第十章 非金属材料 §1 高分子材料

一、 概述 1、高分子材料的基本概念 ——高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。常称聚合物或高聚物。 高分子化合物的分子量一般>104 高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工业用高分子材料主要是人工合成的。

聚合物的分子为很长的链条，称为大分子链。 2、高分子化合物的组成 由简单的结构单元重复连接而成。如由乙烯合成聚乙烯: CH2=CH2+CH2=CH2+→-CH2-CH2-CH2-CH2- , [ CH2–CH2 ]n 可简写成 n CH2=CH2→ 。 组成聚合物的低分子化合物称为单体。 聚合物的分子为很长的链条，称为大分子链。 [ CH2–CH2 ]n 大分子链中重复结构单元(如聚乙烯中 )称为链节。 聚乙烯分子链

3、高分子材料的分类 ⑴ 按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。 ⑵ 按聚合物反应类型分为加聚物和缩聚物。 ⑶ 按聚合物的热行为分为热塑性聚合物和热固性聚合物 ⑷ 按主链上的化学组成分为碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物

高聚物呈玻璃态的最高温度称玻璃化温度，用Tg表示。用于这种状态的材料有塑料和纤维。 二、高分子材料的力学状态 1、线型非晶态高分子材料的力学状态 ⑴ 玻璃态：低温下，链段不能运动。在外力作用下，只发生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形。 高聚物呈玻璃态的最高温度称玻璃化温度，用Tg表示。用于这种状态的材料有塑料和纤维。 线型非晶态高聚物的温度-变形曲线

⑵ 高弹态：温度高于Tg，分子活动能力增加，受力时产生很大弹性变形。用于这种状态高聚物是橡胶。 ⑶ 粘流态：由于温度高，分子活动能力很大，在外力作用下，大分子链可以相对滑动。粘流态是高分 子材料的加工态，大分子链开始发生粘性流动的温度称粘流温度，用Tf表示。 线型非晶态高聚物的温度-变形曲线

部分结晶高聚物在非晶区Tg与晶区T m 间,非晶区柔性好,晶区刚性好,处于韧性状态,即皮革态。 2、线型晶态高分子材料的力学状态 分为一般分子量和很大分子量两种情况。一般分子量的高聚物在低温时，链段不能活动，变形小，在 Tm 以下与非晶态的玻璃相似，高于Tm 则进入粘流态。分子量很大的晶态存高聚物在高弹态。 部分结晶高聚物在非晶区Tg与晶区T m 间,非晶区柔性好,晶区刚性好,处于韧性状态,即皮革态。 线型晶态高聚物的温度-变形曲线

三、工程高分子材料 工程高分子材料包括塑料、合成纤维、橡胶和胶粘剂等。

（一）工程塑料 塑料是在玻璃态下使用的高分子材料。在一定温度、压力下可塑制成型，在常温下能保持其形状不变。 1、工程塑料概述 ⑴ 塑料的组成 塑料制品 塑料是以树脂为主要成分，加入各种添加剂。 树脂是塑料的主要成分，对塑料性能起决定性作用。

添加剂是为改善塑料某些性能而加入的物质。 填料主要起增强作用； 增塑剂用于提高树脂的可塑性和柔软性； 固化剂用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构； 稳定剂用于防止塑料老化，延长其使用寿命； 润滑剂用于防止塑料加工时粘在模具上, 使制品光亮； 着色剂用于塑料制品着色。 其他的还有发泡剂、催化 剂、阻燃剂、抗静电剂等。 添加剂

特种塑料是指具有某些特殊性能如耐高温、耐腐蚀的塑料，这类塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要的场合。 ⑵ 塑料的分类 按树脂受热时行为可分为热塑性塑料和热固性塑料。 按使用范围可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。 通用塑料产量大、价格低、用途广。 工程塑料力学性能高，耐热、耐蚀性能好。 特种塑料是指具有某些特殊性能如耐高温、耐腐蚀的塑料，这类塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要的场合。 热固性塑料制品

⑶ 塑料的性能特点 塑料的优点： 相对密度小(一般为0.9 ~2.3)；耐蚀性、电绝缘性、减摩、耐磨性好；有消音吸振性能 。 塑料的缺点： 刚性差(为钢铁材料的1/100~1/10)，强度低；耐热性差、热膨胀系数大（是钢铁的10倍）、导热系数小(只有金属的1/200~1/600)；蠕变温度低、易老化。

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。 2、常用工程塑料 ⑴ 一般结构用塑料 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。 聚丙烯具有优良的综合性能，可制造各种机械零件。 ABS塑料 “坚韧、质硬、刚性” ，应用广泛。 PE波纹管 PP方向盘 ABS阀门 PS管

包括聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)等。 ⑵ 摩擦传动零件用塑料 包括聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)等。 尼龙管件 PC挡风板 聚酰胺又称尼龙或绵纶，强度较高，耐磨、自润滑性好，广泛用作机械、化工及电气零件。 聚甲醛具有优良的综合性能，广泛用于汽车机床、化工、电气仪表、农机等工业 。 聚碳酸酯具有优良的机械性能，透明无毒，应用广泛。

聚四氟乙烯俗称“塑料王”，具有极优越的化学稳定性和热稳定性以及优越的电性能，几乎不受任何化学药品的腐蚀，摩擦系数极低，只有0 聚四氟乙烯俗称“塑料王”，具有极优越的化学稳定性和热稳定性以及优越的电性能，几乎不受任何化学药品的腐蚀，摩擦系数极低，只有0.04。缺点是强度低、加工性差。主要用于减摩密封件、化工耐蚀件与热交换器以及高频或潮湿条件下的绝缘材料。 密封件 聚四氟乙烯管 聚四氟乙烯零件

⑶ 耐蚀用塑料 耐蚀用塑料主要有聚四氟乙烯、氯化聚醚(PENTON)、聚丙烯等。 氯化聚醚的化学稳定性仅次于聚四氟乙烯，但工艺性比聚四氟乙烯好，成本低。在化学工业和机电工业获得广泛应用，如化工设备零件、管道、衬里等。 氯化聚醚防腐蝶阀

最突出的特点。使用温度达150~174℃。用于机械设备等工业。 聚酰亚胺层压板 ⑷ 耐高温件用塑料 有聚砜(PSF)、聚苯醚(PPO)、聚酰亚胺(PI)及氟塑料等。 聚砜的热稳定性高是其 最突出的特点。使用温度达150~174℃。用于机械设备等工业。 聚苯醚具有良好的综合性能,用于机电等方面。 聚酰亚胺在260℃下可长期使用。主要用于特殊条件下使用的精密零件。

⑸ 热固性塑料 热固性塑料是在树脂中加入固化剂压制成型而形成的体形聚合物。 酚醛塑料是以酚醛树脂为基，加入填料及其他添加剂而制成。广泛用于制作各种电讯器材和电木制品（如插座、开关等），耐热绝缘部件及各种结构件。 电器配件

（二）合成橡胶 橡胶是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料。 1、橡胶的组成和性能特点 工业用橡胶由生胶和橡胶配合剂组成。生胶无配合剂并未经硫化。橡胶配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂、着色剂等。 橡胶最大的特点是高弹性。橡胶有储能、耐磨、隔音、绝缘等性能。

2、常用合成橡胶 合成橡胶按用途和用量分为通用橡胶和特种橡胶，前者主要用于制作轮胎、运输带、胶管、胶板、垫片、密封装置等；后者主要用于高低温、强腐蚀、强辐射等特殊环境下工作的橡胶制品。 密封圈 胶管 轮胎

陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。 §2 陶瓷材料 陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。 工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。

陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。 韧性陶瓷硬度压痕 脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹 一、陶瓷材料的性能特点 陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。 陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点。 功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。

陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。 二、陶瓷材料的工艺特点 陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。 烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。 Al2O3粉末的烧结组织 ZrO2陶瓷中的气孔

可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。 三、陶瓷材料的分类 1、按化学成分分类 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。 导电玻璃 玻璃幕墙

普通陶瓷以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料。 2、按使用的原材料分类 可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。 普通陶瓷以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料。 特种陶瓷采用人工合成的材料作原料。 3、按性能和用途分类 可将陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。 陶瓷零件

四、常用工业陶瓷 1、普通陶瓷 普通陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、长石(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。 其组织中主晶相为莫来石(3Al2O3·2SiO2)，占25~30%，玻璃相占35~60%，气相占1~3%。

景德镇瓷器 绝缘子 普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。 除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。

氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分, 含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。 2、新型结构陶瓷 单相Al2O3陶瓷组织 ⑴ 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分, 含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。 Al2O3化工、耐磨陶瓷配件 Al2O3密封、气动陶瓷配件

根据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3，又称刚玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。 氧化铝陶瓷耐高温性能好，可使用到1950℃,。具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石). 95瓷纺织件 99瓷纺织件 氧化铝耐高温喷嘴

氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、 热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。 氧化铝陶瓷转心球阀 氧化铝陶瓷密封环 氧化铝陶瓷坩埚

二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO 烧结工艺 优点 缺点 反应烧结 热压烧结 价键固体。 ① 氮化硅的制备与烧结工艺 工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4 二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO 烧结工艺 优点 缺点 反应烧结 烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状 密度低，强度低，耐蚀性差 热压烧结 用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好 只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低

热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。 ② 性能特点及应用 氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.1~0.2；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。 热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。 Si3N4轴承

反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。 汽轮机转子 叶片气阀等零件

碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。 ⑶ 碳化硅（SiC）陶瓷 碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。 碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3C→SiC+2CO。 常压烧结碳化硅 碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。

碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。 SiC密封件

碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。 SiC陶瓷件 SiC轴承 碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。

氧化锆的晶型转变：立方相⇌四方相⇌单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。 ⑷ 氧化锆陶瓷 氧化锆的晶型转变：立方相⇌四方相⇌单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。 ZrO2 氧化锆单相陶瓷

减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。 在氧化锆中加入某些氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆(FSZ)，其力学性能低，抗热冲击性差。 ZrO2陶瓷耐火件 减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。

氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。 部分稳定氧化锆组织

部分稳定氧化锆制品 部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。

氧化锆油泵 氧化柱塞 氧化锆拉线轮 氧化锆球阀 部分稳定氧化锆喷涂层 氧化锆制品 氧化锆油泵 氧化柱塞 氧化锆拉线轮 氧化锆球阀 部分稳定氧化锆喷涂层 增韧氧化锆导轮芯轴

§3 复合材料 复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的材料。 复合材料船体

复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。 基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用。 增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能(功能复合材料)的作用。 纤维增强高分子复合材料

1、按基体材料分类，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。 一、复合材料的分类 1、按基体材料分类，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。 2、按增强相形状分类，可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。 3、按复合材料的性能分类，可分为结构复合材料和功能复合材料。 SiC颗粒 Al2O3片 Al2O3纤维 增强相三种类型

1、比强度和比模量高 其中纤维增强复合材料的最高。 二、复合材料的特点 1、比强度和比模量高 其中纤维增强复合材料的最高。 2、抗疲劳性能好 碳纤维增强材料-1可达b的70~80%。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。 3、减振性能良好 复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。 4、高温性能好。 比强度比较 碳纤维\树脂 硼纤维\树脂 玻璃纤维\树脂 钛 钢 铝

三、常见复合材料 卫星用颗粒增强铝基复合材料零件 粒子增强SiC陶瓷基复合材料 颗粒增强铝基泡沫复合材料

硬质合金组织(Co+WC) 硬质合金铣刀 硬质合金模具 硬质合金轴承刀具

层状陶瓷复合材料断口形貌 三明治复合

有TiN涂层的高尔夫球头 层状复合 铝合金蜂窝夹层板

碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机高温构件 聚合物基纤维增强复合材料零件 碳纤维 芳纶刹车片 碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机高温构件

复合材料在航空中的应用 美国F/A-18歼击机 美UH－60A型直升飞机

MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMC的应用范围。 航天飞机内MMC (Al / B纤维)桁架

纤维增强陶瓷复合材料 C/C复合材料 Si/Si复合材料