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6新型构造资料解析

  

6新型构造资料解析

  材料化学 新型结构材料 1. 高温结构材料 2. 轻型结构材料 3. 超低温材料 4. 超硬材料 5. 超塑性合金 6. 非晶态材料 7. 新制备方法开发的新材料 8. 工程塑料 9. 复合材料 1 材料化学 新型结构材料 1. 高温结构材料 1.1 超耐热合金 超耐热合金:在高温下能满意工作的金属材料。 航天飞机发动机的 高压氧涡轮泵和高压氢 涡轮泵上的叶片,都是 高Cr-Co-W基耐高温合金, 通过定向凝固精密铸造制 成。 2 材料化学 新型结构材料 高温材料需满足的条件 (1)高温下要有优良的抗腐蚀性 (2)在高温下要有较高的强度和韧性 形成金属: 第ⅤB族(V,Nb,Ta) 第ⅥB族(Cr,Mo,W) 高熔点金属 第ⅦB族(Mn,Tc,Re) 第 Ⅷ 族(Fe,Co,Ni) 耐热合金:以ⅤB~ⅦB副族元素和第Ⅷ族元素形 成的合金。 3 材料化学 新型结构材料 类型 4 材料化学 新型结构材料 (1)铁基合金:高温下,铁氧化;构型转化。 铁基合金中各元素的作用 镍——形成稳定奥氏体的主要元素 铬——提高抗氧化性和抗燃气腐蚀性 钼和钨——强化固溶体的晶界 铝、钛、铌——沉淀硬化作用 基体:奥氏体,主要强化相为 , 以及其他微量碳化物、硼化物。 铁基高温合金:适用于低于800℃的条件 5 材料化学 新型结构材料 (2)镍基合金:耐高温,使用时间长,质轻。 镍基超耐热合金基体:镍,镍含量>50% 使用范围:700~1000℃ 镍基可溶解较多的合金元素,可保持其较 好的组织稳定性。含Cr的镍基合金比铁基的抗 氧化性和抗腐蚀性更好。 实例:现代喷气发动机中,涡轮叶片几乎全部 采用镍基合金制造 6 材料化学 新型结构材料 (3)钴基合金:钴含量为40~60% 的奥氏体,可 在730~1100℃ 条件下使用。 耐热温度高。 一般钴基合金含10~22%Ni和20~30%Cr,以及 Mo,W,Ta,Nb等固溶强化元素和碳化物形成元素, 含碳量高,是以碳化物为主要强化相的超耐热合金。 应用:制作航空发动机、工业燃汽轮机、舰船燃汽 轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机 喷嘴。 7 材料化学 新型结构材料 1.2 高温结构陶瓷 传统陶瓷 原料 工艺 耐热温度 特征 研究领域 粘土,石粉 工业陶瓷 碳化硅,氮化硅 用水拌和,成型干燥后 磨成均匀细粉,与烧结助剂混合或 直接高压成型,烧制 烧制 1300℃ 易碎 1500~2000℃ 坚硬,热致伸缩小,轻,耐高温,耐腐 蚀,耐蠕变,耐机械性,耐热冲击性 高温燃气轮机 8 材料化学 新型结构材料 结构陶瓷材料主要包括氧化物、非氧化物及 氧化物与非金属氧化物的复合系统。 1.2.1氧化物陶瓷 (1)氧化铝陶瓷 一种以α-Al2O3为主晶相的陶瓷材料, Al2O3 含量 一般在75%~99%。 (2)ZrO2陶瓷 密度大、硬度高、耐火度高、化学稳定性好, 抗弯强度和断裂韧性等性能更为突出。 9 材料化学 新型结构材料 1.2.2 非氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷是由金属的碳化物、氮化物、 硅化物和硼化物等制造的陶瓷的总称。 (1)氮化物陶瓷 ①氮化硅 ②Sialon陶瓷 系列化合物的总称 ③氮化硼陶瓷 (2)碳化物陶瓷 10 材料化学 新型结构材料 实例1:氮化硅Si3N4 x(N)=3.0,x(Si)=1.8 结构:共价键,结构稳定 性能:硬度高,熔点高,绝缘性能好 合成方法: ? 硅氮结合法 3Si + 2N2 → Si3N4 ? 还原氮化法 3SiO2+6C + 2N2 → Si3N4+6CO 11 材料化学 新型结构材料 ? 化学气相法 3SiCl4+4NH3 → Si3N4+12HCl 或 3SiH4+4NH3 → Si3N4 3SiH4+2N2H4 → Si3N4+10H2 3SiH4+2N2+6Cl2 → Si3N4+12HCl ? 热分解法 3Si(NH)2 → Si3N4+4NH3 3Si(NH2)4 → Si3N4+8NH3 12 材料化学 新型结构材料 氮化硅(Si3N4)陶瓷,多晶材料 晶体结构:六方晶系, 有α和β 两相 α相——动力学上易生成,在1400~ 1800℃,高温下转化为β相 β相——结构对称性高,摩尔体积小, 是热力学稳定相 13 材料化学 新型结构材料 性能 高硬度,弹性模量大,高强度,耐高温, 热膨胀系数小, 导热系数大耐热冲击性能好, 密度低,耐腐蚀,抗氧化, 机械自润滑,表面摩擦系数小, 电绝缘性好 14 材料化学 新型结构材料 实例2:氧化锆ZrO2 结构:室温稳定态 高温亚稳态 1170 ℃ 有体积收缩 单斜晶型 四方晶型 作用:韧化氮化硅陶瓷材料 用途:制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、 永久性模具等机械构件。用于制造柴油 机中发动机部件的受热面等 类型:氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化锆陶瓷、 碳化硅陶瓷等。 15 材料化学 新型结构材料 2. 轻型结构材料 2.1 铝锂合金 定义:以铝为基添加锂(一般为3wt%左右) 及其它元素组成的合金称作铝锂合金。 特点:密度低、高强度、高模量以及高比强 度和比刚度等。 原因:锂的密度为0.534g?cm-3,是铝的1/5, 钢的1/15。在铝合金中增加少量锂可 使密度显著降低。 16 材料化学 新型结构材料 主要系列:Al-Cu-Li-Zr系、Al-Cu-Mg-Li系、 Al-Mg-Li系。 用途:轻合金中用途最广泛。民航机上改用铝锂 合金,飞机重量可以减轻8%~16%。 如:B737将可减重2178kg B747SP可减重4200kg B747—200可减重5200kg A310可减重2600kg A340可减重3900kg 17 材料化学 新型结构材料 铝锂合金的生产工艺 ?铸造法(IM),应用最早。 各国生产的几种比较成熟的铸造铝锂合金: 美国的2090、2091和8090、8091, 英国的8090和8091, 法国的CP271(8090)和CP274(2091), 前苏联的BAД23、01420、1421等。 18 材料化学 新型结构材料 ?粉末冶金法(PM) 优点:合金成分选择范围大,可获得微细的组织 和更好的性能,现处于研究开发阶段。 目前,美国联合信号公司采用这种方法研制 的644B合金的力学性能与现用航空航天铝合金相 当,但密度更低、比刚度更高,特别是具有优异 的低温性能。 预计粉末铝锂合金可能成为航空、航天器的 重要结构材料。 19 材料化学 新型结构材料 ?机械合金化法(MA) 原理:将机械混合粉末进行高能球磨以获得复合 粉末再经压实成材。 90年代美国Incoa公司采用该方法研制的IncoMAPAl -905XL合金(Al-Mg-Li)具有极好的抗应力腐蚀性能和热稳 定性,并生产出136kg和544kg的真空热压坯料,已用于美国 F-18大黄蜂战斗机舱罩,机械合金化法铝锂合金因其热强 度优于其它铝锂合金,可能在航天材料中占有特殊地位。 20 材料化学 新型结构材料 ?铝锂合金的一个发展方向:超塑成型。 目前超塑成型的主要方法是板材吹胀法,90 年代采用的超塑成型/扩散连接技术,能够使形状 复杂的铝锂合金构件一次成型,并可大幅度提高结 构强度,降低结构重量。英国Alcon公司报导的铝 锂合金扩散连接工艺采用锌做夹层。 目前铝锂合金应用存在的主要问题是成本高、 韧性和塑性较差、缺少足够的设计和使用经验。 21 材料化学 新型结构材料 2.2 纤维材料 (1)玻璃纤维 性能:质轻、高强、绝缘、防腐、耐高温 用途:制造纤维增强材料,可纺织、缝编,易 于与各类材料复合。 因为玻纤增强材料的比强度、比模量、 耐疲劳性、阻尼减震性和破损安全性都超过 高强金属性能,是跨越传统的新型材料。 22 材料化学 新型结构材料 (2)碳纤维 由碳基物质或纤维在惰性气体气氛中经高 温碳化即可制成碳纤维和石墨纤维。在 800~ 1600℃烧成碳纤维,在 2500~3000℃烧成为石 墨纤维。 碳纤维的含碳量为95%,石墨纤维的含碳 量99%,均可制成短纤维,也可制成连续不断 的长纤维,还可以织成布、带及毡等制品。 23 材料化学 新型结构材料 特性:与一般碳素材料相比 ?相同点:耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀 ?不同点:外形有显著的各向异性、柔软、可加工 成各种织物,沿纤维轴方向强度很,力 学性能突出。 碳纤维比重小,比强度很高。 用途:与树脂、金属、陶瓷等基体复 合做结构材料。 24 材料化学 新型结构材料 工业化生产碳纤维方法,按原料路线分类 ?聚丙烯腈(PAN)基碳纤维 ?沥青基碳纤维:由沥青制取碳纤维,原料来源 丰富,碳化收率高,但因原料调制复杂、产品 性能较低,亦未得到大规模发展; ?粘胶基碳纤维:从粘胶纤维制取高力学性能的 碳纤维必须经高温拉伸石墨化,碳化收率低, 技术难度大、设备复杂,成本较高,产品主要 为耐烧蚀材料及隔热材料所用。 25 材料化学 新型结构材料 ?聚丙烯腈(PAN)基碳纤维 26 材料化学 新型结构材料 27 材料化学 新型结构材料 按力学性能分类 高强度碳纤维、高模量碳纤维和普通碳纤维。 普通型 高强度型 高弹性模量型 碳纤维的结构模型 Polymer Matrix Composites,PMC 28 材料化学 新型结构材料 碳纤维的特点: ?强度和模量高、密度小; ?具有很好的耐酸性;热膨胀系数小,甚至为负值 ?具有很好的耐高温蠕变性能,一般碳纤维在1900℃ 以上才呈现出永久塑性变形。 ?摩擦系数小、润滑性好、导电性高。 碳纤维的缺点: ?价格昂贵,比玻璃纤维贵25倍以上 ?抗氧化能力较差,高温有氧存在时会生成二氧化碳。 29 材料化学 新型结构材料 (3)其它无机纤维 ?碳化硅纤维(Silicon Carbide Fibre,SF或SiCf) 生产方法:有机合成法和CVD法。 特点:高强度高模量,良好的耐化学腐蚀性、耐 高温和耐辐射性能。比碳纤维和硼纤维具 有更好的高温稳定性。具有半导体性能。 与金属相容性好,常用于金属基和陶瓷基 复合材料。 30 材料化学 新型结构材料 31 材料化学 新型结构材料 ?硼纤维(Boron Fibre,BF或Bf) 1958年C.P.Talley首先用CVD方法研制成功高模 量的硼纤维。 制备方法:在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。 规格:硼纤维直径有100μm、140μm、200μm几种。 特点:具有很高的弹性模量和强度,性能受沉积条件 和纤维直径的影响,硼纤维的密度为2.4~2.65 g/cm3,拉伸强度为3.2~5.2GPa,弹性模量为 350~400GPa。耐高温,耐中子辐射。 32 材料化学 新型结构材料 缺点 :工艺复杂,不易大量生产,价格昂贵。 由于钨丝的密度大,硼纤维的密度也大。 目前已研究用碳纤维代替钨丝,以降低成本 和密度,结果表明,碳心硼纤维比钨丝硼纤维强 度下降5%,但成本降低25%。 常温为较惰性物质,但在高温下易与金属反 应,因此需在表面沉积SiC层,称之为Bosic纤维。 用途:主要用于聚合物基和金属基复合材料。 33 材料化学 新型结构材料 ?氧化铝纤维(Aluminia Fibre,AF或(Al2O3)f) 氧化铝纤维是多晶连续纤维,除Al2O3外常 含有约15%的SiO2。 优点:具有优良的耐热性(1200~1300 ℃ )和 抗氧化性,直到370℃强度仍下降不大。 缺点:在所有纤维中密度最大。 用途:主要用于金属基复合材料。 34 材料化学 新型结构材料 (4)Kevlar有机纤维(芳纶、聚芳酰胺纤维) 特点:比强度、比模量高;其强度可达2800~ 3700MPa;密度小,只有1.45 g/㎝3;耐 热性比玻璃纤维好。它还具有优良的抗 疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性。 35 材料化学 新型结构材料 Kevlar纤维树脂复合材料 由Kevlar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、 聚酯等树脂组成。 性能特点:抗拉强度大于玻璃钢,而与碳纤维― 环氧树脂复合材料相似; 延性好,与金属相当; 其耐冲击性超过碳纤维增强塑料; 其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金; 减振能力为钢的8倍。 36 材料化学 新型结构材料 (5)金属和钢纤维 类型:钨、钼、不锈钢、铝等 特点:导电性和导热性好,塑性和抗冲击性好。 制备方法:拉丝加工。 熔融纺丝法、挤压法、析出法、冷 却法等制造金属纤维的新途径也在 积极探索着。 用途:常用于混凝土基复合材料。 37 材料化学 新型结构材料 (6)晶须(Wisker) 晶须:具有一定长径比(一般大于10)和截面积 小于52×10-5cm2的单晶纤维材料。 具有实用价值的晶须直径约为1~10μm, 长度与直径比在5~1000之间。 特点:含缺陷很少的单晶短纤维,其拉伸强度接 近其纯晶体的理论强度。相对密度小,弹 性模量高、高温强度好。 外形:白色、灰白色棒状、螺旋状或针状、发状 38 材料化学 新型结构材料 用途:作复合材料的强化剂 分类: ?金属晶须(如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等) ?氧化物晶须(如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、 Y2O3、Cr2O3等) ?陶瓷晶须(如碳化物晶须SiC、TiC、ZrC、WC、 B4C) ?氮化物晶须(如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2等) ?无机盐类晶须(如K2Ti6O13和Al18B4O33) 39 材料化学 新型结构材料 晶须的制备方法: 化学气相沉积(CVD)法 溶胶—凝胶法 气液固(VLS)法 液相生长法 固相生长法 原位生长法 40 材料化学 新型结构材料 3. 超低温材料——超低温合金 把常温以下直至绝对零度的较大温度 范围称为低温。 特殊要求: ?防止低温脆性 ?低温下的热性能 ?非磁性合金 41 材料化学 新型结构材料 超低温合金的研究 ? 液化天然气中使用含镍的钢; ? 不锈钢; ? 镍基合金; ? 高锰奥氏体钢; ? 铁锰铝新合金钢。 42 材料化学 新型结构材料 43 材料化学 新型结构材料 4. 超硬材料 4.1 硬质合金(由Sehroter于1926年首先发明) 由ⅣB,ⅤB,ⅥB族金属和C,N,B形成的化合物, 硬度和熔点特别高(1000 ℃)。 制备:粉末冶金方法,由WC、TiC、TaC、NbC、 VC等难熔金属碳化物以及作为粘结剂的铁 族金属用而成。 类型:钨钴类,主要成分是WC和粘结剂Co 钛钨钴类 ,主要成分是WC,TiC和Co 44 材料化学 新型结构材料 ?碳与ⅣB,ⅤB,ⅥB族金属所形成的碳化物 金属型碳化物:间隙固溶体 特点:具有金属光泽,导电,传热性好,硬度高, 熔点高,脆性大 结论:第4周期中的金属,从第ⅣB族开始,自左 及右,其碳化物稳定性依次降低。 Ti,V的碳化物稳定, Cr、Mn、Fe的碳化物稳定性较差, Co、Ni的碳化物不大稳定, 45 Cu不能形成碳化物。 材料化学 新型结构材料 ?氮、硼与金属所形成的氮化物、硼化物 金属型碳化物:间隙固溶体 特点:导电,传热性好,硬度高,熔点高 形成元素:Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo, V及Cr,Mn,Fe, Co,Ni, 46 材料化学 新型结构材料 目前的研究热点 (1)细化晶粒 通过细化硬质相晶粒度、增大硬质相晶间表 面积、增强晶粒间结合力,可使硬质合金刀具材 料的强度和耐磨性均得到提高。 当WC晶粒尺寸减小到亚微米以下时,材料 的硬度、韧性、强度、耐磨性等均可提高,达到 完全致密化所需温度也可降低。 47 材料化学 新型结构材料 普通硬质合金晶粒度为3~5μm, 细晶粒硬质合金晶粒度为l~1.5μm(微米级), 超细晶粒硬质合金晶粒度可达0.5μm以下 (亚微米、纳米级)。 超细晶粒硬质合金与成分相同的普通硬质 合金相比,硬度可提高2HRA以上,抗弯强度 可提高600~800MPa。 48 材料化学 新型结构材料 常用的晶粒细化工艺方法: 物理气相沉积法、化学气相沉积法、 等离子体沉积法、 机械合金化法 等径侧向挤压法(ECAE)是一种很有发展前 途的晶粒细化工艺方法。 49 材料化学 新型结构材料 (2)涂层硬质合金 在韧性较好的硬质合金基体上,通过CVD (化学气相沉积)、PVD(物理气相沉积)、HVOF (High Velocity Oxy-Fuel Thermal Spraying)等方 法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物,可使基体 的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合 金的综合性能。 50 材料化学 新型结构材料 (3)表面、整体热处理和循环热处理 对强韧性较好的硬质合金表面进行渗氮、渗 硼等处理,可有效提高其表面耐磨性。对耐磨性 较好但强韧性较差的硬质合金进行整体热处理, 可改变材料中的粘结成分与结构,降低WC硬质 相的邻接度,从而提高硬质合金的强度和韧性。 利用循环热处理工艺缓解或消除晶界间的应力, 可全面提高硬质合金材料的综合性能。 51 材料化学 新型结构材料 (4)添加稀有金属 在硬质合金材料中添加TaC、NbC等稀有金属 碳化物,可使添加物与原有硬质相WC、TiC结合 形成复杂固溶体结构,从而进一步强化硬质相结 构,同时可起到抑制硬质相晶粒长大、增强组织 均匀性等作用,对提高硬质合金的综合性能大有 益处。 在ISO标准的P、K、M类硬质合金牌号中, 均有这种添加了Ta(Nb)C的硬质合金(尤以M类牌 号中较多)。 52 材料化学 新型结构材料 (5)添加稀土元素 在硬质合金材料中添加少量钇等稀土元素,可有 效提高材料的韧性和抗弯强度,耐磨性亦有所改善。 稀土元素可强化硬质相和粘结相,净化晶界,并 改善碳化物固溶体对粘结相的润湿性。 这类硬质合金在矿山工具、顶锤、拉丝模等硬质 合金工具中亦有广阔应用前景。 我国稀土资源丰富,在硬质合金中添加稀土元素 的研究也具有较高水平。 53 材料化学 新型结构材料 4.2 超硬陶瓷 ? 人造金刚石 金刚石是世界上已知的最硬物质,并具有高 导热性、高绝缘性、高化学稳定性、高温半导体 特性等多种优良性能, 可用于铝、铜等有色 金属及其合金的精密 加工,特别适合加工 非金属硬脆材料。 54 材料化学 新型结构材料 制备原理:依据在5-7万大气压,1200℃-1800℃ 温度的条件下,碳元素就会结晶成为 金刚石这个原理用合金片作触媒使 外加的压力和温度降低,达到将碳转 为金刚石的目的。 用途:金刚石的用途十分广泛,用量较大的是矿 山、地质、煤田勘探,公路建设、建材、 国防等行业及高精尖科研领域。 55 材料化学 新型结构材料 ? 立方晶体氮化硼(白石墨):与石墨相似 立方氮化硼(CBN)硬度仅次于金刚石。虽 然CBN的硬度低于金刚石,但其氧化温度高达 1360℃,且与铁磁类材料具有较低的亲和性。 目前CBN还是以烧结体形式进行制备,但 仍是适合钢类材料切削、具有高耐磨性的优良 刀具材料。 CBN具有高硬度、高热稳定性、高化学稳 定性等优异性能,因此特别适合加工高硬度、 高韧性的难加工金属材料。 56 材料化学 新型结构材料 ? 碳化硅(金刚砂) 晶体结构:与金刚石相似 性能:熔点2827 ℃ ,硬度接近金刚石; 蓝黑色、发珠光晶体,化学性能稳定 制备:SiO2+3C → SiC+2CO 类型:绿碳化硅,含SiC97%以上,主要用于磨硬 质合金的工具 黑碳化硅,有金属光泽,强度比绿碳化硅 大而硬度较低,含SiC95%以上, 主要用于磨铸铁和非金属材料 57 材料化学 新型结构材料 ? 人造宝石 红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3(刚玉)。 红宝石呈红色,其中混有少量含铬化合物; 蓝宝石呈蓝色,其中混有少量含钛、铁化合物。 1900年,科学家曾用氧化铝熔融后加入少 量氧化铬的方法,制出了质量为2g-4g的红宝石 (人造刚玉)。 现在,已经能制造出大到10g的红宝石和蓝 宝石。。 58 材料化学 新型结构材料 5. 超塑性合金 超塑性现象:金属在某一小的应力状态下,可以 延伸十倍甚至上百倍,既不出现缩 颈,也不发生断裂,呈现一种异常 的延伸现象。 合金的超塑性现象:用适当的温度和较小的应变 速率,使金属产生300%以上 的平均延伸率的现象。 机理:超细晶粒存在晶界 59 材料化学 新型结构材料 类型 (1)微细晶粒超塑性(恒温超塑性) 特征:?发生超塑性的温度高 ?对变形速度的依赖性大 ?能实现在低压力下的固相结合 ?减振能力强 (2)相变超塑性 60 材料化学 新型结构材料 应用 (1)高变形能力的应用 (2)固相结合能力的利用 (3)减振能力的利用 61 材料化学 新型结构材料 实用超塑性合金 (1)锌基超塑合金 62 材料化学 新型结构材料 实用超塑性合金 (2)铝基超塑性合金 63 材料化学 新型结构材料 实用超塑性合金 (3)镍基超塑性合金 64 材料化学 新型结构材料 6. 非晶态金属材料 6.1基本特征 (1)非晶态形成能力对合金组成的依赖性 (2)结构的长程无序和短程有序性 (3)热力学的亚稳性 65 材料化学 新型结构材料 6.2 性能与用途 (1)高强度高韧性的力学性能 (2)高导磁、低铁损的软磁特性 (3)耐强酸、强碱腐蚀的化学特性 (4)非晶态催化剂 (5)其他——超导性、高磁致伸缩、 低居里温度、高磁积 能、垂直各向异性等 66 材料化学 新型结构材料 67 材料化学 新型结构材料 7. 纳米材料 类型: ?纳米超微粒子:粒子在1~100nm间的超微颗粒 ?纳米固体材料:由纳米超微粒子制成的固体材 料。 特点:?具有表面效应 ?小尺寸效应 ?宏观量子隧道效应 68 材料化学 新型结构材料 特性:?特殊的力学性质 ?特殊的热学性质 ?特殊的光学性质 ?特殊的磁性 ?引人注目的化学性质光学 69 材料化学 新型结构材料 8. 工程塑料 8.1 ABS塑料(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料) ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)树脂: 是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的三种成分组 成的一群耐冲击性热塑性树脂的总称。 70 材料化学 新型结构材料 ABS的成分: 树脂相(AS)、橡胶相(PS)的 两相不均匀聚合物。 AS组分:提高表面光泽度、耐热性、耐化学性 和加工性能,但抗冲击韧性下降。 PB组分:提高弹性和抗冲击性,但耐热性、刚 性不足。 ABS树脂:集合了三种单体的优良性质。 苯乙烯:有光泽、电性能、成型性; 丙烯腈:耐热性、刚性、耐油性; 丁二烯:耐冲击性。 71 材料化学 新型结构材料 ABS树脂的优点 (1)有优越的耐冲击强度,特别是在低温有无 与伦比的冲击强度,热变形温度高 (2)电性能、耐化学药品性、耐油性好,易电 镀 (3)加工适应性好,注射成型、挤出成型、模 压成型等所有的加工方法都可以,尺寸稳 定性好,耐碱性,耐应力开裂性也好 72 材料化学 新型结构材料 ABS树脂的用途 (1)壳体材料:广泛用于制造电话机、移动电 话、复印机、传真机、玩具及 厨房用品等的壳体。 (2)汽车配件:方向盘、仪表盘、风扇叶片、 挡泥板、手柄及扶手等。 (3)机械配件:ABS可用于制造齿轮、泵叶 轮、轴承、把手、管材、管 件、蓄电池槽及电动工具壳 73 材料化学 新型结构材料 ABS树脂的主要缺点 (1)透明性不好 ABS树脂的构成是AS树脂的连续相中分 布橡胶粒子,这种二相不均匀体系结构中的 树脂与橡胶的折射率不一样,在界面上折射、 散射结果使其不透明。 74 材料化学 新型结构材料 改善透明性的方法 A、用混炼的方法使聚合物透明。混练可使树脂 和橡胶的折射率在一定范围内相近。 B、或者使橡胶粒子必须小到不引起可见光散射 的程度。 透明ABS 透明ABS是由甲基丙烯酸甲酯(MMA)-苯乙 烯-丙烯腈三元共聚物和聚丁二烯两者混炼而成。 75 材料化学 新型结构材料 (2)耐候性差 丁二烯中存在着双键,成为ABS树脂耐候性 不好的根源。 内双键邻接的-CH2-上的H,由于光和氧发生 氧化反应,使主链与主链交联。 改善耐候性的方法 A、将丁二烯橡胶用不含双键的其他弹性体代替。 B、加入抗老化和抗氧化的光稳定剂等,虽然不能 从根本上解决问题,但是是通常采用的方法。 76 材料化学 新型结构材料 光稳定剂 ?光屏蔽剂:反射吸收紫外线,如碳黑、氧化锌。 ?紫外线吸收剂:吸收紫外线并通过分子内部变 化将光能转化为振动能,再以 热能传递出去。 ?光淬灭剂:将激发态光敏剂分子上的额外能量 通过分子内部转换为热能。 S*(激发态光敏剂)+Q(淬灭剂) S+Q* Q+热能 77 ?自由基捕捉剂:使自由基失去活性,可归入抗氧剂。 材料化学 新型结构材料 8.2 聚酰胺PA(俗称尼龙) 聚酰胺:具有许多重复的酰胺基团( ) 的一大类聚合物 结构: 特征:热塑性塑料,具有较高的强度、冲击韧 度和自润滑性能,耐磨性最佳。绝缘性 也好。 用途:常用于做机器零件和耐磨衬套。 78 材料化学 新型结构材料 8.3 聚碳酸酯PC 聚碳酸酯:分子链中含有碳酸酯的一类聚合物 类型:种类很多,目前大规模生产的是双酚A (4’4-二羟基二苯基丙烷)型聚碳酸酯。 合成方法:?光气法(溶液法) ?酯交换法(熔融缩聚法) 79 材料化学 新型结构材料 特点:可结晶; 具有特别高的韧性、硬度和抗冲、抗 张、抗压、抗弯曲强度; 具有金属的机械强度; 玻璃的光学性质; 在长期负荷下工作蠕变性小、疲劳强 度高,电绝缘性能优良,无毒, 80 材料化学 新型结构材料 8.4 聚甲醛POM 聚甲醛: ,是继尼龙之后发展的优 良工程塑料。 特点:原料单一,来源丰富,具有良好的 物理、机械和化学性能,尤其是优 异的耐摩 擦性能。 用途:可代替各种有色金属和合金,在汽 车、机床、电器制品、容器、精密 机械等方面得到广泛应用。 81 材料化学 新型结构材料 8.5 聚砜PSF 聚砜:结构中含有砜基 结构: 的聚合物。 特点:稳定,耐温、耐蠕变,柔顺,在高温下 也能保持其在常温下所具有的各种机械 性能和硬度。电气性能良好,有自熄性, 对无机酸、碱和盐等稳定。 82 材料化学 新型结构材料 8.6 聚脂 聚酯:主链上含有许多重复酯基 的一大类聚合物。 (1)饱和聚酯 ?聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET) 结构 83 材料化学 新型结构材料 特点 热塑性饱和聚酯,结晶度高,分子链的刚度大、 弹性好、尺寸稳定性好、透明性及电性能优越。 用途 汽车、机械设备的零部件,如阀门、仪表罩、车 灯支架、齿轮等; 电子电气零部件,如继电器、开关、电容等; 产品半数以上用于胶片片基、磁带、包装、绝缘 材料和画报薄膜等。 84 材料化学 新型结构材料 (1)饱和聚酯 ?聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT) 结构 特点:吸水率低,尺寸稳定性好,耐摩擦 性,机械性能优越。 用途:机械零件,家用电器。 85 材料化学 新型结构材料 (2)不饱和聚酯 典型类型:间苯二甲酸型不饱和聚酯 特点:热固性工程塑料,坚硬,不溶,不熔, 耐腐蚀。 用途:机械零件,家用电器; 玻璃钢用于电镀、造纸、石油化工设备等 86 材料化学 新型结构材料 8.7 含氟塑料 含氟塑料:脂肪烃主链上的氢原子部分或全部 为氟原子取代的聚合物。 共性:耐热性、耐化学药品性、电绝缘性、低 摩擦性和特异的不粘性。氟树脂广泛用 于化学工业、电子工业、航空工业、低 温工程和宇宙开发等领域。 87 材料化学 新型结构材料 代表物:聚四氟乙烯(PTFE,F-4) 合成: F-4塑料王性能 综合性能最突出的一种,可在-180~260℃ 内长期使用;耐沸腾的王水;摩擦系数仅0.04; 不粘水、不吸水;介电常数和介电损耗最小的 固体绝缘材料。 缺点机械强度低。 88 材料化学 新型结构材料 9. 复合材料 复合材料:由两种或两种以上物理和化学性质不同 的物质组合而成的一种多相固体材料。 组成:由基体材料加入增强材料合理复合。 *基体材料形成几何体并起粘结作用, 如:树脂、陶瓷、金属等; *增强材料则起增强或韧化作用,资中龙源电力公司加疾践诺罗泉古, 如:纤维、颗粒等。 89 材料化学 新型结构材料 特点 *组分材料保持其相对独立性; *复合材料的性能却不是组分材料性能的简单加 和,而有着重要的改进。(复合效应) 复合材料的分类: (1)按增强材料形态分类 连续纤维复合材料;短纤维复合材料; 粒状填料复合材料;编织复合材料。 90 材料化学 新型结构材料 (2)按增强纤维种类分类 玻璃纤维复合材料; 碳纤维复合材料; 有机纤维(如芳香族聚酰胺纤维、芳香族 聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维等)复合材料; 金属纤维(如钨丝、不锈钢丝等)复合材 料; 陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维、 硼纤维等)复合材料。 91 材料化学 新型结构材料 (3)按基体材料分类 聚合物基复合材料; 金属基复合材料; 无机非金属基复合材料 (4)按材料作用分类 结构复合材料; 功能复合材料; 智能复合材料。 92 材料化学 新型结构材料 9.1树脂基复合材料 树脂基复合材料:以高聚物为基体与其他增强 材料复合而成的材料。 通过复合可以对高分子材料进行改性,赋 予材料各种优良性能,如高强度、耐热性、耐 化学腐蚀性、耐磨性、耐燃性、尺寸稳定性和 卓越的电性能等。 树脂基复合材料是现在使用最多的品种、在 民用、军工方面都有广泛的应用。 93 材料化学 新型结构材料 树脂基体:热固性树脂、热塑性树脂、以及各种 各样改性或共混基体 填料:玻璃纤维及其制品、碳纤维和石墨纤维、 硼纤维,非纤维状的粒子,晶须。 常用的树脂基复合材料 *玻璃纤维增强塑料 *碳纤维和芳香酰胺纤维增强复合材料 *硼纤维增强塑料 94 材料化学 新型结构材料 9.2金属基复合材料 特性:耐高温,不燃性,导热性,导电性,抗辐 射性,不吸湿,不放气,耐老化,耐疲劳, 膨胀系数小。 航天航空等尖端技术的理想材料。 金属基体:铝、镁,钛、铜、锌、铅、铍超合金 和金属间化合物及黑色金属。 增强体:硼纤维和碳纤维,各种氧化铝纤维和 (钛酸钾)等晶须。 95 材料化学 新型结构材料 9.3陶瓷基复合材料(CMC) 陶瓷中加入增强体(如石墨纤 维、氮化硅、碳化硅纤维等)。 目的:陶瓷脆性降低,抗热震性能提高。 用途:制作高温结构材料、耐高温隔热材料、耐高 温防腐蚀材料等。 类型:纤维增强陶瓷 纳米复合陶瓷 碳/碳复合材料 96

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