1、 非金屬海洋材料1非金屬材料包括除金屬材料以外的幾乎所有材料，其種類遠(yuǎn)比金屬材料多。船舶與海洋工程中使用的非金屬材料包括塑料、橡膠、玻璃鋼、混凝土、裝飾材料、涂料、木材、玻璃、石油化工產(chǎn)品等。236.1.1高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高分子材料也稱聚合物或高聚物，是由許許多多分子量特別大的鏈狀大分子所組成。每個大分子中大量結(jié)構(gòu)相同的單元（稱作鏈節(jié)）實(shí)質(zhì)上是一種成幾種簡單的低分子化合物，它們在共價(jià)鍵的作用下，連接成鏈狀結(jié)構(gòu)，其分子量一般在103106之間。4高分子材料最典型的代表就是聚乙烯，它的分子是由數(shù)量足夠多的乙烯小分子打開雙鍵加聚反應(yīng)后形成的，化學(xué)反應(yīng)方程式如下：上述這種鏈狀的大分子就是聚乙烯分子

2、，而眾多的大分子靠氫鍵和范德瓦爾斯鍵聚集在一起，就構(gòu)成了聚乙烯材料。5由此可見，盡管高分子物質(zhì)的分子量較大，微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，但仍然有規(guī)律可循。因此，可以按照“大分子鏈的化學(xué)組織 大分子鏈的構(gòu)型 大分子鏈的構(gòu)象 大分子鏈的聚集態(tài) 高聚物的高次結(jié)構(gòu)”這樣的結(jié)構(gòu)層次來說明高分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。6大分子鏈的空間形象稱作構(gòu)象。由于大分子鏈?zhǔn)怯沙汕先f個原子經(jīng)共價(jià)鍵連接而成，而每一個鏈節(jié)均可以在保持其鍵長和鍵角不變的前提下自由轉(zhuǎn)動。如圖所示。因此，整個大分子鏈表現(xiàn)出一定程度的柔順性。這種分子鏈的剛?cè)嵝詫Ω呔畚锏男阅苡绊懞艽螅话銇碚f，剛性分子鏈?zhǔn)垢呔畚锏膹?qiáng)度、硬度和熔點(diǎn)提高，而柔性分子鏈則增大高聚物的彈性、韌

3、性和流動性等。7大量分子在范德瓦爾斯力作用下聚集在一起，就形成了高分子材料。因此，高分子材料又稱作聚合材料。與金屬相類似，高分子材料的聚集態(tài)也可分成晶態(tài)和非晶態(tài)。非晶態(tài)是指分子鏈完全無規(guī)則地纏繞在一起形成的聚集態(tài);晶態(tài)則是指分子鏈部分或全部整齊有規(guī)律地排列起來。表現(xiàn)出晶體的特征。但實(shí)際上，把一組完全無規(guī)則纏繞的長鏈分子全部整齊地排列起來是很困難的。因此，絕大部分高聚物均屬部分結(jié)晶，所以也稱作半晶態(tài)。8高聚物中晶體的存在將增大分子間的作用力，使鏈的運(yùn)動變難。因此導(dǎo)致材料的熔點(diǎn)、密度、強(qiáng)度、剛度和耐熱性的提高；而使一些決定于鏈活動能力的性能如彈性、塑性和韌性等指標(biāo)下降。如果在高聚物中摻入一些其它物

4、質(zhì)，或?qū)惙N鏈的高分子混合在一起，形成高聚物的高次結(jié)構(gòu)（即高聚物的“合金”），將大大改變高聚物的性能，適應(yīng)各種使用的特殊要求。96.1.2無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)無機(jī)非金屬材料是由金屬元素和非金屬元素的化合物組成的，即由金屬或非金屬元素的氧化物、碳化物、硅化物、氮化物等以各種不同結(jié)構(gòu)組合而成。因此，離子鍵和共價(jià)鍵共同作用，就成為無機(jī)非金屬材料的主要特點(diǎn)之一。盡管無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)比金屬的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但其原子間相互組合的方式卻主要有兩種類型，即硅酸鹽結(jié)構(gòu)和氧化物結(jié)構(gòu)。1044SiO1硅酸鹽結(jié)構(gòu)構(gòu)成硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單元是硅和氧組成的 即硅氧四面體見圖所示。其中硅原子處于四面體中心，而氧原子則處于四

5、個頂點(diǎn)，且彼此間以離子鍵和共價(jià)鍵的混合鍵結(jié)合，鍵角為145硅氧四面體結(jié)構(gòu)11氧化物結(jié)構(gòu)氧化物結(jié)構(gòu)指的是由氧離子和金屬離子組成的氧化物的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是氧原子緊密堆集。即大多數(shù)氧化物的結(jié)構(gòu)是在氧離子近似密堆的基礎(chǔ)上形成的，而正離子位于適當(dāng)?shù)拈g隙之中。126.2.1高分子的物理狀態(tài)高分子的物理狀態(tài)當(dāng)外界條件（溫度、相對分子質(zhì)量、結(jié)晶度、交聯(lián)密度等）發(fā)生變化時(shí)，高分子材料將處于不同的物理狀態(tài)，如圖所示。具有完全不同的力學(xué)和物理性能，給材料的使用帶來了很大的影響。131 玻璃態(tài) 當(dāng)溫度低于Tg時(shí)，非晶態(tài)高聚物處于玻璃態(tài)，此時(shí)大分子鏈間作用較大，分子鏈和由鏈節(jié)構(gòu)成的鏈段都不能自由運(yùn)動，所以當(dāng)高聚物受

6、外力作用時(shí)，只能發(fā)生鏈段的瞬時(shí)微小伸縮和鍵角的微小改變，故變形較小（1%),且與應(yīng)力成正比。而當(dāng)外力消失后，變形立即消失，就像其他低分子固體一樣。 常溫下處于玻璃態(tài)的高聚物，通常作為塑料或合成纖維使用，而玻璃化溫度Tg就成為它們的耐熱性指標(biāo)。142高彈態(tài)當(dāng)溫度高于玻璃化溫度Tg，且低于粘流溫度Tf時(shí)，高聚物處于高彈態(tài)。受外力作用時(shí)，由于鏈段的伸縮和轉(zhuǎn)動，分子鏈的構(gòu)象發(fā)生較大的變化，而當(dāng)除去外力后，分子鏈又回復(fù)到原來的狀態(tài)。于是，使處于高彈態(tài)的高聚物表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)，如可回復(fù)彈性變形量高達(dá)1-10倍，而彈性模量卻比普通彈性材料小三個數(shù)量級。常溫處于高彈態(tài)的高聚物稱作橡膠，因此也稱高彈態(tài)為橡膠態(tài)。

7、由于橡膠的使用溫度在Tg和Tf之間，所以習(xí)慣上把Tg稱作橡膠的耐寒指標(biāo)，把Tf稱作橡膠的耐熱指標(biāo)。153粘流態(tài)當(dāng)溫度高于粘流溫度Tf后，分子熱運(yùn)動的動能更大，整個大分子鏈也可以自由移動了，于是高聚物開始變?yōu)檎承砸后w而流動，即處于粘流態(tài)。常溫下處于粘流態(tài)的高聚物只能作為膠黏劑或涂料使用，然而，粘流態(tài)對于高聚物加工卻有著特別重要的意義，因?yàn)椴徽撍芰线€是橡膠，他們的加工過程都是先將其加熱熔化，再經(jīng)過注塑、吹塑、模鑄、擠壓、噴絲等方法，冷卻后成型的。164皮革態(tài) 當(dāng)高聚物中存在數(shù)量不等的結(jié)晶區(qū)域時(shí)，晶態(tài)高聚物在溫度達(dá)到其熔點(diǎn)Tm之前總是處于堅(jiān)硬的固體狀態(tài)。此時(shí)，如果溫度高于Tg且低于Tm，則高聚物中的

8、非晶態(tài)部分處于柔韌的高彈態(tài)。而晶態(tài)部分卻保持著較高的強(qiáng)度和硬度，于是整個高聚物表現(xiàn)為一種既硬又韌的皮革態(tài)。皮革態(tài)的存在，可以使材料具有較高的強(qiáng)度和韌性，為通過調(diào)整和控制結(jié)晶度來改變材料的性能提供了可能，故而成為高聚物材料的獨(dú)特性質(zhì)之一。171.強(qiáng)度和韌性非晶態(tài)高聚物非晶態(tài)高聚物的拉伸曲線。曲線a為高聚物處于硬玻璃態(tài)的拉伸曲線，試樣不發(fā)生屈服而呈現(xiàn)出脆性斷裂方式曲線b為軟玻璃態(tài)的拉伸曲線，其抗伸性能 表現(xiàn)出塑性固體材料的特點(diǎn)曲線c為橡膠態(tài)高聚物的拉伸曲線，即拉伸時(shí)能產(chǎn)生很大的可回復(fù)變形曲線d為高聚物在黏流溫度附近處半固態(tài)和黏流態(tài)時(shí)的拉伸曲線，表現(xiàn)出受力產(chǎn)生不可逆形變的近似液體的特性。18左圖為左

9、圖為晶態(tài)高聚物晶態(tài)高聚物的拉伸的拉伸曲線。它與塑性固體材料曲線。它與塑性固體材料極為相似，只是在達(dá)到屈極為相似，只是在達(dá)到屈服以后，分子鏈沿外力方服以后，分子鏈沿外力方向排列，分子間作用力增向排列，分子間作用力增大，因而強(qiáng)度增大。大，因而強(qiáng)度增大。一般說來，屈服應(yīng)力、強(qiáng)一般說來，屈服應(yīng)力、強(qiáng)度、彈性模量、硬度等隨度、彈性模量、硬度等隨結(jié)晶度的增大而提高，而結(jié)晶度的增大而提高，而斷裂伸長率和抗沖擊性能斷裂伸長率和抗沖擊性能下降下降。192高彈性高分子材料的高彈性，是指材料處于高彈態(tài)時(shí)，具有彈性變形大、彈性模量小，以及彈性變形時(shí)有熱效應(yīng)伴隨產(chǎn)生等高聚物材料獨(dú)有的特性。高聚物具有高彈性的內(nèi)部原因是具

10、有柔性鏈。203粘彈性理想的彈性材料變形與時(shí)間無關(guān)粘彈性材料變形與時(shí)間、溫度有關(guān)21受力1）靜態(tài)粘彈性靜態(tài)粘彈性是指初始外加應(yīng)力或應(yīng)變恒定不變時(shí)，隨時(shí)間的發(fā)展而產(chǎn)生的蠕變和松弛現(xiàn)象。蠕變：在恒定應(yīng)力作用下變形隨時(shí)間延長而增加的現(xiàn)象。松弛：高聚物產(chǎn)生一定變形后，在保持變形量不變的條件下，其作用力隨時(shí)間的推移而逐漸衰減的現(xiàn)象。二者的本質(zhì)是相同的，都是受外力作用后，高聚物內(nèi)部調(diào)整分子鏈的構(gòu)象產(chǎn)生的宏觀效應(yīng)，只是由于外界條件不同而呈現(xiàn)出不同的表現(xiàn)而已。22232）動態(tài)粘彈性是指高聚物受交變應(yīng)力作用時(shí)，出現(xiàn)變形速度落后于應(yīng)力變化速度的滯后現(xiàn)象和由于這種力學(xué)滯后引起的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的內(nèi)耗現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因

11、是：當(dāng)高聚物受外力作用時(shí)，由于分子鏈構(gòu)象的調(diào)整需要時(shí)間，使應(yīng)變響應(yīng)落后于應(yīng)力變化，故表現(xiàn)出滯后現(xiàn)象。再者當(dāng)上一次變形尚未回復(fù)時(shí)施加了下一次應(yīng)力，使上次變形產(chǎn)生的彈性儲能無法釋放，只能通過內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)化為熱量放出，于是又產(chǎn)生了內(nèi)耗現(xiàn)象。應(yīng)當(dāng)說明的是，滯后現(xiàn)象和內(nèi)耗的產(chǎn)生是有一定條件的，因?yàn)榻蛔儜?yīng)力的頻率很低時(shí)，分子鏈構(gòu)象的調(diào)整能夠跟得上外力的變化，而交變應(yīng)力的頻率很高時(shí)，鏈段根本來不及運(yùn)動，這兩種情況均不出現(xiàn)動態(tài)粘彈性。24此外，高聚物材料還具有很多獨(dú)特的性能，比如高強(qiáng)度、耐腐蝕、吸振消聲、耐輻射以及存在老化問題等，應(yīng)加以注意。251推廣高分子材料在船舶與海洋工程上的重要意義（1）減輕船體重量，從而

12、提高船舶的裝載量，并改進(jìn)了船舶的技術(shù)性能。（2）減低建造成本，主要體現(xiàn)在高分子材料加工簡便，可大大提高生產(chǎn)率，原材料成本低，可代替很多貴重材料。（3）延長使用壽命，高分子材料具有很好的耐腐蝕性能，對延長使用年限和減少維修次數(shù)均有好處。（4）提高安全性和舒適性，經(jīng)過特殊處理的高分子材料能夠防止火災(zāi)的發(fā)生和蔓延。此外，它還具有消聲和吸震作用，為乘員的生活和工作提供舒適的環(huán)境。262高分子材料在海洋工程中的應(yīng)用方面：（1）制造軸承和機(jī)器零件，以節(jié)約銅、鋁、鉛等貴重材料（2）制造船舶與海洋工程用電器和航海儀器的零件和元件，具有無磁性、吸震、透明、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。（3）制造管系 、海水泵、淡水泵以及其它

13、部件，發(fā)揮其重量輕、耐腐蝕、成本低的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于塑料的焊接或粘接工藝簡單，易于安裝，可大大減少工作量。（4)用于船舶與海洋工程的舾裝，以降低成本，縮短建造周期。（5）用膠接取代傳統(tǒng)的安裝方法，可大大簡化安裝工藝（6）用作螺旋槳、舵葉、水艙等易腐蝕部位的塑料涂層，以提高船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的防腐蝕性能。2728船用無機(jī)非金屬材料種類很多，但其中絕大部分為硅酸鹽材料。本節(jié)重點(diǎn)討論幾種硅酸鹽材料的性能特點(diǎn)及在船舶與海洋工程的應(yīng)用。296.3.1硅酸鹽材料的相組成1晶體相：以共價(jià)鍵為主的硅酸鹽結(jié)構(gòu)和以離子鍵為主的氧化物結(jié)構(gòu)組成的晶體部分。2玻璃相：硅酸鹽材料中從液態(tài)凝固下來，結(jié)構(gòu)與液態(tài)相似的非晶態(tài)固

14、體部分。3膠體：一些微小分散的顆粒（直徑1-100nm），它們分散于各種介質(zhì)的顆粒之間，為某些粉末狀的硅酸鹽材料提供粘結(jié)力，因而起到類似膠黏劑的作用。4氣體相：硅酸鹽材料形成后，留在材料內(nèi)部孔隙中的氣體。6.3.2 水泥水泥是一種粉末材料，當(dāng)它與水或適當(dāng)?shù)柠}類溶液混合后，在常溫下經(jīng)過一定的物理和化學(xué)變化，由可塑性漿體逐漸凝結(jié)硬化，成為具有一定強(qiáng)度的堅(jiān)硬的石狀固體。確切地說，它不僅能在空氣中硬化和保持強(qiáng)度，而且還能在水中繼續(xù)硬化，并長期保持和繼續(xù)提高其強(qiáng)度。因此，人們又把水泥歸于水硬性礦物凝膠材料。301常用水泥1）硅酸鹽水泥2）普通硅酸鹽水泥3）礦渣硅酸鹽水泥4）火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥5）粉煤灰3

15、12.特種水泥1）鋁酸鹽水泥（高鋁水泥）2）白色、彩色硅酸鹽水泥3）硫鋁酸鹽膨脹水泥4）抗硫酸鹽硅酸鹽水泥5）快凝快硬硅酸鹽水泥（雙快水泥）6）大壩水泥3233玻璃是一種各向同性的非晶態(tài)固體材料，由石英、長石、石灰石、純堿以及其它填料等經(jīng)高溫熔化制成，其化學(xué)成分以二氧化硅為主。玻璃具有良好的物理和機(jī)械性能。在船舶與海洋工程中經(jīng)常使用的是舷窗用的鋼化玻璃、風(fēng)窗用的中空玻璃、駕駛室用的夾層玻璃、艙室內(nèi)部用的平面安全玻璃燈具等用的有色透光玻璃、鍋爐用的水位指示玻璃、玻璃鋼材料用的玻璃纖維，以及一些其它用途的玻璃制品。34復(fù)合材料中的“復(fù)合”這個詞表示由兩種或多種材料在宏觀尺度上組合成的一種有用的材料

16、。不同的材料能夠在微觀尺度上組合起來，例如合金，其最終材料在宏觀上是均質(zhì)的。復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是：具有其各種組分的最好特性，并且有些特性往往是組分所沒有的。組成的復(fù)合材料能改善的性能有：強(qiáng)度強(qiáng)度 剛度剛度耐腐蝕性耐腐蝕性吸引性吸引性重量重量疲勞壽命疲勞壽命與溫度有關(guān)的性能與溫度有關(guān)的性能絕熱性絕熱性導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性隔音性隔音性35復(fù)合材料有長久的使用歷史。它的起源還不清楚，但所有有記載的歷史都述及了復(fù)合材料的一些形式。例如，猶太人用稻桿加強(qiáng)泥磚；古埃及人用了多層木板，那是他們已知道木材重新排列，可達(dá)到很高的強(qiáng)度和抵抗熱膨脹以及由潮濕引起的膨脹；中世紀(jì)的劍和盔甲是用不同材料層合構(gòu)成的。最近，對于像飛機(jī)和

17、宇宙飛船等重量要求嚴(yán)格的應(yīng)用上，具有高的強(qiáng)度-重量比的纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料就顯得重要了。3637 機(jī)織織物 橫向針織織物 縱向針織織物 編織織物 三維正交非機(jī)織織物38纖維復(fù)合材料各種形狀的長纖維比塊狀的同一材料更為剛強(qiáng)。更確切地說，纖維有與塊狀形式不同的特性是由于纖維是一種更加完整的結(jié)構(gòu)，晶體在纖維中是沿著纖維軸定位的。此外，纖維的內(nèi)部缺陷比塊狀材料少，例如，在材料中存在位錯，而纖維的位錯比塊狀少。39纖維的特性纖維在幾何上的特征，不在于它有很大的長度-直徑比，而在于它有近于晶體大小的直徑。晶須的特性晶須有像纖維一樣接近晶體大小的直徑，雖然其長度-直徑比可以以百計(jì)，但一般是很短的和須狀的。因

18、此，晶須是一種更能表明結(jié)晶與塊狀材料性能不同的明顯的例子，晶須比纖維更為完整而又有更高的性能。晶須是在很小尺度上結(jié)晶獲得的，且有近于完整的晶體線狀排列。40基體的特性纖維和晶須一般是粘結(jié)在一起成為能夠承載的結(jié)構(gòu)元件。粘結(jié)材料通常稱為基體。基體的作用是多方面的，有支持作用、保護(hù)作用及應(yīng)力傳遞作用等。一般說來，與纖維或晶須相比，基體的比重、剛度和強(qiáng)度很低。然而，當(dāng)纖維或晶須與基體相結(jié)合時(shí)，就能有很高的強(qiáng)度與剛度以及仍然低的比重。41層合復(fù)合材料至少是由兩層不同材料膠合而成的。使用層合是為了將組分層的最好方面組合起來以得到更為有用的材料。用層合法增強(qiáng)的性能有強(qiáng)度、剛度、輕質(zhì)、耐腐蝕、耐磨損、美觀或吸

19、引性、絕熱性與隔音性等。雙金屬雙金屬是兩種有顯著不同熱膨脹系數(shù)的金屬的層合物。在溫度變化時(shí)，雙金屬產(chǎn)生一個預(yù)定的翹曲或變形量，因而用作溫度測量裝置是很合適的。42涂覆金屬將一種金屬涂覆到另一種金屬上，就能得到兩種金屬的最好性能。夾層玻璃用一層材料來保護(hù)另一層的概念，可以用同樣方法擴(kuò)展到安全玻璃上。塑料基層合物許多材料可用各種塑料來浸漬，隨后按照多種用途進(jìn)行處理。層合纖維復(fù)合物層合纖維復(fù)合物是包含纖維復(fù)合與層合工藝的混合型復(fù)合物，一個更通俗的名稱是層合纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。這里，纖維增強(qiáng)材料層一般是由不同方向的纖維層組成的，以在不同方向上得到不同的強(qiáng)度和剛度。于是，層合纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度與剛度就能按照結(jié)構(gòu)元件特定的設(shè)計(jì)要求來布置。層合纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的例子有玻璃纖維船殼。4344玻璃鋼是玻璃纖維增強(qiáng)塑料的簡稱。玻璃鋼的成型方法手糊法、模壓法、袋壓法、層壓法、纏繞法和噴射法。由于目前造船中采用手糊法為多，故此環(huán)氧樹脂玻璃鋼為例，簡述一下玻璃鋼的手糊成型工藝過程。45463.玻璃鋼的性能和應(yīng)用1）性能（1）玻璃鋼的相對密度小，比強(qiáng)度高，是建造快速船舶的理想材料。（2）非磁性材料，具有良好的電絕緣和隔熱性能。因此用玻璃鋼造船能提高電子設(shè)