【精品】材料科学基础小论文

1、高分子材料08机b a4陈少勇 摘要：木篇主要介绍高分子材料的结构和高分子材料的力学性能及其在工程上的应用。高分 子化合物是由小分子单体聚合i何成的，因此又称为聚合物。高聚物的结构包括高分子链结构 和高分了聚集态结构。高分了化合物是rti许多结构单元相同的小分了化合物通过共价键联系 起来的链状人分子，相对分子质量大，空间结构复杂。正是由于这些复杂的结构因素，使高 分子材料本身具有性能各异的繁多品种，也使高分子材料具有区别于金属和陶瓷材料的独特 性能高弹性和粘弹性。高分子材料力学性能的特点是高分子热运动特点的宏观表现，而 高分子热运动的特点又取决于高分子的结构特点。一、高分子的基本概念一、高聚物

2、的定义当一个化合物的相对分子质量足够大，以至多一个链节或少一个链节不会影 响其基木性能吋，称为高分子。v二、高聚物的合成高分子化合物是由许多结构单元相同的小分子化合物通过化学键连接而成 的，合成高聚物的化学反应主要有两大类：加聚反应和缩聚反应。1、加聚反应定义：单-体通过双键的加成反应而聚合起来的反应称为加聚反应。过程：链引发链增氏反应链终止特点：每次只向链上加入一个单体；单体浓度在反应过程屮下降；延长反应 时间只能提高产率，不能提高相对分了质量；反应混合物中仅含、高聚物和极微 量的壇长链；加聚产物的结构单元中元索组成与其单体相同，仅是电子结构发生 变化，因此加聚物的相对分子质量是单-体相对分

3、子质量的整数倍。2、缩聚反应定义：通过单体分子屮某些官能团z间的缩合反应聚合成高分子的反应称为缩聚反应。过程：链増长开始一一链増长一一链増长停止特点：具有逐步性和可逆性；由于有低分子副产物的析出，因此缩聚物相对 分了质量不再是单体相对分了质量的整数倍。<三> 高聚物的分类1、按高分子主链结构分：碳链高分子（主链上只有碳）；杂链高分子（主链上除碳外还有0、n、s等）; 元素冇机高分子（主链无碳侧链有碳）；芳香环高分子（主链上冇芳香环或杂环）。2、按受热后形态变化分：热塑性高分子和热固性高分子3、按用途分：橡胶、塑料、化学纤维、涂料、粘合剂和功能高分子。<四>高分子内与高分

4、子之间的相互作用分了与分了z间的相互作用包括吸引力和推拒力，键合原了z间的吸引力为 键合力，非键合原子、基团之间和分子之间的吸引力冇范德华力和氢键。但当原 子之间或分子之间的距离很近吋，它们将受到内层电子之间的推拒作用。吸引力 和推拒力相等时，就形成平衡结构。1、键合力:包括共价键、离了键、金屈键。在高分了内，主要是共价键。在少数离了型 高聚物中存在离子键；此外，在某些金属聚合高聚物中也可认为存在金属键。2、范德华力和氢键:非键合原子或基团之间以及分子之间的相互作用力包描范德华力和氢键。范徳华金屈键力包括：静电力（温度越高作用能越小）；诱导力（与温度无关）;色散力（与温度无关）。特点：范德华力

5、永远存在于一切原子与分子之间，没有方向性和饱和性。3、内聚能密度:定义：聚合物分子间相互作用能的大小通常用内聚能密度来表示。内聚能是 指1摩尔凝聚体气化时所吸收的能量，内聚能密度是指单位体积物质的内聚能。测量方法：低分了化合物直接测，高分了化合物间接测。应用：橡胶（ced< 290） 塑料（290<ced<420）纤维（ced>420）。二、高聚物的结构第一部分：高聚物的链结构v高分子的近程结构高分子的近程结构是指重复结构单元的化学组成、空间结构、键接方式和序 列。虽然高分子结构重复单元的化学组成和结构一般都比较简单，但是由于高分 了中包含的结构单元可能不止一种，每种单

6、体又可能具有不同的构型，成千上百 个单体连接在一起时还可能冇不同的键接方式和序列，因此，高分子链的近程结 构是相当复杂的。1、均聚物中结构单元的键接方式虽然合成高聚物的单体结构是已知的，缩聚过程屮单体z间的键接方式也是 确定的，但加聚过程中，单体z间可能以不同的方式键接。键接方式不同时，材 料的性能也将不同，单体之间键接方式的复杂性影响整个分子链结构的规整性， 而高分子链的规整性则是决定高分子结晶能力最重要的结构因素。2、支化和交联许多天然合成高分子是结构单元在一维方向上连接起来的线型长链高分子， 具有柔性而呈空间卷曲状态，且加热时能熔融流动。如果加聚过程中高分了不止 在一维方向上増长就会形成

7、支化或交联网状高分子，其中支化有无规支化（长支 链、短支链）和有规支化（星形、梳形）之分。表征高分子链支化程度的参数有 支链结构、支链心度和支化点密度等，表征交联程度的参数有交联点的密度或相 邻交联点z间链的平均相对分子质量。线形高聚物和支化高聚物受热能熔融流动 是热塑性高聚物，而交联高聚物受热时不能熔融流动，屈热固性高分了材料。3、高分子的立体构型构型是指分子屮由化学键所固定的原子在空间的几何排列。这种排列是化学 稳定的，要改变构型必须经过化学键的断裂和重组。分子因构型不同而形成的杲 构体冇：旋光异构体和几何异构体vl旋光异构体：碳氢化合物中的每个碳原子都冇四个共价键，它们分别与四个原子或基

8、团结 合，形成锥形四面体，若这四个原子或基团不相同，此碳原子称为不对称c原 子，通常用c*表示。这种不对称c原子的存在会引起异构现彖，其异构体互为 镜影对称，各门表现不同的旋光性，故称为旋光异构。旋光异构单元的不同排列 存在三种不同的构型，up：取代基全在主链平面的一侧的全同立构、取代基交替 分布在主链平面两侧的间同立构和取代基无规则分布在主链平面两侧无规立构。 v2几何异构几何异构是由双键上的基团在双键两侧排列方式不同而引起的，可分为顺式 构型和反式构型。如果高分了链中重复结构单元的空间立构是规整的，则称为有 规立构高分子，高分子链的立构规整度对高分子的结晶能力影响很大。v3共聚物的链结构有

9、两种或两种以上的单体聚合而成的高聚物称为共聚物，共聚物可分为无规 共聚、交替共聚、嵌段共聚和接枝共聚四类。共聚对高聚物性能的影响很大，因 此共聚物的性能与每种单体的共聚物有较大的茅异（sbs热塑弹体）。v4端基虽然高聚物屮端基的数量很少，但它的作用不容忽视。例如在制备嵌段共聚 物时往往需要在一段高分子链上特意引入具有活性的端基，以便接上另一端高分 子链。v二、高分子的远程结构远程结构的内容包括：高分子的人小和形状。1、相对分子质量与相对分子质量分布高聚物的相对分子质量的特点是大得多且具有多分散性的。用实验方法测定 的相对分子质量只是某种统计的平均值即某种平均相对分子质量。如果统计平均 的方法不

10、同，所得平均相对分了质量的数值也不同。因此为了确切地描述高聚物 的相对分子质量，只给出平均相对分子质量是不够的，还必须给出相对分子质量 的分布。2、高分子的形状单键可以旋转，由于单键的内旋转而产生的分子在空间的不同形态称为构彖, 分了的构象能否转变，取决于两个因素：内旋转位垒高度和温度。高分了的柔性 的本质是指具能够改变分子构象的性质，也就是高分子链可以呈现千变万化的形 态的性质。高分子结构不同，柔性就不同，影响高分子链柔性的主要因素有主链 结构、取代基、氢键和交联等。第二部分：高聚物的聚集态结构一高聚物的结晶除了没冇气态外，高分子的聚集态包括品态、液态、玻璃态、液品态。 玻璃态是指具有一定形

11、状和体积，看起來是固体，但它具有液体的结构，不是远 程有序的，因为温度低，分子运动被冻结。液晶态是一个过渡态，它是i种排列 相当有序的液态。是从各向异性的晶态过渡到各向同性的液体之间的过渡态，它 一般由较长的刚性分子形成。高分子的聚集态结构指的是高聚物材料本体内部高 分子链z间的几何排列。1、高分子晶体中分子链构象研究表明，在合成高聚物的晶体中，高分子链通常采取比较伸展的构象。没 有取代基或取代基较小的高分子链采取平面锯齿形构象而具有较大的取代基的 高分子采用螺旋构彖。不管是取平面锯齿形构象还是螺旋构象，它们在结晶中作 规整密堆积时，都只能采取使其主链的屮心轴相互平行的方式排列。主链屮心轴 方

12、向就是晶胞的主轴，通常约定为c方向。显然，在c方向上，原了间以化学 键键合，而在空间其它方向上，则只有分子间力，由此导致了高分子晶体的各向 异性。因此，合成高分子屮不存在立方晶系。同一种高聚物，由于结晶条件不同, 可形成儿种不同的晶形。在高分子晶体中，往往包含许多缺陷。典型的晶体缺陷 是：由链末端、链扭结和链扭转造成的局部构彖变化、局部键长键角变化和链位 移。但高分了一旦结晶，排列在晶体中的高分了构象基木就不变了。2、高聚物的结晶形态随着结晶条件的不同，结晶性高聚物可以形成形态极不相同的宏观或亚微观 体。如单晶、树枝晶、球晶、伸直链晶体、纤维状晶体、串晶和柱晶等。单晶是 具冇一定规则形状的薄片

13、状品体，可以从极稀的高聚物溶液（浓度0.01%）屮 缓慢结晶（常压）获得。当溶液浓度在0.010.1%的范围内时，可得到枝状晶 体，称为树枝晶。实际上是许多单晶片聚集起來的多晶体。在常压下从高聚物浓 溶液或熔体屮冷却结晶吋，倾向生成球晶。高聚物在高温高压下结晶，有可能获 得由完全伸展的高分子链平行规整排列的伸直链晶片。柱晶结构是高聚物熔体在 应力作用下冷却结品时形成的，它实际上是扁平状球品的堆砌，屮心贯穿着纤维 状品体。3、结晶度的概念细长、柔软而结构复杂的高分子链很难形成十分完善的晶体，即使在严格条 件下培养的单晶也有许多晶格缺陷。因此，结晶高聚物内必定同时存在晶区和非 晶区两部分组成。因此

14、为了表征部分结晶高聚物的结晶程度，引入了结晶度的概 念，结品度定义为试样材料屮结品部分的质量百分数或体积百分数。4、影响结晶速率和结晶形态的因素高聚物的结晶速率和结晶形态既与高分子的结晶能力冇关，也与结晶条件冇 关。也就是说只有具有结晶能力的高分子在一定条件下才能结晶。首先，高分子 链结构的对称性和空间立构规整度越高，其结晶能力就越强，此外，当分子间存 在氢键时也冇利于结品；其次，结品速率和结品形态与温度、应力、杂质和高分 了链的柔性等诸多因素有关。二 高分子的取向在外场作用下，高分子链沿外场方向作某种方式或某种程度的择优排列称为 取向。1、取向单元：非晶态高聚物冇两种取向单元，一是整个高分子

15、链，二是链段。分子链作为 单元吋分子链沿外力方向平行排列，但链段未必取向。链段作为单元吋链段沿外 场排列，分子链主轴方向可能是无序的。取向过程是分子在外力作用下的有序化 过程。外力除去后，分子热运动使分子趋向于无序化，即有序排列遭到破坏，称 为解取向过程。在热力学上，非晶态的解取向是门发的过程。而取向必须依靠外 场作功才能实现。因此，非晶态高聚物的取向是热力学不稳定的。对部分结晶高 聚物而言，其在外场作用下取向吋除了有非晶相的链段或分子链取向外，还有晶 片的取向。然而其中晶相部分的取向在热力学上是稳定的，在晶体破坏之前不可 能发生解取向。2、取向方式按照外场的作用方式，高聚物的取向口j分为单轴

16、取向和双轴取向，取向对材 料性最大的影响是造成各向异性。3、取向度的概念取向度是指材料中分了沿外场取向的程度，一般用函数f表示。三 高分子液晶1、液晶高分子的结构特征液晶是介于晶态和液态之间的一种热力学稳定的相态，其聚集状态在一定程 度上既类似于品体，分子呈冇序排列；又类似于液体，冇一定的流动性。液品高 分了往往由低分了液晶基元键合而成，这些液晶基元可以是棒状、盘状或更复杂 的形状，也可以是双亲水分子。2、向列型高分子液晶的光学织构与分子排列薄层样品在线偏振光显微镜下观察到的形貌叫做光学织构。向列型高分子液 品薄层样品在正交偏振光显微镜下的光学织构多呈纹影织构，光学织构实际上揭 示了液晶中分了

17、取向排列的缺陷，种缺陷称为向错。3、向列型高分子液晶的流动特性向列型高分子液晶的最大特点是粘度低，流动性好。在热嫂性工程塑料屮， 向列型热致高分子液晶因兼具优良的力学性能和出色的耐热性、阻燃性及优良的 流动性被誉为超级工程塑料。四高聚物混合体系的织态结构实际应用中的高分子材料常常是几种组元的混合体系，材料的性能不仅与组 元的性能和比例有关，而且与多组元的织态结构有关。根据混合组元的不同，高 聚物混合体系可分为增塑高聚物材料、聚合物基复合材料和共混高分子材料三种 类型。共混高分子材料按其连续相和分散相的软硬程度可分为分散相软连续相 硬、分散相硬连续软、相分散相连续相均软和分散相连续相均应四大类。

18、三、高分子材料的力学性能一高聚物的力学状态1、线形非晶态高聚物的力学状态线形非晶态高聚物的力学状态可分为玻璃态、高弹态和粘流态，这三种力学 状态可用两个温度来划分，bp：低于玻璃化转变温度 恋吋为玻璃态，在玄和 厅之间时为高弹态，高于厅（粘流温度）时为粘流态。高聚物分子柔性越大， 玻璃化转变温度越低。另外，对于相对分子质量足够高的高聚物，7g几乎不依 赖于相对分了质量。非晶态高聚物的粘流温度7t随相对分了质量的增加而提 高。2、部分结晶高聚物的力学状态部分结晶高聚物是晶相和非晶相组成的两相体系，半温度升高吋，晶相将在 熔点tm发牛晶态向非晶态转变；非晶相将分别在tg和tf发生玻璃态向高弹态 和

19、高弹态向粘流态转变。高聚物的熔点必定高于英玻璃化传变温度，对于相对分 了质量足够大的高聚物來说，熔点基本上与相对分了质量无关。分了质量小时， tm大于tf,高聚物熔融后即为粘流态；当分子质量大吋，tm小于tf,熔融后还 需继续加热才能达到粘流态。从加工的高度看，高温下出现高弹态将给加工带来 麻烦。3、交联高聚物的力学状态分了链间的交联限制了整链运动，所以不能流动，即不可能出现粘流态，至于能 否出现高弹态，则与交联密度冇关。二高聚物的高弹性与流变性1、高弹性高聚物在一定的条件下表现出独特的力学性能高弹性。研究表明，相对 分了质量足够高的柔性链组成并经过轻度交联的高聚物，在宽阔的温度范围内具 冇典

20、型的高弹性。高弹性具有弹性应变大、弹性模量小、在快速拉伸时高聚物温 度上升而金属材料温度下降、形变与吋间有关和高弹模量随热力学温度上升而正 比地增加等特点。2、流变性非线性高聚物在tf以上或部分结品高聚物在tm以上将处于粘流态。粘流体 在外力作用下会流动，从变形角度描述的流动性称为流变性。理想粘流体的流变 行为服从牛顿定律，即应力与应变速率成正比，比例系数为粘度。粘度与应变速 率和时间无关，与温度和分子结构有关。粘性流动中产生的变形是不可冋复的塑 性变形，外力去除后，应变保持不变。三高聚物的粘弹性1、粘弹性的概念大量实验表明，高分子材料的力学行为既不符合胡克定律的理想弹性，又不 符合牛顿定律的

21、理想粘性，而是介于粘性与弹性之间，应力同时依赖于应变和应变速率，这种特性称为粘弹性。2、典型的线性粘弹性高分子材料典型的线性粘弹性包括蠕变、应力松弛和动态力学特性。四高聚物的应力一应变行为1、高聚物典型的应力一应变行为高聚物典型的应力一应变行为有刚而脆（弹性模量高，抗拉强度大）、刚而强 （弹性模量高，抗拉强度人）、软而韧（弹性模量低，屈服点低）和刚而韧（弹 性模量高、断裂伸长率较大）四种类型。高聚物有突出的粘弹性，其应力一应变 行为受温度和应变速率的影响很大。2、高聚物的屈服与冷拉如果试样在拉断而卸载，或试样因拉断而卸载，则试样在拉伸中产生的大量 变形处小部分可恢复之外，大部分将保留下來，这一

22、拉伸变形过程称为冷拉。3、高聚物的断裂强度高聚物断裂时，既涉及到化学键的断裂，也涉及到范德华作用的克服。高聚 物的实际强度与理论强度相差很大。原因是材料内部的缺陷会引起应力集屮。缺 陷主要有几何的不连续（孔、空洞、缺口、沟槽、裂纹）、材质的不连续（朵质 的质点）、载荷的不连续、不连续的温度分布产生的热应力和不连续的约束产生 的应力集屮等。%1. 工程塑料概论一、工程塑料的定义塑料是一种以合成或天然的高分子化合物为主要成分，在一定的温度和压力 条件下，可塑制成一定形状，当外力解除后，在常温下仍能保持其形状不变的材 料。工程塑料就广义上可定义为：凡可作为工程材料即结构材料的塑料。狭义上 说：凡具冇

23、某些金属性能，能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能、电性 能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能的集料都称为工程集料。二、工程塑料的种类通用工程塑料：聚酰胺、聚碳酸酯、聚卬醛、丙烯膳-丁二烯-苯乙烯共聚物、 聚苯瞇（ppo）、聚对苯二甲酸j二醇酯（pbtp）及其改性产品。特种工程塑料(高性能工程塑料)：耐高温、结构材料。聚砚(ps。、聚酰亚 胺(pd、聚苯硫醋(pps)、聚醯砚(pes)、聚芳酯(par)、聚酰胺酰亚胺(pat)、聚 苯酯、聚四氟乙烯(ptfe)、聚瞇酮类、离子交换树脂、耐热环氧树脂。三、常见工程塑料的性能及用途常见的工程塑料很多，在此仅介绍塑料挤出机和塑料注射成型

24、机常常加工生 产的几种塑料类型。大部分热塑性塑料都能用塑料挤出机加工生产，常见的有聚 氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、abs.聚碳酸酯、聚酰胺、聚四氟乙烯等；塑料注射 成型机常见加工集料有聚苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲 酯、酯酸纤维素等。第一部分：塑料挤出机常见加工塑料1、聚丙烯(pp)(1) 性能内烯通常为白色、易燃的蜡状物，比聚乙烯透明，但透气性较低。密度为0 塑料中密度最小的品种之一，在廉价的塑料中耐温最高，低负荷下可在11o°c温 度下连续使用。吸水率低，高频绝缘性好，机械强度较高，耐弯曲疲劳性尤为突 出。在耐化学性方面，浓硫酸、浓硝酸除外，对多种化学试剂都比较稳

25、定。制品 表面冇光泽。缺点是耐候性较差，对紫外线敏感，加入炭黑或其它抗老剂后，可 改善耐候性。另外，聚丙烯收缩率较大，为12%。(2) 用途可代替部分有色金属，广泛用于汽车、化工、机械、电子和仪器仪表等工业部门，如各 种汽车零件、口行年零件、法兰、接头、泵叶伦、医疗器械(可进行蒸汽消毒)、管道、化工 容器、工厂配线和录音带等。由于无毒，还广泛用于食品、药品的包装以及日用品的制造。2、丙烯睛一苯乙烯共聚物(as)(1)性能粒料呈水白色，可为透明、半透明或着色成不透明。as呈脆性，对缺口敏 感，在-40+5()°c温度范围内抗冲强度没有较大变化；耐动态疲劳性较差，但耐 应力开裂性良好，耐

26、电弧好，燃烧吋无滴落；具中等耐候性，老化后发黄，但可 加入紫外线吸收剂改善。as性能不受高湿度环境的影响，能耐无机酸碱、油脂 和去污剂，较耐醇类而溶于酮类和某些芳疑、氯代怪；能吹塑，片材也能进行小 拉伸比的热成型。(2)用途as制品能用作盘、杯、餐具、冰箱部件、仪表透镜和包装材料，并广泛应用于制作无 线电零件。3、丙烯睛丁二烯苯乙烯三元共聚物(abs)(1) 性能：abs为丙烯腊-丁二烯-苯乙烯三元共聚物，它是无定型聚合物，具冇较高的 机械强度和良好“竖、韧、钢”的综合性能。在一定温度范围内具有良好的抗 冲击强度和表面硕度，有较好的尺寸稳定性、一定的耐化学约品性和良好的电气 绝缘性。它不透明，

27、能通过着色而制成具冇高度光泽的其它任何色泽制品，电镀 级的外表可进行电镀、真空镀膜等装饰。燃烧缓慢，燃烧时软化，火焰呈黄色、 有黑烟，最后烧焦、有特殊气味，但无熔融滴落，可用注射、挤塑和真空等成型 方法进行加工。(2) 应用：用于制造泵叶轮、轴承、把手、管道、电器外壳、电子产品零件、玩具、表 壳、仪表壳、水箱外壳、冷藏库和冰箱内壳等4、聚酰胺(pa)(1) 性能：pa也是结晶型塑料，俗称尼龙，品种很多,应用于注塑加工的常有尼龙6、尼 龙1010、尼龙610等尼龙具冇机械强度高、韧性好、耐疲劳、表而光滑、冇自 润滑性，摩擦系数小、耐磨、耐热、耐腐蚀、制件重量轻、易染色、易成型等优 点缺点是:极易

28、吸水、注塑条件要求苛刻，尺寸稳定性较差；因其比热大,产品脱 模吋很烫。pa66是pa系列屮机械强度最高、应用最广的品种，因其结晶度高，故 其刚性、耐热性都较高。(2) 应用：高温电气插座零件、电气零件、齿轮、轴承、滚了、弹簧支架、滑轮、螺栓、 叶轮、风扇叶片、螺旋桨、高压封口垫片、阀座、输油管、储油容器、绳索、扎 带、传动皮带、砂轮粘合剂、电池箱、绝缘电气零件、线芯、抽丝等。5、聚四氟乙烯(1)性能：耐高低温、耐蚀性、电绝缘性优异，摩擦系数极小，力学性能和加工性能较 差。俗称“塑料王”。(2)应用：热交换器、化工零件、绝缘材料、导轨镶面。第二部分：塑料注射成型机常见加工塑料1、聚碳酸酯(pc)(1)性能：pc为无定型塑料，俗称防弹胶，透明性好.具有优良的“韧而刚”的综合性 能,机械强度高、韧性好、耐冲击强度极高、耐热耐候性好、尺寸精度和稳定性 高、易着色、吸水率低。可长期在120130°c的工作温度下使用。缺点是:耐化 学腐蚀性差、耐疲劳强度低、熔融粘度大、流动性差、对水分极敏感，易产生内 应力开裂现象。(2)应用：高温电气制品、风筒壳、火牛壳、电工用具、电机壳、工具箱、奶瓶、冷饮 机壳、照相机零件、安全帽、齿轮、食品盘子、医疗器材、导管、发夹、吹风筒、 理发用品、鞋