工程材料学第09,10章 高分子材料和陶瓷材料

1、1第九章第九章 高分子材料高分子材料第一节第一节 基本知识基本知识 由由C、H、O、N、Si、S、P等少数元素组成；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并不断重复而形成1.1 术语和概念术语和概念高分子化合物高分子化合物 l以以分子量大分子量大的化合物为主要组分的材料，加入的化合物为主要组分的材料，加入添加剂添加剂进行人工合成。进行人工合成。 l分子量通常在分子量通常在5000以上，分子长度以上，分子长度102104nm，有一定弹性和强度；，有一定弹性和强度； 如：橡胶如：橡胶10万，合成纤维万，合成纤维1万以上。万以

2、上。2分子量介于分子量介于500-5000之间，之间，具有高分子化具有高分子化合物的性能，也称为高分子化合物。合物的性能，也称为高分子化合物。低分子化合物低分子化合物l 分子质量小于分子质量小于500，原子数几个，原子数几个(最多几百最多几百个个), 分子长度分子长度0.1-102nm，弹性和强度小。，弹性和强度小。高分子化合物有高分子化合物有无机无机和和有机有机两大类，有机分两大类，有机分人工人工和和天然天然。3单体与大分子链单体与大分子链单体单体 高分子由一种或者几种简单的低分子化合物高分子由一种或者几种简单的低分子化合物重复连接重复连接而成，其中的低分子称为单体。而成，其中的低分子称为单

3、体。聚合聚合 由单体变成高分子的过程。由单体变成高分子的过程。4链节与聚合度链节与聚合度 链节链节 聚合物由许多结构单元重复连接而成，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。这种重复结构的单元为链节。CH2CH2（聚乙烯）（聚乙烯）CH2CH（聚氯乙烯）（聚氯乙烯） Cl聚合度聚合度 大分子链中链节的重复次数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质量和多分散性相对分子量（相对分子量（M）Mmn， m重复单元结构的相对分子量，重复单元结构的相对分子量，n聚合度，聚合度， n一般不等，相对分子质量也不同。一般不等，相对分子质量也不同。多分散性多分散性

4、相对分子质量不等的现象。相对分子质量不等的现象。 相对相对分子质量越大分子质量越大，强度越高强度越高；但太大，熔融态；但太大，熔融态黏度增加，流动性变差，加工困难。黏度增加，流动性变差，加工困难。61.2 合成方法合成方法聚合反应聚合反应 低分子化合物（单体）聚合成高分子的过低分子化合物（单体）聚合成高分子的过程。程。1.2.1 加聚反应加聚反应概念概念 在光、热、压力或引发剂的作用下，低分子双在光、热、压力或引发剂的作用下，低分子双链被打开链被打开, 连接形成大分子的反应。连接形成大分子的反应。 n(CH2CH2) CH2CH2n加聚加聚过氧化物引发剂10.13MPa，加热71.2.2 缩聚

5、反应缩聚反应定义定义 由一种或者由一种或者几种单体几种单体相互作用生成大分子、并相互作用生成大分子、并同时析出其它同时析出其它低分子物质低分子物质（如水、氨、醇等）的（如水、氨、醇等）的反应。反应。 nNH2(CH2)5COOH H NH(CH2)5CO nOH+(n-1)H2O 含含两个或两个以上活泼官能团两个或两个以上活泼官能团，如：羟基，如：羟基OH，氨基氨基NH2。81.3 分类及名称分类及名称1.3.1 按高聚物链上的化学组成分类按高聚物链上的化学组成分类1) C链高聚物链高聚物 主链全部是主链全部是C原子原子 CCCC，如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯，如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙

6、烯、聚四氟乙烯等乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等2) 杂链高聚物杂链高聚物 主链除主链除C，还有，还有O、N、S等等 CCOC，CNCC 如：聚醚、聚酯、聚酰胺、聚甲醇等如：聚醚、聚酯、聚酰胺、聚甲醇等3) 元素有机高聚物元素有机高聚物 主链上没有主链上没有C，由，由O和其它元素和其它元素组成，组成， OSiOSiO 如：甲基、乙基、芳基等如：甲基、乙基、芳基等91.3.2 按高聚物的热行为分类按高聚物的热行为分类1) 热塑性高聚物热塑性高聚物 加热软化，冷却硬化，再加热再软化，基本结加热软化，冷却硬化，再加热再软化，基本结构和性质不改变，如：烯类高聚物构和性质不改变，如：烯类高聚物2) 热固性高

7、聚物热固性高聚物 受热时发生化学变化并固化成型，再受热不会受热时发生化学变化并固化成型，再受热不会软化变形。软化变形。 如：环氧树脂、酚醛树脂如：环氧树脂、酚醛树脂10第二节第二节 高分子材料的结构高分子材料的结构2.1 大分子链的化学组成大分子链的化学组成 不是所有元素能组合成链状分子，只有不是所有元素能组合成链状分子，只有几种非金几种非金属和半金属属和半金属，即：，即：B，C，Si，N，P，As，O，S，Se. C是最重要的高分子材料是最重要的高分子材料 112.2 大分子的链接方式大分子的链接方式 聚合过程中，一种单体的链接方式有：聚合过程中，一种单体的链接方式有：头头、头头、尾尾、头尾

8、等尾尾、头尾等。 两种或以上单体的共聚物中，链接方式有：两种或以上单体的共聚物中，链接方式有：无规、无规、交替、镶嵌或共聚等交替、镶嵌或共聚等。122.3 大分子链的形态（a）伸直链）伸直链 （b） 卷曲链卷曲链 （c） 带支链带支链 （d）网状链）网状链13第三节第三节 高分子材料的物理状态及性能高分子材料的物理状态及性能3.1 高聚物的三态高聚物的三态玻璃态玻璃态 Tg高聚物保持玻高聚物保持玻璃态的最高温度，处于玻璃态的最高温度，处于玻璃态的高聚物为塑料璃态的高聚物为塑料高弹态高弹态 TgTf之间分子运之间分子运动能量增加动能量增加,弹性模量小，弹性模量小，能发生大的弹性变形能发生大的弹性

9、变形粘流态粘流态 大于大于Tf后链断的热后链断的热运动加聚，大分子链发生运动加聚，大分子链发生相对滑动，高聚物为熔体相对滑动，高聚物为熔体143.2 高聚物的基本性能高聚物的基本性能1) 物理性能物理性能 低密度、绝缘性能好、耐蚀性高、耐热性差低密度、绝缘性能好、耐蚀性高、耐热性差2) 力学性能力学性能 l高弹性高弹性 弹性模量弹性模量1MPa，变形量可达，变形量可达100%-1000%。l粘弹性粘弹性 高聚物力学性能随时间变化的现象。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，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。但不呈线性关系。15第四节

10、第四节 工程高分子材料工程高分子材料4.1 塑料塑料特性特性 在玻璃态下使用的高分子，以合成树脂为基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。成型，常温下外形保持不变。常用塑料常用塑料 1) 通用塑料通用塑料 产量大、价格低，工农业生产和日常产量大、价格低，工农业生产和日常生活所用，如：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等生活所用，如：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等2) 塑料塑料 力学性能好，能在高温下使用的塑料，如：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）。聚酰胺、聚甲醛

11、、聚四氟乙烯（塑料王）。16l 鉴别塑料袋有无毒性的方法：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，有毒水检测法：放入水中，无毒的可浮出水面，有毒的不会上浮。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。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。的无毒；声音闷涩的有毒。4)火烧检测法：无毒的易燃，火

12、焰尖端呈黄色，局火烧检测法：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；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。部呈绿色，软化能拉成丝状。 17l有毒塑料袋主要聚氯乙烯，是有毒的物质。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。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、断力差，有酒醉感觉，还可有全身发麻、胸闷痛、咳嗽、多痰，严

13、重者可引起肺水胸闷痛、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、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。肿瘤，对眼睛、皮肤均有刺激作用。 184.2 合成橡胶合成橡胶特点特点 室温下保持高弹性，具有良好的耐磨性、隔室温下保持高弹性，具有良好的耐磨性、隔音性及储能性音性及储能性材料名称材料名称 天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶等天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶等应用应用 轮胎、电缆、传输带、密封圈等轮胎、电缆、传输带、密封圈等4.3 合成纤维合成纤维定义定义 能保持长径比大于能保持长径比大于100的均匀条状或丝状高分的均匀条状或丝状高分子材料子材料材料名

14、称材料名称 锦纶、涤纶、晴纶、丙纶、芳纶锦纶、涤纶、晴纶、丙纶、芳纶应用应用 衣料、工农业领域衣料、工农业领域19第十章第十章 陶瓷材料陶瓷材料第一章第一章 陶瓷材料的基本知识陶瓷材料的基本知识1.1 含义含义 以天然或人工合成的以天然或人工合成的无机非金属无机非金属为原料，经过为原料，经过高高温烧结温烧结而成的固体材料或制品。而成的固体材料或制品。普通陶瓷普通陶瓷 利用利用天然天然硅酸盐矿物（黏土、硅土、长硅酸盐矿物（黏土、硅土、长石）为原料制成的陶瓷，又称传统陶瓷。石）为原料制成的陶瓷，又称传统陶瓷。特种陶瓷特种陶瓷 采用高纯度的采用高纯度的人工合成人工合成原料制成的，具原料制成的，具有特

15、殊的力学、物理或化学性能，又称新型陶瓷有特殊的力学、物理或化学性能，又称新型陶瓷和现代陶瓷。和现代陶瓷。201.2 陶瓷材料的结合键陶瓷材料的结合键l 离子键、共价键，多数是两者混合离子键、共价键，多数是两者混合l 两种键的键能高，表现出高熔点、耐腐蚀、高硬两种键的键能高，表现出高熔点、耐腐蚀、高硬度、高弹性模量、极差的塑性度、高弹性模量、极差的塑性1.3 制取制取坯材成型坯材成型原料破碎与配制原料破碎与配制坯材干燥坯材干燥高温烧结高温烧结21第二节第二节 陶瓷材料的组织与结构陶瓷材料的组织与结构普通陶瓷的典型组织普通陶瓷的典型组织 晶体相玻璃相气相晶体相玻璃相气相2.1 晶体相晶体相 以一些

16、化合物或者以化合物为基的固溶体，是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。陶瓷材料的主要组分。1) 氧化物晶体相氧化物晶体相 以离子键为主构成离子晶体，也有少量的共价以离子键为主构成离子晶体，也有少量的共价键。键。离子晶体的排布特点离子晶体的排布特点 以直径较大的负氧离子构成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。金属离子填充在间隙中。22232) 非氧化物晶体相非氧化物晶体相定义定义 不含氧的金属氮化物、氮化物、硼化物和硅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。化物等

17、，以共价键为主。金属碳化物金属碳化物 以共价键为主，含一定的金属键。以共价键为主，含一定的金属键。 间隙相间隙相 C固溶于面心立方或六方金属的八面体固溶于面心立方或六方金属的八面体中，如：中，如：TiC、ZrC、NbC、TaC等等 复杂碳化物复杂碳化物 有斜方（有斜方（Mn3C、Co3C、Ni3C）和）和六方（六方（WC、MoC）或更复杂）或更复杂24氮化物氮化物 与碳化物相似，但金属键弱，并有一定的与碳化物相似，但金属键弱，并有一定的离子键，如：离子键，如：Si3N4、AlN，六方晶系，六方晶系硼化物和硅化物硼化物和硅化物 以较强的共价键结合，连接成链、以较强的共价键结合，连接成链、网和骨架

18、构成的独立单元，金属在单元之间，形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。成复杂的晶体机构。253) 硅酸盐晶体相硅酸盐晶体相l结合键为离子键共价键混合，习惯称离子键；结合键为离子键共价键混合，习惯称离子键；l构成的基本单元为构成的基本单元为SiO4四面体四面体l同素异构转变同素异构转变262.2 玻璃相玻璃相l普通陶瓷中的普通陶瓷中的SiO2，烧结过程中熔化，在凝固，烧结过程中熔化，在凝固过程中形成无序排列的玻璃相过程中形成无序排列的玻璃相l玻璃相的作用玻璃相的作用l连接晶体相，填充空隙，提高致密度；连接晶体相，填充空隙，提高致密度；l降低烧结温度，加快烧结过程；降低烧结

19、温度，加快烧结过程；l阻止晶体转变，抑制晶粒长大；阻止晶体转变，抑制晶粒长大；1)获得一定程度的玻璃特性，如透光性获得一定程度的玻璃特性，如透光性272.3 气相气相 陶瓷内部残留下来的气孔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；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；封闭型气孔，陶瓷内部，在晶界上、晶粒内；气孔的副作用气孔的副作用 气孔是应力几种处，裂纹的发源地气孔是应力几种处，裂纹的发源地气孔率气孔率 普通陶瓷为普通陶瓷为5%10%，特种陶瓷，特种陶瓷5%以下以下28第三节第三节 陶瓷材料的性能及应用陶瓷材料的性能及应用3.1 力学性能力学性能l 弹性弹性模量高，高于金属模量高，高于金属若干倍若干倍,比聚合物高出比聚合物高出2-4数量级，刚度大；数量级，刚度大；l 高硬度和高耐磨高硬度和高耐磨；l 抗拉强度抗拉强度低，但弯曲强低，但弯曲强度高，抗压强度更高度高，抗压强度更高；l塑性低塑性低，伸长率为零；，伸长率为零；l韧性