第八章非金属材料

1、 1、塑料与橡胶 2、陶瓷材料 3、复合材料 8.1 塑料与橡胶 8.1.1塑料 1塑料的组成 工程上所用的塑料，其成分都是以各种各样的树脂为基 础可加入其他添加剂制成的。 树脂树脂：是塑料的主要成分，它决定塑料的主要性能并且其他 添加剂的加入及作用的发挥都是以树脂为中心作用的，故绝 大多数塑料都以相应的树脂来命名的。 添加剂添加剂：是以改善材料的某种性能而加入的。添加剂的作用 和类型主要包括： (1) 改善塑料工艺性能：如增塑剂、固化剂、发泡剂和 催化剂等。 (2) 改善使用性能：如增塑剂、稳定剂、填料、滑润剂、 着色剂、阻燃剂、静电剂等等。 2、塑料的分类 按热性能分类 热塑性塑料：该类材

2、料加热后软化或熔化，冷却后硬化 成型，且这一过程可反复进行。 常用的材料有： 聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料等。 (2) 热固性塑料：材料成型后，受热不变形软化，但当加热 至一定温度则会分解。 故只可一次成型或使用。 如环氧树脂等材料。 按使用性能分 工程塑料：可用作工程结构或机械零件的一类塑料，它 们一般有较好的稳定的机械性能，耐热耐蚀性较好，且 尺寸稳定性好。 如ABS、尼龙、聚甲醛等。 (2) 通用塑料：主要用于日常生活用品的塑料。其产量大， 成本低，用途广，占塑料总产量的3/4以上。 (3) 特种塑料：具有某些特殊的物理化学性能的塑料如耐高 温，耐蚀，光学等性能塑料。其产量少，成本高，只用

3、 于特殊场合。 如聚四氟乙烯（PTFE）的润滑耐蚀和电绝缘性；有机 硅树脂的耐温性（可在200300长期使用） 塑料原料通常的状态可为粉末，颗粒或液体。使用这些状 态的原料，热塑性塑料可以用注射、挤出、吹塑等工艺制 成管、棒、板和不同厚度的薄膜，泡沫或其他各种状态的 零件；而热固性塑料则可以用模压、层压、浇铸等工艺制 成层压板、管、棒以及各种形状的零件。 3、塑料的性能 可塑性、可调性 1）物理性能：密度、电性能、热性能 2）化学性能：耐腐蚀性 3）力学性能：强度、刚度差，会有蠕变现 象。 4、常见工程塑料的性能特点和用途 聚烯烃塑料 聚烯烃塑料的原料来源于石油天然气，原料丰富，因 此一直是塑

4、料工业中产量最大的品种，用途也十分广泛。 聚乙烯（PE）：结构最简单的塑料 聚乙烯塑料无嗅、无毒、化学稳定性好、相对密度小 （0.910.97），耐低温、电绝缘性好。高压聚乙烯 质软，主要用于制造薄膜；低压聚乙烯质硬，可用于 制造一些零件。 (1) 聚乙烯产品缺点是：强度、刚度、硬度低；蠕变大， 耐热性差，且容易老化。但若通过辐射处理，使分子 链间适当交联，其性能会得到一定的改善。 (2) 聚氯乙烯（PVC）：全能的塑料 是最早使用的塑料产品之一，应用十分广泛。 它是由乙烯气体和氯化氢合成氯乙烯再聚合而成。较 高温度的加工和使用时会有少量的分解，产物为氯化 氢及氯乙烯（有毒），因此产品中常加入

5、增塑剂和碱 性稳定剂抑制其分解。 PVC使用温度一般在1555。其突出的优点是耐 化学腐蚀，不燃烧且成本低，易于加工；但其耐热性 差，抗冲击强度低，还有一定的毒性。当然若用共聚 和混合法改进，也可制成用于食品和药品包装的无毒 聚氯乙烯产品。 包装瓶、日用塑料薄膜、玩具、人造革、绝缘层、建 筑材料。 (4) 聚丙烯（PP）：最轻的塑料 聚丙烯无毒、无味、相对密度小（0.90.91），是塑料中 最轻的。其力学性能如强度、刚度、硬度、弹性模量等都 优于低压聚乙烯（PE）；它还具有优良的耐热性，在无 外力作用时，加热至150不变形，因此它是常用塑料中 唯一能经受高温消毒的产品（微波炉餐具，医疗）；还有

6、 优秀的电绝缘性。 其主要的缺点是：粘合性、染色性和印刷性差；低温易脆 化、易燃，且在光热作用下易变质。 PP具有好的综合机械性能，故常用来制各种机械零件、 化工管道（复合水管）、容器；其无毒及可消毒性，可用 于药品的包装。 (3) 聚苯乙烯（PS）：最鲜艳的塑料 该类塑料的产量仅次于上述两者（PE、PVC）。 PS是一种无色透明的塑料，具有良好的加工性能；其 薄膜有优良的电绝缘性，常用于电器零件；其发泡材 料相对密度低达0.33，是良好的隔音、隔热和防震材 料，广泛用于仪器包装和隔热。其中还可加入各种颜 色的填料制成色彩鲜艳的制品，用于制造玩具及日常 用品。 白色污染 聚苯乙烯的最大缺点是脆

7、性大、耐热性差，但常将聚 苯乙烯与丁二烯（家电）、丙烯腈、异丁烯、氯乙烯 等共聚使用，使材料的冲击性能、耐热耐蚀性大大提 高，而可用于耐油的机械零件、仪表盘、罩、接线盒 和开关按钮等。 ABS塑料：抗冲击强度优良的塑料 ABS塑料是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种组元共聚而成， 三组元单体可以任意比例混合。由于ABS为三元共聚物， 丙烯腈使材料耐蚀性和硬度提高，丁二烯提高其柔顺性， 而苯乙烯则使具有良好的热塑性加工性，因此ABS是“坚 韧、质硬且刚性”的材料，是最早被人类认识和使用的 “高分子合金”。 ABS由于其低的成本和良好的综合性能，且易于加工成型 和电镀防护，因此在机械，电器和汽车等工业有

8、着广泛的 应用。例如：电视机、洗衣机等家电的外壳。 聚酰胺(PA)： 聚酰胺的商品名称是尼龙或绵纶，是目前机械工业中应用 比较广泛的一种工程热塑性塑料。尼龙的品种很多，其中 尼龙1010是我国独创，使用原料是蓖麻油。 聚酰胺无嗅无毒、机械强度高，耐磨，自润滑性好，而且 耐油耐蚀消音减震，已大量用于制造小型零件，代替有色 金属及其合金；芳香尼龙具有良好的耐磨耐热耐辐射性和 电绝缘性，在95%相对湿度下不受影响，而且可在200 长期工作使用，可用于制造高温下工作的耐磨零件，H级 绝缘材料及宇宙服等。 尼龙66做板刷，尼龙1010做牙刷丝 大多数尼龙易吸水，导致性能和尺寸的改变，这在使用时 应予以注

9、意 聚甲醛(POM) POM，性能比尼龙好，是一种非常坚韧、耐磨的塑料， 有很优异的耐冲击性和抗疲劳性，经处理后，强度与钢材 相当，直径3mm的细丝可以承受10T的拉力。 摩擦系数小，具有自润滑的作用。 但热稳定性和耐候性差、大气中易老化、遇火燃烧。但目 前仍广泛用于汽车、机床、化工、仪表等工业中。 聚碳酸酯（PC） PC是一种新型热塑性塑料，品种较多。工程上用的是芳香族 聚碳酸酯，产量仅次于尼龙。 PC是一种韧而刚的塑料，强度高，成型收缩率低，尺寸稳定， 因此制件尺寸精度高。适用于制备精密仪器中的零件，广 泛用于机械、仪表、电讯、交通、航空、照明和医疗机械 等工业。如波音747飞机上有250

10、0个零件要用到聚碳酸 酯。 。 PC的透明度高，成型收缩小，可制备飞机风挡、CD。 有机玻璃 （PMMA）：不会碎的玻璃 有机玻璃的化学名称为：聚甲基丙烯酸甲酯，是目前最好 的透明有机物，透光率达92% （ 85% ），超过了普通玻 璃。（光缆，光盘） 力学性能好b可达(6070)MPa，冲击韧性比普通玻璃高 (78)倍（厚度为36mm时），不易破碎，耐紫外线和防 老化性能好，同时密度低（1.18）易于加工成型。但其硬 度低，耐磨擦性，耐有机溶剂腐蚀性，耐热性，导热性差， 使用温度不能超过180。 主要用于制造各种窗体，罩及光学镜片和防弹玻璃等零部 件。 聚四氟乙烯PTFE PTFE是含氟塑料

11、的一种，具有极好的耐高低温性和耐 磨蚀等性能。PTFE几乎不受任何化学药品的腐蚀，即 使在高温下在强酸强碱及强氧化环境中也都稳定，故 有“塑料王”之称；其熔点为327，能在( 195+250) 范围内保持性能的长期稳定性；其摩擦 系数小，只有0.04，具有极好的自润滑；且具有憎水 憎油和不粘性；在极潮湿的环境中也保持良好的电绝 缘性。 但其强度硬度较低，冷流性大，加工成型性较差，只 能用冷压烧结方法成型。在高于390时分解出剧毒气 体，应予注意。 PTFE的优良性能使其在电子，国防，涂料、医学等领 域的应用日益广泛。 热固性塑料 q 热固性塑料是树脂经固化处理后获得的。所谓固化处 理就是树脂中

12、加入固化剂并压制成型，使其由线型聚 合物变为体型聚合物的过程。 q 用得最多的热固性塑料主要是酚醛塑料和环氧塑料。 酚醛塑料有优异的耐热、绝缘、化学稳定和尺寸稳定性，较 高的强度硬度和耐磨性，其抗蠕变性能优于许多热塑性工程 塑料，广泛用于机械电子、航空、船舶工业和仪表工业中， 如高频绝缘件、耐酸耐碱耐霉菌件及水润滑轴承；其缺点是 质脆、耐光性差、色彩单调（只能制成棕黑色）。 环氧塑料强度高，且耐热性耐腐蚀性及加工成型性优良，对 很多材料有好的胶接性能，主要用于制作塑料模，电气、电 子元件和线圈的密封和固定等领域，还可用于修复机件；但 其价格昂贵。常用的还有氨基塑料如脲醛塑料和三聚氰胺塑 料等；

13、有机硅塑料及聚氨脂塑料等。 种类种类名称名称性能及用途性能及用途 热热 塑塑 性性 塑塑 料料 聚乙烯（聚乙烯（PE） 塑料瓶塑料瓶,软塑料管软塑料管,电缆包覆电缆包覆 聚丙烯（聚丙烯（PP）齿轮齿轮,仪表盒仪表盒,电线包覆电线包覆 聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC）贮槽贮槽,塑料管塑料管,电缆套管电缆套管 聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS）车辆灯罩车辆灯罩,电子设备外壳电子设备外壳 ABS塑料塑料丙烯腈、丁二烯和苯乙烯丙烯腈、丁二烯和苯乙烯 的三元共聚物的三元共聚物 汽车挡泥板汽车挡泥板,电机外壳电机外壳 聚酰胺（聚酰胺（PA） 尼龙尼龙 属于缩聚合成树脂，具有突出的耐磨性和自润滑性能属于缩聚合成树脂，具

14、有突出的耐磨性和自润滑性能 并有良好的机械性能并有良好的机械性能 ，吸水性高吸水性高 轴承、螺纹连接件轴承、螺纹连接件 聚甲醛（聚甲醛（POM）耐疲劳性能最高耐疲劳性能最高 ，干摩擦系数低且稳定干摩擦系数低且稳定 化工容器化工容器,塑料手表零件塑料手表零件 聚碳酸酯（聚碳酸酯（PC）誉为誉为“透明金属透明金属” ，透光性最好透光性最好 航空挡风玻璃航空挡风玻璃,帽盔帽盔 常用工程塑料常用工程塑料 种类种类名称名称性能及用途性能及用途 热热 塑塑 性性 塑塑 料料 聚四氟乙烯聚四氟乙烯誉为誉为“塑料王塑料王”，耐高温、低温性能最优良，且吸，耐高温、低温性能最优良，且吸 水性及摩擦系数低，但最难成

15、型水性及摩擦系数低，但最难成型 耐蚀、耐磨、密封件耐蚀、耐磨、密封件 聚砜（聚砜（PSF）比聚四氟乙烯更具优良耐高、低温性能比聚四氟乙烯更具优良耐高、低温性能 高温轴承材料等高温轴承材料等 聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯 俗称俗称“有机玻璃有机玻璃”，透光性最好。，透光性最好。 电视屏幕等电视屏幕等 热固热固 性塑性塑 料料 酚醛塑料（酚醛塑料（PE）常用电气绝缘材料不宜做食物器皿常用电气绝缘材料不宜做食物器皿 环氧塑料（环氧塑料（EP）有某些毒性有某些毒性 塑料模具塑料模具,精密模具精密模具 常用工程塑料常用工程塑料 8.1.2 橡胶 橡胶是以高分子化合物为基础的具有显著高弹性 的材料，它

16、与塑料的区别是在（50150）很宽的 温度范围内处于高弹态，保持明显的高弹性。 1.橡胶的分类 橡胶品种很多，主要有天然橡胶和合成橡胶两类。 合成橡胶按用途及使用量分为通用橡胶和特种橡胶， 前者主要用作轮胎、运输带、胶管、胶板、垫片、密 封装置等；后者则主要是为在高温、低温、酸碱油和 辐射等特殊介质下工作的制品而设计。 2.橡胶的组成 工业用橡胶是由生胶（或纯橡胶）和橡胶配合剂组成。 生胶（或纯橡胶）是橡胶制品的主要成分，也是形成橡胶 特性的主要原因，其来源可以是合成的也可是天然的，但 生胶性能随温度和环境变化很大，如高温发粘，低温变脆 且极易为溶剂溶解，因此必须加入各种不同的橡胶配合剂， 以

17、提高橡胶制品的使用性能和加工工艺性能。橡胶中常加 入的配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、填充剂、发 泡剂和着色剂、补强剂等。 3.橡胶的性能特点 橡胶的最大特点是高弹性，且弹性模量很低，只有 1MPa而外加作用下变形量则可达(1001000)%，且易于 恢复；橡胶有储能、耐磨、隔音、绝缘等性能。广泛用于 制造密封件、减震件、轮胎、电线等。 8.2 陶瓷材料陶瓷材料 陶瓷材料发展及组成陶瓷材料发展及组成 q 陶瓷是人类最早使用的材料之一，传统的陶瓷所使用的陶瓷是人类最早使用的材料之一，传统的陶瓷所使用的 原料主要是粘土等天然硅酸盐类矿物，故又称为硅酸盐原料主要是粘土等天然硅酸盐类矿物，故又称为

18、硅酸盐 材料；其主要成分是材料；其主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、 CaO、MgO、K2O、Na2O、PbO等氧化物，形成的材等氧化物，形成的材 料又统称为传统陶瓷或普通陶瓷，包括陶瓷、玻璃、水料又统称为传统陶瓷或普通陶瓷，包括陶瓷、玻璃、水 泥及耐火材料等。泥及耐火材料等。 q 随着生产的发展和科学技术的进步，现代陶瓷材料虽然随着生产的发展和科学技术的进步，现代陶瓷材料虽然 制作工艺和生产过程基本上还沿用传统陶瓷的生产工制作工艺和生产过程基本上还沿用传统陶瓷的生产工 艺艺即粉末原料处理即粉末原料处理成型成型烧结的方法，但其所用烧结的方法，但其所用 原料已不仅仅是天然的矿

19、物，有很多则是经过人工提纯原料已不仅仅是天然的矿物，有很多则是经过人工提纯 或是人工合成的，组成配合范围已扩大到整个无机非金或是人工合成的，组成配合范围已扩大到整个无机非金 属材料的范围。属材料的范围。 因此，现代陶瓷材料是指除金属和有机材因此，现代陶瓷材料是指除金属和有机材 料以外的所有固体材料，又称无机非金属材料，料以外的所有固体材料，又称无机非金属材料， 是三大类固体材料之一类，有着十分重要的作是三大类固体材料之一类，有着十分重要的作 用。用。 8.2.1 陶瓷材料的分类陶瓷材料的分类 分为普通陶瓷、特种陶瓷分为普通陶瓷、特种陶瓷 按化学成分分：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮按化学成分分：氧

20、化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮 化物陶瓷。化物陶瓷。 按性能和用途分；结构陶瓷、功能陶瓷。按性能和用途分；结构陶瓷、功能陶瓷。 8.2.2 陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能 高硬度，高耐磨性。高硬度，高耐磨性。 陶瓷材料弹性膜量较大，即刚性好。陶瓷材料弹性膜量较大，即刚性好。 抗压强度比抗拉强度高得多。抗压强度比抗拉强度高得多。 塑性差、抗机械冲击和热冲击性能差。塑性差、抗机械冲击和热冲击性能差。 陶瓷熔点高，而且有很好的高温强度和抗氧化性，陶瓷熔点高，而且有很好的高温强度和抗氧化性， 是有前途的高温材料。是有前途的高温材料。 功能特性非常广泛。（电、磁、光、热性能）功能特性非常广泛。（电、磁、光、热性

21、能） 8.2.3 常用工业陶瓷及其应用常用工业陶瓷及其应用 普通陶瓷：是用天然原料制成的粘土类陶普通陶瓷：是用天然原料制成的粘土类陶 瓷，它是以粘土、长石和石英经配料，成瓷，它是以粘土、长石和石英经配料，成 型烧结而成。这类陶瓷质硬，不导电，易型烧结而成。这类陶瓷质硬，不导电，易 于加工成型；但其内部含有较多玻璃相，于加工成型；但其内部含有较多玻璃相， 高温下易软化，耐高温及绝缘性不及特种高温下易软化，耐高温及绝缘性不及特种 陶瓷。其成本低，产量大，广泛用于工作陶瓷。其成本低，产量大，广泛用于工作 温度低于温度低于200的酸碱介质、容器、反应的酸碱介质、容器、反应 塔、管道、供电系统的绝缘子和

22、纺织机械塔、管道、供电系统的绝缘子和纺织机械 中导纱零件等。中导纱零件等。 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 Al2O3为主要成分，另含有少量的为主要成分，另含有少量的SiO2。根据根据Al2O3含含 量不同又分为量不同又分为75瓷（含瓷（含75% Al2O3 ）、）、95瓷（含瓷（含95% Al2O3 ）和和99瓷（含瓷（含99% Al2O3 ），），后两者又称刚玉后两者又称刚玉 瓷。瓷。 氧化铝陶瓷耐高温性好，在氧化性气氛中，可用到氧化铝陶瓷耐高温性好，在氧化性气氛中，可用到 1950，且耐蚀性好。故可用作高温器皿，如熔炼铁且耐蚀性好。故可用作高温器皿，如熔炼铁 钴镍等的坩埚及耐热用品等。钴镍等的坩埚

23、及耐热用品等。 氧化铝有高硬度及高温强度，可用作高速切削及难切氧化铝有高硬度及高温强度，可用作高速切削及难切 削材料加工的刃具削材料加工的刃具(760 时时HRA87，1200 时时 HRA80)；还可作耐磨轴承、模具及活塞、化工用泵还可作耐磨轴承、模具及活塞、化工用泵 和阀门等。同时氧化铝瓷有很好的绝缘性能、内燃机和阀门等。同时氧化铝瓷有很好的绝缘性能、内燃机 火花塞基本都是用氧化铝瓷作的。火花塞基本都是用氧化铝瓷作的。 氧化铝瓷的缺点是脆性大，不能承受冲击载荷，抗热氧化铝瓷的缺点是脆性大，不能承受冲击载荷，抗热 震性差，不适合用于有温度急变场合。震性差，不适合用于有温度急变场合。 其他氧化

24、物陶瓷其他氧化物陶瓷 BeO、CaO、ZrO2、CeO2、MgO等氧化物陶瓷等氧化物陶瓷 熔点高，均在熔点高，均在2000附近，甚至更高，且还具有一系附近，甚至更高，且还具有一系 列特殊的优异性能。列特殊的优异性能。 非氧化物工程陶瓷非氧化物工程陶瓷 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，如氮化物陶瓷，如Si3N4、BN等，它们也具有各等，它们也具有各 自的优导性能。自的优导性能。 氮化硼包括六方和立方结构两种陶瓷。六方氮化氮化硼包括六方和立方结构两种陶瓷。六方氮化 硼结构与石墨相似，性能也比较接近，故又称硼结构与石墨相似，

25、性能也比较接近，故又称“白石白石 墨墨”，其具有良好的耐热导热性和高温介电强度，是，其具有良好的耐热导热性和高温介电强度，是 理想的散热和高温绝缘材料；立方氮化硼为立方结构，理想的散热和高温绝缘材料；立方氮化硼为立方结构， 结构紧密，其硬度与金刚石接近，是优良的耐磨材料，结构紧密，其硬度与金刚石接近，是优良的耐磨材料， 常用于制作刀具。常用于制作刀具。 8.3 复合材料复合材料 复合材料的定义复合材料的定义 复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料组复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料组 合起来的一种多相固体材料，它不仅保留了组成材料各合起来的一种多相固体材料，它不仅保留了组成材料各 自的

26、优点而且还具有单一材料所没有的优异性能。自的优点而且还具有单一材料所没有的优异性能。 自然界中的树木，建筑中的混凝土和人体的骨骼等都是复合自然界中的树木，建筑中的混凝土和人体的骨骼等都是复合 材料。但现代复合材料则是在充分利用材料科学理论和材料制作材料。但现代复合材料则是在充分利用材料科学理论和材料制作 工艺发展的基础上发展起来的一类新型材料，在不同的材料之间工艺发展的基础上发展起来的一类新型材料，在不同的材料之间 进行复合，进行复合， 既保持各组分的性能，又有组合的新功能，充分发挥既保持各组分的性能，又有组合的新功能，充分发挥 了材料的性能潜力，获得了材料的多功能性，成为改善材料性能了材料的性能潜力，获得了材料的多功能性，成为改善材料性能 的新手段，也为现代尖端工业的发展提供了技术和物质基础。如的新手段，也为现代尖端工业的发展提供了技术和物质基础。如 现代航空航天、能源、海洋工程等工业的发展要求材料有良好的现代航空航天、能源、海洋工程等工业的发展要求材料有良好的 综合性能，低密度、高强度、高模量、高韧性，以及高疲劳性能综合性能，低密度、高强度、高模量、高韧性，以及高疲劳性能 并要求耐高温、高压、高真空、辐射等极端条件下稳定工作，只并要求耐高温、