Transcript 高分子材料 - 无锡职业技术学院精品课程

机械制造基础——非金属材料
无锡职业技术学院
2007年2月
概述
非金属材料
金属及合金以外的其余材料称为非金属材料
本章主要内容
高分子材料
非金属材料 陶瓷材料
复合材料
塑料
橡胶
塑料与橡胶（塑料与橡胶属高分子材料）
 高分子材料
*
高分子材料是以高分子化合物为主要组成的材料
*
使用领域广泛，每年以14%的速度增长
 高分子化合物
* 分子量一般大于5000
*
按来源可分类
天然高分子（天然橡胶、蚕丝、皮革、木材等）
合成高分子化合物（塑料、橡胶等）
 合成高分子化合物
由一种或几种单体（简单结构的低分子化合物）聚合而成
如聚乙烯分子就是由单体乙烯经聚合反应连接而成：
*
n（CH2=CH2）——
乙烯
[ CH-2—CH2
]
聚乙烯
n
塑料
塑料的组成与分类
 塑料的组成
塑料的主要组成是合成树脂和添加剂
 塑料的分类
按使用范围
通用塑料
工程塑料
按受热性能
热塑性塑料
热固性塑料
 塑料的性能
可塑性和可调性
密度小（相当于钢密度的1/4~1/7）
物理性能： 电性能（良好的绝缘性）
热性能（遇热和光易老化）
化学性能：良好的耐腐蚀性能（能耐大气、水、酸、碱、油的腐蚀）
力学性能：强度与刚度不高，易蠕变与应力松驰
热塑性与热固性塑料
类别
典型塑料及代号
特征
热塑性
塑料
聚氯乙烯（PVC）
聚乙烯（PE）
聚丙烯（PP）
聚酰胺（PA）
缩醛塑料（POM）
聚碳酸脂（PC）
树脂为线型高分子化合物，能溶
于有机溶剂，加热可软化，易于
加工成形，并能反复塑化成形。
这类塑料一般机械强度较高，成
形性能良好
热固性
塑料
酚醛塑料（PF）
氨基塑料（UF）
有机硅塑料（SI）
环氧树脂（EP）
网型高分子树脂，固化后重新加
热不再软化和熔融、亦不溶于有
机溶剂，不能反复成形与再生使
用。这类塑料一般具有较高的耐
热性与刚性，但脆性大
通用塑料（PE、PP、PVC、 PS 、ABS）
 通用塑料
产量、用量大，应用于生活与工业领域，使用范围广
 常用通用料
聚乙烯（PE） 是产量最高的品种。不透明或半透明、质轻，耐低温性能优
良，电绝缘性、化学稳定性好，耐大多数酸碱的侵蚀，但不耐热。
聚丙烯（PP） 无色、半透明，无臭无毒，密度为0.90 ~ 0.919 克/厘米3是最
轻的通用塑料，突出优点是在水中耐蒸煮，耐腐蚀，强度、刚性和透明性都
比聚乙烯好，缺点是耐低温冲击性差，易老化。
聚氯乙稀（PVC） 分硬性和软性。硬聚氯乙烯强度高，绝缘性、耐蚀性好，
但耐热性差；软质聚氯乙烯强度低、伸长率高、易老化、绝缘性、耐蚀性好；
泡沫聚氯乙烯密度低、隔热、隔音、防振。用途极广。
聚苯乙烯（PS）外观透明，但易发脆，通过加入聚丁二烯可制成耐冲击性聚
苯乙烯（HTPS）。
丙烯腈－丁二烯－苯乙烯三种单体共同聚合（ABS） 组分A（丙烯腈）、B
（丁二烯）和S（ 苯乙烯）按不同比例组成，成分与制造方法不同其性质也
有很大的差别。
通用塑料与应用1
P
V
C
花
园
管
PVC拉边袋
PVC软门帘
增强聚丙烯离心泵
PE波纹管
PE食品包装
PE药品包装
聚丙烯油墨
通用塑料与应用2
聚苯乙烯板
聚丙烯编织袋
尼龙12挤管
工程塑料
 工程塑料
是一个特定的名称。其广义泛指具有高性能又可能代替金属料的塑料；
狭义指比通用塑料的强度与耐热性优异，可作为工业用的结构材料并
具有功能作用结构的高性能塑料
 常用工程塑料
尼龙PA
聚碳酸酯PC
聚甲醛POM
ABS
聚酰胺PA
……
工程塑料应用示例
制笔业用塑料配件
杜邦工程塑料制品
聚酰胺应用示例
聚酰胺PA应用示例
ABS应用示例
ABS插座、电器外壳
聚碳酸酯PC应用示例
汽车仪表板，挡泥板，电动工具，手机外壳，电脑外壳，大型薄壁制件
常用塑料简易燃烧鉴别法
名称
英文
燃烧情况
聚丙烯
PP
容易
聚乙烯
PE
容易
聚氯乙烯
PVC
难 软化
聚甲醛
POM
聚苯乙烯
燃烧火焰状态
离火后情况
气味
烟少 继续燃烧
石油味
继续燃烧
石蜡燃烧气味
上黄下绿有烟
离火熄灭
刺激性酸味
容易 熔融滴落
上黄下蓝，无烟
继续燃烧
强烈刺激甲醛味
PS
容易
软化起泡橙黄色，
浓黑烟，炭末
继续燃烧表面油
性光亮
特殊乙烯气味
尼龙
PA
慢
熔融滴落，
起泡 慢慢熄灭
特殊羊毛，指甲
气味
聚甲基丙烯酸甲
酯
PMMA
容易
熔化起泡，浅蓝
色，质白，无烟
继续燃烧
强烈花果臭味，
腐烂蔬菜味
聚碳酸酯
PC
容易，软化起泡
有小量黑烟
离火熄灭
无特殊味
聚四氟乙烯
PTFE
不燃烧
聚对苯二甲酸乙
二酯
PET
容易 软化起泡
橙色，有小量黑
烟
离火慢慢熄灭
酸味
丙烯晴-丁二烯-苯
乙烯共聚物
ABS
缓慢 软化燃烧，
无滴落
黄色，黑烟
继续燃烧
特殊气味
熔融滴落，上黄
下蓝
熔融滴落，上黄
下蓝
在烈火中分解出
刺鼻的氟化氢气
味
塑料成形方法
b)
a)
c)
a)注射成形
d)
塑料成形的几种方法
b)吹塑成形 c)挤压成形
d)压制成形
中国石化产品生产流程
橡胶
橡胶分类、组成、性能
 橡胶分类
按来源分
天然橡胶（聚异戊二烯 ）
合成橡胶（合成高分子物质 ）
按用途分
通用（制作轮胎、输送带、胶管、胶板等 ）
特种（用于高温、低温、酸、碱、油和辐射介质条件下
 橡胶组成
生胶
配合剂（硫化剂、硫化促进剂、增塑剂、填充剂、防老化剂）
 橡胶性能
高的回弹性
可挠性、良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性
隔音、吸震以及与其它物质的粘结性
常用橡胶的代号
橡胶在汽车中的应用
橡胶占汽车用材料总重量的5%，
每辆汽车需橡胶件400-500个。汽
车上大量使用的氟橡胶、硅橡胶、
丙烯酸酯橡胶等高档橡胶和耐热...
轮胎
车门窗密封条
雨刮器
连接软管
密封件
防振件
传动件
衬垫类
液压制动缸中的皮碗
风扇皮带
真空助力密封件
汽车底盘用橡胶件
转向系统橡胶件
常用橡胶（天然橡胶 NR ）
 1、天然橡胶（NR）
以橡胶烃（聚异戊二烯）为主，含少量蛋白质、水分、树脂酸、
糖类和无机盐等。 弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，
耐磨性和耐旱性良好，加工性佳，易于其它材料粘合，在综合性能方
面优于多数合成橡胶。缺点是耐氧和耐臭氧性差，容易老化变质；耐
油和耐溶剂性不好，第抗酸碱的腐蚀能力低；耐热性不高。使用温度
范围：约－60℃~＋80℃。 制作轮胎、胶鞋、胶管、胶带、电线电缆
的绝缘层和护套以及其他通用制品。特别适用于制造扭振消除器、发
动机减震器、机器支座、橡胶－金属悬挂元件、膜片、模压制品。
橡胶弹簧
丁苯橡胶（SBR）
 2、丁苯橡胶（SBR）
丁二烯和苯乙烯的共聚体。 性能接近天然橡胶，是目前产量最大
的通用合成橡胶，其特点是耐磨性、耐老化和耐热性超过天然橡胶，
质地也较天然橡胶均匀。缺点是：弹性较低，抗屈挠、抗撕裂性能较
差；加工性能差，特别是自粘性差、生胶强度低。使用温度范围：约
－50℃~＋100℃。 主要用以代替天然橡胶制作轮胎、胶板、胶管、
胶鞋及其他通用制品。
顺丁橡胶（BR）
 3、顺丁橡胶（BR）
是由丁二烯聚合而成的顺式结构橡胶。 优点是：弹性与耐磨性优
良，耐老化性好，耐低温性优异，在动态负荷下发热量小，易于金属
粘合。缺点是强度较低，抗撕裂性差，加工性能与自粘性差。使用温
度范围：约－60℃~＋100℃。 一般多和天然橡胶或丁苯橡胶并用，
主要制作轮胎胎面、运输带和特殊耐寒制品。
异戊橡胶 （IR）
 4、异戊橡胶（IR）
是由异戊二烯单体聚合而成的一种顺式结构橡胶。 化学组成、立
体结构与天然橡胶相似，性能也非常接近天然橡胶，故有合成天然橡
胶之称。它具有天然橡胶的大部分优点，耐老化由于天然橡胶，弹性
和强力比天然橡胶稍低，加工性能差，成本较高。使用温度范围：约
－50℃~＋100℃ 可代替天然橡胶制作轮胎、胶鞋、胶管、胶带以及
其他通用制品。
汽车橡胶制件
丁晴橡胶（NBR）
 5、丁晴橡胶（NBR）
丁二烯和丙烯晴的共聚体。 特点是耐汽油和脂肪烃油类的性能特
别好，仅次于聚硫橡胶、丙烯酸酯和氟橡胶，而优于其他通用橡胶。
耐热性好，气密性、耐磨及耐水性等均较好，粘结力强。缺点是耐寒
及耐臭氧性较差，强力及弹性较低，耐酸性差，电绝缘性不好，耐极
性溶剂性能也较差。使用温度范围：约－30℃~＋100℃。 主要用于
制造各种耐油制品，如胶管、密封制品等。
橡胶垫圈
硅橡胶（Q）
 6、硅橡胶（Q）
为主链含有硅、氧原子的特种橡胶，其中起主要作用的是硅元素。
其主要特点是既耐高温（最高300℃）又耐低温（最低－100℃），是
目前最好扥艾寒、耐高温橡胶；同时电绝缘性优良，对热氧化和臭氧
的稳定性很高，化学惰性大。缺点是机械强度较低，耐油、耐溶剂和
耐酸碱性差，较难硫化，价格较贵。使用温度：－60℃~＋200℃。
主要用于制作耐高低温制品（胶管、密封件等）、耐高温电线电缆绝
缘层，由于其无毒无味，还用于食品及医疗工业。
各种硅橡胶制品
氟橡胶（FPM）
 7、氟橡胶（FPM）
是由含氟单体共聚而成的有机弹性体。 其特点耐温高可达300℃，
耐酸碱，耐油性是耐油橡胶中最好的，抗辐射、耐高真空性能好；电
绝缘性、机械性能、耐化学腐蚀性、耐臭氧、耐大气老化性均优良。
缺点是加工性差，价格昂贵耐寒性差，弹性透气性较低。使用温度范
围：－20℃~＋200℃。 主要用于国防工业制造飞机、火箭上的耐真
空、耐高温、耐化学腐蚀的密封材料、胶管或其他零件及汽车工业。
氟胶胶圈
陶瓷
陶瓷分类、组成、特性
 陶瓷分类
普通陶瓷：采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成
按用途又分日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等
特种陶瓷：采用高纯度人工合成的原料，并具有某些特殊性能
按成分有氧化物、氮化物、碳化物、金属陶瓷等
按其用途分为高温高硬度瓷、压缩、光学、磁性陶瓷等
 陶瓷组成
无机非金属：是主要组成物（天然硅酸盐、高纯度氧化物 、氮化物等）
玻璃相物质：起粘结作用（小于20%~40% ）
气相（小于5%~10% ）
 陶瓷特性
刚度最好、硬度最高
高的熔点 、高的化学稳定性、良好的电绝缘性
耐氧化、抗蚀
普通陶瓷
日用陶瓷、建筑陶瓷
日用陶瓷工艺品、器皿
建筑陶瓷（面砖、卫浴、幕墙）
普通陶瓷——电绝缘陶瓷、化工陶瓷
绝
缘
陶
瓷
件
化工陶瓷
特种陶瓷及应用——结构陶瓷
 （1）氧化铝陶瓷 主要组成物为Al2O3，，耐高温，可在1600℃长期
使用，耐腐蚀，高强度，其强度为普通陶瓷的2~3倍。其缺点是脆性
大，不能受受突然的环境温度变化。可用作坩埚、发动机火花塞、高
温耐火材料、热电偶套管、密封环等，也可作刀具和模具。
 （2）氮化硅陶瓷
主要组成物是Si3N4，这是一种高温强度高、高硬
度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷，并具有优良的电绝缘性和
耐辐射性。可用作高温轴承、在腐蚀介质中使用的密封环、热电偶套
管、也可用作金属切削刀具。
 （3）碳化硅陶瓷
主要组成物是SiC，这是一种高强度、高硬度的
耐高温陶瓷，是目前高温强度最高的陶瓷，还具有良好的导热性、抗
氧化性、导电性和高的冲击韧度。可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套
管、炉管等高温下工作的部件；利用它的导热性可制作高温下的热交
换器材料；利用它的高硬度和耐磨性制作砂轮、磨料等。
特种陶瓷及应用——工具陶瓷
 （1）硬质合金（己在有色金属一章介绍）
 （2）金刚石
天然金刚石是自然界最硬的材料，还具备极高的弹性模量、是已知材料中导热率
最高的、绝缘性能很好。金刚石可用作钻头、刀具、磨具、拉丝模、修整工具；
金刚石工具进行超精密加工，可达到镜面光洁度。但金刚石刀具的热稳定性差，
与铁族元素的亲和力大，故不能用于加工铁、镍基合金，而主要加工非铁金属和
非金属，广泛用于陶瓷、玻璃、石料、混凝土、宝石、玛瑙等的加工。
 （3）立方氮化硼（CBN）
其硬度高，仅次于金刚石，热稳定性和化学稳定性比金刚石好，可用于淬火钢、
耐磨铸铁、热喷涂材料和镍等难加工材料的切削加工。可制成刀具、磨具、拉丝
模等
 （4）其它工具陶瓷：
氧化铝、氧化锆、氮化硅等陶瓷，但从综合性能及工程应用均不及上述三种工具
陶瓷。
工具陶瓷示例
陶瓷刀
陶瓷刮皮器刀片
陶瓷剥线刀刀片
陶瓷车刀、铣刀
非标刀具
陶瓷定刀
金刚石刀具
金刚石刀具产品图片
功能陶瓷
复合材料
复合材料分类、特性
 复合材料
是由两种或两种以上性质不同的物质组成的多相材料
 复合材料分类
纤维增强复合材料
粒子增强复合材料
层叠复合材料
 复合材料特性
1、比强度和比模量高
2、破损安全性好
3、疲劳强度较高
4、高温性能良好
5、减振性良好
树脂基复合材料
陶瓷基复合材料
金属基复合材料
常用复合材料
 以热塑性树脂为基体的增强塑料
常用的树脂有聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸脂等。
其中应用最广泛、增强效果最明显的是聚酰胺树脂。增强塑料的强度、
硬度、弹性模量有所提高，但韧性有所下降。
玻纤增强聚乙烯产品
聚酯纤维塑料（PETG）挤出板材
常用复合材料
 以热固性树脂为基体的玻璃钢
常用的热固性树脂有环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、不饱和聚
脂等，其中以环氧树脂综合性能最好，应用最广。玻璃钢力学性能优
良，抗拉强度和抗压强度都超过一般钢和硬铝，而比强度更为突出。
现在已广泛应用于各种机器护罩、复杂壳体、车辆、船舶、仪表、化
工容器、管道等
玻璃钢不锈钢复合管
玻璃钢冷却塔
常用复合材料
 碳纤维增强复合材料
碳纤维可以和树脂、碳、金属以及陶瓷等组成复合材料。常与环
氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等复合，碳纤维复合材料多用于齿轮、
活塞、轴承密封件；航天器外层、人造卫星和火箭机架、壳体等；也
可用于化工设备及运动器材（如羽毛球拍、钓鱼杆等）、建筑材料等
常用复合材料
 层叠复合材料
层叠复合材料有夹层结构的复合材料、双层金属复合材料、塑
料—金属多层复合材料。如夹层复合材料已广泛应用于飞机机翼、船
舶、火车车厢、运输容器、安全帽、滑雪板等；将两种膨胀系数不同
的金属板制成的双层金属复合材料可用于测量和控制温度的简易恒温
器等
钢丝网骨架塑料（聚乙烯）复合管