金屬工藝學（第3版）課件 單元五 非金屬材料

金屬工藝學單元五

非金屬材料非金屬材料是指金屬及其合金以外的一切材料總稱。非金屬材料主要有塑料、橡膠、膠粘劑、纖維、陶瓷和復(fù)合材料等。模塊一

高分子材料

一、高分子材料基礎(chǔ)知識

●高分子化合物是指分子量很大的化合物。●分子量大于5000的化合物稱為高分子化合物。●分子量小于1000的化合物稱為低分子化合物。高分子材料分為有機高分子材料和無機高分子材料兩類。有機高分子材料是由相對分子質(zhì)量大于104并以碳、氫元素為主的有機高分子化合物（又稱高聚物）組成。有機高分子材料按來源分為天然高分子化合物和人工合成高分子化合物兩大類。有機高分子化合物亦稱高聚物天然高分子材料有松香、蛋白質(zhì)、天然橡膠、皮革、蠶絲、木材等。人工合成高分子材料有塑料、合成橡膠、合成膠粘劑、合成纖維、高分子涂料和高分子基復(fù)合材料等。(一)有機高分子材料的合成●由低分子化合物聚合起來形成有機高分子化合物的過程稱為聚合反應(yīng)?！窬酆弦郧暗牡头肿踊衔锓Q為單體。由單體聚合為有機高分子化合物（或高聚物）的基本方法有兩種，一種是加聚反應(yīng)；另一種是縮聚反應(yīng)。●加聚反應(yīng)是指一種或幾種單體相互加成而連接成有機高分子化合物（或高聚物）的反應(yīng)。由加聚反應(yīng)獲得的有：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯睛等。●縮聚反應(yīng)是指一種或幾種單體相互作用連接成聚合物，同時析出（縮去）新的低分子化合物（如水、氨、醇、鹵化物等）的反應(yīng)。由縮聚反應(yīng)得到的高聚物有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰胺、有機硅樹脂等。

（二）有機高分子化合物分子鏈的幾何形狀和特點有機高分子化合物的分子鏈按幾何形狀一般分為線型分子鏈、支化型分子鏈和網(wǎng)型分子鏈三種?！窬€型分子鏈是指由高分子的基本結(jié)構(gòu)單元（鏈節(jié)）以共價鍵相互聯(lián)接成線型長鏈分子，其直徑小于1nm，而長度達幾白至幾千納米，像一根呈卷曲狀或線團狀的長線?！裰Щ头肿渔準侵冈谥麈湹膬蓚?cè)以共價鍵連接著相當數(shù)量的長短不一的支鏈，其形狀分樹枝形、梳形、線團支鏈型等?！窬W(wǎng)型分子鏈是指線型分子鏈或支化型分子鏈之間通過化學鍵或鏈段連接成一個三維空間網(wǎng)狀的分子結(jié)構(gòu)。

二、塑料（一）塑料的組成

●塑料是指以樹脂為主要成分，再加入其他添加劑（如增塑劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、著色劑、填料等），在一定溫度與壓力下塑制成形的材料或制品的總稱?！駱渲侵甘軣釙r有軟化或熔融范圍，在軟化時受外力作用下有流動傾向的有機高分子化合物，它是組成塑料的最基本成份。增塑劑是用來提高樹脂可塑性與柔軟性的一種添加劑。穩(wěn)定劑（又稱防老化劑）是用來防止樹脂在受熱、光和氧氣等作用時發(fā)生過早老化，延長塑料制品使用壽命所加入的某些物質(zhì)。潤滑劑是為防止塑料在成形過程中粘在模具或其它設(shè)備上而加入的物質(zhì)。著色劑是為了使塑料制品具有美麗的色彩需要在塑料中加入的物質(zhì)。填料是為彌補樹脂在某些性能方面的不足而加入的物質(zhì)。

（二）塑料的分類1.按塑料的熱性能分類根據(jù)樹脂在加熱和冷卻時所表現(xiàn)的性質(zhì)，可將塑料分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩類?！駸崴苄运芰现饕删酆蠘渲尤肷倭糠€(wěn)定劑、潤滑劑等制成。這類塑料受熱軟化，冷卻后變硬，再次加熱又軟化，冷卻后又硬化成形，可多次重復(fù)。常用的熱塑性塑料有聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料、聚丙烯塑料、聚苯乙烯、聚酰胺塑料(或稱尼龍)、聚甲醛、聚碳酸脂、聚四氟乙烯、ＡＢＳ塑料、聚砜等?！駸峁绦运芰洗蠖嗍且钥s聚樹脂為基礎(chǔ)，加入各種添加劑而成。這類塑料加熱時軟化，可塑制成形，但固化后的塑料既不溶于溶劑，也不再受熱軟化，只能塑制一次。常用的熱固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料、環(huán)氧塑料等。2．按塑料的應(yīng)用范圍分類按塑料的應(yīng)用范圍可分為通用塑料、工程塑料和耐高溫塑料。●通用塑料是指產(chǎn)量大、用途廣、價格低的一類塑料。主要包括6大品種：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料。●工程塑料是指能在較寬溫度范圍內(nèi)和較長使用時間內(nèi)保持優(yōu)良性能，能承受機械應(yīng)力并作為結(jié)構(gòu)材料使用的一類塑料。主要品種有聚乙烯、聚酰胺塑料、聚甲醛、聚碳酸脂、聚四氟乙烯、ＡＢＳ塑料、聚砜、酚醛塑料、環(huán)氧塑料等?！衲透邷厮芰鲜悄透邷亍a(chǎn)量小、價格貴，適用于特殊用途的塑料，如聚四氟乙烯、環(huán)氧塑料和有機硅塑料等都能在100℃～200℃范圍內(nèi)工作。（三）塑料的特性和應(yīng)用塑料具有密度小、比強度高(抗拉強度除以密度)、化學穩(wěn)定性好、電絕緣性好、減振、耐磨、隔音性能好、自潤滑性好等特性。廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、交通、航空工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑等部門。（四）塑料的成形加工

●塑料的成形是將各種形態(tài)（粉狀、粒狀、液態(tài)、糊狀等）的塑料制成具有一定形狀和尺寸的制品的工藝過程。常用的成形方法有注射成形、模壓成形、澆鑄成形、擠出成形和吹塑成形等。成形的塑料制品大都可以直接使用。一些要求表面光潔、精度高的塑料零件在成形后還需進行切削加工等，如機械加工、連接、噴涂、電鍍等，以滿足某些特殊性能要求。三、橡膠（一）橡膠的組成●橡膠是以生膠為基體并加入適量配合劑制成的有機高分子材料?！裆z是指未加配合劑的天然或合成橡膠的總稱。生膠按原料來源可分為天然橡膠和合成橡膠。天然橡膠主要從橡膠樹或相關(guān)植物（如蒲公英等）的膠乳中制取。通過化學合成方法制成的橡膠稱為合成橡膠，如丁苯橡膠、氯丁橡膠等。生膠是粘合各種配合劑和骨架材料的粘結(jié)劑，橡膠制品的性質(zhì)主要決定于生膠的性質(zhì)?！衽浜蟿┦菫榱颂岣吆透纳葡鹉z制品的使用性能和加工工藝性能而加入的物質(zhì)。橡膠的配合劑大體可分為硫化劑、硫化促進劑、防老劑、軟化劑、填充劑、發(fā)泡劑及著色劑等。

（二）橡膠的特點、加工工藝流程、應(yīng)用及保護

橡膠最重要的特點是高彈性，具有良好的耐磨性、絕緣性、隔音性和阻尼特性，以及良好的不透氣和不透水性能。橡膠的最大缺點是易老化，即橡膠制品在使用過程中出現(xiàn)變色、發(fā)粘、發(fā)脆及龜裂等現(xiàn)象，使彈性、強度等發(fā)生變化，并影響橡膠制品的性能及使用壽命。

橡膠制品的基本加工工藝是：生膠塑煉→膠料混煉→壓延→壓出→制品硫化。

橡膠可作為彈性材料、密封材料、減振防振材料和傳動材料；在電氣工業(yè)中可制作各種導線、電纜的絕緣外包層等。

（三）常用橡膠

常用橡膠主要有：天然橡膠（代號NR）、丁苯橡膠(代號ＳＢＲ)、順丁橡膠(代號ＢＲ)、氯丁橡膠(代號ＣＲ)、硅橡膠（代號MVQ）及氟橡膠(代號ＦＰＭ)等。

四、膠粘劑●膠接是借助于一種物質(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?！衲z粘劑或膠合劑是一種能夠?qū)煞N物件膠接起來，并使結(jié)合處具有足夠強度的物質(zhì)。膠粘劑是以具有粘性的有機高分子物質(zhì)為基料，加入某些添加劑組成。

（一）膠粘劑的分類

按照來源可分為天然膠粘劑（淀粉系、蛋白系、瀝青系等）和合成膠粘劑（樹脂型、橡膠型、復(fù)合型）兩大類。按膠粘劑基料的化學成分可分為有機膠粘劑和無機膠粘劑（硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等）兩大類。按膠粘劑的主要用途分類，可分為非結(jié)構(gòu)膠（承受負荷較低）、結(jié)構(gòu)膠（承受負荷較高）、密封膠、導電膠、耐高溫膠、水下膠、點焊膠、醫(yī)用膠、應(yīng)變片膠、壓敏膠等。按照被膠接材料可分為金屬膠粘劑和非金屬膠粘劑（塑料膠粘劑和橡膠膠粘劑）。膠粘劑以流變性質(zhì)來分，可分為熱固性膠粘劑、熱塑性膠粘劑、合成橡膠膠粘劑和復(fù)合型膠粘劑?！駸峁绦阅z粘劑是以熱固性樹脂為基料，再加入添加劑制得。常用于膠接各種金屬和非金屬材料?！駸崴苄阅z粘劑是以熱塑性樹脂為基料，與溶劑配置成溶液或直接通過熔化方式而制得。熱塑性膠粘劑適合于膠接多孔性、易吸水的材料，如紙、木材、纖維織物、塑料及鋁箔等?！窈铣上鹉z膠粘劑是以合成橡膠，如氯丁橡膠、丁腈橡膠、丁基橡膠、天然橡膠等為基料，再加入添加劑配置成的膠粘劑。此類膠粘劑適合于膠接金屬、塑料、橡膠、木材、織物等，尤其適合于膠接其他膠粘劑難以膠接的聚氯乙烯塑料?！駨?fù)合型膠粘劑是由不同種類的樹脂或樹脂與橡膠的混合物為基料組成的膠粘劑。此類膠粘劑是適應(yīng)高強度結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的。

（二）膠粘劑的組成

合成膠粘劑的組分包括基料、固化劑、增塑劑、增韌劑、填料、稀釋劑等。

基料是膠粘劑的主要組分。它對膠粘劑的性能(如膠接強度、耐熱性、韌性、耐老化等)起著重要作用。常用的基料有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚脂樹脂、聚酰胺樹脂及氯丁橡膠等。

固化劑的作用是使膠粘劑固化，其種類和用量直接影響膠粘劑的使用性質(zhì)和工藝性能。

增塑劑和增韌劑能改善膠粘劑的塑性和韌性，提高膠接接頭抗剝離、抗沖擊能力及耐寒性等。

填料的加入能提高膠接接頭強度和表面硬度，提高耐熱性。還可降低熱膨脹系數(shù)和收縮率，增大粘度和降低成本。通常使用的填料有金屬粉末、石墨粉、氧化鋁、石棉和玻璃纖維等。

稀釋劑能降低膠粘劑的粘度，增加膠粘劑對被粘接物表面的浸潤力，并有利于施工。凡能與膠粘劑混溶的溶劑均可作稀釋劑。

（三）膠接條件和工藝過程

利用膠粘劑把彼此分離的物件膠接在一起，形成牢固接頭的必要條件是：膠粘劑必須能夠很好地浸潤被膠接物的表面；在固化硬結(jié)后，膠層應(yīng)有足夠的內(nèi)聚力而且膠粘劑與被膠接物件之間有足夠的粘附力。

（四）膠粘劑在機械工程上的應(yīng)用1．膠粘劑在機械設(shè)備修理方面的應(yīng)用膠粘劑用來修補各種鑄件表面的氣孔、縮孔、砂眼等缺陷，修復(fù)機床導軌的磨損、拉毛等缺陷。2．利用膠粘劑可改進機械安裝工藝

有些配合零件采用膠粘劑膠接，可以降低加工精度要求，簡化操作規(guī)程，節(jié)省工時。

(五)膠接的特點

（1）膠接處應(yīng)力分布均勻。

（2）膠接可以連接各種材料。

（3）膠接接頭平整光滑、重量輕。金屬工藝學單元五

非金屬材料五、合成纖維（一）纖維的分類●纖維是指長度與直徑之比大于100甚至達1000，并具有一定柔韌性的物質(zhì)。纖維分為兩大類：一類是天然纖維，如棉花、羊毛、蠶絲、麻等；另一類是化學纖維（包括人造纖維和合成纖維），即用天然高聚物或合成高聚物經(jīng)化學加工而制得的纖維?！裼商烊桓呔畚镏频玫睦w維，稱為人造纖維；由合成高聚物制得的纖維，稱為合成纖維。●以含有纖維素的天然高聚物為原料制取的纖維，則稱為再生纖維素纖維；●以含有蛋白質(zhì)的天然高聚物為原料制取的纖維，稱為再生蛋白質(zhì)纖維。合成纖維根據(jù)高聚物大分子主鏈的化學組成，分為雜鏈纖維和碳鏈纖維兩類。（二）纖維的特點和用途。纖維具有彈性模量大，受力時形變小，強度高等特點。纖維可以制作服裝，可以增強混凝土的強度和防滲性能，能補肌肉、骨骼、血管等。（三）合成纖維的生產(chǎn)工藝合成纖維的生產(chǎn)工藝包括單體的制備與聚合、紡絲和后加工等基本環(huán)節(jié)。（四）常用合成纖維合成纖維品種多，大規(guī)模生產(chǎn)的約有40種，其中發(fā)展最快的是聚酯纖維（滌綸）、聚酰胺纖維（錦綸）、聚丙烯腈纖維（腈綸）、聚乙烯醇纖維（維綸）、聚丙烯纖維（丙綸）、聚氯乙烯纖維（氯綸），通稱六大綸。滌綸、錦綸和腈綸三品種的產(chǎn)量占合成纖維的90%以上。模塊二

陶瓷材料陶瓷材料是無機非金屬材料的統(tǒng)稱，是用天然的或人工合成的粉狀化合物，通過成形和高溫燒結(jié)而制成的多晶體固體材料。它包括陶瓷、瓷器、玻璃、搪瓷、耐火材料、磚瓦、水泥、石膏等。一、陶瓷材料的分類陶瓷材料按其成分和來源，可分為普通陶瓷(傳統(tǒng)陶瓷)和特種陶瓷(近代陶瓷)兩大類。1．普通陶瓷普通陶瓷是以天然的硅酸鹽礦物，如粘土、長石、石英等原料為主，經(jīng)過粉碎、成形和燒結(jié)制成的產(chǎn)品。普通陶瓷包括日用陶瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、低壓和高壓電瓷、化工陶瓷和多孔陶瓷等。普通陶瓷廣泛應(yīng)用于日用、電氣、化工、建筑、紡織等領(lǐng)域中。2．特種陶瓷特種陶瓷主要是指采用高純度人工合成化合物，如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等，制成具有特殊性能的新型陶瓷（包括功能陶瓷）。特種陶瓷包括金屬陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、氟化物陶瓷、半導體陶瓷、磁性陶瓷、壓電陶瓷等。特種陶瓷主要用于制作高溫容器、熱電偶套管、內(nèi)燃機火花塞、切削高硬度材料的刀具、金屬拉絲模、擠壓模、火箭噴嘴、閥門、密封件等。

二、陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu)陶瓷材料內(nèi)部存在晶體相、玻璃相和氣相。這三種相的相對數(shù)量、形狀和分布對陶瓷性能的影響很大?！窬w相大多數(shù)是由離子鍵構(gòu)成的離子晶體（如MgO、Al2O3等），此外還有共價鍵（Si3N4、SiC等）構(gòu)成的晶體?！癫Ａ嗍怯筛鹘M成物和雜質(zhì)通過一系列物理化學作用形成的非晶態(tài)物質(zhì)稱為玻璃相。●氣相是陶瓷中存在的氣孔。

三、陶瓷制品的生產(chǎn)過程陶瓷制品一般都要經(jīng)歷原料制備、成形和燒結(jié)三個階段。●原料制備是指采用機械或物理或化學方法制備粉料的過程?！癯尚问侵赣媚承┕ぞ呋蚰＞邔⑴髁现瞥梢欢ㄐ螤?、尺寸、密度和強度的坯型（或生坯）的過程。陶瓷制品的成形，可以采用可塑成形、壓制成形、注漿成形等方法。

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復(fù)合材料一、復(fù)合材料的概念

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過不同的工藝方法人工合成的多相材料。不同材料復(fù)合后，通常是其中一種材料作為基體材料，起粘結(jié)作用；另一種材料作為增強劑材料，起承載作用。

二、復(fù)合材料的特點

復(fù)合材料具有以下性能特點：1．復(fù)合材料的比強度和比模量較高2．復(fù)合材料抗疲勞性能好3．復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件減振性能好4．復(fù)合材料高溫性能好5．獨特的成形工藝。三、常用復(fù)合材料的種類

按復(fù)合材料的增強劑種類和結(jié)構(gòu)形式的不同，復(fù)合材料可分為纖維增強復(fù)合材料、層疊增強復(fù)合材料和顆粒增強復(fù)合材料三類?！窭w維增強復(fù)合材料是指以玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、陶瓷材料等作復(fù)合材料的增強劑，復(fù)合于塑料、樹脂、橡膠和金屬等基體材料之中所形成的復(fù)合材料，如玻璃纖維增強橡膠、玻璃纖維增強塑料、陶瓷纖維增強玻璃、SiC增強鈦合金復(fù)合材料等都是纖維增強復(fù)合材料?！駥盈B增強復(fù)合材料是克服復(fù)合材料在高度上性能的方向性而發(fā)展起來的，如層合板、鋼-銅-塑料復(fù)合的無油