第十章高分子材料、陶瓷材料及復(fù)合材料

1、u第一節(jié) 高分子材料u第二節(jié) 陶瓷材料u第三節(jié) 復(fù)合材料第一節(jié) 高分子材料一、基本概念一、基本概念 高分子化合物:相對分子質(zhì)量大于5000的有機(jī)化合物的總稱，有時也叫聚合物或高聚物。（一）單體 凡是可以聚合生成大分子鏈的低分子有機(jī)化合物叫做單體。（二）鏈節(jié) 大分子鏈中的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元叫鏈節(jié)。（三）聚合度 大分子鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)稱為聚合度。（四）相對分子質(zhì)量 高聚物相對分子質(zhì)量為鏈節(jié)相對分子質(zhì)量M0與聚合度n的乘積（即M=M0n）。測得的相對分子質(zhì)量和聚合度實(shí)際上都是指平均值，稱為相對分子質(zhì)量和平均聚合度。二、高聚物的合成二、高聚物的合成（二）縮合聚合 具有兩個或兩個以上官能團(tuán)的單體互相縮合聚合

2、而成高聚物的反應(yīng)叫縮聚反應(yīng)。（一）加成聚合 單體經(jīng)反復(fù)多次地相互加成生成高分子化合物的反應(yīng)叫做加聚反應(yīng)。由一種單體經(jīng)加聚而成的高聚物叫均聚物。如 三、高聚物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)三、高聚物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（一）大分子鏈的組成及作用力1.大分子鏈的組成 周期表中只有以下非金屬及半金屬元素能組成大分子鏈：2.大分子鏈間作用力 大分子鏈內(nèi)原子的作用力主要是共價鍵鍵合力。（二）大分子鏈的形式 1線型結(jié)構(gòu)（不帶支鏈，如圖10-1a所示；帶支鏈，圖10-1b所示） 2網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，如圖10-1c所示。 圖10-1 大分子鏈形狀示意圖 a）線型 b）帶支鏈 c）網(wǎng)型 大分子主鏈?zhǔn)怯沙汕先f原子經(jīng)共價鍵連接而成，分子鏈在保持共價鍵

3、鍵長和鍵角不變的前提下進(jìn)行自旋轉(zhuǎn)，如圖10-2所示。（三）大分子鏈的構(gòu)象鏈的柔性1大分子鏈的運(yùn)動 構(gòu)象:大分子鏈總是處于不停的熱運(yùn)動之中，在熱運(yùn)動過程中，大分子鏈的空間形象。圖10-2 分子鏈自旋轉(zhuǎn)示意圖2影響大分子鏈柔性的因素 （1）不同元素組成的大分子鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)特性不同。 （2）大分子鏈上帶有其它原子團(tuán)或支鏈時，鏈的柔性就差。（四）大分子鏈的聚集狀態(tài)晶態(tài)與非晶態(tài)（1）無定型結(jié)構(gòu)，屬非晶態(tài)結(jié)構(gòu)（圖10-3a）（2）折疊鏈結(jié)晶結(jié)構(gòu)，屬晶態(tài)結(jié)構(gòu)（圖10-3b）（3）伸直鏈結(jié)晶結(jié)構(gòu)，屬晶態(tài)結(jié)構(gòu)（圖10-3c）圖10-3 大分子鏈三種聚集態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖 a）非晶態(tài) b）折疊鏈晶體 c）伸直鏈晶體四、高聚

4、物的物理狀態(tài)（流變行為）四、高聚物的物理狀態(tài)（流變行為） 由圖10-4可見，隨著溫度不同，線型無定型高聚物可呈現(xiàn)三種不同的物理狀態(tài)，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。圖10-4 線型無定型高聚物的溫度-變形曲線五、高聚物的分類五、高聚物的分類（一）塑料的組成 大多數(shù)塑料都是以各種合成樹脂為基礎(chǔ)，再加入一些用來改善使用性能和工藝性能的添加劑而制成。高聚物的分類方法很多，常用的有以下幾種： 1.按合成反應(yīng)分有加聚聚合物和縮聚聚合物； 2.按高聚物的熱性能及成型工藝特點(diǎn)分為熱固性和熱塑性； 3.按用途分有塑料、橡膠、合成纖維、膠粘劑、涂料等。六、常用高聚物材六、常用高聚物材料料塑料塑料1合成樹脂 決定塑料性

5、能和使用范圍的主要組成物，起粘結(jié)其它組分的作用。2添加劑 常用的添加劑有：填充劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、固化劑、著色劑等。（二）塑料的分類1.按使用范圍可分為通用塑料和工程塑料2.按樹脂的熱性能可分為熱塑性塑料和熱固性塑料（三）塑料的性能1物理性能 密度小、熱導(dǎo)率較小、耐熱性較差、良好的電絕緣體。3力學(xué)性能（1）強(qiáng)度、剛度和韌性 塑料的強(qiáng)度、剛度和韌性都很低。2化學(xué)性能 化學(xué)穩(wěn)定性很高、沒有電化學(xué)腐蝕問題。圖10-5為聚甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃）在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖10-5 有機(jī)玻璃應(yīng)力-應(yīng)變曲線（拉伸速度5mm/min）（2）蠕變與應(yīng)力松弛 粘彈性在應(yīng)力保持恒定條件下，導(dǎo)致應(yīng)變

6、隨時間的發(fā)展而增加，這種現(xiàn)象稱蠕變。圖10-6為幾種塑料的蠕變曲線。 1-聚砜 2-聚苯醚 3-聚碳酸酯 4-改性聚苯醚 5-耐熱ABS 6-聚甲醚 7-尼龍 8-ABS 粘彈性在應(yīng)變保持恒定的條件下導(dǎo)致應(yīng)力的不斷降低，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。蠕變和應(yīng)力松弛的關(guān)系： 表現(xiàn)形式不同； 本質(zhì)都是高聚物材料受力后大分子鏈構(gòu)象的變化引起的。（3）減摩性 塑料的硬度雖低于金屬，但摩擦因數(shù)小，因此有很好的減摩性能。（四） 常用的工程塑料（見表10-3）第二節(jié) 陶瓷材料 陶瓷結(jié)構(gòu)中，以離子鍵和共價鍵為主要結(jié)合鍵。通常多為兩種或兩種以上的混合鍵。 陶瓷的組織結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一般由晶體相、玻璃相和氣相組成。二二、陶

7、瓷的組成相及其結(jié)構(gòu)、陶瓷的組成相及其結(jié)構(gòu)一一、概述概述 陶瓷大致可分為：傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷 基本的工藝是：原料的制備、坯料的成型和制品的燒成或燒結(jié)（一）晶體相1氧化物結(jié)構(gòu) 多數(shù)氧化物結(jié)構(gòu)是氧離子排列成簡單立方、面心立方和密排六方的三種晶體結(jié)構(gòu)，正離子位于其間隙中。（如圖10-7所示）圖10-7 氧化物晶體結(jié)構(gòu)a) MgO的晶體結(jié)構(gòu) b) Al2O3的晶體結(jié)構(gòu)2硅酸鹽結(jié)構(gòu) 由硅氧四面體SiO4為基本結(jié)構(gòu)單元所組成。硅酸鹽結(jié)構(gòu)有以下一些基本特點(diǎn)： （1）各種硅酸鹽結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元是硅氧四面體（如圖10-8所示） （2）每個氧最多只能被兩個硅氧四面體所共有。 （3）SiO4四面體中SiOSi的結(jié)合

8、鍵角一般是145。圖10-8 SiO4四面體 a）示意圖 b）模型 （4）SiO4四面體既可以孤立地在結(jié)構(gòu)中存在，又可互成單鏈、雙鏈或?qū)訝钸B接，如圖10-9所示。圖10-9 SiO4四面體連接模型a) 單鏈 b) 雙鏈 c) 層狀（二）玻璃相 玻璃相一般是指從熔融液態(tài)冷卻時不進(jìn)行結(jié)晶的非晶態(tài)固體。陶瓷材料中，玻璃相的作用: 1.提高材料的致密度； 2.降低陶瓷的燒成溫度，加快燒結(jié)過程； 3.阻止晶體相轉(zhuǎn)變，抑制其長大； 4.獲得一定程度的玻璃特性。（三）氣相 氣相是指陶瓷組織內(nèi)部殘留下來的氣孔。 氣相影響：材料強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、抗電擊穿強(qiáng)度下降，介電損耗增大，降低陶瓷的透明度。三、陶瓷的性能及應(yīng)用

9、三、陶瓷的性能及應(yīng)用（一）物理性能1熱學(xué)性能 高熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率低、線膨脹系數(shù)低。2電學(xué)性能 大多數(shù)陶瓷是良好的絕緣體，少數(shù)陶瓷材料還具有半導(dǎo)體性質(zhì)。3光學(xué)性能 某些陶瓷具有特殊光學(xué)性能、透明。4磁學(xué)性能 鐵氧體（磁性陶瓷材料）。（二）力學(xué)性能1塑性與韌性 常溫受外力作用不產(chǎn)生塑性變形,一定彈性變形后直接發(fā)生脆性斷裂。沖擊韌性和斷裂韌度要比金屬材料低得多。2強(qiáng)度 強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論值。3硬度 陶瓷的硬度在各類材料中最高。一、概述一、概述（一）復(fù)合材料的概念 由兩種或兩種以上化學(xué)成分不同或組織結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)，經(jīng)人工合成獲得的多相材料稱復(fù)合材料。第三節(jié) 復(fù)合材料（二）復(fù)合材料的分類 1.按材料的用途： 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、功能復(fù)合材料 2.按增強(qiáng)材料的物理形態(tài) ：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、