2.3 非金属材料

在工程材料中，除金属材料以外的其他材料统称为非金属材料，包括高分子材料(橡胶、塑料、纤维、胶黏剂、涂料等)、陶瓷材料和复合材料等。非金属材料具有金属材料所不及的某些性能，如绝缘性、高弹性、耐高温、耐腐蚀、高比强度等。随着现代石油化工和特种高分子材料的发展，在现代生产中将逐步取代某些金属材料，并且具有许多金属材料所不具备的特性。

高分子材料是指以高分子化合物为主，同时辅以一定助剂的材料，又称高聚物，是目前应用最为广泛的非金属材料。根据分子的元素构成，高分子材料又分为有机高分子材料和无机高分子材料两大类。其中，有机高分子材料用得最为广泛，如橡胶、塑料、纤维、涂料、胶黏剂等。

2.3.1 橡胶

橡胶是以生胶为基体，并添加各种助剂而成的高分子材料。橡胶在其使用温度范围内具有高弹性、强吸振能力、良好的耐磨性、隔音性、绝缘性和一定的耐蚀性，广泛应用于制造密封件、减振防振件、传动件、轮胎以及绝缘材料。坦克装甲车辆的负重轮、拖带轮、履带板上的挂胶，舱门、舱盖密封用的海绵橡胶条，以及各种O形密封圈等都是橡胶材料的典型应用之一。

1．橡胶的组成

橡胶是由生胶基体添加多种助剂而成的。橡胶制品通常还有增强骨架材料，如纤维、金属丝以及编织物。

①生胶指未添加助剂的天然橡胶或人工合成橡胶。生胶是橡胶制品的主要组成物，又是黏合各种助剂和骨架材料的黏结剂，其特性决定橡胶制品的性能。

②助剂是为了改善和提高橡胶性能而加入的物质，主要包括硫化剂、硫化促进剂、增塑剂、填充剂、防老化剂、着色剂等。

2．常用橡胶

根据应用范围，橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。常用橡胶的名称、符号、性能及主要用途见表2-3。

2.3.2 塑料

1．塑料的组成

塑料是以合成高分子树脂为主要成分，并加入能改善性能的多种添加剂组成的有机高分子化合物。

①树脂是一类受热会变软的无定形半固态的有机合成高分子化合物，如聚乙烯、酚醛树脂等。松香、沥青等天然树脂很少使用。因为树脂是塑料的基本组成，决定塑料的基本性能，所以很多塑料就是以所用树脂来命名的，如以聚氯乙烯树脂为基料的塑料就称为聚氯乙烯塑料。

②添加剂是为了改善塑料性能而加入的各种物质，如填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、光稳定剂、热稳定剂等。

2．塑料的分类

塑料的品种很多，按其使用范围可分为通用塑料、工程塑料和耐热塑料3类；按合成树脂的热性能可分为热塑性塑料和热固性塑料2类。

①热塑性塑料。这类塑料受热易软化，可反复多次塑造成型而化学结构不变，分子链为线型结构，在适当的溶剂中和一定条件下能够溶解；这类塑料成型工艺简单、生产效率高；可采用注塑、挤压和吹塑成型，但强度、刚性和耐热性较差，工作温度一般不超过120℃。这类塑料有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、ABS塑料、有机玻璃(PMMA)、尼龙系列(如PA-6和PA-66)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)等。

②热固性塑料。这类塑料在第一次成型时发生化学反应生成体型网状的分子结构，冷却固化后不能再次加工成型；一般在溶剂中不溶解；耐热性较高、受热不易变形等，但力学性能不高，可加入添加剂提高强度，如酚醛塑料(电木)、环氧树脂塑料、氨基塑料、有机硅塑料等。

3．塑料的性能特点

①质轻。塑料的密度一般为0.9~2.2 g/cm3，只有钢的20%和铝的50%左右，泡沫塑料的密度可更低至0.01 g/cm3。

②高比强度。塑料强度不高，但密度很小，因此比强度高。若采用合理的设计结构，塑料可用作结构材料；若与增强纤维制成复合材料，比强度甚至可以超过一般钢材。

③化学稳定性好。塑料对于一般的酸、碱和有机溶剂均有良好的耐蚀性，如被称为“塑料王”的聚四氟乙烯能抵抗“王水”的腐蚀。因此，塑料广泛应用于在腐蚀条件下工作的零件和设备中。

④优异的电绝缘性。一般塑料均有良好的电绝缘性，可与陶瓷、橡胶等绝缘材料相比。因此，塑料广泛应用于电机、电器和电子设备器件，如开关、插头、配电盘、仪表壳体、电器支座等。

⑤工艺性能好。塑料比较容易加工成型，生产效率高，有注塑、挤压和吹塑成型等工艺。

⑥塑料还有良好的减摩性、耐磨性和消声性。但耐热性差，一般工作温度不超过100℃，导热性差而热膨胀系数大，易发生蠕变导致零件尺寸稳定性差，在光热作用下易老化甚至燃烧。

4．常用塑料应用

常用塑料的名称、符号、性能及主要用途见表2-4。

2.3.3 陶瓷材料

陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成型和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料；由于陶瓷还具有某些特殊性能，又可作为功能材料。

1．陶瓷材料的性能特点

①力学性能。它是工程材料中刚度最好，硬度最高的材料，其硬度大多在HV1500以上。抗压强度高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。

②热性能。一般具有高的熔点(大多在2000℃以上)，且在高温下具有极好的化学稳定性，导热性低于金属材料，线膨胀系数低于金属，具有良好的尺寸稳定性。

③电性能。具有良好的电绝缘性，大量用于各种电压(1~110 kV)的绝缘器；铁电陶瓷具有较高的介电常数，又可用于制作电容器。

④化学性能。不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。

⑤具有独特的光学性能，可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光存储器等，透明陶瓷可用于高压钠灯管等。

2．陶瓷材料的分类

陶瓷材料分为普通陶瓷材料和特种陶瓷材料。

普通陶瓷材料按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷和化工陶瓷等。

特种陶瓷按用途不同又可分为结构陶瓷、工具陶瓷和功能陶瓷。

3．陶瓷装甲

由于陶瓷材料硬度高、质量轻，且其对动能弹和弹药破片的防御能力都很强，目前已成为一种广泛应用于防弹衣、车辆和飞机等装备的防护装甲。陶瓷复合装甲不仅能抗御常规弹药的攻击，还能承受中子弹和反坦克导弹的攻击。

陶瓷装甲具有金属装甲无可比拟的优越性能，目前各军事强国的主战坦克大都采用在金属装甲外挂陶瓷复合装甲，如英国的“奇伏坦”式坦克、美国的M-1式坦克、德国的“豹-2”式坦克和“黑豹-87”式坦克、美国的M-113式军用装甲运输车等。

2.3.4 涂料

涂料就是我们通称的油漆，是一类流体状态或粉末状态的物质，把它涂布在物体表面上，经过自然或人工的方法能干燥固化形成一层薄膜，均匀地覆盖和良好地附着在物体表面上，具有防护和装饰等作用。

1．涂料的作用

(1)保护功能：在物体表面涂覆的涂层能够阻止或延缓各种腐蚀环境因素对金属材料的腐蚀、木材的腐朽、混凝土的风化侵蚀等。

(2)装饰功能：在物体表面形成五光十色、绚丽多彩的外观，起到美化环境、增强视觉效果的作用。

(3)标示功能：利用在涂料中添加各色颜料而呈现各种颜色的特点，用于涂装各种设备或设施，是最好的标示材料之一。

(4)其他功能：随着科学的进步和社会的发展，一些能提供特殊功能的涂料愈来愈显示它们的重要性，如电绝缘、电磁波屏蔽、防静电和导电的电性能功能涂料，公路夜间反光涂料，军事装备的伪装、各类结构材料的阻燃涂料，船舶涂料，船舶和海洋结构的防污涂料等。

2．涂料的组成

涂料虽种类繁多，但各种涂料的组成基本上是由油料、树脂、颜料、溶剂和辅助材料五类原料组成的。

3．涂料的分类

涂料品种繁多，按主要成膜树脂可分为酚醛树脂涂料、环氧树脂涂料、醇酸树脂涂料、氨基树脂涂料、丙烯酸树脂涂料、聚氨酯涂料、过氯乙烯涂料、沥青涂料等。

4．涂料的应用

①酚醛树脂涂料。酚醛树脂是苯酚(或烷基苯酚)与甲醛缩聚而成的树脂。配制的涂料具有突出的耐酸性、耐水性，原料易得，价格低廉，能与其他树脂改性等特点，但机械强度低，对金属附着力差，一般与其他树脂改性后使用，属于普通防腐型涂料的一个品种。

②环氧树脂涂料。以环氧树脂为主要成膜物质的涂料称为环氧涂料。大部分用于防腐蚀领域。环氧型防腐蚀涂料是目前世界上应用最为广泛，也是最为重要的防腐蚀涂料之一。

③醇酸树脂涂料。由各种油类(干性油、半干性油和不干性油类)和多元醇(甘油、季戊四醇等)反应生成各种醇介物，然后再和多元酸(如苯酐等)缩聚反应而成。醇酸树脂涂料的特点是具有很好的施工性、耐候性，光亮丰满，附着力好，但耐水性和耐碱性较差。广泛用于普通要求不高的防腐涂装体系中，一直占据涂料工业用树脂的首位。

④聚氨酯涂料。聚氨酯涂料是以聚氨酯树脂为基料，以颜料、填料等为辅助材料的涂料。聚氨酯涂料对各种施工环境和对象的适应性较强，可以在低温固化，在潮湿环境和潮湿底材上施工，并且耐石油的性能突出。聚氨酯涂料的主要缺点是有较大的刺激性和毒性。

⑤丙烯酸树脂涂料。丙烯酸树脂涂料是以丙烯酸树脂为基料的涂料。丙烯酸树脂因选择单体的不同，分子量大小及其分布也不同，得到的树脂性能有很大差异。丙烯酸树脂涂料主要有热塑性和热固性两大类。这类涂料具有极高的装饰性、保光、保色、耐候以及较好的耐化学腐蚀性能和“三防”性能(防湿热、防霉、防盐雾)，附着力好。特别适合在铝、镁等轻金属上使用，还能与其他树脂混合使用。广泛应用于汽车、工程机械、公路桥梁等，已成为使用量较高的涂料品种。

⑥过氯乙烯涂料。以过氯乙烯树脂为成膜物质的涂料。这类涂料具有耐化学品腐蚀、阻燃、耐水抗潮性能和电绝缘性能好的特点。但也有一些不足，如涂膜附着力差，必须有配套的底漆；涂料固含量低，涂膜薄，涂装道数较多，涂装费用增加；使用温度不宜超过60℃。广泛应用于化工大气防腐工程和常温使用的化工贮罐，也广泛应用于各种车辆、机床、化工机械和设备等。

2.3.5 黏接材料

在工程上，借助一种物质在固体表面产生黏合力将材料牢固地连接在一起的方法叫胶接。用以产生黏合力的物质称为胶黏剂。胶接的特点是接头处的应力分布均匀，可以减轻重量，适应性强，可以黏结各种材料，而且操作简单，成本低。

1．胶黏剂的组成

胶黏剂是一种高分子材料。目前应用最多的是合成胶黏剂，其组成成分有高分子基料、固化剂、增塑剂和增韧剂、填料、稀释剂、稳定剂，此外还可加入促进剂、防老化剂和偶联剂等。

2．常用的胶黏剂

常用的胶黏剂见表2-5。

2.3.6 密封材料

1．密封材料分类

防止机械装置内部的流体向外泄漏或防止外部的流体、杂质、异物浸入机械内部的密封装置称为密封。密封根据和被密封元件之间有无相对运动可分为静密封与动密封两类。对于动密封，根据轴的运动形式又可分为旋转密封和往复密封。

用于密封的材料就称为密封材料。最常见的是把密封材料分为固体密封材料和液体密封材料，固体密封材料又分为金属和非金属密封材料。在众多密封材料中，橡胶材料是应用最为广泛的密封材料。

2．橡胶材料密封的原理

橡胶在很小的外力作用下，变形可达100%而不损坏，在外力作用下形状变化而体积保持不变(具有液体的性质)，外力去除后能恢复原来的形状，在形变过程中能吸收机械能，恢复中又放出机械能。金属只有在其变形不大于1%时才能保持弹性和具有较高的抗变形性；塑料与橡胶的区别在于去掉机械能后不能迅速恢复原来的形状。因此，只有橡胶具有独特的性能，可以单独或与金属、塑料复合后作为密封材料使用。

3．密封技术原理和特点

①静密封。静密封形式多为O形圈、垫片、垫圈、密封胶条、防尘罩等，属于自紧式密封。静密封方式选用合适的压缩量至关重要。压缩量太大，密封安全系数小，不足以达到满意的密封效果；若压缩量太大，则可能加大压缩应力松弛和永久变形量，影响产品的使用寿命。作为静密封使用时主要考虑材料所能适用的工作介质、工作温度、工作压力、密封间隙等。对于橡胶各项材料性能以压缩永久变形最为重要。

②往复密封主要有O形圈、各种断面密封圈、胶碗、胶圈、防尘罩等。目前较为流行的密封形式为橡塑组合密封，它的密封原理主要是充分利用塑料的耐磨、低摩擦性能以及橡胶材料的高弹性能进行密封，其结构形式有格来圈、斯特封、AQ封等形式，其具有耐压、寿命长等特点。

③旋转密封主要形式为轴封，其具有柔性唇，并带有金属骨架支撑，依靠密封刃口施加于轴的径向力以防止泄漏。旋转密封可分为高速型、耐压型等多种形式，目前较为流行的结构形式为流体动力油封。

上述3种密封技术的工作原理均为自紧式密封。

4．密封材料的应用

密封材料的应用见表2-6。