二、非金属材料

　　非金属材料包括无机非金属材料和高分子材料。无机非金属材料包括耐火材料、耐火隔热材料、耐蚀(酸)非金属材料和陶瓷材料等;高分子材料包括橡胶、塑料和合成纤维等。

　　(一)无机非金属材料

　　1.耐火材料

　　耐火材料是指能承受高温作用而不易损坏的材料。常用的耐火材料有耐火砌体材料、耐火水泥及耐火混凝土。

　　(1)耐火砌体材料。按主要化学特性分为酸性、中性和碱性。

　　1)酸性耐火材料。硅砖和黏土砖为代表。

　　2)中性耐火材料。铬镁砖。

　　碳质制品是另一类中性耐火材料，根据含碳原料的成分不同，分为碳砖、石墨制品和碳化硅质制品三类。

　　3)碱性耐火材料。镁砖。

　　(2)耐火水泥及耐火混凝土。

　　2.耐热保温和绝热材料

　　(1)耐热保温材料。又称耐火隔热材料，常用的有硅藻土、蛭石、玻璃纤维(又称矿渣棉)、石棉，以及它们的制品板、管、砖等。

　　1)硅藻土砖、板广泛用于电力、冶金、机械、化工、石油、金属冶炼电炉和硅酸盐等工业的各种热体表面及各种高温窑炉、锅炉、炉墙中层的保温绝热部位。(15)

　　2)硅酸铝耐火纤维是轻质耐火材料之一。

　　3)微孔硅酸钙保温材料可用于高温设备、热力管道的保温隔热材料。

　　4)矿渣棉制品可用作保温、隔热和吸音材料。

　　(2)绝热材料。绝热材料一般是轻质、疏松、多孔的纤维状材料。它既包括保温材料，也包括保冷材料。

　　1)按成分可分为有机材料和无机材料两大类。

　　热力设备及管道保温用的材料多为无机绝热材料，如石棉、硅藻土、珍珠岩、玻璃纤维、泡沫混凝土和硅酸钙等。

　　低温保冷工程多用有机绝热材料，如软木、聚苯乙烯泡沫塑料，聚氨基甲酸酯、牛毛毡和羊毛毡等。

　　2)按照绝热材料使用温度可分为高温、中温和低温绝热材料。

　　高温绝热材料，使用温度可在 700℃以上，有硅酸铝纤维和硅纤维等;多孔质材料有硅藻土、蛭石加石棉和耐热黏合剂等制品。

　　中温用绝热材料，使用温度在 100～700 ℃之间，中温用纤维质材料有石棉、矿渣棉和玻璃纤维等;多孔质材料有硅酸钙、膨胀珍珠岩、蛭石和泡沫混凝土等。

　　低温用绝热材料，使用温度在 100 ℃以下的保温或保冷工程中。

　　3.耐蚀(酸)非金属材料

　　耐蚀(酸)非金属材料的主要成分是金属氧化物、氧化硅和硅酸盐等，它们的耐蚀性能高于金属材料(包括耐酸钢和耐蚀合金)，还具有良好的耐磨性和耐热性能，但是脆性大、承受冲击和震动能力差。

　　在某些情况下它们是不锈钢和耐蚀合金的理想代用品，用于制造受力小、不受冲击及震动、使用温度不高或温度变化不剧烈的容器。常用的非金属耐蚀材料有铸石、石墨、耐酸水泥、天然耐蚀石材和玻璃等。

　　(1)铸石。铸石具有极优良的耐磨性、耐化学腐蚀性、绝缘性及较高的抗压性能。其耐磨性能比钢铁高十几倍至几十倍。在各类酸碱设备中，铸石的耐化学腐蚀性高于不锈钢、橡胶、塑性材料及其他有色金属十倍到几十倍;但脆性大、承受冲击荷载的能力低。铸石是钢铁(包括不锈钢)的理想代用材料。

　　(2)石墨。石墨具有高熔点(3700℃)，在高温下有高的机械强度，当温度增加时，强度随之提高。石墨在 3000℃以下具有还原性，在中性介质中有很好的热稳定性。在急剧改变温度的条件下，石墨比其他结构材料都稳定，不会炸裂破坏，石墨的导热系数是碳钢的 3 倍多，所以石墨材料常用来制造传热设备。

　　石墨具有良好的化学稳定性。人造石墨材料的耐腐蚀性能良好，除了强氧化性的酸(如硝酸、铬酸、发烟硫酸和卤素)之外，在所有的化学介质中都很稳定，甚至在熔融的碱中也很稳定。

　　不透性石墨是由人造石墨浸渍酚醛或呋喃树脂而成的，优点是导热性优良、温差急变性好、易于机械加工、耐腐蚀性好。缺点是机械强度较低、价格较贵，用于制造各种类型的热交换器、盐酸合成炉等。

　　(3)玻璃。

　　(4)天然耐蚀石料。

　　(5)水玻璃耐酸水泥。

　　4.陶瓷材料

　　(二)高分子材料

　　1.高分子材料的基本概念

　　通常根据机械性能和使用状态将其分为塑料、橡胶和合成纤维三大类。

　　2.高分子材料的基本性能及特点

　　(1)质轻;(2)比强度高;(3)有良好的韧性;(4)减摩、耐磨性好;(5)电绝缘性好;

　　(6)耐蚀性;(7)导热系数小;(8)易老化;(9)易燃;(10)耐热性低;(11)刚度小。

　　3.工程中常用的高分子材料

　　(1)塑料

　　常用的塑料制品都是以合成树脂为基本材料，再按一定的比例加入填料、增塑剂、着色剂和稳定剂等材料，经混炼、塑化，并在一定压力和温度下制成的。

　　①树脂。树脂在塑料中主要起胶结作用，通过胶结作用把填充料等胶结成坚实整体，塑料的性质主要取决于树脂的性质。

　　按分子中碳原子之间结合形式不同，树脂分子结构分为直线型，支链型和体型(网状型)三种。按受热时状态不同，可分为热塑性树脂和热固性树脂。

　　②填料。提高塑料的强度和刚度，减少塑料在常温下的蠕变现象及提高热稳定性。

　　③增塑剂。

　　④着色剂。分为染料和颜料两大类。

　　⑤稳定剂。延长塑料制品的使用寿命。

　　2)工程中常用塑料制品。

　　①热塑性塑料

　　a.低密度聚乙烯(LDPE)。又称高压聚乙烯，具有质轻、吸湿性小、电绝缘性好、延伸性和透明性强、耐寒性好和化学稳定性强等特点，但其强度低，耐老化性能较差。

　　b.高密度聚乙烯(HDPE)。又称为低压聚乙烯，具有良好的耐热性和耐寒性;力学性能优于低密度聚乙烯，介电性能优良，但略低于低密度聚乙烯;耐磨性及化学稳定性良好，能耐多种酸、碱、盐类腐蚀，吸水性和水蒸气渗透性很低，但耐老化性能较差，表面硬度高，尺寸稳定性好。

　　c.聚丙烯(PP)。具有质轻、不吸水，介电性、化学稳定性和耐热性良好，力学性能优良，但是耐光性能差、易老化、低温韧性和染色性能不好。

　　d.聚氯乙烯(PVC)。聚氯乙烯刚度和强度比聚乙烯高，常见制品有硬、软两种。硬聚氯乙烯密度很小，抗拉强度较好，有良好的耐水性、耐油性和耐化学药品侵蚀的性能，常用来制作化工、纺织等工业的废气排污排毒塔，以及常用于气体、液体输送管。软聚氯乙烯常制成薄膜，用于工业包装，但不能用来包装食品。

　　e.聚四氟乙烯(PTFE，F-4)。俗称塑料王，具有非常优良的耐高、低温性能，可在-180～260℃的范围内长期使用。它几乎耐所有的化学药品，在侵蚀性极强的王水中煮沸也不起变化，摩擦系数极低，仅为 0.04。聚四氟乙烯不吸水、电性能优异。是目前介电常数和介电损耗最小的固体绝缘材料。缺点是强度低、冷流性强。

　　f.聚苯乙烯(PS)。具有极高的透明度，透光率可达 90%以上，电绝缘性能好，刚性好及耐化学腐蚀。但其性脆，冲击强度低，易出现应力开裂，耐热性差及不耐沸水等。

　　g.工程塑料 ABS。普通 ABS 是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，是一种常用的工程塑料。具有“硬、韧、刚”的混合特性，综合机械性能良好。同时尺寸稳定，容易电镀和易于成型，耐热和耐蚀性较好，在-40℃的低温下仍有一定的机械强度。

　　h.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。俗称亚克力或有机玻璃。密度只有无机玻璃一半，机械性能比普通玻璃高得多，能抵抗稀酸、稀碱、润滑油和碳氢燃料的作用，在自然条件下老化缓慢。缺点是表面硬度不高，易擦伤。由于导热性差和热膨胀系数大，易在表面或内部引起微裂纹，因此比较脆弱。

　　PMMA 树脂是无毒环保的材料，可用于生产餐具，卫生洁具等，具有良好的化学稳定性和耐候性。

　　②热固性塑料

　　a.酚醛树脂(PF)。俗称电木粉。酚醛树脂耐弱酸和弱碱，遇强酸发生分解，遇强碱发生腐蚀。最重要特征是耐高温性，即使在非常高的温度下，也能保持其结构的整体性和尺寸的稳定性;正因为这个原因，酚醛树脂被应用于一些高温领域，如耐火材料、摩擦材料、黏结剂和铸造行业。

　　酚醛泡沫产品在阻燃方面它具有特殊的优良性能，是电器、仪表、建筑、石油化工等行业较为理想的绝缘隔热保温材料，广泛应用于中央空调系统、轻质保温彩钢板、房屋隔热降能保温、化工管道的保温材料(尤其是深低温的保温)、车船等场所的保温领域。

　　b.环氧树脂(EP)。环氧树脂强度较高，韧性较好;尺寸稳定性高和耐久性好;具有优良的绝缘性能，耐热、耐寒。化学稳定性很高，成型工艺性能好。环氧树脂是很好的胶黏剂。

　　c.呋喃树脂。能耐强酸、强碱和有机溶剂腐蚀，并能适用于其中两种介质的结合或交替使用的场合，但不耐强氧化性介质，是现有耐热树脂中耐热性能最好的树脂之一。

　　d.不饱和聚酯树脂(UP)

　　(2)橡胶

　　(3)合成纤维

　　三、复合材料

　　(一)复合材料组成、分类和特点

　　1.复合材料组成

　　复合材料中至少包括基体相和增强相两大类。基体相可以由金属、树脂和陶瓷等构成。增强相有纤维状、细粒状和片状等。

　　2.复合材料的分类

　　工程上开发应用较多的是纤维增强复合材料。

　　(1)按基体材料类型可分为树脂基、无机非金属材料基和金属基复合材料三大类。

　　(2)按增强体类型可分为颗粒增强型、纤维增强型和板状增强型复合材料三大类。

　　(3)按用途可分为结构复合材料与功能复合材料两大类。

　　(4)按增强纤维类型分为碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、有机纤维复合材料、复合纤维复合材料和混杂纤维复合材料等。

　　3.复合材料的特点

　　(1)高比强度和高比模量

　　(2)耐疲劳性高

　　(3)抗断裂能力强

　　(4)减振性能好

　　(5)高温性能好，抗蠕变能力强

　　(6)耐腐蚀性好。如玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料，在含氯离子的酸性介质中能长期使用，可用来制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器和搅拌器等设备。

　　(7)较优良的减摩性、耐磨性、自润滑性和耐蚀性

　　(二)复合材料基体

　　(1)树脂基体。

　　(2)金属基体。金属基复合材料主要有三类：颗粒增强、短纤维或晶须增强、连续纤维或薄片增强。

　　(3)陶瓷基体。

　　(三)复合材料增强体

　　1.纤维增强体。玻璃纤维是应用最为广泛的增强体。

　　2.颗粒增强体。

　　3.片状增强体。

　　(四)复合材料应用

　　(6)塑料—钢复合材料。综合了低碳钢的强度和塑料的美观、防腐和绝缘的特点。在一定范围内可以代替不锈钢和木材，其性能如下：

　　1)化学稳定性好，耐酸、碱、油以及醇类的侵蚀，耐水性也好;

　　2)塑料与钢材间的剥离强度大于或等于 20MPa;

　　3)深冲加工时不剥离，冷弯 120°不分离开裂(d=0);

　　4)绝缘性能和耐磨性能良好;

　　5)具有低碳钢的冷加工性能;

　　6)在-10～60℃之间可长期使用，短时间使用可耐 120℃。

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