非金屬材料及應用 課件全套 第1-6章 緒論、無機非金屬材料-有機、無機雜化材料

非金屬材料及應用課程簡介課程編號：

學分：2英文名稱：NonmetalMaterialsandApplication課程性質(zhì)：選修適用專業(yè)：機類及材料類先修課程：物理、化學、材料力學、機械工程材料、金屬工藝學、機械設計等主要參考書目推薦教材：吳慶定，司家勇等.非金屬材料及應用[M].機械工業(yè)出版社，2016參考書目：[1]戈曉嵐.機械工程材料[M].北京：北京大學出版社，2006；[2]朱張校.工程材料[M].北京：清華大學出版社，2003；[3]夏淑華.機械工程非金屬材料[M].新疆：新疆大學出版社，1992.

緒論INTRODUCTION§1.1材料及其分類材料：人類用于制造各種有用物件及產(chǎn)品的總稱。

材料與社會12注意:材料是物質(zhì)，但不是所有物質(zhì)都可以稱為材料。大多數(shù)的物質(zhì)需通過一定的工藝過程才能轉(zhuǎn)化為材料。材料可由一種物質(zhì)或若干種物質(zhì)構(gòu)成。同一種物質(zhì),由于制備或加工方法不同,可成為用途不同—不同類型的材料。激光材料寶石基板材料高溫爐管切削工具催化劑載體Al2O313◆材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。材料與國民經(jīng)濟、國防建設和人民生活密切相關(guān)?！?/p>

20世紀70年代，人們把材料、信息和能源譽為當代文明的三大支柱。20世紀80年代，人們又把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列，作為新技術(shù)革命的重要標志。1.1.1材料的含義14“材料”的含義：材料一般是指人類用于制造生活和生產(chǎn)所需的物品、器件、構(gòu)件、機器或其他產(chǎn)品的物質(zhì)。1.1.2材料的分類

構(gòu)材料是主要利用材料的強度、韌性、彈性等力學性能，用于制造在不同環(huán)境下工作時承受載荷的各種結(jié)構(gòu)件和零部件的一類材料，即機械結(jié)構(gòu)材料和建筑結(jié)構(gòu)材料。什么是“結(jié)構(gòu)材料”

？1.1.2材料的分類什么是“功能材料”

？

以特殊的電學性能或各種電效應作為主要性能指標的一類材料?！?/p>

按用途對材料進行分類信息材料能源材料航空航天材料生物醫(yī)用材料建筑材料包裝材料，等等。●按組成與結(jié)構(gòu)進行分類金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料復合材料151.1.2材料的分類●按應用和發(fā)展程度對材料進行分類可將材料分為傳統(tǒng)材料和新型材料兩大類。1）傳統(tǒng)材料是生產(chǎn)技術(shù)成熟，可大量工業(yè)化生產(chǎn)的材料。2）新材料建立在新思路、新概念、新工藝、新技術(shù)基礎之上，以性能優(yōu)異、品質(zhì)高、穩(wěn)定性高為優(yōu)勢，其顯著特征是投資強度較高，更新?lián)Q代快，知識和技術(shù)密集程度高，不以規(guī)模取勝。1.1.2材料的分類16§1.2材料的地位和作用1.2.1材料與人類文明——材料是人類社會進步的里程碑。材料是社會進步的物質(zhì)基礎。材料是人類進步的主要標志。人類文明進程的劃分依據(jù)是什么?

所使用的、占主導地位的材料——石器時代、銅器時代、鐵器時代、鋼鐵時代、合成材料時代、復合材料時代……——發(fā)展得越來越快1.2.1材料與人類文明高層建筑材料劃時代

材料是人類文明、社會進步、科學技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎和技術(shù)先導。在歷史上，人們將石器、青銅器、鐵器等當時的主導材料作為時代的標志，稱其為石器時代、青銅器時代和鐵器時代。

在近代材料種類極其繁多，各種新材料不斷涌現(xiàn)，很難用一種材料來代表當今時代的特征：新材料時代。1.2.1材料與人類文明

人類文明進化時代是以材料的使用來劃分的。從遠古的石器時代到鐵器時代再到如今的新材料時代，先后經(jīng)過了七個不同時代。公元前10萬年石器時代公元前3000年公元前1000年公元前0年1800年1950年1990年青銅器時代鐵器時代水泥時代鋼時代硅時代（合成材料）新材料時代以材料區(qū)分的七個時代1.2.1材料與人類文明燧石：神奇的石頭400,000BC—4,500BC

石器時代

(StoneAge)人類主要以石頭、骨頭、木制作簡單的工具。1.2.1材料與人類文明陶器(Pottery)陶器的出現(xiàn)是人類跨入新石器時代的重要標志之一據(jù)考古資料，中國陶器制作歷史至少有8000年以上西安半坡人面網(wǎng)紋陶盆戰(zhàn)國陶制四通水管1.2.1材料與人類文明4,500BC—1,000BC

青銅時代

(BronzeAge)從礦石中提煉銅—冶金業(yè)的黎明埃及古墓壁畫是人類冶金業(yè)的最早紀錄之一

人類學會了用炭把銅加熱以造出純度更高的銅,而把銅和錫礦石熔合后可得一種堅度高的合金--青銅，以青銅來造出各種武器。

大量使用青銅工具及青銅禮器的時期。1.2.1材料與人類文明古稱金或吉金，是銅與其它元素（錫、鎳、鉛、磷等）的合金中國青銅時代大致對應夏商周至秦漢，時間跨度約兩千年。春秋戰(zhàn)國時期，齊國工匠寫成《考工記》，提出“金有六齊”，是世界科技史上最早的冶銅經(jīng)驗總結(jié)。

青銅：第一種合金夏鉞戈1.2.1材料與人類文明三星堆突目面具鑄于商代晚期，高64.5cm，寬138cm，眼球柱狀外突長達13.5cm三星堆立人像鑄于商代晚期，高1.72m，底座高0.9m，通高2.62m，是世界上最大的青銅立人像1.2.1材料與人類文明四川三星堆青銅器司母戊鼎

司母戊鼎，商代大鼎，1939年出土，鼎高133cm，重875kg。為已知的中國古代體量最大的青銅器。1.2.1材料與人類文明銅禁，中國已知最早應用失蠟法鑄造的作品，春秋時代的楚國王子午墓出土，年代為公元前6世紀。青銅樂器（戰(zhàn)國）錯金犀牛尊1.2.1材料與人類文明曾候乙尊盤湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍1.2.1材料與人類文明鋒披天下的秦國青銅兵器秦劍秦劍的佩戴方式曾侯乙編鐘（戰(zhàn)國），鐘架長7.48米，寬3.35米，高2.73米，1978年湖北省隨縣擂鼓墩出土，現(xiàn)藏湖北省博物館

銅三足鳥西周

銅奔馬(馬踏飛燕)漢

秦始皇陵銅車馬秦

爵商

其它青銅制品1.2.1材料與人類文明1450BC鐵制車輪1500AD廉價的冶鐵業(yè)1000BC—

鐵器時代

(IronAge)

公元前14世紀至公元前13世紀，人類開始使用并鑄造鐵器，當青銅器逐漸被鐵器廣泛替代時，標志著人類進入了鐵器時代。1.2.1材料與人類文明戰(zhàn)國鐵犁頭戰(zhàn)國鐵鋤湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤

中國最早出現(xiàn)冶鐵制品大約是在公元前9世紀。到了春秋末期，中國人就發(fā)明了在高溫下用木炭還原鐵礦石生產(chǎn)鐵的方法，以及在半熔狀態(tài)下鍛造各種器具和武器的技術(shù)。1.2.1材料與人類文明水泥時代(CementAge)0BC—2000年前，希臘和古羅馬人在建筑中使用一種石灰和火山灰的混合物，它們在水中緩慢反應生成堅硬的固體。為最早應用的水泥。

19世紀初，英、法等將粘土化石灰(或泥灰?guī)r)燒結(jié)成為水硬性材料，其中Al2O3、

SiO2含量之和達到20~35%，稱為天然水泥。

1824，英國用石灰石和粘土的混合物燒成一種水硬性的膠凝材料，凝結(jié)硬固后的顏色、外觀和當時英國用于建筑的優(yōu)質(zhì)波特蘭石頭相似，故稱為波特蘭水泥。

1825，波特蘭水泥在英國建廠生產(chǎn)。水泥生產(chǎn)工藝以石灰石和粘土為主要原料，經(jīng)破碎、配料、磨細制成生料，喂入水泥窯中煅燒成熟料，加入適量石膏，磨細而成。1871年，日本開始建造水泥廠1889年，中國在唐山建造了第一座水泥廠。1.2.1材料與人類文明18世紀，出現(xiàn)了用鋼鐵制造的蒸汽機。19世紀發(fā)明的內(nèi)燃機和電動機對金屬材料提出了更高要求，同時對鋼鐵冶金技術(shù)產(chǎn)生了更大的推動作用。

18世紀至20世紀，金屬材料占據(jù)了結(jié)構(gòu)材料的主導地位。

比如，火車鐵軌的問世就是鋼鐵材料大量生產(chǎn)和應用的成功例子。鋼鐵時代(SteelAge)1800—：1.2.1材料與人類文明1854年和1864年，歐洲先后出現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼技術(shù)。隨著電爐冶煉技術(shù)的出現(xiàn)，不同類型的特種鋼相繼問世：1887年——高錳鋼1900年——高速鋼1910年——鎳鉻不銹鋼1.2.1材料與人類文明35艾菲爾鐵塔鋼的應用舊金山金門大橋建筑設備1.2.1材料與人類文明

同時，銅、鋁及其合金大量使用，鉛、鋅、鎂、鈦和很多稀有金屬相繼被發(fā)現(xiàn)。世界鋼產(chǎn)量從1850年的6萬噸突增到1900年的2800萬噸，人類進入了輝煌的鋼鐵時代。由此帶動了冶金業(yè)、紡織業(yè)、機械制造業(yè)、交通運輸業(yè)及航空工業(yè)等的迅速發(fā)展。輪船、汽車、飛機、電燈等的出現(xiàn)，使人類生活大大改善。1.2.1材料與人類文明2010年世界鋼產(chǎn)量達13.5億噸，中國突破6億噸，占44.3%。

19世紀末期，西方科學家發(fā)明了人造絲，這是人類改造自然材料的又一里程碑。20世紀初，各種人工合成有機高分子材料相繼問世。目前，全世界三大有機合成材料的年產(chǎn)量已達億噸以上。1909年——合成酚醛樹脂（電木）1920年——合成聚苯乙烯(PS)1931年——合成聚氯乙烯（PVC）1941年——合成聚酰胺、聚碳酸酯（尼龍）1.2.1材料與人類文明合成材料時代1900—：

在20世紀下半葉，合成高分子材料得到了飛速發(fā)展，已經(jīng)深入人類社會的方方面面。伴隨著核能的應用、合成材料工業(yè)和以硅材料為支柱的半導體工業(yè)走向大規(guī)模工業(yè)化，人類開辟了以計算機技術(shù)、生物技術(shù)和空間技術(shù)為主要標志的新時代。

20世紀中后期，通過使用合成原料和新的制備技術(shù)，出現(xiàn)了一系列具有特殊功能的先進陶瓷材料。由于陶瓷具有資源豐富、密度小、耐腐蝕、耐高溫等特點，用途不斷擴大，成為世界各國材料研究的重點。1.2.1材料與人類文明硅時代(SiliconAge)1950—

第二次世界大戰(zhàn)中，開始用硅制作雷達的高頻晶體檢波器。所用的硅純度低，不是單晶體。

1950，制出第1只硅晶體管。

1952，用直拉法培育硅單晶成功。

1953，用無坩堝區(qū)域熔化法拉制單晶。

1955，采用Zn還原SiCl4法生產(chǎn)純硅，但不能滿足制造晶體管的要求

1956，氫還原SiHCl3法。

1960，用氫還原SiHCl3法進行工業(yè)生產(chǎn)，已具規(guī)模。硅整流器、硅閘流管問世，促使硅材料的生產(chǎn)一躍而居半導體材料的首位。

1960年代，硅外延生長單晶技術(shù)和硅平面工藝。硅晶體管制造技術(shù)趨于成熟，集成電路迅速發(fā)展。

1980年代初，全世界多晶硅產(chǎn)量達2500噸。1.2.1材料與人類文明20世紀90年代后，現(xiàn)代復合材料、各種新材料層出不窮，并得到快速發(fā)展，標志著人類已進入新材料時代。新材料使新技術(shù)得以產(chǎn)生和應用，而新技術(shù)又促進了新工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展。新材料時代1900—：1.2.1材料與人類文明

從人類利用材料的歷史中可以清楚地看到：每一種重要新材料的發(fā)現(xiàn)和應用，都會把人類支配自然的能力提高到一個新的水平。材料科學技術(shù)的每一次重大突破都將引起生產(chǎn)技術(shù)的重大變革，甚至引發(fā)一場世界性的技術(shù)革命，大大加速社會發(fā)展的進程，給社會生產(chǎn)力和人類生活帶來巨大的變革，把人類物質(zhì)文明推向前進。1.2.1材料與人類文明材料是所有科技進步的核心。沒有鋼鐵材料，就沒有今天的高樓大廈。沒有專門為噴氣發(fā)動機設計的材料，就沒有靠飛機旅行的今天。沒有耐高溫復合涂層材料，就沒有人類探索外太空的飛船。沒有固體微電子電路，就沒有計算機。材料與建筑1.2.1材料與人類文明材料與交通1.2.1材料與人類文明材料與國防現(xiàn)代化

1.2.1材料與人類文明

材料的發(fā)展史1)

石器材料----對自然界天然物質(zhì)作簡單的打磨加工。

陶器材料----人類通過加工技術(shù)以一定的工藝制造非天然物質(zhì)材料的起點。2)

青銅、鐵器材料----加工、冶煉技術(shù)和工藝的改進。3)20世紀末主要的新材料----塑料、合成橡膠、化纖等各種高分子材料，特種陶瓷、特種玻璃、特種水泥、光導纖維、碳纖維、硼纖維等硅酸鹽和無機功能新材料，記憶合金、非晶態(tài)金屬、晶須、超導材料、超塑性金屬、超彈性合金等型金屬材料，以及纖維增強、疊層復合等新型復合材料。4)第四代、第五代材料----納米材料、超晶格膜、超純材料等“極限材料”和“分子設計”材料等。1.2.1材料與人類文明—材料是高新技術(shù)發(fā)展與社會現(xiàn)代化的基礎和先導。1.2.2材料與新技術(shù)革命§1.2材料的地位和作用

材料既是人類社會進步的里程碑，又是社會現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎。新材料的研究、開發(fā)與應用從根本上反映著一個國家的科學技術(shù)與工業(yè)水平。電子管→晶體管→集成電路時代

電子管——晶體管——集成電路鎢、鉬電極鍺、硅半導體單晶硅片，高純鈦、SiO2、鉻薄膜1.2.2材料與新技術(shù)革命1）電子技術(shù)的發(fā)展

新材料的研發(fā)對電子工業(yè)的發(fā)展無疑起到了決定性作用。2）光通信的產(chǎn)生和發(fā)展1.2.2材料與新技術(shù)革命

光導纖維、激光技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展是促進通信技術(shù)進步的重要因素，而這些都與材料密切相關(guān)。正是由于新材料的發(fā)展，20世紀90年代初期人們提出的“信息高速公路”的設想今天已成為現(xiàn)實。

信息材料指用于信息的探測、傳輸、顯示、運算和處理的光電信息材料。主要包括監(jiān)測和傳感(獲取)信息的材料、傳輸信息的材料、存儲信息的材料、運算和處理信息的材料。

人類在步入信息時代的同時，也進入信息材料競爭的時代。

3）磁技術(shù)的廣泛應用

磁性材料在現(xiàn)代化社會中應用十分廣泛，電視機、計算機，電動機等都離不開各種磁性材料。1.2.2材料與新技術(shù)革命稀土NdFeB永磁合金4）超導技術(shù)的開發(fā)自1911年發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象以后，到了20世紀80年代，超導材料所達到的最高臨界溫度僅有23.2K，還沒有脫離液氦溫度。1986年，由于人們發(fā)現(xiàn)了氧化物超導體，超導材料才有了重大突破，此后，超導溫度跳躍式地升高到95～100K，已達到液氮溫區(qū)。超導技術(shù)的引入，將會使許多方面發(fā)生飛躍式發(fā)展。1.2.2材料與新技術(shù)革命超導電纜已安裝調(diào)試的超導電纜系統(tǒng)

5）航空航天技術(shù)的進步1.2.2材料與新技術(shù)革命

航空航天材料主要包括新型金屬材料（如先進鋁合金、超高強度鋼、高溫合金、高熔點合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料和新型復合材料此外，還包括一些功能材料，如涂層材料、隔熱材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、潤滑材料、粘合劑材料等。這些材料大部分屬于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金屬材料。

三高一低的結(jié)構(gòu)材料（高強度、高模量、耐高溫、低密度)。在美國卡拉維納爾角航天基地待升空的航天飛機。應用了成千上萬種材料，特別是一些高技術(shù)的新型材料。1.2.2材料與新技術(shù)革命

材料，特別是新材料與現(xiàn)代文明的關(guān)系十分密切，新材料的重要性是不言而喻的。美國國家委員會的一份研究報告指出，先進材料和先進材料工藝對國家的生活水平、安全及經(jīng)濟實力起著關(guān)鍵性的作用。

1986年，《科學的美國人》雜志指出：“先進材料對未來的宇航、電子設備、汽車以及其他工業(yè)的發(fā)展是必要的，材料科學的進展決定了經(jīng)濟關(guān)鍵部門增長速度的極限范圍?！?.2.2材料與新技術(shù)革命自工業(yè)革命后，人類社會的進步主要是材料推動的結(jié)果！

四次技術(shù)革命第一次技術(shù)革命18世紀后期

蒸汽機的發(fā)明及廣泛應用為主要標志高爐、轉(zhuǎn)爐、平爐制造優(yōu)質(zhì)鋼材的工業(yè)化第二次技術(shù)革命19世紀末

電的發(fā)明和廣泛應用為標志

遠距離輸送電材料以及通訊、照明用材料第三次技術(shù)革命20世紀中期

原子能應用為主要標志

合成材料、半導體材料等大規(guī)模工業(yè)化、民用化第四次技術(shù)革命20世紀70年代計算機，特別是微電子、生物工程和空間技術(shù)為主要標志相關(guān)的新型結(jié)構(gòu)與功能材料1.2.2材料與新技術(shù)革命

以電子工程、空間技術(shù)、海洋工程、能源工程、生物工程為代表的第四次新技術(shù)革命浪潮同樣離不開新材料。

電子信息技術(shù)需要高性能電子材料、光電子材料、非線性光學材料、波導纖維和薄膜材料等功能材料；

能源工程技術(shù)離不開耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高可靠以及壽命可預測的結(jié)構(gòu)材料；

先進的航天飛行器離不開耐高溫、耐低溫、耐輻射、耐腐蝕、耐燒蝕的輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)材料；

新能源的開發(fā)離不開實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的各種功能材料。

各種材料的制備、加工和應用，無一例外地都需要依賴適當?shù)氖侄尾拍軐崿F(xiàn)?？梢?，新材料的開發(fā)與應用，對人類社會文明與經(jīng)濟發(fā)展，有著不可估量的作用。1.2.2材料與新技術(shù)革命材料是人類生存、社會發(fā)展、科技進步的物質(zhì)基礎、現(xiàn)代科技發(fā)展的先導。我國是材料大國，但不是材料強國?！吧裰哿枴憋w船始返前后圖片

1.2.2材料與新技術(shù)革命

新材料

高新技術(shù)產(chǎn)品的出現(xiàn)

推動社會進步1.2.3新材料與可持續(xù)發(fā)展MATERIALSMETALPOLYMERINORGANIC非金屬材料物理化學的科學內(nèi)涵性能使用效能合成與制備組成與結(jié)構(gòu)非金屬材料科學與工程非金屬材料科學與工程是一門研究非金屬材料合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能、使用效能

四者之間的關(guān)系與規(guī)律的科學。

掌握非金屬材料的基礎知識；了解高分子化合物的特征；熟悉各種機械工程用非金屬材料的名稱（代號）性能及應用范圍；了解非金屬工程材料的發(fā)展動向、新工藝及新技術(shù)。本課程學習目的及要求

抓好基本學習環(huán)節(jié)注重理論知識的實際應用總結(jié)歸納本課程學習方法非金屬材料的特點高分子材料的特點比重小、質(zhì)量輕耐腐蝕性好電絕緣性好減摩、耐磨性好消音和吸震性好無機非金屬材料的特點熔、沸點較高，硬度較大是電、熱的不良導體或非導體脆性較大第二章無機非金屬材料常用無機非金屬材料及應用本章主要內(nèi)容無機非金屬材料的概念與特點無機非金屬材料的地位和作用什么是無機非金屬材料？金屬材料和有機高分子材料以外的固體材料通稱為無機非金屬材料。主要特性：熔點高、硬度高、化學穩(wěn)定性好、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐氧化、彈性模量大、強度高。一般為脆性材料傳統(tǒng)陶瓷無機非金屬材料的種類陶瓷水泥玻璃特種陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷常見陶瓷制品陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的結(jié)合鍵陶瓷材料的組成相的結(jié)合鍵為離子鍵（MgO、Al2O3）、共價鍵（金剛石、Si3N4）以及離子鍵與共價鍵的混合鍵以離子鍵結(jié)合的晶體稱為離子晶體。離子晶體在陶瓷材料中占有很重要的地位。它具有強度高、硬度高、熔點高、等特點。但這樣的晶體脆性大，無延展性，熱膨脹系數(shù)小，固態(tài)時絕緣，但熔融態(tài)可導電等特點。金屬氧化物晶體主要以離子鍵結(jié)合，一般為透明體。陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的結(jié)合鍵以共價鍵結(jié)合的晶體稱為共價晶體。共價晶體具有方向性和飽和性，因而共價鍵晶體的原子堆積密度較低。共價鍵晶體具有強度高、硬度高、熔點高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點。但它脆性大，無延展性，熱膨脹系數(shù)小，固態(tài)、熔融態(tài)時都絕緣。最硬的金剛石、SiC、Si3N4、BN等材料都屬于共價晶體。陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的相組成晶體相晶體相是陶瓷材料最主要的組成相，主要是某些固溶體或化合物，其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、數(shù)量及分布決定了陶瓷材料的特性和應用。晶體相又分為主晶相、次晶相和第三相。陶瓷中晶體相主要有含氧酸鹽（硅酸鹽、鈦酸鹽等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。硅氧四面體是硅酸鹽陶瓷中最基本的結(jié)構(gòu)單元。陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的相組成玻璃相玻璃相是陶瓷材料中原子不規(guī)則排列的組成部分，其結(jié)構(gòu)類似于玻璃。玻璃相的作用是：熔點低，將分散的晶體相粘結(jié)起來，填充晶體之間的空隙，提高材料的致密度；降低燒成溫度，加快燒結(jié)過程；阻止晶體轉(zhuǎn)變、抑止晶粒長大。玻璃相對陶瓷強度、介電常數(shù)、耐熱性能是不利的。陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的相組成氣相（氣孔）陶瓷中氣孔主要是坯體各成分在加熱過程中單獨或互相發(fā)生物理、化學作用所生成的空隙。這些空隙可由玻璃相來填充，還有少部分殘留下來形成氣孔。氣孔對陶瓷的性能是不利的。它降低材料的強度，是造成裂紋的根源。陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的晶體缺陷點缺陷陶瓷材料晶體中存在的置換原子、間隙原子和空位等缺陷稱之為點缺陷。陶瓷材料的很多性質(zhì)如導電性與點缺陷有直接關(guān)系。此外，陶瓷材料的燒結(jié)、擴散等物理化學過程也與點缺陷有關(guān)。陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的晶體缺陷線缺陷位錯是陶瓷材料晶體中存在線缺陷。陶瓷材料中位錯形成所需要的能量較大，因此，不易形成位錯。陶瓷材料中位錯密度很低。陶瓷材料主要是離子鍵和共價鍵。這兩種結(jié)合鍵造成位錯的可動性降低。當位錯滑移時，離子鍵中同號離子相斥，導致離子鍵斷裂；而共價鍵的方向性和飽和性，具有確定的鍵長和鍵角，位錯的滑移也會導致共價鍵的破斷。陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的晶體缺陷面缺陷陶瓷材料一般是多晶材料。多晶材料中存在的晶界和亞晶界就是陶瓷材料中的面缺陷。我們知道晶粒細化可以提高材料的強度。晶界對金屬材料和陶瓷材料強度的提高作用機理是不同的。對金屬材料來說，晶界阻礙位錯的運動，從而強化了材料；而對陶瓷材料來說，利用晶界兩側(cè)晶粒取向的不同來阻止裂紋的擴展，提高強度。陶瓷材料的性能特點力學性能硬度陶瓷的硬度很高，多為1000Hv～1500Hv（普通淬火鋼的硬度500～800Hv）。陶瓷硬度高的原因是離子晶體中離子堆積密度大、以及共價晶體中電子云的重疊程度高引起的。剛度陶瓷的剛度很高。剛度是由彈性模量衡量的，而彈性模量又反映其化學鍵的鍵能。離子鍵和共價鍵的鍵能都要高于金屬鍵，因此陶瓷材料的彈性模量要高于金屬材料。陶瓷的硬度很高，多為1000Hv～1500Hv（普通淬火鋼的硬度500～800Hv）。陶瓷硬度高的原因是離子晶體中離子堆積密度大、以及共價晶體中電子云的重疊程度高引起的。陶瓷的剛度很高。剛度是由彈性模量衡量的，而彈性模量又反映其化學鍵的鍵能。離子鍵和共價鍵的鍵能都要高于金屬鍵，因此陶瓷材料的彈性模量要高于金屬材料。陶瓷材料的性能特點力學性能強度陶瓷材料的強度取決于鍵的結(jié)合力，理論強度很高。但陶瓷中由于組織的不均勻性，內(nèi)部雜質(zhì)和各種缺陷的存在，使得陶瓷材料的實際強度要比理論強度低100多倍。陶瓷材料的強度也受晶粒大小的影響。晶粒越細，強度越高。此外，陶瓷材料一般具有優(yōu)于金屬材料的高溫強度，高溫抗蠕變能力強，且有很高的抗氧化性。常用于高溫材料。陶瓷材料的性能特點力學性能塑性與韌性陶瓷材料的塑性和韌性較低，這是陶瓷最大的弱點。陶瓷材料受到載荷時在不發(fā)生塑性變形的情況下，就發(fā)生斷裂。斷裂是裂紋形成和擴展的過程。陶瓷內(nèi)部和表面所產(chǎn)生的微裂紋，由于裂紋尖端的應力集中，內(nèi)部裂紋在受到外應力時擴展很快，這是導致陶瓷材料斷裂的根本原因。陶瓷材料的性能特點熱學性能熔點陶瓷材料由離子鍵和共價鍵結(jié)合，因此具有較高的熔點。熱容熱膨脹陶瓷材料在低溫下熱容小，在高溫下熱容增大。陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)小，這是由晶體結(jié)構(gòu)和化學鍵決定的。一般為10－5～10－6/K。陶瓷材料在低溫下熱容小，在高溫下熱容增大。陶瓷材料由離子鍵和共價鍵結(jié)合，因此具有較高的熔點。陶瓷材料在低溫下熱容小，在高溫下熱容增大。陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)小，這是由晶體結(jié)構(gòu)和化學鍵決定的。一般為10－5～10－6/K。陶瓷材料由離子鍵和共價鍵結(jié)合，因此具有較高的熔點。陶瓷材料在低溫下熱容小，在高溫下熱容增大。陶瓷材料的性能特點電學性能陶瓷材料是良好的絕緣體?？捎糜诟綦姷慕^緣材料；陶瓷還具有介電特性，可作為電器的介質(zhì)。陶瓷材料的介電損耗很小，可大量制造高頻、高溫下工作的器件。陶瓷材料由于晶界和氣孔的存在，一般是不透明的?？梢酝ㄟ^燒結(jié)方法的改變和控制晶粒的大小，制備出透明的氧化物陶瓷。光學性能陶瓷材料是良好的絕緣體?？捎糜诟綦姷慕^緣材料；陶瓷還具有介電特性，可作為電器的介質(zhì)。陶瓷材料的介電損耗很小，可大量制造高頻、高溫下工作的器件。陶瓷材料由于晶界和氣孔的存在，一般是不透明的?？梢酝ㄟ^燒結(jié)方法的改變和控制晶粒的大小，制備出透明的氧化物陶瓷。陶瓷材料的性能特點化學性能陶瓷的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，很難與介質(zhì)中的氧發(fā)生作用。例如在以離子晶體為主的陶瓷中，金屬離子被氧離子所包圍，被屏蔽在其緊密排列的間隙之中，不但室溫下不會氧化，甚至在1000℃以上的高溫也不會氧化。

陶瓷材料加工方法配料成形煅燒普通陶瓷的生產(chǎn)工藝及種類普通陶瓷的生產(chǎn)工藝1、原料配制黏土、石英、長石，各種氧化物或其它物質(zhì)2、坯料成形可塑成形法，注漿成形法、模壓成形法3、制品的燒結(jié)蒸發(fā)階段、氧化物分解和晶型轉(zhuǎn)化階段、?；纱呻A段、冷卻階段1。日用陶瓷2。普通工業(yè)陶瓷1）建筑陶瓷2）衛(wèi)生陶瓷4）化工陶瓷3）電器絕緣陶瓷普通陶瓷的種類（1）日用陶瓷一般應具有良好的白度、光澤度、透光性、熱穩(wěn)定性和強度。日用陶瓷主要應用于茶具、餐具和工藝品長石瓷質(zhì)，絹云母瓷質(zhì)，骨灰瓷質(zhì)，日用瓷質(zhì)1）建筑陶瓷以黏土為主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷粗陶瓷：以難熔黏土為主要原料，包括磚、瓦、盆罐等精陶瓷：以瓷土和高嶺土為主要原料，包括釉面磚、建筑衛(wèi)生陶瓷等炻瓷：以陶土和黏土為主要原料，包括地磚、外墻磚、shi耐酸陶瓷等(紫砂)（2）普通工業(yè)陶瓷2）衛(wèi)生陶瓷以高嶺土為主要原料而制得的用于衛(wèi)生設施的帶釉陶瓷制品，有陶質(zhì)、炻瓷質(zhì)和瓷質(zhì)等。3）電器絕緣陶瓷又稱電瓷，是作為隔電、機械支撐及連接用的瓷質(zhì)絕緣器件。分為低壓電瓷、高壓電瓷和超高壓電瓷等。4）化工陶瓷要求耐酸、耐高溫、具有一定強度。主要用于化學、化工、制藥、食品等工業(yè)。結(jié)構(gòu)陶瓷材料的制造工藝結(jié)構(gòu)陶瓷材料結(jié)構(gòu)陶瓷的生產(chǎn)工藝1、粉末制備固相法，氣相法，液相法，機械法，熔劑蒸發(fā)法2、成形冷等靜壓成形，注射成形，爆炸成形3、燒結(jié)常壓燒結(jié)，氣氛壓力燒結(jié)，熱壓燒結(jié)，熱等靜壓燒結(jié)，反應燒結(jié)，電火花燒結(jié)，自擴散高溫合成常用結(jié)構(gòu)陶瓷材料結(jié)構(gòu)陶瓷的種類氧化物陶瓷非氧化物陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷材料氧化物陶瓷特點：化學穩(wěn)定性好、抗氧化性強、熔融溫度高、高溫強度高。Al2O3陶瓷BeO陶瓷ZrO2陶瓷MgO/CaO陶瓷ThO2/VO2陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷材料Al2O3陶瓷Al2O3陶瓷又稱高鋁陶瓷，主要成分是Al2O3和SiO2。主晶相為剛玉（α－Al2O3），隨著SiO2質(zhì)量百分數(shù)的增加，還出現(xiàn)莫來石和玻璃相。根據(jù)陶瓷坯中主晶相的不同，分為剛玉瓷、剛玉－莫來石瓷和莫來石瓷。Al2O3有三種結(jié)晶形態(tài)，即α、β、γ相。α型是高溫型，而γ相是低溫型。其中剛玉瓷的性能最佳。結(jié)構(gòu)陶瓷材料Al2O3陶瓷的性能及應用1。強度高2。硬度高：機械加工磨料、磨具、切削工具等3。熔點高、抗腐蝕：耐火材料、爐管、熱電偶保護套等4。化學穩(wěn)定性好：坩堝、人體關(guān)節(jié)、人工骨骼5。電絕緣性好：基板、火化塞、電路外殼6。光學性能好：制成透光材料、微波整流罩窗口、激光振蕩元件等結(jié)構(gòu)陶瓷材料BeO陶瓷BeO晶體無色，屬六方晶系，在固態(tài)下無晶型轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。BeO陶瓷的導熱系數(shù)大，線膨脹系數(shù)不大，抗熱震性高，高溫電絕緣性好，電導率低，介電常數(shù)高；硬度與Al2O3差不多，化學穩(wěn)定性好，是抵抗炭還原作用最強的一種氧化物。結(jié)構(gòu)陶瓷材料ZrO2陶瓷ZrO2陶瓷有三種晶型。常溫下是單斜晶系，1000度以上轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄?，?300度以上又轉(zhuǎn)變成立方晶系。由單斜向四方的轉(zhuǎn)變是可逆的，并伴隨7％的體積膨脹。導致陶瓷在燒結(jié)時容易開裂，為此，要加入適量的穩(wěn)定劑，如Y2O3。ZrO2陶瓷的特點是熱導率小，是理想的高溫絕熱材料?；瘜W穩(wěn)定性好，能抵抗酸性或中性熔渣的侵蝕，可用作特種耐火材料；硬度高，可制作冷成型工具、整形模、切削工具、剪刀等；強度高、韌性好，可制作發(fā)動機構(gòu)件等。結(jié)構(gòu)陶瓷材料MgO/CaO陶瓷耐高溫，抗金屬及堿性熔渣腐蝕，可以用作坩堝冶煉高純度Fe、Mo、Cu、Mg等。也可用于高溫熱電偶保護套等。ThO2/VO2陶瓷具有高熔點、高密度、低熱傳導性、低揮發(fā)性。主要用于制造熔煉Lr、Pt、Ag和其他金屬的坩堝，電爐構(gòu)件，核動力反應堆中的發(fā)熱元件等。結(jié)構(gòu)陶瓷材料非氧化物陶瓷特點：高耐火度、高硬度、高耐磨性。SiC陶瓷有兩種晶體結(jié)構(gòu)：α－SiC和β－SiC。前者屬六方晶系，是高溫穩(wěn)定相；后者屬等軸晶系，是低溫穩(wěn)定相。SiC陶瓷的莫氏硬度13，在1400度的高溫下仍能保持相當高的彎曲強度；SiC陶瓷有很高的熱傳導能力，抗蠕變性能好，對酸性熔體有很強的抵抗力，但不抗強堿。SiC陶瓷主要用作高溫結(jié)構(gòu)材料。如火箭尾噴管的噴嘴，熱電偶套管等高溫零件。還可用于高溫下熱交換器。SiC陶瓷Si3N4陶瓷BN陶瓷B4C陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷材料氮化物陶瓷特點：高耐火度、高硬度、高耐磨性。Si3N4陶瓷是強共價鍵材料，原子結(jié)合力強，屬六方晶系。Si3N4陶瓷具有良好的化學穩(wěn)定性，能抵抗除氫氟酸以外的各種酸、堿和熔融金屬的侵蝕；具有優(yōu)異的絕緣性；硬度高，摩擦系數(shù)小，是一種優(yōu)良的耐磨材料；線膨脹系數(shù)小，熱導率高，抗熱震性好；室溫強度雖然不高，但高溫強度較高。此外，還有BN陶瓷和B4C陶瓷等。結(jié)構(gòu)陶瓷材料耐火陶瓷什么是耐火材料？耐火度不低于1580度的材料。廣泛應用于冶金、硅酸鹽、化工、機械等領域的窯爐以及高溫容器的耐高溫材料。常見的耐火材料黏土磚輕質(zhì)磚半硅磚高鋁磚鎂磚碳磚耐火磚耐火纖維耐火混凝土1）耐火材料的性能指標耐火度材料在高溫下不熔化的性質(zhì)。荷重軟化溫度指耐火材料在溫度和荷重的作用下抵抗變形的能力。高溫體積穩(wěn)定性在高溫下外形體積及線度保持穩(wěn)定的能力?？篃嵴鹦钥乖栽诟邷叵?，溫度急劇變化不破壞的能力。抵抗熔渣或熔融液侵蝕的能力。耐真空性在真空和高溫下服役的能力。2）常見耐火磚粘土磚中性耐火材料，使用溫度不超過1000℃，抗熱震性。輕質(zhì)磚輕質(zhì)磚含有較多的氣孔，不僅耐火而且絕熱。半硅磚重燒線收縮很小，抗渣性也好。硅磚高鋁磚硅磚高溫強度好，荷重軟化溫度幾乎接近耐火度?？乖院?，耐壓強度大，抗熱震性很好。鎂質(zhì)耐火磚堿性耐火材料，耐火度很高，但抗熱震性很差。炭磚耐火度高，抗渣性強，抗熱震性好，強度高，耐磨。3）耐火纖維4）耐火混凝土具有一般纖維的特性（如柔韌、強度高等），可加工成各種紙、帶、線繩、氈和毯等，又具有普通纖維所沒有的耐高溫、耐腐蝕和抗氧化的性能，克服了一般耐火材料的脆性，同時，有非常顯著的節(jié)能效果。目前發(fā)展最快應用最多的是硅酸鋁耐火纖維。硅酸鋁纖維及其制品的耐火度多數(shù)可達1700℃以上。具有彈性好、熱導率低、熱膨脹小、質(zhì)量輕、抗熱震性好、安裝容易等特點，因而得到廣泛應用。主要用于加熱爐以及窯爐、管道隔熱和密封大件。一般由骨料、膠結(jié)料、摻和料三部分按一定比例制成混合料直接澆注而成，有時還要加促凝劑。根據(jù)膠結(jié)料的不同，耐火混凝土可分為：鋁酸鹽耐火混凝土、水玻璃耐火混凝土、磷酸鹽耐火混凝土和硫酸鋁耐火混凝土等。玻璃什么是玻璃？凡熔融體通過一定方式冷卻，因黏度逐漸增加而具有固體性質(zhì)與一定結(jié)構(gòu)特征的非晶態(tài)物質(zhì)，都稱為玻璃。玻璃的分類鈉鈣玻璃鉛玻璃硼硅酸鹽玻璃石英玻璃鋼化玻璃微晶玻璃彩色玻璃變色玻璃磨光玻璃磨砂玻璃壓花玻璃夾層玻璃玻璃的發(fā)展簡史玻璃的制造已有5000年以上的歷史。古時候的玻璃也叫謬琳、琉璃、陸璃、頗璃等。玻璃的性質(zhì)力學性質(zhì)理論強度高，實際強度低?？箟簭姸雀撸估瓘姸鹊?。硬度高，脆性大。物理性質(zhì)高度透明，具有很重要的光學性質(zhì)。能透可見光和紅外線?；瘜W性質(zhì)化學性質(zhì)穩(wěn)定。抗酸腐蝕，但不抗堿。玻璃的生產(chǎn)壓制成形吹制成形拉制成形加工纖維常見玻璃品種-17種鈉鈣玻璃鉛玻璃硼硅酸鹽玻璃石英玻璃鋼化玻璃微晶玻璃彩色玻璃光致變色玻璃夾層玻璃夾絲玻璃吸熱玻璃中空玻璃防護玻璃磨光玻璃磨砂玻璃壓花玻璃電熱玻璃石棉什么是石棉？是天然纖維狀的硅質(zhì)礦物的泛稱，是一種被廣泛應用于建材防火板的硅酸鹽類礦物纖維，也是唯一的天然礦物纖維，它具有良好的耐火、耐熱、保溫、隔音、絕緣、防蝕性能和高的抗拉強度，故被廣泛應用。石棉的種類很多，最常見的三種是溫石棉（白石棉）、鐵石棉（褐石棉）及青石棉（藍石棉），其中以溫石棉含量最為豐富，用途最廣。根據(jù)不同礦產(chǎn)成分可分為蛇紋石類石棉和角閃石類石棉等兩大類。蛇紋石類石棉角閃石類石棉名稱來源：Serpentine一字，是指一種具有像蛇般云彩的綠色塊狀巖石。石棉制品與應用石棉線石棉繩石棉盤根石棉條石棉紙和石棉板石棉制動制品石棉對人體的危害與作業(yè)防護（1）廣泛宣傳教育（2）限制石棉制品（3）嚴格按石棉作業(yè)規(guī)程作業(yè)（4）采取妥善的防護措施石棉本身并無毒害，它的纖維是一種非常細小，肉眼幾乎看不見的纖維，當這些細小的纖維釋放以后可長時間浮游于空氣中，被吸入人體內(nèi)，被吸入的石棉纖維可多年積聚在人身體內(nèi)，附著并沉積在肺部，造成肺部疾病?？梢乱韵聨最惣膊。孩俜伟?；②間皮癌－胸膜或腹膜癌；③石棉沉著?。ㄊ薹危?，因肺內(nèi)組織纖維化而令肺部結(jié)疤。水泥什么是水泥？水泥是一種加入適量水后，成為塑性漿體的，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化的，并能把砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起的水硬性膠凝材料。水泥的種類按主要水硬性物質(zhì)硅酸鹽水泥鋁酸鹽水泥硫鋁酸鹽水泥氟鋁酸鹽水泥火山灰水泥專用水泥特性水泥按用途和性能通用水泥水泥發(fā)展與研究進展遠在古代，人們就開始使用黏土（有時還摻人稻草、殼皮等植物纖維）來抹砌簡易建筑物。但未經(jīng)煅燒的黏土不耐水且強度很低，所以這種建筑物很不耐久。在公元初，羅馬人就開始用摻火山灰（硅鋁化合物）而具有水硬性的石灰砂漿來興修建筑物。1796年出現(xiàn)了羅馬水泥。在此基礎上，又進而用含適量黏土的石灰石（天然水泥巖）經(jīng)煅燒磨細，制得天然水泥。19世紀初期（1810～1825年）已經(jīng)將石灰石或白堊和黏土的細粉按一定比例配合，經(jīng)高溫燒結(jié)成塊（熟料），再經(jīng)粉磨制成水硬性膠凝材料，稱為波特蘭水泥（我國稱為硅酸鹽水泥）。1826年建立了第一臺間隙立窯。1885年和1886年相繼出現(xiàn)了第一臺回轉(zhuǎn)窯和多倉磨機，20世紀初，發(fā)明了各種不同用途的硅酸鹽水泥，如快硬高強水泥、膨脹水泥、大壩水泥、油井水泥等。1907～1909年還發(fā)明了以低堿性鋁酸鹽為主要成分的高鋁水泥。水泥的主要技術(shù)性能指標密度與堆密度……細度需水性凝結(jié)時間體積安定性強度標號水化熱水泥標號目前我國生產(chǎn)的水泥一般有325＃、425＃、525＃等幾種標號。生產(chǎn)不同標號的水泥，是為了適應制做不同標號的混凝土的需要。（1）硅酸鹽水泥原料：石灰石、黏土、鐵粉、煤粉、礦化劑等CaOAl2O3SiO2Fe2O3工藝：配料粉磨成球煅燒粉磨包裝常見水泥品種硅酸鹽水泥配料粉磨成球煅燒礦渣石膏水泥的生料水泥的熟料1300－1450度水泥的熟料粉煤灰火山灰普通水泥礦渣水泥粉煤灰水泥火山灰水泥硅酸鹽水泥的主要礦物成分硅酸三鈣3CaO·SiO2，C3S硅酸二鈣2CaO·SiO2，C2S鋁酸三鈣3CaO·Al2O3，C3A鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3，C4AF硅酸鹽水泥的主要礦物成分對水泥性能的影響提高C3S可以提高水泥的強度，得到高強水泥提高C3A，C3S，可以得到快硬水泥降低C3A和C3S，提高C2S，可以得到中低熱水泥提高C4AF，降C3A，可以得到道路水泥（2）摻混合材料的硅酸鹽水泥1）普通硅酸鹽水泥2）礦渣硅酸鹽水泥3）火山灰及粉煤灰酸鹽水泥（3）專用水泥1）砌筑水泥2）道路水泥3）大壩水泥（4）特性水泥1）快硬硅酸鹽水泥2）膨脹性水泥3）白水泥使用水泥的八忌（1）忌受潮結(jié)硬（2）忌曝曬速干（3）忌負溫受凍（4）忌高溫酷熱（5）忌基層臟軟（6）忌骨料不純（7）忌水多灰稠（8）忌受酸腐蝕氣硬性凝膠材料什么是氣硬性凝膠材料？通過物理化學作用，能將漿體變成堅固的塊體，并能將散粒材料（如砂子、石子）或塊狀材料（如磚和石塊）等黏結(jié)成為整體的材料，統(tǒng)稱膠凝材料。只能在空氣中硬化并保持或繼續(xù)強化的材料稱為氣硬性膠凝材料。氣硬性凝膠材料的種類石灰石膏水玻璃是人類使用較早的無機膠凝材料之一。具有質(zhì)輕、保溫、隔音、吸音、不燃，以及熱容量大、吸濕性大等特點。由堿金屬氧化物和二氧化硅結(jié)合而成的可溶性堿金屬硅酸鹽材料。第3章高分子材料概論3高分子科學是當代發(fā)展最迅速的學科之一高分子科學既是一門應用科學，又是一門基礎科學高分子科學已經(jīng)發(fā)展成高分子化學、高分子物理、高分子加工等主要分支概述有機高分子材料超高分子量聚乙烯纖維無機高分子材料本章內(nèi)容高分子科學高分子化學研究聚合反應和高分子化學反應原理，選擇原料、確定路線、尋找催化劑、制訂合成工藝等。研究聚合物的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，為設計合成預定性能的聚合物提供理論指導，是溝通合成與應用的橋梁。高分子物理高分子加工研究聚合物加工成型的原理與工藝。

高分子科學既是一門應用學科，也是一門基礎學科，它是建立在有機化學、物理化學、生物化學、物理學和力學等學科的基礎上逐漸發(fā)展而成的一門新興學科。3.1概述1838-----利用光化學第一次使氯乙烯聚合。1839-----合成了聚苯乙烯，同年英國的

Macintosh和Hancock和美國的

Goodyear發(fā)現(xiàn)了天然橡膠用硫磺進行硫化，這能制備出橡皮產(chǎn)品，用作輪胎和防雨布。1868-----Hyatt發(fā)明了硝基纖維素1870-----商業(yè)化生產(chǎn)賽璐珞的商品。1893—98-----英國開始生產(chǎn)人造絲，20世紀初-----合成了苯乙烯和雙烯類共聚物，高分子科學簡史1907-----德國開發(fā)了酚醛樹脂。1930-----高分子概念已被承認。1929-----Dupont公司的Carothers系統(tǒng)研究縮聚,并發(fā)展了大分子理論。開發(fā)了聚酰胺和聚酯的合成1931-----出現(xiàn)了聚甲基丙烯酸甲酯，1936-----聚醋酸乙烯酯和聚丁酸乙烯酯做安全玻璃，1937-----德國開始了工業(yè)生產(chǎn)聚苯乙烯，1938-----出現(xiàn)了商業(yè)生產(chǎn)尼龍－66。高分子科學簡史1939-----開發(fā)聚氯乙烯和脲醛樹脂，美國開始了聚硫橡膠和氯丁橡膠的生產(chǎn)。1930--40----近代高分子化學蓬勃發(fā)展。1939----聚丁二烯橡膠，丁腈橡膠，聚氨酯。1941----丁苯橡膠，丁基橡膠，丁鈉橡膠，含氟聚合物。1945--60，高分子化學和工程快速發(fā)展。1947—48--環(huán)氧樹脂和ABS塑料。1950----聚酯和聚丙烯腈纖維,聚硅氧烷。高分子科學簡史50年代--Ziegler和Natta的定向聚合，高密度線型聚乙烯、等規(guī)立構(gòu)聚丙烯等。

Szwar負離子活性聚合。丁苯嵌段共聚物聚甲醛、聚碳酸酯、聚氨酯泡沫塑料，順式聚異戊二烯，順式聚丁二烯，乙丙橡膠，聚酰亞胺，聚苯醚，聚砜等。近年來，合成高分子化學向結(jié)構(gòu)更精細、性能更高級的方向發(fā)展。如超高模量、超高強度、難燃性、耐高溫性，耐油性等材料，生物醫(yī)學材料，半導體或超導體材料，低溫柔性材料等及具有多功能性的材料。

高分子科學簡史

HermannStaudinger:

把“高分子”這個概念引進科學領域，并確立了高分子溶液的粘度與分子量之間的關(guān)系（1953年諾貝爾獎）。Carothers:建立縮聚反應理論。KarlZiegler,GiulioNatta:乙烯、丙烯配位聚合（1963年諾貝爾獎）PaulJ.Flory:聚合反應原理、高分子物理性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系（1974年諾貝爾獎）。HidekiShirakawa,AlanG.MacDiarmid,AlanJ.Heeger

：對導電聚合物的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展（2000年諾貝爾獎）。高分子科學簡史制約因素解決途徑（1）延長使用壽命：減少廢棄（2）回收利用：低性能應用；降解（3）自然降解：自然分解回歸自然：高分子制品廢棄后對環(huán)境的污染“在人類歷史上,幾乎沒有什么科學技術(shù)象高分子科學這樣對人類社會做出如此巨大的貢獻.”高分子科學簡史天然高分子的直接利用天然高分子的化學改性天然橡膠的硫化,硝化纖維的合成等淀粉、蛋白質(zhì)、棉麻絲、竹、木等縮聚反應，自由基、配位、離子聚合等高分子合成高分子時代高分子科學簡史日常生活中常見的高分子化合物有機高分子天然高分子：淀粉、纖維素和蛋白質(zhì)、天然橡膠等。

合成高分子：合成纖維、合成樹脂、合成橡膠等。3.2有機高分子材料3.2.1有機高分子的基本概念高分子也叫高分子化合物，是指分子量很高并由共價鍵連接的一類化合物高分子化合物、大分子化合物、高分子、大分子、高聚物、聚合物

這些術(shù)語一般可以通用Macromolecule,HighPolymer,Polymer常見高分子化合物的分子量一般高達幾萬、幾十萬，甚至上百萬，范圍一般在104～106什么是高分子？高分子也叫聚合物分子或大分子，具有高的相對分子量，其結(jié)構(gòu)必須是由多個重復單元所組成，并且這些重復單元實際上或概念上是由相應的小分子衍生而來。Polymermolecule,Macromolecule根據(jù)IUPAC1996年之建議：ExcerptfromPureAppl.Chem.1996,68,2287-2311高分子基本概念聚氯乙烯聚乙烯醇實際上概念上InternationalUnionofPureandAppliedChemistry

國際理論(化學)與應用化學聯(lián)合會

高分子小分子聚合反應Polymerization單體能夠進行聚合反應，并構(gòu)成高分子基本結(jié)構(gòu)組成單元的小分子。高分子化合物PolymericSubstanceMonomer或稱聚合物，是由許多單個高分子（聚合物分子）組成的物質(zhì)。高分子基本概念合成聚合物的起始原料稱為單體（Monomer）在大分子鏈中出現(xiàn)的以單體結(jié)構(gòu)為基礎的原子團稱為結(jié)構(gòu)單元（Structureunit）聚合一個大分子往往是由許多相同的、簡單的結(jié)構(gòu)單元通過共價鍵重復連接而成。例如：聚苯乙烯1.由一種結(jié)構(gòu)單元組成的高分子縮寫成n表示重復單元數(shù)，也稱為鏈節(jié)數(shù),在此等于聚合度聚合度（Degreeofpolymerization）聚合度是衡量高分子大小的一個指標。有兩種表示法：以大分子鏈中的結(jié)構(gòu)單元數(shù)目表示，記作以大分子鏈中的重復單元數(shù)目表示，記作結(jié)構(gòu)單元＝單體單元＝重復單元＝鏈節(jié)結(jié)構(gòu)單元有時也稱為單體單元（Monomerunit）重復單元(Repeatingunit）,鏈節(jié)(Chainelement）在這里,兩種聚合度相等，都等于n另一種情況：式中:M是高分子的分子量

M0是結(jié)構(gòu)單元的分子量由聚合度可計算出高分子的分子量：

結(jié)構(gòu)單元＝重復單元＝鏈節(jié)單體單元此時，兩種結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成一個重復結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元

結(jié)構(gòu)單元重復結(jié)構(gòu)單元2.由兩種結(jié)構(gòu)單元組成的高分子合成尼龍-66則具有另一特征：3.由無規(guī)排列的結(jié)構(gòu)單元組成的高分子由一種單體聚合而成的高分子稱為均聚物結(jié)構(gòu)單元重復單元單體單元單體在形成高分子的過程中要失掉一些原子

但,重復單元＝鏈節(jié)注意：Mo兩種結(jié)構(gòu)單元的平均分子量

x,y為任意值，故在分子鏈上結(jié)構(gòu)單元的排列是任意的：

M1M2M1M1M2M1M2M2M2

在這種情況下，無法確定它的重復單元，僅結(jié)構(gòu)單元＝單體單元

由兩種或兩種以上的單體聚合而成的高分子則稱為共聚物

例如：丁苯橡膠高分子化合物的基本特征分子量大是高分子的根本性質(zhì)高分子的許多特殊性質(zhì)都與分子量大有關(guān)，如：高分子的溶液性質(zhì)：難溶，甚至不溶，溶解過程往往要經(jīng)過溶脹階段;溶液粘度比同濃度的小分子高得多;分子之間的作用力大,只有液態(tài)和固態(tài),不能汽化;固體聚合物具有一定的力學強度,可抽絲、能制膜。1.分子量大分子量多大才算是高分子？其實，并無明確界限，一般高分子的強度與分子量密切相關(guān)-----<1000<------------<10000<-----低分子

過渡區(qū)（齊聚物）高聚物一般高分子的分子量在104～106范圍;超高分子量的聚合物的分子量高達106以上。AC強度聚合度BA

點是初具強度的最低聚合度，A點以上強度隨分子鏈迅速增加B

點是臨界點，強度增加逐漸減慢C點以后強度不再明顯增加不同高分子初具強度的聚合度和臨界點的聚合度不同，如AB尼龍

40150纖維素

60250乙烯基

100400聚合物分子量過大,聚合物熔體粘度過高,難以成型加工；達到一定分子量，保證使用強度后，不必追求過高的分子量。高分子的加工性能與分子量有關(guān)常用的聚合物的分子量（萬）塑料

分子量

纖維

分子量

橡膠

分子量聚乙烯6～30滌綸1.8～2.3天然橡膠20～40聚氯乙烯5～15尼龍-661.2～1.8丁苯橡膠15～20聚苯乙烯10～30維呢綸6～7.5順丁烯膠25～302.分子量具有多分散性什么是分子量的多分散性（Polydispersity）？高分子不是由單一分子量的化合物所組成

即使是一種“純粹”的高分子，也是由化學組成相同、分子量不等、結(jié)構(gòu)不同的同系聚合物的混合物所組成。

這種高分子的分子量不均一(即分子量大小不一、參差不齊）的特性，就稱為分子量的多分散性。

因此應注意：一般測得的高分子的分子量都是平均分子量；聚合物的平均分子量相同，但分散性不一定相同。平均分子量的表示方法

數(shù)均分子量（Number-averagemolecularweight）按聚合物中含有的分子數(shù)目統(tǒng)計平均的分子量高分子樣品中所有分子的總重量除以其分子(摩爾)總數(shù)式中，Wi，Ni，Mi分別為i-聚體的重量、分子數(shù)、分子量

i=1～∞數(shù)均分子量是通過依數(shù)性方法(冰點降低法、沸點升高法、滲透壓法、蒸汽壓法)和端基滴定法測定。式中符號意義同前測定方法：光散射法重均分子量（Weight-averagemolecularweight）是按照聚合物的重量進行統(tǒng)計平均的分子量

i-聚體的分子量乘以其重量分數(shù)的加和

對于一定的聚合物－溶劑體系，其特性粘數(shù)[η]和分子量的關(guān)系如下：一般，α值在0.5～0.9之間，故Mark-Houwink方程K,α方程K,α是與聚合物、溶劑有關(guān)的常數(shù)粘均分子量（Viscosity-averagemolecularweight）Z均分子量（Z-averagemolecularweight）按照Z值統(tǒng)計平均的分子量測定方法：超離心法三種分子量可用通式表示：

舉例：設一聚合物樣品，其中分子量為104的分子有10mol,分子量為105的分子有5mol,求分子量。Mz>Mw>Mv>Mn，Mv略低于MwMn靠近聚合物中低分子量的部分，即低分子量部分對Mn影響較大Mw靠近聚合物中高分子量的部分，即高分子量部分對Mw影響較大一般用Mw來表征聚合物比Mn更恰當，因為聚合物的性能如強度、熔體粘度更多地依賴于樣品中較大的分子討論：高分子分子量多分散性的表示方法單獨一種平均分子量不足以表征聚合物的性能，還需要了解分子量多分散性的程度

以分子量分布指數(shù)表示即重均分子量與數(shù)均分子量的比值，Mw/Mn

Mw/Mn

分子量分布情況

1均一分布

接近1(1.5~2）分布較窄遠離1(20~50)分布較寬

以分子量分布曲線表示將高分子樣品分成不同分子量的級分，這一實驗操作稱為分級。重量分率平均分子量高聚物的分子量分布曲線以被分離的各級分的重量分率對平均分子量作圖，得到分子量重量分率分布曲線?？赏ㄟ^曲線形狀，直觀判斷分子量分布的寬窄。分級的實驗方法

逐步沉淀分級逐步溶解分級

GPC(凝膠滲透色譜〕分子量分布是影響聚合物性能的因素之一分子量過高的部分使聚合物強度增加，但加工成型時塑化困難低分子量部分使聚合物強度降低，但易于加工不同用途的聚合物應有其合適的分子量分布:

合成纖維分子量分布易窄塑料薄膜橡膠分子量分布可較寬高分子化合物的結(jié)構(gòu)特征可分割性大分子拉斷或切開后，性質(zhì)無明顯變化；具有彈性高分子化合物在外力作用下易發(fā)生變形，外力解除后，形變立即消失；可塑性高分子化合物受熱時，由于大分子鏈不易傳熱，需要時間和溫度間隔，才會變軟；具有絕緣性共價鍵，不能電離；大分子鏈蜷曲，分子不易振動。

線形高分子

其長鏈可能比較伸展，也可能卷曲成團，取決于鏈的柔順性和外部條件，一般為無規(guī)線團，適當溶劑可溶解，加熱可以熔融，即可溶可熔

高分子的鏈結(jié)構(gòu)高分子鏈的幾何形狀大致有三種：

線形、支鏈形、體形3.高分子的結(jié)構(gòu)復雜

支鏈高分子

線形高分子上帶有側(cè)枝,側(cè)枝的長短和數(shù)量不同；高分子上的支鏈，有的是聚合中自然形成的；有的則是人為的通過反應接枝上去的。可溶解在適當溶劑中,加熱可以熔融，即可溶可熔體形高分子可看成是線形或支鏈形大分子間以化學鍵交聯(lián)而成，許多大分子鍵合成一個整體，已無單個大分子可言。交聯(lián)程度淺的,受熱可軟化，適當溶劑可溶脹交聯(lián)程度深的,既不溶解,又不熔融，即不溶不熔序列結(jié)構(gòu)具有取代基的乙烯基單體可能存在頭－尾或頭－頭或尾－尾連接

高分子鏈的微結(jié)構(gòu)復雜在高分子鏈中，結(jié)構(gòu)單元的化學組成相同時，連接方式和空間排列也會不同。頭-尾結(jié)構(gòu)頭-頭、尾-尾結(jié)構(gòu)有取代基的碳原子為頭，無取代基的碳原子為尾聚氯乙烯分子中的頭－頭結(jié)構(gòu)多達16％

立體異構(gòu)

當高分子鏈中含有不對稱碳原子時，則會形成立體異構(gòu)體全同立構(gòu)Isotactic間同立構(gòu)Syndiotactic高分子鏈的立構(gòu)規(guī)整性無規(guī)立構(gòu)Atactic連有四個不相同的原子或基團的碳原子稱為不對稱碳原子

高分子鏈上有取代基的碳原子可以看成是不對稱碳原子

將鋸齒形碳鏈排在一個平面上，取代基在空間有不同的排列方式順反異構(gòu)大分子鏈中存在雙鍵時，會存在順、反異構(gòu)體

分子鏈中的結(jié)構(gòu)差異，對聚合物的性能影響很大

順式聚丁二烯是性能很好的橡膠反式聚丁二烯則是塑料順式（天然橡膠）反式（古塔波膠）1.高分子的合成（1）逐步聚合反應聚合反應按機理可分為鏈式聚合和逐步聚合。逐步聚合過程中，高分子鏈逐步變大。這類聚合反應包括：縮（合）聚（合）反應和某些非縮聚(類似加聚的)反應?？晒┲鸩骄酆系膯误w類型很多，但都必須具備同一基本特點：同一單體上必須帶有至少兩個或更多可進行逐步聚合反應的官能團，且當只有反應單體的官能團數(shù)等于或大于2時才能生成大分子。3.3高分子的合成、結(jié)構(gòu)與性能聚合反應

縮合聚合反應（縮聚反應）聚合反應——由低分子單體合成聚合物的化學反應加成聚合反應（加聚反應）縮聚反應——由一種或多種單體相互縮合生成高聚物，同時有低分子物質(zhì)（如水、鹵化氫、氮、醇等）析出的反應。例如己二胺和癸二酸合成為尼龍-610的反應：

1)縮聚反應己內(nèi)酰胺的水解開環(huán)是典型的例子。己內(nèi)酰胺水解開環(huán)聚合過程中高分子聚合度隨時間的延續(xù)而逐漸增大，為逐步機理；但與縮聚有所不同，沒有小分子水析出，初期單體轉(zhuǎn)化率不高，反應體系中始終存在單體。這些都是逐步開環(huán)聚合所特有的特征。己內(nèi)酰胺開環(huán)聚合的產(chǎn)物為聚己內(nèi)酰胺，俗名為尼龍6，其產(chǎn)量僅次于尼龍6，6，主要用作纖維，我國的商品名稱為錦綸?？偤铣煞磻饺缦率?。水或酸為催化劑時為逐步機理。將己內(nèi)酰胺單體和5％～10％的水加熱到250～270℃保持12～14h，即可制得用于紡制纖維的聚已內(nèi)酰胺。2)逐步開環(huán)加聚反應僅由一種單體聚合而成的，分子鏈中只包含一種單體構(gòu)成的鏈節(jié)的聚合反應由兩種或兩種以上單體同時進行聚合，生成的聚合物含有多種單體構(gòu)成的鏈節(jié)的聚合反應共聚物往往可兼具兩種或兩種以上均聚物的一些優(yōu)異性能，因此通過共聚方法可以改善產(chǎn)品的性能。注意：共聚物的四種類型

加聚反應——由一種或多種單體相互加成，或由環(huán)狀化合物開環(huán)相互結(jié)合成聚合物的反應。均聚反應共聚反應3)加聚反應（聚加成反應）（2）鏈式聚合1）自由基聚合①單體結(jié)構(gòu)與聚合類型。單烯烴、共軛雙烯烴、炔烴、羰基化合物和一些雜環(huán)化合物大多數(shù)都能夠聚合。然而，各種單體對不同聚合機理的選擇性具有較大的差異。例如氯乙烯只能進行自由基聚合，異丁烯只能進行陽離子聚合，甲基丙烯酸甲酯可進行自由基和陰離子聚合，而苯乙烯卻可進行自由基、陰離子和陽離子聚合。上述差異，主要取決于碳碳雙鍵上取代基的結(jié)構(gòu)，取決于取代基的電子效應和位阻效應。②自由基聚合的基元反應。自由基聚合是鏈式聚合的一種，至少由3個基元反應組成，他們是鏈引發(fā)反應、鏈增長反應和鏈終止反應。此外，還可能伴有鏈轉(zhuǎn)移等反應。

③自由基聚合反應特征。2）離子聚合①陽離子聚合陽離子聚合的增長反應特點：一是增長反應是離子與分子間反應，速度快，活化能低，大多數(shù)Ep：8.4～2lkJ／mol，與自由基聚合增長活化能屬同一數(shù)量級。二是增長過程中來自引發(fā)劑的反離子，始終處于中心陽離子近旁，形成離子對。離子對的緊密程度與溶劑、反離子性質(zhì)、溫度等有關(guān)，并影響聚合速率和相對分子質(zhì)量。單體按頭尾結(jié)構(gòu)插入離子對中，對鏈節(jié)構(gòu)型有一定的控制能力。三是增長過程中有的伴有分子內(nèi)重排反應。鏈轉(zhuǎn)移和鏈終止的發(fā)生與自由基不同。離子聚合的增長活性中心帶有相同電荷，不能雙分子終止，往往通過鏈轉(zhuǎn)移終止或單基終止。

2）離子聚合②陰離子聚合烯類、羰基化合物、含氧三元雜環(huán)以及含氮雜環(huán)都可能成為陰離子聚合的單體。

具有吸電子基的烯類單體原則上都可以進行陰離子聚合。凡具有丌共軛體系的烯類單體才能進行陰離子聚合，如丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸酯類、硝基乙烯、苯乙烯、丁二烯、異戊二烯等。這類單體的共振結(jié)構(gòu)使陰離子活性中心穩(wěn)定。2）離子聚合配位陰離子聚合配位陰離子聚合是指用Ziegler-Natta引發(fā)劑引發(fā)的、能得到立構(gòu)規(guī)整高分子的聚合反應。配位陰離子聚合的引發(fā)劑一般由主引發(fā)劑和助引發(fā)劑兩部分組成。主引發(fā)劑是由周期表中第1V到第VIII副族的過渡金屬元素構(gòu)成的化合物，這些金屬原子的電子結(jié)構(gòu)中具有d電子軌道，能接受電子給予體的配位。這些過渡金屬化合物主要是鈦、釩、鉻、鉬、鋯的鹵化物或氧鹵化合物。助引發(fā)劑為第工到第Ⅲ主族金屬的有機金屬化合物，主要有鋁、鋰、鎂、鋅的烷基、芳基化合物或它們的氫化物。高分子材料的改性

通過各種方法改變已有材料的組成、結(jié)構(gòu)，以達到改善性能、擴大品種和應用范圍的目的。

通常采用的改性方法大體上可分為化學法與物理化學法兩大類：高分子化合物的改性1．高聚物的化學改性

借化學反應改變高聚物本身的組成、結(jié)構(gòu)，以達到材料改性的目的。

常用的反應交聯(lián)反應共聚反應

官能團反應經(jīng)部分交聯(lián)后的橡膠，既提高了強度和韌性，又同時保留了較好的彈性。硫化后的橡膠只發(fā)生溶脹，具有耐溶劑性。例橡膠的硫化：

借化學鍵的形成，使線型高聚物連接成為體型高聚物的反應。（1）交聯(lián)反應ABS工程塑料具有聚苯乙烯優(yōu)良的電性能和易加工成型性，丁二烯提高彈性和沖擊強度，丙烯腈可增加耐熱、耐油、耐腐蝕性和表面硬度，使之成為綜合性能優(yōu)良的工程材料。由兩種或兩種以上不同單體通過共聚所生成的共聚物，往往在性能上有取長補短的效果。

（2）共聚反應如離子交換樹脂就是利用官能團反應，在高聚物結(jié)構(gòu)中引入可供離子交換的基團，使之具有離子交換功能，且應具備不溶性和一定的機械強度。先要制備高聚物母體（即骨架）如苯乙烯-二乙烯苯共聚物（體型高聚物），然后再通過官能團反應，在高聚物骨架上引入活性基團。例如，制取磺酸型陽離子交換樹脂，可利用上述共聚物與H2SO4的磺化反應，引入磺酸基—SO