第九章非金屬材料

第九章非金屬材料

教學(xué)要求

主要內(nèi)容

本章重點(diǎn)

本章小結(jié)

習(xí)題機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章教學(xué)要求

通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)了解非金屬材料的基本知識(shí)，熟悉常用工程塑料、橡膠、工業(yè)陶瓷及復(fù)合材料的分類(lèi)、性能特點(diǎn)及應(yīng)用。

機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章主要內(nèi)容

第一節(jié)高分子材料

第二節(jié)其它非金屬材料機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章本章重點(diǎn)

塑料的組成、分類(lèi)、加工、性能及主要用途。橡膠的組成、性能及用途。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章第一節(jié)高分子材料

一、高分子材料概述

高分子物質(zhì)分天然和人工合成兩大類(lèi)。

天然高分子物質(zhì)有羊毛、蠶絲、淀粉、蛋白質(zhì)、天然橡膠等。工程上使用的高分子物質(zhì)主要是人工合成的各種有機(jī)高分子材料。

高分子材料是以高分子化合物為主要組成物的材料。而高分子化合物是指分子量很大(>5000)的化合物。高分子化合物一般是由一種或幾種簡(jiǎn)單的低分子化合物重復(fù)連接而成。

低分子化合物聚合起來(lái)形成高分子化合物的過(guò)程叫聚合反應(yīng)。因此，高分子化合物也叫高聚物或聚合物。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

由單體聚合為高聚物的方法有加成聚合反應(yīng)和縮合聚合反應(yīng)兩種。

(1)加成聚合反應(yīng)——簡(jiǎn)稱(chēng)加聚反應(yīng)。它是一種或多種單體經(jīng)反復(fù)多次地相互加成而生成聚合物的反應(yīng)。

由一種單體經(jīng)加聚而成的高聚物叫均聚物，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等；

而由兩種或多種單體同時(shí)加聚生成的高聚物叫共聚物，如丁苯橡膠、ABS塑料等。在加聚反應(yīng)中沒(méi)有其它低分子副產(chǎn)物生成，因此加聚反應(yīng)所得的高聚物具有和單體相同的成分。

(2)縮合聚合反應(yīng)——簡(jiǎn)稱(chēng)縮聚反應(yīng)。

它是具有兩個(gè)或兩個(gè)以上活潑官能團(tuán)(如-OH、=CO、-NH2等)的單體，互相縮合聚合成高聚物，同時(shí)有低分子副產(chǎn)物(如H20、NH3等)析出的反應(yīng)。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

由同一種單體進(jìn)行的縮聚反應(yīng)叫均縮聚，其產(chǎn)物叫均縮聚物。如由氨基己酸進(jìn)行均縮聚生成聚酰胺6(尼龍6)。

由兩種或多種單體進(jìn)行的縮聚反應(yīng)叫共縮聚，其產(chǎn)物叫共縮聚物。如由己二胺和己二酸進(jìn)行共縮聚生成尼龍66，并有水析出。

由于在縮聚反應(yīng)中有其它低分子副產(chǎn)物析出，故縮聚反應(yīng)所得的高聚物具有和單體不同的成分。

二、塑料

（一）塑料的組成

塑料是以有機(jī)合成樹(shù)脂為主要成分，加入適量的添加劑制成的高分子材料。

合成樹(shù)脂是由低分子化合物經(jīng)聚合反應(yīng)而獲得的高分子化合物。它受熱可軟化，在塑料中起粘結(jié)作用，其種類(lèi)、性能及加入量對(duì)塑料的性能起著決定性的作用。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

大多數(shù)塑料是以所用樹(shù)脂的名稱(chēng)來(lái)命名的。如聚氯乙烯塑料就是以聚氯乙烯樹(shù)脂為主要成分的。

有些樹(shù)脂可以直接用作塑料，如聚乙烯、聚苯乙烯等。

有些合成樹(shù)脂不能單獨(dú)用作塑料，必須在其中加入一些添加劑，如酚醛樹(shù)脂、聚氯乙烯等。

加入添加劑的目的是改善或彌補(bǔ)塑料某些性能的不足，添加劑有填充劑、增塑劑、固化劑、穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑、著色劑、阻燃劑等。

穩(wěn)定劑主要提高塑料在受熱和光作用時(shí)的穩(wěn)定性，防止老化；

填充劑（如鋁粉）主要提高塑料對(duì)光的反射能力等。

（二）塑料的分類(lèi)按其使用范圍分：通用塑料、工程塑料和耐熱塑料三類(lèi)；按合成樹(shù)脂的熱性能分：熱塑性塑料和熱固性塑料兩類(lèi)。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

1、熱塑性塑料

熱塑性塑料主要由聚合樹(shù)脂制成，僅加入少量的穩(wěn)定劑和潤(rùn)滑劑等。這類(lèi)塑料受熱軟化可塑造成型，冷卻后變硬，再受熱又可軟化，冷卻再變硬，可多次重復(fù)。

優(yōu)點(diǎn)：加工成型簡(jiǎn)便，力學(xué)性能較高。

缺點(diǎn)：耐熱性和剛性較差。

常用的熱塑性塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、尼龍、ABS、聚砜、聚苯乙烯等。

2、熱固性塑料

熱固性塑料大多是以縮聚樹(shù)脂為基礎(chǔ)，加入多種添加劑制成。這類(lèi)塑料在一定條件（如加熱、加壓）下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間即固化為堅(jiān)硬制品。

固化后既不溶于任何溶劑，也不會(huì)再熔融（溫度過(guò)高時(shí)則發(fā)生分解）和再成型了。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

優(yōu)點(diǎn)：耐熱性高，受壓不易變形等。

缺點(diǎn)：力學(xué)性能不高，但可加入填充劑來(lái)提高強(qiáng)度。常用的熱固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料和環(huán)氧樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂等。

（三）塑料制品的成型與加工

1、塑料制品的成型

1）注射成型——又稱(chēng)注塑成型。

熱塑性塑料主要的成型方法之一。

方法——將粒狀或粉狀的塑料在注射成型機(jī)的料筒內(nèi)加熱成為粘流態(tài)，然后以較高的壓力和速度注入密閉的模具型腔內(nèi)，經(jīng)一定時(shí)間冷卻，開(kāi)啟模具即可取出塑料制品。

特點(diǎn)：自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)速度快，制品尺寸準(zhǔn)確，可制造形狀復(fù)雜、壁厚或帶金屬嵌件的塑料制品。如各類(lèi)外殼、電器零件、機(jī)械零件等。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

2）壓制成型。

熱固性塑料主要的成型方法之一，又分模壓法和層壓法。

模壓法——將塑料粉末（或顆粒）放在金屬模型中加熱和加壓，使塑料在一定溫度、壓力和時(shí)間內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而固化成型，脫模后獲得塑料制品的方法。也可以用浸有樹(shù)脂的碎布或纖維狀塑料模壓成型。

層壓法——用片狀骨架填料(如紙、棉布、玻璃布等)浸以樹(shù)脂，一層層疊放，然后加熱、加壓，使樹(shù)脂粘結(jié)并固化，，以獲得塑料制品的方法。這是生產(chǎn)各種增強(qiáng)塑料板、棒和管的主要方法。

3)擠出成型——又叫擠壓成型。

方法——將粉狀或粒狀塑料，通過(guò)料斗送人擠出機(jī)料筒內(nèi)，經(jīng)加熱成粘流態(tài)，再靠螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)將其不斷地從機(jī)器的型孔中擠出而成制品。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

這種方法適用于管、棒、板、帶等塑料型材的生產(chǎn)，也可用于金屬的涂層、電纜包覆層、發(fā)泡材料等的生產(chǎn)。

(4)吹塑成型。

方法——將塑料先加熱熔融，然后放人模具內(nèi)，用壓縮空氣將其吹脹，使之緊貼模腔內(nèi)壁成型，冷卻后開(kāi)模即得中空制品。

這種方法常用于塑料瓶、罐、管類(lèi)零件的加工及擠壓吹塑薄膜的成型加工，如圖9-1所示。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

(5)澆注成型。

它是將液態(tài)樹(shù)脂加入添加劑后澆注到模具中，使其固化成為一定形狀塑料制品的方法。

此法適用于熱固性塑料的成型。常用于制造板材、電絕緣器材和裝飾品等。

2．塑料制品的加工

塑料制品成型后的再加工有切削加工、連接和表面處理等。

(1)切削加工。

由于塑料的導(dǎo)熱性差且有彈性，容易引起加工時(shí)的發(fā)熱、變形與加工面粗糙。

為保證質(zhì)量，在切削加工時(shí)一般應(yīng)采取下列措施：①刀具的前角與后角應(yīng)大些，刃口應(yīng)鋒利；②切削時(shí)應(yīng)用風(fēng)或水充分冷卻；③為得到較光潔的表面，應(yīng)采用較大的切削速度和較小的進(jìn)給量；④精加工時(shí)，為防工件變形夾緊力不宜過(guò)大。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

(2)塑料的連接。

塑料的連接可以將小而簡(jiǎn)單的構(gòu)件組合成大而復(fù)雜的零件。

塑料零件常用的連接方法：機(jī)械連接、熱熔粘接(也稱(chēng)焊接)、溶劑粘接和粘合劑粘接。

熱熔粘接——用焊槍噴出一定溫度的熱風(fēng)，將焊條和焊縫處的塑料加熱熔化，待冷卻凝固后兩塑料件就粘接在一起。大多數(shù)熱塑性塑料都可以采用熱熔粘接。

溶劑粘接——在塑料連接面涂以適當(dāng)溶劑，如丙酮、二甲苯等，使之溶脹軟化，再給以適當(dāng)壓力使兩部分貼緊，待溶劑揮發(fā)后，即可形成牢固的接頭。此法適用于多數(shù)熱塑性塑料相同品種間的連接。

粘合劑粘接——在兩個(gè)被粘接表面涂以適當(dāng)?shù)哪z粘劑，如環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等，利用膠層將兩部分連接為一體。絕大多數(shù)塑料都可以采用此法連接。這也是熱固性塑料唯一的粘接方法。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

(3)表面處理。

塑料制品的表面處理主要是涂漆和鍍金屬。

涂漆的目的是防止制品老化，提高制品耐化學(xué)藥品和溶劑的能力。

涂漆的方法：刷漆和噴漆。

鍍金屬的目的：使塑料制品具有導(dǎo)電性，提高表面硬度和耐磨性，提高防老化、防潮、防溶劑侵蝕的能力，并使塑料制品具有金屬光澤。

(四)常用的塑料

教材中表9-1是部分常用塑料的類(lèi)別、名稱(chēng)、符號(hào)、性能及用途舉例。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

三、橡膠

（一）橡膠的組成

橡膠是以生膠為基礎(chǔ)加入適量的配合劑制成的高分子材料。其中生膠原料來(lái)源又分為天然橡膠與合成橡膠。

天然橡膠——從熱帶的橡樹(shù)中流出的膠乳，經(jīng)過(guò)凝固、干燥、加壓等工序制成的片狀固體物，其主要成分為異戊二烯。

合成橡膠——用化學(xué)合成方法制成的，與天然橡性質(zhì)相似的高分子材料。合成橡膠的品種很多，如丁苯橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠、硅橡膠等。

橡膠制品的性質(zhì)主要取決于生膠的性質(zhì)。

配合劑是為了提高和改善橡膠制品的性能而加入的物質(zhì)。橡膠配合劑的種類(lèi)很多，如硫化劑及其促進(jìn)劑、軟化劑、防老化劑、填充劑、發(fā)泡劑和著色劑等。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

硫化劑——能改變橡膠分子的結(jié)構(gòu)，提高橡膠的力學(xué)性能，并使橡膠具有既不溶解，也不熔融的性質(zhì)，克服橡膠因溫度升高而變軟發(fā)粘的缺點(diǎn)。

橡膠制品只有經(jīng)硫化后才能使用。天然橡膠以硫磺作硫化劑。

軟化劑——能增加橡膠的塑性，改善粘附力，并能降低橡膠的硬度和提高耐寒性。

常用的軟化劑有硬脂酸、精制臘、凡士林及一些油類(lèi)、酯類(lèi)。

填充劑——是增加橡膠制品的強(qiáng)度和降低成本。

常用的填充劑有炭黑、氧化硅、白陶土、氧化鋅、氧化鎂和滑石粉、硫酸鋇等。

（二）常用的橡膠

橡膠可分為通用橡膠和特種橡膠。常用橡膠的種類(lèi)、性能特點(diǎn)及用途舉例見(jiàn)教材中表9-2。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

四、膠粘劑

膠接——借助于一種物質(zhì)在固體表面產(chǎn)生的粘合力將材料牢固地連接在一起的方法。

用以產(chǎn)生粘合力的物質(zhì)稱(chēng)為膠粘劑(也叫粘合劑)。

1．膠粘劑的組成

目前應(yīng)用的膠粘劑多為合成膠粘劑。

合成膠粘劑是一種多組分的、具有優(yōu)良粘合性能的物質(zhì)。其組成組分有基料、固化劑、增塑劑、增韌劑、填料、稀釋劑、穩(wěn)定劑等。

(1)基料?；鲜悄z粘劑的主要而必須的組分，常用的基料有環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、氯丁橡膠等。

(2)固化劑。固化劑的作用是使膠粘劑固化。

(3)增塑劑和增韌劑。它們的作用是改善膠粘劑的塑性和韌性，提高膠接接頭的抗剝離、抗沖擊以及耐寒性等。

常用的有熱塑性樹(shù)脂、合成橡膠及高沸點(diǎn)的低分子有機(jī)液體等。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

(4)填料。其作用是提高接頭的強(qiáng)度和表面硬度，提高耐熱性。

通常使用的填料有金屬粉末、石棉和玻璃纖維等。

此外還可加入固化促進(jìn)劑、防老化劑或偶聯(lián)劑等。

2．常用膠粘劑

膠粘劑的種類(lèi)常按基料的化學(xué)成分來(lái)區(qū)分。

教材中表9-3列出了部分常用膠粘劑的種類(lèi)、牌號(hào)、性能和用途。

選用膠粘劑時(shí)，應(yīng)根據(jù)被粘材料、受力條件、工作環(huán)境及溫度等具體情況來(lái)合理確定。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章第二節(jié)其它非金屬材料

一、陶瓷材料

(一)陶瓷的基本性能

1．力學(xué)性能

陶瓷具有很高的彈性模量和硬度(維氏硬度>1500)，抗壓強(qiáng)度較高。但脆性較大，韌性較低，抗拉強(qiáng)度很低。

2．熱性能

陶瓷材料的熔點(diǎn)高，抗蠕變能力強(qiáng)，具有比金屬高得多的耐熱性，熱硬性可達(dá)1000℃以上，熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)小，是優(yōu)良的絕熱材料。但陶瓷的抗急冷急熱性能差。

3．化學(xué)性能陶瓷的組織結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，即使在1000℃也不會(huì)被氧化，不會(huì)被酸、堿、鹽和許多熔融的金屬(如有色金屬銀，銅等)侵蝕，不會(huì)發(fā)生老化。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

4．電性能

大多數(shù)陶瓷都是良好的絕緣體。但也研制了不少具有導(dǎo)電性的特種陶瓷，如氧化物半導(dǎo)體陶瓷等。

(二)陶瓷材料的分類(lèi)及應(yīng)用

陶瓷可分為普通陶瓷和特種陶瓷兩大類(lèi)。

1．普通陶瓷(又稱(chēng)傳統(tǒng)陶瓷)

普通陶瓷是以天然的硅酸鹽礦物(粘土、長(zhǎng)石、石英等)為原料，經(jīng)過(guò)原料加工、成形和燒結(jié)而成。廣泛用于人們的日常生活、建筑、衛(wèi)生、電力及化工等領(lǐng)域。如餐具、藝術(shù)品、裝飾材料、電器支柱、耐酸磚等。

2．特種陶瓷(又稱(chēng)近代陶瓷)

特種陶瓷是化學(xué)合成陶瓷。它以化工原料(如氧化物、氮化物、碳化物等)經(jīng)配料、成形、燒結(jié)而制成。

特種陶瓷可分為氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

氧化鋁陶瓷的主要成分是A12O3，又叫剛玉瓷。它的熔點(diǎn)高耐高溫，能在1600℃的高溫下長(zhǎng)期使用、，硬度高(在1200℃時(shí)為80HRA)，絕緣性、耐蝕性?xún)?yōu)良。其缺點(diǎn)是脆性大，抗急冷急熱性差。

它被廣泛應(yīng)用于刀具、內(nèi)燃機(jī)火花塞、坩鍋、熱電偶的絕緣套等。

氮化硅陶瓷的突出特點(diǎn)是抗急冷急熱性?xún)?yōu)良，并且硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、電絕緣性?xún)?yōu)良，還有自潤(rùn)滑性，耐磨性好。

廣泛用于制造耐磨、耐蝕、耐高溫和絕緣的零件，如高溫軸承、耐蝕水泵密封環(huán)、閥門(mén)、刀具等。

另外還有許多與機(jī)械工程有關(guān)的陶瓷材料，如壓電陶瓷、過(guò)濾陶瓷、電光陶瓷等，選用時(shí)可參考有關(guān)資料。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

二、復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種以上物理、化學(xué)性質(zhì)不同的材料經(jīng)人工組合而得到的多相固體材料。如鋼筋混凝土是由石子、砂子和水泥、鋼筋混合而成的復(fù)合材料；輪胎是由人造纖維和橡膠制成的復(fù)合材料等。

(一)復(fù)合材料的組成和分類(lèi)

1．復(fù)合材料的組成

復(fù)合材料由基體相和增強(qiáng)相構(gòu)成?；w相起形成幾何形狀和粘結(jié)作用；增強(qiáng)相起提高強(qiáng)度、韌性等的作用。

2．復(fù)合材料的分類(lèi)

(1)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。以玻璃纖維、碳纖維等陶瓷材料做增強(qiáng)相，復(fù)合于塑料、樹(shù)脂、橡膠和金屬等為基體相的材料中而制成的。如橡膠輪胎、玻璃鋼、纖維增強(qiáng)陶瓷等都是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

(2)層疊復(fù)合材料。由兩層或兩層以上不同材料復(fù)合而成的。

如五合板、鋼—銅—塑料復(fù)合的無(wú)油潤(rùn)滑軸承材料等就是層疊復(fù)合材料。

(3)顆粒復(fù)合材料。由一種或多種顆粒均勻分布在基體相內(nèi)而制成的。硬質(zhì)合金就是WC-Co或WC–TiC-Co等組成的顆粒復(fù)合材料。

(二)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

1．玻璃纖維-樹(shù)脂復(fù)合材料

以玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)相，以樹(shù)脂為基體相而制成的，俗稱(chēng)玻璃鋼。

以尼龍、聚烯烴類(lèi)、聚苯乙烯類(lèi)等熱塑性樹(shù)脂為基體相(粘結(jié)劑)制成的玻璃鋼，其性能比普通塑料高得多?？估瓘?qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度均提高2～3倍以上，沖擊韌度提高1～4倍，蠕變抗力提高2～5倍，達(dá)到或超過(guò)了某些金屬的性能?？捎脕?lái)制造軸承、齒輪、儀表盤(pán)、空調(diào)機(jī)葉片、汽車(chē)前后燈等。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章

以環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂等熱固性樹(shù)脂為粘結(jié)劑制成的玻璃鋼，具有密度小(約是鋼的1／4～1／6)，強(qiáng)度高，耐腐蝕，絕緣、絕熱性好和成形工藝性好等優(yōu)點(diǎn)。但剛度較差(彈性模量?jī)H為鋼的1／10～1／5)，耐熱性不高，容易老化。常用于制造汽車(chē)車(chē)身、船體、直升飛機(jī)的旋翼、風(fēng)扇葉片、石油化工管道等。

2．碳纖維-樹(shù)脂復(fù)合材料

以碳纖維及其制品為增強(qiáng)相，以環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚四氟乙烯樹(shù)脂等為基體相結(jié)合而成。它不僅保持了玻璃鋼的許多優(yōu)點(diǎn)，而且許多性能還優(yōu)于玻璃鋼。其密度比玻璃鋼還小，強(qiáng)度和彈性模量超過(guò)了鋁合金，而接近于高強(qiáng)度鋼。

它還具有優(yōu)良的耐磨、減摩及自潤(rùn)滑性、耐蝕性、耐熱性等，受X射線輻射時(shí)，強(qiáng)度和彈性模量不變化。

常用于制造承載件和耐磨件，如連桿、齒輪、軸承、機(jī)架、人造衛(wèi)星天線構(gòu)架等。機(jī)械制造基礎(chǔ)第九章小結(jié)

非金屬材料是指除金屬材料以外的其它材料，它們具有許多金屬材料所不具備的性能。高分子化合物具有高的耐蝕性、耐磨性和絕緣性能，在工業(yè)中應(yīng)用較廣。塑料是以有機(jī)合成樹(shù)脂為主要成分，加入各種添加劑制成的高分子材料。塑料可按使用范圍或合成樹(shù)脂的熱性能分類(lèi)。