第六章 非金属材料和复合材料

高分子材料 —— 塑料、橡胶、纤维、黏结剂

陶瓷材料 —— 玻璃、陶瓷、水泥、耐火材料

复合材料 —— 1+1>2

§1 高分子材料

高分子材料是由成千上万个小分子单体通过聚合反应以共价键结合起来的长链分子而构成的。

分子量很大， >104

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

CH2

乙烯

[CH2]n

聚乙烯

一、高分子材料的制备方法

聚合反应加成聚合反应

缩合聚合反应：小分子析出

以酚醛制品为例：

苯酚甲醛盐酸

加热反应

初期缩聚

物脱水干燥

酚醛树

脂 冷却粉碎

混合加热辊压粉碎

酚醛压塑

粉

模压酚醛制

品 固化剂颜料润滑剂增塑剂填料

96~98℃ 95~105℃

140~200℃

二、高分子分子链的结构形态（共价键）

三、固体高分子的聚集态（分子链之间的几何排列）

无定型高聚物 结晶型高聚物

四、高分子材料的性能特点

①. 密度小（ 1~2×103Kg/m3 ），有利于材料轻量化。

②. 强度低，但比强度高，能够代替部分金属材料制造多种机器零部件。

③. 低的弹性模量和高弹性，取决于大分子链的柔性。

④. 优良的电绝缘性能。

⑤. 优良的减摩、耐磨和自润滑性能。

⑥. 优良的耐腐蚀性能。

⑦. 优良的透光性。

⑧. 可加工性好。

绝对强度、刚度低；三大缺点：不耐热（低于 300℃）、可燃、易老化

五、高分子材料的分类及应用

塑料、合成橡胶、合成纤维、胶黏剂和涂料1.塑料 塑料是以合成树脂为主要成分的有机高分子材料，其中除主要成分树脂外，再加入用以改善性能的各种添加剂，在适当的温度和压力下于挤压机、注射机等设备和模具中塑制成各种形状规格的制品。

（ 1 ）结构最简单的塑料—聚乙烯（ PE ）高压聚乙烯：分子支链多，分子量、结晶度和相对密度低、半透明状，质地柔软，耐冲击，常用于制作塑料薄膜、软管、塑料瓶等包装材料。

低压聚乙烯：分子支链少，分子量、结晶度和相对密度较高、乳白色，质地较硬，耐磨、耐蚀、绝缘性好，可作化工耐蚀管道、阀、衬板、承载不高的齿轮、轴承以及电绝缘护套等。保温瓶壳、洗发水瓶、圆珠笔芯、茶杯、奶瓶等

（ 2 ）第一种热塑性的全能塑料—聚氯乙烯（ PVC ）特点：强度、硬度、刚度均高于 PE ，并有耐燃、自熄的特点，但热稳定性、耐寒、耐老化性差，一般在 -15~60 ℃使用。应用：常温常压下的容器、板材、管道；建筑上制作门窗、天花板、电线套管、墙纸；纯 PVC 透明，气密性好，用于饮料、药品、化妆品的硬质外包装； PVC 软塑料常用于农用薄膜、雨衣、桌布；另外还大量用于电线绝缘护套、插头插座壳、玩具、密封条等。——用途最广的通用塑料。

（ 3 ）最轻且价廉的塑料—聚丙烯（ PP ）特点：力学性能、耐热性（ 150℃）最高，密度最低，但低温脆性大。无毒无味。应用：汽车上仪表盘、方向盘等；以及日用的微波炉餐具、椅子、安全帽；电器方面电话机、电视机外壳； PP 膜可作香烟、食品的包装膜、包装带等。

（ 4 ）最鲜艳且成形性特好的塑料—聚苯乙烯（ PS ）特点：极易染成鲜艳颜色、透明度好，有光泽，可成型形突出，电绝缘性好，刚性好，脆性大，户外长期使用易变黄变脆。应用：各类电器配件、壳体、一般光学仪器、灯罩、玩具、建筑广告装饰板、磁带盒、笔杆等（ 5 ）强韧易成形的白色塑料— ABS ：丙烯腈（ Acrylonitrile ）、丁二烯（ Butadiene ）、苯乙烯（ Styrene ）特点：综合性能好，价格低、坚韧、质硬且具刚性的材料。应用：电视机、洗衣机、计算机等壳体；汽车上仪表盘、方向盘、挡泥板、手柄等，也可用于化工管道、板材等（ 6 ）最透明的塑料—聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA ）“有机玻璃”特点：透光率好，耐紫外线和大气老化，强度高，成形性好，良好的染色性，表面硬度差、易划伤起毛。应用：透明装饰面板、仪表板、容器、包装盒、灯罩、眼镜、工艺品等，也可用于飞机窗玻璃、防弹玻璃、风挡等。

（ 7 ）透明“金属”—聚碳酸酯（ PC ）特点：优良的抗冲击性和透明度，集刚、硬、韧、透明为一体的典型塑料。阻燃性好，自熄性材料。高温下易开裂。应用：光盘、灯罩、防护玻璃、手机壳体、精密仪器中齿轮、相机零件、太空杯、餐具等。 PC 膜可用于录音（像）带。

（ 8 ）塑料王—聚四氟乙烯（ PTEE或 F4 ）特点：最优良的耐高、低温性能（ -260~250 ℃），几乎不受任何化学品腐蚀，化学稳定性超过玻璃、陶瓷甚至金、铂；摩擦系数最小，润滑性好，介电损耗小，无味、无毒、不燃，有良好的生物相容性及抗血栓性。应用：不粘锅涂层、管道密封用生料带，机械上减摩密封零件，电器上耐高频绝缘零件、以及强腐蚀场合设备内衬和零件。医用材料中人造血管、人工心脏等。

（ 9 ）强韧而耐磨耐油的塑料—聚酰胺（ PA ） “尼龙”特点：优良的耐磨性、减摩性和自润滑性。优异的耐油性和气体阻隔性；耐疲劳性好；吸湿性较大。应用：汽车上输油管、油箱； DVD 的齿轮、螺母、轴承等；与 HDPE 复合，用于冷冻食品包装；还大量用于拉链、打火机壳、头盔、球拍线、鱼线、输血管等。

（ 11 ）合成塑料的鼻祖—酚醛树脂（ PF ）特点：一定强度、硬度，耐磨、绝缘性好、耐热性好，但性脆。有毒。应用：“电木”，灯头、开关、插座、纽扣、刹车片、齿轮等

（ 10 ）每天接触的塑料—热塑性聚酯（ PET ）特点： PET 膜拉伸强度很高，可长期用于户外，但耐热性不高。应用： PET 膜和片材主要用于各种食品、药品、精密仪器的高档包装、录音带、胶片、光盘、磁卡等；各种饮料瓶、矿泉水瓶等；各种电器元件外壳。

2. 橡胶橡胶是一种具有极高弹性及低刚度的高分子材料。

（ 1 ）最早应用的橡胶—天然橡胶（ NR ）特点：强度高、耐撕裂；弹性、耐磨性、耐寒性、耐碱性、气密性、防水性、绝缘性及加工性能优良，但耐热、耐油及耐老化性差。应用：各类轮胎、胶带、胶管、胶鞋、气球及医疗卫生品等。

（ 2 ）产量最大的合成橡胶—丁苯橡胶（ SBR ）特点：同天然橡胶相比质地均匀、成本低、耐磨性及气密性好，抗撕裂和耐老化性也较好，但强度和弹性差。应用：各类轮胎、胶带、胶管、胶鞋、硬质胶轮等，改性后可替代天然橡胶。

（ 3 ）“万能”橡胶—氯丁橡胶（ CR ）特点：其物理、力学性能均可与天然橡胶相比拟，且具有良好的耐油、耐溶剂、耐氧化、耐老化、耐酸碱等性能，但耐寒性较差，密度较大。应用：耐老化的电线电缆包皮、耐油耐蚀的胶管、输送带、矿井用橡胶制品、油罐衬里等。

丁腈橡胶（ NBR ）：耐油性好（用于输油管、耐油密封垫圈、耐油耐热输送带、印刷胶辊等）顺丁橡胶（ BR ）：弹性最好（制造轮胎、三角带、橡胶弹簧、鞋底等）乙丙橡胶（ EPM ）：密度最小（用于建筑防水材料、车辆配件、蒸汽胶管、胶带、电线绝缘层等）硅橡胶：最耐热耐寒氟橡胶：最耐腐蚀

§2 陶瓷材料 从广义上讲陶瓷包含一切天然及合成的无机非金属固体材料，如水泥、耐火材料、玻璃、石墨、天然石材、陶瓷等。 从狭义上讲是用天然或合成的粉体，经成形和高温烧结制成的，由金属和非金属的无机化合物构成的多晶固体材料。

传统陶瓷：天然硅酸盐矿物（黏土、石英、长石等）

先进陶瓷：高纯度的人工合成原料（氧化物、氮化物、碳化物等）

一、陶瓷材料的制备方法

原料预处理 配料 坯料制备 成形

干燥施釉烧成后加工制品

二、陶瓷材料的组织结构特点

晶相：硅酸盐、氧化物和非氧化物

玻璃相：低熔点非晶态物质

气相：气孔

（ 2 ）陶瓷材料的弹性模量是各类材料中最高的

（ 1 ）结合键主要为离子键和共价键，因此陶瓷材料具有高的化学稳定性，耐高温、耐腐蚀、高强度等基本属性。

（ 3 ）脆性材料，断裂前无塑性变形，冲击韧性极低，抗拉强度远低于抗压强度。（ 4 ）硬度高，尤其是高温硬度高。

三、陶瓷材料的基本性能

（ 5 ）熔点高，高温强度好，高温抗氧化性好，抗熔融金属侵蚀性高。（ 6 ）导电能力在很大范围内变化。

主要缺点：性脆、加工性能差、可靠性差

1. 传统陶瓷

主要原料：高岭土、长石、石英

结构特点：主晶相：莫来石 （ 3Al2O3•SiO2 ） 25~30%

玻璃相： 35-60%

气 相： 1~3% 性 能：质地硬、耐腐蚀、不氧化、不导电、耐高温 （ <1

200oC ），成本低、易成形 结构疏松、强度低、一定温度下软化

用 途：日用，建材工业，电绝缘材料，化工设备以及力学性能要求不高的耐磨零件。

四、常用陶瓷材料

2. 先进陶瓷

主要成分： Al2O3 (>45%) 刚玉瓷 (90~99.5%)

性 能：耐高温 ( 在 1600℃下长期使用 ) 强度高、硬度高、耐磨性好 优良的电绝缘性和耐腐蚀、抗氧化性 原料丰富 脆性大、抗热震性能差

用 途：广泛应用于各类高温、耐蚀和电气绝缘工程。如坩埚、热电偶保护套管、化工反应炉管等。机械工程中用作高速切削刀具、磨料、内燃机火花塞、拉丝模等。

（ 1 ）氧化铝陶瓷

主要成分： SiC

性 能：优异的高温强度 (1700 )℃ 很好的热稳定性、抗蠕变性、耐磨性、耐蚀性、导 热性、耐辐射性以及低的热膨胀性 高温抗氧化性好

用 途：火箭尾喷管或喷嘴、炉衬、电加热管、坩埚、热电偶套管、高温轴承以及核燃料包封材料。另外还可以用作砂轮和各种磨具。

（ 2 ）碳化硅陶瓷

主要成分： Si3N4

性 能：很高的硬度 自润滑作用，摩擦系数小，耐磨性好 抗氧化性好、抗热震性大大高于其它陶瓷 优良的化学稳定性（ HF 外） 优良的绝缘性能

用 途：热压烧结法：形状简单、精度要求不高的零件如 刀具、活塞盖、高温轴承等 反应烧结法：形状复杂、要求精度高、耐磨、耐 蚀、耐热等场合，如泵密封环、热电偶保护套、转子、缸套、活塞环、管道、阀门等 陶瓷发动机

（ 3 ）氮化硅陶瓷

§3 复合材料 复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同组织的组分，以宏观或微观方式复合形成的新型材料，一般由基体组元和增强相或功能组元组成。

复合材料

基体组元

增强相

树脂基复合材料

金属基复合材料

陶瓷基复合材料

纤维增强

颗粒增强

玻璃纤维碳纤维硼纤维碳化硅纤维氧化铝纤维芳纶纤维

陶瓷或金属颗粒

常用复合材料一、玻璃钢：

基体：树脂；增强体：玻璃纤维

性能：强度高、密度小（钢的 1/4 ）、耐腐蚀、 绝缘性好

应用：人造卫星、导弹和火箭外壳（瞬时耐高温性能）； 雷达罩（不反射无线电波、微波透过性好）； 电机、电器及仪表的绝缘零部件； 各种管道、泵、阀门、容器等。

二、碳纤维增强树脂基复合材料：

基体：树脂；增强体：碳纤维

性能：高的比强度和比模量，良好的高温性能，优良的抗疲劳性能、耐冲击、减摩耐磨、耐腐蚀等。

应用：制造承载、耐磨等零件，如轴承、密封圈、齿轮等。化学工业、汽车制造业、航空航天和国防工业等。

美国哥伦比亚号航天飞机推进火箭上的关键部件燃料喷嘴和燃烧器；人造卫星的机架。。。—— C 纤维复合材料。

三、颗粒增强铝基复合材料

基 体：铝合金增强体： SiC 、 Al2O3 、 B4C 及石墨等

性能：重量轻、比强度高、耐疲劳、耐磨损、热膨胀系数低、尺寸稳定性好、缺口敏感性低应用：超大规模集成电路基板、各种结构型材和耐磨部件。

材料 应用举例 特点

17%SiC颗粒增强铝基复合材料 飞机、导弹用板材 拉伸模量大于

100GPa

40%SiC 晶须增强铝基复合材料 三叉戟、导弹制导元件 代替铍，成本

低，无毒Al2O3短纤维增强铝基复合

材料 汽车发动机抗磨环 耐磨，成本低

15%Ti细颗粒增强铝基复合材料

汽车制动件、连杆、活塞 模量高

四、纳米颗粒增强陶瓷基复合材料

基 体：陶瓷（ Al2O3 、 ZrO2 ）增强体：金属纳米颗粒、陶瓷纳米颗粒性能：大幅度提高断裂强度、显著提高断裂韧性

五、 C/C 复合材料 基体： C 增强体： C 纤维 性能：强度和冲击韧性特别高，比强度高，高温强度好（ 2500℃），良好的抗腐蚀性能和抗热震性。 应用：主要用于航空航天、军事和生物医学，如洲际导弹头部的隔热罩、固体火箭喷管、飞机刹车片、赛车刹车系统等。