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新型工程材料简介
高分子材料
Part 01
陶瓷材料
Part 02
复合材料
Part 03
功能材料
Part 04
高分子材料
高分子材料
高分子材料主要是指以高分子化合物为主要组分的材料，如塑料（聚氯乙烯、聚苯乙烯等）、橡胶、胶黏剂及纤维等。塑料分为热塑性塑料和热固性塑料，橡胶分为天然橡胶与合成橡胶，胶黏剂分为有机胶黏剂和无机胶黏剂，纤维分为天然纤维、人造纤维和合成纤维。
一、塑料
塑料是指以树脂（天然的或合成的）为主要成分，再加入其他添加剂（如增塑剂、稳定剂、填料、润滑剂、染料、发泡剂、防老化剂、抗静电剂、阻燃剂等），在一定温度与压力下塑制成形的材料或制品的总称。
由于塑料制品原料丰富、成形容易、制作成本较低、性能与功能多样，所以塑料被广泛应用于电子工业、交通、航空工业及农业等。由于塑料性能的不断改进和更新，目前塑料正逐步替代部分金属、木材、水泥、皮革、陶瓷、玻璃及搪瓷等材料。
一、塑料
1. 塑料的分类
根据树脂在加热和冷却时所表现出的性质可将塑料分为热塑性塑料和热固性塑料。按塑料的应用范围可将塑料分为通用塑料、工程塑料和耐高温塑料。
一、塑料
它主要是在加聚树脂中加入少量稳定剂、润滑剂等制成的塑料。这类塑料受热软化，冷却后变硬，再次加热又软化，冷却后又硬化成形，可多次重复使用。这种变化只是一种物理变化，化学结构基本不变。
常用的热塑性塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺（即尼龙）、ABS塑料、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯和聚砜等。
（1）热塑性塑料
一、塑料
它大多是以缩聚树脂为基础，加入各种添加剂而制成的塑料。这类塑料加热时软化，可塑制成形，但固化后的塑料既不溶于溶剂，也不再受热软化（温度过高时则会发生分解），只能塑制一次。常用的热固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料及环氧塑料等。
（2）热固性塑料
产量大、用途广、价格低的塑料称为通用塑料。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六大品种。通用塑料的产量占塑料总产量的75%以上，是塑料工业的主体，广泛用于社会生活的各个方面。
（3）通用塑料
一、塑料
在工程技术中作为结构材料的塑料称为工程塑料。工程塑料力学性能好，主要品种有聚碳酸酯、尼龙、聚甲醛、ABS塑料、聚砜及环氧塑料等。
（4）工程塑料
耐高温、产量小、价格高，适用于特殊用途的塑料称为耐高温塑料。例如，聚四氟乙烯、环氧塑料和有机硅塑料等都能在100~200℃的温度范围内工作。耐高温塑料在发展国防工业和尖端技术中发挥着重要作用。
（5）耐高温塑料
一、塑料
2. 塑料的特性与用途
塑料与金属材料相比具有密度小、比强度高、化学稳定性好、电绝缘性好、减振、耐磨、隔声性能好及自润滑性能好等特性。
另外，塑料在绝热性、透光性、工艺性能、加工生产率及加工成本等方面也比一般金属材料优越。塑料主要用于制造薄膜、电线电缆的绝缘层、管道、中空制品（图1）、机械零件（如轴承、齿轮、凸轮轴、蜗轮、管件、密封圈、耐磨轴套、泵及阀门等）、电器设备外壳与外罩等。
图1 塑料垃圾箱
二、橡胶
1. 橡胶的分类
橡胶是指以生胶为基体，加入适量配合剂（硫化剂、硫化促进剂、防老化剂、软化剂、填充剂、发泡剂及着色剂等）制成的高分子材料。通常橡胶制品还加有增强骨架材料，如各种纤维、金属丝及编织物等。生胶是指未加配合剂的天然或合成橡胶的总称。生胶按原料来源可分为天然橡胶和合成橡胶。
天然橡胶主要从橡胶树的浆汁中制取。受地理环境的限制，天然橡胶的产量远不能满足工农业生产的需求。因此，人们通过化学合成方法制成了与天然橡胶性质相似的合成橡胶，如丁苯橡胶、氯丁橡胶等。生胶是黏合各种配合剂和骨架材料的黏结剂，橡胶制品的性质主要取决于生胶的性质。
二、橡胶
2. 橡胶的特性与用途
橡胶最重要的特性是高弹性，由于橡胶具有优良的伸缩性和积储能量的能力，使之成为常用的弹性材料、密封材料、减振防振材料和传动材料。另外，橡胶还有良好的耐磨性、隔声性能和阻尼特性。
橡胶的最大缺点是易老化，即橡胶制品在使用过程中易出现变色、发黏、发脆及龟裂等现象，使其弹性、强度等发生变化，并影响橡胶制品的性能及使用寿命。因此，防止橡胶老化是橡胶制品需要特别注意的问题。
二、橡胶
目前橡胶产品主要有天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶及氟橡胶等。
橡胶应用很广，主要用于制造轮胎、胶带、胶管（或耐热胶管）、运输带、密封件（图2）、铁路用橡胶防振垫、各种模型制品、电绝缘制品、胶鞋、人造心脏、人造血管及通用橡胶制品等。
图2 橡胶密封件
二、橡胶
天然橡胶
1493年，西班牙探险家哥伦布率队初次踏上南美大陆。在这里，西班牙人看到印第安小孩玩一种游戏，唱着歌互相抛掷一种小球，这种小球落地后能反弹得很高，如捏在手里则会感到有黏性，并有一股烟熏味。西班牙人还看到，印第安人把一些白色浓稠的液体涂在衣服上，雨天穿这种衣服不透雨；他们还把这种白色浓稠的液体涂抹在脚上，雨天也不会弄湿脚。由此，西班牙人初步了解到橡胶的弹性和防水性。
天然橡胶是指将从橡胶树上采集的天然胶乳，经过凝固、干燥等加工工序而制成的弹性固状物，它是一种以聚异戊二烯为主要成分的天然高分子化合物。世界上约有2000种不同的植物（如蒲公英等）可生产类似天然橡胶的聚合物，人们已从其中的500种植物中得到了不同种类的橡胶，但真正有实用价值的是从三叶橡胶树上得到的橡胶。
生活常识
二、橡胶
当橡胶树的表面被割开时，树皮内的乳管被割断，乳胶便从树上流出，如图3所示。从橡胶树上采集的乳胶经过稀释后加酸凝固、洗涤，然后压片、干燥、打包，即可制得天然橡胶。
1876年，英国人魏克汉姆从亚马孙河热带丛林中采集了7万粒橡胶种子，送到英国伦敦皇家植物园培育，然后将橡胶苗运往新加坡、斯里兰卡、马来西亚、印度尼西亚等地种植并获得成功。
图3 采集天然乳胶
三、胶黏剂
胶黏剂（或胶合剂）是一种能够将两种物件胶接起来，并使接合处具有足够强度的物质。胶黏剂是以具有黏性的高分子物质为基料，加入某些添加剂（如固化剂、增塑剂、增韧剂、填料、稀释剂、固化促进剂、防老化剂和稳定剂等）而形成的。
工程上连接各种金属和非金属材料的方法除焊接、铆接、螺栓连接之外，还有胶接（又称黏接）。胶接是借助于胶黏剂在固体表面产生的黏合力将材料牢固地连接在一起的方法。早期使用的胶黏剂是动植物胶液，由于其黏合性能差，所以应用受到限制，现代胶接技术多采用合成胶黏剂。
三、胶黏剂
胶黏剂按照来源可分为天然胶黏剂与合成胶黏剂两大类，工业上使用的主要是合成胶黏剂；按胶黏剂基料的化学成分可分为有机胶黏剂和无机胶黏剂两大类；按胶黏剂的主要用途可分为非结构胶（承受载荷较低）、结构胶（承受载荷较高）、密封胶、导电胶、耐高温胶、水下胶、点焊胶、医用胶、应变片胶及压敏胶等；按被胶接材料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）；按胶黏剂流变性质可分为热固性胶黏剂、热塑性胶黏剂和合成橡胶胶黏剂。
1. 胶黏剂的分类
三、胶黏剂
其固化后呈网状结构，有些热固性胶黏剂还需加入固化剂。此类胶黏剂的优点是耐热、耐水、耐介质侵蚀、胶接强度高，缺点是抗冲击强度、抗剥离强度低，起始黏接性较差，如环氧-酚醛胶黏剂。
2. 胶黏剂的特性和用途
（1）热固性胶黏剂
其优点是抗冲击强度、抗剥离强度较高，起始黏接性好，缺点是热硬性不高，如聚醋酸乙烯酯、过氯乙烯等胶黏剂。
（2）热塑性胶黏剂
三、胶黏剂
其优点是起始黏接性高，富有柔韧性，能黏接多种材料，缺点是热硬性和耐低温性差，如氯丁橡胶胶黏剂。
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：胶黏剂必须能够很好地浸润被胶接件的表面；在固化硬结后，胶层应有足够的内聚力，且胶黏剂与被胶接件之间有足够的黏附力。胶接工艺过程如图4所示。
（3）合成橡胶胶黏剂
图4 胶接工艺过程
三、胶黏剂
利用胶黏剂可以连接各种材料，而且接头平整光滑，质量轻，胶接处应力分布均匀。在机械设备修理方面，胶黏剂主要用于修补各种铸件表面的气孔、缩孔及砂眼等缺陷，修复机床导轨的磨损、拉毛等缺陷。例如，用环氧胶修复蓄电池壳，黏接拖拉机制动阀弹簧套筒与连杆，修复模具等。
四、纤维
1. 纤维的分类
纤维是高分子化合物经一定的机械加工（牵引、拉伸、定型等）而形成的细而柔软的细丝。纤维大体分为天然纤维、人造纤维与合成纤维。
四、纤维
天然纤维是自然界存在的可以直接取得的纤维。按其来源可分为植物纤维和动物纤维两类。
①植物纤维
从植物的种子、果实、茎、叶等处得到的纤维称为植物纤维。植物纤维的主要化学成分是纤维素，故也称天然纤维素纤维。从植物种子表皮细胞中得到的纤维有棉、木棉，从植物的果实中得到的纤维有椰子纤维，从植物韧皮中得到的纤维有亚麻、黄麻及罗布麻等，从植物叶子中得到的纤维有剑麻、蕉麻等。
（1）天然纤维
四、纤维
②动物纤维
从动物的毛或昆虫腺分泌物中得到的纤维称为动物纤维。动物纤维的主要化学成分是蛋白质，故也称蛋白质纤维。从动物毛发中得到的纤维有羊毛、兔毛、骆驼毛、山羊毛及牦牛绒等，从昆虫腺分泌物中得到的纤维有蚕丝等。
四、纤维
人造纤维是利用自然界的天然高分子化合物——纤维素或蛋白质（如木材、棉籽绒、稻草、甘蔗渣等的纤维或牛奶、大豆、花生等的蛋白质）为原料，经过一系列的化学处理与机械加工而制成的类似棉花、羊毛、蚕丝一样能够用来纺织的纤维。人造纤维也称再生纤维，如人造棉、人造丝等。
（2）人造纤维
四、纤维
合成纤维的化学成分与天然纤维完全不同，它是从一些本身并不含有天然纤维素或蛋白质的物质（如石油、煤、天然气等）中加工提炼出有机物质，再用化学合成与机械加工的方法制取的纤维。
常见的合成纤维有涤纶、锦纶、腈纶、维纶、丙纶及氯纶等。
（3）合成纤维
四、纤维
纤维具有弹性模量大、受力时变形小及强度高等特点。在现代生活中，纤维的应用无处不在，而且其中蕴含很多的高科技。
例如，纤维可以使衣服穿着舒服，御寒防晒；黏胶基碳纤维帮导弹穿上“防热衣”，可以使导弹耐几万度的高温；防渗防裂纤维可以提高混凝土的强度和防渗性能，对于大坝、机场、高速公路等工程可起到防裂、抗渗、抗冲击和抗折作用；纤维填充材料能有效提高被填充材料的强度和刚度。此外，修补肌肉、骨骼及血管也需要纤维。
2. 纤维的特性和用途
四、纤维
蜘蛛丝（图5）一直是人类想要仿制的纤维。天然蜘蛛丝的直径为4μm左右，而它的牵引强度却相当于钢的5倍，同时还具有良好的防水和伸缩功能。如果能制造出一种具有天然蜘蛛丝特点的人造蜘蛛丝，将会具有广泛的用途。它不仅可以成为降落伞和汽车安全带的理想材料，而且还可以用作易于被人体吸收的外科手术缝合线。
生活常识

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