机械工程材料 教学课件 ppt 作者 罗中平 主编12 第八章 非金属材料简介.pptVIP

/25 第八章 非金属材料简介 非金属材料主要包括高分子材料和陶瓷材料和复合材料。 高分子材料又称聚合物材料，主要成分为碳和氢。按其用途和使用状态又分为橡胶、塑料、合成纤维和胶粘剂等四大类型。 陶瓷材料是指硅酸盐、金属与非金属元素的氧化物、氮化物、碳化物等。主要包括普通陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三大类。 复合材料是把两种或两种以上的不同性质或不同组织结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而构成的。它不仅保留了组成材料各自的优点， 而且具有单一材料所没有的优异性能。复合材料通常分为三大类：树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。 第一节 高分子材料 高分子材料有天然的，如松香、淀粉、天然橡胶等，也有人工合成的，如塑料、合成橡胶等。工业用高分子材料主要是人工合成的。 一、概述 1.高分子材料的分类 其方法很多，常用的有以下几种： (1)按用途：可分为塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。塑料在常温下有固定形状，强度较大，受力后能发生一定变形。橡胶在常温下只有高弹性，而纤维的单丝强度高。有时把聚合后未加工的聚合物称为树脂，如电木未固化前称为酚醛树脂。 (2)按聚合物反应类型：可分为加聚物和缩聚物。加聚物是由加成聚合反应(简称加聚反应)得到，链节结构与单体结构相同。如聚乙烯，而缩聚物是由缩聚合反应(简称缩聚反应)得到，聚合过程中有小分子副产物放出。 (3)按聚合物的热行为：可分为热塑性聚合物和热固性聚合物。热塑性聚合物的特点是热软冷硬，如聚乙烯。热固性聚合物受热时固化，成型后再受热不软化，如环氧树脂。 (4)按主链上的化学组成：可分为碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物：碳链聚合物的主链由碳原子一种元素组成，如 —C—C—C—C—。杂链聚合物的主链除碳外还有其他元素，如—C—C—O—C—，—C—C—N—，—C—C—S— 等。元素有机聚合物的主链由氧和其他元素组成，如—O—Si—O—Si—O— 等。 2.高分子材料命名 多采用习惯命名。常用的有： (1)在原料单体名称前加“聚”字，如聚乙烯、聚氯乙烯等； (2)在原料单体名称后加“树脂”，如环氧树脂、酚醛树脂等； (3)采用商品名称，如尼龙、涤纶等； (4)采用英文字母缩写，如聚乙烯用PE、聚氯乙烯用PVC等。 3.高分子材料的力学状态 (1)线型非晶态高聚物的力学状态 根据高聚物在恒定应力下的温度-形变曲线，即热-机曲线，可描述聚合物在不同温度下出现的3种力学状态，如图8-1所示。 1)玻璃态 在低温下，分子运动能量低，链段不能运动，在外力作用下，只能使大分子的原子发生微量位移而发生少量弹件变形。高聚物呈玻璃态的最高温度称为玻璃化温度，用Tg表示。在这种状态下使用的材料有塑料和纤维。 2)高弹态 温度高于Tg，分子活动能力增加，大分子的链段发生运动，因此受力时产生很大的弹性变形，可达100％-1000％。橡胶是在这种状态下使用。 3)粘流态 由于温度高，分子活动能力很大，在外力作用下，大分子链可以相对滑动。粘流态是高分子材料的加工态，大分子链开始发生粘性流动的温度称为粘流温度，用Tf表示。 一些常见高分子材料的Tg和Tf见表8-1。 (2)线型晶态高聚物和体型高聚物的力学状态 晶态高聚物的热-机曲线如图8-2所示(图中Tm为熔点)，这种高聚物分为一般分子量和很大分子量两种情况。一般分子量的高聚物在低温时，链段不能活动，变形小，因此在Tm以下与非晶态高聚物的玻璃态相似，高于Tm则进入粘流态。分子量很大的晶态高聚物存在高弹态(Tm-Tf)。由于高分子材料只是部分结晶，非晶区柔性好，晶区刚性好，因而在非晶区的Tg与晶区的Tm温度区间，处于韧性状态，即皮革态。 体型高聚物的力学状态与交联点的密度有关，密度小，链段仍可运动，具有高弹态，如轻度硫化的橡胶。交联点密度大，则链段不能运动，此时Tg = Tf，高聚物变得硬而脆，如酚醛塑料。 4．常用高分子材料的化学反应 (1)交联反应 是指大分子由线型结构转变为体型结构的过程。交联反应使聚合物的力学性能、化学稳定性提高。如树脂的固化、橡胶的硫化等。 (2)裂解反应 是指大分子链在各种外界因素(光、热、辐射、生物等)作用下，发生链的断裂，分子量下降的过程。 (3)聚合物的老化 是指高分子材料在长期使用过程中，由于受热、氧、紫外线、微生物等因素的作用发生变硬变脆或变软发粘的现象。老化的主要原因是大分子的交联或裂解，可通过加入防老剂、涂镀保护层等方法防止。 二