非金属材料

　　非金属材料广义上讲是金属材料以外一切材料的总称，是指由有机物和无机物或各种有机物或无机物在适当的组合下，经过一定的物理或化学方法处理后而得到的材料。

　　非金属材料的品种极其繁多，分类也各有不同。按化学组成可分为无机非金属材料(耐火材料、陶瓷、玻璃等)和有机非金属材料(塑料、橡胶、纤维等)两类。按材料来源可分为天然非金属材料(木材。皮革筹)及人造非金属材料(人工合成材料)两类。

非金属材料简介

　　非金属材料是除金属材料以外的一切材料，由于资源丰富，能耗低，具有优良的电气、化学、力学等综合性能，在近几十年得到迅速发展，其中合成高分子材料和陶瓷材料尤为迅速。世界有机合成高分子材料产量每年以14%的速度增长，而金属材料的增长率仅为4%，有机合成高分子材料已成为一种重要的新型工程结构材料。

　　目前，有机合成高分子材料的体积产量已经超越钢铁。除了可代替钢铁、木材和皮革以外，目前又正在开发和研制一些具有耐高温和导电性能的有机合成材料。

　　陶瓷是无机非金属材料的主体，其中新型陶瓷是一类极有发展前途的新型工程材料。它具有金属和有机合成高分子材料所没有的高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、光电、电光、超导、生物相容性等特殊性能，目前已从日用、化工、建筑、装饰发展到微电子、能源、交通及航天等领域，是继金属材料、有机合成材料之后的第三大类材料，将成为取代金属和塑料的替换材料。

　　例如新近研制的高强度陶瓷、高温陶瓷、高韧陶瓷、光学陶瓷等高性能陶瓷，可制作切削工具、高温陶瓷发动机、陶瓷热交换器以及柴油机的绝热零件等，从而大大拓宽了陶瓷的应用领域。

　　非金属材料范围广、种类多，并具有许多优良的独特性能，在机械工程材料中占据重要地位，它的应用遍及国民经济的各个领域。如塑料，从国防工业到民用工业、从技术到一般工农业生产部门都可见到塑料制造的零部件，有的具有不可替代性。

　　在机床与工程机械中，工程塑料用以制造手轮、手柄、齿轮、齿条和导轨;在交通运输方面，应用更为普遍，一辆汽车就有300～400个塑料零件，一架飞机多达2500个塑料零件;在化工机械方面，大量用于制造管道、容器、阀门和泵等零件;在仪器仪表工业中，工程塑料用于制造齿轮、凸轮、面板、罩壳等零件;在农用机械上用塑料代替有色合金制造管接头、小管及其他容易腐蚀的零件。

非金属材料的重要性

　　1、非金属材料在国民经济中的地位

　　非金属材料在国民经济和铁路运输业中，、都占有重要地位，在实现四个现代化的过程中肩负着极其重要的任务。比如，没有砂石、水泥、木材、混凝土，建筑工程将无法进行;没有化纤、塑料等，将给生产和人民生活带来很大不便，没有复合材料等耐磨、耐热、高强、耐腐的特种材料，一些技术将不能实现。

　　非金属材料是Z有发展前途的材料之一。就世界范围来讲，尽管各国的发展ZD不同，如日、美侧重发展钢、木、混凝土结构，而苏联和其它一些国家则侧重发展砖、瓦及混凝土建筑。但其中有一种是相同的，就是混凝土制品无论在哪一个国家，也无论现在和将来在工程上都是主要的，而且都朝着高强、轻质、耐久、多功能的方向发展。

　　此外，塑料、橡胶、纤维等高分子材料也是很有希望的非金属材料，有人认为自本世纪中叶以来，人类已经开始进入高分子合成材料时代是不过分的。目前在欧美以及日本等一些国家，塑料占整个建筑材料的20～25%。

　　1985年全世界塑料生产按体积计算将超过钢铁的产量。我国塑料工业虽然厉史很短，但发展也是很快的，生产规模已有100余万吨。随着我国科学技术和材料工业的不断发展，非金属材料将在我国社会主义建设事业中发挥越来越重要的作用。

　　2、我国的非金属材料发展

　　我国是一个具有悠久历史和文明的国家，随着社会生产力的发展和科学技术水平的提高，非金属材料也得到相应的发展，产量不断提高，品种日益增加，为社会主义建设提供了基础材料和特种材料。例如，许多具有特殊性能的水泥、混凝土、高分子材料以及复合材料的相继出现并得到迅速发展和广泛应用。

　　在铁路生产建设中，非金属材料已逐步取代钢材和铜材，如机车上四十七种套垫板，原为铜材，现已为己内酰胺代替。而且以聚四氟乙烯代替填料，以聚氨酯泡沫塑料代替棉毛线，以化纤代替棉布等等，应用范围越来越广，使用面越来越大。

非金属材料的应用

　　1、非金属材料的分类

　　目前，非金属材料通常以其组成的主要成分分为无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料三大类。

　　典型无机非金属材料:水泥、玻璃、陶瓷。典型有机高分子材料：塑料、橡胶、化纤。

　　典型复合材料：无机非金属材料基复合材料、有机高分子材料基复合材料、金属基复合材料。

　　2、非金属材料的选择

　　由于非金属材料的种类繁多，不同类型、成分、性能及不同成形方法的非金属材料在工程实际中的使用和选择，是个很复杂的过程。设计师和工程师在选择非金属材料时，主要应考虑以下的因素：①满足使用性能和工艺性能;②防止出现失效事故;③经济性;④考虑可持续发展选材。

　　此外，材料的选择是一个系统工程。在一个部件或者装置中，所选用的各种材料要能够在一起使用，而不能因相互作用而降低对方的性能。

　　3、非金属材料的应用领域

　　过去，非金属结构材料传统的应用领域主要是建筑、轻工、纺织、家电、仪器仪表、农业等，在工业上主要是装饰件、密封件、刀具、轮胎等。但是现在，非金属结构材料在工业领域的广泛应用正以前所未有的速度发展。随着各种非金属材料合成和制备技术不断提高和完善，非金属材料的产量和性能均不断提高。

　　有关专家预测，很多传统上由金属制造的零件、部件、结构件，将会被工程塑料、工程陶瓷及复合材料等非金属材料所取代。例如，汽车的车身可采用工程塑料或复合材料，每千克工程塑料可代替4～5千克钢铁，而且可整体成形，因而成本和油耗将进一步降低。由于原料充足，可以设计、制造出无穷的新产品，非金属结构材料在工业领域的应用前景十分广阔。

　　另外，各种新型非金属材料，其应用领域远比非金属结构材料的应用领域广阔得多，特别是现代高科技密集的领域。在微电子、信息通信、航空航天、生物工程、环境保护、新能源等领域中应用了大量的新型非金属材料，其中Z具代表的有单晶硅、超导材料、固体激光材料、飞船高温防护材料、仿生材料、环保材料、隐形纳米材料等等。由于篇幅所限，本章的主要内容为非金属结构材料及其成形。

非金属材料的发展趋势

　　当前工程材料已扩展成为金属材料、有机高分子材料(聚合物)和无机非金属材料(陶瓷类在内)三大系列全材料范围。.

　　随着第三次工业革命迅速发展，材料科学与工程发展尤为迅猛。其发展趋势是结构材料复合化，低维材料扩大应用化，功能材料迅速化，新型材料实用化，以及材料设计选用计算机化。在这些发展趋势中，非金属材料起到关键和重要作用。

　　结构材料复合化是由于工业发展要求结构材料向更高强度及更苛刻介质、极限工作环境中工作发展。尽管金属材料通过综合强化和晶界净化，高分子材料通过聚合和分子重排等手段改善其强度性能潜力还很大，陶瓷材料通过纳米及结构突破陶瓷脆性问题，但单纯用单一材料往往存在难以克服缺点，如金属材料耐热、耐蚀和耐磨性能低，高分子材料弹性模量偏低，比强度不足，陶瓷材料脆性大等等。

　　用不同材料复合化将得到优于原组成材料性能的新材料，这已成为当前结构材料发展趋势。diyi代复合材料是玻璃纤维增强树脂基复合材料(即玻璃钢)，第二代是碳纤维增强树脂基复合材料，第三代是正在发展的金属基、陶瓷基和碳基等复合材料。

　　低维材料包括零维(超微粒——亚微米和纳米级)一维(纤维)和二维(薄膜)材料，可用于结构材料和功能材料，是近年发展Z快一类材料。零维材料中纳米金属和纳米陶瓷粉末是材料界关注热点，对未来材料和工业革命起到不可估量作用。

　　一维材料中Z突出是光导纤维，它是现代信息革命的基础。

　　二维材料随着电子器件小型化，需要各类薄膜态绝缘，半导体、介电及磁性材料。金刚石薄膜和有机高分子膜十分诱人，高温超导膜尤为突出。

　　功能材料目前是新材料发展的ZD。从高温超导材料发展看，因氧化物高温超导体问世以来，临界温度一再被突破。虽然无机非金属材料固有脆性及其超导稳定性有待改善，但对超导材料的应用已日趋深入和广泛。如美、日科学家已将高温超导体制成长达1000m的线材，可应用于输电导线、电力储存装置、超导磁体、电动机以及磁悬浮列车等方面。近年发展迅速的梯度材料从原子水平上把无机陶瓷材料与金属材料混合而构成，其界面组分、结构和性能呈梯度变化，具有广泛应用潜力。

　　至今，如航空航天器和燃气轮机这类高性能参数机械产品仍受到材料极限限制。常规的材料(如钛合金和超合金)使用温度已达极限，而新型材料的性能飞跃和突破将成为这些高参数机械产品性能突破物质基础。