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            常用非金屬材料
            2021.01.08   點擊3404次

            非金屬材料是指除金屬以外的其他一切材料,非金屬材料具有優良的耐腐蝕性能,原料來源豐富,品種多樣,適合于因地制宜,就地取材,是一種有著廣闊發展的工程材料。非金屬材料分為無機非金屬材料、有機非金屬材料及復合材料。無機非金屬材料主要有陶瓷、搪瓷、巖石、玻璃等,有機非金屬材料主要有橡膠、塑料、涂料等,復合材料主要有玻璃鋼、不透性石墨等。

            一、橡膠

            橡膠在很寬的溫度范圍內具有極好的彈性有高的拉伸強度和疲勞強度,并且具有不透水、不透氣、耐酸堿和電絕緣等性能。良好的性能,使其得到了廣泛的應用。

            (一)橡膠的組成

            橡膠是以生膠為主要成分,添加各種配合劑和增強材料制成的。

            生膠是指無配合劑、未經硫化的天然或合成橡膠。生膠具有很高的彈性,但強度低,易產生變形;穩定性差,如會發黏、變硬、溶于某些溶劑等。

            配合劑用來改善橡膠的各種性能。常用配合劑有硫化劑、硫化促進劑、活化劑、填充劑、增塑劑、防老化劑、著色劑等。硫化劑用來使生膠的結構由線型轉變為交聯體型結構,從而使生膠變成具有一定強度、韌性、高彈性的硫化膠。硫化促進劑作用是縮短硫化時間,降低硫化溫度,改善橡膠性能;罨瘎┯脕硖岣叽龠M劑的作用。填充劑用來提高橡膠的強度、改善工藝性能和降低成本。增塑劑用來增加橡膠的塑性和柔韌性。防老化劑用來防止或延緩橡膠老化,主要有胺類和酚類等防老化劑。

            增強材料主要有纖維織品、鋼絲加工制成的簾布、絲繩、針織品等類型,以增加橡膠制品的強度。

            (二)常用橡膠材料

            橡膠根據原材料的來源可分為天然橡膠和合成橡膠。

            1.天然橡膠

            天然橡膠由橡膠樹上流出的乳膠提煉而成。天然橡膠具有較好的綜合性能,彈性高。有良好的耐磨性、耐寒性和工藝性能,電絕緣性好,價格低廉。但耐熱性差,不耐臭氧,易老化,不耐油。

            天然橡膠廣泛用于制造輪胎、輸送帶、減振制品、膠管、膠鞋及其他通用制品。

            2.合成橡膠

            (1)丁苯橡膠  丁苯橡膠是應用廣、產量最大的一種合成橡膠。它由丁二烯和苯乙烯共聚而成,其性能主要受苯乙烯的含量影響,隨著苯乙烯含量的增加,橡膠的耐磨性、硬度增大而彈性下降。丁苯橡膠比天然橡膠質地均勻,耐磨性、耐熱性和耐老化性好。主要用于制造輪胎、膠板、膠布、膠鞋及其他通用制品,不適用于制造高速輪胎。

            (2)丁基橡膠  丁基橡膠由異丁烯和少量異戊二烯低溫共聚而成。其氣密性極好,耐老化性、耐熱性和電絕緣性較高,耐水性好,耐酸堿、有很好的抗多次重復彎曲的性能。但強度低,易燃  不耐油。對烴類溶劑的抵抗力差。主要用于制造內胎、外胎以及化工襯里、絕緣材料、防震動與防撞擊材料等。

            (3)氯丁橡膠  氯丁橡膠由氯丁二烯以乳液聚合法而成。其物理、力學性能良好,耐油、耐溶劑性和耐老化性、耐燃性良好,電絕緣性差。主要用于制造電纜護套、膠管帶、膠黏劑及一般橡膠制品。

            二、塑料

            塑料密度小,耐腐蝕,有著良好的電絕緣性、耐磨和減摩性、消聲和隔熱性、加工性等。但強度、硬度低,耐熱性差,受熱易變形、易老化、易蠕變等。

            (一)塑料的組成

            塑料是以樹脂為主要成分,添加能改善性能的填充劑、增塑劑、穩定劑、固化劑、潤滑劑、發泡劑、著色劑、阻燃劑、防老化刑等制成的。

            樹脂是相對分子質量不固定的,在常溫下呈固態、半固態或流動態的有機物質,在塑料中起膠黏各組分的作用,占塑料的40%-100%,如聚乙烯、尼龍、聚氯乙烯、聚酰胺、酚醛樹脂等,大多數塑料以所用樹脂命名。填充劑主要起增強作用,可以使塑料具有所要求的性能。增塑劑用來增加樹脂的塑性和柔韌性。穩定劑包括熱穩定刑和光穩定劑,可提高樹脂在受熱、光、氧作用時的穩定性。潤滑劑用來防止塑料黏著在模具或其他設備上。固化劑能將高分子化合物由線型結構轉變為交聯體型結構的物質。發泡劑是受熱時會分解,放出氣體的有機化合物,用于制備泡沫塑料等。

            (二)常用塑料

            塑料按受熱時的性質可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。熱塑性塑料受熱時軟化或熔融,冷卻后硬化,并可反復多次進行。它包括乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚四氟乙烯等。熱固性塑料在加熱、加壓并經過一定時間后即固化為不溶、不熔的堅硬制品,不可再生。常用熱固性塑料有酚醛樹脂、環氧樹脂、氨基樹脂、呋喃樹脂、有機硅樹脂等。

            塑料按功能和用途可分為通用塑料、工程塑料和特種塑料。通用塑料是指產量大、用途廣、價格低的塑料。主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料、氨基塑料等,產量占塑料總產量的75%以上。工程塑料是指具有較高性能,能替代金屬用于制造機械零件和工程構件的塑料。主要有聚酰胺、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、環氧樹脂等。特種塑料是指具有特殊性能的塑料,如導電塑料、導磁塑料、感光塑料等。

            三、陶瓷

            傳統的陶瓷材料是黏土、石英、長石等硅酸鹽類材料,而現代陶瓷材料是無機非金屬材料的統稱。按原料可分為普通陶瓷(硅酸鹽材料)和特種陶瓷(人工合成材料)。按用途可分為日用陶瓷、結構陶瓷和功能陶瓷等。拉性能可分為高強度陶瓷、高溫陶瓷、耐磨陶瓷、耐酸陶瓷、壓電陶瓷、光學陶瓷、半導體陶瓷、磁性陶瓷等。

            陶瓷材料具有極高的硬度、優良的耐磨性,彈性模量高、剛度大,抗拉強度很低但抗壓強度很高,塑性、韌性低,脆性大,在室溫下幾乎沒有塑性,難以進行塑性加工。陶瓷的熔點很高,大多在2000℃以上,因此具有很高的耐熱性能;線脹系數小,導熱性差。陶瓷的化學穩定性高,抗氧化性優良,對酸、堿、鹽具有良好的耐腐蝕性。大多數陶瓷具有高電阻率,少數陶瓷具有半導體性質。許多陶瓷具有特殊的性能,如光學性能、電磁性能等。

            四、復合材料

            由兩種或兩種以上在物理和化學上不同的物質結合起來而得到的一種多相固體材料稱為復合材料。復合材料不僅具有各組成材料的優點,而且還具有單一材料無法具備的優越的綜合性能。故而復合材料發展迅速,在各個領域得到了廣泛應用。

            (一)復合材料的分類和性能

            復合材料是由兩種或兩種以上的物質組成的,通常分成兩個基本組成相;一是連續相,稱為基體相,主要起粘接和固定作用;另一相是分散相,稱為增強相,主要起承受載荷作用。復合材料按基體材料可分為樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料等;按增強材料的類型和形態可分為纖維增強復合材料、顆粒增強復合材料、疊層復合材料、骨架復合材料、涂層復合材料等。

            復合材料具有高的比強度、比模量(彈性模量與密度之比)和疲勞強度性能好,斷裂安全性高,抗沖擊性差,橫向強度較低。

            (二)常用復合材料

            1.樹脂基復合材料

            樹脂基復合材料是將樹脂浸到纖維和纖維織物上固化而制成。在成型模具上涂樹脂、鋪織物,然后固化而成。

            (1)玻璃纖維增強塑料  又稱為玻璃鋼,基體相為樹脂,分散相為玻璃纖維。根據樹脂的性質可分為熱固性玻璃鋼和熱塑性玻璃鋼。熱固性玻璃鋼密度小、強度高、耐蝕性好、絕緣好、絕熱性好、吸水性低、防磁、彈性模量低、剛度差、耐熱性低。熱塑性玻璃鋼強度比熱固性玻璃低,但韌性、低溫性能良好,線脹系數低。玻璃鋼主要用于制造儀表盤、耐酸堿油的容器、管道,冷卻塔等。

            (2)碳纖維增強塑料  基體相為樹脂,分散相為碳纖維。碳纖維增強塑料密度小,比強度、比模量高,抗疲勞性、減摩耐磨性、耐蝕性、耐熱性優良,垂直纖維方向的強度、剛度低。在化工行業主要用于容器、管道。

            (3)石棉纖維增強塑料  基體材料主要有酚醛、尼龍、聚丙烯樹脂等,分散相為石棉纖維;瘜W穩定好和電絕緣性良好,主要用于汽車制動件、閥門、導管、密封件、化工耐蝕件、隔熱件、電絕緣件、耐熱件等。

            2.金屬基復合材料

            金屬基復合材料是將金屬與增強材料利用一定的工藝均勻混合在一起而制成,基體相為金屬。常用的基體金屬有鋁、鈦、鎂等;常用的纖維增強材料有硼纖維、碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維等,顆粒增強材料 有碳化硅、氧化鋁、碳化鈦等。

            金屬基復合材料具有高的強度、彈性模量、耐磨性、沖擊韌性,好的耐熱性、導熱性、導電性,不易燃,不吸潮,尺寸穩定,不老化等優點,大大擴展了金屬材料的應用范圍。但密度較大,成本較高,有的材料工藝復雜。

            3.陶瓷基復合材料

            陶瓷基復合材料是將陶瓷與增強材料利用一定的工藝均勻混合在一起而制成,基體相為陶瓷,常用的增強材料有氧化鋁、碳化硅、金屬等。

            陶瓷具有耐高溫、耐磨、耐蝕、高抗壓強度和彈性模量等優點,但脆性大、抗彎強度低。但陶瓷基復合材料的韌性、抗彎強度都大大提高。


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