常用復合材料介紹

1、非金屬材料及復合材料學習目標：了解非金屬材料和復合材料的種類、性能特點及應用，特別是塑料、橡膠、陶瓷、復合材料的性能特點及應用。本章導讀：塑料與橡膠為有機高分子材料，與金屬相比質量輕，具有金屬材料不可比擬的特殊性能，使用極為廣泛；陶瓷為無機非金屬材料，具有高硬度、耐蝕的性能，除日用陶瓷外，工業(yè)上使用的特種陶瓷更具有其獨特的性能，在機械加工、航空航天、化學工業(yè)等領域都有應用；復合材料是由兩種或多種材料組成的多相材料，具有較好的綜合性能，其應用越來越受到廣泛的重視，大家熟悉的玻璃鋼、塑鋼門窗、羽毛球拍等，都是用復合材料制造的。第一節(jié)塑料與橡膠塑料與橡膠屬高分子材料，目前，全世界合成高分子材料的年產

2、量按體積計已超過鋼鐵材料，并正以每年14%的速度增長，其使用領域廣泛，涉及工業(yè)制造及日常生活。高分子材料是由若干原子按一定規(guī)律重復地連接而成的長鏈分子，長鏈分子的最大伸直長度可達毫米級，其分子量一般大于5000。高分子材料按來源可分為天然高分子（天然橡膠、蠶絲、皮革、木材等）和合成高分子化合物（塑料、橡膠等）。合成高分子化合物是由一種或幾種單體（簡單結構的低分子化合物）聚合而成的，因此高分子化合物又稱高聚物或聚合物。如聚乙烯分子就是由單體乙烯經聚合反應連接而成：n（CH=CH）-CHCH-2222n乙烯聚乙烯高分子化合物的化學組成一般并不復雜，是由重復連接的結構單元組成的，這種重復連接的結構單

3、元稱為“鏈節(jié)”，如聚乙烯中的-CHCH-。大分子鏈之間存在的相互作用力使鏈節(jié)連接起來，其連接方式決定了高分子化合物的性能。-22一、塑料1塑料的組成塑料的主要組成是合成樹脂和添加劑。合成樹酯是具有可塑性的高分子化合物的統(tǒng)稱，它是塑料的基本組成物，它決定了塑料的基本性能，塑料中合成樹酯含量一般為30%100%。樹酯在塑料中還起粘結劑的作用，許多塑料的名稱是以樹酯來命名的，如聚苯乙烯塑料的樹酯就是聚苯乙烯；添加劑的作用主要是改善塑料的某些性能或降低成本，常用的添加劑有填充劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、固化劑、著色劑等。2塑料的分類按使用范圍：通用塑料、工程塑料按受熱性能：熱塑性塑料、固性塑料熱塑性和

4、熱固性塑料的特性及常用品種常用塑料及代號類別熱性能熱塑性塑料熱固性塑料能溶于有機溶劑，加熱可軟化，易于加工成形，并能反復塑化成形，一般耐熱性較差固化后重新加熱不再軟化和熔融、亦不溶于有機溶劑，不能再成形使用。一般耐熱性較好聚氯乙烯（PVC）；聚乙烯（PE）；聚酰胺（PA）；聚甲醛（POM）；聚碳酸酯（PC）；聚丙烯（PP）；聚苯乙烯（PS）；聚四氟乙烯（PTFE,F-4）；聚砜（PSF）；聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）；苯乙烯一丁二烯一丙烯腈共聚體（酚醛塑料（PF）；氨基塑料（UF）；有機硅塑料（SI）；環(huán)氧樹酯（EP）；聚氨酯塑料（PUR）3塑料的性能塑料最大的特點是具有可塑性和可調性。所謂可

5、塑性，就是通過簡單的成型工藝，利用模具可以制造出所需要的各種不同形狀的塑料制品；可調性是指在生產過程中可以通過變換工藝、改變配方，制造出不同性能的塑料。塑料的其它性能分述如下：（1）物理性能密度塑料的密度在0.92.2gcm-3之間，僅相當于鋼密度的1/41/7。若在塑料中加入發(fā)泡劑后，泡沫塑料的密度僅為0.020.2gcm-3。電性能塑料具有良好的電絕緣性。聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等塑料可作為高頻絕緣材料；聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛、氨基塑料等可作為中頻及低頻絕緣材料。熱性能塑料遇熱、遇光易老化、分解，大多數(shù)塑料只能在100C以下使用，只有極少數(shù)塑料（如聚

6、四氟乙烯、有機硅塑料）可在250C左右長期使用；塑料的導熱性差，是良好的絕熱材料；塑料線膨脹系數(shù)大，一般為鋼的310倍，因而塑料零件的尺寸不穩(wěn)定，常因受熱膨脹產生過量變形而引起開裂、松動、脫落100。（2）化學性能塑料具有良好的耐腐蝕性能，大多數(shù)塑料能耐大氣、水、酸、堿、油的腐蝕。因此工程塑料能制作化工設備及在腐蝕介質中工作的零件。3）力學性能一般結構或耐磨受力零件，如齒輪、軸承等；耐腐蝕設備和零件；用ABS制成的泡沫夾層板可作小轎車車身；文教體育用品、樂器、家具、包裝容器及裝飾件等強度與剛度塑料的強度、剛度較差，其強度僅為30150MPa，且受溫度的影響較大；塑料的剛度僅為鋼的1/10。但由

7、于塑料的密度小，故比強度比較高。蠕變與應力松弛塑料在外力作用下，在應力保持恒定的條件下，變形隨時間的延續(xù)而慢慢增加，這種現(xiàn)象稱為蠕變。例如架空的電線套管會慢慢變彎，這就是蠕變。蠕變會導致應力松弛，如塑料管接頭經一定時間使用后，由于應力松弛導致泄漏。圖7-1有機玻璃應力應變曲線減摩性和耐磨性許多的塑料的摩擦系數(shù)低，如聚四氟乙烯、尼龍、聚甲醛、聚碳酸酯等都具有小的摩擦系數(shù)，因此塑料具有良好的減摩性；同時塑料具有自潤滑性，在無潤滑或少潤滑摩擦的條件下，其減摩性好于金屬，工程上用這類塑料來制造軸承、軸套、襯套、絲杠螺母等摩擦磨損件。此外，塑料還具良好的減振性和消音性，用塑料制作零件可減小機器工作時的振

8、動和噪聲。4常用塑料的性能及應用塑料的通用品種中，聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品種的總產量在億噸左右。其他如透光性好的有機玻璃稱為塑料王的耐腐蝕塑料聚四氟乙烯，作為工程塑料的聚砜、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰亞胺和常用作泡沫塑料的聚氨酯等。常用塑料的特性及應用塑料名稱應用舉例聚氯乙烯（PVC）聚乙烯（PE）聚丙烯（PP）聚苯乙烯（PS）硬聚氯乙烯強度高，絕緣性、耐蝕性好，但耐熱性差，使用溫度為T0+55軟質聚氯乙烯強度低、伸長率高、易老化、絕緣性、耐蝕性好；泡沫聚氯乙烯密度低、隔熱、隔音、防振低壓聚乙烯強度、硬度較高，耐蝕性、絕緣性好高壓聚乙烯柔軟性好（在-70r時仍柔軟），伸長率、韌性、

9、透明性好，摩擦系數(shù)低（為0.21）是最輕的塑料之一，剛性好，耐熱性好，可在100C以上的高溫使用，化學穩(wěn)定性好，幾乎不吸水，高頻電性能好，易成形、低溫呈脆性、耐磨性不高有較好的韌性、優(yōu)良的透明度（和有機玻璃相似）、化學穩(wěn)定性較好、易成型可部分代替不銹鋼、銅、鋁等金屬材料作耐腐蝕設備及零件，可作燈頭、插座、開關、閥門管件等可用作農用和工業(yè)用包裝薄膜、電線絕緣層、人造革、密封件襯套墊。因有毒，不能用于食品和藥品包裝；泡沫聚氯乙烯可作襯墊減摩自潤滑零件，輕載齒輪、軸承等；耐腐蝕設備的零件；電氣絕緣材料，如高頻、水底和一般電纜的包皮等；茶杯、奶瓶等薄膜、軟管，包覆電纜、塑料瓶、食品和藥品包裝耐腐蝕的化

10、工設備及零件、受熱的電氣絕緣零件，電視機、收音機等家用電器殼，一般用途的齒輪、管道、接頭等透明結構零件，如汽車用各種燈罩、電氣零件、儀表零件、浸油式多點切換開關、電池外殼等苯乙烯一丁二烯丙烯腈共聚體ABS具有良好的綜合性能，即高的沖擊韌度和良好的強度；優(yōu)良的耐熱性、耐油性能；尺寸穩(wěn)定，易成形，表面可鍍金屬；電性能良好尼龍6：疲勞極限、剛性和耐熱性不及尼龍66,但輕載荷、中等溫度（80100。0、無潤滑或少潤滑、聚酰胺（尼龍）PA彈性好，有較好的消振和消音性，其余同尼龍66尼龍66：疲勞強度和剛性較高，耐熱性較好，耐磨性好，摩擦系數(shù)低，但吸濕大，尺寸不夠穩(wěn)定要求低噪聲條件下工作的耐磨受力零件適合

11、于中等載荷、使用溫度=100120乜、無潤滑或少潤滑條件下工作的耐磨受力傳動零件聚碳酸酯（PC）聚甲醛（POM）尼龍610：強度、剛性、耐熱性略低于尼龍66,但吸濕性小，耐磨性好力學性能優(yōu)異，尤其具有優(yōu)良的抗沖擊性，尺寸穩(wěn)定性好，耐熱性高于尼龍、聚甲醛，長期工作溫度可達130r，疲勞極限低、易產生應力開裂，耐磨性欠佳，透光率達89%,接近有機玻璃耐疲勞極限和剛度高于尼龍，尤其彈性模量高，硬度高，這是其它塑料所不能比的，自潤滑性好、耐磨性好，吸水和蠕變較小，尺寸穩(wěn)定性好，長期使用溫度為-40+100C_具有高的化學穩(wěn)定性，俗稱“塑料王”，只有對作用同尼龍6,如作要求比較精密的齒輪，并適合于濕度波

12、動較大條件下工作的零件支架、殼體、墊片等一般結構零件；也可作耐熱透明結構零件，如防爆燈、防護玻璃等；各種儀器、儀表的精密零件；高壓蒸煮消毒醫(yī)療器械、人工內臟用作對強度有一定要求的一般結構零件；輕載荷、無潤滑或少潤滑的各種耐磨、受力傳動零件；減摩和自潤滑零件，如軸承、滾輪、齒輪、化工容器、儀表外殼、表盤等聚四氟乙烯（PTFE）F-4熔融狀態(tài)下的堿金屬及高溫下的氟元素才不耐腐蝕；有異常好的潤滑性，摩擦系數(shù)極低，對金屬的摩擦系數(shù)只有0.070.14；可在260C長期使用，也可在-250C的低溫下使用；電絕緣性優(yōu)良，耐老化；但強度低，剛性差，制造工藝較麻煩耐腐蝕化工設備及其襯里與零件，如反應器、管道;

13、減摩自潤滑零件，如軸承、活塞銷、密封圈等；電絕緣材料及零件，如高頻電纜、電容線圈架等聚砜(PSF)耐高溫和耐低溫，可在-100+150C下長期使用，化學穩(wěn)定性好，電絕緣和熱絕緣性能良好，用F-4填充后可作摩擦零件適宜于高溫下工作的耐磨受力零件，如汽車分速器蓋、齒輪、真空泵葉片、儀表殼體、汽車護板等，以及電絕緣零件聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）（PMMA）有極好的透光性（可透過92%的太陽光，紫外線光達73.5%）；綜合性能超過聚苯乙烯等一般塑料，機械強度較高，有一定的耐熱性、耐寒性；耐蝕性和耐絕緣性良好；尺寸穩(wěn)定，易于成形；較脆，表面硬度不高，易擦毛可作要求有一定強度的透明零件、透明模型、裝飾品

14、、廣告牌、飛機窗、燈罩、油標、油杯等聚氨酯塑料（PUR）酚醛塑料（電木）（PF）柔韌、耐油、耐磨，耐氧、耐臭氧、耐輻射及許多化學藥品的腐蝕，泡沫聚氨酯彈性及隔熱性優(yōu)良用于密封件、傳動帶、泡沫聚氨用于隔熱、隔音及吸振材料，實心輪胎、汽車零件環(huán)氧塑料（EP）氨基塑料（UF）有機硅塑料（SI）高強度、硬度、耐熱性好（140C使用），絕緣、化學穩(wěn)定性好，耐沖擊、耐酸、耐水、耐霉菌，加工性能差強度高，電絕緣性好，化學穩(wěn)定性好，耐有機溶劑，防潮、防霉，耐熱、耐寒，對許多材料的粘著力強。成形方便又稱“電玉”，力學性能、耐熱性、絕緣性能接近電木。半透明如玉，顏色鮮艷，耐水性差，在80C下長期使用電絕緣性好、高

15、電阻、高頻絕緣性好、耐熱（可在180200C長期使用）、防潮、耐輻射、耐臭氧、耐低溫一般機械零件，水潤滑軸承，電絕緣件、，耐化學腐蝕的結構材料和襯里材料，電器絕緣板、絕緣齒輪、耐酸泵、剎車片、整流罩塑料模具、精密量具、電氣和電子元件的灌封與固定、修復機件機械零件、電絕緣材料、裝飾件，如開關、插座、把手、旋鈕、儀表外殼等澆注料用于電氣和電子元件的灌填充與固定；塑料粉可壓制耐熱件、絕緣件二、橡膠橡膠是具有高彈性的高分子材料，它在較小的載荷下就能產生很大的變形，當載荷去除后又能很快恢復原狀，是常用的彈性材料、密封材料、防震和減振材料、傳動材料。1橡膠的分類按其來源不同可分為天然橡膠與合成橡膠兩類。天

16、然橡膠是橡膠樹的液狀乳汁經采集和適當加工而成，天然橡膠的主要化學成分是聚異戊二烯；合成橡膠主要成分是合成高分子物質，其品種較多，丁苯橡膠和順丁橡膠是較常用的合成橡膠。按其用途可分為通用橡膠和特種橡膠，通用橡膠的用量一般較大，主要用于制作輪胎、輸送帶、膠管、膠板等，主要品種有丁苯橡膠、氯丁橡膠、乙丙橡膠等；特種橡膠主要用于高溫、低溫、酸、堿、油和輻射介質條件下的橡膠制品，主要有丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠等。2橡膠的組成橡膠制品是以生膠為基礎，并加入適量的配合劑和增強材料組成的。（1）生膠是未加配合劑的天然或合成橡膠，是橡膠制品的主要組分，生膠不僅決定了橡膠的性能，還能把各種配合劑和增強材料粘成一體

17、。不同的生膠可制成不同性能的橡膠制品。（2）配合劑作用是提高橡膠制品的使用性能和工藝性能。配合劑的種類很多，一般有硫化劑、硫化促進劑、增塑劑填充劑、防老化劑等，其中硫化劑的作用是使橡膠變得有富有彈性，目前生產中多采用硫磺作為硫化劑；硫化促進劑主要作用是促進硫化，縮短硫化時間并降低硫化溫度。常用的硫化促進劑有MgO、ZnO、CaO等；增塑劑主要作用是提高橡膠的塑性，使之易于加工和與各種配料混合，并降低橡膠的硬度、提高耐寒性等，常用增塑劑主要有硬酯酸、精制蠟、凡士林等；防老化劑可防止橡膠制品在受光、熱、介質的作用時出現(xiàn)變硬、變脆、提高使用壽命，主要加入石蠟、密蠟或其它比橡膠更易氧化的物質，在橡膠表

18、面形成穩(wěn)定的氧化膜，抵抗氧的侵蝕；填充劑的作用是提高橡膠的強度和降低成本。常用的有碳黑、MgO、ZnO、CaO等。（3）增強材料其作用是提高橡膠的力學性能，如強度、硬度、耐磨性和剛性等。常用的增強材料是各種纖維織物、金屬絲及編織物。如在傳送帶、膠管中加入帆布、細布，在輪胎中加入簾布、在膠管中加入鋼線等。3橡膠的性能（1）極好的彈性橡膠的主要組分是具有高彈性高分子物質。在受到較小力作用下能產生很大的變形（變形量在100%1000%），取消外力后又能恢復原狀，這是橡膠區(qū)別于其他物質的主要標志。（2）很高的可撓性、伸長率、良好的耐磨性、電絕緣性、耐腐蝕性、隔音、吸振以及與其它物質的粘結性等。4常用橡

19、膠及其應用橡膠主要用于制作輪胎；密封元件（旋轉軸密封、管道接口密封）；各種膠管（輸送水、油、氣、酸、堿）；減振、防振件（機座減振墊片、汽車底盤橡膠彈簧）；傳動件（如三角膠帶、傳動滾子）；運輸膠帶；電線、電纜和電工絕緣材料；制動件等。通用橡膠價格較低用，量較大，其中丁苯橡膠是產量和用量最大的品種占，橡膠總產量的60%70%，順丁橡膠的發(fā)展最快特；種橡膠的價格較高，主要用于要求耐寒、耐熱、耐腐蝕等場合。常用橡膠特性能及應用品種抗拉強度叭/105Pa斷后伸長率6/%使用溫度t/C性能特點應用舉例天然橡膠(NR)2530650900-50120高彈性、耐低溫、耐磨、絕緣、防振、易加工。不耐氧、不耐油、不耐咼溫通用