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第十章其它机械工程材料第一节工程塑料第二节工程橡胶第三节工程陶瓷第四节复合材料第一节工程塑料一、工程塑料概述工程塑料是指具有耐热、耐寒及良好的力学、电气、化学等综合性能，可以作为结构材料用来制造机器零件或工程构件的塑料总称。塑料是以树脂为主要组分，加入各种添加剂，可塑制成型的材料。（一）塑料的组成和分类1.塑料的组成由树脂和各种添加剂组成。（1）树脂树脂是塑料的主要组分。它胶粘着塑料中的其它一切组成部分，并使其具有成型性能。绝大多数塑料就是以所用树脂命名的。树脂分为天然树脂和合成树脂工业上常用的是合成树脂如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、酚醛树脂等（2）添加剂为改善塑料某些性能而必须加入的物质称添加剂。分为以下几类：①填料为改善塑料的某些性能（如强度等），扩大其应用范围，降低成本而加入的一些物质称填料。它在塑料中占有相当大的比例（20%~60%）。常用的填料有木粉、玻璃纤维、石棉、云母粉、二硫化钼和石墨粉等。②增塑剂提高树脂的可塑性与柔顺性的物质称增塑剂。常用熔点低的低分子化合物来增加大分子链间距离，从而达到增加大分子链的柔顺性的目的。如氧化石蜡、磷酸脂类。③润滑剂为防止塑料在成型过程中粘在模具或其它设备上而加入的，同时可使制品表面光亮美观的物质称润滑剂（如硬脂酸等）。④着色剂为使塑料制品具有美观的颜色及适合使用的要求而加入的染料称着色剂。⑤固化剂加入后可在聚合物中生成横跨链，使分子交联，并由受热可塑的线型结构变成体型结构的热稳定塑料的一类物质称固化剂。⑥稳定剂提高树脂在受热和光作用时的稳定性，防止过早老化，延长使用寿命的一类物质称稳定剂。常用的稳定剂有铅化物、硬脂酸盐、酚类和胺类物质。⑦其它发泡剂、催化剂、阻燃剂等。2.塑料的分类（1）按树脂特性分类依树脂受热时的行为分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料指随温度升高变软，随温度降低硬化的一类塑料，是一类可以再生的塑料。其分子链结构通常是线型和支链线型结构。热固性塑料指成型过程具有线型结构，成型后在室温或加热到一定温度保温一段时间后，内部结构转化为体型网状结构的一类塑料，a)线型b)支链型c)体型聚合物大分子的三种结构（2）按塑料的应用范围分类通用塑料指聚烯烃类塑料、酚醛塑料和氨基塑料。它们占塑料总产量的3/4以上，大多数用于生活制品。工程塑料作为结构材料在机械设备和工程结构中使用的塑料。力学性能较高，耐热、耐蚀性也较好，是当前大力发展的塑料（如ABS塑料、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰胺等）。（二）塑料的特性密度小（0.9~2.3g/cm3）良好的耐蚀性能优异的电气绝缘性能减磨、耐磨和自润滑性能可以作为轴承、齿轮、活塞环和密封圈等在腐蚀性介质中或在少油、无油润滑条件下有效工作。消声吸振性独特的成型工艺性大部分塑料都可以直接注塑和挤压成型，也可以模压成型等，易制作复杂零件，生产效率高。二、热塑性塑料及应用（一）聚烯烃类塑料1.聚乙烯(PE)可作为化工设备与贮罐的耐腐蚀涂层衬里、化工耐腐蚀管道、阀件、衬套、滚动轴承保持器等。还可以用来制造小齿轮、轴承等；电缆包皮；食品包装袋、奶瓶、食品容器。全塑球阀2.聚氯乙烯（PVC）产量仅次于PE，是最早工业化生产的塑料品种之一。硬质聚氯乙烯制品有管、板、棒、焊条、管件、离心泵、通风机等。软质聚氯乙烯用于常温电气绝缘材料和电线的绝缘层。3.聚丙烯（PP）是常用塑料中唯一能经受高温（130℃）消毒的品种。常用来制造各种机械零件，如法兰、接头、泵叶轮、汽车上取暖及通风系统的结构件。4.聚苯乙烯（PS）产量仅次于PE、PVC。可作为各种仪表外壳、汽车灯罩、化工贮酸槽等。（二）ABS塑料由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种组元为主共聚而成。常用来制造齿轮、泵叶片、轴承、把手、管道、贮槽内衬、电机外壳、仪表盘、蓄电池槽、水箱外壳、冷藏库和冰箱衬里等。（三）其他热塑性塑料1.聚碳酸脂（PC）具有强度高、刚性好、耐冲击、耐磨和尺寸稳定性好，是良好的摩擦传动零件材料，如轴承、齿轮、齿条、蜗轮，也可做金刚砂磨轮粘结剂。2.有机玻璃（PMMA）是目前最好的透明材料，透光率92%以上，比普通玻璃好。用于制造具有一定透明度和强度的零件，如油标、油杯、化学镜片、设备标牌、透明管道、飞机、船舶、汽车的座窗和仪器仪表部件、电气绝缘材料以及各种文具、生活用品等。3.聚甲醛（POM）具有优良的综合性能，其抗拉强度达到70MPa，可在104℃以下长期使用，脆化温度-40℃，吸水性极小，尺寸稳定性高，但热稳定性差，遇火会燃烧，在大气中暴晒还会老化。聚甲醛塑料价格低廉，性能优于尼龙，可代替有色金属和合金，并逐步取代尼龙制作轴承、衬套等。用量最大的是汽车工业。4.聚酰胺（PA，又称尼龙或锦纶）是目前机械工业中应用最广泛的一类工程塑料。机械强度很高，耐磨减摩，自润滑性能好，而且耐油、耐蚀、消声、减振。大量用于制造小型零件，代替非铁（有色）金属及其合金。尼龙易吸水，吸水后性能和尺寸变化大。5.聚四氟乙烯（F-4、PTFE）俗称氟塑料、塑料王，商品名称特氟隆。聚四氟乙烯具有优异的耐化学腐蚀性，不受任何化学试剂的浸蚀，故有“塑料之王”之称。在-195～+250℃范围内长期使用其力学性能几乎不发生变化。主要用来制作化工机械上的各种零部件，如管道、反应器、活门、阀门、泵等，还广泛用于高频电子仪器的绝缘，还可用来制作各种垫圈、阀座、阀瓣、轴承、活塞环等。聚四氟乙烯夹层垫片聚四氟乙烯密封带、密封条三通,异径三通,弯头三、热固性塑料及应用（一）酚醛塑料(PF)以酚醛树脂为基，加入木粉、布、石棉、纸等填料经固化处理而形成的交联型热固性塑料。具有较高的强度和硬度、耐热性、耐磨性、耐蚀性及良好的绝缘性。主要用于制造齿轮、轴承等结构件和各种电气绝缘零件，可用来做涂料、胶粘剂和日常生活用的电木制品（插头、开关、电话机外壳等），也可制作汽车的刹车片，化学工业用耐酸泵，纺织工业用无声齿轮及制作玻璃钢、模压塑料等。（二）环氧塑料(EP)以环氧树脂为基，加入各种添加剂经固化处理形成的热固性塑料。有“万能胶”之称。具有比强度高、耐热性、耐蚀性、绝缘性及加工成型性好的特点。主要用于制作塑料模具、精密量具、电子仪器的抗振护封的整体结构以及电气、电子元件、线圈的灌封，还可用作清漆、浇铸塑料、层压塑料及电绝缘材料等。（三）有机硅塑料有机硅树脂的热稳定高，耐高温老化和耐热性很好，具有优良的电绝缘性，特别是高温下电绝缘性好，耐稀酸、稀碱、耐有机溶剂，主要用于压制工作温度达180-200℃的电绝缘零件。第二节工程橡胶一、橡胶材料概述橡胶是以高分子化合物为基础的、具有显著高弹性的材料。以生胶为原料加入适量的配合剂而形成的高分子弹性体。（一）橡胶的组成和分类1.橡胶的组成生胶橡胶主要组分，来源可以是天然的，也可以是合成的。起着粘结其它配合剂的作用，是决定橡胶制品性能的关键因素。配合剂提高和改善橡胶制品的各种性能而加入的物质。主要有硫化剂、防老剂、着色剂等。2.橡胶的分类按原料来源：天然橡胶和合成橡胶；按应用范围：通用橡胶与特种橡胶。通用橡胶是指用于制造轮胎、工业用品、日常用品的量大面广的橡胶。特种橡胶是指用于制造在特殊条件（高温、低温、酸、碱、油、辐射等）下使用的零部件的橡胶。（二）橡胶的性能高弹性橡胶最显著的性能特点是具有高弹性，其宏观弹性变形量可高达100%～1000%。机械强度机械强度是决定橡胶制品使用寿命的重要因素。工业生产中常以抗撕裂强度（或拉伸强度）及定伸强度来表示。耐磨性耐磨性是橡胶抵抗磨损的能力。磨损与橡胶的强度成反比，强度越高，磨损量越小。二、常用橡胶材料及应用（一）天然橡胶具有较高的弹性、较好的力学性能、良好的电绝缘性及耐碱性。主要用于制造轮胎、胶带、胶管等。（二）通用合成橡胶（1）丁苯橡胶由丁二烯和苯乙烯共聚而成的。其耐磨性、耐热性、耐油、抗老化性均比天然橡胶好。缺点是生胶强度低、粘接性差、成型困难、硫化速度慢。主要用于制造轮胎、胶带、胶管、工业密封件和电气绝缘材料等。橡胶法兰垫2.顺丁橡胶顺式-1、4聚丁二烯橡胶的简称，是目前橡胶中弹性最好的一种。主要用于制作轮胎、胶带、胶管、减振器、橡胶弹簧等减振部件、绝缘零件等。3.氯丁橡胶由氯丁二烯聚合而成。具有天然橡胶和一般通用橡胶所没有的优良性能。故有“万能橡胶”之称。用于制造矿井的运输管、胶管、电缆、高速带、垫圈等。4.乙丙橡胶乙烯和丙烯共聚而成。抗老化性是通用橡胶中最好的。主要用于制作轮胎、输送带、电线套管、蒸汽导管、密封圈、汽车部件等。（三）特种合成橡胶1.丁腈橡胶由丁二烯与丙烯腈聚合而成。其耐油性好，耐热、耐燃烧、耐磨、耐碱、耐有机溶剂。缺点是耐寒性差，其脆化温度为-10℃～-20℃。主要用于制作耐油制品，如油桶、油槽、输油管、耐油密封件、印刷胶辊和化工设备衬里及各种耐油减震制品等。2.硅橡胶由二甲基硅氧烷与其它有机硅单体共聚而成。具有高耐热性和耐寒性，抗老化能力强、绝缘性好。主要用于制造各种耐高低温橡胶制品，如各种耐热密封垫片、垫圈、透气橡胶薄膜和耐高温的电线、电缆等。3.氟橡胶以碳原子为主链，含有氟原子的聚合物。其化学稳定性高、耐蚀性能居各类橡胶之首，耐蚀性好，最高使用温度为300℃。主要用于国防和高技术中的密封件。遥控器按键第三节工程陶瓷一、陶瓷材料概述陶瓷亦称无机非金属材料，是指用天然硅酸盐（粘土、长石、石英等）或人工合成化合物（氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物）为原料，经粉碎、配料、成型和高温烧制而成的无机非金属材料。陶瓷是陶器与瓷器的总称。陶瓷的分类按化学组成：硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷（氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和复合陶瓷）按性能：普通陶瓷（如日用陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷等）和特种陶瓷（结构陶瓷、功能陶瓷）按用途：日用瓷、艺术瓷、建筑瓷、工程陶瓷等陶瓷的晶体结构陶瓷晶体一般是由离子键构成的离子晶体（MgO、Al2O3等），也有由共价键组成的共价晶体（Si3N4、SiC），晶体类型远比金属材料复杂。陶瓷的显微组织晶相（主要组成相）：氧化物和硅酸盐，玻璃相气相各组成相结构、数量、形态、大小及分布对陶瓷性能有显著影响。陶瓷的性能①高硬度大多数陶瓷材料的硬度比金属高得多，故其耐磨性好（它的硬度仅次于金刚石）。②高弹性模量与高脆性陶瓷在拉伸时几乎没有塑性变形，在拉应力作用下产生一定弹性变形后直接脆断，大多数的陶瓷材料的弹性模量都比金属高。③低抗拉强度和较高的抗压强度由于陶瓷内部存在大量气孔，其作用相当于裂纹，故其抗压强度较高。1.力学性能陶瓷、钢和橡胶的应力-应变曲线④优良的高温强度和低的抗热震性陶瓷的熔点高于金属，具有优于金属的高温强度。陶瓷在高温下不仅保持高硬度，而且基本保持其室温下的强度，具有高的蠕变抗力，同时抗氧化的性能好，广泛用作高温材料。但陶瓷承受温度急剧变化的能力差（热震性差）,当温度剧烈变化时易裂。2.电学性能陶瓷是传统的绝缘材料，只有当温度升高到熔点附近时，离子热振动加强，才表现出一定的电导能力。现代陶瓷中已出现了一批具有各种电性能的陶瓷，如压电陶瓷、磁性陶瓷、透明铁电陶瓷等，为陶瓷的应用开拓了广阔的前景。3.化学性能即使1000℃以上的高温也不会氧化。此外，陶瓷对酸、碱、盐等的腐蚀也有较强的抵抗能力，也能抵抗熔融金属的侵蚀。所以陶瓷是非常好的耐蚀材料。4.光学性能目前已研制出了如制造固体激光器材料，光导纤维材料、光存储材料等陶瓷新品种，并已在通信、摄影、计算机技术等领域获得了应用。二、常用工程结构陶瓷材料（一）氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分，含有少量SiO2的陶瓷，α―Al2O3为主晶相。根据Al2O3含量的不同分为：75瓷（75%Al2O3），又称刚玉—莫来石瓷；95瓷（95%Al2O3）99瓷（99%Al2O3）。后两者又称刚玉瓷。常用作高温实验的容器和盛装熔融的铁、镍、钴等的坩埚，测温热电偶的绝缘套管等。内燃机的火花塞、火箭和导弹流罩、轴承、切削刀具，以及密封环等。氧化铝热电偶套管氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷喷咀（三）氮化硅（Si3N4）陶瓷•按其制造工艺不同可分为热压