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1、第9章 高分子材料、陶瓷材料与复合材料,博采众长的复合材料,多姿多彩的高分子材料,古老又年轻的陶瓷材料,1.通过学习塑料材料、橡胶材料、陶瓷材料与复合材料的组成、性能等知识，了解相关材料的有关特性理解并掌握铸铁的组织尤其是石墨的形态、分布,性能之间的规律。2.熟悉几种常用工程塑料与工程橡胶的结构特点、性能和用途范围。3.了解工程陶瓷材料与复合材料的使用性能特点，其技术现状，前沿动态及今后的发展方向。,9.1 高分子材料,引例,日常生活所用保鲜袋成分有PE、PVC，家庭生活用开关、插座成分有脲醛，电器外壳多为ABS,部分为PS.管材多为PVC.塑料杯子为PC或者PE,可口可乐等瓶子是PET。工程
2、用防火材料PTEE，防水材料使用的沥青，PVC卷材。,基本概念：,高分子材料(聚合物）以相对分子量5000的高分子化合物为主要组成的材料.有机高分子材料 以C、H 元素为主的有机化合物组成的材料,分类：,线型非晶态高聚物的温度-变形曲线,9.1.1 工程塑料,1塑料的组成和分类,塑料是一类以天然或合成树脂为基本原料，在一定温度、压力下可塑制成形，并在常温下能保持其形状不变的高聚物材料。,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。,塑料的组成,塑 料,增塑剂,树脂,阻燃剂,润滑剂,着色剂,稳定剂,填充剂,塑料的性能特点塑料的优点：相对密度小(一般为0.
3、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。,根据树脂受热行为的不同，可分为热塑性塑料和热固性塑料。特点：受热软化、熔融，具有可塑性，冷却后坚硬，再受热又可软化，如此反复其基本性能不；缺点：耐热性和刚性都较差。特点：在一定温度下，经过一定时间的加热或加入固化剂后，即可固化成型。缺点：树脂性质较脆，机械强度不高，必须加入填料或增强材料以改善性能，提高强度；成型工艺复杂，大多只能采用模压或层压法，生产效率低。
4、,按照使用范围可分为：通用塑料，工程塑料和特种塑料。通用塑料指产量大、用途、价格低的塑料，主要有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等。产量约占塑料总量75%以上。工程塑料指工程技术用以制造结构材料的塑料。这类塑料力学强度高，或者具备耐高温、耐腐蚀等特种性能。主要有聚甲醛、ABS、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。特种塑料指具有某些特殊性能的塑料，用量较少。主要有导电塑料、导磁塑料、感光塑料等。,3.常用塑料,（1）热塑性塑料,聚乙烯(PE),聚丙烯(PP),聚氯乙烯(PVC),聚苯乙烯(PS),ABS塑料,聚碳酸酯(PC)聚四氟乙烯(PTEE，特氟隆)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA、有机玻璃)聚甲醛(PO
5、M)聚酰胺(PA、锦纶、尼龙)聚砜(PSF),（2）热固性塑料,酚醛塑料(PF),酚醛泡沫塑料制品,环氧塑料(EP)有机硅塑料 氨基塑料(UF),常用塑料的性能特点和典型应用,常用塑料的耐腐蚀性能、燃烧特点和使用温度,9.1.2 橡胶（Rubber）,引例,子午线轮胎 斜交轮胎,橡胶工业经过数十年的发展，已经形成轮胎、胶管、胶带、胶鞋、橡胶制品、乳胶、再生胶、轮胎翻新等专业门类较为完善的工业体系，同时也形成了合成橡胶和天然橡胶、钢丝和纤维骨架材料、助剂等原材料配套工业。,1橡胶的组成和分类,橡胶是以生胶为原料，加入适量的配合剂以后所组成的高分子弹性体。橡胶按其来源可分为天然橡胶和合成橡胶。,按
6、用途可分为通用橡胶和特种合成橡胶，前者主要用于做轮胎、运输带、胶管、胶板、垫片、密封装置等；后者用于做高温、低温、酸碱、油和辐射等条件下使用的橡胶制品。,2橡胶的性能,高弹性 力学强度耐磨性,3常用橡胶,（1）天然橡胶(NR),（2）合成橡胶,丁苯橡胶(SBR),顺丁橡胶(BR),乙丙橡胶,氯丁橡胶,（3）特种合成橡胶,丁腈橡胶(NBR),硅橡胶,氟橡胶,橡胶制品,主要橡胶产品的用途,陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称，以共价键或（和）离子键为主要结合键。陶瓷是人类最早使用的材料之一，传统陶瓷所使用的原料主要是粘土等天然硅酸盐类矿物，故又称为硅酸盐材料；包括陶瓷、玻璃、水泥及耐火
7、材料等。,9.2 陶瓷材料（Ceramics）,现代陶瓷材料所用原料已不仅仅是天然的矿物，有很多是经过人工提纯或是人工合成的，组成配合范围已扩大到整个无机非金属材料的范围。因此，现代陶瓷材料是指除金属和有机材料以外的所有固体材料，又称无机非金属材料。如介电陶瓷（BaTiO3）、压电陶瓷（PZT，ZnO）、高导热陶瓷（AlN）以及具有铁电性、半导体、超导性和各种磁性的陶瓷。,9.2.1 陶瓷材料的分类与性能,陶瓷材料的性能特点：,密度小、熔点高、弹性模量大、化学稳定性高；硬度高、耐磨损、强度高、高温抗蠕变能力强；耐高温、耐氧化、耐腐蚀；塑性和韧性较低（陶瓷材料最大的弱点）；是良好的绝缘体，可用于
8、隔电的绝缘材料；具有介电特性，可作为电器的介质；功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。,陶瓷制品,陶瓷制品,9.2.2 常用的陶瓷材料,1.传统陶瓷,指的是粘土陶瓷。它以高岭土(A12032SiO2H20)、长石钾长石(K2OA12O6SiO2)和钠长石(Na2OA12O36Si02)、石英(Si02)为原料配制而成的。质地坚硬、耐腐蚀，不氧化，不导电，能耐一定高温，成本低，加工成型性好。但由于玻璃相的含量较高，结构疏松，故强度低，而且在一定温度下会软化，耐高温性能不如近代陶瓷，使用温良一般为1200左右。,2.特种陶瓷,（1）氧化物陶瓷,（2）非氧化物陶瓷,3.现代陶瓷,（1）氮化硅陶瓷（2）
9、氧化锆增韧陶瓷（3）赛隆陶瓷(Sialon Ceramic)（4）陶瓷基复合材料（5）陶瓷涂层（6）陶瓷薄膜,4.金属陶瓷,（1）碳化物基金属陶瓷(硬质合金)2）氧化物基金属陶瓷,绝缘子,常用的工程结构陶瓷的种类、性能及应用,分散分布在基体中，也可称为分散相。可以是陶瓷、高分子或金属材料中的一种，以不同形态加入：颗粒、纤维、晶须或片状，分布方式可以是定向和随机的。,9.3 复合材料（Composite Material）,复合材料是由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。,复合材料的组成：,基体增强体,基体,复合材料的主体，即自身保持连续而包围增强的材料，
10、可以是金属、高分子或陶瓷材料中的一种。,增强体,L-15“猎鹰”机头罩、方向舵等已采用国产高性能复合材料,1.复合材料发展与分类（1）复合材料的发展 1940-1960年，玻璃钢（GFRP）时代。1960-1980年，期间是先进复合材料（Advanced Composite Materials）的发展阶段。1980-1990年之间复合材料发展的第三个阶段，是纤维增强金属基复合材料（FRMC）时代。1990年后，是复合材料的第四代，主要发展多功能多用途复合材料，如仿生复合材料，智能复合材料，梯度功能复合材料等。随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅在导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽
11、车、造船、建筑、电子、机械、医疗和体育等各个部门都得到了广泛的应用。,它是由基体（Matrix）、增强项（Reinforcement）和两者之间的界面（Interface）组成。复合材料的基体是指复合材料中的连续相（Continuous Phase），起到粘结剂作用。在复合材料形成过程中，基体经过复杂的物理、化学变化，与增强体复合成具有一定形状的整天。因而基体直接影响复合材料的性能。基体主要分为聚合物、金属、陶瓷、水泥和碳等。复合材料的增强体是指在复合材料中增加强度、改善性能的组分。增强体分为纤维、晶须和颗粒。,复合材料的系统组成,常用增强项的性能,复合材料与金属材料的比强度、比模量对比,分类
12、：,按材料用途分类：结构复合材料和功能复合材料。,2.复合材料特点,比强度和比弹性模量高（普遍高于常用金属材料）;抗疲劳与断裂安全性能好;减摩耐磨、自润滑性能好;破损安全性好;化学稳定性好.,但是目前复合材料也存在一些问题，如断裂伸长小、冲击韧性较差，而且有些复合材料属于各向异性材料，其横向拉伸强度和层间剪切强度不高。复合材料制造成本比较高，使复合材料应用受到一定限制。,9.3.2 常用复合材料,碳纤维硬壳式结构自行车,1.纤维增强复合材料（1）纤维增强树脂复合材料（2）纤维增强金属复合材料（3）纤维增强陶瓷复合材料2.层合复合材料3.颗粒复合材料,实例复合材料在民机上的应用是循序渐进逐步扩大
13、的，从尾翼到机翼，再到机身，用量也逐步提高从10%20%30%提高，到波音 787 上的50%。新一代大型客机大量采用复合材料结构说明先进复合材料技术经过 40 多年的发展，已经成为成熟的飞机结构技术，实现了复合材料用量占结构重量50%、全机减重近 20%的目标。“梦想”B787，该机共用复合材料50%，几乎全机结构均由复合材料制成，机身压差比现有飞机都大，并设计了大尺寸舷窗，这非常容易在舷窗处产生疲劳损伤。如果选用铝合金材料制造机身和舷窗，机身增压后其结构重量将要增加 1t。波音 787 采用复合材料制造机身和舷窗，其重量仅增加了 70kg。碳纤维复合材料对疲劳及腐蚀不敏感。波音公司选用复合材料制造机身，是看中了复合材料的另一特性，可以制造精密度高且非常大的飞机结构件。欧洲研制的大型军用运输机要用复合材料40%，下一代超宽体客机A350XWB要用复合材料52%，甚至超过了B787的水平。A380等4 大机种上大幅采用复合材料，直接导致了世界范围内碳纤维的短缺，引发了近期的世界性的碳纤维危机。,虎式攻击直升机,由碳纤维增强聚合凯夫拉尔纤维、铝以及钛材料制成，所占比例分别为80%、11%和6%，能够抵御23毫米自动加农炮攻击。,哥伦比亚号航天飞机用复合材料情况,
