非金屬材料廣義上講是金屬材料以外一切材料的總稱，是指由有機(jī)物和無機(jī)物或各種有機(jī)物或無機(jī)物在適當(dāng)?shù)慕M合下，經(jīng)過一定的物理或化學(xué)方法處理后而得到的材料。

非金屬材料的品種極其繁多，分類也各有不同。按化學(xué)組成可分為無機(jī)非金屬材料(耐火材料、陶瓷、玻璃等)和有機(jī)非金屬材料(塑料、橡膠、纖維等)兩類。按材料來源可分為天然非金屬材料(木材。皮革籌)及人造非金屬材料(人工合成材料)兩類。

非金屬材料是除金屬材料以外的一切材料，由于資源豐富，能耗低，具有優(yōu)良的電氣、化學(xué)、力學(xué)等綜合性能，在近幾十年得到迅速發(fā)展，其中合成高分子材料和陶瓷材料尤為迅速。世界有機(jī)合成高分子材料產(chǎn)量每年以14%的速度增長(zhǎng)，而金屬材料的增長(zhǎng)率僅為4%，有機(jī)合成高分子材料已成為一種重要的新型工程結(jié)構(gòu)材料。

目前，有機(jī)合成高分子材料的體積產(chǎn)量已經(jīng)超越鋼鐵。除了可代替鋼鐵、木材和皮革以外，目前又正在開發(fā)和研制一些具有耐高溫和導(dǎo)電性能的有機(jī)合成材料。

陶瓷是無機(jī)非金屬材料的主體，其中新型陶瓷是一類極有發(fā)展前途的新型工程材料。它具有金屬和有機(jī)合成高分子材料所沒有的高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、導(dǎo)電、絕緣、磁性、透光、半導(dǎo)體以及壓電、鐵電、光電、電光、超導(dǎo)、生物相容性等特殊性能，目前已從日用、化工、建筑、裝飾發(fā)展到微電子、能源、交通及航天等領(lǐng)域，是繼金屬材料、有機(jī)合成材料之后的第三大類材料，將成為取代金屬和塑料的替換材料。

例如新近研制的高強(qiáng)度陶瓷、高溫陶瓷、高韌陶瓷、光學(xué)陶瓷等高性能陶瓷，可制作切削工具、高溫陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)、陶瓷熱交換器以及柴油機(jī)的絕熱零件等，從而大大拓寬了陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域。

非金屬材料范圍廣、種類多，并具有許多優(yōu)良的獨(dú)特性能，在機(jī)械工程材料中占據(jù)重要地位，它的應(yīng)用遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。如塑料，從國(guó)防工業(yè)到民用工業(yè)、從尖端技術(shù)到一般工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門都可見到塑料制造的零部件，有的具有不可替代性。

在機(jī)床與工程機(jī)械中，工程塑料用以制造手輪、手柄、齒輪、齒條和導(dǎo)軌;在交通運(yùn)輸方面，應(yīng)用更為普遍，一輛汽車就有300～400個(gè)塑料零件，一架飛機(jī)多達(dá)2500個(gè)塑料零件;在化工機(jī)械方面，大量用于制造管道、容器、閥門和泵等零件;在儀器儀表工業(yè)中，工程塑料用于制造齒輪、凸輪、面板、罩殼等零件;在農(nóng)用機(jī)械上用塑料代替有色合金制造管接頭、小管及其他容易腐蝕的零件。

1、非金屬材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位

非金屬材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和鐵路運(yùn)輸業(yè)中，、都占有重要地位，在實(shí)現(xiàn)四個(gè)現(xiàn)代化的過程中肩負(fù)著極其重要的任務(wù)。比如，沒有砂石、水泥、木材、混凝土，建筑工程將無法進(jìn)行;沒有化纖、塑料等，將給生產(chǎn)和人民生活帶來很大不便，沒有復(fù)合材料等耐磨、耐熱、高強(qiáng)、耐腐的特種材料，一些尖端技術(shù)將不能實(shí)現(xiàn)。

非金屬材料是最有發(fā)展前途的材料之一。就世界范圍來講，盡管各國(guó)的發(fā)展重點(diǎn)不同，如日、美側(cè)重發(fā)展鋼、木、混凝土結(jié)構(gòu)，而蘇聯(lián)和其它一些國(guó)家則側(cè)重發(fā)展磚、瓦及混凝土建筑。但其中有一種是相同的，就是混凝土制品無論在哪一個(gè)國(guó)家，也無論現(xiàn)在和將來在工程上都是主要的，而且都朝著高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐久、多功能的方向發(fā)展。

此外，塑料、橡膠、纖維等高分子材料也是很有希望的非金屬材料，有人認(rèn)為自本世紀(jì)中葉以來，人類已經(jīng)開始進(jìn)入高分子合成材料時(shí)代是不過分的。目前在歐美以及日本等一些國(guó)家，塑料占整個(gè)建筑材料的20～25%。

1985年全世界塑料生產(chǎn)按體積計(jì)算將超過鋼鐵的產(chǎn)量。我國(guó)塑料工業(yè)雖然厲史很短，但發(fā)展也是很快的，生產(chǎn)規(guī)模已有100余萬噸。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)和材料工業(yè)的不斷發(fā)展，非金屬材料將在我國(guó)社會(huì)主義建設(shè)事業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

2、我國(guó)的非金屬材料發(fā)展

我國(guó)是一個(gè)具有悠久歷史和文明的國(guó)家，隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，非金屬材料也得到相應(yīng)的發(fā)展，產(chǎn)量不斷提高，品種日益增加，為社會(huì)主義建設(shè)提供了基礎(chǔ)材料和特種材料。例如，許多具有特殊性能的水泥、混凝土、高分子材料以及復(fù)合材料的相繼出現(xiàn)并得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

在鐵路生產(chǎn)建設(shè)中，非金屬材料已逐步取代鋼材和銅材，如機(jī)車上四十七種套墊板，原為銅材，現(xiàn)已為己內(nèi)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線，以化纖代替棉布等等，應(yīng)用范圍越來越廣，使用面越來越大。

1、非金屬材料的分類

目前，非金屬材料通常以其組成的主要成分分為無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料及復(fù)合材料三大類。

典型無機(jī)非金屬材料:水泥、玻璃、陶瓷。典型有機(jī)高分子材料：塑料、橡膠、化纖。

典型復(fù)合材料：無機(jī)非金屬材料基復(fù)合材料、有機(jī)高分子材料基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料。

2、非金屬材料的選擇

由于非金屬材料的種類繁多，不同類型、成分、性能及不同成形方法的非金屬材料在工程實(shí)際中的使用和選擇，是個(gè)很復(fù)雜的過程。設(shè)計(jì)師和工程師在選擇非金屬材料時(shí)，主要應(yīng)考慮以下的因素：①滿足使用性能和工藝性能;②防止出現(xiàn)失效事故;③經(jīng)濟(jì)性;④考慮可持續(xù)發(fā)展選材。

此外，材料的選擇是一個(gè)系統(tǒng)工程。在一個(gè)部件或者裝置中，所選用的各種材料要能夠在一起使用，而不能因相互作用而降低對(duì)方的性能。

3、非金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域

過去，非金屬結(jié)構(gòu)材料傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要是建筑、輕工、紡織、家電、儀器儀表、農(nóng)業(yè)等，在工業(yè)上主要是裝飾件、密封件、刀具、輪胎等。但是現(xiàn)在，非金屬結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用正以前所未有的速度發(fā)展。隨著各種非金屬材料合成和制備技術(shù)不斷提高和完善，非金屬材料的產(chǎn)量和性能均不斷提高。

有關(guān)專家預(yù)測(cè)，很多傳統(tǒng)上由金屬制造的零件、部件、結(jié)構(gòu)件，將會(huì)被工程塑料、工程陶瓷及復(fù)合材料等非金屬材料所取代。例如，汽車的車身可采用工程塑料或復(fù)合材料，每千克工程塑料可代替4～5千克鋼鐵，而且可整體成形，因而成本和油耗將進(jìn)一步降低。由于原料充足，可以設(shè)計(jì)、制造出無窮的新產(chǎn)品，非金屬結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

另外，各種新型非金屬材料，其應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)比非金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊得多，特別是現(xiàn)代高科技密集的領(lǐng)域。在微電子、信息通信、航空航天、生物工程、環(huán)境保護(hù)、新能源等領(lǐng)域中應(yīng)用了大量的新型非金屬材料，其中最具代表的有單晶硅、超導(dǎo)材料、固體激光材料、飛船高溫防護(hù)材料、仿生材料、環(huán)保材料、隱形納米材料等等。由于篇幅所限，本章的主要內(nèi)容為非金屬結(jié)構(gòu)材料及其成形。

當(dāng)前工程材料已擴(kuò)展成為金屬材料、有機(jī)高分子材料(聚合物)和無機(jī)非金屬材料(陶瓷類在內(nèi))三大系列全材料范圍。.

隨著全球第三次工業(yè)革命迅速發(fā)展，材料科學(xué)與工程發(fā)展尤為迅猛。其發(fā)展趨勢(shì)是結(jié)構(gòu)材料復(fù)合化，低維材料擴(kuò)大應(yīng)用化，功能材料迅速化，新型材料實(shí)用化，以及材料設(shè)計(jì)選用計(jì)算機(jī)化。在這些發(fā)展趨勢(shì)中，非金屬材料起到關(guān)鍵和重要作用。

結(jié)構(gòu)材料復(fù)合化是由于工業(yè)發(fā)展要求結(jié)構(gòu)材料向更高強(qiáng)度及更苛刻介質(zhì)、極限工作環(huán)境中工作發(fā)展。盡管金屬材料通過綜合強(qiáng)化和晶界凈化，高分子材料通過聚合和分子重排等手段改善其強(qiáng)度性能潛力還很大，陶瓷材料通過納米及結(jié)構(gòu)突破陶瓷脆性問題，但單純用單一材料往往存在難以克服缺點(diǎn)，如金屬材料耐熱、耐蝕和耐磨性能低，高分子材料彈性模量偏低，比強(qiáng)度不足，陶瓷材料脆性大等等。

用不同材料復(fù)合化將得到優(yōu)于原組成材料性能的新材料，這已成為當(dāng)前結(jié)構(gòu)材料發(fā)展趨勢(shì)。第一代復(fù)合材料是玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(即玻璃鋼)，第二代是碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，第三代是正在發(fā)展的金屬基、陶瓷基和碳基等復(fù)合材料。

低維材料包括零維(超微?！獊單⒚缀图{米級(jí))一維(纖維)和二維(薄膜)材料，可用于結(jié)構(gòu)材料和功能材料，是近年發(fā)展最快一類材料。零維材料中納米金屬和納米陶瓷粉末是材料界關(guān)注熱點(diǎn)，對(duì)未來材料和工業(yè)革命起到不可估量作用。

一維材料中最突出是光導(dǎo)纖維，它是現(xiàn)代信息革命的基礎(chǔ)。

二維材料隨著電子器件小型化，需要各類薄膜態(tài)絕緣，半導(dǎo)體、介電及磁性材料。金剛石薄膜和有機(jī)高分子膜十分誘人，高溫超導(dǎo)膜尤為突出。

功能材料目前是新材料發(fā)展的重點(diǎn)。從高溫超導(dǎo)材料發(fā)展看，因氧化物高溫超導(dǎo)體問世以來，臨界溫度一再被突破。雖然無機(jī)非金屬材料固有脆性及其超導(dǎo)穩(wěn)定性有待改善，但對(duì)超導(dǎo)材料的應(yīng)用已日趨深入和廣泛。如美、日科學(xué)家已將高溫超導(dǎo)體制成長(zhǎng)達(dá)1000m的線材，可應(yīng)用于輸電導(dǎo)線、電力儲(chǔ)存裝置、超導(dǎo)磁體、電動(dòng)機(jī)以及磁懸浮列車等方面。近年發(fā)展迅速的梯度材料從原子水平上把無機(jī)陶瓷材料與金屬材料混合而構(gòu)成，其界面組分、結(jié)構(gòu)和性能呈梯度變化，具有廣泛應(yīng)用潛力。

至今，如航空航天器和燃?xì)廨啓C(jī)這類高性能參數(shù)機(jī)械產(chǎn)品仍受到材料極限限制。常規(guī)的材料(如鈦合金和超合金)使用溫度已達(dá)極限，而新型材料的性能飛躍和突破將成為這些高參數(shù)機(jī)械產(chǎn)品性能突破物質(zhì)基礎(chǔ)。