非金属材料及其性能概述

1.高分子材料

高分子化合物是相对分子质量大于5 000 的有机化合物的总称，也叫聚合物或高聚物。机车车辆中主要应用的是人工合成有机高分子聚合物，简称高聚物，此类材料主要包括塑料、橡胶、胶黏剂等。

（1）高分子材料的分类

1）按用途，可分为塑料、橡胶、纤维、胶黏剂和涂料等。

2）按聚合物反应类型，可分为加聚物和缩聚物。

3）按聚合物的热行为，可分为热塑性聚合物和热固性聚合物。

4）按主链上的化学组成，可分为碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物。

（2）高分子材料的命名

高分子材料的命名，常用的有以专用名称命名，如纤维素、蛋白质、淀粉等；有许多是商品名称，如有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）、尼龙（聚酰胺）等。对于加聚物，通常在其单体原料名称前加一个“聚”字即为高聚物名称，如聚乙烯、聚氯乙烯；对缩聚物，则在单体名称后加“树脂”或“橡胶”两字，如酚醛树脂、丁苯橡胶。此外，还有以英文字母表示的，如ABS 等。

在当前机械工业中，塑料是应用最广泛的高分子材料。

（3）高分子材料的应用

高分子材料可用作结构材料，电绝缘材料，耐腐蚀材料，减摩、耐磨、自润滑材料，密封材料，胶黏材料及各种功能材料。

塑料不仅可用于制作各种日用品，还可用于制作各种机械零件、容器、管道、仪器仪表、电子通信中各种功能器件；橡胶除广泛用于车辆轮胎外，也是高压软管、减振弹性零件、动静密封件的理想材料；胶黏剂可胶接种类不同、厚薄不一、大小不同的材料及制品；涂料广泛应用于结构物与机械装备的防腐蚀及外观装饰上；有机纤维柔韧性好、单向强度高，广泛应用于绳索、网布和复合材料中；高分子功能材料广泛用于制造光传导、光致变色、导电、导磁、声电和压电换能元器件。

2.常用工程塑料

（1）塑料的组成

1）合成树脂。合成树脂即人工合成线型高聚物，是塑料的主要成分（占40%～100%），对塑料的性能起着决定性作用，故绝大多数塑料以树脂的名称命名。合成树脂受热时呈软化或熔融状态，因而塑料具有良好的成形能力。

2）添加剂。添加剂是为改善塑料的使用性能或成形工艺性能而加入的其他辅助组分，其主要组成包括：

①填充剂。主要起增强作用，还可使塑料具有所要求的性能。

②增塑剂。为提高塑料的柔软性和可成形性而加入的物质，主要是一些低熔点的低分子有机化合物。

③固化剂。将固化剂加入某些树脂中可使线型分子链间产生交联，从而由线型结构变成体型结构，固化成刚硬的塑料。

④防老化剂。其作用是提高树脂在受热、光、氧等作用时的稳定性。此外，还有为防止塑料在成形过程中粘在模具上并使塑料表面光亮、美观而加入的润滑剂，为使塑料具有美丽的色彩加入的染料等着色剂，以及发泡剂、抗静点剂、阻燃剂等。总之，根据不同的塑料品种和性能要求，可加入不同的添加剂。

（2）塑料的分类

1）按使用范围可分为通用塑料和工程塑料和特种塑料3 大类。

①通用塑料。通用塑料产量大、用途广、价格和强度较低，目前主要有聚乙烯、聚丙烯聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料，它们约占塑料产量的75%以上，广泛用于日常生活用品、包装材料，以及一般小型机械零件。

②工程塑料。工程塑料可作为结构材料，常见的品种有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯醚、ABS、聚砜、聚四氟乙烯、有机玻璃、环氧树脂等。这类塑料具有较强的强度（σb＝60～100 MPa），弹性模量、韧性、耐磨性、耐蚀和耐热性较好，故在汽车、机械、化工等部门用来制造机械零件及工程结构。

③特种塑料。特种塑料是指具有某些特殊性能的塑料，如耐高温、耐腐蚀的塑料，这类塑料产量少、价格贵，只用于特殊需要的场合。

2）按树脂的热性能可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。

①热塑性塑料通常为线型结构，能溶于有机溶剂。这类塑料强度较高，遇热软化或熔融，冷却后又变硬，成形工艺性能良好，可反复成形、再生使用，典型品种有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺（尼龙）、有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）等。但其耐热性与刚度较差。

②热固性塑料。通常为网状结构，固化后重复加热不再软化和熔融，亦不溶于有机溶剂，不能再成形使用，常用的有酚醛塑料、环氧树脂塑料等。这类塑料具有较高的耐热性与刚性，但脆性大，不能反复成形与再生使用，广泛用于制作各种电信器材和电木制品（如插座、开关等）及耐热绝缘部件。

（3）塑料的性能特点

与金属材料相比，塑料的性能有以下特点。

1）密度小、比强度高。塑料的密度为0.9～2.2 g／cm3，只有钢铁材料的1／8～1／4、铝的1／2。泡沫塑料的密度约为0.01 g／cm3，这对减轻产品自重具有重要意义。由于密度低，故比强度（单位质量的强度）高。

2）化学稳定性好。塑料能耐大气、水、酸、碱、有机溶液等的腐蚀。聚四氟乙烯能耐“王水”腐蚀。

3）电绝缘性好。多数塑料都有很好的电绝缘性，可与陶瓷、橡胶等绝缘材料相媲美。

4）减摩、耐磨性好。塑料的硬度比金属低，多数塑料的摩擦系数小。另外有些塑料（如聚四氯乙烯、尼龙等）本身就有自润滑能力。

5）消声和隔热性好。

6）成形加工性好。大多数塑料都可直接采用注射或挤出工艺成形，方法简单，生产效率高。

7）耐热性低。塑料的不足之处是耐热性差，多数塑料只能在100 ℃左右使用，少数塑料可在200 ℃左右使用；塑料在室温下受载荷后容易产生蠕变现象，载荷过大时甚至会发生蠕变断裂；易燃烧、易老化（因光、热、载荷、水、酸、碱、氧等长期作用，使塑料变硬、变脆、开裂等现象，称为老化）；导热性差，为金属的1／200～1／600；热膨胀系数大，为金属的3～10 倍。

（4）塑料在机车车辆上的应用

在机车车辆上塑料主要应用于结构件和内外装饰件以及软装饰件。目前许多通用塑料、工程塑料及其增强塑料都能在不同程度上代替钢、铜、不锈钢、铝合金等材料。其中，又以聚丙烯、聚氯乙烯、ABS 等最为常用。

工程塑料的品种很多，常见工程塑料的性能和用途如表1－2 所示。

表1-2　常见工程塑料的性能和用途

续表

3.橡胶材料

（1）工业橡胶的组成

橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合剂而制成的高分子材料。

1）生胶。生胶是指未加配合剂的天然胶或合成胶，它也是将配合剂和骨架材料粘成一体的胶黏剂。

2）配合剂。配合剂是指为改善和提高橡胶制品性能而加入的物质，如硫化剂、活性剂、软化剂、填充剂、防老化剂和着色剂等。常用硫黄作硫化剂，经硫化处理后可提高橡胶制品的弹性、强度、耐磨性、耐蚀性和抗老化能力。软化剂可增强橡胶塑性，改善黏附力，降低硬度和提高耐寒性。填充剂可提高橡胶强度，减少生胶用量，降低成本和改善工艺性。防老化剂可在橡胶表面形成稳定的氧化膜以抵抗氧化作用，防止和延缓橡胶发黏、变脆和性能变坏等老化现象。为减少橡胶制品的变形，提高其承载能力，可在橡胶内加入骨架材料。

3）骨架材料。由于橡胶的弹性大，在外力作用下极易发生变形，因此很多橡胶制品都必须用纺织材料或金属材料作骨架材料，以增大制品的强度和抗变形能力。常用的骨架材料有金属丝、纤维织物等。

（2）橡胶材料的性能特点

橡胶是在室温下处于高弹态的高分子材料，最大的特性是高弹性，其弹性模量很低，弹性变形量很大，在较小的外力作用下能产生很大的弹性变形（如伸长、压缩和弯曲等），去掉外力后能在非常短的时间内恢复到原来的形状；可吸收一部分机械能，并将其转变为热能。此外，橡胶还具有良好的耐蚀性、耐磨性、隔声性（橡胶越软、越厚，隔声性能越好）、绝缘性和足够的强度。

橡胶件的硬度是决定橡胶制品抵抗剪切、拉伸压缩变形能力的关键，橡胶件的剪切模量与橡胶的品种、成本以及胶质无关。橡胶材料在光、热作用下产生的主要缺陷是老化。

（3）常用橡胶材料

按原料来源不同，橡胶分为天然橡胶和合成橡胶；根据应用范围的宽窄，分为通用橡胶和特种橡胶。合成橡胶是用石油、天然气、煤和农副产品为原料制成的。

1）天然橡胶。天然橡胶可从近五百种不同的植物中获得，但主要是从热带植物三叶橡胶树中取得。天然橡胶广泛用于制造轮胎，还可用于制造胶带、胶管、制动皮碗，以及不要求耐油和耐热的垫圈、衬垫、胶鞋等。

2）合成橡胶。合成橡胶是人工合成的类似天然橡胶的高分子弹性体。合成橡胶的种类很多，主要有丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶和乙丙橡胶等，应用最广泛的是丁苯橡胶和顺丁橡胶等。

①丁苯橡胶。丁苯橡胶简称SBR，是丁二烯和苯乙烯的共聚物，是一种综合性能较好的通用橡胶。丁苯橡胶是浅黄色的弹性体，略有苯乙烯气味。丁苯橡胶的耐磨、耐自然老化、耐臭氧、耐水及气密性等性能都比天然橡胶好，但强度、塑性、弹性、耐寒性则不如天然橡胶。

②顺丁橡胶。顺丁橡胶（BR）是以丁二烯为原料，经聚合反应而制得的高分子弹性体。顺丁橡胶的原料来源丰富，具有良好的耐磨性、耐低温性、耐老化性，弹性高，动态负荷下发热小，并能与天然橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶等并用，彼此取长补短。可用于制造轮胎，特别是作胎面材料时，掺用顺丁橡胶可改善耐磨性和延长使用寿命，也常用于耐寒制品。

③异戊橡胶。异戊橡胶是以异戊二烯为单体，应用配位聚合方法制得的高分子弹性体。由于其分子结构和性能类似于天然橡胶，是天然橡胶最好的代用品，故有“合成天然橡胶”之称，占合成橡胶第三位。因为其物理性能、力学性能和加工工艺性能与天然橡胶非常接近，故在制造载重汽车外胎时可以完全代替天然橡胶。

④乙丙橡胶。乙丙橡胶简称EPR，是以乙烯、丙烯为主要单体共聚合成的高分子弹性体。其中由乙烯和丙烯两种单体合成的橡胶称为二元乙丙橡胶，代号为EPR或EPM。在聚合时，加入第三单体（非共轭双烯）即可得到三元乙丙橡胶EPT 或EPDM。

乙丙橡胶是一种半透明－透明、白色－琥珀色的固体，在空气中储存，化学性质稳定，即使长期放置在自然环境中或低温条件下，也无冻结或结晶现象，被誉为“无裂纹橡胶”。它的耐气候性、耐老化性和耐化学药品性突出，可在严寒、炎热、干燥、潮湿的环境下长期使用而无明显变化，其正常使用温度为80～130 ℃，在180～260 ℃下相当长的时间内仍能保持其稳定性；对强酸、强碱、盐类有机酸、强氧化剂都有很强的抵抗性能。乙丙橡胶的体积电阻高达1016～1017 Ω·cm，用它制作的电缆可耐160 kV 的高电压。乙丙橡胶在电气、交通、建筑、机械、化工、国防等各个部门得到了极其广泛的应用，如可以用来制作海洋电缆、橡胶水坝、汽车船舶部件、野外帐篷、耐热运输带、耐寒制品、建筑防水材料、胶管和海绵制品等。

（4）橡胶的应用

橡胶在工业上应用相当广泛，可用于制作轮胎、动静态密封件、减振件、防振件、传动件、运输胶带和管道、电线、电缆和电工绝缘材料、制动件等。机车车辆上用于制作减震器的橡胶垫具有缓和并吸收振动的功能。

（5）橡胶的老化

生胶和橡胶制品，在储存和使用过程中会出现变色、发黏、发脆及龟裂等现象，使橡胶失去原有的性能，以致失去使用价值，这种现象称为橡胶的老化。橡胶的老化是影响橡胶制品使用寿命的一个突出问题。

4.胶黏剂

胶黏剂（简称胶）是一种能将同种或不同种材料黏合在一起，并在胶接面有足够强度的物质，它能起胶接、固定、密封、浸渗、补漏和修复的作用。胶接已与铆接、焊接并列为三种主要连接工艺。

（1）胶黏剂的分类

胶黏剂的品种多，组成各异，按胶黏剂基料的化学成分（黏结剂使用的材料）可分为有机胶黏剂和无机胶黏剂两大类，其中每一大类又可细分为多种。按胶黏剂的主要用途分类，可分为非结构胶、结构胶、密封胶、导电胶、耐高温胶、水下胶、点焊胶、医用胶、应变片胶和压敏胶等。按照被胶接材料分类，可分为金属胶黏剂和非金属胶黏剂（塑料胶黏剂和橡胶胶黏剂）。胶黏剂以流变性质分类，可分为热固性胶黏剂、热塑性胶黏剂和合成橡胶胶黏剂。

（2）胶黏条件

利用胶黏剂把彼此分离的物件胶接在一起，形成牢固接头的必要条件是：胶黏剂必须能很好地浸润被胶物的表面，固化硬结后胶层应有足够的内聚力，胶黏剂与被胶接物件之间应有足够的黏附力。所以胶黏剂中的“万能胶”并不是什么都能粘，必须满足一定的胶黏条件。

（3）胶黏剂的选用

每种胶黏剂均有各自适应的胶接材料和使用环境条件，因此选用胶黏剂时必须考虑以下几点：

1）胶接材料的种类和性质。例如胶接热塑性塑料可以用熔剂、热熔黏剂；胶接热固性塑料可用与胶接金属同类的胶黏剂；而聚乙烯、聚丙烯、聚四氪乙烯等难胶接塑料，未经特殊的表面处理则不能胶接。

2）各种胶接结构和胶接接头所承受的载荷特点及温度、介质等环境影响因素。

3）胶接的目的与用途。除连接目的之外，密封、固定、修补、堵漏、防腐及某种电、磁、热、光等特殊功能等。

4）胶黏剂的性能和使用成本。如环氧树脂对各种材料具有良好的黏结性能，得到了广泛应用。

（4）胶黏剂的应用

1）设备维修。黏结修复法是利用胶黏剂将金属和非金属材料牢固地黏结在一起，或填补裂缝，以达到密封、堵漏、修复零件的目的。如修补铸件表面缩孔、气孔、砂眼及其他小洞以及修复机床导轨的磨损。在表面进行清洗后，涂上瞬干胶，撒上铁粉，反复进行，直至填满为止；然后在室温固化，固化后用刮刀刮平。亦可选用胶接强度较高的环氧树脂胶。

2）改进机械安装工艺。有的零件轴和孔采用压配合，加工精度要求比较高，采用胶黏剂胶接可以降低加工要求，节省工时。图1－6 所示为齿轮与轴由压配合改为胶接接头设计的剖面图，可采用环氧胶黏剂。图1－7 所示为涡轮镶配青铜轮缘，用胶接代替螺钉连接的胶接接头。

图1-6　轴和齿轮的胶接

图1-7　涡轮与青铜轮缘的胶接

5.复合材料

（1）复合材料的组成

由两种或两种以上化学成分不同或组织结构不同的物质，经人工合成获得的多相材料称复合材料。

高强度纤维不仅可与高聚物基体复合，还可与金属、陶瓷等基体复合，如碳纤维、棚纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维及有机纤维等。这些高级复合材料是制造飞机、火箭、卫星、飞船等航空、宇航飞行器构件的理想材料。

（2）复合材料的分类

复合材料的分类至今尚不统一，目前主要采用以下几种分类方法：

1）按材料的用途分类，可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。结构复合材料主要是利用其力学性能（如强度、硬度、韧性等），用以制作各种结构和零件。功能复合材料主要是利用其物理性能（如光、电、声、热、磁等），如雷达用玻璃钢天线罩就是具有很好透过电磁波性能的磁性复合材料，常用的电器元件上的钨银触点就是在钨的晶体中掺入银的导电功能材料，双金属片就是利用不同膨胀系数的金属复合在一起的具有热功能性质的材料。

2）按增强材料的物理形态分类，可分为纤维增强复合材料，例如纤维增强橡胶（如橡胶轮胎、传动皮带）、纤维增强塑料（如玻璃钢）等；颗粒增强复合材料，例如金属陶瓷、烧结弥散硬化合金等；层叠复合材料，例如双层金属（巴氏合金－钢双金属滑动轴承材料）等。

3）按基体类型分类，可分为非金属基体（如高聚物、陶瓷等）及金属基体两大类。目前大量研究和使用的是以高聚物材料为基体的复合材料。

（3）复合材料的性能

1）比强度和比模量高。由于复合材料的增强相一般都采用高强度纤维，密度都比较小，因此比强度和比模量高。

2）抗疲劳性能好。由于复合材料基体中密布着大量纤维，疲劳断裂时裂纹的扩展常要经历非常曲折和复杂的路径，因此抗疲劳强度很高。

3）减振性能好。由于复合材料的比模量高，自振频率很高，不易产生共振，同时纤维与基体间的界面具有吸振能力，故振动阻尼高。

4）高温性能好。一般铝合金升温到400 ℃时，强度只有室温时的1／10，弹性模量大幅度下降并接近于零。如用碳纤维或硼纤维增强的铝材，400 ℃时强度和模量几乎可保持室温下的水平。耐热合金最高工作温度一般不超过900 ℃，陶瓷粒子弥散型复合材料的最高工作温度可达到1 200 ℃以上，石墨纤维复合材料瞬时高温可达2 000 ℃。

5）工作安全性好。由于纤维增强复合材料基体中有大量独立的纤维，使这类材料的构件一旦超载并发生少量的纤维断裂时，载荷会重新迅速分布在未破坏的纤维上，从而使这类结构不致在短时间内有整体破坏的危险，因而提高了工作的安全可靠性。

（4）常用复合材料

复合材料因具有强度高、刚度大、密度小、隔声、隔热、减振、阻燃等优良的物理和力学性能，故在航空、航天、交通运输、机械工业、建筑工业、化工及国防工业等部门起着重要的作用。

1）纤维增强复合材料。纤维增强复合材料是使纤维增强材料均匀分布在基体材料内所组成的材料。纤维增强复合材料是复合材料中最重要的一类，应用最为广泛。它的性能主要取决于纤维的特性、含量和排布方式，其在纤维方向上的强度可超过垂直纤维方向的几十倍。

纤维增强材料按化学成分可分为有机纤维和无机纤维。有机纤维，如聚酯纤维、尼龙纤维、芳纶纤维等；无机纤维，如玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维及金属纤维等。

2）粒子增强复合材料。粒子增强复合材料是由一种或多种颗粒均匀分布在基体材料内所组成的材料。粒子增强复合材料的颗粒在复合材料中的作用，随粒子的尺寸大小不同而有明显的差别。颗粒直径小于0.01～0.1 μm 的称为弥散强化材料，直径在1～50 μm 的称为颗粒增强材料。一般来说，颗粒越小，增强效果越好。

按化学组分的不同，颗粒主要分为金属颗粒和陶瓷颗粒。不同金属颗粒具有不同的功能。例如，需要导电、导热性能时，可以加银粉、铜粉；需要导磁性能时，可加入磁粉；加入MoS2 可提高材料的减摩性。

陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有高强度、耐热、耐磨、耐腐蚀和热膨胀系数小等特性，用来制作高速切削刀具、重载轴承及火焰喷管的喷嘴等高温工作零件。

3）层叠复合材料。层叠复合材料是由两层或两层以上材料叠合而成的材料，其中各个层片既可由各层片纤维位向不同的相同材料组成（如层叠纤维增强塑料复合），也可由完全不同的材料组成（如金属与塑料的多层复合），从而使层叠材料的性能与各组成物性能相比有较大的改善。层叠复合材料广泛应用于要求高强度、耐蚀、耐磨的装饰及安全防护等。

层叠复合材料有夹层结构复合材料、双层金属复合材料和塑料－金属多层复合材料3 种。

①夹层结构复合材料。由两层具有较高强度、硬度、耐蚀性及耐热性的面板和具有低密度、低导热性、低传声性或绝缘性好等特性的芯部材料复合而成。其中，芯部材料有实心和蜂窝格子两类。这类材料常用于制作飞机机翼、船舶外壳、火车车厢、运输容器、面板和滑雪板等。

②双层金属复合材料。将性能不同的两种金属，用胶合或熔合等方法复合在一起，以满足某种性能要求的材料。如将两种具有不同热膨胀系数的金属板胶合在一起的双层金属复合材料，常用来作为测量和控制温度的简易恒温器。

③塑料－金属多层复合材料。以钢为基体、烧结铜网为中间层、塑料为表面层的塑料－金属多层复合材料，具有金属基体的力学、物理性能及塑料的耐摩擦、磨损性能。这种材料可用于制造机械、车辆等的无润滑或少润滑条件下的各种轴承，并在汽车、矿山机械、化工机械等部门得到广泛应用。

（5）复合材料在机车车辆上的应用

复合材料在机车车辆上应用最多的为纤维增强型复合材料，纤维增强型复合材料之所以在机车车辆工业中应用广，是由于它能减轻机车车辆质量，降低能耗，提高载重能力。如玻璃纤维－塑料复合材料制作的车身、顶篷、车体结构件等；无机纤维－塑料制作的制动片、离合器片、电热水箱等。

层叠复合材料在机车车辆中也有应用，如机车车辆前窗玻璃一般要求用夹层玻璃。夹层玻璃是由两层玻璃中间夹一层透明的塑料薄层制得的复合材料。