工业产品开发概论 工业产品开发概论 第八讲 金属材料概述 第七讲 工业产品选材——非金属材料 宁波市数字图书馆第二批高校

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1 工业产品开发概论 工业产品开发概论 第八讲 金属材料概述 第七讲 工业产品选材——非金属材料 宁波市数字图书馆第二批高校
网络（MOOC）课程 工业产品开发概论 工业产品开发概论 第八讲 金属材料概述 第七讲 工业产品选材——非金属材料 主讲 蒋亚南 副教授 主讲 蒋亚南 副教授 2013年9月 2015年8月 2017/3/13

2 讲次 内容 内容体系 第一讲 了解工业产品介绍及其开发流程 第一篇工业产品开发 第二讲 结合实例介绍硬件产品开发步骤和方法 第三讲
结合实例介绍服务产品的开发步骤和方法 第四讲 工业产品工程设计 第二篇产品设计方法基础 第五讲 工业产品造型设计 第六讲 工业产品选材—金属材料 第七讲 工业产品选材—非金属材料 第八讲 产品表达图示技术基础 第三篇产品工程表达基础 第九讲 产品图样表达方法—基本视图 第十讲 产品图样表达方法—剖视断面 第十一讲 产品图纸表达—零件图 第十二讲 产品图纸表达—装配图 第十三讲 工业产品加工方法—热加工 第四篇工业产品生产加工 第十四讲 工业产品加工方法—金属切削加工 第十五讲 工业产品加工方法—非金属加工 第十六讲 先进制造技术介绍 2017/3/13

3 非金属材料是指除金属材料以外的其他材料。在工业产品中使用的非金属材料主要有高分子材料、陶瓷材料以及复合材料三大类。
第七讲 工业产品选材——非金属材料 非金属材料是指除金属材料以外的其他材料。在工业产品中使用的非金属材料主要有高分子材料、陶瓷材料以及复合材料三大类。

4 7.2.1高分子材料 天然高分子材料：淀粉、蛋白、纤维素等。
高分子科学是20世纪30年代才从有机化学中独立出来的一门科学，也是在近代获得最迅速发展的科学之一。它是以三大合成材料(塑料、合成橡胶及化学纤维)为主要研究对象，并已涉及生命科学，研究领域十分广阔，成为综合性强、多学科接壤的一门边缘学科。 天然高分子材料：淀粉、蛋白、纤维素等。 合成高分子材料：塑料、橡胶、纤维等。 酚醛塑料-1907年问世的第一个高分子材料。 常把塑料、合成橡胶、化学纤维称作高分子材料。 2017/3/13

5 1.塑料 在日常生活与工农业生产中，人们每天都要接触到各种塑料制品，如饮水用的杯子，椅子、手提包、文具用品，购物用的包装袋，各种电器用品，如电视机、洗衣机、收录机、照相机、空调和抽风机等外壳；厨房用的电冰箱、微波炉、洗碗机等绝热绝缘构件；建筑装饰用的塑料门窗；医院的一次性注射器；农业生产中用的地膜、水管、喷枪及洒水器；工业生产中使用的塑料开关、齿轮、轴承；各类轿车、飞机、轮船与火车上用的仪表、表盘；航天飞船中耐磨、绝热、隔音、防震部件等，很多都是塑料作成的。 2017/3/13

6 塑料工业的发展历史 第一个塑料：天然纤维素硝化 赛璐珞 人工合成塑料：酚醛塑料 -1920 人工合成塑料：氨基塑料
第一个塑料：天然纤维素硝化 赛璐珞 人工合成塑料：酚醛塑料 人工合成塑料：氨基塑料 酚醛塑料和氨基塑料对电气工业和仪器制造工业的发展起到了积极作用 20世纪20-30年代 聚氯乙酰、丙烯酸酯类、聚苯乙烯、聚酯胺等塑料。 40年代开始在石油原料中提取：聚乙烯、聚丙烯、不饱和聚酯、氟塑料、环氧树脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰亚胺等 2017/3/13

7 目前塑料几乎都是石油为基础原料来制造的，因此随着石油价格的上升，塑料价格也随之上升。
塑料的使用丰富了人们的物质生活，也产生了垃圾公害的问题。 废弃塑料的再利用就成为一个主要的研究问题。 2017/3/13

8 在这些塑料材质物品中，有选通用塑料制成的，亦有选工程塑料制成的，还有选用特殊功能塑料作成的。据不完全统计，目前世界上大概已有300多种各类不同的高分子材料，而最常用的有40多种塑料。
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9 通用塑料(general plastics)是指生产量大、用途广、价格低廉，且成型加工工艺良好的一类塑料品种，它们约占塑料总产量的80％。
(1)通用塑料 通用塑料(general plastics)是指生产量大、用途广、价格低廉，且成型加工工艺良好的一类塑料品种，它们约占塑料总产量的80％。 不宜用于承载要求较高的结构零件和较高温度下工作的耐热件。但是通用塑料品种繁多，它们各自拥有某些突出的优异性能，因而具有广泛用途。 2017/3/13

10 通用塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两种，前者具有可塑性，且可逆，故制品生产过程甚为简便，当不需用时，亦可回收重新加热施压，变成所需的另类制品；后者具有可塑性但不可逆，故它是不能回收处理再利用的，即为不溶不熔物品。 2017/3/13

11 热塑性塑料分子结构都是线型结构，在受热时发生软化或熔化，可塑制成一定的形状，冷却后又变硬。在受热到一定程度又重新软化，冷却后又变硬，这种过程能够反复进行多次。如聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等。热塑性塑料成型过程比较简单，能够连续化生产，并且具有相当高的机械强度，因此发展很快。 热固性塑料的分子结构是体型结构，在受热时也发生软化，可以塑制成一定的形状，但受热到一定的程度或加入少量固化剂后，就硬化定型，再加热也不会变软和改变形状了。热固性塑料加工成型后，受热不再软化，因此不能回收再用，如酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂等都属于此类塑料。热固性塑料成型工艺过程比较复杂，所以连续化生产有一定的困难，但其耐热性好、不容易变形，而且价格比较低廉. 2017/3/13

12 塑料的性能 通用塑料体积密度大约在0．9～1．5g／Cm3，与金属相比，塑料仅是铝的l／2、比钢轻3／4，均为大多数有色金属密度的1/5～1/8，这对于要求全面减轻自重的交通工具(如车辆、船舶和飞机等)及机械装备来说，有着特殊的意义。但由于塑料的透气性都不大好，故在某些特定的场合下使用受到限制。 2017/3/13

13 塑料与金属相比，其刚度和强度的绝对值都比较小。
通用塑料中的热塑性塑料的长期使用温度一般在50～90℃，而热固性塑料和工程塑料一样，可达100℃以上、200℃以下，个别的甚至超过200℃，如聚四氟乙烯塑料，长期使用温度为250℃。尽管如此，它比金属的耐热性却低得多，且易在光、热等作用下加速老化、翘曲和变形。 塑料的电性能，一般比玻璃、陶瓷好。这是由于其介电常数较低，介质损耗较小，可减少电能的消耗，由于它的体积电阻及表面电阻也大，所以又是较为理想的绝缘材料，故广泛用于电子、电器和电讯等部门的各种塑料原件。 2017/3/13

14 结论：通用塑料是一种质轻、耐腐蚀、绝缘性好的高分子聚合物材料，易成型为各种色泽鲜艳、外观精美的制品。强度不及金属表面、硬度不及玻璃和陶瓷，但经玻璃纤维增强与矿物填充后的塑料，其强度与表面硬度都会超过金属、玻璃、陶瓷和木材。 主要缺点是耐热性差，使用温度不高、受热膨胀系数大、易变形、导热不好，燃点低，易老化等而限制了其更广泛地使用。石油化学工业的飞速发展，为通用塑料提供了丰富的原料资源，得到广泛应用，它正成为人们极为关注的新型用材。 2017/3/13

15 产品中常用的塑料 通用塑料 1.聚乙烯塑料（PE） 热塑性塑料
无毒无味、密度小、稳定的化学特性、耐寒性电绝缘性、易加工，但耐热性、耐老化性较差 薄膜、型材，各种中空产品和注射产品 2.聚丙烯塑料（PP） 无毒无味、质轻、稳定的化学特性和电绝缘性、热膨胀性小，强度、刚度、透明性和耐热性比PE高，但耐低温性、耐老化性较差 食品用具、水桶、口杯、热水瓶壳，各种玩具、饮料包装、农业品货箱和化学药品的容器等 2017/3/13

16 质轻、表面强度高，良好的透明性，有光泽、易着色，良好的电绝缘性、耐腐蚀性、抗反射性和低吸湿性，但质脆易裂，抗冲击性和耐热性差。
3.聚苯乙烯（PS） 质轻、表面强度高，良好的透明性，有光泽、易着色，良好的电绝缘性、耐腐蚀性、抗反射性和低吸湿性，但质脆易裂，抗冲击性和耐热性差。 餐具、包装容器、日用器皿、玩具、家用电器外壳、汽车灯罩、模型材料、装饰材料，经发泡处理可制成泡沫塑料 4.聚氯乙烯塑料（PVC） 良好的电绝缘性和耐化学腐蚀性；但热稳定性差，分解时会产生氯化氢。 结构件、壳体、玩具、板材、管材等； 软质的PVC用薄膜、人造革、壁纸、软管和电线套管等 5.酚醛塑料（PF） 最古老的的一种塑料；强度高、刚性大、坚硬耐磨；易成型，不易裂；电绝缘性、耐热性和耐化学药品性好。 插座、开关、灯头及电话机 2017/3/13

17 塑料制品上的三角标 “1号”PET 　　矿泉水瓶、碳酸饮料瓶 　　饮料瓶别循环使用装热水 　　使用：耐热至65℃，耐冷至-20℃，只适合装暖饮或冻饮，装高温液体、或加热则易变形，有对人体有害的物质融出。并且，科学家发现，1号塑料品用了10个月后，可能释放出致癌物DEHP，对睾丸具有毒性。 　　因此，饮料瓶等用完了就丢掉，不要再用来做为水杯，或者用来做储物容器乘装其他物品，以免引发健康问题得不偿失。 2017/3/13

18 “2号”HDPE 　　清洁用品、沐浴产品 　　清洁不彻底建议不要循环使用 　　使用：可在小心清洁后重复使用，但这些容器通常不好清洗，残留原有的清洁用品，变成细菌的温床，你最好不要循环使用。
“3号”PVC 　　目前很少用于食品包装 　　最好不要购买 　　使用：这种材质高温时容易有有害物质产生，甚至连制造的过程中它都会释放，有毒物随食物进入人体后，可能引起乳癌、新生儿先天缺陷等疾病。目前，这种材料的容器已经比较少用于包装食品。如果在使用，千万不要让它受热。 2017/3/13

19 “4号”LDPE 　　保鲜膜、塑料膜等 　　保鲜膜别包着在食物表面进微波炉 　　使用：耐热性不强，通常，合格的PE保鲜膜在遇温度超过110℃时会出现热熔现象，会留下一些人体无法分解的塑料制剂。并且，用保鲜膜包裹食物加热，食物中的油脂很容易将保鲜膜中的有害物质溶解出来。因此，食物入微波炉，先要取下包裹着的保鲜膜。 “5号”PP 　　微波炉餐盒、保鲜盒 　　因微波炉餐盒一般使用微波炉专用PP(聚丙烯，微波炉专用PP耐高温120℃，耐低温-20℃），因造价成本，盖子一般不使用专用PP,放入微波炉时，需将把盖子取下方可使用。 因各类卡口型保鲜盒大多使用透明PP而非专用PP，一般不能放入微波炉使用。 　　使用：唯一可以放进微波炉的塑料盒，可在小心清洁后重复使用。需要特别注意，一些微波炉餐盒，盒体的确以5号PP制造，但盒盖却以1号PET制造，由于PET不能抵受高温，故不能与盒体一并放进微波炉。为保险起见，容器放入微波炉前，先把盖子取下 2017/3/13

20 “6号”PS 　　碗装泡面盒、快餐盒 　　别用微波炉煮碗装方便面 　　使用：又耐热又抗寒，但不能放进微波炉中，以免因温度过高而释出化学物（耐温70℃时即释放出）。并且不能用于乘装强酸（如柳橙汁）、强碱性物质，因为会分解出对人体不好的聚苯乙烯，容易致癌。因此，您要尽量避免用快餐盒打包滚烫的食物。 “7号”PC 　　其它类：水壶、水杯、奶瓶 　　PC胶遇热释双酚A 　　使用：被大量使用的一种材料，尤其多用于奶瓶中，因为含有双酚A而备受争议。香港城市大学生物及化学系副教授林汉华称，理论上，只要在制作PC的过程中，双酚A百分百转化成塑料结构，便表示制品完全没有双酚A，更谈不上释出。只是，若有小量双酚A没有转化成PC的塑料结构，则可能会释出而进入食物或饮品中。因此，小心为上，在使用此塑料容器时要格外注意。 2017/3/13

21 （2）工程塑料 工程塑料(engineering plastics)是指那些具有突出的力学特性、优异的耐化学试剂和溶剂的腐蚀特性、较高的耐热环境特性、良好的介电绝缘特性，且宜在各种工程条件下作承载结构零件使用的塑料材料。工程塑料的生产批量一般较小，它仅按某些特殊用途要求生产一定批量，因而销售价格略显昂贵，使用范围相对较窄。 2017/3/13

22 目前工程塑料的主要品种有聚碳酸酯、聚酰胺(PA)、聚甲醛、聚苯醚、丙烯腈一丁二烯苯乙烯(ABS)树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚砜、聚苯硫醚、氯化聚醚、聚酰亚胺(PI)、含氟塑料(F)和超高分子量聚乙烯UHMwPE等塑料。 2017/3/13

23 工程塑料是在20世纪的50～60年代兴起的新型材料，与通用塑料相比，虽然它的发展历史短暂，原料价格昂贵，但它的性能优良，使用范围正逐步推广，所以发展速度已超过通用塑料正稳步地增长着。
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24 ①工程塑料优点 a．体密度小，但高于通用塑料，比强度大，耐磨、吸震和自润滑性好，抗冲、耐疲劳等决定了它在机械工业中的广泛应用
b．化学性能稳定，抗腐蚀能力远优于一般钢铁，特别适用于化工机械设备中的各类防腐零件及通水、通汽、通风等管道； c．良好的电绝缘特性和耐热性，扩大了它在电子、电器和电工机械等方面的应用； d．原料来源广，取自石油、煤和天然气等，是其他金属与非金属材料所不能比拟的； e．成型加工方便，生产效率高，可制成各种不同类型，色泽鲜艳的各类制品 2017/3/13

25 ②工程塑料的缺点 a．机械强度和硬度不及金属高，限制了它在特殊场合下的应用；
b．耐热性远低于金属；且导热性较差，吸湿性大，易老化，个别塑料的耐应力开裂等原因妨碍了其应用的推广； c．价格较通用塑料高，废料的回收再用较通用塑料显得困难，一般只有降解或极少量的掺混在新料中使用，因而制品单件成本远高于通用塑料。 2017/3/13

26 工程塑料的用途 1.丙烯腈一丁二烯苯乙烯(ABS)树脂
强度高、轻便、表面硬度大、非常光滑；易清洁处理、尺寸稳定、抗蠕变性好；已加工、可镀涂处理。 壳体、箱体、玩具；木材代用品和建筑材料，电冰箱，大强度工具（吹风机、搅拌器、视频加工机），电话机壳体，打字机键盘等 2.聚酰胺塑料（ＰＡ）俗称尼龙 无毒无味，易着色，强度抗拉性好，耐磨性和润滑性好，但吸湿性大 轴承、齿轮、叶片；包装带、食品薄膜等 2017/3/13

27 2.橡胶 橡胶在室温能保持其高弹性能，并且在相当宽的温度范围内仍处于高弹态，其特征是在较小的外力作用下，就能产生大的变形，当外力去除后又能很快恢复到近似原来的状态。同时还具有良好的伸缩性、储能能力和耐磨、隔声、绝缘等性能，因而广泛用作弹性材料、密封材料和传动材料，在促进工业、农业、交通、国防工业的发展及提高人民物质生活等方面，起着其他材料所不能替代的作用。 2017/3/13

28 橡胶分为天然橡胶和合成橡胶。 天然橡胶是从热带的橡树或杜仲树上流出的胶乳，呈中性乳白色液体，从外表看很象牛奶，这种胶乳经凝固、干燥、压片等工序制成各种胶片(便于运输)。其主要成分是以异戊二烯为单体的高聚物。 合成橡胶同其他高聚物一样，也是由单体在一定条件下经聚合反应而成，其单体的主要来源是石油、天然气和煤等。自石油化学工业迅猛发展以来，合成橡胶的产量随之激增，目前已成为现代橡胶工业的主要原料来源。 2017/3/13

29 3.合成纤维 凡能保持长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝状的高分子材料均称纤维，包括天然纤维和化学纤维。化学纤维又分人造纤维和合成纤维。人造纤维是用自然界的纤维加工制成的，如“人造丝”、“人造棉”的粘胶纤维和硝化纤维、醋酸纤维等。合成纤维以石油、煤、天然气为原料制成。 合成纤维一般都具有强度高，密度小，耐磨，耐蚀等特点，除广泛用作衣料等生活用品外，在工农业、交通、国防等部门也有许多重要用途。 2017/3/13

30 陶瓷 陶瓷是无机非金属材料，是中国古代劳动人民的伟大发明之一。由于科学技术的迅速发展，特别是电子技术、空间技术、计算机技术的发展，陶瓷在近几十年得到了迅速发展，应用十分广泛。 2017/3/13

31 传统陶瓷是以天然原料粘土、石英、长石为原料制成，它是日用陶瓷、建筑陶瓷、绝缘陶瓷、耐酸陶瓷等的主要原料。由于天然原料的组成比较复杂，杂质多，一般不能满足高级陶瓷的要求。
近代特种陶瓷是化学合成陶瓷，经人工提炼，用纯度较高的金属氧化物、碳化物、氮化物、硅酸盐等经配料、烧结而成。近代特种陶瓷有金属陶瓷、半导体陶瓷、功能陶瓷和陶瓷基复合材料等，能满足飞速发展的科学技术对材料特殊性能的要求。 2017/3/13

32 陶瓷材料由于熔点高，无可塑性，所以它的加工工艺性差。目前常用的生产工艺是粉末冶金法，即原料经粉碎一配料混合一压制成型一高温烧结成陶瓷制品。
在室温下大多数陶瓷几乎不能产生塑性变形。陶瓷内部存在大量气孔，使拉伸强度降低，冲击强度也低，但它的抗压强度较高。陶瓷的硬度比金属高得多。 2017/3/13

33 大多数陶瓷是良好的绝缘体，可做绝缘的瓷器，绝缘子等。也可以制造具有电性能的陶瓷，如高温烧结的氧化锡为半导体。
陶瓷的组织结构非常稳定，它具有优良的耐酸、碱、盐的腐蚀能力。 它具有熔点高(大多数陶瓷熔点在2000℃以上)，极好的化学稳定性，很强的抗氧化性，也就是比高温金属材料有更高的耐热性，已广泛用作高温材料。如用作特殊的冶金坩埚，作火箭、导弹的雷达佩护罩，作电炉的发热体等等。 大多数陶瓷是良好的绝缘体，可做绝缘的瓷器，绝缘子等。也可以制造具有电性能的陶瓷，如高温烧结的氧化锡为半导体。 陶瓷产量大，广泛用于电气、化工、建筑等部门，如绝缘子、耐蚀容器、管道、建筑上的装饰瓷等。 2017/3/13

34 7.2.3玻璃 玻璃是指由熔体冷却得到的具有远程无序、近程有序结构的固体物质。在特定条件下，玻璃也可以成为晶体有机物。玻璃具有透明、质硬、良好的耐蚀、耐热和光电性能，能用多种成形和加工方法制成各种形状和大小的玻璃制品，其原材料十分丰富，价格低廉，因此玻璃的应用极其广泛，在国民经济建设中起着重要的作用。 2017/3/13

35 玻璃的制造已有5000年以上的历史，古代埃及人是玻璃最早的制造者，他们用泥灌熔融，用捏塑或压制成形方法制造简单器皿和饰物。纪元前一世纪，罗马人发明用铁管吹制玻璃。11～15世纪，威尼斯成为玻璃制造中心。1790年瑞士人狄南发明用搅拌法制造光学玻璃。18世纪，由于蒸汽机的发明，机械工业和化学工业不断发展，使玻璃制造技术进一步提高。19世纪中叶，玻璃的连续生产应用了发生炉烟气和蓄热室池炉，随后机械成形和加工玻璃。20世纪以来，玻璃的制造技术迅速发展并形成专门学科。 2017/3/13

36 中国在东周时已能制造玻璃珠、玻璃壁等饰物。旧中国的玻璃工业十分落后，除极少数几个工厂用机器生产窗玻璃和瓶罐玻璃外，其余为数不多的玻璃工厂多为手工生产，设备简陋，劳动条件很差，品种不多。解放50年来，中国的玻璃工业，科研和技术等得到飞速发展，许多自行设计的大型玻璃工厂已经投入生产，某些产品已采用自动化生产，玻璃品种已能适应我国经济建设的需求。 2017/3/13

37 玻璃的基本性能 玻璃是脆性材料，抗张强度低、抗压是抗张的十几倍； 硬度较大； 高透明性；
常温下玻璃为不良导体，温度升高，导电性提高，熔融状态下为良导体。 热的不良导体 化学稳定性好 2017/3/13

38 玻璃在产品中的应用 玻璃艺术品 汽车玻璃 家具玻璃 建筑玻璃 器皿玻璃 2017/3/13

39 玻璃钢 FRP(Fiber Reinforced Plastics)即纤维强化塑料，
一般玻璃的耐拉强度只有普通钢材的八分之一。把玻璃融化，拉成只有头发直径的十几分之一那么细的玻璃纤维，原来又硬又易碎的玻璃就变成了又软又耐拉的玻璃纤维，其耐拉强度可增加十几倍。 用玻璃纤维作筋骨，用合成树脂（酚醛塑料、环氧树脂及聚酯树脂）作肌肉，让它们凝为一体，其抗拉强度可与钢材相媲美—得名叫玻璃钢（钢筋混凝土）。 生产方法：喷射法、模压法等。 2017/3/13

40 木制撑竿创造的最高纪录是３．０５米。竹竿纪录提高到了４．７７米。竹竿的优点是轻而富有弹性，欠缺之处是下端粗而上端细
玻璃钢的应用： 航空航天：喷气式飞机上作油箱和管道－－减轻重量。宇航员们身上的微型氧气瓶。导弹和地面雷达站的雷达罩，就好比给导弹戴上了一副防护眼镜，既不阻挡雷达的“视线”，又起到防护作用 。 撑竿跳： 木制撑竿创造的最高纪录是３．０５米。竹竿纪录提高到了４．７７米。竹竿的优点是轻而富有弹性，欠缺之处是下端粗而上端细 铝合金竿代替竹竿，轻而牢固，但弹性不足。从一九四二年到一九五七年，十五年时间，撑竿跳高的最高纪录仅仅提高了１厘米。 玻璃钢撑竿，由于轻而富于弹性，纪录飞速上升，如今的撑杆跳高纪录已经超过了６米大关。 2017/3/13

41 7.2.4复合材料 由两种或更多性质不同的材料复合而成，性能优于单一材料的合成材料。如玻璃钢。
复合材料中主要起增强作用的叫强化相；主要起粘接作用的叫基体。 按基体分：聚合物基、金属基、陶瓷基 按强化相分：颗粒增强、纤维增强、层叠复合 2017/3/13

42 天然复合材料 骨骼--- 柔软的胶原蛋白和又硬又脆的矿物质磷灰石 木材----柔软的纤维素和刚硬的木质素 2017/3/13

43 常用复合材料 (1)纤维增强复合材料： 常用纤维增强复合材料有玻璃纤维增强复合材料、碳纤维复合材料等。
玻璃纤维增强复合材料：玻璃拉成纤维后，比强度和比模量均高于钢。以玻璃纤维和塑料基体复合，组成玻璃纤维—树脂复合材料，俗称玻璃钢。玻璃钢的比强度高，可超过高级合金钢，耐蚀性、介电性高，加工成型性好，但刚度差、易变形、耐热性差、易老化和易蠕变。玻璃钢主要用于自重轻的受力构件，如汽车和机车车身、轻型船体、飞机螺旋桨等以及耐腐蚀结构件，如化工管道、阀门等。 2017/3/13

44 碳纤维复合材料 碳纤维的抗拉强度高于玻璃纤维，弹性模量是玻璃纤维的4—6倍，它的高温性能也很好。碳纤维—树脂复合材料是目前比强度和比模量最高的复合材料，它的抗冲击性能、减摩耐磨性能、耐蚀性及耐热性都很优良。碳纤维复合材料目前主要用于制作承载、耐磨、耐腐蚀零件，如齿轮、连杆、轴承、密封圈、活塞、化工泵体、管道、容器等制作。此外，它还用于制作航空航天的构件，如飞机尾翼、起落架，发动机的压气机叶片，火箭喷嘴等。 2017/3/13

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46 层合复合材料和颗粒复合材料 SF型三层复合材料：以钢板为基体。烧结铜网或多孔性青铜为中间层，塑料为表面层的一种自润滑材料。常用于表面层的塑料为聚四氟乙烯(SF-1型)和聚甲醛(SF-2型)，目前已用于汽车、矿山和化工机械方面。 颗粒复合材料是由一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体材料内所组成的材料。如混凝土是非金属—非金属复合材料，常用的硬质合金是WC、TiC陶瓷和Co金属组成的陶瓷—金属复合材料。 2017/3/13

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48 复合材料的性能特点 (1)比强度、比模量高：如碳纤维增强塑料的比强度是钢材的七倍，比模量是钢材的三倍。
(2)疲劳强度高：如碳纤维增强塑料的疲劳强度是拉伸强度的70％-80％，而金属材料的疲劳强度只有拉伸强度的40％-50％。 (3)抗断裂安全性好：纤维增强复合材料在过载时会发生部分纤维断裂，由于应力迅速重新分布，可避免材料整体断裂。 (4)减震性能好：复合材料的增强材料和基体之间的界面有较强的吸振能力，它的自振频率高，不易产生共振。 (5)高温性能好：用碳纤维或硼纤维增强的复合材料可显著提高基体材料的高温强度。此外，复合材料还具有良好的减摩、耐磨、化学稳定性等。 2017/3/13

49 7.3 纳米材料 1 概述 纳米(nanometer)是一种几何尺寸的量度单位，简写为nm。1nm=10-3 μm=10-6mm=10-9m。纳米材料是指尺寸在1～100nm之间的超细微粒。这种超细微粒是用肉眼和一般显微镜看不见的。纳米技术是20世纪80年代末诞生到90年代才逐渐兴起的一种高新科技。纳米技术通过直接操纵和安排原子、分子级的结构而创造新材料，并控制新材料功能的一项综合技术。 2017/3/13

50 纳米技术能够改变材料制造业的现状、制造出纯度很高的材料。用纳米技术可以制造超级嗅觉器，用来检测毒品、炸药、工厂泄露物质。如果能在原子尺寸基准上控制纳米材料做的机器的结构造型，则纳米技术就会为人类创造新技术、新工艺和数不尽的新产品。纳米机器可以奇迹般地回收并提取微量元素，清除废水中有毒的化学物质；纳米机器可能做出器官再生；纳米机器还可缩短产品从设计到批量生产所需的时间，并完成每秒数十亿次操作；使用纳米机器能使传统装配工艺变成一次成型工艺；纳米机器不仅可以控制单个电子，而且可以控制单个光子，实现通信瞬时化。 2017/3/13

51 纳米材料分为纳米超微粒子和纳米固体材料。
纳米超微粒子指的是粒子尺寸为1～100nm的超微粒子，它是介于原子、分子与块状材料之间尚未被人们充分认识的新领域。 纳米固体材料是用纳米超微粒子制成的固体材料。 正由于纳米材料是一类尚未被人们充分了解与开拓的新材料体系，它的应用必须是在对它全面深入的研究基础上，利用它与大块材料不同的特性，新的物理与化学效应，才有可能开拓出前所未有的、传统材料难以取代的应用新领域。当前，科学家已初步阐明了纳米技术的基本组成，也掌握了纳米材料的合成与制备工艺。为了迎接纳米材料与纳米技术的挑战，80年代以来，美国、日本及欧洲等 2017/3/13

52 工业发达国家先后制定了纳米技术发展规划，他们竞相投入大量人力物力开展纳米超微粒子的研究，1981～1986年日本将超微粒子列入全国四大重点研究项目之一，总投资1300万美元，全面开展了超微粒子的制备与特性研究，已制造出商品化的高密度磁记录与高效催化剂等。美国既重视基础研究、又重视应用，已把超微粒吸波材料用于飞机、战舰的隐身用途上。德国萨尔兰大学开展纳米固体材料研究，政府拨5000万马克给予资助研究。俄罗斯、英国等都从不同领域开展了纳米超微粒材料研究。 2017/3/13

53 中国科学院金属研究所、吉林大学、青岛大学、北京大学、清华大学、复旦大学和四川大学等单位10年来开展了纳米材料和纳米技术的研究，与国际上处于同步的发展水平。中国政府十分重视纳米材料和纳米技术的研究，中国科学院已于2000年10月30日成立纳米科技中心。中国科学院化学所工程塑料国家重点实验室已成功制成纳米塑料。纳米塑料具有优异的物理力学性能，强度高，耐热性好，密度较低，有良好的透明度和较高的光泽度。其耐磨性是黄铜的27倍，钢铁的7倍。部分纳米塑料还具有阻燃自熄灭性能。 2017/3/13

54 2000年四川大学生物医学工程李玉宝教授用纳米材料研制出纳米眼球，这种人工眼球有可能像真人眼睛一样同步移动，通过电脉冲刺激大脑神经，将看到精彩的世界，若研制成功会给盲人患者将带来重见光明的希望。据2001年3月9日出版的美国《科学》杂志报道，三位留美中国科学家在世界上首次发现并合成“纳米带”，“纳米带”是一种用金属氧化物制造的10～15nm厚，30～300nm宽的新材料。这种纳米材料的电阻几乎为零，而且硬度超过钢，用它可)制造出价格便宜的超微感应器和元件，从而为新兴的纳米材料科学打开了又一扇希望之门，纳米材料和纳米技术可能会引发新的工业革命。 2017/3/13

55 2 纳米材料的应用 由于纳米超微粒子具有特殊性能，使得它可以广泛应用于电子、机械、生物医学、能源和化工等领域。 2017/3/13

56 (1)电子功能材料 ①纳米电磁波、光波吸收材料 由于超微颗粒对光具有强烈的吸收能力，而颜色又是黑色，能作防红外线、防雷达的隐身材料。如美国的F—117A隐身战机已应用了这种材料。 ②在磁记录上应用 磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高等特性，制成磁记录器件(如磁带、磁盘等)可以提高信噪比、降低噪声、失真小，改善图像质量。 ③纳米敏感材料 由于超微颗粒表面积大，对环境温度、光、湿度等十分敏感，所以，外界环境的改变能迅速引起表面离子价态和电子输运的变化，而且响应速度快、灵敏度高，可以制成气、湿、光敏等多种传感器 。 2017/3/13

57 (2)在生物和医学上的应用 ①细胞分离 纳米材料应用到细胞分离的基本原理和过程分为三步进行，先制备非晶态Si02的纳米微粒，尺寸控制在15～20nm。然后将其表面包覆单分子层，该层要求具有分离细胞和亲和作用的物质，包覆后形成的复合体尺寸约30nm。第二步是制取含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液，适当控制其浓度。第三步是将纳米SiC)2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，再通过离心技术，利用密度梯度原理将所需细胞分离出来。 ②提高药物疗效和具有杀菌作用 用纳米技术制备的纳米级超微粒或有机小分子将更有利于人体吸收，提高药物的疗效。而有些金属的纳米粒子是嗜菌体，纳米半导体氧化物粒子是抗菌体。 2017/3/13

58 在磁性纳米微粒表面涂覆高分子，外部再与蛋白相结合而注人生物体内，这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒子(如Fe3 04)作为药物的载体，然后静脉注射到动物体内，在外加磁场下通过纳米微粒的磁性导航，使其移向病变部位(肿瘤)，达到定向治疗的目的。 纳米材料还可用于制备耐高温的环境友好的催化剂，对环境无污染。在化工产品中也获得越来越广泛的应用，如超细的Ni、Ag粉轻烧结体能作化学电池、燃料电池、光化学电池中的电极，增大与液体气体分子的接触面积，提高电池效率。在化纤制造中掺入Cu、Ni超微粒子，可制成导电性纤维及防电磁辐射的纤维制品和电热纤维制品，还可与橡胶、塑料复合制成导电材料。 2017/3/13

59 7.4 新型材料 1 超导材料 （1）概述 超导，又称为超导电性，当前是指某些材料被冷却到低于某个转变温度时电阻突然消失的现象。具有超导性的材料即被称为超导材料。1911年荷兰莱顿的物理学家卡曼林·翁内斯(Heike Kamerligh Onnes)首次发现了超导现象，即在4．2K(-268．8℃)附近发现水银的电阻突然消失。1933年迈斯纳(Meissner)发现超导电性的第二个标志——完全抗磁，当金属在超导状态时，它能将通过其内部的磁力线排出体外。零电阻和完全抗磁性是超导材料的两个最基本的宏观特性。除此之外，还有约瑟夫森(Josephson)隧道效应和磁通量子化。 2017/3/13

60 从1911年到现在，人们在数千种物质中发现了超导电性。
中国在低温超导材料的研制方面具有较高水平，自1986年以来，中国的高温超导研究一直处于国际前列，如中国是最早发现液氮温区超导体的国家之一。 清华大学应用超导研究中心于2001年4月研制成功340m铋系高温超导导线：损耗小、制成器件的体积小、重量轻、效率高，可广泛应用于民用和国防领域，如可制造超导变压器、超导电缆、超导电动机、超导磁悬列车、超导电磁炮等。标志着中国创下高温超导长导线的最高记录和已掌握处于世界先进水平的超导线材产业化技术。 2017/3/13

61 在几十年时间里超导材料没有得到广泛应用的原因：难于制造工程用的超导材料，又难于保持很低的工作温度，还有人们对超导的机制认识不很清楚。1935年伦敦兄弟写出了第一个超导体的电动力学方程，并推出穿透深度效应。1950年皮帕德推广伦敦理论、提出相干长度的概念。1957年巴丁、库柏、徐瑞佛合作提出微观超导体理论，即BCS理论，人们才真正弄清了超导的本质。这样，超导理论才获得重大突破。特别是近20多年来，超导技术在理论、材料、应用和低温测试方面都取得了很大的进展，有的已开始实际应用，并逐步商品化。超导材料的发现是20世纪物理学的一项重大成就，它为人类展现出一个前景十分广阔的崭新的新技术领域，必将引发一场科学技术革命。 2017/3/13

62 (2)超导材料的应用 ①节能超导材料能应用到发电机、电动机、电力电缆输电、变压器和电感贮能器中。若用超导材料制成超导线的发电机，具有小型化、重量轻且输出功率高、损耗小等优点。和用超导体的零电阻特性可以无损耗地输送极大电流。如由超导材料制成的变压器，能大幅度降低激磁损耗、缩小体积、减轻重量和提高效率。 2017/3/13

63 ②超导磁体用铌三锡和铌钛超导材料可制造出超导磁体，能应用于高能物理实验装置中，如氢泡室超导磁体、同步加速器脉冲二极磁体和粒子输送用二极、四极超导磁体、超导磁悬浮列车。采用超导磁体可在核磁共振成像诊断设备中应用，使其设备体积小，场强高，提高灵敏度和分辨率。 2017/3/13

64 ③超导材料在电子工业中应用 超导材料可制作超导电子仪器，其原理是利用超导体的零电阻、理想抗磁性、持续电流、磁通量子化和超导态转变等特性，使超导电子仪器具灵敏度高，反应速度快、功耗小和噪声低等优点。还可制造超导电子计算机和超导电子照相机。 2017/3/13

65 3 超硬材料 (1)人造金刚石 金刚石和石墨都是由碳元素组成，它们的差别在于晶体结构不同，石墨的碳原子呈六方层状结构，金刚石中的碳原子以立方结构排列。石墨的层与层原子间距离大，其结合力较弱；而金刚石碳原子间是以共价键结合，结合力强，不易拉断，在宏观性能的反映就是特别强硬。 天然金刚石矿床不多，但工业和商业上需求很大。 人造金刚石要在1200℃温度以上，数千兆帕压力和使用催化剂才能把普通碳变成金刚石。 2017/3/13

66 (2)金刚石薄膜 金刚石由于太硬难于加工而且价格昂贵，应用范围受到限制。制造成金刚石薄膜可扩大其应用领域。金刚石薄膜的制造技术一般采用热丝化学蒸气沉积法、等离子CVD法、等离子喷射法和燃烧火焰法四种。金刚石薄膜涂覆工具比一般的硬质合金寿命提高10倍以上，金刚石薄膜可制造电子部件、人工心瓣材料，还应用在手术刀、人工关节和人工骨。 2017/3/13

67 人工心脏瓣膜 2017/3/13

68 在现代社会，材料更是一切高技术革命的基础 半导体材料→大规模集成电路→电脑 高温合金→飞机发动机 超导材料→磁悬浮列车
陶瓷材料→载人宇宙航天飞机 光纤材料→光通讯→互联网 生物医用材料→骨骼、心脏瓣膜、人工肺、人工肾等 智能材料→记忆合金、自我修复材料 纳米材料→纳米隐身材料、纳米陶瓷等 2017/3/13

69 我国研制的歼10和太行发动机 2017/3/13

70 三类材料在汽车制造中的应用 2017/3/13