工程材料及應(yīng)用_高分子材料與陶瓷材料

1、1第九章第九章 高分子材料高分子材料第一節(jié)第一節(jié) 基本知識基本知識 由由C、H、O、N、Si、S、P等少數(shù)元素組成；等少數(shù)元素組成；由一種或幾種簡單的結(jié)構(gòu)單元通過共價鍵連接由一種或幾種簡單的結(jié)構(gòu)單元通過共價鍵連接并不斷重復(fù)而形成并不斷重復(fù)而形成1.1 術(shù)語和概念術(shù)語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為主要組分的材料，加入的化合物為主要組分的材料，加入添加劑添加劑進行人工合成。進行人工合成。 l分子量通常在分子量通常在5000以上，分子長度以上，分子長度102104nm，有一定彈性和強度；，有一定彈性和強度； 如：橡膠如：橡膠10萬，合成纖維萬，合成纖維1萬以上。萬以

2、上。2分子量介于分子量介于500-5000之間，之間，具有高分子化具有高分子化合物的性能，也稱為高分子化合物。合物的性能，也稱為高分子化合物。低分子化合物低分子化合物l 分子質(zhì)量小于分子質(zhì)量小于500，原子數(shù)幾個，原子數(shù)幾個(最多幾百最多幾百個個), 分子長度分子長度0.1-102nm，彈性和強度小。，彈性和強度小。高分子化合物有高分子化合物有無機無機和和有機有機兩大類，有機分兩大類，有機分人工人工和和天然天然。3單體與大分子鏈單體與大分子鏈單體單體 高分子由一種或者幾種簡單的低分子化合物高分子由一種或者幾種簡單的低分子化合物重復(fù)連接重復(fù)連接而成，其中的低分子稱為單體。而成，其中的低分子稱為單

3、體。聚合聚合 由單體變成高分子的過程。由單體變成高分子的過程。4鏈節(jié)與聚合度鏈節(jié)與聚合度 鏈節(jié)鏈節(jié) 聚合物由許多結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成，聚合物由許多結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成，這種重復(fù)結(jié)構(gòu)的單元為鏈節(jié)。這種重復(fù)結(jié)構(gòu)的單元為鏈節(jié)。CH2CH2（聚乙烯）（聚乙烯）CH2CH（聚氯乙烯）（聚氯乙烯） Cl聚合度聚合度 大分子鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)大分子鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)(n) 5相對分子質(zhì)量和多分散性相對分子質(zhì)量和多分散性相對分子量（相對分子量（M）Mmn， m重復(fù)單元結(jié)構(gòu)的相對分子量，重復(fù)單元結(jié)構(gòu)的相對分子量，n聚合度，聚合度， n一般不等，相對分子質(zhì)量也不同。一般不等，相對分子質(zhì)量也不同。多分散性多分散性

4、相對分子質(zhì)量不等的現(xiàn)象。相對分子質(zhì)量不等的現(xiàn)象。 相對相對分子質(zhì)量越大分子質(zhì)量越大，強度越高強度越高；但太大，熔融態(tài)；但太大，熔融態(tài)黏度增加，流動性變差，加工困難。黏度增加，流動性變差，加工困難。61.2 合成方法合成方法聚合反應(yīng)聚合反應(yīng) 低分子化合物（單體）聚合成高分子的過低分子化合物（單體）聚合成高分子的過程。程。1.2.1 加聚反應(yīng)加聚反應(yīng)概念概念 在光、熱、壓力或引發(fā)劑的作用下，低分子雙在光、熱、壓力或引發(fā)劑的作用下，低分子雙鏈被打開鏈被打開, 連接形成大分子的反應(yīng)。連接形成大分子的反應(yīng)。 n(CH2CH2) CH2CH2n加聚加聚過氧化物引發(fā)劑10.13MPa，加熱71.2.2 縮聚

5、反應(yīng)縮聚反應(yīng)定義定義 由一種或者由一種或者幾種單體幾種單體相互作用生成大分子、并相互作用生成大分子、并同時析出其它同時析出其它低分子物質(zhì)低分子物質(zhì)（如水、氨、醇等）的（如水、氨、醇等）的反應(yīng)。反應(yīng)。 nNH2(CH2)5COOH H NH(CH2)5CO nOH+(n-1)H2O 含含兩個或兩個以上活潑官能團兩個或兩個以上活潑官能團，如：羥基，如：羥基OH，氨基氨基NH2。81.3 分類及名稱分類及名稱1.3.1 按高聚物鏈上的化學(xué)組成分類按高聚物鏈上的化學(xué)組成分類1) C鏈高聚物鏈高聚物 主鏈全部是主鏈全部是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) 雜鏈高聚物雜鏈高聚物 主鏈除主鏈除C，還有，還有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) 元素有機高聚物元素有機高聚物 主鏈上沒有主鏈上沒有C，由，由O和其它元素和其它元素組成，組成， OSiOSiO 如：甲基、乙基、芳基等如：甲基、乙基、芳基等91.3.2 按高聚物的熱行為分類按高聚物的熱行為分類1) 熱塑性高聚物熱塑性高聚物 加熱軟化，冷卻硬化，再加熱再軟化，基本結(jié)加熱軟化，冷卻硬化，再加熱再軟化，基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不改變，如：烯類高聚物構(gòu)和性質(zhì)不改變，如：烯類高聚物2) 熱固性高

7、聚物熱固性高聚物 受熱時發(fā)生化學(xué)變化并固化成型，再受熱不會受熱時發(fā)生化學(xué)變化并固化成型，再受熱不會軟化變形。軟化變形。 如：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂如：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂10第二節(jié)第二節(jié) 高分子材料的結(jié)構(gòu)高分子材料的結(jié)構(gòu)2.1 大分子鏈的化學(xué)組成大分子鏈的化學(xué)組成 不是所有元素能組合成鏈狀分子，只有不是所有元素能組合成鏈狀分子，只有幾種非金幾種非金屬和半金屬屬和半金屬，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 大分子的鏈接方式大分子的鏈接方式 聚合過程中，一種單體的鏈接方式有：聚合過程中，一種單體的鏈接方式有：頭頭、頭頭、尾尾、頭尾

8、等尾尾、頭尾等。 兩種或以上單體的共聚物中，鏈接方式有：兩種或以上單體的共聚物中，鏈接方式有：無規(guī)、無規(guī)、交替、鑲嵌或共聚等交替、鑲嵌或共聚等。122.3 大分子鏈的形態(tài)（a）伸直鏈）伸直鏈 （b） 卷曲鏈卷曲鏈 （c） 帶支鏈帶支鏈 （d）網(wǎng)狀鏈）網(wǎng)狀鏈13第三節(jié)第三節(jié) 高分子材料的物理狀態(tài)及性能高分子材料的物理狀態(tài)及性能3.1 高聚物的三態(tài)高聚物的三態(tài)玻璃態(tài)玻璃態(tài) Tg高聚物保持玻高聚物保持玻璃態(tài)的最高溫度，處于玻璃態(tài)的最高溫度，處于玻璃態(tài)的高聚物為塑料璃態(tài)的高聚物為塑料高彈態(tài)高彈態(tài) TgTf之間分子運之間分子運動能量增加動能量增加,彈性模量小，彈性模量小，能發(fā)生大的彈性變形能發(fā)生大的彈性

9、變形粘流態(tài)粘流態(tài) 大于大于Tf后鏈斷的熱后鏈斷的熱運動加聚，大分子鏈發(fā)生運動加聚，大分子鏈發(fā)生相對滑動，高聚物為熔體相對滑動，高聚物為熔體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、絕緣性能好、耐蝕性高、耐熱性差低密度、絕緣性能好、耐蝕性高、耐熱性差2) 力學(xué)性能力學(xué)性能 l高彈性高彈性 彈性模量彈性模量1MPa，變形量可達，變形量可達100%-1000%。l粘彈性粘彈性 高聚物力學(xué)性能隨時間變化的現(xiàn)象。高聚物力學(xué)性能隨時間變化的現(xiàn)象。 具有粘彈性的高聚物受力后，形變與時間有關(guān)，具有粘彈性的高聚物受力后，形變與時間有關(guān)，但不呈線性關(guān)系。但不呈線性關(guān)系。15第四節(jié)

10、第四節(jié) 工程高分子材料工程高分子材料4.1 塑料塑料特性特性 在玻璃態(tài)下使用的高分子，以合成樹脂為基在玻璃態(tài)下使用的高分子，以合成樹脂為基本成分，加入添加劑，在一定的溫度和壓力下本成分，加入添加劑，在一定的溫度和壓力下成型，常溫下外形保持不變。成型，常溫下外形保持不變。常用塑料常用塑料 1) 通用塑料通用塑料 產(chǎn)量大、價格低，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常產(chǎn)量大、價格低，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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 力學(xué)性能好，能在高溫下使用的塑料，如：力學(xué)性能好，能在高溫下使用的塑料，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 鑒別塑料袋有無毒性的方法：鑒別塑料袋有無毒性的方法：1) 水檢測法：放入水中，無毒的可浮出水面，有毒水檢測法：放入水中，無毒的可浮出水面，有毒的不會上浮。的不會上浮。2)手觸及顏色檢測法：無毒的呈乳白色或無色透明，手觸及顏色檢測法：無毒的呈乳白色或無色透明，手摸時有潤滑感，表面似蠟樣感；有毒的顏色混手摸時有潤滑感，表面似蠟樣感；有毒的顏色混濁或呈黃、紅、黑色，手感發(fā)粘。濁或呈黃、紅、黑色，手感發(fā)粘。3)抖動檢測法；抓住塑料袋用力抖一下，聲音清脆抖動檢測法；抓住塑料袋用力抖一下，聲音清脆的無毒；聲音悶澀的有毒。的無毒；聲音悶澀的有毒。4)火燒檢測法：無毒的易燃，火

12、焰尖端呈黃色，局火燒檢測法：無毒的易燃，火焰尖端呈黃色，局部呈青色，燃燒時像蠟燭一樣滴落，有石蠟味；部呈青色，燃燒時像蠟燭一樣滴落，有石蠟味；有毒的不易燃，離火即熄，火焰尖端呈黃色，底有毒的不易燃，離火即熄，火焰尖端呈黃色，底部呈綠色，軟化能拉成絲狀。部呈綠色，軟化能拉成絲狀。 17l有毒塑料袋主要聚氯乙烯，是有毒的物質(zhì)。有毒塑料袋主要聚氯乙烯，是有毒的物質(zhì)。可由呼吸道、消化道、血液侵入人體內(nèi)?？捎珊粑馈⑾?、血液侵入人體內(nèi)。中毒時出現(xiàn)眩暈、頭痛、定向力障礙、判中毒時出現(xiàn)眩暈、頭痛、定向力障礙、判斷力差，有酒醉感覺，還可有全身發(fā)麻、斷力差，有酒醉感覺，還可有全身發(fā)麻、胸悶痛、咳嗽、多痰，嚴(yán)

13、重者可引起肺水胸悶痛、咳嗽、多痰，嚴(yán)重者可引起肺水腫、肝臟損害?？梢鸶窝芰黾昂粑滥[、肝臟損害?？梢鸶窝芰黾昂粑滥[瘤，對眼睛、皮膚均有刺激作用。腫瘤，對眼睛、皮膚均有刺激作用。 184.2 合成橡膠合成橡膠特點特點 室溫下保持高彈性，具有良好的耐磨性、隔室溫下保持高彈性，具有良好的耐磨性、隔音性及儲能性音性及儲能性材料名稱材料名稱 天然橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠等天然橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠等應(yīng)用應(yīng)用 輪胎、電纜、傳輸帶、密封圈等輪胎、電纜、傳輸帶、密封圈等4.3 合成纖維合成纖維定義定義 能保持長徑比大于能保持長徑比大于100的均勻條狀或絲狀高分的均勻條狀或絲狀高分子材料子材料材料名

14、稱材料名稱 錦綸、滌綸、晴綸、丙綸、芳綸錦綸、滌綸、晴綸、丙綸、芳綸應(yīng)用應(yīng)用 衣料、工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域衣料、工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域19第十章第十章 陶瓷材料陶瓷材料第一章第一章 陶瓷材料的基本知識陶瓷材料的基本知識1.1 含義含義 以天然或人工合成的以天然或人工合成的無機非金屬無機非金屬為原料，經(jīng)過為原料，經(jīng)過高高溫?zé)Y(jié)溫?zé)Y(jié)而成的固體材料或制品。而成的固體材料或制品。普通陶瓷普通陶瓷 利用利用天然天然硅酸鹽礦物（黏土、硅土、長硅酸鹽礦物（黏土、硅土、長石）為原料制成的陶瓷，又稱傳統(tǒng)陶瓷。石）為原料制成的陶瓷，又稱傳統(tǒng)陶瓷。特種陶瓷特種陶瓷 采用高純度的采用高純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、殊的力學(xué)、物理或化學(xué)性能，又稱新型陶瓷有特殊的力學(xué)、物理或化學(xué)性能，又稱新型陶瓷和現(xiàn)代陶瓷。和現(xiàn)代陶瓷。201.2 陶瓷材料的結(jié)合鍵陶瓷材料的結(jié)合鍵l 離子鍵、共價鍵，多數(shù)是兩者混合離子鍵、共價鍵，多數(shù)是兩者混合l 兩種鍵的鍵能高，表現(xiàn)出高熔點、耐腐蝕、高硬兩種鍵的鍵能高，表現(xiàn)出高熔點、耐腐蝕、高硬度、高彈性模量、極差的塑性度、高彈性模量、極差的塑性1.3 制取制取坯材成型坯材成型原料破碎與配制原料破碎與配制坯材干燥坯材干燥高溫?zé)Y(jié)高溫?zé)Y(jié)21第二節(jié)第二節(jié) 陶瓷材料的組織與結(jié)構(gòu)陶瓷材料的組織與結(jié)構(gòu)普通陶瓷的典型組織普通陶瓷的典型組織 晶體相玻璃相氣相晶體相玻璃相氣相2.1 晶體相晶體相 以一些

16、化合物或者以化合物為基的固溶體，是以一些化合物或者以化合物為基的固溶體，是陶瓷材料的主要組分。陶瓷材料的主要組分。1) 氧化物晶體相氧化物晶體相 以離子鍵為主構(gòu)成離子晶體，也有少量的共價以離子鍵為主構(gòu)成離子晶體，也有少量的共價鍵。鍵。離子晶體的排布特點離子晶體的排布特點 以直徑較大的負(fù)氧離子構(gòu)成以直徑較大的負(fù)氧離子構(gòu)成密排晶格，占據(jù)節(jié)點和面心位置，直徑較小的密排晶格，占據(jù)節(jié)點和面心位置，直徑較小的金屬離子填充在間隙中。金屬離子填充在間隙中。22232) 非氧化物晶體相非氧化物晶體相定義定義 不含氧的金屬氮化物、氮化物、硼化物和硅不含氧的金屬氮化物、氮化物、硼化物和硅化物等，以共價鍵為主?；锏?/p>

17、，以共價鍵為主。金屬碳化物金屬碳化物 以共價鍵為主，含一定的金屬鍵。以共價鍵為主，含一定的金屬鍵。 間隙相間隙相 C固溶于面心立方或六方金屬的八面體固溶于面心立方或六方金屬的八面體中，如：中，如：TiC、ZrC、NbC、TaC等等 復(fù)雜碳化物復(fù)雜碳化物 有斜方（有斜方（Mn3C、Co3C、Ni3C）和）和六方（六方（WC、MoC）或更復(fù)雜）或更復(fù)雜24氮化物氮化物 與碳化物相似，但金屬鍵弱，并有一定的與碳化物相似，但金屬鍵弱，并有一定的離子鍵，如：離子鍵，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 以較強的共價鍵結(jié)合，連接成鏈、以較強的共價鍵結(jié)合，連接成鏈、網(wǎng)和骨架

18、構(gòu)成的獨立單元，金屬在單元之間，形網(wǎng)和骨架構(gòu)成的獨立單元，金屬在單元之間，形成復(fù)雜的晶體機構(gòu)。成復(fù)雜的晶體機構(gòu)。253) 硅酸鹽晶體相硅酸鹽晶體相l(xiāng)結(jié)合鍵為離子鍵共價鍵混合，習(xí)慣稱離子鍵；結(jié)合鍵為離子鍵共價鍵混合，習(xí)慣稱離子鍵；l構(gòu)成的基本單元為構(gòu)成的基本單元為SiO4四面體四面體l同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變262.2 玻璃相玻璃相l(xiāng)普通陶瓷中的普通陶瓷中的SiO2，燒結(jié)過程中熔化，在凝固，燒結(jié)過程中熔化，在凝固過程中形成無序排列的玻璃相過程中形成無序排列的玻璃相l(xiāng)玻璃相的作用玻璃相的作用l連接晶體相，填充空隙，提高致密度；連接晶體相，填充空隙，提高致密度；l降低燒結(jié)溫度，加快燒結(jié)過程；降低燒結(jié)

19、溫度，加快燒結(jié)過程；l阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制晶粒長大；阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制晶粒長大；1)獲得一定程度的玻璃特性，如透光性獲得一定程度的玻璃特性，如透光性272.3 氣相氣相 陶瓷內(nèi)部殘留下來的氣孔陶瓷內(nèi)部殘留下來的氣孔1) 開放型氣孔，在陶瓷的表面，惡化性能；開放型氣孔，在陶瓷的表面，惡化性能；2) 封閉型氣孔，陶瓷內(nèi)部，在晶界上、晶粒內(nèi)；封閉型氣孔，陶瓷內(nèi)部，在晶界上、晶粒內(nèi)；氣孔的副作用氣孔的副作用 氣孔是應(yīng)力幾種處，裂紋的發(fā)源地氣孔是應(yīng)力幾種處，裂紋的發(fā)源地氣孔率氣孔率 普通陶瓷為普通陶瓷為5%10%，特種陶瓷，特種陶瓷5%以下以下28第三節(jié)第三節(jié) 陶瓷材料的性能及應(yīng)用陶瓷材料的性能及應(yīng)用3.1 力學(xué)性能力學(xué)性能l 彈性彈性模量高，高于金屬模量高，高于金屬若干倍若干倍,比聚合物高出比聚合物高出2-4數(shù)量級，剛度大；數(shù)量級，剛度大；l 高硬度和高耐磨高硬度和高耐磨；l 抗拉強度抗拉強度低，但彎曲強低，但彎曲強度高，抗壓強度更高度高，抗壓強度更高；l塑性低塑性低，伸長率為零；，伸長率為零；l韌性