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、石油化工產品等。

 

3.1非金屬材料的結構特點及應用特性

3.1.1高分子材料的結構特點

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構相同的單元（稱作鏈節）實質上是一種成幾種簡單的低分子化合物，它們在共價鍵的作用下， 連接成鏈狀結構，其分子量一般在103~106之間。

高分子材料最典型的代表就是聚乙烯，它的分子是 由數量足夠多的乙烯小分子打開雙鍵加聚反應后形 成的，化學反應方程式如下：

上述這種鏈狀的大分子就是聚乙烯分子，而眾 多的大分子靠氫鍵和范德瓦爾斯鍵聚集在一起，就構成了聚乙烯材料。

由此可見，盡管高分子物質的分子量較大，微觀結構復雜多變，但仍然有規律可循。因此，可以按照“大分子鏈的化學組織大分子鏈的構象高聚物的高次結構”這樣的結構層次來說明高分子結構特點。

大分子鏈的空間形象稱作構象。由于大分子鏈是由成千上萬個原子經共價鍵連接而成，而每一個鏈節均可以在保持其鍵長和鍵角不變的前提下自由轉動。如圖所示。因此，整個大分子鏈表現出一定程度的柔順性。這種分子鏈的剛柔性對高聚物的性能影響很大，一般來說，剛性分子鏈使高聚物的強度、硬度和熔點提高，而柔性分子鏈則增大高聚物的彈性、韌性和流動性等。

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也可分成晶態和非晶態。

非晶態是指分子鏈完全無規則地纏繞在一起形成的聚集態； 晶態則是指分子鏈部分或全部整齊有規律地排列起來。表現出晶體的特征。但實際上，把一組完全無規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晶，所以也稱作半晶態。

高聚物中晶體的存在將增大分子間的作用力，使鏈 的運動變難。因此導致材料的熔點、密度、強度、 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、塑性和韌性等指標下降。

如果在高聚物中摻入一些其它物質，或將異種鏈的高分子混合在一起，形成高聚物的高次結構（即高 聚物的“合金”），將大大改變高聚物的性能，適應各種使用的特殊要求。

3.1.2無機非金屬材料的結構特點

無機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構組合而成。 因此，離子鍵和共價鍵共同作用，就成為無機非金 屬材料的主要特點之一。

盡管無機非金屬材料的結構比金屬的結構復雜，但 其原子間相互組合的方式卻主要有兩種類型，即硅 酸鹽結構和氧化物結構。

硅氧四面體結構

 

硅酸鹽結構

構成硅酸鹽的基本結構單元是硅和氧組成的(SiO4)4-即硅氧四面體見圖所示。其中硅原子處于四面體中心，而氧原子則處于四個頂點，且彼此間以離子鍵和共價鍵的混合鍵結合，鍵角為145°硅

氧化物結構

氧化物結構指的是由氧離子和金屬離子組成的氧化 物的結構。這種結構特點是氧原子緊密堆集。即大 多數氧化物的結構是在氧離子近似密堆的基礎上形 成的，而正離子位于適當的間隙之中。

3.2 高分子材料

3.2.1 高分子的物理狀態

當外界條件（溫度、相對分子質量、結晶度、交聯密度等）發生變化時，高分子材料將處于不同的物理狀態， 如圖所示。具有完全不同的力學和物理性能，給材料的使用帶來了很大的影響。

1 玻璃態

當溫度低于Tg時，非晶態高聚物處于玻璃態，此時大分子鏈間作用較大，分子鏈和由鏈節構成的鏈段都不能自由運動，所以當高聚物受外力作用時，只能發生鏈段的瞬時微小伸縮和鍵角的微小改變，故變形較小（<1%），且與

應力成正比。而當外力消失后，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。

2.高彈態

當溫度高于玻璃化溫度Tg，且低于粘流溫度Tf 時，高聚物處于高彈態。受外力作用時，由于鏈段的伸縮和轉動，分子鏈的構象發生較大的變化，而當除去外力后，分子鏈又回復到原來的狀態。于是，使處于高彈態的高聚物表現出 獨特的性質，如可回復彈性變形量高達1-10倍， 而彈性模量卻比普通彈性材料小三個數量級。

常溫處于高彈態的高聚物稱作橡膠，因此也稱高彈態為橡膠態。由于橡膠的使用溫度在Tg和 Tf之間，所以習慣上把Tg稱作橡膠的耐寒指標，把Tf稱作橡膠的耐熱指標。

3.粘流態

當溫度高于粘流溫度Tf后，分子熱運動的動能更大，整個大分子鏈也可以自由移動了，于是高聚 物開始變為粘性液體而流動，即處于粘流態。

常溫下處于粘流態的高聚物只能作為膠黏劑或涂 料使用，然而，粘流態對于高聚物加工卻有著特 別重要的意義，因為不論塑料還是橡膠，他們的 加工過程都是先將其加熱熔化，再經過注塑、吹 塑、模鑄、擠壓、噴絲等方法，冷卻后成型的。

4.皮革態

當高聚物中存在數量不等的結晶區域時，晶態高聚物在溫度達到其熔點Tm之前總是處于堅硬的固體狀態。此時，如果溫度高于Tg且低于Tm，則高聚物中的非晶態部分處于柔韌的高彈態。而晶態部分卻保持著較高的強度和硬度，于是整個高聚物表現為一種既硬又韌的皮革態。

皮革態的存在，可以使材料具有較高的強度和韌性，為通過調整和控制結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特性質之一。

3.2.2 高分子材料的主要性能

1.強度和韌性非晶態高聚物的拉伸曲線。

 

曲線a為高聚物處于硬玻璃態的拉伸曲線，試樣不發生屈服而呈現出脆性斷裂方式

曲線b為軟玻璃態的拉伸曲線，其抗伸性能 表現出塑性固體材料的特點

曲線c為橡膠態高聚物的拉伸曲線，即拉伸時能產生很大的可回復變形曲線d為高聚物在黏流溫度附近處半固態和黏流態時的拉伸曲線，表現出受力產生不可逆形變的近似液體的特性。

上圖為晶態高聚物的拉伸曲線。它與塑性固體材料極為相似，只是在達到屈服以后，分子鏈沿外力方向排列，分子間作用力增大，因而強度增大。

一般說來，屈服應力、強度、彈性模量、硬度等隨結晶度的增大而提高，而斷裂伸長率和抗沖擊性能下降。

2.高彈性

高分子材料的高彈性，是指材料處于高彈態時，具有彈性變形大、彈性模量小，以及彈性變形時有熱效應伴隨產生等高聚物材料獨有的特性。

高聚物具有高彈性的內部原因是具有柔性鏈。

 

3.粘彈性

1）靜態粘彈性

靜態粘彈性是指初始外加應力或應變恒定不變時，隨時間的發展而產生的蠕變和松弛現象。

蠕變：在恒定應力作用下變形隨時間延長而增加的現象。

松弛：高聚物產生一定變形后，在保持變形量不變的條件下，其作用力隨時間的推移而逐漸衰減的現象。二者的本質是相同的，都是受外力作用后，高聚物內部調整分子鏈的構象產生的宏觀效應，只是由于外界條件不同而呈現出不同的表現而已。

2）動態粘彈性

是指高聚物受交變應力作用時，出現變形速度落后于應力變化速度的滯后現象和由于這種力學滯后引起的機械能轉化為熱能的內耗現象。

產生的原因是：當高聚物受外力作用時，由于分子鏈構象的調整需要時間，使應變響應落后于應力變化，故表現出滯后現象。再者當上一次變形尚未回復時施加了下一次應力，使上次變形產生的彈性儲能無法釋放，只能通過內摩擦轉化為熱量放出，于是又產生了內耗現象。應當說明的是，滯后現象和內耗的產生是有一定條件的，因為交變應力的頻率很低時，分子鏈構象的調整能夠跟得上外力的變化，而交變應力的頻率很高時，鏈段根本來不及運動，這兩種情況均不出現動態粘彈性。

此外，高聚物材料還具有很多獨特的性能，比如高強度、耐腐蝕、吸振消聲、耐輻射以及存在老化問題等，應加以注意。

3.2.3 高分子材料在造船方面的主要應用

1.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，從而提高船舶的裝載量，并改進了船舶的技術性能。

（2）減低建造成本，主要體現在高分子材料加工簡便，可大大提高生產率，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均有好處。

（4）提高安全性和舒適性，經過特殊處理的高分子材料能夠防止火災的發生和蔓延。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境。

2.高分子材料在海洋工程中的應用方面：

（1）制造軸承和機器零件，以節約銅、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、經濟性好等特點。

（3）制造管系 、海水泵、淡水泵以及其它部件，發揮其重量輕、耐腐蝕、成本低的優點。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構的防腐蝕性能。

3.3 硅酸鹽材料

船用無機非金屬材料種類很多，但其中絕大部分為硅酸鹽材料。

本節重點討論幾種硅酸鹽材料的性能特點及在船舶與海洋工程的應用。

3.3.1硅酸鹽材料的相組成

1.晶體相：以共價鍵為主的硅酸鹽結構和以離子鍵為主的氧化物結構組成的晶體部分。

2.玻璃相：硅酸鹽材料中從液態凝固下來，結構與液 態相似的非晶態固體部分。

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的顆粒之間，為某些粉末狀的硅 酸鹽材料提供粘結力，因而起到類似膠黏劑的作用。

4.氣體相：硅酸鹽材料形成后，留在材料內部孔隙中 的氣體。

3.3.2 水泥

水泥是一種粉末材料，當它與水或適當的鹽類溶液混合后，在常溫下經過一定的物 理和化學變化，由可塑性漿體逐漸凝結硬 化，成為具有一定強度的堅硬的石狀固體。確切地說，它不僅能在空氣中硬化和保持 強度，而且還能在水中繼續硬化，并長期保持和繼續提高其強度。因此，人們又把 水泥歸于水硬性礦物凝膠材料。

1.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）火山灰質硅酸鹽水泥

5）粉煤灰

2.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

3.3.3絕緣材料

3.3.4玻璃

玻璃是一種各向同性的非晶態固體材料，由石英、 長石、石灰石、純堿以及其它填料等經高溫熔化制成，其化學成分以二氧化硅為主。

玻璃具有良好的物理和機械性能。

在船舶與海洋工程中經常使用的是舷窗用的鋼化 玻璃、風窗用的中空玻璃、駕駛室用的夾層玻璃、 艙室內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。

3.4 復合材料

復合材料中的“復合”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。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的。

復合材料的優點是：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。組成的復合材料能改善的性能有：

復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合材料的一些形式。

例如，猶太人用稻桿加強泥磚；古埃及人用 了多層木板，那是他們已知道木材重新排列， 可達到很高的強度和抵抗熱膨脹以及由潮濕引起的膨脹；中世紀的劍和盔甲是用不同材料層合構成的。最近，對于像飛機和宇宙飛船等重量要求嚴格的應用上，具有高的強度- 重量比的纖維增強樹脂復合材料就顯得重要了。

3.4.1 復合材料的分類和特性

纖維復合材料

各種形狀的長纖維比塊狀的同一材料更為剛強。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構，晶體在纖維中是沿著纖維軸定位的。此外，纖維的內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。

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，但一般是很短的和須狀的。因此，晶須是一種更能表明結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 上結晶獲得的，且有近于完整的晶體線狀排列。

基體的特性

纖維和晶須一般是粘結在一起成為能夠承載的 結構元件。粘結材料通常稱為基體。基體的作 用是多方面的，有支持作用、保護作用及應力 傳遞作用等。一般說來，與纖維或晶須相比， 基體的比重、剛度和強度很低。然而，當纖維 或晶須與基體相結合時，就能有很高的強度與 剛度以及仍然低的比重。

3.4.2層合復合材料

層合復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。用層合法增強的性能有強度、 剛度、輕質、耐腐蝕、耐磨損、美觀或吸引性、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的金屬的層合 物。在溫度變化時，雙金屬產生一個預定的翹曲或 變形量，因而用作溫度測量裝置是很合適的。

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

用一層材料來保護另一層的概念，可以用同樣方法擴展到安全玻璃上。

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行處理。

層合纖維復合物

層合纖維復合物是包含纖維復合與層合工藝的混合型復合物， 一個更通俗的名稱是層合纖維增強復合材料。這里，纖維增 強材料層一般是由不同方向的纖維層組成的，以在不同方向 上得到不同的強度和剛度。于是，層合纖維增強復合材料的 強度與剛度就能按照結構元件特定的設計要求來布置。層合 纖維增強復合材料的例子有玻璃纖維船殼。

3.4.3玻璃鋼

玻璃鋼是玻璃纖維增強塑料的簡稱。

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，故此環氧樹脂玻璃鋼為例，簡述一下玻璃鋼的手糊成型工藝過程。

3.玻璃鋼的性能和應用

1）性能

（1）玻璃鋼的相對密度小，比強度高，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備的精確性，并可避免磁性水雷的攻擊和雷達的發現。

（3）耐腐蝕性強，且便于維修保養，因而可延長使用壽命。

（4）可根據產品的使用特點進行設計和施工，而且成形工藝和設備簡單，因此可縮短建造周期。

（5）沖擊韌性好，吸收沖擊能量大，因此它具有很好的防彈性能，即使子彈或炮彈擊穿時也不會產生嚴重破壞， 而且修補方便。

此外，良好的透聲性、抗震性和化學穩定性。

2）應用

（1）在水面艦船中的應用

玻璃鋼雖然在船舶與海洋工程中已獲得廣泛應用，但由于存在彈性模量低，長期耐高溫性能較差、有老化現象、生產工藝落后、原料成本和造價過高、耐磨性差等缺點，玻璃鋼用于建造大型艦船，目前尚受到一定限制，有待進一步研究以獲解決。

（2）在潛艇與深水考察船中的應用

比強度高，用作深水潛艇的耐壓殼，其潛水踩度至少比用鋼作耐壓殼的深水潛艇潛深多80%，可達4500m以下。

3.4.4木材及其它復合材料

木材以木質素為粘結劑（基體）以纖維素和半纖維 素（均為糖類的鏈狀大分子）為增強材料，構成管 狀細胞壁，再經無數同樣的管狀細胞緊密結合在一 起而形成的復合體。

木材是非均質結構的材料，其纖維素沿縱向排列， 因此它具有各向異性。具有較高的抗彎剛度、順紋 抗拉強度和橫紋抗剪強度，而其橫紋抗拉強度和順 紋抗剪強度則低得多。

硬度不同分成軟木、硬木、極硬木三類。

造船用木材通常可按用途分成四類：

結構用木材：重要構件和部件

裝飾用木材：供裝飾用

細木工用木材：小制件，對性能要求不高

木材深加工產品：多層板、纖維板、密度板等。

2、其他復合材料

1）塑料基

2）橡膠基

3）金屬基

4）陶瓷基

5）水泥基