单元3 常用非金属材料（课件）《机械基础》上好课（苏教版·凤凰职教）

《机械基础》（苏教版·凤凰职教） 上好课—中职专业课 模块七 金属材料及热处理 单元3 常用非金属材料 教学目标 知识目标 1. 掌握工程塑料的组成、分类，熟记常用热塑性、热固性塑料的性能特点与工程应用场景； 2. 理解复合材料的定义、组成、分类及核心优势，掌握各类常用复合材料的性能与应用； 能力 目标 1. 能够区分不同类型塑料、复合材料的性能差异，合理选用非金属材料； 2. 具备分析非金属材料失效、适配场景的基础能力； 情感 目标 1. 培养严谨的工程思维和求真务实的科学态度，材料选型规范化的职业意识； 2. 引导学生认识新型材料对工业发展、科技进步的重要作用。 教学引入 身边的非金属材料 观察我们的生活：手机外壳、塑料水杯、电线绝缘皮、轮胎、玻璃钢游艇…… 思考问题 为什么塑料能替代金属制造齿轮和轴承？ 玻璃钢既不是玻璃也不是钢，它到底是什么？ 飞机机身为什么越来越多地使用复合材料？ 注塑成型机——塑料制品的主要加工设备 知识讲授：塑料的组成 塑料是高分子材料在一定温度区间内以玻璃态使用时的总称。工程上所用塑料，以有机合成树脂为主要成分，加入其他添加剂制成。 合成树脂（主体） 决定塑料基本性能，占总成分40%~100% 添加剂（辅料） 增塑剂、稳定剂、填料、着色剂等，改善加工性能和使用性能 同一高分子材料在不同温度下可呈现不同状态： 玻璃态 → 作为塑料使用 橡胶态 → 作为橡胶使用，可加工成型 特定条件下 → 可变为纤维材料 环氧树脂灌封 知识讲授：塑料的分类（一） 热塑性塑料 加热后软化或熔化，可流动成型 冷却后硬化定型 加热可反复软化，可重复加工 具备可塑性、可回收性 典型：聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、ABS、尼龙（PA） 热固性塑料 成型后受热不变形、不软化 温度过高会分解破坏 只能一次成型，不能重复加工 耐热性高、刚性大、尺寸稳定 典型：环氧树脂（EP）、酚醛树脂（PF） 知识讲授：热塑性塑料、热固性塑料 知识讲授：塑料的分类（二） 类别 特点 典型材料与用途 工程塑料 可做工程结构和机械零件；机械性能稳定，耐热耐腐蚀，尺寸稳定性好 ABS、尼龙（PA）、聚甲醛（POM）——机械零件、结构件 通用塑料 产量大、成本低、用途广，占塑料总产量3/4以上；多用于日常生活用品 PE、PVC、PS、PP、PET——薄膜、管材、包装、日用品 特种塑料 具特殊理化性能（耐高温、耐腐蚀、光学特性等）；产量少、成本高，仅用于特殊场合 聚四氟乙烯（PTFE）——耐磨耐腐蚀、电绝缘，化工密封件 知识讲授：聚乙烯（PE） 性能特点 密度小，耐低温、耐腐蚀、电绝缘性好 高压PE质地柔软 → 制薄膜 低压PE质地较硬 → 制机械零件 主要缺点 强度、刚度、硬度较低 蠕变大，耐热性差 易老化 聚乙烯薄膜——高压PE的典型制品 知识讲授：聚氯乙烯（PVC） 基本特性 最早工业化的塑料之一，使用温度 15～55℃ 耐化学腐蚀、不燃烧、成本低、易加工 缺点与注意 耐热性差，抗冲击强度低 有一定毒性，食品包装需专用配方 PVC给排水管材——建筑领域最常见的PVC制品 知识讲授：聚苯乙烯（PS） 性能特点 加工性能好，透明性佳 薄膜电绝缘性优良 发泡后密度极低，隔音、隔热、防震 应用与缺点 用途：电器零件、仪表包装、日用品、泡沫保温材料 缺点：脆性大、耐热性差、不耐油 EPS聚苯乙烯泡沫板——保温防震的典型制品 知识讲授：聚丙烯（PP） 性能特点 塑料中最轻的品种，密度仅约0.90 耐高温，可经受高温蒸汽消毒 绝缘性能优良，综合力学性能好 无毒，可用于药品和食品包装 缺点与应用 缺点：低温易脆化、易燃、光照下易老化 应用：机械零件、化工管道与容器、药品包装 PP化工储罐——耐酸碱腐蚀的典型应用 知识讲授：ABS 塑料 材料本质 ABS是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三元共聚物，集三种单体优点于一身。 性能与应用 被誉为"坚韧、质硬且刚性"的材料 成本低、综合性能好、易加工成型 可电镀、易表面防护处理 广泛用于机械、电器、汽车工业 ABS安全帽——坚韧质硬的典型工程塑料制品 知识讲授：聚酰胺（PA，尼龙） 性能优势 工程热塑性塑料的代表 强度高、硬度好 自润滑、耐磨、减震——可做无油润滑轴承和齿轮 缺点与应用 缺点：蠕变大、导热差、吸水后尺寸变化大 用途：小型机械零件、有色合金替代件 MC尼龙齿轮——自润滑耐磨的典型应用 知识讲授：工程塑料板块小结 缩写 名称 突出性能 典型用途 PE 聚乙烯 密度小、耐低温、绝缘好 薄膜、塑料袋、小零件 PVC 聚氯乙烯 耐腐蚀、不燃、成本低 管材、型材、电线外皮 PS 聚苯乙烯 透明、绝缘、发泡后轻质 泡沫保温、电器外壳 PP 聚丙烯 最轻、耐高温、可消毒 化工容器、药品包装 ABS ABS共聚物 坚韧质硬、综合性能好 外壳、头盔、汽车内饰 PA 聚酰胺（尼龙） 自润滑、耐磨、减震 齿轮、轴承、传动件 知识讲授：什么是复合材料？ 由两种或两种以上性质不同的材料组合而成。一种作为基体起连接作用，另一种作为增强材料承受载荷。 核心特点 保留各组分优点，产生单一材料不具备的新性能 强度高、弹性模量大 抗疲劳性能好、减震性能好 化学稳定性好、耐腐蚀 主要应用领域 机械零件、化工容器 船舶、汽车车身 大型发动机外壳 耐腐蚀构件、绝缘件 知识讲授：复合材料的分类 按用途分 结构复合材料——承受载荷，用于工程结构件 功能复合材料——具吸波、电磁、导热等特殊功能 按基体材料分 金属基复合材料 非金属基复合材料（用量最大，多以高聚物为基体） 按增强体特性分 纤维增强复合材料 颗粒增强复合材料 层状（叠层）复合材料 填充骨架型复合材料 本课程重点：纤维增强树脂基复合材料（玻璃钢等）、颗粒增强复合材料、叠层/夹层复合材料 知识讲授：纤维增强树脂基复合材料 什么是玻璃钢？ 玻璃纤维-树脂复合材料俗称"玻璃钢"。力学性能主要由纤维决定，树脂起粘接和保护作用。 分类与用途 热塑性玻璃钢：轴承、齿轮、仪表壳体 热固性玻璃钢：机器护罩、壳体、车船车身、化工容器与管道 玻璃钢型材——轻质高强的耐腐蚀结构材料 知识讲授：玻璃钢的前世今生 知识讲授：其他纤维增强树脂基复合材料 增强纤维 典型应用 碳纤维 运动器材、航空航天、机械、汽车工业 硼纤维 航空航天、军工领域 碳化硅纤维 航空航天高温部件 有机纤维 防弹衣、飞机机身、雷达罩、轻型舰艇 纤维增强陶瓷基 航天飞行器热防护部件 碳纤维复合材料自行车——轻而刚的运动器材 知识讲授：颗粒增强复合材料 增强原理：颗粒越细小，增强效果越好。颗粒直径小于 0.01～0.1 μm 时，称为弥散强化材料。 典型组合与用途 金属颗粒 + 塑料：可做轴承；含铅塑料可做 γ 射线屏蔽材料 陶瓷颗粒 + 金属：氧化物金属陶瓷 → 高速切削刀具、高温零件 碳化硅颗粒 → 切削刀具；碳化硼 → 耐高温零件 金属陶瓷切削刀片——陶瓷颗粒增强金属的典型产品 知识讲授：叠层与夹层复合材料 由两层或两层以上不同材料叠合热压而成。典型代表是蜂窝夹层结构：两层面板之间夹一层蜂窝芯。 结构特点与优势 面板承受弯曲和拉伸 蜂窝芯提供支撑、减轻重量 比强度高、比刚度大、隔音隔热 典型用于航空航天构件 铝蜂窝夹层板——两层面板夹蜂窝芯的典型结构 知识讲授：复合材料板块小结 复合材料 = 基体（连接保护）+ 增强体（承受载荷） 类型 典型材料 主要用途 玻璃纤维增强 玻璃钢（GFRP） 船体、车身、化工容器、轴承齿轮 碳纤维增强 CFRP 自行车、球拍、航空航天结构件 颗粒增强 金属陶瓷、弥散强化材料 切削刀具、高温零件、轴承 叠层/夹层 蜂窝夹层结构 飞机机翼、机身壁板 知识讲授：纳米材料：尺度带来的奇迹 定义 纳米结构材料的结构单元尺寸在 1～100 nm 范围内。 三大效应 小尺寸效应 表面与界面效应 量子尺寸效应 主要应用 催化、电子、环保、医药（靶向给药、疾病诊断）、纺织、机械零件表面涂层（耐磨、增硬、延寿） 纳米粉末——纳米材料的典型形态 知识讲授：超导材料：电阻为零的奇迹 基本特性 在临界温度 Tc 以下，电阻为零 完全排斥磁场（迈斯纳效应） 可无损耗传输大电流 主要应用 粒子加速器、医学诊断设备（MRI） 热核反应堆、磁悬浮列车 医院超导磁共振（MRI）——超导材料的大型医疗应用 知识讲授：软磁材料：来去自如的磁性 基本特性 低磁场下即可被强烈磁化 去掉外磁场后，磁性基本消失 典型应用 变压器铁芯、继电器、电磁铁 电机铁芯 典型材料：软磁铁氧体、硅钢片 硅钢片叠成的变压器铁芯——软磁材料的核心应用 知识讲授：形状记忆材料 记忆原理 高温下定形 → 低温下塑性变形 再次加热到一定温度 → 自动恢复高温时的原始形状 典型应用 仪表器件、航空航天构件 医疗器件（如血管支架） 能源开发 典型材料：镍钛（NiTi）形状记忆合金 镍钛形状记忆合金丝/支架——医疗植入的典型应用 知识讲授：非金属材料选用的四大原则 1 使用工况 零件工作状况、加工尺寸、质量要求 2 工艺条件 毛坯制造工艺、后续机械加工工艺 3 经济因素 材料价格、加工费用、材料利用率、供货情况 4 环境协调性 材料与周围环境的适配性，环保与可持续发展 核心原则：在满足使用要求的前提下，综合权衡工艺性、经济性和环保性，选择最合适的材料。 知识讲授：各类非金属材料的适用场景 材料类别 适用场景 塑料 比重小、易成型复杂零件；耐腐蚀、绝缘、减摩 → 普通机械零件、绝缘件 橡胶 弹性好、吸能 → 联轴器、减震器、密封件、传动胶带；硬橡胶做水润滑轴承衬 陶瓷 电热性好、硬度高 → 高硬度零件、绝缘件 复合材料 受力复杂、要求轻质高强 → 航空航天零件优先选用 橡胶密封圈——弹性密封件的典型 氧化铝陶瓷绝缘零件 传动部分 师生互动 讨论题：某化工厂需要设计一个耐腐蚀的大型储液罐，工作温度约60℃，要求轻质、不锈蚀。请从本节学过的材料中选出最合适的，并说明理由。 参考思路 候选1：PP（聚丙烯）储罐——耐酸碱、轻质、可焊接成型，适合60℃以下化工介质，成本较低 候选2：玻璃钢（FRP）储罐——耐腐蚀、强度更高、可制作大型容器，适合更大尺寸和压力 排除：金属材料——易腐蚀、重；排除：PVC——耐热仅到55℃，60℃超标 传动部分 知识点背诵 一、工程塑料 塑料以合成树脂为主要成分 热塑性：可反复加热成型；热固性：只能一次成型 PE：薄膜；PVC：管材；PS：泡沫；PP：容器；ABS：外壳；PA：齿轮 二、复合材料 组成：基体（连接）+ 增强体（承载） 玻璃钢 = 玻璃纤维 + 树脂 颗粒增强：越细效果越好，<0.1μm为弥散强化 蜂窝夹层：两层面板+蜂窝芯，航空航天用 三、新型材料 纳米材料：结构单元 1～100 nm 超导：临界温度下电阻为零，完全抗磁 软磁：易磁化易退磁；形状记忆：加热恢复原形 四、选用四原则 使用工况 → 工艺条件 → 经济因素 → 环境协调性 单项选择题 1. 下列塑料中，属于热固性塑料的是（　） A. 聚乙烯（PE） B. 聚丙烯（PP） C. 环氧树脂（EP） D. 聚酰胺（PA） 正确答案：C 环氧树脂是典型热固性塑料，成型后不能再加热软化；PE、PP、PA均为热塑性塑料。 课后练习 正确答案：B 聚酰胺（尼龙）具有自润滑、耐磨、减震的突出性能，是制造无油润滑齿轮和轴承的首选工程塑料。 课后练习 单项选择题 2. 制造无油润滑的耐磨齿轮，应优先选用的材料是（　） A. 聚乙烯（PE） B. 聚酰胺（PA，尼龙） C. 聚氯乙烯（PVC） D. 聚苯乙烯（PS） 单项选择题 3. 关于复合材料，下列说法正确的是（　） A. 复合材料中起连接作用的是增强体 B. 玻璃钢是由玻璃和钢复合而成的材料 C. 复合材料保留了各组分优点，产生单一材料不具备的新性能 D. 颗粒增强复合材料中，颗粒越粗增强效果越好 正确答案：C A错：基体起连接作用，增强体承载；B错：玻璃钢是玻璃纤维+树脂；D错：颗粒越细增强效果越好。 课后练习 题目：简述热塑性塑料与热固性塑料的区别，并各举两例。 课后练习 热塑性塑料： 加热软化熔化、冷却变硬;可反复加热成型、可回收 例：PE、PP、ABS、PA 热固性塑料： 成型后受热不软化、不熔化;温度过高会分解，只能一次成型 例：环氧树脂、酚醛树脂 课堂小结 1. 熟记本节课核心背诵知识点，能够独立默写塑料分类、复合材料特点、选材四大原则核心内容； 2. 完成课后拓展习题：整理对比PE、PVC、PP、ABS、尼龙五种常用工程塑料的优缺点及应用场景，制作对比表格； 3. 实操思考作业：结合生活和工业场景，列举3种非金属材料的实际应用案例，并简要说明选材依据； 课后作业 感谢观看 Lavf62.3.100 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $