航空航天材料工程-2-非金属材料.ppt

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1、,航空航天材料工程 AEROSPACE MATERIALS ENGINEERING 第6章 非金属材料及其改性 2012-4-13,内容提纲,非金属材料分类、结构和特点,6.1,非金属材料的改性及其强化,6.2,非金属材料在航空航天中的应用,6.3,6.1 非金属材料分类、结构和特点,复合材料,金属材料,非金属材料,有机聚合物 纤维 橡胶 塑料,无机材料 水泥 玻璃 陶瓷,工程材料,按组织成分分类,在航天航空工程中，非金属材料一般不单独使用，主要作为复合材料的基体或增强体材料。,6.1.1 高分子材料：1.概念,高分子化合物（Polymer）：是由千百个原子彼此以共价键结合形成相对分子质量特别

2、大、具有重复结构单元的有机化合物。 相对分子质量大（103-107）。 由于高分子多是由小分子通过聚合反应而制得的，因此也常被称为聚合物或高聚物，用于聚合的小分子则被称为“单体”。,单体, CH2-CH2 ：链节 n：聚合度 M = nm，M为高分子聚合物的相对分子量，m为链节的相对分子量,6.1.1 高分子材料：2.分类,6.1.1 高分子材料：2.分类,碳链高分子,分子主链全部由碳原子以共价键相连接。 一般由加成聚合反应制得，如PE、PP、PVC、PMMA等,涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酯）,分子主链除含有碳原子外，还含有O、N、S等两种或两种以上原子并以共价键相连接。 一般由缩聚

3、反应和开环聚合制得。,杂链高分子,6.1.1 高分子材料：2.分类,聚己二酰己二胺（聚酰胺66、尼龙66） 数字表示单元链节中酸和胺的碳原子数 mp型聚酰胺是由二元酸HOOC（C-H2）m-COOH与二元胺H2N(CH2)pNH2制成的,聚己内酰胺（聚酰胺6、锦纶、尼龙6） 由单体己内酰胺经开环聚合反应生成线型聚酰胺,聚苯硫醚,杂链高分子,6.1.1 高分子材料：2.分类,6.1.1 高分子材料：2.分类,聚合反应分类： 按元素组成和结构变化：加聚，缩聚 按反应单体：均聚、共聚 按反应活性中心：自由基聚合和离子（阴、阳离子）聚合 按反应类型：线形，开环，环化，转移，异构化,6.1.1 高分子材

4、料：3.聚合方式,高分子链的柔顺性 ：,一个典型的线形高分子链长度与直径之比 是很大的。 例如聚异丁烯大分子 所以 这就是说，这个大分子长度是直径的5万倍。这样一根细而长的“网丝”，在无外力作用下，不可能是一条直线，而是自然的曲线。这就使得聚异丁烯大分子有着“柔顺性”，也使聚异丁烯材料有着它独特的“高弹性”。,6.1.1 高分子材料：4. 高分子结构,高分子的柔顺性的实质：,高分子的柔顺性的实质就是大量C-C单键的内旋转造成的。 极端情况： 当高分子链上每个键都能完全自由旋转（自由联接链），“链段”长度就是键长理想的柔性链（不存在）。 当高分子链上所有键都不能内旋转理想的刚性分子（不存在），“

5、链段”长度为链长。,6.1.1 高分子材料：4. 高分子结构,6.1.1 高分子材料：4. 高分子结构,高分子结构,高分子链结构,高分子聚集态结构,近程结构,远程结构,化学组成 单体单元键合 单体高分子链的键接（交联与支化） 单体单元主体构型（空间排列）,高分子的大小（聚合度、分子量） 高分子链的形态（构象）,晶态 非晶态 取向态 液晶态 织态,6.1.1 高分子材料：4. 1 高分子的大小,大分子链内原子间以共价键相连接，而大分子链之间的力为范德华力。 相对分子量越大，则大分子间结合力越强，高分子化合物的强度越高。 相对分子量超过100万的聚乙烯的抗拉强度比50万的高一倍。,大分子链的形态有

6、: -线型 -支化 -网状,6.1.1 高分子材料：4. 2大分子链的形态,（1）线型大分子链,（2）支链形高分子,由于加聚过程中有自由基的链转移发生，形成支链，常易产生支化高分子。 支链的存在使线性高分子的性能钝化，如熔点升高、黏度增加。,（3）网状（交联）大分子,大分子链之间通过支链或化学键形成了三维网络或体型结构。 热固性：一经固化成型不得再次成型 耐热、机械强度高 但脆性大、硬度高，弹性和塑性很低，不能塑性加工 交联与支化有本质区别 支化（可溶，可熔，有软化点） 交联（不溶，不熔，可膨胀）,线型、支化、网状分子的性能差别 ：,线型分子：可溶，可熔，易于加工，可重复应用，一些合成纤维，“

7、热塑性”塑料（PVC，PS等属此类） 支化分子：一般也可溶，但结晶度、密度、强度均比线型差 网状分子：不溶，不熔，耐热，耐溶剂等性能好，但加工只能在形成网状结构之前，一旦交联为网状，便无法再加工，“热固性”塑料（酚醛、环氧树脂属此类）,6.1.1 高分子材料：4. 3 大分子的聚集态结构,高分子聚合物一般为固态或液态，无气态。 固态聚合物分为无定形和结晶型两种类型。 无定形聚合物：远程无序，近程有序 结晶型聚合物：具有晶区与非晶区 随着结晶度的提高，高聚物的密度、强度、硬度、刚度、熔点、耐热性、化学惰性、及液气渗透性提高，而弹性、塑性、韧性降低。,6.1.1 高分子材料：5 高聚物的物理、力学

8、状态,温度不同高聚物处于不同的力学状态，表现的性能也不同。 线型非晶态高聚物有三种力学状态：玻璃态、高弹态、和粘流态。 体型高聚物交联密度低时，可有玻璃态和高弹态，没有粘流态；交联密度大时，只有玻璃态。 完全结晶的高聚物无高弹态，当温度高于熔点时，直接从玻璃态融化成粘流态。所以使用温度范围较宽。,6.1.1 高分子材料：5 高聚物的物理、力学状态,玻璃态： TTg时，高聚物处于玻璃态。 高聚物大分子链热运动处于停止状态。 力学性能与无机的低分子材料相似，有一定刚度。 是塑料的应用状态。,6.1.1 高分子材料：5 高聚物的物理、力学状态,高弹态： TgTTf时，高聚物处于高弹态。 分子链动能增

9、加，部分连段可进行内旋运动，而整个分子链并没有运动。 受外力作用时，原卷曲链沿受力方向伸展，产生弹性变形。 是橡胶的应用状态。,6.1.1 高分子材料：5 高聚物的物理、力学状态,粘流态： TfTTd时，高聚物处于粘流态。 大分子链可自由运动，是高聚物变成流动的黏液。 是高聚物成型加工的工艺状态。,6.1.1 高分子材料：5 高聚物的物理、力学状态,皮革态： 高聚物中有部分结晶区域时，当温度大于Tg但小于晶体熔点时，非结晶区为高弹态，而结晶区由于分子链无法产生内旋运动而仍具有较高刚度和硬度，两者复合成一种既韧又硬的皮革态。,几个实例：,LDPE(Low Density PE)（自由基聚合） 这

10、种聚合方式易发生链转移，则支链多，密度小，较柔软。用于制食品袋、奶瓶等等 HDPE（配位聚合，Zigler催化剂） 这种聚合方法不同与前，获得的是几乎无支链的线型PE，所以密度大，硬，规整性好，结晶度高，强度、刚性、熔点均高。可用作工程塑料部件，绳缆等等,LDPE和HDPE的性能和用途比较,应用于沥青改性、粘结剂、鞋底材料、汽车方向盘和保险杠,6.1.1 高分子材料：6. 性能特点,（1）力学性能 比强度高 高弹性和低弹性模量 低硬度 （2）物理性能 电绝缘性优良 耐热性差 导热性低、膨胀大,6.1.1 高分子材料：6. 性能特点,（3）化学性能 在酸、碱、盐溶液中耐腐蚀性较强 在特定的有机溶

11、剂中发生软化和溶胀等现象。 （4）高分子材料的老化 在热、光、辐射、氧和臭氧等作用下，使聚合物内部分子结构发生变化，导致性能随时间推移逐渐恶化，直至失效。 不可逆 原因：分子链交联或支化，使其变硬变脆 大分子链断裂，相对分子量下降，发生降解,6.1.1 高分子材料：7. 工程塑料,塑料：是以高分子聚合物为基本原料，加入一定量的添加剂而组成的有机高分子材料。 （1）塑料的组成 1）树脂：是塑料的主要组分，决定塑料的类型和基本性能。 2）填料（增强或增韧）：是塑料改性的主要部分。主要包括无 机颗粒或纤维。 3）固化剂：使热固性树脂受热时产生交联作用，形成体型结构。 4）增塑剂：提高塑性和加工性能。

12、 5）阻燃剂：阻止燃烧或造成自熄。 6）稳定剂、润滑剂、着色剂,（2）分类 1）按塑料中合成树脂的分子结构分类 热塑性塑料：树脂的大分子链形状是线型或支链型结构。 - 例如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、 有机玻璃等。 - 优点：易加工成型，力学性能较好 - 缺点：耐热性和刚性差 热固性塑料：树脂在受热之初大分子为线型结构，可塑制成一定形状，但受 热后，线型大分子链间发生交联反应，分子链变为网状结构， 随着交联反应进一步发展，使树脂既不能溶解也不能熔化。 - 例如：酚醛树脂、环氧树脂、有机硅树脂 - 优点：耐热性好、受热受压不易变形 - 缺点：只能塑制一次，废料不可回收再利用,

13、6.1.1 高分子材料：7. 工程塑料,2）按塑料的性能和用途分类 通用塑料：产量大（占塑料总产量的75%以上）、用途广、价格低廉的塑料。 包括6大品种：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑 料、和氨基塑料。 工程塑料：强度较高、刚性较大、可以代替钢铁和非铁合金制造机械零件和 工程结构的塑料。 包括聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、有机玻璃和ABS树脂等。 特种塑料：耐高温或具有特殊用途的塑料。 包括氟塑料、有机硅树脂、环氧树脂、聚酰亚胺等。,6.1.1 高分子材料：7. 工程塑料,6.1.1 高分子材料：7. 工程塑料,（3）特性 1）塑料的使用性能 物理性能：- 密度小，1-2 g/cm3

14、- 有一定透气性和透湿性 - 透明性、透光率较好 - 优良的消音、吸振性 - 电气绝缘性 化学性能：- 良好的耐化学腐蚀性能 - 易降解和老化，耐候性、耐老化性、光稳定性较差。 力学性能：- 强度、刚度比金属差，但比强度、比刚度较高 - 硬度较低，摩擦系数较小，可作为密封、耐磨和自润滑材料 与金属相比，总体缺点：使用温度低，导热导电性差、热膨胀系数高、易老 化、易燃烧、易变形,2）塑料的工艺性能 热塑性塑料的工艺性能：收缩性、黏度、流动性、吸水性等。 热固性塑料的工艺性能：收缩性、流动性、比体积和压缩比、水分和挥发物 含量、固化温度和速度等。 塑料的聚集状态与加工性： （a）玻璃态：可进行车、

15、铣、钻、刨等切削加工。 （b）高弹态：真空成型、延压成型、中空成型等加工。 （c）黏流态：注射、挤出、吹塑等成型加工。,6.1.1 高分子材料：7. 工程塑料,6.1.1 高分子材料：8. 常用塑料成形工艺,1.注射成形 注射成型也称注塑成形，是工程塑料加工的主要成形方法（80%），一般用于热塑性塑料，占其制品的20%-30%。 是用注塑机将融化的塑料快速注入模具型腔，冷却固化得到各种塑料制品的工艺过程。 注射成形过程包括：熔融塑化、注射、保压、和冷却定形 注射温度、模具温度、注射压力、保压时间、冷却速率等工艺参数对产品质量和生产效率有很大影响。 优点：可制造形状复杂的塑件、可镶嵌金属、注塑时

16、间短、生产效率高、可达较高精度、且容易自动化。 缺点：成本较高，不适合小批量生产。,2.挤出成形 也称挤塑成形，占热塑性塑料制品的40%-50%，也可用于某些热固性塑料和复合材料成形。 由挤出机将热塑性塑料连续挤出，使之形成各种不同截面的塑料型材（管材、棒材、片材、型材等） 优点：产品内部组织均匀致密，尺寸稳定，成形过程简单，生产效率高，成本较低。,6.1.1 高分子材料：8. 常用塑料成形工艺,3.吹塑成形 也称中空成形，仅用于热塑性塑料成形。 现将塑料用挤出或注射成形法制成筒状坯料，坯料软时放入打开的模具内，模具闭合后通过向坯料内通入压缩空气，将坯料吹胀并紧贴模壁，冷却后形成中空制品。 用

17、来制造中空制品，如箱、瓶等。,6.1.1 高分子材料：8. 常用塑料成形工艺,6.1.1 高分子材料：8. 常用塑料成形工艺,4.吸塑成形 也称真空成形，适用于热塑性塑料成形。 先将热塑性塑料板夹持起来，固定在模具上，加热使材料软化，然后用真空泵抽去板材和模具之间的空气，在大气压作用下，板材拉伸变形贴合到模具内腔表面，冷却定形后成为制品。 用来制造包装盒、餐盒、冰箱内胆等。 5.压延成形 是产生塑料薄膜和片材的成形方法。 将加热塑化的原料经过一对或几对相对旋转的滚筒，滚筒被加热且有一定间隙，塑料每通过一次滚筒就被压薄一次，最后一对滚筒间隙决定制品厚度。,6.模压成形 也称压塑成形或压制成形，主

18、要用于热固性塑料，如酚醛、环氧、和有机硅等。 将液态树脂原料和各助剂加入模具，然后将模具闭合并加热，在模具内树脂与固化剂反应、固化、定形，然后脱模制得塑料制品。 压力、温度、和加料量是主要的工艺参数。 优点：设备简单，技术成熟，易于生产大型制品。 缺点：生产周期长、效率低、难以实现自动化，劳动强度大，难以形成厚壁制品及形状复杂的制品。,6.1.1 高分子材料：8. 常用塑料成形工艺,7.浇注成形 又称铸塑成形，一般用于热固性塑料，也可用于橡胶制品生产。 是将流动状态的高分子材料注入特定的模具中，在一定条件下使之反应固化，从而得到与模具型腔一致的制品的工艺流程。,6.1.1 高分子材料：9. 橡

19、胶,橡胶：是指使用温度范围内处于高弹态的、具有轻度交联的线型或支链型高分子材料。 （1）橡胶的组成 以生胶为原料，加入适量配合剂，经过硫化以后得到橡胶。 1）生胶： 未加配合剂、未经硫化的橡胶，也称胶料或橡料。 它决定橡胶制品的性质。 分为天然和合成橡胶。 2）添加剂 包括硫化剂、促进剂、填料、防老化剂和软化剂 硫化剂使橡胶分子链由线型结构变为网状结构，以提高其抗拉强度、弹性和化学稳定性。 一般硫化剂包括：硫磺、含硫化合物、金属氧化物和有机过氧化物等。,6.1.1 高分子材料：9. 橡胶,（2）橡胶的性能特点 1）高弹性能：在很大的温度范围内（-40150 C）具有高弹性。 2）力学性能：弹性

20、模量低（1MPa），变形量大（100%1000%），同时强度也低。 3）耐磨性能较差 4）易老化 5）黏弹性能,6.1.1 高分子材料：9. 橡胶,6.1.2 陶瓷材料：1.概念,什么是陶瓷？,“陶瓷”一词还没有十分严格的、为国际所公认的定义。 从狭义来说，它是指以粘土为主要原料经高温烧制得到的制品。通常包括陶器、炻器和瓷器。,唐三彩是一种盛行于唐代的陶器，以黄、褐、绿为基本釉色，后来人们习惯地把这类陶器称为“唐三彩“。,陶器：是指以粘土为胎，经过手捏、轮制、模塑等方法加工成型后，在8001000高温下焙烧而成的物品，坯体不透明，有微孔，具有吸水性，叩之声音不清。,6.1.2 陶瓷材料：1.概

21、念,炻(shi)器：介于陶器和瓷器之间的陶瓷制品，如水缸、沙锅 瓷器：随着高温技术的不断改进，加上釉的发明，到了大约2000多年前的东汉晚期，人们开始利用含铝量较高的天然瓷土作原料，使陶器步入了瓷器的阶段，这是陶瓷技术发展史上十分重要的里程碑。,粉彩桃枝题诗灯笼瓶,故宫珐琅彩瓷器,明洪武釉里红,6.1.2 陶瓷材料：1.概念,从广义来说，陶瓷还包括砖瓦、耐火材料、玻璃、珐琅、各种元素的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、氧化物等无机非金属材料，也包括水泥和石墨等。,6.1.2 陶瓷材料：1.概念,6.1.2 陶瓷材料：2. 分类,陶瓷材料按材料成分和用途分为：普通陶瓷（传统陶瓷）和特种 陶瓷（现代

22、陶瓷） （1）普通陶瓷 普通陶瓷的主要原料是粘土、石英和长石。 又分为日用陶瓷和普通工业陶瓷两大类。 日用陶瓷主要用作日用器皿和瓷器。 普通工业陶瓷按用途分为建筑陶瓷、电工陶瓷和化工陶瓷。,（2）特种陶瓷 特种陶瓷主要由人工合成的纯度较高的化合物，如氧化物、氮化物、碳化物、和硅化物，为原料制成，具有特殊的力学、物理或化学性能。常用的特种陶瓷有以下几种： 1）氧化物陶瓷 航空航天领域最常用的是Al2O3和ZrO2陶瓷，熔点在2000C以上，烧结温度1800C左右。一般用作热防护材料。 缺点：较脆，抗震性差。,6.1.2 陶瓷材料：2. 分类,Q毡：二氧化硅纤维制成 Cerrachrome毡：氧化

23、铝纤维和二氧化硅纤维制成 Saffil隔热毡：一种高纯度、多晶陶瓷纤维，最大工作温度可高达1600C。由96的氧化铝和4的二氧化硅组成。,X-33热防护系统的高温合金蜂窝夹芯结构,飞行过程中防热结构板的外表面最高温可达982 1 037 ,而内层结构的温度最大值仅约为177 .,6.1.2 陶瓷材料：2. 分类,6.1.2 陶瓷材料：2. 分类,2）氮化物陶瓷 常用的有氮化硅（Si3N4）和氮化硼（BN） 3）碳化物陶瓷 航空航天领域常用的有SiC陶瓷，用来制造发动机的高温部件。,6.1.2 陶瓷材料：3. 陶瓷材料的结构特点,（1）陶瓷材料的键合类型 陶瓷材料主要以离子键和共价键结合，通常不

24、是单一的键合类型，而是两种或两种以上的混合键。 一般含金属元素的陶瓷材料以离子键为主，如Al2O3和MgO。 一般由非金属元素形成的陶瓷材料以共价键为主，如SiC等。 （2）陶瓷材料的组织 陶瓷是由金属或非金属的化合物构成的多晶固体材料，其结构比金属晶体复杂得多。 陶瓷材料的组织结构由晶体相、玻璃相和气相3部分组成。,1）晶体相 晶体相是陶瓷的主要组成相，其结构、形态、数量及分布决定陶瓷材料物理、化学和力学性能。 包括硅酸盐、氧化物、和非氧化物3种。 硅酸盐是普通陶瓷的主要原料，也是特种陶瓷组织中的重要晶体相。 氧化物（MgO、CaO等）是大多数陶瓷，特别是某些特种陶瓷的主要晶体相。 非氧化物

25、，包括碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等，是特种陶瓷的主要晶体相。,6.1.2 陶瓷材料：3. 陶瓷材料的结构特点,6.1.2 陶瓷材料：3. 陶瓷材料的结构特点,2）玻璃相 玻璃相是一种非晶体的低熔点固体相，它是陶瓷材料内各种组成物和混入的杂质在高温烧结时产生物理、化学反应形成的，玻璃相主要存在于晶界处。 在陶瓷中常见SiO2的玻璃相。 玻璃相对陶瓷材料的正面影响：将分散的晶体相粘结起来，提高致密度；降低烧结温度；阻止晶体转变和长大，获得一定的玻璃特点。 负面影响：降低陶瓷强度、电绝缘性和耐热性。 工业陶瓷中玻璃相的体积分数应控制在20%40%。,1400C烧结的碳化硅（SiC）中分散的晶体相

26、与玻璃相的高分辨率透射电镜（HRTEM）照片。插图为选择性区域电子衍射环图谱。,6.1.2 陶瓷材料：3. 陶瓷材料的结构特点,3）气相 气相指陶瓷内部残留下来的气孔。 可存在于晶粒内部、晶界上、及玻璃相中。 负面影响：气相会造成应力集中，导致强度下降，脆性增加，热导率和抗电击穿性能下降。所以，对于结构材料用陶瓷，应尽量减少残留气孔率。如特种陶瓷应在5%以下。 正面影响：对于用作隔热材料的陶瓷，应尽量增多其封闭气孔量，并使其分布均匀，大小一致。,6.1.2 陶瓷材料：4. 陶瓷材料的性能,（1）力学性能 1）硬度高，是3大类固体材料（金属、高分子和陶瓷）中最高的。 2）强度：- 抗拉强度较低，

27、抗弯强度较高，抗压强度非常高。 - 弹性模量E大，弹性变形困难，刚度大。 3）塑性：- 常温下只出现弹性变形，不出现塑性变形，脆性很 大。 - 高温下可出现塑性变形。 4）高温性能：- 高温强度比金属高得多，抗蠕变能力较强。 - 耐急冷急热性能不好。,（2）化学性能 陶瓷的组织结构非常稳定，即使在高温下也不易氧化。 对酸、碱、盐都有极好的耐腐蚀性能。 （3）物理性能 导热性差 线膨胀系数小，陶瓷金属高分子材料 电绝缘性好 有些陶瓷（如钛酸钡系、锆钛酸铅二元系）有压电效应，可做传感器。 抗热冲击性差,6.1.2 陶瓷材料：4. 陶瓷材料的性能,6.1.2 陶瓷材料：5. 陶瓷件成型工艺,陶瓷的生

28、产工艺流程：配料 成形烧结 （1）配料 首先是粉末的制备，以人工合成的化合物为原料，通过机械或化学方法使化合物成为极细（微米甚至纳米级）的粉末。 粉末的质量对陶瓷件的性能影响很大，高质量：粒度均匀、外形圆整、纯度高。 粒度的大小决定陶瓷制品的应用范围，粒度越小，陶瓷性能越好。 粉末制备好后还有混料、塑化、造粒等工序。,6.1.2 陶瓷材料：5. 陶瓷件成型工艺,（2）成形 1）干压成形：又称模压成形，将混合均匀的粉末置于模具中，在压力机上制成一定形状的坯料。 2）等静压成形：分湿式等静压和干式等静压两种 3）热压成形 4）注浆成形 5）注射成形 6）可塑法成形：- 挤出成型法 - 轧膜成形法 7）流延成形法,（3）烧结 烧结是加热已形成的坯体，使其中的微粒在加热中扩散迁移，牢 固的粘结在一起形成致密化的陶瓷制品的工艺过程。 常用的烧结方法有：常压烧结、热压烧结、和气氛烧结。,6.1.2 陶瓷材料：5. 陶瓷件成型工艺,6.2 非金属材料的改性及其强化,高分子材料得改性要求：- 耐高、低温 - 增强 - 增韧 - 功能/结构一体化 陶瓷材料的改性要求：增韧 主要改性途径：复合化（详见第7章）,6.3 非金属材料在航空航天中的应用,（1）塑料在航空航天中的应用 （2）工程结构陶瓷材料在航空航天中的应用,