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1、高分子材料与陶瓷材料高分子材料高分子材料来源丰富，生产成本低廉。在生产以及日常生活中已经成为不可缺少的一类材料。按照用途可以将高分子材料分为塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等。高分子材料又称为高聚物。一、高分子材料的基本概念1. 高分子化合物是分子量特别大的一类化合物。一个高分子化合物种可能包含成千上万个原子。高分子化合物的分子量可以高达几万、几十万甚至上百万。原子之间以共价键连接起来。自然界中存在的纤维素、淀粉、蛋白质和天然橡胶都是由高分子化合物组成的。人工合成的各种塑料、橡胶和纤维也是由高分子化合物组成的。2. 高分子化合物的分子量虽然很大，但其化学成分组成一般都比较简单。组成高分子的元
2、素主要是碳、氢、氧、氮和硅等少数几种元素。整个高分子只不过是许多简单的结构单元重复连接起来的长链。合成高分子所用的小分子原料称为单体，在高分子中称重复结构单元，又叫链节。高分子中包含的重复结构单元的数目称为聚合度。聚合度越大，高分子的分子量越大。高分子材料由大量的大分子链聚集而成。合成时大分子链长短不一，其数量呈统计规律分布。高分子材料的分子量是大量分子链分子量的平均值。以各级分子量取平均值得到的平均分子量叫做重均分子量。二、高分子材料的人工合成高分子材料可使用小分子单体通过加聚反应或缩聚反应制备得到。1. 加聚反应含有双键的低分子化合物（单体）在光、热或引发剂的引发下使双键打开，由共价键互相
3、连接而形成大分子链的反应。由一种单体加聚而成的聚合物叫均聚物，如乙烯聚合得到聚乙烯。如果聚合物链由两种或两种以上的单体聚合而成，则称为共聚物，如 ABS 树脂是由丙烯腈（Acrylonitrile ） 、1,3- 丁二烯（Butadiene） 、苯乙烯（Styrene）三种单体聚合得到的。加聚反应得到的高分子其分子量等于单体分子量的加和。2. 缩聚反应由两种或两种以上具有官能团（决定分子化学性质的特殊原子团）的低分子化合物（单体） ，通过官能团的相互缩合作用，逐步合成为一种大分子链，同时析出一个小分子副产物（如水、氨或醇）等的反应。缩聚反应中，得到的高分子产物叫缩聚物。由于缩聚反应中生成低分子
4、副产物，缩聚高分子的组成不可能与原料单体的组成完全相同，缩聚高分子的分子量也不可能是单体分子量加和。但是在缩聚高分子链中仍保留着原料单体的结构特征。三、高分子化合物的基本性质1. 质轻：高分子化合物都具有较小的密度，如各种塑料的相对密度大致为 0.92.2。2. 比强度高：高分子材料在不少场合已逐步取代金属材料的位置，如已有“全塑汽车”问世。3. 弹性：高分子材料都具有弹性。广泛使用橡胶制造轮胎、减震密封垫片即是利用其高的弹性。4. 可塑性：在常温，或加热到一定温度下，高分子材料在压力作用下都可发生塑性变形，易于加工成形。5. 耐磨性：由于高分子材料具有弹性，用高分子材料制成摩擦副在相对运动时
5、不易咬合。而且聚四氟乙烯等高分子材料还有自润滑性，所以高分子材料一般耐磨损。6. 绝缘：高分子材料是电和热的绝缘体。7. 耐腐蚀：高分子材料不会发生电化学腐蚀。但高分子的老化可认为是一种广义的腐蚀破坏。四、高分子材料的力学状态高分子材料随温度变化，可呈现不同的力学状态，对高分子材料的加工成形和使用都具有重要意义。在恒定载荷作用下，线型无定型高聚物在不同温度范围存在三种状态：1. 玻璃态温度较低时，高聚物呈刚性固体状，在外力作用下只发生很小的且可恢复的形变。一般以塑料形式使用的状态是高分子材料的玻璃态。所有室温下处于玻璃态的高聚物都叫塑料。2. 高弹态在超过玻璃化转变温度 Tg 后，高聚物会变成
6、柔软的弹性体。在载荷的作用下，形变明显增加。去掉外力后，形变可回复，但需要时间。高弹态又称橡胶态，是橡胶的使用状态，所有室温下处于高弹态的高分子材料都叫橡胶。3. 粘流态温度高于软化温度 Tf 时，高聚物处于粘性流体状态，可以流动。粘流态是高聚物流变加工成形的工艺状态。五、高分子材料的应力-应变行为室温下高分子材料有四种典型的应力-应变行为：1. 刚而脆：弹性模量大，但强度低，断裂时形变小，呈现脆断特征。如聚苯乙烯塑料。2. 刚而强：弹性模量大，且强度高，断裂时形变小，呈现脆断特征。如有机玻璃、硬聚氯乙烯等。3. 软而韧：弹性模量小，且强度低，断裂时形变大，具有一定的韧性。如聚酸脂和一部分结晶
7、高聚物。4. 刚而韧：弹性模量大，且强度高，断裂时形变大，具有一定的韧性。如多数橡胶材料。与金属材料相比，高聚物的弹性模量和强度要低得多，最大可能的断裂伸长率又比金属高得多（即高分子材料具有更强的塑性）： 高聚物的弹性模量范围为 735GPa，金属材料的弹性模量范围为 48410Gpa。 高聚物的最大强度为 240MPa，金属材料中某些合金的强度可高达 4100Mpa。 高弹态高聚物的断裂伸长率可达到 1000%，而一般金属塑性变形时最大的断裂伸长率不超过 100%。高聚物的应力-应变行为受温度影响很大。随温度升高，弹性模量和强度下降，断裂伸长率增加。如有机玻璃，在 40oC 时是典型的刚而脆
8、的材料，而到 660oC 时，变成典型的刚而韧的材料。六、常用高分子材料高聚物根据力学性能和使用状态可分为橡胶、塑料、合成纤维、胶粘剂和涂料等五类，但是各种高聚物之间并无严格的界限。同一种高聚物采用不同的合成方法和成形工艺，可以制成不同使用状态的产品。如尼龙，即可制成塑料，也可制成纤维。某些高聚物，在室温下既有玻璃态性质，又有很好的弹性，很难明确归类为塑料或橡胶。如聚氨酯类高聚物。1. 塑料塑料工业已有 100 多年的历史，是高分子材料工业中生产最早、发展最快、产量最大、应用最广的一个行业。每隔五年，世界塑料产量就翻一番。塑料是以树脂为基础，加入各种添加剂，在一定温度、压力下可塑制成形的材料。
9、树脂是塑料的基体，约占塑料质量的 40%100%，决定了塑料的主要性能。添加剂是为改进塑料的使用性能和工艺性能而加入的其他成分。如增塑剂可提高塑料的柔软性和成形能力；填充剂可改善尺寸稳定性和减磨、耐磨、自润滑性；防老剂用于防止塑料在加工和使用过程中，因受热、光、氧等的影响而过早老化等。按应用范围，可将塑料分为：通用塑料、工程塑料和耐高温塑料等。按受热后的性能，可分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料由聚合树脂制成，仅加入少量稳定剂和润滑剂。具有加热软化，冷却变硬，可多次重复使用的特点可用注射、挤出、吹塑等工艺成形。热固性塑料以缩聚树脂为基础，加入固化剂，在一定条件下发生化学反应，固化为不熔的坚
10、硬制品。可用模压、层压、浇铸等工艺成形。2. 橡胶橡胶是具有高弹态的轻度交联的线型高聚物，在-40 oC80oC 范围内处于高弹态，在较小的负荷作用下可发生大的变形，除去负荷后又能很快恢复原来的形状。橡胶的强度和弹性模量比塑料低，但伸长率比塑料大得多，表现为弹性材料。橡胶具有优良的伸缩性、良好的储能能力和耐磨、隔音、绝缘等性能，被广泛用于制作密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等制品。橡胶制品是在生胶中加入各种配合剂，经过硫化处理所得到的产品。加入的配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂等。橡胶有天然橡胶和合成橡胶。合成橡胶又分为通用合成橡胶（轮胎、运输带、胶管、垫片、密封装
11、置等）和特种合成橡胶（高温、低温、酸、碱、油和辐射介质等条件的橡胶制品） 。3. 合成纤维合成纤维是化学纤维中的一类，化学纤维可分为人造纤维和合成纤维。人造纤维是以天然高分子纤维素或蛋白质为原料，经过化学改性而制成的，如粘胶纤维（人造棉） 、醋酸纤维（人造丝） 、再生蛋白质纤维等。合成纤维是由合成高分子为原料，通过拉丝工艺获得纤维。最早的合成纤维是美国杜邦公司于 1938 年发明的尼龙。自尼龙的问世之日起，合成纤维工业发展速度很快，产量直线上升，品种也越来越多。合成纤维具有强度高、耐磨、保暖、不霉烂的优点。除广泛用作衣料等生活用品外，在工农业、国防也有重要应用。最重要的六大合成纤维是： 聚酯纤
12、维：涤纶（的确良） 聚酰胺纤维：锦纶（人造毛） 、尼龙、芳纶 聚丙烯腈纤维：腈纶 聚乙烯醇缩醛纤维：维纶 聚烯烃：氯纶 含氯纤维：氟纶4. 胶粘剂粘合是指两种相同或不同材料的表面通过各种界面力而结合在一起。这种界面力是通过胶粘剂，也就是各种聚合的单体通过聚合反应而实现的。与铆接、焊接相比，在飞机上使用胶接结构，具有抗疲劳、结构重量轻、气动外形好、可降低成本、可连接不同的材料和级薄的材料等优点。胶粘剂由基料、固化剂、填料、溶剂或稀释剂、增塑剂与增韧剂、偶联剂、稳定剂、性能改良剂、防霉剂等组成。5. 涂料涂料可以保护飞机结构材料不受环境侵蚀，保持材料和结构的强度；不同色泽的涂料可起到装饰、伪装和标
13、志作用；涂漆后可使飞机表面平整光顺，改善气动性能。涂料的基本原料为油脂、天然树脂、合成树脂、颜料、填料、溶剂、助剂。树脂在涂料中起到形成漆膜的作用，称为成膜物质。涂料按成膜物质分为： 醇酸树脂涂料 丙烯酸树脂涂料 聚氨酯树脂涂料 聚丙烯树脂涂料 环氧树脂涂料 双组分涂料目前民用飞机的外表面涂料主要是聚氨酯树脂涂料和环氧树脂涂料。陶瓷材料一、陶瓷材料的含义以往，陶瓷材料指硅酸盐材料和氧化物材料，主要用于日用器皿和建筑材料。现在，陶瓷材料则泛指无机非金属材料、非金属磁性材料以及电绝缘、耐高温、耐腐蚀、耐磨的金属与非金属的化合物材料。陶瓷材料可用作结构材料和特种用途材料，已与金属材料和高分子材料一起
14、成为构成工程材料的三大支柱。二、陶瓷材料的性能与应用陶瓷材料的原子之间大都以共价键和离子键结合，且键合能量高，所以陶瓷材料通常具有熔点高、硬度高、化学和热的稳定性好的特点。陶瓷最大的缺点是塑性差，多数陶瓷材料在常温下没有塑性。陶瓷的应力-应变曲线上通常只出现弹性变形，断裂呈现脆性断裂的特征。陶瓷材料还具有绝缘、绝热的性质。高温高强度陶瓷可用于喷气发动机和燃气轮机的高温零件，如涡轮叶片等。超硬陶瓷主要用于制造刀具、刃具和模具。工程结构陶瓷在航空领域的应用如： 发动机的涡轮叶片（SiC 、Si 3N4）和燃烧室（Si 3N4） 雷达天线保护罩（Al 2O3、 ZrO2） 陀螺仪轴承（Al 2O3）红外线探测窗口（MgO、Y 2O3）
