2.3 非金屬材料

在工程材料中，除金屬材料以外的其他材料統稱為非金屬材料，包括高分子材料(橡膠、塑料、纖維、膠黏劑、涂料等)、陶瓷材料和復合材料等。非金屬材料具有金屬材料所不及的某些性能，如絕緣性、高彈性、耐高溫、耐腐蝕、高比強度等。隨著現代石油化工和特種高分子材料的發展，在現代生產中將逐步取代某些金屬材料，并且具有許多金屬材料所不具備的特性。

高分子材料是指以高分子化合物為主，同時輔以一定助劑的材料，又稱高聚物，是目前應用最為廣泛的非金屬材料。根據分子的元素構成，高分子材料又分為有機高分子材料和無機高分子材料兩大類。其中，有機高分子材料用得最為廣泛，如橡膠、塑料、纖維、涂料、膠黏劑等。

2.3.1 橡膠

橡膠是以生膠為基體，并添加各種助劑而成的高分子材料。橡膠在其使用溫度范圍內具有高彈性、強吸振能力、良好的耐磨性、隔音性、絕緣性和一定的耐蝕性，廣泛應用于制造密封件、減振防振件、傳動件、輪胎以及絕緣材料。坦克裝甲車輛的負重輪、拖帶輪、履帶板上的掛膠，艙門、艙蓋密封用的海綿橡膠條，以及各種O形密封圈等都是橡膠材料的典型應用之一。

1．橡膠的組成

橡膠是由生膠基體添加多種助劑而成的。橡膠制品通常還有增強骨架材料，如纖維、金屬絲以及編織物。

①生膠指未添加助劑的天然橡膠或人工合成橡膠。生膠是橡膠制品的主要組成物，又是黏合各種助劑和骨架材料的黏結劑，其特性決定橡膠制品的性能。

②助劑是為了改善和提高橡膠性能而加入的物質，主要包括硫化劑、硫化促進劑、增塑劑、填充劑、防老化劑、著色劑等。

2．常用橡膠

根據應用范圍，橡膠可分為通用橡膠和特種橡膠。常用橡膠的名稱、符號、性能及主要用途見表2-3。

2.3.2 塑料

1．塑料的組成

塑料是以合成高分子樹脂為主要成分，并加入能改善性能的多種添加劑組成的有機高分子化合物。

①樹脂是一類受熱會變軟的無定形半固態的有機合成高分子化合物，如聚乙烯、酚醛樹脂等。松香、瀝青等天然樹脂很少使用。因為樹脂是塑料的基本組成，決定塑料的基本性能，所以很多塑料就是以所用樹脂來命名的，如以聚氯乙烯樹脂為基料的塑料就稱為聚氯乙烯塑料。

②添加劑是為了改善塑料性能而加入的各種物質，如填料、增塑劑、穩定劑、潤滑劑、固化劑、光穩定劑、熱穩定劑等。

2．塑料的分類

塑料的品種很多，按其使用范圍可分為通用塑料、工程塑料和耐熱塑料3類；按合成樹脂的熱性能可分為熱塑性塑料和熱固性塑料2類。

①熱塑性塑料。這類塑料受熱易軟化，可反復多次塑造成型而化學結構不變，分子鏈為線型結構，在適當的溶劑中和一定條件下能夠溶解；這類塑料成型工藝簡單、生產效率高；可采用注塑、擠壓和吹塑成型，但強度、剛性和耐熱性較差，工作溫度一般不超過120℃。這類塑料有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、ABS塑料、有機玻璃(PMMA)、尼龍系列(如PA-6和PA-66)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)等。

②熱固性塑料。這類塑料在第一次成型時發生化學反應生成體型網狀的分子結構，冷卻固化后不能再次加工成型；一般在溶劑中不溶解；耐熱性較高、受熱不易變形等，但力學性能不高，可加入添加劑提高強度，如酚醛塑料(電木)、環氧樹脂塑料、氨基塑料、有機硅塑料等。

3．塑料的性能特點

①質輕。塑料的密度一般為0.9~2.2 g/cm3，只有鋼的20%和鋁的50%左右，泡沫塑料的密度可更低至0.01 g/cm3。

②高比強度。塑料強度不高，但密度很小，因此比強度高。若采用合理的設計結構，塑料可用作結構材料；若與增強纖維制成復合材料，比強度甚至可以超過一般鋼材。

③化學穩定性好。塑料對于一般的酸、堿和有機溶劑均有良好的耐蝕性，如被稱為“塑料王”的聚四氟乙烯能抵抗“王水”的腐蝕。因此，塑料廣泛應用于在腐蝕條件下工作的零件和設備中。

④優異的電絕緣性。一般塑料均有良好的電絕緣性，可與陶瓷、橡膠等絕緣材料相比。因此，塑料廣泛應用于電機、電器和電子設備器件，如開關、插頭、配電盤、儀表殼體、電器支座等。

⑤工藝性能好。塑料比較容易加工成型，生產效率高，有注塑、擠壓和吹塑成型等工藝。

⑥塑料還有良好的減摩性、耐磨性和消聲性。但耐熱性差，一般工作溫度不超過100℃，導熱性差而熱膨脹系數大，易發生蠕變導致零件尺寸穩定性差，在光熱作用下易老化甚至燃燒。

4．常用塑料應用

常用塑料的名稱、符號、性能及主要用途見表2-4。

2.3.3 陶瓷材料

陶瓷材料是用天然或合成化合物經過成型和高溫燒結制成的一類無機非金屬材料。它具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優點。可用作結構材料、刀具材料；由于陶瓷還具有某些特殊性能，又可作為功能材料。

1．陶瓷材料的性能特點

①力學性能。它是工程材料中剛度最好，硬度最高的材料，其硬度大多在HV1500以上。抗壓強度高，但抗拉強度較低，塑性和韌性很差。

②熱性能。一般具有高的熔點(大多在2000℃以上)，且在高溫下具有極好的化學穩定性，導熱性低于金屬材料，線膨脹系數低于金屬，具有良好的尺寸穩定性。

③電性能。具有良好的電絕緣性，大量用于各種電壓(1~110 kV)的絕緣器；鐵電陶瓷具有較高的介電常數，又可用于制作電容器。

④化學性能。不易氧化，并對酸、堿、鹽具有良好的抗腐蝕能力。

⑤具有獨特的光學性能，可用作固體激光器材料、光導纖維材料、光存儲器等，透明陶瓷可用于高壓鈉燈管等。

2．陶瓷材料的分類

陶瓷材料分為普通陶瓷材料和特種陶瓷材料。

普通陶瓷材料按性能特征和用途又可分為日用陶瓷、建筑陶瓷、電絕緣陶瓷和化工陶瓷等。

特種陶瓷按用途不同又可分為結構陶瓷、工具陶瓷和功能陶瓷。

3．陶瓷裝甲

由于陶瓷材料硬度高、質量輕，且其對動能彈和彈藥破片的防御能力都很強，目前已成為一種廣泛應用于防彈衣、車輛和飛機等裝備的防護裝甲。陶瓷復合裝甲不僅能抗御常規彈藥的攻擊，還能承受中子彈和反坦克導彈的攻擊。

陶瓷裝甲具有金屬裝甲無可比擬的優越性能，目前各軍事強國的主戰坦克大都采用在金屬裝甲外掛陶瓷復合裝甲，如英國的“奇伏坦”式坦克、美國的M-1式坦克、德國的“豹-2”式坦克和“黑豹-87”式坦克、美國的M-113式軍用裝甲運輸車等。

2.3.4 涂料

涂料就是我們通稱的油漆，是一類流體狀態或粉末狀態的物質，把它涂布在物體表面上，經過自然或人工的方法能干燥固化形成一層薄膜，均勻地覆蓋和良好地附著在物體表面上，具有防護和裝飾等作用。

1．涂料的作用

(1)保護功能：在物體表面涂覆的涂層能夠阻止或延緩各種腐蝕環境因素對金屬材料的腐蝕、木材的腐朽、混凝土的風化侵蝕等。

(2)裝飾功能：在物體表面形成五光十色、絢麗多彩的外觀，起到美化環境、增強視覺效果的作用。

(3)標示功能：利用在涂料中添加各色顏料而呈現各種顏色的特點，用于涂裝各種設備或設施，是最好的標示材料之一。

(4)其他功能：隨著科學的進步和社會的發展，一些能提供特殊功能的涂料愈來愈顯示它們的重要性，如電絕緣、電磁波屏蔽、防靜電和導電的電性能功能涂料，公路夜間反光涂料，軍事裝備的偽裝、各類結構材料的阻燃涂料，船舶涂料，船舶和海洋結構的防污涂料等。

2．涂料的組成

涂料雖種類繁多，但各種涂料的組成基本上是由油料、樹脂、顏料、溶劑和輔助材料五類原料組成的。

3．涂料的分類

涂料品種繁多，按主要成膜樹脂可分為酚醛樹脂涂料、環氧樹脂涂料、醇酸樹脂涂料、氨基樹脂涂料、丙烯酸樹脂涂料、聚氨酯涂料、過氯乙烯涂料、瀝青涂料等。

4．涂料的應用

①酚醛樹脂涂料。酚醛樹脂是苯酚(或烷基苯酚)與甲醛縮聚而成的樹脂。配制的涂料具有突出的耐酸性、耐水性，原料易得，價格低廉，能與其他樹脂改性等特點，但機械強度低，對金屬附著力差，一般與其他樹脂改性后使用，屬于普通防腐型涂料的一個品種。

②環氧樹脂涂料。以環氧樹脂為主要成膜物質的涂料稱為環氧涂料。大部分用于防腐蝕領域。環氧型防腐蝕涂料是目前世界上應用最為廣泛，也是最為重要的防腐蝕涂料之一。

③醇酸樹脂涂料。由各種油類(干性油、半干性油和不干性油類)和多元醇(甘油、季戊四醇等)反應生成各種醇介物，然后再和多元酸(如苯酐等)縮聚反應而成。醇酸樹脂涂料的特點是具有很好的施工性、耐候性，光亮豐滿，附著力好，但耐水性和耐堿性較差。廣泛用于普通要求不高的防腐涂裝體系中，一直占據涂料工業用樹脂的首位。

④聚氨酯涂料。聚氨酯涂料是以聚氨酯樹脂為基料，以顏料、填料等為輔助材料的涂料。聚氨酯涂料對各種施工環境和對象的適應性較強，可以在低溫固化，在潮濕環境和潮濕底材上施工，并且耐石油的性能突出。聚氨酯涂料的主要缺點是有較大的刺激性和毒性。

⑤丙烯酸樹脂涂料。丙烯酸樹脂涂料是以丙烯酸樹脂為基料的涂料。丙烯酸樹脂因選擇單體的不同，分子量大小及其分布也不同，得到的樹脂性能有很大差異。丙烯酸樹脂涂料主要有熱塑性和熱固性兩大類。這類涂料具有極高的裝飾性、保光、保色、耐候以及較好的耐化學腐蝕性能和“三防”性能(防濕熱、防霉、防鹽霧)，附著力好。特別適合在鋁、鎂等輕金屬上使用，還能與其他樹脂混合使用。廣泛應用于汽車、工程機械、公路橋梁等，已成為使用量較高的涂料品種。

⑥過氯乙烯涂料。以過氯乙烯樹脂為成膜物質的涂料。這類涂料具有耐化學品腐蝕、阻燃、耐水抗潮性能和電絕緣性能好的特點。但也有一些不足，如涂膜附著力差，必須有配套的底漆；涂料固含量低，涂膜薄，涂裝道數較多，涂裝費用增加；使用溫度不宜超過60℃。廣泛應用于化工大氣防腐工程和常溫使用的化工貯罐，也廣泛應用于各種車輛、機床、化工機械和設備等。

2.3.5 黏接材料

在工程上，借助一種物質在固體表面產生黏合力將材料牢固地連接在一起的方法叫膠接。用以產生黏合力的物質稱為膠黏劑。膠接的特點是接頭處的應力分布均勻，可以減輕重量，適應性強，可以黏結各種材料，而且操作簡單，成本低。

1．膠黏劑的組成

膠黏劑是一種高分子材料。目前應用最多的是合成膠黏劑，其組成成分有高分子基料、固化劑、增塑劑和增韌劑、填料、稀釋劑、穩定劑，此外還可加入促進劑、防老化劑和偶聯劑等。

2．常用的膠黏劑

常用的膠黏劑見表2-5。

2.3.6 密封材料

1．密封材料分類

防止機械裝置內部的流體向外泄漏或防止外部的流體、雜質、異物浸入機械內部的密封裝置稱為密封。密封根據和被密封元件之間有無相對運動可分為靜密封與動密封兩類。對于動密封，根據軸的運動形式又可分為旋轉密封和往復密封。

用于密封的材料就稱為密封材料。最常見的是把密封材料分為固體密封材料和液體密封材料，固體密封材料又分為金屬和非金屬密封材料。在眾多密封材料中，橡膠材料是應用最為廣泛的密封材料。

2．橡膠材料密封的原理

橡膠在很小的外力作用下，變形可達100%而不損壞，在外力作用下形狀變化而體積保持不變(具有液體的性質)，外力去除后能恢復原來的形狀，在形變過程中能吸收機械能，恢復中又放出機械能。金屬只有在其變形不大于1%時才能保持彈性和具有較高的抗變形性；塑料與橡膠的區別在于去掉機械能后不能迅速恢復原來的形狀。因此，只有橡膠具有獨特的性能，可以單獨或與金屬、塑料復合后作為密封材料使用。

3．密封技術原理和特點

①靜密封。靜密封形式多為O形圈、墊片、墊圈、密封膠條、防塵罩等，屬于自緊式密封。靜密封方式選用合適的壓縮量至關重要。壓縮量太大，密封安全系數小，不足以達到滿意的密封效果；若壓縮量太大，則可能加大壓縮應力松弛和永久變形量，影響產品的使用壽命。作為靜密封使用時主要考慮材料所能適用的工作介質、工作溫度、工作壓力、密封間隙等。對于橡膠各項材料性能以壓縮永久變形最為重要。

②往復密封主要有O形圈、各種斷面密封圈、膠碗、膠圈、防塵罩等。目前較為流行的密封形式為橡塑組合密封，它的密封原理主要是充分利用塑料的耐磨、低摩擦性能以及橡膠材料的高彈性能進行密封，其結構形式有格來圈、斯特封、AQ封等形式，其具有耐壓、壽命長等特點。

③旋轉密封主要形式為軸封，其具有柔性唇，并帶有金屬骨架支撐，依靠密封刃口施加于軸的徑向力以防止泄漏。旋轉密封可分為高速型、耐壓型等多種形式，目前較為流行的結構形式為流體動力油封。

上述3種密封技術的工作原理均為自緊式密封。

4．密封材料的應用

密封材料的應用見表2-6。