金属材料与热加工基础课件第5章

常用 复合材料
功能 复合材料
先进 复合材料
三、复合材料的应用
1.纤维增强复合材料的应用
（1）玻璃纤维增强复合材料：是以 玻璃纤维为增强材料，以热塑性或热 固性塑料为基体材料组成的复合材料， 又称玻璃钢，俗称FRP。
玻璃纤维增强复合材料中的玻璃纤 维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃 纤维和高硅氧玻璃纤维等。
（3）电性能：大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，用于制作各 种隔电绝缘器件。铁电陶瓷（钛酸钡BaTiO3）具有较高的介 电常数，可用于制作电容器。少数陶瓷还具有半导体的特性， 可作整流器。
（4）化学性能：陶瓷材料在高温下不易氧化，高温下组 织结构非常稳定，化学稳定性极好，并对酸、碱、盐具有 良好的抗腐蚀能力。
（2）第一种热塑性的全能塑料—聚氯乙烯（PVC）
特点：强度、硬度、刚度均高于PE，并有耐燃、自熄的特点， 但热稳定性、耐寒、耐老化性差，一般在-15～60 ℃使用。
应用：常温常压下的容器、板材、管道；建筑上制作门窗、天 花板、电线套管、墙纸；纯PVC透明，气密性好，用于饮料、 药品、化妆品的硬质外包装；PVC软塑料常用于农用薄膜、雨 衣、桌布；另外还大量用于电线绝缘护套、插头插座壳、玩具、 密封条等。——用途最广的通用塑料。
知识目标
了解非金属材料、复合材料的种类及主要性能。
能力目标
初步认识一些常用非金属及复合材料的代号 并能知道它们的主要应用。
案例引入
防弹衣，在20世纪60年代，制作它的主要材 料是尼龙。后来发现，分子中含有苯环结构 的另一种聚酰胺纤维凯夫拉(Kevlar)有助于 加强衣料本身的张力(较尼龙强2．5倍)。当 子弹击中由此种纤维制成的防弹衣时，就像 坠入一个网中，其能量会向四周扩散，子弹 便没有足够的能量冲破衣料伤害人体了。现 在凯夫拉已取代尼龙作为制作防弹衣的主要 材料，如图5-1所示。如此神奇的聚酰胺纤 维是什么材料呢？
发泡剂
阻燃剂
抗静电剂
一、塑料的组成、分类及应用
2.塑料的分类
塑料 分类
受热后 性质
使用 特性
热塑性 热固性
塑料
塑料
通用 塑料
工程 塑料
特种 塑料
热塑性塑料
这类塑料受热软化熔融，可塑造成形，冷却 后成形固化，此过程可反复进行而基本性能 不变。其特点是力学性能较高，成形工艺简 单，耐热性、刚性较差，使用温度低于120℃。 常用品种有聚乙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚 四氟乙烯、ABS等，其制品如图 5-2所示。
（1）结构最简单的塑料—聚乙烯（PE）
高压聚乙烯：分子支链多，分子量、结晶度和相对密度低、 半透明状，质地柔软，耐冲击，常用于制作塑料薄膜、软 管、塑料瓶等包装材料。
低压聚乙烯：分子支链少，分子量、结晶度和相对密度较 高、乳白色，质地较硬，耐磨、耐蚀、绝缘性好，可作化 工耐蚀管道、阀、衬板、承载不高的齿轮、轴承以及电绝 缘护套等。保温瓶壳、洗发水瓶、圆珠笔芯、茶杯、奶瓶 等。
1.橡胶的组成
橡胶
生胶
配合剂
着色剂
发 泡 剂
填 充 剂源自文库
硫化剂
软 化 剂
防 老 化 剂
2. 橡胶的分类
橡胶
天然橡胶 合成橡胶
3. 常用橡胶的应用
（1）最早应用的橡胶—天然橡胶（NR）
特点：强度高、耐撕裂；弹性、耐磨性、耐寒性、耐碱性、
气密性、防水性、绝缘性及加工性能优良，但耐热、耐油及 耐老化性差。
（8）塑料王—聚四氟乙烯（PTEE或F4） 特点：最优良的耐高、低温性能（-260~250 ℃），几乎不受 任何化学品腐蚀，化学稳定性超过玻璃、陶瓷甚至金、铂；摩 擦系数最小，润滑性好，介电损耗小，无味、无毒、不燃，有 良好的生物相容性及抗血栓性。 应用：不粘锅涂层、管道密封用生料带，机械上减摩密封零件， 电器上耐高频绝缘零件、以及强腐蚀场合设备内衬和零件。医 用材料中人造血管、人工心脏等。
（9）强韧而耐磨耐油的塑料—聚酰胺（PA） “尼龙” 特点：优良的耐磨性、减摩性和自润滑性。优异的耐油性和气 体阻隔性；耐疲劳性好；吸湿性较大。 应用：汽车上输油管、油箱；DVD的齿轮、螺母、轴承等；与 HDPE复合，用于冷冻食品包装；还大量用于拉链、打火机壳、 头盔、球拍线、鱼线、输血管等。
（10）每天接触的塑料—热塑性聚酯（PET） 特点：PET膜拉伸强度很高，可长期用于户外，但耐热性不高。 应用：PET膜和片材主要用于各种食品、药品、精密仪器的高档 包装、录音带、胶片、光盘、磁卡等；各种饮料瓶、矿泉水瓶等； 各种电器元件外壳。
（6）最透明的塑料—聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）“有机玻 璃” 特点：透光率好，耐紫外线和大气老化，强度高，成形性好， 良好的染色性，表面硬度差、易划伤起毛。 应用：透明装饰面板、仪表板、容器、包装盒、灯罩、眼镜、 工艺品等，也可用于飞机窗玻璃、防弹玻璃、风挡等。
（7）透明“金属”—聚碳酸酯（PC） 特点：优良的抗冲击性和透明度，集刚、硬、韧、透明为一体 的典型塑料。阻燃性好，自熄性材料。高温下易开裂。 应用：光盘、灯罩、防护玻璃、手机壳体、精密仪器中齿轮、 相机零件、太空杯、餐具等。PC膜可用于录音（像）带。
一、塑料的组成、分类及应用
塑料是目前机械工业中应用最广泛的高分子材料，它是以合成树 脂为基本原料，再加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加 剂后，在一定温度和一定压力下制成的高分子材料。
一、塑料的组成、分类及应用
1.塑料的组成
塑料
合成树脂
添加剂
填充剂
增塑剂
固化剂（交联剂）
稳定剂（防老化剂）
着色剂
（11）合成塑料的鼻祖—酚醛树脂（PF） 特点：一定强度、硬度，耐磨、绝缘性好、耐热性好，但性脆， 有毒。 应用：“电木”，灯头、开关、插座、纽扣、刹车片、齿轮等。
二、橡胶的组成、分类及应用
橡胶是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料。
橡胶具有较高的强度、耐磨性、弹性，同时还具有较好的伸长 率、耐寒、耐高温、绝缘性、隔音性、透气性等。
（3）最轻且价廉的塑料—聚丙烯（PP） 特点：力学性能、耐热性（150℃）最高，密度最低，但低 温脆性大。无毒无味。 应用：汽车上仪表盘、方向盘等；以及日用的微波炉餐具、 椅子、安全帽；电器方面电话机、电视机外壳；PP膜可作香 烟、食品的包装膜、包装带等。
（4）最鲜艳且成形性特好的塑料—聚苯乙烯（PS） 特点：极易染成鲜艳颜色、透明度好，有光泽，可成型形突出， 电绝缘性好，刚性好，脆性大，户外长期使用易变黄变脆。 应用：各类电器配件、壳体、一般光学仪器、灯罩、玩具、建 筑广告装饰板、磁带盒、笔杆等 （5）强韧易成形的白色塑料—ABS：丙烯腈（Acrylonitrile）、 丁二烯（Butadiene）、苯乙烯（Styrene） 特点：综合性能好，价格低、坚韧、质硬且具刚性的材料。 应用：电视机、洗衣机、计算机等壳体；汽车上仪表盘、方向 盘、挡泥板、手柄等，也可用于化工管道、板材等。
复合材料是两种或两种以上不同化学成分或不同组织结构的 物质，通过一定的工艺方法人工合成的多相固体材料。它的 最大特点是材料间可以优势互补，具有十分广阔的发展前景， 图5-1的聚酰胺纤维就是一种复合材料。
第一节 高分子材料的应用
高分子材料是以高分子化合物为主要组成的材料， 也称聚合物材料。 可将高分子材料分为塑料、工业橡胶、合成纤维 及胶粘剂等。
（5）光学性能：具有特殊性能的陶瓷材料还有独特的光 学性能，可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存 器等，透明陶瓷可用于高压钠灯管等。
（6）磁特性：磁性陶瓷（铁氧体如：MgFe2O4、 CuFe2O4、Fe3O4）在录音磁带、唱片、变压器铁芯、 电子束偏转线圈、大型计算机记忆元件方面广泛应用。
二、陶瓷材料的分类
按原料来源 普通陶瓷
特种陶瓷
陶
瓷
材 料
按用途
日用陶瓷 工业陶瓷
的
分 类
高强度陶瓷
高温陶瓷
按性能
压电陶瓷 磁性陶瓷
半导体陶瓷
生物陶瓷
三、陶瓷材料的应用
1.普通陶瓷
普通陶瓷又称传统陶瓷。以天 然硅酸盐矿物为主要原料，如 粘土、石英、长石等。主要制 品有：日用陶瓷、建筑陶瓷、 电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、多 孔陶瓷。
四、合成纤维
合成纤维是以煤、石油、天然气及农副产品为原料，经化学合 成方法而制得的化学纤维，有六大品种的产量最多，约占合成 纤维总产量的90％。 尼龙（我国称锦纶）：强度高、磨性好、弹性好，但耐光性差。 涤纶（又名的确良）：强度高、耐磨、耐蚀、易洗、干的快， 是很好的衣料。 维纶：强度高、性能与棉花相似，原料易得、成本低，但弹性 较差，织物易皱。 腈纶（国外叫奥纶、开司米纶）：轻盈、柔软、保暖，有"人 造羊毛"之称。 丙纶：丙纶是后起之秀，发展快，以耐磨、质轻又坚固著称。 但日晒易老化，可染性差。 氯纶：耐磨、耐晒、保暖、弹性好、难燃，但染色性差、收缩 性大。
特点：其物理、力学性能均可与天然橡胶相比拟，且具有良
好的耐油、耐溶剂、耐氧化、耐老化、耐酸碱等性能，但耐 寒性较差，密度较大。
应用：耐老化的电线电缆包皮、耐油耐蚀的胶管、输送带、
矿井用橡胶制品、油罐衬里等。
丁腈橡胶（NBR）：耐油性好（用于输油管、耐油密封垫圈、 耐油耐热输送带、印刷胶辊等） 顺丁橡胶（BR）：弹性最好（制造轮胎、三角带、橡胶弹簧、 鞋底等） 乙丙橡胶（EPM）：密度最小（用于建筑防水材料、车辆配 件、蒸汽胶管、胶带、电线绝缘层等） 硅橡胶：最耐热耐寒 氟橡胶：最耐腐蚀
2.特种陶瓷
按成分 分类
特种陶瓷又称近
代陶瓷，它是采 用高纯度人工合 氧化物 成的原料（如氧 陶瓷
化物、氮化物、
碳化物等），利
用精密控制工艺
成形、烧结制成。
氮化物 碳化物
陶瓷
陶瓷
按用途 分类
金属 陶瓷
如Al2O3、 ZrO2、SiC、 Si3N4、BN等。
结构陶瓷
工具陶瓷
功能陶瓷
第三节 复合材料的应用
图5-1 防弹衣
金属材料在机械制造中广泛使用，但因其具有密 度大、耐腐蚀性差、电绝缘性能差等缺点，无法满 足某些生产的需求，而非金属材料有着金属材料所 不及的性能，如密度小、耐腐蚀性好、电绝缘性好、 减振效果好等，因此越来越多的非金属材料在生产、 生活领域中得到了应用。
非金属材料是指除金属材料和复合材料以外的其它材料， 包括高分子材料和陶瓷材料。
应用：各类轮胎、胶带、胶管、胶鞋、气球及医疗卫生品
等。
（2）产量最大的合成橡胶—丁苯橡胶（SBR）
特点：同天然橡胶相比质地均匀、成本低、耐磨性及气密性 好，抗撕裂和耐老化性也较好，但强度和弹性差。 应用：各类轮胎、胶带、胶管、胶鞋、硬质胶轮等，改性后
可替代天然橡胶。
（3）“万能”橡胶—氯丁橡胶（CR）
一、复合材料的性能
（1）高的物理、 力学性能
（4）安全 可靠性好
复合材料 性能
（2）抗疲劳性 和减振性好
（3）化学稳定 性和耐热性高
二、复合材料的分类
复合材料
按基体 类型
按增强 材料
金属基 复合材料
纤维增强 复合材料
非金属基 复合材料
颗粒增强 复合材料
层合 复合材料
按性能
按技术含量和 制造成本
结构 复合材料
两种或两种以上，化学、物理性质完全 不同的材料通过某种方式（或方法）复 合而得的具有优越性能的固体材料称为 复合材料。复合材料是由人为设计、人 工制造而成，组成复合材料的各材料之 间有明显界面，且具有特殊性能。
复合材料一般由基体材料和增强材料两 部分组成。基体材料分为金属和非金属 两大类。增强材料主要有玻璃纤维、碳 纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、 石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
热固性塑料
这类塑料加热时软化，可塑造成形，一经固 化，再加热将不再软化，也不溶于溶剂，只 能塑制一次。其特点是有较好的耐热性和抗 蠕变性，受压时不易变形，但强度不高，成 形工艺复杂，生产率低。常用品种有酚醛塑 料、氨基塑料、环氧塑料等
3. 常用塑料的性能和应用
特点：塑料具有密度小、比强度高、耐腐蚀、电绝缘性好、 耐磨和自润性好，还具有透光、隔热、消音、吸震等优点。 但也存在强度低、耐热性差、容易蠕变和老化等缺点。
第二节 陶瓷材料的应用
陶瓷材料是用天然或合成粉 状化合物经过成形、高温烧结制成 的一类无机非金属材料。它与金属 材料、高分子材料一起被称为三大 固体工程材料。
一、陶瓷材料的性能
（1）热性能：陶瓷具有高熔点（大多在2000℃以上）、高 耐热性，低导热性、低线膨胀系数。但陶瓷抗急冷急热性能 较差。
（2）力学性能：陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高 的材料，其抗压强度也较高；但脆性大，拉伸强度较低，塑 性和冲击强度很差。