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1、高分子材料基础,任课教师：夏天 2013年9月,2,总成绩 = 出勤+平时作业+期末考试,10% 20% 70%,邮箱： 手机：18502394900,3,目录,材料科学概述,高分子材料的制备反应,高分子材料的结构与性能,通用高分子材料,4,1,2,3,功能高分子材料,5,5,建筑材料、耐火材料 研磨材料、电子材料 耐蚀材料、医用材料等,结构材料 功能材料,气态 液态 固态,1.1.2材料的分类,化学组成,金属材料 无机材料 有机材料,状态,作用,使用领域,单晶、多晶、非晶、复合材料,主要利用其机械性能，用于机械制造、工程建筑、交通运输等,主要利用其物理性质和化学性质，用于电子、激光、能源等领
2、域,高分子材料,复 合 材 料,6,1.1.2.1金属材料,金属材料可以分为纯金属和合金两大类。,金属的键合无方向性，其结晶多为立方的最密堆砌结构，使得金属材料富于延展性、良好的导电性和导热性，以及较高的强度和耐冲击性。,可锤炼可压延程度,黑色金属 以铁-碳为基的合金，即铁基合金，如普通碳钢、合金钢、不锈钢及铸铁,金属工业,有色金属 除铁之外的纯金属或以其为基的合金，如铝合金、镁合金、钛合金等,7,1.1.2.2无机材料,定义：由无机化合物构成的材料，包括锗、硅、碳之类的单质 所构成的材料。,半导体,硅酸盐是主要的无机材料，也是地壳上存在量最大的矿物。以此为主要成分可以制备玻璃、陶瓷、水泥等材
3、料。,特性：一般具有硬度大、脆性、强度高、抗化学腐蚀、对电和热 的绝缘性好等特点。,8,1.1.2.3高分子材料,高分子是由脂肪族和芳香族的C-C共价键为基本结构单元，重复叠 加的分子量在一万以上的大型分子。,用途与性质,天然高分子 合成高分子,主链结构,碳链高分子 杂链高分子 元素有机高分子,来源,橡胶 塑料 纤维 涂料 粘胶剂 功能高分子 聚合物基复合材料,分类,棉、麻、毛、丝 竹纤维,9,1.1.2.4复合材料,定义：由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质，用适当的工 艺方法组合起来，而得到的具有复合效应的多相固体材料。,基体为主：塑料基复合材料、金属基复合材料 分散材料为主：玻纤增强
4、复合材料等 基体-分散材料并用：木材-塑料复合材料等,命名方法,纤维增强复合材料，如钢筋混凝土、轮胎、玻璃钢等,强度高 刚性好,柔软 延展性好,高强度 抗疲劳 刚、强度/质量比大,10,复合效果,结构复合材料,功能复合材料,聚合物基复合材料,金属基复合材料,陶瓷基复合材料,水泥基复合材料,换能功能复合材料,阻尼吸声功能复合材料,导电导磁工程复合材料,屏蔽功能复合材料,复合效果分类,11,1.1.3材料科学的内容,化学角度 研究材料的化学组成、键性、结构与性能的关系规律,材料科学,物理角度 阐述材料的组成原子、分子及其运动状态与各种物性之间的关系,12,1.2材料结构简述,亚微观结构,借助光学显
5、微镜、电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构，尺寸约为10-710-4m,微观结构,包括原子及分子的结构以及原子和分子的排列结构,宏观组织结构,用肉眼或放大镜能观察到的晶粒、相的集合状态,对聚合物而言，大分子本身的尺寸可达到亚微观的范围。,13,1.2.1原子结构,14,弦理论（string theory），即弦论，是理论物理的一个分支学科。弦论的一个基本观点是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的“弦”（包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦）。弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。弦论中的弦尺度非常小，但操控它们
6、性质的基本原理预言，存在着几种尺度较大的薄膜状物体，后者被简称为“膜”。直观的说，我们所处的宇宙空间可能是9+1维时空中的D3膜。弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。,15,1.2.1量子力学角度描述电子运动,在原子内，电子具有不连续的能级，每个电子的能级和状态由四个 量子数即主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数决定。,电子所处量子壳层,自旋量子数ms决定电子的自旋方向，取值+1/2和-1/2,电子排布主要遵从两个原理： (1)泡利不相容原理 (2)能量最低原理,16,1.2.2结合键,定义：原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。,结合键,化学键,物理键
7、,离子键,共价键,金属键,偶极力,诱导力,色散力,主价键,次价键,氢键,无方向性、键能较大。NaCl/KBr结构稳定、熔点高、硬度大、膨胀系数小等,具有方向性和饱和性。CO2/Cl2除高分子外，一般共价键化合物延展性差,Fe/Cu等金属材料。由于电子的自由运动，金属键具有无方向性，非极性。延展性好。,分子间 作用力！,17,1.2.3原子排列,金属、陶瓷及高分子材料的一系列特性都和原子的排列密切相关。,气体,液体,晶体,非晶态固体,氩气,氧气,水蒸气,玻璃,冰,铁,松香,沥青,氖气,区分原子排列与分子排列的无序!,18,1.2.4非晶态结构,原子排列近程有序而远程无序的结构成为非晶态结构或无定
8、形结构。,非晶态的形成主要取决于熔体粘度，粘度较大时冷却过程中很难实现分子或离子长程有序的排列，因此可看成是粘滞性很大的过冷液体。 非晶态固体宏观上表现为各向同性，熔解时无明显的熔点，只是随温度的升高而逐渐软化，粘滞性减小，并逐渐过渡到液态。(玻璃化转变温度Tg) 塑性变形一般较大，导热率和热膨胀性都比较小。,19,1.2.5晶体结构,晶体是原子在三维空间呈周期性的无限有序排列的结构，这种周期性 排列的最小单位是晶胞。,晶胞形状及大小,典型离子化合物晶胞,CO2,20,1.2.5.1阵点数,阵点数,计算时需考虑阵点由几个晶胞共享，即晶胞各质点的占有率,体心1,面心1/2,棱边1/4,顶点1/8
9、,(a) (b) (c),Na=81/8+61/2=4 Nb=81/8+1=2 Nc=81/8=1,21,NaCl,配位数,配位数是一个原子或离子相邻最近的不同原子或离子的个数。 离子晶体中，指一个离子周围最近的异电性离子的数目。,对于体心的Cl-离子而言，与其距离最近的Na+离子个数为面心的6个Cl-离子，因此配位数是6.,1.2.5.2配位数,22,致密度,指晶胞中原子本身所占的体积百分数，即晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积的值。,1.2.5.3致密度,致密度=,a,原子个数=2 原子半径= 晶胞体积V=a3 致密度=,体心立方,23,1.2.5.4晶面和晶向,晶面：晶体中由原子组成的任一
10、平面成为晶面。 晶向：由原子组成的任一直线成为晶向。,在不同的晶面和晶向上原子的排列各不相同，显示出不同的性质，称为晶体的各向异性。 金属的变形就是沿着原子排列最紧密的方向和晶面发生的。,24,1.2.5.5同素异构转变,组成相同的材料可以具有不同的具体材料，例如石墨和金刚石都属于碳，但因晶体结构不同而具有显著不同的性质。,石墨层状晶体结构,金刚石晶体结构,改变温度或压力条件，可使固体从一种晶体结构转变为另一种 晶体结构，这种现象称为同素异构转变。,复杂晶体结构,25,石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如
11、果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。,第一：石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂；第二：石墨烯是世界上导电性最好的材料。,26,1.2.5.6多晶结构,由许多取向不同的晶粒组成的晶体称为多晶体。,多晶体的特点： 各种性能不仅决定于构成它的晶粒，同时也与晶粒界面的性质密切相关。 多晶体中晶粒是混乱排列的，一般表现为各向同性。,27,1.2.6晶体的结构缺陷,物质中的不均匀部分，例如微裂纹等，都可看做是结构缺陷。 缺陷属
12、于结构变化的一部分。,密度,导电性,比热容,介电损耗,折射率,塑性,介电性,脆性,对材料的结构缺陷 不敏感 敏感,结构 缺陷,点缺陷,体缺陷,28,1.2.6.1点缺陷,在实际晶体中，原子或离子围绕其平衡位置作高频率的热振动，并 且各原子或离子的振动能量时刻变化，即存在能量的起伏现象。获得 较高能量的某些原子或离子可脱离原来的平衡位置而迁移到其他位置， 从而产生各种类型的点缺陷，这也称为热缺陷。,置换原子出现在原来的正常点阵上,29,1.2.6.1点缺陷在材料中的作用,点缺陷对材料的光、电性能及力学性能都有很大的影响。 当点阵中存在空位或小的置换原子时，周围的原子就向着点缺陷 靠拢，将周围原子
13、之间的键拉长，因而产生一个拉应力场。 通过点缺陷附近运动的位错遇到原子偏离平衡位置的点阵，要求施 加更高的应力才能迫使位错通过缺陷，因此提高了材料的强度。,30,1.2.6.2线缺陷,线缺陷又称位错，是以一条线为中心的结构错乱。 晶体中最简单的位错是刃型位错和螺形位错。,存在中断的原子平面,原子平面沿一根与原子平 面相垂直的轴线盘旋上升,31,1.2.6.3面缺陷,面缺陷又称二维缺陷，是原子或分子在一个交界面的两侧出现不同 排列而形成的缺陷，如相界面、表面及晶界面。,表面能,物体表面层原子都有被拉向内部的趋势，如果把内部原子移到表面成为表面层原子，须克服向内的拉力而做工，所消耗的功就转变成表面
14、层原子的位能。,表面层原子一般比内部的原子具有过剩的能量，称为表面能。 形成单位表面积所需的能量称为比表面能，它相当于界面单位长度的力。,32,1.2.6.4体缺陷,体缺陷又称三维缺陷，一般指较宏观的结构缺陷，如孔洞、裂纹、 沉淀相、包裹物等。,在二维尺寸小，在另一维尺寸大，可被电镜观察到。,线缺陷,点缺陷,面缺陷,体缺陷,在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子。,在三维尺寸较大，如镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等。,在一维尺寸小，在另二维尺寸大，可被光学显微镜观察到。,小结,33,1.3材料的性能,性能,特征性能,功能性能,固有的,特性转换,热学性能,力学性能,电学性能,磁学性能
15、,光学性能,化学性能,光-热转换性能,热-电转换性能,力-电转换性能,光-电转换性能,磁-光转换性能,电-光转换性能,声-光转换性能,顺磁性,热容,吸附,介电性能,反射,弹性模量,红外技术,激光讯号调制,压力二极管,太阳能电池,34,1.4.1材料工艺过程,材料工艺过程包括材料的制备工艺(化学反应)和加工工艺过程(物 理过程)。,制备工艺：聚合、缩聚等 成型加工：压缩模塑、注射模塑、挤出、压延、铸塑、吹塑、混炼、纺丝等,高分子材料,工艺过程：铸造、焊接、压制、粉末冶金、热处理、冷加工等,金属材料,热力学+动力学,热力学是解决过程进行的可能性、方向及限度。 动力学是解决过程进行的速度，与过程进行
16、的推动力和阻力有关。,35,1.4.1.1热力学-相变,相：物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相。与固、液、气三态对应，物质有固相、液相、气相。 相变：物质从一种相转变为另一种相的过程。,特性相变 与电子或原子的集体特性发生变化有关。,相变,结构相变 与原子或分子的排列发生变化有关，又分为扩散型相变和非扩散型相变。,相图：用几何(图解)的方式来描述处于平衡状态下的物质的成分、相和外界条件的相互关系。,36,1.4.1.2动力学,动力学过程指过程进行的方式和途径，包括化学反应中的反应速率、结晶速率、蠕变、各种扩散过程等，与材料的内部结构有关。,结晶速率 成核及晶粒生长,晶粒大小及分布,多晶材料的性能及结构,材料的品种,例：,37,1.4.2材料工艺与材料结构及性能的关系,低压法：高密
