非金屬材料

非金屬材料也是重要的工程材料。它包括無機非金屬材料和高分子材料。無機非金屬材料包括耐火材料、耐火隔熱材料、耐蝕(酸)非金屬材料和陶瓷材料等;高分子材料包括橡膠、塑料和合成纖維等。

(一)無機非金屬材料

1.耐火材料

耐火材料是指能承受高溫作用而不易損壞的材料，它是煉鋼、煉鐵及其他冶煉爐和鍋爐內(nèi)襯的基礎材料之一。常用的耐火材料有耐火砌體材料、耐火水泥及耐火混凝土。

(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特性分為酸性、中性和堿性。

(2)耐火水泥及耐火混凝土。低鈣鋁酸鹽耐火水泥是用優(yōu)質(zhì)鋁礬土和石灰石，按一定比例配合經(jīng)燒結(jié)、磨細制成。低鈣鋁酸鹽水泥與耐火磚細塊摻和，可制成耐火混凝土，用于某些高溫窯爐和加熱爐的內(nèi)襯;也可與輕質(zhì)耐火磚細塊摻和制成耐火隔熱材料，或與石棉摻和制成石棉耐火水泥制品。

耐火混凝土與普通耐火磚比較，具有施丁簡便、價廉和爐襯整體密封性強等優(yōu)點，但強度較低。按照膠結(jié)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。

2.耐熱保沮和絕熱材料

(1)耐熱保溫材料。耐熱保溫材料，又稱為耐火隔熱材料。它是各種工業(yè)用爐的重要筑爐材料。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。

(2)絕熱材料。絕熱材料一般是輕質(zhì)、疏松、多孔的纖維狀材料，它既包括保溫材料，也包括保冷材料。

3.耐蝕(酸)非金屬材料

耐蝕(酸)非金屬材料的主要成分是金屬氧化物、氧化硅和硅酸鹽等，它們的耐蝕性能高于金屬材料(包括耐酸鋼和耐蝕合金)，還具有良好的耐磨性和耐熱性能，但是脆性大、承受沖擊和震動能力差，抗拉強度低。在某些情況下它們是不銹鋼和耐蝕合金的理想代用品，用于制造受力小、不受沖擊及震動、使用溫度不高或溫度變化不劇烈的容器。常用的非金屬耐蝕材料有鑄石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等。

(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(jié)晶、退火而成的一種硅酸鹽結(jié)晶材料。鑄石具有極優(yōu)良的耐磨性、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。在各類酸堿設備中的應用效果，高于不銹鋼、橡膠、塑性材料及其他有色金屬十倍到幾十倍;但脆性大、承受沖擊荷載的能力低。因此，在要求耐蝕、耐磨或高溫條件下，當不受沖擊震動時，鑄石是鋼鐵(包括不銹鋼)的理想代用材料，不但可節(jié)約金屬材料、降低成本，而且能有效地提高設備的使用壽命。

鑄石可生產(chǎn)各類平板、異型和特型鑄石板材，長短不一的鑄石直管、異型套管和復合鑄石管，以及鑄石粉和以鑄石粉為主要原料的鑄石復合制品等。鑄石粉是用來調(diào)制耐酸膠泥的粉料。采用鑄石粉調(diào)制的膠泥具有吸水性小、收縮性小、耐腐蝕性高和黏結(jié)力強等特點。

(2)石墨。石墨按照來源不同可分為天然石墨和人造石墨。防腐材料中應用的主要是人造石墨。人造石墨經(jīng)過不透性處理，即通過浸漬、壓型澆注等方法制得的新型結(jié)構(gòu)材料稱為不透性石墨。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，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(jié)構(gòu)材料都穩(wěn)定，不會炸裂破壞。石墨的導熱系數(shù)比碳鋼大兩倍多，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。人造石墨材料的耐腐蝕性能良好，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。

不透性石墨是由人造石墨浸漬酚醛或呋喃樹脂而成的。優(yōu)點是導熱性優(yōu)良、溫差急變性好、易于機械加工、耐腐蝕性好。缺點是機械強度較低、價格較貴。用于制造各種類型的熱交換器、鹽酸合成爐、膜式吸收器、管道、管件、閥門、泵類以及襯里用的磚板等。

(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。硅酸鹽玻璃的化學穩(wěn)定性很高，抗酸性強，組織緊密而不透水，但它若長期在某些介質(zhì)作用下也會受侵蝕。玻璃長時期在溫水或水汽作用下能使硅酸鹽水解，玻璃表面分離出二氧化硅凝膠和苛性堿，使玻璃混濁變色、表面粗糙。硅酸鹽玻璃具有較好的光澤、透明度、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性(石英玻璃使用溫度達1000～1100℃)，其機械強度高(如塊狀玻璃的抗壓強度約為600～1600MPa，玻璃纖維抗拉強度約為1500～4000MPa)、硬度大(莫氏硬度為5.5～6.5)和電絕緣性強，但可溶解于氫氟酸。一般用于制造化學儀器、高級玻璃制品、無堿玻璃纖維和絕緣材料等。

(4)天然耐蝕石料。天然耐蝕石料組成中含Si02的質(zhì)量分數(shù)大于55.0%以上，其含量越高耐酸性能越好。含Mg0、Ca0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Si02雖然很高，由于結(jié)構(gòu)致密也能耐堿侵蝕。如花崗巖強度高、耐久性好，但熱穩(wěn)定性較差;石英巖強度高、耐久性好、硬度高、難于加工;輝綠巖及玄武巖密度高、耐磨性好、脆性大、強度極高、加工較難;石灰?guī)r熱穩(wěn)定性好、硬度較低。

(5)水玻璃耐酸水泥。水玻璃耐酸水泥具有能抵抗大多數(shù)無機酸和有機酸腐蝕的能力，但不耐堿及氫氟酸。水玻璃耐酸水泥是將耐酸填料(如石英巖、熔融輝巖、陶瓷碎片)和硬化劑(如氟硅酸鈉)，按適當配比粉磨后再混合均勻制得的粉狀物料。使用時再用適量的水玻璃溶液攪勻，能在空氣中硬化，具有抵抗大多數(shù)無機酸和有機酸腐蝕的能力。用于硫酸、鹽酸、磷酸(除30℃以上熱磷酸)、醋酸、氯氣、二氧化硫、三氧化硫、蟻酸和草酸等生產(chǎn)設備。

(6)耐酸陶瓷。見下部分，陶瓷材料。

4.陶瓷材料

陶瓷材料主要是以黏土為主要成分的燒結(jié)制品，它具有結(jié)構(gòu)致密、表面平整光潔，耐酸性能良好等特點，工業(yè)中常用的有電器絕緣陶瓷、化工陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷和耐酸陶瓷等。

陶瓷材料是用黏土、石灰石、長石、石英和砂子等原料生產(chǎn)的，所以陶瓷材料也是硅酸鹽材料。陶瓷材料有著許多區(qū)別于其他材料的物理化學性能，如高溫化學穩(wěn)定性(用Al2O3做成的坩堝可在1700℃高溫下不沾污金屬)。Si3N4具有超硬的特點，可用作刀具材料，其硬度是硬質(zhì)合金等切削工具所不及的。有些陶瓷具有極好的耐腐蝕性能，有一些陶瓷還具有能量轉(zhuǎn)換的功能。

陶瓷一般分為普通陶瓷和新型陶瓷兩大類。普通陶瓷包括電器絕緣陶瓷、化工陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷和耐酸陶瓷等，新型陶瓷包括除二氧化硅以外的其他氧化物、碳化物和氮化物。其中，耐酸陶瓷制品具有結(jié)構(gòu)致密、表面平整光潔等特點，其耐酸性能良好、形狀種類繁多(磚、板、罐、管及其他)和使用范圍廣等優(yōu)點，但性脆、抗沖擊能力差、急冷急熱時易開裂。其分類如表1.1.7所示。

耐酸瓷磚、耐酸瓷板具有結(jié)構(gòu)致密、氣孔率低和吸水率較小等優(yōu)點。耐酸陶磚、耐酸陶板和耐酸陶管氣孔率和吸水率較大，強度和耐酸性低于瓷制品，表面較粗糙，主要用于鋪地面、砌溝槽和儲罐及其容器。

習題：熱膨脹系數(shù)很低，導熱性高，耐熱震性能好，高溫強度高，但在高溫下易氧化，不宜在氧化氣氛中使用的是( )。

A、高鋁質(zhì)制品

B、碳質(zhì)制品

C、鎂質(zhì)制品

D、優(yōu)質(zhì)鋁釩土

答案：B

(二)高分子材料

1.高分子材料的基本概念

高分子材料一般分為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。

2.高分子材料的基本性能及特點

(1)質(zhì)輕。密度平均為1.45g/cm3約為鋼的1/5，鋁的1/2。

(2)比強度高。接近或超過鋼材，是一種優(yōu)良的輕質(zhì)高強材料。

(3)有良好的韌性。高分子材料在斷裂前能吸收較大的能量。

(4)減摩、耐磨性好。有些高分子材料在無潤滑和少潤滑的條件下，它們的耐磨、減摩性能是金屬材料無法比擬的。

(5)電絕緣性好。電絕緣性可與陶瓷、橡膠媲美。

(6)耐蝕性?；瘜W穩(wěn)定性好，對一般的酸、堿、鹽及油脂有較好的耐腐蝕性。

(7)導熱系數(shù)小。如泡沫塑料的導熱系數(shù)只有0.02～0.046W/(m· K)，約為金屬的1/1500，是理想的絕熱材料。

(8)易老化。高分子材料在光、空氣、熱及環(huán)境介質(zhì)的作用下，分子結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生逆變，機械性能變差，壽命縮短。

(9)易燃。塑料不僅可燃，而且燃燒時發(fā)煙，產(chǎn)生有毒氣體。

(10)耐熱性。高分子材料的耐熱性是指溫度升高時其性能明顯降低的抵抗能力。主要包括機械性能和化學性能兩方面.而一般多指前者，所以耐熱性實際常用高分子材料開始軟化或變形的溫度來表示。

(11)剛度小。如塑料彈性模量只有鋼材的1/20—1/10，且在長期荷載作用下易產(chǎn)生蠕變。但在塑料中加入纖維增強材料，其強度可大大提高，甚至可超過鋼材。

3.工程中常用高分子材料

(1)塑料。

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。岡而塑料是一種以樹脂為主要成分的多組分材料，但也有少部分塑料制品例外，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)合成樹脂。塑料的應用十分廣泛，按制品的形態(tài)，塑料可分為板材、管材、泡沫塑料、模制品、溶液或乳液。

①樹脂。②填料。③增塑劑。④著色劑。⑤穩(wěn)定劑。

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.工程塑料(ABS)。普h.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

②熱固性塑料。

a.酚醛樹脂(PF)。b.環(huán)氧樹脂(EP)。c.呋喃樹脂。d.不飽和聚酯樹脂(UP)。(2)橡膠。

1)橡膠的分類。橡膠是一種具有良好耐酸、耐堿性的高分子防腐蝕材料，廣泛用于制造輪胎、軟管、板材和棒材及多種零件(如減振、密封單件等)，其品種繁多，性能各異。

通常將橡膠分為天然橡膠和合成橡膠兩大類。

2)工程中常用橡膠制品。

(3)合成纖維。合成纖維的品種繁多，而且新的品種還在不斷開發(fā)出現(xiàn)。但從性能、應用范圍和技術成熟角度來看，目前國內(nèi)外大量開發(fā)的主要有聚酰胺纖維、聚酯胺纖維及聚丙腈纖維三大類，這三類合成纖維的產(chǎn)量占合成纖維總量的90.0%以上。

合成纖維具有密度小、強度高、耐磨和不霉不腐等特點，一般用于高級纜繩、運輸帶以及制作碳纖維和石墨纖維原料等。

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