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1、第七章 非金属材料,高分子材料 塑料、橡胶、纤维、黏结剂,陶瓷材料 玻璃、陶瓷、水泥、耐火材料,复合材料 1+12,主要内容：,学习要求：了解非金属材料的种类；掌握非金属材料在不同行业中的应用,通常将金属及合金以外的其余材料成为非金属材料。,第一节 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，5000,塑料、合成橡胶、粘结剂等都属于合成高分子材料。,高分子化合物分为天然和合成两类。,蛋白质、天然橡胶、蚕丝、皮革、木材等都属于天然高分子化合物。,工业上应用。,塑料的组成 塑料是以合成树脂为主要成分、加入某些添加剂而制成的高分子材料是
2、目前工业中应用最多的非金属材料。,一、工程塑料,（1）合成树脂 组成塑料的基本组成物，占30%100%，塑料的基本性能取决于树脂的种类，树脂在塑料中又起粘结剂的作用，故又称粘料。许多塑料都是以树脂的名称来命名。如聚氯乙烯塑料。,（2）添加剂 作用主要是改善某些性能或降低成本，常用的添加剂有填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、着色剂。,2.塑料的分类,使用范围,通用,工程,合成树脂的热性能,热塑性,热固性,3.塑料的性能,1）化学性能 对酸、碱和一般有机溶剂都有很好的抗腐蚀性。,2）物理性能 质量轻、相对密度小 工程塑料的相对密度一般在1.02.0之间，远低于金属，可替代一些传统的金属材料，
3、减轻自重，用于航空飞行器、车辆等领域；导热性差，是良好的绝热材料；具有优良的电绝缘性。,4）突出的耐磨和自润滑性能用工程塑料作摩擦零件，与耐磨金属合金相对，磨耗量低于1：5。氟塑料更佳,较高的比强度；在较宽的温度范围内，许多工程塑料，尤其是增强的工程塑料有优异的抗冲击和耐疲劳性能。,3）力学性能,5）优良的吸震、消声和对异物的埋没性能工程塑料作为运动零部件使用时，没有金属撞击的噪声，有优良的吸震消声性能。对于有磨粒存在的条件下，可以埋没异物，不像金属之前可能会咬死或刮伤。,二、橡胶橡胶是一种具有极高弹性及低刚度的高分子材料。,1、橡胶的分类,天然橡胶,来源,合成橡胶,用途,通用橡胶,特种橡胶,
4、2、橡胶的性能,具有高回弹性、很高的可挠性、良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性、隔音、吸振以及与其他物质的粘结性。,橡胶隔震垫,4、常用橡胶性能特点及应用（表7-4）,可曲挠橡胶接头,3、橡胶的组成,以生胶为基础，并加入适量的配合剂组成.,在橡胶中加入各种纤维织物、金属丝及编织物，可提高橡胶的力学性能。如在传送带、胶管中加入帆布、细布，在轮胎中加入帘布、在胶管中加入钢线等.,第二节 陶瓷材料,从广义上讲陶瓷包含一切天然及合成的无机非金属固体材料，如水泥、耐火材料、玻璃、石墨、天然石材、陶瓷等。从狭义上讲是用天然或合成的粉体，经成形和高温烧结制成的，由金属和非金属的无机化合物构成的多晶固体材料。,
5、普通陶瓷（传统陶瓷）：天然硅酸盐矿物（黏土、石英、长石等）,特种陶瓷：高纯度的人工合成原料,日用,建筑,电绝缘,化工,碳化物,氧化物,氮化物,高温,光学,压缩,磁性,一、陶瓷的分类,二、陶瓷材料的组成及性能特点,晶体相：硅酸盐、高纯度氧化物、氮化物、碳化物,1.组成,气相：气孔,玻璃相：低熔点非晶态物质,这些物质具有硬度高、熔点高、质脆等特点,起粘结作用，可降低烧结温度，抑制晶体长大。,降低陶瓷的耐热性和绝缘性，控制在（20%-40%）,降低陶瓷的强度和抗电击穿能力，控制在（5%-10%）,（2）热性能 具有高的熔点（2000以上），且有高温化学稳定性；导热性低；线膨胀系数低。,（1）力学性能
6、 刚度最好、硬度最高。抗拉强度较低，抗压强度高；塑性和韧性很差。,（3）电性能 大多数具有良好的电绝缘性，,（4）化学性能 高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。,主要缺点：性脆、加工性能差、可靠性差,2.陶瓷的性能特点,刚玉坩埚,陶瓷刀,（5）光学性能、磁性性能,1.普通陶瓷（传统陶瓷）,性 能：质地硬、耐腐蚀、不氧化、不导电、耐高温（1200oC），成本低、易成形,用 途：电气、化工、建材工业，纺织行业，化工设备以及力学性能要求不高的耐磨零件。,四、常用陶瓷材料,三、常用工业陶瓷,2.特种陶瓷,主要成分：Al2O3(45%)刚玉瓷(9099.5%),性 能：耐高温(在1600
7、下长期使用)强度高、硬度高、耐磨性好 优良的电绝缘性和耐腐蚀、抗氧化性 脆性大、抗热震性能差,用 途：广泛应用于各类高温、耐蚀和电气绝缘工程。如坩埚、热电偶保护套管、化工反应炉管等。机械工程中用作高速切削刀具、磨料、内燃机火花塞、拉丝模等。,（1）氧化铝陶瓷,陶瓷火花塞,主要成分：SiC,性 能：优异的高温强度(1700)，目前高温强度最高的陶瓷 很好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性、导 热性、耐辐射性以及低的热膨胀性 高温抗氧化性好,用 途：火箭尾喷管或喷嘴、炉衬、电加热管、坩埚、热电偶套管、高温轴承以及核燃料包封材料。另外还可以用作砂轮和各种磨具。,（2）碳化硅陶瓷,主要成分：Si3N
8、4,性 能：很高的硬度 自润滑作用，摩擦系数小，耐磨性好 抗氧化性好、抗热震性大大高于其它陶瓷 优良的化学稳定性（HF外）优良的绝缘性能,用 途：热压烧结法：形状简单、精度要求不高的零件如 刀具、活塞盖、高温轴承等 反应烧结法：形状复杂、要求精度高、耐磨、耐 蚀、耐热等场合，如泵密封环、热电偶保护套、转子、缸套、活塞环、管道、阀门等,（3）氮化硅陶瓷,（4）氮化硼陶瓷,主要成分：BN，按BN晶体结构不同，可分立方与六方两种。,性 能：立方BN硬度极高，仅次于金刚石 六方BN结构与石墨相似（白石墨），硬度较低，可进行切削加工，具有自润滑性。,用 途：立方BN用作磨料和高速切削的刀具。六方BN可制
9、成自润滑高温轴承、玻璃成形磨具等。,立方BN刀具,六方BN玻璃成形磨具,玻璃纤维碳纤维硼纤维碳化硅纤维氧化铝纤维芳纶纤维,第三节 复合材料,复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同组织的组分，以宏观或微观方式复合形成的新型材料，一般由基体组元和增强相或功能组元组成。,复合材料分类,基体组元,增强相,树脂基复合材料,金属基复合材料,陶瓷基复合材料,纤维增强,颗粒增强,陶瓷或金属颗粒,层叠复合材料,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6）良好的化学稳定性，制造工艺简单,复合材料的性能特点,二、常用复合材料,（1）玻璃纤维增强复合材料,（2）碳纤维增强复
10、合材料,（3）其他纤维增强复合材料,2、层叠复合材料,3、粒子增强复合材料,1、纤维增强复合材料,第八章 工程材料的表面处理,利用各种表面涂镀层及表面改性技术，赋予基体材料本身所不具备的特殊表面性能或延迟寿命，从而满足人们对材料及其制品表面综合性能的要求。,主要包括表面强化、表面防护和表面装饰。,1.抗腐蚀/氧化飞机蒙皮(铝合金)-阳极处理；汽车车身板金(钢材)-热浸镀锌，电镀锌，上涂料；船的甲板(钢材)-热熔射，上涂料；建筑物-如桥梁，电塔可使用热浸镀锌与上涂料等方式；个人计算机机壳-热浸镀锌，电镀锌，上涂料；石化输油管线-覆盖披覆；2.耐磨耗硬铬，氮化钛，离子氮化，渗碳氮化，钻石薄膜，雷射
11、表面处理轴承；轴心；钻孔切割工具；硬盘3.光学性质建筑用窗框；光学玻璃；单色光；相机机身，显示器4.磁性记录媒体；光盘；硬盘,主要目的如下：,5.导电性半导体电路；联接导线；微电子金属化制程6.装饰装饰品；眼镜；手表7.热传导性/热传阻抗黑镍，黑铬，氧化锆 涡轮叶片热阻层 太阳能电池吸热层8.机械寿命 疲劳寿命,第一节 表面强化处理1.1 表面覆盖层强化法 表面覆盖层强化法是使材料表面获得特殊性能的覆盖层(如喷涂层、镀覆层、气相沉积层等),以提高材料表面强度、硬度、耐磨、耐蚀和耐疲劳等性能的工艺方法。常用的金属表面覆盖层强化法主要有表面气相沉积和金属热喷涂等。热喷涂是将涂层材料熔化,以高速气流
12、将其雾化成极细的颗粒,并以很高的速度喷射到已经过预处理的工件表面上,形成喷涂覆盖层。根据需要可选用不同的涂层材料,以获得耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、耐热等方面的一种或多种性能。,1.2 表面形变强化法 表面形变强化法是利用金属冷塑性变形强化的原理,通过喷丸、滚压、挤压等方法使金属的表层产生冷塑性变形,从而提高金属表面强度和硬度的工艺方法。本法适用于可形变强化的金属材料,主要用来提高零件的抗疲劳能力。对那些不能热处理强化的金属材料,表面形变强化法是强化表面的有效方法,(1)电镀 电镀是将金属工件作为阴极浸入欲镀金属的盐溶液中,然后通以直流电,在直流电场的作用下,金属盐溶液中的阳离子在工件表面上沉积成
13、为牢固的镀层。根据镀层金属的不同,电镀的方法很多。常用的电镀方法有镀铬、镀锌、镀铜、镀铁、镀锡、镀金、镀银、镀镍、镀合金等。电镀特点是常用的材料表面处理技术,具有镀层厚度控制准确、镀层质量好、与被镀金属结合牢固、不加热或加热温度不高等优点,但生产率较低。电镀镀层的应用主要有以下几方面:一是防护性镀层,主要是防止金属在大气及其他环境中的腐蚀,如钢铁工件镀锌、镀铬、镀锌镍耐蚀合金等;,第二节 表面防护处理,2.1 电镀、化学镀及热浸镀方法,二是修复性镀层,主要用于修复工件因磨损而造成的尺寸偏差利用镀层增大工件尺寸或覆盖磨损面,如镀铬、镀铜、镀铁等;三是装饰性镀层,是使基体材料具有美观装饰或兼有防腐
14、功能的镀层,如镀铬、镀金、镀银、镀镍、镀黄铜(仿金镀)以及组合镀层等;四是特殊用途镀层,如耐磨镀层(硬铬镀层)、防止局部渗碳镀层(镀铜)、电气特性镀层(镀银、镀铜、镀锡)等。电镀的应用范围不断扩大,目前不仅广泛用于金属材料,也已推广到塑料等非金属材料。,(2)化学镀。化学镀是利用合适的还原剂,使溶液中的金属离子在经催化的材料表面上还原出金属镀层的一种化学方法。化学镀可以在金属、非金属、半导体等各种不同材料的基体上镀覆,因而其应用越来越广泛。化学镀镍、镀铜、镀金、镀钴、镀钯、镀铂、镀锡以及化学镀合金等工艺,在生产中都有应用。其中最常用的是化学镀镍和化学镀铜。(3)热浸镀。热浸镀是将金属短时间浸人
15、熔融的金属液体槽中,取出冷却后,使其表面形成耐蚀覆盖层的工艺方法。热镀层与金属层表面结合牢固,热镀操作简单,生产率高,应用广泛。,2.2 化学转化膜技术方法 1.氧化处理氧化处理就是采用化学的或者电化学的方法,使工件表面形成一层氧化膜,以改善工件的耐蚀性及外观的工艺方法。(1)钢铁的氧化处理。氧化处理就是将钢铁工件放人特定的氧化性溶液中并适当加热,使其表面形成一层致密的氧化膜,以改善工件的耐蚀性及外观的工艺方法。(2)铝及铝合金的氧化处理。有化学氧化法和阳极氧化法。化学氧化法:是将工件放人弱碱或弱酸中获得与基体铝结合牢固的氧化膜的工艺方法。主要用于提高工件的抗蚀和耐磨能力,也可作为油漆的良好底
16、层,还可着色用于表面装饰(如建筑用铝型材、压铸件、标牌的装饰膜等)。,钢铁的磷化处理(磷酸盐处理)磷化处理是将钢铁工件浸人磷酸盐溶液中,使工件表面获得一层不溶于水的磷酸盐薄膜的工艺方法。(1)磷化膜的特点。磷化膜由磷酸铁、锰、锌所组成,呈灰白或灰黑色,厚度一般为 7 20 m。膜与基体金属结合十分牢固,并具有较高的电阻率,绝缘性能好,击穿电压可达 250 380 V。磷化膜的抗蚀能力相对氧化膜提高 2 10 倍,在 200 300 时仍具有一定的耐蚀性,在大气、矿物油、动物油、植物油、苯及甲苯等介质中均有很好的耐蚀能力,但在酸、碱、氨水、海水及水蒸气中的耐蚀性较差。,(2)磷化处理的分类。根据
17、磷化温度的高低,磷化处理有室温磷化、中温磷化(50 70)、高温磷化(90 98)三种。室温磷化处理时间长,磷化膜抗蚀能力低,结合力弱,但不需加热;中温磷化处理时间短,游离酸度稳定,容易掌握,磷化膜抗蚀能力可达高温磷化膜水平,所以中温磷化效果好,应用广,但磷化溶液比较复杂;高温磷化处理时间短,磷化膜的抗蚀能力较高,但槽液加热时间长,溶液挥发量大,游离酸度不稳定,结晶粗细不均匀,操作较困难。,因此,中温磷化处理应用比较广泛。,(3)磷化处理的施工方法。磷化处理的主要施工方法有浸渍法、喷淋法和浸喷组合法。浸渍法适用于高、中、低温磷化工艺,可处理任何形状的工件,可获得厚、中、薄的磷化膜,且设备简单,
18、质量稳定;喷淋法适用于中、低温磷化工艺,可处理大面积工件。2.3 涂料涂装法(1)涂涂料。将涂料涂覆在金属表面,隔开周围介质与金属的接触可达到防止腐蚀的目的。常用涂料有红丹漆、醇酸树脂漆、酚醛树脂漆等。为提高防腐效果,防锈涂料中还应加钝化剂。涂涂料法操作简便,成本低,主要用于桥梁、船舶和机械设备外表面的防大气腐蚀。,(2)涂塑料。采用浸涂、喷涂或刷涂等方法,使被保护金属表面裹上一层塑料薄膜,隔开周围介质与金属的接触,也可达到防止腐蚀的目 的。此法可防酸、碱、盐溶液腐蚀,防腐蚀时间可达 5 10 a,当不需要防腐塑料薄膜时,可立即剥除。,(3)涂防锈油。是用于储存、加工和运输过程中的防腐方法。当
19、耐蚀期较短时,可涂矿物油;当耐蚀期较长时,应涂凡士林、石蜡等混合物。涂防锈油前,为使油层与金属结合牢固,应将金属表面的油污和氧化物等杂物清理干净。(4)包覆法。就是在被保护金属的全部表面包覆一层耐腐蚀材料的工艺方法,包覆法可在钢制件表面包覆黄铜、铝、镍、不锈钢等耐蚀金属或工程塑料(如塑钢门窗),也可在硬铝表面包覆一层纯铝,都可以提高耐蚀性能。,1.表面抛光方法 表面抛光是利用机械、化学或电化学作用,在抛光机或砂带磨床上拳行的光整加工方法。加工时,抛光膏涂在高速旋转的软弹性抛光轮或砂带上,利用剧烈摩擦,产生高温,使加工面上形成极薄熔流层,即可填平加工面上的微观凹凸不平,获得光亮的镜面。表面抛光适于镀层表面修饰。,第三节 表面装饰加工方法,2.光亮装饰镀方法 光亮装饰镀是在普通电镀基础上,加入少量使镀层产生光亮的添加剂,从而形成光亮装饰镀层的工艺方法。如光亮镀镍层。光亮镀铬一般是在光亮镀镍后直接进行的。此外,还有装饰镀锌和光亮镀铜等方法。3.表面着色方法 表面着色是在材料表面形成一层很薄的、具有一定颜色和耐蚀性的金属化合物。经抛光后,此薄层平滑而富有光泽,用不同的着色工艺,可使常用金属或合金获得不同的颜色。如铝合金制件可着色成耀眼的金黄色。,4.美术装饰漆,一种工业用漆，其漆膜有锤纹、起皱、开裂、凹凸等花纹，立体感较强。主要起装饰作用。,
