第六章 非金属材料
6.1 非金属材料的地位与特点
非金属材料在现代工业中占据重要位置，具有重量轻、耐腐蚀、绝缘性好、成型加工方便等特点，在某些应用领域可以替代金属材料，甚至具有金属材料无法比拟的特殊性能。
6.2 工程塑料
6.2.1 基本概念与组成
- 定义：以天然或合成树脂为主要成分，加入适量添加剂，在一定温度和压力下塑制成形，并在常温下保持其形状不变的高分子材料。
- 主要组成：
- 树脂：主体成分，决定塑料的基本性质。
- 添加剂：增塑剂、稳定剂、填料、着色剂等。
6.2.2 塑料的分类体系
| 分类依据 | 类别 | 特点 | 主要品种 |
|---|---|---|---|
| 按热性能 | 热塑性塑料 | 加热软化，冷却硬化，可逆，可重复加工，机械性能一般，耐热性较差。 | 尼龙、聚乙烯、有机玻璃、聚氯乙烯、聚碳酸酯 |
| 热固性塑料 | 加热后发生化学反应，交联固化，不可逆，只能一次成型，耐热性和机械强度较好，尺寸稳定。 | 酚醛树脂（电木）、环氧树脂、氨基塑料（电玉）、不饱和聚酯树脂 | |
| 按应用范围 | 通用塑料 | 产量大、价格低、应用范围广，用于日用品、包装、工农业用品。 | 聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯 |
| 工程塑料 | 良好的机械性能、耐热性和尺寸稳定性，可部分代替金属制造机械、电子零件。 | 尼龙、聚碳酸酯、聚甲醛、ABS塑料 | |
| 特种塑料 | 具有耐高温、耐腐蚀、耐辐射、高绝缘性等特殊性能，用于航空航天、医疗、电子等特殊领域。 | 聚四氟乙烯（特氟龙）、聚酰亚胺、聚醚醚酮 |
6.2.3 塑料的性能特点
- 优点：质轻、表面性能好、化学稳定性好、电绝缘性好、加工性能好、减振消声性好、多功能性。
- 缺点：强度较低、耐热性差（一般<150℃）、易老化、尺寸稳定性差。
6.2.4 工程塑料的主要应用领域
- 机械制造：齿轮、轴承、凸轮、壳体、密封件。
- 电子电气：绝缘零件、接线端子、外壳、仪表盘。
- 交通运输：汽车保险杠、仪表板、飞机内饰。
- 建筑领域：管道、门窗型材、隔热材料。
- 医疗器械：一次性用品、设备外壳、手术器械手柄。
6.3 橡胶
6.3.1 橡胶基本概念
- 定义：以生胶为基体原料，加入配合剂，经过硫化处理形成的高弹性高分子材料。
- 特点：极高的弹性、优良的伸缩和储能能力、良好的减振和密封性能。
6.3.2 按来源分类
- 天然橡胶：
- 来源：橡胶树胶乳。
- 特点：弹性好，抗拉强度高，但耐热老化性、耐臭氧性较差，易燃烧。
- 应用：轮胎、电线电缆护套。
- 合成橡胶：
- 来源：化学合成。
- 特点：性能可调，多样化。
- 类型：通用合成橡胶（丁苯、顺丁橡胶等）、特种合成橡胶（耐油、耐高温、耐腐蚀等）。
6.3.3 橡胶制品的主要性能与用途
- 主要性能：物理机械性能（弹性、强度、耐磨性）；耐环境性能（耐老化、耐腐蚀、耐寒性）；特殊性能（密封性、减振性、绝缘性）。
- 主要应用领域：
- 交通运输：轮胎、密封条、减震器。
- 工业领域：输送带、胶管、密封垫。
- 日常生活：鞋类、体育用品、家用物品。
- 特种领域：耐油、耐高温、医用橡胶。
6.4 复合材料
6.4.1 基本概念
- 定义：由两种或两种以上性质不同的材料组合而成，通过协同作用获得单一材料无法比拟的综合性能。
- 复合原则：
- 基体材料：连续相，传递应力、保护增强相。
- 增强材料：分散相，主要承担载荷。
- 界面层：基体与增强相之间的过渡区域。
6.4.2 分类（按增强材料形态）
| 类别 | 特点 | 应用 |
|---|---|---|
| 纤维增强复合材料 | 增强剂为纤维状（玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维） | 航空航天结构件、体育器材、汽车部件 |
| 层叠复合材料 | 将不同材料层层叠加（层压板、夹层结构） | 建筑板材、船舶甲板、飞机机翼 |
| 细粒复合材料 | 粉状增强剂分散在基体中（金属陶瓷、颗粒增强塑料） | 切削工具、耐磨零件 |
| 骨架复合材料 | 一种材料构成连续骨架，另一种填充（多孔浸渍材料、蜂窝结构） | 过滤器、隔热材料 |
6.4.3 复合材料的性能特点与应用
- 主要优点：比强度大、高温性能好、化学稳定性好、减摩耐磨性好、自润滑性好、隔热性好、可设计性强、特殊功能。
- 缺点：制备工艺复杂成本高、各向异性设计难度大、某些材料脆性大、回收困难。
- 主要应用领域：航空航天（机体、机翼、火箭壳体）；交通运输（汽车车身、高铁车体）；体育器材（自行车架、球拍）；建筑领域（建筑模板、桥梁加固）；其他（医疗植入物、风电叶片）。
6.5 胶黏剂
- 定义：能把相同或不同材料牢固地黏合在一起的物质。
- 分类：天然胶黏剂（环保，性能有限）与合成胶黏剂（性能优异，应用广泛）。
- 特点与应用优势：
- 应力分布均匀、重量轻、材料适应广、表面质量好。
- 可同时实现连接、密封、绝缘、耐腐蚀等功能。
- 主要类型：
- 环氧胶黏剂（万能胶）：粘结强度高，收缩率小，耐化学腐蚀。应用广泛。
- 聚氨酯胶黏剂（乌利当）：韧性好，耐低温性能优异，用于低温设备、冷藏设备。
- 特种胶黏剂：具有耐高温、耐辐射、导电等特殊性能，用于航空航天、电子工业。
6.6 陶瓷材料
6.6.1 定义与分类
- 定义：以无机非金属化合物为原料，经过高温烧结制成的多晶固体材料。
- 分类：
- 传统陶瓷：原料为天然粘土、长石等。用于建筑陶瓷（瓷砖、洁具）、化工陶瓷（耐酸砖）、绝缘陶瓷（电瓷）、日用陶瓷。
- 特种陶瓷：原料为高纯度人工合成材料，具有特殊物理化学性能。如氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷。
6.6.2 性能特点与应用
- 优点：高硬度、高抗压强度、耐高温、抗氧化、耐磨损、耐腐蚀、绝缘性好。
- 缺点：脆性大、不耐冲击、加工困难、热震性差。
- 应用领域：
- 传统陶瓷：建筑材料、化工设备、电力设备、日用品。
- 特种陶瓷：机械工业（切削刀具、耐磨轴承）、电子工业（集成电路基板、传感器）、能源领域（热机部件）、生物医学（人工关节）、航空航天（发动机部件）。
6.7 非金属材料的选材原则
6.7.1 根据使用环境选材
- 耐腐蚀环境：塑料、陶瓷、某些复合材料。
- 高温环境：陶瓷、耐高温塑料、耐热橡胶。
- 低温环境：耐寒橡胶、某些塑料和复合材料。
- 电绝缘环境：塑料、陶瓷、橡胶。
6.7.2 根据性能要求选材
- 轻量化要求：塑料、复合材料。
- 耐磨要求：陶瓷、某些塑料和复合材料。
- 减振要求：橡胶、某些塑料。
- 密封要求：橡胶、密封胶。
6.7.3 根据加工工艺选材
- 注塑成型：热塑性塑料。
- 模压成型：热固性塑料、橡胶。
- 层压成型：复合材料、胶黏剂。
- 烧结成型：陶瓷。
6.7.4 根据经济性选材
在满足性能前提下综合考虑成本、生产效率、使用寿命和维护成本。
6.7.5 根据环保要求选材
优先选择可降解、可回收、生产过程污染小、使用安全的材料。