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常用非金属材料

点击次数:191  发布时间:2020-06-28

非金属材料是指除金属以外的其他一切材料,非金属材料具有优良的耐腐蚀性能,原料来源丰富,品种多样,适合于因地制宜,就地取材,是一种有着广阔发展的工程材料。非金属材料分为无机非金属材料、有机非金属材料及复合材料。无机非金属材料主要有陶瓷、搪瓷、岩石、玻璃等,有机非金属材料主要有橡胶、塑料、涂料等,复合材料主要有玻璃钢、不透性石墨等。

一、橡胶

橡胶在很宽的温度范围内具有极好的弹性有高的拉伸强度和疲劳强度,并且具有不透水、不透气、耐酸碱和电绝缘等性能。良好的性能,使其得到了广泛的应用。

(一)橡胶的组成

橡胶是以生胶为主要成分,添加各种配合剂和增强材料制成的。

生胶是指无配合剂、未经硫化的天然或合成橡胶。生胶具有很高的弹性,但强度低,易产生变形;稳定性差,如会发黏、变硬、溶于某些溶剂等。

配合剂用来改善橡胶的各种性能。常用配合剂有硫化剂、硫化促进剂、活化剂、填充剂、增塑剂、防老化剂、着色剂等。硫化剂用来使生胶的结构由线型转变为交联体型结构,从而使生胶变成具有一定强度、韧性、高弹性的硫化胶。硫化促进剂作用是缩短硫化时间,降低硫化温度,改善橡胶性能。活化剂用来提高促进剂的作用。填充剂用来提高橡胶的强度、改善工艺性能和降低成本。增塑剂用来增加橡胶的塑性和柔韧性。防老化剂用来防止或延缓橡胶老化,主要有胺类和酚类等防老化剂。

增强材料主要有纤维织品、钢丝加工制成的帘布、丝绳、针织品等类型,以增加橡胶制品的强度。

(二)常用橡胶材料

橡胶根据原材料的来源可分为天然橡胶和合成橡胶。

1.天然橡胶

天然橡胶由橡胶树上流出的乳胶提炼而成。天然橡胶具有较好的综合性能,弹性高。有良好的耐磨性、耐寒性和工艺性能,电绝缘性好,价格低廉。但耐热性差,不耐臭氧,易老化,不耐油。

天然橡胶广泛用于制造轮胎、输送带、减振制品、胶管、胶鞋及其他通用制品。

2.合成橡胶

(1)丁苯橡胶  丁苯橡胶是应用广、产量最大的一种合成橡胶。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响,随着苯乙烯含量的增加,橡胶的耐磨性、硬度增大而弹性下降。丁苯橡胶比天然橡胶质地均匀,耐磨性、耐热性和耐老化性好。主要用于制造轮胎、胶板、胶布、胶鞋及其他通用制品,不适用于制造高速轮胎。

(2)丁基橡胶  丁基橡胶由异丁烯和少量异戊二烯低温共聚而成。其气密性极好,耐老化性、耐热性和电绝缘性较高,耐水性好,耐酸碱、有很好的抗多次重复弯曲的性能。但强度低,易燃  不耐油。对烃类溶剂的抵抗力差。主要用于制造内胎、外胎以及化工衬里、绝缘材料、防震动与防撞击材料等。

(3)氯丁橡胶  氯丁橡胶由氯丁二烯以乳液聚合法而成。其物理、力学性能良好,耐油、耐溶剂性和耐老化性、耐燃性良好,电绝缘性差。主要用于制造电缆护套、胶管带、胶黏剂及一般橡胶制品。

二、塑料

塑料密度小,耐腐蚀,有着良好的电绝缘性、耐磨和减摩性、消声和隔热性、加工性等。但强度、硬度低,耐热性差,受热易变形、易老化、易蠕变等。

(一)塑料的组成

塑料是以树脂为主要成分,添加能改善性能的填充剂、增塑剂、稳定剂、固化剂、润滑剂、发泡剂、着色剂、阻燃剂、防老化刑等制成的。

树脂是相对分子质量不固定的,在常温下呈固态、半固态或流动态的有机物质,在塑料中起胶黏各组分的作用,占塑料的40%-100%,如聚乙烯、尼龙、聚氯乙烯、聚酰胺、酚醛树脂等,大多数塑料以所用树脂命名。填充剂主要起增强作用,可以使塑料具有所要求的性能。增塑剂用来增加树脂的塑性和柔韧性。稳定剂包括热稳定刑和光稳定剂,可提高树脂在受热、光、氧作用时的稳定性。润滑剂用来防止塑料黏着在模具或其他设备上。固化剂能将高分子化合物由线型结构转变为交联体型结构的物质。发泡剂是受热时会分解,放出气体的有机化合物,用于制备泡沫塑料等。

(二)常用塑料

塑料按受热时的性质可分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料受热时软化或熔融,冷却后硬化,并可反复多次进行。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。热固性塑料在加热、加压并经过一定时间后即固化为不溶、不熔的坚硬制品,不可再生。常用热固性塑料有酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、呋喃树脂、有机硅树脂等。

塑料按功能和用途可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。通用塑料是指产量大、用途广、价格低的塑料。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,产量占塑料总产量的75%以上。工程塑料是指具有较高性能,能替代金属用于制造机械零件和工程构件的塑料。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、环氧树脂等。特种塑料是指具有特殊性能的塑料,如导电塑料、导磁塑料、感光塑料等。

三、陶瓷

    传统的陶瓷材料是黏土、石英、长石等硅酸盐类材料,而现代陶瓷材料是无机非金属材料的统称。按原料可分为普通陶瓷(硅酸盐材料)和特种陶瓷(人工合成材料)。按用途可分为日用陶瓷、结构陶瓷和功能陶瓷等。拉性能可分为高强度陶瓷、高温陶瓷、耐磨陶瓷、耐酸陶瓷、压电陶瓷、光学陶瓷、半导体陶瓷、磁性陶瓷等。

陶瓷材料具有极高的硬度、优良的耐磨性,弹性模量高、刚度大,抗拉强度很低但抗压强度很高,塑性、韧性低,脆性大,在室温下几乎没有塑性,难以进行塑性加工。陶瓷的熔点很高,大多在2000℃以上,因此具有很高的耐热性能;线胀系数小,导热性差。陶瓷的化学稳定性高,抗氧化性优良,对酸、碱、盐具有良好的耐腐蚀性。大多数陶瓷具有高电阻率,少数陶瓷具有半导体性质。许多陶瓷具有特殊的性能,如光学性能、电磁性能等。

四、复合材料

由两种或两种以上在物理和化学上不同的物质结合起来而得到的一种多相固体材料称为复合材料。复合材料不仅具有各组成材料的优点,而且还具有单一材料无法具备的优越的综合性能。故而复合材料发展迅速,在各个领域得到了广泛应用。

(一)复合材料的分类和性能

复合材料是由两种或两种以上的物质组成的,通常分成两个基本组成相;一是连续相,称为基体相,主要起粘接和固定作用;另一相是分散相,称为增强相,主要起承受载荷作用。复合材料按基体材料可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等;按增强材料的类型和形态可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、叠层复合材料、骨架复合材料、涂层复合材料等。

复合材料具有高的比强度、比模量(弹性模量与密度之比)和疲劳强度性能好,断裂安全性高,抗冲击性差,横向强度较低。

(二)常用复合材料

1.树脂基复合材料

树脂基复合材料是将树脂浸到纤维和纤维织物上固化而制成。在成型模具上涂树脂、铺织物,然后固化而成。

(1)玻璃纤维增强塑料  又称为玻璃钢,基体相为树脂,分散相为玻璃纤维。根据树脂的性质可分为热固性玻璃钢和热塑性玻璃钢。热固性玻璃钢密度小、强度高、耐蚀性好、绝缘好、绝热性好、吸水性低、防磁、弹性模量低、刚度差、耐热性低。热塑性玻璃钢强度比热固性玻璃低,但韧性、低温性能良好,线胀系数低。玻璃钢主要用于制造仪表盘、耐酸碱油的容器、管道,冷却塔等。

   (2)碳纤维增强塑料  基体相为树脂,分散相为碳纤维。碳纤维增强塑料密度小,比强度、比模量高,抗疲劳性、减摩耐磨性、耐蚀性、耐热性优良,垂直纤维方向的强度、刚度低。在化工行业主要用于容器、管道。

   (3)石棉纤维增强塑料  基体材料主要有酚醛、尼龙、聚丙烯树脂等,分散相为石棉纤维。化学稳定好和电绝缘性良好,主要用于汽车制动件、阀门、导管、密封件、化工耐蚀件、隔热件、电绝缘件、耐热件等。

2.金属基复合材料

金属基复合材料是将金属与增强材料利用一定的工艺均匀混合在一起而制成,基体相为金属。常用的基体金属有铝、钛、镁等;常用的纤维增强材料有硼纤维、碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维等,颗粒增强材料 有碳化硅、氧化铝、碳化钛等。

金属基复合材料具有高的强度、弹性模量、耐磨性、冲击韧性,好的耐热性、导热性、导电性,不易燃,不吸潮,尺寸稳定,不老化等优点,大大扩展了金属材料的应用范围。但密度较大,成本较高,有的材料工艺复杂。

3.陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料是将陶瓷与增强材料利用一定的工艺均匀混合在一起而制成,基体相为陶瓷,常用的增强材料有氧化铝、碳化硅、金属等。

陶瓷具有耐高温、耐磨、耐蚀、高抗压强度和弹性模量等优点,但脆性大、抗弯强度低。但陶瓷基复合材料的韧性、抗弯强度都大大提高。

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