工程材料与热加工

• (2)碳纤维增强复合材料
• 这种复合材料与玻璃钢相比，其抗拉强度高，弹性模量是玻璃
钢的4～6倍。玻璃钢在300℃以上，强度会逐渐下降，而碳纤维 的高温强度好。玻璃钢在潮湿环境中强度会损失15％，碳纤维 的强度不受潮湿影响。 • 此外，碳纤维复合材料还具有优良的减摩性、耐蚀性、导热性 和较高的疲劳强度。
胶
氯丁 橡胶
（ＣＲ）
２５～ ８００～ － ３５～ ２７ １０００ １３０
3．常用塑料的性能及应用
• (1)热塑性塑料
• ① 聚氯乙烯(PVC)
分为硬质和软质两种。硬质聚氯乙烯强度较高， 绝缘性和耐蚀性好，耐热性差，在－15～60℃温度范 围使用，用于做灯头、插座、开关阀门。软质聚氯乙 烯强度低于硬质聚氯乙烯，伸长率高，绝缘性较好， 耐蚀性好，用于农用和工业用包装薄膜、电线、电缆 的绝缘层，因其有毒，不能包装食品。 ②聚乙烯(PE) 按生产工艺不同，分为高压聚乙烯、低压聚乙烯。 高压聚乙烯化学稳定性高，柔软性、绝缘性、透明性、 耐冲击性好，宜吹塑成薄膜、软管、塑料瓶等。低压 聚乙烯硬度较高、耐蚀性、绝缘性好，用于制造腐蚀 设备的零件、电器绝缘材料。
聚氨 酯橡 胶
（UR）
300～８ 80 ００ ５０～5 －７ ００ 0～275 1００～5 － 50～
硅橡 胶
耐高温、耐低温性突出， 各种管接头， 耐臭氧、耐老化、电绝 高温使用的垫 缘、耐水性优良，无毒 圈、衬垫、密 无味。强度低、不耐油 封件，耐高温 的电线、电缆 包皮 耐腐蚀性突出、耐酸、 耐碱、耐强氧化剂能力 化工容器衬里、 发动机耐油、
8.2.3常用特种陶瓷
• 1结构陶瓷
氧化铝陶瓷
主要成分是Al2O3。强度比普通陶瓷高2～6倍，硬度高(仅低于金刚石)；耐 高温（陶瓷可在1400℃时长期使用，空气中使用温度最高为1980℃），高温 蠕变小；耐酸、碱和化学药品腐蚀，绝缘性好。脆性大，不能承受冲击。用 于制作高温容器(如坩埚)，内燃机火花塞；切削高硬度、大工件、精密件的 刀具；耐磨件(如拉丝模)；化工、石油用泵的密封环；高温轴承；纺织机用 高速导纱零件等。
３塑料的性能
１塑料最大特点是具有可塑性和可调性。 ２何为可塑性和可调性？ 可塑性就是通过简单的成形工艺，利用模 具可以制造出所需要的各种不同形状的塑 料制品。 可调性是指在生产过程中可以通过变换工 艺、改变配方，制造出不同性能的塑料。
常用橡胶
类 别 品 种
丁腈 橡胶
（NB R）
抗拉强度 断伸长率后 δ /% Mpa
• 纤维与基体界面有吸振能力，可减小振动。例如，尺寸形状相
• 4．高温性能好
同的梁，金属梁9s停止振动，碳纤维复合材料制成的梁2.5s就 可停止振动。
• 一般铝合金在400℃以上时强度仅为室温的1/10，弹性模量接近
于零，而用碳纤维或硼纤维强化的铝材，在400 ℃ 时强度和弹 性模量几乎和室温一样。 • 此外，复合材料还有较好的减摩性、耐蚀性、断裂安全性和工 艺性等。
陶瓷材料
• 8.2.2 陶瓷性能特点
力学性能：刚度好、硬度高。抗压强度较高，抗 拉强度较低，塑性和韧性很差。 热性能：高熔点，在高温下具有好的化学稳定性； 导热性低于金属材料，是良好的隔热材料，还具 有良好的尺寸稳定性。 电性能：具有电绝缘性 化学性能：在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐 具有良好的抗腐蚀能力。
• 这类陶瓷化学稳定性好，除氢氟酸外，可耐无机酸(盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、
王水)和碱液腐蚀；抗熔融非铁金属侵蚀，硬度高，摩擦系数小，耐磨性好； 绝缘性；热膨胀系数小，抗高温蠕变性高于其他陶瓷；最高使用温度低于氧 化铝陶瓷。用于制作高温轴承，热电偶套管，泵和阀的密封件，切削高硬度 材料的刀具。例如，农用泵因泥砂多，要求密封件耐磨，寿命低，
这类陶瓷有良好的高温绝缘性(2000℃时仍绝缘)、耐热 性、热稳定性、化学稳定性、润滑性，能抗多数熔融金属 侵蚀，硬度低，可进行切削加工。用于制作热电偶套管， 坩埚，导体散热绝缘件，高温容器、管道、轴承，玻璃制 品的成形模具。
8.1.2 橡胶
•
•
1．橡胶的组成与性能
子材料。 橡胶具有弹性大（最高伸长率可达800％～1000％，外力 去除后能迅速恢复原状），吸振能力强，耐磨性、隔声性、 绝缘性好，可积储能量，有—定的耐蚀性和足够的强度等 有点，其主要缺点是易老化。
• 橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合剂而制成的高分
３塑料的性能
塑料的性能除可塑性和可调性以外还具有哪些性能呢？
（1）物理性能 密度：塑料的密度在0.9~2.2 g/cm3之间，仅相当于刚密度的1/4~1/7。 电性能：塑料具有良好的电绝缘性。 热性能：塑料预热、遇光易老化、分解。 （2） 化学性能 塑料具有良好的耐腐蚀性能，大多数塑料能耐大气、水、酸、油的腐蚀。 （3）力学性能 塑料的强度、刚度较差，其强度仅为30~150Mpa，且受温度影响较大：塑 料的刚度仅为钢的1/10。但由于塑料的密度小，故强度比较高。
•
8.1.1 塑料
• 1．塑料的组成
•
塑料是以合成树脂为主要成分，加入一些 用来改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的 高分子材料。树脂的种类、性能、数量决定了塑 料的性能，因此，塑料基本上都是以树脂的名称 命名的，例如聚氯乙烯塑料的树脂就是聚氯乙烯。 工业中用的树脂主要是合成树脂，如聚乙烯、聚 氯乙烯等。
8.3 复合材料
• 复合材料
• 由两种或两种以上性质不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料，
称为复合材料。
• 8.3.1 复合材料的分类 复合材料
• 按基体不同，分为三类：树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、金属基
复合材料。 • 按增强材料的相形状不同，分为三类：颗粒增强复合材料、层叠复合 材料和纤维增强复合材料。 • 按用途可分为结构复合材料、功能复合材料等。
•
8.3.3 常用复合材料
• ②热固性玻璃钢 • 以玻璃纤维为增强剂，热固性树脂为粘结剂。其密度小，耐蚀
性、绝缘性、成形性好，比强度高于铜合金和铝合金，甚至高 于某些合金钢。但刚度差，为钢的1／10～1／5。耐热性不高 (低于200℃)，易老化和蠕变。主要制作要求自重轻的受力件， 例如汽车车身，直升机旋翼，氧气瓶，轻型船体，耐海水腐蚀 件，石油化工管道和阀门等。
2塑料的分类：
• 1按适用范围：通用塑料、工程塑料 • 2按受热性能：热塑性塑料、热固性塑料
热塑性塑料和热固性塑料的特性及常用品种：
热塑性塑料能溶于有机溶剂，加热可软化，易于加工成行，并能反 复塑化成形，一般耐热性较差 例：聚氯乙烯（PVC）；聚乙烯 （PE）：聚甲醛（POM）等 热固性塑料固化后重新加热不再软化和熔融、亦不容于有机溶剂，不 能在成形使用。一般耐热性较好 例：酚醛塑料（ＰＦ）；氨基塑料 （ＵＦ）；有机硅塑料（ＳＩ）等
8.3.3 常用复合材料
• 1．纤维增强复合材料
• (1)玻璃纤维增强复合材料(俗称玻璃钢) 按粘结剂不同，分为热
塑性玻璃钢和热固性玻璃钢。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。 • ①热塑性玻璃钢 • 以玻璃纤维为增强剂，热塑性树脂为粘结剂。与热塑性塑料相 比，当基体材料相同时，强度和疲劳强度提高2-3倍，冲击韧度 提高2-4倍，抗蠕变能力提高2—5倍，强度超过某些金属。这种 玻璃钢用于制作轴承、齿轮、仪表盘、收音机壳体等。
8.3.3 常用复合材料
• 2．层叠复合材料 • 层叠复合材料是由两层或两层以上不同材料复合而成。用
• •
层叠法增强的复合材料可使强度、刚度、耐磨、耐蚀、绝 热、隔声、减轻自重等性能分别得到改善。常见的有双层 金属复合材料、塑料-金属多层复合材料和夹层结构复合 材料等。3．颗粒复合材料 3. 颗粒复合材料 是由一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体材料内所组成 的。金属陶瓷就是颗粒复合材料，它是将金属的热稳定性 好、塑性好，高温易氧化和蠕变，与陶瓷脆性大，热稳定 性差，但耐高温、耐腐蚀等性能进行互补，将陶瓷微粒分 散于金属基体中，使两者复合为一体。例如，钨钴类硬质 合金刀具就是一种金属陶瓷
3．常用塑料的性能及应用 • ⑤聚乙烯—丁二烯—丙烯腈共聚体（ＡＢＳ） • 具有良好的综合性能，优良的耐热性，耐油性能；尺
• • • •
寸稳定，易成形，用于制造齿轮，轴承等。 ⑥聚酰胺（ＰＡ） 尼龙６：疲劳极限，刚性耐热性不如尼龙66，但弹性 好。用于轻载荷、中等温度、无润滑或少润滑低噪声 条件下工作的耐磨受力零件 ⑦聚碳酸酯（PC） 力学性能优异、具有优良的抗冲击性，尺寸稳定性好、 用于支架、壳体、垫片等一般零件
8.3.2 复合材料的性能
• 1．比模量和比强度高
• 例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的8倍，
• 2．抗疲劳性能好
• 3．减振性能好
比模量(弹性模量与密度之比)比钢大3倍。
• 例如碳纤维增强复合材料的疲劳强度是其抗拉强度的70％-80％，
而大多数金属的疲劳强度是其抗拉强度的30％～50％。
3．常用塑料的性能及应用 • ⑧聚甲醛（POM） • 耐疲劳极限和刚度条件高于尼龙，弹性模量高，硬
度高。用于度强度有一定要求的一般结构零件。 • ⑨聚四氟乙烯（PTFE） • 具有高的化学稳定性，属称“塑料王”。用于耐腐蚀 化工设备及衬里与零件，如反应器、管道等。 ⑩聚砜(PSF) 耐高温和耐低温、可在－100～150℃长期使用， 化学稳定性好，电绝缘和热绝缘性能好。用于制造高 温下工作的耐磨受热零件，如汽车分速器盖、齿轮、 仪表壳体等。
胶
氟橡 胶
20～
8.2 陶瓷材料
• •
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• 8.2.1 陶瓷的分类与性能 • 1．陶瓷的分类
按原料不同，陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷；按 用途不同分为日用陶瓷和工业陶瓷。
普通陶瓷又称传统陶瓷，其原料是天然的硅酸盐产物，如 粘土、长石、石英等。这类陶瓷又称硅酸盐陶瓷，例如日用陶 瓷、建筑陶瓷、绝缘陶瓷、化工陶瓷等。 特种陶瓷又称近代陶瓷，其原料是人工合成的金属氧化物、 碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等。特种陶瓷具有一些独特 的性能，可满足工程结构的特殊需要。