海洋工程材料

海洋工程材料（6）——非金属海洋材料1非金属材料包括除金属材料以外的几乎所有材料，其种类远比金属材料多。船舶与海洋工程中使用的非金属材料包括塑料、橡胶、玻璃钢、混凝土、装饰材料、涂料、木材、玻璃、石油化工产品等。2非金属材料的分类非金属材料有机合成材料（高分子材料）塑料热塑性塑料热固性塑料橡胶合成纤维胶粘剂涂料无机非金属材料硅酸盐材料玻璃水泥绝缘材料耐火材料陶瓷氧化物类陶瓷材料36.1非金属材料的结构特点及应用特性6.1.1高分子材料的结构特点•高分子材料也称聚合物或高聚物，是由许许多多分子量特别大的链状大分子所组成。每个大分子中大量结构相同的单元（称作链节）实质上是一种成几种简单的低分子化合物，它们在共价键的作用下，连接成链状结构，其分子量一般在103~106之间。4高分子材料最典型的代表就是聚乙烯，它的分子是由数量足够多的乙烯小分子打开双键加聚反应后形成的，化学反应方程式如下：上述这种链状的大分子就是聚乙烯分子，而众多的大分子靠氢键和范德瓦尔斯键聚集在一起，就构成了聚乙烯材料。5由此可见，尽管高分子物质的分子量较大，微观结构复杂多变，但仍然有规律可循。因此，可以按照“大分子链的化学组织大分子链的构型大分子链的构象大分子链的聚集态高聚物的高次结构”这样的结构层次来说明高分子结构特点。6大分子链的空间形象称作构象。由于大分子链是由成千上万个原子经共价键连接而成，而每一个链节均可以在保持其键长和键角不变的前提下自由转动。如图所示。因此，整个大分子链表现出一定程度的柔顺性。这种分子链的刚柔性对高聚物的性能影响很大，一般来说，刚性分子链使高聚物的强度、硬度和熔点提高，而柔性分子链则增大高聚物的弹性、韧性和流动性等。7大量分子在范德瓦尔斯力作用下聚集在一起，就形成了高分子材料。因此，高分子材料又称作聚合材料。与金属相类似，高分子材料的聚集态也可分成晶态和非晶态。非晶态是指分子链完全无规则地缠绕在一起形成的聚集态;晶态则是指分子链部分或全部整齐有规律地排列起来。表现出晶体的特征。但实际上，把一组完全无规则缠绕的长链分子全部整齐地排列起来是很困难的。因此，绝大部分高聚物均属部分结晶，所以也称作半晶态。8•高聚物中晶体的存在将增大分子间的作用力，使链的运动变难。因此导致材料的熔点、密度、强度、刚度和耐热性的提高；而使一些决定于链活动能力的性能如弹性、塑性和韧性等指标下降。•如果在高聚物中掺入一些其它物质，或将异种链的高分子混合在一起，形成高聚物的高次结构（即高聚物的“合金”），将大大改变高聚物的性能，适应各种使用的特殊要求。96.1.2无机非金属材料的结构特点•无机非金属材料是由金属元素和非金属元素的化合物组成的，即由金属或非金属元素的氧化物、碳化物、硅化物、氮化物等以各种不同结构组合而成。因此，离子键和共价键共同作用，就成为无机非金属材料的主要特点之一。•尽管无机非金属材料的结构比金属的结构复杂，但其原子间相互组合的方式却主要有两种类型，即硅酸盐结构和氧化物结构。1044SiO1硅酸盐结构构成硅酸盐的基本结构单元是硅和氧组成的即硅氧四面体见图所示。其中硅原子处于四面体中心，而氧原子则处于四个顶点，且彼此间以离子键和共价键的混合键结合，键角为145°硅氧四面体结构11氧化物结构氧化物结构指的是由氧离子和金属离子组成的氧化物的结构。这种结构特点是氧原子紧密堆集。即大多数氧化物的结构是在氧离子近似密堆的基础上形成的，而正离子位于适当的间隙之中。126.2高分子材料6.2.1高分子的物理状态当外界条件（温度、相对分子质量、结晶度、交联密度等）发生变化时，高分子材料将处于不同的物理状态，如图所示。具有完全不同的力学和物理性能，给材料的使用带来了很大的影响。131玻璃态当温度低于Tg时，非晶态高聚物处于玻璃态，此时大分子链间作用较大，分子链和由链节构成的链段都不能自由运动，所以当高聚物受外力作用时，只能发生链段的瞬时微小伸缩和键角的微小改变，故变形较小（1%),且与应力成正比。而当外力消失后，变形立即消失，就像其他低分子固体一样。常温下处于玻璃态的高聚物，通常作为塑料或合成纤维使用，而玻璃化温度Tg就成为它们的耐热性指标。142．高弹态当温度高于玻璃化温度Tg，且低于粘流温度Tf时，高聚物处于高弹态。受外力作用时，由于链段的伸缩和转动，分子链的构象发生较大的变化，而当除去外力后，分子链又回复到原来的状态。于是，使处于高弹态的高聚物表现出独特的性质，如可回复弹性变形量高达1-10倍，而弹性模量却比普通弹性材料小三个数量级。常温处于高弹态的高聚物称作橡胶，因此也称高弹态为橡胶态。由于橡胶的使用温度在Tg和Tf之间，所以习惯上把Tg称作橡胶的耐寒指标，把Tf称作橡胶的耐热指标。153．粘流态当温度高于粘流温度Tf后，分子热运动的动能更大，整个大分子链也可以自由移动了，于是高聚物开始变为粘性液体而流动，即处于粘流态。常温下处于粘流态的高聚物只能作为胶黏剂或涂料使用，然而，粘流态对于高聚物加工却有着特别重要的意义，因为不论塑料还是橡胶，他们的加工过程都是先将其加热熔化，再经过注塑、吹塑、模铸、挤压、喷丝等方法，冷却后成型的。164．皮革态当高聚物中存在数量不等的结晶区域时，晶态高聚物在温度达到其熔点Tm之前总是处于坚硬的固体状态。此时，如果温度高于Tg且低于Tm，则高聚物中的非晶态部分处于柔韧的高弹态。而晶态部分却保持着较高的强度和硬度，于是整个高聚物表现为一种既硬又韧的皮革态。皮革态的存在，可以使材料具有较高的强度和韧性，为通过调整和控制结晶度来改变材料的性能提供了可能，故而成为高聚物材料的独特性质之一。176.2.2高分子材料的主要性能1.强度和韧性非晶态高聚物的拉伸曲线。曲线a为高聚物处于硬玻璃态的拉伸曲线，试样不发生屈服而呈现出脆性断裂方式曲线b为软玻璃态的拉伸曲线，其抗伸性能表现出塑性固体材料的特点曲线c为橡胶态高聚物的拉伸曲线，即拉伸时能产生很大的可回复变形曲线d为高聚物在黏流温度附近处半固态和黏流态时的拉伸曲线，表现出受力产生不可逆形变的近似液体的特性。18左图为晶态高聚物的拉伸曲线。它与塑性固体材料极为相似，只是在达到屈服以后，分子链沿外力方向排列，分子间作用力增大，因而强度增大。一般说来，屈服应力、强度、弹性模量、硬度等随结晶度的增大而提高，而断裂伸长率和抗冲击性能下降。192．高弹性高分子材料的高弹性，是指材料处于高弹态时，具有弹性变形大、弹性模量小，以及弹性变形时有热效应伴随产生等高聚物材料独有的特性。高聚物具有高弹性的内部原因是具有柔性链。203．粘弹性理想的弹性材料变形与时间无关粘弹性材料变形与时间、温度有关21受力1）静态粘弹性静态粘弹性是指初始外加应力或应变恒定不变时，随时间的发展而产生的蠕变和松弛现象。蠕变：在恒定应力作用下变形随时间延长而增加的现象。松弛：高聚物产生一定变形后，在保持变形量不变的条件下，其作用力随时间的推移而逐渐衰减的现象。二者的本质是相同的，都是受外力作用后，高聚物内部调整分子链的构象产生的宏观效应，只是由于外界条件不同而呈现出不同的表现而已。22232）动态粘弹性是指高聚物受交变应力作用时，出现变形速度落后于应力变化速度的滞后现象和由于这种力学滞后引起的机械能转化为热能的内耗现象。产生的原因是：当高聚物受外力作用时，由于分子链构象的调整需要时间，使应变响应落后于应力变化，故表现出滞后现象。再者当上一次变形尚未回复时施加了下一次应力，使上次变形产生的弹性储能无法释放，只能通过内摩擦转化为热量放出，于是又产生了内耗现象。应当说明的是，滞后现象和内耗的产生是有一定条件的，因为交变应力的频率很低时，分子链构象的调整能够跟得上外力的变化，而交变应力的频率很高时，链段根本来不及运动，这两种情况均不出现动态粘弹性。24此外，高聚物材料还具有很多独特的性能，比如高强度、耐腐蚀、吸振消声、耐辐射以及存在老化问题等，应加以注意。256.2.3高分子材料在造船方面的主要应用1．推广高分子材料在船舶与海洋工程上的重要意义（1）减轻船体重量，从而提高船舶的装载量，并改进了船舶的技术性能。（2）减低建造成本，主要体现在高分子材料加工简便，可大大提高生产率，原材料成本低，可代替很多贵重材料。（3）延长使用寿命，高分子材料具有很好的耐腐蚀性能，对延长使用年限和减少维修次数均有好处。（4）提高安全性和舒适性，经过特殊处理的高分子材料能够防止火灾的发生和蔓延。此外，它还具有消声和吸震作用，为乘员的生活和工作提供舒适的环境。262．高分子材料在海洋工程中的应用方面：（1）制造轴承和机器零件，以节约铜、铝、铅等贵重材料（2）制造船舶与海洋工程用电器和航海仪器的零件和元件，具有无磁性、吸震、透明、经济性好等特点。（3）制造管系、海水泵、淡水泵以及其它部件，发挥其重量轻、耐腐蚀、成本低的优点。此外，由于塑料的焊接或粘接工艺简单，易于安装，可大大减少工作量。（4)用于船舶与海洋工程的舾装，以降低成本，缩短建造周期。（5）用胶接取代传统的安装方法，可大大简化安装工艺（6）用作螺旋桨、舵叶、水舱等易腐蚀部位的塑料涂层，以提高船舶与海洋工程结构的防腐蚀性能。276.3硅酸盐材料28船用无机非金属材料种类很多，但其中绝大部分为硅酸盐材料。本节重点讨论几种硅酸盐材料的性能特点及在船舶与海洋工程的应用。296.3.1硅酸盐材料的相组成1．晶体相：以共价键为主的硅酸盐结构和以离子键为主的氧化物结构组成的晶体部分。2．玻璃相：硅酸盐材料中从液态凝固下来，结构与液态相似的非晶态固体部分。3．胶体：一些微小分散的颗粒（直径1-100nm），它们分散于各种介质的颗粒之间，为某些粉末状的硅酸盐材料提供粘结力，因而起到类似胶黏剂的作用。4．气体相：硅酸盐材料形成后，留在材料内部孔隙中的气体。6.3.2水泥水泥是一种粉末材料，当它与水或适当的盐类溶液混合后，在常温下经过一定的物理和化学变化，由可塑性浆体逐渐凝结硬化，成为具有一定强度的坚硬的石状固体。确切地说，它不仅能在空气中硬化和保持强度，而且还能在水中继续硬化，并长期保持和继续提高其强度。因此，人们又把水泥归于水硬性矿物凝胶材料。301．常用水泥1）硅酸盐水泥2）普通硅酸盐水泥3）矿渣硅酸盐水泥4）火山灰质硅酸盐水泥5）粉煤灰312.特种水泥1）铝酸盐水泥（高铝水泥）2）白色、彩色硅酸盐水泥3）硫铝酸盐膨胀水泥4）抗硫酸盐硅酸盐水泥5）快凝快硬硅酸盐水泥（双快水泥）6）大坝水泥326.3.3绝缘材料绝缘材料隔热材料:为防止热量散失或隔绝外界热量的传入，通常在需要加热或冷却的部位加装隔热材料。特点：导热系数小、质量轻、耐热性能好、耐腐蚀性能强、吸水吸湿率低以及容易加工隔音材料：用于防护主副机、推进器等工作和船舶与海洋工程结构振动时产生的噪声。根据隔音原理把反射声音的材料称作隔音材料，吸收声能的材料称为吸音材料，降低结构振动振幅的材料称作吸振材料。防火材料：用于预防和阻止火灾蔓延，以保证船舶正常航行、海洋工程结构正常工作及人们的生命安全。特点：耐高温性能好、耐腐蚀能力好、较低的导热系数和相对密度以及一定的机械性能等。336.3.4玻璃玻璃是一种各向同性的非晶态固体材料，由石英、长石、石灰石、纯碱以及其它填料等经高温熔化制成，其化学成分以二氧化硅为主。玻璃具有良好的物理和机械性能。在船舶与海洋工程中经常使用的是舷窗用的钢化玻璃、风窗用的中空玻璃、驾驶室用的夹层玻璃、舱室内部用的平面安全玻璃灯具等用的有色透光玻璃、锅炉用的水位指示玻璃、玻璃钢材料用的玻璃纤维，以及一些其它用途的玻璃制品。346.4复合材料复合材料中的“复合”这个词表示由两种或多种材料在宏观尺度上组合成的一种有用的材料。不同的材料能够在微观尺度上组合起来，例如合金，其最终材料在宏观上是均质的。复合材料的优点是：具有其各种组分的最好特性，并且有些特性往往是组分所没有的。组成的复合材料能改善的性能有：强度刚度耐腐蚀性吸引性重量疲劳寿命与温度有关的性能绝热性导热性隔音性