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1、,21 概述 非金属材料是金属材料以外一切材料的总称。目前机械工程上应用的非金属材料有工程塑料、合成橡胶、工业陶瓷、复合材料、合成胶粘剂等。其中前两种属于高分子合成材料，工业陶瓷是无机非金属材料，复合材料是用适当的工艺方法将两种或多种性质不同的材料复合而成的新材料。胶粘剂是一种靠界面作用产生的粘合力将各种材料牢固地胶结在一起的物质。,长期以来，机械工程材料一直是以金属材料为主的，其中又以黑色金属为主、这是由于金属材料具有许多优良的性能，例如强度高、热稳定性好、导电导热性好等。但是金属材料也存在一些缺点，如难以满足比重量小、耐腐蚀、电绝缘等方面的要求。本世纪以来，高分子合成材料、工业陶瓷和复合材
2、料等的出现与迅猛发展，使机械工程材料领域大为扩大，再也不是金属材料一枝独秀的局面了。,22 工程塑料,工程塑料是一类范围很大、应用很广的高分子合成材料。工程塑料的成分相当复杂。它是以各种各样的树脂为基础，加入用来改善性能的各种添加剂，在一定温度与压力下塑压成型或固化交联（见固化剂部分）而形成的。一、塑料的组成 1树脂 树脂是塑料的主要成份，占40100。它粘结其它组成部分，具有成型性并且对塑料的使用性能起决定作用。有些树脂可直接用作塑料，例如聚乙烯，聚碳酸脂等,高分子化合物又称为高聚物，其分子量很大，分子长度也很大。以聚乙烯为例，它的分子小单元是C2H4.n个这样的小单元聚合在一起仿佛n个链节
3、聚合在一起形成分子链。,分子结构式中的n为聚合度，高聚物的分子量与聚合度有关。高聚物的性质取决于其分于结构。2填充剂 填充剂又称填料，是重要而非必要的成分。正确地选择它可以改善塑料的性能和扩大其使用范围。也可以增加塑料的产量，降低塑料的成本。例如尼龙聚甲醛加入二硫化铝、石墨、聚四氟乙烯后，塑料的耐磨性、抗火性、耐热性、硬度及机械强度等可得到全面改进。在聚乙烯、聚氯乙烯中加入钙质填充剂可降低成本，且可提高刚度和耐热性。在酚醛树脂中加入木屑等制成电木，可改善机械性能，降低成本。,3增塑剂 某些树脂例如硝酸纤维、醋酸纤维等可塑性很小，加工成型性能也差。为改善塑料的柔韧性、弹性，可适当加入与树脂相溶而
4、又不易挥发的高沸点有机化合物，这类物质称为增塑剂。4固化剂（硬化剂）固化剂的作用是在聚合物中生成横跨键，使分子交联，从而促使树脂由受热可塑的线型结构变为热稳定的体型结构，所谓线型结构，是指分子中的原子以共价键结合，形成具有良好弹性的一条很长或卷曲状态的大分子链（包括带支链的情况），所谓体型结构，是指大分子链之间以较强的化学键交联在一起形成的网状结构或向空间发展的体型大分子结构，,组成塑料的添加剂还有防止塑料在成型过程中粘在模具上的润滑剂，防止塑料过早老化的稳定剂，使塑料制品具有美丽色彩的染料以及阻燃剂、发泡剂等。,二、塑料的性能,作为非金属材料主体的工程塑料应用很广，这与其下列性能是分不开的。
5、1按材料单位重量计算的强度较高 塑料的密度一般为10001500kgm3，远比钢、铜、铝等为小，因而按材料单位重量计算的强度较高，适用于制造有单位功率自重指标要求的运输机械。2对酸、碱等介质的抗腐蚀能力强 这种性能使塑料适用于制造某些化工机械零件和在腐蚀介质中工作的其它零件。3电绝缘性好 塑料与陶瓷一样，都是理想的绝缘材料。,4成型工艺性好 大多数工程塑料均可用注塑的方法成型。与同类型的金属零件相比，其生产率高，成本低。5耐磨性、吸振性均佳 工程塑料可以在有液摩擦和干摩擦条件下工作，这种性能对难以采用人工润滑的摩擦副是很可贵的。另外，工程塑料的异物埋设性和就范性，对于工作时常有磨粒或杂质进入摩
6、擦表面的摩擦副也大有种益。它的吸振性好，可以降低机械振动，减少噪音。工程塑料也有许多缺点。主要有：强度和硬度不及金属材料高，耐热性和导热性差，胀缩变形大，易老化等i这些缺点使它的应用受到一定限制。,三、塑料的分类,1按树脂的性质分类 根据树脂在加热和冷却时所表现的性质可将塑料分为热固性塑料和热塑性塑料。热固性塑料大多以缩聚树脂为基础。这种塑料在加热加压条件下会发生化学反应，经过一定时间即固化为坚硬的制品。固化后不溶于任何溶剂，也不会再熔化（温度过高时则发生分解）。酚醛塑料、氨基塑料环氧树脂和有机硅塑料等均属此类。热固性塑料质地硬脆，具有一定耐冲击能力，电绝缘性好。常用于制作电器上的绝缘零件，如
7、酚醛（胶木）电器开关等。,热塑性塑料主要由聚合树脂制成。此类塑料受热软化，冷却变硬，再受热又可软化、再冷却再变硬，可多次重复，因而可再生和再加工。聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酸胺（即尼龙）、ABS、聚甲醛、聚碳酸脂、聚苯乙烯等均属此类。常用于制作各种工程用品，例如化工管道、仪表外壳和各种机械零件等。,2按塑料的应用范围分类 按应用范围将塑料分为通用塑料和工程塑料。通用塑料包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料等。此类塑料产量大、用途广、价格低。它们的产量占塑料总产量的75以上。通常制成管材、棒材、板料及薄膜等或者塑压成日常生活用品。工程塑料包括ABS、尼龙、聚碳酸脂、聚甲醛
8、等。此类塑料的强度大、耐高温、耐腐蚀、具有类似金属的性能。广泛用于机械、仪表、电子工业、医疗行业等。由于通用塑料可以改性，其应用范围不断扩大，通用塑料与工程塑料的界限已很难划分。,23 其它非金属材料简介,一、橡胶材料 橡胶也是以高分子化合物为基础的材料，它具有高弹性和蓄能作用，常用作弹性材料、密封材料和减震材料。橡胶由以下几种材料组成：1、生胶 未经硫化的橡胶称为生胶。它是橡胶的主要成分，对橡胶性能起决定性作用。但单纯的生胶，高温时发粘，低温性脆，因而需加入各种配制剂并经硫化制成工业用橡胶材料。2、硫化剂 硫化剂的作用类似热固性树脂中的固化剂。它能使线型结构的橡胶分子相互交联成网状结构，从而
9、提高橡胶的弹性和强度。常用的硫化剂为硫磺。,3、软化剂 旨在增加橡胶的塑性，降低其硬度。常用的软化剂有凡士林、硬脂酸等油类和脂类。4、填充剂 旨在增加橡胶制品的强度，降低成本。主要采用粉状和织物填充剂。以外还有补强剂、防老剂、发泡剂及着色剂等。常用橡胶有以下两大类：,1天然橡胶 天然橡胶是以橡树上流出的胶乳经过凝固、干燥、加工等工序制成的。天然橡胶的分子结构式为 天然橡胶属于线性分子结构，主要用于制造轮胎以及不要求耐油、耐热的胶带、胶管等,2，合成橡胶合成橡胶种类很多，用量最大的是丁苯橡胶。它有较好的耐磨性、耐热性和耐老化性，且较天然橡胶质地匀、价格低。缺点是生胶强度差，粘接性不好，成型困难，
10、硫化速度慢，制成的轮胎使用时发热量大，弹性差。但是它可以与天然橡放以任意比例混用，从而可以取长补短。目前已普通用于制造汽车轮胎、胶带、胶管等。氯丁橡胶的分子结构式为,2、合成橡胶 合成橡胶种类很多，用量最大的是丁苯橡胶。它有较好的耐磨性、耐热性和耐老化性，且较天然橡胶质地匀、价格低。缺点是生胶强度差，粘接性不好，成型困难，硫化速度慢，制成的轮胎使用时发热量大，弹性差。但是它可以与天然橡放以任意比例混用，从而可以取长补短。目前已普通用于制造汽车轮胎、胶带、胶管等。氯丁橡胶的分子结构式为,由于有氯原子的存在，使氯丁橡胶具有耐油、耐溶剂、耐氧化、耐酸、耐碱、不易燃烧等性能，主要缺点是耐寒性差、比重较
11、大。常用干制造输油胶管、采矿用运输带、胶管等。此外还有气密性高、可用于制造轮胎内胎的丁基橡胶、耐油性优良的丁睛橡胶和耐腐蚀的氟橡胶等。,二、工业陶瓷与其它非金属材料,陶瓷是一种无机非金属材料。它同金属材料、高分子材料一起被称为三大固体材料。陶瓷材料具有硬度高、耐高温、耐腐蚀和电绝缘等优良性能。缺点是强度低、脆性大。陶瓷是多晶固体材料，其结构比金属复杂得多。生产工艺一般包括坯料制造、成型、烧结三个阶段。常用工业陶瓷有以下几类：,（1）普通陶瓷 普通陶瓷为粘土类陶瓷，是用量最大的一类陶瓷。除日用外，工业上主要用于绝缘的电瓷、耐酸碱的化学瓷。（2）氧化铝陶瓷 它以AI2O3。为主要成分，较普通陶瓷的
12、机械强度高，但脆性大，用于制造热电偶绝缘套，内燃机火花塞，拉丝模和切削刀具等。（3）氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷的抗震性特别好，可作为耐蚀水泵密封环、热电偶套、高温轴承材料等。,非金属材料还包括复合材料和胶粘剂。复合材料是用适当的方法将两种或多种性质不同的材料复合而成的新材料。它具有比单一材料更优良的性能，其性能指标往往超过各组成材料的总和。例如树脂与玻璃纤维复合可得到碳纤维复合材料，树脂与硼纤维复合可以得到硼纤维复合材料等。这些复合材料在航空航天尖端技术中应用颇多。,胶粘剂是一种靠界面作用产生的粘合力将各种相同或不相同材料牢固地胶结在一起的物质。胶接作为一种新型的连接工艺，与焊接、铆接相比有应力分布均匀、接头平整光滑、质量轻、能胶接不同种类的材料、具有密封作用、能防止不同金属间的电化学腐蚀，胶接工艺有简便、省工、成本低等优点。主要问题是某些金属材料的胶接强度还达不到母材的强度，胶粘剂老化使接头强度下降、耐热性差等。,习题,21 工程塑料是由哪些成分组成的？22 工程塑料的主要性涨有哪些？23 塑料的分类方法有哪几种？24 非金属材料共有几种？25 合成橡胶与天然橡胶有何不同？26 常用工业陶瓷有哪几类？,
