第八章 非金屬材料

非金屬材料及

復(fù)合材料

1、塑料與橡膠

2、陶瓷材料

3、復(fù)合材料8.1塑料與橡膠8.1.1塑料1塑料的組成工程上所用的塑料，其成分都是以各種各樣的樹(shù)脂為基礎(chǔ)可加入其他添加劑制成的。樹(shù)脂：是塑料的主要成分，它決定塑料的主要性能并且其他添加劑的加入及作用的發(fā)揮都是以樹(shù)脂為中心作用的，故絕大多數(shù)塑料都以相應(yīng)的樹(shù)脂來(lái)命名的。添加劑：是以改善材料的某種性能而加入的。添加劑的作用和類(lèi)型主要包括：(1)改善塑料工藝性能：如增塑劑、固化劑、發(fā)泡劑和催化劑等。(2)改善使用性能：如增塑劑、穩(wěn)定劑、填料、滑潤(rùn)劑、著色劑、阻燃劑、靜電劑等等。2、塑料的分類(lèi)按熱性能分類(lèi)熱塑性塑料：該類(lèi)材料加熱后軟化或熔化，冷卻后硬化成型，且這一過(guò)程可反復(fù)進(jìn)行。常用的材料有：聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料等。(2)

熱固性塑料：材料成型后，受熱不變形軟化，但當(dāng)加熱至一定溫度則會(huì)分解。故只可一次成型或使用。如環(huán)氧樹(shù)脂等材料。按使用性能分工程塑料：可用作工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械零件的一類(lèi)塑料，它們一般有較好的穩(wěn)定的機(jī)械性能，耐熱耐蝕性較好，且尺寸穩(wěn)定性好。如ABS、尼龍、聚甲醛等。(2)

通用塑料：主要用于日常生活用品的塑料。其產(chǎn)量大，成本低，用途廣，占塑料總產(chǎn)量的3/4以上。(3)

特種塑料：具有某些特殊的物理化學(xué)性能的塑料如耐高溫，耐蝕，光學(xué)等性能塑料。其產(chǎn)量少，成本高，只用于特殊場(chǎng)合。如聚四氟乙烯（PTFE）的潤(rùn)滑耐蝕和電絕緣性；有機(jī)硅樹(shù)脂的耐溫性（可在200~300℃長(zhǎng)期使用）塑料原料通常的狀態(tài)可為粉末，顆?；蛞后w。使用這些狀態(tài)的原料，熱塑性塑料可以用注射、擠出、吹塑等工藝制成管、棒、板和不同厚度的薄膜，泡沫或其他各種狀態(tài)的零件；而熱固性塑料則可以用模壓、層壓、澆鑄等工藝制成層壓板、管、棒以及各種形狀的零件。3、塑料的性能可塑性、可調(diào)性1）物理性能：密度、電性能、熱性能2）化學(xué)性能：耐腐蝕性3）力學(xué)性能：強(qiáng)度、剛度差，會(huì)有蠕變現(xiàn)象。4、常見(jiàn)工程塑料的性能特點(diǎn)和用途㈠聚烯烴塑料聚烯烴塑料的原料來(lái)源于石油天然氣，原料豐富，因此一直是塑料工業(yè)中產(chǎn)量最大的品種，用途也十分廣泛。聚乙烯（PE）：結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的塑料聚乙烯塑料無(wú)嗅、無(wú)毒、化學(xué)穩(wěn)定性好、相對(duì)密度?。?.91~0.97），耐低溫、電絕緣性好。高壓聚乙烯質(zhì)軟，主要用于制造薄膜；低壓聚乙烯質(zhì)硬，可用于制造一些零件。聚乙烯產(chǎn)品缺點(diǎn)是：強(qiáng)度、剛度、硬度低；蠕變大，耐熱性差，且容易老化。但若通過(guò)輻射處理，使分子鏈間適當(dāng)交聯(lián)，其性能會(huì)得到一定的改善。(2)聚氯乙烯（PVC）：全能的塑料是最早使用的塑料產(chǎn)品之一，應(yīng)用十分廣泛。它是由乙烯氣體和氯化氫合成氯乙烯再聚合而成。較高溫度的加工和使用時(shí)會(huì)有少量的分解，產(chǎn)物為氯化氫及氯乙烯（有毒），因此產(chǎn)品中常加入增塑劑和堿性穩(wěn)定劑抑制其分解。PVC使用溫度一般在－15~55℃。其突出的優(yōu)點(diǎn)是耐化學(xué)腐蝕，不燃燒且成本低，易于加工；但其耐熱性差，抗沖擊強(qiáng)度低，還有一定的毒性。當(dāng)然若用共聚和混合法改進(jìn)，也可制成用于食品和藥品包裝的無(wú)毒聚氯乙烯產(chǎn)品。包裝瓶、日用塑料薄膜、玩具、人造革、絕緣層、建筑材料。(4)聚丙烯（PP）：最輕的塑料聚丙烯無(wú)毒、無(wú)味、相對(duì)密度小（0.9~0.91），是塑料中最輕的。其力學(xué)性能如強(qiáng)度、剛度、硬度、彈性模量等都優(yōu)于低壓聚乙烯（PE）；它還具有優(yōu)良的耐熱性，在無(wú)外力作用時(shí)，加熱至150℃不變形，因此它是常用塑料中唯一能經(jīng)受高溫消毒的產(chǎn)品（微波爐餐具，醫(yī)療）；還有優(yōu)秀的電絕緣性。其主要的缺點(diǎn)是：粘合性、染色性和印刷性差；低溫易脆化、易燃，且在光熱作用下易變質(zhì)。PP具有好的綜合機(jī)械性能，故常用來(lái)制各種機(jī)械零件、化工管道（復(fù)合水管）、容器；其無(wú)毒及可消毒性，可用于藥品的包裝。(3)聚苯乙烯（PS）：最鮮艷的塑料該類(lèi)塑料的產(chǎn)量?jī)H次于上述兩者（PE、PVC）。PS是一種無(wú)色透明的塑料，具有良好的加工性能；其薄膜有優(yōu)良的電絕緣性，常用于電器零件；其發(fā)泡材料相對(duì)密度低達(dá)0.33，是良好的隔音、隔熱和防震材料，廣泛用于儀器包裝和隔熱。其中還可加入各種顏色的填料制成色彩鮮艷的制品，用于制造玩具及日常用品。白色污染聚苯乙烯的最大缺點(diǎn)是脆性大、耐熱性差，但常將聚苯乙烯與丁二烯（家電）、丙烯腈、異丁烯、氯乙烯等共聚使用，使材料的沖擊性能、耐熱耐蝕性大大提高，而可用于耐油的機(jī)械零件、儀表盤(pán)、罩、接線(xiàn)盒和開(kāi)關(guān)按鈕等。㈡ABS塑料：抗沖擊強(qiáng)度優(yōu)良的塑料ABS塑料是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三種組元共聚而成，三組元單體可以任意比例混合。由于ABS為三元共聚物，丙烯腈使材料耐蝕性和硬度提高，丁二烯提高其柔順性，而苯乙烯則使具有良好的熱塑性加工性，因此ABS是“堅(jiān)韌、質(zhì)硬且剛性”的材料，是最早被人類(lèi)認(rèn)識(shí)和使用的“高分子合金”。ABS由于其低的成本和良好的綜合性能，且易于加工成型和電鍍防護(hù)，因此在機(jī)械，電器和汽車(chē)等工業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。例如：電視機(jī)、洗衣機(jī)等家電的外殼。㈢聚酰胺(PA)：聚酰胺的商品名稱(chēng)是尼龍或綿綸，是目前機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛的一種工程熱塑性塑料。尼龍的品種很多，其中尼龍1010是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)，使用原料是蓖麻油。聚酰胺無(wú)嗅無(wú)毒、機(jī)械強(qiáng)度高，耐磨，自潤(rùn)滑性好，而且耐油耐蝕消音減震，已大量用于制造小型零件，代替有色金屬及其合金；芳香尼龍具有良好的耐磨耐熱耐輻射性和電絕緣性，在95%相對(duì)濕度下不受影響，而且可在200℃長(zhǎng)期工作使用，可用于制造高溫下工作的耐磨零件，H級(jí)絕緣材料及宇宙服等。尼龍66做板刷，尼龍1010做牙刷絲大多數(shù)尼龍易吸水，導(dǎo)致性能和尺寸的改變，這在使用時(shí)應(yīng)予以注意㈣聚甲醛(POM)POM，性能比尼龍好，是一種非常堅(jiān)韌、耐磨的塑料，有很優(yōu)異的耐沖擊性和抗疲勞性，經(jīng)處理后，強(qiáng)度與鋼材相當(dāng)，直徑3mm的細(xì)絲可以承受10T的拉力。摩擦系數(shù)小，具有自潤(rùn)滑的作用。但熱穩(wěn)定性和耐候性差、大氣中易老化、遇火燃燒。但目前仍廣泛用于汽車(chē)、機(jī)床、化工、儀表等工業(yè)中。㈤聚碳酸酯（PC）PC是一種新型熱塑性塑料，品種較多。工程上用的是芳香族聚碳酸酯，產(chǎn)量?jī)H次于尼龍。PC是一種韌而剛的塑料，強(qiáng)度高，成型收縮率低，尺寸穩(wěn)定，因此制件尺寸精度高。適用于制備精密儀器中的零件，廣泛用于機(jī)械、儀表、電訊、交通、航空、照明和醫(yī)療機(jī)械等工業(yè)。如波音747飛機(jī)上有2500個(gè)零件要用到聚碳酸酯。。PC的透明度高，成型收縮小，可制備飛機(jī)風(fēng)擋、CD。㈥有機(jī)玻璃（PMMA）：不會(huì)碎的玻璃有機(jī)玻璃的化學(xué)名稱(chēng)為：聚甲基丙烯酸甲酯，是目前最好的透明有機(jī)物，透光率達(dá)92%（85%），超過(guò)了普通玻璃。（光纜，光盤(pán)）力學(xué)性能好σb可達(dá)(60~70)MPa，沖擊韌性比普通玻璃高(7~8)倍（厚度為3~6mm時(shí)），不易破碎，耐紫外線(xiàn)和防老化性能好，同時(shí)密度低（1.18）易于加工成型。但其硬度低，耐磨擦性，耐有機(jī)溶劑腐蝕性，耐熱性，導(dǎo)熱性差，使用溫度不能超過(guò)180℃。主要用于制造各種窗體，罩及光學(xué)鏡片和防彈玻璃等零部件。㈦聚四氟乙烯PTFEPTFE是含氟塑料的一種，具有極好的耐高低溫性和耐磨蝕等性能。PTFE幾乎不受任何化學(xué)藥品的腐蝕，即使在高溫下在強(qiáng)酸強(qiáng)堿及強(qiáng)氧化環(huán)境中也都穩(wěn)定，故有“塑料王”之稱(chēng)；其熔點(diǎn)為327℃，能在(－195~+250)℃范圍內(nèi)保持性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；其摩擦系數(shù)小，只有0.04，具有極好的自潤(rùn)滑；且具有憎水憎油和不粘性；在極潮濕的環(huán)境中也保持良好的電絕緣性。但其強(qiáng)度硬度較低，冷流性大，加工成型性較差，只能用冷壓燒結(jié)方法成型。在高于390℃時(shí)分解出劇毒氣體，應(yīng)予注意。PTFE的優(yōu)良性能使其在電子，國(guó)防，涂料、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。㈧熱固性塑料熱固性塑料是樹(shù)脂經(jīng)固化處理后獲得的。所謂固化處理就是樹(shù)脂中加入固化劑并壓制成型，使其由線(xiàn)型聚合物變?yōu)轶w型聚合物的過(guò)程。用得最多的熱固性塑料主要是酚醛塑料和環(huán)氧塑料。酚醛塑料有優(yōu)異的耐熱、絕緣、化學(xué)穩(wěn)定和尺寸穩(wěn)定性，較高的強(qiáng)度硬度和耐磨性，其抗蠕變性能優(yōu)于許多熱塑性工程塑料，廣泛用于機(jī)械電子、航空、船舶工業(yè)和儀表工業(yè)中，如高頻絕緣件、耐酸耐堿耐霉菌件及水潤(rùn)滑軸承；其缺點(diǎn)是質(zhì)脆、耐光性差、色彩單調(diào)（只能制成棕黑色）。環(huán)氧塑料強(qiáng)度高，且耐熱性耐腐蝕性及加工成型性?xún)?yōu)良，對(duì)很多材料有好的膠接性能，主要用于制作塑料模，電氣、電子元件和線(xiàn)圈的密封和固定等領(lǐng)域，還可用于修復(fù)機(jī)件；但其價(jià)格昂貴。常用的還有氨基塑料如脲醛塑料和三聚氰胺塑料等；有機(jī)硅塑料及聚氨脂塑料等。種類(lèi)名稱(chēng)性能及用途熱塑性塑料聚乙烯（PE）塑料瓶,軟塑料管,電纜包覆聚丙烯（PP）齒輪,儀表盒,電線(xiàn)包覆聚氯乙烯（PVC）貯槽,塑料管,電纜套管聚苯乙烯（PS）車(chē)輛燈罩,電子設(shè)備外殼

ABS塑料丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物汽車(chē)擋泥板,電機(jī)外殼聚酰胺（PA）

尼龍屬于縮聚合成樹(shù)脂，具有突出的耐磨性和自潤(rùn)滑性能并有良好的機(jī)械性能，吸水性高軸承、螺紋連接件聚甲醛（POM）耐疲勞性能最高，干摩擦系數(shù)低且穩(wěn)定化工容器,塑料手表零件聚碳酸酯（PC）譽(yù)為“透明金屬”，透光性最好

航空擋風(fēng)玻璃,帽盔常用工程塑料種類(lèi)名稱(chēng)性能及用途熱塑性塑料聚四氟乙烯譽(yù)為“塑料王”，耐高溫、低溫性能最優(yōu)良，且吸水性及摩擦系數(shù)低，但最難成型耐蝕、耐磨、密封件聚砜（PSF）比聚四氟乙烯更具優(yōu)良耐高、低溫性能

高溫軸承材料等聚甲基丙烯酸甲酯

俗稱(chēng)“有機(jī)玻璃”，透光性最好。電視屏幕等熱固性塑料酚醛塑料（PE）常用電氣絕緣材料不宜做食物器皿

環(huán)氧塑料（EP）有某些毒性塑料模具,精密模具常用工程塑料8.1.2橡膠橡膠是以高分子化合物為基礎(chǔ)的具有顯著高彈性的材料，它與塑料的區(qū)別是在（－50~150℃）很寬的溫度范圍內(nèi)處于高彈態(tài)，保持明顯的高彈性。1.橡膠的分類(lèi)橡膠品種很多，主要有天然橡膠和合成橡膠兩類(lèi)。合成橡膠按用途及使用量分為通用橡膠和特種橡膠，前者主要用作輪胎、運(yùn)輸帶、膠管、膠板、墊片、密封裝置等；后者則主要是為在高溫、低溫、酸堿油和輻射等特殊介質(zhì)下工作的制品而設(shè)計(jì)。2.橡膠的組成工業(yè)用橡膠是由生膠（或純橡膠）和橡膠配合劑組成。生膠（或純橡膠）是橡膠制品的主要成分，也是形成橡膠特性的主要原因，其來(lái)源可以是合成的也可是天然的，但生膠性能隨溫度和環(huán)境變化很大，如高溫發(fā)粘，低溫變脆且極易為溶劑溶解，因此必須加入各種不同的橡膠配合劑，以提高橡膠制品的使用性能和加工工藝性能。橡膠中常加入的配合劑有硫化劑、硫化促進(jìn)劑、防老劑、填充劑、發(fā)泡劑和著色劑、補(bǔ)強(qiáng)劑等。3.橡膠的性能特點(diǎn)橡膠的最大特點(diǎn)是高彈性，且彈性模量很低，只有1MPa而外加作用下變形量則可達(dá)(100~1000)%，且易于恢復(fù)；橡膠有儲(chǔ)能、耐磨、隔音、絕緣等性能。廣泛用于制造密封件、減震件、輪胎、電線(xiàn)等。8.2陶瓷材料

陶瓷材料發(fā)展及組成陶瓷是人類(lèi)最早使用的材料之一，傳統(tǒng)的陶瓷所使用的原料主要是粘土等天然硅酸鹽類(lèi)礦物，故又稱(chēng)為硅酸鹽材料；其主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O、PbO等氧化物，形成的材料又統(tǒng)稱(chēng)為傳統(tǒng)陶瓷或普通陶瓷，包括陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代陶瓷材料雖然制作工藝和生產(chǎn)過(guò)程基本上還沿用傳統(tǒng)陶瓷的生產(chǎn)工藝——即粉末原料處理→成型→燒結(jié)的方法，但其所用原料已不僅僅是天然的礦物，有很多則是經(jīng)過(guò)人工提純或是人工合成的，組成配合范圍已擴(kuò)大到整個(gè)無(wú)機(jī)非金屬材料的范圍。

因此，現(xiàn)代陶瓷材料是指除金屬和有機(jī)材料以外的所有固體材料，又稱(chēng)無(wú)機(jī)非金屬材料，是三大類(lèi)固體材料之一類(lèi)，有著十分重要的作用。8.2.1陶瓷材料的分類(lèi)分為普通陶瓷、特種陶瓷按化學(xué)成分分：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷。按性能和用途分；結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷。8.2.2陶瓷材料的性能高硬度，高耐磨性。陶瓷材料彈性膜量較大，即剛性好?？箟簭?qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高得多。塑性差、抗機(jī)械沖擊和熱沖擊性能差。陶瓷熔點(diǎn)高，而且有很好的高溫強(qiáng)度和抗氧化性，是有前途的高溫材料。功能特性非常廣泛。（電、磁、光、熱性能）8.2.3常用工業(yè)陶瓷及其應(yīng)用普通陶瓷：是用天然原料制成的粘土類(lèi)陶瓷，它是以粘土、長(zhǎng)石和石英經(jīng)配料，成型燒結(jié)而成。這類(lèi)陶瓷質(zhì)硬，不導(dǎo)電，易于加工成型；但其內(nèi)部含有較多玻璃相，高溫下易軟化，耐高溫及絕緣性不及特種陶瓷。其成本低，產(chǎn)量大，廣泛用于工作溫度低于200℃的酸堿介質(zhì)、容器、反應(yīng)塔、管道、供電系統(tǒng)的絕緣子和紡織機(jī)械中導(dǎo)紗零件等。氧化鋁陶瓷Al2O3為主要成分，另含有少量的SiO2。根據(jù)Al2O3含量不同又分為75瓷（含75%Al2O3）、95瓷（含95%Al2O3）和99瓷（含99%Al2O3），后兩者又稱(chēng)剛玉瓷。氧化鋁陶瓷耐高溫性好，在氧化性氣氛中，可用到1950℃，且耐蝕性好。故可用作高溫器皿，如熔煉鐵鈷鎳等的坩堝及耐熱用品等。氧化鋁有高硬度及高溫強(qiáng)度，可用作高速切削及難切削材料加工的刃具(760℃時(shí)HRA87，1200℃時(shí)HRA80)；還可作耐磨軸承、模具及活塞、化工用泵和閥門(mén)等。同時(shí)氧化鋁瓷有很好的絕緣性能、內(nèi)燃機(jī)火花塞基本都是用氧化鋁瓷作的。氧化鋁瓷的缺點(diǎn)是脆性大，不能承受沖擊載荷，抗熱震性差，不適合用于有溫度急變場(chǎng)合。其他氧化物陶瓷

BeO、CaO、ZrO2、CeO2、MgO等氧化物陶瓷熔點(diǎn)高，均在2000℃附近，甚至更高，且還具有一系列特殊的優(yōu)異性能。非氧化物工程陶瓷常用的非氧化物陶瓷主要有碳化物陶瓷，如SiC、B4C；氮化物陶瓷，如Si3N4、BN等，它們也具有各自的優(yōu)導(dǎo)性能。氮化硼包括六方和立方結(jié)構(gòu)兩種陶瓷。六方氮化硼結(jié)構(gòu)與石墨相似，性能也比較接近，故又稱(chēng)“白石墨”，其具有良好的耐熱導(dǎo)熱性和高溫介電強(qiáng)度，是理想的散熱和高溫絕緣材料；立方氮化硼為立方結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊密，其硬度與金剛石接近，是優(yōu)良的耐磨材料，常用于制作刀具。8.3復(fù)合材料復(fù)合材料的定義復(fù)合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組合起來(lái)的一種多相固體材料，它不僅保留了組成材料各自的優(yōu)點(diǎn)而且還具有單一材料所沒(méi)有的優(yōu)異性能。

自然界中的樹(shù)木，建筑中的混凝土和人體的骨骼等都是復(fù)合材料。但現(xiàn)代復(fù)合材料則是在充分利用材