第十一章 非金属材料

第11章非金属材料11.1 高分子材料高分子材料又称聚合物材料，是以聚合物为主加入多种添加剂经过加工后形成的制品。

高分子材料包括天然高分子材料和合成高分子材料。

11.1.1 高分子材料基础知识1. 高分子材料的概念高分子材料是指以高分子化合物为主要组分的材料。

2. 高分子材料的合成高分子化合物的分子量虽然很大，但它的化学组成一般并不复杂。

它们都是由一种或几种简单的低分子化合物重复连接而成。

由单体聚合为高聚物的基本方法有两种，一种是加聚反应；另一种是缩聚反应。

3. 高分子材料的分类高分子材料种类繁多，按工艺性质可分为塑料、橡胶、胶黏剂及纤维四类。

塑料：热塑性塑料、热固性塑料橡胶：天然橡胶、合成橡胶胶粘剂：有机胶粘剂、无机胶粘剂纤维：天然纤维、化学纤维n4. 高分子化合物分子链的几何形状和特点（1）线形结构（2）支链形结构（3）网体形结构11.1.2 塑料n塑料是指以树脂（天然、合成）为主要成分，再加入其他添加剂，在一定温度与压力下塑制成形的材料或制品的总称。

n1．塑料的组成（1）树脂树脂是指受热时有软化或熔融范围，在软化时受外力作用下有流动倾向的高聚物。

树脂是组成塑料的最基本成份，一般树脂所占的质量分数为30％～40％。

（2）添加剂n填充剂——提高塑料的力学性能或电性能并降低成本。

增塑剂——提高塑料的可塑性和柔软性。

稳定剂——提高塑料在加工和使用中对热、光、氧的稳定性。

润滑剂——提高塑料在加工成形中的流动性和脱模性。

固化剂——与树脂（聚合物）起化学反应，形成不溶不熔的交联网络结构。

着色剂——赋予塑料各种色泽。

n2. 塑料的分类（1）按塑料的热性能分类1）热塑性塑料2）热固性塑料（2）按塑料的应用范围分类1）通用塑料2）工程塑料3）特种塑料3. 塑料的特性与金属材料相比，塑料具有密度小、比强度高、化学稳定性好、电绝缘性好、减振、耐磨、隔声性能好、自润滑性好等特性。

另外，塑料在绝热性、透光性、工艺性能、生产率、加工成本低等方面也比一般金属材料优越。

4. 常用塑料的性能及应用n聚乙烯（PE）：优良的耐蚀性、绝缘性。

低压聚乙烯：熔点、刚性、硬度和强度都较高。

高压聚乙烯：柔软性、伸长率、冲击强度和透明性都较好。

超高分子质量聚乙烯：冲击强度高、耐疲劳、耐磨。

低压聚乙烯：硬管、板材、绳索、管道、阀件、齿轮、轴承。

高压聚乙烯：塑料薄膜、软管。

超高压聚乙烯：减磨、耐磨件及传动件n聚丙烯（PP）:密度小，强度、刚性、硬度、耐热性均优于聚乙烯，可在100℃左右使用。

优良的耐蚀性、良好的高频绝缘性，不受湿度影响，但低温发脆，不耐磨，较易老化齿轮、泵叶轮、法兰、把手、接头、仪表盒、壳体、化工管道、杀菌容器和医疗器械等。

n聚氯乙烯（PVC）:优良的耐腐蚀性和电绝缘性。

硬聚氯乙烯：强度高、可在15～60℃使用。

软聚氯乙烯：强度低、伸长率大，耐腐蚀性和电绝缘性较低，易老化，耐热性和热稳定性差。

在75～80℃变软，超过180℃开始分解薄板、薄膜、耐酸碱软管及电线、电缆包皮、绝缘层、密封件。

聚氯乙烯泡沫塑料：隔热、隔声、防振和各种衬垫等。

n聚苯乙烯（PS）:具有良好的耐热蚀、电绝缘性和透光性，刚性大，着色性好。

抗冲击性差、易脆裂、耐热性不高，最高使用温度不超过80℃透明件、装饰件、各种仪表外壳、化工贮酸槽及电工绝缘材料。

n ABS塑料：坚韧、质硬、刚性好齿轮、泵叶、轴承、转向盘、电信器材、仪器仪表外壳等。

n聚酰胺（PA）:坚韧、耐磨、耐疲劳、耐油、抗霉菌、吸水性大柴油机液压泵齿轮、水泵叶轮、风扇叶轮及螺钉、螺母、垫圈、高压密封圈、输油管n聚四氟乙烯（F—4）：很高的耐热性和耐寒性，长期使用温度范围195～250℃。

极低的摩檫系数（0.04）；优良的化学稳定性，几乎能耐所有化学药品的腐蚀；良好的电性能耐蚀泵、反应器、过滤板、各类管子、阀门、接头；减摩自润滑轴承、活塞环等。

11.1.3 橡胶1．橡胶的组成橡胶是以生胶为基体并加入适量配合剂制成的高分子材料。

2．橡胶的特点及应用橡胶的特点：高弹性、良好的耐磨性、隔声性和阻尼特性。

缺点：易老化应用：机械制造中的密封件、减振防振件；电气工业中的各种导线、电缆的绝缘件等；具有耐辐射、防振、制动、导电、导磁等特性的橡胶制品。

n橡胶的保护Ø橡胶失去弹性的主要原因是氧化、光辐射和热影响和机械疲劳作用。

Ø在橡胶及其制品的非工作期间应尽量使其处于松弛状态，避免日晒雨淋，避免与酸、碱、汽油、油脂及有机溶剂接触；在存放橡胶及其制品时要远离热源，保存环境温度要尽量保持在3～35℃之间，湿度要尽量保持在50％～80％之间。

n 3. 常用橡胶常用橡胶品种、性能及应用化工器械衬里、高级密封件、高真空胶件优良的耐蚀性、耐油性、耐老化性及耐高温性能。

但耐寒性较差、加工性能不好、价格昂贵氟橡胶胶辊、散热件、绝缘件抗撕裂性、耐老化性、耐水性均较好。

但力学性能较低乙丙橡胶油箱、耐油胶管、密封垫圈、印刷胶辊、耐油运输带及减振制品耐磨性、耐热性、耐老化性、耐水性都较好。

但耐寒性、电绝缘性、耐酸性均较差丁腈橡胶电线、电缆的包皮、胶管、输送带等具有良好的力学性能、耐油性、耐磨性、耐热性、耐燃烧性、耐老化性等。

但耐寒性较差，密度较大，成本较高氯丁橡胶胶管、减振器、刹车皮碗、鞋底等是唯一的弹性高于天然橡胶的合成橡胶。

但抗撕裂性差，加工性能较差顺丁橡胶轮胎、胶带、胶管、胶布及生活用品较好的耐磨性、耐热性、耐老化性、价格便宜，可与天然橡胶混合使用丁本橡胶用途主要性能名称11.1.4 纤维n凡能保持长度比本身直径达100倍的均匀条状或丝状的高分子材料均成为纤维。

纤维包括天然纤维和化学纤维。

n目前得到工业生产并能满足以上使用性能的纤维有n（1）锦纶纤维（2）涤纶纤维（3）腈纶纤维（4）丙纶（5）凯夫拉（Kevlar）纤维11.1.5 胶粘剂n能把两个固体材料表面粘合在一起，并在结合处具有足够的强度的物质称为胶粘剂，又称粘合剂。

作为胶粘剂必须具备以下三个条件：n①在粘结过程中胶粘剂能润是被粘材料，并具有一定的流动性，容易涂刷在被胶物表面。

n②在一定的条件（温度、压力和时间）下能凝固成坚硬的固体。

n③能把被胶接物牢固地联结成一个整体，有一定的胶接强度。

分类：n根据胶粘剂的来源，有天然胶粘剂和人工合成树脂型胶粘剂。

n根据合成树脂的类型，可将人工合成树脂胶粘剂分为以下几种：n（1）热固性树枝胶粘剂n（2）热塑性树脂胶粘剂n（3）橡胶胶粘剂n（4）特种胶粘剂11.1.6 涂料n涂料就是通常所说的油漆，是一种有机高分子胶体的混合溶液，涂在物体表面能干结成膜，是保护和装饰物体表面的涂装材料，它能提高被涂物的使用寿命和使用效能。

而一些特种涂料还可具有防污、导电、伪装等一系列特殊性能。

涂料的作用：n（1）防护作用。

防止物体表面受到气候、腐蚀以及日光照射而变化，防止或减轻物体表面直接受到磨擦和冲击。

n（2）装饰作用。

增加物体表面美观，美化房屋、家具、交通工具、日用品等，有美化作用。

n（3）标志作用。

对交通灯、工厂装备、管线等涂上各种颜色，具有特殊的标识作用。

n（4）特种涂料的特殊作用。

宇宙飞船重返大气层时，表面涂料具有耐高温的作用；把防污涂料涂布于在海上航行的轮船船体表面，可以防止海生物附着等。

涂料的主要成分：n树脂基料、颜料、溶剂，以及其他助剂如：增稠剂、催干剂、抗结皮剂、表面活性剂、杀菌剂、防霉剂等。

n其中树脂基料为成膜物，依据成膜物分类，涂料可分为：(1)油性涂料；(2)天然树脂涂料；(3)沥青涂料；(4)醇酸树脂涂料；(5)酚醛树脂涂料：(6)氨基树脂涂料；(7)硝基涂料；(8)纤维素涂料；(9)过氯乙烯涂料；(10)乙烯树脂涂料；(11)丙烯酸树脂涂料；(12)聚酯树脂涂料；(13)环氧树脂涂料；(14)氨基甲酸酯涂料；(15)元素有机涂料；(16)橡胶涂料；(17)其他涂料。

11.2 陶瓷材料n11.2.1 陶瓷的概念与分类n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。

1. 陶瓷材料的概念n“陶瓷”一词是陶器和瓷器的总称。

n传统的陶瓷是指使用天然材料(黏土、长石和石英等)为主要原料，成形后在高温窑炉中烧制的产品。

由于硅酸盐材料是陶瓷的重要组成部分，所以，陶瓷材料也称为硅酸盐材料。

2. 陶瓷材料的分类（1）普通陶瓷普通陶瓷又称传统陶瓷。

它是以黏土、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。

（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、ZrO、SiC、SiN、BN等，制成具有特殊物理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、压电陶瓷等。

11.2.2 陶瓷材料的特点n 1. 陶瓷材料的相组成特点n陶瓷材料通常是由晶相、玻璃相和气相三种不同的相组成的。

决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相，而玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密程度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。

气相是在工艺过程中形成并保留下来的，它对陶瓷的电及热性能影响很大。

n 2. 陶瓷材料的结合键特点n离子键、共价键及离子键和共价键的混合键为主。

n3.陶瓷材料的性能特点n高强度、高硬度、抗腐蚀和优良的高温性能；n在一定条件下可以具有绝缘、导体、半导体和超导体等特性，从而表现出独特的光学、磁学、电学和力学特性；n致命的缺点：脆性。

n4. 陶瓷材料的工艺特点n大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来获得所需要的形状，因此陶瓷是烧结体。

n传统陶瓷是用粘土（Al2O3·2SiO2·2H2O）、长石（K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2）和石英（SiO2）为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。

n这类陶瓷加工成型性好，成本低，产量大，应用广。

除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门，如耐蚀要求不高的化工容器、管道，供电系统的绝缘子、纺织机械中的导纱零件等。

n传统陶瓷材料还包括玻璃、搪瓷、水泥、耐火材料、石膏等人造无机非金属材料制品。

n特种陶瓷又称新型陶瓷或精细陶瓷。

特种陶瓷材料的组成已超出传统陶瓷材料的以硅酸盐为主的范围，除氧化物、复合氧化物和含氧酸盐外，还有碳化物、氮化物、硼化物、硫化物及其他盐类和单质，并由过去以块状和粉状为主的状态向着单晶化、薄膜化、纤维化和复合化的方向发展。

特种陶瓷又分为结构陶瓷和功能陶瓷n1. 新型结构陶瓷结构陶瓷材料按其化学组成可以分为氧化物和非氧化物两大类。

n2. 新型功能陶瓷新型功能陶瓷材料具有特殊的物理化学性能，种类繁多。