常见的复合材料常用复合材料介绍学习目标：了解非金属材料和复合材料的种类、性能特点及应用，特别是塑料、橡胶、陶瓷、复合材料的性能特点及应用。本章导读：塑料与橡胶为有机高分子材料，与金属相比质量轻，具有金属材料不可比拟的特殊性能，使用极为广泛；陶瓷为无机非金属材料，具有高硬度、耐蚀的性能，除日用陶瓷外，工业上使用的特种陶瓷更具有其独特的性能，在机械加工、航空航天、化学工业等领域都有应用；复合材料是由两种或多种材料组成的多相材料，具备比较好的综合性能，其应用慢慢的受到广泛的重视，大家熟悉的玻璃钢、塑钢门窗、羽毛球拍等，都是用复合材料制第一节塑料与橡胶塑料与橡胶属高分子材料，目前，全世界合成高分子材料的年产量按体积计已超过钢铁材料，并正以每年14%的速度增长，其使用领域广泛，涉及工业制造及日常生活。高分子材料是由若干原子按一定规律重复地连接而成的长链分子，长链分子的最大伸直长度可达毫米级，其分子量一般大于5000。高分子材料按来源可分为天然高分子（天然橡胶、蚕丝、皮革、木材等）和合成高分子化合物（塑料、橡胶等）。合成高分子化合物是由一种或几种单体（简单结构的低分子化合物）聚合而成的，因此高分子化合物又称高聚物或聚合物。如聚乙烯分子就是由单体乙烯经聚合反应连接而成：高分子化合物的化学组成一般并不复杂，是由重复连接的结构单元组成的，这种重复连接的结构单元称为“链节”，如聚乙烯中CH-2—CH2]--。大分子链之间有的相互作用力使链节连接起来，其连接方式决定了高分子化合物的性能。塑料的主要组成是合成树脂和添加剂。合成树酯是具有可塑性的高分子化合物的统称，它是塑料的基本组成物，它决定了塑料的基本性能，塑料中合成树酯含量一般为30%~100%。树酯在塑料中还起粘结剂的作用，许多塑料的名称是以树酯来命名的，如聚苯乙烯塑料的树酯就是聚苯乙烯；添加剂的作用主要是改善塑料的某些性能或减少相关成本，常用的添加剂有填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、着色剂等。按应用限制范围：通用塑料、工程塑料按受热性能：热塑性塑料、固性塑料。塑料最大的特点是具有可塑性和可调性。所谓可塑性，是通过简单的成型工艺，利用模具可以制造出所需要的各种不一样的形状的塑料制品；可调性是指在生产的全部过程中能够最终靠变换工艺、改变配方，制造出不同性能的塑料。塑料的其它性能分述如下：密度塑料的密度在0.9~2.2g．cm-3之间，仅相当于钢密度的1/4~1/7。若在塑料中加入发泡剂后，泡沫塑料的密度仅为0.02~0.2g．cm-3。电性能塑料拥有非常良好的电绝缘性。聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等塑料可作为高频在允许电压下不导电的材料；聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛、氨基塑料等可作为中频及低频在允许电压下不导电的材料。热性能塑料遇热、遇光易老化、分解，大多数塑料只能在100以下使用，只有极少数塑料（如聚四氟乙烯、有机硅塑料）可在250左右经常使用；塑料的导热性差，是良好的绝热材料；塑料线线胀系数大，一般为钢的3~10倍，因而塑料零件的尺寸不稳定，常因受热膨胀产生过量变形而引起开裂、松动、脱落100。（2）化学性能塑料拥有非常良好的耐腐蚀和抗老化性能，大多数塑料能耐大气、水、酸、碱、油的腐蚀。因此工程塑料能制作化工设备及在腐蚀介质中工作的零件。强度与刚度塑料的强度、刚度较差，其强度仅为30~150MPa，且受温度的影响较大；塑料的刚度仅为钢的1/10。但由于塑料的密度小，故比强度比较高。蠕变与应力松弛塑料在外力作用下，在应力保持恒定的条件下，变形随时间的延续而慢慢增加，此现状称为蠕变。例如架空的电线套管会慢慢变弯，这就是蠕变。蠕变会导致应力松弛，如塑料管接头经一段时间使用后，由于应力松弛导致泄漏。图7-1有机玻璃应力—应变曲线减摩性和耐磨性许多的塑料的摩擦系数低，如聚四氟乙烯、尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯等都具有小的摩擦系数，因此塑料拥有非常良好的减摩性；同时塑料具有自润滑性，在无润滑或少润滑摩擦的条件下，其减摩性好于金属，工程上用这类塑料来制造轴承、轴套、衬套、丝杠螺母等摩擦磨损件。此外，塑料还具良好的减振性和消音性，用塑料制作零件可减小机器工作时的振动和噪声。塑料的通用品种中，聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品种的总产量在亿吨左右。其他如透光性好的有机玻璃，称为塑料王的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯，作为工程塑料的聚砜、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰亚胺和常用作泡沫塑料的聚氨酯等。橡胶是具有高弹性的高分子材料，它在较小的载荷下就能产生很大的变形，当载荷去除后又能很快恢复原状，是常用的弹性材料、密封材料、防震和减振材料、传动材料。按其来源不同可分为天然橡胶与合成橡胶两类。天然橡胶是橡胶树的液状乳汁经采集和适当加工而成，天然橡胶的主要化学成分是聚异戊二烯；合成橡胶主要成分是合成高分子物质，其品种较多，丁苯橡胶和顺丁橡胶是较常用的合成橡胶。按其用途可分为通用橡胶和特种橡胶，通用橡胶的用量一般较大，大多数都用在制作轮胎、输送带、胶管、胶板等，主要品种有丁苯橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶等；特种橡胶大多数都用在高温、低温、酸、碱、油和辐射介质条件下的橡胶制品，主要有丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。（1）生胶是未加配合剂的天然或合成橡胶，是橡胶制品的主要组分，生胶不仅决定了橡胶的性能，还能把各种配合剂和增强材料粘成一体。不同的生胶可制作而成不同性能的橡胶制品。（2）配合剂作用是提高橡胶制品的使用性能和工艺性能。配合剂的种类很多，一般有硫化剂、硫化促进剂、增塑剂、填充剂、防老化剂等，其中硫化剂的作用是使橡胶变得有富有弹性，目前生产中多采用硫磺作为硫化剂；硫化促进剂最大的作用是促进硫化，缩短硫化时间并降低硫化温度。常用的硫化促进剂有MgO、ZnO、CaO等；增塑剂最大的作用是提高橡胶的塑性，使之易于加工和与各种配料混合，并降低橡胶的硬度、提高耐寒性等，常用增塑剂主要有硬酯酸、精制蜡、凡士林等；防老化剂可防止橡胶制品在受光、热、介质的作用时出现变硬、变脆、提高常规使用的寿命，主要加入石蜡、密蜡或其它比橡胶更易氧化的物质，在橡胶表明产生稳定的氧化膜，抵抗氧的侵蚀；填充剂的作用是提高橡胶的强度和减少相关成本。常用的有碳黑、MgO、ZnO、CaO（3）增强材料其作用是提高橡胶的力学性能，如强度、硬度、耐磨性和刚性等。常用的增强材料是各种纤维织物、金属丝及编织物。如在传送带、胶管中加入帆布、细布，在轮胎中加入帘布、在胶管中加入钢线）极好的弹性橡胶的主要组分是具有高弹性高分子物质。在受到较小力作用下能产生很大的变形（变形量在100%~1000%），取消外力后又能恢复原状，这是橡胶区别于其他物质的主要标志。（2）很高的可挠性、伸长率、良好的耐磨性、电绝缘性、抵抗腐蚀能力、隔音、吸振以及与其它物质的粘结性等。座减振垫片、汽车底盘橡胶弹簧）；传动件（如三角胶带、传动滚子）；运输胶带；电线、电缆和电工在允许电压下不导电的材料；复合材料是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。复合材料的组分材料虽然保待其相对独立性。但复合材料的性能却不是组分材料性能的简单加和，而是有着重要的改进.在复合材料中，通常有一相为连续相。称为基 体;另一相为分散相，称为增强相(增强体)。分散相是以独立的形 态分布在整个连续相中的。两相之间有着相界面。分欣相可以 是增强纤维，也可以是顺村状成弥散的坡料。 从上述的定义中能够准确的看出。复合材料可以是一个连续物理相与一个连续分散相的复合。也可以是两个或者多个连续相与一个或 多个分散相在连续相中的复合，复合后的产物为固体时才称为复 合材料。若复合产物为液体或气体时，就不能称为复合材料。复 合材料既能保持原材料的某些特点，又能发挥组合后的新特征. 它能够准确的通过需要进行设什。从而最合理地达到使用所要求的性能。 随着材料品种持续不断的增加，人们为了更好地研究和使用材料，需要对材料来分类.材料的分类方法较多。如按材料的化学性质分 类，有金属材料、非金属材料之分;如按物理性质分类,有在允许电压下不导电的材料、 磁性材料、透光材料、半导体材料、导电材料等。按用途分类， 有航空材料、电工材料、建筑材料、包装材料等。 聚合物基复合材料以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶)为基体制 成的复合材料。 金属从复合材料以金属为基体制成的复合材料，如铝墓复合材料、铁基复合材料等。无机非金属基复合材料以陶瓷材料(也包括 玻璃和水泥)为基体制成的复合材料。 有机纤维(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。 此外，如果用两种或两种以上的纤维增强同一基体制成的复合材料称为“混杂复合材料”。混杂复合材料可以看对免戈趁两种或 多种单一纤维复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。 连续纤维复合材料作为分散相的纤维，每根纤维的两个端点都位于复合材料的边 短纤维复合材料短纤维无规则地分散在基体材料中制成的复合材料。 粒状填料复合材料微小颗粒状增强材料分散在基体中制成的复合材料。 编织复合材料以平面二维或立体三维纤维编织物为增强材料与基体复合而成的复合 材料。 复合材料按用途可分为结构复合材料和功能复合材料。目前结构复合材料占绝大多数. 而功能复合材料有广阔的发展前途.21 世纪将会出现结构夏合 材料与功能复合材料并重的 局面，而且功能复合材料更具有与其 他功能材料竞争的优势。 结构复合材料主要用做承力和次承力结构，要求它质量轻、强度和刚度高.且能耐受一定 溢度，在某种情况下还要求有膨胀系数小、绝热性能好或耐介质腐蚀等其他性能。 结构复合材料按不同基体分类和按不同增强 体形式分类如图1. 1、图1.2 所示。 功能复合材料指具有除力学性能以外其他物理性能的复合材料，即具有各种电学性能、磁学性能、光学性能、声学性能、摩擦性 能、阻尼性能以及化学分离性能等的复合材料。 1、复合材料的比强度和比刚度较高。材料的强度除以密度称为比强度；材料的刚度除以密度称为比刚度。这两个参量是衡量材 料承载能力的重要指标。比强度和比刚度较高说明材料重量轻， 而强度和刚度大。这是结构设计，特别是航空、航天结构设计对 材料的重要要求。现代飞机、导弹和卫星等机体结构正逐渐扩大