第2章-非金屬

1、2.3高分子材料的結(jié)構(gòu)和性能高分子材料的結(jié)構(gòu)和性能高分子材料實(shí)際上是由高分子化合物經(jīng)過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。多數(shù)高分子量很大的化合物。多數(shù)高分子化合物的分子量在分子化合物的分子量在50001000000之間。之間。高分子材料高分子材料由高分子化合物組成的具有一定由高分子化合物組成的具有一定力學(xué)性能的有機(jī)合成材料。簡稱高聚物。力學(xué)性能的有機(jī)合成材料。簡稱高聚物。單體單體組成高分子化合物的低分子化合物。例組成高分子化合物的低分子化合物。例如聚苯乙烯的單體是苯乙烯。如聚苯乙烯的單體是苯乙烯。鏈節(jié)鏈節(jié)高聚物的

2、分子很大，呈長鏈形，故稱作高聚物的分子很大，呈長鏈形，故稱作大分子鏈。組成大分子鏈的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元叫做大分子鏈。組成大分子鏈的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元叫做高聚物的鏈節(jié)。高聚物的鏈節(jié)。 高分子材料的分類高分子材料的分類按用途分按用途分l塑料塑料l橡膠橡膠l合成纖維合成纖維l膠粘劑膠粘劑l涂料涂料高聚物的特性高聚物的特性l1.高聚物一般都具有強(qiáng)度與彈性，可作為各種固體或彈性體材料使用；l2.還具有很好的可塑性和延展性，容易制成形狀復(fù)雜的制品纖維與薄膜材料；l3.聚合物的本體或溶液粘度特別大，如23溶液的粘度比同樣濃度的小分子溶液大幾十到幾百倍；l4.高聚物的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)的變化范圍比較寬（510），蒸汽壓極低，在

3、達(dá)到沸點(diǎn)之前分子就已分解掉，故聚合物無氣態(tài)可言。 高分子材料的性能取決于高聚物的分子量、分子鏈形狀和高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。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為由許多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的重復(fù)單元以共價(jià)鏈相聯(lián)，以長鏈分子為基礎(chǔ)的大分子所組成的化合物。 高分子的重復(fù)單元也稱鏈節(jié)。組成高分子的重復(fù)單元數(shù)目，叫聚合度（DP）高聚物的分子量（M）與重復(fù)單元分子量（m）之間有如下關(guān)系：MmDP2.分子量對性能的影響分子量對性能的影響l隨著材料相對分子質(zhì)量的增加，材料的機(jī)械強(qiáng)度不斷提高。l相對分子質(zhì)量的值達(dá)到約l04時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到臨界值。隨后，強(qiáng)度上升不明顯，而黏度急

4、劇增加，加工困難。2.3.2高分子鏈形狀高分子鏈形狀l高分子是由許多相同的單體分子連接在一起的。直線型鏈卷曲鏈支化鏈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體型線型高聚物的結(jié)合鍵高聚物的結(jié)合鍵l高聚物大分子鏈內(nèi)部靠共價(jià)鍵結(jié)合，結(jié)合力強(qiáng)。l線型高聚物大分子鏈之間靠氫鍵、范德華力等二次鍵結(jié)合，結(jié)合力較弱。但由于分子鏈很長，且二次鍵的結(jié)合力可以疊加，二次鍵產(chǎn)生的結(jié)合力甚至可以超過主鍵結(jié)合力。二次鍵在溫度、溶劑等外界因素作用下會(huì)弱化，導(dǎo)致結(jié)合力下降。高聚物的結(jié)合鍵高聚物的結(jié)合鍵l體型高聚物分子鏈之間靠交聯(lián)共價(jià)鍵結(jié)合。共價(jià)鍵受溫度、溶劑影響很小。所以體型高聚物不溶于溶劑，也不會(huì)受熱軟化。電纜套管高125中交聯(lián)交聯(lián)聚乙烯塑料周轉(zhuǎn)箱中90

5、 高線性低壓聚乙烯食品袋低60低線性高壓聚乙烯用途舉例強(qiáng)度耐熱性（）密度鏈形態(tài)聚合物種類表2-1 不同鏈結(jié)構(gòu)聚乙烯的性能2.3.3高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)l物質(zhì)是由無數(shù)分子組成的，這些分子聚在一起，會(huì)有不同的排列形式。分子堆砌在一起的結(jié)構(gòu)就稱為聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。小分子的個(gè)體小，變化比較單一，一般只有結(jié)晶和非晶兩種狀態(tài)。高分子的相對分子質(zhì)量很大，分子的組成不同，分子間的相互作用力不同，因此，分子鏈聚集在一起的形態(tài)也不同。它的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)就變得十分復(fù)雜。高分子的聚集態(tài)主要有非晶態(tài)，晶態(tài)和取向態(tài)等。 1.高分子的結(jié)晶態(tài)高分子的結(jié)晶態(tài)l高聚物的每一個(gè)分子就好像是一根長長的線，通常情況下，它們互相雜

6、亂無章地纏繞在一起，是非晶態(tài)高聚物。許多高聚物都有這樣的結(jié)構(gòu)，如聚氯乙烯、聚苯乙烯和有機(jī)玻璃等塑料，以及幾乎所有的橡膠。l也有不少聚合物，長鏈的分子會(huì)按照一定的順序規(guī)整地排列起來，形成有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。大多數(shù)聚合物從熔體中冷卻時(shí)形成的結(jié)晶具有球狀的形態(tài)，稱為球晶。 l結(jié)晶度：高分子結(jié)晶部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)。l，具有對稱線性結(jié)構(gòu)的低壓聚乙烯，有很高的結(jié)晶度（8090%），而帶有大量支化鏈的高壓聚乙烯結(jié)晶度就較低（5565）。 結(jié)晶對聚合物性能的影響結(jié)晶對聚合物性能的影響l聚合物的結(jié)晶度越高，它的力學(xué)性能就越好。l例如無規(guī)聚丙烯是一種非晶的高分子，它的相對分子質(zhì)量也很高，但強(qiáng)度很差，是一種蠟狀的

7、固體，不能作材料使用。l聚丙烯樹脂是高結(jié)晶度的聚合物，強(qiáng)度高，還能耐較高的溫度，是一種性質(zhì)優(yōu)良的塑料。l高壓聚乙烯具有支鏈結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度低，材料的性質(zhì)就比較柔軟，強(qiáng)度較低，而低壓聚乙烯的結(jié)晶度高，材料的剛性好，強(qiáng)度也高。l尼龍和聚酯都是結(jié)晶性聚合物，它們的強(qiáng)度都很好，是重要的工程塑料。橡膠的分子比較柔軟、富有彈性，所以一般我們不希望它有結(jié)晶結(jié)構(gòu)。2.高分子的高分子的取向態(tài)結(jié)構(gòu)對塑料進(jìn)行拉伸，原來卷曲的聚合物分子沿著拉伸的方向上較平行地排列起來。經(jīng)過高溫處理，這種結(jié)構(gòu)就固定下來，這就是取向態(tài)結(jié)構(gòu)。l纖維的拉伸倍數(shù)越高，取向度越好，強(qiáng)度就越好。l塑料包裝繩在加工時(shí)，對塑料繩進(jìn)行拉伸，將原來卷曲的聚合

8、物分子拉直，沿著拉伸的方向上較平行地排列起來。經(jīng)過高溫處理，這種結(jié)構(gòu)就固定下來，形成取向態(tài)結(jié)構(gòu)。可獲得很高的強(qiáng)度。l高強(qiáng)度纖維如釣魚絲都需要經(jīng)過高倍的拉伸。通過拉伸使聚合物的分子鏈取向。l美國杜邦公司利用這一原理制成了可以用于灌裝可樂等碳酸飲料的耐壓、高強(qiáng)度、質(zhì)輕的聚酯塑料瓶，替代了易碎的玻璃瓶，降低了運(yùn)輸成本和破損率，對促進(jìn)可口可樂的銷售起了很大的作用。l制瓶時(shí)，先將加熱的聚酯型坯拉長，使分子沿縱向取向。然后在模子中用壓縮空氣將型坯吹成直徑較大的瓶子，使分子又沿橫向取向，這種雙向拉伸的瓶子有很高的強(qiáng)度。 線性高聚物的彈性變形大分子鏈可以在保持共價(jià)鍵鍵長和鍵角不變的前提下進(jìn)行自旋轉(zhuǎn)（主鍵內(nèi)旋）

9、，產(chǎn)生變形。此時(shí)大分子鏈的質(zhì)量中心不變，當(dāng)外力去除后變形恢復(fù)，表現(xiàn)為彈性。10928L1L2線性高聚物的塑性變形線性高聚物的塑性變形當(dāng)溫度升高或在有機(jī)溶劑作用下分子鏈間的二次鍵弱化，高分子鏈整體相對于周圍分子鏈移動(dòng)。在外力去除后位移不會(huì)恢復(fù)，材料產(chǎn)生塑性變形。線型無定型（非晶態(tài)）高聚物的線型無定型（非晶態(tài)）高聚物的熱性能熱性能熱變形曲線Tg玻璃化溫度。Tf粘流溫度。溫度玻璃態(tài)高彈態(tài)粘流態(tài)變形量TfTga.玻璃態(tài)玻璃態(tài)：在比較低的溫度下，高分子鏈的鏈段運(yùn)動(dòng)與整體運(yùn)動(dòng)均被“凍結(jié)”，整個(gè)高聚物表現(xiàn)出玻璃似的固態(tài)，性質(zhì)剛硬，具有較好的機(jī)械性能。玻璃態(tài)時(shí)的變形是鍵長與鍵角的微小彈變。室溫下處于玻璃態(tài)的高

10、聚物叫塑料。b. 高彈態(tài)：高彈態(tài)：當(dāng)高聚物溫度高于玻璃化溫度，TTg時(shí)，主鍵內(nèi)旋開動(dòng)。受外力作用時(shí)，分子鏈通過鏈段運(yùn)動(dòng)調(diào)整構(gòu)象，使原來蜷曲鏈沿受力方向伸展，結(jié)果宏觀表現(xiàn)為產(chǎn)生很大的變形。整個(gè)分子鏈質(zhì)量中心沒有移動(dòng)，各分子之間相互位置依然）。當(dāng)去除外力后，通過鏈段的運(yùn)動(dòng)，分子鏈段又回復(fù)至蜷曲狀態(tài)，宏觀變形消失。室溫下處于高彈態(tài)的高分子材料叫橡膠。c. 粘流態(tài)：粘流態(tài)：溫度高于粘流溫度Tf時(shí)，大分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)的整鏈為運(yùn)動(dòng)單位；高聚物成為粘態(tài)熔體。熔體流動(dòng)，產(chǎn)生不可逆永久變形，熔體的流動(dòng)變形是由于大分子鏈的質(zhì)量中心移動(dòng)的結(jié)果。粘流態(tài)是高聚物成型加工成制品的工藝狀態(tài)。(2)體型高聚物體型高聚物l體型高

11、聚物的交聯(lián)鍵限制了整鏈的運(yùn)動(dòng)，沒有粘流態(tài)。當(dāng)交聯(lián)密度較小時(shí)，低溫時(shí)，處于玻璃態(tài)；較高溫時(shí)，由于網(wǎng)鏈(兩交聯(lián)點(diǎn)間的鏈長)較長，在外力作用下，網(wǎng)鏈仍能通過單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)改變其構(gòu)象，因而有高彈態(tài)。交聯(lián)密度較大時(shí)，網(wǎng)鏈長度減小，鏈段運(yùn)動(dòng)受到更多限制，高彈區(qū)小或消失。熱塑性和熱固性高聚物熱塑性和熱固性高聚物按高聚物熱行為及成型工藝特點(diǎn)不同，分熱塑性高聚物和熱固性高聚物兩種。熱塑性高聚物：加熱后軟化、可塑的高聚物。線型高聚物一般為熱塑性高聚物。熱固性高聚物：加熱后不軟化，溫度過高產(chǎn)生分解、碳化的高聚物。體型高聚物。一般為熱固性高聚物。l熱塑性高分子可以反復(fù)加熱熔融，因此，廢棄的熱塑性塑料可以在塑料加工機(jī)械中熔

12、融，重新用于制備有用的塑料器皿。而熱固性聚合物在高溫下不能再改變形狀，無法直接回收，廢棄后，通常只能當(dāng)燃料使用。 2.4復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能l2.4.1.復(fù)合材料的定義根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）為復(fù)合材料所下的定義，復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。 基體：在復(fù)合材料中的連續(xù)相； 增強(qiáng)材料：復(fù)合材料中的分散相。l復(fù)合材料即可以保持原材料的某些特點(diǎn)，又能發(fā)揮組合后的新特征，它可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而最合理地達(dá)到使用要求的性能。由于復(fù)合材料各組分之間“取長補(bǔ)短”、“協(xié)同作用”，極大地彌補(bǔ)了單一材料的缺點(diǎn)，產(chǎn)生單一材料所不具有的新性

13、能。短纖維復(fù)合材料：短纖維復(fù)合材料：短纖維無規(guī)則地分短纖維無規(guī)則地分散在基體材料中制成的復(fù)散在基體材料中制成的復(fù)合材料合材料；2.4.2.復(fù)合材料的種類（1）按增強(qiáng)材料的形態(tài)分連續(xù)纖維復(fù)合材料：作為分散相的纖維，每根纖維的兩個(gè)端點(diǎn)都在復(fù)合材料的邊界處；連續(xù)纖維狀短纖維狀編織復(fù)合材料：編織復(fù)合材料：以平面二維或立體三維以平面二維或立體三維纖維編織物為增強(qiáng)材料與基體纖維編織物為增強(qiáng)材料與基體復(fù)合而成的復(fù)合材料。復(fù)合而成的復(fù)合材料。粒狀填料復(fù)合材料：微小顆粒狀增強(qiáng)材料分散在基體中制成的復(fù)合材料；2.4.2.復(fù)合材料的種類（1）按增強(qiáng)材料的形態(tài)分顆粒狀骨架纖維狀2.4.2.復(fù)合材料的種類（1）按增強(qiáng)材

14、料的形態(tài)分層狀復(fù)合材料：板狀基體材料通過粘接劑膠合形成復(fù)合板材。疊層纖維狀涂層狀（2）按增強(qiáng)纖維種類分類）按增強(qiáng)纖維種類分類l玻璃纖維復(fù)合材料；碳纖維復(fù)合材料；有機(jī)纖維復(fù)合材料；金屬纖維復(fù)合材料（如鎢絲、不銹鋼絲等）；陶瓷纖維復(fù)合材料（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維等）如果用兩種或兩種以上纖維增強(qiáng)同一基體制如果用兩種或兩種以上纖維增強(qiáng)同一基體制成的復(fù)合材料稱為混雜復(fù)合材料?；祀s復(fù)合材成的復(fù)合材料稱為混雜復(fù)合材料?；祀s復(fù)合材料可以看成是兩種或多種單一纖維復(fù)合材料的料可以看成是兩種或多種單一纖維復(fù)合材料的相互復(fù)合，即復(fù)合材料的相互復(fù)合，即復(fù)合材料的“復(fù)合材料復(fù)合材料”。（3）按基體材料分類）按基體材料分

15、類l聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料： 以有機(jī)聚合物（主要為熱固性樹脂、熱塑性樹脂及橡膠）為基體制成的復(fù)合材料； 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料：以金屬為基體制成的復(fù)合材料，如鋁基復(fù)合材料、鈦基復(fù)合材料等；無機(jī)非金屬基復(fù)合材料無機(jī)非金屬基復(fù)合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）為基體制成的復(fù)合材料。（4）按材料作用分類）按材料作用分類l結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：l用于制造受力構(gòu)件的復(fù)合材料；功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料：l具有各種特殊性能的復(fù)合材料（如阻尼、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、換能、摩擦、屏蔽等）。2.4.3.復(fù)合材料的基本性能（l）可綜合發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)，使一種材料具有多種性能，具有天然材料所沒有的

16、性能。例如，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料，既具有類似鋼材的強(qiáng)度，又具有塑料的介電性能和耐腐蝕性能。 2.4.3.復(fù)合材料的基本性能l（2）可按對材料性能的需要進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)和制造。例如，針對方向性材料強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，針對某種介質(zhì)耐腐蝕性能的設(shè)計(jì)等。2.4.3.復(fù)合材料的基本性能l（3）可制成所需的任意形狀的產(chǎn)品，可避免多次加工工序。例如，可避免金屬產(chǎn)品的鑄模、切削、磨光等工序。性能的可設(shè)計(jì)性是復(fù)合材料的最大特點(diǎn)。影響復(fù)合材料性能的因素影響復(fù)合材料性能的因素l影響復(fù)合材料性能的因素很多，主要取決于增強(qiáng)材料的性能、含量及分布狀況，基體材料的性能、含量，以及它們之間的界面結(jié)合情況，作為產(chǎn)品還與成型工藝和結(jié)

17、構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。因此，不論對哪一類復(fù)合材料，就是同一類復(fù)合材料的性能也不是一個(gè)定值。2.5陶瓷結(jié)構(gòu)和性能陶瓷結(jié)構(gòu)和性能2.5.1陶瓷結(jié)構(gòu)和分類陶瓷結(jié)構(gòu)和分類l陶瓷材料在室溫時(shí)的顯微材料都由主晶相、玻璃相及氣相構(gòu)成。l傳統(tǒng)陶瓷：用于制作生活用品l特種陶瓷：作為工程材料的陶瓷分為：l氧化物陶瓷l非氧化物陶瓷l也可根據(jù)結(jié)構(gòu)分為燒結(jié)體、超細(xì)粉體、纖維、薄膜、晶須等1、氧化物陶瓷l主要有Al2O3，MgO,SiO2，ZrO2，莫來石（化學(xué)式為3A12032SIO2）等，熔點(diǎn)：2000以上。結(jié)構(gòu)：除晶相外，還含有少量氣相（氣孔），性能：微晶強(qiáng)度較高，粗晶時(shí)對強(qiáng)度不利，氧化物陶瓷的強(qiáng)度隨環(huán)境溫度升高而降低，但在

18、1000以下降低較小。1、氧化物陶瓷l這類陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)避免在高應(yīng)力和高溫環(huán)境下使用。這是由于A1203和ZrO2的抗熱震性較差，SiO2在高溫下容易發(fā)生蠕變和相變。雖然莫來石具有較好的抗蠕變性能和較低的熱膨脹系數(shù)，但使用溫度也不宜超過1200。2、非氧化物陶瓷l氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。特點(diǎn)：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很強(qiáng)。l碳化物和硼化物的抗熱氧化溫度約9001000，氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗熱氧化溫度達(dá)13001700。l氮化硼具有類似石墨的六方結(jié)構(gòu)，在高溫（1360）和高壓作用下可轉(zhuǎn)變成立方結(jié)構(gòu)的一氮化硼，耐熱溫度高達(dá)2000，硬度極高，可作為金剛石的代用品。2.5.2