机械制造工程_4.2常用工程非金属材料(图文教程)

第二节 常用工程非金属材料

非金属材料是相对于金属材料而言的

，一般无金属光泽，是热和电的不良导体，并以非晶态存在。非金属材料分为两大类：无机非金属材料和有机非金属材料。无机非金属材料有玻璃、陶瓷、石棉、云母、水泥等，不易燃烧、耐热性好、组成稳定、脆性较大。有机非金属材料有塑料、橡胶、纤维素、石油制品等，多数能燃烧，高温时分解，受日光和大气长期作用后易发生老化。在机械制造中，工程塑料、橡胶和陶瓷是使用较多的三种非金属材料，下面就这三种材料的组成、性能和应用作简单阐述。

一、工程塑料

在日常生活中使用的塑料一般被称为普通塑料，工程塑料则是具有类似金属的综合性能、可制作机器结构零部件或工程结构的塑料。

（一）工程塑料的组成

工程塑料的成分包括：合成树脂、填充剂、稳定剂、增塑剂、染料和固化剂等。

1． 合成树脂

合成树脂是一种分子量很大的高分子化合物，是塑料中的主要成分，具有成形性，并对塑料的使用性能起决定作用。

2． 填充剂

主要是铁粉、铝粉、二硫化钼、云母粉、石棉粉、木屑等，添加目的是为了改善塑料的性能和降低成本，如加入石棉粉可提高塑料的耐热性能，加入云母粉可提高塑料的绝缘性能，加入二硫化钼可以提高塑料的自润滑性能。

3． 增塑剂

增塑剂主要是增加塑料的可塑性和柔软性，降低脆性。

4． 固化剂（硬化剂）

固化剂主要是改变塑料的分子结构，使塑料制品成形变硬。

塑料的组成除了上面几种之外，还有染料、防老化剂、发泡剂等，可根据塑料制品的性能要求选择加入。

（二）工程塑料的性能

与金属材料相比，塑料具有质软、比强度高、绝缘、耐腐蚀、减磨、消声、吸震、自润滑等优点，另外，透光性、绝缘性也为一般金属所不及；缺点是，强度低、耐热性差、膨胀系数大、易老化等。

（三）常用工程塑料简介

常用工程塑料按树脂受热时的行为可分为两类：热塑性塑料（受热时变软，冷却时固化，而且可以重复出现）和热固性塑料（受热硬化后不软化），下面介绍几种主要的工程塑料。

1. 热塑性塑料

聚酰胺（代号PA） 其商业名称为尼龙或锦纶，是目前机械制造工程中应用较广的一种工程塑料。它具有突出的耐磨性和自润滑性能；良好的机械性能，即韧性很好，强度较高；耐蚀性好；抗霉、无毒；成形性能好。其缺点是，耐热性不高、导热性较差、吸水率较高和成形收缩率大。根据以上特点，尼龙在机械工业上可用于制造要求耐磨、耐蚀的某些承载和传动零件。例如，轴承、齿轮、螺钉等。

ABS塑料 ABS塑料是一种三元聚合物，A表示丙烯腈，B表示丁二烯，S表示苯乙烯。这种塑料坚韧、质硬、刚性好、耐热、尺寸稳定性好、耐蚀、易于加工成形，且通过调整三组元的比例可以改善某种性能以满足使用要求。ABS塑料广泛用于制造电话机、电视机外壳、汽车方向盘、仪表盘、化工容器管道以及耐磨的传动件。

有机玻璃（代号PMMA） 学名叫聚甲基丙烯酸甲酯。它具有良好的透光性、比重轻、强度高、熔点低、易于加工成形的特点，但易吸水、绝缘性差、硬度低、易溶于有机溶剂。有机玻璃广泛用于航空、汽车、仪表、光学等工业中，制作飞机座舱、风挡、舷窗、电视及雷达的屏幕、仪表护罩、光学元件等。

聚四氟乙烯（代号F-4） 俗称塑料王，具有非常优良的耐高、低温性能，几乎能耐所有化学药品的腐蚀，不吸水，绝缘性能优良，摩擦系数小，但热胀冷缩程度较大、熔融后粘度高，不易加工成形。在工业中主要用于制造耐磨绝缘件、密封件等。

2. 热固性塑料

酚醛塑料（代号PF） 它是由酚醛树脂加填料组成，俗称电木，具有较高的强度、刚性、耐热性、绝缘性和耐蚀性。它的成形工艺简单，价格低廉，广泛用于制作各种电讯器材和电木制品，如插头、开关、电话机壳、仪表盒等，也可用于制作齿轮、皮带轮、化工用耐酸泵、垫圈等。

环氧树脂塑料（代

号EP） 它是由环氧树脂加入多种固化剂后形成的一种聚合物。它最大的特点是粘结性能良好，可用于粘结金属、塑料、玻璃、陶瓷等，有“万能胶”之称。
二、橡胶
    橡胶是以生胶（有天然和合成两种）为基础，加入适量配合剂所组成的高分子弹性体材料。它具有高弹性和蓄能作用，成为常用的弹性材料，橡胶按用途可分为普通橡胶和特殊橡胶两类。
（一）橡胶的组成
橡胶的成分包括：生胶、硫化剂、软化剂、补强剂等。
1. 生胶 是橡胶的主要成分，对橡胶的性能起决定性作用。
2. 硫化剂 使线型结构的橡胶分子相互交联成网型结构，以提高橡胶的弹性和强度。
3. 软化剂 主要是增加橡胶的塑性，降低硬度。
4. 补强剂 用于提高橡胶的强度、耐磨性。
橡胶的组成除了以上几种外，还有硫化促进剂、填充剂、防老化剂、着色剂等。
（二）橡胶的性能
橡胶具有机械强度高（通常分子链交联越多，分子量越大、强度越高）、耐磨性、耐蚀性、绝缘性好等特征，但最突出的特点是具有高弹性。
（三）常用橡胶简介
1． 丁苯橡胶
丁苯橡胶是目前合成橡胶中产量最大、应用最广的一类，约占80%，可用于橡胶通用制品以及胶板、胶布、轮胎的生产。
2． 氯丁橡胶
俗称“万能橡胶”，具有较好的耐油性、耐磨性、耐热性、耐燃性及耐老化性，常用于管道、胶带、防毒面具、电缆外皮、粘合剂以及轮胎的生产。
3． 丁腈橡胶
丁腈橡胶具有突出的耐油性，但电绝缘性差，常用于耐油制品，如接触油类密封垫圈、输油管、贮油箱、耐油减震制品的生产。
4． 氯橡胶
具有较好的耐腐蚀性，对日光、臭氧和气候作用十分稳定，但耐寒性差。常用于飞机整体油箱、耐高温油封、密封材料、超真空的圆形圈等制品的生产。
三、陶瓷
陶瓷是一种无机非金属材料，是由天然的或人工合成的无机粉状化合物构成的。陶瓷可分为普通陶瓷和特种陶瓷（如氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等）两类。
（一）陶瓷的组成
陶瓷材料的显微组织非常复杂且不均匀，通常认为由晶体相、玻璃相和气相三部分组成。
1. 晶体相
晶体相是陶瓷的主要组成相。陶瓷材料的晶体相往往不只一个，而是多相多晶体，主要晶体相决定着陶瓷材料的性能。
2. 玻璃相
玻璃相填充了晶体相间的空隙，提高了材料的致密度，并使陶瓷材料获得了一定程度的玻璃特性。
3. 气相
气相是出于工艺方面的原因，在陶瓷材料中不可避免地残存下来的相，气相将降低陶瓷材料的强度，除多孔陶瓷外都必须严格加以限制。
（二）陶瓷的性能
陶瓷材料具有很好的刚度和硬度，但强度较低、韧性很差。陶瓷材料的耐热性能好，是传统的耐高温材料，并且绝缘性、抗蚀性很强。
（三）常用陶瓷简介
普通陶瓷 即粘土类陶瓷，除日用陶瓷件生产外，工业上主要用于绝缘的电瓷件、耐酸碱的化学瓷件以及要求较低的结构零件的生产。
氧化铝陶瓷 所含玻璃相、气相极少，硬度高，抗蚀性及介电性能好，耐高温，但脆性大，不宜承受温度的剧烈变化。主要用于制造热电偶绝缘套、内燃机火花塞、拉丝模、切削刀具等。
氮化硅陶瓷 化学稳定性好、硬度高、抗热震性强、强度较高，可用于制作燃气轮机转子叶片、水泵密封环、阀门、热电偶套以及高温轴承材料。
氮化硼陶瓷 摩擦系数很低，具有自润滑性，有“白石墨”之称，是典型的绝缘材料和优良的导热体。氮化硼陶瓷用于制造冶炼用的坩锅、器皿、管道、半导体容器以及各种散热绝缘体、玻璃制品模具等。