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(tǒng)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(fù)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(xiàn)代石油化工和特種高分子材料的發(fā)展，在現(xiàn)代生產(chǎn)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(yīng)用最為廣泛的非金屬材料。根據(jù)分子的元素構(gòu)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(nèi)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(yīng)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(fù)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(yīng)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(jié)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(zhì)，主要包括硫化劑、硫化促進(jìn)劑、增塑劑、填充劑、防老化劑、著色劑等。

2．常用橡膠

根據(jù)應(yīng)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(tài)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(zhì)，如填料、增塑劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、固化劑、光穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)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(fù)多次塑造成型而化學(xué)結(jié)構(gòu)不變，分子鏈為線型結(jié)構(gòu)，在適當(dāng)?shù)娜軇┲泻鸵欢l件下能夠溶解；這類塑料成型工藝簡單、生產(chǎn)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成體型網(wǎng)狀的分子結(jié)構(gòu)，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(xué)性能不高，可加入添加劑提高強度，如酚醛塑料(電木)、環(huán)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(zhì)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(shè)計結(jié)構(gòu)，塑料可用作結(jié)構(gòu)材料；若與增強纖維制成復(fù)合材料，比強度甚至可以超過一般鋼材。

③化學(xué)穩(wěn)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(yīng)用于在腐蝕條件下工作的零件和設(shè)備中。

④優(yōu)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(yīng)用于電機、電器和電子設(shè)備器件，如開關(guān)、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(chǎn)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(dǎo)熱性差而熱膨脹系數(shù)大，易發(fā)生蠕變導(dǎo)致零件尺寸穩(wěn)定性差，在光熱作用下易老化甚至燃燒。

4．常用塑料應(yīng)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(jīng)過成型和高溫?zé)Y(jié)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(yōu)點。可用作結(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)穩(wěn)定性，導(dǎo)熱性低于金屬材料，線膨脹系數(shù)低于金屬，具有良好的尺寸穩(wěn)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(shù)，又可用于制作電容器。

④化學(xué)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(xué)性能，可用作固體激光器材料、光導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(yīng)用于防彈衣、車輛和飛機等裝備的防護(hù)裝甲。陶瓷復(fù)合裝甲不僅能抗御常規(guī)彈藥的攻擊，還能承受中子彈和反坦克導(dǎo)彈的攻擊。

陶瓷裝甲具有金屬裝甲無可比擬的優(yōu)越性能，目前各軍事強國的主戰(zhàn)坦克大都采用在金屬裝甲外掛陶瓷復(fù)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(tài)或粉末狀態(tài)的物質(zhì)，把它涂布在物體表面上，經(jīng)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(hù)和裝飾等作用。

1．涂料的作用

(1)保護(hù)功能：在物體表面涂覆的涂層能夠阻止或延緩各種腐蝕環(huán)境因素對金屬材料的腐蝕、木材的腐朽、混凝土的風(fēng)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(huán)境、增強視覺效果的作用。

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

(4)其他功能：隨著科學(xué)的進(jìn)步和社會的發(fā)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(dǎo)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(jié)構(gòu)材料的阻燃涂料，船舶涂料，船舶和海洋結(jié)構(gòu)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(huán)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(yīng)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(huán)氧樹脂涂料。以環(huán)氧樹脂為主要成膜物質(zhì)的涂料稱為環(huán)氧涂料。大部分用于防腐蝕領(lǐng)域。環(huán)氧型防腐蝕涂料是目前世界上應(yīng)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(yīng)生成各種醇介物，然后再和多元酸(如苯酐等)縮聚反應(yīng)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(jù)涂料工業(yè)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(huán)境和對象的適應(yīng)性較強，可以在低溫固化，在潮濕環(huán)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(xué)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(yīng)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(zhì)的涂料。這類涂料具有耐化學(xué)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(shù)較多，涂裝費用增加；使用溫度不宜超過60℃。廣泛應(yīng)用于化工大氣防腐工程和常溫使用的化工貯罐，也廣泛應(yīng)用于各種車輛、機床、化工機械和設(shè)備等。

2.3.5 黏接材料

在工程上，借助一種物質(zhì)在固體表面產(chǎn)生黏合力將材料牢固地連接在一起的方法叫膠接。用以產(chǎn)生黏合力的物質(zhì)稱為膠黏劑。膠接的特點是接頭處的應(yīng)力分布均勻，可以減輕重量，適應(yīng)性強，可以黏結(jié)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(yīng)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(wěn)定劑，此外還可加入促進(jìn)劑、防老化劑和偶聯(lián)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(nèi)部的流體向外泄漏或防止外部的流體、雜質(zhì)、異物浸入機械內(nèi)部的密封裝置稱為密封。密封根據(jù)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(jù)軸的運動形式又可分為旋轉(zhuǎn)密封和往復(fù)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(yīng)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(dá)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(zhì))，外力去除后能恢復(fù)原來的形狀，在形變過程中能吸收機械能，恢復(fù)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(qū)別在于去掉機械能后不能迅速恢復(fù)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(fù)合后作為密封材料使用。

3．密封技術(shù)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(guān)重要。壓縮量太大，密封安全系數(shù)小，不足以達(dá)到滿意的密封效果；若壓縮量太大，則可能加大壓縮應(yīng)力松弛和永久變形量，影響產(chǎn)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(zhì)、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(fù)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(jìn)行密封，其結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)密封可分為高速型、耐壓型等多種形式，目前較為流行的結(jié)構(gòu)形式為流體動力油封。

上述3種密封技術(shù)的工作原理均為自緊式密封。

4．密封材料的應(yīng)用

密封材料的應(yīng)用見表2-6。