非金屬材料廣義上講是金屬材料以外一切材料的總稱，是指由有機物和無機物或各種有機物或無機物在適當(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)組成可分為無機非金屬材料(耐火材料、陶瓷、玻璃等)和有機非金屬材料(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。世界有機合成高分子材料產(chǎn)量每年以14%的速度增長，而金屬材料的增長率僅為4%，有機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)電性能的有機合成材料。

陶瓷是無機非金屬材料的主體，其中新型陶瓷是一類極有發(fā)展前途的新型工程材料。它具有金屬和有機合成高分子材料所沒有的高強度、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)動機、陶瓷熱交換器以及柴油機的絕熱零件等，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)良的獨特性能，在機械工程材料中占據(jù)重要地位，它的應(yīng)用遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。如塑料，從國防工業(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。

在機床與工程機械中，工程塑料用以制造手輪、手柄、齒輪、齒條和導(dǎo)軌;在交通運輸方面，應(yīng)用更為普遍，一輛汽車就有300～400個塑料零件，一架飛機多達2500個塑料零件;在化工機械方面，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、非金屬材料在國民經(jīng)濟中的地位

非金屬材料在國民經(jīng)濟和鐵路運輸業(yè)中，、都占有重要地位，在實現(xiàn)四個現(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、耐腐的特種材料，一些尖端技術(shù)將不能實現(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，盡管各國的發(fā)展重點不同，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國家，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、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)開始進入高分子合成材料時代是不過分的。目前在歐美以及日本等一些國家，塑料占整個建筑材料的20～25%。

1985年全世界塑料生產(chǎn)按體積計算將超過鋼鐵的產(chǎn)量。我國塑料工業(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社會主義建設(shè)事業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

2、我國的非金屬材料發(fā)展

我國是一個具有悠久歷史和文明的國家，隨著社會生產(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非金屬材料、有機高分子材料及復(fù)合材料三大類。

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

典型復(fù)合材料：無機非金屬材料基復(fù)合材料、有機高分子材料基復(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際中的使用和選擇，是個很復(fù)雜的過程。設(shè)計師和工程師在選擇非金屬材料時，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)濟性;④考慮可持續(xù)發(fā)展選材。

此外，材料的選擇是一個系統(tǒng)工程。在一個部件或者裝置中，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，很多傳統(tǒng)上由金屬制造的零件、部件、結(jié)構(gòu)件，將會被工程塑料、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一步降低。由于原料充足，可以設(shè)計、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、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)前工程材料已擴展成為金屬材料、有機高分子材料(聚合物)和無機非金屬材料(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)展趨勢是結(jié)構(gòu)材料復(fù)合化，低維材料擴大應(yīng)用化，功能材料迅速化，新型材料實用化，以及材料設(shè)計選用計算機化。在這些發(fā)展趨勢中，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，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。第一代復(fù)合材料是玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料(即玻璃鋼)，第二代是碳纖維增強樹脂基復(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)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，對未來材料和工業(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。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。雖然無機非金屬材料固有脆性及其超導(dǎo)穩(wěn)定性有待改善，但對超導(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)體制成長達1000m的線材，可應(yīng)用于輸電導(dǎo)線、電力儲存裝置、超導(dǎo)磁體、電動機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這類高性能參數(shù)機械產(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)機械產(chǎn)品性能突破物質(zhì)基礎(chǔ)。