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1、船舶工程学院,金属学与造船材料(12),塑料 橡胶 高分子材料 粘结剂 合成纤维非金属材料 陶瓷材料结构陶瓷、功能陶瓷 金属-金属复合材料 复合材料 非金属-非金属复合材料 金属-非金属复合材料,第十章 常用非金属与复合材料,1 高分子材料,高分子材料是由成千上万个小分子单体通过聚合反应以共价键结合起来的长链分子而构成的。,分子量很大，103,1.基本概念(1)单体 组成高分子化合物的低分子化合物，是合成高分子的材料。如：低分子乙烯 CH2=CH2单体组成聚乙烯(2)链节 构成高分子链的基本结构单元.(3)聚合度 即，高分子所含链节的数目n.由此，大分子链的分子量M=链节的分子量m与聚合度n的
2、乘积。即 M=mn,2.高分子材料的性能特点,密度小（12103Kg/m3），有利于材料轻量化。强度低，但比强度高，能够代替部分金属材料制造多种机器零部件。低的弹性模量和高弹性，取决于大分子链的柔性。优良的电绝缘性能。优良的减摩、耐磨和自润滑性能。优良的耐腐蚀性能。优良的透光性。可加工性好。,绝对强度、刚度低；三大缺点：不耐热（低于300）、可燃、易老化,3、高分子材料的分类 按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。按聚合物反应类型分为加聚物和缩聚物。按聚合物的热行为分为热塑性聚合物和热固性聚合物 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,高分子工程材料包括塑料、橡胶、合
3、成纤维和胶粘剂等。本节主要介绍工程上常用的工程塑料和合成橡胶。,2 高分子工程材料,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 塑料的组成,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。,塑料制品,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
4、格贵，只用于特殊需要的场合。,热固性塑料制品,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1/1001/10)，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1/2001/600)；蠕变温度低、易老化。,2、常用工程塑料 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。,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
5、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。,尼龙管件,PC挡风板,聚碳酸酯具有优良的机械性能，透明无毒，应用广泛。,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。,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。,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
6、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,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,聚酰亚胺层压板,最突出的特点。使用温度达150174。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。,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
7、种结构件。,电器配件,3、工程塑料在船舶上的应用制作船舶构件：玻璃钢(环氧树脂+玻璃纤维)可用来制造快艇和救生艇的艇体、驾驶室棚顶、螺旋桨等。制造船机零件：尼龙(聚酰胺PA)可制造尾轴承、舵轴承、阀盘、齿轮、滑块、手柄等。低压管路用ABS塑料或硬质聚氯乙烯塑料代替金属材料。塑料用于防腐。如螺旋桨上防止浆叶的穴蚀和电化学腐蚀；尾轴包覆玻璃钢；柴油机缸套冷却水侧反船舶水舱壁面喷塑料防腐；舵叶、水舱防腐等。,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
8、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，前者主要用于制作橡皮船、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。在船舶的甲板上和露天的场合均采用氯丁橡胶，在机舱里常温下工作的场合均采用丁腈橡胶，高温下工作的采用氟橡胶或硅橡胶。,一、陶瓷材料的特点,1、陶瓷材料的相组成特点陶瓷材料通常由三种不同的相组成，即晶相(1)、玻璃相(2)和气相(3)气孔。,3 陶瓷材料,料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。气相是在工艺过程中形成并保留下来的
9、。,晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材,2、陶瓷材料的结合键特点陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。,3、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。,4、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
10、晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。,二、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。,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,1、普通陶瓷 普通陶瓷是用粘土(Al2O32SiO22H2O)、长石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)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(3Al2O32SiO2)，占25
11、30%，玻璃相占3560%，气相占13%。,三、常用工业陶瓷,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。,2、新型结构陶瓷,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。,单相Al2O3陶瓷组织,（2）氮化硅陶瓷 以Si3N4为主晶相，“像钢一样强、金刚石一样硬、铝一样轻”热压烧结Si3N4：Si3N4粉为原料+添加剂 高温、高压下烧结成型加工较困难，用于制造形状简单的耐磨耐热零件和刀具,汽轮机转子,反应烧结Si3N4：Si粉或Si+Si3N4粉压制成型后渗氮处理，直到全部形成氮化硅。易加工，性能优
12、异，用于制造形状复杂且尺寸精度高的耐热、耐蚀、耐磨制品。Sialon陶瓷Si3N4+少量Al2O3，据称是强度最高的陶瓷。,叶片气阀等零件,（3）碳化硅陶瓷以SiC为主晶相。也可分为热压烧结和反应烧结两类。特点：高温强度高，可耐1600-1700。应用：高温结构制品,SiC陶瓷件,（4）氮化硼陶瓷 以BN为主晶相，六方结构（石墨结构）俗白石墨，耐热性、导热性、绝缘性、耐蚀性高，硬度稍低，可切削加工。应用：高温绝缘制品，散热材料。,复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工合成的多相材料。,复合材料船体,4 复合材料,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
13、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,一、复合材料的组成,1、增强相（强度较高的材料）（1）纤维增强材料 玻璃纤维：SiO2为主要原料熔融拉丝制成的纤维。碳 纤 维：密度1.72g/cm3 比钢小四倍，比强度比钢大16倍。硼 纤 维：芳伦纤维：芳香族聚酰胺类纤维。晶 须：金属晶须、陶瓷晶须。,（2）颗粒增强材料陶瓷颗粒 Al2O3、SiC、Si3N4、WC、TiC。特殊性能填料：石墨、碳墨、MoS2（耐磨、润滑）银粉、铜粉（导电）Fe2O3磁粉（导磁）2、基体材料（低强度材
14、料）有色金属、树脂、陶瓷,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 碳纤维增强材料疲劳强度可达抗拉强度的7080%。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。,三、增强复合原则1、增强体与基体，应避免降低强度的化学反应；2、增强体与基体的热膨胀系数应基本匹配，XfXm（ffiber，纤维；mmatrix，基体）3、增强体与基体的弹性模数应 EfEm 4、纤维排列方向应与构体受力方向一致,四、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
15、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。,五.复合材料的应用,1、玻璃钢:玻璃纤维增强塑料，比重小(1.5-2.0)、比强度高，是建造快速船舶的理想材料2、纤维增强金属：铝合金+硼纤维；钛合金+碳纤维/硼纤维3、弥散强化合金：Al2O3等氧化物颗粒+Al，Cu，Ti，Ni等4、金属陶瓷5、纤维增强橡胶 如胶管、轮胎、皮带6、塑料金属多层复合材料,玻璃钢/复合材料制造的游艇,美国“短剑号”碳纤维复合材料高速隐身艇,挪威“Skjold”级隐身巡逻艇,英国“sandown”级猎扫雷艇,复合材料在船舶上的应用,二
16、、填空题（15分）1、在BCC和FCC晶格中，单位晶胞内的原子数分别为 和，其致密度分别为 和。,一、选择题（15分）1、多晶体金属的晶粒越细，则其()。A强度越高，塑性越好 B强度越高，塑性越差 C强度越低，塑性越好 D强度越低，塑性越差,金属学与造船材料考试题型,三、名词解释（10分）1、合金钢；2、共晶转变；,四、问答题（40分）1、说明下列钢号属于何类钢，其含碳量和合金元素的含量及主要用途？16Mn、20CrMnTi、GCrSiMn、ZGMn13、9SiCr、W18Cr4V、1Cr13、1Cr18Ni9,五、综合分析题（20分）,1、一碳钢在平衡冷却条件下，所得显微组织中，含有50的珠光体和50的铁素体，问：此合金中碳的质量分数为多少?若该合金加热到740 时，在平衡条件下将获得什么组织?若加热到850，又将得到什么组织?,
