性（酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、聚邻苯二甲酸、二烯丙酯、有机硅塑料、硅酮塑料）2）按塑料的用途分通用塑料指产量大、价格低、用途广的塑料。如：PE、PP、PS、PVC、酚醛塑料和氨基塑料；工程塑料指作为结构材料在机械设备和工程结构中使用的塑料。如：POM、PA、PC、PPO、ABS、PSU、PTFE、PMMA和环氧树脂等；特殊塑料指具有某些特殊性能的塑料。如：氟塑料、聚酰亚胺塑料、有机硅树脂和环氧树脂等。塑料的性能特点：•比强度高、耐蚀性能好、电绝缘性能好、减摩、耐磨性好、有消音吸震性。•强度低、耐热性低、膨胀系数大、热导率小、蠕变温度低、易老化等。低密度聚乙烯包装膜聚四氟乙烯酚醛树脂聚丙烯2、合成橡胶•橡胶是以高分子化合物为基础的、具有显著高弹性的材料。橡胶天然橡胶合成橡胶通用橡胶特种橡胶丁苯橡胶顺丁橡胶氯丁橡胶聚硫橡胶硅橡胶橡胶的性能特点：•橡胶是在室温下处于高弹态的高分子材料。高弹性：弹性变量可达100％～1000％；耐磨性：隔音性：阻尼性：绝缘性：一定的强度和硬度：丁苯橡胶氯丁橡胶硅橡胶3、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，均称纤维。天然纤维：化学纤维：（人造纤维、合成纤维）纤维天然纤维化学纤维棉花羊毛木材草类合成纤维：用石油、天然气等为原料制成的单体，再经聚合制成的纤维（如：“六大纶”、碳纤维、光导纤维等）人造纤维：用木材、草类的纤维经化学加工制成。如粘胶纤维等二、陶瓷材料陶瓷是陶器与瓷器的总称。它是一种既古老而又现代的工程材料，亦称无机非金属材料，具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、绝缘等优点。陶瓷材料的发展经历了三次重大飞跃。从陶器发展到瓷器，是陶瓷发展史上的第一次重大飞跃；从传统陶瓷发展到先进陶瓷，是陶瓷发展史上的第二次重大飞跃；从先进陶瓷发展到纳米陶瓷是陶瓷发展史上的第三次重大飞跃。一、陶瓷的分类按其原料的来源不同可分为普通陶瓷（传统陶瓷）和特种陶瓷（先进陶瓷）。普通陶瓷是以天然硅酸盐矿物为原料（粘土、长石、石英），经过原料加工、成型、烧结而成，因此又叫硅酸盐陶瓷。特种陶瓷是采用纯度较高的人工合成化合物（如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN），经配料、成型、烧结而制得。二、陶瓷的性能特点1、力学性能与金属材料相比，大多数陶瓷的硬度高，弹性模量大，脆性大，几乎没有塑性，抗拉强度低，抗压强度高。2、热性能熔点高，抗蠕变能力强，热硬性可达1000℃；热膨胀系数和热导率小，承受温度快速变化的能力差，在温差剧变时会开裂。3、化学性能化学稳定性非常高，有良好的抗氧化能力，在强腐蚀介质和高温共同作用下有良好的抗腐蚀性能。4、其他物理性能大多数陶瓷是电绝缘体，功能陶瓷材料具有光、电、磁、声等特殊性能。三、复合材料•复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料。•该类材料不仅性能优于组成中的任意一个单独的材料，而且还可具有组分单独不具有的独特性能。•分类•按照基体材料分1、非金属基复合材料。又分为：无机非金属基复合材料，如陶瓷基、水泥基复合材料等；有机非金属基复合材料，如塑料基、橡胶基复合材料。2、金属基复合材料。如铝基、铜基、镍基、钛基复合材料。•按照增强材料分1、纤维增强复合材料。如纤维增强塑料、纤维增强橡胶、纤维增强陶瓷、纤维增强金属等。2、粒子增强复合材料。如金属陶瓷、烧结弥散硬化合金等。3、叠层复合材料。如双层金属复合材料（巴氏合金－钢轴承材料）、三层复合材料（钢－铜－塑料复合无油滑动轴承材料）。•复合强化原理复合材料是由基体材料和增强相构成。两者的类型和性质及两者之间的结合力，决定其性能，增强相的形状、数量、分布及制备过程等也影响其性能。•增强机制(1)颗粒增强复合材料(2)纤维增强复合材料(3)晶须增强复合材料复合材料的性能特点•比模量高、比强度大（单位质量所提供的变形抗力和承载能力大）•良好的抗疲劳性能•良好的破断安全性•优良的高温性能•减振性良好