常用非金属材料

常用非金属材料非金属材料包括除金属材料以外几乎所有的材料，主要有各类高分子材料（塑料、橡胶、合成纤维、部分胶粘剂等）、陶瓷材料（各种陶器、瓷器、耐火材料、玻璃、水泥及近代无机非金属材料等）和各种复合材料等。本章主要介绍高分子材料、陶瓷和复合材料。工程材料仍然以金属材料为主，这大概在相当长的时间内不会改变。但近年来高分子材料、陶瓷等非金属材料的急剧发展，在材料的生产和使用方面均有重大的进展，正在越来越多地应用于各类工程中。非金属材料已经不是金属材料的代用品，而是一类独立使用的材料，有时甚至是一种不可取代的材料。第一节高分子材料高分子材料又称为高聚物，通常，高聚物根据机械性能和使用状态可分为橡胶、塑料、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类。各类高聚物之间并无严格的界限，同一高聚物，采用不同的合成方法和成型工艺，可以制成塑料，也可制成纤维，比如尼龙就是如此。而象聚氨酯一类的高聚物，在室温下既有玻璃态性质，又有很好的弹性，所以很难说它是橡胶还是塑料。一、塑料按照应用范围，塑料分为三种。1．通用塑料通用塑料主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料等六大品种。这一类塑料的特点是产量大、用途广、价格低，它们占塑料总产量的3/4以上，大多数用于日常生活用品。其中，以聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯这四大品种用途最广泛。（1）聚乙烯（PE）生产聚乙烯的原料均来自于石油或天然气，它是塑料工业产量最大的品种。聚乙烯的相对密度小（0.91～0.97），耐低温，电绝缘性能好，耐蚀性好。高压聚乙烯质地柔软，适于制造薄膜；低压聚乙烯质地坚硬，可作一些结构零件。聚乙烯的缺点是强度、刚度、表面硬度都低，蠕变大，热膨胀系数大，耐热性低，且容易老化。（2）聚氯乙烯（PVC）聚氯乙烯是最早工业生产的塑料产品之一，产量仅次于聚乙烯，广泛用于工业、农业和日用制品。聚氯乙烯耐化学腐蚀、不燃烧、成本低、加工容易；但它耐热性差冲击强度较低，还有一定的毒性。聚氯乙烯要用于制作食品和药品的包装，必须采用共聚和混合的方法改进，制成无毒聚氯乙烯产品。（3）聚苯乙烯（PS）聚苯乙烯是三十年代的老产品，目前是产量仅次于前两者的塑料品种。它有很好的加工性能，其薄膜具有优良的电绝缘性，常用于电器零件；它的发泡材料相对密度小（0.33），有良好的隔音、隔热、防震性能，广泛应用于仪器的包装和隔音材料。聚苯乙烯易加入各种颜料制成色彩鲜艳的制品，用来制造玩具和各种日用器皿。（4）聚丙烯（PP）聚丙烯工业化生产较晚，但因其原料易得，价格便宜，用途广泛，所以产量剧增。它的优点是相对密度小，是塑料中最轻的，而它的强度、刚度、表面硬度都比PE塑料大；它无毒，耐热性也好，是常用塑料中唯一能在水中煮沸、经受消毒温度（130℃）的品种。但聚丙烯的粘合性、染色性、印刷性均差，低温易脆化，易受热、光作用而变质，且易燃，收缩大。聚丙烯有优良的综合性能，目前主要用于制造各种机械零件，如法兰、齿轮、接头、把手、各种化工管道、容器等，它还被广泛用于制造各种家用电器外壳和药品、食品的包装等。2．工程塑料工程塑料是指能作为结构材料在机械设备和工程结构中使用的塑料。它们的机械性能较好，耐热性和耐腐蚀性也比较好，是当前大力发展的塑料品种。这类塑料主要有：聚酰胺、聚甲醛、有机玻璃、聚碳酸酯、ABS塑料、聚苯醚、聚砜、氟塑料等。（1）聚酰胺（PA）聚酰胺又叫尼龙或锦纶，是最先发现能承受载荷的热塑性塑料，在机械工业中应用比较广泛。它的机械强度较高，耐磨、自润滑性好，而且耐油、耐蚀、消音、减震，大量用于制造小型零件，代替有色金属及其合金。（2）聚甲醛（POM）甲醛是没有侧链、高密度、高结晶性的线型聚合物，性能比尼龙好，但耐候性较差。聚甲醛按分子链化学结构不同分为均聚甲醛和共聚甲醛。聚甲醛广泛应用于汽车、机床、化工、电器仪表、农机等。（3）聚碳酸酯聚碳酸酯是新型热塑性工程塑料，品种很多，工程上常用的是芳香族聚碳酸酯，其综合性能很好，近年来发展很快，产量仅次于尼龙。聚碳酸酯的化学稳定性也很好，能抵抗日光、雨水和气温变化的影响，它的透明度高，成型收缩率小，制件尺寸精度高，广泛应用于机械、仪表、电讯、交通、航空、光学照明、医疗器械等方面。如波音747飞机上就有2500个零件用聚碳酸酯制造，其总重量达二吨。（4）ABS塑料ABS是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种组元所组成，三个单体量可以任意变化，制成各种品级的树脂。ABS具有三种组元的共同性能，丙烯腈使其耐化学腐蚀，有一定的表面硬度，丁二烯使其具有韧性，苯乙烯使其具有热塑性苏联的加工特性，因此ABS是具有“坚韧、质硬、刚性”的材料。ABS塑料性能好，而且原料易得，价格便宜，所以在机械加工、电器制造、纺织、汽车、飞机、轮船、化工等工业中得到广泛应用。（5）聚苯醚（PPO）聚苯醚是线型、非结晶的工程塑料，具有很好的综合性能。它的最大特点是使用温度宽（－190℃～190℃），达到热固性塑料的水平；它的耐摩擦磨损性能和电性能也很好，还具有卓越的耐水、蒸汽性能。所以聚苯醚主要用作在较高温度下工作的齿轮、轴承、凸轮、泵叶轮、鼓风机叶片、水泵零件、化工用管道、阀门以及外科医疗器械等。（6）聚砜（PSF）聚砜是分子链中具有硫键的透明树脂，具有良好的综合性能，它耐热性、抗蠕变性好，长期使用温度为150℃～174℃，脆化温度为－100℃。广泛应用于电器、机械设备、医疗器械、交通运输等。（7）聚四氟乙烯（F－4）聚四氟乙烯是氟塑料中的一种，具有很好的耐高、低温，耐腐蚀等性能。聚四氟乙烯几乎不受任何化学药品的腐蚀，它的化学稳定性超过了玻璃、陶瓷、不锈钢，甚至金、铂，俗称“塑料王”。由于聚四氟乙烯的使用范围广，化学稳定性好，介电性能优良，自润滑和防粘性好，所以在国防、科研和工业中占有重要地位。（8）有机玻璃（PMMA）有机玻璃的化学名称是“聚甲基丙烯酸甲酯”。它是目前最好的透明材料，透光率达到92%以上，比普通玻璃好，且相对密度小（1.18），仅为玻璃的一半。有机玻璃有很好的加工性能，常用来制作飞机的座舱、弦舱，电视和雷达标图的屏幕，汽车风挡，仪器和设备的防护罩，仪表外壳，光学镜片等。有机玻璃的缺点是耐磨性差，也不耐某些有机溶剂。3．特种塑料具有某些特殊性能，满足某些特殊要求的塑料。这类塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要的场合，如医用塑料等。一、聚碳酸酯（Polycarbonate），简称PC，俗称防弹胶。分类：1、脂肪族；2、脂环族；3、脂肪-芳香族；4、芳香族（双酚A型聚碳酸酯）/具工业价值/商业化品种二、聚碳酸酯（PC）的特性与应用1、聚碳酸酯特性：（1）物理性能：a、非结晶性、无毒、无臭、无味、透明颗粒（粉体白色）；b、密度：1.18～1.20g/cm3；c、对水稳定性：80℃内对水稳定，80℃以上易水解变形；d、分子量：2～7万之间；e、光泽好，易于着色；f、耐化学腐蚀性，耐油性优良、耐碱性较差。（2）机械性能：a、冲击强度：是通用工程（热塑性）塑料中最好的，其数值与45%玻纤增强聚酯PET媲美；（影响冲击强度的主要因素：分子量、缺口半径、温度和添加剂）b、耐蠕变性：在热塑性工程塑料中是相当好的，甚至优于尼龙和聚甲醛。因吸水而引起的尺寸变化和冷流变形均很小。这是它尺寸稳定性优良的重要标志；c、疲劳强度：抵抗周期性应力的能力较差；d、耐摩擦磨耗性：与其他的工程塑料相比，摩擦系数较大，耐磨性较差；e、应力开裂：注塑、周期性应力使用、摩擦时均易产生应力开裂隐患。（溶剂开裂：聚碳酸酯的非结晶性，分了间堆砌不够致密，芳香烃、氯代烃类有机溶剂能使其溶胀或溶解，容易引起溶剂开裂现象）（3）热性能：a、分解温度：300℃以上；b、长期工作温度范围：-60～120℃；c、脆化温度：-100℃（良好的耐寒性）。（4）电性能：a、高频绝缘性能：优良（分子极性小、吸水性低，接近电绝缘性能优良的PET）；（与温度、湿度、电场频率和制品厚度密切相关）b、介电系数：2.96；c、击穿电压：18～22KV/mm；d、耐电弧性：110s。（5）耐老化性:a、光老化：PC光老化性好（敏感于UV）；b、热氧老化：热、氧和水汽会加速PC老化（本身含杂质，会引起降解）。（6）燃烧性:a、阻燃性：PC本身是V-2级（火焰呈淡黄色、冒黑烟；氧指数仅25%，离开火源自熄）；b、阻燃改进：V-0/5V级（卤化物、三氧化二锑、氢氧化镁、磷酸和红磷）。（7）光学性能:纯净聚碳酸酯无色透明，具有良好的透光性，因其表面硬度较差，耐磨性不好，表面容易发毛而影响其透光率。2、应用1、高透明性及高冲击强度的领域：视窗、防护壳体；2、汽车制造业：汽车前灯、侧灯、尾灯、镜面、透镜、车玻璃、内外装饰件、仪表板；3、电子电器业：低压电柜的接线座、各种绝缘插件、绝缘套管、机床电机保护开关、空心砖外壳、仪表外壳和办公室自动化设备、光盘、聚合物光纤的芯材；4、建筑业：代替玻璃和金属，5、其它的领域。可塑（淀粉）生物全降解材料（PSM）一、可塑淀粉生物全降解材料是人类新一代生态环境材料（PolystarchMaterial），简称“PSM”。1、它是由大量可再生资源：淀粉复合而成的热可塑性材料。2、工艺路线：淀粉+助剂+PP/PE共混后经双螺杆挤出造粒。二、特性与用途：1、在自然环境中，约10天后开始降解，90天后降解≥70%。2、利用这种性质制造环境友好产品（或使用周期短的产品），例如，一次性使用的餐具和其它生活用品：刀、叉、勺、碟、碗、筷子、花盆、玩具等。三、其它了解：1、该材料由湖北武汉华丽环保科技有限公司研制；2、“PSM”生态环境新材料专利号为“01138290.2”“PSM”专用机械设备专利号为“02115416.3”3、“PSM”新材料生产的一次性生物全降解餐饮具，经国家质检中心和铁道部产品质量检验中心等多家权威机构的系统检测、各项指标均优于GB18006.1--1999的技术要求，其降解性能、使用性能、卫生指标是国内其它类似产品无法比拟的。4、全生物降解粒料及片材和部分制品已销往国内及德国、新加坡、台湾、马来西亚、香港等国家和地区，其产品的优良性能、合适的价格受到用户的普遍欢迎5、现已展开成套专用设备、生物降解材料及制品的推广。聚酰亚胺（PI）一、聚酰亚胺（Polyimide），缩写为PI。1、聚酰亚胺（PI）是主链含有酰亚氨基团（─C─N─C─）的聚合物。主要有两大类：脂肪族（实用性差、非商业化）芳香族（获得商业化的品种）芳香族聚酰亚胺分为以下几类：均苯型、单醚型、双醚酐型、聚醚酰亚胺（PEI）、聚双马来酰亚胺、降冰片烯二酸改性聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺（PAI）。2、PI物理性能：a、密度：1.36～1.43g/cm3；b、无毒、无臭、无味、黄白色粉末或颗粒；3、PI的不足之处有：加工性能较差，价格太高，在耐高温塑料中是属于高价位。近两年，随着数以亿计的国有资本和民营资本的投入，使PI的发展无论是速度还是价格的快速走低都很快，特别是由军品用途向民品用途方面的转变很快。纯PI很少单独使用，应用的PI多为其改性和复合品种：1、PI+长（碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维）纤维增强的树脂基复合材料；2、PI+短切（碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维）+（聚四氟乙烯、石墨、二硫化钼）；3、耐高温聚酰亚胺胶粘剂；4、耐高温电子封装材料；5、耐高温涂层或薄膜。二、聚酰亚胺（PI）特性与应用1、PI的特性：(1)阻燃性：PI为自身阻燃的聚合物，高温下不燃烧。(2)机械性能（对温度的敏感性小）：a、纯PI机械性能不高,尤其冲击强度比较低；b、纤维增强后会大幅度提高：冲击强度：由27J/m增大到190J/m，增大10倍以上；拉伸强度：由60Mpa增大到1200Mpa,增大20倍以上；弯曲模量：由3.8Gpa增大到80Gpa，增大20倍以上；c、高抗蠕变；d、低热膨胀系数、高尺寸稳定；e、耐磨性（VS45#钢）：1000转时的磨耗量仅为0.04g（可填充F4、二硫化钼后进一步改善）；f、具自润性。（3）优异的热性能：a、耐高温、耐低温同时具备；b、长期使用温度：-200～300℃（第