第9章 非金属材料
目的和要求：本章讲授的非金属材料主要有高分子材料（聚合物）、陶瓷和复合材料三种，
他们的组成不同、性能不同、用途也不同。非金属材料的理论基础和基本知识与金属材料不同：他们一般不是晶体，不会有结晶过程；他们密度小、重量轻，耐腐蚀、成形性好。除此之外，非金属材料种类很多，每种又有特定的用途。本章应当采取措施针对性地予以讲授。
重点和难点：以热塑性和热固性塑料为代表的高分子材料是机械工业应用很多、非常重要的
非金属材料，因而就是本章的学习重点；高分子材料的基本知识和理论基础则是本章的学习难点。
学时的分配：6学时。
1非金属材料的种类
高分子材料（塑料、橡胶、合成纤维等）、陶瓷材料（普通陶瓷、工程陶瓷、玻璃等）、复合材料。
2高分子材料
高分子材料：以高分子化合物为主要组成部分的材料。也称为聚合物或者高聚物。
低分子化合物：相对分子质量小于500的化合物。
高分子化合物：相对分子质量大于500的化合物。实际上，人们所说的高分子化合物，其分子质量在1000～1，000，000之间。由相同的单体重复连接而成，如聚乙烯。
高分子化合物主要含C、H、O、N等元素，所以密度小，约0.9～2g/cm3。 单体：可以聚合成大分子链的、至少能形成2个及其以上新键的低分子化合物。
链节：大分子中重复的结构单元。 表9-2给出了常见的单体、链节和聚合物。
聚合度：一个大分子链中，链节的重复次数。用n来表示。显然，聚合度越高，分子链的链节数越多，分子也就越大。
注意，工程上的高分子材料由大量大分子链集聚而成，大分子链的长短不一。组成聚合物的大量大分子链具有统计分布规律，其分子质量叫做相对分子质量。
相对分子质量大越大，聚合物的粘度越大、流动性差、成型温度范围窄，但强度硬度越高。
碳是组成高分子链的主要元素，碳的四个共价键呈对称的三维棱锥形态。 碳原子链：高分子化合物中，由碳原子组成的、长的骨架。也称之为碳链。 高分子链的几何形状有：线形、支链形、交联形（体形或网形）。
线形和支链形分子结构的聚合物，表现为良好的可塑性和高弹性、一定的可溶性、重复加热/冷却的软化/硬化性，因而称做热塑性聚合物。如聚乙烯、聚丙烯、涤纶、尼龙、生橡胶等。
体形分子结构的聚合物，加热时不产生塑性，称为热固性聚合物。如酚醛树脂、环氧树脂、硫化橡胶等。
晶体：聚合物中分子链规则排列的部分，就称为晶体，不规则的则称为非晶体。
结晶度：聚合物中晶体所占的百分数（质量分数或体积分数）。一般结晶型高聚物的结晶度在30～80%之间。
3高聚物的四个温度和三种状态
图9-5 线型无定形高聚物的温度-形变曲线
玻璃态：温度低于Tg时，非晶态高分子聚合物表现出的、象玻璃一样的非晶态固体的这种物理状态。有一定刚度、只能发生微量弹性变形（普弹形变）。
高弹态：温度在Tg～Tf之间，高聚物表现出的物理状态。能发生较大可逆形变（高弹形变）是其重要特征。
粘流态：当温度高于Tf时，高聚物成为粘流熔体的这种物理状态。可以通过喷丝、吹塑、挤压、模铸等方法进行加工，应力、温度、冷却方式和模具形状影响组织和性能。
塑料：室温下处于玻璃态的高聚物。 橡胶：常温下处于高弹态的高聚物。
4高分子材料的反应
第一，聚合反应 将低分子化合物（单体）结合成高分子化合物的过程。有加聚反应和缩聚反应两种。前者是将不饱和键打开、重新一个一个连接聚合成大分子链。后者是结合是析出水、氨、甲醇等低分子物质聚合成大分子链。
第二，交联反应 使高分子从线形结构转变为体形结构的这种变化。有官能
团交联反应和辐射交联反应两种。
第三，裂解反应 在各种外界因素作用下，高聚物发生链的断裂，使相对分子质量下降的反应。
第四，老化 长期使用过程中，高分子材料受到各种因素作用、结构组成发生变化，从而失去弹性、出现龟裂、变硬变脆、发粘软化等现象。
5高分子材料的成形
热塑性聚合物：挤出成形、注射成形、吹塑成形。 热固性聚合物：压塑成形、压注成形等。
6常用高分子材料--塑料
塑料：以天然或合成高分子化合物为主要原料，在一定温度和压力下塑制成形的、具有良好可塑性的高分子材料。
塑料的组成：合成（或天然）树脂+添加剂。
添加剂主要有增塑剂、稳定剂（防老剂）、填充剂（填料）等。还有固化剂、润滑剂、着色剂、发泡剂、阻燃剂等，视情况加入。
塑料按树脂的性质分成热塑性塑料和热固性塑料两大类。还可按应用范围分成通用塑料、工程塑料和特种塑料。
7常用的热塑性塑料
2005年中国PE产量达到1024万吨，PVC为880万吨，PP为823万吨 第一，聚乙烯（PE，polyethylene）
热塑性通用塑料，产量最大，有高压、中压和低压PE三种。
优点：原料来源丰富，价格低廉。低压PE的相对分子质量高、结晶度高、密度大，耐磨、耐蚀，电绝缘性好，质地坚硬。高压PE的分子质量低、结晶度低、密度小，质地软。
缺点：容易发生环境应力开裂现象。
应用：低压PE用于制作管道、阀门、高频绝缘材料（使用温度100℃）等。高压PE用来制作薄膜、软管（使用温度80℃）。
PE-HD
典型应用范围： 电冰箱容器、存储容器、家用厨具、密封盖等。
注塑模工艺条件：干燥除水。熔化温度220～260C，模具温度50～95C；注射压力700~1050bar，建议使用高速注射。
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化学和物理特性： 密度为0.91～0.925g/cm（第一类PE-HD）、0.926～0.94g/cm，（第
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二类PE-HD）或0.94～0.965g/cm（第三类PE-HD）。PE-HD的高结晶度导致了它的高密度、抗拉强度、化学稳定性，抗渗透性好，但抗冲击强度较低。PH-HD的特性主要由密度和分子量分布所控制。适用于注塑模的PE-HD分子量分布很窄。很容易发生环境应力开裂现象。可以通过使用很低流动特性的材料以减小内部应力，从而减轻开裂现象。
PE-LD 低密度聚乙烯
典型应用范围：碗，箱柜，管道联接器
注塑模工艺条件：一般不需要干燥。熔化温度180～280C，模具温度20～40C，注射压力最大可到1500bar，保压压力最大可到750bar，建议使用快速注射速度。
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化学和物理特性：商用PE-LD的密度为0.91～0.94g/cm。对气体和水蒸汽具有渗透性，热膨胀系数很高不适合于加工长期使用的制品，容易发生环境应力开裂现象。
第二，聚氯乙烯（ PVC，polyvinyl chloride）
热塑性通用塑料，产量很大，有硬质、软质和发炮PVC三种。
优点：化学稳定性高、绝缘性好、阻燃耐磨、消声减震、成本低廉、加工容易。
缺点：耐热性差、冲击强度低、有一定毒性。
应用：硬质PVC常用于代替不锈钢，制作化工设备、耐蚀容器、（贮槽、管道、风机外壳）等；软质PVC加入30～40%增塑剂，制作耐酸碱软管、电线包皮或绝缘层、薄膜等；发泡PVC加入发泡剂，用于隔音、隔热、防震包装等。
PVC
典型应用范围：供水管道，家用管道，房屋墙板，商用机器壳体，电子产品包装，医疗器械，食品包装等。
注塑模工艺条件：通常不需要干燥处理。熔化温度185~205C，模具温度20~50C。注射压力可大到1500bar，保压压力可大到1000bar。为避免材料降解，一般要用相当地的注射速度。
化学和物理特性：一种非结晶性材料，在实际使用中经常加入稳定剂、润滑剂、辅助加工剂、色料、抗冲击剂及其它添加剂。不易燃、高强度、耐气侯变化性，优良的几何尺寸稳定性。PVC对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力。它能被浓氧化酸（如浓硫酸、浓硝酸）所腐蚀，并且也不适用与芳香烃、氯化烃接触的场合。PVC在加工时熔化温度是一个非常重要的工艺参数，如果此参数不当将导致材料分解的问题。PVC的流动特性相当差，其工艺范围很窄。特别是大分子量的PVC材料更难于加工（这种材料通常要加入润滑剂改善流动特性），因此通常使用的都是小分子量的PVC材料。PVC的收缩率相当低，一般为0.2~0.6%。
第三，聚酰胺（PA，polyamide）
热塑性工程塑料，俗称尼龙（有PA6、PA12和PA66），是最早发现能承受负荷的塑料，在机械工业中广泛应用。
优点：一定的强度、良好的韧性、摩擦系数低、良好的自润滑性、较好的耐蚀性。
缺点：热稳定性差、有一定吸水性（影响制件尺寸精度和强度）。 应用：耐磨的机械零件如齿轮、蜗轮、轴承等。使用温度100℃。
PA6（尼龙6）
典型应用范围：由于有很好的机械强度和刚度被广泛用于结构部件。有很好的耐磨损特性，还用于制造轴承。
注塑模工艺条件：很容易吸收水分因此加工前要特别注意干燥。熔化温度230~280C，
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