当前位置： >>
金属材料与热处理-4
朱明工作室金属材料与热处理 ---7主讲: 朱明高级技师、经济师、工程师 高级技能专业教师 汽车维修高级考评员授人以鱼不如授人以渔模块八 有色金属朱明工作室金属元素除了铁、锰和铬之外，统称有色金属。有 色金属种类繁多，本模块仅介绍铜及铜合金、铝及铝合 金、轴承合金的分类、编号方法、性能特点及用途。授人以鱼不如授人以渔第三套人民币硬币 1元硬币： 铜镍合金 5角硬币：铜锌合金 2角硬币： 铜锌合金 1角硬币： 铜锌合金 第四套人民币硬币 1元硬币： 钢芯镀镍 5角硬币： 铜锌合金 1角硬币： 铝镁合金 第五套人民币硬币 1元硬币： 钢芯镀镍 5角硬币： 钢芯镀铜合金 1角硬币： 铝合金授人以鱼不如授人以渔朱明工作室新型合金之一储氢合金：朱明工作室 Ti- Fe 、La-Ni储氢合金可用于以H2为燃料的汽车钛
合金：亲生物金属人造骨头授人以鱼不如授人以渔新型合金之二形状记忆合金：朱明工作室 钛镍合金合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的
跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们 把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。形状记忆 效应可用下图所示的简单实验演示，原本弯弯曲曲的形状 记忆合金丝（a）经拉直后（b），只要放入盛有热水的烧 杯中，合金丝就会迅速恢复到和原来一摸一样的弯弯曲曲 的形状（c）。(a) 原始形状(b) 拉 直 授人以鱼不如授人以渔(c) 加热后恢复形状记忆合金不仅单次“记忆”能力几乎可达百分 之百，即恢复到和原来一模一样的形状，更可贵之处在 朱明工作室
于这种“记忆”本领即使重复500万次以上也不会产生 丝毫疲劳断裂。因此，形状记忆合金享有“永不忘本”、 “百折不挠”等美誉，被比作一个人应具有的永不变节、 坚贞不屈的精神和气节。 形状记忆合金（a）能撑起自重100倍以上的重量， 马达（b）的驱动力可达自重的50倍，而蚂蚁（c）和人 （d）则分别是20倍和2倍。（a）记忆合金（b）马 达 （c）蚂 蚁 授人以鱼不如授人以渔（d） 人实例：用钛-镍形状记忆合金制造的人造卫星天线 科学家用当时刚刚发现不久的形状记忆合金丝制成 朱明工作室
了如图a所示的抛物线形天线。在宇宙飞船发射之前， 首先将抛物面天线折叠成一个小球，如图b所示，这样 很容易就能装进宇宙飞船上的登月舱内。当登月舱在月 球上成功着陆后，只需利用太阳的辐射能对小球加温如 图c所示，折叠成球形的天线因具有形状 “ 记忆 ” 功能便会自然展开，恢复到原始的抛物面形状，如图d 所示 。授人以鱼不如授人以渔日，乘坐“阿波罗-11号”登月舱的美 朱明工作室 国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下的第一个人类的脚印，
谛听着这位勇士从月宫里传回的富于哲理的声音： “ 对我个人来说，这只是迈出的一小步；但对全人类 来说，这是跨了一大步 ”。阿姆斯特朗当时的图像和 声音就是通过形状记忆合金制成的天线从月球传输回地 面的。授人以鱼不如授人以渔实例：用钛-镍形状记忆合金制造的医用腔内支架的 应用原理示意朱明工作室（a）预压缩（b）受热扩张后（c）植入腔道内效果授人以鱼不如授人以渔实例：用钛-镍形状记忆合金在其它领域的应用 作为一类新兴的功能材料，形状记忆合金的很多新 朱明工作室
用途正不断被开发。记忆合金还可以制成任意变形的眼 镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加 热，就可以恢复原状。不久的将来，汽车的外壳也可以 用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加 加温就可恢复原状，既省钱又省力，实在方便。授人以鱼不如授人以渔任务一：选择材料制造汽车发动机散热器朱明工作室汽车发动机散热器的材料可选用导热性好的银、铜、 金、铝等，不过金和银的价格较高，而铝的延展性不如 铜，所以在生产中广泛使用铜合金。见下面的对比： 热传导系数的定义为：每单位长度、每度K（绝对 温度），可以传送多少瓦数的能量，单位为： “w/m?K”，该数值越大说明导热性能越好。 1.纯银导热系数为429。 2.纯铜导热系数为401； 黄铜导热系数为108.9/； 铍铜导热系数为195。 3.纯金导热系数为317。 4.纯铝导热系数为240。授人以鱼不如授人以渔朱明工作室战国初期的曾侯乙编钟（青铜器）授人以鱼不如授人以渔司母戊鼎是中国商代后期（约公元前16世纪至公元 前11世纪）王室祭祀用的青铜方鼎，日在 朱明工作室
河南省安阳市武官村一家的农地中出土，因其腹部著有 “司母戊”三字而得名，现藏中国国家博物馆。 司母戊鼎器型高大厚重，又称司母戊大方鼎，高 133厘米、口长110厘米、口宽79厘米、重832.84千克， 鼎腹长方形，上竖两只直耳（发现时仅剩一耳，另一耳 是后来据另一耳复制补上），下有四根圆柱形鼎足，是 中国目前已发现的最重的青铜器。该鼎是商王祖庚或祖 甲为祭祀其母所铸。授人以鱼不如授人以渔鼎为中国古代炊食器。中国鼎文化的起源可以一直 追溯到原始社会新石器时代，早在7000多年前就出现了 朱明工作室 陶制的鼎。而其真正的发展最高峰则出现在商朝和西周
时期，尤其是商代以鼎为代表的祭祀用容器的制作，盛 行于商周时期，延续到汉代。 在奴隶制鼎盛时代，被用作“别上下，明贵贱”， 是一种标明身份等级的重要礼器。文献记载：“天子九 鼎，诸侯七鼎，大夫五鼎，元士三鼎或一鼎”，又载 “铸九鼎，像九州”。又有成语一言九鼎、问鼎中原、 三足鼎立等。青铜鼎的前身是原始社会的陶鼎，本来是 日用的饮食容器，后来发展成祭祀天帝和祖先的“神 器”，并被笼罩上一层神秘而威严的色彩。在古代,鼎 是贵族身份的代表。典籍载有天子九鼎、诸侯七鼎、大 夫五鼎、元士三鼎或一鼎的用鼎制度。此外，鼎也是国 家政权的象征，《左传》有载：“桀有昏德，鼎迁于商； 商纣暴虐，鼎迁于周”。鼎大多为三足圆形，但也有四 足的方鼎。(司母戊鼎便是最负盛名的四足大方鼎)授人以鱼不如授人以渔司母戊鼎是商后期(约公元前十四世纪至公元前十 一世纪)铸品,原器1939年3月出土于河南安阳侯家庄武 朱明工作室 官村。此鼎形制雄伟，重达 832.84公斤，高133厘米、
口长110厘米、口宽79厘米，是迄今为止出土的最大最 重的青铜器。司母戊鼎初为乡人私自挖掘,出土后因过 大过重不易搬迁,私掘者又将其重新掩埋。司母戊鼎在 1946年6月重新出土。新中国成立后,于1959年入藏中国 历史博物馆。 此鼎器形庞大浑厚,其腹部铸有“司母戊”3字;是 商王祖庚或祖甲为祭祀其母所铸。司母戊鼎的鼎身和鼎 足为整体铸成,鼎耳是在鼎身铸好后再装范浇铸的。铸 造这样高大的铜器，所需金属料当在1000千克以上，且 必须有较大的熔炉。经测定,司母戊鼎含铜84.77%,锡 11.64%,铅2.79%，其他0.8%。与古文献记载制鼎的铜锡 比例基本相符。司母戊鼎充分显示出商代青铜铸造业的 生产规模和技术水平。授人以鱼不如授人以渔一.铜及铜合金 铜及其合金是人类应用最早的金属，目前工业上使用 朱明工作室
的主要有工业纯铜、黄铜、青铜。 1.工业纯铜纯铜呈玫瑰红色，因表面经常形成一层紫红色的氧化 物 ， 俗 称 紫 铜 、 电 解 铜 。 其 熔 点 为 1083℃ ， 密 度 为 8.96g/cm3，为面心立方晶格。纯铜的性能特点：具有很高的导电导热性，仅次于银； 化学稳定性高，抗大气腐蚀性好，无磁性，塑性好，但强 度低。牌号：工业纯铜牌号为T+顺序号，共有T1,T2, T3,T4； 序号越大，纯度越低（见下图）。授人以鱼不如授人以渔纯铜牌号纯度铋朱明工作室授人以鱼不如授人以渔2.黄铜 黄铜以锌为主要合金元素的铜基合金。它具有良好 朱明工作室
的力学性能、加工成形性、导电性和导热性，价格较低， 是有色金属中应用最广的金属材料。可分为普通和特殊 黄铜两类，按加工方式分为压力加工黄铜和铸造黄铜。授人以鱼不如授人以渔3.压力加工普通黄铜：也叫二元黄铜，是Cu-Zn二 元合金。根据含锌量，可分为（小于39％）单相（α ） 朱明工作室
黄铜和（39％～45％）双相（α ＋β ）黄铜两种。 ①α 相是锌溶于铜中的固溶体，溶解度随温度的下 降而增大，为面心立方晶格，塑性好，可冷热加工。 ②α ＋β 相是以电子化合物CuZn为基的固溶体，室 温下较脆，但加热到450℃以上时，塑性良好。其性能 随锌含量增加，起初强度和塑性都提高，而后由于出现 了β 相，强度继续升高，但塑性下降，直至全部为β 相 时，强度塑性急剧下降，如下页图所示。 其牌号为H+铜的名义质量分数，如H62。而H70、 H68又称为三七黄铜，因强度高，塑性好常用来制作枪 弹壳和炮弹筒，有“弹壳黄铜”之称。授人以鱼不如授人以渔?伸长率?b抗拉强度朱明工作室黄铜的机械性能与含锌量的关系授人以鱼不如授人以渔朱明工作室单相黄铜的显微组织双相黄铜的显微组织授人以鱼不如授人以渔4.压力加工特殊黄铜：在铜锌二元合金的基础上加 入其它合金元素组成的多元合金。常加入锡、硅、铅、 朱明工作室
铝、锰等，称为锡黄铜、硅黄铜、铅黄铜，铝黄铜。锡能显著提高耐蚀性，主要用于船舶及汽车的零件；铅能改善切削加工性能，提高耐磨性，故铅黄铜用 于钟表零件； 硅能显著提高黄铜的机械性能、耐蚀性，具良好铸 造性能，用于船舶及化工零件。其牌号为H+主加元素符号+铜及各合金元素的名义 质量分数，如HPb59-1。授人以鱼不如授人以渔5.铸造黄铜：采用铸造方法来生产的黄铜。其代号 为ZCu+合金元素1的化学符号及其名义质量分数，如： 朱明工作室
ZCuZn38、ZCuZn40Pb2等。授人以鱼不如授人以渔6.青铜除 黄 铜 、 白 铜 以 外 的 铜 合 金 均 称 为朱明工作室 青铜。
工业上常用的有锡青铜、铝青铜、铍青铜等。一般都有高 的耐蚀性、较高的导电导热性及良好的切削加工性。分为 压力加工青铜，代号为Q+第一个主加元素的化学符号及其 名义质量分数-数字（其它合金元素的名义质量分数）， 如QSn4-3表示含锡4％，含锌3％。 铸造青铜，代号为ZCu+合金元素1的化学符号及其名 义 质 量 分 数 + 合 金 元 素 2 及 其 名 义 质 量 分 数 +?? 如 ZCuSn10Zn2。授人以鱼不如授人以渔①锡青铜：以锡为主要添加元素的铜基合金。耐蚀、 耐磨、强度高、弹性好，常用牌号有QSn4-3等，用于弹簧、 朱明工作室
轴瓦、衬套等耐磨零件。 ②铝青铜：以铝为主要合金元素的铜基合金。它有良 好的力学性能，耐蚀、耐磨，有良好的铸造性能，受冲击 无火花。常用牌号有QAl9-4，QAl5等，用于轴套、齿轮、 蜗轮、管路配件等。③铍青铜：以铍为主要合金元素的铜基合金。有很高 的强度、硬度疲劳极限和弹性极限，耐蚀、耐热、无磁性、 导电导热性好，受冲击无火花，冷热加工，铸造性能均好。 常用牌号有QBe2，主要用于制作高级精密的弹性元件，如 弹簧、膜片。特殊要求的耐磨零件，如钟表的齿轮和发条， 高速高温高压下的轴承、衬套。授人以鱼不如授人以渔朱明工作室授人以鱼不如授人以渔7.本任务的结论（课本P129）： 根据对铜合金性能特点及主要用途的分析，依据发 朱明工作室
动机散热器使用性能要求，最好选用普通黄铜制造，例 如H68。授人以鱼不如授人以渔任务二：选择铝合金制造内燃机活塞朱明工作室发动机活塞是发动机上除了火花塞之外，工作环境 最恶劣的了。要求在高温条件下，承受无限次的周期变 速载荷，要求其质量轻，又要强度高，还要耐腐蚀，因 此选择材料的范围很窄。 纯铝虽然导热性好，密度小，但强度很低，显然不 是首选。但是，在纯铝中加入硅、铜、镁、锌、锰等合 金元素，再经过冷变形和热处理之后，情况就改观了。 下面先介绍纯铝。授人以鱼不如授人以渔1.工业纯铝其熔点为660.37℃
方 晶 格 ， 呈 银 白 色 。 强 度 （ 80～100MPa ） 和 硬 度 (20HBS)很低，塑性(80％)很高，有良好的导热导电 性。工业纯铝为L1-L7，其顺序数越大，纯度越低。朱明工作室 3 ，为面心立 ，密度为2.7g/cm授人以鱼不如授人以渔2.铝合金的分类及用途：朱明工作室 根据铝合金的成分以及生产工艺特点，铝合金可分为
形变铝合金和铸造铝合金。铝合金的一般类型相图如图所 示，在D点以左的合金，在加热到DF线以上时，得到单相 固溶体组织，塑性好，适于压力加工，故称形变铝合金； 成分在F点以左的合金，冷却时组织不随温度变化，故不 能热处理强化，因而称为热处理不能强化铝合金；在D点 以右为铸造铝合金。授人以鱼不如授人以渔铝合金状态图的一般类型①形变铝合金：朱明工作室 在加热时能形成单相的固溶体，塑性很好，适于冷热
压力加工的铝合金。又可分为：热处理不能强化的铝合金 和热处理能强化的铝合金。②铸造铝合金：含有低熔点的共晶体，液态流动性较高，适于铸造的 铝合金。它具有良好的力学性能，抗蚀性及良好的工艺性 能。而且生产工艺较为简便，成本较低。用途较广。其合 金代号为ZL+三位数字，第一位为合金系，1位铝硅系，2 位铝铜系，3位铝镁系，4位铝锌系（所谓的“1硅2铜3镁4 锌”），后两位为顺序号。授人以鱼不如授人以渔形变铝合金朱明工作室授人以鱼不如授人以渔铸造铝合金朱明工作室授人以鱼不如授人以渔朱明工作室授人以鱼不如授人以渔3.铝合金的热处理 铝合金的热处理与钢不同。正如上述所说，铝合金 朱明工作室
的热处理强化是通过固溶强化和时效强化达到的，即将 合金元素含量在加热到α 相区的某一温度，经保温后迅 速水冷，在室温下得到过饱和的α 固溶体，这种淬火称 为固溶处理。 淬火后的铝合金硬度并不高，但在室温下放置或低 温加热后，强度和硬度明显提高，塑性下降，这种现象 称为时效。经固溶处理后铝合金随时间发生的强化现象 称为时效强化。在室温下进行的时效称为自然时效，在 加热条件下（固溶温度与室温之差的15％到25％）进行 的时效称为人工时效。 请看课本P136的图：铝合金经过2个小时的孕育期 而逐渐强化起来。授人以鱼不如授人以渔固溶时效处理是有色金属材料如铝合金、钛合金、 高温合金，以及少量钢铁材料如不锈钢以及耐热钢等的最 朱明工作室
重要的强化处理手段。待处理的有色金属铸件授人以鱼不如授人以渔共析钢和铝合金淬火时的组织变化比较示意图朱明工作室授人以鱼不如授人以渔硅铝明 ――典型的牌号为ZL10x朱明工作室Al-Si合金(未变质处理)组织Al-Si合金(变质处理后)组织授人以鱼不如授人以渔4.本任务的结论（课本P135)： 为满足内燃机活塞的使用性能，应选用铸造铝硅合 朱明工作室
金或铸造铝铜合金，如ZL108、ZL201等。授人以鱼不如授人以渔任务三：选择材料制造车床主轴轴承朱明工作室车床主轴轴承是滑动轴承，其材料是轴承合金。所 谓轴承合金，即制造滑动轴承轴瓦和内衬的材料。 生产中常用的轴承合金种类较多，性能有很大差异， 使用场合也有所不同。滑动轴承在工作时，承受一定的 交变载荷及较大的压力，并与轴之间产生强烈的摩擦。 为保证车床主轴的平稳运转，确保轴颈受到最小的 磨损，延长主轴的使用寿命，应合理选用轴承合金。授人以鱼不如授人以渔1.轴承朱明工作室 轴承是用来支承轴及轴上零件、保持轴的旋转精度和
减少转轴与支承之间的摩擦和磨损。轴承一般分为两大类： 滚动轴承和滑动轴承。滚动轴承有着一系列优点广泛应用。 但是在高速、高精度、重载、特别是结构上要求剖分等场 合下，滑动轴承就体现出它的优异性能。因而在汽轮机、 离心式压缩机、内燃机、大型电机中多采用滑动轴承。此 外，在低速而带有冲击的机器中，如发电厂的磨煤机、水泥球磨机、滚筒清砂机、破碎机等也采用滑动轴承。授人以鱼不如授人以渔2.润滑状态 滑动润滑的目的是在摩擦表面之间形成低剪切强度 朱明工作室
的润滑膜，用它来减少摩擦阻力和降低材料磨损，润滑 膜可以是由液体或气体组成的流体膜或者固体膜。 根据润滑膜的形成原理和特征，润滑状态可以分为： （1）流体动压润滑； （2）液体静压润滑； （3）弹性流体动压润滑； （4）薄膜润滑； （5）边界润滑； （6）干摩擦状态。 （见下页表）授人以鱼不如授人以渔朱明工作室授人以鱼不如授人以渔各种润滑状态所形成的润滑膜厚度不同，但是单纯由 润滑膜的厚度还不能准确地判断润滑状态，尚须与表面粗 朱明工作室
糙度进行对比。下页的图列出润滑膜厚度与粗糙度的数量 级。只有当润滑膜厚度足以超过两表面的粗糙峰高度时， 才有可能完全避免峰点接触而实现全膜流体润滑。对于实 际机械中的摩擦副，通常总是几种润滑状态同时存在，统 称为混合润滑状态。授人以鱼不如授人以渔朱明工作室润滑膜厚度与粗糙度高度授人以鱼不如授人以渔3.建立油膜的条件 一般认为，混合润滑是建立油膜，必须要有四个条 朱明工作室 件：①需要润滑的两个零件要处在运动状态； ②两个零件的进油口要有一个锲角； ③润滑油要有一定的黏度； ④要有足够的润滑油。授人以鱼不如授人以渔4.滑动润滑的微观分析：朱明工作室授人以鱼不如授人以渔朱明工作室磨损的轴瓦 典型的锡基巴氏合金授人以鱼不如授人以渔5.典型磨损过程朱明工作室授人以鱼不如授人以渔6.轴承合金的性能 综上所述，对轴承合金提出如下的要求： 朱明工作室
①足够的强度； ②摩擦系数小，耐磨性好； ③足够的塑性和韧性，较高的疲劳强度； ④良好的磨合性； ⑤轴瓦和轴颈的结合表面应有微孔； ⑥良好的导热性，较小的膨胀系数和一定的耐蚀性。 下页图为常用轴承合金的牌号、性能。授人以鱼不如授人以渔朱明工作室授人以鱼不如授人以渔7.本任务的结论（课本P140) 根据上述分析，依据车床主轴轴承的性能要求和工 朱明工作室
作特点，最好选取锡基轴承合金制造，如ZSnSb11Cu6。授人以鱼不如授人以渔8.简介钛及钛合金 钛及钛合金具有良好的综合机械性能。其突出的特 朱明工作室
点是比强度很高。且具有较高的耐热性和优良的耐蚀性。 钛合金广泛用于航天、航空和热能、化工工业。 钛合金常分为（?）钛合金、（?）钛合金和（?+ ?）钛合金三种。常用（?）钛合金和（?+ ?）钛合金。授人以鱼不如授人以渔钛的另一个显著特点是耐腐蚀性强，这是由于它对 氧的亲合力特别大，能在其表面上生成一层致密的氧化 朱明工作室
膜，可保护钛不受介质腐蚀。金属钛在大多数水溶液中， 都能在表面生成钝化氧化膜。因此，钛在酸性、碱性、 中性盐水溶液中和氧化性介质中具有很好的稳定性，比 现有的不锈钢和其它有色金属的耐腐蚀性都好，甚至可 与铂比美。 但是，如果在某种介质中，能连续溶解钛表面氧化 膜时，则钛在这种介质中便会受到腐蚀。例如，钛在氢 氟酸、浓的或热的盐酸、硫酸和磷酸中，由于这些溶液 溶解钛表面氧化膜，所以钛被腐蚀。如果在这些溶液中 加入氧化剂或某些金属离子时，则钛表面氧化膜便会受 到保护，此时钛的稳定就趋于增加。授人以鱼不如授人以渔钛及其合金的比强度（强度与重量比）在金属结构 材料中是很高的，它的强度与钢材相当，但其重量仅为 朱明工作室
钢材的57%。另外，钛及其合金的耐热性很强，在500℃ 的大气中仍能保持良好的强度和稳定性，短时间工作温 度甚至还可更高些。 而铝在150℃，不锈钢在310℃，就失去原有的机械 性能。当飞机、导弹、火箭高速飞行时，其发动机和表 面温度相当高，铝合金已不能胜任，应用钛合金是十分 合适的。正是由于钛及其合金具有强度大、重量轻、耐 热性强的综合优良性能，在飞机制造中用它来代替其它 金属时，不仅可延长飞机的使用寿命，而且可以减轻其 重量，从而大大提高其飞行性能。所以，钛是航空工业 和宇宙航空工业中最有前途的结构材料之一。授人以鱼不如授人以渔钛及其合金在航空工业中主要用于制造飞机发动机 和机身。一般来讲，马赫数小于2的飞机，其发动机使 朱明工作室
用一部分钛及其合金，机身一般用铝合金。马赫数为2 （即M＝2）的飞机，其发动机用钛量增加，而且机身也 部分需要用钛。M3.5的飞机，其发动机入口温度已很 高，就不能用钛合金而需用超级合金了，但其机身用钛 量则显著增加。钛及其合金还具有良好的耐低温性能， 即使在-250℃的超低温下，它仍具有较高的冲击强度， 可耐高压抗震动。因此，钛及其合金在火箭、导弹和宇 宙飞船上不仅用于制造发动机外壳和结构部件，而且用 于制造高压容器，如高压气瓶、低温液态燃料箱等。另 外，钛及其合金在原子能反应堆和军用武器上都有应 用。授人以鱼不如授人以渔朱明工作室授人以鱼不如授人以渔朱明工作室金属材料与热处理 ---8主讲: 朱明高级技师、经济师、工程师 高级技能专业教师 汽车维修高级考评员授人以鱼不如授人以渔模块九 非金属材料朱明工作室非金属材料的分类有多种，下页是其中一种。 我对非金属材料知之不多，在新科技面前，有时可 能连塑料和橡胶都分不清；只是凭着有不断看书学习的 兴趣和工作经验，了解其中一二，诉诸以下，与大家共 同学习。授人以鱼不如授人以渔朱明工作室授人以鱼不如授人以渔任务一：明确高分子材料的特点及应用朱明工作室高分子材料又称为高聚物即高分子（大分子量）聚 合物。聚合者，采用聚合的方法生产出来。通常，高聚 物根据机械性能和使用状态可分为橡胶、塑料、合成纤 维、胶粘剂和涂料等五类。各类高聚物之间并无严格的 界限，同一高聚物，采用不同的合成方法和成型工艺， 可以制成塑料，也可制成纤维，比如尼龙就是如此。而 象聚氨酯一类的高聚物，在室温下既有玻璃态性质，又 有很好的弹性，所以很难说它是橡胶还是塑料。授人以鱼不如授人以渔一、塑料 按照应用范围，塑料分为三种。 朱明工作室 1．通用塑料
通用塑料主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、 聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料等六大品种。这一类塑料 的特点是产量大、用途广、价格低，它们占塑料总产量 的3/4以上，大多数用于日常生活用品。其中，以聚乙 烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯这四大品种用途最广 泛。 （1）聚乙烯（PE） 生产聚乙烯的原料均来自于石油或天然气，它是塑 料工业产量最大的品种。聚乙烯的相对密度小（0.91～ 0.97），耐低温，电绝缘性能好，耐蚀性好。高压聚乙 烯质地柔软，适于制造薄膜；低压聚乙烯质地坚硬，可 作一些结构零件。聚乙烯的缺点是强度、刚度、表面硬 度都低，蠕变大，热膨胀系数大，耐热性低，且容易老 化。授人以鱼不如授人以渔（2）聚氯乙烯（PVC） 聚氯乙烯是最早工业生产的塑料产品之一，产量仅 朱明工作室 次于聚乙烯，广泛用于工业、农业和日用制品。聚氯乙
烯耐化学腐蚀、不燃烧、成本低、加工容易；但它耐热 性差冲击强度较低，还有一定的毒性。聚氯乙烯要用于 制作食品和药品的包装，必须采用共聚和混合的方法改 进，制成无毒聚氯乙烯产品。 （3）聚苯乙烯（PS） 聚苯乙烯是三十年代的老产品，目前是产量仅次于 前两者的塑料品种。它有很好的加工性能，其薄膜具有 优良的电绝缘性，常用于电器零件；它的发泡材料相对 密度小（0.33），有良好的隔音、隔热、防震性能，广 泛应用于仪器的包装和隔音材料。聚苯乙烯易加入各种 颜料制成色彩鲜艳的制品，用来制造玩具和各种日用器 皿。授人以鱼不如授人以渔（4）聚丙烯（PP） 聚丙烯工业化生产较晚，但因其原料易得，价格便 朱明工作室
宜，用途广泛，所以产量剧增。它的优点是相对密度小， 是塑料中最轻的，而它的强度、刚度、表面硬度都比PE 塑料大；它无毒，耐热性也好，是常用塑料中唯一能在 水中煮沸、经受消毒温度（130℃）的品种。但聚丙烯 的粘合性、染色性、印刷性均差，低温易脆化，易受热、 光作用而变质，且易燃，收缩大。聚丙烯有优良的综合 性能，目前主要用于制造各种机械零件，如法兰、齿轮、 接头、把手、各种化工管道、容器等，它还被广泛用于 制造各种家用电器外壳和药品、食品的包装等。授人以鱼不如授人以渔（5）聚苯醚（PPO） 聚苯醚是线型、非结晶的工程塑料，具有很好的综 朱明工作室
合性能。它的最大特点是使用温度宽（－190℃～ 190℃），达到热固性塑料的水平；它的耐摩擦磨损性 能和电性能也很好，还具有卓越的耐水、蒸汽性能。所 以聚苯醚主要用作在较高温度下工作的齿轮、轴承、凸 轮、泵叶轮、鼓风机叶片、水泵零件、化工用管道、阀 门以及外科医疗器械等。 （6）聚砜（PSF） 砜是硫酰基与烃基或芳香基结合成的有机化学物。 聚砜是分子链中具有硫键的透明树脂，具有良好的综合 性能，它耐热性、抗蠕变性好，长期使用温度为 150℃～174℃，脆化温度为－100℃。广泛应用于电器、 机械设备、医疗器械、交通运输等。授人以鱼不如授人以渔简介聚砜 聚砜是分子主链中含有链节的热塑性树脂，（简称 朱明工作室
PSF或PSU）有聚芳砜和聚醚砜二种。 PSF是略带琥珀色非晶型透明或半透明聚合物，力 学性能优异，刚性大，耐磨、高强度，即使在高温下也 保持优良的机械性能是其突出的优点，其范围为为-100 ～150℃, 长期使用温度为160℃,短期使用温度为 190℃,热稳定性高,耐水解,尺寸稳定性好,成型收缩率 小, 无毒,耐辐射,耐燃,有熄性。在宽广的温度和频率 范围内有优良的电性能。化学稳定性好，除浓硝酸、浓 硫酸、卤代烃外，能耐一般酸、碱、盐，在酮、酯中溶 胀。耐紫外线和耐候性较差。耐疲劳强度差是主要缺点。 PSF成型前要预干燥至水份含量小于0.05％。PSF可进行 注塑、模压、挤出、热成型、吹塑等成型加工，熔体粘 度高，控制粘度是加工关键，加工后宜进行热处理，消 除内应力。可做成精密尺寸制品。授人以鱼不如授人以渔（7）聚四氟乙烯（F－4） 聚四氟乙烯是氟塑料中的一种，具有很好的耐高、 朱明工作室 低温，耐腐蚀等性能。聚四氟乙烯几乎不受任何化学药
品的腐蚀，它的化学稳定性超过了玻璃、陶瓷、不锈钢， 甚至金、铂，俗称“塑料王”。由于聚四氟乙烯的使用 范围广，化学稳定性好，介电性能优良，自润滑和防粘 性好，所以在国防、科研和工业中占有重要地位。 （8）有机玻璃（PMMA） 有机玻璃的化学名称是“聚甲基丙烯酸甲酯”。它 是目前最好的透明材料，透光率达到92%以上，比普通 玻璃好，且相对密度小（1.18），仅为玻璃的一半。有 机玻璃有很好的加工性能，常用来制作飞机的座舱、弦 舱，电视和雷达标图的屏幕，汽车风挡，仪器和设备的 防护罩，仪表外壳，光学镜片等。有机玻璃的缺点是耐 磨性差，也不耐某些有机溶剂。授人以鱼不如授人以渔简介“塑料王” 聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物。英文缩写为PTFE。 朱明工作室
商品名为“特氟隆” 。被美誉为“塑料之王”。聚四 氟乙烯广泛应用于各种需要抗酸碱和有机溶剂的,它本 身对人没有毒性，但是在生产过程中使用的原料之一全 氟辛酸铵(PFOA)被认为可能具有致癌作用。 聚四氟乙烯相对分子质量较大，低的为数十万，高 的达一千万以上，一般为数百万。一般结晶度为90～95 ％，熔融温度为327～342℃。聚四氟乙烯分子中CF2单 元按锯齿形状排列，由于氟原子半径较氢稍大，所以相 邻的CF2单元不能完全按反式交叉取向，而是形成一个 螺旋状的扭曲链，氟原子几乎覆盖了整个高分子链的表 面。这种分子结构解释了聚四氟乙烯的各种性能。温度 低于19℃时，形成13／6螺旋；在19℃发生相变，分子 稍微解开，形成15／7螺旋。 授人以鱼不如授人以渔虽然在全氟碳化合物中碳-碳键和碳-氟键的断裂需 要分别吸收能量346.94kJ／mol和484.88kJ／mol，但聚 朱明工作室
四氟乙烯解聚生成1mol（摩尔升)四氟乙烯仅需能量 171.38kJ。所以在高温裂解时，聚四氟乙烯主要解聚为 四氟乙烯。聚四氟乙烯在260℃ 、370℃和420℃时的失 重速率（％）每小时分别为1×10-4、4×10-3和9×10-2。 可见，聚四氟乙烯可在 260℃长期使用。由于高温裂解 时还产生剧毒的副产物氟光气和全氟异丁烯等，所以要 特别注意安全防护并防止聚四氟乙烯接触明火。授人以鱼不如授人以渔①力学性能： 它的摩擦系数极小，仅为聚乙烯的1／5，这是全氟 朱明工作室
碳表面的重要特征。又由于氟-碳链分子间作用力极低， 所以聚四氟乙烯具有不粘性。 它在250℃的温度下不熔化，在-260℃的超低温中 不发脆。聚四氟乙烯光滑异常，连冰都比不过它；它绝 缘性能特别好，报纸厚的一层薄膜，便足以抵挡1500V 的高压电。 聚四氟乙烯在-196～260℃的较广温度范围内均保 持优良的力学性能，全氟碳高分子的特点之一是在低温 不变脆。授人以鱼不如授人以渔②耐化学腐蚀和耐候性： 除熔融的碱金属外，聚四氟乙烯几乎不受任何化学 朱明工作室
试剂腐蚀。例如在浓硫酸、硝酸、盐酸，甚至在王水中 煮沸，其重量及性能均无变化，也几乎不溶于所有的溶 剂，只在300℃以上稍溶于全烷烃（约0.1g／100g）。 聚四氟乙烯不吸潮，不燃，对氧、紫外线均极稳定，所 以具有优异的耐候性。授人以鱼不如授人以渔③电性能： 聚四氟乙烯在较宽频率范围内的介电常数和介电损 朱明工作室
耗都很低，而且击穿电压、体积电阻率和耐电弧性都较 高。 ④耐辐射性能： 聚四氟乙烯的耐辐射性能较差（104拉德），受高 能辐射后引起降解，高分子的电性能和力学性能均明显 下降。授人以鱼不如授人以渔可降解塑料的降解过程朱明工作室初放时1个月2个月2.5个月3个月授人以鱼不如授人以渔2．工程塑料 工程塑料是指能作为结构材料在机械设备和工程结 朱明工作室
构中使用的塑料。它们的机械性能较好，耐热性和耐腐 蚀性也比较好，是当前大力发展的塑料品种。这类塑料 主要有：聚酰胺、聚甲醛、有机玻璃、聚碳酸酯、ABS 塑料、聚苯醚、聚砜、氟塑料等。 （1）聚酰胺（PA） 聚酰胺又叫尼龙或锦纶，是最先发现能承受载荷的 热塑性塑料，在机械工业中应用比较广泛。它的机械强 度较高，耐磨、自润滑性好，而且耐油、耐蚀、消音、 减震，大量用于制造小型零件，代替有色金属及其合金。授人以鱼不如授人以渔（2）聚甲醛（POM） 甲醛是没有侧链、高密度、高结晶性的线型聚合物， 朱明工作室
性能比尼龙好，但耐候性较差。聚甲醛按分子链化学结 构不同分为均聚甲醛和共聚甲醛。 聚甲醛（ POM ）是一种性能优良的工程塑料，在 国外有“超钢”之称。 POM具有类似金属的硬度、强度 和钢性，在很宽的温度和湿度范围内都具有很好的自润 滑性、良好的耐疲劳性，并富于弹性，此外它还有较好 的耐化学品性。POM以低于其他许多工程塑料的成本， 正在替代一些传统上被金属所占领的市场，如替代锌、 黄铜、铝和钢制作许多部件，自问世以来，POM已经广 泛应用于电子电气、机械、仪表、日用轻工、汽车、建 材、农业等领域。在很多新领域的应用，如医疗技术、 运动器械等方面，POM也表现出较好的增长态势。授人以鱼不如授人以渔（3）聚碳酸酯 聚碳酸酯是新型热塑性工程塑料，品种很多，工程 朱明工作室 上常用的是芳香族聚碳酸酯，其综合性能很好，近年来
发展很快，产量仅次于尼龙。聚碳酸酯的化学稳定性也 很好，能抵抗日光、雨水和气温变化的影响，它的透明 度高，成型收缩率小，制件尺寸精度高，广泛应用于机 械、仪表、电讯、交通、航空、光学照明、医疗器械等 方面。如波音747飞机上就有2500个零件用聚碳酸酯制 造，其总重量达二吨。 （4）ABS塑料 ABS是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种组元所组成， 三个单体量可以任意变化，制成各种品级的树脂。ABS 具有三种组元的共同性能，丙烯腈使其耐化学腐蚀，有 一定的表面硬度，丁二烯使其具有韧性，苯乙烯使其具 有热塑性苏联的加工特性，因此ABS是具有“坚韧、质 硬、刚性”的材料。ABS塑料性能好，而且原料易得， 价格便宜，所以在机械加工、电器制造、纺织、汽车、 飞机、轮船、化工等工业中得到广泛应用。授人以鱼不如授人以渔简介尼龙的历史： 人们对尼龙并不陌生，在日常生活中尼龙制品比比 朱明工作室
皆是，但是知道它历史的人就很少了。尼龙是世界上首 先研制出的一种合成纤维。 二十世纪初，企业界搞基础科学研究还被认为是一 种不可思议的事情。1926年美国最大的工业公司－杜邦 公司的出于对基础科学的兴趣，建议该公司开展有关发 现新的科学事实的基础研究。1927年该公司决定每年支 付25万美元作为研究费用，并开始聘请化学研究人员， 到1928年杜邦公司成立了基础化学研究所，年仅32岁的 卡罗瑟斯（)博士受聘担任该所有机化学部 的负责人。授人以鱼不如授人以渔卡罗瑟斯，美国有机化学家。日出生 于美国爱荷华州威尔明顿。日卒于美国费 朱明工作室
城。1924年获伊利诺伊大学博士学位后，先后在该大学 和哈佛大学担任有机化学的教学和研究工作。1928年应 聘在美国杜邦公司设于威尔明顿的实验室中进行有机化 学研究。他主持了一系列用聚合方法获得高分子量物质 的研究。 1935年以己二酸与己二胺为原料制得聚合物，由于 这两个组分中均含有6个碳原子，当时称为聚合物66。 他又将这一聚合物熔融后经注射针压出，在张力下拉伸 称为纤维。这种纤维即聚酰胺66纤维，1939年实现工业 化后定名为耐纶（Nylon），是最早实现工业化的合成 纤维品种。授人以鱼不如授人以渔尼龙的合成奠定了合成纤维工业的基础，尼龙的出 现使纺织品的面貌焕然一新。用这种纤维织成的尼龙丝 朱明工作室
袜既透明又比丝袜耐穿，日杜邦公在总部 所在地公开销售尼龙丝长袜时引起轰动，被视为珍奇之 物争相抢购，人们曾用“象蛛丝一样细，象钢丝一样强， 象绢丝一样美”的词句来赞誉这种纤维，到1940年5月 尼龙纤维织品的销售遍及美国各地。 从第二次世界大战爆发直到1945年，尼龙工业被转 向制降落伞、飞机轮胎帘子布、军服等军工产品。由于 尼龙的特性和广泛的用途，第二次世界大战后发展非常 迅速，尼龙的各种产品从丝袜、衣着到地毯，渔网等， 以难以计数的方式出现，是三大合成纤维之一。授人以鱼不如授人以渔简介聚碳酸酯PC 是一种无色透明的无定性热塑性材料。耐酸，耐 朱明工作室
油，不耐紫外光，不耐强硷。 抗冲击，阻燃，在普通 使用温度内都有良好的机械性能。 聚碳酸酯的耐冲击性能好，折射率高，加工性能 好，不需要添加剂就具有阻燃性能。但是与聚甲基丙 烯酸甲酯（有机玻璃）相比，聚碳酸酯价格较低，并 可通过本体聚合的方法生产大型的器件。随着聚碳酸 酯生产规模的日益扩大，聚碳酸酯与有机玻璃之间的 价格差异在日益缩小。 但是，聚碳酸酯的耐磨性差。一些用于易磨损用 途的聚碳酸酯器件需要对表面进行特殊处理。授人以鱼不如授人以渔生产与应用：聚碳酸酯是日常常见的一种材料。 由于其无色透明和优异的抗冲击性，日常常见的应用有 朱明工作室
光碟，眼睛片，水瓶，防弹玻璃，护目镜、银行防子弹 之玻璃、车头灯等等。聚碳酸酯还被用来制作登月太空 人的头盔面罩。苹果公司的ipod音乐播放器和ibook笔 记本电脑外壳也使用聚碳酸酯制作。 由于它的清晰和韧性，食物贮存器具制造商喜欢聚 碳酸酯纤维。当与矽土玻璃比较，聚碳酸酯器具较轻和 不易碎的突出优点。目前，聚碳酸酯纤维多用于一次性 塑料水瓶和重用塑料水瓶。授人以鱼不如授人以渔简介ABS塑料 化学名称：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。 朱明工作室
比重：1.05克/厘米3， 成型收缩率:0.4-0.7％。 成型温度：200-240℃，干燥条件：80-90℃ 2小时。特点： 1.综合性能较好,冲击强度较高,化学稳定性,电性 能良好. 2.与有机玻璃的熔接性良好,制成双色塑件,且可表 面镀铬,喷漆处理。 3.有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明等级别。 4.流动比PMMA、PC等好，柔韧性好。 用途：适于制作一般机械零件,减磨耐磨零件,传动 零件和电讯零件。授人以鱼不如授人以渔朱明工作室授人以鱼不如授人以渔4．特种塑料 具有某些特殊性能，满足某些特殊要求的塑料。这 朱明工作室
类塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要的场合，如医 用塑料等。 下图是注射机。授人以鱼不如授人以渔塑料件的成形 塑料按其成形本质不同而分为热塑性塑料和热固性塑 朱明工作室
料。所采用的成形方法也不同。 热塑性塑料的成形方法主要有注射成型、挤出成型 、压延成型和吹塑成型等工艺方法。 下面是注射成型原理示意图授人以鱼不如授人以渔二、橡胶 橡胶是具有高弹性的轻度交联的线型高聚物，它们 朱明工作室 在很宽的温度范围内处于高弹态。一般橡胶在－40℃～
80℃范围内具有高弹性，某些特种橡胶在－100℃的低 温和200℃高温下都保持高弹性。橡胶的弹性模数很低， 只有1MN/m2，在外力作用下变形量可达100％～1000％， 外力去除又很快恢复原状。橡胶有优良的伸缩性，良好 的储能能力和耐磨、隔音、绝缘等性能，广泛用于制作 密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等制品。 纯弹性体的性能随温度变化很大，如高温发粘，低 温变脆，必须加入各种配合剂，经加温加压的硫化处理， 才能制成各种橡胶制品。硫化剂加入量大时，橡胶硬度 增高。硫化前的橡胶称为生胶，硫化后的橡胶有时也称 为橡皮。授人以鱼不如授人以渔橡胶成形工艺 大多数橡胶制品为模塑制品，一般按以下流程加工 朱明工作室
成形，也可以用挤出、注射等工艺成形。授人以鱼不如授人以渔三、合成纤维 凡能保持长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝 朱明工作室 状的高分子材料称为纤维，包括有天然纤维和化学纤维。
其中，化学纤维又分为人造纤维和合成纤维。人造纤维 是用自然界的纤维加工制成，如叫“人造丝”、“人造 棉”的粘胶纤维和硝化纤维、醋酸纤维等。合成纤维以 石油、煤、天然气为原料制成，发展很快。 涤纶又叫的确良，高强度、耐磨、耐蚀、易洗快干， 是很好的衣料。 尼龙在我国称为锦纶，强度大、耐磨性好、弹性好， 主要缺点是耐光性差。 腈纶在国外称为奥纶、开司米纶，它柔软、轻盈、保暖， 有人造羊毛之称。 维纶的原料易得，成本低，性能与棉花相似且强度 高，缺点是弹性较差，织物易皱。 丙纶是后起之秀，发展快，纤维以轻、牢、耐磨著 称， 缺点是可染性差，日晒易老化。授人以鱼不如授人以渔朱明工作室授人以鱼不如授人以渔四、合成胶粘剂 胶粘剂统称为胶，它以粘性物质为基础，并加入各 朱明工作室 种添加剂组成。它可将各种零件、构件牢固地胶结在一
起，有时可部分代替铆接或焊接等工艺。由于胶粘工艺 操作简便，接头处应力分布均匀，接头的密封性、绝缘 性和耐蚀性较好，且可连接各种材料，所以在工程中应 用日益广泛。 胶粘剂分为天然胶粘剂和合成胶粘剂两种，浆糊、 虫胶和骨胶等属于天然胶粘剂，而环氧树脂、氯丁橡胶 等则属于合成胶粘剂。通常，人工合成树脂型胶粘剂由 粘剂（如酚醛树脂、聚苯乙烯等）、固化剂、填料及各 种附加剂（增韧剂、抗氧剂等）组成。根据使用要求选 择不同的配比。 胶粘剂不同，形成胶接接头的方法也不同。有的接 头在一定的温度和时间条件下由固化形成；有的加热胶 接，冷凝后形成接头；还有的需先溶入易挥发溶液中， 胶接后溶剂挥发形成接头。授人以鱼不如授人以渔五、涂料 涂料就是通常所说的油漆，这是一种有机高分子胶 朱明工作室 体的混合溶液，涂在物体表面上能干结成膜。涂料主要
有三大基本功能：一是保护功能，起着避免外力碰伤、 摩擦，防止腐蚀的作用；二是装饰功能，起着使制品表 面光亮美观的作用；三是特殊功能，可作为标志使用， 如管道、气瓶和交通标志牌等。 涂料是由粘接剂、颜料、溶剂和其它辅助材料组成。 其中，粘接剂是主要的膜物质，一般采用合成树脂作粘 接剂，它决定了膜与基体层粘接的牢固程度；颜料也是 涂膜的组成部分，它不仅使涂料着色，而且能提高涂膜 的强度、耐磨性、耐久性和防锈能力；溶剂是涂料的稀 释剂，其作用是稀释涂料，以便于施工，干结后挥发； 辅助材料通常有催干剂、增塑剂、固化剂、稳定剂等。授人以鱼不如授人以渔1.酚醛树脂涂料是应用最早的合成涂料，有清漆、 绝缘漆、耐酸漆、地板漆等。 朱明工作室 2.氨基树脂涂料的涂膜光亮、坚硬，广泛用于电风
扇、缝纫机、化工仪表、医疗器械、玩具等各种金属制 品。 3.醇酸树脂涂料涂膜光亮，保光性强，耐久性好， 广泛用于金属、木材的表面涂饰。 环氧树脂涂料的附着力强，耐久性好，适用于作金属底 漆，也是良好的绝缘涂料。 4.聚氨脂涂料的综合性能好，特别是耐磨性和耐蚀 性好，适用于列车、地板、舰船甲板、纺织用的纱管以 及飞机外壳等。 5.有机硅涂料耐高温性能好，也耐大气、耐老化、 适于高温环境下使用。授人以鱼不如授人以渔任务二：了解陶瓷材料与复合材料的特点及应用朱明工作室本任务简介陶瓷材料、复合材料和超导材料。授人以鱼不如授人以渔一、陶瓷材料 1.陶瓷材料：以共价键和离子键为主的材料。 朱明工作室
2.性能特点：熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大。 3.陶瓷材料分类：传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三 类。4.传统陶瓷：又称普通陶瓷，是以天然材料（如黏土、 石英、长石等）为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。 5.特种陶瓷：又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原 料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。 6.金属陶瓷：金属与各种化合物粉末的烧结体，主要 用作工、模具。授人以鱼不如授人以渔二千多年前，汉武帝为了抗击匈奴，派遣张骞出使 西域，打开了东西方交流的陆路通道，也把中国特有的 朱明工作室
丝绸、茶叶、瓷器、漆器等经由丝路传入西方。 其中 具实用价值的陶瓷器皿不只被当作艺术品，并且取代了 较原始的材料所制成的器具，深深影响了西方人的日常 起居与饮食文化。 英文中以「china」表示瓷器， 「China」则指中国，可见中国与瓷器的关系何其密切。授人以鱼不如授人以渔制陶术的发明朱明工作室 陶器的出现是人类跨入新石器时代重要的标志之一， 也是认识自然、改造自然的过程中的一项重要成果，因 此历史学家和考古学家都十分关心制陶术是什么时候出 现的，又是怎么发明的。 透过考古发掘，虽然能得到早期制作的陶器，但是 要推测它的生产技术还得靠社会学的研究。 美国社会 学家摩尔根借着对印地安人土著的实地调查，认为制陶 术发明的过程应是：在没有陶器之前，烹煮的方法是把 食物放在涂有黏土的木制或编制的筐子里，用火加热把 食物煮熟，后来发现成型的黏土不需内部木制结构也可 以烹煮，从而掌握了制陶术。 这一观点获得众多学者的认同，当然这并不是制陶 术发明的唯一方式，但是许多民族确是经历了这样的过 程。授人以鱼不如授人以渔争新斗艳的彩瓷朱明工作室 早期的陶瓷是比较粗糙且暗沉无光泽的，但随着釉 料的发现，增添了陶瓷色彩上的丰富性，唐朝有名的三 彩陶即因而产生。釉是怎么产生的呢？最早商代的瓷器 大多呈青色，是釉料中含有少量的氧化铁，并在还原气 氛中烧成所致（就像烧青砖一个道理）。 在制陶的过程中，人们认识到不同的金属氧化物会 呈现不同的颜色，而且金属氧化物的含量及烧成条件的 不同，也会得到不同的呈色效果。经验的累积促使人们 有系统地选择含铁、铜、钴、锰等的氧化物原料，制成 各种颜色釉，随着颜色釉的发展，绚丽多彩的瓷器于焉 出现。授人以鱼不如授人以渔近代陶瓷朱明工作室 提到陶瓷，人们总会联想到景德镇美丽的陶瓷艺术 品、陶瓷器皿，或是家中的磁砖、浴缸。 其实这些日 常所用的陶瓷，加上玻璃与水泥等，通称为“传统陶 瓷”，并不是陶瓷研究的全部。 陶瓷的定义其实很广 泛，泛指需高温处理或致密化的非金属无机材料，包括 矽酸盐、氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硼化物等。 近年来，美国及日本已逐渐把陶瓷与金属等同列为 一格，广泛地称为无机固体材料。 借着采用严格控制 纯度、晶粒大小等的无机固体合成原料，并在制程中调 节温度、压力、包围气氛等，谋求形状、尺寸的精密化 与功能的高标准化，可以得到高附加价值的材料。 这 些梦幻新材料使得“精密陶瓷”受到各界的注目，而在 1997年日本工业新闻更称它的出现是第二个石器时代的 开启！授人以鱼不如授人以渔精密陶瓷朱明工作室经过科学家的研究，不仅了解到陶瓷生产的各种原 料及配方，也认识了陶瓷烧成的原理和精细的结构。 有了这些知识，人们在科学实践中制成了许多新型的陶 瓷。 它们与传统陶瓷不一样，具有独特的坚硬、耐磨、 耐压、耐高热、耐酸、耐碱等物理和化学性能，并有相 当优异的光、电磁、热的功能以及生物相容性。 依据应用的范围，精密陶瓷可分成三大类：电子陶瓷、 生医陶瓷及结构陶瓷。授人以鱼不如授人以渔电子陶瓷与生医陶瓷 ： 在各种精密陶瓷中，电子陶瓷的应用最为多样，市 朱明工作室
场也最大。 最早是因它绝缘性质特佳，在电路中做为 绝缘之用，例如高压电塔上的绝缘子。 近年来在微电 子系统中，则是用作积体电路（IC）的基板。 介电陶 瓷是电子陶瓷类中产量最大的，主要用于电容器。 另 外，利用陶瓷的介电性质制成的高频共振元件，则应用 在行动电话及卫星通讯上。 其他还有应用在煤气炉点 火器上的压电陶瓷，以及电饭锅上的居里点磁性陶瓷、 半导性陶瓷等。 生医陶瓷主要用在人体骨骼、肌肉系统及心血管系 统的修复和替换上，应用产品有人工骨骼、人工齿等。授人以鱼不如授人以渔结构陶瓷 ： 结构陶瓷又名工程陶瓷，因它具有高强度、高硬度， 朱明工作室
在高温下有良好的化学稳定性及优良的机械性能，所以 广泛用于机械、冶金、化工、电力、航空太空等领域。 结构陶瓷依化学组成可分为碳化物陶瓷、氧化物陶 瓷、氮化物陶瓷等。 赛隆（SiAlON）是近年新出现且 十分引人注目的超强度陶瓷，是由Si?Al?O?N系构成的 多种化合物群的总称。陶瓷刀具材料是以人造的化合物 为原料，在高压下成形和高温下烧结而形成的，硬度为 91～95 HRA ，耐热性高达1200℃，化学稳定性好，与 金属的亲和能力小，与硬质合金相比可提高切削速度 3～5倍。其最大的缺点是抗弯强度低，冲击韧性差。主 要用于对钢、铸铁、高硬度材料（如淬火钢）与轴承钢 等进行连续切削时的半精加工和精加工。授人以鱼不如授人以渔近年来航空及太空技术发达，太空船的制造需要使 用能承受高温和温度急变、强度高、重量轻且长寿的材 朱明工作室
料，在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。 自从第一艘 太空船使用高温与低温的隔热瓦后，碳－石英复合烧蚀 材料已成功地应用于后续发射和回收的人造卫星中。 光通信产业是当前发展最为迅速的高科技产业之一， 全世界产值已超过30亿美元。 其发展所以如此迅速， 主要是因为光纤损耗机制的研究，以及光纤接头结构材 料的使用。授人以鱼不如授人以渔光学陶瓷的应用与发展朱明工作室工业革命后，地球的资源被大量开发，造就了科技 发达的今日。但能源过度开采也令人十分恐慌，绿色能 源的研发因而兴起。20世纪末白光发光二极体的产生， 堪称是照明技术的一线新曙光。授人以鱼不如授人以渔自从爱迪生发明电灯泡以后，开启了电力照明的时 代。 现今最广泛使用的是日光灯具，而日光灯管其实 朱明工作室
是个密闭的气体放电管。 灯管内主要气体是氩气，另 外含有一些微量的汞蒸气，先藉由气体放电释放出紫外 光，再由灯管内表面上的萤光物质吸收后释放出可见光。 然而这个过程所消耗的电能只有约60％转换为光能，其 他的则变为热能而浪费掉，而废弃的日光灯管会造成汞 污染，也令人诟病。 因此绿色环保的白光发光二极体 用于未来照明的可能性，乃引起广泛的注意。授人以鱼不如授人以渔日本日亚化学公司于1996年推出“以蓝光LED激发 钇铝石榴石萤光粉产生黄色萤光，黄色萤光再与蓝光混 朱明工作室
合成白光”的新技术，开启了LED迈入照明市场的序幕。 这种YAG萤光粉就是一种陶瓷粉末。 当萤光物质受 光或电子刺激后，其内电子由高能阶的激发状态回到原 有的低能阶状态时，能量以光的形式辐射出来，称为 “光致发光”。 而不同的萤光陶瓷粉末受光激发后发 出的光的颜色也不同，研发新型且具高发光效率的萤光 粉是目前LED发展的目标之一。授人以鱼不如授人以渔日本物质材料研究机构于2004年发展出以氧氮化合 物为主的萤光材料，这个α ?SiAlON的萤光物质保有赛 朱明工作室
隆（SiAlON）结构抗氧化、抗腐蚀及热稳定的性质，不 会因长时间使用导致热衰变使得放出的光色变弱，且放 出的光色较为温暖，未来可应用于护眼台灯、寒带地区 照明设施、街道的路灯或美术展览馆的光源，使萤光陶 瓷材料迈入一个新的里程碑！授人以鱼不如授人以渔二、复合材料 把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观 朱明工作室
或宏观的形式组合在一起而形成的材料，通过这种组合来 达到进一步提高材料性能的目的。包括： 1.金属基复合材料； 2.陶瓷基复合材料； 3.高分子复合材料。玻璃纤维增强高分子复合材料授人以鱼不如授人以渔复合材料的性能特点：1.比强度和比模量高； 朱明工作室
2.疲劳强度高； 3.良好的减摩，耐磨性和较强的减振能力； 4.高温性能好，抗蠕变能力强； 5.断裂安全性高； 6.成形工艺性好。授人以鱼不如授人以渔复合材料，是以一种材料为基体，另一种材料为增 强体组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短， 朱明工作室 产生“协同效应”，使复合材料的综合性能优于原组成
材料而满足各种不同的要求。复合材料的发明来源于复 合思想： 1.仿生思想； 2.绿色材料思想； 3.充分利用协同效应思想； 4.智能材料思想。 复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。 金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。 非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、 碳等。 增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶 纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细 粒等。授人以鱼不如授人以渔复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今 沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由 朱明工作室
两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要， 发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了 复合材料这一名称。 50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤 维等高强度和高模量纤维。 70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、 高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非 金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色 的复合材料。授人以鱼不如授人以渔复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金 属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结 朱明工作室 构特点又分为：
①纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料 内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。 ②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组 合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但 具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。 ③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中， 如弥散强化合金、金属陶瓷等。 ④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混 杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料 比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具 有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯 混杂、层内／层间混杂和超混杂复合材料。授人以鱼不如授人以渔60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需 要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤 朱明工作室
维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料， 其比强度大于4×106cm，比模量大于4×108cm。为了与 第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合 材料称为先进复合材料。 按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属 基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250～350℃、 350～1200℃和1200℃以上。 先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材 料，如梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、 空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材 料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功 能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。授人以鱼不如授人以渔复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。 其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环 朱明工作室
氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金 大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、 耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤 维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维 增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同 部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤 维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强 度和模量。授人以鱼不如授人以渔碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐 磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合， 朱明工作室
使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度 （1100℃）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或 石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、 火箭导弹和原子能反应堆中。 非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可 减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维 混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量 大5倍多的钢片弹簧相当。授人以鱼不如授人以渔复合材料的成型方法按基体材料不同各异。树脂基 复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤 朱明工作室
维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、热压罐成型、隔膜 成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压 成型等。 金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成 型法。 前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现 成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静 压和爆炸焊接等。 后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括 传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸 等、陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学 气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。授人以鱼不如授人以渔复合材料的主要应用领域有： ①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强 朱明工作室
度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天 线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭 的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。 ②汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特 性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理， 便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传 动轴、发动机架及其内部构件 。授人以鱼不如授人以渔③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳 纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、 朱明工作室
纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。 ④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能 和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架 等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容 性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外， 复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。授人以鱼不如授人以渔简介克维拉 克维拉这种新材|是混合了克S拉? 基{的N性 朱明工作室 聚合物，是杜邦 ? 克S拉的高效能wS，最V槿酥
的是其防功能，还有迷诟鞣N橡za品上的重要改 良，例如汽、摩托、自行胎，管、送皮， 封z及|圈，橡z，浦r套，膜片等。 杜邦? 克维拉属于高强度聚醯氨有机纤维，独具结 合高强度而轻巧，高防护而舒适的特性。 在等重的情 况下，克维拉比不锈钢的强度高五倍，并提供可靠的性 能和结实的强度。 在在固定性高的分子结构下，克维 拉 ? 亦提供了不只单一的性能，例如保温及高抗危险 性，甚至可抗高温达800 H。克维拉在防弹及防刀的个 人防御应用，超过 3000 位警官在可能致命或重度残障 的风险下挽回生命及健康，因为他们穿着了克维拉?制 作的个人防御装备。除此之外，自从 1991 年波湾战起， 每位美国陆军士兵都配戴杜邦克维拉的头盔。 克维拉 的高度可应用性，使得现今克维拉的应用范围相当广泛， 例如从防弹背心到防砍手套，以及防爆破、防焰等装备。授人以鱼不如授人以渔三、下面简介超导材料1.超导现象的发现与发展朱明工作室1908年，荷兰物理学家品纳斯首次成功地把称为“永 久气体”的氮液化，因而获得4.2K 的低温源，为超导准 备了条件，三年后即1911年，在测试纯金属电阻率的低温 特性时，他又发现，汞的直流电阻在4.2K （268.98℃） 时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端压降为零，他 认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为 “超导态”。 品纳斯在日宣布了这一发现。但此时他 还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的 特殊现象。后来，他才发现：许多金属和合金都具有与上 述汞相类似的低温下失去电阻的特性。授人以鱼不如授人以渔迈斯纳效应迈斯纳效应又叫完全 抗磁性，1933年迈斯纳发 现，超导体一旦进入超导 状态，体内的磁通量将全 部被排出体外，磁感应强 度恒为零，且不论对导体 是先降温后加磁场，还是 先加磁场后降温，只要进 入超导状态，超导体就把 全部磁通量排出体外。朱明工作室S NSN注：S表示超导态 N表示正常态授人以鱼不如授人以渔观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁， 当温度低于锡的转变温度时，小 磁铁会离开锡盘飘然升起，升至 一定距离后，便悬空不动了，这 是由于磁铁的磁力线不能穿过超 导体，在锡盘感应出持续电流的 磁场，与磁铁之间产生了排斥力， 磁体越远离锡盘，斥力越小，当 斥力减弱到与磁铁的重力相平衡 时，就悬浮不动了。朱明工作室授人以鱼不如授人以渔临界磁场朱明工作室逐渐增大磁场到达 一定值后，超导体会从 超导态变为正常态，把 破坏超导电性所需的最 小磁场称为临界磁场， 记为Hc。 有经验公式：2 2 /Tc )H正常态Hc(0)超导态Hc(T)=Hc(0)(1-TTcT授人以鱼不如授人以渔临界电流超导体无阻载流的能力 也是有限的，当通过超导体 中的电流达到某一特定值时， 又会重新出现电阻，使其产 生这一相变的电流称为临界 电流，记为Ic。目前，常用 电场描述Ic(V) ，即当每厘 米样品长度上出现电压为 1?V时所输送的电流。朱明工作室V失超Ic(V)I授人以鱼不如授人以渔1913年品纳斯在诺贝尔领奖演说中指出：低温下金 属电阻的消失“不是逐渐的，而是突然的”，水银在 朱明工作室
4．2K进入了一种新状态，正由于它的特殊导电性能， 所以称为“超导态” 1986年1月 在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎 世实验室中工作的科学家柏诺兹和缪勒，首先发现钡镧 铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接 着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K。授人以鱼不如授人以渔1987年 1月初 日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到 朱明工作室
43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K 和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导 的研究组，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到 这类物质有在70K发生转变的迹象。 1987年 2月16日 美国国家科学基金会宣布，朱经武与吴茂 昆获得转变温度为98K的超导体。 1987年 2月20日 中国也宣布发现100K以上超导体。1987年 3月3日，日本宣布发现123K超导体。授人以鱼不如授人以渔日 中国北京大学成功地用液氮进行超导 磁悬浮实验。 朱明工作室 号中国物理学家赵忠贤获得110 K的超导 材料； 号，日本宣布获得175 K的超导材料； 1987年3月，中国科技大学获得215 K的超导材料。 同年3月27日 美国华裔科学家又发现在氧化物超导材 料中有转变温度为240K的超导迹象。很快日本鹿儿岛大学 工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度 下存在超导迹象。
美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学 家朱经武又将超导温度提高到40．2℃。授人以鱼不如授人以渔2.超导技术的应用朱明工作室 超导技术的应用十分广泛，涉及输电、电机、交通运
输、微电子和电子计算机、生物工程、医疗、军事等领域， 这种新技术军民兼用，可研制出“双重”产品，将获得极 大的社会效益和军事效益.①在电力工程方面的应用超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗，因而 可节省大量能源；用超导线圈储存能量在军事上有重大应 用，超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工作效率、 降低损耗，从而导致电工领域的重大变革.授人以鱼不如授人以渔②超导技术在交通运输方面的应用朱明工作室 动用超导体产生的强磁场可以研制成磁悬浮列车，车
辆不受地面阻力的影响，可高速运行，车速达500 km/h以 上，若让超导磁悬浮列车在真空中运行，车速可达1 600 km/h，利用超导体制成无摩擦轴承，用于发射火箭，可将 发射速度提高3倍以上.70年代 超导列车成功地进行了载人可行性试验。超 导列车是在车上安装强大的超导磁体，地上安放一系列金 属环状线圈。当车辆行进时，车上的磁体在地上的线圈中 感应起相反的磁极，使两者的斥力将车子浮出地面。车辆 在电机牵引下无摩擦地前进，时速可高达500千米。授人以鱼不如授人以渔1987年 日本铁道综合技术研究所的“MLU002”号磁 悬浮实验车开始试运行。 朱明工作室
1991年3月 日本住友电气工业公司展示了世界上第一 个超导磁体。1991年10月 日本原子能研究所和东芝公司共同研制 成核聚变堆用的新型超导线圈。该线圈电流密度达到每平 方毫米40安培，为过去的3倍多，达到世界最高水准。该 研究所把这个线圈大型化后提供给国际热核聚变堆使用。 这个新型磁体使用的超导材料是铌和锡的化合物。授人以鱼不如授人以渔日 第一艘由日本船舶和海洋基金会建造 的超导船“大和”1号在日本神户下水试航。超导船由船 朱明工作室
上的超导磁体产生强磁场，船两侧的正负电极使水中电流 从船的一侧向另一侧流动，磁场和电流之间的洛化兹力驱 动船舶高速前进。这种高速超导船直到目前尚未进入实用 化阶段，但实验证明，这种船舶有可能引发船舶工业爆发 一次革命，就像当年富尔顿发明轮船最后取代了帆船那样。授人以鱼不如授人以渔另一方面，自1987年4月开始，超导体研究的重心转 向超导体机制的理论探索和应用技术的开发。 朱明工作室 1990年4月北京有色金属研究总院成功制成了2T(特拉 斯)强磁场下，临界电流密度2．38×104A/cm2；7月上海冶金所采用熔融结构法制成钇钡铜氧块状超 导材料，在77K，2.5T磁场下电流密度超过4×104 A/cm2， 在世界处于领先地位；美国贝尔实验室采用快中子辐射氧化钇钡铜单晶体， 使临界电流密度提高了100倍，达6×105A/cm2，美国马萨 诸萨理工学院用在超导材料中掺入银等加热处理的方法， 解决了材料的脆弱问题，使强度比超导陶瓷提高了10倍， 适用于作输电线。我国则早已制成零电阻为83.7K的超导 材料和零电阻为77K的超导薄膜。授人以鱼不如授人以渔③超导技术在电子工程方面的应用朱明工作室 用超导技术制成各种仪器，具有灵敏度高、噪声低、
反应快、损耗小等特点，如用超导量子干涉仪可确定地热、 石油、各种矿藏的位置和储量，并可用于地震预报.。应用超导体制成计算机元件，开关速度可达到1012μs，比半导体快1000倍左右，而功耗仅为微瓦级，体积 比半导体元件小1000倍。用超导芯片制成超级计算机速度 快、容量大、体积小、功耗低，美国IBM公司研制的一台 运速为8000万次的超导计算机，体积只有电话机那么大。授人以鱼不如授人以渔④超导技术在生物医疗方面的应用朱明工作室 超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术，
可分辨早期肿瘤癌细胞等，还可做心电图，脑磁图、肺磁 图，研究气功原理等.⑤超导技术在军事上的应用超导储能装置在定向武器上的应用使定向武器发生飞 跃的发展.超导发电机，推进器在飞机上的应用可大大提 高飞机的生存能力，在航海中的应用，可大大减小甚至没 有噪音，推进速度快，可大大提高舰艇的生存、作战能力， 超导计算机应用于C3I指挥系统，可使作战指挥能力迅速 改善提高等等。授人以鱼不如授人以渔超导技术在军事上有着非常广泛的应用前景，随着 超导技术的日益成熟，有朝一日海军潜艇的设计会发生 朱明工作室 根本性的变革，出现比今天的潜艇要先进的多的超导潜
艇。其外形尺寸可能只有今天潜艇的一半，但所装备的 数量将增加一倍；航速将会提高。而噪音却大大降低而 且超导体在传输过程中不会损失电力。 同时，超导技术在解决实际应用问题后，部分潜艇 将采用电力推进系统，常规潜艇将有可能采用闭式循环 的热气机动力，从而结束常规潜艇水下航行单纯依赖蓄 电池提供能量的时代。 目前，法国海军正在研制一种全动力潜艇，既是一 种隐蔽性能强、效率高、节能的电动舰艇，预计将于10 年后问世。授人以鱼不如授人以渔3.未来超导材料的发展朱明工作室 目前，第一代超导线材――铋氧化物线材已达到商业
化水平。东京电力公司试制成功长100米、3相、66千伏的 超导电缆，美国不久也将进行100米超导电缆的安装试验。 日本正在加紧研究开发高性能的超导电缆、超导变压器、 超导限流器和超导蓄电装置等，预计5年后达到目标。日本磁悬浮列车线圈的超导化目前也在计划当中，预 计将从明年开始进行研究和试制。目前各国都在积极研究 开发第二代超导线材――钇系列线材。其中，包含钇的 YBCO(钇铋铜氧)和包含钕的NBCO(钕铋铜氧)这两种线材， 由于有更好的磁场特性，将来有可能成为超导线材的主流。授人以鱼不如授人以渔日本和美国都在积极研究开发新一代超导线材， 2005年前后将会开发成功，并取代铋系列超导线材而应 朱明工作室
用在机器设备上。钇系列超导材料的制造技术已经基本 确立起来，正在开发的有蓄电装置和磁分离装置等。目 前，两种最有前途的超导电子元件：其一是超导量子干 涉元件，其二是单一磁通量子元件。前者由于能够测量 极其微弱的磁性，因而可被应用到医学和材料的非接触 探伤等方面；后者具有运算速度快、消耗电力少等优异 性能，有望被用作新的信息处理元件,但关键是要大幅 度提高这种元件集成度。授人以鱼不如授人以渔C60超导体有较大的发展潜力，由于它弹性较大， 比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界 朱明工作室
电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使C60超 导体更有望实用化。C60被誉为21世纪新材料的“明 星”，这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多 方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型C240、C540 合成如能实现，还可能成为室温超导体。授人以鱼不如授人以渔朱明工作室金属材料与热处理 ---9主讲: 朱明高级技师、经济师、工程师 高级技能专业教师 汽车维修高级考评员授人以鱼不如授人以渔模块十 综合练习朱明工作室囿于教学条件，本章只介绍任务五（明确选材的 一般原则）与方法任务六（齿轮类零件的选材分析）。 任务一：金相显微镜的使用及金相试样的（略）任务二：铁碳合金平衡组织的显微观察与分（略） 任务三：分析热处理对碳钢力学性能的影响（略） 任务四：用热分析法测绘Pb-Sn二元合金状态图（略）授人以鱼不如授人以渔任务五：明确选材的一般原则与方法朱明工作室机械零件设计和制造应包括结构设计、材料选择和 工艺设计三个方面。然而，不少工程技术人员往往有一 种偏见，即只重视产品结构设计，而把选材看成是一种 简单而又不太重要的任务，以为只要参考类似零件、选 用类似材料，或根据简单计算和查阅材料性能手册所提 供的数据，找出一种通用材料就成了。事实上，许多机 器设备的重大质量事故均来源于材料问题。授人以鱼不如授人以渔一、材料的使用性能朱明工作室 零件的使用性能在大多数情况下是首选。当中其力
学性能是主要考虑的问题。其基本思路是：零件工作条件（受力分析）→时效分析→确定主 要性能指标→选材（确定化学成分＋制定热处理工艺） →保证组织、结构→确保达到材料的主要性能。授人以鱼不如授人以渔机械零件选材的一般步骤：朱明工作室授人以鱼不如授人以渔漫谈零件的失效形式朱明工作室 以我的经验，选材的“工作条件分析”这项工作，
绝对离不开对零件的失效形式的分析，通过分析，我们 可以心中有数，如果判断是断裂失效，更要找出零件的 危险断面。下面逐一介绍。 一、断裂失效 断裂失效是机械零件的主要失效形式。根据断裂的 性质和断裂的原因，可分为以下几种： 1.延性断裂―延性断裂是指零件在受到外载荷作用 时，某一截面上的应力超过了材料的屈服强度，产生很 大的塑性变形后发生的断裂。授人以鱼不如授人以渔2.脆性断裂―脆性断裂发生时，承受的工作应力通 常远低于材料的屈服强度，所以又称为低应力脆断。这 朱明工作室
种断裂经常发生在有尖锐缺口或裂纹的零件中，另外， 零件结构中的棱角、台阶、沟槽及拐角等结构突变处也 易发生，特别是在低温或冲击载荷作用的情况下。脆性 断裂发生前并没有明显的征兆，因此，往往会带来灾难 性的后果。 3.疲劳断裂―在交变应力反复作用下发生的断裂称 为疲劳断裂。疲劳的最终断裂是瞬时的，因此危害性较 大，常在齿轮、弹簧、轴、模具、叶片等零件中发生。 材料的类别、组织、载荷的类型、零件的尺寸、形状及 表面状态等对零件的疲劳强度都有影响。 4.蠕变断裂―蠕变即在应力不变的情况下，变形量 随时间的延长而增加的现象。授人以鱼不如授人以渔二、过量变形失效 在外力作用下零件发生整体或局部的过量弹性变形 朱明工作室
或塑性变形导致整个机器或设备无法正常工作，或者能 正常工作但保证不了产品质量的现象，称之为过量变形。 1.过量蠕变变形―在高温下工作的金属零件，既使 工作应力不变，经过一定时间后，也会缓慢的产生过大 的塑性变形而导致失效。授人以鱼不如授人以渔2.过量弹性变形―如机床传动轴因刚度不足，产生 过大的弹性变形后，会使轴上零件（如齿轮）不能正常 朱明工作室
啮合，轴承发生偏磨等，使整个机器运转不良，导致传 动失效。 3.过量塑性变形―零件在工作中承受的应力超过材 料的屈服强度后，就会产生塑性变形失效。授人以鱼不如授人以渔三、表面损伤 1.磨损失效―主要是相互接触的两个零件在机械力 朱明工作室
的作用下，其相对运动表面的材料以细屑磨耗，从而使 零件的表面状态和尺寸改变的一种。2.接触疲劳失效―相互接触的两个运动表面（特别 是滚动接触），在工作过程中随交变接触应力的作用， 使表层材料发生疲劳破坏而脱落的现象叫接触疲劳失效。 接触疲劳可分为麻点剥落和表层压碎两大类。 3.腐蚀失效―是指金属与周围介质发生化学或电化 学作用而造成的失效。授人以鱼不如授人以渔实例分析：斗式提升机主轴受力分析 一、轴的类型：转轴（同时承受弯曲和扭矩）； 朱明工作室
二、力学模型：简支梁＋悬挑梁； 三、载荷类型：平稳、小冲击； 四、材料：45钢； 五、轴承类型：滚动轴承。 六、工作程序：链轮挂链斗挖粉料，提至23米翻转卸料。电机 减速箱授人以鱼不如授人以渔二、材料的工艺性能朱明工作室 材料的工艺性能，即材料加工成零件的难易程度，
也是选材必须考虑的重要问题。显然，选用工艺性能良 好的材料，是确保产品质量、提高加工效率、降低工艺 成本的重要条件之一。它包括加工工艺路线和工艺性能 两个方面。一、材料或零件的加工工艺路线方面，一般大致分 为三种。 1.性能要求不高的一般零件： 坯料→正火或退火→机械加工（切削）→成品 这样的零件常见于铸铁、碳钢、低碳低合金钢等。授人以鱼不如授人以渔2.性能要求较高的机械零件：朱明工作室 坯料→预先热处理（正火或退火）→粗机加工→
最终热处理（淬火、回火、表面强化等）→精加工→ 成品。 这样的工艺路线经常见于合金钢如18CrMnTi加工齿 轮或合金钢9SiCr、9Mn2V加工丝锥的生产中，最终热 处理造成的偏差由精加工如磨削来消除，以满足其性能 要求。授人以鱼不如授人以渔3.性能要求较高的精密零件：朱明工作室 坯料→预先热处理（正火或退火）→粗机加工→
最终热处理→半精加工→稳定化处理或氮化→精加工 →稳定化处理→成品。这样的工艺路线见于合金钢制造精密丝杠、坐标镗 床主轴、镗杆等。授人以鱼不如授人以渔二、考虑材料的工艺性能方面，上学期我们已经学 习，这里重复一下： 朱明工作室
1.避免尖角和棱角； 2.避免截面突变； 3.采用封闭、对称结构； 4.采用组合结构。授人以鱼不如授人以渔技术要求与选材分析一、齿轮轴加工实例朱明工作室序号 1 2 3表面加工方案φ32f7 Φ28h6齿形M粗车、调质、半精车、磨削 粗车、调质、半精车、粗磨、精磨滚齿、齿面淬火 授人以鱼不如授人以渔二、法兰盘加工实例朱明工作室序号1 2表面Φ 55g6 Φ 40H7零件数量加工方案粗车、半精车、精车10钻、半精车、精车1000 6－ Φ 12粗车、扩孔、铰孔粗车、拉孔 钻孔 授人以鱼不如授人以渔三、柱塞套加工实例朱明工作室序号 1表面 φ9j4加工方案 钻孔、粗铰、精铰、研磨 授人以鱼不如授人以渔四、V形铁加工实例朱明工作室序号 1 2 3表面 平面A 平面B,C,D,E,F V形槽加工方案 粗刨、时效、半精刨、时效、磨削 粗刨、时效、半精刨、时效、磨削 粗刨、时效、半精刨、时效、磨削、刮削 授人以鱼不如授人以渔五、支架加工实例朱明工作室序号 1 2 3表面 底平面B加工方案 粗刨、时效、精刨 粗镗、时效、精镗 粗车、时效、精镗 锪孔 钻孔 授人以鱼不如授人以渔孔Φ140H7 端平面C沉孔3－ Φ30孔3－ Φ22三、材料的经济性 简介“价值工程”： 1.价值工程的基本概念及基本特征 功能：F 成本：C 价值：V=F/C 2.价值工程基本特征 ①提高产品价值是价值工程的目标； ②功能分析是价值工程的核心；朱明工作室③有组织的集体创造活动是价值工程的基础。授人以鱼不如授人以渔3.价值工程的工作程序与方法朱明工作室 价值工程是机械现代设计方法的一种。我国对现代
设计方法的研究是从上世纪80年代开始的，通过派留学 生到国外进修学习和请国外专家来讲学，组织各种类型 的讲习班，培训班、开展国内外学术交流等，推广和普 及现代设计的基本知识。由于世界各国对设计方法的研 究越来越重视，目前已成为一项国际性学术活动。有关 国家组织了关于现代设计方法的国际会议，比如国际工 程设计会议（ICED）就是其中之一。授人以鱼不如授人以渔①价值工程的工作程序A.分析问题阶段： B.解决问题阶段：创造方案，方案评价与选择，试验与提案。 ②价值工程对象的选择方法：朱明工作室选择对象，收集资料，功能分析，功能评价。ABC分析法，百分比法，比较法，价值比较法，强制确定法，多比例评分法。授人以鱼不如授人以渔工作经验或案例几则朱明工作室 1.零件的结构、形状、尺寸设计不合理最容易引起
失效。如键槽、孔或截面变化较剧烈的尖角处或尖锐缺 口处容易产生应力集中，出现裂纹。 2.对零件在工作中的受力情况判断有误，设计时安 全系数过小或对环境的变化情况估计不足造成零件实际 承载能力降低等均属设计不合理。比如，坚持用以强度 条件为主，辅之以韧性要求的传统设计方法，不能有效 地解决脆性断裂，尤其是低应力脆断的失效问题。 3.所用材料的化学成分、组织不合理、质量差也会 造成零件的失效。例如用65Mn钢制造的长度为2米多长 的剪刀板，淬火后伸长3～6mm，使安装孔距超差而报废， 后改用CrWMn或Cr12Mo钢，淬火后伸长变形为1～2mm， 满足了尺寸要求。授人以鱼不如授人以渔4.零件在加工和成形过程中，因采用的工艺方法、 工艺参数不合理，操作不正确等会造成失效。 朱明工作室
如热成形过程中温度过高所产生的过热、过烧、氧 化、脱碳； 如热处理过程中工艺参数不合理造成的变形和裂纹、 组织缺陷及由于淬火应力不均匀导致零件的棱角、台阶 等处产生拉应力； 又如化学热处理后渗层和淬硬层过深，使零件的脆 断抗力降低；铸件中的气孔、夹渣及成分偏析； 再如机加工过程中表面粗糙度值过大，存在较深的 刀痕或磨削裂纹等均是导致零件早期失效的原因。授人以鱼不如授人以渔5.片面地追求高强度以提高零件的承载能力不一定 就是安全的，因为材料塑性的过多降低，遇有短时过载 朱明工作室
等因素，应力集中的敏感性增强，有可能造成零件的脆 性断裂。这点最易为经验缺乏者忽视。 所以，在提高屈服强度的同时，还应考虑材料的塑 性指标。塑性和韧性指标一般不直接用于设计计算，而 较高的δ和K值能削减零件应力集中处（如台阶、键槽、 螺纹、油孔、内部夹杂等处）的应力峰值，提高零件的 承载能力和抗脆断能力。授人以鱼不如授人以渔6.实际零件的力学性能数值是很难测得的。由于硬 度的测定方法简单，又不损坏零件，且材料硬度与强度 朱明工作室 以及强度与其它力学性能之间存在着一定关系，所以大
多数零件在图纸上只标出所要求的硬度值，来综合体现 零件所要求的全部力学性能。 介绍几个经验公式（1～4为未淬火45钢）： 1.抗拉强度=3.55×HB (HB&175)； 2.抗拉强度=3.38×HB (HB&175)； 3.抗拉强度=2.64×103/130－HRB (HRB&90)； 4.抗拉强度=2.51×103/130－HRB (90&HRB&100)； 5.抗拉强度=HB－40/6（灰铸铁）； 6.抗拉强度=（0.3～0.4）HB （铸钢）； 7.抗拉强度=0.35HB （黄铜）； 8.抗拉强度=0.27HB （未经热处理的铝合金）。授人以鱼不如授人以渔一般硬度值确定的规律为：对承载均匀,截面无突 变，工作时不发生应力集中的零件，可选较高的硬度值； 朱明工作室
反之，有应力集中的零件，则需要有较高的塑性，硬度 值应适当降低；对高精度零件，为提高耐磨性，保持高 精度，硬度值要大些；对相互摩擦的一对零件，要注意 两者的硬度值应有一定的差别，易磨损件或重要件应有 较高的硬度值。例如：轴颈与滑动轴承的配合，轴颈应 比滑动轴承硬度高；一对啮合传动齿轮，一般小齿轮齿 面硬度应比大齿轮高；螺母硬度应比螺栓低些。多数热 作模具和某些冷作模具、切削刀具等，选材时还应考虑 其较高的热硬性要求。授人以鱼不如授人以渔介绍一个经验公式（45钢） 1.抗拉强度=3.55×HB (HB&175)； 2.抗拉强度=3.38×HB (HB&175)。朱明工作室授人以鱼不如授人以渔7.若零件在特殊的条件下工作，则选材的主要依据 也应视具体条件而定，如像贮存酸碱的容器和管路等， 朱明工作室 应以耐蚀性为依据，考虑选用不锈钢、耐蚀尼龙和聚砜
等；而作为电磁铁材料，软磁性又是重要的选材依据； 精密镗床镗杆的主要失效形式为过量弹性变形，则关键 性能指标为材料的刚度；零件要求弹性、密封、减振防 振等，可考虑选择能在－50～150℃温度范围内处于高 弹态和优良伸缩性的橡胶材料，如4001耐热橡胶板等； 重要螺栓的主要失效形式为过量的塑性变形和断裂，则 关键性能指标为屈服强度和疲劳强度；在 600～700℃ 工作的内燃机排气阀可选用耐热钢等；汽车发动机的气 缸可选用导热性好，比热容大的铸造铝合金等。选用高 分子材料（如用尼龙绳作吊具等），还要考虑在使用时， 温度、光、水、氧、油等周围环境对其性能的影响，所 以防老化则必须作为其重要的选材依据。授人以鱼不如授人以渔任务六：齿轮类零件选材分析朱明工作室在模块六（合金钢）的介绍中，我们已经知道齿轮 的失效发生在轮齿，其他部位很少发生失效。轮齿主要 失效形式有： 1.轮齿折断； 2.齿面点蚀（齿面接触疲劳磨损）； 3.齿面胶合； 4.齿面磨粒磨损； 5.齿面塑性变形共五种。授人以鱼不如授人以渔一、下面介绍齿轮的主要性能要求（课本P172）： 1.高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的 朱明工作室
强度，使运行时不致造成疲劳断裂； 2.高的接触疲劳强度、高的表面硬度和耐磨性， 防止齿面损伤； 3.足够高的齿轮心部强度和冲击韧度，防止过载 与冲击断裂； 4.良好的切削加工性，淬火变形要小，高加工精 度、低表面粗糙度，以提高其抗磨损能力。授人以鱼不如授人以渔二、齿轮类零件的选材 齿轮类零件绝大多数应选用渗碳钢或调质钢系列。 朱明工作室
它们经表面强化处理之后，表面有高的强度和硬度，心 部有良好韧性，能满足使用性能要求。实际使用中，大 件也有选用铸钢，低速也有选用铸铁，还可以见到选用 有色金属和工程塑料（如汽车的正时齿轮）等。 一般按齿轮的使用条件分为三类，分别选用不同的 材料和热处理： 1.中载、中速、受一定冲击载荷、运转较为平稳的 齿轮； 2.重载、高速或中速，且受较大冲击载荷的齿轮； 3.精密传动齿轮或磨齿有困难的硬齿面齿轮（如内 齿轮）。授人以鱼不如授人以渔三、典型齿轮的选材分析： 1.机床齿轮 朱明工作室
机床齿轮选用45、40Cr等制造，其加工工艺路线如 下：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频 淬火→低温回火→精磨→成品 2.汽车变速齿轮 汽车变速齿轮选用20Cr、20CrMnTi等制造，其加工 工艺路线如下： 下料→锻造→正火→粗加工→渗碳、淬火→低温回 火→喷丸→精加工→成品授人以鱼不如授人以渔温馨提醒同学们： 朱明工作室
现在不少同学缺交作业。按规定不交齐作业是不能 参加考试。 我考虑到同学们的工作忙，可以采取在考试前把作 业交到班主任处再转到我的办法；实在抽不出时间，也 可以最迟在6月12日考试前夕直接交到我处。因为学校 实行限时封网的制度，过时就十分麻烦。多谢合作！ 祝好！ 潘森 授人以鱼不如授人以渔期末总复习 一、填空类 朱明工作室
1.根据载荷作用性质不同，载荷可分为三种： 载 荷， 载荷和 载荷。 2.金属晶体的点缺陷指 空位, 原子 和 原子。 3.合金的相按其晶体结构的基本属性可分 为 , 化合物和 物。 4.碳素钢按质量分类，可分为 钢, 钢和 优质钢。 5.化学热处理有三个基本过程： ， 和 。授人以鱼不如授人以渔6.合金钢按用途分类：合金 钢,合金 钢和 钢三类。 朱明工作室
7.不锈钢按化学成分主要分为 不锈钢， 不锈钢和 不锈钢。 8.按铸铁根据碳存在的形式不同，可分为: 铸铁, 铸铁和 铸铁。 9.力学性能主要包括强度，塑性， ， 和 。 10.金属晶体的面缺陷有三种： ， 界和 界。授人以鱼不如授人以渔11.金属化合物根据其形成条件及结构特点，可分为： 化合物， 化合物和 化合物。 朱明工作室
12.碳素钢按冶炼时脱氧程度的不同分类，可分为 钢， 钢和 钢。 13.钢的渗碳根据渗碳剂的不同，可分为 渗 碳， 渗碳和 渗碳三种。 14.合金钢根据合金元素总量分类： 钢， 钢和 钢。 15.不锈钢按金相组织特点可分为： 不 锈钢， 不锈钢和 不锈钢。 16.根据铸铁中石墨中形态不同，可分为：灰铸铁， 铸铁， 铸铁和 铸铁四种。授人以鱼不如授人以渔二、单项或多项选择题(多选、少选、错选均不得分) 1.碳溶解在α －Fe中形成的间隙固溶体称为（ ） 朱明工作室
A.奥氏体 B.莱氏体 C.下贝氏体 D.铁素体 2.纯铁的熔点为（ ）℃。 A.1355 B.1538 C.1227 D.1435 3.硫是钢中有害元素，必须严格控制其含量不得超过 （ ）％。 A.0.1 B.0.5 C.0.01 D.0.05 4.丝锥的淬火最好采用（ ）法，以保证其精度和性 能要求。 A.双介质淬火 B.单液淬火 C.等温淬火 D3. 分级 5.除钴外，所有的合金元素均可使C曲线向（ ）移。 A.上 B.下 C.左 D.右授人以鱼不如授人以渔6.最常用于中速、中等载荷的齿轮的材料为（ ）。 A.40Cr B.20Cr C.65Mn D.GCr9 朱明工作室
7.麻花钻头应选用（ ）来制造。 A.ZGMn13 B．W18Cr4V C．W6Mo5Cr4V2 D．9SiCr 8.普通小型机床床身，应选用（ ）为材料。 A.HT150 B．HT200 C．HT300 D．HT350 9.碳溶解在γ －Fe中形成的间隙固溶体称为：（ ）。 A.奥氏体 B.铁素体 C.莱氏体 D.下贝氏体 10.渗碳体的熔点为（ ）℃。A.1538B.1435C.1355D.1227授人以鱼不如授人以渔11.磷是钢中的有害元素，必须严格控制其含量不超 过（ ）％。 朱明工作室
A.0.01 B.0.02 C.0.03 D.0.045 12.车床主轴须采用（ ）的热处理，使之具有综合 力学性能。 A.低温回火 B.调质 C.正火 D.淬火后高温回火 13.除钴外，所有的}