常用工程材料-非金屬材料
非金屬材料
非金屬材料也是重要的工程材料。它包括耐火材料、耐火隔熱材料、耐蝕(酸)非金屬材料和陶瓷材料等。
1.耐火材料
(1)耐火材料的主要性能指標和分類：
1)耐火材料的主要性能指標。
① 耐火度。耐火度是耐火材料受熱后軟化到一定程度的溫度。
② 荷重軟化溫度。
③ 高溫化學穩(wěn)定性。高溫化學穩(wěn)定性是耐火材料抗爐氣和爐料腐蝕的能力;
④ 抵抗溫度變化的能力越好，則耐火材料在經(jīng)受溫度急劇變化時越不易損壞;
⑤ 抗壓強度要好;
⑥ 密度和比熱容
⑦ 熱導率要小，隔熱性能要好，電絕緣性能要好。
2)耐火材料的分類
① 耐火砌體材料。按材質(zhì)高低，分為普通耐火材料和特種耐火材料;按材料密度分為重質(zhì)耐火材料和輕質(zhì)耐火材料;按耐火材料的主要化學成分分為粘土磚、高鋁磚、硅磚、氧化鋁磚、石墨和碳制品以及碳化硅制品等。
② 耐火水泥及混凝土。低鈣鋁酸鹽耐火水泥是用優(yōu)質(zhì)鋁釩土和石灰石，按一定比例配合經(jīng)燒結、磨細制成。
耐火混凝土具有施工簡便、價廉和爐襯整體密封性強等優(yōu)點，但強度較低。按照膠結料的不同，耐火混凝土分為水硬性耐火混凝土、火硬性耐火混凝土和氣硬性耐火混凝土;按照密度的高低，可分為重質(zhì)耐火混凝土和輕質(zhì)耐火混凝土兩類。
2.耐火隔熱材料
耐火隔熱材料，又稱為耐熱保溫材料。它是各種工業(yè)用爐(冶煉爐、加熱爐、鍋爐爐膛)的重要筑爐材料。常用的隔熱材料有硅藻土、蛭石、玻璃纖維(又稱礦渣棉)、石棉，以及它們的制品如板、管、磚等。
3.耐蝕(酸)非金屬材料
(1)鑄石。鑄石是以輝綠巖、玄武巖、頁巖等天然巖石為主要原料，經(jīng)熔化、澆注、結晶、退火而成的一種硅酸鹽結晶材料。鑄石具有極優(yōu)良的耐磨與耐化學腐蝕性、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。
(2)石墨。石墨按照來源不同可分為天然石墨和人造石墨。它不僅具有高度的化學穩(wěn)定性，還具有極高的導熱性能。
石墨材料具有高熔點(3700℃)，在高溫下有高的機械強度。當溫度增加時，石墨的強度隨之提高。石墨在3000℃以下具有還原性，并且在中性介質(zhì)中有很好的熱穩(wěn)定性。在急劇改變溫度的條件下，石墨比其他結構材料都穩(wěn)定，不會炸裂破壞，石墨的導熱系數(shù)比碳鋼大2倍多，所以，石墨材料常用來制造傳熱設備。
石墨具有良好的化學穩(wěn)定性。除了強氧化性的酸(如硝酸、鉻酸、發(fā)煙硫酸和鹵素)之外，在所有的化學介質(zhì)中都很穩(wěn)定，甚至在熔融的堿中也很穩(wěn)定。
(3)玻璃。按形成玻璃的氧化物可分為硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃和鋁酸鹽玻璃等，其中硅酸鹽玻璃是應用最為廣泛的玻璃品種。
(4)天然耐蝕石料。天然耐蝕石料的組成含二氧化硅的質(zhì)量分數(shù)大于55.0%，且其含量越高耐酸性能越好。含氧化鎂、氧化鈣的質(zhì)量分數(shù)在50.0%以上的石料，有較好的或好的耐堿性能，但不耐酸侵蝕。而某些耐酸石料含二氧化硅雖然很高，由于結構致密也能耐堿侵蝕。
(5)水玻璃型耐酸水泥。水玻璃型耐酸水泥具有能抗大多數(shù)無機酸和有機酸腐蝕的能力，但不耐堿。
4.陶瓷材料
陶瓷材料屬于硅酸鹽材料。目前陶瓷的應用已滲透到各類工業(yè)、各種工程和各個技術領域。陶瓷材料有著許多區(qū)別于其它材料的物理化學性能。比如高溫化學穩(wěn)定性、超硬的特點和極好的耐腐蝕性能。
(1)陶瓷材料的分類
工程陶瓷材料的分類見教材圖1.1.2。它們可用于制造某些工業(yè)構件、零件和工具。陶瓷的種類很多，但缺乏統(tǒng)一的分類方法，陶瓷一般分為普通陶瓷和新型陶瓷兩大類。
(2)常用的陶瓷材料
在工程中常用的陶瓷有電器絕緣陶瓷、化工陶瓷、結構陶瓷和耐酸陶瓷等。
例題1：在工程材料分類中，鑄石屬于( )。
A.耐火材料 B.耐火隔熱材料 C.耐蝕非金屬材料 D.陶瓷材料
答案：C.耐蝕非金屬材料
例題2：耐火材料的主要性能指標有()。
A. 高溫化學穩(wěn)定性 B. 抵抗溫度變化的能力要好
C. 抗壓強度要好 D. 密度和比熱容要大
答案：A. 高溫化學穩(wěn)定性 B. 抵抗溫度變化的能力越好 C. 抗壓強度要好
例題3：石墨的特點包括( )。
A. 具有高度的化學穩(wěn)定性 B. 具有極高的導熱性能
C. 在硝酸中很穩(wěn)定 D. 常用來制造傳熱設備
答案：A. 具有高度的化學穩(wěn)定性 B. 具有極高的導熱性能
D. 常用來制造傳熱設備
高分子材料
1.高分子材料的基本概念
高分子材料具有較高的強度、良好的塑性、較強的耐腐蝕性能，很好的絕緣性和重量輕等優(yōu)良性能，在工程上是發(fā)展最快的一類新型結構材料。高分子材料一般分天然和人工合成兩大類。天然高分子材料有蠶絲、羊毛、纖維素和橡膠以及存在于生物組織中的淀粉和蛋白質(zhì)等。工程上的高分子材料主要是人工合成的各種有機材料。通常根據(jù)機械性能和使用狀態(tài)將其分為塑料、橡膠和合成纖維三大類。
人工合成的高分子材料，就是把低分子材料(單體)聚合起來所形成的。其聚合過程稱為聚合反應。最常用的聚合反應有加成聚合反應(簡稱加聚反應)和縮合聚合反應(簡稱縮聚反應)兩種。
2.高分子材料的基本性能及特點
高分子材料的基本性能及特點是質(zhì)輕，比強度高，有良好的韌性，減摩、耐磨性好，電絕緣性好，耐蝕性。化學穩(wěn)定性好， 導熱系數(shù)小，易老化，易燃，耐熱性好，剛度小。
3.工程中常用高分子材料
(1)塑料制品。
1)塑料的組成。常用的塑料制品都是以合成樹脂為基本材料，再按一定比例加入填充料、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。
另外熟悉各組成在塑料中所起的作用。
2)工程中常用塑料制品。
① 熱塑性塑料。
a低密度聚乙烯(LDPE)
b高密度聚乙烯(HDPE)
c聚丙烯(PP)
d聚氯乙烯(PVC)
e聚四氟乙烯(PTFE，F(xiàn)-4)
f聚苯乙烯(PS)
g ABS
h聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)
② 熱固性塑料
a酚醛模塑料(PF)
b酚醛玻璃纖維增強塑料
c環(huán)氧樹脂(EP)
d 呋喃樹脂
e 不飽和聚酯樹脂
了解以上各種塑料的主要特性。
(2)橡膠
1)天然橡膠(NR)
2)丁基橡膠(IIR)
3)氯丁橡膠(CR)
4)氟硅橡膠(MFQ)
了解以上各種橡膠的主要特性。
(3)合成纖維
合成纖維具有強度高、密度小、耐磨和不霉不腐等特點，廣泛用于制作衣料。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸及國防建設上也發(fā)揮了很大作用。
例題1：在高分子材料的特性中，比較突出的性能為( )。
A.比強度低 B.導熱系數(shù)大
C.減摩、耐磨性好 D.不易老化
答案：C.減摩、耐磨性好
例題2：塑料的性質(zhì)主要取決于( )的性質(zhì)。
A.樹脂 B.填料 C.增塑劑 D.著色劑
答案：A.樹脂
復合材料
1. 復合材料組成、分類和特點
復合材料中至少包括基體相和增強相兩大類。基體相起粘結、保護增強相并把外加荷載造成的應力傳遞到增強相上去的作用，基體相可以由金屬、樹脂和陶瓷等構成，在承載中，基體相承受應力作用的比例不大;增強相是主要承載相，并起著提高強度(或韌性)的作用，增強相的形態(tài)各異，有纖維狀、細粒狀和片狀等。
按基體材料類型可分為：有機材料基、無機非金屬材料基和金屬基復合材料三大類，如下圖所示。
與普通材料相比，復合材料具有許多特性，可改善或克服單一材料的弱點，充分發(fā)揮它們的優(yōu)點，并賦予材料新的性能;可按照構件的結構和受力要求，給出預定的分布、合理的配套性能，進行材料的設計等。具體表現(xiàn)在：
(1)高比強度和高比模量。
(2)耐疲勞性高。
(3)抗斷裂能力強。
(4)減振性能好。
(5)高溫性能好，抗蠕變能力強。
(6)耐腐蝕性好。
(7)復合材料還具有較優(yōu)良的減摩性、耐磨性、自潤滑性和耐蝕性等特點，而且復合材料構件制造工藝簡單，表現(xiàn)出良好的工藝性能，適合整體成型。
2.復合材料增強體
(1)纖維增強體。
(2)顆粒增強體。
(3)片狀增強體。
3.復合材料基體
(1)樹脂基體。樹脂基復合材料是復合材料中最主要的一類，通常稱為增強塑料。
(2)金屬基體。金屬基復合材料主要有三類：顆粒增強、短纖維或晶須增強、連續(xù)纖維或薄片增強。多種金屬及其合金可用作基體材料。
(3)陶瓷基體。制作陶瓷基復合材料的主要目的是增加韌性。適用陶瓷基復合材料的基體材料主要有氧化物陶瓷基體(氧化鋁陶瓷基體和氧化鋯陶瓷基體等)。非氧化物陶瓷基體(氮化硅陶瓷基體、氮化鋁陶瓷基體、碳化硅陶瓷基體及石英玻璃)
4.復合材料應用
(1)用玻璃纖維增強塑料得到的復合材料，俗稱玻璃鋼。
(2)碳纖維增強酚醛樹脂、聚四氟乙烯復合材料，
(3)石墨纖維增強鋁基復合材料，
(4)合金纖維增強的鎳基合金
(5)顆粒增強的鋁基復合材料
(6)塑料—鋼復合材料
(7)塑料—青銅—鋼背三層復合材料
(8)塑料-鋁合金。
非金屬材料
非金屬材料也是重要的工程材料。它包括耐火材料、耐火隔熱材料、耐蝕(酸)非金屬材料和陶瓷材料等。
1.耐火材料
(1)耐火材料的主要性能指標和分類：
1)耐火材料的主要性能指標。
① 耐火度。耐火度是耐火材料受熱后軟化到一定程度的溫度。
② 荷重軟化溫度。
③ 高溫化學穩(wěn)定性。高溫化學穩(wěn)定性是耐火材料抗爐氣和爐料腐蝕的能力;
④ 抵抗溫度變化的能力越好，則耐火材料在經(jīng)受溫度急劇變化時越不易損壞;
⑤ 抗壓強度要好;
⑥ 密度和比熱容
⑦ 熱導率要小，隔熱性能要好，電絕緣性能要好。
2)耐火材料的分類
① 耐火砌體材料。按材質(zhì)高低，分為普通耐火材料和特種耐火材料;按材料密度分為重質(zhì)耐火材料和輕質(zhì)耐火材料;按耐火材料的主要化學成分分為粘土磚、高鋁磚、硅磚、氧化鋁磚、石墨和碳制品以及碳化硅制品等。
② 耐火水泥及混凝土。低鈣鋁酸鹽耐火水泥是用優(yōu)質(zhì)鋁釩土和石灰石，按一定比例配合經(jīng)燒結、磨細制成。
耐火混凝土具有施工簡便、價廉和爐襯整體密封性強等優(yōu)點，但強度較低。按照膠結料的不同，耐火混凝土分為水硬性耐火混凝土、火硬性耐火混凝土和氣硬性耐火混凝土;按照密度的高低，可分為重質(zhì)耐火混凝土和輕質(zhì)耐火混凝土兩類。
2.耐火隔熱材料
耐火隔熱材料，又稱為耐熱保溫材料。它是各種工業(yè)用爐(冶煉爐、加熱爐、鍋爐爐膛)的重要筑爐材料。常用的隔熱材料有硅藻土、蛭石、玻璃纖維(又稱礦渣棉)、石棉，以及它們的制品如板、管、磚等。
3.耐蝕(酸)非金屬材料
(1)鑄石。鑄石是以輝綠巖、玄武巖、頁巖等天然巖石為主要原料，經(jīng)熔化、澆注、結晶、退火而成的一種硅酸鹽結晶材料。鑄石具有極優(yōu)良的耐磨與耐化學腐蝕性、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。
(2)石墨。石墨按照來源不同可分為天然石墨和人造石墨。它不僅具有高度的化學穩(wěn)定性，還具有極高的導熱性能。
石墨材料具有高熔點(3700℃)，在高溫下有高的機械強度。當溫度增加時，石墨的強度隨之提高。石墨在3000℃以下具有還原性，并且在中性介質(zhì)中有很好的熱穩(wěn)定性。在急劇改變溫度的條件下，石墨比其他結構材料都穩(wěn)定，不會炸裂破壞，石墨的導熱系數(shù)比碳鋼大2倍多，所以，石墨材料常用來制造傳熱設備。
石墨具有良好的化學穩(wěn)定性。除了強氧化性的酸(如硝酸、鉻酸、發(fā)煙硫酸和鹵素)之外，在所有的化學介質(zhì)中都很穩(wěn)定，甚至在熔融的堿中也很穩(wěn)定。
(3)玻璃。按形成玻璃的氧化物可分為硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃和鋁酸鹽玻璃等，其中硅酸鹽玻璃是應用最為廣泛的玻璃品種。
(4)天然耐蝕石料。天然耐蝕石料的組成含二氧化硅的質(zhì)量分數(shù)大于55.0%，且其含量越高耐酸性能越好。含氧化鎂、氧化鈣的質(zhì)量分數(shù)在50.0%以上的石料，有較好的或好的耐堿性能，但不耐酸侵蝕。而某些耐酸石料含二氧化硅雖然很高，由于結構致密也能耐堿侵蝕。
(5)水玻璃型耐酸水泥。水玻璃型耐酸水泥具有能抗大多數(shù)無機酸和有機酸腐蝕的能力，但不耐堿。
4.陶瓷材料
陶瓷材料屬于硅酸鹽材料。目前陶瓷的應用已滲透到各類工業(yè)、各種工程和各個技術領域。陶瓷材料有著許多區(qū)別于其它材料的物理化學性能。比如高溫化學穩(wěn)定性、超硬的特點和極好的耐腐蝕性能。
(1)陶瓷材料的分類
工程陶瓷材料的分類見教材圖1.1.2。它們可用于制造某些工業(yè)構件、零件和工具。陶瓷的種類很多，但缺乏統(tǒng)一的分類方法，陶瓷一般分為普通陶瓷和新型陶瓷兩大類。
(2)常用的陶瓷材料
在工程中常用的陶瓷有電器絕緣陶瓷、化工陶瓷、結構陶瓷和耐酸陶瓷等。
例題1：在工程材料分類中，鑄石屬于( )。
A.耐火材料 B.耐火隔熱材料 C.耐蝕非金屬材料 D.陶瓷材料
答案：C.耐蝕非金屬材料
例題2：耐火材料的主要性能指標有()。
A. 高溫化學穩(wěn)定性 B. 抵抗溫度變化的能力要好
C. 抗壓強度要好 D. 密度和比熱容要大
答案：A. 高溫化學穩(wěn)定性 B. 抵抗溫度變化的能力越好 C. 抗壓強度要好
例題3：石墨的特點包括( )。
A. 具有高度的化學穩(wěn)定性 B. 具有極高的導熱性能
C. 在硝酸中很穩(wěn)定 D. 常用來制造傳熱設備
答案：A. 具有高度的化學穩(wěn)定性 B. 具有極高的導熱性能
D. 常用來制造傳熱設備
高分子材料
1.高分子材料的基本概念
高分子材料具有較高的強度、良好的塑性、較強的耐腐蝕性能，很好的絕緣性和重量輕等優(yōu)良性能，在工程上是發(fā)展最快的一類新型結構材料。高分子材料一般分天然和人工合成兩大類。天然高分子材料有蠶絲、羊毛、纖維素和橡膠以及存在于生物組織中的淀粉和蛋白質(zhì)等。工程上的高分子材料主要是人工合成的各種有機材料。通常根據(jù)機械性能和使用狀態(tài)將其分為塑料、橡膠和合成纖維三大類。
人工合成的高分子材料，就是把低分子材料(單體)聚合起來所形成的。其聚合過程稱為聚合反應。最常用的聚合反應有加成聚合反應(簡稱加聚反應)和縮合聚合反應(簡稱縮聚反應)兩種。
2.高分子材料的基本性能及特點
高分子材料的基本性能及特點是質(zhì)輕，比強度高，有良好的韌性，減摩、耐磨性好，電絕緣性好，耐蝕性。化學穩(wěn)定性好， 導熱系數(shù)小，易老化，易燃，耐熱性好，剛度小。
3.工程中常用高分子材料
(1)塑料制品。
1)塑料的組成。常用的塑料制品都是以合成樹脂為基本材料，再按一定比例加入填充料、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。
另外熟悉各組成在塑料中所起的作用。
2)工程中常用塑料制品。
① 熱塑性塑料。
a低密度聚乙烯(LDPE)
b高密度聚乙烯(HDPE)
c聚丙烯(PP)
d聚氯乙烯(PVC)
e聚四氟乙烯(PTFE，F(xiàn)-4)
f聚苯乙烯(PS)
g ABS
h聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)
② 熱固性塑料
a酚醛模塑料(PF)
b酚醛玻璃纖維增強塑料
c環(huán)氧樹脂(EP)
d 呋喃樹脂
e 不飽和聚酯樹脂
了解以上各種塑料的主要特性。
(2)橡膠
1)天然橡膠(NR)
2)丁基橡膠(IIR)
3)氯丁橡膠(CR)
4)氟硅橡膠(MFQ)
了解以上各種橡膠的主要特性。
(3)合成纖維
合成纖維具有強度高、密度小、耐磨和不霉不腐等特點，廣泛用于制作衣料。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸及國防建設上也發(fā)揮了很大作用。
例題1：在高分子材料的特性中，比較突出的性能為( )。
A.比強度低 B.導熱系數(shù)大
C.減摩、耐磨性好 D.不易老化
答案：C.減摩、耐磨性好
例題2：塑料的性質(zhì)主要取決于( )的性質(zhì)。
A.樹脂 B.填料 C.增塑劑 D.著色劑
答案：A.樹脂
復合材料
1. 復合材料組成、分類和特點
復合材料中至少包括基體相和增強相兩大類。基體相起粘結、保護增強相并把外加荷載造成的應力傳遞到增強相上去的作用，基體相可以由金屬、樹脂和陶瓷等構成，在承載中，基體相承受應力作用的比例不大;增強相是主要承載相，并起著提高強度(或韌性)的作用，增強相的形態(tài)各異，有纖維狀、細粒狀和片狀等。
按基體材料類型可分為：有機材料基、無機非金屬材料基和金屬基復合材料三大類，如下圖所示。
與普通材料相比，復合材料具有許多特性，可改善或克服單一材料的弱點，充分發(fā)揮它們的優(yōu)點，并賦予材料新的性能;可按照構件的結構和受力要求，給出預定的分布、合理的配套性能，進行材料的設計等。具體表現(xiàn)在：
(1)高比強度和高比模量。
(2)耐疲勞性高。
(3)抗斷裂能力強。
(4)減振性能好。
(5)高溫性能好，抗蠕變能力強。
(6)耐腐蝕性好。
(7)復合材料還具有較優(yōu)良的減摩性、耐磨性、自潤滑性和耐蝕性等特點，而且復合材料構件制造工藝簡單，表現(xiàn)出良好的工藝性能，適合整體成型。
2.復合材料增強體
(1)纖維增強體。
(2)顆粒增強體。
(3)片狀增強體。
3.復合材料基體
(1)樹脂基體。樹脂基復合材料是復合材料中最主要的一類，通常稱為增強塑料。
(2)金屬基體。金屬基復合材料主要有三類：顆粒增強、短纖維或晶須增強、連續(xù)纖維或薄片增強。多種金屬及其合金可用作基體材料。
(3)陶瓷基體。制作陶瓷基復合材料的主要目的是增加韌性。適用陶瓷基復合材料的基體材料主要有氧化物陶瓷基體(氧化鋁陶瓷基體和氧化鋯陶瓷基體等)。非氧化物陶瓷基體(氮化硅陶瓷基體、氮化鋁陶瓷基體、碳化硅陶瓷基體及石英玻璃)
4.復合材料應用
(1)用玻璃纖維增強塑料得到的復合材料，俗稱玻璃鋼。
(2)碳纖維增強酚醛樹脂、聚四氟乙烯復合材料，
(3)石墨纖維增強鋁基復合材料，
(4)合金纖維增強的鎳基合金
(5)顆粒增強的鋁基復合材料
(6)塑料—鋼復合材料
(7)塑料—青銅—鋼背三層復合材料
(8)塑料-鋁合金。