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非金属材料

非金属材料也是重要的工程材料。它包括无机非金属材料和高分子材料。无机非金属材料包括耐火材料、耐火隔热材料、耐蚀(酸)非金属材料和陶瓷材料等;高分子材料包括橡胶、塑料和合成纤维等。

(一)无机非金属材料

1.耐火材料

耐火材料是指能承受高温作用而不易损坏的材料，它是炼钢、炼铁及其他冶炼炉和锅炉内衬的基础材料之一。常用的耐火材料有耐火砌体材料、耐火水泥及耐火混凝土。

(1)耐火砌体材料。按材质高低分为普通耐火材料和特种耐火材料;按材料密度分为重质耐火材料和轻质耐火材料，按耐火材料的主要化学特性分为酸性、中性和碱性。

(2)耐火水泥及耐火混凝土。低钙铝酸盐耐火水泥是用优质铝矾土和石灰石，按一定比例配合经烧结、磨细制成。低钙铝酸盐水泥与耐火砖细块掺和，可制成耐火混凝土，用于某些高温窑炉和加热炉的内衬;也可与轻质耐火砖细块掺和制成耐火隔热材料，或与石棉掺和制成石棉耐火水泥制品。

耐火混凝土与普通耐火砖比较，具有施丁简便、价廉和炉衬整体密封性强等优点，但强度较低。按照胶结料的不同，耐火混凝土分为水硬性耐火混凝土、火硬性耐火混凝土和气硬性耐火混凝土;按照密度的高低，可分为重质耐火混凝土和轻质耐火混凝土。

2.耐热保沮和绝热材料

(1)耐热保温材料。耐热保温材料，又称为耐火隔热材料。它是各种工业用炉的重要筑炉材料。常用的隔热材料有硅藻土、蛭石、玻璃纤维(又称矿渣棉)、石棉，以及它们的制品如板、管、砖等。

(2)绝热材料。绝热材料一般是轻质、疏松、多孔的纤维状材料，它既包括保温材料，也包括保冷材料。

3.耐蚀(酸)非金属材料

耐蚀(酸)非金属材料的主要成分是金属氧化物、氧化硅和硅酸盐等，它们的耐蚀性能高于金属材料(包括耐酸钢和耐蚀合金)，还具有良好的耐磨性和耐热性能，但是脆性大、承受冲击和震动能力差，抗拉强度低。在某些情况下它们是不锈钢和耐蚀合金的理想代用品，用于制造受力小、不受冲击及震动、使用温度不高或温度变化不剧烈的容器。常用的非金属耐蚀材料有铸石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等。

(1)铸石。铸石是以辉绿岩、玄武岩、页岩等天然岩石为主要原料，经熔化、浇注、结晶、退火而成的一种硅酸盐结晶材料。铸石具有极优良的耐磨性、耐化学腐蚀性、绝缘性及较高的抗压性能。其耐磨性能比钢铁高十几倍至几十倍。在各类酸碱设备中的应用效果，高于不锈钢、橡胶、塑性材料及其他有色金属十倍到几十倍;但脆性大、承受冲击荷载的能力低。因此，在要求耐蚀、耐磨或高温条件下，当不受冲击震动时，铸石是钢铁(包括不锈钢)的理想代用材料，不但可节约金属材料、降低成本，而且能有效地提高设备的使用寿命。

铸石可生产各类平板、异型和特型铸石板材，长短不一的铸石直管、异型套管和复合铸石管，以及铸石粉和以铸石粉为主要原料的铸石复合制品等。铸石粉是用来调制耐酸胶泥的粉料。采用铸石粉调制的胶泥具有吸水性小、收缩性小、耐腐蚀性高和黏结力强等特点。

(2)石墨。石墨按照来源不同可分为天然石墨和人造石墨。防腐材料中应用的主要是人造石墨。人造石墨经过不透性处理，即通过浸渍、压型浇注等方法制得的新型结构材料称为不透性石墨。它不仅具有高度的化学稳定性，还具有极高的导热性能。

石墨材料具有高熔点(3700℃)，在高温下有高的机械强度。当温度增加时，石墨的强度随之提高。石墨在3000℃以下具有还原性，在中性介质中有很好的热稳定性，在急剧改变温度的条件下，石墨比其他结构材料都稳定，不会炸裂破坏。石墨的导热系数比碳钢大两倍多，所以石墨材料常用来制造传热设备。

石墨具有良好的化学稳定性。人造石墨材料的耐腐蚀性能良好，除了强氧化性的酸(如硝酸、铬酸、发烟硫酸和卤素)之外，在所有的化学介质中都很稳定，甚至在熔融的碱中也很稳定。

不透性石墨是由人造石墨浸渍酚醛或呋喃树脂而成的。优点是导热性优良、温差急变性好、易于机械加工、耐腐蚀性好。缺点是机械强度较低、价格较贵。用于制造各种类型的热交换器、盐酸合成炉、膜式吸收器、管道、管件、阀门、泵类以及衬里用的砖板等。

(3)玻璃。按形成玻璃的氧化物可分为硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃和铝酸盐玻璃等，其中硅酸盐玻璃是应用最为广泛的玻璃品种。硅酸盐玻璃的化学稳定性很高，抗酸性强，组织紧密而不透水，但它若长期在某些介质作用下也会受侵蚀。玻璃长时期在温水或水汽作用下能使硅酸盐水解，玻璃表面分离出二氧化硅凝胶和苛性碱，使玻璃混浊变色、表面粗糙。硅酸盐玻璃具有较好的光泽、透明度、化学稳定性和热稳定性(石英玻璃使用温度达1000～1100℃)，其机械强度高(如块状玻璃的抗压强度约为600～1600MPa，玻璃纤维抗拉强度约为1500～4000MPa)、硬度大(莫氏硬度为5.5～6.5)和电绝缘性强，但可溶解于氢氟酸。一般用于制造化学仪器、高级玻璃制品、无碱玻璃纤维和绝缘材料等。

(4)天然耐蚀石料。天然耐蚀石料组成中含Si02的质量分数大于55.0%以上，其含量越高耐酸性能越好。含Mg0、Ca0的质量分数在50.0%以上的石料，有较好的或好的耐碱性能，但不耐酸侵蚀。而某些耐酸石料含Si02虽然很高，由于结构致密也能耐碱侵蚀。如花岗岩强度高、耐久性好，但热稳定性较差;石英岩强度高、耐久性好、硬度高、难于加工;辉绿岩及玄武岩密度高、耐磨性好、脆性大、强度极高、加工较难;石灰岩热稳定性好、硬度较低。

(5)水玻璃耐酸水泥。水玻璃耐酸水泥具有能抵抗大多数无机酸和有机酸腐蚀的能力，但不耐碱及氢氟酸。水玻璃耐酸水泥是将耐酸填料(如石英岩、熔融辉岩、陶瓷碎片)和硬化剂(如氟硅酸钠)，按适当配比粉磨后再混合均匀制得的粉状物料。使用时再用适量的水玻璃溶液搅匀，能在空气中硬化，具有抵抗大多数无机酸和有机酸腐蚀的能力。用于硫酸、盐酸、磷酸(除30℃以上热磷酸)、醋酸、氯气、二氧化硫、三氧化硫、蚁酸和草酸等生产设备。

(6)耐酸陶瓷。见下部分，陶瓷材料。

4.陶瓷材料

陶瓷材料主要是以黏土为主要成分的烧结制品，它具有结构致密、表面平整光洁，耐酸性能良好等特点，工业中常用的有电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、结构陶瓷和耐酸陶瓷等。

陶瓷材料是用黏土、石灰石、长石、石英和砂子等原料生产的，所以陶瓷材料也是硅酸盐材料。陶瓷材料有着许多区别于其他材料的物理化学性能，如高温化学稳定性(用Al2O3做成的坩埚可在1700℃高温下不沾污金属)。Si3N4具有超硬的特点，可用作刀具材料，其硬度是硬质合金等切削工具所不及的。有些陶瓷具有极好的耐腐蚀性能，有一些陶瓷还具有能量转换的功能。

陶瓷一般分为普通陶瓷和新型陶瓷两大类。普通陶瓷包括电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、结构陶瓷和耐酸陶瓷等，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，耐酸陶瓷制品具有结构致密、表面平整光洁等特点，其耐酸性能良好、形状种类繁多(砖、板、罐、管及其他)和使用范围广等优点，但性脆、抗冲击能力差、急冷急热时易开裂。其分类如表1.1.7所示。

耐酸瓷砖、耐酸瓷板具有结构致密、气孔率低和吸水率较小等优点。耐酸陶砖、耐酸陶板和耐酸陶管气孔率和吸水率较大，强度和耐酸性低于瓷制品，表面较粗糙，主要用于铺地面、砌沟槽和储罐及其容器。

习题：热膨胀系数很低，导热性高，耐热震性能好，高温强度高，但在高温下易氧化，不宜在氧化气氛中使用的是( )。

A、高铝质制品

B、碳质制品

C、镁质制品

D、优质铝钒土

答案：B

(二)高分子材料

1.高分子材料的基本概念

高分子材料一般分为天然和人工合成两大类。天然高分子材料有蚕丝、羊毛、纤维素和橡胶以及存在于生物组织中的淀粉和蛋白质等。工程上的高分子材料主要是人工合成的各种有机材料。通常根据机械性能和使用状态将其分为塑料、橡胶和合成纤维三大类。

2.高分子材料的基本性能及特点

(1)质轻。密度平均为1.45g/cm3约为钢的1/5，铝的1/2。

(2)比强度高。接近或超过钢材，是一种优良的轻质高强材料。

(3)有良好的韧性。高分子材料在断裂前能吸收较大的能量。

(4)减摩、耐磨性好。有些高分子材料在无润滑和少润滑的条件下，它们的耐磨、减摩性能是金属材料无法比拟的。

(5)电绝缘性好。电绝缘性可与陶瓷、橡胶媲美。

(6)耐蚀性。化学稳定性好，对一般的酸、碱、盐及油脂有较好的耐腐蚀性。

(7)导热系数小。如泡沫塑料的导热系数只有0.02～0.046W/(m· K)，约为金属的1/1500，是理想的绝热材料。

(8)易老化。高分子材料在光、空气、热及环境介质的作用下，分子结构会产生逆变，机械性能变差，寿命缩短。

(9)易燃。塑料不仅可燃，而且燃烧时发烟，产生有毒气体。

(10)耐热性。高分子材料的耐热性是指温度升高时其性能明显降低的抵抗能力。主要包括机械性能和化学性能两方面.而一般多指前者，所以耐热性实际常用高分子材料开始软化或变形的温度来表示。

(11)刚度小。如塑料弹性模量只有钢材的1/20—1/10，且在长期荷载作用下易产生蠕变。但在塑料中加入纤维增强材料，其强度可大大提高，甚至可超过钢材。

3.工程中常用高分子材料

(1)塑料。

1)塑料的组成。常用的塑料制品都是以合成树脂为基本材料，再按一定比例加入填料、增塑剂、着色剂和稳定剂等材料，经混炼、塑化，并在一定压力和温度下制成的。冈而塑料是一种以树脂为主要成分的多组分材料，但也有少部分塑料制品例外，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)合成树脂。塑料的应用十分广泛，按制品的形态，塑料可分为板材、管材、泡沫塑料、模制品、溶液或乳液。

①树脂。②填料。③增塑剂。④着色剂。⑤稳定剂。

2)工程中常用塑料制品。

①热塑性塑料。

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-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热固性塑料。

a.酚醛树脂(PF)。b.环氧树脂(EP)。c.呋喃树脂。d.不饱和聚酯树脂(UP)。(2)橡胶。

1)橡胶的分类。橡胶是一种具有良好耐酸、耐碱性的高分子防腐蚀材料，广泛用于制造轮胎、软管、板材和棒材及多种零件(如减振、密封单件等)，其品种繁多，性能各异。

通常将橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两大类。

2)工程中常用橡胶制品。

(3)合成纤维。合成纤维的品种繁多，而且新的品种还在不断开发出现。但从性能、应用范围和技术成熟角度来看，目前国内外大量开发的主要有聚酰胺纤维、聚酯胺纤维及聚丙腈纤维三大类，这三类合成纤维的产量占合成纤维总量的90.0%以上。

合成纤维具有密度小、强度高、耐磨和不霉不腐等特点，一般用于高级缆绳、运输带以及制作碳纤维和石墨纤维原料等。

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