工程材料第9、10、11章

1、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1000的高分子聚集成的有机化合物的总称，有时也叫聚合物或高聚物。 高分子材料的发展： 1 1）天然高分子材料）天然高分子材料 2 2）半合成高分子材料）半合成高分子材料 3 3）合成高分子材料）合成高分子材料 （一）单体（一）单体 凡是可以聚合生成大分子链的低分子有机化 合物叫做单体单体。（二二）链节）链节 大分子链中的重复结构单元叫链节链节。（三）（三）聚合度聚合度 大分子链中链节的重复次数称为聚合度聚合度。高分子材料的构成高分子材料的构成按聚合物的热行为：按聚合物的热行为： 热塑性聚合物和热固性聚合物按用途：按用途

2、： 塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等高分子材料的分类高分子材料的分类按主链上的化学组成按主链上的化学组成： 碳链聚合物（主链为C） 杂链聚合物（C和其它元素） 元素有机聚合物（氧和其它元素）缩合聚合缩合聚合 具有两个或两个以上官能团的单体互相缩合聚合而成高聚物的反应叫缩聚反应缩聚反应。加成聚合加成聚合 单体（一种或多种）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。加聚反应。由一种单体经加聚而成的高聚物叫均聚物均聚物。如 按聚合反应类型：按聚合反应类型： 加聚物和缩聚物 按高分子链主链的集合形状：按高分子链主链的集合形状：线型高聚物线型高聚物 支链型高聚物支链型高聚物 体型高聚物体型

3、高聚物按其结构形态可分为：按其结构形态可分为：晶态和非晶态晶态和非晶态高分子的命名方式高分子的命名方式：1）在原材料单体名称前加“聚”字，如聚乙烯2）在原材料单体名称后加“树脂”，如环氧树脂3）采用商品名字，如尼龙或锦纶4）采用英文字母缩写，如聚乙烯用PE表示高分子材料的力学状态高分子材料的力学状态低温：低温： 小于小于Tg Tg 玻璃态玻璃态 塑料和纤维塑料和纤维中温：中温： TgTf TgTf 高弹态高弹态 橡胶橡胶高温：高温： 大于大于Tf Tf 粘流态粘流态 涂料涂料注：不同材料的临界温度不同注：不同材料的临界温度不同 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、

4、高弹态和粘流态。常用高分子材料的化学反应常用高分子材料的化学反应1 1）交联反应）交联反应 大分子由线型结构转变为体型结构的过程2 2）裂解反应）裂解反应 大分子链在各种外界因素（光、热、辐射、生物等）作用下，发生链的断裂，相对分子质量下降的过程3 3）高分子材料的老化）高分子材料的老化 高分子材料在长期使用的过程中，在受热、氧、紫外线、微生物等因素的作用下发生变硬变脆或变软发黏的现象（一）塑料的组成（一）塑料的组成 大多数塑料都是以各种合成树脂合成树脂为基础，再加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂添加剂而制成。常用高聚物材常用高聚物材料料塑料塑料1合成树脂 决定塑料性能和使用范围的主要

5、组成物，起粘结其它组分的作用。2添加剂 常用的添加剂有：填充剂填充剂、增塑剂增塑剂、稳定剂稳定剂、润滑剂润滑剂、固化剂固化剂、着色剂着色剂等。等。（二）塑料的分类（二）塑料的分类 1.按使用范围按使用范围：通用塑料和工程塑料 2.按树脂的热性能按树脂的热性能: :热塑性塑料和热固性塑料（三）塑料的性能（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。2化学性能 化学稳定性很高、没有电化学腐蚀问题。3力学性能 塑料的强度、刚度和韧性都很低。塑料的成型方法塑料的成型方法1、注射成型2、模压成型3、浇注成型4、挤压成型塑料的二次加工过程：塑料的二次加工过程：成型工序结束后，

6、还要对塑料进行二次加工1）机械加工 在铣床、刨床、车床等生产设备上进行处理2）连接 通过机械链接、热熔或粘接的方法，将塑料跟其它材料连接在一起3）表面处理 为了改善成品的性能，或为了美化作用，常采用镀漆、镀金等表面处理方法常用高常用高分子分子材材料料橡胶橡胶橡胶是具有橡胶是具有可逆变形可逆变形的高弹性聚合物材料的高弹性聚合物材料橡胶分为：天然橡胶和合成橡胶橡胶分为：天然橡胶和合成橡胶橡胶广泛用于制造轮胎，胶管、胶带、电缆等橡胶制品橡胶广泛用于制造轮胎，胶管、胶带、电缆等橡胶制品橡胶的组成橡胶的组成1）生胶）生胶 在橡胶制备过程中起着粘结其它配合剂的作用，对橡胶的品质起着关键作用2）配合剂）配合

7、剂 为了提高和改善橡胶制品的性能而加入的物质。 主要有硫化剂，硫化促进剂，防老剂，软化剂，填充剂，发泡剂和着色剂等。橡胶的性能橡胶的性能 1）高弹性 橡胶的最大特点，较小外力即可发生大变形 2）耐磨性 3）绝缘性 不导电 4）隔音性 5）阻尼性 对振动产生的阻挡作用因此，橡胶经常被用作弹性、密封、减震、传动和绝缘材料因此，橡胶经常被用作弹性、密封、减震、传动和绝缘材料常用高常用高分子分子材材料料合成纤维合成纤维纤维：长度比本身直径大纤维：长度比本身直径大100倍的均匀条状高分子材料倍的均匀条状高分子材料纤维分为：天然纤维和化学纤维纤维分为：天然纤维和化学纤维化学纤维的性能：强度高、质量轻、易洗

8、快干、弹性好，不怕霉蛀等化学纤维的性能：强度高、质量轻、易洗快干、弹性好，不怕霉蛀等另外，常用高分子材料还包括合成胶粘剂、涂料（油漆）等等另外，常用高分子材料还包括合成胶粘剂、涂料（油漆）等等一一、概述概述 陶瓷：陶瓷：陶器与瓷器的总称，亦称无机非金属材料 主要原料主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、石英等)，因此与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业，同属于“硅酸盐工业”的范畴。 陶瓷基本特点：陶瓷基本特点：具有耐高温，耐腐蚀，高硬度，绝缘等优点 基本的工艺：基本的工艺：原料的制备、坯料的成型和制品的烧成或烧结二二、陶瓷、陶瓷材料的发展材料的发展 陶瓷的发展史是中华文明史的重要组成部分，

9、共经历了三个阶段： 1 1）从陶器到瓷器）从陶器到瓷器 2 2）从传统陶瓷到先进陶瓷）从传统陶瓷到先进陶瓷 3 3）从先进陶瓷到纳米陶瓷）从先进陶瓷到纳米陶瓷三三、陶瓷的、陶瓷的特点特点 1 1）陶瓷的相组成）陶瓷的相组成 陶瓷的组织结构非常复杂，一般由陶瓷的组织结构非常复杂，一般由晶体相、玻璃相和气相晶体相、玻璃相和气相三部三部分分组成。组成。 2 2）陶瓷的结合键）陶瓷的结合键 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。种以上的混合键。 3 3）陶瓷的性能特点）陶瓷的性能特点 熔点高、硬度高、化学稳定

10、性高、耐高温、耐氧化、耐腐蚀；熔点高、硬度高、化学稳定性高、耐高温、耐氧化、耐腐蚀； 密度小，弹性模量大，耐磨损，强度高但脆性大。密度小，弹性模量大，耐磨损，强度高但脆性大。（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。 图10-8

11、 SiO4四面体 a）示意图 b）模型 （3）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。 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。按原料按原料n普通陶瓷 （传统陶瓷）n特种陶瓷 （先进陶瓷）按用途按用途n日

12、用陶瓷n工业陶瓷工业陶瓷n工程陶瓷n功能陶瓷四四 陶瓷的分类陶瓷的分类原料原料粉碎粉碎精选精选磨细磨细配配料料脱水脱水练坯、陈腐练坯、陈腐五五 陶瓷的生产过程陶瓷的生产过程1）坯料的制备2）成型方法可塑法、注浆法和压制法可塑法、注浆法和压制法3）烧结 将空隙较多的生坯，通过高温烧结，使生坯中的水分蒸发，硅酸盐分解，有机物和碳化物汽化，晶体壮行并融化，最终形成致密坚硬的产物的过程。六六 常见陶瓷材料常见陶瓷材料 1）普通陶瓷2）金属陶瓷 是以金属氧化物或金属碳化物为主要成分，加入适量的金属粉末，通过粉末冶金方法制成的，具有金属性质的陶瓷材料 主要用于制造金属切削道具，磨具和耐磨材料零件的重要材料3）特种陶瓷 按照主要成分不同可分为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷和氧化镁陶瓷等一、概述一、概述（一）复合材料的概念（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。（二）复合材料的分类（二）复合材料的分类 1 1. .按材料的用途按材料的用途： 结构复合材料、功能复合材料 2 2. .按增强材料的物理形态按增强材料的物理形态 ：纤维增强复合材料、粒子增强复合材料、层叠复合材料 3 3. .按基体类型按基体类型：非金属基复合材料、金属基复合材料二二、复合材料的、复合材料的成