P011 第一章 非金属材料

2020年造价工程师安装计量教材思维导图

二、非金属材料

• （一）无机非金属材料
  • 1.耐火材料
    • (1)耐火砌体材料。
      • 按材质高低划分
        • 普通耐火材料
        • 特种耐火材料
      • 按材料密度大小划分
        • 重质耐火材料
        • 轻质耐火材料
      • 按主要化学特性划分
        • 1)酸性耐火材料
          • 硅砖
            • 硅砖抗酸性炉渣侵蚀能力强，但易受碱性渣的侵蚀。 硅砖的软化温度很高，接近其耐火度，重复锻烧后体积不收缩，甚至略有膨胀，但是抗热震性差。 硅砖主要用于焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉等热工设备。
          • 黏土砖
            • 黏土砖中含30%～46%氧化铝，它以耐火黏土为主要原料，抗热震性好，属于弱酸性耐火材料。
        • 2)中性耐火材料
          • 高铝质制品
            • 以高铝质制品为代表，其主晶相是莫来石和刚玉。 铬砖主晶相是铬铁矿，它对钢渣的耐蚀性好，但抗热震性差。 铬镁砖抗热震性好，主要用作碱性平炉顶砖。
          • 碳质制品
            • 碳砖制品
              • 碳质制品的热膨胀系数很低，导热性高 ，耐热震性能好， 高温强度高。 在高温下长期使用也不软化，不受任何酸碱的侵蚀，有良好的抗盐性能，也不受金属和熔渣的润湿，质轻，是优质的耐高温材料。 缺点是在高温下易氧化，不宜在氧化气氛中使用。 碳质制品广泛用于高温炉炉衬（炉底、炉缸、炉身下部等）、熔炼有色金属炉的衬里。
            • 石墨制品
              • 石墨制品还可以用于反应槽和石油化工的高压釜内衬。
            • 碳化硅质制品
              • 碳化硅与石墨制品也可以制成熔炼铜合金和轻合金用的坩埚 。
        • 3)碱性耐火材料
          • 镁质制品
            • 以镁质制品为代表。 镁砖对碱性渣和铁渣有很好的抵抗性。 纯氧化镁的熔点高达2800℃。 在炼钢工程中，如吹氧转炉和碱性平炉的炉顶，广泛采用碱性耐火材料 。 另外，碱性耐火材料还可应用于有色金属冶炼和一些高温热工设备中。
    • (2)耐火水泥及耐火混凝土。
      • 组合材料
        • 低钙铝酸盐水泥与耐火砖细块掺和，可制成耐火混凝土，用于某些高温窑炉和加热炉的内衬。
        • 低钙铝酸盐水泥可与轻质耐火砖细块掺和制成耐火隔热材料。
        • 低钙铝酸盐水泥与石棉掺和制成石棉耐火水泥制品。
      • 耐火混凝土与普通耐火砖比较，具有施工简便、价廉和炉衬整体密封性强等优点，但强度较低。
      • 按照胶结料的不同，耐火混凝土分为水硬性耐火混凝土、火硬性耐火混凝土和气硬性耐火混凝土； 按照密度的高低，可分为重质耐火混凝土和轻质耐火混凝土。
  • 2.耐热保温和绝热材料
    • (1)耐热保温材料（耐火隔热材料）。
      • 常用的耐火隔热材料有硅藻土、蛭石、玻璃纤维（又称矿渣棉）、石棉，以及它们的制品如板、管、 砖等。
      • 1)硅藻土
        • 硅藻土制成的耐火保温砖、板、管，具有气孔率高，耐高温及保温性能好，密度小等特点。 采用这种材料，可以减少热损失，降低燃料消耗，减薄炉墙厚度，降低工程造价，缩短窑炉周转时间，提高生产效率。
        • 1、硅藻土砖、板广泛用于电力、冶金、机械、化工、石油、金属冶炼电炉和硅酸盐等工业的各种热体表面及各种高温窑炉、锅炉、炉墙中层的保温绝热部位。 2、硅藻土管广泛用于各种气体、液体高温管道及其他高温设备的保温绝热部位。
      • 2)硅酸铝耐火纤维
        • 硅酸铝耐火纤维形似棉花，呈白色纤维状，具有密度小、耐高温、热稳定性好、热导率低、比热容小、抗机械振动好、体胀系数小和优良的隔热性能。使用范围为锅炉、加热炉和导管等的隔热部位。
      • 3)微孔硅酸钙保温材料
        • 微孔硅酸钙保温材料表观密度小、强度高、传热系数低，且不燃烧、不腐蚀、无毒可用于高温设备、热力管道的保温隔热工程。
      • 4)矿渣棉制品
        • 矿渣棉制品可用作保温、隔热和吸音材料。
    • (2)绝热材料。
      • 1) 按其成分不同划分
        • 有机材料
          • 低温保冷工程多采用有机绝热材料，此类材料具有表观密度小、导热系数低、原料来源广，但不耐高温、吸湿时易腐烂等特点 ，如软木、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨基甲酸醋、牛毛毡和羊毛毡等 。
        • 无机材料
          • 热力设备及管道保温用的材料多为无机绝热材料，此类材料具有不腐烂、不燃烧、耐高温等特点。 如石棉、硅藻土、 珍珠岩、玻璃纤维、泡沫混凝土和硅酸钙等。
      • 2)按照绝热材料使用温度划分
        • 高温绝热材料
          • 高温用绝热材料．使用温度可在700℃以上。这类纤维质材料有硅酸铝纤维和硅纤维等； 多孔质材料有硅藻土、蛭石加石棉和耐热黏合剂等制品。
        • 中温绝热材料
          • 中温用绝热材料．使用温度在100～700℃之间。 中温用纤维质材料有石棉、矿渣棉和玻璃纤维等； 多孔质材料有硅酸钙、膨胀珍珠岩、蛭石和泡沫混凝土等。
        • 低温绝热材料
          • 低温用绝热材料，用于温度在100℃以下的保温或保冷工程中。 保冷材料多为有机绝热材料．如聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、软木等。
      • 3)按照施工方法不同划分
        • 湿抹式绝缘材料
        • 填充式绝缘材料
        • 绑扎式绝缘材料
        • 包裹及缠绕式绝缘材料
  • 3.耐蚀（酸）非金属材料
    • 耐蚀（酸）非金属材料的主要成分是金属氧化物、氧化硅和硅酸盐等， 优点：耐蚀（酸）非金属材料的耐蚀性能高于金属材料（包括耐酸钢和耐蚀合金），还具有良好的耐磨性和耐热性能。 缺点：耐蚀（酸）非金属材料的脆性大、承受冲击和震动能力差，抗拉强度低。 在某些情况下它们是不锈钢和耐蚀合金的理想代用品，用于制造受力小、不受冲击及震动、使用温度不高或温度变化不剧烈的容器。 常用的非金属耐蚀材料有铸石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等。
    • (1)铸石。
      • 铸石具有极优良的耐磨性、耐化学腐蚀性、绝缘性及较高的抗压性能。 其耐磨性能比钢铁高十几倍至几十倍。 在各类酸碱设备中的应用效果，高于不锈钢、橡胶、塑性材料及其他有色金属十倍到几十倍； 但脆性大、承受冲击荷载的能力低。 因此，在要求耐蚀、耐磨或高温条件下，当不受冲击震动时，铸石是钢铁（包括不锈钢）的理想代用材料，不但可节约金属材料、降低成本，而且能有效地提高设备的使用寿命。
    • (2）石墨。
      • 按照来源不同划分
        • 天然石墨
        • 人造石墨
      • 石墨材料具有高熔点（3700℃），在高温下有高的机械强度。当温度增加时，石墨的强度随之提高。 石墨在3000℃以下具有还原性，在中性介质中有很好的热稳定性，在急剧改变温度的条件下，石墨比其他结构材料都稳定，不会炸裂破坏。 石墨的导热系数是碳钢的三倍多，所以石墨材料常用来制造传热设备。 石墨具有良好的化学稳定性。人造石墨材料的耐腐蚀性能良好，除了强氧化性的酸（如硝酸、铬酸、发烟硫酸和卤素）之外，在所有的化学介质中都很稳定，甚至在熔融的碱中也很稳定。
      • 不透性石墨
        • 优点是导热性优良、温差急变性好、易于机械加工、耐腐蚀性好。
        • 缺点是机械强度较低，价格较贵。
        • 用于制造各种类型的热交换器、盐酸合成炉、膜式吸收器、管道、管件、阀门、泵类以及衬里用的砖板等 。
    • (3)玻璃。
      • 硅酸盐玻璃
        • 硅酸盐玻璃的化学稳定性高 ，抗酸能力强（但不耐氢氟酸的腐蚀)，组织紧密而不透水，若长期在某些介质作用下也会受到侵蚀 。 玻璃长时期在温水或水汽作用下能使硅酸盐水解，玻璃表面分离出二氧化硅凝胶和苛性碱，使玻璃混浊变色、 表面粗糙。 硅酸盐玻璃具有较好的光泽、 透明度、化学稳定性和热稳定性，机械强度高，硬度大和电绝缘性强， 一般用于制造化学仪器、高级玻璃制品、无碱玻璃纤维和绝缘材料等 。
      • 磷酸盐玻璃
      • 硼酸盐玻璃
      • 铝酸盐玻璃
    • (4)天然耐蚀石料。
      • 花岗岩强度高，耐久性好．但热稳定性较差； 石英岩强度高、耐久性好、硬度高、难于加工； 辉绿岩及玄武岩密度高、耐磨性好、脆性大、强度极高 、加工较难； 石灰岩热稳定性好、硬度较低。
    • (5)水玻璃耐酸水泥。
      • 水玻璃耐酸水泥具有能抵抗大多数无机酸和有机酸腐蚀的能力，但不耐碱及氢氟酸。 水玻璃耐酸水泥具有抵抗大多数无机酸和有机酸腐蚀的能力。 用于硫酸、盐酸、磷酸（除30℃以上热磷酸）、醋酸、氯气、二氧化硫、三氧化硫、蚁酸和草酸等生产设备。
  • 4.陶瓷材料
    • 普通陶瓷
      • 电器绝缘陶瓷
      • 化工陶瓷
      • 结构陶瓷
      • 耐酸陶瓷
    • 新型陶瓷
      • 耐酸陶瓷制品具有结构致密、表面平整光洁等特点，其耐酸性能良好、形状种类繁多（砖、板、罐、管及其他）和使用范围广等优点，但性脆、抗冲击能力差、急冷急热时易开裂。
      • 耐酸瓷砖、耐酸瓷板具有结构致密、气孔率低和吸水率较小等优点。 耐酸陶砖、耐酸陶板和耐酸陶管的气孔率和吸水率较大，强度和耐酸性低于瓷制品，表面较粗糙，主要用于铺装地面、砌沟槽和储罐及其容器等。
• （二）高分子材料
  • 1. 高分子材料的基本概念
  • 2.高分子材料的基本性能及特点
    • 1-7为优点，8-11为缺点，详见教材P15
  • 3.工程中常用高分子材料
    • (1)塑料。
      • 1)塑料的组成。
        • ①树脂。
          • 按树脂分子中的碳原子之间结合形式的不同划分
            • 直线型
              • 聚苯乙烯（PS）
            • 支链型
              • 低密度聚乙烯（LDPE）
            • 体型（网状型）
              • 酚醛树脂（PF） 不饱和聚酯树脂（UP） 环氧树脂（EP）
          • 按受热时状态不同划分
            • 热塑性树脂（直线型、支链型）
              • 聚乙烯
              • 聚氯乙烯
              • 聚酰胺
            • 热固性树脂（网状型）
              • 酚醛树脂
              • 有机硅树脂
        • ②填料（填充剂）。
          • 矶土、氧化铝、氧化铁、氧化镁、石棉、氢氧化钙、炭黑、石墨、玻璃纤维和碳纤维等。
        • ③增塑剂。
          • 常用的增塑剂为酯类和酮类等。
        • ④着色剂。
          • 常见的染料品种有酞青蓝和酞青绿、联苯胺黄和甲苯胺红等。
          • 炭黑既是颜料，又有光稳定作用。
        • ⑤稳定剂。
      • 2）工程中常用塑料制品。
        • ①热塑性塑料。
          • a. 低密度聚乙烯（LDPE）。又称为高压聚乙烯。
            • 低密度聚乙烯具有质轻、吸湿性小、电绝缘性好、延伸性和透明性强、耐寒性好和化学稳定性强等特点， 但其强度低、耐老化性能较差。用作一般耐蚀材料、小荷载零件（齿轮、轴承）及电缆包皮等。
          • b.高密度聚乙烯（HDPE）。又称为低压聚乙烯。
            • 高密度聚乙烯具有良好的耐热性和耐寒性，力学性能优于低密度聚乙烯，介电性能优良，但略低于低密度聚乙烯， 耐磨性及化学稳定性良好，能耐多种酸、碱、盐类腐蚀，吸水性和水蒸气渗透性很低，但耐老化性能较差，表面硬度较高，尺寸稳定性好。 高密度聚乙烯主要用于制作单口瓶、运输箱、储罐、电缆护套、压力管道等。
          • c.聚丙烯（PP）。
            • 1、聚丙烯具有质轻、不吸水，介电性、化学稳定性和耐热性良好（可在100℃以上使用。若无外力作用，温度达到150℃时不会发生变形），力学性能优良，但耐光性能差，易老化，低温韧性和染色性能不好。 2、聚丙烯主要用于制作受热的电气绝缘零件、防腐包装材料以及耐腐蚀的（浓盐酸和浓硫酸除外）化工设备， 如法兰、齿轮、风扇叶轮、泵叶轮、接头、各种化工容器、管道、阀门配件、泵壳等。 使用温度为-30～100℃。
          • d.聚氯乙烯（PVC） 。
            • 硬聚氯乙烯
              • 硬聚氯乙烯密度小，抗拉强度较好，有良好的耐水性、耐油性和耐化学药品侵蚀的性能。 因此，硬聚氯乙烯塑料常被用来制作化工、纺织等工业的废气排污排毒塔．以及常用于气体、液体输送管。 另外，硬聚氯乙烯塑料板在常温下容易加工，又有良好的热成型性能，工业用途很广。
            • 软聚氯乙烯
              • 软聚氯乙烯塑料常制成薄膜．用于工业包装等，但不能用来包装食品， 因增塑剂或稳定剂有毒，能溶于油脂中，污染食品。
          • e.聚四氟乙烯（PTFE，F-4）。
            • 聚四氟乙烯俗称塑料王，它是由四氟乙烯用悬浮法或分散法聚合而成，具有非常优良的耐高、低温性能，可在-180～260℃的范围内长期使用。几乎耐所有的化学药品，在侵蚀性极强的王水中煮沸也不起变化，摩擦系数极低，仅为0.04。 聚四氟乙烯不吸水、电性能优异，是目前介电常数和介电损耗最小的固体绝缘材料。 缺点是强度低、冷流性强。主要用于制作减摩密封零件、化工耐蚀零件、热交换器、管、棒、板制品和各种零件，以及高频或潮湿条件下的绝缘材料；分散法（聚合方法之一）聚四氟乙烯可制成薄壁管、细棒、异型材、电线和电缆包覆层。
          • f.聚苯乙烯（PS）。
            • 聚苯乙烯制品具有极高的透明度，透光率可达90%以上，电绝缘性能好，刚性好及耐化学腐蚀。 普通聚苯乙烯的不足之处在于性脆，冲击强度低，易出现应力开裂，耐热性差及不耐沸水等。 聚苯乙烯塑料广泛用于轻工市场，日用装潢，照明指示等领域。 可以制作各种仪表外壳、灯罩、光学化学仪器零件、透明薄膜、电容器介质层等。
            • 聚苯乙烯泡沫塑料具有闭孔结构，吸水性小，有优良的抗水性；密度小，一般为0.015～0.03；机械强度好，缓冲性能优异；加工性好，易于模塑成型；着色性好，温度适应性强，抗放射性优异等优点，在外墙保温中占有率很高。但燃烧时会放出污染环境的苯乙烯气体。
          • g.ABS树脂。
            • 材料成分组成
              • 丙烯腈
                • 丙烯腈的增加可提高塑料的耐热、耐蚀性和表面硬度。
              • 丁二烯
                • 丁二烯可提高弹性和韧性。
              • 苯乙烯
                • 苯乙烯可改善电性能和成型能力。
            • 普通ABS具有“硬、韧、刚”的混合特性，综合机械性能良好。 同时尺寸稳定，容易电镀和易于成型，耐热和耐蚀性较好，在-40℃的低温下仍有一定的机械强度。 ABS 在机械工业中可制造齿轮、泵叶轮、轴承、管道、储槽内衬、电机外壳、仪表亮、仪表盘、蓄电池槽和水箱外壳等。
          • h.聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA ） 。
            • 聚甲基丙烯酸甲酯俗称亚克力或有机玻璃，其透明度比无机玻璃还高，透光率达 92% ；密度只有无机玻璃的一半，为1.18g/cm3 。 机械性能比普通玻璃高得多（与温度有关），拉伸强度为50～80MN/m2。 抗稀酸、稀碱、润滑油和碳氢燃料的作用，在自然条件下老化缓慢。在80℃开始软化，虽在105～150℃间塑性良好，可以进行成型加工 。 缺点是表面硬度不高，易擦伤。由于导热性差和热膨胀系数大，易在表面或内部引起微裂纹，因而比较脆。此外，易溶于有机溶液中 。 PMMA树脂是无毒环保的材料，可用于生产餐具，卫生洁具等，具有良好的化学稳定性和耐候性 。 广泛用于航空、汽车、仪表和光学等工业中，可以制作风挡、舷窗、电视和雷达的屏幕、仪表护罩、外壳 、光学元件和透镜等。
        • ②热固性塑料。
          • a.酚醛树脂（PF，电木粉）。
            • 1、酚醛树脂最重要的特征是耐高温性，被应用于一些高温领域，如耐火材料、摩擦材料、黏结剂和铸造行业。 2、酚醛树脂适用于公共运输和安全要求非常严格的领域，如矿山，防护栏和建筑业等。 3、酚醛泡沫产品其重量轻，刚性大，尺寸稳定性好，耐化学腐蚀，耐热性好，难燃，自熄，低烟雾，耐火焰穿透，遇火无洒落物，价格低廉，是电器、仪表、建筑、石油化工等行业较为理想的绝缘隔热保温材料，广泛应用于中央空调系统、轻质保温彩钢板、房屋隔热降能保温、化工管道的保温材料（尤其是深低温的保温）、车船等场所的保温领域。 4、酚醛泡沫最大的弱点是脆性大，开孔率高，因此提高它的韧性是改善酣醒泡沫性能的关键。
          • b.环氧树脂（EP）。
            • 按照类型划分
              • 双酚A型环氧树脂（常用）
              • 酚醛环氧树脂
              • 脂环族环氧树脂
              • 其他类型环氧树脂
            • 环氧树脂强度较高、韧性较好、尺寸稳定性高和耐久性好，并具有优良的绝缘性能； 耐热、耐寒，可在-80～155℃温度范围内长期工作；化学稳定性很高，成型工艺性能好。 环氧树脂是很好的胶黏剂，对各种材料（金属及非金属）都有很强的胶黏能力。 环氧树脂可制成涂料、 复合材料、浇铸料、胶黏剂、模压材料和注射成型材料。
          • c.呋喃树脂。
            • 呋喃树脂能耐强酸、强碱和有机溶剂腐蚀，并能适用于其中两种介质的结合或交替使用的场合。 但呋喃树脂不耐强氧化性介质。 其耐热可达180～200℃，是现有耐热树脂中耐热性能最好的树脂之一 。 呋喃树脂具有良好的阻燃性，燃烧时发烟少。其缺点为使其固化完全，一般需加热后处理。 呋喃树脂可制成洗涤器、储槽和池子等设备，也可用于制作玻璃钢设备和管道，特别适用于农药、人造纤维、染料、纸浆和有机溶剂的回收以及废水处理系统等工程，也可以用呋喃树脂作为衬砌耐酸砖板的胶泥以及耐蚀地坪 。
          • d.不饱和聚酯树脂（UP）。
            • 不饱和聚酯树脂主要特点是工艺性能优良，这是不饱和聚酯树脂最突出的优点。 可在室温下回化成型，因而施工方便，特别适合于大型和现场制造玻璃钢制品，固化后的树脂综合性能良好。 该树脂的力学性能略低于环氧树脂，但优于酚醛树脂和呋喃树脂； 耐腐蚀性能优于环氧树脂；但固化时体积收缩率较大。
    • (2)橡胶。
      • 1)橡胶的分类。
        • 通常将橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两大类。
      • 2)工程中常用橡胶制品。
        • ①天然橡胶（NR）。
          • 天然橡胶具有优良的弹性、拉伸强度、伸长率、屈挠性、耐磨性、耐撕裂性和压缩永久变形性能，以及良好的电工绝缘性能； 但耐油、耐候性、耐臭氧和氧的性能较差，收缩变形大，耐性差，用于胶管、胶带、特种胶布，以及电线、电缆的保护外皮和铺地胶板等。
        • ②丁基橡胶（IIR）。
          • 丁基橡胶耐候性好、耐臭氧、耐蒸汽、耐酸（碱）和氧化剂，还具有优良的绝缘性能，透气性极小。 用于轮胎内胎、门窗密封条，以及磷酸酯液压油系统的零件、胶管、电线的绝缘层、胶布、减震阻尼器、耐热输送带和化工设备衬里等。
        • ③氯丁橡胶（CR）。
          • 氯丁橡胶耐候性好，耐臭氧老化，有自熄性，耐油性良好，仅次于丁腈橡胶，拉伸强度、伸长率、弹性优良，与金属和织物的黏着性优良， 但电绝缘性、储存稳定性差，使用温度为-35～13℃。 用于重型电缆护套、耐油耐蚀胶管、胶带、化工容器衬里、电缆绝缘层和胶黏剂等。
        • ④氟硅橡胶（MFQ）。
          • 氟硅橡胶耐油、耐化学品腐蚀，耐热、耐寒、耐辐射、耐高真空性能和耐老化性能优良； 但强度较低，价格昂贵。使用温度为-65～250℃。用于燃料油、双酯润滑油和液压油系统的密封件。
    • (3）合成纤维。
      • 材料分组
        • 聚酰胺纤维
        • 聚酯胺纤维
        • 聚丙腈纤维
      • 合成纤维具有密度小、强度高、耐磨和不霉不腐等特点，一般用于高级缆绳、运输带，以及制作碳纤维和石墨纤维原料等。