第9章 高分子材料、陶瓷材料与复合材料 多姿多彩的高分子材料 古老又年轻的陶瓷材料 博采众长的复合材料

1. 通过学习塑料材料、橡胶材料、陶瓷材料与复合材料的组成、性能等知识，了解相关材料的有关特性理解并掌握铸铁的组织尤其是石墨的形态、分布,性能之间的规律。 2. 熟悉几种常用工程塑料与工程橡胶的结构特点、性能和用途范围。 3. 了解工程陶瓷材料与复合材料的使用性能特点，其技术现状，前沿动态及今后的发展方向。

9.1 高分子材料 引例 日常生活所用保鲜袋成分有PE、PVC，家庭生活用开关、插座成分有脲醛，电器外壳多为ABS,部分为PS.管材多为PVC.塑料杯子为PC或者PE,可口可乐等瓶子是PET。工程用防火材料PTEE，防水材料使用的沥青，PVC卷材。

基本概念： 高分子材料(聚合物） ——以相对分子量＞5000的高分子化合物为主要组成的材料. 有机高分子材料 ——以C、H 元素为主的有机化合物组成的材料

分类： 按材料来源 天然高分子 合成高分子 按材料性能和用途 塑料 橡胶 合成纤维 涂料 粘合剂 功能高分子

线型非晶态高聚物的温度-变形曲线

塑料是一类以天然或合成树脂为基本原料，在一定温度、压力下可塑制成形，并在常温下能保持其形状不变的高聚物材料。 9.1.1 工程塑料 1．塑料的组成和分类 塑料是一类以天然或合成树脂为基本原料，在一定温度、压力下可塑制成形，并在常温下能保持其形状不变的高聚物材料。 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。

塑料的组成 润滑剂 着色剂 增塑剂 稳定剂 塑 料 阻燃剂 树脂 填充剂

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。

根据树脂受热行为的不同，可分为热塑性塑料和热固性塑料。 特点：受热软化、熔融，具有可塑性，冷却后坚硬，再受热又可软化，如此反复其基本性能不；缺点：耐热性和刚性都较差。 特点：在一定温度下，经过一定时间的加热或加入固化剂后，即可固化成型。缺点：树脂性质较脆，机械强度不高，必须加入填料或增强材料以改善性能，提高强度；成型工艺复杂，大多只能采用模压或层压法，生产效率低。

按照使用范围可分为：通用塑料，工程塑料和特种塑料。 通用塑料指产量大、用途 、价格低的塑料，主要有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等。产量约占塑料总量75%以上。 工程塑料指工程技术用以制造结构材料的塑料。这类塑料力学强度高，或者具备耐高温、耐腐蚀等特种性能。主要有聚甲醛、ABS、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。 特种塑料指具有某些特殊性能的塑料，用量较少。主要有导电塑料、导磁塑料、感光塑料等。

3.常用塑料 （1）热塑性塑料 ①聚乙烯(PE)

② 聚丙烯(PP) 薄膜 保险杠 PP制成电容器外皮

③ 聚氯乙烯(PVC)

④ 聚苯乙烯(PS)

⑤ ABS塑料 ⑥聚碳酸酯(PC) ⑦聚四氟乙烯(PTEE，特氟隆) ⑧聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA、有机玻璃)⑨聚甲醛(POM) ⑩聚酰胺(PA、锦纶、尼龙) ⑪聚砜(PSF)

（2）热固性塑料 ①酚醛塑料(PF) 酚醛泡沫塑料制品 ②环氧塑料(EP) ③有机硅塑料 ④氨基塑料(UF)

常用塑料的性能特点和典型应用

常用塑料的耐腐蚀性能、燃烧特点和使用温度

9.1.2 橡胶（Rubber） 引例 子午线轮胎 斜交轮胎 橡胶工业经过数十年的发展，已经形成轮胎、胶管、胶带、胶鞋、橡胶制品、乳胶、再生胶、轮胎翻新等专业门类较为完善的工业体系，同时也形成了合成橡胶和天然橡胶、钢丝和纤维骨架材料、助剂等原材料配套工业。

1．橡胶的组成和分类 橡胶是以生胶为原料，加入适量的配合剂以后所组成的高分子弹性体。 橡胶按其来源可分为天然橡胶和合成橡胶。 按用途可分为通用橡胶和特种合成橡胶，前者主要用于做轮胎、运输带、胶管、胶板、垫片、密封装置等；后者用于做高温、低温、酸碱、油和辐射等条件下使用的橡胶制品。 2．橡胶的性能 高弹性 力学强度 耐磨性

3．常用橡胶 （1）天然橡胶(NR) （2）合成橡胶 ①丁苯橡胶(SBR)

② 顺丁橡胶(BR) ③乙丙橡胶 ④氯丁橡胶 （3）特种合成橡胶 ①丁腈橡胶(NBR) ② 硅橡胶 ③ 氟橡胶

橡胶制品

主要橡胶产品的用途

9.2 陶瓷材料（Ceramics） 陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称，以共价键或（和）离子键为主要结合键。 陶瓷是人类最早使用的材料之一，传统陶瓷所使用的原料主要是粘土等天然硅酸盐类矿物，故又称为硅酸盐材料；包括陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等。

现代陶瓷材料所用原料已不仅仅是天然的矿物，有很多是经过人工提纯或是人工合成的，组成配合范围已扩大到整个无机非金属材料的范围。因此，现代陶瓷材料是指除金属和有机材料以外的所有固体材料，又称无机非金属材料。如介电陶瓷（BaTiO3）、压电陶瓷（PZT，ZnO）、高导热陶瓷（AlN）以及具有铁电性、半导体、超导性和各种磁性的陶瓷。

9.2.1 陶瓷材料的分类与性能 陶瓷材料 传统陶瓷 日用瓷 建筑瓷 美术瓷 特种陶瓷 结构陶瓷 功能陶瓷

陶瓷材料的性能特点： 陶瓷制品 密度小、熔点高、弹性模量大、化学稳定性高； 硬度高、耐磨损、强度高、高温抗蠕变能力强； 耐高温、耐氧化、耐腐蚀； 塑性和韧性较低（陶瓷材料最大的弱点）； 是良好的绝缘体，可用于隔电的绝缘材料； 具有介电特性，可作为电器的介质； 功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。 陶瓷制品 30

9.2.2 常用的陶瓷材料 1.传统陶瓷 指的是粘土陶瓷。它以高岭土(A1203·2SiO2·H20)、长石[钾长石(K2O．A12O·6SiO2)和钠长石(Na2O·A12O3·6Si02)]、石英(Si02)为原料配制而成的。质地坚硬、耐腐蚀，不氧化，不导电，能耐一定高温，成本低，加工成型性好。但由于玻璃相的含量较高，结构疏松，故强度低，而且在一定温度下会软化，耐高温性能不如近代陶瓷，使用温良一般为1200℃左右。

（1）碳化物基金属陶瓷(硬质合金) 2）氧化物基金属陶瓷 2.特种陶瓷 （1）氧化物陶瓷 （2）非氧化物陶瓷 3.现代陶瓷 （1）氮化硅陶瓷 （ 2）氧化锆增韧陶瓷 （3）赛隆陶瓷(Sialon Ceramic) （4）陶瓷基复合材料 （5）陶瓷涂层 （6）陶瓷薄膜 4.金属陶瓷 （1）碳化物基金属陶瓷(硬质合金) 2）氧化物基金属陶瓷

绝缘子

热电偶套管 密封环 陶瓷喷咀 耐火材料 坩埚

常用的工程结构陶瓷的种类、性能及应用

复合材料的组成： 基体＋增强体 9.3 复合材料（Composite Material） 复合材料是由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。 复合材料的组成： 基体＋增强体 复合材料的主体，即自身保持连续而包围增强的材料，可以是金属、高分子或陶瓷材料中的一种。 基体 分散分布在基体中，也可称为分散相。可以是陶瓷、高分子或金属材料中的一种，以不同形态加入：颗粒、纤维、晶须或片状，分布方式可以是定向和随机的。 增强体

L-15“猎鹰”机头罩、方向舵等已采用国产高性能复合材料

1.复合材料发展与分类 （1）复合材料的发展 ①1940-1960年，玻璃钢（GFRP）时代。 ②1960-1980年，期间是先进复合材料（Advanced Composite Materials）的发展阶段。 ③1980-1990年之间复合材料发展的第三个阶段，是纤维增强金属基复合材料（FRMC）时代。 ④1990年后，是复合材料的第四代，主要发展多功能多用途复合材料，如仿生复合材料，智能复合材料，梯度功能复合材料等。 随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅在导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽车、造船、建筑、电子、机械、医疗和体育等各个部门都得到了广泛的应用。

它是由基体（Matrix）、增强项（Reinforcement）和两者之间的界面（Interface）组成。 复合材料的基体是指复合材料中的连续相（Continuous Phase），起到粘结剂作用。在复合材料形成过程中，基体经过复杂的物理、化学变化，与增强体复合成具有一定形状的整天。因而基体直接影响复合材料的性能。基体主要分为聚合物、金属、陶瓷、水泥和碳等。 复合材料的增强体是指在复合材料中增加强度、改善性能的组分。增强体分为纤维、晶须和颗粒。

复合材料的系统组成

常用增强项的性能 纤维名称 密度ρ/g•cm-3 抗拉强度σb/MPa E/GPa 伸长率/% 稳定温度/℃ 铅硼硅酸盐玻璃纤维 2.5～2.6 1370～2160 58.9 2～3 700 高模量玻璃纤维 3830～4610 93～108 4.4～5.0 ＜870 高模量碳纤维 1.75～1.95 2260～2850 275～304 0.71.0 2200 B纤维 2.5 2750～3140 383～392 0.72～0.8 980 Al2O3纤维 3.97 2060 167 1000 SiC纤维 3.18 3430 412 — 1200 W丝 19.3 2160～4220 343～412 Mo丝 10.3 2110 353 Ti丝 4.72 1860～1960 118 Kevlar纤维 1.43～1.46 5000 134 2.3 500～900（分解） SiC晶须 3.19 （3～14）×103 490 φ0.1～φ1.0μm 2690 SiC颗粒 3.21 (σbc)1500 365 Al2O3颗粒 3.95 (σbc)760 400

复合材料与金属材料的比强度、比模量对比 材料 密度 /(g·cm-3) 抗拉强度 /MPa 弹性模量 /GPa 比强度 /0.1m 比模量 /105m 钢 铝 钛 玻璃钢 高强度碳纤维/环氧 高模量碳纤维/环氧 7.8 2.8 4.5 2.0 1.45 1.60 1030 470 960 1060 1500 1070 2100 750 1140 400 1400 2400 0.13 0.17 0.21 0.53 1.03 0.67 0.27 0.26 0.25 0.97 1.5

按材料用途分类：结构复合材料和功能复合材料。 按基体材料分类 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子基复合材料 按增强体特征分类 颗粒增强复合材料 纤维增强复合材料 层叠复合材料 分类： 按材料用途分类：结构复合材料和功能复合材料。

2.复合材料特点 ① 比强度和比弹性模量高（普遍高于常用金属材料）; ② 抗疲劳与断裂安全性能好; ③减摩耐磨、自润滑性能好 ; ④破损安全性好 ; ⑤化学稳定性好. 但是目前复合材料也存在一些问题，如断裂伸长小、冲击韧性较差，而且有些复合材料属于各向异性材料，其横向拉伸强度和层间剪切强度不高。复合材料制造成本比较高，使复合材料应用受到一定限制。

9.3.2 常用复合材料 碳纤维硬壳式结构自行车

1.纤维增强复合材料 （1）纤维增强树脂复合材料 （2）纤维增强金属复合材料 （3）纤维增强陶瓷复合材料 2.层合复合材料 3.颗粒复合材料

实例 复合材料在民机上的应用是循序渐进逐步扩大的，从尾翼到机翼，再到机身，用量也逐步提高从10 %20 %～30 %提高，到波音 787 上的50 %。新一代大型客机大量采用复合材料结构说明先进复合材料技术经过 40 多年的发展，已经成为成熟的飞机结构技术，实现了复合材料用量占结构重量50 %、全机减重近 20 %的目标。 “梦想”B787，该机共用复合材料50 %，几乎全机结构均由复合材料制成，机身压差比现有飞机都大，并设计了大尺寸舷窗，这非常容易在舷窗处产生疲劳损伤。如果选用铝合金材料制造机身和舷窗，机身增压后其结构重量将要增加 1t。波音 787 采用复合材料制造机身和舷窗，其重量仅增加了 70kg。碳纤维复合材料对疲劳及腐蚀不敏感。波音公司选用复合材料制造机身，是看中了复合材料的另一特性，可以制造精密度高且非常大的飞机结构件。欧洲研制的大型军用运输机要用复合材料40 %，下一代超宽体客机A350XWB要用复合材料52 %，甚至超过了B787的水平。A380等4 大机种上大幅采用复合材料，直接导致了世界范围内碳纤维的短缺，引发了近期的世界性的碳纤维危机。

虎式攻击直升机 由碳纤维增强聚合凯夫拉尔纤维、铝以及钛材料制成，所占比例分别为80%、11%和6%，能够抵御23毫米自动加农炮攻击。

哥伦比亚号航天飞机用复合材料情况