第十章高分子材料、陶瓷材料及复合材料

1、u第一节 高分子材料u第二节 陶瓷材料u第三节 复合材料第一节 高分子材料一、基本概念一、基本概念 高分子化合物:相对分子质量大于5000的有机化合物的总称，有时也叫聚合物或高聚物。（一）单体 凡是可以聚合生成大分子链的低分子有机化合物叫做单体。（二）链节 大分子链中的重复结构单元叫链节。（三）聚合度 大分子链中链节的重复次数称为聚合度。（四）相对分子质量 高聚物相对分子质量为链节相对分子质量M0与聚合度n的乘积（即M=M0n）。测得的相对分子质量和聚合度实际上都是指平均值，称为相对分子质量和平均聚合度。二、高聚物的合成二、高聚物的合成（二）缩合聚合 具有两个或两个以上官能团的单体互相缩合聚合

2、而成高聚物的反应叫缩聚反应。（一）加成聚合 单体经反复多次地相互加成生成高分子化合物的反应叫做加聚反应。由一种单体经加聚而成的高聚物叫均聚物。如 三、高聚物结构的特点三、高聚物结构的特点（一）大分子链的组成及作用力1.大分子链的组成 周期表中只有以下非金属及半金属元素能组成大分子链：2.大分子链间作用力 大分子链内原子的作用力主要是共价键键合力。（二）大分子链的形式 1线型结构（不带支链，如图10-1a所示；带支链，图10-1b所示） 2网型结构，如图10-1c所示。 图10-1 大分子链形状示意图 a）线型 b）带支链 c）网型 大分子主链是由成千上万原子经共价键连接而成，分子链在保持共价键

3、键长和键角不变的前提下进行自旋转，如图10-2所示。（三）大分子链的构象链的柔性1大分子链的运动 构象:大分子链总是处于不停的热运动之中，在热运动过程中，大分子链的空间形象。图10-2 分子链自旋转示意图2影响大分子链柔性的因素 （1）不同元素组成的大分子链内旋转特性不同。 （2）大分子链上带有其它原子团或支链时，链的柔性就差。（四）大分子链的聚集状态晶态与非晶态（1）无定型结构，属非晶态结构（图10-3a）（2）折叠链结晶结构，属晶态结构（图10-3b）（3）伸直链结晶结构，属晶态结构（图10-3c）图10-3 大分子链三种聚集态结构示意图 a）非晶态 b）折叠链晶体 c）伸直链晶体四、高聚

4、物的物理状态（流变行为）四、高聚物的物理状态（流变行为） 由图10-4可见，随着温度不同，线型无定型高聚物可呈现三种不同的物理状态，即玻璃态、高弹态和粘流态。图10-4 线型无定型高聚物的温度-变形曲线五、高聚物的分类五、高聚物的分类（一）塑料的组成 大多数塑料都是以各种合成树脂为基础，再加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成。高聚物的分类方法很多，常用的有以下几种： 1.按合成反应分有加聚聚合物和缩聚聚合物； 2.按高聚物的热性能及成型工艺特点分为热固性和热塑性； 3.按用途分有塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂、涂料等。六、常用高聚物材六、常用高聚物材料料塑料塑料1合成树脂 决定塑料性

5、能和使用范围的主要组成物，起粘结其它组分的作用。2添加剂 常用的添加剂有：填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、着色剂等。（二）塑料的分类1.按使用范围可分为通用塑料和工程塑料2.按树脂的热性能可分为热塑性塑料和热固性塑料（三）塑料的性能1物理性能 密度小、热导率较小、耐热性较差、良好的电绝缘体。3力学性能（1）强度、刚度和韧性 塑料的强度、刚度和韧性都很低。2化学性能 化学稳定性很高、没有电化学腐蚀问题。图10-5为聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）在不同温度下的应力-应变曲线。图10-5 有机玻璃应力-应变曲线（拉伸速度5mm/min）（2）蠕变与应力松弛 粘弹性在应力保持恒定条件下，导致应变

6、随时间的发展而增加，这种现象称蠕变。图10-6为几种塑料的蠕变曲线。 1-聚砜 2-聚苯醚 3-聚碳酸酯 4-改性聚苯醚 5-耐热ABS 6-聚甲醚 7-尼龙 8-ABS 粘弹性在应变保持恒定的条件下导致应力的不断降低，这种现象称为应力松弛。蠕变和应力松弛的关系： 表现形式不同； 本质都是高聚物材料受力后大分子链构象的变化引起的。（3）减摩性 塑料的硬度虽低于金属，但摩擦因数小，因此有很好的减摩性能。（四） 常用的工程塑料（见表10-3）第二节 陶瓷材料 陶瓷结构中，以离子键和共价键为主要结合键。通常多为两种或两种以上的混合键。 陶瓷的组织结构非常复杂，一般由晶体相、玻璃相和气相组成。二二、陶

7、瓷的组成相及其结构、陶瓷的组成相及其结构一一、概述概述 陶瓷大致可分为：传统陶瓷和特种陶瓷 基本的工艺是：原料的制备、坯料的成型和制品的烧成或烧结（一）晶体相1氧化物结构 多数氧化物结构是氧离子排列成简单立方、面心立方和密排六方的三种晶体结构，正离子位于其间隙中。（如图10-7所示）图10-7 氧化物晶体结构a) MgO的晶体结构 b) Al2O3的晶体结构2硅酸盐结构 由硅氧四面体SiO4为基本结构单元所组成。硅酸盐结构有以下一些基本特点： （1）各种硅酸盐结构的基本结构单元是硅氧四面体（如图10-8所示） （2）每个氧最多只能被两个硅氧四面体所共有。 （3）SiO4四面体中SiOSi的结合

8、键角一般是145。图10-8 SiO4四面体 a）示意图 b）模型 （4）SiO4四面体既可以孤立地在结构中存在，又可互成单链、双链或层状连接，如图10-9所示。图10-9 SiO4四面体连接模型a) 单链 b) 双链 c) 层状（二）玻璃相 玻璃相一般是指从熔融液态冷却时不进行结晶的非晶态固体。陶瓷材料中，玻璃相的作用: 1.提高材料的致密度； 2.降低陶瓷的烧成温度，加快烧结过程； 3.阻止晶体相转变，抑制其长大； 4.获得一定程度的玻璃特性。（三）气相 气相是指陶瓷组织内部残留下来的气孔。 气相影响：材料强度、热导率、抗电击穿强度下降，介电损耗增大，降低陶瓷的透明度。三、陶瓷的性能及应用

9、三、陶瓷的性能及应用（一）物理性能1热学性能 高熔点、热导率低、线膨胀系数低。2电学性能 大多数陶瓷是良好的绝缘体，少数陶瓷材料还具有半导体性质。3光学性能 某些陶瓷具有特殊光学性能、透明。4磁学性能 铁氧体（磁性陶瓷材料）。（二）力学性能1塑性与韧性 常温受外力作用不产生塑性变形,一定弹性变形后直接发生脆性断裂。冲击韧性和断裂韧度要比金属材料低得多。2强度 强度远低于理论值。3硬度 陶瓷的硬度在各类材料中最高。一、概述一、概述（一）复合材料的概念 由两种或两种以上化学成分不同或组织结构不同的物质，经人工合成获得的多相材料称复合材料。第三节 复合材料（二）复合材料的分类 1.按材料的用途： 结构复合材料、功能复合材料 2.按增强材料的物理形态 ：纤维增强复合材料、