高分子材料金屬或陶瓷

1.課程的內(nèi)容和目的2.課程的性質(zhì)、地位和作用3.主要學(xué)習(xí)方法4.材料的分類5.新材料的發(fā)展趨勢第一章概論機械制造是一個將制造資源（物料、能源、設(shè)備、工具、資金、技術(shù)、信息和人力等）通過制造系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可供人們運用或利用的產(chǎn)品的過程。機械制造業(yè)擔(dān)負著向國民經(jīng)濟各部門供應(yīng)技術(shù)裝備的任務(wù)，國民經(jīng)濟各部門的生產(chǎn)技術(shù)水平和經(jīng)濟效益，在很大程度上取決于機械工業(yè)所能供應(yīng)裝備的技術(shù)性能、質(zhì)量和牢靠性。因此，機械工業(yè)的技術(shù)水平和規(guī)模是衡量一個國家工業(yè)化程度和國民經(jīng)濟綜合實力的重要標(biāo)記。

概論

機械產(chǎn)品質(zhì)量要好、機械零件要獲得所需的性能，材料的選用與成形工藝是基礎(chǔ)，本課程機械制造基礎(chǔ)主要是指機械制造業(yè)中所用的工程材料及材料成形方法（主要指鑄造、鍛造、焊接等機械零件的毛坯制備方法）。選材料成形制毛坯加工制產(chǎn)品成形制產(chǎn)品由于不同的材料具有不同的性能，因此它們的應(yīng)用場合也就不同。如在航天工業(yè)中鋁及鋁合金得到了廣泛應(yīng)用，是因為鋁合金具有重量輕強度高的特性。而在電子工業(yè)中銀、銅、鋁得到了廣泛的應(yīng)用，是因為它們具有優(yōu)良的導(dǎo)電性。在機械工業(yè)中，由于機械產(chǎn)品在運用過程中，主要承受各種力的作用。因此，主要要求所運用的金屬材料具有良好的機械性能，而碳鋼和合金鋼具備上述性能要求，所以得到了廣泛應(yīng)用。耐高溫的內(nèi)燃機須要用高溫性能好的陶瓷，宇宙飛船上要用到形態(tài)記憶材料，隱形飛機用到能對電磁波吸取的材料。1.1課程的內(nèi)容及目的：①工程材料：獲得有關(guān)工程材料的基本理論和基本學(xué)問。駕馭常用材料成分——組織——性能——應(yīng)用之間關(guān)系的一般規(guī)律。熟悉常見的工程材料。能依據(jù)機械零件的服役條件和失效形式，合理選用工程材料的初步實力。②材料成形鑄造、鍛造、焊接的基本理論和基本方法。毛坯成形方法的合理選擇。1.2課程的性質(zhì)地位和作用①性質(zhì)：機械類及近機類專業(yè)必修的重要技術(shù)基礎(chǔ)課。②地位：基礎(chǔ)學(xué)問的地位——工程師的必備學(xué)問。③作用：了解機械制造基礎(chǔ)的基本內(nèi)容：工程材料的性能選用及其成形技術(shù)（零件毛坯的制造方法）。1.3主要學(xué)習(xí)方法①課堂講授：以大綱為主，兼顧教材。②成果評定方法：平常成果占20%（隨機點名、作業(yè)、提問）；試驗成果占10%，考試成果占70%。1.4材料的分類①按材料的化學(xué)組成分類：1）金屬材料2）高分子化合物3）無機非金屬材料4）復(fù)合材料②按材料的運用性能分類1）結(jié)構(gòu)材料2）功能材料1.4.1金屬材料■公元5000多年前，埃及人學(xué)會了冶煉金銀，蘇美爾人已經(jīng)會銅器的鑄造?！龉?200年，西亞的赫梯人懂得了冶煉和運用鐵器。■公元前2000年我國駕馭了青銅冶煉?！龉I(yè)革命以后，金屬材料得到了廣泛的應(yīng)用，走上了工業(yè)生產(chǎn)的道路?！鲭S著對金屬相識的不斷深化，更多的金屬材料被開發(fā)出來：高溫合金、鈦合金、金屬間化合物、阻尼合金、超導(dǎo)合金、形態(tài)記憶合金、儲氫合金、納米金屬材料、非晶態(tài)金屬材料。司母戊鼎是中國目前已發(fā)現(xiàn)的最重的青銅器。司母戊鼎含銅84.77％、錫11.64％、鉛27.9％。充分顯示出商代青銅鑄造業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)水平。青銅器時代秦陵銅車馬嚴(yán)格按真車馬的１／２制作。造型精美，比例恰當(dāng)，裝飾華麗，工藝精湛，形體龐大，所以很多專家學(xué)者把它稱之為“青銅之冠”。

一架波音767大型飛機約由70%的鋁及其合金構(gòu)成。20世紀(jì)，鋁和鋁合金的應(yīng)用二十一世紀(jì)的金屬材料—鈦和鈦合金可作人造骨的鈦合金應(yīng)用廣泛的金屬材料1.4.2非金屬材料■舊石器時代人們用來制作工具的自然石材是最早的無機非金屬材料?！鰱|漢時期的青瓷是迄今發(fā)覺的最早瓷器，古代中國駕馭了超群的陶瓷制造技術(shù)?！龉I(yè)革命以后，隨著建筑、機械、鋼鐵、運輸?shù)裙I(yè)的興起，無機非金屬材料有了較快的發(fā)展?！?0世紀(jì)以來，隨著電子技術(shù)、航天、能源等新技術(shù)的興起，對材料提出了更高的要求，促進了特種無機非金屬材料的快速發(fā)展?！鰧砜茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，使無機非金屬材料向復(fù)合材料、定向結(jié)晶材料、增韌陶瓷以及各種類型的表面處理和涂層的運用發(fā)展。接受聚碳酸脂透亮件的戰(zhàn)斗機座艙蓋玻璃幕墻大廈古代陶器非金屬材料的發(fā)展現(xiàn)代建材玻璃杯a.高分子化合物——有機非金屬材料有機高分子有自然的和合成的兩種。工程中運用的主要是人工合成的高分子聚合物，簡稱高聚物。高聚物由一種或幾種簡潔的低分子化合物聚合而成。聚合成高聚物的低分子化合物稱為單體。大分子鏈中結(jié)構(gòu)重復(fù)的單元稱為鏈節(jié)，鏈節(jié)的重復(fù)數(shù)量稱為聚合度。高聚物的性能主要取決于其結(jié)構(gòu)，即大分子鏈的結(jié)構(gòu)和大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。

大分子鏈的結(jié)構(gòu)①結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成②結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式和鏈的構(gòu)型③大分子鏈的形態(tài)1）大分子鏈的幾何形態(tài)：線型結(jié)構(gòu)體型結(jié)構(gòu)2）大分子鏈的構(gòu)象及柔順性

高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)主要是指高分子材料內(nèi)部大分子鏈之間的幾何排列方式，也稱超分子結(jié)構(gòu)：①晶態(tài)高聚物（結(jié)晶度為50%-80%）②非晶態(tài)高聚物高聚物的人工合成低分子化合物通過加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)形成.1、加聚反應(yīng)：一種或多種單體相互疊加成形成聚合物的反應(yīng)。無低分子副產(chǎn)物生成。單體為一種的叫均加聚，如乙烯加聚成聚乙烯。單體為一種或兩種以上的稱為共加聚。如ABS工程塑料就是有丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三種單體共聚合成。2、縮聚反應(yīng)：一種或多種單體相互作用而形成高聚物，同時析出新的低分子副產(chǎn)物的反應(yīng)。其單體是含有兩種或兩種以上活潑官能團的低分子化合物。依據(jù)參與反應(yīng)的單體不同，縮聚反應(yīng)分為均縮聚和共縮聚兩種。酚醛樹脂（電木），聚酰胺（尼龍），環(huán)氧樹脂等都是縮聚反應(yīng)產(chǎn)物。有機高分子材料的組成及性能特點1、有機高分子材料的組成：基料:高聚物（樹脂、生橡膠），確定性能輔料:(添加劑)填充劑、增塑劑、軟化劑、固化劑、穩(wěn)定劑、防老化劑、潤滑劑、發(fā)泡劑、著色劑等目的：改善性能，補充性能2、有機高分子材料的性能特點：1）與金屬材料相比，性能特點：A、比強度高：強度/密度B、高彈性和低彈性模量C、高耐磨性和低硬度2）物理性能特點：A、電絕緣性優(yōu)良：共價鍵，不易電離，導(dǎo)電實力低B、耐熱性差：分子間力弱，受熱、受力易軟化、熔化C、導(dǎo)熱性低：線膨脹系數(shù)是金屬的3-4倍，機械中會因膨脹變形過量，引起開裂，脫落，松動等3）化學(xué)性能特點：

化學(xué)穩(wěn)定性高，在堿、酸、鹽中耐蝕性強，如聚四氟乙烯在沸騰的王水中仍很穩(wěn)定，但某些高聚物在某些特定的溶劑和油中會發(fā)生軟化、熔脹等現(xiàn)象。4）有機高分子化合物的老化：高聚物在長期的運用和存放過程中，由于外界物理、化學(xué)及生物因素的影響（如熱、光、輻射、氧和臭氧、酸堿、微生物的作用等），使得聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變更，從而導(dǎo)致聚合物的性能隨時間延長漸漸惡化，直至丟失運用功能，這個過程成為老化。橡膠：龜裂、變軟、變粘塑料：脫色、失去光澤、開裂防止方法：表面防護，抗老化劑工程常見無機高分子材料1、塑料①塑料的組成：基料:合成樹脂，對塑料性能起確定性作用輔料:(添加劑)填充劑、增塑劑、固化劑穩(wěn)定劑（防老化劑）。此外還有阻燃劑、發(fā)泡劑、著色劑、抗靜電劑等目的：改善性能，補充性能②塑料的分類：1）按樹脂的熱性能分為熱塑性塑料和熱固性塑料：（1）為熱塑性塑料：加熱時軟化、熔融、冷卻時凝固，變硬，可反復(fù)進行。如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺（尼龍）、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、有機玻璃等。（2）熱固性塑料：密網(wǎng)型分子鏈結(jié)構(gòu)。酚醛塑料、氨基塑料、環(huán)氧樹脂、有機硅樹脂、不飽和聚酯樹脂。不行再生運用。2）按應(yīng)用范圍分為通用塑料，工程塑料和其他塑料（如耐熱塑料）：A、通用塑料：產(chǎn)量大，用途廣，價格低。聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料B、工程塑料：主要用于制作工程結(jié)構(gòu)，機器零件，工業(yè)容器和設(shè)備。有聚酰胺（尼龍）、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯C、其他塑料：如耐熱塑料，工作溫度>100℃，有聚四氟乙烯（F-4）、聚三氟乙烯、環(huán)氧樹脂、有機硅樹脂2、合成橡膠①橡膠的特性和應(yīng)用：A室溫下處于高彈態(tài)B彈性模量低，只有1-10MPaC彈性變形量很大：100-1000%D具有優(yōu)良的伸縮性和積儲能量的實力E良好的耐磨性，隔音性，阻尼性和絕緣性F可做密封件，減震、防震件，傳動件，運輸膠帶絕緣材料。②橡膠的組成：（1）生膠：未加協(xié)作劑的自然或合成的橡膠（2）協(xié)作劑：為提高和改善橡膠制品的各種性能而加入的物質(zhì)稱為協(xié)作劑。硫化劑：相當(dāng)于固化劑，為硫磺和硫化物填料：提高力學(xué)性能，降低成本，主要是碳黑，纖維，金屬絲，織品或金屬編織物等硫化促進劑，增塑劑，防老化劑等。③常用橡膠：按來源分為：自然橡膠NR和合成橡膠按用途分為：通用橡膠和特種橡膠自然橡膠屬于通用橡膠，廣泛用于制造輪胎、膠帶、膠管等。常量最大的是丁苯橡膠SBR，60-70%，發(fā)展最快的是順丁橡膠BR。特種橡膠主要用于要求耐熱、耐寒、耐蝕的特殊環(huán)境，價格較貴。3、膠粘劑

膠粘劑是一種將同種或不同種材料粘合在一起，并在膠接面有足夠強度的物質(zhì)，它能起膠接、固定、密封、浸滲、補漏和修復(fù)的作用。①膠粘劑的組成：（1）粘料：樹脂、橡膠、淀粉、蛋白質(zhì)等高分子材料；無機膠粘劑有硅酸鹽類，磷酸鹽類、陶瓷類（2）固化劑：胺、酸酐、咪唑。（3）該性劑：增塑劑、增韌劑、增粘劑、填料、稀釋劑、穩(wěn)定劑、分散劑、偶聯(lián)劑、觸變劑，阻燃劑、抗老化劑、發(fā)泡劑、消泡劑、著色劑、防腐蝕劑等，有利于膠粘劑的配制、儲存、加工工藝及性能等方面的改進②膠粘劑的分類原則和表示方法：按應(yīng)用性能分為：（1）結(jié)構(gòu)膠：強度要求較高（2）非（半）結(jié)構(gòu)膠：強度要求較低（3）密封膠：承受確定壓力，不泄漏（4）浸滲膠：填塞微孔沙眼，滲透性好（5）功能膠：具有導(dǎo)電、導(dǎo)磁、導(dǎo)熱、耐熱、耐超低溫應(yīng)變及點焊膠接等，以及有特殊的固化反應(yīng)，如厭氧性、熱熔性、光敏性等GB/T13553-1996×××—×

×—

ABC被粘物材質(zhì)膠粘劑的硬化方法膠粘劑的物理形態(tài)膠粘劑的主要粘料③常用膠粘劑：（1）結(jié)構(gòu)膠粘劑：該性環(huán)氧膠粘劑、該性酚醛樹脂膠粘劑、無機膠粘劑（2）非（半）結(jié)構(gòu)膠粘劑：聚氨酯膠粘劑、丙烯酸酯膠、有機硅膠粘劑、橡膠膠粘劑、熱熔膠粘劑、厭氧膠粘劑等（3）密封膠粘劑：以合成樹脂或橡膠為基料，防止?jié)B漏，機械松動，沖擊損傷等，起密封作用。b.陶瓷材料——無機非金屬材料陶瓷的組織結(jié)構(gòu)主要由晶體相、玻璃相和氣相組成：晶體相：硅酸鹽（傳統(tǒng)陶瓷），氧化物（典型陶瓷特殊是特種陶瓷），非氧化物如碳化物、氮化物及硼化物（金屬陶瓷）玻璃相：非晶態(tài)物質(zhì)，主要作用是將分散的晶相粘結(jié)在一起，抑制晶粒長大及填充氣孔使陶瓷致密。氣相：陶瓷結(jié)構(gòu)中存在5%-10%的氣孔，使組織致密性下降，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致力學(xué)性能下降，脆性增加，并使介電損耗增大，抗電擊穿強度下降陶瓷的性能特點

同金屬材料相比，大多數(shù)陶瓷的硬度高，彈性模量大，脆性大，幾乎沒有塑性，抗拉強度低，抗壓強度高。1、力學(xué)性能熔點高，抗蠕變實力強，熱硬性可達1000℃。但陶瓷的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)小，承受溫度快速變更的實力差，在溫度劇變時會開裂。2、熱性能3、化學(xué)性能化學(xué)穩(wěn)定性高，有良好的抗氧化實力，在強腐蝕介質(zhì)高溫共同作用下有良好的抗蝕性能。4、其他物理性能大多數(shù)是電絕緣體，功能陶瓷材料具有光、電、瓷、聲等特殊性能。

接受純度較高的人工合成原料，如氧化物，氮化物，硅化物，硼化物，氟化物等制成的具有各種特殊力學(xué)，物理，化學(xué)性能。2、特種陶瓷1、一般陶瓷

以自然硅酸鹽礦物如黏土、長石、石英、高嶺土等為原料燒結(jié)而成的。有日用陶瓷，衛(wèi)生瓷，建筑瓷，電工瓷，化工瓷等。常用工程結(jié)構(gòu)陶瓷的種類、性能和用途一般陶瓷一般工業(yè)陶瓷化工陶瓷絕緣子，絕緣的機械支撐件，靜電紡織導(dǎo)紗器受力不大，工作溫度低的酸堿容器，反應(yīng)塔，管道特種陶瓷氧化鋁瓷氧化硅瓷氮化硼瓷氧化鎂瓷氧化鈹瓷火花塞，軸承，密封環(huán)，刀具耐磨，耐腐蝕，耐高溫零件坩堝、絕緣零件，高溫軸承熔化高純度鈾、釷及其合金的坩堝高溫絕緣電子元件，核反應(yīng)堆中子減速劑和反射材料，高頻電爐坩堝

在工程結(jié)構(gòu)上運用的陶瓷。主要在高溫下運用，因此也稱為高溫陶瓷。具有在高溫下優(yōu)越的力學(xué)，物理和化學(xué)性能，在某些科技場合和工作環(huán)境往往是唯一可用的材料。有氧化鋁，氮化硅，碳化硅和增韌氧化物等材料。3、工程陶瓷

利用陶瓷特有的物理性能制造出的用途各異的功能陶瓷材料。例如導(dǎo)電陶瓷，半導(dǎo)體陶瓷，壓電陶瓷，絕緣陶瓷，磁性陶瓷，光學(xué)陶瓷以及利用某些精密陶瓷對聲，光，電，熱，磁，力，濕度，射線及各種氣氛等信息顯示的敏感特性而制得的各種陶瓷傳感器材料。4、功能陶瓷c.復(fù)合材料定義：由兩種或多種不同性能的材料用某種工藝方法合成的多相材料。

復(fù)合材料既保持組成材料各自的特性，有具有復(fù)合后的新特性，其性能往往超過組成材料的性能之和或平均值組成材料的種類、性能、比例、形態(tài)不同，復(fù)合方法不同，會得到不同的強化效果。①工程中常見的復(fù)合材料

1）玻璃纖維-樹脂復(fù)合材料以玻璃纖維和熱塑性樹脂復(fù)合的玻璃纖維增加材料比一般塑料具有更高的強度和沖擊韌度。玻璃纖維和塑料基體組成的復(fù)合材料通常叫做玻璃鋼。按所用基體可分為熱固性玻璃鋼（以環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等為基體）和熱塑性玻璃鋼（以尼龍，聚苯乙烯等為基體）兩種。強度較高，接近或超過銅鋁合金，而密度只有鋼的1/4-1/5。因此其比強度甚至高于合金鋼。此外，還具有良好的耐蝕性。2）碳纖維-樹脂復(fù)合材料碳纖維通常和環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚四氟乙烯等組成復(fù)合材料。它在保持了玻璃鋼很多性能優(yōu)點的基礎(chǔ)上，還有一些優(yōu)異的性能。它的強度和彈性模量都高于鋁合金，接近高強度鋼；它的密度比玻璃鋼還小，因此比強度和比模量在現(xiàn)有復(fù)合材料中居第一位。此外，它還有優(yōu)良的耐磨、減摩及自潤滑、耐蝕、耐熱等優(yōu)點。在機械工業(yè)中，碳纖維復(fù)合材料可用作承載零件和耐磨零件，如齒輪、連桿、活塞和軸承等。它也可用作耐蝕化工零件，如容器、管道、泵等。②復(fù)合材料的性能特點1）比模量高、比強度大

比模量是彈性模量與密度之比；比強度是抗拉強度和密度之比。實質(zhì)是單位質(zhì)量所供應(yīng)的變形抗力和承載實力，這對要求自重小，運轉(zhuǎn)速度高的結(jié)構(gòu)零件很重要。

由于纖維增加復(fù)合材料對缺口、應(yīng)力集中敏感小，纖維-基體界面能阻擋疲憊裂紋擴展，使裂紋擴展變更方向。試驗測定表明，碳纖維復(fù)合材料的疲憊極限可達抗拉強度的70-80%，而金屬的疲憊極限只有其抗拉強度的一半左右。纖維增加復(fù)合材料中有大量獨立的纖維，平均每平方厘米面積上有幾千到幾萬根，當(dāng)少數(shù)纖維斷裂后載荷就會重新安排到其它未破斷的纖維上使構(gòu)件不致發(fā)生突然破壞。

2）良好的抗疲憊和破斷平安性3）優(yōu)良的高溫性能大多數(shù)增加纖維在高溫下仍保持高的強度，用其增加金屬和樹脂時能顯著提高高溫性能。例如鋁合金在400℃時彈性模量大幅度下降，強度也顯著降低，而用碳纖維增加后，在此溫度下彈性模量可基本保持不變。③復(fù)合材料的分類以高分子材料、陶瓷材料、金屬材料為基體，以粒子、纖維和片狀為增加體組成。

按基體材料的不同可將復(fù)合材料分為兩類：非金屬基復(fù)合材料（塑料基、橡膠基、陶瓷基等）和金屬基復(fù)合材料（如鋁基、銅基等）。按增加材料的不同可將復(fù)合材料分為三類：①纖維增加橡膠（橡膠輪胎、傳動皮帶）、纖維增加塑料（如玻璃鋼）；②顆粒增加復(fù)合材料（如金屬陶瓷、燒結(jié)彌散硬化合金等）；③疊層復(fù)合材料，如雙層金屬（巴氏合金—鋼雙金屬滑動軸承材料）等。1.5新材料的發(fā)展趨勢隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，新材料的探討、制備和加工應(yīng)用層出不窮。每一種重要的新材料的發(fā)覺和應(yīng)用，都把人類支配自然的實力提高到一個新的水平。材料比強度隨時間的進展3工程材料目前正朝高比強度（單位密