第十一章 常用非金属材料
Usual Nonmetallic Materials
非金属材料包括除金属材料以外几乎所有的材料, 主要有各类高分
子材料 （ 塑料, 橡胶, 合成纤维, 部分胶粘剂等 ）, 陶瓷材料 （ 各种陶
器, 瓷器, 耐火材料, 玻璃, 水泥及近代无机非金属材料等 ） 和各种复
合材料等 。 本章主要介绍高分子材料, 陶瓷和复合材料 。
工程材料仍然以金属材料为主, 这大概在相当长的时间内不会改变 。
但近年来高分子材料, 陶瓷等非金属材料的急剧发展, 在材料的生产和
使用方面均有重大的进展, 正在越来越多地应用于各类工程中 。 非金属
材料已经不是金属材料的代用品, 而是一类独立使用的材料, 有时甚至
是一种不可取代的材料 。
第一节 高分子材料
Polymers
高分子材料又称为高聚物, 通常, 高聚物根据
机械性能和使用状态可分为橡胶, 塑料, 合成纤维,
胶粘剂和涂料等五类 。 各类高聚物之间并无严格的
界限, 同一高聚物, 采用不同的合成方法和成型工
艺, 可以制成塑料, 也可制成纤维, 比如尼龙就是
如此 。 而象聚氨酯一类的高聚物, 在室温下既有玻
璃态性质, 又有很好的弹性, 所以很难说它是橡胶
还是塑料 。
一, 塑料
按照应用范围, 塑料分为三种 。
? 通用塑料
通用塑料主要包括聚乙烯, 聚氯乙烯, 聚苯乙烯, 聚丙烯, 酚醛塑
料和氨基塑料等六大品种 。 这一类塑料的特点是产量大, 用途广, 价格
低, 它们占塑料总产量的 3/4以上, 大多数用于日常生活用品 。 其中, 以
聚乙烯, 聚氯乙烯, 聚苯乙烯, 聚丙烯这四大品种用途最广泛 。
（ 1） 聚乙烯 （ PE）
生产聚乙烯的原料均来自于石油或天然气, 它是塑料工业产量最大
的品种 。 聚乙烯的相对密度小 （ 0.91～ 0.97）, 耐低温, 电绝缘性能好,
耐蚀性好 。
（ 2） 聚氯乙烯 （ PVC）
聚氯乙烯是最早工业生产的塑料产品之一, 产量仅次于聚乙烯, 广
泛用于工业, 农业和日用制品 。 聚氯乙烯耐化学腐蚀, 不燃烧, 成本低,
加工容易；但它耐热性差冲击强度较低, 还有一定的毒性 。 聚氯乙烯要
用于制作食品和药品的包装, 必须采用共聚和混合的方法改进, 制成无
毒聚氯乙烯产品 。
（ 3）聚苯乙烯（ PS）
聚苯乙烯是三十年代的老产品，目前是产量仅次于前两者的塑料品
种。它有很好的加工性能，其薄膜具有优良的电绝缘性，常用于电器零
件；它的发泡材料相对密度小（ 0.33），有良好的隔音、隔热、防震性
能，广泛应用于仪器的包装和隔音材料。聚苯乙烯易加入各种颜料制成
色彩鲜艳的制品，用来制造玩具和各种日用器皿。
（ 4）聚丙烯（ PP）
聚丙烯工业化生产较晚，但因其原料易得，价格便宜，用途广泛，
所以产量剧增。它的优点是相对密度小，是塑料中最轻的，而它的强度、
刚度、表面硬度都比 PE塑料大；它无毒，耐热性也好，是常用塑料中唯
一能在水中煮沸、经受消毒温度（ 130℃ ）的品种。但聚丙烯的粘合性、
染色性、印刷性均差，低温易脆化，易受热、光作用而变质，且易燃，
收缩大。聚丙烯有优良的综合性能，目前主要用于制造各种机械零件，
如法兰、齿轮、接头、把手、各种化工管道、容器等，它还被广泛用于
制造各种家用电器外壳和药品、食品的包装等。
? 工程塑料
工程塑料是指能作为结构材料在机械设备和工程结构中使用的塑料 。
它们的机械性能较好, 耐热性和耐腐蚀性也比较好, 是当前大力发展的
塑料品种 。 这类塑料主要有：聚酰胺, 聚甲醛, 有机玻璃, 聚碳酸酯,
ABS塑料, 聚苯醚, 聚砜, 氟塑料等 。
（ 1） 聚酰胺 （ PA）
聚酰胺又叫尼龙或锦纶, 是最先发现能承受载荷的热塑性塑料, 在
机械工业中应用比较广泛 。 它的机械强度较高, 耐磨, 自润滑性好, 而
且耐油, 耐蚀, 消音, 减震, 大量用于制造小型零件, 代替有色金属及
其合金 。
（ 2） 聚甲醛 （ POM）
甲醛是没有侧链, 高密度, 高结晶性的线型聚合物, 性能比尼龙好,
但耐候性较差 。 聚甲醛按分子链化学结构不同分为均聚甲醛和共聚甲醛 。
聚甲醛广泛应用于汽车, 机床, 化工, 电器仪表, 农机等 。
（ 3）聚碳酸酯
聚碳酸酯是新型热塑性工程塑料，品种很多，工程上常用的是芳香
族聚碳酸酯，其综合性能很好，近年来发展很快，产量仅次于尼龙。聚
碳酸酯的化学稳定性也很好，能抵抗日光、雨水和气温变化的影响，它
的透明度高，成型收缩率小，制件尺寸精度高，广泛应用于机械、仪表、
电讯、交通、航空、光学照明、医疗器械等方面。如波音 747飞机上就
有 2500个零件用聚碳酸酯制造，其总重量达二吨。
（ 4） ABS塑料
ABS是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种组元所组成，三个单体量可
以任意变化，制成各种品级的树脂。 ABS具有三种组元的共同性能，丙
烯腈使其耐化学腐蚀，有一定的表面硬度，丁二烯使其具有韧性，苯乙
烯使其具有热塑性苏联的加工特性，因此 ABS是具有“坚韧、质硬、刚
性”的材料。 ABS塑料性能好，而且原料易得，价格便宜，所以在机械
加工、电器制造、纺织、汽车、飞机、轮船、化工等工业中得到广泛应
用。
（ 5） 聚苯醚 （ PPO）
聚苯醚是线型, 非结晶的工程塑料, 具有很好的综合性能 。 它的最大特点是
使用温度宽 （ － 190℃ ～ 190℃ ）, 达到热固性塑料的水平；它的耐摩擦磨损性
能和电性能也很好, 还具有卓越的耐水, 蒸汽性能 。 所以聚苯醚主要用作在较高
温度下工作的齿轮, 轴承, 凸轮, 泵叶轮, 鼓风机叶片, 水泵零件, 化工用管道,
阀门以及外科医疗器械等 。
（ 6） 聚砜 （ PSF）
聚砜是分子链中具有硫键的透明树脂, 具有良好的综合性能, 它耐热性, 抗
蠕变性好, 长期使用温度为 150℃ ～ 174℃, 脆化温度为－ 100℃ 。 广泛应用于电
器, 机械设备, 医疗器械, 交通运输等 。
（ 7）聚四氟乙烯（ F－ 4）
聚四氟乙烯是氟塑料中的一种，具有很好的耐高、低温，耐腐蚀等
性能。聚四氟乙烯几乎不受任何化学药品的腐蚀，它的化学稳定性超过
了玻璃、陶瓷、不锈钢，甚至金、铂，俗称“塑料王”。由于聚四氟乙
烯的使用范围广，化学稳定性好，介电性能优良，自润滑和防粘性好，
所以在国防、科研和工业中占有重要地位。
（ 8） 有机玻璃 （ PMMA）
有机玻璃的化学名称是, 聚甲基丙烯酸甲酯, 。 它是目前最好的透
明材料, 透光率达到 92%以上, 比普通玻璃好, 且相对密度小 （ 1.18）,
仅为玻璃的一半 。 有机玻璃有很好的加工性能, 常用来制作飞机的座舱,
弦舱, 电视和雷达标图的屏幕, 汽车风挡, 仪器和设备的防护罩, 仪表
外壳, 光学镜片等 。 有机玻璃的缺点是耐磨性差, 也不耐某些有机溶剂 。
? 特种塑料
具有某些特殊性能, 满足某些特殊要求的塑料 。 这类塑料产量少,
价格贵, 只用于特殊需要的场合, 如医用塑料等 。
二、橡胶
? 橡胶是具有高弹性的轻度交联的线型高聚物，它们在很宽的温度范围内
处于高弹态。一般橡胶在－ 40℃ ～ 80℃ 范围内具有高弹性，某些特种橡
胶在－ 100℃ 的低温和 200℃ 高温下都保持高弹性。橡胶的弹性模数很低，
只有 1MN/m2，在外力作用下变形量可达 100%～ 1000%，外力去除又很
快恢复原状。橡胶有优良的伸缩性，良好的储能能力和耐磨、隔音、绝
缘等性能，广泛用于制作密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等制品。
三, 合成纤维
凡能保持长度比本身直径大 100倍的均匀条状或丝状的高分子材料
称为纤维, 包括有天然纤维和化学纤维 。
涤纶又叫的确良, 高强度, 耐磨, 耐蚀, 易洗快干, 是很好的衣
料 。
尼龙在我国称为锦纶, 强度大, 耐磨性好, 弹性好, 主要缺点是
耐光性差 。
腈纶在国外称为奥纶, 开司米纶, 它柔软, 轻盈, 保暖, 有人造
羊毛之称 。
维纶的原料易得, 成本低, 性能与棉花相似且强度高, 缺点是弹
性较差, 织物易皱 。
丙纶是后起之秀, 发展快, 纤维以轻, 牢, 耐磨著称, 缺点是可
染性差, 日晒易老化 。
氯纶难燃, 保暖, 耐晒, 耐磨, 弹性也好, 由于染色性差, 热收
缩大, 限制了它的使用 。
四, 合成胶粘剂
胶粘剂统称为胶, 它以粘性物质为基础, 并加入各种添加剂组成 。
它可将各种零件, 构件牢固地胶结在一起, 有时可部分代替铆接或焊接
等工艺 。 由于胶粘工艺操作简便, 接头处应力分布均匀, 接头的密封性,
绝缘性和耐蚀性较好, 且可连接各种材料, 所以在工程中应用日益广泛 。
胶粘剂分为天然胶粘剂和合成胶粘剂两种, 浆糊, 虫胶和骨胶等属
于天然胶粘剂, 而环氧树脂, 氯丁橡胶等则属于合成胶粘剂 。 通常, 人
工合成树脂型胶粘剂由粘剂 （ 如酚醛树脂, 聚苯乙烯等 ）, 固化剂, 填
料及各种附加剂 （ 增韧剂, 抗氧剂等 ） 组成 。 根据使用要求选择不同的
配比 。
五, 涂料
涂料就是通常所说的油漆, 这是一种有机高分子胶体的混合溶液,
涂在物体表面上能干结成膜 。 涂料主要有三大基本功能：一是保护功能,
起着避免外力碰伤, 摩擦, 防止腐蚀的作用；二是装饰功能, 起着使制
品表面光亮美观的作用；三是特殊功能, 可作为标志使用, 如管道, 气
瓶和交通标志牌等 。
涂料是由粘接剂, 颜料, 溶剂和其它辅助材料组成 。 其中, 粘接剂
是主要的膜物质, 一般采用合成树脂作粘接剂, 它决定了膜与基体层粘
接的牢固程度；颜料也是涂膜的组成部分, 它不仅使涂料着色, 而且能
提高涂膜的强度, 耐磨性, 耐久性和防锈能力；溶剂是涂料的稀释剂,
其作用是稀释涂料, 以便于施工, 干结后挥发；辅助材料通常有催干剂,
增塑剂, 固化剂, 稳定剂等 。
第二节 无机非金属材料
Inorganic Nonmetallic Material
一、无机非金属材料的分类
无机非金属材料按照成分和结构，主要分为无机玻璃、玻璃陶瓷和
陶瓷材料三大类。无机玻璃与酸性氧化物和碱性氧化物的高粘度的复杂
固体物质，具有无定形结构。玻璃陶瓷又叫玻璃晶体材料，是在无机玻
璃完全或部分结晶的基础上得到的，结构处于玻璃和陶瓷之间。陶瓷材
料是由成型矿物质高温烧制（烧结）的无机物材料。陶瓷材料可分为传
统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷等三种。
二, 传统陶瓷 （ 普通陶瓷 ）
传统陶瓷就是粘土类陶瓷, 它产量大, 应用广 。 大量用于日用陶器, 瓷器,
建筑工业, 电器绝缘材料, 耐蚀要求不很高的化工容器, 管道, 以及机械性能要
求不高的耐磨件, 如纺织工业中的导纺零件等 。 见下表 。
种类名称 原 料 特 性 用 途
日用陶瓷 粘土、石英、长石,
滑石等
具有良好的热稳定性、致密度,
机械强度和硬度
生活瓷器
建筑用瓷 粘土、长石、石英等 具有较好的吸水性、耐腐蚀性,
耐酸性、耐碱性、耐磨性等
铺设地面、输水管
道装置、卫生间等
电 瓷 一般采用粘土、长
石、石英等配制
介电强度高、抗拉、抗弯强度较
好、耐热、耐冷急变性能较好
隔电、机械支撑
件、瓷质绝缘件
过滤陶瓷 以石英砂、河砂等瘠
性原料为骨架，添加
结合剂和增孔剂
具有耐腐蚀、耐高温、强度大不
老化寿命长、不污染、易清洗再
生及操作方便等优点
用于制作多孔 SO2
陶瓷器件，气体,
液体过滤器等
化工陶瓷 粘土、焦宝石（熟料）
滑石、长石等
具有耐酸、碱、腐蚀性，不污染
介质
石油化工、冶炼,
造纸、化纤工业等
三, 特种陶瓷
现代工业要求高性能的制品, 用人工合成的原料, 采用普通陶瓷的工
艺制得的新材料, 称为特种陶瓷 。 它包括氧化物陶瓷, 氮化硅陶瓷, 碳
化硅陶瓷, 氮化硼陶瓷等几种 。
? 氧化铝陶瓷
这是以 Al2O3为主要成分的陶瓷, Al2O3含量大于 46%,也称为高铝
陶瓷 。 Al2O3含量在 90%～ 99.5%时称为刚玉瓷 。 按 Al2O3的成分可分为
75瓷, 85瓷, 96瓷, 99瓷等 。 氧化铝含量越高性能越好 。 氧化铝瓷耐高
温性能很好, 在氧化气氛中可使用到 1950℃ 。 氧化铝瓷的硬度高, 电绝
缘性能好, 耐蚀性和耐磨性也很好 。 可用作高温器皿, 刀具, 内燃机火
花塞, 轴承, 化工用泵, 阀门等 。
? 氮化硅陶瓷
氮化硅是键性很强的共价键化合物, 稳定性极强, 除氢氟酸外, 能耐
各种酸和碱的腐蚀, 也能抵抗熔融有色金属的浸蚀 。 氮化硅的硬度很高,
仅次于金刚石, 立方氮化硼和碳化硼 。 有良好的耐磨性, 摩擦系数小,
只有 0.1～ 0.2,相当于加油的金属表面 。 氮化硅还有自润滑性, 可在润
滑剂的条件下使用, 是一种非常优良的耐磨材料 。 氮化硅的热膨胀系数
小, 有极好的抗温度急变性 。
? 碳化硅陶瓷
碳化硅是用于 1500℃ 以上工作部件的良好结构材料, 如火箭尾喷管
的喷嘴, 浇注金属中的喉嘴以及炉管, 热电偶套管等 。 还可用作高温轴
承, 高温热交换器, 核燃料的包封材料以及各种泵的密封圈等 。
? 氮化硼陶瓷
氮化硼制品的硬度低, 可进行机械加工, 精度为 1/100mm。 氮化硼
可用于制造熔炼半导体的坩埚及冶金用高温容器, 半导体散热绝缘零件,
高温轴承, 热电偶套管及玻璃成型模具等 。
? 氧化锆陶瓷
氧化锆室温下是绝缘体, 到 1000℃ 以上成为导电体, 可用作 1800℃
以上的高温发热体 。 氧化锆陶瓷一般用作钯, 铑等金属的坩埚, 离子导
电材料等 。
? 氧化铍陶瓷
氧化铍可以用作激光管, 晶体管散热片, 集成电路的外壳和基片等 。
但氧化铍的粉末和蒸汽有毒性, 这影响了它的使用 。
? 氧化镁陶瓷
氧化镁陶瓷是典型的碱性耐火材料, 用于冶炼高纯度铁, 铁合金,
铜, 铝, 镁等以及熔化高纯度铀, 钍及其合金 。
第三节 复合材料
Composite Material
? 复合材料是两种或两种以上化学本质不同的组成人工合成的材料 。 其结
构为多相, 一类组成 （ 或相 ） 为基体, 起粘结作用, 另一类为增强相 。
所以复合材料可以认为是一种多相材料, 它的某些性能比各组成相的性
能都好 。
? 我们已经研究过某些复合材料, 那是一些在显微尺度上进行增强的材料 。
贝氏体, 回火马氏体及沉淀硬化 （ 时效硬化 ） 合金都是通过细小颗粒硬
化相的弥散而得到强化的 。 例如, 回火马氏体 （ α相＋碳化物 ） 的抗拉
强度可超过 1400MPa,而单独的铁素体 （ α相 ） 其抗拉强度则低于此值
的 20%。 发生强化的原因就是在于材料中形变相的应变受到刚性相的制
约 。
一, 复合材料的基本类型与组成
复合材料按基体类型可分为金属基复合材料, 高分子基复合材料和
陶瓷基复合材料等三类 。 目前应用最多的是高分子基复合材料和金属基
复合材料 。
复合材料按性能可分为功能复合材料和结构复合材料 。 前者还处于
研制阶段, 已经大量研究和应用的主要是结构复合材料 。
复合材料按增强相的种类和形状可分为颗粒增强复合材料, 纤维增
强复合材料和层状增强复合材料 。 其中, 发展最快, 应用最广的是各种
纤维 （ 玻璃纤维, 碳纤维, 硼纤维, SiC纤维等 ） 增强的复合材料 。
二、复合材料的特点
? 比强度和比模量
许多近代动力设备和结构，不但要求强度高，而且要求重量轻。设
计这些结构时遇到的关键问题是所谓平方－立方关系，即结构强度和刚
度随线尺寸的平方（横截面积）而增加，而重量随线尺寸的立方而增加。
这就要求使用比强度（强度 /比重）和比模量（弹性模量 /比重）高的材料。
复合材料的比强度和比模量都比较大，例如碳纤维和环氧树脂组成的复
合材料，其比强度是钢的七倍，比模量比钢大三倍。
? 耐疲劳性能
复合材料中基体和增强纤维间的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩
展。疲劳破坏在复合材料中总是从承载能力比较薄弱的纤维处开始的，
然后逐渐扩展到结合面上，所以复合材料的疲劳极限比较高。例如碳纤
维－聚酯树脂复合材料的疲劳极限是拉伸强度的 70%～ 80%，而金属材
料的疲劳极限只有强度极限值的 40%～ 50%。
? 减震性能
许多机器, 设备的振动问题十分突出 。 结构的自振频率除与结构本
身的质量, 形状有关外, 还与材料的比模量的平方根成正比 。 材料的比
模量越大, 则其自振频率越高, 可避免在工作状态下产生共振及由此引
起的早期破坏 。 此外, 即使结构已产生振动, 由于复合材料的阻尼特性
好 （ 纤维与基体的界面吸振能力强 ）, 振动也会很快衰减 。
? 耐高温性能
由于各种增强纤维一般在高温下仍可保持高的强度, 所以用它们增
强的复合材料的高温强度和弹性模量均较高, 特别是金属基复合材料 。
例如 7075-76铝合金, 在 400℃ 时, 弹性模量接近于零, 强度值也从室温
时的 500MPa降至 30MPa～ 50MPa。 而碳纤维或硼纤维增强组成的复合
材料, 在 400℃ 时, 强度和弹性模量可保持接近室温下的水平 。 碳纤维
增强的镍基合金也有类似的情况 。
? 断裂安全性
纤维增强复合材料是力学上典型的静不定体系，在每平方厘米截面上，
有几千至几万根增强纤维（直径一般为 10μ～ 100μ），当其中一部分受
载荷作用断裂后，应力迅速重新分布，载荷由未断裂的纤维承担起来，
所以断裂安全性好。
? 其它性能特点
许多复合材料都有良好的化学稳定性、隔热性、烧蚀性以及特殊的电、
光、磁等性能。
复合材料进一步推广使用的主要问题是，断裂伸长小，抗冲击性能尚
不够理想，生产工艺方法中手工操作多，难以自动化生产，间断式生产
周期长，效率低，加工出的产品质量不够稳定等。
增强纤维的价格很高，使复合材料的成本比其它工程材料高得多。虽
然复合材料利用率比金属高（约 80%），但在一般机器和设备上使用仍
然是不够经济的。
上述缺陷的改善，将会大大地推动复合材料的发展和应用。
四, 纤维增强材料
? 玻璃纤维
玻璃纤维有较高的强度, 相对密度小, 化学稳定性高, 耐热性好,
价格低 。 缺点是脆性较大, 耐磨性差, 纤维表面光滑而不易与其它物质
结合 。
玻璃纤维可制成长纤维和短纤维, 也可以织成布, 制成毡 。
? 碳纤维与石墨纤维
有机纤维在惰性气体中, 经高温碳化可以制成碳纤维和石墨纤维 。
在 2000℃ 以下制得碳纤维, 再经 2500℃ 以上处理得石墨纤维 。
碳纤维的相对密度小, 弹性模量高, 而且在 2500℃ 无氧气氛中也不
降低 。
石墨纤维的耐热性和导电性比碳纤维高, 并具有自润滑性 。
? 硼纤维
硼纤维是用化学沉积的方法将非晶态硼涂覆到钨和碳丝上面制得的 。
硼纤维强度高, 弹性模量大, 耐高温性能好 。 在现代航空结构材料中,
硼纤维的弹性模量绝对值最高, 但硼纤维的相对密度大, 延伸率差, 价
格昂贵 。
? SiC纤维
SiC纤维是一种高熔点, 高强度, 高弹性模量的陶瓷纤维 。 它可以
用化学沉积法及有机硅聚合物纺丝烧结法制造 SiC连续纤维 。 SiC纤维的
突出优点是具有优良的高温强度 。
? 晶须
晶须是直径只有几微米的针状单晶体, 是一种新型的高强度材料 。
晶须包括金属晶须和陶瓷晶须 。 金属晶须中可批量生产的是铁晶须,
其最大特点是可在磁场中取向, 可以很容易地制取定向纤维增强复合材
料 。 陶瓷晶须比金属晶须强度高, 相对密度低, 弹性模量高, 耐热性好 。
? 其它纤维
天然纤维和高分子合成纤维也可作增强材料, 但性能较差 。 美国杜
邦公司开发了一种叫做 Kevlar（ 芳纶 ） 的新型有机纤维, 其弹性模量和
强度都较高, 通常用作高强度复合材料的增强纤维 。 Kevlar纤维刚性大,
其弹性模量为钢丝的 5倍, 密度只有钢丝的 1/5～ 1/6,比碳纤维轻 15%，
比玻璃纤维轻 45%。 Kevlar纤维的强度高于碳纤维和经过拉伸的钢丝,
热膨胀系数低, 具有高的疲劳抗力, 良好的耐热性, 而且其价格低于碳
纤维, 是一种很有发展前途的增强纤维 。
五, 玻璃纤维增强塑料
玻璃纤维增强塑料通常称为, 玻璃钢, 。 由于其成本低, 工艺简单,
所以目前是应用最广泛的复合材料 。 它的基体可以是热塑性塑料, 如尼
龙, 聚碳酸酯, 聚丙烯等；也可以是热固性塑料, 如环氧树脂, 酚醛树
脂, 有机硅树脂等 。
玻璃钢可制造汽车, 火车, 拖拉机地车身及其它配件, 也可应用于
机械工业的各种零件, 玻璃钢在造船工业中应用也越来越广泛, 如玻璃
钢制造的船体耐海水腐蚀性好, 制造的深水潜艇, 比钢壳的潜艇潜水深
80%。 玻璃钢的耐酸, 碱腐蚀性能好, 在石油化工工业中可制造各种罐,
管道, 泵, 阀门, 贮槽等 。 玻璃钢还是很好的电绝缘材料, 可制造电机
零件和各种电器 。
Usual Nonmetallic Materials
非金属材料包括除金属材料以外几乎所有的材料, 主要有各类高分
子材料 （ 塑料, 橡胶, 合成纤维, 部分胶粘剂等 ）, 陶瓷材料 （ 各种陶
器, 瓷器, 耐火材料, 玻璃, 水泥及近代无机非金属材料等 ） 和各种复
合材料等 。 本章主要介绍高分子材料, 陶瓷和复合材料 。
工程材料仍然以金属材料为主, 这大概在相当长的时间内不会改变 。
但近年来高分子材料, 陶瓷等非金属材料的急剧发展, 在材料的生产和
使用方面均有重大的进展, 正在越来越多地应用于各类工程中 。 非金属
材料已经不是金属材料的代用品, 而是一类独立使用的材料, 有时甚至
是一种不可取代的材料 。
第一节 高分子材料
Polymers
高分子材料又称为高聚物, 通常, 高聚物根据
机械性能和使用状态可分为橡胶, 塑料, 合成纤维,
胶粘剂和涂料等五类 。 各类高聚物之间并无严格的
界限, 同一高聚物, 采用不同的合成方法和成型工
艺, 可以制成塑料, 也可制成纤维, 比如尼龙就是
如此 。 而象聚氨酯一类的高聚物, 在室温下既有玻
璃态性质, 又有很好的弹性, 所以很难说它是橡胶
还是塑料 。
一, 塑料
按照应用范围, 塑料分为三种 。
? 通用塑料
通用塑料主要包括聚乙烯, 聚氯乙烯, 聚苯乙烯, 聚丙烯, 酚醛塑
料和氨基塑料等六大品种 。 这一类塑料的特点是产量大, 用途广, 价格
低, 它们占塑料总产量的 3/4以上, 大多数用于日常生活用品 。 其中, 以
聚乙烯, 聚氯乙烯, 聚苯乙烯, 聚丙烯这四大品种用途最广泛 。
（ 1） 聚乙烯 （ PE）
生产聚乙烯的原料均来自于石油或天然气, 它是塑料工业产量最大
的品种 。 聚乙烯的相对密度小 （ 0.91～ 0.97）, 耐低温, 电绝缘性能好,
耐蚀性好 。
（ 2） 聚氯乙烯 （ PVC）
聚氯乙烯是最早工业生产的塑料产品之一, 产量仅次于聚乙烯, 广
泛用于工业, 农业和日用制品 。 聚氯乙烯耐化学腐蚀, 不燃烧, 成本低,
加工容易；但它耐热性差冲击强度较低, 还有一定的毒性 。 聚氯乙烯要
用于制作食品和药品的包装, 必须采用共聚和混合的方法改进, 制成无
毒聚氯乙烯产品 。
（ 3）聚苯乙烯（ PS）
聚苯乙烯是三十年代的老产品，目前是产量仅次于前两者的塑料品
种。它有很好的加工性能，其薄膜具有优良的电绝缘性，常用于电器零
件；它的发泡材料相对密度小（ 0.33），有良好的隔音、隔热、防震性
能，广泛应用于仪器的包装和隔音材料。聚苯乙烯易加入各种颜料制成
色彩鲜艳的制品，用来制造玩具和各种日用器皿。
（ 4）聚丙烯（ PP）
聚丙烯工业化生产较晚，但因其原料易得，价格便宜，用途广泛，
所以产量剧增。它的优点是相对密度小，是塑料中最轻的，而它的强度、
刚度、表面硬度都比 PE塑料大；它无毒，耐热性也好，是常用塑料中唯
一能在水中煮沸、经受消毒温度（ 130℃ ）的品种。但聚丙烯的粘合性、
染色性、印刷性均差，低温易脆化，易受热、光作用而变质，且易燃，
收缩大。聚丙烯有优良的综合性能，目前主要用于制造各种机械零件，
如法兰、齿轮、接头、把手、各种化工管道、容器等，它还被广泛用于
制造各种家用电器外壳和药品、食品的包装等。
? 工程塑料
工程塑料是指能作为结构材料在机械设备和工程结构中使用的塑料 。
它们的机械性能较好, 耐热性和耐腐蚀性也比较好, 是当前大力发展的
塑料品种 。 这类塑料主要有：聚酰胺, 聚甲醛, 有机玻璃, 聚碳酸酯,
ABS塑料, 聚苯醚, 聚砜, 氟塑料等 。
（ 1） 聚酰胺 （ PA）
聚酰胺又叫尼龙或锦纶, 是最先发现能承受载荷的热塑性塑料, 在
机械工业中应用比较广泛 。 它的机械强度较高, 耐磨, 自润滑性好, 而
且耐油, 耐蚀, 消音, 减震, 大量用于制造小型零件, 代替有色金属及
其合金 。
（ 2） 聚甲醛 （ POM）
甲醛是没有侧链, 高密度, 高结晶性的线型聚合物, 性能比尼龙好,
但耐候性较差 。 聚甲醛按分子链化学结构不同分为均聚甲醛和共聚甲醛 。
聚甲醛广泛应用于汽车, 机床, 化工, 电器仪表, 农机等 。
（ 3）聚碳酸酯
聚碳酸酯是新型热塑性工程塑料，品种很多，工程上常用的是芳香
族聚碳酸酯，其综合性能很好，近年来发展很快，产量仅次于尼龙。聚
碳酸酯的化学稳定性也很好，能抵抗日光、雨水和气温变化的影响，它
的透明度高，成型收缩率小，制件尺寸精度高，广泛应用于机械、仪表、
电讯、交通、航空、光学照明、医疗器械等方面。如波音 747飞机上就
有 2500个零件用聚碳酸酯制造，其总重量达二吨。
（ 4） ABS塑料
ABS是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种组元所组成，三个单体量可
以任意变化，制成各种品级的树脂。 ABS具有三种组元的共同性能，丙
烯腈使其耐化学腐蚀，有一定的表面硬度，丁二烯使其具有韧性，苯乙
烯使其具有热塑性苏联的加工特性，因此 ABS是具有“坚韧、质硬、刚
性”的材料。 ABS塑料性能好，而且原料易得，价格便宜，所以在机械
加工、电器制造、纺织、汽车、飞机、轮船、化工等工业中得到广泛应
用。
（ 5） 聚苯醚 （ PPO）
聚苯醚是线型, 非结晶的工程塑料, 具有很好的综合性能 。 它的最大特点是
使用温度宽 （ － 190℃ ～ 190℃ ）, 达到热固性塑料的水平；它的耐摩擦磨损性
能和电性能也很好, 还具有卓越的耐水, 蒸汽性能 。 所以聚苯醚主要用作在较高
温度下工作的齿轮, 轴承, 凸轮, 泵叶轮, 鼓风机叶片, 水泵零件, 化工用管道,
阀门以及外科医疗器械等 。
（ 6） 聚砜 （ PSF）
聚砜是分子链中具有硫键的透明树脂, 具有良好的综合性能, 它耐热性, 抗
蠕变性好, 长期使用温度为 150℃ ～ 174℃, 脆化温度为－ 100℃ 。 广泛应用于电
器, 机械设备, 医疗器械, 交通运输等 。
（ 7）聚四氟乙烯（ F－ 4）
聚四氟乙烯是氟塑料中的一种，具有很好的耐高、低温，耐腐蚀等
性能。聚四氟乙烯几乎不受任何化学药品的腐蚀，它的化学稳定性超过
了玻璃、陶瓷、不锈钢，甚至金、铂，俗称“塑料王”。由于聚四氟乙
烯的使用范围广，化学稳定性好，介电性能优良，自润滑和防粘性好，
所以在国防、科研和工业中占有重要地位。
（ 8） 有机玻璃 （ PMMA）
有机玻璃的化学名称是, 聚甲基丙烯酸甲酯, 。 它是目前最好的透
明材料, 透光率达到 92%以上, 比普通玻璃好, 且相对密度小 （ 1.18）,
仅为玻璃的一半 。 有机玻璃有很好的加工性能, 常用来制作飞机的座舱,
弦舱, 电视和雷达标图的屏幕, 汽车风挡, 仪器和设备的防护罩, 仪表
外壳, 光学镜片等 。 有机玻璃的缺点是耐磨性差, 也不耐某些有机溶剂 。
? 特种塑料
具有某些特殊性能, 满足某些特殊要求的塑料 。 这类塑料产量少,
价格贵, 只用于特殊需要的场合, 如医用塑料等 。
二、橡胶
? 橡胶是具有高弹性的轻度交联的线型高聚物，它们在很宽的温度范围内
处于高弹态。一般橡胶在－ 40℃ ～ 80℃ 范围内具有高弹性，某些特种橡
胶在－ 100℃ 的低温和 200℃ 高温下都保持高弹性。橡胶的弹性模数很低，
只有 1MN/m2，在外力作用下变形量可达 100%～ 1000%，外力去除又很
快恢复原状。橡胶有优良的伸缩性，良好的储能能力和耐磨、隔音、绝
缘等性能，广泛用于制作密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等制品。
三, 合成纤维
凡能保持长度比本身直径大 100倍的均匀条状或丝状的高分子材料
称为纤维, 包括有天然纤维和化学纤维 。
涤纶又叫的确良, 高强度, 耐磨, 耐蚀, 易洗快干, 是很好的衣
料 。
尼龙在我国称为锦纶, 强度大, 耐磨性好, 弹性好, 主要缺点是
耐光性差 。
腈纶在国外称为奥纶, 开司米纶, 它柔软, 轻盈, 保暖, 有人造
羊毛之称 。
维纶的原料易得, 成本低, 性能与棉花相似且强度高, 缺点是弹
性较差, 织物易皱 。
丙纶是后起之秀, 发展快, 纤维以轻, 牢, 耐磨著称, 缺点是可
染性差, 日晒易老化 。
氯纶难燃, 保暖, 耐晒, 耐磨, 弹性也好, 由于染色性差, 热收
缩大, 限制了它的使用 。
四, 合成胶粘剂
胶粘剂统称为胶, 它以粘性物质为基础, 并加入各种添加剂组成 。
它可将各种零件, 构件牢固地胶结在一起, 有时可部分代替铆接或焊接
等工艺 。 由于胶粘工艺操作简便, 接头处应力分布均匀, 接头的密封性,
绝缘性和耐蚀性较好, 且可连接各种材料, 所以在工程中应用日益广泛 。
胶粘剂分为天然胶粘剂和合成胶粘剂两种, 浆糊, 虫胶和骨胶等属
于天然胶粘剂, 而环氧树脂, 氯丁橡胶等则属于合成胶粘剂 。 通常, 人
工合成树脂型胶粘剂由粘剂 （ 如酚醛树脂, 聚苯乙烯等 ）, 固化剂, 填
料及各种附加剂 （ 增韧剂, 抗氧剂等 ） 组成 。 根据使用要求选择不同的
配比 。
五, 涂料
涂料就是通常所说的油漆, 这是一种有机高分子胶体的混合溶液,
涂在物体表面上能干结成膜 。 涂料主要有三大基本功能：一是保护功能,
起着避免外力碰伤, 摩擦, 防止腐蚀的作用；二是装饰功能, 起着使制
品表面光亮美观的作用；三是特殊功能, 可作为标志使用, 如管道, 气
瓶和交通标志牌等 。
涂料是由粘接剂, 颜料, 溶剂和其它辅助材料组成 。 其中, 粘接剂
是主要的膜物质, 一般采用合成树脂作粘接剂, 它决定了膜与基体层粘
接的牢固程度；颜料也是涂膜的组成部分, 它不仅使涂料着色, 而且能
提高涂膜的强度, 耐磨性, 耐久性和防锈能力；溶剂是涂料的稀释剂,
其作用是稀释涂料, 以便于施工, 干结后挥发；辅助材料通常有催干剂,
增塑剂, 固化剂, 稳定剂等 。
第二节 无机非金属材料
Inorganic Nonmetallic Material
一、无机非金属材料的分类
无机非金属材料按照成分和结构，主要分为无机玻璃、玻璃陶瓷和
陶瓷材料三大类。无机玻璃与酸性氧化物和碱性氧化物的高粘度的复杂
固体物质，具有无定形结构。玻璃陶瓷又叫玻璃晶体材料，是在无机玻
璃完全或部分结晶的基础上得到的，结构处于玻璃和陶瓷之间。陶瓷材
料是由成型矿物质高温烧制（烧结）的无机物材料。陶瓷材料可分为传
统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷等三种。
二, 传统陶瓷 （ 普通陶瓷 ）
传统陶瓷就是粘土类陶瓷, 它产量大, 应用广 。 大量用于日用陶器, 瓷器,
建筑工业, 电器绝缘材料, 耐蚀要求不很高的化工容器, 管道, 以及机械性能要
求不高的耐磨件, 如纺织工业中的导纺零件等 。 见下表 。
种类名称 原 料 特 性 用 途
日用陶瓷 粘土、石英、长石,
滑石等
具有良好的热稳定性、致密度,
机械强度和硬度
生活瓷器
建筑用瓷 粘土、长石、石英等 具有较好的吸水性、耐腐蚀性,
耐酸性、耐碱性、耐磨性等
铺设地面、输水管
道装置、卫生间等
电 瓷 一般采用粘土、长
石、石英等配制
介电强度高、抗拉、抗弯强度较
好、耐热、耐冷急变性能较好
隔电、机械支撑
件、瓷质绝缘件
过滤陶瓷 以石英砂、河砂等瘠
性原料为骨架，添加
结合剂和增孔剂
具有耐腐蚀、耐高温、强度大不
老化寿命长、不污染、易清洗再
生及操作方便等优点
用于制作多孔 SO2
陶瓷器件，气体,
液体过滤器等
化工陶瓷 粘土、焦宝石（熟料）
滑石、长石等
具有耐酸、碱、腐蚀性，不污染
介质
石油化工、冶炼,
造纸、化纤工业等
三, 特种陶瓷
现代工业要求高性能的制品, 用人工合成的原料, 采用普通陶瓷的工
艺制得的新材料, 称为特种陶瓷 。 它包括氧化物陶瓷, 氮化硅陶瓷, 碳
化硅陶瓷, 氮化硼陶瓷等几种 。
? 氧化铝陶瓷
这是以 Al2O3为主要成分的陶瓷, Al2O3含量大于 46%,也称为高铝
陶瓷 。 Al2O3含量在 90%～ 99.5%时称为刚玉瓷 。 按 Al2O3的成分可分为
75瓷, 85瓷, 96瓷, 99瓷等 。 氧化铝含量越高性能越好 。 氧化铝瓷耐高
温性能很好, 在氧化气氛中可使用到 1950℃ 。 氧化铝瓷的硬度高, 电绝
缘性能好, 耐蚀性和耐磨性也很好 。 可用作高温器皿, 刀具, 内燃机火
花塞, 轴承, 化工用泵, 阀门等 。
? 氮化硅陶瓷
氮化硅是键性很强的共价键化合物, 稳定性极强, 除氢氟酸外, 能耐
各种酸和碱的腐蚀, 也能抵抗熔融有色金属的浸蚀 。 氮化硅的硬度很高,
仅次于金刚石, 立方氮化硼和碳化硼 。 有良好的耐磨性, 摩擦系数小,
只有 0.1～ 0.2,相当于加油的金属表面 。 氮化硅还有自润滑性, 可在润
滑剂的条件下使用, 是一种非常优良的耐磨材料 。 氮化硅的热膨胀系数
小, 有极好的抗温度急变性 。
? 碳化硅陶瓷
碳化硅是用于 1500℃ 以上工作部件的良好结构材料, 如火箭尾喷管
的喷嘴, 浇注金属中的喉嘴以及炉管, 热电偶套管等 。 还可用作高温轴
承, 高温热交换器, 核燃料的包封材料以及各种泵的密封圈等 。
? 氮化硼陶瓷
氮化硼制品的硬度低, 可进行机械加工, 精度为 1/100mm。 氮化硼
可用于制造熔炼半导体的坩埚及冶金用高温容器, 半导体散热绝缘零件,
高温轴承, 热电偶套管及玻璃成型模具等 。
? 氧化锆陶瓷
氧化锆室温下是绝缘体, 到 1000℃ 以上成为导电体, 可用作 1800℃
以上的高温发热体 。 氧化锆陶瓷一般用作钯, 铑等金属的坩埚, 离子导
电材料等 。
? 氧化铍陶瓷
氧化铍可以用作激光管, 晶体管散热片, 集成电路的外壳和基片等 。
但氧化铍的粉末和蒸汽有毒性, 这影响了它的使用 。
? 氧化镁陶瓷
氧化镁陶瓷是典型的碱性耐火材料, 用于冶炼高纯度铁, 铁合金,
铜, 铝, 镁等以及熔化高纯度铀, 钍及其合金 。
第三节 复合材料
Composite Material
? 复合材料是两种或两种以上化学本质不同的组成人工合成的材料 。 其结
构为多相, 一类组成 （ 或相 ） 为基体, 起粘结作用, 另一类为增强相 。
所以复合材料可以认为是一种多相材料, 它的某些性能比各组成相的性
能都好 。
? 我们已经研究过某些复合材料, 那是一些在显微尺度上进行增强的材料 。
贝氏体, 回火马氏体及沉淀硬化 （ 时效硬化 ） 合金都是通过细小颗粒硬
化相的弥散而得到强化的 。 例如, 回火马氏体 （ α相＋碳化物 ） 的抗拉
强度可超过 1400MPa,而单独的铁素体 （ α相 ） 其抗拉强度则低于此值
的 20%。 发生强化的原因就是在于材料中形变相的应变受到刚性相的制
约 。
一, 复合材料的基本类型与组成
复合材料按基体类型可分为金属基复合材料, 高分子基复合材料和
陶瓷基复合材料等三类 。 目前应用最多的是高分子基复合材料和金属基
复合材料 。
复合材料按性能可分为功能复合材料和结构复合材料 。 前者还处于
研制阶段, 已经大量研究和应用的主要是结构复合材料 。
复合材料按增强相的种类和形状可分为颗粒增强复合材料, 纤维增
强复合材料和层状增强复合材料 。 其中, 发展最快, 应用最广的是各种
纤维 （ 玻璃纤维, 碳纤维, 硼纤维, SiC纤维等 ） 增强的复合材料 。
二、复合材料的特点
? 比强度和比模量
许多近代动力设备和结构，不但要求强度高，而且要求重量轻。设
计这些结构时遇到的关键问题是所谓平方－立方关系，即结构强度和刚
度随线尺寸的平方（横截面积）而增加，而重量随线尺寸的立方而增加。
这就要求使用比强度（强度 /比重）和比模量（弹性模量 /比重）高的材料。
复合材料的比强度和比模量都比较大，例如碳纤维和环氧树脂组成的复
合材料，其比强度是钢的七倍，比模量比钢大三倍。
? 耐疲劳性能
复合材料中基体和增强纤维间的界面能够有效地阻止疲劳裂纹的扩
展。疲劳破坏在复合材料中总是从承载能力比较薄弱的纤维处开始的，
然后逐渐扩展到结合面上，所以复合材料的疲劳极限比较高。例如碳纤
维－聚酯树脂复合材料的疲劳极限是拉伸强度的 70%～ 80%，而金属材
料的疲劳极限只有强度极限值的 40%～ 50%。
? 减震性能
许多机器, 设备的振动问题十分突出 。 结构的自振频率除与结构本
身的质量, 形状有关外, 还与材料的比模量的平方根成正比 。 材料的比
模量越大, 则其自振频率越高, 可避免在工作状态下产生共振及由此引
起的早期破坏 。 此外, 即使结构已产生振动, 由于复合材料的阻尼特性
好 （ 纤维与基体的界面吸振能力强 ）, 振动也会很快衰减 。
? 耐高温性能
由于各种增强纤维一般在高温下仍可保持高的强度, 所以用它们增
强的复合材料的高温强度和弹性模量均较高, 特别是金属基复合材料 。
例如 7075-76铝合金, 在 400℃ 时, 弹性模量接近于零, 强度值也从室温
时的 500MPa降至 30MPa～ 50MPa。 而碳纤维或硼纤维增强组成的复合
材料, 在 400℃ 时, 强度和弹性模量可保持接近室温下的水平 。 碳纤维
增强的镍基合金也有类似的情况 。
? 断裂安全性
纤维增强复合材料是力学上典型的静不定体系，在每平方厘米截面上，
有几千至几万根增强纤维（直径一般为 10μ～ 100μ），当其中一部分受
载荷作用断裂后，应力迅速重新分布，载荷由未断裂的纤维承担起来，
所以断裂安全性好。
? 其它性能特点
许多复合材料都有良好的化学稳定性、隔热性、烧蚀性以及特殊的电、
光、磁等性能。
复合材料进一步推广使用的主要问题是，断裂伸长小，抗冲击性能尚
不够理想，生产工艺方法中手工操作多，难以自动化生产，间断式生产
周期长，效率低，加工出的产品质量不够稳定等。
增强纤维的价格很高，使复合材料的成本比其它工程材料高得多。虽
然复合材料利用率比金属高（约 80%），但在一般机器和设备上使用仍
然是不够经济的。
上述缺陷的改善，将会大大地推动复合材料的发展和应用。
四, 纤维增强材料
? 玻璃纤维
玻璃纤维有较高的强度, 相对密度小, 化学稳定性高, 耐热性好,
价格低 。 缺点是脆性较大, 耐磨性差, 纤维表面光滑而不易与其它物质
结合 。
玻璃纤维可制成长纤维和短纤维, 也可以织成布, 制成毡 。
? 碳纤维与石墨纤维
有机纤维在惰性气体中, 经高温碳化可以制成碳纤维和石墨纤维 。
在 2000℃ 以下制得碳纤维, 再经 2500℃ 以上处理得石墨纤维 。
碳纤维的相对密度小, 弹性模量高, 而且在 2500℃ 无氧气氛中也不
降低 。
石墨纤维的耐热性和导电性比碳纤维高, 并具有自润滑性 。
? 硼纤维
硼纤维是用化学沉积的方法将非晶态硼涂覆到钨和碳丝上面制得的 。
硼纤维强度高, 弹性模量大, 耐高温性能好 。 在现代航空结构材料中,
硼纤维的弹性模量绝对值最高, 但硼纤维的相对密度大, 延伸率差, 价
格昂贵 。
? SiC纤维
SiC纤维是一种高熔点, 高强度, 高弹性模量的陶瓷纤维 。 它可以
用化学沉积法及有机硅聚合物纺丝烧结法制造 SiC连续纤维 。 SiC纤维的
突出优点是具有优良的高温强度 。
? 晶须
晶须是直径只有几微米的针状单晶体, 是一种新型的高强度材料 。
晶须包括金属晶须和陶瓷晶须 。 金属晶须中可批量生产的是铁晶须,
其最大特点是可在磁场中取向, 可以很容易地制取定向纤维增强复合材
料 。 陶瓷晶须比金属晶须强度高, 相对密度低, 弹性模量高, 耐热性好 。
? 其它纤维
天然纤维和高分子合成纤维也可作增强材料, 但性能较差 。 美国杜
邦公司开发了一种叫做 Kevlar（ 芳纶 ） 的新型有机纤维, 其弹性模量和
强度都较高, 通常用作高强度复合材料的增强纤维 。 Kevlar纤维刚性大,
其弹性模量为钢丝的 5倍, 密度只有钢丝的 1/5～ 1/6,比碳纤维轻 15%，
比玻璃纤维轻 45%。 Kevlar纤维的强度高于碳纤维和经过拉伸的钢丝,
热膨胀系数低, 具有高的疲劳抗力, 良好的耐热性, 而且其价格低于碳
纤维, 是一种很有发展前途的增强纤维 。
五, 玻璃纤维增强塑料
玻璃纤维增强塑料通常称为, 玻璃钢, 。 由于其成本低, 工艺简单,
所以目前是应用最广泛的复合材料 。 它的基体可以是热塑性塑料, 如尼
龙, 聚碳酸酯, 聚丙烯等；也可以是热固性塑料, 如环氧树脂, 酚醛树
脂, 有机硅树脂等 。
玻璃钢可制造汽车, 火车, 拖拉机地车身及其它配件, 也可应用于
机械工业的各种零件, 玻璃钢在造船工业中应用也越来越广泛, 如玻璃
钢制造的船体耐海水腐蚀性好, 制造的深水潜艇, 比钢壳的潜艇潜水深
80%。 玻璃钢的耐酸, 碱腐蚀性能好, 在石油化工工业中可制造各种罐,
管道, 泵, 阀门, 贮槽等 。 玻璃钢还是很好的电绝缘材料, 可制造电机
零件和各种电器 。
