工程材料及应用-高分子材料和陶瓷材料

1 第九章高分子材料 第一节基本知识由C H O N Si S P等少数元素组成 由一种或几种简单的结构单元通过共价键连接并不断重复而形成1 1术语和概念高分子化合物以分子量大的化合物为主要组分的材料 加入添加剂进行人工合成 分子量通常在5000以上 分子长度102 104nm 有一定弹性和强度 如 橡胶10万 合成纤维1万以上 2 分子量介于500 5000之间 具有高分子化合物的性能 也称为高分子化合物 低分子化合物分子质量小于500 原子数几个 最多几百个 分子长度0 1 102nm 弹性和强度小 高分子化合物有无机和有机两大类 有机分人工和天然 3 单体与大分子链单体高分子由一种或者几种简单的低分子化合物重复连接而成 其中的低分子称为单体 聚合由单体变成高分子的过程 4 链节与聚合度链节聚合物由许多结构单元重复连接而成 这种重复结构的单元为链节 CH2 CH2 聚乙烯 CH2 CH 聚氯乙烯 Cl聚合度大分子链中链节的重复次数 n 5 相对分子质量和多分散性相对分子量 M M m n m 重复单元结构的相对分子量 n 聚合度 n一般不等 相对分子质量也不同 多分散性相对分子质量不等的现象 相对分子质量越大 强度越高 但太大 熔融态黏度增加 流动性变差 加工困难 6 1 2合成方法 聚合反应低分子化合物 单体 聚合成高分子的过程 1 2 1加聚反应概念在光 热 压力或引发剂的作用下 低分子双链被打开 连接形成大分子的反应 n CH2 CH2 CH2 CH2 n 加聚 过氧化物引发剂10 13MPa 加热 7 1 2 2缩聚反应定义由一种或者几种单体相互作用生成大分子 并同时析出其它低分子物质 如水 氨 醇等 的反应 nNH2 CH2 5COOHH NH CH2 5CO nOH n 1 H2O含两个或两个以上活泼官能团 如 羟基 OH 氨基 NH2 8 1 3分类及名称 1 3 1按高聚物链上的化学组成分类1 C链高聚物主链全部是C原子 C C C C 如 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 聚四氟乙烯等2 杂链高聚物主链除C 还有O N S等 C C O C C N C C 如 聚醚 聚酯 聚酰胺 聚甲醇等3 元素有机高聚物主链上没有C 由O和其它元素组成 O Si O Si O 如 甲基 乙基 芳基等 9 1 3 2按高聚物的热行为分类1 热塑性高聚物加热软化 冷却硬化 再加热再软化 基本结构和性质不改变 如 烯类高聚物2 热固性高聚物受热时发生化学变化并固化成型 再受热不会软化变形 如 环氧树脂 酚醛树脂 10 第二节高分子材料的结构 2 1大分子链的化学组成不是所有元素能组合成链状分子 只有几种非金属和半金属 即 B C Si N P As O S Se C是最重要的高分子材料 11 2 2大分子的链接方式聚合过程中 一种单体的链接方式有 头 头 尾 尾 头 尾等 两种或以上单体的共聚物中 链接方式有 无规 交替 镶嵌或共聚等 12 2 3大分子链的形态 a 伸直链 b 卷曲链 c 带支链 d 网状链 13 第三节高分子材料的物理状态及性能 3 1高聚物的三态 玻璃态Tg 高聚物保持玻璃态的最高温度 处于玻璃态的高聚物为塑料高弹态Tg Tf之间分子运动能量增加 弹性模量小 能发生大的弹性变形粘流态大于Tf后链断的热运动加聚 大分子链发生相对滑动 高聚物为熔体 14 3 2高聚物的基本性能1 物理性能低密度 绝缘性能好 耐蚀性高 耐热性差2 力学性能高弹性弹性模量1MPa 变形量可达100 1000 粘弹性高聚物力学性能随时间变化的现象 具有粘弹性的高聚物受力后 形变与时间有关 但不呈线性关系 15 第四节工程高分子材料 4 1塑料特性在玻璃态下使用的高分子 以合成树脂为基本成分 加入添加剂 在一定的温度和压力下成型 常温下外形保持不变 常用塑料1 通用塑料产量大 价格低 工农业生产和日常生活所用 如 聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯等2 塑料力学性能好 能在高温下使用的塑料 如 聚酰胺 聚甲醛 聚四氟乙烯 塑料王 16 鉴别塑料袋有无毒性的方法 1 水检测法 放入水中 无毒的可浮出水面 有毒的不会上浮 2 手触及颜色检测法 无毒的呈乳白色或无色透明 手摸时有润滑感 表面似蜡样感 有毒的颜色混浊或呈黄 红 黑色 手感发粘 3 抖动检测法 抓住塑料袋用力抖一下 声音清脆的无毒 声音闷涩的有毒 4 火烧检测法 无毒的易燃 火焰尖端呈黄色 局部呈青色 燃烧时像蜡烛一样滴落 有石蜡味 有毒的不易燃 离火即熄 火焰尖端呈黄色 底部呈绿色 软化能拉成丝状 17 有毒塑料袋主要聚氯乙烯 是有毒的物质 可由呼吸道 消化道 血液侵入人体内 中毒时出现眩晕 头痛 定向力障碍 判断力差 有酒醉感觉 还可有全身发麻 胸闷痛 咳嗽 多痰 严重者可引起肺水肿 肝脏损害 可引起肝血管瘤及呼吸道肿瘤 对眼睛 皮肤均有刺激作用 18 4 2合成橡胶特点室温下保持高弹性 具有良好的耐磨性 隔音性及储能性材料名称天然橡胶 丁苯橡胶 氯丁橡胶等应用轮胎 电缆 传输带 密封圈等4 3合成纤维定义能保持长径比大于100的均匀条状或丝状高分子材料材料名称锦纶 涤纶 晴纶 丙纶 芳纶应用衣料 工农业领域 19 第十章陶瓷材料 第一章陶瓷材料的基本知识1 1含义以天然或人工合成的无机非金属为原料 经过高温烧结而成的固体材料或制品 普通陶瓷利用天然硅酸盐矿物 黏土 硅土 长石 为原料制成的陶瓷 又称传统陶瓷 特种陶瓷采用高纯度的人工合成原料制成的 具有特殊的力学 物理或化学性能 又称新型陶瓷和现代陶瓷 20 1 2陶瓷材料的结合键离子键 共价键 多数是两者混合两种键的键能高 表现出高熔点 耐腐蚀 高硬度 高弹性模量 极差的塑性1 3制取 坯材成型 原料破碎与配制 坯材干燥 高温烧结 21 第二节陶瓷材料的组织与结构 普通陶瓷的典型组织晶体相 玻璃相 气相2 1晶体相以一些化合物或者以化合物为基的固溶体 是陶瓷材料的主要组分 1 氧化物晶体相以离子键为主构成离子晶体 也有少量的共价键 离子晶体的排布特点以直径较大的负氧离子构成密排晶格 占据节点和面心位置 直径较小的金属离子填充在间隙中 22 23 2 非氧化物晶体相定义不含氧的金属氮化物 氮化物 硼化物和硅化物等 以共价键为主 金属碳化物以共价键为主 含一定的金属键 间隙相C固溶于面心立方或六方金属的八面体中 如 TiC ZrC NbC TaC等 复杂碳化物有斜方 Mn3C Co3C Ni3C 和六方 WC MoC 或更复杂 24 氮化物与碳化物相似 但金属键弱 并有一定的离子键 如 Si3N4 AlN 六方晶系硼化物和硅化物以较强的共价键结合 连接成链 网和骨架构成的独立单元 金属在单元之间 形成复杂的晶体机构 25 3 硅酸盐晶体相结合键为离子键 共价键混合 习惯称离子键 构成的基本单元为 SiO4 四面体同素异构转变 26 2 2玻璃相普通陶瓷中的SiO2 烧结过程中熔化 在凝固过程中形成无序排列的玻璃相玻璃相的作用连接晶体相 填充空隙 提高致密度 降低烧结温度 加快烧结过程 阻止晶体转变 抑制晶粒长大 获得一定程度的玻璃特性 如透光性 27 2 3气相陶瓷内部残留下来的气孔1 开放型气孔 在陶瓷的表面 恶化性能 2 封闭型气孔 陶瓷内部 在晶界上 晶粒内 气孔的副作用气孔是应力几种处 裂纹的发源地气孔率普通陶瓷为5 10 特种陶瓷5 以下 28 第三节陶瓷材料的性能及应用 3 1力学性能弹性模量高 高于金属若干倍 比聚合物高出2 4数量级 刚度大 高硬度和高耐磨 抗拉强度低 但弯曲强度高 抗压强度更高 塑性低 伸长率为零 韧性低 ak和KIC都很低 脆性成为陶瓷材料应用的主要障碍 29 3 2物理性能1 热膨胀小 导热性差 多数陶瓷的热稳定性差 少数 如SiC 比较高 2 导电性变化范围大 多数是不良导体 3 功能转变性能压电效应 热电效应等3 3化学性能1 抗氧化性能好 2 抗腐蚀性能好 3 抗熔盐的侵蚀 30 第四节工程陶瓷简介 4 1氧化铝主要成分Al2O3 SiO2 Al2