第9章 非金屬材料及其應(yīng)用

第9章非金屬材料及其應(yīng)用第1節(jié)概述一、高分子材料的基本概念高分子材料：是以高分子化合物為主要組分的材料。常稱聚合物或高聚物。分子量

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。有天然的，也有人工合成的。工業(yè)用高分子材料主要是人工合成的。二、高分子化合物的組成由簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成。如由乙烯合成聚乙烯:CH2=CH2+CH2=CH2+

→-CH2-CH2-CH2-CH2-

,[CH2–CH2]n可簡(jiǎn)寫成nCH2=CH2→。組成聚合物的低分子化合物稱為單體。聚合物的分子為很長(zhǎng)的鏈條，稱為大分子鏈。[CH2–CH2]n大分子鏈中重復(fù)結(jié)構(gòu)單元(如聚乙烯中

)稱為鏈節(jié)。

聚乙烯分子鏈三、高分子材料的分類按用途分塑料、橡膠、纖維等。按聚合物的熱行為分為熱塑性聚合物和熱固性聚合物。

第2節(jié)高分子工程材料

高分子工程材料包括塑料、合成纖維、橡膠和膠粘劑等。本節(jié)主要介紹工程上常用的高分子工程材料。一、工程塑料

塑料是在玻璃態(tài)下使用的高分子材料。在一定溫度、壓力下可塑制成型，在常溫下能保持其形狀不變。1、工程塑料概述

⑴塑料的組成塑料是以樹脂為主要成分，加入各種添加劑。樹脂是塑料的主要成分，對(duì)塑料性能起決定性作用。塑料制品添加劑：改善塑料某些性能而加入的物質(zhì)。填料：主要起增強(qiáng)作用；增塑劑：提高樹脂的可塑性和柔軟性；固化劑：使熱固性樹脂由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定劑：防止塑料老化，延長(zhǎng)其使用壽命；潤(rùn)滑劑：防止塑料加工時(shí)粘在模具上,使制品光亮；著色劑：用于塑料制品著色。其他的還有發(fā)泡劑、催化劑、

阻燃劑、抗靜電劑等。

添加劑⑵塑料的分類按樹脂受熱時(shí)行為可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。

按使用范圍可分為通用塑料、工程塑料和特種塑料。通用塑料產(chǎn)量大、價(jià)格低、用途廣。

工程塑料力學(xué)性能高，耐熱、耐蝕性能好。特種塑料是指具有某些特殊性能如耐高溫、耐腐蝕的塑料，這類塑料產(chǎn)量少，價(jià)格貴，只用于特殊需要的場(chǎng)合。熱固性塑料制品⑶塑料的性能特點(diǎn)塑料的優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)密度小(一般為0.9~2.3)；耐蝕性、電絕緣性、減摩、耐磨性好；有消音吸振性能。塑料的缺點(diǎn)：剛性差，強(qiáng)度低；耐熱性差、熱膨脹系數(shù)大（是鋼鐵的10倍）、導(dǎo)熱系數(shù)?。蝗渥儨囟鹊?、易老化。

2、常用工程塑料⑴一般結(jié)構(gòu)用塑料包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)和ABS塑料等。聚丙烯：具有優(yōu)良的綜合性能，可制造各種機(jī)械零件。ABS塑料“堅(jiān)韌、質(zhì)硬、剛性”，應(yīng)用廣泛。

PE波紋管PP方向盤ABS閥門PS管聚酰胺（尼龍或綿綸）：強(qiáng)度較高，耐磨、自潤(rùn)滑性好，廣泛用作機(jī)械、化工及電氣零件。聚甲醛：具有優(yōu)良的綜合性能，廣泛用于汽車機(jī)床、化工、電氣儀表、農(nóng)機(jī)等工業(yè)。尼龍管件PC擋風(fēng)板聚碳酸酯：具有優(yōu)良的機(jī)械性能，透明無毒，應(yīng)用廣泛。⑵摩擦傳動(dòng)零件用塑料包括聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)等。密封件聚四氟乙烯管聚四氟乙烯零件聚四氟乙烯“塑料王”：①優(yōu)點(diǎn)：具有極優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性以及優(yōu)越的電性能，幾乎不受任何化學(xué)藥品的腐蝕，摩擦系數(shù)極低，只有0.04。②缺點(diǎn)：強(qiáng)度低、加工性差。③應(yīng)用：主要用于減摩密封件、化工耐蝕件與熱交換器以及高頻或潮濕條件下的絕緣材料。

⑶耐蝕用塑料主要有聚四氟乙烯、氯化聚醚(PENTON)、聚丙烯等。氯化聚醚：①化學(xué)穩(wěn)定性僅次于聚四氟乙烯，但工藝性比聚四氟乙烯好，成本低。②在化學(xué)工業(yè)和機(jī)電工業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，如化工設(shè)備零件、管道、襯里等。

氯化聚醚防腐蝶閥

⑷耐高溫件用塑料有聚砜(PSF)、聚苯醚(PPO)、聚酰亞胺(PI)及氟塑料等。聚砜：熱穩(wěn)定性高是其聚酰亞胺層壓板

最突出的特點(diǎn)。使用溫度達(dá)150~174℃。用于機(jī)械設(shè)備等工業(yè)。聚苯醚：具有良好的綜合性能,用于機(jī)電等方面。聚酰亞胺：在260℃下可長(zhǎng)期使用。主要用于特殊條件下使用的精密零件。

⑸熱固性塑料是在樹脂中加入固化劑壓制成型而形成的體形聚合物。

酚醛塑料：是以酚醛樹脂為基，加入填料及其他添加劑而制成。廣泛用于制作各種電訊器材和電木制品（如插座、開關(guān)等），耐熱絕緣部件及各種結(jié)構(gòu)件。電器配件二、合成橡膠

是以高分子化合物為基礎(chǔ)的具有高彈性的材料。1、橡膠的組成和性能特點(diǎn)

工業(yè)用橡膠由生膠和橡膠配合劑組成。生膠無配合劑并未經(jīng)硫化。橡膠配合劑有硫化劑、硫化促進(jìn)劑、防老劑、軟化劑、填充劑、發(fā)泡劑、著色劑等。橡膠最大的特點(diǎn)：是高彈性。橡膠有儲(chǔ)能、耐磨、隔音、絕緣等性能。2、常用合成橡膠用途和用量分為通用橡膠和特種橡膠：通用橡膠：主要用于制作輪胎、運(yùn)輸帶、膠管、膠板、墊片、密封裝置等；特種橡膠：主要用于高低溫、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境下工作的橡膠制品。

密封圈膠管輪胎第2節(jié)陶瓷材料

工業(yè)上應(yīng)用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、水泥等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新型陶瓷。陶瓷材料：是除金屬和高聚物以外的無機(jī)非金屬材料通稱。一、概述（一）陶瓷材料的特點(diǎn)

1、相組成特點(diǎn)晶相；玻璃相；氣相[氣孔]。晶相：是陶瓷材料中主要的組成相，決定其物理化學(xué)性質(zhì)。玻璃相：是充填晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高材料致密度、降低燒結(jié)溫度和抑制晶粒長(zhǎng)大。氣相：是在工藝過程中形成并保留下來的。2、陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn)主要成分：氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等；結(jié)合鍵：以離子鍵(如Al2O3)、共價(jià)鍵(如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。共價(jià)鍵離子鍵3、陶瓷材料的性能特點(diǎn)

具有高熔點(diǎn)、高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性，耐高溫、耐氧化、耐腐蝕等特性。密度小、彈性模量大、耐磨損、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。功能陶瓷還具有電、光、磁等特殊性能。

韌性陶瓷硬度壓痕脆性陶瓷硬度壓痕裂紋4、陶瓷材料的工藝特點(diǎn)脆性材料，是通過粉體成型和高溫?zé)Y(jié)來成形的燒結(jié)體。燒結(jié)體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，存在一定氣孔率。Al2O3粉末的燒結(jié)組織ZrO2陶瓷中的氣孔（二）陶瓷材料的分類1、按化學(xué)成分分類

分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。導(dǎo)電玻璃玻璃幕墻2、按使用的原材料分類普通陶瓷：以天然的巖石、礦石、黏土等材料作原料。特種陶瓷：采用人工合成的材料作原料。

3、按性能和用途分類

可將陶瓷材料分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩類。

陶瓷零件二、常用工業(yè)陶瓷

（一）普通陶瓷成分：是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、長(zhǎng)石(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)為原料，經(jīng)成型、燒結(jié)而成的陶瓷。組織：主晶相為莫來石(3Al2O3·2SiO2)，占25~30%，玻璃相占35~60%，氣相占1~3%。普通陶瓷：加工成型性好，成本低，產(chǎn)量大。除日用陶瓷、瓷器外，大量用于電器、化工、建筑、紡織等工業(yè)部門。景德鎮(zhèn)瓷器絕緣子（二）新型結(jié)構(gòu)陶瓷⑴氧化鋁陶瓷

以Al2O3為主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，又稱高鋁陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、氣動(dòng)陶瓷配件單相Al2O3陶瓷組織分類：75瓷(含75%Al2O3，又稱剛玉-莫來石瓷)、95瓷和99瓷，后兩者又稱剛玉瓷。特性：耐高溫性能好，可使用到1950℃。具有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極高(僅次于金剛石)。

95瓷紡織件99瓷紡織件氧化鋁耐高溫噴嘴氧化鋁陶瓷轉(zhuǎn)心球閥氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷坩堝應(yīng)用：氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝、熱偶套管，淬火鋼的切削刀具、金屬拔絲模，內(nèi)燃機(jī)的火花塞，火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩及軸承等。⑵氮化硅（Si3N4）陶瓷氮化硅是由Si3N4四面體組成的共價(jià)鍵固體。①氮化硅的制備與燒結(jié)工藝工業(yè)硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅還原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO燒結(jié)工藝優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)反應(yīng)燒結(jié)燒結(jié)時(shí)幾乎沒有收縮，能得到復(fù)雜的形狀密度低，強(qiáng)度低，耐蝕性差熱壓燒結(jié)用較少的助劑就能致密化，強(qiáng)度、耐蝕性最好只能制造簡(jiǎn)單形狀，燒結(jié)助劑使高溫強(qiáng)度降低②性能特點(diǎn)及應(yīng)用氮化硅的強(qiáng)度、比強(qiáng)度、比模量高；硬度僅次于金剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為0.1~0.2；熱膨脹系數(shù)?。豢篃嵴鹦源蟠蟾哂谄渌沾刹牧?；化學(xué)穩(wěn)定性高。熱壓燒結(jié)氮化硅：用于形狀簡(jiǎn)單、精度要求不高的零件，如切削刀具、高溫軸承等。Si3N4軸承反應(yīng)燒結(jié)氮化硅:

用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的零件，如機(jī)械密封環(huán)等。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片氣閥等零件⑶碳化硅（SiC）陶瓷碳化硅是通過鍵能很高的共價(jià)鍵結(jié)合的晶體。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加熱至高溫還原而成：SiO2+3C→SiC+2CO。常壓燒結(jié)碳化硅碳化硅的最大特點(diǎn)：是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，僅次于氧化鈹陶瓷。SiC密封件碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃?xì)廨啓C(jī)葉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型模具等。SiC陶瓷件SiC陶瓷件SiC軸承⑷氧化鋯陶瓷氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變：立方相?四方相?單斜相。四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?，引起很大的體積變化，易使制品開裂。ZrO2氧化鋯單相陶瓷在氧化鋯中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱為完全穩(wěn)定氧化鋯(FSZ)，其力學(xué)性能低，抗熱沖擊性差。ZrO2陶瓷耐火件減少加入的氧化物數(shù)量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于這種材料只使一部分氧化鋯穩(wěn)定，所以稱部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)。

氧化鋯中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變可通過應(yīng)力