二、非金屬材料

　　非金屬材料包括無機(jī)非金屬材料和高分子材料。無機(jī)非金屬材料包括耐火材料、耐火隔熱材料、耐蝕(酸)非金屬材料和陶瓷材料等;高分子材料包括橡膠、塑料和合成纖維等。

　　(一)無機(jī)非金屬材料

　　1.耐火材料

　　耐火材料是指能承受高溫作用而不易損壞的材料。常用的耐火材料有耐火砌體材料、耐火水泥及耐火混凝土。

　　(1)耐火砌體材料。按主要化學(xué)特性分為酸性、中性和堿性。

　　1)酸性耐火材料。硅磚和黏土磚為代表。

　　2)中性耐火材料。鉻鎂磚。

　　碳質(zhì)制品是另一類中性耐火材料，根據(jù)含碳原料的成分不同，分為碳磚、石墨制品和碳化硅質(zhì)制品三類。

　　3)堿性耐火材料。鎂磚。

　　(2)耐火水泥及耐火混凝土。

　　2.耐熱保溫和絕熱材料

　　(1)耐熱保溫材料。又稱耐火隔熱材料，常用的有硅藻土、蛭石、玻璃纖維(又稱礦渣棉)、石棉，以及它們的制品板、管、磚等。

　　1)硅藻土磚、板廣泛用于電力、冶金、機(jī)械、化工、石油、金屬冶煉電爐和硅酸鹽等工業(yè)的各種熱體表面及各種高溫窯爐、鍋爐、爐墻中層的保溫絕熱部位。(15)

　　2)硅酸鋁耐火纖維是輕質(zhì)耐火材料之一。

　　3)微孔硅酸鈣保溫材料可用于高溫設(shè)備、熱力管道的保溫隔熱材料。

　　4)礦渣棉制品可用作保溫、隔熱和吸音材料。

　　(2)絕熱材料。絕熱材料一般是輕質(zhì)、疏松、多孔的纖維狀材料。它既包括保溫材料，也包括保冷材料。

　　1)按成分可分為有機(jī)材料和無機(jī)材料兩大類。

　　熱力設(shè)備及管道保溫用的材料多為無機(jī)絕熱材料，如石棉、硅藻土、珍珠巖、玻璃纖維、泡沫混凝土和硅酸鈣等。

　　低溫保冷工程多用有機(jī)絕熱材料，如軟木、聚苯乙烯泡沫塑料，聚氨基甲酸酯、牛毛氈和羊毛氈等。

　　2)按照絕熱材料使用溫度可分為高溫、中溫和低溫絕熱材料。

　　高溫絕熱材料，使用溫度可在 700℃以上，有硅酸鋁纖維和硅纖維等;多孔質(zhì)材料有硅藻土、蛭石加石棉和耐熱黏合劑等制品。

　　中溫用絕熱材料，使用溫度在 100～700 ℃之間，中溫用纖維質(zhì)材料有石棉、礦渣棉和玻璃纖維等;多孔質(zhì)材料有硅酸鈣、膨脹珍珠巖、蛭石和泡沫混凝土等。

　　低溫用絕熱材料，使用溫度在 100 ℃以下的保溫或保冷工程中。

　　3.耐蝕(酸)非金屬材料

　　耐蝕(酸)非金屬材料的主要成分是金屬氧化物、氧化硅和硅酸鹽等，它們的耐蝕性能高于金屬材料(包括耐酸鋼和耐蝕合金)，還具有良好的耐磨性和耐熱性能，但是脆性大、承受沖擊和震動(dòng)能力差。

　　在某些情況下它們是不銹鋼和耐蝕合金的理想代用品，用于制造受力小、不受沖擊及震動(dòng)、使用溫度不高或溫度變化不劇烈的容器。常用的非金屬耐蝕材料有鑄石、石墨、耐酸水泥、天然耐蝕石材和玻璃等。

　　(1)鑄石。鑄石具有極優(yōu)良的耐磨性、耐化學(xué)腐蝕性、絕緣性及較高的抗壓性能。其耐磨性能比鋼鐵高十幾倍至幾十倍。在各類酸堿設(shè)備中，鑄石的耐化學(xué)腐蝕性高于不銹鋼、橡膠、塑性材料及其他有色金屬十倍到幾十倍;但脆性大、承受沖擊荷載的能力低。鑄石是鋼鐵(包括不銹鋼)的理想代用材料。

　　(2)石墨。石墨具有高熔點(diǎn)(3700℃)，在高溫下有高的機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)溫度增加時(shí)，強(qiáng)度隨之提高。石墨在 3000℃以下具有還原性，在中性介質(zhì)中有很好的熱穩(wěn)定性。在急劇改變溫度的條件下，石墨比其他結(jié)構(gòu)材料都穩(wěn)定，不會(huì)炸裂破壞，石墨的導(dǎo)熱系數(shù)是碳鋼的 3 倍多，所以石墨材料常用來制造傳熱設(shè)備。

　　石墨具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。人造石墨材料的耐腐蝕性能良好，除了強(qiáng)氧化性的酸(如硝酸、鉻酸、發(fā)煙硫酸和鹵素)之外，在所有的化學(xué)介質(zhì)中都很穩(wěn)定，甚至在熔融的堿中也很穩(wěn)定。

　　不透性石墨是由人造石墨浸漬酚醛或呋喃樹脂而成的，優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性優(yōu)良、溫差急變性好、易于機(jī)械加工、耐腐蝕性好。缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度較低、價(jià)格較貴，用于制造各種類型的熱交換器、鹽酸合成爐等。

　　(3)玻璃。

　　(4)天然耐蝕石料。

　　(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

　　通常根據(jù)機(jī)械性能和使用狀態(tài)將其分為塑料、橡膠和合成纖維三大類。

　　2.高分子材料的基本性能及特點(diǎn)

　　(1)質(zhì)輕;(2)比強(qiáng)度高;(3)有良好的韌性;(4)減摩、耐磨性好;(5)電絕緣性好;

　　(6)耐蝕性;(7)導(dǎo)熱系數(shù)小;(8)易老化;(9)易燃;(10)耐熱性低;(11)剛度小。

　　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樹脂為基本材料，再按一定的比例加入填料、增塑劑、著色劑和穩(wěn)定劑等材料，經(jīng)混煉、塑化，并在一定壓力和溫度下制成的。

　�、贅渲�。樹脂在塑料中主要起膠結(jié)作用，通過膠結(jié)作用把填充料等膠結(jié)成堅(jiān)實(shí)整體，塑料的性質(zhì)主要取決于樹脂的性質(zhì)。

　　按分子中碳原子之間結(jié)合形式不同，樹脂分子結(jié)構(gòu)分為直線型，支鏈型和體型(網(wǎng)狀型)三種。按受熱時(shí)狀態(tài)不同，可分為熱塑性樹脂和熱固性樹脂。

　�、谔盍�。提高塑料的強(qiáng)度和剛度，減少塑料在常溫下的蠕變現(xiàn)象及提高熱穩(wěn)定性。

　�、墼鏊軇�。

　�、苤珓７譃槿玖虾皖伭蟽纱箢悺�

　　⑤穩(wěn)定劑。延長塑料制品的使用壽命。

　　2)工程中常用塑料制品。

　　①熱塑性塑料

　　a.低密度聚乙烯(LDPE)。又稱高壓聚乙烯，具有質(zhì)輕、吸濕性小、電絕緣性好、延伸性和透明性強(qiáng)、耐寒性好和化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，但其強(qiáng)度低，耐老化性能較差。

　　b.高密度聚乙烯(HDPE)。又稱為低壓聚乙烯，具有良好的耐熱性和耐寒性;力學(xué)性能優(yōu)于低密度聚乙烯，介電性能優(yōu)良，但略低于低密度聚乙烯;耐磨性及化學(xué)穩(wěn)定性良好，能耐多種酸、堿、鹽類腐蝕，吸水性和水蒸氣滲透性很低，但耐老化性能較差，表面硬度高，尺寸穩(wěn)定性好。

　　c.聚丙烯(PP)。具有質(zhì)輕、不吸水，介電性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性良好，力學(xué)性能優(yōu)良，但是耐光性能差、易老化、低溫韌性和染色性能不好。

　　d.聚氯乙烯(PVC)。聚氯乙烯剛度和強(qiáng)度比聚乙烯高，常見制品有硬、軟兩種。硬聚氯乙烯密度很小，抗拉強(qiáng)度較好，有良好的耐水性、耐油性和耐化學(xué)藥品侵蝕的性能，常用來制作化工、紡織等工業(yè)的廢氣排污排毒塔，以及常用于氣體、液體輸送管。軟聚氯乙烯常制成薄膜，用于工業(yè)包裝，但不能用來包裝食品。

　　e.聚四氟乙烯(PTFE，F(xiàn)-4)。俗稱塑料王，具有非常優(yōu)良的耐高、低溫性能，可在-180～260℃的范圍內(nèi)長期使用。它幾乎耐所有的化學(xué)藥品，在侵蝕性極強(qiáng)的王水中煮沸也不起變化，摩擦系數(shù)極低，僅為 0.04。聚四氟乙烯不吸水、電性能優(yōu)異。是目前介電常數(shù)和介電損耗最小的固體絕緣材料。缺點(diǎn)是強(qiáng)度低、冷流性強(qiáng)。

　　f.聚苯乙烯(PS)。具有極高的透明度，透光率可達(dá) 90%以上，電絕緣性能好，剛性好及耐化學(xué)腐蝕。但其性脆，沖擊強(qiáng)度低，易出現(xiàn)應(yīng)力開裂，耐熱性差及不耐沸水等。

　　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，是一種常用的工程塑料。具有“硬、韌、剛”的混合特性，綜合機(jī)械性能良好。同時(shí)尺寸穩(wěn)定，容易電鍍和易于成型，耐熱和耐蝕性較好，在-40℃的低溫下仍有一定的機(jī)械強(qiáng)度。

　　h.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。俗稱亞克力或有機(jī)玻璃。密度只有無機(jī)玻璃一半，機(jī)械性能比普通玻璃高得多，能抵抗稀酸、稀堿、潤滑油和碳?xì)淙剂系淖饔�，在自然條件下老化緩慢。缺點(diǎn)是表面硬度不高，易擦傷。由于導(dǎo)熱性差和熱膨脹系數(shù)大，易在表面或內(nèi)部引起微裂紋，因此比較脆弱。

　　PMMA 樹脂是無毒環(huán)保的材料，可用于生產(chǎn)餐具，衛(wèi)生潔具等，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐候性。

　�、跓峁绦运芰�

　　a.酚醛樹脂(PF)。俗稱電木粉。酚醛樹脂耐弱酸和弱堿，遇強(qiáng)酸發(fā)生分解，遇強(qiáng)堿發(fā)生腐蝕。最重要特征是耐高溫性，即使在非常高的溫度下，也能保持其結(jié)構(gòu)的整體性和尺寸的穩(wěn)定性;正因?yàn)檫@個(gè)原因，酚醛樹脂被應(yīng)用于一些高溫領(lǐng)域，如耐火材料、摩擦材料、黏結(jié)劑和鑄造行業(yè)。

　　酚醛泡沫產(chǎn)品在阻燃方面它具有特殊的優(yōu)良性能，是電器、儀表、建筑、石油化工等行業(yè)較為理想的絕緣隔熱保溫材料，廣泛應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)、輕質(zhì)保溫彩鋼板、房屋隔熱降能保溫、化工管道的保溫材料(尤其是深低溫的保溫)、車船等場(chǎng)所的保溫領(lǐng)域。

　　b.環(huán)氧樹脂(EP)。環(huán)氧樹脂強(qiáng)度較高，韌性較好;尺寸穩(wěn)定性高和耐久性好;具有優(yōu)良的絕緣性能，耐熱、耐寒�；瘜W(xué)穩(wěn)定性很高，成型工藝性能好。環(huán)氧樹脂是很好的膠黏劑。

　　c.呋喃樹脂。能耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和有機(jī)溶劑腐蝕，并能適用于其中兩種介質(zhì)的結(jié)合或交替使用的場(chǎng)合，但不耐強(qiáng)氧化性介質(zhì)，是現(xiàn)有耐熱樹脂中耐熱性能最好的樹脂之一。

　　d.不飽和聚酯樹脂(UP)

　　(2)橡膠

　　(3)合成纖維

　　三、復(fù)合材料

　　(一)復(fù)合材料組成、分類和特點(diǎn)

　　1.復(fù)合材料組成

　　復(fù)合材料中至少包括基體相和增強(qiáng)相兩大類�；w相可以由金屬、樹脂和陶瓷等構(gòu)成。增強(qiáng)相有纖維狀、細(xì)粒狀和片狀等。

　　2.復(fù)合材料的分類

　　工程上開發(fā)應(yīng)用較多的是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

　　(1)按基體材料類型可分為樹脂基、無機(jī)非金屬材料基和金屬基復(fù)合材料三大類。

　　(2)按增強(qiáng)體類型可分為顆粒增強(qiáng)型、纖維增強(qiáng)型和板狀增強(qiáng)型復(fù)合材料三大類。

　　(3)按用途可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與功能復(fù)合材料兩大類。

　　(4)按增強(qiáng)纖維類型分為碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、有機(jī)纖維復(fù)合材料、復(fù)合纖維復(fù)合材料和混雜纖維復(fù)合材料等。

　　3.復(fù)合材料的特點(diǎn)

　　(1)高比強(qiáng)度和高比模量

　　(2)耐疲勞性高

　　(3)抗斷裂能力強(qiáng)

　　(4)減振性能好

　　(5)高溫性能好，抗蠕變能力強(qiáng)

　　(6)耐腐蝕性好。如玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂復(fù)合材料，在含氯離子的酸性介質(zhì)中能長期使用，可用來制造耐強(qiáng)酸、鹽、酯和某些溶劑的化工管道、泵、閥、容器和攪拌器等設(shè)備。

　　(7)較優(yōu)良的減摩性、耐磨性、自潤滑性和耐蝕性

　　(二)復(fù)合材料基體

　　(1)樹脂基體。

　　(2)金屬基體。金屬基復(fù)合材料主要有三類：顆粒增強(qiáng)、短纖維或晶須增強(qiáng)、連續(xù)纖維或薄片增強(qiáng)。

　　(3)陶瓷基體。

　　(三)復(fù)合材料增強(qiáng)體

　　1.纖維增強(qiáng)體。玻璃纖維是應(yīng)用最為廣泛的增強(qiáng)體。

　　2.顆粒增強(qiáng)體。

　　3.片狀增強(qiáng)體。

　　(四)復(fù)合材料應(yīng)用

　　(6)塑料—鋼復(fù)合材料。綜合了低碳鋼的強(qiáng)度和塑料的美觀、防腐和絕緣的特點(diǎn)。在一定范圍內(nèi)可以代替不銹鋼和木材，其性能如下：

　　1)化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸、堿、油以及醇類的侵蝕，耐水性也好;

　　2)塑料與鋼材間的剝離強(qiáng)度大于或等于 20MPa;

　　3)深沖加工時(shí)不剝離，冷彎 120°不分離開裂(d=0);

　　4)絕緣性能和耐磨性能良好;

　　5)具有低碳鋼的冷加工性能;

　　6)在-10～60℃之間可長期使用，短時(shí)間使用可耐 120℃。

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