材料学概论非金属材料精选文档.ppt
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1、材料学概论非金属材料本讲稿第一页,共五十二页 指金属以外的其它材料指金属以外的其它材料。机械工程主要使用的非金属材机械工程主要使用的非金属材料有料有高分子材料、陶瓷材料高分子材料、陶瓷材料以及复合材料以及复合材料。复复合合材材料料船船体体本讲稿第二页,共五十二页第一节第一节 高分子材料高分子材料 一、基本概念一、基本概念 以以高分子化合物高分子化合物为主要组分的材料为主要组分的材料有机高分子化合物有机高分子化合物无机高分子化合物无机高分子化合物天然天然蚕丝、羊毛、纤维素、天然橡胶等蚕丝、羊毛、纤维素、天然橡胶等人工人工把低分子化合物聚合成高分子化合物把低分子化合物聚合成高分子化合物加成聚合反应
2、(加聚反应)加成聚合反应(加聚反应)缩合聚合反应(缩聚反应)缩合聚合反应(缩聚反应)本讲稿第三页,共五十二页二、高聚物的基本性能及特点二、高聚物的基本性能及特点重量轻重量轻绝缘好绝缘好减摩、耐磨性减摩、耐磨性耐热差耐热差耐腐蚀耐腐蚀1、物理性能、物理性能高弹性高弹性滞弹性滞弹性实际强度低实际强度低开裂现象开裂现象老化老化2、力学性能、力学性能本讲稿第四页,共五十二页三、工程高分子材料三、工程高分子材料塑料塑料合成橡胶合成橡胶合成纤维合成纤维高分子材料高分子材料1、塑料、塑料 以树脂为基础以树脂为基础,再加入用来改善性能的,再加入用来改善性能的各种添加剂各种添加剂,如,如填充剂、增塑剂、稳定剂、
3、固化剂、着色剂、润滑剂填充剂、增塑剂、稳定剂、固化剂、着色剂、润滑剂等等本讲稿第五页,共五十二页通用塑料通用塑料工程塑料工程塑料塑料成形工艺塑料成形工艺聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚酸塑料聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚酸塑料和氨基塑料和氨基塑料力学性能好,高温下长期使用。如力学性能好,高温下长期使用。如ABS、聚、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯挤压成形挤压成形吹塑成形吹塑成形注射成形注射成形本讲稿第六页,共五十二页2、合成橡胶、合成橡胶 橡胶在室温有高弹性能,在温度范围橡胶在室温有高弹性能,在温度范围处于高弹态,即较小力产生处于高弹态,即较小力产生较大变形,外力去除,回复原状。
4、良好伸缩性、储能能力、耐较大变形,外力去除,回复原状。良好伸缩性、储能能力、耐磨、隔声、绝缘等,用于磨、隔声、绝缘等,用于弹性材料、密封材料和传动材料弹性材料、密封材料和传动材料。合成橡合成橡胶由石油、天然气、煤等制成单体,再由单体制成聚合反应而成。胶由石油、天然气、煤等制成单体,再由单体制成聚合反应而成。天天然来自橡胶树然来自橡胶树3、合成纤维、合成纤维以石油、煤、天然气为原料制成合成纤维以石油、煤、天然气为原料制成合成纤维,性能见,性能见P225表表10-3.有强度有强度密度密度耐磨、蚀好,人造纤维用自然界加工而成如人造丝、耐磨、蚀好,人造纤维用自然界加工而成如人造丝、棉、黏胶纤维、硝化纤
5、维、醋酸纤维。棉、黏胶纤维、硝化纤维、醋酸纤维。本讲稿第七页,共五十二页第二节第二节 陶瓷材料陶瓷材料 一、陶瓷材料的概述一、陶瓷材料的概述 1、概念、概念传统传统指指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经经粉粉碎碎混炼混炼成形成形煅烧煅烧等过程制成的各种制品等过程制成的各种制品现代现代包括包括各种硅酸盐材料各种硅酸盐材料和制品在内的和制品在内的无机非金无机非金属材料属材料的通称的通称本讲稿第八页,共五十二页2、分类、分类本讲稿第九页,共五十二页原料的制备原料的制备坯料的成型坯料的成型制品的烧成或烧结制品的烧成或烧结传统传统烧成烧成T为为12501450特种特种
6、烧结烧结T为熔点的为熔点的2/3 4/53、生产、生产粘土粘土石英石英长石长石可塑成型可塑成型注浆成型注浆成型压制成型压制成型本讲稿第十页,共五十二页二、陶瓷的组织与结构二、陶瓷的组织与结构 陶瓷陶瓷由由固相和气孔两部分构成固相和气孔两部分构成的非均质体的非均质体1、陶瓷的组织、陶瓷的组织P239 图图10-18、19传统传统由由粘土、石英、长石粘土、石英、长石组成体系组成体系各种形状和大小的各种形状和大小的气孔与晶相、玻璃相气孔与晶相、玻璃相三者在三者在陶瓷制品中空间的相互关系(数量及分布结合)构陶瓷制品中空间的相互关系(数量及分布结合)构成陶瓷的组织结构成陶瓷的组织结构本讲稿第十一页,共五
7、十二页低温阶段(低温阶段(20300)分解及氧化阶段(分解及氧化阶段(20300)高温阶段(高温阶段(950 烧成温度烧成温度)冷却阶段(烧成温度室温)冷却阶段(烧成温度室温)析出长大针状英来石析出长大针状英来石液相在液相在750550固态玻璃固态玻璃残留石英由高温向低温转变残留石英由高温向低温转变残余水分排除残余水分排除结构水排除结构水排除有机、碳素和无机氧化有机、碳素和无机氧化碳酸盐、硫化物分解碳酸盐、硫化物分解低温晶型转变成高温晶型低温晶型转变成高温晶型烧烧成成式式冷冷却却坯坯体体变变化化氧化分解继续进行氧化分解继续进行共溶体等液相相继共溶体等液相相继各组成相续溶解各组成相续溶解成粒状或
8、片状一次英来石成粒状或片状一次英来石形成针状英来石长大形成针状英来石长大发生烧结过程、体积收缩发生烧结过程、体积收缩本讲稿第十二页,共五十二页2、晶体相、晶体相晶相种类晶相种类、发育和存在状态、发育和存在状态、晶体取向、形态晶体取向、形态等决定等决定陶瓷主要用途和特点。陶瓷主要用途和特点。主晶体相主晶体相为陶瓷中数中晶体中数量最多,且作用最为陶瓷中数中晶体中数量最多,且作用最大的晶体大的晶体日用陶瓷中的日用陶瓷中的主晶体相为英来石主晶体相为英来石陶瓷中的陶瓷中的晶体相晶体相主要有主要有硅酸盐硅酸盐、氧化物氧化物和和非氧化物非氧化物三三种种本讲稿第十三页,共五十二页(1)硅酸盐硅酸盐构成构成硅酸
9、盐晶体结构硅酸盐晶体结构的基本单元是的基本单元是SiO4硅氧四面体。硅氧四面体。图图10-20、P239Si/O=0.29(半径之比)(半径之比)共价键共价键(2)氧化物氧化物以以离子键离子键结合,也有部分结合,也有部分共价键共价键陶瓷中最重要的氧化物类型:陶瓷中最重要的氧化物类型:AO、AO2、A2O3、ABO3、AB2O4(A、B表示阳离子)表示阳离子)结构的共同特点:结构的共同特点:氧离子(一般比阳离子大)进行紧氧离子(一般比阳离子大)进行紧密排列,密排列,金属阳离子金属阳离子位于一定间隙中,即四面体和八位于一定间隙中,即四面体和八面体间隙中面体间隙中P241本讲稿第十四页,共五十二页岛
10、状岛状组群状组群状链状链状层状层状架状架状石英石英SiO2钠长石钠长石NaAlSi3O8镁橄榄石镁橄榄石Mg2SiO4硅钙石硅钙石Ca3Si2O7蓝维石蓝维石BaTiSi3O9绿宝石绿宝石Be3Al2Si6O18硅硅氧氧四四面面体体连连接接方方式式透辉石透辉石CaMgSi2O6透闪石透闪石Ca2Mg5Si14O112(OH)2镁橄榄石镁橄榄石Mg2SiO4本讲稿第十五页,共五十二页(3)非氧化物非氧化物指不含氧的指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物,碳化物金属碳化物、氮化物、硼化物,碳化物主要由主要由强大共价键强大共价键结合,也有部分结合,也有部分金属键和离子键金属键和离子键碳化物碳化物氮化物
11、氮化物硼化物和硅化物硼化物和硅化物B、Si原子间具有较强的共价结合原子间具有较强的共价结合 P243间隙相间隙相C溶入溶入TiC复杂碳化物复杂碳化物Fe3C氮化物氮化物 BN 六方晶格六方晶格Si3N4 AlN 六方晶格六方晶格共价键和金属键的过渡相共价键和金属键的过渡相与石墨结构相似与石墨结构相似本讲稿第十六页,共五十二页3、玻璃相、玻璃相陶瓷中含陶瓷中含2040%玻璃相玻璃相当当玻璃由熔融态转变为无定形固态玻璃由熔融态转变为无定形固态时,液态的无规时,液态的无规则结构被冻结下来则结构被冻结下来玻态结构:硅氧四面体组成不规则的空间网玻态结构:硅氧四面体组成不规则的空间网.形成形成骨骨架架将将
12、晶体相晶体相粘连起来,粘连起来,填充晶体相之间的空隙填充晶体相之间的空隙.致密致密降低烧成温度,加快烧结过程降低烧成温度,加快烧结过程阻止晶体转变,抑制晶体长大阻止晶体转变,抑制晶体长大获得一定程度的玻璃特性获得一定程度的玻璃特性.如透光性等如透光性等本讲稿第十七页,共五十二页4、气孔、气孔由原材料中的气孔和成型后颗粒间的气孔构成由原材料中的气孔和成型后颗粒间的气孔构成三、陶瓷的性能三、陶瓷的性能具有强化学键,具有强化学键,b bHBHB抗蚀抗蚀高温性能高温性能具有具有绝缘、导体、半导体绝缘、导体、半导体和和超导体超导体特性特性光学、磁学、光学、磁学、电学、力学电学、力学开口气孔开口气孔一端封
13、闭,另一端与外界相通一端封闭,另一端与外界相通闭口气孔闭口气孔封闭在制品中不与外界相通封闭在制品中不与外界相通贯通气孔贯通气孔贯通制品的两面贯通制品的两面本讲稿第十八页,共五十二页1、力学性能、力学性能弹性弹性 E气孔率气孔率E 硬度硬度 离子半径离子半径 离子电价离子电价 配位数配位数 结合力结合力 HB脆性断裂和强度脆性断裂和强度 抗压抗压b=10抗拉抗拉b塑性塑性 滑移系滑移系位错运动的切应力位错运动的切应力 塑性开始温度为塑性开始温度为0.5Tm(Tm熔点绝对温度)熔点绝对温度)本讲稿第十九页,共五十二页2、力学性能、力学性能 3、光学性能、光学性能4、电学性能、电学性能5、磁学性能、
14、磁学性能 磁性陶瓷磁性陶瓷铁氧体铁氧体热膨胀热膨胀 比金属低得多比金属低得多导热性导热性 比金属低得多比金属低得多热稳定性热稳定性高温透镜材料高温透镜材料建筑瓷砖、艺术砖建筑瓷砖、艺术砖导电性能导电性能介电性能介电性能本讲稿第二十页,共五十二页四、常用陶瓷四、常用陶瓷1、传统陶瓷、传统陶瓷粘土粘土长石长石石英组成石英组成日用瓷日用瓷良好的白度、光泽度、透光度、热稳定性良好的白度、光泽度、透光度、热稳定性和机械强度和机械强度普通工艺陶瓷普通工艺陶瓷火石器(陶器与瓷器之间的陶瓷)及火石器(陶器与瓷器之间的陶瓷)及精陶精陶本讲稿第二十一页,共五十二页2、特种陶瓷、特种陶瓷氧化物陶瓷氧化物陶瓷Tm20
15、00.单相多晶结构单相多晶结构.如如Al2O3、ZrO2非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷HB耐磨性耐磨性脆性脆性抗氧化抗氧化9001000 如如硅化物、硼化物硅化物、硼化物 碳化物碳化物加热元件、砂轮、磨料和耐火材料加热元件、砂轮、磨料和耐火材料 氮化物氮化物六方和六方晶系六方和六方晶系.介电体、耐火润滑剂介电体、耐火润滑剂本讲稿第二十二页,共五十二页3、金属陶瓷、金属陶瓷用粉末冶金生产的金属用粉末冶金生产的金属同陶瓷组成的非均质复合材料同陶瓷组成的非均质复合材料工艺工艺制粉、成形和烧结制粉、成形和烧结金属相金属相Ti、Cr、Ni、Co和它们的合金和它们的合金非金属相非金属相氧化物、碳化物、硼化物氮化
16、物等氧化物、碳化物、硼化物氮化物等五、陶瓷材料应用举例五、陶瓷材料应用举例 P253254氧化铝氧化铝 Al2O3+SiO2 -Al2O3刚玉刚玉氮化硅氮化硅 Si3N4本讲稿第二十三页,共五十二页第三节第三节 复合材料复合材料 一、概念一、概念 由两种以上由两种以上在物理和化学上不同的物质在物理和化学上不同的物质组合起来而得组合起来而得到一种到一种多相固体材料多相固体材料.1、分类、分类基体基体 起粘结副作用起粘结副作用增强体增强体 起提高强度、韧性的作用起提高强度、韧性的作用细粒细粒 连续纤维、层叠复合材料、骨架、涂层连续纤维、层叠复合材料、骨架、涂层本讲稿第二十四页,共五十二页2、复合的
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