材料科學(xué)與技術(shù)第15課

二、聚合物的成型第三節(jié)聚合物材料一、聚合物的分子結(jié)構(gòu)與分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（一）成型工藝（二）聚合物的添加劑添加劑賦予聚合物特殊的性能①顏料產(chǎn)生顏色，要求耐溫（壓）、與聚合物相容、化學(xué)穩(wěn)定②穩(wěn)定劑使聚合物不致因環(huán)境因素的影響而性能下降抗氧化劑、熱穩(wěn)定劑、抗紫外線照射劑及其鹽類可阻燃③抗靜電劑聚合物導(dǎo)電性差、表面易積累電荷抗靜電劑吸附空氣中水分子到聚合物表面、提高表面電導(dǎo)、減小火花放電④阻燃劑有機(jī)聚合物具有可燃性，⑤潤(rùn)滑劑臘或硬脂酸鈣可降低聚合物熔體的黏度、改性成型特性⑥增塑劑小分子或小分子鏈，降低聚合物的玻璃相變溫度、改進(jìn)聚合物的性能和成型特性不同目的的填充劑：黏土等節(jié)省聚合物材料；橡膠中的炭⑦填充劑⑧發(fā)泡劑目的：形成中空的多孔材料聚合物含有發(fā)泡劑的固體小珠加熱、發(fā)泡劑分解成氣體膨脹塑料密度低、優(yōu)質(zhì)絕緣材料⑨增強(qiáng)劑加入玻璃、石墨或其它聚合物的纖維，提高聚合物強(qiáng)度和剛性⑩偶連劑聚合物與無(wú)機(jī)材料填充材料間的結(jié)合力黑提高輪胎的強(qiáng)度和耐磨性；短纖維提高橡膠力學(xué)性能三、聚合物材料的力學(xué)狀態(tài)柔性高分子的熱運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：（一）概述高分子鏈一般都具有柔性分子的一部分可相對(duì)其它部分作相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈段長(zhǎng)度取決高分子鏈的柔性：鏈段愈短、柔性越好鏈段：高分子鏈中能夠相對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的最小單元鏈段長(zhǎng)度：幾個(gè)～幾十個(gè)結(jié)構(gòu)單元柔性高分子的熱運(yùn)動(dòng)：鏈段運(yùn)動(dòng)、高分子鏈的整體運(yùn)動(dòng)（重心遷移）微布朗運(yùn)動(dòng)布郎運(yùn)動(dòng)（二）線形高分子非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)溫度形變（1）（2）（3）（4）（5）五個(gè)區(qū)間：在恒定應(yīng)力作用下、等速率升溫形變—溫度曲線區(qū)域（1）剛性玻璃態(tài)：形變小、彈性模量大區(qū)域（3）高彈性態(tài)：柔軟、而有彈性，彈性模量小、形變可達(dá)原長(zhǎng)的5～10倍區(qū)域（5）粘性態(tài)：聚合物可象粘性流體一樣流動(dòng)流動(dòng)溫度（切線法確定）溫度形變（1）（2）（3）（4）（5）區(qū)域（2）玻璃態(tài)和高彈性態(tài)的轉(zhuǎn)變區(qū)—玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)玻璃態(tài)高彈性態(tài)粘流態(tài)玻璃相變溫度（切線法確定）區(qū)域（4）高彈性態(tài)和粘流態(tài)的轉(zhuǎn)變區(qū)轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度線性非晶態(tài)高聚物、不同溫度下的三種力學(xué)狀態(tài)：（1）T＜Ｔg時(shí)、玻璃態(tài)：分子熱運(yùn)動(dòng)能量低，不足以引起主鏈上單鍵的旋轉(zhuǎn)，鏈段和整個(gè)分子被“凍結(jié)”普通形變（3）粘流態(tài)分子熱運(yùn)動(dòng)能量高、分子間發(fā)生整體相對(duì)遷移、產(chǎn)生不可回復(fù)的塑性形變常溫下使用的塑料制品最好處于玻璃態(tài)使用溫度：流動(dòng)形變（2）Tg<T＜Tf

時(shí)、高彈性態(tài)：熱運(yùn)動(dòng)足以克服主鏈上單鍵的旋轉(zhuǎn)勢(shì)壘、鏈鍛可運(yùn)動(dòng)，但不足以克服分子間的內(nèi)摩擦力、分子重心不動(dòng)，拉伸力使卷曲的高分子鏈沿外力方向伸展、呈現(xiàn)大形變、高彈性高彈性形變聚合物聚合物聚乙烯（高密度）聚氯乙烯（間同）聚四氟乙烯聚丙烯（全同）聚酯(PET)聚碳酸酯聚乙烯（低密度）尼龍66聚苯乙烯（全同）-100-7887126-141151372123271761005773150230265265265聚合物的和常溫下使用的橡膠高彈態(tài)使用溫度：粘流態(tài)對(duì)聚合物成型至關(guān)重要成型溫度：熱解聚溫度（三）聚合物的高彈性提高高彈性材料的抗蠕變能力及在寬溫區(qū)內(nèi)具有高彈性線形非晶態(tài)聚合物具有高彈性實(shí)際高彈性材料的線形高分子間存在輕微的交聯(lián)高彈性聚合物的基本特點(diǎn)：1、彈性應(yīng)變大、彈性模量低；2、彈性模量可能不隨溫度變化、也可能隨溫度的增加而增加（已指出）溫度增加分子鏈段的熱運(yùn)動(dòng)加劇、高分子卷曲構(gòu)象的傾向增大相同外力下的形變減小3、滯彈性：高彈態(tài)高分子聚合物形變對(duì)外力的響應(yīng)有滯后理想彈性體：應(yīng)力作用、立即產(chǎn)生應(yīng)變；應(yīng)力消除、應(yīng)變立即消除高分子鏈從一種構(gòu)象到另一種構(gòu)象需要時(shí)間實(shí)際彈性體：鏈段發(fā)生相對(duì)位移、需克服一定的內(nèi)摩擦力所有材料都有一定的響應(yīng)滯后、高彈性材料響應(yīng)滯后顯著恒定應(yīng)力T作用下應(yīng)變隨時(shí)間的變化：t時(shí)刻的應(yīng)變平衡應(yīng)變—最終應(yīng)變時(shí)間常數(shù)—延遲時(shí)間（四）聚合物的粘彈性非晶或多晶材料在較小的應(yīng)力作用同時(shí)表現(xiàn)出彈性和粘性理想彈性體：應(yīng)變與應(yīng)力成正比服從牛頓粘性定律：應(yīng)力正比于應(yīng)變的變化率理想粘性體：理想粘性液體模型應(yīng)力應(yīng)變速率粘度高分子材料的力學(xué)行為介于彈性材料和粘性材料之間應(yīng)力同時(shí)依賴于應(yīng)變和應(yīng)變速率高分子材料具有粘彈性材料的粘彈性模型：可用作為彈性元件的彈簧及作為粘性元件并聯(lián)組合Maxwell模型Voigt-Kelvin模型串聯(lián)組合（五）聚合物的蠕變物體在恒定應(yīng)力作用下形變隨時(shí)間逐漸增大的現(xiàn)象時(shí)間形變AB線形高聚物交聯(lián)高聚物的充滿粘性液體的活塞的適當(dāng)組合表征3、分子整體遷移引起的粘性流動(dòng)形變線形高聚物的蠕變是下面三種形變的線性疊加：1、鍵長(zhǎng)、鍵角變化引起的普彈形變；2、鏈段運(yùn)動(dòng)引起的高彈形變；時(shí)間形變AB線形高聚物交聯(lián)高聚物第四節(jié)復(fù)合材料非同尋常的剛度、強(qiáng)度，耐熱、耐腐蝕性、傳導(dǎo)性或特殊功能等一、概述1、定義由兩種或兩種以上的材料結(jié)合而成、其中一種為基體具有單一材料所沒(méi)有的綜合性能：2、分類按基體：無(wú)機(jī)和有機(jī)復(fù)合材料按使用目的：結(jié)構(gòu)和功能復(fù)合材料按組分：金屬—金屬、金屬—陶瓷、金屬—聚合物、陶瓷—陶瓷、陶瓷—聚合物、聚合物—聚合物按參入基體中的物質(zhì)形狀：表現(xiàn)各向異性特征按參入基體中的物質(zhì)形狀：顆粒狀復(fù)合材料（如混凝土）若顆粒分布均勻、復(fù)合材料各同向性纖維狀復(fù)合材料（如玻璃鋼：玻璃纖維+

聚合物）性能上可能是各同向性、也可能是各同異性層狀復(fù)合材料（膠木板）ABC二、顆粒狀復(fù)合材料顆粒均勻地彌散在具有延展性的基體中、結(jié)構(gòu)上類似于雙相彌散強(qiáng)化合金1、小顆粒彌散強(qiáng)化復(fù)合材料強(qiáng)度比兩相合金低，但不存在合金的過(guò)時(shí)效、過(guò)回火、晶粒長(zhǎng)大或彌散相粗化等問(wèn)題，抗蠕變性能優(yōu)于合金特征：顆粒非常?。ㄖ睆剑?

）特性：小顆粒能有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用彌散顆粒的選擇：①剛性、穩(wěn)定（如氧化物）、能有效阻止滑移②應(yīng)有最佳尺寸、形狀、分布、和數(shù)量③在基體中溶解度低、不應(yīng)與基體發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)④與基體有很好的結(jié)合力（與基質(zhì)的一定反應(yīng)性有利于產(chǎn)生牢固結(jié)合）2、大顆粒狀復(fù)合材料顆粒大、不能有效地阻礙滑移主要目的：不是為了提高強(qiáng)度、而是獲得其它綜合性能3、顆粒狀復(fù)合材料的應(yīng)用有許多應(yīng)用、生活中常見(jiàn)的有：（1）機(jī)械加工機(jī)加工車(chē)床上的鉆頭和刀具：堅(jiān)硬的陶瓷微粒彌散地分布于金屬基體中的硬合金如、鈷基碳化鎢復(fù)合材料碳化鎢顆粒質(zhì)地堅(jiān)硬、剛性大、耐高溫制作方法凝固成鋒利、抗沖擊的鈷基碳化鎢切削工具混合WC微粒與Co粉壓成坯體加熱、鈷熔化液態(tài)鈷包圍WC微粒磨削用的砂輪和切割用的砂輪盤(pán)：基體:

玻璃或聚合物陶瓷顆粒：金剛石（堅(jiān)硬、鋒利）（2）電接觸材料應(yīng)具有：耐磨、良好的導(dǎo)電性、抗氧化、抗燒蝕的綜合性能（開(kāi)關(guān)、繼電器等）鎢增強(qiáng)銀具有較好綜合性能制作方法制作方法：銀有效地傳導(dǎo)電流、鎢賦予材料的耐磨性粉末冶金法、制備內(nèi)部連通性好的鎢多孔坯料真空滲透法、使液態(tài)銀填充鎢坯料的孔洞鎢和銀都是連續(xù)的復(fù)合材料（3）聚合物顆粒狀復(fù)合材料碳黑硫化橡膠：汽車(chē)輪胎、鞋底炭黑提高橡膠的強(qiáng)度、剛度、耐磨及耐熱性?提高SAN共聚物的抗沖擊性和成型性能復(fù)合聚合物ABS：基體：苯乙烯、丙烯腈增強(qiáng)顆粒：聚丁二烯粉末冶金法:

金屬粉末和增強(qiáng)顆?；旌?，經(jīng)過(guò)去氣、熱壓固結(jié)，然后軋制、擠壓或鍛造成所需形狀的復(fù)合材料的工藝的共聚物(SAN)聚乙烯（PE）+鉛粉末：聚合物+銅粉末：改善聚合物的導(dǎo)電性應(yīng)用于核工業(yè)中、鉛粉的加入為了吸收中子三、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料：綜合了兩者優(yōu)點(diǎn)、具有較高的強(qiáng)度和剛度、優(yōu)良的耐疲勞強(qiáng)度及較高強(qiáng)度—密度比（比強(qiáng)度）基體：要具有柔性、延展性增強(qiáng)纖維應(yīng)具有：強(qiáng)度高、剛性好（通常性脆）種類繁多：泥坯（古老）鋼筋混凝土（現(xiàn)代）增強(qiáng)纖維種類：玻璃纖維、硼、石墨及細(xì)小的陶瓷晶須第四節(jié)復(fù)合材料一、概述二、顆粒狀復(fù)合材料纖維在基體中排列方式：三維編織排列連續(xù)單向隨機(jī)趨向不連續(xù)正交纖維纖維連續(xù)單向排列（各向異性）正交排列隨機(jī)取向排列（各向同性、如玻璃鋼）建筑鋼筋網(wǎng)架特殊情況、某些性能可預(yù)測(cè)：復(fù)合材料的性能通常難以預(yù)測(cè)、只能通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的線性復(fù)合效應(yīng)（2）單向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、沿單向纖維方向的電纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的線性復(fù)合效應(yīng)（1）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的密度可用混合律描述基體、纖維的體積分量基體、纖維的密度電導(dǎo)率：導(dǎo)熱系數(shù)：彈性模量：導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)及彈性模量也可用混合律描述：基體、纖維的電導(dǎo)率下標(biāo)任何復(fù)合材料的密度均可如此計(jì)算彈性模量：（3）與單向連續(xù)纖維垂直方向上復(fù)合材料的彈性模量：影響纖維增強(qiáng)復(fù)合材料特性的因素（1）纖維的細(xì)長(zhǎng)比－長(zhǎng)細(xì)比細(xì)長(zhǎng)比越大、材料的剛度和強(qiáng)度越高長(zhǎng)度與直徑之比連續(xù)纖維產(chǎn)生最佳性能，工藝上難以組合進(jìn)基體材料中（2）纖維的體積系數(shù)體積系數(shù)越大、材料的剛度和強(qiáng)度越高上限為80%、取決于基體包圍纖維的能力相同摻雜量（3）纖維取向單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沿纖維方向上表現(xiàn)最佳強(qiáng)度和剛度正交或交叉鋪設(shè)纖維犧牲了最大強(qiáng)度、性能均勻單向纖維缺點(diǎn)：各向異性（4）纖維的性能強(qiáng)度和剛度高、質(zhì)輕、熔點(diǎn)高綜合指標(biāo)好比強(qiáng)度：比模量：屈服強(qiáng)度:－材料在拉伸過(guò)程中產(chǎn)生永久變形時(shí)的應(yīng)力高較好的選材：石墨、硼、SiC等低原子序數(shù)、共價(jià)鍵材料晶須具有最高的強(qiáng)度和剛度、缺點(diǎn)：制造成本高、不連續(xù)纖維在彈性限度內(nèi)所能承受的最大應(yīng)力傳遞應(yīng)力給纖維、并能使纖維上裂紋不進(jìn)一步擴(kuò)展（5）基體性能應(yīng)有良好的韌性和延展性、一定的強(qiáng)度和較高的熔點(diǎn)四、層狀復(fù)合材料基體表面上的薄膜層、厚的表面保護(hù)層、包覆層，雙金屬層，層壓板等分層材料提高基體的耐磨、耐腐蝕性、提高基體的表面強(qiáng)度、改善外觀、降低成本、或?qū)崿F(xiàn)其它特殊功能1、設(shè)計(jì)目的2、層狀復(fù)合材料的應(yīng)用舉例①層壓板：用有機(jī)粘合劑粘接在一起的層狀材料膠合板：用酚醛樹(shù)脂或氨基樹(shù)脂膠合成的多層薄木板保險(xiǎn)玻璃：雙層玻璃、聚氯丁縮醛粘結(jié)防止破碎時(shí)四處飛散②堆焊硬化用熔焊技術(shù)在基體材料表面沉積一層耐磨、耐腐蝕或耐熱材料