第2章-非金属

1、2.3高分子材料的结构和性能高分子材料的结构和性能高分子材料实际上是由高分子化合物经过加工和加入某些添加物而制成的。 高分子材料的基本概念高分子材料的基本概念高分子化合物高分子化合物分子量很大的化合物。多数高分子量很大的化合物。多数高分子化合物的分子量在分子化合物的分子量在50001000000之间。之间。高分子材料高分子材料由高分子化合物组成的具有一定由高分子化合物组成的具有一定力学性能的有机合成材料。简称高聚物。力学性能的有机合成材料。简称高聚物。单体单体组成高分子化合物的低分子化合物。例组成高分子化合物的低分子化合物。例如聚苯乙烯的单体是苯乙烯。如聚苯乙烯的单体是苯乙烯。链节链节高聚物的

2、分子很大，呈长链形，故称作高聚物的分子很大，呈长链形，故称作大分子链。组成大分子链的重复结构单元叫做大分子链。组成大分子链的重复结构单元叫做高聚物的链节。高聚物的链节。 高分子材料的分类高分子材料的分类按用途分按用途分l塑料塑料l橡胶橡胶l合成纤维合成纤维l胶粘剂胶粘剂l涂料涂料高聚物的特性高聚物的特性l1.高聚物一般都具有强度与弹性，可作为各种固体或弹性体材料使用；l2.还具有很好的可塑性和延展性，容易制成形状复杂的制品纤维与薄膜材料；l3.聚合物的本体或溶液粘度特别大，如23溶液的粘度比同样浓度的小分子溶液大几十到几百倍；l4.高聚物的熔点或软化点的变化范围比较宽（510），蒸汽压极低，在

3、达到沸点之前分子就已分解掉，故聚合物无气态可言。 高分子材料的性能取决于高聚物的分子量、分子链形状和高分子的聚集态结构。2.3.1高聚物的分子量高聚物的分子量l1. 高聚物的聚合度和分子量高分子化合物可以概括为由许多个结构相同的重复单元以共价链相联，以长链分子为基础的大分子所组成的化合物。 高分子的重复单元也称链节。组成高分子的重复单元数目，叫聚合度（DP）高聚物的分子量（M）与重复单元分子量（m）之间有如下关系：MmDP2.分子量对性能的影响分子量对性能的影响l随着材料相对分子质量的增加，材料的机械强度不断提高。l相对分子质量的值达到约l04时，强度达到临界值。随后，强度上升不明显，而黏度急

4、剧增加，加工困难。2.3.2高分子链形状高分子链形状l高分子是由许多相同的单体分子连接在一起的。直线型链卷曲链支化链网状结构体型线型高聚物的结合键高聚物的结合键l高聚物大分子链内部靠共价键结合，结合力强。l线型高聚物大分子链之间靠氢键、范德华力等二次键结合，结合力较弱。但由于分子链很长，且二次键的结合力可以叠加，二次键产生的结合力甚至可以超过主键结合力。二次键在温度、溶剂等外界因素作用下会弱化，导致结合力下降。高聚物的结合键高聚物的结合键l体型高聚物分子链之间靠交联共价键结合。共价键受温度、溶剂影响很小。所以体型高聚物不溶于溶剂，也不会受热软化。电缆套管高125中交联交联聚乙烯塑料周转箱中90

5、 高线性低压聚乙烯食品袋低60低线性高压聚乙烯用途举例强度耐热性（）密度链形态聚合物种类表2-1 不同链结构聚乙烯的性能2.3.3高分子的聚集态结构高分子的聚集态结构l物质是由无数分子组成的，这些分子聚在一起，会有不同的排列形式。分子堆砌在一起的结构就称为聚集态结构。小分子的个体小，变化比较单一，一般只有结晶和非晶两种状态。高分子的相对分子质量很大，分子的组成不同，分子间的相互作用力不同，因此，分子链聚集在一起的形态也不同。它的聚集态结构就变得十分复杂。高分子的聚集态主要有非晶态，晶态和取向态等。 1.高分子的结晶态高分子的结晶态l高聚物的每一个分子就好像是一根长长的线，通常情况下，它们互相杂

6、乱无章地缠绕在一起，是非晶态高聚物。许多高聚物都有这样的结构，如聚氯乙烯、聚苯乙烯和有机玻璃等塑料，以及几乎所有的橡胶。l也有不少聚合物，长链的分子会按照一定的顺序规整地排列起来，形成有序的结晶结构。大多数聚合物从熔体中冷却时形成的结晶具有球状的形态，称为球晶。 l结晶度：高分子结晶部分的质量分数或体积分数。l，具有对称线性结构的低压聚乙烯，有很高的结晶度（8090%），而带有大量支化链的高压聚乙烯结晶度就较低（5565）。 结晶对聚合物性能的影响结晶对聚合物性能的影响l聚合物的结晶度越高，它的力学性能就越好。l例如无规聚丙烯是一种非晶的高分子，它的相对分子质量也很高，但强度很差，是一种蜡状的

7、固体，不能作材料使用。l聚丙烯树脂是高结晶度的聚合物，强度高，还能耐较高的温度，是一种性质优良的塑料。l高压聚乙烯具有支链结构，结晶度低，材料的性质就比较柔软，强度较低，而低压聚乙烯的结晶度高，材料的刚性好，强度也高。l尼龙和聚酯都是结晶性聚合物，它们的强度都很好，是重要的工程塑料。橡胶的分子比较柔软、富有弹性，所以一般我们不希望它有结晶结构。2.高分子的高分子的取向态结构对塑料进行拉伸，原来卷曲的聚合物分子沿着拉伸的方向上较平行地排列起来。经过高温处理，这种结构就固定下来，这就是取向态结构。l纤维的拉伸倍数越高，取向度越好，强度就越好。l塑料包装绳在加工时，对塑料绳进行拉伸，将原来卷曲的聚合

8、物分子拉直，沿着拉伸的方向上较平行地排列起来。经过高温处理，这种结构就固定下来，形成取向态结构。可获得很高的强度。l高强度纤维如钓鱼丝都需要经过高倍的拉伸。通过拉伸使聚合物的分子链取向。l美国杜邦公司利用这一原理制成了可以用于灌装可乐等碳酸饮料的耐压、高强度、质轻的聚酯塑料瓶，替代了易碎的玻璃瓶，降低了运输成本和破损率，对促进可口可乐的销售起了很大的作用。l制瓶时，先将加热的聚酯型坯拉长，使分子沿纵向取向。然后在模子中用压缩空气将型坯吹成直径较大的瓶子，使分子又沿横向取向，这种双向拉伸的瓶子有很高的强度。 线性高聚物的弹性变形大分子链可以在保持共价键键长和键角不变的前提下进行自旋转（主键内旋）

9、，产生变形。此时大分子链的质量中心不变，当外力去除后变形恢复，表现为弹性。10928L1L2线性高聚物的塑性变形线性高聚物的塑性变形当温度升高或在有机溶剂作用下分子链间的二次键弱化，高分子链整体相对于周围分子链移动。在外力去除后位移不会恢复，材料产生塑性变形。线型无定型（非晶态）高聚物的线型无定型（非晶态）高聚物的热性能热性能热变形曲线Tg玻璃化温度。Tf粘流温度。温度玻璃态高弹态粘流态变形量TfTga.玻璃态玻璃态：在比较低的温度下，高分子链的链段运动与整体运动均被“冻结”，整个高聚物表现出玻璃似的固态，性质刚硬，具有较好的机械性能。玻璃态时的变形是键长与键角的微小弹变。室温下处于玻璃态的高

10、聚物叫塑料。b. 高弹态：高弹态：当高聚物温度高于玻璃化温度，TTg时，主键内旋开动。受外力作用时，分子链通过链段运动调整构象，使原来蜷曲链沿受力方向伸展，结果宏观表现为产生很大的变形。整个分子链质量中心没有移动，各分子之间相互位置依然）。当去除外力后，通过链段的运动，分子链段又回复至蜷曲状态，宏观变形消失。室温下处于高弹态的高分子材料叫橡胶。c. 粘流态：粘流态：温度高于粘流温度Tf时，大分子链的热运动的整链为运动单位；高聚物成为粘态熔体。熔体流动，产生不可逆永久变形，熔体的流动变形是由于大分子链的质量中心移动的结果。粘流态是高聚物成型加工成制品的工艺状态。(2)体型高聚物体型高聚物l体型高

11、聚物的交联键限制了整链的运动，没有粘流态。当交联密度较小时，低温时，处于玻璃态；较高温时，由于网链(两交联点间的链长)较长，在外力作用下，网链仍能通过单键内旋转改变其构象，因而有高弹态。交联密度较大时，网链长度减小，链段运动受到更多限制，高弹区小或消失。热塑性和热固性高聚物热塑性和热固性高聚物按高聚物热行为及成型工艺特点不同，分热塑性高聚物和热固性高聚物两种。热塑性高聚物：加热后软化、可塑的高聚物。线型高聚物一般为热塑性高聚物。热固性高聚物：加热后不软化，温度过高产生分解、碳化的高聚物。体型高聚物。一般为热固性高聚物。l热塑性高分子可以反复加热熔融，因此，废弃的热塑性塑料可以在塑料加工机械中熔

12、融，重新用于制备有用的塑料器皿。而热固性聚合物在高温下不能再改变形状，无法直接回收，废弃后，通常只能当燃料使用。 2.4复合材料的结构和性能复合材料的结构和性能l2.4.1.复合材料的定义根据国际标准化组织（ISO）为复合材料所下的定义，复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 基体：在复合材料中的连续相； 增强材料：复合材料中的分散相。l复合材料即可以保持原材料的某些特点，又能发挥组合后的新特征，它可以根据需要进行设计，从而最合理地达到使用要求的性能。由于复合材料各组分之间“取长补短”、“协同作用”，极大地弥补了单一材料的缺点，产生单一材料所不具有的新性

13、能。短纤维复合材料：短纤维复合材料：短纤维无规则地分短纤维无规则地分散在基体材料中制成的复散在基体材料中制成的复合材料合材料；2.4.2.复合材料的种类（1）按增强材料的形态分连续纤维复合材料：作为分散相的纤维，每根纤维的两个端点都在复合材料的边界处；连续纤维状短纤维状编织复合材料：编织复合材料：以平面二维或立体三维以平面二维或立体三维纤维编织物为增强材料与基体纤维编织物为增强材料与基体复合而成的复合材料。复合而成的复合材料。粒状填料复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中制成的复合材料；2.4.2.复合材料的种类（1）按增强材料的形态分颗粒状骨架纤维状2.4.2.复合材料的种类（1）按增强材

14、料的形态分层状复合材料：板状基体材料通过粘接剂胶合形成复合板材。叠层纤维状涂层状（2）按增强纤维种类分类）按增强纤维种类分类l玻璃纤维复合材料；碳纤维复合材料；有机纤维复合材料；金属纤维复合材料（如钨丝、不锈钢丝等）；陶瓷纤维复合材料（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料。混杂复合材成的复合材料称为混杂复合材料。混杂复合材料可以看成是两种或多种单一纤维复合材料的料可以看成是两种或多种单一纤维复合材料的相互复合，即复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料复合材料”。（3）按基体材料分类）按基体材料分

15、类l聚合物基复合材料聚合物基复合材料： 以有机聚合物（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）为基体制成的复合材料； 金属基复合材料金属基复合材料：以金属为基体制成的复合材料，如铝基复合材料、钛基复合材料等；无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体制成的复合材料。（4）按材料作用分类）按材料作用分类l结构复合材料结构复合材料：l用于制造受力构件的复合材料；功能复合材料功能复合材料：l具有各种特殊性能的复合材料（如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等）。2.4.3.复合材料的基本性能（l）可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的

16、性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。 2.4.3.复合材料的基本性能l（2）可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。例如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。2.4.3.复合材料的基本性能l（3）可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。性能的可设计性是复合材料的最大特点。影响复合材料性能的因素影响复合材料性能的因素l影响复合材料性能的因素很多，主要取决于增强材料的性能、含量及分布状况，基体材料的性能、含量，以及它们之间的界面结合情况，作为产品还与成型工艺和结

17、构设计有关。因此，不论对哪一类复合材料，就是同一类复合材料的性能也不是一个定值。2.5陶瓷结构和性能陶瓷结构和性能2.5.1陶瓷结构和分类陶瓷结构和分类l陶瓷材料在室温时的显微材料都由主晶相、玻璃相及气相构成。l传统陶瓷：用于制作生活用品l特种陶瓷：作为工程材料的陶瓷分为：l氧化物陶瓷l非氧化物陶瓷l也可根据结构分为烧结体、超细粉体、纤维、薄膜、晶须等1、氧化物陶瓷l主要有Al2O3，MgO,SiO2，ZrO2，莫来石（化学式为3A12032SIO2）等，熔点：2000以上。结构：除晶相外，还含有少量气相（气孔），性能：微晶强度较高，粗晶时对强度不利，氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低，但在

18、1000以下降低较小。1、氧化物陶瓷l这类陶瓷基复合材料应避免在高应力和高温环境下使用。这是由于A1203和ZrO2的抗热震性较差，SiO2在高温下容易发生蠕变和相变。虽然莫来石具有较好的抗蠕变性能和较低的热膨胀系数，但使用温度也不宜超过1200。2、非氧化物陶瓷l氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。特点：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很强。l碳化物和硼化物的抗热氧化温度约9001000，氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗热氧化温度达13001700。l氮化硼具有类似石墨的六方结构，在高温（1360）和高压作用下可转变成立方结构的一氮化硼，耐热温度高达2000，硬度极高，可作为金刚石的代用品。2.5.2