2.4 新型工程材料简介（2）（课件）·高一《金属加工基础》同步教学(机工版·第2版）

新型工程材料简介 金属加工基础与实训 陶瓷材料 陶瓷材料 陶瓷材料是无机非金属材料的统称，是用天然的或人工合成的粉状化合物，通过成形和高温烧结制成的多晶体固体材料。陶瓷材料包括陶瓷、玻璃、搪瓷及耐火材料等。 一、陶瓷材料的分类 陶瓷材料按其成分和结构不同可分为普通陶瓷（传统陶瓷）和特种陶瓷（近代陶瓷）两大类。 1. 普通陶瓷 普通陶瓷是以黏土、长石、石英等天然原料为主，经过粉碎、成形和烧结制成的产品，包括日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、低压和高压电瓷、化工陶瓷（耐酸碱用瓷）和多孔陶瓷（过滤、隔热用瓷）等。普通陶瓷产量大，用途广。 一、陶瓷材料的分类 2. 特种陶瓷 特种陶瓷主要是指采用高纯度人工合成化合物（如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等）制成的具有特殊物理和化学性能的新型陶瓷（包括功能陶瓷）。特种陶瓷包括金属陶瓷（硬质合金）、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、氟化物陶瓷、半导体陶瓷、磁性陶瓷及压电陶瓷等。特种陶瓷的生产工艺过程与普通陶瓷基本相同，主要用于化工、冶金、机械、电子等行业和某些新技术中。 虽然陶瓷制品种类繁多，其生产工艺过程各不相同，但是陶瓷制品的生产一般都要经历原料制备、成形（图1）和烧结三个阶段。 一、陶瓷材料的分类 图1 注浆成形示意图 二、陶瓷材料的特性和用途 陶瓷材料具有硬度高、抗压强度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀和抗氧化性能好等特性。但是一般来说，陶瓷材料脆性较大，没有延展性，经不起碰撞，耐急冷急热性较差。 陶瓷材料不仅用于制造生活用品，而且在现代工业中也得到广泛应用，如耐酸陶瓷用于制造耐酸耐碱容器、反应塔及管道等，氧化铝陶瓷和氮化硅陶瓷用于制造耐高温轴承、输送铝液的电液泵管道、阀门、燃气轮机叶片、切削刀具及热电偶套管等。 复合材料 复合材料 金属材料、高分子材料和陶瓷材料在使用性能上各有其优点和不足，因此它们各有自己的应用范围。随着科学技术的发展，机械制造和工程结构对材料提出了越来越高的性能要求，而使用单一的工程材料来满足这些性能要求变得越来越困难。因此，出现了将几种单一的工程材料采用不同的成形方法组合在一起的复合材料。 复合材料是两种或两种以上不同物理性质或化学性质或不同组织结构的材料，以微观或宏观的形式组合而成的材料。复合材料既保持了原有材料各自的特点，又具有比原有材料更好的性能，即具有“复合”效果。不同材料复合后，通常是以其中一种材料为基体材料，起黏接作用，另一种材料作为增强剂材料，起承载作用。 一、复合材料的分类 复合材料按增强剂种类和结构形式的不同可分为纤维增强复合材料、层叠增强复合材料和细粒增强复合材料，如图1所示。 图1 复合材料结构示意图 一、复合材料的分类 以玻璃纤维、碳纤维、硼纤维等材料作为复合材料的增强剂，复合于塑料、橡胶、金属、陶瓷等基体材料中形成的复合材料称为纤维增强复合材料。 例如，纤维增强橡胶（橡胶轮胎等）、纤维增强金属、纤维增强塑料（玻璃钢等）及纤维增强陶瓷等都是纤维增强复合材料。 1. 纤维增强复合材料 一、复合材料的分类 由两层或两层以上不同材料接合而成的复合材料称为层叠增强复合材料。例如三合板、五合板、钢-铜-塑料复合的无油润滑轴承材料、巴氏合金-钢双金属层滑动轴承材料、蜂窝夹层板以及表面涂层等就是这类复合材料。 2. 层叠增强复合材料 由一种或多种颗粒均匀分布在基体材料内形成的复合材料称为细粒增强复合材料。例如塑料中加颗粒状填料、橡胶用炭黑增强、硬质合金等都是细粒增强复合材料。 3. 细粒增强复合材料 二、复合材料的特性和用途 复合材料的优点是根据要求来改善材料的使用性能，将各种组成材料取长补短，并保持各组成材料的最佳特性，克服单一材料的某些缺点，从而有效地发挥材料的潜力。与其他传统材料相比，复合材料具有较高的比强度和比模量（弹性模量与密度之比），较好的抗疲劳性能、减振性及耐高温性，制造工艺简单，易于加工成形，用材省等特点。 纤维增强复合材料（如碳纤维增强树脂复合材料）可用于制造承载零件和耐磨零件，如连杆活塞、齿轮和轴承等；制造有耐腐蚀要求的化工机械零件，如容器、管道和泵等；制造航空航天飞行器的外层、人造卫星和火箭的机架、壳体及天线构架等。 二、复合材料的特性和用途 玻璃纤维增强复合材料（如玻璃纤维增强热固性树脂复合材料，又称玻璃钢）可用于制造各种罐、管道、泵、阀门、船舶（图2）及日用品等，或者作为金属、混凝土等设备内壁的衬里，可提高这些化工设备在不同介质、温度和压力条件下的工作寿命。 图2 玻璃钢船舶 二、复合材料的特性和用途 自然界中的许多天然材料都可看作复合材料。例如，树木是由纤维素和木质素复合而得，纸张是由纤维物质与胶质物质组成的复合材料，动物的骨骼也可看作由硬而脆的无机磷酸盐和软而韧的蛋白质骨胶组成的复合材料