第九章 船用非金属材料

5、工程塑料在船舶上的应用
1、制作船舶构件 玻璃钢可用于制造快艇、救生艇的艇体、上层建筑、驾驶室、 螺旋桨等。 2、制造船机零件 尼龙可用于尾轴承、舵轴承、齿轮、阀盘、滑块、滑轮和手柄 等零部件的制造；ABS塑料和硬质聚氯乙烯塑料管可用于常温 低压管路。 3、用于防腐 在螺旋桨上涂塑料；在尾轴上包覆玻璃钢；在柴油机缸套冷却 水侧以及在舵叶和水仓壁涂塑料等。 另外，泡沫塑料用于制作舱室的隔热材料和救生浮具等。
3、分类
热塑性塑料 —— 加热软化，冷却后又硬化成形，可反复进行。 加工成型简便，机械性能较好；耐热性和刚性较差。
如聚乙烯。
热固性塑料 —— 受热固化后，不会再受热软化。机械性能差； 耐热性和刚性较好。如酚醛树脂、环氧树脂。 4、常用工程塑料 聚乙烯（PE）—— 塑料袋、保鲜膜等食品包装用，常温下无毒。 聚氯乙烯（PVC）—— σb = 30~60 MPa ，使用温度-15~55℃。硬PVC 耐油 、耐蚀，用于化工管道，电器绝缘材料及电线绝缘层、套管。 软PVC 富有弹性，用作非食品包装薄膜，有毒。 聚丙烯（ PP） —— 刚性大, 重量轻，耐热，耐腐蚀，绝缘性优越。 用于机械零件（法兰，齿轮），化工容器、管道，电器外壳、 医疗用品、生活用具等。
ρ 103kg/m3
7.8 2.8 4.5 2.0 1.45 2.65
σb E 2 103MN/m2 σb/ρ MN/m
1010 461 942 1040 1472 981 206 74 112 39 137 196 129 165 209 520 1015 370
103E/ρ 26 26 25 20 95 74
第九章 船用非金属材料
第一节 高分子材料
主要成分 —— 高分子化合物（分子量大，一般在103~107）
天然高分子材料 —— 松香、天然纤维、蛋白质、天然橡胶。
人工合成高分子材料 —— 塑料、合成橡胶、合成纤维（涤纶等）。
高聚物结构特点 —— 由一种或几种简单低分子化合物重复连接而成链状结构。 如聚乙烯、聚氯乙烯分别由乙烯、氯乙烯聚合而成。
硼纤维树脂复合材料 增强剂 —— 硼纤维, σb=2750～3140MPa，E=382～392MPa（4倍于玻纤）。 基体 —— 环氧树脂等。 性能 —— 抗压、剪切和疲劳强度高，蠕变小，硬度和弹性模量高，耐辐射, 化学稳定（水, 有机溶剂, 燃料, 润滑剂）, 导热性能和导电性能好。 用途 —— 航空和宇航材料。 硼纤维金属复合材料
第三节 复合材料
一、概述 复合材料 —— 两种（以上）性质不同的材料组合而成 性能特点 —— 比强度和比刚度高 ，减磨性、耐蚀性好，但塑韧性较低。 结构 —— 基体＋增强相 基体 —— 非金属基（树脂、橡胶、陶瓷），金属基（如，钢）。 增强相 —— 纤维，陶瓷或金属颗粒、夹层。 纤维 —— 玻璃、碳、棉、麻、石棉、硼、碳化硅等纤维。
第二节 陶瓷材料(硅酸盐材料)
陶瓷 —— 用天然或人工合成的粉状化合物，经过成型和高温（1250~1450 ℃ ） 烧结制成，由无机非金属化合物（硅酸盐等）构成的多相固体材料。 主要有陶瓷、玻璃和玻璃陶瓷。
性能
力学性能 —— 刚性、硬度、脆性大，抗压强度大，抗拉强度、塑韧性低。 熔点高、高温下不易氧化，但不耐温度的急剧变化。耐蚀性、绝缘性好。 分类及用途 玻璃 —— 工业（光学，电工，仪表，实验室用）、建筑、日用玻璃。 普通陶瓷 —— 日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工等用途。 特种陶瓷 —— 氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、氧化物 陶瓷等，用于电容器，压电，磁性，电光，高温零件等。 金属陶瓷 —— 工具（硬质合金），耐热零件等。
基体 —— 铝镁及其合金，钛及其合金。
性能 —— 如铝基复合材料的强度、弹性模量、疲劳极限高于高强铝合金，比 强度高于钢和钛合金 理（如柴油机的机座、机架、气缸体的裂纹）； 零件的微动磨损和腐蚀的修理 （如轴与轴上零件紧固配合的松动、气缸体和气缸套外表面的腐蚀）； 船体水下部位修补等。 用于主、辅机的安装工艺 在主、辅机的机座安装中，用垫片涂环氧树脂来代替繁重的垫片拂刮工作； 也用于中、小螺旋桨与尾轴的装配。
粘结剂（基体）——热固性的酚醛、环氧树脂 热塑性的聚脂，如尼龙
性能（与基体相比）—— ( 比 ) 强度，疲劳性能，韧性，蠕变抗力高。
用途 —— 轴承，轴承架，齿轮，车身。 碳纤维树脂复合材料
增强剂 —— 碳纤维 ( 石墨 ) ，强度和弹性模量高，且2000℃以上保持不变； -180℃不变脆。
粘结剂（基体）—— 环氧树脂，酚醛树脂，聚四氟乙烯。 性能（与基体相比）—— 强度，疲劳性能，韧性，耐蚀，蠕变抗力高。 用途 —— 火箭外壳 ，齿轮，轴承，活塞，密封圈，化工容器。
聚苯乙烯（PS） —— 耐蚀、绝缘，但耐热性（80 ℃ ）和耐冲击性差,无色透明， 着色性好。用于日用装饰品、饮料瓶等。
ABS塑料 —— 硬、韧、刚的混合特性较好；容易电镀。用于零件（齿轮、 泵叶轮、 轴承等, 电机、仪表外壳，管道，汽车零件及车身。
聚酰胺（PA, 尼龙）—— 耐磨, 减摩性及韧性好。耐蚀, 无毒。用于耐磨, 耐蚀的承 载转动零件（齿轮, 轴承, 螺钉和螺母等小型零件）。
合成橡胶 —— 如，丁苯橡胶、氯丁橡胶。
特种橡胶 —— 耐高、低温，耐酸、碱、油，辐射等的橡胶。
用途 —— 轮胎，工业、生活及医疗用品。
三、胶粘剂 粘性的树脂或橡胶 + 添加剂，代替传统的焊、铆及螺纹连接。 粘接工艺的特点——可粘接不同性质的 材料、复杂部件和大的薄板结构件； 胶接件外表美观，结构重量轻； 胶粘接头剪切强度高，有良好的疲劳强度和密封、耐蚀、 绝缘性能，能防止金属的电化学腐蚀。 但胶粘接头抗剥离强度、和抗冲击强度较低； 不耐高温（一般在60~80℃以下，少数达250℃）、 易老化。 胶粘剂在轮机工程中的运用
分类 —— 塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂。
性能特点 低强度——σb≈100MPa 低弹性模量 —— 塑料和橡胶分别为金属的 1/10 和 1/1000 。 高弹性 —— 如橡胶的弹性变形率为100~1000%，金属一般为1% ；
高耐磨性 ——— 比金属好，如汽车外轮胎。
高绝缘性 低耐热性 低导热性 —— 是金属的1/100 ~1/1000 高热膨胀性 —— 约为金属的 3~10 倍 高耐腐蚀性 —— 耐酸、碱等。 老化 —— 受氧、光、热、机械力等长时间作用后，性能逐渐恶化。
二、橡胶
组成：生胶（高弹态的高分子化合物）+配合剂 生胶——指未加配合剂的天然胶或合成胶。 配合剂——为改善橡胶性能而加入的物质。 （硫化剂、填充剂、防老化剂等）
特性：高弹性，变形量100~1000%；弹性模数低，仅1MN/m； 优异的吸振和储能能力，不透水、不透气； 较高的强度、耐磨性、隔音和电绝缘性能等 。 应用：主要用于制造密封件、减振件、绝缘材料和轮胎等。 天然橡胶 —— 耐油和耐溶剂性差，易老化，不耐高温。
钢
铝
钛
玻璃钢
碳纤维／环氧树脂
硼纤维／铝
实例
玻璃钢 —— 玻璃纤维增强塑料 钨钴类硬质合金 —— 陶瓷颗粒增强钴
轮胎 —— 纤维增强橡胶
钢筋混凝土 ——陶瓷基复合材料 多孔性铁基和青铜基自润滑衬套 —— 夹层结构复合材料
碳纤维/铝锡合金
桦木层压板——小型船用尾轴承
二、常见复合材料 玻璃钢
增强剂 —— 玻璃纤维（主要是SiO2），比强度和比模量高，耐蚀，绝缘。
一、工程塑料 1、组成 合成树脂 —— 高分子化合物，如聚乙烯、酚醛塑料等。 添加剂 —— 填料或增强、增塑、固化、润滑、稳定、着色、阻燃剂等。 2、主要特性 优点 1）密度小，仅为钢的1/4~1/8； 2）良好的耐蚀性，能耐大气、水、油、酸、碱的腐蚀。（如聚四氟乙烯） 3）良好的耐磨性，因摩擦系数小，且具有自润滑性能， 可用于无润滑条件下工作的耐磨零件。（如尼龙） 4）良好的电绝缘性。 缺点 1）刚度和强度低； 2）耐热性差； 3）有老化现象
酚醛树脂（PF）—— 如热固性酚醛树脂（胶木）, 耐磨、性脆；绝缘性好（不小 于10KV）；耐热、不耐碱。用于电器插座，开关，电话机，仪表盒； 汽车刹车片, 内燃机曲轴皮带轮, 齿轮, 耐酸泵等；日用非食物器皿。
有机玻璃（PMMA) —— 密度仅玻璃的一半，σb=42~50MPa ，比普通玻璃高7~18 倍。用于透明件，装饰件，绝缘件。