第九章 非金属材料 第一节高分子材料的基本知识 一、高分子材料的概念 第九章 非金属材料 非金属材料按化学组成可分为有机高分子材料和无机非金属材料。本章着重介绍机械工程中常用的高分子材料、陶瓷材料和复合材料。 第一节高分子材料的基本知识 一、高分子材料的概念 高分子材料是以高分子化合物为主要组分的一类有机材料。 有两大类，天然高分子材料和人工合成高分子材料。 天然高分子材料：如淀粉、油脂和天然橡胶，其使用受资源限制。 人工合成高分子材料：如塑料、合成橡胶、合成纤维。

二、高分子材料的组成及结构 高分子材料:是以高分子化合物为主要组分的材料。 化合物分子量小于500时称为低分子化合物,分子量大于500的化合物称为高分子化合物（高聚物）。 一般高分子化合物的分子量通常在103- 106。 二、高分子材料的组成及结构 1、组成元素 主要由C、H、O、N等轻元素组成，这就决定了高分子材料的比重较小约为 0.9-2.0 相当于钢铁比重的1/4-1/7。 2、高分子材料的获得 高分子材料是由高分子化合物组成。高分子化合物是由某些低分子化合物经聚合反应而获得的。

单体：凡是可以聚合成大分子链的低分子化合物都称为单体。 加聚反应 简单低分子 －聚合反应 高分子聚合物 缩聚反应 高分子聚合物是由无数个单体组成。 单体：凡是可以聚合成大分子链的低分子化合物都称为单体。 加聚反应：不饱和键的单体，在一定条件下（加热、加压或催化剂）双键被打开，各单体聚合起来连成一条大分子连，这种反应叫加聚反应。 加热、压力、催化剂 例如 nCH2=CH2 [ CH2 CH2 ]n 乙烯 聚乙烯

缩聚反应：单体相互反应结合成高分子化合物，同时生成其他低分子物质（水、氨等）的反应叫缩聚反应。 nC6H5OH+nHCHO [ C6H3OHCH2 ]n+nH2O 苯酚 甲醛 酚醛 水 3、高聚物结构 高聚物形成大分子连，由重复的链节构成。 链节：大分子链中重复的结构单元称为链节。聚合前是单体，聚合后单体的双键打开成为链节。 聚合度（n）：链节的重复次数称为聚合度。随聚合 度增加，其分子量增加，粘度、强度和硬度增加。

高分子链的形状：高分子化合物的结构形状有，线型、支链型、交联型。 链节及链节内原子间都以共价键结合，则长链之间由分子间力结合。

分子链的排列状态：一部分规则排列，另一部分不规则排列。 分子链成规则排列的部分称为晶区。聚合物中晶区所占的百分数称为结晶度，一般结晶型高聚物的结晶度为30%-80% 。 高聚物的结晶度越高强度、刚度、熔点越高，耐热性、化学稳定性越好；但弹性、冲击韧性将下降。

三、高聚物的物理状态和性能 根据高聚物大分子链结构和热运动特点，线型无定形高聚物在不同温度下表现出三种物理状态：玻璃态、高弹态、粘流态。 Tx 为脆化温度；Tg为玻璃化温度；Tf为粘流温度；Td为分解温度。

1、玻璃态 当温度<Tg时高聚物表现为非晶态固体，象玻璃一样，故称玻璃态。 由于温度低，高分子运动能量也低只能是链段和链节的微小热振动以及链中链长和链角的弹性变形，弹性变形量一般<1%,具有一定的刚度。外力去除后，变形立即消失完全恢复原状，称为普弹变形，大多数高聚物都具有玻璃态，其机械性能较好，是硬质塑料的使用状态。 玻璃化温度：高聚物呈玻璃态的最高温度称为玻璃化温度。用Tg表示。 室温下塑料呈玻璃态。聚氯乙稀为87度，有机玻璃为100度。 从耐热性考虑，塑料的玻璃化温度越高越好，这样在温度较高时仍保持玻璃态具有一定的刚度。

当温度低于Tx （脆化温度）时高分子链的柔性消失，高聚物变脆，失去使用价值。 2、高弹态（也称橡胶态） 当温度>Tg时，高聚物在外力作用下可产生较大的可逆形变称为高弹形变，故呈高弹态，也呈橡胶态。 形变量可达100%-1000% 。变形的产生和恢复要比普弹形变慢得多，高弹形变是由于大分子链段热运动的结果，此时分子链可以在卷曲状态和伸展状态之间。 橡胶室温下处于高弹态，所以橡胶的玻璃化温度低于室温。橡胶的玻璃化温度越低越好，这样在温度很低时仍不失去弹性；

3、粘流态 大分子链开始粘性流动的状态。开始转变粘流态的温度称粘流温度，用Tf表示。 当温度> Tf时，高聚物成为粘态熔体，熔体流动产生不可逆的永久变形，这时，大分子链的热运动以整链为运动单元，它是高聚物成型加工的工艺状态（注射、拉挤、模压、吹塑成型等）。

四、高分子材料的性能特点 1、高分子材料通常有一定的强度和弹性。其比强度一般高于碳钢，可以作为工程结构材料用于工农业生产。 2、高分子材料以共价键结合，没有自由电子，所以耐蚀性和绝缘性较好。 3、由于卷曲的大分子在声、热的作用下不易振动，具有隔热、隔音和减振的特性。 4、高分子材料具有良好的可加工性，加温加压下可塑性极为优良，可以通过挤压、注射、冲压、焊接、粘接、和切削加工等方法制成各种制品。 5、高分子材料与金属材料相比强度不高；刚度较低；不耐高温； 线膨胀系数大，是钢铁的10倍；

五、高分子材料的老化及防止 高分子材料容易发生“老化”。在氧气、阳光、受热、机械力和微生物等长期作用下结构组成发生变化，失去弹性，变硬变脆，出现龟裂。这种现象称为老化。 防止方法：加入各种防老化剂，表面处理（喷涂或镀上金属）合理的使用和科学的管理。

六、高分子化合物的命名 天然高分子化合物多用习惯俗称命名如羊毛、虫胶、骨胶等。人工合成的高分子化合物常用以下命名方法： 1、以组成化合物的单体名称命名 简单结构：习惯于在单体名称前面加“聚”字，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛等。 复杂结构：习惯在单体后加树脂二字。如酚醛树脂、环氧树脂等。合成高分子化合物都可称为树脂，如聚乙烯树脂等。 2、以商品名称命名 如聚酯的商品名称是涤纶，酚醛树脂称电木，聚甲基丙烯酸甲脂称有机玻璃。

第二节常用高分子材料 一、塑料 高分子材料包括塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料。这里只介绍塑料和橡胶。 （一）塑料的组成 塑料是以合成树脂为基础，在加入一些其他添加剂所组成。 1、合成树脂 是塑料的主要成分，其含量占40－100％，对塑料的性能起决定作用。 2、添加剂 为了改善塑料的性能而加入的其他物质。 添充剂（填料）： 主要起增强作用。例如木粉、石英粉、各种金属粉末、棉布、石棉纤维及玻璃纤维等。

增塑剂：增加树脂塑性和柔韧性的物质。 稳定剂：防止塑料在加热成形过程和使用过程中不易分解，防止老化，延长使用寿命。 另外，根据不同要求，可以加入固化剂、、发泡剂、阻燃剂，着色剂等。

（二）塑料的分类 根据性能和应用分为： 通用塑料： 产量大、用途广、价格低的常用塑料。 工程塑料 ：具有类似金属的机械性能、可以代替金属材料制造机器零件或结构件的塑料。 特种塑料 ：有特殊性能的塑料，如高耐蚀性，导磁塑料导电塑料、医用塑料等。 按受热后表现的性质分为： 热塑性塑料：指受热软化、冷却又变硬可以多次反复的塑料。受热时结构基本不发生变化。 热固性塑料：在一定温度初次加热时会软化或熔融，并发生了结构的变化，冷却后塑料会固化成型，重新加热时不会再软化，软化和固化是不可逆的。

性能： 良好的综合性能，特别是有较高的韧性，一定的强度，低的摩擦系数和良好的自润滑性。热稳定性较差，有一定的吸水性。 （三）常用的工程塑料 1、热塑性塑料 （1）聚酰胺（PA） 商品名尼龙，是最早发现的能承受载荷的热塑性塑料，也是目前工业中应用最广泛的一种工程塑料。 性能： 良好的综合性能，特别是有较高的韧性，一定的强度，低的摩擦系数和良好的自润滑性。热稳定性较差，有一定的吸水性。 用途：制造<100 ℃的轻载齿轮、蜗轮、轴承、轴套等。

（2）聚甲醛（POM） 甲醛单体聚合制得。熔点175度，密度1.4，结晶度为70-80%。是继聚酰胺之后发展起来的高结晶性的热塑性塑料。 性能：具有优良的综合性能，疲劳强度在热塑性塑料是最高的。有优良的耐磨性和自润滑性，可在-40～100 ℃长期工作，吸水性小，具有好的耐水、耐油、耐化学腐蚀性和电绝缘性，但热稳定性差。 用途：可代替有色金属及其合金在汽车、机床、化工、农机等部门制造轴承、齿轮、凸轮、管道等各种机械零件。

（3）ABS塑料 由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种单体共聚而成的三元共聚物 ，又称“塑料合金”。熔点217－237度密度1.06。 性能：兼有丙烯腈的高硬度、高强度、耐油耐蚀；丁二烯的高弹性、高韧性；苯乙烯的绝缘性，着色性和成型加工性的优点。质坚、性韧、刚性大。但是它不耐高温，不耐燃，耐气候性也差。 用途： 制造齿轮、泵叶轮、轴承、方向盘、扶手等，电器工业中用作电讯器材、电话、收音机、电机外壳等。表面可以电镀一层金属，代替金属部件。

分子结构中氟原子对称分布，结晶度为55-75%，熔点为327 ℃，密度2.1－2.3。在氟塑料中应用最广，产量最大，是结晶型热塑性塑料， （4）聚四氟乙烯（F-4） 分子结构中氟原子对称分布，结晶度为55-75%，熔点为327 ℃，密度2.1－2.3。在氟塑料中应用最广，产量最大，是结晶型热塑性塑料， 性能：具有优良的耐化学蚀性，不受任何化学试剂侵蚀，固有“塑料王” 之称。它的热稳定性高，耐寒性好，可在-180～250 ℃长期使用。摩擦系数极低（0.04）并有自润滑性，吸水性小，在潮湿条件下仍能保持良好的绝缘性，不易老化。但强度较低，加工成型性较差，在390 ℃释放有毒气体，成本高。 用途：用作减磨密封零件，如热垫圈、密封圈、自润滑轴承等，化工用的耐蚀泵，反应器，高频电子仪器的高频电缆等，医疗上制作人工心肺装置，代用血管等。

(5）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）即有机玻璃 透光性、染色性优异，是重要的光学材料。以丙酮、氰化钠、甲醛、碳酸作为原料，先制成甲基丙烯酸甲酯，再经聚合反应而成。密度1.18、是无机玻璃的一半。 性能：具有优异的光学性能，透光率为92%，比普通玻璃（透光率为88% ）高。强度高于无机玻璃，抗破碎能力是无机玻璃的十倍。硬度低表面容易擦伤起毛，并溶于丙酮等有机溶剂，导热性差，膨胀系数大使用温度不超过80 ℃。 用途：制造有一定透明度和强度要求的零件如油杯，窥孔玻璃，汽车，飞机的玻璃窗等。

（6）聚氯乙烯（PVC ） 由氯乙烯单体经聚合反应制得。熔点130－150度，密度1.1－1.3。是最早生产的产品之一，是产量大，成本低的通用塑料。 性能：化学稳定性高，绝缘性好、阻燃、耐磨、具有消声减振作用。成本低，加工容易，但耐热性差，冲击强度低，有一定毒性。配料不同可以作成硬质和软质塑料。 用途：硬质塑料机械强度高、耐蚀性好，主要用于化工设备和各种耐蚀容器，可以代替不锈钢和铝材。软质塑料主要用于制造人造革和塑料用于日常生活和农业。

（7）聚乙烯（PE） 由乙烯单体聚合反应制得。分为高压和低压两种。熔点130℃（低压），密度0.94－0.96。因为用途广，塑料中产量最大。 性能：高压聚乙烯密度较低，质地柔软，长期使用温度80℃。 低压聚乙烯密度较高，质地刚硬，耐磨性、耐蚀性和绝缘性好。长期使用温度100℃ 用途：高压用于薄膜、软管等 低压用于硬管、板材和小载荷的机械零件。

2. 热固性塑料 （1）酚醛塑料（PF） 性能：有一定的机械强度，刚度大，制品尺寸稳定，良好的耐热性，耐蚀性，良好的介电性能。 由酚类和醛类有机物反应得到的树脂（电木）。 性能：有一定的机械强度，刚度大，制品尺寸稳定，良好的耐热性，耐蚀性，良好的介电性能。 用途：机械工业中用它制造齿轮、凸轮、皮带轮等。在电器工业中用它制造电器开关、插头、收音机外壳等电器绝缘零件。

（2）氨基塑料 主要有脲甲醛塑料（UF）。由尿素和甲醛缩聚合成。 性能：与酚醛塑料相似，但强度低，着色性好，表面光泽如玉，俗称“电玉”，电绝缘性好。 用途：色彩鲜丽、外观漂亮的装饰品和各种电器绝缘件，日用器皿食具等。

分子中有环氧基结构的线形高分子化合物，由环氧氯丙烷和双酚A（二酚基丙烷）缩聚合成 。加入固化剂，经固化后成为热固性结构。 （3）环氧树脂（EP） 分子中有环氧基结构的线形高分子化合物，由环氧氯丙烷和双酚A（二酚基丙烷）缩聚合成 。加入固化剂，经固化后成为热固性结构。 性能：机械强度高，有突出的尺寸稳定性和耐久性；能耐各种酸、碱和溶剂的侵蚀，能耐大多数霉菌的浸蚀，在较宽的频率范围和温度范围内有良好的电绝缘性。 用途：广泛用于机械、电机、化工、航空、船舶、汽车、建材各行业。用于制造塑料模具、精密量具、绝缘器件等结构。也可用于制造压层塑料、浇注塑料等。另外，对各种物质有极好的粘附力，有“万能胶”之称，可以制造粘接剂。

二、橡胶 （一）橡胶的特性 高弹性：橡胶是一种具有高弹性的高分子材料,弹性可以超过100%直达到1000%。很好的绝缘性和不透气，不透水性。常用作弹性材料、密封材料、减振防震材料和传动材料。 （二）橡胶的组成 1、生胶 按原料来源可分为天然橡胶和合成橡胶(未经硫化处理)。 2.橡胶添加剂 它是为了改善橡胶制品的各种性能而加入的物质，主要有：硫化剂、硫化促进剂、增塑剂、填充剂、防老剂。

（三）常用橡胶材料 分为天然橡胶和合成橡胶。 1、 天然橡胶 天然橡胶是从橡胶树的胶乳制取的。 性能：天然橡胶有很好的弹性，弹性伸长率可高达1000%，在0-100 ℃其回弹率可达85%以上。经硫化处理后抗拉强度提高，耐磨性、耐蚀性、介电性、耐低温性及加工工艺性都很好。 耐油和耐溶剂及耐臭氧老化性差，不耐高温，使用温度为-70-100 ℃。 用途：制造轮胎、胶带、胶管及胶鞋等

2、 合成橡胶 （1) 丁苯橡胶（SBR） 由丁二烯和苯乙烯共聚而成，约占合成橡胶的80%。 性能：耐磨性、耐热性和抗老化性都很好，其耐磨性超过了天然橡胶 。根据苯乙烯的百分含量主要有丁苯-10、丁苯-30、丁苯-50等，苯乙烯的含量越多橡胶的硬度、耐磨性、耐蚀性越高，但弹性和耐寒性越低。丁苯橡胶强度较低，成型性较差。通常可以任何比例与天然橡胶混合使用。 用途：制造轮胎、胶管及胶鞋等

（3）丁腈橡胶（NBR） 是丁二烯和丙烯腈的共聚物，是特种橡胶中产量最大的品种。 性能：弹性是目前各种橡胶中最好的品种。耐磨性比天然橡胶高30%左右。耐寒性也好。但是加工性不好、抗撕裂性差。 用途：主要用于制作轮胎、三角带、耐热胶管、减震器刹车皮碗等。 （3）丁腈橡胶（NBR） 是丁二烯和丙烯腈的共聚物，是特种橡胶中产量最大的品种。 性能：耐油性好、高的耐磨性、耐热性、耐水性、气密性、和抗老化性。但电绝缘性、耐寒性、耐酸性差。 用途：各种耐油制品，如耐油胶管、贮油槽、油封等。

（4）氯丁橡胶（CR） 由氯丁二烯单体聚合而成，即可作通用橡胶又可作为特殊橡胶使用。 性能：断裂强度高、延伸率大、弹性好、耐油、耐酸、耐热、不燃烧、不透气，有“万能橡胶”之称，但耐寒性差、密度大、成本高。 用途：制作高速运转的三角皮带、地下矿井的运输带、在400 ℃以下使用的耐热运输带。石油化工中输送腐蚀物质和输油的胶管及各种垫圈。作金属、皮革、木材、纺织品的胶粘剂，及海底电缆的绝缘层。

用途：制造各种耐高、低温的橡胶制品，如耐热密封垫圈，耐高温电线的绝缘层等。 （5）硅橡胶 由二甲基硅氧烷与有机硅单体共聚而成，属于特种橡胶。 性能：稳定性高，耐高低温和低温，可在 -100 ℃ ～350 ℃范围内保持良好弹性。有良好的绝缘性和抗老化性。无毒、无味有较好的气透性。但其强度较低和耐磨性较低，不耐酸、碱，价格贵。 用途：制造各种耐高、低温的橡胶制品，如耐热密封垫圈，耐高温电线的绝缘层等。

主链上和侧链上即有碳原子也有氟原子的聚合物。 （6）氟橡胶 主链上和侧链上即有碳原子也有氟原子的聚合物。 性能：由于含有键能很高的碳氟键，因此氟橡胶具有很高的化学稳定性，在酸、碱、强氧化剂中的耐蚀能力居各类橡胶之首。强度硬度较高，耐 高温，耐油、耐老化性能也很好。但耐寒性、加工性较差，价格较贵。 用途：是军工和尖端技术中的高级密封件、高真空密封件和化工设备中的里衬等不可少的重要橡胶材料。

第三节陶瓷材料 陶瓷材料耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘性好，在现代工业中广泛应用。尤其是优异的高温性能，是其他才料不可比拟的。超耐热合金最高使用温度为1100℃，而陶瓷材料可以达到1600℃。 一、陶瓷的成分和结构 1、主要成分：SiO2 Al2O3 ZrO2 Fe2O3 TiO2 CaO MgO Na2O PbO 等。还有人工合成的Si3N4 SiC BN等。 原料来自天然硅酸盐矿如黏土、石英、长石、或人工合成的粒状原料，包括氧化物、碳化物、氮化物等为原料，经粉碎-配制-制坯-成型-烧结而制成，它是多相的固体材料。

2、相结构 陶瓷的显微组织由晶相、玻璃相和气相组成 （1）晶相 晶相是陶瓷的主要组成相，由离子键和共价键结合。 晶相通常具有氧化物结构和硅酸盐结构。 氧化物结构：尺寸较大的氧负离子构成密排六方或面心立方，尺寸较小的金属正离子填充在其空隙内。 硅酸盐结构：四个氧原子构成四面体，硅原子在其中心。

（2）玻璃相 是一种非晶态相，主要玻璃相是SiO2。其作用是粘结分散的晶相，抑制晶相的晶粒长大， 降低烧结温度和填充气孔空隙等，但玻璃相的熔点低热稳定性差，故工业陶瓷中玻璃相控制在20%-40%。 （3）气相 是陶瓷中的气孔，它使陶瓷密度减小，强度降低，电击穿能力下降，绝缘性能降低。故应尽量降低气孔率，普通陶瓷气孔率为5%-10%，特种陶瓷气孔率在5%以下。但是轻质和保温陶瓷要求密度小和绝热性好时应增加气孔率，有时可高达60%。

二、陶瓷的性能 硬而脆：一般具有很高的弹性模量和硬度。实际抗拉强度都较低，抗压强度大于抗拉强度，冲击韧性值很低，是脆性材料。 耐高温：陶瓷材料熔点高，在高温下不氧化、抗蠕变能力强，适于作高温材料。导热率很低，热胀系数较小，抗热震能力低。 耐腐蚀： 结构稳定，不易老化，抗酸碱盐的浸蚀，化学稳定性较高。 绝缘性好：一般有良好的电绝缘性，少数陶瓷有半导体性能。

三、常用的陶瓷材料 1、普通陶瓷 是用天然原料烧结而成的传统陶瓷。种类多产量大质地坚硬，耐1200 ℃高温，具有良好的耐蚀性、电绝缘性和加工成型性，成本低，但强度较低。 用途：日用陶瓷、电器、化工、建筑等工业部门。 2、特种陶瓷 是采用人工合成的原料烧结成的现代陶瓷，具有特殊优良的性能，如耐高温陶瓷、高强度陶瓷、高耐磨陶瓷、耐蚀陶瓷、压电陶瓷、介电陶瓷、光学陶瓷、磁性陶瓷、生物陶瓷、半导体陶瓷等。 按化学成分组成分：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和金属陶瓷。

（1） 氧化铝陶瓷（Al2O3） 性能：其强度高于普通陶瓷2-3倍，甚至5-6倍，抗拉强度可达250Mpa，硬度很高，可达HRC90，能在1600℃高温下长期工作。耐磨性很高、耐蚀性强、良好的电绝缘性。但脆性大、抗热震能力差。 用途： 制造高速切削刀具、内燃机的火花塞、耐磨耐蚀的农用水泵、石油化工用的密封环、高温热电偶套管，各种耐磨零件，如金属拉丝模，也是制造电炉和各种高温炉的良好材料。

（2） 氮化硅陶瓷（Si3N4） 性能：Si3N4是共价键化合物，原子间结合很牢固，故化学稳定性好，硬度高，其显微硬度高达HV32000。加工性能好，成品精度高、烧结变形小，较高的强度，比重小摩擦系数只有0.1-0.2，抗蚀性能好，其抗热震能力是陶瓷中最强的。 用途：广泛的用于农业、化工、机械和国防尖端技术，主要用于制造耐高温、耐蚀、耐磨而形状复杂的零件如高速切削工具、高温轴承和耐磨轴承，热电偶套管等。

（3） 碳化硅陶瓷（SiC） 性能：SiC也是共价键结合晶体，键能高，很稳定。高温强度好，导热性能好，抗热震能力强耐磨性高，耐放射性元素的照射。 用途：可用于火箭尾喷管和喷嘴，浇注金属的浇道口，制造热交换器，核燃料的包装密封材料等。

（4） 氮化硼陶瓷（BN） 性能：BN 也是共价键晶体，六方结构，具有良好的耐热性，高温绝缘性，在2000 ℃仍是绝缘体。导热性好，其导热性与不锈钢相当，是良好的散热材料。膨胀系数小，比金属和其它陶瓷低得多。硬度较其它陶瓷低，可进行切削加工，并有自润滑性， 用途：制造熔炼半导体的坩埚，半导体散热绝缘零件，高温绝缘材料，高温轴承，玻璃成型模具等， 立方BN 可用于磨料和金属切削刀具。 BN 用碱金属或碱土金属为触媒，在1500-2000，6000-9000MPa的压力下转变为立方BN，结构牢固，硬度和金刚石相比，是优良的耐磨材料。

第四节 复合材料 用两种或两种以上不同性质的材料，通过不同工艺方法组合而成的多相材料称复合材料。这里主要介绍各种纤维增强塑料和其它多层复合材料。 复合材料自从60年代末开始发展以来，目前已有40000多种复合材料，几乎在所有工业部门应用，复合材料兼有其组成材料各自的优点，基本性能特征是密度小、比强度和比刚度高、耐温、耐烧蚀、抗辐射等。它们在高科技的领域中的应用特别突出。 在发达的工业国家，复合材料的发展正在以每年20%-40%的速度增长，超过任何一个技术领域的发展速度，其发展又促进了其它几乎所有技术领域的发展，在国民经济中将起越来越重要的作用。

一、复合材料的种类 按基体材料分类： 金属基复合材料；陶瓷基复合材料； 塑料基复合材料；橡胶基复合材料等。 按增强体材料的形态分类： 粒子增强复合材料；纤维增强复合材料； 层叠复合材料等。 按复合材料用途分类： 结构复合材料；功能复合材料。 这里主要介绍纤维增强塑料。

二、复合材料的性能 1、比强度和比模量高 比强度和比模量是材料的强度或模量于密度之比。复合材料的比强度和比模量都很大，强度高重量轻。如碳纤维增强的环氧树脂复合材料的比强度比钢高七倍。这对于高速运动的零件，要求自重轻的运输机械具有重大的意义。 2、抗疲劳性好 大多数金属材料的疲劳极限是其抗拉强度的40－50％，而碳纤维增强的复合材料可达70－80％。 3、破损安全性好 复合材料中每平方厘米截面上有几千－几万根增强纤维，当其中一部分纤维断裂时，应力会重新分布到未破坏的纤维上，致使零件不会造成突然断裂。

4、减震性好 机器结构的自振频率与材料的比模量的平方成正比。复合材料的比模量高，结构的自振频率高，避免与环境产生共振。 三、常用复合材料及应用 1．玻璃纤维增强复合材料 只介绍玻璃纤维为增强体，树脂为基体的复合材料。 玻璃纤维：是人造的无机纤维。主要成分是SiO2和各种金属氧化物，直径为5-9μm。抗拉强度高，而且，纤维越细，强度越高。比重小，是钢的三分之一。柔软如丝可以织布，耐高温，化学稳定性高，隔热、吸声电绝缘性能好、弹性模量大。

（1）玻璃纤维热塑性树脂复合材料 组成：是由20%—40%的玻璃纤维和60%—80%的热塑性塑料组成。 性能：比强度高，一般优于金属材料。有良好的电绝缘性、耐蚀性和加工成型性。良好的低温性能和低的热膨胀系数，较高的冲击韧性。 用途：在电机、机械、化工、汽车、航空、建筑、等工业大量用于制作要求重量轻强度高的受力受热结构件和绝缘件。

（2）玻璃纤维热固性树脂复合材料 组成：由60%-70%的玻璃纤维和30%-40%的热固性塑料（酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂塑料）组成。通常称为玻璃钢。 性能：密度小、强度高、比强度高于高强度钢和铝合金、钛合金。耐蚀、隔音、绝缘、绝热、易着色易成型，吸水性低，防磁、微波穿透性好。但刚度低，只有结构钢的1/5-1/10，耐热性差，只能在300以下工作，是一种各向异性材料。 用途：可以制造航空、航天方面的雷达罩、螺旋桨叶片、直升飞机机身、火箭导弹发动机壳体、各种车辆的车身，各种轻型船、舰、艇、电机和电器工业中制造重型发电机环、大型变压器线圈绝缘箱和绝缘零件、防蚀管道等各种化工设备和各种机械结构零部件。

组成：碳纤维与热固性树脂料（酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂和热塑性的聚四氟乙烯）粘合制成。也称为碳纤维增强塑料。 2. 碳纤维增强复合材料 组成：碳纤维与热固性树脂料（酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂和热塑性的聚四氟乙烯）粘合制成。也称为碳纤维增强塑料。 碳纤维密度小（1.33－2.0），钢的1/4，弹性模量高，为玻璃纤维的4－6倍，比强度为钢的16倍，热膨胀为零。 性能：低密度，高强度，高弹性模量，耐疲劳抗蠕变。机械性能比玻璃纤维增强材料好，是当前比强度和比钢度最高的复合材料之一。 热胀系数几乎为零，导热率高，耐蚀性极强，耐油，抗放射性照射、导电性、自润滑性能好，摩擦系数小。 韧性稍差，易氧化等。

用途：主要用于汽车工业中制造汽车外壳，发动机壳体，航空、航天工业可作飞机机身、螺旋浆，卫星壳体，宇宙飞行器外表面的防热层、大功率发动机护环，化学工业中制作管道容器等。在机械工业中制作齿轮、活塞、密封圈和连杆等。 美福特公司用碳纤维增强塑料制造汽车车身等许多零部件，车重降低700公斤，耗油量降低1/2-1/3，一辆轿车两人就可以抬起来。

3.凯芙拉有机纤维增强复合材料 凯芙拉（Kevler）纤维：是一种芳香族聚酰胺纤维，也称芳纶，是当前世界上强度最高的有机纤维，其强度达2800-3700MPa，比玻璃纤维高45%，密度小，只有1.45g/cm3是钢的1/6。具有优良的抗疲劳性能，耐蚀性绝缘性和良好的加工性能，价格便宜。 组成：凯芙拉有机纤维-树脂复合材料是由凯芙拉有机纤维和基体组成。其基体主要有环氧、聚乙烯、聚碳酸酯和聚酯等。

性能：最常用的是凯芙拉纤维-环氧树脂材料，它的抗拉强度大于玻璃钢，而与碳纤维-环氧树脂复合材料相似，但塑性好，与金属相似，其冲击韧性超过碳纤维增强塑料，具有优良抗疲劳性能，高于玻璃钢和铝合金其抗震能力为钢的8倍，为玻璃钢的4-5倍。原料易得，成本底。 用途：主要用于宇宙飞行器和高压容器，雷达天线罩，火箭发动机燃烧室外壳，轿车车身，轻型船舰和快艇等。

第九章 结 束