材 料 科 学 物理科学与技术学院 方 鹏 飞.

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1 材 料 科 学 物理科学与技术学院 方 鹏 飞

2 材料简介 第二章 材料简介 材料的概念及分类 金属材料 无机非金属材料 高分子材料

3 一、 材料与材料科学 材料是一个国家科学技术水平、经济发展水平和人民生活水平的重要标志，也是一个时代的重要标志。人类社会的发展史事实上也是一部材料的发展史，材料与人类的发展和进步息息相关，材料的每一次重大发现及其大量制造和使用，推动人类社会向更新更高的阶段发展。 几百万年来，人类已经跨越了石器时代，青铜器时代，铁器时代，以水泥、玻璃、塑料、橡胶为代表的非金属时代，21世纪将以复合材料和功能材料为特色。

4 材料的涵义 具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理 性状的物质称为材料。
材料包含有四个要素：材料的制备（加工）、材料的结构、材料的性能和材料的使用性能。这四个要素是相互关联、相互制约的，如下图所示： 使用性能（物理） 合成/加工 （工程） 性质（化学） 结构/成分 （物理）

5 材料简介 在上图中： 材料的性质与现象是新材料创造、发展及生产过程中人们 最关注的中心问题。
材料的结构与成分决定了它的性质和使用性能，也影响着 它的加工性能。而为了实现某种性质和使用性能，又提出 了材料结构与成分的可设计性。 材料的结构与成分受材料合成和加工所制约。 为完成某一特定的使用目而制造的材料，必须是最经济 的， 并符合社会的规范和具有可持续发展性。

6 材料简介 作为材料，必须具备如下特点： 一定的组成 可加工性 现状保持性 使用性能 经济性 再生性
从以上的分析可见，材料与物质是两个不同的概念，材料总是和一定的用场相联系的。

7 材料简介 材料按用途可分为结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输和能源等各个工业部门。功能材料则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。功能材料的最新发展是智能材料。 材料按化学组成的不同，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。

8 材料简介

9 材料的分类 金属材料又分为黑色金属和有色金属。黑色金属通常包括铁、锰、铬以及它们的合金。除黑色金属以外的其他各种金属及其合金都称为有色金属。为了发展航空、火箭、宇航、舰艇、能源等新技术工业，需要研制具有特殊性能的新型金属材料。 无机非金属材料主要是指硅酸盐材料，包括陶瓷、玻璃和水泥。新近发展起来的特种陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物。此外半导体材料也属于无机非金属材料。

10 材料简介 高分子材料是一类合成材料，主要有塑料、合成纤维和合成橡胶，此外还有涂料和胶粘剂等。这类材料具有优异的性能，如较高的强度、优良的塑性、耐腐蚀、不导电等，发展速度很快，已部分取代了金属材料。合成具有特殊性能的高分子材料是其发展方向。 复合材料是由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。复合材料的强度、刚性和耐腐蚀性等比单一材料更为优越，是一类具有广阔应用发展前景的新型材料。

11 材料简介 二、材料科学：范畴及任务 材料是一切技术发展的物质基础，是与人类社会的发展 进步密切相关的。
最初，各种材料的发展是分别进行，互不相关的。随着 科学技术的发展，人们对材料的认识不断深化，积极吸 取了近代物理、化学，特别是固体物理、量子化学等基 础理论并应用各种先进分析仪器和尖端技术来研究和阐 明材料的本性，为认识材料的性能——结构——应用之 间的关系和探索新材料提供了理论基础。这样就在各种 基础学科的渗透和现代科学仪器的帮助下，从20世纪60 年代开始形成了一门新的综合性学科——材料科学。

12 材料简介 材料科学是一门以材料为研究对象，介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学。
材料科学的内容：一是从化学的角度出发，研究材料的化学组成、键性、结构与性能的关系规律；二是从物理学角度出发，阐述材料的组成原子、分子及其运动状态与各种物性之间的关系，在此基础上为材料的合成、加工工艺及应用提出科学依据。

13 材料简介 材料科学的主要任务是以现代物理学、化学等基础学科理论为基础，从电子、原子分子间结合力、晶体及非晶体结构、显微组织、结构缺陷等观点研究材料的各种性能以及材料在制造和应用过程中的行为，了解结构——性能——应用之间的规律关系，提高现有材料的性能，发挥材料的潜力，并能动地探索和发展新型材料以满足工农业生产、国防建设和现代技术发展对材料日益增长的需求。

14 材料简介 材料科学体系示意图

15 金属材料介绍 一、金属材料 自然界中存在的94多种化学元素中有2/3是金属(72种)，20世纪中几乎所有的金属都被研究过。金属材料在工程中一直是最重要的材料。

16 金属材料的发展史 金属材料介绍 大约公元前5000年，人类进入铜器时代（铜、青铜、黄铜等）；公元前1200年又进入铁器时代。
此外，还出现了金、银等贵金属，人们将其作为货币、首饰等。与此对应的铜、铁、铅等称为“贱金属”，并由此诞生了“炼金术”，客观上推动了技术的进步。 从中世纪到工业革命时期，金属生产向着规模化的方向发展。（高炉炼铁、炼钢、电的产生和使用） 19世纪末到20世纪中叶，是金属钢和其它金属材料飞速发展的时代，超高强度钢、工具钢、不锈钢等相继研究成功。

17 金属材料的优点 金属材料介绍 力学性能（如强度、塑性、韧性等）堪称“全能冠军”。 既耐热，又耐寒。 金属材料的有出色的工艺性能。
金属有良好的导热性、导电性和铁磁性，在电力电子等行业有不可替代的作用。

18 金属材料的类别 金属材料介绍 金属材料可分为两大家：钢铁和有色金属（非铁合金）。
目前世界的钢铁总年产量约8亿吨，而有色金属年产量约为5000万吨，钢铁产量约占金属总量的94％。 钢铁是金属材料的主力军，但非铁金属由于它们的特殊性能，在工业占仍有不可替代的重要用途。

19 金属材料介绍 1.1 钢铁——现代工业化的基础 自工业革命以来，钢铁一直是人类使用的最主要的结构材料，是国家工业化的基础，在这一历史时期，钢铁的生产能力和消费水平往往是国家综合实力的重要标志。而且在未来很长的一段时期中，钢铁主导的地位仍将难以动摇。

20 钢 铁 金属材料介绍 所谓炼钢，其实质是控制生铁中含碳量达到钢的要求，
钢 铁 钢铁是铁和碳的合金体系总称。钢铁中含碳量大于2%的叫生铁，小于0.02%的叫纯铁，在这两者之间的称为钢。钢中含碳量大于0.25%的称低碳钢，介于0.25%~ 0.60%的称中碳钢，大于0.60%的称为高碳钢。 所谓炼钢，其实质是控制生铁中含碳量达到钢的要求， 同时除去危害钢的性能的一些杂质，如S、P等。若要想得到特殊性能的合金钢，当然还要加入一些其他金属。

21 金属材料介绍 近30年来，尽管受能源和资源的制约，世界钢铁生产仍以1％的速度递增。

22 金属材料介绍 我国随着经济的发展，钢产量一路猛增，年产量已超过1亿吨，进入世界前列。

23 金属材料介绍 经济发达国家和中等发达国家的人均年钢产量在300 kg/人以上，我国还有相当距离。

24 钢铁的九大应用领域 金属材料介绍 电力系统中的工业锅炉、高压锅炉及其热交换管道，发电机中的大型篆字和叶轮，变压器的铁芯。
汽车工业：根据美国的一份调查，美国平均美台车消耗的材料

25 金属材料介绍 机床与工程机械，包括起重机、挖掘机、拖拉机。 铁路（钢轨）与桥梁。
船舶和海上钻井平台。它们对钢材的强度、韧性和耐海水腐蚀都有很高的要求。 兵器：包括坦克、大炮、枪械。 石油开采机械、输油管道和泵站。 化工压力容器、反应釜和管道，其中不锈钢、耐热钢等特殊钢用量很大。 建筑钢筋和构架

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28 金属材料介绍 阿利 伯克号导弹驱逐舰

29 金属材料介绍 钢铁的分类 钢铁材料的基础是铁和碳的合金，一般情况下含碳量在2.1％以上的为铸铁，小于2.1％为钢。在Fe-C合金中，有目的加入各种适量合金元素（常用的有Si、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、B等），就形成形形色色的合金钢或合金铸铁。 钢铁材料的种类繁多，性能跨度很大，用途极为广泛，现将主要的分类及特点简介如下：

30 金属材料介绍 a 铸铁 含碳量在1.8％～4.0％之间，多数铸铁中的碳以石磨形式存在，石墨的形状对性能影响较大。
铸铁有很高的耐压强度、耐蚀性和良好的铸造性、消振性和切削性，而且价格低廉，工业应用十分广泛。 加入不同的合金元素可铸成耐热铸铁、耐蚀铸铁和耐磨铸铁等，在可能的条件下“以铁代钢，以铸代锻”可产生巨大的经济效益，一直是工业生产中的趋势之一。

31 金属材料介绍 b 碳素钢 含碳量在0.10％～1.3％之间，随含碳量增加，强度硬度提高，塑性韧性和可焊性下降。
低碳钢（ 0.10％～0.25％C）用作大型构件；中碳钢（ 0.25％～0.55％C）强度、塑韧性综合性能高，做一般机械零件；含碳0.6％～0.7用于弹簧；高碳钢（0.6％～0.7）硬度高，用做工具 。 碳素钢用平炉或转炉生产，生产量很大，用量也很大。

32 金属材料介绍 c 合金钢 合金结构钢：在中碳钢中加入少量合金元素，主要是提高强度，增加使用可靠性，满足特殊场合的使用要求。如渗碳钢、氮化钢、超强钢等。 合金工具钢：在高碳钢中加入适量合金元素，进一步提高其硬度和耐磨性，作为工具材料占有重要的地位。如刃具钢、模具钢、轴承钢等。 特殊钢：包括不锈钢、耐热钢、低温钢、耐磨钢等。如不锈钢主要是在表面加入合金元素铬（12％以上），在表面形成一层致密钝化层，使耐蚀性提高。

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34 金属材料介绍 1.2 五光十色的有色合金 有色金属的产量和用量虽然大大低于钢铁（只占6％），但其重要性却无法用数量来表示。我国有色金属的总产量占世界第四，但人均占有量在世界排名第50位。世界有色金属生产的构成中，铝、铜、铅、锌四种占总量的95％以上。

35 金属材料介绍 轻合金 铝合金：铝是最重要的、最有特色的有色金属，其主要特点是：密度低；抗大气腐蚀；优良的导电性；比强度高；良好的加工性能。在从日常用品到汽车、航空材料等各行业中都有广泛应用。 钛合金：轻合金中的又一佼佼者，密度小、强度高、耐高温和耐腐蚀，在航空航天及其它领域中具有主要用途。 镁合金：比重轻，减震能力强，在航空航天领域有重要应用。 铍合金：尺寸稳定，惯性低，用于航天；比热大，用于散热片和飞行器头部；热中子吸收截面低，用于核工业。

36 部分重有色合金 金属材料介绍 铜合金：包括黄铜、青铜、白铜等，用于机械、仪表、电机、化工、造船、汽车等工业。
锌合金：用于电池锌板，照相和胶印印刷，铸造温度低用于模具和仪表零件等。 镍合金：高温强度高，用于航空、火箭发动机和核反应堆等。 锰合金：减振性能好，用于潜艇螺旋桨、钻杆等。

37 金属材料介绍 低热点合金和难熔金属 低熔点合金：铅（熔点327℃）、锡（232℃）、镉（321℃）、铋（271℃）等及其合金，用于保险丝、熔断器、焊料等。 难熔金属：钨合金（熔点3407℃），用于电光源材料、电子发射材料，军事上用作穿甲弹；钼合金（2610℃）、铌合金（2477℃）、钽合金（2985℃），在飞机、宇航、核工业等领域有广泛应用。

38 金属材料介绍 贵金属和稀土金属 贵金属：包括金（Au）、银（Ag）、铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）、铱（Ir）等。有艳丽的光泽，耐腐蚀，可用于装饰品等。 稀土金属：稀土包括15个镧系元素，以及钪、钇共17种元素。在世界上分布相对集中在中国、美国、印度、澳大利亚、前苏联和巴西。我国稀土资源占世界储量的80％左右。目前稀土已在金属加工、永磁材料、生命科学、发光材料、高温超导等领域有广泛应用。

39 金属材料介绍 71Lu 103Lr 57La 89Ac 镧 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64
Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71Lu 镥 89Ac 锕 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103Lr 铹

40 精密合金 金属材料介绍 电热合金：用于制造电热器发电体，把电能转化为热能，如铁基或镍基材料。
热电偶：主要材料及其最高使用温度如下：铂-铂铑合金（1800 ℃）、镍铬-镍硅合金（1300℃）、镍铬-镍铜（900 ℃）、铜-镍铜(400℃）等 精密电阻：电阻随温度变化小，稳定性高，用于精密仪器。 弹性合金、膨胀合金等。

41 无机非金属材料 二、无机非金属材料 有机高分子材料和金属以外的固体材料都属于无机非金属材料，范围很广。无机非金属材料大都具有熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐磨损、耐氧化、耐腐蚀、强度高等优良性能，有些无机非金属材料还具有某些独特的性能而作为功能材料使用。 这里主要介绍陶瓷、水泥和玻璃等材料。

42 水泥 无机非金属材料 是当前工业中用量最大的材料。目前全世界的水泥年产量达数亿吨，我国年产量列世界第一。
最常用的的硅酸盐水泥是由石灰岩、粘土和铁矿石为原料，按一定比例混和并磨细成所谓生料，经1450℃的高温煅烧成为熟料，然后加入一定量的石膏后再次细磨即为水泥。这一过程可概括为“两磨一烧”。 水泥加水形成胶体，静止一段时间可自动凝固形成坚硬的固体。

43 无机非金属材料 耐火材料 能够满足高温条件下使用要求的无机非金属材料，即在高温使用下不熔融、不分解、不氧化变质，并具有一定牢固性，通常规定其耐火度在1580℃。 耐火材料品种繁多，按其化学-矿物组成可分为硅质制品。硅酸铝质制品、镁质和白云石质制品、砖质制品、锆质制品等。为满足近代工业需要还研制了多种使用高纯度的人工合成原料制成的高级耐火材料。

44 玻璃 无机非金属材料 早在3500年前，古埃及创造了玻璃工业，这是西方古代文明的象征之一。
玻璃也属于硅酸盐系列，不过这种物质的热点比较低，在熔点附近粘度大大降低，逐渐成为液态，然后以较快的速度冷下来，便形成透明、非晶态的固态材料 玻璃具有优良的光学性能和化学稳定性，可以通过化学组成的调整和各种处理工艺来大幅度地改变其物理和化学性能，以适应多种不同的实用要求。

45 陶瓷材料 无机非金属材料 陶瓷材料大体可分为两大类
传统陶瓷：主要指黏土制品。以天然的硅酸盐矿物为原料经粉碎、成形、烧结制成的产品均属传统陶瓷。包括日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、化工陶瓷等。 特种陶瓷：以高纯化工原料和合成矿物为原料，沿用传统陶瓷的工艺流程制备，具有各种特殊力学、物理或化学性能的陶瓷。如电子陶瓷、光学陶瓷、高硬陶瓷等。

46 无机非金属材料 工程陶瓷：氧化铝陶瓷（耐磨零件、高温部件等），氮化硅陶瓷（优良的高温力学性能），碳化硅陶瓷（在航空航天、原子能、化工等领域有广泛应用）。 功能陶瓷：通过光、电、磁、声、热、弹性等直接效应和耦合效应来实现某种特殊功能的先进陶瓷材料。如绝缘陶瓷、电介质陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、光学功能陶瓷、生物功能陶瓷等。

47 新型非金属材料 无机非金属材料 20世纪初，随着电力的普及和大规模应用，开始出现新型陶瓷材料，如刚玉、氮化硅等。
1948年发现半导体材料，因此产生和推动了微电子和计算机工业的发展。 1958年提出激光原理，1960年用红宝石发生激光成功，1966年利用石英玻璃做成光纤。

48 §4.2 高分子材料 高分子材料介绍 一、概述 高分子材料是一种古老而又年轻的材料。
§4.2 高分子材料 一、概述 高分子材料是一种古老而又年轻的材料。 合成高分子材料从问世到今天不到一个世纪，但在这短短的几十年中，其发展速度却远远超过其它传统材料。在过去的40年中，美国塑料生产猛增100倍，而同一时期钢铁生产却几乎是负增长。 如按体积计算，全世界塑料的产量在90年代初已超过钢铁，高分子材料在世界经济中的作用已变得越来越重要。

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51 高分子材料介绍 高分子材料获得迅猛发展的原因：
高分子材料本身具有十分优良的性能，如比重轻，强度高；绝缘性和绝热性好；耐腐蚀性和化学稳定性好；光学性质好；耐磨、自润滑性能好；加工性能优，能耗小。 高分子材料的资源非常丰富，原料价格十分低廉。炼油厂从石油中提炼了汽油、柴油和润滑油等后无法直接利用的废气和重油，焦炭厂炼焦时产生的废气和焦油都是生产高分子最好的原料。这使得高分子生产和加工所需的投资和成本都比其它材料低，有十分显著的经济效益和市场竞争力。

52 高分子材料介绍 高分子材料的分类和用途 根据高分子的来源，可将其分为天然高分子、人造高分子和合成高分子；根据用途则可分为塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂和功能高分子。 辩证地看待“回归自然”与合成高分子的关系：自然界存在的天然高分子化合物的发展受到自然条件的限制，在数量和质量上都不能满足人类社会飞速发展的需要。合成高分子的出现是对人类资源的综合利用，更有利于经济的综合、平衡发展。另一方面，应成分认识到合成高分子对环境的影响，

53 高分子材料介绍 二. 塑料 是一类在常温下具有固定的形状和强度，在高温下具 有可塑性的高分子材料。 通用塑料：
二. 塑料 是一类在常温下具有固定的形状和强度，在高温下具 有可塑性的高分子材料。 通用塑料： 聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯(PVC）、 聚苯乙烯（PS）、ABS树脂、有机玻璃（PMMA） 工程塑料： 尼龙（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚酯（PET） 特种塑料： 聚四氟乙烯（PTFE）、有机硅树脂

54 高分子材料介绍 塑料的主要用途：包装和建筑材料 包装材料 ： 塑料薄膜、中空容器、塑料周转箱、编织袋、泡沫塑料等。 建筑材料
塑料门窗、塑料板材、人造大理石装饰板、塑料管道

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60 高分子材料介绍 三、 橡胶 橡胶是一类具有高弹性的高分子材料，拉伸时能伸长到原长的几倍，拉力撤除后又能恢复到原来的尺寸。橡胶分为天然橡胶和合成橡胶。 由于种植天然橡胶的生产周期长、成本高、产量低，远远不能满足人类的需要，化学家开始致力于合成橡胶的研究。 橡胶的弹性、柔软性、耐磨性、绝缘性和阻隔性都十分优良，用途十分广泛。在工业上，主要用于制备各种轮胎（50%以上）。此外，传送带、马达皮带、自动扶梯把手、印刷用的胶辊、电缆电线的绝缘护套及劳保产品等也都由橡胶制造。农业上用于制灌溉胶管 。生活中的雨衣、胶鞋、热水袋、球类、玩具、输液管等也是用橡胶制成的。

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64 高分子材料介绍 四、 纤 维 人类使用天然纤维的历史已有好几千年。我国是利用天然纤维最早的国家之一，其中闻名于世的蚕丝更是我们祖先的一项重大发现。 天然纤维的生产也受到自然环境的限制。仅靠天然纤维来解决人们的穿衣问题是非常困难的，唯一的出路是大力发展合成纤维。 合成纤维的出现是在20世纪30年代。1938年第一个化学纤维厂投产，生产尼龙－66。此后一系列合成纤维如腈纶、涤纶等先后研制成功。目前合成纤维的产量已经占工业纤维的100％和民用纤维的50%.

65 高分子材料介绍 合成纤维具有比天然纤维和人造纤维更优越的性能：强度高大、弹性好；耐磨、耐化学腐蚀性好；不会发霉，不怕虫蛀；不缩水；做成的衣服美观，坚固耐用。 制备纤维的聚合物必须具备如下条件：很好的防丝性性；较高的强度；较好的耐热性；较好的手感、吸湿性、染色性、抗腐蚀和抗霉变性。 最主要的合成纤维有三种：涤纶（聚酯纤维），是最挺括的纤维；锦纶（聚酰胺纤维），最结实耐磨的纤维；腈纶（聚丙烯腈纤维），最耐晒的纤维。

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68 五、 涂 料 高分子材料介绍 涂料是一种液态或粉末状态能均匀涂覆在物体的表面并形成坚韧保护膜的材料。
五、 涂 料 涂料是一种液态或粉末状态能均匀涂覆在物体的表面并形成坚韧保护膜的材料。 涂料具有保护、装饰、色彩标志作用，某些涂料还具有防腐、杀菌等特殊功能。 涂料的主要组分有：成膜物、溶剂、颜料和填料、助剂等。 涂料工业正向高质量、低成本、低污染及方便施工的方向发展。绿色环保已成为涂料发展的主题。

69 高分子材料介绍 涂料的主要品种 涂料的品种非常繁多，有溶剂型涂料、高固含量涂料、无溶剂辐射固化涂料及粉末涂料等。
合成树脂漆（包括酚醛树脂漆、环氧树脂漆、聚氨酯树脂漆和丙烯酸树脂漆），形成的漆膜质量较好，硬度高，耐磨性好，涂饰性能好，但使用的有机溶剂量大，会对环境和健康带来不利影响。 乳胶漆（包括聚醋酸乙烯酯涂料和丙烯酸酯系列乳液）属于水性涂料，其最大特点是涂膜的物理性能优异，装饰效果好，耐水性好。耐腐蚀和耐紫外线性能优良。既可以用于中、高档装饰的内墙涂料，也可用作外墙涂料。

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73 六、 胶 粘 剂 高分子材料介绍 凡能把同种的或不同种的固体材料表面连接在一起的物质统称为胶粘剂。如自行车补胎用的胶水，信封封口用的糨糊等。
胶粘剂的品种很多，组成不一，但一般都包含以下几种组分：基料、固化剂、溶剂、填以及其他助剂。 随着经济和科学技术的发展，胶粘剂需求量愈来愈大，并已进入工业、农业、交通、医学、国防以及人们日常生活各个领域，在国民经济中发挥愈来愈大的作用。

74 高分子材料介绍 胶粘剂的种类 溶剂型胶粘剂：如市售的“白胶”，广泛应用于家庭装潢和木材的粘接；再如，仪器的塑料外壳破裂或损坏，将碎片溶于少量有机溶剂中，再涂在断口处并压紧即可修补。 热固性高分子树脂胶粘剂：如用于木材的脲醛树脂和酚醛树脂；用于船体、水坝补漏或飞机、导弹等粘接的环氧树脂；用于粘接塑料、皮革等的聚氨酯等。 橡胶胶粘剂：如补车胎的胶水，房屋建筑防水密闭用的硅橡胶密封胶。 压敏胶粘剂：如包装封口用的压箱带、作文具用的压敏胶带、商场的压敏标签等。

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77 再 见！