第六章 材料科學(xué)基礎(chǔ)

第六章材料科學(xué)基礎(chǔ)第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日第一節(jié)高分子結(jié)構(gòu)的基本概念高分子材料（也稱高聚物）是由許多原子通過共價鍵結(jié)合而成的分子量很大的材料，分子量在104~107之間，甚至更大。但其結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，一般由一種或幾種低分子化合物通過共價鍵連接而成，就像一根鏈條一樣，也稱為大分子鏈。單體：能聚合生成大分子鏈的低分子有機(jī)化合物稱為單體，如聚乙烯由乙烯生成，乙烯即為聚乙烯的單體。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子結(jié)構(gòu)的基本概念第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日–CH2–CH2–鏈節(jié)：組成高分子大分子鏈的結(jié)構(gòu)單元，其結(jié)構(gòu)與單體相同或相似。如聚乙烯的鏈節(jié)為：聚合度：大分子鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)n,反映了大分子鏈的長短和相對分子質(zhì)量的大小。如聚乙烯可寫成相對分子質(zhì)量：鏈節(jié)分子質(zhì)量M0與聚合度n的乘積高分子化合物是由許多鏈節(jié)相同而聚合度不同的化合物組成的混合物，沒有固定的相對分子量，實際測得的相對分子量和聚合度都是指平均值；其分子量可在幾百至上百萬之間變動。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子結(jié)構(gòu)的基本概念第三頁，共三十五頁，2022年，8月28日高分子化合物的分子量有一定分布，不是均一的，聚合物分子量的這種特性稱為“多分散性”。聚合物的分子量或聚合度到達(dá)某一數(shù)值后，才能顯示出適用的機(jī)械強度。高聚物的相對分子質(zhì)量和聚合度的大小對高聚物的聚集狀態(tài)和力學(xué)性能都有影響。分子量大，高聚物的強度、硬度高，塑性、韌性低，加工成型性差。如聚乙烯，隨分子量的提高，由液態(tài)軟蠟態(tài)脆性固體，當(dāng)相對分子質(zhì)量大于12000時才能成為塑料。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子結(jié)構(gòu)的基本概念第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日命名：按化學(xué)組成來命名：聚氯乙烯、酚醛樹脂用商品名和習(xí)慣名：尼龍、有機(jī)玻璃、ABS以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)系統(tǒng)命名：國際上所使用，較繁瑣，多用英文縮寫，如PMMA。第二節(jié)高分子的結(jié)構(gòu)高分子的結(jié)構(gòu)包括其大分子鏈結(jié)構(gòu)和大分子鏈的聚集狀態(tài)。一、大分子鏈的結(jié)構(gòu)1大分子鏈的組成第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子結(jié)構(gòu)的基本概念第五頁，共三十五頁，2022年，8月28日通常由C、H、N、O、S、Cl、F等原子組成，有時可含有B、Si、Ti等原子。根據(jù)主鏈結(jié)構(gòu)分：⑴碳鏈高分子:主鏈上全部由碳原子組成，如聚乙烯、聚苯乙烯等，多數(shù)碳鏈高分子具有可塑性好、耐熱性差、易燃、易老化等特征。⑵雜鏈高分子：主鏈上除碳原子外，還有氧、氮、硫等其它原子，如聚酰胺、聚酯等；它們一般具有較高的強度和耐熱性，但易水解。⑶元素有機(jī)高分子：主鏈上沒有碳原子，而由硅、氧、氮、硼、磷等元素組成，側(cè)基為有機(jī)基團(tuán)，如有機(jī)硅橡膠、有機(jī)硅樹脂等。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日無機(jī)高分子:主鏈和側(cè)基均無碳原子，如聚二硫化硅等。2大分子鏈間的作用力大分子鏈上原子間的作用力是共價鍵力—主價力。

大分子鏈間的作用力—次價力，主要為范德華力和氫鍵。次價力大小比主價力小得多，只為其1%~10%。但因分子鏈特別長，所以總次價力常超過主價力，使高聚物受拉時不是分子鏈間先滑動，而是分子鏈(共價鍵）先斷裂。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日3大分子鏈的構(gòu)象高分子鏈能夠通過內(nèi)旋轉(zhuǎn)作用改變其構(gòu)象的性能稱為高分子鏈的柔順性。高分子在運動時C—C單鍵可以繞軸旋轉(zhuǎn)，稱為內(nèi)旋轉(zhuǎn)。每個鍵的空間位置受其鍵角的限制，旋轉(zhuǎn)時鍵長和鍵角不變。由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子在空間的不同形態(tài)稱為構(gòu)象。⑴大分子鏈的柔順性絕大部分大分子鏈有強烈的蜷曲趨勢，易卷曲成不規(guī)則的線團(tuán)狀。一般內(nèi)旋轉(zhuǎn)愈容易，蜷曲的趨勢就愈第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日大分子鏈的柔順性與性能的關(guān)系：

柔順性好，高分子的塑性、彈性、韌性好，強度、硬度差?！镉绊懭犴樞缘囊蛩兀孩僦麈溄Y(jié)構(gòu)由于分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)是導(dǎo)致分子鏈柔順性的根本原因，而高分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)又主要受其分子結(jié)構(gòu)的制約，因而分子鏈的柔順性與其分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。形成大分子鏈的原子間的共價鍵的鍵長大、極性小、鍵能小，則柔順性好。大，柔順性越好。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日當(dāng)主鏈中含C-O，C-N，Si-O鍵時，由于它們比C-C鍵更容易內(nèi)旋轉(zhuǎn)，柔順性好。Si-O-Si的鍵角也大于C-C鍵，因而其內(nèi)旋轉(zhuǎn)位阻更小，即使在低溫下也具有良好的柔順性

當(dāng)主鏈中含有芳環(huán)、共軛雙鍵時，則柔順性差。如聚乙炔、聚苯：第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日②取代基（其他原子團(tuán)或支鏈）：取代基的極性越大，極性基團(tuán)數(shù)目越多，相互作用越強，單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)越困難，分子鏈柔順性越差。如：第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日③溫度越高，分子內(nèi)旋越自由，柔順性越好。側(cè)基的體積越大，內(nèi)旋轉(zhuǎn)位阻越大，柔順性越差，如：⑵大分子鏈的形狀常見的幾何形狀有三種：①線型高分子：呈細(xì)長線條狀，卷曲成不規(guī)則線團(tuán)第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日但受拉時伸展為直線,如聚乙烯、聚丙烯、聚酯等。分子鏈間沒有化學(xué)鍵，能相對移動，可在一定溶劑中溶脹而溶解，加熱可以熔化，易加工、可反復(fù)使用，有良好彈性和塑性。②支鏈型高分子：在大分子主鏈上接有一些或長或短的小支鏈，整個分子呈枝狀，如高壓聚乙烯?？扇芙庠谶m當(dāng)溶劑中，加熱也能熔融。支化對高聚物性能影響不利，支鏈越復(fù)雜和支化程度越高對性能影響越大。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日新型支鏈：使高分子性能改變線形高分子（包括支鏈型）由于具有可溶可熔性，它們受熱軟化冷卻硬化，可反復(fù)加工使用，故稱之為熱塑性高分子材料。③體型高分子：為線型或支鏈形高分子以化學(xué)鍵交聯(lián)而成，又稱網(wǎng)狀或交聯(lián)高分子。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日體型高分子材料具有不溶不熔性，不能在溶劑中溶解，也不能加熱熔融。其成形加工只能在形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之前進(jìn)行，一旦形成網(wǎng)狀就不能再改變其形狀，材料不能反復(fù)使用，稱之為熱固性高分子材料。二、高聚物的聚集狀態(tài)高聚物的聚集狀態(tài)指其大分子鏈的空間幾何排列，根據(jù)大分子幾何排列特點，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有無定形和晶態(tài)兩種。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)該類材料具有較好的耐熱性、難溶性，尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械強度，但彈性、塑性低，脆性大。第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日1無定形（非晶態(tài)）結(jié)構(gòu)眾多長短不一的大分子鏈成雜亂無序的線團(tuán)狀聚集。2晶態(tài)結(jié)晶性高分子從熔融體冷卻到熔點與玻璃化溫度之間的任意溫度都能結(jié)晶，其過程如線圖所示：第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日根據(jù)結(jié)晶條件不同，晶態(tài)結(jié)構(gòu)高分子可分成單晶高分子和多晶高分子。（1）單晶高分子較易形成的形態(tài)為薄片狀和纖維狀。薄片形單晶（片晶）的制備：①從極稀溶液（質(zhì)量濃度小于0.01wt%)中緩慢結(jié)晶而成；②在較高的壓力下由熔體等溫結(jié)晶而成纖維狀晶可在聚合時結(jié)晶而成，也可由高分子被拉伸或受剪切力作用而形成。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日（2）多晶高分子主要形式是球晶，為圓球狀晶體，尺寸較大，一般是由結(jié)晶性聚合物從濃溶液中析出或由熔體冷卻時形成的，是聚合物最常見的結(jié)晶形態(tài)。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日★高分子結(jié)晶的特點：大部分高分子材料只能產(chǎn)生部分結(jié)晶，為晶態(tài)與非晶態(tài)共存。結(jié)晶度：結(jié)晶部分所占的質(zhì)量或體積百分?jǐn)?shù)，大多數(shù)結(jié)晶高分子的結(jié)晶度50%左右。影響高分子結(jié)晶度的因素：第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日分子鏈結(jié)構(gòu)：一般分子鏈結(jié)構(gòu)越簡單、對稱性越高、取代基越小、規(guī)整性越好、分子鏈相互作用強，越易結(jié)晶，結(jié)晶度大。分子量：對同一聚合物而言，在相同條件下，一般分子量低，結(jié)晶度大。應(yīng)力：應(yīng)力能使分子鏈沿外力方向有序排列，有利于結(jié)晶。雜質(zhì)：雜質(zhì)影響較復(fù)雜，有的可阻礙結(jié)晶的進(jìn)行，有的則能加速結(jié)晶。3結(jié)晶度與性能的關(guān)系結(jié)晶使高分子鏈規(guī)整排列，堆砌緊密，高分子第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日材料的密度、強度、硬度、耐熱性、耐溶劑性、耐化學(xué)腐蝕性等性能都隨結(jié)晶度的增大而提高；而彈性、韌性等則隨結(jié)晶度的增大而下降，如結(jié)晶會使橡膠失去彈性，發(fā)生爆裂。第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日4高分子的取向結(jié)構(gòu)高分子材料在外力作用下，分子鏈或鏈段沿力場方向有序排列，或在拉伸變形后形成微纖維結(jié)構(gòu)——取向非晶態(tài)高分子的取向晶態(tài)高分子的取向第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日取向強化：高分子拉伸后，沿取向方向的強度增高的現(xiàn)象。拉伸后的纖維，其強度可增加數(shù)倍。對材料進(jìn)行取向處理，可改善其性能。表6-5超拉伸聚乙烯纖維的性能與其他材料比較表6-6薄膜取向前后的性能比較第六章高分子材料的結(jié)構(gòu)§6.1高分子的結(jié)構(gòu)第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日三、塑料分類（1）按熱性能分類熱塑性塑料：

加熱時軟化，可塑造成型，冷卻后復(fù)硬，可反復(fù)進(jìn)行。優(yōu)點：加工成型簡便，機(jī)械性能較好，是塑料中性能較好的工程塑料。缺點：耐熱性和剛性較差。典型品種：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等。熱固性塑料：初加熱時軟化，可塑造成型，固化后再加熱不再軟化，不溶于溶劑。優(yōu)點：耐熱性好，受壓不易變形。第二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日缺點：機(jī)械性能不好典型品種：酚醛，環(huán)氧，氨基，不飽和聚酯，聚硅醚樹脂等。（2）按使用范圍分

通用塑料：

應(yīng)用范圍廣，生產(chǎn)量大，價廉如：聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚烯烴，酚醛塑料和氨基塑料等。工程塑料：綜合工程性能（機(jī)械性能，耐熱耐寒性能，耐蝕性和絕緣性等）良好。如：聚甲醛，聚酰胺，聚碳酸酯，ABS等。第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日特殊塑料：可在較高溫度下工作（100～200℃）耐蝕，不燃等。如：聚四氟乙烯，聚三氟氯乙烯，有機(jī)硅樹脂，環(huán)氧樹脂。三、常見工程塑料1．聚烯烴

聚乙烯PE—高密度聚乙烯（低壓）性能：較剛硬，耐磨，耐蝕，絕緣性較好。應(yīng)用：塑料管，板，繩及承載不高的零件。低密度聚乙烯（高壓）性能：質(zhì)地柔軟。應(yīng)用：日用工業(yè)品及包覆電纜等。第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日聚丙烯PP—性能：剛性增大，強度、彈性模量、硬度高于低壓聚乙烯；重量輕，耐熱性良好(加熱至150℃不變形)，絕緣性優(yōu)越(抗高電)

應(yīng)用：機(jī)械零件如法蘭，齒輪等，化工容器、管道，泵殼等，電器外殼及紡織品。給水用HDPE管第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日2．聚氯乙烯（PVC）性能：剛度和強度比聚乙烯高。硬PVC比重小，抗拉強度較好，良好的耐水、耐油、耐化學(xué)用品浸蝕性能應(yīng)用：化工及紡織工業(yè)管道，排污塔等，電器絕緣材料及電線絕緣層。軟PVC

質(zhì)地柔軟，富有彈性。應(yīng)用：農(nóng)用、工用薄膜（不能包裝食品）第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日3．ABS塑料—丙烯腈丁二烯苯乙烯三元共聚物性能：具有“硬，韌，剛”的混合特性（混合機(jī)械性能較好）；-40℃低溫仍有一定的機(jī)械強度。尺寸穩(wěn)定，耐熱和耐蝕性較好；容易電鍍，易于成型。用途：零件如齒輪，泵葉輪，軸承等，電機(jī)、儀表外殼，汽車零件及轎車車身等。第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日4．聚酰胺（PA）—尼龍性能：突出的耐磨性和自潤滑性能，韌性很好，強度較好，