常用复合材料介绍

非金属材料及复合材料

学习目标：了解非金属材料和复合材料的种类、性能特点及应用，特别是塑料、橡胶、陶瓷、复合材料的性能特点及应用。

本章导读：塑料与橡胶为有机高分子材料，与金属相比质量轻，具有金属材料不可比拟的特殊性能，使用极为广泛；陶瓷为无机非金属材料，具有高硬度、耐蚀的性能，除日用陶瓷外，工业上使用的特种陶瓷更具有其独特的性能，在机械加工、航空航天、化学工业等领域都有应用；复合材料是由两种或多种材料组成的多相材料，具有较好的综合性能，其应用越来越受到广泛的重视，大家熟悉的玻璃钢、塑钢门窗、羽毛球拍等，都是用复合材料制造的。

第一节塑料与橡胶

塑料与橡胶属高分子材料，目前，全世界合成高分子材料的年产量按体积计已超过钢铁材料，并正以每年14%的速度增长，其使用领域广泛，涉及工业制造及日常生活。

高分子材料是由若干原子按一定规律重复地连接而成的长链分子，长链分子的最大伸直长度可达毫米级，其分子量一般大于5000。高分子材料按来源可分为天然高分子（天然橡胶、蚕丝、皮革、木材等）和合成高分子化合物（塑料、橡胶等）。

合成高分子化合物是由一种或几种单体（简单结构的低分子化合物）聚合而成的，因此高分子化合物又称高聚物或聚合物。如聚乙烯分子就是由单体乙烯经聚合反应连接而成：

n（CH2=CH2）—— --[ CH2—CH2 ]-- n

乙烯聚乙烯

高分子化合物的化学组成一般并不复杂，是由重复连接的结构单元组成的，这种重复连接的结构单元称为“链节”，如聚乙烯中的 --[ CH-2—CH2 ]--。大分子链之间存在的相互作用力使链节连接起来，其连接方式决定了高分子化合物的性能。

一、塑料

1．塑料的组成

塑料的主要组成是合成树脂和添加剂。合成树酯是具有可塑性的高分子化合物的统称，它是塑料的基本组成物，它决定了塑料的基本性能，塑料中合成树酯含量一般为30%~100%。树酯在塑料中还起粘结剂的作用，许多塑料的名称是以树酯来命名的，如聚苯乙烯塑料的树酯就是聚苯乙烯；添加剂的作用主要是改善塑料的某些性能或降低成本，常用的添加剂有填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、着色剂等。

2．塑料的分类

按使用范围：通用塑料、工程塑料

按受热性能：热塑性塑料、固性塑料。

热塑性和热固性塑料的特性及常用品种

3．塑料的性能

塑料最大的特点是具有可塑性和可调性。所谓可塑性，就是通过简单的成型工艺，利用模具可以制造出所需要的各种不同形状的塑料制品；可调性是指在生产过程中可以通过变换工艺、改变配方，制造出不同性能的塑料。塑料的其它性能分述如下：

（1）物理性能

密度塑料的密度在0.9~2.2g．cm-3之间，仅相当于钢密度的1/4~1/7。若在塑料中加入发泡剂后，泡沫塑料的密度仅为0.02~0.2g．cm-3。

电性能塑料具有良好的电绝缘性。聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等塑料可作为高频绝缘材料；聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛、氨基塑料等可作为中频及低频绝缘材料。

热性能塑料遇热、遇光易老化、分解，大多数塑料只能在100℃以下使用，只有极少数塑料（如聚四氟乙烯、有机硅塑料）可在250℃左右长期使用；塑料的导热性差，是良好的绝热材料；塑料线膨胀系数大，一般为钢的3~10倍，因而塑料零件的尺寸不稳定，常因受热膨胀产生过量变形而引起开裂、松动、脱落100。

（2）化学性能塑料具有良好的耐腐蚀性能，大多数塑料能耐大气、水、酸、碱、油的腐蚀。因此工程塑料能制作化工设备及在腐蚀介质中工作的零件。

（3）力学性能

强度与刚度塑料的强度、刚度较差，其强度仅为30~150MPa，且受温度的影响较大；塑料的刚度仅为钢的1/10。但由于塑料的密度小，故比强度比较高。

蠕变与应力松弛塑料在外力作用下，在应力保持恒定的条件下，变形随时间的延续而慢慢增加，这种现象称为蠕变。例如架空的电线套管会慢慢变弯，这就是蠕变。蠕变会导致应力松弛，如塑料管接头经一定时间使用后，由于应力松弛导致泄漏。

图7-1 有机玻璃应力—应变曲线

减摩性和耐磨性许多的塑料的摩擦系数低，如聚四氟乙烯、尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯等都具有小的摩擦系数，因此塑料具有良好的减摩性；同时塑料具有自润滑性，在无润滑或少润滑摩擦的条件下，其减摩性好于金属，工程上用这类塑料来制造轴承、轴套、衬套、丝杠螺母等摩擦磨损件。

此外，塑料还具良好的减振性和消音性，用塑料制作零件可减小机器工作时的振动和噪声。

4．常用塑料的性能及应用

塑料的通用品种中，聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品种的总产量在亿吨左右。其他如透光性好的有机玻璃，称为"塑料王"的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯，作为工程塑料的聚砜、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酰亚胺和常用作泡沫塑料的聚氨酯等。

常用塑料的特性及应用

二、橡胶

橡胶是具有高弹性的高分子材料，它在较小的载荷下就能产生很大的变形，当载荷去除后又能很快恢复原状，是常用的弹性材料、密封材料、防震和减振材料、传动材料。

1．橡胶的分类

按其来源不同可分为天然橡胶与合成橡胶两类。天然橡胶是橡胶树的液状乳汁经采集和适当加工而成，天然橡胶的主要化学成分是聚异戊二烯；合成橡胶主要成分是合成高分子物质，其品种较多，丁苯橡胶和顺丁橡胶是较常用的合成橡胶。

按其用途可分为通用橡胶和特种橡胶，通用橡胶的用量一般较大，主要用于制作轮胎、输送带、胶管、胶板等，主要品种有丁苯橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶等；特种橡胶主要用于高温、低温、酸、碱、油和辐射介质条件下的橡胶制品，主要有丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。

2．橡胶的组成

橡胶制品是以生胶为基础，并加入适量的配合剂和增强材料组成的。

（1）生胶是未加配合剂的天然或合成橡胶，是橡胶制品的主要组分，生胶不仅决定了橡胶的性能，还能把各种配合剂和增强材料粘成一体。不同的生胶可制成不同性能的橡胶制品。

（2）配合剂作用是提高橡胶制品的使用性能和工艺性能。配合剂的种类很多，一般有硫化剂、硫化促进剂、增塑剂、填充剂、防老化剂等，其中硫化剂的作用是使橡胶变得有富有弹性，目前生产中多采用硫磺作为硫化剂；硫化促进剂主要作用是促进硫化，缩短硫化时间并降低硫化温度。常用的硫化促进剂有MgO、ZnO、CaO等；增塑剂主要作用是提高橡胶的塑性，使之易于加工和与各种配料混合，并降低橡胶的硬度、提高耐寒性等，常用增塑剂主要有硬酯酸、精制蜡、凡士林等；防老化剂可防止橡胶制品在受光、热、介质的作用时出现变硬、变脆、提高使用寿命，主要加入石蜡、密蜡或其它比橡胶更易氧化的物质，在橡胶表面形成稳定的氧化膜，抵抗氧的侵蚀；填充剂的作用是提高橡胶的强度和降低成本。常用的有碳黑、MgO、ZnO、CaO等。

（3）增强材料其作用是提高橡胶的力学性能，如强度、硬度、耐磨性和刚性等。常用的增强材料是各种纤维织物、金属丝及编织物。如在传送带、胶管中加入帆布、细布，在轮胎中加入帘布、在胶管中加入钢线等。

3．橡胶的性能

（1）极好的弹性橡胶的主要组分是具有高弹性高分子物质。在受到较小力作用下能产生很大的变形（变形量在100%~1000%），取消外力后又能恢复原状，这是橡胶区别于其他物质的主要标志。

（2）很高的可挠性、伸长率、良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性、隔音、吸振以及与其它物质的粘结性等。

4．常用橡胶及其应用

橡胶主要用于制作轮胎；密封元件（旋转轴密封、管道接口密封）；各种胶管（输送水、油、气、酸、碱）；减振、防振件（机座减振垫片、汽车底盘橡胶弹簧）；传动件（如三角胶带、传动滚子）；运输胶带；电线、电缆和电工绝缘材料；