第六章 非金属材料

6.1 高分子材料

　 6.2 陶瓷材料

　　 6.3 复合材料

本章仅作一般了解

6.1 高分子材料一、概述

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。

分类 — 塑料、橡胶、纤维。

性能特点低强度—— σb≈100MPa

高弹性 —— 如橡胶的弹性变形率为 100~1000% ，金属一般为 1% ；

低弹性模量 —— 塑料和橡胶分别为金属的 1/10 和 1/1000 。

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、工程塑料组成

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。

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。

三、橡胶

高弹性，变形量 100~1000% ；弹性模数低，仅 1MN /m 。

　天然橡胶 — 耐油和耐溶剂性差，易老化，不耐高温。

　合成橡胶 — 如，丁苯橡胶、氯丁橡胶。

　用途 —— 轮胎，工业、生活及医疗用品。

　特种橡胶 —— 耐高、低温，耐酸、碱、油，辐射等的橡胶。

常用工程塑料有机玻璃（ 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。

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。

聚丙烯 PP —— 刚性大 , 重量轻，耐热（ -35~121 ℃ ），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）。

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。

6.2 陶瓷材料

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

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

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。电子陶瓷 ——电子产品、敏感元件等。

6.3 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。

ρ

103kg/m3 σb

MN/m2 E

103MN/m2 σb/ρ 103E/ρ

钢 7.8 1010 206 129 26 铝 2.8 461 74 165 26 钛 4.5 942 112 209 25 玻璃钢 2.0 1040 39 520 20 碳纤维／环氧树脂 1.45 1472 137 1015 95 硼纤维／铝 2.65 981 196 370 74

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

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。

粘结剂（基体）——热固性的酚醛、环氧树脂，

热塑性的聚脂。

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。

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

增强剂 —— 硼纤维 , σb=2750 ～3140MPa ， E=382 ～ 392MPa （ 4 倍于玻纤）。

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 。

　用途 ——航空、火箭 。

名词概念

同素异构 过冷度 加工硬化 再结晶

固溶强化 淬透性 变质处理 红硬性

调质处理 回火稳定性

回火脆性 淬火临界冷却速度