第十二章 非金属材料 非金属材料在国民经济各部门中的应用已日益广泛，成为不可缺少的重要材料。在船舶工程上非金属材料同样也获得广泛应用。利用塑料制成各种船用零件，如螺旋桨、尾轴承、舵轴承、导流帽、阀盘、手柄及各种管子等；利用胶黏剂进行船机零件的修理、安装与装配等。因此有必要介绍非金属材料，以便学生在日后的船舶轮机管理工作中更好地使用这些非金属材料。 非金属材料主要包括：高分子材料、陶瓷材料和复合材料。

第一节 高分子材料 概述 高分子材料是以高分子化合物为主要组成成分的材料。高分子材料分为天然和人工合成两大类。天然高分子化合物有松香、纤维素、蛋白质和天然橡胶等。人工合成高分子化合物有各种塑料、合成橡胶、合成纤维素等。工程上使用的高分子材料主要是人工合成的高分子化合物。 1、高分子化合物 高分子化合物是指分子量很大的化合物。一般高分子化合物的分子量总是在1000以上，甚至可达几千、几万、几百万。

例如，聚苯乙烯的分子量是10000～300000，聚氯乙烯是20000～160000。通常将分子量小于500的成为低分子化合物。高分子与低分子之间虽然没有严格的界限，但是只有分子量达到使机械性能具有工程意义的化合物，才是工程用高分子化合物或高分子材料。 2、高分子化合物的组成 高分子化合物的分子量虽然很大，但化学组成较为简单。每个高分子都是由一种或几种结构简单的低分子化合物聚合而成。这种组成高分子化合物的低分子化合物称为单体。例如，聚乙烯是由低分子乙烯（CH2=CH2）单体组成的；聚氯乙烯是有氯乙烯（CH2=CHCl）单体组成。

3、高分子材料的合成 高分子化合物的合成是指把低分子化合物（单体）聚合在一起形成高分子化合物的过程。所进行的反应称聚合反应。聚合成的高分子化合物称聚合物或高聚物。最常用的聚合反应有加成聚合反应（简称加聚反应）和缩合聚合反应（简称缩聚反应）。 （1）加聚反应。加聚反应是指把一种或几种单体相互加成而连接成聚合物的反应。反应生成物叫加聚物。由于反应没有副产物，加聚物具有同样单体相同的成分。 加聚反应中的单体是一种时，此反应称均加聚反应，简称均聚，其产物称均聚物。若加聚反应中的单体是两种或多种时，次反应称共加聚反应，简称共聚，其产物称共聚物。

（2）缩聚反应。缩聚反应是指把一种或几种单体相互混合而连接成聚合物，并同时析出（缩去）某种低分子物质（如水、氨、醇、卤化氢等）的反应。反应生成物称缩聚物，成分与单体不同。缩聚反应较加聚反应复杂。 缩聚反应的单体是具有两个或两个以上的反应基团的低分子化合物。反应基团一般为官能团（如－OH、＝CO、－COOH、－CHO、－NH2、－NO2等，即决定有机物分子化学特性的原子或原子团），或离子、游离基（即带有未成对的原子或原子团）、络合基团等。 按照缩聚反应中参加反应的单体不同，亦分为均缩聚和共缩聚。它们的反应产物分别为均缩聚物和共缩聚物。

缩聚反应是制取聚合物的主要方法之一。目前的聚合物基本上可用缩聚反应合成，是现在的涤纶、尼龙、聚碳酸酯、聚氨酯、环氧树脂、有机硅树脂等高聚物的合成方法。所以，缩聚反应对改善聚合物性能和开发新的聚合物具有非常重要的作用。 4、高分子材料的分类 （1）按性能和用途分类 塑料：在常温下具有一定形状、强度较大、受力后发生一定变形的聚合物。 橡胶：在室温下具有高弹性，即受很小的外力可产生很大变形，外力去除后变形消失的聚合物。 纤维：室温下具有很大的轴向强度，受力后变形较小，在一定温度范围内机械性能变化不大的聚合物。

塑料、橡胶和纤维三类高聚物很难严格区分，采用不同的加工方法就会形成不同的高聚物。例如，聚氯乙烯是典型的塑料，但也可抽丝制成纤维（即氯纶）。 将未加工成型的聚合物称为树脂。例如，电木未固化前称酚醛树脂；涤纶纤维未纺成丝之前称涤纶树脂。 涂料、胶粘剂等：均呈树脂形式，直接使用。 （2）按聚合反应类型分类 加聚物：由单体经缩聚反应合成的高聚物，其分子链的链节结构的化学式均与单体分子相同，如聚乙烯、聚氯乙烯等。

缩聚物：由单体经缩聚反应合成的高聚物，其分子链的链节结构与单体的结构不完全相同，并在聚合过程析出小分子副产物。例如酚醛树脂，它是由苯酚和甲醛两种单体聚合，并析出水分子聚合物。 （3）按聚合物随温度变化（热行为）分类 热塑性聚合物：随温度变化，受热软化，受冷硬化成型。如聚乙烯、聚氯乙烯。 热固性聚合物：受热发生化学变化而固化成型，成型后再受热也不会软化。如酚醛树脂、环氧树脂等。 3．高分子材料命名 （1）按习惯命名。为大多数高分子材料采用，即用在原料单体名称前面加“聚”字表示，如聚乙烯、聚氯乙烯等。

（2）按商品名称命名。没有统一原则，同一材料在各国的名称不同，多用于纤维和橡胶。例如聚己内酰胺称为尼龙6、棉纶、卡普隆；聚丙烯腈纤维（人造羊毛）称腈纶、奥纶；聚酯纤维（的确良）称涤纶。 （3）用符号表示。为了简化，用英文名称缩写表示。如聚乙烯用PF、聚氯乙烯用PVC、聚苯乙烯用PS表示。 很早以前，人类就开始使用天然高分子材料，而有目的地合成高分子材料则是近百年来的事情，工程上广泛应用的时间更短。然而，高分子材料的发展速度很快，目前在工业、农业、交通运输、国防和尖端科学技术等领域，尤其船舶上的应用日益增多。

高分子材料的品种、产量等也在不断地增加。据统计，在1970～1985年间，世界上金属材料的产量增加两倍，而合成材料却增加了七倍。 第二节 工程塑料 高分子材料主要有合成树脂、合成橡胶和合成纤维。其中以合成树脂的产量最大、应用最广。塑料是以合成树脂为主要成分，加入各种添加剂，在一定温度、压力下加入塑制成型的材料。塑料是在室温玻璃态下使用的高分子材料。塑料的原料丰富，制取方便，加工简单，成本低，种类繁多，具有多种特殊性能，广泛应用于生产和生活的各个领域中。

一、塑料的组成 （1）合成树脂 合成树脂是塑料的主要组成材料，不仅决定塑料的基本性能，而且也起黏结剂的作用，把塑料的各种成分胶黏成一体。绝大多数的塑料是以所用的树脂名称来命名的。 （2）添加剂 为改善塑料的某些性能而加入到树脂中的物质，主要包括以下几种： 填料（增强材料）：主要是提高塑料的性能，起增强作用。常用的有机填料有木粉、棉花、纸、木材等；常用的无机填料有石墨粉、滑石粉、二硫化钼、云母、玻璃纤维等。例如纤维、木屑可提高塑料的强度，石墨、二硫化钼可改善塑料的摩擦、磨损性能。填料还可降低塑料的成本。

增塑剂：用来增加树脂的可塑性和柔软性的物质，常用液态或低熔点固体有机化合物，主要是酯类和酮类。增塑性与树脂混合加工，彼此不发生化学反应，仅能提高塑料的弹性、黏性、可塑性、延伸率和增加柔软性、抗震性等。 固化剂：是使热固性树脂受热产生交联，形成体型网状结构以制成较为坚硬和稳定的塑料的物质。例如，在环氧树脂中加入己二胺。 稳定剂：为了防止塑料受热、光作用而过早老化，加入少量起稳定作用的物质。 润滑剂：为了防止塑料成型时黏在模具或其他设备上而加入的物质，并可使塑料制品表面光亮美观。常用的润滑剂有硬脂酸等。

着色剂：使塑料制品具有美观的色彩和适合使用要求而加入的染料。 其他：为满足其他性能要求而加入的抗静电剂、发泡剂、催化剂、阻燃剂，稀释剂等。 把不同品种和性能的塑料溶合在一起可以制成塑料的“合金”。例如ABS塑料就是由甲苯乙烯、丁二烯和丙烯腈三种塑料组成的“三元合金”或复合物。 二、工程塑料在船舶上的应用 1．工程塑料的选用及注意事项 塑料的种类很多，如何根据生产需要选用最佳材料则很重要。在选用工程塑料构件或零部件时应注意以下问题：

（1）塑料的导热性差，不易散热，所以应考虑使用中要有良好的散热条件；塑料的耐热性差，热膨胀系数较大，受热易变形，所以使用中的塑料零件的配合间隙要足够。 （2）工程塑料一般都易吸湿、吸水，尤以聚酰胺突出，要求零件尺寸和性能稳定场合应慎用。 （3）塑料是非刚性材料。 （4）塑料有一定的机械性能，适用于一定的负荷和转速，在选用塑料轴承时应特别注意。 （5）塑料受到光、氧作用后易老化，使性能变坏。 2．工程塑料在船舶上的应用 （1）制作船舶构件。玻璃钢可用来制造快艇、工作艇、救生艇的艇体，上层建筑、驾驶室、棚顶、门壁、风斗、导流罩、导流帽、螺旋桨等。

尼龙可制作导流帽、舷窗；泡沫塑料可作舱室地板，以聚氨酯弹性塑料与核桃壳、沥青、废橡胶等配合使用可代替木制甲板；用聚氯乙烯塑料制作扶手等。 （2）制作船机零件。尼龙可以制造尾轴承、舵轴承、阀盘、齿轮、滑块、滑轮、手柄等；ABS塑料管、硬纸聚氯乙烯塑料管作为船舶常温低压管路。此外，常温工作条件下的活塞环，主、辅机中的离合器片和刹车片，主、辅机中的密封垫片等均可用塑料或以塑料为基础制成。 （3）塑料用于防腐 螺旋桨上涂塑料涂层防止桨叶的穴蚀和电化学腐蚀，目前已取得一定的成果，但还存在一定不足，如耐穴蚀差、附着力不强等。

尾轴包覆玻璃钢：对尾轴非摩擦表面采用包覆环氧玻璃钢防腐，既有良好的防腐性能，又适用于各种介质，且工艺简单，局部损坏易于修补。 柴油机缸套冷却水侧涂塑料涂层防腐，对防止穴蚀和电化学腐蚀有一定的作用。 舵叶防腐：舵叶上涂塑料涂层可提高舵叶抗蚀能力。 水舱防腐：船舶水舱壁面采用塑料涂层防腐较原来涂薄层水泥效果好，不影响水质和局部修理。 与海水接触的机件内壁，如管子内壁、主机循环泵内壁、冷凝器及海水制淡水内壁等极易腐蚀，采用内壁面涂塑料层可以防腐，延长机件使用寿命。

第三节 合成材料 一、合成橡胶 合成橡胶是人工合成的高分子化合物之一，是具有高弹性的高分子材料。线性非晶态高聚物具有高弹态（称为弹性体），橡胶正是这种高弹态高聚物，能在使用温度范围内保持高弹性。 合成橡胶的原料主要是石油、天然气和煤，其次是木材和农副产品。我国生产合成橡胶的资源丰富，为其发展提供了坚实的物质条件。 1．橡胶制品的主要组成 （1）生胶：凡未加配合剂的合成橡胶为生胶。生胶的性能随温度变化很大，如高温发黏，低温时变脆，所以应予以处理。

（2）配合剂：为了提高合成橡胶的使用性能或改善其加工工艺性能而加入的物质。主要的配合剂有硫化剂、硫化催进剂、软化剂、增塑剂、补强剂、着色剂等。每种配合剂都有其独特的作用。例如硫化剂是使橡胶分子产生交联，形成三维网状结构，使具有可塑性的生胶变为具有弹性的硫化胶。 （3）增强材料（骨架材料）：用于增加橡胶制品的强度并限制其变形。主要的增强材料有纤维织品、帆布、线绳及钢丝等。例如传动带、运输带、胶管等橡胶制品中的帆布和细布；各种汽车轮胎中的帘布等。增强材料在橡胶制品中的用量依制品不同而异。例如轮胎中的增强材料占其重量的10%～15%；运输带为65%；雨衣为80%～90%。

2．橡胶的性能特点 橡胶最显著的性能是具有高弹性，弹性模数很小，只有1MPa。在外力作用下产生极大的变形量，变形率达100%～1000%，外力除去后迅速恢复原状。 此外，橡胶还具有极高的储能性、耐磨性、绝缘性、不透水和不透气性等。橡胶广泛用于制造密封件、减振件、轮胎、电线和电缆的绝缘材料及生活用品等。 利用天然橡胶与合成橡胶为原料可以制成各种性能和用途的橡胶制品。天然橡胶是橡胶树上流出的乳胶加工而成。天然橡胶是异戊二烯的高聚体，自然界中含橡胶成分的植物有四百余种，大部分生长在热带。天然橡胶具有最好的综合性能，但产量低。

合成橡胶主要是烯型的高聚物，在化学结构上与天然橡胶有共同点，所以性能与天然橡胶相近，并且可以合成具有特殊性能的合成橡胶，使其性能在某些方面远远超过天然橡胶，从而扩大了橡胶的应用范围。 目前合成橡胶的种类很多，按其性能和用途分为通用合成橡胶和特种合成橡胶。用于制造特定条件下使用的橡胶制品的合成橡胶，称为特种合成橡胶。可具有耐寒、耐热、耐臭氧等特殊性能。例如硅橡胶可耐低温或高温，在－90～300℃范围内使用均不失弹性；氟橡胶具有突出的耐腐蚀性能等。一般特种合成橡胶价格较贵、应用不广。

通用合成橡胶主要有丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶、顺丁橡胶和异戊橡胶等品种。其中，产量最大的是丁苯橡胶，占橡胶总产量的60%～70%，广泛用于制造汽车轮胎的内、外胎，运输带和各种硬质橡胶制品等。 二、合成纤维 纤维材料是指长度比直径大很多倍的呈均匀条状或丝状，并具有一定柔韧性的材料。纤维材料种类很多，一般分为天然纤维和化学纤维两大类。 天然纤维是直接从自然界获得，包括矿物纤维（如石棉等）、植物纤维（如棉、麻等）、动物纤维（如丝、毛等）。化学纤维又分为人造纤维和合成纤维。

人造纤维是利用自然界中的原料经过化学处理与机械加工制成，如无机纤维（玻璃纤维）；称为“人造丝”、“人造棉”的黏胶纤维、硝化纤维和醋酸纤维等。合成纤维是以石油、煤、天然气及农副产品为原料，经过化学处理提炼出一些单体有机化合物分子，如苯、乙烯、丙烯、苯酚等，通过聚合而成高分子化合物，再经熔融或溶解成纺丝溶液，在一定压力下喷成纤维，如聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维等。 合成纤维一般具有强度高、密度小、耐磨、不霉不腐等优点，为纺织品的新型原料，广泛用于服装用料。此外，在工农业生产、交通运输及国防工业上也广为应用，且在有些用途上是天然纤维所不及的。例如，棉纶帘子线汽车轮胎的行驶里程要比一般纤维的多1～2倍，并且还可节约橡胶用量达20%。

合成纤维产量最多的为六大品种。 （1）涤纶又叫的确良，强度高、耐磨、耐蚀、易洗、易干、坚挺不皱，是很好的服装衣料。 （2）尼龙在我国称棉纶，强度高、耐磨、弹性好。主要缺点是耐光性差。 （3）腈纶国外称奥纶、开司米纶，质地柔软、轻盈、保暖，有人造毛之称。 （4）维纶的原料易得，成本低，性能与棉花相似，但强度高。缺点是弹性较差，织物易皱。 （5）丙纶为后起之秀，发展快，纤维以轻、牢、耐磨著称。缺点是可染性差，日晒易老化。 （6）氯纶难燃、保暖、耐磨、耐晒、弹性好。缺点是染色性差，热收缩大，故而限制了它的应用。

三、合成胶粘剂 胶黏剂又称为黏合剂、黏结剂，是一种具有优良的黏合性能的材料。合成胶黏剂的品种繁、成分复杂，而且也是目前国内外主要应用的胶黏剂。 1、用胶黏剂把被黏物结成一体的方法称为胶接或粘接。胶接与焊接、铆接、键连接、螺栓连接等连接技术相比，具有以下特点： （1）胶接接头的应力分布均匀。因黏结强度高和整个胶接面均匀承载，不会产生应力集中； （2）可以粘接各种不同种类的材料。不仅可以粘接金属与金属、金属与非金属，而且可以粘接其他方法难以连接的材料。例如各种金属与玻璃、橡胶、陶瓷、木材、织物之间的连接。此外，还可粘接薄形、微型、异型及复杂的零部件；

（3）胶接结构重量轻，外表美观； （4）密封性、耐蚀性和绝缘性好，可防止金属的电化学腐蚀； （5）胶接工业简单、操作方便、使用灵活。 胶接的主要特点是使用温度强度、使用温度较低，多数胶黏剂的使用温度在60～80℃以下，少数在150～250℃范围内。一般具有较好的耐低温性能，例如聚氨酯类胶黏剂可在－196℃以下工作。此外，胶接质量难于检测，胶黏剂易老化。 2、胶黏剂的组成 胶黏剂通常是由几种材料配制而成。按其作用不同，主要分基本材料和辅助材料。

基本材料是胶黏剂的主要成分，是决定胶黏剂的性能和其粘接作用的物质，如各种树脂、橡胶等高分子材料。辅助材料是为了改善性能、便于施工而加入的物质，如固化剂、增塑性、填料、稀释剂等。 3、常用胶粘剂 （1）环氧树脂胶黏剂。环氧树脂胶黏剂是目前应用最广泛的胶种之一。环氧树脂具有黏合力强、收缩率小、稳定性高等性能，可直接用来配制各种胶黏剂。我国应用最广的双酚A型胶黏剂（俗称“万能胶”），性能较全面，其产量在环氧树脂胶黏剂总产量约占90%。

（2）改性酚醛树脂胶黏剂。酚醛树脂是第一个人工合成的高分子化合物。酚醛树脂对含纤维素的材料具有较强的黏结力，如胶黏木材、胶合板、纤维板等。由于脆性大，不适于胶黏结构件。耐热性、耐老化性好，固化收缩率大。经改性处理后对金属和非金属材料也具有黏结力，并且柔韧性和弹性大为提高，耐疲劳性突出，可在各种大气条件下长期使用，成本低。但耐热性有所下降。 （3）聚氨酯胶黏剂。聚氨酯胶黏剂是以多异氰酸酯和聚氨基甲酸酯为基本材料的胶黏剂。具有高度的极性和活泼性，能够黏接多种材料，如泡沫塑料、木材、织物等，并且可以黏接表面比较光洁的材料，如金属、玻璃、橡胶等。

聚氨酯胶黏剂对大多数材料都有较强的黏结力；韧性好，耐冲击，可粘接软质材料和热膨胀系数相差较大的两种材料；耐低温性能超过其他胶种，随着温度降低，黏结强度反而增加，所以是超低温环境中的理想粘接材料。 （4）α－氰基丙烯酸酯胶黏剂。该种类胶黏剂具有常温下快速固化的特点，又称瞬干胶。固化后胶层具有较好的机械强度和耐寒性、透明性、电绝缘性等。但脆性大，不耐冲击；耐热性差，使用温度不超过70℃。不宜在酸、碱及水中长期使用。该类胶应用范围广，适用于大多数金属和非金属材料的快速胶接。

（5）厌氧型胶黏剂。厌氧型胶黏剂又称嫌气性胶黏剂，其特点是在空气中不能固化，与空气接触可存放1～2年也不固化。当被粘接物应用厌氧胶粘接时，粘接面紧密接触，排除空气后，在催化剂的作用下能迅速固化。所以是一种常温下有氧不能固化，除氧后可迅速固化的胶黏剂。 厌氧胶具有良好的流动性和密封性、耐蚀性、耐热性和耐寒性也较好，可用于紧固螺栓；因其耐压、密封，用于气、液管道接头的密封及法兰平面的耐压密封垫，可以有效地防止油、水、气的跑、冒、滴、漏；还可用于修复铸件的气孔、砂眼等缺陷。

4、胶黏剂在轮机工程中的应用 胶黏剂广泛应用在轮机工程修复零件和安装工作中。 （1）修复船机零件。主要用于零件裂纹和断裂的修理，例如柴油机机座、机架、气缸体等的裂纹；船机零件的微动磨损和腐蚀的修理，例如修复由于微动磨损造成的紧固配合的齿轮与轴的松动，修复气缸体、气缸套外表面的腐蚀；水下修补，如船体水下部位的修补。 （2）用于主、辅机和轴系的安装工艺。改进主、辅机机座的安装工艺，用垫片涂环氧树脂来代替繁重的垫片拂刮工作，简化了主机安装工艺和减轻了工人的劳动量；也用于中、小型螺旋桨与尾轴的装配。

第四节 陶瓷材料 一、概述 在现代材料领域中，无机非金属材料或称陶瓷，是指除金属材料和有机材料以外的固体材料。陶瓷已非专指传统的陶器和瓷器，而是指凡是用传统的陶瓷生产方法制成的无机多晶产品，如玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦、水泥、石灰、石膏等人造无机非金属材料。由于这些材料都是采用天然的硅酸盐矿石，如黏土、石灰石、长石、石英、砂子等作原料，陶瓷材料又称硅酸盐材料。 近年来，陶瓷材料发展迅速，已应用到工业生产的各个领域。陶瓷材料与金属材料、高分子材料成为现代工程材料的三大支柱。

1、陶瓷的分类 工程陶瓷材料主要包括无机玻璃、陶瓷和玻璃陶瓷三大类。其中，陶瓷又分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷。 传统陶瓷或称普通陶瓷，主要是黏土制品，如陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料。主要成分是SiO2、Al2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O、PbO等。 特种陶瓷或称新型陶瓷，是用人工合成的原料按普通陶瓷的制作工艺制成的具有特殊物理、力学、化学性能的新型材料，主要有氧化物陶瓷，碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等非氧化物陶瓷。 金属陶瓷主要指以氧化物和非氧化合物为基体、以金属为黏结剂、成分和性能接近陶瓷的材料，例如粉末冶金。

2、普通陶瓷原料和生产 （1）原料。陶瓷的主要原料有黏土、石英和长石。 黏土是细颗粒状的含水铝硅酸盐，它是以高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）矿物为重要原料。 石英是无水二氧化硅或硅酸盐。 长石是含K＋、Na＋或Ca2＋的无水铝硅酸盐，属于熔剂或助熔剂原料。 我国最早发明的传统陶瓷就是由黏土、石英和长石生产的。特殊陶瓷和金属陶瓷一般采用人工的化学或化工原料，对纯度与粒度均有较高的要求。 （2）生产。陶瓷的生产过程较为复杂，其基本工艺过程是由原料制备、坯料成形和制品烧成或烧结三个部分组成。

坯料成形后的坯件经干燥以除去水分和提高强度，然后进行高温烧成或烧结，以便通过一系列物理化学变化形成瓷，并获得要求的性能。使坯件瓷化的工艺成为烧成。一般烧成温度为1250～1450℃。烧成时使坯件开口气孔率接近零。获得高致密纯度的瓷化过程称为烧结。烧结温度对单元系一般为其绝对熔点的2/3～4/5。特种陶瓷，尤其是金属陶瓷多采用烧结。 二、陶瓷的性能 1．机械性能 不同材料在外力作用下生产的变形不同，绝大多数的陶瓷在弹性变形后脆断，此为陶瓷材料的重要力学特征。

（1）刚度。陶瓷具有很高的弹性模量，为各类材料之首。气孔和温度对弹性模量影响很大，气孔使弹性模量降低，温度升高也使其降低。 （2）硬度。陶瓷材料的硬度在各类材料中达到最高是陶瓷的最大特点。陶瓷硬度随温度升高而降低，但高温下仍有较高硬度。 （3）强度。陶瓷具有很高的抗压强度，很低的抗拉强度和剪切强度。理论计算陶瓷的抗拉强度很高，为E/10～E/5，而实际上仅为E/1000～E/100。其原因是由于陶瓷组织中的晶界破坏作用所致。陶瓷的抗压强度与抗拉强度之比高达10:1，而铸铁为3:1。

（4）塑性。陶瓷在室温下几乎没有塑性。这是由于陶瓷晶体的滑移系很少，另外共价键有明显的方向和饱和性，离子键的同性离子接近时斥力很大，所以共价晶体与离子基体构成的陶瓷塑性极差。塑性开始的温度很高，如Al2O3为1237℃，TiO2为1038℃。 （5）韧性。陶瓷在外力作用下不发生塑性变形，在较低的应力下断裂，韧性极低或脆性极高。冲击韧性值低于10KJ/m2，为典型脆性材料。脆性是陶瓷的最大缺点，是影响其作为结构材料广泛应用的主要问题。 2．热性能 一些与温度有关的热性能，如熔点、热膨胀率、热导率和热稳定率等，是陶瓷材料的重要物理性能。陶瓷的熔点高，一般都在2000℃以上。

陶瓷的线膨胀系数较小，低于高聚物和金属。陶瓷的传热作用主要依靠原子的热振动，没有自由电子导热，所以陶瓷的导热性比金属小，加之陶瓷中的气孔使其成为较好的绝热材料。 3．其他性能 （1）化学稳定性。陶瓷的结构非常稳定。离子基体为主的陶瓷很难与介质中的氧发生作用，甚至在几千度高温下也不氧化，所以具有很高的耐火性或不可燃烧性，是很好的耐火材料。此外，陶瓷对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质具有较强的抗蚀能力，与许多熔融状态的金属也不发生作用，是很好的坩埚材料。

（2）导电性。陶瓷等导电能力在很大范围内变化。大多数陶瓷是良好的绝缘材料，但不少陶瓷既是离子导体，又有一定的电子导电性，所以又是重要的半导体材料。 三、工业陶瓷 1．普通陶瓷 普通陶瓷是以黏土、长石、石英为原料制成的黏土陶瓷，产量大、用途广。改变组成配比可以获得不同特性的陶瓷。除日用陶瓷、瓷器外，大量用于工业的建筑、卫生、电气绝缘、化工等方面。

2．特种陶瓷 （1）氧化铝陶瓷。是以Al2O3为主要成分的陶瓷。Al2O3含量大于46%的陶瓷称高铝陶瓷；Al2O3含量为90%～99.5%时，称刚玉陶瓷；在Al2O3含量分别为75%、85%、96%、99%时，对应称为75瓷、85瓷、96瓷、99瓷等。 氧化铝含量越高，耐高温性能越好。在氧化气氛中使用温度达1950℃，具有高的强度和高温强度，高的化学稳定性和介电性能，只是脆性大、热稳定性不高。广泛用于高速切削工具、量规、高温炉零件、汽油机火花塞、坩埚材料等。 （2）非氧化合物陶瓷。难熔非氧化合物陶瓷的特点是高的耐火度、高硬度和高耐磨性，但脆性很大。

碳化物和硼化物的抗氧化温度为900～1000℃，氮化物略低些，硅化物的抗氧化温度为1300～1700℃。 碳化硅陶瓷的最大特点是高温强度大，热传导能力很高，热稳定性、耐蚀性和耐磨性也很好，所以应用最广。主要用作加热元件、1500℃以上的结构零件，如火箭尾喷嘴、热电偶套管和砂轮、磨料等。此外，还可制作高温轴承、高温热交换器、核燃料的包封材料及各种泵的密封圈等。 氮化硼陶瓷具有与石墨类似的六方结晶系，性能也有许多相似之处，故又称“白石墨”。具有良好的耐热性、热稳定性、导热性、高温介电强度，是理想的散热与高温绝缘材料，可制作高温轴承、热电偶套管、坩埚等。

第五节 复合材料 一、概述 金属材料、高分子材料和陶瓷材料各具优、缺点，各有其应用领域。随着工业、交通运输和尖端科学技术的发展，对材料提出越来越高的要求。传统的、单一的材料已不能满足多方面的性能要求，而复合材料是所要求的新型材料。 复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性能不同的物质人工制成的一种多相固体材料。复合材料保留组成材料的优点，并且具有优于组成材料的性能。事实上，人类早已使用了复合材料，例如钢筋混凝土、木质层压板等。

复合材料一般是由高强度、高模量、脆性很大的增强材料与强度低、韧性好、低模量的基体材料组成。常用玻璃纤维、碳纤维、硼纤维等作增强材料，用塑料、橡胶、树脂、金属等作基体材料制成各种复合材料。例如玻璃增强树脂，即玻璃钢已在汽车、船舶、管系、电机、传动件等方面广泛应用。随着复合理论与生产工艺的提高，其成本降低、性能完善，复合材料将更加广泛地应用于航空航天和一般工业领域。专家预言，未来飞机上70%～80%的材料将采用复合材料，21世纪将是复合材料的时代。

1．复合材料的分类 复合材料是由起黏结剂作用的基体相与起提高强度或韧性作用的增强相组成的多相体系。目前，复合材料的种类很多，分类尚不统一。总的分为功能复合材料和结构复合材料。前者研究较少，后者开发品种较多。结构复合材料有以下分类： （1）依构成原料分类。以基体分类：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高聚物基复合材料；以增强相分类：玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料等。 （2）依结构特点分类。分为纤维复合材料、层叠复合材料、细粒复合材料、短切纤维复合材料等，以纤维复合材料使用最多。

2．复合材料的性能特点 （1）比强度和比刚度高。比强度是强度与密度之比；比刚度是刚度与密度之比，或称比模量。比强度与比刚度对于要求具有较小自重，但保持高强度和高刚度的结构是非常重要的指标。 由于大多数复合材料的基体（如高聚物）或增强材料（如玻璃、碳和碰纤维）的比重均不大或较小，材料不致密，而且增强材料多是强度很高的纤维，所以复合材料的比强度和比刚度均很高。例如碳纤维增强环氧树脂的比强度是钢的7倍，比刚度是钢的3倍。

（2）抗疲劳性能好。由于复合材料中基体的塑性好，缺陷少的纤维疲劳抗力很高。基体能消除或减少应力集中，使疲劳源难以发展成裂纹，即使有微裂纹形成也会使裂纹末端钝化，减缓其扩展速度。所以复合材料疲劳强度很高。例如金属材料的疲劳极限是其抗拉强度的40%～50%，而碳纤维复合材料可达70%～80%。 （3）减振能力差。工程机械设备的振动问题很突出，产生振动与结构的自振频率有关，而结构的自振频率与结构自身质量、形状有关，并与材料的比刚度的平方根成正比。由于复合材料的比刚度大，自振频率很高，所以在工作条件下不容易发生共振和由此引起的破坏。此外，由于纤维与基体界面吸振能力大，阻尼特性好，即使结构中产生振动，也会很快衰减。

（4）高温性能好。增强纤维多具有较高的弹性模量、较高的熔点和高温强度，所以使其复合材料也具有较高的高温强度。例如，铝合金在400℃时的弹性模量几乎为零，强度从500MPa降至30MPa～50MPa之间。用碳纤维或硼纤维增强后，在400℃时强度与弹性模量和室温时相同。 除上述特性外，复合材料的断裂安全性好，减摩性、耐蚀性和工艺性能都较好。复合材料各向异性材料，横向抗拉强度与层间剪切强度不高，延伸率和冲击韧性不良，成本高。

二、常用复合材料 1．玻璃纤维复合材料 用玻璃纤维增强工程塑料的复合材料称玻璃钢，目前已发展为一种工程结构材料。可以制成机器零件，使机器零件不用金属材料制造成为可能，玻璃钢分为热塑性和热固性两种。 （1）热塑性玻璃钢。是以玻璃纤维作增强剂，以热塑性树脂为基体（黏结剂）制成的复合材料。如尼龙、聚碳树脂等。具有高的机械性能、介电性能、耐热性和抗老化性能，工艺性能也好。

热塑性玻璃钢与相同基体材料的热固性玻璃钢相比，强度、疲劳强度高2～3倍以上，冲击韧性高2～4倍，抗蠕变能力高2～5倍，甚至超过某些金属材料的性能。例如，40%玻璃纤维增强尼龙的强度可以和铝合金、镁合金媲美，可取代这些金属材料。 玻璃纤维增强尼龙的刚度、强度和减摩性好，可代替有色金属合金制造轴承、齿轮、汽车仪表盘、前后灯等。 （2）热固性玻璃钢。是以玻璃纤维作增强剂，以热固性树脂为基体（黏结剂）制成的复合材料。如酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂和有机硅树脂。

环氧树脂玻璃钢性能较好，应用广泛。热固性玻璃钢是质轻、比强度高、耐蚀性好、介电性能良好、成形良好的复合材料，但刚度小、耐热性不高（低于200℃），易老化和蠕变。 环氧树脂玻璃钢用于制造高强度制件、电绝缘件、容器、风扇、叶片泵、阀等。 总之，玻璃钢应用极广，如机器罩壳、形状复杂的构件；汽车、火车、拖拉机车身及配件。尤其可制造船体、深水潜艇及石油化工的各种耐蚀罐、管道、泵、阀门等。

2．碳纤维复合材料 碳纤维复合材料包括碳纤维树脂复合材料、碳纤维复合材料、碳纤维金属复合材料和碳纤维陶瓷复合材料等。 碳纤维树脂复合材料是以碳纤维作增强剂，以树脂作基体，目前应最多的是环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯。碳纤维树脂复合材料的密度比铝小，强度比钢高，弹性模量比铝合金与钢大；疲劳强度和冲击韧性高，耐水和湿气，化学稳定性好；摩擦系数小，导热性好，受X射线辐射后强度和弹性模量不变，比玻璃钢的性能优越。

所以用作宇宙飞行器的外层材料，人造卫星和火箭的机架、壳体、天线构架，各种机器的齿轮、轴承、活塞、密封圈等摩擦件，也可用作化工零件和容器等。最新研究成功的碳纤维增强塑料是以环氧树脂为基体，碳纤维和玻璃纤维作增强材料的复合材料。具有比强度和比刚度大、重量轻，减振性好，耐腐蚀等特点，可作为船用中间轴、螺旋桨轴应用于万吨级船上。

第六节 材料综述 工程上常用的材料主要有：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料等，它们各有其特点。 第六节 材料综述 工程上常用的材料主要有：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料等，它们各有其特点。 金属材料具有良好的力学性能、工艺性能，主要用来制造重要的结构零件和工程构件；高分子材料强度、弹性模量、疲劳抗力、韧性等较低，但它密度小，减振性良好，耐腐蚀性好，弹性变形能力强，常用于制造轻载传动齿轮、耐腐蚀的化工设备与零件和密封元件等；瓷材料质地硬而脆，但耐高温和耐腐蚀性良好，用于制造耐高温、耐腐蚀、耐磨的零件；新型的复合材料，具有优异的性能，但价格昂贵，主要用于航天工业上的一些重要构件。

在众多的可选材料中，如何选择一个能充分发挥材料潜能的适宜材料，一般是在满足零件使用性能要求的前提下，再考虑材料的工艺性能和总的经济性，并要充分重视、保障环境不被污染，符合可持续发展要求。 使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。对大量机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。材料的使用性能应满足使用要求。设计零件进行选材时，主要根据零件的工作条件，提出合理的性能指标。

1．零件工作条件分析 一个零件的使用性能指标是在充分分析了零件的服役条件和失效形式后提出的。零件的服役条件包括：受力状况--拉伸、压缩、弯曲、扭转；载荷性质--静载、冲击载荷、循环载荷；工作温度--常温、低温、高温；环境介质--有无腐蚀介质或润滑剂的存在；特殊性能要求--导电性、导热性、导磁性、密度、膨胀等。 2．常用力学性能指标在选材中的应用 常用的力学性能指标是强度、硬度、塑性、韧性等。

选材时经常要问的一个问题是：强度能否满足抵抗服役载荷的应力。其主要判据就是强度，屈服强度对于成形工序估计所需外力或考虑单个过载的影响时，都是重要的指标。 硬度对估计材料的磨损抗力和钢的大致强度都很有用，它最广泛的应用是作为热处理的质量保证。 塑性也是材料选择中的重要因素，如某种金属拉伸时具有一定的最小伸长值，则它在服役中将不会发生脆性断裂失效。较高的塑性可对零件起到过载保护作用，使零件成形更为容易。

冲击韧性的实质是表征在冲击载荷和复杂应力状态下材料的塑性，它对材料组织缺陷和温度更为敏感，是判断材料脆断的一个重要指标。 以性能指标作为判据选择材料时，应充分考虑试验条件与实际工作条件的差别；热处理工艺改变组织后对性能指标的影响；形状尺寸效应等带来实际情况与实验数据之间的偏差。 所以应对手册数据进行适当修正，用零件做模拟试验后，提供更可靠的选材保证。 材料工艺性能的好坏，对零件加工的难易程度、生产效率高低、生产成本大小等起着重要作用，同使用性能相比，工艺性能处于次要地位，但在特殊情况下，工艺性能也可能成为选材的主要依据。

高分子材料、陶瓷材料的工艺路线较简单，而金属材料的工艺路线较复杂，但适应性能很好，常用的加工方法有铸造、压力加工、焊接、切削加工等。 金属材料加工的工艺路线远较高分子材料和陶瓷材料复杂，而且变化多，不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。 （1）性能要求不高的一般金属材料选材的工艺路线 毛坯→正火或退火→切削加工→零件 （2）性能要求较高的金属零件选材的工艺路线 毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、固溶、时效或渗碳处理等）→精加工→零件

（3）性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线 毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、固溶、时效或渗碳处理等）→半精加工→稳定化处理或氮化→精加工→稳定化处理→零件 这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺寸精度和表面光洁度。从工艺性能出发，若是铸件，成分接近共晶点的合金铸造性能最好，常用的铸造合金中铸造铝合金和铜合金最好，铸铁次之，铸钢最差。锻件或冲压件，最好是纯金属或单相固溶体合金，铝和铜压力加工性良好；低碳钢比高碳钢好；而碳钢比合金钢好。对于焊接结构，碳和合金元素含量越高，焊接性能越差，低碳钢焊接性能良好；中、高碳钢和合金钢较差。

切削加工性主要取决于加工表面质量，切屑排除难易程度和刀具磨损大小，钢铁材料硬度控制在170～230HBS之间便于切削。通过热处理可改善钢铁材料的切削加工性能。 机械零件最终使用性能很大程度上取决于热处理工艺，通常碳钢加热时易过热，造成晶粒粗大，淬火时易变形开裂，因此制造高强度、大截面形状复杂的零件，应选用合金钢。